CN87100680A - 光纤预成型材制造用喷枪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤预成型材制造用喷枪。该喷枪在中心部设置原料气体喷射流道，围绕着该原料气体喷射流道，设置多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道。这小口径助燃气体喷射流道周围是环状可燃气体喷射流道。由于这多个小口径助燃气体喷射流道的特殊配置方式，所以，该喷枪能稳定地制造多孔玻璃预成型材。

Description

本发明涉及通过气相轴向沉积（VAD）法、外层气相沉积（OVD）法等制造光学用的多孔玻璃预成形材时，光纤预成形材制造用的喷枪。
作为制造光学纤维、图象纤维、光导、棒状透镜等用的多孔玻璃预成形材的方法，目前采用的有杂质、OH基等混入量很少的VAD、OVD等方法。
众所周知，上述各种方法是，使用光纤预成形材制造用的喷枪，并向该喷枪供应原料气体、可燃气体及助燃气体，或供应这些气体及密封气体，通过借助该喷枪发生的火焰加水分解反应及/或热氧化反应，生成烟状的玻璃微粒，并把该玻璃微粒堆积成棒状、管状等所希望的形状。
上述各种方法所用的喷枪为三层管以上的多层管结构，例如当该喷枪为四层管结构时，把从喷枪中心到喷枪最外周之间的各流道，分别作为原料气体喷射流道（第一流道：中心）、密封气体喷射流道（第二流道）、可燃气体喷射流道（第三流道）、助燃气体喷射流道（第4流道：最外周）。
一方面，原料气体由主原料SiCl4、掺杂原料GeCl4、POCl4、BCl3等组成;可燃气体由氢气（H2）、甲烷、丙烷、丁烷或它们的混合气体构成;助燃气体由氧气构成;密封气体由Ar等其他惰性气体构成。
在这VAD法和OVD法中，玻璃微粒的堆积原理基本上是相同的，但在VAD法中，是把玻璃微粒堆积在一边转动一边被向上拉的垂直的靶子的下端，而在OVD法中，则是把玻璃微粒堆积在以水平状态转动的心轴的外周。
经过上述各种方法堆积形成的多孔玻璃预成形材，再通过其后的热处理，被脱水及透明玻璃化，成为无气泡的透明预成形材。
在上述VAD法的情况下，通过玻璃微粒的堆积，多孔玻璃预成形材在纵向长度（轴向）上成长。此时，该预成形材随着自身的成长，其自重也在增大，因此，制作又长又大的多孔玻璃预成形材时，由于该预成形材自身的重量而会发生破损。
因此，用VAD法制造大型的多孔玻璃预成形材时，必须有为了提高玻璃微粒的堆积密度、即为了提高该预成形材强度的改进措施。
另一方面，便玻璃微粒堆积在水平状态的心轴外周上的OVD法，其多孔玻璃预成形材不会发生VAD法出现的那种破损。但由于随着玻璃微粒的堆积，预成形材的直径变大，该预成形材的表面积逐渐变大，所以，在单位时间内从喷枪发向预成形材表面的火焰的单位面积的热量发生变化，玻璃微粒堆积末期的热量远比其初期要小。
由于上述现象，所以，越到上述堆积末期，多孔玻璃预成形材的烧合程度越不足，预成形材在半径方向的玻璃微粒的密度也发生差异。
多孔玻璃预成形材的密度最好为0.4～1.0g/cm3，如果因上述烧合不足而使多孔玻璃预成形材的密度降到该值以下，则在该预成形材成长时或冷却时，沿预成形材的长度方向会发生裂纹。
作为其预防措施，目前采用的方法有，与预成形材的成长相应地降低该预成形材的转动速度，或者增加燃料气体的量等。
但是，在降低预成形材的转速这前一种方法的情况下，会使多孔玻璃预成形材的表面发生凹凸等，成为导致外径不良的原因。
即使是使燃料气体量增加的后一种方法，依靠的也是按经验设定其增加量的不可靠的方法。而且，考虑到从喷枪发出的火焰是扩散的火焰，为了防止发生裂纹，及为了消除玻璃微粒堆积密度的不均匀，而逐渐增加燃料气体量，是极困难的。
如上所述，使用传统的多层管结构的喷枪来制造多孔玻璃预成形材，很难获得无裂纹及外径不良等缺陷的、且玻璃微粒密度均匀的大型预成形材。
考虑到上述问题，本发明的目的在于，提供一种能稳定地制造多孔玻璃预成形材的光纤预成形材制造用喷枪。
（1）为了达到所期望的目的，本发明中特定发明的一种光纤预成形材制造用喷枪的特征为，喷枪中心部设有任意数的原料气体喷射流道，在该位于喷枪中心部的原料气体喷射流道的外周，如同包围该原料气体喷射流道似地，配置着多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道，并在这各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状的可燃气体喷射流道。
（2）为了达到所期望的目的，本发明中第二发明的光纤预成形材制造用喷枪的特征为，喷枪中心部设有任意数的原料气体喷射流道，在该位于喷枪中心部的原料气体喷射流道的外周，如同包围该原料气体喷射流道似地，配置着多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道，并在这各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设置环状的可燃气体喷射流道，在该环状可燃气体喷射流道的外周，设有环状助燃气体喷射流道。
（3）为了达到所期望的目的，本发明中第三发明的光纤预成形材制造用喷枪的特征为，喷枪中心部设有任意数的原料气体喷射流道，在该位于喷枪中心部的原料气体喷射流道的外周，设有第一环状密封气体喷射流道，在该第一环状密封气体喷射流道的外周，如同包围该环状密封气体喷射流道似地，配置有多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道，在这各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状可燃气体喷射流道，在该环状可燃气体喷射流道的外周，设有第二密封气体喷射流道，在该第二密封气体喷射流道的外周，设有环状助燃气体喷射流道。
关于附图的简单说明
图1为图示本发明喷枪的第一实施例的平面图，图2为图1中喷枪的纵剖图，图3为图示本发明喷枪的第二实施例的重要部分纵剖图，图4为图示本发明喷枪的第三实施例的平面图，图5为使用本发明喷枪的VAD法的示意图，图6为使用本发明喷枪的OVD法的示意图。
以下，结合附图，对本发明涉及的光纤预成形材制造用喷枪的实施例进行说明。
图1及图2显示本发明喷枪的一个实施例。
图1与图2所示的多层管结构的喷枪1，其喷枪中心设有原料气体喷射流道2，该原料气体喷射流道2的外周，设有环状的可燃气体喷射流道3，该环状可燃气体喷射流道3的外周，设有环状的助燃气体喷射流道4，而且在环状的可燃气体喷射流道3内，沿圆周方向等距离设有多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道5。
在这种喷枪1的场合，参照图1可知，位于环状可燃气体喷射流道3内的各个小口径助燃气体喷射流道5，包围着喷枪中心的原料气体喷射流道2。
再有，参照图2可知，各小口径助燃气体喷射流道5均指向原料气体喷射流道2中心线上的一点P，成为所谓的焦点式。
从喷枪1前端到上述点P为止的距离L，一般被设定为约30～350mm，更具体地说，被设定为约L＝200mm左右。
在喷枪1的下部，与图2所示的各气体喷射流道2、3、4、5相对应，设有气体导入口6、7、8、9。
图3所示的多层管结构的喷枪1基本上与上述图1、图2所示的相同，但是，其原料气体喷射流道2、环状可燃气体喷射流道3、环状助燃气体喷射流道4及小口径助燃气体喷射流道5的各流道是互相平行的，而且，这些流道的相对关系为，它们的前端按环状可燃气体喷射流道3与小口径助燃气体喷射注道5为最前，原料气体喷射流道2次之，环状助燃气体喷射流道4为最后的次序向前突出。
再有，图3的喷枪1，其原料气体喷射流道2与小口径助燃气体喷射流道5的各个前端为球面状。
又，使各流道的前端突出状态具有差异（不整齐状态），或使规定的流道前端成为球面状的结构，在前述图1、图2的实施例中，或后述的实施例中也能采用。
参照图1至图3，所述的喷枪1是第二发明的具体实施例，当这些图中的喷枪1省略环状助燃气体喷射流道4时，便成为特定发明的实施例。
图4所示的多层管结构的喷枪1，从其喷枪中心向着外圆周，依次设有原料气体喷射流道2、第一环状密封气体喷射流道10，环状可燃气体喷射流道3，第二环状密封气体喷射流道11及环状助燃气体喷射流道4，且在环状可燃气体喷射流道3内，沿圆周方向间隔设有多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道5。
图4所示的喷枪1是第三发明的具体的实施例。
作为未图示的其他的实施例，还有设置多个原料气体喷射流道、多个可燃气体喷射流道的例子。
例如在前述各实施例中，当喷枪中心部设有相毗邻的两个（或两个以上）原料气体喷射流道时，在这些原料气体喷射流道的外周被设置成多层管状的其他的气体喷射流道采用椭圆形，在此时的小口径助燃气体喷射流道采用焦点式时，规定椭圆的二个焦点，并使各小口径助燃气体喷射流道与此对应。
又，设有两个环状可燃气体喷射流道时，其中之一可以在前述各实施例的位置，另一个例如可设在喷枪的最外周。
构成上述喷枪1的管状或筒状构件由高耐热的石英玻璃、陶瓷等构成，但也可以把各气体喷射流道的前端部分用石英玻璃或陶瓷制造，余下部分用抗蚀性、抗药性出色的金属制造。
图5和图6为使用本发明的喷枪1实施的VAD法和OVD法的示意图。
在图5的VAD法中，21为具有排气系统22的反应容器，23为设在该反应容器21上部的、内装有发热体（电加热器）24的电炉，25为石英制的靶，26为靶25的转动拉上装置。如已知的那样，这样的VAD法，经喷枪1生成的玻璃微粒在靶25的下端依次堆积，成为多孔玻璃预成形材27。该多孔玻璃预成形材27经电炉23被透明玻璃化，成为棒状的透明玻璃预成形材28。
在图6的OVD法中，31为转动加往复运动方式的驱动装置，32为通过该驱动装置31被支承着的石英管制成的心轴，此种OVD法也如已知的那样，经喷枪1生成的玻璃微粒依次堆积在心轴32的外周，成为管状的多孔玻璃预成形材33。
实施这种VAD法和OVD法时的原料气体、可燃气体、助燃气体及密封气体，使用已提到的各种气体。
本发明的喷枪1被使用于上述的VAD法及OVD法，此时，由原料气体喷射流道2喷出的原料气体，借助来自环状可燃气体喷射流道3的可燃气体，及来自小口径助燃气体喷射流道5的助燃气体，发生火焰加水分解反应及/或热氧化反应，变成烟状的玻璃微粒。
这时，从小口径助燃气体喷射流道5喷出的助燃气体，因前述小口径助燃气体喷射流道5是喷管状的，所以被喷出时的流速极快。其结果，前述助燃气体与从配置在前述小口径助燃气体喷射流道5周围的环状可燃气体喷射流道3喷出的可燃气体发生的燃烧反应成为高速，燃烧量因而增大，与传统的多层管燃烧器相比，可获得极高的温度。因此，能促进玻璃微粒的堆积，而且能使通过该玻璃微粒的堆积形成的多孔玻璃预成形材的表面温度保持高而均匀的值，因此，该预成形材的玻璃微粒能被均匀且充分地烧合，能获得玻璃微粒密度基本均匀的预成形材。
尤其在各小口径助燃气体喷射流道5相互为焦点式的场合，这些效果更显著。
还有，在本申请案中，因为就象助燃气体是从小口径助燃气体喷射流道5喷出、而可燃气体例如氢是从环状可燃气体喷射流道3喷出的那样，各气体是以分离的状态流动的，所以，与例如以氢与氧预先混合的状态一起喷出的情况不同，火焰能在离喷枪前端某一距离外形成。尤其在本发明中，因为如前所述，助燃气体的流速很快，所以，能使火焰在离喷枪前端较远处形成。其结果，由可燃气体与助燃气体的燃烧产生的碳黑及通过这些可燃气体、助燃气体及原料气体形成的玻璃微粒便不易粘附在喷枪前端，导致喷枪的堵塞等问题。
又，当原料气体喷射流道2、小口径助燃气体喷射流道5的各前端为球面状时，更能防止玻璃微粒粘附在喷枪前端，更合适。
又，第一环状密封气体喷射流道10，也具有防止原料气体喷射流道2因玻璃微粒而被堵塞的效果，第二环状密封气体喷射流道11防止分隔环状可燃气体喷射流道3与环状助燃气体喷射流道4的管状或筒状构件的前端发生热变形。
再者，从环状助燃气体喷射流道4喷出的助燃气体并不直接参与玻璃微粒的合成，而有利于火焰的稳定。即，促使火焰从其中心部至周边部的温度分布达到均匀化。其结果，能防止多孔玻璃预成形材的表面出现凹凸，还能使玻璃微粒的密度均匀。
该原因，是由于从前述环状助燃气体喷射流道4喷出的助燃气体切断了大气与从内侧环状可燃气体喷射流道3喷出的可燃气体的接触，并通过该助燃气体，使烧剩下的前述可燃气体完全燃烧的缘故。也就是，由于从内侧的环状可燃气体喷射流道3喷出并烧剩的可燃气体，与空气中的氧气发生不稳定的燃烧反应，以至引起火焰外周部产生紊乱的现象得到了防止的缘故。
更具体的例子是，使用图1和图2所示的喷枪，以下述的条件实施图6的OVD法。
1.原料气体喷射流道2：SiCl4（50℃）＝3l/min（载体气体Ar）
可燃气体喷射流道3：H2＝35l/min→45l/min
助燃气体喷射流道4：O2＝5l/min→8l/min
助燃气体喷射流道5：O2＝16l/min
2.心轴32的外径：15mm    φ
横动速度：100mm/min
横动区间：350mm
心轴32的转速：60rpm
合成时间：约6.5小时
用上述条件制造的多孔玻璃预成形材为外径×长度＝120φ×350mm，其整个半径方向的玻璃微粒密度约为0.4g/cm3，且基本一定，完全无裂纹产生。
如以上说明，本发明中的特定发明涉及的光纤预成形材制造用喷枪，由于在位于该喷枪中心部的原料气体喷射流道的外周，如同包围该原料气体喷射流道似地，配置有多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道，在这各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状可燃气体喷射流道，所以，通过各小口径助燃气体喷射流道的特殊配置结构，便能稳定地制造多孔玻璃预成形材。
本发明中的第二发明涉及的光纤预成形材制造用喷枪，因为是在前述特定发明的喷枪中，在其环状可燃气体喷射流道的外周，设置环状助燃气体喷射流道，所以不仅能获得上述的效果，而且通过该环状助燃气体喷射流道，能使整个半径方向的火焰稳定。
本发明中的第三发明涉及的光纤预成形材制造用喷枪，因为是在特定发明的喷枪中，在其规定的气体喷射流道间，设置第一和第二环状密封气体喷射流道，所以，不仅能获得上述的效果，而且，能防止原料气体喷射流道因玻璃微粒而堵塞，能保护分隔环状可燃气体喷射流道及环状助燃气体喷射流道的管状或筒状构件的前端。

Claims (27)

1、一种光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪中心部设有任意数的原种气体喷射流道，在该位于喷枪中心部的原料气体喷射流道的外周，如同包围该原料气体喷射流道似地，配置多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道，在上述各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状可燃气体喷射流道。
2、按权利要求1记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪中心部设有一个原料气体喷射流道，在该原料气体喷射流道的外周，配置着各个小口径助燃气体喷射流道，在上述各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状可燃气体喷射流道。
3、按权利要求1记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪中心部设有两个互相毗邻的原料气体喷射流道，如同包围该两个原料气体喷射流道似地，配置着各个小口径助燃气体喷射流道，在上述各个小口径助燃气体喷射流道周围，设有环状可燃气体喷射流道。
4、按权利要求1至3中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，上述各个小口径助燃气体喷射流道均指向喷枪中心线上的一点。
5、按权利要求1至3中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，上述原料气体喷射流道和各个小口径助燃气体喷射流道的前端形成为球面状。
6、按权利要求2记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，原料气体喷射流道与环状可燃气体喷射流道为同心的圆所构成。
7、按权利要求3记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，上述环状可燃气体喷射流道由椭圆构成。
8、按权利要求1至7中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，上述喷枪的流道构件由石英玻璃构成。
9、按权利要求1至7中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，上述喷枪的流道构件由陶瓷构成。
10、一种光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪中心部设有任意数的原料气体喷射流道，在该位于喷枪中心部的原料气体喷射流道的外周，如同包围该原料气体喷射流道似地，配置多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道，在上述各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状可燃气体喷射流道，在这环状可燃气体喷射流道的外周，设有环状助燃气体喷射流道。
11、按权利要求10记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，在喷枪中心部设有一个原料气体喷射流道，在该原料气体喷射流道的外周，配置有各个小口径助燃气体喷射流道，在这各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状可燃气体喷射流道，在这环状可燃气体喷射流道的外周，设有环状助燃气体喷射流道。
12、按权利要求10记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，在喷枪中心部设有两个互相毗邻的原料气体喷射流道，在该两个原料气体喷射流道的外周，配置着各个小口径助燃气体喷射流道，在这各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状可燃气体喷射流道，在这环状可燃气体喷射流道的外周，设有环状助燃气体喷射流道。
13、按权利要求10～12中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，上述各小口径助燃气体喷射流道均指向喷射中心线上的一点。
14、按权利要求10～12中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，上述原料气体喷射流道和各小口径助燃气体喷射流道的前端形成为球面状。
15、按权利要求11记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，原料气体喷射流道、环状可燃气体喷射流道及环状助燃气体喷射流道为同心的圆所构成。
16、按权利要求12记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，环状可燃气体喷射流道及环状助燃气体喷射流道为同心的椭圆所构成。
17、按权利要求10至16中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪的流道构件由石英玻璃构成。
18、按权利要求10至16中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪的流道构件由陶瓷构成。
19、一种光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪中心部设有任意数的原料气体喷射流道，在该位于喷枪中心部的原料气体喷射流道的外周，设有第一环状密封气体喷射流道，在该第一环状密封气体喷射流道的外周，如同包围该环状密封气体喷射流道似地，配置着多个互相独立的小口径助燃气体喷射流道，在这各个小口径助燃气体喷射流道的外周，设有环状可燃气体喷射流道，在该环状可燃气体喷射流道的外周，设有第二密封气体喷射流道，在该第二密封气体喷射流道的外周，设有环状助燃气体喷射流道。
20、按权利要求19记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪中心部设有一个原料气体喷射流道，在该原料气体喷射流道的外周，设有第一环状密封气体喷射流道，在该第一环状密封气体喷射流道的外周，配置着各个小口径助燃气体喷射流道，在这各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状可燃气体喷射流道，在该环状可燃气体喷射流道的外周，设有第二密封气体喷射流道，在该第二密封气体喷射流道的外周，设有环状助燃气体喷射流道。
21、按权利要求19记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪中心部设有两个互相毗邻的原料气体喷射流道，在这两个原料气体喷射流道的外周，设有第一环状密封气体喷射流道，在该第一环状密封气体喷射流道的外周，配置着各个小口径助燃气体喷射流道，在这各个小口径助燃气体喷射流道的周围，设有环状可燃气体喷射流道，在该环状可燃气体喷射流道的外周，设有第二环状密封气体喷射流道，在该第二环状密封气体喷射流道的外周，设有环状助燃气体喷射流道。
22、按权利要求19～21中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，上述各小口径助燃气体喷射流道均指向喷枪中心线上的一点。
23、按权利要求19～21中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，上述原料气体喷射流道和各小口径助燃气体喷射流道的前端形成为球面状。
24、按权利要求20记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，原料气体喷射流道、第一环状密封气体喷射流道、环状可燃气体喷射流道、第二环状密封气体喷射流道及环状助燃气体喷射流道由同心的圆所构成。
25、按权利要求21记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，第一环状密封气体喷射流道、环状可燃气体喷射流道、第二环状密封气体喷射流道，及环状助燃气体喷射流道由同心的椭圆所构成。
26、按权利要求19至25中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪的流道构件由石英玻璃构成。
27、按权利要求19至25中任一项记载的光纤预成形材制造用喷枪，其特征为，喷枪的流道构件由陶瓷构成。
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