DE69922452T2 - Verfahren und Brenner zum Bilden von Siliciumdioxid enthaltenden Russ - Google Patents

Verfahren und Brenner zum Bilden von Siliciumdioxid enthaltenden Russ Download PDF

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Bildung von Siliciumdioxid enthaltendem Ruß und Gegenstände, die aus Siliciumdioxid enthaltendem Ruß hergestellt sind, und insbesondere ein Verfahren und einen Brenner zur Herstellung von Siliciumdioxid enthaltendem Ruß und Gegenständen aus flüssigen, Siliciumdioxid enthaltenden Verbindungen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es sind verschiedene Verfahren bekannt, um Metalloxidruß durch die Verwendung von Brennern herzustellen. Der Ruß kann das Endprodukt selbst sein, oder er kann in einem Zielbereich gesammelt werden, um einen porösen, vorverschmolzenen Körper zu bilden, der anschließend zu einem dichten Körper verdichtet werden kann. Alternativ kann der Ruß, der in dem Zielgebiet gesammelt wurde, gleichzeitig mit Hitze behandelt werden, um einen dichten Körper zu bilden. Die Mehrzahl der zur Zeit angewendeten Verfahren führt Reaktanten dem Brenner in gasförmiger Form zu, wodurch ausgefeilte Verdampfungs- und Zuführungssysteme notwendig werden. Die Komplexität der Ausstattung und der Prozessregelung nimmt deutlich zu, wenn die Endprodukte Multikomponentensysteme sind, die eine getrennte Zufuhr für die einzelnen Reaktanten verlangen.
  • Silicium-, Germanium-, Zirkon- und Titanmetallhalogenide werden oft als gasförmige Reaktanten bei der Bildung von Metalloxidgläsern verwendet. Z.B. wurde die Hydrolyse von SiCl4 zur Herstellung von hoch reinem Siliciumdioxid über die Jahre hinweg zur Industriepräferenz. Die Umwandlung von SiCl4 zu SiO2 durch Pyrolyse und Hydrolyse hat jedoch den Nachteil, dass Chlor und ein sehr stark saures Nebenprodukt, die Salzsäure (HCl), hergestellt wird. Salzsäure ist nicht nur für viele Abscheidungssubstrate und Reaktionsausrüstung nachteilig, sondern auch für die Umwelt schädlich. Emissionsverminderungssysteme haben sich als sehr teuer aufgrund des Verlustes und des Unterhalts von Geräten erwiesen, hervorgerufen durch die Korrosivität von HCl. Als eine Alternative wurde hoch reines Quarz oder Siliciumdioxid auch durch thermische Zersetzung und Oxidation von Silanen hergestellt. Dies verlangt jedoch das Erfassen von Sicherheitsmaßnahmen, um die heftige Reaktion zu verhindern, die dadurch entsteht, wenn Luft in einen geschlossenen Behälter von Silanen eingeführt wird. Silane reagieren mit Kohlendioxid, Distickstoffoxid, Sauerstoff oder Wasser, um hoch reine Materialien herzustellen, die potentiell in der Herstellung von unter anderem Halbleiterbauelementen nützlich sind. Silane sind jedoch viel zu teuer und zu reaktiv, um für kommerzielle Herstellung von synthetischen Kieselsäureglas in Betracht gezogen zu werden, mit Ausnahme möglicherweise für Anwendungen im kleinen Maßstab, die extrem hohe Reinheit verlangen.
  • Das US-Patent Nr. 5 043 002 von Dobbins et al. schlägt alternative Siliciumdioxidvorläufermaterialien vor. Dieses Patent offenbart das Durchblubbern eines Trägergases durch eine Silicium enthaltende Reaktantenverbindung, vorzugsweise eine halogenfreie Verbindung, wie z.B. Polymethylsiloxane, insbesondere Polymethylcyclosiloxane, wie z.B. Hexamethylcyclotrisiloxan, Octamethylcyclotetrasiloxan („OMCTS") und Decamethylcyclopentasiloxan. Eine Mischung des Dampfes der Reaktantenverbindung mit Stickstoff wird zu dem Brenner an der Reaktionsstelle transportiert, wo der Reaktant mit einer gasförmigen Kraftstoff-/Sauerstoffmischung vereinigt und verbrannt wird. Das US-Patent Nr. 5 152 819 von Blackwell et al. beschreibt zusätzliche halogenfreie Siliciumverbindungen, insbesondere Organosiliciumstickstoffverbindungen, mit einer grundlegenden Si-N-Si Struktur, Siloxasilazone mit einer grundlegenden Si-N-Si-O-Si Struktur und Mischungen davon, die verwendet werden können, um ein hoch reines Siliciumdioxidglas ohne die begleitende Erzeugung von korrodierenden, verunreinigenden Nebenprodukten herzustellen.
  • Obwohl die Verwendung von halogenfreien Siliciumverbindungen als Ausgangsmaterial für die Siliciumdioxidglasproduktion die Bildung von HCl vermeidet, bleiben einige Probleme bestehen, insbesondere wenn das Glas für die Bildung von hochreinem synthetischen Kieselsäureglas in Massen und hoch qualitative optische Produkte, wie z.B. optische Wellenleiter, gedacht ist. Z.B., wie in EP-A-0 760 373 offenbart, kann die Gegenwart von Verunreinigungen mit hohem Siedepunkt in z.B. einem Polyalkylsiloxanausgangsmaterial zur Bildung von Gelablagerungen in den Verdampfungs- und Zuführungssystemen, die die dampfförmigen Reaktanten zu dem Brenner tragen, oder innerhalb des Brenners selbst, führen. Solches Polymerisieren und Gelieren des Siloxanausgangsmaterials verhindert die Kontrollierbarkeit und Stetigkeit des Siliciumdioxidherstellungsverfahrens. Dieses Problem ist vorherrschender, wenn ein oxidierendes Trägergas, wie z.B. Sauerstoff, in den Reaktantengasstrom eingeschlossen ist, da Oxidationsmittel die Polymerisation des Siloxanausgangsmaterials zu katalysieren scheinen. Solches Polymerisieren und Gelieren vermindert die Materialablagerungsrate des Massensiliciumdioxidrußes oder der Rußvorform, die entweder gleichzeitig verdichtet werden kann, um optische Elemente zu bilden, oder anschließend zu einem Rohling verdichtet werden kann, aus dem ein optischer Wellenleiter hergestellt wird.
  • Ein zusätzliches Problem, das auftritt, wenn Siliciumdioxidruß oder Siliciumdioxidvorformen unter Verwendung von Siloxanausgangsmaterialien hergestellt werden, ist, dass Teilchen der Verunreinigungen mit hohem Molekulargewicht und hohem Siedepunkt in dem Massensiliciumdioxidruß oder an der Sammelstelle abgeschieden werden, was zu einem „Defekt" oder „geclusterten Defekt" führt. Defekte oder geclusterte Defekte sind Unvollkommenheiten, die nachteilig die optische und strukturelle Qualität des optischen Wellenleiters, der unter Verwendung des Siliciumdioxidrußes hergestellt wurde, beeinflussen.
  • Die geclusterten Defekte können durch Zuführen eines flüssigen Siloxanvorläufermaterials zu einer Umwandlungsstelle, Atomisieren des Ausgangsmaterials an der Umwandlungsstelle und Umwandeln des atomisierten Ausgangsmaterials an der Umwandlungsstelle zu Siliciumdioxid vermindert werden. Eine Art und Weise, das Ausgangsmaterial an der Umwandlungsstelle zu atomisieren, schließt das pneumatische oder „Luftstoß" („airblast") Atomisieren des flüssigen Siloxanausgangsmaterials durch Zuführen des flüssigen Ausgangsmaterials zu der Umwandlungsstelle mit einem Inertgas ein.
  • Die direkte flüssige Zuführung zu dem Brenner bietet viele zusätzliche Vorteile, wie vereinfachte Gerätekonstruktion, Einfachheit im Systembetrieb, reduzierte Produktionskosten und wichtigerweise die Fähigkeit zur Herstellung von Mehrkomponentenoxidmaterialien mit Zusammensetzungen, die mit dem Dampfzufuhrbrennersystem schwierig zu erreichen sind.
  • Die Herausforderungen für die Flüssigzufuhrbrennerbauform sind die wachsende Effektivität der Flüssigkeitsatomisierung und die Reduktion von Turbulenzen der Flamme. Für Verfahren, wie die Ablagerung von hoch reinem synthetischen Kieselsäureglas und die Bildung von Rußvorformen für optische Wellenleiter, stellen die Anforderungen an hohe Abscheidungsraten und Gleichmäßigkeit eine sogar noch strengere Anforderung an die Flammenkontrolle.
  • Obwohl das Atomisieren des flüssigen Siloxanausgangsmaterials in der Nähe der Umwandlungsstelle unter Verwendung eines Luftstoßatomisierers die geclusterten Defekte vermindert, stellt ein solches Luftstoßatomisierungssystem mehrere zusätzliche Herausforderungen. Z.B. werden durch die Erhöhung der Geschwindigkeit des atomisierenden Gases kleinere Flüssigkeitströpfchen hergestellt, die schneller verdampft und in der Brennerflamme verbrannt werden. Kleinere Tröpfchen sind wünschenswert, da große Tröpfchen warzenartige Defekte („Warzen") auf der Oberfläche der Abscheidungsstelle hervorrufen. Zusätzlich können kleinere Tröpfchen leichter mit den umgebenden Gasen fokussiert werden, um einen konzentrierteren Abscheidungsstrom zu bilden. Auf der anderen Seite bringt eine steigende Geschwindigkeit des atomisierenden Gases Turbulenzen in die Brennerflamme, wodurch die Rußauffangrate vermindert wird und andere physikalische Defekte in dem endgültigen Siliciumdioxid enthaltenden Gegenstand, der aus dem Ruß hergestellt ist, hervorgerufen werden können.
  • Das US-Patent Nr. 5 110 335 von Miller et al. offenbart einen Brenner mit Flüssigzufuhr, der eine Düse mit Ultraschallatomisierung verwendet. Obwohl die Flüssigkeitsatomisierung durch Ultraschall wirksam sein kann, macht der Einbau einer Ultraschalldüse den Brenner teuer und seinen Aufbau komplex. Die Hochtemperaturumgebung bestimmter Anwendungen, wie z.B. das Glasherstellungsverfahren, kann die Lebenszeit der Ultraschalldüse drastisch vermindern. Zusätzlich ist ein kompakter Aufbau des Brenners schwierig zu erreichen.
  • Demgemäß wäre es wünschenswert, einen Brenner und ein Verfahren bereitzustellen, bei dem ein flüssiges Zuführungssystem eingebunden ist, das einen fokussierten, Siliciumdioxid enthaltenden Rußabscheidestrom bereitstellt, der kleine Tröpfchen ohne das Bedürfnis an hohen Gasgeschwindigkeiten enthält. Solch ein Brenner und ein Verfahren würde wünschenswerterweise niedrige Turbulenzen der Brennerflamme bereitstellen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung im Allgemeinen ein Verfahren und einen Brenner zur Herstellung von Siliciumdioxid enthaltendem Ruß bereit. Das Verfahren und der Brenner sind insbesondere für die Herstellung von hochreinem Kieselsäureglaselementen und Wellenleiterrohlingen nützlich.
  • Das Verfahren umfasst das Zuführen eines flüssigen, Silicium enthaltenden Ausgangsmaterials und eines Gases in eine Mischkammer, Vermischen des flüssigen Ausgangsmaterials und des Gases in der Mischkammer, um eine Flüssigkeits-Gas-Mischung bereitzustellen, Beförderung der Flüssigkeits-Gas-Mischung zu einer Düse zur Einspritzung in eine Verbrennungsstelle, Unterwerfung der Mischung unter eine zerstäubende bzw. efferveszente Atomisierung (effervescent atomization), wenn sie durch die Düse hindurchgeht, und Umwandeln des Silicium enthaltenden Ausgangsmaterials in einrm Siliciumdioxid enthaltenden Ruß nahe der Verbrennungsstelle. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das flüssige Ausgangsmaterial während des Schrittes des Einspritzens des Ausgangsmaterials von der Düse atomisiert und es wird eine Führungsschiene bereitgestellt, um die atomisierte Flüssigkeits-Gas-Mischung in die Verbrennungsstelle zu leiten. In einer Ausführungsform enthält der Siliciumdioxid enthaltende Ruß eine Dotierungssubstanz. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um optische Elemente herzustellen. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zusätzlich das Abscheiden und gleichzeitiges Sintern des Siliciumdioxid enthaltenden Rußes in einem Eindämmungsbehälter, um einen Siliciumdioxid enthaltenen Körper zu bilden. In einer anderen Ausführungsform kann der Ruß auf eine rotierende Spindel abgelagert werden, um die Vorform einer optischen Wellenleiterfaser zu bilden.
  • Die Erfindung schließt auch einen Brenner zur Herstellung eines Siliciumdioxid enthaltenden Rußes ein, der eine Vielzahl von Kanälen zur Anlieferung von Gasen, einschließlich eines Gases, um eine Flamme an einer Verbrennungsstelle bereitzustellen, ein, und einen efferveszenten Atomisierer zum Atomisieren eines flüssigen, Silicium enthaltenden Ausgangsmaterials und dessen Einbringung an die Verbrennungsstelle, wobei die Mehrzahl der Gase zur Verfügung stellenden Kanäle den efferveszenten Atomisierer umgeben. Bevorzugt schließt das System auch eine Schiene zum Führen des atomisierten, flüssigen, Silicium enthaltenden Ausgangsmaterials in die Brennerflamme ein. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der efferveszente Atomisierer einen Gaseinlass zum Aufnehmen einer Gaszufuhr, einen Flüssigkeitseinlass zum Aufnehmen des flüssigen, Silicium enthaltenden Ausgangsmaterials, eine Mischkammer zum Mischen des flüssigen, Silicium enthaltenden Ausgangsmaterials und des Gases, um eine Flüssigkeits-Gas-Mischung bereitzustellen, und eine Düse, um die Flüssigkeits-Gas-Mischung einzuspritzen.
  • Das Verfahren und der Brenner der vorliegenden Erfindung stellen mehrere Vorteile gegenüber anderen atomisierenden Brennern mit flüssiger Zufuhr bereit. Ein Vorteil ist ein Brenner und ein Verfahren, das efferveszente Atomisierer im Gegensatz zur Luftstoßatomisierung verwendet, das eine weniger turbulente Flamme bereitstellt, welche die Rußqualität während der Ablagerung des Rußes verbessert. Ein efferveszenter Atomisierer kann größere Düsen als ein Luftstoßatomisierer verwenden, wodurch eine einfachere Herstellung des Brenners ermöglicht wird. Größere Düsen sind weniger anfällig für Verstopfung während des Ablagerungsprozesses.
  • Es soll verstanden werden, dass sowohl die vorangegangene, allgemeine Beschreibung als auch die folgende, detaillierte Beschreibung exemplarisch und erläuternd und gedacht sind, um weitere Erklärungen der Erfindung wie beansprucht bereitzustellen.
  • Die begleitenden Zeichnungen sind eingeschlossen, um ein weiteres Verständnis der Erfindung bereitzustellen und um beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung darzustellen. Wo immer möglich werden die gleichen Bezugszeichen über alle Zeichnungen hinweg verwendet, um ähnliche Bauteile zu bezeichnen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Brenners in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Flussdiagramm eines efferveszenten Atomisierers;
  • 3 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Flüssigkeits-Gas-Mischkammer für einen efferveszenten Atomisierer;
  • 4 ist eine Darstellung einer optionalen Sprühkammer; und
  • 5a bis 5c zeigt eine schematische Darstellung von Führungsschienen.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • Nun wird im Detail auf beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung verwiesen, die in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind. 1 stellt einen Brenner 10 mit einer Brennerfläche 11 zur Herstellung eines Siliciumdioxid enthaltenden Rußes durch Verbrennen eines flüssigen, Silicium enthaltenden Ausgangsmaterials und optional Dotierungssubstanzen bereitstellenden Verbindungen in einer Verbrennungsstelle, wo das flüssige Siloxanausgangsmaterial in Siliciumdioxid umgewandelt wird.
  • Das flüssige, Silicium enthaltende Ausgangsmaterial kann ein Siloxanausgangsmaterial, wie z.B. ein Polymethylcyclosiloxan sein. In Übereinstimmung mit der Erfindung umfasst die vorzugsweise halogenidfreie, Silicium enthaltende Reaktantenverbindung ein Polyalkylsiloxan, z.B. Hexamethyldisiloxan. Noch bevorzugter umfasst das Polyalkylsiloxan ein Polymethylcyclosiloxan. Am bevorzugtesten ist das Polymethylcyclosiloxan aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus Hexamethylcyclotrisiloxan, Octamethylcyclotetrasiloxan, Decamethylcyclopentasiloxan, Dodecamethylcyclohexasiloxan und Mischungen davon. Es soll jedoch verstanden werden, dass auch alternative flüssige Ausgangsmaterialien verwendet werden können. Ein Beispiel ist Siliciumtetrachlorid.
  • Das Ausgangsmaterial kann in einem Ausgangsmaterialtank aufbewahrt werden, das dem Brenner 10 durch ein Zuleitungssystem zugeführt werden kann, das ein Zuleitungsrohr, eine Dosierpumpe und einen Filter, wenn gewünscht (nicht gezeigt), einschließen kann. Nun unter Bezugnahme auf 1 ist das Zuleitungsrohr für das flüssige Ausgangsmaterial in fluider Verbindung mit Einlass 12. Einlass 12 ist in fluider Verbindung mit Atomisierer 14, der bevorzugt innerhalb der Brennerstruktur liegt. Der Atomisierer kann jedoch bei oder nahe bei der Brenneroberfläche 11 liegen, wenn gewünscht. Der Atomisierer 14 wird unten detaillierter beschrieben.
  • Bevorzugt wird dem Brenner herkömmlich ein inneres Abschirmgas, ein äußeres Abschirmgas und ein brennbares Gas für die Flamme bereitgestellt, wie z.B. im US-Patent Nr. 4 165 223 von D.R. Powers beschrieben. In einer Ausführungsform ist das innere Abschirmgas ein inertes Gas, wie z.B. Stickstoff und wird durch die Brennerkanäle 16 herbeigeführt. Mit Inertgas meinen wir ein gasförmiges Element, wie z.B. Stickstoff, Argon oder Helium, das unter gewöhnlichen Bedingungen nicht reaktiv ist. Das äußere Abschirmgas kann durch die Brennerkanäle 18 bereitgestellt werden. In einer Ausführungsform ist das äußere Abschirmgas Sauerstoff. Mit brennbarem Gas meinen wir ein Gas, das typischerweise bei der Verbrennung von Siliciumdioxid enthaltenden Vorläufermaterialien verwendet wird, wie z.B. Methan oder eine Mischung von Methan und Sauerstoff. Brennbare Gase können durch die Brennerkanäle 20 bereitgestellt werden, um eine Brennerflamme 21 bereitzustellen.
  • Es soll verstanden werden, dass 1 eine von mehreren möglichen Brennerausführungsformen veranschaulicht. Die Anordnung von unterschiedlichen Gas- und Brennstoffversorgungen, die den Atomisierer umgeben, können variieren. Aufgrund der niederturbulenten Natur des flüssigen, efferveszenten Atomisierers der vorliegenden Erfindung können mehrere Atomisierer in dem Brenner untergebracht werden. Die Verwendung von mehreren Atomisierern kann die Abscheiderate von Siliciumdioxidruß drastisch erhöhen.
  • Der Atomisierer, der in dem Verfahren und Brenner der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann im Allgemeinen als ein efferveszenter Atomisierer beschrieben werden. Wie hierin verwendet, meint ein efferveszenter Atomisierer und efferveszente Atomisierung das Vermischen der Flüssigkeit, die atomisiert werden soll, mit einem Gas in einer Mischkammer, um eine Flüssigkeits-Gas-Mischung vor der Weitergabe der Mischung durch eine Atomisierungsdüse zu bilden. Die Flüssigkeits-Gas-Mischung wird anschließend in einen Strom aus einer abgebenden Atomisierungsdüse gespritzt. Es soll verstanden werden, dass die efferveszente Atomisierung die Verwendung des Gases, um dem flüssigen Strom kinetische Energie zu verleihen, wie das für Luftstoßatomisierer der Fall ist, nicht beinhaltet.
  • Der genaue Mechanismus von efferveszenter Atomisierung ist kaum verstanden. Ohne an ein bestimmtes Prinzip der Funktion gebunden zu sein, wird angenommen, dass während der efferveszenten Atomisierung die Flüssigkeit, die durch die Düse fließt, durch die Gasbläschen in dünne Fetzen und Bänder gequetscht wird. Wenn die Gasbläschen aus der Düse hervortreten, explodieren sie und zertrümmern die umgebenden flüssigen Fetzen und Bänder in kleine Tröpfchen. Efferveszente Atomisierer und Atomisierung kann von Luftstoßatomisierern dadurch weiter unterschieden werden, dass efferveszente Atomisierung viel weniger von der Größe der Düse abhängt als Luftstoßatomisierung. Dies ermöglicht, dass efferveszente Atomisierer viel größere Düsen als Luftstoßatomisierer enthalten, was dazu beiträgt, dass Probleme, die mit Verstopfen der Düsen einhergehen, vermindert werden. In einer Ausführungsform wurde wirkungsvolle Atomisierung durch Vormischen des flüssigen Reaktanten und eines Gases und Einspritzen der Mischung aus atomisierenden Düsen mit einer Größe von ungefähr 2,5 mm (0,1 Zoll).
  • Unter Bezugnahme auf 2 und 3 besteht ein efferveszenter Atomisierer im Allgemeinen aus den folgenden Teilen. Flüssigkeit und Gas werden in eine Flüssigkeits-Gas-Mischkammer 22 mit einer optionalen Düse 23 eingeführt. Die Flüssig-Gas-Mischkammer 22 steht in fluider Verbindung mit einer optionalen Voratomisierungssprühkammer 24, in fluider Verbindung mit mindestens einer atomisierenden Düse 26. Es soll verstanden werden, dass die Voratomisierungssprühkammer 24 zusammen mit der optionalen Düse 23 in der Mischkammer 22 entfernt werden kann. In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der efferveszente Atomisierer auch eine Führungsschiene 28 nach der Atomisierung, um den atomisierten, flüssigen Reaktanten in die Brennerflamme 21 zu leiten, wie in 1 gezeigt.
  • In Abhängigkeit von der Zuführungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit, der Größe des Atomisierers und der Anzahl der notwendigen Düsen können manche Teile nicht notwendig sein. Z.B. kann für Miniaturatomisierer oder Atomisierer mit einer kleinen Anzahl von Düsen die Voratomisierungssprühkammer entfernt werden; in Fällen, in denen die Reduktion von Flammenturbulenzen nicht streng gefordert wird, kann die Führungsschiene nach der Atomisierung entfernt werden.
  • 3 stellt eine Ausführungsform einer Flüssigkeits-Gas-Mischkammer 22 dar, wobei eine geschlossene Kammer, in der die Flüssigkeit und ein Gas eingeführt und gemischt werden, dargestellt sind. Die Kammer kann aus unteren und oberen Teilen 30 und 32 bestehen, die, wie in der Figur gezeigt, von dem Grundkörper der Kammer abtrennbar sein können, oder mit dem Grundkörperteil fest verbunden sein können. Während die in 3 dargestellte Ausführungsform die Flüssigkeit und das Gas zeigen, während diese in den oberen Teil der Mischkammer 22 eintreten, versteht es sich, dass die Flüssigkeit und/oder das Gas durch eine Seitenwand oder den unteren Teil der Kammer eingeführt werden können. In einer Ausführungsform enthält die Mischkammer 22 eine Düse 23, um die Gas-Flüssigkeits-Mischung an eine optionale Sprühkammer abzugeben. Die Düse 23 ist vorzugsweise schmaler als der Durchmesser der Mischkammer 22. Die kleinere Öffnung breitet aus oder versprüht die Flüssigkeit für eine bessere Flüssigkeitsverteilung, wenn sie in Verbindung mit einer optionalen Sprühkammer, wie unten beschrieben, verwendet wird. Für Atomisierer mit kleineren Ausmessungen oder Atomisierer mit einer geringeren Anzahl an Düsen können die Düse 23 in der Flüssigkeits-Gas-Mischkammer 22 und die Sprühkammer 24 insgesamt entfernt werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform, gezeigt in 4, kann eine optionale Sprühkammer stromabwärts von der Flüssigkeits-Gas-Mischkammer angebracht sein. 4 zeigt die optionale Sprühkammer 24 in fluider Verbindung mit einer Vielzahl von Düsen 26. Die Vielzahl von Düsen 26 in der Sprühkammer sind so dimensioniert, um das flüssige Ausgangsmaterial zu atomisieren. Die Düse 23 in der Flüssigkeits-Gas-Mischkammer 22 ist so dimensioniert, um die Flüssigkeits-Gas-Mischung in die Sprühkammer 24 zu sprühen. Die Sprühkammer 24 stellt genügend Raum zur Verfügung, um flüssigen Spraytröpfchen zu erlauben, sich auszubreiten, wenn die Flüssigkeits-Gas-Mischung die Düse 23 am Boden der Mischkammer 22 verlässt. Demzufolge kann eine bessere Verteilung der Flüssigkeit über die Vielzahl der atomisierenden Düsen 26, unten, erreicht werden.
  • In einem anderen Aspekt der Erfindung, gezeigt in 5a, wird eine Führungsschiene 28 den Düsen nachgeordnet bereitgestellt, um das atomisierte, flüssige Ausgangsmaterial in die Verbrennungszone zu lenken. 5b zeigt eine „aktive" Führungsschiene, worin ein Gasfluss entlang der inneren Wand 40 der Führungsschiene eingeführt wird, um eine Akkumulation von atomisierter Flüssigkeit auf der inneren Wand der Schiene zu verhindern. 5c zeigt eine „passive" Führungsschiene, worin kein Gasfluss nötig ist, um Akumulation von atomisierter Flüssigkeit an der Wand der Führungsschiene zu verhindern.
  • Der Zweck der Führungsschiene 28 ist es, die atomisierten Tröpfchen in die Verbrennungszone zu leiten. Nach dem Verlassen einer Düse können sich die Tröpfchen leicht über einen Winkel von mehr als 90° ausbreiten. Übermäßiges Ausbreiten der flüssigen Tröpfchen nach außen kann schwere Flammenturbulenzen hervorrufen. Eine zylindrische Führungsschiene, die sich von der Düse aus erstreckt, kann effektiv das Verbreiten der flüssigen Tröpfchen nach außen verhindern und die Flammenturbulenz drastisch vermindern. Ein Ausbreitungswinkel von weniger als 15° kann leicht erreicht werden. Die Herausforderung, die mit dieser Anwendung einhergeht, ist es, übermäßige Abscheidung von atomisierten, flüssigen Tröpfchen auf der Innenseite der Wand der Führungsschiene zu verhindern, was zum Hervorrufen von Tropfen neigt. Tropfen kann durch angemessenes Gestalten der Führungsschiene, zusammen mit entsprechender Konstruktion der Düse, verhindert werden.
  • Wenn sich ein Teil der Tröpfchen auf der inneren Oberfläche der Schienenwand sammelt, neigen sie dazu, sich abzutrennen und einen flüssigen Film zu bilden. Die Scherung, die durch den Fluss an atomisierter Flüssigkeit erzeugt wird, neigt dazu, Flüssigkeit von dem Film abzutrennen. Das Gleichgewicht zwischen diesen zweien bestimmt die Dicke des Flüssigkeitsfilms auf der Wand. Geeignete Gestaltung der Düse kann zu ausreichend Fluss in dem Bereich nahe der Wand der Schiene führen, um die Dicke des gebildeten Flüssigkeitsfilms zu beschränken. Am Ausgang der Führungsschiene kann ein dünner Flüssigkeitsfilm durch Scherkräfte reatomisiert werden.
  • Alternativ kann die Gestaltung der aktiven Schiene verwendet werden, um die Akkumulation eines Flüssigkeitsfilms und Tropfens zu verhindern.
  • Der Brenner der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um den Siliciumdioxid enthaltenden Ruß auf einer drehbaren Spindel (nicht gezeigt) zu sammeln, um einen Rußrohling oder eine Vorfom zu bilden, die verwendet werden können, um einen optischen Wellenleiter herzustellen. In einer alternativen Ausführungsform kann Siliciumdioxidruß zur weiteren Verdichtung zu seiner gewünschten Gestalt gesammelt werden, oder der Siliciumruß kann in einer Sammelkammer, in welcher der Ruß direkt zu seiner gewünschten Form verdichtet wird, gesammelt werden (nicht gezeigt). Der Brenner und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um reinen Siliciumdioxidruß oder Siliciumdioxidruß, der ein Dotierungsmittel enthält, herzustellen. Das Dotierungsmittel kann aus einer Verbindung hergestellt sein, die in der Lage ist, durch Oxidation oder Flammenhydrolyse zu dem gewünschten Dotierungsmaterial umgewandelt zu werden, z.B. P2O5 oder ein Metalloxid, dessen metallische Komponente aus den Gruppen IA, IB, IIA, IIB, IIIA, IIIB, IVA, IVB, VA und den Seltenerdenelementen des Periodensystems, ausgewählt sind. Diese Oxiddotierungsmittel verbinden sich mit dem im Brenner erzeugten Siliciumdioxid, um dotiertes Siliciumdioxidglas bereitzustellen, das anschließend zu optischen Wellenleiterfasern oder anderen Multikomponentengläsern, wie z.B. Uhra-Glas mit niedriger Ausdehnung, geformt werden kann.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Siliziumdioxid-enthaltenden Rußes, das die folgenden Schritte umfasst: Zuführen eines flüssigen Silizium-haltigen Ausgangsmaterials und eines Gases in eine Mischkammer; Mischen des flüssigen Ausgangsmaterials und des Gases in der Mischkammer, um ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch bereitzustellen; Abgeben des Flüssigkeits-Gas-Gemisches an eine Öffnung zum Ausstoß in einen Verbrennungsort; Unterwerfen des Gemisches einer efferveszenten Atomisierung, wenn es die Öffnung durchläuft; und Umwandeln des Silizium-haltigen Ausgangsmaterials in einen Siliziumdioxid-haltigen Ruß nahe dem Verbrennungsort.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das weiterhin eine Führungsschiene bereitstellt, um das atomisierte Flüssigkeits-Gas-Gemisch zum Verbrennungsort zu lenken.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Siliziumdioxid-haltige Ruß ein Dotierungsmittel enthält.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Dotierungsmittel zumindest ein Element aus einer Gruppe enthält, die aus P2O5 und einem Metalloxid mit einem metallischen Bestandteil, ausgewählt aus den Gruppen IA, IB, IIA, IIB, IIIA, IIIB, IVA, IVB, VA und der Seltenerdmetallreihe des Periodensystems der Elemente, besteht.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 – 4, wobei der Verbrennungsort eine Flamme ist, die durch einen Verbrennungsbrenner erzeugt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, das weiterhin den Schritt umfasst, den Siliziumdioxidhaltigen Ruß auf eine sich drehende Welle abzulagern.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 6, das weiterhin den Schritt umfasst, den Siliziumdioxid-enthaltenden Ruß in einem Behälter abzulagern und gleichzeitig zu sintern, um einen Siliziumdioxid-haltigen Körper zu bilden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 7, wobei der Mischschritt ein Strömen des flüssigen Silizium-haltigen Ausgangsmaterials in die Mischkammer und ein Strömen des Gases in die Mischkammer unter Druck umfasst.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 8, wobei das Gas Sauerstoff ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 – 9, wobei das Silizium-haltige Ausgangsmaterial Siloxan ist.
  11. Brennersystem zur Herstellung eines Siliziumdioxid-haltigen Rußes, umfassend eine Vielzahl von Kanälen (16, 18, 20) zur Zufuhr von Gasen, einschließlich eines Gases zur Bereitstellung einer Flamme für den Verbrennungsort (21), und eines efferveszierenden Atomisierers (14) zum Atomisieren eines flüssigen Silizium-haltigen Ausgangsmaterials und zu dessen Abgabe an einen Verbrennungsort, wobei die Vielzahl von gasbereitstellenden Kanälen den efferveszierenden Atomisierer umgeben.
  12. Brennersystem nach Anspruch 11, das weiterhin eine Schiene (28) zum Führen des atomisierten flüssigen Silizium-haltigen Ausgangsmaterials in die Brennerflamme einschließt.
  13. Brennersystem nach Anspruch 11 oder 12, wobei der efferveszierende Atomisierer einen Gaseinlass zur Aufnahme einer Gaszufuhr, einen Flüssigkeitseinlass zur Aufnahme des flüssigen Silizium-haltigen Ausgangsmaterials, eine Mischkammer (22) zum Mischen des flüssigen Silizium-haltigen Ausgangsmaterials und ein Gas zur Bereitstellung eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches, und eine Öffnung (23) zum Ausstoß des Flüssigkeits-Gas-Gemisches umfasst.
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