DE2147117A1

DE2147117A1 - Ofen zum Herstellen von Hohlteilen aus Quarzglas

Info

Publication number: DE2147117A1
Application number: DE19712147117
Authority: DE
Inventors: Lothar Milhngton N J Jung (V St A)
Original assignee: Amersil Inc
Current assignee: Amersil Inc
Priority date: 1970-09-22
Filing date: 1971-09-21
Publication date: 1972-03-23
Also published as: FR2107863A1; GB1352623A; US3652245A

Description

2U7117

Patentanwälte
Dr. ing. Walter Ab ^!t2
Dr. Dieter F. Morf
Dr. Hans -A. Brauns
8München8€,

21. September I97I AM - 1071

AMERSIL, INC.
685 Ramsey Avenue, Hillside, N.J.,V.St.A.

Ofen zum Herstellen von Hohlteilen aus Quarzglas

Für optische Anwendungen sind im wesentlichen wasserfreie, durchsichtige Quarzglasrohre erforderlich; in anderen Anwendungsbereichen, etwa bei Hochtemperaturöfen, haben sich OH-freie Rohre formstabiler gegenüber OH-haltigem Material gleicher Abmessungen erwiesen.

In Vakuumöfen hat man auf elektrischem Wege erzeugte Wärme angewandt, um aus Quarzkristallpulver Teile, auch Hohlteile, zu schmelzen. Es hat sich jedoch gezeigt, daß in der Praxis dieses Verfahren hinsichtlich der Abmessungen, der Menge und der Güte des geschmolzenen Materials seine Grenzen hat, weil die eigentliche"Wärmequelle in engem Kontakt mit dem pulverförmigen Füllgut steht und daher die in dem Kristallpulver enthaltenen Verunreinigungen noch vermehrt. In den Fällen, in denen das pulverförmige Material zu einem massiven Körper ge-

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schmolzen wurde, war eine zweite Hochtemperaturbehandlung erforderlich, um daraus ein Hohlteil zu machen, aoisser man benutzte eine Rohrziehanlage mit Ziehform.

Bei einem anderen bekannten Verfahren wird die Wärmequelle, etwa ein elektrischer Ofen, von der Schmelze getrennt, indem das Pulver in ein evakuiertes durchsichtiges Quarzglasrohr gegeben wird,das durch den Ofen läuft. In diesem Falle läßt sich eine praktisch vollständige Entfernung des Wassers aus dem pulverigen Füllgut nicht herbeiführen. Der OH-Gehalt ist nicht einmal so niedrig wie bei Material, dem die Wärme durch Verwendung wasserstoffhaltiger Brenngase zugeführt wurde* Ausserdem sind die auf diese Weise hergestellten Teile massiv und müssen zum Rohrziehen durchbohrt werden, wodurch die Herstellung von durchsichtigen Quarz*- glasrohren weiter erschwert wird.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Ofen zum Herstellen von Hohlteilen aus Quarzglas weist ein von einem Wassermantel umgebenes, zylindrisches Rohrgehäuse auf, an dessen beiden Enden Kappen oder andere Verschleißteile vakuumdicht angeordnet sind. Ein koaxial verlaufendes Quarzrohr, beispielsweise ein Rohr aus durchsichtigem Quarzglas, ist mit Abstand von der Gehäuseinnenwand in dem Gehäuse angebracht, und die Enden dieses Rohres durchsetzen die Verschlußteile oder Abschlußkappen, wobei die Rohraussenseite vakuumdicht mit den Abschlußkappen verbunden ist; dadurch wird ein Ringraum für Füllgut zwischen der Aussenseite des Quarzrohres und der Innenseite des Gehäuses gebildet. Eine längsverlau-fende elektrische Widerstandsheizung, z.B. ein Kohleoder Graphitstab oder -rohr, ist innerhalb des Quarzrohres, koaxial und mit Abstand von der Rohrwand, vor-

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gesehen. Der Innenraum des Quarzrohres öffnet sich entweder zu der Umgebungsluft oder gegen eine Atmosphäre mit kontrolliertemDruck und geeigneter chemischer Zusammensetzung. An den beiden Enden des Heizwiderstands sind Elektroden angebracht, und eine Vakuumanlage ist durch die Wand des Gehäuses geführt und steht in Verbindung mit dem Füllgutraum um diesen zu evakuieren.

Die Zeichnung gibt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Ofen zum Herstellen von Hohlteilen aus Quarzglas wieder.

Der erfindungsgemässe Ofen weist nach der Zeichnung ein zylindrisches Rohrgehäuse 1 mit zwei Ringflanschen 2 und 3 -an seinen beiden Enden auf. An dem Flansch 2 ist am offenen Ende des Gehäuses ein Verschlußteil in Form einer Kappe oder Platte H angeordnet, durch die eine zentrale Öffnung 5 führt. An dem Flansch 3 ist an dem anderen offenen Gehäuseende ein weiteres Verschlußteil in Form einer Kappe oder Platte 6 angeordnet, durch die eine zentrale Öffnung 7 führt. Zwischen der Platte M- und dem Flansch 2 liegt ein O-Ring 8 und zwischen der Platte 6 und dem Flansch 3 ein O-Ring 9. Koaxial in dem Gehäuse 1 und mit Abstand von der Gehäuseinnenwand verläuft ein Quarzrohr 10, beispielsweise aus Quarzglas. Das Rohr 10 ragt aus beiden Enden des Gehäuses 1 durch die öffnungen 5 bzw. 7 in den Abschlußplatten 4 bzw. 6 nach aussen. Zum Anpressen der Abschlußplatten an ihre jeweiligen Flansche dienen Schraubzwingen 11 und 12. Von diesen Schraubzwingen sind nur zwei gezeichnet, jedoch werden in Wirklichkeit an jedem Gehäuseeende eine Anzahl solcher Schraubzwingen benutzt. An den Platten bzw. 6 sind die öffnungen 5 bzw. 7 und die daraus vorstehenden Abschnitte des Rohrs 10 von ringförmigen Ge-

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hausen 13 bzw. 14 umgeben. In diesen Gehäusen befinden sich Packungen und Dichtungen 15 bzw. 16, beispieIsweise aus SiliRongummi oder Viton-Material, wodurch ein vakuumdichter Abschluß zwischen den Abschlußplatten und dem Quarzrohr 10 hergestellt werden soll. Die koaxiale Lage des Rohres 10 mit Abstand von der Wand des Gehäuses 1 läßt einen Füllgutraum 17 für Quarzpulver 18 entstehen.

Ein langgestreckter elektrischer Widerstand 19, z.B. aus Kohle oder Graphit, massiv oder in Rohrform, steht in dem Rohr 10 koaxial zu ihm und mit Abstand von den Rohrwänden. An den beiden Enden des Widerstands 19 sind Elektroden 20 bzw. 21 angebracht. An dem Gehäuse 1 ist eine Evakuierungsleitung 22 angebracht, die an eine Öffnung 2 3 in der Gehäusewand anschließt, so daß der ringförmige Füllgutraum 17 evakuiert werden kann. An der Öffnung 23 befindet sich ein Filter 24. Während die Verschlußteile, nämlich die Abschlußplatten M- und 6 und die zugehörigen Dichtungen 15 und 16 und 0-Ringe 8 und den Unterdruck in dem Füllgutraum 17 aufrechterhalten, wenn die Evakuierung durch die Leitung 22 vorgenommen worden ist, steht der Innenraum des Quarzrohres 10 offen und ist exponiert entweder gegenüber der Umgebungsluft und ihrem Druck oder gegenüber einer druckgeregelten Atmosphäre geeigneter chemischer Zusammensetzung. An dem Quarzrohr 10 sind Ringflansche 25 und 26 aus Quarz angebracht, die von den Enden des Rohres 10 jeweils so weit entfernt sind, daß sie in dem Gehäuse 1 liegen, wobei sie die Isolierräume 27 und 2 8 abgrenzen, nämlich einen Raum zwischen dem Flansch 25 und der Abschlußplatte 4 und einen Raum zwischen dem Flansch 26 und der Abschlußplatte 6. In den Isolierräumen befindet sich ein Isoliermaterial, z.B. zerstoßener Graphit 29.

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Unmittelbar an der Innenseite des Gehäuses 1 befindet sich eine poröse Hülse-, etwa in Form eines zylindrischen Drahtnetzes 30, oder ein Mantel von Pulverteilchen mit grösseren Abmessungen als die Pulverteilchen der Füllung 18 besitzen. Das Netz oder die Hülse 30 dienen dazu, eine praktisch gleichförmige und vollständige Wegführung der Gase aus dem Füllgut über dessenganze Länge herbeizuführen. Fehlt eine derartige Hülse, so werden die Gase nicht vollständig abgezogen, und die Wegführung der Gase ist weniger vollständig an den Stellen der Füllung," die von der Evakuierungsleitung 22 weiter entfernt sind.

Da der Ofen mit einer Temperatur arbeitet, die ausreicht, um die Teilchen des Füllguts zum Schmelzen zu bringen, erhält der Ofen eine Kühlvorrichtung in Gestalt einer Kühlmittel- oder Wasserumhüllung 31 zwischen den Flanschen 2 und 3, die mit Abstand gegenüber der Aussenwand des Gehäuses 1 verläuft und einen Raum 32 abgrenzt, durch den Wasser oder ein anderes Kühlmittel fließt, das bei 33 eintritt und bei 3t austritt. Die Elektrode 20 ist eine Hohlelektrode mit einem innenliegenden Hohlraum 35, einem Einlaß 36 und einem Auslaß 37; sie wird durchzogen von einer Rohrleitung 38, die an den Auslaß anschließt. Ein flüssiges·Kühlmittel tritt bei 36 ein, gelangt in den Hohlraum 35, in ein Ende 39 der Leitung 38 und tritt bei 37 aus. Die andere Elektrode 21 ist eine Hohlelektrode mit einem inneren Hohlraum 40, einem Einlaß 41 und einem Auslaß 42 und weist eine an den Auslaß 42 führende Rohrleitung 43 auf. Ein-flüssiges Kühlmittel tritt durch den Einlaß 41 ein, gelangt in den Hohlraum 40, in ein Ende 44 der Leitung 4 3 und von dort durch den Auslaß 42 nach draussen.

Neben der Kühlung der Gehäusewand und der Elektroden erfolgt auch noch eine Kühlung der Abschlußplatten 4 bzw.

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6, an denen Kühlkammern 45 bzw. 46 an der Plattenaussenseite vorgesehen sindi-Die Kammer 45 weist einen Fluideinlaß 47 und einen Flüidauslaß 48 auf. Die Kammer 46 ist mit einem Fluideinlaß 49 und einem Flüidauslaß 50 versehen.

Beim Betrieb des unter Wärme- und Unterdruckwirkung stehenden Ofens beginnen die Füllgutteilchen des geschmolzenen Quarzes an der Aussenseite des Quarzglasrohres 10 wegen der in dem Rohr durch den elektrischen Widerstand ' 19 erzeugten Wärme zu schmelzen. Wegen der porösen Hülle 30, durch die die Gase leichter hindurchtreten können als durch das Füllgut 18 aus Quarzglaspulver, kann das angelegte Vakuum über die gesamte Länge der Füllgutsäule wirksam werden. Wenn die pulverförmigen Füllgütteilchen in der Nähe des Rohres 10 an dem Rohr anzuschmelzen beginnen, verursacht der in dem Gehäuse herrschende Unterdruck im Verein mit dem Gas- oder Luftdruck in dem Rohr 10 ein allmähliches Auftreiben des Rohres in Richtung nach aus sen, wobei ständig weitere Schichten Quarzglas sich an dem Rohr anlagern, wie es die gestrichelten Linien andeuten, die das praktisch fertige Teil 10 zeigen. Der Vorgang setzt sich fort, bis eine vorgegebene Menge Quarz sich an dem Quarzrohr 10 angelagert hat. Da die Füllung 18 während des Arbeitens des Ofens an Vakuum liegt, kann offensichtlich kein Wasser und kein Gas mehr in der Füllgutsäule in der Nähe des Rohres 10 vorhanden sein, das das frisch abgelagerte Quarzglas verunreinigen könnte.

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Claims

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Patentan Sprüche :

Ofen zum Herstellen von Hohlteilen aus Quarz, gekennzeichnet durch ein zylindrisches Rohrgehäuse (1) mit vakuumdichten Abschlußelementen (4, 6) an den beiden Gehäuseenden, durch ein koaxial und mit Abstand von dem Gehäuse (1) in diesem angeordnetes Quarzrohr (10), durch eine vakuumdichte Durchführung der Endabschnitte des Quarzrohres (10) durch die Abschlußelemente (4£), wobei zwischen dem Quarzrohr (10) und dem Gehäuse (1) ein Ringraum (17) entsteht, durch ein koaxial und mit Abstand von den Wänden in dem Quarzrohr (10) angebrachtes, als Heizung dienendes elektrisches Widerstandselement (19), wobei der Innenraum des Quarzrohres (10) gegen eine unter geeignetem Druck stehende Atmosphäre offen ist, und durch eine mit dem Füllgutraum (17) in Verbindung stehende Einrichtung zum Evakuieren des Füllgutraumes (17).

2. Ofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Elektrodenanordnung (20, 21), die an den beiden Enden des langgestreckten Widerstandselements (19) angebracht ist.

3. Ofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Flansche (2, 3) an den Enden des zylindrischen Gehäuses (1) und durch eine zwischen den Flanschen (2, 3) verlau-

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fende Umhüllung (31), die Abstand von der Aussenwand des Gehäuses (1) hält.

Ofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei an dem Quarzrohr (10) angebrachte Quarzflanschen (25, 26), die jeweils von einem Rohrende so weit entfernt sind, daß"sie innerhalb des Gehäuses (1) stehen und einen Raum zwischen jeweils einem Flansch (25, 26) und einem Gehäuse-Abschlußelement (4, 6) abgrenzen.

5. Ofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine poröse zylindrische Hülse (30) innerhalb des Gehäuses (1) an der Gehäuseinnenwand.

6. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Hülse (30) als Drahtnetz ausgebildet ist.

7. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (30) aus pulverförmigen Teilchen gebildet wird.

8. Ofen nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Flansche (2, 3) an beiden Enden des zylindrischen Gehäuses (1), wobei die Abschlußelemente (4, 6) plattenförmig ausgebildet sind und vakuumdicht auf jeweils einen der Flansche (2, 3) aufgesetzt sind.

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9. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeic hnet, daß der Heizwiderstand (19) aus Kohle oder Graph.it besteht.

10» Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Quarzrohr (10) aus durchsichtigem Quarzglas besteht.

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