ES2292788T3 - Procedimiento y dispositivo para vaporizar un reactivo liquido en la fabricacion de una preforma de vidrio. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la vaporización de reactivos líquidos en un proceso para la producción de un preforma de polvo de vidrio, que comprende: la formación en un canal de flujo horizontal de una corriente continua de reactivo líquido que tiene un grosor suficiente para generar vapor bajo régimen de ebullición por películas o nucleada; y el calentamiento de dicha corriente de reactivo líquido a una temperatura suficiente para generar vapor bajo régimen de ebullición por películas o nucleada.
Description
Procedimiento y dispositivo para vaporizar un
reactivo líquido en la fabricación de una preforma de vidrio.
La presente invención se refiere a un
procedimiento y a un dispositivo para vaporizar un reactivo líquido
en una etapa intermedia de un proceso para la fabricación de una
fibra óptica, en particular en la etapa de producción de una
preforma de polvo de vidrio que será sucesivamente estirada en fibra
óptica. Para producir la preforma de polvo de vidrio, el reactivo
vapor se pasa a un quemador para la generación de una corriente de
polvo de vidrio, que se deposita sobre un lugar de deposición.
Las fibras ópticas para la telecomunicación son
normalmente fibras de vidrio con base de sílice de alta pureza a
partir de preformas de vidrio, cuyas preformas se pueden producir
según diversas técnicas de deposición de vidrio.
Algunas de estas técnicas de deposición, que
incluyen la deposición axial en fase vapor (VAD) y la deposición
externa en fase vapor (OVD), requieren la utilización de un quemador
de combustión para la generación de partículas de polvo de vidrio
para que sean depositadas. Este quemador se alimenta habitualmente
con un precursor de sílice, como el SiCl_{4}, junto con los gases
de combustión, de manera que se genera un flujo de alta temperatura
de partículas finas de vidrio en formación (es decir, SiO_{2}).
Este flujo se dirige sobre una placa giratoria para hacer crecer
una preforma de polvo de vidrio, que se consolida posteriormente
para obtener una preforma de vidrio. Opcionalmente, el quemador se
puede alimentar también con un material dopante, como el
GeCl_{4}, para modificar adecuadamente el índice de refracción del
vidrio.
Los diferentes gases se suministran al quemador
mediante un sistema de liberación de gases, que comprende fuentes
de gases y conexiones de tubos. Es importante tener una fuente de
material precursor de vidrio capaz de generar el material precursor
a una velocidad controlada, sin variaciones en el tiempo no
deseadas.
Para dicha utilización, son conocidas en la
técnica diversos tipos de sistemas de liberación de gases y de
fuentes de gases.
La patente de Estados Unidos
US-A-4.314.837 se refiere a un
procedimiento para liberar materiales de la fuente de vapor hacia
una llama de reacción oxidante o similar. Cada constituyente (por
ejemplo, SiO_{2}, GeO_{2} y B_{2}O_{3}) se mantiene en
forma licuada en un recipiente cerrado que está provisto de un
calefactor para elevar la temperatura del líquido hasta un valor
suficiente para proporcionar una presión de vapor predeterminada
dentro del depósito. Los vapores resultantes se transfieren mediante
medios de medición controlados individualmente y conductos
apropiados hacia el dispositivo de reacción. Se puede añadir oxígeno
al conducto de transporte del vapor o directamente al dispositivo
de utilización del vapor. Los depósitos pueden ser tanques
presurizados disponibles comercialmente. Se monitoriza la presión
del depósito, y la información obtenida de este modo se utiliza
para controlar el funcionamiento de los calefactores. Los
controladores del flujo de masa se suministran en las diferentes
líneas, de manera que se pueden controlar los caudales de masa de
los vapores.
El Solicitante ha verificado que dicho
vaporizador tiene el inconveniente de estar sujeto a las
fluctuaciones no deseadas de presión. El Solicitante observa
también que puede ser peligrosa la presencia de estos depósitos en
el interior de los laboratorios en los que los investigadores y los
técnicos tienen que operar, a causa del riesgo de fugas. Además, el
Solicitante observa que el sistema descrito requiere la utilización
de controladores de flujo de masa, que son dispositivos caros y
delicados, a lo largo de las líneas de flujo de vapor, es decir, en
los puntos calientes del sistema, en los que están sujetos a errores
y fallos. El Solicitante observa también que estos tanques han de
contener una cantidad relativamente grande de líquido y, por lo
tanto, son engorrosos.
La patente de Estados Unidos
US-A-5.707.415 hace referencia a un
vaporizador (evaporador de lámina) para reactivos líquidos que
contienen silicio y que están libres de haluros, utilizados en la
producción de preformas. El vaporizador incluye una pluralidad de
columnas de lecho compacto que rodean un tubo central. Se pulveriza
una mezcla de reactivo líquido, por ejemplo,
octametilciclotetrasiloxano, y de gas, por ejemplo, oxígeno, sobre
las superficies superiores de las columnas mediante un juego de
boquillas de pulverización. El reactivo líquido y el gas fluyen
juntos hacia abajo a través de las columnas y se calientan mediante
aceite caliente que fluye alrededor de las paredes de las columnas.
El reactivo líquido se evapora en el gas hasta que se alcanza la
temperatura de punto de rocío, punto en el que todo el reactivo
líquido se habrá convertido en vapor. La mezcla vapor/gas sale de
las superficies inferiores de las columnas, en la que su dirección
de flujo cambia de descendente a ascendente. Este cambio en la
dirección del flujo separa las especies de peso molecular más alto
de la mezcla vapor/gas. La mezcla vapor/gas sale del vaporizador a
través del tubo central y se suministra a los quemadores que
producen el polvo que se utiliza para producir las preformas.
La patente de Estados Unidos
US-A-5.078.092 se refiere a un
sistema para liberar un reactivo líquido a caudales elevados para
un lugar de deposición hidrolítico con llama oxidante de polvo de
vidrio. Un primer reactivo líquido (TiCl_{4}) se libera sobre una
superficie interior de una cámara de vaporización instantánea para
formar una película delgada y se mezcla con oxígeno después de la
vaporización. A partir de entonces los reactivos vaporizados
adicionales (SiCl_{4}) se mezclan con el primer líquido vaporizado
antes de liberarlo a un quemador hidrolítico con llama oxidante
para formar una capa de revestimiento exterior del polvo de vidrio
de una preforma en polvo. Dicha superficie interior de la cámara de
vaporización instantánea está definida por un elemento de
calefacción, cuya temperatura se mantiene por debajo de la
temperatura a la que tiene lugar la ebullición nucleada o por
películas del líquido.
La patente de Estados Unidos
US-A-5.356.451 se refiere a un
procedimiento y a un aparato para proporcionar vapores de reactivo
a un lugar de utilización. El aparato incluye una cámara de
vaporización rodeada por unas paredes superior e inferior, por unas
paredes laterales y por unas paredes finales primera y segunda. La
primera pared final está elevada con respecto a la segunda pared
final. El reactivo se suministra en forma líquida a un distribuidor
de flujo que libera el líquido en aquella parte de la pared inferior
cerca de la primera pared final. El ángulo con el que se inclina la
pared inferior con respecto a la horizontal es suficiente para
provocar que el líquido fluya hacia abajo hasta la pared inferior a
una velocidad suficiente para formar una película, cuyo grosor es
más pequeño que el grosor que sostendría una burbuja durante el
calentamiento de la película (es decir, que no se produce la
ebullición). Se calienta la superficie hasta una temperatura mayor
que el punto de ebullición del líquido, convirtiendo de ese modo el
reactivo líquido en un vapor que se reparte hasta el lugar de
utilización del vapor.
Un objeto de la presente invención es
proporcionar un modelo alternativo de vaporizador, que garantice
altas velocidades de vaporización, que sea seguro y que tenga
dimensiones reducidas.
El Solicitante ha encontrado que, mediante el
flujo de un reactivo líquido sobre una superficie calentada a lo
largo de una trayectoria predeterminada delimitada por bordes, en la
que la temperatura de la superficie, la altura de los bordes y el
caudal de líquido son tales como para tener la vaporización bajo el
régimen de ebullición nucleada o el régimen de ebullición por
películas, es posible obtener la vaporización a una velocidad alta
y en un espacio reducido. Los regímenes de ebullición por películas
y nucleada son dos de los posibles regímenes de un líquido, tal y
como se conoce en la técnica y se explica posteriormente con mayor
detalle. La técnica de vaporización del líquido de la presente
invención se puede utilizar de forma ventajosa en un proceso de
deposición de alta velocidad para la producción de la preforma de
polvo de vidrio, que se puede sucesivamente consolidar y estirar en
una fibra óptica.
El dispositivo de vaporización, que comprende un
plato de vaporización que define la superficie de calentamiento y
una tapa que cubre el plato de vaporización para recoger el vapor,
se puede colocar de forma ventajosa en una cámara diferente con
respecto al tanque de líquido, evitando de este modo riesgos para
los técnicos que operen en el interior de la cámara del dispositivo
de vaporización.
Según un primer aspecto de la misma, la presente
invención se refiere de este modo a un procedimiento para vaporizar
los reactivos líquidos en un proceso para producir una preforma de
polvo de vidrio, que comprende la formación en un canal de flujo
horizontal de una corriente continua de reactivo líquido que tiene
un grosor suficiente para generar vapor bajo el régimen de
ebullición por películas o nucleada; y calentando dicha corriente
de reactivo líquido hasta una temperatura suficiente para generar
vapor bajo el régimen de ebullición por películas o nucleada.
La etapa de formación de una corriente continua
de reactivo líquido comprende preferentemente el flujo sin
interrupción del reactivo líquido por un canal delimitado por las
paredes laterales cuya altura es igual a por lo menos dicho
grosor.
Además, el calentamiento de la corriente del
reactivo líquido comprende preferentemente el calentamiento de una
superficie que delimita dicho canal.
De forma ventajosa, el procedimiento comprende
además las etapas de recogida de dicho vapor para alcanzar una
presión predeterminada y el transporte de dicho vapor sometido a
dicha presión hasta un lugar de utilización del vapor.
El procedimiento puede además comprender el
flujo de dicha corriente de reactivo líquido por un canal adicional
situado a un nivel inferior con respecto a dicho canal.
Según un segundo aspecto, la presente invención
se refiere a un proceso para la fabricación de una preforma de
vidrio, que comprende la vaporización de un reactivo líquido para
generar un reactivo vapor, alimentando dicho reactivo vapor a un
quemador para la formación de partículas de polvo de vidrio y la
deposición de dichas partículas de polvo de vidrio sobre un lugar
de deposición para hacer crecer dicha preforma de vidrio, en el que
la etapa de vaporización de un reactivo líquido se lleva a cabo
según un procedimiento tal y como el que se describió
anteriormente.
En un aspecto adicional de la misma, la presente
invención se refiere a un plato de vaporización para la
vaporización de un reactivo líquido, que comprende una parte
superior que define una superficie de vaporización y que tiene una
pluralidad de paredes que se extienden por encima de la superficie
de vaporización para delimitar un canal de flujo de líquido, y una
parte adicional que comprende un sistema de calefacción para
transferir calor a la superficie de vaporización.
Preferentemente, dichas paredes tienen una
altura mayor que el grosor mínimo de SiCl_{4} requerido para
generar vapor bajo un régimen de ebullición por películas o
nucleada.
Preferentemente, el plato de vaporización es un
plato parecido a un disco metálico.
En una primera realización, la pluralidad de
paredes comprende una pluralidad de paredes anulares concéntricas
que delimitan una pluralidad de sectores de canales y cada pared
anular tiene una abertura para permitir el paso de líquido desde un
sector de canal hasta el otro. En esta realización, la pluralidad de
paredes anulares comprende preferentemente al menos una pareja de
paredes anulares que tienen las respectivas aberturas colocadas
diametralmente opuestas entre sí.
En una realización diferente, el canal tiene una
parte parecida a un espiral.
La parte adicional adecuada para estar asociada
a un sistema de calefacción puede definir un asiento adecuado para
acoger un alambre metálico.
El canal puede tener al menos un pozo en una
parte final del mismo para recoger el líquido residual, y el pozo
puede estar asociado a un sensor del líquido respectivo.
En un aspecto adicional de la misma, la presente
invención se refiere a un dispositivo para la vaporización de un
reactivo líquido, que comprende un plato de vaporización colocado
horizontalmente tal y como se describió anteriormente, para recibir
el reactivo líquido y para formar una corriente del mismo, y un
sistema de calefacción asociado a dicho plato de vaporización y
adecuado para calentar dicho reactivo líquido por encima de una
temperatura mínima requerida para generar vapor bajo el régimen de
ebullición por películas o nucleada.
Preferentemente, el dispositivo comprende además
un alimentador del líquido, para alimentar el reactivo líquido
sobre una superficie de vaporización de dicho plato de vaporización,
una cubierta colocada por encima de dicha superficie, para formar
una cámara de vaporización adecuada para recoger el vapor, y un
conducto de salida para permitir la salida del vapor de dicha
cámara de vaporización.
El alimentador del líquido comprende
preferentemente una línea de flujo de líquido provista de una
válvula de control de flujo.
El dispositivo puede comprender de forma
ventajosa un sensor de presión colocado en el interior de la cámara
de vaporización y un circuito de control para controlar la operación
de dicha válvula de control de flujo según una señal de dicho
sensor de presión.
El dispositivo puede comprender también al menos
un plato de vaporización adicional tal y como se describió
anteriormente, colocado por debajo de dicho plato de vaporización
para recibir una parte residual de dicha corriente de reactivo
líquido desde dicho plato de vaporización, y al menos un sistema de
calefacción adicional asociado a dicho plato de vaporización
adicional.
La Figura 1 es una representación esquemática de
un aparato de deposición de polvo de vidrio para ser utilizado en
la fabricación de la preforma de polvo de vidrio;
la Figura 2 es una representación más detallada
del aparato de la Figura 1;
la Figura 3 muestra un vaporizador según la
presente invención;
la Figura 4 es una vista superior de un plato de
vaporización, que forma parte del vaporizador de la Figura 3;
la Figura 5 es una vista inferior del plato de
vaporización de la Figura 4;
la Figura 6 es una gráfica que muestra los
diferentes regímenes de ebullición de un líquido;
la Figura 7 muestra una realización diferente de
un plato de vaporización; y
la Figura 8 muestra una realización diferente
del vaporizador.
Con referencia a la Figura 1, se indica con 1,
como un todo, un aparato de deposición de polvo de vidrio para ser
utilizado en un proceso de fabricación de una preforma de polvo de
vidrio, que se puede consolidar y estirar sucesivamente en una
fibra óptica.
El aparato de deposición 1 comprende un tanque
presurizado 2 apropiado para contener un reactivo líquido (en
particular, un material precursor del vidrio) para ser vaporizado,
una unidad de vaporización 3 para vaporizar el reactivo líquido y
un quemador 4 para recibir el reactivo vapor desde la unidad de
vaporización 3 y para generar una corriente de partículas de polvo
de vidrio. En particular, el quemador 4 es apropiado para generar
una llama en la que el reactivo vapor se transforma en partículas,
las cuales se depositan en una placa giratoria para hacer crecer la
preforma de polvo de vidrio.
Con referencia a la Figura 2, que ilustra el
aparato de deposición 1 en mayor detalle, la unidad de vaporización
3 comprende un vaporizador 7 que está en fluida comunicación con el
tanque 2, a través de la primera línea 5, para recibir el reactivo
líquido. Preferentemente, una válvula de control de flujo 6, en
particular un contador másico (MFM), se coloca a lo largo de la
línea 5 para controlar el flujo del reactivo líquido recibido. Una
válvula 11a se puede colocar también a lo largo de la línea 5 a la
salida del tanque 2, para abrir o cerrar el conducto de la línea 5.
La línea 5 está provista de forma ventajosa de dos válvulas
adicionales 11b y 11c, colocadas a la entrada de la unidad de
vaporización 3 más arriba de la válvula de control de flujo 6 y a
la entrada del vaporizador 7, respectivamente.
Una segunda línea 8 conecta el vaporizador 7 con
el quemador 4 para permitir alimentar al quemador 4 con el vapor
que sale del vaporizador 7. La línea 8 puede estar provista, a la
salida del vaporizador 7, de una válvula 11d que permite la
regulación de la presión de vapor en el interior del vaporizador 7.
Además, la segunda línea 8 se calienta de forma ventajosa a una
temperatura predeterminada (por ejemplo, a 100ºC) y está provista
preferentemente de un sensor de temperatura (no mostrado) para el
control de la temperatura.
La unidad de vaporización 3 comprende
preferentemente un armario 9 que tiene un primer compartimiento 9a
para contener el vaporizador 7 y un segundo compartimiento 9b para
contener la parte final de los tubos conectados al vaporizador 7 y
que corresponden a las válvulas de control de flujo, que incluyen la
parte final de la línea 5 y de la válvula 6. Los compartimientos
primero 9a y segundo 9b se mantienen preferentemente a diferentes
temperaturas, por ejemplo a 90ºC en el primer compartimiento 9a y a
temperatura ambiente en el segundo compartimiento 9b, y que están
provistos de los respectivos ventiladores 10 para controlar la
temperatura presente.
El tanque de alimentación de líquido 2 se coloca
de forma ventajosa en una estancia diferente con respecto al
armario 9, para prevenir riesgos a los técnicos en caso de escapes
desde el tanque 2. El quemador 4 se coloca normalmente en el
interior de la cámara de deposición, que puede estar en la misma
estancia del armario 9 o en una estancia diferente.
Preferentemente, la unidad de vaporización 3
comprende además un circuito hidráulico de purga para purgar el
vaporizador 7 y los diversos conductos del aparato de deposición 1
después de su uso. El circuito hidráulico de purga comprende una
fuente 13 de gas de purga, como el N_{2}, y un conducto 14 que
conecta la fuente 13 con la línea 5. El conducto 14 puede estar
provisto de una válvula 11e colocada en el interior del segundo
compartimiento 9b del armario 9. Un conducto 15 adicional, conectado
en forma de T con el conducto 14, comunica con el vaporizador 7 y
está provisto de forma ventajosa de una válvula 11f colocada en el
interior del segundo compartimiento 9b del
armario 9.
armario 9.
Para las operaciones de drenaje, el vaporizador
7 se conecta también preferentemente a una línea de drenaje,
mediante un conducto de drenaje 12. En particular, el conducto de
drenaje 12 se conecta a una primera entrada de una válvula de dos
vías 11g, cuya salida se conecta a la línea de drenaje y cuya
segunda entrada sirve para el paso del gas de purga, por ejemplo,
el que viene de la fuente 13.
Todas las partes del aparato 1 que son
apropiadas para estar en contacto con el reactivo, tanto en forma
líquida como en vapor, se realizan preferentemente en acero
inoxidable electro-pulido, para evitar los
arrastres de partículas y la corrosión.
Con referencia a la Figura 3, el vaporizador 7
comprende preferentemente una base soporte 20 adecuada para ser
fijada (en una forma conocida, por ejemplo, mediante pernos) a una
pared horizontal 29 del armario 9, un plato de vaporización 21
colocado por encima de la base soporte 20, un conducto de
alimentación de reactivo líquido 22 para alimentar el reactivo
líquido sobre el plato de vaporización 21 y una tapa 23 en forma de
campana para recoger el vapor generado por el plato de vaporización
21. El espacio entre la tapa 23 y la base soporte 20 define una
cámara de vaporización 30. El vaporizador 7 comprende
preferentemente un sensor de temperatura 31 y un sensor de presión
32 de un modelo conocido colocados en el interior de la cámara de
vaporización 30, para monitorizar la temperatura y la presión
durante el proceso. La tapa 23 tiene una salida de vapor 24 que
comunica con el quemador 4 a través de la línea 8.
Preferentemente, el plato de vaporización 21 es
un elemento en forma de disco hecho de metal, por ejemplo de acero
inoxidable electro-pulido, y sus dos caras definen,
en funcionamiento, una cara superior 21a para la vaporización del
líquido y una cara inferior 21b colocada en la base soporte 20. La
cara superior 21a tiene una superficie de vaporización 45 bastante
más plana y horizontal y una pluralidad de paredes 46 que delimitan
el canal de flujo del líquido, que se extiende de manera sustancial
por toda la cara superior 21a. En particular, la superficie 45 y
las paredes 46 definen el lecho y los bordes laterales del canal,
respectivamente. El canal está abierto por arriba, para permitir
que suba el vapor. Tal y como mejor se observa desde la vista
superior de la Figura 4, el canal de flujo define una trayectoria
sinuosa para el líquido, indicada en la presente invención con una
línea discontinua y con la referencia 48. En la realización
particular ilustrada en la presente invención, una pluralidad de
bordes anulares concéntricos 46a-46g delimita una
pluralidad de sectores de canales anulares, o zonas de superficies
anulares, 45b-45g. Cada borde 46 tiene su obertura
correspondiente 47 para permitir el paso del líquido desde una zona
anular hasta otra. La trayectoria de flujo 48 se extiende en forma
de enrollamiento desde el centro del plato de vaporización 21 hacia
la periferia.
La zona de superficie central 45a de la cara
superior 21a, delimitada por un borde central 46a, se coloca por
debajo del conducto de alimentación del reactivo líquido 22 para
recibir el flujo de líquido. El borde central 46a tiene una
abertura 47 para permitir el paso del líquido hacia una primera zona
de superficie anular 45b, que, a su vez, está delimitada
exteriormente por un segundo borde 46b. El segundo borde 46b tiene
una abertura 47 en una posición que es diametralmente opuesta a la
de la abertura del primer borde 46a, para forzar al líquido a que
cubra toda la superficie de la primera zona de superficie anular 45b
antes de que fluya a una segunda zona de superficie anular 45c,
externa a la primera.
La realización particular de la Figura 4 tiene,
además de la zona central 45a y el borde central 46a, seis zonas de
superficie anular 45b-45g y seis bordes anulares
adicionales 46b-46g. Los cuatro bordes
46b-46e son más delgados que el borde central y cada
uno de ellos tiene una obertura opuesta a una del borde anterior.
El último y único borde 46f tiene una pluralidad de aberturas
equidistantes 47 para permitir que el líquido fluya en la zona de
superficie anular exterior 45g por diversos puntos. La zona de
superficie anular exterior 45g puede tener una pluralidad de pozos
49 para recoger el líquido excedente (es decir, el líquido que no
se ha evaporado). Cada pozo 49 puede estar provisto de un sensor de
llenado de líquido 55, por ejemplo, un sensor IR, adecuado para
detectar la presencia de líquido en el respectivo pozo 49. El borde
exterior 46g delimita externamente la zona de superficie exterior
45g y preferentemente es más grueso y más alto que los bordes
46b-46g.
Los bordes 46a-46g tendrán una
altura mayor que un grosor mínimo de reactivo líquido requerido para
generar el vapor bajo el régimen de ebullición por películas o
nucleada, siendo los regímenes de ebullición por películas o
nucleada dos de los posibles regímenes de ebullición de un líquido,
tal y como se explicará posteriormente en mayor detalle. Más
exactamente, la altura de los bordes 46a-46g será
mayor que el diámetro de las burbujas en el líquido bajo
ebullición. En particular,
Para un líquido genérico, el diámetro de la
burbuja (en metros) es dado por:
d =
\left(\frac{\pi \cdot \sigma}{g \cdot (\rho_{l} -
\rho_{v}}\right)^{0.5}
en la que \sigma es la tensión
superficial del líquido (en N/m), g es la aceleración de la gravedad
(9,81 m/s^{2}), \rhol es la densidad de la fase líquida en
kg/m^{3} y \rhov es la densidad de la fase vapor en Kg/m^{3}.
Para el SiCl_{4}, el diámetro de las burbujas es de
aproximadamente 1,8 mm. Por lo tanto, en el caso del SiCl_{4}, la
altura de los bordes 46a-46g será mayor que 1,8
mm.
Tal y como se muestra en la vista inferior de la
Figura 5, el plato de vaporización 21 tiene una parte inferior
adecuada para estar asociado a un sistema de calefacción. En
particular, la cara inferior 21b define un asiento 50, en la forma
de una ranura continua, para acoger un alambre metálico 51, que
forma parte del sistema de calefacción. La ranura 50 se extiende
como un serpentín para cubrir sustancialmente toda el área del
plato 21. El alambre metálico 51 se conecta a un circuito eléctrico,
en particular a un generador de corriente eléctrica 52, para ser
capaz de calentar el plato 21 a una temperatura de funcionamiento
predeterminada T cuando lo atraviese la corriente eléctrica. En el
ejemplo particular ilustrado en la presente invención, la ranura 50
tiene una pluralidad de secciones lineales y paralelas unidas
mediante una pluralidad de secciones circulares, que permiten una
fácil colocación del alambre 51.
El plato de vaporización 21 está provisto
preferentemente con un sensor de temperatura (no mostrado) para
detectar la temperatura de las superficies calentadas 45. La
temperatura de funcionamiento T necesaria para la vaporización
completa del líquido en el plato 21 depende del tipo de reactivo
líquido y del caudal de líquido. Si el caudal aumenta, se requiere
una temperatura más alta para vaporizar la cantidad superior de
líquido. La temperatura se puede variar de forma ventajosa durante
el proceso. La temperatura T estará por encima de la temperatura
mínima a la que se produce la ebullición nucleada del líquido, y
preferentemente por encima de la temperatura mínima a la que se
produce la ebullición por películas del líquido. En el caso del
SiCl_{4}, la temperatura mínima para tener la ebullición nucleada
es de aproximadamente 80ºC y la temperatura mínima para tener la
ebullición por películas es de aproximadamente 100ºC.
Los diferentes modos posibles de ebullición (o
regímenes) están ilustrados en el gráfico de la Figura 6. Los
números romanos I, II, III y IV identifican los modos de convección
natural, nucleado, de transición y por películas, respectivamente.
El eje de abscisas indica el exceso de temperatura \DeltaT_{e},
que se corresponde con la diferencia entre la temperatura de la
superficie T_{s} y la temperatura de saturación T_{sat} y el
eje de ordenadas indica el flujo térmico.
El punto A separa la convección natural, en la
que hay insuficiente vapor en contacto con la fase líquido como
para provocar la ebullición en la temperatura de saturación, del
modo nucleado, en el que las burbujas se forman en los lugares de
nucleación y se separan de la superficie y en el que, como además se
incrementa la temperatura, el vapor se escapa en forma de chorros o
columnas.
La zona de ebullición entre los puntos B y C,
calificada de ebullición de transición, ebullición inestable, o
ebullición parcial por películas, es una zona en la que la formación
de burbujas es tan rápida que la película de vapor o manto se
empieza a formar en la superficie. En cualquier punto de la
superficie, las condiciones pueden oscilar entre la ebullición por
películas y la ebullición nucleada, pero la fracción de la
superficie total cubierta por la película se incrementa con el
incremento de \DeltaT_{e}.
El punto C, que identifica el inicio del modo
por películas, se conoce también como el punto de Leidenfrost. La
película existe para \DeltaT_{e} \geq \DeltaT_{e,C} en la
que \DeltaT_{e,C} es la temperatura de exceso en el punto de
Leidenfrost (C). En el punto C, el flujo térmico q es mínimo, y la
superficie calentada está completamente cubierta por un manto de
vapor. La transferencia de calor desde la superficie del líquido
tiene lugar mediante la conducción a través del vapor. Tal y como
se incrementa la temperatura de la superficie, la radiación a
través de la película de vapor se vuelve significativa y el flujo de
calor se incrementa con el incremento del \DeltaT_{e}. Se puede
encontrar una descripción exhaustiva de los diferentes regímenes de
ebullición en el libro "Fundamentals of heat and mass transfer"
de Incropera y De Witt, John Wiley & Sons. Está también
descrito el régimen de ebullición por películas en el libro "Film
Boiling Heat Transfer From a Horizontal Surface", P.J. Berenson,
Revista de Transferencia de Calor, agosto de 1961.
Tal y como se expuso anteriormente, el proceso
de vaporización de la presente invención se lleva a cabo bajo el
régimen nucleado o por películas, preferentemente bajo el régimen
por películas. Para el propósito de la presente invención, con el
"régimen nucleado o por películas" se desea un régimen que
corresponda con el régimen nucleado, el régimen por películas, o el
régimen de transición entre los regímenes nucleado y por películas,
en el que el comportamiento es parcialmente el del régimen nucleado
y parcialmente el del régimen por películas, tal y como se
describió anteriormente.
Las condiciones de funcionamiento del proceso
descrito anteriormente son, por lo tanto, diferentes de las
descritas en la patente de Estados Unidos
US-A-5.356.451, en la que la
formación de burbujas está inhibida (no existe ebullición) y de las
descritas en la patente de Estados Unidos
US-A-5.078.092, en la que la
temperatura del elemento de calefacción se mantiene por debajo de
la temperatura en la que tiene lugar la ebullición nucleada o por
películas del líquido.
En funcionamiento, en particular durante el
proceso de deposición, el aparato de deposición 1 funciona con las
válvulas 11a, 11b, 11c y 11d abiertas y las válvulas 11e, 11f y 11g
cerradas. Por lo tanto, el reactivo líquido fluye desde el tanque 2
hasta el vaporizador 7 a través del conducto 5, atravesando las
válvulas 11a, 11b, 11c y la válvula de control de flujo 6. El
reactivo líquido entra en la cámara de vaporización 30 del
vaporizador 7 mediante el conducto de alimentación 22 y fluye sobre
la zona central 45a de la superficie superior 45 del plato de
vaporización 21. El flujo continuo obliga al líquido a moverse hacia
las zonas de superficie anular exteriores 45b-45g a
lo largo de la trayectoria del líquido 48, mediante el paso por las
aberturas 47 de los bordes 46. La parte frontal del líquido va
avanzando hasta ir alcanzando la energía requerida para la completa
vaporización.
El caudal de reactivo líquido es tal que el
líquido forma una película de un grosor inferior a la altura de los
bordes 46 pero superior al diámetro de una burbuja en el líquido
cuando el líquido entra en ebullición, es decir, superior al grosor
mínimo requerido para tener la ebullición nucleada o por películas.
Antes de fluir el líquido, la temperatura del plato de vaporización
21 se incrementa hasta la temperatura T antes especificada (es
decir, a la temperatura en que tiene lugar la ebullición nucleada, y
preferentemente la ebullición por películas, del líquido), mediante
el flujo de corriente eléctrica en el alambre 51. la temperatura de
funcionamiento necesaria para la completa vaporización en el plato
de vaporización 21 depende del tipo de reactivo líquido.
La ebullición en el modo por películas requiere
una temperatura del plato superior a la temperatura de ebullición
en el modo nucleado, pero se puede llevar a cabo de forma ventajosa
con un caudal de líquido superior para obtener un caudal superior
de vapor.
Durante el proceso, los sensores de temperatura
y presión están continuamente monitorizados para verificar que no
haya variaciones no deseadas de las condiciones de funcionamiento.
Si no se requieren variaciones o sólo pequeñas variaciones en el
caudal de vapor, el valor de ajuste de la temperatura del plato de
vaporización 21 se puede mantener constante durante el proceso,
como el valor de ajuste del caudal de líquido. Las pequeñas
variaciones del caudal de vapor se pueden obtener mediante la
variación de forma sencilla del caudal de líquido a través de la
válvula de control de flujo 6, con la temperatura del plato
constante. Una variación del caudal de líquido, de hecho, dio lugar
a una variación de la extensión del área humedecida en el plato de
vaporización 21, por ejemplo, hasta el borde del plato. Se
prefiere, por lo tanto, no tener el plato de vaporización 21
completamente lleno de líquido, para permitir pequeñas variaciones
del caudal de líquido para producir las correspondientes
variaciones del caudal de vapor, sin intervenir en la temperatura
del plato. El sensor de presión 32 se monitoriza de forma ventajosa
para controlar el valor de ajuste operativo de la válvula de control
de flujo 6, para mantener la presión en el interior de la cámara de
vaporización 30 en el valor deseado. En particular, un circuito de
control 56 conectando el sensor de presión 32 a la válvula de
control de flujo 6 es apropiado para recibir la señal desde el
sensor de presión 32, para determinar la diferencia entre la
presión detectada
y una presión de referencia, y para variar el caudal de líquido a través de la válvula 6 para minimizar dicha diferencia.
y una presión de referencia, y para variar el caudal de líquido a través de la válvula 6 para minimizar dicha diferencia.
Para producir mayores variaciones del caudal de
vapor, preferentemente son variados tanto el caudal de líquido como
la temperatura del plato, para vaporizar una mayor cantidad de
líquido. De nuevo, la señal del sensor de presión 32 se utiliza en
un bucle de control para determinar los nuevos valores de ajuste
para la temperatura del plato y para el caudal de líquido.
Por otra parte, durante el proceso, los sensores
de llenado colocados en el interior de las paredes 46 están
monitorizados para detectar la presencia de líquido en el interior.
Si el líquido está presente dentro de los pozos 49, el rendimiento
del proceso puede disminuir, ya que parte del líquido no está
vaporizado. Para superar el problema, la temperatura del plato de
vaporización 21 se puede incrementar hasta que los pozos 49 se
vacíen.
El vapor generado en el interior de la cámara de
vaporización 30 se recoge por la tapa 23 a la presión deseada, y
sale de la cámara 30 a través de la salida 24. Entonces, el vapor
fluye a través de la línea 8 (atravesando la válvula 11d) y alcanza
el quemador 4, junto con otros gases, en particular al menos junto
con un gas combustible y un gas de mantenimiento de la combustión.
Por ejemplo, el quemador 4 se puede alimentar con SiCl_{4}, con
N_{2} como gas de protección interna, con O_{2} como gas de
protección externa y con una mezcla de CH_{4} y O_{2}. Por otra
parte, el reactivo vapor, o el material precursor del vidrio, se
pueden mezclar con un portador, preferentemente con O_{2}, antes
de ser alimentado en el quemador.
En el quemador, se genera una llama y tiene
lugar una reacción que transforma el vapor de reactivo en
partículas de polvo de vidrio. La llama se dirige hacia un lugar de
deposición (tal y como una varilla), para que se pueda depositar el
polvo de vidrio y pueda crecer una preforma de polvo de vidrio.
Cuando termina el proceso, las válvulas 11a,
11b, 11c y 11d están cerradas. A tiempos predeterminados, se puede
purgar el aparato de deposición 1 para evitar la acumulación de
sustancias. La purga se lleva a cabo mediante el primer drenaje de
los residuales de reactivo del vaporizador 7 a través del conducto
de drenaje 12 y mediante el sucesivo flujo de nitrógeno (N_{2})
en los diversos conductos de la unidad de vaporización 3 y en el
vaporizador 7. En mayor detalle, el drenaje se lleva a cabo mediante
el cierre de todas las válvulas de la unidad de vaporización
excepto la válvula de dos vías 11g, que está conmutada para conectar
el conducto de drenaje 12 a la línea de drenaje, que permite de
este modo que sean drenados los residuales de vapor en el interior
de la cámara de vaporización 30. Sucesivamente, mientras se
conservan cerradas las válvulas 11a y 11d, son abiertas las
válvulas 11b, 11c, 11e y 11f y se conmuta la válvula de dos vías 11g
para conectar la fuente de gas de purga con la línea de drenaje.
Como resultado, el N_{2} fluye en el conducto 14 y en la parte
final del conducto 5, pasando a través de la válvula 11b, la válvula
de control de flujo 6, y la válvula 11c, y entrando entonces en la
cámara de vaporización 30. A la vez, el N_{2} fluye en el conducto
15, pasando a través de la válvula 11f, y entrando otra vez en la
cámara de vaporización 30. El N_{2} puede salir de la cámara de
vaporización 30 a través del conducto 8 o a través del conducto
12.
La Figura 7 muestra una realización alternativa
del plato de vaporización, indicado en la presente invención como
21'. El plato de vaporización 21' define una trayectoria en forma de
espiral 48' para el líquido, delimitada por los bordes 46'. La
trayectoria en forma de espiral 48' empieza desde una parte de la
superficie central 45'a, se extiende a lo largo de una parte de la
superficie espiral 45'b y finaliza en una parte de la superficie
anular exterior 45'c. La parte de la superficie anular exterior 45'c
tiene una pluralidad de pozos 49', que tienen la misma función que
en la realización de la Figura 4. La parte inferior del plato de
vaporización puede ser idéntico al del plato 21. Las mismas
consideraciones de los bordes 46 del plato 21 son válidas para la
altura de los bordes 46'.
Se puede apreciar que las realizaciones de las
Figuras 4 y 7 son sólo ejemplos ilustrativos y que diversos platos
de vaporización, que tengan diferentes tipos de trayectoria, se
pueden realizar según lo ensañado en la presente invención.
La Figura 8 representa una realización
alternativa del vaporizador de la presente invención, indicada en
la presente invención como 7', que se puede utilizar de forma
ventajosa cuando se requiera superiores caudales de vapor. El
vaporizador 7' se diferencia del vaporizador 7 de la Figura 3 en que
comprende dos platos de vaporización superpuestos, en particular un
plato de vaporización superior 210 y un plato de vaporización
inferior 211, que pueden tener básicamente la misma forma y
dimensiones, o ser diferentes el uno del otro. El plato de
vaporización superior 210, que está provisto de medios de soporte no
ilustrados, se coloca por debajo de la salida del conducto de
alimentación de líquido 22 para recibir el líquido en su parte
central pero, de manera diferente que en el plato 21, tiene al
menos un agujero de paso 54 en su zona exterior en vez de los
pozos, para hacer que el reactivo líquido, que no se ha vaporizado
antes de alcanzar aquella zona, se escape sobre el plato de
vaporización inferior 21b. El plato de vaporización inferior 211 es
apropiado para recibir el líquido que se escapa desde el plato de
vaporización superior 210 en su parte exterior, y para hacerlo
fluir, como consecuencia de la forma de la trayectoria en su
superficie, hacia su centro. En su zona central, el plato de
vaporización inferior 211 puede tener un pozo (no mostrado) para
recoger el líquido residual, preferentemente provisto de un sensor
de temperatura.
Los platos 210 y 211 pueden ser ambos del mismo
tipo, por ejemplo, del tipo descrito en la Figura 4 o en la Figura
7, o de un tipo diferente. Por otra parte, se puede disponer un
diferente número de platos en el interior de la cámara de
vaporización 30, dependiendo de la cantidad de vapor que se tenga
que generar y, en consecuencia, de la cantidad de reactivo líquido
que se tenga que vaporizar.
Será evidente para aquellos expertos en la
técnica que se pueden hacer diversas modificaciones y variaciones a
la realización descrita en la presente invención sin apartarse del
alcance o del espíritu de la invención. Por ejemplo, la superficie
superior del plato de vaporización puede tener una ligera pendiente,
en particular una pendiente negativa en la dirección del flujo de
líquido, para permitir al líquido que fluya con facilidad en él.
Por otra parte, el plato de vaporización, descrito anteriormente en
la presente invención, se puede sustituir por un cuerpo de metal de
cualquier forma, siempre que defina su superficie superior una
trayectoria para el líquido que permita la formación de una
película de líquido de suficiente grosor y siempre que pueda estar
asociado a un sistema de calefacción capaz de calentar el cuerpo a
una temperatura suficiente para tener al menos la ebullición
nucleada, y preferentemente a una temperatura suficiente para tener
al menos la ebullición por películas. Una realización diferente (no
mostrada) del aparato de deposición puede incluir también una
pluralidad de unidades de vaporización del tipo descrito
anteriormente, provista cada una de su propia línea de salida de
vapor. Esas líneas se pueden conectar para mezclar los diferentes
flujos de vapor antes de alimentar al quemador.
Se puede apreciar que el vaporizador de la
presente invención es de dimensiones muy reducidas y que es posible
vaporizar grandes cantidades de líquido mediante diversos platos de
vaporización superpuestos, aún manteniendo muy compacto todo el
montaje. Por otra parte, tal y como se estableció anteriormente, es
posible colocar el tanque de líquido en una estancia diferente,
para evitar riesgos a los técnicos en caso de fuga de líquido. Una
ventaja adicional del montaje de la presente invención es que no
requiere controladores de flujo de masa en las zonas calientes del
aparato, a partir del único controlador de flujo de masa, es decir,
la válvula 6, que regula el flujo de líquido hacia el vaporizador 7,
que opera a temperatura ambiente.
\vskip1.000000\baselineskip
El Solicitante ha llevado a cabo una serie de
pruebas experimentales para verificar la eficacia del aparato de
deposición de la presente invención en la generación de un flujo
estable de material precursor del vidrio, adecuado para el proceso
de deposición de polvo de vidrio.
Se utilizó un plato de vaporización como el
plato de vaporización de las Figuras 3, 4 y 5, teniendo las
dimensiones siguientes:
- -
- diámetro externo: 230 mm;
- -
- altura: 12 mm;
- -
- anchura de las zonas de la superficie anular 45b-45g: 10 mm;
- -
- diámetro de la zona de la superficie central 45a: 35 mm;
- -
- anchura del primer borde anular 46a: 10 mm;
- -
- anchura de los bordes anulares 46b-46f: 2,5 mm;
- -
- altura de los bordes anulares 46a-46f: 2,5 mm;
- -
- altura del borde anular 46g: 4,6 mm;
- -
- ranura 50: diez secciones lineales y paralelas a 20 mm la una de la otra, unidas mediante nueve ranuras circulares de 26 mm de diámetro.
\vskip1.000000\baselineskip
Los experimentos se llevaron a cabo bajo las
siguientes condiciones de funcionamiento:
- -
- reactivo líquido: SiCl_{4};
- -
- temperatura del plato de vaporización 21: 145ºC;
- -
- temperatura en el interior del compartimiento superior 9a del armario 9: 90ºC.
\vskip1.000000\baselineskip
Esas condiciones, junto con los caudales de
líquido indicados más abajo, fueron suficientes para la ebullición
del líquido bajo el régimen por películas.
Los experimentos se llevaron a cabo durante un
tiempo de 420 minutos, utilizando tres caudales diferentes de
reactivo líquido, concretamente 30, 45 y 55 g/min. La presión de
vapor en el interior de la cámara de vaporización 30 era detectada
a intervalos de tiempo de 30 minutos. La siguiente tabla presenta
los valores de las presiones detectadas, expresadas en mbar.
Se puede apreciar que el proceso según la
presente invención permite obtener presiones de vapor que
satisfacen las necesidades de los procesos habituales de deposición
de polvo de vidrio y que son particularmente estables. En
particular, se puede observar que, bajo las condiciones de prueba
descritas anteriormente en la presente invención, las fluctuaciones
de presión son inferiores al 5%, y con más precisión inferiores a
aproximadamente 0,46%.
\vskip1.000000\baselineskip
La lista de referencias citadas por el
Solicitante está únicamente para comodidad del lector. No forma
parte de la del documento de Patente Europea. A pesar del gran
cuidado que se ha llevado en recopilar las referencias, los errores
y las omisiones no pueden ser excluidos y la Oficina de Patentes
Europeas niega toda responsabilidad en esta consideración.
- \bullet US 4314837 A [0006]
- \bullet US 5078092 A [0009] [0055]
- \bullet US 5707415 A [0008]
- \bullet US 5356451 A [0010] [0055]
\bulletINCROPERA; DE WITT.
Fundamentals of heat and mass transfer. John Wiley & Sons
[0053]
Claims (19)
1. Procedimiento para la vaporización de
reactivos líquidos en un proceso para la producción de un preforma
de polvo de vidrio, que comprende:
- la formación en un canal de flujo horizontal de una corriente continua de reactivo líquido que tiene un grosor suficiente para generar vapor bajo régimen de ebullición por películas o nucleada; y
- el calentamiento de dicha corriente de reactivo líquido a una temperatura suficiente para generar vapor bajo régimen de ebullición por películas o nucleada.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
el que la formación de una corriente continua de reactivo líquido
comprende el flujo continuo del reactivo líquido en un canal
delimitado por paredes laterales cuya altura es igual a al menos
dicho grosor.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en
el que el calentamiento de dicha corriente de reactivo líquido
comprende el calentamiento de una superficie que delimita dicho
canal.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, que
comprende además la recogida de dicho vapor para alcanzar una
presión predeterminada y transferir dicho vapor sometido a dicha
presión hasta un lugar de utilización de vapor.
5. Procedimiento según la reivindicación 2 que
comprende además el flujo de dicha corriente de reactivo líquido en
un canal adicional colocado en un nivel inferior con respecto a
dicho canal.
6. Proceso para la fabricación de una preforma
de vidrio, que comprende la vaporización de un reactivo líquido
para generar un reactivo vapor, que alimenta dicho reactivo vapor a
un quemador para la formación de partículas de polvo de vidrio y
que deposita dichas partículas de polvo de vidrio sobre un lugar de
deposición para hacer crecer dicha preforma de vidrio, que se
caracteriza por el hecho de que la etapa de vaporización de
un reactivo líquido se lleva a cabo según el procedimiento según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6.
7. Plato de vaporización (21, 21', 210) para la
vaporización de un reactivo líquido, que comprende:
- una parte superior (21a) que define una superficie de vaporización (54) y que tiene una pluralidad de paredes (46) que se extienden en dicha superficie de vaporización para delimitar un canal de flujo de líquido; y
- una parte adicional (21b) que comprende un sistema de calentamiento (51, 52) para transferir calor a dicha superficie de vaporización.
8. Plato de vaporización según la reivindicación
8, en el que dichas paredes (46) tienen una altura mayor que el
grosor mínimo de SiCl_{4} requerido para generar vapor bajo un
régimen de ebullición por películas o nucleada.
9. Plato de vaporización según la reivindicación
8, en el que el plato de vaporización es un plato metálico en forma
de disco.
10. Plato de vaporización según la
reivindicación 8, en el que dicha pluralidad de paredes (46)
comprenden una pluralidad de paredes anulares concéntricas
(46a-46f) que delimitan una pluralidad de sectores
de canales (45a-45g), teniendo cada una de dichas
paredes anulares una abertura (47) para permitir el paso de líquido
de un sector de canal a otro.
11. Plato de vaporización según la
reivindicación 10, en el que dicha pluralidad de paredes anulares
(46a-46f) comprenden al menos una pareja de paredes
anulares que tienen las respectivas oberturas (47) colocadas
diametralmente opuestas entre sí.
12. Plato de vaporización según la
reivindicación 8, en el que dicho canal tiene una parte en forma de
espiral (45'b).
13. Plato de vaporización según la
reivindicación 8, en el que dicha parte adicional (21b) adecuada
para estar asociada a un sistema de calentamiento (51, 52) define
un asiento (50) adecuado para acoger un alambre de metal (51).
14. Plato de vaporización según la
reivindicación 8, en el que dicho canal tiene al menos un pozo (49)
en una parte final del mismo para recoger el líquido residual, y en
el que dicho al menos un pozo (49) está asociado a un respectivo
sensor de líquido (55).
15. Dispositivo (3) para la vaporización de un
reactivo líquido, que comprende:
- un plato de vaporización (21, 21', 210) colocado horizontalmente según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 14, para recibir el reactivo líquido y formar una corriente del mismo; y
- un sistema de calefacción (51, 52) asociado a dicho plato de vaporización (21, 21', 210) y adecuado para el calentamiento de dicho reactivo líquido por encima de una temperatura mínima requerida para generar el vapor bajo régimen de ebullición por películas o nucleada.
16. Dispositivo según la reivindicación 15, que
comprende además:
- un alimentador de líquido (2, 6, 12, 22) para alimentar el reactivo líquido sobre una superficie de vaporización (21a) de dicho plato de vaporización (21, 21', 210);
- una tapa (23) colocada por encima de dicha superficie (21a), para formar una cámara de vaporización (30) adecuada para recoger el vapor; y
- un conducto de salida (24) para permitir la salida del vapor de dicha cámara de vaporización (30).
17. Dispositivo según la reivindicación 16, en
el que el alimentador de líquido (2, 6, 12, 22) comprende una línea
de flujo de líquido (12) provista de una válvula de control de flujo
(6).
18. Dispositivo según la reivindicación 17, que
comprende además un sensor de presión (32) colocado en el interior
de la cámara de vaporización (30) y un circuito de control (56) para
controlar el funcionamiento de dicha válvula de control de flujo
(6) según una señal de dicho sensor de presión.
19. Dispositivo según la reivindicación 16, que
comprende además al menos un plato de vaporización adicional (211)
según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 15, colocado debajo de
dicho plato de vaporización (210) para recibir una parte residual
de dicha corriente de reactivo líquido de dicho plato de
vaporización (210), y al menos un sistema de calefacción adicional
asociado a dicho plato de vaporización adicional (211).
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