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CN1694849A - 用于玻璃的化学汽相沉积的燃烧器 - Google Patents

用于玻璃的化学汽相沉积的燃烧器 Download PDF

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CN1694849A CNA028299868A CN02829986A CN1694849A CN 1694849 A CN1694849 A CN 1694849A CN A028299868 A CNA028299868 A CN A028299868A CN 02829986 A CN02829986 A CN 02829986A CN 1694849 A CN1694849 A CN 1694849A
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Abstract

一种用于汽相沉积工艺的燃烧器，具有中央喷嘴(10)用于喷射玻璃前体材料，至少一圈喷嘴(31)环绕所述中央喷嘴(10)用于喷射火焰反应物，并且位于所述中央喷嘴(10)和所述喷嘴圈(31)之间的圆形喷嘴(20)用于喷射内屏蔽气体，其中中央喷嘴(10)在轴面的横截面中具有凹的形状，并且，优选地关于轴平面对称。

Description

用于玻璃的化学汽相沉积的燃烧器
技术领域
本发明涉及一种用于化学汽相沉积工艺的燃烧器，特别是用于制造适于拉制光纤的玻璃预制件的化学汽相沉积工艺。
背景技术
用于产生适于拉制光纤的玻璃预制件的两种典型的工艺是OVD(外部汽相沉积)和VAD(气相轴向沉积)。在这些技术中，燃烧器被用于产生火焰并且喷射一种或多种物质，这些物质在火焰中发生反应以形成沉积到旋转心轴上的硅炭黑(并且因此被称作“硅前体”)。
用于制造光学预制件的传统燃烧器包括多个终止于用于喷射气体的相应喷嘴中的同轴管。在处理期间，燃烧器被供给硅前体(例如SiCl4，可选择的是可以与例如GeCl4的掺杂材料一起被供给)、燃烧气体(例如氧气和氢气或甲烷)，并且可选择的是还可以有一些惰性气体(例如氮气、氩或氦)。通常，玻璃前体材料经由中央管进行供给。易燃的气体包括包含了氢和通常为氧气的辅助气体的易燃气体，该辅助气体辅助易燃气体产生火焰。在这样构成的气体流中，作为燃烧的结果生成了H2O。
当硅前体是SiCl4时，经由两种不同的物理化学工艺获得了硅合成：通过反应 产生的前体和燃烧产品(H2O)之间的扩散水解的主要工艺，以及通过反应 在非常高的温度下(通常高于1000℃)激活的预混合氧化的次要工艺。另一种硅前体是OMTCS(八甲基环四硅氧烷)并且在这种情形下仅仅预混合氧化是与氧化硅合成有关的工艺。
通过实验性的试验和数值模拟，申请人已经识别出两种物理现象可以限制前体的完全转换，因此工艺的结果是：H2O渗透进入SiCl4流(或O2渗透进入OMTCS流)，并且热量渗透到前体流中并且形成炭黑。特别地，降低的热量渗透导致减小的颗粒热量以及减小的热泳效应。
当需要较高的沉积速度时，这两种现象的出现就特别麻烦。实际上，虽然增大反应物流速而不过多增大其离开速度的简单方法将会增大反应物喷嘴横截面(并且因此增大燃烧器尺寸)，但是由这种燃烧器产生的强烈流动会阻碍上述的现象，从而导致工艺的低效率。
在美国专利3,565,346和美国专利5,922,100中描述了两种传统类型的燃烧器。
US3,565,346中描述了一种燃烧器，该燃烧器具有用于汽化四氯化硅的中央圆形喷嘴，围绕中央喷嘴、用于含氧气体出口的环状护套开口，以及多个以圆筒形结构围绕环状护套对称布置的、用于喷射易燃气体的孔。
US5,922,100公开了一种燃烧器，该燃烧器具有用于OMCTS+O2的中央圆形喷嘴，围绕中央喷嘴、用于喷射N2的环状开口，两圈围绕环状开口用于喷射O2的喷孔以及用于喷射CH4+O2的一外圈喷孔。
现已观察到，这两种类型的燃烧器只能在反应物流速相对较低时提供良好的性能。
JP04-228440提出了一种高产多火焰的燃烧器，该燃烧器具有椭圆或矩形的前体喷射端口，它能够相对于具有圆形前体喷射端口的燃烧器将沉积产量提高65％。
本申请人解决如下问题，即提供一种能够提高H2O渗透到SiCl4流(或O2渗透到OMTCS流)，以及热渗透到前体流中并且形成炭黑的上述现象，从而增大处理产量。
申请人现已发现，通过提供一种“凹”横截面的前体出口，前体和反应物之间允许其转换为玻璃炭黑的接触表面就会增大；因此，就可以改善上述的两个现象并且可以增大处理产量。
针对于本发明，对于“凹”形状，它指的是任何非“凸”的平面几何形状，其中如果包含所有连接其任何一对顶点的线段，则平面几何形状就是“凸”的。因此，例如，星为凹形的，而圆和矩形是凸形的。
当前体为SiCl4时反应物优选为H2O，当前体为OMCTS时反应物优选为O2。
发明内容
因此，本发明涉及一种用于汽相沉积工艺的燃烧器，它具有用于喷射玻璃前体材料的中央喷嘴，其中中央喷嘴具有凹的形状。
优选地，中央喷嘴关于轴平面对称。
燃烧器优选包括至少一圈围绕所述中央喷嘴的喷嘴，用于喷射火焰反应物。燃烧器还优选包括在所述中央喷嘴和所述喷嘴圈之间用于喷射内屏蔽气体的圆形喷嘴。
有利的是，中央喷嘴具有最小径向尺寸的第一角度部分和最大径向尺寸的第二角度部分。
至少一圈喷嘴可以包括与所述第二角度段成相同角位置的第一组喷嘴以及与所述第一角度段成相同角位置的第二组喷嘴。
此外，燃烧器优选地包括终止于所述第一组喷嘴的第一组喷孔和终止于所述第二组喷嘴的第二组喷孔，第一组喷孔设置得相对于所述燃烧器的中心轴倾斜第一角度，并且第二组喷孔设置得相对于所述中心轴倾斜第二角度，所述第二角度大于所述第一角度。
优选地，燃烧器具有终止于所述中央喷嘴、用于所述玻璃前体材料通过的中央管，并且包括置于中央管内、用于迫使玻璃前体材料流向所述中央喷嘴的外部边界的中央部件。
中央部件可以具有至少一个大体上与所述中央管的外壁配合的扩大部分。
在其第二方面，本发明涉及一种包括喷射具有凹横截面的玻璃前体材料流的化学汽相沉积工艺。
有利的是，该工艺还可以包括围绕所述玻璃前体材料的流生成火焰并且在所述玻璃前体材料流和所述火焰之间喷射内屏蔽气体。
优选地，玻璃前体材料流具有中心轴，所述横截面具有与最小径向伸出部的第二角度区交替的最大径向伸出部的第一角度区，并且生成火焰的步骤包括沿着第一方向和第二方向喷射易燃气体，所述第一方向相对于所述轴处于与所述第一角度区相对应的第一角位置；所述第二方向相对于所述轴处于与所述第二角度区相对应的第二角位置；且所述第二角度大于所述第一角度。
有利的是，玻璃前体材料流可以在围绕中心轴的环状区域具有其最大速度。
附图说明
在下文的说明中可以发现更多的细节，其中该说明参照了在此列出的附图：
图1显示了根据本发明的燃烧器的正面；
图2是图1的燃烧器正面的中央部分的放大图；
图3是本发明的燃烧器沿着图1的线III-III剖开的纵向剖视图；
图4是本发明的燃烧器的分解图，并且如图3一样被剖开；和
图5a和5b显示了在不存在和存在充当流量控制部件的中心销的前体流速轮廓。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的特别适于OVD工艺的燃烧器1的正面。燃烧器1易于喷射玻璃前体(precursor)材料流(在下文中简称为“前体”)，并且产生用于均匀地加热所述流的火焰，从而使前体发生反应。因此，形成了细小的炭黑玻璃颗粒流。炭黑颗粒可以沉积到旋转杆上形成玻璃预制件，如在本领域中众所周知的那样。
燃烧器1在其前端面上具有中央喷嘴10、环绕中央喷嘴10的环状喷嘴20和环绕圆形喷嘴20的四个同心喷嘴圈31、32、41、42。使用标号5来表示燃烧器1的中心轴。
燃烧器1可以喷射例如下面的气体：
-中央喷嘴10：SiCl4+O2(前体)；
-圆形喷嘴20：O2(内屏蔽)；
-内部的一对喷嘴冠31、32：CH4+O2(火焰)；
-外部的一对喷嘴冠41、42：O2(外屏蔽)。
根据本发明，中央喷嘴10具有“凹”的形状(如上文定义的)，例如如图1中所示。
参照图2，中央喷嘴10优选具有圆形中央区域10a和从中央区域10a延伸的多个径向区域10b。径向区域10b优选均匀地隔开并且可以是偶数或奇数个(在本例子中为八个)。中央喷嘴10优选关于轴平面对称，即关于包含轴5的平面(例如图1中的平面III-III)对称，例如为五角星的形状，或者可能关于轴5对称，例如为六角星的形状。
在此所示的特定实施例中，每个径向区域10b如下来界定，即由两个朝轴5聚合(特别地位于各自的径向平面上)的侧壁和一端壁界定，其中端壁位于与接近环状喷嘴20内部边界的另一个径向区域的端壁相同的圆周上。
图2的特定形状允许前体流的外部周长相对于具有相同横截面积但是为圆形的喷嘴增加160％。因此，暴露给火焰的前体流面积增大并且雷诺数(在下文中定义)和气流紊流度降低。
径向区域可以具有与图2所示的不相同的形状，例如可以是三角形，例如为星形。
有利的是，燃烧器1也可以包括中心销70，如下文所述，其作用是调节中央喷嘴10中的气体分配。
参照图3和4，燃烧器1优选地包括背面板2、正面板3和插入背面板2与正面板3之间的歧管(manifold)板(或中间板)4。这三个零件优选由金属(例如铝)形成并且例如通过螺栓(未显示)彼此可松开地连接。背面板2是与反应物供给系统(未显示)连接的用于接收所需气体的气体接收板。正面板3界定了气体喷射板并且具有多个此前描述的排气喷嘴。
优选地，板2、3和4具有大体上为圆形的横截面并且大体上与轴5同轴。此外，板2、3和4优选由金属形成，更为优选地由易于加工的铝形成；然而，也可以使用其它适合加工的金属，例如不锈钢(例如303不锈钢)。
对于每个板，后面部分和正面部分将会与上述的背面板和正面板的定义一致地被识别。
燃烧器1在内部界定了多个从背面板2延伸到正面板3的喷嘴的气体通道。特别地，燃烧器1具有适合于传送各自气流的四个通道100-400。在背面板2和歧管板4内部，第一通道100是与轴5同轴的中央直线和圆柱形管，而在正面板3内它由与喷嘴10具有相同的剖面形状的管101界定。管101由中央壁102的内表面界定，该壁的外表面在内部界定了通道201。壁102的内表面被开槽以显示所述特定横截面。
在图3和4中，仅仅显示了通道100和200的第一部分，而没有显示处于与图1中的平面III-III不交叉的角位置的通道300和400的第一部分，但是它与通道200类似。
通道100-400的入口孔被扩大并且设有螺纹以允许反应物供给系统的管配件与背面板2的连接。
背面板2优选是大体上为圆柱形的整体形成的块体，在它的底座具有用于连接到燃烧器安装板(未显示)上的径向法兰500。为此，径向法兰500具有用于使连接螺栓(未显示)通过的无螺纹孔510。
歧管板4优选是与背面板2具有相同外部直径的盘状体，它具有稳定气体压力并且在正面板102处提供均匀气流的功能。为此，通道100-400在歧管板4内具有最小的预定尺寸，从而调节流到其中的气体压力。在歧管4内，通道200-400由各自的与轴5同轴的一圈孔界定。
背面板2和歧管板4在各自的前表面上都具有适合于容纳各自的O形环的环形槽6，该O形环用于防止气体在燃烧器1的不同通道中或者向燃烧器1的外部发生泄漏。
优选地，正面板3具有截锥体的形状并且在它的底座处包括圆形法兰710，该圆形法兰710具有与歧管板4和背面板2大体上相同的外部直径。
燃烧器1配设有穿过正面板的圆形法兰710、歧管板4的外面部分和背面板2的正面和外面部分(其中它们设有螺纹)的孔7，从而允许三个零件由螺栓进行连接。
在其处于正面板3内的第一部分中，通道200、300和400是朝轴5会聚的环状管。然后，通道200作为围绕着中央通道100的圆形管201延伸并且终止于圆形喷嘴20，通道300和400均分成两圈孔301、302和401、402，它们分别终止于第一对喷嘴冠31、32和第二对喷嘴冠41、42中。
优选地，内圈中即由301表示的并且终止于喷嘴31的喷孔在数目上是中央喷嘴10的径向区域10b的两倍。此外，喷孔301如图2所示那样成角度地布置，即喷嘴31中由31a表示的这半个喷嘴与径向区域10b对齐，并且由31b表示的另一半喷嘴插入到两个径向区域10b之间。
有利的是，喷孔301的斜度取决于相应的喷嘴相对于径向区域10b的位置。特别地，在喷嘴31b中终止的那些喷孔301相对于中心轴5具有的斜度大于在喷嘴31a中终止的喷孔301的斜度，因此具有更高的穿透进入前体气流的火焰气体(例如CH4+O2)的动力。喷孔301与轴5形成的角度将根据中央喷嘴10的形状来选取。因此，在喷嘴31a中终止的第一组喷孔301沿着与轴5形成第一角度方向延伸，并且在喷嘴31b中终止的第二组喷孔301沿着与轴5形成第二角度的方向延伸。第一角度优选在13°和19°之间，第二角度优选在17°和23°之间。
如图4所示，中心销70是具有两个扩大部分70a、70b的直杆状部件，其中扩大部分70a、70b具有大体上与中央喷嘴10的中央区域10a相同的直径。扩大部分70a、70b大体上与中央区域10a的外壁配合，它们的作用是保持销70处于居中的位置。扩大部分也有助于迫使前体流入径向区域10b。
销70在它的背面端也配设多个径向伸出部70c，其形状设计成气体可以在其空隙中通过。例如，销70的背面端可以包括形成具有凹边的三角形的三个伸出部。在装配燃烧器时，销70的背面端对着歧管板4上的边缘410放置。中心销70具有迫使前体在中央喷嘴10的外部上正确地分布的作用，因此降低了将被H2O、O2或其它反应物透过的前体流的紊流度和密度。图5a和5b分别显示了在不存在和存在销70时燃烧器出口处的前体流速轮廓。可以理解，在存在销70时，气流是环状的并且速度较高。
与传统的凸形相比，中央喷嘴10的凹形使暴露给火焰气体的前体流表面增大。这可以导致使沉积速度提高的一系列效果。
第一个效果是通过用于合成(H2O、O2等等)的反应物的前体流中更好的扩散，增大了转换成玻璃炭黑颗粒的前体的数量。
第二个效果是提高由火焰产生的热量在前体流内部的穿透。前体反应区域中温度的升高带来了几个好处。首先，氧化硅合成反应的运动更迅速，因为反应动力学常数随温度增大而增大。此外，炭黑颗粒实现了更高的温度，这会导致由于提高的颗粒流动性而产生了更高的聚结，并且由于颗粒流和预制件之间更高的热梯度而产生了更高的热泳效应。因此实现了更高的沉积速度。
第三个效果是由于更高的反应效率而减少了火焰气体和玻璃前体的消耗。
中央喷嘴10的特定形状还提供了另外的一个优点：气流紊流度的减小。如果气流紊流度过高，粘附到预制件表面并且在其上进行层流运动的被称为“边界层”的气体层易于很快地离开预制件，从而导致炭黑颗粒流和预制件本身之间接触表面的减小。这当然会使处理效率降低，因此控制气流紊流度非常重要。
前体流的湍流与雷诺数有关，定义为：
Re = ρ · v · D H μ
其中ρ是流体密度，ν是流体速度，DH是液压直径，规定为4·(气流剖面面积/气流剖面周长)，并且μ是流体粘度。
中央喷嘴10的凹形提供了较低的面积/周长比值，因此雷诺数的值较小。可以验证，燃烧器1具有的雷诺数比具有圆形中央喷嘴的类似燃烧器的雷诺数大约低66％。
雷诺数的较低值可以产生较高的沉积效率，因为气流具有较低的紊流度并且围绕着预制件的火焰边界层具有比较宽的延伸部分。
对于本领域的技术人员而言，显而易见，可以在不脱离本发明的范围或精神的前提下对本发明的公开实施例进行多种修改和变化。
例如，可以理解，第二、第三和第四通道200、300和400的几何结构并不是必需的，燃烧器1可以制成具有不同的几何结构并且围绕着中央通道100的通道数目也可以不同。
实例
申请人将根据本发明的燃烧器特别是图1-4中的燃烧器的性能与具有圆形中央喷嘴的类似的燃烧器进行了比较。
表I和II报告了用INV.BURNER(本发明的燃烧器)和COMP.BURNER(相比较的燃烧器)表示的这两种燃烧器的特性。使用了下面的符号：
-ΦI＝内径；
-ΦO＝外径；
-Фorif＝喷孔直径；
-NIC＝内圈中的喷孔数目；
-NOC＝外圈中的喷孔数目；
-α：喷孔相对于轴5的斜度；αIN：内圈的喷孔的斜度；αOUT：外圈的喷孔的斜度；
-A10：喷嘴10的剖面；A70：销70的剖面。
表I-相比较的燃烧器
  前体(喷嘴10)   A10＝7.5mm2
  内屏蔽(喷嘴20)   ΦI＝3.7mm   ФO＝6.5mm   A＝22.4mm2   α＝13°
  火焰   Φorif＝1.2mm   NIC＝20   NOC＝27   A＝53.2mm2 α＝13°
  (喷嘴31、32)
  外屏蔽(喷嘴41、42)   Фorif＝1.2mm   NIC＝40   NOC＝40   A＝90.5mm2 α＝13°
Table II-本发明的燃烧器
  前体(喷嘴10)  A10＝8.1mm2   A70＝0.785mm2
  内屏蔽(喷嘴20)  ΦI＝4.5mm   ΦO＝6.5mm   A＝17.3mm2   α＝16°
  火焰(喷嘴31、32)  Φorif＝1.2mm   NIC＝16   NOC＝27   A＝48.6mm2  αIN＝16°-20°αOUT＝13°
  外屏蔽(喷嘴41、42)  Φorif＝1.2mm   NIC＝40   NOC＝40   A＝90.5mm2  α＝13°
供给燃烧器的气流速率报告在表III中。
表III
  前体   内屏蔽           火焰   外屏蔽
  SiCl4(g/min)   O2(slpm)   O2(slpm)   CH4(slpm)   O2(slpm)   O2(slpm)
  相比较的燃烧器   45   6.5   2.0   28.0   28.0   10.0
  本发明的燃烧器   45   6.5   2.0   28.0   28.0   10.0
表IV报告了实验结果。
表IV
  沉积速度(g/min)   效率(％)   密度(g/cc)
  相比较的燃烧器   7.6   48   0.52
  本发明的燃烧器   8.1   51   0.55
沉积速度和效率根据下面的关系计算：
Figure A0282998600141
Figure A0282998600142
其中：
Qprec＝前体(SiCl4、OMTCS等等)流速(g/min)；
PMprec＝前体的分子量；
PMox＝生成的氧化物(SiO2、GeO2等等。)的分子量；
v＝氧化物和前体化学计量系数比。
更高密度的沉积炭黑是因沉积在预制件上的更高温度的SiO2颗粒而造成的。可以理解，通过使用本发明的燃烧器沉积速度和处理效率都可以提高。

Claims (13)

1.一种用于汽相沉积工艺的燃烧器(1)，具有用于喷射玻璃前体材料的中央喷嘴(10)，其特征在于，所述中央喷嘴(10)具有凹的形状。
2.如权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述中央喷嘴(10)关于轴平面对称。
3.如权利要求1所述的燃烧器，还包括至少一圈围绕所述中央喷嘴(10)、用于喷射火焰反应物的喷嘴(31，32)。
4.如权利要求1所述的燃烧器，还包括位于所述中央喷嘴(10)和所述喷嘴圈(31，32)之间、用于喷射内屏蔽气体的圆形喷嘴(20)。
5.如权利要求4所述的燃烧器，其特征在于，所述中央喷嘴(10)具有最小径向尺寸的第一角度部分(10a)和最大径向尺寸的第二角度部分(10b)。
6.如权利要求5所述的燃烧器，其特征在于，所述至少一圈喷嘴(31)包括与所述第二角度部分(10b)成相同的角位置的第一组喷嘴(31a)和与所述第一角度部分(10a)成相同角位置的第二组喷嘴(31b)。
7.如权利要求6所述的燃烧器，还包括终止于所述第一组喷嘴(31a)中的第一组喷孔和终止于所述第二组喷嘴(31b)中的第二组喷孔，第一组喷孔设置得相对于所述燃烧器的中心轴(5)倾斜第一角度，并且第二组喷孔设置得相对于所述中心轴倾斜第二角度，且所述第二角度大于所述第一角度。
8.如权利要求1所述的燃烧器，具有终止于所述中央喷嘴(10)中、用于所述玻璃前体材料通过的中央管(101)，并且包括置于中央管(101)内部、用于迫使玻璃前体材料流向所述中央喷嘴(10)的外部边界的中央部件(70)。
9.如权利要求8所述的燃烧器，其特征在于，中央部件(70)至少具有一个大体上与所述中央管(101)的外壁(102)配合的扩大部分。
10.一种化学汽相沉积工艺，包括喷射具有凹的横截面的玻璃前体材料流。
11.如权利要求10所述的工艺，还包括围绕所述玻璃前体材料流生成火焰，以及在所述玻璃前体材料流和所述火焰之间喷射内屏蔽气体。
12.如权利要求10所述的工艺，其特征在于，所述玻璃前体材料流具有中心轴，其中所述横截面具有最大径向伸出部的第一角度区，其与最小径向伸出部的第二角度区交替；其中生成火焰的步骤包括沿着第一方向和第二方向喷射易燃气体，所述第一方向相对于所述轴处于与所述第一角度区相对应的第一角位置；所述第二方向相对于所述轴处于与所述第二角度区相对应的第二角位置；且所述第二角度大于所述第一角度。
13.如权利要求10所述的工艺，其特征在于，所述玻璃前体材料流使用在围绕所述流的中心轴的区域中最大的速度进行喷射。
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