ES2324921T3 - Dispositivo y metodo para la levitacion de una cantidad de material conductor. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la levitación de una cantidad de material conductor (3), que comprende una bobina para mantener el material en levitación utilizando una corriente eléctrica variable en la bobina, en el que el dispositivo comprende dos bobinas (1, 2), una primera bobina (1) y una segunda bobina (2), caracterizado porque ambas bobinas (1, 2) han sido dispuestas en una cámara de vacío para un vacío de al menos 10 *-3 mbar durante su utilización, generando ambas bobinas (1, 2) un campo electromagnético alterno durante su utilización, contrarrestándose entre sí los campos electromagnéticos alternos de la primera (1) y de la segunda (2) bobina, en el que las bobinas (1, 2) son giratorias y/o desplazables conjuntamente, a efectos de cambiar la línea central (5) de las bobinas (1, 2), y en el que un tubo de material no conductor está dispuesto en el interior de las bobinas (1, 2), de modo que el tubo está presente entre las bobinas (1, 2) y el material conductor (3) durante su utilización, y en el que la primera (1) y la segunda (2) bobinas están situadas de modo que el material conductor (3) que se mantiene en levitación entre la primera bobina (1) y la segunda bobina (2) se evapora, y el material evaporado circula a lo largo de la dirección de la línea central (5) de las bobinas (1, 2), en el interior del tubo de material no conductor, hasta el sustrato a recubrir.
Description
Dispositivo y método para la levitación de una
cantidad de material conductor.
La invención se refiere a un dispositivo para la
levitación de una cantidad de material conductor, que comprende una
bobina para mantener el material en levitación utilizando una
corriente eléctrica variable en dicha bobina. La invención también
se refiere a un método para generar una cantidad de material
conductor en levitación utilizando el dispositivo.
Es conocida la levitación de material conductor
para la deposición física de vapor, una tecnología para recubrir un
sustrato con una capa de material que se condensa a partir de la
fase de vapor sobre dicho sustrato, en una cámara de vacío.
Normalmente, dicho material se dispone en un crisol y se calienta en
dicho crisol para su fusión y evaporación. Sin embargo, se pierde
una gran cantidad de energía, ya que el crisol debe ser enfriado.
Con frecuencia, el crisol es atacado por el material a evaporar.
Debido a estas razones, se ha desarrollado la levitación
electromagnética, tal como se describe en el documento WO 03/071000
A1.
En la levitación electromagnética, una cantidad
de material conductor se mantiene flotando sobre una bobina a la
que se suministra una corriente eléctrica variable. Debido a la
corriente eléctrica variable, se genera un campo electromagnético
alterno en la bobina. El campo electromagnético ejerce una fuerza
dirigida hacia arriba sobre el material conductor. Esta fuerza
electromagnética equilibra la fuerza gravitatoria que actúa sobre
el material conductor, a efectos de mantener dicho material
conductor en levitación. Debido a que la fuerza magnética varía con
la distancia hasta la bobina, el material conductor se mantendrá en
levitación (o flotando) sobre dicha bobina a una distancia que
depende de la corriente en la bobina y de la masa del material
conductor.
La corriente eléctrica también suministra
energía eléctrica para calentar el material conductor, de modo que
se funde y finalmente se evapora. El material evaporado se utiliza
para recubrir sustratos, tales como material en tiras.
El dispositivo anterior presenta el
inconveniente de que la corriente eléctrica variable suministra al
mismo tiempo la fuerza de levitación y la energía de calentamiento
para el material conductor. Cuando es necesario calentar el
material a una temperatura más alta, debido por ejemplo a que el
material tiene unas temperaturas de fusión y de evaporación
superiores, o porque es necesaria una velocidad de evaporación
superior, se debería aumentar la corriente. No obstante, la fuerza
de levitación del campo electromagnético aumenta al mismo tiempo,
haciendo que el material flote sobre la bobina a una mayor distancia
de la misma. A esta distancia, el campo electromagnético es
inferior, de modo que la energía de calentamiento para el material
es inferior a la deseada.
El documento
US-A-2.957.064 da a conocer un
dispositivo y un método de levitación, calentamiento y fusión de
materiales conductores eléctricos, utilizando un campo magnético
alterno en aire, vacío o gas inerte. El campo magnético alterno es
generado mediante una bobina. A efectos de estabilizar la posición
de levitación de la carga, se disponen unos medios de
estabilización sin energía.
Los documentos
US-A-4.993.043 y
US-A-4.979.182 dan a conocer un
dispositivo para disponer y fundir materiales conductores
eléctricos sin un recipiente, en el que dos bobinas, entre las
cuales se mantiene sin contacto y en estado suspendido una muestra,
forman parte común de dos circuitos oscilantes diferentes, un
circuito oscilante de calentamiento y un circuito oscilante de
posicionamiento. Estos circuitos pueden ser ajustados de manera
independiente entre sí.
El documento
US-A-3.363.081 también da a conocer
un dispositivo magnético para elevar y fundir un cuerpo sin un
soporte. Este dispositivo conocido comprende dos bobinas cilíndricas
que tienen el mismo eje horizontal y un núcleo cilíndrico hecho de
material conductor situado en el interior de cada bobina.
El documento
US-A-2.686.864 da a conocer un
dispositivo para la levitación magnética y el calentamiento de
materiales conductores mediante un campo magnético alterno en aire,
vacío o atmósfera inerte. El campo de levitación puede obtenerse
mediante diversas configuraciones de las bobinas, y el dispositivo
comprende dos bobinas. Una vez fundido, el material conductor se
vierte en un vaso o molde.
Un objetivo de la invención es dar a conocer un
dispositivo mejorado para la levitación y el calentamiento de una
cantidad de material conductor.
Otro objetivo de la invención es dar a conocer
un dispositivo para la levitación de una cantidad de material
conductor, pudiendo ser controlada mediante dicho dispositivo la
energía de calentamiento para calentar el material.
Un objetivo adicional de la invención es dar a
conocer un método para generar una cantidad de material conductor en
levitación con el que es posible controlar la evaporación del
material conductor.
Resulta posible obtener uno o varios de dichos
objetivos mediante un dispositivo para la levitación de una
cantidad de material conductor, que comprende una bobina para
mantener el material en levitación utilizando una corriente
eléctrica variable en la bobina, en el que el dispositivo comprende
dos bobinas, una primera bobina y una segunda bobina, generando
ambas bobinas un campo electromagnético alterno durante su
utilización, contrarrestándose entre sí los campos
electromagnéticos alternos de la primera y de la segunda bobina, en
el que la primera y la segunda bobinas están situadas de modo que el
material conductor que se mantiene en levitación entre la primera
bobina y la segunda bobina se evapora.
La utilización de dos bobinas hace posible la
generación de dos campos electromagnéticos, de modo que el material
conductor se mantendrá en levitación en una posición estable entre
las dos bobinas. Debido a que las fuerzas de los campos magnéticos
alternos de las dos bobinas se contrarrestan entre sí, el material
conductor no puede alejarse de las bobinas. Gracias a que en este
caso el material conductor se mantiene en su posición, resulta
posible generar una mayor corriente y, por lo tanto, una mayor
temperatura, en dicho material conductor. Esto da como resultado un
ritmo de evaporación del material conductor suficientemente alto
para recubrir un sustrato a una velocidad viable económicamente.
Normalmente, el material conductor se fundirá
debido al calentamiento antes de evaporarse, pero algunos materiales
se sublimarán antes de fundirse.
Preferiblemente, las bobinas tienen
sustancialmente la misma línea central. Cuando las bobinas tienen la
misma línea central, el material conductor queda atrapado entre los
dos campos magnéticos de la mejor manera posible. Cuando las líneas
centrales de las bobinas se desplazan relativamente o forman un
ángulo, es posible que el material conductor se escape del espacio
entre dichas bobinas cuando dicho material conductor está fundido,
perdiéndose para la evaporación.
Según una realización preferida, las bobinas
tienen unos bobinados que son en su totalidad bucles sustancialmente
cerrados. Por lo tanto, los campos magnéticos generados por las
bobinas serán sustancialmente simétricos alrededor de la línea
central de cada bobina. De este modo el material conductor se
mantiene centrado en el espacio situado entre las bobinas, y cuando
dicho material conductor se funde, tendrá una forma simétrica en
correspondencia con la simetría del campo magnético.
Según una primera realización preferida, las
bobinas tienen cada una un suministro de corriente independiente.
Cuando las bobinas tienen cada una su propio suministro de
corriente, es posible variar la magnitud de la corriente de manera
independiente en cada bobina, y por lo tanto es posible variar la
fuerza de levitación y la energía de calentamiento, así como la
distancia entre las bobinas. Un inconveniente es que es necesario
controlar bien el campo alterno de las bobinas.
Según una segunda realización preferida, las
bobinas están conectadas y tienen el mismo suministro de corriente.
De esta manera, no existe ningún problema con las fases de los
campos magnéticos, ya que se utiliza la misma corriente, aunque
resulta más difícil conformar las bobinas, ya que las mismas están
conectadas, y no es posible variar la distancia después de devanar
dichas bobinas, y tampoco es posible variar la energía de
calentamiento y la fuerza de levitación de manera independiente
entre sí.
Preferiblemente, en esta última realización
preferida, las bobinas están enrolladas en direcciones opuestas.
Gracias a que la corriente circula en la misma dirección a través de
los bobinados, se generan campos magnéticos en las bobinas que se
contrarrestan.
Según una realización preferida, la primera
bobina está situada sustancialmente sobre la segunda bobina. La
fuerza gravitatoria que actúa sobre el material conductor en
levitación estará orientada de este modo sustancialmente a lo largo
de la misma línea que los campos magnéticos de las bobinas. Por lo
tanto, las fuerzas estarán bien equilibra-
das.
das.
Preferiblemente, la primera bobina tiene el
mismo número de bobinados o menos bobinados que la segunda bobina.
De esta manera, el campo magnético de la segunda bobina (inferior)
es más intenso que el campo magnético de la primera bobina
(superior), contrarrestando de este modo la fuerza de la gravedad y
manteniendo el material conductor aproximadamente a medio camino
entre la primera y la segunda bobina.
Según una realización preferida, la primera y la
segunda bobinas son simétricas especularmente. Con esta
configuración de las bobinas, dichas bobinas pueden ser manipuladas,
tal como se explica a continuación.
Según un segundo aspecto de la invención, se da
a conocer un método para generar una cantidad de material conductor
en levitación utilizando un dispositivo como el descrito
anteriormente, en el que el material conductor queda atrapado entre
los campos electromagnéticos generados por las dos bobinas a efectos
de evaporarse debido al calentamiento por la corriente y la
frecuencia en las bobinas.
El hecho de que el material conductor quede
atrapado entre las dos bobinas hace posible generar una energía de
calentamiento suficiente en dicho material conductor cuando la
corriente aumenta, de modo que el material conductor se evapora a
una velocidad que es suficientemente alta para poder recubrir un
sustrato de manera rentable económicamente. En los dispositivos
conocidos, en los que solamente se utilizaba una bobina, la mayor
parte de materiales utilizados como material conductor no podían
calentarse hasta una temperatura suficientemente alta para generar
velocidades de evaporación interesantes económicamente para el
recubrimiento de sustratos.
Preferiblemente, el material conductor evaporado
se dirige esencialmente a lo largo de la dirección de la línea
central de las bobinas para el recubrimiento de un sustrato. Se
utilizan medios de aislamiento, tales como un conducto o un tubo,
entre las bobinas y el material conductor; de esta manera, el
material evaporado puede dirigirse hacia el sustrato a recubrir,
sin que se produzca una condensación en partes del dispositivo.
Según una realización preferida, las bobinas son
manipuladas conjuntamente a efectos de dirigir el material
conductor evaporado con uno o más grados de libertad. En este caso,
resulta posible que el material conductor quede atrapado entre las
bobinas y no pueda salir de los campos magnéticos combinados de
dichas bobinas. Mediante la manipulación de la bobinas, por
ejemplo, mediante su giro, el material evaporado puede ser dirigido
en otra dirección, lo que hace que sea bastante más fácil recubrir
uno o más sustratos presentes en la cámara de vacío.
Preferiblemente, las bobinas son manipuladas con
seis grados de libertad. Por lo tanto, las bobinas pueden moverse
en tres direcciones y girar alrededor de dos ejes horizontales y de
un eje vertical.
Según un método preferido, la intensidad del
campo electromagnético en las dos bobinas es tal que el material
conductor atrapado entre los campos electromagnéticos es forzado
hacia la línea central de las bobinas. Esto resulta especialmente
útil cuando el material evaporado debería ser dirigido hacia un
sustrato que no se encuentra exactamente sobre las bobinas. En este
caso, las bobinas pueden ser manipuladas y el material evaporado
puede ser dirigido en todas las direcciones, a efectos de recubrir
sustratos presentes en la cámara de vacío.
A continuación se explicará la invención,
haciendo referencia al dibujo que se acompaña.
La figura 1 muestra de manera esquemática, en
sección, las dos bobinas según la invención, con el material
conductor atrapado.
Se muestra una primera bobina 1 y una segunda
bobina 2, consistiendo cada bobina en tres bobinados 1a, 1b, 1c y
2a, 2b, 2c. La bobina 1 y la bobina 2 producen cada una un campo
electromagnético, el campo de la bobina 1 contrarresta el campo de
la bobina 2, de modo que el campo electromagnético resultante atrapa
el material conductor 3 dispuesto entre las bobinas. Los campos
electromagnéticos se muestran mediante las líneas de campo
electromagnético 4.
Tal como se muestra en la figura, debido a los
campos magnéticos que se contrarrestan, el campo más intenso se
encuentra entre las dos bobinas. Esto tiene el efecto de que el
material conductor, mostrado en este caso como una gotita fundida,
es forzado hacia la línea central 5 de las bobinas simétricas. Esto
significa además que la gotita no puede salirse de las bobinas, y
por lo tanto es posible generar una corriente elevada en los
bobinados de las bobinas, dando como resultado una elevada energía
de calentamiento de dichas bobinas. De este modo, la gotita se
calentará hasta una temperatura elevada y se evaporará rápidamente.
La velocidad de evaporación del material conductor (súper)
calentado es elevada, y la velocidad de recubrimiento de un
sustrato resulta atractiva económicamente.
Se entenderá que es posible utilizar más de dos
bobinas, y que los bobinados pueden ser circulares, pero también
pueden tener otra forma, preferiblemente simétrica axialmente. Por
ejemplo, los bobinados podrían ser cuadrados. En vez de utilizar
tres bobinados para cada bobina, es posible utilizar menos o más
bobinados, y el número de bobinados puede variar para cada bobina.
Cuando las dos bobinas no están conectadas, es posible utilizar una
corriente de magnitud diferente en cada bobina.
El material evaporado circulará principalmente
en la dirección de la línea central 5, según un conducto o tubo de
material no conductor dispuesto entre las bobinas y el material
conductor (no mostrado). Este conducto evita la formación de arcos
eléctricos entre los bobinados y la contaminación de la cámara de
vacío. El dispositivo según la invención hace posible manipular las
bobinas conjuntamente, de modo que se modifica la dirección de la
línea central. De esta manera, resulta posible recubrir un sustrato,
no solamente por debajo o por encima, sino también lateralmente.
También resulta posible desplazar las bobinas conjuntamente en tres
direcciones. Debido al hecho de que el material conductor queda
atrapado entre las dos bobinas, dicho material permanecerá situado
entre dichas bobinas y se evaporará antes, durante y después de la
manipulación.
Se entenderá que para la deposición física de
vapor según la presente invención las bobinas y el material
conductor se mantienen en un vacío de al menos 10^{-3} mbar. La
corriente eléctrica variable y la frecuencia utilizadas deben ser
suficientemente altas para calentar y evaporar el material conductor
que se utiliza, y dependen del tipo de material conductor y de la
velocidad de recubrimiento requerida.
Claims (12)
1. Dispositivo para la levitación de una
cantidad de material conductor (3), que comprende una bobina para
mantener el material en levitación utilizando una corriente
eléctrica variable en la bobina, en el que el dispositivo comprende
dos bobinas (1, 2), una primera bobina (1) y una segunda bobina (2),
caracterizado porque ambas bobinas (1, 2) han sido
dispuestas en una cámara de vacío para un vacío de al menos
10^{-3} mbar durante su utilización, generando ambas bobinas (1,
2) un campo electromagnético alterno durante su utilización,
contrarrestándose entre sí los campos electromagnéticos alternos de
la primera (1) y de la segunda (2) bobina, en el que las bobinas
(1, 2) son giratorias y/o desplazables conjuntamente, a efectos de
cambiar la línea central (5) de las bobinas (1, 2), y en el que un
tubo de material no conductor está dispuesto en el interior de las
bobinas (1, 2), de modo que el tubo está presente entre las bobinas
(1, 2) y el material conductor (3) durante su utilización, y en el
que la primera (1) y la segunda (2) bobinas están situadas de modo
que el material conductor (3) que se mantiene en levitación entre
la primera bobina (1) y la segunda bobina (2) se evapora, y el
material evaporado circula a lo largo de la dirección de la línea
central (5) de las bobinas (1, 2), en el interior del tubo de
material no conductor, hasta el sustrato a recubrir.
2. Dispositivo según la reivindicación 1, en el
que las bobinas (1, 2) tienen unos bobinados (1a, 1b, 1c; 2a, 2b,
2c) que son en su totalidad bucles sustancialmente cerrados.
3. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1-2, en el que las bobinas (1, 2)
tienen cada una un suministro de corriente independiente.
4. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones 1-2, en el que las bobinas (1, 2)
están conectadas y tienen el mismo suministro de corriente.
5. Dispositivo según la reivindicación 4, en el
que las bobinas (1, 2) están enrolladas en direcciones opuestas.
6. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la primera bobina (1) está
situada sustancialmente sobre la segunda bobina (2).
7. Dispositivo según la reivindicación 6, en el
que la primera bobina (1) tiene el mismo número de bobinados o
menos bobinados que la segunda bobina (2).
8. Dispositivo según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que la primera (1) y la segunda
(2) bobinas son simétricas especularmente.
9. Método para generar una cantidad de material
conductor (3) en levitación utilizando un dispositivo según una
cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado
porque el material conductor (3) queda atrapado entre los campos
electromagnéticos generados por las dos bobinas (1, 2) a efectos de
evaporarse debido al calentamiento por la corriente y la frecuencia
en las bobinas, en el que el material conductor evaporado se dirige
esencialmente a lo largo de la dirección de la línea central (5) de
las bobinas (1, 2) para el recubrimiento de un sustrato.
10. Método según la reivindicación 9, en el que
las bobinas (1, 2) son manipuladas conjuntamente a efectos de
dirigir el material conductor evaporado con uno o más grados de
libertad.
11. Método según la reivindicación 10, en el que
las bobinas (1, 2) son manipuladas con seis grados de libertad.
12. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones 9-11, en el que la intensidad del
campo electromagnético en las dos bobinas (1, 2) es tal que el
material conductor (3) atrapado entre los campos electromagnéticos
es forzado hacia la línea central (5) de las bobinas (1, 2).
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