WO2014198926A1 - Verdampferkörper sowie verfahren zum bedampfen eines gegenstandes mit hilfe eines solchen verdampferkörpers - Google Patents

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WO2014198926A1
WO2014198926A1 PCT/EP2014/062431 EP2014062431W WO2014198926A1 WO 2014198926 A1 WO2014198926 A1 WO 2014198926A1 EP 2014062431 W EP2014062431 W EP 2014062431W WO 2014198926 A1 WO2014198926 A1 WO 2014198926A1
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evaporator body
evaporator
inner cavity
range
cavity
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PCT/EP2014/062431
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Alexander Draken
Rudolf Karl GRAU
Rodrigue NGOUMENI YAPPI
Hubert Josef SCHWEIGER
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Kennametal Inc.
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/243—Crucibles for source material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
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    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/24—Vacuum evaporation
    • C23C14/26—Vacuum evaporation by resistance or inductive heating of the source
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/10—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor
    • H05B3/12—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material
    • H05B3/14—Heating elements characterised by the composition or nature of the materials or by the arrangement of the conductor characterised by the composition or nature of the conductive material the material being non-metallic
    • H05B3/141—Conductive ceramics, e.g. metal oxides, metal carbides, barium titanate, ferrites, zirconia, vitrous compounds

Definitions

  • the invention relates to an evaporator body with the preamble of claim 1 and a method for evaporating an article using such an evaporator body.
  • Such an evaporator body can be seen for example from the
  • Such an evaporator body is formed as a ceramic body having a defined specific conductivity.
  • a metal in particular aluminum
  • such an evaporator body is typically used in a so-called vacuum band metallization system with the aid of the PVD (physical vapor deposition) technique.
  • PVD physical vapor deposition
  • flexible substrates e.g. Paper, plastic films and textiles are also used.
  • the evaporator body is heated by a resistance heating to a predetermined temperature, for example in the range between 1500 ° C to 1900 ° C.
  • a predetermined temperature for example in the range between 1500 ° C to 1900 ° C.
  • the metal to be evaporated is supplied in the form of a metal wire which is first melted before then evaporated, the molten metal in a vacuum at about 10 "4 mbar.
  • the vaporizer body at its upper side a trough-shaped cavity for receiving the molten metal to ,
  • the aim is to moisten the evaporator body as homogeneously as possible and over the entire surface while at the same time achieving high evaporation rates in order to allow homogeneous metallization of the article to be coated at a high application rate.
  • this goal is generally difficult to achieve. This is due to the fact that often the metal wire is not exactly center of the evaporator surface is supplied, so that the molten metal wets the evaporator surface asymmetrically.
  • a desired homogeneous, complete wetting of a defined, for example formed by a cavity evaporator surface is usually difficult to achieve. Generally, only a portion of the evaporator surface formed by the cavity is wetted during operation of such evaporator body.
  • Another problem of incomplete wetting of the evaporator surface is the fact that due to the lack of cooling by the liquefied metal in the non-wetted subregions these have a significantly higher temperature. These areas are also referred to as "hot spots", which reach temperatures of more than 2000 ° C, which can lead to damage to the evaporator body and to a decomposition of the same.
  • the object of the invention is to enable a complete wetting of an evaporator surface, in particular without risk, that the molten metal at the edge of the evaporator body comes into contact with the electrodes and thus spatters are avoided.
  • the vaporizer body has an upper surface that includes an evaporator surface for vaporizing metal.
  • an inner cavity In the top of an inner cavity is introduced, which is bounded by a circumferential ridge, which in turn is followed by an outer cavity.
  • the inner cavity forms an inner evaporator surface and the outer cavity forms an outer evaporator surface. This means that the outer cavity is sufficiently hot during operation by the heating, so that molten material which enters the outer cavity, is evaporated.
  • the circumferential ridge therefore a kind of receptacle is created, which is bounded laterally by the circumferential ridge.
  • the receptacle takes up the molten material to be evaporated. This is usually supplied in the form of a wire from above. Due to the hot evaporator body of the wire melts.
  • the inner cavity forms an inner main evaporator surface, wherein the outer cavity serves in particular as overflow protection.
  • the inner cavity is generally formed as a particular central trough-shaped recess which is formed in operation for receiving the molten material to be evaporated and corresponding thereto has a bottom and lateral boundary walls.
  • the flow of the metal is limited by the circumferential ridge and the metal therefore spreads in a decentralized, peripheral feed in the remaining free propagation direction. Due to the complete wetting and the homogeneous distribution of the molten metal within the inner cavity, a homogeneous, even temperature distribution is formed, whereby a homogeneous evaporation is achieved. This homogeneous temperature distribution also makes it possible to set a suitable, not too high operating temperature, as a result of which the load on the evaporator body is lower in comparison to conventional evaporator bodies. In particular, the problem of chemical corrosion is reduced.
  • a further particular advantage of this inner cavity is also to be seen in the fact that the flow rate of the molten metal as a whole is reduced by the full-surface filling of the inner cavity with the molten metal compared to conventional evaporator bodies, in which the molten metal is not limited by a circumferential ridge. As a result, the load on the evaporator body due to so-called leaching, which typically occur in the middle, significantly reduced.
  • the outer cavity is formed as a circumferential groove, so that the outer cavity completely encloses the inner cavity. The two cavities are therefore circumferentially separated by the web.
  • the outer cavity is circumferentially integrated circumferentially in the top. At least almost the entire surface of the top is therefore trapped by the outer cavity. Outside the outer cavity there are no further cavities.
  • the inner cavity preferably completely covers the region of the upper side enclosed by the outer cavity, except for the distance to the outer cavity defined by the web. So there is only a single central inner, trough-shaped cavity. This has a continuous uninterrupted soil, which in particular also has no dividers or depressions.
  • the setting of a desired evaporator temperature is very sensitive due to the various influencing factors, on the one hand the heating power of the resistance heating and on the other hand, the feed rate and the cooling capacity of the melt, and in particular also depends on the proportion of wetted surface on the total surface.
  • the inner evaporator surface is preferably in a range of 25% to 85% and in particular in the range of 40% to 65% of the total area of the upper side of the evaporator body.
  • such evaporator bodies have an upper side with a width of, for example, 25 to 50 mm, in particular 35 mm and a length in the range of 100 to 150 mm, in particular 130.
  • the typical material thickness of such evaporator body is 8 to 15 mm, in particular 10 mm.
  • the width of the inner cavity is, for example, in the range of 30% to 60% of the total width of the evaporator body.
  • the length of the inner cavity is preferably in the range of 60% to 80% of the total length the cavity.
  • the bridge serves primarily to limit the inner cavity and to delimit the outer cavity.
  • the web width is in this case preferably in the range of 0.5 mm to 5 mm and in particular in the range of 1 mm - 4 mm
  • the inner cavity has a particular conditional by the web depth in the range of 0.1 mm to 5 mm and in particular in the range of 0.3 mm to 3mm is.
  • the outer cavity has a greater depth than the inner cavity.
  • the particular advantage is achieved that the outer evaporator surface has a higher temperature because of the slightly lower material thickness, whereby in the case of an overflowing melt a safe evaporation of the same is ensured.
  • the cavities have the same depth or the outer cavity has a smaller depth than the inner cavity.
  • the design also depends on a desired self-adjusting temperature in the outer cavity, which is also influenced by the cross-sectional shape of the evaporator body.
  • the outer cavity serves as a secondary evaporator surface and correspondingly has a significantly smaller evaporator surface compared to the inner cavity.
  • the outer cavity has an outer evaporator surface in the range of 10% to 35% of the inner evaporator surface.
  • the inner cavity is preferably shaped according to the circumferential contour of the evaporator body. Since this is usually rectangular in shape, the inner cavity also preferably has a rectangular configuration. Basically, the evaporator body is formed elongated, so that in general the inner cavity is also formed elongated. Instead of a rectangular configuration and an oval configuration is possible.
  • the web preferably has the identical wall thickness around the circumference, so that the outer cavity has the same circumferential contour as the inner cavity.
  • the evaporator body In operation when steaming a particular flexible object, such as a film, the evaporator body is integrated by means of the aforementioned electrodes in a circuit and resistance heated.
  • the evaporator body is typically heated to a temperature of for example 1500 ° C to 1700 ° C.
  • the metal to be vaporized typically aluminum, is usually supplied as a wire continuously to the inner cavity and melts there.
  • the heating power for heating the evaporator body on the one hand, determined by the electric current, and on the other hand, a feed rate of the evaporating metal are matched to one another such that the inner cavity is completely covered with the molten metal. It therefore sets a quasi-stationary state. Due to the circumferential web and the receptacle formed thereby, this is therefore filled with the molten metal, so that the entire inner evaporator surface is covered with the molten metal.
  • FIGS. show in simplified representations:
  • FIG. 2 is a plan view of the top side of an evaporator body
  • FIG. 2 shows a sectional view through the evaporator body according to FIG. 1 along the section line A-A, FIG.
  • FIG. 3 shows a plan view of the evaporator body according to FIG. 1 in operation
  • FIG. 4 is a schematic representation of a Bandbedampfungsstrom.
  • like-acting parts are provided with the same reference numerals.
  • the ceramic evaporator body 2 shown in FIGS. 1 and 2 has an approximately rectangular upper side 4 with a total area A1, in which an inner cavity 6 and an outer cavity 8 are incorporated.
  • the inner cavity 6 is also approximately rectangular. It is surrounded by a circumferential web 10, which separate the two cavities 6.8 from each other.
  • the outer cavity 8 is in turn surrounded by a peripheral edge 12 of the top 4.
  • the inner cavity 6 defines an inner evaporator surface A2 which is delimited by the web 10 and forms a main evaporator surface. It is approximately trough-shaped and bounded at the bottom by a bottom and laterally by the web 10 defined side wall.
  • the outer cavity 8 is designed as a groove surrounding the inner cavity 6 and around the web 10 and so far forms an outer evaporator surface A3 or an auxiliary or secondary evaporator surface.
  • the inner cavity 6 has a length L2 and a width B2, which are each smaller than a total length L1 and a total width B1 of the top 4.
  • the total length L1 is typically in the range of, for example 130 mm, the total width B in the range of typically 35th mm.
  • the height H of the evaporator body 2 is for example in the range of 10 mm.
  • the evaporator body 2 is a ceramic body with a defined electrical conductivity or defined electrical resistivity.
  • the evaporator body 2 comprises a circumferential around the outer cavity 8 outer edge 12, which at the end faces a wall width W1, for example in Range of 4-10 mm and on the longitudinal side has a smaller wall width W2, for example, 2-3 mm.
  • the web 10 in particular has a constant web width W3, which is preferably in the range of 1 mm to 4 mm.
  • the outer cavity 8 in turn has a groove width W4.
  • the web 10 has a web height, which thereby also defines a depth T of the cavities 6, 8 at the same time.
  • the two cavities 6, 8 can also be of different depths.
  • the outer cavity 8 is preferably formed deeper than the inner cavity 6.
  • the web 10 has approximately a rectangular profile, as viewed in section, so that its sidewalls delimiting the cavities 6, 8 are aligned approximately vertically.
  • the outer cavity 8 is, as already mentioned, designed in the manner of a channel with a rectangular or else U or semicircular cross section.
  • the geometric data of the cavities 6,8 and of the web 10 and the edge 12 are selected overall such that the inner evaporator surface A2, defined by the enclosed by the circumferential ridge 10 inner cavity 6, about 40% to 65% area of the total area A1 of the top 4 is.
  • the channel width W4 and the web width W3 are approximately the same size and are for example in the range of 2 to 5 mm. They are each equidistant from the peripheral edge at the end faces and at the longitudinal sides of the evaporator body 2, so that the inner cavity 6 is arranged centrally.
  • the edge 12 is narrower on the longitudinal side than on the front side.
  • the width B2 of the inner cavity 6 is in the embodiment, for example, between 16 mm and 18 mm, ie generally in the range between 45% and 50% of the total width B1 of typically 35 mm.
  • the length L2 of the inner cavity 6 is, for example, in the range between 90 and 100 mm and thus all generally in the range between 70% and 80% of the total length L of typically 130 mm.
  • this optionally has a rectangular or even a trapezoidal cross-sectional area, the long side of the trapezoid defining the upper side 4.
  • the evaporator body 2 is heated, for example, to about 1700 ° C.
  • a metal to be melted, in particular in the form of a metal wire 16 is continuously and successively applied to the inner cavity 6 with the aid of a feed device 15, so that the metal melts and a melt 18 is formed.
  • the current through the evaporator body 2 and thus its temperature and the feed rate of the metal wire are coordinated with each other regulated so that the inner evaporator surface A2 is completely wetted with a molten metal in the quasi-state. Due to the limitation of the inner cavity 6 by the circumferential ridge 10 this is favored and made possible.
  • the inner cavity 6 is therefore at least partially filled up by the melt.
  • the metal used is typically aluminum.
  • the molten aluminum typically has a temperature of about 650 ° C and thus cools the surface of the inner cavity 6. Due to the homogeneous wetting this cooling effect is evenly distributed over the entire surface of the cavity 6 and therefore no so-called "hot Spots "off.
  • the life of the evaporator body 2 is increased because this chemical corrosion selectively acts on the components of the evaporator body 2.
  • this chemical corrosion leads to a washing out of the non-conductive material portions of the evaporator body 2, so that overall the electrical conductivity is successively increased during operation. Therefore, in order to maintain a sufficient heat output, the current is successively increased.
  • the current is usually provided via a transformer. Once the current limit of the transformer is reached, the evaporator body 2 must be replaced. This typically happens after a few hours of use.
  • the melt 18 may flow over the web 10, for example in the feed region. Through the outer cavity 8, the overflowing portion of the melt 18 is collected and evaporated there. This reliably ensures that the melt 18 does not come into contact with the cooled electrodes 14, so that any metal splashes are reliably avoided.
  • Fig. 4 shows in highly simplified diagram showing a vacuum evaporation system band by means of such vaporizer body 2.
  • the entire evaporation process is in this case carried out in vacuo at 10 ⁇ 4 mbar.
  • the evaporator body 2 the evaporation of the metal from the melt 18 is effected.
  • the resulting metal cloud 20 is reflected in a continuously passing lead, to be coated tape 22 from, for example, a plastic film. This is wound by a chill roll 24.

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Abstract

Um ein homogenes Verdampfen von Metall insbesondere in einer Vakuum-Bandbedampfungsanlage zu gewährleisten, ist ein Verdampferkörper (2) vorgesehen, welcher eine innere Kavität (6) aufweist, die von einem umlaufenden Steg (10) begrenzt ist, an den sich wiederum eine äußere Kavität (8) anschließt.

Description

Beschreibung
Verdampferkörper sowie Verfahren zum Bedampfen eines Gegenstandes mit
Hilfe eines solchen Verdampferkörpers
Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Verdampferkörper mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Bedampfen eines Gegenstands mit Hilfe eines derartigen Verdampferkörpers.
Ein solcher Verdampferkörper ist beispielsweise zu entnehmen aus der
US 201 1 /013891 A1 oder der WO 2008/092423 A1 .
Ein derartiger Verdampferkörper ist als ein Keramikkörper ausgebildet mit einer definierten spezifischen Leitfähigkeit. Zum Beschichten eines flexiblen Substrats mit einem Metall, insbesondere Aluminium, wird ein derartiger Verdampferkörper typischerweise in einer so genannten Vakuum-Bandmetallisierungsanlage mit Hilfe der PVD (physical vapor deposition)-Technik eingesetzt. Als flexible Substrate kommen dabei z.B. Papier, Kunststofffolien und auch Textilien zum Einsatz.
Der Verdampferkörper wird durch eine Widerstandsbeheizung auf eine vorgegebene Temperatur beispielsweise im Bereich zwischen 1500°C bis 1900°C erhitzt. Auf eine Oberseite des Verdampferkörpers wird das zu verdampfende Metall in Form eines Metalldrahts zugeführt, welcher zunächst aufschmilzt, bevor dann die Metallschmelze im Vakuum bei ca. 10"4mbar verdampft. Häufig weisen die Verdampferkörper an ihrer Oberseite eine muldenförmige Kavität zur Aufnahme der Metallschmelze auf.
Zur Widerstandsbeheizung liegen an gegenüberliegenden Stirnseiten des Verdampferkörpers jeweils Elektroden an, insbesondere Kupferelektroden, die üblicherweise beispielsweise auf 250°C gekühlt sind. Grundsätzlich wird angestrebt, den Verdampferkörper möglichst homogen und vollflächig zu benetzen bei gleichzeitig hohen Verdampfungsraten, um eine homogene Metallisierung des zu beschichtenden Gegenstands mit hoher Auftragsrate zu ermöglichen. Dieses Ziel lässt sich jedoch im Allgemeinen nur schwer erreichen. Dies liegt u.a. daran, dass oftmals der Metalldraht nicht exakt mittig der Verdampferfläche zugeführt wird, so dass die Metallschmelze die Verdampferfläche asymmetrisch benetzt. Dies führt teilweise dazu, dass flüssiges Metall bereits auf der einen Seite den Rand des Verdampferkörpers erreicht und in Kontakt mit den vergleichsweise kühlen Elektroden kommt. Dabei entstehen Metallspritzer, die für eine qualitativ hochwertige Beschichtung unerwünscht sind. Um dies zu vermeiden könnte grundsätzlich die Temperatur und über diese die Verdampfungsrate erhöht werden. Allerdings steigt mit zunehmender Temperatur das Problem der so genannten chemischen Korrosion, wodurch sich die Gesamtlebensdauer des Verdampferkörpers reduziert. Die Verdampferkörper haben typischerweise eine Lebenszeit im Bereich beispielsweise von 5 bis 25 Betriebsstunden.
Eine angestrebte homogene, vollständige Benetzung einer definierten, beispielsweise durch eine Kavität gebildeten Verdampferfläche ist in der Regel kaum zu erreichen. Allgemein wird beim Betrieb derartiger Verdampferkörper nur ein Teilbereich der durch die Kavität gebildeten Verdampferfläche benetzt.
Ein weiteres Problem der nicht vollständigen Benetzung der Verdampferoberfläche ist darin zu sehen, dass aufgrund der fehlenden Kühlung durch das verflüssigte Metall in den nicht benetzten Teilbereichen diese eine deutlich höhere Temperatur aufweisen. Diese Bereich werden auch als so genannte„Hot Spots" bezeichnet. Diese erreichen Temperaturen von teilweise über 2000°C, was zu einer Schädigung des Verdampferkörpers und zu einer Zersetzung derselben führen kann.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vollständige Benetzung einer Verdampferfläche zu ermöglichen, insbesondere ohne Gefahr, dass die Metallschmelze am Rand des Verdampferkörpers mit den Elektroden in Kontakt kommt und somit auch Spritzer vermieden sind.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Verdampferkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 1 . Die im Hinblick auf den Verdampferkörper angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
Der Verdampferkörper weist eine Oberseite auf, die eine Verdampferfläche zum Verdampfen von Metall umfasst. In die Oberseite ist eine innere Kavität eingebracht, die von einem umlaufenden Steg begrenzt ist, an den sich wiederum eine äußere Kavität anschließt. Die innere Kavität bildet dabei eine innere Verdampferfläche und die äußere Kavität eine äußere Verdampferfläche aus. Dies bedeutet, dass auch die äußere Kavität im Betrieb durch die Beheizung ausreichend heiß ist, so dass schmelzförmiges Material, welches in die äußere Kavität gelangt, verdampft wird.
Durch den umlaufenden Steg ist daher eine Art Aufnahmewanne geschaffen, die seitlich durch den umlaufenden Steg begrenzt ist. Die Aufnahmewanne nimmt dabei das schmelzflüssige zu verdampfende Material auf. Dieses wird dabei üblicherweise in Form eines Drahtes von oben zugeführt. Aufgrund des heißen Verdampferkörpers schmilzt der Draht auf.
Die innere Kavität bildet dabei eine innere Haupt-Verdampferfläche, wobei die äußere Kavität insbesondere als Überlaufschutz dient. Die innere Kavität ist allgemein als eine insbesondere zentrale wannenformige Vertiefung ausgebildet, die im Betrieb zur Aufnahme des schmelzflüssigen, zu verdampfenden Materials ausgebildet ist und entsprechend hierzu einen Boden und seitliche Begrenzungswände aufweist. Ausgehend von der Erkenntnis, dass bei herkömmlichen Verdampferkörpern nur eine begrenzte Fläche der Oberseite benetzt wird, wird daher bei dem hier beschriebenen Verdampferkörper bewusst von Anfang an nur eine begrenzte Fläche der Oberseite als diese Haupt-Verdampferfläche durch Ausbildung der inneren Kavität bereitgestellt. Diese wird im Betrieb vollständig benetzt, wobei der umlaufende Steg dabei dafür sorgt, dass auch bei einer dezentralen Zuführung des Metalldrahts eine gleichmäßige vollständige Benetzung der inneren Verdampferfläche auftritt. Das Fließen des Metalls wird durch den umlaufenden Steg begrenzt und das Metall breitet sich daher bei einer dezentralen, randseitigen Zuführung auch in die verbleibende freie Ausbreitungsrichtung aus. Aufgrund der vollständigen Benetzung und der homogenen Verteilung der Metallschmelze innerhalb der inneren Kavität bildet sich auch eine homogene, gleichmäßige Temperaturverteilung aus, wodurch ein homogenes Verdampfen erzielt ist. Durch diese homogene Temperaturverteilung lässt sich auch eine geeignete, nicht zu hohe Betriebstemperatur einstellen, wodurch die Belastung des Verdampferkörpers im Vergleich zu herkömmlichen Verdampferkörpern geringer ist. Insbesondere ist das Problem der chemischen Korrosion verringert.
Ein weiterer besonderer Vorteil dieser inneren Kavität ist auch darin zu sehen, dass durch das vollflächige Ausfüllen der inneren Kavität mit der Metallschmelze die Fließgeschwindigkeit der Metallschmelze insgesamt im Vergleich zu herkömmlichen Verdampferkörpern, bei denen die Metallschmelze nicht durch einen umlaufenden Steg begrenzt ist, verringert ist. Hierdurch wird die Belastung des Verdampferkörpers infolge von so genannten Auswaschungen, die typischerweise in der Mitte auftreten, deutlich reduziert.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist in der äußeren Kavität zu sehen. Für den Fall, dass nämlich die Metallschmelze über den Steg überläuft, beispielsweise infolge einer hohen Zuführrate, wird dieser überlaufende Schmelzanteil zuverlässig in der äußeren Kavität aufgefangen. Diese stellt daher eine weitere äußere oder Neben- Verdampferfläche bereit. Die Gefahr, dass flüssiges Metall in Berührung mit den gekühlten Elektroden kommt, was zu Metallspritzern führen würde, ist daher zuverlässig vermieden. Zweckdienlicherweise ist daher die äußere Kavität als eine umlaufende Rinne ausgebildet, so dass die äußere Kavität die innere Kavität vollständig umfasst. Die beiden Kavitäten werden daher umlaufend durch den Steg voneinander getrennt.
Zweckdienlicherweise ist die äußere Kavität randseitig umlaufend in der Oberseite integriert. Zumindest nahezu die gesamte Fläche der Oberseite wird daher von der äußeren Kavität eingeschlossen. Außerhalb der äußeren Kavität befinden sich keine weiteren Kavitäten mehr. Weiterhin überdeckt die innere Kavität vorzugsweise den von der äußeren Kavität eingeschlossenen Bereich der Oberseite - bis auf den durch den Steg definierten Abstand zur äußeren Kavität - vollständig. Es liegt also nur eine einzige zentrale innere, muldenförmige Kavität vor. Diese weist dabei einen durchgehenden unterbrechungsfreien Boden auf, welcher insbesondere auch keine Trennstege oder Vertiefungen aufweist.
Die Einstellung einer gewünschten Verdampfertemperatur ist aufgrund der verschiedenen Einflussfaktoren, auf der einen Seite beispielsweise die Heizleistung der Widerstandsheizung sowie auf der anderen Seite die Zuführrate und die Kühlleistung der Schmelze, sehr sensibel und hängt insbesondere auch von dem Anteil der benetzten Fläche an der Gesamtoberfläche ab. Die innere Verdampferfläche liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 25% bis 85% und insbesondere im Bereich von 40% bis 65% der Gesamtfläche der Oberseite des Verdampferkörpers.
Typischerweise weisen derartige Verdampferkörper eine Oberseite mit einer Breite von beispielsweise 25 bis 50 mm, insbesondere von 35mm und eine Länge im Bereich von 100 bis 150 mm, insbesondere von 130 auf. Die typische Materialstärke derartiger Verdampferkörper liegt bei 8 bis 15 mm, insbesondere bei 10mm.
Allgemein liegt die Breite der inneren Kavität beispielsweise im Bereich von 30% bis 60% der Gesamtbreite des Verdampferkörpers. Gleichzeitig liegt die Länge der inneren Kavität vorzugsweise im Bereich von 60% bis 80% der Gesamtlänge der Kavität. Innerhalb dieser Größenverhältnisse lässt sich die gewünschte homogene Benetzung der inneren Verdampferfläche zuverlässig erreichen.
Der Steg dient grundsätzlich in erster Linie zur Begrenzung der inneren Kavität und zur Abgrenzung der äußeren Kavität. Die Stegbreite liegt hierbei vorzugsweise im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm und insbesondere im Bereich von 1 mm - 4 mm
Zum gleichen Zweck, nämlich eine vollständige und homogene Benetzung der gesamten inneren Verdampferfläche zuverlässig zu gewährleisten, weist die innere Kavität eine insbesondere durch den Steg bedingte Tiefe auf, die im Bereich von 0,1 mm bis 5mm und insbesondere im Bereich von 0,3mm bis 3mm liegt.
Gemäß einer zweckdienlichen Weiterbildung weist die äußere Kavität eine größere Tiefe als die innere Kavität auf. Damit wird der besondere Vorteil erzielt, dass die äußere Verdampferfläche wegen der etwas geringeren Materialstärke eine höhere Temperatur aufweist, wodurch im Fall einer überlaufenden Schmelze ein sicheres Verdampfen derselben gewährleistet ist. Alternativ weisen die Kavitäten die gleiche Tiefe auf oder die äußere Kavität weist eine geringere Tiefe als die innere Kavität auf. Die Ausgestaltung hängt auch von einer gewünschten sich einstellenden Temperatur in der äußeren Kavität ab, die auch durch die Querschnittsform des Verdampferkörpers beeinflusst ist.
Wie bereits ausgeführt dient die äußere Kavität als Nebenverdampferfläche und weist entsprechend im Vergleich zu der inneren Kavität eine deutlich geringere Verdampferfläche auf. Insbesondere weist die äußere Kavität eine äußere Verdampferfläche im Bereich von 10% bis 35% der inneren Verdampferfläche auf.
Weiterhin ist die innere Kavität vorzugsweise entsprechend der Umfangskontur des Verdampferkörpers geformt. Da dieser üblicherweise rechteckförmig ausgebildet ist, weist die innere Kavität ebenfalls vorzugsweise eine rechteckförmige Ausgestaltung auf. Grundsätzlich ist der Verdampferkörper langgestreckt ausgebildet, so dass allgemein die innere Kavität ebenfalls langgestreckt ausgebildet ist. Anstelle einer rechteckförmigen Ausgestaltung ist auch eine ovale Ausgestaltung möglich. Der Steg weist umlaufend vorzugsweise jeweils die identische Wandstärke auf, so dass die äußere Kavität eine gleiche Umfangskontur wie die innere Ka- vität aufweist.
Im Betrieb beim Bedampfen eines insbesondere flexiblen Gegenstandes, wie beispielsweise einer Folie, wird der Verdampferkörper mittels der bereits erwähnten Elektroden in einen Stromkreis eingebunden und widerstandsbeheizt. Der Verdampferkörper wird dabei typischerweise auf eine Temperatur von beispielsweise 1500°C bis 1700°C erhitzt. Das zu verdampfende Metall, typischerweise Aluminium, wird üblicherweise als Draht kontinuierlich der inneren Kavität zugeführt und schmilzt dort auf. Die Heizleistung zur Erwärmung des Verdampferkörpers einerseits, bestimmt durch den elektrischen Strom, sowie andererseits eine Zuführrate des verdampfenden Metalls sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass die innere Kavität vollflächig mit dem aufgeschmolzenen Metall bedeckt ist. Es stellt sich daher ein quasi stationärer Zustand ein. Durch den umlaufenden Steg und die dadurch gebildete Aufnahmewanne wird diese daher mit der Metallschmelze angefüllt, so dass die gesamte innere Verdampferfläche mit der Metallschmelze bedeckt ist.
Beschreibung der Figuren
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in vereinfachten Darstellungen:
Fig eine Aufsicht auf die Oberseite eines Verdampferkörpers,
Fig 2 eine Schnittansicht durch den Verdampferkörper gemäß Fig. 1 entlang der Schnittlinie A-A,
Fig 3 eine Aufsicht auf den Verdampferkörper gemäß der Fig. 1 im Betrieb sowie
Fig 4 eine schematisierte Darstellung einer Bandbedampfungsanlage. In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte keramische Verdampferkörper 2 weist eine in etwa rechteckförmige Oberseite 4 mit einer Gesamtfläche A1 auf, in die eine innere Kavität 6 sowie eine äußere Kavität 8 eingearbeitet sind. Die innere Kavität 6 ist ebenfalls in etwa rechteckförmig. Sie ist umgeben von einem umlaufenden Steg 10, welcher die beiden Kavitäten 6,8 voneinander trennen. Die äußere Kavität 8 ist wiederum von einem umlaufenden Rand 12 der Oberseite 4 umgeben.
Die innere Kavität 6 definiert dabei eine von dem Steg 10 begrenzte innere Verdampferfläche A2, die eine Hauptverdampferfläche bildet. Sie ist in etwa Wannen- förmig ausgebildet und nach unten durch einen Boden und seitlich durch den Steg 10 definierte Seitenwandung begrenzt.
Die äußere Kavität 8 ist als eine um die innere Kavität 6 und um den Steg 10 umlaufende Rinne ausgebildet und bildet insoweit eine äußere Verdampferfläche A3 oder auch Hilfs- oder Nebenverdampferfläche aus.
Die innere Kavität 6 weist eine Länge L2 sowie eine Breite B2 auf, die jeweils geringer sind als eine Gesamtlänge L1 sowie eine Gesamtbreite B1 der Oberseite 4. Die Gesamtlänge L1 liegt typischerweise im Bereich von beispielsweise 130 mm, die Gesamtbreite B im Bereich von typischerweise 35 mm. Die Höhe H des Verdampferkörpers 2 liegt beispielsweise im Bereich von 10 mm.
Bei dem Verdampferkörper 2 handelt es sich um einen keramischen Körper mit definierter elektrischer Leitfähigkeit bzw. definiertem elektrischen spezifischen Widerstand.
Der Verdampferkörper 2 umfasst einen um die äußere Kavität 8 umlaufenden äußeren Rand 12, der an den Stirnseiten eine Wandbreite W1 beispielsweise im Bereich von 4-10 mm und an der Längsseite eine geringere Wandbreite W2 beispielsweise von 2-3 mm aufweist.
Der Steg 10 hat insbesondere eine gleich bleibende Stegbreite W3, die vorzugsweise im Bereich von 1 mm bis 4 mm liegt. Die äußere Kavität 8 wiederum weist eine Rinnenbreite W4 auf.
Schließlich weist der Steg 10 eine Steghöhe auf, die dadurch zugleich auch eine Tiefe T der Kavitäten 6,8 definiert. Im Unterschied zu dem gezeigten Ausführungsbeispiel können die beiden Kavitäten 6,8 auch unterschiedlich tief sein. Bevorzugt ist dabei die äußere Kavität 8 tiefer ausgebildet als die innere Kavität 6.
Wie weiterhin aus Fig. 2 zu entnehmen ist, weist der Steg 10 - im Schnitt betrachtet - etwa ein Rechteckprofil auf, so dass seine die Kavitäten 6,8 jeweils begrenzenden Seitenwände in etwa vertikal ausgerichtet sind. Die äußere Kavität 8 ist wie bereits erwähnt nach Art einer Rinne mit rechteckförmigem oder auch U- oder halbkreisförmigem Querschnitt ausgebildet.
Die geometrischen Daten der Kavitäten 6,8 sowie des Stegs 10 und des Rands 12 sind dabei insgesamt derart gewählt, dass die innere Verdampferfläche A2, definiert durch die durch den umlaufenden Steg 10 eingeschlossene innere Kavität 6, etwa 40% bis 65% Fläche der Gesamtfläche A1 der Oberseite 4 beträgt. Die Rinnenbreite W4 sowie die Stegbreite W3 sind in etwa gleich groß und liegen beispielsweise im Bereich von 2 bis 5 mm. Sie sind an den Stirnseiten sowie an den Längsseiten des Verdampferkörpers 2 von dem Umfangsrand jeweils gleich weit beabstandet, so dass die innere Kavität 6 mittig angeordnet ist. Der Rand 12 ist dabei an der Längsseite schmäler als an der Stirnseite.
Die Breite B2 der inneren Kavität 6 liegt im Ausführungsbeispiel beispielsweise zwischen 16 mm und 18 mm, also allgemein etwa im Bereich zwischen 45% und 50% der Gesamtbreite B1 von typischerweise 35 mm. Die Länge L2 der inneren Kavität 6 liegt beispielsweise im Bereich zwischen 90 und 100 mm und damit all- gemein etwa im Bereich zwischen 70% und 80% der Gesamtlänge L von typischerweise 130 mm.
Im Querschnitt senkrecht zur Längsausdehnung des Verdampferkörpers 2 betrachtet weist dieser wahlweise eine rechteckförmige oder auch eine trapezförmige Querschnittsfläche auf, wobei die Langseite des Trapezes die Oberseite 4 definiert.
Die Funktion und Wirkungsweise des Verdampferkörpers 2 beim eigentlichen Verdampfungsprozess wird nachfolgend anhand der Fig. 3 näher erläutert:
Im Betrieb ist der Verdampferkörper 2 zwischen zwei Elektroden 14, die typischerweise aus Kupfer sind, eingespannt und stromdurchflossen. Hierdurch wird der Verdampferkörper 2 beispielsweise auf etwa 1700°C aufgewärmt. Gleichzeitig wird mit Hilfe einer Zuführvorrichtung 15 ein aufzuschmelzendes Metall insbesondere in Form eines Metalldrahts 16 kontinuierlich und sukzessive auf die innere Kavität 6 aufgebracht, so dass das Metall aufschmilzt und eine Schmelze 18 sich ausbildet. Der Strom durch den Verdampferkörper 2 und damit dessen Temperatur sowie die Zuführrate des Metalldrahts werden dabei aufeinander abgestimmt derart geregelt, dass die innere Verdampferfläche A2 vollständig mit einer Metallschmelze im quasistätionären Zustand benetzt ist. Aufgrund der Begrenzung der inneren Kavität 6 durch den umlaufenden Steg 10 wird dies begünstigt und ermöglicht. Die innere Kavität 6 wird daher quasi durch die Schmelze zumindest teilweise aufgefüllt.
Als Metall wird typischerweise Aluminium eingesetzt. Das aufgeschmolzene Aluminium weist dabei typischerweise eine Temperatur von etwa 650°C auf und kühlt damit die Oberfläche der inneren Kavität 6. Aufgrund der homogenen Benetzung ist dieser Kühleffekt gleichmäßig über die gesamte Fläche der Kavität 6 verteilt und es bilden sich daher keine so genannten„Hot Spots" aus.
Aufgrund dessen, dass die Metallschmelze 18 vom Steg 10 eingefasst ist, ist die Fließgeschwindigkeit der Schmelze 18 auch vergleichsweise gering. Dies führt zu einer geringeren Belastung des Verdampferkörpers 2. Aufgrund der hohen Temperaturen reagiert nämlich das flüssige Aluminium sehr aggressiv mit dem Material des Verdampferkörpers 2, was zu so genannten Auswaschungen infolge einer so genannten chemischen Korrosion führt. Diese Auswaschungen sind im Vergleich zum herkömmlichen Verdampferkörper 2 daher reduziert.
Hierdurch wird die Lebensdauer des Verdampferkörpers 2 erhöht, da diese chemische Korrosion selektiv auf die Bestandteile des Verdampferkörpers 2 wirkt. Insbesondere führt diese chemische Korrosion zu einem Auswaschen der nicht leitfähigen Materialanteile des Verdampferkörpers 2, so dass insgesamt die elektrische Leitfähigkeit während des Betriebs sukzessive erhöht wird. Um eine ausreichende Heizleistung aufrecht zu erhalten wird daher der Strom sukzessive erhöht. Der Strom wird üblicherweise über einen Transformator bereitgestellt. Sobald die Stromgrenze des Transformators erreicht ist, muss der Verdampferkörper 2 ausgewechselt werden. Dies erfolgt typischerweise bereits nach einigen Betriebsstunden.
Wie insbesondere auch aus Fig. 3 zu entnehmen ist, ist problemlos auch eine dezentrale Zuführung des Metalldrahts 16 ermöglicht, wobei gleichzeitig die homogene Benetzung der inneren Kavität 6 gewährleistet ist.
Unter Umständen kann es insbesondere bei einer dezentralen Zuführung dazu kommen, dass die Schmelze 18 beispielsweise im Zuführbereich über den Steg 10 hinweg fließt. Durch die äußere Kavität 8 wird der überfließende Anteil der Schmelze 18 aufgefangen und dort verdampft. Damit ist zuverlässig gewährleistet, dass die Schmelze 18 nicht in Kontakt mit den gekühlten Elektroden 14 kommt, so dass eventuelle Metallspritzer zuverlässig vermieden sind.
Fig. 4 zeigt in stark vereinfachter Darstellung eine Vakuum-Bandverdampfungsanlage mit Hilfe eines derartigen Verdampferkörpers 2. Der ganze Verdamp- fungsprozess wird dabei im Vakuum bei 10~4 mbar ausgeführt. Durch den Verdampferkörper 2 wird die Verdampfung des Metalls aus der Schmelze 18 bewirkt. Die dabei entstehende Metallwolke 20 schlägt sich auf ein kontinuierlich vorbeige- führtes, zu beschichtendes Band 22 ab, beispielsweise eine Kunststofffolie. Diese wird von einer Kühlwalze 24 aufgewickelt.

Claims

Ansprüche
1 . Verdampferkörper (2) mit einer Oberseite (4),
dadurch gekennzeichnet,
dass in die Oberseite (4) eine innere Kavität (6) eingebracht ist, die von einem umlaufenden Steg (10) begrenzt ist, an den sich wiederum eine äußere Kavität (8) anschließt.
2. Verdampferkörper (2) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass die äußere Kavität (8) als eine umlaufende Rinne ausgebildet ist.
3. Verdampferkörper (2) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die äußere Kavität (8) und der Steg (10) in der Oberseite (4) randseitig umlaufend ausgebildet sind und die innere Kavität (6) den von dem Steg (10) eingeschlossenen Bereich vollständig überdeckt.
4. Verdampferkörper (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die innere Kavität (6) eine innere Verdampferfläche (A2) aufweist, die im Bereich von 25% bis 85% und insbesondere im Bereich von 40% bis 65% der Gesamtfläche (A1 ) der Oberseite (4) liegt.
5. Verdampferkörper (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die innere Kavität (6) eine Breite (B2) im Bereich von 30% bis 60% einer Gesamtbreite (B1 ) der Oberseite (4) und eine Länge (L2) im Bereich von 60% bis 80% einer Gesamtlänge (L1 ) der Oberseite (4) aufweist.
6. Verdampferkörper (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Steg (10) eine Stegbreite (W3) im Bereich von 0,5 mm bis 5 mm und insbesondere im Bereich von 1 mm bis 4mm aufweist.
7. Verdampferkörper (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die innere Kavität (6) sowie die äußere Kavität (8) eine Tiefe (T) im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm und insbesondere im Bereich von 0,3 mm bis 3 mm aufweisen.
8. Verdampferkörper (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
die äußere Kavität (8) tiefer als die innere Kavität (6) ist.
9. Verdampferkörper (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die äußeren Kavität (8) eine äußere Verdampferfläche (A3) im Bereich von 15 % bis 35% einer inneren Verdampferfläche (A2) der inneren Kavität (6) aufweist.
10. Verdampferkörper (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die innere Kavität (6) rechteckförmig ausgebildet ist.
1 1 . Verfahren zum Bedampfen eines Gegenstandes mit Hilfe des Verdampferkörpers (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verdampferkörper (2) erwärmt wird und ein zu verdampfendes Metall der inneren Kavität (6) zugeführt, welches dort aufschmilzt und verdampft, wobei ei- ne Heizleistung zur Erwärmung des Verdampferkörpers (2) sowie eine Metall-Zuführrate derart aufeinander abgestimmt werden, dass die innere Kavi- tät (2) vollflächig mit aufgeschmolzenem Metall bedeckt ist.
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