DE102005018209B4

DE102005018209B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers

Info

Publication number: DE102005018209B4
Application number: DE200510018209
Authority: DE
Inventors: Jürgen Röper
Original assignee: Heraeus Tenevo GmbH
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2025-04-20
Also published as: DE102005018209A1; WO2006111454A1

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung eines Quarzglaskörpers, umfassend einen Abscheidebrenner mit einem einen Brennermund (5) aufweisenden Brennerkopf (1), in dem eine Vielzahl von Medienzufuhrleitungen (7, 8, 9, 10) für die Zufuhr von Glasausgangsmaterial und Brenngas verlaufen, die am Brennermund (5) in Form von Düsenöffnungen enden, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (1) mindestens teilweise aus Grafit besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung eines Quarzglaskörpers, umfassend einen Abscheidebrenner mit einem einen Brennermund aufweisenden Brennerkopf, in dem eine Vielzahl von Medienzufuhrleitungen für die Zufuhr von Glasausgangsmaterial und Brenngas verlaufen, die am Brennermund in Form von Düsenöffnungen enden.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers, indem mehreren, in einer Reihe angeordneten Abscheidebrennern, die reversierend entlang der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers bewegt werden, Glasausgangsmaterial und ein Wasserstoff enthaltendes Brenngas zugeführt werden, daraus SiO₂-Partikel gebildet, und diese auf dem Träger unter Bildung eines SiO₂-Rohlings schichtweise abgeschieden werden.
Bei der Herstellung von Quarzglaskörpern nach dem sogenannten OVD-Verfahren (Outside vapour deposition) werden unter Einsatz eines oder mehrerer Abscheidebrenner SiO₂-Partikel auf der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers abgeschieden, so dass sich ein zylinderförmiger Rohling aus porösem Quarzglas (im folgenden auch als „Sootkörper" bezeichnet) bildet. Die dafür eingesetzten Abscheidebrenner bestehen aus Quarzglas oder aus Metall.
Zur Beschleunigung des Abscheideprozesses werden häufig mehrere Abscheidebrenner eingesetzt, die in einer gemeinsamen Brennerreihe reversierend entlang des Sootkörpers bewegt werden, wobei jeder Abscheidebrenner nur eine Teillänge des Sootkörpers überstreicht. Dabei liegt ein besonderes Augenmerk darauf, dass alle Abscheidebrenner eine möglichst gleiche Abscheidecharakteristik aufweisen, da es andernfalls zu einem ungleichmäßigen Sootkörper-Aufbau kommen kann und insbesondere im Kontaktbereich zueinander benachbarter Abscheide zonen Störungen auftreten können. Es wurden daher eine Vielzahl von Maßnahmen beschrieben, um eine gleiche oder reproduzierbar einstellbare Abscheidecharakteristik der Abscheidebrenner zu gewährleisten.
Beispielsweise wird in der DE 100 18 857 A1 , aus der ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannte Gattung bekannt sind, ein Abscheidebrenner aus Quarzglas vorgeschlagen, der aus vier konzentrisch angeordneten Quarzglasrohren besteht die eine Mitteldüse und insgesamt drei Ringspaltdüsen bilden. Der Mitteldüse wird SiCl₄ zugeführt und den äußeren Ringspaltdüsen die Brenngase in Form von Wasserstoff und Sauerstoff. Zwischen der Mitteldüse und dem äußeren Bereich ist eine Trenngasdüse vorgesehen, durch die ein Sauerstoffstrom geleitet wird, der den SiCl₄-Strom zunächst von den Brenngasströmen abschirmt. Um einen Austausch von Brennern einer Brennerreihe ohne großen Abstimmungs- und Justageaufwand zu erreichen, wird bei jedem der Abscheidebrenner auf eine exakte Maßhaltigkeit der Ringspalte geachtet und jeder Brenners ist mit einer separaten Positioniereinheit ausgestattet.
Der bekannte Abscheidebrenner aus Quarzglas zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus. Eine Kontaminationen des SiO₂-Sootkörpers durch Abrieb aus dem Brennerwerkstoff ist nicht zu befürchten. Andererseits ist eine präzise Fertigung des bekannten Quarzglasbrenners nach traditionellen glasbläserischen Methoden und der Ausgleich weiterhin vorhandener Unterschiede der Brennercharakteristik durch individuelle Positionierung der Abscheidebrenner aufwändig.
Ein aus Edelstahl oder Aluminium bestehender Metallbrenner ist beispielsweise in der US 5,599,371 A beschrieben. Der Abscheidebrenner ist aus einer Vielzahl metallischer Düsenteile zusammengesetzt, die mittels Schrauben miteinander verbunden sind und fluidisch voneinander getrennte Gasräume bilden. Zur Trennung der einzelne Gasräume voneinander sind Dichtungselemente zwischen den Düsenteilen vorgesehen.
Da bei Abscheidebrennern aus Metall die einzelnen Düsenteile durch die bekannten mechanischen Bearbeitungsverfahren wie Bohren, Stanzen, Fräsen und dergleichen präzise und reproduzierbar gefertigt werden können, sind auch komplexe Konstruktionen mit engen Fertigungstoleranzen vergleichsweise einfach realisierbar. Für eine Serienfertigung werden üblicherweise speziell angepasste Werkzeuge eingesetzt, deren Herstellung einen beachtlichen Kostenfaktor darstellt. Eine komplexe Brennerkonstruktion erfordert die Bereitstellung einer Vielzahl derartiger Werkzeuge, die jedoch – wie sich gezeigt hat – wegen der Härte des metallischen Werkstoffes einem raschen Verschleiß unterliegen, wodurch die Fertigungspräzision nachlässt. Außerdem ist bei Metallbrennern mit Kontaminationen des Quarzglases durch Bestandteile des hochtemperaturtesten, metallischen Werkstoffes zu rechnen.
Aus der US 3,275,408 A ist ein Verfahren zur Herstellung eines glasigen, wasserstofffreien Quarzglaskörpers bekannt, umfassend die Oxidation einer siliziumhaltigen, wasserstofffreien Ausgangssubstanz, das Abscheiden von SiO₂-Partikeln auf einem Träger und das unmittelbare Verglasen der Partikel auf dem Träger unter Bildung des Quarzglaskörpers. Die Oxidation der siliziumhaltigen, wasserstofffreien Ausgangssubstanz erfolgt mittels eines Plasmabrenners. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Brenner aus Quarzglas eingesetzt, der mit zwei Elektroden in Form koaxialer Grafitrohre ausgestattet ist.
Die US 4,328,018 A beschreibt ein Verfahren zur Abscheidung von SiO₂-Schichten auf der Innenwandung eines sogenannten Substratrohres. Hierbei wird ein Brenner entlang des Substratrohres bewegt, der mit einem innerhalb des Substratrohr verfahrbaren Suszeptor mechanisch verbunden ist. Der Suszeptor bezieht seine Heizenergie aus induktiver Einkopplung von HF (RF) und ist zu diesem Zweck von einer Induktionsspule umgeben, die außerhalb des Substratrohres angeordnet ist. Der Suszeptor besteht aus Grafit und wird als „Heizer 76" bezeichnet. Bei diesem Grafitheizer handelt es sich jedoch nicht um einen Abscheidebrenner. Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, einen Abscheidebrenner zur Verfügung zu stellen, der mit geringen Fertigungstoleranzen kostengünstig gefertigt werden kann und bei dem gleichzeitig die Gefahr von Kontaminationen des abgeschiedenen Werkstoffes gering ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein reproduzierbares Verfahren zur Herstellung eines hochreinen, homogenen Quarzglaskörpers anzugeben.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Brennerkopf mindestens teilweise aus Grafit besteht.
Ein Abscheidebrenner aus Grafit vereinigt die wesentlichen Vorteile eines Quarzglasbrenners und eines Metallbrenners und vermeidet deren jeweilige Nachteile.

• Grafit ist thermisch stabil und in sehr hoher Reinheit im Handel erhältlich. Körper aus Reinstgrafit werden für Anwendungen mit hohen Reinheitsanforderungen bereits eingesetzt, wie beispielsweise für Küvetten in der Analysetechnik oder für Tiegel bei der Halbleiterfertigung. Etwaige Verunreinigungen des Quarzglaskörpers in Form von Kohlenstoff aus dem Grafit-Brenner können durch Oxidation leicht entfernt werden und sind insoweit unproblematisch.
• Grafit ist einfach mechanisch zu bearbeiten. Mittels der bekannten mechanischen Bearbeitungsverfahren können der Brennerkopf oder Teile davon präzise gefertigt werden, so dass eine reproduzierbare Abscheide- und Brennercharakteristik des Grafit-Brenners gewährleistet werden kann. Auch komplexe Konstruktionen des Abscheidebrenners sind einfach realisierbar.
• Außerdem zeichnet sich Grafit durch eine geringe Härte aus, so dass Werkzeuge für eine Serienfertigung der Grafitteile einem vergleichsweise geringen Verschleiß unterliegen und somit lange Standzeiten bei gleichbleibend hoher Fertigungspräzision ermöglichen.

Der erfindungsgemäße Abscheidebrenner kann somit mit geringen Fertigungstoleranzen kostengünstig gefertigt werden. Bei seinem Einsatz zur Durchführung des weiter unten erläuterten Verfahrens besteht eine nur geringe Gefahr von Kontaminationen des abgeschiedenen SiO₂-Werkstoffes.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Brennerkopf mindestens teilweise mit einer Schutzschicht überzogen ist.
Grafit kann bei hohen Temperaturen mit Sauerstoff und mit Wasserstoff unter Bildung von Kohlendioxid bzw. Methan reagieren. Die Schutzschicht dient zur Passivierung der Oberfläche. Um einen Abbrand von Grafit zu vermeiden oder zu ver mindern genügt es, wenn die Schutzschicht in den besonders exponierten Bereichen um den Brennermund vorgesehen ist.
Vorzugsweise besteht die Schutzschicht aus SiC, Si₃N₄, SiO₂ oder aus pyrolytisch erzeugtem, glasartigem Kohlenstoff.
Die genannten Werkstoffe zeichnen sich durch eine im Vergleich zu reinem Grafit höhere Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasserstoff oder Sauerstoff und durch eine ausreichende Benetzbarkeit mit Grafit und damit einhergehend durch gute Haftung aus.
Alternativ oder ergänzend dazu hat es sich auch bewährt, wenn der dem Brennermund zugewandte Bereich des Brennerkopfes aus Quarzglas, Aluminiumoxid oder aus Keramik besteht.
Der dem Brennermund zugewandte Bereich des Brennerkopfes wird thermisch und korrosiv am stärksten beansprucht. Die genannten Werkstoffe zeichnen sich durch eine hohe chemische und thermische Beständigkeit aus.
Alternativ dazu besteht der erfindungsgemäße Abscheidebrenner oder zumindest der dem Brennermund zugewandte Bereich des Brennerkopfes aus SiC infiltriertem Grafit.
SiC infiltriertes Grafit zeigt im Vergleich zu reinem Grafit eine höhere Dichte und eine bessere chemische Beständigkeit, insbesondere gegenüber Sauerstoff und Wasserstoff.
Besonders bewährt hat sich der Einsatz von Grafit, der isostatisch gepresst ist und eine Rohdichte von mindestens 1,77 g/cm³ aufweist.
Durch isostatisches Pressen erzeugte Grafikörper zeichnen sich durch eine gleichmäßige Dichte aus. Eine hohe Dichte ist erforderlich, um eine ausreichend geringe Gasdurchlässigkeit und eine ausreichende Trennung der verschiedenen Gasräume innerhalb des Brennerkopfes zu gewährleisten. Die Rohdichte wird nach der Auftriebsmethode gemäß DIN 51918 bestimmt.
In dem Zusammenhang hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Grafit eine Porosität von maximal 15 % aufweist.
Die offene Porosität wird durch Imprägnieren mit Wasser, ebenfalls gemäß der DIN 51918 bestimmt.
Je nach Einsatz und Funktion des betreffenden Grafitteils des Brennerkopfes können sich die jeweilig verwendeten Grafit-Qualitäten unterscheiden. So hat es sich insbesondere für korrosiv hoch belastete Grafitteile, die mit einer Schutzschicht versehen sind, als günstig erwiesen, wenn deren Porosität mindestens 6 % beträgt.
Eine höhere Porosität verbessert die Haftung der Schutzschicht.
Insbesondere im Hinblick auf eine hohe Maßhaltigkeit hat sich der Einsatz von Grafit bewährt, der aus Grafitkörnern mit einer Korngröße von maximal 15 μm, vorzugsweise maximal 10 μm besteht.
Je gröber die Grafitkörner sind, um so schwieriger ist es, Kanten exakt zu bearbeiten.
Vorzugsweise sind die Medienzufuhrleitungen in Form von Bohrungen im Brennerkopf ausgeführt.
Bohrungen fassen sich – im Vergleich zu Ringspalten zwischen ineinander gestaffelten Hohlzylindern – besonders einfach und mit hoher Präzision erzeugen.
Es hat sich außerdem bewährt, wenn der Brennerkopf einen am Brennermund endenden Düsenkörper aufweist, in dem die Bohrungen verlaufen und der mit einem Basiskörper mit Anschlüssen für Medienzufuhrleitungen verbunden ist.
Der Brennerkopf umfasst einen Düsenkörper und einen Basiskörper. Im Düsenkörper verlaufen Bohrungen für die Medienzufuhr zum Brennermund. Der Basiskörper ist mit Anschlüssen für die Medienzufuhrleitungen versehen, die in die Bohrungen im Düsenkörper münden. Der Düsenkörper ist auswechselbar mit dem Basiskörper verbunden. Er ist der Brennerflamme zugewandt und unterliegt einem stärkeren Verschleiß als der Basiskörper. Außerdem kann die Abscheidecharakte ristik des Abscheidebrenners durch eine geänderte Geometrie des Düsenkörpers leicht verändert werden.
Zwischen dem Düsenkörper und dem Basiskörper können noch andere Bauteile des Abscheidebrenners angeordnet sein. Im konstruktiv einfachsten Fall liegen der Düsenkörper und der Basiskörper über eine Dichtung aneinander an.
Der Brennerkopf des erfindungsgemäßen Abscheidebrenners umfasst hierbei lediglich zwei wesentliche Bauteile, nämlich den Düsenkörper und den Basiskörper, die über einen Dichtring oder ein anderes Dichtelement aneinander anliegen. Bestehen beide Bauteile vollständig oder zum größten Teil aus Grafit, so ergeben sich keine Probleme wegen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bilden mehrere, in einer Reihe angeordnete Abscheidebrenner mit jeweils einem Brennerkopf aus Grafit eine Brenneranordnung, die reversierend entlang der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers bewegbar ist, und mittels der SiO₂-Partikel unter Bildung eines im wesentlichen zylinderförmigen SiO₂-Rohlings auf dem Träger abgeschieden werden.
Die maßhaltige und dennoch kostengünstige Serienfertigung des Grafit-Brenners ermöglicht seinen Einsatz in einer Brennerreihe zur Beschleunigung des Abscheideprozesses.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die oben angegebne Aufgabe ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dass Abscheidebrenner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 eingesetzt werden.
Durch den Einsatz eines Abscheidebrenners aus Grafit (im Folgenden auch als „Grafit-Brenner" bezeichnet) werden die wesentlichen Vorteile eines Quarzglasbrenners und eines Metallbrenners erreicht und die jeweiligen Nachteile werden vermeiden.

• Grafit ist thermisch stabil und in sehr hoher Reinheit im Handel erhältlich. Körper aus Reinstgrafit werden für Anwendungen mit hohen Reinheitsanforderungen eingesetzt, wie beispielsweise für Küvetten in der Analysetechnik oder Tiegel für die Halbleiterfertigung. Etwaige Verunreinigungen des SiO₂-Rohlings in Form von Kohlenstoff können durch Oxidation leicht entfernt werden und sind insoweit unproblematisch. Somit sind aus dem SiO₂-Rohling Quarzglaskörper hoher Reinheit herstellbar.
• Grafit ist einfach mechanisch zu bearbeiten. Mittels der bekannten mechanischen Bearbeitungsverfahren können der Abscheidebrenner oder Teile davon präzise und reproduzierbar mit engen Fertigungstoleranzen hergestellt werden. Auch komplexe Konstruktionen sind vergleichsweise einfach realisierbar. Dadurch ist die Abscheide- und Brennercharakteristik des Grafit-Brenners reproduzierbar, was sich auf die Gleichmäßigkeit der Abscheidung günstig auswirkt.
• Im Unterschied zu hochtemperaturfestem Metall zeichnet sich Grafit durch eine geringe Härte aus. Dadurch unterliegen Werkzeuge für eine Serienfertigung der Grafitteile einem vergleichsweise geringen Verschleiß und erreichen lange Standzeiten bei gleichbleibend hoher Fertigungspräzision.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mehrere, in einer Reihe angeordnete Abscheidebrenner aus Grafit eingesetzt werden, die reversierend entlang der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers bewegt werden und mittels denen SiO₂-Partikel unter Bildung eines im wesentlichen zylinderförmigen SiO₂-Rohlings auf dem Träger abgeschieden werden.
Die maßhaltige und dennoch kostengünstigen Serienfertigung des Grafit-Brenners erleichtert seinen Einsatz in einer Brennerreihe, wie sie häufig zur Beschleunigung des Abscheideprozesses verwendet wird. Denn eine weitgehend gleiche Abscheidecharakteristik aller Abscheidebrenner der Brennerreihe ist vergleichsweise einfach zu gewährleisten. Dies vermeidet einen ungleichmäßigen Aufbau des Rohlings und ermöglicht einen Austausch einer defekten Abscheidebrenners ohne großen Anpassungsaufwand. Insbesondere werden Störungen im Kontaktbereich zueinander benachbarter Abscheidezonen durch beiderseits der Zone ungleich mäßige SiO₂-Abscheidung verhindert. Bei dem SiO₂-Rohling handelt es sich in der Regel um einen Sootkörper, wie oben beschrieben.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Einsatz von Abscheidebrennern aus Grafit gelingt somit die reproduzierbare Herstellung eines hochreinen, gleichmäßigen SiO₂-Rohlings. Aus dem Rohling wird durch etwaige folgende Bearbeitungsschritte, die ein Reinigen, Dehydratisieren, Dotieren, Verglasen oder eine mechanische Bearbeitung umfassen können, ein Quarzglaskörper erhalten.
Es hat sich als günstig erwiesen, einen Abscheidebrenner einzusetzen, der mindestens teilweise mit einer Schutzschicht überzogen ist.
Grafit kann bei hohen Temperaturen mit Sauerstoff und mit Wasserstoff unter Bildung von Kohlendioxid bzw. Methan reagieren. Die Schutzschicht dient zur Passivierung der Oberfläche. Um einen Abbrand von Grafit zu vermeiden oder zu vermindern genügt es, wenn die Schutzschicht in den besonders exponierten Bereichen um den Brennermund vorgesehen ist.
Vorzugsweise besteht die Schutzschicht aus SiC, Si₃Na, SiO₂ oder aus pyrolytisch erzeugtem, glasartigem Kohlenstoff.
Die genannten Werkstoffe zeichnen sich durch eine im Vergleich zu reinem Grafit höhere Korrosionsbeständigkeit gegenüber Wasserstoff oder Sauerstoff und durch eine ausreichende Benetzbarkeit mit Grafit und somit durch eine gute Haftung auf der Grafitoberfläche aus.
Bei einer vorteilhaften Verfahrensvariante umfasst die Herstellung des Quarzglaskörpers ein Abscheiden eines Sootkörpers unter Einsatz des Abscheidebrenners und eine anschließende Behandlung unter oxidierenden Bedingungen.
Der aufgrund des Abscheideprozesses erhaltene Sootkörper besteht aus porösem SiO₂ und kann nachträglich durch Gasphasenbehandlungen gereinigt oder dotiert werden. Insbesondere ist durch Behandlung in sauerstoffhaltiger Atmosphäre die Beseitigung etwaiger Kohlenstoffverunreinigungen oder die Kompensierung eines Sauerstoffdefizits im SiO₂-Netzwerk möglich. Die Behandlung unter oxidierenden Bedingungen erfolgt gleichzeitig mit dem Verglasen des Sootkörpers oder vorher.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen
1 eine Seitenansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheidebrenners aus Grafit in einem Längsschnitt, und
2 eine Draufsicht auf den Brennermund des Abscheidebrenners gemäß 1.
1 zeigt einen Längsschnitt durch den Brennerkopf 1 eines Knallgasbrenners für die Herstellung eines SiO₂-Sootkörpers nach dem OVD-Verfahren. Der Brennerkopf 1 besteht aus einem Basiskörper 2 und aus einem Düsenkörper 3 aus jeweils hochreinem Grafit.
Der Düsenkörper 3 besteht aus hochreinem Grafit der Firma Schunk Kohlenstofftechnik GmbH, der unter der Bezeichnung FE 479 im Handel erhältlich ist. Dieser Grafit zeichnet sich durch eine Rohdichte von 1,8 g/cm³ und durch eine mittlere Porosität von 11 % aus. Der Düsenkörper ist in Bezug auf die Längsachse 6 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Er zeigt einen hinteren, zylinderförmigen Abschnitt mit einem Außendurchmesser von 50 mm, der über einen (in der Figur nicht dargestellten) Dichtring am Basiskörper 2 anliegt, und einen vorderen, kegelförmigen Abschnitt, der sich in zwei Stufen in Richtung auf den Brennermund 5 auf einen Außendurchmesser von 30 mm leicht verjüngt. Die den Brennermund 5 bildende Stirnseite des Düsenkörpers 3 ist mit einer SiC-Schicht versehen.
Von einem zum anderen stirnseitigen Ende des Düsenkörpers 3 verlaufen mehrere Bohrungen für die Zufuhr von SiCl₄, einem Trenngasstrom (Sauerstoff) und Brenngasen zum Brennermund 5. Im Einzelnen handelt es sich um eine zentrale Mitteldüse 7 für die Zufuhr von SiCl₄ (und gegebenenfalls Dotierstoffen), einer Vielzahl rohrförmiger Trenngasdüsen 8 für die Zufuhr von Sauerstoff, die die zentrale Mitteldüse 7 in einem inneren koaxialen Hüllkreis umgeben, einer Vielzahl rohrförmiger Wasserstoffdüsen 10, die in einem mittleren Hüllkreis radial versetzt zu den Trenngasdüsen 8 angeordnet sind, und einer Vielzahl von Sauerstoffdü sen 10, die die zentrale Mitteldüse 7 in einem äußeren koaxialen Hüllkreis umgeben.
Der Basiskörper 2 liegt als im Wesentlichen zylinderförmiger Grafitblock mit einem Außendurchmesser von 50 mm und einer Länge von 40 mm vor. Der Basiskörper 2 ist aus hochreinem Grafit der oben genannten Firma mit der Bezeichnung FE 779. Dieser Grafit zeichnet sich durch eine Rohdichte von 1,95 g/cm³ und durch eine mittlere Porosität von 6 % aus. Der Basiskörper 2 ist mit den Anschlüssen 11 für die Zufuhr von SiCl₄, dem Trenngasstrom und den Brenngasen versehen, die in Form von Bohrungen 12 zu den Düsen 7, 8, 9 und 10 im Düsenkörper 3 weitergeführt sind.
Basiskörper 2 und Düsenkörper 3 sind mittels Schrauben 13 (siehe 2) lösbar miteinander verbunden, wobei die einzelnen Düsen 7, 8, 9 und 10 durch einen Dichtring voneinander fluidisch getrennt sind. Die Gesamtlänge des Brennerkopfes 1 beträgt 65 mm.
Die Draufsicht von 2 zeigt die Öffnungen der oben genannten Düsen 7, 8, 9 und 10 am Brennermund 5, wobei für gleiche Bauteile die gleichen Bezugsziffern verwendet sind, wie in 1.
Der erfindungsgemäße Abscheidebrenner kann mittels der bekannten mechanischen Bearbeitungsmethoden mit geringen Fertigungstoleranzen kostengünstig gefertigt werden. Der eingesetzte Werkstoff ist hochrein und im Wesentlichen inert in Bezug auf das herzustellende Quarzglas.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel der Herstellung eines SiO₂-Sootkörpers nach dem OVD-Verfahren als Vorstufe für eine Vorform für optische Fasern unter Einsatz des Abscheidebrenners gemäß den 1 und 2 näher erläutert.
Es werden zehn Abscheidebrenner 1 mit einem Abstand von 15 cm auf einer gemeinsamen Brennerbank montiert und exakt auf die Unterseite eines um seine Längsachse rotierenden zylinderförmigen Trägers ausgerichtet. Die Brennerbank wird mit einer Bewegungsamplitude von 15 cm reversierend entlang des Trägers bewegt. Zur Zündung einer Knallgasflamme und zur Bildung und Abscheidung von SiO₂-Partikeln auf der Zylindermantelfläche des Trägers werden den Abscheidebrennern Glasausgangsmaterial und Brennstoffe wie folgt zugeführt:
Durch die Mitteldüse 7 jeweils 32,5 g/min SiCl₄ und 2,0 l/min Trägergas-Sauerstoff,
durch die Trenngasdüsen 8 insgesamt jeweils 4,5 l/min Trenngas-Sauerstoff,
durch die Wasserstoffdüsen 9 insgesamt 46,0 l/min Wasserstoff und
durch die Sauerstoffdüsen 10 insgesamt 6,2 l/min Sauerstoff.
Der Abstand des Brennermundes 5 von der Oberfläche des sich bildenden SiO₂-Sootkörpers wird auf 210 mm konstant gehalten. Nach einer Aufbauzeit von 45 Minuten wird der Abscheideprozess beendet.
Im Ergebnis wurden eine Abscheideeffizienz von 44 % und eine mittlere Aufbaurate von 304 g pro Stunde und Abscheidebrenner erreicht. Die visuelle Beurteilung des erhaltenen Sootkörpers zeigte keinerlei Mängel.
Nach dem Entfernen des Trägers wird der Sootkörper und nach dem allgemein bekannten Verfahren gereinigt und anschließend unter oxidierenden Bedingungen in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre nachbehandelt, und danach zu einem Quarzglas-Hohlzylinder gesintert.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung eines Quarzglaskörpers, umfassend einen Abscheidebrenner mit einem einen Brennermund (5) aufweisenden Brennerkopf (1), in dem eine Vielzahl von Medienzufuhrleitungen (7, 8, 9, 10) für die Zufuhr von Glasausgangsmaterial und Brenngas verlaufen, die am Brennermund (5) in Form von Düsenöffnungen enden, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (1) mindestens teilweise aus Grafit besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (1) mindestens teilweise mit einer Schutzschicht überzogen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht aus SiC, Si₃N₄, SiO₂ oder aus pyrolytisch erzeugtem, glasartigem Kohlenstoff besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Brennermund (5) zugewandte Bereich des Brennerkopfes (1) aus Quarzglas, Aluminiumoxid oder aus Keramik besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Brennermund (5) zugewandte Bereich des Brennerkopfes (1) aus SiC infiltriertem Grafit besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grafit isostatisch gepresst ist und eine Rohdichte von mindestens 1,77 g/cm³ aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grafit eine Porosität von maximal 15 % aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität mindestens 6 % beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Grafit aus Grafitkörnern mit einer Korngröße von maximal 15 μm, vorzugsweise maximal 10 μm besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Medienzufuhrleitungen in Form von Bohrungen (7, 8, 9, 10) im Brennerkopf ausgeführt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennerkopf (1) einen am Brennermund (5) endenden Düsenkörper (3), in dem die Bohrungen (7, 8, 9, 10) verlaufen aufweist und der mit einem Basiskörper (2) mit Anschlüssen für Medienzufuhrleitungen verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Düsenkörper (3) und Basiskörper (2) über eine Dichtung aneinander anliegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere, in einer Reihe angeordnete Abscheidebrenner mit jeweils einem Brennerkopf aus Grafit eine Brenneranordnung bilden, die reversierend entlang der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers bewegbar ist, und mittels der SiO₂-Partikel unter Bildung eines im wesentlichen zylinderförmigen SiO₂-Rohlings auf dem Träger abgeschieden werden.
Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers, indem mehreren, in einer Reihe angeordneten Abscheidebrennern, die reversierend entlang der Mantelfläche eines um seine Längsachse rotierenden Trägers bewegt werden, Glasausgangsmaterial und ein Wasserstoff enthaltendes Brenngas zugeführt werden, daraus SiO₂-Partikel gebildet, und diese auf dem Träger unter Bildung eines SiO₂-Rohlings schichtweise abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass Abscheidebrenner gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung des Quarzglaskörpers ein Abscheiden von SiO₂-Partikeln unter Bildung eines Sootkörpers und eine anschließende Behandlung des Sootkörpers unter oxidierenden Bedingungen umfasst.