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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Schleusenvorrichtung für Materialbänder in Vakuumkammern zur Behandlung der Materialbänder im Vakuum. Das Ein- und Ausschleusen von Materialbändern, zumeist in Form von Spulen aufgewickelt, ist arbeits-, zeit- und energieintensiv. Für den Schleusenvorgang muss das Vakuum an der Vakuumkammer gebrochen und anschließend die Vakuumkammer erneut evakuiert werden. Zudem ist es insbesondere bei der Verarbeitung von Metallbändern wünschenswert, diese kontinuierlich zu behandeln und so Verschnitt am Anfang und am Ende zu verhindern und die Verarbeitungsprozesse langzeitstabil betreiben zu können.
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Stand der Technik sind hierzu unterschiedliche Schleusenkonzepte, welche aber alle auf Kombinationen aus Rollen, Dichtelementen und kalkuliert akzeptierten Leckagen und Strömungswiderständen beruhen.
EP 2 132 354 A1 offenbart ein konventionelles Schleusenkonzept. Gemein sind ihnen somit Undichtigkeiten, welche permanent durch eine Vielzahl von energie- und wartungsintensiven Vakuumpumpen kompensiert werden müssen. Sowohl bei Bandbreiten- als auch bei Dickenänderungen des durchgesetzten Materials müssen die Schleusen aufwendig angepasst oder Undichtigkeiten durch zusätzliche weitere Pumpleistung kompensiert werden. Zudem bedeutet der vielfache, teilweise mit Druck beaufschlagte Rollenkontakt in einer Schleuse Probleme für die Produktqualität.
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Hierzu sind aus der
DE 10 2004 008 492 A1 und der
WO 00/56949 A1 Verfahren bekannt, bei denen ein Metallband bei einem Übergang zwischen zwei Bereichen verschiedenen Drucks durch ein flüssiges Medium geleitet wird. Weiterhin ist aus der
DE 100 52 096 A1 ein Verfahren bekannt, bei dem ein Band durch einen Beschichtungsbehälter geführt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Schleusen von Materialbändern in Vakuumkammern bereitzustellen, welche nach der Evakuierung der Vakuumkammer nur noch wenig oder gar kein weiteres Vakuumpumpen nötig werden lässt, welche unabhängig von Banddicken und/oder Bandbreiten der Materialbandes arbeitet und welche nur wenige einseitige Rollenkontakte des Materialbandes benötigt. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Der Siphon weist eine, vorzugsweise U-förmige, Kehre und einen Verbindungsbereich auf. Der Verbindungsbereich schließt sich der Kehre auf einer Seite der Kehre an und ist vorzugsweise senkrecht nach oben ausgerichtet. Die Kehre ist mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, gefüllt. Denkbar wäre hier auch eine andere Flüssigkeit wie eine Säure, vorzugsweise Salzsäure, oder ein Öl. Der Siphon verbindet einen ersten Bereich mit einem zweiten Bereich. Dadurch, dass die Kehre mit der Flüssigkeit gefüllt ist, ist der erste Bereich vom zweiten Bereich durch den Siphon gasdicht abgetrennt. Ein Materialband kann durch den Siphon vom ersten Bereich in den zweiten Bereich geführt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Siphon die einzige durchlässige Verbindung zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ist. Damit wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass kein Gasaustausch zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich stattfinden kann und so die Pumpleistung nach der Evakuierung des zweiten Bereiches mindestens deutlich reduziert werden kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Bereich eine Vakuumpumpe aufweist. Damit kann im zweiten Bereich der Druck abgesenkt werden. Denkbar sind hier Druckabsenkungen auf den Bereich des Grobvakuums, also etwa 300 mbar bis 1 mbar. Wird im zweiten Bereich der Druck abgesenkt, so drückt der Luftdruck im ersten Bereich auf die Oberfläche der Flüssigkeit im Siphon, so dass diese auf der Seite des ersten Bereiches absinkt und auf der Seite des zweiten Bereiches im Verbindungsbereich ansteigt. Im Verbindungsbereich entsteht eine Flüssigkeitssäule, welche so hoch ausgebildet ist, dass ihr hydrostatischer Druck den Druck auf die Oberfläche der Flüssigkeit auf der Seite des ersten Bereiches ausgleicht. Ist ein Betriebsvakuum im zweiten Bereich erreicht, bleibt dieser Zustand bestehen. Die Vakuumpumpe kann ausgeschaltet werden und durch den Siphon kann dem zweiten Bereich kontinuierlich ein Materialband aus dem ersten Bereich zugeführt werden. Die Steighöhe der Flüssigkeitssäule hängt von der Dichte der verwendeten Flüssigkeit und von der Druckdifferenz zwischen erstem und zweitem Bereich ab. Bei einem Druckunterschied von 1 bar und der Verwendung von Wasser als Flüssigkeit wäre die Steighöhe der Flüssigkeitssäule circa 10 m, bei einem Druckunterschied von 1 bar und der Verwendung von Quecksilber als Flüssigkeit wäre die Steighöhe der Flüssigkeitssäule 733 mm. Der mit der Vorrichtung erreichbare Enddruck im zweiten Bereich entspricht dem Partialdampfdruck der eingesetzten Flüssigkeit. Wird dieser erreicht, beginnt die Flüssigkeit im zweiten Bereich zu kochen und bei einer weiteren Evakuierung würde nur noch der Dampf der kochenden Flüssigkeit abgepumpt. Setzt man als Flüssigkeit Wasser bei Raumtemperatur ein, so liegt der Partialdampfdruck bei 33 mbar.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Siphon eine Umlenkeinrichtung zum Umlenken des Materialbandes in der Kehre aufweist. Damit kann das Materialband im Umkehrpunkt der Kehre des Siphons in seiner Laufrichtung umgelenkt werden. Denkbar ist hier die Verwendung einer Umlenkrolle. Denkbar ist, dass die Umlenkrolle angetrieben ist und so Abrieb des Materialbandes verhindert. Weiterhin ist denkbar, dass die Umlenkrolle mit einem Profil versehen ist, durch das Flüssigkeit zwischen Materialband und Rolle vorteilhaft abgeführt werden kann.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Umlenkrolle nur teilweise in die Flüssigkeit eingetaucht ist und so den inneren Teil der Kehre bildet. Damit wäre es in vorteilhafter Weise möglich, die Umlenkrolle außerhalb der Flüssigkeit aufzuhängen. Der obere Teil der Umlenkrolle würde so eine Zwischenwand zwischen erstem Bereich und dem Verbindungsbereich oder dem zweiten Bereich bilden. Denkbar ist eine Abdichtung eines entstehenden Durchgangs zwischen dem ersten Bereich und dem Verbindungsbereich oder dem zweiten Bereich am oberen Teil der Umlenkrolle und seitlich vakuumseitig der Aufhängung durch eine oder mehrere Schaberleisten. Leichte Undichtigkeiten dieser bevorzugten Ausführungsform könnten durch Vakuumpumpen im zweiten Bereich kompensiert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Umlenkeinrichtung eine halbkreisförmige Fläche ist, wobei die halbkreisförmige Fläche Bohrungen aufweist. Denkbar ist, dass innerhalb der halbkreisförmigen Fläche eine Pumpe zum Pumpen der Flüssigkeit verbaut ist. Diese Pumpe ist mit den Bohrungen in der halbkreisförmigen Fläche so verbunden, dass sie die Flüssigkeit durch die Bohrungen mit leichtem Überdruck in die Kehre gegen das Materialband drückt und so ein Flüssigkeitspolster zwischen der halbkreisförmigen Fläche und dem Materialband entsteht. Damit ist es möglich, das Materialband ohne Kontakt mit einer festen Oberfläche in seiner Richtung umzukehren. So können Beschädigungen oder Abrieb am Materialband vermieden werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass in Durchlaufrichtung des Materialbandes nach dem Siphon Abquetschrollen/Abquetschwalzen angebracht sind. Am Materialband haftende Flüssigkeit aus dem flüssigkeitsgefüllten Bereich des Siphons könnte Einfluss auf den Verarbeitungsprozess haben, welcher am Materialband ausgeführt wird. Abquetschwalzen dienen hier dem Entfernen von makroskopischen Flüssigkeitsrückständen auf dem Materialband.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Siphon einen mit der Flüssigkeit gefüllten Ausgleichsbehälter aufweist. Herrscht im zweiten Bereich ein Druck, welcher niedriger ist als der Druck im ersten Bereich, so bildet sich eine Flüssigkeitssäule im Verbindungsbereich aus. Durch das Ansteigen des Flüssigkeitspegels auf der Seite des zweiten Bereiches wird der Seite des ersten Bereiches Flüssigkeit entzogen, was zu einem Absinken des Flüssigkeitspegels auf dieser Seite führt. Um zu verhindern, dass der Flüssigkeitspegel bei Druckschwankungen zu stark schwankt oder gar unter das untere Niveau der Kehre fällt und damit Luft in den zweiten Bereich eingesogen wird, ist am Siphon auf der Seite des ersten Bereiches ein Ausgleichsbehälter angebracht, welcher ein Flüssigkeitsreservoir ist. Wird der zweite Bereich belüftet, kann dieser Ausgleichsbehälter ebenfalls das Volumen der Flüssigkeitssäule des Verbindungsbereichs aufnehmen. So werden Schwankungen des Flüssigkeitspegels auf der Seite des ersten Bereiches vorteilhaft minimiert.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Siphon eine Vorrichtung zum Regeln der Temperatur der Flüssigkeit aufweist. Das mögliche Endvakuum im zweiten Bereich ist abhängig vom Partialdampfdruck der Flüssigkeit, welcher wiederum abhängig ist von der Temperatur der Flüssigkeit. Weist beispielsweise Wasser bei Raumtemperatur einen Partialdampfdruck von 33 mbar auf, so liegt dieser bei 0°C noch bei 10 mbar. Mit einer Kühlung der Flüssigkeit lässt sich so in vorteilhafter Weise das mögliche Endvakuum im zweiten Bereich verbessern. Denkbar wäre aber auch ein Heizen der Flüssigkeit, um beispielsweise chemische Prozesse zwischen dem Materialband und der Flüssigkeit beim Durchlaufen zu steuern.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Bereich ein Element zum Heizen des Materialbandes aufweist. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise, mikroskopische Anhaftungen der Flüssigkeit am Materialband zu verdampfen und so vor der Verarbeitung des Materialbandes zu entfernen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Bereich ein Element zum Heizen von Wänden des zweiten Bereiches aufweist. Vom Materialband in den zweiten Bereich eingetragene Flüssigkeit könnte an den Wänden des zweiten Bereiches kondensieren. Passiert dies, lässt sich kaum vermeiden, dass die Flüssigkeit wieder auf das Materialband tropft und damit Probleme bei der Verarbeitung des Materialbandes entstehen. Ein Aufheizen der Wände des zweiten Bereiches über den Taupunkt der eingesetzten Flüssigkeit bei gegebenem Partialdruck im zweiten Bereich verhindert in vorteilhafter Weise das Kondensieren der Flüssigkeit an den Wänden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Bereich einen Kondensator aufweist. Dieser Kondensator könnte als Bauteil ausgelegt werden, dessen Temperatur so geregelt wird, dass sie stets die niedrigste Temperatur im zweiten Bereich ist. Wird in den zweiten Bereich Flüssigkeit eingetragen und verdampft, so lässt sich die Stelle an der der Flüssigkeitsdampf kondensiert, vorteilhaft mit der Platzierung des Kondensators beherrschen. Denkbar wäre, eine Stelle für den Kondensator im Inneren des zweiten Bereiches zu wählen, an welcher herabtropfende Flüssigkeit keinen Schaden anrichtet, sondern gesammelt und abgeführt werden kann. Alternativ wird dieser in Form einer Abpumpvorrichtung analog einer Evakuierungseinrichtung ausgeführt, in der das Gas dem Kondensator über ein Rohrleitungssystem zugeführt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Hintereinanderreihung einer Mehrzahl von Schleusenstufen aufweist. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise, ein, in einem vorherigen Verarbeitungsschritt, erwärmtes Materialband einzuschleusen. Dabei kann die Flüssigkeit einer ersten Schleusenstufe einen großen Teil der Wärme des Materialbandes aufnehmen und sich auf beispielsweise 60°C erwärmen. Denkbar wäre hier die Ableitung der Wärme mittels eines Kühlturms. Der evakuierte Bereich der ersten Schleusenstufe weist hierbei wiederrum einen Restgasdruck unterhalb des Partialdampfdrucks der Flüssigkeit der ersten Schleusenstufe auf und muss daher nur permanent abgepumpt werden, wenn Gase durch das Materialband eingeschleppt oder in einer Reaktion mit der Flüssigkeit entstehen. Die Flüssigkeit einer zweiten Schleusenstufe muss somit nur noch deutlich weniger Wärme aufnehmen. Denkbar wäre hier auch das Abkühlen eines Materialbandes auf unter Raumtemperatur.
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Weiterhin denkbar wäre die Nutzung einer ersten Schleusenstufe zur Reinigung des Materialbandes. So könnte die Flüssigkeit einer ersten Schleusenstufe beispielweise eine Säure zur Dekapierung des Materialbandes, vorzugsweise Salzsäure, sein, die Flüssigkeit einer zweiten Schleusenstufe könnte warmes Wasser zum Spülen des Materialbandes sein und die Flüssigkeit einer dritten Schleusenstufe könnte kaltes Wasser zur Druckabsenkung sein. Denkbar ist auch, zwischen den Schleusenstufen Abquetschwalzen zum Einsatz zu bringen.
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Denkbar ist auch, zum Ausschleusen eines in der Vakuumkammer erhitzten Materialbandes eine erste Schleusenstufe einzusetzen, in der die Flüssigkeit kaltes Wasser ist und eine zweite Schleusenstufe einzusetzen, in der die Flüssigkeit warmes Wasser ist. Durch den Leidenfrost-Effekt nimmt die Flüssigkeit der ersten Schleusenstufe kaum Wärme auf. Die Wärmeabgabe durch die Benetzung der Oberfläche des Bandmaterials, welche zur massiven Dampfbildung führt, erfolgt erst in der zweiten Schleusenstufe. Denkbar ist, dass die zweite Schleusenstufe mit starken Vakuumpumpen zum Aufrechterhalten des Vakuums und/oder mit einem Kondensator versehen ist.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe ist ein Verfahren nach Anspruch 12. Das Verfahren ermöglicht es, kontinuierlich Materialbänder in Vakuumkammern ein- und auszuschleusen, wobei nach der Evakuierung der Vakuumkammer nur noch wenig oder gar kein weiteres Vakuumpumpen nötig ist. Ferner ist das Verfahren unabhängig von Banddicken und/oder Bandbreiten des Materialbandes und ermöglicht es, mit nur wenigen einseitigen Rollenkontakten des Materialbandes auszukommen. Zum Schleusen von einem ersten Bereich in einen zweiten Bereich wird das Materialband vom ersten Bereich durch einen flüssigkeitsgefüllten Siphon, dessen Kehre vorzugsweise U-förmig gestaltet ist, in einen zweiten Bereich geführt. Dadurch, dass das Materialband durch eine flüssigkeitsgefüllte Verbindung geführt wird, wird verhindert, dass Gas zwischen dem ersten Bereich und dem zweiten Bereich ausgetauscht wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zweite Bereich evakuiert wird. Durch das Evakuieren des zweiten Bereiches wird eine Behandlung des Materialbandes im zweiten Bereich unter Vakuum ermöglicht. Der gasdichte Abschluss im Siphon ermöglicht es, den zweiten Bereich auf ein Betriebsvakuum, vorzugsweise im Bereich des Grobvakuums zu pumpen und die Vakuumpumpen dann abzustellen, ohne dass das Vakuum im zweiten Bereich einbricht.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Materialband im Siphon von einer Umlenkreinrichtung umgelenkt wird. Hierbei wird die Laufrichtung des Materialbandes entlang der Form des Siphons geführt. Der Siphon hat vorzugsweise am tiefsten Punkt eine U-förmige Kehre, durch die das Materialband geführt werden muss, das heißt, es wird von einer Abwärtsbewegung in eine Aufwärtsbewegung umgelenkt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Materialband an einer halbkreisförmigen Umlenkeinrichtung mit Bohrungen, wobei aus den Bohrungen die Flüssigkeit mit leichtem Überdruck gepresst wird, umgelenkt wird. Denkbar ist, dass von einer Pumpe im Inneren der Umlenkreinrichtung Flüssigkeit durch die Bohrungen nach Außen in die Kehre gepresst wird. Wird das Materialband entlang der Umlenkeinrichtung geführt, so bildet sich ein Flüssigkeitspolster zwischen Umlenkeinrichtung und Materialband. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise das Materialband ohne Kontakt mit einer festen Oberfläche umzulenken.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Materialband im zweiten Bereich außerhalb der Flüssigkeit von Abquetschrollen getrocknet wird. Das ermöglicht es, das Materialband von makroskopischen Flüssigkeitsanhaftungen zu befreien, welche sich beim Durchgang des Materialbandes durch den flüssigkeitsgefüllten Teil des Siphons am Materialband anlagern können.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperatur der Flüssigkeit geregelt wird. Dies ermöglicht es, dass der Partialdampfdruck der Flüssigkeit herabgesetzt wird. Die Qualität des Vakuums im zweiten Bereich ist abhängig vom Partialdampfdruck der Flüssigkeit. Wird diese gekühlt, so fällt der Partialdampfdruck und damit wird es ermöglicht, ein besseres Vakuum im zweiten Bereich einzustellen. Ferner ist es denkbar, dass die Flüssigkeit geheizt wird, um mögliche chemische Prozesse zwischen Flüssigkeit und Materialband zu steuern. So ist es denkbar, dass als Flüssigkeit eine warme Säure zum gleichzeitigen Reinigen des Materialbandes während des Einschleusens eingesetzt wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Materialband im zweiten Bereich geheizt wird. Auf diese Weise können auf vorteilhafte Weise mikroskopische Flüssigkeitsanhaftungen vom Materialband verdampft werden. Denkbar wäre beispielsweise, dass das Materialband über beheizte Rollen geführt wird oder dass das Materialband von einer Infrarotlampe oder einem Laser beleuchtet wird. Ist das Materialband leitend, bietet es sich an, vorzugsweise eine angepasste induktive Heizung einzusetzen. Um Überschläge aufgrund des Vakuums zu verhindern, arbeitet diese vorzugsweise bei kleiner Spannung < 200 V.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Temperatur von Wänden des zweiten Bereiches geregelt wird. Damit ist es möglich, das Kondensieren von Flüssigkeitsdämpfen an den Wänden des zweiten Bereiches und damit das unkontrollierte Herabtropfen der kondensierten Flüssigkeit zu unterbinden. Damit kann eine Beeinträchtigung der Verarbeitung des Materialbandes durch ein Herabtropfen der an den Wänden des zweiten Bereiches kondensierten Flüssigkeit auf das Materialband vermieden werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass das Materialband durch eine Hintereinanderreihung von einer Mehrzahl von Schleusenstufen geführt wird. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise, ein, in einem vorherigen Verarbeitungsschritt, erwärmtes Materialband einzuschleusen. Dabei kann die Flüssigkeit einer ersten Schleusenstufe einen großen Teil der Wärme des Materialbandes aufnehmen und sich auf beispielsweise 60°C erwärmen. Denkbar wäre hier die Ableitung der Wärme mittels eines Kühlturms. Der evakuierte Bereich der ersten Schleusenstufe weist hierbei wiederrum einen Restgasdruck unterhalb des Partialdampfdruckes der Flüssigkeit der ersten Schleusenstufe auf und muss daher nur permanent abgepumpt werden, wenn Gase durch das Materialband eingeschleust oder in einer Reaktion mit der Flüssigkeit entstehen. Die Flüssigkeit einer zweiten Schleusenstufe muss somit nur noch deutlich weniger Wärme aufnehmen. Denkbar wäre hier auch das Abkühlen eines Materialbandes auf unter Raumtemperatur.
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Weiterhin denkbar wäre die Nutzung einer ersten Schleusenstufe zur Reinigung des Materialbandes. So könnte als Flüssigkeit einer ersten Schleusenstufe beispielweise eine Säure zur Dekapierung des Materialbandes, vorzugsweise Salzsäure, verwendet werden, als Flüssigkeit einer zweiten Schleusenstufe könnte warmes Wasser zum Spülen des Materialbandes verwendet werden und als Flüssigkeit einer dritten Schleusenstufe könnte kaltes Wasser zur Druckabsenkung verwendet werden. Denkbar ist auch, zwischen den Schleusenstufen Abquetschwalzen zum Einsatz zu bringen.
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Weiterhin ist denkbar, zum Ausschleusen eines in der Vakuumkammer erhitzten Materialbandes eine erste Schleusenstufe einzusetzen, in der als Flüssigkeit kaltes Wasser verwendet wird und eine zweite Schleusenstufe einzusetzen, in der als Flüssigkeit warmes Wasser verwendet wird. Durch den Leidenfrost-Effekt nimmt die Flüssigkeit der ersten Schleusenstufe kaum Wärme auf. Die Wärmeabgabe durch die Benetzung der Oberfläche des Materialbandes, welche zur massiven Dampfbildung führt, erfolgt erst in der zweiten Schleusenstufe. Denkbar ist, dass die zweite Schleusenstufe mit starken Vakuumpumpen zum Aufrechterhalten des Vakuums und/oder mit einem Kondensator versehen ist.
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Ferner ist denkbar, nach dem Ausschleusen aus dem Vakuum in einer weiteren Schleusenstufe das Materialband zu spülen. Denkbar ist auch, das Materialband in einer weiteren Schleusenstufe zu passivieren, beispielsweise zu phosphatieren.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Die Zeichnung illustriert dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Abbildung einer Vorrichtung zum kontinuierlichen Einschleusen und/oder Ausschleusen von Materialbändern in Vakuumanlagen gemäß eines Referenzbeispiels mit einer einzelnen Schleusenstufe.
- 2 zeigt eine schematische Abbildung der Vorrichtung zum kontinuierlichen Einschleusen und Ausschleusen von Materialbändern in Vakuumanlagen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 3 zeigt eine schematische Abbildung der Umlenkeinrichtung in Vakuumanlagen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
- 4 zeigt eine schematische Abbildung der Umlenkeinrichtung in Vakuumanlagen gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den verschiedenen Figuren sind gleiche Teile stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden daher in der Regel auch jeweils nur einmal benannt bzw. erwähnt.
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In 1 ist schematisch das Grundprinzip des kontinuierlichen Einschleusen und/oder Ausschleusen von Materialbändern in einer Vakuumanlage gezeigt. Ein Materialband 7 wird von oben kommend in eine Schleusenstufe 1 geführt. Die abgebildete Vorrichtung zeigt dabei exemplarisch nur eine einzelne Schleusenstufe 1. Die Schleusenstufe weist einen Siphon 20 auf, welcher eine Kehre 2 und einen Verbindungsbereich 40 aufweist. In der Kehre 2 wird das Materialband 7 in einer Kurve geführt, so dass die Bewegungsrichtung des Materialbandes 7 vor der Kehre 2 eine Richtungskomponente nach unten und nach der Kehre 2 eine Richtungskomponente nach oben hat. In der Kehre 2 wird das Materialband 7 von einer Umlenkeinrichtung 6 umgelenkt. Der Siphon 20 ist mit einer Flüssigkeit 3 gefüllt. Der Siphon 20 verbindet einen ersten Bereich 4 mit einem zweiten Bereich 4', wobei der Siphon 20 der einzige Durchgang zwischen dem ersten Bereich 4 und dem zweiten Bereich 4' ist. Wird der zweite Bereich 4' evakuiert, so steigt der Pegel der Flüssigkeit 3 im Verbindungsbereich 40 bis zu der Höhe an, bei der der hydrostatische Druck der Flüssigkeitssäule im Verbindungsbereich 40 dem Unterschied des Drucks im ersten Bereich 4 und des Drucks im zweiten Bereich 4' entspricht. Dabei kann der zweite Bereich 4' nur soweit evakuiert werden, bis der Druck im zweiten Bereich 4' dem Partialdampfdruck der Flüssigkeit 3 entspricht. Wird der zweite Bereich 4' weiter evakuiert, so fängt die Flüssigkeit 3 im zweiten Bereich 4' an zu kochen und aus dem zweiten Bereich 4' wird lediglich der Dampf der Flüssigkeit 3 abgepumpt. Die Flüssigkeit 3 ist Wasser. Das Wasser ist auf 0,1 °C gekühlt. Damit lässt sich der zweite Bereich auf circa 10 mbar evakuieren. Das Wasser im Siphon 20 schließt den zweiten Bereich 4' gegenüber dem ersten Bereich 4 gasdicht ab. Beim Erreichen des Endvakuums von 10 mbar kann das Evakuieren eingestellt werden und das Vakuum im zweiten Bereich 4' bleibt erhalten. Um Pegelschwankungen des Wassers im ersten Bereich 4 zu minimieren, weist der Siphon 20 auf der Seite des ersten Bereiches 4 einen Ausgleichsbehälter 9 auf. Dieser Ausgleichsbehälter 9 ist ein Reservoir, welches die Flüssigkeit 3 enthält. Im Falle der Belüftung des zweiten Bereichs 4' kann dieser auch das rückströmende Wasser aus dem Verbindungsbereich 40 aufnehmen bzw. beim Evakuieren bereitstellen. Das Materialband 7 wird nun vom ersten Bereich 4 durch die Flüssigkeit 3 in den Siphon 20 geführt, dort mit einer Umlenkeinrichtung 6 umgelenkt und durch den Verbindungsbereich 40 in den zweiten Bereich 4' eingeschleust. Zum Entfernen von Flüssigkeitsanhaftungen durchläuft das Materialband 7 nach Verlassen der Flüssigkeit 3 Abquetschwalzen 8.
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In
2 ist schematisch das Grundprinzip des kontinuierlichen Einschleusens und Ausschleusens von Materialbändern in Vakuumanlagen gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Hierbei sind eine Mehrzahl von Schleusenstufen 1 hintereinandergeschaltet. Das Materialband 7 läuft von einem ersten Bereich 4 durch einen Siphon 20 in einen zweiten Bereich 4'. Die Flüssigkeit des Siphons 20 zwischen dem ersten Bereich 4 und dem zweiten Bereich 4' ist beispielsweise 60°C warme Säure. Die Säure dekapiert das Materialband 7 zur weiteren Verarbeitung. Im zweiten Bereich 4' wird das Materialband 7 von Abquetschrollen 8 getrocknet. Vom zweiten Bereich 4' läuft das Materialband 7 durch einen zweiten Siphon 21 in einen dritten Bereich 41. Die Flüssigkeit im zweiten Siphon 21 ist beispielsweise 60°C warmes Wasser. Durch das 60°C warme Wasser wird das Materialband 7 gespült. Der zweite Bereich 4' ist auf 0,6 bar evakuiert. Um diesen Druck trotz des im Siphon 21 entstehenden Wasserstoffs aufrecht zu erhalten, muss dieser dauerhaft geregelt evakuiert werden. Durch den gasdichten Abschluss des zweiten Bereichs 4' ist die Bildung einer explosiven Atmosphäre ausgeschlossen und der abgepumpte Wasserstoff kann als Reinstoff am Pumpenausgang gesammelt und anderweitig wirtschaftlich verwertet werden. Der dritte Bereich 41 ist auf 0,3 bar evakuiert. Hier wird das Materialband 7 von zweiten Abquetschrollen 80 getrocknet. Vom dritten Bereich 41 wird das Materialband 7 durch ein drittes Siphon 22 in einen vierten Bereich 42 geführt. Der dritte Siphon 22 ist mit 4°C kaltem Wasser gefüllt. Eine Wärmepumpe 16 führt energiesparend die durch das Materialband 7 permanent vom zweiten Siphon 21 in den dritten Siphon 22 verschleppte Wärmeenergie von der Flüssigkeit des dritten Siphons 22 der Flüssigkeit des zweiten Siphons 21 zu. Das Materialband 7 wird im vierten Bereich 42 von dritten Abquetschrollen 81 von makroskopischen Flüssigkeitsanhaftungen befreit und von einer beheizten Umlenkrolle 122 aufgeheizt und so von mikroskopischen Flüssigkeitsanhaftungen befreit. Der Druck im vierten Bereich 42 ist bis auf den Partialdampfdruck der Flüssigkeit im dritten Siphon 22 abgesenkt. Der vierte Bereich 42 weist eine Prozesskammer 17 auf, in der ein Beschichtungsprozess am Materialband 7 vollzogen und das Materialband 7 stark erhitzt wird. Die Wände des vierten Bereiches 42 sind aufgeheizt. Ferner befindet sich abseits der Prozesskammer 17 entfernt vom Materialband 7 ein Kondensator (nicht gezeigt). Am Kondensator (nicht gezeigt) kondensiert Flüssigkeitsdampf, welcher vom aufgeheizten Materialband 7 stammt. Um das Eindringen von Wasserstoff aus dem vierten Bereich 42 in die Prozesskammer 17 zu verhindern, wird beispielsweise eine permanente Gasströmung eines Inertgases aus der Prozesskammer 17 aufrechterhalten. Beispielsweise kann dies, wie in der
DE 10 2017 221 346 A1 beschrieben, mit dem nicht gezeigten Kondensator als Filterelement erfolgen. Eine beispielhafte zweite Ausführung, wie in der
DE 10 2017 221 346 A1 beschrieben, kann das Eindringen von Prozessrückständen aus der Prozesskammer 17 in den vierten Bereich 42 verhindern. Die kondensierte Flüssigkeit wird kontrolliert abgeführt, so dass der Beschichtungsprozess nicht von Tropfen der kondensierten Flüssigkeit beeinflusst wird. Vom vierten Bereich 42 wird das Materialband 7 durch einen vierten Siphon 23 in einen fünften Bereich 43 geführt. Die Flüssigkeit im vierten Siphon 23 ist 4°C kaltes Wasser. Das in der Prozesskammer 17 stark erhitzte Materialband wird in das 4°C kalte Wasser geführt. Durch den großen Temperaturunterschied zwischen Materialband 7 und Wasser des vierten Siphons 23 kommt es zu einem Leidenfrost-Effekt zwischen Materialband 7 und der Flüssigkeit des vierten Siphons 23. Eine dünne Dampfschicht verhindert, dass das Materialband 7 benetzt und größere Mengen Wärme an die Flüssigkeit des vierten Siphons 23 abgibt und so große Mengen Dampf im vierten Siphon 23 entstehen, welche in den vierten Bereich 42 gelangen könnten und durch den nicht gezeigten Kondensator nicht mehr beherrscht werden könnten. Durch einen fünften Siphon 24 wird das Materialband 7 vom fünften Bereich 43 in einen sechsten Bereich 44 geführt. Der Druck des sechsten Bereiches 44 ist 1 bar. Die Flüssigkeit im fünften Siphon 24 ist eine Passivierungsflüssigkeit, die das Materialband 7 beim Ausschleusen passiviert. Die dort beim Benetzen und Kühlen des Metallbandes 7 durch die Flüssigkeit entstehenden Dämpfe gelangen in den fünften Bereich 43, wo sie einem nicht gezeigten Kondensator zugeführt werden. Der dort mögliche deutlich höhere Dampfdruck ermöglicht dessen Beherrschung durch den nicht gezeigten Kondensator. Da sich die Flüssigkeit in Siphon 24 deutlich erwärmen kann, ohne dass der erlaubte Partialdruck im fünften Bereich 43 überschritten wird, ist eine einfache Rückkühlung der Flüssigkeit über ein Kühlmedium möglich. Um eine Verunreinigung der Passivierungsflüssigkeit im offenen Kühlturm zu verhindern, wird ein Wärmetauscher zwischengeschaltet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Umlenkeinrichtung 6 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Materialband 7 wird von einer Umkehrrolle 12 umgelenkt. Die Umkehrrolle 12 bildet gleichzeitig eine Kehre 2 eines Siphons 20. Auf der linken Seite der Umkehrrolle 12 ist ein Ausgleichsbehälter 9 des Siphons 20 und auf der rechten Seite der Umkehrrolle 12 ist ein Verbindungsbereich 40 des Siphons 20. Die Umkehrrolle 12 ist so platziert, dass die Aufhängung 13 der Umkehrrolle 12 nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit 3 kommt. Dies wird erreicht, indem die rechte Seite der Umkehrrolle 12 von der linken Seite der Umkehrrolle 12 oberhalb der Flüssigkeit im Bereich 4 und der Umkehrrolle 12 gasdicht mit einer Wand 15 und einer Schaberleiste 14 getrennt wird. Diese Schaberleiste wird seitlich (nicht gezeigt) fortgesetzt, so dass die Wand 15, die Schaberleiste 14 und Umlenkeinrichtung 6 eine gasdichte Abschottung bzw. eine Verlängerung der Wand 15 darstellen.
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4 zeigt ein schematisches Schnittbild einer Umlenkeinrichtung 6 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Umlenkeinrichtung 6 ist als halbkreisförmige Fläche 10 ausgeführt. Die halbkreisförmige Fläche 10 weist eine Mehrzahl von Bohrungen auf, welche ein inneres Volumen 100, welches von der halbkreisförmigen Fläche 10 und einer Wand 15 umschlossen wird, und ein äußeres Volumen 1000 verbinden. Die halbkreisförmige Fläche 10 bildet eine Kehre 2 eines Siphons 20 und ist in eine Flüssigkeit 3 des Siphons 20 eingetaucht. Eine Pumpe 11 pumpt die Flüssigkeit 3 durch die Bohrungen der halbkreisförmigen Fläche 10 so, dass ein Flüssigkeitspolster zwischen einem Materialband 7, welches durch das äußere Volumen 1000 an der halbkreisförmigen Fläche 10 vorbeigeführt wird, entsteht, dessen Druck den Bandzug des Materialbandes 7 mindestens kompensiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schleusenstufe
- 2
- Kehre
- 20
- Siphon
- 21
- zweiter Siphon
- 22
- dritter Siphon
- 24
- vierter Siphon
- 3
- Flüssigkeit
- 4
- Erster Bereich
- 4'
- zweiter Bereich
- 40
- Verbindungsbereich
- 41
- Dritter Bereich
- 42
- Vierter Bereich
- 43
- Fünfter Bereich
- 44
- Sechster Bereich
- 6
- Umlenkreinrichtung
- 7
- Materialband
- 8, 80, 81
- Abquetschrollen
- 9
- Ausgleichsbehälter
- 10
- Halbkreisförmige Fläche
- 100
- Inneres Volumen
- 1000
- Äußeres Volumen
- 11
- Pumpe
- 12
- Umkehrrolle
- 122
- Beheizte Umlenkrolle
- 13
- Aufhängung
- 14
- Schaberleiste
- 15
- Wand
- 16
- Wärmepumpe
- 17
- Prozesskammer
