VIX, Martin (Roggenstrasse 11, Riken, CH-4853, CH)
SCHUMACHER, Urs (Magnolienstrasse 5, Zürich, CH-8008, CH)
SCHNEEBERGER, Hans-Martin (Sonnenbergstrasse 26, Hergiswil, CH-6052, CH)
VIX, Martin (Roggenstrasse 11, Riken, CH-4853, CH)
SCHUMACHER, Urs (Magnolienstrasse 5, Zürich, CH-8008, CH)
| Patentansprüche Wärmeleitelement (10) zur Anordnung zwischen beweglichen Bauteilen (Bl, B2) in einem Vakuum, mit Wälzkörpern (11 ... 11' ''''), die zwischen zwei linear zueinander beweglichen Laufflächen (12, 13) geführt sind, und mit wenigstens einem Stützelement (14), das elastisch rückfedernd gegen eine der Laufflächen (12) gelagert ist, und das diese Lauffläche (12) so kontaktiert, dass zwischen diesem Stützelement (14) und der Lauffläche (12) eine thermische Brücke besteht. Wärmeleitelement (10) nach Anspruch 1, bei dem die Wälzkörper (11 ... 11''''') einen Abstand zueinander aufweisen, der weniger als die Hälfte ihres jeweiligen Durchmessers beträgt. Wärmeleitelement (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Wälzkörper (11 ... 11''''') eine lang gestreckte zylindrische Form aufweisen. Wärmeleitelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Stützelement (14) wenigstens einen Vorsprung und die eine der Laufflächen (12) wenigstens eine diesem Vorsprung zugeordnete Öffnung aufweist und/oder umgekehrt, und der jeweilige Vorsprung in diese Öffnung eingreift oder diese durchgreift. Wärmeleitelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Stützelement (14) die Lauffläche (12, 13) wenigstens teilweise und/oder die Lauffläche (12, 13) das Stützelement (14) wenigstens teilweise umgreift . 6. Wärmeleitelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Stützelement (14) aus einem metallischen Material besteht. 7. Wärmeleitelement (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem zwischen dem Stützelement (14) und der Lauffläche (12, 13) wenigstens ein Federelement (15, 15') vorgesehen ist. 8. Anordnung (30) aus zwei gegeneinander beweglichen Bauteilen (Bl, B2) in einem Vakuum, mit wenigstens einem zwischen diesen Bauteilen. (Bl, B2) aufgenommenen Linearlager (20) und wenigstens einem erfindungsgemässen Wärmeleitelement (10), das elastisch- vorgespannt zwischen den Bauteilen (Bl, B2) angeordnet ist. 9. Anordnung (30) nach Anspruch 8, mit einem Antrieb zum Bewegen von wenigstens einem der Bauteile (Bl, B2) gegenüber dem jeweils anderen Bauteil (Bl, B2) , der zwischen diesen beiden Bauteilen (Bl, B2) angeordnet ist . 10. Anordnung (30) nach Anspruch 9, bei welcher der Antrieb räumlich näher zu dem wenigstens einen Wärmeleitelement (10) als zu dem wenigstens einen Linearlager (20) angeordnet ist. 11. Herstellungsvorrichtung für Wafer umfassend eine Anordnung (30) nach einem der Ansprüche 8 bis 10. |
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Wärmeleittechnik in einem Vakuum und insbesondere ein Wärmeleit- element nach Anspruch 1, sowie eine Anordnung eines solchen Wärmeleitelements nach Anspruch 8.
Aus dem Stand der Technik ist es bereits bekannt, Fluid- ströme wie Luft oder Wasser zur Kühlung- von Bauteilen oder ganzen Aggregaten zu nutzen. Zur Kühlung elektrischer Schaltungen werden auch Peltier-Elemente eingesetzt, deren Leistungsfähigkeit allerdings begrenzt ist. Zur Abfuhr grösserer Wärmemengen aus einem Vakuum sind diese Techniken deshalb entweder nicht brauchbar oder nur sehr aufwendig oder wartungsintensiv zu realisieren.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Wärmeleitelement zur Ableitung von grösseren Wärmemengen aus einem Vakuum bereitzustellen, das konstruktiv einfach aufgebaut, zuverlässig und effizient ist, das zudem skalierbar und damit flexibel einsetzbar ist, und das praktisch wartungsfrei und somit kostengünstig betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird durch ein Wärmeleitelement nach Anspruch 1 gelöst.
Ein wesentlicher Punkt des erfindungsgemässen Wärmeleitelements besteht darin, dass dieses zwar ähnlich wie ein Linearlager aufgebaut ist, aber auf Grund seiner Elastizität (praktisch) keine Lasten übertragen muss. Seine elastische Vorspannung wird allein genutzt, um einen guten thermischen Kontakt zwischen den beweglichen Bauteilen herzustellen. Der Wärmefluss verläuft dabei im Wesentlichen über das Stützelement, die Laufflächen und die dazwischen aufgenommenen Wälzkörper hinweg. Dabei kommt der Verbindung .zwischen Stützelement und der diesem Stützelement zugewandten Lauf- fläche eine besondere Bedeutung zu, da beide elastisch rückfedernd gegeneinander gelagert sind. Diese kontaktieren sich so, dass zwischen diesem Stützelement und der Lauffläche eine thermische Brücke besteht. Insofern entsteht über das Wärmeleitelement hinweg eine besonders breite Kontaktfläche, die selbst eine Abfuhr grosser Wärmemengenleistet, wie sie z.B. von elektrischen Stellmotoren abgegeben wird. Der konstruktiv einfache Aufbau des Wärmeleitelements lässt zudem einen äusserst zuverlässigen Betrieb zu, der zudem kaum Wartung erfordert. Gleichzeitig ist das Element fast beliebig skalierbar, d.h. durch Anpassen seiner Abmessungen und insbesondere die Wahl der Anzahl, Art und Grösse seiner Wälzelemente an unterschiedlichste Einsatzbereiche anpassbar. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Wärmeleitelements sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist insbesondere vorgesehen, dass die Wälzkörper einen Abstand zueinander aufweisen, der weniger als die Hälfte ihres jeweiligen Durchmessers beträgt. Diese enge „Packung" der Wälzkörper erhöht deren laufflächenseitige Kontaktfläche und damit den Querschnitt des Wärmeleitelements, über den der Wärmefluss abgeleitet werden kann.
Grundsätzlich können die Wälzkörper jede geeignete Form aufweisen, die eine gegenseitige Bewegung der Laufflächen zueinander ermöglicht. Dafür kann natürlich eine übliche Kugelform gewählt werden. Eine besonders breite beidseitige Kontaktfläche der Wälzkörper zu den Laufflächen entsteht aber dann, wenn diese eine langgestreckte zylindrische Form aufweisen. Da die Kontaktfläche vergrössert wird, verbessert sich gleichzeitig die thermische Leitfähigkeit des erfindungsgemässen Elements.
Die Wärmeleitung zwischen dem Stützelement und der diesem Stützelement zugewandten Lauffläche wird insbesondere auch dadurch verbessert, wenn das Stützelement wenigstens einen Vorsprung und die eine der Laufflächen wenigstens eine diesem Vorsprung zugeordnete Öffnung aufweist und/oder umgekehrt, und der jeweilige Vorsprung in diese Öffnung eingreift oder diese durchgreift. Dadurch kann die thermische Brücke zwischen den beiden elastisch rückfedernd gegeneinander gelagerten Teilen deutlich vergrössert werden,, was wiederum die Wärmeleitfähigkeit zwischen beiden erhöht..
Alternativ oder zusätzlich kann es auch bevorzugt sein, wenn das Stützelement die Lauffläche wenigstens teilweise und/oder die Lauffläche das Stützelement wenigstens teilweise umgreift. Auch dadurch wird die Kontaktfläche zwischen der stützelementseitigen Lauffläche und dem Stützelement selbst erhöht und die Wärmeleitfähigkeit der thermischen Brücke zwischen beiden Teilen verbessert.
Grundsätzlich können die einzelnen Teile des Wärmeleitelements aus einem Material bestehen, dessen Wärmeleit ¬ fähigkeit den spezifischen Anforderungen des geforderten Einsatzbereichs genügt. Um allerdings eine besonders gute Wärmeleitfähigkeit zu erzielen, besteht das Stützelement bevorzugt aus einem metallischen Material. Bevorzugt ist zwischen dem Stützelement und der Lauffläche wenigstens ein Federelement vorgesehen. Je nach Anforderung können dies aber auch mehrere sein, so dass eine elastische Rückstellkraft des Wärmeleitelements flexibel anpassbar ist. Insbesondere kann durch eine besonders hohe Rückstellkraft der Kontakt zwischen den Wälzelementen und den Laufflächen verbessert werden. Gleichzeitig bilden auch die Federelemente eine thermische Brücke zwischen der Lauffläche und dem elastisch rückfedernd gegen diese Lauffläche gelagerten Stützelement. Sind die Federelemente z.B. aus besonders leitfähigem Material gefertigt, so wird mit steigender Anzahl von Federelementen auch die thermische Brücke zwischen diesen beiden Teilen verbessert. Die eingangs genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch eine Anordnung nach Anspruch 8 gelöst.
Ein wesentlicher Punkt der erfindungsgemässen Anordnung besteht dabei darin, dass das vorstehend beschriebene Wärme- leitelement zwar ähnlich wie ein Linearlager zwischen beweglichen Bauteilen verwendet wird. Es trägt hier aber (praktisch) keine Lasten, sondern beschränkt sich auf eine reine Vorspannung. Es wirkt damit lediglich als thermische Brücke, allerdings ohne der Bewegung der Bauteile den unter Last üblicherweise entstehenden Reibungswiderstand eines Linearlagers entgegenzusetzen. Der konstruktive Aufbau des Wärmeleitelements ist damit auf thermische Optimierung bedacht, während lastbedingte Nachteile bewusst ausgeschlossen sind. Insgesamt entsteht dadurch eine optimale Wärme- ableitung zwischen Bauteilen in einem Vakuum.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Anordnung sind in den Unteransprüchen 9 und 10 angegeben. Danach ist es von Vorteil, wenn ein Antrieb zum Bewegen der Bauteile gegeneinander zwischen diesen angeordnet ist. Die Wärme des Antriebs, z.B. eines Elektromotors, staut sich üblicherweise zwischen den Bauteilen und erhitzt insbesondere das in vertikaler Richtung gesehen obere davon. Zwischen beiden Bauteilen entstehen damit Wärmespannungen, die insbesondere bei hochpräzise arbeitenden Produktionsanlagen zu inakzeptabel hohen Materialausdehnungen mit der Folge von Bearbeitungsungenauigkeiten führen können. Während der Antrieb seine Wärme aber im Wesentlichen an das obere Bauteil abgibt, wirkt das zwischen den Bauteilen vorgespannte Wärmeleitelement dem entgegen. Dieses sorgt nämlich für eine gute Wärmeableitung vom oberen zum unteren Bauteil. Ist dieses z.B. fest verbaut, kann über dessen Basis schliesslich eine Wärmeabfuhr in die Umgebung erfolgen. Es entsteht damit ein Wärmefluss, der von dem Antrieb ausgeht, über das obere Bauteil, das erfindungsgemässe Wärmeleitelement, das untere Bauteil und in die Umgebung verläuft. Sind mehrere Wärmeleitelemente vorgesehen, kann dieser Wärmefluss noch entsprechend multipliziert werden. Mit herkömmlichen Technologien ist eine solche Wärmeableitung in einem Vakuum bislang nicht herstellbar, und zwar weder in dieser Grössenordnung, noch derart einfach und zuverlässig. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Bauteilen lässt sich damit minimieren, wodurch keine Wärmespannungen mehr auftreten .
Bevorzugt ist es dabei, wenn der Antrieb räumlich näher zu dem wenigstens einen Wärmeleitelement als zu dem wenigstens einen Linearlager angeordnet ist. Damit unterliegt das Linearlager keinen unmittelbaren Wärmeeinflüssen, die seine Leistungsfähigkeit, insbesondere seine Reibungsverluste erhöhen könnten. Die Wärme wird im Gegenteil von diesem Lager weggeleitet und kann in die Umgebung abgeführt werden.
Vorzugsweise soll die vorstehend beschriebene Anordnung in einer Herstellungsvorrichtung für Wafer Verwendung finden, da gerade deren hochpräzise Ausrichtung zum Laserstrahl keinen Schwankungen unterworfen sein darf.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren im Detail erläutert. Gleiche oder funktionsgleiche Bauteile sind mit den gleichen Bezugsnummern versehen. Es zeigen : Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsge- mässen Wärmeleitelements von schräg vorn und oben;
Figur 2A eine Vorderansicht des Wärmeleitelements der Figur
1;
Figur 2B eine längsgeschnittene Seitenansicht eines Teils des Wärmeleitelements der Figur 2A, und
Figur 3 eine Vorderansicht eines Teils einer erfindungs- gemässen Anordnung.
Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemässen Wärmeleitelements 10 von schräg vorn und oben. Dessen Wälzelemente 11 ... 11 , , λ λ sind als zylinderförmige Walzen ähnlich einem Nadellager ausgeführt und zwischen zwei Laufflächen 12 und 13 angeordnet. Die obere Lauffläche 12 wird von dem Stützelement 14 seitlich umgriffen, so dass eine seitliche thermische Brücke zwischen beiden Teilen 12 und 14 gebildet wird. Das Stützelement 10 ist dabei über ein Federelement 15 elastisch rückfedernd gegen die Lauffläche 12 gelagert. Die thermische Brücke bleibt dabei auch beim Ein- oder Ausfedern des Stützelements 14 gegen die Lauffläche 12 erhalten. Das Wärmeleitelement 10 kann deshalb zwischen zwei Bauteilen vorgespannt verbaut werden und lässt in jeder Stellung des Federelements 15 einen Wärmefluss über das Stützelement 14, das Federelement 15 und die thermische Brücke zwischen dem Stützelement 14 und der Lauffläche 12, die Wälzkörper 11 ... 11 , , , , zur Lauffläche 13, oder umgekehrt zu. Dazu sind insbesondere das Stützelement 14, die Wälzkörper 11 ... 11 Λ λ λ λ und die Laufflächen 12 und 13 aus einem metallischen, gut wärmeleitfähigen Material ausgeführt. Auch das Federelement 15 selbst kann zur Wärmeleitung beitragen und aus einem solchen Material bestehen, insbesondere dann, wenn ein Blattfederelement mit breiter stützelementseitiger und/oder laufflächenseitiger Kontaktfläche gewählt wird. Die thermische Brücke zwischen dem Stützelement 14 und der zugehörigen Lauffläche 12 kann alternativ oder zusätzlich auch durch gegenüberliegende Vorsprünge oder Öffnungen (nicht gezeigt) in diesen Teilen 14 und 12 hergestellt bzw. verbessert werden, bei denen die Vorsprünge mit den jeweiligen Öffnungen in Eingriff stehen, und dies unabhängig von der jeweiligen Stellung des Federelements 15. Dadurch wird eine Fläche hergestellt bzw. weiter vergrössert, über welche die Wärme von einem in das andere Teil übertreten kann und somit die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitelements deutlich verbessert.
Gleichzeitig können sich das Stützelement 14 samt Feder 15 und Lauffläche 12 gegenüber der Lauffläche 13 linear bewegen, allerdings ohne dass sie dabei Lasten aufnehmen und übertragen könnten. Eventuelle Wärmespannungen und dadurch mögliche Materialausdehnungen der einzelnen Teile werden durch das Federelement 15 kompensiert, so dass - anders als bei einem lasttragenden Linearlager - keine erhöhten Reibungswiderstände bei dieser Bewegung auftreten können. Da die Wälzkörper 11 ... 11 λ λ λ Λ von der unteren Lauffläche 13 ähnlich wie die obere Lauffläche 12 von dem Stützelement 14 umgriffen und geführt werden, entsteht zudem eine grosse Richtungsstabilität. Der einfache Aufbau lässt dabei einen (praktisch) wartungsfreien Betrieb des Wärmeleitelements 10 zu .
Die Figur 2A zeigt eine Vorderansicht des Wärmeleitelements 10 der Figur 1 mit den bereits bekannten Teilen 11 ... 15, die im Übrigen abhängig vom gewünschten Einsatzbereich des Elements 10 beliebig skalierbar sind. Dadurch entsteht eine erhebliche Flexibilität in der Verwendung des erfindungs- gemässen Elements 10, ohne dass sein prinzipieller Aufbau verändert werden müsste. Die Figur 2B zeigt schliesslich eine längsgeschnittene Seitenansicht eines Teils des Wärmeleitelements 10 der Figur 2A entlang deren Mittellinie A-A. Im Unterschied zu den vorstehenden Figuren sind hier zwei Federelemente 15, 15' zu erkennen, die zum einen für eine besonders gute Wärmeleitung sorgen, andererseits für eine flächige Abfederung des Stützelements 14 gegen die Lauffläche 12 sorgen. Im vorgespannten Zustand des Wärmeleitelements 10 ist zudem ein besonders guter Kontakt zwischen seinen Wälzelementen 11 ... 11 , , Λ λ λ und den Laufflächen 12 und 13 sichergestellt.
Die Figur 3 zeigt eine Vorderansicht eines Teils einer erfindungsgemässen Anordnung 30, mit dem zwischen zwei beweglichen Bauteilen Bl und B2 angeordneten Wärmeleitelement 10 und einem lasttragenden Linearlager 20. Das obere Bauteil Bl soll dabei mit Hilfe eines Antriebs (nicht gezeigt) vertikal zur Blattebene verfahrbar sein. Entspre- chend sind auch das Wärmeleitelement 10 und das Linearlager 20 ausgerichtet.
Das Wärmeleitelement selbst besteht dabei aus den schon bekannten Teilen 11 ... 15 und ist idealerweise so in der Nähe eines Antriebs angeordnet, dass dessen Wärme über das obere Bauteil Bl und das Wärmeleitelement 10 hinweg zum Bauteil B2 geleitet wird. Im vorliegenden Beispiel könnte ein Antrieb z.B. zwischen dem Linearlager 20 und dem Wärmeleitelement 10 angeordnet sein. Dessen Stützelement 14 kann dabei fest mit dem oberen Bauteil Bl und dessen untere Lauffläche 13 fest mit dem Bauteil B2, z.B. durch Verschraubung verbunden sein. Ist dabei das Bauteil B2 raumfest angeordnet und das Bauteil Bl linear beweglich gelagert, kann die Wärme z.B. über eine geeignete Basis des Bauteils B2 in die Umgebung abgeleitet werden. Auf diese Weise kann eine Temperaturdifferenz zwischen den Bauteilen Bl und B2 derart minimiert, werden, dass das Auftreten von Wärmespannungen zwischen diesen ausgeschlossen ist. Die Anordnung 10 eignet sich deshalb insbesondere zur Lagerung von Wafern, die auf dem Bauteil Bl verfahren und dabei unter Vakuum bearbeitet werden. Ein entsprechender Bearbeitungstisch kann z.B. in zwei Raumachsen verfahrbar sein, wobei diese Achsen in Form der erfindungsgemässen Anordnungen 30 aufgebaut sind. Dabei kann die abzuleitende Wärme auch über mehrstufig hintereinander geschaltete Wärmeleitelemente 10 geführt werden, dies auch mehrfach parallel zueinander. Der grundsätzliche Aufbau der erfindungsgemässen Anordnung 30 bleibt davon unberührt. Konstruktive Abwandlungen des vorstehenden Ausführungsbeispiels können dabei auch eine federnde Lagerung beider Laufflächen 12 und 13 umfassen, wo immer dies durch die spezifischen Anforderungen des Einsatzbereichs erforderlich ist, ohne jedoch die wärmeableitende Wirkung des erfindungs- gemässen Wärmeleitelements zu beeinträchtigen.
In jedem Fall ist eine bisher noch nicht bekannte, einfache und wirkungsvolle, dabei gleichzeitig wartungsarme und flexibel anpassbare Wärmeableitung gewährleistet.