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Die Erfindung betrifft ein Verdampferschiffchen sowie die Verwendung eines Verdampferschiffchens.
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Ein gängiges Verfahren zum Beschichten von flexiblen Substraten mit Metallen ist das sogenannte Vakuum-Bandmetallisieren mittels PVD (für engl. „physical vapor deposition“). Hierbei kommt als flexibles Substrat beispielsweise Kunststofffolie, Metallfolie, Membranen oder Papier in Frage. Das am gebräuchlichsten eingesetzte Metall zum Beschichten von Substraten ist Aluminium. Mittels PVD-Technik beschichtete Substrate finden breite Anwendung für Verpackungs- oder Dekorationszwecke. Die Beschichtung kann neben dekorativen Zwecken insbesondere als Oberflächenschutz oder Thermoisolierung verwendet werden.
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Das Verdampfen von Metallen auf flexible Substrate findet in Metallisierungsanlagen statt. Das zu beschichtende Substrat wird in Form eines langen Bandes über gekühlte Walzen geführt, währenddessen das Substrat einem Metalldampf ausgesetzt wird, der sich als dünne Metallschicht auf dem Substrat absetzt.
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Für die Erzeugung des Metalldampfes werden üblicherweise Verdampferschiffchen eingesetzt. Diese werden im direkten Stromdurchgang auf Temperaturen bis zu ca. 1700 °C erhitzt. Auf das vorgeheizte Verdampferschiffchen wird ein Metalldraht geführt, beispielsweise aus Aluminium, der auf einer Verdampferoberfläche des Verdampferschiffchens zunächst als Schmelze verflüssigt und anschließend unter Bildung eines Metalldampfes in die Gasphase überführt wird und das flexible Substrat beschichtet. Der gesamte Metallisierungsprozess findet unter einem Vakuum, üblicherweise in einer Vakuumkammer, bei einem geringen Druck von ca. 10-4 mbar statt, wodurch ein kontrolliertes Verdampfen des Metalls gewährleistet ist.
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An den Stellen, an denen das Verdampferschiffchen in direktem Kontakt mit der Schmelze steht, ist das Verdampferschiffchen starker Korrosion ausgesetzt, die die Standzeit bzw. Lebensdauer des Verdampferschiffchens begrenzt. Um zuverlässig einen konstanten Dampfstrom gewährleisten zu können, müssen Verdampferschiffchen üblicherweise nach etwa 15 Betriebsstunden ausgetauscht werden.
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Die Korrosionsgeschwindigkeit ist wesentlich von der Temperatur abhängig, auf die das Verdampferschiffchen geheizt wird, wobei eine höhere Temperatur eine höhere Korrosionsgeschwindigkeit zur Folge hat. Die Temperatur kann jedoch nicht beliebig niedrig gewählt werden, da ansonsten ein unkontrolliertes Zerfließen des Metalls, das auf der Oberfläche des Verdampferschiffchens verflüssigt wird, auftreten kann.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verdampferschiffchen bereitzustellen, das eine höhere Standzeit aufweist.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verdampferschiffchen mit einem Verdampferkörper, wobei der Verdampferkörper eine Verdampferoberfläche aufweist, die sich entlang einer Längsrichtung des Verdampferkörpers von einer ersten Stirnseite hin zu einer zweiten Stirnseite des Verdampferkörpers erstreckt. Der Verdampferkörper weist auf einer der Verdampferoberfläche entgegengesetzten Unterseite wenigstens eine Ausnehmung auf, sodass der Verdampferkörper im Bereich der wenigstens einen Ausnehmung entlang seiner Längsrichtung eine Dicke zwischen der Verdampferoberfläche und der Unterseite hat, die ausgehend von der Mitte des Verdampferkörpers in Längsrichtung zu einer der Stirnseiten hin, die der Ausnehmung zugeordnet ist, abnimmt.
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Es wurde erkannt, dass in bekannten Verdampferschiffchen die Standzeit unter anderem dadurch begrenzt wird, dass eine ungleichmäßige Temperaturverteilung entlang des Verdampferkörpers auftritt, wobei insbesondere in der Mitte des Verdampferkörpers eine erhöhte Temperatur und dadurch eine erhöhte Korrosionsgeschwindigkeit zu beobachten ist. Dies ist eine Folge der in Metallisierungsanlagen üblicherweise nahe der Stirnseiten eingesetzten Halterungen, welche zugleich eine Kühlung bereitstellen und auf diese Weise die Randbereiche des Verdampferschiffchens stärker abkühlen.
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Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, ein möglichst gleichmäßiges Temperaturprofil entlang der Längsrichtung des Verdampferkörpers zu ermöglichen, indem die Dicke des Verdampferkörpers über dessen Länge variiert wird, speziell von der Mitte des Verdampfungskörpers in Richtung der Stirnseiten hin abnimmt. Auf diese Weise steigt der elektrische Widerstand beim Aufheizen des Verdampferkörpers von dessen Mitte hin zur der jeweiligen Ausnehmung zugeordneten Stirnseite. Dadurch nimmt wiederum die Temperatur des Verdampferkörpers in Richtung der Stirnseite zu, sodass insgesamt eine gleichmäßige Temperaturverteilung bzw. ein gleichmäßiges Temperaturprofil erzielt wird, die eine möglichst gleichmäßige Korrosionsgeschwindigkeit über die Länge des Verdampfungskörpers zur Folge hat.
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Über die Größe und Form der Ausnehmung kann das resultierende Temperaturprofil angepasst werden.
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Bevorzugt nimmt die Dicke des Verdampfungskörpers im Bereich der wenigstens einen Ausnehmung entlang der Längsrichtung im Wesentlichen stetig ab, das heißt abgesehen von unvermeidbaren fertigungsbedingten Abweichungen stetig ab. Auf diese Weise wird ein besonders gleichmäßiges Temperaturprofil des Verdampferkörpers erzielt.
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Um die mechanische Stabilität des Verdampferschiffchens zu erhöhen, kann der Verdampferkörper an der ersten Stirnseite und/oder an der zweiten Stirnseite einen Endbereich aufweisen und sich die wenigstens eine Ausnehmung von der Mitte des Verdampferkörpers bis zum Endbereich der zugeordneten Stirnseite erstrecken, wobei der Endbereich eine gleich große oder größere Dicke besitzt als die Mitte des Verdampferkörpers.
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Die Endbereiche können ferner als Einspannende des Verdampferschiffchens dienen und/oder mit elektrischen Kontakten zum direkten Aufheizen des Verdampferkörpers versehen sowie elektrisch kontaktiert werden.
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Insbesondere sind die Endbereiche dazu ausgestaltet, in komplementäre Halterungen einer Metallisierungsanlage aufgenommen zu werden, wobei die Halterungen mit einer Kühlung versehen sein können.
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In einer Variante beträgt das Minimum der Dicke des Verdampfungskörpers entlang der Längsrichtung des Verdampferkörpers 75 % oder weniger des Maximums der Dicke des Verdampferkörpers, insbesondere 50 bis 70 % des Maximums des Verdampferkörpers. Liegt das Minimum der Dicke des Verdampfungskörpers über 75 % des Maximums der Dicke des Verdampfungskörpers kann die mechanische Stabilität des Verdampferschiffchens und/oder die Standzeit beeinträchtigt sein. Unterscheiden sich das Maximum und das Minimum der Dicke hingegen zu wenig, kann sich der elektrische Widerstand des Verdampferkörpers über dessen Länge nicht in genügendem Maße unterscheiden, um eine ausreichend gleichmäßige Temperaturverteilung zu erzielen, sodass die Lebensdauer des Verdampferschiffchens höchstens in ungenügendem Maß erhöht ist.
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Die Dicke des Verdampferkörpers wird entlang einer senkrecht zur Längsrichtung verlaufenden Höhenrichtung bestimmt.
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Bevorzugt weist der Verdampferkörper eine Spiegelebene auf, welche senkrecht zur Längsrichtung entlang einer Querrichtung durch die Mitte des Verdampferkörpers verläuft.
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Mit anderen Worten ist das Verdampferschiffchen bevorzugt spiegelsymmetrisch. Auf diese Weise ergibt sich ein spiegelsymmetrisches Temperaturprofil und somit eine möglichst gleichmäßige Korrosionsgeschwindigkeit entlang der Längsrichtung des Verdampferkörpers.
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In dieser Variante weist der Verdampferkörper insbesondere zwei Ausnehmungen auf, wobei die erste Ausnehmung der ersten Stirnseite des Verdampferkörpers und die zweite Ausnehmung der zweiten Stirnseite des Verdampferkörpers zugeordnet ist.
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Die Querrichtung verläuft sowohl zur Längsrichtung als auch zur Höhenrichtung des Verdampferkörpers senkrecht.
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Ferner kann der Verdampferkörper entlang der Querrichtung einen trapezförmigen Querschnitt und die wenigstens eine Ausnehmung einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Auf diese Weise kann ein besonders guter Kompromiss zwischen mechanischer Stabilität und möglichst gleichmäßiger Korrosionsgeschwindigkeit entlang der Längsrichtung des Verdampferkörpers erzielt werden. Zudem weisen bekannte Verdampferschiffchen in vielen Fällen einen Verdampferkörper mit trapezförmigen Querschnitt auf, sodass das erfindungsgemäße Verdampferschiffchen in bereits vorhandenen Metallisierungsanlagen zum Einsatz kommen kann, ohne dass aufwändige Anpassungen notwendig werden.
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Um die Kosten in der Herstellung des Verdampferkörpers gering zu halten, kann die Ausnehmung mittels Fräsen oder Schleifen im Verdampferkörper erzeugt sein.
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Wird die Ausnehmung mittels Schleifen erzeugt und weist der Verdampferkörper an der der Ausnehmung zugeordneten Stirnseite einen Endbereich auf, ergibt sich insbesondere ein bogenförmiger Übergang der Ausnehmung in den Endbereich.
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Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren gelöst durch die Verwendung eines Verdampferschiffchens wie zuvor beschrieben zum Verdampfen von Metall in einer PVD-Metallisierungsanlage.
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Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verdampferschiffchens können die Kosten im Betrieb der Metallisierungsanlage gesenkt werden, da das Verdampferschiffchen eine lange Standzeit bzw. Lebensdauer aufweist.
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Bevorzugt wird das Verdampferschiffchen beim Verdampfen von Metall auf eine Betriebstemperatur geheizt, die entlang der Längsrichtung des Verdampferkörpers im Bereich der wenigstens einen Ausnehmung eine Abweichung von höchstens 10 % zeigt. Auf diese Weise wird eine möglichst gleichmäßige Korrosionsgeschwindigkeit entlang der Längsrichtung des Verdampferkörpers garantiert.
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Die Betriebstemperatur bezeichnet hier insbesondere die Temperatur des Verdampferkörpers, speziell der Verdampferoberfläche des Verdampferkörpers.
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Die Betriebstemperatur zum Verdampfen von Metall beträgt insbesondere 1500 °C oder weniger. Durch die gleichmäßige Temperaturverteilung des erfindungsgemäßen Verdampferkörpers kann die Betriebstemperatur insgesamt abgesenkt werden, ohne dass in Richtung der Stirnseiten des Verdampferkörpers die Betriebstemperatur so weit absinkt, dass ein ungewolltes Zerfließen von verflüssigtem Metall zu erwarten ist. Mit anderen Worten können noch höhere Temperaturen nahe der Mitte des Verdampferkörpers vermieden werden, wodurch die Korrosionsgeschwindigkeit sinkt und die Lebensdauer des Verdampferschiffchens steigt.
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Die Betriebstemperatur muss jedoch weiterhin ausreichend hoch sein, um das Metall zuverlässig aufzuschmelzen und eine gewünschte Verdampfungsrate des Metalls von der Verdampferoberfläche gewährleisten zu können wie im Stand der Technik bekannt.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer beispielhaften Ausführungsform, die nicht in einem einschränkenden Sinn verstanden werden soll, und den Zeichnungen. In diesen zeigen:
- - 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Verdampferschiffchens von schräg oben,
- - 2 das Verdampferschiffchen aus 1 in einer perspektivischen Ansicht von schräg unten,
- - 3 eine Unteransicht des Verdampferschiffchens aus 1,
- - 4 eine Schnittansicht durch das Verdampferschiffchen entlang der Ebene A-A aus 1,
- - 5 eine Schnittansicht durch das Verdampferschiffchen aus 1 entlang einer Längsrichtung,
- - 6 die Schnittansicht aus 5 im Betrieb des Verdampferschiffchens,
- - 7 eine schematische Darstellung von Temperaturprofilen von Verdampferschiffchen, und
- - 8 eine Schnittansicht durch ein beispielhaftes Verdampferschiffchen wie aus dem Stand der Technik bekannt.
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In 1 ist ein erfindungsgemäßes Verdampferschiffchen 10 mit einem Verdampfungskörper 12 dargestellt.
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Der Verdampferkörper 12 bestehen beispielsweise aus einem keramischen Material, dessen Hauptbestandteile Titandiborid (TiB2) und Bornitrid (BN) sowie optional Aluminiumnitrid (AIN) sind. Titandiborid fungiert als elektrisch leitfähige Komponente und Bornitrid als elektrisch isolierende Komponente, sodass über die gewählte Zusammensetzung die elektrische Leitfähigkeit des Verdampferkörpers 12 und somit des Verdampferschiffchens 10 eingestellt werden kann.
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Der Verdampfungskörpers 12 erstreckt sich entlang einer Längsrichtung L von einer ersten Stirnseite 14 hin zu einer entgegengesetzten zweiten Stirnseite 16.
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Der Verdampfungskörper 12 weist ferner eine Verdampferoberfläche 18 sowie eine zur Verdampferoberfläche 18 entgegengesetzte Unterseite 20 auf.
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In 2 ist eine perspektivische Ansicht des Verdampferschiffchen 10 von schräg unten dargestellt, in welcher ersichtlich wird, dass der Verdampferkörper 12 an seiner Unterseite 20 zwei Ausnehmungen 22 und 24 aufweist.
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Die Ausnehmungen 22 und 24 erstrecken sich von einer Mitte des Verdampferkörpers 12, hier in Form eines Mittelgrats 26 gebildet, entlang der Längsrichtung jeweils hin zu einer der Stirnseiten 14 bzw. 16, wobei die Ausnehmung 22 der ersten Stirnseite 14 und die Ausnehmung 24 der zweiten Stirnseite 16 zugeordnet ist.
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Aus 3, welche eine Unteransicht auf das Verdampferschiffchen 10 darstellt, wird ersichtlich, dass das Verdampferschiffchen 10 entlang des Mittelgrats 26 eine Spiegelebene S aufweist, welche senkrecht zur Längsrichtung L und parallel zur Querrichtung Q verläuft.
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Mit anderen Worten ist das Verdampferschiffchen 10 in der gezeigten Ausführungsform spiegelsymmetrisch.
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Der Verdampferkörper 12 weist zudem sowohl an der ersten Stirnseite 14 als auch an der zweiten Stirnseite 16 jeweils einen Endbereich 28 auf, wobei sich die Ausnehmungen 22 und 24 lediglich bis zum jeweiligen Endbereich 28 erstrecken.
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4 zeigt einen Querschnitt durch den Verdampferkörper 12 entlang der Ebene A-A aus 1.
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In dieser Darstellung wird deutlich, dass der Verdampferkörper 12 entlang der Querrichtung Q, welche senkrecht zur Längsrichtung L und zu einer Höhenrichtung H verläuft, einen trapezförmigen Querschnitt aufweist.
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Die Ausnehmung 22 hingegen weist einen rechteckigen Querschnitt auf, sodass an der Unterseite 20 des Verdampferkörpers 12 ein Randabschnitt 30 gebildet ist, der zur mechanischen Stabilität des Verdampferkörpers 12 beiträgt.
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Der Randabschnitt 30 hat beispielsweise eine Breite b1 von bis zu 1 mm, während der Verdampferkörper 12 eine Dicke h1 von etwa 10 mm aufweist.
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Es versteht sich, dass die Größe und Dimensionen des Verdampferschiffchens 10 an die Anforderungen der Metallisierungsanlage, in welcher das Verdampferschiffchen 10 eingesetzt werden soll, angepasst werden kann.
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In 5 ist eine Schnittansicht des Verdampferschiffchens 10 entlang der Längsrichtung L dargestellt.
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Aus dieser Darstellung wird ersichtlich, dass im Bereich der jeweiligen Ausnehmung 22 beziehungsweise 24 eine Dicke des Verdampferkörpers 12 entlang der Höhenrichtung H vom Mittelgrat 26 aus, das heißt von der Mitte des Verdampferkörpers 12 aus, in Richtung der zugeordneten Stirnseite 14 bzw. 16 hin bis zum jeweiligen Endbereich 28 stetig abnimmt.
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Auf diese Weise wird die Dicke des Verdampfungskörpers stetig verringert, sodass beim Übergang der Ausnehmung in den jeweiligen Endbereich 28 ein Minimum der Dicke des Verdampferkörpers 12 erreicht ist, welches in 5 als Dicke h2 eingezeichnet ist.
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Die Dicke h2 liegt in der gezeigten Ausführungsform im Bereich von 5 bis 7 mm, sodass sich ein Verhältnis h2/h1 von etwa 0,5 bis 0,7 ergibt. Mit anderen Worten beträgt das Minimum der Dicke des Verdampferkörpers 12 entlang der Längsrichtung L etwa 50 bis 70 % des Maximums der Dicke des Verdampferkörpers 12.
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Die Endbereiche 28 weisen entlang der Längsrichtung L eine Breite b2 von etwa 3 bis 10 mm auf.
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Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verdampferschiffchens 10 erläutert.
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Das Verdampferschiffchen 10 wird insbesondere zum Verdampfen von Metall in einer (nicht dargestellten) PVD-Metallisierungsanlage verwendet.
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Zu diesem Zweck wird das Verdampferschiffchen 10 mittels der Endbereiche 28 in eine (nicht dargestellte) Halterung, beispielsweise aus Kupfer, eingesetzt, welche eine elektrische Kontaktierung des Verdampferschiffchens 10 bereitstellt, sodass der Verdampferkörper 12 durch direkten Stromdurchfluss auf eine Betriebstemperatur erhitzt werden kann. Die Halterung weist zudem eine Kühlung auf, beispielsweise eine Wasserkühlung.
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Anschließend wird der Verdampferoberfläche 18 ein Metalldraht zugeführt, beispielsweise aus Aluminium, welcher aufgrund des aufgeheizten Verdampferkörpers 12 auf der Verdampferoberfläche 18 aufgeschmolzen wird. Die gebildete Metallschmelze wird anschließend verdampft, beispielsweise zum Beschichten eines über der Verdampferoberfläche 18 vorbeigeführten (nicht dargestellten) Substrats.
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Das aufgeschmolzene Metall führt zu einer Korrosion der Verdampferoberfläche 18, wie in 6 in Form eines schraffiert dargestellten korrodierten Volumens 32 angedeutet, wobei das Ausmaß der Korrosion, das heißt die Korrosionsgeschwindigkeit, mit höherer Betriebstemperatur zunimmt.
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In 7 ist schematisch der Verlauf der Temperatur entlang der Längenrichtung L, also das Temperaturprofil des Verdampferschiffchens 10 dargestellt, wobei die durchgezogene Linie 34 den Temperaturverlauf des erfindungsgemäßen Verdampferschiffchens 10 zeigt.
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Es ist zu sehen, dass die Temperatur über die Endbereiche 28 hinweg, das heißt über deren Breite b2 hinweg, auf einen Plateauwert T1 ansteigt, welcher der Betriebstemperatur entspricht.
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Der Plateauwert T1 bleibt im Wesentlichen unverändert über den Bereich des Verdampferkörpers 12, in welchem sich die Ausnehmungen 22 und 24 erstrecken. In diesem Bereich weicht die Betriebstemperatur des Verdampferkörpers 12 bevorzugt höchstens um 10 % ab.
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Der Plateauwert T1 liegt bevorzugt bei 1500 °C oder weniger.
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Somit kommt es entlang der Längenrichtung L des Verdampferkörpers 12 zu einer möglichst gleichmäßigen Korrosion, sodass die Standzeit bzw. Lebensdauer des Verdampferschiffchens 10 steigt.
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Die Strichlinie 36 in 7 zeigt hingegen schematisch ein Temperaturprofil, wie es für aus dem Stand der Technik bekannte Verdampferschiffchen 38 (vgl. 8) zu erwarten ist, die eine konstant Dicke h3 entlang ihrer Längsrichtung L aufweisen.
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Aufgrund der Kühlung durch die nahe der Endbereiche 28 angeordnete Halterung ergibt sich in diesem Fall ein Temperaturprofil, welches bis zur Mitte des Verdampferkörpers des Verdampferschiffchens 38 bis zu einer Peaktemperatur T2 ansteigt und anschließend wieder abfällt. Die Peaktemperatur T2 liegt üblicherweise bei etwa 1700 °C, um eine ausreichende Betriebstemperatur des Verdampferschiffchens 38 über dessen Länge hinweg gewährleisten zu können.
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Somit kommt es zu erheblichen Unterschieden in der Korrosionsgeschwindigkeit entlang der Längsrichtung L des Verdampferschiffchens 38 hinweg, wobei nahe der Mitte des Verdampferschiffchens 38 eine stärkere Korrosion zu beobachten ist als in den Endbereichen 28. Dies hat eine kürzere Lebensdauer des Verdampferschiffchens 38 im Vergleich zum erfindungsgemäßen Verdampferschiffchens 10 zur Folge.
