使用保持装置制造石英玻璃筒的方法以及保持装置 |
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| 申请号 | CN200980118801.5 | 申请日 | 2009-05-14 | 公开(公告)号 | CN102036923B | 公开(公告)日 | 2015-05-20 |
| 申请人 | 赫罗伊斯石英玻璃股份有限两合公司; | 发明人 | T·克劳泽; U·佩珀; S·茨瓦格; R·佐瓦; | ||||
| 摘要 | 已知一种用于制造 石英 玻璃筒的方法，包括以下方法步骤：在 玻璃化 熔炉中将SiO2本体 烧结 成石英玻璃筒，且在这种情况下利用保持装置在竖直方向保持SiO2本体，该SiO2本体具有多孔的SiO2烟灰层，且具有下端、上端和 外壳 ，该保持装置包括位于SiO2本体上端的上保持件和位于下端的下保持件。基于此，为了说明一种在玻璃化时还能可靠地保持较重的由多孔的SiO2构成的本体的方法，根据本 发明 提出，保持装置具有形状稳定的连接件，该连接件在玻璃化熔炉中沿着SiO2本体的外壳延伸，并使得上保持件与下保持件相互连接。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于制造石英玻璃筒的方法，包括以下方法步骤：在玻璃化熔炉(1)中将SiO2本体(4；34)烧结成石英玻璃筒，且在这种情况下在玻璃化过程中利用保持装置(3；33)在竖直方向保持SiO2本体，该SiO2本体具有多孔的SiO2烟灰层，且具有下端、上端和外壳，该保持装置包括位于SiO2本体(4；34)上端的上保持件(11；31)和位于下端的下保持件(7； |
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| 说明书全文 | 使用保持装置制造石英玻璃筒的方法以及保持装置[0001] 本发明涉及一种用于制造石英玻璃筒的方法，包括以下方法步骤：在玻璃化熔炉中将SiO2本体烧结成石英玻璃筒，且在这种情况下利用保持装置在竖直方向保持SiO2本体，该SiO2本体具有多孔的SiO2烟灰层，且具有下端、上端和外壳，该保持装置包括位于SiO2本体上端的上保持件和位于SiO2本体下端的下保持件。 [0002] 本发明还涉及一种用于在熔炉中在竖直方向保持SiO2本体的保持装置，该SiO2本体具有多孔的SiO2烟灰层，且具有下端、上端和外壳，该保持装置包括位于SiO2本体上端的上保持件和位于SiO2本体下端的下保持件。 背景技术[0003] 合成石英玻璃筒被用作用于制造光学纤维预制件的中间产品。所谓“烟灰法(Soot-verfahren)”在其制造上包括：沉积过程(Abscheideprozess)，其中形成由SiO2颗粒构成的多孔的毛坯(此处称为“烟灰体”或“烟灰管”)；和用于将烟灰体玻璃化为石英玻璃中空筒的玻璃化过程。烟灰管的玻璃化(也称为“玻璃化”)也可以如下进行：使得烟灰管的内孔塌瘪(kollabieren)，从而得到实心筒。 [0004] 例如在US 4,157,906 A中描述了烟灰管的玻璃化。其公开了一种方法和一种装置，其中在一个方法步骤中烧结SiO2烟灰管，在这种情况下内孔塌瘪，并且同时被拉长成纤维。为了在拉拔和玻璃化熔炉中在竖直方向上保持SiO2烟灰管，将长度约为50mm的石英玻璃管件插入到烟灰管的内孔中，管件的外径大致等于内孔的内径，管件的指定用于插入到内孔中的端部具有隆起状的加厚部分。为了固定石英玻璃管，将隆起状加厚部分在内孔中旋转大约90°，从而产生类似于卡口锁的形状配合连接。烟灰管以其上端悬挂地保持在旋入的保持器上，而以其下端开始被输送给加热区，并在该加热区中逐区地软化且拉长成纤维。 [0005] 当管件旋到烟灰管的壁上时产生颗粒，这些颗粒沉积在烟灰管的内壁上，且在进一步的处理中可能会不利地被注意到。另外可能会发生鼓起(Ausbrüchen)和破裂，这将使烟灰管无法使用，或者以后可能会导致保持器脱落(Ausbrechen)。 [0006] (DE 196 49 935 A1)还曾提出在沉积过程中就已经将石英玻璃保持器内置到产生的烟灰体中，使得该保持器在端侧从有待玻璃化的烟灰体中伸出，因而可以在后续的处理步骤中用于悬挂地保持烟灰体。然而对保持器的内置难以复现，故几乎无法检查强度。在此需要注意，在产量提高的过程中，石英玻璃筒越来越大，致使有待玻璃化的烟灰管的重量也持续增加。采用上述方法来保持笨重的烟灰管会出现问题。 [0007] 在由EP 701 975 A2已知的方法中，烟灰管利用一种保持装置在玻璃化熔炉中在竖直方向上得以保持，该保持装置包括支撑杆，该支撑杆从上方延伸穿过烟灰管的内孔，并与保持底座连接，烟灰管在开始以其下端直立在该保持底座上。支撑杆由碳纤维增强的石墨(CFC：碳纤维增强的碳)构成，并且被纯石墨的透气薄壁的套管包围。在套管上端以上的位置，向内突伸的石墨支撑环内置到烟灰管的内孔中。 [0008] 在玻璃化时，烟灰管以其上端开始逐区地被玻璃化。在这种情况下，烟灰管连续地塌瘪到石墨套管上，而且其长度缩短，其中烟灰管在第一玻璃化阶段直立在保持底座上。内置在烟灰管中的石墨支撑环的位置经过适当选择，使得该石墨支撑环在第二玻璃化阶段由于长度逐渐缩短而支撑在石墨套管上，从而烟灰管的上端被悬挂地保持。 [0009] 在根据DE 103 03 290 B3的此方法的变型中附加地提出，在玻璃化时，合成石英玻璃套管位于保持杆和烟灰管之间。 [0010] 为了提高产量，越来越使用体积大且壁厚的石英玻璃筒，其外径与内径之间的比尽可能地大。在发展过程中，烟灰管的内径越来越小，而重量越来越大。然而在利用细的支撑杆保持较重的烟灰管时，已表明其抗拉性或抗弯性是有限的因素。已知的方法在此遇到了极限，为了将较重的烟灰管玻璃化，需要机械稳定的—亦即粗的—支撑杆，以防止破裂或挠曲。 [0011] 该困难在开头部分所述类型的方法中得以避免，其如由DE 197 36 949 C1已知。为了在玻璃化熔炉中保持烟灰管，提出一种类似于“竖直方向的车床”的保持装置。为此在下端和上端将管状的保持器插在烟灰管的内孔中，并与烟灰管规定地连接。“竖直方向的车床”的夹盘分别作用在每个保持器上，利用该车床在竖直方向上保持烟灰管。为了逐区地进行玻璃化，使得加热区从烟灰管的一段开始沿着该烟灰管移动，或者—在运动学上相反地—使得烟灰管移动穿过位置固定的加热区。由于保持器支撑在车床的夹盘上，所以它们相互间的距离在玻璃化期间可以保持恒定或者变化。由于烟灰管同时既悬挂地保持在上保持器上，又被下保持器支撑，所以作用到烟灰管软化区域上的重力相对较小，因而能避免在玻璃化时产生变形。 [0012] 已知的方法要求抗拉地将保持器固定在烟灰管的内孔中。“竖直方向的车床”在构造上相对繁琐，它的夹盘伸入到玻璃化熔炉的内腔中，这会导致污染烟灰管。 [0013] 在将由多孔的SiO2构成的其它管玻璃化时也会产生类似的问题，这种管不曾采用SiO2-烟灰法产生，例如对于一种多孔的SiO2本体来说就是这样，这种SiO2本体通过已知的溶胶-凝胶方式或者采用压制方法获得，或者还可以在由石英玻璃内管与涂覆在该内管上的多孔的SiO2层构成的复合管中获得。 [0014] 技术目的 [0015] 因此本发明的目的在于，提出一种用于制造石英玻璃筒的简单的方法，采用该方法还能在玻璃化时可靠地保持较重的SiO2本体。 [0016] 本发明的目的还在于，提出一种用于实施该方法的结构简单且工作可靠的保持装置。 [0017] 根据本发明，基于开头部分所述的方法，通过如下方式来实现有关方法的目的，即保持装置具有形状稳定的连接件，该连接件在玻璃化熔炉中沿着SiO2本体的外壳延伸，并使得上保持件与下保持件相互连接。 [0018] 要保持的SiO2本体位于上保持件和下保持件之间。与已知的方法不同，就本发明的方法而言，用于保持SiO2本体的力完全地或者大部分地通过形状稳定的连接件转移，该连接件在下保持件和上保持件之间延伸，更确切地说，在SiO2本体之外且在玻璃化熔炉之内延伸。 [0019] 因此，在不考虑可能存在的内孔的内径的情况下，该连接件可以具有符合需要的-即特别也可以是大的-壁厚和相应高的机械强度。连接件的形状稳定性确保能维持在上保持件与下保持件之间的给定的间距。连接件的形状稳定性表现在即使在为了进行玻璃化而要求温度较高情况下抗拉强度和抗弯强度也足够高。 [0020] 这样就使得用于保持SiO2本体的如下措施成为多余：使得保持力基本在SiO2本体的内孔处转移；或者使得保持力基本通过保持杆转移，该保持杆延伸穿过内孔，并与保持底座连接。过细的保持杆如在现有技术中当烟灰体较重时会出现的挠曲现象由此得到避免。 [0021] 无论SiO2本体的可能存在的内孔的直径如何，都可以调节保持机构的足够高的机械强度，除此之外，本发明的方法还具有如下优点：旨在固定保持件的用于加工SiO2本体的内孔的工作可以减少，或者甚至可以省去。另外，可以省去内孔中的通常的玻璃化杆，例如由现有技术已知的CFC部件或石墨部件，从而还能避免与此相关的对SiO2本体造成的污染。 [0022] 连接件由一个或多个部件构成。上保持件和下保持件和连接件是可相互拆开的分立的部件，或者它们一体地构造。重要的是，由上保持件和下保持件和连接件构成的部件复合体可位于玻璃化熔炉的加热区中。 [0023] 保持装置在SiO2本体玻璃化时或者在其它过程步骤如脱水、掺杂过程中使用，或者用于输送SiO2本体。 [0024] 按照本发明，对含有多孔SiO2层的SiO2本体进行玻璃化的要点在于，SiO2本体完全地或者部分地被玻璃化。部分的玻璃化可以用于在SiO2本体的上端熔焊有保持机构，利用该保持机构能在后续的过程步骤中保持SiO2本体。 [0025] 在沿竖直方向烧结烟灰体时，烟灰体可能会出现坍塌，为了防止这种情况，要么烟灰体本身具有形状稳定性高的区域，如石英玻璃层形式的内部区域，要么位于SiO2本体上端的上保持件在至少一个玻璃化过程阶段期间作用在SiO2本体上端，更确切地说，作用在SiO2本体的外壁、端面或可能存在的内孔上。这样有助于使得上端保持在预先给定的-也可改变的-高度位置，从而在玻璃化时防止在自重作用下坍塌。 [0027] 该框架确保保持装置有足够的形状稳定性。在最简单的情况下，它可以是包围SiO2本体的卡箍，卡箍包夹SiO2本体的两个端侧端部，且可以在旁侧敞开。该框架可以在熔炉内上下移动和围绕熔炉纵轴线旋转。 [0028] 上保持件和下保持件优选为板形、十字形或星形，且通过保持杆相互连接。 [0029] 相比于平面结构的连接件，保持杆具有的优点是，在玻璃化时保持件很少会影响到加热区。这些保持杆相互平行地沿着SiO2本体的外壳延伸，或者这些保持件相互间形成或者与其它连接件一起形成斜撑，同时形成具有高抗弯性和形状稳定性的笼状或支架状结构。 [0030] 根据一种优选的方法，SiO2本体在玻璃化过程开始时直立在下保持件上。 [0031] 在SiO2本体直立在下保持件上时，该下保持件承受着所述本体的重力，并将该重力经由连接件向上转移。在这种情况下，连接件承受拉力载荷。例如在输送尚未玻璃化的SiO2本体时或者在玻璃化过程开始时就会出现这种状态。 [0032] 保持装置既可以悬挂地也可以直立地保持在玻璃化熔炉中。已表明特别有利的是，当上保持件设有可在竖直方向上移动的悬挂机构时使用保持装置。 [0033] 利用该悬挂机构可使得保持装置在整体上以悬挂的方式在玻璃化熔炉内移动。在此特别希望能在竖直方向上移动，以便例如实现SiO2本体的逐区的玻璃化，其方式为，使得SiO2本体移动穿过加热区。相关地要坚持的是，本发明的利用保持装置的方法同样适合于SiO2本体的等温的玻璃化，其中SiO2本体沿着其整个长度同时在伸长的加热区中被玻璃化。 [0034] 为了保持带有内孔的SiO2本体，优选规定给上保持件设有固定件，该固定件作用在SiO2本体的内孔上。 [0035] 固定件与上保持件连接，或者是上保持件的组成部分。它作用在SiO2本体的内孔中。固定件在此不仅用于暂时地或持久地将烟灰体悬挂在上保持件上，而且用于使得SiO2本体对中或定向。由此使得SiO2本体从一开始就悬挂在保持件上，或者该SiO2本体在玻璃化过程中由于其长度缩短而可以悬挂在上保持件上。于是作用到固定件上的重力向上沿着保持件和位于保持件上的保持机构传递。连接件(如旁侧的保持杆)在这种情况下并不承受载荷。 [0036] 在该方法的一种优选的改型中规定，也给下保持件设有固定件，该固定件作用在SiO2本体的内孔上。 [0037] 固定件与下保持件连接，或者是下保持件的组成部分。它作用在SiO2本体的内孔的下端上。固定件也用于使得SiO2本体对中或定向，或者用于在轴向上固定下端。在刚刚提到的后者情况下，防止或限制SiO2本体在玻璃化时由于缩小而提升离开下保持件，从而精准地通过下保持件和上保持件之间的间距来确定玻璃化的SiO2本体的长度尺寸。保持件由此防止SiO2本体坍塌，这些保持件有助于形成玻璃化的SiO2本体，且有助于在玻璃化时几何形状稳定。 [0038] 另外已表明有益的是，为了保持具有内孔的SiO2本体，保持装置包括筒形的成型件，该成型件在下保持件和上保持件之间延伸穿过该内孔。 [0039] 成型件在此主要用于在玻璃化之后预先给定SiO2本体内孔的几何形状，其方式为，使得SiO2本体在玻璃化时缩小至成型件，此点例如由现有技术已知。但成型件在轴向上在任何情况下都决不能承受机械载荷，故可以给该成型件设有相对较小的外径或者比较薄的壁。SiO2本体的内孔在此可以任意程度地窄。例如就用于制造光学纤维预制件的筒而言，或者就从中应拉制出具有较高尺寸稳定性的管的筒而言，必须要精准地维持内孔的几何形状，特别是在此时使用这种成型件是有利的。此时成型件例如可以是石墨管，或者是薄壁石英玻璃管(或石英玻璃杆)。成型件可以延伸穿过内孔，并通过上保持件和下保持件被固定和对中。 [0040] 在一种优选的方法中规定，SiO2本体是由石英玻璃内筒和SiO2烟灰层构成的复合体，其中SiO2烟灰层覆设在石英玻璃内筒的筒外壳上。 [0041] 在进行烧结时，优选使得内筒基本维持其几何形状。由此使得该内筒有助于SiO2烟灰层的形状稳定，SiO2烟灰层覆设在内筒的外壳面上。内筒例如防止或减小SiO2烟灰层的坍塌和SiO2烟灰层在筒纵轴线方向上的缩小。由此在该实施方式中可以省去悬挂地保持SiO2本体的上端。石英玻璃内筒是管或杆(例如用于制造预制件的所谓的心杆)。 [0042] 根据本发明，采用如下措施来实现上述有关保持装置的目的：即保持装置具有形状稳定的连接件，该连接件在玻璃化熔炉中沿着SiO2本体的外壳延伸，并使得上保持件与下保持件相互连接。 [0043] 本发明的保持装置包括连接件，该连接件在熔炉之内但在要保持的SiO2本体之外在上保持件和下保持件之间延伸。对于保持SiO2本体所需要的力完全地或者大部分地通过形状稳定的连接件转移。 [0044] 相比于已知的保持装置，本发明的保持装置的主要优点在于，在不考虑SiO2本体的可能存在的内孔的内径的情况下，该连接件可以具有符合需要的—即特别也可以是大的—壁厚和相应高的机械强度。连接件的形状稳定性确保能维持在上保持件与下保持件之间的给定的间距。这种形状稳定性表现在即使在为了进行玻璃化而要求温度较高情况下抗拉强度和抗弯强度也足够高。 [0045] 另一优点是，用于保持SiO2本体的如下措施成为多余：使得保持力基本在SiO2本体的内孔处转移；或者使得保持力基本通过保持杆转移，该保持杆延伸穿过内孔，并与保持底座连接。过细的保持杆如在现有技术中当烟灰体较重时会出现的挠曲现象由此得到避免。 [0046] 由此得到另一优点：可以省去内孔中的通常的玻璃化杆，例如由现有技术已知的CFC部件或石墨部件，从而还能避免与此相关的对SiO2本体造成的污染。 [0047] 上保持件和下保持件和连接件是可相互拆开的分立的部件，或者它们一体地构造。重要的是，由上保持件和下保持件和连接件构成的部件复合体可位于玻璃化熔炉的加热区中。 [0048] 本发明的保持装置的有利设计可由从属权利要求得到。就此而言，在从属权利要求中给出的保持装置设计方案与在从属权利要求中针对本发明的方法所述的设计方案相仿，为了补充说明，可参见方法权利要求的上述设计方案。实施例 [0050] 图1为本发明的保持装置的第一实施方式的侧视图； [0051] 图2为上保持板的俯视图，它是根据图1的保持装置的组成部分； [0052] 图3为本发明的保持装置的另一实施方式的侧视图；和 [0053] 图4为保持装置的根据图3的实施方式的俯视图。 [0054] 图1示出被熔炉外壳包围的熔炉腔1，其带有环形的位置固定的加热区2和用于烟灰体4的保持装置，该保持装置整体上标有标号3。 [0055] 保持装置在熔炉腔1和加热区2中可沿着纵轴线14的方向上下移动，如方向箭头5所示。该保持装置包括由石墨构成的保持底座6，下部的圆形保持板7固定在该保持底座的水平朝向的表面上。保持底座6设有内螺纹8，成型杆(Formstange)9的外螺纹伸入到所述内螺纹中。成型杆9的相对端穿过石墨螺母10的中央孔，该石墨螺母固定在上部的圆形保持板11上。 [0056] 成型杆9由石墨构成，其外径为30mm。该成型杆延伸穿过烟灰体4的直径为35mm的内孔16，且相对于纵轴线14同轴地延伸。 [0057] 石墨螺母10设有保持球头(Halteknauf)12，(图中未示出的)牵拉部件作用在该保持球头上，利用该牵拉部件可使得保持装置3整体上在熔炉腔1中移动，如上所述。石墨螺母12的下端具有保持销(Haltezapfen)17，该保持销外径为34mm，且沿着大约40mm的长度伸入到烟灰体14的内孔16中。 [0058] 上保持板11和下保持板7通过总共六个保持杆13相互连接，这些保持杆围绕圆形保持板7、11的圆周均匀地分布，并相互平行地且相对于纵轴线14平行地伸展。这些保持杆具有圆形的横截面，该横截面的直径为30mm。保持板7、11由石墨构成，这些保持杆13由碳纤维增强的碳(CFC)构成。 [0059] 图2为保持板11的俯视图，其具有作为成型杆9的通孔的中央内孔22以及螺纹孔21，这些螺纹孔沿着圆周均匀地分布，保持杆13固定在所述螺纹孔中，这些保持杆为此在其两端分别设有方向相逆的螺纹。 [0060] 下面利用在图1和2中所示的保持装置实施方式，详细地介绍本发明的用于制造石英玻璃体的方法的实施例。 [0061] 通过对SiCl4的火焰水解，采用通常的OVD沉积方法制得烟灰体4，其长度约为3m，其内孔16的直径为35mm。如此得到的烟灰体16的密度约为石英玻璃密度的27％，通过玻璃化由这种烟灰体制得透明的石英玻璃管。为此将烟灰体4插入到玻璃化熔炉1中，并利用带有竖直朝向的纵轴线14的保持装置3保持在该保持装置中。保持装置3连同保持于其中的烟灰体4通过作用在石墨螺母10上的CFC链形式的牵拉部件进行移动。 [0062] 利用CFC链，使得保持装置3和烟灰体4以其上端开始以5mm/分钟的速度连续地从下向上被牵拉穿过加热区2，并逐区地被加热和烧结。加热区2中的温度预先调节至大约1500℃。玻璃化熔炉内的内压在玻璃化时通过持续的抽真空大约保持在0.1mbar。 [0063] 在第一玻璃化阶段期间，烟灰体4置于下支撑板7和固定底座6上。烟灰体4的重量通过保持杆13和保持板7、11经由石墨螺母10转移(abtragen)。在玻璃化时，烟灰体4的上端首先塌瘪到成型杆9上。同时，由于烟灰层径向地缩小，在石墨螺母12的保持销17和烟灰体内孔16之间产生形状配合的或摩擦配合的连接，这种连接足以悬挂地保持烧结的烟灰体4。 [0064] 在进一步的玻璃化过程中，由于长度缩短，烟灰体4的下端提升离开下保持板7，故在该进一步的玻璃化中悬挂地保持烟灰体4。烟灰体4的重量经由保持销17和石墨螺母10转移。 [0065] 成型杆9同时用于对有待烧结的烟灰体4进行中间对中，它在任何时候都不承受压力载荷或拉力载荷。在玻璃化之后就将成型杆去掉，并得到一种内孔直径为30mm的石英玻璃中空筒。石英玻璃中空筒适合于给心杆覆层 用于纤维拉制或者用于制造预制件，或者用于制造微光刻技术用的透镜毛坯件。 [0066] 图3示出本发明的保持装置的一种变型。与图1中所示的实施方式不同，保持装置形成简单地围绕复合体34环绕的卡箍33，它由两个石墨保持板31、37和两个CFC保持杆35构成，这些保持板和保持杆并不相互螺旋连接，而是相互插接，并用螺栓41固定。 [0067] 上固定板31和下固定板37基本为矩形，如上保持板的俯视图4所示。在上保持板31的顶面上拧有石墨螺母42，利用该石墨螺母可以使得保持装置33在熔炉腔1中保持和移动，这用方向箭头5示出。 [0068] 要烧结的烟灰体在此是一种由石英玻璃管39构成的复合体34，其长约3m，外直径为80mm，其上带有采用通常的OVD方法沉积的SiO2烟灰层38，其密度约为石英玻璃密度的27％。 [0069] 为了使得复合体34径向对中并竖直朝向，给下保持板37设有向上突伸的对中销43，该对中销的外径与石英玻璃管39的内径相匹配，石墨螺母42的下端穿过上保持板31的螺纹孔以对中销40的形式伸入到石英玻璃管39的内孔16中。 [0070] 在本发明的保持装置的该实施方式中，—撇开对中机构40和43不看—复合体34的内孔16没有由石墨构成的部件。 [0071] 石英玻璃管39有助于在烧结时使得复合体34和内孔16形状稳定，故在该实施方式中可以省去复合体34上端的保持器，或者省去对该复合体的悬挂保持。通过与石英玻璃管39的内部接触，还可以防止或减小烟灰层38的长度缩短。因此在整个玻璃化过程期间，复合体34都直立在保持底座6和环绕的保持卡箍33上。复合体34的重量在此经由保持卡箍33和石墨螺母42转移。 [0072] 玻璃化在复合体34的上端或下端开始进行。在此希望当复合体34玻璃化时也能使得内孔16彻底塌瘪，然而在这种情况下需要采取用于保持上端的附加措施，旨在稳定烧结的复合体。 |
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