DE102006011579B4

DE102006011579B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Ziehen eines Rohrstrangs aus Quarzglas

Info

Publication number: DE102006011579B4
Application number: DE102006011579A
Authority: DE
Inventors: Roland Horn; Helmut Leber; Martin Trommer; Nigel Whippey; Rainer Berg; Joerg Becker; Rolf Gerhardt
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2006-03-10
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2026-03-11
Also published as: EP1993959A1; JP2009529483A; CN101326131B; WO2007104683A1; CN101326131A; JP5395440B2; US20090064715A1; DE102006011579A1

Abstract

Verfahren zum Ziehen eines rohrförmigen Quarzglasstrangs, indem einem Schmelztiegel (1) SiO₂-haltiges Ausgangsmaterial (3) zugeführt, darin erweicht und als erweichte Quarzglasmasse (27) durch einen Ringspalt (14) zwischen einem Außenteil (7) und einem in einer Durchgangsbohrung (20) des Außenteils (7) angeordneten Innenteil (9) einer im Bodenbereich des Schmelztiegels (1) vorgesehenen Ziehdüse (4) als rohrförmiger Quarzglasstrang (5) in einer Ziehachse (26) vertikal nach unten abgezogen wird, wobei der Ziehdüsen-Ringspalt (14) einen Längenabschnitt „L" aufweist, in dem sich seine Düsenquerschnittsfläche von oben nach unten verringert, dadurch gekennzeichnet, dass der Längenabschnitt „L" eine Länge von mindestens 10 mm aufweist, und dass das Ziehdüsen-Innenteil (9) – in Richtung der Ziehachse (26) gesehen – radial frei beweglich innerhalb der Durchgangsbohrung (20) des Außenteils (7) hängend gehalten wird, und dass die erweichte Quarzglasmasse (27) – bezogen auf die minimale Querschnittsfläche des Ziehdüsen-Ringspalts (14) – mit einer Durchflussrate von mindestens 0,3 kg/h·cm² durch den Ringspalt (14) fließt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ziehen eines rohrförmigen Quarzglasstrangs, indem einem Schmelztiegel SiO₂-haltiges Ausgangsmaterial zugeführt, darin erweicht und als erweichte Quarzglasmasse durch einen Ringspalt zwischen einem Außenteil und einem in einer Durchgangsbohrung des Außenteils angeordneten Innenteil einer im Bodenbereich des Schmelztiegels vorgesehenen Ziehdüse als rohrförmiger Quarzglasstrang in einer Ziehachse vertikal nach unten abgezogen wird, wobei der Ziehdüsen-Ringspalt einen Längenabschnitt „L" aufweist, in dem sich seine Düsenquerschnittsfläche von oben nach unten verringert.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Ziehen eines rohrförmigen Quarzglasstrangs, mit einem Schmelztiegel zur Aufnahme von SiO₂-haltigem Ausgangsmaterial, der von einer Heizeinrichtung zum Erweichen des Ausgangsmaterials umgeben ist, sowie mit einer im Bodenbereich des Schmelztiegels vorgesehenen Ziehdüse, die ein Außenteil und ein in einer Durchgangsbohrung des Außenteils unter Belassung eines Ringspalts angeordnetes Innenteil aufweist, wobei der Ziehdüsen-Ringspalt einen Längenabschnitt „L" aufweist, in dem sich seine Düsenquerschnittsfläche von oben nach unten verringert.
Aus der DE 103 37 388 A1 sind ein Tiegelziehverfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Quarzglasstrangs bekannt. Hierbei wird eine in einem Schmelztiegel erweichte Quarzglasmasse über eine in einer Bodenöffnung des Schmelztiegels eingesetzte Ziehdüse senkrecht nach unten kontinuierlich zu einem hohlzylindrischen Quarzglasstrang mit vorgegebenem Profil abgezogen. Am unteren Ende der Ziehdüse ist eine auswechselbare Ansetzdüse montiert, die mit einem in die Ansetzdüsenöffnung hineinragenden, hohlen Dorn verbunden ist, durch den ein Gasstrom in die Innenbohrung des Quarzglasstrangs eingeleitet werden kann. Der Ringspalt zwischen dem Außenmantel des Dorns und der Innenwandung der Ansetzdüse bestimmt das Profil des aus der Düse austretenden rohrförmigen Strangs.
Der Dorn wird mittels mehrerer Stege, die mit dem umlaufenden Rand der Ansetzdüse verbunden sind, in der Ansetzdüsenöffnung fixiert. Die Stege liegen im Strom des durch die Düsenöffnung ausfließenden Glases und zerteilen diesen. Dies führt zu Inhomogenitäten im abgezogenen Quarzglasstrang, auch aufgrund der vergleichsweise hohen Viskosität der Quarzglasmasse, die ein störungsfreies Wiederverschmelzen dieser Bereiche erschwert.
Einer der Stege bildet gleichzeitig die Gaszufuhrleitung zum Dorn, über die ein Gasstrom in die Innenbohrung des abzuziehenden Rohrstrangs geleitet werden kann, um den Durchmesser oder die Rohr-Wandstärke durch Einstellung des Blasdrucks zu regulieren.
Ein weiteres Tiegelziehverfahren zur Herstellung eines Quarzglasrohres sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung sind in der EP 394 640 A1 beschrieben. Auch hier ist zum Ziehen eines rohrförmigen Quarzglasstrangs eine Ziehdüse mit Ringspalt zwischen Außenring und Innenring vorgesehen. Der Außenring ist in eine Bodenöffnung des Schmelztiegels eingesetzt. Der Innenring wird mittels Verbindungsstreben, die fachsprachlich auch als „Finger" bezeichnet werden, in Bezug auf den Außenring zentriert. Durch die Mittenbohrung des Innenrings ragt ein Gaszuleitungsrohr, das von oben in die Glasschmelze eintaucht und durch das ein Gasstrom in die Innenbohrung des abgezogenen Rohrstrangs eingeleitet werden kann.
Auch bei diesem Verfahren umfließt somit die weiche Quarzglasmasse die Verbindungsstreben zwischen Außenring und Innenring, wird dabei geteilt, und kann dadurch die oben erwähnten Störungen in der strangförmig aus der Düse austretenden, hochviskosen Quarzglasmasse aufweisen.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der eingangs genannten Gattung sind aus der US 3,508,900 A bekannt. Darin wird ein Verfahren zum Ziehen eine Quarzglasrohres aus dem Schmelztiegel beschrieben, bei dem ein Ziehdüsen-Innenteil an einem Schaft hängend innerhalb der Durchgangsbohrung eines Ziehdüsen-Außenteils gehalten wird. Das Innenteil weist ein uhrglasförmiges Oberteil auf, das über einen Zwischenring mit einem kegelstumpfförmigen Unterteil verbunden ist. Das obere Ende des Schaftes wird in einer Justiervorrichtung gehalten, die ein Kugelgelenk umfasst, so dass die radiale Position des Ziehdüsen-Innenteils exakt einstellbar ist.
Die Wandstärke des abgezogenen Quarzglasrohres wird durch Absenken und Heben des Innenteils und die dadurch erzeugte kleinste Öffnungsweite zwischen Innen- und Außenteil der Düse eingestellt. Innerhalb des sich konisch nach unten verjüngenden oberen Abschnitts der Außenteils befindet sich ein konischer Abschnitt des Ziehdüsen-Innenteils, so dass in diesem Längenabschnitt die Weite des Ringspalts zwar konstant bleibt, die Düsenquerschnittsfläche aber abnimmt.
Auch aus der US 4,523,939 A ergibt sich ein Verfahren zum Ziehen eines rohrförmigen Quarzglasstrangs aus einem Schmelztiegel. Die Schmelze fließt über eine Düse aus, die von einem Außenteil (Boden) und einem Innenteil gebildet wird. Das Innenteil wird an einem Hohlschaft aus einem refraktären Metall hängend gehalten und es weist eine Ausbuchtung auf, die sich nach unten erweitert. Unter der Annahme, dass die Ausbuchtung des Innenteils in die Bodenöffnung hineinragt, ergibt sich ein Ziehdüsen-Ringspalt, dessen Querschnittsfläche sich über einen Längenabschnitt „L" nach unten verjüngt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das bekannte Verfahren im Hinblick auf geringere Inhomogenitäten im abgezogenen Rohrstrang zu verbessern, um dadurch die Herstellung von homogenen, fehlerfreien Quarzglas-Hohlzylindern 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 Längenabschnitt „L" eine Länge von mindestens 10 mm aufweist, und dass das Ziehdüsen-Innenteil – in Richtung der Ziehachse gesehen – radial frei beweglich innerhalb der Durchgangsbohrung des Außenteils hängend gehalten wird, und dass die erweichte Quarzglasmasse – bezogen auf die minimale Querschnittsfläche des Ziehdüsen-Ringspalts – mit einer Durchflussrate von mindestens 0,3 kg/h·cm² durch den Ringspalt fließt.
Es hat sich gezeigt, dass die mittels der bekannten Verfahren hergestellten Quarzglasrohre an den Kontaktstellen zu den Verbindungsstreben Störungen aufweisen, die beim Erhitzen als fein nachleuchtende Linien sichtbar werden. Beim Aufblasen derartiger Quarzglasrohre zwecks Vergrößerung der Innenbohrung werden Wandstärkeschwankungen oft genau mit der Rotationssymmetrie der „Finger" beobachtet.
Dabei ist zu beachten, dass die Ziehdüse insgesamt oder zumindest die im Kontakt mit der heißen Quarzglasmasse kommenden Teile der Ziehdüse aus Molybdän, Wolfram, Iridium, Rhenium oder anderen hochschmelzenden Metallen oder Legierungen bestehen. Es ist anzunehmen, dass Metall durch Abrieb in die Glasmasse gelangt und zu den oben erläuterten Störungen beiträgt. Die meisten Kontaktflächen zwischen der heißen Quarzglasmasse und der Ziehdüse finden sich nachher an der Oberfläche des abgezogenen Rohrstrangs wieder, von wo sie nachträglich einfach entfernt werden können. Dies trifft jedoch für die Kontaktflächen zu den Verbindungsstreben nicht zu, denn diese werden im Inneren des Quarzglasrohres eingeschlossen.
Der Erfindung liegt daher die Erkenntnis zugrunde, besagte Störungen zu vermeiden, indem auf die „Finger" des Ziehdüsen-Innenteils vollständig verzichtet wird. Die „Finger" dienen zur Zentrierung des Innenteils in der Durchgangsbohrung des Außenteils und zur Einstellung der Weite des Ringspalts. Erfindungsgemäß wird daher eine Selbstzentrierung des Innenteils angestrebt, bei der auf derartige Zentrierhilfen verzichtet werden kann. Es hat sich gezeigt, dass dies unter den im Folgenden näher erläuterten Voraussetzungen realisierbar ist:

1. Das Ziehdüsen-Innenteil wird radial frei beweglich innerhalb der Durchgangsbohrung des Ziehdüsen-Außenteils gehalten. Die Selbstzentrierung verlangt eine gewisse Beweglichkeit des Ziehdüsen-Innenteils mit einer Bewegungskomponente in Richtung senkrecht zur Ziehachse, die hier als „radiale freie Beweglichkeit" bezeichnet wird. Diese kann durch horizontale Verschiebbarkeit des Innenteils oder auch durch eine hängende Halterung gewährleistet werden, die eine freie Pendelbewegung in Richtung senkrecht zur Ziehachse erlaubt.
2. Weiterhin ist wesentlich, dass der Ringspalt zwischen Innenteil und Außenteil in Richtung der Ziehachse mindestens über eine Länge von 10 mm einen Längenabschnitt „L" aufweist, in dem sich seine Düsenquerschnittsfläche von oben nach unten verringert. Die Verringerung der Düsenquerschnittsfläche kann auf einer kontinuierlichen oder stufenweisen Verengung des Ringspalts von oben nach unten beruhen und/oder – bei einem Ringspalt mit konstanter Ringspaltweite – indem sich der Durchmesser des Ringspalts von oben nach unten verringert. Bei der zuletzt genannten Variante wird der Ringspalt von zueinander parallelen Wandungen begrenzt, die mit der Ziehachse einen Winkel zwischen 0 und 90 Grad einschließen, so dass der Ringspalt in Richtung der Ziehachse verläuft. Die Länge des Längenabschnitts „L" wirkt sich auf die Größe des Druckgradienten über dem Ringspalt aus. Bei gegebenem hydrostatischem Druck durch die weiche Quarzglasmasse stellt sich bei langem Längenabschnitt „L" des Ringspalts ein kleinerer mittlerer Druckgradient ein als bei einem kurzen Längenabschnitt „L". Ein steiler Druckgradient bewirkt eine geringere Regelempfindlichkeit und erschwert dadurch eine exakte Selbstzentrierung des Ziehdüsen-Innenteils. Bei einem Längenabschnitt „L" ab einer Länge von 10 mm wird eine besonders hohe Regelempfindlichkeit und eine exakte Selbstzentrierung des Ziehdüsen-Innenteils gewährleistet.
3. Die erweichte Quarzglasmasse fließt – bezogen auf die minimale Querschnittsfläche des Ringspalts – mit einer Durchflussrate von mindestens 0,3 kg/hcm² durch den Ziehdüsen-Ringspalt. Die Ausbildung der das Ziehdüsen-Innenteil zentrierenden Rückstellkraft erfordert eine gewisse Strömung der Quarzglasmasse. Bei einer Durchflussrate von mindestens 0,3 kg/h bezogen pro cm² der minimalen Querschnittsfläche des Ringspalts entstehen besonders effektive Rückstellkräfte. Entscheidend für eine Selbstzentrierung sind die Druckverhältnisse um das Ziehdüsen-Innenteil. Betrachtet man den Druckverlauf in Richtung der Ziehachse, so ist festzustellen, dass der Druck im Tiegel-Innenraum von oben nach unten zunimmt und dann innerhalb der Ziehdüse wieder bis auf den atmosphärischen Umgebungsdruck abfällt. Hintergrund dafür sind zwei verschiedene Mechanismen: Der eine ist der „hydrostatische" Druck der Quarzglasmasse (Schweredruck), der andere ist die mit dem Fluss der viskosen Quarzglasmasse verbundene Druckabnahme in Fließrichtung. Der Gradient dieser Druckabnahme ist besonders groß in Bereichen, in denen die Quarzglasmasse enge Abschnitte (wie die Ziehdüse) eines ansonsten weiteren Hohlraums (wie dem Tiegel-Innenraum) durchfließt. Aus diesen Gründen überwiegt im Tiegel-Innenraum von oben nach unten der Effekt der Druckzunahme durch den hydrostatischen Druck der Quarzglasmasse, wohingegen in der Ziehdüse die Verhältnisse umgekehrt sind, und die Druckabnahme von oben nach unten den vorherrschenden Effekt darstellt. In einem zylindrischen Ringspalt mit parallelen Begrenzungswandungen und konstantem Durchmesser ist die Spaltweite bei radial ausgelenktem Innenteil auf der einen Seite breiter als auf der gegenüberliegenden Seite. Durch den breiteren Spaltbereich fließt infolge des geringeren Strömungswiderstandes zwar mehr Quarzglasmasse als auf der anderen Seite ab, jedoch ist die Druckabnahme in vertikaler Richtung auf beiden Seiten gleich groß, so dass sich keine Druckkomponente in radialer Richtung ausbildet. Ein Ringspalt mit Zylindergeometrie übt daher keine radiale Kraft auf das Innenteil aus und hat keine zentrierende Wirkung. Im Gegensatz dazu ergibt sich in einem Ringspalt mit einem sich nach unten verringernden Querschnitt bei radial ausgelenktem Innenteil im engeren Spaltbereich eine geringere Druckabnahme in vertikaler Richtung als im weiteren Spaltbereich (bei einem Vergleich der Drücke auf gleicher Höhe). Dieses nicht rotationssymmetrische Druckfeld um das Innenteil bewirkt eine resultierende Kraft in radialer Richtung, die eine Rückstellkraft in Richtung auf die Einstellung eines rotationssymmetrischen Druckfeldes und damit einhergehend eine zentrierende Wirkung auf das Innenteil ausübt. Umgekehrt kann ein Ringspalt mit einer sich nach unten vergrößernden Querschnittsfläche definiert dezentrierend auf ein radial frei bewegliches Innenteil in der Durchgangsbohrung des Außenteils wirken.

Bei diesen Überlegungen wird der Effekt der Zunahme der Viskosität der Quarzglasmasse mit der an der Ziehdüse nach unten hin abnehmenden Temperatur vernachlässigt. Dieser Effekt macht sich quantitativ deutlich bemerkbar, ohne das oben erläuterte Prinzip grundsätzlich zu verändern.
Für eine Selbstzentrierung des Ziehdüsen-Innenteils innerhalb der Durchgangsbohrung des Außenteils ist daher ein Ringspalt erforderlich, der wenigstens über einen Teil seiner Länge, der hier als Längenabschnitt „L" bezeichnet wird, eine sich nach unten verringernde Querschnittfläche aufweist.
Die Verringerung der Querschnittfläche kann durch die Geometrie der Durchgangsbohrung des Ziehdüsen-Außenteils und/oder des Außenmantels des Innenteils hervorgerufen werden.
In einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird die Verringerung der Querschnittfläche dadurch erreicht, dass sich der Ringspalt über mindestens einen Teil des Längenabschnitts „L" von oben nach unten verengt.
Dabei ist die zentrierende Wirkung besonders ausgeprägt. Sie ist um so stärker, je größer das Maß der Verengung von oben nach unten ist.
Für die Ausbildung der Verengung des Ringspalts gibt es eine Vielzahl geeigneter Möglichkeiten. Eine davon besteht darin, dass sich die Durchgangsbohrung des Ziehdüsen-Außenteils nach unten verengt.
Das Ziehdüsen-Innenteil kann hierbei zylinderförmig, sich nach unten verjüngend oder nach unten erweiternd ausgebildet sein und dadurch zusätzlich zur Verengung des Ringspalts beitragen. Durch Anheben oder Senken des Ziehdüsen-Innenteils kann die Spaltweite des Ringspalts eingestellt werden.
Alternativ dazu und gleichermaßen bevorzugt, verbreitert sich das Ziehdüsen-Innenteil nach unten, unter Ausbildung eines sich nach unten verengenden Ringspalts.
Hierbei kann die Durchgangsbohrung des Außenteils zylinderförmig ausgebildet sein, sich nach unten verjüngen oder sich nach unten erweitern.
In dem Zusammenhang hat es sich auch bewährt, wenn die Weite des Ringspalts über seine Länge um mindestens 20% seiner maximalen Weite abnimmt.
Bei gegebener Auslenkung des Innenteils wirkt sich der Unterschied zwischen maximaler und minimaler Weite des Ringspalts über seinem Verengungsbereich auf die Größe der daraus resultierenden, zentrierend wirkenden Kraft aus. Je größer diese Spaltweitendifferenz ist, um so größer ist auch der maximale, senkrecht zur Ziehachse auf das Innenteil wirkende Rückstellkraft (≙ Druckdifferenz). Je höher diese Rückstellkraft ist, um so besser ist die Regelempfindlichkeit und um so exakter die Selbstzentrierung des Ziehdüsen-Innenteils. Bei einer Spaltweitendifferenz von mindestens 20% (bezogen auf die maximale Ringspaltweite) wird eine besonders hohe Regelempfindlichkeit und eine exakte Selbstzentrierung des Ziehdüsen-Innenteils gewährleistet.
Bei einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante wird die Verringerung der Querschnittfläche des Ringspalts von oben nach unten dadurch erreicht, dass der Ringspalt über mindestens einen Teil des Längenabschnitts „L" von parallelen Seitenwänden umschlossen ist, wobei der Innendurchmesser des Ringspalts und damit auch der Außendurchmesser von oben nach unten abnehmen.
Die Spaltweite des Ringspalts ändert sich hierbei zwar nicht. Trotzdem ergibt sich mit abnehmenden Innendurchmesser des Ringspalts eine Verringerung seiner Querschnittsfläche von oben nach unten. Hierbei verlaufen die Begrenzungswandungen des Ringspalts so, dass sie mit der Ziehachse einen Winkel zwischen 10 Grad und 80 Grad, vorzugsweise zwischen 30 Grad und 60 Grad, einschließen. Der Ringspalt verläuft somit von oben nach unten schräg in Richtung der Ziehachse.
Diese Verfahrensvariante weist gegenüber der weiter oben erläuterten Ausführungsform mit sich verengendem Ringspalt einen besonderen Vorteil auf. Bei sich verengendem Ringspalt ist die zentrierende Wirkung um so stärker, je stärker das Maß der Verengung von oben nach unten ist. Die minimale Spaltweite ist durch die vorgegebene Wandstärke des abzuziehenden Bauteils im Wesentlichen festgelegt. Um einen deutlichen Gradienten der Spaltweite zu erreichen, ist daher im oberen Bereich des Ringspalts eine möglichst große Spaltweite erwünscht. Dies gilt vor allem bei kurzer Länge des Längenabschnitts „L". Eine große Spaltweite im oberen Bereich des Ringspalts beeinflusst jedoch den Düsenwiderstand. Dieser wird durch das Verhältnis des Massendurchsatzes und dem anliegenden hydrostatischen Druck der Quarzglasmasse bestimmt. Je größer die Spaltweite im oberen Bereich bei sonst gleichen Bedingungen ist, um so geringer ist der Düsenwiderstand. Eine Änderung des Düsenwiderstands erfordert jedoch in aller Regel eine unerwünschte Anpassung anderer Ziehparameter, insbesondere der Temperatur und damit der Viskosität der Quarzglasmasse.
Dieses Problem wird durch die bevorzugte Verfahrensvariante mit gleich bleibender Spaltweite des Ringspalts entschärft.
Die Vorteile beider Verfahrensvarianten lassen sich vereinigen, indem in einem oberen Bereich des Längenabschnitts „L" ein Ringspalt mit konstanter Spaltweite und sich verringernden Innendurchmesser vorgesehen ist, der in einem unteren Bereich des Längenabschnitts „L" in einen sich verengenden Ringspalt übergeht.
Die radial bewegliche Halterung des Ziehdüsen-Innenteils kann durch eine horizontale Verschiebbarkeit der Halterung erreicht werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Ziehdüsen-Innenteil an einem sich nach oben durch die erweichte Quarzglasmasse hindurch erstreckenden Halteelement gehalten wird, welches einen Außendurchmesser von maximal 40 mm und einer Länge von mehr als 100 cm umfasst.
Bei einem biegesteifen Halteelement oder bei geringen Rückstellkräften kann die radiale Bewegung des Innenteils durch eine freie Verschiebbarkeit des Halteelements in horizontaler Richtung erreicht werden, oder dadurch, dass das untere Ende eine freie Pendelbewegung um einen oberen Haltepunkt ausführen kann. Bei weniger biegesteifen Halteelementen kann auch die elastische Verformbarkeit für eine ausreichende Beweglichkeit des Innenteils zur Selbstzentrierung genügen. Bei dem Halteelement handelt es sich zum Beispiel um ein Gestänge oder um einen zylinderförmigen Körper wie einen Stab, ein Rohr oder einen Draht.
Ein Halteelement mit den oben genannten Abmessungen zeigt in der Regel eine ausreichend geringe Biegesteifigkeit, welche eine gewisse Pendelbewegung und damit eine ausreichende radiale Verschiebung des an seinem einen Ende fixierten Innenteils innerhalb der Durchgangsbohrung des Außenteils erlaubt. Andere aufwändige konstruktive Transportmechanismen zur Gewährleistung der axialen Beweglichkeit des Ziehdüsen-Innenteils können so entfallen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Ziehdüsen-Innenteil eine Mittenbohrung aufweist, die mit einer Innenbohrung des Halteelements in fluidischer Verbindung steht.
Das zur Halterung des Ziehdüsen-Innenteils eingesetzte Halteelement wird hierbei gleichzeitig zur Einleitung eines Prozessgases eingesetzt, das in die Innenbohrung des abzuziehenden Quarzglasstrangs eingeleitet wird.
Besonders bewährt hat sich eine Verfahrensweise, bei der die erweichte Quarzglasmasse einen hydrostatischen Druck von mindestens 180 mbar erzeugt.
Eine effektive Selbstzentrierung des Ziehdüsen-Innenteils erfordert einen gewissen Druckabfall über der Länge des Ringspalts. Je größer dieser Druckabfall ist, um so stärker ist – bei gegebener Verengung des Ringspalts – die auf das Innenteil wirkende Rückstellkraft bei einer Auslenkung. Der Druckabfall innerhalb der Ziehdüse entspricht dem hydrostatischen Druck der Quarzglasmasse. Bei einem Druckabfall von 180 mbar kann eine besonders effektive Rückstellkraft bereitgestellt werden.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Längenabschnitt „L" eine Länge von mindestens 10 mm aufweist, und dass ein Halteelement vorgesehen ist, an dem das Ziehdüsen-Innenteil – in Richtung der Ziehachse gesehen – radial beweglich innerhalb der Durchgangsbohrung des Außenteils hängend gehalten wird.
Die Vorrichtung dient zur Durchführung des oben erläuterten, erfindungsgemäßen Verfahrens. Störungen im abgezogenen Quarzglasstrang werden vermieden, indem auf eine Zentrierung des Ziehdüsen-Innenteils mittels „Finger" verzichtet wird, und statt dessen eine Selbstzentrierung des Innenteils ermöglicht wird. Dies wird durch folgende Maßnahmen erreicht:

1. Das Ziehdüsen-Innenteil wird radial frei beweglich innerhalb der Durchgangsbohrung des Ziehdüsen-Außenteils an einem Halteelement hängend gehalten wird. Dadurch ist eine gewisse Beweglichkeit des Ziehdüsen-Innenteils mit einer Bewegungskomponente in Richtung senkrecht zur Ziehachse einfach realisierbar. Bei einem biegesteifen Halteelement oder bei geringen Rückstellkräften kann diese Bewegung durch eine freie Verschiebbarkeit des Halteelements in horizontaler Richtung erreicht werden, oder dadurch, dass das untere Ende eine freie Pendelbewegung um einen oberen Haltepunkt ausführen kann. Bei weniger biegesteifen Halteelementen kann auch die elastische Verformbarkeit für eine ausreichende Beweglichkeit des Innenteils zur Selbstzentrierung genügen. Bei dem Halteelement handelt es sich zum Beispiel um ein Gestänge oder um einen zylinderförmigen Körper wie einen Stab, ein Rohr oder einen Draht.
2. Der Ringspalt zwischen Innenteil und Außenteil weist einen Längenabschnitt „L" mit einer Länge von mindestens 10 mm auf, in dem sich seine Düsenquerschnittsfläche von oben nach unten verringert. Die Verringerung der Düsenquerschnittsfläche kann auf einer kontinuierlichen oder stufenweisen Verengung des Ringspalts von oben nach unten beruhen und/oder – bei einem Ringspalt mit konstanter Ringspaltweite – indem sich der Durchmesser des Ringspalts von oben nach unten verringert. Bei der zuletzt genannten Variante wird der Ringspalt von zueinander parallelen Wandungen begrenzt, die mit der Ziehachse einen Winkel zwischen 0 und 90 Grad einschließen. Infolge der Verringerung der Düsenquerschnittsfläche von oben nach unten wird bei koaxial dezentriertem Innenteil im engeren Spaltbereich eine geringere Druckabnahme in vertikaler Richtung erzeugt als im weiteren Spaltbereich. Dieses nicht rotationssymmetrische Druckfeld um das Innenteil bewirkt eine resultierende Druckkomponente in radialer Richtung, die eine Rückstellkraft in Richtung auf die Einstellung eines rotationssymmetrischen Druckfeldes und damit einhergehend eine zentrierende Wirkung auf das Innenteil ausübt. Die Verengung des Ringspalts kann durch die Geometrien der Durchgangsbohrung des Ziehdüsen-Außenteils und/oder des Außenmantels des Innenteils hervorgerufen werden.

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.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen
1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Ziehofens mit einer an einem Halter radial beweglich gehaltenen Ziehdüsen-Innenteil, und die
2 bis 5 Abwandlungen der Ausführungsform der Ziehdüse.
Der Ziehofen gemäß 1 umfasst einen Schmelztiegel 1 aus Wolfram, in den von oben über einen Zufuhrstutzen 2 kontinuierlich SiO₂-Körnung 3 eingefüllt wird.
Der Schmelztiegel 1 ist von einem wassergekühlten (12) Ofenmantel 6 unter Bildung eines mit Schutzgas gespülten Schutzgasraums 10 umgeben, innerhalb dessen eine poröse Isolationsschritt 8 aus oxidischem Isolationsmaterial und eine Widerstandsheizeinrichtung 13 zum Erhitzen des Schmelztiegels 1 untergebracht sind. Der Schutzgasraum 10 ist nach unten hin offen und ansonsten mit einer Bodenplatte 15 und mit einer Deckplatte 16 nach Außen abgedichtet. Der Schmelztiegel 1 umschließt einen Tiegel-Innenraum 17, der ebenfalls gegenüber der Umgebung mittels einer Abdeckung 18 und einem Dichtelement 19 abgedichtet ist.
Im Bodenbereich des Schmelztiegels 1 ist eine Ziehdüse 4 aus Wolfram vorgesehen. Diese setzt sich zusammen aus einem ringförmigen Ziehdüsen-Außenteil 7, das in den Boden des Schmelztiegels 1 eingesetzt ist, und aus einem Ziehdüsen-Innenteil 9, das koaxial in der zylinderförmigen Innenbohrung 20 des Außenteils 7 gehalten wird. Das Innenteil 9 weist einen kegelstumpfförmigen Außenmantel auf, der sich nach oben verjüngt. Zwischen Außenteil 7 und Innenteil 9 ist daher ein Ringspalt 14 ausgebildet, der sich von oben nach unten verengt und durch den die weiche Quarzglasmasse 27 als Rohrstrang 5 nach unten in Richtung der Ziehachse 26 abgezogen wird.
Der Durchmesser der Außenteil-Innenbohrung 7 beträgt 200 mm und ihre Länge 100 mm. Dies entspricht auch der Länge „L" des Ringspalts 14 der Ziehdüse 4, dessen Weite von oben nach unten einem Maximalwert von 30 mm auf einen Minimalwert von 20 mm abnimmt.
Das Innenteil 9 der Ziehdüse 4 ist mit einem Halterohr 11 verbunden, das sich durch die Quarzglasmasse 27 erstreckt und über die obere Abdeckung 18 aus dem Tiegel-Innenraum 17 herausgeführt ist. Das Halterohr 11 besteht aus Wolfram. Es hat eine Länge von 160 cm, einen Außendurchmesser von 6 cm und einen Innendurchmesser von 1 cm. Außer zur Halterung des Ziehdüsen-Innenteils 9 dient das Halterohr 11 auch der Zufuhr eines Prozessgases zum Einstellen eines vorgegebenen Blasdrucks in der Innenbohrung des Rohrstrangs 5. Das Prozessgas wird hierzu einer im Innenteil 9 der Ziehdüse 4 ausgebildeten Durchgangsbohrung 25 zugeführt. Das aus dem Schmelzofen herausragende obere Ende des Halterohres 11 ist mit einer schematisch dargestellten Höhenverstell- und Verschiebeeinrichtung 28 verbunden, die neben der Höheneinstellung des Ziehdüsen-Innenteils 9 auch ein freies Verschieben in lateraler Richtung ermöglicht, wie dies die Richtungspfeile 29 andeuten. Diese Bewegung ermöglicht eine Selbstzentrierung des Ziehdüsen-Innenteils 9 innerhalb des Ziehdüsen-Außenteils.
Alternativ oder ergänzend zu der Höhenverstell- und Verschiebeeinrichtung 28 ist das Halterohr 11 über seine Länge von 160 cm so biegsam, dass es eine ausreichende laterale Beweglichkeit (Pendelbewegung) des Ziehdüsen-Innenteils 9 erlaubt. Die Biegesteifheit des Halterohrs hängt von seiner Wandstärke und seinem Außendurchmesser ab. In der Praxis ist eine ausreichend geringe Biegesteifheit bei Außendurchmessern von maximal 4 cm gegeben.
Durch die Abdeckung 18 ragt ein Einlass 22 und ein Auslass 21 für ein Tiegelinnenraum-Gas in Form von reinem Wasserstoff. Ebenso ist der Schutzgasraum 10 im oberen Bereich mit einem Gaseinlass 23 für reinen Wasserstoff versehen, der über die Bödenöffnung 24 des Ofenmantels 6 entweichen kann.
Die 2 bis 4 zeigen schematisch Abwandlungen der Ziehdüse 5 im Rahmen der Erfindung in vergrößerter Darstellung. 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.
Die Ziehdüse 30 gemäß 2 besteht aus einem Wolfram-Außenteil 7 mit zylindrischer Innenbohrung 14 entsprechend der in 1 dargestellten Vorrichtung. In der Innenbohrung 20 wird koaxial zur Längsachse 26 ein Ziehdüsen-Innenteil 31 aus Wolfram mittels rohrförmigem Halter 11 gehalten. Das Innenteil 31 setzt sich aus einem ringförmigen Oberteil 32 mit kleinerem Außendurchmesser und einem ringförmigen Unterteil 33 mit größerem Außendurchmesser zusammen. Die Innenbohrung des Halters 11 mündet in der Durchgangsbohrung 34 des Innenteils 31.
Der Ringspalt 35 zwischen Innenteil 31 und Außenteil 7 verengt sich somit nach unten stufenförmig, wobei die Stufe 36 etwa in der Mitte des Ringspalts 35 (über die Ringspalt-Länge „L" gesehen) vorgesehen ist. Der Innendurchmesser der Innenbohrung 20 beträgt 60 mm, der Ringspalt 35 hat eine Länge „L" von 40 mm, seine obere Weite liegt bei 15 mm, seine untere, minimale Weite bei 10 mm.
Bei der Ziehdüse 40 gemäß 3 ist der rohrförmige Halter 11 mit einem kegelförmigen Ziehdüsen-Innenteil 41 verbunden und wird mittels diesem koaxial in der Durchgangsbohrung 42 eines Wolfram-Außenteils 43 gehalten. Die Durchgangsbohrung 42 verengt sich von oben nach unten. Ihr maximaler Innendurchmesser beträgt 80 mm, der minimale Innendurchmesser beträgt 60 mm, und ihre Länge 60 mm.
Die Länge des kegelförmigen Innenteils 41 entspricht etwa der Länge der Durchgangsbohrung 42. Sein oberer, minimaler Außendurchmesser ist 30 mm und der maximale Außendurchmesser am unteren Ende beträgt 35 mm. Der Ringspalt 45 verengt sich somit über seine Länge „L" kontinuierlich von einem Maximalwert von 25 mm auf einen Minimalwert von 12,5 mm im Bereich des Düsenauslasses 46.
Die Ziehdüse 50 gemäß 4 weist ein Ziehdüsen-Außenteil 43 entsprechend der in 3 dargestellten Ziehdüse auf. In der Durchgangsbohrung 42 wird mittels des rohrförmigen Halters 11 ein zylinderförmiges Ziehdüsen-Innenteil 51 aus Wolfram mit einem Außendurchmesser von 80 mm gehalten.
Die Länge des zylinderförmigen Innenteils 51 von 150 mm entspricht etwa der Länge der Durchgangsbohrung 42. Der Außendurchmesser des Ringspalts 55 verringert sich über die Länge „L" somit kontinuierlich von einem Maximalwert von 140 mm auf einen Minimalwert von 100 mm im Bereich des Düsenauslasses 56.
Die Ziehdüse 60 gemäß 5 weist ein Ziehdüsen-Außenteil 43 entsprechend der in 3 dargestellten Ziehdüse auf. In der Durchgangsbohrung 42 wird mittels des rohrförmigen Halters 11 ein kegelförmiges Ziehdüsen-Innenteil 61 aus Wolfram gehalten. Die Kegelform des Ziehdüsen-Innenteils 61 ist derart, dass der Ringspalt 65 zwischen dem Innenteil 61 und dem Außenteil 43 über seine Länge „L" von 150 mm eine konstante Spaltweite von 20 mm aufweist.
Der Außendurchmesser des Ringspalts 65 verringert sich über die Länge „L" von einem Maximalwert von 140 mm auf einen Minimalwert von 100 mm im Bereich des Düsenauslasses 66. In einer weiteren, nicht figürlich dargestellten Ausführungsform der Erfindung, ist eine Ziehdüse vorgesehen, wie in 5 dargestellt, mit der Ausnahme, dass der Innendurchmesser des Ziehdüsen-Außenteils im unteren Bereich über eine Länge von 20 mm gegenüber dem Innendurchmesser des Ziehdüsen-Außenteils gemäß 5 kontinuierlich um 5 mm verringert, so dass sich im Bereich des Düsenauslasses eine gegenüber 5 verringerte Spaltweite des Ringspalts von 15 mm ergibt.
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 rohrförmigen Quarzglasstrangs 5 nach unten abgezogen und in Teilstücke der gewünschten Länge abgelängt.
Das Gewicht der Quarzglasmasse 27 bewirkt im Bereich des Tiegelbodens einen „hydrostatischen Druck" von etwa 200 mbar, wodurch die erweichte Quarzglasmasse den Ringspalt 14 mit einer Durchflussrate von etwa 28 kg/h passiert.
Bei einer Auslenkung des Ziehdüsen-Innenteils 9 bildet sich infolge der fließenden Quarzglasmasse 27 und der Verengung des Ringspalts 14 ein nicht rotationssymmetrisches Druckfeld um das Ziehdüsen-Innenteil 9 aus, welches in einer Rückstellkraft resultiert, die auf das Innenteil 9 in Richtung einer koaxialen (26) Zentrierung wirkt. Der Betrag der Rückstellkraft hängt vom Betrag der Auslenkung, der Geometrie des Ringspalts 14 und von der Viskosität der Quarzglasmasse 27 ab. Für eine Auslenkung von 5 mm lässt sich der Betrag der Rückstellkraft in Richtung senkrecht zur Längsachse 26 auf Basis der im Ausführungsbeispiel genannten Daten auf etwa 100 N abschätzen. Es hat sich gezeigt, dass der Halter 11 aufgrund seiner Länge, Wandstärke und seinem Durchmesser eine Biegesteifigkeit aufweist, die so gering ist, dass eine Rückstellkraft in der oben genannten Größenordnung ausreicht, um das am Halter 11 montierte Innenteil 9 in Richtung senkrecht zur Längsachse 26 zu bewegen und so die Auslenkung zu beseitigen.
Beim erfindungsgemäßen Ziehofen und Verfahren wird eine sich selbst zentrierende Ziehdüse eingesetzt, bei der auf Verbindungsstreben (Finger) zur Zentrierung des Ziehdüsen-Innenteils verzichtet werden kann, so dass das Ziehen von qualitativ hochwertigen Quarzglasrohren aus der Schmelze ermöglicht wird.

Claims

Verfahren zum Ziehen eines rohrförmigen Quarzglasstrangs, indem einem Schmelztiegel (1) SiO₂-haltiges Ausgangsmaterial (3) zugeführt, darin erweicht und als erweichte Quarzglasmasse (27) durch einen Ringspalt (14) zwischen einem Außenteil (7) und einem in einer Durchgangsbohrung (20) des Außenteils (7) angeordneten Innenteil (9) einer im Bodenbereich des Schmelztiegels (1) vorgesehenen Ziehdüse (4) als rohrförmiger Quarzglasstrang (5) in einer Ziehachse (26) vertikal nach unten abgezogen wird, wobei der Ziehdüsen-Ringspalt (14) einen Längenabschnitt „L" aufweist, in dem sich seine Düsenquerschnittsfläche von oben nach unten verringert, dadurch gekennzeichnet, dass der Längenabschnitt „L" eine Länge von mindestens 10 mm aufweist, und dass das Ziehdüsen-Innenteil (9) – in Richtung der Ziehachse (26) gesehen – radial frei beweglich innerhalb der Durchgangsbohrung (20) des Außenteils (7) hängend gehalten wird, und dass die erweichte Quarzglasmasse (27) – bezogen auf die minimale Querschnittsfläche des Ziehdüsen-Ringspalts (14) – mit einer Durchflussrate von mindestens 0,3 kg/h·cm² durch den Ringspalt (14) fließt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ringspalt (14) über mindestens einen Teil des Längenabschnitts „L" von oben nach unten verengt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchgangsbohrung (20) des Ziehdüsen-Außenteils (7) nach unten verengt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Ziehdüsen-Innenteil (9) nach unten verbreitert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Ringspalts (14) über seine Länge um mindestens 20% seiner maximalen Breite abnimmt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringspalt (14) über mindestens einen Teil des Längenabschnitts „L" von parallelen Seitenwänden umschlossen ist, wobei der Innendurchmesser des Ringspalts (14) von oben nach unten abnimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziehdüsen-Innenteil (9) an einem sich nach oben durch die erweichte Quarzglasmasse (27) hindurch erstreckenden Halteelement (11) gehalten wird, welches einen Außendurchmesser von maximal 40 mm und eine Länge von mehr als 100 cm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziehdüsen-Innenteil (9) eine Mittenbohrung (25) aufweist, die mit einer Innenbohrung des Halteelements (11) in fluidischer Verbindung steht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erweichte Quarzglasmasse (27) einen hydrostatischen Druck von mindestens 180 mbar erzeugt.
Vorrichtung zum Ziehen eines rohrförmigen Quarzglasstrangs, mit einem Schmelztiegel (1) zur Aufnahme von SiO₂-haltigem Ausgangsmaterial (3), der von einer Heizeinrichtung (13) zum Erweichen des Ausgangsmaterials (3) umgeben ist, sowie mit einer im Bodenbereich des Schmelztiegels (1) vorgesehenen Ziehdüse (4), die ein Außenteil (7) und ein in einer Durchgangsbohrung (20) des Außenteils (7) unter Belassung eines Ringspalts (14) angeordnetes Innenteil (9) aufweist, wobei der Ziehdüsen-Ringspalt (14) einen Längenabschnitt „L" aufweist, in dem sich seine Düsenquerschnittsfläche von oben nach unten verringert, dadurch gekennzeichnet, dass der Längenabschnitt „L" eine Länge von mindestens 10 mm aufweist, und dass ein Halteelement (11) vorgesehen ist, an dem das Ziehdüsen-Innenteil (9) – in Richtung der Ziehachse (26) gesehen – radial frei beweglich innerhalb der Durchgangsbohrung (20) des Außenteils (7) hängend gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ziehdüsen-Ringspalt (14) mindestens entlang des Längenabschnitts „L" von oben nach unten verengt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Durchgangsbohrung (20) des Ziehdüsen-Außenteils (7) nach unten verengt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Ziehdüsen-Innenteil (9) nach unten verbreitert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Ringspalts (14) über seine Länge um mindestens 20% seiner maximalen Breite abnimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ziehdüsen-Ringspalt (14) über mindestens einen Teil des Längenabschnitts „L" von parallelen Seitenwänden umschlossen ist, wobei der Innendurchmesser des Ringspalts (14) von oben nach unten abnimmt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (11) einen Außendurchmesser von maximal 40 mm und eine Länge von mehr als 100 cm aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Ziehdüsen-Innenteil (9) eine Mittenbohrung (25) aufweist, die mit einer Innenbohrung des Halteelements (11) in fluidischer Verbindung steht.