WO2009141259A1 - Verfahren zur herstellung eines zylinders aus quarzglas unter einsatz einer haltevorrichtung sowie haltevorrichtung - Google Patents

Abstract

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung eines Zylinders aus Quarzglas umfasst einen Verfahrensschritt, bei dem ein eine poröse SiO₂-Sootschicht aufweisender SiO₂-Körper, der ein unteres Ende, ein oberes Ende und einen Außenmantel aufweist, in einem Verglasungsofen zu dem Quarzglaszylinder gesintert und dabei mittels einer Haltevorrichtung in vertikaler Orientierung gehalten wird, die ein am oberen Ende des SiO₂-Körpers ansetzendes, oberes Halteelement und ein am unteren Ende angeordnetes unteres Halteelement umfasst. Um hiervon ausgehend ein Verfahren anzugeben, mittels dem auch schwere Körper aus porösem SiO₂ beim Verglasen sicher gehalten werden können, wir erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Haltevorrichtung ein formstabiles Verbindungsteil aufweist, das sich innerhalb des Verglasungsofens entlang des Außenmantels des SiO₂- Körpers erstreckt und das das obere und das untere Halteelement miteinander verbindet.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Zylinders aus Quarzglas unter Einsatz einer Haltevorrichtung sowie Haltevorrichtung

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinders aus Quarzglas, umfassend einen Verfahrensschritt, bei dem ein eine poröse SiO₂- Sootschicht aufweisender SiO₂-Körper, der ein unteres Ende, ein oberes Ende und einen Außenmantel aufweist, in einem Verglasungsofen zu dem Quarzglaszylinder gesintert und dabei mittels einer Haltevorrichtung in vertikaler Orientierung gehalten wird, die ein am oberen Ende des SiO₂-Körpers ansetzendes oberes Halteelement und ein am unteren Ende angeordnetes unteres Halteelement um- fasst.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Haltevorrichtung zur Halterung eines eine poröse SiO₂-Sootschicht aufweisenden SiO₂-Körpers, der ein unteres Ende, ein oberes Ende und einen Außenmantel aufweist in einem Ofen in vertikaler Orientierung, umfassend ein am oberen Ende des SiO₂-Körpers ansetzendes oberes Halteelement und ein am unteren Ende des SiO₂-Körpers angeordnetes unteres Halteelement.

Stand der Technik

Zylinder aus synthetischem Quarzglas werden als Zwischenprodukte für die Herstellung von Vorformen für optische Fasern verwendet. Beim sogenannten „Soot- verfahren" umfasst ihre Herstellung einen Abscheideprozess unter Bildung eines porösen Rohlings aus SiO₂-Partikeln (hier als „Sootkörper" oder als „Sootrohr" bezeichnet) und einen Verglasungsprozess zum Verglasen des Sootkörpers zu einem Hohlzylinder aus Quarzglas. Das Verglasen des Sootrohres (auch als „Verglasen" bezeichnet) kann auch so geführt werden, dass die Sootrohr- Innenbohrung kollabiert, so dass ein Vollzylinder erhalten wird. Das Verglasen eines Sootrohres ist beispielsweise in der US 4,157,906 A beschrieben. Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung offenbart, wobei ein SiO₂- Sootrohr in einem Verfahrensschritt gesintert, die Innenbohrung dabei kollabiert und gleichzeitig zu einer Faser elongiert wird. Zur Halterung des SiO₂-Sootrohres in einem Zieh- und Verglasungsofen in vertikaler Ausrichtung wird in die Innenbohrung des Sootrohres ein ca. 50 mm langes Rohrstück aus Quarzglas eingesetzt, dessen Außendurchmesser in etwa dem Innendurchmesser der Innenbohrung entspricht, und das an seinem zur Einführung in die Innenbohrung bestimmten Ende höckerartige Verdickungen aufweist. Zur Verankerung des Quarzglas- rohres werden die höckerartigen Verdickungen in der Innenbohrung um ca. 90 Grad verdreht, so dass eine einem Bajonettverschluss ähnliche, formschlüssige Verbindung entsteht. Das Sootrohr wird an dem eingedrehten Halter an seinem oberen Ende hängend gehalten und mit seinem unteren Ende beginnend einer Heizzone zugeführt und darin zonenweise erweicht und zu einer Faser elongiert.

Beim Eindrehen des Rohrstücks in die Wandung des Sootrohres werden Partikel generiert, die sich auf der Sootrohr-Innenwandung ablagern und sich im weiteren Prozess ungünstig bemerkbar machen können. Außerdem kann es zu Ausbrüchen und Rissen kommen, die das Sootrohr unbrauchbar machen oder die später zu einem Ausbrechen des Halters führen können.

Es ist auch vorgeschlagen worden (DE 196 49 935 A1 ) einen Halter aus Quarzglas bereits beim Abscheideprozess in den sich aufbauenden Sootkörper so einzubetten, dass er stirnseitig aus dem zu verglasenden Sootkörper herausragt und so zur hängenden Halterung des Sootkörpers bei nachfolgenden Prozessschritten verwendet werden kann. Die Einbettung des Halters ist jedoch schwierig zu re- produzieren und die Festigkeit kaum überprüfbar. Dabei ist zu beachten, dass im Zuge der Produktivitätssteigerung zunehmend größere Quarzglaszylinder nachgefragt werden, so dass auch die Gewichte der zu verglasenden Sootrohre laufend zunehmen. Die Halterung schwerer Sootrohre ist bei den oben beschriebenen Verfahrensweisen problematisch. Bei dem aus der EP 701 975 A2 bekannten Verfahren wird das Sootrohr mittels einer Haltevorrichtung gehalten in einem Verglasungsofen in vertikaler Orientierung gehalten, die eine Tragestange umfasst, die sich von oben durch die Innenbohrung des Sootrohres erstreckt und die mit einem Haltefuß verbunden ist, auf dem das Sootrohr anfangs mit seinem unteren Ende aufsteht. Die Tragestange besteht aus kohlefaserverstärktem Grafit (CFC; carbon fiber reinforced carbon) und sie ist von einem gasdurchlässigen, dünnwandigen Hüllrohr aus reinem Grafit umhüllt. In einer Position oberhalb des oberen Endes des Hüllrohres ist in die Innenbohrung des Sootrohres ein nach Innen ragender Grafittragring eingebettet. Beim Verglasen wird das Sootrohr mit seinem oberen Ende beginnend zonenweise verglast. Dabei kollabiert das Sootrohr sukzessive auf das Grafit-Hüllrohr auf und schrumpft auch in seiner Länge, wobei es in einer ersten Verglasungsphase auf dem Haltefuß aufsteht. Die Position des im Sootrohr eingebetteten Grafittrag- rings ist so gewählt, dass sich dieser in einer zweiten Verglasungsphase infolge der zunehmenden Längenschrumpfung auf dem Grafit-Hüllrohr abstützt, so dass dann das Sootrohr am oberen Ende hängend gehalten wird.

Bei einer Abwandlung dieses Verfahrens gemäß der DE 103 03 290 B3 ist zusätzlich vorgesehen, dass sich beim Verglasen zwischen dem Haltestab und dem Sootrohr eine Hülle aus synthetischem Quarzglas befindet.

Zur Erhöhung der Produktivität sind zunehmend großvolumige und dickwandige Quarzglaszylinder mit einem möglichst großen Verhältnis zwischen Außen- und Innendurchmesser gefragt. Im Zuge dieser Entwicklung wird der Innendurchmesser der Sootrohre immer kleiner und das Gewicht immer größer. Beim Halten schwerer Sootrohre mittels einer dünnen Tragestange erweisen sich jedoch deren Zugfestigkeit oder Biegesteifigkeit als begrenzende Faktoren. Das bekannte Verfahren stößt hier an Grenzen und erfordert für das Verglasen schwerer Sootrohre eine mechanisch stabile - also dicke - Tragestange, um Bruch oder Durchbiegung zu verhindern.

Diese Schwierigkeit wird bei einer Verfahrensweise gemäß der eingangs genann- ten Gattung vermieden, wie sie aus der DE 197 36 949 C1 bekannt ist. Zum HaI- ten eines Sootrohres in einem Verglasungsofen wird eine Haltevorrichtung ähnlich einer „vertikal orientierten Drehbank" vorgeschlagen. Zu diesem Zweck werden am unteren Ende und am oberen Ende in der Innenbohrung des Sootrohres rohrförmige Halter eingesetzt und mit dem Sootrohr fest verbunden. An jedem Halter greift jeweils ein Spannfutter der „vertikal orientierten Drehbank" an, mittels der das Sootrohr in vertikaler Orientierung gehalten wird. Zum zonenweisen Verglasen wird entweder die Erhitzungszone von einem Ende des Sootrohres beginnend entlang desselben geführt - oder in kinematischer Umkehr - wird das Sootrohr durch die ortfeste Erhitzungszone hindurchbewegt. Infolge der Lagerung der Halter in den Spannfuttern der Drehbank kann ihr Abstand zueinander während des Verglasens konstant gehalten oder verändert werden. Da das Sootrohr gleichzeitig sowohl am oberen Halter hängend gehalten als auch vom unteren Halter gestützt wird, wirken auf den erweichten Bereich des Sootrohres relativ geringe Gewichtskräfte ein, so dass eine Verformung beim Verglasen vermieden werden kann.

Das bekannte Verfahren erfordert eine zugfeste Fixierung der Halter in der Innenbohrung des Sootrohres. Die „vertikal orientierte Drehbank" ist konstruktiv relativ aufwändig, und sie erstreckt sich mit den Spannfuttern in den Innenraum des Ver- glasungsofens, was zur Verunreinigung des Sootrohres führen kann.

Ähnliche Problemstellungen ergeben sich auch beim Verglasen anderer Rohre aus porösem SiO₂, die nicht über die SiO₂-Soot-Verfahrensroute erzeugt worden sind, etwa bei porösen SiO₂-Körpern, die über die bekannte Sol-Gel-Route oder durch Pressverfahren erhalten worden sind oder auch bei Verbundrohren aus einem Innenrohr aus Quarzglas und einer darauf aufgebrachten porösen SiO₂- Schicht.

Technische Aufgabe

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur Herstellung eines Zylinders aus Quarzglas anzugeben, mittels dem auch schwere SiO₂-Körper beim Verglasen sicher gehalten werden können. Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache und betriebssichere Haltevorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Haltevorrichtung ein formstabiles Verbindungsteil aufweist, das sich innerhalb des Verglasungs- ofens entlang des Außenmantels des SiO₂-Körpers erstreckt und welches das obere Halteelement und das untere Halteelement miteinander verbindet.

Zwischen dem oberen und dem unteren Halteelement befindet sich der zu halten- de SiO₂-Körper. Im Unterschied zu den bekannten Verfahren werden beim erfindungsgemäßen Verfahren die Kräfte zur Halterung des SiO₂-Körpers vollständig oder zum größten Teil mittels eines formstabilen Verbindungsteils abgetragen, das sich zwischen dem unteren und dem oberen Halteelement erstreckt, und zwar außerhalb des SiO₂-Körpers und innerhalb des Verglasungsofens.

Dieses Verbindungsteil kann daher ohne Rücksichtnahme auf den Innendurchmesser einer etwaigen Innenbohrung eine bedarfsgemäße - also insbesondere auch eine große - Wandstärke und eine dementsprechend hohe mechanische Festigkeit aufweisen. Die Formstabilität des Verbindungsteils gewährleistet die Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes zwischen dem oberen und dem unte- ren Halteelement. Die Formstabilität des Verbindungsteils zeigt sich in einer ausreichend hohen Zugfestigkeit und Biegesteifigkeit auch bei den zum Verglasen erforderlichen hohen Temperaturen.

Dadurch erübrigen sich Maßnahmen zum Halten des SiO₂-Körpers, bei denen die Haltekräfte im Wesentlichen an der Innenbohrung des SiO₂-Körpers abgetragen werden, oder bei denen die Haltekräfte im Wesentlichen mittels einer Haltestange abgetragen werden, die sich durch die Innenbohrung erstreckt und die mit einem Haltefuß verbunden ist. Ein Durchbiegen eines zu dünnen Haltegestänges, wie es im Stand der Technik bei schweren Sootkörpern vorkommen kann, wird so vermieden. Abgesehen davon, dass die Einstellung einer ausreichend hohen mechanischen Festigkeit der Halterung nicht an den Durchmesser einer etwaigen Innenbohrung des SiO₂-Körpers geknüpft ist, hat das erfindungsgemäße Verfahren den weiteren Vorteil, dass der Aufwand zur Bearbeitung der Innenbohrung des SiO₂-Körpers zum Zweck der Fixierung eines Halteelementes verringert ist oder ganz entfallen kann. Außerdem kann auf die üblichen Verglasungsgestänge in der Innenbohrung, wie etwa die aus dem Stand der Technik bekannten CFC- oder Graphit- Bauteile, verzichtet werden, so dass auch die damit einhergehenden Verunreinigungen des SiO₂-Körpers vermieden werden können.

Das Verbindungsteil besteht aus einem oder mehreren Bauteilen. Das obere und das untere Halteelement und das Verbindungsteil liegen als separate, voneinander lösbare Bauteile vor, oder sie sind einstückig ausgebildet. Wesentlich ist, dass der Bauteilverbund aus oberem und unterem Halteelement und Verbindungsteil innerhalb der Heizzone des Verglasungsofen positionierbar ist.

Die Haltevorrichtung wird beim Verglasen des SiO₂-Körpers oder bei anderen Prozessschritten, wie der Dehydratation, einem Dotierprozess oder für den Transport des SiO₂-Körpers eingesetzt.

Das Verglasen des eine poröse SiO₂-Schicht enthaltenden SiO₂-Körpers im Sinne der Erfindung besteht darin, dass der SiO₂-Körper vollständig oder teilweise ver- glast wird. Das teilweise Verglasen kann dazu dienen, an das obere Ende des SiO₂-Köpers eine Halterung anzuschmelzen, mittels der der SiO₂-Körper in nachfolgenden Prozessschritten gehalten werden kann.

Beim Sintern des Sootkörpers in vertikaler Ausrichtung kann es zu einem Zusammensacken des Sootkörpers kommen. Um dies zu verhindern weist entweder der Sootkörper selbst Bereiche mit hoher Formstabilität auf, wie etwa einen Innenbereich in Form einer Quarzglasschicht, oder das am oberen Ende des SiO₂- Körpers ansetzende, obere Halteelement greift während mindestens einer Phase des Verglasungsprozesses am oberen SiO₂-Körperende an, und zwar entweder an der Außenwandung, an der Stirnfläche oder in einer etwaigen Innenbohrung des SiO₂-Körpers. Dadurch trägt es dazu bei, das obere Ende in einer vorgege- benen - auch variablen - Höhenposition zu halten, so dass beim Verglasen ein Absacken unter dem eigenen Gewicht verhindert wird.

Bei einer bevorzugten Verfahrensweise ist vorgesehen, dass das obere Halteelement, das untere Halteelement und das Verbindungsteil einen Rahmen um den SiO₂-Körper bilden.

Der Rahmen gewährleistet eine ausreichende Formstabilität der Haltevorrichtung. Es ist im einfachsten Fall als um den SiO₂-Körper umlaufender Bügel ausgebildet, der dem SiO₂-Körper an beiden stirnseitigen Enden umfasst, und der auch seitlich offen sein kann. Der Rahmen kann innerhalb des Ofens auf und ab bewegt und um die Ofenlängsachse rotiert werden.

Vorzugsweise sind das obere Halteelement und das untere Halteelement platten- förmig, kreuzförmig oder sternförmig ausgebildet, und mittels Haltestangen miteinander verbunden.

Haltestangen haben gegenüber flächig ausgebildeten Verbindungsteilen den Vor- teil, dass sie die Einwirkung der Heizzone beim Verglasen weniger beeinflussen. Die Haltestangen erstrecken sich dabei parallel zueinander entlang des Außenmantels des SiO₂-Körpers oder sie bilden untereinander oder mit anderen Verbindungsteilen Verstrebungen, unter Ausbildung einer käfig- oder gerüstartigen Struktur mit hoher Biegesteifigkeit und Formstabilität.

Es wird eine Verfahrensvariante bevorzugt, bei der der SiO₂-Körper zu Beginn des Verglasungsprozesses auf dem unteren Halteelement aufsteht.

Steht der SiO₂-Körper auf dem unteren Halteelement auf, trägt dieses die Gewichtskraft des Körpers und leitet sie über das Verbindungsteil nach oben ab. Das Verbindungsteil wird hierbei auf Zug belastet. Dies ist beispielsweise der Zustand beim Transport des noch nicht verglasten SiO₂-Körpers oder zu Beginn des Verglasungsprozesses.

Die Haltevorrichtung kann sowohl hängend als auch stehend innerhalb des Ver- glasungsofens gehalten werden. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn eine Haltevorrichtung eingesetzt wird, bei der das obere Halteelement mit einer in vertikaler Richtung bewegbaren Aufhängung versehen ist.

Mittels der Aufhängung ist die Haltevorrichtung insgesamt in hängender Weise innerhalb des Verglasungsofens bewegbar. Dabei ist insbesondere eine Bewe- gung in vertikaler Richtung erwünscht, beispielsweise um ein zonenweises Verglasen des SiO₂-Körpers zu ermöglichen, indem dieser durch eine Heizzone hindurchbewegt wird. In dem Zusammenhang ist festzuhalten, dass das erfindungsgemäße Verfahren unter Einsatz der Haltevorrichtung gleichermaßen für ein isothermes Verglasen des SiO₂-Körpers geeignet ist, bei dem der SiO₂-Körper über seine gesamte Länge gleichzeitig in einer langgestreckten Heizzone verglast wird.

Zur Halterung eines SiO₂-Körpers mit einer Innenbohrung ist vorzugsweise vorgesehen, dass das obere Halteelement mit einem Fixierungselement versehen ist, das an der Innenbohrung des SiO₂-Körpers angreift.

Das Fixierungselement ist mit dem oberen Halteelement verbunden oder Bestandteil davon. Es greift in der Innenbohrung des SiO₂-Körpers an. Das Fixierungselement dient dabei nicht nur zur zeitweisen oder andauernden Aufhängung des Sootkörpers am oberen Halteelement, sondern auch zur Zentrierung oder Ausrichtung des SiO₂-Körpers. Dadurch hängt der SiO₂-Körper von Beginn an am Halteelement oder er kann sich infolge seiner Längenschrumpfung im Verlauf des Verglasungsprozesses an dem oberen Halteelement aufhängen. Die dann auf das Fixierungselement wirkenden Gewichtskräfte werden nach oben über das Halteelement und eine daran ansetzende Halterung abgeleitet. Das Verbindungsteil (wie etwa seitliche Haltestangen) wird dabei nicht belastet.

Bei einer bevorzugten Modifikation dieser Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass auch das untere Halteelement mit einem Fixierungselement versehen ist, das an der Innenbohrung des SiO₂-Körpers angreift.

Das Fixierungselement ist mit dem unteren Halteelement verbunden oder Bestandteil davon. Es greift am unteren Ende der Innenbohrung des SiO₂-Körpers an. Das Fixierungselement dient ebenfalls zur Zentrierung oder Ausrichtung des SiO₂-Körpers oder zur Fixierung des unteren Endes in axialer Richtung. Im zuletzt genannten Fall wird ein Abheben des SiO₂-Körpers vom unteren Halteelement beim Verglasen infolge der Schrumpfung verhindert oder begrenzt, so dass die Länge des verglasten SiO₂-Körpers maßgeblich durch den Abstand zwischen dem unteren oder dem oberen Halteelement bestimmt wird. Die Halteelemente verhindern somit ein Zusammensacken des SiO₂-Körpers und sie tragen zur Formung des verglasenden SiO₂-Körpers und zur geometrischen Stabilisierung beim Verglasen bei.

Weiterhin hat es sich zur Halterung eines SiO₂-Körpers, der eine Innenbohrung aufweist, bewährt, wenn die Haltevorrichtung ein zylinderförmiges Formelement umfasst, das sich durch diese Innenbohrung zwischen untere Halteelement und oberem Halteelement erstreckt.

Das Formelement dient dabei in erster Linie dazu, die Geometrie der Innenboh- rung des SiO₂-Körpers nach dem Verglasen vorzugeben, indem der SiO₂-Körper beim Verglasen auf das Formelement aufschrumpft, wie dies auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Formelement muss jedoch in axialer Richtung keinerlei mechanische Belastungen aufnehmen, so dass es mit relativ kleinem Außendurchmesser oder mit einer vergleichsweise dünnen Wandung versehen sein kann. Die Innenbohrung des SiO₂-Körpers kann daher beliebig eng sein. Der Einsatz eines derartigen Formelements ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Geometrie der Innenbohrung exakt eingehalten werden muss, wie beispielsweise bei Zylindern für die Herstellung von Vorformen für optische Fasern oder bei Zylindern, aus denen Rohre mit hoher Maßhaltigkeit gezogen werden sollen. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Rohr aus Grafit oder um ein dünnwandiges

Quarzglasrohr (oder um einen Quarzglasstab) handeln. Das Formelement kann sich durch die Innenbohrung erstrecken und mittels des oberen und unteren Halteelements fixiert und zentriert werden.

Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass der SiO₂-Körper als Verbundköper aus einem Innenzylinder aus Quarzglas und einer SiO₂-Sootschicht vorliegt, wobei die SiO₂-Sootschicht auf dem Zylinderaußen- mantel des Quarzglas-Innenzylinders aufgebracht ist.

Das Sintern wird dabei vorzugsweise so geführt, dass der Innenzylinder seine Geometrie im Wesentlichen beibehält. Dadurch trägt er zur Formstabilisierung der SiO₂-Sootschicht bei, die auf seiner Außenmantelfläche aufgebracht ist. Der Innenzylinder verhindert oder vermindert zum Beispiel ein Zusammensacken der SiO₂-Sootschicht und ein Schrumpfen der SiO₂-Sootschicht in Richtung der Zylinderlängsachse. Dadurch kann bei dieser Ausführungsform eine hängende Halte- rung des SiO₂-Körpers am oberen Ende entfallen. Bei dem Innenzylinder aus Quarzglas handelt es sich um ein Rohr oder einen Stab (zum Beispiel einen sogenannten Kernstab für die Vorformherstellung).

Hinsichtlich der Haltevorrichtung wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Haltevorrichtung ein formstabiles Verbindungsteil aufweist, das sich innerhalb des Verglasungsofens entlang des Außenmantels des SiO₂-Körpers erstreckt und das das obere Halteelement und das untere Halteelement miteinander verbindet.

Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung umfasst ein Verbindungsteil, das sich innerhalb des Ofens aber außerhalb des zu haltenden SiO₂-Körpers zwischen dem oberen und dem unteren Halteelement erstreckt. Die zur Halterung des SiO₂- Körpers erforderlichen Kräfte werden vollständig oder zum größten Teil mittels dieses formstabilen Verbindungsteils abgetragen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung gegenüber den bekannten Haltevorrichtungen bestehet darin, dass das Verbindungsteil ohne Rücksichtnahme auf den Innendurchmesser einer etwaigen Innenbohrung des SiO₂-Körpers eine bedarfsgemäße - also insbesondere auch eine große - Wandstärke und eine dementsprechend hohe mechanische Festigkeit aufweisen kann. Die Formstabilität des Verbindungsteils gewährleistet die Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes zwischen dem oberen und dem unteren Halteelement. Sie zeigt sich in einer ausreichend hohen Zugfestigkeit und Biegesteifigkeit auch bei den zum Verglasen erforderlichen hohen Temperaturen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass sich Maßnahmen zum Halten des SiO₂-Körpers erübrigen, bei denen die Haltekräfte im Wesentlichen an der Innenbohrung des SiO₂-Körpers abgetragen werden, oder bei denen die Haltekräfte im Wesentlichen mittels einer Haltestange abgetragen werden, die sich durch die Innenbohrung erstreckt und die mit einem Haltefuß verbunden ist. Ein Durchbiegen eines zu dünnen Haltegestänges, wie es im Stand der Technik bei schweren Sootkörpern vorkommen kann, wird so vermieden.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass auf die üblichen Verglasungsge- stänge in der Innenbohrung, wie etwa die aus dem Stand der Technik bekannten CFC- oder Graphit-Bauteile, verzichtet werden kann, so dass auch die damit einhergehenden Verunreinigungen des SiO₂-Körpers vermieden werden können.

Das obere und das untere Halteelement und das Verbindungsteil liegen als separate, voneinander lösbare Bauteile vor, oder sie sind einstückig ausgebildet. Wesentlich ist, dass der Bauteilverbund aus oberem und unterem Halteelement und Verbindungsteil innerhalb der Heizzone des Verglasungsofens positionierbar ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Soweit in den Unteransprüchen angegebene Ausgestaltungen der Haltevorrichtung den in Unteransprüchen zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur er- gänzenden Erläuterung auf die obigen Ausführungen zu den entsprechenden Verfahrensansprüchen verwiesen.

Ausführungsbeispiel

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung

Figur 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung in einer Seitenansicht, Figur 2 eine Draufsicht auf eine obere Halteplatte, die Bestandteil der Haltevorrichtung gemäß Figur 1 ist,

Figur 3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung in einer Seitenansicht und

Figur 4 die Ausführungsform gemäß Figur 3 in einer Draufsicht auf die Haltevorrichtung.

Figur 1 zeigt einen von einem Ofenmantel umhüllten Ofenraum 1 , mit einer ringförmigen, ortsfesten Heizzone 2 und mit einer Halteeinrichtung für einen Sootkör- per 4, der insgesamt die Bezugsziffer 3 zugeordnet ist.

Die Haltevorrichtung ist innerhalb des Ofenraumes 1 und der Heizzone 2 in Richtung der Längsachse 14 auf und ab bewegbar, wie dies der Richtungspfeil 5 anzeigt. Sie umfasst einen Haltefuß 6 aus Grafit, auf dessen horizontal orientierter Oberfläche eine untere kreisförmige Halteplatte 7 befestigt ist. Der Haltefuß 6 ist mit einem Innengewinde 8 versehen, in das hinein sich das Außengewinde einer Formstange 9 erstreckt. Das gegenüberliegende Ende der Formstange 9 ragt durch die zentrale Öffnung einer Grafitmutter 10, die auf einer oberen kreisförmigen Halteplatte 11 befestigt ist.

Die Formstange 9 besteht aus Grafit und weist einen Außendurchmesser von 30 mm auf. Die erstreckt sich durch die Innenbohrung 16 des Sootkörpers 4, die einen Durchmesser von 35 mm aufweist, und sie verläuft koaxial zur Längsachse 14.

Die Grafitmutter 10 ist mit einem Halteknauf 12 versehen, an dem ein (in der Zeichnung nicht dargestelltes) Zugelement angreift, mittels dem die Haltevorrichtung 3 insgesamt innerhalb des Ofenraumes 1 bewegbar ist, wie oben beschrie- ben. Das untere Ende der Grafitmutter 12 weist einen Haltezapfen 17 mit einem Außendurchmesser von 34 mm auf, der sich über eine Länge von etwa 40 mm in die Innenbohrung 16 des Sootkörpers 14 erstreckt. Obere Halteplatte 11 und untere Halteplatte 7 sind über insgesamt sechs Haltestangen 13 miteinander verbunden, die um den Umfang der kreisförmigen Halteplatten 7, 11 gleichmäßig verteilt sind und die sich parallel zueinander und zur Längsachse 14 erstrecken. Die Haltestangen haben einen kreisförmigen Quer- schnitt mit einem Durchmesser von 30 mm. Die Halteplatten 7, 11 bestehen aus Grafit und die Haltestangen 13 bestehen aus kohlefaserverstärktem Kohlenstoff (CFC).

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Halteplatte 11 , mit der zentralen Innenbohrung 22 als Durchlass für die Formstange 9 sowie mit Gewindebohrungen 21 , die um den Umfang gleichmäßig verteilt sind und in denen die Haltestangen 13 befestigt werden, die hierfür an ihren beiden Enden jeweils mit gegenläufigen Gewinden versehen sind.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Quarzglaskörpers unter Einsatz der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen der Haltevorrichtung näher erläutert.

Durch Flammenhydrolyse von SiCI₄ wird mittels eines herkömmlichen OVD- Abscheideverfahrens ein Sootkörper 4 mit einer Länge von etwa 3 m und einer Innenbohrung 16 mit einem Durchmesser von 35 mm hergestellt. Aus dem so erhaltenen Sootkörper 16, der eine Dichte von etwa 27 % der Dichte von Quarzglas aufweist, wird durch Verglasen ein transparentes Quarzglasrohr hergestellt. Hierzu wird der Sootkörper 4 in den Verglasungsofen 1 eingebracht und mittels der Haltevorrichtung 3 mit vertikal orientierter Längsachse 14 darin gehalten. Die Bewegung der Haltevorrichtung 3 mitsamt darin gehaltenem Sootkörper 4 erfolgt mittels eines an der Grafitmutter 10 angreifenden Zugelements in Form einer Ket- te aus CFC.

Mittels der Kette aus CFC werden Haltevorrichtung 3 und Sootkörper 4 mit seinem oberen Ende beginnend mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/min kontinuierlich von unten nach oben durch die Heizzone 2 gezogen und dabei zonenweise erhitzt und gesintert. Die Temperatur in der Heizzone 2 wird dabei auf etwa 1500 ⁰C voreingestellt. Der Innendruck innerhalb des Verglasungsofens wird beim Verglasen durch fortlaufendes Evakuieren bei etwa 0,1 mbar gehalten.

Während einer ersten Verglasungsphase steht der Sootkörper 4 auf der unteren Halteplatte 7 und dem Haltefuß 6 auf. Das Gewicht des Sootkörpers 4 wird dabei mittels der Haltestangen 13 und der Halteplatten 7, 11 über die Grafitmutter 10 abgetragen. Beim Verglasen kollabiert zunächst das obere Ende des Sootkörpers 4 auf die Formstange 9 auf. Gleichzeitig kommt es infolge der radialen Schrumpfung der Sootschicht zu einer form- oder reibschlüssigen Verbindung zwischen dem Haltezapfen 17 der Grafitmutter 12 und der Sootkörper-Innenbohrung 16, die ausreicht, um den sinternden Sootkörper 4 hängend zu halten.

Im Verlaufe des weiteren Verglasungsprozesses hebt sich das untere Ende des Sootkörpers 4 infolge der Längenschrumpfung von der unteren Halteplatte 7 ab, so dass der weitere Verglasungsprozess in hängender Halterung des Sootkörpers 4 erfolgt. Das Gewicht des Sootkörpers 4 wird hierbei über den Haltezapfen 17 und die Grafitmutter 10 abgetragen.

Die Formstange 9, die gleichzeitig zur Mittenzentrierung des zu sinternden Sootkörpers 4 dient, wird zu keinem Zeitpunkt auf Druck oder Zug belastet. Sie wird nach dem Verglasen entfernt und es wird ein Quarzglas-Hohlzylinder mit einer Innenbohrung mit einem Durchmesser von 30 mm erhalten. Der Quarzglas- Hohlzylinder ist zum Überfangen eines Kernstabes zum Faserziehen oder zur Herstellung einer Vorform oder für den Einsatz zur Herstellung eines Linsenrohlings für die Mikrolithographie geeignet.

Figur 3 zeigt eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung. Im Unterschied zu der in Figur 1 gezeigten Ausführungsform bildet die Haltevorrichtung einen einfachen um den Verbundkörper 34 umlaufenden Bügel 33, bestehend aus zwei Halteplatten 31 , 37 aus Grafit und zwei Haltestangen 35 aus CFC, die nicht miteinander verschraubt, sondern ineinander gesteckt und mit Bolzen 41 gesichert sind. Die obere Halteplatte 31 und die untere Halteplatte 37 weisen im Wesentlichen Rechteckform auf, wie die Draufsicht auf die obere Halteplatte von Figur 4 zeigt. Auf der Oberseite der oberen Halteplatte 31 ist eine Grafitmutter 42 eingeschraubt, mittels der die Haltevorrichtung 33 innerhalb des Ofenraumes 1 gehal- ten und bewegt werden kann, wie dies der Richtungspfeil 5 andeutet.

Bei dem zu sinternden Sootkörper handelt es sich hier um einen Verbundkörper 34 aus einem Quarzglasrohr 39 mit einer Länge von etwa 3 m und mit einem Außendurchmesser von 80 mm und einer darauf mittels eines herkömmlichen OVD- Verfahrens abgeschiedenen SiO₂-Sootschicht 38 mit einer Dichte von etwa 27 % der Dichte von Quarzglas.

Zur radialen Zentrierung und vertikalen Ausrichtung des Verbundkörpers 34 ist die untere Halteplatte 37 mit einem nach oben ragenden Zentrierzapfen 43 versehen, dessen Außendurchmesser an den Innendurchmesser des Quarzglasrohres 39 angepasst ist, und das untere Ende der Grafitmutter 42 ragt durch die Ge- windebohrung der oberen Halteplatte 31 in Form eines Zentrierzapfens 40 in die Innenbohrung 16 des Quarzglasrohres 39.

Bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Haltevorrichtung ist die Innenbohrung 16 des Verbundkörpers 34 - abgesehen von den Zentriermittel 40 und 43 - frei von Bauteilen aus Grafit.

Das Quarzglasrohr 39 trägt zu einer Formstabilisierung des Verbundkörpers 43 und der Innenbohrung 16 beim Sintern bei, so das bei dieser Ausführungsform auf einen Halter am oberen Ende des Verbundkörpers 34 oder auf eine hängende Halterung desselben verzichtet werden kann. Auch die Längenschrumpfung der Sootschicht 38 wird durch den innigen Kontakt mit dem Quarzglasrohr 39 verhin- dert oder vermindert. Während des gesamten Verglasungsprozesses steht der Verbundkörper 34 daher auf dem Haltefuß 6 und dem umlaufenden Haltebügel 33 auf. Das Gewicht des Verbundkörpers 34 wird dabei über den Haltebügel 33 und die über die Grafitmutter 42 abgetragen. Das Verglasen beginnt am oberen Ende oder am unteren Ende des Verbundkörpers 34. Sofern gewünscht, ist beim Verglasen des Verbundkörpers 43 auch ein vollständiges Kollabieren der Innenbohrung 16 möglich, wobei in dem Fall jedoch zusätzliche Maßnahmen zur Halterung des oberen Endes zwecks Stabilisierung des sinternden Verbundkörpers erforderlich sind.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Zylinders aus Quarzglas, umfassend einen Verfahrensschritt, bei dem ein eine poröse SiO₂-Sootschicht aufweisender SiO₂-Körper (4; 34), der ein unteres Ende, ein oberes Ende und einen Außenmantel aufweist, in einem Verglasungsofen (1 ) zu dem Quarzglaszylinder gesintert und dabei mittels einer Haltevorrichtung (3; 33) in vertikaler Orientierung gehalten wird, die ein am oberen Ende des SiO₂-Körpers (4; 34) ansetzendes, oberes Halteelement (11 ; 31 ) und ein am unteren Ende angeordnetes unteres Halteelement (7; 37) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (3; 33) ein formstabiles Verbindungsteil (13; 35) aufweist, das sich innerhalb des Verglasungsofens (1 ) entlang des Außenmantels des SiO₂- Körpers (4; 34) erstreckt und das das obere Halteelement (11 ; 31 ) und das untere Halteelement (7; 37) miteinander verbindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das obere Halteelement (11 ; 31 ), das untere Halteelement (7; 37) und das Verbindungsteil (13; 35) einen formstabilen Rahmen um den SiO₂-Körper (4; 34) bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Halteelement (11 ; 31 ) und das untere Halteelement (7; 37) plattenförmig, kreuzförmig oder sternförmig ausgebildet und mittels Haltestangen (13; 35) miteinander verbunden sind.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SiO₂-Körper (4; 34) zu Beginn des Verglasungsprozesses auf dem unteren Halteelement (7; 37) aufsteht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der SiO₂-Körper (4; 34) eine Innenbohrung (16) aufweist, und dass das obere Halteelement (11 ; 31 ) mit einem Fixierungselement (17; 40) versehen ist, das im Bereich der Innenbohrung (16) angreift.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Halte- element (7; 37) mit einem Fixierungselement (43) versehen ist, das im Bereich der Innenbohrung (16) angreift.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass der SiO₂-Körper (4; 34) eine Innenbohrung (16) aufweist, und dass die Haltevorrichtung (3; 33) ein zylinderförmiges Formelement (9) umfasst, das sich durch diese Innenbohrung (16) zwischen unterem Halteelement (7; 37) und oberem Halteelement (11 ; 31 ) erstreckt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass der SiO₂-Körper als Verbundköper (34) aus einem Innenzylinder (39) aus Quarzglas und einer SiO₂-Sootschicht (38) vorliegt, wobei die SiO₂- Sootschicht (38) auf dem Zylinderaußenmantel des Quarzglas-Innenzylinders (39) aufgebracht ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass eine Haltevorrichtung (3; 33) eingesetzt wird, bei der das obere Halteelement (11 ; 31 ) mit einer in vertikaler Richtung bewegbaren Aufhängung (5) versehen ist.

10. Haltevorrichtung zur Halterung eines eine poröse SiO₂-Sootschicht aufweisenden SiO₂-Körpers (4; 34), der ein unteres Ende, ein oberes Ende und ei- nen Außenmantel aufweist in einem Ofen in vertikaler Orientierung, umfassend ein am oberen Ende des SiO₂-Körpers (4; 34) ansetzendes oberes Halteelement (11 ; 31 ) und ein am unteren Ende des SiO₂-Körpers (4; 34) angeordnetes unteres Halteelement (7; 37), dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (3; 33) ein formstabiles Verbindungsteil (13; 35) aufweist, das sich innerhalb des Verglasungsofens (1 ) entlang des Außenmantels des SiO₂- Körpers (4; 34) erstreckt und das das obere Halteelement (11 ; 31 ) und das untere Halteelement (7; 37) miteinander verbindet.

11. Haltevorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Halteelement (11 ; 31 ), das untere Halteelement (7; 37) und das Verbindungsteil (13; 35) einen formstabilen Rahmen um den SiO₂-Körper (4; 34) bilden.

12. Haltevorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass

5 das obere Halteelement (11 ; 31 ) und das untere Halteelement (7; 37) platten- förmig, kreuzförmig oder sternförmig ausgebildet und mittels Haltestangen (13; 35) miteinander verbunden sind.

13. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Halteelement (11 ; 31 ) mit einem Fixierungselement (17;

10 40) versehen ist, das an einer Innenbohrung (16) des SiO₂-Körpers (4; 34) angreift.

14. Haltevorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Halteelement (7; 37) mit einem Fixierungselement (43) versehen ist, das an der Innenbohrung (16) des SiO₂-Körpers (4; 34) angreift.

15 15. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Halteelement (11 ; 31 ) mit einer in vertikaler Richtung bewegbaren Aufhängung (5) versehen ist.

16. Haltevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein zylinderförmiges Formelement (9) umfasst, das sich zwischen 20 unterem Halteelement (7; 37) und oberem Halteelement (11 ; 31 ) durch eine Innenbohrung (16) des SiO₂-Körpers (4; 34) erstreckt.