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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung eines zylinderförmigen Profilelements aus
Glas, indem ein vorgefertigter Glas-Hohlzylinder in einer Heizzone
bereichsweise erweicht, der erweichte Bereich mittels eines Formwerkzeugs
zu einem Profilstrang mit vorgegebenem Querschnittsprofil verformt,
und der Profilstrang zu dem Profilelement abgelängt wird.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, umfassend eine Halterung
für einen
vorgefertigten Glas-Hohlzylinder, eine Heizeinrichtung zum bereichsweisen
Erweichen des Glas-Hohlzylinders, sowie eine Verformungseinrichtung
mit Formwerkzeug zum Verformen des erweichten Hohlzylinder-Bereichs
zu einem Profilstrang mit vorgegebenem Querschnittsprofil.
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Außerdem geht
es in der Erfindung um eine Verwendung eines zylinderförmigen Profilelements aus
Glas.
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Verfahren
und Vorrichtung gemäß der Erfindung
dienen zur Herstellung von zylinderförmigem Profilelement mit beliebigem
Querschnittsprofil, insbesondere von Rohren und Stäben aus
Quarzglas mit polygonalem Querschnitt. Das Profilelement ist als
Ausgangsprodukt für
die Herstellung optischer Bauteile oder Vorformen für optische
Fasern einsetzbar.
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In
der
US-PS 3,620,707
A ist ein Verfahren zum Umformen eines vorgefertigten Rundrohres
aus Glas zu einem Endrohr mit beliebigem polygonalen Querschnitt
beschrieben. Hierzu wird das Rundrohr in vertikaler Orientierung
mit seinem unteren Ende auf einem feststehenden Halter eingespannt.
Ein Ringheizer wird von unten nach oben entlang des Rundrohres bewegt
und dieses dadurch zonenweise von unten nach oben erweicht. Synchron
zum Ringheizer wird ein Formwerkzeug mit beliebigem polygonalen
Außenprofil
durch die Innenbohrung des Rundrohres nach oben gezogen, wodurch
dieses zu dem Endrohr umgeformt wird. Dessen Querschnittsprofil wird
durch das Außenprofil
des Formwerkzeugs bestimmt.
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Ein ähnliches
Verfahren und eine Vorrichtung zur Innenkalibrierung eines vorgefertigten
Glasrohres sind auch aus der
DE 296 16 981 U1 bekannt. Dabei werden an
den Stirnseiten des Rohres Glashülsen
angeschmolzen, mittels denen das Glasrohr in horizontaler Orientierung
in eine Drehbank eingespannt wird. Zum zonenweisen Erweichen wird
eine Ringheizung entlang des Glasrohres geführt und synchron dazu ein Formdorn
aus Kohle, Grafit oder Keramik durch die Innenbohrung gezogen. Der Formdorn
bestimmt das Querschnittsprofil des umgeformten Glasrohres.
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Es
sind auch Vertikalziehverfahren zum kontinuierlichen Ziehen von
Rohren aus Quarzglas mit beliebigem Querschnittsprofil aus dem Schmelztiegel bekannt.
Ein derartiges Verfahren beschreibt die
DE 103 37 388 A1 . Das Sollprofil
des abgezogenen Quarzglasrohres wird üblicherweise durch die Geometrie
der Ziehdüse
bestimmt. Für
die Herstellung von Glaskörpern,
die außerhalb
des möglichen
Geometriespektrums liegen, ist es erforderlich, die Ziehdüse auszuwechseln.
Die anlagentechnisch bedingte Einschränkung durch die vorgegebene
Ziehdüsengeometrie
ist bei geringen Produktionsmengen und einer daraus resultierenden
kurzen Tiegellaufzeit nachteilig, so dass in der
DE 103 37 388 A1 zur Lösung dieses
Problems eine an die eigentliche Ziehdüse ansetzbare und leicht auswechselbare
Ansetzdüse
mit spezifischer Düsenöffnung vorgeschlagen
wird, die das Querschnittsprofil des abgezogenen Quarzglasrohres
bestimmt. Die Düsenöffnung der
Ansetzdüse ist
im einfachsten Fall kreisförmig;
es sind aber auch polygonale Querschnittsformen – zum Beispiel in Dreiecksform – möglich, insbesondere
und Rechteckquerschnitte zum Ziehen plattenförmiger Quarzglaselemente sowie
ellipsen- oder doppelellipsenförmige
Querschnitte zum Ziehen sogenannter "Zwillingsrohre", wie sie für die Herstellung von Heizstrahlern
eingesetzt werden.
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Plattenförmige Bauteile
sind für
den Bau von Lampen mit flächiger
Abstrahlcha rakteristik geeignet, wie sie beispielsweise für die Bestrahlung
von planen oder gewölbten
Oberflächen
mit UV- oder IR-Strahlung eingesetzt werden.
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Ein
Hochleistungs-Excimerstrahler in Form eines Flachstrahlers ist aus
der
DE 40 10 809 A1 bekannt.
Dieser weist einen von Quarzglasplatten begrenzten Entladungsraum
für dielektrisch
behinderte Entladung auf. Der Aufbau des Entladungsraums mittels
plattenförmiger
Quarzglaselemente ist relativ aufwändig.
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Häufig werden
deshalb auch bei Anforderungen an flächige Bestrahlung parallel
zueinander angeordnete Strahler in Form von Rundrohren eingesetzt,
die vor einem plattenförmigen
Reflektor angeordnet sind. Beispielsweise beschreibt die
EP-A2 0 133 847 einen
Durchlaufofen zum kontinuierlichen Erwärmen von Material, wobei die
Bestrahlungseinheit aus einer Vielzahl rohrförmiger, parallel zueinander
verlaufender Heizstrahler besteht, die vor einem plattenförmiger Reflektor
angeordnet sind. Der Reflektor besteht aus keramischen Fasermaterial
und besitzt eine Reflektivität
von ca. 85 %.
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Aus
der
DE 40 22 100 C1 ist
ein Flächenstrahler
für Infrarot-Anwendungen
bekannt, der aus mehreren zylinderförmigen Strahlermodulen zusammengesetzt
ist, die eine gemeinsame Abstrahlfläche bilden.
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Aus
der
DE 10 2004
051 846 A1 ist die Herstellung von diffus reflektierenden
Schichten auf optischen Bauteilen aus Quarzglas bekannt. Die reflektierende
Schicht besteht aus einer SiO
2-Masse, die mittels
Schlickerverfahrens erzeugt worden und zu einer opaken Deckschicht
gesintert ist. Das so beschichtete Quarzglas-Bauteil wird vorzugsweise
in der Lampen- und Reflektorfertigung eingesetzt, wobei es in Form
eines Rohres, Kolbens, einer Kammer, Halbschale, Kugel- oder Ellipsoid-Segment,
Platte, Hitzeschildes oder dergleichen vorliegt. Das Quarzglas-Bauteil
ist entweder Bestandteil eines optischen Strahlers mit integriertem
Reflektor, wobei dieser von der SiO
2-Deckschicht
gebildet wird, oder das Bauteil bildet einen separaten Reflektor
und wird in Verbindung mit einem optischen Strahler eingesetzt.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen kostengünstigen
optischen Strahler mit flächiger
Abstrahlcharakteristik bereitzustellen, sowie ein Verfahren und
eine Vorrichtung für
die reproduzierbare und kostengünstige
Herstellung von maßhaltigem
Halbzeug für
die Herstellung eines derartigen Strahlers anzugeben.
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Hinsichtlich
des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs beschriebenen Verfahren
erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass zum Verformen eines Hohlzylinders aus Quarzglas dieser in der
Heizzone erweicht und werkzeug frei zu einem Rundrohr aus verformbarem
Quarzglas elongiert wird, und das Rundrohr mittels des Formwerkzeugs
zu dem Profilstrang verformt wird.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
geht es somit um die Herstellung eines Profilelements aus Quarzglas
aus einem vorgefertigten Quarzglas-Hohlzylinder. Dieser wird in
der Heizzone bereichsweise erhitzt, dabei erweicht und in einem
Elongierprozess werkzeugfrei und abschnittsweise zu einem Rundrohr
mit kleinerem Außendurchmesser
oder kleinerer Wandstärke
elongiert. Der bereits elongierte aber noch weiche Rundrohr-Abschnitt
wird gleichzeitig mittels des Formwerkzeugs zu dem Profilstrang
umgeformt. Während
des Umformens dauert die Verlängerung
des noch weichen Quarzglases an. Die dabei noch ablaufende Verlängerung
des Strangs kann geringfügig
sein. Es hat sich aber gezeigt, dass zum erfindungsgemäßen Umformen
eines vorgefertigten Hohlzylinders aus Quarzglas das Andauern des Elongierens
während
des Umformvorgangs für
eine präzise
Einstellung der Sollkontur des Profilstrangs erforderlich ist.
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Der
Elongierschritt erfolgt werkzeugfrei durch Auseinanderziehen der
Enden des Quarzglas-Hohlzylinders. Für das Umformen zum Profilstrang
mit nicht kreisförmigem
Querschnitt ist jedoch der Einsatz des Formwerkzeugs erforderlich.
Der Profilstrang ist als Hohlstrang oder als Vollstrang ausgebildet.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der Quarzglas-Hohlzylinder zu einem Rundrohr elongiert, dessen
mittlere End-Wandstärke etwa
der mittleren Wandstärke
des zu formenden Profilstrangs entspricht.
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Hierbei
wird das Rundrohr soweit elongiert, dass seine Wandstärke unmittelbar
vor dem Einsatz des Formwerkzeugs (= End-Wandstärke) nur geringfügig größer ist
als die Soll-Wandstärke
des Profilstrangs. Der wesentliche Umfang der Umformung vom Hohlzylinder
zum Profilstrang erfolgt hierbei werkzeugfrei beim Elongierschritt.
Das Formwerkzeug bewirkt eine Änderung
der Querschnittsform des Strangs, jedoch im Idealfall keine Änderung
seiner Wandstärke,
allenfalls nur noch eine geringe Änderung. Davon abgesehen führt das
andauernde Elongieren des Strangs während des werkzeuggestützten Umformens
zwangsläufig
zu einer weiteren, wenn auch geringfügigen Verringerung seiner Wandstärke.
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In
dieser Hinsicht hat es sich besonders bewährt, wenn die mittlere End-Wandstärke des
Rundrohres zwischen 0 und 20 % größer, vorzugsweise zwischen
0 und 10 % größer ist,
als die mittlere Wandstärke
des zu formenden Profilstrangs ist (bezogen auf die endgültige mittlere
Wandstärke
des Profilstrangs).
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Gleichermaßen wirkt
sich auch eine Verfahrensvariante günstig aus, bei der der Quarzglas-Hohlzylinder
zu einem Rundrohr elongiert wird, dessen End-Außenumfangslänge maximal
20 % größer, vorzugsweise
maximal 10 % größer, als
die Außenumfangslänge des
zu formenden Profilstrangs ist (bezogen auf die endgültige Außenumfangslänge des
Profilstrangs).
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Hierbei
wird das Rundrohr soweit elongiert, dass sein Außenumfang um den axialen Querschnitt unmittelbar
vor dem Einsatz des Formwerkzeugs (= End-Außenumfangslänge) nur
geringfügig
größer ist als
der Außenumfang
des fertigen Profilstrangs. Bei einer weiteren Reduzierung der Außenumfangslänge von
20 % oder weniger, besonders bevorzugt 10 % oder weniger, erfolgt
der wesentliche Umfang der Umformung vom Hohlzylinder zum Profilstrang
werkzeugfrei beim Elongierschritt. Das Formwerkzeug bewirkt nur
noch eine Änderung
der Querschnittsform des Strangs, jedoch im Idealfall keine Änderung
seiner Außenumfangslänge, allenfalls
nur noch eine geringe Änderung.
Davon abgesehen führt
das andauernde Elongieren des Strangs während des werkzeuggestützten Umformens
zwangsläufig
zu einer weiteren, wenn auch geringfügigen Verringerung der Außenumfangslänge des
Profilstrangs. Die genannten Prozentangaben beziehen sich auf die
endgültige Außenumfangslänge des
Profilstrangs.
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Für das Elongieren
für das
Umformen können
separate Heizzonen eingesetzt werden. Bevorzugt ist aber eine Verfahrensvariante,
bei der das Elongieren zum Rundrohr und das Umformen zum Profilstrang
innerhalb derselben Heizzone erfolgen.
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Dadurch
wird ein mehrfaches oder lang andauerndes Heizen der abzuziehenden
Quarzglasmasse und die damit einhergehende Gefahr unbeabsichtigter
Verformungen vermieden.
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In
dieser Hinsicht hat es sich bewährt,
wenn – in
Ziehrichtung gesehen – das
Umformen zum Profilstrang im letzten Drittel der Heizzone erfolgt.
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Vorzugsweise
greift das Formwerkzeug nur am Außenumfang des Rundrohres an.
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Die
Verformung zum Profilstrang erfolgt hierbei mittels eines außen am Rundrohr
angreifenden Formwerkzeugs. Die Innenbohrung des abgezogenen Profilstrangs
wird werkzeugfrei geformt. Dadurch ergibt sich eine besonders glatte,
schädigungsfreie und
verunreinigungsarme Innenwandung des hohlen Profilstrangs und daraus
erhaltener Profilelemente. Bei Anwendungen, bei denen es auf eine
schädigungsfreie
Außenwandung
des Profilstrangs ankommt, greift das Formwerkzeug vorzugsweise
nur in der Innenbohrung des Rundrohres an.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat sich für
die Ausbildung eines Profilrohres mit rechteckigem Querschnitt besonders
bewährt.
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Aus
einem derartigen Profilrohr werden durch Ablängen rechteckige Hohlprofilelemente
erhalten. Diese können
beispielsweise als Halbzeug für die
Herstellung optischer Strahler mit flächiger Abstrahlcharakteristik
verwendet werden, wie dies weiter unten noch näher erläutert wird.
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Alternativ
dazu wird das erfindungsgemäße Verfahren
auch vorteilhaft für
die Ausbildung eines Profilrohres mit sechseckigem Querschnitt eingesetzt.
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Aus
einem derartigen Profilrohr werden durch Ablängen Hohlprofilelemente mit
Sechseck-Querschnitt erhalten. Diese können beispielsweise als Hüllrohr für die Herstellung
sogenannter „optische
Hohlfasern" (Photonic
Cristal Fibres (PCF), auch als „Holey Fibres", oder photonische
Kristallfasern bezeichnet) eingesetzt werden. Dabei werden in der
Innenbohrung eines Hüllrohres
mit polygonalem, vorzugsweise sechseckigem, Innenquerschnitt eine Vielzahl
von Kapillaren dicht gestapelt und mit ihren Längsachsen parallel zueinander
angeordnet.
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Es
hat sich bewährt,
wenn ein Formelement eingesetzt wird, dessen Querschnitt in Ziehrichtung gesehen,
von Kreisform allmählich
in das Außenquerschnittsprofil
des Profilstrangs übergeht.
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Der
allmähliche Übergang
von Kreisform auf das Soll-Außenprofil
des Profilstrangs erleichtert die Kontrolle des Elongierprozesses
und die Einhaltung vorgegebener Sollabmessungen des Profilstrangs.
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Weiterhin
hat es sich bewährt,
wenn in der Innenbohrung des Hohlzylinders ein gegenüber dem außen anliegenden
Außendruck
erhöhter
Innendruck aufrecht erhalten wird.
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Durch
Anpassung des Innendrucks wird die Einstellung und Einhaltung vorgegebener
Abmessungen des Profilstrangs erleichtert.
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In
Bezug auf die Vorrichtung wird die oben angegebene Aufgabe ausgehend
von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Halterung eine Zieheinrichtung zum bereichsweisen werkzeugfreien Elongieren
des Hohlzylinders zu einem Rundrohr vor dem Verformen zum Profilstrang
umfasst, und dass das Formwerkzeug im Elongierbereich des Rundrohres
positionierbar ist.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
dient zur Durchführung
des oben beschriebenen Umformverfahrens. Wichtige Bestandteile sind
eine Heizeinrichtung, mittels der ein vorgefertigter Quarzglas-Hohlzylinder
bereichsweise erhitzt und erweicht werden kann, eine Zieheinrichtung,
mittels der der erweichte Bereich zu einem Rohr-Abschnitt aus Quarzglas elongierbar
ist, und eine Verformungseinrichtung mit Formwerkzeug, mittels dem
der noch weiche Rohr-Abschnitt aus Quarzglas unter fortdauernder Elongation
bereichsweise verformbar ist und dabei zu einem Profilstrang langgezogen
wird.
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Beim
Elongieren des Hohlzylinders bildet sich eine Ziehzwiebel (= Elongierbereich).
Das Formwerkzeug ist in einem Bereich hinter oder unter der Ziehzwiebel
positionierbar, in dem der Quarzglas-Hohlzylinder bereits abschnittsweise
zu einem Rundrohr mit kleinerem Außendurchmesser oder kleinerer
Wandstärke
elongiert, das Quarzglas aber noch verformbar ist. Diejenigen Teile
des Formwerkzeugs, die mit weichem Quarzglas in Kontakt kommen bestehen
aus temperaturstabilem Werkstoff wie Grafit, CFC oder Keramiken
wie etwa SiC, Al2O3.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
Soweit in den Unteransprüchen
angegebene Ausgestaltungen der Vorrichtung den in Unteransprüchen zum
erfindungsgemäßen Verfahren
genannten Verfahrensweisen nachgebildet sind, wird zur ergänzenden
Erläuterung
auf die obigen Ausführungen
zu den entsprechenden Verfahrensan sprächen verwiesen. Die in den übrigen Unteransprüchen genannten
Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nachfolgend
näher erläutert.
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Vorzugsweise
ist das Formwerkzeug innerhalb der Heizzone positionierbar.
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Dadurch
können
das Elongieren zum Rundrohr und das Umformen zum Profilstrang innerhalb derselben
Heizzone erfolgen, so dass ein mehrfaches oder lang andauerndes
Heizen der abzuziehenden Quarzglasmasse und die damit einhergehende Gefahr
unbeabsichtigter Verformungen vermieden wird.
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Das
Formwerkzeug kann einstückig
ausgebildet sein. Besonders bevorzugt wird aber eine Ausführungsform
der Vorrichtung, bei der das Formwerkzeug ein am Außenumfang
des Rundrohres angreifendes Formelement aus mindestens zwei gegeneinander
beweglichen Formbacken aufweist.
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Die
Formbacken definieren eine Öffnung
entsprechend dem herzustellenden Profil. Sie können auseinander bewegt werden
und erleichtern so das Einfädeln
des Anfangsstückes
beim Anziehen des Quarzglas-Hohlzylinders.
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Besonders
bewährt
hat sich eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei der das Formwerkzeug auf einem Haltegestell fixiert und dieses
auf einer Positioniereinheit montiert und mittels dieser in Richtung
der Ziehachse und senkrecht dazu verschiebbar ist.
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Mittels
der Positioniereinheit und dem darauf montierten Haltegestell ist
das Formwerkzeug exakt in der Mittelachse des zu elongierenden Hohlzylinders
und in der optimalen Entfernung zur Ziehzwiebel positionierbar.
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Hinsichtlich
der Verwendung wird die oben angegebene Aufgabegelöst, indem
ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhaltenes Profilelement für
die Herstellung eines optischen Strahlers eingesetzt wird, wobei
mehrere zylinderförmige
Profilelemente so zusammengesetzt sind, dass sie – in Hauptabstrahlrichtung
gesehen – eine
gemeinsame Abstrahlfläche
eines Hüllkörpers aus
Quarzglas zur Aufnahme eines Strahlungsemitters bilden
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Der
optische Strahler ist aus Profilelementen zusammengesetzt, wie sie
anhand des weiter oben beschriebenen Verfahrens mit hoher Maßhaltigkeit und
kostengünstig
hergestellt werden können.
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Um
eine vorgegebene Strahlerfläche
auszufüllen,
sind mehrere derartiger Profilelemente segmentartig so miteinander
verbunden, das sie eine flächige
Anordnung mit einer gemeinsamen Abstrahlfläche bilden.
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Die
Abstrahlfläche
macht mindestens einen Teil der gesamten vorgegebenen Strahlerfläche aus, im
Idealteil die gesamte Strahlerfläche.
Diese kann mittels der einzelnen Profilelement-Segmente einfach
und flexibel gefüllt
werden, auch noch in guter Annäherung
bei komplexen, nicht rechtwinkligen Flächenkonturen. Die von den Profilelementen
aufgespannte Abstrahlfläche
ist in der Regel plan, sie kann aber auch eine gekrümmt Hüllkurve
aufweisen, beispielsweise zur Anpassung an den Außenmantel
eines zu bestrahlenden Bauteils mit Walzenform.
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Die
zylinderförmigen
Profilelemente weisen einen polygonalen Querschnitt auf, im einfachsten Fall
eine Rechteckform. Jedes Profilelement umschließt einen Hohlraum, der herstellungsbedingt zwei
sich gegenüberliegende Öffnungen
aufweist. Im fertigen Strahler sind die Hohlräume der einzelnen Profilelemente
entweder so miteinander verbunden, dass sie einen gemeinsamen Hohlraum
für die
Aufnahme eines Strahlungsemitters bilden oder die Hohlräume sind
getrennt. Im erstgenannten Fall sind die Anforderungen an die Dichtigkeit
der Fügeverbindung
hoch, im zuletzt genannten Fall gering. Bei dem im Hohlraum oder
in den Hohlräumen
angeordneten Strahlungsemitter handelt es sich beispielsweise um eine
Strahlung emittierende Gasfüllung,
eine Heizwendel, eine Carbonband oder um eine oder mehrere Elektroden
zur Erzeugung einer elektrischen Entladung.
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Die
Profilelemente können
miteinander verschweißt
sein. Besonders bevorzugt sind die Profilelemente jedoch mittels
einer SiO2-Fügemasse aus mindestens teilweise
opakem SiO2 miteinander verbunden.
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Die
zylinderförmigen
Profilelemente werden hierbei mittels einer SiO
2-Fügemasse
aus mindestens teilweise opakem SiO
2 miteinander
verbunden. Die Verbindung erfolgt über aneinander angrenzende Seitenwandungen
benachbarter Profilelemente. Der Einsatz einer derartigen Fügemasse
für die
Herstellung von Fügeverbindungen
aus Quarzglas-Bauteilen ist aus der
DE 10 2004 054 392 A1 bekannt.
Die in dieser Druckschrift beschriebene Art und Herstellung der
SiO
2-Fügemasse ist
auch für
die Fügemasse gemäß vorliegender
Anmeldung geeignet und insoweit wird der Offenbarungsgehalt der
DE 10 2004 054 392
A1 hiermit ausdrücklich
einbezogen.
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Beim
Einsatz der Fügemasse
zur Verbindung der einzelnen Profilelemente erfüllt die Fügemasse eine weitere Funktion,
nämlich
als diffuser Reflektor für
Strahlung über
einen großen
Wellenlängenbereich.
Die an den Seitenwandungen der Profilelemente vorhandene Fügemasse
reflektiert daher die nicht in Hauptabstrahlrichtung verlaufende
Strahlung und trägt
so zur Verbesserung des Wirkungsgrades beim erfindungsgemäßen Strahler
bei.
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Es
hat sich als besonders günstig
erwiesen, wenn die SiO2-Fügemasse
in Bezug auf das Quarzglas des Hüllkörpers aus
arteigenem Material besteht.
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Unter
einem „arteigenen
Material" wird hier verstanden,
dass sich die SiO2-Gehalte von Fügemasse und Profilelemente
um maximal 3 Gew.-%, vorzugsweise maximal 1 Gew.-% voneinander unterscheiden.
Durch angepasste Ausdehnungskoeffizienten wird eine hohe mechanische
Festigkeit der Fügeverbindung
und insbesondere eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit erreicht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Strahlers bilden die Profilelemente eine der Abstrahlfläche gegenüberliegende
Hüllkörper-Rückwand,
auf der eine als diffuser Reflektor wirkende SiO2-Reflektorschicht
aus mindestens teilweise opakem SiO2 aufgebracht
ist.
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Die
Reflektorschicht besteht aus mindestens teilweise opakem Quarzglas.
Sie bedeckt die Rückwand
des Strahlers ganz oder teilweise und sie wirkt als diffuser optischer
Reflektor. Sie ist vollständig oder
zum größten Teil
aus dotiertem oder aus undotiertem SiO2 hergestellt.
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Die
Reflektorschicht weist einen hohen Reflexionsgrad auf. Da sie ist
auf einer der Hauptabstrahlrichtung abgewandten Fläche des
Strahlers vorgesehen und trägt
damit zusätzlich
zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei. Weiterhin zeichnet sich
der Reflektor in Form einer SiO2-Reflektorschicht durch
eine hervorragende chemische und thermische Beständigkeit und mechanische Festigkeit
sowie durch eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit aus.
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Hinsichtlich
weiterer Eigenschaften und der Herstellung der SiO
2-Reflektorschicht
wird auf den Stand der Technik gemäß der oben erwähnten
DE 10 2004 051 846
A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt insoweit ausdrücklich einbezogen
wird.
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Bei
einer ersten bevorzugten Ausgestaltungsvariante des Strahlers mit
SiO2-Reflektorschicht ist
diese auf der der Abstrahlfläche
abgewandten, gemeinsamen Außenfläche der
Rückwand
aufgebracht.
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Dadurch
werden Beeinträchtigungen
des Strahlungsemitters oder der Atmosphäre innerhalb des Hüllkörpers vermieden.
Weiterhin ist die Reflektorschicht auf der Außenseite des Hüllkörpers besonders
einfach aufzubringen.
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Bei
einer zweiten, gleichermaßen
bevorzugten Ausführungsvariante
ist die SiO2-Reflektorschicht auf den der Abstrahlfläche zugewandten
Innenseiten der Profilelemente aufgebracht.
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Die
auf den Innenseiten der Profilelemente vorgesehene Reflektorschicht
ist dem Strahlungsemitter unmittelbar benachbart, so dass Absorptionsverluste
durch das Material des Hüllkörpers vermieden
werden. Außerdem
ist die Reflektorschicht dort vor mechanischer Beschädigung geschützt.
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Die
Profilelemente können
jeden beliebigen polygonalen Querschnitt aufweisen. Im Hinblick
auf eine einfache Herstellung und Verarbeitung werden Profilelemente
mit rechteckiger Querschnittsfläche bevorzugt.
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Die
SiO2-Reflektorschicht kann einen Dotierstoff
enthalten, der im ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Spektralbereich
eine optische Absorption erzeugt.
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Mittels
des Dotierstoffs kann eine wellenlängenselektive Reflexion der
Reflektorschicht bewirkt werden. Hierzu wird ein Dotierstoff eingesetzt,
der im ultravioletten, sichtbaren und/oder im infraroten Spektralbereich
eine oder mehrere Absorptionslinien in Quarzglas erzeugt. Dadurch
ist in dem von der Reflektorschicht reflektierten Lichtwellenspektrum
ein Anteil der absorbierten Strahlung nicht mehr enthalten. Insoweit
wirkt die Reflektorschicht auch als Filter und kann eine ansonsten
notwendige Filtermaßnahme,
wie eine Dotierung des Quarzglases des Hüllkörpers oder eine Beschichtung
mit einem Filtermaterial ersetzen oder ergänzen.
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Hinsichtlich
weiterer Eigenschaften und der Herstellung der selektiv reflektierenden
SiO
2-Reflektorschicht wird auf den Stand
der Technik gemäß der
DE 10 2005 016 732
A1 verwiesen, deren Offenbarungsgehalt insoweit ausdrücklich einbezogen
wird.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer
Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt im Einzelnen
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1 eine
Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine
erste Ausführungsform
einer Verformungseinrichtung mit einem zweiteiligen Formwerkzeug
in einer dreidimensionalen schematischen Darstellung,
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3 eine
zweite Ausführungsform
einer Verformungseinrichtung mit einem einteiligen Formwerkzeug
in einer dreidimensionalen schematischen Darstellung,
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4 eine
erste Ausführungsform
eines aus Segmenten zusammengesetzten optischen Flachstrahlers mit
einer Reflektorschicht auf der Außenwandung in schematischen
Querschnittsdarstellung, und
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5 eine
zweite Ausführungsform
eines aus Segmenten zusammengesetzten optischen Flachstrahlers mit
einer Reflektorschicht auf der Innenwandung in schematischen Darstellung
und im Querschnitt.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Zieh- und Umformvorrichtung
wird zur Herstellung von Hohlprofilen mit rechteckigem Querschnitt
aus synthetischem Quarzglas eingesetzt. Dabei wird ein Hohlzylinder 1 aus
synthetischem Quarzglas (gebrochen dargestellt) elongiert und gleichzeitig
zu einem Hohlprofilstrang 11 umgeformt. Aus diesem werden durch
Ablängen
die gewünschten
Hohlprofile erhalten.
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Die
Vorrichtung umfasst einen vertikal angeordneten, auf Temperaturen
oberhalb von 2300°C beheizbaren
Ofen mit einem ringförmigen
Widerstandsheizelement 6, eine in Ziehrichtung 10 verfahrbare
Halterung 18 für
die vertikale Halterung und die Zufuhr des Hohlzylinders 1 zum
Ofen, einen Abzug 2, eine Verformungseinrichtung, der insgesamt
die Bezugsziffer 3 zugeordnet ist, sowie ein Gasversorgungssystem,
das durch eine in die Innenbohrung 17 des Hohlzylinders 1 ragende
Gasleitung 4 und einem Absperrventil 5 angedeutet
ist.
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Der
Hohlzylinder 1 mit ringförmigem Querschnitt hat einen
Außendurchmesser
von 150 mm, einen Innendurchmesser von 100 mm und eine Länge von
etwa 3000 mm. Beim Ziehprozess wird er mit vertikal orientierter
Längsachse 7 mit
seinem unteren Ende beginnend dem Heizelement 6 von oben
kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 25 mm/min zugeführt, darin
zonenweise erweicht und dabei unter Ausbildung einer Ziehzwiebel 8 zunächst zu
einem Rohrabschnitt 9 elongiert.
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Dabei
wird der Rohrabschnitt 9 soweit gezogen bis seine Wandstärke etwa
2 mm beträgt.
Diese Bedingung ist im unteren Drittel des Heizelements 6 erfüllt. Der
entsprechende kleinste Querschnitt des Rohrabschnitts 9 – in Ziehrichtung 10 gesehen – ist schematisch
in Ausschnitt A dargestellt. Sein Außendurchmesser liegt bei 40
mm und seine mittlere Wandstärke
beträgt
2,2 mm. An dieser Stelle setzt die Verformungseinrichtung 3 an
der Außenwandung des
Rohrabschnitts 9 verformend an.
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Die
Verformungseinrichtung 3 umfasst eine Positioniereinrichtung 12,
auf der ein Haltegestell 13 montiert ist. Das Haltegestell 13 trägt ein Formwerkzeug 14 aus
Grafit, das von unten in den vom Heizelement 6 umgebenen
Heizraum 16 hineinragt. Das Formwerkzeug 14 besteht
im Wesentlichen aus zwei getrennt bewegbaren Halbschalen 15,
die einen Hohlraum umschließen,
dessen Querschnittsform sich von oben von nach unten von Kreisform
kontinuierlich in Rechteckform ändert.
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Die
Abmessungen der Rechteckform am unteren Ende der aneinander liegenden
Halbschalen 15 betragen 40 mm × 20 mm. Dementsprechend wird der
Rohrabschnitt 9 mittels des Formwerkzeugs 14 zu
einem Hohlprofilstrang 11 mit recht eckigem Querschnitt
umgeformt, dessen Außenabmessungen
40 mm × 20
mm betragen, und der eine gleichmäßige mittlere Wandstärke von
etwa 2 mm aufweist. Der entsprechende Endquerschnitt des Hohlprofilstrang 11 ist
schematisch in Ausschnitt B dargestellt. Der Hohlprofilstrang 11 wird
mittels des Abzugs 2 mit einer Geschwindigkeit von 900
mm/min abgezogen.
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Während des
Elongier- und Verformungsprozesses wird in der Innenbohrung 17 des
Hohlzylinders 1 ein Überdruck
von 2 mbar aufrechterhalten.
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2 zeigt
schematisch die Verformungseinrichtung 3 in dreidimensionaler
Darstellung. Aus Gründen
einer besseren Erkennbarkeit sind die Grafit-Halbschalen 15 des Formwerkzeugs 14 geöffnet dargestellt.
Sie umschließen
einen Hohlraum, in den von oben der elongierte Rohr-Abschnitt 9 eintritt
und aus dem er als Hohlprofilstrang 11 austritt.
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Die
Positioniereinrichtung 12 umfasst eine Verstelleinrichtung 20 für die Positionierung
des Formwerkzeug 13 in der Höhe und eine Verstelleinrichtung 21 für das Öffnen und
Schließen
der Halbschalen 15.
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3 zeigt
schematisch eine Verformungseinrichtung in dreidimensionaler Darstellung
mit einer alternativen Ausführung
des Formwerkzeugs 30. Wesentlicher Bestandteil ist hier
eine einteilige Formhülse 31,
die einen Hohlraum umschließt,
dessen Querschnittsform sich von oben von nach unten von einer Kreisform
kontinuierlich in Rechteckform ändert.
Der elongierte Rohr-Abschnitt 9 mit ringförmigem Querschnitt
tritt in den Hohlraum von oben ein, wird darin umgeformt und tritt
als Hohlprofilstrang 11 mit Rechteckquerschnitt aus.
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Die
abgelängten
Hohlprofile werden als Halbzeug für die Fertigung von Excimer-Flachstrahlern gemäß vorliegender
Erfindung eingesetzt, wie dies im Folgenden näher beschrieben wird.
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4 zeigt
schematisch eine erste Ausführungsform
eines Excimer-Flachstrahlers 40.
Dessen Strahlerhülle
besteht aus synthetischem Quarzglas und ist aus insgesamt drei Rechteck-Hohlprofilen 41 mit
Abmessungen von 40 mm × 20
mm und einer Wandstärke
von 2 mm zusammengesetzt. Die Hohlprofile 41 sind mit ihren
langen Seitenwänden
miteinander verbunden. Die Gesamtfläche der Strahlerhülle beträgt somit
60 mm × 40
mm. Die Hohlräume 42 der
Hohlprofile 41 sind voneinander getrennt. Zur Abdichtung
nach außen
werden die offenen Stirnseiten der Hohlprofile 41 mit einer
durchgehenden (im Querschnitt von 4 nicht
dargestellten) Quarzglas-Platte verschlossen.
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Die
Fügeverbindungen
zwischen den Hohlprofilen
41 und der Verschlussplatten
aus Quarzglas bestehen aus im Minimum ca. 0,5 mm dicken Schichten
43 aus
reinem, opakem SiO
2. Die SiO
2-Schichten
43 zeichnen
sich durch Rissfreiheit und eine hohe Dichte von etwa 2,15 g/cm
3 aus. Das SiO
2 wird
aus einer Fügemasse
erhalten, die mittels eines Schlickerverfahrens erzeugt wird, wie
es in der oben genannten
DE
10 2004 054 392 beschrieben ist. Die so hergestellten Fügeverbindungen
(
43) sind mechanisch stabil und zeigen eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit
auch bei Einsatztemperaturen oberhalb von 1000°C.
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Die
Hohlprofile
41 sind so angeordnet, dass sie in Hauptabstrahlrichtung
47 eine
gemeinsame plane Vorderseite
44 und eine dieser gegenüberliegende
gemeinsame plane Rückseite
45 aufweisen. Die
Rückseite
45 ist
vollständig
mit einer SiO
2-Deckschicht
46 bedeckt
sind, die aus opakem Quarzglas besteht und die eine mittlere Schichtdicke
um 2 mm aufweist. Die SiO
2-Deckschicht
46 bewirkt
eine diffuse, ungerichtete Reflexion und dient somit als Reflektorschicht.
Die Herstellung der Reflektorschicht erfolgt durch Trocknen und
Sintern eines SiO
2-Masse, die mittels eines Schlickerverfahrens
erzeugt wird, wie es in der oben erwähnten
DE 10 2004 051 846 beschrieben
ist. Auch die SiO
2-Schichten
43 wirken diffus
reflektierend und tragen daher zur Verbesserung des Strahlungswirkungsgrades
des Excimerstrahlers
40 bei.
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Bei
der Abwandlung des Excimer-Flachstrahlers 50 gemäß 5 sind
anstelle einer rückseitig
aufgebrachten gemeinsamen Reflektorschicht separate Reflektorschichten 56 jeweils
im Hohlraum 52 eines jeden Hohlprofils 51 vorgesehen.
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Hierzu
sind jeweils die der Vorderseite 54 zugewandten Innenwandungen
der Hohlprofile 51 mit einer Schicht (56) aus
opakem SiO2 versehen, das so hergestellt
wird, wie oben anhand 4 für die SiO2-Deckschicht 46 erläutert.