DE3521623A1 - Verfahren zum kontinuierlichen aufbau eines im innern traegerfreien, hohlzylindrischen sootkoerpers - Google Patents

Verfahren zum kontinuierlichen aufbau eines im innern traegerfreien, hohlzylindrischen sootkoerpers

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DE3521623A1 DE19853521623 DE3521623A DE3521623A1 DE 3521623 A1 DE3521623 A1 DE 3521623A1 DE 19853521623 DE19853521623 DE 19853521623 DE 3521623 A DE3521623 A DE 3521623A DE 3521623 A1 DE3521623 A1 DE 3521623A1
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Description

Hanau, 30. April 1985 -U-. ZPL-eG/ha
Heraeus Quarzschmelze GmbH Patentanmeldung
"Verfahren zum kontinuierlichen Aufbau eines im Innere trägerfreien, hohlzylindrischen
Sootkörpers"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum axialen Aufbau eines im Inneren trägerfreien, hohlzylindrischen, im wesentlichen aus Siliziumdioxid bestehenden Sootkörpers in vertikaler Anordnung mittels mindestens eines der Sooterzeugung dienenden Aufbau-Flammhydrolyse-Brenners, wobei zu Beginn des Aufbaues der Soot auf einem Hilfskörper niedergeschlagen und während des Aufbaues der Aufbau-Brenner und der sich aufbauende Sootkörper relativ zueinander gedreht werden, und der Brenner hierbei in gleichbleibendem Abstand zu dem Aufbau-Ende des Hohlzylinders gehalten wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der EP-Al-O 041 397 bekannt. Zu Beginn dieses Verfahrens wird der Soot auf einen hängend angeordneten, rotierenden Dorn mittels Brenner niedergeschlagen. Der sich auf diese Weise aufbauende Sootkörper wird im Laufe des Verfahrens kontinuierlich nach unten in axialer Richtung abgezogen, wobei sich, bedingt durch den Dorn, im Sootkörper ein axialer Hohlraum bildet. Falls erforderlich, können mit in axialer Richtung verteilten weiteren Brennern weitere Sootschichten auf dem Sootkörper abgeschieden werden. Unterhalb des Dornes in geringem Abstand zu diesem, ist eine Heizvorrichtung vorgesehen, mittels derer die Vorform konsolidiert wird.
— 2 —
Die konsolidierte Vorform wird in einer weiteren Drehvorrichtung gelagert und kontinuierlich nach unten abgezogen.
Aus der DE-OS 26 47 121 ist ein Verfahren zum Aufbau eines Vorformlings für optische Fasern bekannt, bei dem die pulverförmige Substanz mittels Hydrolyse-Brenner auf einen sich um eine horizontale Achse drehenden zylindrischen Dorn niedergeschlagen \i/ird. Der Brenner wird hierbei in mehreren Durchgängen entlang des Domes verfahren, bis eine ausreichende Sootschicht auf dem Dorn aufgebaut ist. In einer weiteren Anordnung ist die Flamme des Hydrolyse-Brenners horizontal ausgerichtet und schlägt auf einem sich drehenden Ausgangsdorn Soot nieder. Der Dorn wird kontinuierlich mit wachsendem Sootkörper von der Flamme des Hydrolyse-Brenners entfernt. Dieses Verfahren ist auf Rußstäbe beschränkt, die eine Länge von etwa 6 cm aufweisen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem der Aufbau von langgestreckten, hohlzylindrischen Sootkörpern möglich ist und bei dem Hilfs- oder Stützkörper, die die Innenseite des Soot-Zylinders negativ beeinflussen können, vermieden werden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Mündung des Aufbau-Brenners annähernd mittig über dem vorbestimmten Querschnitt des sich nach oben aufbauenden freien Endes der Zylinderwandung gehalten wird und daß mittels eines gerichteten Gasstromes das Eindringen von Soct in den axialen Zylinderhohlraum verhindert wird. Mit diesem Verfahren lassen sich, durch den stehenden Aufbau des Soot-Zylinders, Sootzylinder herstellen, die eine Länge von 2000 mm und mehr aufweisen, ohne daß hierzu im Zylinderhohlraum ein Stützkörper erforderlich ist. Folglich entfällt es, einen Trägerkörper aus der Zylinderachse zu entfernen oder einen Stützkörper beim Aufbau mitzuführen, wodurch üblicherweise Verletzungen an der Innenoberfläche des Sootzylinders zu beobachten sind. Da diese beschädigten
Schichten gerade das Zentrum des späteren Faserkerns bilden, sind solche Beeinträchtigungen besonders schwerwiegend.Vielmehr wird gemäß dem vorliegenden Verfahren der Zylinderhohlraum durch den gerichteten Gasstrom festgelegt, der das Eindringen von Soot in den axialen Zylinderhohlraum verhindert.
Je nach Durchmesser des aufzubauenden Hohlzylinders bzw. dessen Wandstärke können mehrere Aufbau-Brenner über den Zylinder-Wandquerschnitt verteilt angeordnet sein. Der nach dem Verfahren freitragend hergestellte Soot-Zylinder hat auf der inneren Zylinderoberfläche eine beschädigungsfreie, homogene Oberflächenschicht. Weiterhin ist er, durch den axialen Schichtaufbau bedingt, und die daraus resultierende kontinuierliche Abkühlung sehr spannungsarm.
Als Ausgangsstoffe für die Herstellung eines solchen Soot-Zylinders werden hochreine Si-Verbindungen, z.B. SiCl,, eingesetzt. Die Ausgangsstoffe werden in einer Flamme, vorzugsweise einer H„-0_-Flamme, mit Sauerstoff zu den entsprechenden Oxiden oxidiert und auf einem senkrecht angeordneten, rotierenden Hilfskörper bei Temperaturen von 1100 bis 1400 0C, vorzugsweise bei 1200 bis 1300 0C, niedergeschlagen. Der Hilfskörper dient dabei nur anfangs zur Aufnahme des Sootmaterials. Nach dem Anwachsen des Sootkörpers auf ca. 500 bis 1000 mm kann der Hilfskörper entfernt werden, und der Sootkörper selbst durch ein körperumfassendes Werkzeug gehaltert und gedreht werden. Hierbei ist ein kontinuierlicher, fortlaufender Aufbau des Sootkörpers möglich. Von dem erstellten Sootkörper können Teile gewünschter Länge abgetrennt werden. In dieser stehenden Anordnung können Sootkörper großer Länge, d.h. 2 m und mehr, ohne Stützkörper aufgebaut werden.
Der Hilfskörper besteht vorzugsweise aus Quarzglas, Al 0 oder Graphit.
Besonders gut hat sich ein in dem axialen Zylinderhohlraum angeordneter Hilfs-Brenner zur Erzeugung des Gasstromes erwiesen,
— ·ι\ - —
mit dem ein definiert ausgerichteter Gasstrom erzeugt werden kann, der das Eindringen des Soots in den axialen Zylinderhohlraum verhindert. Je nach der Umdrehungsgeschwindigkeit und dem Durchmesser des Hohlraumes können mehrere dieser Hilfs-Brenner (Stützbrenner) über die Innenwandung verteilt angeordnet werden.
Um einen Hohlkörper mit Gradientenprofil zu erhalten, wird in einer bevorzugten Ausführungsform mit wenigstens einem der Aufbau-Brenner dotierter Soot abgeschieden. Zur Dotierung werden z.B. TiCl., GeCl., PoCl,, AlCl,, Frigene (F) eingesetzt, die im verglasten Hohlkörper eine die Brechzahl erhöhende oder erniedrigende Wirkung haben.
Die Bildung des Sootkörpers wird durch eine Reihe von Faktoren beeinflußt, insbesondere durch die Lage der Abscheidefläche zur Flamme des Aufbau-Brenners. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, den/die Aufbau-Brenner derart ausgerichtet zu betreiben, daß die Achse ihres Flammkegels mit der Ebene, zu der die Zylinderachse die Flächennormale bildet, einen Winkel von 10° bis 50°, bevorzugt von 25° bis 30°, einschließt.
Um den Aufbau einer weitgehendst glatten Oberfläche an der Außenseite des Soot-Zylinders zu bewirken, kann,falls erforder lich, ein weiterer Hilfs-Brenner an der Außenseite des Soot-Körpers mit gegen das sich aufbauende Ende gerichteten Flammkegel vorgesehen werden. Die Hilfsfunktion des oder der HilfsBrenner wird dadurch verstärkt, daß die Flammkegel der Brenner schräg in Aufbaurichtung gegen die Zylinderwandung, sei es geqen dessen Innenwandung oder dessen Außenwandung, gerichtet werden.
Die Hilf s-Brenner können in vorteilhafter VJeise gleichzeitig als Aufbau- oder Dotierbrenner betrieben werden.
Bevorzugt wird der Hilfskörper, auf dem der Sootkörper in der Anfangsphase aufgebaut wird, gedreht, wobei dann die Aufbau-Brenner fest stehen. Als den Aufbau in der Anfangsphase unterstützende Maßnahme ist ein Hilfskörper dienlich, der einen ringförmigen, dem Querschnitt des aufzubauenden hohlzylindrischen Sootkörpers angepaßten Ringwulst aufweist, auf den der Soot niedergeschlagen u/ird.
Gut bewährt hat sich beispielsweise ein Hilfskörper mit einem Außendurchmesser von 400 mm, einem Innendurchmesser von 100 mm und einer Höhe von 150 mm, auf den ein Soot-Zylinder aufgebaut wurde, der einen Außendurchmesser von 400 mm mit einem Durchmesser des zylindrischen Hohlraumes von 100 mm aufwies.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
Figur 1 den Aufbau eines hohlzylindrischen Sootkörpers während der Anfangsphase in einer Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie I-I in Figur 2,
Figur 2 eine Ansicht von oben auf die Anordnung nach Figur 1,
Figur 3 eine der Anordnung nach Figur 1 ähnliche Anordnung, wobei mit den Brennern unterschiedlich dotierter Soot niedergeschlagen wird,
Figur 4 ein dem Sootzylinder nach Figur 3 zugeordnetes Brechzahlprofil ,
Figur 5 den Aufbau eines Sootkörpers insbesondere für eine Gradientenprofilfaser und
Figur 6
und 7 den dem Querschnitt des Sootkörpers nach Figur 5 zugeordneten Temperaturverlauf sowie dessen Brechzahlprofil .
.9-
In der Anfangsphase wird der Soot mittels eines Aufbau-Brenners auf einem Hilfskörper 2 niedergeschlagen, wie dies insbesondere aus Figur 1 und 2 ersichtlich ist. Während der Aufbau-Brenner fest steht, ist der Hilfskörper 2 um eine Achse 3 in Richtung des Pfeiles 4 rotierend angeordnet. Der Hilfskörper 2, bestehend aus Quarzglas, Al„0, oder Graphit, u/eist einen ringförmigen Wulst 5 auf, der dem aufzubauenden, hohlzylindrischen Sootkörper angepaßt ist. In diesem Beispiel beträgt der Außendurchmesser des Hilfskörpers 400 mm, der Innendurchmesser, durch die Bezugsziffer 6 angedeutet, etwa 100 mm und die Höhe 7 des Wulstes über der Bodenfläche des Innenraumes etwa 150 mm. Die Oberseite des Wulstes 5 ist geringfügig abgerundet; diese Maßnahme wirkt sich vorteilhaft auf den Aufbau des Zylinders gerade in der Anfangsphase aus.
Während des gesamten Aufbaues des zylindrischen Sootkörpers 8, der sich auf der Oberseite des ringförmigen Wulstes 5 in stehender Anordnung aufbaut wird zumindest auf der Innenseite des aufzubauenden Sootkörpers 8, d.h. auf der den zylindrischen Innenraum 9 bildenden Seite, ein mit seiner Brennerdüse gegen die Innenu/andung gerichteter Hilfs-Brenner (Stützbrenner) 10 betrieben, dessen Gasstrom das Eindringen von Soot in den axialen Zylinderhohlraum verhindert. Der Begriff "Hilfs-Brenner" ist nicht dahingehend zu verstehen, daß mit diesem Brenner 10 gleichzeitig Soot abgeschieden werden muß; vielmehr ist die wesentliche Aufgabe dieses Brenners, eine gerichtete, den Aufbau des Zylinders an seiner Innenseite unterstützende Gasströmung zu erzeugen. Die Brennerdüse des Hilfs-Brenners 10 ist derart ausgerichtet, daß die Gasströmung geringfügig unterhalb der jeweils gerade aufzubauenden oberen Kante des Sootkörpers 8 ansetzt. Diese Gasströmung kann, gegebenenfalls auch zusätzlich zu der mit dem Hilfs-Brenner 10 erhaltenen Gasströmung, durch eine Gaszufuhr im unteren Bereich des Hilfskörpers 2, die sich entlag des Sootkörper-Zylinderhohlraumes fortsetzt, erhalten werden. Im Gegensatz zu einer derartigen Gasströmung hat die auf die Oberkante
des Sootkörpers gerichtete Gasströmung, die durch den HilfsBrenner 10 erreicht wird, eine wesentlich höhere Wirkung.
Ein weiterer Hilfs-Brenner 11 ist in der gezeigten Ausführung am Außenumfang des aufzubauenden} zylindrischen Sootkörpers 8 hier eine zusätzliche Gasströmung aufrechtzuhalten die von ihrer Funktion her der Gasströmung an der Innenseite des zylindrischen Sootkörpers 8 entspricht und verhindert" daß Soot über den vorbestimmten Außenumfang des Sootkörpers hinaus niedergeschlagen wird.
Eine Brennerversorgung 12 des Aufbau-Brenners 1 und der HilfsBrenner 10, 11 ist schematisch angedeutet.
Wie der Figur 1 zu entnehmen ist, ist der Flammkegel der Hilfs-Brenner 10, 11 schräg in Aufbaurichtung des Sootkörpers gegen die Zylinderwandung gerichtet. Während die Brenner 1, 10 und 11 stationär betrieben werden, wird der rotierende Hilfskörper 2 in Richtung des Pfeiles 13 nach unten entsprechend der Geschwindigkeit des Aufbaues des Sootkörpers abgezogen. Der Aufbau-Brenner 1, der, wie aus Figur 2 ersichtlich ist, etwa mittig über dem Querschnitt der Wandung des zylindrischen Sootkörpers 8 angeordnet ist, ist derart gehalten, daß die Achse seines Flammkegels, durch die strichpunktierte Linie 14 angedeutet, mit der Ebene 15, zu der die Zylinderachse 16 die Flächennormale bildet, einen Winkel 21 von 10° bis 50°, bevorzugt im Bereich von 25° bis 30°, einschließt.
Gegenüber der Anordnung nach Figur 1 wird die in Figur 3 dargestellte Anordnung derartig betrieben, daß mit den beiden Hilfs-Brennern 10, 11, mit denen der Führungs-Gasstrom erzeugt wird, ein Dotiermittel aufgebracht wird, so daß der Zylinder 8 im Bereich seiner Innenwandung und im Bereich seiner Außenwandung unterschiedlich dotierte Schichten 17, 18 aufweist, während der Kernbereich 19 undotiert bleibt. Hierdurch wird in dem späteren, verglasten Sootkörper ein Brechwertprofil über den Durchmesser erreicht, wie dies beispielsweise in Figur 4
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dargestellt ist. Hier weist die Innenschicht 17 eine höhere Brechzahl η auf als die Außenschicht 18. Mit der Mittellinie 20 ist in diesem Diagramm die Zylinderachse 16 angedeutet.
In Figur 5 ist eine Anordnung mit mehreren Aufbau-Brennern dargestellt, mittels derer zusätzlich zu dem Soot jeweils unterschiedliche Mengen an Dotiermitteln zugeführt werden. Die Temperaturverteilung der einzelnen Brenner 1 wird dabei so gesteuert, daß sich die gewünschte Menge Dotiermittel örtlich entsprechend einbaut. Die Temperaturverteilung über den Durchmesser der in Figur 5 gezeigten Zylinderwandung sowie der erhaltene Brechungsindex η ist in den Figuren und 7 gezeigt. Die inneren Brenner werden gegenüber den äußeren Brennern mit höherer Temperatur T betrieben. In diesem Beispiel fällt der Brechnungsindex von innen nach außen ab.
Wie aus Figur 5 ersichtlich ist sind die beiden äußeren Aufbau-Brenner 1 zur Zylinderachse 16 hin geneigt, wobei der äußerste Aufbau-Brenner 1 stärker zur Zylinderachse hin geneigt ist, als der weiter innen liegende Brenner.
Auch bei diesem Ausführungsbeispiel wird, nicht dargestellt, zumindest an der Innenwandung des Zylinder-Hohlraumes ein Hilfs-Brenner 10, entsprechend der Darstellung nach Figur 1 und 3, betrieben, um das Eindringen von Soot in den axialen Zylinderhohlraum zu verhindern.
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Claims (12)

Q C O Hanau, 30. April 1985 ZPL-eG/ha Heraeus Quarzschmelze GmbH Patentanmeldung "V/erfahren zum kontinuierlichen Aufbau eines im Innern träger freien, hohlzylindrischen Sootkörpers" Patentansprüche
1. Verfahren zum axialen Aufbau eines im Innern trägerfreien, hohlzylindrischen im wesentlichen aus Siliciumdioxid bestehenden Sootkörpers in vertikaler Anordnung mittels mindestens eines der Sooterzeugung dienenden Aufbau-Flammhydrolyse-Brenners, wobei zu Beginn des Aufbaues der Soot auf einem Hilfskörper niedergeschlagen und während des Aufbaues der Aufbau-Brenner und der sich aufbauende Sootkörper relativ zueinander gedreht werden und der Brenner hierbei in gleichbleibendem Abstand zu dem Aufbau-Ende des Hohlzylinders gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung des Aufbau-Brenners annähernd mittig über dem vorbestimmten Querschnitt des sich nach oben aufbauenden freien Endes der Zylinderwandung gehalten wird und daß mittels eines gerichteten Gasstromes das Eindringen von Soot in den axialen Zylinderhohlraum verhindert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Eindringen von Soot in den axialen Zylinderhohlraum verhindernde Gasstrom mit einem Hilfsbrenner, der in dem Zylinderhohlraum angeordnet ist, erhalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit mehreren über den Zylinder-Wandquerschnitt verteilt angeordneten Aufbau-Brennern der Zylinderaufbau erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit wenigstens einem der Aufbau-Brenner dotierter Soot abgeschieden wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Aufbau-Brenner derart gehalten wird, daß die Achse seines Flammkegels mit der Ebene, zu der die Zylinderachse die Flächennormale bildet, einen Winkel von 10° bis 50° einschließt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau-Brenner in einem Winkel von 25° bis 30° gehalten wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang des Sootkörpers eine Gasströmung aufrechterhalten wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Gasstrom am Außehumfang des Zylinders mit einem weiteren Hilfs-Brenner erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Flammkegel jedes Hilfs-Brenners schräg in Aufbaurichtung gegen die Zylinderwandung gerichtet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfs-Brenner als Aufbau- oder Dotier-Brenner betrieben werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskörper gedreht wird.
- 3
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskörper einen ringförmigen, dem Querschnitt des aufzubauenden Hohlzylinders angepaßten Wulst aufweist, auf dem der Soot niedergeschlagen wird.
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