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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen und Verdampfen
von Metallen und Nichtmetallen zur Aufdampfung auf irgendwelche Trägerunterlagen,
insbesondere im Hochvakuum, wobei als Wärmequelle ein vom elektrischen Strom durchflossenes
und dadurch erhitztes Heizelement dient, das den eigentlichen Verdampfer möglichst
vollständig ummantelt und durch Wärmestrahlung das in dem Verdampfer befindliche
bzw. einzubringende Verdampfungsgut erhitzt und zum Verdampfen bringt.
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Eine solche »indirekte« Erhitzung des Verdampfungsgutes ist unter
anderem auch durch das deutsche Gebrauchsmuster 1912 316 bekanntgeworden. Hierbei
ist das Heizelement in Form eines vom elektrischen Strom durchflossenen breiten
Metallbandes um den konisch geformten Tiegel eng anliegend geführt, wozu eine solche
Schelle auch aus zwei Hälften bestehen kann. Obwohl bei der »indirekten«, also durch
Wärmestrahlung bewirkten Erhitzung des eigentlichen Verdampfers mit dem Verdampfungsgut
ein gegenüber der »direkten« Erhitzung wesentlich größerer Wärmewiderstand überwunden
werden muß; fällt dieser Nachteil gegenüber der gleichmäßigeren Erhitzung, Verdampfung
und Aufdampfung kaum ins Gewicht. Trotzdem hat man auch bei den stromdurchflossenen
Verdampfergefäßen, inbesondere für elektrisch leitendes Verdampfungsgut (Metalle),
versucht, durch unterschiedliche Querschnitte eine zeitlich und örtlich gleichmäßige
Verdampfung zu erzielen. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der deutschen Patentschrift
970 246 beschrieben.
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Bei beiden Arten der Heizvorrichtungen besteht jedoch ein wesentlicher
Nachteil in den zur Erzeugung der hohen Verdampfungstemperaturen notwendigen großen
Stromstärken (etwa 1000 bis 2000 A) der Heizströme, deren technische Beherrschung
besondere konstruktive Maßnahmen für den Anschluß der Zuleitungen als auch für deren
Durchführungen in den Wandungen der Vakuumbehälter bzw. Verdampfungskammern erfordert.
Um die Temperaturen in den Zuleitungen; Durchführungen und Halterungen im Hinblick
auf die Temperaturfestigkeit und auf die bei den großen Temperaturänderungen (bis
etwa 2000° C) auftretenden Wärmespannungen in einigermaßen erträglichen Grenzen
zu halten, ist man gezwungen, außergewöhnlich stark überzudimensionieren. Die nur
aus Gründen einer ausreichenden Wärmeableitung so groß bemessenen Konstruktionen
und einzelnen Konstruktionsteile bestimmen nicht nur weitgehend die Größe und den
Umfang der Verdampfungsanlagen, sondern machen auch durch ihr Gewicht sowohl die
einzelnen Teile als auch die ganze Anlage mehr oder weniger schwerfällig, unelastisch
und unbeweglich. Obwohl man versucht hat, durch zusätzliche (Wasser-)Kühlung der
einzelnen Bauteile, insbesondere der Stromleiter, zu kleineren Abmessungen zu kommen,
sind z. B. die in den bisherigen Anlagen verwendeten Kupferleiter (Kabel oder Schienen)
noch immer etwa armdick ausgeführt. Besondere Schwierigkeiten bereitet zudem die
an bestimmten Stellen, wie z. B. an den Anschlüssen der Heizelemente, hohe Beanspruchung
des Materials, dessen Temperatur an der 17bergangsstelle auf kürzeste Entfernung
(- 1 mm Länge) von der Heiztemperatur (1000 bis 2000° C) auf die Anschlußlei- i
tertemperatur (möglichst Raum- bzw. Kühlwassertemperatur) abgesunken sein soll.
Alle diese Schwierigkeiten, die besondere, große und aufwendige und dadurch teuere
Konstruktionen erfordern, die sich natürlich auch auf die Preisgestaltung für die
mit Hilfe dieser Verdampfungsanlagen hergestellten Erzeugnisse entsprechend auswirken
müssen, werden durch die Erfindung beseitigt bzw. vermieden.
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Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die zur Verdampfung notwendige
Wärmemenge in einem stromdurchflossenen Heizelement zu erzeugen und durch Wärmestrahlung
auf den eigentlichen Verdampfer zu übertragen, ohne daß die in den bisher bekannten
Anlagen notwendigen und vorstehend geschilderten Maßnahmen (und Mittel) zur Ableitung
der in den Zuleitungen entstehenden Wärme angewendet werden müssen. Das bedeutet,
daß in diesen Leitungen gar nicht erst überflüssige und als schädlich abzuleitende
Wärmemengen erzeugt werden dürfen. Diese Forderung war nach dem Vorangegangenen
nicht durch Verringerung des von dem elektrischen Strom durchflossenen Widerstandes
der Zuleitungen zum Verdampfer, sondern nur allein durch möglichst weitgehende Herabsetzung
des elektrischen Stromes in diesen Zuleitungen zu erfüllen. Um nun trotzdem für
den Verdampfer die zur Verdampfung notwendige Wärmemenge zur Verfügung zu haben,
die zudem nur auf den Verdampfer und das zugehörige Heizelement beschränkt sein
sollte, d. h. nicht auch in. den Zuleitungen (zusätzlich) erzeugt werden dürfte,
kam wegen der Forderung eines möglichst niedrigen Stromes in den Zuleitungen nur
noch eine entsprechende Vergrößerung des eigentlichen Heizwiderstandes in Betracht,
die jedoch nicht wiederum zu einer Vergrößerung der Anlage führen durfte. Die Erfindung
schlägt dazu die Verwendung eines stromdurchflossenen Heizelementes für Verdampfer,
insbesondere Hochvakuum-Verdampfungsanlagen, vor, das durch seine äußere und innere
Formgebung, die unter anderem den elektrischen Strom zwingt, mäanderförmig von einem
Anschluß zum anderen zu laufen, und durch Wahl seines Leiterquerschnittes und des
Werkstoffes eine zur Verdampfung des Verdampfungsgutes ausreichende Wärmemenge (bis
etwa 10 kW) in kürzester Zeit erzeugt und auf das Heizelement und den Verdampfer
beschränkt, ohne daß dabei die Zuleitungen durch hohe Ströme belastet und übermäßig
erwärmt werden.
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Eine zweckmäßige und sich bereits in der Praxis ganz hervorragend
bewährte Konstruktion sei als Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung
näher erläutert. In F i g.1 ist ein Verdampfer in einer z. B. für Bedampfung von
laufend vorbeigeführten Bändern allgemein üblichen Form dargestellt, der beim Betrieb
in Längsrichtung in das in F i g. 2 skizzierte erfindungsgemäße rohrähnliche Heizelement
eingeschoben ist. In diesem Ausführungsbeispiel besteht das Heizelement entsprechend
der Form des Verdampfers aus einem zu einem an beiden Enden offenen Zylinder bis
auf einen für den hindurchragenden »Kamin« des Verdampfers mit der langgestreckten
Dampfaustrittsöffnung freibleibenden schmalen Spalt zusammengerollten, zweckmäßig
elastischen Blechstreifen, wobei dieser Zylinder abwechselnd von beiden Stirnseiten
her so weit eingeschlitzt 1 ist, daß jeweils ein nach Erwärmungsgesichtspunkten
(Stromleiterquerschnitt und Abkühlungsmöglichkeit) zu bemessender Zylindermantelrest
am Rohrende 2 stehengelassen ist. Die Breite der Schlitze ist nicht kritisch, während
der Abstand 3 zwischen zwei benachbarten Schlitzen 1 durch den
für
die zu erzeugende Wärmemenge notwendigen Stromleitungsquerschnitt und die Anzahl
der Schlitze durch die notwendige Länge des Stromweges zwischen den beiden Anschlußenden
4 und 5 bestimmt sind. Das Heizelement wird zweckmäßig aus Stahlblech (V4A-Stahl)
hergestellt, kann aber ebenso aus jedem anderen temperaturbeständigen Werkstoff
bestehen. Da das im Ausführungsbeispiel für das Heizelement verwendete Stahlblech
außerordentlich dünn sein kann, geht die bei Stromdurchgang einsetzende Erwärmung
sehr schnell vor sich, so daß die zur Verdampfung notwendige Temperatur bereits
in etwa der Hälfte der bei den bisher bekannten Heizelementen benötigten Zeit erreicht
wird. Infolge der geringen Maße der Anschlußleitungen und der Anschlüsse kann auch
die Halterung des Heizelementes selbst leicht und elastisch gegen die - wenn auch
verhältnismäßig geringen - temperaturbedingten axialen und radialen Ausdehnungen
und Schrumpfungen des Heizelementes konstruiert sein. Zu diesem Zweck ist das rohrförmige
Heizelement mindestens an einem Rohrende durch kreisförmig angeordnete und das Rohrende
in etwa gleichen Abständen voneinander berührende, gegebenenfalls elastisch gelagerte
Auflagemollen 6, Kugeln oder Spitzen, gehaltert bzw. geführt. Wegen der verhältnismäßig
leichten Bauart sowohl des Heizelementes selbst als auch seiner Anschlüsse ist außerdem
auch eine leichtere Auswechselmöglichkeit gegeben, abgesehen davon, daß das erfindungsgemäße
Heizelement wegen der geringen spezifischen Strombelastung, wie die Erfahrung zeigt,
eine größere Lebensdauer besitzt. Die erfindungsgemäß so erheblich verringerten
Leitungsströme für die Aufheizung des Verdampfers - von bisher 1000 bis 2000 A um
mindestens eine Größenordnung herabgesetzt -wirken sich unter anderem nicht nur
in einer großen Einsparung an Material und Platzbedarf aus, sondern führen sowohl
zu einer wesentlich größeren Flexibilität der Anschlußleitungen, für die bisher
dicke Leitungskabel oder -schienen verwendet werden mußten, als auch zu einer bedeutenden
Verkleinerung der Bauelemente der Energiequellen (Transformatoren, Gleichrichter,
Sicherungseinrichtungen usw.) und des bisher notwendig gewesenen Aufwandes an Kühleinrichtungen
zur Wärmeableitung.
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Ebenso einleuchtend und unbestreitbar ist auch der durch die Erfindung
erzielte technische Fortschritt sowohl in elektrischer, mechanischer, konstruktiver
und raumsparender als auch in wirtschaftlicher Hinsicht.