用於製造玻璃材料的裝置的製作方法

2023-10-30 06:49:02 2

專利名稱：用於製造玻璃材料的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於製造玻璃材料的裝置，尤其是用於製造摻雜玻璃的裝置。
背景技術：
摻雜玻璃通常用於例如光波導的製造。光波導是指一種用來傳遞光能量的設備。生產光纖包括以下步驟製造玻璃預製體——在該過程中確定了纖維的光學屬性，和將玻 璃預製體拉絲製為光纖。製造玻璃預製體的現有工藝有OVD (Outside Vapour D印osition，外汽象 沉積，以下簡稱0VD)、VAD (VapourAxial Deposition,軸向汽相沉積，以下簡稱VAD)、 MCVD(ModifiedChemical Vapour D印osition，改進的化學汽相沉積，以下簡稱 MCVD)、 PCVD (PlasmaActivated Chemical Vapour D印osition，等離子體激活化學汽相沉積，以下 簡稱PCVD)和DND (Direct Nanoparticle D印osition，納米顆粒直接摻雜，以下簡稱DND)。 0VD,VAD和MCVD法是基於在預製階段使用了一種在室溫下具有高蒸汽壓的材料，在該階段 液體汽化成載氣，並被輸送入熱反應器。在反應器內，汽化的原料同氧氣反應生成氧化物。 通過團聚和燒結，氧化物顆粒不斷形成，並被驅趕到一聚集表面，在該表面形成了由玻璃顆 粒組成的多孔玻璃層。該多孔玻璃層稍後燒結成玻璃固體。石英玻璃的主要原料為四氯化 矽SiCl4。其他代表性原料為四氯化鍺和磷酸三氯氧磷，前者會增加折射率，後者會降低玻 璃黏度、便於燒結。但OVD，VAD和MCVD法存在著一個問題——該類方法無法用於製造摻雜有稀土礦 物質的光纖。稀土金屬不含有任何在室溫下有足夠高蒸汽壓的化合物。對於生產摻雜稀土礦物質的光纖，現有技術是通過使用一種所謂的溶液摻雜法來 解決的，該方法如下將由基礎材料製成的光纖預製體浸入含有摻雜物的溶液，隨後進行燒 結。通過溶液摻雜法製成的光纖存在光纖預製體間均質性和重複性差的問題。這是因為液 體對於光纖孔的滲入、鹽類向材料表面的逐層分解、氣體的滲入、鹽類的反應等因素都難以 控制。從公開專利的WO 0020346，可以獲知製造摻雜稀土金屬光纖的DND方法。在該DND 方法中，液體原料得以注入反應器，在這種情況下，玻璃顆粒是在一種火焰反應器內完成摻 雜過程。這樣，由沉澱的玻璃顆粒形成的玻璃預製體就製成了，該預製體相較溶液摻雜法制 成的預製體有著更好的均一性質量。然而，DND方法的缺點在於，該方法無法同常用的，即 從投資成本來講，便宜的MCVD方法共同使用。公開文獻FI117243B 和 FI119028B 揭示了一 種結合 ALD (Atomic Layer Deposition，原子層沉積，以下簡稱ALD)摻雜玻璃管多孔內壁的方法，該玻璃管由MCVD方 法製得。ALD是一種CVD(化學汽相沉積)法，該方法一次摻雜一摻雜物得向基層摻雜摻雜 物。通過ALD法，摻雜物可以以原子級的精確程度進行添加。因此，摻雜物可以很精準的植 入多孔玻璃材料的表面。因為ALD方法中摻雜物的層厚度非常的薄，例，為原子數量級，所 以在光纖製造應用中基管的表面區域必須非常的大以達到一可行的工藝速度。出於這個原因，MVCD工藝中更傾向於使用大內徑的基管。除此之外，基管內壁的多空玻璃材料更傾向 於由微粒構成，從而使得某特定表面形成較大面積。除此之外，ALD工藝要求將幾乎整個纖 維預製體長度的基管溫度提升至大約30(TC左右。由於其工藝簡單和投資成本低廉，MCVD是製造纖維預製體的最常用工藝。然而， MCVD工藝涉及很多缺陷，這使得該工藝十分經濟的應用，如上述ALD方法，變得十分困難。MCVD的最大弱點在於傳統的氫/氧噴燈火力不足且難以調節。由於火力不足， 基管管壁的熱交換十分微弱，導致了沉積工藝中顆粒尺寸較大。大顆粒尺寸削弱了製造的 纖維預製體的穩定性，尤其是軸向長度上的均一性，且破壞了燒結，增加了不必要的基管熱 阻。尤其是在基管熔縮階段，氫/氧噴燈火力不足的問題就變得很明顯。由於前述原因，所 用基管的尺寸限制至外徑小於30mm。除此之外，對作為反應室的玻璃管進行溫度控制會使 得所製造纖維預製體的屬性無法精確。MCVD方法中，在注入管體的汽體的熱作用下，矽顆粒 不斷形成，之後由於熱泳作用，矽粒附著於管壁之上。熱泳是熱顆粒在兩個冷表面間來回運 動而形成的一種現象。MCVD工藝中的沉積出現在管體溫度小於顆粒溫度的管體部分。熱泳 的強度和沉積的距離取決於管體灼熱部和管體灼熱部之後部分間的溫差。由於這個原因， 從工藝角度來講，管體溫度的良好控制是一個很重要的因素。從工藝角度來講，通常希望每 一個獨立火力源點上的管體灼熱部和管體灼熱部之後部分的溫差越恆定越好。管體冷熱部 分的溫差越大，決定著顆粒附著效果的熱泳效應就越強。圖1通過簡化框圖描述了在熱泳 作用下玻璃顆粒的形成。通過使用CVD爐可以解決氫/氧噴燈火力不足和難以調節的問題。CVD爐是一窄 型熱源，通常為200mm寬，包括很多小孔，基管可以在該爐中穿行。由於它的大火力和調節 精確性，在一些MCVD工藝中選用CVD爐作為熱源。當CVD爐沿著基管移動時，管體的每個 位於爐中心位置的狹窄部分，通常為50mm左右，會處於爐子的灼熱區。CVD灼熱區的溫度通 常在2000°C左右。然而，CVD爐也帶來了其他新問題，其中之一就是在沉積結束後爐子必須 迅速返回預製體的初始端，所謂初始端為圖1中原料進入基管的基管左端。如果爐子的返 回動作不夠迅速，會導致由於纖維預製體初始端距離較長而使得折射係數無法達到預期要 求，且會形成一個過長的所謂的斜坡，使得工業製造不再可行，纖維預製體只有部分可以用 於光纖製造。但另一方面，如果爐子得以十分迅速地返回纖維預製體初始端，氧氣就會進入 爐子，從而使得爐子灼熱區燃燒，因為迅速返回動作使空氣進入爐子並替代爐子內的保護 氣幕。除此之外，因為管體穿過爐子，爐子無法從基管周身移除。並且，在工藝過程中間，因 為在管體內沉積的玻璃材料會受到汙染並吸收空氣中的溼氣，增加所製造纖維的衰減，所 以基管也無法從系統中移出。因此CVD爐在解決了 MCVD工藝一些缺陷的同時也製造了新的問題。且在研發和MCVD法生產纖維的實際製造過程中，還發現長度通常為1 1. 4m的 基管由於管體不同部分的溫差難以控制，會引起摻雜玻璃均一性很差的問題。除此之外，還 發現存在CVD爐快速移動引起灼熱部燃燒的現象。在實施方式中，還必須保持對整個預製體基管長度保持350°C的處理溫度，這對於 現有技術來說十分困難，因為MCVD火力源是針對高溫窄區進行加熱所設計。

發明內容
本發明提供了一種新型用於製造玻璃材料的裝置，以解決上述現有技術所存在的 問題。本發明的技術方案如下所示用於製造玻璃材料的裝置，其包括一將原料注入作為反應器的基管的部件和從外 部對基管進行加熱的可移動熱源，作為反應器的基管設置於可封閉的腔室內，且該裝置包 括一藉助媒質控制腔室內部溫度——至少基管附近溫度或基管局部溫度的部件。所述控制腔室溫度的部件包括至少一個用於將媒質注入腔室的噴嘴。控制腔室溫度的部件可以調節以控制基管局部長度或整體長度周圍的腔室溫度。控制腔室溫度的部件可以調節以藉助加熱或冷卻媒質來控制溫度，其中該媒質為 一種惰性氣體，包括氮氣或氬氣。所述裝置包括至少一個熱交換部件，媒質通過該熱交換部件實現循環。所述裝置包括至少一個媒質通道以實現媒質離開腔室至熱交換部件再返回腔室 的循環。所述控制腔室溫度的部件包括多個噴嘴，通過該多個噴嘴媒質注入腔室。所述控制腔室溫度的部件包括多個噴嘴，該多個噴嘴沿基管長度方向分散設置。所述可移動熱源為一設置在腔室內的電磁爐。本發明的有益效果是通過本發明裝置可以消除MCVD所涉及的預製管體的溫度控制問題。除此之外，還可以解決由於MCVD快速返回引起的爐子灼熱部燃燒的問題。本發明裝置改進了 MCVD工藝的重複性，使得使用低廉大型基管成為可能。除此之外，本發明可以實現全程對基管以更高的溫度加熱。


以下將通過附圖並結合具體實施方式
對發明進行描述圖1為熱泳效應下玻璃顆粒沉積的原理圖。圖2為本發明實施例製造裝置圖。
具體實施例方式本發明裝置可以廣泛應用於玻璃材料的製造，尤其是應用於摻雜玻璃材料的製造。 例如，如圖1中所揭示的應用，以及在現有技術解釋部分描述中熱泳在製造工藝中的應用。在MCVD工藝中，原料汽體32注入一旋轉的基管31，而反應生成物33在基管的另 一端去除。在熱源38的作用下，原料汽體在灼熱區34處形成顆粒。而在緊接灼熱區後的 管體35區域形成的顆粒的溫度低於管體溫度，由於熱泳效應，沉積並不發生。在區域36，顆 粒溫度高於管體溫度，由於熱泳效應39，管壁上出現沉積。在區域37，顆粒溫度等於管體溫 度，僅由於重力作用而出現沉積。如圖2所示的本發明實施例裝置，包括一將原料導入反應器基管1的部件和一從 外部對基管1進行加熱的可移動熱源6。基管1作為一反應器設置在一幾乎全封閉的腔室 2內部。該裝置還包括一藉助媒質來控制腔室2溫度的部件7，該部件至少控制接近基管1部分或基管1局部的溫度。用以控制腔室2溫度的部件7、13、14、15包括至少一個噴嘴7， 通過該噴嘴7媒質注入腔室2。部件7、13、14、15還包括一些必要的媒質通道13、14以輸送 來自媒質源15的媒質，一可選的連接媒質源15和腔室空間2的傳送部件，如泵類裝置，和 可選的用以打開/關閉媒質通道的閥門部件16。部件7、13、14、15可進行調節以控制腔室2內基管1局部長度或全長度周身的溫
度。部件7、13、14、15可進行調節藉助加熱或冷卻媒質以控制溫度。如優選實施方式 所示，部件7、13、14藉助加熱或冷卻媒質以控制溫度，該煤質為一惰性氣體如氮氣、氬氣或 其他能達成該目的的氣體。媒質源15在此實施方式中可以是一蓄儲部件，如氣瓶或相應裝 置，氣體從該蓄儲部件注入腔室2。如實施方式所示，該裝置至少包括一個熱交換部件10，通過該部件媒質得以循環。 該裝置至少包括一個媒質通道11、12、13以供腔室2排出的媒質進入熱交換部件10最後再 回入腔室2進行循環。媒質循環可以通過一傳送部件實現，如噴射泵17，該泵可以通過壓 力手段，如空氣壓縮，進行使用。噴射泵17的吸入側通過媒質通道11同腔室2的媒質出口 孔19連接。噴射泵17的壓力側通過媒質通道12同媒質蓄儲部件15相連接，媒質從蓄儲 部件15被注入媒質通道13、14抵達有至少一個噴嘴7的腔室2。在如圖2所示的實施方式 中，媒質通道包括一如調節閥的閥門部件16，該調節閥設置於媒質蓄儲部件15和可以控制 媒質向腔室空間2注入的噴嘴7之間。通過管道20，作為蓄儲部件的媒質源15可以接收更 多的媒質。管道20通常包括一開關閥。如優選實施方式所示，控制腔室2溫度的部件7、13、14、15包括多個噴嘴7，通過該 多個噴嘴，媒質注入腔室2。控制腔室2溫度的部件7、13、14、15包括多個噴嘴7，該多個噴嘴7沿基管1的長 度方向分散排列。可以認為該多個噴嘴為一一間隔排列。每一噴嘴7同其專用媒質通道 13、14連接，或者在腔室2內的一管道或相應裝置內設置多個噴嘴7。如圖2所示實施方式中，媒質在注入腔室2之前先通過熱交換部件10。可移動熱源為設置在腔室2內的電磁爐6。如圖2所示的裝置，基管1總體設置於腔室2內，這樣，基管可以沿其縱軸軸向旋 轉。管體兩端或至少臨近兩端的區域通過旋轉連接部件3、4同腔室固定。管體可以通過一 個驅動設備(未在圖中表示)進行旋轉。原料汽體注入的媒質通道8，例如一處理管，通過 旋轉連接部件3固定於進口側，所謂的煙盒5通過旋轉連接部件4固定於出口側，該煙盒5 用以收集工藝中多餘的、未附著於基管上的多孔玻璃材料，如煙塵。煙盒5收集的工藝中多 餘玻璃材料和有害氣體從媒質通道9排出，例如，排出至一淨化器。基管內部可以使用不同 的促動機通過煙盒5將抽成真空。熱源，如一 CVD爐6，設置於腔室2內沿基管1軸向方向線性移動，以在玻璃材料摻 雜過程中提供熱能。通常基管1的長度在1 1. 5米，CVD爐6經過的來回長度也在同一 數量級。CVD爐在玻璃材料摻雜時運動速度通常為每分鐘100 200mm，在熔縮摻雜纖維預 制體時，速度通常為每分鐘5 50mm。裝置包括一控制腔室2溫度的部件，更確切的說是控制基管1的溫度或部分基管 1的溫度。如發明實施方式所示，溫度控制部件包括一將媒質注入腔室的部件。通常，該部件包括一噴嘴7，該噴嘴7激活後用以向腔室注入媒質。如圖2所示的實施方式中，腔室2 內的幾乎基管1全長跨度間設置了多個噴嘴。媒質，更確切的說是氣體，通過噴嘴7注入到 腔室2。媒質，更確切的說是氣體，在到達噴嘴7之前經過至少一個熱交換部件10。進入腔 室的媒質，更確切的說是氣體，對基管1進行加熱或冷卻，以達到所期望的溫度。熱交換部 件可以是例如一渦流管，通過該渦流管媒質得到冷卻。相反的，熱交換部件也可以是一加熱 媒質的部件。腔室2內放置至少一高溫計以測量基管1不同點上的溫度，除此之外，電磁爐 6也含有一高溫計測量爐內基管溫度。這樣，就掌握了基管的溫度分布情況。在常規的玻璃材料預製工藝中，保持基管1溫度恆定是十分重要的，這樣管體1處 於爐6內部部分或處於爐6前端部分的溫差就保持恆定。在本實施方式中，溫度為預期值 的氣體在管體軸向不同位置從噴嘴噴出，這樣管體軸向長度的溫差就不會產生了。在優選實施方式中，噴嘴7中的氣體是惰性氣體，這樣，離開腔室頂部的惰性氣體 循環回熱交換部件，再通過噴嘴以正確的溫度返回至腔室。這樣整個工藝可以以低成本在 惰性環境中進行。當CVD爐在惰性環境下工作的時候，腔室內它可以以非常高的速度(每分鐘1-10 米)進行工藝處理且杜絕CVD爐灼熱部空氣滲透使該部分燃燒的現象。在本實施方式中，依 本發明設置，爐子在沉積過程結束後可以返回初始位置，這樣纖維預製體初始端(即如圖2 所示原料進入基管的基管左端)的所謂斜坡就會減短。斜坡是纖維預製體的一部分，該部 分長度纖維的折射係數 為非預期值，無法達到抽絲作光纖的質量要求。爐子的快速迴轉對 於減短斜坡意義重大。在實施過程中，整個基管的溫度必須控制在平穩的、大約300 400°C的低溫。該 實施方式中，根據測量所得溫度數據得出的結果，爐子可以根據需要快速移動對基管的不 同位置進行加熱。顯然對於本領域技術人員，可以通過編程達到控制爐子以一適當溫度、不 同速度在基管不同位置間移動，並在每個位置停留預期時間長。當管體溫度接近預期值，可 以通過控制氣流的溫度和體積流率，來保持和細調管體溫度。這樣，可以根據應用的需要將 基管長時間精確保持在正確的溫度下。顯然，對於本領域技術人員，發明不受上述實施方式的限制，且在權利要求保護範 圍內變化也應屬本發明範疇。說明書中聯合描述之技術特徵，在需要時也可分別應用。
權利要求
用於製造玻璃材料的裝置，其包括一將原料注入作為反應器的基管(1)的部件和從外部對基管(1)進行加熱的可移動熱源，其特徵在於，作為反應器的基管(1)設置於可封閉的腔室(2)內，且該裝置包括一藉助媒質控制腔室(2)內部溫度——至少基管附近溫度或基管局部溫度的部件(7、13、14、15)。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，控制腔室⑵溫度的部件(7、13、14、15)包 括至少一個用於將媒質注入腔室(2)的噴嘴(7)。
3.如權利要求1或權利要求2所述裝置，其特徵在於，控制腔室(2)溫度的部件(7、13、 14,15)可以調節以控制基管(1)局部長度或整體長度周圍的腔室(2)溫度。
4.如權利要求1-3之一所述的裝置，其特徵在於，控制腔室(2)溫度的部件(7、13、14、 15)可以調節以藉助加熱或冷卻媒質來控制溫度。
5.如權利要求1-4之一所述的裝置，其特徵在於，控制腔室(2)溫度的部件(7、13、14、 15)可以調節以藉助加熱或冷卻媒質來控制溫度，其中該媒質為一種惰性氣體，包括氮氣或 氛氣o
6.如權利要求1-5之一所述的裝置，其特徵在於，該裝置包括至少一個熱交換部件 (10)，媒質通過該熱交換部件實現循環。
7.如權利要求1-6之一所述的裝置，其特徵在於，該裝置包括至少一個媒質通道(11、 12、13)以實現媒質離開腔室至熱交換部件(10)再返回腔室的循環。
8.如權利要求1-7之一所述的裝置，其特徵在於，控制腔室(2)溫度的部件(7、13、14、 15)包括多個噴嘴(7)，通過該多個噴嘴媒質注入腔室(2)。
9.如權利要求1-8之一所述的裝置，其特徵在於，控制腔室(2)溫度的部件(7、13、14、 15)包括多個噴嘴(7)，該多個噴嘴(7)沿基管長度(1)方向分散設置。
10.如權利要求1-9之一所述的裝置，其特徵在於，可移動熱源為一設置在腔室(2)內 的電磁爐。
全文摘要
用於製造玻璃材料的裝置，包括一將原料注入作為反應器的基管(1)的部件和從外部對基管(1)進行加熱的可移動熱源，其特徵在於，作為反應器的基管(1)設置於可以封閉的腔室(2)內，且該裝置包括一藉助媒質控制腔室(2)內部溫度——至少基管附近或基管局部溫度的部件(7、13、14、15)。
文檔編號C03B37/018GK101830635SQ201010128220
公開日2010年9月15日 申請日期2010年2月11日 優先權日2009年2月16日
發明者麥迪蘭 申請人:芬蘭奧普拓光波設備有限公司