專利名稱：自由開放式線圈過濾器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種過濾器，特別是涉及一種自由開放式線圈過濾器，用于對陰極電弧離子源進行電磁場過濾以達到部分或者完全去除液態(tài)大顆粒，屬于鍍膜和材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用陰極電弧離子源進行的離子鍍(工業(yè)上常常稱之為多弧離子鍍，或者電弧離子鍍)是目前應(yīng)用最為廣泛的鍍膜工藝之一，相對于蒸鍍、濺射等鍍膜工藝來說，它具有離化率高(70％～90％)、膜基結(jié)合力好、沉積速率高的優(yōu)點。但是它具有一個非常大的缺點液態(tài)大顆粒的產(chǎn)生。這些液態(tài)大顆粒通常直徑在0.1μm到10μm左右，以數(shù)個m/s到數(shù)百個m/s的速度混雜在離子流之中向工件運動。當這些液態(tài)大顆粒沉積在膜層之中后，會形成宏觀顆粒(其尺寸為微米級別所以稱其為“宏觀”)，這些大尺寸顆粒影響了膜層的表面光潔度，并且很可能成為膜層失效的發(fā)源地，所以大大制約了電弧離子鍍工藝在表面精密制造(比如光學、半導體工業(yè)等)、高性能膜層(比如高精度模具等)領(lǐng)域的應(yīng)用。
目前去除液態(tài)大顆粒最有效的方法是使用管道式磁過濾器，比如中國專利03200996.8等，其特點是使用90°或者0°的封閉式過濾管道，管道一般由金屬材料制成，處于電懸浮狀態(tài)或者被施予正偏壓；管道外部繞有磁場線圈；采用復雜的磁場線圈布置來得到過濾效果良好、離子流均勻的目的。
但是這些磁過濾器存在一些不足之處，主要是1)設(shè)備復雜，制造、維護較困難。比如中國專利02160651.X需要仔細調(diào)整磁場線圈的安裝位置和角度；2)高速運動的液態(tài)顆粒在封閉的管道內(nèi)壁仍然存在反彈，影響磁過濾的效果。比如中國專利03200996.8在管內(nèi)壁不得不安裝鋸齒形曲面來阻止顆粒的反彈。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有封閉式管道磁過濾器的不足，提供一種制造、安裝和使用方便、靈活，并且過濾效果優(yōu)異的自由開放式線圈過濾器。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括線圈、線圈固定以及絕緣裝置、線圈支撐裝置和工件罩，線圈固定以及絕緣裝置卡在線圈的相鄰匝之間保證線圈的剛度，線圈支撐裝置從線圈的中外部托住線圈保證線圈可以穩(wěn)定的放置在真空爐內(nèi)，工件罩位于線圈出口，平行于線圈出口軸線，保證液滴不會到達工件表面。
所述的線圈用空心紫銅軟管繞制而成，線圈相鄰匝之間具有間隙，也就是對于液態(tài)大顆粒來說，線圈是開放的，這樣從根本上消除了通過反彈到達工件的液態(tài)大顆粒。線圈的相鄰匝使用聚四氟乙烯夾固定。線圈通過標準法蘭盤連接到真空爐外，并保持嚴格的密封。線圈的供電由大功率直流電源或者脈沖電源提供，對于直流電源，其電流值在200A到600A；對于脈沖電源，其電流值在800A到1500A。當使用直流電源時，將線圈與高功率電阻箱串連，保證線圈相對于陽極具有+20V左右的正偏壓。線圈的冷卻采用直接水冷方式。線圈的入口平面軸線與陰極電弧靶面軸線重合，并且線圈入口與陰極電弧靶面保持一定距離；線圈的出口平面盡量正對工件平面。工件外使用工件罩來保證液態(tài)大顆粒不會到達工件表面。
本發(fā)明繞制線圈的材料采用表面光潔度好，質(zhì)地致密的紫銅軟管。紫銅管直徑的選擇要綜合考慮冷卻水的流量、線圈的發(fā)熱以及整個線圈的尺寸，既保證線圈正常工作時的發(fā)熱不會導致冷卻水溫度超過80℃～90℃，也要保證能夠在單位長度繞制更多的匝數(shù)，這樣就可以在達到相同線圈磁場的前提下，盡量降低線圈電流節(jié)約能源。
本發(fā)明中為了保證線圈各匝的直徑接近，線圈繞制時可以使用臨時軸心(比如直徑為110mm的PVC管)，成形后即可拿掉臨時軸心。由于線圈直徑較大(一般在50mm～200mm)，所以為了保證線圈的剛度，使用一定的方法對線圈單匝之間的相對位置進行固定，同時也保證線圈的開放性(也就是保證線圈相鄰匝之間具有3mm到20mm的間距)。
本發(fā)明紫銅軟管的兩端通過釬焊與紫銅(或者黃銅)轉(zhuǎn)接頭相連，轉(zhuǎn)接處接電極，并且利用硅橡膠密封墊圈保證其與法蘭盤之間的密封，同時使用聚四氟乙烯絕緣材料保證紫銅管與法蘭盤其它部分的絕緣。
本發(fā)明線圈的供電由大功率直流電源或者脈沖電源提供，使用脈沖電源的優(yōu)點是可以在保證線圈磁場的前提下降低線圈的能耗，線圈的正偏壓由串連在電路中的高功率電阻箱提供，電阻箱的阻值根據(jù)線圈的阻值、線圈的電流等情況選取。
由于線圈會通以大電流(直流方式一般在200A以上，脈沖方式一般在800A以上)，所以必須使用直接水冷的方式進行冷卻，否則線圈的熱輻射會導致工件溫度異常升高而影響鍍膜質(zhì)量。
由于工件罩的存在，陰極靶與工件之間沒有直接的“視線”連接(也就是說如果從工件的位置觀察陰極靶，是不能直接看到的)，這樣就保證了幾乎只做直線運動的液態(tài)大顆粒(包括從線圈間隙跑出來的大顆粒)不會到達工件表面，也就保證了過濾效果非常優(yōu)異。另外，通過調(diào)整工件罩的高度可以在一定程度上調(diào)整鍍膜的效率和效果，比如矮的工件罩會使得離子更容易到達工件表面，提高了沉積速率，但是卻降低了對液態(tài)大顆粒的阻擋效果。


圖1是90°開放式線圈過濾器(直流電源)的示意圖(說明為了圖示的清楚，線圈夾6只畫出了一個，但實際上應(yīng)該有足夠多的數(shù)量以保證線圈的剛度)。
圖2是90°開放式線圈過濾器(直流電源)的示意圖。
圖3是線圈過濾器的電極的示意圖。
圖4是90°開放式線圈過濾器(脈沖電源)的示意圖。
圖5是自由形狀開放式線圈過濾器(直流電源)的側(cè)視示意圖(說明支撐線圈的裝置由一根直徑230mm的PVC管制成，圖中沒有畫出)。
圖6是自由形狀開放式線圈過濾器(直流電源)的俯視示意圖。
圖7是自由形狀開放式線圈過濾器(即圖5、6所示)得到的線圈電流和磁過濾系統(tǒng)效率之間的關(guān)系曲線圖(離子源采用Al靶，弧流80A)。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例190°開放式線圈過濾器(直流電源)。
圖1和圖2分別是90°開放式線圈過濾器的前視以及上視剖面示意圖，過濾器的主要組成部分是紫銅線圈1、聚四氟乙烯線圈托3、聚四氟乙烯線圈夾6和工件罩5。數(shù)量足夠多(以線圈剛度能得到保證為限)的線圈夾6固定于線圈的相鄰匝之間，線圈1水平放置，線圈托3從中部托住線圈的主體保證其可以穩(wěn)定的放置在真空爐內(nèi)，工件罩位于線圈出口約50mm處，保持與線圈出口同軸心。
等離子體和液態(tài)顆粒由陰極電弧靶2的表面產(chǎn)生，其中離子和電子由于受到線圈1電磁場的影響，沿著線圈軸心軌跡到達工件4處沉積成膜。而液態(tài)大顆粒幾乎不受到電磁場的影響，它的軌跡呈直線，最終大部分會被工件罩5所阻擋，增加工件罩5的高度可以增加對液態(tài)大顆粒的阻擋效果。線圈1起到改變離子軌跡以及聚焦離子束和提高離化率的作用，線圈1是由外徑6mm的紫銅軟管繞制而成，電阻約0.02Ω，線圈1軸線半徑250mm，入口直徑約160mm；陰極2的半徑85mm，圓盤工件直徑約為100mm。由于線圈尺寸較大所以必須使用線圈夾6來保證線圈的剛度。線圈夾使用直徑約10mm的聚四氟乙烯棒制成，垂直于軸線鉆兩到三個6mm左右的圓孔，用來卡住線圈相鄰匝。線圈夾6的使用數(shù)量必須足夠多，以保證線圈具有合適的剛度，并且也保證線圈任意相鄰匝之間絕緣良好。圖1中的電源可以使用普通逆變式直流焊接電源，最大電流500A，這樣保證線圈可以穩(wěn)定工作在200～300A左右。串連的高功率電阻箱(電阻約0.1Ω)保證線圈相對于陽極(一般是地電位)具有正的電位(一般選取+20V左右)，這樣可以大大提高線圈過濾器的過濾效率。
圖3是線圈過濾器的電極的示意圖，外徑6mm的線圈1通過釬焊和外徑10mm的空心紫銅管或者黃銅管16連接(7為釬焊接頭示意)，空心紫銅管或者黃銅管16的頭尾都有螺紋，與螺母8的連接可以固定線圈，防止其上下移動。線圈通過電極接線片15與電源相連，電極接線片15為厚度在6mm左右的紫銅片?？招淖香~管(或者黃銅管)16的上部通過具有內(nèi)螺紋的黃銅轉(zhuǎn)接頭接冷卻水。線圈1與不銹鋼法蘭10之間的絕緣通過兩個聚四氟乙烯的絕緣套9和13實現(xiàn)，12是硅橡膠密封圈，可以保證在電極處于較高溫度時保持良好的密封。11為焊接在法蘭盤10上的外螺紋凸起，通過它和壓緊螺母14之間的緊密連接給硅橡膠12施加壓力保證其密封。
實施例290°開放式線圈過濾器(脈沖電源)。
實施例2的線圈尺寸以及布置均同實施例1，區(qū)別在于實施例2采用脈沖電源，工作電流1000A，占空比30％(參看圖4)。由于線路電流非常大，所以按照圖4的接線方法線圈入口已經(jīng)保持了相對于陽極+20V左右的電位，沒有必要再串聯(lián)高功率電阻。為了保證直接水冷效果，在線圈冷卻水入口處使用增壓泵提高冷卻水流量。
實施例3自由形狀開放式線圈過濾器(直流電源)。該實例充分利用本發(fā)明靈活方便的特點，適用于對現(xiàn)有非磁過濾電弧離子鍍設(shè)備進行改造。
圖5和圖6所示的電弧離子鍍設(shè)備在設(shè)計時沒有磁過濾裝置，本實施例在電弧離子源和工件之間添加了自由開放式線圈過濾器，得到了很好的過濾效果。由于其陰極電弧靶19與工件臺17的夾角為30°，根據(jù)設(shè)備的實際情況，實施例3靈活調(diào)整線圈過濾器18的形狀使其成為“近S型”，有效的將離子流從陰極靶引導到工件臺，并且使用工件罩5將大部分的液態(tài)顆粒進行了阻擋。
圖7是實施例3中線圈電流和磁過濾系統(tǒng)效率(系統(tǒng)效率＝線圈出口處飽和離子電流×100％/弧電流)的關(guān)系曲線，可以看到線圈電流250A時磁過濾系統(tǒng)效率達到最高值2.7％。
本發(fā)明線圈的軸線形狀可以采用現(xiàn)有技術(shù)中的任意形狀，以上只是為了便于理解，以采用90°弧線以及近S型的線圈為例進行說明。
權(quán)利要求
1.一種自由開放式線圈過濾器，包括線圈、線圈固定以及絕緣裝置、線圈支撐裝置和工件罩，其特征在于線圈使用紫銅軟管繞制，線圈固定以及絕緣裝置將線圈相鄰匝固定住，線圈支撐裝置從線圈的中部托住，保證線圈能穩(wěn)定放置在真空爐內(nèi)，工件罩位于線圈出口，線圈的相鄰匝之間保持3mm到20mm的距離，線圈的供電使用直流電源或者脈沖電源，線圈相對于陽極具有+20V的電位，線圈使用直接水冷方式。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由開放式線圈過濾器，其特征是，所述的線圈，其管道直徑為50mm到200mm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由開放式線圈過濾器，其特征是，所述的工件罩，其高度為100mm到300mm之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由開放式線圈過濾器，其特征是，所述的線圈，使用直流電源時，將線圈與高功率電阻箱串連，工作電流值為200A到600A之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由開放式線圈過濾器，其特征是，所述的線圈，使用脈沖電源時，工作電流值為800A到1500A之間。
全文摘要
一種自由開放式線圈過濾器，屬于鍍膜和材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明包括線圈、線圈固定以及絕緣裝置、線圈支撐裝置和工件罩，線圈使用紫銅軟管繞制，線圈固定以及絕緣裝置將線圈相鄰匝固定住，線圈支撐裝置從線圈的中部托住，保證線圈能穩(wěn)定放置在真空爐內(nèi)，工件罩位于線圈出口，線圈的相鄰匝之間保持3mm到20mm的距離，線圈的供電使用直流電源或者脈沖電源，線圈相對于陽極具有+20V的電位，線圈使用直接水冷方式。本發(fā)明具有實施簡單、使用靈活的優(yōu)點，可廣泛適用于電子、工具、裝飾等表面精密制造和高質(zhì)量鍍膜領(lǐng)域。
文檔編號C23C14/32GK1944703SQ20061011788
公開日2007年4月11日 申請日期2006年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月2日
發(fā)明者蔡珣, 戴華, 沈耀, 胡亞威, 陳秋龍 申請人:上海交通大學