制备金属氧化物烟灰的燃烧器和方法技术

用于制造无机烟灰（如二氧化硅）的燃烧器和方法，所述燃烧器包含多个基本上为平面的层，所述层具有贯穿其的多个开孔，这些开孔由微机械加工形成。开孔与前体入口和气体入口流体相通，以使气体和前体流经并离开燃烧器。燃烧器由可燃性气体产生火焰，在该火焰中前体发生化学反应，形成烟灰。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

Burner and method for preparing metal oxide soot

Used in the manufacture of inorganic ash (such as silica) burner and method, the burner comprises a plurality of basically planar layers, the layer has a plurality of openings through the hole, the Youwei machining. The opening communicates with the inlet of the precursor and the gas inlet to allow gas and precursors to flow through and away from the burner. The burner produces a flame from combustible gas, and in the flame, the precursor react chemically to form soot.

【技术实现步骤摘要】
专利技术的领域本专利技术涉及用于制备无机烟灰(soot)的燃烧器。更具体而言，本专利技术涉及用于产生火焰的燃烧器，该火焰中前体材料进行化学反应形成金属氧化物烟灰。专利技术的背景通过燃烧器火焰中的前体反应来形成无机烟灰(尤其是金属氧化物烟灰)是熟知的。例如，已经用该反应产生的烟灰淀积在接受体表面上而形成制品，如坩埚、管件、透镜和光波导。该方法特别适用于由掺杂和未掺杂的二氧化硅烟灰形成光波导预制件，包括平面波导和波导纤维。形成波导的方法通常包括将含硅前体加入燃烧器中，在由可燃性气体(如甲烷和氧气的混合气)产生的燃烧器火焰中使前体进行反应。在过去，含卤化物的前体(如四氯化硅和四氯化硅与多种掺杂剂的混合物)被用来通过气相淀积技术(例如，VAD(气相轴向淀积)和OVD(外部气相淀积))制备波导预制件。在这些方法中，通常使用的供气方法是使含卤化物的原料在远离燃烧器的地方汽化，然后将汽化的原料通过载气送入燃烧器中，在燃烧器内原料挥发并水解，产生烟灰颗粒，收集在接受体的表面上。接受体表面，当制造平面波导时可以是平板基材，当用VAD制造波导纤维时可以是旋转起动杆(饵管)，或者当用OVD制造波导纤维时可以是旋转心轴。在一些OVD系统中，波导预制件的包层部分是淀积在预先形成的芯预制件上，而不是淀积在心轴上。正如Cain等的美国专利5，599，371和Dobbins等的美国专利5，043，002中所述，由于使用含卤化物的前体对环境有害，因此提出了无卤化物的含硅原料作为另一种形成波导预制件的前体。具体而言，如Dobbins等的专利(该专利的相关部分参考结合于本专利技术)中所述，前体材料较好是聚甲基硅氧烷、更好是聚甲基环硅氧烷，特别好是八甲基环四硅氧烷。Blackwell等的美国专利5，152，819(参考结合于本专利技术)说明了另外一些无卤化物的硅化合物，具体是具有Si－N－Si基本结构的有机硅－氮化合物、具有Si－N－Si－O－Si基本结构的硅氧硅氮烷(siloxsilazanes)、以及它们的混合物，这些化合物可用于制造高纯度的熔凝二氧化硅玻璃。Dobbins和Blackwell的专利都揭示了在远离燃烧器的地方汽化无卤化物的前体，用载气将经汽化的前体送入燃烧器中，在燃烧器中燃烧经汽化的前体。Hawtof等的申请日为1996年12月17日、题为“通过燃烧液态反应物形成熔凝二氧化硅的方法和设备”的美国专利申请No．08／767，653(其内容参考结合于本专利技术)指出将经汽化的多烷基硅氧烷原料送入燃烧器中是有问题的。具体而言，高分子量的物质会在将气相前体送入燃烧器的管道中或者就在燃烧器内淀积成凝胶。这一胶凝现象会降低烟灰的淀积速率，在制造光波导预制件的过程中会导致预制件产生缺陷，这会产生有缺陷或不可用的光波导。Hawtof等的美国申请No．08／767，653揭示了可以将液态多烷基硅氧烷注入燃烧器并在燃烧器或其附近使该液态前体雾化，由此克服多烷基硅氧烷的这种胶凝现象。人们已经研制了多种燃烧器结构用于供气过程，它们的例子可见Moltzan等的美国专利No．3，642，521、Powers的美国专利No．4，165，223、Moltzan的美国专利3，565，345、Moltzan的美国专利No．3，698，936和Cain等的美国专利No．5，599，371。以上所述的Hawtof等的美国专利申请揭示了一种用于供给液态前体方法的燃烧器结构。不论送入燃烧器的前体是气态还是液态的，重要的是燃烧器提供经分布的均匀前体流以使其在燃烧器的火焰中反应，形成烟灰淀积在接受体的表面上。这在制造波导以形成精确的折射率分布中特别重要。目前的燃烧器通常用金属机械加工技术制造。目前的燃烧器设计的一个缺点是很难制造用于淀积金属氧化物烟灰的燃烧器，这些燃烧器具有小尺寸的孔和输送通道，即宽度或直径小于150微米的通道和孔。对于目前的燃烧器技术而言，除了机械加工小尺寸的精确通道和孔的高成本以外，批量生产的部件的可变性也是一个问题。除了上述对燃烧器的通常考虑因素之外，对于供给液态的燃烧器(其中液态前体被雾化)而言，均匀的孔尺寸和精确的燃烧器通道与孔的尺寸是得到所需的均匀液滴尺寸的关键特征，而得到所需的均匀液滴尺寸对于前体材料的完全燃烧是非常重要的。用于液态供给系统的燃烧器与用于在燃烧之前雾化液体的雾化装置通常分别制造，随后再结合在一起。常规的雾化装置通常提供具有大液滴尺寸分布的喷雾。较大的液滴难以燃烧，未燃烧的液滴会使得由淀积的烟灰制得的产品中存在缺陷。考虑到这些缺点，最好是提供一种燃烧器，它由微机械加工方法制得，以得到可始终如一地进行复制的微米尺寸的孔、通道和公差。有用的还有提供一种用于液态供给系统的燃烧器，它包含液态雾化器作为燃烧器的一部分，该雾化器产生小液滴并具有窄的液滴尺寸分布，以使得液态前体液滴能够有效地燃烧。专利技术的概述因此，本专利技术总体上提供一种燃烧器，用于由可燃性气体产生火焰，在该火焰中前体发生化学反应，形成烟灰。可以理解，本专利技术的燃烧器可用于气相前体供给系统，其中该前体在远离燃烧器处汽化，用载气以气相形式送入燃烧器；本专利技术的燃烧器还可用于液态前体供给系统，其中前体以液态形式被送入燃烧器，在燃烧器表面附近雾化并汽化。在燃烧器用于液态供给系统的实施方案中，燃烧器包含在燃烧器结构中的雾化元件，用来在燃烧之前雾化液态前体。本专利技术的燃烧器可制成包含宽度或直径小于150微米(在一些实施方案中小于10微米)的通道和孔。燃烧器包含多个以大致平行和固定的方式放置的基本上为平面的层，这些层限定一个外壳(housing)，该外壳具有与气体源流体相通的气体入口和与前体源流体相通的前体入口。每层包含贯穿有多个开孔的平表面(planar surface)，这些层中一层的平表面限定了燃烧器表面。气体入口与第一部分开孔流体相通，以引导气体经燃烧器表面离开燃烧器，前体入口与第二部分开孔流体相通，以引导前体经燃烧器表面排出。较好的是，这些层中至少有一部分是由碳化硅或元素半导体材料(如硅)形成的。较好的是开孔是经微机械加工贯穿这些层的。在另一个实施方案中，这些层中至少有一部分包含形成于这些层的平表面内的通道，第一部分通道与前体入口流体相通，第二部分通道与前体入口流体相通。在另一个实施方案中，穿过至少一层平而层的第二部分开孔的尺寸被加工成能将液体雾化成沙得平均直径小得足以在低于约2700℃的温度下完全汽化的液滴。在另一个实施方案中，这些层中的一层是分配层(distributor layer)，贯穿分配层的开孔使流经该分配层的每种前体和气体具有基本恒定的压力。在另一个实施方案中，燃烧器的表面具有贯穿的狭缝形气孔，限定燃烧器表面的层与贯穿有狭缝形气孔的第二层连接，以使第一个狭缝形孔大致对准第二个狭缝形孔，形成位于燃烧器中心区的主气孔。该主气孔较好是与燃烧器气体入口和前体入口流体相通。主气孔较好还包含具有雾化边缘(atomizing edge)的内表面，用来雾化与雾化边缘接触的液态前体。在另一个实施方案中，本专利技术的燃烧器具有雾化元件包含在至少一层中。在一个实施方案中，该雾化元件包含多个孔，孔的尺寸被加工成能将液体雾化成沙得平均直径小得足以在低于约2700℃的温度下完全汽化的液滴。在另一个实施方案中，该雾化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃烧器，用于由可燃性气体产生火焰，在该火焰中前体发生化学反应形成无机烟灰，所述燃烧器包含多个以大致平行和固定的方式放置的基本上为平面的层，所述层限定一个外壳，该外壳具有与气体源流体相通的气体入口和与前体源流体相通的前体入口，每层包含贯穿有多个开孔的平表面，所述层中一层的平表面限定了燃烧器表面，气体入口与第一部分开孔流体相通，以引导气体经燃烧器表面离开燃烧器，前体入口与第二部分开孔流体相通，以引导前体经燃烧器表面离开燃烧器。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：DW霍托夫，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]