CN113277716A - 一种生产高品质合成石英玻璃的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产高品质合成石英玻璃的设备，包括炉本体，其内部设置有封闭的反应室；反应室具有排气通道；燃烧器，设置于反应室内上部，产生加热区，加热区中的含硅原料被加热生成松散体；加热器，设置于反应室内，并位于燃烧器下方，产生烧结区，在烧结区松散体被烧结成玻璃体；支撑柱，其一端位于反应室内，并伸入到加热区和烧结区内，其外壁与炉本体外壁构成密封；随着石英玻璃合成，支撑柱可沿着自身长度方向，以自身轴向中心为旋转轴，旋转并向远离燃烧器方向移动。该设备工艺简捷，操作简便，人力成本低，可以在同一台设备中完成从原料投入到玻璃化的全生产过程，成品具有更高的紫外透过率，有利于制备超高纯度产品。

Description

一种生产高品质合成石英玻璃的设备

技术领域

本发明涉及石英玻璃制备技术领域，尤其涉及一种生产高品质合成石英玻璃的设备。

背景技术

高品质合成石英玻璃可以制成各种高附加值的产品（或半成品），被广泛应用于国防军工市场和民用市场。在国防军工领域，用作高功率激光器透镜、窗口材料等；在航空航天行业用以制造太空望远镜、卫星及飞船的整流罩、窗口材料。在民用市场主要应用于电子信息和半导体行业，用作IC芯片和平板显示器生产过程中重要的光掩模基板、石英晶圆片；在光纤通信领域用以制造光纤预制棒和光纤；在精密光学仪器制造领域用作透镜、棱镜、镜头、反射镜等。

目前制备合成石英玻璃的方法主要分为直接法和间接法。直接法（CVD法）指的是含硅物料在氢氧火焰中水解，并在高温下直接熔融成玻璃态的合成石英材料。间接法（SOOT法）指的是含硅物料在氢氧火焰中水解低温形成多孔的二氧化硅母体（松散体），随后再通过对松散体二次高温、脱羟玻璃化成合成石英材料。

材料为科技的基础，显然，随着科技的进步，对材料的要求亦越来越高，直接法生产的合成石英已经不能满足应用领域对透过性的要求。间接法虽然能够满足材料紫外透过性要求，但是在实践生产中存在诸多不足：

首先就是间接法工艺复杂，不利于批量生产；

其次是在完成松散体制作后，需要将松散体转移到烧结炉中进行二次烧结玻璃化，在此过程中，由于松散体为纳米级多孔结构，对环境中的杂质吸附性极强，极容易在转移过程中引入杂质，故而对环境的要求极高；

再次，环境中不可避免的存在水蒸汽，进入松散体的多孔结构中，增加后期脱羟基烧结难度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种生产高品质合成石英玻璃的设备，使用燃烧器沉积二氧化硅松散体并且将松散体在烧结气氛下通过加热器一次性烧结为玻璃体，得到高品质的石英玻璃。

本发明采用的技术方案是：

一种生产高品质合成石英玻璃的设备，包括：

炉本体，其内部设置有封闭的反应室；所述反应室具有排气通道；

燃烧器，设置于所述反应室内上部，产生加热区，所述加热区中的含硅原料被加热生成松散体；

加热器，设置于所述反应室内，并位于所述燃烧器下方，产生烧结区，在所述烧结区松散体被烧结成玻璃体；

支撑柱，其一端位于所述反应室内，并伸入到所述加热区和烧结区内，其外壁与炉本体外壁构成密封；随着石英玻璃合成，所述支撑柱可沿着自身长度方向，以自身轴向中心为旋转轴，旋转并向远离燃烧器方向移动。

该设备工艺简捷，操作简便，人力成本低，可以在同一台设备中完成从原料投入到玻璃化的全生产过程，成品具有更高的紫外透过率，有利于制备超高纯度产品。

在本申请公开的生产高品质合成石英玻璃的设备中，所述支撑柱的底端安装有升降板；所述升降板与所述炉本体外壁构成密封。

在本申请公开的生产高品质合成石英玻璃的设备中，所述设备还包括波纹管，其一端与所述炉本体底部炉口的外壁连接，另一端与所述升降板外侧连接；

所述波纹管与所述炉本体、升降板构成密封。

在本申请公开的生产高品质合成石英玻璃的设备中，所述设备还包括驱动机构，设置在所述支撑柱的底部，用于带动所述支撑柱旋转升降。

在本申请公开的生产高品质合成石英玻璃的设备中，所述驱动机构包括升降电机、旋转电机；

所述升降电机设置在升降板上，带动升降板升降的同时带动支撑柱升降；

所述支撑柱的底部穿过所述升降板安装有所述旋转电机；

所述旋转电机用于带动支撑柱旋转。

在本申请公开的生产高品质合成石英玻璃的设备中，所述设备还包括进气通道、导流罩；

所述进气通道设置在所述支撑柱的底部一侧；

所述导流罩设置在所述反应室内，位于所述燃烧器下方；

所述导流罩的罩体体积从上至下逐渐缩小；

所述排气通道位于所述导流罩的上方一侧；

所述加热器设置在所述导流罩内；

烧结气体由所述进气通道进入，经所述导流罩导流后，由所述排气通道排出。

在本申请公开的生产高品质合成石英玻璃的设备中，所述燃烧器包括主燃烧器、辅燃烧器。

在本申请公开的生产高品质合成石英玻璃的设备中，所述主燃烧器、辅燃烧器的数量均不少于1个。

在本申请公开的生产高品质合成石英玻璃的设备中，所述进气通道上设置有质量流量计；所述排气通道上设置有比例阀。

在本申请公开的生产高品质合成石英玻璃的设备中，所述炉本体的外表面设置有上保温套和下保温套。

本发明的有益效果是：

（1）相较于现有间接法中，松散体和玻璃体需在两台设备中单独制作，本发明在同一台设备中完成了从原料投入到玻璃化的全生产过程，降低设备成本；

（2）相较于间接法，避免了转移过程中外界杂质的污染，有利于制备超高纯度产品；

（3）相交于间接法，避免了转移过程中环境中的水分进入松散体中，有利于羟基（-OH）的控制处理，成品具有更高的紫外透过率；

（4）烧结气体经导流罩导流后可以带走松散体内部、表面的其它杂质和水，同时也保证了沉积水解反应产生的水分不会到达烧结反应，产品中羟基含量低，成品具有更高的紫外透过率，制备的产品纯度高。

（5）同时设备工艺简捷，操作简便，降低人力成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的生产高品质合成石英玻璃的设备的结构示意图一；

图2为本发明的生产高品质合成石英玻璃的设备的结构示意图二。

附图标记：反应炉1、反应室2、燃烧器3、加热器4、支撑柱5、波纹管6、驱动机构7、松散体8、玻璃体9、上保温套11、下保温套12、排气通道21、进气通道22、导流罩23、主燃烧器31、辅燃烧器32、玻璃种子51、升降板52、旋转电机71、升降电机72、质量流量计24、比例阀25。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

直接法生产的合成石英已经不能满足应用领域对透过性的要求。间接法虽然能够满足材料紫外透过性要求，但是在实践生产中存在诸多不足：首先就是间接法工艺复杂，不利于批量生产；其次是在完成松散体制作后，需要将松散体转移到烧结炉中进行二次烧结玻璃化，在此过程中，由于松散体为纳米级多孔结构，对环境中的杂质吸附性极强，极容易在转移过程中引入杂质，故而对环境的要求极高；再次，环境中不可避免的存在水蒸汽，进入松散体的多孔结构中，增加后期脱羟基烧结难度。

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种生产高品质合成石英玻璃的设备，其结构如附图1~2所示。包括：

炉本体1，其内部设置有封闭的反应室2。反应室2用于生产高品质合成石英玻璃。反应室2具有排气通道21。排气通道21设置在炉本体1的一侧壁上，与反应室2连通。反应室2内反应产生的气体由排气通道21排出。

燃烧器3，设置于反应室2内上部。燃烧器3产生加热区，加热区中的含硅原料被加热生成松散体8。燃烧器3用于将含硅物料反应为纳米级二氧化硅微粒，形成松散体8。

加热器4，设置于反应室2内，并位于燃烧器3下方。加热器4产生烧结区，在烧结区松散体8被烧结成玻璃体9。加热器4用于将松散体8高温加热，松散体8产生玻璃化，体积逐渐缩小成为玻璃体9。该设备先通过燃烧器3沉积制备二氧化硅松散体8，再通过加热器4对制备完成的松散体8进行加热，使松散体8直接被烧结为玻璃体9。该设备实现将间接法工艺系统中的沉积系统和烧结系统整合到同一设备中，完成了从含硅物料投入到玻璃化的全生产过程，降低设备成本，避免了转移过程中环境中的水分进入松散体中，有利于羟基（-OH）的控制处理，成品具有更高的紫外透过率，同时避免了转移过程中外界杂质的污染，有利于制备超高纯度产品。

支撑柱5，其一端位于反应室2内，并伸入到加热区和烧结区内。支撑柱5的外壁与炉本体1外壁构成密封。支撑柱5为柱状结构。随着石英玻璃合成，支撑柱5可沿着自身长度方向，以自身轴向中心为旋转轴，旋转并向远离燃烧器3方向移动。

在一个实施方式中，支撑柱5的顶端设置有玻璃种子51，底端安装有升降板52。反应室2中生成的纳米级二氧化硅微粒沉积在玻璃种子51上。升降板52与炉本体1外壁构成密封。

在一个实施方式中，该设备还包括波纹管6，其一端与炉本体1底部炉口的外壁连接，另一端与升降板52外侧连接。波纹管6与炉本体1、升降板52构成密封。波纹管6是有一定的压缩、拉伸度的金属结构，用于密封支撑柱5与反应室2，保证气密性。

在一个实施方式中，该设备还包括驱动机构7。驱动机构7设置在支撑柱5的底部，用于带动支撑柱5旋转升降。在生产过程中，支撑柱5由驱动机构7带动旋转并随着沉积逐步下降，以保证沉积面位置的恒定。波纹管6随着支撑柱5的下降逐渐拉伸并保持密封。通过设置波纹管6既保证了气密性又为支撑柱5上下活动提供了空间。

在一个实施方式中，驱动机构7包括升降电机71、旋转电机72。升降电机71设置在升降板52上，带动升降板52升降的同时带动支撑柱5升降。支撑柱5的底部穿过升降板52安装有旋转电机72。旋转电机72用于带动支撑柱5旋转。支撑柱5经旋转电机21和升降电机72带动旋转并随着沉积逐步下降，以保证沉积面位置的恒定。

在一个实施方式中，该设备还包括进气通道22、导流罩23。进气通道22设置在支撑柱5的底部一侧。导流罩23设置在反应室2内，位于燃烧器3下方。导流罩23为罩体结构，其罩体体积从上至下逐渐缩小。排气通道21位于导流罩23的上方一侧。加热器4设置在导流罩23内。烧结气体由进气通道22进入，经导流罩23导流后，由排气通道21排出。导流罩23可以控制反应室2内的烧结气体流向，同时带走松散体8内部、表面的其它杂质和水。松散体8沉积在玻璃种子51上，随着驱动机构7下降，松散体8被加热器4高温烧结为玻璃体9，烧结反应过程在导流罩23内进行。烧结气体由进气通道22进入，经过导流罩23导流后自下而上由排气通道21排出，带走松散体8内部、表面的其它杂质和水，同时也保证了沉积水解反应产生的水分不会到达烧结反应。

在一个实施方式中，燃烧器3具有主燃烧器31、辅燃烧器32。主燃烧器31、辅燃烧器32均用于通入含硅物料，含硅物料在主燃烧器31、辅燃烧器32的氢氧火焰中水解低温形成松散体8，并沉积在玻璃种子51上。主燃烧器31、辅燃烧器32的设计能够生产更大尺寸的产品。

在一个实施方式中，主燃烧器31、辅燃烧器32的数量均不少于1个。可以根据生产合成石英玻璃的尺寸设置不同数量的主燃烧器31、辅燃烧器32。

在一个实施方式中，进气通道22上连接有质量流量计24，用于向反应室2内通入烧结气体。排气通道21连接有比例阀25，可以精确控制出气量。

在一个实施方式中，反应炉1的外表面设置有上保温套11和下保温套12。上保温套11和下保温套12为保温材料，用于对反应炉1进行保温，减少反应炉1中的热损失。

本发明的生产高品质合成石英玻璃的设备的工作方式：

上保温套11、下保温套12对反应炉1的内部蓄热保温。含硅物料先通过主燃烧器31、辅燃烧器32生成纳米级二氧化硅微粒沉积到玻璃种子51上，形成松散体8。玻璃种子51经由旋转电机71和升降电机72带动旋转并随着沉积逐步下降，以保证沉积面位置的恒定。同时松散体8随着支撑柱5的下降，被加热器4高温加热，松散体8产生玻璃化，体积逐渐缩小成为玻璃体9。期间波纹管6随着支撑柱5的下降逐渐拉伸并保持密封。烧结气体由进气通道22进入反应室2，经过导流罩23导流后自下而上由排气通道21排出，带走松散体8内部、表面的其它杂质和水，同时也保证了沉积水解反应产生的水分不会到达烧结反应。

基于上述各实施例，本发明实施例的生产高品质合成石英玻璃的设备具有以下优点：该设备工艺简捷，操作简便，人力成本低，可以在同一台设备中完成从原料投入到玻璃化的全生产过程。该设备将间接法工艺系统中的沉积系统和烧结系统整合到同一设备中实现，完成了从含硅物料投入到玻璃化的全生产过程，降低设备成本，避免了转移过程中环境中的水分进入松散体中，有利于羟基（-OH）的控制处理，成品具有更高的紫外透过率，同时避免了转移过程中外界杂质的污染，有利于制备超高纯度产品。烧结气体由进气通道22进入反应室2，经过导流罩23导流后自下而上由排气通道21排出，带走松散体8内部、表面的其它杂质和水，同时也保证了沉积水解反应产生的水分不会到达烧结反应，产品中羟基含量低，成品具有更高的紫外透过率，制备的产品纯度高。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生产高品质合成石英玻璃的设备，其特征在于，包括：

炉本体（1），其内部设置有封闭的反应室（2）；所述反应室（2）具有排气通道（21）；

燃烧器（3），设置于所述反应室（2）内上部，产生加热区，所述加热区中的含硅原料被加热生成松散体（8）；

加热器（4），设置于所述反应室（2）内，并位于所述燃烧器（3）下方，产生烧结区，在所述烧结区松散体（8）被烧结成玻璃体（9）；

支撑柱（5），其一端位于所述反应室（2）内，并伸入到所述加热区和烧结区内，其外壁与炉本体（1）外壁构成密封；随着石英玻璃合成，所述支撑柱（5）可沿着自身长度方向，以自身轴向中心为旋转轴，旋转并向远离燃烧器（3）方向移动。

2.根据权利要求1所述的生产高品质合成石英玻璃的设备，其特征在于，所述支撑柱（5）的底端安装有升降板（52）；所述升降板（52）与所述炉本体（1）外壁构成密封。

3.根据权利要求2所述的生产高品质合成石英玻璃的设备，其特征在于，所述设备还包括波纹管（6），其一端与所述炉本体（1）底部炉口的外壁连接，另一端与所述升降板（52）外侧连接；

所述波纹管（6）与所述炉本体（1）、升降板（52）构成密封。

4.根据权利要求2所述的生产高品质合成石英玻璃的设备，其特征在于，所述设备还包括驱动机构（7），设置在所述支撑柱（5）的底部，用于带动所述支撑柱（5）旋转升降。

5.根据权利要求4所述的生产高品质合成石英玻璃的设备，其特征在于，所述驱动机构（7）包括升降电机（71）、旋转电机（72）；

所述升降电机（71）设置在升降板（52）上，带动升降板（52）升降的同时带动支撑柱（5）升降；

所述支撑柱（5）的底部穿过所述升降板（52）安装有所述旋转电机（72）；

所述旋转电机（72）用于带动支撑柱（5）旋转。

6.根据权利要求1所述的生产高品质合成石英玻璃的设备，其特征在于，所述设备还包括进气通道（22）、导流罩（23）；

所述进气通道（22）设置在所述支撑柱（5）的底部一侧；

所述导流罩（23）设置在所述反应室（2）内，位于所述燃烧器（3）下方；

所述导流罩（23）的罩体体积从上至下逐渐缩小；

所述排气通道（21）位于所述导流罩（23）的上方一侧；

所述加热器（4）设置在所述导流罩（23）内；

烧结气体由所述进气通道（22）进入，经所述导流罩（23）导流后，由所述排气通道（21）排出。

7.根据权利要求1所述的生产高品质合成石英玻璃的设备，其特征在于，所述燃烧器（3）包括主燃烧器（31）、辅燃烧器（32）。

8.根据权利要求7所述的生产高品质合成石英玻璃的设备，其特征在于，所述主燃烧器（31）、辅燃烧器（32）的数量均不少于1个。

9.根据权利要求6所述的生产高品质合成石英玻璃的设备，其特征在于，所述进气通道（22）上设置有质量流量计（24）；所述排气通道（21）上设置有比例阀（25）。

10.根据权利要求1所述的生产高品质合成石英玻璃的设备，其特征在于，所述炉本体（1）的外表面设置有上保温套（11）和下保温套（12）。

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