CN1532159A - 制造多孔玻璃粒子沉积体的方法和用于合成玻璃粒子的燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通过有效地将用于合成玻璃粒子的燃烧器所合成的玻璃粒子沉积在起始元件上，同时增大所沉积的玻璃粒子之间的粘结强度，并且降低产生裂缝和其他问题的概率而制造多孔玻璃粒子沉积体的方法，和一种用于该制造方法的燃烧器。在所述通过将燃烧器所合成的玻璃粒子沉积在起始元件表面上而制造沉积体的方法中，该玻璃粒子沉积表面具有(a)从燃烧器喷出的火焰的中心部分接触的区域，和(b)温度高于火焰中心部分所接触区域，并且处于火焰中心部分所接触区域外部的另一区域。
Description
技术领域
本发明涉及一种制造多孔玻璃粒子沉积体的方法，该方法包括将玻璃粒子沉积在起始元件表面上的步骤；以及用于合成玻璃粒子的燃烧器，该燃烧器适于该制造方法。
背景技术
作为制造光纤的方法，已知一种包括合成主要由石英玻璃组成的光纤预制棒，拉长该预制棒，火焰研磨和拉制步骤的制造方法。通常，通过下述步骤合成光纤预制棒：
(a)使用用于合成玻璃粒子的燃烧器合成玻璃粒子；
(b)通过将玻璃粒子沉积在起始元件上制造多孔玻璃粒子沉积体；和
(c)将沉积体脱水、固结获得透明体。
已知有一种称作烟灰处理(soot process)的方法，作为合成多孔玻璃粒子沉积体的方法。烟灰处理包括下述步骤：
(a)向用于合成玻璃粒子的燃烧器输送：
(a1)原料气体，如四氯化硅(SiCl4)或四氯化锗(GeCl4)，
(a2)可燃氢气(H2)，
(a3)助燃氧气(O2)，以及如果需要的话，
(a4)运载或密封气体，如氩(Ar)；
(b)通过例如原料气体的火焰水解将玻璃粒子气相合成；以及
(c)通过将玻璃粒子沉积在设置于反应室内的起始元件的表面上，合成多孔玻璃预制棒。
广为人知的烟灰处理的类型包括外部气相沉积方法(OVD法)和气相轴向沉积方法(VAD法)。
已经公开了烟灰处理中所用的用于合成玻璃粒子的多种类型的燃烧器。例如，日本专利申请特开昭62-187135号公报中公开了一种燃烧器，其包括一设置在中央的用于喷射原料气体的通道，和多个设置成围绕该用于喷射原料气体的通道、用于喷射助燃气体的小孔通道。另一篇日本专利申请特开平5-323130号公报中公开了一种多中心型(multifocus-type)燃烧器，其也包括一用于喷射原料气体的通道，和多个设置成围绕该用于喷射原料气体的通道、用于喷射助燃气体的通道。不过，在这种情形中，用于喷射助燃气体的通道设置成形成多个环形层，并且从不同层中的通道喷射出的助燃气体，汇聚在不同点。另一篇日本专利申请特开平6-247722号公报中公开了一种包括一设置在中央、用于原料气体与O2气混合气体的喷嘴，和设置成围绕该用于混合气体的喷嘴、用于O2气的小孔喷嘴。根据其公开的内容，该燃烧器具有长寿命，不依赖于密封气体。
不过，通过烟灰处理制造多孔玻璃粒子沉积体的传统方法具有下述缺点。用于合成玻璃粒子的燃烧器所合成的玻璃粒子，仅其一部分沉积在起始元件或者所形成的沉积体的表面上。其余部分与废气一起排放到反应室外部。从而，如果相比传统方法增大玻璃粒子在起始元件表面上的沉积效率，则随着被浪费的原料气体减少，可以增大沉积体的生产率。
在烟灰处理中，已知当玻璃粒子沉积在玻璃粒子沉积表面上时，与玻璃粒子的温度相比，沉积表面的温度降低，可以增大玻璃粒子的沉积效率。这种现象称作热泳效应(thermophoretic effect)。从而，沉积表面温度的降低，可以增大沉积效率。另一方面，当沉积表面的温度降低时，所沉积玻璃粒子之间的粘结强度减小。结果，温度上升和下降导致的热循环产生的热应力，增大所获得的多孔玻璃粒子沉积体的破裂率，降低成品率。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种制造多孔玻璃粒子沉积体的方法，该方法能高效率地在玻璃粒子沉积表面上沉积玻璃粒子，并且能增大所沉积玻璃粒子之间的粘结强度；并且提供一种用于合成玻璃粒子的燃烧器，该燃烧器可用于实现该制造方法。
根据本发明，通过提供下述制造多孔玻璃粒子沉积体的方法来实现上述目的。该方法包括下列步骤：
(a)使用用于合成玻璃粒子的燃烧器喷出的火焰，合成玻璃粒子；和
(b)将玻璃粒子沉积在起始元件的表面上(该表面称作玻璃粒子沉积表面)；
该方法的特征在于，玻璃粒子沉积表面具有：
(c)火焰的中央部分接触的区域；和
(d)温度高于火焰中央部分所接触区域，并且处于火焰中央部分所接触区域外部的另一区域。
此处，使用术语“起始元件”是表示将要在其表面上沉积玻璃粒子的元件。根据用途，起始元件可以具有诸如圆柱形或圆筒形形状。可以根据用途选择元件的类型。
使用术语“多孔玻璃粒子沉积体”是表示通过在起始元件表面上沉积玻璃粒子而制造出的多孔体。还可以通过固结来进一步处理沉积体，形成透明玻璃预制棒。在用于获得透明体的处理之前，还可以执行脱水，加入杂质，或者两者都要进行。透明玻璃预制棒可以用作例如用于制造光纤的预制棒。
使用术语“玻璃粒子沉积表面”是表示用于合成玻璃粒子的火焰中所含有的玻璃粒子将要沉积的表面。在开始沉积玻璃粒子(烟灰化)之前，玻璃粒子沉积表面是在其上将要沉积玻璃粒子的起始元件的表面。在开始烟灰化之后，玻璃粒子沉积表面是通过沉积玻璃粒子形成的多孔玻璃粒子沉积体的表面。
根据本发明的一个方面，本发明提供下述用于合成玻璃粒子的燃烧器。该燃烧器包括：
(a)设置在燃烧器中心的用于输送原料气体的端口；
(b)用于输送可燃气体的端口；和
(c)至少两个用于输送助燃气体的管状端口，其设置成：
(c1)相对于用于供给原料气体的端口，画出至少一个虚拟同心圆；并且
(c2)至少两个用于输送助燃气体的管状端口设置在所述或每个虚拟同心圆上。
该燃烧器的特征在于，用于输送助燃气体的管状端口的横截面面积之和是用于输送原料气体的端口的横截面面积的1.7至5.5倍。
此处，使用术语“原料气体”是表示用作玻璃原料的气体。当助燃气体或者可燃气体与原料气体混合时，该混合气体称作原料气体。
用作用于合成玻璃粒子的燃烧器一部分的“端口”是表示在燃烧器端部用于原料气体或者助燃气体的通道的开口，这些气体从该开口释放出。使用术语“端口的横截面面积”是表示开口的面积。与原料气体或助燃气体有关的术语“流速”是表示在端口出口处各气体的平均流速(m/s)，气体从端口流出。
根据下面说明实现本发明的最佳模式的详细描述，本发明的优点是显而易见的。还可以通过不同实施方式实现本发明，并且在不偏离本发明的条件下，可以在多个方面改变其细节。因此，附图和下面的描述本质上是示意性的，而非限定性的。
附图简要说明
在附图中本发明用于说明示例，而非表示限制。在附图中，相同附图标记和数字表示相同元件。
在附图中：
图1为说明烟灰处理的一种实施方式，即OVD法的示意图。
图2A示意地表示出在本发明制造多孔玻璃粒子沉积体的方法的一个实施例中，火焰接触沉积表面时的状态，图2B示意地表示上述条件下沉积表面上的温度分布，图2C示意地表示相同条件下沉积表面上的二维温度分布。
图3A为表示本发明制造方法中使用的用于合成玻璃粒子的燃烧器一个实施例的正视图，图3B为表示本发明制造方法中使用的燃烧器另一实施例的正视图。
图4表示沉积速度受火焰中央部分所接触的区域与其外部区域之间的温度差的影响。
图5表示具有不同端口直径的两个用于合成玻璃粒子的燃烧器以烟灰化经过时间为函数的沉积速度比较。
图6表示原料气体流速与沉积速度之间的关系。
图7表示从燃烧器顶部到起始元件表面的距离与沉积速度之间的关系。
具体实施方式
下面参照图1说明本发明的制造方法。图1为说明烟灰处理一种实施方式即OVD法的示意图。在用于制造多孔玻璃粒子沉积体的装置1中，将起始元件3设置成使其旋转轴(纵轴)基本上垂直设置，且其顶部与旋转装置4连接。旋转装置4与升降装置5连接。起始元件3被反应室2环绕。用于合成玻璃粒子的燃烧器6设置成，使燃烧器喷出的火焰7接触起始元件3的表面。反应室2在其与设置有燃烧器6的壁关于起始元件3相对的壁上设置有排气口8。
用于合成玻璃粒子的燃烧器6被供给原料气体、可燃气体、助燃气体，并且如果需要的话，供给密封气体或运载气体或者两者。通过化学反应合成玻璃粒子，如(a)通过可燃气体与助燃气体的燃烧反应产生的水引起的原料气体的火焰水解反应；和(b)与助燃气体的氧化反应。上述反应是众所周知的。
通常，原料气体由SiCl4组成，或者如果需要，将SiCl4与诸如GeCl4的气体混合。同样，可燃气体由H2气组成，助燃气体由O2组成。使用密封气体防止玻璃粒子粘接到用于合成玻璃粒子的燃烧器的顶面上，或者防止燃烧器的顶部过热。使用运载气体携带原料气体。通常，密封气体，运载气体或者两者由诸如惰性气体如Ar，或具有低反应性的氮气的气体组成。有时，运载气体由O2气组成。在本发明的制造方法中，可以使用上述气体。
用于合成玻璃粒子的燃烧器6，将含有玻璃粒子的火焰7喷射到起始元件3。在此条件下，起始元件3通过旋转装置4旋转，它们通过升降装置5大体垂直地反复上下移动。从燃烧器6喷出的火焰7中所包含的玻璃粒子，沉积在起始元件3的表面上。没有粘附到起始元件的其余玻璃粒子，通过排气口8与火焰7产生的废气一起排放到反应室2外部。
图1表示起始元件3上下垂直移动的实施例。不过，存在下面所示的多重可选方式。
(a)取代起始元件3，使用于合成玻璃粒子的燃烧器6往复运动。
(b)使起始元件3和燃烧器6两者沿相反方向往复运动。
(c)将起始元件3设置成使其旋转轴基本水平设置，并且使起始元件3，燃烧器6或者两者往复移动其相对位置。
在本发明制造多孔玻璃粒子沉积体的方法中，当用于合成玻璃粒子的燃烧器所合成的玻璃粒子沉积在玻璃粒子沉积表面上时，该沉积表面具有特定温度分布。图2A示意地表示在本发明制造多孔玻璃粒子沉积体的方法的一个实施例中，火焰接触沉积表面时的状态，图2B示意地表示上述条件下沉积表面上的温度分布。
在图2A中，用交替的长和短虚线表示火焰7的中轴。在沉积表面20上，火焰7的中心部分接触的区域称作区域LT，在其中心处火焰7的中轴与沉积表面20相交。在区域LT外部有两个区域；一个区域包括处于区域LT上面的区域HT1，另一个包括处于区域LT下面的区域HT2。区域LT，HT1和HT2为沉积表面20上由火焰7的位置决定的区域。它们根据燃烧器6、起始元件3或者两者的移动而移动。
根据本发明制造多孔玻璃粒子沉积体的方法，该方法包括以下步骤：
(a)使用用于合成玻璃粒子的燃烧器喷出的火焰，合成玻璃粒子。
(b)将玻璃粒子沉积在起始元件的表面上。
玻璃粒子沉积表面20具有下述区域：
(c)火焰具有温度TL的中心部分接触的区域LT；和
(d)具有比TL高的温度TH，且处于区域LT外部的区域HT1，HT2或者两者。
沉积表面20具有垂直温度分布，其中最大值TH处与具有温度TL的中央部分的两侧。
用于合成玻璃粒子的燃烧器喷出的火焰中所包含的玻璃粒子具有这样一种分布，其中大部分玻璃粒子处于火焰的中心部分。当玻璃粒子沉积表面20具有上述垂直温度分布时，火焰中心部分所接触的沉积表面20的区域LT具有相对较低温度。这种温度分布引起的热泳效应使火焰中所含的玻璃粒子高效地沉积在沉积表面上。此外，起始元件与燃烧器之间的相对往复运动将处于区域LT的沉积表面20部分移动到具有更高表面温度的区域HT1或HT2。这种运动增大了所沉积玻璃粒子之间的粘结强度，防止诸如多孔玻璃粒子沉积体中发生断裂的问题。
图2A和2B表示这样一种情形，其中玻璃粒子沉积表面20具有其中最大值TH处于温度为TL的中央部分两侧的温度分布。不过，本发明的制造方法不限于上述实施例。本发明仅指定沉积表面具有处于火焰7中心所接触的区域LT外部，并且温度比区域LT高的表面温度区域。从而，沉积表面可能具有最大温度不同的区域HT1和HT2。此外，区域HT1，区域HT2，或者两者可以具有两个或多个局部最大温度。
通常，用于合成玻璃粒子的燃烧器喷出的火焰具有旋转对称形状，其中心为火焰的中轴。从而，当燃烧器喷出的能在玻璃粒子沉积表面上产生图2B中所示温度分布的火焰接触平面时，其产生图2C中所示的二维温度分布。换句话说，火焰中心所接触的区域被具有更高温度的区域环绕，正如火山口被外轮山(somma)环绕一样。
在本发明的制造方法中，在玻璃粒子沉积表面上获得所需温度分布的一个重要因素，是用于合成玻璃粒子的燃烧器的结构。本发明制造方法中所使用的燃烧器包括：
(a)处于燃烧器中心的用于输送原料气体的端口；
(b)用于输送可燃气体的端口；以及
(c)至少两个用于输送助燃气体的管状端口，其设置成：
(c1)相对于用于输送原料气体的端口，画出至少一个虚拟同心圆；并且
(c2)至少两个用于输送助燃气体的管状端口处于每个虚拟同心圆上。
最好将至少三个用于输送助燃气体的端口设置在每个虚拟的同心近似圆上。
图3A为表示本发明制造方法中所使用的用于合成玻璃粒子的燃烧器一个实施例的正视图。图3B为表示本发明制造方法中所使用的燃烧器另一实施例的正视图。在图3A和3B中，圆周表示通常由石英玻璃制成的部分。换句话说，图3A和3B中所示的每个圆周表示由例如石英玻璃制成的管子的横截面。
这些实施例中所使用的用于合成玻璃粒子的燃烧器，包括：
(a)用于输送原料气体的端口31；
(b)围绕端口31、用于输送密封气体的环形端口32；
(c)围绕端口32、用于输送可燃气体的端口34；
(d)用于输送助燃气体的至少两个管状端口33，其设置成：
(d1)相对于处于端口34环绕中的端口31，画出至少一个虚拟同心圆；并且
(d2)至少两个管状端口33设置在每个虚拟同心圆上；
(e)围绕端口34、用于输送密封气体的环形端口35；和
(f)围绕端口35、用于输送助燃气体的环形端口36。
由隔壁分隔的空间用作用于输送气体的端口。表I表示被输送到各端口中的气体组合物的满足需要的示例。密封气体并非必要成分；如果需要可以使用惰性气体或者低活性气体如N2气。虽然表I中的组合物没有表示出，不过可以使用由惰性气体组成的运载气体来运载玻璃材料。
表I：输入到图3A和3B中所示燃烧器各端口中的气体组合物的示例。
| 端口编号 | 案例1 | 案例2 | 案例3 |
| 31 | 原料气体 | 原料气体+可燃气体 | 原料气体+助燃气体 |
| 32 | 密封气体 | 密封气体 | 密封气体 |
| 33 | 助燃气体 | 助燃气体 | 助燃气体 |
| 34 | 可燃气体 | 可燃气体 | 可燃气体 |
| 35 | 密封气体 | 密封气体 | 密封气体 |
| 36 | 助燃气体 | 助燃气体 | 助燃气体 |
希望本发明中所使用的用于合成玻璃粒子的燃烧器，具有用于输送助燃气体的管状端口，使设置在每个虚拟同心圆上的多个端口喷出的助燃气体，汇聚在用于输送原料气体的端口的中轴延长线与起始元件3表面之间的交点之前或之后的一点。下面将助燃气体的汇聚点与燃烧器顶部之间的距离称做焦距。
当用于输送助燃气体的管状端口处于两个或多个虚拟同心圆之上时，从不同虚拟同心圆上的端口喷出的助燃气体，汇聚在不同的邻近点。确定焦距，使其随着虚拟同心圆半径的增大而增大。这种结构抑制从设置在具有不同半径的虚拟同心圆上的管状端口喷出的助燃气体之间干扰。结果，必然干扰燃烧器喷出的火焰，使原料气体流动稳定，并且玻璃粒子可以高效地沉积在玻璃粒子沉积表面上。下面，为了便于说明，将设置在相同虚拟同心圆上的用于输送助燃气体的该组管状端口称作“层”。
此外，希望从管状端口喷出的助燃气体汇聚在火焰本身稳定的区域内，更具体而言，汇聚在距离燃烧器顶部一定距离、从燃烧器喷出的原料气体流动稳定的区域内。如果助燃气体的汇聚点距离燃烧器顶部太远，则火焰的强度减小，玻璃粒子在玻璃粒子沉积表面上的沉积稳定性降低。另一方面，如果从管状端口喷出的助燃气体的量过大，则汇聚点过分靠近燃烧器顶部，同时，与原料气体的流动相比，助燃气体的流动强度过度增大，干扰原料气体的流动。
当“层”数过度增大时，即使助燃气体汇聚在各个所希望的点处，燃烧器的结构变得复杂，所制造出的燃烧器性能变化增大，而且燃烧器变得昂贵。从而，在本发明所使用的燃烧器中，希望用于输送助燃气体的管状端口的“层”数为1到5，最好为2到3。
如上所述，在本发明制造方法中所使用的用于合成玻璃粒子的燃烧器中，原料气体从用于输送原料气体的端口输送到火焰中。此外，在需要时，可以将原料气体与将要输送到火焰中的助燃或可燃气体混合。另外，可以通过使用众所周知的方法如使用惰性气体，O2气或者其他气体作为运载气体的方法，和其中常温下为液态的原料化合物被加热并蒸发成以气体形式输送的方法，输送原料气体。
在本发明的制造方法中，要求被用于合成玻璃粒子的燃烧器喷出的火焰加热的玻璃粒子沉积表面，具有上述所需温度分布。在具有所需温度分布的条件下，为了进一步增大燃烧器喷出的火焰中所含玻璃粒子在沉积表面上的沉积效率，需要达到下列目标，例如：
(a)增大由原料气体合成玻璃粒子的化学反应的效率；和
(b)使从燃烧器喷出的火焰流动稳定，从而在火焰中合成的玻璃粒子可以高效率地到达沉积表面。
为了满足上述要求，本发明对所需制造条件进行了深入研究，发现需要执行下列测量：
(a)基本要求是使用具有上述结构的燃烧器；
(b)调节用于输送原料气体的端口处的原料气体流速，使其处于最佳范围之内；
(c)调节用于输送助燃气体的管状端口处助燃气体的流速与原料气体流速的比率，使其处于最佳范围之内；以及
(d)调节助燃气体的输送量，使其处于最佳范围之内。
为了顺利进行上述测量，本发明者还发现，要求燃烧器的用于输送助燃气体的管状端口的横截面面积之和与用于输送原料气体的端口的横截面面积具有特定比值。下面解释这些发现。
首先，下面说明在本发明的制造方法中所需的原料气体流速。原料气体在火焰中经历水解反应，氧化反应，或者两种反应，变成玻璃粒子。在反应中，要求助燃气体，火焰中产生的水，或者两者充分扩散到原料气体中，并与之混合，以便实现原料气体的高效反应。从而，如果原料气体的流速太高，则助燃气体，火焰中产生的水，或者两者，在从燃烧器到玻璃粒子沉积表面的移动时间中，不能充分扩散到原料气体中并与之混合。结果，反应不充分且不稳定。更具体而言，相对于原料气体的数量，所沉积的玻璃粒子的量减小，此外，所获得的玻璃粒子沉积体的纵向直径波动趋于增大。
此外，如果原料气体的流速过高，则未沉积在沉积表面上的剩余玻璃粒子的数量与火焰中所含有的玻璃粒子的数量的比值不适宜地增大。在本发明的制造方法中，希望用于输送原料气体的端口处原料气体的流速小于20m/s，最好至多为19m/s。
相反，如果原料气体的流速过小，则原料气体的流动受助燃气体流动的干扰相当大。这种干扰增大了没有到达玻璃粒子沉积表面的玻璃粒子的数量，降低玻璃粒子在沉积表面上的沉积效率。从而，希望原料气体的流速至少为7m/s，最好至少为10m/s。换句话说，原料气体流速的最佳范围为10至19m/s。
下面说明在本发明的制造方法中，从管状端口喷出的助燃气体的流速以及其输送到火焰中的所需数量。为了高效率地由火焰中的原料气体合成玻璃粒子，如上所述，希望助燃气体充分扩散到原料气体中，并与之混合。如果助燃气体的流速太低，则助燃气体，火焰中产生的水或者两者，不能充分扩散到原料气体中。结果，由原料气体合成玻璃粒子的效率降低。此外，并非所有输送的助燃气体都被用于玻璃粒子的合成反应，在原料气体与助燃气体混合时发生玻璃化反应。考虑上述两个因素，表明必须将比化学计算出的所需量更大的助燃气体量输送到火焰中，以便原料气体充分进行合成反应。
由各项的大小，如原料气体的流速和下面所述的用于输送原料气体的端口的横截面面积与用于输送助燃气体的管状端口横截面面积之和的比值，决定满足上述要求所需的助燃气体的输送量。在本发明的制造方法中，希望助燃气体的输送量为每分钟20到60标准升(SLM)，最好为30到50SLM。该数量的助燃气体从用于输送助燃气体的管状端口输送到火焰中。如果需要，将所用助燃气体的一部分与原料气体混合，使其可以与原料气体一起，从用于输送原料气体的端口输送到火焰中。
下面说明原料气体的流速与从管状端口喷出的助燃气体的流速之间的所需关系。在本发明的制造方法中，为了在增大玻璃粒子在起始元件上的沉积效率的同时，在玻璃粒子沉积表面上获得所需温度分布，希望在用于输送助燃气体的管状端口处助燃气体的流速为用于输送原料气体的端口处原料气体流速的至少0.7倍且小于2.0倍，较好在至少0.73倍到小于2.0倍的范围内，更好在0.8至1.6倍范围内，最好在0.9至1.2倍范围内，最好与原料气体的流速相同。
如果助燃气体的流速小于原料气体的0.7倍，则助燃气体在原料气体中的扩散和混合不充分。如果为2.0倍或更大，则助燃气体的流动会干扰原料气体的流动，玻璃粒子在沉积表面上沉积时效率减小的概率增大。此外，希望原料气体的流速小于20m/s，并且助燃气体的输送量为20至60SLM。
下面说明用于合成玻璃粒子的燃烧器必须处于的操作状态，以便获得(a)原料气体的流速，(b)助燃气体从管状端口的输送量，和(c)助燃气体与原料气体的流速之比的上述希望范围。为了在增大玻璃粒子在起始元件上沉积效率的同时满足上述制造要求，希望用于输送助燃气体的管状端口的横截面面积之和为用于输送原料气体的端口的横截面面积的1.7到5.5倍，最好为2.0到5.0倍。
例如，当所有用于输送助燃气体的管状端口都具有相同直径“B”的圆形横截面，并且设置在燃烧器中的用于输送助燃气体的管状端口的数量为“C”，且设置在燃烧器中心的用于输送原料气体的端口具有直径为“A”的圆形横截面时，则希望表示为(B2×C)×A2的横截面面积比为1.7到5.5，最好为2.0到5.0。当用于输送原料气体的端口的横截面面积与用于输送助燃气体的管状端口的横截面面积之和具有上述关系时，上述的(a)原料气体流速，(b)助燃气体从管状端口的输送量，以及(c)助燃气体的流速与原料气体的流速之比易于被调节到所希望的范围内。
下面说明设置在本发明所使用的用于合成玻璃粒子的燃烧器中用于输送原料气体的端口的横截面面积。在制造多孔玻璃粒子沉积体时，可以确定用于输送原料气体的端口的横截面面积，使得根据输送到燃烧器中的原料气体的必要数量，可以获得上面所述的原料气体的流速。
在本发明的制造方法中，为了增大制造过程中玻璃粒子在沉积表面上的沉积效率，希望随着玻璃粒子在沉积表面上的沉积引起的多孔粒子沉积体直径的增大，改变(a)用于输送原料气体的端口处原料气体的流速，(b)原料气体的流速与从管状端口喷出的助燃气体的流速之比，或者(c)两者。
下面具体说明原因。在开始制造多孔玻璃粒子沉积体时，玻璃粒子直接沉积在具有较小直径的起始元件上。从而，如果玻璃粒子在火焰中过分扩散，则大量玻璃粒子没有碰撞起始元件的玻璃粒子沉积表面，玻璃粒子在沉积表面上的沉积效率降低。从而，在制造沉积体的早期阶段，希望最大程度地将火焰中合成的玻璃粒子汇聚在起始元件的沉积表面上，不扩散它们。
随着沉积体制造过程的进行，由于玻璃粒子在起始元件上的沉积导致所形成的沉积体的直径增大，减小了玻璃粒子在火焰中的扩散的不利影响。不过代之以用于合成玻璃粒子的燃烧器顶部与沉积表面之间的距离减小。结果，通过火焰中的反应由原料气体合成的玻璃粒子的反应时间有可能不够长。
因此，希望调节原料气体的流速，使其在制造开始时相当高，并随着沉积体直径的增大而减小，以便保证反应时间足够长。更具体而言，例如可以根据所制造的沉积体直径调节助燃气体，可燃气体或者两者的输送量。也可以调节原料气体本身的输送量，来控制原料气体的流速。
此外，希望在多孔玻璃粒子沉积体制造开始和结束时，燃烧器顶部与玻璃粒子沉积表面之间的距离最佳。下面更具体地解释这一要求。起始元件通常具有10到40mm的直径，而制成的沉积体通常具有150到300mm的直径。考虑这些尺寸，希望将起始元件和用于合成玻璃粒子的燃烧器设置成，使玻璃粒子沉积表面与燃烧器之间的距离，在玻璃粒子沉积开始时为150至500mm，以增大沉积效率。
下面参照具体示例说明本发明的制造方法。在这些示例中，使用图1中所示的制造装置，不过用于合成玻璃粒子的燃烧器的数量从二改变到三。
(实施例1)
使用直径为26mm的起始元件。通过使起始元件相对用于合成玻璃粒子的燃烧器，以200mm/min的速度往复运动，制造多孔玻璃粒子沉积体。起始元件往复运动1,600mm的距离。在这些条件下，通过使燃烧器喷出的火焰接触玻璃粒子沉积表面400分钟，火焰中合成的玻璃粒子沉积在起始元件上。在这个过程中进行测量，来评价玻璃粒子平均沉积速度时，沉积表面中区域HT1或HT2中的温度TH与区域LT中的温度TL之差的效果。用红外热成像测量装置测量温度TL和TH。使用400分钟沉积量的平均值得出平均沉积速度。
每次试验使用具有与图3B中所示相同结构的燃烧器。在沉积制造开始时，在原料气体流速和燃烧器顶部与沉积表面之间的距离相同的条件下进行每次试验。通过改变从管状端口喷出的助燃气体的流速，改变温度TL和TH。将每次实验中得出的平均沉积速度转换成温度差为0℃时平均沉积速度的相对值(下面该相对值称作相对沉积速度)。表II和图4表示相对沉积速度与表示为TH-TL的温度差之间的关系。在上面的描述中，当温度差为0℃时，区域LT中的温度在沉积表面中是最高的。
表II
| TH-TL(℃) | 相对沉积速度 |
| 25 | 1.15 |
| 40 | 1.30 |
| 50 | 1.40 |
| 65 | 1.15 |
| 80 | 1.60 |
| 60 | 1.45 |
| 55 | 1.40 |
| 40 | 1.35 |
| 35 | 1.30 |
| 25 | 1.25 |
| 15 | 1.15 |
如从表II和图4可以看出，温度差TH-TL为80℃时的平均沉积速度为温度差TH-TL为0℃时平均沉积速度的1.6倍，表明玻璃粒子的沉积效率增大60％。在上面的描述中，对于每次试验而言，温度TL和TH为400分钟内的平均值。
(实施例2)
在本例中使用两种用于合成玻璃粒子的燃烧器。燃烧器1和燃烧器2具有根据图3B中所示的结构，用于输送原料气体的端口和用于输送助燃气体的管状端口的直径彼此不同。使用任何一个燃烧器制造多孔玻璃粒子沉积体。燃烧器1和2采用相同的原料气体与从管状端口喷出的助燃气体的流速。不过，在燃烧器1中，原料气体的流速为12.15m/s，从管状端口喷出的助燃气体的流速为14.47m/s(流速比：1.19)。在燃烧器2中，原料气体的流速为14.5m/s，助燃气体的流速为18.75m/s(流速比：1.29)。
在试验过程中，以40分钟的间隔测量玻璃粒子在起始元件上的沉积量，计算测量之前40分钟期间的平均沉积速度。为了获得流速比与玻璃粒子平均沉积速度之间的关系，计算使用燃烧器1时与使用燃烧器2时测量之前40分钟期间的平均沉积速度之比(下面，该比值也称作相对沉积速度)。表III和图5表示以玻璃粒子沉积经过的时间为函数的相对沉积速度变化。
表III
| 时间(分钟) | 相对沉积速度 |
| 40 | 0.82 |
| 80 | 0.91 |
| 120 | 0.96 |
| 160 | 1.00 |
| 200 | 1.02 |
| 240 | 1.04 |
| 280 | 1.06 |
| 320 | 1.07 |
| 360 | 1.07 |
| 400 | 1.08 |
| 440 | 1.08 |
| 480 | 1.08 |
| 520 | 1.08 |
| 560 | 1.08 |
| 600 | 1.08 |
| 640 | 1.08 |
| 680 | 1.07 |
| 720 | 1.07 |
| 760 | 1.06 |
如从表III和图5可以看出，使用燃烧器1时的平均沉积速度比使用燃烧器2时的平均沉积速度约大8％左右。这种结果的可能原因在于，因为在燃烧器1中，流速比接近于1.0，并且原料气体的流速小于燃烧器2中的原料气体流速，即使当玻璃粒子的沉积过程增大多孔玻璃粒子沉积体的直径，从而减小沉积表面与燃烧器之间的距离时也是如此，用于由原料气体合成玻璃粒子的反应时间可以保持足够长。
(实施例3)
在本例中也使用实施例2中所用的燃烧器1。在管状端口喷出的助燃气体的流速保持恒定，并且改变原料气体流速的条件下，制造11个多孔玻璃粒子沉积体。在制造每个沉积体时，进行测量，得出在起始元件上开始沉积玻璃粒子之后40分钟时间内所沉积的玻璃粒子的质量。使用测量结果计算每分钟玻璃粒子的沉积量，即平均沉积速度。使用该结果得出与原料气体的流速为12.15m/s(实施例2)时得出的平均沉积速度的比值。该比值称作相对沉积速度。表IV和图6中表示原料气体的流速(助燃气体流速14.47m/s与原料气体的流速的比值)与相对沉积速度之间的关系。在表IV和图6中，术语“相对流速”是表示助燃气体与原料气体的流速比。
表IV
| 流速(m/s) | 相对流速 | 相对沉积速度 |
| 6.00 | 2.412 | 0.65 |
| 7.00 | 2.067 | 0.75 |
| 9.00 | 1.608 | 0.80 |
| 10.00 | 1.447 | 0.88 |
| 12.15 | 1.191 | 1.00 |
| 14.50 | 0.998 | 1.33 |
| 16.00 | 0.904 | 1.40 |
| 17.00 | 0.851 | 1.44 |
| 19.00 | 0.762 | 1.20 |
| 20.00 | 0.724 | 0.80 |
| 22.00 | 0.658 | 0.65 |
如从表IV和图6可以看出，当原料气体的流速处于7至20m/s范围内时，可以得到比较高的平均沉积速度。当该范围缩小到10至19m/s时，可以进一步提高平均沉积速度。此外，当助燃气体的流速为原料气体的至少0.7倍且小于2.0倍时，可以获得良好的平均沉积速度。
(实施例4)
在本例中也使用实施例2中使用的燃烧器1制造多孔玻璃粒子沉积体。在该燃烧器中，下列特征保持不变：原料气体的流速为14.5m/s，从管状端口喷出的助燃气体的流速为14.47m/s，且实施例3中定义的相对流速为0.998。不过，改变燃烧器顶部与开始部分表面之间的距离进行试验。在每次实验中，如实施例3，进行测量得出沉积体制造开始后40分钟的时间内玻璃粒子的平均沉积速度。在进行测量时，燃烧器顶部与起始元件表面之间的距离为200mm，将所得到的平均沉积速度作为参考点1.0。通过改变燃烧器顶部与起始元件表面之间的距离进行每次试验时得到的平均沉积速度表示为与距离为200mm时得到的平均沉积速度的比值。该比值称作相对沉积速度。表V和图7表示距离与相对沉积速度之间的关系。
表V
| 距离(mm) | 相对沉积速度 |
| 130 | 0.76 |
| 150 | 0.95 |
| 190 | 1.00 |
| 200 | 1.00 |
| 230 | 0.99 |
| 260 | 0.98 |
| 330 | 0.97 |
| 370 | 0.95 |
| 430 | 0.96 |
| 500 | 0.94 |
| 530 | 0.78 |
如从图7可以看出，当燃烧器顶部与起始元件表面之间的距离在150至500mm范围内时，在多孔玻璃粒子沉积体制造开始之后40分钟时间内的平均沉积速度是稳定的。
(实施例5)
在两种情况下执行用于制造多孔玻璃粒子沉积体的试验。在第1种情形中，火焰接触玻璃粒子沉积表面的中央部分的中央区域的温度在沉积表面中最高。在第2种情形中，上述中央区域的温度平均比围绕其的周围区域的温度低80℃。在这两种情形中，将起始元件烟灰化制造沉积体。通过调节原料气体的流速进行制造，使火焰中心接触的沉积表面的温度为600℃。在每种情况下起始元件的烟灰化进行10个小时。在第1种情形中，在烟灰化开始后四个小时时沉积体形成裂缝。在第2种情形中，不产生裂缝。
上面结合目前认为最实用和最佳的实施例描述了本发明。不过，本发明不限于所披露的实施例，相反，意在覆盖所附权利要求的精神和范围内的多种变型和等效结构。
2003年3月3日申请的日本专利公开2003-074112，包括说明书、权利要求、附图和摘要在内的全部内容，在此整体引作参考。
Claims (6)
1.一种制造多孔玻璃粒子沉积体的方法，该方法包括以下步骤：
(a)使用用于合成玻璃粒子的燃烧器喷出的火焰，合成玻璃粒子；和
(b)将玻璃粒子沉积在起始元件的表面上(该表面称为玻璃粒子沉积表面)；
该方法的特征在于，玻璃粒子沉积表面具有：
(c)火焰的中心部分接触的区域；和
(d)温度高于火焰中心部分接触的区域，并且处于火焰中心部分接触区域外部的另一区域。
2.如权利要求1所述的制造多孔玻璃粒子沉积体的方法，其中，
(a)用于合成玻璃粒子的燃烧器包括：
(a1)设置在燃烧器中心的用于输送原料气体的端口；
(a2)用于输送可燃气体的端口；以及
(a3)至少两个用于输送助燃气体的管状端口，其设置成：
(a3a)于用于输送原料气体的端口，画出至少一个虚拟的同心圆；并且
(a3b)至少两个用于输送助燃气体的管状端口处于所述或每个虚拟同心圆上；和
(b)规定该燃烧器的条件为用于输送助燃气体的管状端口的横截面面积之和是用于输送原料气体的端口的横截面面积的1.7到5.5倍。
3.如权利要求2所述的制造多孔玻璃粒子沉积体的方法，其中，用于输送助燃气体的管状端口处助燃气体的流速为用于输送原料气体的端口处原料气体流速的至少0.7倍且小于2.0倍。
4.如权利要求2或3所述的制造多孔玻璃粒子沉积体的方法，其中，随着所形成的多孔玻璃粒子沉积体直径的增大，用于输送原料气体的端口处原料气体的流速减小。
5.如权利要求1所述的制造多孔玻璃粒子沉积体的方法，其中，在玻璃粒子沉积开始时，玻璃粒子沉积表面与用于合成玻璃粒子的燃烧器之间的距离为150至500mm。
6.一种用于合成玻璃粒子的燃烧器，包括：
(a)处于燃烧器中心的用于输送原料气体的端口；
(b)用于输送可燃气体的端口；以及
(c)用于输送助燃气体的至少两个管状端口，其设置成
(c1)相对于用于输送原料气体的端口画出至少一个虚拟同心圆；并且
(c2)至少两个用于输送助燃气体的管状端口处于所述或每个虚拟同心圆上；
规定该燃烧器，使用于输送助燃气体的管状端口的横截面面积之和是用于输送原料气体的端口的横截面面积的1.7至5.5倍。
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