CN101817631A - 玻璃微粒合成用燃烧器及使用其的多孔质玻璃母材的制造方法 - Google Patents

玻璃微粒合成用燃烧器及使用其的多孔质玻璃母材的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种玻璃微粒合成用燃烧器，其具备：玻璃原料气体喷出口；可燃性气体喷出口，其以玻璃原料气体喷出口为中心配置在玻璃原料气体喷出口的外侧；以及小口径助燃性气体喷出口，其在可燃性气体喷出口内，与玻璃原料气体喷出口呈同心圆状形成1圈或多圈，配置为多个环状；且配置在同一圈的小口径助燃性气体喷出口具有相互相同的焦点距离，各个小口径助燃性气体喷出口分别具有：从共通的主管分支出来的气体导入部、及配置在与气体导入部相反的端部跟气体导入部之间的固定部；并且，在将固定部的位置上的小口径助燃性气体喷出口的内径设为D1、将气体导入部的位置上的小口径助燃性气体喷出口的内径设为D2、将固定部及气体导入部的位置以外的小口径助燃性气体喷出口的内径设为D3时，D1大于D3，并且D2大于D3。

Description

玻璃微粒合成用燃烧器及使用其的多孔质玻璃母材的制造方法
技术领域
本发明涉及一种光纤用玻璃母材的制造中所使用的玻璃微粒合成用燃烧器(以下，仅称为燃烧器)及使用其的多孔质玻璃母材的制造方法。
背景技术
先前，为了制造光纤母材，提出了各种方法。这些方法之中，因为使燃烧器或起始构件相对地往复移动，而使燃烧器火焰中生成的玻璃微粒附着堆积于粗度约为50mmφ左右的旋转的起始构件上，来合成粗度约为250～350mmφ左右的烟灰(soot)，将其于电炉内进行脱水、烧结的外部汽相沉积法(outside vapor deposition，OVD法)可获得比较任意的折射率分布，并且可批量生产大口径的光纤母材，所以得到广泛使用。
先前，玻璃微粒堆积体合成时是使用同芯多管燃烧器，但这种结构的燃烧器不会充分地进行玻璃原料气体、可燃性气体及助燃性气体的混合，因此不会充分地进行玻璃微粒的生成。其结果没有提高产率且难以高速合成。
为了解决此问题，专利文献1提出了在可燃性气体喷出口(port)内以包围中心的原料气体喷出口的方式配置小口径助燃性气体喷出口(以下，简称为小口径气体喷出口)的多喷嘴(multi-nozzle)型燃烧器。
通常，小口径气体喷出口从连接在燃烧器的气体导入口的主管分支成几根～几十根小口径管，具有相当的重量。因此，燃烧器在高温下会由于管本身的重量而产生弯曲，在燃烧器前端产生偏芯。作为防止这一问题的方法，专利文献2提出了将小口径气体喷出口与相邻接的内管或者外管固定来防止弯曲或振动的方法。
[先前技术文献]
专利文献1：日本专利特公平3-9047号公报
专利文献2：日本专利特开平10-95623号公报
[发明所要解决的问题]
然而，由于专利文献2中记载的多喷嘴型燃烧器包括多个小口径管，所以固定这些小口径管的固定部的结构极其复杂。
这样，由于多喷嘴型燃烧器具有复杂的结构，所以每一根均由手工作业来制作。因此燃烧器间的个体差异较大，会产生以下问题：由于燃烧器不同，所以存在小口径气体喷出口前端易于附着玻璃微粒的燃烧器，或者堆积效率产生差异。
本发明的目的在于提供一种在结构复杂的多喷嘴型燃烧器中，燃烧器间的个体差异较小，且玻璃微粒的合成效率良好的玻璃微粒合成用燃烧器及使用其的多孔质玻璃母材的制造方法。
发明内容
作为本发明的第一型态，提供一种玻璃微粒合成用燃烧器，其具备：玻璃原料气体喷出口；可燃性气体喷出口，其以玻璃原料气体喷出口为中心，配置在玻璃原料气体喷出口的外侧；及小口径助燃性气体喷出口，其在可燃性气体喷出口内，与玻璃原料气体喷出口呈同心圆状形成1圈或多圈，配置为多个环状；且配置在同一圈上的小口径助燃性气体喷出口具有相互相同的焦点距离，各个小口径助燃性气体喷出口分别具有：从共通的主管分支出来的气体导入部、以及配置在与气体导入部相反的端部跟气体导入部之间的固定部；并且，在将固定部的位置上的小口径助燃性气体喷出口的内径设为D1、将气体导入部的位置上的小口径助燃性气体喷出口的内径设为D2、将固定部及气体导入部的位置以外的小口径助燃性气体喷出口的内径设为D3时，D1大于D3，并且D2大于D3。
而且，作为本发明的第二型态，提供一种多孔质玻璃母材的制造方法，其使用所述玻璃微粒合成用燃烧器来制造多孔质玻璃母材。
所述发明的概要并未列举本发明的所有必要特征。而且，这些特征群的次组合(subcombination)也可以成为发明。
附图说明
图1是表示多孔质玻璃母材的制造装置的一例的概略图。
图2是表示本发明的燃烧器的配设为1圈同心圆状的小口径气体喷出口固定为环状的状态的燃烧器前端部的概略横截面图。
图3是表示本发明的燃烧器的配设为2圈同心圆状的小口径气体喷出口固定为环状的状态的燃烧器前端部的概略横截面图。
图4是图2所示的燃烧器的概略纵截面图。
图5A是对小口径气体喷出口的固定状态进行说明的概略图。
图5B是对小口径气体喷出口的固定状态进行说明的概略图。
图5C是对小口径气体喷出口的固定状态进行说明的概略图。
图6是表示小口径气体喷出口前端的流速与固定部内径的关系的图表。
[符号的说明]
1纤核棒
2虚设棒
3燃烧器
4锭盘机构
5排气罩
6玻璃原料气体喷出口
7小口径气体喷出口
8可燃性气体喷出口
9密封气体喷出口
10固定部
11分支部
12主管
具体实施方式
以下，通过发明的实施形态来说明本发明，但以下的实施形态并不限定权利要求书中的发明。而且，实施形态中所说明的所有特征的组合并非发明的解决手段所必需。
本发明人对具有多个小口径气体喷出口的燃烧器进行努力研究，结果可知由于每个小口径气体喷出口的气体流量不均，而使多喷嘴型燃烧器产生个体差异。
例如，如果某个小口径气体喷出口的气体流量极端地少，那么此喷出口的气体流速会变小，喷出口前端会易于附着玻璃微粒。另外，如果在喷出口间存在气体流量不均，那么在气体流量较少的喷出口侧与其以外的喷出口侧会产生反应不均，因此与以均等的气体流量、平衡性良好地进行反应的燃烧器相比，堆积效率下降。
研究表明，每个这种小口径气体喷出口的气体流量的不均并非由于具有精度的小口径管的直管部分所致，而是由于对图4所示的主管的分支部及固定部进行加热加工时，如图5A所示，会形成缩径部分，其缩径的程度导致气体流量不均的产生。因此为了解决所述课题，本发明人发现对多个小口径气体喷出口进行加热加工时，为了不产生缩径部分，固定小口径气体喷出口即可，从而达成本发明。
具体而言，在分支部至小口径气体喷出口前端之间，将同一圈的喷出口固定成环状。例如，在分支部至小口径气体喷出口前端为止的一处，将相邻的小口径气体喷出口间分别固定，将同一圈的喷出口固定为环状。另外，在将固定部中的小口径气体喷出口的内径设为D1、将分支部中的小口径气体喷出口的内径设为D2、将固定部及分支部以外的小口径气体喷出口的内径设为D3时，加工成D3＜D1且D3＜D2。换言之，以不小于具有精度的直管部分的内径的方式对小口径气体喷出口的固定部及分支部的内径进行加工。
理想的是如图5B所示，D3＝D1、D3＝D2，但考虑到因为是利用手工作业制成的燃烧器的火焰加热来进行玻璃加工，所以这是不可能的。因此，如图5C所示，对分支部及固定部进行扩径，使D3＜D1且D3＜D2。但是，如果过于扩径而管厚变薄，那么会使强度不足，因此希望扩径比在1.0≤D1/D3且1.0≤D2/D3的范围内尽可能地小。这样，在分支部及固定部，较其以外的直管部分，不会由于缩径而增加压力损失，由此可将各口之压力损失抑制为相同程度，可缩小气体流量分布。
图1是表示多孔质玻璃母材制造装置的一例的概略图，起始构件是在纤核棒(corerod)1的两端部分别熔接着虚设棒(dummy rod)2，利用锭盘(ingot chuck)机构4绕轴旋转自如地支持着。从燃烧器3喷射SiCl4等纤维用原料及燃烧气体(氢气及氧气)，利用燃烧器导引机构(省略图示)使燃烧器3沿着起始构件往复移动，将氢氧焰中水解生成之玻璃微粒(烟灰)堆积在起始构件上，由此获得光纤用多孔质玻璃母材。未附着的玻璃微粒从排气罩(exhaust hood)5排出到系统外。
所获得的多孔质玻璃母材通过加热炉进行脱水玻璃化，形成光纤用母材。
图2是本发明的燃烧器的概略横截面图，在玻璃原料气体喷出口6的外侧，以隔着密封气体喷出口9、相对于玻璃原料气体喷出口6呈1圈同心圆状的方式，8根小口径气体喷出口7配设在可燃性气体喷出口8内。小口径气体喷出口7仅相邻的喷出口间分别以相同材质固定，同心同一圈的喷出口固定为环状。
此外，固定相邻的喷出口时优选与此气体喷出口相同材质的石英玻璃。
图3中，同样地在可燃性气体喷出口8内，小口径气体喷出口配设为2圈同心圆状，各圈的喷出口在分支部至喷出口前端为止的一处分别固定为环状。
图4是图2所示的燃烧器的沿着长度方向中心轴线的概略纵截面图，小口径气体喷出口7在可燃性气体喷出口8内、以相对于玻璃原料气体喷出口6呈同心圆状配设为1圈。小口径气体喷出口7在主管12至分支部11分支为多个小口径管，在分支部11至喷出口前端为止的一处，同一圈的相邻的喷出口间分别以固定部10固定，同一圈的喷出口7固定为环状。
如图5C所示，此小口径气体喷出口7在分支部11及固定部10稍微扩张的状态下进行分支、固定，喷出口7的固定部10的内径D1及分支部的内径D2大于其以外处的内径D3，以满足D3＜D1且D3＜D2的方式进行加工。以下，列举实施例及比较例进行说明。
[实施例1]
使用如图1所示的装置，利用外部汽相沉积法制造多孔质玻璃母材。所使用的燃烧器具有如图2所示的结构，在中心的玻璃原料气体喷出口6的外侧，以隔着密封气体喷出口9、相对于玻璃原料气体喷出口6呈1圈同心圆状的方式，8根喷出助燃性气体的小口径气体喷出口7配设在可燃性气体喷出口8内，这些小口径喷出口7均具有150mm的焦点距离。小口径气体喷出口7的内径为1.5mm，从分支部至前端为止有200mm，在距前端75mm处，8根小口径喷出口7固定为1圈环状。分支部及固定部的内径扩径为1.6mm。
此处，导入助燃性气体，利用热线风速仪测定8根(A～H)小口径气体喷出口前端的气体流速，结果如表1所示为均等的气体流速。
[表1]
  小口径喷出口   A   B   C   D   E   F   G   H
  分支部内径[mm]   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6
  固定部内径[mm]   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6
  前端流速[m/s]   30   30   30   30   30   30   30   30
其次，分别向此燃烧器的第一管供给SiCl4及O2，向第二管供给密封气体，向第三管供给H2，向设置于第三管内的小口径气体喷出口供给O2，在外径为50mm的纤核棒的两端部熔接着外径为50mm的虚设棒的起始构件上，堆积100kg玻璃微粒。其结果，小口径气体喷出口前端并未附着玻璃微粒，堆积效率为64.2％。
[比较例1]
制作表2所示的意图使小口径气体喷出口的固定部的直径发生变化的燃烧器，利用与实施例1相同的条件，利用热线风速仪测定小口径气体喷出口前端的助燃性气体的流速。其结果如表2所示，另外将其图表化示于图6中。由表2及图6可确认，固定部的内径越小则前端的流速变得越小。
[表2]
  小口径喷出口   A   B   C   D   E   F   G   H
  分支部内径[mm]   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6
  固定部内径[mm]   1.2   1.3   1.4   1.4   1.5   1.6   1.7   1.7
  前端流速[m/s]   22   25   29   30   34   34   34   34
另外，除了改变燃烧器以外，利用与实施例1相同的条件，在外径为50mm的纤核棒的两端部熔接着外径为50mm的虚设棒的起始构件上堆积100kg玻璃微粒。其结果，在缩小固定部的内径的喷出口A的前端发现附着玻璃微粒。而且，堆积效率为63.0％，低于实施例1的64.2％。
[比较例2]
制作意图使小口径气体喷出口的分支部的直径发生变化的燃烧器，利用与实施例1相同的条件，测定小口径气体喷出口前端的助燃性气体的流速。其结果如表3所示，与比较例1同样，分支部的内径越小则前端的流速变得越小。
[表3]
  小口径喷出口   A   B   C   D   E   F   G   H
  分支部内径[mm]   1.2   1.3   1.4   1.4   1.5   1.6   1.7   1.7
  固定部内径[mm]   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6   1.6
  前端流速[m/s]   22   25   29   30   34   34   34   34
另外，除了改变燃烧器以外，利用与实施例1相同的条件，在外径为50mm的纤核棒的两端部熔接着外径为50mm的虚设棒的起始构件上堆积100kg玻璃微粒。其结果，在缩小分支部的内径的小口径气体喷出口A的前端发现附着玻璃微粒。而且，堆积效率为62.7％，低于实施例1的64.2％。
如以上所说明，燃烧器的个体性能差异较小，且充分进行玻璃原料气体、可燃性气体及助燃性气体的混合，能够以较高的产率来合成玻璃微粒。因此，玻璃微粒的堆积效率提高，有助于提高多孔质玻璃母材的生产性。
此外，使用实施形态对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限定于所述实施形态中记载的范围内。本领域技术人员清楚，可对所述实施形态施加各种变更或者改良。由权利要求书的记载可知，施加此种变更或者改良的形态也可以包含在本发明的技术范围内。
请注意，权利要求书、说明书及图式中所示的装置、系统、程序及方法中的动作、顺序、步骤及阶段等各个处理的实行顺序，只要没有特别明确表示“以前”、“之前”等，而且不是在之后的处理中使用之前的处理的输出的情况，那么可利用任意的顺序来实现。关于权利要求书、说明书及图式中的动作流程，即使为了方便而使用“首先，”、“其次，”等进行说明，也并不表示必须以此顺序来实施。

Claims (4)

1.一种玻璃微粒合成用燃烧器，其特征在于：具备
玻璃原料气体喷出口；
可燃性气体喷出口，其以所述玻璃原料气体喷出口为中心，配置在所述玻璃原料气体喷出口的外侧；以及
小口径助燃性气体喷出口，其在所述可燃性气体喷出口内，与所述玻璃原料气体喷出口呈同心圆状形成1圈或多圈，配置为多个环状；且
配置在同一圈的所述小口径助燃性气体喷出口具有相互相同的焦点距离，
各个所述小口径助燃性气体喷出口分别具有
从共通的主管分支出来的气体导入部、以及配置在与所述气体导入部相反的端部跟所述气体导入部之间的固定部；
并且，
在将所述固定部的位置上的所述小口径助燃性气体喷出口的内径设为D1、将所述气体导入部的位置上的所述小口径助燃性气体喷出口的内径设为D2、将所述固定部及所述气体导入部的位置以外的小口径助燃性气体喷出口的内径设为D3时，D1大于D3，并且D2大于D3。
2.根据权利要求1所述的玻璃微粒合成用燃烧器，其特征在于：配置在所述同一圈的各个所述小口径助燃性气体喷出口，
在所述端部及所述气体导入部之间的一处，固定在相邻接的其他所述小口径助燃性气体喷出口上。
3.根据权利要求2所述的玻璃微粒合成用燃烧器，其特征在于：所述固定部是利用与所述小口径助燃性气体喷出口相同的材料来形成。
4.一种多孔质玻璃母材的制造方法，其特征在于：使用根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的玻璃微粒合成用燃烧器来制造多孔质玻璃母材。
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