KR20010072337A - 플러그 없는 시스템을 이용한 실리카 수트의 제조방법 - Google Patents

플러그 없는 시스템을 이용한 실리카 수트의 제조방법 Download PDF

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KR20010072337A
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liquid reactant
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KR1020017001667A
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다니엘 더블유. 하우토프
존 Ⅲ 스톤
조셉 엠. 왈렌
Original Assignee
알프레드 엘. 미첼슨
코닝 인코포레이티드
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Abstract

컨테이너(28)내의 제1액체(30)가 버너(14)로 이동된다. 그 후, 다른 컨테이너(38)내의 제2액체(34)가 버너(14)로 이동된다. 그 후, 상기 버너에서 기판(36) 상의 실리카(36)로서 증착되는 수트가 제조된다.

Description

플러그 없는 시스템을 이용한 실리카 수트의 제조방법 {Creating silica soot with a plug-free system}
종래부터 기체상 반응물로부터 금속 산화물을 제조하는 다양한 공정들이 알려져 있다. 상기 공정들은 원료 용액(feed stock solution) 또는 전구체(precursor), 원료 용액의 기체(이후, 기체상 반응물로 칭함)를 발생시키고 이송시키는 수단과 연소 반응 장소(당업자들에게는 수트 반응 구역 또는 연소 구역으로 알려짐)에서의 산화제(oxidant), 및 미세하게 분할되고 구형의 응집체를 일컫는 수트를 제조하기 위해 산화와 동시에 연소를 촉진하는 수단을 필요로 한다. 이러한 수트는 집결 챔버(collecion chamber)에서의 포집으로부터 회전 맨드릴(rotating mandrel)상에서의 증착까지의 범위로, 다양한 방법들에 의해 집결될 수 있다. 이렇게 집결된 수트는 동시에 또는 연속적으로 열처리되어 비-다공성이고 투명(transparent)하며 고순도의 유리제품을 형성할 수 있다. 이러한 공정은 일반적으로 노즐(nozzle), 인젝터(injector), 버너 및/또는 버너 어셈블리의 단일 배열을 갖는 특별한 장비를 가지고 수행된다.
상기 공정들의 발전을 이끄는 초기의 연구의 대부분은 벌크 실리카의 제조에 초점지어졌다. 적절한 원료의 선택은 상기 작업에 있어서 가장 중요한 관점이었다. 따라서, 이 때 대략적으로 100℃ 이하의 온도에서 200-300 mmHg의 증기압을 생성할 수 있는 물질이 상기 벌크 실리카를 제조하는데 유용하다는 사실이 확정되었다. 높은 증기압을 갖는 실리콘 테트라클로라이드(SiCl4)의 수트의 생성을 위해 편리한 기체 소스(source)로서의 유용성을 제안하였고, 일련의 유사한 염소-기초의 원료의 개발과 사용을 개시하였다. 어떤 다른 요소보다 상기 요소는 원료 기체 소스로서 SiCl4, GeCl4, POCl3, 및 BCl3의 현재 허용된 사용에 있어서 타당하다.
그러나, 기체 소스로서 이들 및 다른 할라이드-기초 원료의 사용은 단점을 갖는다. 예상되는 단점은 산화의 부산물로서 염산(HCl)의 생성이다. HCl은 증착 기판 및 반응 장비에 유해할 뿐만 아니라, 환경에도 유해하다. 이러한 단점을 극복하기 위해서는 특히 광도파관용 수트의 생산을 위해 전구체 또는 원료로서 할라이드가 없는 화합물을 사용한다.
예를 들어 미국특허 제5,043,002호 및 제5,152,819호에 설명된 바와 같이, 용융 실리카 유리의 생산을 위해 원료로서 할라이드가 없는 실리콘 화합물의 사용이 HCl의 생성은 막을 수 있을지라도, 특히 수트가 광도파관의 제조에 사용하고자 할 때 다른 문제들이 존재한다. 기체화된 폴리알킬실록산을 버너로 이동시키는 과정에서, 고분자량의 종류가 버너로 또는 버너 자체내에 기체상 반응물을 옮기는 라인(line)에 겔로서 증착될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이것은 광도파관 섬유가 인발되는 블랭크(blank)에 실질적으로 결합되는 수트의 증착속도의 감소를 초래한다. 또한 상기 블랭크의 유효부분으로부터 결함이 있고 또는 있거나 비실용적인 광도파관 섬유를 종종 생성하는 블랭크의 불완전성도 초래된다. 실록산 원료를 이용하여 실리카 수트를 형성하는 동안, 광도파관 섬유 블랭크 상에 고분자량 및 고비점을 갖는 미립자들의 증착이라는 추가적인 문제에 직면하게 된다. 이러한 미립자들의 축적은 실리카 수트를 이용하여 형성된 광도파관의 광학적 및 구조적 품질에 악영향을 미치는 "결함(defect)" 또는 "거대화 결함(clustered defect)"을 초래한다.
광도파관의 생성을 위해 수트를 형성하는데 유용한 원료의 일부 및 원료외의 다른 원료는 증기 증착을 통한 운반을 위해 할라이드-기초의 원료 및 할라이드가 없는 원료에 현재 허용가능한 대체물은 아니다. 예를 들어, 염과 같은 물질과 희토류 원소로서 알려진 물질은 극단적으로 기체로서 불안정하고, 종종 기체상으로 전달될 수 있기 전에 분해되거나, 접근하기 쉬운 온도에서 기체화되기 위해 충분히 높은 증기압을 갖지 않는다.
종종 이들 원소들의 적어도 1퍼센트를 기체로서 연소 구역으로 이동시키는것이 가능할지라도, 이것은 기술적으로 매우 어렵다. 값비싼 장비를 포함하는 정교한 시스템이 이들 원소들을 기체상으로 전환하기 위해 필요로 되며, 또한 그들을 버너 및 버너 자체로 유도하는 라인에서 퇴적물을 남기지 않고 연소 구역까지 이동시키기 위해 필요로 된다. 더욱이, 다중 원소들이 기체로서 이동되고 이들 각각의 특정 퍼센트가 원하는 조성물에 있어서 필요로 된다면, 서로 다른 원소들이 서로 다른 증기압을 갖기 때문에 이동을 조절하는 것이 어렵다.
미국 특허출원 제08/767,653호에는 이들 그리고 다른 한계점들을 액체 형태로 인젝터 또는 버너에 원료를 전달하고, 원료를 분무하여 액체 원료의 에어로졸 함유 미세 점적물(aerosol containing fine droplets)을 형성하며, 상기 분무화된 액체 원료를 연소 구역에서 수트로 전환함으로써 극복할 수 있음이 기재되어 있다. 상기 원료가 기체보다 액체로서 버너 불꽃(burner flame)에 직접 전달되기 때문에, 상기 원료의 증기압은 더 이상 광도파관의 제조에 사용되는 수트의 생성을 위한 제한 요소가 되지 않는다. 상기 미국 특허출원 제08/767,653호 및 다른 현재 진행중인 출원건들에 기재된 인젝터, 버너 및 버너 어셈블리는 적절한 분무를 위해 미세한 스트림으로 액체를 전달하기 위한 매우 작은 오리피스(orifice)들에 의존한다. 상기 오리피스들이 너무 작기 때문에, 극단적으로 플러깅(plugging)에 민감하다. 심지어 전달되는 액체내에 작은 고체 입자가 부분적으로 상기 오리피스를 막을 수 있고, 이것은 번갈아 수트 증착속도 및 집결된 수트의 균일성에 악영향을 미친다.
유리를 제조하는데 있어서 수트를 생성하기 위해 연소 구역까지 전달되기 전에 절대로 액체 용액으로 현재는 전달될 수 없을지라도, 대부분의 이들 물질이 액체 형태이면서 본래의 쇼트-커밍(short-comings)을 갖는다. 가장 큰 문제는 산소 및/또는 물에 노출될 때 이들 액체 물질들의 대부분이 빠르게 고체를 형성하는 것이다. 따라서, 이들 반응물의 액체 전달 동안 공기에의 모든 노출은 고체의 형성을 초래할 것이며, 이것은 버너로 유도하는 라인과 버너와 버너 어셈블리 자체의 작은 오리피스를 막을 수 있다. 상기 오리피스가 부분적으로 막힐 때, 불꽃과, 따라서 수트 스트림은 불균일하게 되며 수트 증착속도를 저해한다. 결과적으로, 액체 전달 시스템은 세척을 위해 중단되어야 한다. 상기 세척 작업은 통상적으로 버너 어셈블리의 부분적인 해체를 요구하며, 이것은 상당한 비가동 시간을 초래한다.
액체 전달 시스템에서, 버너 어셈블리의 오리피스의 플러깅 또는 막힘은 특히 액체 전달 사이클을 시작할 때와 중단하는 단계에서 문제가 된다. 이들 기간동안에는, 액체 반응물은 인젝터 오리피스의 밖으로 새거나 튀기는 경향이 있다. 이것은 안정상태의 압력에 도달되기 전에 액체 전달 사이클의 시작시와, 안정상태의 압력가 더이상 유지되지 않은 후에 액체 전달 사이클의 중단 단계에서 발생한다. 이러한 제한된 압력단계는 상당히 감소된 액체 유속을 초래하며, 이것은 번갈아서 느린 이동 액체에 있어서 필요한 노출시간을 제공할 수 있어 공기와 반응하여 고체를 형성하게 된다. 또한, 이들 액체 원료는 버너의 표면상에서 또는 버너 헤드 캐비티(burner head cavity) 내에서 누설될 수 있고 응고될 수 있어, 이것은 버너의 세척 또는 막힘제거를 위해 비가동 시간을 증가시키는 결과를 초래한다. 상기 액체 원료가 거의 순간적으로 공기내의 물과 반응할 수 있기 때문에, 인젝터내 또는 인젝터 오리피스에서 느린 이동을 하는 액체 원료의 어떠한 양도 고체의 점적물을 초래할 수 있다. 최종적인 부분 플러깅은 제조된 수트의 품질 및 속도에 있어서 버너 성능을 감소시키고, 완전한 플러깅은 수트 증착단계 또한 중단시킬 것이다.
따라서, 액체 반응물의 너무 빠른 고체화를 제거하고 따라서 액체 전달 시스템에서 버너 어셈블리의 플러깅을 방지할 수 있는, 유리의 제조를 위한 수트를 형성하기 위해 버너 어셈블리를 통해 액체 원료 또는 전구체(이후, "액체 반응물"이라 함)를 전달시키는 시스템 및 방법이 필요로 된다.
발명의 요약
본 발명은 유리의 제조에 사용하기 위한 수트를 제조하기 위해 액체 전달 시스템의 버너 어셈블리에 인접한 연소 구역까지 액체 반응물을 전달하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 액체 전달 시스템에서, 열산화 분해에 의해 유리로 전환될 수 있는 액체 반응물이 연소 버너의 연소 구역에 직접 주입되고; 이에 의해 미세하게 분할된 무정형 수트가 형성된다. 상기 무정형 수트는 수용기 표면상에 통상적으로 증착되며, 여기서 증착과 실질적으로 동시에 또는 증착에 연속적으로 상기 수트가 용융된 유리의 바디(body)로 고화된다. 그 후 상기 유리의 바디는 용융된 바디로부터 직접 제품을 제조하는데 사용되거나 용융된 바디가 예를 들어 본원의 참고문헌으로 포함되고 "폴리알킬실록산의 정화방법 및 얻어진 제품(Method for purifying polyalkylsiloxanes and the resulting products)"의 명칭을 갖는 미국 특허출원 제08/574,961호에 설명되어 있는 바와 같이 광도파관 섬유를 제조하기 위해 인발시키는 것과 같은 광도파관의 형성에 의해 더욱 처리될 수 있다.
본 발명의 하나의 이점은 버너 어셈블리 및 상기 버너 어셈블리의 오리피스를 통과하는 각각의 액체 전달 라인의 "플러깅(plugging)"을 불리하게 하는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본원에서 사용하는 용어 "플러깅" 및 "플러그"는 버너 어셈블리로 유도하는 라인의 내부 표면 및 버너 어셈블리 오리피스의 벽상에 집결되는 고체(액체 반응물이 물, 특히 공기에 함유된 물에 노출되어 생기는 화학적 반응에 의해 형성됨)의 영향을 일컫는다. 집결된 고체들은 액체의 흐름을 방해하거나 부분적으로 방해한다. 본 발명에 따른 시스템 및 방법은 특히 플러깅, 상세하게는 일시적 액체 흐름의 기간동안 통상적으로 발생하는 플러깅을 제거하는데 매우 적합하다. 본원에서 사용한 바와 같이, "일시적 액체 흐름의 기간" 및 "일시적 액체 흐름 조건"이라는 구문은 상기 시스템 내에 안정상태를 달성하기 위해 액체 흐름이 증가되는 시간 또는 기간으로서 정의된다. 또한 일시적 액체 흐름은 안정상태의 액체 흐름으로부터 액체 흐름이 감소되었을 때 이의 시간 또는 기간도 포함하며, 수트 증착을 위한 선택된 안정상태 유속 미만의 속도를 유지할 때의 시간 또는 기간을 포함한다.
상기 액체 반응물이 수트를 형성하기 위한 연소 구역까지 전달되지 않을 때의 기간동안, 상기 액체 반응물은 바람직하게 공기에 노출되지 않게 되어 따라서 공기내에 함유된 물에의 노출도 되지 않게 된다. 따라서, 본 발명의 다른 이점은 종래부터 유리를 제조하는데 사용하는 수트의 형성을 위한 전구체로서 전달될 수 없었던 원소가 종래에 알려지지 않은 품질과 특성을 갖는 수트를 형성하기 위해 전달될 수 있다는 것이다. 상기 액체 반응물은 원할 때까지 물과 접촉하지 않고, 액체 전구체도 연소 구역에서 노출전에 기체로서 전달되지 않기 때문에, 주기율표의IA, IIA, IIIA, IIIB, IVA, IVB, VA, VB 및 희토류 원소류의 군으로부터 선택된 원소들은 유리 예비성형품의 제조시에 사용하기 위한 수트로 산화 또는 불꽃-가수분해에 의해 전환됨으로써 유용하다.
수트가 증착될 때와 안정상태의 액체 흐름의 다른 기간동안, 액체가 도중에 고화되기 전에 연소 구역으로 들어갈 때 플러깅은 일반적으로 중요한 문제가 되지 않는다. 그러나, 일시적 액체 흐름 조건동안, 특히 액체 전달이 시작되거나 중단될 때, 액체 반응물의 유속은 크게 감소되고, 상기 액체 반응물은 버너 어셈블리의 액체 출구 오리피스의 밖으로 새거나 튀는 경향이 있다. 이러한 조건하에서, 상기 액체 반응물은 버너 어셈블리의 액체 출구 오리피스 내와 라인 내에서 반응되어 고체화된다. 이들 고체는 라인 뿐만 아니라, 오리피스를 막고, 따라서 수트 증착속도에 악영향을 미친다.
그러나, 본 발명은 일시적 액체 흐름 조건하에서 라인 및 버너 어셈블리 액체 출구 오리피스를 통해 증기화 액체를 전달하고, 따라서 감소된 액체 유속의 기간동안 라인과 오리피스로부터 액체 반응물을 제거한다. 이 때 라인과 오리피스에서 액체 반응물은 새지 않기 때문에, 상기 증기화 액체만이 새거나 튀기게 된다. 상기 증기화 액체는 간단히 기화되고 버너 어셈블리를 막는 중대한 고체를 남기지 않고 라인과 오리피스로부터 증발된다.
이들과 다른 이점을 달성하기 위해, 본 발명의 시스템은 도관(conduit)과 인젝터를 통해 연소 구역까지 증기화 액체를 전달한다. 도관을 통한 흐름은 선택적으로 조절되고 증기화 액체로부터 액체 반응물로 전이된다. 그리고나서 액체 반응물이 도관과 인젝터를 통해 연소 구역으로 전달되어 유리의 제조시에 사용하기 위한 수트를 생성한다. 이러한 전이동안, 액체의 안정상태의 흐름은 연소 구역에 연결되는 도관내에서 유지된다. 예를 들어, 이것은 먼저 버너 어셈블리 등의 상 또는 내에서 튀기거나 담지되는 일없이 도관과 버너 어셈블리를 통해 증기화 액체의 균일한 흐름을 추진하는데 효과적인 증기화 액체의 유속이 결정될 때까지 도관을 통해 증기화 액체를 전달하여 달성될 수 있다. 따라서, 액체 반응물의 흐름이 먼저 개시되었을 때, (즉, 증기화 액체에 의해) 연속적인 유속이 도관내에서 이미 결정되었다. 또한, 심지어 액체 반응물의 비교적 적은 유속이 초기에 존재하더라도, 본 발명의 방법은 액체 반응물을 증기화 액체의 도움없이 다른 방법으로 발생하는 더욱 높은 속도로 도관을 통해 추진시킬 수 있다. 필요할 때는, 흐름은 액체 반응물로부터 역으로 증기화 액체로 전이되어, 연소 구역에서 액체 흐름을 종결시키기 전에 도관과 인젝터를 퍼지(purge)할 수 있다.
또 다른 관점에서, 본 발명은 유리의 제조용 수트를 생성하기 위해 에어로졸(aerosol)로서 연소 구역에 직접 액체 반응물을 전달하기 위한 버너 어셈블리, 및 액체 반응물을 수용하기 위한 버너 어셈블리로부터 업스트림에 위치된 건조 환경를 포함한다. 상기 건조 환경으로부터 버너 어셈블리까지 연장된 도관은 흐름 조절장치를 통해 연소 구역으로 액체 반응물을 이동시킨다.
또 다른 관점에서, 불활성 기체가 봉합체(enclosure)에 주입되어 액체 반응물이 반응하는 건조 환경을 생성한다. 상기 봉합체는 인젝터를 통해 연소 구역까지 액체 반응물을 선택적으로 이송시키는 도관을 포함한다. 증기화 액체는 상기 도관을 통해 연소 구역까지 전달되며, 이후에 증기화 액체는 액체 반응물로 전이된다. 그 후, 상기 반응물은 도관 및 인젝터를 통해 연소 구역으로 전달되어 유리의 제조시에 사용하는 수트를 형성한다. 그리고나서, 액체 반응물은 증기화 액체로 전이되고, 상기 증기화 액체는 시스템을 퍼지시키기 위해 도관 및 인젝터를 통해 연소 구역까지 전달된다.
본 발명의 추가적인 특색 및 이점은 하기 상세한 설명에 더욱 기재될 것이며, 이것은 본 발명의 실시예를 통해 알 수 있다. 본 발명의 이해를 돕기 위해, 전술한 일반적인 설명과 후술한 상세한 설명이 구체적이지만, 이에 본 발명의 범주가 한정되지 않음을 당업자라면 이해할 것이다.
첨부되는 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 포함되며, 명세서의 일부를 구성하고, 본 발명의 몇몇 실시예를 구체화하여 본 발명의 원리를 설명한다.
본 발명은 유리의 생산에 사용되는 수트(soot)를 제조하기 위해 버너 어셈블리(burner assembly)에 인접하여 형성된 연소 구역(combustion zone)으로의 액체 반응물의 이동에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 버너 어셈블리내에서 액체 반응물의 너무 이른 고화(solidification)를 막는 연소 구역으로 액체 반응물들을 이동시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 광범위한 유리 수트 증착 분야의 범주에 속하지만, 특히 광도파관의 생성에 사용되는 유리 예비성형품에 있어서 수트를 생성하는데 적합하며, 이와 관련하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 시스템의 제1바람직한 구체예를 개략적으로 도시하였다.
도 2는 본 발명의 시스템의 제2바람직한 구체예를 개략적으로 도시하였다.
다양한 수트의 집결 및 수트의 증착 기술이 유리 제품의 제조시에 사용된다. 본 발명의 방법은 다수의 이러한 기술들에서 사용될 수 있으면서, 광도파관, 상세하게는 광도파관 섬유의 제조시에 사용되는 유리 예비성형품을 형성하기 위해 목적물상에 수트를 증착시키는데 사용되는 기술에 특히 적합하다. 광도파관 섬유의 제조 동안, 통상적으로 수트는 목적물상 또는 내에 균일하게 증착된다. 집결된 수트는 고순도 유리의 예비성형품으로 고화되고 이후에 빛을 옮기고 조사할 수 있는 얇은 섬유를 형성하기 위해 인발과 같은 그 이상의 공정단계하에 놓인다. 따라서, 본 발명은 이러한 관점에 있어서 설명할 것이다. 그러나, 광도파관 섬유 기술에 속한 당업자에 의해 본 발명이 본원에서 설명하고 청구한 기능들을 수행하는데 포함될 수 있음이 이해될 것이다. 실시예들은 본 발명의 상세한 설명에 언급될 것이며, 이들의 예는 첨부된 도면으로 도시된다.
유리를 생산하는데 사용되는 수트를 형성하기 위해 연소 구역으로 액체 반응물을 전달하기 위한 시스템의 제1바람직한 구체예는 도 1에 도시되어 있다. 상기 액체 반응물 전달 시스템(10)은 분무화된 액체 점적물(18)의 형태로 연소 구역(16)에 액체를 전달시킬 수 있는 인젝터(14)를 포함하는 버너 어셈블리(12)를 포함한다. 버너 어셈블리(12)는 바람직하게 본원의 참고문헌으로 포함된 "액체 반응물의 연소에 의해 용융 실리카를 형성하기 위한 방법 및 장치(Method and apparatus for foming fused silica by combustion of liquid reactants)"라는 명칭하에 1996년 12월 17일자로 출원된 미국 특허출원 제08/767,653호; "산소를 이용한 액체 반응물의 연소에 의해 실리카를 형성하는 방법(Method for forming silica by combustion of liquid reactants using oxygen)"이라는 명칭하에 1997년 7월 30일자로 출원된 미국 특허출원 제08/903,501호; "히터를 이용한 액체 반응물의 연소에 의해 실리카를 형성하기 위한 방법 및 장치(Method and apparatus for forming silica by combustion of liquid reactants using a heater)"라는 명칭하에 1998년 6월 3일자 출원된 미국 특허출원 제09/089,869호; "버너와 금속 산화물 수트의제조방법(burner and method for producing metal oxide soot)"이라는 명칭하에 1997년 12월 19일자로 출원한 미국 예비출원 제60/068,255호; 및 "유리의 제조를 위한 수트를 형성하는 방법 및 장치(Method and apparatus for forming soot for the manufacture of glass)"라는 명칭하에 1998년 7월 31일자로 출원된 미국 특허출원에 기재된 버너 어셈블리와 같은 분무 버너 어셈블리가 바람직하다. 그러나, 액체의 형태로 연소 구역에 액체 반응물을 전달할 수 있는 다른 버너 어셈블리도 본 발명의 시스템에 포함될 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
액체 반응물 전달 시스템(10)은 도관(20)을 통해 버너 어셈블리(12)의 인젝터(14)에 선택적으로 주입될 수 있는 액체 반응물(30) 및 증기화 액체(34)를 더욱 포함한다. 본원에서 사용된 용어 "액체 반응물(liquid reactant)"은 수트를 형성하기 위해 연소 구역에서 반응할 수 모든 반응물을 의미한다. 바람직한 구체예에서, 상기 액체 반응물은 광도파관 섬유용 예비성형품의 생산에 사용되는 유리 수트를 제조할 수 있는 유리 전구체이다. 마찬가지로, 본원에서 사용된 용어 "증기화 액체(evaporative liquid)"는 뒤에 중대한 고체를 남기는 일없이 증발할 수 있는 물이외의 액체로서 정의된다. 통상적으로 액체 반응물(30) 및 증기화 액체(34)는 액체 반응물 저장소(32) 및 증기화 액체 저장소(34)에 각각 저장된다. 흐름 조절 메카니즘(flow control mechanism)(26), 바람직하게는 3방향 밸브는 도관(20)에 전달되는 액체의 선택적인 조절을 제공한다. 상기 선택된 액체의 바람직한 양은 통상적인 펌프(24) 및 플로우 미터(flow meter)(22)를 이용하여 인젝터(14)로 전달된다.
작업중에, 연소 반응물(도시되지 않음)은 버너 어셈블리(12)를 통해 전달되고, 연소 구역(17)에서 불꽃(16)을 형성하기 위해 발화된다. 도시되지 않았지만, 상기 연소 반응물은 바람직하게 불꽃 가스(flame gs), 추가 연소 가스(additional combustion gas) 및 차폐 가스(shield gas)를 포함한다. 통상적으로 상기 불꽃 가스는 메탄과 산소의 혼합물이고, 연소 가스는 추가 산소이고, 차폐 가스는 질소와 같은 불활성 기체이다. 그러나, 다른 가스와 가스의 연소가 버너 어셈블리(12)를 통해 전달되는 연소 반응물을 위해 사용될 수 있음을 이해할 것이다. 흐름 조절 메카니즘(26)은 도관(20)으로 증기화 액체(34)의 흐름을 제공하기 위해 위치된다. 증기화 액체(34)는 인젝터(14)로 증기화 액체(34)의 유속을 조절하기 위해 플로우 미터(22)를 통해 펌프(24)에 의해 펌프된다. 또한 증기화 액체(34)는 연소 구역(17)으로 분무된 액체 점적물로서 버너 어셈블리(12)로부터 인젝터(14)에 의해 방사된다. 본 발명의 시작단계에서, 초기에 증기화 액체(34)는 초기의 낮은 압력과 대응하는 도관(20)에서의 낮은 유속으로 인해 버너 어셈블리(12)의 밖으로 새거나 튀긴다. 그러나, 일단 도관(20)을 통과하는 유속이 펌프(24)에 의해 증가되면, 증기화 액체(34)는 분무된 액체 점적물(18)로서 연소 구역(17)으로 균일하게 전달되며, 이것은 버너 어셈블리(12)를 막는 반응후에 남는 고체를 남기는 일없이 연소 구역(16)에서 빨리 연소된다.
한편, 안정상태의 액체 유속이 얻어지면(즉, 액체 반응물의 고화에 의해 발생하는 상당한 축적이 일어나지 않고 전이가 일어날 수 있는 유속), 흐름 조절 메카니즘(26)은 증기화 액체(34)로부터 액체 반응물(30)로 액체 흐름을 전이시킨다.바람직한 구체예에서, 안정상태의 액체 유속은 전이 단계전에 도관내에서 얻어지고 수트 증착동안 사용되는 유속과 실질적으로 동일하다. 액체 반응물(30)의 흐름이 증가될 때, 증기화 액체(34)의 흐름은 감소되며, 따라서 "범프리스(bumpless)" 전이가 발생한다. 본원에서 사용하는 용어 "범프리스"는 도관(20)을 통해 전달되는 액체 사이에 갭(gaps)이 없다는 것을 의미한다. 대신에, 도관(20), 버너 어셈블리(12)를 통해 그리고 연소 구역(17)으로의 유속은 전이 동안 일정하게 유지된다. 액체 반응물(30)이 배타적으로 도관(20)으로 흐른 후 바로, 도관(20) 내에 남겨진 증기화 액체(34)는 연소 구역(17)으로 방사되며, 계속하여 바로 액체 반응물(30)이 연소하여 수트를 형성한다. 버너 어셈블리(12)는 회전 맨드릴(36)를 향하며 수트(38)가 회전 맨드릴(36)상에 증착된다. 도 1에 도시된 바와 같이 회전 맨드릴(36)의 외부 길이를 따라 전후로 버너 어셈블리(12)를 관통시켜 수트(38)를 회전 맨드릴(36)상에 증착시킬 때, 수트 증착은 다른 방법, 예를 들어 맨드릴을 버너 어셈블리에 대해 전후로 이동시켜 얻어진다.
우선, 바람직한 수트의 양이 회전 맨드릴(36)상에 증착되면, 액체 흐름은 액체 반응물(30)로부터 증기화 액체(34)로 흐름 조절 메카니즘(26)을 통해 전이된다. 버너 어셈블리(12)는 회전 맨드릴(26)로부터 멀리 향하는데, 이것은 도관(20)내의 액체 반응물(30)의 잔류물이 연소 구역(17)으로 전달될 때 그 이후에 바로 방사되는 증기화 액체(34)가 회전 맨드릴(36)로부터 멀리서 연소되기 때문이다. 그 후 흐름 조절 메카니즘(26)은 도관(20)으로의 모든 액체 흐름을 막기 위해 사용될 있다. 도관(20)내의 증기화 액체(34)의 잔류물이 버너 어셈블리(12)를 통해 연소구역(17)으로 전달되면, 인젝터(14)로부터 누설된 흐름이 깨끗이 증발되고 버너 어셈블리 불꽃이 꺼진다. 증기화 액체(34)가 버너 어셈블리(12)로부터 방사된 마지막 액체이기 때문에, 공기중의 물과 반응하여 버너 어셈블리(12)의 오리피스(도시되지 않음), 또는 버너 어셈블리에 인접한 도관(20)내에 고체를 형성할 수 있는 액체 반응물(30)이 존재하지 않는다. 따라서, 버너 어셈블리(12)의 세척은 본 발명에 따른 액체 전달 시스템(10)의 추가 실시전에는 필요없다.
액체 반응물(40)을 전달하기 위한 시스템 및 방법의 제2바람직한 구체예가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 제2바람직한 구체예는 독립적으로 또는 다른 액체 반응물과 함께 하나 또는 그 이상의 도펀트(dopant)의 전달을 위해 특히 적합하다. 그러나, 상기 도퍼트가 본 발명에 따른 시스템 및 방법(10)의 제1바람직한 구체예를 이용하여 전달될 수도 있음을 당업자라면 이해할 것이다. 액체 반응물 전달 시스템(10)을 이용하여 전달될 때, 도펀트는 단일 저장소에서 액체 반응물(30)과 혼합되어 액체 반응물(30) 및 도펀트의 바람직한 비율을 갖는 액체 반응물을 형성할 수 있다. 그 후 액체 반응물은 제1단계에서 균일하게 도핑된 수트를 형성하도록 반응되는 연소 구역으로 전달될 수 있다. 이러한 방법으로, 상기 수트는 개별 도핑단계 없이 형성될 수 있다. 후술할 바와 같이, 본 발명의 제2바람직한 구체예를 이용하여 도펀트를 전달하는데, 특히 형성되어 하는 섬유의 광학특성이 저장시에 변경되어야 할 때 실질적이고 경제적인 잇점이 있다.
액체 반응물 전달 시스템(40)은 인젝터(44)를 갖는 버너 어셈블리(42)를 포함한다. 또한, 각각 액체 반응물(62) 및 증기화 액체(66)을 함유하는 액체 반응물저장소(64)와 증기화 액체 저장소(68)를 포함한다. 본 발명의 제1구체예에서와 같이, 증기화 액체(66) 및 액체 반응물(62)은 흐름 조절 메카니즘(70)을 통해 인젝터(44)에서 도관(60)을 통해 선택적으로 전달된다. 펌프(72) 및 플로우 미터(74)는 도관(60)을 통해 선택된 액체의 유속을 조절한다.
또한, 액체 반응물 전달 시스템(40)은 봉합체(50), 불활성 기체 소스(56), 실린지 펌프(syringe pump)(78) 및 추가 흐름 조절 메카니즘(76)을 포함한다. 흐름 조절 메카니즘(70)과 같이, 추가 흐름 조절 메카니즘(76)은 바람직하게 다수의 액체 소스 사이에서 도관(60)으로 액체 흐름을 전이할 수 있는 3방향 밸브이다. 바람직한 실린지 펌프(78)는 메사추세츠, 홀리스톤의 하바드 인코포레이티드에 의해 생산된 모델 #44의 "하바드 실린지 펌프(Harvard Syringe Pump)"이다. 다른 전달 디바이스가 대체물로서 사용가능할지라도, 실린지 펌프(78)는 정밀한 양의 물질을 전달하기 위해 매우 적합한 실린지(80) 및 미터링 디바이스(82)를 포함한다. 이것은 광도파관의 생산에 사용하기 위한 도펀트의 전달을 위해 이상적인 실린지 펌프(78)를 제조한다. 바람직하게 불활성 기체 소스(56)는 통로(58)를 통해 봉합체(50)내로 불활성 기체(54)를 전달할 수 있는 디스펜서(dispenser)이다.
액체 반응물 저장소(64), 증기화 액체 저장소(68), 및 바람직하게는 실린지 펌프(78)는 모두 봉합체(50)내에 수용되거나 장치된다. 불활성 기체(54)는 통로(58)를 통해 전달되어 내부에 존재하는 모든 물을 대체시킴에 따라 건조 환경(52)을 형성한다. 본원에서 사용되는 용어 "건조 환경(dry environment)"은 필수적으로 물이 거의 없는 환경을 의미하며, 즉 저장소내에 함유된 액체 반응물(들)상에 악영향을 미치는 물의 양 미만의 물을 갖는 환경을 의미한다. 요구되지 않더라도, 불활성 기체(54)는 봉합체(50)에 연속적으로 주입되고 봉합체(50)로부터 연속적 배출되는 것이 바람직하다. 다른 잇점들 중에서, 봉합체(50)내로 연속적으로 전달되는 불활성 기체(54)는 봉합체 내부에 틈이 생겼어도 공기에 함유되는 물이 봉합체(50)내로 들어오는 것을 막을 수 있다. 건조환경(52)은 액체 반응물(62)과 도펀트(84)를 이용하여 작업하기 위한 이상적인 조건을 제공한다. 불활성 기체(54)가 제공될 때 봉합체(50) 내에 필수적으로 물이 없기 때문에, 액체 반응물(62) 및 도펀트(84)의 고화는 피할 수 있다. 봉합체(50)의 크기는 한정되지 않지만, 액체 반응물 전달 시스템(40)의 작업자가 봉입체 내부에서 활동하는 다양한 액체에 접근할 수 있는 한 쌍의 팔길이의 고무장갑이 함께 제공된 글러브 박스(glove box)가 바람직하다. 이러한 방법에서, 작업자는 액체 반응물(62) 및 도펀트(84)가 물에 노출되지 않게 바람직하게 다른 액체 반응물(62) 및/또는 도펀트(84)를 전달하기 위해 용액을 바꿀 수 있다. 따라서, 용액은 상기 시스템을 세척 및/또는 퍼지하는 일없이 실시도중에 바꿀 수 있다. 실린지 펌프(78)는 내부교환가능한 실린지(80)를 갖는다는 추가적인 잇점을 제공한다. 따라서, 추가 도펀트(84)가 봉합체(50)내에 주입되고 내에서 체류을 하기 전에 여러번 실시하기 위해 다른 도펀트(84)를 함유하는 일부 실린지(80)가 봉합체(50)에 미리 위치될 수 있다.
일예에서, 아르곤, 헬륨, 또는 건조 공기(대략적으로 75% 질소 및 25% 산소를 포함, 물 포함하지 않음)와 같은 불활성 기체(54), 바람직하게는 질소는 봉합체(50)내에 주입되어 내부에 건조 환경(52)을 형성시킨다. 액체 반응물(62),원한다면 도펀트(84)는버너 어셈블리(42)의 인젝터(44)를 통해 연속 전달을 위해 봉합체 내에 체류된다. 또한 증기화 액체(66)는 통상적으로 봉합체(50)내에 수용되고 이것은 봉합체의 외부의 공기로부터 물을 흡수하지 않도록 하기 위함이지만, 공기 또는 다른 물의 소스에 노출되지 않는다면 봉합체(50)의 외부에서 유지될 수도 있다. 연소 구역(47)에서 불꽃(46)을 형성하기 위해 연소 반응물(도시되지 않음)이 버너 어셈블리(42)에 전달된 후, 흐름 조절 메카니즘(70)이 도관(60)내로 증기화 액체(66)를 전달하기 위해 위치된다. 증기화 액체(66)는 펌프(72) 및 플로우 미터(74)를 통해 추가 흐름 조절 메카니즘(76)에서 정량화되고, 이것은 분무화된 액체 점적물(48)로서 증기화 액체(66)를 인젝터(44) 및 연소 구역(47)내로 통과시킨다. 증기화 액체(66)의 안정상태 흐름이 얻어지면, 액체 조절 메카니즘(70)은 액체 반응물(62)로의 흐름을 전이시키기 위해 작용된다. 또한, 전이는 "범프리스"이고, 상기 증기화 액체(66)가 도관(60)으로부터 제거된다면, 버너 어셈블리(42)는 회전 맨드릴(86)을 향해 위치된다. 액체 반응물(62)은 분무화된 액체 점적물(48)로서 버너 어셈블리(42)로부터 방사되며, 상기 점적물은 회전 맨드릴(86) 상에 증착된 수트(88)를 형성하기 위해 연소 구역(47) 내에서 반응한다. 경우에 따라, 도펀트(84)가 도핑된 수트를 제조하기 위해 도관(60)을 통해 추가 흐름 조절 메카니즘(76)을 경유하여 연소 구역(47)내로 선택적으로 정량화될 수 있다.
수트(88)의 바람직한 함량이 회전 맨드릴(86) 상에 증착되면, 버너 어셈블리(42)는 회전 맨드릴(86)로부터 멀리 위치되고 도관(60)으로의 액체 흐름이 흐름 조절 메카니즘(70)을 통해 증기화 액체(68)로 전이된다. 액체 반응물(62)이도관(60)을 세정하면, 증기화 액체(66)의 흐름은 종결되고 연소 불꽃도 점멸된다. 증기화 액체(66)가 버너 어셈블리(42)를 빠져나가는 마지막 액체이기 때문에, 누설된 액체가 단순히 증발하고 고화되는 반응을 위해 버너 어셈블리(42)내에 존재하는 반응물이 없다. 따라서, 버너 어셈블리(42)와 상기 버너 어셈블리(42)에 인접한 도관(60)을 플러깅하는 것을 막을 수 있다.
본 발명에 따른 바람직한 제1 및 제2구체예 모두에서, 액체 전달 시스템(10 및 40)을 통해 전달하기 위한 바람직한 액체 반응물(30 및 62)은 각각 테트라에톡시실란 또는 테트라메톡시실란과 같은 실리콘 알콕사이드이다. 더욱 바람직하게는, 액체 반응물(30, 62)은 티타늄(IV) 프로폭사이드, 게르마늄(IV) 에톡사이드, 포타슘 부톡사이드(에틸렌 글리콜 모노메틸에테르와 같은 안정한 유기 용매를 가지고 안정하게 제조됨) 및 종래부터 공지인 다른 금속 알콕사이드와 같은 금속 알콕사이드이다. 가장 바람직하게는, 액체 반응물(30, 62)은 실록산이고, 특히 옥타메틸사이클로테트라실록산과 같은 유기실록산이다. 그러나, 당업자에게는 상기 액체 반응물(30, 62)이 에틸렌 글리콜 모노메틸에테르와 같은 안정한 유기 용매에 의해 안정하게 제조된 상기 열거된 화합물의 조합일 수 있음도 이해될 것이다.
액체 반응물 전달 시스템(40)의 실린지 펌프(78)에 의해 전달되는 바람직한 도펀트(84)는 에틸렌 글리콜 모노메틸에테르와 같은 안정한 유기용매에 의해 용해된 케토네이트, 알콕사이드, 아세테이트, β-디케토네이트, 또는 프라에세오디늄의 플루오로-β-디케토네이트, 홀뮴, 및 톨륨이다. 그러나, 가장 바람직한 도펀트는 에르븀이며, 이것은 바람직하게 β-디케토네이트 또는 플루오로-β-디케토네이트와같은 액체 용액에 전달된다. 당업자들에게는 광도파관에 있어서 바람직한 특성을 갖는 다른 원소들 뿐만 아니라, 다른 희토류 원소이 실린지 펌프(78)까지 전달될 수 있음이 이해될 것이다. 도 1의 액체 반응물 전달 시스템(10)에 도시되지는 않았지만, 당업자에게는 전술한 원소들 또한 선택된 도펀트 용액이 물에 노출되지 않는다면, 실린지 펌프 또는 다른 적절한 전달 디바이스를 이용하여 액체 반응물 전달 시스템(10)을 통해 전달될 수 있음이 이해될 것이다.
액체 반응물 전달 시스템(10) 및 액체 반응물 전달 시스템(40) 각각을 통해 전달된 증기화 액체(34, 66)는 아미드, 아민 및 니트릴과 같은 유기 질소-함유 용액일 수 있지만, 더욱 바람직하게는 유기 산소-함유 용액이다. 아세톤과 같은 케톤, 에틸아세테이트와 같은 아세테이트, 디에틸에테르와 같은 에테르, 및 에틸렌 글리콜 및 에틸렌 글리콜 모노메틸에테르와 같은 글리콜은 상기 유기 산소-함유 용액의 대표적인 예이다. 더욱 바람직하게는, 에탄올, 메탄올, 및 프로판올과 같은 알콜이 증기화 액체(34 및 66)로서 전달되는 유기 산소-함유 용액이며, 가장 바람직한 용액은 에탄올 및 1-프로판올이다.
상술한 바와 같이 유기 산소-함유 액체 및 유기 질소-함유 액체의 일부는 액체 반응물(30 및 62)로서 전달하기 위해 단일 저장소에서, 유기실록산, 금속 알콕사이드, 실록산, 실리콘 알콕사이드, 금속 아세테이트, 금속 β-디케토네이트, 금속 케토네이트, 희토류 아세테이트, 케토네이트, 알콕사이드, β-디케토네이트 및/또는 플루오로-β-디케토네이트와 혼합될 수 있다. 연소될 때, 이러한 용액은 뚜렷한 특성을 갖는 광도파관을 형성하기 위해 포집되고 사용될 수 있는 다양한실리콘-산화물 및 금속 산화물 수트를 형성한다. 상기 유기 산소-함유 액체의 예들은 케톤, 알콜, 글리콜, 에스테르, β-디케톤, 및 카르복시산이다. 상기 유기 질소-함유 액체의 예들은 아미드, 아민, 니트릴 및 이민이다.
본 발명에 따른 버너 어셈블리를 통해 액체 반응물의 플러그 없는 전달을 위한 시스템 및 방법은 발명의 범주를 벗어나지 않는 한에서 당업자에 의해 다양하게 변형 및 변화될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주로 인정될 수 있는 다양한 변형 및 변화를 커버할 것이다. 또한, 하기 청구범위에서의 대응구조, 물질, 작용 및 모든 수단의 동종 및 원소는 본원에서 특히 한정한 바와 같이 다른 청구된 원소와 결합하여 기능을 수행하기 위한 구조, 물질 또는 작용을 포함할 수있다.

Claims (25)

  1. a) 액체 반응물 및 증기화 액체를 하나의 일반 도관을 통해 연소 구역까지 선택적으로 전달시키는 단계;
    b) 상기 선택적 전달 단계동안 액체 반응물과 증기화 액체를 서로 전이시키는 단계; 및
    c) 상기 연속 구역내에서 액체 반응물을 반응시켜 수트를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 플러그 없는 액체 전달 시스템을 유지하면서 유리의 제조시에 사용하기 위한 수트를 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방법은 d) 상기 연소 구역내에서 일시적 흐름 조건동안 증기화 액체를 증발시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 c) 단계는 동시에 상기 액체 반응물의 흐름을 증가시키면서 증기화 액체의 흐름을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 c) 단계는 동시에 상기 증기화 액체의 흐름을 감소시키면서 액체 반응물의 흐름을 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 액체 반응물의 흐름을 증가시키면서 증기화 액체의 흐름을 감소시키는 단계가 밸브를 활성화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 a) 단계는 액체 반응물 및 증기화 액체를 상기 도관에 연결된 분무 버너 어셈블리를 통해 선택적으로 전달시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 전이 단계가 상기 분무 버너 어셈블리 또는 도관의 내 또는 상에서 고체 점적물을 방지하는데 효과적인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 전이 단계가 액체 반응물과 공기의 너무 빠른 반응을 막기에 효과적인 방법으로 실시되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 증기화 액체는 유기 산소-함유 화합물 또는 유기 질소-함유 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 상기 증기화 액체는 알콜, β-디케톤, 케톤, 에스테르, 에테르, 글리콜 및 아미드로 이루어진 군으로부터 선택된 유기 산소-함유 화합물을포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 액체 반응물은 광도파관 섬유용 예비성형품을 제조하는데 사용되는 유리 수트를 제조할 수 있는 유리 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 방법은 봉합체 내에서 상기 액체 반응물 및 증기화 액체를 활동시키는 단계 및 상기 봉합체 내에 불활성 기체를 주입하는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 봉합체내로 불활성 기체를 주입하는 단계가 건조환경을 유지하기 위해 충분한 양으로 상기 봉합체내에 불활성 기체를 연속적으로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 불활성 기체가 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 불활성 기체가 아르곤을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제1항에 있어서, 상기 전이 단계가 안정상태 액체 흐름시에 실시됨을 특징으로 하는 방법.
  17. d) 수트로부터 예비성형품을 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제1항에 따라 광섬유용 유리 예비성형품을 제조하기 위해 수트를 증착시키는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 방법이 상기 도관을 통해 연소 구역까지 도펀트를 전달하여 도핑된 수트를 생성시키는 단계를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 도펀트가 에르븀을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 액체 반응물;
    증기화 액체;
    상기 액체 반응물 및 증기화 액체를 연소 구역내로 방출하기 위해 제조되고 배열된 버너 어셈블리;
    상기 액체 반응물 및 증기화 액체를 상기 버너 어셈블리에 선택적으로 전달시키기 위해 적용되고 버너 어셈블리의 업스트림에 연결되는 도관; 및
    상기 도관내에서 액체 반응물 및 증기화 액체를 서로 전이시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 연소 구역내에서 수트를 생성시키기 위한 액체 전달 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 시스템은 액체 반응물과 증기화 액체를 수용하기 위해 제조되고 배열된 봉합체를 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 봉합체는 필수적으로 물이 없는 환경을 형성하기 위해 불활성 기체 대기로 선택적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 불활성 기체가 질소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제20항에 있어서, 상기 액체 반응물이 광도파관 섬유용 예비성형품을 제조하는데 사용하기 위한 유리 수트를 제조할 수 있는 유리 전구체를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  25. 제20항에 있어서, 상기 액체 반응물 및 증기화 액체를 서로 전이시키기 위한 수단이 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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