DE102006055397B3

DE102006055397B3 - Verfahren und Vorrichtung für die Herstellung eines zylinderförmigen Profilelements aus Quarzglas sowie Verwendung desselben

Info

Publication number: DE102006055397B3
Application number: DE200610055397
Authority: DE
Inventors: Thomas Bogdahn; Oliver Ganz; Norbert Cibis; Harald Hain; Andreas Schreiber
Original assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Quarzglas GmbH and Co KG
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2026-11-23
Also published as: WO2008061891A3; WO2008061891A2

Abstract

Ein bekannter optischer Strahler weist einen Hüllkörper aus Quarzglas zur Aufnahme eines optische Strahlung emittierenden Strahlungsemitters auf, der in Hauptabstrahlrichtung der Strahlung gesehen von einer Abstrahlfläche begrenzt ist. Um hiervon ausgehend einen kostengünstigen optischen Strahler mit flächiger Abstrahlcharakteristik bereitzustellen, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung für die reproduzierbare und kostengünstige Herstellung von maßhaltigem Halbzeug für die Herstellung eines derartigen Strahlers anzugeben, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Hüllkörper aus mehreren zylinderförmigen Profilelementen aus Quarzglas zusammengesetzt ist, die mindestens einen Teil der Abstrahlfläche bilden. Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung der Profilelemente wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein vorgefertigter Hohlzylinder aus Quarzglas bereichsweise in einer Heizzone erweicht und werkzeugfrei zu einem Rundrohr aus verformbarem Quarzglas elongiert wird, und das Rundrohr mittels eines Formwerkzeugs zu einem Profilstrang verformt mit vorgegebenem Querschnittsprofil verformt wird, und der Profilstrang zu dem Profilelement abgelängt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines zylinderförmigen Profilelements aus Glas, indem ein vorgefertigter Glas-Hohlzylinder in einer Heizzone bereichsweise erweicht, der erweichte Bereich mittels eines Formwerkzeugs zu einem Profilstrang mit vorgegebenem Querschnittsprofil verformt, und der Profilstrang zu dem Profilelement abgelängt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, umfassend eine Halterung für einen vorgefertigten Glas-Hohlzylinder, eine Heizeinrichtung zum bereichsweisen Erweichen des Glas-Hohlzylinders, sowie eine Verformungseinrichtung mit Formwerkzeug zum Verformen des erweichten Hohlzylinder-Bereichs zu einem Profilstrang mit vorgegebenem Querschnittsprofil.
Außerdem geht es in der Erfindung um eine Verwendung eines zylinderförmigen Profilelements aus Glas.
Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung dienen zur Herstellung von zylinderförmigem Profilelement mit beliebigem Querschnittsprofil, insbesondere von Rohren und Stäben aus Quarzglas mit polygonalem Querschnitt. Das Profilelement ist als Ausgangsprodukt für die Herstellung optischer Bauteile oder Vorformen für optische Fasern einsetzbar.
In der US-PS 3,620,707 A ist ein Verfahren zum Umformen eines vorgefertigten Rundrohres aus Glas zu einem Endrohr mit beliebigem polygonalen Querschnitt beschrieben. Hierzu wird das Rundrohr in vertikaler Orientierung mit seinem unteren Ende auf einem feststehenden Halter eingespannt. Ein Ringheizer wird von unten nach oben entlang des Rundrohres bewegt und dieses dadurch zonenweise von unten nach oben erweicht. Synchron zum Ringheizer wird ein Formwerkzeug mit beliebigem polygonalen Außenprofil durch die Innenbohrung des Rundrohres nach oben gezogen, wodurch dieses zu dem Endrohr umgeformt wird. Dessen Querschnittsprofil wird durch das Außenprofil des Formwerkzeugs bestimmt.
Ein ähnliches Verfahren und eine Vorrichtung zur Innenkalibrierung eines vorgefertigten Glasrohres sind auch aus der DE 296 16 981 U1 bekannt. Dabei werden an den Stirnseiten des Rohres Glashülsen angeschmolzen, mittels denen das Glasrohr in horizontaler Orientierung in eine Drehbank eingespannt wird. Zum zonenweisen Erweichen wird eine Ringheizung entlang des Glasrohres geführt und synchron dazu ein Formdorn aus Kohle, Grafit oder Keramik durch die Innenbohrung gezogen. Der Formdorn bestimmt das Querschnittsprofil des umgeformten Glasrohres.
Es sind auch Vertikalziehverfahren zum kontinuierlichen Ziehen von Rohren aus Quarzglas mit beliebigem Querschnittsprofil aus dem Schmelztiegel bekannt. Ein derartiges Verfahren beschreibt die DE 103 37 388 A1 . Das Sollprofil des abgezogenen Quarzglasrohres wird üblicherweise durch die Geometrie der Ziehdüse bestimmt. Für die Herstellung von Glaskörpern, die außerhalb des möglichen Geometriespektrums liegen, ist es erforderlich, die Ziehdüse auszuwechseln. Die anlagentechnisch bedingte Einschränkung durch die vorgegebene Ziehdüsengeometrie ist bei geringen Produktionsmengen und einer daraus resultierenden kurzen Tiegellaufzeit nachteilig, so dass in der DE 103 37 388 A1 zur Lösung dieses Problems eine an die eigentliche Ziehdüse ansetzbare und leicht auswechselbare Ansetzdüse mit spezifischer Düsenöffnung vorgeschlagen wird, die das Querschnittsprofil des abgezogenen Quarzglasrohres bestimmt. Die Düsenöffnung der Ansetzdüse ist im einfachsten Fall kreisförmig; es sind aber auch polygonale Querschnittsformen – zum Beispiel in Dreiecksform – möglich, insbesondere und Rechteckquerschnitte zum Ziehen plattenförmiger Quarzglaselemente sowie ellipsen- oder doppelellipsenförmige Querschnitte zum Ziehen sogenannter "Zwillingsrohre", wie sie für die Herstellung von Heizstrahlern eingesetzt werden.
Plattenförmige Bauteile sind für den Bau von Lampen mit flächiger Abstrahlcha rakteristik geeignet, wie sie beispielsweise für die Bestrahlung von planen oder gewölbten Oberflächen mit UV- oder IR-Strahlung eingesetzt werden.
Ein Hochleistungs-Excimerstrahler in Form eines Flachstrahlers ist aus der DE 40 10 809 A1 bekannt. Dieser weist einen von Quarzglasplatten begrenzten Entladungsraum für dielektrisch behinderte Entladung auf. Der Aufbau des Entladungsraums mittels plattenförmiger Quarzglaselemente ist relativ aufwändig.
Häufig werden deshalb auch bei Anforderungen an flächige Bestrahlung parallel zueinander angeordnete Strahler in Form von Rundrohren eingesetzt, die vor einem plattenförmigen Reflektor angeordnet sind. Beispielsweise beschreibt die EP-A2 0 133 847 einen Durchlaufofen zum kontinuierlichen Erwärmen von Material, wobei die Bestrahlungseinheit aus einer Vielzahl rohrförmiger, parallel zueinander verlaufender Heizstrahler besteht, die vor einem plattenförmiger Reflektor angeordnet sind. Der Reflektor besteht aus keramischen Fasermaterial und besitzt eine Reflektivität von ca. 85 %.
Aus der DE 40 22 100 C1 ist ein Flächenstrahler für Infrarot-Anwendungen bekannt, der aus mehreren zylinderförmigen Strahlermodulen zusammengesetzt ist, die eine gemeinsame Abstrahlfläche bilden.
Aus der DE 10 2004 051 846 A1 ist die Herstellung von diffus reflektierenden Schichten auf optischen Bauteilen aus Quarzglas bekannt. Die reflektierende Schicht besteht aus einer SiO₂-Masse, die mittels Schlickerverfahrens erzeugt worden und zu einer opaken Deckschicht gesintert ist. Das so beschichtete Quarzglas-Bauteil wird vorzugsweise in der Lampen- und Reflektorfertigung eingesetzt, wobei es in Form eines Rohres, Kolbens, einer Kammer, Halbschale, Kugel- oder Ellipsoid-Segment, Platte, Hitzeschildes oder dergleichen vorliegt. Das Quarzglas-Bauteil ist entweder Bestandteil eines optischen Strahlers mit integriertem Reflektor, wobei dieser von der SiO₂-Deckschicht gebildet wird, oder das Bauteil bildet einen separaten Reflektor und wird in Verbindung mit einem optischen Strahler eingesetzt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen optischen Strahler mit flächiger Abstrahlcharakteristik bereitzustellen, sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung für die reproduzierbare und kostengünstige Herstellung von maßhaltigem Halbzeug für die Herstellung eines derartigen Strahlers anzugeben.
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zum Verformen eines Hohlzylinders aus Quarzglas dieser in der Heizzone erweicht und werkzeug frei zu einem Rundrohr aus verformbarem Quarzglas elongiert wird, und das Rundrohr mittels des Formwerkzeugs zu dem Profilstrang verformt wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren geht es somit um die Herstellung eines Profilelements aus Quarzglas aus einem vorgefertigten Quarzglas-Hohlzylinder. Dieser wird in der Heizzone bereichsweise erhitzt, dabei erweicht und in einem Elongierprozess werkzeugfrei und abschnittsweise zu einem Rundrohr mit kleinerem Außendurchmesser oder kleinerer Wandstärke elongiert. Der bereits elongierte aber noch weiche Rundrohr-Abschnitt wird gleichzeitig mittels des Formwerkzeugs zu dem Profilstrang umgeformt. Während des Umformens dauert die Verlängerung des noch weichen Quarzglases an. Die dabei noch ablaufende Verlängerung des Strangs kann geringfügig sein. Es hat sich aber gezeigt, dass zum erfindungsgemäßen Umformen eines vorgefertigten Hohlzylinders aus Quarzglas das Andauern des Elongierens während des Umformvorgangs für eine präzise Einstellung der Sollkontur des Profilstrangs erforderlich ist.
Der Elongierschritt erfolgt werkzeugfrei durch Auseinanderziehen der Enden des Quarzglas-Hohlzylinders. Für das Umformen zum Profilstrang mit nicht kreisförmigem Querschnitt ist jedoch der Einsatz des Formwerkzeugs erforderlich. Der Profilstrang ist als Hohlstrang oder als Vollstrang ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Quarzglas-Hohlzylinder zu einem Rundrohr elongiert, dessen mittlere End-Wandstärke etwa der mittleren Wandstärke des zu formenden Profilstrangs entspricht.
Hierbei wird das Rundrohr soweit elongiert, dass seine Wandstärke unmittelbar vor dem Einsatz des Formwerkzeugs (= End-Wandstärke) nur geringfügig größer ist als die Soll-Wandstärke des Profilstrangs. Der wesentliche Umfang der Umformung vom Hohlzylinder zum Profilstrang erfolgt hierbei werkzeugfrei beim Elongierschritt. Das Formwerkzeug bewirkt eine Änderung der Querschnittsform des Strangs, jedoch im Idealfall keine Änderung seiner Wandstärke, allenfalls nur noch eine geringe Änderung. Davon abgesehen führt das andauernde Elongieren des Strangs während des werkzeuggestützten Umformens zwangsläufig zu einer weiteren, wenn auch geringfügigen Verringerung seiner Wandstärke.
In dieser Hinsicht hat es sich besonders bewährt, wenn die mittlere End-Wandstärke des Rundrohres zwischen 0 und 20 % größer, vorzugsweise zwischen 0 und 10 % größer ist, als die mittlere Wandstärke des zu formenden Profilstrangs ist (bezogen auf die endgültige mittlere Wandstärke des Profilstrangs).
Gleichermaßen wirkt sich auch eine Verfahrensvariante günstig aus, bei der der Quarzglas-Hohlzylinder zu einem Rundrohr elongiert wird, dessen End-Außenumfangslänge maximal 20 % größer, vorzugsweise maximal 10 % größer, als die Außenumfangslänge des zu formenden Profilstrangs ist (bezogen auf die endgültige Außenumfangslänge des Profilstrangs).
Hierbei wird das Rundrohr soweit elongiert, dass sein Außenumfang um den axialen Querschnitt unmittelbar vor dem Einsatz des Formwerkzeugs (= End-Außenumfangslänge) nur geringfügig größer ist als der Außenumfang des fertigen Profilstrangs. Bei einer weiteren Reduzierung der Außenumfangslänge von 20 % oder weniger, besonders bevorzugt 10 % oder weniger, erfolgt der wesentliche Umfang der Umformung vom Hohlzylinder zum Profilstrang werkzeugfrei beim Elongierschritt. Das Formwerkzeug bewirkt nur noch eine Änderung der Querschnittsform des Strangs, jedoch im Idealfall keine Änderung seiner Außenumfangslänge, allenfalls nur noch eine geringe Änderung. Davon abgesehen führt das andauernde Elongieren des Strangs während des werkzeuggestützten Umformens zwangsläufig zu einer weiteren, wenn auch geringfügigen Verringerung der Außenumfangslänge des Profilstrangs. Die genannten Prozentangaben beziehen sich auf die endgültige Außenumfangslänge des Profilstrangs.
Für das Elongieren für das Umformen können separate Heizzonen eingesetzt werden. Bevorzugt ist aber eine Verfahrensvariante, bei der das Elongieren zum Rundrohr und das Umformen zum Profilstrang innerhalb derselben Heizzone erfolgen.
Dadurch wird ein mehrfaches oder lang andauerndes Heizen der abzuziehenden Quarzglasmasse und die damit einhergehende Gefahr unbeabsichtigter Verformungen vermieden.
In dieser Hinsicht hat es sich bewährt, wenn – in Ziehrichtung gesehen – das Umformen zum Profilstrang im letzten Drittel der Heizzone erfolgt.
Vorzugsweise greift das Formwerkzeug nur am Außenumfang des Rundrohres an.
Die Verformung zum Profilstrang erfolgt hierbei mittels eines außen am Rundrohr angreifenden Formwerkzeugs. Die Innenbohrung des abgezogenen Profilstrangs wird werkzeugfrei geformt. Dadurch ergibt sich eine besonders glatte, schädigungsfreie und verunreinigungsarme Innenwandung des hohlen Profilstrangs und daraus erhaltener Profilelemente. Bei Anwendungen, bei denen es auf eine schädigungsfreie Außenwandung des Profilstrangs ankommt, greift das Formwerkzeug vorzugsweise nur in der Innenbohrung des Rundrohres an.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich für die Ausbildung eines Profilrohres mit rechteckigem Querschnitt besonders bewährt.
Aus einem derartigen Profilrohr werden durch Ablängen rechteckige Hohlprofilelemente erhalten. Diese können beispielsweise als Halbzeug für die Herstellung optischer Strahler mit flächiger Abstrahlcharakteristik verwendet werden, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird.
Alternativ dazu wird das erfindungsgemäße Verfahren auch vorteilhaft für die Ausbildung eines Profilrohres mit sechseckigem Querschnitt eingesetzt.
Aus einem derartigen Profilrohr werden durch Ablängen Hohlprofilelemente mit Sechseck-Querschnitt erhalten. Diese können beispielsweise als Hüllrohr für die Herstellung sogenannter „optische Hohlfasern" (Photonic Cristal Fibres (PCF), auch als „Holey Fibres", oder photonische Kristallfasern bezeichnet) eingesetzt werden. Dabei werden in der Innenbohrung eines Hüllrohres mit polygonalem, vorzugsweise sechseckigem, Innenquerschnitt eine Vielzahl von Kapillaren dicht gestapelt und mit ihren Längsachsen parallel zueinander angeordnet.
Es hat sich bewährt, wenn ein Formelement eingesetzt wird, dessen Querschnitt in Ziehrichtung gesehen, von Kreisform allmählich in das Außenquerschnittsprofil des Profilstrangs übergeht.
Der allmähliche Übergang von Kreisform auf das Soll-Außenprofil des Profilstrangs erleichtert die Kontrolle des Elongierprozesses und die Einhaltung vorgegebener Sollabmessungen des Profilstrangs.
Weiterhin hat es sich bewährt, wenn in der Innenbohrung des Hohlzylinders ein gegenüber dem außen anliegenden Außendruck erhöhter Innendruck aufrecht erhalten wird.
Durch Anpassung des Innendrucks wird die Einstellung und Einhaltung vorgegebener Abmessungen des Profilstrangs erleichtert.
In Bezug auf die Vorrichtung wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Halterung eine Zieheinrichtung zum bereichsweisen werkzeugfreien Elongieren des Hohlzylinders zu einem Rundrohr vor dem Verformen zum Profilstrang umfasst, und dass das Formwerkzeug im Elongierbereich des Rundrohres positionierbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zur Durchführung des oben beschriebenen Umformverfahrens. Wichtige Bestandteile sind eine Heizeinrichtung, mittels der ein vorgefertigter Quarzglas-Hohlzylinder bereichsweise erhitzt und erweicht werden kann, eine Zieheinrichtung, mittels der der erweichte Bereich zu einem Rohr-Abschnitt aus Quarzglas elongierbar ist, und eine Verformungseinrichtung mit Formwerkzeug, mittels dem der noch weiche Rohr-Abschnitt aus Quarzglas unter fortdauernder Elongation bereichsweise verformbar ist und dabei zu einem Profilstrang langgezogen wird.
Beim Elongieren des Hohlzylinders bildet sich eine Ziehzwiebel (= Elongierbereich). Das Formwerkzeug ist in einem Bereich hinter oder unter der Ziehzwiebel positionierbar, in dem der Quarzglas-Hohlzylinder bereits abschnittsweise zu einem Rundrohr mit kleinerem Außendurchmesser oder kleinerer Wandstärke elongiert, das Quarzglas aber noch verformbar ist. Diejenigen Teile des Formwerkzeugs, die mit weichem Quarzglas in Kontakt kommen bestehen aus temperaturstabilem Werkstoff wie Grafit, CFC oder Keramiken wie etwa SiC, Al₂O₃.
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 Verfahrensan sprächen verwiesen. Die in den übrigen Unteransprüchen genannten Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nachfolgend näher erläutert.
Vorzugsweise ist das Formwerkzeug innerhalb der Heizzone positionierbar.
Dadurch können das Elongieren zum Rundrohr und das Umformen zum Profilstrang innerhalb derselben Heizzone erfolgen, so dass ein mehrfaches oder lang andauerndes Heizen der abzuziehenden Quarzglasmasse und die damit einhergehende Gefahr unbeabsichtigter Verformungen vermieden wird.
Das Formwerkzeug kann einstückig ausgebildet sein. Besonders bevorzugt wird aber eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der das Formwerkzeug ein am Außenumfang des Rundrohres angreifendes Formelement aus mindestens zwei gegeneinander beweglichen Formbacken aufweist.
Die Formbacken definieren eine Öffnung entsprechend dem herzustellenden Profil. Sie können auseinander bewegt werden und erleichtern so das Einfädeln des Anfangsstückes beim Anziehen des Quarzglas-Hohlzylinders.
Besonders bewährt hat sich eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der das Formwerkzeug auf einem Haltegestell fixiert und dieses auf einer Positioniereinheit montiert und mittels dieser in Richtung der Ziehachse und senkrecht dazu verschiebbar ist.
Mittels der Positioniereinheit und dem darauf montierten Haltegestell ist das Formwerkzeug exakt in der Mittelachse des zu elongierenden Hohlzylinders und in der optimalen Entfernung zur Ziehzwiebel positionierbar.
Hinsichtlich der Verwendung wird die oben angegebene Aufgabegelöst, indem ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenes Profilelement für die Herstellung eines optischen Strahlers eingesetzt wird, wobei mehrere zylinderförmige Profilelemente so zusammengesetzt sind, dass sie – in Hauptabstrahlrichtung gesehen – eine gemeinsame Abstrahlfläche eines Hüllkörpers aus Quarzglas zur Aufnahme eines Strahlungsemitters bilden
Der optische Strahler ist aus Profilelementen zusammengesetzt, wie sie anhand des weiter oben beschriebenen Verfahrens mit hoher Maßhaltigkeit und kostengünstig hergestellt werden können.
Um eine vorgegebene Strahlerfläche auszufüllen, sind mehrere derartiger Profilelemente segmentartig so miteinander verbunden, das sie eine flächige Anordnung mit einer gemeinsamen Abstrahlfläche bilden.
Die Abstrahlfläche macht mindestens einen Teil der gesamten vorgegebenen Strahlerfläche aus, im Idealteil die gesamte Strahlerfläche. Diese kann mittels der einzelnen Profilelement-Segmente einfach und flexibel gefüllt werden, auch noch in guter Annäherung bei komplexen, nicht rechtwinkligen Flächenkonturen. Die von den Profilelementen aufgespannte Abstrahlfläche ist in der Regel plan, sie kann aber auch eine gekrümmt Hüllkurve aufweisen, beispielsweise zur Anpassung an den Außenmantel eines zu bestrahlenden Bauteils mit Walzenform.
Die zylinderförmigen Profilelemente weisen einen polygonalen Querschnitt auf, im einfachsten Fall eine Rechteckform. Jedes Profilelement umschließt einen Hohlraum, der herstellungsbedingt zwei sich gegenüberliegende Öffnungen aufweist. Im fertigen Strahler sind die Hohlräume der einzelnen Profilelemente entweder so miteinander verbunden, dass sie einen gemeinsamen Hohlraum für die Aufnahme eines Strahlungsemitters bilden oder die Hohlräume sind getrennt. Im erstgenannten Fall sind die Anforderungen an die Dichtigkeit der Fügeverbindung hoch, im zuletzt genannten Fall gering. Bei dem im Hohlraum oder in den Hohlräumen angeordneten Strahlungsemitter handelt es sich beispielsweise um eine Strahlung emittierende Gasfüllung, eine Heizwendel, eine Carbonband oder um eine oder mehrere Elektroden zur Erzeugung einer elektrischen Entladung.
Die Profilelemente können miteinander verschweißt sein. Besonders bevorzugt sind die Profilelemente jedoch mittels einer SiO₂-Fügemasse aus mindestens teilweise opakem SiO₂ miteinander verbunden.
Die zylinderförmigen Profilelemente werden hierbei mittels einer SiO₂-Fügemasse aus mindestens teilweise opakem SiO₂ miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt über aneinander angrenzende Seitenwandungen benachbarter Profilelemente. Der Einsatz einer derartigen Fügemasse für die Herstellung von Fügeverbindungen aus Quarzglas-Bauteilen ist aus der DE 10 2004 054 392 A1 bekannt. Die in dieser Druckschrift beschriebene Art und Herstellung der SiO₂-Fügemasse ist auch für die Fügemasse gemäß vorliegender Anmeldung geeignet und insoweit wird der Offenbarungsgehalt der DE 10 2004 054 392 A1 hiermit ausdrücklich einbezogen.
Beim Einsatz der Fügemasse zur Verbindung der einzelnen Profilelemente erfüllt die Fügemasse eine weitere Funktion, nämlich als diffuser Reflektor für Strahlung über einen großen Wellenlängenbereich. Die an den Seitenwandungen der Profilelemente vorhandene Fügemasse reflektiert daher die nicht in Hauptabstrahlrichtung verlaufende Strahlung und trägt so zur Verbesserung des Wirkungsgrades beim erfindungsgemäßen Strahler bei.
Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn die SiO₂-Fügemasse in Bezug auf das Quarzglas des Hüllkörpers aus arteigenem Material besteht.
Unter einem „arteigenen Material" wird hier verstanden, dass sich die SiO₂-Gehalte von Fügemasse und Profilelemente um maximal 3 Gew.-%, vorzugsweise maximal 1 Gew.-% voneinander unterscheiden. Durch angepasste Ausdehnungskoeffizienten wird eine hohe mechanische Festigkeit der Fügeverbindung und insbesondere eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Strahlers bilden die Profilelemente eine der Abstrahlfläche gegenüberliegende Hüllkörper-Rückwand, auf der eine als diffuser Reflektor wirkende SiO₂-Reflektorschicht aus mindestens teilweise opakem SiO₂ aufgebracht ist.
Die Reflektorschicht besteht aus mindestens teilweise opakem Quarzglas. Sie bedeckt die Rückwand des Strahlers ganz oder teilweise und sie wirkt als diffuser optischer Reflektor. Sie ist vollständig oder zum größten Teil aus dotiertem oder aus undotiertem SiO₂ hergestellt.
Die Reflektorschicht weist einen hohen Reflexionsgrad auf. Da sie ist auf einer der Hauptabstrahlrichtung abgewandten Fläche des Strahlers vorgesehen und trägt damit zusätzlich zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei. Weiterhin zeichnet sich der Reflektor in Form einer SiO₂-Reflektorschicht durch eine hervorragende chemische und thermische Beständigkeit und mechanische Festigkeit sowie durch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aus.
Hinsichtlich weiterer Eigenschaften und der Herstellung der SiO₂-Reflektorschicht wird auf den Stand der Technik gemäß der oben erwähnten DE 10 2004 051 846 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt insoweit ausdrücklich einbezogen wird.
Bei einer ersten bevorzugten Ausgestaltungsvariante des Strahlers mit SiO₂-Reflektorschicht ist diese auf der der Abstrahlfläche abgewandten, gemeinsamen Außenfläche der Rückwand aufgebracht.
Dadurch werden Beeinträchtigungen des Strahlungsemitters oder der Atmosphäre innerhalb des Hüllkörpers vermieden. Weiterhin ist die Reflektorschicht auf der Außenseite des Hüllkörpers besonders einfach aufzubringen.
Bei einer zweiten, gleichermaßen bevorzugten Ausführungsvariante ist die SiO₂-Reflektorschicht auf den der Abstrahlfläche zugewandten Innenseiten der Profilelemente aufgebracht.
Die auf den Innenseiten der Profilelemente vorgesehene Reflektorschicht ist dem Strahlungsemitter unmittelbar benachbart, so dass Absorptionsverluste durch das Material des Hüllkörpers vermieden werden. Außerdem ist die Reflektorschicht dort vor mechanischer Beschädigung geschützt.
Die Profilelemente können jeden beliebigen polygonalen Querschnitt aufweisen. Im Hinblick auf eine einfache Herstellung und Verarbeitung werden Profilelemente mit rechteckiger Querschnittsfläche bevorzugt.
Die SiO₂-Reflektorschicht kann einen Dotierstoff enthalten, der im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich eine optische Absorption erzeugt.
Mittels des Dotierstoffs kann eine wellenlängenselektive Reflexion der Reflektorschicht bewirkt werden. Hierzu wird ein Dotierstoff eingesetzt, der im ultravioletten, sichtbaren und/oder im infraroten Spektralbereich eine oder mehrere Absorptionslinien in Quarzglas erzeugt. Dadurch ist in dem von der Reflektorschicht reflektierten Lichtwellenspektrum ein Anteil der absorbierten Strahlung nicht mehr enthalten. Insoweit wirkt die Reflektorschicht auch als Filter und kann eine ansonsten notwendige Filtermaßnahme, wie eine Dotierung des Quarzglases des Hüllkörpers oder eine Beschichtung mit einem Filtermaterial ersetzen oder ergänzen.
Hinsichtlich weiterer Eigenschaften und der Herstellung der selektiv reflektierenden SiO₂-Reflektorschicht wird auf den Stand der Technik gemäß der DE 10 2005 016 732 A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt insoweit ausdrücklich einbezogen wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt im Einzelnen
1 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine erste Ausführungsform einer Verformungseinrichtung mit einem zweiteiligen Formwerkzeug in einer dreidimensionalen schematischen Darstellung,
3 eine zweite Ausführungsform einer Verformungseinrichtung mit einem einteiligen Formwerkzeug in einer dreidimensionalen schematischen Darstellung,
4 eine erste Ausführungsform eines aus Segmenten zusammengesetzten optischen Flachstrahlers mit einer Reflektorschicht auf der Außenwandung in schematischen Querschnittsdarstellung, und
5 eine zweite Ausführungsform eines aus Segmenten zusammengesetzten optischen Flachstrahlers mit einer Reflektorschicht auf der Innenwandung in schematischen Darstellung und im Querschnitt.
Die in 1 schematisch dargestellte Zieh- und Umformvorrichtung wird zur Herstellung von Hohlprofilen mit rechteckigem Querschnitt aus synthetischem Quarzglas eingesetzt. Dabei wird ein Hohlzylinder 1 aus synthetischem Quarzglas (gebrochen dargestellt) elongiert und gleichzeitig zu einem Hohlprofilstrang 11 umgeformt. Aus diesem werden durch Ablängen die gewünschten Hohlprofile erhalten.
Die Vorrichtung umfasst einen vertikal angeordneten, auf Temperaturen oberhalb von 2300°C beheizbaren Ofen mit einem ringförmigen Widerstandsheizelement 6, eine in Ziehrichtung 10 verfahrbare Halterung 18 für die vertikale Halterung und die Zufuhr des Hohlzylinders 1 zum Ofen, einen Abzug 2, eine Verformungseinrichtung, der insgesamt die Bezugsziffer 3 zugeordnet ist, sowie ein Gasversorgungssystem, das durch eine in die Innenbohrung 17 des Hohlzylinders 1 ragende Gasleitung 4 und einem Absperrventil 5 angedeutet ist.
Der Hohlzylinder 1 mit ringförmigem Querschnitt hat einen Außendurchmesser von 150 mm, einen Innendurchmesser von 100 mm und eine Länge von etwa 3000 mm. Beim Ziehprozess wird er mit vertikal orientierter Längsachse 7 mit seinem unteren Ende beginnend dem Heizelement 6 von oben kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 25 mm/min zugeführt, darin zonenweise erweicht und dabei unter Ausbildung einer Ziehzwiebel 8 zunächst zu einem Rohrabschnitt 9 elongiert.
Dabei wird der Rohrabschnitt 9 soweit gezogen bis seine Wandstärke etwa 2 mm beträgt. Diese Bedingung ist im unteren Drittel des Heizelements 6 erfüllt. Der entsprechende kleinste Querschnitt des Rohrabschnitts 9 – in Ziehrichtung 10 gesehen – ist schematisch in Ausschnitt A dargestellt. Sein Außendurchmesser liegt bei 40 mm und seine mittlere Wandstärke beträgt 2,2 mm. An dieser Stelle setzt die Verformungseinrichtung 3 an der Außenwandung des Rohrabschnitts 9 verformend an.
Die Verformungseinrichtung 3 umfasst eine Positioniereinrichtung 12, auf der ein Haltegestell 13 montiert ist. Das Haltegestell 13 trägt ein Formwerkzeug 14 aus Grafit, das von unten in den vom Heizelement 6 umgebenen Heizraum 16 hineinragt. Das Formwerkzeug 14 besteht im Wesentlichen aus zwei getrennt bewegbaren Halbschalen 15, die einen Hohlraum umschließen, dessen Querschnittsform sich von oben von nach unten von Kreisform kontinuierlich in Rechteckform ändert.
Die Abmessungen der Rechteckform am unteren Ende der aneinander liegenden Halbschalen 15 betragen 40 mm × 20 mm. Dementsprechend wird der Rohrabschnitt 9 mittels des Formwerkzeugs 14 zu einem Hohlprofilstrang 11 mit recht eckigem Querschnitt umgeformt, dessen Außenabmessungen 40 mm × 20 mm betragen, und der eine gleichmäßige mittlere Wandstärke von etwa 2 mm aufweist. Der entsprechende Endquerschnitt des Hohlprofilstrang 11 ist schematisch in Ausschnitt B dargestellt. Der Hohlprofilstrang 11 wird mittels des Abzugs 2 mit einer Geschwindigkeit von 900 mm/min abgezogen.
Während des Elongier- und Verformungsprozesses wird in der Innenbohrung 17 des Hohlzylinders 1 ein Überdruck von 2 mbar aufrechterhalten.
2 zeigt schematisch die Verformungseinrichtung 3 in dreidimensionaler Darstellung. Aus Gründen einer besseren Erkennbarkeit sind die Grafit-Halbschalen 15 des Formwerkzeugs 14 geöffnet dargestellt. Sie umschließen einen Hohlraum, in den von oben der elongierte Rohr-Abschnitt 9 eintritt und aus dem er als Hohlprofilstrang 11 austritt.
Die Positioniereinrichtung 12 umfasst eine Verstelleinrichtung 20 für die Positionierung des Formwerkzeug 13 in der Höhe und eine Verstelleinrichtung 21 für das Öffnen und Schließen der Halbschalen 15.
3 zeigt schematisch eine Verformungseinrichtung in dreidimensionaler Darstellung mit einer alternativen Ausführung des Formwerkzeugs 30. Wesentlicher Bestandteil ist hier eine einteilige Formhülse 31, die einen Hohlraum umschließt, dessen Querschnittsform sich von oben von nach unten von einer Kreisform kontinuierlich in Rechteckform ändert. Der elongierte Rohr-Abschnitt 9 mit ringförmigem Querschnitt tritt in den Hohlraum von oben ein, wird darin umgeformt und tritt als Hohlprofilstrang 11 mit Rechteckquerschnitt aus.
Die abgelängten Hohlprofile werden als Halbzeug für die Fertigung von Excimer-Flachstrahlern gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt, wie dies im Folgenden näher beschrieben wird.
4 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Excimer-Flachstrahlers 40. Dessen Strahlerhülle besteht aus synthetischem Quarzglas und ist aus insgesamt drei Rechteck-Hohlprofilen 41 mit Abmessungen von 40 mm × 20 mm und einer Wandstärke von 2 mm zusammengesetzt. Die Hohlprofile 41 sind mit ihren langen Seitenwänden miteinander verbunden. Die Gesamtfläche der Strahlerhülle beträgt somit 60 mm × 40 mm. Die Hohlräume 42 der Hohlprofile 41 sind voneinander getrennt. Zur Abdichtung nach außen werden die offenen Stirnseiten der Hohlprofile 41 mit einer durchgehenden (im Querschnitt von 4 nicht dargestellten) Quarzglas-Platte verschlossen.
Die Fügeverbindungen zwischen den Hohlprofilen 41 und der Verschlussplatten aus Quarzglas bestehen aus im Minimum ca. 0,5 mm dicken Schichten 43 aus reinem, opakem SiO₂. Die SiO₂-Schichten 43 zeichnen sich durch Rissfreiheit und eine hohe Dichte von etwa 2,15 g/cm³ aus. Das SiO₂ wird aus einer Fügemasse erhalten, die mittels eines Schlickerverfahrens erzeugt wird, wie es in der oben genannten DE 10 2004 054 392 beschrieben ist. Die so hergestellten Fügeverbindungen (43) sind mechanisch stabil und zeigen eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit auch bei Einsatztemperaturen oberhalb von 1000°C.
Die Hohlprofile 41 sind so angeordnet, dass sie in Hauptabstrahlrichtung 47 eine gemeinsame plane Vorderseite 44 und eine dieser gegenüberliegende gemeinsame plane Rückseite 45 aufweisen. Die Rückseite 45 ist vollständig mit einer SiO₂-Deckschicht 46 bedeckt sind, die aus opakem Quarzglas besteht und die eine mittlere Schichtdicke um 2 mm aufweist. Die SiO₂-Deckschicht 46 bewirkt eine diffuse, ungerichtete Reflexion und dient somit als Reflektorschicht. Die Herstellung der Reflektorschicht erfolgt durch Trocknen und Sintern eines SiO₂-Masse, die mittels eines Schlickerverfahrens erzeugt wird, wie es in der oben erwähnten DE 10 2004 051 846 beschrieben ist. Auch die SiO₂-Schichten 43 wirken diffus reflektierend und tragen daher zur Verbesserung des Strahlungswirkungsgrades des Excimerstrahlers 40 bei.
Bei der Abwandlung des Excimer-Flachstrahlers 50 gemäß 5 sind anstelle einer rückseitig aufgebrachten gemeinsamen Reflektorschicht separate Reflektorschichten 56 jeweils im Hohlraum 52 eines jeden Hohlprofils 51 vorgesehen.
Hierzu sind jeweils die der Vorderseite 54 zugewandten Innenwandungen der Hohlprofile 51 mit einer Schicht (56) aus opakem SiO₂ versehen, das so hergestellt wird, wie oben anhand 4 für die SiO₂-Deckschicht 46 erläutert.

Claims

Verfahren für die Herstellung eines zylinderförmigen Profilelements aus Glas, indem ein vorgefertigter Glas-Hohlzylinder (1) in einer Heizzone (6; 16) bereichsweise erweicht, der erweichte Bereich (8) mittels eines Formwerkzeugs (3) zu einem Profilstrang (11) mit vorgegebenem Querschnittsprofil verformt, und der Profilstrang (11) zu dem Profilelement abgelängt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verformen eines Hohlzylinders (1) aus Quarzglas dieser in der Heizzone (6; 16) erweicht und werkzeugfrei zu einem Rundrohr (9) aus verformbarem Quarzglas elongiert wird, und das Rundrohr (9) mittels des Formwerkzeugs (3) zu dem Profilstrang (11) verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzglas-Hohlzylinder (1) zu einem Rundrohr (9) elongiert wird, dessen mittlere End-Wandstärke etwa der mittleren Wandstärke des zu formenden Profilstrangs (11) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere End-Wandstärke des Rundrohres (9) zwischen 0 und 20 % größer, vorzugsweise zwischen 0 und 10 % größer ist, als die mittlere Wandstärke des zu formenden Profilstrangs (11).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Quarzglas-Hohlzylinder (1) zu einem Rundrohr (9) elongiert wird, dessen End-Außenumfangslänge maximal 20 % größer, vorzugsweise maximal 10 % größer, als die Außenumfangslänge des zu formenden Profilstrangs (11) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elongieren zum Rundrohr (9) und das Umformen zum Profilstrang (11) innerhalb der Heizzone (6; 16) erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass – in Ziehrichtung (10) gesehen – das Umformen zum Profilstrang (11) im letzten Drittel der Heizzone (6; 16) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) nur am Außenumfang des Rundrohres (9) angreift.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Profilrohr mit rechteckigem Querschnitt erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Profilrohr mit sechseckigem Querschnitt erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Formelement (3) eingesetzt wird, dessen Innenquerschnitt in Ziehrichtung (10) gesehen, von Kreisform allmählich in das Außenquerschnittsprofil des Profilstrangs (11) übergeht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Innenbohrung (17) des Hohlzylinders (1) ein gegenüber dem außen anliegenden Außendruck erhöhter Innendruck aufrecht erhalten wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend eine Halterung (18) für einen vorgefertigten Glas-Hohlzylinder (1), eine Heizeinrichtung (6; 16) zum bereichsweisen Erweichen des Glas-Hohlzylinders (1), sowie ein Formwerkzeug (3) zum Verformen des erweichten Hohlzylinder-Bereichs (8) zu einem Profilstrang (11) mit vorgegebenem Querschnittsprofil, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterung (18) eine Zieheinrichtung (2) zum bereichsweisen werkzeugfreien Elongieren des Hohlzylinders (1) zu einem Rundrohr (9) vor dem Verformen umfasst, und dass das Formwerkzeug (3) im Elongierbereich (8) des Rundrohres (9) positionierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) innerhalb der Heizzone (6; 16) positionierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass – in Ziehrichtung gesehen – das Formwerkzeug (3) im letzten Drittel der Heizzone (6; 16) positionierbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) nur am Außenumfang des Rundrohres (9) angreift.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) ein am Außenumfang des Rundrohres (9) angreifendes Formelement mit (14; 15) rechteckigem Innenquerschnitt aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug ein am Außenumfang des Rundrohres (9) angreifendes Formelement mit sechseckigem Innenquerschnitt aufweist.
Vorrichtung nach eine m der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement (3) einen Innenquerschnitt aufweist, der in Ziehrichtung (10) gesehen, von Kreisform allmählich in das Außenquerschnittsprofil des Profilstrangs (11) übergeht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckeinrichtung (5) zur Erzeugung eines erhöhten Innendrucks in der Innenbohrung (17) des Hohlzylinders (1) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) ein am Außenumfang des Rundrohres (9) angreifendes Formelement (14; 15) aus mindestens zwei gegeneinander beweglichen Formbacken (15) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Formwerkzeug (3) auf einem Haltegestell (13) fixiert und dieses auf einer Positioniereinheit (12) montiert und mittels dieser in Richtung der Ziehachse (10) und senkrecht dazu verschiebbar ist.
Verwendung eines zylinderförmigen, nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11 erhaltenen Profilelements für die Herstellung eines optischen Strahlers, wobei mehrere zylinderförmige Profilelemente (41; 51) so zusammengesetzt sind, dass sie – in Hauptabstrahlrichtung (47) gesehen – eine gemeinsame Abstrahlfläche (44) eines Hüllkörpers aus Quarzglas zur Aufnahme eines Strahlungsemitters bilden.
Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilelemente (41; 51) aus Quarzglas mittels einer SiO₂-Fügemasse (43) aus mindestens teilweise opakem SiO₂ miteinander verbunden sind.
Verwendung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Fügemasse (43) in Bezug auf das Quarzglas des Hüllkörpers aus arteigenem Material besteht.
Verwendung nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilelemente (41; 51) eine der Abstrahlfläche (41; 51) gegenüberliegende Hüllkörper-Rückwand (45) bilden, auf der eine als diffuser Reflektor wirkende SiO₂-Reflektorschicht (46; 56) aus mindestens teilweise opakem SiO₂ aufgebracht ist.
Verwendung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Reflektorschicht (46) auf der der Abstrahlfläche (41) abgewandten Außenfläche der Rückwand (45) aufgebracht ist.
Verwendung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Reflektorschicht (56) auf den der Abstrahlfläche (51) zugewandten Innenseiten der Profilelemente (41; 51) aufgebracht ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die SiO₂-Reflektorschicht (46; 56) einen Dotierstoff enthält, der im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich eine optische Absorption erzeugt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilelemente (41; 51) eine rechteckige Querschnittsfläche aufweisen.