一种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及的是一种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置。包括石英腔体、金属吊杆、石英靶棒、提升部马达、卡盘、排气主管道、排气支管道、石英喷灯、原料气体气盘、废气处理塔、风机组、风速测定仪、电磁风阀、移动马达、活动盖板、连接杆、工控机、PC机。提升部马达与卡盘相连，卡盘夹持住金属吊杆，将石英靶棒悬挂在金属吊杆末端，并伸入石英腔体内，提升部马达控制卡盘的上升和旋转。石英喷灯安装在石英腔体右侧，通过管道与原料气体气盘相连。排气主管道安装在石英腔体左上侧，在排气主管道内安装有风速测定仪。排气主管道连接到废气处理塔，再连接到风机组。在排气管道上开一排气支管道，并在排气支管道内安装电磁风阀。
【专利说明】
一种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置
技术领域
[0001]本实用新型一种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置及其方法涉及的是一种VAD法光纤预制棒芯棒的制造，具体的说是一种通过监测进风和排风风量并参与控制来维持沉积腔体内气流稳定的装置及其方法，使用该装置和方法制造的芯棒粉末棒烧结后气泡较少，有效提升芯棒的利用率，且具有较高的棒径均匀性，有效提升光纤的参数一致性。
【背景技术】
[0002]随着光纤预制棒技术的发展，目前较成熟的预制棒芯棒的制备方法主要有轴向气相沉积法(VAD)、改进的化学气相沉积法(MCVD)、等离子体化学气相沉积法(MCVD)。本专利使用装置背景为轴向气相沉积(VAD)。
[0003]VAD法制造芯棒是在反应腔体内用喷灯喷出SiC14/GeC14/H2/02等的混合气体，经燃烧生产Si02、Ge02等粉末，粉末通过热泳沉积在腔体中心的石英靶棒上，靶棒随卡盘旋转并上升，逐步沉积为芯棒粉末棒。
[0004]芯棒沉积工艺中粉末棒的棒径均匀将影响芯棒参数的一致性，进而影响光纤的主要参数，如模场直径、截止波长等，因此控制沉积芯棒的棒径均匀对保证光纤的质量有重要意义。在棒径均匀性的影响的因素中，喷灯流量配比和反应气流稳定性最为关键。喷灯流量配比直接影响粉末生成量，但喷灯流量配比可以通过试验的方式得出最合理配比，并且由高精度质量流量计控制流量的稳定性。因此沉积的气流稳定性将对棒径的均匀性起决定性作用，反应生成的Si02/Ge02粉末一部分沉积到革E棒和棒体上，剩余的被腔体抽风气流排出，稳定的气流将保证沉积到棒体上去的粉末量维持稳定，故需要在线动态控制沉积腔体内的进风和排风风量，保持一种稳定的腔体气流环境。
[0005]传统的芯棒沉积工艺中采用压力计控制腔体负压，并实时调整，这种压力反馈控制模式下，随着粉末棒沉积的长度变化，会存在误差，导致实际腔体内气流量不稳定，未能沉积到粉末棒上的粉末随气流二次沉积，在粉末棒中形成密度差异点，烧结后易形成气泡，造成芯棒浪费。故保持稳定的腔体气流环境还能有效将未能沉积的粉末排出腔体，减少气泡形成，提升芯棒的利用率。
[0006]中国发明专利CN201310152085.0里介绍了一种利用红外热像技术采集粉末棒表面温度并参与控制气体流量的装置，可以防止粉末密度差大而开裂，但未提及进风和排风的风量监测及控制。
[0007]中国发明专利CN201410708948.2里介绍了一种芯层和包层排气分开的装置，并且通过压力反馈，保证芯层火焰和芯层沉积区域的稳定性，但未提及进风和排风的风量监测及控制。
【发明内容】
[0008]本实用新型的目的是针对上述不足之处提供一种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置及其方法，可以有效解决光纤预制棒芯棒轴向生长的棒径不均匀问题，从而确保芯棒的基本参数轴向均匀分布，还能降低芯棒粉末棒中的气泡数量，提升芯棒利用率。
[0009]本实用新型需要监测沉积腔体的进风和排风风量并参与控制来维持沉积腔体内气流稳定，使光纤预制棒芯棒轴向直径均匀生长。设定进风和排风风量的控制目标值，由于排风风管截面积保持不变，因此当排风风量大于设定目标值时，排风阀门调节开度来降低排风风速，进而降低排风风量至目标值，当排风风量小于设定目标值时，排风阀门调节开度来增大排风风速，进而增大排风风量至目标值。由于进风风量是被动补风，因此当进风风量大于设定目标值时，进风口增大进风面积来降低风量，当进风风量小于设定目标值时，进风口减小进风面积来降低风量。最终，通过进风和排风的风量定量控制，维持沉积腔体内的气流稳定。
[0010]—种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置及其方法是采取以下方法实现:
[0011]本实用新型一种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置包括石英腔体、金属吊杆、石英靶棒、提升部马达、卡盘、排气主管道、排气支管道、石英喷灯、原料气体气盘、废气处理塔、风机组、风速测定仪、电磁风阀、移动马达、活动盖板、连接杆、工控机、PC机。
[0012]在轴向气相沉积(VAD)方法下沉积光纤预制棒芯棒(下简称芯棒)，提升部马达与卡盘相连，卡盘夹持住金属吊杆，将石英靶棒悬挂在金属吊杆末端，并伸入石英腔体内，提升部马达控制卡盘的上升和旋转，沉积过程中芯棒保持旋转(转速一般在15?30r/min)，并以一定的速度(一般在30?60mm/h)上提。石英喷灯安装在腔体右侧，通过管道与原料气体气盘相连，沉积时SiC14/GeC14/H2/02等原料气体从石英喷灯中喷出，并燃烧发生化学反应生成Si02粉末，粉末堆积在预先放好的石英靶棒上，石英靶棒不断旋转和上提，进行芯棒沉积。
[0013]在石英腔体的排气主管道和石英腔体上部活动盖板进风处安装风速测定仪，并将测得的风速数值传送给工控机，工控机计算出当前实际风量，并通过PID运算比较其与目标风量大小，调整电磁风阀和移动马达的开合度，使实际风量与目标风量一致，风速数值将传送给PC机，显示在显示屏上，实时监控风量变化。
[0014]排气主管道安装在石英腔体左上侧，在石英腔体的排气主管道内安装有风速测定仪，用于测定从石英腔体内抽取的风量。排气主管道连接到废气处理塔，再连接到风机组，通过风机组的抽风，将沉积过程中的废气吸入废气处理塔进行废气处理。在排气主管道上开一排气支管道，该排气支管道抽入空气作为补风，并在排气支管道内安装电磁风阀，电磁风阀的开合可以控制补风的风量大小。石英腔体顶端安装有活动盖板，活动盖板通过连接杆与移动马达相连，移动马达可以控制活动盖板的开合，改变活动盖板空隙的面积，从而改变进入腔体的风量大小。石英腔体上部活动盖板进风处安装有风速测定仪。上述风速测定仪通过控制线与工控机的输入端口相连，电磁风阀和移动马达通过控制线与工控机的输出端口相连，工控机再与PC机用数据线相连。
[0015]—种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制方法，是通过监测进风和排风风量并参与控制来维持沉积腔体内气流稳定的控制方法。
[0016]—种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制方法，如下:
[0017]首先，在PC机设定目标控制风量值，活动盖板进风风量值为1.8?2.3m 3/min，一般为2m3/min，排风主管道排风风量为5?6.5 m3/min,一般为5.8 m3/min，再在PC机设定排气主管道的实际截面积和活动盖板空隙的实际截面积。在芯棒沉积过程中，环境中的空气通过腔体顶部的活动盖板中间的空隙进入腔体内，带动石英腔体内的废气(HCl、水蒸气)和未能沉积的Si02粉末通过排气主管道进入废气处理塔内，主排气管道和活动盖板处的风速测定仪将测得的风速数值传送给工控机。工控机计算出当前实际风量，并比较其与目标风量大小，调整电磁风阀和移动马达的开合度，使实际风量与目标风量一致，该过程的数值将传送给PC机，显示在显示屏上，实时监控风量变化。
[0018]当排气主管道处风量数值:风量=风速测量仪数值X排气主管道截面积，大于设定的目标控制风量值时，工控机将通过PID运算，增加电磁风阀开度，增大补风，从而减少从沉积腔体内的抽风，使得抽风风量与设定目标控制风量值接近或相等。当排气主管道处风量数值小于设定的目标控制风量值时，工控机将通过PID运算，减少电磁风阀开度，减少补风，从而增加从沉积腔体内的抽风，使得抽风风量与设定目标控制风量值接近或相等。
[0019]当活动盖板处风量数值:风量=风速测量仪数值X活动盖板空隙截面积，活动盖板处于初始位置时空隙截面积为So，移动马达开始移动后通过转数转换得出移动距离，再计算出空隙变化面积S1，实际截面积=So+Si，大于设定的目标控制风量值时，工控机将通过PID运算，控制移动马达减少活动盖板开度，减少进风，使得进风风量与设定目标控制风量值接近或相等。当活动盖板处风量数值小于设定的目标控制风量值时，工控机将通过PID运算，控制移动马达增加活动盖板开度，增加进风，使得进风风量与设定目标控制风量值接近或相等。
[0020]一、本实用新型用于制造光纤预制棒芯棒，具有如下特点:
[0021]1.同时控制排风和进风风量，通过PID实时调整，减少外界因素对沉积气流环境的影响，确保了沉积稳定。
[0022]2.较目前的VAD芯棒沉积通过负压反馈的气流稳定控制方法，该发明通过量化进风和排风的风量，控制了沉积环境的气流稳定，并实时监控，避免了随着粉末棒在腔体内变长而导致负压不准的问题。
[0023]3.本实用新型制造的光纤预制棒芯棒沉积环境气流稳定，粉末棒烧结后气泡少，极大的提高了芯棒的利用率。
[0024]4.本实用新型制造的光纤预制棒芯棒沉积环境气流稳定，确保了各喷灯的沉积效率稳定，因此芯棒粉末棒直径更为均匀，测试参数T/a—致性更优。
【附图说明】
[0025]以下将结合附图对本实用新型作进一步说明:
[0026]图1是本实用新型的装置示意图。
[0027]图2是压力反馈控制模式与本实用新型下的芯棒内气泡数量对比图。
[0028]图3是压力反馈控制模式与本实用新型下的芯棒粉末棒直径对比图。
[0029]图1中各部示意:1:石英腔体、2:金属吊杆、3:石英靶棒、4:提升部马达、5:卡盘、6:排气主管道、7:排气支管道、8:石英喷灯、9:原料气体气盘、10:废气处理塔、11:风机组、12:风速测定仪、13:电磁风阀、14:移动马达、15:活动盖板、16:连接杆、17:工控机、18:PC机。
【具体实施方式】
[0030]参照附图1，一种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置包括石英腔体1、金属吊杆2、石英靶棒3、提升部马达4、卡盘5、排气主管道6、排气支管道7、石英喷灯8、原料气体气盘9、废气处理塔1、风机组11、风速测定仪12、电磁风阀13、移动马达14、活动盖板15、连接杆16、工控机17、PC机18。
[0031 ]在轴向气相沉积(VAD)方法下沉积光纤预制棒芯棒(下简称芯棒)，提升部马达4与卡盘5相连，卡盘5夹持住金属吊杆2，将石英革El棒3悬挂在金属吊杆2末端，并伸入石英腔体I内，提升部马达4控制卡盘5的上升和旋转，沉积过程中芯棒保持旋转(转速一般在15?25r/min)，并以一定的速度(一般在40?80mm/h)上提。石英喷灯8安装在石英腔体I右侧，通过管道与原料气体气盘9相连，沉积时SiC14/GeC14/H2/02等原料气体从石英喷灯8中喷出，并燃烧发生化学反应生成Si02粉末，粉末堆积在预先放好的石英靶棒3上，石英靶棒3不断旋转和上提，进行芯棒沉积。
[0032]排风主管道6安装在石英腔体I左上侧，在排气主管道6内安装有风速测定仪12，用于测定从石英腔体I内抽取的风量。排气主管道6连接到废气处理塔10，再连接到风机组11，通过风机组11的抽风，将沉积过程中的废气吸入废气处理塔10进行废气处理。在排气主管道6上开一排气支管道7，该排气支管道7抽入空气作为补风，并在排气支管道7内安装电磁风阀13，电磁风阀13的开合可以控制补风的风量大小。石英腔体I顶端安装有活动盖板15，活动盖板15通过连接杆16与移动马达14相连，移动马达14可以控制活动盖板15的开合，改变活动盖板15空隙的面积，从而改变进入石英腔体的风量大小。活动盖板15进风处安装风速测定仪12，上述风速测定仪12通过控制线与工控机17的输入端口相连，电磁风阀13和移动马达14通过控制线与工控机17的输出端口相连，工控机再与PC机18用数据线相连。
[0033]—种通过监测进风和排风风量并参与控制来维持沉积腔体内气流稳定的控制方法如下:
[0034]首先，在PC机18设定目标控制风量值，活动盖板15进风风量值为1.8-2.3m 3/min，一般为2m3/min，排风主管道排风风量为5?6.5 m3/min,一般为5.8 m3/min，再在PC机18设定排气主管道6的实际截面积和活动盖板15空隙的实际截面积。在芯棒沉积过程中，环境中的空气通过石英腔体I顶部的活动盖板15中间的空隙进入石英腔体I内，带动石英腔体I内的废气(HC1、水蒸气)和未能沉积的Si02粉末通过排气主管道6进入废气处理塔10内，排气主管道6和活动盖板15处的风速测定仪12将测得的风速数值传送给工控机17。工控机17计算出当前实际风量，并比较其与目标风量大小，调整电磁风阀13和移动马达14的开合度，使实际风量与目标风量一致，风速数值将传送给PC机18，显示在显示屏上，实时监控风量变化。
[0035]当排气主管道6处风量数值:风量=风速测量仪数值X排气主管道截面积，大于设定的目标控制风量值时，工控机17将通过PID运算，增加电磁风阀13开度，增大补风，从而减少从沉积石英腔体I内的抽风，使得抽风风量与设定目标控制风量值接近或相等。当排气主管道处风量数值小于设定的目标控制风量值时，工控机17将通过PID运算，减少电磁风阀13开度，减少补风，从而增加从沉积石英腔体I内的抽风，使得抽风风量与设定目标控制风量值接近或相等。
[0036]当活动盖板15处风量数值:风量=风速测量仪数值X活动盖板空隙截面积，活动盖15处于初始位置时空隙截面积为So，移动马达开始移动后通过转数转换得出移动距离，再计算出空隙变化面积S1，实际截面积=So+Si，大于设定的目标控制风量值时，工控机17将通过PID运算，控制移动马达14减少活动盖板15开度，减少进风，使得进风风量与设定目标控制风量值接近或相等。当活动盖板15处风量数值小于设定的目标控制风量值时，工控机17将通过PID运算，控制移动马达14增加活动盖板15开度，增加进风，使得进风风量与设定目标控制风量值接近或相等。
[0037]实施例一:
[0038]图2为压力反馈控制模式与本实用新型下的芯棒内气泡数量对比。随机抽取50根压力反馈控制模式沉积的芯棒和50根本实用新型沉积的芯棒，经过相同的烧结工艺，再对比烧结后芯棒内的气泡数量，可以看出使用本实用新型监测进风和排风风量并控制装置其芯棒气泡数量为<5个/根，使用压力反馈控制模式其芯棒气泡数量为O?15个/根。
[0039]实施例二:
[0040]图3为压力反馈控制模式与本实用新型下的芯棒粉末棒直径对比。随机抽取一根压力反馈控制模式沉积的芯棒和一根本实用新型沉积的芯棒，对比粉末棒外径可以看出使用本实用新型监测进风和排风风量并控制装置其芯棒直径波动为0.5mm内，使用压力反馈控制模式其芯棒直径波动为2?3mm。
[0041]实例中，选定各部的型号如下:
[0042]所述的风速测定仪12采用市售OMEGA FMA1000型风速测定仪。
[0043]所述的电磁风阀13采用市售迪海ZFG-D9JP-A型电磁风阀。
[0044]所述的提升部马达4采用市售YASKAWA SGMLV-A5ADA6H761型提升部马达。
[0045]所述的移动马达14采用市售ORIENTAL MOTOR C7214-9015-1型移动马达。
[0046]所述的工控机17采用市售HITACH EH150型工控机。
[0047]所述的PC机18采用市售DELL型PC机。
【主权项】
1.一种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置，其特征在于:包括石英腔体、金属吊杆、石英靶棒、提升部马达、卡盘、排气主管道、排气支管道、石英喷灯、原料气体气盘、废气处理塔、风机组、风速测定仪、电磁风阀、移动马达、活动盖板、连接杆、工控机和PC机； 提升部马达与卡盘相连，卡盘夹持住金属吊杆，将石英靶棒悬挂在金属吊杆末端，并伸入石英腔体内，提升部马达控制卡盘的上升和旋转;石英喷灯安装在石英腔体右侧，通过管道与原料气体气盘相连;排气主管道安装在石英腔体左上侧，在排气主管道内安装有风速测定仪，用于测定从石英腔体内抽取的风量;排气主管道连接到废气处理塔，再连接到风机组;在排气管道上开一排气支管道，并在排气支管道内安装电磁风阀;石英腔体顶端安装有活动盖板，活动盖板通过连接杆与移动马达相连，移动马达可以控制活动盖板的开合，石英腔体上部活动盖板进风处安装有风速测定仪;上述风速测定仪通过控制线与工控机的输入端口相连，电磁风阀和移动马达通过控制线与工控机的输出端口相连，工控机再与PC机用数据线相连。2.根据权利要求1所述的一种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置，其特征在于:在石英腔体的排气主管道和石英腔体上部活动盖板进风处安装风速测定仪，并将测得的风速数值传送给工控机，工控机计算出当前实际风量，并通过PID运算比较其与目标风量大小，调整电磁风阀和移动马达的开合度，使实际风量与目标风量一致，风速数值将传送给PC机，显示在显示屏上，实时监控风量变化。3.根据权利要求1所述的一种稳定光纤预制棒芯棒生长的风量控制装置，其特征在于:沉积过程中光纤预制棒芯棒保持旋转，转速在15?30r/min，并以30?60mm/h的速度上提。
【文档编号】C03B37/018GK205420170SQ201520975200
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年11月30日
【发明人】秦钰, 沈春, 沈一春, 钱宜刚
【申请人】中天科技精密材料有限公司, 江苏中天科技股份有限公司