KR20020029774A - 화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하기 위한장치 - Google Patents

화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하기 위한장치 Download PDF

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KR20020029774A
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Abstract

화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하기 위한 장치가 설명된다. 장치는 화염 가수 분해에 의해 맨드릴 상에 유리 예비성형품을 형성하도록 회전하는 지지 맨드릴을 향한 방향으로 2개 이상의 수트 형성 반응물의 기류와 화염 가스의 기류를 증착 챔버 내부로 유도하도록 형성된 주 증착 버너를 포함한다. 예비성형품이 예비 설정된 크기에 도달된 때 추가적인 열을 제공하여 효율을 향상시키기 위해, 주 증착 버너의 대향 측면들 상으로부터 유리 예비성형품을 향해 수트 형성 반응물의 기류 없이 화염 가스의 기류를 도입하도록 보조 버너의 하나 이상의 쌍을 포함할 수 있다. 주 증착 버너는 2개 이상의 수트 형성 반응물의 기류를 맨드릴을 향해 유사 접선 방향으로 충돌하도록 유도하고, 또한 2개의 직교 축의 하나 또는 모두를 따라 화염의 폭을 좁히기 위해 2개 이상의 그을음 형성 반응물의 기류를 향해 비스듬하게 내향으로 화염 가스의 기류를 유도하도록 형성된다.

Description

화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하기 위한 장치{APPARATUS FOR MAKING A GLASS PREFORM BY FLAME HYDROLYSIS}
지난 20여년에 걸쳐, 광섬유를 제조하는 데 사용된 원통형 유리 예비성형품은 화염 가수 분해(frame hydrolysis)와 소결(sintering)에 의한 수트 증착(soot deposition)의 2단계를 사용하여 합성 유리질 실리카(synthetic vitreous silica)를 제조함으로써 생산되었다. 이 화염 가수 분해 공정을 사용하는 2개의 주요한 광섬유 생산 공정은 외부 증착(outside vapor deposition, OVD) 및 증기상 축방향 증착(vapor phase axial deposition, VAD)으로 불린다. 화염 가수 분해를 사용하지 않는 2개의 다른 상업적인 광섬유 생산 공정은 수정된 화학 증착(modified chemical vapor deposition, MCVD) 및 플라즈마 화학 증착(plasma chemical vapor deposition, PCVD)으로 불린다.
화염 가수 분해의 기본 공정은 50년 이상 이전에 발명되었다. 이는 처음에는 증착 온도가 증착되는 물질이 저밀도 투명 유리(dully-dense clear glass)가 되도록 충분히 높게 유지되는 단일 단계 증착 공정으로 상업화되었다. 다공성 예비성형품이 먼저 매우 낮은 온도에서 증착되고 나서 투명 유리로 소결되는 2단계 증착이 광섬유의 등장으로 이후에 상업화되었다. 이러한 2단계 공정은 다른 용도로 적용되기도 했는데, 이는 이 공정이 보다 소수의 수산기 이온을 포함하는 재료의 생산을 허용하기 때문이다.
이러한 화염 가수 분해 공정에서, 다양한 종류의 실리콘 함유 선구(precursor) 재료가 증발되고 나서, 증착 챔버 내에서 산소-수소 또는 산소-가스 화염을 생성하도록 버너로 반응 가스와 함께 이송된다. 화염 내에서의 반응은 원통형 맨드릴(mandrel) 상에 형성된 원통형 증착 표면의 길이를 따라 수집되는 미크론 이하의 실리카의 수트 입자를 생성한다. 상대적인 축방향 운동은 맨드릴이 회전하는 동안 버너와 증착 표면 사이에서 제공된다. 수트 입자들은 써모포레시스(thermophoresis)로 불리는 현상에 의해 증착 표면 상에 수집되는데, 이 현상에 의하면 열 구배 내에 존재하는 입자들이 온도가 낮은 표면을 향해 이동하게 된다.
증착율 및 수트 수집 효율은 공정의 경제성에 영향을 미치는 가장 중요한 2개의 인자이다. 이러한 인자는 상당 부분 버너 및 증착 챔버의 형상에 의해 제어된다. 이러한 구성 요소의 설계에 있어서, 증착이 소정 범위의 형성에 걸쳐 발생할 수 있으며 이들 중의 하나가 원통형 로드(rod) 형상일 수 있다는 것이 인지되어야 한다. 원통형 증착에서, 최초 맨드릴 직경은 1 cm보다 작을 수 있으며, 최종 직경은 40 cm보다 클 수 있다. 또한, 높은 수트 밀도를 제공하고 균열을 방지하도록 증착 표면의 온도를 충분히 높게 유지하는 것이 중요하지만, 소결된 유리 내에 기포를 형성할 수 있는 부분적 소결을 초래할 정도로 높아서는 안된다. 증착된 물질의 직경은 균일해야 하며, 증착된 재료의 단부는 플레이킹(flaking)을 방지하도록 충분히 높은 온도로 유지되어야 한다.
상기 간략히 설명된 화염 가수 분해 공정의 효율은 반응물의 선택, 화염 가스의 선택, 증착되는 재료의 최초 및 최종 직경의 선택, 버너의 설계, 및 증착 챔버의 설계를 포함하는 많은 요인들에 의존한다.
많은 버너 형상이 광섬유 산업에서의 사용을 위해 수년 간에 걸쳐 개발되었고, 가장 통상적인 것은 동심 튜브 버너 및 개구 버너라고 불리는 것들이다. 이러한 버너들의 개략도가 도1 및 도2에 각각 도시되어 있다. 용융 실리카 제품 산업에서 사용되는 다른 통상의 형태의 버너는 동심 튜브 버너와 개구 버너 모두의 소정 특성들을 결합시킨다. 이러한 버너의 정면의 개략도가 도3에 도시되어 있다. 이러한 버너는 산소-수소 또는 산소-가스 화염을 사용하고, 표면 혼합 및 예비 혼합된 버너로 기능한다. 이러한 버너는 전형적으로 용융 실리카 유리, 또는 알루미늄이나 스테인레스강과 같은 금속으로 구성된다.
도1 내지 도3의 기본 버너 형상은 원형 대칭의 공통적인 설계 형상을 가진다. 각각의 경우에서, 반응 화학물은 버너의 중심으로부터의 기류 내로 분출되고, 차폐 가스 기류가 주변의 화염으로부터 차폐시키도록 화학물 기류를 둘러싼다. 이러한 방식에서, 반응은 버너 표면으로부터 멀리 발생하며, 이에 따라 성능에 악영향을 미칠 수 있는 버너 표면에 대한 원치 않는 반응물의 축적을 방지한다. 이러한 버너는 가스 및 화학물이 배출되는 버너의 표면이 실질적으로 편평하도록 형성된다. 버너들의 형상은 열적 프로파일(thermal profile), 각각 최적으로 작동하는 레이놀즈 수, 반응이 일어나는 면으로부터의 거리, 및 화염의 길이를 포함하는 열 방식에서 서로 상이하다. 당해 기술 분야의 숙련자는 증착 공정에서 이러한 인자의 중요성을 인지할 것이다.
도면에 도시되지 않은 다른 버너 형상은, 1) 다중 화학물 유동 포트 및 비원형 화염 형상을 가진 리본 버너, 2) 오프셋 화학물 튜브 버너, 및 3) 상이한 평면에서 버너를 이탈하는 화염을 제공하도록 형성된 다중 화염 버너를 포함한다.
대부분의 광섬유 예비성형품 생산자들은 유리 성형 재료의 염화물인 반응물을 사용하며, 반응 생성물 중의 하나는 염산이다. 또한, 모든 유리 성형 산화물 입자 또는 수트가 증착면 상에서 수집되는 것은 아니다. 결과적으로, 증착 챔버는 폐쇄되어야 할 필요가 있고, 배기는 산(acid)을 중화하며 증착되지 않은 수트 입자를 제거하도록 처리되어야 할 필요가 있다.
도4는 원통형 형상의 증착을 위한 증착 챔버의 간단한 형태를 도시한다. 도시된 증착 챔버는 챔버의 일 측면 상에 위치된 고정 버너 및 대향 측면 상의 배기 포트를 포함한다. 척(chuck) 조립체가, 수트가 수직 방향으로 로드를 형성하도록 상부에 증착되는 맨드릴을 보유한다. 척 조립체 상부에 위치된 모터가 맨드릴을 회전시키며, 전체 기구는 로드의 전체 길이가 버너에 의해 생성된 수트 입자의 기류와 화염을 가로질러 상하로 이동되도록 하는 횡방향 기구(traverse mechanism) 상에 장착된다. 수트의 층은 로드가 버너 화염을 가로지를 때마다 로드 상으로 증착되고, 공정은 요구되는 양의 유리가 증착될 때까지 계속된다.
다른 설계에서, 로드는 수평 방향으로 놓일 수 있고, 버너는 정지부를 따른 횡방향일 수 있으나, 층마다 수트를 증착시키도록 로드를 회전시킬 수 있다. 그러한 설계에서, 배기 포트는 정지되어 있거나 버너와 동기식으로 횡방향일 수 있다. 버너는 수평 또는 수직 방향을 배향될 수 있다.
상기 간략히 설명된 버너들의 하나의 제한은 이들이 모두 이하의 3개의 명확한 기능, 즉 (1) 수트 생성, (2) 기판 상의 수트의 효과적인 증착을 위해 요구되는 써모포레틱 구동력의 제공, 및 (3) 증착된 수트 밀도를 제어하기 위한 열의 공급을 제공하도록 형성되어야 한다. 이는 단일 버너를 사용하여 달성될 수 있는 증착율을 제한한다. 또한, 다중 버너를 포함하는 시스템들은 지나치게 복잡한 제어 설계 및 버너 설계에 있어서 매우 높은 정도의 정밀도를 요구하게 된다.
수트를 발생시키고 써모포레틱 구동력을 제공하기 위해 단일의 버너를 사용하는 것은 효율적으로 생성될 수 있는 증착 표면의 크기를 제한할 수 있다. 써모포레틱 구동력은 수트 기류가 화염 외피와 증착 표면 사이로 제한될 경우에만 존재한다. 결과적으로, 화염 길이는 도5에 도시된 바와 같이 증착 기판 주위를 완전히 감싸기에 충분해야 한다.
원통형 로드 상의 써모포레틱 증착에서, 주어진 버너를 위한 증착율은 일반적으로 로드의 직경에 비례하여야 한다. 그리하여, 보다 높은 평균 증착율이 더큰 직경을 가진 예비성형품을 위해 달성된다. 도6에 도시된 바와 같이, 약 5 내지 12 cm 범위의 증착 표면 직경을 위해서, 종래 버너의 증착율은 이론적으로 예측되는 바와 같이, 일반적으로 직경에 대해 선형으로 증가한다. 그러나, 이러한 버너들의 증착율은 로드 직경이 특정값, 예컨대 약 12 cm에 이른 후에는 계속 증가하지 않는다.
선형성이 부족한 하나의 이유는 큰 로드 직경에 있어서, 버너의 화염 길이가 로드의 전체 원주 주위에 써모포레틱 구동력을 제공하기 적당하지 않다는 것이다. 또한, 기판 직경이 증가할수록, 선형 표면 속도는 상응하여, 열이 기판으로부터 손실되는 비율과 마찬가지로 증가한다. 결과적으로, 증착 온도는 부가적인 열 또는 더욱 높은 가스 유동을 제공함으로써만 유지될 수 있다. 또한, 화염 길이의 증가는 버너로 이송되는 반응물의 양을 증가시킬 것을 요구하지만, 이는 증착 구역 내의 난류를 증가시켜 증착 효율을 감소시키고 증착율을 감소시킨다. 난류는 기판이 성장함에 따라 버너를 기판으로부터 인출함으로써 감소될 수 있지만, 부적절한 화염 길이가 화염으로부터 기판으로 전달되는 열의 양을 감소시킬 수 있어 수트 밀도를 유지하는 것을 더욱 어렵게 한다. 절충된 최적 설계의 전체적인 수트 수집 효율은 약 50% 정도에 그친다.
증착 구역 내의 난류는 화염이 회전축을 따른 소정 각도에서 증착 표면에 충돌하도록 배향된다면 제어될 수 있다. 이는 수트 수집 효율을 약 70% 까지 향상시킬 수 있으나, 이는 버너의 수를 한 개만로 제한한다. 또한, 이러한 단일 버너의 화염 길이는 예비성형품의 직경을 제한할 수 있다.
증가된 화염 길이를 제공하기 위한 하나의 방법은 2개 이상의 화염이 화학물 튜브 주위에 동심으로 생성되는 다중 화염 버너를 사용하는 것이다. 제1 화염은 버너로부터의 화학물의 배출 평면에서 시작되고, 다른 하나의 화염은 증착 표적에 보다 근접하여 시작된다. 이 설계의 하나의 문제는 화염의 폭이 증가하는 것인데, 이는 수트 입자가 증착되기 전에 이동하도록 보다 긴 경로를 생성한다. 화염 길이의 증가 또한 제한된다.
다른 접근 방법은 수트 기류가 증착 표면에 수직으로 배향된 상태에서 표적 로드를 따라 축 방향으로 분리된 다중 버너를 사용하는 것이다. 이러한 접근 방법에서, 버너의 축방향 분리는 비균질성에 의해 증착 표면의 단부의 크기를 증가시킬 수 있다. 사용 가능한 효과적인 수트의 수집 효율은 약 30 %까지 하강된다.
표적 로드 주위의 원주 방향으로 위치된 버너를 가진 다중 버너 기계는 일반적으로 증착율을 증가시키지 않는데, 이는 제1 버너로부터의 화염이, 잔류 버너로부터의 수트 기류가 증착 표면 상에서 증착되는 것을 효과적으로 방지하기 때문이다. 기존 버너의 근본적인 한계를 극복하기 위해, 매우 복잡한 다중 버너 증착 기계가 개발되어야 했다.
화염 가수 분해에 의해 향상된 효율을 가진 유리 예비성형품을 생산하는 향상된 증착 장치가 필요하다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 이러한 요구를 만족시키고 나아가 연관된 이점들을 제공한다.
본 출원은 1999년 9월 3일자로 출원된 미국 가 출원 제60/152,293호의 일부 연속 출원이다.
본 발명은 일반적으로 화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하는 장치에 관한 것이며, 특히 높은 증착율(deposition rate)과 향상된 효율로 유리 예비성형품을 생산하는 장치에 관한 것이다.
도1은 종래 기술의 동심 튜브 버너의 단순화된 사시도이다.
도2는 종래 기술의 개구 버너의 단순화된 사시도이다.
도3은 종래 기술의 개구/동심 튜브 버너의 조합의 단순화된 정면도이다.
도4는 화염 가수 분해에 의해 원통형의 유리 예비성형품을 제조하는 종래 기술의 증착 시스템의 개략도이다.
도5는 원통형 예비성형품 주위에 감긴 화염을 도시하는, 도4의 종래 기술의 시스템의 단부도이다.
도6은 전형적인 종래 기술의 단일 버너 증착 시스템의 표적 직경과 증착율 사이의 관계를 도시한 그래프이다.
도7은 본 발명에 따른, 화염 가수 분해에 의해 원통형 유리 예비성형품을 제조하는 증착 시스템의 일 실시예의 단순화된 개략도이다.
도8은 본 발명에 따른 버너 조립체의 제1 실시예의 정면도이다.
도9는 도8의 화살표 9-9 방향으로 취한, 도8의 버너 조립체의 단면도이다.
도10은 도8 및 도9의 실시예와 상이하게, 화염이 버너의 중심축을 향해 내향으로 유도되는 본 발명에 따른 버너 조립체의 제2 실시예의 정면도이다.
도11은 도10의 화살표 11-11 방향으로 취한, 도10의 버너 조립체의 단면도이다.
도12는 도8 내지 도11의 실시예와 상이하게, 화염이 표적 로드의 축을 따른 방향으로만 버너의 중심축을 향해 내향으로 유도되는, 본 발명에 따른 버너 조립체의 제3 실시예의 정면도이다.
도13은 도12의 화살표 13-13 방향으로 취한, 도12의 버너 조립체의 단면도이다.
도14는 도12의 화살표 14-14 방향으로 취한, 도12의 버너 조립체의 단면도이다.
도15는 본 발명에 따른 버너 조립체의 제4 실시예의 정면도이다.
도16은 본 발명에 따른 버너 조립체의 제5 실시예의 정면도이다.
본 발명은 향상된 효율로 화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하기 위한 증착 장치에 관한 것이다. 장치는 종방향 축 주위를 회전하도록 증착 챔버 내에 장착된 지지 맨드릴을 포함하고, 수트 형성 반응물의 기류 및 화염 가스의 기류를 지지 맨드릴을 향해 유도하도록 형성된 주 증착 버너를 포함하여, 화염 가수 분해에 의해 맨드릴 상에 유리 예비성형품을 형성한다. 하나 이상의 보조 버너가 주 증착 버너에 의해 유도된 화염 가스의 기류에 의해 완전하게 가열되지 않은 예비성형품 부분을 가열하도록 수트 형성 반응물의 기류 없이 화염 가스의 기류를 유리 예비성형품을 향해 도입하도록 형성된다. 제어기가 지지 맨드릴 상에 형성된 유리 예비성형품이 예비 설정된 크기에 도달한 후에 하나 이상의 보조 버너를 제어 가능하게 작동시키도록 형성된다. 보조 버너는 지지 맨드릴 주위로 원주 방향으로 이격된, 주 증착 버너의 대향 측면들 상에 위치될 수 있다.
본 발명의 보다 상세한 특징에서, 주 증착 버너는 지지 맨드릴 상에 형성된 유리 예비성형품을 향해 수트 형성 반응물의 기류를 유사 접선 방향으로(quasi-tangentially) 유도하도록 형성된다. 또한, 장치는 예비성형품의 크기가 커질수록 유리 예비성형품으로부터 주 증착 버너가 인출시키도록 형성된 장착부를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 특징 모두는 예비성형품의 위치에서 수트 형성 반응물의 기류 내의 난류를 감소시킬 수 있으며, 이로써 수트 수집 효율을 향상시킬 수 있다.
주 증착 버너는 수트 형성 반응물의 기류를 형성하도록 중심축과 함께 정렬된 반응물 포트를 포함하고, 또한 수트 형성 반응물의 기류 주위에 동심으로 화염을 형성하기 위해 반응물 포트 주위에 동심으로 배열된 복수개의 화염 포트를 포함한다. 주 증착 버너는 화염과 수트 형성 반응물의 기류 사이에 내부 차폐 가스 기류를 형성하도록 위해 반응물 포트와 복수개의 화염 포트 사이에서 반응물 포트 주위에 동심으로 배열된 복수개의 제1 차폐 가스 포트, 및 화염의 반경 방향 외향으로 외부 차폐 가스 기류를 형성하도록 복수개 화염 포트의 반경 방향 외향으로 반응물 포트 주위에 동심으로 배열된 복수개의 제2 차폐 가스 포트를 추가로 포함할 수 있다.
복수개의 화염 포트는 주 증착 버너의 중심축을 향해 내향으로 비스듬하게 화염을 유도하도록 형성될 수 있다. 이러한 화염 포트는 비대칭으로 형성될 수 있으므로, 화염이 하나의 횡방향 축을 따라 주 증착 버너의 중심축을 향해 비스듬하게 내향으로 배향될 수 있으나, 직교 횡방향 축을 따른 중심축과 실질적으로 평행하게 배향된다.
본 발명의 일 형태에서, 주 증착 버너는 지지 맨드릴 상에 형성되는 유리 예비성형품 상에서 실질적으로 반경 방향으로 충돌하는 수트 형성 반응물의 중앙 기류를 형성하도록 버너의 중심축과 정렬된 중앙 반응물 포트를 포함할 수 있고, 유리 예비성형품 상에서 유사 접선방향으로 충돌하는 수트 형성 반응물의 보충 기류를 형성하도록 중앙 반응물 포트의 대향 측면들 상에 위치된 한 쌍의 보충 반응물 포트를 추가로 포함할 수 있다. 밸브가 지지 맨드릴 상에 형성되는 유리 예비성형품의 크기에 따라 반응물 가스의 중앙 포트 및 보충 포트 쌍으로의 전달을 제어할 수 있다.
주 증착 버너는 산소와 천연 가스의 혼합물, 또는 산소와 수소의 혼합물을 연소시키도록 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 특징 및 이점들은 예시에 의해 본 발명의 원리를 개시하는 첨부 도면과 관ㄹ녀하여 취해진, 이하의 양호한 실시예의 설명으로부터 명확해질 것이다.
도시된 도면을 참조하여, 특히 도7을 참조하면, 화염 가수 분해에 의해 원통형 유리 예비성형품(20)을 생산하기 위한, 본 발명에 따른 시스템이 도시되어 있다. 예비성형품은 증착 챔버(24) 내에서 회전하도록 장착된 최초 맨드릴 또는 로드(22) 상에 형성된다. 주 증착 버너(26)는회전하는 로드를 향해 둘러싸는 화염과 수트 입자(28)의 기류를 유도한다. 써모포레시스 현상에 의해서, 수트 입자는 얇은 층으로서 로드 상에 증착되도록 화염으로부터 회전 로드를 향해 이동하게 된다. 주 버너는 운반 조립체(도면에 도시되지 않음)에 의해 회전하는 로드에 대해 축방향으로 이동된다. 따라서, 유리 예비성형품은 원통형 형상으로 층마다 적층된다.
로드(22)가 수평축을 중심으로 회전하는 것으로 도시되어 있고 주 증착버너(26)가 수트 기류(28)을 로드를 향해 상향으로 유도하는 것으로 도시되어 있지만, 다른 배향도 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 증착되지 않은 수트 입자 및 화염(30)으로부터의 배기는 주 버너에 대향하는 로드의 측면 상에 위치된 배기 포트(32)를 경유하여 증착실(24)에서 배출된다.
층마다 예비성형품(20)의 직경이 증가할수록, 직경은 결국 주 증착 버너(24)로부터의 화염(30)의 길이가 예비성형품의 전체 원주 주위를 감싸기 부적절할 정도에 이르게 될 것이다. 이는 화염에 의해 제한되지 않는 수트 기류(28)의 부분을 위한 써모포레시스 효과를 제한함으로써 증착 효율에 악영향을 미칠 수 있다. 이 문제점을 피하기 위해서, 시스템은 주 버너의 대향 측면들 상에서 로드(22) 및 예비성형품(20) 주위에서 원주 방향으로 이격된 부가적인 보조 버너쌍(34a,34b,36a,36b)을 추가로 포함한다. 이러한 보조 보너들은 예비성형품이 미리 결정된 크기까지 성장한 후에 화염(38)을 예비성형품을 향해 유도하도록 제어된다.
보조 화염(38)은 예비성형품 기판(20)이 최종 직경에 도달하는 경우에도 기판의 전체 원주가 화염에 의해 둘러싸이는 것을 보장한다. 또한, 보조 화염은 예비성형품 상에 비스듬하게 충돌하며, 화염의 속도는 예비성형품의 증착 표면 상의 난류를 최소화하도록 제어된다. 화염의 길이 및 예비성형품의 예상된 최종 지름을 포함한 각종 인자들에 의존하여, 부가적인(혹은 적은 수의) 보조 버너들이 대체적으로 사용될 수 있고, 보조 버너의 상대적인 위치가 수정될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
이제 도8 및 도9를 참조하면, 주 증착 버너(26)는 3개의 수트 기류(42a,42b,42c)를 생성하는 3개의 반응물 공급 튜브(40a,40b,40c)를 포함한다. 중앙 이동 튜브(40b)는 회전하는 로드(22) 및 예비성형품(20)의 축에 대해 반경 방향으로 배향된다. 예비성형품이 비교적 작은 직경을 가질 때, 대부분의 반응물은 수트 기류(42b)를 위해 중앙 튜브(40b)를 통해 이송된다. 그러나, 예비성형품의 직경이 커짐에 따라, 대부분의 화학물은 측방향 이송 튜브(40a,40c)를 통해 이송된다. 밸브(44)는 이송 튜브로의 반응물의 전달을 제어한다. 측방향 이송 튜브에 의해 생성되는 측방향 수트 기류(42a,42c)는 예비성형품의 증착 표면에서 난류를 감소시키기도록 증착 기판 상에서 유사 접선 방향으로 충돌한다.
주 증착 버너(26)는 공급 튜브(40a,40b,40c)의 중심과 동심인 링형 가스 챔버(46) 내로 산소와 천연 가스 또는 산소와 수소의 혼합물을 유도함으로써 화염(30)을 생성한다. 가스 혼합물은 이송 튜브 주위로 링을 형성하는 다수의 포트(48)를 경유하여 가스 챔버를 빠져나간다. 링형 내부 차폐 챔버(50) 및 링형 외부 차폐 챔버(52)는 가스 챔버와 동심이며, 질소 차폐 가스를 수용하고 이 차폐 가스를 각각 배출 포트(54,56)를 경유하여 유도한다. 이는 반응물 기류(42a,42b,42c)와 화염 사이에 위치된 외부 링형 차폐 가스 기류를 형성한다. 이러한 2개의 실드 가스 기류를 형성하는 포트들은 기류가 중심축과 실질적으로 평행인 비수렴(non-convergent) 통로를 따르도록 배향된다.
예비성형품(20) 상의 증착 표면의 위치에서의 난류를 더욱 감소시키기 위해서, 주 증착 버너(26)는 예비성형품의 직경이 계속 증가함에 따라 버너가 예비성형품으로부터 인출되는 것을 허용하는 카트리지(58) 상에 장착된다. 최초 로드 직경이 충분히 크다면, 2개의 유사 접선 방향 수트 기류를 생성하도록 2개의 측방향 이송 튜브(40a,40c)만 남겨둔 채로, 중앙 이송 튜브(40b)가 제거될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.
도10 및 도11은 본 발명에 관한 주 증착 버너(26')의 다른 실시예를 도시한다. 이 버너는 화염(30')을 생성하는 포트(48')와 외부 링형 차폐 가스 기류를 생성하는 포트(56')가 중앙 수트 기류(42b)를 향해 2개의 흐름이 수렴하도록 배향된다는 점에서, 이는 도8 및 도9의 버너(26)와 다르다. 이 형상은 감소된 폭의 화염을 제공한다. 회전하는 로드 및 증착 기판을 따라 축방향으로 이격된 다중 증착 버너를 가진 증착 기계의 부품으로서 특히 유용하다.
도12 내지 도14는 본 발명에 관한 주 증착 버너(26'')의 또 다른 실시예를 도시한다. 이 버너는 비대칭이라는 점에서, 도8 및 도9의 버너(26) 및 도10 내지 도11의 버너(26')와 다르다. 화염 가스를 위한 포트(48'')는 화염(30'')이 2개의 직교 축, 즉 도13에 도시된 축 중 하나를 따라서만 버너의 수트 기류(42b)을 향해 수렴하도록 배향된다. 통상적으로는, 이 축은 회전하는 로드 및 증착 기판의 축에 평행하게 정렬되어 축을 따라 화염 폭을 감소시킨다. 화염은 직교 축(도14)을 따라 수렴하지 않으나, 대신 버너 정면과 실질적으로 수직하도록 배향된다. 이는 증착 기판의 원주를 따른 유사 접선 방향 기류를 촉진한다. 이러한 버너 형상은 큰 직경을 가진 기판 상의 수트 증착에 사용되는 데 특히 적절하다.
보조 버너(34a,34b,36a,36b)는 종래 기술의 동심 튜브 버너 또는 개구 버너와 동일한 형상을 가질 수 있으나 중앙 화학물 기류는 갖지 않는다.
산소/가스 혼합물을 수용하는 버너를 위한, 양호한 버너 설계는 도8 및 도9의 개구 버너(26)이며, 적절한 금속 재료로 형성된다. 표면 혼합식(surface-mixed) 버너도 적절하며, 본 발명의 모든 특징들은 표면 혼합식 버너로 설계될 수 있다. 산소/수소 혼합물을 수용하는 버너를 위한, 양호한 버너 설계는 유리 튜브로 구성된 동심 튜브 버너이다. 당해 기술 분야의 숙련자는 본 발명에 따른 설계를 가진 적절한 동심 튜브 버너를 용이하게 설계할 수 있다.
본 발명은 본 발명에 따른 증착 기계의 3개의 예시적인 실시예에 관한 후술하는 보다 상세한 설명으로부터 더욱 양호하게 이해될 것이다.
예 1
도15는 본 발명에 따른 주 증착 버너(60)의 양호한 제4 실시예의 정면도를 도시한다. 도12 내지 도14의 버너(26'')와 유사하게, 이 버너의 정면은 비대칭이지만, 도12 내지 도14의 버너와 다르게, 이 버너(60)는 외부 차폐 가스 기류를 형성하기 위한 포트를 포함하지 않는다. 버너는 화학물 튜브 개구형(chemical tube aperture type)이며 특히 산소/천연 가스 예비혼합물을 연소시키는 데 적합하다. 이하에 기술된 인자는 도15의 버너(60)를 포함하는 증착 기계에 적합한 것으로 고려된다.
증착 버너 형상
화학물 튜브:중심 튜브의 내경(ID): 6 ㎜
중심 튜브의 외경(OD): 8 ㎜
유사 접선 방향 튜브의 내경(ID): 8 ㎜
유사 접선 방향 튜브의 외경(OD): 10 ㎜
유사 접선 방향 튜브의 각도: 10°
내부 차폐부:비대칭 챔버: 최소축 - 15 ㎜
최대축 - 35 ㎜
개구의 개수: 10 내지 20
개구 내경(ID) - 1 ㎜
예비 혼합된 산소/가스: 축 테이퍼 각도: 15°
최소축 폭: 35 ㎜
최대축 폭: 55 ㎜
개구 링의 개수: 2
개구의 개수: 30 내지 90
외부 차폐부:추천되지 않음, 따라서 명시되지 않음
가스 유동: 화염: 산소/천연 가스
내부 차폐: 아르곤
화학물 튜브: 산소/실리콘테트라클로라이드(tetrachloride,SiCl4) 증기
유동 속도:산소/천연 가스: 40 slpm(일정)
내부 차폐: 산소/천연 가스와 동일
SiCl4: 제1 통과: 1 gm/m
5cm 직경에 대해 10 내지 20 gm/m 구배
최종 직경에 대해 20 내지 120 gm/m 구배
화학물 튜브 내의 산소: 1 slpm(선택사양임)
증착 챔버 및 로드
로드 회전율:60 rpm
화염 방향:수직 상향
구성 재료:316 스테인레스 강
버너 차폐부:버너 정면으로부터 상향으로 50 mm 돌출된 실리카(silica) 튜브
버너 횡단:30 cm/m
버너와 증착 표면의
거리:15 cm, 5 cm 직경에서 개시
5 cm 직경에서 최종 20 cm 까지의 구배
보조 버너:버너의 개수: 2
방향: 수직 상향
개시 로드 표면으로부터의 거리: 15 cm
버너 축 간 거리: 10 cm
화염 폭: 25 mm (대략적임)
유동: 산소/천연 가스
유동률: 밀도 제어를 위하여 요구되는 만큼
중앙 화학물 기류의 유동은 2000 레이놀즈(Reynolds) 수를 초과할 것이며, 버너(60)의 정면에서의 유동은 난류가 될 것이다. 이러한 기류의 속도는 증착 표면을 향해 유동할 때 감소될 것이고, 공정은 기류가 표면에 도달하는 시점에서 층류(laminar)가 되는 한 효율적일 것이다. 보조 버너는 예비성형품의 직경이 예비설정된 값에 도달한 후에만 작동되고, 이들이 발생시키는 열은 예비성형품 직경이 증가함에 따라 점차적으로 증가할 것이다.
예 2
도16은 본 발명에 따른 주 증착 버너(62)의 제5 양호한 실시예의 정면도를 도시한다. 버너는 도15의 버너(60)과 같이 비대칭이나, 석영 튜브 형이다. 이는 특히 산소/수소 혼합물을 연소시키는 데 적합하다. 이하에 기술된 인자는 도16의버너(62)를 포함하는 증착 기계에 적절한 것으로 고려된다.
증착 버너 형상
화학물 튜브:중심 튜브의 내경(ID): 6 ㎜
중심 튜브의 외경(OD): 8 ㎜
유사 접선 방향 튜브의 내경(ID): 8 ㎜
유사 접선 방향 튜브의 외경(OD): 10 ㎜
유사 접선 방향 튜브의 각도: 10°
내부 차폐부:비대칭 챔버
최소축 내경(ID): 12 mm
벽 두께: 1 mm
최대축: 튜브 조립체의 길이보다 2 mm 큼
화염 수소 튜브:축방향 테이퍼 각도: 15°
1 내지 3 mm 간격의 최소축
벽 두께: 1 mm
1 내지 3 mm 간격의 최대축
벽 두께: 1 mm
화염 산소 튜브:축방향 테이퍼 각도: 15°
1 내지 3 mm 간격의 최소축
벽 두께: 1 mm
1 내지 3 mm 간격의 최대축
벽 두께: 1 mm
레이놀즈 수: 1500
가스 기류:화염 수소: 60 slpm
화염 산소: 40 slpm(일정)
내부 차폐: 버너 축적을 막기 위해 요구되는 만큼
SiCl4: 제1 통과: 1 gm/m
5cm 직경에 대해 10 내지 20 gm/m 구배
최종 직경에 대해 20 내지 120 gm/m 구배
화학물 튜브 내의 산소: 1 slpm(선택사양임)
증착 챔버 및 로드:
로드 회전율:60 rpm
화염 방향:수직 상향
구성 재료:용융 실리카
버너 차폐부:버너 표면으로부터 상향으로 50 mm 돌출된 실리카 튜브
버너 횡단:30 cm/m
버너와 증착 표면의
거리:15 cm, 5 cm 직경에서 개시
5 cm 직경에서 최종 20 cm 까지의 구배
보조 버너:버너의 개수: 2
방향: 수직 상향
최초 로드 표면으로부터의 거리: 15 cm
버너 축 간 거리: 10 cm
화염 너비: 25 mm (대략적임)
유동: 화염 수소와 산소
기류율: 밀도 제어를 위하여 요구되는 만큼
중앙 화학물 기류의 유동은 2000 레이놀즈(Reynolds) 수를 초과할 것이며, 버너(62)의 정면에서의 유동은 난류가 될 것이다. 이러한 기류의 속도는 증착 표면을 향해 유동할 때 감소될 것이고, 공정은 기류가 표면에 도달하는 시점에서 층류(laminar)가 되는 한 효율적일 것이다. 보조 버너는 예비성형품의 직경이 예비설정된 값에 도달한 후에만 작동되고, 이들이 발생시키는 열은 예비성형품 직경이 증가함에 따라 점차적으로 증가할 것이다.
예 3
본 발명에 따른 증착 시스템의 또다른 양호한 실시예는 도8 및 도9의 버너(26)와 유사하게 대칭인 주 증착 버너를 사용한다. 이는 석영 튜브형이며, 각각 표적 로드 상에 비스듬한 입사각을 갖는 반응물 기류를 생성하도록 형성된 2개의 화학물 튜브를 구비한다. 버너는 특히 산소/수소 혼합물을 연소시키는 데 적합하다. 이의 목적은 증기상(vapor phase) 축방향 증착(VAD) 코어를 일직선 상에 씌우는 것이다. 이하에 기술된 인자들은 이 버너를 포함하는 증착 기계에 적합한 것으로 고려된다.
증착 버너 상
화학물 튜브:유사 접선 방향 튜브의 내경(ID): 6 ㎜
유사 접선 방향 튜브의 외경(OD): 8 ㎜
유사 접선 방향 튜브의 각도: 5°
내부 차폐부:챔버 직경: 25 mm
화염 수소: 원통형, 적절한 속도를 위해 조절된 직경
화염 산소:원통형, 적절한 속도를 위해 조절된 직경
외부 차폐부:추천되지 않음, 따라서 명시되지 않음
가스 유동:화염 수소: 60 slpm
화염 산소: 30 slpm
내부 차폐부: 버너 적층을 방지하도록 요구
되는 만큼
SiCl4: 요구되는 t/a 비율을 위해 조절됨
증착 챔버 및 로드:
로드 회전율:종래의 VAD에서 실시된 바와 같음
화염 방향:수평으로부터 상향으로 15°경사짐
구성 재료:용융 실리카
버너 차폐부:버너 표면으로부터 적어도 50 mm 돌출된 용융실리카
버너와 증착 표면의
거리:15 cm
보조 버너:버너의 개수: 2
방향: 상향으로 15°경사짐
최초 로드 표면으로부터의 거리: 15 cm
버너 축 간 거리: 10 cm
화염 폭: 25 mm (대략적임)
유동: 화염 수소 및 산소
유동률: 밀도 제어를 위하여 요구되는 만큼
전술한 설명으로부터, 본 발명이 화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제작하는 향상된 장치와 관련된 방법을 제공한다는 것을 이해하여야 한다. 장치는 맨드릴 상에 화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 형성하도록 회전하는 지지 맨드릴을 향한 방향으로 수트 형성 반응물의 기류와 화염 가스의 기류를 증착 챔버 내부로 유도하도록 형성된 주 증착 버너를 포함한다. 또한, 예비성형품이 미리 정해진 크기에 도달하였을 때 추가적인 열을 제공함으로써 효율을 향상시키도록, 주 증착 버너의 대향하는 측면들로부터 유리 예비성형품을 향해 수트 형성 반응물의 기류 없이 화염 가스의 기류를 도입하기 위한 한 쌍의 보조 버너가 포함된다.
본 발명이 양호한 실시예를 참조하여 상세하게 설명되었지만, 당해 기술 분야의 숙련자들은 본 발명에서 벗어나지 않고서 많은 수정이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명은 후술하는 청구의 범위에 의해 정의된다.

Claims (23)

  1. 화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하기 위한 장치에 있어서,
    증착 챔버를 형성하는 하우징과,
    종방향 축을 중심으로 회전하기 위해 증착 챔버 내에 장착된 지지 맨드릴과,
    화염 가수 분해에 의해 맨드릴 상에 유리 예비성형품을 형성하기 위해 2개 이상의 수트 형성 반응물의 기류와 화염 가스의 기류를 지지 맨드릴을 향해 유도하도록 형성된 주 증착 버너를 포함하며, 상기 버너는 예비성형품의 위치에서 기류 내의 난류를 감소시키기 위해 종방향 축의 대향 측면들 상에서 그을음 형성 반응물의 2개의 기류를 유리 예비성형품에 대한 유사 접선 방향으로 충돌하도록 유도하는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서, 주 증착 버너에 의해 유도되는 화염 가스의 기류에 의해 완전히 가열되지 않은 예비성형품의 부분을 가열하기 위해 유리 예비성형품을 향해 수트 형성 반응물의 기류 없이 하나 이상의 화염 가스의 기류를 도입하도록 형성된 하나 이상의 보조 버너와,
    지지 맨드릴 상에 형성된 유리 예비성형품이 예비 설정된 크기에 도달한 후에 하나 이상의 보조 버너를 제어 가능하게 작동시키도록 형성된 제어기
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 장치는 주 증착 버너의 대향 측면들 상에 위치되고 지지 맨드릴 주위에서 원주 방향으로 이격된 보조 버너의 하나 이상의 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항에 있어서, 예비성형품의 위치에서 하나 이상의 수트 형성 반응물 내의 난류를 감소시키기 위해 예비성형품의 크기가 성장함에 따라 증착 버너를 유리 예비성형품으로부터 인출하도록 형성된 장착부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항에 있어서, 주 증착 버너는 중심축을 갖고,
    하나 이상의 수트 형성 반응물의 기류를 형성하기 위해 중심축과 함께 정렬된 반응물 포트와,
    하나 이상의 수트 형성 반응물의 기류 주위에 동심으로 화염을 형성하기 위해 반응물 포트 주위에 동심으로 배열된 복수개의 화염 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 주 증착 버너는 화염과 2개 이상의 수트 형성 반응물과 화염 사이의 내부 차폐 가스 기류를 형성하기 위해, 복수개의 화염 포트와 반응물 포트 사이에서 반응물 포트 주위에 동심으로 배열된 복수개의 제1 차폐 가스 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 주 증착 버너는 화염의 반경 방향 외향으로 외부 차폐 가스 기류를 형성하기 위해, 복수개의 화염 포트의 반경 방향 외향으로 반응물 포트 주위에 동심으로 배열된 복수개의 제2 차폐 가스 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제5항에 있어서, 복수개의 화염 포트는 화염을 주 증착 버너의 중심축을 향해 내향으로 비스듬하게 유도하도록 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제8항에 있어서, 복수개의 화염 포트는 화염이 하나의 횡방향 축을 따라 주 증착 버너의 중심축을 향해 내향으로 비스듬하게 배향되지만 직교 횡방향 축을 따른 중심축에 실질적으로 평행하게 배향되도록 비대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항에 있어서, 주 증착 버너는 중심축을 갖고,
    지지 맨드릴 상에 형성된 유리 예비성형품에 대해 실질적으로 반경 방향으로 충돌하는 수트 형성 반응물의 중앙 기류를 형성하기 위해 중심축과 정렬된 중앙 반응물 포트와,
    유리 예비성형품에 대해 유사 접선 방향으로 충돌하는 수트 형성 반응물의 보충 기류를 형성하기 위해 중앙 반응물 포트의 반대편 측면들 상에 위치된 한 쌍의 보충 반응물 포트와,
    수트 형성 반응물의 기류 주위에 동심으로 화염을 형성하기 위해 반응물 포트 주위에 동심으로 배열된 복수개의 화염 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 지지 맨드릴 상에 형성된 유리 예비성형품의 크기에 따라 중앙 포트 및 보충 포트 쌍으로의 반응물 가스의 전달을 제어하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제1항에 있어서, 주 증착 버너는 산소와 천연 가스의 혼합물을 연소시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제1항에 있어서, 주 증착 버너는 산소와 수소의 혼합물을 연소시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하기 위한 장치에 있어서,
    증착 챔버를 형성하는 하우징과,
    종방향 축을 중심으로 회전하기 위해 증착 챔버 내에 장착된 지지 맨드릴과,
    화염 가수 분해에 의해서 맨드릴 상에 유리 예비성형품을 형성하기 위해 하나 이상의 수트 형성 반응물의 기류 및 하나 이상의 화염 가스의 기류를 지지 맨드릴을 향해 유도하도록 형성된 주 증착 버너와,
    주 증착 버너에 의해 유도되는 화염 가스의 기류에 의해 완전히 가열되지 않은 예비성형품의 부분을 가열하기 위해 유리 예비성형품을 향해 수트 형성 반응물의 기류 없이 하나 이상의 화염 가스의 기류를 도입하도록 형성된 하나 이상의 보조 버너와,
    지지 맨드릴 상에 형성된 유리 예비성형품이 예비 설정된 크기에 도달한 후에 하나 이상의 보조 버너를 제어 가능하게 작동시키도록 형성된 제어기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하기 위한 장치.
  15. 제14항에 있어서, 주 증착 버너는 예비성형품의 위치에서 기류 내의 난류를 감소시키기 위해 지지 맨드릴 상에 형성된 유리 예비성형품을 향해 하나 이상의 수트 형성 반응물의 기류를 유사 접선 방향으로 유도하도록 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 화염 가수 분해에 의해 유리 예비성형품을 제조하는 장치에 사용하는 데 적합한 증착 버너에 있어서,
    중심축을 따르는 수트 형성 반응물의 중앙 기류를 형성하는 중앙 반응물 포트와,
    중심축으로부터 발산하는 수트 형성 반응물의 보충 기류를 형성하기 위해,중앙 반응물 포트의 대향 측면들 상에 위치된 한 쌍의 보충 반응물 포트와,
    수트 형성 반응물의 기류 주위에 동심으로 화염을 형성하기 위해 반응물 포트 주위에 동심으로 배열된 복수개의 화염 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 버너.
  17. 제16항에 있어서, 수트 형성 반응물과 화염 사이에 내부 차폐 가스 기류를 형성하기 위해, 반응물 포트와 복수개의 화염 포트 사이에서, 반응물 포트 주위에 동심으로 배열된 복수개의 제1 복수 차폐 가스 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 버너.
  18. 제17항에 있어서, 화염의 반경 방향 외향으로 외부 차폐 가스 기류를 기류를형성하기 위해, 복수개의 화염 포트의 반경 방향 외향 쪽으로 반응물 포트 주위에 동심으로 배열된 복수개의 제2 차폐 가스 포트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 버너.
  19. 제16항에 있어서, 복수개의 화염 포트는 화염을 중심축을 향해 비스듬하게 내향으로 유도하도록 형성된 것을 특징으로 하는 증착 버너.
  20. 제18항에 있어서, 화염이 하나의 횡방향 축을 따라 주 증착 버너의 중심축을 향해 내향으로 비스듬하게 배향되지만, 직교 횡방향 축을 따른 중심축에 실질적으로 평행하게 배향하도록 복수개의 화염 포트가 비대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 증착 버너.
  21. 제20항에 있어서, 형성된 유리 예비성형품의 크기에 따라 중앙 포트 및 보충 포트 쌍으로의 반응물의 전달을 제어하는 밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증착 버너.
  22. 제16항에 있어서, 버너는 산소와 천연 가스의 혼합물을 연소시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 증착 버너.
  23. 제16항에 있어서, 버너는 산소와 수소의 혼합물을 연소시키도록 형성된 것을 특징으로 하는 증착 버너.
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