(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
るつぼ（１）にＳｉＯ２を含有する出発材料（３）を供給し、該出発材料を該るつぼ内で軟化させ、軟化した石英ガラス塊（２７）として、前記るつぼ（１）の底部領域に設けられた延伸ノズル（４）の、外側部材（７）と該外側部材（７）の貫通孔（２０）内に配置された内側部材（９）との間にある環状ギャップ（１４）を通して、延伸軸（２６）に沿って管状の石英ガラスストランド（５）として鉛直下方に延伸する、管状の石英ガラスストランドを延伸する方法において、
前記延伸ノズルの前記内側部材（９）は、前記延伸軸（２６）の方向に見て、前記外側部材（７）の前記貫通孔（２０）内で半径方向に自由に可動であるように吊下保持されることと、
前記延伸ノズルの前記環状ギャップ（１４）は、そのノズル断面積のサイズが上から下に小さくなる縦断面「Ｌ」を有することと
により、回転対称ではない内側部材の周りの圧力場が、半径方向に作用する復元力を引き起こして、センタリング効果を内側部材に加え、これによって内側部材の自己センタリングをもたらし、前記延伸ノズルの前記内側部材（９）は下向きに広がって、前記環状ギャップ（１４）を形成することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記環状ギャップ（１４）は、前記縦断面「Ｌ」の少なくとも一部にわたって上から下に向かって細くなることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記延伸ノズルの前記外側部材（７）の前記貫通孔（２０）は、下向きに細くなることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記環状ギャップ（１４）の幅は、その長さにわたってその最大幅の少なくとも２０％小さくなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記環状ギャップ（１４）は、前記縦断面「Ｌ」の少なくとも一部にわたって平行な側壁に囲まれ、前記環状ギャップ（１４）の内径は、上から下に向かって小さくなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記縦断面「Ｌ」は、少なくとも１０ｍｍの長さを有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記縦断面「Ｌ」は、少なくとも１５ｍｍの長さを有することを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記延伸ノズルの前記内側部材（９）は、保持要素（１１）に保持され、
該保持要素（１１）は、前記軟化した石英ガラス塊（２７）を上方に貫通して４０ｍｍ以下の外径及び１００ｃｍ以下の長さを有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記延伸ノズルの前記内側部材（９）は、前記保持要素（１１）の内孔と流体連通する中央孔（２５）を有することを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記軟化した石英ガラス塊（２７）は、少なくとも１８キロパスカルの静水圧を発生させることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記軟化した石英ガラス塊（２７）は、１２ｋｇ／ｈ〜４５ｋｇ／ｈの流量で前記環状ギャップ（１４）を通って流れることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記軟化した石英ガラス塊（２７）は、２０ｋｇ／ｈ〜３５ｋｇ／ｈの流量で前記環状ギャップ（１４）を通って流れることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記軟化した石英ガラス塊（２７）は、前記延伸ノズルの前記環状ギャップ（１４）の最小断面積に基づいて、少なくとも０．３ｋｇ／ｈ・ｃｍ２の流量で前記環状ギャップ（１４）を通って流れることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
ＳｉＯ２を含有する出発材料（３）を収容するのに用いられると共に該出発物質（３）を軟化させるヒータ（１３）に囲まれたるつぼ（１）と、
該るつぼ（１）の底部領域に設けられると共に、外側部材（７）と、環状ギャップ（１４）を残して該外側部材（７）の貫通孔（２０）内に配置された内側部材（９）とを有する延伸ノズル（４）と
を備えた、管状の石英ガラスストランドを延伸する装置において、
保持要素（１１）が設けられ、前記延伸ノズルの前記内側部材（９）は、延伸軸（２６）の方向に見て、前記外側部材（７）の前記貫通孔（２０）内で半径方向に自由に可動であるように吊下保持されることと、
前記延伸ノズルの、前記内側部材（９）との間にある環状ギャップ（１４）は、該環状ギャップ（１４）のノズル断面積のサイズが上から下に向かって小さくなる縦断面「Ｌ」を有することと
により、回転対称ではない内側部材の周りの圧力場が、半径方向に作用する復元力を引き起こして、センタリング効果を内側部材に加え、これによって内側部材の自己センタリングをもたらし、前記延伸ノズルの前記内側部材（９）は下向きに広がって、前記環状ギャップ（１４）を形成することを特徴とする装置。
【請求項１５】
前記延伸ノズルの前記環状ギャップ（１４）は、前記縦断面「Ｌ」の少なくとも一部に沿って上から下に向かって細くなることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記延伸ノズルの前記外側部材（７）の前記貫通孔（２０）は、下向きに細くなることを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記環状ギャップ（１４）の幅は、その長さにわたってその最大幅の少なくとも２０％小さくなることを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１８】
前記延伸ノズルの前記環状ギャップ（１４）は、前記縦断面「Ｌ」の少なくとも一部にわたって平行な側壁に囲まれ、前記環状ギャップ（１４）の内径は、上から下に向かって小さくなることを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１９】
前記縦断面「Ｌ」は、少なくとも１０ｍｍの長さを有することを特徴とする、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記保持要素（１１）は、４０ｍｍ以下の外径及び１００ｃｍ以下の長さを有することを特徴とする、請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２１】
前記延伸ノズルの前記内側部材（９）は、前記保持要素（１１）の内孔と流体連通する中央孔（２５）を有することを特徴とする、請求項２０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、るつぼにＳｉＯ２を含有する出発材料を供給し、当該出発材料を当該るつぼ内で軟化させ、軟化した石英ガラス塊として、るつぼの底部領域に設けられた延伸ノズルの、外側部材と外側部材の貫通孔内に配置された内側部材との間にある環状ギャップを通して、延伸軸に沿って管状の石英ガラスストランドとして鉛直下方に延伸する、管状の石英ガラスストランドを延伸する方法に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、ＳｉＯ２を含有する出発材料を収容し、出発物質を軟化させるヒータに囲まれたるつぼと、るつぼの底部領域に設けられると共に、外側部材と、環状ギャップを残して外側部材の貫通孔内に配置された内側部材とを有する延伸ノズルとを備えた、管状の石英ガラスストランドを延伸する装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
ドイツ特許出願公開第３３７３８８号明細書は、るつぼ引き上げ法及び上述のタイプに従って石英ガラスストランドを製造する装置を開示している。この場合、所定の輪郭を有する中空円筒形の石英ガラスストランドを得るために、るつぼ内で軟化した石英ガラス塊が、るつぼの底部開口で用いられる延伸ノズルを経て連続的に鉛直下方に引き出される。延伸ノズルの下端には、交換可能なアタッチメントノズルが取り付けられ、これは、アタッチメントノズルの開口内に突出して石英ガラスストランドの内孔にガス流を導入させることのできる中空のマンドレルに接続されている。マンドレルの外側ジャケットとアタッチメントノズルの内壁との間の環状ギャップは、ノズルから出る管状ストランドの輪郭を画定する。
【０００４】
マンドレルは、アタッチメントノズルの周縁に接続された複数のウェブによってアタッチメントノズルの開口内に固定されている。ウェブは、アタッチメントノズルの開口を通って出るガラスの流れの中に位置付けられてこの流れを分割する。これにより、石英ガラス塊が比較的高粘度であることにも起因して、引き出された石英ガラスストランドは不均質になり、これは上記部分の問題ない再溶融を行い難くする。
【０００５】
ウェブの１つは同時に、マンドレルまでのガス供給ラインを形成し、マンドレルは、ブロー圧力を設定することによって管の直径又は肉厚を調節するために、引き出される管状ストランドの内孔にガス流を導入させることができる。
【０００６】
石英ガラス管を作製するさらなるるつぼ引き上げ法及び上述のタイプの装置は、欧州特許出願公開第３９４６４０号明細書に記載されている。この場合も、管状の石英ガラスストランドの延伸のために、外輪と内輪との間に環状ギャップを有する延伸ノズルが設けられている。外輪は、るつぼの底部開口に挿入されている。内輪は、専門用語で「フィンガ」とも呼ばれる接続支柱によって外輪に対してセンタリングされている。ガス供給管は、内輪の中央孔を突出して上方からガラス溶融体に浸漬され、引き出された管状ストランドの内孔にガス供給管を介して、ガス流が導入される。
【０００７】
したがって、この方法では、軟質の石英ガラス塊は、外輪と内輪との間の接続支柱の周りにも流れ、このプロセスで分割されるため、ストランドの形態でノズルから出る高粘度の石英ガラス塊において上述の欠陥が示され得る。
【０００８】
米国特許第３，５０８，９００号明細書には、石英ガラス管をるつぼから延伸する方法が記載されており、延伸ノズルの内側部材が、延伸ノズルの外側部材の貫通孔内のシャフトから吊下保持されている。延伸ノズルの内側部材の位置は可変である。このために、シャフトの上端は、玉継手を備える位置決め手段に保持されている。延伸ノズルは、延伸ノズルの外側部材によって形成された開口内に延びる下側円錐台形部材に中間輪を介して接続された砂時計タイプの上側部材を備えている。
【０００９】
米国特許第４，５２３，９３９号明細書にも、外側部材及び内側部材によって形成されたノズルを経て溶融体が出る、管状の石英ガラスストランドをるつぼから延伸する方法が記載されている。内側部材は、耐火金属から成る中空のシャフトから吊下保持されており、下向きに広がったふくらみを有している。これにより、特定の縦断面にわたって下向きに広がった延伸ノズルの環状ギャップができる。
【００１０】
溶融体からの延伸によって均質で無欠陥の石英ガラスの中空シリンダを製造できるように、引き出された管状ストランドにおける不均質度を小さくすることを目的として既知の方法を改善することが、本発明の目的である。
【００１１】
さらに、ほとんど苦労なく実現できると共に上述の方法の改善を伴う単純構造の装置を提供することが、本発明の目的である。
【００１２】
方法に関しては、上述の方法から始まる目的は、本発明によって達成される。本発明において、延伸ノズルの内側部材は、延伸軸の方向に見て、吊下保持されて外側部材の貫通孔内で半径方向に可動であり、延伸ノズルの環状ギャップは、そのノズル断面積のサイズが上から下に向かって小さくなる縦断面「Ｌ」を有している。
【００１３】
既知の方法によって製造された石英ガラス管は、接続支柱との接点に欠陥があり、この欠陥が加熱時に細い残光状の線として見えることが分かっている。このような石英ガラス管を、内孔を広げるために膨張させると、「フィンガ」とまさに回転対称の肉厚変化が見られる場合が多い。
【００１４】
ここで、延伸ノズルの全体又は延伸ノズルのうち少なくとも高温の石英ガラス塊と接触する部分が、モリブデン、タングステン、イリジウム、レニウム、又は他の高融点金属若しくは高融点合金から成ることに留意しなければならない。金属が摩擦によってガラス塊に混ざり、上述の欠陥の原因となることが想定されるはずである。高温の石英ガラス塊と延伸ノズルとの接触面のほとんどは、引き出された管状ストランドの表面上で後から見つかり、その後で容易に除去することができる。しかしながら、接続支柱との接触面の場合、これらは石英ガラス管の内部に閉じ込められるため、容易に除去することはできない。
【００１５】
したがって、本発明は、延伸ノズルの内側部材の「フィンガ」を完全に省くことによってこの欠陥を回避すべきであるという所見に基づいている。「フィンガ」は、外側部材の貫通孔内で内側部材をセンタリングすると共に環状ギャップの幅を設定する役割を果たす。したがって、本発明によれば、内側部材の「受動的」な固有の自己センタリングが意図され、この場合、延伸ノズルの内側部材のセンタリングの補助及び能動的センタリングの両方をなくすことができる。これは、以下でより詳細に説明する前提条件下で実現できることが分かっている。
【００１６】
１．延伸ノズルの内側部材は、延伸ノズルの外側部材の貫通孔内で半径方向に可動であるように保持される。受動的な固有の自己センタリング機構は、ここでは「半径方向可動性」と呼ぶ、延伸軸に対して垂直な方向の運動成分を有する延伸ノズルの内側部材の或る種の可動性を必要とする。この可動性は、内側部材の水平方向の変位性によって確保することができるか、又は延伸軸に対して垂直な方向の自由振り子運動を可能にする吊下取り付けによっても確保することができる。
【００１７】
２．さらに、内側部材と外側部材との間の延伸軸の方向の環状ギャップには、少なくともその全長の一部にわたって縦断面「Ｌ」が設けられ、そのノズル断面積が上から下に向かって小さくなることが重要である。このノズル断面積の縮小は、上から下に向かって環状ギャップが連続的又は段階的に細くなることによるものであってもよく、及び／又は一定の環状ギャップ幅を有する環状ギャップの場合、環状ギャップの直径のサイズが上から下に向かって小さくなることによるものであってもよい。最後に述べた変形形態では、環状ギャップは、延伸軸の方向に延びるように、互いに平行であると共に延伸軸と０度〜９０度の角度を成す壁によって画定される。
【００１８】
自己センタリングにとって決定的に重要なのは、延伸ノズルの内側部材の周りの圧力条件である。延伸ノズルの方向の圧力曲線を見ると、るつぼの内部の圧力が上から下に向かうにつれて上昇してから、延伸ノズル内で再び周囲大気圧まで低下することに気付くであろう。２つの異なる仕組みがこの背景にある。一方は、石英ガラス塊の「静水」圧（重力圧力）であり、他方は、粘性石英ガラス塊の流れに関連する流れ方向の圧力低下である。この圧力低下の勾配は、（るつぼ内部のような）他の場所の幅の広いキャビティの（延伸ノズルのような）細い部分を通って石英ガラス塊が流れる領域において、特に顕著である。これらの理由から、るつぼ内の上から下までは石英ガラス塊の静水圧による圧力上昇の影響が及ぶが、延伸ノズル内では条件が逆転して、上から下にかけての圧力低下の影響が優勢となる。
【００１９】
平行な境界壁及び一定の直径を有する円筒形の環状ギャップでは、半径方向に撓む内側部材の場合のギャップ幅は、一方の側が他方の側よりも広い。流れ抵抗が小さいほど、他方の側よりも広いギャップ領域を流れる石英ガラス塊が多くなるが、鉛直方向の圧力低下は両側で同じであるため、半径方向の圧力成分は形成されない。したがって、シリンダ形状の環状ギャップは、内側部材に半径方向の力を加えることがなく、センタリング効果も有さない。
【００２０】
対照的に、下向きに細くなる断面を有する環状ギャップでは、半径方向に撓む内側部材の場合、（同じレベルで圧力を比較したとき）広いギャップ領域よりも狭いギャップ領域の方で鉛直方向の小さな圧力低下が観察される。回転対称ではない内側部材の周りのこの圧力場は、半径方向に作用する力を引き起こして、回転対称の圧力場の設定のための復元力と併せて、センタリング効果を内側部材に加える。
【００２１】
反対に、下向きに断面積が大きくなる環状ギャップは、外側部材の貫通孔内で半径方向に自由に可動な内側部材に対して明確な偏心作用を及ぼすことができる。
【００２２】
これらの考慮事項は、延伸ノズルに対して下方に向かうにつれて温度が低下することによる石英ガラス塊の粘度の増加の影響を無視している。この影響は、上述の原理全般を変えることなく定量的に明らかに認めることができる。
【００２３】
したがって、外側部材の貫通孔内での延伸ノズルの内側部材の自己センタリングには、ここでは縦断面「Ｌ」と呼ばれるその長さの少なくとも一部にわたって、下向きにサイズが小さくなる断面積を備える環状ギャップが必要である。
【００２４】
断面積の縮小は、延伸ノズルの外側部材の貫通孔及び／又は内側部材の外側ジャケットの形状によって達成することができる。
【００２５】
本方法の特に好ましい変形形態では、環状ギャップが縦断面「Ｌ」の少なくとも一部にわたって上から下に向かって細くなることで、断面積が小さくなる。
【００２６】
自己センタリング効果は、この場合に特に大きい。自己センタリング効果は、上から下への収縮度が大きくなるほど高まる。
【００２７】
環状ギャップの収縮を形成するための多くの適当な選択肢がある。１つは、延伸ノズルの外側部材の貫通孔が下向きに細くなることである。
【００２８】
延伸ノズルの内側部材は、ここでは円筒形であってもよく、下向きに広がるか又は大きくなるように構成されることにより、環状ギャップを細くするのにさらに役立つ。環状ギャップのギャップ幅は、延伸ノズルの内側部材を上下させることによって設定することができる。
【００２９】
代替例として、同様に好ましくは、延伸ノズルの内側部材が下向きに拡大されることにより、下向きに細くなる環状ギャップが形成される。
【００３０】
外側部材の貫通孔は、ここでは、円筒形であると共に下向きに広がるか又はサイズが大きくなるように構成してもよい。
【００３１】
この構成では、環状ギャップの幅がその長さにわたってその最大幅の少なくとも２０％小さくなる場合に、有用であることもわかっている。
【００３２】
内側部材の所与の撓み時に、環状ギャップの収縮領域における最大幅と最少幅との差が、得られるセンタリング力の大きさに影響を及ぼす。このギャップ幅の差が大きいほど、延伸軸に対して垂直方向に内側部材に作用する最大復元力（＝差圧）も大きくなる。この復元力が大きいほど、制御感度がよくなり、延伸ノズルの内側部材の自己センタリングの正確さが増す。（最大環状ギャップ幅に基づく）少なくとも２０％のギャップ幅の差で、特に高い制御感度及び延伸ノズルの内側部材の正確な自己センタリングが確保される。
【００３３】
本方法の別の好ましい変形形態では、環状ギャップは、縦断面「Ｌ」の少なくとも一部にわたって平行な側壁に囲まれ、環状ギャップの内径、したがって外径もまた上から下に向かって小さくなることで、環状ギャップの断面領域が上から下に向かって小さくなっている。
【００３４】
環状ギャップのギャップ幅がこの場合は変わらないことは確かである。とはいえ、環状ギャップの内径が小さくなると、その断面積が上から下に向かって小さくなる。環状ギャップの境界壁は、この場合、延伸軸と１０度〜８０度の角度、好ましくは３０度〜６０度の角度を成すように延びる。したがって、環状ギャップは、延伸軸の方向に上から下に向かって傾いて延びる。
【００３５】
上述したような細くなる環状ギャップの実施の形態と比較して、本方法のこの変形形態は特別な利点を示す。細くなる環状ギャップでは、細くなる度合いが上から下に向かって大きくなるにつれて、センタリング効果がより顕著になる。最小ギャップ幅は、引き出される部品の所与の肉厚によって実質的に決まる。したがって、ギャップ幅の明確な勾配を達成するために、環状ギャップの上側領域にできる限り大きなギャップ幅が望まれる。これは、短い長さの縦断面「Ｌ」で特に言えることである。しかしながら、環状ギャップの上側領域のギャップ幅が大きいと、ノズル抵抗が影響を受ける。この抵抗は、石英ガラス塊の処理量（the mass throughput）と石英ガラス塊の静水圧との比によって定義される。他の点では同一の条件下で、上側領域のギャップ幅が大きいほど、ノズル抵抗が小さくなる。しかしながら、ノズル抵抗の変化は通常、他の延伸パラメータ、特に温度、したがって石英ガラス塊の粘度の望ましくない適合を必要とする。
【００３６】
この問題は、環状ギャップのギャップ幅が一定である好ましい方法の変更形態によって軽減される。
【００３７】
２つの方法の変形形態の利点は、縦断面「Ｌ」の上側領域で環状ギャップに一定のギャップ幅及び小さくなる内径を設け、これが縦断面「Ｌ」の下側部分で細くなる環状ギャップとなることで、組み合わせることができる。
【００３８】
縦断面「Ｌ」が、少なくとも１０ｍｍ、好ましくは少なくとも１５ｍｍの長さを有する場合に有利であることがわかっている。
【００３９】
縦断面「Ｌ」の長さは、環状ギャップにおける圧力勾配の大きさに影響を及ぼす。軟質の石英ガラス塊による所与の静水圧では、環状ギャップの縦断面「Ｌ」が短い場合よりも長い場合の方が、より小さな平均圧力勾配が観察される。急な圧力勾配は、制御感度の低下につながることにより、延伸ノズルの内側部材の正確な自己センタリングを行い難くする。１０ｍｍ以降の長さから始まる縦断面「Ｌ」で、特に高い制御感度及び延伸ノズルの内側部材の正確な自己センタリングが確保される。
【００４０】
延伸ノズルの内側部材の半径方向に可動な取り付けは、取り付けの水平方向の変位性によって達成することができる。本発明の方法の特に好ましい実施の形態では、延伸ノズルの内側部材は、軟化した石英ガラス塊を上方に貫通して４０ｍｍ以下の外径及び１００ｃｍ以下の長さを有する保持要素に保持される。
【００４１】
硬い若しくは耐撓み性の保持要素又は小さな復元力の場合、保持要素の水平方向の自由変位性によって、又は下端が上側保持点を中心に自由に往復運動できることで、内側部材の半径方向の運動を達成することができる。あまり硬くない保持要素では、自己センタリングに十分な内側部材の可動性を得るには弾性変形性でも十分であり得る。保持要素は、例えば、ロッド、管、若しくはワイヤのようなリンク機構又は円筒体である。
【００４２】
上述の寸法を有する保持要素は通常、外側部材の貫通孔内で一端に固定される内側部材の特定の振り子運動、したがって十分な半径方向の変位を可能にする十分に低い曲げ剛性を示す。したがって、延伸ノズルの内側部材の軸方向可動性を確保するための他の複雑な構造的伝達機構をなくすことができる。
【００４３】
さらに、延伸ノズルの内側部材が、保持要素の内孔と流体連通する中央孔を備える場合に、有利であることがわかっている。
【００４４】
ここで、延伸ノズルの内側部材を保持するのに用いられる保持要素は同時に、引き出される石英ガラスストランドの内孔に送り込まれるプロセスガスを導入するのにも用いられる。
【００４５】
軟化した石英ガラス塊が、少なくとも１８キロパスカル（１８０ミリバール）の静水圧を発生させる方法が特に有用であることがわかっている。
【００４６】
延伸ノズルの内側部材の効率的な自己センタリングには、環状ギャップの長さにわたる特定の圧力損失が必要である。この圧力損失が大きいほど、環状ギャップの所与の細くなる部において、撓み時に内側部材に作用する復元力が強くなる。延伸ノズル内の圧力損失は、石英ガラス塊の静水圧に対応する。１８キロパスカル（１８０ミリバール）の圧力損失の場合、特に効率的な復元力を提供することができる。軟化した石英ガラス塊が、１２ｋｇ／ｈ〜４５ｋｇ／ｈ、好ましくは２０ｋｇ／ｈ〜３５ｋｇ／ｈの流量で環状ギャップを通って流れる場合に、有利であることがわかっている。
【００４７】
延伸ノズルの内側部材をセンタリングするための、受動的で固有の力のセンタリング機構の構成には、石英ガラス塊の特定の流れが必要である。上記の範囲での石英ガラス塊の流れは、本発明の受動的で固有の自己センタリング機構に最も適した流れ抵抗を、ノズルに確立させる。
【００４８】
さらに、軟化した石英ガラス塊が、環状ギャップの最小断面積に基づいて、少なくとも０．３ｋｇ／ｈ・ｃｍ２の流量で延伸ノズルの環状ギャップを通って流れる方法が好ましい。
【００４９】
環状ギャップの最小断面積に関して、特に効率的な復元力は、少なくとも０．３ｋｇ／ｈ／ｃｍ２の流量で生み出される。
【００５０】
本装置に関して、上述のタイプの装置から始まる上述の目的は、保持要素が設けられ、延伸ノズルの内側部材は、延伸軸の方向に見て保持要素から吊下保持されると共に外側部材の貫通孔内で半径方向に可動であり、延伸ノズルの環状ギャップは、環状ギャップのノズル断面積のサイズが上から下に向かって小さくなる縦断面「Ｌ」を有する本発明によって達成される。
【００５１】
本装置は、本発明の上述の方法を実行する役割を果たす。位置決め手段を用いる延伸ノズルの内側部材の能動的なセンタリングと、「フィンガ」を用いる延伸ノズルの内側部材のセンタリングのようなセンタリングの補助との両方がなくなり、この代わりに内側部材の受動的な自己センタリングが可能になることで、引き出された石英ガラスストランドの不規則が回避される。これは、以下の措置によって達成される。
【００５２】
１．延伸ノズルの内側部材は、延伸ノズルの外側部材の貫通孔内で半径方向に可動である保持要素から吊下保持される。これは、延伸軸に対して垂直な方向の運動成分を有する延伸ノズルの内側部材の或る程度の可動性を容易に得るのに役立つ。
【００５３】
硬い保持要素を用いて若しくは小さな復元力の場合、この運動は、保持要素の水平方向の自由変位性によって、又は下端が上側保持点を中心に自由に振り子運動できることで、達成することができる。あまり曲げ剛性が高くない保持要素の場合、受動的で固有の自己センタリングのための適当な内側部材の可動性には、弾性変形性で十分であり得る。保持要素は、ロッド、管、若しくはワイヤのようなリンク機構又は円筒体である。
【００５４】
２．内側部材と外側部材との間の環状ギャップは、ノズル断面積が上から下に向かって小さくなる縦断面「Ｌ」を備える。このノズル断面積の縮小は、上から下に向かって環状ギャップが連続的若しくは段階的に細くなること、及び／又は一定の環状ギャップ幅を有する環状ギャップの場合、環状ギャップの直径が上から下に向かって小さくなることによるものであり得る。最後に述べた変形形態では、環状ギャップは、互いに平行であると共に延伸軸と０度〜９０度の角度を成す壁によって画定される。
【００５５】
上から下へのノズル断面積の縮小により、同軸上で偏心する内側部材の場合、広いギャップ領域よりも狭いギャップ領域の方で小さな圧力低下が垂直方向に達成される。内側部材の周りの回転対称ではないこの圧力場は、半径方向の圧力成分を生じて、回転対称の圧力場の調整のための復元力と併せてセンタリング効果を内側部材に加える。
【００５６】
環状ギャップは、延伸ノズルの外側部材の貫通孔及び／又は内側部材の外側ジャケットの形状によって細くすることができる。
【００５７】
本発明の装置の有利な展開は、従属請求項から明らかとなる。従属請求項で示される装置の展開が本発明の方法に関する従属請求項で示される手順を辿る限り、対応する方法の請求項に関する上記の知見を補足説明するために参照される。
【００５８】
次に、実施形態及び図面を参照して本発明をより詳細に説明する。図面は、詳細を示す概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５９】
図１による延伸炉は、タングステンから成るるつぼ１を備え、その中に供給ノズル２を経て上方からＳｉＯ２粒子３が連続的に充填される。
【００６０】
るつぼ１は、保護ガスが流される保護ガス室１０が形成された水冷式（１２）炉ジャケット６に囲まれ、保護ガス室１０は、酸化絶縁材料から成る多孔質絶縁層８と、るつぼ１の加熱用の抵抗ヒータ１３とを収容している。保護ガス室１０は、下方に開いており、それ以外はボトムプレート１５とカバープレート１６とで外部に対してシールされている。るつぼ１は、カバー１８とシール要素１９とを用いて同じく周囲に対してシールされたるつぼ内部１７を囲んでいる。
【００６１】
タングステンの延伸ノズル４が、るつぼ１の底部領域に設けられている。延伸ノズルは、るつぼ１の底部で用いられる延伸ノズルの環状の外側部材７と、外側部材７の円筒形の内孔２０内に同軸に保持された延伸ノズルの内側部材９とから成る。内側部材９は、上方に向かって細くなる円錐台形の外側ジャケットを有している。したがって、環状ギャップ１４は、外側部材７と内側部材９との間に形成されて上から下に向かって細くなり、軟質の石英ガラス塊２７が、管状ストランド５として、延伸軸２６の方向に環状ギャップを通って下方に引き出される。
【００６２】
外側部材７の内孔の直径は２００ｍｍであり、その長さは１００ｍｍである。これは、延伸ノズル４の環状ギャップ１４の長さ「Ｌ」に相当し、その幅は、最大値３０ｍｍから最小値２０ｍｍまで上から下に向かって小さくなっている。
【００６３】
延伸ノズル４の内側部材９は、石英ガラス塊２７を貫通して延びると共に上側のカバー１８を貫通してるつぼ内部１７から出るように案内された保持管１１に接続されている。保持管１１は、タングステンから成る。保持管１１は、長さが１６０ｃｍ、外径が６ｃｍ、内径が１ｃｍである。延伸ノズルの内側部材９の取り付けの他に、保持管１１は、管状ストランド５の内孔内に所定のブロー圧力を設定するためのプロセスガスを供給する役割を果たす。このために、プロセスガスは、延伸ノズル４の内側部材９に形成された貫通孔２５に供給される。溶融炉から突出する保持管１１の上端は、概略的に示された高さ調整及び変位手段２８に接続され、延伸ノズルの内側部材９の高さ調整の他に、方向矢印２９で示すような横方向の自由変位も可能にする。この運動が、延伸ノズルの外側部材内での延伸ノズルの内側部材９の自己センタリングを可能にする。
【００６４】
代替例として、又は高さ調整及び変位手段２８に加えて、保持管１１はその１６０ｃｍの長さにわたって非常に柔軟であるため、延伸ノズルの内側部材９の十分な横方向の可動性（振り子運動）を可能にする。保持管の曲げ剛性は、その肉厚及びその外径に依存する。実際には、４ｃｍ以下の外径で十分に低い曲げ剛性が得られる。
【００６５】
純水素の形態のるつぼ内部ガス用の入口２２及び出口２１が、カバー１８を貫通して突出している。同様に、保護ガス室１０の上側部分には、純水素用のガス入口２３が設けられ、純水素は炉ジャケット６の底部開口２４を経て逃げることができる。
【００６６】
図２〜図４は、本発明の範囲内にある延伸ノズル５の概略的な変更形態を倍尺で示している。図１と同じ参照符号が用いられる場合、これらは、本発明による延伸炉の第１の実施形態の説明によってより詳細に上述されているような装置の構造的に同一又は同等の構成要素及び部品を指している。
【００６７】
図２による延伸ノズル３０は、図１に示された装置に対応する円筒形の内孔１４を有するタングステンの外側部材８から成る。内孔２０内には、タングステンから成る延伸ノズルの内側部材３１が、延伸軸２６と同軸上にあるように保持管１１によって保持されている。内側部材３１は、外径が小さい環状の上側部材３２と、外径が大きい環状の下側部材３３とから構成されている。保持管１１の内孔は、内側部材３１の貫通孔３４で終端している。
【００６８】
したがって、内側部材３１と外側部材７との間の環状ギャップ３５は、下向きに段階的に細くなり、段３６は、（環状ギャップの長さ「Ｌ」の上に見て）環状ギャップ３５のほぼ中央に設けられている。内孔２０の内径は６０ｍｍであり、環状ギャップ３５は、４０ｍｍの長さ「Ｌ」と、上側の幅１５ｍｍと、下側の最小の幅１０ｍｍとを有している。
【００６９】
図３による延伸ノズル４０では、保持管１１は、延伸ノズルの円錐形の内側部材４１に接続され、タングステンから成る外側部材４３の内孔４２内で内側部材４１によって同軸上に保持されている。内孔４２は、上から下に向かって細くなっている。その最大の内径は８０ｍｍであり、最小の内径は６０ｍｍであり、その長さは６０ｍｍである。
【００７０】
円錐形の内側部材４１の長さは、内孔５２の長さにほぼ対応している。その上側の最小の外径は３０ｍｍであり、下端の最大の外径は３５ｍｍである。したがって、環状ギャップ４５は、その長さ「Ｌ」にわたって最大値２５ｍｍからノズル出口４６の領域の最小値１２．５ｍｍまで連続的に細くなっている。
【００７１】
図４による延伸ノズル５０は、図３に示された延伸ノズルの外側部材に対応する外側部材４３を有している。内孔４２内では、タングステン製であり８０ｍｍの外径を有する延伸ノズルの円筒形の内側部材５１が保持管１１によって保持されている。
【００７２】
１５０ｍｍの円筒形の内側部材５１の長さは、内孔４２の長さにほぼ対応している。したがって、環状ギャップ５５の外径は、長さ「Ｌ」にわたって最大値１４０ｍｍからノズル出口５６の領域の最小値１００ｍｍまで連続的に小さくなっている。
【００７３】
図５による延伸ノズル６０は、図３に示された延伸ノズルに対応する延伸ノズルの外側部材４３を備えている。内孔４２内では、延伸ノズルの円錐形のタングステン製の内側部材６１が保持管１１によって保持されている。延伸ノズルの内側部材６１の円錐形状は、内側部材６１と外側部材４３との間の環状ギャップ６５がその１５０ｍｍの長さ「Ｌ」にわたって２０ｍｍの一定のギャップ幅を有するようになっている。
【００７４】
環状ギャップ６５の外径は、長さ「Ｌ」にわたって最大値１４０ｍｍからノズル出口６６の領域の最小値１００ｍｍまで小さくなっている。本発明のさらなる実施形態（図示せず）では、延伸ノズルの外側部材の内径が図５による延伸ノズルの外側部材の内径と比較して下側部分の２０ｍｍの長さにわたって連続的に５ｍｍ小さくなるため、図５よりも縮小された１５ｍｍの環状ギャップのギャップ幅がノズル出口の領域で得られるという特徴を除いて、延伸ノズルは図５のように設けられる。
【００７５】
次に、一つの実施形態と図１とを参照して、本発明の方法を以下に説明する。
【００７６】
ＳｉＯ２粒子３は、供給ノズル２を経てるつぼ１に連続的に供給され、るつぼ１内で約２１００℃〜２２００℃の温度に加熱される。このプロセスにおいて、気泡を含まずＳｉＯ２粒子３の粒子層が浮いている均質な石英ガラス塊２７が、るつぼ１の下側部分に形成される。軟化したシリカ塊は、延伸ノズル４及び底部開口２４を介して出てから、管状ストランド５の形態で下方に延伸され、所望の長さに切断される。
【００７７】
石英ガラス塊２７の重量が、るつぼ底部の領域において約２０キロパスカル（２００ミリバール）の「静水圧」を発生させることにより、軟化した石英ガラス塊は、約２８ｋｇ／ｈの流量で環状ギャップ１４を通過する。
【００７８】
延伸ノズルの内側部材９が撓むと、石英ガラス塊２７の流動及び環状ギャップ１４の収縮によって、回転対称ではない圧力場が延伸ノズルの内側部材９の周りに形成される。これは、内側部材９に作用して延伸軸２６にセンタリングさせる復元力を生む。復元力の量は、撓みの量と、環状ギャップ１４の形状と、石英ガラス塊２７の粘度とに依存する。５ｍｍの撓みでは、延伸軸２６に対して垂直な方向の復元力の量は、本実施形態で与えられるデータに基づいて約１００Ｎであると評価され得る。その長さと、肉厚と、直径とから、保持管１１が示す曲げ剛性が非常に低いため、上述のオーダの復元力は、保持管１１に取り付られた内側部材９を延伸軸２６に対して垂直な方向に移動させると共にこのようにして撓みをなくすのに十分であることが分かっている。
【００７９】
本発明による延伸炉及び方法では、自己センタリング延伸ノズルが用いられ、この場合、延伸ノズルの内側部材をセンタリングするための接続支柱（フィンガ）を省くことができることにより、溶融体からの高品質の石英ガラス管の延伸が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】延伸ノズルの内側部材が半径方向に可動であるように保持管に保持されている、延伸炉の形態の本発明による装置の実施形態である。
【図２】延伸ノズルの実施形態の変更形態である。
【図３】延伸ノズルの実施形態の変更形態である。
【図４】延伸ノズルの実施形態の変更形態である。
【図５】延伸ノズルの実施形態の変更形態である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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