專利名稱：合成玻璃顆粒的燃燒器以及制造多孔玻璃體的方法
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及合成玻璃顆粒的燃燒器和為通過氣相合成法制造玻璃制品而制造多孔玻璃體的方法。
2.相關(guān)技術(shù)描述通常將例如VAD(氣相軸向沉積)法、OVA(外部氣相沉積)法等氣相合成方法作為得到多孔玻璃體的方法，所述多孔玻璃體是制造諸如光纖、光掩膜材料、石英玻璃等各種玻璃制品的前體。在這些方法中，從多個不同的孔口噴射出原料氣體(SiCl4等等)、易燃?xì)怏w(氫、甲烷、丙烷等等)、以及助燃?xì)怏w(氧氣等等)，它們相互混合以形成火焰。玻璃原料在這樣形成的火焰中經(jīng)過氧化反應(yīng)或水解反應(yīng)，以形成玻璃顆粒流。然后，玻璃顆粒在起動棒前端或圍繞起動棒順序地沉積下來。
該氣相合成反應(yīng)是在稍稍遠(yuǎn)離各個孔出口的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，在該區(qū)域內(nèi)各氣體相互混合。圖3A和3B示意性地表示燃燒器內(nèi)原料水解或氧化的反應(yīng)狀態(tài)的例子。在該實(shí)施例中，燃燒器16包括四層同軸形成的噴氣口，玻璃原料/易燃?xì)怏w9供給燃燒器16的中心噴孔口，而易燃?xì)怏w10、隔離氣體11和氧氣12供給中心噴孔口的外部。由此形成了進(jìn)行反應(yīng)的火焰。在圖3A的反應(yīng)區(qū)內(nèi)，水解或氧化反應(yīng)依照下面的反應(yīng)式進(jìn)行。也就是說，在該氣相合成法中，原料的有效混合等是提高顆粒玻璃生產(chǎn)率由此提高多孔玻璃體沉積效率以及提高原料成品率的必要條件。順便提及，圖3A中的附圖標(biāo)記14表示原料氣體/易燃?xì)怏w的展開區(qū)域，而15是氧氣的展開區(qū)域。
作為以該氣相合成法合成玻璃顆粒的燃燒器，已知的是同心多管燃燒器(日本專利未審公開昭61-183140號，日本專利未審公開昭63-55135號等)和多噴嘴燃燒器(日本專利未審公開昭62-187135號和日本專利未審公開平6-247722號等)等等，在上述同心多管燃燒器中同心地設(shè)置了多個同軸環(huán)形噴嘴，而在多噴嘴燃燒器中，從多個單個噴嘴提供助燃?xì)饣蛞兹細(xì)怏w。
在同心多管燃燒器中，原料氣體、助燃?xì)怏w和易燃?xì)怏w是從同心設(shè)置的同軸環(huán)形噴嘴中噴射出來，它們相互混合，以使原料在氫氧焰中經(jīng)歷水解反應(yīng)或氧化反應(yīng)。盡管同心多管燃燒器具有容易制造的優(yōu)點(diǎn)，但是原料氣體、易燃?xì)怏w(燃?xì)?和氧化氣體(助燃?xì)怏w)從燃燒氣的開口端噴射的方向相互間基本平行，這樣就不能認(rèn)為這些氣體的混合效率好。因此，也不能認(rèn)為由原料變成玻璃顆粒的水解反應(yīng)和氧化反應(yīng)的效率足夠高。于是，存在這樣一個問題，原料成品率(多孔玻璃體的產(chǎn)量與所加入的原料量的比)相對較低。
另一方面，在多噴嘴燃燒器中，助燃?xì)怏w或易燃?xì)怏w從單個小直徑的噴嘴中噴出，從而使原料氣體、助燃?xì)怏w和易燃?xì)怏w彼此混合，以便使原料在氫氧焰中經(jīng)歷水解反應(yīng)或氧化反應(yīng)。氣體混合效率高，由此氣相合成反應(yīng)的效率提高，并提高了原料成品率。另外，從每個小直徑噴嘴噴出的氣體流速比其周圍的其它氣體的流速高，但是由于極好的方向性、較小的流量等因素火焰很穩(wěn)定。然而，在多噴嘴燃燒器中，必需在燃燒器的有限面積內(nèi)布置大量小直徑的噴嘴，由此與制造同心多管燃燒器相比，要花費(fèi)更多力氣來制造多噴嘴燃燒器。另外，噴嘴的位置和方向?qū)O其靈敏的影響反應(yīng)，因此由于燃燒器結(jié)構(gòu)(噴嘴布置等)的輕微變位會使原料成品率產(chǎn)生很大變化。因此，存在這樣一個問題很難獲得穩(wěn)定的燃燒器性能，由此很難獲得穩(wěn)定的多孔玻璃體產(chǎn)量。
如上所述，在多噴嘴燃燒器中，氧氣等氣體可從具有方向性的小直徑噴嘴噴向中心部分(朝原料)。這樣，原料氣體、助燃?xì)怏w和易燃?xì)怏w之間的混合效率很高，由此可高產(chǎn)量地沉積多孔玻璃。相反，存在這樣一個問題噴嘴的形狀很大地影響著多孔玻璃的沉積率(在各燃燒器中間存在著很大的個體差別)。實(shí)際上，要花費(fèi)很大力氣來制造大量噴嘴。
另一方面，制造同心多管燃燒器比制造多噴嘴燃燒器要容易得多(指對制造過程的控制)。然而，在同心多管燃燒器中存在這樣一個問題，這樣原料氣體、助燃?xì)怏w與易燃?xì)怏w中的混合效率不象多噴嘴燃燒器中進(jìn)行的那樣高。作為該原因的調(diào)查結(jié)果，已經(jīng)證明擴(kuò)散到原料中心部分的氧氣量總是不足(在氧氣擴(kuò)散速度測定過程中)。然而，已經(jīng)證明，如果增加供氧量，火焰的溫度就會下降，從而使原料的反應(yīng)效率也下降。由此也證明，簡單增加氧氣量不能解決該問題。
控制光纖傳輸區(qū)域折射率的一種方法是向作為光纖主成分的SiO2中加入適量的GeO2。為了向SiO2中添加GeO2，通常的作法是同時提供SiCl4和GeCl4作原料，具體說就是向燃燒器提供一定量的GeCl4(形成GeO2的原料)和SiCl4(形成SiO2的原料)以在預(yù)定的區(qū)域沉積玻璃顆粒，并制成光纖前體多孔玻璃體，當(dāng)使用這種混合氣體作為原料氣體時，本發(fā)明的合成玻璃顆粒的燃燒器以及使用這種燃燒器來制造多孔玻璃體的方法特別有用。
因?yàn)镚eCl4水解反應(yīng)的平衡常數(shù)比SiCl4的小很多，在原料流附近擴(kuò)散并展開的氧氣主要被SiCl4的水解反應(yīng)所消耗。因此，當(dāng)SiCl4與GeCl4混合并注入原料噴孔時，SiCl4的水解反應(yīng)要優(yōu)先于GeCl4的水解反應(yīng)進(jìn)行，結(jié)果，GeCl4的反應(yīng)效率比較低。因此，為獲得所希望的GeO2濃度，就必需添加過量的GeCl4。
根據(jù)本發(fā)明的合成玻璃顆粒的燃燒器以及使用本發(fā)明的燃燒器制造多孔玻璃體的方法，最靠近原料的氧氣很快朝著原料的中心部分?jǐn)U散，從而使得大量的氧可供入到原料的展開區(qū)。因此，不僅SiCl4的水解反應(yīng)速度而且GeCl4的水解反應(yīng)速度也得到提高。結(jié)果，在玻璃顆粒沉積速度加快的同時，SiCl4和GeCl4的反應(yīng)效率，尤其是GeCl4的反應(yīng)效率得到提高。
發(fā)明概述考慮到背景技術(shù)中的上述問題，本發(fā)明的一個目的是提供一種玻璃顆粒合成燃燒器，它是易于制造的同心多管燃燒器，其在原料氣體、助燃?xì)怏w和易燃?xì)怏w的混合方面效率很高，并能獲得高的原料成品率；本發(fā)明的目的還提供一種通過利用該玻璃顆粒合成燃燒器制造多孔玻璃體的方法。
本發(fā)明包括以下從(1)到(10)個方案，用以作為解決前述問題的手段。
(1)合成玻璃顆粒的同心多管燃燒器，包括由原料氣體噴孔、易燃?xì)怏w噴孔和氧氣噴孔的組合，或原料氣體與易燃?xì)怏w的噴孔、易燃?xì)怏w的噴孔和氧氣噴孔的組合，或原料氣體和易燃?xì)怏w的噴孔和氧氣噴孔的組合構(gòu)成的中心噴孔群組，以從中心逐漸增加距離的順序設(shè)置上述噴孔，(在相應(yīng)的孔口之間可設(shè)置噴射惰性氣體的隔離氣體噴孔)。在同心多管燃燒器中，中心噴孔群組的氧氣噴射孔外壁朝燃燒器頂部比氧氣噴孔內(nèi)壁伸出更多，且外壁的伸出長度不短于氧氣噴孔間隙的30倍。
(2)根據(jù)上述方案(1)所述的合成玻璃顆粒的燃燒器，其中在中心噴孔群組外部可設(shè)置具有易燃?xì)怏w噴孔和氧氣噴孔的外圍噴孔群組。
(3)根據(jù)上述方案(1)或(2)所述的合成玻璃顆粒的燃燒器，其中易燃?xì)怏w為氫氣。
(4)根據(jù)上述方案(1)到(3)中任一項(xiàng)所述的合成玻璃顆粒的燃燒器，其中中心噴孔群組的氧氣噴孔的外壁伸出長度不長于外壁內(nèi)徑的9倍。
(5)根據(jù)上述方案(4)所述的合成玻璃顆粒的燃燒器，其中中心噴孔群組的氧氣噴孔的外壁伸出長度不長于外壁內(nèi)徑的8倍。
(6)一種通過氣相合成法制造多孔玻璃體的方法，其中玻璃原料氣體在火焰中經(jīng)歷水解反應(yīng)或氧化反應(yīng)；其中通過利用上述方案(1)到(5)中任一項(xiàng)限定的玻璃顆粒合成燃燒器，從中心噴孔群組的氧氣噴孔噴出的氧氣流速不低于從比氧氣噴孔更靠里的噴孔噴出的氣體的平均流速的1.2倍，所述的平均流速是指內(nèi)部氣體的總流量除以總噴口截面積的值。
(7)根據(jù)上述方案(6)所述的多孔玻璃體制造方法，其中從中心噴孔群組的氧氣噴孔噴出的氧氣流速不低于從比氧氣噴孔更靠里的噴孔噴出的氣體平均流速(內(nèi)部氣體的總流量/噴孔截面積)的1.35倍。
(8)根據(jù)上述方案(6)或(7)所述的多孔玻璃體制造方法，其中從中心噴孔群組的氧氣噴孔噴出的氧氣流速不低于3.0m/s。
(9)根據(jù)上述方案(6)到(8)中任一項(xiàng)所述的多孔玻璃體制造方法，其中從中心噴孔群組的氧氣噴孔噴出的氧氣流速不高于50m/s。
(10)根據(jù)上述方案(6)到(9)中任一項(xiàng)所述的多孔玻璃體制造方法，其中中心噴孔群組中氧氣噴孔的外壁伸出長度不長于外壁內(nèi)徑的8倍，且所有比外壁更靠里的氣體通過外壁內(nèi)側(cè)的時間不長于50ms(毫秒)。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種合成玻璃顆粒的同心多管燃燒器，它包括由原料氣體噴孔、易燃?xì)怏w噴孔和氧氣噴孔組合，或原料氣體與易燃?xì)怏w噴孔、易燃?xì)怏w噴孔和氧氣噴孔的組合，或原料氣體噴孔與易燃?xì)怏w噴孔和氧氣噴孔的組合構(gòu)成的中心噴孔群組，噴孔以離中心距離漸增的順序設(shè)置。另外，同心多管燃燒器設(shè)有位于中心噴孔群組外部的外部噴孔群組。外部噴孔群組包括易燃?xì)怏w噴孔和氧氣噴孔。就不一一限定外部噴孔群組的結(jié)構(gòu)了。外部噴孔群組可具有這樣的結(jié)構(gòu)在中心噴孔群組外部至少同心地設(shè)置一對易燃?xì)怏w噴孔和氧氣噴孔?？蛇x擇的是，圍繞多個其它的氣體噴孔同心設(shè)置了易燃?xì)怏w噴孔和氧氣噴孔之一。進(jìn)一步可選擇的是，可通過這些結(jié)構(gòu)的組合構(gòu)成外部噴孔群組。另外，該外部噴孔群組可設(shè)有依據(jù)需要供給原料氣體的噴孔。
該同心多管燃燒器屬于這樣一個方案向各孔群組內(nèi)輸送氧氣。順便提及，可在各噴孔中間設(shè)置噴射惰性氣體如氬氣、氦氣或氮?dú)獾母綦x氣體噴孔。
根據(jù)本發(fā)明的玻璃顆粒合成燃燒器在其中心噴孔群組的結(jié)構(gòu)中具有這樣一個特征中心噴孔群組中最外部的氧氣噴孔(此后稱為“第一氧氣噴孔”)外壁向燃燒器頭部比第一氧氣噴孔內(nèi)壁伸出更多。由此，氧氣在沿壁面流動的同時形成向內(nèi)部擴(kuò)散的擾動壁面射流。由于壁面僅在一側(cè)沿氧氣的噴射方向形成，因此氧氣擴(kuò)散有效的向內(nèi)展開，由此氧氣在中心部分內(nèi)有效地?cái)U(kuò)散并與原料氣體和易燃?xì)怏w混和。如果壁面較短，那么向中心部分的擴(kuò)散和展開效果就不能令人滿意地進(jìn)行。因此，外壁的伸出長度為第一氧氣噴孔的間隙(外壁內(nèi)表面與內(nèi)壁外表面之間的間隙)的30倍或更多倍。
基于促進(jìn)氧氣以壁面射流為基礎(chǔ)朝中心部分的紊流擴(kuò)散的觀點(diǎn)；優(yōu)選的是增加外壁的伸出長度。然而，如果外壁太長，原料氣體和玻璃顆粒就從中心部分?jǐn)U散到壁面附近并開始在壁面上沉積。為避免該沉積，理想的是將外壁的伸出長度設(shè)定為外壁內(nèi)徑大小的9倍或更少，盡管該長度也取決于氣體從各噴孔噴出的流速。
順便提及，在具有上述結(jié)構(gòu)的中心噴孔群組外部設(shè)置的外部噴孔群組可這樣設(shè)計(jì)使各噴孔的噴射端與第一氧氣噴孔的伸出的外壁噴射端平齊。外部噴孔群組通常由易燃?xì)怏w噴孔和氧氣噴孔(如果需要還有惰性氣體噴孔)構(gòu)成，以便具有形成為廣泛地加熱玻璃顆粒沉積表面的火焰的功能。
通過利用這種構(gòu)造的玻璃顆粒合成燃燒器，可將從第一氧氣噴孔噴出的氧氣流速控制為從比第一氧氣噴孔更靠里的噴孔噴出的氣體平均流速(內(nèi)部氣體的總流量/噴孔橫截面積)的1.2或更多倍，優(yōu)選為1.35或更多倍。由此，就能夠增加向中心部分?jǐn)U散和輸送的氧氣量，而無需增加氧氣的絕對量(即，不會導(dǎo)致溫度下降從而導(dǎo)致反應(yīng)率降低)。于是，就能高原料成品率地制造出多孔玻璃體。如果從第一氧氣噴孔噴出的氧氣流速低于內(nèi)部氣體平均流速大小的1.2倍，就不能獲得將氧氣有效帶入內(nèi)部紊流擴(kuò)散的效果。
當(dāng)從與原料氣體為同一噴孔的噴孔或與原料噴孔最接近的噴孔噴出的易燃?xì)怏w是氫氣時，氧氣的紊流擴(kuò)散因子相對增加。由此，有效地加速了氧氣朝中心部分的擴(kuò)散，由此提高了原料玻璃化的反應(yīng)效率。
另外，為將氧氣帶入有效紊流擴(kuò)散，優(yōu)選的是將氧氣從第一氧氣噴孔噴出的流速設(shè)定為不低于3.0m/s(米/秒)。然而，如果第一氧氣噴孔的孔寬(間隙)變得太窄而流速變得太高，都會使氧氣朝中心部分的擴(kuò)散變得困難。另外，由于氧氣沿壁面流動產(chǎn)生的力會阻止原料氣體從中心部分?jǐn)U散，或阻止所產(chǎn)出的玻璃顆粒向壁面擴(kuò)散或粘附到壁面上，該力變得很弱。因此優(yōu)選的是，氧氣流速的上限最大可設(shè)定為大約20m/s或50m/s。
在根據(jù)本發(fā)明的玻璃顆粒合成燃燒器中，由于第一氧氣噴孔的外壁是伸出的，因此如果氣體很長時間都呆在外壁的內(nèi)側(cè)，就存在這樣一個擔(dān)心玻璃顆粒會粘附到外壁伸出部分的內(nèi)表面上，從而最終使燃燒器發(fā)生阻塞。由此優(yōu)選的是，將外壁的伸出長度設(shè)定為外壁內(nèi)徑大小的8倍或更小，將比外壁更靠里的所有氣體通過外壁內(nèi)側(cè)的時間設(shè)定為不長于50ms(毫秒)。此處通過外壁內(nèi)側(cè)的時間意指由氣體在向后傾斜部分中的平均流速(內(nèi)部總的氣體流量/開口部分的橫截面積)計(jì)算得到的外壁內(nèi)側(cè)(在向后傾斜部分)中的平均通過時間(伸出長度/平均流速)。
為有效地制造玻璃顆粒，優(yōu)選的是這樣設(shè)置氣體將原料氣體設(shè)置在中心，易燃?xì)怏w位于與原料氣體相同的位置或與其最接近的位置(為提高反應(yīng)區(qū)域的溫度)，同時從周圍向反應(yīng)區(qū)域提供氧氣。具體的是，在該設(shè)置形式中，氧氣是從相對狹窄的區(qū)域噴出的。如果下面兩個關(guān)于氧氣噴孔結(jié)構(gòu)的條件得到滿足，氧氣就會有效地?cái)U(kuò)散并輸送到中心部分。也就是說，氧氣噴孔的外壁表面應(yīng)當(dāng)比其內(nèi)壁表面伸出更長的長度，其伸出長度是內(nèi)外壁表面間隙寬度大小的30倍或更多。另外，氧氣流速應(yīng)當(dāng)為比氧氣更靠里氣體的平均流速的1.2倍或更多。由此，就有了這樣的效果加速了中心部分原料的氧化速度和水解速度，從而顯著提高了原料成為玻璃的反應(yīng)率。滿足這些條件的燃燒器結(jié)構(gòu)和反應(yīng)條件對本發(fā)明來說是必不可少的。
附圖的簡要說明

圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制造多孔玻璃體的狀態(tài)的示意圖；圖2是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的燃燒器中心噴孔群組結(jié)構(gòu)的示意性截面圖；圖3A和3B分別是示意性地表示原料在燃燒器中進(jìn)行玻璃化的反應(yīng)狀態(tài)的說明性示圖；圖4示意性地表示了在實(shí)施例7中沉積玻璃顆粒的狀態(tài)。
優(yōu)選實(shí)施方案的詳細(xì)描述根據(jù)實(shí)施例和比較例對本發(fā)明的效果進(jìn)行以下說明，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例(實(shí)施例1到6，以及比較例1到4)。
如圖1所示，通過利用根據(jù)本發(fā)明結(jié)構(gòu)的合成玻璃顆粒的燃燒器8來合成玻璃顆粒，通過在起動棒6周圍沉積玻璃顆粒7的VAD方法制造多孔玻璃體。
所用燃燒器8為同心16管燃燒器。如圖2的側(cè)視圖所示，通過噴射原料氣體(SiCl4)和氫氣的第一噴孔1、噴射氫氣的第二噴孔2、噴射作為隔離氣體的氬氣的第三噴孔3、和噴射氧氣的第四噴孔4(對應(yīng)于本發(fā)明的第一氧氣噴孔)構(gòu)成燃燒器8的中心噴孔群組5。在該中心噴孔群組的外部設(shè)置了三組以(Ar/H2/Ar/O2)的組合形成火焰的外部噴孔群組。
在燃燒器8中，將標(biāo)準(zhǔn)噴孔用作作為第一氧氣噴孔的第四噴孔4，該噴孔的內(nèi)徑為20mm，外徑為25mm，一個改進(jìn)例如表1和表2中所示，它在第四噴孔的間隙(圖2中的b0)、第四噴孔外壁的內(nèi)徑(第四噴孔的外徑)和伸出長度(圖2中的a0)上作了變化。然后，通過利用直徑為30mm的起動棒6，玻璃顆粒在表1和2中所示的條件下沉積下來，從而形成直徑為200mm的多孔玻璃體。當(dāng)例如第四噴孔的間隙、氧氣流速等條件改變時，調(diào)節(jié)外焰(主要是氫氣流速)，以便使玻璃顆粒沉積表面的溫度、多孔玻璃體的直徑等保持在目標(biāo)固定值。生產(chǎn)條件和結(jié)果(原料成品率)示于表1(實(shí)施例中的生產(chǎn)條件和結(jié)果)和表2(比較例的生產(chǎn)條件和生產(chǎn)成效)中。
在此，原料成品率是用(C/B)×100(％)表示的值，其中C表示沉積的玻璃顆粒重量，而B表示當(dāng)所有被提供的玻璃原料形成玻璃顆粒時玻璃顆粒的重量(理論產(chǎn)量)。順便提及，基于作為玻璃原料的SiCl4供應(yīng)量為A的假設(shè)，則玻璃顆粒的理論產(chǎn)量B可表示為B＝(A/170)×60。
〔表1〕
〔表2〕
注1.第一到第三噴孔平均流速＝第一到第三噴孔總流量/第一到第三噴孔開口面積2.原料成品率＝(沉積的玻璃顆粒重量/生產(chǎn)玻璃顆粒的理論重量)×100(％)3.第四噴孔外徑＝第四噴孔外壁的內(nèi)徑從表1和表2可清楚看到，在通過利用根據(jù)本發(fā)明的玻璃顆粒合成燃燒器并依照本發(fā)明的制造方法制造的實(shí)施例1到6的多孔玻璃體中，原料成品率最好能在53％到59的范圍內(nèi)。另一方面，在比較例1中，其第四噴孔流速/第一到第三噴孔平均流速為1.2，原料成品率為50％?？梢哉J(rèn)為，這是因?yàn)榈谒膰娍椎牧魉傧鄬τ诘谝坏降谌龂娍讎娍椎钠骄魉俨粔蚋撸灾卵鯕獬蛑行牟糠值奈闪鲾U(kuò)散不能有效發(fā)生造成的。在比較例4中，中心部分的流速高于第四噴孔的流速，因此原料朝周圍的擴(kuò)散要優(yōu)先于氧氣朝中心部分的擴(kuò)散。于是，當(dāng)玻璃顆粒沉積時，它就開始粘附在第四噴孔伸出部分的內(nèi)壁上，并且粘附的物質(zhì)快速增加。最后，就會出現(xiàn)燃燒器阻塞的問題，表中的成品率為燃燒器阻塞之前的數(shù)值。
另外，在比較例2中，第四噴孔外壁的伸出長度相對于第四噴孔的間隙不夠大，在氧氣的紊流擴(kuò)散朝中心部分前進(jìn)前，助溶劑被釋放出來。從而使原料成品率降低到42％。相反的是，在比較例3中，第四噴孔外壁的伸出長度相對于第四噴孔的間隙太大，當(dāng)玻璃顆粒沉積時，它開始粘附到第四噴孔伸出部分的內(nèi)壁上。最后會出現(xiàn)燃燒器阻塞的問題。另外，原料成品率為48％。
在前面的實(shí)施方案中，只討論了SiCl4作為原料流入燃燒器中心，并提出提高水解反應(yīng)效率并獲得高的原料成品率。
另外，根據(jù)本發(fā)明，如果將“GeCl4”和“GeCl4+SiCl4”作為流入燃燒器中心的原料，也能得到同樣顯著提高水解反應(yīng)效率和原料成品率的效果。
(實(shí)施例7和比較例5和6)使用根據(jù)本發(fā)明的玻璃顆粒合成燃燒器來合成玻璃顆粒。然后，通過VAD方法制備了多孔玻璃體，其中玻璃顆粒由起動棒的一端順序沉積。然后使多孔玻璃體固結(jié)，固結(jié)體的折射率隨著由中心向周邊徑向距離的平方成比例減小，也就是說固結(jié)體的折射率為GI型。
燃燒器8是同心8管燃燒器。如圖2的側(cè)視圖所示，燃燒器8的中心噴孔群組是由噴射原料氣體(SiCl4和GeCl4)和氫氣的第一噴孔1、噴射氫氣的第二噴孔、噴射氬氣作為隔離氣體的第三噴孔、和噴射氧氣的第四噴孔(對應(yīng)于本發(fā)明的第一氧氣噴孔)。在該中心噴孔群組5以外，提供了(Ar/H2/Ar/O2)組合以形成火焰的外部噴孔群組。
如圖4所示，使用直徑為20mm的起動棒6，在表3所示的條件下，由燃燒器8合成的玻璃顆粒7由起動棒6的一端開始沉積，從而形成直徑130mm的多孔玻璃體。表3示出了燃燒器的主要部分的結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)條件和結(jié)果(原料成品率)。調(diào)節(jié)由外部噴孔群組形成的火焰(主要是氫氣流速)以便在第四噴孔的伸出長度(圖2中的a)、第四噴孔的間隙(圖2中的b0)、氧氣的流速等變化時，使玻璃顆粒沉積表面的溫度，多孔玻璃體的直徑等維持恒定值。
〔表3〕
注1.第一到第三噴孔的平均流速＝第一到第三噴孔的總流量/第一到第三噴孔的開口面積2.原料成品率＝(沉積的玻璃顆粒重量/生產(chǎn)的玻璃顆粒的理論重量重量)×100％3.第四噴孔外徑＝第四噴孔外壁的內(nèi)徑從表3中可清楚看到，實(shí)施例7表現(xiàn)出好的結(jié)果，即原料SiCl4的成品率為73％，原料GeCl4的成品率為49％。而另一方面，比較例5中原料SiCl4的成品率為50％、原料GeCl4的成品率為34％，比較例6中原料SiCl4的成品率為52％、原料GeCl4的成品率為40％。與實(shí)施例7相比，比較例5和6中SiCl4和GeCl4的原料成品率明顯低。這是因?yàn)樵趯?shí)施例7中，第四噴孔的間隙寬度、伸出長度、以及原料的流速得到了優(yōu)化，而比較例5中第四噴孔的間隙寬度太大，因此氧氣噴孔的流速降低，結(jié)果氧氣未滿意地?cái)U(kuò)散到中心部分。而在比較例6中，第四噴孔的伸出長度太小，因此在氧氣紊流擴(kuò)散至中心部分之前助熔劑被釋放出來，由此導(dǎo)致原料成品率降低。
如上所述，通過利用根據(jù)本發(fā)明的玻璃顆粒合成燃燒器，將第一氧氣噴孔外壁作得比其內(nèi)壁表面長，以便實(shí)現(xiàn)擾動壁表面射流，在該射流中噴射的氧氣向中心部分流動。控制從第一氧氣噴孔噴出的的氧氣流速對從比第一氧氣噴孔更靠里的噴孔噴出的氣體的平均流速的比，使其落入適當(dāng)范圍內(nèi)。由此，增強(qiáng)了原料與氫氧氣體之間的混合效率。由此通過容易制造的同心多管燃燒器可增加朝中心部分?jǐn)U散和輸送的氧氣量，而無需增加氧氣的絕對量(即，不會使溫度降低，致使反應(yīng)效率降低)。結(jié)果，就可以高原料成品率地制造出多孔玻璃體。
另外，與原料最接近的氧氣朝中心部分非常有效地?cái)U(kuò)散，致使將更大量的氧氣輸送到中心部分的原料展開區(qū)域。由此，不僅顯著地加速了SiCl4的水解反應(yīng)，而且也顯著加速了GeCl4的水解反應(yīng)。結(jié)果，SiCl4和GeCl4的反應(yīng)效率、特別是GeCl4的反應(yīng)效率顯著提高，同時也提高了沉積速度。
此外，通過使用GeCl4和SiCl4的混合原料，本發(fā)明可以有效地以高原料成品率生產(chǎn)多孔玻璃體。
權(quán)利要求
1.一種合成玻璃顆粒的同心多管燃燒器，它包括中心噴孔群組，它包括原料氣體噴孔；易燃?xì)怏w噴孔；和設(shè)置在所述原料氣體噴孔和易燃?xì)怏w噴孔外圍的氧氣噴孔，其中所述中心噴孔群組的所述氧氣噴孔的外壁比所述氧氣噴孔的內(nèi)壁朝所述燃燒器頭部伸出更多，所述外壁的伸出長度不短于所述氧氣噴孔外壁內(nèi)表面與內(nèi)壁外表面之間間隙大小的30倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成玻璃顆粒的燃燒器，其中所述中心噴孔群組還包括噴射惰性氣體的隔離氣體噴孔，該隔離氣體噴孔設(shè)置在易燃?xì)怏w噴孔和氧氣噴孔之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成玻璃顆粒的燃燒器，進(jìn)一步包括；外部噴孔群組，它包括易燃?xì)怏w噴孔；以及氧氣噴孔，其中外部噴孔設(shè)置在所述中心噴孔群組的外部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成玻璃顆粒的燃燒器，其中所述中心噴孔群組的所述氧氣噴孔所述外壁的所述伸出長度不長于所述外壁內(nèi)徑大小的9倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的合成玻璃顆粒的燃燒器，其中所述中心噴孔群組的所述氧氣噴孔所述外壁的所述伸出長度不長于所述外壁內(nèi)徑大小的8倍。
6.一種通過氣相合成法制造多孔玻璃體的方法，其中玻璃原料氣體在火焰中經(jīng)受水解反應(yīng)或氧化反應(yīng)，該方法包括使用權(quán)利要求1限定的玻璃顆粒合成燃燒器，從所述中心噴孔群組的所述氧氣噴孔中噴射氧氣，氧氣流速不低于從比所述氧氣噴孔更靠里的噴孔噴出的氣體的平均流速的1.2倍，平均流速為內(nèi)部氣體的總流量對噴孔橫截面積的比。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多孔玻璃體制造方法，其中從所述中心噴孔群組的所述氧氣噴孔噴出的所述氧氣流速不低于從比所述氧氣噴孔更靠里的噴孔噴出的氣體的所述平均流速的1.35倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多孔玻璃體制造方法，其中從所述中心噴孔群組的所述氧氣噴孔噴出的氧氣的所述流速不低于3.0m/s。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多孔玻璃體制造方法，其中從所述中心噴孔群組的所述氧氣噴孔噴出的氧氣的所述流速不高于50m/s。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多孔玻璃體制造方法，其中在所述外壁以內(nèi)的所有氣體通過所述外壁內(nèi)部的時間不長于50毫秒。
全文摘要
一種合成玻璃顆粒的同心多管燃燒器,它具有由原料氣體、易燃?xì)怏w和氧氣噴孔的組合構(gòu)成的中心噴孔群組,其中中心噴孔群組中的氧氣噴孔外壁比氧氣噴孔的內(nèi)壁朝燃燒器頭部伸出更多。可將從中心噴孔群組的氧氣噴孔噴出的氧氣流速控制在適當(dāng)范圍。
文檔編號C03B37/018GK1343638SQ0113302
公開日2002年4月10日 申請日期2001年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2000年9月14日
發(fā)明者榎本正, 大賀裕一, 赤池暢哉, 相川晴彥, 松尾尚, 中村元宣 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社