CN212163758U - 一种适用于真空环境的加热旋转工件台以及真空设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种适用于真空环境的加热旋转工件台，该加热旋转工件台包括用于承载工件的工件盘、用于驱动该工件盘旋转的旋转轴、以及加热部，所述加热部包括感应线圈以及感应加热电源，其中，所述感应线圈设置在所述工件盘背对所述工件的一侧并与所述感应加热电源连接，在所述感应加热电源的作用下所述感应线圈对所述工件盘进行感应加热。相应地，本实用新型还提供了一种配置有该加热旋转工件台的真空设备。实施本实用新型可以实现将工件台加热至超过700℃的高温。

Description

一种适用于真空环境的加热旋转工件台以及真空设备

技术领域

本实用新型涉及一种工件台，尤其涉及一种适用于真空环境的加热旋转工件台以及真空设备。

背景技术

现有技术中，很多设备都有在真空环境中对旋转工件进行加热的需求。目前通常使用加热旋转工件台来实现上述需求，其中，现有的加热旋转工件台主要包括工件盘、与工件盘连接的旋转轴以及加热器(例如高温电阻丝加热器、红外加热器、石英灯等)。真空设备工作时，待处理的工件放置在加热旋转工件台的工件盘上，旋转轴驱动工件盘旋转进而带动工件旋转，加热器作为热源对工件盘进行加热进而实现对工件的均匀加热。

加热器对工件盘加热的过程本质是热量传递的过程，众所周知热量传递主要包括热对流、导热以及热辐射三种基本方式。但是在真空环境中，对流传热基本为零；另一方面，工件台需要旋转，而加热器连接有电缆线，所以加热器不能直接和工件盘贴合，一起旋转，所以加热器不能直接固定在工件盘背面通过导热方式传递热量。所以现有技术中只能将加热器设置在尽量靠近工件盘背面的位置上，通过热辐射的方式进行热量传递从而实现对工件盘的加热。

现有加热旋转工件台的不足之处在于：由于热辐射传递能量的效率比较低，加热器所产生的大部分能量都被损失掉了，只有一小部分能量辐射给了工件盘用于加热，所以使用加热器通过热辐射方式很难将工件盘加热到400℃以上。以采用高温电阻丝加热器为例进行说明，为了尽可能提高高温电阻丝加热器对工件盘的加热温度，设置高温电阻丝加热器与工件盘之间的距离仅为10mm以使高温电阻丝加热器尽量靠近工件盘，与此同时使高温电阻丝排列尽可能紧密、以及使高温电阻丝加热器与工件盘的尺寸基本相当以确保可以对工件盘全面加热，即使在这种情况下，当电阻丝表面温度达到800℃左右时，工件盘最多也只能达到400℃左右的温度。虽然目前大部分工艺不需要 400℃以上高温，但仍存在一些特殊工艺必须有高温才能实现，比如采用微波等离子体合成人造金刚石就需要700℃以上高温，也就是说，现有的加热旋转工件台无法很好地满足这些特殊工艺对于高温的需求。

实用新型内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本实用新型提供了一种适用于真空环境的加热旋转工件台，该加热旋转工件台包括用于承载工件的工件盘、用于驱动该工件盘旋转的旋转轴、以及加热部，其中：

所述加热部包括感应线圈以及感应加热电源，其中，所述感应线圈设置在所述工件盘背对所述工件的一侧并与所述感应加热电源连接，在所述感应加热电源的作用下所述感应线圈对所述工件盘进行感应加热。

根据本实用新型的一个方面，该加热旋转工件台中，所述感应线圈呈平面螺旋状。

根据本实用新型的另一个方面，该加热旋转工件台中，所述感应线圈的尺寸略大于所述工件盘的尺寸。

根据本实用新型的又一个方面，该加热旋转工件台中，所述感应线圈采用中空铜管制成。

根据本实用新型的又一个方面，该加热旋转工件台中，所述工件盘采用耐高温金属材料制成。

根据本实用新型的又一个方面，该加热旋转工件台中，所述耐高温金属材料是钼、铁、钽中的一种或其任意组合。

根据本实用新型的又一个方面，该加热旋转工件台还包括保温部，该保温部设置在所述感应线圈的外侧，对所述感应线圈以及所述工件盘的下表面形成包裹。

根据本实用新型的又一个方面，该加热旋转工件台中，所述保温部采用不锈钢制成。

本实用新型还提供了一种真空设备，该真空设备包括真空室以及上述加热旋转工件台，其中，所述工件盘和所述感应线圈设置在所述真空室内，所述旋转轴从所述真空室内伸出与外部电机连接，所述感应加热电源设置在所述真空室外。

本实用新型所提供的适用于真空环境的加热旋转工件台包括工件盘、旋转轴、感应线圈以及感应加热电源，该感应线圈设置在工件盘背对工件的一侧并与感应加热电源相连接。当加热旋转工件台工作时，感应线圈在感应加热电源的作用下形成通过工件盘的交变磁场，在该交变磁场的作用下工件盘内产生涡流并发热，如此一来，使得工件盘自身成为热源从而实现对工件盘的加热。相较于将加热器作为热源通过热辐射方式对工件盘进行加热的现有技术来说，本实用新型所提供的加热旋转工件台通过感应加热的方式使工件盘自身成为热源，可以在不影响工件台旋转的情况下大大地提高真空环境中工件盘的加热温度(超过700℃)，从而可以很好地满足那些对于工作台存在高温需求的应用。相应地，采用上述加热旋转工件台所形成的真空设备可以实现将工件台加热超过700℃的高温。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本实用新型的一个具体实施例的适用于真空环境的加热旋转工件台的结构示意图；

图2是根据本实用新型的一个优选实施例的加热旋转工件台中感应线圈的结构示意图；

图3是根据本实用新型的一个优选实施例的适用于真空环境的加热旋转工件台的结构示意图；

图4是根据本实用新型的一个优选实施例的真空设备的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解和阐释本实用新型，下面将结合附图对本实用新型作进一步的详细描述。

本实用新型提供了一种适用于真空环境的加热旋转工件台，该加热旋转工件台包括用于承载工件的工件盘、用于驱动该工件盘旋转的旋转轴、以及加热部，其中：

所述加热部包括感应线圈以及感应加热电源，其中，所述感应线圈设置在所述工件盘背对所述工件的一侧并与所述感应加热电源连接，在所述感应加热电源的作用下所述感应线圈对所述工件盘进行感应加热。

下面，将结合图1对本实用新型所提供的适用于真空环境的加热旋转工件台的各个构成部分进行详细说明。

具体地，如图1所示，本实用新型所提供的加热旋转工件台包括工件盘 100、旋转轴200以及加热部，该加热部进一步包括感应线圈300以及感应加热电源400。

在本实施例中，工件盘100呈板状结构，包括上表面101a以及与该上表面101a相对的下表面101b，其中，该上表面101a用于承载工件。本实用新型对于工件盘100的形状没有任何限定，在本实施例中设计为圆形，在其他实施例中，工件盘100的形状还可以根据工件的具体形状进行相应设计。材料方面，工件盘100采用金属制成，优选采用耐高温金属材料制成，更优选地采用导电性适中的耐高温金属材料制成，例如钼、铁、钽中的一种或其任意组合。

旋转轴200的一端与工件盘100下表面101b的中心(针对于圆形工件盘来说该中心即为圆心)固定连接，如此一来，当旋转轴200旋转时即可带动工件盘100进行旋转、进而带动工件盘100所承载的工件进行旋转。本实用新型对于旋转轴200的材料没有任何限定，可以采用和现有加热旋转工件台中旋转轴相同的材料制成，例如不锈钢等。

感应线圈300设置在工件盘100背对工件的一侧(与工件盘100不发生接触)，优选尽可能靠近工件盘100的下表面101b。在本实施例中，感应线圈 300采用与工件盘100形状相匹配的平面螺旋型线圈来实现。以圆形工件盘 100为例，如图2所示，感应线圈300设计为呈蚊香状的平面圆形螺旋线线圈。优选地，感应线圈300的尺寸略大于工件盘100的尺寸，即从工件盘100上方向下看去工件盘100落入感应线圈300所在的区域内。材料方面，感应线圈300优选采用中空铜管制成。

感应加热电源400与感应线圈300连接，用于向感应线圈通入交变电流。在本实施例中，感应加热电源400的频率是20KHz。本领域技术人员可以理解的是，上述20KHz仅为示意性举例，在其他实施例中，感应加热电源400 的频率可以根据实际应用进行相应选择。

本实用新型所提供的加热旋转工件台的工作原理如下：感应加热电源400 向感应线圈300中通入交变电流，感应线圈300在该交变电流的作用下产生交变磁场，该交变磁场通过位于感应线圈300上方的工件盘100，由于工件盘 100采用金属制成，所以在该交变磁场的作用下工件盘100的内部产生涡流并发热，如此一来，即可实现对工件盘100的加热，进而实现对工件盘100上所承载的工件进行加热。

针对于本实用新型所提供的加热旋转工件台来说，由于感应加热可以在真空环境内实现，所以本实用新型所提供的加热旋转工件台可以用于真空环境。此外，由于感应线圈只是设置在工件盘背对工件盘的一侧与工件盘并不发生接触，所以不会影响工件台在真空环境内的旋转运动。也就是说，本实用新型所提供的加热旋转工件台与现有加热旋转工件台一样，可以满足在真空环境中承载工件进行旋转以及对工件进行加热的需求。不同的是，现有加热旋转工件台是将加热器作为热源通过热辐射方式对工件盘进行加热，这种方式在真空环境中很难将工件盘加热到400℃以上，而本实用新型所提供的加热旋转工件台通过感应加热的方式使工件盘自身发热成为热源，可以在真空环境中将工件盘加热至700℃以上的高温，大大提高了真空环境中工件盘的加热温度，从而可以很好地满足那些对于工作台存在高温需求的应用。

需要说明的是，(1)前文提及工件盘优选采用导电性适中的耐高温金属材料制成，一方面因为耐高温金属材料的熔点高(例如钼的熔点是2622℃，在压强为10^-2Pa的真空环境下蒸发温度是2117℃)，可以有效避免工件盘在高温下蒸发对工件处理工艺所造成的污染；另一方面因为感应加热下的工件盘其发热量与电流和电阻成正比，若工件盘材料导电性非常差则电流非常小进而导致发热量小，若工件盘导电性非常好则电阻非常小进而也会导致发热量小，而导电性适中的耐高温金属材料则更为有利于提高工件盘的发热量，实现良好的加热效果。(2)感应线圈越靠近工件盘则其所产生的作用于工件盘的交变磁场则越强，从而更有利于工件盘的加热。(3)感应线圈的结构尺寸和设置位置、以及感应加热电源工艺参数的具体选择由实际应用对工件盘加热温度的需求决定。(4)针对于感应线圈由中空铜管制成的情况来说，在加热旋转工件台工作的过程中，可以通过向中空铜管中通入冷媒(例如冷却水等)对其进行冷却。(5)感应线圈的尺寸略大于工件盘的尺寸有利于保证整个工件盘被加热。(6)在将加热旋转工件台安装在真空室内使其处于真空环境中时，工件盘设置在真空室内，旋转轴的一端与工件盘连接、另一端伸出真空室与外部电机连接，外部电机驱动旋转轴旋转以带动工件盘旋转，感应线圈设置在真空室内，可以通过固定件将其与真空室室壁进行固定，固定后的感应线圈恰好位于工件盘背对工件的一侧即可，感应加热电源设置在真空室外部，通过导线与感应线圈进行连接。

优选地，本实用新型所提供的加热旋转工件台还包括保温部，该保温部设置在感应线圈的外侧，对感应线圈以及工件盘的下表面形成包裹。由于工件盘感应加热所产生的热量会从其下表面向外部散发，所以通过保温部对工件盘下表面形成包裹，有利于降低工件盘热量的散发，起到保温的效果。以感应线圈尺寸大于工件盘尺寸为例进行说明，如图3所示，保温部500包括底面、侧壁以及边沿，其中，底面设置在感应线圈300的下方，侧壁从底面向工件盘100所在方向延伸直至其上端与工件盘100高度基本接近，边沿从侧壁上端向内延伸至工件盘100的边缘处，如此一来，保温部500对工件盘 100下方的空间形成了包裹，工件盘100从下表面101b散发的热量被尽可能地封闭在该空间内。本领域技术人员可以理解的是，图3所示结构仅为保温部的一个优选实施方式，在其他实施例中，保温部还可以设计为其他结构，凡是在不影响感应线圈对工件盘加热的前提下可以对工件盘下表面形成包裹的保温部均落入本实用新型的保护范围。材料方面，保温部优选采用不锈钢制成。需要说明的是，保温部500与工件盘100以及旋转轴200之间不得接触，以确保加热旋转工件台可以正常旋转。具体到图3所示保温部500来说，保温部500的边沿与工件盘100之间、以及保温部500的底面与旋转轴200 之间设置有一定的间隙。至于间隙的具体大小，在不影响工件台旋转的前提下，间隙越小防散热的效果则越优。

相应地，本实用新型还提供了一种真空设备，该真空设备包括真空室以及加热旋转工件台，该加热旋转工件台采用前文所述加热旋转工件台实现，其中，工件盘和感应线圈设置在真空室内，旋转轴从真空室内伸出与外部电机连接，感应加热电源设置在真空室外。

图4是根据本实用新型的一个优选实施例的真空设备的结构示意图，下面将结合图4对本实用新型所提供的真空设备的各个组成部分进行说明。

具体地，如图4所示，真空设备包括真空室600，真空设备工作时通过真空泵将真空室600内的气体抽出使其呈真空状态。本领域技术人员可以理解的是，图4所示真空室600仅为示意性绘制，实际的真空室还会设置有诸如与真空泵相连接的抽气口等。

真空设备还包括加热旋转工件台，用于在真空环境中承载工件进行旋转以及对工件进行加热。加热旋转工件台采用前述加热旋转工件台实现，其具体结构可参考前文相关部分的内容。此处仅仅对加热旋转工件台的安装进行说明。在本实施例中，如图4所示，加热旋转工件台安装在真空室600的底部，其中，工件盘100设置在真空室600内，旋转轴200的一端与工件盘100 连接另一端从真空室600的底面伸出与外部电机700连接，外部电机700驱动旋转轴200旋转以带动工件盘100旋转、进而带动工件盘100所承载的工件(未示出)旋转。旋转轴200和真空室600底面之间可以采用例如磁流体密封等现有方式进行固定密封。感应线圈300设置在真空室600内位于工件盘100背对工件一侧的位置上(即位于工件盘100下方的位置上)。在本实施例中，感应线圈300采用中空铜管制成，该中空铜管的两端延伸至真空室600 外，与外部冷媒提供装置(未示出)的输出口和输入口分别连接。需要说明的是，为了简明起见，图4中仅仅示出了中空铜管中用于对工件盘100进行感应加热的部分、而并未示出中空铜管两端延伸至真空室600外与冷媒提供装置进行连接的部分。真空设备工作时，冷媒从冷媒提供装置的输出口流出进入中空铜管的一端，对中空铜管进行冷却后从中空铜管的另一端经由冷媒提供装置的输入口回到冷媒提供装置进行冷却，循环往复以实现对中空铜管的冷却。中空铜管和真空室600之间可以利用现有的O圈、垫片以及压块进行固定密封，使得中空铜管可以被固定在真空室600中位于工件盘100背对工件一侧的位置上。本领域技术人员可以理解的，中空铜管和真空室600之间还可以采用其他现有方式进行固定密封，例如通过焊接的方式对中空铜管和真空室600之间固定密封。感应加热电源400设置在真空室600外，通过导线与感应线圈300进行连接。在本实施例中，感应加热电源400可以直接与中空铜管伸出真空室600的部分连接，也可以通过伸入真空室600内的导线与中空铜管进行连接。保温罩500(如果加热旋转工件台包括保温罩的话) 设置在真空室600内，其可以通过直接诸如支撑架等装置(未示出)固定在真空室600内相应的位置上，使其对工件盘100下表面101b形成包裹。

需要说明的是，(1)图4中加热旋转工件台安装在真空室600的底部仅为示意性举例，在其他实施例中加热旋转工件台还可以安装在真空室600的其他位置上，例如顶部等；(2)除了真空室600和加热旋转工件台之外，真空设备还可能包括其他常规构成部件，由于发明点主要在加热旋转工件台，所以为了简明起见在此不再对所有可能的其他常规构成部件进行描述。(3) 真空设备可以是例如采用微波等离子体合成人造金刚石的MPCVD设备等，本领域技术人员可以理解的是，本实用新型所提供的真空设备不应仅仅限于上述所举例的MPCVD设备，凡是需要配置加热旋转工件台的真空设备(特别是对加热旋转工件台存在高温加热需求的真空设备)均落入本实用新型的保护范围内，为了简明起见，在此不再对所有可能的真空设备进行一一列举。

由于本实用新型所提供的真空设备使用了前述加热旋转工件台，可以实现将工件台加热超过700℃的高温，从而可以很好地满足那些对于工作台存在高温需求的应用。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个部件、单元或装置也可以由一个部件、单元或装置通过软件或者硬件来实现。

本实用新型所提供的适用于真空环境的加热旋转工件台包括工件盘、旋转轴、感应线圈以及感应加热电源，该感应线圈设置在工件盘背对工件的一侧并与感应加热电源相连接。当加热旋转工件台工作时，感应线圈在感应加热电源的作用下形成通过工件盘的交变磁场，在该交变磁场的作用下工件盘内产生涡流并发热，如此一来，使得工件盘自身成为热源从而实现对工件盘的加热。相较于将加热器作为热源通过热辐射方式对工件盘进行加热的现有技术来说，本实用新型所提供的加热旋转工件台通过感应加热的方式使工件盘自身成为热源，可以在不影响工件台旋转的情况下大大地提高真空环境中工件盘的加热温度(超过700℃)，从而可以很好地满足那些对于工作台存在高温需求的应用。相应地，采用上述加热旋转工件台所形成的真空设备可以实现将工件台加热超过700℃的高温。

以上所揭露的仅为本实用新型的一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种适用于真空环境的加热旋转工件台，该加热旋转工件台包括用于承载工件的工件盘、用于驱动该工件盘旋转的旋转轴、以及加热部，其特征在于：

所述加热部包括感应线圈以及感应加热电源，其中，所述感应线圈设置在所述工件盘背对所述工件的一侧并与所述感应加热电源连接，在所述感应加热电源的作用下所述感应线圈对所述工件盘进行感应加热。

2.根据权利要求1所述的加热旋转工件台，其特征在于，所述感应线圈是平面螺旋型线圈。

3.根据权利要求1所述的加热旋转工件台，其特征在于，所述感应线圈的尺寸略大于所述工件盘的尺寸。

4.根据权利要求1所述的加热旋转工件台，其特征在于，所述感应线圈采用中空铜管制成。

5.根据权利要求1所述的加热旋转工件台，其特征在于，所述工件盘采用耐高温金属材料制成。

6.根据权利要求5所述的加热旋转工件台，其特征在于，所述耐高温金属材料是钼、铁、钽中的一种。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的加热旋转工件台，其特征在于，所述加热旋转工件台还包括：

保温部，该保温部设置在所述感应线圈的外侧，对所述感应线圈以及所述工件盘的下表面形成包裹。

8.根据权利要求7所述的加热旋转工件台，其特征在于，所述保温部采用不锈钢制成。

9.一种真空设备，其特征在于：

所述真空设备包括真空室以及如权利要求1至8中任一项所述的加热旋转工件台，其中，所述工件盘和所述感应线圈设置在所述真空室内，所述旋转轴从所述真空室内伸出与外部电机连接，所述感应加热电源设置在所述真空室外。

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