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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Bereich der
Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Steigern der Umhüllungsrate
bei der Herstellung einer Vorform, während die Unversehrtheit der
Glasqualität
der Umhüllung
erhalten bleibt.
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Stand der Technik
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Aufgrund des Marktdruckes, den Preis
von optischen Fasern zu mindern, besteht ein fortgesetztes Bedürfnis, die
Gesamtproduktivität
des Herstellungsprozesses zu steigern. Einer der ersten Schritte in
dem Prozess des Herstellens einer optischen Faser ist der Plasmavorgang.
Dieser Vorgang beinhaltet das Herstellen von mehr als 90% des Vorformglases
durch Schmelzen von Quarzsand auf eine erste Vorform als Umhüllung mittels
einem heißen
Plasmafeuerball.
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Mit diesem Vorgang sind zwei wichtige
Parameter verbunden. Der erste ist die Abscheidegeschwindigkeit
(Gramm/Min.) des Glases und der zweite ist die Qualität des abgelagerten
Glases. Für einen
bestimmten Vorgang sind diese zwei Parameter einander entgegenwirkend.
Insbesondere wird die Glasqualität
gemindert, wenn die Abscheidegeschwindigkeit gesteigert wird.
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Beide Parameter werden durch die
verwendbare Leistung, die zum Erzeugen des Plasmafeuerballs verfügbar ist,
beeinflusst. Je größer die
Leistung, umso höher
die Abscheidegeschwindigkeit und umso besser die Glasqualität. Der herkömmliche Plasmaaufbau
hat jedoch begrenzte Leistungsfähigkeiten.
Diese Begrenzung besteht nicht aufgrund der Ausgangsleistung des
Generators, sondern aufgrund der Hitzebeständigkeit des Plasmabrenners.
Wenn die Leistung in dem Plasmabrenner einen gegebenen Wert erreicht,
kann der Plasmabrenner die erforderliche Temperatur nicht aushalten
und seine Lebensdauer wird verkürzt.
Es wird geschätzt,
dass der Plasmabrenner nur ungefähr
2/3 der Ausgangsleistung des Generators verwendet.
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In herkömmlichen Verfahren wird ein
einzelner Plasmabrenner verwendet, wie beispielsweise offenbart
in U.S. Patent No. 4,221,82. Dementsprechend wird die volle Leistung
des Generators nicht realisiert, und die Abscheidegeschwindigkeit
und die Qualität
des Glases sind begrenzt.
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EP-A-0 863 108 offenbart ein Verfahren
zur Reinigung von natürlicher
oder synthetischer Kieselsäure
und Abscheidung der gereinigten Kieselsäure auf einer Glasfaservorform.
Natürliche
oder synthetische Kieselsäure
wird auf eine Vorform abgeschieden, die vor einem Plasmabrenner
in Drehung versetzt wird, welcher sich vor und zurück bewegt
im wesentlichen parallel zu einer Längsrichtung der Vorform. Ein
erster Speisungsgang speist das Plasma mit natürlicher oder synthetischer
Kieselsäure,
während
ein zweiter Speisungsgang das Plasma mit einer mit einem Trägergas gemischten
fluorierten oder chlorierten Verbindung, vorzugsweise einer fluorierten
Verbindung, speist. In der natürlichen
oder synthetischen Kieselsäure
enthaltenes Natrium oder Lithium reagiert mit dem Fluor oder dem
Chlor der fluorierten oder chlorierten Verbindung, wodurch es ermöglicht wird,
die optische Qualität
der Fasern, die aus einer Vorform, die mit natürlicher oder synthetischer
Kieselsäure
aufgebaut ist, gezogen werden, zu verbessern, und dieses bei reduzierten
Kosten.
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In M. Carratt et al. "MCVD-Plasma process for
manufacturing single mode optical fibres for terrestrial applications", Electrical communication, 1994,
S. 11–14,
wird ein Verfahren offenbart, in dem eine erste Vorform hergestellt
wird durch Abscheiden präparierter
Kieselsäure
innerhalb eines Glasrohrs. Nachfolgende konzentrische Schichten
von Kieselsäure
werden dann auf der äußeren Umhüllung der ersten
Vorform abgeschieden unter Verwendung eines Plasmabrenners zum Schmelzen
von Kieselsäurekristallen.
Die Kieselsäure
wird geschmolzen, dann auf die erste Vorform abgeschieden, die seitlich
in Bezug auf den Plasmabrenner angeordnet ist, dann einer Dreh-
und Längsbewegung
unterworfen. Die Vorform kann dann gezogen werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein Ziel der Erfindung ist es, die
ganze Kapazität
des Generators zu verwenden, um so die Gesamtabscheidegeschwindigkeit
zu verbessern, ohne die Qualität
des Glases zu opfern. Insbesondere wird geschätzt, dass das Verfahren der
vorliegenden Erfindung die Abscheidegeschwindigkeit um ungefähr 50% steigert
bei einer gegebenen Glasqualität.
Dieses Ziel wird erreicht durch Verwenden zweier oder mehrerer Plasmabrenner
an Stelle von nur einem, welche durch den gleichen Leistungsgenerator
angetrieben werden.
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Dementsprechend betrifft die vorliegende
Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufbringen von
Quarzsand auf eine Vorform. Das Verfahren zum Umhüllen einer
Vorform beinhaltet die Schritte Tragen der Vorform auf einer Drehmaschine; Bereitstellen
eines ersten und eines zweiten Plasmabrenners mit Düsen, die
auf die Vorform hin gelenkt sind; Versorgen des ersten und zweiten
Plasmabrenners mit Leistung durch einen gemeinsamen Generator derart,
dass die Plasmabrenner Plasmafackeln bilden, die auf eine Oberfläche der
Vorform gerichtet sind; Einführen
von Quarzsand bei einer Verbindung zwischen dem ersten Plasmabrenner
und der Oberfläche
der Vorform, um den Quarzsand auf der Oberfläche der Vorform zu schmelzen;
und Bewegen der Vorform in Bezug auf die Plasmabrenner.
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Gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung wird der zweite Plasmabrenner stromaufwärts des
ersten Plasmabrenners bereit gestellt, um die Oberfläche vorzuheizen
vor dem Schmelzen des Quarzsands durch den ersten Plasmabrenner.
Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung ist der zweite Plasmabrenner stromabwärts des
ersten Plasmabrenners angeordnet, um den Quarzsand aufzuheizen nach
dem anfänglichen
Schmelzen durch den ersten Plasmabrenner. Gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung wird der Quarzsand eingeführt zu Verbindungen zwischen
der Oberfläche
der Vorform und beiden Plasmabrennern, um Quarzsand gleichzeitig
sowohl mit dem ersten als auch mit dem zweiten Plasmabrenner zu
schmelzen.
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Die Vorrichtung zum Durchführen dieses Vorgangs
beinhaltet eine Drehmaschine zum drehbaren Tragen der Vorform; einen
ersten und zweiten Plasmabrenner mit Düsen, die auf die Vorform hin gelenkt
sind; einen Generator zum Versorgen der ersten und zweiten Plasmabrenner
mit Leistung derart, dass die Plasmabrenner Plasmafackeln bilden, die
auf eine Oberfläche
der Vorform gerichtet sind; ein oder mehrere Zufuhrelemente zum
Zuführen
des Quarzsands bei einer Verbindung zwischen dem einen der Plasmabrenner
und der Oberfläche
der Vorform zum Schmelzen des Quarzsands auf der Oberfläche der
Vorform; und eine Einrichtung zum Bewegen der Vorform in Bezug auf
die Plasmabrenner.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGSFIGUREN
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Die Vorteile, Art und verschiedene
zusätzliche
Merkmale der Erfindung werden klarer offenbar unter Berücksichtigung
der beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung, welche schematisch in den Zeichnungsfiguren dargestellt
sind, in welchen:
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1 eine
Seitenansicht einer beispielhaften Vorrichtung zum Durchführen des
Schrittes des Umhüllens
gemäß der Erfindung
ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht ist, welche die zwei Plasmabrenner darstellt;
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3 eine
perspektivische Ansicht ist, welche die Spulenanordnung der Plasmabrenner
darstellt;
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4 eine
perspektivische Ansicht ist, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt,
in welcher der zweite Plasmabrenner stromaufwärts des ersten Plasmabrenners
bereit gestellt wird, um die Oberfläche vorzuheizen vor dem Schmelzen
des Quarzsands durch den ersten Plasmabrenner;
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5 eine
perspektivische Ansicht ist, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt,
in welcher der zweite Plasmabrenner stromabwärts des ersten Plasmabrenners
lokalisiert ist, um den Quarzsand nachzuheizen nach dem anfänglichen
Schmelzen durch den ersten Plasmabrenner; und
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6 eine
perspektivische Ansicht ist, die eine dritte Ausführungsform
der Erfindung darstellt, in welcher der Quarzsand eingeführt wird
bei Verbindungen zwischen der Oberfläche der Vorform und beiden
Plasmabrennern, um den Quarzsand gleichzeitig sowohl mit dem ersten
als auch dem zweiten Plasmabrenner zu schmelzen.
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GENAUE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Ein herkömmliches Verfahren zum Herstellen
einer optischen Faser beinhaltet einen ersten Schritt, der MCVD
(modified chemical vapor deposition = modifizierte Gasphasenabscheidung)
zum Bilden einer ersten Vorform 14 umfasst, einen zweiten Schritt
des Umhüllens
mit Plasma, um eine umhüllte Vorform 15 zu
bilden, und einen dritten Schritt des Ziehens der Vorform, um die
optische Faser zu bilden.
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Verbesserung des Schrittes des Umhüllens. Wie oben dargestellt,
bezieht sich dieser Schritt des Verfahrens auf das Steigern des
Durchmessers der Vorform und beinhaltet das Schmelzen von Quarzsand auf
die Oberfläche
der ersten Vorform 14, welche als Ziel dient. Die Erfindung
wird genauer beschrieben unter Bezugnahme auf 1 bis 3. 1 ist die Seitenansicht
einer beispielhaften Vorrichtung zum Durchführen des Schritts des Umhüllens gemäß der Erfindung, 2 ist eine perspektivische
Ansicht, welche die zwei Plasmabrenner zeigt, und 3 ist eine perspektivische Ansicht, welche
die Spulenanordnung der Plasmabrenner zeigt. Unter Bezugnahme auf 1 und 2 beinhaltet die Umhüllungsvorrichtung 10 eine Plasmakammer 12,
in welcher eine erste Vorform 14 angeordnet ist. Die erste
Vorform 14 wird in dem Futter einer herkömmlichen
Drehmaschine 16 zur Glasverarbeitung getragen. Die Drehmaschine 16 ist
in der Lage, die Vorform um ihre Längsachse zu drehen, die Vorform
in Längsrichtung
zu verschieben (d. h., hinein und heraus aus der Papierebene der 1) und die Entfernung zwischen
den Brennern und der Vorform anzupassen.
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Die Vorrichtung beinhaltet weiter
zwei Plasmabrenner 18, 19, die innerhalb der Plasmakammer 12 angeordnet
sind. Jeder der Plasmabrenner beinhaltet eine Röhre 20, umgeben von
einer Induktionsspule 22, welche elektrisch mit einem Hochfrequenzgenerator 24 verbunden
ist. Die Brenner sind entweder wasser- oder luftgekühlt. Die
Plasmabrenner 18, 19 werden beweglich getragen,
wie durch die Pfeile A und B in 2 dargestellt,
so dass ihre Position entlang der Länge der Vorform 14 (Pfeile
A) und radial von der Vorform (Pfeil B) angepasst werden kann. Insbesondere
werden die Plasmabrenner beweglich durch Trennelemente 25 getragen,
welche in Schlitzen gleiten, die in einem Grundelement 27 bereit
gestellt sind.
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Das Ende der Kieselsäureröhre hat
eine Düse,
durch welche ein herkömmliches
Plasma erzeugendes Gas wie beispielsweise Luft, reiner Sauerstoff
oder eine Mixtur derselben eingeführt wird. Die Spule 22,
die jede der Röhren 20 umgibt,
erzeugt ein hohes elektromagnetisches Feld in der Luft, die in den
Brenner fließt.
Sobald das Plasma mittels einer Zündungsvorrichtung gezündet ist,
wird die Generatorleistung (im Bereich von beispielsweise 50 bis
200 kW) jedem der Plasmabrenner zugeführt, um einen Plasmafeuerball
zu erzeugen, der in der Lage ist, 10.000° Celsius zu erreichen. Die Erfindung
ist selbstverständlich
nicht auf eine bestimmte Art Generator oder einen bestimmten Bereich
von Leistung, die durch diesen erzeugt wird, begrenzt.
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Ein Teilchen-Zufuhrelement 26,
welches einen Röhreninjektor 28 aufweist,
ist entlang der Seite wenigstens eines der Plasmabrenner 18 platziert, wobei
der Röhreninjektor
auf die Vorform hingelenkt ist. Der Injektor 28 liefert
Quarzsand 30, der in der Teilchen-Zufuhreinrichtung 26 gelagert
ist, an den Plasmabrenner, woraufhin die Quarzteilchen schnell erhitzt
werden und auf die drehende und sich verschiebende Vorform 14 geschmolzen
werden. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis Glasschichten auf der Vorform 14 bis
zu einem vorbestimmten Durchmesser gebildet sind, um die umhüllte Vorform 15 zu
bilden. Der Durchmesser der Vorform wird durch eine Kamera 32 überwacht.
Heiße
Luft und Kieselsäuredämpfe werden
aus der Plasmakammer 12 über eine Abzugshaube 34 entfernt.
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3 ist
eine schematische Darstellung der Anordnung der Spulen 22,
die von dem gemeinsamen Generator 24 angetrieben werden.
Die Anordnung beinhaltet eine Hochspannungselektrode 36 und
eine Masseelektrode 38, die entsprechend elektrisch mit
den Hochspannungs- und Massepolen des Leistungsgenerators 24 verbunden
sind. Die Elektroden haben Längsschlitze 40 zum
Aufnehmen einer Schraube 42, um die Spulen 22 mit
den Elektroden festzuklemmen. Die Schlitze 40 ermöglichen
es, dass die Spulen 22 sich entlang den Elektroden 36, 38 bewegen
lassen, um den Abstand zwischen den Spulen zu ändern. Das ist wichtig, damit
die Plasmabrennern genau positioniert werden können abhängig von der Betriebsart, wie
unten genauer beschrieben wird.
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Das gesamte Verfahren einschließlich der Bewegung
der Vorform 14 wird gesteuert durch eine industrielle speicherprogrammierte
Steuerung (SPS) 46, welche außerhalb der Plasmakammer angeordnet
ist.
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Wie oben beschrieben wird die Effizienz
des Verfahrens gekennzeichnet durch die Abscheidegeschwindigkeit
des Quarzsands (d. h., die Menge von Sand, die auf die Vorform als
Glas abgeschieden wird), die Glasqualität und die Teilchenausbeute
(d. h., das Verhältnis
der Menge von auf die Vorform abgeschiedener Teilchen zu der Menge
von injizierten Teilchen in Prozent).
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Die Anwesenheit von zwei Plasmabrennern 18, 19 verbessert
die Effizienz des Verfahrens in den folgenden Punkten. Es gibt drei
bevorzugte Techniken zum Umhüllen
unter Verwendung der zwei Plasmabrenner.
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Gemäß der ersten Ausführungsform
der Erfindung ist einer der Plasmabrenner 18 stromaufwärts des
anderen Plasmabrenners 19 angeordnet und hat die Funktion,
die Vorform 14 vorzuheizen vor dem Abscheiden des Quarzsands
durch den anderen, stromabwärts
befindlichen Plasmabrenner 19. Ein Beispiel dieser Anordnung
wird in 4 der Anmeldung
dargestellt. Unter Bezugnahme auf 4 wird
die Vorform in Längsrichtung
nach rechts (siehe Pfeil) bewegt, wobei die beiden Plasmabrenner
in Längsrichtung
voneinander versetzt sind. Ein Röhreninjektor 28 injiziert
den Quarzsand 30 in den stromabwärts befindlichen Plasmabrenner 19.
Dem stromaufwärts
befindlichen Plasmabrenner 18 wird kein Quarzsand zugeführt. Statt
dessen heizt der stromaufwärts
befindliche Plasmabrenner 18 die Vorform vor, um das von
dem stromabwärts
befindlichen Plasmabrenner 19 durchgeführte Umhüllen zu verbessern.
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Es wurde herausgefunden, dass für eine gegebene
Abscheidegeschwindigkeit die Qualität des abgeschiedenen Glases
wesentlich besser ist, wenn die Vorform vorgeheizt wurde, als ohne Vorheizen.
Im Gegenteil, Vorheizen der Vorform ermöglicht das Steigern der Abscheidegeschwindigkeit,
ohne sich negativ auf die Qualität
des Glases auszuwirken.
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Gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung scheidet einer der Plasmabrenner den Quarzsand ab,
und der andere Plasmabrenner heizt das Glas nach, wie in 5 dargestellt. Im Gegensatz
zu der vorausgegangenen Ausführungsform
aus 4 wird in dieser
Ausführungsform
der Quarzsand dem stromaufwärts
befindlichen Plasmabrenner 18 zugeführt, aber nicht dem stromabwärts befindlichen Plasmabrenner 19.
Demgemäss
hat der stromabwärts
befindliche Plasmabrenner 19 die Funktion, den Quarzsand
auf der Oberfläche
der Vorform nachzuheizen (d. h., die umhüllte Vorform 15 nachzuheizen)
nach dem anfänglichen
Schmelzen durch den stromaufwärts
befindlichen Plasmabrenner 18.
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Das Nachheizen des Glases verfeinert
die Glasqualität
und minimiert Blasenbildung. Wie bei der vorausgegangenen Technik
wurde bestimmt, dass für
eine gegebene Abscheidegeschwindigkeit die Qualität des abgeschiedenen
Glases unter Verwendung der beiden Plasmabrenner verbessert wird im
Gegensatz zum herkömmlichen
Verfahren mit einem Plasmabrenner. Im Gegenteil, die Abscheidegeschwindigkeit
kann gesteigert werden, ohne sich negativ auf die Glasqualität auszuwirken,
im Vergleich zu der herkömmlichen
Technik.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung werden die zwei Brenner 18, 19 verwendet,
um die Quarzteilchen gleichzeitig abzuscheiden, um die umhüllte Vorform 15 zu
bilden. Diese Technik wird in 6 dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 6 liefern
die Röhreninjektoren 28 den
Quarzsand zu jedem der Plasmabrenner 18, 19, so
dass Quarzsand 30 gleichzeitig auf die Oberfläche der
Vorform 14 an verschiedenen Orten in Längsrichtung geschmolzen wird.
Dies ermöglicht,
dass der Teilchenfluss für
jeden Plasmabrenner verringert wird, um die Qualität des Glases
zu verbessern, während
die Abscheidegeschwindigkeit gehalten oder gesteigert wird im Vergleich
zu einem Verfahren mit einem Brenner. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist
es möglich,
gleichzeitig zwei verschiedene Arten von Teilchen unter Verwendung
von verschiedenen Plasmagasen und/oder verschiedenen Injektionsgasen
abzuscheiden.
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Wie aus dem vorausgegangenen ersehen werden
kann, verbessert das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden
Erfindung, in welcher zwei Plasmabrenner 18, 19 verwendet
werden, im wesentlichen die Effizienz des Systems durch Maximieren
der Leistung des gemeinsamen Generators 24. Wie oben beschrieben
ist das begrenzende Element in dem herkömmlichen Verfahren mit einem
Plasmabrenner der Plasmabrenner; der Generator wird mit einer relativ
geringen Leistung betrieben, um die Arbeitstemperatur des Plasmabrenners
zu reduzieren und somit die Lebensdauer des Plasmabrenners zu maximieren.
Durch Bereitstellen von zwei Plasmabrennern, die durch einen gemeinsamen
Generator angetrieben werden, wird die Effizienz des Verfahrens
durch Maximieren der Leistung des Generators verbessert. Das heißt, der
Generator kann mit einer höheren
Sollleistung betrieben werden und die Plasmabrenner können innerhalb
eines akzeptablen Temperaturbereichs arbeiten, wobei die Abscheidegeschwindigkeit
des Verfahrens beträchtlich
gesteigert wird und/oder die Qualität des Glases verbessert wird.
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Nachdem die Erfindung unter besonderer Bezugnahme
auf die bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, wird es dem Durchschnittsfachmann, den die Erfindung
betrifft, nach Verständnis
der Erfindung offenbar werden, dass verschiedene Modifikationen
und Änderungen
daran vorgenommen werden können,
ohne den Schutzbereich der hier angefügten Ansprüche zu verlassen. Zum Beispiel
können,
anstatt der Verwendung von nur zwei Plasmabrennern, drei oder mehr
Plasmabrenner verwendet werden.