DE102011055708B4

DE102011055708B4 - Vorrichtung zum Temperieren von Substraten, insbesondere von flexiblen Substraten

Info

Publication number: DE102011055708B4
Application number: DE102011055708.3A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2021-08-26
Anticipated expiration: 2031-11-26
Also published as: DE102011055708A1

Abstract

Vorrichtung zur Temperierung von Substraten, umfassend eine Walze mit einer Kontaktfläche (14) für ein Substrat, wobei die Walze einen Walzenkörper (1) mit einem ersten, zylinderförmigen Walzenabschnitt (2) aufweist, dessen Mantelfläche die Kontaktfläche (14) für das Substrat bildet, wobei- der Walzenkörper (1) ferner zweite Walzenabschnitte (3, 3') aufweist, die an den Stirnseiten des ersten Walzenabschnittes (2) ausgebildet sind, wobei die zweiten Walzenabschnitte (3, 3') gewölbte Böden sind;- an den Stirnseiten des Walzenkörpers (1) Wellen (11, 12) ausgebildet sind, deren Längssachsen auf der Längsachse des Walzenkörpers (1) liegen und die als Lagerzapfen für den Walzenkörper (1) dienen;- in den gewölbten Böden (3, 3') konzentrisch zur Längsachse des Walzen-körpers (1) Öffnungen (8, 8') ausgebildet sind, an deren Rändern die Wellen (11, 12) über scheibenförmige Flansche (10, 10') unter Verschluss der Öffnungen (8, 8') befestigt sind; und- die scheibenförmigen Flansche (10, 10') klöpperförmig ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Temperieren von Substraten, insbesondere von flexiblen Substraten.
Vorrichtungen zum Temperieren von Substraten sind erforderlich, wenn zumeist großflächige, flexible Substrate auf eine bestimmte Temperatur gebracht und gehalten werden sollen, wie dies beispielsweise für verschiedene Beschichtungsprozesse notwendig ist. Derartige Vorrichtungen sind häufig in einem abgeschlossenen Raum platziert, was die Möglichkeiten der Schaffung einer speziellen Atmosphäre in diesem Raum bietet. Der abgeschlossene Raum muss nicht ortsfest sein, d. h. Fahr-, Schwenk-, Hubbewegungen und andere sind möglich.
Viele Prozesse wie z. B. Beschichtungen von Folien müssen aus sicherheitstechnischen und technologischen Anforderungen in einem abgeschlossenen Raum, teilweise unter einer besonderen Atmosphäre (Überdruck, Unterdruck (Vakuum), technische Gase, Chemikalien, Temperaturen, Magnetfelder, Lichtdichtheit u. a.) ausgeführt werden. Der abgeschlossene Raum wird in der Technik je nach Branche auch als Kammer, Box, Rezipient, Reaktor, Testumgebung oder Prozessraum bezeichnet, wobei auch weitere Bezeichnungen vorkommen können.
Eine für derartige Prozesse geeignete Vorrichtung zur Temperierung von flexiblen Substraten muss grundsätzlich in einer möglichst kurzen Zeit die Zieltemperatur oder Prozesstemperatur erreichen und diese mit einer möglichst hohen Genauigkeit über längere Zeit halten, weiterhin eine möglichst homogene Temperaturverteilung auf der Substratauflagefläche aufweisen und auch in einer möglichst kurzen Zeit von der Zieltemperatur oder Prozesstemperatur wieder auf Raumtemperatur zu bringen sein.
Nach dem Stand der Technik werden sogenannte temperierbare Walzeneinheiten in den verschiedensten Ausführungen eingesetzt, mit denen Drehbewegungen in jeder Einbaulage ausgeführt werden können. Ebenso bekannt ist, dass die Temperierung über verschiedene Medien bzw. Systeme erfolgen kann. Beides ist mit mehreren Nachteilen verbunden.
Ein erster Nachteil bekannter Vorrichtungen ist die massive Bauweise der bekannten Vorrichtungen. Dadurch sind sehr lange Zeiten erforderlich, um von Raumtemperatur bis zur Prozesstemperatur und umgekehrt zu gelangen. Ferner sind die Vorrichtungen zusätzlich energetisch ungünstig, was Auswirkungen auf den Kostenfaktor, insbesondere die Betriebskosten hat.
Ein zweiter Nachteil bekannter Vorrichtungen ist die ungleichmäßige Temperaturverteilung über die Substratauflagefläche. Ursachen dafür sind teilweise ein unsymmetrischer Aufbau, ungünstige Temperaturverteilungen, Wärmeableitungen in die Umgebung und/oder Lagerungen. Schließlich führt der zumeist unsymmetrische Aufbau zu unsymmetrischen Temperaturverteilungen und demzufolge zu unsymmetrischen Verformungen des Walzenkörpers im Prozesszustand und damit zu hohen Abweichungen von Rundlauf und Zylindrizität.
Ein dritter Nachteil sind statische Probleme der bekannten Vorrichtung und deren vergleichsweise kurze Lebensdauer. Beispielsweise reißen Schweißnähte aufgrund der hohen thermischen Belastungen auf.
Ein weiterer Nachteil sind Dichtheitsprobleme aufgrund der hohen thermischen Belastungen. Beispielsweise lösen sich Befestigungsschrauben oder Dichtungen werden undicht.
Überdies sind zur Stabilisierung des Walzenmantels vor allem bei höheren Prozesstemperaturen Stützringe notwendig. Diese haben oftmals das Problem, dass sie (vor allem in abgeschlossenen Räumen mit Vakuum) nicht gleichmäßig erhitzt werden, was zu sehr hohen mechanischen Materialbeanspruchungen führt. Werden an diesen Stützringen Flanschdeckel befestigt, so werden diese aufgrund der hohen mechanischen Beanspruchungen zumeist undicht.
Aus DE 101 51 799 A1 ist eine Heizeinrichtung zum Vorerwärmen von thermoplastischen Kunststofffolien bekannt. Die Heizeinrichtung weist zwei drehbar gelagerte Heizwalzen auf, über die die Kunststofffolie läuft. Aus DE 33 31 865 A1 ist eine Seitenwand für rotierende Behälter bekannt. Die Seitenwand weist einen Klöpperboden auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es soll insbesondere eine Vorrichtung zum Temperieren von Substraten angegeben werden, die eine gleichmäßige Temperierung von Substraten ermöglicht. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll die Prozesstemperatur rasch erreicht, eine homogene Temperaturverteilung an der Kontaktfläche zu dem Substrat über einen vorgegebenen Zeitraum gewährleistet und anschließend die Raumtemperatur möglichst schnell erreicht werden. Schließlich soll die Vorrichtung energetisch günstig zu betreiben sein und eine hohe Lebenserwartung aufweisen. Die Vorrichtung soll insbesondere auch für Prozesstemperaturen von 600 °C und höher geeignet sein.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
Nach Maßgabe der Erfindung ist eine Vorrichtung zur Temperierung von Substraten vorgesehen, die eine Walze mit einer Kontaktfläche für ein Substrat umfasst, wobei die Walze einen Walzenkörper mit einem ersten, zylinderförmigen Walzenabschnitt aufweist, dessen Mantelfläche die Kontaktfläche für das Substrat bildet. Der Walzenkörper weist ferner zweite Walzenabschnitte auf, die an den Stirnseiten des ersten Walzenabschnittes ausgebildet sind, wobei die zweiten Walzenabschnitte gewölbte Böden sind. An den Stirnseiten des Walzenkörpers sind Wellen ausgebildet, deren Längssachsen auf der Längsachse des Walzenkörpers liegen und die als Lagerzapfen für den Walzenkörper dienen. In den gewölbten Böden sind konzentrisch zur Längsachse des Walzenkörpers Öffnungen ausgebildet sind, an deren Rändern die Wellen über scheibenförmige Flansche unter Verschluss der Öffnungen befestigt sind. Die scheibenförmigen Flansche sind klöpperförmig ausgebildet.
Die gewölbten Böden umfassen zweckmäßigerweise einen zylinderförmigen Teil, der an die Stirnseiten des ersten, zylinderförmigen Walzenabschnittes angrenzt, und einen zweiten gewölbten Teil, der in Bezug auf die Stirnseiten des ersten, zylinderförmigen Walzenabschnittes nach außen gewölbt ist. Die gewölbten Böden haben vorteilhafterweise die gleiche Geometrie, sind aber spiegelbildlich zueinander an dem ersten, zylindrischen Abschnitt angeordnet.
Vorzugsweise sind die gewölbten Böden Klöpperböden. Der Aufbau eines Klöpperbodens ist in DIN 28 011 in der Fassung von Januar 1993 beschrieben. Demnach besteht ein Klöpperboden aus einer mittleren kugelförmigen Kalotte, an deren Außenkante sich eine Krempe anschließt, die wiederum an den zylindrischen Teil, der als Bord bezeichnet wird, angrenzt. Ein Klöpperboden zeichnet sich nach DIN 28 011 insbesondere dadurch aus, dass der Radius r₁ der Kalotte dem Außendurchmesser d_a des zylindrischen Teils entspricht und der Radius r₂ der Krempe einem Zehntel des Außendurchmessers des zylindrischen Teils entspricht. Die Ausdehnung des zylindrischen Abschnittes und die Ausdehnung von Krempe und Kalotte in axialer Richtung hängen von der Wanddicke des Klöpperbodens ab. In der vorliegenden Erfindung kann jedoch der Radius r₁ der Kalotte das 0,9- bis 1,1 fache des Außendurchmessers d_a und der Radius r₂ der Krempe das 0,05- bis 0,15fache des Außendurchmessers d_a betragen, wobei r₁ = d_a und r₂ = 0,1 d_a bevorzugt ist.
Der zylindrische Teil der beiden gewölbten Böden und der dazwischen liegende zylinderförmige erste Walzenabschnitt bilden gemeinsam die Mantelfläche des Walzenkörpers. Die Mantelfläche des Walzenkörpers ist die Kontaktfläche für das Substrat. Das Substrat ist beispielsweise ein flächiges Substrat, das mit einer Flächenseite auf der Kontaktfläche des Walzenkörpers aufliegen kann. Das Substrat kann ein flexibles Substrat sein, beispielsweise eine Folie. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere zur Temperierung großflächiger Substrate geeignet.
Die Geometrie der erfindungsgemäß vorgesehenen Walze ist druckfest und somit hervorragend für einen Einsatz in einem abgeschlossenen Raum geeignet. Innerhalb des Walzenkörpers kann ein weiterer, unabhängiger, abgeschlossener Raum ausgebildet sein, insbesondere dann, wenn der erste Walzenschnitt ein Hohlzylinder ist. Die Geometrie des Walzenkörpers ist symmetrisch. Das bringt wesentliche Vorteile für die Gleichmäßigkeit der Temperaturverteilung. Stützringe, wie sie nach dem Stand der Technik zur Stabilisierung des Walzenmantels erforderlich waren, sind nicht länger notwendig. Die Funktion der Stützringe wird funktionell durch die gewölbten Böden übernommen. Der Vorteil dabei ist, dass die beiden Schweißnähte, die den ersten Walzenabschnitt und die gewölbten Böden verbinden, vollständig in der zylindrischen Mantelfläche liegen. Diese Geometrie bietet somit einen „sanften“ Übergang von der Mantelfläche in die gewölbte Stirnfläche des Walzenkörpers. Auf diese Weise werden die auftretenden Spannungen direkt vom Grundmaterial aufgenommen. Der Übergang von der zylindrischen Mantelfläche erfolgt innerhalb des gewölbten Bodens zwischen dessen zylindrischem Teil und der Krempe und nicht zwischen erstem Walzenabschnitt und den gewölbten Boden. Aus diesem Grund gibt es in dem Übergangsbereich keine Schweißnähte. Ein weiterer Vorteil ist, dass die gewölbte Geometrie Temperaturunterschiede in den Stirnseiten zulässt, ohne unzulässig hohe Materialbelastungen hervorzurufen. Damit wird das Ziel erreicht, dass sich der Walzenmantel auf Prozesstemperatur befindet, während die stirnseitigen Flansche eine davon abweichende Temperatur aufweisen können. Die durch die Temperaturen auftretenden Verformungen sind durch die gewählte Geometrie symmetrisch auf die Walze verteilt. Aus diesem Grund kann auch im Betriebszustand, d. h. wenn die Mantelfläche die Prozesstemperatur aufweist, eine hohe Rundlaufgenauigkeit erreicht werden. Weiterhin sind die Richtungen der axialen Verformungen, die durch die Temperaturunterschiede hervorgerufen werden können, vorgegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise in einem Gehäuse untergebracht, das einen abgeschlossenen Raum bildet. Innerhalb des Gehäuses ist die Walze zweckmäßigerweise so gelagert, dass sie um ihre Längsachse rotieren kann.
Der erste Walzenabschnitt ist vorzugsweise ein Hohlzylinder mit einer Wandstärke, die der Wandstärke des zylindrischen Teils der gewölbten Böden entspricht. Damit sind der Innendurchmesser und der Außendurchmesser des ersten Walzenabschnittes und der Innendurchmesser und der Außendurchmesser der gewölbten Böden gleich. Die gewölbten Böden können mit dem ersten Walzenabschnitt jeweils über eine Schweißnaht zwischen dem Bord des gewölbten Bodens und der angrenzenden Stirnseite des ersten Walzenabschnittes verbunden sein. Alternativ können der erste Walzenabschnitt und die beiden zweiten Walzenabschnitte gemeinsam als Vollkörper ausgebildet sein.
In den beiden gewölbten Böden können zur Längsachse der Walze konzentrische Öffnungen ausgebildet sein. Die Öffnungen sollten nicht über die Außenkanten der Kalotten hinausgehen. Die Öffnungen sind vorzugsweise kreisförmig. Die Außenkanten der Öffnungen können als Flanschringe ausgebildet sein. Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung befinden sich die Flanschringe wesentlich näher an der Raumtemperatur als die Mantelfläche, welche sich auf Prozesstemperatur befindet. Auf diese Weise werden Spannungen in dem Walzenkörper minimiert.
An den Stirnseiten des Walzenkörpers sind Wellen ausgebildet, deren Längsachsen auf der Längsachse des Walzenkörpers liegen. Vorzugsweise weisen die Wellen jeweils einen zylinderförmigen Grundkörper mit einer Mantelfläche auf, an der ein scheibenförmiger Flansch ausgebildet ist, der sich zum Rand der Öffnung in den gewölbten Boden des Walzenkörpers erstreckt und dort mit dem gewölbten Boden unter vollständigem Verschluss der Öffnungen lösbar verbunden ist. Der scheibenförmige Flansch weist vorzugsweise eine Wölbung auf, die, bezogen auf den Walzenkörper, nach außen gewölbt sein sollte. Über den scheibenförmigen Flansch ist die Welle an dem gewölbten Boden befestigt. Ist der gewölbte Boden an seiner Öffnung mit einem Flanschring versehen, ist der scheibenförmige Flansch der Welle vorzugsweise an diesem Flanschring lösbar befestigt. Dabei kann ein Formschluss zwischen dem scheibenförmigen Flansch der Welle und dem Flanschring vorgesehen sein. Die Verbindung zwischen dem scheibenförmigen Flansch und dem gewölbten Boden ist lösbar, um einen Zugang zu Einbauten wie beispielsweise Heizung/oder Kühlung zu ermöglichen, die sich im Innenraum des Walzenkörpers befinden. Das kann insbesondere im Servicefall zweckmäßig sein. Die lösbare Verbindung zwischen dem scheibenförmigen Flansch und dem gewölbten Boden kann beispielsweise durch Schraubverbindungen, beispielsweise mittels Schrauben hergestellt werden. Die Verbindung zwischen dem scheibenförmigen Flansch und dem gewölbten Boden kann mittels Dichtungen gedichtet sein.
Die Wellen können an einer oder beiden Stirnseiten gedichtet sein, beispielsweise mittels eines Deckels. Zweckmäßigerweise ist eine solche Dichtung an der Stirnseite der Welle vorgesehen, die dem Walzenkörper abgewandt ist.
Erfindungsgemäß sind die scheibenförmigen Flansche ebenfalls in Klöpperform ausgeführt. Mit anderen Worten, die scheibenförmigen Flansche sind selbst wiederum Klöpperböden, die - ausgehend von der Mantelfläche der Welle - eine Kalotte aufweisen, durch die die Welle konzentrisch geführt ist und an die eine Krempe angrenzt, die in Bord übergeht. An dem Bord ist ein Flansch ausgebildet, der an dem Flanschring befestigt ist. Hinsichtlich der Radien der Kalotten und der Krempen, des Außendurchmessers des zylindrischen Teils sowie der Ausdehnungen und Wanddicken gelten dieselben Bedingungen, die oben im Zusammengang mit den zweiten Walzenabschnitten, die als Klöpperboden ausgebildet sind, beschreiben wurden. Die Ausführung der scheibenförmigen Flansche in Klöpperform ist insbesondere bei sehr hohen Temperaturunterschieden zwischen der Mantelfläche des Walzenkörpers und den Wellen vorteilhaft hinsichtlich der Spannungsverteilungen im Material, der Temperaturhomogenität sowie dem Rundlaufverhalten.
Zweckmäßigerweise sind Lager für die Wellen vorgesehen. In diesem Sinne sind die Wellen Lagerzapfen für die Lagerung der Walze. In einer Ausführungsform ist eine der Wellen in einem Loslager gelagert, während die andere Welle in einem Festlager gelagert ist. Beide Lager können an dem Gehäuse ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise wird die Walze über die Welle angetrieben, die in dem Festlager gelagert ist. Diese Welle, die im Folgenden auch als Antriebswelle bezeichnet wird, erstreckt sich vorzugsweise von einer Antriebseinheit, die außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, durch eine Öffnung in dem Gehäuse in dessen Innenraum. An dieser Öffnung in dem Gehäuse kann das Festlager für die Antriebswelle ausgebildet sein. An der Stirnseite der Antriebswelle, die sich in dem Gehäuse befindet, ist vorzugsweise der Flansch ausgebildet, der sich von der Mantelfläche der Antriebswelle bis zum Rand der Öffnung in dem gewölbten Boden erstreckt.
Die Antriebswelle, die, wie beschrieben, die Welle und den Flansch umfasst, der sich von ihrer Mantelfläche bis zum Außenrand der Öffnung in dem gewölbten Boden erstreckt, trägt vorzugsweise die mechanische Last des Walzenkörpers und sollte dementsprechend stabil ausgelegt sein. Die für den Walzenkörper angewandten Grundsätze gelten vorzugsweise ebenso für die Antriebswelle: Der scheibenförmige Flansch ist gewölbt, um Verformungen durch die Temperaturbelastungen und/oder Temperaturunterschiede bei Materialspannungen ausgleichen zu können. Die Übergänge in die Welle sind „sanft“ und stabil ausgelegt. Die Antriebswelle kann so dimensioniert sein, dass eine einseitige, sogenannte fliegende Lagerung des Walzenkörpers ermöglicht wird. In diesem Falle ist keine zweite Lagerung und damit keine Welle an dem anderen gewölbten Boden erforderlich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst dann nur die Antriebswelle.
Ist eine Welle an dem anderen gewölbten Boden vorgesehen, so kann diese zweite Welle über eine Stützlagerung mit dem Gehäuse verbunden sein. Die Stützlagerung ist zweckmäßigerweise ein Loslager. Die Stützlagerung sollte so ausgeführt werden, dass sie die Ausdehnungen aufgrund der thermischen Bedingungen aufnehmen kann. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der scheibenförmige Flansch der zweiten Welle - im Gegensatz zur Antriebswelle - nicht an einer ihrer Stirnseiten, sondern von beiden beabstandet ausgebildet. Die zweite Welle kann mit einem Deckel gedichtet oder mit einer Mediendrehdurchführung ausgerüstet sein.
Die im Walzenkörper angewandten Grundsätze gelten ebenso für die zweite Welle. Der scheibenförmige Flansch ist gewölbt, um Verformungen durch die Temperaturbelastungen und/oder Temperaturunterschiede bei Materialspannungen ausgleichen zu können. Die Übergänge in die Welle sind „sanft“ und stabil ausgelegt.
Der Walzenkörper, einschließlich der Wellen, sollte in Bezug auf seine Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
Im Walzenkörper können Einbauten vorgesehen sein. Beispielhafte Einbauten sind Heizungen, Kühlungen, Messtechnik/Sensorik, Isolierungen, Strahlungsschutz, Gaseinlass für technische Gase, Medienleitsysteme, Befestigungen, Stützlager, Inspektionssysteme, Ventile, mechanische/elektrische/optische Komponenten. Die Aufteilung der Inneneinbauten kann wahlweise so gewählt werden, dass sich die inneren Elemente der Einbauten, d. h. die Elemente, die sich im Walzenkörper befinden sollen, von der einen oder beiden Stirnseiten des Walzenkörpers her montieren lassen. Der Vorteil der Montierbarkeit der Einbauten von der Stirnseite des Walzenkörpers, an der die zweite, in einem Loslager gelagerte Welle vorgesehen ist, besitzt den Vorteil der besseren Zugänglichkeit.
Ist ein Gehäuse vorgesehen, so bildet es einen abgeschlossenen Raum, in dem der Walzenkörper angeordnet ist. Der abgeschlossene Raum kann mit der Atmosphäre, peripheren Anlagen und/oder Komponenten sowie mit anderen abgeschlossenen Räumen verbunden sein. Dazu kann das Gehäuse Ventile, Schleusen und/oder Klappen aufweisen. Es kann jedoch auch eine direkte Verbindung zwischen dem abgeschlossenen Raum und der Atmosphäre, den peripheren Anlagen und/oder Komponenten bestehen, ohne dass eine dichtende Verbindung vorgesehen ist.
Das Gehäuse kann Klappen, Türen und/oder Schleusen aufweisen, die geöffnet werden können, um das Substrat in den abgeschlossenen Raum einzubringen und wieder zu entfernen. Alternativ können spezielle Schleusen in dem Gehäuse ausgebildet sein, durch die das Substrat endlos in den geschlossenen Raum einläuft und diesen ebenso auch wieder verlässt.
In den abgeschlossenen Raum können Medien (z. B. Gase) eingelassen werden, wenn dies aus technologischen Gründen erforderlich ist. Gleiches gilt für den Innenraum des Walzenkörpers.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass außen um den Walzenkörper herum, also innerhalb des vom Gehäuse abgeschlossenen Raumes, Temperiereinrichtungen sowie Prozesseinrichtungen angeordnet sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung muss nicht ortsfest sein. Dazu können Einrichtungen vorgesehen sein, die beispielsweise Fahr-, Schwenk-, Hubbewegungen und/oder andere Bewegungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglichen.
Die dieser Erfindung zugrunde liegende geometrische Gestaltung des temperierbaren Walzenkörpers besitzt eine Vielzahl von Vorteilen. Es ist eine sehr gleichmäßige Temperaturverteilung am Walzenmantel erreichbar. Die Walzengeometrie ist spannungsoptimiert, so dass nur geringe Materialspannungen auftreten. Die Temperaturen der stirnseitigen scheibenförmigen Flansche und der Wellen können deutlich unter der Prozesstemperatur des Walzenmantels liegen. Die stirnseitigen Dichtungen zwischen den scheibenförmigen Flanschen und den gewölbten Böden, wie sie beispielsweise an den Flanschenringen der gewölbten Böden vorgesehen sein können, sind im Außendurchmesser wesentlich kleiner als der Außendurchmesser des ersten, zylinderförmigen Walzenabschnittes, wodurch eine geringere mechanische Belastung des Bodenbefestigungsbereiches, einschließlich Dichtung, und damit eine höhere Betriebssicherheit im Hinblick beispielsweise auf Dichtheit und Lebensdauer sowie eine kostengünstige Dichtung erreicht wird. Schließlich gibt es keine Schweißnähte im Übergangsbereich vom Mantel in den gewölbten Boden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung sorgt für eine geleichförmige Temperierung der Substrate und vermeidet die bekannten Probleme des Standes der Technik. Die Temperatur der Substratauflagefläche, d. h. der Kontaktfläche auf dem Walzenkörper, lässt sich deckungsgleich mit der gewünschten Prozesstemperatur halten, wogegen die stirnseitigen Flansche und vor allem die Lagerzapfen in der Nähe der Raumtemperatur, zumindest aber deutlich unter der Prozesstemperatur, gehalten werden können.
Diese Erfindung ermöglicht es, gleichmäßige Prozesstemperaturen auf der Kontaktfläche für das Substrat von mindestens 600 °C bis ca. 800 °C und mehr zu erreichen. Dies steht im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem sich Temperaturen oberhalb 250°C nur schwer erreichen lassen, weil dazu kein Wärmeträgeröl als Medium mehr verwendet werden kann, die Festigkeitskennwerte der Materialien sehr stark nachlassen oder beides.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung vermeidet die bisher üblichen „schroffen“ Übergänge sowie Schweißverbindungen in den am höchsten belasteten Bereichen. Statt dessen sind „weiche“ Übergänge zwischen den Funktionsbereichen „Prozess“ (Mantelfläche/Substratauflagefläche) und „Lagerung“ zu vorzusehen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann unter Verwendung bekannter bzw. im Handel erhältlicher Halbzeuge gebaut werden, wodurch einerseits die vorhandenen Erfahrungen in der Bauteilauslegung genutzt und andererseits eine kostengünstige Lösung erhalten werden können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen, die die Erfindung nicht einschränken sollen, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen

1 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Walzenkörpers, einschließlich der Antriebswelle und der zweiten Wellen;
2 eine Schnittdarstellung eines Klöpperbodens;
3 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die den in 1 gezeigten Walzenkörper umfasst; und
4 eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Walzenkörpers, einschließlich der Antriebswelle und der zweiten Wellen.

Der in 1 gezeigte Längsschnitt einer ersten Ausführungsform des Walzenkörpers 1 lässt erkennen, dass der Walzenkörper einen zylinderförmigen ersten Walzenabschnitt 2 umfasst, an dessen Stirnseiten zweite Walzenabschnitte 3, 3' als Klöpperböden ausgebildet sind. Der Walzenkörper 1 ist rotationssymmetrisch in Bezug auf seine Längsachse (A). Die Klöpperböden 3, 3' sind mit dem ersten Walzenabschnitt 2 über Schweißnähte 4, 4' verbunden. Beide Klöpperböden 3, 3' haben dieselbe Geometrie, sind aber spiegelbildlich zueinander an dem ersten Walzenabschnitt 2 ausgebildet. Die Klöpperböden 3, 3' sind, bezogen auf den Walzenkörper, nach außen gewölbt.
Die Geometrie der Klöpperböden 3, 3' wird nachfolgend mit Bezug auf den Klöpperboden 3 erläutert, wobei der Klöpperboden 3' dieselbe Geometrie besitzt. 3 zeigt den Klöpperboden 3, wobei in dieser Darstellung zur Vereinfachung auf die Darstellung der Öffnung in dem Klöpperboden 3 verzichtet wurde. In Bezug auf die Querachse B spiegelsymmetrische Teile des zweiten Klöpperbodens 3' sind durch Hinzufügung eines Oberstriches zu dem Bezugszeichen gekennzeichnet.
Der Klöpperboden 3 umfasst einen zylindrischen Teil 5, dessen Außen- und Innendurchmesser dem Außen- und Innendurchmesser des ersten Walzenabschnittes 2 entspricht. An den zylindrischen Teil 5 schließt sich die Krempe 6 an, deren Radius r₂ dem 0,1 fachen des Außendurchmessers d_a des zylindrischen Teils 5 des Klöpperbodens 3 entspricht. An diese Krempe 6 schließt sich eine Kalotte 7 an, deren Radius r₁ dem Außendurchmesser d_a des zylindrischen Teils 5 des Klöpperbodens 3 entspricht. Die Ausdehnung h₁ des zylindrischen Teils 5 und die maximale Ausdehnung h₂ der Krempe 6 und der Kalotte 7 in axialer Richtung hängen von der Wanddicke des Klöpperbodens ab. Dabei gilt h₁ ≥ 3,5 s und h₂ =0,1935 d_a - 0,455 s, wobei s die Wanddicke bezeichnet.
In den Kalotten 7, 7' der Klöpperböden 3, 3' sind konzentrische Öffnungen 8, 8' ausgebildet. An den Öffnungen sind Flanschringe 9, 9' ausgebildet. Die Öffnungen 8, 8' sind von scheibenförmigen Flanschen 10, 10' verschlossen. Diese erstrecken sich von den Mantelflächen der Wellen 11, 12, deren Längsachse auf der Längsachse des Walzenkörpers 1 liegt, bis zu den Flanschringen 9, 9' an den Klöpperböden 3, 3', an denen sie lösbar befestigt sind. Die Wellen 11, 12 können Hohlwellen sein. Die scheibenförmigen Flansche 10, 10' sind spiegelsymmetrisch in Bezug auf Querachse B. Die Verbindung zwischen den scheibenförmigen Flanschen 10, 10' und den Flanschringen 9, 9' ist mittels Dichtungen 15, 15' gedichtet.
Welle 12, die angetrieben sein kann (siehe 3), weist den scheibenförmigen Flansch 10' an seiner Stirnseite auf, und zwar an der Stirnseite, die dem Walzenkörper 1 zugewandt ist. Die andere Stirnseite kann, wie in 3 gezeigt, außerhalb eines Gehäuses 22, in dem der Walzenkörper 1 angeordnet ist, liegen.
Bei Welle 11 ist der scheibenförmige Flansch 10 hingegen an der Mantelfläche der Welle 11 von beiden Stirnseiten der Welle 11 beabstandet ausgebildet.
Die äußere Mantelfläche des zylinderförmigen ersten Walzenabschnittes 2 ist die Kontaktfläche 14, an der ein Substrat auf dem Walzenkörper 1 aufliegen kann. An der Kontaktfläche 14 soll die Zieltemperatur herrschen, und zwar gleichmäßig über die gesamte Kontaktfläche 14. Die Zieltemperatur ist die Prozesstemperatur, die für die Bearbeitung des Substrates an der Kontaktfläche vorgegeben ist. In 3 ist die maximale Substratbreite dargestellt; die Substratbreite kann geringer, sollte aber nicht wesentlich bereiter sein. Insbesondere sollte sie nicht über die zylindrischen Teile 5, 5' der Klöpperböden 3, 3' hinausgehen.
In 3 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 21 gezeigt. Die Vorrichtung 21 umfasst ein Gehäuse 22, in dem der Walzenkörper 1 um seine Längsachse drehbar gelagert ist. Dazu sind ein Festlager 25 für die Welle 12 als Hauptlagerung und bei Bedarf ein Loslager 26 für die Welle 11 an dem Gehäuse 22 ausgebildet. Die Welle 11 kann an ihrer Stirnseite, die dem Walzenkörper 1 abgewandt ist, mit einem Deckel 23 gedichtet sein. Anstelle eines Deckels 23 kann eine Drehdurchführung zur Abdichtung und Medienführung vorgesehen sein.
Der Walzenkörper 1 wird über Welle 12, die die Antriebswelle ist, angetrieben. Der Walzenantrieb 24 für die Antriebswelle liegt außerhalb des Gehäuses 21. Die Antriebswelle 12 erstreckt sich durch eine Öffnung in dem Gehäuse 21 in dessen Innenraum 27. Diese Öffnung ist in der gezeigten Ausführungsform gleichzeitig als Festlager 25 für die Antriebswalze 12 ausgebildet. Die Festlagerung über das Festlager 25 umfasst eine Dichtung, die den Innenraum 27 des Gehäuses gegen die Umgebung dichtet. Der Walzenantrieb 24 kann gleichzeitig eine Drehdurchführung für Medien umfassen, die in den Innenraum 27 des Gehäuses oder in den Innenraum 13 des Walzenkörpers 1 eingeführt oder daraus abgeführt werden sollen.
Die Welle 11 kann bei Bedarf in einem Loslager 26, das ein Stützlager ist, abgestützt werden und wird deshalb auch als Stützwelle bezeichnet. Die Loslagerung über das Loslager 26 kann eine Dichtung umfassen.
Der Innenraum 27 des Gehäuses 22 ist gegenüber der Umgebung abgeschlossen und bildet so einen ersten abgeschlossenen Raum. Ebenso ist der Innenraum 13 des Walzenkörpers 1 gegenüber dem Innenraum des Gehäuses 22 abgeschlossen, wodurch ein zweiter abgeschlossener Raum entsteht. In der Umgebung, dem ersten abgeschlossenen Raum 27 und dem zweiten abgeschlossenen Raum 13 können unabhängig voneinander unterschiedliche Bedingungen, beispielsweise Drücke, Temperaturen und/oder Zusammensetzungen der Atmosphäre, eingestellt werden. Beispielsweise kann in der Umgebung ein Druck p₁ herrschen, der Atmosphärendruck (ATM) entspricht, während in Raum 27 ein Druck p₂ und in Raum 13 ein Druck p₃ eingestellt ist. Druck p₂ kann höher oder niedriger als Druck p₁ sein. Druck p₃ kann höher oder niedriger als Druck p₂ sein. An der Außenseite des Gehäuses 22 sollte Raumtemperatur (RT) herrschen.
In der Antriebswelle 12 können Medienkanäle 28, 29 verlaufen, über die Medien, beispielsweise Temperiermedien in die Innenräume 13, 27 geführt werden können. Die Medienkanäle können konzentrisch in der Antriebswelle 12 angeordnet sein. Beispielweise kann sich ein erster Medienkanal 28 in den Innenraum 13 des Walzenkörpers 1 erstrecken, während ein zweier Medienkanal 29 sich in den Innenraum 27 des Gehäuses 22 erstreckt. Die Medienkanäle 28, 29 erlauben insbesondere die Einführung und Abführung von Medien, beispielsweise Gasen, in den Innenraum 13 des Walzenkörpers 1 bzw. den Innenraum 27 des Gehäuses 22.
In 3 werden die Medienkanäle 28, 29 von einem Innenrohr 30 gebildet, dass konzentrisch durch die Antriebswelle 12 verläuft. Der Außendurchmesser des Innenrohres 30 ist kleiner als der Innendurchmesser der Antriebswelle 12, wobei die äußere Mantelfläche des Innenrohres 30 von der inneren Mantelfläche der Antriebswelle 12 beabstandet ist. Durch diesen Abstand wird der Medienkanal 29 gebildet, der sich in den Innenraum 27 des Gehäuses 22 erstreckt. Das Innenrohr 30 erstreckt sich in den Innenraum 13 des Walzenkörpers 1. In 3 erstreckt sich das Innenrohr bis zu einem Stützlager 31, das an der Stützwelle 11 ausgebildet ist, und ist dort gelagert. Das Innenrohr 31 erstreckt sich dabei von dem Raum, das den Klöpperboden 3' begrenzt, durch den Raum, den der erste Walzenabschnitt umgrenzt, bis in den Raum, den Klöpperboden 3 begrenzt. An der Stirnseite des Innenrohres 30, an dem es auf dem Stützlager 31 gelagert ist, können bei Bedarf Leitbleche 32 vorgesehen sein. Weitere Leitbleche 32' können an Mantelfläche des Innenrohres 30 ausgebildet sein, und zwar in dem Raum, den der Klöpperboden 3' begrenzt. Die Leitbleche 32, 32' sind scheibenförmige Elemente, die sich, ausgehend von dem Innenrohr 30, in Richtung der Mantelfläche des zylindrischen Teils 5, 5' der Klöpperböden 3, 3' bis in Höhe der Flanschringe 9,9' erstrecken und dabei in Richtung des Raumes, der von dem ersten Walzenabschnitt 2 umgrenzt ist, geneigt sind. Zwischen den Leitbleche 32, 32' sind Einbauten, beispielsweise ein Wärmestrahler 33 angeordnet. Die Leitbleche 32, 32' schützen die scheibenförmigen Flansche 10, 10' vor der Wärmestrahlung, die von einem Temperierelement 33, abgegeben wird. Mit den Leitblechen 32, 32' können die Temperierung, die Medienverteilung innerhalb der Walze sowie die Belüftung des Innenraumes 13 unterstützt werden, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn Medienkanäle 28, 29 vorgesehen sind.
Die Einbauten können an dem Innenrohr 30 befestigt sein. Das Innenrohr kann Einbauten wie beispielsweise innenliegende Mediensysteme, Heizung, Kühlung, Sensorik, Leitbleche, Strahlungsschutz, Isolation und anderes tragen.
Das Temperierelement 33 ist in der in 3 gezeigten Ausführungsform ein rohrförmiges Element, dessen Längsachse auf der Längsachse (A) der Walze liegt. Die wärme-abstrahlende Mantelfläche des Temperierelements 33 ist der Innenseite des Walzenkörpers 1 zugewandt. Das Temperierelement 33 erstreckt sich dabei von dem Raum, das den Klöpperboden 3' begrenzt, durch den Raum, den der erste Walzenabschnitt umgrenzt, bis in den Raum, den Klöpperboden 3 begrenzt. Damit wird sichergestellt, dass an der gesamten Kontaktfläche 14 die Zieltemperatur eingestellt werden kann. Das Temperierelement 33 ist an dem Innenrohr 30 mittels Stützelementen 34, 34' befestigt, die sich von der Mantelfläche des Innenrohres 30 in radialer Richtung bis zur inneren Mantelfläche des Temperierelements 33 erstrecken. Die Stützelemente können bei Bedarf isolierend ausgestattet sein, beispielsweise mit einer thermischen und/oder elektrischen Isolation. Zwischen dem Innenrohr 30 und der inneren Mantelfläche des Temperierelements 33 kann ein Isolationselement 35 angeordnet sein, das das Innenrohr 30 gegen das Temperierelement 33 isoliert. Das Isolationselement 35 kann einen Strahlungsschutz und/oder eine Kühlung umfassen.
Das Temperierelement 33 kann Einrichtungen wie Sensorik, Strahlungsschutz und/oder Isolation umfassen. Es kann beispielsweise ein Heizstrahler sein. Das Temperierelement kann aus Segmenten bestehen, welche unabhängig voneinander betrieben werden können. Die Wärmestrahlung ist in 3 mit Pfeilen 33X zur Veranschaulichung beispielhaft und symbolisch dargestellt.
Die in 4 dargestellte zweite Ausführungsform des Walzenkörpers 1 entspricht der in 1 gezeigten Ausführungsform, außer dass die scheibenförmigen Flansche 10, 10', die sich von den Wellen 11, 12 bis zu den Ringflanschen 9, 9' der Klöpperboden 3, 3' erstrecken, ebenfalls in Klöpperform ausgeführt sind. Mit anderen Worten, die scheibenförmigen Flansche 10, 10' sind selbst wiederum Klöpperböden, die - ausgehend Mantelfläche von der Welle 11, 12 - eine Kalotte 47, 47' aufweisen, durch die die Welle 11, 12 konzentrisch geführt ist und an die eine Krempe 46, 46' angrenzt, die in Bord 45, 45' übergeht. An dem Bord 45, 45' ist ein Flansch 48, 48' ausgebildet, der an dem Flanschring 9, 9' befestigt ist. Die Klöpperform ist in 2 veranschaulicht.
Bezugszeichenliste

1: Walzenkörper
2: erster Walzenabschnitt
3, 3': Klöpperboden
4, 4': Schweißnaht
5,5': zylindrischer Teil des Klöpperbodens
6, 6': Krempe des Klöpperbodens
7, 7': Kalotte des Klöpperbodens
8, 8': Öffnung
9, 9': Flanschring
10,10': scheibenförmiger Flansch
11: Stützwelle
12: Antriebswelle
13: Innenraum des Walzenkörpers
14: Kontaktfläche
15: Dichtung
21: Vorrichtung zum Temperieren von Substraten
22: Gehäuse
23: Deckel
24: Walzenantrieb
25: Festlager
26: Loslager
27: Innenraum des Gehäuses
28: Medienkanal
29: Medienkanal
30: Innenrohr
31: Stützlager
32, 32': Leitblech
33: Temperierelement
33X: Wärmestrahlung
34, 34': Stützelement
35: Isolationselement
45, 45': zylindrisches Teil eines scheibenförmigen Flansches 10, 10'
46, 46': Krempe eines scheibenförmigen Flansches 10, 10'
47, 47': Kalotte eines scheibenförmigen Flansches 10, 10'

Claims

Vorrichtung zur Temperierung von Substraten, umfassend eine Walze mit einer Kontaktfläche (14) für ein Substrat, wobei die Walze einen Walzenkörper (1) mit einem ersten, zylinderförmigen Walzenabschnitt (2) aufweist, dessen Mantelfläche die Kontaktfläche (14) für das Substrat bildet, wobei - der Walzenkörper (1) ferner zweite Walzenabschnitte (3, 3') aufweist, die an den Stirnseiten des ersten Walzenabschnittes (2) ausgebildet sind, wobei die zweiten Walzenabschnitte (3, 3') gewölbte Böden sind; - an den Stirnseiten des Walzenkörpers (1) Wellen (11, 12) ausgebildet sind, deren Längssachsen auf der Längsachse des Walzenkörpers (1) liegen und die als Lagerzapfen für den Walzenkörper (1) dienen; - in den gewölbten Böden (3, 3') konzentrisch zur Längsachse des Walzen-körpers (1) Öffnungen (8, 8') ausgebildet sind, an deren Rändern die Wellen (11, 12) über scheibenförmige Flansche (10, 10') unter Verschluss der Öffnungen (8, 8') befestigt sind; und - die scheibenförmigen Flansche (10, 10') klöpperförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gewölbten Böden (3, 3') Klöpperböden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gewölbten Böden (3, 3) jeweils ein Bord (5, 5') aufweisen, dessen Innendurchmesser dem Innendurchmesser des ersten Walzenabschnittes (2) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewölbten Böden (3, 3) mit dem ersten Walzenabschnitt (2) über eine Schweißnaht zwischen dem Bord (5, 5') eines gewölbten Bodens (3, 3') und einer Stirnseite des ersten Walzenabschnittes (2) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (22) vorgesehen ist, in dem die Walze angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung Lager (25, 26) für die Wellen (11, 12) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gehäuse (22) ein erstes Lager (26) ausgebildet ist, das ein Loslager für eine der Wellen (11) ist, und dass an dem Gehäuse (22) ein zweites Lager (25) ausgebildet ist, das ein Festlager für die andere Welle (12) ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Innenrohr (30) durch eine der Wellen in den Innenraum (13) des Walzenkörpers (1) geführt ist, an dem zumindest eine Einrichtung (33) zur Temperierung der Kontaktfläche (14) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Leitbleche (32, 32') zum Schutz der scheibenförmigen Flansche (10, 10') vor der Wärmestrahlung, die von der Einrichtung (33) zur Temperierung der Kontaktfläche (14) abgegeben wird, vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitbleche (32, 32') scheibenförmige Elemente sind, die sich, ausgehend von dem Innenrohr (30), in Richtung der Mantelfläche des zylindrischen Teils (5, 5') der Klöpperböden (3, 3') erstrecken und dabei in Richtung des Raumes, der von dem ersten Walzenabschnitt (2) umgrenzt ist, geneigt sind.