專利名稱：用于制造玻璃的灰粉形成方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于制造玻璃的灰粉(soot)的形成，更具體地說(shuō)，涉及一種在燃燒水解過(guò)程中將液態(tài)前體(precursor)輸送至火焰的方法和設(shè)備。
本發(fā)明雖可適用于范圍很廣的玻璃灰粉沉積場(chǎng)合，但特別適合于制各用來(lái)制造光波導(dǎo)件的灰粉，在下文中將對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)地描述。
背景技術(shù)：
在通過(guò)蒸汽狀反應(yīng)劑生產(chǎn)金屬氧化物的領(lǐng)域，已知有各種不同的工藝方法。這些方法需要一原料溶液或前體、一用于生成原料溶液蒸汽(以下稱之為蒸汽化反應(yīng)劑)并將其與氧化劑一起傳送至一轉(zhuǎn)化反應(yīng)位置(熟悉本領(lǐng)域的人員都知道，這也被稱之為灰粉反應(yīng)區(qū)域)的裝置、以及同時(shí)進(jìn)行催化氧化和燃燒以產(chǎn)生細(xì)分的并且是球形團(tuán)粒的所謂“灰粉”的裝置。這些灰粉能以多種方式收集在從收集室至轉(zhuǎn)動(dòng)心軸(rotating mandrel)區(qū)域內(nèi)的任何沉積容器中。可以在同時(shí)或稍后對(duì)被收集的灰粉進(jìn)行熱處理，以形成一無(wú)孔的、透明的、高純度的玻璃制品。該工藝過(guò)程通常需借助專門(mén)的設(shè)備來(lái)進(jìn)行，這種設(shè)備具有特殊布置的噴嘴和燃燒器。
開(kāi)始時(shí)，很多對(duì)該工藝的研究都將重點(diǎn)放在粒狀(bulk)二氧化硅的生產(chǎn)上。選擇適當(dāng)?shù)脑鲜窃擁?xiàng)工作的一個(gè)很重要的方面。因此，在大約100℃以下的溫度下能產(chǎn)生200-300毫米汞柱(mmHg)蒸汽壓力的原料可以用來(lái)制造這樣的粒狀二氧化硅。四氯化硅(SiCl4)的高蒸汽壓力使其可以作為一種便于產(chǎn)生灰粉的蒸汽源，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)和利用了一系列類似的氯基原料。該因素(超過(guò)其它任何因素)是目前可以接受SiCl4、GeCl4、POCl3和BCl3作為原料蒸汽源的原因。
然而，利用這些以及其它鹵素基的原料作為蒸汽源有其自身的缺陷。主要的缺陷是會(huì)產(chǎn)生作為氧化副產(chǎn)物的鹽酸(HCl)。鹽酸不但有害于沉積基體和反應(yīng)設(shè)備，而且有害于環(huán)境。為克服該缺陷，尤其是可以采用無(wú)鹵素化合物來(lái)作為光波導(dǎo)件灰粉生產(chǎn)的前體或原料。
雖然可以如美國(guó)專利5,043,002和5,152,819所述的那樣采用無(wú)鹵素硅化合物來(lái)作為熔融二氧化硅玻璃生產(chǎn)的原料以避免生成鹽酸，但仍然存在其它問(wèn)題，特別是當(dāng)玻璃是用于形成光波導(dǎo)件和高純度二氧化硅灰粉時(shí)。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在將蒸汽化的聚烷基硅氧烷傳送至燃燒器的過(guò)程中，高分子量的物質(zhì)會(huì)作為膠體沉積在將蒸汽化反應(yīng)劑傳送至燃燒器的傳送線上，或沉積在燃燒器中。這將導(dǎo)致隨后將固結(jié)成一用來(lái)抽出光波導(dǎo)纖維的坯料的灰粉的沉積率下降。這還將導(dǎo)致坯料缺陷，即，經(jīng)常從坯料的受影響的部分生產(chǎn)出有缺陷的和/或不能用的光波導(dǎo)纖維。在利用硅氧烷原料形成二氧化硅灰粉時(shí)遇到的另一個(gè)問(wèn)題是，具有高分子量和高沸點(diǎn)的顆粒會(huì)沉積在光波導(dǎo)纖維坯料上。這些顆粒的沉積將導(dǎo)致“瑕疵”或“簇狀瑕疵”的缺陷，它們會(huì)對(duì)利用該二氧化硅灰粉形成的光波導(dǎo)件的光學(xué)和結(jié)構(gòu)質(zhì)量造成不利影響。
所謂瑕疵典型的是玻璃體內(nèi)的小氣泡(直徑為0.1至4.0mm)。它們經(jīng)常是由某種諸如未燃燒的膠狀聚烷基硅氧烷的雜質(zhì)而形成在熔融的二氧化硅中的。非常小的硅氧烷膠體顆?？梢允沁@種瑕疵的起始位置。由于硅氧烷在沉積于玻璃體之后在高溫下分解，所以它可能釋放出氣體導(dǎo)致瑕疵形成。簇狀的瑕疵是光波導(dǎo)纖維預(yù)制體中發(fā)現(xiàn)的較大的玻璃瑕疵，經(jīng)常是成為一系列呈直線狀、漏斗狀或花狀的簇。通常，一個(gè)大顆粒膠體是一簇狀瑕疵的起始位置。在膠體顆粒已經(jīng)撞擊多孔預(yù)制體之后，會(huì)在預(yù)制體表面上形成一個(gè)突起的區(qū)域。由于簇狀瑕疵是一個(gè)突起的位置，因而會(huì)有更多的熱量通過(guò)該位置。由于傳熱量增大，會(huì)在該位置發(fā)生更多的熱泳，使缺陷生長(zhǎng)，留下一連串瑕疵。由于有簇狀瑕疵，光波導(dǎo)預(yù)制體的受影響部分不能正常地固結(jié)，在坯料上形成的不規(guī)則結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致光波導(dǎo)的缺陷。例如，在典型的100千米固結(jié)光波導(dǎo)纖維坯料(其直徑為70毫米，長(zhǎng)度為0.8米)的情況下，在坯料表面出現(xiàn)一個(gè)簇狀缺陷通常會(huì)在拉制過(guò)程中導(dǎo)致5千米的光波導(dǎo)纖維損失。在固結(jié)坯料較大的情況下，單個(gè)簇狀瑕疵的影響成正比地增大。在一250千米的固結(jié)坯料(其直徑為90mm，長(zhǎng)度為1.8m)情況下，坯料表面上的一個(gè)簇狀瑕疵通常會(huì)在拉制過(guò)程中導(dǎo)致8千米的光波導(dǎo)纖維損失。
美國(guó)專利08/767,653作了這樣的揭示，即，將液態(tài)硅氧烷傳送至一轉(zhuǎn)化位置，使原料在該轉(zhuǎn)化位置霧化，并在該轉(zhuǎn)化位置上將霧化的原料轉(zhuǎn)化成二氧化硅。由于前體是作為液體(而不是蒸汽)直接被送入燃燒器火焰，因而前體的蒸汽壓力不再是光波導(dǎo)件灰粉形成的限制因素。然而，08/767,653專利中所揭示的外置霧化器和它們的使用方法仍然是有限制的。外置霧化器通常具有與燃燒器表面在同一平面上的或大致在同一平面上的液體排放孔。因此，液體和噴霧氣體在燃燒器表面匯集。由于火焰靠近燃燒器表面產(chǎn)生，因而如果液體在到達(dá)火焰之前就分散成小液滴，那么就必須要非常迅速地發(fā)生霧化。為此，發(fā)生霧化就需要很高的氣體速率。雖然高氣體速率可以使液體分散成小液滴，但這是通過(guò)紊流而產(chǎn)生的，會(huì)給灰粉沉積速率造成不利影響。
此外，外置霧化器取決于圍繞液體出口孔定位的一個(gè)很小的噴霧氣體環(huán)面，此環(huán)面可提供撞擊于液體的高速噴霧氣體。于是，液體出口孔與灰粉反應(yīng)區(qū)域之間非常靠近的布置使得外置霧化器的液體出口孔和噴霧氣體環(huán)面易于積灰和阻塞。當(dāng)環(huán)面或液體出口孔被積灰部分地阻塞時(shí)，火焰進(jìn)而是灰粉流就會(huì)變得不均勻，從而影響灰粉沉積速率。由于開(kāi)孔的尺寸較小，對(duì)外置霧化器的清潔既費(fèi)時(shí)又困難。此外，由于燃燒器需在清潔過(guò)程中停止工作，因而會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。
外置霧化器的制造成本較高，而且靈活性欠佳。由于在外置霧化器的燃燒器表面上的液體排放孔處設(shè)有一銳緣(knife-edge)以便于從孔排出的噴霧氣體和液流的快速混合，因而液體排放孔的直徑被限制為大于最佳的尺寸。此外，液體排放孔必須對(duì)中地設(shè)置在環(huán)面內(nèi)，藉以避免偏離中心的問(wèn)題。只要有任何輕微的不對(duì)準(zhǔn)，火焰就會(huì)偏離中心。偏離中心將會(huì)導(dǎo)致灰粉沉積惡化，并且是沉積過(guò)程中的一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，誤差必須很小，這相應(yīng)地又會(huì)提高生產(chǎn)成本。
因此，需要另一種特別適用于光纖和其它波導(dǎo)場(chǎng)合的玻璃前體灰粉的沉積方法和設(shè)備。
發(fā)明概要本發(fā)明涉及一種用于將液態(tài)前體輸送至一燃燒器火焰以形成供制造玻璃用的灰粉的改進(jìn)的方法和設(shè)備。所述液態(tài)的前體可以通過(guò)熱氧化分解而轉(zhuǎn)變成玻璃，這些液態(tài)前體被直接引入一燃燒器的火焰，藉以產(chǎn)生細(xì)小的非晶態(tài)灰粉。非晶態(tài)灰粉通常沉積在一受體表面，在那里，所述灰粉或者是在沉積的同時(shí)或者是在沉積之后固結(jié)成熔融的玻璃體。隨后，可以直接由熔融玻璃體來(lái)制造產(chǎn)品，或者可以對(duì)熔融玻璃體進(jìn)行進(jìn)一步的處理，例如形成一光波導(dǎo)件，如題為“用于使聚烷基硅氧烷和最終產(chǎn)品純化的方法”的美國(guó)專利申請(qǐng)08/574,961所述(該專利的內(nèi)容可援引在此以作參考)，通過(guò)拉制來(lái)制造光波導(dǎo)纖維。
用于將所述前體作為一霧化液體直接輸送至燃燒器火焰的燃燒器組件包括一新穎的內(nèi)藏式噴射器孔，該噴射器孔可將細(xì)微的液流送入一腔室，在那里，所述液流暴露于低速的噴霧氣體。將氣體和液流引入腔室可使腔室內(nèi)的壓力升高，從而令液流作為一氣懸體從位于噴霧燃燒器組件的燃燒器表面的排出孔排出，該表面在工作時(shí)產(chǎn)生一轉(zhuǎn)化位置的火焰。氣懸體的小液滴被供給至火焰，從而借助熱氧化分解作用轉(zhuǎn)換成非晶態(tài)的灰粉。通常，諸如轉(zhuǎn)動(dòng)心軸之類的受體表面非?？拷鼑婌F燃燒器組件，以允許灰粉沉積于其上。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是，提供了一種可大大減少燃燒器組件的表面的孔阻塞的配置和方法，其利用了比該技術(shù)領(lǐng)域已知的其它噴霧燃燒器組件更低的噴霧氣體速率，同時(shí)又能以相同的液體流速進(jìn)行噴霧。由于利用了較低的氣體速率，所以可減小灰粉反應(yīng)區(qū)域的紊流，因而能大大提高灰粉沉積率。此外，由于是將前體作為氣懸體而不是蒸汽輸送至火焰，因而可以防止前體在暴露于蒸發(fā)器的高溫環(huán)境時(shí)發(fā)生凝膠，并且不需要蒸汽輸送系統(tǒng)。這樣就能提高灰粉的產(chǎn)量和質(zhì)量，并且減少生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)維護(hù)方面的要求。此外，由于前體不必在暴露于燃燒器火焰之前變成汽相，因而以前不能用于形成供制造預(yù)制體用的灰粉的元素現(xiàn)在可以通過(guò)氧化或燃燒水解而轉(zhuǎn)化成可以用來(lái)制造玻璃預(yù)制體的灰粉，這些元素包括選自于元素周期表中的ⅠA、ⅠB、ⅡA、ⅡB、ⅢA、ⅢB、ⅣA、ⅣB、ⅤA族和稀土系列的元素。
另一方面，本發(fā)明包括一燃燒器組件，該組件包括一具有一燃燒器表面的殼體，在燃燒器表面上具有多個(gè)氣體孔和一噴霧孔。一噴射器腔室內(nèi)設(shè)于殼體內(nèi)，所述殼體內(nèi)的多個(gè)氣體通道連通于各氣體孔。一具有一噴射器孔的噴射器位于噴射器腔室內(nèi)，所述噴射器孔遠(yuǎn)離所述噴霧孔。噴射器與殼體一起形成了位于燃燒器組件內(nèi)的壓力腔。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面，燃燒器組件包括布置和構(gòu)造成能輸送液態(tài)前體的噴射器，以及一基本圍繞所述噴射器的殼體。殼體具有一燃燒器表面，該表面包括一限定了一噴霧孔的孔邊沿。該孔邊沿的形狀是，當(dāng)液態(tài)前體從噴霧孔排出時(shí)，能減小紊流。
本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在下文中詳細(xì)描述，并且可以通過(guò)以下結(jié)合附圖的說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中變得明顯。本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)也可以通過(guò)以下說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)以及附圖中特別描述的方法和設(shè)備而實(shí)現(xiàn)。
應(yīng)該理解，以上的概述和下面的詳細(xì)描述都是舉例性和說(shuō)明性的，旨在對(duì)本發(fā)明加以進(jìn)一步地說(shuō)明，并不想對(duì)由所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明的保護(hù)范圍有任何的限制。此外，構(gòu)成說(shuō)明書(shū)一部分的附圖有助于對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步地理解，其中示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，并與說(shuō)明書(shū)一起用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的原理。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一反應(yīng)劑輸送系統(tǒng)的示意框圖；圖2是本發(fā)明之燃燒器組件的較佳實(shí)施例的俯視平面圖；圖3是沿圖2中的線3-3剖取的本發(fā)明燃燒器組件的側(cè)剖視圖；圖4是本發(fā)明之液體管的較佳實(shí)施例的俯視平面圖；圖5是沿圖4中的線5-5剖取的本發(fā)明液體管的側(cè)剖視圖；圖6是本發(fā)明之液體孔插入件的較佳實(shí)施例的俯視平面圖；圖7是沿圖6中的線7-7剖取的本發(fā)明液體孔插入件的側(cè)剖視圖；圖8是一液態(tài)前體的液滴從根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的噴霧燃燒器組件的出口孔排入一火焰的示意圖；圖9是本發(fā)明之燃燒器組件的一個(gè)低紊流實(shí)施例的局部剖視圖，示出了凸圓的孔邊沿。
對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述請(qǐng)?jiān)敿?xì)參見(jiàn)本發(fā)明的較佳實(shí)施例，各附圖中示出了一個(gè)實(shí)例，附圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。根據(jù)本發(fā)明的、用于形成制備光波導(dǎo)件用的灰粉的噴霧燃燒器組件形成了圖1所示的一個(gè)更大的系統(tǒng)中的一個(gè)部分。圖1示出了一個(gè)用于將液態(tài)前體傳輸至本發(fā)明的噴霧燃燒器組件10的示范系統(tǒng)。熟悉光纖技術(shù)的人員應(yīng)該理解，也可以將本發(fā)明結(jié)合于其它系統(tǒng)和所示系統(tǒng)的變型，以執(zhí)行與說(shuō)明書(shū)和權(quán)利要求書(shū)中描述的相同的功能。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，將一種液態(tài)的硅氧烷前體(例如聚甲基環(huán)硅氧烷)儲(chǔ)存在一前體容器12中。前體容器12通過(guò)一液態(tài)前體傳送管道系統(tǒng)流體連通于噴霧燃燒器組件10，如果需要，所述管道系統(tǒng)可以包括計(jì)量泵14、過(guò)濾器16和可選用的預(yù)熱器18。來(lái)自于容器12的液態(tài)硅氧烷前體是這樣通過(guò)液態(tài)前體傳送管道的，即，依次通過(guò)泵14、過(guò)濾器16和可選用的過(guò)濾器18。通過(guò)過(guò)濾器16的液體處在一個(gè)足以防止其在預(yù)熱器18中發(fā)生揮發(fā)的壓力下，所述預(yù)熱器18可以選用來(lái)在反應(yīng)劑被引入噴霧燃燒器組件10之前對(duì)其進(jìn)行加熱，并且可以避免通常會(huì)促進(jìn)膠體生成的噴霧器高溫。燃燒器組件10最好設(shè)置有一內(nèi)保護(hù)氣體、一反應(yīng)氣體、以及用于燃燒的甲烷和氧氣混合物，如授予D.R.Powers的美國(guó)專利4,165,223中所示，該專利的內(nèi)容可援引在此以作參考。然而，應(yīng)該理解，除了甲烷和氧氣以外，還可以用其它氣體(如氫氣)來(lái)支持燃燒器燃燒。
液態(tài)前體從過(guò)濾器16或預(yù)熱器18傳送至噴霧燃燒器組件10，顧名思義，噴霧燃燒器組件能使液態(tài)前體霧化，提供燃燒源，并且將霧化后的液體作為氣懸體送入燃燒源，在該較佳實(shí)施例中，燃燒源是一火焰。在說(shuō)明書(shū)中，是將前體描述成為一種“液體”或“液體形式”。這些術(shù)語(yǔ)的含義是，前體基本上為液態(tài)。反應(yīng)劑的一小部分可以是蒸汽形式的，特別是當(dāng)在系統(tǒng)中采用預(yù)熱器18時(shí)，或者是在液體上方覆蓋一氮?dú)鈱訒r(shí)。當(dāng)被傳向燃燒位置或灰粉反應(yīng)區(qū)域時(shí)，一小部分反應(yīng)劑可以是蒸汽形式的，這不會(huì)影響本發(fā)明的工作狀況。同樣地，前體可以含有少量的固體，只要這些固體小到足以在進(jìn)入噴霧燃燒器組件10所產(chǎn)生之火焰時(shí)能燃燒即可。下面將對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
霧化技術(shù)領(lǐng)域已知有幾種能形成小液滴的噴霧器和噴嘴，如Hemishphere出版公司于1989年出版的、作者為Arthur H.Lefebure的“霧化和噴射”一文所述，該文可援引在此以作參考。霧化器可以借助各種能量源來(lái)工作，并且可以分類成內(nèi)置式、外置式、氣噴式(air-blast)、氣助式、射流式、渦旋式、射流-渦旋式、氣動(dòng)式、旋轉(zhuǎn)式、聲學(xué)式、超聲波式、靜電式、以及它們的組合。由Taylor & Francis公司(1993年)出版的、作者為L(zhǎng).Bayvel和Z.Orzechowski的“液體霧化”一文進(jìn)一步地討論了上述的和其它的霧化器，該文也援引在此以作參考。在本發(fā)明的較佳的噴霧燃燒器設(shè)計(jì)中結(jié)合了一種內(nèi)置的氣噴式霧化器。
圖2至圖8示出了根據(jù)本發(fā)明較佳實(shí)施例的、由標(biāo)號(hào)10總的表示的噴霧燃燒器組件。如圖2這個(gè)俯視圖所示，噴霧燃燒器組件10包括一殼體20，該殼體由一蓋子22、一密封板24和一底座26(圖3)構(gòu)成。蓋子22可借助緊固件(如六角螺母)安裝于底座26，密封板24夾設(shè)在兩者之間。如圖所示，蓋子22是截頭圓錐形的，并具有一對(duì)中設(shè)置的燃燒器表面30。在燃燒器表面30上有多個(gè)呈同心圓布置的氣體孔，它們共同的圓心對(duì)應(yīng)于噴霧孔32的圓心。內(nèi)保護(hù)氣體孔34形成了最靠近噴霧孔32的孔排，接著是兩排反應(yīng)氣體孔36和38，最后是一排燃燒氣體孔40。熟悉本領(lǐng)域的人員應(yīng)該理解，也可以采用多一些或少一些的氣體孔來(lái)實(shí)施本發(fā)明。
如圖3這個(gè)剖視圖所示，氣體孔34、36、38和40通過(guò)成網(wǎng)絡(luò)的氣體通道42連通于氣體供給管線(未圖示)，所述氣體通道中的某一些在圖中看不到。一噴射器44也構(gòu)成了噴霧燃燒器組件10的一部分。噴射器44位于形成在噴霧燃燒器組件10的殼體20中的噴射器腔室46的中心位置，當(dāng)其位于燃燒器組件10中時(shí)，噴射器44與殼體20一起限定了一個(gè)壓力腔56。如圖4至圖7清楚所示，噴射器44包括一細(xì)長(zhǎng)的液體管45，該液體管具有一螺紋孔58(圖4和5)，此螺紋孔能可拆卸地接納一液體孔插入件48(圖6和7)。如圖4所示，各噴霧氣體孔54在噴射器44的頭部上沿噴射器44的頭部周向地排列，并圍繞螺紋孔58。噴霧氣體通道60使噴霧氣體孔54流體連通于噴射器腔室46，來(lái)自于氣體通道網(wǎng)絡(luò)42的噴霧氣體70供給至噴射器腔室46。如圖8所示，噴霧氣體70從氣體通道60通過(guò)噴霧氣體孔54輸送至壓力腔56，在那里，噴霧氣體70和來(lái)自于噴射器44的液流相混合，這將在下文中作更詳細(xì)地描述。
圖6和7示出了液體孔插入件48的細(xì)節(jié)。液體孔插入件48最好是帶有螺紋以便與液體管45頭部?jī)?nèi)的螺紋孔58螺旋相配，并配備有噴射器孔插入件50，此插入件具有一精密的(或稱小的)噴射器孔52。由于插入件50是可拆卸的，因而當(dāng)插入件50被灰粉部分地阻塞時(shí)，或者是需要不同尺寸的噴射器孔尺寸時(shí)，或需要用于其它場(chǎng)合時(shí)，能很方便地更換。噴射器孔插入件50最好是用能被切削成精密尺寸的材料制成。在本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，業(yè)已發(fā)現(xiàn)，采用寶石(如紅寶石(Al2O3))能滿足該項(xiàng)要求。通常是將噴射器孔插入件50切削成具有一個(gè)直徑為大約0.001英寸至0.010英寸的噴射器孔52。較佳的是，噴射器孔52的直徑小于或等于0.006英寸。馬薩諸塞州的Waltham市的Bird精密儀器公司制造的No.RB-22012型噴射器孔插入件可以滿足上述要求，但也可以采用來(lái)自于其它制造商的其它噴射器孔插入件。如圖3和5所示，液體管45具有對(duì)中定位的噴射器通道62，當(dāng)液體孔插入件48位于螺紋孔58中時(shí)，所述噴射器通道62連通于插入件槽道64。在此方式下，來(lái)自于容器12的液態(tài)前體66可以從精密的噴射器孔52流過(guò)。
工作時(shí)，如圖8所示，液態(tài)前體66依次經(jīng)過(guò)液體管45、液體孔插入件48和噴射器孔52，隨后成為一股細(xì)液流68流入壓力腔56。同時(shí)，噴霧氣體70從噴霧氣體通道60進(jìn)入壓力腔56。很大程度上是由于壓力腔56的截頭圓錐形(torroidal)形狀以及與腔室56的容積相比尺寸要小得多的噴霧孔32，液流68加速地通過(guò)壓力腔56，并呈氣懸體狀態(tài)從噴霧孔32排出。當(dāng)霧化發(fā)生時(shí)，液流分裂成眾多個(gè)尺寸很小的液滴，并作為氣懸體直接輸送至靠近燃燒器表面30產(chǎn)生的火焰72，火焰72是由通過(guò)反應(yīng)氣體孔36和38輸送而來(lái)的反應(yīng)氣體84和通過(guò)燃燒氣體孔40輸送而來(lái)的燃燒氣體74的燃燒而生成的。已經(jīng)知道，火焰72與氣懸體相遇和反應(yīng)的區(qū)域就是灰粉反應(yīng)區(qū)域。氣懸體在灰粉反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的熱氧化分解可產(chǎn)生細(xì)小的非晶態(tài)灰粉78，這些灰粉沉積在轉(zhuǎn)動(dòng)心軸80上。
液滴76可以在燃燒器表面30上方的灰粉反應(yīng)區(qū)域內(nèi)借助火焰72燃燒，燃燒所需的燃料最好是甲烷和氧氣的組合。甲烷和氧氣構(gòu)成了燃燒氣體74，燃燒氣體74最好是從燃燒氣體孔40傳送至灰粉反應(yīng)區(qū)域。如氧氣之類的反應(yīng)氣體84通過(guò)反應(yīng)氣體孔36和38輸送至灰粉反應(yīng)區(qū)域，以為火焰72提供一個(gè)富氧環(huán)境，從而更好地燃燒。一保護(hù)氣體82(如氮?dú)狻鍤?、氦氣或其它惰性氣體，但最好是氮?dú)?通過(guò)保護(hù)氣體孔34送入，以防止液滴76與火焰72過(guò)早的反應(yīng)，進(jìn)而防止灰粉積聚于燃燒器表面30。噴霧氣體70可以由氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w或它們的混合物組成。噴霧氣體70還可以是諸如氮、氧等元素的混合物，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，最理想的氣體是單獨(dú)的氧，因?yàn)樗梢詼p少灰粉坯料內(nèi)瑕疵的形成。這樣構(gòu)成和操作的較佳實(shí)施例的好處是，使本發(fā)明的噴霧燃燒器組件10可以產(chǎn)生一個(gè)比目前已知的外置式噴霧燃燒器組件窄的灰粉流。
為了減小噴霧氣體70的速度并防止在灰粉坯料上形成表面瑕疵，氧氣是可用于噴霧燃燒器組件10的最佳的噴霧氣體。采用氧氣作為噴霧氣體可允許液態(tài)前體66在轉(zhuǎn)變成灰粉之前能與氧氣更好地混合。采用這種噴霧氣體能使液體更快地加熱，并有助于提供反應(yīng)所需的氧氣。因此，與采用純氮?dú)庾鳛閲婌F氣體的情況相比，采用氧氣作噴霧氣體的速率可以大大降低，至少可降低大約50％。這種氣體速率的降低可減小燃燒器火焰的紊亂，進(jìn)而減少坯料瑕疵。壓力腔56的構(gòu)造和布置也能進(jìn)一步地降低噴霧氣體70的速率，進(jìn)而減小火焰的紊亂。
圖9示出了一種較佳的噴霧燃燒器組件10，該組件是設(shè)計(jì)成可以減小因把液態(tài)前體送入火焰而造成的火焰紊亂。本發(fā)明的該實(shí)施例與圖8所示實(shí)施例的不同之處在于，容納液體孔插入件48的蓋子22具有一凸圓或彎曲的孔邊沿90，此邊沿界定了噴霧孔32。凸圓的孔邊沿90可減少燃燒器表面30附近生成的紊亂火焰94，因而更有利于霧化，并減少燃燒器表面30的積灰(未圖示)。因此，可以減少噴霧孔32的阻塞，不需要頻繁地清潔燃燒器表面。于是，特定的光波導(dǎo)件前體中的元素(如鉀和鈣)不會(huì)像圖8所示的具有銳緣邊沿的燃燒器組件那樣圍繞噴霧孔32固化并沉積于燃燒器表面30。
如上所述，孔邊沿90較佳的是一非直線型表面，最好是一凸圓表面。在加工過(guò)程中，最好是將孔邊沿90成形為具有半徑92，此半徑大約為噴霧孔32直徑的大約1/4至2/3。更好的是，半徑92大約是噴霧孔32直徑的1/2。因此，如果噴霧孔直徑32是大約0.03英寸，則孔邊沿90的半徑92較佳的是大約0.015英寸。然而，應(yīng)該理解，除了這種半圓形的凸圓表面之外，其它的凸圓表面也可以減小紊亂火焰94，因此，具有非恒定半徑的彎曲凸圓孔邊沿90也可以作為本發(fā)明燃燒器組件的一部分。
如圖1所示，該設(shè)備還可以具有摻雜劑供給容器19，此容器包含的化合物能通過(guò)氧化或燃燒水解作用轉(zhuǎn)變成P2O5或金屬氧化物，后者的金屬組份可選自于元素周期表中的ⅠA、ⅠB、ⅡA、ⅡB、ⅢA、ⅢB、ⅣA、ⅣB、ⅤA族和稀土系列。這些氧化物摻雜劑可以與燃燒器組件10所產(chǎn)生的灰粉相結(jié)合，從而提供接下來(lái)可以形成光波導(dǎo)纖維的摻雜灰粉?？梢詫诫s劑供給至前體容器12并與容器12中的前體相混合，或者，可以使摻雜劑從供給容器19通過(guò)一單獨(dú)的計(jì)量泵和一可選用的過(guò)濾器(未圖示)輸送至噴霧燃燒器組件10，所述計(jì)量泵和過(guò)濾器類似于供輸送前體容器12中的前體所用的輸送系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明，較佳的不含鹵素而含有硅的前體最好是聚烷基硅氧烷，例如六甲基硅氧烷。更好的是，聚烷基硅氧烷是聚甲基環(huán)硅氧烷。最好是如六甲基環(huán)三硅氧烷、八甲基環(huán)四硅氧烷、十甲基環(huán)五硅氧烷、十二甲基環(huán)六硅氧烷以及它們的混合物之類的聚甲基環(huán)硅氧烷。
熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員應(yīng)該可以在不偏離本發(fā)明精神或范圍的情況下作出本發(fā)明的供制造光波導(dǎo)件用的灰粉的形成方法和設(shè)備的各種變型和改動(dòng)。因此，只要不偏離所附各權(quán)利要求及其等同物的范圍，本發(fā)明應(yīng)該可以覆蓋這些變型和改動(dòng)。此外，所附權(quán)利妻求中的所有裝置或步驟以及功能元件的相應(yīng)結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)作和等同物應(yīng)該涵蓋任何可執(zhí)行這些功能的結(jié)構(gòu)、材料或動(dòng)作。
權(quán)利要求
1．一種用于制造玻璃的灰粉形成方法，所述方法包括如下步驟a)將一液態(tài)前體傳輸至一內(nèi)設(shè)于一燃燒器組件中的、具有一噴射器孔的噴射器，所述燃燒器具有一噴霧孔；b)使所述液態(tài)前體通過(guò)所述噴射器孔送入一由所述燃燒器組件和所述噴射器限定的腔室內(nèi)；c)將一氣體引入所述腔室，以增加腔室內(nèi)的壓力；d)使所述液態(tài)前體作為一氣懸體從所述噴霧孔排出；以及e)使所述氣懸體在由所述燃燒器組件生成的火焰內(nèi)起反應(yīng)。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括如下步驟對(duì)所述噴射器裝配一可拆卸的液體孔插入件，該插入件可限定一直徑小于0.011英寸的精密小孔。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟c)包括將一惰性氣體引入所述腔室。
4．如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟c)進(jìn)一步包括將氮?dú)庖胨銮皇摇?br> 5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟c)進(jìn)一步包括將氧氣引入所述腔室。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述氣體主要由氧氣和氮?dú)饨M成。
7．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述液態(tài)前體包括一金屬。
8．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述液態(tài)前體包括一硅氧烷。
9．如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述硅氧烷是八甲基環(huán)四硅氧烷。
10．如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述金屬選自于元素周期表中的ⅠA、ⅠB、ⅡA、ⅡB、ⅢA、ⅢB、ⅣA、ⅣB、ⅤA族和稀土系列。
11．一種用于將呈氣懸體狀態(tài)的液態(tài)前體送入火焰以形成供制造光波導(dǎo)件用的灰粉的燃燒器組件，所述燃燒器組件包括一具有一燃燒器表面的殼體，所述燃燒器表面限定了多個(gè)氣體孔和一噴霧孔，所述殼體限定了一噴射器腔室和多個(gè)氣體通道，所述氣體通道流體連通于所述各氣體孔和所述噴射器腔室；以及一具有一第一端的噴射器，所述第一端限定了一流體連通于所述液態(tài)前體的噴射器孔，所述噴射器位于所述噴射器腔室內(nèi)，并與所述殼體一起限定了一壓力腔，其中噴射器孔遠(yuǎn)離所述噴霧孔。
12．如權(quán)利要求11所述的燃燒器組件，其特征在于，所述噴射器包括一液體管和一液體孔插入件。
13．如權(quán)利要求12所述的燃燒器組件，其特征在于，所述液體孔插入件可釋放地接合于所述液體管。
14．如權(quán)利要求12所述的燃燒器組件，其特征在于，所述液體管包括多個(gè)噴霧氣體孔，這些孔沿周向間隔地圍繞所述液體孔插入件布置。
15．如權(quán)利要求12所述的燃燒器組件，其特征在于，所述液體孔插入件由一限定了一精密孔的材料構(gòu)成。
16．如權(quán)利要求15所述的燃燒器組件，其特征在于，所述材料包括寶石。
17．如權(quán)利要求11所述的燃燒器組件，其特征在于，所述噴射器腔室是截頭圓錐形的，而所述噴霧孔大于所述噴射器孔。
18．如權(quán)利要求11所述的燃燒器組件，其特征在于，所述燃燒器表面的限定所述噴霧孔的部分的形狀為可以減小紊流。
19．一種用于光波導(dǎo)件前體液態(tài)輸送的燃燒器組件，所述燃燒器組件包括一構(gòu)造和布置成能輸送液態(tài)前體的噴射器；以及一大致圍繞所述噴射器的殼體，所述殼體具有一包括一孔邊沿的燃燒器表面，所述孔邊沿限定了一噴霧孔，并且是成形為當(dāng)所述液態(tài)前體從所述噴霧孔排出時(shí)能減小紊流。
20．如權(quán)利要求19所述的燃燒器組件，其特征在于，所述孔邊沿是凸圓的。
21．如權(quán)利要求20所述的燃燒器組件，其特征在于，所述凸圓的孔邊沿的半徑大約為所述噴霧孔直徑的1/4至2/3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制造玻璃(具體地說(shuō)是光波導(dǎo)件)的灰粉形成方法和設(shè)備。一液態(tài)玻璃前體(66)首先被送給至位于一噴霧燃燒器組件中的一噴射器(44)的液體孔插入件(48)的孔(52),隨后從噴射器排入一壓力腔(56)。一噴霧氣體(70)也被送給至壓力腔(56)而與液態(tài)前體的分裂成液滴的液流(68)相混合。液態(tài)前體和噴霧氣體在壓力作用下被迫從燃燒器組件的燃燒器表面(30)上的噴霧孔(32)排出。燃燒氣體(74)、反應(yīng)氣體(84)和保護(hù)氣體(82)從燃燒器孔(40、38、36和34)噴出而產(chǎn)生火焰。這樣噴出的霧化的液態(tài)前體被送入產(chǎn)生于燃燒器表面的火焰(72),在那里,霧化的液態(tài)前體與火焰反應(yīng)而生成積聚于一轉(zhuǎn)動(dòng)心軸(80)的灰粉(78)。
文檔編號(hào)C03B19/14GK1311762SQ9980937
公開(kāi)日2001年9月5日 申請(qǐng)日期1999年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月7日
發(fā)明者D·W·霍托夫, J·斯通三世 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司