用于在光学预成型件生产中进行蒸气 输送控制的方法和系统 本发明涉及用于蒸气输送控制的方法和装置。更具体地讲，本发明涉及用于蒸气输送和控制的方法和系统。更具体地讲，涉及对输送至沉积部位的蒸气浓度水平的控制，在所述沉积部位将所述蒸气用于光学预成型件的生产，由此拉制成光导纤维。
在过去几年中，光学纤维通信系统的应用明显增加了。看起来这种通信方式的应用在将来会继续增加。毫不奇怪的是，从事该系统元件生产的公司继续在寻找降低其成本的办法。一种途径是提高处理与生产光学预成型件有关的材料的效率，用上述预成型件可以拉制出光学纤维。
目前，有多种不同的生产光学预成型件的方法，其中，包括作为材料成型技术的蒸气沉积。这些方法被用于光学预成型件地生产，它是生产光导光学纤维的最初步骤。上述方法之一被称为改进的化学蒸气沉积(以下称之为MCVD)法，该方法披露于J.B.MacChesney的“预成型件生产的材料和方法-改进的化学沉积“，第64卷，IEEE进展，第1181-1184页(1980)。
进入MCVD方法的通常包括一种载气和诸如GeCl4、SiCl4和POCl3的反应蒸气。这些反应蒸气是由通常被称为沉积扩散器的蒸发器供应的，并被输送到诸如玻璃基质管的沉积部位。光学预成型件是通过依次将所述基质管部分加热至1600-1800℃，使其与流经该管的孔的蒸气反应，并将其沉积在所述基质管中而制成的。在利用MCVD技术生产预成型件时，必须对反应蒸气进行精确地混合并以控制的浓度水平输入基质管(与下文将要讲述的其它生产技术的吹管相反)。目前，上述有控制的输送已通过使诸如O2、Ar、He和/或N2的载气起泡而实现，例如，通过加热输送位于起泡器中的液体形式的反应材料，然后，将蒸气夹带在载气中输送到沉积部位。
一般，一个沉积起泡器包括一个容器，其中，一个载气输入管止于位于其中所盛液体的自由平面之下。由一个输出管形成所述液体表面上部空间与蒸气沉积部位的液体连接。代表性的采用起泡器的沉积系统披露于美国专利US3,826,560和US4,276,243中。
由于沉积起泡器中所盛的液体蒸气在沉积期间被吸走，液体高度会降低，除非由一个辅助来源对该起泡器进行补充。在某些场合下，起泡器中液位的降低具有很小的影响。不过，在其它场合下，如在生产光学纤维预成型件的蒸气沉积过程中，液位的变化可能具有不利影响，如改变被输送蒸气的浓度水平。
蒸发速率还取决于几种其它因素，包括通过所述液体起泡的载气的流体特性。例如，当气泡从液体中升起时，气泡的大小对蒸发速率有影响。进入起泡器中的载气的流量也影响着蒸发速率，气泡的驻留时间对其也有影响，所述驻留时间当然取决于载气输入的深度，而这一深度又取决于上述相对使其速度而言的液体补充速度。另一个因素是对传入所述起泡器的热量的控制，传入的热量可显著影响起泡器中液体量的改变。尽管可以将加热控制按照上述可变因素的某一些随着连续监测的液位变化进行编程，但该方法复杂而且不能完全满足对蒸气输送所需的控制。
除了上面列举的参考文献外，还要提出US4,235,829。在该专利中，示出了一种蒸气输送系统，该系统包括一个沉积起泡器，该起泡器适于产生并输送由其中所盛的和与该起泡器呈液体连通状态的容器中所盛的液体而形成的蒸气。设置用于检测发泡器中所盛液体液位的装置，并用于根据所检测到的液位提供所述容器中气体排出压力的大小。发泡器中的液位随着液体的蒸发和从该起泡器中吸出而下降，而该液位是通过提高所述容器中的排出压力将液体输入该起泡器中而进行调节的。尽管该系统工作良好，但由于液位下降以及随后由于所述容器中压力改变所产生的液位升高而在沉积起泡器中所引起的扰动可在一定程度上对蒸发速率以至蒸气的浓度水平产生不利影响。上述液位的变化随着沉积速度以及蒸气的吸出速度的加快而加快。
另外，共同转让的US4,276,243披露了一种类似的蒸气输送系统，该系统利用液体的温度作为监测参数，并将其浓度水平控制在所需的值。不过，尽管该系统是有效的，但由于对液体的总体温度的改变，尤其是冷却的速度很慢，通常会导致对实现所需浓度水平纠正的不希望的延迟。
还存在这样的系统，例如，其中将一个起泡器放置在另一个里面，基本上顺序的将这两个起泡器耗完。这种类型的一种代表性系统披露于US4,582,480中。
能圆满解决对所述载气的浓度水平以及被输送到诸如用于光学预成型件生产中的基质管的沉积部位的蒸气浓度水平的精确控制并具有快速响应时间的方法将是十分有利的。
用本发明方法和系统可以克服上述问题。按照本发明的实施方案，公开了一种用于控制来自起泡器的蒸汽输送方法和系统，该起泡器中盛有一种液体源，使一种载气通过该液体起泡，并由该起泡器将蒸气以由所述载气夹带的蒸气流形式输送。一般，本发明实施方案涉及利用排出起泡器的气体压力作为特定的监测参数，并对该参数进行控制，以确保载气相对蒸气的浓度水平在整个生产过程中被维持在希望水平。
本发明实施方案涉及将一个浓度检测器引入由所述起泡器引出的起泡器蒸气流通通道，包括并将该浓度监测器的出口引入一个浓度控制器中。该浓度控制器对由所述浓度检测器接收到的浓度值与为该系统所确定的理想浓度值进行比较。为了纠正所测定的浓度水平和希望的浓度水平之间的差异，由所述浓度控制器启动一个压力改变装置的工作，如阀的开和/或关。
本发明实施例的其它特征可以从结合附图对本发明特定实施例的下述详细的描述中更易了解。其中：
图1是体现本发明原理的蒸气输送系统的一种实施方案的示意图；和
图2是体现本发明原理的蒸气输送系统的另一种实施方案的示意图。
一般，本发明实施方案包括一种用于生产光学预成型件的蒸气输送系统，用所述预成型件可以拉制出光导纤维。将该系统设计成可产生一种可蒸发液体的蒸汽流，所述液体盛在一个容器和蒸发系统中。所述容器可以是一个装运容器，不必将其与该蒸气输送系统作永久性连接。例如，使诸如O2、Ar、He和/或N2的载气通过装在蒸发器系统中的液体起泡，使所述载气夹带着所述液体的蒸气，并将其输送至诸如一个MCVD系统的车床(未示出)的蒸气沉积部位。例如，参见US4,217,027。
尽管MCVD技术最初是作为用于沉积部分生产具有核心区和包层区的光学制品的生产方法公开的，诸如蒸气轴向沉积(VAD)和外侧蒸气沉积(OVD)的其它已知方法也可因使用本发明蒸气输送系统而获益。不过，在操作上的一个差区是，在VAD和OVD方法中，反应蒸气被输送至一个吹管，而在MCVD方法中是被输送至一个基质管。
按照本发明的实施方案，将一个压力阀或其它影响由蒸发系统引出的一个输出蒸气导管中的压力的其它装置用于控制夹带在载气中的蒸气的浓度水平，并维持最终生产出光学纤维所需的浓度水平。虽然用于表述浓度水平的具体单位并不重要，但为方便起见，在本发明中所使用的浓度水平是指所述液体蒸气和载气的摩尔浓度。
如图1所示，按照本发明实施方案的一种系统包括一个导管2，该导管可以在容器4和蒸发系统10之间形成流体连接。将阀6插入位于容器4和蒸发系统10之间的导管2中。容器4的容量大小比蒸发系统10的容量大几个数量级。容器4、蒸发系统10和导管2是由水和OH不可渗透的材料制成，如玻璃或金属。一个气体输入管8由容器4的顶部向上伸出，通过一个阀和一个压力调节器9与一个压缩气体源(未示出)相连，该压缩气体可能与载气相同。可视需要调节气体的压力，以便将液体由容器4输入蒸发系统10中或保持容器中的排出压力。
作为可用于本发明实施方案中的流体输送系统的一种设计方案的实例，所示蒸发系统10包括一个起泡器12形式的蒸发器，该起泡器优选具有一个套在起泡器12外表面上的电阻加热器14。一个载气输入管16由一个未示出的压缩气体源伸出，从侧面进入温度控制的外壳20的上部空间22，并通过一个流量控制装置28。值得一提的是，所述加热控制器是一种常见的电力控制器，如常见的3-模式电力提制器。
在所示出的典型流体输送系统中，导管16在从流量控制装置28通过以后向下通过位置26，并通过外壳20里的下部空间24。然后，导管16从外壳20中引出，并进一步向下进入起泡器12，并由一个下部出口18止于接近起泡器12底部处。一个蒸气流导管30由位于起泡器12顶部的一个入口32向上延伸至温控外壳20。作为通过蒸发系统10的结果，输出蒸气流导管30中含有待转移到诸如车床的沉积部位的所述液体蒸气的载气。应当指出的是，导管30的取向优选为在离开起泡器12时是垂直的，以使有可能出现在所述导管的这一部分的一切冷凝物或气溶胶均可靠重力返回到起泡器中。另外，应当理解的是，类似导管30的多个蒸气流导管可以与来自其它蒸发系统的未示出的蒸气流导管连接，然后引出外壳20，至选择的蒸气沉积部位或位点。
按照本发明的一种实施方案，输出蒸气管30中的压力值被用于控制夹带在载气中的蒸气的浓度水平，并维持生产出最终的光学纤维所需的浓度水平。如图所示，导管30向上延伸出蒸发系统10，并入温控制外壳20。将一个阀34和一个浓度水平检测器36引入位于所述温控制外壳20中的导管30部分。由浓度水平检测器36测定蒸发液体与载气的比例，并将该比例或浓度水平输入浓度水平控制器38。重要的是，要指出浓度水平检测器36可以位于阀34的低压侧或高压侧，而且，按照本发明实施方案是有效的，因为理想气体行为的原理基本上可以应用于本文所述的蒸气/载气混合物。
由浓度水平控制器38对所测得的特定量的载气中所夹带的蒸气量数值与目标值进行比较。所述目标浓度可以是基于最终的光学纤维所需的性能指标而确定的，所述纤维是由利用本发明的蒸气输送系统通过气沉积方法而制成的光学纤维预成型件拉制而成的。不过，应当认识到，按照本发明实施方案，可以测定能用于确定所述浓度水平的一种不同参数，而不去直接测定其实际浓度值。
本发明实施方案涉及这样的原理，即蒸气导管30中的压力变化，可导致夹带着存在于导管30中的液体的蒸气的载气的浓度水平的变化。基于这一原理，本发明的一种实施方案用阀34作为可控制地改变导管30中的压力的装置，以维持其浓度水平等于目标或期望的浓度水平。
所述蒸气混合物相对所述载气的浓度水平与除于该混合物总压力的所述液体的蒸气压力成正比。这一关系可以用数字方法表示如下：
其中，Pv表示所述液体的实际蒸气压力，而P总表示载气及所夹带的蒸气总混合物的压力，这两种压力都是在特定环境条件下的压力，就是说，在该系统工作的温度和压力下。
阀34具有改变流经导管30的载气夹带的蒸气的压力P总的能力。更具体地讲，将阀34开启的较大，可降低导管30里的压力，并提高最终到达沉积部位的蒸气和载气混合物的浓度水平。另一方面，关闭阀34，可导致流经导管30的夹带载气的蒸气压力提高，从而起到降低最终到达所述沉积部位的蒸气和载气混合物的浓度水平的作用。
在一个封闭的或静止的系统中，所述蒸气压力仅受温度的影响。不过，在一种开放的或动态的系统中，如本文所述披露的蒸气输送系统，液体上面的蒸气压力也受载气流量的影响。因此，为了将其浓度维持在期望值上，可以操纵所述液体温度和/或该液体上面的总压力，以控制所述浓度水平。如上面所指出的，美国专利US4,276,243试图通过操纵液体的温度来维持所需的浓度水平，本发明的实施方案通过使用流经导管30的夹带蒸气的载气的压力来维持希望的浓度水平可实现更快速的响应。
本发明实施方案的优点是，通过蒸发后调节能够避免或纠正可导致不希望的浓度水平的诸多因素。所述因素和/或方面的某一些会对蒸气输送系统的工作产生不利影响，例如包括以下变化：1)流经该蒸发系统的载气流量，2)环境大气压力，3)液体温度，和4)下游压力和温度扰动(即可能是由于引入了更多的化合物到该系统中，而产生了较高的反压力)。
下面将着重对本发明实施方案的蒸气输送系统的某些其余元件作进一步的讨论。一般，流量控制装置28包括一个流量传感器。一种市售流量传感器利用的是这样的原理，即一种气体在相对稳定的压力下的温度升高是受加热量、该气体的质量流量及其它特性的影响。为所述传感装置提供稳定的电流，当气体从该装置中流过时其电阻会发生变化。上游传感器的冷却速度大于下游传感器的冷却速度，从而产生一种桥式不平衡。然后可以用由一个诸如Brooks容量计的标准装置测测出的实际气体流量来校正所述桥式输出。有关这种类型流量传感器的更详细的说明披露于早先提到的US4,276,243中。
就浓度检测器36的特例而言，要指出的是上面刚提到的，而且在US4,276,243有更详细说明的桥式电路可用于本发明实施方案中。另外，共同转让的US5,051,096中披露了另一种类型的浓度检测器，该检测器同样适于实现本发明实施方案新的特征。
在实践中，将容器4中部分填充待通过蒸气沉积法沉积到一个未示出的蒸气沉积部位，如生产光学纤维预成型件或棒的部位的液体化合物。如图1所示，按照本发明的一种实施方案，可将容器4安装在与起泡器12相同的高度上。其结果是，所述容器中的液体化合物经导管2流入起泡器，直到起泡器12中的液体表面高度等于所述容器中的液体表面高度。然后，通过导管8将一种气体加压送入容器4中，以便在起泡器12中形成期望的液体表面高度。或者，容器4与起泡器12处在不同高度上，并用一个阀6控制液体从容器4流入起泡器12中。
在起泡器12中具有理想高度的载气的情况下，所述载气可以如上文所述为O2、Ar、He和/或N2，引导载气通过控制器28和蒸发系统10，并通过所述液体起泡。由于起泡器12中的液体基本上保持稳定，气泡的上升时间和大小是通过导管16出口18的大小预先确定的。反过来，当载气上升至所述表面时载气气泡相对液体的表面积和爆裂时间也是预定的。蒸气由此扩散到所述气泡自身里，并占据起泡器12中液体上部的空间。在液体表面同样会发生蒸气。应当指出的是，按照本发明实施方案，蒸发系统10不必是起泡器类型的。
最后，由载气将蒸气带出起泡器12，流经导管30的入口32，并向上通过导管30，到达上述浓度水平检测器36。一旦适当确立并控制了所述浓度水平，导管30中的蒸气和载气混合物即可与来自其它未示出的蒸发器的气体和其它蒸气混合。
除了上述如图1所示的具有一个起泡器的蒸发系统之外，图2所示的另一种实施方案包括两个起泡器装置。如图2所示，在该双起泡器实施方案中，起泡系统12b包括一个供给起泡器140和一个沉积起泡器160，起泡器160优选小于供给起泡器140。一个载气输入管148由一个未示出的高压气体源伸入一个温度控制室150中，并通过其中的流量控制器和传感装置128。所述流量控制器和传感装置128包括一个用于载气的流量传感器。例如，参见US4,276,243。
在通过装置128之后，导管148出室510下行，进入供给起泡器140，止于一个下部入口154，该入口优选靠近供给起泡器140的底部。入口154优选包括一个玻璃熔接件，该件可产生较小的气泡，以增强所述载气的起泡。一个蒸气流导管156由位于接近供给起泡器140上部的入口158向上延伸，进入沉积起泡器160。导管156止于接近沉积起泡器160底部的出口162。
由沉积起泡器160上部伸出一个蒸气流导管170。它由入口168处延伸，沿管170进入温度控制室150。如说明单起泡器实施方案时所述的，本发明实施方案涉及利用位于导管170上的阀180和浓度水平检测器182，和浓度控制器184一起来操纵该导管中的压力，以调节排出沉积起泡器160的载气和蒸气混合物的浓度水平。这些元件的工作在双起泡器实施方案中是相同的，如在上文说明单起泡器实施方案所详细说明的，所以，对此不再作进一步地说明。
在工作时，对被用作容器124的液体装运容器通过一个处于关闭状态的阀133与管132连接。通过开启阀133，和开启并关闭阀174，然后再开启阀172，分别填充供给起泡器140和沉积起泡器160。随后关闭阀133。然后开启位于管134上的阀136，使高压气体进入容器124。
分别用加热器142和136控制供给起泡器140和沉积起泡器160中的液体的温度，将其中的液体蒸发掉。在图2所示实施方案中，其特征是受控制的温度，相应于分别由传感器146和166检测出的温度的信号被用于分别输入加热控制器146和165的终端。所述加热控制器是常规的电力控制器，例如，常规的3-模式电力控制器。每一个控制器利用一个温度输入来计算出一个输出，由该输出控制流向起泡器加热器之一的流量。
上面所述的载气可以是O2、Ar、He和/或N2，所述载气流入流量控制和传感装置128中。将来自流量控制装置和传感装置128的载气流量传感器(未示出)的信号与设定值加以比较。对输出信号进行放大，并将其输入位于输入导管148上的阀(未示出)，以便控制载气的流量。
将载气沿导管148输入供给起泡器140，使其位于自由表面下面，使得所述液体的蒸气夹带在载气中。然后让夹带蒸气的载气由供给起泡器沿导管156流入装在沉积起泡器160中的液体，并从沉积起泡器160中流出，进入沉积部位。将载气导入装在供给起泡器140和沉积起泡器160中的液体，使其产生气泡并上升至该液体的表面。
蒸发速度可以受液体温度，气泡大小和气泡在液体中驻留时间的影响。供给起泡器140中的液体量足以能进行适当的温度控制，以便当载气离开该供给起泡器时，其被蒸气部分饱和。一般，维持液体量和温度，以使从供给起泡器中流出的蒸气优选为占由载气所夹带的蒸气总量的大约90-110％，并流出沉积起泡器，到达沉积部位。当所述气体100％地流出供给起泡器后，沉积起泡器中的液位没有改变。
两个起泡器的使用，使其中的一个供给起泡器140起着大的起泡器的作用，而沉积起泡器起着细调或微调蒸气量的作用。另外，由于蒸气的纯输出流量较小，即输出流量小于由沉积起泡器160中的液体产生的输入流量，在预成型件生产期间该起泡器中的液位仅略有下降或上升，并为了反馈目的而大体上保持稳定。结果是，避免了在沉积起泡器中发生的意外扰动，并减轻了对反馈的不利影响。
通常，沉积起泡器160中的蒸气流出和流入量的差异较小，并可用温度加以控制。除了这种以温度调节的方式在容器和/或起泡器之间输送材料之外，还可用阀174将额外的液体直接输入沉积起泡器中。不过，应当指出的是，将温度与现存于起泡器中液体不同的新的材料导入会导致温度的扰动。
供给起泡器140中的液位至少使得供给起泡器140中的液体量足以对其中的液体进行温度控制，这种控制适于控制流入和流出沉积起泡器的蒸气的质量流量。例如，以克/分为单位的质量流量是以克/厘米3为单位的浓度和以厘米3/分的体积流量的积。在一种优选实施方案中，通过使进入沉积起泡器中的蒸气的质量流量仅略小于由此流出的蒸气的质量流量，基本上能保持沉积起泡器160中的液位几乎稳定，就是说与目标液位相差+/-1英寸左右。如果供给起泡器140中的液位也低到加热器142不能对其中的液体实施适当的温度控制的程度，就会出现流入和流出沉积起泡器160的质量流量的较大的不平衡。由于较小的蒸气被夹带到供给起泡器140中，从沉积起泡器160中流出的净蒸气流会增加，而且可能是显著增加。在沉积起泡器160中发生的这种波动的后果是，输送蒸气的浓度水平发生变化，从而对光学预成型件的沉积产生不利影响。
有利的是，目前所使用的用于蒸气沉积方法的液体装运容器足够大，因此可用其在多种场合下填充供给起泡器140，为其提供足以进行预成型件生产的液体。结果是，一旦将供给起泡器140加满并将阀133关闭，便可持续进行预成型件的生产，而不必再开启阀133。另外，可用阀133将所述装运容器和所述起泡系统切断，并用于填充其它起泡系统。图2中的虚线175表示容器124不必是系统120的固定部分。
本发明的实施方案使得实际时间调节可以对流出沉积起泡器的导管中的含有载气的蒸气的浓度水平进行调节。就此而言，很少需要使用任何精确的技术对起泡器和/或容器中任一个里的液体的相对温度进行控制。相反，只要有足够的液体来实现希望的蒸气在载气中的夹带量，在材料被实际上从蒸发系统转移到沉积部位期间本发明实施方案就不必对液位和/或温度进行控制。因此，本发明实施方案与现存蒸气输送系统相比至少有一个优点，那就是在每一个起泡器和容器中的液位只需在开始沉积生产之前进行设定，然后在整个沉积作业继续期间就任其自然。相反，现存的蒸气输送系统要在沉积作业过程中将额外的液体输入起泡器中，而且由于液体温度的不同会对最终流出该蒸发系统的材料的浓度水平产生不利影响。
不过，应当认识到某些用于建立和维持液位的现有技术也可与本发明实施方案结合使用，用于在每一次沉积作业之前填充起泡器。具体地讲，系统120可以包括一个回路，该回路包括阀133和一对诸如光检测器的176和178，例如，将其靠近供给起泡器的外部安装。例如，参见早先提到的US4,235,829。随着供给起泡器140的液位下降，它可以达到在该供给起泡器的较低水平上与检测器178平齐。
一般，由每一个检测器所产生的电信号在功能上均与供给起泡器140中的液位相关。如果供给起泡器140中的液位降至低于检测器178，就会向阀133发出一个信号，向其供能，以便将其开启，使容器中的液体122在水头压力的作用下经开启的阀172进入供给起泡器140。当供给起泡器140的液位升至检测器176的高度时，向阀133发出另一个信号，将其关闭，以便切断流向供给起泡器140的液体。如上文所述，如果在沉积作业时将上述温度调节方法用于控制液位，就会出现不希望有的温度梯度(因为新输入的液体可能具有不同于现存于起泡器中的液体的温度)，并导致载气流扰动。
应当明白，上述装置只是用于说明本发明。本领域技术人员可以设计出体现本发明原理并落入本发明构思和范围的其它方案。