CN105283575A - 汽化单元以及借助所述类型汽化单元来真空涂布物件的方法 - Google Patents

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Abstract

为了确保金属是均匀汽化的,特别是在真空汽提汽化器设备中均匀汽化的,本发明公开了一种汽化单元(2),所述汽化单元具有内腔(6),所述内腔由外腔(8)所连接至的周向幅材(10)限定。

Description

汽化单元以及借助所述类型汽化单元来真空涂布物件的方法
背景技术
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的汽化单元以及借助这种汽化单元来真空涂布物件的方法。
例如,此类型的汽化单元可见于US2011/013891A1或WO2008/092423A1。
这种汽化单元被设计为具有限定的比电导率的陶瓷主体。就用金属(特别是铝)涂布柔性基板而言,此类型的汽化单元通常用于借助PVD(物理气相沉积)技术的称为真空汽提金属化设备的设备。例如,柔性基板可为纸张、塑料薄膜以及纺织物。
汽化单元经由电阻式加热器而加热至规定温度,例如,在1500℃与1900℃范围内的温度。将要汽化的金属以金属线材的形式供料至汽化单元顶侧,最初,先会熔融金属线材,然后在约1-4kPa(10-4毫巴)的真空下汽化熔融金属。汽化单元通常在它们的顶侧具有槽状腔体,用于容纳熔融金属。
为了进行电阻加热,电极(特别是铜电极)分别邻接汽化单元的相对面,这些电极通常被冷却至250℃。
原则上,目标在于尽可能地均匀且充分地润湿汽化单元,同时实现较高汽化速率以有利于以较高涂覆速率涂布的物件实现均匀的金属化。然而,通常实现这个目标极其困难。除了别的以外,这是由于以下事实:金属线材通常并非是在精确中心位置被供料至汽化单元,由此导致熔融金属不对称地润湿汽化表面。在某种程度上,这另外会致使液态金属在一侧上已经到达汽化单元的边缘并与相对冷的电极接触。这导致了金属喷溅,这对高质量涂布是不可取的。为了防止发生这种情况,原则上可使温度(以及由此汽化速率)增加。然而,随着温度增加,也会产生称之为化学腐蚀的问题,这个问题由此减少汽化单元的整体使用寿命。例如,蒸发器单元通常具有在5与25工作小时之间范围内的使用寿命。
一般来说很难实现所希望的限定汽化器表面区域(例如,其由腔体形成)的均匀、完全润湿。当此类型的汽化单元工作时,通常仅会润湿由腔体形成的汽化器表面区域的部分区域。
实际还可看出与汽化器表面的不完全润湿有关的另一问题,这是因为在未润湿的部分区域中缺乏经由液化金属而进行的冷却,这些部分区域具有显著较高温度。这些区域还被称为“热点”。这些区域部分地达到超过2000℃的温度,这会导致汽化单元的损坏和损毁。
本发明的目的
从这一点出发,本发明是基于以下目的:实现汽化器表面的完全润湿,尤其是在不带来使汽化单元边缘上的熔融金属与电极接触的风险的情况下,并且由此还防止喷溅。
实现本发明的方法
所述目的是根据本发明通过具有根据权利要求1所述的特征的汽化单元以及通过具有根据权利要求11所述的特征的方法实现。所提出的关于汽化单元的优点和优选的实施例也将合理地应用于本方法。
汽化单元具有顶侧,所述顶侧包括用于汽化金属的汽化器表面。内腔结合到顶侧中,该内腔由环绕幅材限定,外腔继而又邻接环绕幅材。以此方式,内腔形成汽化器内表面,并且外腔形成汽化器外表面。这意味着外腔还在操作期间被加热器充分加热,使得到达该外腔中的熔融材料被汽化。
因此,环绕幅材为由环绕幅材所侧向限定的一种类型的收集盘。该收集盘接收要汽化的熔融材料。该材料通常以线材的形式按上文所述方式供料。线材因高温汽化单元而熔融。
因此,内腔形成内部主要汽化表面,同时外腔具体起到溢流保护作用。这个内腔通常被设计为(具体来说,中心)盆状凹陷,该盆状凹陷被设计用于容纳将在操作期间被汽化的熔融材料,并且因此这个内腔具有底板以及限定侧壁。
就所了解的内容看,在常规情况下,仅顶侧的有限区域会被润湿,因此本文所述的汽化单元从一开始就有意经由内腔的设计而将顶侧的有限区域提供为主要汽化表面。该区域在操作期间完全润湿,其中环绕幅材用于确保即使金属线材是偏离中心供料的,内部汽化表面也会均一、完全润湿。金属流动受限于环绕幅材,并且由此金属会分散到其余的自由分散方向,即使是从边缘偏离中心供料也是如此。由于熔融金属完全润湿并均匀分布在该内腔内,因此,还会出现均匀且均一的温度分布,由此实现均匀汽化。这种均匀的温度分布还允许设定合适但不会过高的操作温度,由此相较于常规汽化单元会减少汽化单元上的应变。具体来说,这减少了化学腐蚀问题。
此内腔的另一特殊优点还可见于以下事实,通过用熔融金属完全填满内腔,相较于其中熔融金属并未受环绕幅材限制的常规汽化单元而言,熔融金属流速总体有所降低。以此方式,汽化单元上的由通常在中心出现的所谓冲蚀造成的应变显著减少。
另一重要方面则可见于外腔。也就是说,如果熔融金属在幅材上溢流(例如,由于较高供料速率),那么会将该熔融材料的这个溢流部分可靠地捕获于该外腔中。因此,这提供了另外的外部或次要汽化表面。这可靠地防止液态金属与已冷却的电极接触的风险,如果发生这种风险,则将造成金属喷溅。
因此,有目的地将外腔设计为环绕通道,使得外腔完全环绕内腔。因此,两个腔体借助幅材彼此连续分离。
外腔沿边缘有利地连续整合到顶侧中。因此,至少几乎整个顶侧表面都被外腔包围。在外腔外并不存在另外的腔体。另外,该内腔优选地完全覆盖由外腔所环绕的顶侧区域,但不覆盖外腔的如由幅材限定的间隙。因此,仅存在单个中心内部槽状腔体。这个腔体具有连续、不中断的底板,该底板特别是还不具有分离的幅材或凹陷。
所需汽化温度的设定非常易受各种影响因素(例如,在一方面是电阻式加热器的热量输出,而另一方面则是熔融材料的供料速率和冷却性能)影响,并且还具体取决于润湿区域与总表面之比。在这种情况下,内部汽化表面优选地占汽化单元顶侧的总表面区域的25%到85%之间并且特别是占40%到65%之间。
此类型的汽化单元通常具有顶侧,顶侧宽度为25mm至50mm、例如特别是为35mm,并且顶侧长度在100mm至150mm的范围内,特别是为130mm。这种汽化单元的典型材料厚度为8mm至15mm,特别是为10mm。
该内腔的宽度大体等于例如汽化单元的总宽度的30%至60%。同时,该内腔的长度优选地在腔体总长度的60%至80%的范围内。在这些比例内,就能够可靠地实现该内部汽化表面的所需均匀润湿。
原则上,幅材主要用于限定内腔并且界定外腔。幅材宽度优选地经测定为在0.5mm与5mm之间,特别是在1mm与4mm之间。
出于相同目的,即可靠地确保完全且均匀地润湿整个内部汽化表面,内腔具有具体由幅材确定的深度,该深度经测定为在0.1mm与5mm之间,特别是在0.3mm与3mm之间。
根据有利的改进,外腔深于内腔。这提供了以下特殊优点:外部汽化表面由于在一定程度上较低的材料厚度而具有更高温度,由此确保任何溢流熔融材料发生既定汽化。作为另外一种选择,腔体具有相同深度,或外腔比内腔更浅。该实施例还取决于在外腔中将设定的所需温度,这个温度还受汽化单元的剖面形状的影响。
如已说明,外腔用作次要汽化表面并对应地具有相较于内腔而言显著更小的汽化表面。具体来说,外腔具有在内部汽化表面的10%至35%的范围内的外部汽化表面。
另外,内腔优选地成形为对应于汽化单元的周边轮廓。由于这个周边轮廓通常是呈矩形形式,因此内腔同样优选地为矩形形式。原则上,汽化单元是呈细长形式,使得内腔大体同样是细长的。也可采用卵形形式替代矩形形式。该幅材优选地具有始终分别相同的壁厚度,使得外腔具有与内腔相同的外部轮廓。
当操作汽化单元来对柔性物件(具体来说例如箔)进行蒸气涂布时,汽化单元借助前述电极整合到电路中,并且通过电阻加热。因此,例如,汽化单元通常被加热至1500℃至1700℃的温度。待汽化的金属(通常为铝)常作为线材来连续供料至内腔中,接着在内腔中熔化。因此,一方面用于加热该汽化单元的热量输出(其由电流确定)与另一方面被汽化金属的供料速率彼此匹配,使得内腔完全被熔化金属所覆盖。因此,这构成了几乎静止的状况。因此,通过环绕幅材以及由此形成的收集盘,所述收集盘填充有熔融金属,使得整个内部汽化表面被熔融金属所覆盖。
附图说明
本发明的示例性实施例基于附图更详细地阐述。这些实施例经由简化示意图示出:
图1汽化单元顶侧的顶视图,
图2沿剖面线A-A穿过如图1所示汽化单元的剖面图,
图3操作中的如图1所示汽化单元的顶视图,以及
图4真空汽提汽化设备的示意图。
以相同方式发挥作用的零件在附图中具有相同参考标号。
具体实施方式
图1和图2所示陶瓷汽化单元2具有近似矩形的顶侧4,该顶侧具有其内结合有内腔6和外腔8的总表面区域A1。内腔6同样近似矩形。它由周向幅材10环绕,该周向幅材将两个腔体6,8彼此分离。外腔8继而由顶侧4的连续边缘12环绕。
内腔6限定内部汽化表面区域A2,该内部汽化表面区域由幅材10限定并且构成主要汽化表面。该内腔呈近似盆状设计,并且下方由底板界定而侧向由幅材10所限定的侧壁界定。
外腔8被设计为围绕内腔6和幅材10而延伸的通道,并且由此构成外部汽化表面A3也称为辅助或次要汽化表面。
内腔6具有长度L2以及宽度B2,长度L2和宽度B2分别小于顶侧4的总长度L1和总宽度B1。例如,总长度L1通常在130mm的范围内,而总宽度B通常在35mm的范围内。例如,汽化单元2的高度H在10mm的范围内。
汽化单元2为具有限定电导率或具有相应限定的比电阻率的陶瓷主体。
汽化单元2包括外边缘12,该外边缘围绕外腔8延伸,并且例如在其表面具有范围在4mm与10mm之间的壁厚度W1,而且例如在其纵向侧面具有范围在2mm与3mm之间的更窄的壁厚度W2。
例如,幅材10尤其具有优选地在1mm与4mm之间的恒定幅材宽度W3。继而,外腔8具有通道宽度W4。
最后,幅材10具有同时还限定腔体6,8的深度T的幅材高度。与所示的示例性实施例相比,两个腔体6,8也可具有不同深度。在这种情况下,优选的是外腔8比内腔6更深。
如可从图2中另外了解,当从剖面看时,幅材10具有近似矩形轮廓,使其侧壁(分别限定相应腔体6,8)近似竖直取向。如已提及,外腔8被设计成具有矩形或也可具有U形或半圆形剖面的通道的形式。
统一选择腔体6,8以及幅材10和边缘12的几何形状数据,使得由连续幅材10包围的内腔6所限定的内部汽化表面A2构成顶侧4的总表面区域A1的约40%至65%区域。例如,通道宽度W4以及幅材宽度W3大小近似相同,并且范围在2mm与5mm之间。它们在汽化单元2的表面和纵向侧面处以相同的相应距离与周边边缘间隔开,使得内腔6居中布置。在这种情况下,边缘12在纵向侧面上要比在表面上更窄。
在示例性实施例中,例如,内腔6的宽度B2在16mm与18mm之间,因此一般大约在通常为35mm的总宽度B1的45%与50%之间。例如,内腔6的长度L2在90mm与100mm之间,因此一般大约在通常为130mm的总长度L的70%与80%之间。
当从垂直于汽化单元2的纵向方向延伸的剖面看时,该单元具有矩形剖面区域或梯形剖面区域,其中该梯形的长边限定顶侧4。
汽化单元2在实际汽化过程期间的操作的功能和模式在下文中借助图3详细说明。
操作期间,汽化单元2被夹在两个电极14(通常由铜制成)之间,并且电流流过该单元。因此,汽化单元2被加热至例如约1700℃。与此同时,待熔化的金属(尤其是呈金属线材16的形式)借助供料设备15连续且接连地引入到内腔6中,使得金属熔化并形成为熔融材料18。通过汽化单元2的电流(以及因此该汽化单元的温度)以及金属线材供料速率被调节为彼此相适,使得内部汽化单元A2被呈几乎静止状态的熔融金属完全润湿。这种情况通过用连续幅材10来限定内腔6而促成和实现。因此,内腔6至少部分地填充有熔融材料。
所用金属通常使用铝。该熔融铝通常具有约650℃的温度,并且由此冷却内腔6的表面。由于润湿均匀,因此这种冷却效果均一地分布在腔体6的整个表面区域上,由此不会出现所谓的“热点”。
由于熔融金属18被幅材10包围,因此熔融材料18的流速也相对较低。这导致了汽化单元2上的应变较低。由于温度较高,即液态铝与汽化单元2的材料发生很激烈的反应,从而引起因所谓的化学腐蚀导致的所谓冲蚀。因此,比起常规汽化单元2,冲蚀减少。
由于这种化学腐蚀选择性地作用于汽化单元2的部件上,因此汽化单元2的使用寿命延长。具体来说,这种化学腐蚀引起汽化单元2的非导电性材料部分的冲蚀,使得总的来说,电导率在操作期间接连增加。为了维持足够热量输出,由此接连增加电流。这种电流通常由变压器提供。一旦达到变压器的电流极限,汽化单元2就必须要更换。这通常在若干工作小时之后发生。
如还具体从图3中了解,还可使得金属线材16偏离中心供料而不产生问题,其中同时还确保了内腔6的均匀润湿。
在某些情况下,例如,偏离中心供料尤其可能造成熔融材料18流过幅材10进入供料区域。熔融材料18的溢流部分被外腔8收集,接着,在外腔中被汽化。这可靠地确保熔融材料18不与已冷却的电极14接触,由此可靠地防止可能出现的金属喷溅。
图4示出借助此类型的汽化单元2的真空汽提汽化器设备的高度简化图示。在这种情况下,整个汽化过程在1-4kPa(10-4毫巴)的真空下执行。汽化单元2从熔融材料18将金属汽化。在此过程中形成的金属蒸气20沉淀在要涂布的连续供料条带22(例如,塑料薄膜)上。这个连续供料条带被冷却辊24所占据。

Claims (11)

1.一种具有顶侧(4)的汽化单元(2),
其特征在于:
内腔(6)结合到所述顶侧(4)中,所述内腔由环绕幅材(10)限定,外腔(8)继而又连接至所述环绕幅材。
2.根据权利要求1所述的汽化单元(2),
其特征在于:
所述外腔(8)被设计为环绕通道。
3.根据权利要求1或2所述的汽化单元(2),
其特征在于:
所述外腔(8)以及所述幅材(10)被设计为沿所述顶侧(4)的周边边缘,并且所述内腔(6)完全覆盖由所述幅材(10)所包围的区域。
4.根据前述权利要求中任一项所述的汽化单元(2),
其特征在于:
所述内腔(6)具有内部汽化表面(A2),所述内部汽化表面占所述顶侧(4)的总表面区域(A1)的25%到85%之间,并且特别是占40%到65%之间。
5.根据前述权利要求中任一项所述的汽化单元(2),
其特征在于:
所述内腔(6)具有范围在所述顶侧(4)的总宽度(B1)的30%与60%之间的宽度(B2)以及范围在所述顶侧(4)的总长度(L1)的60%与80%之间的长度(L2)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的汽化单元(2),
其特征在于:
所述幅材(10)具有幅材宽度(W3),所述幅材宽度(W3)在0.5mm与5mm之间,并且特别是在1mm与4mm之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的汽化单元(2),
其特征在于:
所述内腔(6)和所述外腔(8)均具有深度(T),所述深度(T)在0.1mm与5mm之间,并且特别是在0.3mm与3mm之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的汽化单元(2),
其特征在于:
所述外腔(8)比所述内腔(6)更深。
9.根据前述权利要求中任一项所述的汽化单元(2),
其特征在于:
所述外腔(8)具有范围在所述内腔(6)的内部汽化表面区域(A2)的15%与35%之间的外部汽化表面区域(A3)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的汽化单元(2),
其特征在于:
所述内腔(6)呈矩形形式。
11.一种用于借助根据前述权利要求中任一项所述的汽化单元(2)真空涂布物件的方法,其中对所述汽化单元(2)加热并且将待汽化的金属供料至所述内腔(6),在所述内腔(6)中,所述金属会熔化和汽化,其中为加热所述汽化单元(2)而输出的热量与金属供料速率经协调以使得所述内腔(2)完全被熔融金属所覆盖。
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