CN105027669A - 用于感应加热的保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于保护感应加热部件的保护系统，其中该感应加热部件包括感应线圈和将所述感应线圈连接到电源的连接元件，所述保护系统包含选自由聚酰亚胺绝缘材料、硅橡胶绝缘材料、PTFE绝缘材料和PVC绝缘材料组成的绝缘材料组的绝缘材料，以及任选的热绝缘装置。

Description

用于感应加热的保护系统

发明领域

本发明涉及用于物质(例如金属)的感应加热的部件以防止电火花和电弧放电以及防止等离子体攻击和辐射热造成的磨损的保护系统。

发明背景

物质的感应加热、更特别是金属的加热，如物理气相沉积(PVD)法中一种或多种金属或金属合金的加热与熔融，可能在具有不同电势的设备部件之间产生不期望的火花和电弧放电。火花和电弧放电的出现取决于感应加热中使用的电压和电流、工艺部件的几何形状、工艺气体压力与组成、以及与挥发性体系组分相关的气体分压和组成。火花指的是发生在具有大的电势差的两个位置之间的破坏性放电。火花之前是路径的电离。电弧放电指的是具有高电流密度和低电势梯度的发光的气体放电。主要通过在其之间发生电弧放电的设备部件的某些材料的蒸发来提供保持大电流所必需的电离。就PVD而言，火花和电弧放电均可破坏设备，将造成停工并由此对产率不利。

可能造成对设备部件的破坏的另一因素是产生等离子体。在其中存在电势差并由此产生电场的点之间发生等离子体形成。电场强度、气体的导电性和气体对电离作用的敏感性越高，越容易形成等离子体。气体导电性及其对电离作用的敏感性取决于气体组成、气体的压力和存在电势差的点之间的距离。等离子体可磨损为了防止火花或电弧放电而施加的保护涂层，由此提高它们发生的风险。

最后，用感应加热实现的温度，例如坩埚中的熔融金属的温度，会产生由辐射造成的破坏。此类破坏可例如是对为了防止火花或电弧放电而施加的保护涂层的破坏。

尽量减少感应线圈的火花风险的一种方法是将坩埚和感应线圈放置在真空室外，在大气条件下。在这种情况下，火花将仅发生在数千伏特的极高电势差下，参见F.Paschen,“Ueber die zum Funkenübergangin Luft,Wasserstoff undbei verschiedenen Druckenerforderl iche Potent ialdifferenz,Annalen der Phys ik 273(5):69-75”。但是，由于引入了对可以处理坩埚隔室与真空室其余部分的高温差的真空密封的要求，将感应线圈与坩埚放置在真空室外部使该方法显著复杂化。由此产生的设置与采用改进的线圈系统相比需要更大的投资。

发明目的

本发明的一个目的在于提供用于物质的感应加热中所用部件的保护系统以防止火花。

本发明的另一目的在于提供用于物质的感应加热中使用的部件的保护系统，其防止电弧放电。

本发明的另一目的在于提供用于物质的感应加热中使用的部件的保护系统以防止或尽量减少等离子体的形成。

本发明的另一目的在于提供用于物质的感应加热中使用的部件的保护系统，其防止由辐射热造成的破坏。

本发明的另一目的在于提供用于物质的感应加热中使用的部件的保护系统，其可以容易地施加。

本发明的再一目的在于提供用于物质的感应加热中使用的部件的低成本保护系统。

发明详述

在一系列实验中，已经确定，发生火花时的击穿电压取决于用于PVD的室中的压力、感应加热系统的设置、加热部件的形状与尺寸以及材料类型和电场类型(AC/DC)。在将锌物理气相沉积到基材上的试验中进一步确定了在室中发生火花时的击穿电压是因为蒸发过程中真空室内的小的压力升高。然而，为了产生足够大的金属蒸气的连续供应，粉末需要处于在没有任何保护措施的情况下容易发生火花和电弧放电的水平下。

火花会从电源汲取大量能量，甚至使得电源的过载系统将断开，将电源一道关闭。通过从加热的部件表面发射热电子(这会导致该点处气体导电性的提高)，提高了火花的风险。

根据本发明的第一方面，通过提供用于保护感应加热部件的保护系统实现了本发明的一个或多个目的，其中该感应加热部件包括感应线圈和将该感应线圈连接到电源的连接元件，该保护系统包含施加到部件上的绝缘材料，其中该绝缘材料选自由聚酰亚胺绝缘材料、硅橡胶绝缘材料、聚四氟乙烯(PTFE)绝缘材料和聚氯乙烯(PVC)绝缘材料组成的绝缘材料组。

在这些绝缘材料中，该聚酰亚胺绝缘材料能够经受最高的温度。术语聚酰亚胺绝缘材料指的是指包含聚酰亚胺或由聚酰亚胺组成的绝缘材料。对于其它提及的绝缘材料，相同的表述适用于这些绝缘材料各自部分或完全地由特定材料组成。

在使用真空室的感应加热系统中，如用于所考虑的PVD系统的感应加热系统，该感应加热部件可以位于该真空室内部或外部。当感应加热部件位于真空室内部时，提供通孔装置以便穿过真空室壁将该该真空室内的感应加热部件连接到电源上。这些通孔装置是该连接元件的一部分。

通过使用所述绝缘材料之一作为施加到部件表面上的绝缘材料，在很大程度上防止了火花和电弧放电的发生。

在试验中已经表明，通过使用聚酰亚胺绝缘材料，获得了非常好的结果。聚酰亚胺绝缘材料的性质使得其提供了：

-防止火花/电弧放电的低导电性，

-与上方的绝缘层相比的高导热性，

-与该感应加热部件良好的热接触，

-防止绝缘材料开裂或疲劳的柔性，和

-高击穿电压或介电强度。

根据本发明的另一方面，聚酰亚胺是热固性聚酰亚胺。该聚酰亚胺绝缘材料可以以绝缘胶带形式施加，但是优选该聚酰亚胺以热固性涂层形式施加。以这种方式，获得紧密贴合该感应加热部件而不留下任何自由空间并具有与该感应加热部件的良好热接触的聚酰亚胺绝缘涂层。

涂有聚酰亚胺绝缘涂层的线圈已经证实能够承受在0.001Pa-2KPa的空气压力范围内1000V RMS的施加的AC电势差和最高6kA的电流，并且具有8毫米的连接器的间距。这超过了在线圈表面上没有绝缘材料时能实现的电势差的两倍。

由于该绝缘材料暴露于来自PVD法中所用金属的熔融与蒸发的辐射热，因此该绝缘材料可能被磨损并可能最终开裂。同样由于高电势差，将产生等离子体，该等离子体可能是由感应线圈的方位电场引起的电感耦合等离子体(ICP)或由感应线圈的轴向电场引起的电容耦合等离子体(CCP)。该等离子体，更特别为该ICP，最终将引起该绝缘材料的劣化，再次导致火花/电弧放电。

为了防止辐射热和等离子攻击造成的磨损，对该感应加热部件提供热绝缘材料。优选地，至少在部件与被感应加热加热的物体之间提供该热绝缘材料。但是，该热绝缘材料优选围绕该绝缘材料作为第二层施加。

根据本发明的又一方面，该热绝缘材料包括耐热材料和用于该耐热材料的载体。用于该耐热材料的载体并不是非常重要，只要其至少能够承受提高的温度。尽管感应线圈由中空管制成，冷却液经此循环，但在外部的温度可以提高至充分高于该冷却液温度。该载体可以包含矿物棉，其中该矿物棉可以是玻璃棉或岩棉。

根据本发明的又一方面，该耐热材料是施加到载体的陶瓷材料。该陶瓷材料例如是氧化镁基陶瓷材料。此类氧化镁基陶瓷材料的特性包括：

-高温性能，和

-低导电性。

该氧化镁基陶瓷材料优选以糊料形式施加到载体材料，这使得能够容易地施加。

已经看出，即使采用具有绝缘材料的第一层和提供热绝缘的第二层的层状保护系统，当使用高电压时，仍然可能产生电感耦合等离子体。

根据本发明的又一方面，对感应加热部件提供用于自由载流子的捕集系统。此类捕集系统可以是包含跟随至少一部分该感应线圈的匝的导电元件的系统。

根据本发明的又一方面，自由载流子的捕集系统包含设置在感应线圈径向上并平行于该感应线圈的轴的一个或多个导电元件。结果表明，采用此类元件，例如平板，可以在再次发生电感耦合等离子体之前显著提高施加到该感应线圈的电压和电流。

通过将该自由载流子捕集系统接地，进一步改进了该捕集系统的效果。

作为该载流子捕集系统的替代方案，可以使用非导电元件，其物理占据了直接围绕该感应线圈的自由空间，并由此捕集沿该线圈的圆周运动的任何自由载流子以防止引发等离子体。

根据本发明的又一方面，在具有0.001Pa-2.5kPa的降低的压力的室中使用该感应加热部件，并且其中向该感应线圈提供在最高1kV的电压和最高20kHz的频率下最大6kA的电流。

如上所述的保护系统可以有效地用于在AC以及DC上运行的感应线圈系统。

附图概述

将借助图中显示的实施例进一步解释本发明，其中：

图1示意性显示了由AC电源馈电的感应线圈诱发的电场，

图2显示了表现在各种气体环境中对未涂覆感应线圈和涂覆感应线圈的击穿电压的图，和

图3A、B、C示意性显示了在感应线圈周围用于自由载流子的捕集系统。

附图详述

在图1中，在左侧显示了感应线圈1的轴向横截面，在右侧显示了感应线圈的径向横截面。该感应线圈1具有有限的匝2的数量，在该实施例中，在该线圈1的最后一匝和第一匝之间具有约600V的电势差。

在图中示意性显示了穿过感应线圈的电流诱发的磁B场的场线3。此外，存在轴向电场Ez和方位电场Eθ，以及各自的场线4和5。电容耦合等离子体(CCP)与轴向电场Ez场相关，电感耦合等离子体(ICP)与方位Eθ场相关。在右侧，用虚线和箭头表示感应线圈中电流6的方向。

该感应线圈1及其连接部件由铜制成，因为该材料具有良好的导电性。铜为中空管形式，其允许通过泵送穿过该线圈的冷却液适当地冷却该线圈。

图2显示了表现在各种气体环境中对未涂覆感应线圈和涂覆感应线圈的最小击穿电压的图，电压绘制在纵轴上，不同的线圈和气体环境沿横轴绘制。在-10毫巴至10^-4毫巴的气体压力范围内确定该最小值。在该区间内的某处发生典型的PVD过程。

采用未涂覆的感应线圈，其在这种情况下是裸铜感应线圈，无火花区间由氩气环境中使用的线圈的小于200V至空气的约400V不等。高于这些无火花区间，存在其中可能发生火花的小区域，高于该小区域将肯定发生火花。由该图可以看出，如在Zn PVD过程中在真空室中所发生的那样，在Zn气氛中击穿电压相对高。

对于涂覆线圈，即具有绝缘材料层但不具有热绝缘材料的线圈，在相同气体环境中的击穿电压远高于裸铜感应线圈的击穿电压。

对使用不同绝缘材料或材料的组合进行了研究，并发现，硅橡胶结合PVC基带或陶瓷覆层获得了良好的结果。但是，使用聚酰亚胺带在击穿电压和时间方面获得了最好的性能。采用以无缝包围感应线圈的涂层形式施加的聚酰亚胺获得了相同或甚至更好的结果。可以确定的是，使用厚度为65微米的聚酰亚胺绝缘涂层，该击穿电压为约6kV。

由于从通过感应加热的物体辐射热，因此优选在该涂层上提供热绝缘材料。该热绝缘材料包括耐热材料和用于该耐热材料的载体。该热绝缘材料还可以在一定程度上提供针对等离子攻击的防护。

对于热绝缘材料，用由浸渍有MgO糊料的玻璃棉组成的附加层覆盖该聚酰亚胺层。在Zn PVD试验过程中，该保护系统在至少最高10Pa的真空压力下成功地承受750-770℃的坩埚温度达数小时的时间(在550-600V RMS的AC电压下运行该线圈)。线圈未显示出破损的迹象。

图3A、B分别显示了具有保护系统的感应线圈的透视图和顶视图，其中感应线圈1具有绝缘材料和用于自由载流子的捕集系统以进一步抑制等离子攻击。线圈的绝缘包括聚酰亚胺涂层，以及在该聚酰亚胺涂层上方施加的热绝缘材料。该捕集系统包括两个接地的金属板7，或如图3B中所示包含三个接地的金属板7，所述金属板围绕感应线圈分布，并平行于该线圈的中心轴。

在约18kHz下用线圈中的空坩埚进行试验，其中感应电压逐步提高。没有板7并使用氮气，击穿在740V RMS下发生，线圈电流为2150A。向该设置增加一个接地板7，在出现电感耦合等离子体(ICP)之前，该电压可以提高至820V RMS，线圈电流2450A。在增加第三接地板后，该设置保持无ICP直至超过890V RMS的电压水平，线圈电流超过2580A。

在图3C中，自由载流子的捕集系统包括多个不导电的元件8，由诸如混凝土、BN、Al₂O₃或其它绝缘材料的材料制成，围绕该感应线圈1的圆周设置。使用这些毗邻线圈放置的元件8，自由载流子在线圈周围的场中的运动受到阻止，由此也阻止了等离子体的持续。

Claims (15)

1.用于感应加热部件的保护系统，其中所述感应加热部件包括感应线圈和将所述感应线圈连接到电源的连接元件，所述保护系统包含施加到部件的绝缘材料，其特征在于所述绝缘材料选自由聚酰亚胺绝缘材料、硅橡胶绝缘材料、PTFE绝缘材料和PVC绝缘材料组成的绝缘材料组。

2.如权利要求1所述的保护系统，其中所述绝缘材料是聚酰亚胺绝缘材料。

3.如权利要求2所述的保护系统，其中所述聚酰亚胺绝缘材料以热固性涂层形式施加。

4.如权利要求1-3的一项或多项所述的保护系统，其中对加热部件提供热绝缘材料。

5.如权利要求4所述的保护系统，其中至少在部件和被感应加热所加热的所述物体之间提供所述热绝缘材料。

6.如权利要求5所述的保护系统，其中所述热绝缘材料包括耐热材料和用于所述耐热材料的载体。

7.如权利要求6所述的保护系统，其中用于所述耐热材料的载体包含矿物棉。

8.如权利要求7所述的保护系统，其中所述矿物棉是玻璃棉。

9.如权利要求4-8中的一项或多项所述的保护系统，其中所述耐热材料是陶瓷材料。

10.如权利要求9所述的保护系统，其中所述陶瓷材料是氧化镁基陶瓷材料。

11.如权利要求1-10中的一项或多项所述的保护系统，其中对所述感应加热中使用的部件提供用于自由载流子的捕集系统。

12.如权利要求11所述的保护系统，其中所述捕集系统包含跟随所述感应线圈的所述匝的至少一部分的导电元件。

13.如权利要求11所述的保护系统，其中所述捕集系统包含设置在感应线圈径向上并平行于所述感应线圈的轴的一个或多个导电元件。

14.如权利要求11所述的保护系统，其中所述捕集系统包含沿所述感应线圈的圆周设置的非导电元件。

15.如权利要求1-10中的一项或多项所述的保护系统，其中在具有0.001Pa-2.5kPa的降低的压力的室中使用所述感应加热部件，并且其中向所述感应线圈提供在最高1kV的电压和最高20kHz的频率下最大6kA的电流。