DE102023005257A1

DE102023005257A1 - Solution tempering device for rotational coating systems

Info

Publication number: DE102023005257A1
Application number: DE102023005257.4A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt Erfinder
Original assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Current assignee: Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
Priority date: 2023-12-08
Filing date: 2023-12-08
Publication date: 2025-06-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Lösungstemperierung für Rotationsbeschichtungsanlagen. Die Vorrichtung umfasst dabei mindestens einen Wärmeübertrager, welcher gebildet ist aus mindestens einem Peltier-Element (2, 2') und mindestens einem Wärmespeicher (1). Das mindestens eine Peltier-Element (2, 2') ist dabei in direktem thermischem Kontakt mit dem mindestens einem Wärmespeicher (1). Auf dem mindestens einen Peltier-Element (2, 2') sind auf seiner dem Wärmespeicher (1) abgewandten Seite Wärmetauschrippen (4, 4', 4'', 4''') angeordnet und auf diesen wiederum mindestens eine angetriebene Strömungsmaschine (3, 3', 3'', 3'''). Dabei ist in dem mindestens einen Wärmespeicher (1) mindestens eine Aussparung zur Aufnahme von Lösungsreservoirs oder zur direkten Aufnahme von Lösung (5, 6, 7) vorgesehen.

The invention relates to a device for solution temperature control for spin coating systems. The device comprises at least one heat exchanger, which is formed from at least one Peltier element (2, 2') and at least one heat accumulator (1). The at least one Peltier element (2, 2') is in direct thermal contact with the at least one heat accumulator (1). Heat exchange fins (4, 4', 4'', 4''') are arranged on the side of the at least one Peltier element (2, 2') facing away from the heat accumulator (1), and on these, in turn, at least one driven turbomachine (3, 3', 3'', 3'''). At least one recess for receiving solution reservoirs or for directly receiving solution (5, 6, 7) is provided in the at least one heat accumulator (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lösungstemperierung für Rotationsbeschichtungsanlagen, wie eine solche in der Chemietechnik zur Einstellung der Temperatur einer Lösung für die Rotationsbeschichtung Verwendung findet.The invention relates to a device for solution temperature control for spin coating systems, such as is used in chemical engineering for adjusting the temperature of a solution for spin coating.

Es ist allgemein bekannt, dass Reaktionen bzw. Prozesse in Hinblick auf die Chemie und insbesondere auch Physikochemie temperaturabhängig seien können. In der Physikochemie betrifft dies vor allem die Kinetik von Reaktionen, d.h. die Geschwindigkeit bzw. den zeitlichen Ablauf der Reaktion, Transportvorgänge wie z.B. die Diffusion, Verdampfen, Erstarren, und hier insbesondere die Kristallisation und weitere. Die Beeinflussung von Reaktionen bzw. Prozessen in Hinblick auf Vorgänge, die von der Temperatur abhängig sind, wie oben beispielhaft aufgeführt, ist somit Gegenstand z.B. der chemischen und elektrochemischen Verfahrenstechnik. Die Einstellung und Steuerung der Temperatur sowohl in deren Erhöhung (Erwärmung) als auch Reduktion (Kühlung) kann dabei auf vielfältigem Wege erfolgen. Beispiele sind der direkte Kontakt mit einer Heizplatte oder Wärmesenke (Konduktion), Kontakt mit einem Heizmittel oder einer Kühlflüssigkeit, wie üblicherweise in Wärmetauschern, oder z.B. einfach über Wärmestrahlung.It is generally known that reactions and processes in chemistry, and especially in physical chemistry, can be temperature-dependent. In physical chemistry, this primarily concerns the kinetics of reactions, i.e., the rate or timing of the reaction, and transport processes such as diffusion, evaporation, solidification, and in particular crystallization, among others. Influencing reactions and processes with regard to temperature-dependent processes, as exemplified above, is therefore the subject of, for example, chemical and electrochemical process engineering. The adjustment and control of temperature, both in terms of increasing (heating) and decreasing (cooling), can be achieved in a variety of ways. Examples include direct contact with a hotplate or heat sink (conduction), contact with a heating medium or cooling liquid, as is commonly the case in heat exchangers, or simply via thermal radiation.

Ein Beispiel für temperaturabhängige Prozessierung ist die sogenannte Rotationsbeschichtung zur Abscheidung dünner Schichten, wie diese z.B. zur Herstellung von Solarzellen zum Einsatz kommt. In der Rotationsbeschichtung werden Lösungen auf ein Werkstück, zumeist eine Scheibe wie z.B. ein Wafer, abgeschieden, wobei die Lösungen Lösungsgemische sein können, die nach der Beschichtung reagieren und das Lösungsmittel verdampft oder Lösungen, in denen der gelöste Stoff durch die Verdampfung (Einengung) des Lösungsmittel ausfällt und erstarrt oder kristallisiert, wobei die Fällung und Kristallisation bzw. Erstarrung auch durch Temperaturänderung bewirkt sein kann oder beide Mechanismen -Einengung der Lösung und Temperaturänderung- zusammen wirken. Die Kinetik der Verdampfung des Lösungsmittels hat dabei insbesondere für abzuscheidende Schichten, für die eine Kristallisation angedacht ist, Einfluss auf die Qualität und Art der Kristallisation, ebenso wie ein mögliches Temperaturprofil bzw. die Temperaturkonstanz. Die Verdampfung ist insbesondere temperaturabhängig und abhängig des Weiteren z.B. von einer Durchflussrate eines Gases und dem Druck. Das Werkstück wird bei der Abscheidung rotiert, wozu dieses auf einem Drehteller mittels Vakuumansaugung fixiert ist. Die Drehteller, die für die Vakuumansaugung von Werkstücken Verwendung finden, werden als „Chuck“ bezeichnet. Es werden in der Rotationsbeschichtung Drehzahlen von bis zu 10.000/min und mehr erreicht.An example of temperature-dependent processing is spin coating for the deposition of thin films, such as those used in the production of solar cells. In spin coating, solutions are deposited onto a workpiece, usually a disc such as a wafer. The solutions can be mixtures of solutions that react after coating and the solvent evaporates, or solutions in which the dissolved substance precipitates and solidifies or crystallizes due to the evaporation (concentration) of the solvent. The precipitation and crystallization or solidification can also be caused by a change in temperature, or both mechanisms—concentration of the solution and temperature change—can work together. The kinetics of solvent evaporation influence the quality and type of crystallization, particularly for layers to be deposited for which crystallization is intended, as does a possible temperature profile or temperature constancy. Evaporation is particularly temperature-dependent and also depends, for example, on the flow rate of a gas and the pressure. During deposition, the workpiece is rotated, secured to a rotary table by vacuum suction. The rotary tables used for vacuum suction of workpieces are called "chucks." Rotational speeds of up to 10,000 rpm and more are achieved in spin coating.

In der US 4,886,012 ist eine Rotationsbeschichtungsanlage offenbart, in der die aufzurotierende Lösung zunächst unter einer Reaktionstemperatur bevorratet ist, um dann in der Zuführung der Lösung zum Aufrotieren erwärmt wird, so dass diese dann auf dem rotierenden Substrat durchreagieren kann. Die Rotationsbeschichtung findet hier in einer Prozesskammer statt. Die Erwärmung der Lösung in der Zuführung zum Aufrotieren erfolgt über Heizrippen, die außen an dem Zuführungsrohr für die Lösung angeordnet sind. Das Substrat ist auf einem Chuck befestigt.In the US$4,886,012 A spin-coating system is disclosed in which the solution to be coated is initially stored at a reaction temperature and then heated in the solution feed for the coating process, allowing it to react completely on the rotating substrate. The spin-coating process takes place in a process chamber. The solution is heated in the coating feed via heating fins arranged on the outside of the solution feed tube. The substrate is mounted on a chuck.

Eine Kühlung der Prozesskammer einer Rotationsbeschichtungsanlage ist in der US 6,001,418 offenbart. Hier sind Kühlwickelungen von innen in der Prozesskammer angebracht, um überschüssiges CO₂ zu kondensieren.Cooling of the process chamber of a spin coating system is US$6,001,418 disclosed. Here, cooling coils are installed inside the process chamber to condense excess _CO2 .

AufgabeTask

Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zur Lösungstemperierung für Rotationsbeschichtungsanlagen, mit der Lösungen sowohl erwärmt werden können als auch gekühlt und mit der eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Temperaturkonstanz erzielbar ist und die vereinfacht aufgebaut und herstellbar ist, anzugeben.The object of the invention is to provide a device for solution temperature control for rotational coating systems, with which solutions can be both heated and cooled and with which an improved temperature constancy can be achieved compared to the prior art and which has a simplified structure and manufacture.

Die Aufgabe ist gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.The problem is solved by the subject matter of claim 1. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims.

Die Erfindung beruht auf dem Einsatz eines Wärmeübertragers zur Temperierung von Vorratsbehältern für Lösungen unter Verwendung von mindestens einem Peltier-Element im Zusammenwirken mit Wärmetauschrippen sowie einem Wärmespeicher. Ein Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung ist eine Vorrichtung, mit der ein Wärmetransport realisiert ist, d.h. eine Übertragung von thermischer Energie von einem System auf ein anderes.The invention is based on the use of a heat exchanger for controlling the temperature of storage containers for solutions using at least one Peltier element in conjunction with heat exchange fins and a heat accumulator. A heat exchanger, as defined by the invention, is a device that enables heat transport, i.e., the transfer of thermal energy from one system to another.

Der Wärmespeicher ist aus einem Material mit hoher „volumetrischen“ Wärmekapazität, d.h. einer „volumetrischen“ Wärmekapazität υ im Bereich von ungefähr 2500 kJ/(m³K) (1000 - 3500 kJ/(m³K) bei gleichzeitig nicht zu geringer Wärmeleitfähigkeit, d.h. eine Wärmeleitfähigkeit λ im Bereich von 15 W/(m·K) ≤ λ ≤ 5300 W/(m·K) (Edelstahl bis Graphen), gebildet und vorzugsweise als Block, d.h. massiv, ausgeführt in dem Aussparungen als Aufnahmen für Lösungsreservoirs oder zur Bildung der Reservoirs selbst vorgesehen sind. Der Block ist dabei als Quader, Zylinder oder ähnliche Form ausführbar, in vorteilhafterweise als Form mit ebenen Begrenzungsflächen, wie z.B. als Quader oder als Prisma. Mögliche geeignete Materialien für die Bildung eines Wärmespeichers sind z.B. Aluminium, Silizium und Gold, wobei Aluminium die meisten Vorteile (bezüglich Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Preis und Formbarkeit) auf sich vereint.The heat storage device is made of a material with a high “volumetric” heat capacity, i.e. a “volumetric” heat capacity υ in the range of approximately 2500 kJ/(m ³ K) (1000 - 3500 kJ/(m ³ K)) with, at the same time, not too low thermal conductivity, i.e. a thermal conductivity λ in the range of 15 W/(m K) ≤ λ ≤ 5300 W/(m K) (stainless steel to graphene), and is preferably designed as a block, i.e. solid, in which recesses are provided as receptacles for solution reservoirs or to form the reservoirs themselves. The block can be designed as a cuboid, cylinder or similar shape, advantageously as a shape with flat boundary surfaces, such as a cuboid or a prism. Possible suitable materials for the formation of a heat storage device are, for example, aluminum, silicon and gold, with aluminum combining most of the advantages (in terms of heat capacity, thermal conductivity, price and formability).

Als Reservoir im Sinne der Erfindung ist ein Vorratsbehälter anzusehen, wobei der „Behälter“ auch durch Aussparungen, auch als Vertiefungen oder Ausnehmungen zur Aufnahme der Lösungsreservoirs oder der Lösungen selbst, anzusprechen, im Wärmespeicher gebildet sein kann. Ein Vorratsbehälter ist z.B. ansonsten gegeben durch Reagenzröhrchen bzw. Reagenzgläser, je nach Lösung z.B. aus Glas oder Kunststoff, die in vorteilhafter Weise formschlüssig in die Aussparungen bzw. Aufnahmen im Wärmespeicher anzuordnen sind. Für die Zufuhr von Lösung zu einer Rotationsbeschichtungsanlage, sind entsprechende Saugvorrichtung an bzw. in den Lösungsreservoirs anzuordnen.A reservoir within the meaning of the invention is considered to be a storage container, whereby the "container" can also be formed by recesses, also referred to as depressions or recesses, in the heat storage device for accommodating the solution reservoirs or the solutions themselves. A storage container is otherwise provided, for example, by test tubes or test tubes, depending on the solution, e.g., made of glass or plastic, which are advantageously arranged in a form-fitting manner in the recesses or receptacles in the heat storage device. For the supply of solution to a rotational coating system, appropriate suction devices must be arranged on or in the solution reservoirs.

Der Wärmeübertrager ist unter Verwendung mindestens eines Peltier-Elements im Zusammenwirken mit Wärmetauschrippen zur Temperierung des Wärmespeichers gebildet. Zusätzlich sind -je nach Bedarf- zur Abfuhr oder Zufuhr von Wärme angetriebene Strömungsmaschinen, wie z.B. Ventilatoren, und Wärmetauschrippen vorgesehen.The heat exchanger is constructed using at least one Peltier element in conjunction with heat exchange fins to regulate the temperature of the heat storage device. Additionally, driven flow machines, such as fans, and heat exchange fins are provided for heat removal or supply, as required.

Peltier-Elemente sind elektrothermische Wandler, in denen bei Stromdurchfluss eine Temperaturdifferenz oder bei Temperaturdifferenz ein Stromfluss (Seebeck-Effekt) erzeugt wird, wobei die Peltier-Elemente zumeist so eingerichtet sind, dass die Temperaturdifferenz zwischen zwei Seiten des Peltier-Elements, welche zumeist auch plattenförmig ausgebildet sind, vorliegt, wie es auch für die erfindungsgemäß angedachten Peltier-Elemente zutrifft. Die Temperaturdifferenz ist dabei von der Stromflussmenge abhängig und über diese steuerbar. Sie bildet sich im Peltier-Element im Verhältnis zur Umgebungstemperatur aus und ist insbesondere durch eine gezielte Temperierung einer Seite des Peltier-Elements beeinflussbar. Die Polarität der Temperaturdifferenz ist zudem durch Richtungswechsel des Stromflusses durch das Peltier-Element umkehrbar. Peltier-Elemente können demnach sowohl zur Kühlung als auch zur Erwärmung verwendet werden. Peltier-Elemente werden üblicherweise zur Temperierung in direkten physischen Kontakt (Konduktion) mit einem zu kühlenden oder zu erwärmenden Werkstück gebracht. Die nicht im Kontakt mit dem zu temperierenden Werkstück gebrachte Seite wird zur Abfuhr oder Zufuhr von Wärme, insbesondere im Falle der Kühlung eines Werkstückes zur Abfuhr, bei Bedarf mit einem Fluid zum Abtransport von Wärme überströmt. Die Erfindung macht sich nun die Eigenschaften der Peltier-Elemente der Möglichkeit einer raschen und einfachen Umkehr der Polarisierung, d.h. Umschaltung zwischen Kühlung und Heizung und der sehr guten Temperaturkonstanz zunutze. Die sehr gute Temperaturkonstanz bedeutet eine sehr gute Konstanz der Temperierung des Wärmespeichers, der wiederum die Lösungen temperiert, woraus eine sehr gute Thermostatierung derselben erfolgt. Peltier-Elemente bringen auch den Vorteil mit, dass für ihren Einsatz nicht zwingend Kühlflüssigkeiten benötigt werden, sondern auch mit Gasströmen ausreichend kühlbar sind, so dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die mit Peltier-Elementen ausgestattet ist, auch in Umgebungen mit spezieller Atmosphäre, wie z.B. evakuierten Kammern oder Kammern mit inerter Atmosphäre, insbesondere z.B. auch Handschuhboxen, gefahrlos betreibbar ist, da ein Austreten einer Flüssigkeit ausgeschlossen ist.Peltier elements are electrothermal converters in which a temperature difference is generated when a current flows through them, or a current flow is generated when there is a temperature difference (Seebeck effect). The Peltier elements are usually designed in such a way that the temperature difference exists between two sides of the Peltier element, which are usually also plate-shaped, as is also the case for the Peltier elements envisaged in the invention. The temperature difference depends on the amount of current flow and can be controlled by this. It develops in the Peltier element in relation to the ambient temperature and can be influenced in particular by targeted temperature control of one side of the Peltier element. The polarity of the temperature difference is also reversible by changing the direction of the current flow through the Peltier element. Peltier elements can therefore be used for both cooling and heating. For temperature control, Peltier elements are usually brought into direct physical contact (conduction) with a workpiece to be cooled or heated. The side not in contact with the workpiece to be tempered is flushed with a fluid to dissipate heat, particularly when cooling a workpiece for heat removal. The invention utilizes the properties of Peltier elements, such as the ability to quickly and easily reverse polarity, i.e., switch between cooling and heating, and their very good temperature stability. This very good temperature stability translates into very good temperature stability of the heat storage device, which in turn tempers the solutions, resulting in very good thermostat control. Peltier elements also have the advantage that cooling liquids are not necessarily required for their use; they can also be sufficiently cooled with gas streams. This means that a device according to the invention equipped with Peltier elements can be safely operated even in environments with special atmospheres, such as evacuated chambers or chambers with an inert atmosphere, in particular, for example, glove boxes, since any leakage of liquid is impossible.

Erfindungsgemäß ist das mindestens eine Peltier-Element in direktem, thermischem Kontakt mit dem Wärmespeicher. In vorteilhafter Weise weist der Wärmespeicher mindestens eine Kontaktfläche zur Kontaktierung durch das mindestens eine Peltier-Element auf. Wie es in einer Ausführungsform vorgesehen ist, ist der Wärmespeicher vorteilhaft als Quader ausgeformt und an allen vier Seitenflächen von Peltier-Elementen kontaktiert. Diese Redundanz erhöht die Temperaturkonstanz und die Kühl- bzw. Heizleistung. Auf der, dem Wärmetauscher gegenüberliegenden Seite des mindestens einen Peltier-Elements ist dieses mit Wärmetauschrippen ausgestattet, auf denen wiederum eine angetriebene Strömungsmaschine zur Abfuhr oder Zufuhr von Wärme von dem Peltier-Element angeordnet ist, vorzugsweise ein Ventilator. Die Strömungsmaschine ist dabei derart eingerichtet, dass eine erzeugte Strömung auf die zu temperierende Seite des Peltier-Elements gerichtet ist oder von diesem wegführt. Die zu temperierende Seite des Peltier-Elements ist diejenige, die bezogen auf den Wärmespeicher nach Außen gewandt ist. Für die Herstellung eines ausreichenden Kontakts zur Wärmeübertragung zwischen einem Peltier-Element und dem Wärmespeicher oder einem Peltier-Element und den ihm zugehörigen Wärmetauschrippen kann jeweils auf den Kontaktflächen Wärmeleitpaste angeordnet werden.According to the invention, the at least one Peltier element is in direct thermal contact with the heat accumulator. Advantageously, the heat accumulator has at least one contact surface for contact by the at least one Peltier element. As provided in one embodiment, the heat accumulator is advantageously shaped as a cuboid and contacted on all four sides by Peltier elements. This redundancy increases temperature consistency and the cooling or heating performance. On the side of the at least one Peltier element opposite the heat exchanger, the element is equipped with heat exchange fins, on which a driven turbomachine, preferably a fan, is arranged for dissipating or supplying heat from the Peltier element. The turbomachine is configured such that a generated flow is directed towards the side of the Peltier element to be tempered or away from it. The side of the Peltier element to be tempered is the side facing outwards with respect to the heat accumulator. To ensure sufficient contact for heat transfer between a Peltier element and the heat storage device or a Peltier element and its associated heat exchange fins, thermal paste can be applied to the contact surfaces.

Die Wärmetauschrippen sind dabei in jeglicher Form, die einen erhöhten Wärmeaustausch durch vergrößerte Oberfläche begünstigt, ausführbar. Beispiele für Formen von Wärmetauschrippen sind z.B. Lamellen, Streifen, Platten, gewellt oder eben ausgeformt oder Stäbe, rund oder eckig, gewellt oder gerade oder auch z.B. gegeben durch gitterartige Anordnungen der genannten Formen. Die Wärmetauschrippen dienen im erfindungsgemäßen Fall insbesondere zur Kühlung, d.h. Abfuhr von Wärme von der Seite des Peltier-Elements, die von dem Wärmespeicher abgewandt (nach Außen gerichtet) ist. Die Wärmetauschrippen sind aus einem Material gefertigt, das eine Wärmeleitfähigkeit λ im Bereich von 15 W/(m·K) ≤ λ ≤ 5300 W/(m·K) (Edelstahl bis Graphen) aufweist. Aluminium mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von 235 W/(m·K) ist bei guter Formbarkeit und geringem Preis auch zur Bildung der Wärmetauschrippen von Vorteil. Um einen möglichst großen Kühleffekt im Zusammenwirken mit einer angetriebenen Strömungsmaschine zu erzeugen sind die Wärmetauschrippen vorzugsweise derart angeordnet, dass die Zwischenräume zwischen den Rippen Strömungskanäle bzw. Strömungswege bilden, die eine ungehinderte Strömung von der Strömungsmaschine zum Peltier-Element ermöglichen.The heat exchange fins can be designed in any shape that promotes increased heat exchange through an enlarged surface. Examples of heat exchange fin shapes are, for example, fins, strips, plates, corrugated or flat, or rods, round or square, corrugated or straight, or even, for example, grid-like arrangements of the aforementioned shapes. In the case according to the invention, the heat exchange fins serve in particular for cooling, i.e. dissipation of heat from the side of the Peltier element that is facing away from the heat storage (outwardly facing). The heat exchange fins are made of Made from a material with a thermal conductivity λ in the range of 15 W/(m·K) ≤ λ ≤ 5300 W/(m·K) (stainless steel to graphene). Aluminum, with a specific thermal conductivity of 235 W/(m·K), is also advantageous for forming the heat exchange fins due to its good formability and low cost. To achieve the greatest possible cooling effect in conjunction with a driven turbomachine, the heat exchange fins are preferably arranged such that the spaces between the fins form flow channels or flow paths that enable unhindered flow from the turbomachine to the Peltier element.

Angetriebene Strömungsmaschinen im Sinne der Erfindung sind z.B. Ventilatoren, Propeller und Kreiselpumpen. Vorteilhaft für die Funktionalität der Erfindung sind Ventilatoren, da diese sich zur einfachen Anordnung in den oder an den Enden der Strömungskanäle bauartlich bedingt anbieten. Auch betreffend das, mit der Strömungsmaschine zu bewegende Fluid, nämlich Gas, insbesondere Luft, bieten sich Ventilatoren vorteilhaft an. Ferner trifft dies auch auf die Volumina und Geschwindigkeiten der erfindungsgemäß zu erwartenden Gasströme zu. Alle Formen von Ventilatoren, wie z.B. Axial-, Diagonal- oder Radialventilatoren sind funktional einsetzbar. Es kann sich zudem bei den Strömungsmaschinen um solche handeln, bei denen sich die Richtung des erzeugten Gasstromes durch Umkehrung der Drehrichtung umkehren lässt. Bei den erfindungsgemäß zum Einsatz kommenden Strömungsmaschinen handelt es sich um angetriebene Maschinen, d.h. um mit Motoren angetriebene Maschinen.Driven turbomachines within the meaning of the invention include, for example, fans, propellers, and centrifugal pumps. Fans are advantageous for the functionality of the invention because, due to their design, they lend themselves to simple arrangement in or at the ends of the flow channels. Fans are also advantageous with regard to the fluid to be moved by the turbomachine, namely gas, in particular air. This also applies to the volumes and velocities of the gas flows to be expected according to the invention. All types of fans, such as axial, diagonal, or radial fans, can be used functionally. The turbomachines can also be those in which the direction of the generated gas flow can be reversed by reversing the direction of rotation. The turbomachines used according to the invention are driven machines, i.e., machines driven by motors.

In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung mit einer thermischen Isolierung ausgestattet, die die Temperaturstabilität zusätzlich erhöht, in dem der Wärmeaustausch mit der Umgebung gehindert wird. Die thermische Isolierung ist insbesondere aus Materialien zu fertigen, die sich für 3D-Druck eignen und somit an sich mit 3D-Druck herzustellen. Die thermische Isolierung ist auch derart auszugestalten, dass diese Führungen für die elektrischen Kontaktierungen, z.B. der Peltier-Elemente, umfasst.In a further embodiment, the device is equipped with thermal insulation, which further increases temperature stability by preventing heat exchange with the environment. The thermal insulation is particularly made of materials suitable for 3D printing and thus inherently 3D printing. The thermal insulation is also designed to include guides for the electrical contacts, e.g., the Peltier elements.

Die Dimensionierung der Vorrichtung richtet sich nach der Größe der Rotationsbeschichtungsanlage und der dort verarbeiteten Lösungsmengen. Die Dimensionierung ist durch entsprechende Gestaltung der einzelnen Komponenten flexibel anpassbar. Bei üblichen Volumina von Lösungsreservoirs für Rotationsbeschichtungsanlagen liegt die Kantenlänge in einem Bereich von 10 cm bis 30 cm.The dimensions of the device depend on the size of the spin-coating system and the solution quantities processed there. The dimensions can be flexibly adapted by appropriately designing the individual components. For typical volumes of solution reservoirs for spin-coating systems, the edge length ranges from 10 cm to 30 cm.

Die Temperatur T_p die mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung zur Temperierung für Lösungen einstellbar ist, liegt in einem Bereich von 4°C ≤ T_p ≤ 80 °C.The temperature T _p which can be set with the device for tempering solutions proposed here lies in a range of 4°C ≤ T _p ≤ 80 °C.

Die erfinderische Lösungstemperierung lässt sich in vorteilhafterweise kostengünstig aus bereits konfektionierten Bauteilen zusammenstellen, wobei bestimmte Teile, wie z.B. die thermische Isolierung auch durch 3D-Druck anzufertigen sind. Sie weist durch die Vorsehung der Peltier-Elemente eine Temperaturkonstanz von ± 0,1 °C im gesamten Temperaturbereich auf. Ein weiterer Vorteil ist, dass Lösungen sowohl erwärmt als auch gekühlt werden können.The inventive solution temperature control system can advantageously be assembled cost-effectively from prefabricated components, with certain parts, such as the thermal insulation, also being 3D-printed. Thanks to the inclusion of Peltier elements, it exhibits a temperature stability of ± 0.1 °C across the entire temperature range. A further advantage is that solutions can be both heated and cooled.

BeispielExample

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels und anhand von 1 Figur näher beschrieben.The invention is described in more detail using an embodiment and 1 figure.

Die Figur zeigt:

1: Schematische Darstellung in schräger Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösungstemperierung für Rotationsbeschichtungsanlagen

The figure shows:

1 : Schematic representation in oblique top view of an inventive device for solution temperature control for rotation coating systems

In der 1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösungstemperierung für Rotationsbeschichtungsanlagen gezeigt. Im Beispiel ist der Wärmespeicher 1 aus Aluminium als Quader gefertigt und hat die Maße 55m Höhe 70mm Breite 70mm Tiefe. Auf einer Seite des Quaders sind insgesamt sechs Aussparungen in Form von Sacklöchern mit drei unterschiedlichen Durchmessern 5, 6, 7 gebildet. Die Aussparung mit dem kleinsten Durchmesser 5 ist zur Aufnahme von Thermometern zur Temperaturkontrolle vorgesehen. Die übrigen Aussparungen 6, 7 dienen im Beispiel zur formschlüssigen Aufnahme von Reagenzgläsern als Lösungsmittelreservoirs mit unterschiedlichen Volumina. Die Seite mit den Aussparungen im Quader definiert die Oberseite der Vorrichtung. Auf den umliegenden vier Seiten des Wärmespeichers 1 sind jeweils ein Peltier-Element 2, 2' (die übrigen zwei sind aus Gründen der perspektivischen Darstellung nicht gezeigt) in direktem thermischem Kontakt zum Wärmespeicher 1 angeordnet. Auf den vier Peltier-Elementen 2, 2' sind jeweils Wärmetauschrippen 4, 4', 4'', 4''' aus Aluminium in Form von Stäben, für einen verbesserten Wärmetransport von dem Peltier-Element angeordnet. Auf den Wärmetauschrippen wiederum sind angetriebene Strömungsmaschinen in Form von Ventilatoren 3, 3', 3'', 3''' angeordnet die zusätzlich durch Gasströmung für einen Wärmetransport sorgen. Die elektrischen Anschlüsse der einzelnen Bauteile sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet ebenso wie Vorrichtungen zur Absaugung bzw. dem Transport der Lösungen zu einer Rotationsbeschichtungsanlage.In the 1 An exemplary embodiment of a device according to the invention for solution temperature control for spin coating systems is shown schematically. In the example, the heat accumulator 1 is made of aluminum as a cuboid and has the dimensions 55 mm high, 70 mm wide, and 70 mm deep. On one side of the cuboid, a total of six recesses in the form of blind holes with three different diameters 5, 6, 7 are formed. The recess with the smallest diameter 5 is intended to accommodate thermometers for temperature control. The remaining recesses 6, 7 in the example serve to form-fit test tubes as solvent reservoirs with different volumes. The side with the recesses in the cuboid defines the top side of the device. On each of the four surrounding sides of the heat accumulator 1, a Peltier element 2, 2' (the other two are not shown for reasons of perspective representation) is arranged in direct thermal contact with the heat accumulator 1. Heat exchange fins 4, 4', 4'', 4''' made of aluminum in the form of rods are arranged on the four Peltier elements 2, 2' for improved heat transfer from the Peltier element. Driven flow machines in the form of fans 3, 3', 3'', 3''' are arranged on the heat exchange fins, which additionally ensure heat transfer through gas flow. For reasons of clarity, the electrical connections of the individual components are not shown, nor are devices for extraction or transport of the solutions to a rotational coating system.

Die Peltier-Elemente 2, 2' sind käuflich erwerbbar und haben eine maximale Eingangsleistung von jeweils 142 W und können eine Temperaturdifferenz von bis zu 68 K zwischen ihren zwei Seiten erreichen.The Peltier elements 2, 2' are commercially available and have a maximum input power of 142 W each and can achieve a temperature difference of up to 68 K between their two sides.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel (nicht gezeigt) ist für die Vorrichtung mithilfe von 3D-Druck eine formschlüssige thermische Isolierung aus 3D-Druck kompatiblem Kunststoff gefertigt. Diese Anordnung verbessert zusätzlich die Temperaturkonstanz.In another embodiment (not shown), a form-fitting thermal insulation made of 3D-printable plastic is manufactured for the device using 3D printing. This arrangement further improves temperature stability.

Es lassen sich Temperaturen von 4°C bis 80°C in einstellen. Die Temperaturkonstanz bewegt sich bei ± 0,1 °C im gesamten Temperaturbereich unter Verwendung der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung. Damit sind die Vorteile der Erfindung einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Temperaturkonstanz bei einfacher und flexibler Fertigung demonstriert. Mit Hilfe der Peltier-Elemente kann sowohl gekühlt als auch erwärmt werden.Temperatures from 4°C to 80°C can be set. Temperature stability is within ± 0.1°C across the entire temperature range using the device according to the invention described above. This demonstrates the advantages of the invention: improved temperature stability compared to the prior art, coupled with simple and flexible manufacturing. The Peltier elements can be used for both cooling and heating.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents submitted by the applicant was generated automatically and is included solely for the convenience of the reader. This list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 4,886,012 [0004]
US 6,001,418 [0005]

Claims

Device for solution temperature control for rotational coating systems comprising at least one heat exchanger, formed from at least one Peltier element (2, 2') and at least one heat accumulator (1), wherein the at least one Peltier element (2, 2') is in direct thermal contact with the at least one heat accumulator (1), and heat exchange fins (4, 4', 4'', 4''') are arranged on the at least one Peltier element (2, 2') on its side facing away from the heat accumulator (1), on which heat exchange fins at least one driven turbomachine (3, 3', 3'', 3''') is arranged, and wherein at least one recess for receiving solution reservoirs or for directly receiving solution (5, 6, 7) is provided in the at least one heat accumulator (1).

Device according to Claim 1 , characterized in that the heat accumulator (1) is designed in the form of a cuboid with four side walls and a Peltier element (2, 2') is arranged on each of the four side walls and wherein heat exchange fins (4, 4', 4'', 4''') are arranged on each Peltier element (2, 2') on a side facing away from the heat accumulator (1), on which heat exchange fins at least one driven turbomachine (3, 3', 3'', 3''') is arranged.

Device according to Claim 1 or 2 , characterized in that the device is provided with thermal insulation.