Vakuumaufdampfanlage mit Schmelztiegel und Verfahren zu ihrem Betrieb
Diese Erfindung betrifft eine Vakuumaufdampfanlage mit Schmelztiegel, die mit drahtförmigem Schmelzmaterial arbeitet, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Anlage.
Bei Vakuumaufdampfanlagen wird der Dampf eines Materials auf einer Unterlage aus einem anderen Material kondensiert. Dies geschieht in einer relativ hochwertigen Vakuumumgebung. Die Materialien können von verschiedener Art sein, wie z.B. Metall und Keramik.
Dabei kann die Unterlage eine beliebige Dicke aufweisen.
Dieser Prozess kann auf einer aus einem kontinuierlich sich bewegenden Film bestehenden Unterlage stattfinden.
Die Unterlage kann aber auch irgendeine andere Form aufweisen.
In solchen auch Vakuumniederschlagsanlagen genannten Einrichtungen wird der Dampf oftmals dadurch erzeugt, dass Schmelztiegel verwendet werden, welche das zu schmelzende Material enthalten, welches dann im Tiegel geschmolzen und verdampft wird und zwar mittels durch das offene Ende des Tiegels gegen das Schmelzmaterial gerichteter Elektronenstrahlen von hoher Energie.
Eine derartige Erzeugung von Dampf ermöglicht eine gute Steuerung der Dicke, der Dichte und der Gleichmässigkeit des niedergeschlagenen Dampfes und verbessert zudem die Wirksamkeit bei der Verwendung der Materialien.
Für ausgedehntere Betriebszeitspannen ist es notwendig, das im Tiegel bereits verdampfte Schmelzmaterial zu ersetzen. Ein Verfahren zum Ersetzen oder Zuführen von Auffüllmaterial besteht in der Eingabe von Schmelzmaterialstücken in fester Form in die Schmelztiegel und zwar durch deren offenes Ende. Ein solches Zuführverfahren ist in vielen Fällen ungenügend, da es normalerweise eine Unterbrechung des Niederschlagsprozesses erfordert.
Ein anderes Zuführverfahren besteht in der Einführung eines sich kontinuierlich bewegenden Stabes oder Drahtes aus Auffüllmaterial, durch das offene Ende des Schmelztiegels. Im folgenden wird die Bezeichnung Draht für ein langgestrecktes Metall- oder Nichtmetallstück verwendet, das kreisförmigen Querschnitt besitzt.
Selbstverständlich können irgendwelche langgestreckte Metall- oder Nichtmetallstücke von kreisförmigem oder nicht kreisförmigem Querschnitt, wie z.B. Iängliche Stäbe oder Rohre anstelle von Draht verwendet werden. Bei Drahtzuführeinrichtungen wird der Draht dem Schmelztiegel bei einer Geschwindigkeit zugeführt, die eben ausreichend ist, um die durch die Verdampfung abgehenden Materialmengen zu ersetzen. Obwohl bei dieser Zufuhrart jede Notwendigkeit zum Unterbrechen des Prozesses vermieden wird, ergeben sich bestimmte Schwierigkeiten dadurch, dass, bedingt durch die hohe Hitze des Schmelztiegels, der Draht zu früh schmelzen kann.
Wenn dies stattfindet, kann es vorkommen, dass die geschmolzenen Tropfen den Schmelztiegel nicht an der erforderlichen Stelle erreichen, um das geschmolzene Schmelzmaterial zu ersetzen, sondern aus dem Schmelztiegel herausfallen und sich an kühleren Stellen des Tiegels verfestigen, dies entfernt vom Gebiet des geschmolzenen Materials. Ein zu frühes Schmelzen des zugeführten Drahtes kann zudem ein Verklemmen des Drahtes in der Zuführeinrichtung zur Folge haben. Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Zufuhreinrichtung, welche sich nahe dem offenen Ende des Schmelztiegels befindet, im Bereich des aus dem Schmelztiegel entweichenden Dampfes liegt und derart mit kondensiertem Schmelzmaterial belegt wird.
In einer bestimmten Ausführungsart von Vakuumniederschlagsanlagen sind die Schmelztiegel zylindrisch ausgebildet und rotieren um ihre Achsen, welche sich in horizontaler Lage befinden. Der Gründe für die Rotation der Schmelztiegel sind zwei. Erstens wird dadurch eine gleichmässige Verteilung des geschmolzenen Materials entlang der Tiegelwandung bewirkt, wodurch ein symmetrischer aus der Tiegelöffnung austretender Dampfstrom von regelmässiger Dichte resultiert. Zweitens werden durch Rotation des Schmelztiegels, obwohl der Elektronenstrahl oder die Strahle nur ein relativ kleines Gebiet des geschmolzenen Materials treffen können, alle Teile der Schmelzmaterialladung dem Elektronenstrahl ausgesetzt und zwar bei einer praktisch gleichmässigen Energieübertragung voll Strahl durch die ganze Materials dung.
Ein solcher Schmelztiegel besitzt besondere Vortei le bei der Beschichtung vertikal angeordneter Unterlagen wie z.B. Glas, weil der Dampfstrom, bedingt durch die horizontale Lage der Tiegelachse, den Tiegel in praktisch horizontaler Strömungsrichtung verlässt. Dabei können zwei oder mehrere solche Schmelztiegel in Einheiten in einer Niederschlagsanlage vorgesehen sein, um besonders grosse Unterlagen zu beschichten. Bei solchen Schmelztiegeln hat sich das Zuführen von Auffüllmaterial durch Eingeben von Materialstücken als nicht zufriedenstellend erwiesen, was ebenfalls für kontinuierliches frontales Zuführen von Draht gilt, wobei die sich ergebenden Schwierigkeiten bereits vorgehend näher erläutert wurden.
Die Entwicklung von Zuführmethoden, welche von den zwei erwähnten Paaren abweichen, wird weiterhin dadurch erschwert, dass der Tiegel rotiert, und dass deshalb an irgendeiner Stelle im Zuführprozess das Zuführmaterial aus einem nichtrotierenden Zustand in einen rotierenden Zustand gebracht werden muss.
Die vorliegende erfindungsgemässe Einrichtung ist gekennzeichnet durch ein in einer Wandöffnung des Schmelztiegels angebrachtes Zuführorgan, das mit einer Dralltzuführungs-Durdigangsöffnung versehen ist, Mittel zum Hineinbewegen des Drahtes durch die Drahtzuführungs-Durchgangsöffnung in den Schmelztiegel, und durch Mittel zum Erhitzen des genannten Zufuhrorgans, so dass eine Ansammlung kondensierten Dampfes auf dem Zufuhrorgan benachbart der Drahtzufuhr-Durchgangsöffnung verhindert wird, um diese Durchgangsöffnung offen zu halten.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb der Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführorgan erhitzt wird, um dessen dem Tiegelinnern zuge- I;ehrien Ende eine Temperatur zu verleihen, welche die Schmelztemperatur des Materials im Dampf übersteigt, wodurch eine Ansammlung kondensierten Dampfes um die Drahtzuführungs-Durchgangsöffnung herum verhindert wird. um die Drahtzuführungs-Durchgangsöffnung offen zu halten, und dass der Draht mit einer Durchlaufsgrösse durch die Drahtzuführungs-Durchgangsöffnung hindurch in den Schmelztiegel geführt wird, welche ausreicht, um ein Schmelzen des Drahtes vor seinem Eintritt in den Schmelztiegel zu verhindern.
Im folgenden wird anhand der Zeichnung ein Aus führungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht einer Aufdampfanlage samt Einrichtung zur Zufuhr des Auffüllmaterials,
Fig. 2 einen vergrösserten Teilschnitt der Anlage nach Fig. 1,
Fig. 3 einen weiteren vergrösserten Teilschnitt des Schmelztiegels und eines Teils, dessen Antriebswelle entsprechend der Anlage nach Fig. 1 und 2, Fig.4 einen vergrösserten Schnitt eines Teils der Anlage nach Fig. 1 und 2, an deren dem Schmelztiegel gegenüberliegenden Seite und Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 3.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Vakuumaufdampfanlage ist eine Einrichtung zum Zuführen von Draht in einen Schmelztiegel durch eine öffnung in einer Wandung desselben vorgesehen, wobei in Kombination vorgesehen sind: Ein in der Wandöffnung des Tiegels angeordnetes Einführorgan, das eine Drahtführungs Durchgangsöffnung aufweist, ferner Mittel zum Hindurchbewegen des Drahtes durch die Drahtdurchführungsöffnung in den Schmelztiegel und Mittel zum Erhitzen des Einführungsorgans, so dass eine Ansammlung kondensierten Dampfes am Einführungsorgan benachbarter Drahtführungs-Durchgangsöffnung verhindert wird, um den Durchgang offen zu halten.
Ferner ist im Zusammenhang mit der Vakuumaufdampfanlage ein Verfahren zum Zuführen von Draht in einen Schmelztiegel vorgesehen, wobei in einer Wandöffnung des Schmelztiegels ein Einführungsorgan vorgesehen ist, das eine Drahtführungs-Durchgangsöffnung aufweist, wobei das Verfahren aus folgenden Schritten besteht: Erhitzen des Einführorgans durch Erzeugung einer Temperatur an den dem Tiegelinneren zugekehrten Ende des Einführungsorgans, welche die Schmelztemperatur des Materials im Dampf übersteigt, wodurch eine Ansammlung kondensierten Dampfes um die Drahtführungs-Durchgangsöffnung herum vermieden wird, um den Durchgang offen zu halten, ferner durch Hindurchbewegen des Drahtes durch die Drahtführungs-Durchgangsöffnung in den Schmelztiegel hinein, dies bei einer genügenden Geschwindigkeit zum Verhindern des Schmelzens des Drahtes vor dessen Eintreten in den Tiegel.
In der Zeichnung ist ein Schmelztiegel 11 mit einer in einer Wandöffnung 13 einer Wand 14 vorgesehenen Einführung 12 vorgesehen, durch welche der Draht dem Schmelztiegel zugeführt wird. Das Einführorgan 12 besitzt eine Drahtführungs-Durchgangsöffnung 15, welche in das Innere des Tiegels 11 mündet. Der Draht wird durch die Drahtführungs-Durchgangsöffnung 15 hindurch in den Tiegel hineinbewegt und das Einführorgan
12 wird erhitzt, um eine Temperatur an deren dem Tiegelinneren zugekehrten Ende zu schaffen, welche die Kondensiertemperatur des Materials im Draht übersteigt.
Dadurch wird ein Kondensieren des Dampfes auf dem Einführungsorgan 12 um die Drahtführungs-Durchgangs öffnung herum verhindert, wodurch der Durchgang für den Draht offen gehalten wird.
Ein Gasdurchfluss durch die Drahtführungs-Durchgangsöffnung 15 gegen das Innere des Tiegels 11 kann aufrechterhalten werden, um zu verhindern, dass Dampf in die Durchgangsöffnung 15 eintritt, und an Teilen des Führuilgsorgans 12, welche Temperaturen aufweisen, die die Kondensationstemperatur des Drahtmaterials nicht übersteigen, kondensiert. Ein solcher Gasfluss ist insbesondere vorteilhaft während der Anlauf- und Abschaltvorgänge, bei welcher das Ende des Einführorgans 12.
welches dem Tiegelinnern benachbart liegt, keine die Kondensationstemperatur des Drahtmaterials übersteigende Temperatur aufweist. Das aus der Durchführung 15 austretende Gas bildet eine Schutzwolke am Ende des Einführorgans 12 und verhindert ein Kondensieren des Dampfes daran.
Bei Einrichtungen, welche einen rotierenden Verdampfungs-Schmelztiegel verwenden, wird der Draht durch eine hohle Antriebswelle 16 für den Schmelztiegel 11 hindurch zugeführt. Das Einführorgan 12 ist so angeordnet, dass dessen Durchführung 15 mit der Rotationsachse des Tiegels 11 übereinstimmt. Der Draht ist in der hohlen Antriebswelle durch einen länglichen, nichtrotierenden Rüssel 17, welcher von einer Tragplatte 55 der Einrichtung absteht, geführt. Der Rüssel kann mit Kühlkanälen versehen sein, um den Draht während seines Durchlaufes durch die hohle Antriebswelle kühl zu halten.
Die dargestellte Anlage besitzt einen bereits erwähnten Schmelztiegel 11, der gekühlt ist, wozu er eine ringförmige Kühlmittelkammer 18 in seiner Wandung aufweist. Geeignete, nicht dargestellte Umlenkwände können vorgesehen sein, um das Kühlmittel in der Kühlmittelkammer in der gewünschten Richtung umzulenken. Der Schmelztiegel kann aus Kupfer hergestellt sein, und das Kühlmittel kann aus Wasser bestehen. Der Schmelztiegel weist eine zur Hauptsache zylindrische Form auf und besitzt offenes Ende, durch welches der erzeugte Dampf aus dem Tiegel austritt, und zwar in Form eines Dampfstromes. Der Rand des offenen Tiegelendes ist von einer Litze 90 umgeben, wobei sich die Kühlmittelkammer 18 teilweise bis in die Lippe hinein erstreckt. Das entgegengesetzte Ende des Tiegels 11 ist durch eine Endwand 14 geschlossen.
Diese Wand 14 besitzt eine Einlass-Durchführung 21 und eine Auslass Durchführung 22, durch welche Kühlmittel in die Kühlmittelkammer 18 hinein und daraus heraus fliessen kann.
Die rückseitige Endwand 14 des Tiegels 11 besitzt zudem eine Öffnung 13, deren Achse mit der Achse des zylindrischen Tiegels übereinstimmt. Die Öffnung 13 besitzt zwei Abschnitte verschiedenen Durchmessers, wobei der Abschnitt mit dem kleineren Durchmesser in das Tiegelinnere mündet. Der Tiegel ist an einer Antriebswelle 16 befestigt, welche in den Abschnitt grösseren Durchmessers der öffnung in der Endwand 14 des Tiegels passt. Ein mit dem Ende der Antriebswelle 14 verschweisster Fitting 23 ist an der Endwand 14 des Tiegels im weiteren Abschnitt der öffnung 13 befestigt. Die Antriebswelle verläuft axial zum Schmelztiegel und ist in mehreren in einem Gehäuse der Anlage vorgesehenen Lagern 24 gelagert. Das Gehäuse der Anlage ist in einer öffnung 26 der Wand eines Vakuumkammergehäuses 27 mittels eines mit Bolzen befestigten Flansches 17 und einer O-Ringvakuumdichtung 20 befestigt.
Das Gehäuse 25 der Verdampfungsanlage ist mit einem Ansatz 28 versehen, durch welches sich eine Triebwelle 29 rechtwinklig zur Antriebswelle 16 erstreckt. Ein auf der Triebwelle 29 sitzendes Treibrad 31 steht mit einem Ritzel 32 an der Antriebswelle 16 in Eingriff, um letztere anzutreiben. Im Ansatz 28 sind
Kugellager 33 vorgesehen, um die Triebwelle 29 zu lagern. Das Gehäuse 25 besitzt ein Paar ringförmige Schultern 35, welche sich einwärts gegen die Antriebswelle 16 erstrecken u. welche Dichtungen 36, 37 aufweisen, um eine Schmiermittelkammer 38 für die Getrieberäder 31, 32 und die Lager 24, in welchen die Antriebswelle gelagert ist, abzuschliessen. Auch in den Ansatz 28 kann Schmiermittel eintreten, um die Lager 33 zu schmieren, wobei eine ringförmige Dichtung 40 vorgesehen ist, um Schmiermittel im Ansatz 28 zu halten.
Ferner können geeignete nicht dargestellte Mittel vorgesehen sein, um Schmiermittel zur und von der Kammer zu leiten.
Die Antriebswelle 16 ist mit zwei Kühlmittelkanälen 39 und 41 versehen, welche sich entlang der Welle zwischen deren Aussenfläche und deren Achse erstrek ken. Jeder der Kanäle ist im Querschnitt ein bisschen kleiner als halbkreisförmig, wobei der eine Kanal 39 Kühlmittel zum Tiegel zuführt, während der andere Kanal 41 das Kühlmittel vom Tiegel wegführt. Die Kanäle in der Antriebswelle münden in die Einlass- und Auslass-Durchführungen 21 und 22 des Tiegels 11 und zwar durch geeignete Öffnungen 42 und 43 nahe dem Tiegelende der Antriebswelle.
Das Kühlmittel wird den Kühlmittelkanälen in der Antriebswelle durch einen Kühlmitteleinlass 44 im Gehäuse 25 der Verdampfungsanlage zugeführt. Der Kühlmitteleinlass mündet in eine ringförmige Kühlmitteleinlasskammer 45, welche zwischen der ringförmigen in das Gehäuse vorstehenden Schulter 35 und einer weiteren einwärts vorstehenden ringförmigen Schulter 46 gebildet ist. Die Schulter 46 ist gegen die Umfangsfläche der Antriebswelle 16 durch eine Dichtung 47 abgedichtet. In der Kammer 45 befindliches unter Druck stehendes Kühlmittel tritt durch eine Öffnung 53 in den Kühlmittelkanal 39 in der rotierenden Antriebswelle 16 ein.
Eine weitere ringförmige Schulter 48 steht vom Gehäuse 25 nahe dem hinteren Ende der Antriebswelle 16 einwärts vor und ist mittels Einrichtungen 49 gegen die Umfangsfläche der Antriebswelle 16 abgedichtet.
Diese Schulter 48, zusammen mit der vorangehend erwähnten Schulter 46, bildet eine Auslasskammer 51 für das Kühlmittel. Vom Schmelztiegel 11 durch den Kühlmittelkanal 41 zurückkehrendes Kühlmittel tritt in die Kammer 51 durch eine Öffnung 54 in der Antriebswelle 16 ein. Ein Kühlmittelauslass 52 ins Gehäuse der Verdampfungsanlage mündet in die Auslasskammer, um das Kühlmittel zwecks dessen Rückführung oder Rezirkulation zu entfernen.
Somit tritt das Kühlmittel durch den Einlass 44 in die Einlasskammer 45 ein, bis durch die Öffnung 53 in die äussere Wandung der Antriebswelle 16, durch den Kühlmittelkanal 39 derselben hindurch, durch die öffnung 42 und den Kühlmitteldurchlass 21 hindurch in die Kühlmittelkammer 18 in Tiegel 11. Von der Kühlmittelkammer 18 zurückfliessendes Kühlmittel tritt durch den Durchlass 22 und die öffnung 33 in den Kühlmittelkanal 41 in der Antriebswelle 16 ein. Das Kühlmittel fliesst dann rückwärts entlang der Antriebswelle durch die Auslassöffnung 54 in der Antriebswelle in die Auslasskammer 51 und von dort durch den Auslass 52 ab. Dieser Kühlmit telfluss wird aufrechterhalten, während die Antriebswelle und der Schmelztiegel bei relativ hoher Geschwindigkeit rotieren.
Die Antriebswelle, welche hohl ist und dadurch eine direkte Verbindung mit dem Innern des Vakuumgehäuses 17 herstellt, muss deshalb an ihrem hinteren Ende vakuumdicht sein. Dies wird durch Dichtungen 49 und durch eine Dichtungsplatte 55 erreicht, welche über den hinteren Endabschnitt des Gehäuses 25 der Verdampfungsanlage befestigt ist.
Bei der Verdampfung und Ablagerung von Aluminium wie im vorliegenden Fall, kann die Isolation zwischen den gekühlten Wänden des Schmelztiegels 11, der aus Kupfer bestehen kann, und den im Tiegel vorhandenen geschmolzenen Aluminium durch eine Schicht Wolframblech 56 gebildet werden. Die Innenfläche 57 des Wolframbleches ist mit Zirkonerde gespritzt, um eine gute Wärmeisolation zu erreichen und um chemische Reaktionen zwischen dem hochgradig reaktiven geschmolzenen Aluminium und dem Wolfram zu verhindern. Um diese Eigenschaften weiter zu erhöhen, kann Zirkon im Tiegel geschmolzen werden, bevor das
Aluminium hineingetan wird, so dass, wenn die Anlage auf Vollbetrieb läuft, eine Schicht geschmolzener Zirkon-Aluminiumlegierung in dem Schmelzbad 60 zwischen dem geschmolzenen Aluminium im Schmelzbad nahe dessen Oberfläche und dem Wolframblech vorhanden ist.
Dies ergibt ebenfalls eine aussergewöhnliche Wärmeisolation zwischen den relativ kühlen Wänden des Schmelztiegels und der hohen Temperatur des geschmolzenen Aluminiums.
Das im Tiegel 11 befindliche Schmelzmaterial wird durch einen oder mehrere Elektronenstrahle hoher Ener gie geschmolzen, welche durch das offene Ende des Tiegels in diesen hineingerichtet sind, um auf die Oberfläche des Schmelzmaterials aufzutreffen. Diese Elektro nenstrahlbündel werden durch eine oder mehrere Elektronenstrahlkanonen 59 erzeugt, welche im Vakuumkammergehäuse 57 befestigt sind. Die Elektronenstrahlkanonen 59 können bekannte Typen sein und sind vorzugsweise dazu vorgesehen, in ihrer Intensität und Strahlrichtung veränderbar zu sein (durch gestrichelte Linien angezeigt). Das Schmelzmaterial wird, wenn es geschmolzen ist, durch Zentrifugalkraft gegen die Innenseiten der zylindrischen Wände des Schmelztiegels gepresst.
Um das aus dem Schmelztiegel 11 abgedampfte Aluminiumschmelzmaterial zu ersetzen, wird dem Schmelztiegel ein Aluminiumdraht zugeführt, der in den Tiegel hinein geschmolzen wird. Der Draht tritt durch eine hitzefeste Materialeinführung 12, welche im kleineren Abschnitt der Öffnung 13 der Endwand 14 des Tiegels vorgesehen ist, in den Tiegel ein. Die Einführung 12 ist durch Schultern 61 festgehalten, welche nach Art eines Bajonettverschlusses in die Öffnung eingreifen. Das Material, aus welchem die Einführung 12 hergestellt ist, sollte im Falle von geschmolzenen Aluminiummaterials ein Material sein, das mit Aluminiumdampf nicht hoch reaktiv ist. Ein zufriedenstellendes Material für diesen Zweck ist eine Mischung der Keramikmaterialien Titandiborid und Bornitrid.
Die Einführung kann durcb Mischen von Pulvern dieser Keramikmaterialien und durch nachfolgendes Heisspressen der Mischung in die gewünschte Form hergestellt werden. Selbstverständlich sind durch Verdampfung anderer Materialien verschiedene Materialien mit geeigneten Eigenschaften für die Einführung zu verwenden. Direkt benachbart zur Einführung aus hitzebeständigem Material ist ein Graphitblock 62 angeordnet. Der Graphitblock 62 ist zwischen dem Fitting 23 und der Einführung aus hitzebeständigem Material in seiner Lage gehalten, um den Fitting wärmemässig von der Einführung zu isolieren. Fitting, Graphitblock und Einführung aus hitzebeständigem Material sind alle mit einer Drahtführungs-Durchgangsöffnung 63, 64 bzw. 15 versehen, welche zwecks müheloser Zuführung des Drahtes in den Schmelztiegel alle aufeinander ausgerichtet sind.
Der Zuführdraht ist in der Mitte der hohlen Antriebswelle 16 in einer langgestreckten Führung oder einem Rüssel 17 gehalten. Dieser Rüssel ist mit einem Paar konzentrischer zylindrischer Hülsen 65 und 66 versehen, welche am einen Ende der Rückplatte 55 des Gehäuses 25 der Anlage montiert sind und welche in die hohle Antriebswelle hinein vorstehen. Das dem Schmelztiegel 11 benachbarte Ende des Rüssels 17 ist mit einem festen Block oder einem Kopfstück 67 eines Materials wie z.B.
Kupfer versehen, und die Hülsen 65 und 66, welche Teil des Rüssels sind, bilden Kühlmittelkanäle. Das Kopfstück 67 ist mit einer ringförmigen Vertiefung 68 versehen. Im Ende der Hülse 66 sind Öffnungen 69 vorgesehen. um die durch die konzentrischen Hülsen gebildeten Kanäle anzuschliessen. Ein Kühlmittel, wie z.B. Wasser, kann durch den zwischen den Hülsen 65, 66 gebildeten Kanal zur Vertiefung 68 im Kopfstück hin geführt werden, dann durch die Öffnungen 69 hindurch und zurück zur Hülse 66. Dies hält im Kopfstück und im
Rüsse! eine relativ kühle Temperatur aufrecht, um so den Aluminiumdraht zu kühlen. In der Dichtungsplatte 55 sind ein Kühlmitteleinlass 71 und ein Kühlmittelauslass 72 vorgesehen. Der Einlass 71 mündet in den sich zwischen den Hülsen 65 und 66 erstreckenden Kanal, während der Auslass 72 in das Innere der Hülse 66 mündet. Die Ein- und Auslässe dienen dem Zu- bzw.
Abführen von Kühlmittel in bzw. aus dem Rüssel.
Der Draht wird durch den Rüssel 17 hindurch in ein Führungsrohr 76 gebracht, welches mit einer Drahtführungs-Durchführungsöffnung 77 im Kopfstück 67 kommuniziert. An dem dem Kopfstück 67 gegenüberliegenden Ende erstreckt sich das Führungsrohr 76 durch die Dichtungsplatte 55 und eine Platte 75, welche mittels Bolzen an der Platte 55 befestigt ist, hindurch in einen Dichtungsblock 78 hinein. Das Führungsrohr kann z.B.
aus rostfreiem Stahl hergestellt sein. Der Dichtungsblock 78 befindet sich in einem Dichtungsgehäuse 79, das mittels Bolzen an der genannten Platte 75 befestigt ist.
Das Dichtungsgehäuse enthält zudem eine Anzahl axial beabstandeter Gummischeibendichtungen 81, zwischen denen Abstandhalter 82 angeordnet sind. Abstandhalter, Dichtungsscheiben und Dichtungsblock sind alle durch einen Stöpsel 84 im Dichtungsgehäuse 79 in ihrer Lage gehalten, wobei der Stöpsel 84 bis zu etwa dem am meisten links liegenden Block 82 in das Dichtungsgehäuse hineingeschraubt ist. Aufeinander ausgerichtete Kanäle 83 erstrecken sich durch die Abstandhalter, den Stecker und den Dichtungsblock und im Zentrum der Dichtungen sind öffnungen vorgesehen. Die öffnungen in den Dichtungen besitzen einen kleineren Durchmesser als der Draht.
Somit ermöglichen die Kanäle in den Abstandhaltern und die Öffnungen in den Dichtungen ein Hindurchtreten des Drahtes durch das Dichtungsgehäuse, während die Dichtungen ein Hindurchtreten der Atmosphäre in das Führungsrohr verhindern und somit eine Verunreinigung des Vakuums im Gehäuse 27 der Vakuumkammer verunmöglichen. Um noch weiter für einwandfreie Vakuumabdichtung zu sorgen, ist im mittleren der Abstandhalter 82 ein Vakuumauspumpkanal 85 vorgesehen. Ein Vakuumauspumprohr 86 ist am Dichtungsgehäuse 79 angebracht und mündet in den Kanal 85, so dass der Kanal unter Verwendung einer geeigneten Vakuumpumpe (nicht dargestellt) evakuiert werden kann. Ein Gaseinlass 87, dessen Zweck im folgenden näher erläutert wird, ist im Dichtungsgehäuse 79 vorgesehen.
Der Draht tritt im Führungsrohr 88 in das Dichtungsgehäuse 79 ein, welches sich rückwärts des Gehäuses 79 erstreckt und in den Stöpsel 84 hinreicht, axial mit dem darin befindlichen Kanal 83 übereinstimmend. Das Rohr 88 ist in einem Rüssel 89 gehalten, welcher durch einen Ansatz einer Kappe 90 gebildet wird, welche mittels Bolzen am Dichtungsgehäuse befestigt ist. Der Draht ist mittels eines Capstans 91 und einer am hintern Ende des Führungsrohres 88 angeordneten Ausführrolle 92 durch das Dichtungsgehäuse und durch das Führungsrohr 76 hindurch in den Rüssel und in den Tiegel 11 hinein angetrieben. Es kann zudem eine Streckvorrichtung 93 vorgesehen sein, um den Draht vor dem Hindurchlaufen zwischen dem Capstan und der Ausführrolle zu strecken.
Der Draht wird von einer Versorgungsspule 95 kommen, durch die Streckvorrichtung 93 hindurch und über ein freilaufendes Rad 94 gezogen. Versorgungsspule, Freilaufrad, Streckvorrichtung, Capstan und Ausführrolle sind alle an einem Halterahmen 96 befestigt. Ein Motor 97 zum Antrieb des Capstans 91 über einen geeigneten Antriebsmechanismus (nicht gezeigt), ist ebenfalls am Rahmen 96 befestigt.
Beim rotierenden Tiegeltyp, wie er in der Zeichnung gezeigt ist, bringt das kontinuierliche Zuführen des Drahtes durch das offene Ende des Tiegels verschiedene Nachteile mit sich. Die Zuführeinrichtung kann zum Teil den auftretenden Dampfstrom stören und kann zudem schwer mit kondensiertem Dampf belegt werden, als Resultat seiner Nähe zum Dampfstrom. Diese Probleme sind natürlich im Falle der nichtrotierenden Tiegel ebenfalls vorhanden. Ein besonderes Problem im Zusammenhang mit der Zuführung durch die offene Seite der rotierenden Schmelztiegel, bei welchen die Drehachse horizontal liegt, besteht in der Notwendigkeit, den Draht weit genug in den Tiegel hineinzubekommen, bevor dieser schmilzt.
Die im Tiegel vorhandenen hohen Temperaturen zusammen mit der Tatsache, dass die Elektronenstrahlbündel hoher Energie, welche ebenfalls durch die offene Seite in den Tiegel eintreten, machen dies extrem schwierig, da der Draht an und für sich sehr rasch schmilzt. Wenn der Draht zu rasch schmilzt, kann das geschmolzene Material aus dem Tiegel heraus oder rund um das offene Ende des Tiegels herum spritzen, oder die Zuführvorrichtung verstopfen. Die vorliegende Einrichtung jedoch ermöglicht das Einführen des Drahtes in den Tiegel derart, dass der Draht an der zweckmässigsten Stelle schmilzt. Zusätzlich ist die Zuführeinrichtung vom offenen Ende des Tiegels entfernt angeordnet, wo es einerseits den Dampfstrom nicht stört und wo es andererseits nicht mit kondensiertem Dampf belegt wird.
Bei der Durchführung des vorliegenden Verfahrens wird das hitzebeständige Material in der Einführung erhitzt und zwar auf eine Temperatur, welche die Kondensiertemperatur von Aluminium zeigt. Dieses Erhitzen erfolgt als Resultat der Strahlung von geschmolzenem Aluminium und vom Dampf im Tiegel und durch die Beaufschlagung durch einige der in den Tiegel eintretenden Randelektronen des Elektronenstrahls. Die Steuerung der Temperatur der Einführung wird durch Steuerung der Richtung u. der Energie der Elektronenstrahlenbündel kontrolliert, insbesondere mittels der Strahlrichtung. Die Strahlen werden so gerichtet, dass Randelektronen auf der Einführung auftreffen, um die Einführung auf der entsprechenden Temperatur zu halten, in Übereinstimmung der weiteren Überlegung, dass die Elektronenstrahlen die erforderliche Hitze und Verdampfung des Schmelzmaterials bewirken müssen.
Die Einführung darf nicht so hoch erhitzt werden, dass ein relativ hohes Ausmass an Reaktion zwischen dem hitzebeständigen Material und dem Aluminiumdampf entstehen kann, welcher die Einführung erodieren würde.
Somit bildet die Einführung eine heisse Fläche oder eine heisse Fläche oder eine heisse Stelle in der relativ kühlen Endwand des gekühlten Schmetztiegels, um sicherzustellen, dass der Durchlass, durch welchen der Draht durchtritt, frei von kondensiertem Dampf bleibt.
Nur die Oberfläche der Einführung, welche sich im Tiegel befindet und somit dem Dampf ausgesetzt ist, braucht die Dampfkondensiertemperatur zu übersteigen.
Aus praktischen Gründen werden natürlich solche Temperaturen für eine gewisse Tiefe in der Ein- oder Zuführung existieren. Der Aluminiumdampf wird grundsätzlich daran verhindert, in den Zwischenraum zwischen den zugeführten Draht und den hitzefesten Einsatz einzutreten und so die Wände der Durchführung tiefer als bis zur gegebenen Tiefe mit Kondensat zu belegen, und zwar durch einen leichten Durchfluss von Luft durch den Durchlass 15, welcher durch die notwendige Ungenauigkeit der Dichtungsanordnung bedingt ist. Zudem unterstützt der sich bewegende Draht das Abschleifen allfälligen Kondensats von den Wänden der Durchführung.
Der Draht wird durch die Zuführung mit einer beträchtlich hohen Geschwindigkeit hindurchgeführt, um so die Möglichkeit des Schmelzens des Drahtes vor dessen Eintreten in den Schmelztiegel auszuschliessen, welches Schmelzen bedingt durch ausgestrahlte oder über ertragene Wärme vom Zufuhrorgan erfolgen könnte. Bei der dargestellten Einrichtung verhindert der benachbart zum Zufuhrorgan 12 angeordnete Graphitblock 62, dass der Fitting 23 so heiss wird, dass der durch die in diesem vorgesehene Öffnung durchlaufende Aluminiumdraht darin geschmolzen oder mit den Wänden des Durchlassers verschweisst wird. Zudem hilft der Block die Zuführung wärmemässig von ihrer kühleren Umgebung zu isolieren.
Wenn der Draht in den Schmelztiegel eintritt, wird er für eine bestimmte Distanz weiterlaufen und dann schmelzen. Die Tropfen geschmolzenen Materials fallen herunter, durch Schwerkraft, und landen im Schmelzbad des Tiegels. Wenn die Tropfen das Bad einmal erreicht haben, bilden sie einen Teil des Bades und werden gleichmässig rund um die Wände des Tiegels verteilt. Die genaue Distanz, welche der Draht in den Tiegel hinein vorsteht, bevor er schmilzt, hängt von der Temperatur des Drahtes ab, wenn dieser in den Tiegel eintritt (bedingt durch Strahlung und Übertragung von Wärme durch das Zufuhrorgan aus wärmefestem Material und den Graphitblock), was unter anderem davon abhängt, wie gross die Zufuhrrate des Drahtes ist.
Die Temperatur des Drahtes hängt ebenfalls von der Hitzerstrahlung vom geschmolzenen Material im Tiegel und von der direkten Einwirkung der Elektronenstrahlen direkt auf den Draht ab. Der letztere Faktor ist normalerweise der Primärfaktor bei der Bestimmung der Lage, bei welcher der Draht schmilzt.
Die Kombination des gekühlten Rüssels und der wärmemässig isolierten Zuführung aus wärmefestem Material trägt dazu bei, den Draht kühl und in seinem festen Zustand zu halten, bis er sich in der richtigen Lage zum Schmelzen befindet, wobei zusätzlich verhindert wird, dass kondensierter Dampf die Durchtrittsöffnung für den Draht verstopft. Das Zuführorgan besitzt einen Temperaturgradienten, welcher vom Tiegelende her in axialer Richtung gegen das Graphitblockende hin abnimmt, und welcher ebenfalls radial nach aussen gegen den wassergekühlten Tiegel hin abnimmt. Wie bereits weiter oben herausgestrichen, sollte die Oberfläche des hitzebeständigen Einsatzes, welcher sich im Tiegel befindet, die I(ondensiertemperatur von Aluminium übersteigen, damit das Aluminium nicht am Zuführorgan und um das darin befindliche Loch herum kondensiert und dieses Loch verstopft.
Unter bestimmten Voraussetzungen, wie z.B. bei langsamen Drahtzufuhrgeschwindigkeiten (in der Grössenordnung von 25 Zoll pro Minute oder weniger), oder im Fall von relativ hohen Dampfdrücken, kann es der Fall sein, dass die Abschleifwirkung des Drahtes und der Luftstrom durch den Durchlass wenig nützen. Dementsprechend kann Dampf in die Durchlassöffnung für den Draht im Zuführorgan eintreten und dazu tendieren, an Abschnitten, dessen Wandung, welche kühler als die Kondensiertemperatur des Dampfes sind, zu kondensieren. Um dies zu verhindern, ist bei der vorliegenden Einrichtung ein Fluss oder ein Durchströmen eines relativ inerten Gases, z.B. Argon, durch den Durchlass hindurch gegen das Tiegelinnere vorgesehen.
Der Gasfluss in das Vakuumsystem ist so gewählt, dass der Vakuumdruck des Vakuumsystems nur um einen Betrag in der Grössenordnung von 2/100 eines Mikrons Mercury angehoben wird. Es konnte festgestellt werden, dass ein solches Ansteigen einen vernachlässigbaren Einfluss auf den Betrieb der Anlage ausübt. Unter solchen Bedingungen kann es möglich sein, höhere Gasflussraten zu verwenden, ohne dass eine schädliche Wirkung eintritt. Das Vorhandensein von Gas in und um den Durchlass herum macht es wahrscheinlich, dass die Aluminiumdampfpartikel mit einem Gasatom kollidieren und hinaus in den Tiegel zurückgeworfen werden, bevor sie auf die Wandung des Durchlasses oder auf den Draht abschlagen. Dies verhindert, dass der Dampf im Durchlass kondensiert und den Durchlass verstopft.
Bei der dargestellten Einrichtung tritt das Gas in die Dichtungskappe 55 durch einen Einsatz 87 ein und gelangt in den Zwischenraum zwischen den Rüssel 17 und der Antriebswelle 16. Da das Gas nicht rückwärts durch das Führungsrohr 76 aus rostfreiem Stahl ausfliessen kann, bedingt durch die Gummischeibendichtungen und den Draht, gelangt es durch die Durchlässe 63, 64 und 15 in Fitting 23, den Graphitblock 62 und das hitzefeste Führungsorgan 12 in den Tiegel 11.
Die Zufuhr von Gas findet insbesondere Verwendung während des Anlaufens und des Abschaltens der Einrichtung. Während des Anlaufens liegt die Temperatur des Führungsorgans natürlich unterhalb der Kondensiertemperatur von Aluminiumdampf. Um ein Kondensieren des Aluminiums auf dem Zufuhrorgan zu verhindern, wird der Gasfluss bis zu einem bestimmten Ausmass erhöht, so dass über der Oberfläche des Führungsorgans, welche in den Tiegel zeigt, eine Gaswolke existiert. Um das Führungsorgan auf die gewünschte Temperatur aufzuheizen, können die Elektronenstrahlenbündel leicht aus ihrer normalen Position abgelenkt werden, so dass genügend Elektronen auf dem Führungsorgan auftreffen, um dieses schnell aufzuheizen.
Die Strahlenbündel werden dann in ihre normalen Betriebspositionen zurückgestellt und der Aluminiumdraht wird durch den Rüssel in den Tiegel hinein geführt und durch die Strahlenbündel geschmolzen, um so das Schmelzbad aufzubauen. Während eines Ausschaltvorganges hat die Gaszuführung dieselbe Wirkung, nämlich während das Zufuhrorgan sich abkühlt und während der Aluminiumdampf im Tiegel immer noch vorhanden ist.
Es ist somit ersichtlich, dass die vorliegende Einrichtung ein kontinuierliches Zuführen eines festen Drahtes, wie z.B. Aluminium, aus einer relativ kühlen externen Umgebung in die extrem heisse und aus hohem Dampfdruck bestehende Umgebung in einem Schmelztiegel fördert. Es wird ein kontinuierliches Zuführen des Drahtes bei einer gleitenden Temperaturänderung angestrebt, um den Draht im geeigneten Zeitpunkt schmelzen zu lassen. Der im Tiegel befindliche Dampf wird daran gehindert, um den Draht herum und im Drahtdurchlass zu kondensieren, so dass auf diese Weise der Durchlass frei von Blockierungen bleibt. Die vorliegende Einrichtung ist besonders bei jenen Schmelztiegeln zweckmässig, welche rotierbar ausgebildet sind, insbesondere jene Tiegel, welche um eine horizontale Achse rotieren, um vertikale Unterlagen zu beschichten.
Sowohl das Verfahren als auch die Einrichtung sind für verschiedene Materialien anwendbar, und keinesfalls auf die Verwendung mit Aluminium beschränkt, wie dies in der vorliegenden Beschreibung erläutert ist. Die Vorteile gegen über Einrichtungen, bei welchen die Zufuhr durch die offene Seite des Schmelztiegels erfolgt, kontinuierlich oder durch Eingeben von Materialstücken, sind offensichtlich.
PATENTANSPRUCH I
Vakuumaufdampfanlage mit Schmelztiegel, die mit drahtförmigem Schmelzmaterial arbeitet, gekennzeichnet durch ein in einer Wandöffnung des Schmelztiegels angebrachtes Zuführorgan, das mit einer Drahtzuführungs-Durchgangsöffnung versehen ist, Mittel zum Hineinbewegen des Drahtes durch die Drahtzuführungs Durchgangsöffnung in den Schmelztiegel, und durch Mittel zum Erhitzen des genannten Zuführorgans, so dass eine Ansammlung kondensierten Dampfes auf dem Zuführorgan benachbart der Drahtzufuhr-Durchgangs öffnung verhindert wird, um diese Durchgangsöffnung offen zu halten.
UNTERANSPRÜCHE
1. Anlage nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum rotierenden Bewegen des Scllmelztiegels um eine durch die öffnung verlaufende Achse vorgesehen sind, wodurch kondensiertes Material in flüssiger Form von der Öffnung radial auswärts fliesst.
2. Anlage nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erzeugung eines Gasflusses durch die genannte Drahtzuführungs-Durchgangsöffnung gegen das Tiegelinnere vorgesehen sind, um zu verhindern, dass Dampf auf Abschnitten des genannten Zuführorgans innerhalb der Drahtzuführungs-Durchgangs öffnung kondensiert.
3. Anlage nach Unteranspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Zuführorgan aus hitzebeständigem Material besteht.
4. Anlage nach Patentanspruch I, zum Zuführen des drahtförmigen Schmelzmaterials in einen rotierenden Schmelztiegel durch eine axiale öffnung in dessen einer Wandung, wobei der Schmelztiegel durch eine hohle Antriebswelle, deren eines Ende um die Öffnung herum am Tiegel befestigt ist, angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem dem Schmelztiegel entgegengesetzten Ende der Antriebswelle eine Halterung vorgesehen ist, dass an der Halterung langgestreckte Führungsmittel befestigt sind, welche in die hohle Antriebswelle hinein vorstehen, dass diese Führungsmittel einen Durchlass zum Zuführen des Drahtes durch die rotierende Antriebswelle gegen den Schmelztiegel hin besitzen, dass das Zuführorgan nahe dem der genannten Halterung abgekehrten Ende der Führungsmittel angeordnet ist,
dass die Drahtzuführungs-Durchgangsöffnung des Zuführorgans mit der Drahtdurchführung der genannten Führungsmittel fluchtet und dass die genannten Mittel zum Hindurchbewegen des Drahtes dazu ausgebildet sind, diesen durch die fluchtenden Durchführungen hindurchzubewegen.
5. Anlage nach Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten langgestreckten Führungsmittel ein zylindrisches Organ besitzen, das mit mehreren Flüssigkeitsdurchlässen versehen ist, dass am einen Ende des zylindrischen Organs eine feste Metallspitze vorgesehen ist, welcher die Flüssigkeitsdurchlässe Kühlmittel zuführen, um diese zu kühlen, und dass eine langgestreckte Hülse Teil der genannten Drahtdurchführung bildet und sich axial entlang dem zylindrischen Organ zu der genannten Spitze hin erstreckt, und dass die genannte Spitze ein Loch besitzt, welche ein Ende der genannten Durchführung bildet.
PATENTANSPRUCH II
Verfahren zum Betrieb der Anlage nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführorgan erhitzt wird, um dessen dem Tiegelinnern zugekehrten Ende eine Temperatur zu verleihen, welche die Schmelztemperatur des Materials im Dampf übersteigt, wodurch
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