CN1342133A - 制造石英玻璃体的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

在公知的制造石英玻璃体的装置中配有纵向延伸的芯轴,芯轴围绕其水平定位的芯轴纵轴可旋转地支承,在形成多孔毛坯期间通过至少一个沉积喷嘴将SiO2颗粒一层层地沉积在芯轴的外表面上,将芯轴在形成毛坯的端头处套状包围的第一夹具部分地埋进成形毛坯,通过至少一个固定元件芯轴与第一夹具相互刚性地连接。为了提供与公知的装置相比以更少的制造费用制成的装置,在该装置中芯轴断裂的危险减少,按照本发明建议,芯轴的第一端头终止在第一夹具的内孔里面,并配有第一支承元件,通过该元件可旋转地支承第一夹具。此外提供用于制造石英玻璃管件的可靠运行的方法,在这种方法中按照本发明使用芯轴,芯轴的端头终止在第一夹具的内孔里面,其中第一夹具通过第一支承元件支承并旋转。

Description

制造石英玻璃体的装置和方法
技术领域
本发明涉及制造石英玻璃体的装置，该装置带有一个纵向延伸的芯轴，芯轴可旋转地支承在其水平定位的芯轴纵轴上，带有至少一个沉积喷嘴，通过沉积喷嘴将SiO2颗粒在形成多孔毛坯期间一层层地沉积在芯轴外表面上，带有一个在成形毛坯端部套状围绕芯轴的第一夹具，夹具部分地插入成形毛坯，还带有至少一个固定部件，通过固定部件芯轴与第一夹具刚性地相互连接。
此外本发明涉及制造石英玻璃体的方法，该方法将SiO2颗粒在形成多孔毛坯期间一层层地沉积在围绕水平定位芯轴纵轴旋转的、纵向延伸的芯轴外表面上，其中芯轴与以相同旋转速度旋转的第一夹具刚性地连接，第一夹具在成形毛坯端部包围芯轴并至少部分地插进成形毛坯中，该方法还包括除去芯轴和烧结这样制造的毛坯。
背景技术
由石英玻璃制成的管件作为结构部件和中间产品应用于化学工业、半导体加工、光学领域且尤其用于光导纤维预成形体的制造。
用于制造前述类型的人造石英玻璃管件的方法和装置由US-PS 4,362,545为公众所知。SiO2颗粒通过火焰水解喷嘴一层层地沉积在以两端夹持在旋转工作台中的、围绕其纵轴旋转的、微锥形芯轴的圆柱形外表面上。同时通过沿着芯轴纵轴的往复运动形成由SiO2颗粒制成的中空圆柱形多孔毛坯。此外芯轴通过套状夹具延长，夹具在其对着成形毛坯的端部具有回转的凸起。芯轴通过夹紧在夹具与芯轴缝隙之间的垫片几何地固定在夹具上。在沉积期间配有凸起的夹具部件插进成形的毛坯中。沉积后拆下芯轴。为了继续加工毛坯，将其垂直定位地悬挂固定在已插入的夹具上。最终通过烧结和塌熔(Kollabieren)得到所需的石英玻璃体。
夹具和芯轴例如由石墨或石英玻璃制成。但是作为芯轴材料由于其机械和化学稳定性优选使用氧化铝(Al2O3)。如同也在US-PS 4,362,545中所提及的那样，为了容易地取出芯轴，芯轴可以微锥形地构成。这种锥形芯轴通过磨削加工而成。这需要高昂的加工费用，尤其是对于长芯轴。尽管由于圆柱形芯轴的加工较为容易而优选采用圆柱形芯轴。但是芯轴的取出，尤其是对于长毛坯来说是成问题的并且需要很大的力，而这个力可能容易损坏毛坯。随着芯轴长度的增加芯轴在夹持或旋转期间由于角度或尺寸偏差而断裂的危险增大。
由JP 4-240 126，通过附属的PAJ摘要所阐明，得到另一种通过所谓的OVD方法制造由人造石英玻璃制成的管件的装置。在该装置中，在反应室内部SiO2颗粒一层层地沉积在旋转的芯轴上。芯轴的端部固定在旋转的夹具部件里面，夹具部件面对面地位于反应室里面。在此芯轴的长度超出要制造的管件长度。
发明概述
本发明的目的在于，提供一种制造石英玻璃管件的可靠运行的方法并提供适应于本方法的装置，该装置与公知的装置相比能够以更少的加工费用制造并且在这种装置中减少芯轴断裂的危险。
有关前述装置的目的通过本发明由此而实现，芯轴第一端头终止于第一夹具的内孔，并配有第一支承元件，通过该元件旋转地支承第一夹具。
在本发明的装置中，芯轴不是象公知的装置那样穿透整个套状夹具内孔延伸，而是芯轴的第一端头终止在第一夹具的内孔里面。为了在夹具与芯轴之间产生刚性连接配有至少一个固定元件，其中内孔本身用来作为固定元件或者可以在内孔里面或内孔上面或夹具上配备这样的固定元件。
重要的是，芯轴端部终止在内孔里面并且芯轴通过夹具固定和支承。因此这个夹具起机械延长芯轴的作用。因此要求夹具本身可旋转地支承。为此配有第一支承元件，该支承元件或者可以直接作用于夹具上或者可以作用于与夹具刚性连接的结构部件上。
因为芯轴在内孔里终止并且夹具起到机械延长芯轴的作用，考虑到第一夹具至少部分地插进成形毛坯中，则芯轴本身可以相应较短地构成。相应地降低了芯轴的材料费用并且尤其是减少制造费用。此外较短芯轴的手工操作，如装配和拆卸，更加简便并且对尺寸精确性和芯轴调整的要求更低，随之而来的是基本上消除了芯轴的弯曲，这就使得芯轴更精确地处于中心以及改善芯轴轴对称的回转。
因为夹具在沉积时被埋入成形毛坯中，同时芯轴终止在夹具容孔里面，因此与前述现有技术相比，芯轴端部没有穿透成形的毛坯。因此按照本发明的理论包括这样的措施，根据这个措施芯轴被缩短到其终止在成形毛坯的内部。
因为第一夹具至少部分地被埋在成形毛坯中，因此夹具在接着进行的毛坯的其它加工中作为夹持的把柄来使用。
芯轴可以由棒或管以圆柱形外表面或锥形构成。第一夹具的内孔不必在径向上完全包围芯轴的第一端头。
对于芯轴纵轴同轴延伸的内孔的成形特别简单，其内径与芯轴外径相匹配，并且内孔带有一个缩孔，芯轴端头顶靠在缩孔上。在此内孔包围芯轴端头，其中内孔直径以尽可能微小的机械缝隙与芯轴外径相匹配。重要的是，内孔具有缩孔，芯轴端头顶靠在缩孔上。例如可能存在这种情况，芯轴端头具有削平或锥形变细部位，内孔的收缩相应地匹配。
在这个夹具的第一个优选实施例变化中收缩在形式上为内孔的缩孔。对于由石英玻璃制成的夹具，这样的缩孔能够特别简单地制造。通过加热使夹具变软并使内孔在缩孔处通过塑性变形变窄。在缩孔处内孔具有小于芯轴端头最大外径的直径，使缩孔作为顶靠在其上的芯轴的支座。在此芯轴的端头可以在收缩方向上成锥状。
在另一种同样是优选的夹具实施例变化中收缩在形式上为固定在内孔里的嵌入体。在此内孔通过嵌入体收缩。嵌入体例如可以由垫片、环或管构成。嵌入体用来作为顶靠在其上的芯轴的支座。为防止从内孔里滑出，嵌入体固定在内孔里面。固定可以通过机械夹紧或固定元件，如螺栓、销或粘接实现或者通过嵌入体与内孔的形状匹配的几何结构，例如通过内锥和锥体结构实现。
对于可以特别简单制造的变型来说，内孔由通孔构成，且嵌入体配有中心孔，其中嵌入体从芯轴对面一侧突进通孔并终止在里面。嵌入体例如可以由环或管构成。对于中心孔可以是向着芯轴第一端头打开的孔或者是一个在芯轴纵轴方向上延伸的通孔。在此，内孔通过嵌入体的中心孔而缩小。中心孔具有小于芯轴第一端头最大外径的内径，使嵌入体用来作为顶靠在中心孔上的芯轴的支座。
另一种改进在于，如果芯轴在其第一端头方向上在锥体处成锥体，则端头锥体部位顶靠在嵌入体上。芯轴例如可以在锥体处成锥形或者可以具有一个或多个倾斜延伸的削平面。如果轴对称的(主要是锥形的)锥体部位顶靠在内孔的端棱边上，则可以实现芯轴与夹具的自定中心和轴向调整。
同时芯轴与夹具的自定中心和轴向调整在装配芯轴时并且也在按照规定使用装置的情况下减少断裂的危险。对于第一夹具的实施例，这个作用更大，其中突进内孔的嵌入体端部的外径小于内孔的内径双倍缝宽，在此突进内孔的嵌入体端部通过至少一个纵向开缝、最好至少两个纵向开缝可以这样弹性变形，使其外径可以在一个径向上从里向外的作用力下以至少双倍缝宽加大。至少一个纵向开缝只在嵌入体的部分长度上延伸。例如对于管状嵌入体，突进内孔的端部被两个平行地在相对的两侧延伸的纵向开缝分成两个、但是仍然通过其余嵌入体连接在一起的半管体。通过径向从里向外的作用力半管体可以相互扩展。另外最大扩展量取决于力、纵向开缝长度、嵌入体材料的弹性模量和其壁厚。按照本发明这样调整扩展量，使半管体的自由端能够顶靠在透孔的内壁上。此外半管体围住芯轴的锥体部位，锥体通过其楔入作用对半管体产生一个径向从里向外的力。由此保证将芯轴定心且无缝隙地固定在嵌入体的中心孔里面和夹具的内孔里面。
具有优点的是配有作用于芯轴的弹簧元件通过该元件对芯轴施加轴向作用于第一端头方向上的推力。推力有助于将芯轴固定在夹具里面或上面。通过推力芯轴可以顶靠支座。尤其是作用于轴向的推力通过芯轴的锥体在嵌入体中心孔内部提供了一个径向从里向外的分力，通过该分力纵向开缝的嵌入体可以扩展顶靠在内孔的内壁上。
如果芯轴的第二端头终止在第二夹具的容孔里面且配有第二支承元件，通过该元件可旋转地支承第二夹具，就能够使芯轴进一步缩短。在此芯轴水平地固定在两个夹具之间并支承在其中间。在沉积期间一个夹具或两个夹具可以埋在成形毛坯中。
在这个装置的实施例具有优点的另一结构中，上面所提及的弹簧元件作用于芯轴第二端头地设置在第二夹具的容孔里面。在此第二夹具的容孔不仅用于支承第二芯轴端头而且用于容纳弹簧元件。对于弹簧元件，例如可以是顶靠在芯轴第二端头的压缩弹簧。
如果第一夹具由石英玻璃制成并以至少40mm、最好60mm的长度埋进成形毛坯，被证实是特别有利的。由石英玻璃制成夹具主要是排除了对毛坯的污染。在下面的加工步骤中，夹具用来作为毛坯把柄，例如用于悬挂在炉中。通过40mm至100mm或更长长度的夹具部分地埋入能够在毛坯与夹具之间实现可靠的机械连接。
关于上述方法的目的按照本发明的上述方法由此实现，使用芯轴，其中第一端头终止在第一夹具的内孔里面，而第一夹具通过第一支承元件支承并旋转。
按照本发明的方法使用芯轴，芯轴终止在第一夹具的内孔里面。夹具和芯轴相互刚性连接，由此使夹具起机械伸长芯轴的作用。而夹具又这样靠近地设置在成形毛坯的端头，使夹具在沉积时埋入其中。夹具内孔本身例如可以用于固定或者可以在内孔里面或上面或在夹具上面配有适当的固定措施。重要的是，芯轴端头终止在内孔里面且芯轴通过夹具固定、支承和旋转。因此，要求夹具本身被支承，并且在沉积时旋转。为此使用第一支承元件，该元件或者直接作用在夹具上或者作用在与夹具刚性连接的结构部件上。
因为夹具在沉积时被埋入成形毛坯中，同时芯轴终止在夹具容孔里面，与前述现有技术相比，芯轴端头没有穿透成形的毛坯。因此按照本发明的理论包括这样的措施，根据这个措施芯轴被缩短到其终止在成形毛坯内部。
至少部分埋入毛坯中的夹具在毛坯的继续加工中可以用来作为固定把柄。
在本发明的方法中，与公知的方法相比使用更短的芯轴。相应地减少了制造芯轴的材料成本和加工费用。此外较短芯轴的手工操作，如装配和拆卸，更加简便并且对尺寸精确度和芯轴调整的要求更低，这将对方法的可靠运行起积极作用。此外较短的芯轴挠度将更小，这又将改善芯轴的定中和轴对称回转。
按照本发明的方法的其它具有优点的结构在从属权利要求中给出。对于相应的装置要求请参阅上面的描述。
附图简述
下面借助于实施例和附图详细描述本发明。在附图中分别以简图表示：
图1为按照本发明装置制造石英玻璃管的第一实施例侧视图；
图2为按照本发明装置的另一实施例侧视截面图；
图3为图2中装置的局部放大图。
优选实施例说明
在图1中标识数字1表示一个水平旋转的由氧化铝制成的芯轴(Aufbaurohr)。在图示中芯轴1的右端2围绕玻璃旋转工作台的纵轴4可旋转地支承在玻璃旋转工作台(在图1中未画出)的卡盘3里面。旋转方向以方向箭头5来表示。芯轴1的左端6延伸进石英玻璃制成的套状夹具8的内孔7中。夹具8配有回转的缩孔9，缩孔使内孔7局部收缩。内孔7的直径为8mm，这也基本上对应于芯轴1的外径。在缩孔9处内孔7直径大约小1mm，使缩孔9形成一个支座，芯轴1的端头6端面地顶靠在支座上。夹具8可旋转地支承在玻璃旋转工作台的另一个卡盘10里面。芯轴1以尽可能小的缝隙固定并校直在夹具8的内孔7里面。因此夹具8构成芯轴1的延长同时作为其支承。因此芯轴1不必延伸到玻璃旋转工作台的卡盘10，使得芯轴可以相应较短地构成。由此在实施例中使芯轴1缩短大约20％。
下面借助实施例和图1中的图例详细描述本方法。
通过沿着芯轴1外表面延伸的、火焰水解喷嘴(Flammhydrolysebrenner)11如方向箭头12所示的往复运动，SiO2颗粒一层层地沉积在围绕纵轴4旋转的芯轴1上。在此形成多孔圆柱体13，夹具8的前端以60mm长度埋入圆柱体中。夹具8在沉积期间通过玻璃旋转工作台的另一个卡盘10旋转，同时芯轴1以尽可能小的缝隙固定并校直在夹具8的内孔7里面。通过夹具8芯轴1机械地延长并被支承。这种处理方式能够延长芯轴1，芯轴1的长度基本上不长于甚至可以短于要被制造的圆柱体13。这使芯轴1的制造简化并使其易于装配。
这样制造的圆柱体13的重量可超过10kg。为了对其进行其它加工，圆柱体可以通过埋入的套状夹具8进行装夹。由多孔圆柱体13通过烧结制造石英玻璃管。
在图2中所示的按照本发明装置的实施例中，水平旋转的芯轴21的外径为8mm。通过一组38火焰水解喷嘴22，SiO2颗粒一层层地沉积在芯轴21上，其中形成多孔空心圆柱体23。芯轴21的长度为约1.8m，空心圆柱体23的长度为约2m。
芯轴21明显缩短，其中芯轴21的两端24；25可旋转地支承在套26；27里面。图2中所示的芯轴21的左端24延伸进石英玻璃套26的内孔28大约30cm。石英玻璃套的内孔28直径为8.2mm，这也基本与芯轴21的最大外径相匹配。芯轴21的左端24收缩成端锥体29。
从芯轴21对面的石英玻璃套26一侧氧化铝管30延伸进内孔28。氧化铝管30的外径为7.8mm，使得内孔28与氧化铝管30之间保留0.2mm缝宽的环缝。氧化铝管30的前端具有大约150mm长的两个侧面相对的纵向开缝31，使得氧化铝管30的前端具有上半管体32和下半管体33，它们仍然与其余氧化铝管30连接，并且包围芯轴21的端锥体29。通过横销34防止氧化铝管30从内孔28里滑出。石英玻璃套26可旋转地支承在玻璃旋转工作台(在图2中未画出)的卡盘35里面。
芯轴21的右端头25支承在Al2O3套27的容孔里面。在容孔里面配有对芯轴21轴向加载的压缩弹簧。Al2O3套27可旋转地支承在玻璃旋转工作台的另一个卡盘37里面。
由图3的局部放大图更清晰地示出芯轴21固定在套26里面。图3所示芯轴21的左端24延伸进石英玻璃套26的内孔28中。芯轴21的左端24在端锥体29上成锥体，端锥体突进纵向开缝的氧化铝管30的半管体32；33。通过端锥体29的楔入作用，半管体32；33这样大的相互扩展，使它们顶靠在石英玻璃套26内孔28的41处。这个楔入作用通过作用在芯轴21上的纵轴40方向43上的力产生。
下面借助另一实施例并借助图2和3所示的装置详细描述本发明的方法。
通过沿着芯轴21外表面延伸的、一组38火焰水解喷嘴22如方向箭头39所示的往复运动，SiO2颗粒一层层地沉积在围绕纵轴40旋转的芯轴21上。在此形成多孔空心圆柱体23，夹具26的前端以大约90mm长度埋入圆柱体中。这一点由此而实现，端锥体29导入内孔28并以轻轻的压力顶压氧化铝管30的开缝端(半管体32，33)，使得半管体32，33在端锥体29的楔入作用下扩展并顶靠在内孔28内壁的41处。由此保证定心且无缝隙地将芯轴21固定在氧化铝管30的内孔42和石英玻璃套26的内孔28里面。使端锥体29顶压半管体32，33的力通过压缩弹簧36产生。因此芯轴21双侧支承在套26，27里面，芯轴也终止在套里面。这一方法变化允许使用特别短的芯轴21，其长度可以短于要被制造的空心圆柱体23。这使芯轴21的制造简化并易于装配且改善其轴向回转。
由空心圆柱体经过烧结得到石英玻璃棒或石英玻璃管。

Claims (22)

1.用于制造石英玻璃体的装置，带有一个纵向延伸的芯轴(1；21)，芯轴围绕其水平定位的芯轴纵轴(4；40)可旋转地支承，带有至少一个沉积喷嘴(11；22)，通过沉积喷嘴SiO2颗粒在形成多孔毛坯(13；23)期间一层层地沉积在芯轴(1；21)的外表面上，带有一个在形成毛坯(13；23)的端头处套状围绕芯轴(1；21)的第一夹具(8；26)，夹具部分地埋入成形毛坯，还带有至少一个固定部件，通过固定部件芯轴(1；21)与第一夹具(8；26)刚性地相互连接，其特征为，芯轴(1；21)的第一端头(6；24)终止于第一夹具(8；26)的内孔(7；28)里面，并配有第一支承部件(10；35)，通过该部件可旋转地支承第一夹具(8；26)。
2.如权利要求1所述的装置，其特征为，内孔(7；28)与芯轴纵轴(4；40)同轴地延伸，内孔具有与芯轴(1；21)外径相匹配的内径，并构成一个缩孔(9；30)，芯轴(1；40)的端头(6；24)顶靠在缩孔上。
3.如权利要求2所述的装置，其特征为，收缩在形式上为内孔(7)的缩孔(9)。
4.如权利要求2所述的装置，其特征为，收缩在形式上为固定在内孔(28)里的嵌入体(30)。
5.如权利要求4所述的装置，其特征为，内孔由通孔(28)构成，而嵌入体配有中心孔(42)并从芯轴(21)对面的一侧突进通孔(28)且终止在通孔里面。
6.如权利要求4或5所述的装置，其特征为，芯轴(21)的第一端头(24)在锥体部位(29)处成锥体，其中锥体部位(29)顶靠在中心孔(42)里面。
7.如权利要求6所述的装置，其特征为，突进内孔(28)的嵌入体(30)端部的外径以双开缝的方式小于内孔(28)的内径，而突进内孔(28)的端部通过至少一个纵向开缝，最好是至少两个纵向开缝(31)可以这样弹性变形，使得在径向上从里向外施加力的情况下外径可以以至少双倍缝宽加大。
8.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征为，配有作用于芯轴(21)的弹簧元件(36)，通过该元件对芯轴(21)施加一个轴向作用于第一端头(24)的推力。
9.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征为，芯轴(21)的第二端头(25)终止在第二夹具(27)的容纳孔里，并配有第二支承元件(37)，通过该元件可旋转地支承第二夹具(27)。
10.如权利要求8和9所述的装置，其特征为，弹簧元件(36)作用于芯轴(21)第二端头(25)地设置在第二夹具(27)的容纳孔里面。
11.如上述权利要求中任一项所述的装置，其特征为，第一夹具(8；26)由石英玻璃制成并以至少40mm的长度埋入成形毛坯。
12.用于制造石英玻璃体的方法，该方法将SiO2颗粒在形成多孔毛坯(13；23)期间一层层地沉积在围绕水平定位芯轴纵轴(4；40)旋转的、纵向延伸的芯轴(1；21)外表面上，其中芯轴(1；21)与以相同旋转速度旋转的第一夹具(8；26)刚性地连接，第一夹具在成形毛坯(13；23)端头包围芯轴(1；21)并至少部分地埋进成形毛坯，该方法还包括除去芯轴(1；21)和烧结这样制造的毛坯(13；23)，其特征为，使用一根芯轴(1；21)，该芯轴的一个端头(6；24)终止在第一夹具(8；26)的内孔(7；28)里面，而第一夹具(8；26)通过第一支承元件(10；35)支承并旋转。
13.如权利要求12所述的方法，其特征为，内孔(7；28)对于芯轴纵轴(4；40)同轴地延伸并具有与芯轴(1；21)外径相匹配的内径，内孔构成缩孔(9；29)，芯轴(1；21)端头顶靠在缩孔上。
14.如权利要求13所述的方法，其特征为，收缩在形式上为内孔(7)的缩孔(9)。
15.如权利要求13所述的方法，其特征为，收缩在形式上为固定在内孔(28)里的嵌入体(30)。
16.如权利要求15所述的方法，其特征为，内孔由通孔(28)构成，而嵌入体(30)配有中心孔(42)并从芯轴(21)对面一侧突进通孔(28)且终止在通孔里面。
17.如权利要求16所述的方法，其特征为，芯轴(21)的第一端头(24)在锥体部位(29)处成锥体，其中锥体部位(29)顶靠在中心孔(42)里面。
18.如权利要求17所述的方法，其特征为，突进内孔(28)的嵌入体(30)端部的外径以双开缝的方式小于内孔(28)的内径，而突进内孔(28)的端部通过至少一个纵向开缝，最好是至少两个纵向开缝(341)可以这样弹性变形，使得在径向上从里向外施加力的情况下外径可以以至少双倍缝宽加大。
19.如上述权利要求12至18中任一项所述的方法，其特征为，配有作用于芯轴(21)的弹簧元件(36)，通过该元件对芯轴(21)施加一个轴向作用于第一端头(24)的推力。
20.如上述权利要求12至19中任一项所述的方法，其特征为，芯轴(21)的第二端头(25)终止在第二夹具(27)的容纳孔里，并配有第二支承元件(37)，通过该元件可旋转地支承第二夹具(27)。
21.如权利要求19和20所述的方法，其特征为，弹簧元件(36)作用于芯轴(21)第二端头(25)地设置在第二夹具(27)的容纳孔里面。
22.如上述权利要求12至21中任一项所述的方法，其特征为，第一夹具(8；26)由石英玻璃制成并以至少40mm的长度埋入成形毛坯。
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