(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス、特に、石英ガラスの管（２２）の製造方法であって、
（ａ）壁面厚さおよび外径Ｄ１を有するガラスの中空シリンダー（２）を調製する工程と、
（ｂ）回転軸（６）の回りに回転する前記中空シリンダー（２）を、前記回転軸（６）に対して動かされる加熱域（２０）内において部分区域的に加熱して軟化させる工程と、
（ｃ）軟化領域を、遠心力の作用の下で、および／または、中空シリンダーの内孔（７）に加えられる内部圧力の作用の下で、半径方向に膨張させることによって変形域（１４）を形成する工程と、
（ｄ）Ｄ１より大きい外径Ｄ２を有する管（２２）を連続的に成形する工程と、
を含む製造方法において、
（ｉ）方法の工程（ａ）に従って前記中空シリンダー（２）を調製する工程が、前記壁面厚さが比較的薄い円周上の位置を決定する工程を含むこと、および、
（ｉｉ）前記回転する中空シリンダー（２）を加熱して軟化させる間、壁面厚さが比較的薄い円周上の位置が冷却剤源（１８）を通過する時にのみ、あるいは主としてその時に、冷却剤（４４）を前記冷却剤源（１８）から前記変形域（１４）の上に分配すること、
を特徴とする方法。
【請求項２】
前記冷却剤（４４）として液体を使用することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記液体を前記変形域（１４）の上に噴霧またははね掛けることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記液体として水を使用することを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
前記液体の量を、前記中空シリンダーの回転の周期において変化させることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記液体の量を、前記中空シリンダー（２）のその縦軸（６）回りの各回転の間に、正確に一度だけ増大し、かつ正確に一度だけ低減することを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記冷却剤（４４）が作動する前記変形域（１４）の回りの円弧が３０°より小さい角度であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記内部圧力を２ｋＰａ（２０ｍｂａｒ）未満、好ましくは１ｋＰａ（１０ｍｂａｒ）未満に設定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】
Ｄ１より、少なくとも４０ｍｍ、好ましくは少なくとも７０ｍｍ、特に好ましくは少なくとも１００ｍｍ大きい外径Ｄ２を有する管（２２）を製造することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記変形域（１４）の周囲の温度プロファイルを決定す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】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法を実行する装置であって、
内径と、外径Ｄ１と、壁面によって画定される内孔（７）とを有するガラスの中空シリンダー（２）をその縦軸（６）の回りに回転する回転装置（５）と、
前記中空シリンダー（２）を部分区域的に加熱して軟化させるための、かつ、Ｄ１より大きい外径Ｄ２を有する管（２２）を成形するための、前記中空シリンダー（２）に対して可動な加熱器（２０）と、
を備える装置において、
冷却剤源（１８）を変形域（１４）の周りに配置し、前記中空シリンダーの回転によって壁面厚さが比較的薄い円周上の位置が前記冷却剤源（１８）を通過すると直ちに冷却剤を周期的に前記変形域（１４）に分配することを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記冷却剤源（１８）が液体の冷却剤（４４）を分配するように構成されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記冷却剤源（１８）が、前記中空シリンダー（２）のその縦軸（６）回りの回転の間、前記中空シリンダーの回転の周期において曝露期間の間に正確に一度だけ冷却剤（４４）を分配するように構成されることを特徴とする請求項１１または１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記冷却剤源（１８）が、前記加熱器（２０）または成形工具（８）と一緒に、前記中空シリンダーの縦軸（６）の方向に変位可能であることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１５】
前記冷却剤源（１８）が、前記管（２２）の内径、外径または壁面厚さ用の制御装置（１７）に接続され、前記制御装置（１７）の制御信号に応答して所定量の冷却剤を分配するように構成されることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、次の各工程、
（ａ）壁面厚さおよび外径Ｄ１を有するガラスの中空シリンダーを調製する工程と、
（ｂ）回転軸の回りに回転している中空シリンダーを、その回転軸に対して動かされる加熱域内において部分区域的に加熱して軟化させる工程と、
（ｃ）軟化領域を、遠心力の作用の下で、および／または、中空シリンダーの内孔に加えられる内部圧力の作用の下で、半径方向に膨張させることによって変形域を形成する工程と、
（ｄ）Ｄ１より大きい外径Ｄ２を有する管を連続的に成形する工程と、
を含む、ガラス管、特に、石英ガラス管の製造方法に関する。
【０００２】
さらに、本発明は、このような方法を実施するための装置であって、
内径と、外径Ｄ１と、壁面によって画定される内孔とを有するガラスの中空シリンダーをその縦軸の回りに回転する回転装置と、
上記中空シリンダーを部分区域的に加熱して軟化させるための、かつ、Ｄ１より大きい外径Ｄ２を有する管を成形するための、上記中空シリンダーに対して可動な加熱器と、
を備える装置に関する。
【０００３】
このような方法および装置を用いることによって、ガラス、特に石英ガラスの中空シリンダーが、単一または数個の高温成形工程において、外径が増大した管に成形される。この場合、その縦軸の回りに回転している当初の中空シリンダーは、中空シリンダーに対する相対的な送り速度で動かされる加熱域において一区域ごとに軟化され、この過程において、半径方向の外向きの力の作用の下で、管の縦軸から所定の半径方向の距離に配置された成形工具に向かって膨張するか、あるいは、工具なしで成形される。半径方向の外向きの力は、遠心力および／または中空シリンダーの内孔内の内部圧力（「吹き込み圧力」とも呼ばれる）に基づく。
【０００４】
引き延ばし加工管体の寸法的精度を遵守するため、少なくとも１つの寸法、例えば、外径、内径または壁面厚さを制御する。吹き込み圧力と、中空シリンダーおよび加熱域の間の相対的な送り速度と、加熱域における温度とが、制御の共通の操作変数である。
【背景技術】
【０００５】
管の目標直径が大きくなればなる程、寸法的に正確な大型管の製造が難しくなりコストも掛かるようになる。これらの問題を緩和するため、特許文献１は、成形プロセスを、直径が連続的に増大する複数の成形工程に分割するべきであることを示唆している。このため、直径２５０ｍｍの石英ガラスの被成形中空シリンダーを、旋盤にクランプして、環状に配置された加熱バーナによって加熱しながら、水平に向けられた縦軸の回りに回転させ、それによって、加熱バーナをシリンダーのジャケットに沿って所与の送り速度で動かして、一区域ごとに軟化させる。直径の増大は、軟化領域に作用する遠心力によってもたらされる。変形域は、シリンダーが完全に拡大されるまで、当初の全シリンダーに沿って一度だけ移動するであろう。この場合、管の外径は、レーザ光線によって用具なしで連続的に感知される。この成形工程が、４４０ｍｍの公称管径に達するまで繰り返されるであろう。各成形工程において、管径は１５ｍｍだけ増大する。
【０００６】
この成形プロセスにおいては、個々の各成形工程において、比較的小さい成形程度しか実現されないが、管の半径方向の寸法の目標値からの偏差は低減される。さらに、各成形工程において、それぞれの当初のシリンダーに存在する寸法の偏差を考慮に入れて、それを補正することが可能である。
【０００７】
一方、この手法は、特に、連続する成形工程の間に管の温度が低下するので、非常に時間およびエネルギーを消費することが明らかである。
【０００８】
特許文献２は、光ファイバの製造方法を記載しているが、この製造方法においては、管が、部分区域的な加熱と内部圧力の印加とによって内径が増大した管に成形される。
【０００９】
特許文献３は、ガラス管に周囲溝を生成する装置であって、ガラスの粘度を、能動的冷却によって溝の領域において低下させる装置を記載している。
【００１０】
特許文献４は、石英ガラスのシリンダーを、内部圧力の印加によって一区域ごとに軟化させ、同時に、そのシリンダーを、外側の成形工具に向かってその縦軸の回りに回転させながら、管に成形するという方式の石英ガラス管の製造方法を記載している。この場合、石英ガラスのシリンダーは一方の側が閉止されている。外径以外に、一様な壁面厚さを実現するのが目的である。このため、成形工具上に平行な成形プレートが用いられる。
【００１１】
特許文献５は、引き延ばし加工石英ガラス管体の壁面厚さが調整される石英ガラス管の製造方法を記載している。この場合、石英ガラスの中空のシリンダーが、回転しながら加熱炉を通過するように連続的に押し込まれるが、その加熱炉の内部においては、水冷のグラファイトプレートが、管の縦軸からある半径方向の距離に配置されている。中空シリンダー内部の圧力によって、軟化した中空シリンダーはグラファイトプレートに向かって膨らまされ、その結果、グラファイトプレートの管の縦軸からの半径方向距離が、結果として得られる管の外径を大まかに規定する。炉に対するブランクの送り方向に見ると、軟化した石英ガラスが、グラファイトプレートの前端部に蓄積して、ブランクの外壁の回りに円周状の膨らみ（ビード）を形成する。カメラを用いてその膨らみの高さを光学的に感知することによって、そして、所定の目標値としての膨らみの高さからの偏差をプロセス制御に利用することによって、この円周状の膨らみの高さをプロセス制御に活用することが示唆される。中空シリンダーの内孔の圧力が制御の操作変数として選択される。これによって、管の内径の変化量、従って、管の壁面厚さの変化量を最小化できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１４９３２５号公報
【特許文献２】欧州特許出願公開第００３７６４８Ａ１号明細書
【特許文献３】米国特許第５，１６７，４２０号明細書
【特許文献４】特開平１０−１０１３５３号公報
【特許文献５】独国特許発明４１２１６１１Ｃ１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
各工程の変形の程度、すなわち直径の変化をできるだけ大きく設定して、成形工程の数をできるだけ小さく維持することを試みることができる。しかし、当初の中空シリンダーに既に存在する寸法上の偏差が、成形プロセスにおいて引き延ばし加工ガラス管に引き継がれる傾向があり、場合によってはそれが拡大することが判明している。半径方向の断面形状における変動、もしくは壁面厚さの片寄り、すなわち、当業者の間で「サイディング（siding）」とも呼ばれる管の壁面厚さの半径方向の不規則な変化が、特に不利なものとして注目される。この場合、外径は、成形工具の使用によって相対的に固定して決定される値であるので、管壁のサイディングは、管の内径の変動を伴う。
【００１４】
管の目標直径が増大する場合、これらの問題が大きくなる。その理由は、成形プロセスにおいて、当初のシリンダーに見出される壁面厚さの変動が、直径によって指数関数的に増大するという点にある。従って、仕様によればまだ許容範囲内にあるサイディングに関する最大値（例えば１ｍｍ）が、最終分析において、実際に実現し得る管の目標直径を制限することがある。中空シリンダーの比較的薄い壁面領域は、より厚い壁面領域に比べて、より容易に変形する。吹き込み圧力が高い程、吹き込み圧力が自由に高くなり得ないように、厚さの差異がより強く注視されるであろう。この代わりに、商業的に受け入れ可能な成形速度を達成するためには、ガラスを、より高い温度に加熱してより強く軟化させなければならない。しかし、これは、ガラスの壁面に明白な引き延ばし条痕および他の欠陥を生じさせ、かつ、特に、その大型サイズのために特に急速に冷却される大容量の管（以下「大型管」とも呼ぶ）の場合に、エネルギー消費量を増大させる。
【００１５】
従って、本発明の目的は、中空シリンダーを、可能であれば、単一の成形工程または少数の成形工程において、大きな外径と高い寸法精度とを有するガラス管に成形することを可能にする方法を提示することにある。
【００１６】
さらに、この方法を実施するのに適した装置を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
方法に関しては、上記のタイプの方法から出発するこの目的は、
（ｉ）方法の工程（ａ）に従って中空シリンダーを調製する工程が、壁面厚さが比較的薄い円周上の位置を決定する工程を含むこと、および、
（ｉｉ）回転する中空シリンダーを加熱して軟化させる間、壁面厚さが比較的薄い円周上の位置が冷却剤源を通過する時にのみ、あるいは主としてその時に、冷却剤を冷却剤源から変形域の上に分配すること、
の本発明に従って達成される。
【００１８】
本発明による方法において、壁面厚さが比較的薄い少なくとも１つの円周上の位置が、中空シリンダーの縦軸に沿って決定される。薄い壁面厚さは、例えば、半径方向の断面における中空シリンダーの周囲の最小壁面厚さである。壁面厚さが薄い円周上の位置は、以下、簡潔に「薄い壁面点」とも呼ぶこととする。
【００１９】
上記の方法の工程（ｉ）の薄い壁面点を決定するため、周囲の壁面厚さプロファイルが直接的または間接的に決定される。間接的な決定の場合は、例えば、中空シリンダーの外径が一定であると仮定できる場合には、内径の測定のみで十分である。この決定法は、成形プロセスに関して前もって別個の測定プロセスにおいて実施できるか、あるいは、この決定法は、成形プロセスの間に連続して、但し好ましくは、当該中空シリンダーの長さ部分が加熱および変形域を通過する前に実施される。薄い壁面点の円周上の位置は、被成形中空シリンダーの長さ全体に見て移動する場合がある。しかし、通例では、かつ最も簡単な場合には、それは、中空シリンダーの全長にわたって同じである。この前提条件の下で、中空シリンダーリングの測定によって、上記の方法の工程（ｉ）の当該円周上の位置を、中空シリンダーの全長にわたって決定することが十分可能になる。
【００２０】
方法の工程（ｉｉ）によれば、薄い壁面点が、加熱域、従って変形域の領域内に進入すると、薄い壁面点に冷却剤が作用する。この冷却剤の作用は周期的である。すなわち、その作用は、中空シリンダーの回転によって、薄い壁面点が、周囲方向に定置されている冷却剤放出用の冷却剤源を通過する場合にのみ起こる。この作用は、薄い壁面点のそれぞれの通過後に、あるいは、所定の通過回数の後に、起こすことができる。制御作用によって、冷却剤は、薄い壁面点の通過と共に、観察され得る所定の冷却程度に応答して分配される。冷却剤の放出は、任意の放出率において、中空シリンダーの回転のクロック周波数に応答して概ね規則的に時間的に変化させる。これを、以下、「周期的冷却剤放出」とも呼ぶ。
【００２１】
冷却剤の放出がそこに限定される作用領域は、変形域の回りの円弧または円周部分と見做すことができる。冷却剤は、その円周部分または円弧が、冷却剤放出領域に位置する場合にのみ、あるいは主としてその時に、分配されるであろう。薄い壁面点がその領域から離れると、冷却剤の放出は停止または低減されるであろう。中空シリンダーのその縦軸回りの回転ごとに、冷却剤の放出が正確に一度だけ行われ、続いて完全に再停止されると、薄い壁面点以外の壁面点に比べて、薄い壁面点の最大限に強力な冷却が実現されるであろう。
【００２２】
冷却剤の作用によって、ガラスの粘度が、薄い壁面点の回りにおいて局所的に増大し、それによって、ガラス体の変形能が、変形域のこの部分において低下する。このため、薄い壁面点がより低い程度にしか変形せず、従って、薄い壁面点は、冷却がそこに局所的に作用しない場合より厚い状態に維持される。この場合、また、薄い壁面点への選択的冷却剤放出によって、正確に最も薄い壁面厚さの円周上の位置の粘度が増大するだけでなく、程度は低いが近接領域においても同じ効果が生じることに注意しなければならない。ガラスの粘度は指数関数的な温度依存性を呈するので、数度の温度変化だけでも粘度に対して顕著な影響が及ぶのである。
【００２３】
周期的な冷却剤放出によって、中空シリンダーの縦軸の回りに回転するガラス体の粘度に影響を及ぼして、変形域の全周にわたって、中空シリンダーの壁面厚さプロファイルに無関係に、変形域におけるさらに一層均等な予備成形が実現される。周期的な冷却剤放出による場合でも、各周期における冷却剤の放出量、従って冷却作用の強さは、半径方向の管または中空シリンダーの寸法に応じて選択的に設定可能であり、特に、当該管または中空シリンダーの寸法に対する制御の操作変数として用いることができる。この寸法は、具体的には、壁面厚さまたは内径である。
【００２４】
「変形域」は、ガラス体の塑性変形が可能な領域であって、引き延ばし加工管の幾何学的形状が冷却に左右され得る領域として理解される。変形域においては、外径が、中空シリンダーから管に連続的に増大し、壁面厚さは、通常薄くなるが、ほぼ同じまま維持される場合もある。
【００２５】
変形域の「開始点」は、位置の関数である変形域の外径Ｄｖに、次式、すなわち、Ｄｖ１＝Ｄ１＋１／１０×（Ｄ２−Ｄ１）が適用される（中空シリンダーの縦軸に沿う）ｘ位置として定義される。同様に、変形域の「終端点」は、位置の関数である変形域の外径Ｄｖに、次式、すなわち、Ｄｖ２＝Ｄ２−１／１０×（Ｄ２−Ｄ１）が適用されるｘ位置を表す。
【００２６】
本発明による方法は、中空シリンダーに存在する壁面厚さの片寄りの好ましくない影響を低減し、それによって、１つの成形段階または各成形段階における相対的に大きな直径変化を可能にする。すなわち、これによって、成形工程の数が少ない経済的な成形プロセスが可能になり、理想的には単一の成形工程のみが要求される。具体的には、これによって、外径が５００ｍｍより大きい石英ガラスの大型管を、受け入れ可能なエネルギー消費量によって、明白な引き延ばし条痕なしに、かつ許容可能なサイディングでもって製造できる。
【００２７】
冷却剤として、液体、特に水を使用すると、特に有利であることが判明した。
【００２８】
液体の蒸発の間、変形域から熱エネルギーが除去される。好ましくは、特に高い蒸発エンタルピという特徴を備え、かつ変形域の表面から残渣なしに蒸発する水が使用される。この点に関して、脱イオン水が特に有利であることが判明している。
【００２９】
液体を、変形域の上に噴霧またははね掛けると有用であることが判明した。
【００３０】
微小な液滴形態の液体の噴霧および液体ジェットの形態のはね掛けによって、液体、特に水の局所的に画定された直接的な供給が可能になる。少量の液体量で十分である。すなわち、薄い壁面点が冷却剤放出の想定領域に進入するとすぐに液体を急速供給でき、薄い壁面点がその想定領域から再度離れると、直ちに液体を急速停止または低減できる。
【００３１】
液体の量は、中空シリンダー回転の周期において変化させることが望ましい。
【００３２】
冷却剤源から分配される冷却液体の量は中空シリンダー回転の周期において変化する。これは、中空シリンダーの回転ごとに、液体の量が少なくとも２回変化することを意味する。薄い壁面点が冷却剤放出の領域に進入した後、冷却剤の放出が起動もしくは増大され、あるいは、薄い壁面点が冷却剤放出の想定領域から再度離れると、直ちに冷却剤の放出が停止もしくは低減される。
【００３３】
円周上に分布する複数の薄い壁面点に対応するため、冷却剤源を、中空シリンダーの１回転の間に数回作用させることが可能である。しかし、冷却剤の放出が、中空シリンダーのその縦軸回りの各回転の間に、正確に一度だけ起動され、かつ正確に一度だけ完全に停止されると、残りの壁面の円周部分に比べて、薄い壁面点の特に効率的な冷却が達成されるであろう。
【００３４】
冷却剤が作用する変形域の回りの円弧が短くなればなる程、薄い壁面点の領域において、粘度をより効率的に正確に増大させることができる。この点に関して、好ましい方法の一変形態様において、冷却剤が作用する変形域の回りの円弧が３０°より小さい角度であることが規定される。
【００３５】
寸法精度およびプロセスの安定性に対して高い要求が課せられる場合には、内部圧力を２ｋＰａ（２０ｍｂａｒ）未満、好ましくは１ｋＰａ（１０ｍｂａｒ）未満に設定する手順が望ましい。
【００３６】
高い内部圧力（吹き込み圧力）はプロセスの安定性を損なう可能性があることが判明した。吹き込み圧力によって管の壁面に作用する接線方向の引張力は壁面厚さによって変化する。壁面が薄くなればなる程、接線方向における変形域内の変形に対して、内部圧力が注目されることになる。これは、薄い壁面は厚い壁面より高い接線方向の引張力を受けるので、中空シリンダーに存在する壁面厚さの偏差が、吹き込み圧力の作用によって変形域内において強められるという効果を有する。
【００３７】
以前に知られた成形方法の場合には、４０ｍｍを超える直径の変化（Ｄ２−Ｄ１）は、石英ガラスの中空シリンダーの成形においては、成形誤差の許容なしにはほとんど不可能であった。本発明による方法によれば、このような直径変化は、何の問題もなく管理できる。単一の成形段階における１２０ｍｍの直径変化についても、引き延ばし加工管体における不均等性は全く観察されず、プロセスの進行における不安定性も見られなかった。
【００３８】
このため、本発明による方法においては、大きな直径変化が好ましく、その結果、Ｄ１より、少なくとも４０ｍｍ、好ましくは少なくとも７０ｍｍ、特に好ましくは少なくとも１００ｍｍ大きい外径Ｄ２を有する管が製造される。
【００３９】
それによって、単一の成形段階において、４０ｍｍ以上の、好ましくは７０ｍｍを超える、特に好ましくは１００ｍｍを超える直径変化を設定できるようになり、その結果、大きな直径変化の場合でも、少数の成形工程による特に経済的な成形方法、理想的には単一の成形工程のみを必要とする成形方法が可能になる。これによって、特に、外径が５００ｍｍより大きい石英ガラスの大型管を、受け入れ可能なエネルギー消費量によって、明白な引き延ばし条痕なしに、かつ許容可能なサイディングでもって製造できるようになる。
【００４０】
特に好ましい方法の変形態様においては、変形域の周囲の温度プロファイルを決定することが意図されている。
【００４１】
薄い壁面点の上に周期的に作用する冷却剤は、変形域の領域における表面を局所的に冷却する。変形域の周囲の表面温度の測定によって、温度のレベルおよび局所的分布に関係する冷却の程度についての情報が得られる。この温度測定に基づいて、例えば限界温度に達していない時には、冷却を停止または低減することによって、冷却手段を適合化または制御できる。この適合化／制御においては、シミュレーションまたは経験によって決定される比較データを考慮することができる。冷却点の領域においては、最大の冷却および温度の差異が達成される。これを出発点として、特定の温度分布の平準化が各回転の間に観察される。円周上の温度プロファイルを検出するため、１つ以上の温度測定点を、冷却剤が作用する縦軸の位置の領域において変形域の周囲に分布配置する。変形域の回転による最も簡単な場合には、単一の測定点で十分である。温度測定点に関する適切な円周上の位置は、例えば、冷却剤が作用する位置の反対側（冷却点が約１８０°回転した後の位置）、あるいは冷却剤が作用する位置の直前（冷却点が３００°〜３６０°回転した後の点）である。適切な測定装置は、例えば赤外線カメラまたは高温計である。
【００４２】
装置に関しては、上記のタイプの装置から出発する上記の目的が、冷却剤源を変形域の周りに配置し、中空シリンダーの回転によって、壁面厚さが比較的薄い円周上の位置がその冷却剤源を通過すると直ちに冷却剤を周期的に変形域に分配するという本発明に従って実現される。
【００４３】
本発明による装置は、中空シリンダーの縦軸に沿う壁面厚さが比較的薄い少なくとも１つの円周上の位置（この位置を簡潔に「薄い壁面点」とも呼ぶ）を、隣接する壁面部分より低い程度において管に拡大する（膨張させる）ように意図されている。このため、前もって決定された１つまたは数個の薄い壁面点が変形域に進入すると、その薄い壁面点に冷却剤が作用し、その薄い壁面点のさらなる変形に、冷却剤の作用によって影響を及ぼし得ることが意図されている。
【００４４】
この目的を実現するため、本発明による装置には、好ましくは円周上に定置された冷却剤の放出源であって、中空シリンダーの回転によって薄い壁面点の傍を周期的に通過することになる冷却剤の放出源が設けられる。この冷却剤源は、制御装置に接続され、好ましくは、作用期間中に薄い壁面点がそれぞれ通過する間、正確に一度だけ冷却剤を変形域に分配するように構成される。作用期間中に供給される冷却剤の量は、補正されるべき壁面厚さの偏差の程度に応じて変化し、経験的に決定されるものであって、最も簡単な場合には反復して適用される。作用時間は通常数秒の範囲内である。薄い壁面点の特定の通過の場合には、冷却剤が全くまたは少量しか変形域に分配されないことを、制御装置によって前もって決定することができる。
【００４５】
本発明による装置の好ましい一実施形態においては、冷却剤源が液体の冷却剤を分配するように構成される。
【００４６】
冷却剤源は、例えば、ノズル、チューブまたは噴霧器を含み、ジェットの形態の冷却液体、あるいは１ｍｍ未満の直径の微小な液滴としての冷却液体を、変形域の意図する作用領域に輸送するように調整される。冷却液体として例えば水を使用する場合は、沸点が比較的低くかつ変形領域が高温であるために、表面自体の上には液体はほとんどまたはごく僅かしか通過せず、せいぜい蒸気しか通過しないことを想定しなければならないが、しかしその場合、蒸発によって（理論的な）衝突点の周囲から熱が除去され、それによって、衝突点が冷却される。
【００４７】
冷却剤源は、加熱器または成形工具と共に中空シリンダーの縦軸の方向には可動であるが、周囲方向においては定置されていることが望ましい。冷却剤の作用は、変形域の回りの円周部分または円弧に限定される。この円弧が短くなればなる程、冷却剤源が分配する冷却剤が、一層正確に薄い壁面点のみに作用する。この点に関して、冷却剤が作用する変形域の回りの円弧が３０°より小さい角度であることが望ましい。
【００４８】
また、冷却剤源が、管の内径、外径または壁面厚さ用の制御装置に接続され、その制御装置の制御信号に応答して所定量の冷却剤を分配するように構成されると有用であることが判明している。
【００４９】
この実施形態は、中空シリンダーの回転の間に、冷却剤を繰り返して放出するために冷却剤源を制御装置によって作動させ得るという点で、特に、周囲に分布する数個の薄い壁面点に対応する場合にも適している。
【００５０】
この装置の特に好ましい実施形態においては、変形域の周囲の温度プロファイルを決定できるようにするため、縦軸の冷却剤の作用位置の領域において、変形域の周囲に１つまたは数個の温度測定装置が分布配置される。適切な測定装置は、例えば赤外線カメラまたは高温計である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】石英ガラスの中空シリンダーを石英ガラスの管に成形する装置の実施形態の側面図を示す模式図である。
【図２】追加的な構造的詳細を含む図１の装置の一部分の模式図である。
【図３】冷却剤の供給が開始される時点における、変形域の領域の中空シリンダーの壁面厚さプロファイルの拡大模式図である。
【図４】冷却剤の供給が停止される時点における変形領域の壁面厚さプロファイルの模式図である。
【図５】成形プロセスの間における、冷却剤供給の壁面厚さプロファイルに対する影響を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
以下、本発明を、実施形態および図面を参照してさらに詳しく説明する。
【００５３】
図１は、石英ガラスの中空シリンダー２を大型管２２に成形する装置の模式図である。成形プロセスは、それぞれの当初の中空シリンダーが、３００ｍｍの外径を開始寸法として、９６０ｍｍの外径および７．５ｍｍの壁面厚さを有する所要の大型管２２に連続的に成形される数回の成形段階を含む。
【００５４】
保持管３は、被成形石英ガラスの中空シリンダー２の前端側に溶接され、回転軸６の回りに同期回転する水平のガラス旋盤５のチャック４内にクランプされる。バーナ運搬台２１（図２参照）の上に、複数のバーナが、中空シリンダー２の外周の回りに環状形態に分布配置され、その運搬台２１が中空シリンダーの一方の端部からもう一方の端部に動かされる。それによって、石英ガラスの中空シリンダー２が、一区域ごとに、その全周にわたって加熱される。バーナ運搬台２１は、図１において、一点鎖線の周囲線２０によって表象されているが、これが加熱域に相当し、図２においても詳細に模式表現されている。気体流入口９から、中空シリンダー２および大型管２２の内孔７に気体を注入し、所定の内圧を設定できる。遠心力および内圧によって押しやられて、管の外壁が、バーナ運搬台２１と一緒に動くグラファイトの成形型８に当接することになる。
【００５５】
グラファイトの成形型８は、縦軸６に沿って可動するスライド１９の上に装着される。さらに、スライド１９の上に水ジェットのチューブ１８が装着され、そのチューブ１８は、中空シリンダー２と管２２との間の変形域１４の上に導かれる。水ジェットのチューブ１８は、直径が５ｍｍ未満の微小な水ジェットを周期的に生成する。この水ジェットは、変形域１４の上に、液体形態または蒸気形態において衝突し得る。
【００５６】
図２の詳細図は、水ジェットのチューブ１８がその上に装着されるスライド１９と、中空シリンダー２および管２２の間の変形域１４とを示している。水ジェットのチューブ１８は、データおよび制御ライン２３を介して制御装置１７に接続される。
【００５７】
バーナ運搬台２１は、方向の矢印１３で示すように、左側から右側に当初の中空シリンダー２に沿って動く。バーナ運搬台２１は、その上に、回転軸６の回りにおいて平行に移動して当初のシリンダー２を加熱し軟化させる２つのバーナリング１５ａ、１５ｂが連続する順序で装着されている。２つのバーナリング１５ａ、１５ｂは、軸方向６に５０ｍｍだけ離して配置され、その加熱容量は互に独立に調整可能である。各バーナリング１５ａ、１５ｂは、シリンダーの縦軸６の回りに均等に分布配置される５個のガスバーナから構成され、その場合、円周方向に見て、バーナ列１５ａ、１５ｂの個々のバーナは相互にずらして配置される。
【００５８】
バーナ運搬台２１を４ｃｍ／分の速度で前進させると、中空シリンダー２が、その縦軸６（回転軸に一致する）の回りに回転しながら、バーナリング１５ａ、１５ｂの作用によって約２，１００℃の高温に連続的に加熱される。この場合、前方のバーナリング１５ａに比べて後方のバーナリング１５ｂにおいて、加熱容量が低く設定される。
【００５９】
ここで、内孔７に気体を注入して、約１０ｋＰａ（約１００ｍｂａｒ）までの制御された規定内部圧力を内孔７内に設定できる。この実施形態においては、１．５ｋＰａ（１５ｍｂａｒ）の吹き込み圧力が適用される。
【００６０】
石英ガラスは、バーナリング１５ａ、１５ｂにおける加熱によって低粘度になり、その結果、遠心力および内部圧力の作用のみの下で、成形工具を用いることなく管２２に変形する。すなわち、成形プロセスは工具なしである。支持体として、管の外壁がグラファイトの成形型８に当接する。
【００６１】
壁面厚さを測定するため、壁面厚さの制御を含む制御装置１７に接続される光学センサ１６が、当初のシリンダー２の領域と、引き延ばし加工された石英ガラスの管２２の領域とに配置される。センサ１６は、管体が回転している間、壁面厚さプロファイルを連続的に生成することが可能であり、そのプロファイルが制御装置１７において評価されて、壁面厚さの片寄りの量（壁面厚さの最大値から最小値を差し引いたもの）と、最小壁面厚さ（薄い壁面点）の円周上の位置と、外周全域における最大壁面厚さとが検出される。
【００６２】
変形域２１の領域における表面温度を測定するために、高温計１１が測定点１２の上に導かれる。温度測定点１２の位置は、水ジェットのチューブ１８からの水ジェットが変形域１４の上に衝突する仮想の位置の反対側（回転方向において約１８０°ずらされた位置）に位置決めされる。それによって、変形域１４の周囲の温度プロファイルが検出されるが、この情報は、データおよび制御ライン（図示せず）を介して制御装置１７に供給され、温度または壁面厚さの制御に追加して用いられる。
【００６３】
図３は、変形域１４の領域における中空シリンダー２の壁面厚さプロファイルを、半径方向の断面図において模式的に示す。縦軸６の回りの回転方向は符号４０によって示され、先に決定された最も薄い中空シリンダーの壁面の円周上の位置は符号４１で示される。制御装置１７が、水ジェットチューブ１８からの水の供給を、先に決定された薄い壁面点４１が通過する間の短時間、水ジェット４４がはね掛けられるように制御する。冷却水の供給は、薄い壁面点４１が水ジェットチューブ１８の円周上の位置に達する少し前に開始され、図４に示すように、薄い壁面点４１が水ジェットチューブ１８の円周上の位置を通過した後すぐに停止される。この実施形態においては、水ジェット４４が開始される円周上の位置４２と最も薄い壁面点４１との間の角度αは約１０°であり、水ジェット４４が再度停止される円周上の位置４３と最も薄い壁面点４１との間の角度βは約５°である。それによって、中空シリンダーの回転に応答して、変形域１４の上への冷却水の「パルス化」放出が、最も薄い壁面点４１を囲繞する約１５°の円弧にわたって実現される。冷却水の放出は、最も薄い壁面点４１がこの円弧の内側に位置している時にのみ実行される。最も薄い壁面点４１が前記円弧の外に出ると、冷却水の放出は停止される。
【００６４】
これによって、最も薄い壁面点４１の回りの石英ガラスの粘度は局所的に増大し、それによって、ガラス体の変形可能性は、変形域のこの部分において減少する。最も薄い壁面点４１は、それに対して局所作用する冷却がない場合に比べて厚いまま維持される。石英ガラスの粘度は、指数関数的な温度依存性を呈するので、僅か数度の温度変化だけでも粘度は顕著な影響を受けるのである。
【００６５】
３００ｍｍの当初外径を有する中空シリンダー２が、縦軸６の回りに３０ｒｐｍの回転速度で回転している時、この回転によって、変形領域１４に（局所円周に応じて）０．５ｍ／秒より高い接線速度が生じる。従って、幅１ｃｍおよび壁面厚さ１ｃｍの石英ガラスのストライプは、約０．１１ｋｇ／秒の質量速度を呈する。このストライプを１Ｋだけ冷却するため、（石英ガラスの約１．４Ｊ／ｇＫの比熱容量において）約１５０Ｊ／秒のエネルギー変換を放散しなければならない。これは、（全水量が蒸発すると仮定して）０．０６ｇ／秒の水量に相当する。
【００６６】
冷却水のパルス化された周期的放出によって、中空シリンダーの縦軸６の回りに回転しているガラス体の粘度は、変形域１４の全周にわたって、中空シリンダーの壁面厚さプロファイルとは無関係に、変形域においてより均等な予備成形が実現されるように影響を受ける。
【００６７】
最終的な管径の製造に数回の成形段階を実施する場合には、壁面厚さの修正を、最後の成形段階において、周期的な冷却水放出によって実施すれば十分である。これは、図５のグラフによっても示される。図５のグラフは、最後の成形段階の後の石英ガラス管の隣接する長さ部分の壁面厚さプロファイル（当初のシリンダー２の外径＝３２０ｍｍ、最終的な管２２の外径＝４４０ｍｍ、公称壁面厚さ４．７ｍｍ）を示す。グラフにおいて、壁面厚さＷが円周角度Δ（単位°）に対してプロットされている（単位ｍｍ）。当初のシリンダー２は、その全長にわたって、一様なパターンで延びると共に同じ円周上の位置（図５において約１６０°）において延びる薄い壁面点を示す。管の１つの長さ部分（曲線Ａ）を成形する間、薄い壁面点を、本発明による周期的な冷却水放出に基づいて処理した。処理しなかった長さ部分（曲線Ｂ）と比べると、最大壁面厚さから最小壁面厚さを差し引いたものとして計算される壁面厚さの片寄り（サイディング）の程度を、最後の成形段階のみにおける処置によって、０．７６ｍｍから０．５９ｍｍに低減できた。
【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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