制造光纤预制棒的燃烧器的制作方法

本发明涉及光纤预制棒制造领域，具体涉及制造光纤预制棒的燃烧器。

背景技术：

制造光纤预制棒的工艺主要有VAD、OVD、MCVD和PCVD等，VAD和OVD属于外部沉积法，而MCVD和PCVD均属于管内沉积法。管内沉积法制作光纤预制棒径向尺寸受限，而管外法则不受限，可用来制作径向尺寸较大的预制棒，这在制造成本上具有一定的优势。在VAD和OVD方法中，原料四氯化硅(SiCl₄)蒸发气体通过和氧气(O₂)的混合，并与氢气(或甲烷气)和氧气火焰一起喷向转动的靶棒，在热能作用下，原料发生水解反应生成二氧化硅(SiO₂)，二氧化硅颗粒热解产生的粉尘粒子一层层的吸附在穿越火焰的转动的靶棒上，形成多孔预制棒胚体，生成的多孔预制棒胚体经过温度范围从1100℃到1550℃条件下，通入干燥剂(例如，氯气)来去除水和金属等杂质，烧结成玻璃预制棒，然后拉制成光纤。

在汽相沉积工艺中，利用火焰温度与沉积面(堆积棒表面)温度产生的温差而形成的温度梯度推动细微颗粒物向堆积棒表面运动，并吸附在棒表面上。经高温氧化和水解产生的粉尘微粒，逐渐聚合成尺寸较大的聚合体颗粒，并在通过向靶棒传送、扩散、热迁移的过程中进行了初步脱水。在靠近燃烧器端口的区域，反应生产粉尘粒子的数量密度迅速增加并快速形成粒子聚集核，然后穿过快速聚集区，使粉尘粒子数量密度迅速缩减。随着粒子数量密度的减小，颗粒碰撞率降低，导致粒子的聚合速度放慢，同时也放慢了粒子数密度的减小速率。温度是颗粒形成中的关键因素，原始颗粒的粒径大小取决于该温度下的固态扩散系数。因此提高火焰温度可以增大原始颗粒的粒径，火焰的温度在很大程度上影响颗粒之间的结合程度。温度高时，颗粒的热运动越剧烈，颗粒之间相互碰撞和结合的机率就越高，相应的结合成较大颗粒的机率就越大，从而导致大颗粒的形成。温度低时，结合作用比颗粒间的碰撞作用要慢很多，导致比表面积(表面积与体积的比值)大的不规则颗粒的形成。因此，在气流量基本相同的情况下，燃烧器的热值越高，反应越充分，粉尘沉积效率也越高。

如图1和图2所示，为现有的四氯化硅燃烧器结构，该四氯化硅燃烧器的中心喷口1喷出原料四氯化硅蒸发气体，助燃气体从中心喷口1外侧均布的小孔气体喷口2、4喷出，可燃气体氢气从中间层喷口3喷出，在灯口上方发生混合水解燃烧反应，生产二氧化硅粉尘，沉积到靶棒上。四氯化硅作为反应原料气体，生产过程中产生强烈腐蚀性和毒性的氯气和氯化氢，净化处理成本居高不下，且一旦处理不完全(如处理设备故障)，废气就会进入环境，造成污染。

而用八甲基环四硅氧烷为原料的沉积工艺，反应生成物为无毒无害的二氧化硅、水、二氧化碳等，对环境无不良影响。如图3和图4所示，为现有的八甲基环四硅氧烷燃烧器，八甲基环四硅氧烷混合助燃气体氧气从中心管口5喷出，隔离气体从外套在中心管口的隔离喷口6喷出，助燃气体氧气从氧气喷口8、9喷出，可燃气体氢气从氢气喷口7喷出，以一定形状喷出后发生混合、燃烧反应，生成二氧化硅粉尘。但是该结构因原料气体混合不充分，火焰发散，导致燃烧热量不足，存在反应不充分、燃烧器端口易堵塞，生成的二氧化硅粉尘粘附率低等问题。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，克服至少一个不足，提出了一种制造光纤预制棒的燃烧器。解决了现有燃烧器混合不充分，火焰发散，导致燃烧热量不足的问题。

本发明采取的技术方案如下：

一种制造光纤预制棒的燃烧器，包括气体喷射端，所述气体喷射端由内到外依次包括有中央喷口、外嵌在中央喷口上的隔离气体出口、绕隔离气体出口周向均布的多个内层助燃气体出口、绕隔离气体出口周向均布的多个复合出气口、以及圆环形的外层助燃气体出口，所述复合出气口包括相互嵌套的可燃气体出口以及中间助燃气体出口。

最外侧圆环形的外层助燃气体出口加强了原料气体与助燃气体在燃烧器上方的混合；内中外三层的助燃气体出口，配合位于正中间的中央喷口以及位于中间层的可燃气体出口，能够提高气体混合度，气体能够充分燃烧，火焰热值更高且稳定，能够使可燃气体预混形态更有利于生成易吸附型团聚颗粒的反应，能够防止原料气体在端口的结晶、堵塞。

本申请的燃烧器以八甲基环四硅氧烷为原料，因为八甲基环四硅氧烷的硅元素含量占总量约80％，相对四氯化硅原料，单位时间内生成二氧化硅粉尘有更大的优势，且在反应的副产物中，没有有毒的氯化氢气体产生，洁净性高，对环境无污染，不但提高了沉积效率，且在废气处理的投资和成本上大大降低。

可选的，所述可燃气体出口外嵌在中间助燃气体出口上，且可燃气体出口在气体喷射端内部，与中间助燃气体出口具有间隔。

本申请所说的间隔，指的是可燃气体出口和中间助燃气体出口不在同一平面上，两者之间具有若干距离。可燃气体出口和中间助燃气体出口这样设计能够使可燃气体与助燃气体充分的混合。

可选的，所述中央喷口、隔离气体出口、内层助燃气体出口、中间助燃气体出口和外层助燃气体出口均位于同一平面上。

可选的，所述燃烧器还包括中央通道、隔离气体通道、内层助燃气体通道、可燃气体通道、中间助燃气体通道以及外层助燃气体通道，其中，中央通道的出口即为中央喷口，隔离气体通道的出口即为隔离气体出口，内层助燃气体通道的出口即为内层助燃气体出口，可燃气体通道的出口即为可燃气体出口，中间助燃气体通道的出口即为中间助燃气体出口，外层助燃气体通道的出口即为外层助燃气体出口；

所述内层助燃气体通道邻近内层助燃气体出口处具有第一缓存室，所述可燃气体通道邻近可燃气体出口处具有第二缓存室，所述中间助燃气体通道邻近中间助燃气体出口处具有第三缓存室，所述外层助燃气体通道邻近外层助燃气体出口处具有第四缓存室。

缓存室的设计，使得向燃烧器输送的气体经受膨胀和压缩过程，能够使出口处流速分布更均匀，燃烧器燃烧时更加稳定。

可选的，所述外层助燃气体通道包括位于端部的锥状部分，外层助燃气体出口为该锥状部分的小径端。

可选的，所述锥状部分气体喷射方向与中央喷口轴线所呈角度为0.5°-5°，且外层助燃气体出口喷出气体聚焦于距燃烧器端面150-250mm处。

外层助燃气体出口决定了火焰焦炬，对火焰温度有较大影响，锥状部分的结构并限定聚焦位置，可以使火焰温度达到最佳值，充分提高燃烧火焰的温度和生成粉尘颗粒的团聚度，使粉尘颗粒在光纤预制棒靶棒上的吸附率增加。

可选的，各内层助燃气体出口横截面面积之和与所述第一缓存室横截面面积的比值小于等于0.2，各可燃气体出口横截面面积之和与所述第二缓存室横截面面积的比值小于等于0.2，中间助燃气体出口横截面面积之和与所述第三缓存室横截面面积的比值小于等于0.2；所述第四缓存室为外突的流线型，第四缓冲室最大横截面面积与外层助燃气体出口横截面面积的比值范围为8-20；各缓存室的长度范围均大于等于50mm。

可选的，燃烧器包括中心管、隔离气体管、第一通气件、第二通气件以及外管；

所述中心管内部空间为中央通道，所述隔离气体管外套在中心管上，隔离气体管与中心管之间的间隙为隔离气体通道；

所述第一通气件包括第一管体，第一管体的侧壁内具有圆柱形的空腔，所述空腔即为第二缓存室，第一管体的一端具有多根绕第一管体轴线方向均匀分布的第二助燃管，所述第二助燃管与第二缓存室连通，所述第二缓存室和第二助燃管的内部空间即为中间助燃气体通道；

所述第二通气件包括第二管体，第二管体的第一端具有隔板，第二管体还包括穿过第二管体的第二端且与所述隔板固定的分隔管，所述第二管体与分隔管同轴设置；所述隔板的外端面还具有多根绕第二管体轴线方向均匀分布的第一助燃管以及多根绕第二管体轴线方向均匀分布的燃气管，所述第一助燃管的外侧端口即为内层助燃气体出口，所述燃气管的高度小于第一助燃管；所述隔板具有供中心管和隔离气体管穿过的中心孔，所述隔离气体管内套在分隔管中，且一端穿过所述中心孔；所述第一管体内套在第二管体内，且外套在分隔管上，所述第二助燃管穿过对应的燃气管，且第二助燃管位于隔板外侧的高度大于燃气管的高度，所述第二管体的内侧壁与第一管体的外侧壁之间的间隙为第三缓存室，所述燃气管与第三缓存室连通，所述燃气管与第二助燃管的间隙和第三缓存室即为可燃气体通道；所述分隔管与隔离气体管之间的间隙为第一缓存室，所述第一助燃管与第一缓存室连通，第一缓存室和第一助燃管的内部空间即为内层助燃气体通道；

所述第二通气件在隔板的外侧还具有导向管，所述导向管为锥状结构，且越远离隔板，导向管的内径越小；

所述外管外套在第二通气件上，且外管内侧壁与第二通气件外侧壁的间隙为外层助燃气体通道，外管与导向管对应处具有锥状的内侧壁，该锥状的内侧壁与导向管外侧壁之间即为外层助燃气体通道的锥状部分。

可选的，所述外管还包括内凹的环状弧形槽，所述环状弧形槽与第二管体之间的空间即为第四缓存室。

可选的，燃烧器还包括：

隔离气体进气管，与隔离气体通道连通；

第一助燃气进气管，与所述第一缓存室连通；

第二助燃气进气管，与所述第二缓存室连通；

燃气进气管，与所述第三缓存室连通；

第三助燃气体进气管，与所述外层助燃气体通道连通。

本发明的有益效果是：最外侧圆环形的外层助燃气体出口加强了原料气体与助燃气体在燃烧器上方的混合；内中外三层的助燃气体出口，配合位于正中间的中央喷口以及位于中间层的可燃气体出口，能够提高气体混合度，气体能够充分燃烧，火焰热值更高且稳定，能够使可燃气体预混形态更有利于生成易吸附型团聚颗粒的反应，能够防止原料气体在端口的结晶、堵塞。

附图说明：

图1是现有四氯化硅燃烧器的俯视图；

图2是现有四氯化硅燃烧器的剖视图；

图3是现有八甲基环四硅氧烷燃烧器的俯视图；

图4是现有八甲基环四硅氧烷燃烧器的剖视图；

图5是本发明制造光纤预制棒的燃烧器的俯视图；

图6是本发明制造光纤预制棒的燃烧器的剖视图；

图7是本发明制造光纤预制棒的燃烧器的爆炸图；

图8是中心管的主视图；

图9是隔离气体管的主视图；

图10是第二通气件的剖视图；

图11是第二通气件的结构示意图；

图12是第一通气件的剖视图；

图13是第一通气件的结构示意图；

图14是外管的剖视图；

图15是外管的结构示意图；

图16是本发明的燃烧器与现有四氯化硅燃烧器在实验验证中的沉积效率曲线比较图；

图17是本发明的燃烧器与现有八甲基环四硅氧烷燃烧器在实验验证中的沉积效率曲线比较图。

图中各附图标记为：

1、中心喷口；2、小孔气体喷口；3、中间层喷口；4、小孔气体喷口；5、中心管口；6、隔离喷口；7、氢气喷口；8、氧气喷口；9、氧气喷口；10、中央喷口；11、隔离气体出口；12、内层助燃气体出口；13、可燃气体出口；14、中间助燃气体出口；15、外层助燃气体出口；16、气体喷射端；17、中心管；18、隔离气体管；19、第一通气件；20、第二通气件；21、外管；22、隔离气体进气管；23、第二助燃气进气管；24、第一助燃气进气管；25、燃气进气管；26、第三助燃气体进气管；27、中央通道；28、隔离气体通道；29、第一缓存室；30、第二缓存室；31、第三缓存室；32、第四缓存室；33、锥状部分；34、第二助燃管；35、燃气管；36、第一助燃管；37、导向管；38、第二管体；39、分隔管；40、隔板；41、中心孔；42、第一管体；43、锥状的内侧壁；44、环状弧形槽；45、外层助燃气体通道。

具体实施方式：

下面结合各附图，对本发明做详细描述。

实施例1

如图5和6所示，一种制造光纤预制棒的燃烧器，包括气体喷射端16，气体喷射端16由内到外依次包括有中央喷口10、外嵌在中央喷口10上的隔离气体出口11、绕隔离气体出口11周向均布的多个内层助燃气体出口12、绕隔离气体出口11周向均布的多个复合出气口、以及圆环形的外层助燃气体出口15，复合出气口包括相互嵌套的可燃气体出口13以及中间助燃气体出口14。

如图5和6所示，于本实施例中，可燃气体出口13外嵌在中间助燃气体出口14上，且可燃气体出口13在气体喷射端16内部，与中间助燃气体出口14具有间隔；中央喷口10、隔离气体出口11、内层助燃气体出口12、中间助燃气体出口14和外层助燃气体出口15均位于同一平面上。本实施例所说的间隔，指的是可燃气体出口13和中间助燃气体出口14不在同一平面上，两者之间具有若干距离。可燃气体出口13和中间助燃气体出口14这样设计能够使可燃气体与助燃气体充分的混合。

如图6所示，于本实施例中，燃烧器还包括中央通道27、隔离气体通道28、内层助燃气体通道、可燃气体通道、中间助燃气体通道以及外层助燃气体通道45，其中，中央通道27的出口即为中央喷口10，隔离气体通道28的出口即为隔离气体出口11，内层助燃气体通道的出口即为内层助燃气体出口12，可燃气体通道的出口即为可燃气体出口13，中间助燃气体通道的出口即为中间助燃气体出口14，外层助燃气体通道45的出口即为外层助燃气体出口15；

内层助燃气体通道邻近内层助燃气体出口12处具有第一缓存室29，可燃气体通道邻近可燃气体出口13处具有第二缓存室30，中间助燃气体通道邻近中间助燃气体出口14处具有第三缓存室31，外层助燃气体通道45邻近外层助燃气体出口15处具有第四缓存室32。

缓存室的设计，使得向燃烧器输送的气体经受膨胀和压缩过程，能够使出口处流速分布更均匀，燃烧器燃烧时更加稳定。

如图6所示，于本实施例中，外层助燃气体通道45包括位于端部的锥状部分33，外层助燃气体出口15为该锥状部分33的小径端。锥状部分33气体喷射方向与中央喷口10轴线所呈角度为0.5°-5°，且外层助燃气体出口15喷出气体聚焦于距燃烧器端面150-250mm处。外层助燃气体出口15决定了火焰焦炬，对火焰温度有较大影响，锥状部分33的结构并限定聚焦位置，可以使火焰温度达到最佳值，充分提高燃烧火焰的温度和生成粉尘颗粒的团聚度，使粉尘颗粒在光纤预制棒靶棒上的吸附率增加。

于本实施例中，各内层助燃气体出口12横截面面积之和与第一缓存室29横截面面积的比值小于等于0.2，各可燃气体出口13横截面面积之和与第二缓存室30横截面面积的比值小于等于0.2，中间助燃气体出口14横截面面积之和与第三缓存室31横截面面积的比值小于等于0.2；第四缓存室32为外突的流线型，第四缓冲室最大横截面面积与外层助燃气体出口15横截面面积的比值范围为8-20；各缓存室的长度范围均大于等于50mm。

如图7-15所示，于本实施例中，燃烧器包括中心管17、隔离气体管18、第一通气件19、第二通气件20以及外管21；

中心管17内部空间为中央通道27，隔离气体管18外套在中心管17上，隔离气体管18与中心管17之间的间隙为隔离气体通道28；

如图6、12和13所示，第一通气件19包括第一管体42，第一管体42的侧壁内具有圆柱形的空腔，空腔即为第二缓存室30，第一管体42的一端具有多根绕第一管体42轴线方向均匀分布的第二助燃管34，第二助燃管34与第二缓存室30连通，第二缓存室30和第二助燃管34的内部空间即为中间助燃气体通道；

如图6、10和11所示，第二通气件20包括第二管体38，第二管体38的第一端具有隔板40，第二管体38还包括穿过第二管体38的第二端且与隔板40固定的分隔管39，第二管体38与分隔管39同轴设置；隔板40的外端面还具有多根绕第二管体38轴线方向均匀分布的第一助燃管36以及多根绕第二管体38轴线方向均匀分布的燃气管35，第一助燃管36的外侧端口即为内层助燃气体出口12，燃气管35的高度小于第一助燃管36；隔板40具有供中心管17和隔离气体管18穿过的中心孔41，隔离气体管18内套在分隔管39中，且一端穿过中心孔41；第一管体42内套在第二管体38内，且外套在分隔管39上，第二助燃管34穿过对应的燃气管35，且第二助燃管34位于隔板40外侧的高度大于燃气管35的高度，第二管体38的内侧壁与第一管体42的外侧壁之间的间隙为第三缓存室31，燃气管35与第三缓存室31连通，燃气管35与第二助燃管34的间隙和第三缓存室31即为可燃气体通道；分隔管39与隔离气体管18之间的间隙为第一缓存室29，第一助燃管36与第一缓存室29连通，第一缓存室29和第一助燃管36的内部空间即为内层助燃气体通道；

第二通气件20在隔板40的外侧还具有导向管37，导向管37为锥状结构，且越远离隔板40，导向管37的内径越小；

如图6、14和15所示，外管21外套在第二通气件20上，且外管21内侧壁与第二通气件20外侧壁的间隙为外层助燃气体通道45，外管21与导向管37对应处具有锥状的内侧壁43，该锥状的内侧壁43与导向管37外侧壁之间即为外层助燃气体通道45的锥状部分33。

如图6和14所示，外管21还包括内凹的环状弧形槽44，环状弧形槽44与第二管体38之间的空间即为第四缓存室32。

于本实施例中，燃烧器还包括：

隔离气体进气管22，与隔离气体通道28连通；

第一助燃气进气管24，与第一缓存室29连通；

第二助燃气进气管23，与第二缓存室30连通；

燃气进气管25，与第三缓存室31连通；

第三助燃气体进气管26，与外层助燃气体通道45连通。

本实施例燃烧器最外侧圆环形的外层助燃气体出口加强了原料气体与助燃气体在燃烧器上方的混合；内中外三层的助燃气体出口，配合位于正中间的中央喷口以及位于中间层的可燃气体出口，能够提高气体混合度，气体能够充分燃烧，火焰热值更高且稳定，能够使可燃气体预混形态更有利于生成易吸附型团聚颗粒的反应，能够防止原料气体在端口的结晶、堵塞。

本实施例的燃烧器的原料为八甲基环四硅氧烷，因为八甲基环四硅氧烷的硅元素含量占总量约80％，相对四氯化硅原料，单位时间内生成二氧化硅粉尘有更大的优势，且在反应的副产物中，没有有毒的氯化氢气体产生，洁净性高，对环境无污染，不但提高了沉积效率，且在废气处理的投资和成本上大大降低。

本实施例的燃烧器，中央喷口用于喷射八甲基环四硅氧烷原料蒸发气体和助燃气体氧气的混合物；隔离气体出口用于喷射惰性隔离气体氩气或氮气，其目的是防止灯口粉尘堆积堵塞；内层助燃气体出口用于喷射助燃气体氧气，使气体充分混合，增加火焰温度；相互嵌套的可燃气体出口和中间助燃气体出口分别喷射可燃气体氢气和助燃气体氧气，引燃火焰，并进一步增强火焰温度；外层助燃气体出口用于喷射最大量助燃气体氧气，并聚焦在距燃烧器端面150-250mm焦距内，该层决定了火焰焦炬，对火焰温度有较大影响，设定好一定的流速，可使火焰温度达到最佳值，充分提高燃烧火焰的温度和生成粉尘颗粒的团聚度，使粉尘颗粒在光纤预制棒上的吸附率增加。

用OVD外汽相工艺制作光纤预制棒包层，把可燃气体、助然气体、隔离气体及反应原料八甲基环四硅氧烷的蒸发气体通入本实施例的燃烧器，燃烧器喷出的火焰居中聚焦到一根旋转的芯棒上，并使燃烧器相对于芯棒以一定的速度横向往复移动。在相对高速的条件下，反应生产的粉尘以较高速率吸附到芯棒上，形成光纤预制棒胚体，到达设定的重量或外径后，停止沉积，再到高温烧结炉中烧结成透明的光纤预制棒。为使八甲基环四硅氧烷蒸发气体在管道输送中不发生液化，输送管道及燃烧器外均包裹加热和保温装置，燃烧器前混入原料气体的助燃气体氧气及隔离气体管道外也需包裹加热和保温装置，温度控制在比蒸发温度高5-10℃。

用OVD法对现有八甲基环四硅氧烷燃烧器和本实施例的燃烧器进行比较，两个燃烧器均采用氢气(H₂)作为可燃气体，氧气(O₂)作为助燃气体，氩气(Ar)作为隔离气体，八甲基环四硅氧烷(D₄)作为二氧化硅粉尘颗粒生成的原料，将蒸发温度控制在190℃、配管温度控制在195℃，燃烧器温度控制在200℃，且燃烧器流量不大于100g/min，具体结果如表1所示：

表1

注：表格中，各层气流量位均是slm，即标准状态下升每分钟。

根据表1可知，本实施例燃烧器喷口没有出现堵塞结晶现象，火焰稳定，且温度较高。

实施例2

将实施例1中的燃烧器与如附图1和2所示的四氯化硅燃烧器进行沉积实验比较，其中，两种燃烧器均采用氢气(H₂)作为可燃气体，氧气(O₂)作为助燃气体，氩气(Ar)作为隔离气体，实施例1的燃烧器采用八甲基环四硅氧烷(D₄)作为二氧化硅粉尘颗粒生成的原料，四氯化硅燃烧器采用四氯化硅(SiCl₄)作为二氧化硅粉尘颗粒生成的原料。两个燃烧器采用相同的往复移动速度，靶棒采用相同的转速，送排风速度也相同，气流量等参数如表2所示：

表2

注：上表格中，各层气流量位均是slm，沉积效率单位是g/min。

上述实验结果为：使用四氯化硅燃烧器，靶棒沉积表面温度在1200-900℃之间渐变，而使用实施例1的燃烧器，靶棒沉积表面温度1500-1200℃间渐变，沉积密度较大。沉积效率比较(沉积效率＝二氧化硅粉尘吸附量/沉积时间)，如图16所示，实施例1的燃烧器提升达800％以上。

实施例3：

将实施例1中的燃烧器与如附图3和4所示的八甲基环四硅氧烷燃烧器进行沉积实验比较，其中，两种燃烧器均采用氢气(H₂)作为可燃气体，氧气(O₂)作为助燃气体，氩气(Ar)作为隔离气体，八甲基环四硅氧烷(D₄)作为二氧化硅粉尘颗粒生成的原料。两个燃烧器采用相同的往复移动速度，靶棒采用相同的转速，送排风速度也相同，气流量等参数如表3所示：

表3

注：上表格中，各层气流量位均是slm，沉积效率单位是g/min。

上述实验结果为：使用八甲基环四硅氧烷燃烧器，靶棒沉积表面温度在1300-1000℃之间渐变，而使用实施例1的燃烧器，靶棒沉积表面温度在1500-1200℃间渐变，沉积密度较大。沉积效率比较，如图17所示，实施例1的燃烧器提升达20％以上。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此即限制本发明的专利保护范围，凡是运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的保护范围内。