ES2294406T3 - Elemento de calentamiento infrarrojo y camara de vacio con calentamiento de sustrato especialmente para instalaciones de revestimiento a vacio. - Google Patents
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Abstract
Elemento (2) de calentamiento infrarrojo para el calentamiento de un sustrato por medio de radiación térmica, especialmente a vacío, con una fuente (4) de calor y un dispositivo de protección, siendo el dispositivo de protección un tubo (5) de revestimiento metálico que envuelve la fuente de calor, caracterizado porque el tubo (5) de revestimiento metálico está dotado parcialmente con una capa (6) que emite infrarrojos.
Description
Elemento de calentamiento infrarrojo y cámara de
vacío con calentamiento de sustrato especialmente para instalaciones
de revestimiento a vacío.
La presente invención se refiere a un elemento
de calentamiento infrarrojo y a una cámara de vacío con
calentamiento de sustrato, especialmente para instalaciones de
revestimiento a vacío, según el preámbulo de la reivindicación 1 o
la reivindicación 10.
Una transferencia térmica espacial puede
realizarse mediante conducción térmica, radiación térmica y
convección térmica. Para la utilización de radiación térmica se
conocen múltiples aplicaciones.
Así el documento US 5.915.072 A da a conocer un
radiador eléctrico para el tratamiento térmico de pacientes,
especialmente lactantes. El elemento de calentamiento del radiador
eléctrico está dispuesto en un tubo de cuarzo, que a su vez está
dispuesto en un tubo metálico revestido por ambos lados. Mediante el
revestimiento del tubo metálico, la capa interna absorbe
especialmente bien la radiación infrarroja y la capa externa la
irradia especialmente bien. Además, el revestimiento produce un
desplazamiento de los rayos infrarrojos, de modo que no se simula
ningún color de piel rojo en los lactantes y por tanto permanece
reconocible una coloración azul del color de piel en el caso de
disnea.
El documento JP 06 134040 A da a conocer también
un radiador eléctrico. El radiador eléctrico irradia en la zona
infrarroja lejana de onda larga y es adecuado especialmente para la
utilización en cuartos de baños y saunas. El radiador eléctrico
está insertado en un tubo metálico y el tubo metálico está revestido
con una sustancia con propiedades muy absorbentes. El calor
generado por el radiador eléctrico se transmite hacia el tubo
metálico y se irradia en forma de radiación infrarroja desde la
superficie del tubo metálico.
Como ejemplo adicional, el documento JP 01
067885 A da a conocer un radiador de infrarrojos, que está insertado
en tubo metálico. El tubo metálico está compuesto por una aleación
de hierro, que contiene aluminio, que se oxida con la influencia
térmica en la superficie del tubo metálico. La capa de óxido que se
produce es termoestable y resistente al envejecimiento.
Además, el documento JP 63281181 A da a conocer
un dispositivo para comprobar la eficacia de calentadores sin
contacto. Se usa un radiador de halógeno, cuyo alambre de volframio
está dispuesto en un tubo de cristal de cuarzo. Sobre el tubo de
cristal de cuarzo se aplica una capa de aluminio y sobre la capa de
aluminio una capa funcional, que emite radiación infrarroja de la
zona de infrarrojo lejana.
Mientras que la conducción térmica se realiza
mediante choques moleculares y supone con esto un descenso de la
temperatura en la materia, la corriente térmica está unida a
movimientos macroscópicos en líquidos y gases, cuya termicidad se
transporta a otros puntos. La radiación térmica es de naturaleza
electromagnética
Para determinados procesos, el sustrato no puede
calentarse directamente a través de la conducción térmica. Por
ejemplo, el sustrato puede fijarse sobre un soporte (vehículo) de
sustrato móvil, que mueve el sustrato a través de las distintas
cámaras del proceso. El equipar a un vehículo de este tipo con una
plaza calentadora, por ejemplo un calentador de sustrato por
resistencia BN está vinculado a dificultades. Son necesarios
contactos deslizantes eléctricos, que conducen a tensiones y
posiblemente generan partículas por desgaste. En la zona de los
cátodos de pulverización pueden producirse plasmas secundarios en
los contactos que se encuentran bajo tensión, que pueden perturbar
la descarga del plasma de los cátodos de pulverización o pueden
conducir a descargas. Las partículas, que se depositan sobre el
sustrato, podrían conducir a las denominadas "picaduras", al
caer estas partículas tras el revestimiento del sustrato, o
permanecer como defecto en una capa funcional sobre el sustrato.
Además, es costoso producir superficies de contacto para una placa
calentadora con una superficie lisa y plana de modo que se
garantice la transmisión térmica por toda la superficie al sustrato.
Si el sustrato se apoya de manera solamente puntual sobre la
superficie calentadora, entonces puede destruirse un sustrato
sensible mediante tensiones térmicas, dado que en vacío no existe
ningún medio de contacto, que produzca la transmisión térmica, tal
como por ejemplo el aire en la atmósfera. Además debe producirse una
superficie de calentamiento adaptada para cada forma de sustrato,
que luego también debe protegerse aún de por ejemplo arañazos o
suciedades.
El sustrato puede transportarse no solamente de
manera horizontal sobre el soporte de sustrato, sino también en
posición vertical. A este respecto está insertado en un bastidor o
armazón y está fijado por medio de resortes, discurriendo el
soporte de sustrato en el extremo inferior sobre rodillos y
manteniéndose en posición de manera magnética en el extremo
superior. Un transporte de sustrato de este tipo se describe por
ejemplo en el documento CH 691 680 A.
Por otro lado también es concebible
especialmente en el caso de sustratos de gran superficie transportar
el sustrato a través de un sistema de transporte de, por ejemplo,
rodillos por la instalación de vacío. Tampoco en este caso es
posible un calentamiento del sustrato a través de conducción
térmica, dado que el sustrato está descubierto.
Si no es posible la conducción térmica a vacío,
para la transmisión térmica sólo se tiene en cuenta la radiación
térmica. La distribución energética de la radiación térmica se
describe con ayuda del radiador de cuerpo negro ideal y es válida
la ley de radiación de Planck. Describe la distribución energética
espectral del radiador de cuerpo negro con un máximo de energía y
energías de radiación reducidas para longitudes de onda muy bajas y
muy altas de la radiación.
Los materiales absorben esencialmente mejor la
radiación infrarroja debido a su longitud de onda mayor
(\lambda> 0,75 \mum) que la radiación en la zona de la luz visible (0,4 \mum < \lambda< 0,75 \mum). Esta absorción en el infrarrojo debe atribuirse a movimientos oscilantes de los iones en los materiales. Para la producción de radiación infrarroja se utiliza a menudo radiadores de temperatura. De manera correspondiente con esto, los elementos de calentamiento infrarrojo son dispositivos, que durante la acción del calor emiten radiación térmica en la zona del infrarrojo del espectro. Un problema de tales radiadores de temperatura es que además de la radiación infrarroja se emite siempre radiación en la zona visible así como la zona ultravioleta. De ese modo la potencia de caldeo transmitida es limitada en comparación con la potencia irradiada total. Según la ley de radiación de Planck, el máximo de la distribución energética y la densidad energética total de un radiador de cuerpo negro depende sólo de su temperatura y puede describirse mediante la ley de desplazamiento de Wien (\numax \sim T) o la ley de Stefan-Boltzmann (R = \sigmaT^{4}, \sigma es una constante). La relación entre un radiador de temperatura real y un radiador de cuerpo negro se describe mediante la emisividad \varepsilon(0 \leq \varepsilon \leq 1, 1 corresponde a un radiador de cuerpo negro ideal), de modo que sigue R = \varepsilon\sigmaT^{4}.
(\lambda> 0,75 \mum) que la radiación en la zona de la luz visible (0,4 \mum < \lambda< 0,75 \mum). Esta absorción en el infrarrojo debe atribuirse a movimientos oscilantes de los iones en los materiales. Para la producción de radiación infrarroja se utiliza a menudo radiadores de temperatura. De manera correspondiente con esto, los elementos de calentamiento infrarrojo son dispositivos, que durante la acción del calor emiten radiación térmica en la zona del infrarrojo del espectro. Un problema de tales radiadores de temperatura es que además de la radiación infrarroja se emite siempre radiación en la zona visible así como la zona ultravioleta. De ese modo la potencia de caldeo transmitida es limitada en comparación con la potencia irradiada total. Según la ley de radiación de Planck, el máximo de la distribución energética y la densidad energética total de un radiador de cuerpo negro depende sólo de su temperatura y puede describirse mediante la ley de desplazamiento de Wien (\numax \sim T) o la ley de Stefan-Boltzmann (R = \sigmaT^{4}, \sigma es una constante). La relación entre un radiador de temperatura real y un radiador de cuerpo negro se describe mediante la emisividad \varepsilon(0 \leq \varepsilon \leq 1, 1 corresponde a un radiador de cuerpo negro ideal), de modo que sigue R = \varepsilon\sigmaT^{4}.
Es objetivo de la presente invención poner a
disposición un elemento de calentamiento infrarrojo que transmita
calor especialmente a vacío de manera muy eficaz mediante radiación
térmica. Otro objetivo de la presente invención es facilitar un
calentamiento de sustrato, especialmente para instalaciones de
revestimiento a vacío, que permita un calentamiento muy eficaz de
un sustrato por medio de radiación térmica. En este contexto, eficaz
quiere decir que por un lado se optimiza la proporción de energía
irradiada total con respecto a la energía de radiación térmica, que
se usa para calentar, es decir se reducen las pérdidas. Sin embargo,
por otro lado, la temperatura del elemento de calentamiento debe
mantenerse reducida también en comparación con la temperatura
obtenida del objeto que ha de calentarse.
Estos objetivos se solucionan según la invención
mediante un elemento de calentamiento infrarrojo según la según la
reivindicación 1, y un calentamiento de sustrato según la
reivindicación 10. Perfeccionamientos ventajosos de la invención se
caracterizan por las características contenidas en las
reivindicaciones dependientes.
El elemento de calentamiento infrarrojo según la
invención está compuesto por una fuente de calor, que está rodeada
por un dispositivo de protección, que está diseñado como tubo de
revestimiento de metal. El tubo de revestimiento está provisto al
menos parcialmente de una capa que emite infrarrojos. La envoltura
de la fuente de calor en forma de un tubo de revestimiento de metal
no sólo protege a la fuente de calor, también produce una
distribución térmica uniforme mediante conducción térmica dentro del
tubo de revestimiento. Debido a que el tubo de revestimiento está
provisto al menos parcialmente de una capa que emite infrarrojos,
aumenta la efectividad de la radiación térmica y la temperatura del
tubo de revestimiento puede disminuir conservando la energía
térmica irradiada.
Es ventajoso que el metal presente un emisividad
entre 0,1 y 0,4 y la capa que emite infrarrojos presente una
emisividad superior a 0,7, preferiblemente superior a 0,8 y
especialmente superior a 0,9. Una capa que emite infrarrojos de
este tipo se acerca a un radiador de cuerpo negro en su distribución
energética espectral. Entonces el propio tubo de revestimiento no
sirve para la radiación térmica sino que calienta a través de la
conducción térmica la capa que emite infrarrojos.
La fuente de calor como calentamiento por
resistencia está diseñada de manera conveniente en forma de un
alambre de calentamiento de, por ejemplo, volframio. Mientras que
como material para el tubo de revestimiento metálico se usa
ventajosamente acero inoxidable o la aleación Inconel® resistente a
la temperatura elevada, para la capa que emite infrarrojos se
recomienda el uso de un óxido metálico. Estos óxidos metálicos se
conocen como muy buenos emisores de infrarrojos. Se usa de manera
conveniente TiO_{2} como óxido metálico. De manera especialmente
buena se aplica una capa de óxido metálico de este tipo sobre el
tubo de revestimiento por medio de proyección por plasma, pero
también es posible la pulverización catódica. De ese modo pueden
aplicarse capas finas, uniformes desde aproximadamente 10 nm de
espesor hasta algunos milímetros.
La característica de radiación del elemento de
calentamiento infrarrojo puede verse influenciada porque sólo
aquellas zonas del tubo de revestimiento que están provistas de una
capa que emite infrarrojos, contribuirán a la radiación infrarroja.
De ese modo, determinados ángulos sólidos no se someten a una
radiación infrarroja intensa, sino sólo a la radiación del tubo de
revestimiento, que es menor en infrarrojos, que la capa que emite
infrarrojos. Mediante el tubo de revestimiento se evita una
radiación energética directa de la fuente de calor en estas zonas
de ángulo sólido y se usa una parte de esta energía mediante la
conducción térmica dentro del tubo de revestimiento para calentar
la capa que emite infrarrojos. De ese modo puede aumentarse aún
adicionalmente la eficacia del elemento de calentamiento
infrarrojo.
La cámara de vacío según la invención con
calentamiento de sustrato comprende un sustrato y al menos un
elemento de calentamiento dispuesto de manera colindante a éste,
que está diseñado como elemento de calentamiento infrarrojo,
estando desacoplados térmicamente el sustrato y el elemento de
calentamiento infrarrojo. En este contexto, el desacoplamiento
térmico quiere decir que no se produce en el sentido más amplio
ninguna conducción o convección térmica. Mediante este
desacoplamiento térmico se consigue que el calentamiento se realice
exclusivamente a través de radiación térmica del elemento de
calentamiento infrarrojo. Por lo tanto el calentamiento del
sustrato se produce de manera muy eficaz a través de radiación
infrarroja con ayuda del elemento de calentamiento infrarrojo.
Además el calentamiento puede realizarse de manera muy encauzada,
dado que la temperatura del sustrato puede ajustarse directamente a
través de la potencia de caldeo del elemento de calentamiento
infrarrojo.
De manera conveniente el calentamiento de
sustrato se aísla de las paredes de la cámara de vacío mediante un
dispositivo de aislamiento térmico, que también está desacoplado
térmicamente. De ese modo pueden impedirse las pérdidas de calor y
evitarse un calentamiento indeseado, especialmente de las paredes de
las instalaciones de revestimiento a vacío.
Preferiblemente, el al menos un elemento de
calentamiento infrarrojo está dispuesto de manera orientada con su
eje longitudinal de manera paralela a la superficie de sustrato. De
este modo el sustrato puede calentarse de manera muy eficaz.
Es ventajoso que el tubo de revestimiento
metálico del al menos un elemento de calentamiento infrarrojo
presente un capa que emita infrarrojos en forma de un segmento
longitudinal cilíndrico y éste esté dispuesto de modo que mire al
sustrato. De esta manera el calentamiento se realiza reduciendo las
pérdidas, dado que sólo se expone el sustrato a una radiación
infrarroja intensa.
Preferiblemente se selecciona el número de los
elementos de calentamiento infrarrojo de modo que, dependiendo de
la superficie de sustrato que ha de calentarse y de la distancia de
los elementos de calentamiento infrarrojo y sus tamaños, se realice
una radiación infrarroja lo más uniforme posible del sustrato. Por
consiguiente se realiza el calentamiento del sustrato de manera
uniforme y con esto libre de tensiones en gran medida.
Para determinados procesos el sustrato debe
fijarse sobre un soporte (vehículo) de sustrato móvil, que mueve el
sustrato a través de diferentes cámaras del proceso. A este
respecto, el sustrato está conectado con el soporte de sustrato de
manera conocida. En este caso, el sustrato se calienta también
directamente a través de radiación térmica mediante el elemento de
calentamiento infrarrojo. Esto puede producirse, por ejemplo,
debido a que el sustrato se transporta en posición vertical sobre el
soporte de sustrato. Entonces, el sustrato se calienta en el
transporte a través de la instalación por ambos lados, para
garantizar un calentamiento uniforme. Sólo en la zona de las
estaciones de revestimiento el sustrato se calienta por un lado
desde el lado posterior opuesto al lado de revestimiento, para no
disminuir demasiado con esto la temperatura del sustrato durante el
proceso de revestimiento.
Sin embargo también es posible disponer el
calentamiento de sustrato en el lado del soporte de sustrato que se
encuentra enfrentado respecto al sustrato, o que el soporte de
sustrato presente rupturas de gran superficie o similares o esté
diseñado en forma de bastidor, de modo que puede realizarse una
radiación térmica uniforme y de gran superficie del sustrato por
ambos lados del sustrato.
Con ayuda de la cámara de vacío según la
invención con calentamiento de sustrato también se permite un
templado del sustrato sencillo, por ejemplo, durante el proceso de
revestimiento, si el soporte de sustrato no puede calentarse
directamente a través de la conducción térmica debido a determinados
parámetros del proceso.
A continuación se explica en más detalle un
ejemplo de realización mediante un dibujo, en el que una figura
muestra un corte mediante un calentamiento de sustrato según la
invención.
En una forma de realización de la presente
invención, un calentamiento de sustrato comprende un sustrato 1,
tres elementos 2 de calentamiento infrarrojo y un dispositivo 3 de
aislamiento térmico. A este respecto, los elementos 2 de
calentamiento infrarrojo están dispuestos desacoplados térmicamente
entre el sustrato 1 y el dispositivo 3 de aislamiento térmico a una
distancia de aproximadamente 2 cm. El dispositivo 3 de aislamiento
térmico para el aislamiento térmico de la cámara de vacío está
compuesto por un paquete de tres chapas de radiación reflectoras
dispuestas unas detrás de otras. Las chapas presentan un coeficiente
de emisión de \varepsilon< 0,1. Mediante el uso de estas
chapas que no se encuentran en contacto térmico a vacío puede tener
lugar un intercambio de energía térmica sólo a través de radiación
térmica. Sin embargo, la radiación térmica de las chapas es
relativamente menor debido a su bajo coeficiente de emisión. Si por
ejemplo la primera chapa del dispositivo 3 de aislamiento térmico
se calienta mediante el calentador 2 infrarrojo hasta
aproximadamente 500ºC, entonces la segunda chapa de radiación sólo
tiene todavía una temperatura de aproximadamente 400ºC, mientras
que la última lámina que enfrentada a la pared de la cámara sólo
presenta todavía una temperatura de 300ºC.
Como fuentes de calor de los elementos 2 de
calentamiento infrarrojo se utilizan alambres 4 de calentamiento de
volframio conocidos, que se alimentan con corriente de manera
conocida y esta alimentación de corriente se controla con un
circuito regulador dependiendo de la temperatura de sustrato que va
a ajustarse. Los alambres 4 de calentamiento de volframio están
envueltos en cada caso por un relleno 7 de arena silícea compacto y
tubos 5 de revestimiento de Inconel®. A este respecto, los tubos 5
de revestimiento están aislados eléctricamente con respecto a los
alambres 4 de calentamiento de volframio respectivos. Los tubos 5 de
revestimiento están provistos en su superficie que mira al sustrato
1 de una capa 6 de TiO_{2} como capa que emite infrarrojos. La
capa 6 de TiO_{2} presenta un espesor de 100 \mum y se aplicó
por medio de proyección por plasma sobre el tubo 5 de
revestimiento. Sin embargo, el revestimiento puede aplicarse también
por medio de pulverización catódica, prefiriéndose entonces capas
más finas en el intervalo entre
10 nm y más.
10 nm y más.
En el caso de una distancia de los elementos 2
de calentamiento infrarrojo según la invención del sustrato 1 desde
2 hasta 5 cm son necesarias para temperaturas del sustrato
superiores a 400ºC, temperaturas de revestimiento de
aproximadamente 600ºC. En comparación con calentadores de
revestimiento puros de metal, en los que para temperaturas de
sustrato superiores a 400ºC, son necesarias temperaturas de
revestimiento superiores a 850ºC, estas temperaturas de
revestimiento se encuentran bastante alejadas del punto de fusión
del revestimiento 5 metálico (aproximadamente 1100ºC). La
temperatura de revestimiento puede disminuirse con el calentamiento
de sustrato según la invención, es decir hasta temperaturas no
críticas y las pérdidas pueden reducirse en el caso de un
calentamiento de sustrato por medio de radiación térmica.
Claims (15)
1. Elemento (2) de calentamiento infrarrojo para
el calentamiento de un sustrato por medio de radiación térmica,
especialmente a vacío, con una fuente (4) de calor y un dispositivo
de protección, siendo el dispositivo de protección un tubo (5) de
revestimiento metálico que envuelve la fuente de calor,
caracterizado porque el tubo (5) de revestimiento metálico
está dotado parcialmente con una capa (6) que emite infrarrojos.
2. Elemento (2) de calentamiento infrarrojo
según la reivindicación 1, caracterizado porque el metal
presenta una emisividad entre 0,1 hasta 0,4 y la capa (6) que emite
infrarrojos presenta una emisividad superior a 0,7, especialmente
superior a 0,8 y preferiblemente superior a 0,9.
3. Elemento (2) de calentamiento infrarrojo
según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la
fuente (4) de calor está realizada como alambre de calentamiento de
un calentador por resistencia.
4. Elemento (2) de calentamiento infrarrojo
según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado
porque la capa (6) que emite infrarrojos comprende una capa de óxido
metálico.
5. Elemento (2) de calentamiento infrarrojo
según la reivindicación 4, caracterizado porque la capa de
óxido metálico comprende TiO_{2}.
6. Elemento (2) de calentamiento infrarrojo
según la reivindicación 5, caracterizado porque la capa de
TiO_{2} presenta un espesor desde 10 nm hasta algunos milímetros,
preferiblemente de 50 nm a 500 \mum, especialmente de 100 nm a
100 \mum.
7. Elemento (2) de calentamiento infrarrojo
según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque la capa (6) que emite infrarrojos está aplicada por medio de
proyección por plasma sobre el tubo (5) de revestimiento
metálico.
8. Elemento (2) de calentamiento infrarrojo
según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque el tubo (5) de revestimiento metálico comprende acero
inoxidable o Inconel®.
9. Elemento (2) de calentamiento infrarrojo
según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque el tubo (5) de revestimiento metálico está provisto de una
capa (6) que emite infrarrojos exclusivamente en las zonas
superficiales que están previstas para la radiación infrarroja.
10. Cámara de vacío con calentamiento de
sustrato, especialmente para instalaciones de revestimiento a vacío,
que comprende un sustrato (1) y al menos un elemento de
calentamiento dispuesto de manera colindante, caracterizada
porque el elemento de calentamiento está realizado como elemento
(2) de calentamiento infrarrojo según una de las reivindicaciones 1
a 9 y está térmicamente desacoplado del sustrato (1), en el sentido
de que entre el sustrato (1) y el elemento (2) de calentamiento
infrarrojo no se produce ninguna conducción térmica o convección
térmica.
11. Cámara de vacío según la reivindicación 10,
caracterizada porque en la cámara de vacío está previsto un
dispositivo (3) de aislamiento térmico para el aislamiento térmico
de la cámara de vacío de modo que el al menos un elemento (2) de
calentamiento infrarrojo está dispuesto desacoplado térmicamente
entre el sustrato (1) y el dispositivo (3) de aislamiento
térmico.
12. Cámara de vacío según la reivindicación 10 u
11, caracterizada porque el al menos un elemento (2) de
calentamiento infrarrojo está dispuesto con su eje longitudinal
paralelo a la superficie del sustrato.
13. Cámara de vacío según una de las
reivindicaciones 10 a 12, caracterizada porque el tubo (5) de
revestimiento metálico del al menos un elemento (2) de
calentamiento infrarrojo presenta una capa (6) que emite infrarrojos
con la forma de un segmento longitudinal cilíndrico y éste está
dispuesto de manera que mira al sustrato (1).
14. Cámara de vacío según una de las
reivindicaciones 10 a 13, caracterizada porque el número de
elementos (2) de calentamiento infrarrojo se selecciona dependiendo
de la superficie de sustrato que ha de calentarse, de modo que se
realice una radiación infrarroja del sustrato (1) lo más uniforme
posible.
15. Cámara de vacío según una de las
reivindicaciones 10 a 14, caracterizada porque está previsto
un soporte de sustrato que está dispuesto sobre el sustrato
(1).
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