一种真空镀膜补液和稳定金属蒸汽供应量的装置及其方法
阅读说明：本技术 一种真空镀膜补液和稳定金属蒸汽供应量的装置及其方法 (Device and method for supplementing liquid and stabilizing metal steam supply amount in vacuum coating ) 是由 任三兵 樊俊飞 李山青 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种真空镀膜补液和稳定金属蒸汽供应量的装置及其方法,包括补料室,所述补料室通过过渡管连通有蒸发坩埚,所述蒸发坩埚连有镀膜室；所述补料室内设有料仓,所述料仓通过过渡管连通所述蒸发坩埚；所述蒸发坩埚的外侧设有坩埚加热器和红外液位仪,蒸发坩埚的顶部通过蒸汽管道连通有镀膜喷嘴,所述镀膜喷嘴位于所述镀膜室内；所述过渡管外侧设有过渡管加热器,所述镀膜喷嘴外侧设有喷嘴加热器,所述蒸汽管道上还设有阀门,所述阀门上还设有压力检测元件。本发明实现简单有效的能提供金属蒸汽供应装置和方法,并在供应金属蒸汽的过程中同时增加了金属蒸汽的生成量。(The invention discloses a device and a method for vacuum coating liquid supplement and metal vapor supply stabilization, and the device comprises a supplement chamber, wherein the supplement chamber is communicated with an evaporation crucible through a transition pipe, and the evaporation crucible is connected with a coating chamber; a feed bin is arranged in the feed supplementing chamber and is communicated with the evaporation crucible through a transition pipe; a crucible heater and an infrared liquid level meter are arranged on the outer side of the evaporation crucible, the top of the evaporation crucible is communicated with a coating nozzle through a steam pipeline, and the coating nozzle is positioned in the coating chamber; the outer side of the transition pipe is provided with a transition pipe heater, the outer side of the coating nozzle is provided with a nozzle heater, the steam pipeline is further provided with a valve, and the valve is further provided with a pressure detection element. The invention is realized simply and effectively, can provide the metal steam supply device and the method, and simultaneously increases the generation amount of the metal steam in the process of supplying the metal steam.)
技术领域
本发明涉及真空镀膜技术领域，更具体地说，涉及一种真空镀膜补液和稳定金属蒸汽供应量的装置及其方法。
背景技术
物理蒸发镀(PVD)是指在真空条件下加热被镀金属，使之以气态的方式沉积到基材上形成镀膜的工艺技术。根据加热方式的不同又分为电加热(电阻或感应式)和电子束枪加热(EBPVD)等。真空镀膜作为表面改性和镀膜工艺，已经在电子、玻璃、塑料等行业得到了广泛的应用，真空镀膜技术主要优点在于其环保、良好的镀膜性能和可镀物质的多样性。连续带钢运用真空镀膜技术的关键在于镀膜生产连续化、大面积、高速率、大规模生产等几个方面，从上世纪八十年代开始，世界各大钢铁公司都对此技术进行了大量的研究，随着热镀锌和电镀锌技术的成熟，该技术正在受到空前的重视，并被人为是创新型的表面镀膜工艺。
在大规模的真空镀膜过程中，在某些工艺条件下需要涉及到的重要一点是如何实现喷镀过程的连续化作业，同时喷镀过程中蒸发坩埚中的体积和空间有限，所以在喷镀过程中大流量的消耗时，一方面会降低液位从而引起后续操作的不稳定性，另一方面在极端情况下由于锌料耗竭容易引起蒸发坩埚的过烧等事故。
在现有的专利申请中，如CN101680080 A所公开的涂布基体的方法以及金属合金的真空沉积装置，通过真空沉积装置将包含至少两种元素的金属合金连续沉积该基体上，所述真空沉积装置包含蒸汽喷射涂布设备，该设备使得可以将以预定且恒定的相对比例包含这些金属元素的蒸汽喷射到基体上，所述蒸汽预先达到声速。在所述蒸发设备由配备有加热设备的蒸发坩埚构成，且将组成受控的熔融金属合金供给所述蒸发坩埚的所述供料设备包括再加料炉，该再加料炉连接到金属锭供料设备且配备有加热系统，所述再加料炉连接到它所供料的蒸发坩埚。其中所述再加料炉和所述蒸发坩埚并排放置且至少由一个开口穿过公共壁，该开口位于金属合金浴的水平面以下且位于所述炉和坩埚的底部以上。
如图1所示，CN10332868 B所公开工业金属蒸汽发生器的自动供给装置，涉及在行进的基体上进行金属镀层的连续真空沉积设施，所述设施包括：真空沉积壳件1；至少一音速蒸汽喷射涂镀头2、3，涂镀头2、3通过配有分配阀4的蒸汽供给管道5与蒸发坩埚6相连接，蒸发坩埚6用于容置液体7形式的涂镀金属；和所述金属的熔炉8，所述熔炉8处于大气压力，位于蒸发坩埚6的最低部分的下方，并通过蒸发坩埚6的配有供给泵9的至少一给管道10和通过作为选择配有阀11、12的使液态金属回行的至少一回行管道13、14与蒸发坩埚6相连接。
如图2所示，CN101855380 B所公开用于在金属带上沉积合金镀膜的工业蒸汽发生器，涉及用于在基材15、优选钢带上沉积金属镀膜的蒸汽发生器，其中包括真空室16，所述真空室16呈围腔的形式并包含被称为喷射器17的蒸汽沉积头，所述喷射器17借助于供应管道18与至少一个坩埚19密封的相连通，所述坩埚19容纳液体的形式的镀膜金属并位于所述真空室16外面，其特征在于，所述喷射器17包括蒸汽出口的纵向缝隙，所述纵向缝隙起音频作用并在整个基材宽度上延伸，烧结材料制的压力结构件20或过滤介质在蒸汽通道上、紧接缝隙之前布置所述喷射器17中，以使所述喷射器17通过所述音频流出的蒸汽均匀化。
上述专利申请中，针对锌料的添加方式给出了实施方案，这些方案中有的管道冗长，需要耗费大量的耐材，并在给管道保温的过程中耗费大量能量；有的在实施的过程中也需要过多的真空保护，设备体积庞大，不利于维护，并增加了维护成本。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种真空镀膜补液和稳定金属蒸汽供应量的装置及其方法，实现简单有效的能提供金属蒸汽供应装置和方法，并在供应金属蒸汽的过程中同时增加了金属蒸汽的生成量。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一方面，一种真空镀膜补液和稳定金属蒸汽供应量的装置，包括补料室，所述补料室通过过渡管连通有蒸发坩埚，所述蒸发坩埚连有镀膜室；
所述补料室内设有料仓，所述料仓通过过渡管连通所述蒸发坩埚；
所述蒸发坩埚的外侧设有坩埚加热器和红外液位仪，蒸发坩埚的顶部通过蒸汽管道连通有镀膜喷嘴，所述镀膜喷嘴位于所述镀膜室内；
所述过渡管外侧设有过渡管加热器，所述镀膜喷嘴外侧设有喷嘴加热器，所述蒸汽管道上还设有阀门，所述阀门上还设有压力检测元件。
所述补料室的顶部设有补料室盖板，所述补料室盖板的上方设有加料斗。
所述补料室还连通外侧的料仓真空室，所述镀膜室还连通外侧的镀膜真空室。
所述过渡管的上段与所述料仓相连，所述过渡管上段内设有引流段，所述引流段内设有松料器。
所述引流段设置为收缩状。
所述过渡管的下端部连有喷头，所述喷头位于所述蒸发坩埚内，所述喷头的下方设有内加热器。
另一方面，一种真空镀膜补液和稳定金属蒸汽供应量的方法，包括以下步骤：
1)镀膜开始前，在蒸发坩埚中加入金属颗粒，在过渡管内部添加大体积的金属颗粒，形成引流段，使蒸发坩埚内部处于密闭状态，引流段形成后在料仓中加入金属颗粒；
2)关闭蒸汽管道上阀门，补料室和镀膜室分别抽空至真空状态；
3)启动蒸发坩埚的坩埚加热器，使得蒸发坩埚内的金属颗粒熔化成液态金属液并不断蒸发，形成金属蒸汽；
4)当压力检测元件检测到蒸发坩埚内压力到达喷射压力时，开启蒸汽管道上阀门；
5)金属板带开始移动，镀膜喷嘴喷射金属蒸汽不断沉积到金属板带上，形成致密的镀层；
6)通过红外液位仪实时检测蒸发坩埚内金属液的液位，当液位低于最低设定值时，过渡管外侧的过渡管加热器启动，补料室进行抽真空，加热过渡管，高温下的过渡管将置于其内的金属颗粒引流段熔化，从而形成金属液流至蒸发坩埚中；
7)当红外液位仪检测液位到达设定值时，停止过渡管外侧的过渡管加热器，使得过渡管内的金属液迅速凝固，从而停止对蒸发坩埚内的补料；
8)关闭料仓真空室，打开补料室盖板，通过加料斗加入金属颗粒至料仓中，并通过松料器使得过渡管内不会出现堵塞现象。
所述金属颗粒直径与所述过渡管内径的比为1：5～1：10。
所述过渡管加热器功率与过渡管内径、壁厚关系如下：
过渡管内径为20～35mm，壁厚为5～15mm，则过渡管加热器功率设置为3～10KW；
过渡管内径为35～50mm，壁厚为5～15mm，则过渡管加热器功率设置为10～20KW；
过渡管内径为50～75mm，壁厚为5～20mm，则过渡管加热器功率设置为20～30KW；
过渡管内径为75～100mm，壁厚为5～20mm，则过渡管加热器功率设置为30～50KW。
所述内径为100mm的过渡管体积与所述蒸发坩埚体积比设置如下：
当补液时间≤5min时，过渡管体积与蒸发坩埚体积比为1：20～1：30；
当5min≤补液时间≤20min时，过渡管体积与蒸发坩埚体积比为1：30～1：40。
所述补料室内压力P补与所述蒸发坩埚内压力P蒸之间的关系如下：
当蒸发坩埚内液位低于1/3正常液位时，P补≥50P蒸；
当蒸发坩埚内液位低于1/4正常液位时，P补≥200P蒸；
当蒸发坩埚内液位低于1/5正常液位时，P补≥500P蒸。
所述坩埚加热器功率P与所述蒸发坩埚内压力P蒸之间的关系如下：
当蒸发坩埚内压力P蒸低于1/3正常压力时，P≥1.2P蒸；
当蒸发坩埚内压力P蒸低于1/4正常压力时，P≥1.5P蒸；
当蒸发坩埚内压力P蒸低于1/5正常压力时，P≥2P蒸。
所述过渡管内熔化后的金属液，先进入过渡管下端部的喷头，喷头上布置细微小孔，金属液通过喷头上小孔流出的过程中，形成了细小的金属液滴，喷头下方设置了内加热器，当蒸发坩埚中的蒸汽压力不足时，启动内加热器，金属液滴流过内加热器的过程中直接被加热蒸发，金属蒸汽快速补充至蒸发坩埚中，当蒸发坩埚中的蒸汽压力正常后，关闭内加热器，继续通过金属液滴进行补液。
本发明所提供的一种真空镀膜补液和稳定蒸汽供应量的装置及其方法，金属料置于单独的料仓，料仓置于单独的真空室内，料仓通过过渡管与蒸发坩埚相连，蒸发坩埚及镀膜喷嘴相接，并处于真空室中，为穿过真空室的运动金属带进行镀膜。过渡管外侧通过加热控制器对其管道实现加热和冷却的作用，从而实现加料和停料的控制。在通过过渡管为蒸发坩埚供料时采用喷淋方法，并在坩埚内部添加内加热装置，从而使得金属液滴在下落的过程中受到高温管的加热迅速形成蒸汽，补充至镀膜喷嘴中，本发明投入少，操作简单，未来可以和真空镀膜技术成套输出。
附图说明
图1是专利CN10332868 B的示意图；
图2是专利CN101855380 B的示意图；
图3是本发明真空镀膜补液和稳定蒸汽供应量的装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
请结合图3所示，本发明所提供的一种真空镀膜补液和稳定蒸汽供应量的装置，包括补料室21，所述补料室21通过过渡管22连通有蒸发坩埚23，所述蒸发坩埚23连有镀膜室24。
较佳的，所述补料室21内设有料仓25，所述料仓25通过过渡管22连通所述蒸发坩埚23，所述补料室21连通外侧的料仓真空室26，所述补料室21的顶部设有补料室盖板27，所述补料室盖板27的上方设有加料斗28。所述料仓25可以通过在大气环境下打开所述补料室盖板27并由所述加料斗28进行加料。此时过渡管22通过在其内部添加引流段31从而隔绝其与主管道之间的气体流通。
较佳的，所述过渡管22外侧设有过渡管加热器29，用于控制过渡管22及其内部金属颗粒30的温度。该过渡管加热器29可以分段分时控制加热功率，从而实现在过渡管22上不同的温度效果。所述过渡管22的上段与所述料仓25相连，所述过渡管22上段内设有引流段31，所述引流段31内设有松料器32。所述松料器32用于加入过渡管22内部金属颗粒30的有序下落。
较佳的，所述蒸发坩埚23的外侧设有坩埚加热器33和红外液位仪34，蒸发坩埚23的顶部通过蒸汽管道35连通有镀膜喷嘴36，所述镀膜喷嘴36位于所述镀膜室24内，镀膜室24还连通外侧的镀膜真空室43。所述镀膜喷嘴36外侧设有喷嘴加热器37，所述蒸汽管道35上还设有阀门38，所述阀门38上还设有压力检测元件。在镀膜开始前，关闭蒸汽管道35上阀门38，并封堵过渡管22的引流段31，从而实现蒸发坩埚23与外侧大气环境的隔绝。启动坩埚加热器33后，可以通过调节其功率，控制蒸汽管道35内的金属蒸汽39压力。
较佳的，所述过渡管22的下端部连有喷头40，所述喷头40位于所述蒸发坩埚23内，所述喷头40的下方设有内加热器41。
较佳的，所述镀膜室24内布置镀膜喷嘴36和移动的金属板带42，喷嘴加热器37实现镀膜喷嘴36温度的控制，金属板带42通过在镀膜真空室43外侧的移动密封实现室内外的空气隔绝。通过蒸汽管道35上阀门38控制通入镀膜喷嘴36的金属蒸汽39流量。
本发明还一种真空镀膜补液和稳定蒸汽供应量的方法，包括以下步骤：
1)镀膜开始前，在蒸发坩埚23中加入金属颗粒，金属颗粒的体积与蒸发坩埚23的体积有一定的比例。在过渡管22内部添加大体积的金属颗粒，并添加引流段31，使蒸发坩埚23内部处于密闭状态，引流段31形成后在料仓25中加入金属颗粒30；
2)关闭蒸汽管道35上阀门38，补料室21和镀膜室24分别抽空至真空状态；
3)启动蒸发坩埚23的坩埚加热器33，使得蒸发坩埚23内的金属颗粒熔化成液态金属液44并不断蒸发，形成金属蒸汽39；
4)当压力检测元件检测到蒸发坩埚23内压力到达喷射压力时，开启蒸汽管道35上阀门38；
5)金属板带42开始移动，镀膜喷嘴36喷射金属蒸汽39不断沉积到金属板带42上，形成致密的镀层45；
6)通过红外液位仪34实时检测蒸发坩埚23内金属液44的液位，当液位低于最低设定值时，过渡管22外侧的过渡管加热器29启动，补料室21进行抽真空，加热过渡管22，高温下的过渡管22将置于其内的金属颗粒引流段31熔化，从而形成金属液流至蒸发坩埚23中；
在上述过程中，所述过渡管22内熔化后的金属液，先进入过渡管22下端部的喷头40，喷头40上布置细微小孔，金属液通过喷头40上小孔流出的过程中，形成了细小的金属液滴，喷头40下方设置了内加热器41，当蒸发坩埚23中的蒸汽压力不足时，启动内加热器41，金属液滴流过内加热器41的过程中直接被加热蒸发，金属蒸汽快速补充至蒸发坩埚23中，当蒸发坩埚23中的蒸汽压力正常后，关闭内加热器41，继续通过金属液滴进行补液。
7)当红外液位仪34检测液位到达设定值时，停止过渡管22外侧的过渡管加热器29，使得过渡管22内的金属液迅速凝固，从而停止对蒸发坩埚23内的补料；
8)关闭料仓真空室26，打开补料室盖板27，通过加料斗28加入金属颗粒至料仓25中，并通过松料器32使得过渡管22内不会出现堵塞现象。
较佳的，所述金属颗粒30直径与所述过渡管22内径的比为1：5～1：10，金属颗粒30可以为球形、圆柱形或其他各种形状的颗粒。
较佳的，所述过渡管22内引流段31设置为收缩状，用以在凝固过程中起到密闭的作用。当接收到补液命令时，过渡管加热器29启动，过渡管加热器29功率与过渡管22内径、壁厚关系如下：
过渡管22内径为20～35mm，壁厚为5～15mm，则过渡管加热器29功率设置为3～10KW；
过渡管22内径为35～50mm，壁厚为5～15mm，则过渡管加热器29功率设置为10～20KW；
过渡管22内径为50～75mm，壁厚为5～20mm，则过渡管加热器29功率设置为20～30KW；
过渡管22内径为75～100mm，壁厚为5～20mm，则过渡管加热器29功率设置为30～50KW。
较佳的，所述内径为100mm的过渡管22体积与所述蒸发坩埚23体积比设置如下：
当补液时间≤5min时，过渡管体积与蒸发坩埚体积比为1：20～1：30；
当5min≤补液时间≤20min时，过渡管体积与蒸发坩埚体积比为1：30～1：40。
较佳的，所述补料室21内压力P补与所述蒸发坩埚23内压力P蒸之间的关系如下：
当蒸发坩埚23内液位低于1/3正常液位时，P补≥50P蒸；
当蒸发坩埚23内液位低于1/4正常液位时，P补≥200P蒸；
当蒸发坩埚23内液位低于1/5正常液位时，P补≥500P蒸。
较佳的，所述坩埚加热器33功率P与所述蒸发坩埚23内压力P蒸之间的关系如下：
当蒸发坩埚23内压力P蒸低于1/3正常压力时，P≥1.2P蒸；
当蒸发坩埚23内压力P蒸低于1/4正常压力时，P≥1.5P蒸；
当蒸发坩埚23内压力P蒸低于1/5正常压力时，P≥2P蒸。
实施例
镀膜开始前，在蒸发坩埚23中预装5kg金属料，过渡管22采用漏斗形结构，在过渡管22内安装引流段31，在引流段31上方安装直径1cm的金属料10kg，此时关闭补料室盖板27。补料室21和镀膜室24同时抽真空至1.0Pa，关闭阀门38，补料室21停止抽真空，并充入氩气密闭，氩气的压力为20000Pa。此时逐步加热蒸发坩埚23和镀膜喷嘴36，蒸发坩埚23的温度控制在1000～1200℃之间，镀膜喷嘴36的温度控制在600～800℃之间。待蒸发坩埚23中的金属料完全融化后，通过压力检测元件检测蒸发坩埚23内部的压力值，当达到指定的压力后，金属板带42开始移动，开启阀门38，镀膜喷嘴36进行喷射。此时通过红外液位仪34检测蒸发坩埚23内金属液44液位的变化，当低于指定液位时，过渡管加热器29开始启动，将过渡管22内部的金属料熔化并逐步流入至蒸发坩埚23中，引流段31下落后，带动其上方的固体金属料不断进入至过渡管22，并熔化成金属液进入至蒸发坩埚23中。在蒸发坩埚23中随着金属料的添加使得金属液的液位上升，并通过红外液位仪34检测得知。在过渡管22内的金属液通过喷头40后形成细小的金属液滴，进入至蒸发坩埚23中。当蒸发坩埚23中的金属液44的液位低于1/3标准液位时，启动蒸发坩埚23的内加热器41，使得通过的金属液滴迅速蒸发，形成蒸汽补充至镀膜喷嘴36中，当蒸发坩埚23内压力稳定后，停止内加热器41的功率，继续通过液滴补液。当液位上升至指定位置时，旋转松料器32，使其堵塞下落中的锌液，并降低过渡管加热器29的加热功率，使得金属料不断凝结在引流段31位置，当锌液完全凝固时，补料过程结束。此时打开补料室盖板27补充金属料，补充结束后关闭补料室盖板27并抽真空后充入氩气。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
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