DE4404550C2 - Anordnung zur Regelung der Verdampferrate von Tiegeln - Google Patents
Anordnung zur Regelung der Verdampferrate von TiegelnInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zahlreiche Gegenstände, die aus einem Material mit bestimmten Eigenschaften
bestehen, werden oberflächenbehandelt, um ihrer Oberfläche andere Eigenschaften
zu geben, als sie das Grundmaterial von Natur aus besitzt. Die Oberfläche kann dabei
z. B. geschliffen, erhitzt oder mit einer dünnen Schicht aus einem anderen Material
versehen werden.
Für das Aufbringen dünner Schichten auf einem Gegenstand sind mehrere Verfahren
bekannt. Beispielsweise werden diese Schichten durch galvanische Abscheidungs
prozesse, durch Niederschläge aus einem Plasma oder durch Aufdampfen von
Stoffen aufgebracht. Bei allen diesen Verfahren ist es erwünscht, daß die Schichten
entsprechend den Vorstellungen des jeweiligen Geräteherstellers aufgebracht werden,
d. h. die Schicht soll sich in regelbarer Weise niederschlagen.
Um eine Schichtdickenregelung vorzunehmen, muß der Istwert der Schichtdicke er
mittelt und mit einem Sollwert verglichen werden. Für die Ermittlung des Schicht
dicken-Istwerts sind bereits spezielle Fotometer vorgeschlagen worden. Bei einem
dieser Fotometer wird das zu messende Objekt zwischen zwei Lichtleitern vor
gesehen, wobei der eine Lichtleiter zu einem Detektor und der andere Lichtleiter zu
einem Licht-Zerhacker führt (EP-A-0 257 229).
Mit diesem bekannten Schichtdicken-Istwert kann nun der Prozeß beeinflußt werden,
mittels dem die Schicht aufgebracht wird.
Handelt es sich um einen Verdampfungsprozeß, bei dem z. B. Aluminium aus einem
Keramikschiffchen (vgl. hierzu US-PS'en 2 664 853, 2 969 448, 3 730 507) ver
dampft wird, so müssen bei einem kontinuierlichen Prozeß in der Regel die Tempera
tur des Schiffchens und die Aluminium-Menge in dem Schiffchen geregelt werden.
Bei herkömmlichen Verdampfungsanlagen dieser Art ist ein abgeschlossener Prozeß
raum vorgesehen, in dem sich mehrere Verdampferschiffchen befinden, über die ein
zu beschichtendes Band läuft. In diese Schiffchen wird z. B. Aluminium in Form von
Aluminiumdrähten eingegeben, das dann in den Schiffchen schmilzt und verdampft.
Um bei einer vorgegebenen Bandgeschwindigkeit eine bestimmte Aluminium-Menge
zu verdampfen, wird an dem Verdampfer von einer Bedienungsmannschaft eine indi
viduelle Verdampferspannung so eingestellt, daß die zur Verfügung gestellte Lei
stung ausreicht, ein Gleichgewicht zwischen abgedampfter und eingeschmolzener
Aluminium-Menge herzustellen. Mit dieser Technik sind Homogenitäten der aufge
dampften Aluminium-Schicht quer zur Bandlaufrichtung von ca. ±8% erreichbar.
Um eine Verbesserung der Homogenität auf ±5% und besser zu erreichen, muß die
Aluminium-Menge, die aus einem einzigen Verdampfer verdampft wird, regelbar
sein.
Es ist bereits eine Regelschaltung mit Thyristor-Stellern vorgeschlagen worden, mit
der die Spannung an einem Widerstandsverdampfer so eingestellt werden kann, daß
sich bei einem sich entsprechend dem Widerstand einstellenden Strom eine elektri
sche Leistung einstellt, bei welcher das Material in einem Verdampfergerät ver
dampft (deutsche Patentanmeldung DE 43 01 810 A1). Die von dem Steller gelieferte
Spannung wird hierbei über einen Transformator von z. B. 380 V auf 12 V transfor
miert, wobei der Strom z. B. von 40 A auf 1200 A ansteigt. Dieser Regelschaltung
liegt der Gedanke zugrunde, daß die Menge des verdampften Materials der elektri
schen Heizleistung für das Verdampferschiffchen proportional ist.
Bei bekannten Aluminium-Verdampfungseinrichtungen werden die Keramikschiff
chen bei einer Temperatur von 1500°C bis 1600°C betrieben. Um die Bandge
schwindigkeit und damit die Menge des beschichteten Bands zu erhöhen, wird ge
fordert, die Temperatur auf 1600°C zu steigern. Diese relativ kleine Temperaturerhöhung
hat indessen enorme Auswirkungen auf den Aufdampfprozeß und seine Be
herrschbarkeit, denn während bei 1500°C Aluminium einen Sättigungsdampfdruck
von 0,5 Torr und bei 1560°C von 1,0 Torr hat, ist dieser bei 1600°C schon auf 1,6
Torr angestiegen. Dementsprechend hat sich die Abdampfrate erhöht. Damit ist das
eingestellte Gleichgewicht gestört, d. h. die einem Verdampferschiffchen zugeführte
Aluminium-Menge und die Temperatur des Verdampfers sind nicht mehr im Gleich
gewicht. Das eingeschmolzene Aluminium benetzt folglich nicht mehr die gesamte
Oberfläche der im Verdampfer vorgesehenen Vertiefung. Für ein gleichmäßiges und
spitzenfreies Abdampfen ist aber eine möglichst große benetzte Oberfläche aus
schlaggebend.
Von einer großen Oberfläche kann bei niedrigerer Temperatur die gleiche Menge
Aluminium abgedampft werden wie von einer kleinen Oberfläche bei höherer
Temperatur. Von der kleinen Oberfläche mit hoher Temperatur kann somit mit einer
hohen spezifischen Abdampfrate Aluminium pro Zeiteinheit und Fläche verdampft
werden.
Allerdings kühlt überall dort, wo flüssiges Aluminium die Oberfläche benetzt und
von ihr abgedampft wird, das abdampfende Aluminium das heiße Verdampferschiff
chen. Weiterhin sorgt das flüssige Aluminium für einen Temperaturausgleich. Damit
ergeben sich aufgrund der kleinen benetzten Oberfläche verschiedene negative Aus
wirkungen. Zum ersten ist die mittlere Temperatur des Verdampferschiffchens von
vornherein höher, was die Lebensdauer des Schiffchens reduziert. Zum zweiten bildet
sich in Abhängigkeit von der spezifischen Abdampfrate ein Korrosionsgraben im
Schiffchen, der schnell größer wird, weil bei kleiner Benetzungsfläche und gleicher
Gesamtabdampfrate die spezifische Abdampfrate erheblich vergrößert wird. Dieser
schnell wachsende Korrosionsgraben halbiert die übliche Lebensdauer eines Schiff
chens. Zum dritten wird der Teil der Schiffchen-Kavität, der nicht mit Aluminium
benetzt ist, stark überhitzt. In diesem Bereich fehlt die Kühlung durch das abdamp
fende Aluminium. Der gesamte Heizstrom fließt in diesem Bereich durch den Ver
dampfer. Im benetzten Bereich fließt ca. 1/3 des Stroms durch das flüssige Alumini
um. Dabei ist der Anteil des Stroms, der durch das flüssige Aluminium fließt, bei
konstant bleibender Benetzungsfläche nur von der Höhe des Aluminium-Sees abhän
gig. Wird eine minimale Höhe unterschritten, so wird die benetzte Fläche kleiner,
was ebenfalls den Stromfluß beeinflußt. Es entsteht eine starke Überhitzung, wodurch
sich das Schiffchenmaterial zersetzt und Korrosionsspalten entstehen. Kommt
flüssiges Aluminium mit dieser sehr heißen Oberfläche in Berührung, wird es schlag
artig verdampft. Dabei können Spritzer entstehen.
Um ein von Spritzern freies Abdampfen zu garantieren, darf der Verdampfer weder
zu heiß noch zu kalt gefahren werden. "Zu heiß" bedeutet, daß dem Verdampfer für
die zugeführte Aluminium-Menge zu viel elektrische Heizleistung zur Verfügung ge
stellt wird, mit der Folge, daß der Verdampfer trocken gefahren wird. "Zu kalt" be
deutet dagegen, daß dem Verdampfer für die zugeführte Aluminium-Menge zu wenig
elektrische Heizleistung zur Verfügung gestellt wird. Hierdurch ist der Verdampfer
überall mit flüssigem Aluminium benetzt und die Aluminium-Menge vergrößert sich
ständig.
Wünschenswert ist eine optimal benetzte Oberfläche des Verdampferschiffchens und
eine unter allen Betriebszuständen gleich große Abdampffläche.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung
für die Regelung der Verdampfung von metallischen Stoffen in einem elektri
schen Widerstandstiegel zu schaffen, bei dem der Zustand des Tiegels und des zu
verdampfenden Materials berücksichtigt werden.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß bei der thermi
schen Verdampfung von metallischen Stoffen aus Keramikverdampfern das Ent
stehen von Spritzern vermieden wird. Um dies zu erreichen, wird die in die jeweili
gen Verdampferschiffchen zugeführte Aluminiummenge über die Zuführgeschwin
digkeit des Aluminiums, vorzugsweise von Aluminiumdraht, definiert. Die für diese
Aluminiummenge benötigte elektrische Leistung wird durch die Einstellung der
Spannung an einem Verdampferschiffchen erzielt. Diese Spannung wird vorzugswei
se per Thyristorsteller konstant gehalten. Durch Einstellung einer Bandgeschwindig
keit bei einer gegebenen Aluminium-Menge wird eine bestimmte Schichtdicke auf
einem zu beschichtenden Band erreicht.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im
folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein mit flüssigem Aluminium aufgefülltes Keramikschiffchen;
Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Keramikschiffchen;
Fig. 3 ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Kombination aus Keramik
schiffchen und flüssigem Aluminium;
Fig. 4 eine Gesamtansicht der erfindungsgemäßen Bedampfungsanlage;
Fig. 5 eine Draufsicht auf vier nebeneinander angeordnete Verdampfer
schiffchen;
Fig. 6 eine Anordnung für die Regelung des Schiffchenwiderstands.
In der Fig. 1 ist eine Anordnung mit einem Keramiktiegel 1 gezeigt, der die Form
einer Badewanne hat und etwa 13 cm lang, 3 cm breit und 1 cm hoch ist. Wegen der
schiffsförmigen Ausnehmung des Tiegels 1 wird dieser auch bisweilen "Schiffchen"
genannt. Für derartige Verdampfer-Schiffchen wurden bereits verschiedene geometri
sche Formen vorgeschlagen (DE 41 39 792 A1).
In dem Keramiktiegel 1 befindet sich flüssiges Aluminium 2, das verdampft werden
und sich auf einem nicht dargestellten Gegenstand niederschlagen soll. Der Tiegel 1
wird durch einen ihn durchfließenden elektrischen Strom aufgeheizt, der von einer
Wechsel-Spannungsquelle 3 geliefert wird.
Zwischen der Spannungsquelle 3 und dem Tiegel 1 sind ein Thyristorsteller 4 und ein
Hochstromtransformator 5 vorgesehen. Mit dem Thyristorsteller 4 kann die Span
nung der Wechselspannungsquelle 3, die beispielsweise 380 Volt beträgt, geregelt
werden. Die zwischen 0 und 380 Volt geregelte Spannung wird sodann durch den
Hochstromtransformator 5 auf etwa 0 bis 12 Volt heruntertransformiert, wobei sich
ein Strom von etwa 0 bis 1000 A ergibt, der durch den Tiegel 1 fließt. Mit Hilfe
eines Ein-/Aus-Schalters 6 kann die Spannung vom Tiegel 1 abgetrennt werden. An
dem Ende des Tiegels 1 sind Halterungen 7, 8 aus Kupfer vorgesehen, die sowohl zur
mechanischen Stützung des Tiegels 1 als auch zur Stromzuführung dienen.
In der Fig. 2 ist ein Keramikschiffchen 1 in der Draufsicht dargestellt, um die Wir
kung der Überhitzung auf das Keramikschiffchen 1 zu erläutern. Die Zone, in der
Aluminiumdrähte eingeschmolzen werden, ist mit 9 bezeichnet. Links davon ist ein
Hitzeriß 10 dargestellt, der sich aufgrund der Überhitzung des Keramikschiffchens 1
gebildet hat. An einer Stelle des Hitzerisses 10 hat sich ein Korrosionsspalt 11 gebildet,
der auf der linken Seite von einer hufeisenförmigen Ablagerung 12 von Korro
sionsmaterial umgeben ist. Einzelheiten der Halterung des Keramikschiffchens sowie
der Stromzuführung sind der DE 39 25 283 A1 zu entnehmen.
In der Fig. 3 ist das elektrische Ersatzschaltbild des Tiegels 1 mit dem flüssigen Alu
minium dargestellt. Hierbei liegen parallel zu einer Spannungsquelle 13 ein erster
und ein zweiter ohmscher Widerstand 14, 15. Bei dem ersten Widerstand 14 handelt
es sich um den des flüssigen Aluminiums 2, während es sich bei dem zweiten Wider
stand 15 um den ohmschen Widerstand des Tiegels 1 selbst handelt. Der elektrische
Widerstand 15 des Tiegels 1 ist stets konstant, während der elektrische Widerstand
14 des geschmolzenen Aluminiums 2 variabel ist. Je mehr Aluminium 2 sich in dem
Tiegel 1 befindet, um so geringer ist der Widerstand 14 und um so geringer auch der
Gesamtwiderstand Tiegel - Aluminium.
Der Gesamtwiderstand aus Keramikschiffchen und flüssigem Aluminium errechnet
sich somit zu
Rges = (R14/R15)/(R14 + R15) = U/I
Die Spannung U und der Strom I eines jeden Verdampfers sind leicht abgreifbare
Meßgrößen. Befindet sich kein flüssiges Aluminium im Verdampferschiffchen 1, so
ist R14 = ∞, d. h. der Gesamtwiderstand entspricht dem Widerstand R15.
Bei einer etwas genaueren Analyse der Zusammenhänge muß anstelle des Wider
stands des Verdampferschiffchens der Systemwiderstand eingesetzt werden, der sich
aus dem Widerstand der Zuleitungen, der Kupfer-Einspannung, einer Graphitfolie
und des Verdampfers selbst zusammensetzt.
Aus der obigen Gleichung errechnet sich der Widerstand des flüssigen Aluminium
R14 zu
R14 = (Rges.R15)/(R15 - Rges)
Da R15 bekannt ist und Rges leicht durch eine U-I-Messung ermittelt werden kann,
ist es möglich, R14 zu ermitteln.
In der Fig. 4 ist eine Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Bedampfungsanlage
dargestellt.
Eine Prozeßkammer 20, die an sich geschlossen ist, ist zur besseren Darstellung der
wesentlichen Elemente der Erfindung vorne und oben offen dargestellt, d. h. die
Decke und die vordere Wand sind weggelassen.
In der Kammer 20 befinden sich auf einer Tragvorrichtung 21 mehrere Verdampfer
schiffchen 22, 23, 24, 25, die bezüglich ihrer elektrischen Leistung alle gesondert
geregelt werden. Über den Verdampferschiffchen ist eine zu beschichtende Folie 26
zu erkennen, die durch Schlitze 27, 28 in die Kammer 20 hinein und wieder heraus
gefahren wird. Über den Verdampferschiffchen 22 bis 25 ist eine Laufschiene 43 mit
einer Laufkatze 29 angeordnet. Diese Laufschiene 43 kann entlang zweier einander
gegenüberliegender Säulen 30, 31 in vertikaler Richtung bewegt werden. Es ist auch
möglich, daß die Laufkatze 29 eine Vorrichtung aufweist, mit der vertikale Bewegun
gen möglich sind, z. B. einen Antrieb für eine Spindel 44 in der Laufkatze 29. Am
Ende dieser Spindel 44 ist ein Aluminiumdraht 45 vorgesehen. Die vertikalen Säulen
30, 31 sind ihrerseits entlang von Laufschienen 32, 33 horizontal bewegbar. Hierzu
sind Schlitten 46, 47 vorgesehen, die von Antriebsspindeln 48, 49 angetrieben wer
den. Mit Hilfe dieser Vorrichtungen kann die Laufkatze 29 jeden Punkt auf der Ober
fläche des Trägers 21 erreichen. Einzelheiten über Varianten der Zuführung von Alu
miniumdrähten von Schiffchen können z. B. der US-PS 4 811 691 entnommen wer
den.
In der Laufkatze 29 befindet sich Aluminiumdraht 45 auf einer Rolle, der abge
wickelt und in die einzelnen Verdampferschiffchen gegeben wird. Die Bedampfungs
anlage gemäß Fig. 4 ist nur eines von mehreren Ausführungsbeispielen. Es kann bei
spielsweise auch eine Anlage mit einer zylindrischen Kammer verwendet werden,
wie sie in Fig. 1 der US-PS 2 969 448 gezeigt ist. Aus der Fig. 4 ist zu erkennen, daß
es bei dem Beschichtungsvorgang folgende Variablen gibt: Transportgeschwindigkeit
vB des Bands 26, Dicke dB der Beschichtung auf dem Band, Zuführgeschwindigkeit
vA1 des Aluminiums zu einem Verdampferschiffchen 22 bis 25 und Heizleistung PS
eines Verdampferschiffchens. Bei angenommen stets gleich dicken Aluminiumdräh
ten ist vA1 maßgeblich für den Gesamtwiderstand eines Aluminiumschiffchens 22 bis
25.
Die Fig. 5 zeigt die vier Verdampferschiffchen 22 bis 25 noch einmal in der Drauf
sicht. Über den Verdampferschiffchen befindet sich das noch durchsichtige Folienband
26. Im Gegensatz zur Anordnung gemäß Fig. 1 werden die Verdampferschiff
chen nicht über einen Ihyristorsteller angesteuert, sondern über einen Stelltrafo, um
anzudeuten, daß prinzipiell auch eine Handregelung möglich ist. Für eine automa
tische Regelung ist indes ein steuerbarer Thyristorsteller, wie ihn die Fig. 1 zeigt,
besser geeignet. Vakuumbedampfungsanlagen, bei denen mehrere, einzeln in der Lei
stung steuerbare, durch Stromdurchgang beheizte Verdampferschiffchen vorgesehen
sind, sind bereits bekannt (DE 40 16 225 A1). Auch die versetzte Anordnung der
Verdampferschiffchen zur Erzielung einer gleichmäßigen Beschichtung des Bands ist
bereits bekannt (Fig. 2 der DE 40 27 034).
Nachfolgend wird die Betriebsweise der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Anordnun
gen beschrieben.
Vor dem eigentlichen Beschichtungsprozeß stellt eine Bedienungsperson eine
bestimmte Geschwindigkeit vB des Bands, eine Vorschubgeschwindigkeit vA1 für
den vertikalen Vorschub von Aluminium in der Laufkatze 29 und eine Spannung US
an den Verdampferschiffchen 22 bis 25 ein. Bei diesen drei Größen handelt es sich
um Erfahrungswerte, die durch Versuche ermittelt wurden. Durch diese Versuche
wurde herausgefunden, daß für das Einschmelzen und Verdampfen einer bestimmten
Aluminiummenge pro Zeiteinheit eine bestimmte Spannung am Verdampferschiff
chen 22 bis 25 liegen muß. Die angelegte Spannung kann hierbei für ein und dieselbe
zu verdampfende Aluminiummenge unterschiedlich sein, weil es bei der Verdamp
fung auf die elektrische Leistung P = R.I2 oder P = U2/R ankommt. Wie man aus
diesen Gleichungen ersieht, hängt die Leistung vom ohmschen Widerstand ab, wobei
dieser Widerstand wiederum von dem spezifischen Widerstand abhängt, der durch
die bei der Herstellung eines Verdampferschiffchens 22 bis 25 verwendete Keramik
mischung bestimmt wird. Da auch bei Verwendung des gleichen Materials für alle
Verdampferschiffchen 22 bis 25 diese trotzdem wegen ihrer leicht unterschiedlichen
Geometrie verschiedene Widerstände haben können, muß die Bedienungsperson eine
Feineinstellung der jeweils anliegenden Spannung vornehmen. Dies geschieht bei
spielsweise durch Verstellen des Drehtrafos 34. Die individuellen Verdampfer
spannungen liegen selbstverständlich innerhalb eines engen Toleranzbereichs.
Durch die Spannungseinstellung erreicht die Bedienungsperson, daß die Vertiefungen
der Verdampferschiffchen 22 bis 25 optimal benetzt sind.
Nach dieser Einstellung beginnt die Beschichtung der Folie 26, wobei eine in der Fig.
4 nicht dargestellte Blende über den Verdampferschiffchen 22 bis 25 geöffnet wird.
Nach dem Öffnen der Blende wird mit einem optischen Meßsystem quer zur Folien
laufrichtung die Gleichmäßigkeit der Schichtdicke dB vermessen. Obwohl bei allen
Verdampferschiffchen 22 bis 25 die gleiche Menge Aluminium eingeschmolzen und
verdampft wird, gibt es Inhomogenitäten auf der beschichteten Folie 26. Diese Inho
mogenitäten hängen z. B. von der Folienfläche ab, die zu unterschiedlichen Konden
sationsraten an den verschiedenen Stellen führen kann. Sie hängen aber auch von den
verschiedenen Verdampfungseffektivitäten der einzelnen Verdampferschiffchen 22
bis 25 ab.
Als Konsequenz hiervon muß die Bedienungsperson nun die Aluminium-Menge in
den einzelnen Verdampfern erhöhen oder erniedrigen, je nach gemessener Schicht
dicke. Die Folge davon ist, daß die ursprünglich eingestellten Verdampferspannun
gen und damit die Verdampferleistungen nicht mehr optimal an die neuen Alumini
um-Mengen angepaßt sind. Die Verdampferschiffchen 22 bis 25 werden entweder zu
heiß und laufen trocken oder sie werden zu kalt und werden naß. Diese Situation be
schreibt die Verhältnisse nach der neu eingestellten Aluminium-Menge, da die Ver
dampferschiffchen 22 bis 25 nach innen mit der gleichen ursprünglichen Spannung
betrieben werden.
Im Überhitzungsfall wird das Aluminium nicht mehr ordentlich verdampft, sondern
es verspritzt. Dagegen wird bei relativer Unterkühlung das Verdampferschiffchen mit
flüssigem Aluminium überflutet. Sobald dieses flüssige Aluminium dann Kontakt mit
der Kupfereinspannung 7, 8 erhält, entsteht ein elektrischer Kurzschluß. Auch dies
führt zu Spritzern.
In beiden Fällen wird die Folie 26 beschädigt und aufgrund der falschen Betriebswei
se die Lebensdauer eines Verdampferschiffchens 22 bis 25 stark reduziert. Durch
Überhitzung kann sogar ein sofortiger Ausfall auftreten, bei dem das Schiffchen zer
bricht.
Damit wird deutlich, daß dann, wenn als Folge der optischen Schichtdickenmessung
die Aluminium-Menge verändert wird, auch die Verdampferleistung der neuen Alu
minium-Menge angepaßt werden muß. Für diese Anpassung benötigt eine Bedienungsperson
etwa 10 bis 20 Sekunden pro Verdampferschiffchen. Dies bedeutet, daß
bei modernen Bandanlagen mit einer Beschichtungsbreite von 3 Metern und ca. 32
Verdampfern sowie mit einer Bandgeschwindigkeit von 10 m/s und mehr 32 × 10 m/s
× 20 s = 6.400 m = 6,4 km Folie beschichtet werden, bevor diese Anpassung durch
geführt ist. Da die oben angegebenen Effekte aber eine kontinuierliche Anpassung
der Aluminium-Menge erfordern, ist die Bedienungsperson nicht mehr in der Lage,
die Handregelung ordnungsgemäß vorzunehmen.
Eine automatische Regelung über die Erfassung der Temperatur der Verdampfer
schiffchen 22 bis 25 ist nur schwer zu realisieren, da Wärmeverluste durch Abstrah
len an die Umgebung oder durch Wärmeleitung an die gekühlte Kupfereinspannung
7, 8 auftreten und diese wiederum von der Geometrie und Materialzusammensetzung
der Verdampferschiffchen abhängen. Dadurch sind Verdampferleistung und Ver
dampfertemperatur nicht mehr direkt aneinander gekoppelt.
Die vorliegende Erfindung geht deshalb von dem ohmschen Widerstand als Stellgrö
ße aus, der sich, wie bereits erwähnt, aus einer Parallelschaltung aus Verdampfer
schiffwiderstand und Aluminiumwiderstand zusammensetzt. Unabhängig vom Ver
dampfermaterial oder seiner Geometrie wird der Verdampferwiderstand während
eines Beschichtungsprozesses konstant bleiben.
Stellt nun die Bedienungsperson zu Beginn des Beschichtungsprozesses und vor dem
Öffnen der Blende - wenn die Folie noch nicht in Bewegung ist - ein optimales
Gleichgewicht zwischen zugeführter Aluminium-Menge und Verdampferleistung
derart ein, daß die Kavität des Verdampferschiffchens gleichmäßig benetzt ist, so
kann dieser Zustand beim Öffnen der Blende durch das Messen von Spannung und
Strom definiert werden.
Erfordert die optische Schichtdickenmessung eine größere oder kleinere Aluminium-
Verdampfungsrate und damit weniger oder mehr Aluminium-Zufuhr zu den Ver
dampferschiffchen, so wird durch das Regeln der Spannung und Abfragen des Span
nungs-Strom-Verhältnisses immer die optimale Benetzung aufrechterhalten und da
mit ein optimales Gleichgewicht zwischen Einschmelzen und Verdampfen.
Als Folge dieser optimalen Benetzung wird für die Abdampfrate die minimale Temperatur
des Verdampferschiffchens 22 bis 25 eingestellt, was einen positiven Einfluß
auf das Spritzverhalten und die Lebensdauer hat. Die minimale Temperatur ist des
halb möglich, weil von der größten benetzbaren Fläche abgedampft wird.
In der Fig. 6 ist eine Anordnung dargestellt, mit welcher die Zufuhr von Aluminium
drähten 36 zu den Schiffchen geregelt werden kann. Von den Schiffchen ist nur das
Schiffchen 1 dargestellt, obgleich in der Praxis jedes Schiffchen einzeln geregelt
wird. Das Schiffchen 1 wird aus der Wechselspannungsquelle 3 über einen Thyristor
steller 35 oder eine andere Anordnung mit steuerbaren elektronischen Bauteilen über
den Transformator 5 mit Strom versorgt. Die an dem Schiffchen 1 abfallende Span
nung wird mittels eines Voltmeters 37 gemessen, welches direkt zwischen die An
schlußleitungen des Schiffchens 1 gelegt ist. Die vom Voltmeter 37 gemessene Span
nung wird an eine Steuerung 39 gemeldet. Über einen weiteren Wandler 40 wird die
Stromstärke I gemessen, die durch das Schiffchen 1 fließt. Ein Amperemeter 41 er
faßt die Stromstärke I und meldet sie an die Steuerung 39. In der Steuerung wird aus
Spannung und Strom der elektrische Widerstand des Schiffchens 1 ermittelt. Dieser
Widerstand dient als Istwert für eine Regelung. Der Sollwert des Widerstands kann
manuell am Eingang 38 der Steuerung 39 eingestellt werden. Durch einen Soll-Ist
wert-Vergleich in der Steuerung 39 wird festgestellt, ob der Widerstand des Schiff
chens 1 zu hoch oder zu niedrig ist. Ist er zu hoch, wird Aluminiumdraht 36 in das
Schiffchen 1 eingegeben und geschmolzen, bis der elektrische Widerstand seinen
Sollwert erreicht hat.
Durch die Steuerung des Thyristorstellers 35 wird die zu einem bestimmten Alu
minium-Vorschub gehörende und eingestellte Verdampferspannung Usoll durch kon
tinuierliches Abfragen der augenblicklichen Verdampferspannung Uist eingehalten.
Die Leistungsregelung gibt über die Messung des Strom-Istwerts Iist und den Span
nungs-Istwert Uist einen neuen Spannungs-Sollwert Usoll vor. Dabei wird Usoll so
lange erhöht bzw. erniedrigt, bis das ursprüngliche Verhältnis von U/I = Rsystem er
halten worden ist. Ist dieser Wert Rsystem erreicht, so ist bei einer neuen Abdampfra
te wieder das Gleichgewicht zwischen Abdampfen und Einschmelzen hergestellt, und
zwar mit der Randbedingung der optimalen Benetzung, die ihrerseits wiederum die
minimale Verdampfertemperatur für die Abdampfrate garantiert.
Bei konstanter Geschwindigkeit vB des Bands 26 und konstanter Aluminiums-
Zuführgeschwindigkeit vA1 ist der Sollwert des elektrischen Widerstands eines Ver
dampferschiffchens ebenfalls konstant. Wird jedoch die Bandgeschwindigkeit vB er
höht, muß mehr Aluminium zugeführt werden, um die bei höherer Bandgeschwindig
keit größere Menge an verdampftem Aluminium zur Verfügung zu stellen, d. h. vA1
wird ebenfalls erhöht. Der Gesamtwiderstand des Schiffchens bleibt dabei unverän
dert. Der Sollwert des Widerstands Rges kann nicht nur manuell, sondern auch auto
matisch über ein Schichtdickenmeßgerät 42 eingestellt werden. Sobald die Schicht
dicke dB wegen erhöhter Bandgeschwindigkeit vB geringer wird, meldet dies das
Schichtdickenmeßgerät 42 an die zentrale Steuerung 39. Diese bewirkt hierauf, daß
mehr Aluminiumdraht 36 zugeführt wird. Durch die vermehrte Zuführung von Alu
minium würde sich der Widerstand des Verdampferschiffchens absenken, wenn nicht
gleichzeitig die elektrische Heizleistung des Verdampferschiffchens erhöht würde,
um den Gesamtwiderstand beizubehalten. Um eine erhöhte Verdampferrate zu erzie
len, wird deshalb gleichzeitig die elektrische Leistung am Verdampferschiffchen
hochgeregelt, was durch Erhöhung der Spannung am Verdampferschiffchen mittels
des regelbaren Stellers 35 geschieht.
Man erkennt hieraus, daß bei allen veränderten Variablen nur eine Größe konstant
bleibt: der Gesamtwiderstand eines Verdampferschiffchens. Die gegebenenfalls not
wendige höhere oder niedrigere Verdampferleistung wird gemäß P = U2/R durch
eine Erhöhung oder Erniedrigung der Spannung erzielt.
Claims (10)
1. Anordnung zur Regelung der Verdampferrate von Tiegeln, die durch Stromdurch
fluß erhitzt werden und aus denen Metall verdampft wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der aus dem elektrischen Widerstand eines Tiegels (1; 22 bis 25) und dem elek
trischen Widerstand des in dem Tiegel (1; 22 bis 25) befindlichen zu verdampfenden
Metalls bestehende Gesamtwiderstand auf einen vorgebbaren Wert geregelt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr von zu
verdampfendem Metall (36) in dem Tiegel (1; 22 bis 25) in Abhängigkeit vom Ge
samtwiderstand des Tiegels (1; 22 bis 25) erfolgt.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der für eine optimale
Verdampfung geeignete Gesamtwiderstand ermittelt und als Sollwert in eine Regel
schaltung (39) gegeben wird.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke des
verdampften Metalls auf einem Band (26) gemessen wird und die
Metallzufuhr und Heizleistung eines Verdampferschiffchens in Abhängigkeit von
dieser Schichtdicke geregelt wird.
5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die
Tiegel (1; 22 bis 25) in einer abgeschlossenen Vakuum-Prozeßkammer befinden.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der oder die
Tiegel (1; 22 bis 25) unterhalb eines zu beschichtenden Bands (26) befinden.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Tiegel (1;
22 bis 25) nebeneinander und versetzt angeordnet sind.
8. Anordnung nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung
oder Erniedrigung der Verdampferrate des Tiegels (1; 22 bis 25) die Spannung an
dem Tiegel (1; 22 bis 25) verändert wird.
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Tiegel (1;
22 bis 25) vorgesehen sind, in denen jeder einzeln bezüglich seiner Heizleistung
regelbar ist.
10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung
(29) für die Zuführung von Metall in Tiegel (1; 22 bis 25) vorgesehen ist, die jedem
einzelnen Tiegel (1; 22 bis 25) die für ihn individuell erforderliche Menge von Metall
zuführt.
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