JP3680220B2 - 反応物蒸気を利用場所に提供する方法および蒸発器 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は反応ゾ−ンに蒸発した反応物を輸送するための蒸発器、およびその蒸発器を使用する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを線引きし得るプリフォ−ムは、蒸気を反応させ、そしてその結果生じたガラス粒子を沈積させることによって作成されることが多い。
【０００３】
一般的に均質な特性を有する例えば光導波路プリフォ−ムのようなプリフォ−ムを形成するため、およびガラス粒子の均一な分布を確保するためには、O₂のようなキャリアガスに隨伴した蒸発原材料の実質的に一定の流量をバ−ナに供給する必要がある。すなわち、圧力スパイクを最小限に抑えなければならない。さらに、蒸気の流量の変化率がコントロ−ル・システムによって開始される蒸気需要の変化に正確に追従しなければならない。コントロ−ルのために、反応物の流量は蒸気状態または液体状態で測定され得る。
【０００４】
１つのシステムでは、計量された反応物と酸素がコントロ−ルされた量でフラッシュ蒸発チャンバに供給され、液体が加熱された表面に噴射され、それによって即時蒸発が生じ、望ましくない核または膜沸騰を生ずる。このシステムからの蒸発出力は入力液体流に対する応答が遅い。なぜなら、チャンバの容積が液体を加熱されたプレ−トに対してまたはそれに向って噴射させ得るために大きい必要があるからである。したがって、例えばホウ素を含んだ粒子の流量のステップ状の変化はプリフォ−ム上に沈積されるホウ素を含んだ粒子の量にステップ状の変化を生じない。
【０００５】
他の公知の反応物蒸発器は円筒状の内壁を具備したチャンバを使用しており、反応物はその円筒状チャンバの一端部に供給され、そしてブレ−ドを回転することによって薄い膜が形成される。そのブレ−ドのシャフトがチャンバの一方の端壁を貫通しているので、そのチャンバにはシ−ル部分で漏洩が生じる。膜の厚さは本質的にブレ−ドと内壁との間のギャップによって決定される。軸方向の流れが膜をブレ−ドと内壁との間のギャップよりも薄くするまで撹拌器の近傍に厚い部分（波のような）が存在するであろうから、その膜の一部分が薄くならないように見える。ブレ−ドを伝って下方に流動する液体が滴となって、それが蒸気流中で運ばれることになり得る。ブレ−ドの回転が速いと、この作用が悪化する。他の難点は、円筒状チャンバ内の容積が比較的大きいので、応答時間が遅いことである。
【０００６】
他の円筒状蒸発器は円筒状の加熱ロッドを具備しており、その加熱ロッドがチャンバ・シリンダ内に位置決めされた空洞内に配置される。内側の加熱ロッドと円筒状空洞を形成する面の相対寸法は、それら間に環状のギャップが存在するようになされている。液体反応物が蒸発器の一端部において内側ロッドに流れ、その液体反応物の膜の厚さはギャップの厚さによって機械的に拘束される。加熱要素の温度は、核または膜沸騰が生ずる温度より低く維持される。このような装置では流量を増大させることは困難である。蒸気は唯一の露呈面である膜の先導縁端で発生される。液体反応物の流量が増大され、そして入力パワ−が一定の温度を維持するように増大されると、蒸気が内側の円筒状ヒ−タの表面で生ずる点に到達し、すなわち液体が表面から急に蒸発し、蒸発器の動作が不安定になるであろう。前方縁端部の背後で液体に蒸気が生ずると、それが圧力スパイクの原因となる。この形式の蒸発器が好調に動作している時でさえ、2〜3mm Hgの圧力変動が生ずるおそれがある。さらに、その装置は非常に低い流量で動作するように幾何学的に拘束されている。
【０００７】
【本発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の１つの目的は、ガラス粒子沈積装置に精密なコントロ−ルされた量の反応物を送るための改良された装置を提供することである。他の目的は、蒸発チャンバであって、そのチャンバから出る蒸気によって蒸発しない液体の流れが妨害されることがないようになされており、構造が簡単で、可動部分を有しておらず、かつ出力蒸気流が迅速にかつ正確に反応物液体の入力流れに追従するようになされた蒸発チャンバを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
これは、利用場所に反応物蒸気を提供する方法によって達成される。液体反応物は、形状が平面状、円錐状等でありうる傾斜面の上方部分を横切る方向にに分布される。その面は、バブルを支持するのに十分な量の液体の沸騰時に、バブルを支持する厚さより小さい厚さの膜を形成するのに十分な速度でその面を下方に液体が流れるような角度をもって水平方向に対して傾斜される。その面は液体の沸点より高い温度に加熱され、液体反応物を蒸気に変換する。蒸発した液体は蒸気利用場所に送られる。前記面の傾斜角度、液体の物理的特性、および前記面が加熱される温度は、前記膜が好ましくは前記面の下方部分の底まで延長しないようになされる。
【０００９】
前記面が平面である１つの実施例では、分配手段が液体溜めと、その溜めと前記面との間に配置された流れ分配器よりなり、その流れ分配器はそれの長さに沿って離間された複数のチャンネルを有している。
【００１０】
前記面が円錐状である実施例では、液体反応物はその円錐形状の小径頂部端部に流動されることができ、それによってその円錐形状の外表面を下方に流動する。あるいはそれに代えて、前記面は円錐状部材の内表面であり、かつ液体反応物がその円錐状部材の頂部におけるオリフィスを通りそしてそれの内表面に流れるようにしてもよい。
【００１１】
【実施例】
図１は反応物ガスおよび蒸気を１つまたはそれ以上のバ−ナ１０に給送するためのシステムを示している。オルガノシロキサンSiCl₄等のような反応物液体が供給タンク１１に貯蔵される。計量ポンプ１２がタンク１１から予熱器１４へと反応物液体を転送する。液体流量計１３はバルク液体流れをモニタし、そして信号が計量ポンプの回転速度を上昇または低下させるコントロ−ラに伝送される。液体流量計１３から給送される液体は予熱器における液体の揮発を防止するのに十分な圧力を有している。予熱器は計量された液体の温度を上昇させるために必要に応じて用いられ、それによって蒸発器１５に対するパワ−負荷を軽減させる。酸素と蒸発した反応物液体がミキサ１６に供給され、そのミキサがその混合物をバ−ナ１０に給送する。そのバ−ナには従来同様にインナ−シ−ルド・ガス、アウタ−シ−ルド・ガス、および炎のためのCH₄と酸素の混合物が供給される。典型的なバ−ナが米国特許第４１６５２２３号に開示されている。
【００１２】
図２を参照すると、蒸発器１５は頂壁２２、底壁２３、側璧２４および２５、および端壁２６および２７によって囲まれた蒸発チャンバ２１を具備している。複数のＵ字状チャンネルを有する流れ分配器２８が端壁２６の近傍に配置されており、この流れ分配器２８と端壁２６との間の空間が液体溜め３０を構成している。液体流入オリフィス３２が溜め３０の底に配置されており、そして蒸気流出オリフィス３５は端壁２７の近傍において頂壁２２に配置されている。
【００１３】
反応物液体がオリフィス３２に供給される。液体のレベルが破線３３より高くなると、その液体がチャンネル２９を通って流れ始め、そして壁２４および２５間でチャンバ２１を横切る方向に均一に分布される。支持手段３６が蒸発器の一端部を持上げ、水平方向に対して角度αをもって配向され、そして液体が端壁２７に向って流れる。膜３８が形成され、その膜の最大厚さtは表面張力、密度、粘度および角度αのようなパラメ−タに依存する。膜を２つの平行な面の間のギャップ内に膜を閉じ込める蒸発器とは異なり、膜３８は反応物の気相と液相が底面２３と平行なまたはほぼ平行な面によって分離されるようになされている。膜の厚さtは、液体膜３８内にバブルが形成され得ないように十分に薄くなければならない。厚さtは、膜の厚さによってバブル形成が禁止されるバット（vat）で液体が沸騰された場合に生ずるバブルの直径dにほぼ等しい。バブルの直径d（メ−トル）は数２で表わされる。ただし、σは液体の表面張力（N/m）、gは重力の加速度（9.81m/sec²）、ρ_Lは液相密度（kg/m³）、ρ_vは気相密度（kg/m³）であり、そしてg_cは1 kg/N・s²に等しい。
【数２】

【００１４】
膜の厚さが大きすぎると、その膜と加熱された底壁２３との間の境界面で蒸発が生ずるおそれがある。そのような蒸発が生ずると、それが装置によって給送される蒸気流に望ましくない圧力スパイクを生じさせるおそれがある。
【００１５】
面２１から膜を横切る方向に熱が伝わり、そして膜３８の自由表面全体に蒸発が生ずることになり得る。反応物の原料に依存する動作温度は、最大流体流量で存在する動作圧力において蒸発を生じさせるのに十分高くなければならない。したがって、流量の範囲がそれほど広くない場合には、温度は工程全体にわたって一定に維持され得る。しかし、反応物の流量が増加するにつれて、動作圧力が上昇し、そして蒸発を生じさせるのために、より高い温度が必要とされる。したがって、流量が広い範囲にわたって変化する場合には、蒸発器の温度は流量が増加するに伴って若干傾斜され得る。
【００１６】
温度は処理工程の種々の時点で測定され得る。例えば、上面２２の中心における温度またはオリフィス３５から出る蒸気の温度が測定され得る。上方の温度は膜３８におけるバブル形成によって制限されない。むしろ、それは反応物液体の分解温度や液体が急激に蒸発しすぎて面２１に到達しない温度のような要因によって制限される。
【００１７】
チャンバ２１の薄い領域が膜全体に広がり、膜のどの領域も機械的手段によってそのチャンバの上面に拘束されることはないことが認められた。システム応答は膜３８によって占有されないチャンバ２１内の自由空間の大きさに比例する。したがって、膜３８の上に配置されたチャンバ２１の容積が大きすぎることは有り得ず、あるいはシステム応答時間が劣化されるであろうことは明らかである。
【００１８】
蒸発器は液体が端部２７に決して到達しないように設計される。角度の設定がこれに影響する設計変数の１つである。その角度は、液体が加熱された面と接触している滞留時間が液体を蒸発させるのに十分な熱の伝達を許容するのに十分なだけ浅いことが好ましい。反応物液体の流量はこれらのガイドラインを超えない装置でも相当に変化し得る。しかし、流量が設計値から大きく変化すべき場合には、必要に応じて蒸発器はより大きいまたはより小さい膜形成領域を有するように再設計されなければならない。
【００１９】
図２の実施例は図３、４および５に従って構成され得る。蒸発器４３は上方板４４と下方板４５によって形成されている。下方板４５の一端部に液体溜め４６が機械加工される。底板により小さい深さにチャンバ４８が機械加工され、そのチャンバはチャンネル５０が機械加工されている壁４９によって溜め４６から分離されている。下方板４５には穴５３と心合して液体取入れ管５２が溶接のような手段によって固着されている。蒸気取り出し管５５は穴５６と心合して上方板４４に固着されている。下方板４５に機械加工された溝５７は加熱要素（図示せず）を受入れる。蒸発器に発生した圧力のために、板の一方または両方が反り返るのを防止するための手段を設ける必要がありうる。例えば、板を形成するためにアルミが使用されている場合には、高圧動作に対して付加的な強度を与えるために、ロッド５９が上方および下方板に挿通されかつそれらの板に固着され得る。そのロッドは板に溶接されてもよく、あるいはナットで螺着されてもよい。それらの板がステンレススチ−ルで形成されている場合あるいはそれが厚いかあるいはリブを設けられている場合には、ボルトは必要ないであろう。
【００２０】
蒸発器が図３〜５に示された実施例に従って作成された。このシステムは、光導波路プリフォ−ムにクラッドガラス粒子を沈積させる目的をもって、オルガノシリオキサン蒸気を複数のバ−ナに供給するために使用された。
【００２１】
上方および下方板４４および４５はアルミで形成され、そしてアルミロッドで互いに固着された。チャンバ４８は、長さ（溝５７に沿った寸法）が23.3インチ（59 cm）、幅が13インチ（33 cm）、そして高さが0.15インチ（0.4 cm）であった。液体溜めは長さが1インチ（2.5 cm）、幅が13インチ（33 cm）そして高さが0.5インチ（1.3 cm）であった。６つのチャンネル５０はそれぞれ半円形状であり、0.035平方インチ（0.23cm²）の断面積を有していた。
【００２２】
沈積時に、200 g/分の流量のオルガノシロキサンが最初に必要とされた。プリフォ−ムの直径が増大するにつれて表面積が増大することにより、オルガノシロキサンの流量は沈積工程の終りでは400g/分まで傾斜した。液体オルガシロキサンが予熱器１４で120℃に加熱され、そしてパイプ５２に送り込まれた。溜め４６を充満した後で、液体はチャンネル５０中を流れた。蒸発器４３は水平方向に対して15^oの角度に維持され、液体を薄い膜をなして蒸気取り出しパイプ５５に向って流動させた。数１によって決定されたオルガノシロキサンの最大許容厚さtは約3 mm（0.118インチ）であった。この実施例で400g/分の流量に対する計算された膜の厚さは0.15mmであった。蒸発器から出て来た蒸気
は、175℃の沸点より50℃高い225℃の一定温度に維持された。蒸気温度を実質的に一定に維持するために流量が増大されるにつれて、温度センサからのフィ−ドバックがヒ−タに対する電力を増大させた。この動作温度は最も高い流量で蒸発が生ずるのに十分なだけ高い。
【００２３】
蒸発器の取り出し部で測定された圧力変動は非常に小さくて検出することができなかった、すなわちそれらの圧力変動は１インチ水（1.87 mm Hg）以下であった。上述の蒸発器は190℃程度の低い温度でされても同様の性能を呈示した。
【００２４】
図６の蒸発器は底壁６５を横切る方向に流れを分配するための手段を除けば、図２のものと同様であった。底壁６５の一端部には２つ以上の流体給送パイプ６６および６７が配置されている。蒸発器６４には図２に示された形式の上壁、側壁および端壁が設けられるであろう。膜７１および７２を分離するために必要に応じて隔壁６８が用いられる。パイプ６６および６７は底壁に単一の液体または複数の異なる液体を給送することができる。
【００２５】
例えば２種類の異なる液体が給送される場合には、第１の液体がベ−スガラスに対する前駆体で得、そして第２の液体はド−パントガラスに対する前駆体であり得る。その場合、隔壁６８は中心から離れたところに位置決めされ、第１の液体が底壁６５のより大きい面積を占有するようになされ得る。
【００２６】
図７〜９は薄い膜が形成される円錐面を示している。
【００２７】
図７において、反応物液体はパイプ７６を通じて円錐形状の下方板の面７７に給送される。その液体は面７７の頂部に衝突し、そして円錐面を下方に流れ、円錐形の垂直軸のまわりに均一に分布される。被加熱領域７８として示されている円錐状の底部構造の下方部分が加熱テ−プのような加熱手段によって接触される。したがって、底面７７の下方領域までの距離のほとんどを流動する薄い膜７９が上述のようにして蒸発される。蒸気は円錐状の上方板８０によってとじ込められ、そして取り出しパイプ８１によって蒸発チャンバから回収される。
【００２８】
図８では、反応物液体がパイプ８３を通じて溜め８４内に給送され、そしてそこから、円錐形状の底面８６の上方の周囲のまわりを流れる。溜めの取り出し側には、流れをより均一に分布させるために図２に示されたようにチャンネルが設けられ得る。液体は面８５の周囲から下方に流れ、そして円錐状体の垂直軸線のまわりに均一に分配される。底面が加熱され、それによって薄い膜が上述のようにして蒸発される。蒸気は頂面８６によってとじ込められ、そして取り出しパイプ８７によって蒸発チャンバから回収される。
【００２９】
図９では、反応物液体がパイプ９０から、円錐状の板９２および９３間に形成されたチャンバ９１内に流入する。表面張力がその液体を加熱された板の底に付着させ、そこで薄い膜を形成し、その膜が上述のようにして蒸発される。蒸気は板９２、９３および９４によってとじ込められ、そしてオリフィス９５を通じて蒸発チャンバ９１から回収される。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、精密なコントロ−ルされた量の反応物を沈積装置に送ることができる。その場合、蒸発チャンバから出る蒸気によって蒸発しない液体の流れが妨害されることがないようになされる。また、その蒸発チャンバは、構造が簡単で、可動部分を有しておらず、かつ出力蒸気流が迅速にかつ正確に反応物液体の入力流れに追従するようになされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成された蒸気輸送システムのブロック図である。
【図２】図１の蒸発器の概略斜視図である。
【図３】蒸発器の一部断面側立面図である。
【図４】図３の線４−４に沿って見た断面図である。
【図５】蒸発器の底板の図である。
【図６】本発明の他の実施例の概略斜視図である。
【図７】他の実施例の概略図である。
【図８】他の実施例の概略図である。
【図９】他の実施例の概略図である。
【符号の説明】
１０ バ−ナ
１１ 供給タンク
１２ 計量ポンプ
１３ 液体流量計
１４ 予熱器
１５ 蒸発器
２１ チャンバ
２８ 流れ分配器
２９ チャンネル
３６ 支持手段
３８ 膜
４３ 蒸発器
４６ 液体溜め
４８ チャンバ
５０ チャンネル
６４ 蒸発器
７１ 膜
７２ 膜

Claims (10)

1. 反応物蒸気を利用場所に提供する方法であって、
   下方部分に対して持上げられた上方部分を有する傾斜面に液体反応物を流し、この場合、前記液体が前記上方部分を横切って分配されるように流れ、前記面は膜を形成するのに十分な流量で前記液体を前記面に沿って下方に流動させるのに十分な角度で水平方向に対して傾斜され、前記膜の厚さが、バブルを支持するのに十分な厚さの前記液体の所定量の沸騰時にバブルを支持する厚さより小さくなるようにし、
   前記面を前記液体の沸点より高い温度に加熱し、それによって前記液体反応物を蒸気に変換し、
   蒸発した液体を蒸気利用場所に給送することよりなる反応物蒸気を利用場所に提供する方法。
2. 前記面の傾斜角度、前記液体の物理特性および前記面が加熱される温度は前記膜が前記面の前記下方部分の底まで延長しないようになされている請求項１の方法。
3. 前記液体を流す工程は前記液体を平面状の面に対して、あるいは円錐状の面に対して、任意ではあるがそれの頂面または底面において流すことよりなる請求項１の方法。
4. 供給する工程が予め加熱された液体を供給することよりなる請求項１の方法。
5. 前記膜の厚さがdメ−トルより小さく、dは数１によって定義され、ただしσは液体の表面張力（N/m）、gは重力の加速度（9.81 n/sec²）、ρ_Lは液相密度（kg/m³）、ρ_vは気相密度（kg/m³）、そしてg_cは1 kg/N・s²に等しい請求項１、２、３または４の方法。
   

   
6. 前記傾斜面に対向した前記膜の露呈面が前記膜の露呈面の面積の半分以上にわたって前記傾斜面と実質的に平行である請求項１〜５の内の１つによる方法。
7. 蒸発器において、
   上方部分と下方部分を有する蒸発器面と
   反応物を液体形式で供給する手段と、
   前記上方部分を横切って前記液体反応物を分配する手段と、
   膜が形成されるような流量で前記液を前記下方蒸発器面部分に向って前記面に沿って下方に流動させるのに十分な角度をもって水平方向に対して前記面が傾斜されるように、前記面の前記上方部分を前記面の前記下方部分に対して持上げる手段であって、前記膜の厚さがバブルを支持するのに十分な厚さの前記液体の所定量の沸騰時にバブルを支持する厚さより小さくする手段と、
   前記蒸発器面を前記液体の沸点より高い温度に加熱して前記液体反応物を蒸気に変換する手段と、
   前記蒸発器面と協働して前記蒸気をとじ込めるカバ−手段であって、前記膜が前記蒸発器面に対向した自由面を有するのに十分なだけ前記蒸発器面から離間されているカバ−手段と、
   蒸発した液体を蒸気利用場所に給送する手段を具備した蒸発器。
8. 前記面が平面状または円錐状である請求項７の蒸発器。
9. 前記分配する手段が前記第１の面部分に沿って離間された複数のパイプよりなり、あるいは液体溜めおよび前記溜めと前記面の間に配置された流れ分配器よりなり、前記流れ分配器はそれの長さに沿って配置された複数のチャンネルを有している請求項８の蒸発器。
10. 前記面が中空の円錐状部材の円錐状の面であり、前記面の下方領域が前記円錐状の部材の基部に配置され、前記分配する手段は前記液体反応物を前記中空の円錐状部材の外表面にまたは前記中空の円錐状部材の内表面に流す手段よりなる請求項７、８または９の蒸発器。

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