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Die Erfindung ist auf eine Beschichtungsanlage zur Beschichtung eines Gegenstands gerichtet. Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zum Beschichten eines Gegenstands sowie auf eine Verwendung gerichtet.
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Eine Beschichtungsanlage, auf welche die Erfindung gerichtet ist, weist eine Beschichtungskammer auf, durch welche der zu beschichtende Gegenstand durchgeführt werden kann. Bevorzugt weist die Beschichtungskammer hierzu einen geheizten Beschichtungskanal auf.
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Zur Bereitstellung des in Gasphase befindlichen Materials weist die Beschichtungsanlage eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material auf. Die Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material weist zumindest einen Verdampfungsabschnitt auf. Der Verdampfungsabschnitt dient dazu, ein als Ausgangsmaterial bereitgestelltes Material durch Verdampfen derart aufzubereiten, dass es teilweise oder vollständig in Gasphase vorliegt. Das durch Verdampfen in Gasphase gebrachte Material kann sodann in Richtung der für die Beschichtung vorgesehene Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstands gelangen, um dort zur Schichtbildung beizutragen.
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Die Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material weist zudem einen Düsenabschnitt auf, der mit dem Verdampfungsabschnitt gekoppelt ist. Der Düsenabschnitt dient der Funktion, das in dem Verdampfungsabschnitt in Gasphase gebrachte Material in die Richtung der zu beschichtenden Oberfläche zu führen. Das in Gasphase vorliegende Material wird also in die Richtung einer zu beschichtenden Oberfläche des Gegenstands hingeführt und aus einem in der Beschichtungskammer mündenden Düsenausgang des Düsenabschnitts heraus aus diesem heraus ausgelassen.
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Die zu beschichtende Oberfläche des Gegenstands wird beschichtet, indem der Gegenstand durch die Beschichtungskammer hindurch an den Düsenausgang vorbeigeführt wird und mit aus dem Düsenausgang ausströmendem, in Gasphase vorliegendem, Material beschichtet wird, indem das in Gasphase vorliegende Material auf der Oberfläche des Gegenstands kondensiert und dadurch die gewünschte Beschichtung bildet.
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Für das Verdampfen des Materials in dem Verdampfungsabschnitt können unterschiedliche Mechanismen genutzt werden. Eine konzeptionell einfache Vorgehensweise ist das thermische Verdampfen eines Ausgangsmaterials, welches sodann zum Düsenabschnitt und durch diesen hindurchgeführt wird. Zur Bewegung des in Gasphase vorliegenden Materials trägt beispielsweise ein Druckunterschied zwischen Verdampfungsabschnitt und Beschichtungskammer bei. Optional kann zudem ein Trägergasstrom, beispielsweise aus einem Inertgas, durch den Verdampfungsabschnitt und hiernach durch den Düsenabschnitt hindurch für die Beförderung des verdampften Materials eingesetzt werden.
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Ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material ist eine Jet-Vapour-Deposition-Anlage, unter welcher der Fachmann eine Anlage versteht, in welcher das Beschichtungsmaterial mittels thermischen Verdampfens in Gasphase gebracht wird und es sodann beispielsweise - typischerweise, aber nicht zwingend - mit einem Trägergasstrom aus Inertgas zu dem Substrat transportiert wird, bevorzugt mit einer Gasstromgeschwindigkeit oberhalb der Schallgeschwindigkeit, bevorzugt oberhalb 500 m/s. Die Funktionsweise geht beispielsweise aus dem Übersichtsartikel im Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings (Third Edition), Science, Applications and Technology, 2010, Seiten 881-901, https://doi.org/10.1016/B978-0-8155-2031-3.00018-1 (verlinkt am Anmeldetag) hervor. Die vorliegende Erfindung ist auch mit derartigen Jet-Vapour-Deposition-Anlagen umsetzbar.
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Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung aber ganz allgemein für sämtliche Beschichtungsvorrichtungen der eingangs genannten Art nutzbar, also für alle Beschichtungsvorrichtungen, bei denen das für die Beschichtung vorgesehene Material innerhalb eines einen Tiegel aufweisenden Verdampfungsabschnitts in seine Gasphase gebracht wird und das in Gasphase befindliche Material sodann durch einen Düsenabschnitt hindurch und aus dem Ausgang des Düsenabschnitts hinaus zu einer zu beschichtenden Oberfläche des Gegenstandes hin gerichtet ausgelassen wird.
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Insbesondere ist die vorliegende Erfindung für die Untergattung solcher Beschichtungsvorrichtungen vorgesehen, bei denen eine Trägergastromzufuhr in den Verdampfungsabschnitt hineinführt zum Zuführen eines Trägergasstroms eines Trägergases in den Verdampfungsabschnitt und durch diesen hindurch zum Mitführen des Beschichtungsmaterials zu der Substratoberfläche hin. Eine Variante einer Beschichtungsvorrichtung dieser genannten Art ist zum Beispiel aus der
WO 2016/042079 A1 bekannt. Bei dieser Beschichtungsvorrichtung werden kontinuierlich zwei Drähte als Beschichtungsmaterial zugeführt. Das Beschichtungsmaterial gelangt zu einem Spritzkopf, bei welchem die beiden Materialdrähte als Kathode und als Anode an eine elektrische Gleichspannungsquelle angeschlossen sind. Infolge der elektrischen Gleichspannung zwischen Kathode und Anode bildet sich zwischen den beiden Materialdrähten ein elektrischer Lichtbogen, wodurch das zugeführte Ausgangsmaterial in Form der beiden Materialdrähte verdampft und/oder verflüssigt wird. Durch den Spritzkopf hindurch wird ein Gasstrom geführt, welcher das verdampfte und/oder verflüssigte Beschichtungsmaterial mit sich reißt und über ein Injektorrohr in einen Tiegel transportiert. Das in den Tiegel beförderte Beschichtungsmaterial verdampft sodann vollständig innerhalb des beheizten Tiegels und wird aus dem Tiegel herausgeführt und zu dem zu beschichtenden Substrat hin weisend gerichtet. Diese Beschichtungsvorrichtung weist eine Kombination aus Elementen auf, die auch von Jet-Vapour-Deposition-Anlagen bekannt sind, sowie aus Elementen, die aus Anlagen bekannt sind, die nach dem Prinzip der Arc Evaporation arbeiten. Die Vorrichtung basiert auf der Beförderung des Beschichtungsmaterials mit einem Trägergasstrom. Für die Bereitstellung des Beschichtungsmaterials als in Gasphase vorliegendes Material nutzt diese Beschichtungsvorrichtung einen Verdampfungsabschnitt, der sich aus einem Vorverdampfungsabschnitt und einem als Tiegel ausgebildeten Nachverdampfungsabschnitt zusammensetzt. Der Vorverdampfungsabschnitt bereitet das Material in dem Spritzkopf und dem Injektorrohr auf und stellt es für die Nachverdampfung, das heißt: das zumindest größtenteils in Gasphase bringen von noch vorhandenen festen oder flüssigen Anteilen, dem Tiegel bereit.
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Die Anlagen der eingangs genannten Art haben alle gemeinsam, dass sie aufgrund ihrer konzeptionellen Umsetzung mit einer Beschichtungskammer zur Durchführung des zu beschichtenden Gegenstands insbesondere für großtechnische Umsetzungen nutzbar sind und ihre Vorteile entfalten. Unter anderem auch aufgrund der dadurch sich ergebenden Randbedingungen, wie beispielsweise der entsprechenden Größe der Beschichtungskammer sowie aufwands- und kostenabhängigen Grenzen in der Bereitstellung eines technischen Vakuums, besteht bei einem Betrieb der Beschichtungsanlage eine besondere Herausforderung darin, bei der Beschichtung der Gegenstände eine hohe Prozesssicherheit gewährleisten zu können. Beispielsweise ist wünschenswert, eine hohe Reproduzierbarkeit der Eigenschaften der hergestellten Beschichtungen und/oder einen wirtschaftlichen Betrieb der Anlage und/oder eine hohe Qualität der hergestellten Schichten gewährleisten zu können.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, die Prozesssicherheit des Betriebs einer Beschichtungsanlage der eingangs genannten Art zu verbessern.
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Die Aufgabe wird mit einer Beschichtungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie mit einer Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Die Beschichtungsanlage dient der Beschichtung eines Gegenstands, bevorzugt eines Bands. Bei dem Gegenstand kann es sich beispielsweise um ein metallisches Band, bevorzugt um ein Stahlband handeln. Zur Vermeidung von unterwünschten Reaktionsprozessen des zur Beschichtung vorgesehenen Materials, beispielsweise von Oxidation mit Atmosphärensauerstoff, findet der Beschichtungsprozess innerhalb der Beschichtungskammer bevorzugt in einem technischen Vakuum, gegebenenfalls unter Zugabe von Inertgas, statt.
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Die Beschichtungsanlage umfasst:
- - Eine Beschichtungskammer zur Durchführung des Gegenstands;
- - eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material, aufweisend einen Verdampfungsabschnitt zum Verdampfen des Materials in die Gasphase hinein, und
- - einen mit dem Verdampfungsabschnitt gekoppelten Düsenabschnitt, wobei der Düsenabschnitt eine Düse mit einem in der Beschichtungskammer mündenden Düsenausgang aufweist.
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Der Düsenabschnitt dient dem gerichteten Führen und Auslassen des in Gasphase vorliegenden Materials aus dem Düsenausgang hinaus zu einer zu beschichtenden Oberfläche des Gegenstands, beispielsweise Bands, der durch die Beschichtungskammer hindurch an dem Düsenausgang vorbeigeführt wird. Dadurch wird erreicht, dass eine kontinuierliche Beschichtung der Oberfläche erfolgt, indem aus dem Düsenausgang ausströmendes, in Gasphase vorliegendes Material auf der Oberfläche kondensiert und dadurch die Beschichtung bildet.
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Der Verdampfungsabschnitt ist die Gesamtheit aller apparativen Einrichtungen der Beschichtungsanlage, welche die Überleitung des für die Beschichtung vorgesehenen Ausgangsmaterials in die Gasphase bewirken. Hierzu weist der Verdampfungsabschnitt eine Zuführung für das Ausgangsmaterial auf, durch die der Verdampfungsabschnitt mit dem Ausgangsmaterial versorgt wird, um dieses zu verdampfen.
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Im Rahmen der gesamten Beschreibung werden die Begriffe der Gasphase und des Verdampfens verwendet, da sie im Bereich der beschriebenen Technologie üblich sind. Der Begriff der Gasphase umfasst dabei, dass ein geringer Gewichtsanteil, beispielsweise bis zu 30 Gew.-%, bevorzugt nicht mehr als 10 Gew.-%, des in Gasphase vorliegenden Materials nicht als reines Gas im physikalischen Sinne, sondern stattdessen als Dampfbestanteile wie zum Beispiel als Aerosol und/oder als Cluster vorliegen kann. Der Begriff des Verdampfens umfasst, dass je nach verwendetem Material und nach verwendeter Technologie der Übergang der Teilchen in die Gasphase zumindest teilweise auch mittels anderer Mechanismen erfolgt, beispielsweise durch Sublimation. Der Begriff des Verdampfens umfasst somit zusätzlich zu einem Verdampfen im streng physikalischen Sinne, also einem Übergang flüssig → Gasphase, auch weitere Mechanismen, wie insbesondere die Sublimation.
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Die Beschichtungskammer weist bevorzugt eine Eintrittsdurchgang und einem Austrittsdurchgang auf sowie einen Beschichtungskanal, der besonders bevorzugt innerhalb der Beschichtungskammer angeordnet ist und zum Einbringen und Ausbringen des Gegenstands eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung aufweist. Beispielsweise kann, wenn die Beschichtungsanlage zum Beschichten von metallischem Band vorgesehen ist, die Beschichtungskammer eine Bandbeschichtungsanlage sein mit außerhalb der Beschichtungskammer angeordneten Transport- und Stützrollen, so dass das Band durch die Beschichtungskammer hindurchgeführt wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Düsenabschnitt ausgebildet ist, das Material zu überhitzen. Das Überhitzen erfolgt derart, dass das Material, welches nach dem Verdampfen im Verdampfungsabschnitt von diesem aus als in Gasphase vorliegendes Material in den Düsenabschnitt gelangt nach dem Durchströmen des Düsenabschnitts überhitzt, das heißt also: als überhitztes Gas, aus dem Düsenabschnitt austritt.
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Wie bereits erläutert, dient der Verdampfungsabschnitt dem Verdampfen des Materials. Das Verdampfen erfolgt dabei derart, dass ein Teil des in Gasphase vorliegenden Materials nicht in Gasphase im physikalischen Sinne vorliegt, sondern dass es als Aerosol und/oder als Cluster vorliegt; genau genommen würde man in diesem Fall davon sprechen, dass am Ende des Verdampfungsabschnitts ein Materialdampf vorliegt in dem Sinne, dass noch flüssige und feste Bestandteile des Materials vorhanden sind oder zumindest der Materialdampf sich stets an oder nahe an der Phasengrenze zum flüssigen und/oder festen Zustand befindet. Dies ist gleichbedeutend damit, dass die Temperatur des in Gasphase befindlichen Materials der Verdampfungstemperatur entspricht oder von dieser nicht wesentlich abweicht. Es liegt also eine Konstellation vor, in der zumindest Teile des Volumens des Materialdampfes in einem metastabilen Zustand befindlich sind.
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Mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen nachgelagert erfolgenden Überhitzen des am Ende des Verdampfungsabschnitts vorliegenden in Gasphase befindlichen Materials, das an diesem Punkt analog auch als Materialdampf bezeichnet werden kann, wird zweierlei erreicht. Zum einen wird erreicht, dass nach dem Überhitzen weder flüssige noch feste Bestandteile des Materials mehr vorliegen. Zum anderen wird erreicht, dass die Temperatur des Materials oberhalb seines Verdampfungspunkts liegt.
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Das Überhitzen erfolgt derart, dass nach dem Austreten aus dem Düsenausgang der Düse des Düsenabschnitts ein überhitztes Material vorliegt. Versuche haben gezeigt, dass das Durchführen der Beschichtung mit überhitzt aus dem Düsenausgang austretenden Gas, mit anderen Worten: überhitztem in Gasphase vorliegenden Material, verhindert oder zumindest weitgehend verhindern kann, dass es zu einer frühzeitigen Bildung von flüssigen oder festen Kondensationen in Form von Tropfen oder Staub kommt. Durch die Maßnahme des Überhitzens kann in der Folge eine Degradation der Produktqualität und damit einhergehende Kosten durch fehlende Reinigungs-/Entsorgungsmaßnahmen vermieden werden.
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Bevorzugt ist der Düsenabschnitt zum Überhitzen des Materials ausgebildet ist derart, dass das Material, welches nach dem Verdampfen im Verdampfungsabschnitt von diesem aus in den Düsenabschnitt gelangt, nach dem Durchströmen des Düsenabschnitts und bis zum Gelangen an der zu beschichtenden Oberfläche des Gegenstands, beispielsweise Bands, überhitzt ist und erst an dieser Stelle Kondensation stattfindet. Mit anderen Worten: Die Überhitzungstemperatur wird ausreichend hoch gewählt, um nicht nur am Düsenausgang ein überhitztes Material vorliegen zu haben, sondern dass während des gesamten Transports zu der zu beschichtenden Oberfläche ein überhitztes Gas vorhanden ist. Die hierfür erforderliche Überhitzungstemperatur ist fachmännisch zu wählen, da sie von einer Vielzahl von Parametern und Gegebenheiten abhängt, beispielsweise mit der zurückzulegenden Strecke und den innerhalb der Beschichtungskammer vorherrschenden Strömungsverhältnissen. Grundsätzlich ist es dem Fachmann ausgehend von dieser Erkenntnis allerdings ohne besondere Schwierigkeit möglich, eine geeignete Temperatur zu ermitteln, da bei einer gegebenen Anlage lediglich Beschichtungsversuche in Abhängigkeit von dem Parameter Temperatur durchzuführen sind, sodass für den Fachmann zwar ein gewisser Aufwand erforderlich ist, allerdings keine prinzipielle Schwierigkeit besteht, mit absehbaren Bemühungen zu einem Ergebnis zu gelangen. So ist es beispielsweise möglich, dass in der Beschichtungsanlage ohne Überhitzung des Gases oder mit zu geringer Überhitzung des Gases aufgrund von Strömung, beispielsweise auch bedingt durch die Geometrie des Inneren der Beschichtungskammer und die dadurch herbeigeführten Strömungsverhältnisse, oder thermischer Hintergrundstrahlung eine Temperaturänderung und/oder Druckänderung herbeigeführt wird, die lokal zu ungewünschten Kondensationen führen. Das bedeutet letztlich, dass die Überhitzungstemperatur vom mit der Umsetzung der Erfindung betrauten Fachmann ausreichend weit zu erhöhen ist, dass an keiner unerwünschten Stelle der Beschichtungskammer mehr Kondensation stattfindet. Wesentlich ist daher, dass das Material, welches nach dem Verdampfen im Verdampfungsabschnitt von diesem aus dem Düsenausschnitt gelangt, nach dem Durchströmen des Düsenabschnitts überhitzt aus diesem austritt, die zu wählende Überhitzungstemperatur selbst ist fachmännisch zu wählen.
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In beispielhaft durchgeführten Experimenten hat sich gezeigt, dass in den meisten Fällen sehr gute Ergebnisse erhalten werden, wenn das verdampfte und sodann überhitzte Beschichtungsmaterial bei Austritt aus dem Düsenausgang eine Temperatur zwischen 10 und 50 %, besonders bevorzugt zwischen 20 und 40 %, oberhalb seiner Verdampfungstemperatur auf der Kelvin-Skala aufweist. Es ist somit bevorzugt vorgesehen, dass der Düsenabschnitt zum Überhitzen des Materials derart ausgebildet ist, dass das Material, welches nach dem Verdampfen im Verdampfungsabschnitt von diesem aus in den Düsenabschnitt gelangt, nach dem Durchströmen des Düsenabschnitts mit einer Temperatur 10 bis 50 %, besonders bevorzugt zwischen 20 und 40 %, oberhalb seiner Verdampfungstemperatur auf der Kelvin-Skala überhitzt aus dem Düsenabschnitt austritt.
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Die Erfindung sieht also insbesondere vor, nachgeschaltet zu dem Verdampfungsabschnitt, also innerhalb des Düsenabschnitts, das aus dem Verdampfungsabschnitt austretende teilweise oder vollständig verdampfte Material, das in etwa, beispielsweise +/-5 % der Verdampfungstemperatur in Kelvin, die Verdampfungstemperatur aufweist, über diesen Wert hinaus überhitzt wird, so dass ein überhitztes in Gasphase vorliegendes Material aus dem Düsenabschnitt, genauer gesagt, aus dem Düsenausgang der Düse des Düsenabschnitts hinaustritt.
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Im einfachsten Fall besteht der Verdampfungsabschnitt aus einem Tiegel. Der Düsenabschnitt besteht im einfachsten Fall aus einer Düse mit einem Düsenausgang.
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Bevorzugt weist der Düsenabschnitt eine Düse und ein zur Anordnung zwischen Verdampfungsabschnitt und Düse angeordnetes Kopplungsglied auf. Vorteil des Vorhandenseins eines Kopplungsglieds ist, dass unterschiedliche Düsen an einem vorhandenen Verdampfungsabschnitt angeordnet sein können. In einer vorteilhaften Variante weist der Düsenabschnitt eine Düse und ein zur Anordnung zwischen Verdampfungsabschnitt und Düse angeordnetes Kopplungsglied auf, wobei die Düse optional mit dem Kopplungsglied drehbar an dem Verdampfungsabschnitt angeordnet ist. In der optionalen Ausführung, gemäß welcher die Düse drehbar an dem Verdampfungsabschnitt angeordnet ist, wird die Beschichtung flexibler.
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Es kann vorgesehen sein, dass ein Überhitzer im Kopplungsglied angeordnet ist oder durch das Kopplungsglied gebildet wird, in diesem Fall wird der Überhitzer im Rahmen dieser Anmeldung als Kopplungsgliedüberhitzer bezeichnet. Alternativ kann vorgesehen sein, dass ein Überhitzer in der Düse angeordnet ist oder durch die Düse gebildet wird, in diesem Fall wird der Überhitzer im Rahmen dieser Anmeldung als Düsenüberhitzer bezeichnet.
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Bevorzugt ist, dass innerhalb des Kopplungsglieds ein Wärmetauscher angeordnet ist. Der Wärmetauscher kann beispielsweise als Rohrbündelwärmetauscher, als Lochplattenwärmetauscher, als Hohlraum aufweisender Materialblock, bevorzugt aus Fliese oder aus Sintermaterial, ausgebildet sein, wobei auch mehrere der vorgenannten sequenziell innerhalb des Kopplungsglieds angeordnet sein können. Der Lochplattenwärmetauscher ist bevorzugt mit gegeneinander versetzten Öffnungen versehen. Der Wärmetauscher wird erhitzt, beispielsweise mittels Verbrennens oder mittels chemischer Vorgänge oder mittels Induktion oder elektrisch resistiv, und dadurch für das Überhitzen des Gases genutzt. Es versteht sich, dass die Temperatur entsprechend hoch sein muss. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass das Überhitzen teilweise oder vollständig innerhalb des Kopplungsglieds erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass die Düse selbst austauschbar bleibt und als solche ein konstruktiv besonders leicht zu gestaltender Gegenstand bleibt.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass innerhalb des Kopplungsglieds ein resistiver Wärmetauscher und/oder ein induktiver Wärmetauscher angeordnet ist. Der resistive Wärmetauscher kann beispielsweise eine mit elektrischem Strom geheizte Widerstandswärmequelle sein. Bevorzugt wird ein Keramikheizelement verwendet, beispielsweise Ceramic-Matrix-Composits (CMC, z.B.ATN=Al2O3/TiN-Mischkeramik, Al2O3/MoSi2-Mischkeramik, Si3N4/MoSi2 usw.) oder ein Hybridheizelement.
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Der induktive Wärmetauscher kann beispielsweise als ein elektrisch leitender Gegenstand, vorzugsweise aus Grafit, ausgebildet sein, der mit einer, beispielsweise außerhalb des Kopplungsglied befindlichen, Induktionsspule heizbar ist. Optional ist die Induktionsspule Bestandteil der Beschichtungsanlage.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Kopplungsglied selbst teilweise oder vollständig aus einem elektrisch leitenden Material bestehen, in welches ein durch die Induktionsspule erzeugtes Induktionsfeld einkoppelbar ist mit der Folge eines Aufheizens des Kopplungsglieds. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das Kopplungsglied einen Innenmantel aufweist, der teilweise oder vollständig aus Grafit besteht.
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Alternativ oder zusätzlich zu der oben ausgeführten Idee, gemäß welcher das Überhitzen in dem Kopplungsglied stattfindet, kann vorgesehen sein, dass das Überhitzen teilweise oder vollständig innerhalb der Düse stattfindet, dass also ein Düsenüberhitzer vorhanden ist. So kann beispielsweise innerhalb der Düse ein resistiv erhitzbarer Wärmetauscher angeordnet sein, der in gleicher Weise ausgebildet sein kann, wie es im Zusammenhang mit dem Kopplungsglied oben beschrieben ist.
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Auch ein resistiver Wärmetauscher, ein induktiver Wärmetauscher und/oder eine Ausbildung der Düse selbst aus metallischem Material, bevorzugt Grafit, und mit einer Induktionsspule einkoppelbar wie in der oben beschriebenen Weise kann vorgesehen sein.
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In einer speziellen Ausführungsform einer Beschichtungsanlage wie beispielsweise der eingangs beschriebenen Beschichtungsanlage umfasst der Verdampfungsabschnitt einen Vorverdampfungsabschnitt mit insbesondere einem Spritzkopf sowie ein Injektorrohr von dem Spritzkopf zu dem als Nachverdampfungsabschnitt ausgebildeten Tiegel. Dem Spritzkopf wird das Ausgangsmaterial zugeführt, bevorzugt in Draht- oder in Bandform. In dem Spritzkopf wird das Ausgangsmaterial aufbereitet, das bedeutet, es werden Bestandteile des Ausgangsmaterials verdampft und/oder als in Flüssigphase vorliegende Partikel vom Ausgangsmaterial getrennt, bevorzugt mittels einem Lichtbogenverdampfen zwischen als Kathode geschaltetem Ausgangsmaterial und als Anode geschaltetem Ausgangsmaterial. Das aufbereitete Ausgangsmaterial liegt nicht vollständig in Gasphase vor, aber besteht aus einem Gemisch insbesondere aus Gasphase und flüssigen oder teilflüssigen Partikeln, das zur Führung durch den Tiegel geeignet ist, um dort nachverdampft zu werden, das heißt: durch dort stattfindende Erwärmung vollständig oder weitgehend vollständig in die Gasphase überzugehen.
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Der Vorverdampfungsabschnitt umfasst insbesondere einen Spritzkopf zum Aufbereiten des als Ausgangsmaterial vorliegenden Beschichtungsmaterials und ein Injektorrohr. Das Injektorrohr ist mit dem Tiegel gekoppelt und ausgebildet, das in dem Spritzkopf aufbereitete Beschichtungsmaterial zu dem Tiegel zu leiten. Das aufbereitete Beschichtungsmaterial gelangt in den Tiegel. Bestandteile des Beschichtungsmaterials, die noch nicht in Gasphase vorliegen, verdampfen innerhalb des Tiegels, der zu diesem Zweck auf eine Temperatur erwärmt ist, die oberhalb der Verdampfungstemperatur des Ausgangsmaterials liegt.
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Der Tiegel ist erwärmt, um das aufbereitete Ausgangsmaterial in Gasphase zu überführen. Die Temperatur, auf welche der Tiegel erwärmt wird, richtet sich nach dem Beschichtungsmaterial. Solange noch flüssiges verdampfendes Material vorliegt, stellt sich bei Kontakt mit dem Tiegel an der Oberfläche des Tiegels eine Temperatur nahe der Verdampfungstemperatur des flüssigen, noch zu verdampfenden Materials ein. Daher ist bei Umsetzung der Erfindung oder ihrer Weiterbildungen zu berücksichtigen, dass die Starttemperatur, das heißt: die Temperatur am Ort der Energiezufuhr beispielsweise durch Induktionsstrom im Inneren oder Strahlung an der Außenwand des Tiegels, auf einen Wert einzustellen, der größer ist als die Verdampfungstemperatur des Ausgangsmaterials.
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Der Tiegel ist bevorzugt als Zyklon ausgebildet, da eine Zyklonform eine platzsparende Ausgestaltung ist, die eine effiziente Führung des Gasstroms durch den Tiegel erlaubt. Ein weiterer Vorteil eines in Zyklonform ausgebildeten Tiegels ist dessen hohe Zuverlässigkeit in der nahezu vollständigen Verdampfung des durchströmenden Materials, wodurch eine hohe Qualität der abgeschiedenen Beschichtung gewährleistet wird, da ein Beschuss des Bands mit noch in Flüssigphase vorliegendem Beschichtungsmaterial bei sachgemäßer Anwendung nahezu ausgeschlossen werden kann. Allerdings weist jeder Zyklon in der Praxis eine sogenannte untere Trennschärfe auf, das heißt: einen minimalen Durchmesser zurückgehaltener Tropfen, sodass in der betrieblichen Realität immer auch einige - wenn auch kleine - flüssige Teilchen den Tiegel verlassen. Das erfindungsgemäße Vorgehen setzt genau an dieser Problematik an, indem durch geeignetes Überhitzen in der beschriebenen Weise auch diese flüssigen Teilchen weitgehend oder vollständig einer Verdampfung zugeführt werden.
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In einer Variante ist eine in den Verdampfungsabschnitt weisende Trägergasstromzufuhr an dem Verdampfungsabschnitt angeordnet zum Zuführen eines Trägergasstroms eines Trägergases in den Verdampfungsabschnitt und durch diesen hindurch zum Mitführen des Beschichtungsmaterials.
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Bevorzugt ist eine Ausführung eines eingangs erläuterten Ausführungsbeispiels, in welchem der Vorverdampfungsabschnitt einen Spritzkopf aufweist, wobei die Trägergasstromzufuhr im Spritzkopf angeordnet ist, sodass das Trägergas durch den Spritzkopf hindurch geleitet ist und dort aufbereitetes Ausgangsmaterial, beispielsweise in Form von Partikeln oder Clustern, mit sich reißt und dieses durch das Injektorrohr hindurch in den Tiegel hinein leitet.
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Beispielsweise kann der Spritzkopf als Drahtspritze ausgebildet sein, womit ein Spritzkopf bezeichnet wird, in den Ausgangsmaterial draht- oder bandförmig eingeführt wird um diesen hieraufhin innerhalb des Spritzkopfes mittels Lichtbogenschmelzens und/oder Lichtbogenverdampfens aufzubereiten, also für die weitergehende Verdampfung vorzubereiten.
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Ein weiterer Gedanke der Erfindung, der in Zusammenhang mit den bisher erläuterten Beschichtungsanlagen wie auch in Alleinstellung durchführbar ist, ist auf ein Verfahren zum Beschichten des Gegenstands, bevorzugt mittels Betriebs einer Beschichtungsanlage mit der eingangs genannten Art oder ihrer Weiterbildung, gerichtet. Es sind die nachfolgend genannten Schritte vorgesehen:
- a) Einbringen eines Beschichtungsmaterials in einen Verdampfer eines Verdampfungsabschnitts;
- b) Erhitzen des Beschichtungsmaterials mittels des Verdampfers zum Verdampfen des Beschichtungsmaterials. Damit ist insbesondere gemeint, dass das verdampfte Beschichtungsmaterial noch flüssige und/oder feste Bestandteile enthalten darf, beispielsweise bis zu 10 Gew.-%, gegebenenfalls auch bis zu 30 Gew.-%, und insbesondere der Materialdampf mit einer Temperatur in etwa der Verdampfungstemperatur entsprechend (dabei beispielsweise höchstens 20 % Abweichung, bevorzugt zwischen 2 und 15 % Abweichung, besonders bevorzugt zwischen 5 und 10 % Abweichung, von der Verdampfungstemperatur auf der Kelvin-Skala) ;
- c) Leiten des verdampften Beschichtungsmaterials in einen mit dem Verdampfungsabschnitt gekoppelten Düsenabschnitts mit einer Düse;
- d) Überhitzen des verdampften Beschichtungsmaterials mittels des Düsenabschnitts, beispielsweise mit einer Zieltemperatur, die bevorzugt zwischen 10 und 50 %, besonders bevorzugt zwischen 20 und 40 %, oberhalb der Verdampfungstemperatur auf der Kelvin-Skala liegt, wobei die genannten Werte sich in durchgeführten Versuchen als ein guter Kompromiss zwischen ausreichender Überhitzungsleistung und technischer Durchführbarkeit erwiesen haben;
- e) Leiten des überhitzten verdampften Beschichtungsmaterials aus einem Düsenausgang der Düse hinaus zu einem vor dem Düsenausgang vorbeitransportierten zu beschichtenden Gegenstand.
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Das Überhitzen innerhalb des Düsenabschnitts erfolgt im Rahmen einer in Zusammenhang mit einer Weiterbildung der Beschichtungsanlage oben erläuterten Umsetzung des Düsenabschnitts mit
- - einem Kopplungsgliedüberhitzer, und/oder
- - einem Düsenüberhitzer, und/oder
- - der teilweisen oder vollständigen Ausbildung des Kopplungsglieds als Überhitzer, und/oder
- - der teilweisen oder vollständigen Ausbildung der Düse als Überhitzer.
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Um sicher sein zu können, dass keine oder keiner über ein akzeptables Maß erfolgende unerwünschte Kondensation innerhalb der Anlage stattfindet, ist durch den mit der Umsetzung der Erfindung betrauten Fachmann durch empirische Versuche zu ermitteln, ob eine Kondensation des überhitzten verdampften Materials bei einer gegebenen Anlage in ihrem Betrieb bei allen tolerierten Betriebsparametern, beispielsweise innerhalb der tolerierten Druck- und Temperaturkorridore, vermieden oder weitgehend vermieden ist. Es ist also festzulegen, welche Temperatur- und welche Druckverhältnisse in der Beschichtungskammer erwartet werden können; die Auslegungsgrundlage für die lokal minimalen tolerierten Temperaturen und/oder die höchsten tolerierten Drücke ergeben sich aus dem Phasendiagramm des zu verdampfenden Materials. Darauf aufbauend oder alternativ dazu kann empirisch vorgegangen werden, indem für die bei Betrieb der Anlage für möglich angesehen Temperaturen (in experimentell sinnvollen Abständen) untersucht wird, oberhalb welcher kritischen Überhitzungstemperatur am Düsenausgang oder in Dampfbewegungsrichtung gesprochen hinter dem Düsenausgang eine Beobachtung von unerwünschten Kondensationen nicht mehr oder nicht mehr oberhalb eines vom Fachmann im konkreten Fall als akzeptabel angesehenen Maßes stattfindet; diese kritische Überhitzungstemperatur, optional zuzüglich eines Sicherheitsaufschlags (von beispielsweise pauschal 50 K), kann sodann zum Einstellen der Überhitzung im obigen Schritt d) dienen.
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Die Erfindung ist ebenfalls auf eine Verwendung einer Beschichtungsanlage gerichtet, um ein Band zu beschichten, bevorzugt ein Metallband, besonders bevorzugt ein Stahlband.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen, in denen beispielhaft Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten wie auch nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind.
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Es zeigen:
- 1a: Beispielhafte Ausführungsform einer Beschichtungsanlage;
- 1b und 1c: beispielhafte Ausführungen des Düsenabschnitts der Beschichtungsanlage der 1a.
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1a zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Beschichtungsanlage 1 zur Beschichtung eines Gegenstands 2, der hier als Band 2 ausgeführt ist. Die als Bandbeschichtungsanlage ausgebildete Beschichtungsanlage 1 weist eine Beschichtungskammer 4 auf, in der ein technisches Vakuum herrscht und durch welches, mittels der Transportrollen 3a und 3b das Band 2 in Richtung des Pfeils 5 hindurch geführt wird. Die Beschichtungsanlage weist eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material 6 auf. Diese setzt sich zusammen aus einem Verdampfungsabschnitt 7 zum Verdampfen des Materials in die Gasphase hinein und einem Düsenabschnitt 8, 9, welcher sich aus Düse 8 und als Adapter dienendem Kopplungsglied 9 zusammensetzt. In dem beispielhaft als Tiegel ausgebildeten Verdampfungsabschnitt 7 verdampftes Material wird durch den Düsenabschnitt 8, 9 in die Beschichtungskammer 4 geführt, gelangt dort auf das Band 2 und bildet dadurch die Beschichtung. Der Düsenabschnitt 8, 9 ist zum Überhitzen des im Verdampfungsabschnitt 7 verdampften Materials ausgebildet.
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1b zeigt eine Ausführungsform, gemäß der innerhalb des Kopplungsglieds 9 ein Kopplungsgliedüberhitzer 9` angeordnet ist. 1c zeigt eine Ausführungsform, gemäß der innerhalb der Düse 8 ein Düsenüberhitzer 8` angeordnet ist.
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Es wurden Versuche durchgeführt mit einer Beschichtungsanlage aufweisen eine Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material, wie sie beispielsweise eingangs erwähnt wurde und aus der
WO 2016/042079 bekannt ist. Die Vorrichtung zur Gasphasenabscheidung von Material weist einen Verdampfungsabschnitt mit einem Vorverdampfungsabschnitt und einem als Tiegel ausgebildeten Nachverdampfungsabschnitt auf, wobei der Tiegel als Zyklon ausgebildet ist.
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Der Vorverdampfungsabschnitt weist einen Spritzkopf zum Aufbereiten des als Ausgangsmaterial vorliegenden Beschichtungsmaterials und ein Injektorrohr aufweist, wobei das Injektorrohr das in dem Spritzkopf aufbereitete Beschichtungsmaterial zu dem Nachverdampfungsabschnitt leitend ausgebildet und mit dem Nachverdampfungsabschnitt gekoppelt ist. Als Ausgangsmaterial wurde Zink gewählt.
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Die Vorverdampfung wurde derart durchgeführt, dass das Zink innerhalb des Injektorrohrs seinen Schmelzpunkt von 419,53 Grad Celsius nie unterschritten hatte; um dies sicherzustellen, wurde innerhalb des Injektorrohrs eine Temperatur von 600 Grad Celsius aufrecht erhalten. Als Spritzgas wurde vortemperierter Stickstoff verwendet.
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Die weitgehende weitere Verdampfung fand im Tiegel statt, in dem das Beschichtungsmaterial Zink somit verdampft. Um den lokalen Siedepunkt von Zn dazu an der Tiegelinnenwand sicher zu erreichen, wurde 1000 Grad Celsius als Tiegeltemperatur gewählt, da sich ergab, dass bei dieser Stelltemperatur kein „Zinksee“ am Boden des Zyklons mehr bildete, das heißt: eine Kondensation von größeren Mengen an Zn an der Tiegelinnenwand konnte durch die gewählte Temperatur wirksam unterbunden werden.
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Tiegel und Düse sind mit einem Kopplungsglied, ausgebildet als Rohr, verbunden. Dessen Wände müssen zur Überhitzung oberhalb der oben bestimmten Temperatur liegen. In diesem Fall wurde empirisch 1200 Grad Celsius als für die vorliegenden lokalen Druckbegebenheiten sowohl im Tiegel als auch in der Düse als ausreichend bestimmt, was zwischen 20 und 30 Prozent oberhalb der Verdampfungstemperatur von Zn auf der Kelvin-Skala entspricht.
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Die angeschlossene Düse wird in der Verbindung zum Kopplungsglied ebenfalls auf 1200 Grad Celsius geheizt. Zn tritt sodann überhitzt aus dem Düsenausgang der Düse aus und es wurde beobachtet, dass bis zum Auftreffen auf dem zu beschichtenden Gegenstand eine vorzeitige Kondensation von Zn wirkungsvoll vermieden werden konnte. Innerhalb der Beschichtungskammer war ein technisches Vakuum mit einem Gasdruck von circa 50 mbar N2 nach Zuschalten des Spritzgases gegeben.
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Das verwendete Rohr und die verwendete Düse bestanden aus Grafit und wurden von außen induktiv erwärmt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2016042079 A1 [0009]
- WO 2016042079 [0049]
