CN1013107B - 光纤预制件制造用喷枪 - Google Patents

光纤预制件制造用喷枪

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Abstract

本发明涉及光纤预制件制造用喷枪。该喷枪在中心部设置原料气体喷射流道，围绕着该原料气体喷射流道，设置多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道。这小口径助燃气体喷射流道周围是环状可燃气体喷射流道。由于这多个小口径助燃气体喷射流道的特殊配置方式，所以，该喷枪能稳定地制造多孔玻璃预制件。

Description

本发明涉及通过汽相轴向沉积（VAD）法、外层汽相沉积（OVD）法等方法制造通信用和光学用的多孔玻璃预制件时，光纤预制件制造用的喷枪。
作为制造光学纤维、图象纤维、光导、棒状透镜等用的多孔玻璃预制件的方法，目前采用的为可使杂质、OH基等混入量很少的VAD、OVD等方法。
众所周知，上述各种方法就是使用光纤预制件制造用的喷枪，且向该喷枪供应原料气体、可燃气体及助燃气体，或供应这些气体及密封气体，通过借助该喷枪发生的火焰加水分解反应和、或热氧化反应，生成烟状的玻璃微粒，并把该玻璃微粒堆积成棒状、管状等所希望的形状。
上述各种方法所用的喷枪多为三重管以上的多重管结构，例如当该喷枪为四重管结构时，把从喷枪中心到喷枪最外周之间的各流道，分别称为原料气体喷射流道（第一流道：中心）、密封气体喷射流道（第二流道）、可燃气体喷射流道（第三流道）、助燃气体喷射流道（第4流道：最外周）。
例如EPCNo.0，146，659和特开昭59-64539号专利文献均记载有和上述类似的多重管构造的喷枪结构。
一方面，原料气体由主原料SiCl4、掺杂原料GeCl4、POCl4、BCl3等组成;可燃气体由氢气（H2）、甲烷、丙烷、丁烷或它们的混合气体构成;助燃气体由氧气构成;密封气体由Ar等其他惰性气体构成。
在这VAD法和OVD法中，玻璃微粒的堆积原理基本上是相同 的，但在VAD法中，是把玻璃微粒堆积在一边转动一边被向上拉的垂直的靶子的下端，而在OVD法中，则是把玻璃微粒堆积在以水平状态转动的心轴的外周。
经过上述各种方法堆积形成的多孔玻璃预制件，再通过其后的热处理，被脱水及透明玻璃化，成为无气泡的透明预制件。
在采用上述VAD法的情况下，通过玻璃微粒的堆积，多孔玻璃预制件在纵向长度（轴向）上成长。此时，该预制件随着自身的成长，其自重也在增大，因此，制作又长又大的多孔玻璃预制件时，由于该预制件自身的重量而会发生破损。
因此，用VAD法制造大型的多孔玻璃预制件时，必须有为了提高玻璃微粒的堆积密度、即为了提高该预制件强度的改进措施。
另一方面，使玻璃微粒堆积在呈水平状态的心轴外周上的OVD法，其多孔玻璃预制件不会发生VAD法出现的那种破损。但由于随着玻璃微粒的堆积，预制件的直径变大，该预制件的表面积逐渐变大，所以，在单位时间内从喷枪喷向预制件表面的火焰的单位面积的热量发生变化，玻璃微粒堆积末期的热量远比其初期要小。
由于上述现象，所以，越到上述堆积末期，多孔玻璃预制件的烧合程度越不足，预制件在半径方向的玻璃微粒的密度也发生差异。
多孔玻璃预制件的密度最好为0.4～1.0g/cm3，如果因上述烧结不足而使多孔玻璃预制件的密度降到该值以下，则在该预制件成长或冷却时，沿预制件的长度方向会发生裂纹。
作为其预防措施，目前采用的方法有，与预制件成长的同时相应地降低该预制件的转动速度，或者增加燃料气体的量等。
但是，在降低预制件的转速这前一种方法的情况下，会使多孔玻璃预制件的表面发生凹凸等，成为导致外径不良的原因。
即使是使燃料气体量增加的后一种方法，也是按经验设定，其增加量很不可靠。而且，考虑到从喷枪喷出的火焰是扩散的火焰， 为了防止发生裂纹，以及为了消除玻璃微粒堆积密度的不均匀，而逐渐增加燃料气体量，是极困难的。
如上所述，使用传统的多重管结构的喷枪来制造多孔玻璃预制件，很难获得无裂纹及外径无不良等缺陷的、且玻璃微粒密度均匀的大型预制件。
考虑到上述问题，本发明的目的在于，提供一种用于能稳定地制造多孔玻璃预制件的光纤预制件制造用的喷枪。
（1）为了达到所期望的目的的本发明的一种光纤预制件制造用喷枪的特征在于，喷枪中心部设有多个原料气体喷射流道，在位于该喷枪中心部的原料气体喷射流道的外周，如同包围该原料气体喷射流道似地，配置着多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道，并在该环状的可燃气体喷射流道内设置这些小口径助燃气体喷射流道。
（2）为了达到上述目的的本发明的第二种的光纤预制件制造用喷枪的特征在于，在上述光纤预成制件制造用喷枪结构（1）基础上，还在该环状可燃气体喷射流道的外周，设有环状助燃气体喷射流道。
（3）为了达到上述目的的本发明中第三种的光纤预制件制造用喷枪的特征在于，喷枪中心部设有多个原料气体喷射流道，在该位于喷枪中心部的原料气体喷射流道的外周，设有第一环状密封气体喷射流道，在该第一环状密封气体喷射流道的外周，在上述环状可燃气体喷射流道内，如同包围该环状密封气体喷射流道似地，配置有多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道，在该环状可燃气体喷射流道的外周，设有第二密封气体喷射流道，在该第二密封气体喷射流道的外周，设有环状助燃气体喷射流道。
关于附图的简单说明
图1为图示本发明喷枪的第一实施例的平面图，图2为图1中 喷枪的纵剖图，图3为图示本发明喷枪的第二实施例的重要部分纵剖图，图4为图示本发明喷枪的第三实施例的平面图，图5为使用本发明喷枪的VAD法的示意图，图6为使用本发明喷枪的OVD法的示意图。
以下，结合附图，对本发明涉及的光纤预制件制造用喷枪的实施例进行说明。
图1及图2显示本发明喷枪的一个实施例。
图1与图2所示的多重管结构的喷枪1，其喷枪中心设有原料气体喷射流道2，该原料气体喷射流道2的外周，设有环状的可燃气体喷射流道3，该环状可燃气体喷射流道3的外周，设有环状的助燃气体喷射流道4，而且在环状的可燃气体喷射流道3内，沿圆周方向等距离设有多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道5。
在这种喷枪1的场合，参照图1可知，位于环状可燃气体喷射流道3内的各个小口径助燃气体喷射流道5，包围着喷枪中心的原料气体喷射流道2。
再有，参照图2可知，各小口径助燃气体喷射流道5均指向原料气体喷射流道2中心线上的一点P，成为所谓的焦点式。
从喷枪1前端到上述点P为止的距离L，一般被设定为约30～350mm，更具体地说，被设定为约L＝200mm左右。
在喷枪1的下部，设有与图2所示的各气体喷射流道2、3、4、5相对应的气体导入口6、7、8、9。
图3所示的多重管结构的喷枪1基本上与上述图1、图2所示的相同，但是，其原料气体喷射流道2、环状可燃气体喷射流道3、环状助燃气体喷射流道4及小口径助燃气体喷射流道5的各流道是互相平行的，而且，对于这些流道的相对关系，采取分别使它们的前端按环状可燃气体喷射流道3与小口径助燃气体喷射流道5位于最前端，原料气体喷射流道2位于稍后，环状助燃气体喷射流道4 位于最后的次序向前突出。
再有，图3的喷枪1，分别使其原料气体喷射流道2与小口径助燃气体喷射流道5的各个前端为球面状。
又，使各流道的前端突出状态具有差异（不整齐状态），或使规定的流道前端成为球面状的结构，在前述图1、图2的实施例中，或后述的实施例中也能采用这一措施。
参照图1至图3，所述的喷枪1，当把这些图中的喷枪1省略环状助燃气体喷射流道4时，便成为本发明的又一实施例，即第二实施例。
图4所示的多重管结构的喷枪1，从其喷枪中心向着外圆周，依次设有原料气体喷射流道2、第一环状密封气体喷射流道10，环状可燃气体喷射流道3，第二环状密封气体喷射流道11及环状助燃气体喷射流道4，且在环状可燃气体喷射流道3内，沿圆周方向间隔设有多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道5。
图4所示的喷枪1是本发明的第三实施例。
作为未图示的其他的实施例，还有设置多个原料气体喷射流道、多个可燃气体喷射流道的例子。
例如在前述各实施例中，当喷枪中心部设有相毗邻的两个（或两个以上）原料气体喷射流道时，从端面外观上看将这些原料气体喷射流道和在其外周设置成多重管状的其他的气体喷射流道成为椭圆形构造，在此时的小口径助燃气体喷射流道为焦点式时，规定椭圆的二个焦点，并使各小口径助燃气体喷射流道与此对应。
又，设有两个环状可燃气体喷射流道时，其中之一可以在前述各实施例的位置，另一个例如可设在喷枪的最外周。
构成上述喷枪1的管状或筒状构件由耐高热的石英玻璃、陶瓷等构成，但也可以把各气体喷射流道的前端部分用石英玻璃或陶瓷制造，余下部分用抗蚀性、抗药性优良的金属制造。
图5和图6为使用本发明的喷枪1实施的VAD法和OVD法的示意图。
在图5的VAD法中，21为具有排气系统22的反应容器，23为设在该反应容器21上部的、内装有发热体（电加热器）24的电炉，25为石英制的靶，26为靶25的转动上提装置。如已知的那样，这样的VAD法，经喷枪1生成的玻璃微粒在靶25的下端依次堆积，成为多孔玻璃预制件27。该多孔玻璃预制件27经电炉23被透明玻璃化，成为棒状的透明玻璃预制件28。
在图6的OVD法中，31为转动和往复运动方式的驱动装置，32为通过该驱动装置31被支承着的石英管制成的心轴，此种OVD法也如已知的那样，经喷枪1生成的玻璃微粒依次堆积在心轴32的外周，成为管状的多孔玻璃预制件33。
实施这种VAD法和OVD法时的原料气体、可燃气体、助燃气体及密封气体，可使用已提到的各种气体。
用于上述的VAD法及OVD法的本发明的喷枪1，此时，由原料气体喷射流道2喷出的原料气体，借助来自环状可燃气体喷射流道3的可燃气体，及来自小口径助燃气体喷射流道5的助燃气体，发生火焰加水分解反应和、或热氧化反应，变成烟状的玻璃微粒。
这时，从小口径助燃气体喷射流道5喷出的助燃气体，因前述小口径助燃气体喷射流道5是管状的，所以被喷出时的流速极快。其结果，前述助燃气体与从配置在前述小口径助燃气体喷射流道5周围的环状可燃气体喷射流道3喷出的可燃气体发生的燃烧反应速度高，使燃烧量因而增大，与传统的多重管燃烧器相比，可获得极高的温度。因此，能促进玻璃微粒的堆积，而且能使通过该玻璃微粒的堆积形成的多孔玻璃预制件的表面温度保持高均匀的值，因此，该预制件的玻璃微粒能被均匀且充分地烧结，能获得玻璃微粒密度基本均匀的预制件。
尤其在各小口径助燃气体喷射流道5相互为焦点式的场合，这些效果更显著。
还有，在本申请案中，因为就象助燃气体是从小口径助燃气体喷射流道5喷出、而可燃气体例如氢是从环状可燃气体喷射流道3喷出的那样，各气体是以分离的状态流动的，所以，与例如以氢与氧预先混合的状态一起喷出的情况不同，火焰能在离喷枪前端某一距离外形成。尤其在本发明中，因为如前所述，助燃气体的流速很快，所以，能使火焰在离喷枪前端较远处形成。其结果，由可燃气体与助燃气体的燃烧产生的碳黑及通过这些可燃气体、助燃气体及原料气体形成的玻璃微粒便不易粘附在喷枪前端，导致喷枪的堵塞等问题。
又，当原料气体喷射流道2、小口径助燃气体喷射流道5的各前端为球面状时，更能有效防止玻璃微粒粘附在喷枪前端。
又，第一环状密封气体喷射流道10，也具有防止原料气体喷射流道2因玻璃微粒而被堵塞的效果，第二环状密封气体喷射流道11能对把环状可燃气体喷射流道3与环状助燃气体喷射流道4进行分隔管状或筒状构件的前端起保护作用。
再者，从环状助燃气体喷射流道4喷出的助燃气体并不直接参与玻璃微粒的合成，而有利于火焰的稳定。即，促使火焰从其中心部至周边部的温度分布达到均匀化。其结果，能防止多孔玻璃预制件的表面出现凹凸，还能使玻璃微粒的密度均匀。
其原因是由于从前述环状助燃气体喷射流道4喷出的助燃气体切断了大气与从内侧环状可燃气体喷射流道3喷出的可燃气体的接触，并通过该助燃气体，使烧剩下的前述可燃气体完全燃烧的缘故。也就是，由于从内侧的环状可燃气体喷射流道3喷出并烧剩的可燃气体，与空气中的氧气发生不稳定的燃烧反应，以至引起火焰外周部产生紊乱的现象得到了防止的缘故。
更具体的例子是，使用图1和图2所示的喷枪，以下述的条件实施图6的OVD法。
1.原料气体喷射流道2：SiCl4（50℃）＝3l/min（载体气体Ar）
可燃气体喷射流道3：H2＝351/min→45l/min
助燃气体喷射流道4：O2＝5l/min→8l/min
助燃气体喷射流道5：O2＝16l/min
2.心轴32的外径：15mmφ
横动速度：100mm/min
横动区间：350mm
心轴32的转速：60rpm
合成时间：约6.5小时
用上述条件制造的多孔玻璃预制件为外径×长度＝120φ×350mm，其整个半径方向的玻璃微粒密度约为0.4g/cm3，且基本一定，完全无裂纹产生。
如以上说明，本发明中第一实施例涉及的光纤预制件制造用喷枪，由于在位于该喷枪中心部的原料气体喷射流道的外周，如同包围该原料气体喷射流道似地，配置有多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道，在这各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状可燃气体喷射流道，所以，通过各小口径助燃气体喷射流道的特殊配置结构，便能稳定地制造多孔玻璃预制件。
本发明中的第二实施例涉及的光纤预制件制造用喷枪，因为是在前述第一实施例的喷枪中，在其环状可燃气体喷射流道的外周，设置环状助燃气体喷射流道，所以不仅能获得上述的效果，而且通过该环状助燃气体喷射流道，能使整个半径方向的火焰稳定。
本发明中的第三实施例涉及的光纤预制件制造用喷枪，因为是在上述第一实施例的喷枪中，在其规定的气体喷射流道间，设置第一和第二环状密封气体喷射流道，所以，不仅能获得上述的效果， 而且，能防止原料气体喷射流道因玻璃微粒而堵塞，能对分隔环状可燃气体喷射流道及环状助燃气体喷射流道的管形状或筒状构件的前端起保护作用。

Claims (29)

1、一种多重管构造、用于制造光纤预制件的喷枪，包括位于中心的一条或多条原料气体喷射流道，位于上述中心原料气体流道外围的环状气体喷射流道，以及位于上述环状气体流道内的如同包围上述中心原料气体流道似地多条互相独立的小口径气体喷射流道，其特征在于上述环状气体流道为可燃气体喷射流道，上述小口径气体流道为助燃气体喷射流道。
2、根据权利要求1所述的喷枪，其特征在于上述构造还包含位于上述环状可燃气体喷射流道外周围的环状助燃气体喷射流道。
3、根据权利要求1或2所述的喷枪，其特征在于上述多重管构造还包含位于上述原料气体喷射流道和环状可燃气体喷射流道之间的第一环状密封气体喷射流道。
4、根据权利要求1或2所述的喷枪，其特征在于上述构造还包括位于上述环状可燃气体喷射流道和环状助燃气体喷射流道间的第二密封气体喷射流道。
5、根据权利要求3所述的喷枪，其特征在于上述构造还包括位于上述环状可燃气体喷射流道和环状助燃气体喷射流道间的第二密封气体喷射流道。
6、根据权利要求1或2所述的喷枪，其特征在于上述构造具有两条相互毗邻的原料气体喷射流道。
7、根据权利要求3所述的喷枪，其特征在于上述构造具有两条相互毗邻的原料气体喷射流道。
8、根据权利要求4所述的喷枪，其特征在于上述构造具有两条相互毗邻的原料气体喷射流道。
9、根据权利要求5所述的喷枪，其特征在于上述构造具有两条相互毗邻的原料气体喷射流道。
10、根据权利要求1或2所述的喷枪，其特征在于使上述各小口径助燃气体喷射流道中心线延长会聚于喷枪中心线上的一点。
11、根据权利要求3所述的喷枪，其特征在于使上述各小口径助燃气体喷射流道中心线延长会聚于喷枪中心线上的一点。
12、根据权利要求4所述的喷枪，其特征在于使上述各小口径助燃气体喷射流道中心线延长会聚于喷枪中心线上的一点。
13、根据权利要求5所述的喷枪，其特征在于使上述各小口径助燃气体喷射流道中心线延长会聚于喷枪中心线上的一点。
14、根据权利要求1或2所述的喷枪，其特征在于分别将上述各原料气体喷射流道和各小口径助燃气体喷射流道的顶端形成球面形状。
15、根据权利要求3所述的喷枪，其特征在于分别将上述原料气体喷射流道和各小口径助燃气体喷射流道的顶端形成球面形状。
16、根据权利要求4所述的喷枪，其特征在于分别将上述原料气体喷射流道和各小口径助燃气体喷射流道的顶端形成球面形状。
17、根据权利要求5所述的喷枪，其特征在于分别将上述原料气体喷射流道和各小口径助燃气体喷射流道的顶端形成球面形状。
18、根据权利要求1或2所述的喷枪，其特征在于将上述原料气体喷射流道和位于其外周围的各环状气体喷射流道构成从喷枪端面外观看形成一同心圆构造。
19、根据权利要求3所述的喷枪，其特征在于将上述原料气体喷射流道和位于其外周围的各环状气体喷射流道构成从喷枪端面外观看形成一同心圆构造。
20、根据权利要求4所述的喷枪，其特征在于将上述原料气体喷射流道和位于其外周围的各环状气体喷射流道构成从喷枪端面外观看形成一同心圆构造。
21、根据权利要求5所述的喷枪，其特征在于将上述原料气体喷射流道和位于其外周围的各环状气体喷射流道构成从喷枪端面外观看形成一同心圆构造。
22、根据权利要求6所述的喷枪，其特征在于将上述两条原料气体喷射流道和位于其外周围的各环状气体喷射流道构成从端面外观上看形成一同心的椭圆构造。
23、根据权利要求7、8、9中任一权利要求所述的喷枪，其特征在于将上述两根原料气体喷射流道和位于其外周围的各环状气体喷射流道构成从端面外观上看形成一同心的椭圆构造。
24、根据权利要求1或2所述的喷枪，其特征在于上述各气体喷射流道是由石英玻璃或陶瓷材料制造。
25、根据权利要求3所述的喷枪，其特征在于上述各气体喷射流道是由石英玻璃或陶瓷材料制造。
26、根据权利要求4所述的喷枪，其特征在于上述各气体喷射流道是由石英玻璃或陶瓷材料制造。
27、根据权利要求5所述的喷枪，其特征在于上述各气体喷射流道是由石英玻璃或陶瓷材料制造。
28、根据权利要求6所述的喷枪，其特征在于上述各气体喷射流道是由石英玻璃或陶瓷材料制造。
29、根据权利要求7，8，9中任一权利要求所述的喷枪，其特征在于上述各气体喷射流道是由石英玻璃或陶瓷材料制造。
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