CN1264765C - 生产多孔玻璃灰体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及多孔玻璃灰体生产方法及设备。通气孔设置在放置在反应容器内的燃烧器附近的反应容器上。在灰体的长度方向上，不同流动速率和/或温度的气体通过通气孔向灰体供应。

Description

生产多孔玻璃灰体的方法和设备

技术领域

本发明涉及生产多孔玻璃灰体的方法和设备。在这种方法中，借助玻璃颗粒合成燃烧器合成的玻璃颗粒一层接一层地沉积在起始棒上，同时使起始棒和燃烧器相对往复移动。

背景技术

作为高沉积速率生产大型多孔玻璃灰体的方法，在一个反应容器中，对着一根起始棒以均匀间隔布置多个玻璃颗粒合成燃烧器，转动的起始棒和燃烧器阵列相对地往复移动，使玻璃颗粒分层沉积在起始棒表面上，从而产生玻璃颗粒沉积物(该方法称为多层灰沉积法)。

简单来说，这里假定起始棒固定，而燃烧器往复移动。在上述方法中，如果多个燃烧器以均匀间隔布置而构成的燃烧器阵列往复移动一个相邻燃烧器之间的距离(下文称为燃烧器间隔)，那么，每个燃烧器在相应于起始棒表面的燃烧器间隔的区域上沉积玻璃颗粒，以便形成大型多孔玻璃灰体。这种方法的优点在于：玻璃颗粒的沉积速率高，可生产大型多孔玻璃灰体。但是，这种方法的问题是，在燃烧器往复移动的返回位置上，由于下述两个原因，玻璃颗粒的沉积量增加，因而多孔玻璃灰体的外径增加。第一个原因是，由相邻燃烧器沉积的玻璃颗粒在燃烧器的返回位置上存在，因而在返回位置上沉积双倍的玻璃颗粒。第二个原因是，由于燃烧器阵列的传动在返回位置一次停止，因而燃烧器在返回位置上比它们在以稳定速率移动的部位停留更长的时间。

为了解决在燃烧器返回位置上引起的上述问题，有人曾提出一种方法，在该方法中，通过改变往复移动中在向前的路径和向右的路径上传递距离来移动返回位置(参阅日本专利未审定出版物第平-3-228845号)。采用这种方法，在燃烧器和起始棒之间相对的往复移动中的返回位置分散在多孔玻璃灰体的整个长度上，以便平均玻璃颗粒的沉积量，使多孔玻璃灰体的外径均匀一致。

顺便讲到，当起始棒长度(尺寸)增加时，灰体重量显著增加，引起起始棒水平受到支承的卧式设备中起始棒耐用度的问题，因而需要起始棒垂向受到支承的立式设备。

采用立式设备时，在燃烧器中产生的热量向上流动并积蓄在反应容器的上部，使含有整个灰体的气氛温度在灰体长度方向上被改变。这会引起被沉积的玻璃颗粒的密度在灰体长度方向上发生变化。如果玻璃颗粒的密度在灰体长度方向上发生变化，那么，灰体的外径沿长度方向是不同的，这会引起玻璃颗粒沉积效率不同，进而引起灰体外径差的增加。用这种方式生产的灰体拉制的光学纤维具有与特性有关的问题。

在日本专利未审定出版物第平4-260618号中公开了一种采用多个燃烧器生产多孔玻璃灰体的方法，在这种方法中，在多孔玻璃灰体的整个长度上产生均匀的空气流。在燃烧器阵列和多孔玻璃灰体设置得使其在垂直方向上取向的情形中。一个高输出端加热器设置在灰体底部上的一个区域中，以便减小热梯度沿多孔玻璃灰体的作用，在水平方向上空气流的大小必须选择(或增加)得可减小灰体外径由于沿灰体长度的空气对流引起的不均匀性。

但是，采用这种方法的设备的结构变得复杂。由于反应容器内部为强酸性气氛，因而加热器的构件昂贵，不沉积在灰体上的玻璃颗粒沉积在加热器上，然后由于加热器的热量而玻璃化，导致难于从加热器清除玻璃颗粒的保养问题。由于这种结构有设备保养上的一些麻烦，因而即使采用较高的灰体合成速率，为生产下一个灰体所需要的准备时间较长，因而导致相应于较高合成速度来说，生产灰体的效果减小。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而做出的，本发明的目的是提供一种生产多孔玻璃灰体的改进的方法和设备。

按照本发明，一种多孔玻璃灰体生产方法，将多个玻璃颗粒合成燃烧器布置得能够对着一根纵向支承在反应容器内的转动起始棒，当使所述起始棒和燃烧器平行且相对地往复移动时，使燃烧器合成的玻璃颗粒沉积在所述起始棒的表面上，通过一个或多个通气孔向起始棒或已沉积在起始棒上的玻璃颗粒供应气体。在燃烧器放置在反应容器内的部位，一个或多个通气孔在一个或多个燃烧器附近处于反应容器上。

在这种多孔玻璃灰体生产方法中，可以通过通气孔沿起始棒的长度方向供应不同流动速率的气体的方法，或者，可以通过通气孔沿起始棒的长度方向供应不同温度的气体的方法。

另外，在这种多孔玻璃灰体生产方法中，当燃烧器放置在反应容器中时，每个通气孔可以设置在每个燃烧器和反应容器之间。

按照本发明，一种多孔玻璃灰体生产设备包括多个玻璃颗粒合成燃烧器和一个反应容器。所述多个玻璃颗粒合成燃烧器对着一根转动的起始棒布置。当燃烧器和起始棒平行地且相对地转动时，每个燃烧器将玻璃颗粒施加在起始棒的表面上。起始棒纵向地支承在反应容器内。反应容器具有一个或多个通气孔，在燃烧器放置在反应容器中的部位，所述通气孔在一个或多个燃烧器附近。

按照本发明，在一个或多个放置在反应容器内的燃烧器的附近，一个或多个通气孔设置在反应容器上，不同流动速率和/或温度的气体通过一个或多个通气孔供应在灰体的整个长度上，因而围绕多孔玻璃灰体的气氛温度可以被控制±15℃内的几乎均匀的状态，其中灰体的容积密度处于公差内。

附图说明

图1的示意图表示实施按照本发明的多孔玻璃灰体生产方法的设备的一个实施例；

图2的示意图表示实施按照本发明的多孔玻璃灰体生产方法的设备的另一个实施例；

图3的视图表示带有图2的设备的空气容器的一个实例；

图4A-4C的示意图表示通气孔的气体流动速率的调节装置的一个实例；

图5的示意图表示适于采用按照本发明的多孔玻璃灰体生产方法的燃烧器结构的一个实例；

图6的示意图表示适于采用按照本发明的多孔玻璃灰体生产方法的燃烧器结构的另一个实例；

图7的示意图表示按照本发明的通气孔的另一个实例。

具体实施方式

现在对照图1和2描述本发明的推荐实施例。

按照本发明的一个多孔玻璃灰体生产方法基本描述如下。多个玻璃颗粒合成燃烧器4以几乎均匀的间隔布置在一个反应容器2中，该反应容器设有排出管3，所述排出管对着纵向受到支承的起始棒，由燃烧器合成的玻璃颗粒一层接一层地沉积在起始棒1的表面上，同时使起始棒1和燃烧器4平行地且相对地往复移动，从而产生多孔玻璃灰体5。顺便讲到，在图1和2所示的实施例中，起始棒在竖直方向上往复移动。

在这些实施例中，六个燃烧器4以下述状态设置在反应容器2内：燃烧器4的顶部通过一个设置在反应容器2上的开口伸入反应容器2内。在每个燃烧器4和反应容器2之间(即，在每个燃烧器4和反应容器的相应开口之间)有一个间隙，形成包围每个燃烧器4的一个通气孔6。不同流动速率和/或温度的气体通过通气孔6供应，形成向着多孔玻璃灰体5的气流，围绕多孔玻璃灰体5的气氛温度几乎均匀地控制在±15℃内，而灰体的容积密度则落在公差内。如图7所示，通气孔可以是当燃烧器放置在反应容器内时处于燃烧器附近的开口6’、6’。两个开口6’、6’呈矩形，但是，开口的数目和形状并不局限于这个实施例。另外，在本发明中，当燃烧器放在反应容器内时，一个或多个通气孔在一个或多个燃烧器附近设置在反应容器上。因此，本发明并不局限于如图1-4A或图7所示的、设置在每个燃烧器4附近的通气孔6或成对的通气孔6’、6’。通气孔6或一对通气孔6’、6’可以只设置在预定的燃烧器4附近；或者，矩形通气孔6’的相邻纵向侧的长度可以在多个燃烧器4上延伸。

供应的气体最好是通过一个能够收集0.3μm或更大的灰尘达99.97％或99.97％以上，以便防止异物附着在灰体5上。更具体来说，一个围绕燃烧器的空气容器最好具有级别100(classl00)的气氛。这就要求气体不与玻璃颗粒反应，且对燃烧器产生火焰无化学影响。气体的实例包括空气或惰性气体。

在图1所示的实施例中的供气方法是，耐热纤维制成的罩7设置在反应容器2外面，覆盖着通气孔6和整个燃烧器4的阵列，以形成一个空气容器8，清洁的气体从一个清洁气体发生器送入反应容器2内。罩7以一个间隙10放置而不与反应容器2接触，因而清洁气体的供应量受到调节至下述程度，即，清洁气体从间隙10漏出以防止外部空气进入罩7。设置间隙10的原因在于，如果反应容器2和罩7接触，那么，在沉积过程中耐热纤维制成的罩7就有变劣或受损的危险，从而产生灰尘，存在灰尘附着灰体5的可能性。

为防止外部空气进入反应容器2，则最好没有间隙10。图2表示一个没有间隙10的设备的实施例。一个包围通气孔6和整个燃烧器4阵列的框架11安装在反应容器2外面，与反应容器2没有间隙，罩7无间隙地放在这个框架11上，形成空气容器8。图3表示这种方式的空气容器8的一个实例。这里，框架11是由高耐热材料如金属制成的，为改善散热设有翼片13。

在图1和2中，供应的气流由箭头表示。

具有不同流动速度或温度或两者的气体是通过每个通气孔6供应的。通常，由于通气孔位于反应容器上部，流动速率增加，温度下降。

对于气流速率调节装置没有特别的限制，一个实例表示在图4A-4C中。图4A是从垂直于燃烧器的方向看去的调节装置的剖视图，图4B是从上方看去的剖视图。在这个实例中，一金属调节板14具有两个部分和在其中心的一个直径大于燃烧器4直径的孔。金属调节板14安装得覆盖一部分通气孔6，使燃烧器4夹置在两个部分之间。通气孔6的数值孔径是通过控制调节板14的两个部分之间的间隙来调节的，如图4B所示。这种调节板适用于空气容器8如图1和2所示那样设置的情形。

作为另一种气体流动速率调节装置，可为每个通气孔设置一根空气供应管以调节供气量。顺便讲到，在使用空气供应管的情形中，设备比设置空气容器的方法复杂。

对于调节供应气体的温度的装置没有特别的限制。但是，共同的是为每个通气孔设置空气供应管，冷却装置或加热装置是分开或组合安装的。

通过通气孔供应的气体的流动速率或温度受到控制，在灰体容积密度在公差内的情况下使围绕多孔玻璃灰体5的气氛温度几乎均衡在±15℃。例如，作为每个通气孔的流动速率或温度的设定方法，多孔玻璃灰体的上、下端之间温度差和通过通气孔的气体的流动速率或温度之间的关系是事先依靠经验取得的，灰体上、下端的温度被测量，从而采用上述取得的关系来设定气体的流动速率或温度。

另外，每个燃烧器合成的玻璃颗粒沉积的部位，可以选择性地为每个燃烧器设置温度测量装置来测量沉积表面的温度(例如采用图1和2的实例中采用辐射温度计12)，通过通气孔供应的气体的流动速率或温度受到控制，该每个沉积表面的温度几乎保持恒定，从而能够实现精确控制。

玻璃颗粒合成燃烧器最好采用高方向性的燃烧器，例如，具有吹出助燃气体或惰性气体的孔的燃烧器，在使用区域吹出气体的流动速率为8m/秒，或更高。采用这种燃烧器时，吹出助燃气体或惰性气体的孔的气体流动速率最好为8米/秒或更高。

因此，可以减小火焰中由于通过通气孔供应的气流而产生的紊流，产生玻璃颗粒沉积量稳定的效果。

例如，高方向性燃烧器是图5所示的燃烧器，这种燃烧器具有气体孔20，气体孔具有小的开口，用于在中心封闭多根管17、18。在图5中，燃烧器具有用于单独吹出原料气体，或吹出原料气体和可燃气体如H₂的原料气体孔17、用于吹出惰性气体如Ar或N₂的惰性气体孔18、21、用于吹出可燃气体如H₂或烃类气体如甲烷气体的可燃气孔19和用于吹出助燃气体如O₂的助燃气体孔20、22。

另外，可以采用图6所示结构的多管燃烧器。在图6中。燃烧器具有原料气体孔23、可燃气体孔24、27、惰性气体孔25、28、助燃气体孔26、29和风档(导向器)30。

在如图5所示的那种燃烧器中，(除助燃气体孔20以外的)每个孔的气体流动速率为大约1至40米/秒，而助燃气体孔20的气体流动速率为大约10至40米/秒。在如图6所示的那种燃烧器中，助燃气体孔26或29的气体流动速率为8米/秒或更高。在另一种没有画出的燃烧器中，助燃气体孔或惰性气体孔，特别是在最外侧的助燃气体孔的气体流动速率最好为8米/秒或更高。

通过围绕燃烧器的通气孔调节供应气体的流动速率或温度，使围绕多孔玻璃灰体的气氛温度保持几乎均匀一致，从而达到使灰体的容积密度均匀的效果，并使灰体外径的变化受到抑制。另外的一种效果是，在玻璃颗粒沉积过程中不沉积在灰体上的玻璃颗粒更有效地从反应容器排出。因此，减少了清洁的麻烦，缩短了调整时间。

一般来说，未沉积在包括起始棒或已沉积在起始棒上的玻璃颗粒层上的玻璃颗粒是通过设置在反应容器中的排放管排出的。但是也可能沉积在反应容器的壁面上。沉积在壁面上的玻璃颗粒层是借助其死重量剥落的，再次沉积在灰体上，并集结和玻璃化，导致在灰体中形成气泡。特别是对于沉积在反应容器上部的玻璃颗粒来说更有上述可能性。采用按照本发明的方法时，通过通气孔的气流在通气孔附近变得稍许紊乱，但在其趋近灰体时则浮在燃烧器的火焰上，从而形成平顺的气流。这种气流顺利吸入排放管，因而不沉积在灰体上的玻璃颗粒更容易排放。因此，减少了玻璃颗粒从反应容器壁面剥落后再次沉积的危险。

[实例]

采用如图1所示的那样的设备进行多孔玻璃灰体生产试验。在这个试验中，设置了四个燃烧器，间隙10调至5mm。所采用的燃烧器4是如图5所示的多孔燃烧器，其外径为60mm。用于将燃烧器4安装在反应容器内的开口的直径为75mm，围绕燃烧器4形成间隙而作为通气孔。

[实例1]

四个对着起始棒(直径36mm，长度1500mm)的燃烧器以200mm的间隔布置。玻璃颗粒沉积在II正围绕轴线转动且正往复移动的起始棒1上。四个通气孔6的直径为75mm。在沉积过程中，从清洁气体发生器9向空气容器8供应常温下的清洁气体(采用激光颗粒计数器通过检查散射光的强度测量直径为0.5μm或更大的灰尘的数目)，从清洁气体发生器9吹出的清洁气体的平均流动速率为20m³/分。

因此，所获得的多孔玻璃灰体5的形状在600mm长的有效部分的顶部具有235mm的外径，而在底部具有260mm的外径。清洁气体在灰体5的整个长度上均匀地供应，从而能够减小灰体长度方向上的温度差，使灰体能够用作预制坯。

[实例2]

多孔玻璃灰体5是在与实例1相同的条件下生产的，只是采用如图4A-4C所示的金属调节板14调节了围绕燃烧器4的通气孔6的尺寸。通气孔6的尺寸，按照离开上部的顺序，外径大致为75mm，73mm和65mm。因此，在600mm长的有效部分的顶部燃烧器4的外径为252mm，而在底部为260mm，因而观察到了外径的均匀化效果。可以确定的是，借助灰体外径的上述差别可以保证光学纤维的特性。

[实例3]

在实例1的方法中，按照下述方式生产多孔玻璃灰体5，即，采用辐射温度计12通过围绕每个燃烧器的通气孔6测量沉积表面的温度，使用调节板14精细调节了通气孔6的尺寸，因而沉积表面温度可达700℃。因此，多孔玻璃灰体5的外径在600mm长的有效部分的顶部为258mm，而在底部为260mm，因而获得了均匀一致的灰体。

[实例4]

反应容器2、燃烧器4和通气孔6在结构上与实例1相同，但是未设空气容器。向每个通气孔6供应清洁气体。在供应的清洁气体的温度为30℃，每个燃烧器的清洁气体的供应量为4m³/分的条件下沉积玻璃颗粒。因此，观察到在有效部分顶部沉积表面的温度为720℃，而在底部为690℃，温度差为大约30℃。在灰体的整个长度上供应一致温度的清洁气体，因而可以减小在灰体长度方向上的温度差，在灰体的整个长度上沉积表面的温度可在±15℃内。

[实例5]

在与实例4相同的条件下生产多孔玻璃灰体5，只是所供应的清洁气体的温度按照从顶部的顺序为30℃、60℃、90℃和120℃。因此，灰体5的外径在600mm长的有效部分的顶部为257mm，在底部分258mm，因而获得了均匀一致的灰体5。在沉积过程中，沉积表面的温度均匀，在有效部分顶部为720℃，在底部为716℃。

[实例6]

除了通气孔的形状和用于将燃烧器安装在反应器内的开口的直径以外，在与实例2相同的条件下生产多孔玻璃灰体。用于将燃烧器安装在反应容器内的开口的直径为60mm。具有矩形形状的两个通气孔6’、6’如图7所示以下述状态围绕燃烧器4设置：燃烧器4夹置在通气孔6’、6’之间，使每个矩形通孔6’的相邻纵向侧和燃烧器的安装开口之间的最短距离为10cm。矩形通气孔6’横向侧的长度从长部通气孔顺序为13mm，11mm，9mm，4mm，而矩形通气孔6’的纵向侧的长度对全部通气孔6’来说都是60mm。结果，灰体5的外径在有效部分的顶部为258mm，而在底部为262mm，因而获得均匀一致的灰体。

Claims (14)

1.一种多孔玻璃灰体生产方法，将多个玻璃颗粒合成燃烧器布置得能够对着一根纵向支承在反应容器内的转动起始棒，当使所述起始棒和燃烧器平行且相对地往复移动时，使燃烧器合成的玻璃颗粒沉积在所述起始棒的表面上，所述方法包括：

通过一个或多个通气孔向起始棒或已沉积在起始棒上的玻璃颗粒供应气体，在燃烧器放置在反应容器内的部位，一个或多个通气孔在一个或多个燃烧器附近处于反应容器上。

2.如权利要求1所述的多孔玻璃灰体生产方法，其特征在于：通过通气孔供应在起始棒的长度方向上不同流动速率的气体。

3.如权利要求1所述的多孔玻璃灰体生产方法，其特征在于：通过通气孔供应在起始棒的长度方向上不同温度的气体。

4.如权利要求1所述的多孔玻璃灰体生产方法，其特征在于：在燃烧器放置在反应容器内的部位，每个通气孔环绕每个燃烧器设置。

5.如权利要求2所述的多孔玻璃灰体生产方法，其特征在于：从各通气孔供应的气体温度彼此不同。

6.如权利要求1所述的多孔玻璃灰体生产方法，其特征在于：通过固定燃烧器及使起始棒往复移动来形成所述的往复移动，一个空气容器设置在反应容器外面，气体被送入空气容器，然后通过通气孔向起始棒或已沉积在起始棒上的玻璃颗粒供应。

7.如权利要求6所述的多孔玻璃灰体生产方法，其特征在于：所述空气容器具有一个包围整个燃烧器阵列的框架和一个放置在框架上以覆盖整个燃烧器阵列的罩。

8.如权利要求1所述的多孔玻璃灰体生产方法，其特征在于还包括：

为每个燃烧器测量每个燃烧器合成的玻璃颗粒沉积的沉积表面的温度，

其中通过通气孔供应的气体的流动速率受到调节，使每个沉积表面的温度可保证均匀一致。

9.如权利要求2所述的多孔玻璃灰体生产方法，其特征在于：通过通气孔供应的气体的流动速率是通过控制通气孔的数值孔径而受到调节的。

10.如权利要求2所述的多孔玻璃灰体生产方法，其特征在于：通过通气孔供应的气体的流动速率是通过控制送入通气孔的气体的流动速率而受到调节的。

11.如权利要求1所述的多孔玻璃灰体生产方法，其特征在于：玻璃颗粒合成燃烧器具有至少一个用于以8米/秒或更高的流动速率吹出助燃气体或惰性气体的孔。

12.一种多孔玻璃灰体生产设备，包括：

多个布置得能够对着一根转动的起始棒的玻璃颗粒合成燃烧器，当燃烧器和起始棒平行且相对地往复移动时，燃烧器将玻璃颗粒施加在转动的起始棒表面上；以及

一个反应容器，起始棒纵向支承在其中，在燃烧器放置在该反应容器中的部位，该反应容器具有在燃烧器附近的通气孔。

13.如权利要求12所述的多孔玻璃灰体生产设备，其特征在于：每个通气孔包括一个围绕着放置在反应容器内的燃烧器的开口。

14.如权利要求12所述的多孔玻璃灰体生产设备，其特征在于还包括：

一个气体供应部分，该气体供应部分通过通气孔向起始棒或已沉积在起始棒上的玻璃颗粒供应气体。

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