WO2001079126A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung eines quarzglaskörpers - Google Patents

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WO2001079126A1
WO2001079126A1 PCT/EP2001/004035 EP0104035W WO0179126A1 WO 2001079126 A1 WO2001079126 A1 WO 2001079126A1 EP 0104035 W EP0104035 W EP 0104035W WO 0179126 A1 WO0179126 A1 WO 0179126A1
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burner
quartz glass
separating
glass tubes
alignment unit
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PCT/EP2001/004035
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Klaus Ruppert
Wolfgang Krock
Peter Kleinsorge
Uwe Christiansen
Andreas Keilholz
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Heraeus Quarzglas Gmbh & Co. Kg
Shin-Etsu Quartz Products Co., Ltd.
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Priority to EP01929525A priority patent/EP1200363A1/de
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    • C03B37/01Manufacture of glass fibres or filaments
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a quartz glass body by supplying glass starting material and fuel gas to a rotationally symmetrical deposition burner formed by coaxial arrangement of several quartz glass tubes and having several annular gap nozzles, SiO 2 particles being formed from the glass starting material in a burner flame while the deposition burner is moved back and forth along the longitudinal axis of a rotating dome to be deposited thereon to form a substantially cylindrical, porous blank.
  • the invention relates to a device for carrying out the method, with a rotationally symmetrical separating burner formed by coaxial arrangement of several quartz glass tubes and having several annular gap nozzles, which is connected to a holding device.
  • quartz glass bodies using the so-called OVD process (Outside vapor deposition)
  • SiO 2 particles are deposited on the outer surface of a rotating dome using one or more deposition burners, so that a cylindrical blank made of porous quartz glass (hereinafter also referred to as a “soot body
  • the deposition burners used for this are generally made of quartz glass or metal.
  • Quartz glass burners have the advantage that contamination of the quartz glass body by abrasion is largely avoided.
  • Such a quartz glass burner is known from DE-A1 195 27 451.
  • This consists of concentrically arranged quartz glass tubes that form a center nozzle and a total of three annular gap nozzles.
  • the center nozzle is fed SiCI and the outside annular gap nozzles the fuel gases in the form of hydrogen and oxygen
  • the separating gas nozzle tapers in the direction of the nozzle opening and acts focusing
  • the known quartz glass burner is manufactured according to the traditional glass-blowing methods, whereby the attainable dimensional accuracy is limited.
  • Each quartz glass burner is unique in that the process parameters in the OVD process must be adapted to the characteristics of the deposition burner (s) after replacing a quartz glass burner
  • a new burner is always found afterwards that essential properties of the quartz glass body, such as the basic density or the dopant distribution, have changed, so that the process parameters have to be adapted to the new quartz glass burner with great expenditure of time and material. This applies particularly to Replacement of a separating burner of a burner bench on which a large number of burners are arranged in a row, since individual characteristics of neighboring separating burners are also noticeable
  • this object is achieved, based on the method of the type mentioned at the outset, in that a separating burner is used in which the annular gap nozzles have a gap width with a dimensional deviation of at most 0.1 mm, and in that the separating burner by means of one on its outer jacket attacking alignment unit includes coaxially and aligned in a predetermined spatial direction, and that the alignment unit is connected to a displacement unit and positioned by means of this in a horizontal plane
  • the inventive method comprises three different interlocking Measures, namely
  • the invention is based on the knowledge that it is only the combination of these measures that can solve the technical problem specified above.A precise dimensional accuracy of the separating burner does not lead to the desired success if, at the same time, alignment by means of an alignment unit which engages coaxially on the outer jacket of the burner and reproducible positioning Likewise, an exact alignment and reproducible positioning of a quartz glass burner does not have the desired effect if its annular gap nozzles do not have at least the specified dimensional accuracy in the gap width
  • the gap width of an annular gap between two adjacent, coaxial quartz glass tubes results as the distance between the outer wall of the inner and the inner wall of the outer quartz glass tube.
  • the dimensional deviation of the gap width is in each case determined as the difference between the upper dimension of a predetermined target gap width and its lower dimension
  • the target gap width results both from the shape tolerances of the quartz glass tubes (such as fluctuations in diameter and thickness as well as out-of-roundness), as well as from positional tolerances (such as an eccentric arrangement) of 0.1 mm has been determined for quartz glass burners with gap widths in the range from 0.5 to 5 mm to lead.
  • Aligning the deposition burner may include pivotal movement about pivot axes, while positioning causes the deposition burner to shift.
  • the separation burner is preferably aligned by means of a
  • Alignment unit which have at least two spaced-apart holding elements, each with a flexible coaxial ring.
  • the holding elements engage the outer shell of the burner at a distance from one another and thus ensure axial guidance of the separating burner.
  • the flexibility of the coaxial rings prevents damage to the separating burner and compensates for fluctuations in the diameter of the outer casing.
  • the central center nozzle of the separating burner is suitable as a reference line for the alignment.
  • the coaxial arrangement of the quartz glass tubes is advantageously measured at the end using a profile projector.
  • the end faces of the quartz glass tubes which form the burner mouth of the deposition burner are detected by means of the professional projector, so that the dimensional deviation of the annular gap nozzles can be determined from such a measurement.
  • a further improvement is obtained by polishing the quartz glass tubes on the face. Deposits in the face of the quartz glass tubes facing the burner flame are avoided and the service life is increased. Chemical etching - such as immersion in hydrofluoric acid - rounds off the edges and thus improves gas outflow. In order to improve the reproducibility of the polishing result, mechanical polishing is preferred to flame polishing.
  • the method according to the invention is particularly simple if the deposition burner is initially aligned vertically and then is preferably positioned below the mandrel by means of the displacement unit such that the longitudinal axis of the deposition burner crosses the longitudinal axis of the mandrel.
  • an auxiliary wire for example, is tensioned instead of the mandrel the burner is aligned.
  • the longitudinal axis of the central central nozzle of the burner is defined as the burner longitudinal axis.
  • a gauge is used to adjust the distance between the deposition burner and the bottom edge of the mandrel.
  • the above-mentioned object is achieved according to the invention starting from the device mentioned at the outset in that the annular gap nozzles have a gap width with a dimensional deviation of at most 0.1 mm and that the holding device, as one, coaxially encompasses the outer jacket of the separating burner and an alignment unit which is pivotable about a first pivot axis and about a second pivot axis and is connected to a displacement unit which can be moved in a horizontal plane.
  • the device according to the invention comprises three essential components:
  • an alignment unit which can be pivoted about two pivot axes and which, when acting on the lateral surface of the separating burner, enables exact guidance and alignment of the separating burner in a predetermined spatial direction
  • a displacement unit connected to the alignment unit for positioning the separating burner in a predetermined position by displacing the alignment unit in a horizontal plane.
  • the alignment unit advantageously has at least two spaced-apart holding elements, each with a flexible coaxial ring.
  • the holding elements engage at a distance from one another on the outer jacket of the burner. In this way, they ensure exact guidance of the separating burner, whereby through the Flexible coaxial rings Avoid damage to the separating burner and compensate for fluctuations in the diameter of the outer jacket.
  • the deposition burner is preferably made from quartz glass tubes which are cut at right angles to their longitudinal axis. This increases the reproducibility of the burner's separation characteristics.
  • Figure 1 is a schematic representation of a top view of the burner mouth of a separating burner
  • Figure 2 shows an embodiment of a device according to the invention in a schematic representation.
  • FIG. 1 serves to illustrate a suitable procedure for determining gap widths and dimensional deviations in a separating burner.
  • the schematic representation shows a top view of the end face of a rotationally symmetrical deposition burner 1.
  • the deposition burner 1 consists of a total of four quartz glass tubes 2, 3, 4, 5 arranged coaxially to one another.
  • the central quartz glass tube 2 encloses a central nozzle 6, between the central quartz glass tube 2 and the adjacent one
  • a quartz glass tube 3 is designed as a separating gas nozzle 7, the quartz glass tube 3 and the quartz glass tube 4 enclose a fuel gas nozzle 8 and the quartz glass tube 4 and the outer tube 5 an outer nozzle 9.
  • the procedure for determining the dimensional deviation of the gap width is discussed below.
  • the shows for clarification Representation of the quartz glass tubes 2-5 with shape and position errors, for example with uneven wall thicknesses, non-circular cross sections and in an eccentric arrangement.
  • the circular line 12 runs with an outer radius R A2 around the outer wall of the quartz glass tube 2, and the circular line 13 with an inner radius R
  • the target gap width of the separating gas nozzle 7 is 0.8 mm in the exemplary embodiment. Fluctuations in the wall thickness, diameter and out-of-roundness of the neighboring quartz glass tubes 2 and 3 as well as an eccentric arrangement lead to dimensional deviations from the nominal gap width.
  • the reference number 10 symbolizes the real maximum gap width and the reference number 11 the real minimum gap width.
  • the annular gap width S is first calculated according to:
  • FIG. 2 shows a device suitable for carrying out the method according to the invention.
  • the device comprises a separating burner, a swiveling table 27 and a sliding table 28.
  • the separating burner 1 is a four-nozzle separating burner, as is also shown schematically in FIG. 1 with reference to the top view of the burner mouth 31.
  • the reference numerals of the illustration in FIG. 1 are therefore used to designate equivalent components of the separating burner 1.
  • the deposition burner 1 is essentially rotationally symmetrical along its longitudinal axis 14. It consists of four coaxially arranged quartz glass tubes (2-5), with the central center nozzle 6, which is coaxially surrounded by three annular gap nozzles (separating gas nozzle 7, fuel gas nozzle 8 and outer nozzle 9).
  • the opening cross sections of the center nozzle 6, the separating gas nozzle 7, the fuel gas nozzle 8 and the outer nozzle 9 are in the order of their mention in a ratio of 1: 5: 15: 40 to each other.
  • Each of the nozzles (6-9) is provided with a gas inlet 30a, 30b, 30c, 30d.
  • the upper end faces of the individual quartz glass tubes, which end in the area of the burner mouth 31, are polished and the edges are rounded off by hydrofluoric acid etching.
  • the separating burner 1 is held in a vertical orientation by means of an alignment unit.
  • the alignment unit comprises a holder 32. This is provided with a bore 25 through which the separating burner 1 extends. In the upper and in the lower area of the bore 25, a screw thread 24 is provided which surrounds the separating burner 1 on the outside.
  • a union nut 34 onto the screw thread 24, a truncated cone surface 23, which is fitted inside the union nut 34, is pressed against the flexible coaxial ring 33, so that it rests against the end face 22 of the holder 32 and the outer jacket 35 of the separating burner 1.
  • the two union nuts 34 By tightening the two union nuts 34, the outer jacket 35 of the separating burner 1 comes on two points centered and guided axially.
  • an adjusting screw 19 is provided which acts on the swivel table 27.
  • the swivel table 27 is fixed via the axis 37 in a bearing block 26 which is attached to a commercially available sliding table 28.
  • the sliding table 28 screwed onto a cantilever 40 can be moved linearly by means of the spindle 39.
  • the separating burner 1 is produced after the suitable selection and careful manufacture of the individual quartz glass tubes by the known glass blowing method. Then, based on a measurement of the burner mouth 31 by means of a profile projector, the dimensional deviation for the three annular gap nozzles is determined, as explained above with reference to FIG. 1.
  • the dimensional deviation in the exemplary embodiment (in the order of the nozzles from the inside to the outside) is 0.1 mm, 0.06 mm and 0.07 mm.
  • the separating burner 1 thus produced and measured thus fulfills the requirement that the dimensional deviation of the gap width in none of the fuel gas nozzles may not exceed 0.1 mm.
  • the separating burner 1 is then inserted from below into the bore 25 and mounted in the holder 32 and fixed therein, so that an exact axial guidance is ensured by the flexible coaxial rings 33 acting on the outer jacket 35 of the separating burner 1.
  • the separating burner 1 is aligned by means of the pivot axis 21 and the axis 37 such that the burner longitudinal axis 14 runs vertically.
  • the separating burner 1 fixed and aligned in this way is then shifted horizontally by means of the displacement table 28 until the longitudinal axis 14 of the separating burner 1 intersects the longitudinal axis of the mandrel 12 (the longitudinal axis of the mandrel 12 in FIG. 2 runs perpendicular to the plane of the drawing sheet).
  • the separating burner 1 produced, aligned and positioned in this way shows an individual, but reproducible burner characteristic.
  • this burner characteristic is obtained again, so that complex adjustments to the process parameters are avoided. This also applies in the event that the separating burner 1 is one of many burners on a burner bank.
  • 1 soot particle is deposited on the mandrel 12 rotating about its longitudinal axis by moving the deposition burner back and forth.
  • the center nozzle 6 of the deposition burner 1 is supplied with SiCI 4 , GeCI and carrier gas oxygen.
  • the molar ratio of the two starting components (SiCI 4 + GeCI 4 ) and the carrier gas oxygen is 1: 1.
  • Separating gas oxygen is passed through the separating gas nozzle 7, hydrogen through the fuel gas nozzle 8 and fuel gas oxygen through the outer nozzle 9, the aforementioned Gas flows (SiCI + GeCI 4 + carrier gas oxygen, separating gas oxygen, hydrogen, fuel gas oxygen) are in this order in a ratio of 1: 1: 10: 5 to each other.
  • a first SiO 2 cladding layer is deposited on it.
  • the supply of GeCI 4 to the deposition burner 1 is stopped and the deposition of undoped SiO 2 particles continues to form the cladding layer.
  • the mandrel 12 is then removed and the green body produced in this way is cleaned, sintered and collapsed into a core rod by the generally known methods.
  • the core rod is then covered with additional cladding glass layers.

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Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers werden einem durch koaxiale Anordnung mehrerer Quarzglas-Rohre (2-5) gebildeten, eine Vielzahl von Ringspaltdüsen (7-9) aufweisenden, rotationssymmetrischen Abscheidebrenner Glasausgangsmaterial und Brenngas zugeführt. Um einen Austausch des Abscheidebrenners ohne grossen Aufwand zu ermöglichen, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass ein Abscheidebrenner (1) eingesetzt wird, bei dem die Ringspaltdüsen (7-9) eine Spaltweite mit einer Massabweichung von höchstens 0,1 mm aufweisen, wobei der Abscheidebrenner (1) mittels einer an seiner Mantelfläche (35) angreifenden Ausrichteeinheit (27; 32) koaxial umfasst und in einer vorgegebenen Raumrichtung ausgerichtet wird, und die Ausrichteeinheit (27; 32) mit einer Verschiebeeinheit (28) verbunden und mittels dieser in einer horizontalen Ebene positioniert wird. Bei einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung ist ein Abscheidebrenner (1) vorgesehen, dessen Ringspaltdüsen (7-9) eine Spaltweite mit einer Massabweichung von höchstens 0,1 mm aufweisen, und dessen Mantelfläche (35) von einer Ausrichteeinheit (27; 32) koaxial umfasst wird, die in mindestens einer ersten Ebene schwenkbar ist und die mit einer in einer zweiten, horizontalen Ebene positionierbaren Verschiebeeinheit (28) verbunden ist.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines
Quarzglaskörpers
Die Er indung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers, indem einem durch koaxiale Anordnung mehrerer Quarzglas-Rohre gebildeten, rotationssymmetrischen, mehrere Ringspaltdusen aufweisenden, Abscheidebrenner Glasausgangsmaterial und Brenngas zugeführt werden, wobei aus dem Glasausgangsmaterial in einer Brennerflamme SiO2-Partikel gebildet werden, die unter Hin- und Herbewegung des Abscheidebrenners entlang der Längsachse eines rotierenden Doms auf diesem unter Bildung eines im wesentlichen zylinderförmigen, porösen Rohlings abgeschieden werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit einem durch koaxiale Anordnung mehrerer Quarzglas-Rohre gebildeten, rotationssymmetrischen, mehrere Ringspaltdusen aufweisenden Abscheidebrenner, der mit einer Haltevorrichtung verbunden ist.
Bei der Herstellung von Quarzglaskörpern nach dem sogenannten OVD-Verfahren (Outside vapour deposition) werden unter Einsatz eines oder mehrerer Abscheidebrenner Siθ2-Partikel auf der Mantelfläche eines rotierenden Doms abgeschieden, so dass sich ein zylinderförmiger Rohling aus porösem Quarzglas (im folgenden auch als „Sootkörper" bezeichnet) bildet. Die dafür eingesetzten Abscheidebrenner bestehen im allgemeinen aus Quarzglas oder aus Metall.
Quarzglasbrenner haben den Vorteil, dass Kontaminationen des Quarzglaskörpers durch Abrieb weitgehend vermieden werden.
Ein derartiger Quarzglasbrenner ist aus der DE-A1 195 27 451 bekannt. Dieser besteht aus konzentrisch angeordneten Quarzglasrohren, die eine Mitteldüse und insgesamt drei Ringspaltdusen bilden. Der Mitteldüse wird SiCI zugeführt und den außeren Ringspaltdusen die Brenngase in Form von Wasserstoff und Sauerstoff Zwischen der Mittelduse und dem äußeren Bereich ist eine Trenngasduse vorgesehen, durch die ein Sauerstoffstrom geleitet wird, der den SιCI4-Strom zunächst von den Brenngasstromen abschirmt Die Trenngasduse verjungt sich in Richtung der Dusenoffnung und wirkt fokussierend
Die Herstellung des bekannten Quarzglasbrenners erfolgt nach den traditionellen glasblaseπschen Methoden, wobei der erreichbaren Maßhaltigkeit Grenzen gesetzt sind Jeder Quarzglasbrenner ist insoweit ein Unikat, so dass die Prozessparameter beim OVD-Verfahren jeweils an die Charaktenstika des oder der Abscheidebrenner anzupassen sind Nach dem Austausch eines Quarzglasbrenners durch einen neuen Brenner stellt man nachträglich jedoch immer wieder fest, dass sich wesentliche Eigenschaften des Quarzglaskorpers, wie zum Beispiel die Grundichte oder die Dotierstoffverteilung geändert haben, so dass die Prozessparameter an den neuen Quarzglasbrenner unter hohem Zeit- und Materialaufwand angepasst werden müssen Dies gilt insbesondere beim Austausch eines Abscheidebrenners einer Brennerbank, auf der eine Vielzahl von Brennern in einer Reihe angeordnet sind, da sich dabei auch individuelle Charaktenstika benachbarter Abscheidebrenner bemerkbar machen
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskorpers unter Einsatz eines oder mehrerer Quarzglasbrenner anzugeben, das einen Brenner-Austausch ohne großen Aufwand ermöglicht, und eine dafür geeignete Vorrichtung bereitzustellen
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemaß dadurch gelost, dass ein Abscheidebrenner eingesetzt wird, bei dem die Ringspaltdusen eine Spaltweite mit einer Maßabweichung von höchstens 0,1 mm aufweisen, und dass der Abscheidebrenner mittels einer an seinem Außenmantel angreifenden Ausrichteeinheit koaxial umfasst und in einer vorgegebenen Raumrichtung ausgerichtet wird, und dass die Ausrichteeinheit mit einer Verschiebeeinheit verbunden und mittels dieser in einer horizontalen Ebene positioniert wird
Das erfindungsgemaße Verfahren umfasst drei unterschiedliche ineinandergreifende Maßnahmen, nämlich
1 die Bereitstellung eines definiert maßhaltigen Abscheidebrenners, mit einer Maßabweichung der Spaltweite der Ringspaltdusen von maximal 0,1 mm,
2 eine Ausrichtung des Abscheidebrenners in einer vorgegebenen Raumrichtung, wobei die Ausrichtung mittels einer Ausrichteeinheit erfolgt, die am Außenmantel des Abscheidebrenners angreift und so eine exakte Fuhrung gewährleistet, und
3 ein Positionieren des Abscheidebrenners in einer vorgegebenen Position durch Verschieben der Ausrichteeinheit in einer horizontalen Ebene Das Positionieren
Der Erfindung egt die Erkenntnis zugrunde, dass erst die Kombination dieser Maßnahmen die oben angegebene technische Aufgabe zu losen vermag Eine exakte Maßhaltigkeit des Abscheidebrenners fuhrt nicht zum gewünschten Erfolg, wenn nicht gleichzeitig eine Ausrichtung mittels einer am Brenner-Außenmantel koaxial angreifenden Ausrichteeinheit und eine reproduzierbare Positionierung erfolgt Ebensowenig zeigt eine exakte Ausrichtung und reproduzierbare Positionierung eines Quarzglasbrenners die gewünschte Wirkung, wenn dessen Ringspaltdusen nicht wenigstens die angegebene Maßhaltigkeit in der Spaltweite aufweisen
Die Spaltweite eines Ringspalts zwischen zwei benachbarten, koaxialen Quarzglasrohren ergibt sich als Abstand zwischen der Außenwandung des inneren und der Innenwandung des äußeren Quarzglasrohres Die Maßabweichung der Spaltweite wird jeweils als Differenz zwischen dem oberen Abmaß einer vorgegebenen Soll-Spaltweite und deren unterem Abmaß ermittelt Abweichungen von der Soll-Spaltweite ergeben sich sowohl durch Formtoleranzen der Quarzglasrohre (wie Durchmesser- und Dickenschwankungen sowie Unrundheiten), als auch durch Lagetoleranzen (wie eine exzentrische Anordnung) Bei jeder einzelnen der Ringspaltdusen eines Abscheidebrenners ist die maximale Maßabweichung im oben angegebenen Rahmen einzuhalten Die genannte maximale Maßabweichung von 0,1 mm wurde für Quarzglas-Brenner mit Spaltweiten im Bereich von 0,5 bis 5 mm ermittelt Es ist zu erwarten, dass bei größeren Spaltweiten auch noch größere Maßabweichungen zu akzeptablen Ergebnissen führen.
Das Ausrichten des Abscheidebrenners kann eine Schwenkbewegung um Schwenkachsen umfassen, während das Positionieren eine Verschiebung des des Abscheidebrenners bewirkt.
Vorzugsweise erfolgt die Ausrichtung des Abscheidebrenners mittels einer
Ausrichteeinheit, die mindestes zwei voneinander beabstandete Halteelemente mit jeweils einem flexiblen Koaxialring aufweisen. Die Halteelemente greifen mit Abstand voneinander am Brenner-Außenmantel an und gewährleisten so eine axiale Führung des Abscheidebrenners. Die Flexibilität der Koaxialringe verhindert eine Beschädigung des Abscheidebrenners und kompensiert Durchmesserschwankungen des Brenner-Außenmantels. Als Bezugslinie für die Ausrichtung ist beispielsweise die zentrale Mitteldüse des Abscheidebrenners geeignet.
Die koaxiale Anordnung der Quarzglas-Rohre wird vorteilhafterweise mittels eines Profilprojektors stirnseitig vermessen. Mittels des Profiiprojektors werden die den Brennermund des Abscheidebrenners bildenden Stirnseiten der Quarzglasrohre erfasst, so dass sich aus einer derartigen Messung die Maßabweichung der Ringspaltdusen ermitteln lässt.
Eine weitere Verbesserung wird dadurch erhalten, dass die Quarzglas-Rohre stirnseitig poliert werden. Ablagerungen im Bereich der Stirnseiten der Quarzglas- Rohre, die der Brennerflamme zugewandt sind, werden vermieden und dadurch die Standzeit erhöht. Durch chemisches Ätzen - wie beispielsweise durch Eintauchen in Flußsäure - werden Kanten abgerundet und dadurch eine verbesserte Gasausströmung erreicht. Im Hinblick auf eine bessere Reproduzierbarkeit des Politurergebnisses wird eine mechanische Politur gegenüber einer Flammenpolitur bevorzugt.
Besonders einfach gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren, wenn der Abscheidebrenner zunächst vertikal ausgerichtet und danach mittels der Verschiebeeinheit unterhalb des Dorns vorzugsweise so positioniert wird, dass die Längsachse des Abscheidebrenners die Dorn-Längsachse kreuzt. Für diese Art der Positionierung, wird zum Beispiel anstelle des Dorns ein Hilfsdraht gespannt, an dem der Brenner ausgerichtet wird. Als Brenner-Längsachse wird dabei die Längsachse der zentralen Mitteldüse des Brenners definiert. Zur Einstellung des Abstands zwischen Abscheidebrenner und Dornunterkante wird eine Lehre eingesetzt.
Hinsichtlich der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend von der eingangs genannten Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ringspaltdusen eine Spaltweite mit einer Maßabweichung von höchstens 0,1 mm aufweisen, und dass die Haltevorrichtung als eine den Außenmantel des Abscheidebrenners koaxial umfassende und um eine erste Schwenkachse und um eine zweite Schwenkachse schwenkbaren Ausrichteeinheit, die mit einer in einer horizontalen Ebene verfahrbaren Verschiebeeinheit verbunden ist, ausgebildet ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst drei wesentliche Bauteile:
1. einen definiert maßhaltigen Abscheidebrenner, mit der Maßgabe, dass die Maßabweichung der Spaltweite jeder der Ringspaltdusen dieses Abscheidebrenners maximal 0,1 mm beträgt,
2. eine um zwei Schwenkachsen schwenkbare Ausrichteeinheit, die an der Mantelfläche des Abscheidebrenners angreifend eine exakte Führung und eine Ausrichtung des Abscheidebrenners in einer vorgegebenen Raumrichtung ermöglicht, und
3. eine mit der Ausrichteeinheit verbundene Verschiebeeinheit zum Positionieren des Abscheidebrenners in einer vorgegebenen Position durch Verschieben der Ausrichteeinheit in einer horizontalen Ebene.
Hinsichtlich der Wirkung dieser Bauteile in Bezug auf die zu lösende technische Aufgabe und die Begriffsdefinitionen für „Spaltweite" und „Maßhaltigkeit" wird auf die obigen Erläuterungen zum erfindungsgemäßen Verfahren hingewiesen.
Vorteilhafterweise weist die Ausrichteeinheit mindestes zwei voneinander beabstandete Halteelemente mit jeweils einem flexiblen Koaxialring auf. Die Halteelemente greifen beabstandet voneinander am Brenner-Außenmantel an. Sie gewährleisten so eine exakte Führung des Abscheidebrenners, wobei durch die flexiblen Koaxialringe Beschädigungen des Abscheidebrenners vermieden und Durchmesserschwankungen des Brenner-Außenmantels ausgeglichen werden.
Besonders bewährt hat sich eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Quarzglas-Rohre stirnseitig eine Politur aufweisen und durch chemisches Ätzen geglättet sind. Im Hinblick auf eine hohe Maßhaltigkeit wird eine mechanische Politur gegenüber einer Flammenpolitur bevorzugt. Durch den Ätzabtrag bei der chemischen Ätzung, beispielsweise in Flußsäure, weisen die Kanten zwischen Stirnseite und Zylindermantelfläche definierte Abrundungsradien auf.
Bevorzugt ist der Abscheidebrenner aus Quarzglas-Rohren gefertigt, die im rechten Winkel zu ihrer Rohrlängsachse geschnitten sind. Dadurch wird die Reproduzierbarkeit der Abscheide-Charakteristik des Brenners erhöht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen
Figur 1 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf den Brennermund eines Abscheidebrenners und
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Darstellung.
Figur 1 dient zur Verdeutlichung einer geeigneten Verfahrensweise zur Ermittlung von Spaltweiten und Maßabweichungen bei einem Abscheidebrenner. Die schematische Darstellung zeigt eine Draufsicht auf die Stirnseite eines rotationssymmetrischen Abscheidebrenners 1. Der Abscheidebrenner 1 besteht aus insgesamt vier koaxial zueinander angeordneten Quarzglasrohren 2, 3, 4, 5. Das zentrale Quarzglasrohr 2 umschließt eine Mitteldüse 6, zwischen dem zentralen Quarzglasrohr 2 und dem benachbarten Quarzglasrohr 3 ist eine Trenngasdüse 7 ausgebildet, das Quarzglasrohr 3 und das Quarzglasrohr 4 umschließen eine Brenngasdüse 8 und das Quarzglasrohr 4 und das Außenrohr 5 eine Außendüse 9.
Am Beispiel der Trenngasdüse 7 wird im folgenden die Verfahrensweise zur Ermittlung der Maßabweichung der Spaltweite erörtert. Zu Verdeutlichung zeigt die Darstellung die Quarzglasrohre 2-5 mit Form- und Lagefehlern behaftet, zum Beispiel mit ungleichmäßigen Wandstärken, unrunden Querschnitten und in exzentrischer Anordnung.
Zur Darstellung des Idealfalls dienen die beiden strichpunktierten Kreislinien 12 und 13, die koaxial zur Längsachse 14 des Brenners 1 verlaufen. Die Kreislinie 12 verläuft mit einem Außenradius RA2 um die Außenwandung des Quarzglasrohres 2, und die Kreislinie 13 mit einem Innenradius R|3tangential am Innenmantel des Quarzglasrohres 3. Da beide Kreislinien 12 und 13 konzentrisch zur Längsachse 14 verlaufen, ist der Spalt zwischen ihnen überall gleich groß.
Die Soll-Spaltweite der Trenngasdüse 7 beträgt im Ausführungsbeispiel 0,8 mm. Schwankungen in der Wandstärke, im Durchmesser und Unrundheiten der benachbarten Quarzglasrohre 2 und 3 sowie eine exzentrische Anordnung führen zu Maßabweichungen von der Soll-Spaltweite. Die Bezugsziffer 10 symbolisiert die reale maximale Spaltweite und die Bezugsziffer 11 die reale minimale Spaltweite. Zur Ermittlung der Maßabweichung wird zunächst die Ringspaltweite S errechnet nach:
S = (Innendurchmesser des äußeren Quarzglasrohres 3) minus (Außendurchmesser des inneren Quarzglasrohres 2
Da beide Durchmesser separat toleriert sind, werden für das obere Abmaß Smaχ und für das untere Abmaß Smιn Toleranzextremwertberechnungen durchgeführt. Beim Quarzglasrohr 3 beträgt im Ausführungsbeispiel das obere Abmaß seines Innendurchmesser 4,7 + 0,05 = 4,75 mm und das untere Abmaß des Außendurchmessers des Quarzglasrohres 2 liegt bei 3,1 - 0,05 = 3,05 mm. Daraus berechnet sich das obere Abmaß Smax zu (4,75 - 3,05)/2 = 0,85.
Entsprechend ergibt sich beim Quarzglasrohr 3 im Ausführungsbeispiel das untere Abmaß seines Innendurchmesser 4,7 - 0,05 = 4,65 mm und das obere Abmaß des Außendurchmessers des Quarzglasrohres 2 liegt bei 3,1 + 0,05 = 3,15 mm. Daraus berechnet sich das untere Abmaß Smιn zu (4,65 - 3,15)/2 = 0,75.
Die Maßabweichung im Sinne dieser Erfindung ergibt sich durch die Differenz von oberem Abmaß und unterem Abmaß somit Smax - Smιn = 0,85 - 0,75 = 0,1.
EntsDrechfind
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die MaRahwftichunαen bei der Brennqasdüse 8 und bei der Außendüse 9 ermittelt. Bei keiner dieser Ringspaltdusen übersteigt die Maßabweichung den zulässigen Wert von 0,1 mm.
In Figur 2 ist eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung dargestellt. Die Vorrichtung umfasst einen Abscheidebrenner, einen Schwenktisch 27 und einen Verschiebetisch 28.
Bei dem Abscheidebrenner 1 handelt es sich um einen Vier-Düsen- Abscheidebrenner, wie er auch in Figur 1 schematisch anhand der Draufsicht auf den Brennermund 31 dargestellt ist. Im folgenden werden daher zur Bezeichnung äquivalenter Bestandteile des Abscheidebrenners 1 die Bezugsziffern der Darstellung von Figur 1 verwendet.
Der Abscheidebrenner 1 ist entlang seiner Längsachse 14 im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet. Er besteht aus vier koaxial zueinander angeordneten Quarzglasrohren (2 - 5), mit der zentralen Mitteldüse 6, die von drei Ringspaltdusen (Trenngasdüse 7, Brenngasdüse 8 und Außendüse 9) koaxial umgeben ist. Die Öffnungsquerschnitte der Mitteldüse 6, der Trenngasdüse 7, der Brenngasdüse 8 und der Außendüse 9 stehen in der Reihenfolge ihrer Nennung im Verhältnis von 1 : 5 : 15 : 40 zueinander.
Jede der Düsen (6 - 9) ist mit einem Gaseinlass 30a, 30b, 30c, 30d versehen. Die oberen, im Bereich des Brennermundes 31 endenden Stirnseiten der einzelnen Quarzglasrohre sind poliert und die Kanten durch eine Flußsäureätzung abgerundet.
Der Abscheidebrenner 1 wird mittels einer Ausπchteeinheit in vertikaler Ausrichtung gehalten. Hierzu umfaßt die Ausrichteeinheit eine Halterung 32. Diese ist mit einer Bohrung 25 versehen, durch die hindurch sich der Abscheidebrenner 1 erstreckt. Im oberen und im unteren Bereich der Bohrung 25 ist jeweils ein den Abscheidebrenner 1 außen umgreifendes Schraubgewinde 24 vorgesehen. Durch Aufschrauben einer Überwurfmutter 34 auf das Schraubgewinde 24 wird eine innen in der Überwurfmutter 34 angebrachte Kegelstumpffläche 23 gegen den flexiblen Koaxialring 33 gepresst, so dass dieser sich gegen die Stirnseite 22 der Halterung 32 und den Außenmantel 35 des Abscheidebrenners 1 anlegt. Durch das Anziehen der beiden Überwurfmuttern 34 wird der Außenmantel 35 des Abscheidebrenners 1 an zwei Punkten zentrisch gehaltert und axial geführt.
An der Halterung 32 greift mittig eine Schwenkachse 21 an, die senkrecht zur Längsachse 14 verläuft und die im Schwenktisch 27 gelagert ist. Durch Schwenken um die Schwenkachse 21 wird ein Schwenken des Abscheidebrenners 1 um den Schwenkwinkel „ß" (Bezugsziffer 36; senkrecht zur Zeichenblattebene) bewirkt. Mit der Klemmschraube 20 wird die Schwenkachse 21 arretiert. Um den Abscheidebrenner 1 um die Achse 37 mit dem Schwenkwinkel „α" (Bezugsziffer 36) bewegen zu können, ist eine Stellschraube 19 vorgesehen, welche auf den Schwenktisch 27 einwirkt. Der Schwenktisch 27 ist über die Achse 37 in einem Lagerbock 26 fixiert, der auf einem handelsüblichen Verschiebetisch 28 befestigt ist. Mittels der Spindel 39 lässt sich der auf einem Ausleger 40 aufgeschraubte Verschiebetisch 28 linear bewegen.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren am Beispiel der Herstellung einer Vorform für optische Fasern und anhand der in Figur 2 dargestellten Vorrichtung näher erläutert:
In einem ersten Verfahrensschritt wird der Abscheidebrenner 1 nach geeigneter Auswahl und sorgfältiger Fertigung der einzelnen Quarzglasrohre nach dem bekannten glasbläserischen Verfahren hergestellt. Anschließend wird auf Basis einer Vermessung des Brennermundes 31 mittels Profilprojektor die Maßabweichung für die drei Ringspalt-Düsen ermittelt, wie dies oben anhand von Figur 1 erläutert ist. Die Maßabweichung beträgt im Ausführungsbeispiel (in der Reihenfolge der Düsen von Innen nach Außen) 0,1 mm 0,06 mm und 0,07 mm. Der so hergestellte und vermessene Abscheidebrenner 1 erfüllt somit die Maßgabe, wonach die Maßabweichung der Spaltweite bei keiner der Brenngasdüsen 0,1 mm überschreiten darf.
Der Abscheidebrenner 1 wird anschließend von unten in die Bohrung 25 eingeführt und in der Halterung 32 montiert und darin fixiert, so dass eine exakte axiale Führung durch die am Außenmantel 35 des Abscheidebrenners 1 angreifenden, flexiblen Koaxialringe 33 gewährleistet ist. Mittels der Schwenkachse 21 und der Achse 37 wird der Abscheidebrenner 1 so ausgerichtet, dass die Brenner-Längsachse 14 vertikal verläuft. Der so fixierte und ausgerichtete Abscheidebrenner 1 wird daraufhin mittels des Verschiebetischs 28 in der Horizontalen verschoben, bis die Längsachse 14 des Abscheidebrenners 1 die Längsachse des Dorns 12 schneidet (die Längsachse des Dorns 12 verläuft in Figur 2 senkrecht zur Zeichenblattebene).
Der so hergestellte, ausgerichtete und positionierte Abscheidebrenner 1 zeigt eine individuelle, jedoch reproduzierbare Brennercharakteristik. Bei einem Ersatz dieses Abscheidebrenners 1 durch einen Anderen, der gemäß den Maßgaben dieser Erfindung hergestellt, ausgerichtet und positioniert wird, wird diese Brennercharakteristik wieder erhalten, so dass aufwendige Anpassungen der Verfahrensparameter vermieden werden. Dies trifft auch für den Fall zu, dass der Abscheidebrenner 1 einer von vielen Brennern einer Brennerbank ist.
Zur Herstellung einer mit GeO2 dotierten Kernschicht nach dem OVD-Verfahren werden auf dem um seine Längsachse rotierenden Dorn 12 durch Hin- und Herbewegung des Abscheidebrenners 1 Sootpartikel abgeschieden. Hierzu werden der Mitteldüse 6 des Abscheidebrenners 1 SiCI4, GeCI und Trägergas-Sauerstoff zugeführt. Das Molverhältnis der beiden Ausgangskomponenten (SiCI4 + GeCI4) und dem Trägergas-Sauerstoff beträgt dabei 1 : 1. Durch die Trenngasdüse 7 wird Trenngas-Sauerstoff, durch die Brenngasdüse 8 Wasserstoff und durch die Außendüse 9 Brenngas-Sauerstoff geleitet, wobei die genannten Gasströme (SiCI + GeCI4 + Trägergas-Sauerstoff, Trenngas-Sauerstoff, Wasserstoff, Brenngas- Sauerstoff) in dieser Reihenfolge in einem Mengenverhältnis von 1 : 1 : 10 : 5 zueinander stehen.
Nachdem die Kernschicht ihre Sollstärke erreicht hat, wird darauf eine erste SiO2- Mantelschicht abgeschieden. Hierzu wird die Zufuhr von GeCI4 zum Abscheidebrenner 1 gestoppt und die Abscheidung undotierter SiO2-Partikel unter Bildung der Mantelschicht fortgesetzt.
Anschließend wird der Dorn 12 entfernt und der so hergestellte Grünkörper nach den allgemein bekannten Verfahren gereinigt, gesintert und zu einem Kernstab kollabiert. Zur Fertigstellung der Vorform für optische Fasern wird der Kernstab abschließend mit zusätzlichen Mantelglasschichten überfangen.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers, indem einem durch koaxiale Anordnung mehrerer Quarzglas-Rohre (2 - 5) gebildeten, rotationssymmetrischen, mehrere Ringspaltdusen (7 - 9) aufweisenden,
Abscheidebrenner (1) Glasausgangsmaterial und Brenngas zugeführt werden, wobei aus dem Glasausgangsmaterial in einer Brennerflamme SiO2-Partikel gebildet werden, die unter Hin- und Herbewegung des Abscheidebrenners (1 ) entlang der Längsachse eines rotierenden Dorns (12) auf diesem unter Bildung eines im wesentlichen zylinderförmigen, porösen Rohlings abgeschieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abscheidebrenner (1) eingesetzt wird, bei dem die Ringspaltdusen (7 - 9) eine Spaltweite mit einer Maßabweichung von höchstens 0,1 mm aufweisen, und dass der Abscheidebrenner (1) mittels einer an seinem Außenmantel (35) angreifenden Ausrichteeinheit (27; 32) koaxial umfasst und in einer vorgegebenen
Raumrichtung ausgerichtet wird, und dass die Ausrichteeinheit (27; 32) mit einer Verschiebeeinheit (28) verbunden und mittels dieser in einer horizontalen Ebene positioniert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichtung des Abscheidebrenners (1) mittels einer Ausrichteeinheit (27; 32) erfolgt, die mindestens zwei voneinander beabstandete Halteelemente (34) mit jeweils einem flexiblen Koaxialring (33) aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die koaxiale Anordnung der Quarzglas-Rohre (2 - 5) mittels eines Profilprojektors stirnseitig vermessen und aus dieser Messung die Maßabweichung der Ringspaltdusen
(7 - 9) ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglas-Rohre (2 - 5) stirnseitig poliert und anschließend durch chemisches Ätzen geglättet werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheidebrenner (1) mittels der Ausrichteeinheit (27; 32) vertikal ausgerichtet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheidebrenner (1) mittels der Verschiebeeinheit (28) unterhalb des Dorns
(12) so positioniert wird, dass die Längsachse (14) des Abscheidebrenners (1) die Dorn-Längsachse schneidet.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem durch koaxiale Anordnung mehrerer Quarzglas-Rohre (2 - 5) gebildeten, rotationssymmetrischen, mehrere Ringspaltdusen (7 - 9) aufweisenden Abscheidebrenner (1), der mit einer Haltevorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringspaltdusen (7 - 9) eine Spaltweite mit einer Maßabweichung von höchstens 0,1 mm aufweisen, und dass die Haltevorrichtung als eine den Außenmantel (35) des Abscheidebrenners (1) koaxial umfassende und um eine erste Schwenkachse (21) und um eine zweite
Schwenkachse (37) schwenkbaren Ausrichteeinheit (27; 32), die mit einer in einer horizontalen Ebene verfahrbaren Verschiebeeinheit (28) verbunden ist, ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausrichteeinheit (27; 32) mindestes zwei voneinander beabstandete
Halteelemente (34) mit jeweils einem flexiblen Koaxialring (33) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglas-Rohre (2 - 5) stirnseitig eine Politur aufweisen und durch chemisches Ätzen geglättet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die einer Brennerflamme zugewandte Stirnseite der Quarzglas-Rohre (2 - 5) im rechten Winkel zur Rohr-Längsachse geschnitten ist.
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