蒸发器及包含该蒸发器的用于形成玻璃光纤预制件的设备的制作方法

蒸发器及包含该蒸发器的用于形成玻璃光纤预制件的设备
1.本技术要求2019年2月13日提交的系列号为62/805005的美国临时申请的优先权权益，本文以该申请的内容为基础并通过引用将其全部结合入本文。
2.背景
技术领域
3.本说明书一般涉及用于形成玻璃光纤预制件的设备，更具体地，涉及用于蒸发在玻璃光纤预制件的制造中使用的玻璃前体材料的蒸发器。


背景技术：

4.玻璃光纤一般通过由玻璃光纤预制件拉制光纤来形成。玻璃预制件可以通过利用气相沉积将二氧化硅基玻璃烟炱沉积在饵杆或芯棒上形成。环硅氧烷，例如八甲基环四硅氧烷(omcts)常用作液体前体生产热解生成的二氧化硅基颗粒，它们沉积在饵杆上以形成玻璃光纤预制件。液体前体初始在蒸发器中蒸发，经蒸发的液体前体被进料到燃烧器，在燃烧器处，它们经历高温氧化反应以形成二氧化硅基玻璃烟炱。二氧化硅基玻璃烟炱沉积在饵杆上以形成一个或多个二氧化硅基玻璃烟炱的多孔层。随后，该二氧化硅基玻璃烟炱的多孔层经致密化而完成玻璃光纤预制件的形成。
5.在蒸发过程期间，未蒸发的液体前体可在蒸发器中聚合并导致形成胶体，胶体在蒸发器的下部区域聚集。胶体的积聚迫使需要周期性地关停和清洁蒸发器以及用于形成玻璃光纤预制件的相关设备。因此，蒸发器对液体前体的不完全蒸发可能降低制造效率并增加制造成本。
6.因此，需要用于形成玻璃光纤预制件的设备的替代性蒸发器。


技术实现要素：

7.根据第1方面a1，一种包括蒸发器并且所述蒸发器被构造成蒸发用于形成玻璃光纤预制件的液体前体的设备，所述设备包括膨胀室，所述膨胀室至少部分被侧壁包封。所述膨胀室包括上端和下端，并且侧壁设置在上端与下端之间。所述蒸发器还包括闭环液体输送管道，其邻近膨胀室的上端位于膨胀室中。闭环液体输送管道包括多个喷嘴，所述多个喷嘴经取向而将液体前体喷雾引导到侧壁的内表面上。所述蒸发器还包括至少一个供应管道，其邻近膨胀室的上端定位并且与闭环液体输送管道连接。
8.第2方面a2包括如方面a1所述的设备，其还包括位于膨胀室的上端处并且至少部分包封膨胀室的盖，其中，所述至少一个供应管道延伸通过所述盖。
9.第3方面a3包括如方面a2所述的设备，其中，闭环液体输送管道与盖间隔距离s，其中，s大于或等于0厘米且小于或等于40厘米。
10.第4方面a4包括如方面a3所述的设备，其中，s为0厘米。
11.第5方面a5包括如方面a1
‑
a4中任一方面所述的设备，其中，闭环液体输送管道的周界与膨胀室的侧壁间隔距离r，其中，距离r大于或等于1厘米且小于或等于2.54厘米。
12.第6方面a6包括如方面a1
‑
a5中任一方面所述的设备，其中，闭环液体输送管道包括内截面直径，所述内截面直径大于或等于0.25厘米且小于或等于0.75厘米。
13.第7方面a7包括如a1
‑
a6中任一方面所述的设备，其中，所述多个喷嘴围绕闭环液体输送管道的周界等距间隔。
14.第8方面a8包括如方面a1
‑
a7中任一方面所述的设备，其中，所述多个喷嘴包括主流动矢量，其相对于水平面成大于或等于30
°
且小于或等于55
°
的角θ取向。
15.第9方面a9包括如方面a1
‑
a8中任一方面所述的设备，其中，所述多个喷嘴包括大于或等于0.045厘米且小于或等于0.1厘米的喷嘴直径。
16.第10方面a10包括如方面a1
‑
a9中任一方面所述的设备，其中，所述多个喷嘴包括大于或等于0.75厘米且小于或等于2.54厘米的喷嘴间距。
17.第11方面a11包括如方面a1
‑
a10中任一方面所述的设备，其中，膨胀室的侧壁的内表面具有大于或等于0.18平方米且小于或等于1平方米的表面积。
18.第12方面a12包括如方面a1
‑
a11中任一方面所述的设备，其中，膨胀室的侧壁由热导率为至少100btu/hr
‑
ft
‑
f的材料形成。
19.第13方面a13包括如a1
‑
a12中任一方面所述的设备，其中，所述膨胀室的侧壁包括设置在侧壁中的多个通道。
20.第14方面a14包括如a1
‑
a13中任一方面所述的设备，其中，膨胀室的侧壁包括内壳，与内壳间隔的外壳，以及设置在内壳与外壳之间的环状流动通道中的混合插入件，所述混合插入件以螺旋构造围绕内壳延伸。
21.第15方面a15包括用于形成玻璃光纤预制件的设备。所述设备包括蒸发器，所述蒸发器包括膨胀室，所述膨胀室至少被侧壁部分包封。所述膨胀室包括上端和下端，并且侧壁设置在上端与下端之间。所述蒸发器还包括盖，所述盖位于侧壁的上端并且至少部分包封膨胀室。至少一个供应管道延伸通过所述盖。所述蒸发器还包括位于膨胀室中的闭环液体输送管道。闭环液体输送管道与所述至少一个供应管道连接，并且闭环液体输送管道包括多个喷嘴，所述多个喷嘴经取向而将液体前体喷雾引导到侧壁的内表面上。每个喷嘴包括主流动矢量，其相对于水平面成大于或等于30
°
且小于或等于55
°
的角θ取向。蒸发器还包括蒸气输送出口，其连接到膨胀室并且被构造成从膨胀室取出蒸发的液体前体。用于形成玻璃光纤预制件的设备还包括：与所述至少一个供应导管连接的液体前体源，与蒸气输送出口连接的燃烧器，以及被构造用于旋转玻璃光纤预制件的玻璃车床。所述燃烧器被构造成沿着玻璃车床旋转的旋转轴的轴平移。
22.第16方面a16包括如方面a15所述的设备，其中，液体前体以大于475克/分钟的流动速率被输送到膨胀室。
23.第17方面a17包括如a15或a16中任一方面所述的设备，其中，膨胀室的侧壁包括内壳，外壳，以及设置在内壳与外壳之间的混合插入件，所述混合插入件以螺旋构造围绕内壳延伸。
24.第18方面a18包括如方面a15
‑
a17中任一方面所述的设备，其还包括加热系统，所述加热系统与膨胀室的侧壁连接并且被构造成将至少一部分的侧壁加热到足以使液体前体蒸发的温度。
25.第19方面a19包括如方面a15
‑
a18中任一方面所述的设备，其中，闭环液体输送管
道的周界与膨胀室的侧壁间隔距离r，其中，距离r大于或等于1厘米且小于或等于2.54厘米。
26.第20方面a20包括如方面a15
‑
a19中任一方面所述的设备，其中，所述多个喷嘴的喷嘴间距大于或等于0.75厘米且小于或等于2.54厘米。
27.在以下的具体实施方式中将阐述本文所述的用于玻璃前体的气相沉积的蒸发器和设备的其他特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言，根据所作描述就容易看出，或者通过实施包括以下具体实施方式、权利要求书以及附图在内的本文所述的实施方式而被认识。
28.应理解，前述的一般性描述和下文的详细描述都描述了各个实施方式且都旨在提供用于理解所要求保护的主题的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对各个实施方式的进一步理解，附图并入本说明书中并构成说明书的一部分。附图例示了本文所描述的各个实施方式，并且与说明书一起用于解释所要求保护的主题的原理和操作。
附图说明
29.图1根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了用于玻璃前体的气相沉积的设备；
30.图2a根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了闭环液体输送管道；
31.图2b示意性描绘了图1所示的蒸发器的一部分的局部视图。
32.图3根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了一种蒸发器；
33.图4根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性地描绘了一种闭环液体输送管道；
34.图5根据本文所述的一个或多个实施方式，示意性描绘了包括用于加热蒸发器的侧壁的混合插入件的蒸发器侧壁的局部截面图；
35.图6根据本文所述的一个或多个实施方式，图示了在具有和不具有混合插入件的情况下，对于两种液体前体流动速率，液体前体的体积分数(y轴)根据膨胀室侧壁的长度(x轴)而变化的情况；以及
36.图7根据本文所述的一个或多个实施方式，图示了对于各种蒸发器，液体前体的排出速率(y轴)根据蒸发的液体前体温度与饱和液体前体温度之间的差(x轴)而变化的情况。
具体实施方式
37.现将详细说明蒸发器，包括蒸发器的用于形成玻璃光纤预制件的设备及其使用方法的各个实施方式，附图例示了它们的实施方式。只要可能，在全部附图中将使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件。在图1中示意性描绘了包括蒸发器的用于形成玻璃光纤预制件的设备的一个实施方式。在本文所述的实施方式中，蒸发器可以包括膨胀室，所述膨胀室至少被侧壁部分包封。所述膨胀室包括上端和下端，并且侧壁设置在上端与下端之间。所述蒸发器还包括闭环液体输送管道，其邻近膨胀室的上端位于膨胀室中。闭环液体输送管道包括多个喷嘴，所述多个喷嘴经取向而将液体前体喷雾引导到侧壁的内表面上。所述蒸发器还可以包括至少一个供应管道，其邻近膨胀室的上端定位并且与闭环液体输送管道连接。蒸气输送出口可以连接到膨胀室并且被构造成引导来自膨胀室的蒸发的液体前体。
具体参考附图，将在本文更详细地描述蒸发器，包括蒸发器的用于形成玻璃光纤预制件的设备及其使用方法的各个实施方式。
38.本文中，范围可以表示为从“约”一个具体值开始和/或至“约”另一个具体值终止。当表述这样的范围时，另一个实施方式包括自所述一个具体数值始和/或至所述另一具体数值止。类似地，当用先行词“约”将数值表示为近似值时，应理解具体数值构成了另一个实施方式。还应理解，每个范围的端点在与另一个端点有关及独立于另一个端点时都是重要的。
39.本文所用的方向术语——例如上、下、右、左、前、后、顶、底——仅仅是参照绘制的附图而言，并不用来暗示绝对的取向。
40.除非另有明确说明，否则本文所述的任何方法不应理解为其步骤需要按具体顺序进行，或者要求使任何设备具有特定取向。因此，如果方法权利要求没有实际叙述其步骤要遵循的顺序，或者任何设备权利要求没有实际叙述各组件的顺序或取向，或者权利要求书或说明书中没有另外具体陈述步骤限于具体顺序，或者没有叙述设备组件的具体顺序或取向，那么在任何方面都不应推断顺序或取向。这适用于解释上的任何可能的非表达性基础，包括：涉及步骤安排的逻辑问题、操作流程、组件的顺序或组件的取向问题；由语法组织或标点派生的明显含义问题和说明书中描述的实施方式的数量或类型问题。
41.除非上下文另外清楚地说明，否则，本文所用的单数形式的“一个”、“一种”以及“该/所述”包括复数指代。因此，例如，提到的“一种”部件包括具有两种或更多种这类部件的方面，除非文本中有另外的明确表示。
42.如本公开中所使用的，短语“液体前体”是指以液体形式被输送到蒸发器的前体材料，例如但不限于八甲基环四硅氧烷(omct)以及当以液体形式输送到蒸发器时可能存在于omcts中的各种其他硅氧烷物质和杂质。
43.用于形成玻璃光纤预制件的设备一般包括蒸发器，其向燃烧器供应蒸发的液体前体。燃烧器通过火焰热解将蒸发的液体前体转化成二氧化硅基玻璃烟炱。二氧化硅基玻璃烟炱进而随着饵杆在玻璃车床中旋转而沉积在饵杆上。所述燃烧器可以被构造成沿着玻璃车床的旋转轴平移，以在饵杆通过玻璃车床而旋转时，沿着饵杆的长度沉积二氧化硅基玻璃烟炱。
44.在与此类设备一起使用的常规蒸发器中，未蒸发的液体前体可能在蒸发器的下部区域中汇集，液体前体在此处凝胶化，使得蒸发器的内部积垢。液体前体在蒸发器中的过量汇集以及随后的凝胶化增加了蒸发器中的背压并且减弱了设备的性能。因此，需要频繁地清洁蒸发器来缓解这些问题。然而，频繁清洁蒸发器需要停机时间，结果不利地影响了制造生产率。
45.另外，在常规的蒸发器中，液体前体通过输送系统被引入到蒸发器中，该输送系统包括彼此上下设置的喷嘴。这些喷嘴的定位可能产生低压区域，所述低压区域造成从上喷嘴发射的液体前体喷雾与从下喷嘴发射的液体前体喷雾相互作用。这种相互作用可减少实际接触蒸发器的膨胀室的侧壁内表面(即，液体前体被蒸发的位置)的液体前体量，从而减少实际蒸发的液体前体量，并且增加在膨胀室的下端汇集并凝胶化的液体前体量。
46.此外，由于与用于蒸发器的常规液体输送系统相关的尺寸限制，常规蒸发器不允许液体前体具有相对较高的流动速率，例如，大于450克/分钟、475克/分钟或500克/分钟的
流动速率。结果，这些常规液体输送系统限制了蒸发器以及其中使用蒸发器的设备的效率。具体地，通过蒸发器的液体前体的蒸发率与液体前体被喷射到其上并且随后从其蒸发的表面积(具体是侧壁的内表面的表面积)相关。然而，由于液体输送系统的构造，常规蒸发器一般具有相对较小的侧壁内表面的表面积(一般小于0.2平方米)，这意味着能够在膨胀室中被蒸发的液体前体的量稍微受到限制。
47.本文公开的蒸发器和用于形成玻璃光纤预制件的设备解决了与常规蒸发器相关的上述问题。
48.现在参考图1，其示意性描绘了用于形成玻璃光纤预制件的设备200。设备200一般包括蒸发器100、液体前体源210、燃烧器220和玻璃车床230。蒸发器100包括膨胀室110，所述膨胀室110至少被侧壁120部分包封。如本文中所使用的短语“至少部分包封”意为侧壁120在至少一侧上限定膨胀室110。例如，在图1描绘的实施方式中，侧壁120至少限定膨胀室110的垂直侧(即，在附图描绘的坐标轴的+/
‑
y方向上延伸的膨胀室的侧)。在该实施方式中，侧壁120例如可以是包封膨胀室110的圆柱体。在一些实施方式中(未示出)，侧壁120可以在水平截面(即，由附图描绘的坐标轴中的x
‑
z平面限定的截面)上形成部分包封膨胀室110的半圆柱体或者四分之一圆柱体。在一些实施方式中(未示出)，侧壁120的水平截面可以是矩形或正方形，或者任何其他合适的截面形状。蒸发器100还包括：用于向膨胀室110的内部供应液体前体的闭环液体输送管道130，用于向闭环液体输送管道130供应液体前体的至少一个供应管道140，以及用于引导来自膨胀室110的蒸发的液体前体的蒸气输送出口150。
49.在本文所述的实施方式中，液体前体源210与蒸发器100的供应管道140连接。由此，来自液体前体源210的液体前体可以被引导到膨胀室110中，在膨胀室110中，液体前体被蒸发。燃烧器220与蒸发器100的蒸气输送出口150连接，以向燃烧器220供应在蒸发器100的膨胀室110中蒸发的液体前体，以在燃烧器220的火焰中反应。燃烧器220还连接到用于向燃烧器220供应燃料的燃料源222，连接到用于向燃烧器220供应空气的空气源224，以及在一些实施方式中，连接到用于向燃烧器220供应掺杂剂或掺杂剂前体的掺杂剂源226。在一些实施方式中，空气源224可以包含氧气。作为一个非限制性实例，掺杂剂源可以包括氧化锗(geo2)的前体源，例如，四氯化锗(gecl4)。
50.在本文所述的实施方式中，燃烧器220邻近玻璃车床230定位并且被构造成平行于玻璃车床230的旋转轴231平移，如箭头234所示。玻璃车床230被构造成基于玻璃车床230的旋转轴231旋转饵杆(未示出)。在燃烧器220的火焰中产生的二氧化硅基玻璃烟炱228沉积到饵杆上以形成玻璃光纤预制件232，如本文进一步详细描述。
51.设备200还包括加热系统240，所述加热系统240与膨胀室110的侧壁120连接并且被构造成将膨胀室110的至少一部分的侧壁120加热到足以使液体前体蒸发的温度。具体地，膨胀室110的侧壁120可以与加热系统240热耦合，以促进将至少一部分的侧壁120加热到一定温度，该温度足以使通过闭环液体输送管道130喷射到侧壁120的内表面116上的至少一部分液体前体蒸发。在实施方式中，加热系统240包括热油加热系统，其通过膨胀室110的侧壁120来循环热油，如本文进一步详细描述。
52.仍然参考图1，蒸发器100包括膨胀室110、闭环液体输送管道130、至少一个供应管道140和蒸气输送出口150。膨胀室110至少被侧壁120部分包封，并且包括上端112和下端
114，并且侧壁112被设置在上端112与下端114之间。如本文所用的术语“上”和“下”是指零件的相对垂直取向，并且这些术语是参照相应附图中描绘的坐标轴的y轴(即，垂直轴)使用。
53.在实施方式中，膨胀室110的截面一般为圆柱形，并且可以具有内直径x。在实施方式中，膨胀室110的内直径x可以大于或等于8厘米(cm)且小于或等于25cm。膨胀室110的长度l可以大于或等于72cm且小于或等于200cm。在实施方式中，膨胀室110的内直径x可以为约16cm并且膨胀室110的长度l可以为约107cm。然而，应理解，膨胀室110可以具有其他尺寸。
54.如本文所述，膨胀室110至少被侧壁120部分包封。在实施方式中，膨胀室的侧壁120的内表面116的表面积可以大于或等于0.18平方米(m2)且小于或等于1m2。在实施方式中，侧壁120的表面积可以大于或等于0.4m2且小于或等于1m2，或者大于或等于0.4m2且小于或等于0.6m2。在实施方式中，侧壁120的表面积可以为0.5m2。常规蒸发器的侧壁可以具有小于0.172m2的表面积，由此，本文所述的蒸发器100的实施方式相对于常规蒸发器具有增加的侧壁120的表面积。如本文将进一步详细描述的，相对于常规蒸发器的增加的表面积允许膨胀室110供应大于450克/分钟(g/min)、475g/min或500g/min的液体前体流动速率，同时减轻膨胀室110中液体前体的凝胶化。
55.在一些实施方式中，膨胀室110的侧壁120由热导率为至少100英制热单位/小时英尺华氏度(btu/hr
‑
ft
‑
f)的材料形成，以促进通过用热源240加热侧壁120来使沉积在侧壁120的内表面116上的液体前体蒸发。具体地，侧壁120一般由具有高热导率的材料形成，以使得膨胀室110的侧壁120可以得到均匀加热并且避免局部“热斑”。膨胀室110中的热斑可能使液体前体过热，这导致液体前体凝胶化以及膨胀室110积垢。在实施方式中，膨胀室110由热导率大于约100btu/hr
‑
ft
‑
f，大于约150btu/hr
‑
ft
‑
f，大于约200btu/hr
‑
ft
‑
f，或者甚至大于约250btu/hr
‑
ft
‑
f的材料形成。形成膨胀室110的合适的材料包括但不限于铝及其合金，铍及其合金，铜及其合金，银及其合金，钨及其合金，以及锆，它们中的每一种的热导率在室温下为至少100btu/hr
‑
ft
‑
f。
56.在图1描绘的实施方式中，膨胀室110的侧壁120包括多个通道121，其设置在侧壁120中并且从侧壁120的下端114延伸到侧壁120的上端112。所述多个通道121接收来自加热系统240的经加热的油，并且将经加热的油引导通过侧壁120，由此加热侧壁120并且蒸发喷射在侧壁120的内表面116上的液体前体。所述多个通道121提高了从经加热的油到侧壁120的热传递。在图1所示的实施方式中，所述多个通道121一般与膨胀室110的长度l平行。但应理解，尽可能考虑了其他构造，例如，其中多个通道121具有螺旋形构造等的构造。所述多个通道121中的各个通道可以包括设置在侧壁120的相对端部处的进口122和出口123。在实施方式中，进口122和出口123可以具有相同的直径。在实施方式中，所述多个通道121各自可以具有进口122，所述进口122的直径大于对应的出口123的直径。例如但非限制，进口122可以具有大于或等于0.5cm且小于或等于2.54cm的直径，大于或等于1cm且小于或等于2cm的直径，或者1.5cm的直径。出口123可以具有大于或等于0.1cm且小于或等于1cm的直径，大于或等于0.2cm且小于或等于0.5cm的直径，或者0.4cm的直径。出口123的直径小于进口122的直径，因此，当油通过通道从进口122流动到出口123时，增加油的速度。该速度增加直接增加了热从油到侧壁120的热传递速率，以补偿当油接近出口123时，油的温度降低。
57.虽然图1将蒸发器100的侧壁120描绘成包括多个通道121，但应理解，还设想了其他构造并且它们是可能的。
58.例如，参考图5，其以截面图的形式示意性描绘了膨胀室110的侧壁120的替代性实施方式。在该实施方式中，膨胀室110的侧壁120可以包括内壳124(其形成膨胀室110的内表面116)以及与内壳124间隔的外壳125，由此在内壳124与外壳125之间形成了环状流动路径127。侧壁120还可以包括与环状流动路径127连接的进口122，其用于接收来自加热系统240(图1)的经加热的油。侧壁120还可以包括与环状流动路径127连接的出口123，其用于将经加热的油再循环到加热系统240。具体地，来自加热系统240的经加热的油通过进口122被引导到环状流动路径127中，并且通过侧壁120循环，由此加热侧壁120并且蒸发喷射在侧壁120的内表面116上的液体前体。经加热的油通过出口123离开环状流动路径127，并且再循环到加热系统240。在该实施方式中，侧壁120还包括混合插入件126，其被设置在内壳124与外壳125之间的环状流动路径127中。在实施方式中，混合插入件126以螺旋构造围绕内壳124延伸，如图5所示。如下文进一步详细描述的，混合插入件126促进了流动通过环状流动路径127的经加热的油的湍流，使得更有效地加热侧壁120，并因此更有效地加热膨胀室110。
59.再次参考图1，在实施方式中，蒸发器100还包括在膨胀室110的下端114中的排放管160，其促进从膨胀室110的内部冲洗蒸发过程的副产物。排放管160可以与收集储器(未示出)流体连接，所述收集储器收集从膨胀室110的内部冲洗的蒸发副产物。
60.现在参考图1和2a
‑
2b，蒸发器100还包括闭环液体输送管道130，其包括多个喷嘴132，所述多个喷嘴132经取向以将流体前体喷雾从液体前体源210引导到膨胀室110的侧壁120的内表面116上。闭环液体输送管道130邻近膨胀室110的上端112位于膨胀室110中。如本文中所用的短语“邻近膨胀室的上端”意为相比于膨胀室110的下端114，闭环液体输送管道130更靠近膨胀室110的上端112。相比于邻近膨胀室的下端114定位液体输送管道的蒸发器，如图1所示的邻近膨胀室110的上端112定位闭环液体输送管道130使得液体前体的蒸发更有效，从而增加了在膨胀室110中蒸发的液体前体的量。
61.在本文所述的实施方式中，闭环液体输送管道130包括管道131(图2a)，其限定了无始无终的液体流动路径(在图2a中由箭头135指示)。因此，引入到管道131中的液体前体可以连续穿过相同的液体流动路径直到从管道131中形成的喷嘴132中发射液体前体。在图2a描绘的实施方式中，管道131限定了圆形流动路径。但应理解，设想了其他几何构造并且它们是可能的，包括但不限于卵形流动路径、椭圆形流动路径等。
62.参考图1、2a和2b，所述多个喷嘴132在闭环液体输送管道130的管道131中形成，并且可以围绕闭环液体输送管道130的周界p等距间隔。在本文所述的实施方式中，喷嘴间距n应足够地小，以使得膨胀室110的侧壁120的内表面116的整个周围均被每个喷嘴所发射的液体前体喷雾接触到。然而，所述多个喷嘴中的每个喷嘴之间的间距n应足够地大，以使得从每个喷嘴发射的液体前体喷雾不干扰来自相邻喷嘴的液体前体喷雾。具体地，期望在侧壁120的内表面116上获得均匀的液体前体涂层，以促进均匀的蒸发。然而，当来自各个喷嘴的喷雾干扰来自相邻喷嘴的喷雾时，液体前体可能不均匀地涂覆在侧壁120的内表面116上，导致液体前体的不均匀蒸发。这可能进一步导致液体前体在膨胀室110中汇集和凝胶化。在实施方式中，所述多个喷嘴132中的每个喷嘴之间的喷嘴间距n可以大于或等于
0.75cm且小于或等于2.54cm。在实施方式中，所述多个喷嘴132中的每个喷嘴之间的喷嘴间距n可以大于或等于0.9cm且小于或等于1.9cm。
63.在实施方式中，所述多个喷嘴132中的各个喷嘴具有大于或等于0.045cm且小于或等于0.1cm的喷嘴直径d。在实施方式中，所述多个喷嘴132中的各个喷嘴具有大于或等于0.025cm且小于或等于0.065cm的喷嘴直径d。所述多个喷嘴132中的每个喷嘴的喷嘴直径d需足够地大，以使得膨胀室110的侧壁120的整个周围均被从喷嘴发射的液体前体接触到，但是应足够地小，以使得来自每个喷嘴的液体前体喷雾不干扰来自另一个喷嘴的液体前体喷雾。小于0.045cm的喷嘴直径d可能易被堵塞，从而降低了蒸发器100的效率。大于0.1cm的喷嘴直径d将不会产生大到足以使液体前体接触膨胀室的侧壁120的液体前体喷射速度。如本文所述，期望在侧壁120上获得液体前体的均匀涂层。然而，当来自各个喷嘴的喷雾干扰来自另一个喷嘴的喷雾时，在重叠喷雾内将形成褶皱，并且液体前体将不会均匀地涂覆侧壁120。相反，在侧壁120上可能形成液体前体块，导致液体前体不能有效地蒸发，这潜在地导致液体前体不能100％地蒸发。未蒸发的材料可能在膨胀室中汇集并凝胶化，使得蒸发器积垢。
64.现在参考图2b，闭环液体输送管道130的管道131的截面一般可以为圆形。在实施方式中，闭环液体输送管道130可以具有内截面直径d，该内截面直径d大于或等于0.25cm且小于或等于0.75cm。在实施方式中，闭环液体输送管道130可以具有大于多个喷嘴132的累积截面积的3倍的截面积，这得到了液体前体的均匀流。
65.仍然参考图2b，在本公开的实施方式中，闭环液体输送管道130的周界p与膨胀室110的侧壁120间隔距离r，如图2b所示。距离r应足够地小，以确保多个喷嘴132所发射的液体前体喷雾到达侧壁120的内表面116并均匀地涂覆侧壁120的内表面116。然而，距离r应足够地小，以防止液体前体溅起离开侧壁120的内表面116，该溅起离开侧壁120的内表面116可导致液体前体在膨胀室110的底部汇集并凝胶化。在实施方式中，距离r可以大于或等于1cm且小于或等于8cm，大于或等于1cm且小于或等于5cm，大于或等于1cm且小于或等于2.54cm，或者甚至大于或等于2cm且小于或等于4cm。
66.如图2b所示，所述多个喷嘴132中的各个喷嘴可以具有主流动矢量134，其相对于水平面成角θ取向(所述水平面即与图2b描绘的坐标轴的x
‑
z平面平行的平面)。所述多个喷嘴132中的每个喷嘴的主流动矢量134指示了从喷嘴发射的液体前体喷雾的取向。因此，如本文所用的主流动矢量定义为当在闭环液体输送管道130的周界处，从喷嘴发射喷雾时，在液体前体喷雾的几何中心处的液体前体的流动方向。在实施方式中，主流动矢量134的角θ相对于水平面大于或等于30
°
且小于或等于55
°
。在一些实施方式中，主流动矢量134的角θ相对于水平面可以大于或等于40
°
且小于或等于50
°
。在一些实施方式中，主流动矢量134的角θ相对于水平面可以为约45
°
。在前述范围内的角下，当流体前体接触膨胀室110的侧壁120时，可以最大程度地减少液体前体的溅起，由此缓解了液体前体在膨胀室110中汇集和凝胶化。相比于大于或等于30
°
的角θ，在小于或等于30
°
的角θ下，液体前体的溅起可导致液体前体不能有效地蒸发。进一步地，相比于小于30
°
的角θ和大于55
°
的θ，大于或等于30
°
且小于55
°
的角θ可增加蒸发的液体前体的量。具体地，在小于30
°
的角θ下，可能有增加量的液体前体溅起离开侧壁120的内表面116，导致液体前体蒸发减少并降低了蒸发器100的效率。另外，在小于30
°
的角θ下，蒸发的液体前体可能携带增加量的未经蒸发的液体前体通过蒸
气输送出口150到达燃烧器220。当主流动矢量的角θ大于55
°
时，接触膨胀室110的侧壁120的内表面116的液体前体量可减少，使得相比于当主流动矢量134处于小于或等于55
°
的角θ时所实现的液体前体的蒸发，当主流动矢量的角θ大于55
°
时的液体前体的蒸发减少。角θ大于55
°
的主流动矢量也可能不期望地促进液体前体在膨胀室110内汇集和凝胶化。
67.再次参考图1，如本文所述，蒸发器100还包括至少一个供应管道140，以及蒸气输送出口150。所述至少一个供应管道140邻近膨胀室110的上端112定位并且连接到闭环液体输送管道130，以使得来自液体前体源210的液体前体在膨胀室110的顶部处进入膨胀室110。该构造允许液体前体从闭环液体输送管道130发射并且在膨胀室110的上端112附近沉积在侧壁120的内表面116上，由此增加液体前体在到达侧壁120的下端114之前就蒸发的可能性。换言之，这种构造减少了液体前体将以液体形式到达膨胀室底部并在膨胀室110内凝胶化的可能性。
68.在本文所述的实施方式中，蒸气输送出口150可以连接到膨胀室110并且被构造成引导来自膨胀室110的蒸发的液体前体并将其引导到燃烧室220。
69.蒸发器100还包括盖170，其位于膨胀室110的上端112处。盖170至少部分包封膨胀室110。所述至少一个供应管道140连接到盖170，并且在一些实施方式中，可以延伸穿过盖170。在实施方式中，闭环液体输送管道130可以与盖170间隔距离s。例如，在实施方式中，距离s大于或等于0cm且小于或等于40cm。在一些实施方式中，距离s可以大于或等于0cm且小于或等于20cm，大于或等于0cm且小于或等于10cm，大于或等于0cm且小于或等于5cm，大于或等于5cm且小于或等于40cm，大于或等于5cm且小于或等于20cm，大于或等于5cm且小于或等于10cm，大于或等于10cm且小于或等于40cm，大于或等于10cm且小于或等于20cm，或者大于或等于20cm且小于或等于40cm。相比于如果距离s较大而喷射液体前体的情况，当距离s较小时，液体前体更靠近膨胀室110的上端112喷射。这意味着相比于如果距离s较大时可用于蒸发液体前体的表面积，可获得更大的侧壁120的内表面116的表面积来蒸发液体前体。这可使得蒸发器100的效率增加。
70.虽然图1示出了与盖170连接的液体输送管道，但是在替代性实施方式中，闭环液体输送管道130可以与盖170成为一体，以使得s为0cm。例如，图3示出了蒸发器100的一个实施方式，其中，闭环液体输送管道130与盖170成为一体。因此，距离s为0cm。图4详细示出了图3的闭环液体输送管道130，其描绘了位于闭环液体输送管道130的周界上的多个喷嘴132并且具有喷嘴间距n和喷嘴直径d。喷嘴间距n可以包括本文公开的喷嘴间距n的任何值。喷嘴直径d可以包括本文公开的喷嘴直径d的任何值。所述多个喷嘴132中的每个喷嘴还可以具有主流动矢量134，其相对于水平面成角θ取向，如本文所公开。
71.再次参考图1，为了形成光纤预制件，液体前体从液体前体源210流到蒸发器100。合适的液体前体的一个非限制性实例是omcts。具体地，液体前体通过供应管道140从液体前体源210流到闭环液体输送管道130。然后，液体前体通过闭环液体输送管道130的多个喷嘴132被引导向膨胀室110的内表面116。所述多个喷嘴132中的每个喷嘴具有主流动矢量，其相对于水平面成角θ取向，如本文所述。当液体前体通过闭环液体输送管道130的多个喷嘴132时，液体前体流被转化成喷雾。液体前体喷雾被引导到膨胀室110的侧壁120的内表面116上，其随后在此处被蒸发。
72.更具体地，通过计量泵(未示出)，例如齿轮泵或者具有合适的流量控制和适当尺
寸以在期望的压力下输送液体前体的任何其他泵，可以从液体前体源210吸取液体前体。在一些实施方式中，液体前体可以首先通过预热器(未示出)，所述预热器将液体前体预热到期望温度。预热器可以是围绕供应管道形成的加热套。在实施方式中，取决于在蒸发器100中要蒸发的具体物质(本文有进一步描述)，可以通过预热器将液体前体预热到约195℃
±
2℃。然而，当液体前体是omcts时，该液体前体在大气压下的沸点为175.5℃。因此，为了防止液体前体在到达蒸发器100前沸腾，可以操作计量泵以在液体前体从液体前体源210流到蒸发器100时，将液体前体加压到至少10psig，更优选至少15psig，由此降低液体前体的沸点。为了在液体前体中实现至少10psig的背压，所述多个喷嘴中的各个喷嘴可以具有本文所述的任何喷嘴直径。在液体前体的流动路径中可以设置压力传感器(未示出)，以在将液体前体从液体源210泵送到蒸发器100时，监测液体前体的压力。
73.液体前体可以大于450g/min的流动速率，通过闭环液体输送管道130输送到膨胀室110。在一些实施方式中，流动速率可以大于或等于450g/min至小于或等于1000g/min，大于或等于485g/min至小于或等于1000g/min，大于或等于500g/min至小于或等于1000g/min，或者大于或等于485g/min至小于或等于530g/min。由于相对于常规蒸发器的膨胀室，膨胀室110的侧壁120的内表面116的表面积增加，因此本文所述的实施方式可以提供这些流动速率。侧壁包括内表面并且该内表面的表面积小于本文所述的表面积的蒸发器不可提供大于485g/min的流动速率，这是因为蒸发器在如此高的流动速率下不能够有效地蒸发液体前体，最终导致液体前体凝胶化。
74.当液体前体被引导到闭环液体输送管道130中时，加热系统240加热膨胀室110的侧壁120，以造成喷射在侧壁120上的液体前体蒸发。在一些实施方式中，加热系统240包括如本文所述的热油加热系统。如本文所述，膨胀室110的侧壁120可以包括设置在侧壁120中的多个通道121，并且所述多个通道121中的各个通道可以包括位于侧壁120的相对端部处的进口122和出口123。加热系统240可以将经加热的油泵送到所述多个通道121的各个通道的进口122中，以使得经加热的油通过各个通道循环并从出口123离开。然后，经加热的油可以循环回到加热系统240，以再次开始循环。
75.或者，膨胀室110的侧壁120可以包括内壳124，外壳125，以及设置在内壳124与外壳125之间的混合插入件126，如本文关于图5所述。在一些实施方式中，加热系统240可以将经加热的油泵送到内壳124与外壳125之间的环状流动路径127中，以使得经加热的油循环通过环状路径127并且通过混合插入件126混合。然后，经加热的油可以循环回到加热系统240，以再次开始循环。在该实施方式中，当与不具有混合插入件126的实施方式比较时，所述经加热的油可以具有更多的湍流。该湍流促进了大部分流体与在膨胀室110的侧壁120附近流动的流体的混合，由此更有效地加热侧壁120的内表面116，并因此加热膨胀室110。这使得更有效地蒸发液体前体。
76.然后，液体前体在膨胀室110的侧壁120上被蒸发。蒸发的液体前体通过蒸气输送出口150取出并进料到燃烧器220，燃烧器220使蒸发的液体前体热解，由此产生二氧化硅基玻璃烟炱228。二氧化硅基玻璃烟炱228被沉积到通过玻璃车床来旋转的饵杆上，以形成玻璃光纤预制件232。
77.实施例
78.通过以下实施例进一步阐述本文所述的实施方式。
79.实施例1
80.使用ansys fluent计算流体动力学(cfd)仿真软件对如本文所述的闭环液体输送管道的三种构造进行建模，以确定液体前体接触膨胀室侧壁之前，流体流的相互作用。以485g/min的液体前体流动速率来对每种构造的流动分布进行建模。下表1示出了每种构造的闭环液体输送管道上的喷嘴的喷嘴直径和数目。表1还包括每种构造的流量偏差(％)和压降(pa)。
81.表1：喷嘴数目和直径
[0082] 喷嘴数目喷嘴直径(cm)流量偏差(％)压降(pa)构造1240.0450.532021构造2240.0919.67211构造3480.0451.84624
[0083]
由于喷嘴直径增加，构造2的喷嘴出口面积是构造1的四倍。构造3中的喷嘴直径与构造1的相同，构造3具有构造1的两倍的喷嘴数，因此，相邻喷嘴之间的间距减小一半。构造1中的喷嘴密度最高。峰峰流量偏差代表了每个单独的喷嘴处的流动速率相比于平均流动速率的变化。较小的峰峰流量偏差指示了流动均匀性，而较大的峰峰流量偏差指示了不均匀的流动。模型显示出，构造1提供了最好的流动均匀性，并且峰峰流量偏差小于1％。
[0084]
另外，该模型分析了omcts分散在膨胀室的侧壁内表面上的有效性，其与omcts蒸发效率直接相关。模型显示，相比于构造1，在构造2和3中，来自相邻喷嘴的流体流之间的相互作用更突出。在接触膨胀室的侧壁内表面后，来自相邻喷嘴的流体流之间的相互作用导致形成了omcts块，从而使得侧壁内表面上的omcts膜的厚度不均匀。这种不均匀性可影响蒸发器的性能，导致omcts不能100％蒸发(即，汇集/凝胶化增加)。该模型证明构造1得到了最均匀的omcts膜厚度(即，蒸发增加，汇集/凝胶化减少)。
[0085]
实施例2
[0086]
参考图6，使用ansys fluent cfd模型来确定对于如图5所示构造的膨胀室，当在环状流动通道内存在混合插入件时以及当不存在混合插入件时，沿着膨胀室侧壁存在的液体前体的体积分数。在该实验中，将液体前体加热到210℃，膨胀室的内直径为6英寸(15.24cm)，并且膨胀室的长度为45英寸(114.3cm)。图6图示了在环状流动通道中设置以及未设置混合插入件的情况下，对于两种液体前体流动速率，液体前体的体积分数(y轴)与膨胀室侧壁的长度(x轴)之间的关系。曲线601代表了当存在混合插入件并且经加热的油以10加仑/分钟(37.9升/分钟)的速率流动时，沿着侧壁长度存在的液体前体的体积分数。曲线602代表了当不存在混合插入件并且经加热的油以25加仑/分钟(94.6升/分钟)的速率流动时，沿着侧壁长度存在的液体前体的体积分数。不旨在受理论限制，认为当存在螺旋插入件时，经加热的油的流动湍流程度更高，使得得到更有效的加热。混合插入件产生了湍流态，其将来自所述流的大部分的油与在侧壁附近流动的油混合。由于热从油传递到侧壁，因此在侧壁附近流动的油比来自所述流的大部分的油更冷。因此，使较冷的油与来自所述流的大部分的油混合升高了侧壁附近的油的温度，并且促进了热从油传递到侧壁，由此增加了蒸发率。这通过图6中的曲线601和602的比较得到证实。在曲线601中，沿着膨胀室侧壁存在的液体前体的体积分数始终小于曲线602中的体积分数。因此，相比于不具有混合插入件的侧壁，具有混合插入件的侧壁得到了更大的液体前体蒸发率。另外，由于湍流促进了热传
递，以及如图6所示，相比于不具有混合插入件的侧壁以及较大的油流动速率，具有混合插入件的侧壁以及较小的油流动速率可以实现更大的液体前体蒸发速率。
[0087]
实施例3
[0088]
参考图7，测试了四种蒸发器构造，将液体前体的排出速率作为每种构造的蒸发程度的指示参数，比较该排出速率。在该实验中，将omcts加热到195℃，并且以650g/min的流动速率引入到蒸发器。图7图示了对于各种蒸发器，液体前体的排出速率(y轴)与蒸发的液体前体温度和饱和液体前体温度之间的差(x轴)之间的关系。
[0089]
曲线701代表常规蒸发器，其包括常规液体输送系统，并且喷嘴与膨胀室的侧壁间距4cm的距离。曲线702代表如本文公开的蒸发器，其中，膨胀室的侧壁的表面积为0.18m2，并且侧壁包括内壳，与内壳间隔的外壳，以及设置在内壳与外壳之间的环状流动通道中的混合插入件。曲线703代表如本文公开的蒸发器，其中，膨胀室的侧壁的表面积为0.18m2，并且侧壁包括设置在侧壁中的多个通道。曲线704代表如本文公开的蒸发器，其中，膨胀室的侧壁的表面积为0.18m2，并且侧壁包括设置在侧壁中的多个通道，以及与侧壁间距1.8cm距离的闭环液体输送管道。
[0090]
如图7所示，曲线702、703和704代表的蒸发器构造各自实现了近100％的液体前体蒸发，并且蒸发器壁温度比曲线701所代表的常规蒸发器构造小了近14℃。
[0091]
实施例4
[0092]
使用实施例2的cfd模型来研究当喷射液体前体时，多个喷嘴的主流动矢量角θ对液体前体从膨胀室侧壁的内表面溅起的影响。对处于0
°
的角θ，处于15
°
的角θ，处于30
°
的角θ，以及处于45
°
的θ下的喷嘴进行建模。处于0
°
角θ下的喷嘴垂直于膨胀室的侧壁内表面喷射液体前体，并且接触侧壁内表面的液体前体喷雾在侧壁的内表面上在所有方向上散布。该cfd模型显示出，通过增大角θ，溅起显著减少。另外，增大角θ确保了当液体前体喷雾接触膨胀室的侧壁内表面时，液体前体主要向下流动。在建模的四种喷嘴角中，具有的主流动矢量的角θ为45
°
的喷嘴具有最佳性能。该模型还指示，增大角θ超过例如55
°
使得被蒸发的液体前体的量显著下降。
[0093]
对本领域的技术人员显而易见的是，可以对本文所述的实施方式进行各种修改和变动而不偏离要求保护的主题的精神和范围。因此，本说明书旨在涵盖本文所述的各个实施方式的修改和变化形式，条件是这些修改和变化形式落入所附权利要求及其等同内容的范围之内。