CN102234177B - 用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器 - Google Patents

用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有同心多重管结构的用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器，即使在该燃烧器的同心多重管部分发生轴向位移时，该燃烧器的沉积效率变化也很小，并且燃烧器尖端未被烧坏。在本发明中，在包围小直径气体喷射口外侧设置的各气体喷射口在朝向燃烧器尖端方向上直径减小并满足关系L1>L2>L3>…>Ln，其中L1、L2、L3、…Ln分别代表自内侧开始到外侧顺次设置的各气体喷射口从燃烧器尖端到直径减小开始位置的长度，使得该气体喷射口的位置越朝外，该气体喷射口的直径减小开始位置越接近燃烧器尖端。

Description

用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器
技术领域
本发明涉及一种用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器，其具有其中多个气体喷射口同心配置的多喷嘴型同心多重管结构。
背景技术
过去，已经提出各种方法来制造光纤预型体。其中，外部气相沉积法(OVD法)被广泛应用，因为可以相对自由地设定将要获得的光纤预型体的折射率分布，而且可以批量生产大直径光纤预型体。OVD法包括通过使燃烧器或起始件相对往复运动，将在燃烧器的火焰中产生的玻璃微粒沉积并粘附到转动的起始件上，从而合成玻璃微粒沉积体(以下称为“烟灰”)，得到的烟灰在电炉内脱水并烧结，从而制造透明的玻璃体。
过去，同心多重管燃烧器已被用于合成烟灰。具有这种构造的燃烧器不能使玻璃原料气体、可燃气体和助燃气体充分混合，使得不能充分产生玻璃微粒。结果，玻璃微粒的收率不令人满意，因此难以实现高速合成。
为了解决上述问题，日本专利(JP-B)No.1773359提出了一种多喷嘴型燃烧器，其中小直径助燃气体喷射口设置在可燃气体喷射口内，并包围设置在燃烧器中央的原料气体喷射口。
此外，已经提出以下方法来进一步改善这类燃烧器的沉积效率。
例如，日本专利申请公开(JP-A)No.2003-206154、JP-A No.2004-331440、JP-A No.2006-182624和JP-B No.3744350提出了小直径助燃气体喷射口的构造。此外，例如，JP-A No.Hei 05-323130、JP-B No.3543537和JP-A No.2003-226544提出了优化小直径助燃气体喷射口的焦距。此外，例如，日本专利No.3591330、JP-A No.2003-165737、JP-A No.2003-212555和日本专利No.3653902提出了优化气体流量和气体线速度。
用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器一般由石英玻璃制成，从而防止污染，并且可以由吹玻璃工人手动制作。特别地，多喷嘴型燃烧器具有比常规同心多重管燃烧器更复杂的结构，并且具体而言，非常难于制作具有其中多个气体喷射口设置在小直径气体喷射口外侧并且尖端处直径减小的构造的多喷嘴型燃烧器。
因此，尽管熟练的吹玻璃工人可以在充分注意精密度下制作具有这种复杂结构的多喷嘴型燃烧器，但是燃烧器的个体差异倾向于比常规同心多重管燃烧器更大。燃烧器的这种个体差异起因于各部件的公差累积。
即使在相同沉积条件下，个体差异也会不利地引起沉积效率变化或者导致燃烧器尖端因燃烧而损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于制造多孔玻璃预型体的多喷嘴型燃烧器，即使在所述燃烧器的同心多重管部分发生轴向位移时，所述燃烧器的沉积效率变化也很小，并且燃烧器尖端未被烧坏。
为实现上述目的，完成了本发明，提供一种具有同心多重管结构的用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器，其包括：在中央的玻璃原料气体喷射口；在所述玻璃原料气体喷射口外侧同心设置的多个气体喷射口；和与所述玻璃原料气体喷射口同心设置成一排或多排的小直径气体喷射口，所述小直径气体喷射口被包围在除中央和最外侧的气体喷射口之外的一个气体喷射口内，并且同一排的小直径气体喷射口具有相等焦距。在所述燃烧器中，在包围所述小直径气体喷射口外侧设置的各气体喷射口在朝向燃烧器尖端方向上直径减小并满足关系L1>L2>L3>…>Ln，其中L1、L2、L3、…Ln分别代表自内侧开始到外侧顺次设置的各气体喷射口从燃烧器尖端到直径减小开始位置的长度，使得所述气体喷射口的位置越朝外，所述气体喷射口的直径减小开始位置越接近燃烧器尖端。
此外，本发明的制造多孔玻璃预型体的方法是一种使用上述用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器的制造方法。
在具有上述构造的燃烧器中，管子的直径从内侧到外侧顺次朝尖端减小，使得直径减小开始位置顺次移动，从而防止气体流路的间隙变得极小。
附图说明
图1是显示制造光纤预型体的设备的一个例子的示意图；
图2是用于合成玻璃微粒的燃烧器的横截面图，其具有小直径气体喷射口；
图3是显示本发明的用于合成玻璃微粒的燃烧器的一个例子的示意性纵剖视图。
图4是显示在实施例中使用的燃烧器的轴向位移方向的示意图，其中轴线已经移位。
图5是显示比较例中使用的用于合成玻璃微粒的燃烧器的一个例子的示意性纵剖视图。
图6是显示测量燃烧器的线速度分布的位置的示意图。
图7是显示第四管的线速度分布的示图。
图8是显示第五管的线速度分布的示图。
附图标记说明
1   芯杆
2   挤压杆
3   燃烧器
4   锭夹持机构
5   排气罩
6   玻璃原料气体喷射口(第一管)
7   密封气体喷射口(第二管)
8   可燃气体喷射口(第三管)
9   密封气体喷射口(第四管)
10  助燃气体喷射口(第五管)
11  小直径助燃气体喷射口
12  气体进口
L1  第三管的直径减小开始位置
L2  第四管的直径减小开始位置
L3  第五管(最外管)的直径减小开始位置
具体实施方式
通过对其中多个气体喷射口设置在小直径气体喷射口外侧并且尖端处直径减小的多喷嘴型燃烧器进行深入研究，已经发现，燃烧器的个体差异受到设置在小直径气体喷射口外侧的气体喷射口的出口处的线速度分布的高度影响。
换句话说，当线速度分布在设置于小直径气体喷射口外侧的不活泼气体喷射口处发生极大变化时，不活泼气体不能充分流入线速度很低的部分，从而阻碍可燃气体和助燃气体被完全密封。因此，在线速度很低部分处的燃烧器尖端被烧坏，而提供易于发生脱玻作用的燃烧器。
另一方面，当线速度分布在设置于小直径气体喷射口外侧的可燃气体或助燃气体喷射口处发生极大变化时，会导致气体反应的不均匀性，由此沉积效率降低，并且由于火焰弯曲，所以火焰未与沉积面垂直接触。因此，燃烧器的沉积效率低。
因喷射口的各管子之间的轴向位移使气体流路的间隙变化，从而造成线速度分布的不均匀性。大量的气体流过间隙很大的部分，而气体不可能流过间隙很小的部分。当然，吹玻璃工人可以付出更大的努力来防止轴向位移，但是非常难于使轴向位移量为零。
表1显示大间隙情况与小间隙情况之间的间隙比较，其中内管相同，外管轴向位移量同为0.5mm。即使在相同轴向位移量下，较小的间隙绝对量也产生较大的间隙比(b/a)，而较大的间隙绝对量产生较小的间隙比(b/a)，从而允许轴向位移的影响相对降低。结果，较小的间隙绝对量导致线速度分布的很大变化。
(表1)
小间隙 大间隙
内管直径 mm 30 30
外管直径 mm 32 38
平均间隙 mm 1.0 4.0
最小间隙(a) mm 0.5 3.5
最大间隙(b) mm 1.5 4.5
间隙比(b/a) - 3 1.3
因此，为减小燃烧器的个体差异，为减小线速度分布的变化，重要的是，在设计燃烧器时不仅仅是避免将预定间隙设定为过小值。然而，更重要的是，防止间隙在纵向方向的某一部分处出乎意料地变得极小。
这里，对于其中多个气体喷射口设置在小直径气体喷射口外侧并且尖端处直径减小的燃烧器，已经发现，直径减小开始位置的变化在直径减小部处引起比设计的间隙更小的间隙绝对量，使得线速度分布倾向于发生很大变化。
由于燃烧器技工手动调节管子，因此，在燃烧器中，极难获得直径减小部的完全相同位置和减小直径的完全相同形状。
事实上，在间隙较小的部分中，外管的直径减小开始位置与内管相比略微更远离尖端，尽管每个管子的直径被假设为在相同位置处减小。在这种情况下，外管的直径首先减小至接近于内管，从而造成比设计的间隙更小的间隙。
在这方面，本发明人进行了细心研究。结果，按照以下方式解决了在气体喷射口直径减小过程中出现的上述气体流路间隙变化的问题。具体来说，在包围所述小直径气体喷射口外侧设置的各气体喷射口在朝向燃烧器尖端方向上直径减小时，满足关系L1>L2>L3>…>Ln，其中L1、L2、L3、…Ln分别代表自内侧开始到外侧顺次设置的各气体喷射口从燃烧器尖端到直径减小开始位置的长度，使得所述气体喷射口的位置越朝外，所述气体喷射口的直径减小开始位置越接近燃烧器尖端。
下面参照附图详细描述本发明的实施方案，但是本发明不限于此。
在图1中，通过将挤压杆2焊接到芯杆1的两端部上构造起始件，并且该起始件由夹持机构4绕着轴线可转动地支撑。燃烧器3被构造成可左右移动并被设置成面对该起始件。使用燃烧器3将光纤原料(例如SiCl4等的蒸汽)和燃烧气体(氢气和氧气)吹向该起始件，从而在氧氢焰中水解生成的玻璃微粒(烟灰)沉积在该起始件上。然后，燃烧器3在燃烧器导向机构(未显示)作用下沿着该起始件的纵向方向往复移动，形成沉积层，从而形成光纤用的多孔玻璃预型体。虽然在图中没有显示，但是可以利用以下机理，其中该起始件在纵向方向上往复移动，而代替燃烧器3的往复移动。
其后，光纤用的多孔玻璃预型体在加热炉中脱水，此后转化成透明玻璃，成为光纤用的玻璃预型体。
实施例
如图2所示，用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器包括在中央的玻璃原料气体喷射口的第一管、密封气体喷射口的第二管、可燃气体喷射口的第三管、密封气体喷射口的第四管和助燃气体喷射口的第五管，其中第三管包围焦距为150mm的8个小直径助燃气体喷射口11。如图3所示，第三管、第四管和第五管的尖端处直径减小。有意地，第四管相对于第三管轴向位移0.5mm，并且第五管相对于第四管轴向位移0.5mm。
如图4所示，第四管和第五管在使得各气体喷射口的气体进入管设置侧的间隙更小的方向上发生轴向位移。
制造具有这种共同结构的多个燃烧器，并且仅有它们的直径减小位置根据表2所示变化，然后使用热线风速计在室温下测量燃烧器尖端处的线速度分布。
如图3所示，实施例1和2中使用的燃烧器具有其中从小直径气体喷射口11更朝外设置的管子在更接近燃烧器尖端的位置处直径减小的结构(L1>L2>L3)。另一方面，如图5所示，比较例1和2中使用的燃烧器具有其中从小直径气体喷射口11更朝外设置的管子在更远离燃烧器尖端的位置处直径减小的结构(L1<L2<L3)。
关于使用的气体，向第四管中，供应5L/min的N2作为密封气体；向第五管中，供应40L/min的O2作为助燃气体。
(表2)
实施例1 实施例2 比较例1 比较例2
mm mm mm mm
第三管的直径减小位置 L3 70 70 70 70
第四管的直径减小位置 L4 60 65 75 80
第五管的直径减小位置 L5 50 60 80 90
在四个方向以90度间隔测量线速度分布，即，0点钟、3点钟、6点钟和9点钟方向。这里，如图6所示，其中设置各气体喷射口的气体进入管的方向被定义为0点钟方向。
结果，在图7所示的第四管出口处测量的线速度分布和图8所示的第五管出口处测量的线速度分布中，在比较例的燃烧器情况下随着测量的方向不同，线速度发生很大变化，而在实施例的燃烧器情况下，线速度分布几乎没有变化，在实施例中，管子的位置越朝外，管子的直径减小开始位置越接近燃烧器尖端。
接下来，通过使用表2中的各个燃烧器并且实际供应反应气体，将100kg的多孔玻璃微粒沉积在起始件上，该起始件具有芯杆(外径：40mm，长度：2000mm)和焊接到芯杆两端部上的挤压杆(外径：40mm)。
关于使用的气体，向第一管中，供应10L/min的SiCl4作为玻璃原料气体和供应20L/min的O2作为助燃气体；向第二管中，供应4L/min的N2作为密封气体；向第三管中，供应170L/min的H2作为可燃气体；向第四管中，供应5L/min的N2作为密封气体；向第五管中，供应40L/min的O2作为助燃气体；向小直径气体喷射口中，供应16L/min的O2作为助燃气体。
结果示于表3。
(表3)
燃烧器尖端的状态 沉积效率(％)
实施例1 无异常 68.3
实施例2 无异常 68.3
比较例1 第四管尖端烧坏 67.6
比较例2 第四管尖端烧坏 65.8
在比较例1和2中，第四管在线速度很低的0点钟方向的尖端受热变红并被烧坏。由于第三管内的可燃气体和第五管内的助燃气体之间的不充分密封造成这一点。此外，由于在线速度很低的0点钟方向的第五管内助燃气体更少，因此在该部分观察到暗色火焰。
另一方面，在实施例1和2中，未观察到燃烧器尖端烧坏、不均匀火焰等。
结果，各个实施例表现出稳定的高沉积效率。

Claims (2)

1.一种具有同心多重管结构的用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器，其包括：
在中央的玻璃原料气体喷射口；
在所述玻璃原料气体喷射口外侧同心设置的多个气体喷射口；和
与所述玻璃原料气体喷射口同心设置成一排或多排的小直径气体喷射口，所述小直径气体喷射口被包围在除中央和最外侧的气体喷射口之外的一个气体喷射口内，并且同一排的小直径气体喷射口具有相等焦距，
其中在包围所述小直径气体喷射口外侧设置的各气体喷射口在朝向燃烧器尖端方向上直径减小并满足关系L1>L2>L3>…>Ln，其中L1、L2、L3、…Ln分别代表自内侧开始到外侧顺次设置的各气体喷射口从燃烧器尖端到直径减小开始位置的长度，使得所述气体喷射口的位置越朝外，所述气体喷射口的直径减小开始位置越接近燃烧器尖端。
2.一种使用如权利要求1所述的用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器来制造多孔玻璃预型体的方法。
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