CN102234178A - 用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器，它设有包含多个小直径助燃气体注入口的可燃气体注入口，该小直径助燃气体注入口在中央的玻璃源气体注入口的外侧设置成一排或多排并且与该玻璃源气体注入口同心设置，使得同一排的小直径助燃气体注入口具有相等焦距，其中该小直径助燃气体注入口在预定位置处从该小直径助燃气体注入口的尖端朝向燃烧器中心轴弯曲，使得同一排的小直径助燃气体注入口的焦点相互重合，并且在多排设置的小直径助燃气体注入口排中，最接近中央的玻璃源气体注入口的小直径助燃气体注入口排相对于该燃烧器中心轴的弯曲角为至多5度。

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，它可以提高气体混合效率并改善沉积效率，而不会增大火焰的紊流。
背景技术
过去，已经提出各种方法来制造光纤预型体。
图1显示使用外部气相沉积法(OVD法)来制造光纤预型体的设备的一个例子。在该设备中，起始件1经由挤压杆2被夹持机构4保持。在燃烧器3或起始件1相对往复运动的同时，在燃烧器3的火焰中产生的玻璃微粒粘附并沉积到转动的起始件1上，合成玻璃微粒沉积体(以下称为烟灰)，烟灰在电炉内脱水、烧结和透明玻璃化，从而得到光纤预型体。在图1中，附图标记5表示排气罩。OVD法已被广泛应用，因为通过该方法，可以获得具有相对自由选择的折射率分布的产品，而且可以批量生产大直径光纤预型体。
作为合成烟灰的燃烧器，同心多重管燃烧器已被使用。然而，具有这种构造的燃烧器不能充分产生玻璃微粒，因为玻璃源气体、可燃气体和助燃气体未充分混合。结果，沉积效率并没有增加，因此难以实现高速合成。
为了解决这个问题，专利文献1提出了一种多喷嘴型燃烧器，其中，如图2所示，在可燃气体注入口8内，小直径助燃气体注入口7与中央的玻璃源气体注入口6同心排列成排。在图2中，附图标记9表示密封气体注入口。
此外，专利文献2提出一种通过使小直径助燃气体注入口的焦距L1长于从小直径助燃气体注入口的前端到预型体沉积面的距离L2来防止源气体流紊流的方法。相反，专利文献3提出一种通过使距离L1短于距离L2来提高气体混合效率而改善沉积效率的方法。
专利文献1：日本专利No.1773359
专利文献2：日本专利No.3543537
专利文献3：JP 2003-226544A
在上述提案中，通过同心排列成排并具有焦点的小直径气体注入口供应助燃气体的多喷嘴型燃烧器其特征在于，可以提高可燃气体、助燃气体和玻璃源气体的混合效率，并且可以改善沉积效率。
因此，作为进一步改善混合效率的方法，已经对小直径助燃气体注入口的焦距最佳化进行了研究。
关于小直径助燃气体注入口的焦距，一般来说，通过沿燃烧器纵向方向在从燃烧器前端的某些位置处弯曲小直径气体注入口来调节小直径气体注入口的焦点。
作为广泛研究的结果，已经揭示出，除了提高注入气体的混合效率之外，重要的是防止火焰变得比所需程度更加紊流。
具体而言，如图3所示，同心排列的多个小直径气体注入口朝向燃烧器中心轴弯曲，使得在燃烧器前端处相对于其间的中心轴对置的小直径气体注入口之间的距离(以下称为PCD)D1缩短。然而，如果小直径气体注入口的弯曲角θ增大，则从小直径气体注入口排注入的气体流以锐角与从中央的玻璃源气体注入口注入的玻璃源气体流发生碰撞。因此，虽然促进了气体的混合，但是火焰的紊流增大，从而阻碍了沉积效率被提高。
此外，如果焦距相同，则随着小直径气体注入口的弯曲角增大，小直径气体注入口在燃烧器前端处的PCD增大，使得包含小直径气体注入口排的可燃气体注入口的直径不可避免地变大。这不仅使燃烧器大于所需程度，而且扩大了可燃气体的流路面积而大于所需程度。因此，如果可燃气体的供应量相同，则多孔玻璃预型体的密度减小。
因此，为调节烟灰密度到适当范围内，可燃气体和助燃气体的消耗量必然增大，这导致制造成本上升。此外，施加到设备上的热应力增大，这会导致在设备的壁面上形成裂缝的问题。
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燃烧器，它能够增强气体混合效率、改善沉积效率和降低施加到设备上的热负荷，同时可燃气体和助燃气体的消耗量没有增大并且不会发生火焰流的紊流。
本发明提供一种用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器，它设有包含多个小直径助燃气体注入口的可燃气体注入口，所述小直径助燃气体注入口在中央的玻璃源气体注入口的外侧设置成一排或多排并且与所述玻璃源气体注入口同心设置，使得同一排的小直径助燃气体注入口具有相等焦距，其中所述小直径助燃气体注入口在预定位置处从所述小直径助燃气体注入口的尖端朝向燃烧器中心轴弯曲，使得同一排的小直径助燃气体注入口的焦点相互重合，并且在多排设置的小直径助燃气体注入口排中，最接近中央的玻璃源气体注入口的小直径助燃气体注入口排相对于所述燃烧器中心轴的弯曲角为至多5度。所述弯曲角优选为至少4度且至多5度。
本发明还提供一种使用上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。
根据本发明的用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器，火焰不会变得比所需程度更加紊流，并且高混合效率得以维持，从而使沉积效率得到提高。此外，不仅燃烧器可以制造成很紧凑以及施加到设备上的热负荷可以降低，而且可燃气体和助燃气体的供应量可以降低，因此多孔玻璃预型体的制造成本也可以降低。
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，其具有小直径气体注入口；
图3是显示具有小直径气体注入口的燃烧器的一个例子的示意性纵剖视图，其中每个注入口具有大的弯曲角；
图4是显示具有小直径气体注入口的燃烧器的一个例子的示意性纵剖视图，其中每个注入口具有小的弯曲角；
图5是显示具有两排小直径气体注入口的燃烧器的一个例子的示意性纵剖视图；
图6是显示焦距与沉积效率之间关系的示图；以及
图7是显示小直径助燃气体注入口的弯曲角与沉积效率之间关系的示图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本发明的实施方案，但是本发明不限于下面描述的实施方案。
图1显示本发明中使用的制造设备的一个例子。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支撑而可绕着轴线转动。面对该起始件，设置可左右移动的燃烧器3。通过使用该设备，光纤原料(例如SiCl4蒸汽)和燃烧气体(氢气和氧气)从燃烧器3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。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，但是该起始件可以在纵向方向上移动，而代替燃烧器3的移动。
此外，光纤用的多孔玻璃预型体在加热炉中脱水，此后被透明玻璃化，形成光纤用的玻璃预型体。
通过在中央的玻璃源气体注入口6外侧设置的可燃气体注入口8内包含一排或多排具有相等焦距的小直径助燃气体注入口7来构造使用的燃烧器3。在同一排中排列的小直径助燃气体注入口7均在预定位置处从尖端朝向燃烧器中心轴弯曲，使得它们的焦点相互重合。在小直径助燃气体注入口排中，至少最接近中央的玻璃源气体注入口6的小直径助燃气体注入口排的弯曲角在5度以下的范围内，优选在4度以上且5度以下的范围内。因此，导致从小直径助燃气体注入口注入的气体流与玻璃源气体火焰流以锐角碰撞，使得火焰不会发生紊流，并且气体流逐渐接近彼此而混合。
因此，火焰不会变得比所需程度更加紊流，并且高混合效率得以维持，从而使沉积效率得到提高。如果弯曲角为5度以下，则对火焰紊流的影响轻微，使得沉积效率因角度的差异很小。然而，随着小直径助燃气体注入口的弯曲角减小，小直径气体注入口变得更接近其内侧的气体注入口尖端，使得弯曲角必须设置在非接触范围内。此外，如果弯曲角小于4度，则有时很难制造燃烧器。因此，弯曲角优选设置在4度以上且5度以下的范围内。
此外，如果弯曲角很小，则小直径气体注入口尖端的PCD也很短，使得包含小直径气体注入口的可燃气体注入口的内径可以制造成很小。因此，不仅燃烧器可以制造成很紧凑，而且气体流路面积可以很小，并且气体可以被供应成在火焰中心处集中。因此，在想要获得具有相同密度的多孔玻璃预型体的情况下，可燃气体和助燃气体的供应量可以降低，并且制造成本也可以降低。
实施例
在实施例中，使用图1所示的设备，通过外部气相沉积法制造光纤用的多孔玻璃预型体。
使用的燃烧器是一种用于合成玻璃微粒的燃烧器，其在中央的玻璃源气体注入口6外部设有可燃气体注入口8，如图2所示。可燃气体注入口8包含助燃气体注入口7，助燃气体注入口7与玻璃源气体注入口6同心排列成排并且弯曲使得同一排的注入口具有长度为L的焦距。
焦距之外的燃烧器特性相同，制造五种类型的燃烧器，其中助燃气体注入口排的焦距L为100mm、125mm、150mm、175mm和200mm。通过使用这些燃烧器，将100kg的多孔玻璃微粒沉积在起始件上，在起始件中，外径为55mm的挤压杆焊接到外径为55mm且长度为1500mm的芯杆的两端部上。
关于供应的气体，向燃烧器的第一管中，供应SiCl4作为玻璃源气体，供应O2作为助燃气体；向第二管中，供应N2作为可燃气体；向第三管包含的小直径气体注入口中，供应O2作为助燃气体。这些气体的供应量在五种类型的燃烧器中相同。
结果，如图6所示，其中焦距为175mm的燃烧器的沉积效率最高。
实施例1
如表1所示，制造五种类型的燃烧器，其中基于上述结果将燃烧器的焦距L固定在175mm，小直径气体注入口的弯曲角为4.0、4.5、5.0、5.5和6.0度，并且小直径气体注入口的弯曲角之外的燃烧器特性相同。将100kg的多孔玻璃微粒沉积在起始件上，在起始件中，外径为55mm的挤压杆焊接到外径为55mm且长度为1500mm的芯杆的两端部上。包含小直径气体注入口的可燃气体注入口的内径为42mm，从而相应于弯曲角为6.0度的燃烧器。
表1
Figure BSA00000478742500061
结果，当弯曲角大于5度时，随着弯曲角增大，焦距附近的火焰紊流增大，因此沉积效率下降，如图7所示。另一方面，当弯曲角小于5度时，没有发现火焰紊流差异，并且沉积效率也几乎相等。如果弯曲角小于4度，则小直径助燃气体注入口和其内侧的气体注入口之间的间隙过小，使得不可能制造精密的燃烧器。因此，弯曲角优选为5度以下，更优选在4度以上且5度以下的范围内。在所有情况下，烟灰密度为0.7g/cm3。
实施例2
接下来，弯曲角变为5度，相当于类型C的弯曲角，包含小直径助燃气体注入口的可燃气体注入口的内径减小为36mm，尽管实施例1中的内径为42mm，调节气体流量，使得烟灰密度为0.7g/cm3，与实施例1中相同。结果，获得了表2中给出的气体流量，并且可燃气体的气体流量可以下降20％。
表2
Figure BSA00000478742500071
工业实用性
本发明有助于减小燃烧器的尺寸并且改善质量。

Claims (3)

1.一种用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器，它设有包含多个小直径助燃气体注入口的可燃气体注入口，所述小直径助燃气体注入口在中央的玻璃源气体注入口的外侧设置成一排或多排并且与所述玻璃源气体注入口同心设置，使得同一排的小直径助燃气体注入口具有相等焦距，其中，
所述小直径助燃气体注入口在预定位置处从所述小直径助燃气体注入口的尖端朝向燃烧器中心轴弯曲，使得同一排的小直径助燃气体注入口的焦点相互重合，并且在多排设置的小直径助燃气体注入口排中，最接近中央的玻璃源气体注入口的小直径助燃气体注入口排相对于所述燃烧器中心轴的弯曲角为至多5度。
2.如权利要求1所述的用于制造多孔玻璃预型体的燃烧器，其中所述弯曲角为至少4度且至多5度。
3.一种使用如权利要求1或2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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