DE60209718T2

DE60209718T2 - Brenneranordnung zur herstellung von vorformen aus glas und zugehöriges produktionsverfahren

Info

Publication number: DE60209718T2
Application number: DE60209718T
Authority: DE
Inventors: Massimo Nutini; John Fordingbridge HAYES
Original assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Current assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Priority date: 2002-05-03
Filing date: 2002-05-03
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2022-05-04
Also published as: EP1515919A1; JP2005524597A; EP1515919B1; AU2002312877A1; US20050223750A1; DE60209718D1; WO2003093182A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brenneranordnung zum Herstellen von Glasvorformen, insbesondere optischen Glasfaser-Vorformen, und ein entsprechendes Herstellungsverfahren.
Stand der Technik
Optische Fasern für die Telekommunikation sind typischerweise Glasfasern auf Siliciumdioxidbasis mit hoher Reinheit, die aus Glasvorformen gezogen werden, wobei die Vorformen gemäß verschiedenen Glasablagerungsverfahren hergestellt werden können.
Einige von diesen Ablagerungsverfahren, einschließlich axialer Gasphasenablagerung (VAD) und äußerer Gasphasenablagerung (OVD), erfordern die Verwendung eines Verbrennungsbrenners zum Erzeugen von abzulagernden Glasrußteilchen. Dieser Brenner wird gewöhnlich mit einem Siliciumdioxid-Vorläufer wie z. B. SiCl₄ zusammen mit Verbrennungsgasen gespeist, so dass eine Hochtemperaturströmung zum Bilden von feinen Glasteilchen (d. h. SiO₂-Teilchen) erzeugt wird. Diese Strömung wird auf ein rotierendes Target gerichtet, um eine Glasrußvorform wachsen zu lassen, die anschließend zum Erhalten einer Glasvorform konsolidiert wird. Wahlweise kann der Brenner auch mit einem Dotierungsmaterial wie z. B. GeCl₄ gespeist werden, um den Brechungsindex des Glases geeignet zu modifizieren.
Gemäß dem VAD-Ablagerungsverfahren findet das Wachstum der Vorform in einer axialen Richtung statt. Der Ablagerungsbrenner wird typischerweise in einer im Wesentlichen festen Position gehalten, während die Vorform um ihre Achse gedreht wird und bezüglich des Brenners langsam nach oben (oder nach unten) bewegt wird, um das axiale Wachstum der Vorform zu bewirken. Alternativ kann die rotierende Vorform in einer im Wesentlichen festen Position gehalten werden, während der Ablagerungsbrenner bezüglich der Vorform langsam nach unten (oder nach oben) bewegt wird.
Im Unterschied dazu findet beim OVD-Ablagerungsverfahren das Wachstum der Vorform in einer radialen Richtung statt. In diesem Verfahren wird ein rotierendes Target (z. B. ein Quarzglasstab) im Allgemeinen in einer festen horizontalen oder vertikalen Position angeordnet und der Ablagerungsbrenner wird parallel zur Achse des Targets hin- und herbewegt, während das Target um seine Achse in Rotation versetzt wird. Die so hergestellte optische Vorform umfasst einen Kernabschnitt und einen Mantelabschnitt mit einer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung, so dass ein vorbestimmtes radiales Brechungsindexprofil erhalten werden kann.
Genauer wird der Ablagerungsprozess gewöhnlich in zwei Schritten durchgeführt: einem ersten Schritt zum Ausbilden einer Kernvorform mit dem Kern und einem ersten Abschnitt des Mantels und einem zweiten Schritt ("Übermantelung" genannt) zum Ablagern einer weiteren Glasschicht auf der Kernvorform, wobei somit eine poröse endgültige Vorform erhalten wird.
Am Ende jedes Ablagerungsschritts wird die Vorform konsolidiert. Insbesondere wird nach dem Übermantelungsschritt die poröse endgültige Vorform konsolidiert, um eine feste endgültige Glasvorform auszubilden, die dazu geeignet ist, anschließend zu einer optischen Faser gezogen zu werden.
Herkömmliche Brenner zur Herstellung von optischen Vorformen umfassen eine Vielzahl von koaxialen röhrenförmigen Wänden (oder Rohren), durch die die Glasvorläufermaterialien (d. h. Siliciumdioxid-Vorläufer wie z. B. SiCl₄, wahlweise zusammen mit Dotierungsmaterialien wie z. B. GeCl₄), die Verbrennungsgase (z. B. Sauerstoff und Wasserstoff oder Methan) und wahlweise ein gewisses Inertgas (z. B. Argon oder Helium) zugeführt werden. Typischerweise wird das Glasvorläufermaterial durch die durch das zentrale Rohr definierte Leitung zugeführt, während andere Gase durch die ringförmigen Leitungen, die zwischen den konzentrisch angeordneten Rohren gebildet sind, zugeführt werden. Der Einlass einer Leitung wird nachstehend als "Einlassöffnung" bezeichnet, während der Austrittsabschnitt eines Rohrs als "Düse" bezeichnet wird.
Um die Ausbeute des Ablagerungsprozesses zu verbessern, wurde die Forschung in den letzten Jahren der Steigerung der Rate (g/min), mit der der Ruß synthetisiert und abgelagert wird, für eine Einheitszeit gewidmet.
Das Problem des Erreichens einer hohen Syntheserate in dem VAD-Verfahren durch eine Steigerung des Reaktionswirkungsgrades wird in US 4 618 354 angegangen. Dieses Patent betrifft einen Brenner mit mehreren Flammen, in dem die k-te Flamme hinter der (k + 1)-ten Flamme angeordnet ist, um die Ablagerungsrate von feinen Glasteilchen zu verbessern. Insbesondere ist ein Doppelflammenbrenner, der eine innere Flamme und eine äußere Flamme erzeugen kann, beschrieben, wobei die innere Flamme von der äußeren Flamme rückwärts beabstandet ist.
1 zeigt (in einer Teilansicht) einen Doppelflammenbrenner, wie in US 4 618 354 beschrieben. Das Bezugszeichen 21 bedeutet eine Glasmaterial-Zuführungsöffnung; 22 eine Zuführungsöffnung für brennbares Gas zum Auslassen eines Wasserstoffgases; 23 eine Inertgas-Zuführungsöffnung zum Auslassen von He, Ar oder N₂; 24 eine Hilfsgas-Zuführungsöffnung zum Auslassen von O₂; und 25 eine weitere Inertgaszuführung. Die Öffnungen 21–25 sind in der Reihenfolge dieser Bezugszeichen konzentrisch angeordnet und bilden eine innere Anordnung mit mehreren Öffnungen zum Bilden einer inneren Flamme. Das brennbare Gas wird mit Hilfe des Hilfsgases verbrannt, um die innere Flamme zu erzeugen. Das Bezugszeichen 26 bedeutet eine Inertgas-Zuführungsöffnung; 27 eine Zuführungsöffnung für brennbares Gas; 28 eine weitere Inertgas-Zuführungsöffnung; und 29 eine Hilfsgas-Zuführungsöffnung. Diese Öffnungen 26–29 sind in der Reihenfolge dieser Bezugszeichen um die Öffnung 25 konzentrisch angeordnet und bilden eine äußere Anordnung mit mehreren Öffnungen zum Bilden einer äußeren Flamme. Das brennbare Gas wird mit Hilfe des Hilfsgases verbrannt, um die äußere Flamme zu erzeugen. Die innere Mehrfachöffnung ist rückwärts von der äußeren Mehrfachöffnungsanordnung um einen Abstand 1 beabstandet.
Daher sind die durch die Öffnungen zugeführten Gase von der innersten Einlassöffnung zur äußersten Einlassöffnung ein Glasrohmaterial, H₂, Ar, O₂, Ar, ein Glasrohmaterial bzw. Ar, H₂, Ar und O₂.
Wie in US 4 618 354 angegeben, führt die Vergrößerung der Flammenlänge aufgrund der Anwesenheit einer äußeren Flamme zu einer Zunahme der Menge der abgelagerten feinen Glasteilchen.
Dieser Vorteil wird von EP 204 461 bestätigt, das angibt, dass infolge der Verwendung einer Doppelflamme das Wachstum von feinen Glasteilchen in der Flamme beschleunigt wird, der Teilchendurchmesser zunimmt und der Sam melwirkungsgrad verbessert wird.
EP 204 461 bemerkt jedoch, dass, wenn ein Dotierungsrohmaterial zum Bilden einer Brechungsindexverteilung zum Brenner zugeführt wird, dieses Material aufgrund der langen Zeit, die es in der Flamme bleibt, mehr als erforderlich in der Flamme diffundiert werden kann. Folglich schlägt EP 204 461 einen anderen VAD-Brenner vor, bei dem das zentrale Rohr, durch das ein Dotierungsreaktionsmittel (GeCl₄) zugeführt wird, in Bezug auf die anderen Rohre, die die innere Flamme bilden, nach vorn beabstandet ist, um die Verweilzeit des Dotierungsmaterials innerhalb der Flamme zu verkürzen. In dem in EP 204 461 beschriebenen Brenner sind die Gase, die zu den verschiedenen Leitungen zugeführt werden, von der innersten Einlassöffnung zur äußersten Einlassöffnung GeCl₄, SiCl₄ und H₂, Ar, O₂, Ar, Ar, SiCl₄ bzw. H₂, Ar, O₂.
Einige Patente offenbaren auch das Vormischen des Rohmaterials mit einem geeigneten Gas wie z. B. einem Inertgas ( EP 698 581 ), He ( JP 2120251 ), O₂ ( US 4 406 680 ) oder H₂ ( JP 55144433 ) für verschiedene Zwecke. Insbesondere beschreibt JP 55144433 einen Ein-Flammen-Brenner für fünf Schichten, bei dem das Rohmaterial (SiCl₄) mit H₂ in der zentralen Leitung zugeführt wird und bei dem die H₂-Durchflussrate verändert wird, um durch eine stabile Hochgeschwindigkeitsproduktion eine optische Faser mit einer festgelegten Brechungsindexverteilung zu erhalten. H₂ wird auch zu GeCl₄ in einer zweiten Schicht zugegeben und individuell zu einer vierten Schicht zugeführt, während die dritte und die fünfte Schicht mit einem Inertgas bzw. O₂ gespeist werden.
Der Anmelder hat das Problem der weiteren Steigerung der Verfahrensausbeute in einem VAD-Verfahren, insbesondere der Rate, mit der der Glasruß synthetisiert und abgelagert wird, in Angriff genommen.
Der Anmelder beobachtet, dass ein Mehrflammenbrenner für Leistungen mit hoher Ausbeute erforderlich ist und dass, um eine weitere Steigerung der Ablagerungsrate zu erzielen, eine Erhöhung des Durchflusses des Rohmaterials auch erforderlich ist. Der Anmelder ist der Meinung, dass bei den vorher beschriebenen Verfahren, die von zwei Flammen Gebrauch machen, eine weitere Steigerung der Menge an Rohmaterial, das zum Brenner zugeführt wird, zu einer Verringerung des Ablagerungswirkungsgrades führen würde. Bei der Verwendung der bekannten Brenner würde tatsächlich das Erhöhen der Durchflussrate des Rohmaterials auch die Turbulenz erhöhen und folglich würden sowohl der Einschluss von Siliciumdioxidteilchen als auch die Ausdehnung der laminaren Grenzschicht an dem Ruß-Target verringert werden. Ferner würde der Wirkungsgrad der Reaktion, durch die Teilchen gebildet werden, aufgrund einer verringerten Eindringung von Wasser und Wärme in den zentralen Kern des Stroms von Rohmaterial sinken, während sowohl Wasser als auch Wärme erforderlich sind, damit die Hydrolysereaktion der Teilchenbildung effizient geschieht.
Das Problem einer verringerten Eindringung von Wasser und Wärme nach innen entsteht auch, wenn die Abmessungen der zentralen Leitung des Brenners vergrößert werden, um die Austrittsgeschwindigkeit des Glasrohmaterials infolge der erhöhten Abmessungen der Flamme im Wesentlichen konstant zu halten. Überdies kann eine Vergrößerung der Abmessungen des Brenners zu einer Verringerung des Teilchensammelwirkungsgrades, d. h. des Bruchteils der erzeugten Teilchen, die auf das Ablagerungstarget auftreffen, führen.
Angesichts des Obigen ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren, das das stabile Wachstum einer zylindrischen porösen Rußvorform mit höheren Synthese- und Ablagerungsraten ermöglicht, und eine Brenneranordnung für ein solches Verfahren zu schaffen.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Anmelder hat festgestellt, dass in einem Ablagerungsverfahren, das unter Verwendung eines Mehrflammenbrenners durchgeführt wird, das Zuführen einer beträchtlichen Menge des brennbaren Gases, das für die zentrale Flamme erforderlich ist, zur zentralen Leitung des Brenners zusammen mit dem Glasvorläufermaterial das Verbessern der Glasruß-Syntheserate und -Ablagerungsrate ermöglicht. Diese Verbesserung liegt laut dem Anmelder an der Tatsache, dass die innere Flamme intern den Glasrohmaterialstrom erzeugt und das Rußteilchenbildungsverfahren effizienter stattfindet.
Eine zweite Flamme, die die zentrale umgibt, ist zum Einschränken der ersten Flamme (die sich ansonsten gewöhnlich ausbreiten würde) und zum Unterstützen des Teilchenbildungsverfahrens vorgesehen, während eine dritte (äußere) Flamme vorteilhafterweise zum Verbessern des thermophoretischen Effekts auf die wachsende Vorformoberfläche während des Teilchenablagerungsverfahrens und des Einschränkungseffekts auf den Teilchenstrom vorgesehen ist.
In der Praxis werden der Reaktionsauslösungseffekt und der Einschränkungseffekt, die durch die innere Flamme in einem Doppelflammenbrenner einer bekannten Art vorgesehen werden, wobei die innere Flamme um den Glasrohmaterialstrom erzeugt wird, durch zwei verschiedene Flammen in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung vorgesehen, wobei die innere Flamme innerhalb des Glasrohmaterialstroms erzeugt wird. Dies führt zuallererst zu einer Steigerung der Syntheserate. Zweitens beginnt die Reaktion sehr nahe an den Düsen, die der ersten Flamme zugeordnet sind, und die Reaktionszeit wird daher verlängert.
Die dritte Flamme in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hat im Wesentlichen dieselbe Funktion wie die zweite Flamme in den vorher beschriebenen Doppelflammenbrennern.
Der Anmelder hat bestätigt, dass die Verbesserung maximal ist, wenn das brennbare Gas und das Glasvorläufermaterial in einem molaren Konzentrationsverhältnis zwischen etwa 0,8 und 1,2 vermischt werden, bevor sie der inneren Leitung zugeführt werden. Vorzugsweise wird die ganze Menge an brennbarem Gas der ersten Flamme mit dem Glasvorläufermaterial vermischt. Alternativ kann eine bestimmte Menge des brennbaren Gases zu einer anderen Leitung des Brenners zugeführt werden, beispielsweise einer Leitung, die die zentrale unmittelbar umgibt, vorausgesetzt, dass das molare Konzentrationsverhältnis zwischen dem brennbaren Gas und dem Glasvorläufermaterial in der zentralen Leitung mindestens 0,8 ist.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft folglich ein Verfahren zur Herstellung einer optischen Glasfaser-Vorform, umfassend:

– Bereitstellen eines Brenners in der Richtung eines Ablagerungstargets; und
– Erzeugen einer ersten Flamme, einer zweiten Flamme, die die erste Flamme umgibt, und einer dritten Flamme, die die erste Flamme umgibt, mittels des Brenners, wobei das Erzeugen der ersten Flamme das Zuführen von vorbestimmten Mengen eines brennbaren Gases, eines die Verbrennung unterstützenden Gases und eines Glasvorläufermaterials zu dem Brenner umfasst, und wobei das Erzeugen der ersten Flamme das Zuführen von mindestens 30 Vo lumen-% der vorbestimmten Menge des brennbaren Gases zu einer zentralen Leitung des Brenners, das mit dem Glasvorläufermaterial vermischt ist, umfasst.

Vorzugsweise ist der Bruchteil des brennbaren Gases, das zur zentralen Leitung zugeführt wird, mindestens 60%, bevorzugter mindestens 90%. Noch bevorzugter wird das ganze brennbare Gas der ersten Flamme zur zentralen Leitung zusammen mit dem Glasvorläufermaterial zugeführt.
Der Anmelder hat auch festgestellt, dass die besten Leistungen erhalten werden, wenn das brennbare Gas der ersten Flamme und das Glasvorläufermaterial dem Brenner in einem molaren Konzentrationsverhältnis zwischen etwa 0,8 und 1,2 zugeführt werden; bevorzugter werden das brennbare Gas und das Glasvorläufermaterial vorgemischt und der zentralen Leitung in einem molaren Konzentrationsverhältnis von mindestens 0,8, noch bevorzugter von etwa 1 zugeführt.
Vorzugsweise umfasst der Schritt des Erzeugens der ersten Flamme ferner das Zuführen eines Inertgases zu einer zweiten Leitung, die die zentrale Leitung umgibt, und das Zuführen des die Verbrennung unterstützenden Gases zu einer dritten Leitung, die die zweite Leitung umgibt.
Beide Schritte des Erzeugens der zweiten Flamme und des Erzeugens der dritten Flamme können das Vormischen eines brennbaren Gases mit einem Inertgas mit einer kinematischen Viskosität, die niedriger ist als jene von Sauerstoff, umfassen.
In einem zweiten Aspekt davon betrifft die vorliegende Erfindung eine Brenneranordnung zum Erzeugen eines Glasrußteilchenstroms in einem Verfahren zur Herstellung einer optischen Glasfaser-Vorform, wobei die Brenneranordnung umfasst:

– einen Brenner mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Satz von Leitungen zum Erzeugen einer inneren, einer mittleren bzw. einer äußeren Flamme;
– ein Gaszuführsystem mit einer Quelle für ein Glasvorläufermaterial, einer Quelle für ein brennbares Gas und einer Quelle für ein die Verbrennung unterstützendes Gas und ferner mit einem Mischer zum Erzeugen eines Gemisches des Glasvorläufermaterials und des brennbaren Gases, wobei der Mischer strömungsmäßig mit einer zentralen Leitung des Brenners verbunden ist, um das Gemisch zur zentralen Leitung zuzuführen.

Vorzugsweise ist die zentrale Leitung die einzige Leitung des ersten Satzes von Leitungen, die mit einer Quelle für ein brennbares Gas strömungsmäßig verbunden ist.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt in einer teilweisen Querschnittsansicht einen Brenner einer bekannten Art;
2 ist eine schematische Darstellung einer Brenneranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Brenner und einem Gaszuführsystem;
3 ist eine erläuternde Darstellung eines Ablagerungsverfahrens zum Wachstum einer Glasrußvorform;
4 ist ein nicht maßstäblicher Längsschnitt gemäß der Ebene IV-IV eines Teils des Brenners von 2;
5 ist ein nicht maßstäblicher Querschnitt gemäß der Ebene V-V des Brenners von 2;
6 stellt das Gaszuführsystem von 2 genauer dar; und
7 zeigt die Ergebnisse von Zahlensimulationen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Mit Bezug auf die erläuternde und schematische Ansicht von 2 gibt das Bezugszeichen 1 eine erfindungsgemäße Brenneranordnung zum Synthetisieren von feinen Glasteilchen an. Die Brenneranordnung 1 umfasst einen Mehrflammenbrenner 2 und ein Gaszuführsystem 3, um die Gase zum Brenner 2 zuzuführen.
Der Brenner 2, wie im Folgenden beschrieben, ist vorzugsweise ein Dreiflammenbrenner und ist für die Verwendung in einem Übermantelungsablagerungsverfahren zur Herstellung einer Glasrußvorform besonders geeignet. In einem solchen Verfahren, wie in der erläuternden Darstellung von 3 gezeigt, wird der Brenner 2 in Richtung eines rotierenden Ablagerungstargets 10 gerichtet, um Rußteilchen darauf abzulagern, um eine Rußvorform 11 wachsen zu lassen. Während des Verfahrens wird das Target 10 (das typischerweise eine Glaskernvorform ist) um seine Längsachse, die hier mit 12 angegeben ist, in Rotation versetzt.
Der Brenner 2 umfasst eine Basis 4 zum Aufnehmen der erforderlichen Gase vom Gaszuführsystem 3 und zum Befestigen des Brenners 2 an einer Stützstruktur (nicht dargestellt) und einen Gasausstoßzylinder 5 mit mehreren Rohren, der die Gase entlang der durch seine Längsachse 6 definierten Richtung ausstoßen kann.
Wie im Längs- und Querschnitt von 4 und 5 gezeigt, umfasst der Zylinder 5 eine Vielzahl von koaxialen röhrenförmigen Wänden (oder Rohren) 31–39 (fortschreitend von der inneren zur äußeren nummeriert), die vorzugsweise aus Metall bestehen, beispielsweise AISI 303, AISI 304, AISI 310 oder AISI 316L (wobei AISI das Akronym von American Institute Steel and Iron ist). Die röhrenförmige Wand 31 definiert eine erste (oder zentrale) Gasleitung 41 mit kreisförmigem Querschnitt, während jede der anderen Wände 32–39 zusammen mit der Wand, die sie umgibt, eine jeweilige Gasleitung 42–49 mit ringförmigem Querschnitt (fortschreitend von der inneren zur äußeren nummeriert) definiert.
Die Leitungen 41–49 können in einen ersten (oder inneren), einen zweiten (oder mittleren) und einen dritten (oder äußeren) Satz von Leitungen 7, 8, 9 gruppiert werden, die zum Erzeugen einer ersten, einer zweiten bzw. einer dritten Flamme verwendet werden. Wie in 4 gezeigt, enden die Leitungen des ersten, des zweiten und des dritten Satzes 7, 8, 9 vorzugsweise in in Längsrichtung beabstandeten Positionen, insbesondere enden die Wände 33–35 in Bezug auf die Wände 31, 32 nach vorn und die Wände 36–39 enden in Bezug auf die Wände 33–35 nach vorn. Folglich wird die zweite Flamme an einem Punkt erzeugt, an dem die erste Flamme bereits gebildet wurde, und die dritte Flamme wird an einem Punkt erzeugt, an dem die zweite Flamme bereits gebildet wurde.
In dieser Weise wird die gesamte Flammenlänge zusammen mit der Verweilzeit der Teilchen innerhalb der Flamme erhöht.
Vorzugsweise umfasst der Brenner 2 ferner ein äußeres Glasrohr 40, das das Rohr 39 umgibt und weiter vorn in Bezug auf die Rohre 36–39 endet, um die Bündelung und Einschränkung der dritten Flamme zu verbessern. Glas ist in diesem Fall aufgrund der hohen Temperatur, die von der Dreifachflamme am Ausgang des Brenners erreicht wird, bevorzugt.
Die Leitungen des ersten Satzes 7 werden verwendet, um jeweilige Gase zu einem Gasmischpunkt zu befördern, an dem die erste Flamme erzeugt wird und an dem die Reaktion, die die Glasrußteilchen erzeugt, beginnt.
Genauer:

– die erste Leitung 41 wird verwendet, um ein Glasvorläufermaterial, vorzugsweise einen Siliciumdioxid-Vorläufer wie z. B. SiCl₄, zusammen mit einem brennbaren Gas wie z. B. H₂ zu befördern;
– die zweite Leitung 42 wird verwendet, um ein Inertgas, vorzugsweise ein Inertgas derart zu befördern, dass das Verhältnis zwischen seinem Molekulargewicht und dem Gewicht des brennbaren Gases mindestens 10:1 ist, beispielsweise Ar oder weniger bevorzugt N₂; und
– die dritte Leitung 43 wird verwendet, um ein die Verbrennung unterstützendes Gas (nachstehend auch als "Hilfsgas" bezeichnet) zu befördern, insbesondere ein Oxidationsgas wie O₂, das für die Verbrennung des brennbaren Gases erforderlich ist.

Das Vormischen einer beträchtlichen Menge des brennbaren Gases, das für die zentrale Flamme erforderlich ist, mit dem Glasvorläufermaterial und das Zuführen des Gemisches zur zentralen Leitung 41 führt zu einer Verbesserung der Glasruß-Syntheserate und -Ablagerungsrate. Gemäß dem Anmelder wird durch Erzeugen der ersten Flamme innerhalb des Glasrohmaterialstroms der Wirkungsgrad des Rußteilchenbildungsverfahrens tatsächlich erhöht.
Vorzugsweise wird die erste Flamme durch Zuführen eines Glasvorläufermaterials und eines brennbaren Gases in einem molaren Konzentrationsverhältnis zwischen etwa 0,8 und 1,2 zum Brenner 2 erzeugt.
In der bevorzugten Ausführungsform von 4 wird das ganze brennbare Gas der ersten Flamme zur ersten Leitung 41 zugeführt, in welchem Fall das molare Konzentrationsverhältnis zwischen dem brennbaren Gas und dem Glasvorläufermaterial in der ersten Leitung 41 zwischen etwa 0,8 und 1,2 liegt. Bevorzugter ist das Verhältnis etwa 1. Das Zuführen des ganzen brennbaren Gases zusammen mit dem Glasvorläufermaterial zur inneren Leitung ermöglicht, dass der Brenner verringerte Abmessungen aufweist, da eine separate Leitung für das brennbare Gas der inneren Flamme nicht erforderlich ist.
Alternativ kann ein Bruchteil des brennbaren Gases der ersten Flamme zur zweiten Leitung 42 mit dem Inertgas vorgemischt zugeführt werden oder der Brenner kann eine weitere Leitung (nicht dargestellt) zwischen der ersten Leitung 41 und der zweiten Leitung 42 umfassen, um einen Bruchteil des brennbaren Gases der ersten Flamme zu befördern. In diesen alternativen Ausführungsformen wird ein beträchtlicher Bruchteil des brennbaren Gases der ersten Flamme, vorzugsweise mehr als 30 Volumen-%, bevorzugter mehr als 60%, noch bevorzugter mehr als 90%, zur ersten Leitung 41 zugeführt, während der restliche Teil des brennbaren Gases zur zweiten Leitung 42 oder zu der weiteren Leitung zugeführt wird. Vorteilhafterweise ist das molare Konzentrations verhältnis zwischen dem brennbaren Gas und dem Glasvorläufermaterial in der ersten Leitung 41 mindestens 0,8.
Vorteilhafterweise wird kein weiteres Gas mit dem Glasvorläufermaterial vorgemischt, so dass das Gasgemisch, das zur ersten Leitung 41 zugeführt wird, nur aus dem Glasvorläufermaterial und brennbaren Gas besteht.
Der Strom des Inertgases in der zweiten Leitung 42 ist erforderlich, um die Verschlechterung der Düsen zu verhindern, die auftreten könnte, wenn die Düsen für Wasserstoffgas und für Sauerstoffgas der inneren Flamme benach bart angeordnet wären.
Der zweite Satz von Leitungen 8 umfasst:

– eine vierte Leitung 44 für ein Inertgas wie Ar;
– eine fünfte Leitung 45 für ein brennbares Gas wie z. B. H₂, das mit einem Gas mit niedriger kinematischer Viskosität, insbesondere einem Inertgas wie Ar, vorgemischt wird; und
– eine sechste Leitung 46 für ein Hilfsgas, insbesondere ein Oxidationsgas wie O₂, das für die Verbrennung des brennbaren Gases verwendet wird.

Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung gibt die "kinematische Viskosität" das Verhältnis zwischen der Viskosität und der Dichte des Gases an und ein "Gas mit niedriger kinematischer Viskosität" ist ein Gas mit einer kinematischen Viskosität, die niedriger ist als jene der Produkte der Verbrennungsreaktion, nämlich O₂ und H₂O. Da O₂ eine niedrigere kinematische Viskosität aufweist als H₂O, bezieht sich "Gas mit niedriger kinematischer Viskosität" hier auf ein Gas mit einer kinematischen Viskosität, die niedriger ist als jene von O₂, wie z. B. Ar oder Xe. Stickstoff (N₂) ist weniger bevorzugt, kann jedoch alternativ verwendet werden. Inertgase wie z. B. Helium und Neon weisen eine kinematische Viskosität auf, die höher ist als jene von Sauerstoff, und sind daher für diese Anwendung ungeeignet. Der Vorteil der Verwendung eines Gases mit niedriger kinematischer Viskosität wird im Folgenden beschrieben.
Der dritte Satz von Leitungen 9 ist ähnlich zum zweiten Satz 8 und umfasst:

– eine siebte Leitung 47 für ein Inertgas wie Ar;
– eine achte Leitung 48 für ein brennbares Gas wie z. B. H₂, das mit einem Gas mit niedriger kinematischer Viskosität wie Ar vorgemischt wird; und
– eine neunte Leitung 49 für ein Hilfsgas, insbesondere ein Oxidationsgas wie O₂, das für die Verbrennung des brennbaren Gases verwendet wird.

Während im Brenner von 1 die innere Flamme die doppelte Funktion der Bereitstellung der Energie für die Glasteilchenbildung und der Einschränkung des Teilchenstroms besitzt, werden im Brenner der vorliegenden Erfindung diese zwei Funktionen separat von der inneren bzw. der mittleren Flamme durchgeführt. Die vom Brenner der vorliegenden Erfindung erzeugte dritte Flamme hat eine Funktion entsprechend jener der zweiten Flamme des Brenners von 1, d. h. die Verbesserung der radialen Einschränkung der Glas rußteilchen und die Führung derselben auf das Ablagerungstarget und auch die Bereitstellung eines thermophoretischen Effekts an der Oberfläche der Rußvorform und die Steuerung der Temperatur daran.
In der zweiten wie in der dritten Flamme bewirkt das Vormischen eines Inertgases (Ar) zusammen mit dem brennbaren Gas (H₂), dass sich die Flamme von den Düsen am Ausgang der Leitungen des Brenners löst, so dass sich diese Düsen nicht verschlechtern. Durch Vormischen von H₂ mit einem Inertgas, ist es ferner möglich, dass sich H₂ und O₂ in zwei benachbarten Leitungen befinden, da die Anwesenheit von Ar die Diffusion von H₂ in Richtung des Stroms von O₂ spürbar verringert. Dies ist ein weiterer Vorteil gegenüber den bekannten Brennern, bei denen eine separate Leitung für das Inertgas typischerweise zwischen die H₂- und O₂-Leitungen gesetzt ist. Folglich werden die radialen Abmessungen des Brenners verringert. Es ist insbesondere zu erkennen, dass der Brenner der vorliegenden Erfindung drei Flammen mit derselben Anzahl von Leitungen, die für den Brenner von 1 erforderlich sind, um zwei Flammen zu erzeugen, erzeugen kann.
Eine kompaktere Flammenanordnung trägt zum Verringern der Ausbreitung der Teilchen bei und verbessert folglich den Teilchensammelwirkungsgrad und die gesamte Ablagerungsausbeute. Die Rußbildungsreaktion wird daher in einen Bereich mit kleineren radialen Abmessungen eingeschränkt.
Überdies bestimmt das Vormischen eines zweckmäßigen Stroms eines Gases mit niedriger kinematischer Viskosität mit dem brennbaren Gas der zweiten und der dritten Flamme eine Verringerung der Strömungsdiffusionseffekte, die die Diffusionseffekte ausgleicht, die durch Turbulenz verursacht werden. In der Praxis definieren die Ströme des Gases mit niedriger kinematischer Viskosität innerhalb der zweiten und der dritten Flamme jeweilige thermophoretische Einschränkungsschichten, die einen verbesserten Führungseffekt für die inneren Teilchen vorsehen. Folglich wird die Ausbreitung der inneren Flamme weiter verringert.
Obwohl ein Dreiflammenbrenner beschrieben wurde, ist zu erkennen, dass ein Brenner, der eine höhere Anzahl von Flammen erzeugen kann, realisiert werden kann, beispielsweise indem zur vorstehend beschriebenen Struktur ein oder mehrere Sätze von Leitungen wie die Sätze 8, 9 hinzugefügt werden.
Mit Bezug auf 6 kann das Gaszuführsystem 3 eine Vielzahl von Gasquellen 50, um die verschiedenen Gase zu erzeugen, eine Vielzahl von Massendurchflussreglern (MFC) 51 zum Regeln der Durchflussraten, die in Richtung der verschiedenen Leitungen des Brenners 2 gerichtet werden, eine vorbestimmte Anzahl von Gasteilern 52 zum Teilen der Gasströme an vorbestimmten Punkten des Gaszuführsystems 3 und eine vorbestimmte Anzahl von Gasmischern 53 zum Vormischen von vorbestimmten Gasen vor dem Zuführen zum Brenner 2 umfassen. Gasmischer können einfach T-Stücke, mit anderen Worten, Verbindungen im Rohr, sein.
Genauer umfassen die Gasquellen 50 vorzugsweise eine Quelle für ein Glasvorläufermaterial 50a (wie z. B. SiCl₄), eine Quelle für ein brennbares Gas 50b (wie z. B. H₂), eine Quelle für ein Inertgas 50c (wie z. B. Ar) und eine Quelle für ein Hilfsgas 50d (wie z. B. O₂). Weitere Gasquellen können vorgesehen sein, wenn andere Gase erforderlich sind. Die Gasquellen können von einer auf dem Fachgebiet bekannten beliebigen Art sein.
Während eine einzelne Fluidverbindung zum Verbinden der Gasquelle 50a mit dem Brenner 2 (insbesondere mit der zentralen Leitung 41) erforderlich ist, sind verzweigte Verbindungen am Ausgang von jeder der anderen Gasquellen vorgesehen, so dass separate Ströme der entsprechenden Gase für die ver schiedenen Leitungen des Brenners vorliegen. Um die verschiedenen Gase zum Brenner zu liefern, wie in 4 gezeigt, weist das Rohr am Ausgang der Quelle 50b für das brennbare Gas insbesondere drei Verzweigungen auf, das Rohr am Ausgang der Inertgasquelle 50c weist vier Verzweigungen auf und das Rohr am Ausgang der Hilfsgasquelle 50d weist zwei Verzweigungen auf. Jedes Zufüh rungsrohr ist mit einem MFC 51 zum Regeln des Durchflusses des entsprechenden Gases versehen.
Ein erster Gasmischer 53a ist mit der Glasvorläufermaterial-Quelle 50a und mit der Quelle 50b für das brennbare Gas strömungsmäßig verbunden (über eine entsprechende verzweigte Verbindung), um das Glasvorläufermaterial und das brennbare Gas zu mischen. Der Ausgang des ersten Gasmischers 53a ist mit der zentralen Leitung 41 strömungsmäßig verbunden, um zu dieser das Gemisch des Glasvorläufermaterials und des brennbaren Gases zuzuführen. Mit "strömungsmäßige Verbindung" ist irgendeine physikalische Verbindung durch Rohre oder irgendeine andere Art von Leitungen, die zum Befördern von Fluiden geeignet sind, gemeint.
Die zentrale Leitung 41 ist die einzige Leitung des ersten Satzes von Leitungen 7, die strömungsmäßig mit einer Quelle für ein brennbares Gas verbunden ist.
Ein erster Gasteiler 52a besitzt einen Eingang, der mit der Inertgasquelle 50c verbunden ist, und einen ersten und einen zweiten Ausgang zum Liefern von zwei separaten Strömen desselben Gases. Ein zweiter Gasmischer 53b besitzt einen ersten Eingang, der mit der Quelle 50b für das brennbare Gas verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem ersten Ausgang des ersten Gasteilers 52a verbunden ist, und kann das brennbare Gas mit dem Inertgas mischen und das Gemisch zur fünften Leitung 45 des Brenners 2 zuführen. Ebenso besitzt ein dritter Gasmischer 53c einen ersten Eingang, der mit der Quelle 50b für das brennbare Gas verbunden ist, und einen zweiten Eingang, der mit dem zweiten Ausgang des ersten Gasteilers 52a verbunden ist, und kann das brennbare Gas und das Inertgas mischen und das Gemisch zur achten Leitung 48 des zweiten Brenners 2 zuführen.
Ein zweiter Teiler 52b besitzt einen Eingang, der mit der Hilfsgasquelle 50d verbunden ist, und einen ersten und einen zweiten Ausgang zum Zuführen von zwei separaten Strömen von Hilfsgas (O₂) zur dritten Leitung 43 bzw. zur sechsten Leitung 46.
In der alternativen Ausführungsform, in der ein Bruchteil des brennbaren Gases der ersten Flamme mit dem Inertgas vorgemischt zur zweiten Leitung 42 zugeführt wird, kann eine weitere verzweigte Verbindung am Ausgang der Quelle 50b für das brennbare Gas vorgesehen sein und ein weiterer Gasmischer kann zum Mischen des entsprechenden Stroms des brennbaren Gases mit dem Strom von Inertgas, der zur zweiten Leitung 42 gerichtet wird, vorgesehen sein. In der weiteren möglichen Ausführungsform, in der ein Bruchteil des brennbaren Gases der ersten Flamme zu einer zweckgebundenen Leitung (nicht dargestellt) zwischen den Leitungen 41 und 42 zugeführt wird, kann eine weitere verzweigte Verbindung, die direkt mit dieser zweckgebundenen Leitung in Verbindung steht, am Ausgang der Quelle 50b für das brennbare Gas vorgesehen sein.
ZAHLENSIMULATIONSTEST
Um die Wirksamkeit des Verfahrens der vorliegenden Erfindung beim Steigern der Syntheserate zu zeigen, hat der Anmelder eine Zahlensimulation durchgeführt. In dieser Simulation wurden Turbulenzeffekte in den Flammen durch das gut bekannte k-Epsilon-Modell simuliert, das beispielsweise in W. P. Jones, B. E. Launder, "The Prediction of Laminarization with a two-equation Model of Turbulence", Int. J. Heat and Mass Transfer, Band 15, S. 301–314, Pergamon Press, 1972, beschrieben ist. Überdies wurden die Verbrennungsreaktionen und die Siliciumdioxidbildung durch das gut bekannte Wirbelauflösungsmodell (eddy-dissipation model) simuliert, das beispielsweise in B. F. Magnussen, B. H. Hjertager, "On Mathematical Modeling of Turbulent Combustion With Special Emphasis on Soot Formation and Combustion", Proc. 16. Symposium on Combustion, S. 719, The Combustion Institute, 1976, beschrieben ist.
Insbesondere hat der Anmelder ein erfindungsgemäßes Verfahren, das hierin nachstehend als "A" identifiziert ist, in dem das ganze brennbare Gas der ersten Flamme zur ersten Einlassöffnung des Brenners mit dem Glasvorläufermaterial vermischt zugeführt wird, und ein Vergleichsverfahren, das als "B" identifiziert ist, in dem das brennbare Gas der ersten Flamme zur zweiten Einlassöffnung des Brenners zugeführt wird, während die erste Einlassöffnung nur mit Glasvorläufermaterial gespeist wird, betrachtet.
Genauer berichten die folgenden Tabellen 1 und 2 die Brennerarchitekturen und die zum Simulieren des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des Vergleichsverfahrens verwendeten Vorschriften. Hier und im Folgenden gibt "Leitung" die Leitung des Brenners mit derselben Nummerierung wie in 4 und 5 an, ΔL gibt die Verschiebung unter den Düsen des ersten, des zweiten und des dritten Satzes von Leitungen an, ID und OD geben den Innen- und den Außendurchmesser der zylindrischen Wand entsprechend der betrachteten Brennereinlassöffnung an und sim ist die Messeinheit des Gasdurchflusses in "Standardlitern pro Minuten". TABELLE 1
TABELLE 2
Die SiO₂-Konzentration wurde in den Abständen x₁ = 20 mm, x₂ = 40 mm und x₃ = 60 mm von den Düsen der inneren Flamme berechnet. Die Ergebnisse sind in 7 berichtet. Kurven sind mit dem Buchstaben des entsprechenden Ver fahrens (A oder B) und mit einem Index (20, 40 oder 60), der den Abstand x von den Düsen angibt, identifiziert. Die Abszissenachse bezieht sich auf den radialen Abstand r (in Metern) von der Achse 6 des Brenners und die Kurven sollen als in Bezug auf die Achse 6 (d. h. in Bezug auf die Achse r = 0) symmetrisch betrachtet werden. Die Ordinatenachse bezieht sich auf die Konzentration von SiO₂-Teilchen, die in der Reaktion gebildet werden.
Durch Vergleichen der Kurven A₂₀, A₄₀ und A₆₀ mit den entsprechenden Kurven B₂₀, B₄₀ und B₆₀ ist zu erkennen, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine höhere Menge an SiO₂ nahe den Düsen erzeugt, insbesondere in 20 mm von den Düsen, aber auch in 40 mm, während bei 60 mm die Erzeugung von SiO₂ in den beiden Fällen fast gleich ist. Dies liegt an der verbesserten Wärmeübertragung in Richtung des Kerns der Flamme, die im Brenner der vorliegenden Erfindung geschieht. Mit anderen Worten, die Anwesenheit des brennbaren Gases in der ersten Leitung führt zur Erzeugung der ersten Flamme innerhalb des Stroms von Glasvorläufermaterial und die Glastransformationsreaktion beginnt somit unmittelbar am Ausgang der Düsen. Der Ar-Strom in der zweiten Leitung verhindert, dass die erste Flamme mit den Düsen in Kontakt kommt.
VERSUCHSTESTS
Beispiel 1
Ein erster Satz von Versuchen wurde durchgeführt, um die Verfahrensleistungen zu vergleichen, wenn die relative Menge von brennbarem Gas in der ersten Leitung verändert wird.
Der Brenner ist ein Brenner mit neun Leitungen, wie vorher mit Bezug auf 2, 4 und 5 offenbart.
In einem ersten Versuch wird kein brennbares Gas zur zentralen Einlassöffnung zugeführt und die in den verschiedenen Einlassöffnungen beförderten Gasströme sind die folgenden:

– hinsichtlich der ersten Flamme werden 4 sim SiCl₄ zur zentralen Leitung zusammen mit 2 sim Ar zugeführt, 4 sim H₂ werden zur zweiten Leitung zusammen mit 3 sim Ar zugeführt, 12 sim O₂ werden zur dritten Leitung zugeführt und 1,7 sim Ar werden zur vierten Leitung zugeführt;
– hinsichtlich der zweiten Flamme werden 18 sim H₂ zusammen mit 34 sim O₂ verwendet und zum Erzeugen der dritten Flamme werden 54 sim H₂ zusammen mit 40 sim O₂ verwendet.

Die Leitungen der zweiten Flamme enden an einem Punkt, der 40 mm nach vorn in Bezug auf jene der innersten Flamme beabstandet ist, und die Leitun gen der dritten Flamme an einem Punkt, der 75 mm weiter vorwärts beabstandet ist.
Die Vorschrift und die Leitungsabmessungen des ersten Versuchs sind in der Tabelle 3 zusammengefasst. TABELLE 3
Rußteilchen werden für 40 min. auf einem Quarzzylinder mit 40 mm Durchmesser, der axial mit einer Geschwindigkeit von 290 mm/h parallelverschoben wird und mit einer Drehzahl von 20 U/min gedreht wird, abgelagert. Die mittlere Ablagerungsrate ist 2,15 g/min und der Wirkungsgrad ist 20%. Der Enddurchmesser der Rußvorform ist 61,2 mm.
In einem zweiten Versuch wird eine erfindungsgemäße Vorschrift verwendet. Hier sind die zweite und die dritte Flamme fast dieselbe wie im vorherigen Versuch. Insoweit als es um die innerste Flamme geht, werden im Einzelnen 4 sim H₂ zur zentralen Leitung zusammen mit 4 sim SiCl₄ zugeführt, 16 sim O₂ werden zur dritten Leitung zugeführt, um das brennbare Gas der innersten Leitung zu verbrennen, und 1,5 sim Inertgas werden zur zweiten Leitung zugeführt, um Beschädigungen der Brennerdüsen zu verhindern. Die Vorschrift und die Leitungsabmessungen des zweiten Versuchs sind in Tabelle 4 zusammengefasst. TABELLE 4
Das Verfahren wird für dieselbe Zeit und unter denselben Bedingungen wie der erste Versuch ausgeführt. Die mittlere Ablagerungsrate ist 4,23 g/min und der Wirkungsgrad ist 40%. Der Enddurchmesser der Rußvorform ist 78,5 mm.
Durch Vergleichen der Ergebnisse des ersten und des zweiten Versuchs ist zu erkennen, dass durch Vormischen der ganzen Menge des brennbaren Gases der ersten Flamme mit dem Glasvorläufermaterial die Ablagerungsrate, der Wirkungsgrad und der Rußvorformdurchmesser beträchtlich zunehmen.
In einem dritten Versuch wird etwa ein Drittel des Volumens der Menge des brennbaren Gases mit SiCl₄ vermischt und zur ersten Einlassöffnung zugeführt, während der restliche Teil zur zweiten Einlassöffnung zugeführt wird, wobei somit eine Vorschrift erhalten wird, die zwischen jener des ersten und des zweiten Versuchs liegt. Die entsprechende Vorschrift und die Leitungsabmessungen sind in Tabelle 5 zusammengefasst. TABELLE 5
Das Verfahren wird für dieselbe Zeit und unter denselben Bedingungen wie der erste und der zweite Versuch ausgeführt. Die mittlere Ablagerungsrate ist in diesem Fall 2,62 g/min und der Wirkungsgrad ist 24,5%. Der Enddurchmesser des auf dem Zylinder abgelagerten Rußes ist 60 mm. Eine Verbesserung bezüglich des ersten Versuchs kann beobachtet werden. Durch Vergleichen dieser Ergebnisse mit jenen des zweiten Versuchs kann jedoch beobachtet werden, dass durch Verringern der H₂-Menge von 1:1 auf 1:2 in Bezug auf SiCl₄ in der zentralen Leitung und durch Zugeben einer beträchtlichen Menge von H₂ in der zweiten Leitung niedrigere Werte der mittleren Ablagerungsrate, des Wirkungsgrades und des Rußvorformdurchmessers erhalten werden.
Beispiel 2
Ein zweiter Satz von Versuchen wurde durchgeführt, um die Abhängigkeit der Verfahrensleistungen von der Menge an H₂, die zur zentralen Leitung zugeführt wird, zu erfassen. Ein Brenner mit neun Leitungen wie in Tabelle 6 (entsprechend jenem von Tabelle 4) wurde verwendet. TABELLE 6
In einer ersten Teilmenge von drei Versuchen wird eine Vorschrift verwendet, wie in Tabelle 7 berichtet, wobei nur das stöchiometrische Verhältnis zwischen SiCl₄ und H₂ der ersten Flamme verändert wird. TABELLE 7
In allen diesen Versuchen wird die Ablagerung für 190 min. durch Ablagern von Glasruß auf einem vertikalen Kernstab mit einem Durchmesser von 23 mm, der einer axialen Parallelverschiebung mit einer Geschwindigkeit von 155 mm/h und einer Drehung um seine Achse mit einer Drehzahl von 20 U/min unterzogen wird, ausgeführt. Der Brenner ist in Bezug auf die Horizontale um 30° abgewinkelt.
In den drei Versuchen ist das Molbruchverhältnis des brennbaren Gases zum Glasvorläufermaterial 1,5, 1,07 bzw. 1.
Tabelle 8 fasst die Werte der Ablagerungsrate, des Ablagerungswirkungsgrades und des Rußdurchmessers, die in diesen Versuchen erfasst wurden, zusammen. TABELLE 8
Es ist zu erkennen, dass, wenn das Verhältnis von 1,5 auf 1 gesenkt wird, die Ablagerungsrate, der Ablagerungswirkungsgrad und der Rußdurchmesser zunehmen.
In einer zweiten Teilmenge von Versuchen wird ein anderer Dreiflammenbrenner verwendet. Die Abmessungen dieses Brenners sind in Tabelle 9 berichtet. TABELLE 9
Die verwendeten Vorschriften sind in Tabelle 10 berichtet. Wiederum wird nur der brennbare Gehalt der inneren Flamme verändert. TABELLE 10
Die Ablagerung wird an einem Targetrohr mit einem Durchmesser von 90 mm ausgeführt, das mit 349 mm/h parallelverschoben wird und mit einer Drehzahl von 25 U/min um seine Achse gedreht wird. Der Brenner ist in Bezug auf die horizontale Linie um 12° geneigt.
Tabelle 11 fasst die Werte der Ablagerungsrate und des Ablagerungswirkungsgrades, die in diesen Versuchen erfasst werden, zusammen. TABELLE 11
Es ist zu erkennen, dass die Ablagerungsrate und der Ablagerungswirkungsgrad zunehmen, wenn das Molverhältnis zwischen der Durchflussrate des brennbaren Gases und der Glasrohmaterial-Durchflussrate von etwa 0,82 (9:11) auf etwa 0,91 (10:11) zunimmt.
Beispiel 3
In diesen Versuchen hat der Anmelder den Einfluss von Argondurchflussraten in den äußeren Flammen auf die Verfahrensleistungen betrachtet.
Der Brenner von Tabelle 9 wird verwendet. Zwei Vorschriften werden betrachtet, wobei der Durchfluss des Inertgases, das mit dem brennbaren Gas vorgemischt wird, in den äußeren Flammen verändert wird. Insbesondere werden in der zweiten Flamme 11,0 sim H₂ mit 5,0 bzw. 3,0 sim Ar vorgemischt und in der dritten Flamme werden 52 sim H₂ mit 14 bzw. 12 sim Ar vorgemischt.
Die Ergebnisse des Verfahrens sind in Tabelle 12 berichtet. TABELLE 12
Der Targetstab weist einen Durchmesser von 23 mm auf und wird mit einer Geschwindigkeit von 155 mm/h parallelverschoben und mit einer Drehzahl von 20 U/min gedreht. Der Brenner ist in Bezug auf die horizontale Richtung um 30° geneigt. Die Glasablagerung wird für 190 Minuten durchgeführt.
Tabelle 13 fasst die Werte der Ablagerungsrate und des Ablagerungswirkungsgrades, die in diesen Versuchen erfasst werden, zusammen. TABELLE 13
Die Versuche zeigen eine starke Empfindlichkeit des Verfahrens gegen die Ar-Durchflussrate. Insbesondere ist zu erkennen, dass eine Erhöhung von 3 auf 5 sim und von 12 auf 14 sim in der zweiten bzw. der dritten Flamme eine Steigerung des Wirkungsgrades von mehr als 6% erzeugt.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer optischen Glasfaser-Vorform mit: – Bereitstellen eines Brenners in der Richtung eines Ablagerungstarget, und – Erzeugen zumindest einer ersten Flamme, einer zweiten Flamme, die die erste Flamme umgibt, und einer dritten Flamme, die die erste Flamme umgibt, mittels des Brenners, wobei Erzeugen der ersten Flamme ein Zuführen vorbestimmter Mengen brennbaren Gases, eines die Verbrennung unterstützenden Gases und eines Glasvorläufermaterials umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass Erzeugen der ersten Flamme ein Zuführen von zumindest 30 Volumen-% der vorbestimmten Menge des brennbaren Gases zu einer zentralen Leitung des Brenners umfasst, das mit dem Glasvorläufermaterial vorgemischt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Erzeugen der ersten Flamme ein Zuführen von zumindest 60 Volumen-% der vorbestimmten Menge des brennbaren Gases zu der zentralen Leitung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Erzeugen der ersten Flamme ein Zuführen von zumindest 90 Volumen-% der vorbestimmten Menge des brennbaren Gases zu der zentralen Leitung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei Erzeugen der ersten Flamme ein Zuführen der gesamten vorbestimmten Menge des brennbaren Gases zu der zentralen Leitung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Erzeugen der ersten Flamme ein Zuführen des brennbaren Gases und des Glasvorläufermaterials in einem molaren Konzentrationsverhältnis zwischen etwa 0,8 und 1,2 zum Brenner umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Erzeugen der ersten Flamme ein Zuführen des brennbaren Gases und des Glasvorläufermaterials in einem molaren Konzentrationsverhältnis von zumindest 0,8 zu der zentralen Leitung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das molare Konzentrationsverhältnis etwa 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Erzeugen der ersten Flamme ferner ein Zuführen eines Inertgases zu einer zweiten Leitung, die die zentrale Leitung umgibt, und ein Zuführen eines die Verbrennung unterstützenden Gases zu einer dritten Leitung umfasst, die die zweite Leitung umgibt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Erzeugen der zweiten Flamme ein Vormischen eines brennbaren Gases mit einem Inertgas umfasst, das eine kinematische Viskosität aufweist, die kleiner als die von Sauerstoff ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Erzeugen der dritten Flamme ein Vormischen eines brennbaren Gases mit einem Inertgas umfasst, das eine kinematische Viskosität aufweist, die kleiner als die von Sauerstoff ist.
Brenneranordnung (1) zum Erzeugen eines Glasrußteilchenstroms in einem Verfahren zum Herstellen einer optischen Glasfaser-Vorform, mit: – einem Brenner (2), der einen ersten, einen zweiten und einen dritten Satz (7, 8, 9) von Leitungen zum Erzeugen einer inneren, einer mittleren bzw. einer äußeren Flamme aufweist; – einem Gaszuführsystem (3), das eine Quelle eines Glasvorläufermaterials (50a), eine Quelle eines brennbaren Gases (50b) und eine Quelle eines die Verbrennung unterstützenden Gases (50c) sowie ferner einem Mischer (53a) zum Bilden einer Mischung aus dem Glasvorläufermaterial und dem brennbaren Gas umfasst, wobei der Mischer (53a) strömungsmäßig mit einer zentralen Leitung (41) des Brenners (2) zum Zuführen der Mischung zu der zentralen Leitung (41) verbunden ist.
Brenneranordnung (1) nach Anspruch 11, wobei die zentrale Leitung die einzige Leitung des ersten Satzes von Leitungen (7) ist, die strömungsmäßig mit einer Quelle des brennbaren Gases verbunden ist.