CN1951849B - 用于制造烟灰预制棒的装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造烟灰预制棒的装置，所述装置包括用于将通过火焰水解作用所产生的烟灰淀积到烟灰预制棒上的至少一个喷灯。蒸发器使液态源材料蒸发。加热器加热稀释气体。所述蒸发器和所述加热器共同经由单一管子分别将蒸发的源材料和已加热的稀释气体供应到所述喷灯。

Description

用于制造烟灰预制棒的装置
技术领域
本发明涉及一种用于制造光纤预制棒的装置和方法，更具体地，涉及一种通过火焰水解作用来制造烟灰预制棒的装置和方法。
背景技术
通常，使用外部气相淀积法或内部气相淀积法来制造光纤预制棒。外部气相淀积方法包括为经常使用、商业化的方法的外部气相淀积法(OVD)以及气相轴向淀积法(VAD)。
在OVD和VAD中，使用多个喷灯来产生火焰。通过火焰水解作用所产生的烟灰淀积到一起动杆(starting rod)，以产生接着要烧结以形成光纤预制棒的烟灰预制棒。
VAD使用喷灯将烟灰淀积到排列在一垂直轴上的起动杆上，使得可以轴向地在所述杆上生长出纤芯(core)和包覆层(cladding)以制造烟灰预制棒。
烟灰淀积期间，大量材料被供应到喷灯。这些材料包括由玻璃成形材料SiCl4以及折射率控制材料(例如GeCl4或POCl3)组成的源材料、由氢气H2或碳氢化合物易燃材料组成的可燃气体、由用于根据可燃气体的燃烧反应产生火焰的氧气(O2)组成的氧化气体以及由用于控制化学反应和火焰温度的氩气Ar组成的惰性气体。通常，使用同轴多端口喷灯。单一的同轴多端口喷灯包括多个同轴的管子，所述管子以同中心的方式相对于彼此排列。当使用同轴4-端口喷灯时，将源材料供应到所述喷灯的中央端口，将可燃气体供应到第一外端口，将惰性气体供应到第二外端口，以及将氧化气体供应到第三外端口。从所述喷灯的中央至外周边分别设置中央端口以及第一至第三外端口。
由于源材料(例如SiCl4)通常为液态，所以应该首先使源材料蒸发以供应到所述喷灯。在这个连接中，下述方法适用于蒸发。
第一种蒸发方法使用一起泡器(bubbler)。起泡器包含处于适当温度条件下的液态源材料，并且将载气(carrier gas)释放到源材料中以使源材料内产生泡沫，从而使源材料蒸发。
第二种蒸发方法使用一蒸发器。蒸发器包含液态源材料，并且通过加热到高于源材料的沸点的温度使源材料蒸发。
上述蒸发方法会加热使起泡器(或者蒸发器)连接到所述喷灯的管子并使所述管子绝热。所述管子用作用于源材料的传送通道，以防止源材料在传送期间凝结。
在使用起泡器的第一种方法中，使起泡器连接到喷灯的管子可以保持相对较低的温度，从而降低管理费用。
然而，第一种方法具有相对较低的生产率。当为了加速淀积速度而增加源材料的量时，会使用增加量的载气，从而使火焰的温度下降并增加源材料的流动速率。结果，淀积速率和效率均会降低。
使用蒸发器的第二种方法可以调节用于加热源材料的温度而无需使用载气。因此，这种方法可以很容易地以较高生产率增加供应到喷灯的源材料的量。
然而，第二种方法会导致相对较高的管理成本。用于传送源材料的使蒸发器连接到喷灯的管子应该保持高温。这会缩短安装在管子上的加热电缆的寿命，使得管子绝热变得困难并增加点燃的可能性。
因此非常需要提供一种具有高生产率和低管理成本的用于制造烟灰预制棒的装置。
发明内容
提出本发明以解决现有技术中出现的上述问题，并且，本发明的一个方面提供一种具有高生产率和低管理成本的用于制造烟灰预制棒的装置。
为了实现本发明的上述目的，提供一种用于制造烟灰预制棒的装置。所述装置包括用于将通过火焰水解作用所产生的烟灰淀积到烟灰预制棒上的至少一个喷灯。蒸发器使液态源材料蒸发。加热器加热稀释气体(dilution gas)。所述蒸发器和所述加热器共同经由单一管子分别将蒸发的源材料和加热的稀释气体供应到所述喷灯。
根据本发明的一个方面，提供一种用于制造烟灰预制棒的装置，包括：分别用于将通过火焰水解作用所产生的烟灰淀积到烟灰预制棒上的第一喷灯和第二喷灯；用于蒸发液态源材料以产生蒸发的源材料的蒸发器；以及用于加热稀释气体以产生加热的稀释气体的加热器；以及第一管子和第二管子，所述装置被配置成使所述蒸发器和所述加热器共同通过所述第一管子和第二管子分别将所述蒸发的源材料和所述加热的稀释气体供应到所述第一喷灯和第二喷灯。
在一个例子中，所述加热器能够进行的加热操作是为了达到高于要蒸发的所述源材料的沸点的温度。
根据本发明的另一个方面，提供了一种包括根据本发明所述的装置的***，并且进一步包括所述稀释气体，其中所述稀释气体包括氩气、氪气以及氙气中的至少一个。
在一个例子中，所述的装置配置成用于使所述第一管子和第二管子保持在高于要蒸发的所述源材料的沸点的温度。
在一个例子中，所述的装置配置成用于使所述加热的稀释气体保持在90℃至120℃的温度范围内，并且用于使所述加热的稀释气体的供应速率保持在10到100sccm的范围内。
在一个例子中，所述的装置配置成使所述蒸发的源材料和所述加热的稀释气体在所述第一管子的第一支管内相混合。
在一个例子中，所述第一管子还包括分别输送所述蒸发的源材料的第二支管和所述加热的稀释气体的第三支管。
在一个例子中，所述第一管子的所述第一支管、第二支管和第三支管在一汇合处连接在一起。
在一个例子中，所述的装置进一步配置成使所述蒸发器和所述加热器共同经由所述第二管子分别将来自所述蒸发器的源材料和来自所述加热器的稀释气体供应到所述第二喷灯。
在一个例子中，所述的装置配置成使来自所述蒸发器的所述源材料和来自所述加热器的所述稀释气体在所述第二管子的第一支管内相混合。
在一个例子中，所述第二管子还包括分别输送来自所述蒸发器的所述源材料的第二支管和来自所述加热器的所述稀释气体的第三支管。
在一个例子中，所述第二管子的第一支管、第二支管和第三支管在一汇合处连接在一起。
在一个例子中，所述的装置进一步配置成使所述蒸发器和所述加热器共同经由第二管子分别将来自所述蒸发器的源材料和来自所述加热器的稀释气体供应到所述第二喷灯。
在一个例子中，烟灰预制棒具有纤芯和包覆层，所述装置配置有所述第一喷灯和所述第二喷灯，所述第一喷灯和第二喷灯被设置以分别应用于所述纤芯和所述包覆层。
在一个例子中，所述稀释气体包括氦气。
附图说明
本发明的上述及其它的目的、特征以及优点将从以下结合附图的详细说明而更加明显，其中：
图1为说明根据本发明的一个优选实施例的用于制造烟灰预制棒的装置的例示性实施例；以及
图2为说明图1中的第一喷灯或者相同结构的第二喷灯的视图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图说明本发明的一个优选实施例。在所述图示中，相同元件尽管在不同的图示中示出但是会由相同的参考符号或字符来标示。此外，为了清楚和简明省略对众所周知的功能和配置的说明。
图1经由说明性且非限制性的实例示出本发明的一个优选实施例的用于制造烟灰预制棒的装置。装置100包括用于产生烟灰的第一和第二喷灯130，140、用于蒸发源材料S的蒸发器150、用于加热稀释气体GD的加热器160以及第一和第二管子170，180。
排列在垂直轴110上的烟灰预制棒120包括起动玻璃杆以及通过将烟灰淀积到起动杆的端部上而形成的纤芯122和包覆层124。纤芯122具有相对较高的折射率。环绕纤芯122的包覆层124具有相对较低的折射率。首先，使用第二喷灯140将烟灰淀积到起动杆的端部上以形成一球体。持续淀积烟灰直到形成具有预定尺寸的球体为止。接着，使用第一和第二喷灯130，140在所述球体上同时形成纤芯122和包覆层124。当纤芯和包覆层直接生长在起动杆的端部上而没有形成球体时，烟灰预制棒120会与起动杆相分离或者由于自身重量而出现裂缝。
在烟灰淀积期间，烟灰预制棒120旋转并以预定速度向上移动。具体地，烟灰预制棒120同时会绕着一垂直轴110旋转。此外，烟灰预制棒120沿着垂直轴110向上移动以在向下的方向上不断地生长。在下文中，烟灰预制棒120的生长方向指的是向下的方向。
第一喷灯130的纵轴以锐角相对于垂直轴110倾斜。第一喷灯130引导火焰朝着烟灰预制棒120的端部，使得纤芯122可以从烟灰预制棒120的端部向下生长。将由玻璃成形材料SiCl4以及折射率控制材料(例如GeCl4)组成的源材料S、由氦气(He)组成的稀释气体GD、由氢气(H2)组成的可燃气体GF、由氩气(Ar)组成的惰性气体GI以及由氧气(O2)组成的氧化气体GO供应给第一喷灯130。
稀释气体GD可以为氩气(Ar)、氪气(Kr)或氙气(Xe)。折射率控制材料可以为GeCl4或POCl3。
图2为第一喷灯130的横截面的一个例示性实施例。第一喷灯130为包括四个管子131、133、135、137的同轴4-端口喷灯，其中所述管子以同轴且同心的方式相对于彼此排列，并且在径向上互相分隔以形成四个端口。将源材料S和稀释气体GD供应给第一喷灯130的中央端口132，将可燃气体GF供应给第一外端口134，将惰性气体GI供应给第二外端口136，以及将氧化气体GO供应给第三外端口138。从第一喷灯130的中央到外周边分别设置端口132以及第一至第三外端口134、136、138。
源材料S在从第一喷灯130导出的火焰中进行水解，从而产生要淀积到烟灰预制棒120上的烟灰。通过随后的水解反应产生构成烟灰的氧化物SiO2和GeO2。
[化学式1]
SiCl4+2H2O→SiO2+4HCl
[化学式2]
GeCl4+2H2O→GeO2+4HCl
第二喷灯140位于第一喷灯130之上并与其分隔开来，并且可以构造成与第一喷灯130完全相同。同样地，第二喷灯140的纵轴与第一喷灯130的情况相同而以锐角相对于垂直轴110倾斜。第二喷灯140引导火焰朝着纤芯122的外周边，使得包覆层124可以从纤芯122的外周边上生长出来。将由玻璃成形材料SiCl4组成的源材料S、由氦气He组成的稀释气体GD、由氢气(H2)组成的可燃气体GF、由氩气Ar组成的惰性气体GI以及由氧气(O2)组成的氧化气体GO供应给第二喷灯140。如同第一喷灯130，第二喷灯140为包括四个管子131、133、135、137的同轴4-端口喷灯，其中所述管子以同轴且同心的方式相对于彼此排列，并且在径向上互相分隔以形成四个端口132、134、136、138。将源材料S和稀释气体GD供应给第二喷灯140的中央端口132，将可燃气体GF供应给第一外端口134，将惰性气体GI供应给第二外端口136，以及将氧化气体GO供应给第三外端口138。从第二喷灯140的中央到外周边分别设置中央端口132以及第一至第三外端口134、136、138。
源材料S在从第二喷灯140导出的火焰中进行水解，从而产生烟灰。所产生的烟灰被淀积到烟灰预制棒120上。
将不同的源材料S以及不同量的源材料S供应给第一喷灯130和第二喷灯140，以使纤芯122与周围的包覆层124相比具有较高的折射率。化学产品(例如锗和磷)会增加折射率，反之，硼会降低折射率。
第一和第二管子170、180中的每一个均具有第一至第三端口P11、P12、P13、P21、P22、P23以及汇合处P1C、P2C。第一端口P11、P21分别连接到第一和第二喷灯130、140。第二端口P12、P22连接到蒸发器150。在第三端口P13、P23处供应稀释气体GD。供应给第二端口P12、P22的源材料S以及供应给第三端口P13、P23的稀释气体GD在汇合处P1C、P2C处混合在一起并经由第一端口P11、P21排出。第一和第二管子170、180中的每一个优选地由连接第一端口P11，P21和汇合处P1C，P2C的第一支管172，182、连接汇合处P1C，P2C和第二端口P12，P22的第二支管174，184以及连接汇合处P1C，P2C和第三端口P13，P23的第三支管176，186组成。
蒸发器150包含液态源材料S，并且通过加热到高于各沸点中的每一个的温度使液态源材料蒸发。具体地，蒸发器150包含为液体形式的SiCl4和GeCl4。当源材料蒸发之后，蒸发器150将SiCl4和GeCl4均供应到第一管子170的第二端口P12，以及仅将SiCl4供应到第二管子180的第二端口P22。SiCl4具有57.6℃的沸点，而GeCl4具有84℃的沸点。因此，蒸发器150将SiCl4加热到高于57.6℃的温度，并且将GeCl4加热到高于84℃的温度。蒸发器150内的加热温度根据源材料S而变化。
加热器160将供应到第一和第二管子170、180的第三端口P13、P23的稀释气体GD加热到高于两个源材料S各自沸点的温度。加热器160被安装在第一和第二管子170、180的第三支管176、186上，并且优选地，安装在第三支管的端部上。加热器160包括盘绕第三支管176、186端部的加热电缆。由加热器160加热的稀释气体GD与对应的源材料S相混合并供应到第一和第二喷灯130、140。
为了防止源材料S在传送到喷灯130、140期间凝结，通过使用热绝缘体以及加热电缆使第一和第二管子170、180保持在高于源材料S沸点的温度。举例而言，可以将电热丝安装在第一和第二管子170、180的许多部分上并以热绝缘体覆盖所述电热丝。
加热器160的加热温度与第一和第二管子170、180的加热温度相同，优选地，高于源材料S的沸点。考虑到传统的源材料，加热器160以及第一和第二管子170、180的加热温度优选地应该保持在90℃至120℃的范围内，并且更优选地，保持在95℃或更高的温度。
已加热的稀释气体GD会防止蒸发的源材料S在经由管子170、180传送期间因温度下降而凝结。已加热的稀释气体GD可以缩短蒸发的源材料S停留在管子170、180内的时间周期。此外，具有高导热性的稀释气体GD会减慢蒸发的源材料S的温度的下降。优选地，使用所有稀释气体中具有最高导热性的氦气。当使用氦气时，加热速率会快速增加，从而缩短加热器160中的加热时间。
表格1显示出第二管子180中的稀释气体GD的量与源材料S的凝结可能性之间的关系。加热器160以及第一和第二管子170、180的加热温度为95℃。
[表格1]
Figure GSB00000418512300081
从表格1清楚可见，加热到介于90℃与120℃之间的温度的稀释气体GD优选地应该以每分钟10到100标准立方厘米(sccm)的量来供应。因此，热气的供应速率可以保持在10到100sccm的范围内。
尽管为了说明性目的已说明了本发明的较佳实施例，然而本领域普通技术人员将会意识到在不偏离如随附权利要求中所披露的本发明的范围和本质(包括其等效形式的全部范围)的前提下可以作各种变更和修改。
本发明的用于制造烟灰预制棒的装置通常可以应用于平面光波电路(planar lightwave circuit，PLC)制造中。这种装置也可以应用于火焰水解淀积(flame hydrolysis deposition，PHD)，所述火焰水解淀积用于利用从一同轴多端口喷灯导出的火焰在一硅基板上形成波导(或纤芯)以及包覆层。
如上所述，本发明的用于制造烟灰预制棒的装置将混合有已加热的稀释气体的源材料供应给一喷灯，从而可以防止用于传送源材料的管子内的源材料凝结。
由于管子可以保持在一低温度，所以可以增加安装在管子上的加热电缆的寿命。此外，可以减少加热绝缘体的成本(即，维修费用)以及点燃的可能性。
本发明的用于制造烟灰预制棒的装置改善了蒸发器使用的生产率并减少使用已加热的稀释气体的维修费用。

Claims (15)

1.一种用于制造烟灰预制棒的装置，包括：
分别用于将通过火焰水解作用所产生的烟灰淀积到烟灰预制棒上的第一喷灯和第二喷灯；
用于蒸发液态源材料以产生蒸发的源材料的蒸发器；以及
用于加热稀释气体以产生加热的稀释气体的加热器；以及
第一管子和第二管子，
所述装置被配置成使所述蒸发器和所述加热器共同通过所述第一管子和第二管子分别将所述蒸发的源材料和所述加热的稀释气体供应到所述第一喷灯和第二喷灯。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述加热器能够进行的加热操作是为了达到高于要蒸发的所述源材料的沸点的温度。
3.一种包括根据权利要求1所述的装置的***，并且进一步包括所述稀释气体，其中所述稀释气体包括氩气、氪气以及氙气中的至少一个。
4.根据权利要求1所述的装置，配置成用于使所述第一管子和第二管子保持在高于要蒸发的所述源材料的沸点的温度。
5.根据权利要求1所述的装置，配置成用于使所述加热的稀释气体保持在90℃至120℃的温度范围内，并且用于使所述加热的稀释气体的供应速率保持在10到100sccm的范围内。
6.根据权利要求1所述的装置，配置成使所述蒸发的源材料和所述加热的稀释气体在所述第一管子的第一支管内相混合。
7.根据权利要求6所述的装置，其中所述第一管子还包括分别输送所述蒸发的源材料的第二支管和所述加热的稀释气体的第三支管。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第一管子的所述第一支管、第二支管和第三支管在一汇合处连接在一起。
9.根据权利要求8所述的装置，进一步配置成使所述蒸发器和所述加热器共同经由所述第二管子分别将来自所述蒸发器的源材料和来自所述加热器的稀释气体供应到所述第二喷灯。
10.根据权利要求9所述的装置，配置成使来自所述蒸发器的所述源材料和来自所述加热器的所述稀释气体在所述第二管子的第一支管内相混合。
11.根据权利要求10所述的装置，其中所述第二管子还包括分别输送来自所述蒸发器的所述源材料的第二支管和来自所述加热器的所述稀释气体的第三支管。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述第二管子的第一支管、第二支管和第三支管在一汇合处连接在一起。
13.根据权利要求1所述的装置，进一步配置成使所述蒸发器和所述加热器共同经由第二管子分别将来自所述蒸发器的源材料和来自所述加热器的稀释气体供应到所述第二喷灯。
14.根据权利要求13所述的装置，其中烟灰预制棒具有纤芯和包覆层，所述装置配置有所述第一喷灯和所述第二喷灯，所述第一喷灯和第二喷灯被设置以分别应用于所述纤芯和所述包覆层。
15.根据权利要求1所述的装置，其中所述稀释气体包括氦气。
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