DE212019000162U1

DE212019000162U1 - Beheiztes Vakuumsystem

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Publication number: DE212019000162U1
Application number: DE212019000162.9U
Authority: DE
Original assignee: Edwards Ltd
Current assignee: Edwards Ltd
Priority date: 2018-01-09
Filing date: 2019-01-09
Publication date: 2020-08-17
Anticipated expiration: 2029-01-10
Also published as: JP3230119U; CN214381456U; GB2569996A; WO2019138218A1; GB201800311D0

Abstract

Mehrschichtiger Heizmantel zum Beheizen eines Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon, wobei der mehrschichtige Heizmantel aufweist:
eine innere Isolierschicht, die an eine Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon gebunden ist,
eine Heizschicht, die an eine Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon gebunden ist,
eine Heizschicht, welche eine äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht überdeckt, und
eine äußere Isolierschicht, umfassend eine Keramik oder ein Glas, welche eine äußere Oberfläche der Heizschicht überdeckt,
und gegebenenfalls eine Dichtungsschicht, welche eine äußere Oberfläche der äußeren Isolierschicht überdeckt,
wobei die innere und die äußere Isolierschicht jeweils einen größeren elektrischen Widerstand als die Heizschicht haben, und wobei die äußere Isolierschicht weniger wärmeleitfähig als die innere Isolierschicht ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein beheiztes Vakuumsystem, und insbesondere auf einen mehrschichtigen Heizmantel für ein Vakuumsystem oder eine Komponente hiervon. Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen Heizmantels für ein Vakuumsystem, und Vakuumsysteme und Komponenten hiervon.
Hintergrund der Erfindung
Wenn Gegenstände unter Vakuum gesetzt werden, tritt in dem Material und auf der Oberfläche eingeschlossenes Gas von deren Oberflächen aus. Die Erzeugung von Gas durch diesen Prozess ist als Ausgasen bekannt. Ausgasung wird zu einem fortschreitend signifikanten Anteil der Gesamtgasbelastung, nachdem eine Vakuumkammer auf unter 0,1 mbar grob evakuiert ist. Für Ultrahoch-Vakuumsysteme (10^-7 mbar oder weniger) ist das Ausgasen der bedeutendste Faktor, der das Entgasen und die Zeit bis zum Enddruck beeinflusst.
Das Ausgasen kann reduziert werden durch Eliminieren von Elastomer, Kohlenwasserstofföl und Fetten aus den Vakuumpumpen; Vermeiden anderer Materialien, die für schlechte Ausgasungsleistung bekannt sind, wie beispielsweise Flussstahl oder poröse Oberflächen; und Verwendung von Reinraumtechniken zur Vermeidung von Kontaminierung.
Des weiteren ist es übliche Praxis zum Reduzieren der Zeit, die zum Erreichen des Enddrucks in Ultrahoch-Vakuumsystemen benötigt wird, die Temperatur der Vakuumkammer und der Pumpe anzuheben, um die Freisetzungsrate von ihren Oberflächen zu verbessern.
In ähnlicher Weise können Vakuumpumpen und ihre Komponenten auch in industriellen Fertigungsumgebungen beheizt werden, wie beispielsweise in der Halbleiterverarbeitung. In diesen Prozessen kann das Aufrechterhalten einer hohen Pumpentemperatur die Kondensation und/oder Sublimation von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen aus einem Gasstrom verhindern und dadurch verhindern, dass die Pumpe und/oder Rohrleitungen Teilchen bewältigen müssen und Gasmoleküle leichter gepumpt werden können.
Herkömmliche Wärmequellen können Drahtheizelemente, die in das Vakuumsystem oder eine Komponente davon eingebaut sind, oder Bänder, Kabel und Streifen umfassen, die an den äußeren Oberflächen des Systems befestigt oder darum herum gewunden sind, und die wiederum in einer Ummantelung oder sonstigen Isolierung eingebettet sind.
Herkömmliche Heizmethoden dieser Art haben sich als gewisse Nachteile aufweisend herausgestellt. Beispielsweise kann, wenn ein Heizkabel verwendet wird, es schwierig sein, einen gleichförmigen Kontakt zwischen Wärmequelle und der Oberfläche zu erreichen: was in variablen Oberflächentemperaturen und schlechter Wärmeübertragung resultiert.
Man wird verstehen, dass in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Systems kalte Stellen nicht ausreichend entgasen können, oder umgekehrt, Kondensation oder Sublimation erleichtern können, was wiederum eine schädliche Auswirkung auf den Gesamtsystemdruck und/oder die Gesamtsystemleistung haben kann. Steppmantelheizungen verbessern einige dieser Probleme; jedoch sind sie maßgefertigt und daher oftmals unerschwinglich teuer.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mindestens in gewissem Maße mit diesen und anderen beim Stand der Technik vorhandenden Problemen.
Zusammenfassung der Erfindung
Demgemäß beinhaltet die Erfindung in einem ersten Aspekt einen mehrschichtigen Heizmantel zum Beheizen eines Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon. Der mehrschichtige Heizmantel weist eine innere Isolierschicht, die mit einer Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon verbunden ist; eine Heizschicht, die eine äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht ummantelt, und eine äußere Isolierschicht auf, die einen Keramik- oder Glasmantel auf einer äußeren Oberfläche der Heizschicht umfasst. Die innere und die äußere Isolierschicht haben jeweils einen größeren elektrischen Widerstand als die Heizschicht. Die äußere Isolierschicht ist weniger wärmeleitfähig als die innere Isolierschicht. Gegebenenfalls kann der mehrschichtige Heizmantel eine Dichtungsschicht aufweisen, die mindestens teilweise eine äußere Oberfläche der äußeren Isolierschicht überdeckt.
Vorzugsweise ist die innere Isolierschicht direkt mit einer Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon verbunden; das heißt ohne irgendeine Zwischenschicht oder Beschichtung zwischen der inneren Isolierschicht und der Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon.
Vorzugsweise besteht oder besteht im wesentlichen der mehrschichtige Heizmantel aus der inneren Isolierschicht, der Heizschicht, der äußeren Isolierschicht, einer optionalen Dichtungsschicht. Ein elektrischer Verbinder kann ebenfalls vorgesehen sein, um die Heizschicht mit einem elektrischen Strom zu versorgen.
Vorzugsweise haben die keramischen inneren und äußeren Schichten jeweils einen elektrischen Widerstand von mindestens etwa 1 × 10¹⁰ mal größer als die Heizschicht, vorzugsweise mindestens 1 × 10¹² mal größer, vorzugsweise von etwa 1 × 10¹⁰ mal größer bis etwa 1 × 10¹⁶ mal größer. Vorzugsweise hat die Heizschicht einen Widerstand von etwa 0,005 Ω m bis etwa 0,1 Ω m, vorzugsweise von etwa 0,01 Ω m bis etwa 0,05 Ω m, wobei 0,02 Ω m ein Beispiel ist. Vorzugsweise haben die innere und äußere Isolierschicht jeweils einen elektrischen Widerstand von etwa 1 × 10⁹ Ω m bis etwa 1 × 10¹⁵ Ω m, vorzugsweise von 1 × 10¹⁰ Ω m bis etwa 1 × 10¹² Ω m, wobei 1 × 10¹¹ Ω m ein Beispiel ist. Der elektrische Widerstand kann gemäß ASTM D2149 - 13 gemessen werden.
Zusätzlich oder alternativ ist die Wärmeleitfähigkeit der inneren Isolierschicht mindestens etwa 5 mal höher, mehr vorzugsweise von etwa 5 mal bis etwa 20 mal höher als die der äußeren Isolierschicht. Die innere Isolierschicht kann eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 10 W/m-K bis etwa 50 W/m-K, vorzugsweise von etwa 20 W/m-K bis etwa 40 W/m-K haben, wobei 30 W/m-K ein Beispiel ist. Zusätzlich oder alternativ kann die äußere Isolierschicht eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,5 W/m-K bis etwa 10 W/m-K, vorzugsweise von etwa 1 W/m-K bis etwa 5 W/m-K haben, wobei 3 W/m-K ein Beispiel ist. Die Wärmeleitfähigkeit kann gemäß ASTM C1470 gemessen werden.
Vorteilhafterweise, weil die äußere Isolierschicht aus einer Keramik oder einemGlas besteht, sind die mehrschichtigen Heizmäntel gemäß der Erfindung in der Lage, bei höheren Temperaturen zu arbeiten, als sie bei einer Polymerisolierschicht oder Ummantelung geeignet wären. Darüber hinaus kann eine keramische äußere Isolierschicht den weiteren Vorteil aufweisen, relativ zäh zu sein, wodurch sie einem Verkratzen bei schlechter Behandlung widersteht, welche die Deckschicht beschädigen und die elektrische Schicht freilegen könnte. Des weiteren, weil die äußere Isolierschicht verschieden von der inneren Isolierschicht ist, kann die thermische Leistung besser auf die spezifischen Anforderungen der Komponente und/oder des Systems zugeschnitten werden.
Typischerweise ist ein nicht isolierter Teil einer Oberfläche der Heizschicht nicht von einer Isolierschicht bedeckt und ist so konfiguriert, dass im Betrieb ein elektrischer Strom von einem nicht permanenten elektrischen Verbinder durch den nicht isolierten Teil gelangen kann. Typischerweise ist der nicht isolierte Teil ein kleinerer Teil der äußeren Oberfläche der Heizschicht, der nicht von der äußeren Isolierschicht bedeckt ist.
Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung nach einem weiteren Aspekt einen mehrschichtigen Heizmantel zum Beheizen eines Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon vor. Der mehrschichtige Heizmantel umfasst eine innere Isolierschicht, die mit einer Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon verbunden ist; eine Heizschicht, welche eine äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht ummantelt; und eine äußere Isolierschicht, welche eine äußere Oberfläche der Heizschicht ummantelt. Ein nicht isolierter Teil, typischerweise ein kleinerer Teil, einer äußeren Oberfläche der Heizschicht ist nicht durch eine äußere Isolierschicht bedeckt und ist so konfiguriert, dass im Betrieb ein elektrischer Strom von einem nicht permanenten elektrischen Verbinder durch den nicht isolierten Teil gelangen kann. Typischerweise ist der nicht isolierte Teil eine äußere Oberfläche der Heizschicht, die nicht von der äußeren Isolierschicht bedeckt ist. Der mehrschichtige Heizmantel kann eine optionale Dichtungsschicht aufweisen, welche eine äußere Oberfläche der äußeren Isolierschicht ummantelt.
Wie bei dem vorherigen Aspekt der Erfindung sind die innere und die äußere Isolierschicht typischerweise elektrisch mehr widerstandsbehaftet als die Heizschicht, und die äußere Isolierschicht ist weniger wärmeleitfähig als die innere Isolierschicht.
Ein elektrischer Verbinder kann wahlweise mit dem mehrschichtigen Heizmantel gekuppelt und davon getrennt werden, um elektrische Energie zur Heizschicht über den nicht isolierten Teil zuzuführen. Typischerweise ist der elektrische Verbinder magnetisch und/oder mechanisch mit dem mehrschichtigen Heizmantel gekuppelt, vorzugsweise mit der Heizschicht. Das Mittel zum Kuppeln des Verbinders mit der Heizschicht ist vorzugsweise reversibel, d. h. nicht permanent. Vorteilhafterweise ergibt die Verwendung einer solchen reversiblen Befestigung eine dauerhaftere Apparatur im Vergleich zu solchen mit permanenten, z. B. gelöteten, Verbindungen.
Typischerweise ist der elektrische Verbinder dafür konfiguriert, mit dem nicht isolierten Teil der Heizschicht oder einem leitfähigen Material in elektrischem Kontakt mit der Heizschicht direkt den Eingriff zu treten, d. h. zu berühren. Das leitfähige Material kann beispielsweise eine schützende Metallplatte, zum Beispiel eine Kupferplatte sein, die mit der Oberfläche der Heizschicht verbunden sein kann, vorzugsweise mindestens im wesentlichen den nicht isolierten Teil überdeckend. Vorzugsweise ist das leitfähige Material direkt auf die Heizschicht thermisch aufgespritzt oder auf anderer Weise aufgebracht. Vorteilhafterweise ergibt die Verwendung einer schützenden Platte eine robustere Apparatur. Thermisches Aufspritzen der schützenden Platten direkt auf die Heizschicht vermeidet die Notwendigkeit eines separaten Verbindungsmaterials, zum Beispiel Lot, wodurch weiter die Robustheit erhöht wird, insbesondere bei höheren Temperaturen (größer als etwa 300 °C), wo Lot typischerweise zu erweichen beginnt und den Betrieb der Umhüllung des Heizers begrenzt.
Der elektrische Verbinder weist vorzugsweise ein Teil oder Teile zum Zusammenwirken mit dem nicht isolierten Teil der Heizschicht oder der schützenden Metallplatte auf. Zum Beispiel kann der elektrische Verbinder einen Feder- oder flexiblen Verbinder, zum Beispiel einen Pogo-Verbinder, federbelasteten Verbinder, Knopfverbinder, Batteriekontakt- oder Blattfederverbinder aufweisen, wobei typischerweise zwei Pogo-Verbinder verwendet werden. Pogo-Verbinder werden bevorzugt, weil sie sich leichten Schwankungen der Position, Höhe oder Rauheit des Kontaktbereichs anpassen können.
Nach einem weiteren Aspekt beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Vakuumsystem oder eine Komponente hiervon mit einem mehrschichtigen Heizmantel. Der mehrschichtige Heizmantel weist auf: eine innere Isolierschicht, die an eine Oberfläche der Pumpe gebunden ist, eine Heizschicht, welche eine äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht ummantelt, eine äußere Isolierschicht, die eine äußere Oberfläche der Heizschicht ummantelt, und einen elektrischen Verbinder, der mit dem Vakuumsystem oder einer Komponente hiervon gekuppelt ist, um elektrische Energie zu dem mehrschichtigen Heizmantel zuzuführen. Der elektrische Verbinder kann einen ersten Teil aufweisen, der eine Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon überdeckt, und einen abnehmbaren zweiten Teil aufweisen, der dafür konfiguriert ist, wahlweise mit dem ersten Teil in Eingriff zu kommen, um eine elektrische Verbindung mit ihm herzustellen. Typischerweise umfasst der erste Teil die Heizschicht oder ein daran gebundenes leitfähiges Material, wie beispielsweise eine schützende Metallplatte. Der abnehmbare zweite Teil kann einen Feder- oder flexiblen Verbinder, vorzugsweise einen Pogo-Verbinder aufweisen, typischerweise zwei Pogo-Verbinder.
Nach einem weiteren Aspekt beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon mit einem mehrschichtigen Heizmantel. Typischerweise umfasst das Verfahren die Schritte des Bindens einer inneren Isolierschicht an eine Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon, das Ummanteln einer äußeren Oberfläche der inneren Isolierschicht durch thermisches Aufspritzen einer Heizschicht darauf, und das mindestens teilweise Ummanteln einer äußeren Oberfläche der Heizschicht durch thermisches Aufspritzen einer äußern Isolierschicht auf einen Teil der äußeren Oberfläche der Heizschicht, wobei die äußere Isolierschicht vorzugsweise aus einer Keramik oder einem Glas besteht. Das Verfahren kann weiter den Schritt des Ummantelns einer äußeren Oberfläche der äußeren Ummantelung mit einer Dichtungsschicht umfassen.
Vorteilhafterweise kann eine Dichtungsschicht Unvollkommenheiten oder Porosität in der äußeren Isolierschicht überdecken, die sonst zu elektrischem Versagen bei hoher Feuchtigkeit oder korrosiven äußeren Umgebungsbedingungen führen können.
Soweit nicht anders angegeben, können die folgenden bevorzugten Merkmale bei allen Aspekten der Erfindung angewendet werden.
Im Betrieb verhindert die innere Isolierschicht eine Erdung der Heizschicht durch den übrigen Teil des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon. Vorteilhafterweise kann die innere Isolierschicht aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einer Keramik oder einem Polymer besteht, vorzugsweise aus einem Keramikmaterial.
Wenn die innere Isolierschicht aus einem Keramikmaterial besteht, kann das Keramikmaterial aus der Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus Siliziumkarbid, Bornitrid, Aluminiumoxid ,und Aluminiumnitrid. Aluminiumoxid ist besonders bevorzugt, weil es beständig gegen hohe thermische Temperaturen ist und so einer Beschädigung standhält wenn nachfolgende Schichten durch Plasmaauftrag aufgebracht werden, wo die Temperatur 5000 °C überschreiten kann.
Zusätzlich oder alternativ kann die innere Isolierschicht ein Polymer sein.
Wenn vorhanden, kann der Polymer typischerweise aus der Gruppe ausgewählt sein, die aus thermoplastischen Materialien oder Duroplasten besteht. Thermoplastische Materialien werden bevorzugt und insbesondere solche, die als Hochleistungs-Thermoplaste klassifiziert sind aufgrund ihrer thermischer Eigenschaften.
Vorzugsweise hat der Polymer eine Schmelztemperatur oberhalb von etwa 250 °C, mehr vorzugsweise oberhalb von etwa 300 °C, und noch mehr bevorzugt oberhalb von etwa 400 °C.
Bevorzugte Thermoplaste sind aus der Gruppe ausgewählt, die besteht aus Flüssigkristallpolymeren einschließlich aromatischen Polyamiden und aromatischen Polyestern, aromatischen Polyimiden, Polyamiden, Polysulfonen, Polyethyleniminen, und Polyäther-Äther-Keton (PEEK), oder Derivaten oder Copolymeren hiervon.
Ein bevorzugtes Polyimid kann Poly(4, 4'-Oxidiphenylen-Pyromellitimid) umfassen. Alternativ können Polyamid-Nylon-Harze oder Polybutylen-Terephtalat-Harze gewählt werden.
Die Polymere können zusätzlich eines oder mehrere aus der Gruppe aufweisen, die besteht aus Antistatika, Antioxidantien, Formtrennmitteln, Flammschutzmitteln, Schmiermitteln, Färbemitteln, Strömungsverbesserer, Füllstoffen, einschließlich Nanofüllstoffen, Lichtstabiliatoren und Ultraviolettlichtabsorbern, Pigmenten und Plastizierern.
In Ausführungsformen kann der Polymer ein Komposit, bestehend aus einer Polymermatrix und einer dispersen Phase sein, welche die Temperaturbeständigkeit der Polymermatrix erhöht: Glasfaser-verstärkte Polymere und Kohlefaser-verstärkte Polymere werden besonders bevorzugt.
Wenn die innere Isolierschicht aus einem Polymer besteht, können die Heizschicht, die äußere Isolierschicht, und gegebenenfalls die Dichtungsschicht sequentiell auf den Polymer aufgebracht werden bevor der Polymer an das Vakuumsystem oder die Komponente hiervon gebunden wird.
Wenn einmal ein so zusammengesetzter mehrschichtiger Heizmantel auf dem zu beheizenden Teil des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon aufgebracht ist, kann der erste Heizzyklus des mehrschichtigen Heizmantels dazu benutzt werden, den mehrschichtigen Heizmantel permanent mit dem Vakuumsystem oder der Komponente hiervon zu verbinden. Vorteilhafterweise ermöglicht dies, den mehrschichtigen Heizmantel an Ort und Stelle aufzubringen und/oder nachträglich an einem vorhandenen Vakuumsystem oder einer Komponente hiervon aufzubringen.
Alternativ kann die innere Isolierschicht, die Heizschicht, und/oder die äußere Isolierschicht sequentiell thermisch aufgespritzt oder auf andere Weise über einer äußeren Oberfläche des Vakuumsystems oder der Komponente hiervon aufgebracht werden. Dies wird besonders bevorzugt, wenn die innere Isolierschicht keramisch ist.
Die innere Isolierschicht kann permanent an der Oberfläche des Vakuumsystems oder der Komponente hiervon befestigt werden.
Thermisches Spritzen ist typischerweise ein Beschichtungsprozess, in welchem geschmolzenes oder erhitztes Material auf eine Oberfläche aufgesprüht wird, wo es sich zur Bildung einer Schicht verfestigt. Der Beschichtungsvorläufer wird typischerweise durch elektrische (Plasma oder Lichtbogen) oder chemische Mittel (Brennflamme) erhitzt.
Thermische Spritztechniken, die zur Verwendung bei der Erfindung geeignet sind, umfassen Plasmaspritzen, Drahtlichtbogenspritzen, Flammenspritzen, Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoff-Beschichtungsspritzen (HVOF), Hochgeschwindigkeits-Luft-Brennstoff-(HVAF)Warmspritzen und Kaltspritzen. Der Fachmann kann eine geeignete Technik in Abhängigkeit von der spezifischen Beschichtung und dem Substrat wählen. Vorzugsweise werden die innere Isolierschicht, die Heizschicht und die äußere Isolierschicht unter Verwendung derselben thermischen Spritztechnik aufgebracht.
Typischerweise wird eine feststehende Pistole verwendet und das Vakuumsystem oder deren Komponente wird bewegt. Jedoch kann für komplexere Formen die Komponente selbst feststehend sein und die Pistole relativ dazu bewegt werden. Der Fachmann wird ein Verfahren in Abhängigkeit von der spezifischen in Frage kommenden Komponente auswählen.
Zusätzlich oder alternativ werden die innere Isolierschicht, die Heizschicht und/oder die äußere Isolierschicht unter Verwendung einer oder mehrerer der Techniken aufgebracht, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die besteht aus Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoff-Auftrag (HVOF), elektrophoretischem Auftrag (EPD), Niedertemperaturauftrag (LPD), physikalischem Elektronenstrahl-Dampfauftrag (EBPVD), Luft-Plasma-Spritzen (APS), durch elektrostatisches Spritzen unterstützter Dampfauftrag (ESAVD), direkter Dampfauftrag, und Kombinationen hiervon.
Typischerweise hat eine innere Isolierschicht eine Dicke von etwa 20 µm bis etwa 500 µm, mehr vorzugsweise von etwa 50 µm bis etwa 250 µm. 100 µm ist ein Beispiel. Vorteilhafterweise hat sich gezeigt, dass Isolierschichten dieser Dicke eine gute Überdeckung ohne unerwünschte thermische Beschränkung zwischen der Heizschicht und dem zu erhitzenden Substrat ergibt. Ein Kontakt zwischen der Heizschicht und dem Substrat kann die elektrische Kontinuität zusammen brechen lassen und den Betrieb des Heizers verhindern.
Bei einem Beispiel besteht die innere Schicht aus Aluminioumoxid und hat eine Dicke von etwa 50 µm bis etwa 200 µm, vorzugsweise etwa 100 µm.
Typischerweise, wenn die äußere Isolierschicht eine Keramik ist, besteht die äußere Isolierschicht aus einem Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Zirkoniumoxid, Aluminiumoxidzirkoniumoxid, Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid, Magnesium-stabilisiertem Zirkoniumoxid, oder Siliziumoxid. Aluminiumoxidzirkoniumoxid oder Zirkoniumoxid werden besonders bevorzugt wegen ihrer Kombination von Härte und Isoliereigenschaften. Alternativ, wenn die äußere Isolierschicht ein Glas ist, enthält das Glas Siliziumoxid. Quarzglas wird besonders bevorzugt.
Vorzugsweise hat die äußere Isolierschicht eine Härte nach der Mohr-Skala von etwa 7 oder größer, vorzugsweise etwa 8 oder größer, vorzugsweise von etwa 9 an ist ein Beispiel.
Die äußere Isolierschicht kann der äußere Oberflächenüberzug sein und ist typischerweise ein thermischer und elektrischer Isolator, der Wärmeverluste an die Umgebung verhindert und einen Kurzschluss als Folge eines externen Kontakts verhindert. Die äußere Schicht verbessert dadurch die thermische Effizienz der Beheizung und ergibt eine sichere äußere Schicht für den Verwender.
Typischerweise ist die Heizschicht elektrisch vom Vakuumsystem oder der Komponente hiervon isoliert, die selbst metallisch sein kann. Vorzugsweise ist im wesentlichen die gesamte innere Oberfläche der Heizschicht von der äußeren Oberfläche des Vakuumsystems oder deren Komponente durch mindestens die innere Isolierschicht getrennt. Dies verhindert einen Erdschluss der angrenzenden Heizschicht auf der Oberfläche des Vakuumsystems oder der Komponente hiervon, aber ermöglicht immer noch, dass die erzeugte Wärme zur Pumpenoberfläche übertragen wird. Typischerweise ist die Heizschicht direkt auf die innere Isolierschicht aufgebracht, die wiederum direkt auf die Oberfläche des Vakuumsystems oder deren Komponente aufgebracht sein kann.
Typischerweise ist die äußere Isolierschicht direkt auf die Heizschicht aufgebracht. Vorzugsweise wird die äußere Isolierschicht durch thermisches Spritzen aufgebracht. In Ausführungsformen kann nur ein Teil der Heizschicht durch die äußere Isolierschicht bedeckt sein. Zum Beispiel kann ein Teil der Heizschicht zur Verwendung mit einem elektrischen Verbinder unbeschichtet gelassen werden. Eine Schablone, Abdeckband oder ähnliches kann beim Spritzen benutzt werden und anschließend entfernt werden, um einen unbeschichteten Teil der Heizschicht zu ergeben.
Typischerweise hat die äußere Isolierschicht eine Dicke von etwa 50 µm bis etwa 500 µm, mehr vorzugsweise von etwa 75 µm bis etwa 200 µm. 100 µm ist ein Beispiel.
Die Heizschicht besteht aus einem resistiven Heizmaterial, das die Temperatur erhöht, wenn ein elektrischer Strom hindurch geleitet wird. Die Heizschicht kann metallisch oder keramisch sein.
Wenn die Heizschicht metallisch ist, kann sie aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Nickelchrom, Titanlegierungen, Kanthal, Kupfernickel, Platin, Iridium, Rhenium, Palladium, Rhodium, Gold, Kupfer, Silber, Wolfram und Legierungen hiervon. Titan-Nickel-Chrom-Legierungen werden besonders bevorzugt wegen ihres niedrigen elektrischen Widerstands, was das Verwenden relativ dünner Schichten ermöglicht. 150 µm ist ein Beispiel.
Alternativ, wenn die Heizschicht keramisch ist, kann sie aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Molybdän-Disilizid oder Keramikmaterialien mit positivem Temperaturkoeffizienten wie beispielsweise Bariumtitanat, Bleititanat, Titannitrid, Zirkoniumnitrid und Titanborid.
Typischerweise hat die Heizschicht eine Dicke von etwa 50 µm bis etwa 500 µm, vorzugsweise von etwa 75 µm bis etwa 250 µm. 150 µm ist ein Beispiel.
Die Dicke der Heizschicht kann gleichförmig sein oder variieren, zum Beispiel innerhalb eines individuellen mehrschichtigen Heizelements auf einem Vakuumsystem oder einer Komponente hiervon. Mit gleichförmiger Dicke ist gemeint, dass die Dicke um nicht mehr als ±2% variiert.
Des weiteren oder alternativ können individuelle mehrschichtige Heizelemente gleicher oder verschiedener Dicke auf einem einzigen Vakuumsystem oder deren Komponente verwendet werden. Wiederum können die individuellen mehrschichtigen Heizelemente ihrerseits von gleichförmiger oder variierender Dicke sein. Typischerweise haben dünnere Bereiche der Heizschicht einen höheren Widerstand und erwärmen sich daher leichter, während eine dickere Heizschicht einen niedrigeren Widerstand hat und sich daher vergleichsweise weniger leicht erwärmt. Vorteilhafterweise können durch Variieren der Dicke der Heizschicht verschiedene Teile des Vakuumsystems oder deren Komponente mit unterschiedlichen Raten und/oder auf verschiedene Temperaturen unter Verwendung eines einzigen mehrschichtigen Heizüberzugs beheizt werden.
Die Dichtungsschicht kann typischerweise aus einem Polymer oder einer keramischen Glasur bestehen, die über der äußeren Isolierschicht aufgebracht ist, typischerweise über die Gesamtheit der äußeren Oberfläche des restlichen mehrschichtigen Heizmantels.
Typischerweise besteht die Dichtungsschicht aus einem Polymer. Typischerweise umfasst der Polymer ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus einem flüssigen Urethan, flüssigen Phenol oder Silikonharz.
Die äußere Dichtungsschicht schützt den übrigen mehrschichtigen Heizmantel vor der ihn umschließenden Umgebung. Dies kann besonders vorteilhaft sein, wenn die umschließende Umgebung ein korrosives Material enthält oder wenn eine oder mehrere der Komponenten empfindlich gegen Feuchtigkeit sind.
Typischerweise hat die Dichtungsschicht eine Dicke von etwa 50 µm bis etwa 500 µm, mehr vorzugsweise von etwa 100 µm bis etwa 200 µm. 150 µm ist ein Beispiel.
Ein elektrischer Verbinder wird typischerweise mit dem Vakuumsystem oder einer Komponente hiervon gekuppelt und liefert elektrische Energie an den mehrschichtigen Heizmantel. Vorzugsweise hat die Elektrizitätsversorgung weniger als etwa 250 V, mehr vorzugsweise von etwa 12 V bis etwa 60 V. 24 V ist ein Beispiel.
Vorzugsweise kann der mehrschichtige Heizmantel mindestens den von der Heizschicht bedeckten Bereich des Vakuumsystems oder dessen Komponente auf eine Temperatur von mehr als 70°C, vorzugsweise mehr als etwa 200°C, vorzugsweise mehr als etwa 300°C, vorzugsweise von etwa 200°C bis etwa 450°C beheizen.
Vorzugsweise hat der mehrschichtige Heizmantel einen Leistungsausgang von etwa 0,5 W pro cm² bis etwa 4 W pro cm², mehr vorzugsweise von etwa 1 W pro cm² bis etwa 1,5 W pro cm².
Vorzugweise hat die äußere Oberfläche des Teils des Vakuumsystems oder dessen Komponente, an welchem die innere Isolierschicht gebunden ist, eine Oberflächenrauigkeit Ra von mehr als 1,5 µm, vorzugsweise von etwa 1,5 µm bis etwa 10 µm, mehr vorzugsweise von etwa 1,5 µm bis etwa 3,5 µm. 1,6 µm ist ein Beispiel. Es hat sich gezeigt, dass Oberflächen mit dieser Rauigkeit eine verbesserte Bindung ergeben und verhindern, dass die Bindung bei höheren Temperaturen bricht, insbesondere, wenn die innere Isolierschicht selbst auf die Oberfläche des Vakuumsystems oder deren Komponente aufgebracht ist.
Figurenliste
Bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nunmehr beispielshalber mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Heizmantels zeigt.
2 einen mehrschichtigen Heizmantel und elektrischen Verbinder zeigt.
Die 3 und 4 mehrschichtige Heizmantelprototypen zeigen.
5 die Ergebnisse eines Heizzyklusexperiments zeigt, das unter Verwendung eines mehrschichtigen Heizmantelprototyps durchgeführt wurde.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Vakuumsystem oder eine Komponente hiervon mit einem mehrschichtigen Heizmantel (1).
Wie in 1 dargestellt, kann der mehrschichtige Heizmantel (1) eine innere Isolierschicht (2), wie beispielsweise Mulite™, die an die Oberfläche der Pumpe (3) gebunden ist, eine Heizschicht (4), welche eine äußere Oberfläche (5) der inneren Isolierschicht (2) bedeckt, eine äußere Isolierschicht (6), welche eine äußere Oberfläche (7) der Heizschicht (4) bedeckt, und gegebenenfalls eine Dichtungsschicht (nicht dargestellt) aufweisen, welche eine äußere Oberfläche (8) der äußeren Isolierschicht (6) bedeckt. Wie dargestellt, weist der mehrschichtige Heizmantel (1) auch eine Energiezufuhr zum Bereitstellen elektrischer Energie zur Heizschicht (4).
Für die Zwecke der Erfindung beziehen sich innere, innerste und untere jeweils auf eine Oberfläche oder Oberflächen auf der Geräteseite einer Schicht, während äußere, äußerste und obere sich auf eine Oberfläche oder Oberflächen der gerätefernen Seite beziehen.
Für die Zwecke der Erfindung kann Vakuumsystem oder Komponente hiervon irgendeine Komponente eines Vakuumsystems einschließlich der Vakuumkammer, Rohr- und Kanalsystem, Abgassystem und dem Pumpenmechanismus selbst einschließlich beispielsweise der Rotorkammer einschließen. Vorzugsweise kann der mehrschichtige Heizmantel auf eine Vakuumkammerwand und/oder Rotorkammerwand und/oder Abgasrohr- oder Kanalwand aufgebracht sein.
Der mehrschichtige Heizmantel kann bei der Beheizung sowohl von Hochdruck- und Abgasabschnitten eines Vakuumsystems und/oder Niederdruck- und Bereichen höheren Vakuums des Vakuumsystems eingesetzt werden. Der mehrschichtige Heizmantel kann auf externe und/oder interne Oberflächen des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon aufgebracht sein, zum Beispiel der äußeren und/oder inneren Oberflächen der Vakuumkammer, Rotorkammer und/oder Rohr- oder Kanalsystem.
Vakuumsysteme (oder Komponente), die zur Verwendung nach der Erfindung geeignet sind, können trockene Pumpen sein und schließen Verdrängungs- und Impulsübertragungspumpen und/oder Getterpumpen wie beispielsweise kryogene, Ionen- und nichtverdampfbare Getterpumpen ein. Bevorzugte Verdrängungspumpen können Scrollpumpen, Schraubenpumpen, Roots-Pumpen, Nockenpumpen, Drehflügel-Flüssigkeitsring- und Öldiffusionspumpen einschließen, insbesondere solche, die von Edwards Vacuums™ hergestellt werden. Bevorzugte Impulsübertragungspumpen können Turbomolekularpumpen einschließen, insbesondere solche, die von Edwards Vacuums™ unter den Handelsnamen EXT™ oder nEXT™ hergestellt werden.
Demgemäß beinhaltet die Erfindung nach einem Aspekt weiter die Verwendung eines mehrschichtigen Heizmantels zum Entgasen eines Ultrahochvakuumsystems, vorzugsweise die Verwendung eines mehrschichtigen Heizmantels nach weiteren Aspekten der hier offenbarten Erfindung. Wo der mehrschichtige Heizmantel zur Unterstützung der Entgasung eines Ultrahochvakuumsystems oder einer Komponente hiervon benutzt wird, wird der mehrschichtige Heizmantel typischerweise auf oder angrenzend an diese Teile des Pumpensystems aufgebracht, die dem Ultrahochvakuum ausgesetzt sind. Beispielsweise kann der mehrschichtige Heizmantel die Rotorkammer einer Turbomolekularpumpe und/oder die dieser zugeordnete Vakuumkammer beheizen. Der mehrschichtige Heizmantel kann beispielsweise auf eine äußere Oberfläche eines Rotorkammergehäuses oder eines Vakuumkammergehäuses aufgebracht werden.
Alternativ, wenn der mehrschichtige Heizmantel zur Reduzierung des Niederschlags von Kondensaten auf Pumpenkomponenten benutzt wird, wird der mehrschichtige Heizmantel typischerweise auf diese Teile der Pumpe aufgebracht, die ansonsten ausreichend kühl für das Auftreten von Kondensation und/oder Sublimation sind. Beispielsweise in einem Rohr- und/oder Kanalsystem und/oder einer Rotorkammer.
Mehrschichtige Heizmäntel nach der Erfindung haben sich als besonders effektiv bei der Verhinderung von Niederschlag innerhalb von Vakuumpumpenabgassystemen und Komponenten hiervon erwiesen, einschließlich des Niederschlags auf den inneren Oberflächen der Kanal- und Rohranordnung des Abgassystems.
Dementsprechend beinhaltet die Erfindung nach einem weiteren Aspekt ein Vakuumpumpensystem mit einer Vakuumkammer und einer Vakuumpumpe, die dafür konfiguriert ist, Gas von innerhalb der Vakuumkammer an einen Ort außerhalb der Vakuumkammer zu pumpen, wobei Gas aus der Vakuumpumpe in ein Abgasmanagementsystem austritt, und wobei das Abgasmanagementsystem einen mehrschichtigen Heizmantel mit einer inneren Isolierschicht, die an einer Oberfläche des Abgassystems gebunden ist, einer Heizschicht, die eine äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht ummantelt, und einer äußeren Isolierschicht aufweist, die eine äußere Oberfläche der Heizschicht ummantelt, wobei die innere und die äußere Isolierschicht jeweils einen größeren elektrischen Widerstand als die Heizschicht haben, und wobei die äußere Isolierschicht weniger wärmeleitfähig ist als die innere Isolierschicht.
Typischerweise ist die Oberfläche des Abgasmanagementsystems eine Oberfläche einer Leitung, durch welche Gas aus der Vakuumpumpe geleitet wird, typischerweise eine äußere Oberfläche der Leitung. Typischerweise ist die innere Isolierschicht an die Kanal- und/oder Rohranordnung gebunden, die einen Teil des Abgasmanagementsystems bildet.
Nach einem weiteren Aspekt beinhaltet die Erfindung ein Vakuumsystem mit einer Vakuumkammer und einem Pumpensystem mit einer oder mehreren Vakuumpumpen, die dafür konfiguriert sind, Gas aus innerhalb der Vakuumkammer zu einem Ort außerhalb der Vakuumkammer zu pumpen. Das Pumpensystem kann eine Leitung zum Leiten von Gas entweder von der Vakuumkammer zu einer oder mehreren der Vakuumpumpen, oder von einer ersten Vakuumpumpe zu einer zweiten Vakuumpumpe innerhalb des Vakuumsystems haben, wobei die Leitung eine Oberfläche hat, die einen mehrschichtigen Heizmantel mit einer inneren Isolierschicht, die an die Oberfläche der Leitung gebunden ist, einer Heizschicht, welche eine äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht ummantelt, und einer äußeren Isolierschicht aufweist, welche eine äußere Oberfläche der Heizschicht ummantelt, wobei die innere und die äußere Isolierschicht jeweils einen größeren elektrischen Widerstand als die Heizschicht haben, und wobei die äußere Isolierschicht weniger Wärmeleitfähig als die innere Isolierschicht ist.
Das Pumpensystem kann zwei oder mehr Pumpen in Reihe und/oder zwei oder mehr Pumpen in Parallelschaltung aufweisen. Typischerweise ist die ummantelte Oberfläche eine äußere Oberfläche der Leitung.
Um die Ermüdungsfestigkeit zu verbessern, ist es bevorzugt, den mehrschichtigen Heizmantel auf eine flache oder leicht profilierte Oberfläche aufzubringen. Daher, wo die eine Beheizung erfordernde Form komplex ist, sollten idealerweise verlaufende Radien und sanfte Übergänge verwendet werden, wohingegen scharfe Ecken oder schnelle Profiländerungen zu vermeiden sind.
Vorzugsweise hat der mehrschichtige Heizmantel eine Ermüdungsstandzeit von mindestens 1000 Heizzyklen.
2 zeigt einen Schnitt durch eine Rotorkammer eines Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon (10) mit einem mehrschichtigen Heizmantel (9). Obwohl nicht sichtbar, umfasst der mehrschichtige Heizmantel (9) eine innere Isolierschicht, die auf eine Oberfläche einer Pumpenhülle aufgebracht ist, und eine Heizschicht, die auf eine äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht aufgebracht ist.
Vorzugsweise kann die Heizschicht zur Verringerung der Kurzschlussgefahr nicht vollständig die innere Isolierschicht überdecken. Vorzugsweise ist die Fläche der Heizschicht kleiner als die Fläche der inneren Isolation, so dass die innere Isolierschicht den Umfangsrand der Heizschicht umschließt. Vorzugsweise ist die Heizschicht von einem Rand der inneren Isolierschicht umschlossen, der eine Breite von etwa 1 mm bis etwa 10 mm, vorzugsweise etwa 5 mm hat.
Das Vakuumsystem oder die Komponente hiervon (10) weist weiter einen elektrischen Verbinder auf, der mit dem Vakuumsystem oder der Komponente hiervon (10) gekuppelt ist und der zur Zufuhr elektrischer Energie zum mehrschichtigen Heizmantel benutzt wird. Bei dem dargestellten Beispiel weist der elektrische Verbinder einen ersten Teil auf, der zwei Kupferlegierungsplatten (11, 12) umfasst, die direkt thermisch auf die Heizschicht aufgespritzt sind, und einen abnehmbaren zweiten Teil (15), der zwei Pogo-Verbinder (13, 14) umfasst, die wahlweise mit den Kupferplatten (11, 12) in Zusammenwirkung gebracht werden, um eine elektrische Verbindung damit und der darunter liegenden Heizschicht herzustellen.
Wie in 2 dargestellt, ist, wenn ein mehrschichtiger Heizmantel sich um eine äußere Oberfläche einer Komponente erstreckt, beispielsweise um den Umfang eines etwa rohrförmigen Körpers, typischerweise ein Spalt (18) zwischen jedem Ende eines mehrschichtigen Heizmantels (9) vorhanden. Im Betrieb führt dieser Spalt (18) zu einem relativ kühleren Fleck, und daher wird der Spalt (18) idealerweise so schmal wie möglich gehalten. Betrachtungen bei der Konfigurierung der Größe des Spalts (18) können das zum Aufbringen der Schichten des mehrschichtigen Heizmantels verwendete Herstellungsverfahren einschließen: zum Beispiel, wenn Schichten unter Verwendung von Masken als Abschirmung thermisch aufgesprüht werden, können die Schichten unter der Kante der Masken „angezapft“ werden. Dementsprechend kann ein unbeschichteter Spalt von etwa 2 mm bis etwa 10 mm den Rand eines mehrschichtigen Heizmantels nach der Erfindung umschließen. Ein Spalt von 5 mm wird besonders bevorzugt.
Wie der Fachmann erkennt, besteht theoretisch keine Grenze bezüglich der Größe der Heizschicht, die angewendet werden kann; jedoch verändert sich mit zunehmender Größe die Leistung des Heizers, da die Leistungsdichte sich verändert. Daher kann in der Praxis eine Mehrzahl separater mehrschichtiger Heizmäntel eingesetzt werden, um größere Komponenten gleichzeitig zu beheizen.
Für die Zwecke der Erfindung können separate mehrschichtige Heizmäntel jeweils als individuelles mehrschichtiges Heizelement bezeichnet werden. Ein Vakuumsystem oder eine Komponente hiervon kann daher ein oder mehrere individuelle mehrschichtige Heizelemente aufweisen, von denen jedes einen einzigen mehrschichtigen Heizmantel umfasst.
Wie in 2 gezeigt, überdeckt die äußere Isolierschicht (16) im wesentlichen die gesamte äußere Oberfläche der Heizschicht mit Ausnahme von dort, wo die beiden Metallplatten (11, 12) gelegen sind.
Die Pogo-Verbinder sind an einem Verbindergehäuse (17) angeschraubt, welches das Vakuumsystem oder die Komponente hiervon (10) reversibel kuppelt, um die Pogo-Verbinder (13, 14) in elektrischen Kontakt mit den Metallplatten (11, 12) zu halten. Ein Magnet kann verwendet werden, um das Gehäuse (17) mit dem Vakuumsystem oder dessen Komponente (10) zu kuppeln, alternativ kann eine mechanische Kupplung oder ein Streifen angewendet werden. Mehrschichtige Heizmäntel nach der Erfindung vermeiden daher die Notwendigkeit des Verlötens einer elektrischen Verbindung mit der Heizschicht. Die Erfindung sieht daher eine robustere elektrische Verbindung vor, die auch bei höheren Temperaturen verwendet werden kann.
Die Pogo-Verbinder (13, 14) sind typischerweise mit einer 24-V-Stromquelle verbunden.
Die Erfindung wird nun durch das folgende, nicht beschränkende Beispiel demonstriert.
Beispiel
Um die Fähigkeit der mehrschichtigen Heizmäntel nach der Erfindung zu demonstrieren, wurden Prototypteile, wie in 3 dargestellt, hergestellt.
Die Prototypen wiesen einen dreischichtigen Mehrschicht-Heizmantel (9) auf, der auf ein Stahlband (19) aufgebracht war. Das Stahlband hat einen Durchmesser von 120 mm, eine Höhe von 50 mm, bei einer im wesentlichen gleichförmigen Wanddicke von 3 mm.
Die drei Schichten waren: i) eine innere Isolierschicht mit gleichmäßiger Dicke von 100 µm (Siliziumkarbid und Aluminiumnitrid gleicher Dicke wurden gesondert erfolgreich getestet); ii) eine Titan-Nickel-Chrom-Heizschicht mit gleichförmiger Dicke von 150 µm (50 µm, 100 µm, 150 µm und 200 µm wurden alle erfolgreich getestet); und iii) eine äußere Schicht aus Zirkoniumoxid mit einer gleichförmigen Dicke von 100 µm.
Alle drei Schichten wurden unter Anwendung eines Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoff-Auftrags (HVOF) aufgebracht. Bei dem verwendeten Verfahren wurde das für die Beschichtung verwendete Material als Schleifpulver (mittlere Teilchengröße von 20 µm bis 50 µm, unter Anwendung von Laserbeugung gemessen) bereitgestellt und in den Pfad des erhitzten Gasstroms zugeführt. Der erhitzte Gasstrom enthält Sauerstoff und Brennstoff, der verbrannt wird und durch eine konvergierende-divergierende Düse geleitet wird. Bei diesem Beispiel wurde Kerosin als Brennstoff verwendet.
Wie der fachmännische Leser erkennt, wird bei HVOF-Verfahren erhitztes Gas bei Temperaturen von mehreren tausend Grad Celsius und Überschallgeschwindigkeit benutzt, um das Material auf das Substrat aufzubringen. Als Ergebnis des Materialauftrags in geschmolzener Form kann ein gleichmäßiger und schwach poröser Überzug erreicht werden. Die Porosität eines Überzugs kann durch Verändern der Teilchengröße des aufzubringenden Schleifpulvers variiert werden; im allgemeinen ergibt die Verwendung einer kleineren Teilchengröße einen Überzug höherer Dichte.
Die HVOF-Düse kann entweder feststehend sein und das Substrat relativ dazu bewegt (zum Beispiel gedreht) werden, um eine gleichmäßige Überdeckung zu ergeben, oder die Düse selbst kann durch einen Roboterarm bewegt werden. Letzteres wird für komplexe Komponenten bevorzugt. Für das Beispiel wurde eine stationäre Düse eingesetzt.
Bei der Herstellung der Prototypen wurde Abdeckband benutzt, um Substratbereiche zu schützen, wo die Überzugsschicht nicht erforderlich war. Beispielsweise wurde nach dem Auftrag der Umfangsrand der inneren Isolierschicht abgedeckt, um sicher zu stellen, dass die nachfolgend aufgebrachte Heizschicht nicht direkt das Stahlband berührt. Zur Herstellung der Prototypen wurde hochtemperaturbeständiges Band verwendet. Statt des Abdeckbands können Stahlabdeckungen benutzt werden. Vorteilhafterweise können Stahlabdeckungen mehrfach wieder verwendet werden.
Wie in 4 dargestellt, wurden zwei Kupferleiterplatten (20, 21) unter Verwendung von HVOF auf der Heizschicht aufgebracht, um Stromanschlusspunkte herzustellen. Stromzufuhrdrähte (24, 25) wurden auf den Kupferleiterplatten (20, 21) angelötet (22, 23). Zur Vermeidung des Schmelzens des Lots wurde die Erhitzung mit einem 24 V-Eingang auf 250°C begrenzt.
Wie in 5 gezeigt, zeigte ein zyklisches thermisches Testen eines Prototyps, dass die mehrschichtigen Heizmäntel erfolgreich betrieben werden können.
Die mehrschichtigen Heizmäntel ermöglichen einen schnellen Temperaturanstieg, wenn sie einmal aktiviert sind. Die mehrschichtigen Heizmäntel waren robust und nicht leicht gegen Verkratzen oder Abnutzung empfindlich. Es wurde eine Wärmeleistung von 1 W/cm² erreicht, und Wärmebildaufnahme bestätigte einen beständigen Wärmeausgang von dem mehrschichtigen Heizmantel mit gleichmäßiger Abdeckung.
Es versteht sich, dass verschiedene Modifikationen bei den gezeigten Ausführungsformen gemacht werden können, ohne von dem Gedanken und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie er in den anliegenden, gemäß dem Patentgesetz interpretierten Ansprüchen definiert ist.
Bezugszeichenliste

1: Mehrschichtiger Heizmantel
2: Innere Isolierschicht
3: Pumpe/Komponente
4: Heizschicht
5: Äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht
6: Äußere Isolierschicht
7: Äußere Oberfläche der Heizschicht
8: Äußere Oberfläche der äußeren Isolierschicht
9: Mehrschichtiger Heizmantel
10: Vakuumsystem oder Komponente
11: Kupferlegierungsplatte (1)
12: Kupferlegierungsplatte (2)
13: Pogo-Verbinder (1)
14: Pogo-Verbinder (2)
15: Abnehmbarer zweiter Teil
16: Äußere Isolierschicht
17: Verbindergehäuse
18: Spalt
19: Stahlband
20: Kupferleiterplatte (1)
21: Kupferleiterplatte (2)
22: Lot (1)
23: Lot (2)
24: Stromzuführdraht (1)
25: Stromzufiihrdraht (2)

Claims

Mehrschichtiger Heizmantel zum Beheizen eines Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon, wobei der mehrschichtige Heizmantel aufweist: eine innere Isolierschicht, die an eine Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon gebunden ist, eine Heizschicht, die an eine Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon gebunden ist, eine Heizschicht, welche eine äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht überdeckt, und eine äußere Isolierschicht, umfassend eine Keramik oder ein Glas, welche eine äußere Oberfläche der Heizschicht überdeckt, und gegebenenfalls eine Dichtungsschicht, welche eine äußere Oberfläche der äußeren Isolierschicht überdeckt, wobei die innere und die äußere Isolierschicht jeweils einen größeren elektrischen Widerstand als die Heizschicht haben, und wobei die äußere Isolierschicht weniger wärmeleitfähig als die innere Isolierschicht ist.
Mehrschichtiger Heizmantel nach Anspruch 1, wobei ein nicht isolierter Teil einer Oberfläche der Heizschicht nicht durch eine Isolierschicht bedeckt ist und so konfiguriert ist, dass im Betrieb ein elektrischer Strom von einem nicht permanenten elektrischen Verbinder durch den nicht isolierten Teil gelangen kann.
Mehrschichtiger Heizmantel zum Beheizen eines Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon, wobei der beheizende mehrschichtige Heizmantel aufweist: eine innere Isolierschicht, die an eine Oberfläche des Vakuumsystems oder einer Komponente hiervon gebunden ist, eine Heizschicht, welche eine äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht überdeckt, und eine äußere Isolierschicht, welche eine äußere Oberfläche der Heizschicht überdeckt, und gegebenenfalls eine Dichtungsschicht, welche eine äußere Oberfläche der äußeren Isolierschicht überdeckt, wobei ein nicht isolierter Teil der äußeren Oberfläche der Heizschicht nicht von der äußeren Isolierschicht überdeckt und derart konfiguriert ist, dass im Betrieb ein elektrischer Strom von einem nicht permanenten elektrischen Verbinder durch den nicht isolierten Teil gelangen kann.
Mehrschichtiger Heizmantel nach Anspruch 3, wobei die innere und die äußere Isolierschicht jeweils einen höheren elektrischen Widerstand als die Heizschicht haben, und wobei die äußere Isolierschicht weniger wärmeleitfähig als die innere Isolierschicht ist.
Mehrschichtiger Heizmantel nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die innere Isolierschicht ein aus der Gruppe ausgewähltes Material umfasst, die besteht aus einer Keramik, einem Polymer oder einem Polymermatrix-Verbundstoff, vorzugsweise einer Keramik, wobei vorzugsweise die innere Isolierschicht eine aus der Gruppe ausgewählte Keramik aufweist, die besteht aus Siliziumkarbid, Bornitrid, Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Spinel, Mullit, vorzugsweise Aluminiumoxid.
Mehrschichtiger Heizmantel nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die innere Isolierschicht, die Heizschicht und/oder die äußere Isolierschicht unter Verwendung einer oder mehrerer der aus der Gruppe ausgewählten Verfahren aufgebracht ist, die besteht aus Hochgeschwindigkeits-Sauerstoff-Brennstoff-Auftrag (HVOF), elektrophoretischem Auftrag (EPD), Niedertemperaturauftrag (LPD), physikalischem Elektronenstrahl-Dampfauftrag (EBPVD), Luft-Plasma-Spritzen (APS), durch elektrostatische Spritzen unterstützter Dampfauftrag (ESAVD), direkter Dampfauftrag, und Kombinationen hiervon.
Mehrschichtiger Heizmantel nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die äußere Isolierschicht ein aus der Gruppe ausgewähltes Material aufweist, die besteht aus Aluminiumoxidzirkoniumoxid, Zirkoniumoxid, Ittrium-stabilisiertem Zirkoniumoxid oder Siliziumoxid.
Mehrschichtiger Heizmantel nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die Heizschicht metallisch oder keramisch ist, wobei vorzugsweise die Heizschicht metallisch ist und eine aus der Gruppe ausgewählte Legierung aufweist, die besteht aus Kupfernickel, einer Titanlegierung oder einer Chromlegierung einschließlich Nickelchrom, einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung, einer Titan-Nickel- und einer Chrom-Legierung, einer Titan-Nickel-Chrom-Legierung, vorzugsweise einer Titan-Nickel-Chrom-Legierung, oder wobei die Heizschicht keramisch ist und aus der Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus Molybdän-Disilizid oder einer Keramik mit positivem Temperaturkoeffizienten, wie beispielsweise Barium-Titanat oder Bleititanat.
Mehrschichtiger Heizmantel nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, wobei die Dicke der Heizschicht und/oder der inneren Isolierschicht variiert, und/oder wobei die innere Isolierschicht eine oder mehrere individuelle Bereiche hat, von denen jeder individuelle Bereich ein unterschiedliches Material umfasst.
Mehrschichtiger Heizmantel nach einem der Ansprüche 2 bis 9, der weiter einen elektrischen Verbinder aufweist, der nicht permanent mit dem nicht isolierten Teil der Heizschicht gekuppelt ist, um elektrische Energie zur Heizschicht zuzuführen, wobei vorzugsweise der elektrische Verbinder magnetisch und/oder mechanisch mit dem mehrschichtigen Heizmantel gekuppelt ist, und/oder wobei der elektrische Verbinder dafür konfiguriert ist, direkt mit dem nicht isolierten Teil der Heizschicht oder einem auf den nicht isolierten Teil der Heizschicht aufgebrachten leitenden Material zusammenzuwirken.
Mehrschichtiger Heizmantel nach Anspruch 10, wobei der elektrische Verbinder ein flexibler oder Federverbinder ist, vorzugsweise ein Knopfverbinder, Batterieverbinder, Blattfeder- oder ein Pogo-Verbinder.
Mehrschichtiger Heizmantel für ein Vakuumsystem oder eine Komponente hiervon, wobei der mehrschichtige Heizmantel aufweist: a) eine innere Isolierschicht, die an eine Oberfläche des Vakuumsystems gebunden ist, b) eine Heizschicht, die eine äußere Oberfläche der inneren Isolierschicht überdeckt, c) eine äußere Isolierschicht, die eine äußere Oberfläche der Heizschicht überdeckt, und d) einen elektrischen Verbinder, der mit dem Vakuumsystem gekuppelt und dafür konfiguriert ist, elektrische Energie zur Heizschicht zuzuführen, wobei der elektrische Verbinder einen ersten Teil, der eine Oberfläche des Vakuumsystems überdeckt, und einen abnehmbaren zweiten Teil aufweist, der wahlweise mit dem ersten Teil zusammenwirkt, um damit eine elektrische Verbindung herzustellen, und wobei der erste Teil die Heizschicht oder ein daran gebundenes leitendes Material umfasst.
Vakuumsystem oder Komponente hiervon mit einem mehrschichtigen Heizmantel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, vorzugsweise umfassend eine Turbomolekularpumpe oder eine trockene Pumpe.