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Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Verdampferkörper mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Bedampfen eines Gegenstands mit Hilfe eines derartigen Verdampferkörpers.
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Ein solcher Verdampferkörper ist beispielsweise zu entnehmen aus der
US 2011/013891 A1 oder der
WO 2008/092423 A1 .
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Ein derartiger Verdampferkörper ist als ein Keramikkörper ausgebildet mit einer definierten spezifischen Leitfähigkeit. Zum Beschichten eines flexiblen Substrats mit einem Metall, insbesondere Aluminium, wird ein derartiger Verdampferkörper typischerweise in einer so genannten Vakuum-Bandmetallisierungsanlage mit Hilfe der PVD (physical vapor deposition)-Technik eingesetzt. Als flexible Substrate kommen dabei z.B. Papier, Kunststofffolien und auch Textilien zum Einsatz.
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Der Verdampferkörper wird durch eine Widerstandsbeheizung auf eine vorgegebene Temperatur beispielsweise im Bereich zwischen 1500°C bis 1900°C erhitzt. Auf eine Oberseite des Verdampferkörpers wird das zu verdampfende Metall in Form eines Metalldrahts zugeführt, welcher zunächst aufschmilzt, bevor dann die Metallschmelze im Vakuum bei ca. 10–4 mbar verdampft. Häufig weisen die Verdampferkörper an ihrer Oberseite eine muldenförmige Kavität zur Aufnahme der Metallschmelze auf.
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Zur Widerstandsbeheizung liegen an gegenüberliegenden Stirnseiten des Verdampferkörpers jeweils Elektroden an, insbesondere Kupferelektroden, die üblicherweise beispielsweise auf 250°C gekühlt sind.
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Grundsätzlich wird angestrebt, den Verdampferkörper möglichst homogen und vollflächig zu benetzen bei gleichzeitig hohen Verdampfungsraten, um eine homogene Metallisierung des zu beschichtenden Gegenstands mit hoher Auftragsrate zu ermöglichen. Dieses Ziel lässt sich jedoch im Allgemeinen nur schwer erreichen. Dies liegt u.a. daran, dass oftmals der Metalldraht nicht exakt mittig der Verdampferfläche zugeführt wird, so dass die Metallschmelze die Verdampferfläche asymmetrisch benetzt. Dies führt teilweise dazu, dass flüssiges Metall bereits auf der einen Seite den Rand des Verdampferkörpers erreicht und in Kontakt mit den vergleichsweise kühlen Elektroden kommt. Dabei entstehen Metallspritzer, die für eine qualitativ hochwertige Beschichtung unerwünscht sind. Um dies zu vermeiden könnte grundsätzlich die Temperatur und über diese die Verdampfungsrate erhöht werden. Allerdings steigt mit zunehmender Temperatur das Problem der so genannten chemischen Korrosion, wodurch sich die Gesamtlebensdauer des Verdampferkörpers reduziert. Die Verdampferkörper haben typischerweise eine Lebenszeit im Bereich beispielsweise von 5 bis 25 Betriebsstunden.
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Eine angestrebte homogene, vollständige Benetzung einer definierten, beispielsweise durch eine Kavität gebildeten Verdampferfläche ist in der Regel kaum zu erreichen. Allgemein wird beim Betrieb derartiger Verdampferkörper nur ein Teilbereich der durch die Kavität gebildeten Verdampferfläche benetzt.
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Ein weiteres Problem der nicht vollständigen Benetzung der Verdampferoberfläche ist darin zu sehen, dass aufgrund der fehlenden Kühlung durch das verflüssigte Metall in den nicht benetzten Teilbereichen diese eine deutlich höhere Temperatur aufweisen. Diese Bereich werden auch als so genannte „Hot Spots“ bezeichnet. Diese erreichen Temperaturen von teilweise über 2000°C, was zu einer Schädigung des Verdampferkörpers und zu einer Zersetzung derselben führen kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vollständige Benetzung einer Verdampferfläche zu ermöglichen, insbesondere ohne Gefahr, dass die Metallschmelze am Rand des Verdampferkörpers mit den Elektroden in Kontakt kommt und somit auch Spritzer vermieden sind.
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Lösung der Aufgabe
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Verdampferkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Die im Hinblick auf den Verdampferkörper angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
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Der Verdampferkörper weist eine Oberseite auf, die eine Verdampferfläche zum Verdampfen von Metall umfasst. In die Oberseite ist eine innere Kavität eingebracht, die von einem umlaufenden Steg begrenzt ist, an den sich wiederum eine äußere Kavität anschließt. Die innere Kavität bildet dabei eine innere Verdampferfläche und die äußere Kavität eine äußere Verdampferfläche aus.
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Durch den umlaufenden Steg ist daher eine Art Aufnahmewanne geschaffen, die seitlich durch den umlaufenden Steg begrenzt ist.
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Die innere Kavität bildet dabei eine innere Haupt-Verdampferfläche, wobei die äußere Kavität insbesondere als Überlaufschutz dient. Ausgehend von der Erkenntnis, dass bei herkömmlichen Verdampferkörpern nur eine begrenzte Fläche der Oberseite benetzt wird, wird daher bei dem hier beschriebenen Verdampferkörper bewusst von Anfang an nur eine begrenzte Fläche der Oberseite als diese Haupt-Verdampferfläche durch Ausbildung der inneren Kavität bereitgestellt. Diese wird im Betrieb vollständig benetzt, wobei der umlaufende Steg dabei dafür sorgt, dass auch bei einer dezentralen Zuführung des Metalldrahts eine gleichmäßige vollständige Benetzung der inneren Verdampferfläche auftritt. Das Fließen des Metalls wird durch den umlaufenden Steg begrenzt und das Metall breitet sich daher bei einer dezentralen, randseitigen Zuführung auch in die verbleibende freie Ausbreitungsrichtung aus. Aufgrund der vollständigen Benetzung und der homogenen Verteilung der Metallschmelze innerhalb der inneren Kavität bildet sich auch eine homogene, gleichmäßige Temperaturverteilung aus, wodurch ein homogenes Verdampfen erzielt ist. Durch diese homogene Temperaturverteilung lässt sich auch eine geeignete, nicht zu hohe Betriebstemperatur einstellen, wodurch die Belastung des Verdampferkörpers im Vergleich zu herkömmlichen Verdampferkörpern geringer ist. Insbesondere ist das Problem der chemischen Korrosion verringert.
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Ein weiterer besonderer Vorteil dieser inneren Kavität ist auch darin zu sehen, dass durch das vollflächige Ausfüllen der inneren Kavität mit der Metallschmelze die Fließgeschwindigkeit der Metallschmelze insgesamt im Vergleich zu herkömmlichen Verdampferkörpern, bei denen die Metallschmelze nicht durch einen umlaufenden Steg begrenzt ist, verringert ist. Hierdurch wird die Belastung des Verdampferkörpers infolge von so genannten Auswaschungen, die typischerweise in der Mitte auftreten, deutlich reduziert.
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Ein weiterer wichtiger Aspekt ist in der äußeren Kavität zu sehen. Für den Fall, dass nämlich die Metallschmelze über den Steg überläuft, beispielsweise infolge einer hohen Zuführrate, wird dieser überlaufende Schmelzanteil zuverlässig in der äußeren Kavität aufgefangen. Diese stellt daher eine weitere äußere oder Neben-Verdampferfläche bereit. Die Gefahr, dass flüssiges Metall in Berührung mit den gekühlten Elektroden kommt, was zu Metallspritzern führen würde, ist daher zuverlässig vermieden.
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Zweckdienlicherweise ist daher die äußere Kavität als eine ebenfalls umlaufende Rinne ausgebildet, so dass die äußere Kavität die innere Kavität vollständig umfasst. Die beiden Kavitäten werden daher umlaufend durch den Steg voneinander getrennt.
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Die Einstellung einer gewünschten Verdampfertemperatur ist aufgrund der verschiedenen Einflussfaktoren, auf der einen Seite beispielsweise die Heizleistung der Widerstandsheizung sowie auf der anderen Seite die Zuführrate und die Kühlleistung der Schmelze, sehr sensibel und hängt insbesondere auch von dem Anteil der benetzten Fläche an der Gesamtoberfläche ab. Die innere Verdampferfläche liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 25% bis 85% und insbesondere im Bereich von 40% bis 65% der Gesamtfläche der Oberseite des Verdampferkörpers.
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Typischerweise weisen derartige Verdampferkörper eine Oberseite mit einer Breite von beispielsweise 25 bis 50 mm, insbesondere von 35mm und eine Länge im Bereich von 100 bis 150 mm, insbesondere von 130 auf. Die typische Materialstärke derartiger Verdampferkörper liegt bei 8 bis 15 mm, insbesondere bei 10mm.
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Allgemein liegt die Breite der inneren Kavität beispielsweise im Bereich von 30% bis 60% der Gesamtbreite des Verdampferkörpers. Gleichzeitig liegt die Länge der inneren Kavität vorzugsweise im Bereich von 60% bis 80% der Gesamtlänge der Kavität. Innerhalb dieser Größenverhältnisse lässt sich die gewünschte homogene Benetzung der inneren Verdampferfläche zuverlässig erreichen.
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Der Steg dient grundsätzlich in erster Linie zur Begrenzung der inneren Kavität und zur Abgrenzung der äußeren Kavität. Die Stegbreite liegt hierbei vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm und insbesondere im Bereich von 1 mm–4 mm
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Zum gleichen Zweck, nämlich eine vollständige und homogene Benetzung der gesamten inneren Verdampferfläche zuverlässig zu gewährleisten, weist die innere Kavität eine insbesondere durch den Steg bedingte Tiefe auf, die im Bereich von 0,1 mm bis 5mm und insbesondere im Bereich von 0,3mm bis 3mm liegt.
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Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung weist die äußere Kavität eine größere Tiefe als die innere Kavität auf. Damit wird der besondere Vorteil erzielt, dass die äußere Verdampferfläche wegen der etwas geringeren Materialstärke eine höhere Temperatur aufweist, wodurch im Fall einer überlaufenden Schmelze ein sicheres Verdampfen derselben gewährleistet ist. Alternativ weisen die Kavitäten die gleiche Tiefe auf oder die äußere Kavität weist eine geringere Tiefe als die innere Kavität auf. Die Ausgestaltung hängt auch von einer gewünschten sich ein- stellenden Temperatur in der äußeren Kavität ab, die auch durch die Querschnittsform des Verdampferkörpers beeinflusst ist.
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Wie bereits ausgeführt dient die äußere Kavität als Nebenverdampferfläche und weist entsprechend im Vergleich zu der inneren Kavität eine deutlich geringere Verdampferfläche auf. Insbesondere weist die äußere Kavität eine äußere Verdampferfläche im Bereich von 10% bis 35% der inneren Verdampferfläche auf.
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Weiterhin ist die innere Kavität vorzugsweise entsprechend der Umfangskontur des Verdampferkörpers geformt. Da dieser üblicherweise rechteckförmig ausgebildet ist, weist die innere Kavität ebenfalls vorzugsweise eine rechteckförmige Ausgestaltung auf. Grundsätzlich ist der Verdampferkörper langgestreckt ausgebildet, so dass allgemein die innere Kavität ebenfalls langgestreckt ausgebildet ist. Anstelle einer rechteckförmigen Ausgestaltung ist auch eine ovale Ausgestaltung möglich. Der Steg weist umlaufend vorzugsweise jeweils die identische Wandstärke auf, so dass die äußere Kavität eine gleiche Umfangskontur wie die innere Kavität aufweist.
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Im Betrieb beim Bedampfen eines insbesondere flexiblen Gegenstandes, wie beispielsweise einer Folie, wird der Verdampferkörper mittels der bereits erwähnten Elektroden in einen Stromkreis eingebunden und widerstandsbeheizt. Der Verdampferkörper wird dabei typischerweise auf eine Temperatur von beispielsweise 1500°C bis 1700°C erhitzt. Das zu verdampfende Metall, typischerweise Aluminium, wird üblicherweise als Draht kontinuierlich der inneren Kavität zugeführt und schmilzt dort auf. Die Heizleistung zur Erwärmung des Verdampferkörpers einerseits, bestimmt durch den elektrischen Strom, sowie andererseits eine Zuführrate des verdampfenden Metalls sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass die innere Kavität vollflächig mit dem aufgeschmolzenen Metall bedeckt ist. Es stellt sich daher ein quasi stationärer Zustand ein. Durch den umlaufenden Steg und die dadurch gebildete Aufnahmewanne wird diese daher mit der Metallschmelze angefüllt, so dass die gesamte innere Verdampferfäche mit der Metallschmelze bedeckt ist.
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Beschreibung der Figuren
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in vereinfachten Darstellungen:
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1 eine Aufsicht auf die Oberseite eines Verdampferkörpers,
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2 eine Schnittansicht durch den Verdampferkörper gemäß 1 entlang der Schnittlinie A-A,
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3 eine Aufsicht auf den Verdampferkörper gemäß der 1 im Betrieb sowie
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4 eine schematisierte Darstellung einer Bandbedampfungsanlage.
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In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Der in den 1 und 2 dargestellte keramische Verdampferkörper 2 weist eine in etwa rechteckförmige Oberseite 4 mit einer Gesamtfläche A1 auf, in die eine innere Kavität 6 sowie eine äußere Kavität 8 eingearbeitet sind. Die innere Kavität 6 ist ebenfalls in etwa rechteckförmig. Sie ist umgeben von einem umlaufenden Steg 10, welcher die beiden Kavitäten 6, 8 voneinander trennen. Die äußere Kavität 8 ist wiederum von einem umlaufenden Rand 12 der Oberseite 4 umgeben.
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Die innere Kavität 6 definiert dabei eine von dem Steg 10 begrenzte innere Verdampferfläche A2, die eine Hauptverdampferfläche bildet.
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Die äußere Kavität 8 ist als eine um die innere Kavität 6 und um den Steg 10 umlaufende Rinne ausgebildet und bildet insoweit eine äußere Verdampferfläche A3 oder auch Hilfs- oder Nebenverdampferfläche aus.
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Die innere Kavität 6 weist eine Länge L2 sowie eine Breite B2 auf, die jeweils geringer sind als eine Gesamtlänge L1 sowie eine Gesamtbreite B1 der Oberseite 4.
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Die Gesamtlänge L1 liegt typischerweise im Bereich von beispielsweise 130 mm, die Gesamtbreite B im Bereich von typischerweise 35 mm. Die Höhe H des Verdampferkörpers 2 liegt beispielsweise im Bereich von 10 mm.
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Bei dem Verdampferkörper 2 handelt es sich um einen keramischen Körper mit definierter elektrischer Leitfähigkeit bzw. definiertem elektrischen spezifischen Widerstand.
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Der Verdampferkörper 2 umfasst einen um die äußere Kavität 8 umlaufenden äußeren Rand 12, der an den Stirnseiten eine Wandbreite W1 beispielsweise im Bereich von 4–10 mm und an der Längsseite eine geringere Wandbreite W2 beispielsweise von 2–3 mm aufweist.
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Der Steg 10 hat insbesondere eine gleich bleibende Stegbreite W3, die vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 4 mm liegt. Die äußere Kavität 8 wiederum weist eine Rinnenbreite W4 auf.
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Schließlich weist der Steg 10 eine Steghöhe auf, die dadurch zugleich auch eine Tiefe T der Kavitäten 6, 8 definiert. Im Unterschied zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel können die beiden Kavitäten 6, 8 auch unterschiedlich tief sein. Bevorzugt ist dabei die äußere Kavität 8 tiefer ausgebildet als die innere Kavität 6.
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Wie weiterhin aus 2 zu entnehmen ist, weist der Steg 10 – im Schnitt betrachtet – etwa ein Rechteckprofil auf, so dass seine die Kavitäten 6, 8 jeweils begrenzenden Seitenwände in etwa vertikal ausgerichtet sind. Die äußere Kavität 8 ist wie bereits erwähnt nach Art einer Rinne mit rechteckförmigem oder auch U- oder halbkreisförmigem Querschnitt ausgebildet.
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Die geometrischen Daten der Kavitäten 6, 8 sowie des Stegs 10 und des Rands 12 sind dabei insgesamt derart gewählt, dass die innere Verdampferfläche A2, definiert durch die durch den umlaufenden Steg 10 eingeschlossene innere Kavität 6, etwa 40% bis 65% Fläche der Gesamtfläche A1 der Oberseite 4 beträgt. Die Rinnenbreite W4 sowie die Stegbreite W3 sind in etwa gleich groß und liegen beispielsweise im Bereich von 2 bis 5 mm. Sie sind an den Stirnseiten sowie an den Längsseiten des Verdampferkörpers 2 von dem Umfangsrand jeweils gleich weit beabstandet, so dass die innere Kavität 6 mittig angeordnet ist. Der Rand 12 ist dabei an der Längsseite schmäler als an der Stirnseite.
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Die Breite B2 der inneren Kavität 6 liegt im Ausführungsbeispiel beispielsweise zwischen 16 mm und 18 mm, also allgemein etwa im Bereich zwischen 45% und 50% der Gesamtbreite B1 von typischerweise 35 mm. Die Länge L2 der inneren Kavität 6 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 90 und 100 mm und damit allgemein etwa im Bereich zwischen 70% und 80% der Gesamtlänge L von typischerweise 130 mm.
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Im Querschnitt senkrecht zur Längsausdehnung des Verdampferkörpers 2 betrachtet weist dieser wahlweise eine rechteckförmige oder auch eine trapezförmige Querschnittsfläche auf, wobei die Langseite des Trapezes die Oberseite 4 definiert.
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Die Funktion und Wirkungsweise des Verdampferkörpers 2 beim eigentlichen Verdampfungsprozess wird nachfolgend anhand der 3 näher erläutert:
Im Betrieb ist der Verdampferkörper 2 zwischen zwei Elektroden 14, die typischerweise aus Kupfer sind, eingespannt und stromdurchflossen. Hierdurch wird der Verdampferkörper 2 beispielsweise auf etwa 1700°C aufgewärmt. Gleichzeitig wird mit Hilfe einer Zuführvorrichtung 15 ein aufzuschmelzendes Metall insbesondere in Form eines Metalldrahts 16 kontinuierlich und sukzessive auf die innere Kavität 6 aufgebracht, so dass das Metall aufschmilzt und eine Schmelze 18 sich ausbildet. Der Strom durch den Verdampferkörper 2 und damit dessen Temperatur sowie die Zuführrate des Metalldrahts werden dabei aufeinander abgestimmt derart geregelt, dass die innere Verdampferfläche A2 vollständig mit einer Metallschmelze im quasistätionären Zustand benetzt ist. Aufgrund der Begrenzung der inneren Kavität 6 durch den umlaufenden Steg 10 wird dies begünstigt und ermöglicht. Die innere Kavität 6 wird daher quasi durch die Schmelze zumindest teilweise aufgefüllt.
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Als Metall wird typischerweise Aluminium eingesetzt. Das aufgeschmolzene Aluminium weist dabei typischerweise eine Temperatur von etwa 650°C auf und kühlt damit die Oberfläche der inneren Kavität 6. Aufgrund der homogenen Benetzung ist dieser Kühleffekt gleichmäßig über die gesamte Fläche der Kavität 6 verteilt und es bilden sich daher keine so genannten „Hot Spots“ aus.
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Aufgrund dessen, dass die Metallschmelze 18 vom Steg 10 eingefasst ist, ist die Fließgeschwindigkeit der Schmelze 18 auch vergleichsweise gering. Dies führt zu einer geringeren Belastung des Verdampferkörpers 2. Aufgrund der hohen Temperaturen reagiert nämlich das flüssige Aluminium sehr aggressiv mit dem Material des Verdampferkörpers 2, was zu so genannten Auswaschungen infolge einer so genannten chemischen Korrosion führt. Diese Auswaschungen sind im Vergleich zum herkömmlichen Verdampferkörper 2 daher reduziert.
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Hierdurch wird die Lebensdauer des Verdampferkörpers 2 erhöht, da diese chemische Korrosion selektiv auf die Bestandteile des Verdampferkörpers 2 wirkt. Insbesondere führt diese chemische Korrosion zu einem Auswaschen der nicht leitfähigen Materialanteile des Verdampferkörpers 2, so dass insgesamt die elektrische Leitfähigkeit während des Betriebs sukzessive erhöht wird. Um eine ausreichende Heizleistung aufrecht zu erhalten wird daher der Strom sukzessive erhöht. Der Strom wird üblicherweise über einen Transformator bereitgestellt. Sobald die Stromgrenze des Transformators erreicht ist, muss der Verdampferkörper 2 ausgewechselt werden. Dies erfolgt typischerweise bereits nach einigen Betriebsstunden.
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Wie insbesondere auch aus 3 zu entnehmen ist, ist problemlos auch eine dezentrale Zuführung des Metalldrahts 16 ermöglicht, wobei gleichzeitig die homogene Benetzung der inneren Kavität 6 gewährleistet ist.
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Unter Umständen kann es insbesondere bei einer dezentralen Zuführung dazu kommen, dass die Schmelze 18 beispielsweise im Zuführbereich über den Steg 10 hinweg fließt. Durch die äußere Kavität 8 wird der überfließende Anteil der Schmelze 18 aufgefangen und dort verdampft. Damit ist zuverlässig gewährleistet, dass die Schmelze 18 nicht in Kontakt mit den gekühlten Elektroden 14 kommt, so dass eventuelle Metallspritzer zuverlässig vermieden sind.
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4 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Vakuum-Bandverdampfungsanlage mit Hilfe eines derartigen Verdampferkörpers 2. Der ganze Verdampfungsprozess wird dabei im Vakuum bei 10–4 mbar ausgeführt. Durch den Verdampferkörper 2 wird die Verdampfung des Metalls aus der Schmelze 18 bewirkt. Die dabei entstehende Metallwolke 20 schlägt sich auf ein kontinuierlich vorbeigeführtes, zu beschichtendes Band 22 ab, beispielsweise eine Kunststofffolie. Diese wird von einer Kühlwalze 24 aufgewickelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/013891 A1 [0002]
- WO 2008/092423 A1 [0002]
