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Title:
METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING ROTATIONALLY SYMMETRICAL QUARTZ GLASS CRUCIBLES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/004368
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a device (5) for producing a quartz glass crucible (2). At least two electrode arrangements (7, 8) which are evenly distributed on the periphery of the quartz glass crucible (2) and which produce a first arc and an additional arc each heat a section (14, 15) of a wall (13) of the quartz glass crucible (2), which rotates during this process. The use of multiple electrode arrangements (7, 8) enables the period in which the sections (14, 15) cool off before reaching the next heating area (11, 12) to be shortened, which in turn prevents an undesirable considerable temperature difference in the wall (13). At the same time, the necessary heat output for each individual electrode arrangement (7, 8) can be reduced, which reduces evaporation phenomena and the bubble formation that is associated with this. This not only improves quality but also shortens the production process.

Inventors:
LEIST JOHANN (DE)
GOEBEL ROLF (DE)
FRITZ HELMUT (DE)
Application Number:
PCT/EP2001/007858
Publication Date:
January 17, 2002
Filing Date:
July 09, 2001
Export Citation:
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Assignee:
HERAEUS QUARZGLAS (DE)
SHINETSU QUARTZ PROD (JP)
LEIST JOHANN (DE)
GOEBEL ROLF (DE)
FRITZ HELMUT (DE)
International Classes:
C03B19/09; H05B7/18; C03B20/00; H05B7/22; (IPC1-7): C03B19/09
Foreign References:
EP0911429A11999-04-28
FR2746092A11997-09-19
Attorney, Agent or Firm:
Kühn, Hans-christian (Heraeus Holding GmbH Schutzrechte Heraeusstrasse 12-14 Hanau, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Quarzglastiegel, bei dem ein Lichtbo gen mittels einer Elektrodenanordnung, bestehend aus einer oder mehreren Anoden und einer Kathode, erzeugt und so eine Wandung oder ein Abschnitt einer Wandung des hierbei rotierenden Quarzglastiegels erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch zumindest eine weitere Elektrodenanordnung (8) bestehend aus einer oder mehreren Anoden (9) und einer Kathode (10) ein weiterer Lichtbogen gebildet wird, wodurch ein weiterer Abschnitt der Wandung des Quarzglastiegels (2) erwärmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Elektrodenanord nung verschiedene in Richtung der Rotationsachse des Quarzglastiegels voneinander beabstandete Abschnitte erhitzt werden.
3. Vorrichtung zur Herstellung eines rotationssymmetrischen Quarzglastiegels durch ab schnittsweise Erwärmung mittels einer zur Erzeugung eines Lichtbogens vorgesehenen Elektrodenanordnung, bestehend aus einer oder mehreren Anoden und einer Kathode, wobei der Quarzglastiegel um seine Rotationsachse drehbar ist, dadurch gekenn zeichnet, daß die Vorrichtung (5) zusätzlich zu der ersten Elektrodenanordnung (7) mit zumindest einer weiteren Elektrodenanordnung (8), bestehend aus einer oder mehrerer Anoden (9) und einer Kathode (10), ausgestattet ist, welche einem der ersten Elektro denanordnung (7) abgewandten Abschnitt (15) des Quarzglastiegels (2) zugeneigt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnun gen (7,8) in verschiedenen, in Richtung der Rotationsachse (16) des Quarzglastiegels (2) voneinander beabstandeten Positionen angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenan ordnungen (7,8) voneinander unabhängig verfahrbar sind.
6. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnungen (7,8) bezüglich des Umfanges des Quarzglastiegels (2) gleich verteilt angeordnet sind.
7. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Elektrodenanordnung (7,8) mit einer Zuführung für SiO2Körnung versehen ist, während zumindest eine weitere Elektrodenanordnung (7,8) ausschließlich zur Erhitzung vorgesehen ist.
Description:
VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG ROTATIONSSYMMETRISCHER QUARZ- GLASTIEGEL Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung rotationssymmetrischer Quarzglastiegel, bei dem ein Lichtbogen mittels einer Elektrodenanordnung, bestehend aus einer oder mehreren Anoden und einer Kathode, erzeugt und so eine Wandung oder ein Abschnitt einer Wandung des hierbei rotierenden Quarzglastiegels erhitzt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vor- richtung zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der genannten Art werden in der Praxis aufgrund ihrer ho- hen Wirtschaftlichkeit vielfach eingesetzt. Eine in Rotation versetzte Schmelzform wird hierzu teilweise mit einer Si02-Körnung gefüllt, wobei dies eine natürliche oder synthetische Si02- Körnung sein kann. Mit Hilfe einer Schablone wird während der Rotation aus der Körnung eine Vorform des späteren Quarzglastiegels erstellt. Danach wird mittels der Elektrodenanordnung ein Lichtbogen gezündet und in verschiedenen Ebenen an der rotierenden Wandung des Quarzglastiegels entlanggeführt, wobei die Quarzglaskörnung zu einer glasigen Wand in Form des Quarzglastiegels geschmolzen wird. Nach dem Abkühlen des Quarzglastiegels ist dessen endgültige Form bereits geschaffen, wobei die Innenseite der Wandung glasiert ist, während an der Außenseite der Wandung noch Si02-Körnung anhaftet, die einem nachfolgenden Arbeits- schritt abgerieben oder abgeschliffen wird. Die Außenseite ist unglasiert.

Ein solches Verfahren ist auch Gegenstand der DE 197 10 672 A1, bei dem zusätzlich durch Einstreuen von Si02-Körnung mit weiteren Bestandteilen ein schichtartiger Aufbau mit speziel- len Eigenschaften hergestellt wird.

Von grundsätzlicher Bedeutung für das Verfahren ist die Einhaltung einer insbesondere durch die geometrischen Abmessungen des Quarzglastiegels bestimmten Drehzahl der Schmelzform, weil die hierbei auftretenden Fliehkräfte die Si02-Körnung in der mittels Schablone vorgeform- ten Form halten. Dabei führt eine unzureichende Drehzahl mit entsprechend geringen Flieh- kräften dazu, daß die lose SiO2-Körnung nicht in der gewünschten Position gehalten werden kann und teilweise in der Schmelzform zu Boden rutscht. Im Gegensatz hierzu führt eine zu hohe Drehzahl dazu, daß die Bodenschicht des Quarzglastiegels nach außen verlagert wird und dabei aufreißt. Die Drehzahl ist demnach nur sehr eingeschränkt variabel.

Als nachteilig erweist sich dabei, daß eine ausreichend hohe und gleichmäßige Erhitzung der Wandung, insbesondere bei großen Quarzglastiegeln nur dadurch erreicht werden kann, daß die Elektrodenanordnung mit einer hohen Wärmeleistung betrieben wird. Dabei kann es jedoch beim Einstreuen von Si02-Körnung zu Verdampfungserscheinungen und Blasenbildung kom- men, wodurch die Qualität des Endproduktes erheblich verschlechtert wird. Außerdem wird die Aufbaurate für die Innenschicht reduziert (Folge größere Verdampfungen). Weiterhin bedingt die partielle Erhitzung eines Abschnittes der rotierenden Wandung eine Abkühiphase entspre- chend der Dauer einer vollen Umdrehung bis der Abschnitt der Wandung erneut in die Erhit- zungszone eintritt, deren Dauer insbesondere bei geringen Drehzahlen und großen Durchmes- sern des Quarzglastiegels zu starken Temperaturschwankungen und damit zu Qualitätseinbu- gen führt.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß unabhängig von der Drehzahl des rotierenden Quarz- glastiegels die auftretende Temperaturdifferenz wesentlich vermindert werden kann, um so ins- besondere unerwünschte Verdampfungen und Blasenbildungen durch starke Erhitzung bzw.

Abkühlung weitgehend ausschließen zu können. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchfüh- rung des Verfahrens geschaffen werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß durch zumindest eine weitere Elektrodenanordnung bestehend aus einer oder mehreren Anoden und einer Kathode ein weiterer Lichtbogen gebildet wird, wodurch ein weiterer Abschnitt der Wandung des Quarz- glastiegels erwärmt wird. Hierdurch kann jede einzelne Elektrodenanordnung mit einer vermin- derten Wärmeleistung betrieben werden. Daher können Verdampfungserscheinungen, insbe- sondere beim Einstreuen der SiO2-Körnung weitgehend ausgeschlossen werden. Zudem kann dadurch bei einer geometrisch vorbestimmten Drehzahl die Dauer der Abkühlungsphase, bis ein jeweiliger Abschnitt der Wandung erneut in eine nachfolgende Erhitzungszone der nächsten Elektrodenanordnung eintritt, deutlich verkürzt werden. Die auftretenden Temperaturdifferenzen werden somit erheblich verringert. Die Dicke einer durch das Einstreuen der SiO2-Körnung er- zeugten Innenschicht kann dabei zugleich erhöht werden, wobei zudem der bei höherer Wär- meleistung nach dem Stand der Technik verdampfende Anteil der SiO2-Körnung zum Aufbau der Innenschicht mit einem größeren Anteil zur Verfügung steht. Dabei entfällt auch der zusätz- liche Aufwand zum Absaugen der verdampfenden Bestandteile der Si02-Körnung, so daß eine weitgehende Automatisierung des Herstellungsverfahrens realisiert werden kann. Außerdem wird dabei auch die Dauer des Herstellungsverfahrens verkürzt, wodurch eine bessere Ausla- stung der Anlage und damit auch eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit verbunden ist.

Hierbei wird eine besonders vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens dadurch erreicht, daß durch die Elektrodenanordnung verschiedene in Richtung der Rotationsachse des Quarzgla- siegels voneinander entfernte Abschnitte erhitzt werden. Durch die hierzu in einer unterschied- lichen vertikalen Position vorgesehenen Elektrodenanordnungen kann ein großflächiger Wär- meeintrag und damit eine Verkürzung der Verfahrensdauer erreicht werden. Zugleich wird dabei eine gleichmäßigere Erwärmung des Quarzglastiegels mit einer entsprechend verbesserten Qualität erreicht.

Die zweite genannte Aufgabe, eine Vorrichtung zur Herstellung eines rotationssymmetrischen Quarzglastiegels durch abschnittsweise Erwärmung mittels einer zur Erzeugung eines Lichtbo- gens vorgesehenen Elektrodenanordnung, bestehend aus einer oder mehreren Anoden und einer Kathode, zu schaffen, wobei der Quarzglastiegel um seine Rotationsachse drehbar ist, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrichtung zusätzlich zu der ersten Elektroden- anordnung mit zumindest einer weiteren Elektrodenanordnung, bestehend aus einer oder meh- rerer Anoden und einer Kathode, ausgestattet ist, welche einem der ersten Elektrodenanord- nung abgewandten Abschnitt des Quarzglastiegels zugeneigt ist. Hierdurch kann die Tempera- tur des Quarzglastiegels unabhängig von der Drehzahl auf einem vergleichsweise hohen Ni- veau gehalten werden, so daß die auftretenden Temperaturdifferenzen wesentlich geringer ausfallen. Dabei erreicht ein durch den Lichtbogen der ersten Elektrodenanordnung erhitzter Abschnitt der Oberfläche, insbesondere der Wandung oder der Bodenfläche, bereits nach einer geringen Drehwinkeländerung die Erhitzungszone des Lichtbogens der zweiten Elektrodenan- ordnung, wobei die einzelnen Elektrodenanordnungen mit einer verminderten Wärmeleistung betrieben werden können. Durch die damit verbundenen verminderten Verdampfungserschei- nungen können einerseits zusätzliche Maßnahmen zum Absaugen der verdampften Bestand- teile entfallen, andererseits erhöht sich der nutzbare Anteil der eingestreuten SiO2-Körnung, so daß ein schneller Aufbau einer Innenschicht mit einer erheblich größeren Schichtdicke erreicht wird. Zudem entsteht eine im wesentlichen blasenfreie Innenschicht, wodurch höhere Qualität- anforderungen problemlos realisierbar sind. Der Ausschußanteil des so geschaffenen Quarz- glastiegels und die Dauer des Herstellungsverfahrens wird zugleich vermindert, so daß eine verbesserte Wirtschaftlichkeit des Herstellungsverfahrens gegeben ist. Weiterhin können da- durch auch wesentlich größere Tiegeldurchmesser hergestellt werden als dies nach dem Stand der Technik bisher möglich war.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gegeben, daß die Elek- trodenanordnungen in verschiedenen, in Richtung der Rotationsachse des Quarzglastiegels voneinander beabstandeten Positionen angeordnet sind. Hierdurch kann eine großflächige Er- wärmung beispielsweise über einenTeil oder die Gesamthöhe der Wandung des Quarzglastie- gels erfolgen, um so eine gleichmäßige Erwärmung zu erreichen. Neben einer Qualitätssteige- rung wird dabei auch die erforderliche Dauer des Herstellungsverfahrens, und dadurch der Her- stellungsaufwand vermindert.

Dabei ist es auch besonders günstig, wenn die Elektrodenanordnungen voneinander unabhän- gig verfahrbar sind. Hierdurch kann eine optimale Anpassung an unterschiedliche Formen des Quarzglastiegels durch einen entsprechend abgestimmten Abstand zu der Wandung erfolgen.

Daher kann die mit der Vorrichtung erreichbare Qualität weiter verbessert werden, wobei insbe- sondere auch aufwendige, von einer einfachen Topf-oder Zylinderform abweichende Formen eines Quarzglastiegels mit beispielsweise auch größeren Durchmessern ohne konstruktive Än- derungen an der Vorrichtung herstellbar sind.

Hierzu ist eine Weiterbildung der Erfindung besonders gut geeignet, bei der die Elektrodenan- ordnungen bezüglich des Umfanges des Quarzglastiegels gleich verteilt angeordnet sind. Die durch die geometrischen Abmessungen einschließlich der daraus resultierenden Drehzahl des Quarzglastiegels bestimmte Abkühlungsdauer eines Abschnittes der Wandung zwischen zwei aufeinander folgenden Erhitzungszonen der verschiedenen Elektrodenanordnungen ist dadurch konstant, so daß eine unerwünschte Temperaturschwankung verhindert werden kann. Die so ausgestattete Vorrichtung führt dadurch zu einer weiteren Steigerung der Qualität.

Dabei ist eine andere vorteilhafte Abwandlung der Erfindung dadurch gegeben, daß zumindest eine Elektrodenanordnung mit einer Zuführung für Si02-Körnung versehen ist, während zumin- dest eine weitere Elektrodenanordnung ausschließlich zur Erhitzung vorgesehen ist. Hierdurch wird eine Vereinfachung der Vorrichtung und deren Steuerung erreicht, wobei eine Elektroden- anordnung ausschließlich zur Erhitzung eines Abschnittes der Wandung verwendet wird, wäh- rend in den Lichtbogen einer weiteren Elektrodenanordnung zusätzlich SiO2-Körnung einge- streut wird und so eine Innenschicht des Quarzglastiegels aufgebaut wird.

Die Erfindung faßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.

Diese zeigt in einer seitlichen Schnittdarstellung eine Schmelzform 1 mit einem darin einge- setzten und als Tiegel ausgeführten Quarzglastiegel 2. Oberhalb einer Öffnung 3 des Quarzgla- siegels 2 ist eine mit einem als Kühiplatte ausgeführten Kühlkörper 4 ausgestattete Vorrichtung 5 positioniert, durch die eine erste Elektrodenanordnung 7 und eine weitere Elektrodenanord- nung 8 in einen Innenraum 6 des Quarzglastiegels 2 hineinragt. Diese jeweils mit einer oder mehreren Anoden 9 und einer Kathode 10 ausgestatteten Elektrodenanordnung 7,8 bilden nach dem Zünden eines Lichtbogens jeweils eine Erhitzungszone 11,12 im Bereich einer Wan- dung 13 des Quarzglastiegels 2. In diesen Erhitzungszonen 11,12 wird jeweils ein Abschnitt 14,15 der Wandung 13 erhitzt, wobei die Erhitzungsdauer eines jeweiligen Abschnittes 14,15 durch die Drehzahl des hierbei um eine Rotationsachse 16 rotierenden Quarzglastiegels 2 be- stimmt ist. Die Drehzahl ist ihrerseits insbesondere durch die Geometrie des Quarzglastiegels 2 weitgehend festgelegt, weil das zunächst ungebunden gegen die Schmelzform 1 anliegende und den späteren Quarzglastiegel 2 bildende SiO2-Körnung ausschließlich durch die Fliehkraft bei der Rotation in einer durch eine Schablone vorgeformten Form gehalten wird. Dabei führt eine zu hohe Drehzahl des Quarzglastiegels 2 insbesondere im Bereich eines Bodens 17 des Quarzglastiegels 2 zu einer unerwünschten nach außen gerichteten Verlagerung der Si02- Körnung, während demgegenüber eine zu geringe Drehzahl zu einem Abgleiten der Körnung in der Schmeizform 1 nach unten führt. Durch die Verwendung von zwei Elektrodenanordnungen 7,8 wird daher die Dauer der Abkühiphase eines Abschnittes 14,15 zwischen den jeweils auf- einander folgenden Erhitzungszonen 11,12 verkürzt und daher die Temperaturdifferenz der Wandung 13 verringert. Zugleich kann dabei die Wärmeleistung jeder einzelnen Elektrodenan- ordnung 7,8 verringert werden, so daß auftretende Verdampfungen von Bestandteilen der ein- gestreuten SiO2-Körnung in lediglich geringem Umfang auftreten und so ein weitgehend bla- senfreies Endprodukt entsteht.

Bezugszeichenliste 1 Schmelzform 2 Quarzglastiegel 3Öffnung 4 körper 5 Vorrichtung 6 Innenraum 7 Elektrodenanordnung 8 Elektrodenanordnung 9 Anode 10 Kathode 11 Erhitzungszone 12 Erhitzungszone 13 Wandung 14 Abschnitt 15 Abschnitt 16 Rotationsachse 17 Boden