CN101519271B - 光纤预制体的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤预制体的制造方法,当合成大尺寸预制体时,该方法能够从沉积开始到结束产生稳定且高的沉积效率。当通过在火焰中水解玻璃原料气体以产生玻璃微珠并且沿径向将玻璃微珠沉积在旋转生长材上来制造预制体时,使用具有同轴线多管路结构的燃烧器,该燃烧器至少包括具有相同会聚长度的多个小直径燃烧辅助气体喷出口。在沉积的初期阶段,使L1大于L2(L1>L2),并且在沉积过程中使L2增加,使得L2大于L1(L1<L2),其中,用L1表示会聚长度,用L2表示从燃烧器的前端到生长材上的沉积面的距离。
Description
技术领域
本发明涉及通过在火焰中水解玻璃原料气体以产生玻璃微珠并将玻璃微珠沉积在旋转生长材(starting material)上来制造光纤预制体的方法。
背景技术
迄今为止,提出了用于制造光纤预制体的各种方法。在这些方法之中,广泛使用外汽相沉积法(Outside Vapor PhaseDeposition Method,OVD法)。在该方法中,在使燃烧器或旋转生长材相对往复移动的同时,将由燃烧器火焰产生的玻璃微珠沉积并附着在旋转生长材上,从而合成多孔质预制体。预制体在电炉中被脱水和烧结。由于上述方法能够提供具有较任意的折射率分布的光纤预制体并且能够批量生产具有大直径的预制体,因此,广泛使用该方法。
图1示出用于制造光纤预制体的设备的一个实例的概况。在该图中,通过在芯棒1的两端焊接空棒(dummy rod)2来构成沉积玻璃微珠(烟灰,soot)的生长材,并且由铸铁(ingot)夹具机构4支撑生长材的两端,以使生长材可绕其轴线旋转。朝生长材的方向配置可自由移动的燃烧器3。从可动燃烧器向生长材吹如SiCl4等光纤原料的蒸气和燃烧气体(氢气和氧气),并且使由氧氢焰中的水解产生的烟灰沉积在生长材上而形成多孔质光纤预制体。附图标记5表示排出罩(exhaust hood)。
由燃烧器引导机构(未示出)支撑燃烧器3,从而使燃烧器3可沿生长材的长度方向往复移动并且可从生长材退避,燃烧器3可朝向绕轴线旋转的生长材喷射火焰。通过使由原料气体在火焰中的水解产生的玻璃微珠沉积来制造多孔质预制体。接着,通过使多孔质预制体通过加热炉(未示出)的加热器部,该多孔质预制体被脱水并被玻璃化,从而变成光纤预制体。
为了合成玻璃微珠并且在生长材上沉积烟灰(玻璃微珠),传统上使用同轴线多管路燃烧器。然而,具有该结构的燃烧器不能充分地混和玻璃原料气体、易燃或可燃气体以及燃烧辅助气体,从而不能产生足量的玻璃微珠。结果,不能提高生产率并且难以实现高速合成。
为了解决上述问题,日本专利No.1773359提出了一种多喷嘴型燃烧器,其中,在可燃气体喷出口配置多个小直径的燃烧辅助气体喷出口(下文中被称为小直径喷出口),从而使小直径喷出口包围中央的原料气体喷出口。
此外,日本专利No.3543537提出了防止干扰原料气流的方法,其中,当用L1表示多个小直径喷出口的会聚长度(focallength),并且用L2表示从小直径喷出口的前端到预制体的玻璃微珠沉积面的距离时,建议L1大于L2。相反地,日本特开2003-226544号公报公开了可以通过使L1小于L2来提高沉积效率从而增加气体的混和效率。
然而,在使燃烧器或生长材相对往复移动的同时将在燃烧器火焰中产生的玻璃微珠沉积并附着到旋转的生长材上的OVD法中,随着沉积的进行,预制体的重量增加并且沉积体的直径增大。因此,随着沉积的进行,通常增加气体量来调节沉积体的密度。沉积持续进行直到初始直径为50mm的生长材达到300mm的直径为止。
在沉积的初期阶段,由于沉积面积小,因此,以小的气体线速度和小的气体供给量进行沉积。因此,从小直径喷出口喷出的气体容易干扰玻璃微珠的流动,该干扰降低了沉积效率。在沉积的后半段中,由于沉积体具有增大的直径并且沉积面积增加,因此,以大的气体线速度和大的气体供给量进行沉积。结果,虽然从小直径喷出口喷出的气体对玻璃微珠的流动的干扰小,但是,存在大的气体线速度减小气体的混和比从而降低沉积效率的问题。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题并且提供一种能够高效地进行玻璃微珠的产生和沉积的方法。特别地,本发明涉及一种在合成大尺寸预制体时能够从沉积开始到结束都产生稳定且高效的沉积的光纤预制体的制造方法。
根据本发明的第一方面,提供一种光纤预制体的制造方法,其包括:
使用具有同轴线多管路结构的燃烧器,该燃烧器至少具有:被配置在所述燃烧器的中央的玻璃原料气体喷出口;被配置在所述玻璃原料气体喷出口的外侧的易燃气体喷出口;以及被配置在所述易燃气体喷出口的内侧、且位于与所述玻璃原料气体喷出口同心的圆中的至少一个圆上的多个小直径燃烧辅助气体喷出口,以使所述多个小直径燃烧辅助气体喷出口的各自的轴线会聚在一点的方式在距会聚点相同会聚长度的同一圆上配置所述多个小直径燃烧辅助气体喷出口;
从所述玻璃原料气体喷出口喷出玻璃原料气体;
从配置在所述玻璃原料气体喷出口的外侧的所述易燃气体喷出口喷出易燃气体;
从所述多个小直径燃烧辅助气体喷出口喷出燃烧辅助气体;
水解从所述玻璃原料气体喷出口喷出的玻璃原料气体,以产生玻璃微珠;
沿径向在旋转生长材上沉积所述玻璃微珠,
在沉积的初期阶段,使L1大于L2(L1>L2),其中,将所述多个小直径燃烧辅助气体喷出口的会聚长度定义为L1,将从所述多个小直径燃烧辅助气体喷出口的前端到玻璃微珠在生长材上的沉积面的距离定义为L2;并且
在沉积过程中使L2增加,使得L2大于L1(L1<L2)。
根据本发明的第二方面,提供一种光纤预制体的制造方法,其中,使所述燃烧器远离所述玻璃微珠在所述生长材上的沉积面地移动,使得所述距离L2随着沉积量增加而使所述预制体的外径增大而增大,从而实现L1<L2的关系。
根据本发明的第三方面,提供一种光纤预制体的制造方法,其中,使所述燃烧器远离所述玻璃微珠在所述生长材上的沉积面地移动,使得当所述预制体的外径增大到所述生长材的直径的大致三倍时实现关系L1=L2。
本发明在高沉积效率而不会引起密度的急剧变化的情况下从开始到结束以稳定的状态进行连续沉积方面提供非常有益的效果。
附图说明
从下面参照附图对典型实施方式的说明中,本发明的其它特征将变得明显。
图1是示出用于由外汽相沉积法(OVD法)制造多孔质玻璃预制体的设备的概况的示意图;
图2A是示出本发明使用的用于合成玻璃微珠并且具有小直径喷出口的燃烧器的前端的示意图;
图2B是图2A中的燃烧器的前端的剖视图;
图3A是示出在沉积的初期阶段会聚长度L1和从燃烧器前端到沉积面的距离L2之间的关系的图;
图3B是示出在沉积的后半段会聚长度L1和从燃烧器前端到沉积面的距离L2之间的关系的图;
图4是示出沉积重量与沉积速率之间的关系的图。
具体实施方式
为了实现上述目的,本申请的发明人根据研究结果发现:在沉积的初期阶段和沉积的后半段,分别适当地设定小直径喷出口的会聚长度与从喷出口的前端到玻璃微珠的沉积面的距离之间的关系是重要的,从而实现了本发明。
也就是说,在图2A和图2B所示的燃烧器中,如图3A和图3B所示,用L1表示从多个小直径喷嘴106喷出的气流的会聚长度,以同心圆的方式配置该多个小直径喷嘴106,使得该多个小直径喷嘴106的各自轴线聚焦在一点。用L2表示从喷嘴106的前端到玻璃微珠沉积面107的距离。在从喷出口喷出的燃烧辅助气体可容易地干扰玻璃微珠流的沉积的初期阶段,通过设定L1>L2,可以加速易燃气体与燃烧辅助气体在中央流的外侧的混和,而不会干扰玻璃微珠的中央流。从而,提高了沉积效率。
在本发明中,沉积的后半段可被定义为从沉积体的直径增长到生长材的直径的大致三倍的时间开始的时间段。
相反地,在气体量和气流的线速度增大的后半段沉积过程中,从小直径喷嘴106喷出的燃烧辅助气体流几乎不影响玻璃微珠流,并且玻璃微珠流几乎不被干扰,但是,另一方面,气体混和效率下降。因此,通过设定L1<L2,来自小直径喷嘴106的燃烧辅助气体在碰撞沉积体之前在焦点位置强烈地碰撞原料火焰,从而积极地加速易燃气体、燃烧辅助气体和玻璃微珠的混和反应。从而,能够提高沉积效率。
在沉积期间调节小直径喷嘴106的会聚长度L1是困难的。因此,可以通过调节从燃烧器前端到沉积面的距离L2来进行L1和L2之间的关系的调节。具体地,从沉积的初期阶段到沉积的后半段,通过使燃烧器100平稳地远离沉积面移动来增大距离L2,可以使L1<L2并且以稳定的状态持续进行沉积,而不会产生沉积的预制体的急剧的密度变化。
下文中,将参照实施例和比较例更具体地说明本发明的实施方式,但是,本发明不限于此。
实施例1
利用如图1所示的设备和OVD法将玻璃微珠沉积在生长材上。通过将外径为50mm的空棒焊接到芯棒1的两端来形成生长材。芯棒1也具有50mm的外径并且具有2000mm的长度。由如图2A和图2B所示的具有同轴线五重管路结构的燃烧器100沉积微珠,从而制造光纤预制体。
燃烧器100包括:第一管路101,其被配置在燃烧器100的中央,以形成玻璃原料气体喷出口101P;第二管路102,其被配置在第一管路101的外侧,以形成用于喷出密封气体的密封气体喷出口102P;以及第三管路103,其被配置在第二管路102的更外侧,以形成用于喷出易燃气体的易燃气体喷出口103P。燃烧器100还包括容纳在第二管路102和第三管路103之间的易燃气体喷出口103P中的八个小直径燃烧辅助气体喷出口喷嘴106。以等距离的间隔将喷嘴106配置在与中央玻璃原料气体喷出口101P同心的圆的上,从而形成用于喷出燃烧辅助气体并且会聚长度L1=150mm的小直径燃烧辅助气体喷出口106P。也就是说,如图2A和图2B所示,通过弯曲喷嘴106使喷嘴106的各自轴线会聚在一点的同心方式配置喷嘴106。燃烧器100还包括:第四管路104,其被配置在第三管路103的外侧,以形成用于喷出密封气体的密封气体喷出口104P;以及第五管路105,其被配置在第四管路104的外侧,以形成用于喷出燃烧辅助气体的燃烧辅助气体喷出口105P。
从沉积开始到沉积结束,在如下所述的各自范围内供给各气体,并且使气体的供给速率逐渐增加。也就是说,向燃烧器的第一管路101供给1.0~10L/min的作为玻璃原料气体的SiCl4以及5~20L/min的燃烧辅助气体O2;向第二管路102供给4~6L/min的密封气体N2;向第三管路103供给70~170L/min的易燃气体H2;向第四管路104供给4~6L/min的密封气体N2;向第五管路105供给20~50L/min的燃烧辅助气体O2;此外,向主管路(未示出)供给5~20L/min的燃烧辅助气体O2,设置在第三管路103中的小直径喷出口喷嘴106从该主管路分支。在生长材上沉积100kg的玻璃微珠。表1中集中列出了包括比较例1和2的供给到燃烧器的各管路的气体的种类和供给量。
在多个小直径喷出口106P的会聚长度被设定为L1=150mm并且直到沉积面107的距离被设定为L2=125mm的状态下开始沉积。随着沉积体成长,使燃烧器逐渐远离沉积面移动,从而大致在沉积体的直径是150mm、即是生长材的直径的大致三倍时使L1等于L2,并且在沉积结束时使L2等于175mm。在表2中集中列出了作为实施例1的沉积结果获得的相对于沉积重量的各代表值的沉积速率,表2中也列出了比较例1和2的结果。这里,实施例1以及比较例1和2的沉积效率分别是64.0%、60.9%和56.9%。此外,图4中示出每5kg沉积重量的平均沉积速率。从图4看出,在沉积期间,实施例1的沉积速率比稍后说明的比较例1和2的沉积速率优异。
表1
气体的种类 | 流量(L/min) | |
第一管路101(玻璃原料气体喷出口) | SiCl4O2 | 1.0~105~20 |
第二管路102(密封气体喷出口) | 密封气体(N2) | 4~6 |
第三管路103(易燃气体喷出口) | H2 | 70~170 |
第四管路104(密封气体喷出口) | 密封气体(N2) | 4~6 |
第五管路105(燃烧辅助气体喷出口) | O2 | 20~50 |
小直径燃烧辅助气体喷出口喷嘴106 | O2 | 5~20 |
表2
比较例1
除了在小直径喷出口的会聚长度被设定为L1=150mm并且将到沉积面的距离保持为L2=125mm的状态下进行沉积之外,以与实施例1相同的方式在生长材上沉积100kg玻璃微珠。由图4可知,在沉积的初期阶段,沉积速率与实施例1中的沉积速率大致相同,但是在沉积的后半段,沉积速率比实施例1中的沉积速率差。
比较例2
除了在小直径喷出口的会聚长度被设定为L1=150mm并且到沉积面的距离被保持为L2=175mm的状态下进行沉积之外,以与实施例1相同的方式在生长材上沉积100kg玻璃微珠。
由图4可知,在沉积的初期阶段,沉积速率比实施例1中的沉积速率差,但是在沉积的后半段,沉积速率与实施例1中的沉积速率大致相同。
根据本发明,显著提高了玻璃微珠的沉积效率,从而提高了多孔质玻璃预制体的生产率。
虽然已经参照典型实施方式说明了本发明,但是,应当理解,本发明不限于所公开的典型实施方式。所附权利要求书的范围将符合最宽的解释,从而包含所有变型、等同结构和功能。
本申请要求2008年2月27日提交的日本专利申请No.2008-046843的优先权,该日本专利申请的全部内容通过引用包含于此。
Claims (3)
1.一种光纤预制体的制造方法,其包括:
使用具有同轴线多管路结构的燃烧器,该燃烧器至少具有:被配置在所述燃烧器的中央的玻璃原料气体喷出口;被配置在所述玻璃原料气体喷出口的外侧的易燃气体喷出口;以及被配置在所述易燃气体喷出口的内侧、且位于与所述玻璃原料气体喷出口同心的圆中的至少一个圆上的多个小直径燃烧辅助气体喷出口,以使所述多个小直径燃烧辅助气体喷出口的各自的轴线会聚在一点的方式在距会聚点相同会聚长度的同一圆上配置所述多个小直径燃烧辅助气体喷出口;
从所述玻璃原料气体喷出口喷出玻璃原料气体;
从配置在所述玻璃原料气体喷出口的外侧的所述易燃气体喷出口喷出易燃气体;
从所述多个小直径燃烧辅助气体喷出口喷出燃烧辅助气体;
水解从所述玻璃原料气体喷出口喷出的玻璃原料气体,以产生玻璃微珠;
沿径向在旋转生长材上沉积所述玻璃微珠,
从沉积开始到沉积结束,使各气体的供给速率逐渐增加,
在沉积的初期阶段,设定L1和L2的比率为L1>L2,其中,将所述多个小直径燃烧辅助气体喷出口的会聚长度定义为L1,将从所述多个小直径燃烧辅助气体喷出口的前端到玻璃微珠在生长材上的沉积面的距离定义为L2;并且
在沉积过程中使L2增加,使得L2大于L1(L1<L2),其中,在沉积的后半段达到L1<L2。
2.根据权利要求1所述的光纤预制体的制造方法,其特征在于,使所述燃烧器远离所述玻璃微珠在所述生长材上的沉积面地移动,使得所述距离L2随着沉积量增加而使所述预制体的外径增大而增大,从而实现L1<L2的关系。
3.根据权利要求2所述的光纤预制体的制造方法,其特征在于,使所述燃烧器远离所述玻璃微珠在所述生长材上的沉积面地移动,使得当所述预制体的外径增大到所述生长材的直径的大致三倍时实现关系L1=L2。
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