DE102009057903B4

DE102009057903B4 - High temperature gas evaporation apparatus and method for high temperature gas evaporation

Info

Publication number: DE102009057903B4
Application number: DE200910057903
Authority: DE
Inventors: Ingo Dannenberg; Frank Becker; Michael Bauer
Original assignee: Calyxo GmbH
Current assignee: Calyxo GmbH
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2029-12-12
Also published as: DE102009057903A1

Abstract

Verdampfungsvorrichtung (1) für Beschichtungsanlagen zur Hochtemperaturgasverdampfung eines Materials bei Temperaturen von mindestens 700°C, mit einem Abschnitt zur Gasführung, in dem das zu verdampfende Material im Gasstrom mitgeführt wird, und einer Heizquelle (2, 3), die zumindest in dem Abschnitt das Gas-Materialgemisch erhitzt, um so das in dem Gas mitgeführte Material thermisch zu verdampfen, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizquelle (2, 3) einen Induktionsanreger (2) aufweist und einen Induktionskörper (3), in dem durch den Induktionsanreger (2) Wirbelströme anregbar sind, zwischen denen ein thermisches Isolationselement (5) vorgesehen ist, das insbesondere für die elektromagnetisch induktive Anregung des Induktionsanregers (2) nicht absorbierend ist, wobei Induktionskörper (3) und Abschnitt so angeordnet sind, dass der durch Induktion erwärmte Induktionskörper (3) das Gas-Materialgemisch in dem Abschnitt erhitzt.Evaporation apparatus (1) for coating plants for the high-temperature gas evaporation of a material at temperatures of at least 700 ° C, with a section for gas guidance, in which the material to be evaporated is carried in the gas stream, and a heating source (2, 3), at least in the section Gas-material mixture heated, so as to thermally evaporate the entrained material in the gas, characterized in that the heating source (2, 3) comprises an induction exciter (2) and an induction body (3), in which by the induction exciter (2) eddy currents can be excited, between which a thermal insulation element (5) is provided, which is not absorbent in particular for the electromagnetic inductive excitation of the induction exciter (2), wherein the induction body (3) and portion are arranged so that the induction heated by induction induction body (3) heated the gas-material mixture in the section.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Hochtemperaturgasverdampfungsvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Hochtemperaturgasverdampfung nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.The present invention relates to a Hochtemperaturgasverdampfungsvorrichtung according to the preamble of claim 1 and a method for high-temperature gas evaporation according to the preamble of claim 9.

Solche Verdampfervorrichtungen werden für Beschichtungsanlagen eingesetzt und basieren auf dem Prinzip des thermischen Verdampfens, bei dem das zu verdampfende Material auf Temperaturen oberhalb des Siedepunktes erhitzt wird. Im Fall solcher Hochtemperaturgasverdampfervorrichtungen wird das Material in einer Gasführungsleitung in einem Gasstrom geführt und das Gas-Materialgemisch mittels einer Heizquelle auf Temperaturen von mindestens 700°C, bevorzugt mindestens 1100°C und insbesondere mindestens 1200°C erhitzt.Such evaporator devices are used for coating plants and are based on the principle of thermal evaporation, in which the material to be evaporated is heated to temperatures above the boiling point. In the case of such Hochtemperaturgasverdampfervorrichtungen the material is guided in a gas guide line in a gas stream and the gas-material mixture by means of a heating source to temperatures of at least 700 ° C, preferably at least 1100 ° C and in particular at least 1200 ° C heated.

Bevorzugt kommen solche Hochtemperaturgasverdampfervorrichtungen im Rahmen der APCVD (atmospheric pressure chemical vapor deposition) zum Einsatz, bei der unter Atmosphärendruck gearbeitet wird. Um hierbei ausreichende Abscheideraten zu erhalten, sind sehr hohe Gasflüsse notwendig, weshalb der Wärmetauscher sehr groß zu dimensionieren ist, um die durch die Verdampfervorrichtung geführten großen Gas-Materialgemischmengen auf die hohen Temperaturen erhitzen zu können, bevor sie aus der Verdampfervorrichtung austreten. Daher sind solche Hochtemperaturgasverdampfervorrichtungen sehr große Bauteile, die vor allem im industriellen Maßstab eingesetzt werden.Such high-temperature gas evaporator devices are preferably used in the context of the APCVD (atmospheric pressure chemical vapor deposition), in which operation is carried out under atmospheric pressure. In order to obtain sufficient deposition rates in this case, very high gas flows are necessary, which is why the heat exchanger is to be sized very large in order to heat the guided through the evaporator device large amounts of gas mixture material to the high temperatures can before they escape from the evaporator device. Therefore, such high-temperature gas evaporator devices are very large components that are used primarily on an industrial scale.

Üblicherweise bestehen solche Gasverdampfervorrichtungen aus einem Widerstandsheizer aus dotiertem Siliziumkarbid und die Gasführungsleitung ist in der Regel aus undotiertem Siliziumkarbid gefertigt.Typically, such gas evaporator devices consist of a resistance heater made of doped silicon carbide and the gas guide line is usually made of undoped silicon carbide.

Die Gasverdampfervorrichtung wird dadurch betrieben, dass durch die Gasführungsleitung ein pulverförmiges, zu verdampfendes Material in einem Gasstrom, bevorzugt in einem Inertgas, wie z. B. Stickstoff, geführt wird und zugleich das Heizelement betrieben wird. Durch die von dem Heizelement ausgesandte elektromagnetische Strahlung wird durch Wärmestrahlung und Absorption in der beispielsweise aus undotiertem Siliziumkarbid gebildeten Gasführungsleitung eine Erhitzung der Gasführungsleitung hervorgerufen. Die Gasführungsleitung gibt dann über Konvektion Wärme an den Material-Gasstrom weiter, wodurch das pulverförmige Material erhitzt und bei Erreichen des Schmelzpunktes verdampft wird. Wenn Heizleistung, Länge der Gasführungsleitung und Menge des zu verdampfenden Materials geeignet aufeinander abgestimmt werden, dann wird das in die Gasverdampfereinrichtung eingebrachte Material vollständig und in den erforderlichen Mengen verdampft und steht für Beschichtungsprozesse zur Verfügung.The gas evaporator device is operated by the fact that a powdered, to be evaporated material in a gas stream, preferably in an inert gas, such as. B. nitrogen, is performed and at the same time the heating element is operated. As a result of the electromagnetic radiation emitted by the heating element, heating of the gas guide line is brought about by heat radiation and absorption in the gas guide line formed, for example, from undoped silicon carbide. The gas guide line then passes on convection heat to the material gas stream, whereby the powdery material is heated and evaporated when the melting point is reached. When the heating power, the length of the gas guide line and the amount of material to be vaporized are suitably matched to one another, the material introduced into the gas vaporizer device is evaporated completely and in the required amounts and is available for coating processes.

Die hierfür notwendige Gasverdampfervorrichtung ist – wie gesagt – in der Regel sehr groß, nämlich beispielsweise ist sie zylinderförmig aufgebaut und weist einen Durchmesser von ca. 0,5 m bis 0,7 m und eine Länge von ca. 1,5 m bis 2 m auf. Damit die Gasführungsleitung dennoch eine ausreichende Länge aufweist, wird sie über die Länge der Gasverdampfervorrichtung mehrfach gefaltet geführt, d. h. sie wird in mehreren Abschnitten parallel zur Längserstreckung der Gasverdampfereinrichtung geführt und an den seitlichen Enden der Gasverdampfervorrichtung um 180 Grad umgelenkt. Es handelt sich also ein Rohrbündel, das Verwendung findet.The gas evaporator device necessary for this purpose is - as stated - usually very large, namely, for example, it has a cylindrical structure and has a diameter of about 0.5 m to 0.7 m and a length of about 1.5 m to 2 m on. In order that the gas guide line nevertheless has a sufficient length, it is repeatedly folded over the length of the gas evaporator device, d. H. it is guided in several sections parallel to the longitudinal extent of the gas evaporator device and deflected at the lateral ends of the gas evaporator device by 180 degrees. It is therefore a tube bundle, which finds use.

Üblicherweise werden durch eine solche Gasverdampfervorrichtung ca. 400 l/min kalter bzw. 1.200 bis 1.600 l/min heißer Gasstrom geleitet und die Temperaturen der Gasführungsleitung liegen in der Regel zwischen 1.000°C und 1.400°C.Typically, about 400 l / min of cold or 1,200 to 1,600 l / min of hot gas stream are passed through such a gas evaporator device and the temperatures of the gas guide line are usually between 1,000 ° C and 1,400 ° C.

Nachteilig an solchen bekannten Gasverdampfervorrichtungen ist es, dass diese nur eine relativ geringe Standzeit aufweisen, die in der Regel zwischen 12 Stunden und 10 Tagen liegt. Nach dieser Zeit muss die gesamte Gasverdampfervorrichtung ausgetauscht werden, da sie unbrauchbar wird. Damit ist zum einen ein hoher Material- aber auch ein hoher Wartungsaufwand verbunden, der sich in erhöhten Kosten des Beschichtungsverfahrens niederschlägt.A disadvantage of such known gas evaporator devices is that they have only a relatively short service life, which is usually between 12 hours and 10 days. After this time, the entire gas evaporator device must be replaced because it is unusable. This is on the one hand a high material but also a high maintenance associated, which is reflected in increased costs of the coating process.

Die JP 08-035059 A und JP 2000-328233 A betreffen induktiv geheizte Schmelztiegel. Dabei tritt das verdampfte Material aus einer Öffnung des Schmelztiegels aus und schlägt sich auf einem Substrat nieder. Die Erhitzung des zu schmelzenden Materials erfolgt jeweils über Induktionsspulen. Ein Gasführungsabschnitt, in dem das in dem Gas mitgeführte Material thermisch verdampft wird, ist nicht vorhanden.The JP 08-035059 A and JP 2000-328233 A refer to inductively heated crucibles. In this case, the evaporated material emerges from an opening of the crucible and is deposited on a substrate. The heating of the material to be melted in each case via induction coils. A gas guide section, in which the entrained material in the gas is thermally evaporated, is absent.

Die US 3,594,215 A zeigt eine Verdampfervorrichtung mit einer Gasstromführung, wobei aber auch hier kein Abschnitt zur Gasführung vorgesehen ist, in dem ein Gas-Materialgemisch besteht, in dem das Material verdampft wird, sondern schon verdampftes Material wird im Gasstrom mitgeführt. Das zu verdampfende Material wird in einem Schmelztiegel induktiv erwärmt.The US 3,594,215 A shows an evaporator device with a gas flow guide, but also here no section for gas guidance is provided, in which a gas-material mixture consists, in which the material is evaporated, but already evaporated material is carried in the gas stream. The material to be evaporated is inductively heated in a crucible.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung sowie ein Verfahren zur Hochtemperaturgasverdampfung anzugeben, die bei gleicher Verdampferleistung erhöhte Standzeiten ermöglicht, so dass der Material- und Wartungsaufwand reduziert werden kann.The object of the present invention is therefore to provide a high-temperature gas evaporator apparatus and a method for high-temperature gas evaporation, which allows increased service life for the same evaporator performance, so that the material and maintenance costs can be reduced.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung nach Anspruch 1 und einem Verfahren zur Hochtemperaturgasverdampfung nach Anspruch 9. This object is achieved with a high temperature gas evaporator apparatus according to claim 1 and a method for high temperature gas evaporation according to claim 9.

Der Erfindung liegt die für den Fachmann überraschende Erkenntnis zugrunde, dass die Ursache für die Limitierung der Standzeit der gebräuchlichen Gasverdampfereinrichtungen in einer Undichtheit der Gasführungsleitung vor allem gegenüber Materialdurchtritt begründet liegt. Dies liegt daran, dass Gasführungsleitungen hauptsächlich aus Siliziumkarbid hergestellt werden. Siliziumkarbid weist als Material aber selbst schon gewisse Leckagen auf, so dass Material aus der Gasführungsleitung austreten kann.The invention is based on the knowledge, which is surprising for the person skilled in the art, that the cause for the limitation of the service life of the conventional gas evaporator devices lies in a leakage of the gas guide line, especially due to the passage of material. This is because gas ducts are mainly made of silicon carbide. However, silicon carbide itself already has some leakage as material, so that material can escape from the gas guide line.

Außerdem sind bei großtechnisch genutzten Gasverdampfereinrichtungen sehr große Längen für die Gasführungsleitung erforderlich, beispielsweise 10 bis 12 m wobei für die Erwärmung von 400 l/min Stickstoff in der Gasführungsleitung auf eine Temperatur von größer 1.000°C eine Strecke von ca. 4 m erforderlich ist. Dadurch bedingt treten innerhalb der Gasführungsleitung starke Wärmeunterschiede auf, die zu Spannungen führen. Diese Spannungen sorgen zum einen dafür, dass monolithisches Siliziumkarbid reißen kann. Andererseits bewirkt die Spannung ein Verkippen der Deckel der Gasverdampfereinrichtung, in der die 180°-Umlenkungen des Gasleitungsbündels vorgenommen werden, wodurch ebenfalls Bruchstellen auftreten und Leckagen erzeugt werden. Schließlich leidet unter den Verspannungen und dem Kippen auch der zum Verbinden einzelner monolithischer Siliziumkarbidteile verwendete Schlicker, keramischer Kleber oder Zement, in dem Risse entstehen können, so dass weitere Leckagen entstehen.In addition, very large lengths of the gas guide line are required for large-scale gas evaporator devices, for example 10 to 12 m with a distance of about 4 m is required for the heating of 400 l / min of nitrogen in the gas duct to a temperature of greater than 1000 ° C. As a result, strong heat differences occur within the gas guide line, which leads to stresses. On the one hand, these stresses ensure that monolithic silicon carbide can break. On the other hand, the voltage causes a tilting of the lid of the gas evaporator device, in which the 180 ° deflections of the gas line bundle are made, which also breaks points and leaks are generated. Finally, under the tension and tilting, the slurry, ceramic cement, or cement used to join individual monolithic silicon carbide pieces also suffers, in which cracks can be created, causing further leakage.

Die Erfinder haben nun erkannt, dass dieses austretende pulverförmige Material bzw. verdampftes Material die Standzeit der großtechnischen Gasverdampfereinrichtung dadurch begrenzt, dass sich Plasmen innerhalb der Gasverdampfereinrichtung ausbilden können. Dies kann zum einen innerhalb des Widerstandsheizers auftreten, der üblicherweise aus dotiertem Siliziumkarbid besteht, das in Form einer Doppelhelix geführt wird. An der Stelle, an der der Widerstandsheizer mit Strom versorgt wird, tritt aufgrund der Doppelhelixstruktur eine sehr hohe Potentialdifferenz auf. Durch dort eintretendes Material kann daher sehr leicht ein Plasma gezündet werden. Andererseits kann ein solches Plasma natürlich auch zwischen dem Widerstandsheizer und der Gasführungsleitung gezündet werden. Dies erfolgt deshalb, weil das für die Gasführungsleitung verwendete nicht dotierte Siliziumkarbid bei Temperaturen ab etwa 1.000°C ohmsch leitend wird. Hier kann also auch ein Kurzschluss durch Plasmaausbildung erfolgen.The inventors have now recognized that this exiting powdery material or vaporized material limits the service life of the large-scale gas evaporator device in that plasmas can form within the gas evaporator device. This can occur, on the one hand, within the resistance heater, which usually consists of doped silicon carbide, which is guided in the form of a double helix. At the point where the resistance heater is supplied with power, a very high potential difference occurs due to the double helical structure. By entering there material can therefore be easily ignited a plasma. On the other hand, of course, such a plasma can also be ignited between the resistance heater and the gas guide line. This is because the undoped silicon carbide used for the gas guide line becomes ohmic conductive at temperatures as high as about 1,000.degree. So here also a short circuit can be done by plasma education.

Unabhängig davon können natürlich auch systembedingte Schwingungen der Beschichtungsanlage zu Berührungen zwischen dem Strom führenden Heizer und der oberhalb 1.000°C leitenden Gasführungsleitung kommen.Irrespective of this, system-related oscillations of the coating system can of course also lead to contacts between the current-carrying heater and the gas guide line which conducts above 1000 ° C.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht nun darin, die Heizquelle dem Einfluss des Wärmetauschers zu entziehen, und zwar dadurch, dass die bisher verwendete ohmsche Heizquelle durch eine induktive Heizung durch Wirbelstromanregung ersetzt wird und dabei durch eine thermisch Isolierung eine räumliche Trennung des Induktionsanregers und des Induktionskörpers erfolgt, wobei der Induktionsanreger in einem kalten Bereich der Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung und der Induktionskörpers in dem heißen Bereich des Wärmetauschers angeordnet werden. Dadurch wird erreicht, dass die Heizquelle selbst dem Einfluss des Wärmetauschers entzogen ist. Stattdessen ist nur der Induktionskörper diesem Einfluss ausgesetzt, was jedoch unproblematisch ist, da es sich nur um ein passives Element handelt, das nicht selbst mit Strom beaufschlagt wird und daher weder Plasmen noch Korrosion entstehen können.The solution according to the invention consists in removing the heat source from the influence of the heat exchanger, namely by replacing the ohmic heating source used hitherto by an inductive heating by eddy current excitation and by spatial isolation of the induction exciter and the induction body by thermal insulation. wherein the induction exciter is disposed in a cold region of the high temperature gas evaporator device and the induction body in the hot region of the heat exchanger. This ensures that the heat source itself is removed from the influence of the heat exchanger. Instead, only the induction body is exposed to this influence, but this is not a problem, since it is only a passive element that is not itself subjected to power and therefore neither plasmas nor corrosion can occur.

Bei der erfindungsgemäßen Verdampfungsvorrichtung zur Hochtemperaturgasverdampfung eines Materials bei Temperaturen von mindestens 700°C, bevorzugt mindestens 1100°C, insbesondere mindestens 1200°C, mit einem Abschnitt zur Gasführung und einer Heizquelle, die zumindest in dem Abschnitt das Gas-Materialgemisch erhitzt, um so das in dem Gas mitgeführte Material thermisch zu verdampfen, weist also die Heizquelle einen Induktionsanreger auf und einen Induktionskörper, zwischen denen ein thermisches Isolationselement vorgesehen ist, wobei Induktionskörper und Abschnitt so angeordnet sind, dass der durch Induktion erwärmte Induktionskörper das Gas-Materialgemisch in dem Abschnitt erhitzt. Bevorzugt ist der Abschnitt von dem Induktionskörper umschlossen, da dann eine besonders effektive Erhitzung erfolgt.In the evaporation device according to the invention for the high-temperature gas evaporation of a material at temperatures of at least 700 ° C, preferably at least 1100 ° C, in particular at least 1200 ° C, with a section for gas guidance and a heating source which heats the gas-material mixture at least in the section so Thus, the material entrained in the gas to thermally evaporate, the heating source has an induction exciter and an induction body, between which a thermal insulation element is provided, wherein the induction body and portion are arranged so that the induction heated by induction induction body, the gas-material mixture in the section heated. The section is preferably enclosed by the induction body, since then a particularly effective heating takes place.

Damit bei der induktiven Erwärmung möglichst keine Verluste auftreten, ist es bevorzugt, wenn die thermische Isolierung nicht gegenüber der zur Wirbelstromanregung über Induktion verwendeten elektromagnetischen Strahlung absorbierend wirkt. Die thermische Isolierung soll in diesem Fall also für die elektromagnetisch induktive Anregung des Induktionsanregers transparent sein.In order that no losses occur during inductive heating, it is preferred if the thermal insulation does not have an absorbing effect on the electromagnetic radiation used for inducing eddy current via induction. The thermal insulation should therefore be transparent in this case for the electromagnetic inductive excitation of the induction exciter.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Induktionsanreger mit einer Kühleinrichtung versehen, die bevorzugt als Wasserkühlung ausgebildet ist. Dadurch wird eine Erwärmung des Induktionsanregers aufgrund von Widerstandsverlusten über ein bestimmtes Maß verhindert.In an advantageous development of the induction exciter is provided with a cooling device, which is preferably designed as a water cooling. This prevents heating of the induction exciter due to resistance losses above a certain level.

Zweckmäßig ist der Induktionsanreger als Induktionsspirale ausgebildet, die innen hohl ist und vorzugsweise als Material Kupfer umfasst. Kupfer lässt sich hochrein mit geringem elektrischen Wiederstand erzeugen, so dass hier möglichst geringe Verluste auftreten. Durch die hohle Ausbildung, kann eine Kühlung besonders effizient integriert werden. Suitably, the induction exciter is designed as an induction spiral, which is hollow inside and preferably comprises copper as the material. Copper can be produced highly pure with low electrical resistance, so that the lowest possible losses occur here. Due to the hollow design, cooling can be integrated particularly efficiently.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Abschnitt zur Gasführung durch ein Gasführungsrohr gebildet ist, das bevorzugt im Inneren des Induktionskörpers angeordnet ist. Dann können auch Korrosionseinflüsse des Gas-Materialgemisches auf den Induktionskörper verhindert werden. Zweckmäßig ist es, das Gasführungsrohr spiralförmig auszubilden, da dann ein ausreichender Erhitzungsweg auch bei kurzer Bauweise der Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung ermöglicht wird.It is particularly advantageous if the section for guiding the gas is formed by a gas guide tube, which is preferably arranged in the interior of the induction body. Then also corrosion effects of the gas-material mixture can be prevented on the induction body. It is expedient to form the gas guide tube spirally, since then a sufficient heating path is made possible even with a short design of the high-temperature gas evaporator device.

Es ist zu bevorzugen, dass das Gasführungsrohr aus einem elektrisch nicht leitendem Material gebildet ist, wobei vorteilhaft das Gasführungsrohr als Material Siliziumkarbid, Graphit und/oder Glas umfasst, wobei das Glas bevorzugt ein Quarzglas ist, das insbesondere opak ausgebildet ist. Ein opakes Glas absorbiert Wärmestrahlung und erhitzt sich selbst, so dass das Gas-Materialgemisch unabhängig von Wärmestrahlung auch über Wärmekonvektion erhitzt wird.It is preferable that the gas guide tube is formed of an electrically non-conductive material, wherein advantageously the gas guide tube as a material silicon carbide, graphite and / or glass, wherein the glass is preferably a quartz glass, which is particularly opaque. An opaque glass absorbs heat radiation and heats itself, so that the gas-material mixture is heated by heat convection, regardless of heat radiation.

In einer weiteren bevorzugten Weiterbildung besteht der Induktionskörper aus einem hochtemperaturfesten, elektrisch leitfähigen Material, das insbesondere Wolfram und/oder Titan umfasst. Dieses Material ist besonders unanfällig und eignet sich dennoch besonders als Induktionskörper.In a further preferred development, the induction body consists of a high-temperature-resistant, electrically conductive material, which in particular comprises tungsten and / or titanium. This material is particularly unsusceptible and is still particularly suitable as an induction body.

Der Induktionskörper ist dann besonders wirksam und lässt sich kostengünstig herstellen, wenn er im Bereich des Abschnitts im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet ist.The induction body is then particularly effective and can be produced inexpensively if it is formed in the region of the section substantially as a hollow cylinder.

Unabhängiger Schutz wird beansprucht für das erfindungsgemäße Verfahren zur Verdampfung von Material im Gasstrom bei Temperaturen von mindestens 700°C, bevorzugt mindestens 1100°C, insbesondere mindestens 1200°C, in einer Vorrichtung mit einem Abschnitt zur Gasführung und einer Heizquelle, die zumindest in dem Abschnitt das Gas-Materialgemisch erhitzt, um so in dem Gas mitgeführtes Material thermisch zu verdampfen. Dabei ist vorgesehen, dass die Erhitzung indirekt dadurch erfolgt, dass mittels eines Induktionsanregers eine induktive Erwärmung eines elektrisch leitenden Induktionskörpers erfolgt, der das Gas-Materialgemisch in dem Abschnitt erhitzt, wobei der Induktionsanreger von dem Induktionskörper thermisch isoliert wird.Independent protection is claimed for the inventive method for the evaporation of material in the gas stream at temperatures of at least 700 ° C, preferably at least 1100 ° C, in particular at least 1200 ° C, in a device with a section for gas guidance and a heating source, at least in the Section heats the gas-material mixture, so as to thermally evaporate entrained material in the gas. It is provided that the heating takes place indirectly in that by means of an induction excitation an inductive heating of an electrically conductive induction body takes place, which heats the gas-material mixture in the section, wherein the induction exciter is thermally insulated from the induction body.

Zweckmäßig ist es dann, wenn zur Durchführung des Verfahrens die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet wird.It is expedient if the device according to the invention is used to carry out the method.

Die Merkmale und Kennzeichen der vorliegenden Erfindung sowie weitere Vorteile werden im Folgenden durch die Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der einzigen Figur deutlich werden, wobei die Figur rein schematisch die erfindungsgemäße Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung 1 entlang eines horizontalen Schnittes zeigt.The features and characteristics of the present invention as well as further advantages will become apparent hereinafter by the description of a preferred embodiment with reference to the single figure, the figure purely schematically the Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung invention 1 along a horizontal section shows.

Die erfindungsgemäße Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung 1 weist eine Kupferspirale 2 als Induktionsanreger auf, einen Induktionskörper 3 und eine Gasführungsleitung 4. Zwischen Induktionsanreger 2 und Induktionskörper 3 ist eine thermische Isolierung 5 vorgesehen. Der Induktionsanreger 2 ist hohl ausgebildet und an einen Wasserkühlkreislauf 6 angeschlossen. Weiterhin ist der Induktionsanreger 2 mit elektrischen Anschlüssen 7 verbunden, an die eine Wechselstromanregung angeschlossen werden kann.The high-temperature gas evaporator device according to the invention 1 has a copper spiral 2 as an induction exciter, an induction body 3 and a gas routing line 4 , Between induction exciter 2 and induction body 3 is a thermal insulation 5 intended. The induction exciter 2 is hollow and connected to a water cooling circuit 6 connected. Furthermore, the induction exciter 2 with electrical connections 7 connected to which an AC excitation can be connected.

Die Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung 1 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei Induktionsanreger 2, thermische Isolierung 5, Induktionskörper 3 und Gasführungsleitung 4 im Wesentlichen konzentrisch angeordnet sind. Die Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung 1 weist als Abschluss Deckelelemente auf, die zur Vereinfachung nicht dargestellt sind.The high-temperature gas evaporator device 1 is formed substantially cylindrical, with induction exciter 2 , thermal insulation 5 , Induction body 3 and gas pipe 4 are arranged substantially concentric. The high-temperature gas evaporator device 1 has as a conclusion cover elements, which are not shown for simplicity.

Der Induktionsanreger 2 ist spiralförmig entlang der Zylinderachse ausgebildet, wobei die Spiralform zur Vereinfachung ebenfalls nicht dargestellt ist. Dabei besteht der Induktionsanreger 2 aus einem Hohlrohr aus hochreinem Kupfer. Die thermische Isolierung 5 besteht bevorzugt aus Aluminiumoxid. Der Induktionskörper 3 ist als Hohlzylinder ausgebildet und besteht aus Wolfram, das eine hohe Leitfähigkeit bei gleichzeitig guter Wirbelstromanregbarkeit aufweist. Die Gasführungsleitung 4 ist spiralförmig ausgebildet und besteht vorzugsweise aus einem opaken Quarzglas, kann aber beispielsweise auch aus Graphit oder Siliziumkarbid bestehen.The induction exciter 2 is formed spirally along the cylinder axis, wherein the spiral shape is also not shown for simplicity. There is the induction exciter 2 from a hollow tube of high-purity copper. The thermal insulation 5 is preferably made of alumina. The induction body 3 is designed as a hollow cylinder and consists of tungsten, which has a high conductivity with good eddy current excitability. The gas guidance line 4 is formed spirally and preferably consists of an opaque quartz glass, but may for example also consist of graphite or silicon carbide.

Durch Beaufschlagung des Induktionsanregers 2 mit einem Wechselstrom über die Anschlüsse 7 werden in dem elektrisch leitenden Induktionskörper 3 elektrische Wirbelströme induziert, die zu einer Erwärmung des Induktionskörper 3 führen. Die Gasführungsleitung 4 absorbiert aufgrund ihrer Opazität Wärmestrahlung. Das Gas-Materialgemisch wird dadurch mittels Wärmekonvektion an der Grenzfläche zwischen Gasführungsleitung 4 und Gas-Materialgemisch erhitzt, da in der Gasführungsleitung 4 die vom Induktionskörper 3 ausgehende Wärmestrahlung absorbiert wird und sich dadurch die Gasführungsleitung 4 selbst erhitzt. Zusätzlich wird das Gemisch natürlich auch über Wärmestrahlung erhitzt.By applying the induction exciter 2 with an alternating current through the connections 7 be in the electrically conductive induction body 3 induced electrical eddy currents, which leads to heating of the induction body 3 to lead. The gas guidance line 4 absorbs heat radiation due to its opacity. The gas-material mixture is characterized by means of heat convection at the interface between the gas guide line 4 and gas-material mixture heated because in the gas guide line 4 that of the induction body 3 Outgoing heat radiation is absorbed and thereby the gas guide line 4 heated himself. In addition, the mixture is of course also heated by thermal radiation.

Vorzugsweise kommt im Betrieb der Verdampfervorrichtung 1 ein inerter Gasstrom, beispielsweise Stickstoff zum Einsatz, in dem sich das zu verdampfende Material befindet, das vorteilhafterweise pulverförmig in dem Gasstrom mitgeführt wird. Das Material umfasst bevorzugt ein oder mehrere Elemente oder deren Mischung aus Stoffen der II., VI. Hauptgruppe oder II. Nebenprobe des Periodensystems der Elemente, beispielsweise CdTe oder CdS. Zum Verdampfen dieses Materials muss das Gas-Materialgemisch auf Temperaturen oberhalb 1000°C erhitzt werden. Problematisch daran ist, dass bei solchen Temperaturen der Induktionsanreger 2 in Mitleidenschaft gezogen werden würde, da der Schmelzpunkt von Kupfer bei ca. 1084°C liegt. Aber die thermische Isolierung 5 verhindert den Wärmeübertritt auf den Induktionsanreger 2. Die thermische Isolierung 5 sorgt dadurch auch für eine Verlustreduzierung, da die Wärme nicht nach außen dringt, sondern im Wesentlichen für die Verdampfung genutzt wird.Preferably comes in operation of the evaporator device 1 an inert gas stream, for example nitrogen is used, in which there is the material to be evaporated, which is advantageously carried in powder form in the gas stream. The material preferably comprises one or more elements or their mixture of substances of II., VI. Main group or II. Secondary sample of the Periodic Table of the Elements, for example, CdTe or CdS. To evaporate this material, the gas-material mixture must be heated to temperatures above 1000 ° C. The problem with this is that at such temperatures the induction exciter 2 would be affected, since the melting point of copper is about 1084 ° C. But the thermal insulation 5 prevents the heat transfer to the induction exciter 2 , The thermal insulation 5 This also ensures a loss reduction, as the heat does not escape to the outside, but is essentially used for evaporation.

Bei der erfindungsgemäßen Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung 1 wirken also mehrere Aspekte vorteilhaft zu einem synergistischen Effekt zusammen. Zum einen besteht die Heizquelle 2, 3 aus zwei räumlich getrennt angeordneten Elementen, nämlich dem Induktionsanreger 2 und dem Induktionskörper 3. Zum anderen weist die Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung 1 auf Grund der thermischen Isolierung 5 einen kalten Bereich außerhalb der thermischen Isolierung und einen heißen Bereich innerhalb der thermischen Isolierung 5 auf. Dadurch können die Eigenschaften der Heizquelle 2, 3 optimal an die bestehenden Bedingungen angepasst werden, wobei der Induktionsanreger 2 gegenüber einem Austritt des Gas-Materialgemisches sowohl durch die Gasführungsleitung 4 selbst als auch durch den Induktionskörper 3 und die thermische Isolierung 5 abgeschirmt ist. Eine Korrosion oder auch Plasmaentladungen sind daher nicht zu befürchten. Weiterhin überhitzt der Induktionsanreger 2 auch nicht, da es sich im kalten Bereich befindet und die Wasserkühlung 6 reicht aus, um die durch den elektrischen Widerstand erzeugte Erwärmung des Induktionsanregers in einem für das Material Kupfer unkritischen Temperaturbereich zu halten. Dadurch wird die Standzeit der erfindungsgemäßen Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung 1 gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen bedeutend verlängert.In the high temperature gas evaporator apparatus of the invention 1 Thus, several aspects work together advantageously to a synergistic effect. First, there is the heat source 2 . 3 from two spatially separated elements, namely the induction exciter 2 and the induction body 3 , On the other hand, the high-temperature gas evaporator device 1 due to the thermal insulation 5 a cold area outside the thermal insulation and a hot area inside the thermal insulation 5 on. This allows the properties of the heat source 2 . 3 be optimally adapted to the existing conditions, the induction exciter 2 against a discharge of the gas-material mixture both through the gas guide line 4 itself as well as through the induction body 3 and the thermal insulation 5 is shielded. Corrosion or plasma discharges are therefore not to be feared. Furthermore, the induction exciter overheats 2 also not, since it is in the cold area and the water cooling 6 is sufficient to keep the heat generated by the electrical resistance of the induction exciter in a non-critical for the material copper temperature range. As a result, the service life of the high-temperature gas evaporator device according to the invention 1 Significantly extended compared to conventional devices.

Natürlich ist es alternativ auch möglich, die Gasführungsleitung 4 wegzulassen und stattdessen den Induktionskörper 3 selbst als Gasführungsleitung zu verwenden. Dies kann allerdings zu Nachteilen führen, wenn das Gas-Materialgemisch gegenüber dem Material des Induktionskörpers 3 korrosiv wirkt, weshalb eine gesonderte Gasführungsleitung 4 bevorzugt wird, die insbesondere gegenüber dem Gas-Materialgemisch resistent ist. Ein weiterer Vorteil dieser gesonderten Gasführungsleitung 4 besteht darin, dass wenn diese beispielsweise aus eine opaken Quarzgas besteht, sich sehr leicht eine Leitung 4 mit ausreichend geringem Querschnitt verwirklichen lässt, so dass die Strömungsgeschwindigkeit des Gas-Materialgemisches so eingestellt werden kann, dass die Materialpartikel sicher vom Gasstrom mitgenommen werden. Damit dann das Gas-Materialgemisch sich ausreichend lang im Bereich des Induktionskörpers 3 aufhält und auf die gewünschten Temperaturen erhitzt werden kann, ist die Gasführungsleitung 4 spiralförmig ausgebildet, damit der effektive Heizweg eine ausreichende Länge aufweist. Alternativ kann natürlich bei Weglassen der separaten Gasführungsleitung 4 auch der Induktionskörper 3 selbst aus einem spiralförmigen Rohr mit geringem Querschnitt gebildet werden, was jedoch beispielsweise für einen Induktionskörper 3 aus Wolfram mit erhöhten Herstellungskosten verbunden ist.Of course, it is also possible alternatively, the gas guide line 4 omit and instead the induction body 3 to use itself as a gas pipe. However, this can lead to disadvantages if the gas-material mixture compared to the material of the induction body 3 corrosive, which is why a separate gas routing 4 is preferred, which is particularly resistant to the gas-material mixture. Another advantage of this separate gas guide line 4 is that if this consists for example of an opaque quartz gas, very easily a line 4 can be realized with sufficiently small cross-section, so that the flow rate of the gas-material mixture can be adjusted so that the material particles are taken safely from the gas stream. So then the gas-material mixture is sufficiently long in the region of the induction body 3 stops and can be heated to the desired temperatures, is the gas guide line 4 spirally formed so that the effective heating path has a sufficient length. Alternatively, of course, when omitting the separate gas guide line 4 also the induction body 3 itself be formed from a spiral tube with a small cross section, but for example, for an induction body 3 Tungsten is associated with increased manufacturing costs.

Aus dem Vorstehenden ist deutlich geworden, das mit der vorliegenden Erfindung Gasverdampfungsprozesse wesentlich effizienter durchgeführt werden können, da bei gleicher Verdampferleistung höhere Standzeiten der Hochtemperaturgasverdampfervorrichtung 1 gegenüber herkömmlichen Verdampfervorrichtungen ermöglicht werden, so dass im Prozess Material- und Wartungsaufwand und damit dessen Kosten reduziert werden.From the above it has become clear that with the present invention, gas evaporation processes can be carried out much more efficiently, since at the same evaporator performance longer service life of the high temperature gas evaporator device 1 compared to conventional evaporator devices are made possible, so that material and maintenance costs and thus its costs are reduced in the process.

Claims

Evaporation device ( 1 ) for coating plants for the high-temperature gas evaporation of a material at temperatures of at least 700 ° C, with a section for gas guidance, in which the material to be evaporated is carried in the gas stream, and a heat source ( 2 . 3 ) which heats the gas-material mixture at least in the section so as to thermally evaporate the material entrained in the gas, characterized in that the heating source ( 2 . 3 ) an induction exciter ( 2 ) and an induction body ( 3 ), in which by the induction exciter ( 2 ) Eddy currents are excitable, between which a thermal insulation element ( 5 ) is provided, in particular for the electromagnetic inductive excitation of the induction exciter ( 2 ) is non-absorbent, wherein induction body ( 3 ) and section are arranged so that the inductively heated induction body ( 3 ) heats the gas-material mixture in the section.

Evaporation device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the portion of the induction body ( 3 ) and / or that the evaporation device ( 1 ) for the high-temperature gas evaporation of a material Temperatures of at least 1100 ° C, in particular at least 1200 ° C is suitable.

Evaporation device ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the induction exciter ( 3 ) is provided with a cooling device which is preferably used as water cooling ( 6 ), wherein the induction exciter in particular as an induction spiral ( 3 ) is formed, which is hollow inside and preferably comprises as a material copper.

Evaporation device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the section for guiding the gas through a gas guide tube ( 4 ) is formed, which preferably in the interior of the induction body ( 3 ), wherein the gas guide tube ( 4 ) is in particular spirally formed.

Evaporation device ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the gas guide tube ( 4 ) is formed of an electrically non-conductive material.

Evaporation device ( 1 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the gas guide tube ( 4 ) comprises as material silicon carbide, graphite and / or glass, wherein the glass is preferably a quartz glass, which is formed in particular opaque.

Evaporation device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the induction body consists of a high-temperature-resistant, electrically conductive material, which in particular comprises tungsten and / or titanium.

Evaporation device ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the induction body ( 3 ) is formed in the region of the section as a hollow cylinder.

Method for evaporating material in the gas stream at temperatures of at least 700 ° C in a device with a section for gas guidance, in which the material to be vaporized is carried in the gas stream, and a heat source ( 2 . 3 ), which heats the gas-material mixture at least in the section so as to thermally evaporate material carried in the gas, characterized in that the heating is effected indirectly by means of an induction exciter ( 2 ) an inductive heating of an electrically conductive induction body ( 3 ) is carried out by eddy current excitation, which heats the gas-material mixture in the section, wherein the induction exciter ( 2 ) of the induction body ( 3 ) is thermally isolated.

Method according to claim 9, characterized in that a device ( 1 ) is used according to one of claims 1 to 8 and / or that the evaporation of the material at temperatures of at least 1100 ° C, in particular at least 1200 ° C.