一种用于VAD制备光纤预制棒疏松体的装置和方法与流程

本发明涉及光纤预制棒制造领域，具体涉及一种用于vad制备光纤预制棒疏松体的装置和方法。

背景技术：

随着光纤通信的快速发展，新型特种光纤及其相关器件越来越受重视。随着物联网技术的发展，用户对于接入带宽的需求也越来越大。传统的adsl(asymmetricdigitalsubscriberline，非对称数字用户环路)宽带接入方式已经无法满足用户需求，光纤到户成为了运营商解决“最后一公里”的最终形式，这不仅对于光纤的弯曲性能提出了很高的要求，而且极大地带动了特种光纤的市场需求量。

现有的生产过程中，使用喷灯组vad(vaperaxialdeposition，气相轴向沉积)工艺进行制备特种光纤预制棒疏松体，再通过vad烧结工艺最终获得特种光纤预制棒芯棒。但是，由于喷灯组的多个喷灯在一定空间内需要进行位置排列，造成喷灯之间的间距较为紧凑，疏松体在沉积生产过程中，喷灯集中的位置导致对应疏松体位置的温度较高，最高温度可达1000℃。当生产过程结束，所有喷灯熄灭后，疏松体高温区位置会急速降温。

特种光纤预制棒疏松体的制备，主要是引入不同的掺杂剂实现剖面结构的形成，最终满足光纤的性能需求，正常沉积生产都会导致疏松体产生应力，尤其是在喷灯与喷灯之间的交界处，急速降温后极易导致疏松体表面应力开裂。

当预制棒疏松体轻微开裂时，转运至下道烧结工序的过程中，疏松体开裂的部分在高温下有继续扩大的风险，进而导致疏松体掉落造成炉心管砸裂报废，极大地增加了设备报废的风险。

当预制棒疏松体严重开裂，无法转运至下道工序时，意味着整个沉积过程报废，未产生效益，且清理报废的疏松体极大地增加了生产人员的工作量，降低了人员的生产效率。

当预制棒疏松体在喷灯组停止后直接开裂掉落，一方面沉积过程报废，另一方面掉落的疏松体会造成沉积设备的损坏。

因此，特种光纤预制棒疏松体在生产停机过程中，易出现高温区开裂问题，开裂的疏松体不仅极大的增加了下道工序的生产风险，而且会带来额外的生产工作量，降低生产效率，严重时会损坏生产设备，增加生产成本。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷之一，本发明的目的在于提供一种用于vad制备光纤预制棒疏松体的装置和方法，可有效避免预制棒疏松体应力开裂，提高生产稳定性。

本发明第一方面提供一种用于vad制备光纤预制棒疏松体的装置，其包括：

沉积腔体，其内设有喷灯组，上述喷灯组的喷射口朝向预制棒疏松体底部高温区；

加热环，其设置于上述沉积腔体内底部；

升降机构，其设置于上述沉积腔体侧壁底部，上述升降机构的升降端与上述加热环连接；上述升降机构可带动上述加热环在靠近和远离上述预制棒疏松体底部高温区的方向移动。

基于第一方面，在可能的实施例中，上述加热环开设有避让上述喷射口的避让开口，上述加热环为电陶瓷加热环。

基于第一方面，在可能的实施例中，上述升降机构包括丝杆、螺母和驱动电机，上述驱动电机的驱动端与丝杆连接，上述螺母套设于丝杆并与丝杆螺纹连接，上述螺母与加热环通过升降杆连接。

基于第一方面，在可能的实施例中，上述升降机构套设于隔热防护组件内，上述隔热防护组件固定于上述沉积腔体侧壁底部，且上述隔热防护组件开设有供上述升降杆穿出并移动的槽口。

基于第一方面，在可能的实施例中，丝杆顶部设有位置传感器。

本发明第二方面提供一种基于上述装置的用于vad制备光纤预制棒疏松体的方法，其包括步骤：

通过喷灯组进行预制棒疏松体沉积，此时上述加热环位于沉积腔体底部，且距离预制棒疏松体最远；

对加热环加热至第一温度时，沉积结束；上述第一温度低于上述高温区表面最高温度，且高于或等于上述高温区不开裂的最低温度；

关闭上述喷灯组，上述加热环朝上述高温区移动至预设位置，然后梯度降温至第二温度，保持一定时间后关闭加热，使预制棒疏松体自然冷却至室温。

基于第二方面，在可能的实施例中，上述加热环朝上述高温区移动至预设位置所用的时间，由上述沉积腔体的温度变化率，以及上述高温区表面最高温度与上述高温区不开裂的最低温度的差值决定。

基于第二方面，在可能的实施例中，上述加热环以不超过20℃/min的降温速率进行缓慢梯度降温。

基于第二方面，在可能的实施例中，上述加热环加热至第一温度的升温速率大于或等于上述降温速率。

基于第二方面，在可能的实施例中，上述预制棒疏松体自然冷却至室温后，上述加热环朝远离上述高温区方向移动至初始位置。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的用于vad制备光纤预制棒疏松体的装置，通过加热环保持恒定的降温曲线，对预制棒疏松体高温区域进行缓慢梯度降温，可有效规避预制棒疏松体因急剧降温引发的应力开裂问题，降低因疏松体开裂掉落砸坏设备的风险，且有利于提高预制棒疏松体的生产稳定性和生产效率。

(2)本发明的用于vad制备光纤预制棒疏松体的装置，通过设定不同的加热温度及降温梯度，可满足不同的特种光纤预制棒疏松体的生产需求。

附图说明

图1为本发明实施例中用于vad制备光纤预制棒疏松体的装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的加热环的安装示意图；

图3为本发明实施例的加热环与升降机构的连接示意图。

图中：1-沉积腔体，2-喷灯组，3-预制棒疏松体，4-加热环，41-避让开口，5-升降机构，51-升降杆，6-隔热防护组件，61-槽口，7-位置传感器。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明提供一种用于vad制备光纤预制棒疏松体的装置的实施例，上述用于vad制备光纤预制棒疏松体的装置包括沉积腔体1、加热环4和升降机构5。

上述沉积腔体1的内部设有喷灯组2，上述喷灯组2的喷射口朝向预制棒疏松体3的底部高温区。喷灯组2包括多个喷灯，通过不同的喷灯混入不同流量的掺杂剂与sicl4混合进行预制棒疏松体沉积，不仅极易实现剖面结构的设计，而且生产效率较高。

上述加热环4设置在沉积腔体1内的底部。上述升降机构5设置在沉积腔体1侧壁的底部，上述升降机构5的升降端与加热环4固定连接。升降机构5可带动加热环4上下移动，即在靠近和远离上述预制棒疏松体3底部高温区方向移动。

本实施例中，通过加热环4保持恒定的降温曲线，对预制棒疏松体3高温区域进行缓慢梯度降温，可有效规避预制棒疏松体3因急剧降温引发的应力开裂问题，降低因疏松体开裂掉落砸坏设备的风险，且有利于提高预制棒疏松体的生产稳定性和生产效率。

参见图2所示，在上一个实施例的基础上，本实施例中，加热环4开设有避让上述喷射口的避让开口41，因此，加热环4的径向截面呈c形。

本实施例中，上述加热环4为电陶瓷加热环，其尺寸依据生产的预制棒疏松体3的正常外径尺寸进行设计，电陶瓷加热环的加热和降温梯度均由自动化软件智能集成控制，不仅在预制棒疏松体3沉积停止时所有喷灯熄灭后，可提供足够的温度，防止温度突变引发的应力开裂，还可提供预制棒疏松体3收缩固化所需的热量，提高疏松体开裂抵御能力。

本实施例中，加热环4的内径尺寸比预制棒疏松体3的外径尺寸大20-60mm。加热环4的高度为50-300mm，厚度为10-20mm，且加热环4加热最大功率可达到1000℃，具备斜率ramp控制功能，可在设定时间内达到设定温度。

参见图3所示，在第二个实施例的基础上，本实施例中，上述升降机构5包括丝杆、螺母和驱动电机，上述驱动电机的驱动端与丝杆连接，上述螺母套设于丝杆并与丝杆螺纹连接，上述螺母与加热环4通过升降杆51连接。升降机构5的全行程长度依据预制棒疏松体3底部与沉积腔体1底部的距离设计。升降机构5的全行程长度需大于该距离300-500mm。

本实施例中，上述升降机构5套设在隔热防护组件6内，上述隔热防护组件6固定于上述沉积腔体1侧壁底部，且上述隔热防护组件6开设有供升降杆51穿出并移动的槽口61，因此，升降杆51一端与螺母固定连接，另一端穿过该槽口61与加热环4固定连接。

可选地，隔热防护组件由钛板制成，隔热防护组件6的高度为400-600mm，厚度为2-5mm。且槽口61处设有可伸缩的遮挡帘，该遮挡帘与升降杆51连接，且随升降杆51的移动而伸缩。

本实施例中，加热环4随升降杆51上下移动的过程中，隔热防护组件6和槽口61处的遮挡帘始终对升降机构5进行隔离防护，一方面用于高温防护，降低生产过程中高温对升降机构5的损害，另一方面用于腐蚀防护，防止生产过程中的有害气体及粉尘对升降机构5的腐蚀损害。

在上述实施例的基础上，本实施例中，上述丝杆顶部设有位置传感器7。通过位置传感器7可实时监测加热环4的位置高度，并进行反馈，以便于对加热环4进行调节控制，同时，通过位置传感器7对螺母进行限位，进而对加热环4的位置进行限制，防止加热环4超过限制位置。另外，当预制棒疏松体3沉积过程产生异常时，比如由于生长速度慢，预制棒疏松体3外径会变得异常大，或者底部形状在调试过程中，出现非正常形状时，也可对加热环4位置进行限制，防止加热环4在移动过程中撞击预制棒疏松体3或者沉积腔体1的底部。

本发明还提供一种基于上述装置的用于vad制备光纤预制棒疏松体的方法的实施例，其包括步骤：

s1.通过喷灯组2进行预制棒疏松体沉积，此时上述加热环4位于沉积腔体1底部，且距离预制棒疏松体3底部高温区最远。

由于预制棒疏松体3在沉积过程中，是处于一个平流层的环境，且喷灯组2的火焰离预制棒疏松体3的高温区最近，因此，需要加热环4距离预制棒疏松体3最远，以避免使沉积的流场发生变化，干涉喷射火焰。

s2.在预制棒疏松体3沉积结束之前，上述加热环4加热启动，至沉积结束时，加热环4温度升至第一温度。该第一温度低于高温区表面最高温度，且高于或等于上述高温区不开裂的最低温度。

其中，上述高温区即喷灯组2喷射口所对应的区域，高温区表面最高温度即为喷灯组2喷射火焰时，该高温区表面升温后形成动态平衡时的温度。

s3.预制棒疏松体沉积结束之后，关闭喷灯组2，上述加热环4在指定时间内，朝预制棒疏松体3的高温区移动至预设位置，其中，预设位置即预制棒疏松体3的高温区的外圈位置。加热环4至预设位置时，该高温区处于加热环4内。然后控制加热环4开始梯度降温至第二温度，并在第二温度保持一定时间后关闭加热，使预制棒疏松体3自然冷却至室温。

本实施例中，沉积腔体1外部设有红外热成像仪，通过红外热成像仪可实时监控预制棒疏松体3表面的温度。由于应力的释放需要时间和温度，通过设定降温时间，进行斜率降温至第二温度，可给预制棒疏松体3足够的时间释放应力。第二温度大于室温，且远小于第一温度。其中，第二温度通常根据经验确定。加热环4处于第二温度时，预制棒疏松体3高温区的表面温度与其内部温度基本相同。此时，关闭加热环4的加热功能，预制棒疏松体3表面不会应力开裂。

在上述实施例的基础上，本实施例中，上述步骤s2中的加热环4朝上述高温区移动至预设位置所用的时间t，由上述沉积腔体1的温度变化率r，以及上述高温区表面最高温度与上述高温区不开裂的最低温度的差值决定。其中，沉积腔体1的最高降温速率为80℃/s。

具体地，时间t与温度变化率r的乘积等于上述高温区表面最高温度与上述高温区不开裂的最低温度的差值，以保证预制棒疏松体3降温至开裂温度前，加热环4到达高温区，维持住高温区的温度。进一步地，由时间t和加热环4所需移动的位移，可确定加热环4的移动速率。

在上述实施例的基础上，本实施例中，上述步骤s2中加热环4以不超过20℃/min的降温速率进行缓慢梯度降温。

本实施例中，上述步骤s2中，上述加热环4加热至第一温度的升温速率大于或等于上述降温速率。

本实施例中，上述预制棒疏松体3自然冷却至室温后，上述加热环4朝远离上述高温区方向移动至初始位置，即完成整个预制棒疏松体3的生产过程。

光纤的性能由其原材料光纤预制棒决定。光纤预制棒芯棒的剖面结构设计与对应的生产方式，可以最终实现用户用于对光纤的不同性能需求。为了实现光纤的抗弯曲性能，芯棒剖面结构设计在芯层中掺入一定比例的锗，包层中掺入一定比例的氟，以提高芯包层折射率的差值，降低光纤的模场直径，最终实现光纤的弯曲不敏感性能。因此，在制备预制棒疏松体3时，需要引入不同的掺杂剂，以实现剖面结构的形成。

本实施例中，以多喷灯vad法制备g657光纤预制棒疏松体为例，预制棒疏松体3正常沉积的外径为260mm，其底部距离沉积腔体1的底部为350mm，因此，设计加热环4的内径为280mm、厚度为10mm、高度为50mm，且加热环4距离沉积腔体1底部100mm为初始位置。其中，加热环4的最高加热温度为800℃，温度斜率最大为30℃/min。

本实施例的具体流程如下：

a1.通过喷灯组2进行预制棒疏松体沉积，此时，加热环4位于沉积腔体1底部，且距离沉积腔体1底壁100mm。

a2.喷灯组2停机前30min时，加热环4加热启动，且以20℃/min的斜率升温至600℃，沉积结束。

a3.关闭喷灯组2，通过位置传感器6控制加热环4以10mm/s的速度升高300mm，使特种光纤预制棒疏松体3的高温区完全处于加热环4内部，然后保持1min。

a4.加热环4以20℃/min的降温速率降温至400℃，然后保持400℃的状态30min。

a5.加热环4加热功能关闭，使预制棒疏松体3自然冷却至室温。

a6.位置传感器6自动控制加热环4以5mm/s的速度降低至初始位置，完成特种光纤预制棒疏松体的生产过程。

本实施例的具体流程可以集成在vad沉积操作系统内，由软件智能集成控制。因此，在实施过程中需要对vad沉积操作系统进行软件编译。

本实施例的方法，适用于上述装置，可避免预制棒疏松体开裂，尤其是因喷灯组停机后疏松体的开裂问题，降低喷灯组停机后疏松体开裂掉落砸坏沉积设备的风险，以及后续工序中，因预制棒疏松体开裂掉落而造成炉心管报废的风险，进而提高光纤预制棒疏松体生产的工艺稳定性，大大降低生产成本和工作人员的工作量。

本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。