CN116081938A - 一种用于外部气相沉积法的喷灯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于外部气相沉积法的喷灯，包括有喷头体，喷头体上设置喷灯喷口，所述的喷灯喷口沿径向从内向外包括有原料气体喷口和燃料气体喷口，其特征在于所述的喷灯喷口的最外圈设置有气环喷口，所述的气环喷口与温度可调气源相连通。本发明气环喷口喷出气体形成筒状气帘，利用稳定气流的气帘取代喷灯前的罩子，可将沉积区域气体约束在气体环内，为二氧化硅的反应区提供稳定的气流场，保证整个沉积过程一致性。同时，通入气环的气体温度可随着沉积过程逐渐变化，使得沉积区域上下热场温度分布均匀，从而提高沉积质量。本发明采用多层环形原料气体喷口可使喷灯燃烧过程SiO2颗粒浓度变高，撞击到粉棒表面的SiO2更均匀，能实现大尺寸石英玻璃粉棒的最佳收集率和沉积速率。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于外部气相沉积法(OVD)的喷灯，用于沉积制备合成石英玻璃圆柱体。
背景技术
外部气相沉积法(OVD)制作石英玻璃圆柱体是一种重要的的方法，可获得高纯合成二氧化硅石英玻璃产品，由于其杰出的材料特性，普遍应用于光纤、光学玻璃以及半导体行业。OVD的工艺流程为沉积喷灯将二氧化硅纳米气流沉积在目标靶棒上，形成多孔二氧化硅粉棒预制体，然后将多孔二氧化硅粉棒预制体在真空或者氦气中烧结成无孔纯二氧化硅石英玻璃圆柱体。
OVD法沉积机理是热泳，指的是由于温度梯度对颗粒产生的效应，它会造成颗粒从一个高温区移动至低温区，由此可见，温度梯度是影响沉积的主要因素，颗粒温度较高，靶材温度较低，可提高收集率和沉积效率。然而，OVD靶材一般采用的都是旋转靶棒，喷灯采用多个小面积喷灯，如中国专利CN1215002中公开，喷灯火焰沉积的区域，温度较高，离开火焰，沉积表面的温度迅速较低，尤其是大直径粉棒，此现象更为严重，温度上升和下降产生的热应力，急剧增加粉棒的开裂风险，导致产品的报废。
喷灯通常采用环形喷口结构，从内向外分别设置原料气体喷口惰性气体喷口和燃料气体喷口，这些气体以一定的速率从喷口喷出后混合燃烧发生反应生成二氧化硅颗粒沉积到旋转靶棒上，为了保证沉积的质量和效率要求喷灯各种气体的喷射尽量不受外界干扰，保持稳定的喷射状态，然而，随着喷射火焰不断燃烧，腔内温度升高，烟炱预制件外径不断增大，因空气对流热量向上运动，加之喷灯与烟炱预制件的相对往复移动，沉积腔内进风和抽风气流的影响，会在喷灯喷射反应区产生各种湍流，干扰原料气体和燃料气体喷射和燃烧反应，引起沉积反应不匀，沉积粉棒密度差异化加剧，导致沉积质量的下降。在喷灯上安设玻璃罩可以降低上述情况的发生，但其很难适应粉棒直径大小的变化，因此稳流效果十分有限。
美国专利US2018022147公开一种喷灯，为获得更高的烟尘收集率和沉积速率，通过第二烟管在第一烟管内移动，调节孔隙的有效直径实现沉积后期烟尘的第二喷洒尺寸大于已喷洒尺寸，提升沉积的收集率和沉积速率，但是在喷灯如此小的空间，实施料管的精确移动，同时保证精准密封，实现的技术难度大，并会降低设备的可靠和稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种用于外部气相沉积法的喷灯，它结构设置合理，具有稳定的气流场和均匀的热场温度分布，沉积质量好。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
包括有喷灯体，喷灯体上设置喷灯喷口，所述的喷灯喷口沿径向从内向外包括有原料气体喷口和燃料气体喷口，其特征在于所述的喷灯喷口的最外圈设置有气环喷口，所述的气环喷口与温度可调气源相连通。
按上述方案，所述的喷灯中部设置原料气体喷口，所述的原料气体喷口包括中心孔原料气体喷口和围绕中心孔原料气体喷口的1～3层环形原料气体喷口，所述的原料气体喷口与原料气源相连通。
按上述方案，所述的1～3层环形原料气体喷口通过转换(切换)阀同时与惰性气源相连通。
按上述方案，所述的燃料气体喷口为环形燃料气体喷口，设置在原料气体喷口的外周，所述的环形燃料气体喷口包括氢气喷口和氧气喷口，氢气喷口和氧气喷口分别设置1～2层，所述的燃料气体喷口与燃料气源相连通。
按上述方案，在原料气体喷口与燃料气体喷口之间设置有环形惰性气体喷口，所述的环形惰性气体喷口与惰性气源相连通。
按上述方案，所述的气环喷口设置在燃料气体喷口的外周，气环喷口由环形孔隙或紧密间隔的环形小孔构成，气环喷口设置1～2层，气环喷口喷出气体形成筒状气帘，将燃烧原料反应气体笼罩在筒状气帘内。
按上述方案，所述的喷灯中部设置的原料气体喷口为活动原料气体喷口，所述的活动原料气体喷口后端与旋转支承机构相联，旋转支承机构驱动活动原料气体喷口缓慢旋转。
按上述方案，所述的活动原料气体喷口呈圆轴状，通过旋转支承机构的联接支承与喷灯体内孔形成有环形孔隙，所述的环形孔隙构成环形惰性气体喷口。
按上述方案，所述的喷灯由金属或合金制成。
按上述方案，所述气环喷口喷出的气体温度范围25～500℃，气体的流速为0.3～40m/s，最佳的为1.0～20m/s，该流速能将二氧化硅的反应区保护约束在稳定气流的气体环中，使得从喷灯口喷射出来生成的二氧化硅颗粒至沉积于粉棒上，都处于稳定气流的气体场中。
按上述方案，所述气环喷口喷出的气体既可以是从尾气排放中回收处理的热气，也可以是加热过滤的洁净空气或者惰性气体(如氮气)，还可以是氢氧气或者烷烃氧气的燃烧气。
按上述方案，伴随靶棒沉积直径的逐渐增大，在先开启中心孔原料气体喷口的基础上逐层开启围绕中心孔原料气体喷口的1～3层环形原料气体喷口，逐步加大原料气体的喷射量，同时开启第2层燃料气体喷口，逐步加大燃料气体喷射量，形成同轴射流火焰，以达到最佳的收集率和沉积速率。
按上述方案，同轴射流火焰轴心速度衰减公式为
其中
Qi为第i组射流的质量流量kg/s，pi为第i组射流的动量通量Kg·m/s2，a＝0.076，b＝0.147，um是中心射流速度，u0是中心射流初始速度，d0相应直径，ρ为气体密度，x为离料管口的距离。
优选的，到达离沉积靶面30mm处的中心射流速度um在15～90m/s。
更优选的，到达离沉积靶面30mm处的中心射流速度um在25～80m/s。
更优选的，到达离沉积靶面30mm处的中心射流速度um在35～70m/s。
本发明的有益效果在于：1、在喷灯喷口的最外圈设置有气环喷口，且气环喷口与温度可调气源相连通，气环喷口喷出气体形成筒状加温气帘，利用稳定气流的气帘取代喷灯前的罩子，实现了喷灯至沉积粉棒表面的全笼罩，可将沉积区域气体约束在气体环内，为二氧化硅的反应区提供稳定的气流场，使其少受温度或气流的影响，可避免烟囱效应以及其它气流对反应沉积区的扰动，保证整个沉积过程一致性。同时，通入气环的气体温度可随着沉积过程逐渐变化，使得沉积区域上下热场温度分布均匀，从而有效提高沉积质量。2、采用多层环形原料气体喷口即多层料管结构，伴随着沉积粉棒直径的增大，逐层向料管中通入原料气体，使得喷出料与粉棒的形成直径相匹配，采用多层进料可使喷灯燃烧过程SiO2颗粒浓度变高，撞击到粉棒表面的SiO2更均匀，能实现大尺寸石英玻璃粉棒的最佳收集率和沉积速率。3、设置活动原料气体喷口，使整体多层料管结构相对喷灯进行旋转，减少料管与惰性气体喷口或者燃料气体喷口的间隙偏心影响，利用旋转极大地减少粉尘在喷口局部形成粉尘堆积，从而减少结晶，尤其大粉棒沉积后期出现的粉尘堵塞结晶现象。4、本发明结构设置合理，可调性好，喷灯可为金属喷灯，机械强度高，耐磨性好，且制作精度高，一致性好，便于生产维护。
附图说明
图1为本发明一个实施例的正视结构示意图。
图2为本发明一个实施例的侧视结构示意图。
图3为本发明一个实施例的喷灯气环气流约束示意图。
图4、图5分别为本发明模拟的单层料管和双层料管OMCTS分布图。
图6、图7分别为本发明模拟的单层料管和双层料管SiO2分布图
图8为本发明实施例1和比较例1中单个喷灯喷于粉棒上的温度分布图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的喷灯包括有喷灯体3，喷灯体上设置喷灯喷口，所述的喷灯喷口沿径向从内向外包括有原料气体喷口、惰性气体喷口和燃料气体喷口，所述的原料气体喷口包括中心孔原料气体喷口7和围绕中心孔原料气体喷口的中层环形原料气体喷口8，以及外层环形原料气体喷口9，所述的原料气体喷口与原料气源相连通，并且环形原料气体喷口通过转换(切换)阀同时与惰性气源相连通。所述的喷灯中部设置的原料气体喷口可为活动原料气体喷口，所述的活动原料气体喷口后端与旋转支承机构相联，旋转支承机构驱动活动原料气体喷口缓慢旋转。所述的旋转支承机构包括与喷灯体相连接的固定座14，固定座内通过轴承15安设有驱动轴1，驱动轴一端与驱动装置13相连，另一端通过连接盘10和密封圈2联接活动原料气体喷口，所述的活动原料气体喷口呈圆轴状，后端为直径较大的轴肩，活动原料气体喷口内开设各层原料气体喷口的通孔与驱动轴上的各个通料孔相对接，驱动轴上各个通料孔与固定座上设置的旋转阀口12相配接，与原料气源相连通，并且环形原料气体喷口通过转换(切换)阀同时与惰性气源相连通。活动原料气体喷口通过旋转支承机构的联接支承与喷灯体内孔形成有环形孔隙，所述的环形孔隙构成环形惰性气体喷口6，惰性气体喷口与惰性气源相接通。所述的燃料气体喷口5为环形燃料气体喷口，设置在惰性气体喷口的外周，所述的环形燃料气体喷口包括氢气喷口和氧气喷口，氢气喷口和氧气喷口分别设置1～2层，所述的燃料气体喷口与燃料气源相连通。在喷灯喷口的最外圈设置有气环喷口4，所述的气环喷口设置在燃料气体喷口的外周，气环喷口由环形孔隙或紧密间隔的环形小孔构成，气环喷口喷出气体形成筒状气帘，将燃烧原料反应气体笼罩在筒状气帘内，所述的气环喷口与温度可调气源相连通。通入气环喷口的气体温度可随着沉积过程逐渐变化，该气体既可以通过尾气排放中回收处理的热进行加热，也可以是通过电加热气环中的气体达到设定温度，还可以通过自身气体反应得到高温气体(自身气体可以为氢气、氧气和烷烃气体等可燃性气体)。所述的气环喷口、燃料气体喷口和惰性气体喷口通过各个通孔与喷头体上的阀口11相配接。所述的喷灯由金属或合金制成。图4和图5模拟的单层料管和双层料管OMCTS分布对比图，图4是在粉棒沉积初期的OMCTS(八甲基环四硅氧烷，C8H24O4Si4，D4)浓度图，当粉棒长大后，第二层料管逐渐加入OMCTS，切换至图5的状态，多层进料方式增加了OMCTS的进料量，因此会进一步提升沉积速率。图6和图7模拟的单层料管和双层料管SiO2分布对比图，图6是在粉棒沉积初期的SiO2浓度图，当粉棒长大后，第二层料管逐渐加入OMCTS，切换至图7的状态，采用多层进料后可以使得喷灯燃烧过程SiO2颗粒浓度变高，撞击到粉棒表面的SiO2更均匀，从而提高了收集率。
本发明的另一个实施例为固定结构的原料气体喷口，即原料气体喷口与喷头体为一体结构，原料气体喷口设置在喷头体的中部，所述的原料气体喷口包括中心孔原料气体喷口和围绕中心孔原料气体喷口的1～3层环形原料气体喷口，构成固定喷头结构，不设旋转支承机构，在原料气体喷口与燃料气体喷口之间设置有环形惰性气体喷口，其它结构与上一个实施例相同。
本发明沉积粉棒的实施例如下：
实施例1
喷灯采用气环喷口+2层原料气体喷口+惰性气体喷口+2层燃料气体喷口，原料气体喷口为活动原料气体喷口结构：气环喷口由一圆环构成，圆环的窄缝宽度为2mm，气体采用氮气供应，沉积初期利用电加热将气环中的氮气加热维持100℃，待尾气排风温度达到150℃以上，利用尾气排放中回收处理的热加热氮气超过120℃，但低于480℃，整个沉积阶段氮气的气体流速为20m/s。采用两层原料气体喷口，中心孔原料喷口孔的直径为2mm，壁厚为0.3mm；外层环形原料喷口的直径为4.5mm，其中，原料喷口中带料气体的流速为35m/s，带料气体为带有八甲基环四硅氧烷的氮气气体。沉积开始阶段，中心喷口通有带料气体(气体流速为35m/s)，外层环形原料喷口通惰性气体(气体流速为15m/s)；粉棒直径达到250mm以上，外层环形原料喷口将惰性气体切换为带料气体(气体流速为35m/s)，粉棒直径最终沉积到500mm。原料气体喷口外层依次是惰性气体喷口和燃料气体喷口，惰性气体喷口5通入氮气，气体流速为15m/s；燃料气体喷口7分为两层，紧邻惰性气体喷口的为氢气喷口，外面相邻的为氧气喷口，氢气和氧气喷口的流速皆为15m/s。经过测试，得到粉棒的沉积速率为240g/min,收集率为75.8％。活动原料气体喷口的旋转速度为2r/min,生产统计沉积203根粉棒才因为料口粉尘堆积结晶，报废粉棒。
实施例2
喷灯采用2层气环喷口+3层原料气体喷口+惰性气体喷口+2层燃料气体喷口，原料气体喷口为活动原料气体喷口结构：气环喷口由两圈紧密间隔的直径1mm圆孔构成，外圈采用氢气，内圈采用氧气，每分钟消耗氧气体积/每分钟消耗氢气体积＝1:2，氢气和氧气的气体流速为35m/s。采用三层料管，中心孔原料喷口孔的直径为2.5mm，壁厚为0.2mm；中层环形原料喷口的直径为5mm，壁厚为0.2mm；外层环形原料喷口的直径为8mm，壁厚为0.2mm。原料气体为带有四氯化硅的氦气气体。沉积开始阶段，中心孔喷口为原料气体(气体流速为35m/s)，中、外层环形原料喷口通惰性气体(气体流速为15m/s)；粉棒直径达到300mm以上，外层料喷口将惰性气体切换为原料气体(气体流速为35m/s)，中心料喷口气体流速升至45m/s,中层料喷口通惰性气体(气体流速为15m/s)；粉棒直径达到500mm以上，中层料喷口将惰性气体切换为带料气体(气体流速为35m/s)，中心料喷口气体流速升至50m/s,中层料喷口气体流速为45m/s；最终粉棒直径达到750mm。原料气体喷口外层依次是惰性气体喷口和燃料气体喷口，惰性气体喷口通入氮气，气体流速为15m/s；燃料气体喷口分为两层，紧邻惰性气体喷口的为氧气管，外面相邻的为氢气喷口，氢气和氧气喷口的流速皆为25m/s。最终，测试得到粉棒的沉积速率为220g/min,收集率为72.5％。活动原料气体喷口的旋转速度为1r/min,生产统计沉积196根粉棒才因为料口粉尘堆积结晶，报废粉棒。
比较例1
喷灯采用60mm长的玻璃罩+一层原料气体喷口，原料气体喷口不旋转：采用一层料管，中心料喷口的直径为3.5mm，其中，料管孔中原料气体的流速为35m/s，原料气体为带有八甲基环四硅氧烷的氮气气体。原料气体喷口外层依次是惰性气体喷口和燃料气体喷口，惰性气体喷口通入氮气，气体流速为15m/s；燃料气体喷口分为两层，紧邻惰性气体喷口的为氢气喷口，外面相邻的为氧气喷口，氢气和氧气喷口的流速皆为15m/s，粉棒直径沉积到500mm。测试得到粉棒的沉积速率为180g/min,收集率为65.8％。
连续生产统计沉积32根粉棒因为料口粉尘堆积结晶，报废粉棒。
图8对比实施例1和比较例1，实施例1采用的是气环，比较例1采用的是60mm长的玻璃罩，两者都是在粉棒直径245mm时单个喷灯喷于粉棒上的温度分布图，由于气环比玻璃罩更可以稳定喷灯喷出的反应气流，减缓烟囱效应，所以实施例1中粉棒上的温度较比较例1更趋向均匀，提高了粉尘的收集率和沉积速率。
Claims (12)
1.一种用于外部气相沉积法的喷灯，包括有喷灯体，喷灯体上设置喷灯喷口，所述的喷灯喷口沿径向从内向外包括有原料气体喷口和燃料气体喷口，其特征在于所述的喷灯喷口的最外圈设置有气环喷口，所述的气环喷口与温度可调气源相连通。
2.按权利要求1所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于所述的喷灯中部设置原料气体喷口，所述的原料气体喷口包括中心孔原料气体喷口和围绕中心孔原料气体喷口的1～3层环形原料气体喷口，所述的原料气体喷口与原料气源相连通。
3.按权利要求2所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于所述的1～3层环形原料气体喷口通过转换阀同时与惰性气源相连通。
4.按权利要求1或2所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于所述的燃料气体喷口为环形燃料气体喷口，设置在原料气体喷口的外周，所述的环形燃料气体喷口包括氢气喷口和氧气喷口，氢气喷口和氧气喷口分别设置1～2层，所述的燃料气体喷口与燃料气源相连通。
5.按权利要求1或2所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于在原料气体喷口与燃料气体喷口之间设置有环形惰性气体喷口，所述的环形惰性气体喷口与惰性气源相连通。
6.按权利要求1或2所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于所述的气环喷口设置在燃料气体喷口的外周，气环喷口由环形孔隙或紧密间隔的环形小孔构成，气环喷口设置1～2层，气环喷口喷出气体形成筒状气帘，将燃烧原料反应气体笼罩在筒状气帘内。
7.按权利要求2或3所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于所述的喷灯中部设置的原料气体喷口为活动原料气体喷口，所述的活动原料气体喷口后端与旋转支承机构相联，旋转支承机构驱动活动原料气体喷口缓慢旋转。
8.按权利要求7所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于所述的活动原料气体喷口呈圆轴状，通过旋转支承机构的联接支承与喷灯内孔形成有环形孔隙，所述的环形孔隙构成环形惰性气体喷口。
9.按权利要求1或2所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于所述的喷灯由金属或合金制成。
10.按权利要求1或2所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于所述气环喷口喷出的气体温度范围25～500℃，气体的流速为0.3～40m/s。
11.按权利要求4所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于伴随靶棒沉积直径的逐渐增大，在先开启中心孔原料气体喷口的基础上逐层开启围绕中心孔原料气体喷口的1～3层环形原料气体喷口，逐步加大原料气体的喷射量，同时开启第2层燃料气体喷口，逐步加大燃料气体喷射量，形成同轴射流火焰。
12.按权利要求11所述的用于外部气相沉积法的喷灯，其特征在于同轴射流火焰轴心速度衰减公式为
其中
Qi为第i组射流的质量流量kg/s，pi为第i组射流的动量通量Kg·m/s2，a＝0.076，b＝0.147，um是中心射流速度，u0是中心射流初始速度，d0相应直径，ρ为气体密度，x为离料管口的距离。
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