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Dokumentenidentifikation DE69400679T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0628863
Titel Gleittrichter für Vorhangsbeschichtung mit verbessertem Transitionsprofil und Verfahren
Anmelder Eastman Kodak Co., Rochester, N.Y., US
Erfinder Joos, F Miguel, c/o EASTMAN KODAK COMPANY, Rochester, New York 14650-2201, US;
Ruschak, Kenneth John, c/o EASTMAN KODAK COMPANY, Rochester, New York 14650-2201, US
Vertreter Blickle, W., Dipl.-Ing., Pat.-Ass., 70327 Stuttgart
DE-Aktenzeichen 69400679
Vertragsstaaten BE, DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 01.06.1994
EP-Aktenzeichen 944201573
EP-Offenlegungsdatum 14.12.1994
EP date of grant 09.10.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse G03C 1/74

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vorhangbeschichtung, die eine verbesserte Gleichmäßigkeit des beschichteten Produkts ergeben.

Das Vorhangbeschichten ist ein sehr effizientes Verfahren zur Herstellung von aus mehreren Schichten bestehenden Präzisionsbeschichtungen. Dieses Verfahren wird in vielen Patenten beschrieben, zum Beispiel in US-A-3.508.947. Beim Vorhangbeschichtungsverfahren, insbesondere wenn die Beschichtung aus mehreren Schichten besteht, ist es wichtig, daß die Dicke der einzelnen Schichten über die gesamte Breite der Trägerbahn gleichmäßig bleibt. Es gibt verschiedene Probleme, die zu Ungleichmäßigkeiten in der Schicht führen können, bevor die flüssigen Schichten auf die Trägerbahn auftreffen. Zum Beispiel können am Eintritt und Austritt der über die Gleitfläche fließenden flüssigen Schichten Probleme auftreten. Hier treten die flüssigen Schichten aus den Schlitzen aus und gelangen auf die Gleitfläche, und die Filmdicke wird in Querrichtung zur mittleren Strömung veränderlich. Ein weiterer Probembereich ist die präzise Form der Lippe, von der aus der Flüssigkeitsfilm in freiem Fall als Vorhang herabfällt. Hier besteht eine Berührungslinie zwischen der Gleitfläche (fest), der Flüssigkeit und der Luft (Gas), wobei die Lippe entscheidend dafür ist, daß die Berührungslinie immer gerade verläuft. Diese Probleme sind zum Beispiel in US-A-4.109.611 beschrieben.

Ein weiterer Problembereich erstreckt sich entlang beider Seiten der Gleitfläche des Trichters, wo die freie Fläche der Flüssigkeit auf eine feste Fläche trifft. Die festen Flächen an der Kante der flüssigen Schichten müssen sorgfältig so ausgelegt werden, daß die freie Fläche, d.h. die obere Grenzfläche der obersten Schicht, bis zur festen Kante annähernd eben bleibt. Dies ist in US-A- 3.289.632 beschrieben. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, die feste Fläche als Randführung auszubilden, deren Höhe im wesentlichen der Dicke des flüssigen Films entspricht. Die freie Fläche ist dann an der Ecke der Randführung fixiert, so daß sich über die gesamte Breite der Gleitfläche eine im wesentlichen ebene freie Fläche ergibt. Die gleiche Lösung kann in einem vertikalen, ebenen Bereich gewählt werden, der an der Lippe endet, an der die Beschichtungsflussigkeit in den freien Fall übergeht. Damit im Zusammenhang steht das Thema, daß Randführungen zu besseren Ergebnissen führen, wenn sie durchgehend ausgeführt sind. Wegen weiterer Informationen über Vorrichtungen mit durchgehenden Randführungen wird auf PCT/US92/08497 (WO-4- 93/18470) verwiesen. Ungleichmäßigkeiten in der Höhe der Randführungen führen zu Strömungsstörungen, die Ungleichmäßigkeiten in der Schichtstärke bewirken können. Daraus läßt sich herleiten, daß Randführungen nicht nur im wesentlichen dieselbe Höhe aufweisen sollten wie der Flüssigkeitsfilm, sondern Höhenunterschiede zwischen der Randführung und dem angrenzenden Flüssigkeitsfilm möglichst allmählich verlaufen sollten.

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf das Problem, die Ungleichmäßigkeit des Randes des Flüssigkeitsfilms auf der Gleitfläche des Trichters dadurch zu verringern, daß man die Randführungen und die freie Fläche des Flüssigkeitsfilms entlang des Übergangsbereichs der Gleitfläche des Trichters einander angleicht. Im Übergangsbereich verändert sich die Filmdicke und geht von einer größeren Dicke auf einer mäßig geneigten Hauptgleitfläche zu einer geringeren Dicke auf einer sehr viel steileren Gleitfläche, die zur Trichterlippe führt, über. Die mäßig geneigten und die steil geneigten Gleitflächenabschnitte sind bezüglich der Horizontalen zwischen 5º und 30º bzw. 60º und 120º geneigt. Die Art, wie dieser Übergang stattfindet, kann je nach den physikalischen Eigenschaften des Films (Fließgeschwindigkeit, Viskosität, Oberflächenspannung, Dichte) und der Geometrie des Übergangsbereichs (Längenmaßstab und Form) recht kompliziert sein. Zum Beispiel sind in der Nähe beider Enden des Übergangsbereichs normalerweise stehende Wellen vorhanden. Diese Wellen verändern sich in Stärke und Längenerstreckung, wodurch es sehr schwierig wird, eine Randführung für den Übergangsbereich zu konstruieren, die für die vielen auftretenden Strömungsbedingungen geeignet ist. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Übergangsbereich zu schaffen, auf dem Randführungen vorgesehen werden können, die auch Strömungsveränderungen verkraften können, solange die ursprüngliche Filmdicke im wesentlichen gleichbleibt. Außerdem sollten die Filmdicken entlang des Übergangsbereichs vorhersagbar und die Länge des Übergangsbereichs ausreichend groß sein, damit die Randführungen zuverlässig hergestellt und auf der Gleitfläche des Trichters angebracht werden können. Allerdings sollte der Übergangsbereich auch kurz genug sein, um die mögliche Entstehung von Ungleichmäßigkeiten in der Beschichtung durch andere Störungen, wie Zwischenschichtwellen bei Mehrschicht-Filmen oder auf die Gleitfläche auftreffende Luftströmungen, zu vermindern.

Bekannte Übergangsbereiche sind in US-A-4.109.611 und 4.510.882 beschrieben. Diese Patente beschreiben Übergangsbereiche in Form von Kreiszylinderabschnitten mit großen Krümmungsradien, d.h. zwischen 20 und 50 mm. Nach diesen Patenten verbessern Übergangsbereiche mit großen Krümmungsradien die Vorhangstabilität und vermindern entlang der Lippe auftretende Störungen. Allerdings gehen diese Patente nicht auf das Problem der Ungleichmäßigkeit entlang der Seiten des Übergangsbereichs ein. Ein weiteres älteres Patent, GB-A-1.574.241, schlägt einen Übergangsbereich mit variabler Neigung, vorzugsweise in parabolischer Form, in einer Länge zwischen 12,7 bis 17,8 cm (5 bis 7 Zoll) für Beschichtungsvorrichtungen mit kurzer Vorhangfallänge, d.h. unter 2,54 cm (1 Zoll) vor. Die Autoren dieses Patents gehen davon aus, daß die variable Neigung die Abwärtsströmung über die Gleitfläche derart beschleunigt, daß die Beschichtungsvorrichtung dadurch dieselben Vorteile bietet wie Beschichtungsvorrichtungen mit wesentlich größeren Fallängen.

Bei diesen bekannten Vorrichtungen ergeben sich allmähliche Veränderungen der Filmdicke entlang des Übergangsbereichs. Daher ist es durchaus möglich, daß entlang des Übergangsbereichs die Filmdicke das angestrebte Ziel der gleichmäßigen und vorhersagbaren Veränderung der Filmdicke und der Unabhängigkeit der Filmdicke von anderen Strömungsbedingungen erreicht. Allerdings sind diese Übergangsbereiche unerwünscht lang, und falls sie nicht auf ihre geringste empfohlene Größe, nämlich 20 mm, verkürzt werden, kann aus den in den Beispielen dieser Erfindung angegebenen Ergebnissen abgeleitet werden, daß in diesem Fall in der Nähe beider Enden des Übergangsbereich stehende Wellen auftreten.

Die in den Ansprüchen 1 und 9 beschriebene vorliegende Erfindung richtet sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vorhangbeschichtung eines bewegten Trägers mit einer oder mehreren Schichten einer Beschichtungsflüssigkeit. Die Vorhangbeschichtungsvorrichtung umfaßt einen Trichter, der eine Gleitfläche und eine Lippenfäche aufweist, die in einer Lippe für die Bildung eines frei fallenden Vorhangs einer Beschichtungsflüssigkeit endet. Der Trichter weist eine Übergangsfläche auf, die die Gleitfläche an einem ersten Ende und die Lippenfläche an einem zweiten Ende verbindet. Das Übergangsflächenprofil weist eine variable Krümmung auf, die am ersten Ende Null ist, bis zu einem Maximum an einem Punkt zwischen dem ersten und dem zweiten Ende kontinuierlich zunimmt und von dem Maximum an dem genannten Punkt kontinuierlich bis auf Null am zweiten Ende abnimmt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung einen variablen Krümmungsradius auf, der durch die folgende Formel bestimmt ist:

worin R = der variable Krümmungsradius ist;

θ = der lokale Neigungswinkel der Gleitfläche gegenüber der Horizontalen ist;

θ&sub0; = der Neigungswinkel am ersten Ende der Übergangsfläche ist:

θ&sub1; = der Neigungswinkel am zweiten Ende der Übergangsfläche ist;

s = der Bogenlängenabstand entlang der Übertragungsfläche ist, beginnend am ersten Ende;

L = die Bogenlänge der gesamten Übergangsfläche darstellt; und

n = eine positive Zahl ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte Schnittdarstellung einer nicht erfindungsgemäßen Vorhangbeschichtungsvorrichtung;

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung einer bevorzugten Form des erfindungsgemäßen Übergangsbereichs;

Fig. 3-7 Meßkurven der Filmdicke und vorgegebener Randführungshöhen entlang der in den Beispielen 1-7 verwendeten Übergangsbereiche;

Zum besseren Verständnis der Erfindung und ihrer weiteren Aufgaben, Vorteile und Möglichkeiten wird auf die nachfolgende Beschreibung und die beiliegenden Ansprüche in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen Zeichnungen verwiesen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtungsvorrichtung gemäß Fig. 1 zum Beschichten einer bewegten Trägerbahn. Eine Bahn 11 wird mittels einer Auflagerolle 9 durch eine Beschichtungszone transportiert. Schichten einer Flüssigkeit bilden einen frei fallenden Vorhang 13, indem sie über eine Fläche 16 abwärts fließen, an deren Ende die Oberfläche abwärts gebogen ist und in eine etwa vertikale Lage übergeht. Der allgemein mit 15 bezeichnete Übergangsbereich der Gleitfläche weist über die Breite der Gleitfläche hinweg eine zylindrische Form auf. Die Neigung des Übergangsbereichs geht in Strömungsrichtung der Flüssigkeitsschichten sanft und kontinuierlich von dem mäßig geneigten, flachen Bereich 16 in den flachen, annähernd vertikalen Bereich 18 über, der an der Lippe 19 endet.

Die Erfindung überwindet das Problem der Ungleichmäßigkeit entlang der Seiten des Übergangsabschnitts durch die Erkenntnis, daß die Ungleichmäßigkeiten, d.h. die Wellen, durch Kapillarkräfte an den Rändern der Gleitfläche verursacht werden. Die Erfindung hat zum Ziel, die Auswirkung der Kapillarkräfte zu minimieren. Kapillarkräfte üben einen Druck auf die freie Fläche aus, der sich proportional zur Krümmung der freien Fläche, d.h. umgekehrt zum Krümmungsradius, verändert. Die zugrundeliegende Gleitfläche stellt eine erste Näherung dieser Form und daher der Krümmung der freien Fläche dar. Daher wird eine abrupte Änderung der Gleitflächenkrümmung, wie sie bei allen vorstehend genannten Patenten am Ende des Übergangsbereichs auftritt, an beiden Enden des Übergangsbereichs als abrupte Druckänderung auf die freie Fläche übertragen. Diese Druckänderungen führen zu relativ großen Druckgradienten, die die Strömung lokal beschleunigen oder verlangsamen und dadurch stehende Wellen erzeugen. Auch die Form (definiert durch Amplitude, Wellenlänge und Abklinggeschwindigkeit) der stehenden Wellen hängt von den physikalischen Eigenschaften der Flüssigkeit (Strömungsgeschwindigkeit, Viskosität und Oberflächenspannung) ab; die Welle selbst ist jedoch eine Reaktion auf die plötzliche Veränderung der Gleitflächenkrümmung.

Die Erfindung löst das Problem durch Verwendung eines Übergangsprofils mit kontinuierlicher Krümmungsänderung. (Der Krümmungsradius liegt in einer Ebene senkrecht zur Mantellinie der zylindrischen Oberfläche der Gleitfläche.) Die Krümmungsachse verläuft parallel zur Gleitflächenebene. Somit beginnt der Übergang am Ende des mäßig geneigten Abschnitts der Gleitfläche mit derselben Neigung, die auch die Gleitfläche aufweist, und mit der Krümmung Null (d.h. einem unendliche großen Krümmungsradius). Krümmung und Neigung des Übergangsbereichs steigen zunächst kontinuierlich an, bis die Krümmung ein Maximum erreicht; während die Krümmung abnimmt, steigt die Neigung weiterhin bis zu einem steilen Verlauf an. Wenn sich zwischen dem Übergangsbereich und der Auslauflippe ein ebener, steil geneigter Bereich befindet, schließt das Oberflächenprofil des Übergangsbereichs mit derselben Neigung, die auch der steil geneigte Abschnitt aufweist, und mit der Krümmung Null an.

Das bevorzugte Verfahren zur Auslegung dieser Oberfläche besteht darin, daß man zunächst bestimmt, wie sich die Filmdicke entlang des Übergangsbereichs verändert, wobei man gleichzeitig sicherstellt, daß die Endbedingungen bezüglich der Oberflächenkrümmung erfüllt werden. Da die Wellen auf dem Übergangsbereich von der Oberflächenspannung und von vorhandenen Trägheitskräften abhängen und da man durch allmähliches Verändern der Geometrie diese Wellen verhindern oder minimieren kann, hängt die endgültige Form des Übergangsbereichs grundsätzlich von der Oberflächenspannung und den Trägheitskräften ab. Nimmt man an, daß der Übergang nicht zu kurz ist, dann können die Auswirkungen der Kapillar- und Trägheitskräfte auf ein vernachlässigbares Maß reduziert werden, und die Filmdicke 6 läßt sich durch den Winkel zwischen der Horizontalen und der Gleitfläche sowie die Dicke δ&sub0; und den Winkel θ&sub0; am mäßig geneigten Bereich der Gleitfläche unmittelbar vor dem Übergangsbereich bestimmen:

Die Krümmung (1/R) der freien Fläche kann zum Winkel θ und zum Abstand der Bogenlänge 5 entlang der Übergangsfläche durch die Differentialgleichung 1/R=dθ/ds in Beziehung gesetzt werden. Durch Kombination dieser Gleichung mit der Gleichung (1) erhält man einen Ausdruck, der Krümmung, Filmdicke und Neigungswinkel zueinander in Beziehung setzt:

Eine Formel, die die gleiche Information enthält wie die Gleichung (2), für die Herstellung des Abschnitts aber zweckmäßiger ist, erhält man, wenn man die vorstehende Beziehung in kartesische Koordinaten umsetzt, wobei x und y die horizontalen und vertikalen Koordinaten gemäß Fig. 2 sind. Die Beziehungen zwischen x und y sowie θ und s werden durch die Differentialgleichungen dx/ds=cosθ und dy/ds=-sinθ definiert. Kombiniert man diese Gleichungen mit Gleichung 1, bestimmt sich die Übergangsfläche innerhalb der kartesischen Koordinaten wie folgt:

worin L die Bogenlänge der gekrümmten Fläche des Übergangsbereichs und x&sub0; und y&sub0; die Koordinaten des Punktes sind, an dem der Übergangsbereich beginnt. Außerdem ist in den Gleichungen (3a) und (3b) s die Integralgrenze und s' eine Scheinvariable.

Nachdem nun das Dickenverhältnis δ/δ&sub0; des Films entlang des Übergangsbereichs definiert ist, kann das Profil des Übergangsbereichs bestimmt werden. Eine Bedingung, die das Dickenprofil an beiden Enden erfüllen muß, besteht darin, daß die Neigung (dδ/ds) Null sein muß. Dies ist nach Gleichung (2) erforderlich, um die Null-Krümmungsbedingung an beiden Enden zu erfüllen. Eine bevorzugte Form einer Gleichung für das Filmdickenverhältnis, die die Neigungsbedingungen und die Dickenbedingung für die beiden Enden des Übergangsbereichs erfüllt, ist:

worin θ&sub1; der Winkel des steil geneigten Abschnitts ist. Der Parameter n muß größer als Null sein. Die Krümmung ergibt sich aus der Kombination der Gleichungen (2) und (4):

Positive Krümmungen beziehen sich auf konvexe Oberflächenformen. Die Gleichungen (4) und (5) sind nur dann gültig, wenn der steil geneigte Bereich einen Winkel θ&sub1; mit der Horizontalen von höchstens 90º bildet. Die vorstehende Gleichung ergibt eine Oberflächenprofil-Familie mit zwei Parametern: Dem Exponenten n und der Bogenlänge des Übergangsbereichs L. Um akzeptabel zu sein, müssen diese beiden Parameter innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Der Parameter n bestimmt den Ort der maximalen Krümmung in Abhängigkeit von s/L. Der Parameter muß größer als Null sein, und mit zunehmendem Wert für n verschiebt sich die maximale Krümmung vom steil geneigten Ende in Richtung des mäßig geneigten Endes. Unter 10 liegende Werte für n sind im allgemeinen akzeptabel, Werte zwischen 0,25 und 2 sind jedoch bevorzugt. Der akzeptable Wert für die Bogenlänge L ist zum Teil von den Strömungsbedingungen abhängig. Für den hier untersuchten Bereich von Betriebsbedingungen, d.h. Strömungsgeschwindigkeiten von 1 bis 6 cm³/s/cm, Viskositäten von 0,005 bis 0,12 Pa s und Oberflächenspannungen von 0,02 bis 0,07 N/m, liegt der akzeptable Bereich der Bogen länge L zwischen 5 und 100 mm, bevorzugterweise im Bereich von 15 bis 45 mm. In Fig. 2 ist die bevorzugte Ausführungsform des Übergangsbereichs mit n=1,25 und L=20mm dargestellt.

Im folgenden werden fünf Bespiele beschrieben. Um den Vergleich zu erleichtern, sind die Strömungsgeschwindigkeit und die Viskosität in allen Fällen etwa gleich mit 3 cm³/s/cm bzw. 0,06 Pa s. Die ersten beiden Beispiele behandeln aus Kreiszylindern mit zwei unterschiedlichen Radien hergestellte Übergangsbereiche. Der mäßig und der steil geneigte Gleitflächenbereich verlaufen um 15º bzw. 90º zur Horizontalen geneigt. Die übrigen Beispiele stellen Ausführungsformen der Erfindung mit zylindrischen Profilen mit variabler Krümmung dar, deren Krümmung sich nach der Gleichung (5) bestimmt.

Beispiel 1 (zum Vergleich)

Bei diesem Beispiel fließt das Material über einen Übergangsbereich, der Teil eines Kreiszylinders mit kleinem Krümmungsradius, nämlich R = 1,6 mm, ist. Der Übergangsbereich ist in die Gleitfläche eines Trichters der in Fig. 1 dargestellten Art integriert. Die Dicke des Flüssigkeitsfilms wird entlang des Übergangsbereichs und in den flachen Gleitflächenabschnitten unmittelbar angrenzend an diesen gemessen. In Fig. 3 sind die gemessene Filmdicke (ausgezogene Linie) und die anhand der Gleichung (1) vorbestimmte Dicke (gestrichelte Linie) dargestellt. Auf der Abszisse (x-Achse) ist die Länge des Bogens s entlang der Gleitfläche, beginnend am Punkt des Beginns des Übergangsbereichs, in cm aufgetragen, auf der Ordinate (y-Achse) die dimensionslose Filmdicke, d.h. das Verhältnis der Filmdicke δ zur Enddicke δ&sub1;. Die Endfilmdicke wird anhand der Formel δ&sub1; = (3µQ/ g)1/3 errechnet, worin Q, µ und die Strömungsgeschwindigkeit pro Breiteneinheit, die Viskosität bzw. Dichte der Flüssigkeit und g die Fallbeschleunigung sind. Es ist klar, daß bei einer Auslegung der Randführung nach Formel (1) die Dicke am Übergangsbereich immer zu gering vorherbestimmt wird. Außerdem wird die Filmdicke entlang des Übergangsbereichs um etwa 40 % gegenüber der tatsächlichen zu groß vorherbestimmt. Kantenführungen der vorbestimmten Größe führen zu starken Ungleichmäßigkeiten entlang der Beschichtungskanten. Außerdem verändert sich die Form der freien Fläche bei anderen Strömungsbedingungen, wobei der Änderungsbereich sehr kurz ist, so daß die Auslegung der Randführung sehr schwierig ist.

Beispiel 2 (zum Vergleich)

Fig. 4 zeigt dieselben Profile für den Fall, daß der Übergangsbereich eine kreiszylindrische Fläche mit einem Radius von 12,7 mm ist. Zwar folgt das im Versuch erhaltene Profil der vorhergesagten Kurve sehr viel besser als im Beispiel 1, die freie Fläche antizipiert jedoch den Beginn des Kreisabschnitts (scharfer Knick in der Vorhersage-Kurve) ganz beträchtlich und weist auch am Ende des Übergangsbereichs einen kleinen Abfall auf.

Bei diesem Abschnitt ergeben sich verschiedene Probleme. Würde man für die Bestimmung der Höhe der Randführung die Formel (1) zugrundelegen, wäre der Höhenfehler bei diesen Strömungsbedingungen geringfügig und läge bei weniger als etwa 15% der Enddicke. Allerdings beeinträchtigt die rasche Änderung der Differenz zwischen der tatsächlichen Dicke und der Auslegungshöhe der Randführung zu Beginn des Übergangsbereichs (hier ist der Unterschied am größten) die Gleichmäßigkeit der Beschichtung. Die Entwicklungsarbeit an Randführungen hat gezeigt, daß abrupte Änderungen der Höhe der Randführung nachteilig sind, und zwar zum einen wegen der sich daraus ergebenden Meniskusform und zum anderen, weil sich Rückstände der Beschichtungsflüssigkeiten hier zuerst aufbauen. Es scheint allerdings sinnvoll, sanfte Änderungen der Differenz zwischen der Filmdicke und der Höhe der Randführung abrupten Veränderungen vorzuziehen, selbst wenn diese so geringfügig sind, daß die Höhe der Randführung im wesentlichen gleich der Dicke der Flüssigkeit bleibt. Die Höhe der Randführung könnte diesen Strömungsbedingungen vermutlich dadurch angepaßt werden, daß man sie zum Beispiel abfeilt. Allerdings wird die Veränderung der Filmdicke bei anderen Strömungsbedingungen (bei gleicher Anfangsdicke) an diesem Punkt unterschiedliche Wellenformen ergeben, so daß eine Standard-Randführung für den Übergangsbereich unbefriedigend wäre.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel beruht der Übergangsbereich auf Gleichung 5, mit n=0,5 und L 16,6 mm. Die Bogenlänge des Übergangsbereichs ist im wesentlichen dieselbe wie beim Übergangsbereich des Beispiels 2, so daß hier für den Film etwa dieselben Risiken bezüglich Luft- und Grenzschicht-Instabilitäten bestehen. In Fig. 5 sind die Dickenprofile dargestellt. Hier stimmen die experimentellen und die vorausberechneten Filmdicken sehr viel besser miteinander überein als im vorhergehenden Beispiel. Die Welle nahe des Anfangs des Übergangsbereichs ist nicht vorhanden. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Krümmung und die Neigung zu Beginn nur sehr langsam ansteigen. Tatsächlich ist aus Gleichung 1 ersichtlich, daß die Filmdicke bei kleinem Neigungswinkel (d.h. θ nahe Null) sehr viel empfindlicher auf den Neigungswinkel reagiert als bei einem großen Neigungswinkel (θ nahe 90º). Um eine gleichmäßige Entwicklung zu erhalten, muß die Neigung sich daher bei kleinem Neigungswinkel langsamer ändern als bei großem Neigungswinkel. Die größte Differenz besteht nahe dem Ende des Übergangsbereichs. Sie ist bedingt durch die maximale Krümmung des Übergangsbereichs, die nahe seinem Ende auftritt. Versuche mit anderen Strömungsbedingungen haben ähnliche Verbesserungen ergeben.

Beispiel 4

Bei einem weiteren, nach Gleichung (5) bestimmten Übergangsbereich wurden n = 1,25 und L=20,0 mm zugrundegelegt, d.h. beide Parameter wurden gegenüber dem Beispiel 3 vergrößert. Durch Vergrößerung des Parameters n verschiebt sich der Punkt der maximalen Krümmung vom annähernd vertikalen Ende des Übergangsbereichs weg, wodurch die untere verdünnende Welle wegfällt. Die Vergrößerung der Bogenlänge garantiert, daß die Änderung der Neigung nahe des Beginns des Übergangsbereichs etwa gleich gering bleibt wir im Beispiel 3. Fig. 6 zeigt das Dickenprofil sowie das Auslegungs- oder Konstruktions-Höhenprofil der Randführung für diesen Fall. Die Übereinstimmung zwischen den gemessenen und den Auslegungswerten ist über den gesamten Übergangsbereich hinweg gut, auch dort, wo er auf den annähernd vertikalen Bereich trifft (tatsächlich könnte die relativ kleine, aber gleichbleibende Abweichung zwischen den beiden Werten auch durch einen systematischen Meßfehler bedingt sein). Bei anderen Strömungsbedingungen stellten wir fest, daß die experimentelle Dicke sich sanft um das Auslegungsprofil herum verändert, bei einem maximalen Fehler von etwa 10% der Gesamtdicke.

Beispiel 5

Bei einem dritten, nach der Formel 5 hergestellten Übergangsbereich wurden die Werte n = 1,00 und L=42,2 mm verwendet. Fig. 7 zeigt die gemessene Filmdicke sowie die Auslegungshöhen der Randführung. Diese beiden Kurven stimmen am besten überein. (Die höher liegende Meßkurve auf der linken Seite oder Zuflußseite ist durch das Austreten der Flüssigkeit aus dem Schlitz bedingt, der in diesem Fall unmittelbar vor dem Übergangsbereich liegt. An dem Punkt, an dem die Messung erfolgt, beschleunigt sich die Strömung immer noch und hat sich noch nicht vollständig entwickelt.) Die gegenüber den Ergebnissen des Beispiels 4 erzielte Verbesserung ist jedoch nur marginal, wobei sich das Risiko der Verschlechterung der Gleichmäßigkeit durch Welleninstabilität an den Grenzflächen und Luft-Störungen jedoch vergrößert. Daher ist dieser Übergangsbereich weniger zufriedenstellend als der zuvor beschriebene.

Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Vorhangbeschichtungsvorrichtung mit einem Übergangsbereich mit kontinuierlich veränderlicher Krümmung. Mit der Erfindung werden sanfte und vorhersagbare Änderungen der Dicke des Flüssigkeitsfilms auf seinem Wege vom geneigten Abschnitt der Gleitfläche zum annähernd vertikalen Abschnitt der Gleitfläche eines Vorhangbeschichtungstrichters erzielt. Dies ermöglicht eine Verringerung der Anzahl der vorzusehenden Randführungen für den Übergangsbereich von Beschichtungsvorrichtungen, die bei Veränderung der Betriebsbedingungen erforderlich werden. Außerdem ermöglicht es die Erfindung, einen sanften Übergang in einem kürzeren Abschnitt zu erreichen als dies bei den bekannten Vorrichtungen möglich war. Wegen der Vorhersagbarkeit der Filmdicke ist es jetzt leichter, Kantenführungen herzustellen, die zuverlässig gleichmäßige Kanten erzeugen. Schließlich erreicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine größere Stabilität des Vorhangs bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten als dies mit Übergangsbereichen mit kleinerem Krümmungsradius möglich ist. Dies wurde durch die Arbeit im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nachgewiesen und stimmt auch mit den in US-A-4.109.611 enthaltenen Beobachtungen überein.

Vorstehend wurde die Erfindung anhand der derzeit bevorzugten Ausführungsformen beschrieben; für den Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß verschiedene Modifikationen und Abänderungen möglich sind, ohne den Rahmen der beiliegenden Ansprüche zu verlassen.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zur Vorhangbeschichtung eines bewegten Trägers mit einer oder mehreren Schichten einer Beschichtungsflüssigkeit, mit

- einem Trichter, der eine Gleitfläche und eine Lippenfläche aufweist, die an einer Kante für die Bildung eines freifallenden Vorhangs einer Beschichtungsflüssigkeit endet, wobei der Trichter eine Übergangsfläche auf weist, die die Gleitfläche an einem ersten Ende und die Lippenfläche an einem zweiten Ende verbindet und wobei das Übergangsflächenprofil eine variable Krümmung aufweist, die am ersten Ende Null ist und bis zu einem Maximum an einem Punkt zwischen dem ersten und zweiten Ende kontinuierlich zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die variable Krümmung von dem Maximum an dem genannten Punkt kontinuierlich bis auf Null am zweiten Ende abnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsfläche eine Bogenlänge L aufweist und die variable Krümmung durch folgende Formel bestimmt ist:

worin R = der variable Krümmungsradius ist, so daß ein positiver Wert von R eine konvex geformte Fläche definiert;

θ = der lokale Neigungswinkel der Gleitfläche gegenüber der Horizontalen ist;

θ&sub0; = der Neigungswinkel am ersten Ende der Übergangsfläche ist:

θ&sub1; = der Neigungswinkel am zweiten Ende der Übergangsfläche ist, wobei der Winkel 90º oder weniger beträgt;

s = der Bogenlängenabstand entlang der Übertragungsfläche ist, beginnend am ersten Ende;

L = die Bogenlänge der gesamten Übergangsfläche darstellt; und

n = eine positive Zahl ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

n weniger als 10 ist; und der Wert für

L etwa zwischen 5 und 100 mm liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

n zwischen 0,25 und 2 liegt; und der Wert für

L etwa zwischen 15 und 45 mm liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trichter quer über die Gleitfläche angeordnete Dosierschlitze aufweist, durch die hindurch Beschichtungsflüssigkeit auf die Gleitfläche gebracht wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Übergangsfläche etwa zwischen 5 und 100 mm liegt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche etwa 5 bis 300 gegenüber der Horizontalen geneigt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippenfläche 60 bis 120º gegenüber der Horizontalen geneigt ist.

9. Verfahren zum Bestimmen des Profils einer Übergangsfläche für einen Beschichtungstrichter, der in der Lage ist, auf einem bewegten Träger nach dem Vorhangsbeschichtungsverfahren eine oder mehrere Schichten einer Beschichtungsflüssigkeit aufzubnngen, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:

- Bereitstellen eines Trichters, der eine Gleitfläche und eine Lippenfläche aufweist, die an einer Kante für die Bildung eines freifallenden Vorhangs einer Beschichtungsflüssigkeit endet, wobei der Trichter eine Übergangsfläche aufweist, die die Gleitfläche an einem ersten Ende und die Lippenfläche an einem zweiten Ende verbindet und wobei das Übergangsflächenprofil eine variable Krümmung aufweist, die am ersten Ende Null ist, bis zu einem Maximum an einem Punkt zwischen dem ersten und zweiten Ende kontinuierlich zunimmt und kontinuierlich bis auf Null am zweiten Ende abnimmt, wobei die Übergangsfläche eine Länge L aufweist und die variable Krümmung durch folgende Formel bestimmt ist:

worin R = der variable Krümmungsradius ist, so daß ein positiver Wert von R eine konvex geformte Fläche definiert;

θ = der lokale Neigungswinkel der Gleitfläche gegenüber der Horizontalen ist;

θ&sub0; = der Neigungswinkel am ersten Ende der Übergangsfläche ist:

θ&sub1; = der Neigungswinkel am zweiten Ende der Übergangsfläche ist, wobei der Winkel 90º oder weniger beträgt;

s = der Bogenlängenabstand entlang der Übertragungsfläche ist, beginnend am ersten Ende;

L = die Bogenlänge der gesamten Übergangsfläche darstellt; und

n = eine positive Zahl ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß n weniger als 10 ist; und der Wert für L etwa zwischen 5 und 100 mm liegt.







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