专利名称：用于制造玻璃材料的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制造玻璃材料的装置，尤其是用于制造掺杂玻璃的装置。
背景技术：
掺杂玻璃通常用于例如光波导的制造。光波导是指一种用来传递光能量的设备。生产光纤包括以下步骤制造玻璃预制体——在该过程中确定了纤维的光学属性，和将玻 璃预制体拉丝制为光纤。制造玻璃预制体的现有工艺有OVD (Outside Vapour D印osition，外汽象 沉积，以下简称0VD)、VAD (VapourAxial Deposition,轴向汽相沉积，以下简称VAD)、 MCVD(ModifiedChemical Vapour D印osition，改进的化学汽相沉积，以下简称 MCVD)、 PCVD (PlasmaActivated Chemical Vapour D印osition，等离子体激活化学汽相沉积，以下 简称PCVD)和DND (Direct Nanoparticle D印osition，纳米颗粒直接掺杂，以下简称DND)。 0VD,VAD和MCVD法是基于在预制阶段使用了一种在室温下具有高蒸汽压的材料，在该阶段 液体汽化成载气，并被输送入热反应器。在反应器内，汽化的原料同氧气反应生成氧化物。 通过团聚和烧结，氧化物颗粒不断形成，并被驱赶到一聚集表面，在该表面形成了由玻璃颗 粒组成的多孔玻璃层。该多孔玻璃层稍后烧结成玻璃固体。石英玻璃的主要原料为四氯化 硅SiCl4。其他代表性原料为四氯化锗和磷酸三氯氧磷，前者会增加折射率，后者会降低玻 璃黏度、便于烧结。但OVD，VAD和MCVD法存在着一个问题——该类方法无法用于制造掺杂有稀土矿 物质的光纤。稀土金属不含有任何在室温下有足够高蒸汽压的化合物。对于生产掺杂稀土矿物质的光纤，现有技术是通过使用一种所谓的溶液掺杂法来 解决的，该方法如下将由基础材料制成的光纤预制体浸入含有掺杂物的溶液，随后进行烧 结。通过溶液掺杂法制成的光纤存在光纤预制体间均质性和重复性差的问题。这是因为液 体对于光纤孔的渗入、盐类向材料表面的逐层分解、气体的渗入、盐类的反应等因素都难以 控制。从公开专利的WO 0020346，可以获知制造掺杂稀土金属光纤的DND方法。在该DND 方法中，液体原料得以注入反应器，在这种情况下，玻璃颗粒是在一种火焰反应器内完成掺 杂过程。这样，由沉淀的玻璃颗粒形成的玻璃预制体就制成了，该预制体相较溶液掺杂法制 成的预制体有着更好的均一性质量。然而，DND方法的缺点在于，该方法无法同常用的，即 从投资成本来讲，便宜的MCVD方法共同使用。公开文献FI117243B 和 FI119028B 揭示了一 种结合 ALD (Atomic Layer Deposition，原子层沉积，以下简称ALD)掺杂玻璃管多孔内壁的方法，该玻璃管由MCVD方 法制得。ALD是一种CVD(化学汽相沉积)法，该方法一次掺杂一掺杂物得向基层掺杂掺杂 物。通过ALD法，掺杂物可以以原子级的精确程度进行添加。因此，掺杂物可以很精准的植 入多孔玻璃材料的表面。因为ALD方法中掺杂物的层厚度非常的薄，例，为原子数量级，所 以在光纤制造应用中基管的表面区域必须非常的大以达到一可行的工艺速度。出于这个原因，MVCD工艺中更倾向于使用大内径的基管。除此之外，基管内壁的多空玻璃材料更倾向 于由微粒构成，从而使得某特定表面形成较大面积。除此之外，ALD工艺要求将几乎整个纤 维预制体长度的基管温度提升至大约30(TC左右。由于其工艺简单和投资成本低廉，MCVD是制造纤维预制体的最常用工艺。然而， MCVD工艺涉及很多缺陷，这使得该工艺十分经济的应用，如上述ALD方法，变得十分困难。MCVD的最大弱点在于传统的氢/氧喷灯火力不足且难以调节。由于火力不足， 基管管壁的热交换十分微弱，导致了沉积工艺中颗粒尺寸较大。大颗粒尺寸削弱了制造的 纤维预制体的稳定性，尤其是轴向长度上的均一性，且破坏了烧结，增加了不必要的基管热 阻。尤其是在基管熔缩阶段，氢/氧喷灯火力不足的问题就变得很明显。由于前述原因，所 用基管的尺寸限制至外径小于30mm。除此之外，对作为反应室的玻璃管进行温度控制会使 得所制造纤维预制体的属性无法精确。MCVD方法中，在注入管体的汽体的热作用下，硅颗粒 不断形成，之后由于热泳作用，硅粒附着于管壁之上。热泳是热颗粒在两个冷表面间来回运 动而形成的一种现象。MCVD工艺中的沉积出现在管体温度小于颗粒温度的管体部分。热泳 的强度和沉积的距离取决于管体灼热部和管体灼热部之后部分间的温差。由于这个原因， 从工艺角度来讲，管体温度的良好控制是一个很重要的因素。从工艺角度来讲，通常希望每 一个独立火力源点上的管体灼热部和管体灼热部之后部分的温差越恒定越好。管体冷热部 分的温差越大，决定着颗粒附着效果的热泳效应就越强。图1通过简化框图描述了在热泳 作用下玻璃颗粒的形成。通过使用CVD炉可以解决氢/氧喷灯火力不足和难以调节的问题。CVD炉是一窄 型热源，通常为200mm宽，包括很多小孔，基管可以在该炉中穿行。由于它的大火力和调节 精确性，在一些MCVD工艺中选用CVD炉作为热源。当CVD炉沿着基管移动时，管体的每个 位于炉中心位置的狭窄部分，通常为50mm左右，会处于炉子的灼热区。CVD灼热区的温度通 常在2000°C左右。然而，CVD炉也带来了其他新问题，其中之一就是在沉积结束后炉子必须 迅速返回预制体的初始端，所谓初始端为图1中原料进入基管的基管左端。如果炉子的返 回动作不够迅速，会导致由于纤维预制体初始端距离较长而使得折射系数无法达到预期要 求，且会形成一个过长的所谓的斜坡，使得工业制造不再可行，纤维预制体只有部分可以用 于光纤制造。但另一方面，如果炉子得以十分迅速地返回纤维预制体初始端，氧气就会进入 炉子，从而使得炉子灼热区燃烧，因为迅速返回动作使空气进入炉子并替代炉子内的保护 气幕。除此之外，因为管体穿过炉子，炉子无法从基管周身移除。并且，在工艺过程中间，因 为在管体内沉积的玻璃材料会受到污染并吸收空气中的湿气，增加所制造纤维的衰减，所 以基管也无法从系统中移出。因此CVD炉在解决了 MCVD工艺一些缺陷的同时也制造了新的问题。且在研发和MCVD法生产纤维的实际制造过程中，还发现长度通常为1 1. 4m的 基管由于管体不同部分的温差难以控制，会引起掺杂玻璃均一性很差的问题。除此之外，还 发现存在CVD炉快速移动引起灼热部燃烧的现象。在实施方式中，还必须保持对整个预制体基管长度保持350°C的处理温度，这对于 现有技术来说十分困难，因为MCVD火力源是针对高温窄区进行加热所设计。
发明内容
本发明提供了一种新型用于制造玻璃材料的装置，以解决上述现有技术所存在的 问题。本发明的技术方案如下所示用于制造玻璃材料的装置，其包括一将原料注入作为反应器的基管的部件和从外 部对基管进行加热的可移动热源，作为反应器的基管设置于可封闭的腔室内，且该装置包 括一借助媒质控制腔室内部温度——至少基管附近温度或基管局部温度的部件。所述控制腔室温度的部件包括至少一个用于将媒质注入腔室的喷嘴。控制腔室温度的部件可以调节以控制基管局部长度或整体长度周围的腔室温度。控制腔室温度的部件可以调节以借助加热或冷却媒质来控制温度，其中该媒质为 一种惰性气体，包括氮气或氩气。所述装置包括至少一个热交换部件，媒质通过该热交换部件实现循环。所述装置包括至少一个媒质通道以实现媒质离开腔室至热交换部件再返回腔室 的循环。所述控制腔室温度的部件包括多个喷嘴，通过该多个喷嘴媒质注入腔室。所述控制腔室温度的部件包括多个喷嘴，该多个喷嘴沿基管长度方向分散设置。所述可移动热源为一设置在腔室内的电磁炉。本发明的有益效果是通过本发明装置可以消除MCVD所涉及的预制管体的温度控制问题。除此之外，还可以解决由于MCVD快速返回引起的炉子灼热部燃烧的问题。本发明装置改进了 MCVD工艺的重复性，使得使用低廉大型基管成为可能。除此之外，本发明可以实现全程对基管以更高的温度加热。
以下将通过附图并结合具体实施方式
对发明进行描述图1为热泳效应下玻璃颗粒沉积的原理图。图2为本发明实施例制造装置图。
具体实施例方式本发明装置可以广泛应用于玻璃材料的制造，尤其是应用于掺杂玻璃材料的制造。 例如，如图1中所揭示的应用，以及在现有技术解释部分描述中热泳在制造工艺中的应用。在MCVD工艺中，原料汽体32注入一旋转的基管31，而反应生成物33在基管的另 一端去除。在热源38的作用下，原料汽体在灼热区34处形成颗粒。而在紧接灼热区后的 管体35区域形成的颗粒的温度低于管体温度，由于热泳效应，沉积并不发生。在区域36，颗 粒温度高于管体温度，由于热泳效应39，管壁上出现沉积。在区域37，颗粒温度等于管体温 度，仅由于重力作用而出现沉积。如图2所示的本发明实施例装置，包括一将原料导入反应器基管1的部件和一从 外部对基管1进行加热的可移动热源6。基管1作为一反应器设置在一几乎全封闭的腔室 2内部。该装置还包括一借助媒质来控制腔室2温度的部件7，该部件至少控制接近基管1部分或基管1局部的温度。用以控制腔室2温度的部件7、13、14、15包括至少一个喷嘴7， 通过该喷嘴7媒质注入腔室2。部件7、13、14、15还包括一些必要的媒质通道13、14以输送 来自媒质源15的媒质，一可选的连接媒质源15和腔室空间2的传送部件，如泵类装置，和 可选的用以打开/关闭媒质通道的阀门部件16。部件7、13、14、15可进行调节以控制腔室2内基管1局部长度或全长度周身的温
度。部件7、13、14、15可进行调节借助加热或冷却媒质以控制温度。如优选实施方式 所示，部件7、13、14借助加热或冷却媒质以控制温度，该煤质为一惰性气体如氮气、氩气或 其他能达成该目的的气体。媒质源15在此实施方式中可以是一蓄储部件，如气瓶或相应装 置，气体从该蓄储部件注入腔室2。如实施方式所示，该装置至少包括一个热交换部件10，通过该部件媒质得以循环。 该装置至少包括一个媒质通道11、12、13以供腔室2排出的媒质进入热交换部件10最后再 回入腔室2进行循环。媒质循环可以通过一传送部件实现，如喷射泵17，该泵可以通过压 力手段，如空气压缩，进行使用。喷射泵17的吸入侧通过媒质通道11同腔室2的媒质出口 孔19连接。喷射泵17的压力侧通过媒质通道12同媒质蓄储部件15相连接，媒质从蓄储 部件15被注入媒质通道13、14抵达有至少一个喷嘴7的腔室2。在如图2所示的实施方式 中，媒质通道包括一如调节阀的阀门部件16，该调节阀设置于媒质蓄储部件15和可以控制 媒质向腔室空间2注入的喷嘴7之间。通过管道20，作为蓄储部件的媒质源15可以接收更 多的媒质。管道20通常包括一开关阀。如优选实施方式所示，控制腔室2温度的部件7、13、14、15包括多个喷嘴7，通过该 多个喷嘴，媒质注入腔室2。控制腔室2温度的部件7、13、14、15包括多个喷嘴7，该多个喷嘴7沿基管1的长 度方向分散排列。可以认为该多个喷嘴为一一间隔排列。每一喷嘴7同其专用媒质通道 13、14连接，或者在腔室2内的一管道或相应装置内设置多个喷嘴7。如图2所示实施方式中，媒质在注入腔室2之前先通过热交换部件10。可移动热源为设置在腔室2内的电磁炉6。如图2所示的装置，基管1总体设置于腔室2内，这样，基管可以沿其纵轴轴向旋 转。管体两端或至少临近两端的区域通过旋转连接部件3、4同腔室固定。管体可以通过一 个驱动设备(未在图中表示)进行旋转。原料汽体注入的媒质通道8，例如一处理管，通过 旋转连接部件3固定于进口侧，所谓的烟盒5通过旋转连接部件4固定于出口侧，该烟盒5 用以收集工艺中多余的、未附着于基管上的多孔玻璃材料，如烟尘。烟盒5收集的工艺中多 余玻璃材料和有害气体从媒质通道9排出，例如，排出至一净化器。基管内部可以使用不同 的促动机通过烟盒5将抽成真空。热源，如一 CVD炉6，设置于腔室2内沿基管1轴向方向线性移动，以在玻璃材料掺 杂过程中提供热能。通常基管1的长度在1 1. 5米，CVD炉6经过的来回长度也在同一 数量级。CVD炉在玻璃材料掺杂时运动速度通常为每分钟100 200mm，在熔缩掺杂纤维预 制体时，速度通常为每分钟5 50mm。装置包括一控制腔室2温度的部件，更确切的说是控制基管1的温度或部分基管 1的温度。如发明实施方式所示，温度控制部件包括一将媒质注入腔室的部件。通常，该部件包括一喷嘴7，该喷嘴7激活后用以向腔室注入媒质。如图2所示的实施方式中，腔室2 内的几乎基管1全长跨度间设置了多个喷嘴。媒质，更确切的说是气体，通过喷嘴7注入到 腔室2。媒质，更确切的说是气体，在到达喷嘴7之前经过至少一个热交换部件10。进入腔 室的媒质，更确切的说是气体，对基管1进行加热或冷却，以达到所期望的温度。热交换部 件可以是例如一涡流管，通过该涡流管媒质得到冷却。相反的，热交换部件也可以是一加热 媒质的部件。腔室2内放置至少一高温计以测量基管1不同点上的温度，除此之外，电磁炉 6也含有一高温计测量炉内基管温度。这样，就掌握了基管的温度分布情况。在常规的玻璃材料预制工艺中，保持基管1温度恒定是十分重要的，这样管体1处 于炉6内部部分或处于炉6前端部分的温差就保持恒定。在本实施方式中，温度为预期值 的气体在管体轴向不同位置从喷嘴喷出，这样管体轴向长度的温差就不会产生了。在优选实施方式中，喷嘴7中的气体是惰性气体，这样，离开腔室顶部的惰性气体 循环回热交换部件，再通过喷嘴以正确的温度返回至腔室。这样整个工艺可以以低成本在 惰性环境中进行。当CVD炉在惰性环境下工作的时候，腔室内它可以以非常高的速度(每分钟1-10 米)进行工艺处理且杜绝CVD炉灼热部空气渗透使该部分燃烧的现象。在本实施方式中，依 本发明设置，炉子在沉积过程结束后可以返回初始位置，这样纤维预制体初始端(即如图2 所示原料进入基管的基管左端)的所谓斜坡就会减短。斜坡是纤维预制体的一部分，该部 分长度纤维的折射系数 为非预期值，无法达到抽丝作光纤的质量要求。炉子的快速回转对 于减短斜坡意义重大。在实施过程中，整个基管的温度必须控制在平稳的、大约300 400°C的低温。该 实施方式中，根据测量所得温度数据得出的结果，炉子可以根据需要快速移动对基管的不 同位置进行加热。显然对于本领域技术人员，可以通过编程达到控制炉子以一适当温度、不 同速度在基管不同位置间移动，并在每个位置停留预期时间长。当管体温度接近预期值，可 以通过控制气流的温度和体积流率，来保持和细调管体温度。这样，可以根据应用的需要将 基管长时间精确保持在正确的温度下。显然，对于本领域技术人员，发明不受上述实施方式的限制，且在权利要求保护范 围内变化也应属本发明范畴。说明书中联合描述之技术特征，在需要时也可分别应用。
权利要求
用于制造玻璃材料的装置，其包括一将原料注入作为反应器的基管(1)的部件和从外部对基管(1)进行加热的可移动热源，其特征在于，作为反应器的基管(1)设置于可封闭的腔室(2)内，且该装置包括一借助媒质控制腔室(2)内部温度——至少基管附近温度或基管局部温度的部件(7、13、14、15)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，控制腔室⑵温度的部件(7、13、14、15)包 括至少一个用于将媒质注入腔室(2)的喷嘴(7)。
3.如权利要求1或权利要求2所述装置，其特征在于，控制腔室(2)温度的部件(7、13、 14,15)可以调节以控制基管(1)局部长度或整体长度周围的腔室(2)温度。
4.如权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，控制腔室(2)温度的部件(7、13、14、 15)可以调节以借助加热或冷却媒质来控制温度。
5.如权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，控制腔室(2)温度的部件(7、13、14、 15)可以调节以借助加热或冷却媒质来控制温度，其中该媒质为一种惰性气体，包括氮气或 氛气o
6.如权利要求1-5之一所述的装置，其特征在于，该装置包括至少一个热交换部件 (10)，媒质通过该热交换部件实现循环。
7.如权利要求1-6之一所述的装置，其特征在于，该装置包括至少一个媒质通道(11、 12、13)以实现媒质离开腔室至热交换部件(10)再返回腔室的循环。
8.如权利要求1-7之一所述的装置，其特征在于，控制腔室(2)温度的部件(7、13、14、 15)包括多个喷嘴(7)，通过该多个喷嘴媒质注入腔室(2)。
9.如权利要求1-8之一所述的装置，其特征在于，控制腔室(2)温度的部件(7、13、14、 15)包括多个喷嘴(7)，该多个喷嘴(7)沿基管长度(1)方向分散设置。
10.如权利要求1-9之一所述的装置，其特征在于，可移动热源为一设置在腔室(2)内 的电磁炉。
全文摘要
用于制造玻璃材料的装置，包括一将原料注入作为反应器的基管(1)的部件和从外部对基管(1)进行加热的可移动热源，其特征在于，作为反应器的基管(1)设置于可以封闭的腔室(2)内，且该装置包括一借助媒质控制腔室(2)内部温度——至少基管附近或基管局部温度的部件(7、13、14、15)。
文档编号C03B37/018GK101830635SQ201010128220
公开日2010年9月15日 申请日期2010年2月11日 优先权日2009年2月16日
发明者麦迪兰 申请人:芬兰奥普拓光波设备有限公司