DE19725955C1 - Verfahren zur Herstellung eines Quarzglasrohlings und dafür geeignete Vorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglasrohlings, durch Zuführen eines Glasausgangsmaterials in flüssiger Form zu einer Einspritzdüse eines mehrdüsigen Ab­ scheidebrenners, Zerstäuben oder Vergasen des flüssigen Glasausgangsmaterials im Ab­ scheidebrenner, Vermischen des zerstäubten oder vergasten Glasausgangsmaterials mit ei­ nem sauerstoffhaltigen Gas unter Bildung von SiO₂ Partikeln in einer chemischen Reaktion, Abscheiden der SiO₂ Partikel auf einem Substrat unter Bildung einer porösen Vorform und Sin­ tern der Vorform.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem Abscheidebrenner, der eine Einspritzdüse für die Zufuhr von flüssigem Glasausgangsmaterial, eine Vorrichtung zur Zerstäubung oder Vergasung des Glasausgangsmaterials, sowie eine Brenngasdüse für die Zufuhr von Brenngasen aufweist.

Ein derartiges Abscheideverfahren und ein Abscheidebrenner zur Durchführung sind aus der US-A 5,110,335 bekannt. Zur Herstellung einer Vorform zum Ziehen optischer Fasern werden SiO₂-Partikel auf einem rotierenden Quarzglasstab schichtweise abgeschieden. Die hierfür verwendeten metallischen Flammhydrolyse-Brenner weisen eine Zentralbohrung auf, die mit einem SiCl₄ enthaltenden Vorratsbehälter verbunden ist. Vom Vorratsbehälter wird der Zentral­ bohrung SiCl₄ in flüssiger Form zugeführt. Für die Dosierung der SiCl₄-Zufuhr wird eine Pumpe eingesetzt. Zum Zerstäuben der Flüssigkeit ist die Mittelbohrung im Bereich der Brennermün­ dung mit einem Ultraschall-Zerstäuber versehen. Das fein zerstäubte SiCl₄ reagiert in der Flamme des Brenners mit Sauerstoff zu SiO₂. Zur Erzeugung der dafür erforderlichen Energie ist die Zentralbohrung koaxial von einer Ringdüse für ein Brenngas und diese wiederum beidseitig von zwei Ringdüsen für Sauerstoff umgeben. Die beidseitige Zufuhr von Sauerstoff zu dem Brenngasstrom erzeugt bei dem bekannten Verfahren eine zylinderförmige Flammen­ front. Die Öffnungen der Ringdüsen liegen mit der Öffnung der Zentralbohrung auf einer ge­ meinsamen Ebene.

Die Zufuhr und die Zerstäubung des flüssigen SiCl₄ erfordert bei dem bekannten Verfahren aufwendige Vorrichtungen, wie Pumpen und Ultraschall-Zerstäuber. Diese Vorrichtungen un­ terliegen einem mechanischen Abrieb und einem chemischen Angriff durch flüssiges SiCl₄, so daß zwangsläufig Verunreinigungen in die Vorform eingeschleppt werden. Darüberhinaus sind Ultraschall-Zerstäuber besonders wartungsaufwendig und sie führen aufgrund ihres Platzbe­ darfes zu einer großen Bauhöhe der Abscheidebrenner.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das diese Nachteile vermeidet und eine Vorrichtung hierfür bereitzustellen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs erläuterten Ver­ fahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Abscheidebrenner zur Zerstäubung oder Vergasung des Glasausgangsmaterials ein Zerstäubungsgas zugeführt und dadurch gleichzei­ tig im Bereich der Öffnung der Einspritzdüse ein Unterdruck erzeugt wird.

Unter "Zerstäuben" wird ein Zerteilen des Glasausgangsmaterials in feine Tröpfchen, unter "Vergasen" ein Überführen der Flüssigkeit in die Dampf- oder Gasform verstanden. Sofern im folgenden nicht ausdrücklich unterschieden wird, umfaßt der Einfachheit halber der Ausdruck "Zerstäuben" auch "Vergasen".

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Zerstäuben mittels eines Zerstäubungsga­ ses. Eine zusätzliche Vorrichtung zum Zerstäuben der Flüssigkeit ist nicht erforderlich. Der mit einer derartigen Vorrichtung verbundene Kosten- und Wartungsaufwand entfällt; darüberhin­ aus werden Verunreinigungen der Vorform vermieden.

Das flüssige Glasausgangsmaterial wird über eine Einspritzdüse des mehrdüsigen Abscheide­ brenners zugeführt. Die Einspritzdüse kann einen kreisförmigen oder ringförmigen Öffnungs­ querschnitt aufweisen. Sie kann auch aus mehreren, kreisförmig oder ringförmig zueinander angeordneten Einzeldüsen kombiniert sein. Üblicherweise liegt die Öffnung der Einspritzdüse in der Mittelachse des Abscheidebrenners oder in der Nähe der Mittelachse.

Das Zerstäubungsgas wird über eine Zerstäubungsdüse des mehrdüsigen Abscheidebrenners zugeführt. Ebenso wie die Einspritzdüse kann auch die Zerstäubungsdüse einen kreisförmigen oder einen ringförmigen Öffnungsquerschnitt aufweisen, oder sie kann auch aus mehreren ring- oder kreisförmig angeordneten Einzeldüsen zusammengesetzt sein. Die Zuführung des Zerstäubungsgases über die Zerstäubungsdüse bewirkt nicht nur die Zerstäubung des flüssi­ gen Glasausgangsmaterials, sondern auch einen Unterdruck im Bereich der Öffnung der Ein­ spritzdüse. Hierfür ist üblicherweise, aber nicht zwangsläufig, eine unmittelbar benachbarte Anordnung von Einspritzdüse und Zerstäubungsdüse sinnvoll. Ein Unterdruck im Bereich der Öffnung der Einspritzdüse stellt sich ein, wenn die Strömungsbedingungen in den jeweiligen Düsen geeignet aufeinander abgestimmt sind.

Dadurch, daß an der Öffnung der Einspritzdüse ein Unterdruck erzeugt wird, wird das flüssige Glasausgangsmaterial aus der Einspritzdüse angesaugt. Eine Vorrichtung für die Erzeugung der erforderliche Strömung des Glasausgangsmaterial durch den Abscheidebrenner ist daher bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht erforderlich. Dadurch entfallen wiederum die mit einer derartigen Vorrichtung einhergehenden Kosten-, Wartungs- und Kontaminations­ probleme.

Für die Abscheidung der SiO₂ Partikel auf dem Substrat können selbstverständlich auch meh­ rere Abscheidebrenner gleichzeitig eingesetzt werden.

Besonders bewährt hat es sich, als flüssiges Glasausgangsmaterial eine der Verbindungen Si­ liziumtetrachlorid (SiCl₄), Germaniumtetrachlorid (GeCl₄), Bortrichlorid (BCl₃), Titantetrachlorid (TiCl₄), Phosphoroxitrichlorid (POCl₃) oder ein Gemisch dieser Verbindungen einzusetzen. Die­ se Glasausgangsmaterialien und deren Gemische sind bei Raumtemperatur flüssig. Eine zu­ sätzliche Beheizung zur Verflüssigung ist daher nicht erforderlich.

Als Zerstäubungsgase werden Sauerstoff, Argon, Helium oder Stickstoff enthaltende Gase bevorzugt.

Vorteilhafterweise wird das Zerstäubungsgas dem Brennerkopf durch eine die Einspritzdüse koaxial umgebende ringförmige Zerstäubungsdüse zugeführt. Dadurch wird eine besonders effektive und homogene Zerstäubung und eine radialsymmmetrische Druckverteilung um die Öffnung der Einspritzdüse erreicht.

In einer besonders bevorzugten Verfahrensweise wird die Zuführung des Glasausgangsmate­ rials zu dem Brennerkopf mittels des im Bereich der Öffnung der Einspritzdüse erzeugten Un­ terdrucks geregelt. Das flüssige Glasausgangsmaterial wird aus einem Vorratsgefäß frei ange­ saugt. Die Dosierung des Glasausgangsmaterials erfolgt hierbei innerhalb des Abscheidebren­ ners allein durch den aufgrund der Strömung des Zerstäubungsgases erzeugten Unterdruck.

Die Höhe des angelegten Unterdruckes bestimmt die Dosierung des Glasausgangsmaterials. Eine zusätzliche Regelung der dem Abscheidbrenner zuzuführenden Menge des Glasaus­ gangsmaterials außerhalb des Abscheidebrenners ist bei dieser Verfahrensweise nicht erfor­ derlich. Dies ist kostengünstig, vereinfacht das Abscheideverfahren und es entfallen mögliche Kontaminationsquellen.

Hinsichtlich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die oben angegebene tech­ nische Aufgabe ausgehend von der eingangs erläuterten Vorrichtung erfindungsgemäß da­ durch gelöst, daß die Zerstäubungsvorrichtung eine Zerstäubungsdüse für die Zufuhr eines Zerstäubungsgases umfaßt, die benachbart zu der Einspritzdüse angeordnet ist und deren Düsenöffnung, in Zuführrichtung des Zerstäubungsgases gesehen, in einer Ebene hinter der Düsenöffnung der Einspritzdüse verläuft.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist für das Zerstäuben des flüssigen Glasausgangs­ materials eine Zerstäubungsdüse vorgesehen. Ein Ultraschall-Zerstäuber innerhalb des Ab­ scheidebrenners, wie bei der eingangs beschriebenen, bekannten Vorrichtung, ist nicht erfor­ derlich. Die Erfindung erlaubt es daher, den Abscheidebrenner mit niedriger Bauhöhe auszu­ führen. Darüberhinaus ist die Ausbildung des Abscheidebrenners mit einer Zerstäubungsdüse mit vergleichsweise geringem Material- und Arbeitsaufwand verbunden. Die Gefahr einer Kontamination der Vorform ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung gering.

Das flüssige Glasausgangsmaterial wird über eine Einspritzdüse des mehrdüsigen Abscheide­ brenners zugeführt. Die Einspritzdüse kann einen kreisförmigen oder ringförmigen Öffnungs­ querschnitt aufweisen. Sie kann auch aus mehreren Einzeldüsen kombiniert sein. Üblicherwei­ se liegt die Öffnung der Einspritzdüse in der Mittelachse des Abscheidebrenners oder in der Nähe der Mittelachse.

Die Zerstäubungsdüse des mehrdüsigen Abscheidebrenners kann ebenfalls einen kreisförmi­ gen oder einen ringförmigen Öffnungsquerschnitt aufweisen, oder sie kann auch aus mehre­ ren Einzeldüsen bestehen. Einspritzdüse und Zerstäubungsdüse sind verschiedene, räumlich voneinander getrennte Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Zerstäubungs­ düse ist unmittelbar oder mittelbar benachbart zu der Einspritzdüse angeordnet.

Die Düsenöffnung der Zerstäubungsdüse verläuft, in Zuführrichtung des Zerstäubungsgases gesehen, in einer Ebene hinter der Düsenöffnung der Einspritzdüse. Die jeweiligen Düsenöff­ nungen sind somit nicht koplanar zueinander. Die Zerstäubungsdüse überragt die Einspritzdü­ se. Dadurch kann auf einfache Art und Weise im Bereich der Düsenöffnung der Einspritzdüse ein Unterdruck erzeugt werden. Durch den Unterdruck wird das flüssige Glasausgangsmaterial angesaugt. Zusätzliche Vorrichtungen zur Erzeugung der erforderlichen Strömung des Glas­ ausgangsmaterials können somit entfallen.

Durch die chemische Reaktion des Brenngases oder der Brenngase wird in einer Reaktionszo­ ne die Energie für die Umsetzung des Glasausgangsmaterials zu SiO₂-Partikeln erzeugt. Übli­ cherweise handelt es sich bei den Brenngasen um Wasserstoff und Sauerstoff, die durch zwei räumlich voneinander getrennte Düsen der Reaktionszone zugeführt werden.

Als besonders vorteilhaft hat sich es sich erwiesen, die Zerstäubungsdüse im wesentlichen ringförmig auszubilden und sie zwischen der Einspritzdüse und der Brenngasdüse anzuord­ nen, wobei sie die Einspritzdüse koaxial umschließt. Mit dieser Vorrichtung, die sich durch ihre einfache Ausbildung auszeichnet, wird eine besonders wirksame Zerstäubung und eine sym­ metrische Druckverteilung um die Einspritzdüse erreicht.

Darüberhinaus verhindert die Zerstäubungsdüse einen vorzeitigen Kontakt zwischen dem flüs­ sigen Glasausgangsmaterial und dem Brenngas bzw. den Brenngasen. Denn die Zerstäu­ bungsdüse umschließt die Öffnung der Einspritzdüse. Der Bereich zwischen der Düsenöffnung der Einspritzdüse und der Düsenöffnung der Zerstäubungsdüse steht daher für die weitere Zerstäubung des Glasausgangsmaterials zur Verfügung.

Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, den Abstand der Düsenöffnungen von Einspritzdüse und Zerstäubungsdüse auf mindestens 3 mm einzustellen. Dieser Abstand erlaubt nicht nur die Einstellung eines ausreichenden Unterdrucks im Bereich der Öffnung der Einspritzdüse, son­ dern gewährleistet auch eine homogene Zerstäubung des Glasausgangsmaterials.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung erweitert sich der Querschnitt der Zerstäubungsdüse in Zuführrichtung des Zerstäubungsgases gesehen, in ei­ nem Bereich von unterhalb ihrer Düsenöffnung. Die Erweiterung des Düsenquerschnittes wirkt für den Zerstäubungsgas-Strom ähnlich einem Diffusor. Dieser erleichtert die Erzeugung tur­ bulenter Strömung in diesem Bereich und er ermöglicht einen hohen Unterdruck im Bereich der Einspritzdüse. Die turbulente Strömung kann zu der Zerstäubung des Glasausgangsmate­ rials zusätzlich beitragen. Der Bereich mit erweitertem Öffnungsquerschnitt liegt üblicherweise in etwa in der Höhe der Öffnung der Einspritzdüse.

In einer anderen bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Zerstäu­ bungsdüse in Form einer Venturi-Düse ausgebildet. Diese Düsenform erlaubt die Einstellung einer besonders hohen Strömungsgeschwindigkeit des Zerstäubungsgases im Bereich der Öffnung der Einspritzdüse. Hierzu wird üblicherweise der Düsenabschnitt mit dem kleinsten Öffnungsquerschnitt in Höhe der Öffnung der Einspritzdüse angeordnet. In Richtung auf die Düsenöffnung erweitert sich der Querschnitt der Venturi-Düse. Dadurch kommt es zu einer ra­ schen Entspannung des Gasdruckes, so daß eine Verdampfung oder Vergasung des flüssi­ gen Glasausgangsmaterials ermöglicht wird.

Insbesondere hinsichtlich einer guten Durchmischung des vergasten oder zerstäubten Glas­ ausgangsmaterials mit dem Brenngas hat sich eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bewährt, bei der die Öffnung der Brenngasdüse, in Zuführrichtung des Zerstäu­ bungsgases gesehen, vor der Öffnung der Zerstäubungsdüse angeordnet ist. Dies führt zu ei­ ner verbesserten Durchmischung des Glasausgangsmaterials mit dem Brenngas bzw. mit den Brenngasen. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann der Abstand zwischen dem Brenner und der Oberfläche des Substrates oder der sich bildenden Vorform deshalb beson­ ders klein gehalten werden.

Besonders bewährt hat sich eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Brenngasdüse gegenüber der Zerstäubungsdüse in Zuführrichtung des Zerstäubungs­ gases gesehen verlängert ist. Die Verlängerung bewirkt eine homogenere Zerstäubung bzw. Vergasung des Glasausgangsmaterials vor dem Kontakt mit dem Brenngas bzw. mit den Brenngasen. Dabei ist der Abstand der Düsenöffnungen von Zerstäubungsdüse und Brenn­ gasdüse bevorzugt im Bereich zwischen 3 mm und 5 mm eingestellt. Darüberhinaus kann es vorteilhaft sein, den Querschnitt der Brenngasdüse in einem Bereich unterhalb ihrer Düsenöff­ nung zu erweitern. Die Erweiterung des Düsenquerschnittes wirkt ähnlich einem Diffusor. Da­ durch wird die Erzeugung turbulenter Strömung in diesem Bereich erleichtert und die Vermi­ schung des Brenngases mit dem vergasten oder zerstäubten Glasausgangsmaterial verbes­ sert. Der Bereich mit erweitertem Öffnungsquerschnitt liegt üblicherweise in etwa in der Höhe der Öffnung der Zerstäubungsdüse.

Insbesondere hinsichtlich einer geringen Kontamination der Vorform zeichnet sich eine Vor­ richtung aus, bei der der Abscheidebrenner einen Brennerkopf aufweist, der vollständig aus Quarzglas besteht. Anschlußleitungen und Verbindungsteile zum Abscheidebrenner können beispielsweise aus Edelstahl oder aus Kunststoffen gefertigt sein. Ein mehrdüsiger Abscheide­ brenner ist aus Quarzglas verhältnismäßig einfach herstellbar.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines, insbesondere für eine Zerstäubung von flüssigem Glasausgangsmaterial geeigneten, Abscheidebrenners,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines, insbesondere für eine Vergasung von flüssigem Glasausgangsmaterial geeigneten, Abscheidebrenners, und

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Abscheidebrenners.

In Fig. 1 ist ein Teil des Brennerkopfes eines Abscheidebrenners dargestellt, dem insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet ist. Der Brennerkopf 1 ist um seine Längsachse (gestrichelte Li­ nie) radialsymmetrisch aufgebaut. Er besteht aus insgesamt vier koaxial zueinander angeord­ neten Quarzglas-Rohren 2, 3, 4, 5. Das zentrale Rohr 2 umschließt eine Einspritzdüse 6. Zwi­ schen dem zentralen Rohr 2 und dem benachbarten Rohr 3 ist eine Zerstäubungsdüse 7 aus­ gebildet. Die Rohre 3, 4 umschließen die Ringdüse 8, und die Rohre 4 und 5 die Außendüse 9. Die Wandstärke der Rohre 2, 3, 4, 5 beträgt 2 mm.

Die Einspritzdüse 6, die im Querschnitt kreisförmig ausgebildet ist, ist mit einem (in der Fig. 1 nicht dargestellten) Flüssigtank für SiCl₄ verbunden. In die Zerstäubungsdüse 7, die einen im wesentlichen ringförmigen Querschnitt mit einer Öffnungsweite von ca. 1 mm aufweist, wird Sauerstoff eingeleitet, in die Ringdüse 8 mit einer Öffnungsweite von 3 mm wird Wasserstoff eingeleitet. Der im Querschnitt ebenfalls ringförmig ausgebildeten Außendüse 9 mit einer Öff­ nungsweite von 3 mm, wird Sauerstoff zugeführt. Die Zuführrichtung ist mit dem Richtungspfeil 10 gekennzeichnet.

Die Düsenöffnungen der jeweiligen Düsen 6, 7, 8, 9 liegen - in Zuführrichtung 10 gesehen - auf unterschiedlichen Ebenen. Der Düsenöffnung für die Einspritzdüse ist die innere Ebene 11 zugeordnet. Die Düsenöffnungen der Zerstäubungsdüse 9 und der Ringdüse 8 verlaufen in der mittleren Ebene 12, und die Düsenöffnung der Außendüse 9 liegt in der äußeren Ebene 13.

Der Abstand der inneren Ebene 11 von der mittleren Ebene 12 beträgt 3 mm. Die mittlere Ebe­ ne 12 und die äußere Ebene 13 sind 4 mm voneinander entfernt.

Das freie Ende des inneren Quarzglas-Rohres 2 verjüngt sich in Zuführrichtung 10 gesehen. Die Verjüngung 14 erstreckt sich über eine Länge von 10 mm bis zur Düsenöffnung für die Einspritzdüse (entsprechend der inneren Ebene 11). Entsprechend der Verjüngung des Roh­ res 2 erweitert sich der Querschnitt der Zerstäubungsdüse 7 in diesem Bereich.

Gleichermaßen verjüngt sich auch das freie Ende des Quarzglas-Rohres 3 in Zuführrichtung 10 gesehen. Die Verjüngung 15 erstreckt sich über eine Länge von ebenfalls 10 mm, bis zur mittleren Ebene 12. Dadurch erweitert sich der Querschnitt der Ringdüse 8 in diesem Bereich. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand des in Fig. 1 dargestellten Aus­ führungsbeispiels näher erläutert.

Durch die Einspritzdüse 6 wird flüssiges SiCl₄, durch die Zerstäubungsdüse 7 Sauerstoff, durch die Ringdüse 8 Wasserstoff und durch die Außendüse 9 Sauerstoff geleitet, wobei die Strömungsgeschwindigkeiten der jeweiligen Materialströme in der Reihenfolge ihrer Nennung in einem Verhältnis von etwa 5 : 1 : 2 : 15 zueinander stehen.

Der durch die Zerstäubungsdüse 7 geleitete Sauerstoffstrom ist dabei so bemessen, daß er das aus der Einspritzdüse 6 austretende, flüssige SiCl₄ mitreißt und dabei zerstäubt. Hierzu trägt die Erweiterung des Öffungsquerschnittes der Zerstäubungsdüse 7 bei, indem dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Zerstäubungsgases Sauerstoff in dem Bereich unterhalb der Düsenöffnung (innere Ebene 11) vergrößert wird und eine turbulente Strömung erzeugt wird.

Darüberhinaus erzeugt die Strömung des Zerstäubungsgases im Bereich der Düsenöffnung der Einspritzdüse 7 (entsprechend der inneren Ebene 11) einen Unterdruck. Aufgrund des Unterdruckes wird flüssiges SiCl₄ aus der Einspritzdüse 7 angesaugt. Die Dosierung der ange­ saugten Flüssigkeitsmenge erfolgt über die Höhe des Unterdruckes. Dieser wiederum hängt von der Strömungsgeschwindigkeit des Zerstäubungsgases ab. Ein ausreichender Unterdruck wird erreicht, indem die Öffnung der Zerstäubungsdüse 7 - in Zuführrichtung 10 gesehen - nach vorne, bis zur mittleren Ebene 12 vorgezogen ist. Aufgrund der äußeren Begrenzung für die Strömung des Zerstäubungsgases, wirkt diese besonders im Bereich der Düsenöffnung der Einspritzdüse 6 und erzeugt dort den erforderlichen Unterdruck.

Darüberhinaus wird durch die äußere Begrenzung für das Zerstäubungsgas ein vorzeitiger Kontakt mit dem Brenngas (Wasserstoff und Sauerstoff) verhindert. Die ca. 3 mm lange Strec­ ke zwischen den beiden Ebenen 11 und 12 dient der Zerstäubung des flüssigen SiCl₄ vor dem Kontakt mit dem Wasserstoff aus der Ringdüse 8.

Darüberhinaus wird bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine wei­ tere Zerstäubung im Bereich zwischen den Ebenen 12 und 13 gewährleistet. Denn in diesem Bereich bildet das Quarzglas-Rohr 4 eine äußere Begrenzung, die den Kontakt mit dem Sauerstoff aus der Außendüse 9 und damit eine chemische Reaktion mit dem Wasserstoff verhindert. Dies gewährleistet eine besonders homogene Zerstäubung und Durchmischung des flüssigen SiCl₄ vor der Hydrolysereaktion.

Dazu trägt die Verbreiterung des Querschnittes der Ringdüse 8 im Bereich unterhalb der Ebe­ ne 12 bei. Die Verbreiterung wirkt wie ein Diffusor für den Wasserstoff-Strom, so daß oberhalb dieses Bereiches eine turbulente Gasströmung erzeugt wird, die zu einer besseren Vermi­ schung der Gase und der zerstäubten Flüssigkeit führt.

Sofern bei den Darstellungen weiterer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Fig. 2 und 3 dieselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwendet werden, so bezeich­ nen diese Bezugsziffern Bauteile oder andere Elemente des Brennerkopfes, wie sie anhand Fig. 1 für die identischen Bezugsziffern erläutert sind.

Bei dem Brennerkopf 1 gemäß Fig. 2 ist die Zerstäubungsdüse als sogenannte "Venturi-Dü­ se" 16 ausgebildet, die von den Quarzglas-Rohren 2 und 17 begrenzt wird. Als Zerstäubungs­ gas wird hierbei Sauerstoff eingesetzt. In Zuführrichtung 10 gesehen verjüngt sich der ringför­ mige Düsenspalt der Venturi-Düse 16 im Bereich unterhalb der Düsenöffnung der Einspritzdü­ se 2 (Ebene 11), während sich die Düsenöffnung im Bereich 18 oberhalb der Ebene 11, also oberhalb der Öffnung der Einspritzdüse 2 bis zu der Ebene 12 erweitert.

Durch die besondere Gestaltung der Venturi-Düse 16 wird im Bereich der Öffnung der Ein­ spritzdüse 6 (Ebene 11) ein starker Unterdruck erzeugt, der zur Vergasung des flüssigen SiCl₄ führen kann. Durch Vergasung wird eine besonders homogene Verteilung des Glasausgangs­ stoffes erreicht. Im übrigen unterscheidet sich die Vorrichtung gemäß Fig. 2 nicht wesentlich von derjenigen gemäß Fig. 1. Hinsichtlich der Vorteile und Wirkungen der einzelnen Bestand­ teile des Brennerkopfes 1 und hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher auf die obenstehenden näheren Erläuterungen verwiesen.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Teil eines Brennerkopfes 1 verlaufen die Düsenöffnungen der Ringdüse 8 und der Außendüse 9 auf einer gemeinsamen Ebene 20. Die Düsenöffnung der Einspritzdüse 6 liegt in der mittleren Ebene 21 und die Düsenöffnung der Zerstäubungsdüse 7 in der äußeren Ebene 22.

Als Zerstäubungsgas wird Sauerstoff eingesetzt, als Glasausgangsmaterial flüssiges SiCl₄. Der durch die Zerstäubungsdüse 7 geleitete Sauerstoffstrom ist so bemessen, daß er das aus der Einspritzdüse 6 austretende, Flüssigkeitsgemsich mitreißt und dabei zerstäubt. Hierzu trägt die Erweiterung des Öffungsquerschnittes der Zerstäubungsdüse 7 bei, indem dadurch die Strömungsgeschwindigkeit des Zerstäubungsgases in dem Bereich unterhalb der Düsenöff­ nung der Einspritzdüse 6 (mittlere Ebene 21) vergrößert wird und eine turbulente Strömung er­ zeugt wird.

Darüberhinaus erzeugt die Strömung des Zerstäubungsgases im Bereich der Düsenöffnung der Einspritzdüse 7 (entsprechend der mittleren Ebene 21) einen Unterdruck. Aufgrund des Unterdruckes wird flüssiges SiCl₄ aus der Einspritzdüse 7 angesaugt. Die Dosierung der ange­ saugten Flüssigkeitsmenge erfolgt über die Höhe des Unterdruckes. Dieser wiederum hängt von der Strömungsgeschwindigkeit des Zerstäubungsgases ab. Ein ausreichender Unterdruck wird erreicht, indem die Öffnung der Zerstäubungsdüse 7 - in Zuführrichtung 10 gesehen - nach vorne, bis zur äußeren Ebene 22 vorgezogen ist. Aufgrund der äußeren Begrenzung für die Strömung des Zerstäubungsgases, wirkt diese besonders im Bereich der Düsenöffnung der Einspritzdüse 6 und erzeugt dort den erforderlichen Unterdruck. Der Abstand der Ebenen 21 und 22 beträgt etwa 3 mm.

Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen die Düsenöffnungen für die Brenngas-Düsen 8 und 9 für Wasserstoff und Sauerstoff auf einer gemeinsamen Ebe­ ne 20, die - in Zuführrichtung 10 gesehen - vor der Düsenöffnung der Zerstäubungsdüse 7 (Ebene 22) liegt. Der Abstand zwischen den Ebenen 20 und 22 beträgt etwa 5 mm. In dem Bereich zwischen den Ebenen 20 und 22 kommt es zu einer Vermischung und einer Reaktion zwischen Sauerstoff und Wasserstoff. Dadurch steht bereits im Bereich um die Ebene 22 Re­ aktionsenergie für die Hydrolysereaktion des zerstäubten Glasausgangsmaterials bereit, so daß bei diesem Brenner die Reaktionszone für die Hydrolysereaktion bereits verhältnismäßig nahe am Brennermund beginnt. Dadurch ist es möglich, den Abstand des Brennerkopfes 1 von der Oberfläche der sich bildenden Vorform klein zu halten, was in Hinblick auf die Ab­ scheiderate und die Effizienz der Abscheidung vorteilhaft sein kann.

Claims (14)

1. Verfahren zur Herstellung eines Quarzglasrohlings, durch Zuführen eines Glasausgangs­ materials in flüssiger Form zu einer Einspritzdüse eines mehrdüsigen Abscheidebren­ ners, Zerstäuben oder Vergasen des flüssigen Glasausgangsmaterials im Abscheide­ brenner, Vermischen des zerstäubten oder vergasten Glasausgangsmaterials mit einem sauerstoffhaltigen Gas unter Bildung von SiO₂ Partikeln in einer chemischen Reaktion, Abscheiden der SiO₂ Partikel auf einem Substrat unter Bildung einer porösen Vorform und Sintern der Vorform, dadurch gekennzeichnet, daß dem Abscheidebrenner zur Zer­ stäubung oder Vergasung des Glasausgangsmaterials ein Zerstäubungsgas zugeführt und dadurch im Bereich der Öffnung der Einspritzdüse (6) ein Unterdruck erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als flüssiges Glasausgangs­ material eine der Verbindungen Siliziumtetrachlorid (SiCl₄), Germaniumtetrachlorid (GeCl₄), Bortrichlorid (BCl₃), Titantetrachlorid (TiCl₄), Phosphoroxytrichlorid (POCl₃) oder ein Gemisch dieser Verbindungen eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgas Sauerstoff, Argon, Helium oder Stickstoff enthält.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerstäubungsgas dem Abscheidebrenner über eine die Einspritzdüse (6) koaxial um­ gebende ringförmige Zerstäubungsdüse (7; 16) zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung des Glasausgangsmaterials zu dem Abscheidebrenner mittels des im Be­ reich der Öffnung der Einspritzdüse (6) erzeugten Unterdrucks geregelt wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, mit einem Abscheidebrenner, der eine Einspritzdüse für die Zufuhr von flüssigem Glasausgangsmaterial, eine Vorrichtung zur Zerstäubung oder Vergasung des Glasaus­ gangsmaterials, sowie eine Brenngasdüse für die Zufuhr von Brenngasen aufweist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsvorrichtung eine Zerstäubungsdüse (7; 16) für die Zufuhr eines Zerstäubungsgases umfaßt, die benachbart zu der Einspritzdüse (6) angeordnet ist und deren Düsenöffnung, in Zuführrichtung (10) des Zerstäubungsgases gesehen, in einer Ebene (12) hinter der Düsenöffnung der Einspritzdüse (6) verläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäubungsdüse (7; 16) im wesentlichen ringförmig ausgebildet ist, daß sie zwischen der Einspritzdüse (6) und der Brenngasdüse (8; 9) angeordnet ist und daß sie die Einspritzdüse (6) koaxial umschließt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Düsenöff­ nungen von Einspritzdüse (6) und Zerstäubungsdüse (7; 16) mindestens 3 mm beträgt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Querschnitt der Zerstäubungsdüse (7; 16) in Zuführrichtung (10) des Zerstäubungsgases gesehen, in einem Bereich von unterhalb ihrer Düsenöffnung erweitert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Zer­ stäubungsdüse in Form einer Venturi-Düse (16) ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngasdüse (8; 9) gegenüber der Zerstäubungsdüse (7; 16) in Zuführrichtung (10) des Zerstäubungsgases gesehen verlängert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Düsenöff­ nungen von Zerstäubungsdüse (7; 16) und Brenngasdüse (8; 9) im Bereich zwischen 3 mm und 5 mm eingestellt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Öff­ nung der Brenngasdüse (8; 9), in Zuführrichtung (10) des Zerstäubungsgases gesehen, vor der Öffnung der Zerstäubungsdüse (7; 16) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheidebrenner einen Brennerkopf (1) aufweist, der vollständig aus Quarz­ glas besteht.