DE102005061274A1

DE102005061274A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines Quarzglasstrangs

Info

Publication number: DE102005061274A1
Application number: DE200510061274
Authority: DE
Inventors: Nigel Whippey; Rainer Berg; Helmut Leber
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-21
Also published as: DE102005061274B4

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zum Ziehen eines Quarzglasstrangs aus einer zähflüssigen Quarzglasmasse wird einem Tiegel-Innenraum eines Schmelztiegels aus hochtemperaturfestem Werkstoff SiO¶2¶-haltiges Ausgangsmaterial zugeführt und darin mittels einer Heizeinrichtung erweicht, und die erweichte Quarzglasmasse wird durch einen Bodenauslauf des Schmelztiegels als Quarzglasstrang abgezogen, wobei in den Tiegel-Innenraum ein Tiegelgas und in einen zwischen dem Schmelztiegel und einem Ofenmantel vorgesehenen Tiegel-Außenraum ein Schutzgas eingeleitet werden. Um das bekannte Verfahren im Hinblick auf geringere Energieverluste und eine verringerte Gefahr eines Eintrags von Fremdstoffen in den Tiegel-Innenraum zu verbessern, um dadurch die Herstellung von homogenen, fehlerfreien Quarzglaszylindern durch Ziehen aus der Schmelze zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Tiegel-Außenraum mittels eines Trennkörpers in einen Schutzgasraum und in einen dem Schmelztiegel benachbarten Trenngasraum geteilt wird, wobei in den Schutzgasraum das Schutzgas und in den Trenngasraum ein Trennraum-Gas eingeleitet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines Quarzglasstrangs aus einer zähflüssigen Quarzglasmasse, indem einem Tiegel-Innenraum eines Schmelztiegels aus hochtemperaturfestem Werkstoff SiO₂-haltiges Ausgangsmaterial zugeführt und darin mittels einer Heizeinrichtung erweicht wird, und die erweichte Quarzglasmasse durch einen Bodenauslauf des Schmelztiegels als Quarzglasstrang abgezogen wird, wobei in den Tiegel-Innenraum ein Tiegelgas und in einen zwischen dem Schmelztiegel und einem Ofenmantel vorgesehenen Tiegel-Außenraum ein Schutzgas eingeleitet werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ziehen eines Quarzglasstrangs aus einer zähflüssigen Quarzglasmasse, mit einem Ofenmantel, der mit Abstand unter Belassung eines Tiegel-Außenraums einen Schmelztiegel aus hochtemperaturfestem Werkstoff umgibt, welcher einen Tiegel-Innenraum zur Aufnahme der Quarzglasmasse und einen Bodenauslauf für den Austritt des Quarzglasstrangs umfasst, und mit einer Heizeinrichtung zum Beheizen des Schmelztiegels, wobei ein Schutzgaseinlass für die Zufuhr eines Schutzgases in den Tiegel-Außenraum und ein Tiegelgaseinlass für die Zufuhr eines Tiegelgases in den Tiegel-Innenraum vorgesehen sind.

Tiegelziehverfahren zur Herstellung von zylinderförmigen Bauteilen aus Quarzglas, insbesondere in Form von Rohren und Stäben mit beliebigem Querschnittsprofil, sind seit langem bekannt. Eine „Quarzglasschmelze" weist selbst bei Temperaturen nahe der Sublimationstemperatur von SiO₂ noch eine vergleichsweise hohe Viskosität auf. Infolge davon und der erforderlich hohen Temperaturen beim Ziehprozess stellen sich grundsätzlich die Probleme, eine ausreichende Homogenisierung der Quarzglasschmelze zu gewährleisten und dabei den Eintrag von Verunreinigungen zu vermeiden, um daraus einen schlieren- und blasenfreien Quarzglasstrang ziehen zu können.

Aus der US 6,739,155 B1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung bekannt. Innerhalb eines Ofenmantels ist ein Schmelztiegel aus Molybdän oder Wolfram angeordnet, dessen Innenwandung mit einer Schicht aus Rhenium oder Iridium versehen ist. Der Schmelztiegel wird induktiv beheizt und dient dabei selbst als Suszeptor.

Von oben werden dem Tiegel-Innenraum kontinuierlich Siliziumdioxid-Teilchen als Rohmaterial zugeführt und unter Bildung einer zähflüssigen Quarzglasmasse erschmolzen. Der Boden des Schmelztiegels ist mit einer Ziehdüse versehen, durch die nach unten ein Quarzglasrohr abgezogen wird.

In den Tiegel-Innenraum wird kontinuierlich ein Gasgemisch aus einem Inertgas und einem oxidierend wirkenden Gas eingeleitet, und in den Tiegel-Außenraum zwischen der Tiegelaußenwandung und dem Ofenmantel ein Schutzgas, das Wasserstoff und ein inertes Trägergas enthält, wobei als Beispiele Stickstoff und Argon genannt werden.

Im Tiegel-Außenraum ist Isolationsmaterial vorgesehen, wobei es sich in der Regel um Zirkonoxid, Hafniumoxid oder ähnliche oxidische Materialien handelt. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass infolge von Undichtigkeiten hochschmelzende Oxidpartikel aus dem Isolationsmaterial über den Schutzgasstrom in den Tiegel-Innenraum und damit in die Quarzglasschmelze eingetragen werden und zu Fehlern und Inhomogenitäten im abgezogenen Quarzglasstrang führen.

Als Schutzgas für die weiche Quarzglasmasse wird häufig Wasserstoff eingesetzt. Wasserstoff ist jedoch ein sehr guter Wärmeleiter und verschlechtert daher im Bereich außerhalb des Tiegelinnenraums die thermische Isolierung. Um die Wärmeleitfähigkeit und damit Heizverluste zu verringern wird Wasserstoff außerhalb des Tiegelinnenraums vollständig oder teilweise durch Inertgase, wie Stickstoff oder Argon ersetzt. Infolge von Verschleiß während einer Ofenreise kann es jedoch zu Undichtigkeiten kommen, wodurch das im Tiegel-Außenraum enthaltene Inertgas in den Tiegel-Innenraum gelangen kann, sich in der weichen Quarzglasmasse löst und im abgezogenen Quarzglasstrang zu Blasen führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren im Hinblick auf geringere Energieverluste und eine verringerte Gefahr eines Eintrags von Fremdstoffen in den Tiegel-Innenraum zu verbessern, um dadurch die Herstellung von homogenen, fehlerfreien Quarzglaszylindern durch Ziehen aus der Schmelze zu ermöglichen.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache und mit geringerem Aufwand zu realisierende Vorrichtung bereit zu stellen, die die oben genannten Verfahrensverbesserungen mit sich bringt.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Tiegel-Außenraum mittels eines Trennkörpers in einen Schutzgasraum und in einen dem Schmelztiegel benachbarten Trenngasraum geteilt wird, wobei in den Schutzgasraum das Schutzgas und in den Trenngasraum ein Trennraum-Gas eingeleitet werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist somit vorgesehen, dass der Tiegel-Außenraum in mindestens zwei Teilräume unterteilt wird, und zwar in einen Schutzgasraum, in den das Schutzgas eingeleitet wird, und in einen dem Schmelztiegel benachbarten Trenngasraum, in den ein anderes Gas, nämlich ein Trennraum-Gas eingeleitet wird. Bei dem Trennraum-Gas handelt es sich um ein Gas, das in der Quarzglasschmelze keine Blasen verursacht, also zum Beispiel um Wasserstoff, Helium oder um ein Gemisch dieser Gase.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird Folgendes erreicht:

1. Der Tiegel-Innenraum wird vom Tiegel-Außenraum und der darin enthaltenen Schutzgasatmosphäre räumlich und fluidisch isoliert. Diese Isolierung vermindert die Gefahr, dass Schutzgas aus dem Schutzgasraum – über den Trenngasraum – in den Tiegel-Innenraum gelangt. Das Schutzgas kann deshalb im Hinblick auf eine wärmeisolierende Wirkung optimiert sein, das heißt, es kann einen besonders hohen Anteil an schlecht wärmeleitenden Gasen enthalten, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon. Der Trenngasraum kann mit dem Trennraum-Gas gefüllt sein oder er kann gespült werden.
2. Die Trennung von Trenngasraum und Schutzgasraum ermöglicht es, das notwendige Isolationsmaterial vollständig im Schutzgasraum unterzubringen. Dadurch ist – über den Trenngasraum – eine räumliche Trennung zwischen der Wärmeisolation und dem Tiegel-Innenraum gewährleistet. Ein Eintrag von Wärmeisolationsmaterial in den Tiegel-Innenraum wird so erschwert.
3. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt auch darin, dass eine absolute Dichtheit des Schmelztiegels gegenüber der umgebenen Atmosphäre nicht unbedingt erforderlich ist. Im Fall einer Undichtigkeit dringt in erster Linie das Trennraum-Gas in den Tiegel-Innenraum ein, das im Wesentlichen weder die Parameter des Schmelzprozesses, noch die Quarzglasmasse selbst in ungünstiger Weise verändert. Die im Schutzgasraum vorhandenen Schutzgase – welche sich auf Schmelzprozess und Quarzglasmasse negativ auswirken könnten – werden hingegen vom Tiegel-Innenraum abgeschirmt.

Insgesamt wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Verbesserung der Wärmeisolation des Tiegels und damit eine verbesserte Energiebilanz ermöglicht. Außerdem wird der Eintrag von Verunreinigungen und schädlichen Gasen in den Tiegel-Innenraum wird behindert, was zu einer Verbesserung der Qualität des abgezogenen Quarzglasstrangs führt.

In einer ersten bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens weist die Heizeinrichtung Heizelemente auf, die innerhalb des Trenngasraums angeordnet sind.

Bei dieser Verfahrensvariante befinden sich die Heizelemente in unmittelbarer Nähe zur Außenwandung des Schmelztiegels, so dass eine optimale Wärmeübertragung gewährleistet ist. Zu der Wärmeübertragung kann das Trennraum-Gas zusätzlich beitragen, da es sich hierbei um ein Gas mit hoher Wärmeleitfähigkeit handeln kann, wie beispielsweise Wasserstoff.

Alternativ und gleichermaßen bevorzugt ist eine Verfahrensvariante, bei der die Heizeinrichtung Heizelemente aufweist, die innerhalb des Schutzgasraums angeordnet sind.

Dadurch, dass die Heizelemente außerhalb des Trenngasraums angeordnet sind, wird ein Eintrag von Verunreinigungen aus dem Heizelement in den Tiegel-Innenraum auch dann durch die räumliche Isolationswirkung des Trenngasraums vermieden, wenn Undichtigkeiten zum Tiegel-Innenraum auftreten.

Trenngasraum und Schutzgasraum können getrennt voneinander mit ihrem jeweiligen Gas gespült werden; es ist aber auch möglich, im Trenngasraum eine geschlossene Trennraum-Gasatmosphäre ohne kontinuierliche Spülung aufrechtzuerhalten. Im Fall einer kontinuierlichen Spülung ist die Gefahr eines Eintrags von Verunreinigungen in den Tiegel-Innenraum selbst dann kaum vorhanden, wenn der Trenngasraum und der Schutzgasraum nicht vollkommen fluidisch voneinander getrennt sind. Denn durch eine kontinuierliche oder zeitweise Spülung des Trenngasraums wird die Reinheit der Gasatmosphäre in diesem Raum gewährleistet.

Insbesondere im Hinblick hierauf hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn der Trenngasraum mit dem Trennraum-Gas gespült wird.

Vorzugsweise sind der Schutzgasraum und der Trenngasraum jedoch fluidisch voneinander getrennt.

Durch die fluidische Trennung wird gewährleistet, dass weder Verunreinigungen noch Fremdgase aus dem Schutzgasraum in den Trenngasraum und damit auch bei etwaigen Undichtigkeiten in den Tiegel-Innenraum gelangen können.

Es hat sich eine Ausführungsform als besonders günstig erwiesen, bei der die Heizeinrichtung einen Suszeptor für eine induktive Einkopplung von Energie umfasst, wobei der Suszeptor gleichzeitig als Trennkörper dient.

Bei dieser Ausführungsform umgibt der Suszeptor den mit dem Trennraum-Gas gefüllten oder gespülten Trenngasraum, innerhalb von dem wiederum der Schmelztiegel angeordnet ist. Auf der dem Trenngasraum abgewandten Seite des Suszeptors befindet sich der Schutzgasraum. Der Schutzgasraum ist mit dem Schutzgas gespült, so dass eine gewisse Wärmeisolation erreicht wird. Außerdem befinden sich vorzugsweise im Schutzgasraum etwaige Isolationsmaterialien.

Als Schutzgas werden bevorzugt Wasserstoff und eines oder mehrere der Inertgase Argon oder Stickstoff eingesetzt.

Bei diesem Schutzgas handelt es sich um ein reduzierend wirkendes Gas, das im Fall einer Trennung von Trennraum und Schutzgasraum mittels eines metallhaltigen Trennkörpers, dessen Oxidation verhindert. Damit die Wärmeleitfähigkeit diese Schutzgases nicht zu hoch ist, beträgt der Wasserstoffgehalt vorzugsweise weniger als 20 %, besonders bevorzugt weniger als 5 %.

Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn als Trennraum-Gas das Tiegelgas eingesetzt wird.

Bei dieser Verfahrensvariante befinden sich innerhalb des Tiegelinnenraums und in dem ihn umgebenden Trenngasraum das gleiche Gas, das Trennraum-Gas oder Tiegelgas. Dabei handelt es sich vorzugsweise Wasserstoff oder Helium oder um ein Gemisch dieser Gase. Bei etwaigen Undichtigkeiten zwischen Tiegel-Innenraum und Trenngasraum gelangt somit kein Fremdgas in den Tiegel-Innenraum, das die Schmelzbedingungen verändern oder sich auf die Qualität des abgezogenen Quarzglasstrang ungünstig auswirken könnte.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Tiegel-Außenraum mittels eines Trennkörpers in einen mit dem Schutzgaseinlass versehenen Schutzgasraum, und in einen zum Schmelztiegel benachbarten und mit einem Einlass für ein Trennraum-Gas versehenen Trenngasraum geteilt ist.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist somit der Tiegel-Außenraum in mindestens zwei Teilräume unterteilt wird, und zwar in einen Schutzgasraum, der zur Einleitung des Schutzgases mit einem Schutzgaseinlass versehen ist, und in einen dem Schmelztiegel benachbarten Trenngasraum, in den ein anderes Gas, nämlich ein Trennraum-Gas eingeleitet werden kann und der zu diesem Zweck einen entsprechenden Gaseinlass aufweist.

Beim Trennraum-Gas handelt es sich um ein Gas, das in der Quarzglasschmelze keine Blasen verursacht, also zum Beispiel um Wasserstoff, Helium oder um ein Gemisch dieser Gase.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist folgende Vorteile auf:

1. Der Tiegel-Innenraum wird vom Tiegel-Außenraum und der darin enthaltenen Schutzgasatmosphäre räumlich und fluidisch isoliert. Diese Isolierung vermindert die Gefahr, dass Schutzgas aus dem Schutzgasraum – über den Trenngasraum – in den Tiegel-Innenraum gelangt. Das Schutzgas kann deshalb im Hinblick auf eine wärmeisolierende Wirkung optimiert sein, das heißt, es kann einen besonders hohen Anteil an schlecht wärmeleitenden Gasen enthalten, wie beispielsweise Stickstoff oder Argon. Der Trenngasraum kann mit dem Trennraum-Gas gefüllt sein oder er kann gespült werden.
2. Die Trennung von Trenngasraum und Schutzgasraum ermöglicht es, das notwendige Isolationsmaterial vollständig im Schutzgasraum unterzubringen. Dadurch ist – über den Trenngasraum – eine räumliche Trennung zwischen der Wärmeisolation und dem Tiegel-Innenraum gewährleistet. Ein Eintrag von Wärmeisolationsmaterial in den Tiegel-Innenraum wird so erschwert.
3. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt auch darin, dass eine absolute Dichtheit des Schmelztiegels gegenüber der umgebenen Atmosphäre nicht unbedingt erforderlich ist. Im Fall einer Undichtigkeit dringt in erster Linie das Trennraum-Gas in den Tiegel-Innenraum ein, das im Wesentlichen weder die Parameter des Schmelzprozesses, noch die Quarzglasmasse selbst in ungünstiger Weise verändert. Die im Schutzgasraum vorhandene Schutzgase – welche sich auf Schmelzprozess und Quarzglasmasse negativ auswirken könnten – werden hingegen vom Tiegel-Innenraum abgeschirmt.

Insgesamt wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Verbesserung der Wärmeisolation des Tiegels und damit eine verbesserte Energiebilanz erreicht. Außerdem wird der Eintrag von Verunreinigungen und schädlichen Gasen in den Tiegel-Innenraum wird behindert, was einer Verbesserung der Qualität des abgezogenen Quarzglasstrangs führt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltungen der Vorrichtung den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen. Die in den übrigen Unteransprüchen genannten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nachfolgend näher erläutert.

Der Trennkörper ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform als Trennwand aus Wolfram oder aus Molybdän ausgeführt.

Es handelt sich um eine einfaches Konstruktionselement, das sich leicht gegenüber der Umgebung abdichten lässt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen
1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Ziehofens, mit einem geschlossenen Trenngasraum, der an den Schmelztiegel angrenzt,
2 eine Abwandlung der Ausführungsform gemäß 1 mit einem nach unten offenen Trenngasraum,
3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Ziehofens mit einem Trenngasraum, der unmittelbar an den Schmelztiegel angrenzt und in dem das Heizelement angeordnet ist, und
4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines induktiv beheizten Ziehofens.
Der Ziehofen gemäß 1 umfasst einen Schmelztiegel 1 aus Wolfram, in den von oben über einen Zufuhrstutzen 2 kontinuierlich SiO₂-Körnung 3 eingefüllt wird. Im Bodenbereich des Schmelztiegels 1 ist eine Ziehdüse 4 eingesetzt, durch die erweichte Quarzglasmasse 27 austritt und als Strang 5 abgezogen wird.
Der Schmelztiegel 1 ist von einem wassergekühlten (12) Ofenmantel 6 unter Beibehaltung eines Ringspalts 7 umgeben. Innerhalb des Ringspalts 7 ist eine Trennwand 9 aus Molybdän vorgesehen, die so angeordnet, ist dass der Ringspalt 7 in einen innenliegenden, ersten Ringraum (im folgenden als Trenngasraum 10 bezeichnet) und in einen außen liegenden zweiten Ringraum (im folgenden als Schutzgasraum 11 bezeichnet) aufgeteilt ist.
Der Trenngasraum 10 wird von der Außenwandung des Schmelztiegels 1 und von der Innenwandung der Trennwand 9 gebildet, und er grenzt somit unmittelbar an den Schmelztiegel 1 an.
Der Schutzgasraum 11 wird von der Innenwandung des Ofenmantels 6 und von der Außenwandung der Trennwand 9 umschlossen. Innerhalb des Schutzgasraums 11 ist eine poröse Isolationsschicht 8 aus oxidischem Isolationsmaterial untergebracht. Außerdem ist beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 innerhalb des Schutzgasraums 11 eine Widerstandsheizeinrichtung 13 zum Erhitzen des Schmelztiegels 1 vorgesehen, die sich über fast die gesamte Länge des Schmelztiegels 1 erstreckt.
Der Trenngasraum 10 und der Schutzgasraum 11 sind fluidisch vollkommen voneinander getrennt. Hierzu ist die Trennwand 9 im Bereich ihrer beiden Stirnseiten gegenüber einer Bodenplatte 15 und einer Deckplatte 16 des Ofenmantels 6 abgedichtet. Der Schmelztiegel 1 umschließt einen Tiegel-Innenraum 17, der ebenfalls gegenüber der Umgebung mittels einer Abdeckung 18 und einem Dichtelement 19 abgedichtet ist.
Durch die Abdeckung 18 ragt der Zufuhrstutzen 2 in den Tiegel-Innenraum 17 hinein. Außerdem ist die Abdeckung 18 mit einem Einlass 21 und einem Auslass 22 für ein Tiegelinnenraum-Gas in Form von reinem Wasserstoff versehen.
Ebenso ist der Trenngasraum 10 im oberen Bereich mit einem Gaseinlass 23 für reinen Wasserstoff versehen. Nach unten hin ist der Trenngasraum 10 offen, so dass der Wasserstoff über die Bödenöffnung 24 des Ofenmantels 6 entweichen kann.
Der Schutzgasraum 11 weist im Bereich des oberen Endes einen Einlass 25 für ein Schutzgas in Form eines Stickstoff-Wasserstoffgemischs (5 Vol.-% H₂) auf und in seinem unteren Bereich einen Auslass 26 für das Schutzgas. Das Schutzgas durchströmt die poröse Isolationsschicht 8 und die umströmt die Außenwandung der Trennwand 9.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels und 1 näher erläutert.
Über die Zufuhrstutzen 2 wird kontinuierlich SiO₂-Körnung 3 in den Schmelztiegel 1 eingespeist und darin auf eine Temperatur von etwa 2100°C bis 2200°C erhitzt. Dabei bildet sich im unteren Bereich des Schmelztiegels 1 eine homogene, blasenfreie Glasmasse 27 aus, auf der eine Körnungsschicht aus SiO₂-Teilchen 3 aufschwimmt. Die erweichte Siliziumdioxidmasse fließt über die Ziehdüse 4 und die Bodenöffnung 24 aus und wird anschließend in Form eines zylinderförmigen Quarzglasstrangs 5 nach unten abgezogen und in Teilstücke der gewünschten Länge abgelängt.
Der Tiegel-Innenraum 17 und der Trenngasraum 10 werden dabei kontinuierlich mit reinem Wasserstoff gespült, und der Schutzgasraum 11 mit dem Schutzgas (Stickstoff-Wasserstoffgemisch), welches eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der reine Wasserstoff.
Der in den Tiegel-Innenraum 17 und in den Trenngasraum 10 eingespeiste Wasserstoff sorgt für eine reduzierende Atmosphäre und verhindert dadurch eine Oxidation des Tiegelmaterials. Wasserstoff ist in der Quarzglasschmelze leicht löslich, kann aber auch rasch aus dem Quarzglas herausdiffundieren und verursacht daher keine Blasen. Der Schmelztiegel 1 ist somit von einer Wasserstoffatmosphäre umgeben und der Tiegel-Innenraum 17 ist über den Trenngasraum 10 zusätzlich nach außen abgeschirmt, so dass auch bei Undichtigkeiten keine Fremdgase aus dem Schutzgasraum 11 oder Verunreinigungen aus der Isolationsschicht 8 oder aus der Heizeinrichtung 13 in den Tiegel-Innenraum 17 und damit in die Quarzglasschmelze 27 gelangen können.
Der erfindungsgemäße Ziehofen und das erfindungsgemäße Verfahren ermöglichen vermindern somit den Eintrag von Verunreinigungen in die Quarzglasschmelze, und tragen zu einer Verbesserung der Qualität des abgezogenen Quarzglasstrangs und einer besseren Energiebilanz bei.
Die 2 bis 4 zeigen Abwandlung des in 1 dargestellten Ziehofens. Sofern dieselben Bezugsziffern wie in 1 verwendet werden, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile der Vorrichtung bezeichnet, wie sie oben anhand der Beschreibung der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ziehofens näher erläutert sind.
Der Ziehofen gemäß 2 unterscheidet sich vom oben beschriebenen Ziehofen nach 1 im Wesentlichen durch eine verkürzte Molybdän-Trennwand 9b und durch die andere Anordnung der Widerstandsheizeinrichtung 13.
Die Trennwand 9b lässt zum Boden 15 des Ziehofens einen Spalt 28, der von der porösen Isolationsschicht 8 gefüllt ist. Dadurch kann das über den Einlass 25 in den Schutzgasraum 11 eingeleitete Schutzgas (Stickstoff-Wasserstoffgemischs mit 5 Vol.-% H₂) zusammen mit dem von oben in den Trenngasraum 10 eingeleiteten Wasserstoff über die Bodenöffnung 24 nach Außen abfließen. Auf einen separaten Schutzgas-Auslass vom Schutzgasraum 11 kann daher verzichtet werden.
Der aus dem Trenngasraum 10 nach unten ausströmende Wasserstoffstrom wirkt wie ein Gasvorhang und verhindert trotz fluidischer Verbindung zum Schutzgasraum 11 das Eindringen von Verunreinigungen oder Fremdgasen aus diesem Bereich.
Die Widerstandsheizeinrichtung 13 ist innerhalb des Trenngasraums 10 und damit in unmittelbarer Nähe zum Schmelztiegel 1 angeordnet, so dass sich eine besonders effektive Beheizung ergibt und Energieverluste minimiert werden. Etwaige Verunreinigungen aus der Widerstandsheizspule 13 werden mittels der Gasspülung im Trenngasraum 10 nach unten ausgespült und so ein Eintrag in den Tiegel-Innenraum 17 verhindert, so dass es sich hierbei im Hinblick auf einen niedrigen Energieverbrauch um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung handelt.
Dies trifft gleichermaßen auf den Ziehofen gemäß 3 zu, bei dem ebenfalls die Widerstandsheizspule 13 nicht im Schutzgasraum 11 angeordnet ist (wie bei dem Ziehofen gemäß 1), sondern innerhalb des durch die Molybdän-Trennwand 9 vom Ringraum 7 abgeteilten Trenngasraums 10.
Durch die Anordnung der Widerstandsheizspule 13 im Trenngasraum 10 ergibt sich eine effektivere Beheizung des Schmelztiegels 1. Etwaige Verunreinigungen aus der Widerstandsheizspule 13 werden mittels der Gasspülung im Trenngasraum 10 nach unten ausgespült und so ein Eintrag in den Tiegel-Innenraum 17 verhindert.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ziehofens ist eine induktive Beheizung des Schmelztiegels 1 vorgesehen. Hierzu sind innerhalb eines wassergekühlten Ofenmantels 6 eine Induktionsspule 40 und ein Suszeptor 41 angeordnet. Der Suszeptor 41 besteht aus Wolfram und dient gleichzeitig als Trennwand 9c zwischen dem Trenngasraum 10 und dem Schutzgasraum 11, wobei durch geeignete Dichtungsmaßnahmen an den Stirnseiten des Suszeptors 41 eine fluidisch vollkommene Trennung von Trenngasraum 10 und Schutzgasraum 11 erreicht wird. Im Übrigen unterscheidet sich dieser Ofen nicht von demjenigen gemäß 3.

Claims

Verfahren zum Ziehen eines Quarzglasstrangs aus einer zähflüssigen Quarzglasmasse, indem einem Tiegel-Innenraum (17) eines Schmelztiegels (1) aus hochtemperaturfestem Werkstoff SiO₂-haltiges Ausgangsmaterial (3) zugeführt und darin mittels einer Heizeinrichtung (13) erweicht wird, und die erweichte Quarzglasmasse (27) durch einen Bodenauslauf (4) des Schmelztiegels (1) als Quarzglasstrang (5) abgezogen wird, wobei in den Tiegel-Innenraum (17) ein Tiegelgas und in einen zwischen dem Schmelztiegel (1) und einem Ofenmantel (6) vorgesehenen Tiegel-Außenraum (7) ein Schutzgas eingeleitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel-Außenraum (7) mittels eines Trennkörpers (9, 9b, 9c) in einen Schutzgasraum (11) und in einen zum Schmelztiegel (1) benachbarten Trenngasraum (10) geteilt wird, wobei in den Schutzgasraum (11) das Schutzgas und in den Trenngasraum (10) ein Trennraum-Gas eingeleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (13) Heizelemente aufweist, die innerhalb des Trenngasraums (10) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (13) Heizelemente aufweist, die innerhalb des Schutzgasraums (11) angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenngasraum (10) mit dem Trennraum-Gas gespült wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasraum (11) und der Trenngasraum (10) fluidisch voneinander getrennt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (13) einen Suszeptor (40) für eine induktive Einkopplung von Energie umfasst, und dass der Suszeptor (40) als Trennkörper (9c) dient.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas Wasserstoff und eines oder mehrere der Inertgase Argon oder Stickstoff, eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennraum-Gas das Tiegelgas eingesetzt wird.
Vorrichtung zum Ziehen eines Quarzglasstrangs aus einer zähflüssigen Quarzglasmasse, mit einem Ofenmantel (6), der mit Abstand unter Belassung eines Tiegel-Außenraums (7) einen Schmelztiegel (1) aus hochtemperaturfestem Werkstoff umgibt, welcher einen Tiegel-Innenraum (17) zur Aufnahme der Quarzglasmasse (27) und einen Bodenauslauf (4) für den Austritt des Quarzglasstrangs (5) umfasst, und mit einer Heizeinrichtung (13) zum Beheizen des Schmelztiegels (1), wobei ein Schutzgaseinlass (25) für die Zufuhr eines Schutzgases in den Tiegel-Außenraum (7) und ein Tiegelgaseinlass (21) für die Zufuhr eines Tiegelgases in den Tiegel-Innenraum (17) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Tiegel-Außenraum (7) mittels eines Trennkörpers (9, 9b, 9c) in einen mit dem Schutzgaseinlass (25) versehenen Schutzgasraum (11), und in zum Schmelztiegel (1) benachbarten und mit einem Einlass (22) für ein Trennraum-Gas versehenen Trenngasraum (10) geteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (13) Heizelemente aufweist, die innerhalb des Trenngasraums (10) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (13) Heizelemente aufweist, die innerhalb des Schutzgasraums (11) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trenngasraum (10) einen Auslass (24) für das Trennraum-Gas aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgasraum (11) und der Trenngasraum (10) fluidisch voneinander getrennt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennkörper (9, 9b, 9c) als Trennwand aus Wolfram oder aus Molybdän ausgeführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (13) einen Suszeptor (41) für eine induktive Einkopplung von Energie umfasst, und dass der Suszeptor (41) als Trennkörper (9c) dient.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schutzgaseinlass (26) eine Zufuhrleitung für Wasserstoff und eine Zufuhrleitung für eines oder mehrere der Inertgase, ausgewählt aus der Gruppe Argon oder Stickstoff, oder eine Zufuhrleitung für ein Gasgemisch aus Wasserstoff und einem dieser Inertgase umfasst.