專利名稱：制造多孔玻璃粒子沉積體的方法和用于合成玻璃粒子的燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造多孔玻璃粒子沉積體的方法，該方法包括將玻璃粒子沉積在起始元件表面上的步驟；以及用于合成玻璃粒子的燃燒器，該燃燒器適于該制造方法。
背景技術(shù)：
作為制造光纖的方法，已知一種包括合成主要由石英玻璃組成的光纖預(yù)制棒，拉長該預(yù)制棒，火焰研磨和拉制步驟的制造方法。通常，通過下述步驟合成光纖預(yù)制棒(a)使用用于合成玻璃粒子的燃燒器合成玻璃粒子；(b)通過將玻璃粒子沉積在起始元件上制造多孔玻璃粒子沉積體；和(c)將沉積體脫水、固結(jié)獲得透明體。
已知有一種稱作煙灰處理(soot process)的方法，作為合成多孔玻璃粒子沉積體的方法。煙灰處理包括下述步驟(a)向用于合成玻璃粒子的燃燒器輸送(a1)原料氣體，如四氯化硅(SiCl4)或四氯化鍺(GeCl4)，(a2)可燃?xì)錃?H2)，(a3)助燃氧氣(O2)，以及如果需要的話，(a4)運(yùn)載或密封氣體，如氬(Ar)；(b)通過例如原料氣體的火焰水解將玻璃粒子氣相合成；以及(c)通過將玻璃粒子沉積在設(shè)置于反應(yīng)室內(nèi)的起始元件的表面上，合成多孔玻璃預(yù)制棒。
廣為人知的煙灰處理的類型包括外部氣相沉積方法(OVD法)和氣相軸向沉積方法(VAD法)。
已經(jīng)公開了煙灰處理中所用的用于合成玻璃粒子的多種類型的燃燒器。例如，日本專利申請?zhí)亻_昭62-187135號公報中公開了一種燃燒器，其包括一設(shè)置在中央的用于噴射原料氣體的通道，和多個設(shè)置成圍繞該用于噴射原料氣體的通道、用于噴射助燃?xì)怏w的小孔通道。另一篇日本專利申請?zhí)亻_平5-323130號公報中公開了一種多中心型(multifocus-type)燃燒器，其也包括一用于噴射原料氣體的通道，和多個設(shè)置成圍繞該用于噴射原料氣體的通道、用于噴射助燃?xì)怏w的通道。不過，在這種情形中，用于噴射助燃?xì)怏w的通道設(shè)置成形成多個環(huán)形層，并且從不同層中的通道噴射出的助燃?xì)怏w，匯聚在不同點(diǎn)。另一篇日本專利申請?zhí)亻_平6-247722號公報中公開了一種包括一設(shè)置在中央、用于原料氣體與O2氣混合氣體的噴嘴，和設(shè)置成圍繞該用于混合氣體的噴嘴、用于O2氣的小孔噴嘴。根據(jù)其公開的內(nèi)容，該燃燒器具有長壽命，不依賴于密封氣體。
不過，通過煙灰處理制造多孔玻璃粒子沉積體的傳統(tǒng)方法具有下述缺點(diǎn)。用于合成玻璃粒子的燃燒器所合成的玻璃粒子，僅其一部分沉積在起始元件或者所形成的沉積體的表面上。其余部分與廢氣一起排放到反應(yīng)室外部。從而，如果相比傳統(tǒng)方法增大玻璃粒子在起始元件表面上的沉積效率，則隨著被浪費(fèi)的原料氣體減少，可以增大沉積體的生產(chǎn)率。
在煙灰處理中，已知當(dāng)玻璃粒子沉積在玻璃粒子沉積表面上時，與玻璃粒子的溫度相比，沉積表面的溫度降低，可以增大玻璃粒子的沉積效率。這種現(xiàn)象稱作熱泳效應(yīng)(thermophoretic effect)。從而，沉積表面溫度的降低，可以增大沉積效率。另一方面，當(dāng)沉積表面的溫度降低時，所沉積玻璃粒子之間的粘結(jié)強(qiáng)度減小。結(jié)果，溫度上升和下降導(dǎo)致的熱循環(huán)產(chǎn)生的熱應(yīng)力，增大所獲得的多孔玻璃粒子沉積體的破裂率，降低成品率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的在于提供一種制造多孔玻璃粒子沉積體的方法，該方法能高效率地在玻璃粒子沉積表面上沉積玻璃粒子，并且能增大所沉積玻璃粒子之間的粘結(jié)強(qiáng)度；并且提供一種用于合成玻璃粒子的燃燒器，該燃燒器可用于實(shí)現(xiàn)該制造方法。
根據(jù)本發(fā)明，通過提供下述制造多孔玻璃粒子沉積體的方法來實(shí)現(xiàn)上述目的。該方法包括下列步驟(a)使用用于合成玻璃粒子的燃燒器噴出的火焰，合成玻璃粒子；和(b)將玻璃粒子沉積在起始元件的表面上(該表面稱作玻璃粒子沉積表面)；該方法的特征在于，玻璃粒子沉積表面具有(c)火焰的中央部分接觸的區(qū)域；和(d)溫度高于火焰中央部分所接觸區(qū)域，并且處于火焰中央部分所接觸區(qū)域外部的另一區(qū)域。
此處，使用術(shù)語“起始元件”是表示將要在其表面上沉積玻璃粒子的元件。根據(jù)用途，起始元件可以具有諸如圓柱形或圓筒形形狀?？梢愿鶕?jù)用途選擇元件的類型。
使用術(shù)語“多孔玻璃粒子沉積體”是表示通過在起始元件表面上沉積玻璃粒子而制造出的多孔體。還可以通過固結(jié)來進(jìn)一步處理沉積體，形成透明玻璃預(yù)制棒。在用于獲得透明體的處理之前，還可以執(zhí)行脫水，加入雜質(zhì)，或者兩者都要進(jìn)行。透明玻璃預(yù)制棒可以用作例如用于制造光纖的預(yù)制棒。
使用術(shù)語“玻璃粒子沉積表面”是表示用于合成玻璃粒子的火焰中所含有的玻璃粒子將要沉積的表面。在開始沉積玻璃粒子(煙灰化)之前，玻璃粒子沉積表面是在其上將要沉積玻璃粒子的起始元件的表面。在開始煙灰化之后，玻璃粒子沉積表面是通過沉積玻璃粒子形成的多孔玻璃粒子沉積體的表面。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供下述用于合成玻璃粒子的燃燒器。該燃燒器包括
(a)設(shè)置在燃燒器中心的用于輸送原料氣體的端口；(b)用于輸送可燃?xì)怏w的端口；和(c)至少兩個用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口，其設(shè)置成(c1)相對于用于供給原料氣體的端口，畫出至少一個虛擬同心圓；并且(c2)至少兩個用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口設(shè)置在所述或每個虛擬同心圓上。
該燃燒器的特征在于，用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口的橫截面面積之和是用于輸送原料氣體的端口的橫截面面積的1.7至5.5倍。
此處，使用術(shù)語“原料氣體”是表示用作玻璃原料的氣體。當(dāng)助燃?xì)怏w或者可燃?xì)怏w與原料氣體混合時，該混合氣體稱作原料氣體。
用作用于合成玻璃粒子的燃燒器一部分的“端口”是表示在燃燒器端部用于原料氣體或者助燃?xì)怏w的通道的開口，這些氣體從該開口釋放出。使用術(shù)語“端口的橫截面面積”是表示開口的面積。與原料氣體或助燃?xì)怏w有關(guān)的術(shù)語“流速”是表示在端口出口處各氣體的平均流速(m/s)，氣體從端口流出。
根據(jù)下面說明實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳模式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。還可以通過不同實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明，并且在不偏離本發(fā)明的條件下，可以在多個方面改變其細(xì)節(jié)。因此，附圖和下面的描述本質(zhì)上是示意性的，而非限定性的。
附圖簡要說明在附圖中本發(fā)明用于說明示例，而非表示限制。在附圖中，相同附圖標(biāo)記和數(shù)字表示相同元件。
在附圖中

圖1為說明煙灰處理的一種實(shí)施方式，即OVD法的示意圖。
圖2A示意地表示出在本發(fā)明制造多孔玻璃粒子沉積體的方法的一個實(shí)施例中，火焰接觸沉積表面時的狀態(tài)，圖2B示意地表示上述條件下沉積表面上的溫度分布，圖2C示意地表示相同條件下沉積表面上的二維溫度分布。
圖3A為表示本發(fā)明制造方法中使用的用于合成玻璃粒子的燃燒器一個實(shí)施例的正視圖，圖3B為表示本發(fā)明制造方法中使用的燃燒器另一實(shí)施例的正視圖。
圖4表示沉積速度受火焰中央部分所接觸的區(qū)域與其外部區(qū)域之間的溫度差的影響。
圖5表示具有不同端口直徑的兩個用于合成玻璃粒子的燃燒器以煙灰化經(jīng)過時間為函數(shù)的沉積速度比較。
圖6表示原料氣體流速與沉積速度之間的關(guān)系。
圖7表示從燃燒器頂部到起始元件表面的距離與沉積速度之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
下面參照圖1說明本發(fā)明的制造方法。圖1為說明煙灰處理一種實(shí)施方式即OVD法的示意圖。在用于制造多孔玻璃粒子沉積體的裝置1中，將起始元件3設(shè)置成使其旋轉(zhuǎn)軸(縱軸)基本上垂直設(shè)置，且其頂部與旋轉(zhuǎn)裝置4連接。旋轉(zhuǎn)裝置4與升降裝置5連接。起始元件3被反應(yīng)室2環(huán)繞。用于合成玻璃粒子的燃燒器6設(shè)置成，使燃燒器噴出的火焰7接觸起始元件3的表面。反應(yīng)室2在其與設(shè)置有燃燒器6的壁關(guān)于起始元件3相對的壁上設(shè)置有排氣口8。
用于合成玻璃粒子的燃燒器6被供給原料氣體、可燃?xì)怏w、助燃?xì)怏w，并且如果需要的話，供給密封氣體或運(yùn)載氣體或者兩者。通過化學(xué)反應(yīng)合成玻璃粒子，如(a)通過可燃?xì)怏w與助燃?xì)怏w的燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的水引起的原料氣體的火焰水解反應(yīng)；和(b)與助燃?xì)怏w的氧化反應(yīng)。上述反應(yīng)是眾所周知的。
通常，原料氣體由SiCl4組成，或者如果需要，將SiCl4與諸如GeCl4的氣體混合。同樣，可燃?xì)怏w由H2氣組成，助燃?xì)怏w由O2組成。使用密封氣體防止玻璃粒子粘接到用于合成玻璃粒子的燃燒器的頂面上，或者防止燃燒器的頂部過熱。使用運(yùn)載氣體攜帶原料氣體。通常，密封氣體，運(yùn)載氣體或者兩者由諸如惰性氣體如Ar，或具有低反應(yīng)性的氮?dú)獾臍怏w組成。有時，運(yùn)載氣體由O2氣組成。在本發(fā)明的制造方法中，可以使用上述氣體。
用于合成玻璃粒子的燃燒器6，將含有玻璃粒子的火焰7噴射到起始元件3。在此條件下，起始元件3通過旋轉(zhuǎn)裝置4旋轉(zhuǎn)，它們通過升降裝置5大體垂直地反復(fù)上下移動。從燃燒器6噴出的火焰7中所包含的玻璃粒子，沉積在起始元件3的表面上。沒有粘附到起始元件的其余玻璃粒子，通過排氣口8與火焰7產(chǎn)生的廢氣一起排放到反應(yīng)室2外部。
圖1表示起始元件3上下垂直移動的實(shí)施例。不過，存在下面所示的多重可選方式。
(a)取代起始元件3，使用于合成玻璃粒子的燃燒器6往復(fù)運(yùn)動。
(b)使起始元件3和燃燒器6兩者沿相反方向往復(fù)運(yùn)動。
(c)將起始元件3設(shè)置成使其旋轉(zhuǎn)軸基本水平設(shè)置，并且使起始元件3，燃燒器6或者兩者往復(fù)移動其相對位置。
在本發(fā)明制造多孔玻璃粒子沉積體的方法中，當(dāng)用于合成玻璃粒子的燃燒器所合成的玻璃粒子沉積在玻璃粒子沉積表面上時，該沉積表面具有特定溫度分布。圖2A示意地表示在本發(fā)明制造多孔玻璃粒子沉積體的方法的一個實(shí)施例中，火焰接觸沉積表面時的狀態(tài)，圖2B示意地表示上述條件下沉積表面上的溫度分布。
在圖2A中，用交替的長和短虛線表示火焰7的中軸。在沉積表面20上，火焰7的中心部分接觸的區(qū)域稱作區(qū)域LT，在其中心處火焰7的中軸與沉積表面20相交。在區(qū)域LT外部有兩個區(qū)域；一個區(qū)域包括處于區(qū)域LT上面的區(qū)域HT1，另一個包括處于區(qū)域LT下面的區(qū)域HT2。區(qū)域LT，HT1和HT2為沉積表面20上由火焰7的位置決定的區(qū)域。它們根據(jù)燃燒器6、起始元件3或者兩者的移動而移動。
根據(jù)本發(fā)明制造多孔玻璃粒子沉積體的方法，該方法包括以下步驟
(a)使用用于合成玻璃粒子的燃燒器噴出的火焰，合成玻璃粒子。
(b)將玻璃粒子沉積在起始元件的表面上。
玻璃粒子沉積表面20具有下述區(qū)域(c)火焰具有溫度TL的中心部分接觸的區(qū)域LT；和(d)具有比TL高的溫度TH，且處于區(qū)域LT外部的區(qū)域HT1，HT2或者兩者。
沉積表面20具有垂直溫度分布，其中最大值TH處與具有溫度TL的中央部分的兩側(cè)。
用于合成玻璃粒子的燃燒器噴出的火焰中所包含的玻璃粒子具有這樣一種分布，其中大部分玻璃粒子處于火焰的中心部分。當(dāng)玻璃粒子沉積表面20具有上述垂直溫度分布時，火焰中心部分所接觸的沉積表面20的區(qū)域LT具有相對較低溫度。這種溫度分布引起的熱泳效應(yīng)使火焰中所含的玻璃粒子高效地沉積在沉積表面上。此外，起始元件與燃燒器之間的相對往復(fù)運(yùn)動將處于區(qū)域LT的沉積表面20部分移動到具有更高表面溫度的區(qū)域HT1或HT2。這種運(yùn)動增大了所沉積玻璃粒子之間的粘結(jié)強(qiáng)度，防止諸如多孔玻璃粒子沉積體中發(fā)生斷裂的問題。
圖2A和2B表示這樣一種情形，其中玻璃粒子沉積表面20具有其中最大值TH處于溫度為TL的中央部分兩側(cè)的溫度分布。不過，本發(fā)明的制造方法不限于上述實(shí)施例。本發(fā)明僅指定沉積表面具有處于火焰7中心所接觸的區(qū)域LT外部，并且溫度比區(qū)域LT高的表面溫度區(qū)域。從而，沉積表面可能具有最大溫度不同的區(qū)域HT1和HT2。此外，區(qū)域HT1，區(qū)域HT2，或者兩者可以具有兩個或多個局部最大溫度。
通常，用于合成玻璃粒子的燃燒器噴出的火焰具有旋轉(zhuǎn)對稱形狀，其中心為火焰的中軸。從而，當(dāng)燃燒器噴出的能在玻璃粒子沉積表面上產(chǎn)生圖2B中所示溫度分布的火焰接觸平面時，其產(chǎn)生圖2C中所示的二維溫度分布。換句話說，火焰中心所接觸的區(qū)域被具有更高溫度的區(qū)域環(huán)繞，正如火山口被外輪山(somma)環(huán)繞一樣。
在本發(fā)明的制造方法中，在玻璃粒子沉積表面上獲得所需溫度分布的一個重要因素，是用于合成玻璃粒子的燃燒器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明制造方法中所使用的燃燒器包括(a)處于燃燒器中心的用于輸送原料氣體的端口；(b)用于輸送可燃?xì)怏w的端口；以及(c)至少兩個用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口，其設(shè)置成(c1)相對于用于輸送原料氣體的端口，畫出至少一個虛擬同心圓；并且(c2)至少兩個用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口處于每個虛擬同心圓上。
最好將至少三個用于輸送助燃?xì)怏w的端口設(shè)置在每個虛擬的同心近似圓上。
圖3A為表示本發(fā)明制造方法中所使用的用于合成玻璃粒子的燃燒器一個實(shí)施例的正視圖。圖3B為表示本發(fā)明制造方法中所使用的燃燒器另一實(shí)施例的正視圖。在圖3A和3B中，圓周表示通常由石英玻璃制成的部分。換句話說，圖3A和3B中所示的每個圓周表示由例如石英玻璃制成的管子的橫截面。
這些實(shí)施例中所使用的用于合成玻璃粒子的燃燒器，包括(a)用于輸送原料氣體的端口31；(b)圍繞端口31、用于輸送密封氣體的環(huán)形端口32；(c)圍繞端口32、用于輸送可燃?xì)怏w的端口34；(d)用于輸送助燃?xì)怏w的至少兩個管狀端口33，其設(shè)置成(d1)相對于處于端口34環(huán)繞中的端口31，畫出至少一個虛擬同心圓；并且(d2)至少兩個管狀端口33設(shè)置在每個虛擬同心圓上；(e)圍繞端口34、用于輸送密封氣體的環(huán)形端口35；和(f)圍繞端口35、用于輸送助燃?xì)怏w的環(huán)形端口36。
由隔壁分隔的空間用作用于輸送氣體的端口。表I表示被輸送到各端口中的氣體組合物的滿足需要的示例。密封氣體并非必要成分；如果需要可以使用惰性氣體或者低活性氣體如N2氣。雖然表I中的組合物沒有表示出，不過可以使用由惰性氣體組成的運(yùn)載氣體來運(yùn)載玻璃材料。
表I輸入到圖3A和3B中所示燃燒器各端口中的氣體組合物的示例。

希望本發(fā)明中所使用的用于合成玻璃粒子的燃燒器，具有用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口，使設(shè)置在每個虛擬同心圓上的多個端口噴出的助燃?xì)怏w，匯聚在用于輸送原料氣體的端口的中軸延長線與起始元件3表面之間的交點(diǎn)之前或之后的一點(diǎn)。下面將助燃?xì)怏w的匯聚點(diǎn)與燃燒器頂部之間的距離稱做焦距。
當(dāng)用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口處于兩個或多個虛擬同心圓之上時，從不同虛擬同心圓上的端口噴出的助燃?xì)怏w，匯聚在不同的鄰近點(diǎn)。確定焦距，使其隨著虛擬同心圓半徑的增大而增大。這種結(jié)構(gòu)抑制從設(shè)置在具有不同半徑的虛擬同心圓上的管狀端口噴出的助燃?xì)怏w之間干擾。結(jié)果，必然干擾燃燒器噴出的火焰，使原料氣體流動穩(wěn)定，并且玻璃粒子可以高效地沉積在玻璃粒子沉積表面上。下面，為了便于說明，將設(shè)置在相同虛擬同心圓上的用于輸送助燃?xì)怏w的該組管狀端口稱作“層”。
此外，希望從管狀端口噴出的助燃?xì)怏w匯聚在火焰本身穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，更具體而言，匯聚在距離燃燒器頂部一定距離、從燃燒器噴出的原料氣體流動穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)。如果助燃?xì)怏w的匯聚點(diǎn)距離燃燒器頂部太遠(yuǎn)，則火焰的強(qiáng)度減小，玻璃粒子在玻璃粒子沉積表面上的沉積穩(wěn)定性降低。另一方面，如果從管狀端口噴出的助燃?xì)怏w的量過大，則匯聚點(diǎn)過分靠近燃燒器頂部，同時，與原料氣體的流動相比，助燃?xì)怏w的流動強(qiáng)度過度增大，干擾原料氣體的流動。
當(dāng)“層”數(shù)過度增大時，即使助燃?xì)怏w匯聚在各個所希望的點(diǎn)處，燃燒器的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，所制造出的燃燒器性能變化增大，而且燃燒器變得昂貴。從而，在本發(fā)明所使用的燃燒器中，希望用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口的“層”數(shù)為1到5，最好為2到3。
如上所述，在本發(fā)明制造方法中所使用的用于合成玻璃粒子的燃燒器中，原料氣體從用于輸送原料氣體的端口輸送到火焰中。此外，在需要時，可以將原料氣體與將要輸送到火焰中的助燃或可燃?xì)怏w混合。另外，可以通過使用眾所周知的方法如使用惰性氣體，O2氣或者其他氣體作為運(yùn)載氣體的方法，和其中常溫下為液態(tài)的原料化合物被加熱并蒸發(fā)成以氣體形式輸送的方法，輸送原料氣體。
在本發(fā)明的制造方法中，要求被用于合成玻璃粒子的燃燒器噴出的火焰加熱的玻璃粒子沉積表面，具有上述所需溫度分布。在具有所需溫度分布的條件下，為了進(jìn)一步增大燃燒器噴出的火焰中所含玻璃粒子在沉積表面上的沉積效率，需要達(dá)到下列目標(biāo)，例如(a)增大由原料氣體合成玻璃粒子的化學(xué)反應(yīng)的效率；和(b)使從燃燒器噴出的火焰流動穩(wěn)定，從而在火焰中合成的玻璃粒子可以高效率地到達(dá)沉積表面。
為了滿足上述要求，本發(fā)明對所需制造條件進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)需要執(zhí)行下列測量(a)基本要求是使用具有上述結(jié)構(gòu)的燃燒器；(b)調(diào)節(jié)用于輸送原料氣體的端口處的原料氣體流速，使其處于最佳范圍之內(nèi)；(c)調(diào)節(jié)用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口處助燃?xì)怏w的流速與原料氣體流速的比率，使其處于最佳范圍之內(nèi)；以及
(d)調(diào)節(jié)助燃?xì)怏w的輸送量，使其處于最佳范圍之內(nèi)。
為了順利進(jìn)行上述測量，本發(fā)明者還發(fā)現(xiàn)，要求燃燒器的用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口的橫截面面積之和與用于輸送原料氣體的端口的橫截面面積具有特定比值。下面解釋這些發(fā)現(xiàn)。
首先，下面說明在本發(fā)明的制造方法中所需的原料氣體流速。原料氣體在火焰中經(jīng)歷水解反應(yīng)，氧化反應(yīng)，或者兩種反應(yīng)，變成玻璃粒子。在反應(yīng)中，要求助燃?xì)怏w，火焰中產(chǎn)生的水，或者兩者充分?jǐn)U散到原料氣體中，并與之混合，以便實(shí)現(xiàn)原料氣體的高效反應(yīng)。從而，如果原料氣體的流速太高，則助燃?xì)怏w，火焰中產(chǎn)生的水，或者兩者，在從燃燒器到玻璃粒子沉積表面的移動時間中，不能充分?jǐn)U散到原料氣體中并與之混合。結(jié)果，反應(yīng)不充分且不穩(wěn)定。更具體而言，相對于原料氣體的數(shù)量，所沉積的玻璃粒子的量減小，此外，所獲得的玻璃粒子沉積體的縱向直徑波動趨于增大。
此外，如果原料氣體的流速過高，則未沉積在沉積表面上的剩余玻璃粒子的數(shù)量與火焰中所含有的玻璃粒子的數(shù)量的比值不適宜地增大。在本發(fā)明的制造方法中，希望用于輸送原料氣體的端口處原料氣體的流速小于20m/s，最好至多為19m/s。
相反，如果原料氣體的流速過小，則原料氣體的流動受助燃?xì)怏w流動的干擾相當(dāng)大。這種干擾增大了沒有到達(dá)玻璃粒子沉積表面的玻璃粒子的數(shù)量，降低玻璃粒子在沉積表面上的沉積效率。從而，希望原料氣體的流速至少為7m/s，最好至少為10m/s。換句話說，原料氣體流速的最佳范圍為10至19m/s。
下面說明在本發(fā)明的制造方法中，從管狀端口噴出的助燃?xì)怏w的流速以及其輸送到火焰中的所需數(shù)量。為了高效率地由火焰中的原料氣體合成玻璃粒子，如上所述，希望助燃?xì)怏w充分?jǐn)U散到原料氣體中，并與之混合。如果助燃?xì)怏w的流速太低，則助燃?xì)怏w，火焰中產(chǎn)生的水或者兩者，不能充分?jǐn)U散到原料氣體中。結(jié)果，由原料氣體合成玻璃粒子的效率降低。此外，并非所有輸送的助燃?xì)怏w都被用于玻璃粒子的合成反應(yīng)，在原料氣體與助燃?xì)怏w混合時發(fā)生玻璃化反應(yīng)?？紤]上述兩個因素，表明必須將比化學(xué)計(jì)算出的所需量更大的助燃?xì)怏w量輸送到火焰中，以便原料氣體充分進(jìn)行合成反應(yīng)。
由各項(xiàng)的大小，如原料氣體的流速和下面所述的用于輸送原料氣體的端口的橫截面面積與用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口橫截面面積之和的比值，決定滿足上述要求所需的助燃?xì)怏w的輸送量。在本發(fā)明的制造方法中，希望助燃?xì)怏w的輸送量為每分鐘20到60標(biāo)準(zhǔn)升(SLM)，最好為30到50SLM。該數(shù)量的助燃?xì)怏w從用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口輸送到火焰中。如果需要，將所用助燃?xì)怏w的一部分與原料氣體混合，使其可以與原料氣體一起，從用于輸送原料氣體的端口輸送到火焰中。
下面說明原料氣體的流速與從管狀端口噴出的助燃?xì)怏w的流速之間的所需關(guān)系。在本發(fā)明的制造方法中，為了在增大玻璃粒子在起始元件上的沉積效率的同時，在玻璃粒子沉積表面上獲得所需溫度分布，希望在用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口處助燃?xì)怏w的流速為用于輸送原料氣體的端口處原料氣體流速的至少0.7倍且小于2.0倍，較好在至少0.73倍到小于2.0倍的范圍內(nèi)，更好在0.8至1.6倍范圍內(nèi)，最好在0.9至1.2倍范圍內(nèi)，最好與原料氣體的流速相同。
如果助燃?xì)怏w的流速小于原料氣體的0.7倍，則助燃?xì)怏w在原料氣體中的擴(kuò)散和混合不充分。如果為2.0倍或更大，則助燃?xì)怏w的流動會干擾原料氣體的流動，玻璃粒子在沉積表面上沉積時效率減小的概率增大。此外，希望原料氣體的流速小于20m/s，并且助燃?xì)怏w的輸送量為20至60SLM。
下面說明用于合成玻璃粒子的燃燒器必須處于的操作狀態(tài)，以便獲得(a)原料氣體的流速，(b)助燃?xì)怏w從管狀端口的輸送量，和(c)助燃?xì)怏w與原料氣體的流速之比的上述希望范圍。為了在增大玻璃粒子在起始元件上沉積效率的同時滿足上述制造要求，希望用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口的橫截面面積之和為用于輸送原料氣體的端口的橫截面面積的1.7到5.5倍，最好為2.0到5.0倍。
例如，當(dāng)所有用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口都具有相同直徑“B”的圓形橫截面，并且設(shè)置在燃燒器中的用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口的數(shù)量為“C”，且設(shè)置在燃燒器中心的用于輸送原料氣體的端口具有直徑為“A”的圓形橫截面時，則希望表示為(B2×C)×A2的橫截面面積比為1.7到5.5，最好為2.0到5.0。當(dāng)用于輸送原料氣體的端口的橫截面面積與用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口的橫截面面積之和具有上述關(guān)系時，上述的(a)原料氣體流速，(b)助燃?xì)怏w從管狀端口的輸送量，以及(c)助燃?xì)怏w的流速與原料氣體的流速之比易于被調(diào)節(jié)到所希望的范圍內(nèi)。
下面說明設(shè)置在本發(fā)明所使用的用于合成玻璃粒子的燃燒器中用于輸送原料氣體的端口的橫截面面積。在制造多孔玻璃粒子沉積體時，可以確定用于輸送原料氣體的端口的橫截面面積，使得根據(jù)輸送到燃燒器中的原料氣體的必要數(shù)量，可以獲得上面所述的原料氣體的流速。
在本發(fā)明的制造方法中，為了增大制造過程中玻璃粒子在沉積表面上的沉積效率，希望隨著玻璃粒子在沉積表面上的沉積引起的多孔粒子沉積體直徑的增大，改變(a)用于輸送原料氣體的端口處原料氣體的流速，(b)原料氣體的流速與從管狀端口噴出的助燃?xì)怏w的流速之比，或者(c)兩者。
下面具體說明原因。在開始制造多孔玻璃粒子沉積體時，玻璃粒子直接沉積在具有較小直徑的起始元件上。從而，如果玻璃粒子在火焰中過分?jǐn)U散，則大量玻璃粒子沒有碰撞起始元件的玻璃粒子沉積表面，玻璃粒子在沉積表面上的沉積效率降低。從而，在制造沉積體的早期階段，希望最大程度地將火焰中合成的玻璃粒子匯聚在起始元件的沉積表面上，不擴(kuò)散它們。
隨著沉積體制造過程的進(jìn)行，由于玻璃粒子在起始元件上的沉積導(dǎo)致所形成的沉積體的直徑增大，減小了玻璃粒子在火焰中的擴(kuò)散的不利影響。不過代之以用于合成玻璃粒子的燃燒器頂部與沉積表面之間的距離減小。結(jié)果，通過火焰中的反應(yīng)由原料氣體合成的玻璃粒子的反應(yīng)時間有可能不夠長。
因此，希望調(diào)節(jié)原料氣體的流速，使其在制造開始時相當(dāng)高，并隨著沉積體直徑的增大而減小，以便保證反應(yīng)時間足夠長。更具體而言，例如可以根據(jù)所制造的沉積體直徑調(diào)節(jié)助燃?xì)怏w，可燃?xì)怏w或者兩者的輸送量。也可以調(diào)節(jié)原料氣體本身的輸送量，來控制原料氣體的流速。
此外，希望在多孔玻璃粒子沉積體制造開始和結(jié)束時，燃燒器頂部與玻璃粒子沉積表面之間的距離最佳。下面更具體地解釋這一要求。起始元件通常具有10到40mm的直徑，而制成的沉積體通常具有150到300mm的直徑?？紤]這些尺寸，希望將起始元件和用于合成玻璃粒子的燃燒器設(shè)置成，使玻璃粒子沉積表面與燃燒器之間的距離，在玻璃粒子沉積開始時為150至500mm，以增大沉積效率。
下面參照具體示例說明本發(fā)明的制造方法。在這些示例中，使用圖1中所示的制造裝置，不過用于合成玻璃粒子的燃燒器的數(shù)量從二改變到三。
(實(shí)施例1)使用直徑為26mm的起始元件。通過使起始元件相對用于合成玻璃粒子的燃燒器，以200mm/min的速度往復(fù)運(yùn)動，制造多孔玻璃粒子沉積體。起始元件往復(fù)運(yùn)動1,600mm的距離。在這些條件下，通過使燃燒器噴出的火焰接觸玻璃粒子沉積表面400分鐘，火焰中合成的玻璃粒子沉積在起始元件上。在這個過程中進(jìn)行測量，來評價玻璃粒子平均沉積速度時，沉積表面中區(qū)域HT1或HT2中的溫度TH與區(qū)域LT中的溫度TL之差的效果。用紅外熱成像測量裝置測量溫度TL和TH。使用400分鐘沉積量的平均值得出平均沉積速度。
每次試驗(yàn)使用具有與圖3B中所示相同結(jié)構(gòu)的燃燒器。在沉積制造開始時，在原料氣體流速和燃燒器頂部與沉積表面之間的距離相同的條件下進(jìn)行每次試驗(yàn)。通過改變從管狀端口噴出的助燃?xì)怏w的流速，改變溫度TL和TH。將每次實(shí)驗(yàn)中得出的平均沉積速度轉(zhuǎn)換成溫度差為0℃時平均沉積速度的相對值(下面該相對值稱作相對沉積速度)。表II和圖4表示相對沉積速度與表示為TH-TL的溫度差之間的關(guān)系。在上面的描述中，當(dāng)溫度差為0℃時，區(qū)域LT中的溫度在沉積表面中是最高的。
表II

如從表II和圖4可以看出，溫度差TH-TL為80℃時的平均沉積速度為溫度差TH-TL為0℃時平均沉積速度的1.6倍，表明玻璃粒子的沉積效率增大60％。在上面的描述中，對于每次試驗(yàn)而言，溫度TL和TH為400分鐘內(nèi)的平均值。
(實(shí)施例2)在本例中使用兩種用于合成玻璃粒子的燃燒器。燃燒器1和燃燒器2具有根據(jù)圖3B中所示的結(jié)構(gòu)，用于輸送原料氣體的端口和用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口的直徑彼此不同。使用任何一個燃燒器制造多孔玻璃粒子沉積體。燃燒器1和2采用相同的原料氣體與從管狀端口噴出的助燃?xì)怏w的流速。不過，在燃燒器1中，原料氣體的流速為12.15m/s，從管狀端口噴出的助燃?xì)怏w的流速為14.47m/s(流速比1.19)。在燃燒器2中，原料氣體的流速為14.5m/s，助燃?xì)怏w的流速為18.75m/s(流速比1.29)。
在試驗(yàn)過程中，以40分鐘的間隔測量玻璃粒子在起始元件上的沉積量，計(jì)算測量之前40分鐘期間的平均沉積速度。為了獲得流速比與玻璃粒子平均沉積速度之間的關(guān)系，計(jì)算使用燃燒器1時與使用燃燒器2時測量之前40分鐘期間的平均沉積速度之比(下面，該比值也稱作相對沉積速度)。表III和圖5表示以玻璃粒子沉積經(jīng)過的時間為函數(shù)的相對沉積速度變化。
表III

如從表III和圖5可以看出，使用燃燒器1時的平均沉積速度比使用燃燒器2時的平均沉積速度約大8％左右。這種結(jié)果的可能原因在于，因?yàn)樵谌紵?中，流速比接近于1.0，并且原料氣體的流速小于燃燒器2中的原料氣體流速，即使當(dāng)玻璃粒子的沉積過程增大多孔玻璃粒子沉積體的直徑，從而減小沉積表面與燃燒器之間的距離時也是如此，用于由原料氣體合成玻璃粒子的反應(yīng)時間可以保持足夠長。
(實(shí)施例3)在本例中也使用實(shí)施例2中所用的燃燒器1。在管狀端口噴出的助燃?xì)怏w的流速保持恒定，并且改變原料氣體流速的條件下，制造11個多孔玻璃粒子沉積體。在制造每個沉積體時，進(jìn)行測量，得出在起始元件上開始沉積玻璃粒子之后40分鐘時間內(nèi)所沉積的玻璃粒子的質(zhì)量。使用測量結(jié)果計(jì)算每分鐘玻璃粒子的沉積量，即平均沉積速度。使用該結(jié)果得出與原料氣體的流速為12.15m/s(實(shí)施例2)時得出的平均沉積速度的比值。該比值稱作相對沉積速度。表IV和圖6中表示原料氣體的流速(助燃?xì)怏w流速14.47m/s與原料氣體的流速的比值)與相對沉積速度之間的關(guān)系。在表IV和圖6中，術(shù)語“相對流速”是表示助燃?xì)怏w與原料氣體的流速比。
表IV

如從表IV和圖6可以看出，當(dāng)原料氣體的流速處于7至20m/s范圍內(nèi)時，可以得到比較高的平均沉積速度。當(dāng)該范圍縮小到10至19m/s時，可以進(jìn)一步提高平均沉積速度。此外，當(dāng)助燃?xì)怏w的流速為原料氣體的至少0.7倍且小于2.0倍時，可以獲得良好的平均沉積速度。
(實(shí)施例4)在本例中也使用實(shí)施例2中使用的燃燒器1制造多孔玻璃粒子沉積體。在該燃燒器中，下列特征保持不變原料氣體的流速為14.5m/s，從管狀端口噴出的助燃?xì)怏w的流速為14.47m/s，且實(shí)施例3中定義的相對流速為0.998。不過，改變?nèi)紵黜敳颗c開始部分表面之間的距離進(jìn)行試驗(yàn)。在每次實(shí)驗(yàn)中，如實(shí)施例3，進(jìn)行測量得出沉積體制造開始后40分鐘的時間內(nèi)玻璃粒子的平均沉積速度。在進(jìn)行測量時，燃燒器頂部與起始元件表面之間的距離為200mm，將所得到的平均沉積速度作為參考點(diǎn)1.0。通過改變?nèi)紵黜敳颗c起始元件表面之間的距離進(jìn)行每次試驗(yàn)時得到的平均沉積速度表示為與距離為200mm時得到的平均沉積速度的比值。該比值稱作相對沉積速度。表V和圖7表示距離與相對沉積速度之間的關(guān)系。
表V

如從圖7可以看出，當(dāng)燃燒器頂部與起始元件表面之間的距離在150至500mm范圍內(nèi)時，在多孔玻璃粒子沉積體制造開始之后40分鐘時間內(nèi)的平均沉積速度是穩(wěn)定的。
(實(shí)施例5)在兩種情況下執(zhí)行用于制造多孔玻璃粒子沉積體的試驗(yàn)。在第1種情形中，火焰接觸玻璃粒子沉積表面的中央部分的中央?yún)^(qū)域的溫度在沉積表面中最高。在第2種情形中，上述中央?yún)^(qū)域的溫度平均比圍繞其的周圍區(qū)域的溫度低80℃。在這兩種情形中，將起始元件煙灰化制造沉積體。通過調(diào)節(jié)原料氣體的流速進(jìn)行制造，使火焰中心接觸的沉積表面的溫度為600℃。在每種情況下起始元件的煙灰化進(jìn)行10個小時。在第1種情形中，在煙灰化開始后四個小時時沉積體形成裂縫。在第2種情形中，不產(chǎn)生裂縫。
上面結(jié)合目前認(rèn)為最實(shí)用和最佳的實(shí)施例描述了本發(fā)明。不過，本發(fā)明不限于所披露的實(shí)施例，相反，意在覆蓋所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)的多種變型和等效結(jié)構(gòu)。
2003年3月3日申請的日本專利公開2003-074112，包括說明書、權(quán)利要求、附圖和摘要在內(nèi)的全部內(nèi)容，在此整體引作參考。
權(quán)利要求
1.一種制造多孔玻璃粒子沉積體的方法，該方法包括以下步驟(a)使用用于合成玻璃粒子的燃燒器噴出的火焰，合成玻璃粒子；和(b)將玻璃粒子沉積在起始元件的表面上(該表面稱為玻璃粒子沉積表面)；該方法的特征在于，玻璃粒子沉積表面具有(c)火焰的中心部分接觸的區(qū)域；和(d)溫度高于火焰中心部分接觸的區(qū)域，并且處于火焰中心部分接觸區(qū)域外部的另一區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的制造多孔玻璃粒子沉積體的方法，其中，(a)用于合成玻璃粒子的燃燒器包括(a1)設(shè)置在燃燒器中心的用于輸送原料氣體的端口；(a2)用于輸送可燃?xì)怏w的端口；以及(a3)至少兩個用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口，其設(shè)置成(a3a)于用于輸送原料氣體的端口，畫出至少一個虛擬的同心圓；并且(a3b)至少兩個用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口處于所述或每個虛擬同心圓上；和(b)規(guī)定該燃燒器的條件為用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口的橫截面面積之和是用于輸送原料氣體的端口的橫截面面積的1.7到5.5倍。
3.如權(quán)利要求2所述的制造多孔玻璃粒子沉積體的方法，其中，用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口處助燃?xì)怏w的流速為用于輸送原料氣體的端口處原料氣體流速的至少0.7倍且小于2.0倍。
4.如權(quán)利要求2或3所述的制造多孔玻璃粒子沉積體的方法，其中，隨著所形成的多孔玻璃粒子沉積體直徑的增大，用于輸送原料氣體的端口處原料氣體的流速減小。
5.如權(quán)利要求1所述的制造多孔玻璃粒子沉積體的方法，其中，在玻璃粒子沉積開始時，玻璃粒子沉積表面與用于合成玻璃粒子的燃燒器之間的距離為150至500mm。
6.一種用于合成玻璃粒子的燃燒器，包括(a)處于燃燒器中心的用于輸送原料氣體的端口；(b)用于輸送可燃?xì)怏w的端口；以及(c)用于輸送助燃?xì)怏w的至少兩個管狀端口，其設(shè)置成(c1)相對于用于輸送原料氣體的端口畫出至少一個虛擬同心圓；并且(c2)至少兩個用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口處于所述或每個虛擬同心圓上；規(guī)定該燃燒器，使用于輸送助燃?xì)怏w的管狀端口的橫截面面積之和是用于輸送原料氣體的端口的橫截面面積的1.7至5.5倍。
全文摘要
本發(fā)明提供一種通過有效地將用于合成玻璃粒子的燃燒器所合成的玻璃粒子沉積在起始元件上，同時增大所沉積的玻璃粒子之間的粘結(jié)強(qiáng)度，并且降低產(chǎn)生裂縫和其他問題的概率而制造多孔玻璃粒子沉積體的方法，和一種用于該制造方法的燃燒器。在所述通過將燃燒器所合成的玻璃粒子沉積在起始元件表面上而制造沉積體的方法中，該玻璃粒子沉積表面具有(a)從燃燒器噴出的火焰的中心部分接觸的區(qū)域，和(b)溫度高于火焰中心部分所接觸區(qū)域，并且處于火焰中心部分所接觸區(qū)域外部的另一區(qū)域。
文檔編號G02B6/00GK1532159SQ200410030078
公開日2004年9月29日 申請日期2004年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月18日
發(fā)明者大石敏弘, 中村元宣, 堺達(dá)郎, 宣 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社