DE102011115257A1

DE102011115257A1 - Device for heat or mass transfer with hexagonal impact jet nozzles and method for the treatment of surface layers

Info

Publication number: DE102011115257A1
Application number: DE102011115257A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Schabel; Philip Scharfer; Philipp Cavadini; Lukas Wengeler
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-04
Also published as: EP2761240A1; EP2761240B1; WO2013045026A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Wärme- und Stoffübergang, insbesondere zum Trocknen von dünnen Schichten oder Beschichtungen. Im Vordergrund steht hierbei ein Prallstrahlfeld (3) mit hexagonalen Prallstrahldüsen (5) und der darum angeordneten Effusionsöffnungen (4). Durch diese Geometrie der Ausstrahl- und Ansaugdüsen ergibt sich ein besonders günstiger Wärme-/Stoffübergangskoeffizient bei ausgezeichneter Homogenität. Daher ist diese Vorrichtung vorteilhaft für die Trocknung sensibler Bauteile. Weiterhin ist die Vorrichtung gut geeignet für Abscheideprozesse auf Oberflächen. Darüber hinaus wird eine Trocknungshaube unter Verwendung besagter Vorrichtung vorgeschlagen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von Oberflächenschichten, insbesondere der schonenden Trocknung organischer(opto-)elektronischer Bauteile.The present invention relates to a device for the heat and mass transfer, in particular for drying thin layers or coatings. In the foreground here is an impact radiation field (3) with hexagonal impact jet nozzles (5) and the effusion openings (4) arranged around it. This geometry of the ejection and suction nozzles results in a particularly favorable heat / mass transfer coefficient with excellent homogeneity. Therefore, this device is advantageous for the drying of sensitive components. Furthermore, the device is well suited for deposition processes on surfaces. In addition, a drying hood is proposed using said device. Furthermore, the invention relates to a method for the treatment of surface layers, in particular the gentle drying of organic (opto) electronic components.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung für den Wärme- und Stoffübergang, insbesondere zum Trocknen von dünnen Schichten oder Beschichtungen. Im Vordergrund steht hierbei die hexagonale Geometrie der Prallstrahldüsen und der darum angeordneten Effusionsöffnungen, denn in dieser Anordnung ist ein besonders günstiger Wärmeübergangskoeffizient bei ausgezeichneter Homogenität zu erzielen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung von Oberflächenschichten, insbesondere ein Verfahren zur schonenden Trocknung organischer(opto-)elektronischer Bauteile.The present invention relates to a device for the heat and mass transfer, in particular for drying thin layers or coatings. In the foreground here is the hexagonal geometry of the impact jet nozzles and the effusion openings arranged around it, because in this arrangement a particularly favorable heat transfer coefficient can be achieved with excellent homogeneity. Furthermore, the invention relates to a method for the treatment of surface layers, in particular a method for gentle drying of organic (opto) electronic components.

Prallstrahlen werden verbreitet in industriellen Produktionsverfahren eingesetzt, wo Werkstücke gekühlt, erhitzt oder getrocknet werden müssen. Wenngleich Prallstrahlen in der Lage sind, konvektiv getriebene Prozesse zu forcieren, so erzeugen sie jedoch eine stark inhomogene Verteilung des Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten.Impact jets are widely used in industrial production processes where workpieces must be cooled, heated or dried. Although impact blasting is able to force convection-driven processes, they produce a highly inhomogeneous distribution of heat and mass transfer coefficients.

Bei der Trocknung von dünnen Beschichtungen organischer Elektronik ist die Homogenität des Wärmeübergangs von großer Bedeutung, denn die Anforderungen an die Oberflächengüte multifunktionaler, flüssigphasenapplizierter Polymerfilme steigen drastisch mit sinkender Schichtdicke. Neben Einflussgrößen wie dem Applizierverfahren und den Substrateigenschaften stellt die Wärme- und Stoffübertragung einen entscheidenden Einflussparameter im Prozess der Oberflächenstrukturierung dar. Inhomogenitäten in der Verteilung des Stoffübergangskoeffizienten führen somit potentiell zu oberflächenspannungsgetriebenen Konvektionsströmungen, deren Auswirkung sich im erstarrten Film durch Inhomogenität in der Oberflächentopologie detektieren lässt. Die Möglichkeiten, flächig homogene und definierte Stoffübergangsbedingungen zu erzeugen sind limitiert. Sowohl der Grenzfall der Trocknung in ruhender Umgebung (limitiert durch Konvektion in der Gasphase) als auch die Trocknung bei paralleler Überströmung (beeinflusst durch Konzentrationsgrenzschicht) führen zu einer lokalen Verteilung des Stoffübergangskoeffizienten. Ein System, das homogene und definierte Stoffübergangsbedingungen ermöglicht muss beide Effekte minimieren.In the drying of thin coatings of organic electronics, the homogeneity of the heat transfer is of great importance, because the demands on the surface quality of multifunctional, liquid phase-applied polymer films increase drastically with decreasing layer thickness. Inhomogeneities in the distribution of the mass transfer coefficient thus potentially lead to surface tension driven convection currents, the effect of which can be detected in the solidified film by inhomogeneity in the surface topology in addition to influencing factors such as the application process and the substrate properties. The possibilities of creating homogeneous and defined mass transfer conditions are limited. Both the limiting case of drying in a static environment (limited by convection in the gas phase) and drying in parallel overflow (influenced by concentration boundary layer) lead to a local distribution of the mass transfer coefficient. A system that allows for homogeneous and defined mass transfer conditions must minimize both effects.

Derzeit bestehen auf dem Gebiet der Trocknung von Beschichtungen mittels Prallstrahlen zwei konkurrierende Lösungsansätze. Einsatz finden Schlitz- und Runddüsensysteme. In beiden Systemen kommt es zwangsläufig zu Inhomogenitäten im Feld der Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten. Der Einsatz von Runddüsen in Fließbandtrocknungsverfahren führt zu Inhomogenität in Band- und quer zur Bandrichtung. Aus diesem Grund sind die den Markt dominierenden Systeme Schlitzdüsensysteme, wie z. B. in DE 196 19 547 A1 beschrieben. Diese weisen bei durchdachter Konstruktion lediglich an den Rändern und in Bandrichtung einen Gradienten im Feld der Wärme- und Stoffkoeffizienten auf. Der Gradient in Bandrichtung ist bei wenig sensitiven Produkten (in DE 196 19 547 A1 : Papier), die hohe Bandgeschwindigkeiten zulassen, tolerierbar, da jeder Bereich trotz Inhomogenität, schlussendlich identische Bedingungen erfährt.There are currently two competing solutions in the field of drying coatings by means of impact blasting. Slot and round nozzle systems are used. In both systems, inhomogeneities inevitably occur in the field of heat and mass transfer coefficients. The use of round dies in dry-belt drying processes leads to inhomogeneity in ribbon and transverse to the ribbon direction. For this reason, the market dominating systems slot nozzle systems, such. In DE 196 19 547 A1 described. These have a well thought-out design only at the edges and in the belt direction on a gradient in the field of heat and material coefficients. The gradient in the ribbon direction is in less sensitive products (in DE 196 19 547 A1 : Paper), which allow high belt speeds, tolerable, since each area experiences despite inhomogeneity, ultimately identical conditions.

Limitierungen der Anwendbarkeit treten dann in den Vordergrund, wenn Systeme verarbeitet werden sollen, die lediglich niedrige Bandgeschwindigkeiten zulassen. Hier kann nicht mehr argumentiert werden, dass identische Bedingungen in Bandrichtung auch zu einheitlichen Produkteigenschaften führen. Ein weiterer Punkt, der berücksichtigt werden muss, ist die Inhomogenität im Impulsaustausch. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann es vorkommen, dass das Produkt aufgrund der aufprallenden Fluidstrahlen eine Oberflächendeformation erfährt. Dies kann zu einer Reduzierung der Leistungsfähigkeit führen.Applicability limitations come to the fore when systems are to be processed that allow only low tape speeds. Here it can no longer be argued that identical conditions in ribbon direction also lead to uniform product properties. Another point to consider is the inhomogeneity in momentum exchange. At high flow velocities, the product may experience surface deformation due to the impinging fluid jets. This can lead to a reduction in performance.

Eine Möglichkeit, die Homogenität des Trocknungsvorgangs zu erhöhen und die Beeinflussung der Prallstrahlen untereinander zu minimieren, bietet die lokale Absaugung des eingedüsten Fluids über Effusionsöffnungen, indem das Fluid direkt nach dem Aufprall abgeführt wird. Potentiell sind für die Platzierung der Effusionsöffnungen zwei Ausführungen – in der Prall- oder in der Düsenplatte – denkbar. Die Ausführung hängt dabei vom Anwendungsfall und den daraus abgeleiteten geometrischen Beschränkungen ab.One way to increase the homogeneity of the drying process and to minimize the influence of the impact rays among each other, provides the local extraction of the injected fluid via effusion openings, by the fluid is discharged directly after the impact. There are two conceivable options for the placement of the effusion openings - in the baffle plate or in the nozzle plate. The design depends on the application and the geometric constraints derived from it.

Huber und Viskanta ( AM Huber, R Viskanta (1994) Int. J. Heat Mass Transfer, 37(18), 2859–69 ) beschäftigen sich mit kreisförmigen Effusionsöffnungen in der Düsenplatte. Die von ihnen gewählte Anordnung entspricht einem äquidistanten Düsenfeld mit versetzt angeordneten Düsen. Sie untersuchen den Wärmeübergang in der Umgebung der zentralen und somit theoretisch nicht von Querströmung beeinflussten Düse. Ihre Studien zeigen, dass durch die Absaugung ein höherer Grad an Homogenität im Vergleich zu querströmungsbeeinflussten Systemen erzielen lässt. Jedoch sind die von ihnen gewählten Lochabstände mit sechs Mal dem Düsendurchmesser relativ groß. Dies führt trotz Absaugung zu stark ausgeprägten Wandstrahlbereichen und somit zu ausgedehnten Bereichen mit relativ niedrigem Wärmeübergang was der Homogenität abträglich ist.Huber and Viskanta ( AM Huber, R Viskanta (1994) Int. J. Heat Mass Transfer, 37 (18), 2859-69 ) deal with circular effusion openings in the nozzle plate. The arrangement chosen by them corresponds to an equidistant nozzle array with staggered nozzles. They investigate the heat transfer in the vicinity of the central and thus theoretically not influenced by cross-flow nozzle. Their studies show that suction provides a higher degree of homogeneity compared to systems influenced by transverse flow. However, the hole spacing chosen by them with six times the nozzle diameter are relatively large. Despite extraction, this leads to strongly pronounced wall jet areas and thus to extended areas with relatively low heat transfer, which is detrimental to homogeneity.

Onstad et al. ( AJ Ondstad, CJ Elkins, RJ Moffat, JK Eaton, (2009) J. Heat Transfer, 131(8), 082201 ) untersuchten ein äquidistantes Düsenfeld mit Runddüsen versetzter Anordnung. In ihrer Studie umringen sie jeden Prallstrahl mit sechs regelmäßig angeordneten Effusionsöffnungen (A_effusion/A_Strahl = 2.23). Das Feld des Wärmeübergangskoeffizienten wird nicht lokal aufgelöst dargestellt, sondern es werden nur gemittelte Werte angegeben. Jedoch konnte durch Geschwindigkeitsmessungen mittels Magnetresonanz gezeigt werden, dass die Interaktion der Strahlen mit ihren Nachbarn minimiert werden kann und sich somit für eine homogenere Anströmung Einheitszellen schaffen lassen, d. h. es kann durch lokale Extraktion gelingen, dass sich die Strahlen in einem Feld wie Einzelstrahlen verhalten.Onstad et al. ( AJ Ondstad, CJ Elkins, RJ Moffat, JK Eaton, (2009) J. Heat Transfer, 131 (8), 082201 ) investigated an equidistant nozzle array with circular nozzle staggered arrangement. In their study, they surround each _collision _beam with six regularly arranged effusion _openings (A _effusion / A _beam = 2.23). The field of the heat transfer coefficient is not displayed locally resolved, but only averaged values are given. However, it has been shown by magnetic resonance velocity measurements that the interaction of the rays with their neighbors can be minimized and thus unit cells can be created for a more homogeneous flow, ie local extraction allows the rays in a field to behave like single rays.

Eine Trocknungsvorrichtung, die den Anforderungen für Beschichtungen in organischer Elektronik gerecht werden soll, muss eine homogenere Trocknungsarbeit leisten als die im Stand der Technik bekannten Trocknungstechnologien. Derzeit müssen großflächige elektronische Bauteile, die in peripheren Zonen aufgrund einer inhomogenen Trocknung Unebenheiten aufweisen, an diesen Zonen beschnitten werden, oder wenn die Unebenheiten im Film auftreten und kritisch sind, dann können diese Regionen nicht verwendet werden. Großflächige optische Folien werden somit teuer. Des Weiteren besteht Bedarf an einem zugigen bzw. effizienten Trocknungsverfahren mit guten Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten, das gleichzeitig schonend für die zu trocknenden Flächen ist.A drying device that meets the requirements for coatings in organic electronics must perform a more homogeneous drying work than the known in the art drying technologies. At present, large-area electronic components having bumps in peripheral zones due to inhomogeneous drying must be cut at these zones, or when the bumps in the film occur and are critical, then these regions can not be used. Large-area optical films are thus expensive. Furthermore, there is a need for a draughty or efficient drying process with good heat and mass transfer coefficients, which is also gentle on the surfaces to be dried.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der Erfindung, die genannten Probleme bei der Trocknung von sensiblen flächigen Beschichtungen zu überwinden. Insbesondere soll eine Vorrichtung bereitgestellt werden, die zum Trocknen flächiger Substrate geeignet ist und gute Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten bei gleichzeitig homogener Verteilung aufweist. Diese Vorrichtung muss besonders geeignet sein, sensible dünne Schichten organischer Elektronik gleichmäßig und effizient zu Trocknen, sodass sich möglichst keine oder möglichst geringe Unebenheiten in der Schicht ausbilden.Proceeding from this, it is the object of the invention to overcome the problems mentioned in the drying of sensitive sheet-like coatings. In particular, a device is to be provided which is suitable for drying flat substrates and has good heat and mass transfer coefficients with at the same time homogeneous distribution. This device must be particularly suitable for uniformly and efficiently drying sensitive thin layers of organic electronics, so that as little as possible or as little as possible unevenness forms in the layer.

Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe durch die in Anspruch 1 beanspruchte Vorrichtung und die in Anspruch 5 beanspruchte Trockenhaube sowie das in Anspruch 7 beanspruchte Verfahren. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtungen bzw. des Verfahrens sind in den rückbezogenen Ansprüchen beschrieben.The present invention achieves the object by the apparatus claimed in claim 1 and the dry hood claimed in claim 5 and the method claimed in claim 7. Preferred embodiments of the devices and the method are described in the dependent claims.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung für den Wärme- und Stoffübergang auf Oberflächen in Prallstrahlsystemen bei simultaner Absaugung über in das Prallstrahlfeld eingebettete Effusionsöffnungen. Die Prallstrahldüsen haben eine hexagonale Form und sind regelmäßig und äquidistant über das Prallstrahlfeld verteilt, sodass ein gitterförmiger Aufbau entsteht. Die Prallstrahldüsen dienen dazu, dass ein Fluid für den Wärme- und Stoffübergang auf die Substratoberfläche aufgestrahlt wird. Zwischen den Prallstrahldüsen bzw. um die Prallstrahldüsen herum sind die Effusionsöffnungen angeordnet, durch welche das ausgestrahlte Fluid abgesaugt wird.The present invention is an apparatus for the heat and mass transfer on surfaces in impact jet systems with simultaneous extraction via embedded in the impact jet field effusion openings. The impact jet nozzles have a hexagonal shape and are distributed regularly and equidistantly over the impact field, resulting in a lattice-like structure. The impact jet nozzles serve to radiate a fluid for the heat and mass transfer to the substrate surface. Between the impingement jet nozzles or around the impingement jet nozzles, the effusion openings are arranged, through which the emitted fluid is sucked off.

In einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung sind die Effusionsöffnungen hexagonal um die Prallstrahldüsen angeordnet, sodass sich eine wabenförmige Struktur aus Prallstrahldüsen und Effusionsöffnungen ergibt.In a preferred embodiment of the device, the effusion openings are arranged hexagonally around the impact jet nozzles, so that a honeycomb-shaped structure results from impact jet nozzles and effusion openings.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Vorrichtung sind die Effusionsöffnungen um die Prallstrahldüsen in Schlitz -oder Spaltform angeordnet sind, welche die Prallstrahldüsen möglichst vollständig umgeben, sodass die einzelnen Prallstrahldüsen durch die Effusionsschlitze oder -spalten voneinander getrennt sind. Optional können die einzelnen Prallstrahldüsen über Stege gegeneinander in Position gehalten werden.In a further preferred embodiment of the device, the effusion openings around the impingement jet nozzles are arranged in slot or gap form, which surround the impingement jet nozzles as completely as possible so that the individual impingement jet nozzles are separated from one another by the effusion slots or gaps. Optionally, the individual impact jet nozzles can be held in position against one another via webs.

Es wurde überraschender Weise gezeigt, dass durch die hexagonale Geometrie der Prallstrahldüsen und gezieltes Absaugen durch direkt benachbarte Effusionsöffnungen die auftretenden Interaktionseffekte zwischen benachbarten Strahlen reduziert und die Wandstrahlregion minimiert wird. Durch diese dicht gruppierten Felder aus hexagonalen Prallstrahldüsen und den direkt benachbarten Effusionsöffnungen wird die Möglichkeit geschaffen, eine nahezu flächige Prallregion zu erzeugen. Die aus dieser Geometrie resultierenden Effekte sind eine sehr homogene Verteilung der Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten über das gesamte Prallstrahlfeld und eine gute Verteilung des Fluidstroms, wodurch auch Unebenheiten auf den zu trocknenden Substraten verhindert werden können.It has surprisingly been shown that due to the hexagonal geometry of the impact jet nozzles and targeted suction through directly adjacent effusion openings, the interaction effects between adjacent beams are reduced and the wall jet region is minimized. These densely grouped fields of hexagonal impact jet nozzles and the directly adjacent effusion openings create the possibility of creating a nearly flat impact region. The effects resulting from this geometry are a very homogeneous distribution of the heat and mass transfer coefficients over the entire impact blast field and a good distribution of the fluid flow, which also unevenness on the substrates to be dried can be prevented.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung für den Wärme- und Stoffübergang eine Trocknungsvorrichtung. Diese Trocknungsvorrichtung kann bei sämtlichen Prozessen eingesetzt werden, bei denen eine effiziente und homogene Trocknung von flächigen Substraten erfolgen muss. Ideal ist diese Trocknungsvorrichtung für die Trocknung von organischer (polymerer) Elektronik.Preferably, the device for the heat and mass transfer is a drying device. This drying device can be used in all processes in which an efficient and homogeneous drying of flat substrates must take place. This drying device is ideal for drying organic (polymer) electronics.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ebenfalls eine Sublimations-, Kondensations- oder Abscheidevorrichtung sein, bei der aus der Gasphase ein Stoff auf ein Substrat abgeschieden werden kann oder bei der ein Stoff in die Gasphase sublimiert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auch für diese Anwendungen vorteilhaft, da man aufgrund der hohen Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten und deren homogener Verteilung über das Prallstrahlfeld längere Verweilzeiten des Substrats beim Prallstrahlfeld erreichen kann.The device according to the invention can likewise be a sublimation, condensation or deposition device in which a substance can be deposited on a substrate from the gas phase or in which a substance sublimes into the gas phase. The device according to the invention is also advantageous for these applications since, because of the high heat and mass transfer coefficients and their homogeneous distribution over the impact radiation field, it is possible to achieve longer residence times of the substrate in the impact radiation field.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Trocknungshaube, die mit einer Vorrichtung für den Wärme- und Stoffübergang gemäß der obigen Beschreibung ausgestattet ist. Die Haube umfasst ein luftdichtes äußeres Gehäuse, wobei die Vorrichtung für den Wärme- und Stoffübergang am distalen Ende dieses Gehäuses angeordnet ist. Das Gehäuse umfasst auch Anschlüsse zum Absaugen von Prozessgas aus dem Inneren dieses Gehäuses. Weiterhin ist an dem Gehäuse mindestens ein Anschluss zum Beaufschlagen von Prozessgas unter Druck angeordnet, der die Prallstrahldüsen der Vorrichtung am distalen Ende über einen Prozessgasverteiler mit Prozessgas versorgt. Die Gesamtheit aus Prozessgasanschluss, Prozessgasverteiler und Prallstrahldüsen ist hermetisch gegen die Bereiche reduzierten Drucks im Gehäuseinneren abgetrennt. Der Gehäuseinnenraum, also der Bereich mit reduziertem Druck ist mit den Effusionsöffnungen am distalen Ende verbunden. Dadurch ist gewährleistet dass das abgesaugte Prozessgas über das Gehäuseinnere und die Anschlüsse zum Absaugen erfolgt. Mit Hilfe dieses Aufbaus der Trocknungshaube ist das Prozessgas nach außen in distaler Richtung ausstrahlbar und das ausgestrahlte Prozessgas aus distaler Richtung in die Effusionsöffnungen ansaugbar.The invention further relates to a drying hood, which is provided with a device for the Heat and mass transfer is equipped as described above. The hood includes an airtight outer housing, wherein the heat and mass transfer device is disposed at the distal end of this housing. The housing also includes ports for exhausting process gas from within this housing. Furthermore, at least one connection for pressurizing process gas is arranged under pressure on the housing, which supplies the impact jet nozzles of the device at the distal end via a process gas distributor with process gas. The entirety of the process gas connection, process gas distributor and impingement jet nozzles is hermetically separated from the areas of reduced pressure inside the housing. The housing interior, so the area of reduced pressure is connected to the effusion openings at the distal end. This ensures that the extracted process gas takes place via the interior of the housing and the connections for suction. With the aid of this construction of the drying hood, the process gas can be emitted to the outside in the distal direction and the emitted process gas can be sucked from the distal direction into the effusion openings.

Die erfindungsgemäße Trocknungshaube ist vorteilhaft, da somit eine bewegliche Vorrichtung, die alle Vorzüge der Vorrichtung für den Wärme- und Stoffübergang umfasst auch in Richtung der zu trocknenden Bauteile bewegt werden kann, im Gegensatz zum Fließbandsystem, bei welchem das Bauteil an einer Trocknungseinrichtung vorbeitransportiert wird. Das batchweise Trocknen mit ruhendem Substrat ist mit anderen Systemen nicht möglich.The drying hood according to the invention is advantageous, since thus a movable device that includes all the advantages of the apparatus for heat and mass transfer can also be moved in the direction of the components to be dried, in contrast to the assembly line system, in which the component is transported past a drying device. Batch drying with a resting substrate is not possible with other systems.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Trocknungshaube ist die Verbindung der Effusionsöffnungen mit den Anschlüssen zum Absaugen von Prozessgas über den inneren Hohlraum des äußeren Gehäuses direkt gewährleistet, somit ist keine weitere Verteilerstruktur notwendig.In a preferred embodiment of the drying hood, the connection of the effusion openings with the connections for sucking off process gas via the inner cavity of the outer housing is directly ensured, thus no further distributor structure is necessary.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Verbindung der Prallstrahldüsen mit den Anschlüssen für das Prozessgas über ein inneres Gehäuse, das hermetisch geschlossen im äußeren Gehäuse befindlich ist, gewährleistet. Mittels dieser Verteilerstruktur werden die einzelnen Prallstrahldüsen, gespeist durch ein Plenum, mit identischen Anströmbedingungen versorgt.In a further preferred embodiment, the connection of the impingement jet nozzles with the connections for the process gas is ensured via an inner housing, which is hermetically closed in the outer housing. By means of this distributor structure, the individual impingement jet nozzles, fed by a plenum, are supplied with identical inflow conditions.

Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren Behandlung von Oberflächenschichten auf Werkstücken unter Verwendung einer der oben beschriebenen Vorrichtungen. Ein flächiges Werkstück (Substrat), das mit einer zu behandelnden Oberflächenschicht versehen ist, wird mit der Vorrichtung in Kontakt gebracht. Das in Kontakt bringen bedeutet nicht das Berühren der beiden Gegenstände, sondern dass das Substrat in einem gewissen Abstand zur Vorrichtung verbleibt, oder beim kontinuierlichen Fließbandverfahren vorbeitransportiert wird.The invention also includes a method of treating surface layers on workpieces using any of the devices described above. A sheet workpiece (substrate) provided with a surface layer to be treated is brought into contact with the device. The bringing into contact does not mean touching the two objects, but that the substrate remains at a certain distance from the device, or is transported past during the continuous assembly line process.

Im Folgeschritte wird ein Volumenstrom auf die Oberfläche des Werkstücks aufgebracht, in einem derartigen Abstand, dass die Prallstrahlen aus den Prallstrahldüsen die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks erreichen und das ausgedüste Fluid, vorzugsweise ein Prozessgas, durch die Effusionsdüsen wieder abgesaugt wird.In the following steps, a volume flow is applied to the surface of the workpiece, at a distance such that the impact jets from the impact jet nozzles reach the surface of the workpiece to be treated and the exhausted fluid, preferably a process gas, is sucked out again by the effusion nozzles.

In einer bevorzugten Ausführung ist dieses Verfahren ein Trocknungsverfahren von feuchten Oberflächenschichten auf Werkstücken.In a preferred embodiment, this method is a method of drying wet surface layers on workpieces.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist dieses Verfahren ein Abscheideverfahren zum Auftragen von Stoffen aus der Gasphase auf eine Oberflächenschicht eines Werkstücks. Beispielsweise können diese Abscheideverfahren auch Sublimations- oder Kondensationsverfahren sein.In a further preferred embodiment, this method is a deposition method for applying substances from the gas phase to a surface layer of a workpiece. For example, these deposition methods may also be sublimation or condensation processes.

Dieser Abstand definiert sich individuell je nach Bedarf und ist abhängig von der Düsengröße, der Konfiguration des Prallstrahlfelds, dem Abstand der Düsen untereinander, der Form der Düsen, der Fluidstromgeschwindigkeit, dem zu trocknenden Substrat (schonende oder schnelle Trocknung), der Bandgeschwindigkeit, Temperatur etc. Der Fachmann muss nicht erfinderisch tätig werden, um die Parameter für einen Trocknungsvorgang den Prozessgegebenheiten anzupassen. Grundsätzlich sollte der Abstand aber so gewählt werden, dass der Kernstrahl des Prallstrahls (Region im Freistrahl die noch unbeeinflusst von der Umgebung ist) beim Auftreffen auf die Oberfläche des Substrats noch erhalten ist.This distance is individually defined as required and depends on the nozzle size, the configuration of the impact field, the distance between the nozzles, the shape of the nozzles, the fluid flow rate, the substrate to be dried (gentle or rapid drying), the belt speed, temperature etc The person skilled in the art does not have to be inventive in order to adapt the parameters for a drying process to the process conditions. In principle, however, the distance should be chosen such that the core jet of the impact jet (region in the free jet that is still unaffected by the environment) is still retained when it strikes the surface of the substrate.

Dieses Verfahren lässt offen, ob das Werkstück auf einem Fließband an der Trocknungsvorrichtung vorbeitransportiert wird oder die Trocknungsvorrichtung in Form einer Trocknungshaube dem ruhenden Werkstück genähert wird (batch-weises Trocknen).This method leaves open whether the workpiece is transported past on a conveyor belt on the drying device or the drying device is approached in the form of a drying hood the quiescent workpiece (batch-wise drying).

In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens kann der Volumenstrom derart oszillieren, dass das Fluid abwechselnd aus den Prallstrahldüsen und den Effusionsdüsen strömt und das Absaugen von den jeweils anderen Düsen übernommen wird. Das bedeutet, dass es keine feste Zuordnung zwischen Ein- und Ausdüsung mehr gibt. Das kommt daher, dass Bereiche unter der Absaugung niedrige Übergangskoeffizienten aufweisen. Die Oszillation lässt nun zu, hier im Mittel homogen zu sein. Wird das Verfahren für Abscheideprozesse bzw. Kondensations- oder Sublimationsprozesse verwendet, so wird durch die Oszillation die Verweilzeit des Massenstroms auf dem Substrat erhöht.In a preferred embodiment of the method, the volume flow can oscillate in such a way that the fluid flows alternately out of the impact jet nozzles and the effusion nozzles and the suction is taken over by the respective other nozzles. This means that there is no fixed allocation between injection and Ausdüsung more. This is because areas under the exhaust have low transition coefficients. The oscillation now allows to be homogeneous here on average. If the method is used for deposition processes or condensation or sublimation processes, the oscillation increases the residence time of the mass flow on the substrate.

Die Erfindung wird im Folgenden mit Ausführungsbeispielen und folgenden Figuren erläutert. The invention will be explained below with exemplary embodiments and the following figures.

1 Prallstrahlfelder und deren resultierende Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten an der Prallfläche. 1 Impact beam fields and their resulting distribution of the heat transfer coefficient at the baffle.

2 Relative Häufigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten an der Prallfläche in einem Runddüsenfeld und einem Wabenfeld. 2 Relative frequency of the heat transfer coefficient at the impact surface in a round nozzle field and a honeycomb field.

3 Schematische Darstellung einer Trocknungshaube mit Wabenfeld. 3 Schematic representation of a drying hood with honeycomb panel.

Beispiel 1: Verteilung der WärmeübergangskoeffizientenExample 1: Distribution of the heat transfer coefficients

Im Folgenden werden Untersuchungen an Systemen von Prallstrahlfeldern einander gegenüber gestellt. In 1, obere Reihe, sind die untersuchten Prallstrahlfelder dargestellt. In schwarzer Farbe sind die Prallstrahldüsen abgebildet, während die Effusionsöffnungen in hellgrauer Farbe unterlegt sind. Die untere Reihe in 1 stellt die aus den entsprechenden Prallstrahlfeldern resultierenden Wärmeübergangskoeffizienten dar, wie sie über die Fläche verteilt sind.In the following, investigations on systems of impact radiation fields are compared. In 1 , upper row, the investigated impact ray fields are shown. In black color the impact jet nozzles are shown, while the effusion openings are highlighted in light gray color. The bottom row in 1 represents the heat transfer coefficients resulting from the corresponding impact beam fields as they are distributed over the surface.

1a)–c) entspricht Systemen aus dem Stand der Technik. 1a ) -C) corresponds to systems of the prior art.

1a) ist ein Runddüsenfeld ohne zusätzliche Absaugung, 1b) ein Runddüsenfeld mit zusätzlicher Absaugung und 1c) entspricht einem Schlitzdüsenfeld mit zusätzlicher Absaugung. Das erfindungsgemäße System mit hexagonalen Prallstrahl- und Effusionsdüsen mit zusätzlicher Absaugung ist in 1d) abgebildet. Die bestehenden Untersuchungen wurden mittels CFD-Simulationen durchgeführt und dienen der qualitativen Bewertung der Verteilungen des Wärmeübergangskoeffizienten an der Prallfläche. 1a ) is a round nozzle field without additional suction, 1b ) a round nozzle field with additional suction and 1c ) corresponds to a slot nozzle field with additional suction. The system according to the invention with hexagonal impact jet and effusion nozzles with additional suction is shown in FIG 1d ). The existing investigations were carried out by means of CFD simulations and serve the qualitative evaluation of the distributions of the heat transfer coefficient at the impact surface.

Das System in 1a) lässt keine zusätzliche Abfuhr des Fluids zu. Hier kann das Fluid nur zu den Seiten entweichen. Deutlich zu sehen sind die Interaktionseffekte der einzelnen Prallstrahlen. Die Strahlen werden abgelenkt und bilden keine definierten Staupunkte mehr. Dargestellt ist ein System mit einer sehr niedrigen Anzahl an Strahlen. Vergrößert man die Ausdehnung für ein ähnliches System werden die äußeren Strahlen komplett abgelenkt und es wird sich eine Kanalströmung ausbilden. Hieraus folgt, dass dieses System eine sehr inhomogene Randbedingung für Trocknungssysteme erzeugt.The system in 1a ) does not allow any additional removal of the fluid. Here, the fluid can only escape to the sides. Clearly visible are the interaction effects of the individual impact rays. The rays are deflected and no longer form defined stagnation points. Shown is a system with a very low number of beams. If you increase the expansion for a similar system, the outer beams are completely deflected and a channel flow will form. It follows that this system creates a very inhomogeneous boundary condition for drying systems.

Die Systeme gem. 1b) und c) berücksichtigen eine zusätzliche Abfuhr des eingedüsten Fluids. Die Konfiguration in 1b) ist der eben beschriebenen ähnlich, jedoch ist hier jeder Strahl von Absaugungsöffnungen umringt. Das System in 1c) entspricht einer Schlitzdüsenanordnung. Klar zu sehen ist, dass im Runddüsensystem durch die lokale Abfuhr die Querströmung reduziert und somit die Homogenität erhöht werden konnte.The systems acc. 1b ) and c) consider an additional removal of the injected fluid. The configuration in 1b ) is similar to the one just described, but here each jet is surrounded by suction holes. The system in 1c ) corresponds to a slot nozzle arrangement. It can be clearly seen that in the round nozzle system the local discharge reduced the cross flow and thus the homogeneity could be increased.

Es ist zu erkennen, dass es in Systemen mit Runddüsen als auch mit Schlitzdüsen zwangsläufig zu Inhomogenitäten im Feld der Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten kommt. Der Einsatz von Runddüsen führt zu Inhomogenität in Band- und quer zur Bandrichtung. Aus diesem Grund sind die den Markt dominierenden Systeme Schlitzdüsensysteme. Diese weisen bei durchdachter Konstruktion lediglich an den Rändern und in Bandrichtung einen Gradienten im Feld der Wärme- und Stoffkoeffizienten auf. Der Gradient in Bandrichtung ist bei wenig sensitiven Produkten, die hohe Bandgeschwindigkeiten zulassen, tolerierbar, da jeder Bereich trotz Inhomogenität schlussendlich identische Bedingungen erfährt. Limitierungen der Anwendbarkeit treten dann in den Vordergrund, wenn Systeme verarbeitet werden sollen, die lediglich niedrige Bandgeschwindigkeiten zulassen. Hier kann nicht mehr argumentiert werden, dass identische Bedingungen in Bandrichtung auch zu einheitlichen Produkteigenschaften führen. Ein weiterer Punkt, der berücksichtigt werden muss, ist die Inhomogenität im Impulsaustausch. Sei hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann es vorkommen, dass des Produkt aufgrund der aufprallenden Strahlen eine Oberflächendeformation erfährt. Dies kann zu einer Reduzierung der Leistungsfähigkeit führen.It can be seen that in systems with round nozzles as well as with slot nozzles inevitably comes to inhomogeneities in the field of heat and mass transfer coefficients. The use of round nozzles leads to inhomogeneity in band and transverse to the band direction. For this reason, the systems dominating the market are slot die systems. These have a well thought-out design only at the edges and in the belt direction on a gradient in the field of heat and material coefficients. The gradient in the ribbon direction is tolerable in low-sensitive products that allow high belt speeds, since each area eventually experiences identical conditions despite inhomogeneity. Applicability limitations come to the fore when systems are to be processed that allow only low tape speeds. Here it can no longer be argued that identical conditions in ribbon direction also lead to uniform product properties. Another point to consider is the inhomogeneity in momentum exchange. At high flow velocities, the product may experience surface deformation due to the impacting jets. This can lead to a reduction in performance.

Die Darstellung in 1d) stellt des Feld des Wärme- und Stoffübergangskoeffizienten an der Prallplatte in dem erfindungsgemäßen hexagonalen Düsenfeld dar. Deutlich zu sehen ist, dass hier unter den gewählten Bedingungen zwar ein gewisser Gradient quer zur Bandrichtung auftritt, dies aber einen viel geringeren Gradienten in Bandrichtung mit sich bringt. Des Weiteren ist die Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten wesentlich homogener als bei Rund- oder Schlitzdüsensystemen.The representation in 1d It clearly shows that, although under the chosen conditions, a certain gradient occurs transversely to the belt direction, this brings about a much smaller gradient in the belt direction , Furthermore, the distribution of the heat transfer coefficient is much more homogeneous than in round or slot nozzle systems.

2 verdeutlicht die Homogenisierung der Verteilung anhand der Darstellung der relativen Häufigkeiten der Wärmeübergangskoeffizienten über die angeströmte Fläche. Es wird deutlich, dass im Vergleich zu einem, dem momentanen Stand der Technik entsprechenden, Runddüsenfeld (vgl. 1a)) bei der hier vorgestellten Wabenstruktur die Verteilung der auftretenden Wärmeübergangskoeffizienten deutlich schmaler ist. Dies stellt, unter dem Gesichtspunkt eines gleichmäßigen Energieeintrages, ein wesentliches Kriterium bei der Auswahl eines Düsenfeldes dar. Hierbei sind schmale Verteilungen vorzuziehen. Der zu erwartende Wärmeeintrag und/oder Stoffübergang an eine ebene Fläche ist in erster Linie sehr viel gleichmäßiger, gleichzeitig sollte er bei gegebenem Massenstrom und fester Anzahl an Düsen mindestens gleich oder sogar höher sein. 2 illustrates the homogenization of the distribution on the basis of the representation of the relative abundances of the heat transfer coefficients over the flown surface. It becomes clear that in comparison with a, the current state of the art corresponding round nozzle field (see. 1a )) in the honeycomb structure presented here, the distribution of the heat transfer coefficients occurring is significantly narrower. This is, from the point of view of a uniform energy input, an essential criterion in the selection of a nozzle array. Here, narrow distributions are preferable. The expected heat input and / or mass transfer to a flat surface is primarily much more uniform, at the same time he should at given mass flow and fixed number of nozzles at least equal to or even higher.

Beispiel 2: TrocknungshaubeExample 2: Drying hood

In 3a) ist schematisch eine technische Realisierung einer Trocknungshaube unter Verwendung einer erfindungsgemäßen hexagonalen Düsengeometrie dargestellt. Die Haube umfasst ein äußeres Gehäuse 1, an welchem eine Vorrichtung zum Absaugen von Prozessgas (Absaugrohr) 2 aus dem Inneren dieses Gehäuses 1 angeordnet ist. Am distalen Ende des äußeren Gehäuses 1 befindet sich ein Prallstrahlfeld 3 mit hexagonalen Prallstrahldüsen 5 und den Effusionsöffnungen 4, die in dieser Ausführung in Schlitzform die jeweiligen Prallstrahldüsen 5 umgeben. In 3b) ist das Prallstrahlfeld 3 aus distaler Sicht dargestellt. Hier sind die hexagonalen Prallstrahlöffnungen sowie die schlitzförmigen Zwischenräume der Effusionsöffnungen 4 visualisiert.In 3a ) is shown schematically a technical realization of a drying hood using a hexagonal nozzle geometry according to the invention. The hood includes an outer housing 1 in which a device for extracting process gas (suction tube) 2 from the inside of this case 1 is arranged. At the distal end of the outer housing 1 there is a collision beam field 3 with hexagonal impact jet nozzles 5 and the effusion openings 4 , in this embodiment in slot shape the respective impact jet nozzles 5 surround. In 3b ) is the impact beam field 3 shown from a distal perspective. Here are the hexagonal baffles as well as the slit-shaped spaces between the effusion openings 4 visualized.

In dem äußeren Gehäuse 1 ist ein luftdichtes inneres Gehäuse B angeordnet, das als Verteiler für das Prozessgas von den Anschlüssen für das Prozessgas 6 auf die jeweiligen Prallstrahldüsen 5 dient. Diese Art der Einspeisung des Prozessgases auf die Prallstrahldüsen 5 durch ein Plenum gewährleistet identische Anströmbedingungen für die einzelnen Düsen. Das Prozessgas kann nur über die Prallstrahldüsen 5 in distaler Richtung entweichen. Die Prallstrahldüsen 5 selbst haben eine längliche Form und sind parallel zueinander in einem gewissen Abstand angeordnet, sodass zwischen den einzelnen Düsen ein Zwischenraum entsteht. Dieser Zwischenraum hat in seiner Verlängerung zum distalen Ende hin die Funktion der Effusionsöffnungen 4. Die Effusionsöffnungen 4 bzw. die Zwischenräume sind in direktem Kontakt zum Bereich reduzierten Drucks im inneren Hohlraum 7. Somit wird auch im Bereich der Effusionsöffnungen 4 eine größtmögliche Homogenität in der Druck- bzw. Vakuumverteilung über das gesamte Prallstrahlfeld 3 erreicht.In the outer case 1 an airtight inner housing B is arranged, which serves as a distributor for the process gas from the connections for the process gas 6 on the respective impact jet nozzles 5 serves. This type of feeding the process gas to the impact jet nozzles 5 a plenum ensures identical flow conditions for the individual nozzles. The process gas can only via the impact jet nozzles 5 escape in the distal direction. The impact jet nozzles 5 themselves have an elongated shape and are arranged parallel to each other at a certain distance, so that between the individual nozzles, a gap arises. This gap has the function of the effusion openings in its extension to the distal end 4 , The effusion openings 4 or the gaps are in direct contact with the area of reduced pressure in the inner cavity 7 , Thus, also in the area of effusion openings 4 the greatest possible homogeneity in the pressure or vacuum distribution over the entire impact blast field 3 reached.

Um zu gewährleisten, dass in dieser Ausführungsform der Trocknungshaube der Druckverlust der einzelnen Effusionsöffnungen 4 über das Prallstrahlfeld 3 gering gehalten wird, so kann die Länge der Prallstrahldüsen 5 über das Prallstrahlfeld 3 variiert werden, und zwar derart, dass die in der Mitte des Feldes angeordneten Prallstrahldüsen 5 kürzer sind als die äußeren Prallstrahldüsen 5. Dadurch kann gewährleistet werden, dass die Sogwirkung auf die Effusionsöffnungen 4, ausgelöst durch den reduzierten Druck im inneren Hohlraum 7, im zentralen Bereich des Prallstrahlfeldes 3 zu denselben Massenströmen führen, wie in den peripheren Bereichen. Diese besondere Ausführungsform hat den Effekt, dass der statische Druck im Bereich der Prallstrahlfelds 3 an jeder Stelle gleich ist. Der gleiche Effekt kann auch erreicht werden, wenn die Prallstrahldüsen 5 ausreichend lang sind.To ensure that in this embodiment of the drying hood the pressure loss of the individual effusion openings 4 over the impact beam field 3 is kept low, so can the length of the impact jet nozzles 5 over the impact beam field 3 be varied, in such a way that the arranged in the middle of the field impact jet nozzles 5 shorter than the outer impact jet nozzles 5 , This can ensure that the suction effect on the effusion openings 4 , triggered by the reduced pressure in the inner cavity 7 , in the central area of the impact field 3 lead to the same mass flows as in the peripheral areas. This particular embodiment has the effect that the static pressure in the area of the impact radiation field 3 is the same everywhere. The same effect can also be achieved when the impact jet nozzles 5 are sufficiently long.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19619547 A1 [0004, 0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

AM Huber, R Viskanta (1994) Int. J. Heat Mass Transfer, 37 (18), 2859-69 [0007]
AJ Ondstad, CJ Elkins, RJ Moffat, JK Eaton, (2009) J. Heat Transfer, 131 (8), 082201 [0008]

Claims

Device for the heat and mass transfer to surfaces, comprising a regular grid-shaped arrangement of i) hexagonal impact jet nozzles ( 5 ) in equidistant arrangement, with which a fluid can be irradiated onto the surface to be dried, and ii) effusion openings ( 4 ), which the impact jet nozzles ( 5 ) surrounded and through which the injected fluid is sucked.

Device according to claim 1, wherein the effusion openings ( 4 ) hexagonal around the impact jet nozzles ( 5 ) are arranged so that a honeycomb structure of impact jet nozzles ( 5 ) and effusion openings ( 4 ).

Device according to claim 1, wherein the effusion openings ( 4 ) around the impact jet nozzles ( 5 ) are arranged in slit or gap shape, which the impact jet nozzles ( 5 ) as completely as possible so that the individual impact jet nozzles ( 5 ) are separated from each other by the effusion slots or slits.

Device according to one of claims 1 to 3, wherein the device for the heat and mass transfer is a drying device, a condensation device, a sublimation device or a separation device.

Drying hood comprising an airtight outer casing ( 1 ) with suction connections ( 2 ) of process gas from the interior of this housing ( 1 ) and a device for heat and mass transfer ( 3 ) according to one of claims 1 to 4, which is arranged at the distal end of the housing, wherein the effusion openings ( 4 ) of the device ( 3 ) with the connections for suction ( 2 ) and wherein the impingement jet nozzles ( 5 ) of the device ( 3 ) with connections for introducing process gas ( 6 ) are connected so that the process gas can be emitted to the outside in the distal direction and the emitted process gas from the distal direction into the effusion ( 4 ) can be introduced.

Drying hood according to claim 5, wherein the connection of the effusion openings ( 4 ) with the connections for suction ( 2 ) of process gas via the inner cavity of the outer housing ( 7 ) and the connection of the impact jet nozzles ( 5 ) with the connections for the process gas ( 6 ) via an inner housing ( 8th ), hermetically sealed in the outer housing ( 1 ) Is guaranteed.

Process for the treatment of surface layers on workpieces comprising the following steps: i. Provision of a device according to one of claims 1 to 6, ii. Providing a flat workpiece to be treated, iii. contacting the surface layer of the workpiece with the device and applying a volume flow to the surface of the workpiece, at a distance such that the impact rays from the impingement jet nozzles ( 5 ) reach the surface of the workpiece to be treated and the exhausted process gas through the effusion nozzles ( 4 ) is sucked off again, wherein the workpiece is either transported past on a conveyor belt on the device or the device is approached in the form of a hood to the workpiece.

The method of claim 7, wherein the method is a wet surface layer drying method.

The method of claim 7, wherein the method is a deposition method for applying gas phase substances to a surface layer.

Method according to one of claims 7 to 9, wherein the volume flow oscillates such that the process gas alternately from the impingement jet nozzles ( 5 ) and the effusion openings ( 4 ) flows and the suction is taken from the other nozzles.