In
der US-A 4,684,384 wird beschrieben, wie zugleich auf zwei Trägerstäben die
Abscheidungen mittels mehrerer Brenner erzeugt und so mehrere SiO2 Sootkörper
gleichzeitig aufgebaut werden. Hierzu sind die Brenner an einer
umlaufenden Bewegungsbahn angeordnet und werden insbesondere kontinuierlich
in einer vorgegebenen Richtung bewegt. Entlang der Bewegungsbahn
wird jeder Brenner zunächst
von oben nach unten an dem ersten Trägerstab entlang geführt, anschließend durch
eine Umlenkung dem zweiten Trägerstab
zugeführt
und in umgekehrter Richtung von unten nach oben an diesem entlang
geführt.
Weiterhin wird auch ein diskontinuierlicher Betrieb beschrieben,
bei dem die Brenner in wechselnden Positionen gestoppt werden und anschließend die
Bewegungsrichtung umgekehrt wird.
Als
nachteilig erweist sich bei dieser Vorrichtung jedoch, dass die
einzelnen Brenner durch ein Verkettungsmittel verbunden sind, welches
im Innenraum der Kammer angeordnet ist und damit hohen thermischen
Einflüssen
ausgesetzt ist.
Weiterhin
sind für
das Verkettungsmittel Umlenkungen mit entsprechenden Lagern erforderlich. Aufgrund
der hohen Anforderungen an die Qualität muss jedoch ausgeschlossen
sein, dass durch das Verkettungsmittel und die Umlenkung, Stoffe
freigesetzt werden, die sich anderenfalls auf der Oberfläche der
Sootkörper
niederschlagen könnten
und diese durch Verunreinigungen unbrauchbar machen würden.
Weiterhin
ist es für
einen gleichmäßigen Schichtaufbau
des Sootkörpers
von entscheidender Bedeutung, eine gleichmäßige Luftströmung im
Inneren der Kammer zu erzeugen, die im wesentlichen von dem Brenner
in Richtung des jeweiligen Sootkörpers
verläuft.
Hierbei erweisen sich jedoch neben den Brennern auch die Verkettungsmittel
einschließlich
der Umlenkungen als hinderlich, wobei insbesondere die Ausbildung
einer weitgehend laminaren Luftströmung behindert wird. Hierdurch
kann es in der Praxis zu einem inhomogenen Schichtaufbau kommen,
der zu einer erheblichen Qualitätseinbuße führt.
Außerdem hat
es sich bei der beschriebenen Vorrichtung als hinderlich erwiesen,
dass die Aufnahme lediglich für
zwei Trägerstäbe geeignet
ist. Darüber
hinaus ist aufgrund der umlaufenden und damit in ihrer Bewegungsbahn
festgelegten Brenner jedoch eine Erweiterung auf beispielsweise
drei Trägerstäbe nur mit
erheblichen konstruktiven Änderungen
möglich.
Zudem
erfordert der Betrieb mit lediglich einem einzigen Trägerstab
eine Steuerung der Brenner und der Reaktionsgaszufuhr in Abhängigkeit
von der Position des jeweiligen Brenners auf der Umlaufbahn, was
mit weiterem Aufwand verbunden ist. Der Betrieb der Vorrichtung
ist daher insbesondere hinsichtlich eines flexiblen Einsatzes stark
eingeschränkt,
so dass sich diese Vorrichtung in der Praxis bisher nicht durchsetzen
konnte.
Durch
die JP 3-290 332 A ist es auch bereits bekannt, eine Vielzahl von
Trägerstäben an einer
beweglichen Aufnahme senkrecht oder waagerecht in einer Reaktionskammer
anzuordnen. Beim Beschichten der Trägerstäbe zur Erzeugung der Sootkörper werden
die Trägerstäbe durch
Motoren gedreht und zudem durch eine Hubvorrichtung insgesamt in
Achsrichtung hin- und herbewegt. Über eine Vielzahl von feststehenden,
in die Reaktionskammer hineinragenden Hydrolyse- Brennern erfolgt die Abscheidung von
feinsten SiO2-Partikeln auf den Trägerstäben. Die
Vielzahl an Durchführungen
für die Brenner
in die Reaktionskammer bergen große Gefahr für den Eintrag von Verunreinigungen.
Ebenso bleibt das Problem ungelöst,
wie die Bewegung der Trägerstäbe erfolgen
soll, ohne dass dabei zugleich eine Verunreinigung des Innenraumes
auftreten kann.
Bei
der in der JP 62-202 832 A beschriebenen Abscheidevorrichtung ist
eine Reaktionskammer zur Beschichtung eines Kernstabs für eine Vorform vorgesehen.
Um den Kernstab beim Einführen
in die Reaktionskammer vor der Umgebung zu schützen, ist der Boden der Reaktionskammer
mit einer Öffnung
versehen, die mittels Faltenbalg abgedichtet ist, und durch die
der Kernstab nach oben in die Kammer hinein geschoben wird. Grundsätzlich erweist
sich bei den bekannten Vorrichtungen der mit der Bewegung der Abscheidebrenner
entlang des Trägerstabes
einhergehende Abrieb an der Bewegungseinrichtung als problematisch.
Eine Vorrichtung gemäß der eingangs
genannten Gattung ergibt sich aus der
JP 59 092 923 A . Darin ist
eine Abscheideanlage mit horizontal orientiertem Träger beschrieben,
auf den ein Abscheidebrenner gerichtet ist, der mittels einer Bewegungseinrichtung
mit reversierend beweglichem Tragarm entlang des Trägers bewegt
wird. Der Abscheidebrenner ist dabei vertikal ausgerichtet und ragt
von oben in die nach oben offene Abscheide- und Heizkammer hinein.
Die bekannte Vorrichtung gewährleistet
eine möglichst
geringe Behinderung der Luftströmung
durch den Tragarm.
Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zum Aufbau eines Sootkörper oder gleichzeitig mehrerer
Sootkörpern
zu schaffen, bei welcher die Bewegung des Brenners ohne einen Eintrag
von Verunreinigungen in die Kammer möglich ist.
Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen
des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung.
Erfindungsgemäß ist also
vorgesehen, dass der Tragarm als Hohlkörper zur Aufnahme einer Zufuhrleitung
für die
Reaktanden ausgeführt
ist und durch eine Öffnung
der Kammer in den Innenraum derselben hinein reicht.
Die
bewegliche Anordnung des Brenners erfordert lediglich eine einzige Öffnung in
der Kammer, durch die der Tragarm in den Innenraum einführbar und
hin- und herbeweglich angeordnet ist. Der Tragarm kann dabei in
einfacher Weise aus einem thermisch beständigen und reaktionsneutralen
Werkstoff hergestellt sein, so dass eine Verunreinigung des Innenraumes
ausgeschlossen ist.
Der
Tragarm ist mindestens entlang der Träger-Längsachse hin- und herbewegbar
(hier als „reversierend
bewegbar" bezeichnet).
Dabei ist wesentlich, dass der Tragarm lediglich in die Kammer hineinragt,
und demnach die Lagerung des Tragarmes außerhalb der Kammer erfolgen
kann, so dass im Inneren der Kammer weder eine Lagerung oder Umlenkung
noch Schmiermittel erforderlich sind, und somit auch kein Abrieb
durch die Bewegung des Tragarms und des Brenners zu befürchten ist.
Die
für den
Schichtaufbau des Sootkörpers erforderliche
Luftströmung
quer zur Träger-Längsachse
wird durch den Tragarm in lediglich unerheblichem Umfang beeinflusst
und kann durch eine geeignete Formgebung, insbesondere der Querschnittsform
des Tragarmes, zusätzlich
optimiert werden.
Die
dem Brenner oder den Brennern zugeführten Reaktanten liegen als
Gase, Flüssigkeiten oder
in Dampfform vor. Es handelt sich dabei im Wesentlichen um Brenngase,
sauerstoffhaltige Gase und mindestens eine Ausgangssubstanz zur
Herstellung von SiO2, wobei hierfür häufig SiCl4 – und
GeCl4 zur GeO2-Dotierung – eingesetzt
wird. Der langgestreckte Träger
ist rohrförmig
oder stabförmig
ausgebildet, wobei eine geringfügig
konische Verjüngung zu
einem Ende hin vorgesehen sein kann.
Dadurch,
dass der Tragarm als Hohlkörper zur
Aufnahme einer Zufuhrleitung für
die Reaktanden ausgeführt
ist, wird eine besonders praxisnahe Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
erreicht. Die Zufuhrleitung kann in den Tragarm integriert werden
und erfordert keine zusätzliche Öffnung in
der Kammer. Zugleich wird die Zufuhrleitung gemeinsam mit dem Tragarm
bewegt und ist zudem im Inneren des Tragarmes vor einer mechanischen
oder thermischen Schädigung
weitgehend geschützt.
In den Tragarm können
auch mehrere Zufuhrleitungen für
eine getrennte Zufuhr von Reaktanden zu dem Brenner oder zu den
Brennern sowie Zufuhrleitungen für
andere Betriebsgase vorgesehen sein.
Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung wird dadurch erreicht, dass der Tragarm und die Aufnahme
zur Einstellung des Abstandes des Brenners von dem Sootkörper relativ
zueinander beweglich angeordnet sind.
Hierdurch
wird die Position des Brenners an den zunehmenden Durchmesser während des Schichtaufbaus
angepasst, um so beispielsweise einen kontinuierlichen Abstand von
der Oberfläche
des Sootkörpers
einzuhalten. Der Tragarm ist hierzu beispielsweise mit einem Schieber
verbunden, der in einer abgedichteten Führung beweglich ist und der
gemeinsam mit dem Tragarm bewegt wird. Auf diese Weise lässt sich
der Aufwand für
die Abdichtung des mit zwei Freiheitsgraden beweglichen Tragarmes verringern.
Insbesondere ist die für
die Einstellung des Brennerabstandes erforderliche Mechanik nicht wie
beim Stand der Technik im Inneren der Kammer, sondern außerhalb
angeordnet, so dass insbesondere keine Verunreinigungen in den Innenraum
der Kammer eingebracht werden können.
Hierbei
ist es auch besonders günstig,
wenn eine Messeinrichtung zur Bestimmung des Abstandes zwischen
dem Brenner und dem Sootkörper
vorgesehen ist. Hierdurch kann der gewünschte Abstand zwischen dem
Brenner bzw. dem Tragarm und der Oberfläche des Sootkörpers in
Abhängigkeit
wesentlicher Prozessparameter mittels einer Steuereinheit eingestellt
werden.
Dabei
erweist sich eine Weiterbildung als besonders praxisnah, wenn die
Messeinrichtung zur berührungslosen
Bestimmung des Abstandes eine optische Erfassungseinheit aufweist.
Hierdurch ist es möglich,
eine exakte Bestimmung des Abstandes durchzuführen und dabei wesentliche
Bauelemente der Messeinrichtung außerhalb des Innenraumes der Kammer
anzuordnen. Eine mögliche
thermische Schädigung
der Messeinrichtung kann daher ausgeschlossen werden.
Es
ist besonders zweckmäßig, wenn
die Zufuhrleitung für
die Reaktanden heizbar ist, um auf diese Weise ein unerwünschtes
Kondensieren der Reaktanden durch Temperaturschwankungen in der
Zufuhrleitung zu vermeiden. Dies erweist sich insbesondere bei dampfförmigen Reaktanden
wie SiCl4 und GeCl4 als
hilfreich, um die Reaktanden dem Brenner in dem vorbestimmten Verhältnis zuführen zu
können.
Eine
andere besonders erfolgversprechende Abwandlung der vorliegenden
Erfindung wird auch dadurch geschaffen, dass der Tragarm mittels
einer Gewindespindel antreibbar ist.
Hierdurch
wird eine zuverlässige
Positionierung des in Richtung der Träger-Längsachse
reversierend bewegbaren Tragarmes bei zugleich geringen Toleranzwerten
erreicht, die nach dem Stand der Technik nicht erreichbar sind.
Der
Tragarm kann grundsätzlich
in einer Richtung einer beliebigen Achse im Raum beweglich angeordnet
sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Träger eine horizontal verlaufende
Längsachse aufweist,
entlang der der Tragarm bewegbar ist. Hierdurch können unter
dem Einfluss der Schwerkraft absinkende Stoffe oder Bestandteile
des Schichtaufbaus nicht auf darunterliegende Abschnitte des Sootkörpers gelangen,
sondern werden in der Kammer aufgefangen. Der Schichtaufbau erfolgt
somit mit einer erheblich verbesserten Qualität.
Im
Hinblick auf die Vermeidung des Eintrags von Verunreinigungen in
die Kammer ist es hilfreich, wenn die Öffnung mittels eines am Tragarm
angreifenden Dichtmittels nach innen dichtend abgeschlossen ist.
Der
Tragarm kann zum Beispiel teleskopierbar sein, wobei zumindest ein
Teleskopelement mit der Kammer dichtend verbunden ist. Eine besonders einfache
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird hingegen auch dadurch erreicht, dass das Dichtmittel ein den
Tragarm umhüllender
und mit diesem und mit der Öffnung
verbundener Faltenbalg ist.
Mittels
des Faltenbalgs wird der in die Kammer ragende Tragarm gegenüber dem
Außenraum abgeschlossen.
Vorteilhafteweise ragt dabei der Faltenbalg nicht in die Kammer
hinein, sondern er umfasst den Tragarm außerhalb der Kammer.
Durch
den entsprechend bemessenen Faltenbalg kann auch eine ausreichende
Beweglichkeit zur Veränderung
des Abstandes zwischen dem Brenner und der Oberfläche des
Sootkörpers
realisiert und zugleich durch den Faltenbalg abgedichtet werden.
Dabei
kann auch eine Erweiterungsmöglichkeit
vorgesehen werden, indem der Tragarm mit einem Adapter zur Aufnahme
weiterer Brenner ausgestattet ist. Der Adapter ist zum Beispiel
in Form eines rechenförmigen,
beheizbaren Verteilerkastens ausgebildet. In Fall von einem Träger in der
Kammer werden an dem Adapter mehrere Brenner beabstandet zueinander
in einer Reihe gehalten, so dass sie mittels des Tragarms gleichzeitig
eine Bewegungsablauf entlang des Trägers ausführen. Im Fall mehrerer Träger in der
Kammer werden an dem Adapter mehrere Brenner gehalten, von denen
einer oder mehrere jeweils einem Träger zugeordnet sind, so dass
wahlweise eine unterschiedliche Anzahl von Sootkörpern zeitgleich in der Kammer
aufgebaut und dadurch die Herstellungskosten weiter gesenkt werden
können.
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind an dem Tragarm mehrere Brenner in einer Reihe an dem Tragarm
angeordnet. Dadurch lässt
sich eine höhere
Abscheiderate erreichen.
Es
hat sich als günstig
erwiesen, wenn zumindest ein auf den Endbereich des sich bildenden Sootkörpers gerichteter,
ortsfester Brenner vorgesehen ist.
Mittels
eines derartig ortsfesten Brenners kann der Schichtaufbau in den
Endabschnitten des Sootkörpers
gezielt beeinflusst, und insbesondere die Dichte in den Endabschnitten
eingestellt werden. Vorzugsweise sind beiderseits des sich bildenden Sootkörpers ortsfeste
Heizbrenner vorgesehen.
Eine
andere besonders erfolgversprechende Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird
auch dadurch erreicht, dass an dem Tragarm ortsnah zu dem Brenner
eine Regeleinheit zur Bestimmung der Massenanteile der Reaktanden
angeordnet ist. Hierdurch wird die Steuerung der Anteile der Reaktanden
ortsnah zu dem Brenner vorgenommen, wodurch Abweichungen von den
geforderten Sollwerten weitgehend vermieden werden.
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist besonders geeignet zur Abscheidung einer Vielzahl von Sootkörpern innerhalb
der Kammer. Hierbei sind erfindungsgemäß mehrere Aufnahmen für eine entsprechende
Vielzahl von Trägern
vorgesehen, entlang denen der mindestens eine, an dem reversierend
beweglichen Tragarm angeordnete Brenner bewegbar ist.
Der
Tragarm ist hierbei entlang aller Träger, auf denen jeweils ein
Sootkörper
aufgebaut werden soll, hin- und herbewegbar. Die Beweglichkeit des
in die Kammer hineinragenden Tragarms genügt, um dem am Tragarm angeordneten
Brenner oder den daran angeordneten Brennern eine Bewegungsablauf
entlang einer Vielzahl von Trägern
(mindestens zwei) zu ermöglichen,
ohne dass hierzu Verkettungsmittel zur Verbindung von Brennern und
Umlenkungen zur Realisierung des Bewegungsablaufs der Brenner erforderlich
sind. Die eingangs im Zusammenhang mit diesen Vorrichtungsbestandteilen
erläuterten
Nachteile der bekannten Vorrichtungen werden so vermieden. Insbesondere
wird die Luftströmung
im Inneren der Kammer durch den Tragarm nur wenig beeinflusst.
Die
bewegliche Anordnung des Brenners oder der Brenner erfordert somit
nur eine einzige Öffnung
in der Kammer, durch die der Tragarm in den Innenraum einführbar und
hin- und herbeweglich angeordnet ist.
Eine
weitere Verbesserung dieser Ausführungsform
lässt sich
auch dadurch erreichen, dass die Vielzahl der Träger mit unabhängig voneinander steuerbaren
Antrieben versehen sind. Hierdurch können die Träger mit unterschiedlicher Geschwindigkeit rotiert
werden, so dass insbesondere eine Anpassung an den jeweiligen Schichtaufbau
in einfacher Weise erreicht wird. Zugleich kann dabei auch ein abweichender
Schichtaufbau zwischen den benachbarten Sootkörpern aufgrund der unterschiedlichen
Abscheideraten ausgeglichen und damit die Qualität erhöht werden.
Eine
weitere günstige
Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch erreicht, dass an
der Aufnahme unterschiedliche Abstände zwischen benachbarten Trägern einstellbar
sind. Hierdurch können
in Abhängigkeit
des gewünschten
Umfanges eine unterschiedliche Anzahl von Sootkörpern zugleich in der Kammer
aufgebaut werden, um so auf unterschiedliche Produktionsprogramme
flexibel reagieren zu können.
Der
daraus entstehende, kreideartige Niederschlag wird durch den Abgasstrom
und thermische Auftriebe gegen den rotierenden Trägerstab 3 geschleudert
und haftet an dessen Oberfläche.
Damit die Gesamtlänge
des Trägerstabes 3 mit
dem kreideartigen Niederschlag belegt werden kann, ist der Brenner 23 auf
einem Tragarm 24 mittels einer Brenneraufnahme 25 verbunden.
Der Tragarm 24 ist seinerseits an einem Schiebetisch 26 einer
Lineareinheit 27 befestigt. Durch einen Schiebetischmotor 28 und
eine Gewindespindel 29 ist der Tragarm 24 reversierend
beweglich. Durch geeignete Steuerungsmaßnahmen bewegt sich der den
Brenner 23 aufnehmende Tragarm 24 zwischen zwei
Wendepunkten hin und her. Alle für
den Brenner 23 erforderlichen Betriebsgase, wie Brenngas
und Sauerstoffgas sowie die zur Reaktion vorgesehenen dampfförmigen Reaktanten,
werden mittels einer als Schlauchleitung ausgeführten Zufuhrleitung 30 durch den
als Hohlkörper
ausgeführten
Tragarm 24 hindurch geführt.
Hierzu ist an einem dem Brenner 23 abgewandten Ende des
Tragarmes 24 eine Schlauchführungseinrichtung 31 angeordnet,
welche verhindert, dass die Zufuhrleitung 30 während des Reversierbetriebes
abgeknickt werden könnte.
Die Zufuhrleitung 30 ist außerhalb des Innenraumes 19 mit
einem SiCl4-Verdampfer 32 sowie
einem GeCl4-Verdampfer 33 verbunden. Die
verdampften Medien werden durch eine beheizte Zufuhrleitung 30 dem
Brenner 23 zugeführt.
Eine als Mass-Flow-Controller ausgeführte Regeleinheit 34 zur
Regelung der verdampften Medien wird in einem beheizbaren Verteilerkasten 35,
welcher zwischen dem Ende des Tragarmes 24 und der Brenneraufnahme 25 eingefügt ist,
installiert. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass räumlich in
unmittelbarer Nähe
vor dem Brenner 23 die Mengenregelung mittels der Regeleinheit 34 vorgenommen
und dadurch der Einfluss von Temperaturfehlern in der beheizten
Zufuhrleitung 30 minimiert sowie ein gleichförmiger Strom
der verdampften Medien dem Brenner 23 zugeführt wird.
Wird die Regelung am Ausgang des SiCl4-Verdampfers 32 bzw.
des GeCl4-Verdampfers vorgenommen, so ist es
möglich,
dass bei einer abschnittsweise auftretenden Temperaturdifferenz
in der beheizten Zufuhrleitung 30 eine vorübergehende
Kondensation der verdampften Medien eintritt. Das ganze System arbeitet dadurch
instabil und die geforderten Produkteigenschaften sind nicht mehr
einzuhalten. Für
die Regelung der Betriebsgase, wie Brenngas und Sauerstoffgas, ist
eine getrennt aufgestellte Gasversorgungseinrichtung (nicht dargestellt)
vorgesehen. Von entscheidender Bedeutung für den Aufbauprozess ist die
Ansteuerung der Hubeinrichtung 13. Während des Schichtaufbaus durch
den Brenner 23 nimmt der Außendurchmesser des auf dem
Trägerstab 3 aufwachsenden
Sootkörpers 2 zu.
Hierdurch verringert sich der Abstand A des Brenners 23 von
der Oberfläche
des Sootkörpers 2.
Die dadurch veränderten Temperaturverhältnisse
an der Oberfläche
beeinflussen die spezifische Dichte des Sootkörpers 2, was für nachfolgende
weitere Bearbeitungsschritte von entscheidender Bedeutung ist. Um
eine nach Vorgaben definierte spezifische Dichte zu erzeugen, wird
der geometrische Abstand A zwischen dem Brenner 23 und
der Oberfläche
des Sootkörpers 2 verändert. Die hierzu
erforderliche Abstandsmessung wird mittels einer mit einem Bildverarbeitungssystem
ausgestatteten Messeinrichtung 36 durchgeführt. Mit
Hilfe der Messeinrichtung 36 kann der dem jeweiligen Schichtaufbau
entsprechende Außendurchmesser des
Sootkörpers 2 ermittelt
werden und mit einer Regelung auf einen Antriebsmotor 37 der
Hubrichtung 13 einwirken. Durch die Winkelgetriebe 38 mit
angekuppelten Gewindespindeln 39 kann die Lineareinheit 27 und
damit der Brenner 23 vertikal verfahren werden. Aufgrund
dieser Bewegung ist eine Öffnung 40 der
Kammer 8 in vertikaler Bohrung länglich-oval ausgeführt. Die Öffnung 40 ist
mit einem Schieber 41, welcher in abgedichteten Führungen 42 bewegt
wird, abgedichtet. Bedingt durch die reversierende Bewegung des
Tragarmes 24 ist in dem Schieber 41 eine der Querschnittsform
des Tragarmes 24 entsprechende Bohrung 43 erforderlich,
durch welche der Tragarm 24 in den Innenraum 19 der
Kammer 8 hineinragt. Die Abdichtung gegenüber der
Umgebungsluft an der Bohrung 43 erfolgt durch einen Faltenbalg 44.
Der Schieber 41 wird von einer Halterung 45, welche
zwischen der Lineareinheit 27 und der Hubeinrichtung 13 eingebaut
ist, angetrieben. Die in der Kammer 8 seitlich angebrachten
Endbrenner 46 haben die Aufgabe, die am verjüngenden,
konischen Endabschnitt 47 des Sootkörpers 2 auftretenden
Abscheidungen durch erhöhte
Temperatureinwirkung zu verfestigen. Damit wird eine Ursache zur
Rissbildung des Sootkörpers 2 während der
Abkühlphase nach
Beendigung des Prozesses minimiert.