DE102018113528A1

DE102018113528A1 - Verdampferkörper

Info

Publication number: DE102018113528A1
Application number: DE102018113528.9A
Authority: DE
Inventors: Philipp Goetz
Original assignee: Cvt & Co KG GmbH
Current assignee: Cvt & Co KG GmbH
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2038-06-07
Also published as: WO2019233775A1; GB202019836D0; CN112218974B; CN112218974A; GB2589481A; GB2589481B; DE102018113528B4

Abstract

Verdampferkörper (1) zum Verdampfen von Metall in einer PVD-Metallisierungsanlage, mit einer Oberseite (3), welche aufweist einen ersten und einen zweiten Längsrand (5-1, 5-2) sowie einen ersten und einen zweiten Querrand (7-1, 7-2) aufweist, welche sich quer zu den Längsrändern erstrecken, und einer ersten und einer zweiten Längsrinne (11-1, 11-2), welche in der Oberseite (3) ausgebildet sind, wobei sich die erste Längsrinne (11-1) benachbart und entlang dem ersten Längsrand (5-1) erstreckt und sich die zweite Längsrinne (11-2) benachbart und entlang dem zweiten Längsrand (5-2) erstreckt, wobei Enden der Längsrinnen (11-2, 11-2) zu den Querrändern (7-1, 7-2) einen Abstand haben und wobei eine innenliegende, von der Oberseite (3) des Verdampferkörpers (1) gebildete Verdampfungsfläche (13) von den Längsrinnen (11-1, 11-2) längsseitig unmittelbar begrenzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampferkörper zum Verdampfen von Metall in einer PVD-Metallisierungsanlage.
Ein gebräuchliches Verfahren zum Beschichten von flexiblen Substraten mit Metallen ist das sog. Vakuum-Bandmetallisieren gemäß der PVD (physical vapor deposition)-Technik. Als flexible Substrate kommen z.B. Papier, Kunststofffolien und Textilien in Frage, und als Metall wird überwiegend Aluminium eingesetzt. So beschichtete Substrate finden bspw. breite Anwendung für Verpackungs- und Dekorationszwecke, bei der Kondensatorherstellung und in der Umwelttechnik (Isolation).
Die Beschichtung der flexiblen Substrate erfolgt in sog. Metallisierungsanlagen. In der Metallisierungsanlage wird das zu beschichtende Substrat über eine gekühlte Walze geführt und dabei Metalldampf ausgesetzt, der sich auf der Substratoberfläche als dünne Metallschicht niederschlägt. Zur Erzeugung des erforderlichen Metalldampfstromes werden widerstandsbeheizbare Verdampferkörper, z.B. in Form sogenannter Verdampferschiffchen, eingesetzt, die im direkten Stromdurchgang auf z.B. 1450-1600°C erhitzt werden. Metalldraht, bspw. Aluminiumdraht, wird einer Verdampfungsseite (in der Regel ist dies die Oberseite des Verdampferkörpers) zugeführt, auf der Verdampfungsseite verflüssigt und im Vakuum bei ca. 10^-4 mbar verdampft.
Nicht flexible Substrate werden gemäß der PVD-Technik z.B. batchweise in einem diskontinuierlichen Prozess, z.B. mittels Flash-Verdampfung, beschichtet. Nicht flexible Substrate sind z.B. Fernsehbildschirme und Kunststoffteile wie z.B. Scheinwerferreflektoren.
Übliche Verdampferkörper bestehen z.B. aus keramischem Material, das als Hauptkomponenten z.B. Titandiborid und Bornitrid und/oder Aluminiumnitrid enthält. Titandiborid ist dabei die elektrisch leitfähige Komponente und Bornitrid und/oder Aluminiumnitrid sind die elektrisch isolierende(n) Komponente(n), die miteinander gemischt zu spezifischen elektrischen Heißwiderständen von 80-6000 µOhm*cm führen, wobei ein Mischungsverhältnis von leitfähiger zu nichtleitfähiger Komponente von z.B. je 50 Gew.-% vorliegt.
Ein in der Praxis häufig auftretendes Problem stellt die Benetzung der Verdampfungsseite des Verdampferkörpers mit dem zu verdampfenden Metall dar. Bei einer ungleichmäßigen und unvollständigen Benetzung der Verdampfungsseite, bspw. zu Beginn einer Verdampfung, liegt dahingehend ein Problem vor, dass die Verdampfungsseite durch das zu verdampfende Metall ungleichmäßig gekühlt wird und sich in nicht benetzten Bereichen der Verdampfungsseite überhöhte Temperaturen einstellen können, welche den Verdampferkörper schädigen (zersetzen). Dieser Effekt wird weiter dadurch verstärkt, dass in den nicht benetzten Bereichen des Verdampferkörpers der elektrische Gesamtwiderstand bezogen auf den bereits benetzten Bereich größer ist, da das zu verdampfende Metall in den benetzten Bereichen einen Parallelwiderstand zum Verdampferkörper ausbildet und somit den elektrischen Gesamtwiderstand des Verdampferkörpers im benetzten Bereich senkt. Weiter findet in den benetzten Bereichen der Verdampfungsseite eine Abnutzung des Verdampferkörpers durch Hochtemperaturkorrosion aufgrund der aggressiven Metallschmelze statt, so dass der Verdampferkörper mit einer ausreichenden Materialstärke bereitgestellt werden muss, um ausreichende Standzeiten zu erreichen. Dies führt zu hohen Materialkosten für den Verdampferkörper.
Daher wird im Stand der Technik die Verdampfungsseite häufig mit einer Mehrzahl von Kavitäten bereitgestellt, welche eine verbesserte Benetzung der Verdampfungsseite ermöglichen sollen. Beispielsweise zeigt die DE 10 2013 211 034 A1 einen Verdampferkörper mit einer inneren und einer umlaufenden äußeren Kavität, welche voneinander durch einen Steg getrennt sind. Dies führt jedoch zu einer lokal verringerten Dicke des Verdampferkörpers in dem von der Hochtemperaturkorrosion besonders betroffenen Bereich der inneren Kavität (Schmelzbad), wodurch die Standzeit eines derartigen Verdampferkörpers verringert sein kann und der Einfluss des Parallelwiderstands der Metallschmelze auf den Gesamtwiderstand des Verdampferkörpers groß sein kann.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen unempfindlichen und haltbaren Verdampferkörper bereitzustellen. Zudem soll der Verdampferkörper einfach und kostengünstig herstellbar und in einer PVD-Metallisierungsanlage einfach betreibbar sein.
Hierzu stellt die Erfindung einen Verdampferkörper nach Anspruch 1 sowie eine PVD-Metallisierungsanlage in Kombination mit einem Verdampferkörper gemäß Anspruch 15 bereit. Weitere Ausführungsformen des Verdampferkörpers sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Der erfindungsgemäße Verdampferkörper zum Verdampfen von Metall in einer PVD-Metallisierungsanlage weist eine Oberseite (bspw. Verdampfungsseite) auf, von der aus zugeführtes Metall verdampft werden kann. Zum Beispiel kann der Oberseite Metall wie z.B. Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung in Form eines Metalldrahts zugeführt werden. Alternativ/Zusätzlich ist es möglich, der Oberseite bereits geschmolzenes Metall zuzuführen. Im Falle des Metalldrahts wird das der Oberseite zugeführte Metall zunächst auf der heißen Oberseite verflüssigt/geschmolzen und anschließend verdampft. Der Verdampferkörper kann bspw. eine langgestreckte Gestalt haben, mit optional einer rechteckigen Oberseite.
Die Oberseite kann z.B. einen ersten und einen zweiten Längsrand sowie einen ersten und einen zweiten (bspw. auf den Längsrand bezogen kurzen) Querrand aufweisen, welche sich quer (z.B. orthogonal) zu den Längsrändern erstrecken. Die Ränder können beispielsweise an ihren Enden miteinander verbunden sein, um einen Umfangsrand der Oberseite auszubilden.
Die Oberseite kann weiter z.B. eine erste und eine zweite Längsrinne aufweisen, welche in der Oberseite ausgebildet sind, wobei sich die erste Längsrinne benachbart und (bspw. parallel) entlang dem ersten Längsrand erstrecken kann und sich die zweite Längsrinne benachbart und (z.B. parallel) entlang dem zweiten Längsrand erstrecken kann. Beispielsweise können Enden der Längsrinnen zu den Querrändern einen Abstand haben. Die Längsrinnen können z.B. eine innenliegende (z.B. zwischen den Längsrinnen), von der Oberseite des Verdampferkörpers gebildete Verdampfungsfläche längsseitig unmittelbar begrenzen. Weiter können die Böden der Längsrinnen eine zusätzliche Verdampfungsfläche (z.B. Hilfs- oder Nebenverdampfungsfläche) ausbilden.
Der Verdampferkörper kann weiter beispielsweise eine erste und eine zweite Querrinne aufweisen, wobei sich die erste Querrinne benachbart und (z.B. parallel) entlang dem ersten Querrand erstrecken kann und sich die zweite Querrinne benachbart und (z.B. parallel) entlang dem zweiten Querrand erstrecken kann. Beispielsweise können Enden der Querrinnen mit den Enden der Längsrinnen verbunden sein, um in der Oberseite eine (z.B. zumindest im Wesentlichen vollständig) umlaufende Rinne auszubilden, von welcher die innenliegende, von der Oberseite des Verdampferkörpers gebildete Verdampfungsfläche (z.B. vollständig) umfänglich unmittelbar begrenzt ist. Alternativ kann der Verdampferkörper eine einzelne Querrinne aufweisen, welche mit den Enden der Längsrinnen verbunden ist, die einem der Querränder zugewandt sind, um in einer Draufsicht auf die Oberseite eine U-förmige Rinne auszubilden, wobei die Schenkel der U-Form zu den Längsrändern korrespondieren können.
Die Verdampfungsfläche kann z.B. eine Flächengröße haben, welche in einem Bereich von z.B. 25% bis 85%, bevorzugt in einem Bereich von z.B. 40% bis 65%, und weiter bevorzugt in einem Bereich von z.B. 50% bis 60% einer Flächengröße der Oberseite des Verdampferkörpers liegen kann.
Ein Verhältnis der Flächengröße der Verdampfungsfläche zu einer Flächengröße, welche die Längs- und/oder Querrinnen in der Oberseite einnehmen (bspw. eine Flächengröße einer Bodenfläche der Rinnen), kann in einem Bereich von z.B. 10:1 bis 3:1 und bevorzugt in einem Bereich von z.B. 8:1 bis 5:1 liegen.
Die Längsrinnen können z.B. eine Länge haben, welche in einem Bereich von 50% bis 85%, bevorzugt in einem Bereich von 60% bis 80%, einer Länge des korrespondierenden Längsrands liegt.
Die Enden der Längsrinnen können z.B. zu den Querrändern (z.B. in einer Längsrichtung des Verdampferkörpers an einer oder an beiden Seiten) einen Abstand haben, welcher in einem Bereich 8% bis 30%, bevorzugt in einem Bereich von 10% bis 25%, der Länge des korrespondierenden Längsrands liegt.
Ein Breite-zu-Tiefe-Verhältnis der Rinnen kann in einem Bereich von z.B. 1:0,5 bis 3:1 und bevorzugt bei z.B. 1:1 liegen (z.B. können die Rinnen über ihre gesamte Länge das gleiche Breite-zu-Tiefe-Verhältnis haben, wobei zumindest abschnittsweise die Tiefe - und somit die Breite - unterschiedlich sein können).
Eine Breite der Rinnen kann z.B. in einem Bereich von z.B. 0,5 mm bis 2,5 mm und bevorzugt in einem Bereich von z.B. 1 mm bis 2 mm liegen.
Beispielsweise können die Querrinnen zu den Querrändern einen größeren Abstand haben als die Längsrinnen zu den Längsrändern, wobei z.B. ein Abstand der Längsrinnen zu den Längsrändern in einem Bereich von 1 mm bis 5 mm, bevorzugt in einem Bereich von 1,5 mm bis 2,5 mm, liegen kann und ein Abstand der Querrinnen zu den Querrändern in einem Bereich von 5 mm bis 15 mm, bevorzugt in einem Bereich von 10 mm bis 12 mm, liegen kann.
Die Verdampfungsfläche und ein Bereich der Oberseite zwischen den Rinnen und den Rändern (bspw. ein Steg) können (z.B. zumindest im Wesentlichen) auf gleicher Höhe liegen bzw. enden (bspw. kann der Verdampferkörper in diesen Bereichen die gleiche Dicke aufweisen).
Der Verdampferkörper kann z.B. ferner eine erste und eine zweite Seitenfläche aufweisen (bspw. rechteckige Seitenflächen), wobei die erste Seitenfläche zum ersten Längsrand (z.B. direkt) angrenzen kann und sich entlang diesem erstrecken kann und die zweite Seitenfläche zum zweiten Längsrand (z.B. direkt) angrenzen kann und sich entlang diesem erstrecken kann. In den Seitenflächen kann z.B. eine Rille (z.B. zwei, drei, oder mehr) ausgebildet sein, welche sich benachbart und (z.B. parallel) entlang dem korrespondierenden Längsrand erstrecken kann.
Die Rille kann z.B. eine Breite in einem Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm, bevorzugt von 1 mm, und eine Tiefe in einem Bereich von 1 mm bis 2,5 mm, bevorzugt von 2 mm, haben.
Eine Länge der Rille kann z.B. in einem Bereich von 100% bis 50%, bevorzugt in einem Bereich von 100% bis 80%, der Länge des korrespondierenden Längsrands liegen (d.h., die Länge der Rille kann sich über die gesamte Länge der Seitenfläche erstrecken). Die Längen und Enden der Rillen können gleichzeitig oder alternativ bspw. zu den Längen und den Enden der ersten und der zweiten Längsrinne korrespondieren (bspw. können die Enden der Rillen zu den Querrändern den gleichen Abstand wie die Enden der Längsrillen haben).
Die erfindungsgemäße PVD-Metallisierungsanlage in Kombination mit dem oben beschriebenen Verdampferkörper kann z.B. eine erste und eine zweite (bspw. gekühlte) Elektrode aufweisen, wobei der Verdampferkörper z.B. im Bereich der Querränder (bspw. an dazu korrespondierenden Querseiten) von den Elektroden (elektrischleitfähig) kontaktierbar ist (z.B. befinden sich die Querseiten mit der jeweiligen Elektrode in einem Flächenkontakt, um durch die Elektroden einen elektrischen Strom zum Heizen des Verdampferkörpers durch den Verdampferkörper fließen zu lassen).
Die Erfindung wird im Folgenden anhand exemplarischer Ausführungsformen mit Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Verdampferkörpers gemäß einer beispielhaften Ausführungsform mit zwei Längsrinnen,
2 eine Schnittansicht des Verdampferkörpers entlang der Linie I-I in der 1,
3 eine Schnittansicht des Verdampferkörpers entlang der Linie II-II in der 1,
4 eine perspektivische Ansicht eines Verdampferkörpers gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform mit einer umlaufenden Rinne,
5 einen Rinnenquerschnitt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform,
6 eine perspektivische Ansicht eines Verdampferkörpers gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform mit seitlichen Rillen,
7 eine Schnittansicht des Verdampferkörper entlang der Linie III-III in der 6, und
8 eine perspektivische Ansicht eines Verdampferkörpers in einer PVD-Metallisierungsanlage.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Figuren Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich weiter, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben (bspw. Ausführungsformen, welche im Verdampferkörper verschiedene Längs- und Querrinnen mit seitlichen Rillen kombinieren). Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Auch ohne eine explizite Angabe sind die hierin verwendete Zahlen- bzw. Bereichswerte mit üblichen Toleranzen von ± 5% behaftet.
In den Figuren können Größen, Dicken, Abstände, Verhältnisse etc. von dargestellten Elementen (bspw. der Rinnen und/oder Rillen) zum Zweck der Anschaulichkeit übertrieben sein.
Die 1 bis 4 sowie 6 und 7 zeigen einen Verdampferkörper 1 zum Verdampfen von Metall, im Weiteren beispielgebend Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, in einer PVD-Metallisierungsanlage. Der Verdampferkörper 1 ist in Form eines sog. Verdampferschiffchens ausgebildet und besteht aus keramischem Material, das als Hauptkomponenten Titandiborid und Bornitrid enthält, wobei Titandiborid die elektrisch leitfähige Komponente und Bornitrid die elektrisch isolierende Komponente ist. Ein Mischungsverhältnis von leitfähiger zu nichtleitfähiger Komponente liegt bei z.B. je 50%, woraus sich ein spezifischer Widerstand von ca. 80-6000 µOhm*cm ergibt. Der Verdampferkörper 1 ist als Plattenkörper bzw. Quaderkörper ausgebildet, mit einer Länge L von z.B. 130 mm, einer Breite W von z.B. 35 mm und einer Dicke D von z.B. 10 mm. Durch elektrisch leitfähiges Kontaktieren der kurzen Seiten (Querseiten) des Verdampferkörpers 1 mittels Elektroden und Anlegen einer elektrischen Spannung kann ein Stromfluss durch den Verdampferkörper 1 erzeugt werden, welcher diesen heizt (= elektrisch leitfähiger widerstandsbeheizbarer Verdampferkörper).
Der in den 1 bis 3 gezeigte Verdampferkörper 1 einer beispielhaften Ausführungsform hat eine Oberseite 3 mit einem ersten und einem zweiten Längsrand 5-1, 5-2 sowie einem ersten und einem zweiten Querrand 7-1, 7-2, welche sich quer (z.B. orthogonal) zu den Längsrändern 5-1, 5-2 erstrecken. Die Ränder 5-1, 5-2, 7-1, 7-2 bilden einen Umfangsrand 9, welcher die Oberseite 3 (z.B. zumindest im Wesentlichen) vollständig umgibt.
Der Verdampferkörper 1 weist weiter eine erste und eine zweite Längsrinne 11-1, 11-2 auf, welche in der Oberseite 3 ausgebildet sind. Die erste Längsrinne 11-1 ist benachbart und sich parallel entlang dem ersten Längsrand 5-1 erstreckend ausgebildet, und die zweite Längsrinne 11-2 ist benachbart und sich parallel entlang dem zweiten Längsrand 5-2 erstreckend ausgebildet. Durch die beiden Längsrinnen 11-1, 11-2 ist eine innenliegende, von der Oberseite 3 des Verdampferkörpers 1 gebildete (z.B. zumindest im Wesentlichen ebene) Verdampfungsfläche 13 längsseitig unmittelbar begrenzt. Die Längsrinnen 11-1, 11-2 können auf der Verdampfungsfläche 13 geschmolzenes Aluminium aufnehmen, welches in die Längsrinnen 11-1, 11-2 fließen kann und somit daran gehindert wird, die Oberseite 3 des Verdampferkörpers 1 (außer aufgrund von Verdampfung) zu verlassen (bspw. bilden die Längsrinnen 11-1, 11-2 eine Hilfs- oder Nebenverdampfungsfläche für das aufgenommene Aluminium). In der Oberseite 3 des Verdampferkörpers 1 ist zwischen dem Umfangsrand 9 und den Längsrinnen 11-1, 11-2 ein jeweiliger (erster und zweiter) Steg 15-1, 15-2 ausgebildet, welche beim Schmelzen/Verdampfen des Aluminiumdrahts (z.B. zumindest im Wesentlichen) kein Aluminium empfangen (bspw. können Spritzer von geschmolzenem Aluminium auf die Oberseite der Stege 15-1, 15-2 gelangen). Die Stege 15-1, 15-2 verhindern, dass Aluminiumschmelze aus den Längsrinnen 11-1, 11-2 herausfließt.
Die Verdampfungsfläche 13 hat eine Flächengröße, welche in einem Bereich von z.B. 50% bis 60% einer Flächengröße der Oberseite 3 des Verdampferkörpers 1 liegt. Ein Verhältnis der Flächengröße der Verdampfungsfläche 13 zu einer Flächengröße, welche der Längsrinnen 11-1, 11-2 in der Oberseite 3 einnehmen, liegt in einem Bereich von z.B. 5:1 bis 6:1. Auf diese Weise wird eine ausreichend große Fläche zum Verdampfen (z.B. als Hauptverdampfungsfläche die Verdampfungsfläche 13 und als Hilfs- bzw. Nebenverdampfungsfläche die Böden der Längsrinnen 11-1, 11-2) an der Oberseite 3 des Verdampferkörpers 1 geschaffen, welche jedoch von den Längsrändern 5-1, 5-2 der Oberseite 3 entfernt angeordnet ist, um zu verhindern, dass geschmolzenes Aluminium vom Verdampferkörper 1 herabfließt. Bevorzugt ist die Verdampfungsfläche 13 in der Mitte der Oberseite 3 angeordnet.
Die Längsrinnen 11-1, 11-2 haben jeweils eine Länge L', welche in einem Bereich von 80% der Länge L korrespondierenden Längsrands 5-1, 5-2 liegt. Zudem haben die Längsrinnen 11-1, 11-2 zu den korrespondierenden Längsrändern 5-1, 5-2 einen Abstand A1 von z.B. 1,5 mm bis 2,5 mm; der Abstand A1 entspricht der Breite der Stege 15-1, 15-2. Weiter haben die Enden der Längsrinnen 11-1, 11-2 zu den korrespondierenden Querrändern 7-1, 7-2 einen Abstand A2 von z.B. 5 mm bis 15 mm.
Quer zu ihrer Erstreckungsrichtung (entlang des Umfangsrands 9) haben die Längsrinnen 11-1, 11-2 eine Breite B', welche in einem Bereich von z.B. 1 mm bis 2 mm liegt. Zudem haben die Längsrinnen 11-1, 11-2 ein Breite-zu-Tiefe-Verhältnis (B-T-Verhältnis) von z.B. 1:1. Die angegebenen Breiten bzw. Verhältnisse sind nicht auf konstante Werte beschränkt, sondern können z.B. abschnittsweise entlang der Erstreckungsrichtung der Längsrinnen 11-1, 11-2 variieren. Beispielsweise können kürzere Rinnenabschnitte im Vergleich mit längeren Rinnenabschnitten eine geringere Tiefe und/oder geringere Breite haben.
Auf diese Art ist durch die beiden Längsrinnen 11-1, 11-2 eine Temperatur des Verdampferkörpers 1 im Bereich (nahe) der bzw. in den Längsrinnen 11-1, 11-2 gesteigert, so dass über die Breite B des Verdampferkörpers 1 hinweg ein Temperaturverlauf an der Oberseite 3 einstellbar ist. Dies ist der Fall, da aufgrund der lokalen Querschnittsverjüngung des Verdampferkörpers 1 durch die Längsrinnen 11-1, 11-2 eine lokale Steigerung der Heizleistung des Verdampferkörpers 1 erfolgt. Zudem ist eine Wärmestrahlungsemission/ -immission des Verdampferkörpers 1 durch das Ausbilden der Längsrinnen 11-1, 11-2 einstellbar. Somit ist eine Temperatur der Verdampfungsfläche 13 an ihren Längsrändern (Übergängen zu den Längsrinnen) durch das Ausbilden der Längsrinnen 11-1, 11-2 einstellbar, bspw. derart, dass ein Temperaturverlauf an/auf der Verdampfungsfläche 13 über die Breite B des Verdampferkörpers 1 hinweg z.B. zumindest im Wesentlichen konstant ist oder zu den Längsrändern der Verdampfungsfläche 13 hin ansteigt.
Weiter liegen die Verdampfungsfläche 13 und ein Bereich der Oberseite 3 zwischen den Längsrinnen 11-1, 11-2 und dem Umfangsrand 9, d.h., eine Oberseite der Stege 15-1, 15-2 sowie ein Bereich zwischen den Enden der Längsrinnen 11-1, 11-2 und den Querrändern 7-1, 7-2 (z.B. zumindest im Wesentlichen) auf gleicher Höhe, d.h., der Verdampferkörper 1 hat in diesen Bereichen die gleiche Dicke D, so dass der Verdampferkörper 1 im Bereich der Verdampfungsfläche 13, welche durch die Hochtemperaturkorrosion besonders stark betroffen ist, eine maximale Dicke und somit eine lange Standzeit hat. Das heißt, in einem Betrieb des Verdampferkörpers 1 breitet sich die Aluminiumschmelze (z.B. zumindest im Wesentlichen) in dem Bereich zwischen den Längsrinnen 11-1, 11-2 aus (Verdampfungsfläche 13), und überschüssige Aluminiumschmelze fließt in die Längsrinnen 11-1, 11-2 und wird dort verdampft. Die Verdampfung in den Längsrinnen 11-1, 11-2 erfolgt bezogen auf die Verdampfungsfläche 13 in höherem Maße, da die Temperatur in den Längsrinnen 11-1, 11-2 aufgrund eines geringeren Wärmeverlusts (gegenseitiges Heizen der Rinnenwände und des Rinnenbodens durch Wärmestrahlung) höher ist als die der Verdampfungsfläche 13.
Auf diese Art wird eine Verdampfungsfläche 13 bereitgestellt, welche längsseitig durch die Längsrinnen 11-1, 11-2 begrenzt ist und welche querseitig einen ausreichend großen Abstand zu den Querrändern 7-1, 7-2 hat. Da wie oben beschrieben der Verdampferkörper 1 an den Querrändern 7-1, 7-2 im Betrieb in einer Metallisierungsanlage elektrisch kontaktiert wird, bspw. durch gekühlte Elektroden der Metallisierungsanlage, besteht das Risiko, dass ein elektrischer Überschlag von einer Elektrode auf das Schmelzbad erfolgt, wenn das Schmelzbad zu nahe an die Elektrode (Querrand des Verdampferkörpers) gelangt. Durch die gewählten Abstände wird ein elektrischer Überschlag auf das geschmolzene Aluminium unterdrückt, während gleichzeitig ein Verdampferkörper 1 geschaffen wird, welcher aufgrund der lediglich zwei Längsrinnen 11-1, 11-2 eine große (thermische) Trägheit bzw. Masse aufweist.
Die 4 zeigt einen Verdampferkörper 1 zum Verdampfen von Metall gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform, wobei zusätzlich zu den beiden Längsrinnen 11-1, 11-2 weiter eine erste und eine zweite Querrinne 17-1, 17-2 in der Oberseite 3 des Verdampferkörpers 1 ausgebildet sind. Die erste Querrinne 17-1 erstreckt sich benachbart und parallel entlang dem ersten Querrand 7-1, und die zweite Querrinne 17-2 erstreckt sich benachbart und parallel entlang dem zweiten Querrand 7-2, wobei Enden der Querrinnen 17-1, 17-2 mit den Enden der Längsrinnen 11-1, 11-2 verbunden sind, um in der Oberseite eine vollständig umlaufende Rinne 19 auszubilden. Durch die umlaufende Rinne 19 wird die innenliegende, von der Oberseite 3 des Verdampferkörpers 1 gebildete Verdampfungsfläche 13 umfänglich unmittelbar und vollständig begrenzt. Das heißt, die Querrinnen 17-1, 17-2 haben die gleichen Abstände A2 zu den Querrändern 7-1. 7-2 wie die Enden der Längsrinnen 11-1, 11-2. Weiter erfüllen die Querrinnen 17-1, 17-2 die gleiche Funktion wie die Längsrinnen 11-1, 11-2; die oben für die Längsrinnen 11-1, 11-2 angegebenen Ausführungen können hier für die Querrinnen 17-1, 17-2 in analoger Weise gelten.
Auf diese Weise wird durch die umlaufende Rinne 19 die Aluminiumschmelze (z.B. zumindest im Wesentlichen) im inneren Bereich (Verdampfungsfläche 13) der Oberseite 3 des Verdampferkörpers 1 gehalten, ohne die (thermische) Trägheit bzw. Masse des Verdampferkörpers 1 übermäßig zu reduzieren.
Die 5 zeigt eine der Längs- und Querrinnen, im Weiteren beispielgebend die erste Längsrinne 11-1, eines erfindungsgemäßen Verdampferkörpers 1 im Detail (Querschnitt). Die Seitenwände (Längswände) der ersten Längsrinne 11-1 weisen an einem Übergang zum Boden der ersten Längsrinne 11-1 eine Krümmung 21 auf. Dadurch kann im Betrieb des Verdampferkörpers 1 das Auftreten von Heißstellen in dem Bereich der ersten Längsrinne 11-1 (im Übergangsbereich des Rinnenbodens zur Rinnenwand) sowie eine Kerbwirkung vermieden/reduziert werden. Beispielsweise kann auch nur eine der Seitenwände der ersten Längsrinne 11-1 wie oben beschrieben ausgestaltet sein. Weiter bildet die Seitenwand der ersten Längsrinne 11-1 mit dem an die erste Längsrinne 11-1 angrenzenden Abschnitt der Verdampfungsfläche 13 einen Winkel von z.B. 90°, wodurch ein Aufstauen der Aluminiumschmelze an einer Oberkante (Rand) 23 der ersten Längsrinne 11-1 zu Beginn des Betriebs des Verdampferkörpers 1 begünstigt wird, bevor diese in die ersten Längsrinne 11-1 einfließt, um eine gleichmäßige Benetzung der Verdampfungsfläche 13 zu erzielen.
Das heißt, die ersten Längsrinne 11-1 hat eine benetzungsfördernde Wirkung durch die Oberkante (Rand) 23 mit der Verdampfungsfläche 13. An dieser Oberkante 23 staut sich das flüssige Aluminium auf und fließt entlang der Oberkante 23 (entlang der ersten Längsrinne 11-1), so dass die Aluminiumschmelze die Verdampfungsfläche 13 zunächst (z.B. zumindest im Wesentlichen) primär entlang der Oberkante 23 benetzt. Die Benetzung der ersten Längsrinne 11-1 durch aufgestaute Aluminiumschmelze erfolgt im Wesentlichen lokal über die Oberkante 23 hinweg schlagartig. Gleichzeitig wird verhindert, dass sich Aluminiumschmelze auf der Verdampfungsfläche 13 übermäßig ansammelt, d.h., ein übermäßiges Aufstauen der Aluminiumschmelze wird verhindert, so dass lediglich ein Verdampfen des geschmolzenen Aluminiums auf der Verdampfungsfläche 13 stattfindet, jedoch kein „Kochen“ mit ungewünschtem Verspritzen von Aluminiumschmelze.
Weiter kann eine gleichmäßige und großflächige Benetzung der Verdampfungsfläche 13 erreicht werden, auch wenn die Zufuhr des Aluminiumdrahts dezentral erfolgt (z.B. in einem Bereich von 1/3 der Länge L des Verdampferkörpers 1). Das heißt, das geschmolzene Aluminium benetzt auch dann im Wesentlichen über die gesamte Verdampfungsfläche 13 hinweg, wenn der Aluminiumdrahtauftreffpunkt auf der Verdampfungsfläche 13 nicht in der Mitte der Verdampfungsfläche 13 ist. Der Verdampferkörper 1 ist dadurch benutzerfreundlich und unempfindlich im Praxiseinsatz. Beispielsweise in dem in der Praxis häufig anzutreffenden Fall, bei welchem der Aluminiumdraht bei in etwa 1/3 der Länge L des Verdampferkörpers 1 auf die Verdampfungsfläche 13 auftrifft, kann lediglich eine Querrinne an dem Querrand ausgebildet sein, welcher sich näher an dem Auftreffpunkt des Aluminiumdrahts auf der Verdampfungsfläche 13 befindet.
Die Form der Längs- und Querrinnen 11-1, 11-2, 17-1, 17-2 ist nicht auf die oben beschriebenen Formen beschränkt; alternativ können diese einen Rechteckquerschnitt ohne Ausrundungen aufweisen, oder bspw. einen Dreiecksquerschnitt, einen Polygonalquerschnitt, etc.
Die Rinnen 11-1, 11-2, 17-1, 17-2 lassen sich zum Beispiel durch Fräsen herstellen. Wird der Verdampferkörper 1 durch Sintern eines Grünlings hergestellt, so können die Rinnen 11-1, 11-2, 17-1, 17-2 auch während des Formens des Grünlings ausgebildet werden, z.B. durch entsprechendes Eindrücken der Grünlingsmasse.
Hier ist der Verdampferkörper einstückig als elektrisch leitfähiger widerstandsbeheizbarer Verdampferkörper ausgebildet, bspw. in Quaderform (z.B. alternativ als säulenförmiger bzw. langgestreckter Körper mit polygonalem Querschnitt). Alternativ kann der Verdampferkörper bspw. als elektrisch isolierendes Verdampferkörper-Außenteil ausgebildet sein, das einen inneren Hohlraum zur Aufnahme eines elektrisch leitfähigen widerstandsbeheizbaren Verdampferkörper-Kernteils aufweist. Das Außenteil kann dabei über das eingeschobene/eingesteckte Kernteil geheizt werden. In beiden Fällen kann die Verdampfungsfläche des Verdampferkörpers zudem mit einer benetzungsfördernden Schicht/Beschichtung versehen werden. Eine solche Beschichtung kann auch dem Schutz vor Abnutzung und Korrosion dienen.
Die 6 und 7 zeigen einen Verdampferkörper gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform mit seitlichen Rillen, wobei hier beispielgebend der Verdampferkörper 1 mit der umlaufenden Rinne 19 in der Oberseite 3 dargestellt ist (jedoch sind auch die anderen oben beschriebenen Ausgestaltungen des Verdampferkörpers mit Längs- und Querrinnen möglich). Der Verdampferkörper 1 weist eine erste und eine zweite Seitenfläche 31-1, 31-2 auf, wobei die erste Seitenfläche 31-1 zum ersten Längsrand 5-1 angrenzt und sich vollständig entlang diesem erstreckt (in der 6 verdeckt) und die zweite Seitenfläche 31-2 zum zweiten Längsrand 5-2 angrenzt und sich vollständig entlang diesem erstreckt. Die Seitenflächen 31-1, 31-2 sind in einer Rechteckgestalt ausgebildet und zur Oberseite 3 (z.B. zumindest im Wesentlichen) orthogonal orientiert, so dass zusammen mit nicht weiter beschriebenen Querseiten (zum Kontaktieren mit den Elektroden der Metallisierungsanlage) und einer Bodenseite der plattenförmige Verdampferkörper 1 ausgebildet ist.
In den Seitenflächen 31-1, 31-2 ist eine Rille 33-1 bzw. 33-2 ausgebildet, welche sich benachbart und parallel entlang dem korrespondierenden Längsrand 5-1 bzw. 5-2 erstreckt. Eine Breite B" (in Dickenrichtung D des Verdampferkörpers 1) der Rillen 33-1, 33-2 ist 1 mm und eine Tiefe T' davon ist 1,5 mm. Die beiden Rillen 33-1, 33-2 erstreckt sich entlang der gesamten Länge L des Verdampferkörpers 1. Beispielsweise alternativ können Enden der Rillen 33-1, 33-2 zu den Enden der Längsrinnen 11-1, 11-2 korrespondieren. In der Dickenrichtung D des Verdampferkörpers 1 sind die Rillen 33-1, 33-2 in etwa in der Mitte der jeweiligen Seitenfläche 31-1, 31-2 angeordnet. Analog und unter Verweis auf die oben beschriebenen Längs- und Querrinnen 11-1, 11-2, 17-1, 17-2 wirken die Rinnen 33-1, 33-2, um einen Temperaturverlauf an der Oberfläche des Verdampferkörpers 1 einzustellen. Insbesondere unter Zusammenwirkung mit den entsprechenden Längsrinnen 11-1, 11-2 ist es möglich, den Temperaturverlauf der Oberseite 3 (Verdampfungsfläche 13) einzustellen.
Die 8 zeigt schematisch den Verdampferkörper 1 mit umlaufender Rinne 19 im Betrieb in einer PVD-Metallisierungsanlage (Bandmetallisierungsanlage), wobei ein Anfangszustand dargestellt ist, in welchem der Vorgang des Verdampfens des Aluminiums gerade beginnt. Der Verdampfungsvorgang wird in einem Vakuum bei ca. 10^-4 mbar ausgeführt. Hierzu ist der Verdampferkörper 1 zwischen einer ersten und einer zweiten gekühlten Elektroden 51 der Metallisierungsanlage angeordnet, so dass die Querseiten (korrespondierend zu den Querrändern 7-1, 7-2) z.B. vollflächig die Elektroden 51 kontaktieren und von Strom durchflossen werden, um den Verdampferkörper 1 (dessen Oberseite) auf z.B. 1450-1600°C zu erhitzen. Ein Aluminiumdraht 53 wird kontinuierlich in die Mitte der Verdampfungsfläche 13 aufgebracht, so dass der Aluminiumdraht 53 die Verdampfungsfläche 13 kontaktiert, geschmolzen wird, sich die Aluminiumschmelze 55 auf der Verdampfungsfläche 13 gleichmäßig ausbreitet und zu verdampfen beginnt. Durch Abstimmen der Zuführrate des Aluminiumdrahts 53 (bspw. mittels einer Drahtvorschubvorrichtung) und des durch den Verdampferkörper 1 fließenden elektrischen Stroms (bspw. durch eine Stromquelle) wird die Verdampfungsrate des Aluminiums eingestellt. In einem stationären Zustand benetzt die Aluminiumschmelze 55 die Verdampfungsfläche 13 z.B. vollständig, wobei etwaige über die Verdampfungsfläche 13 abfließende Aluminiumschmelze 55, welche in die umlaufende Rinne 19 gelangt, dort aufgrund der höheren Temperatur in der umlaufenden Rinne 19 mit einer höheren Abdampfrate/cm² verdampft wird, sodass sich keine übermäßige Aluminiumschmelze 55 in der umlaufenden Rinne 19 sammelt.
Ein Abtrag des Materials des Verdampferkörpers 1 im Bereich der Verdampfungsfläche 13 und der umlaufenden Rinne 19 aufgrund der Hochtemperaturkorrosion ist somit gering bzw. die Materialdicke ausreichend groß, so dass der Verdampferkörper 1 eine ausreichende Standzeit hat. Ebenfalls ist die (thermische) Trägheit bzw. Masse des Verdampferkörpers 1 ausreichend, um in dem Fall eines variierenden Schmelzbads (variierender Parallelwiderstand) lediglich geringe Änderungen des Gesamtwiderstands des Verdampferkörpers 1 hervorzurufen. Zudem ist die Aluminiumschmelze 55 von den Elektroden 51 ausreichend weit entfernt, so dass elektrische Überschläge verhindert werden können.
Oberhalb des Verdampferkörpers 1 wird ein zu beschichtendes Band 57 (z.B. eine Kunststofffolie; in der 8 strichliert dargestellt) kontinuierlich vorbeigeführt, auf welchem sich das vom Verdampferkörper 1 verdampfte Aluminium niederschlägt. Anschließend wird das Band 57, welches die Aluminiumbeschichtung auf der dem Verdampferkörper 1 zugewandten Seite aufweist, auf eine gekühlten Walze 59 aufgewickelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013211034 A1 [0007]

Claims

Verdampferkörper (1) zum Verdampfen von Metall in einer PVD-Metallisierungsanlage, mit einer Oberseite (3), welche aufweist: einen ersten und einen zweiten Längsrand (5-1, 5-2) sowie einen ersten und einen zweiten Querrand (7-1, 7-2), welche sich quer zu den Längsrändern (5-1, 5-2) erstrecken, und einer ersten und einer zweiten Längsrinne (11-1, 11-2), welche in der Oberseite (3) ausgebildet sind, wobei sich die erste Längsrinne (11-1) benachbart und entlang dem ersten Längsrand (5-1) erstreckt und sich die zweite Längsrinne (11-2) benachbart und entlang dem zweiten Längsrand (5-2) erstreckt, wobei Enden der Längsrinnen (11-2, 11-2) zu den Querrändern (7-1, 7-2) einen Abstand haben und wobei eine innenliegende, von der Oberseite (3) des Verdampferkörpers (1) gebildete Verdampfungsfläche (13) von den Längsrinnen (11-1, 11-2) längsseitig unmittelbar begrenzt ist.
Verdampferkörper (1) nach Anspruch 1, ferner eine erste und eine zweite Querrinne (17-1, 17-2) aufweisend, wobei sich die erste Querrinne (17-1) benachbart und entlang dem ersten Querrand (7-1) erstreckt und sich die zweite Querrinne (17-2) benachbart und entlang dem zweiten Querrand (7-2) erstreckt, wobei Enden der Querrinnen (17-1, 17-2) mit den Enden der Längsrinnen (11-1, 11-2) verbunden sind, um in der Oberseite eine umlaufende Rinne (19) auszubilden, von welcher die innenliegende, von der Oberseite (3) des Verdampferkörpers (1) gebildete Verdampfungsfläche (13) umfänglich unmittelbar begrenzt ist.
Verdampferkörper (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verdampfungsfläche (13) eine Flächengröße hat, welche in einem Bereich von 25% bis 85%, bevorzugt in einem Bereich von 40% bis 65%, und weiter bevorzugt in einem Bereich von 50% bis 60% einer Flächengröße der Oberseite (3) liegt.
Verdampferkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis der Flächengröße der Verdampfungsfläche (13) zu einer Flächengröße, welche die Rinnen (11-1, 11-2, 17-1, 17-2) in der Oberseite (3) einnehmen, in einem Bereich von 10:1 bis 3:1 und bevorzugt in einem Bereich von 8:1 bis 5:1 liegt.
Verdampferkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Längsrinnen (11-1, 11-2) eine Länge haben, welche in einem Bereich von 50% bis 85%, bevorzugt in einem Bereich von 60% bis 80%, einer Länge des korrespondierenden Längsrands (5-1, 5-2) liegt.
Verdampferkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Enden der Längsrinnen (11-1, 11-2) zu den Querrändern (5-1, 5-2) einen Abstand haben, welcher in einem Bereich 8% bis 30%, bevorzugt in einem Bereich von 10% bis 25%, der Länge des korrespondierenden Längsrands (5-1, 5-2) liegt.
Verdampferkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Breite-zu-Tiefe-Verhältnis der Rinnen (11-1, 11-2, 17-1, 17-2) in einem Bereich von 1:0,5 bis 3:1 und bevorzugt bei 1:1 liegt.
Verdampferkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Breite (B) der Rinnen (11-1, 11-2, 17-1, 17-2) in einem Bereich von 0,5 mm bis 2,5 mm und bevorzugt in einem Bereich von 1 mm bis 2 mm liegt.
Verdampferkörper (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei die Querrinnen (17-1, 17-2) zu den Querrändern (7-1, 7-2) einen größeren Abstand (A2) haben als die Längsrinnen (11-1, 11-2) zu den Längsrändern (5-1, 5-2).
Verdampferkörper (1) nach Anspruch 9, wobei der Abstand (A1) der Längsrinnen (11-1, 11-2) zu den Längsrändern (5-1, 5-2) in einem Bereich von 1 mm bis 5 mm, bevorzugt in einem Bereich von 1,5 mm bis 2,5 mm, liegt, und wobei der Abstand (A2) der Querrinnen (17-1, 17-2) zu den Querrändern (7-1, 7-2) in einem Bereich von 5 mm bis 15 mm, bevorzugt in einem Bereich von 10 mm bis 12 mm, liegt.
Verdampferkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdampfungsfläche (13) und ein Bereich der Oberseite (3) zwischen den Rinnen (11-1, 11-2, 17-1, 17-2) und den Rändern (5-1, 5-2, 7-1, 7-2) auf gleicher Höhe liegen.
Verdampferkörper (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner eine erste und eine zweite Seitenfläche (31-1, 31-2) aufweisend, wobei die erste Seitenfläche (31-1) zum ersten Längsrand (5-1) angrenzt und sich entlang diesem erstreckt und die zweite Seitenfläche (31-2) zum zweiten Längsrand (5-2) angrenzt und sich entlang diesem erstreckt, und wobei in den Seitenflächen (31-1, 31-2) eine Rille (33-1, 33-2) ausgebildet ist, welche sich benachbart und entlang dem korrespondierenden Längsrand (5-1, 5-2) erstreckt.
Verdampferkörper (1) nach Anspruch 12, wobei eine Breite (B") der Rille (33-1, 33-2) in einem Bereich von 0,5 mm bis 2,0 mm, bevorzugt bei 1 mm, und eine Tiefe (T') der Rille in einem Bereich von 1 mm bis 2,5 mm, bevorzugt bei 2 mm, liegen.
Verdampferkörper (1) nach Anspruch 12 oder 13, wobei eine Länge der Rille (33-1, 33-2) in einem Bereich von 100% bis 50%, bevorzugt in einem Bereich von 100% bis 80%, der Länge des korrespondierenden Längsrands (5-1, 5-2) liegt.
PVD-Metallisierungsanlage in Kombination mit einem Verdampferkörper (1) gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die PVD-Metallisierungsanlage eine erste und eine zweite Elektrode (51) aufweist und der Verdampferkörper (1) im Bereich der Querränder (7-1, 7-2) von den Elektroden (51) kontaktierbar ist.