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Muffel zur Wärmebehandlung in zwei verschiedenen Heizzonen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Muffel zur Wärmebehandlung in zwei verschiedenen Heizzonen.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine Muffel zur Wärebehendlung
von ErzçuFisson und Stoffen, z. EN.
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Transistoren und Dioden, in zwei verschiedenen Stufen in einem kontinuierlichen
oder diskontinuierlichen Durchlaufsystem, mit welcher eine hohe Anfangswärme erreicht
werden kann Bei der Wärmebehandlung von verschiedenen Materialien in einen kontinuierlichen
oder diskontinuierlichen Durchlaufsystem, in welchem die Materialien oder Stoffe
mittels eines Förderers durch eine Muffel hindurch transportiert werden, ist es
weentlich, den Wärmegrad, gemessen in Graden je Minute, die Temperatur, bei welcher
die Erwärmung durchgeführt wird, und auch die Zeitdauer genau zn regeln, während
welcher jeder einzelne Gegenstand bei geregelter Temperatur einer Erwärmung unterworfen
wird, so daß der Abschluß der Wärmebehandlung gemäß vorbestimmten Erfordernisscn
sichergestellt und eine Zerstörung oder Entwertung der Stoffe oder Materialien auf
Grund zu hoher Temperatur oder zu langer Erwärmung verhindert wird.
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In vielen Fällen sind hohe Wärmegrade wesentlich, um bestimmte Eigenschaften
beim Endprodukt zu schaffen. In anderen Fällen werden hohe Wärmegrade angewendet,
um große Produktionsgeschwindigkeiten zu erzielen. Bei der Wärmebehandlung von Stoffen
oder Materialien in einer Muffel muß auch auf hohe Produktionsgeschwindigkeiten
geachtet werden, ohne daß die Muffeln eine allzu große Länge erhalten. Die Länge
der Muffeln ist aus zwei Gründen von Bedeutung. Je länger die Muffeln sind, um so
länger wird der Ofen und daher um so größer die vom Ofen eingenommene Bodenfläche.
Zum anderen wächst mit der Länge der Muffeln die Schwierigkeit, die Muffel zu lagern
und eine geeignete Regelung der Erwärmung und der Aufrechterhaltung einer gleichmäßigen
Temperatur über die ganze Länge zu erstellen. Wenn die Muffel kurz gehalten werden
muß, ist der einzige andere Weg zur Steigerung der Produktion eine Verkürzung der
Wärmebehandlungsdauer. Ein naheliegender Weg zur Verkürzung der Erwärmungsdauer
ist eine Steigerung der Ofentemperatur. Ungünstigerweise ist dies jedoch auf Grund
der Schmelzgefahr oder einer andersartigen Zerstörung der zu erwärmenden Gegenstände
in vielen Fällen nicht zulässig. Dessen ungeachtet hat man schon lange erkannt,
daß in vielen Fällen sehr viel Zeit beim Erwärmen der Gegenstände oder Materialien
auf die gewünschte erhöhte Temperatur verlorengeht. Diese Zeit kann durch Wärmebehandlung
in
zwei Heizzonen verkürzt werden. Dabei werden die Materialien oder Gegenstände zunächst
einer Temperatur ausgesetzt, die wesentlich über der eigentlichen Wärmehehandlungstemperatur
liegt, und zwar für einen Zeitraum, der gerade ausreicht, die Materialien auf die
vorgesehene Wärmebehandlungstemperatur zu bringen. Danach werden die Gegenstände
schnell in eine Zone gebracht, in welcher die Temperatur auf der gewünschten Höhe
gehalten ist.
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Bisher war es nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich, bei einer
Muffel mit zwei nebeneinanderliegenden Temperaturzonen die eine Zone gleichmäßig
exakt auf einer relativ hohen Temperatur und die andere Zone ebenso gleichmäßig
und genau auf einer relativ niedrigen Temperatur zu halten. Frühere Versuche in
dieser Richtung sind unbefriedigend verlaufen, weil die Wärme von der Zone, in der
relativ hohe Temperatur herrscht, die Temperatur in der benachbarten Zone zu sehr
beeinflußt, so daß die Schaffung und Aufrechterhaltung einer scharfen Temperaturabstufung
verhindert wurde. Auf der anderen Seite ist eine schnelle Überführung der zu behandelnden
Teile in eine weiter abgelegene Zone mit der gewünschten niedrigeren Temperatur
unbefriedigend, weil dies zu minderwertigen Produkten führen kann.
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Demgemäß ist die Hauptaufgabe der Erfindung die Schaffung einer Muffelkonstruktion,
die zwei aufeinanderfolgende und nebeneinanderliegende Temperaturzonen
für
die Wärmebehandlung aufweist, von welchen die eine Zone unter relativ hoher Temperaturn,
und die andere Zone unter relativ niedriger Temperatur T2 steht, wobei eine scharfe
Temperaturabstufung zwischen beiden Zonen geschaffen wird.
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Eine erfindungsgemäß ausgebildete Muffel zur Wärmebehandlung in zwei
verschiedenen Heizzonen, insbesondere von Transistoren und Dioden, in einem kontinuierlichen
oder diskontinuierlichen Durchlaufsystem ist in erster Linie dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Heizzonen sich auf verschiedene Temperaturen aufheizen lassen und
daß zwischen beiden Zonen zwecks Erreichen eines steilen Temperaturgradienten ein
Übergangs abschnitt eingefügt ist, der zwei Platten aufweist sowie eine zwischen
diesen Platten angebrachte Vorrichtung zur Abschirmung der Wärmeleitung und Wärmestrahlung.
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Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die zu behandelnden
Teile zunächst sehr schnell durch die überhöhte Temperatur T1 in der ersten Heizzone
auf die Behandlungstemperatur gebracht und in der zweiten Heizzone lediglich auf
dieser Temperatur gehalten werden. An der tÇbergangsstelle ergibt sich ein außerordentlich
steiler Temperaturabfall von T1 auf T2.
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Um die Erfindung besser verständlich zu machen. wird sie nachfolgend
mit Bezug auf die Zeichnungen beispielsweise erläutert. Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt
durch einen Abschnitt einer Muffel, die einen Übergangsabschnitt enthält, Iängs
der Linie 1-1 von Fig. 2 geschnitten, F i g. 2 einen Längsschnitt gemäß Linie 2-2
in Fig. 1, Fig. 3 eine graphische Darstellung der über der Muffellänge aufgetragenen
Temperaturen (A) der Muffel und (B) der zu behandelnden Teile, die sich in der Muffel
längs bewegen, und Fig.4 eine Draufsicht auf ein typisches Förderband, das in Muffeln
gemäß der Erfindung Verwendung findet.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Abschnitt einer Muffel, die zwei unterschiedliche
Querschnitte 2 und 4 aufweist, die durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Übergangs
abschnitt 6 miteinander verbunden sind. Die beiden Muffelquerschnitte 2 und 4 können
die gleiche Querschnittsform oder, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel, verschiedene
Querschnitte aufweisen. Nach Fig. 1 und 2 hat der Muffelquerschnitt 2 zylindrische
Querschnittsform und ist aus Metall hergestellt, das gegen relativ hohe Temperaturen
widerstandsfähig ist. Der Muffelquerschnitt 4 ist ebenfalls aus gegen relativ hohe
Temperaturen widerstandsfähigem Metall hergestellt, weist jedoch einen fünfseitigen
Querschnitt auf, wobei die Seitenwandungen 10 und 12 zueinander parallel verlaufen
und eine horizontal verlaufende Bodenwandung 14 sowie zwei geneigte Oberwandungen
16 und 18 vorgesehen sind. Im zylindrischen Querschnitt 2 ist ein Quarz oder eine
Metallplatte 20 angeordnet.
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Diese Platte ist unterhalb der Achse des zylindrischen Querschnitts
2 angeordnet; sie erstreckt sich in den Übergangsabschnitt 6. Der Zweck dieses Querschnitts
20 ist die Schaffung einer Lagerung für den sich bewegenden Bandförderer22 und gleichfalls
derjenige als Dämpfungsbrett für die Kanalgase längs dem zylindrischen Querschnitt
12. Der Förderer 22 kann aus einem geeigneten biegsamen wärmebeständigen Material
bestehen. Im allgemeinen wird er aus einem
Drahtsieb hergestellt. Er kann jedoch
auch aus einer biegsamen, gegen hohe Temperaturen beständigen Metallegierung bestehen.
Die letztere Ausführungsform ist in F i g. 4 dargestellt. In F i g. 4 ist ein biegsames
Metallband 22 a mit mehreren Löchern 24 versehen, welche die Größe haben, verschiedene
geeignete Gegenstände, so z. B. die Sockel von Transistoren oder Dioden oder von
anderen Halbleitern, aufzunehmen. Die zu behandelnden Gegenstände werden auf das
Band aufgesetzt, und zwar jeweils in ein Loch und dann durch die Muffel mittels
des Bandes gefördert, so daß sie einer geregelten Temperaturbehandlung unterworfen
werden. Es ist ersichtlich, daß die Gegenstände nicht durch die Muffel mittels eines
Förderbandes transportiert werden müssen; sie können vielmehr durch den Ofen mittels
einer Schubstange bzw. eines Schiebers verschoben werden.
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Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist der zylindrische Muffelquerschnitt
2 von Windungen einer elektrischen Heizwicklung 30 umgeben. Der zweite Muffelquerschnitt
4 ist gleichfalls von Windungen einer zweiten elektrischen Heizwicklung 32 umgeben.
Diese Wicklungen sind für einen Typ von Heizelementen dargestellt, welche in Verbindung
mit der Muffel verwendet werden können. Wahlweise kann die Muffel durch andere Arten
von elektrischen Heizvorrichtungen erwärmt werden, und in bestimmten Sonderfällen
kann eine Erhitzung mittels Gaserhitzer erfolgen. Bei der dargestellten Ausführungsform
ist ersichtlich, daß der elektrische Erhitzer 30 so ausgebildet ist, daß die Muffel
2 auf eine Temperatur T1 gebracht werden kann, die wesentlich über der Temperatur
T2 liegt, auf welche der zweite Muffelabschnitt 4 mittels des Erhitzers 32 gebracht
wird. Bei einer typischen Anordnung wird der Muffelabschnitt 2 auf eine Temperatur
T1 von ungefähr 12000 C gebracht, während der zweite Muffelquerschnitt 4 auf eine
Temperatur T, von etwa 6000 C erhitzt wird. Auf Grund dieses Temperaturunterschiedes
besteht eine große Neigung, daß die Wärme vom Muffelquerschnitt 2 zum zweiten Muffelquerschnitt
4 übertragen wird. Dies wird jedoch wirksam durch den Übergangsabschnitt 6 verhindert,
welcher eine scharfe Temperaturabstufung zwischen den beiden Muffelquerschnitten
schafft und auch erhält.
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Der Übergangsabschnitt 6 besteht aus zwei zylindrischen Platten 38
und 40, von denen die erste an den zylindrischen Muffelquerschnitt 2 und die zweite
an den fünfeckigen Muffelquerschnitt 4 angeschweißt ist. Im Mittelpunkt ist die
kreisförmige Platte 38 mit einer Öffnung 42 angeordnet, welche entsprechend dem
Innenquerschnitt des Muffelquerschnitts 2 ausgebildet ist. Die andere kreisförmige
Platte 40 ist mit einer mittigen Öffnung 44 versehen, welche in ähnlicher Weise
der Innenöffnung des fünfeckigen Muffelquerschnitts 4 entspricht. Die beiden Platten
sind an den beiden Muffelquerschnitten angeschweißt, wie bei 48 und 50 ersichtlich.
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Die beiden Platten 38 und 40 sind voneinander durch eine Ringleitung
52 getrennt, welche zwischen sie eingesetzt ist. Die Ringleitung 52 ist bei 54 an
den Kanten der beiden Platten 38 und 40 angeschweißt, und zwar wobei ungefähr die
Hälfte der Außenfläche der Leitung 52 dem Zwischenraum, welcher zwischen den beiden
Platten 38 und 40 vorgesehen ist, zugekehrt ist. Aus der vorangehenden Beschreibung
ist ersichtlich, daß die beiden Platten 38 und 40 mit der Leitung 52 zur Begrenzung
einer Kammer 56
zusammenwirken. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind
die Enden der Leitung 52 stumpf an einer ringförmigen Scheibe 58 angeschweißt, so
daß eine getrennte Ringkammer 60 entsteht. An das eine Ende der Kammer 60 und in
Verbindung mit dieser ist die Einlaßleitung 62 angeordnet. An das gegenüberliegende
Ende der Leitung 52 und gleichfalls in Verbindung mit der Kammer 60 ist eine Auslaßleitung
64 angeschweißt. Die Einlaßleitung 62 und die Auslaßleitung 64 sind an eine Kaltwasserquelle
und an ein Zirkulationsaggregat angeschlossen, welches schematisch bei 66 dargestellt
ist.
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An die Leitung 52 angeschweißt und zwischen die beiden Platten 38
und 40 eingesetzt ist eine kreisförmige Metallplatte 68, welche in ihrer Mitte mit
einer Öffnung70 versehen ist, die gerade groß genug für die Unterbringung des Förderbandes
22 ist und die gleichfalls einen Durchtritt der Gegenstände zuläßt, welche von dem
sich vorschiebenden Förderband getragen werden. Obgleich lediglich eine Metallplatte
68 dargestellt ist, ist ersichtlich, daß mehr als eine Platte an die Leitung 52
zwischen den beiden Platten 38 und 40 angeschweißt sein kann. Wie weiter unten ausgeführt,
funktioniert die Platte 68 als eine Strahlungsabschirmung.
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Die Arbeitsweise des Obergangsquerschnitts 6 wird nachfolgend in
bezug auf Fig. 3 beschrieben, um die Erläuterung zu erleichtern. Es wird vorausgesetzt,
daß das Förderband 22 Halbleitereinheiten trägt, welche einer Wärme bei einer Temperatur
von etwa 60(wo C ausgesetzt werden sollen. Während des Legierens oder Lötens der
Halbleiter, z. B. Transistoren, ist es üblich, eine unter Wasserstoffatmosphäre
stehenden Muffel zu verwenden. Daher wird unter Berücksichtigung dieser Tatsache
weiter unten davon ausgegangen, daß Wasserstoff durch den zylindrischen Muffelabschnitt
2 in den fünfeckigen Muffelabschnitt 4 über den Übergangsquerschnitt 6 fließt.
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Es wird weiterhin angenommen, daß auf Grund bestimmter physikalischer
Eigenschaften der Halbleiter diese nicht über eine Temperatur von 7000 C erhitzt
werden können; weiterhin sei unterstellt, daß die Halbleiter beim Einfügen in den
Muffelofen die Raumtemperatur haben und daß es gewünscht ist, sie auf eine Behandlungstemperatur
von 6000 C innerhalb einer kurzen Zeit wie z. B. 30 Sekunden zu bringen. Bei solchen
Verhältnissen würde der zylindrische Muffelofen (Zone 1) durch das elektrische Heizelement
30 auf eine geeignete hohe Temperatur z. B. 12000 C, erhitzt werden. Der zweite
Muffelofen (Zone II) würde auf eine Temperatur geringfügig über 6000 C, z. B. ungefähr
6200 C, erhitzt werden, wobei die 200 C-Temperaturdifferenz erforderlich ist, die
Wärmeverluste auf Grund von Strahlung, Leitung und Absorption durch Gase, welche
sich in der Muffel befinden, auszugleichen.
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Unter den obigen Bedingungen wird eine scharfe Temperaturabstufung
im Bereich des tJbergangsabschnitts 6 entstehen. Die Kurve A von F i g. 3 stellt
die Temperatur in der Muffel dar. Wenn man von links nach rechts die Kurve verfolgt,
stellt der erste waagerechte Teil der Kurve A die Temperatur in der Zone 1, welche
12000 C beträgt, dar. Der zweite waagerechte Abschnitt stellt die Temperatur in
Zone II, welche 6200 C beträgt, dar. Der dazwischenliegende Abschnitt der KurveA
stellt den scharfen Abfall oder den Temperaturverlauf dar, welcher im Übergangsabschnitt
6 auftritt. Die Kurve B von
F i g. 3 stellt die Temperatur eines Gegenstandes dar,
welcher durch die Muffel auf einem Förderband 22 wandert. Die Geschwindigkeit des
Förderbandes 22 kann so auf geringste Weise verstellt werden, daß die Gegenstände
auf dem Förderband eine Temperatur von ungefähr 6000 C haben, wenn sie die Zone
I verlassen. Auf Grund der hohen Temperatur des zylindrischen Muffelquerschnitts
2 wird die Zeit relativ kurz sein, die benötigt wird, um den Gegenstand auf 6000
C zu erhitzen, was durch die Neigung des schrägen Teils der Kurve B angedeutet ist.
Danach werden die Gegenstände im Muffelabschnitt 2 einer konstanten Temperatur von
60(wo C ausgesetzt, wie mit dem horizontalen Abschnitt der Kurve B angedeutet.
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Daß eine derartig scharfe Temperaturabstufung bzw. ein Temperaturverlauf
erhalten werden kann, ist lediglich auf die Konstruktion des Abschnitts 6 zurückzuführen.
Zunächst kann die Wärmemenge, welche durch Wärmeströmung übertragen wird, vernachlässigt
werden, und zwar auf Grund der Tatsache, daß Wasserstoffgas eine geringe spezifische
Wärme aufweist und die Gasmenge relativ gering ist.
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Zweitens wird wenig oder gar keine Wärme vom zylindrischen Muffelabschnitt
zum fünfeckigen Muffelabschnitt 4 durch Leitung übertragen. Die Rinne, die durch
die Leitung 52 erstellt wird, verhindert vollständig eine Übertragung der Wärme
durch Leitung. Das kalte Wasser, welches in der Leitung 52 zirkuliert, wird im wesentlichen
den größten Teil der Wärme absorbieren, welche dazu neigt, durch Leitung vom Muffelabschnitt
2 zum Muffelabschnitt 4 über die Platte 36, die Leitung 32 und die Platte 40 zu
dringen. Die Wärmeübertragung durch Strahlung ist im wesentlichen auf Grund des
Strahlungsschirms 68 ausgeschaltet. Jegliche Wärme, welche durch die Platte 38 auf
die gegenüberliegende Platte 40 ausgestrahlt wird, wird durch den Strahlungsschirm
abgeschnitten. Die durch den Schirm 68 von der Platte 38 aufgefangene Wärme wird
zum Rohr 52 durch Leitung übertragen, wo sie durch das zirkulierende Wasser absorbiert
und vom System abgeleitet wird.
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Es ist ersichtlich, daß mit dem Anwachsen der Temperaturdifferenz
zwischen den beiden Muffelab schnitten es vorteilhafter wird, mehr als einen Strahlungsschirm
zu verwenden. Es wird auch angenommen, daß es klar ist, daß die Wärmemenge, welche
je Zeiteinheit abgeleitet werden kann, größer sein kann, ohne die Temperatur des
Wassers herabzusetzen, welches zur Leitung 52 gefördert wird und ohne die Wassermenge
zu steigern, welche durch das Rohr 52 gepumpt wird. Dies kann durch Anordnung einer
zusätzlichen Leitung erreicht werden, so daß mehrere Windungen an Stelle der einzigen
Windung des Rohres vorgesehen werden. Das Rohr oder die Leitung kann in Schraubenform
gebogen werden, wobei das Wasser in das eine Ende der Rohrschlange eingeleitet und
vom anderen abgeleitet wird. Die einzige zu erfüllende Bedingung ist die, daß die
Windungen der Rohrschlange aneinandergeschweißt sind, und gleichfalls, daß die Platten
38 und 40 aneinander angeschweißt sind, so daß eine geeignete Halterung für die
beiden Muffelabschnitte entsteht.
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Es muß bemerkt werden, daß die Erfindung einen scharfen Temperaturverlauf
auf Grund des Aufbaus schafft, welch letzterer relativ billig und leicht herzustellen
ist und der besondere Querschnittsausbildungen für die Muffel unnötig macht. Auf
der anderen Seite ist die Erfindung nicht auf Muffeln beschränkt,
die
einen kreisförmigen oder fünfeckigen Querschnitt aufweisen, Die Querschnittswahl
der Muffel ist unwesentlich, soweit sie sich auf den Übergangsquerschnitt bezieht.
Es ist jedoch darauf hinzuweisen. daß andere Faktoren eine besondere Querschnittsform
der Muffel erfordern können. Der Übergangsabschnitt 6 beeinträchtigt die Konstruktion
oder die Arbeitsweise des Förderers nicht. Auch hat sie keinen Einfluß auf die äußere
Konstruktion des Ofens. Das Leitungssystem, welches zur Speisung von Wasser zum
Übergangsabschnitt benötigt wird, ist weder komplizierter noch schwieriger herzustellen
als das Rohrsystem für Mäntel von Heiz- und Kühlvorrichtungen, die bisher in Muffelöfen
Verwendung gefunden haben. Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung ist der,
daß verschiedene Elemente der Muffel aus dem gleichen Material hergestellt werden
können, wodurch Verbundprobleme und die Gefahr von Rissen auf Grund verschiedener
Ausdehnungskoeffizienten ausgeschaltet werden.
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In der Praxis hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß die Platten
38, 40 und 68 zusammen mit dem Rohr 52 aus einem gegen hohe Temperatur beständigen
rostfreien Stahl hergestellt werden, welcher ohne Schwierigkeiten geschweißt werden
kann. Aus dem gleichen Grunde wird es auch vorgezogen, daß die Muffelabschnitte
2 und 4 aus einem gegen hohe Temperatur beständigen rostfreien Stahl hergestellt
werden. Diese Materialien sind besonders widerstandsfähig in den Gasatmosphären,
welche üblicherweise bei Muffelöfen Verwendung finden. Es wurde gleichfalls festgestellt,
daß die Konstruktion des Übergangsabschnitts in keiner Weise den Typ der Erhitzer
beeinträchtigt, welcher für die beiden Muffelabschnitte verwendet werden können.
Falls erforderlich, können flache Erhitzer an Stelle der Heizvorrichtungen 30 und
32 Verwendung finden. Ein weiterer Vorteil der Konstruktion des Übergangs abschnitts
ist derjenige, daß er nicht viel Platz einnimmt. In diesem Zusammenhang ist festgestellt
worden, daß in einem Ofen im allgemeinen die Isolation um die Muffel angeordnet
wird, um eine Wärmeübertragung von der Muffel zum äußeren Gehäuse des Ofens zu verhindern.
Die Isolation hat im allgemeinen die Form von Blöcken oder Tafeln, welche auf der
Außenseite der Muffel aufgelegt werden. Die dargestellte Konstruktion des Übergangsabschnitts
bringt keine Probleme in bezug auf die Anordnung oder die Art des Isolationsmaterials
mit sich.
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Patentansprüche: 1. Muffel zur Wärmebehandlung in zwei verschiedenen
Heizzonen, insbesondere von Transistoren und Dioden, in einem kontinuierlichen oder
diskontinuierlichen Durchlaufsystem, d a -durch gekennzeichnet, daß die beiden Heizzonen
(2, 4) sich auf verschiedene Temperaturen aufheizen lassen und daß zwischen beiden
Zonen zwecks Erreichen eines steilen Temperaturgradienten ein Übergangs abschnitt
(6) eingefügt ist, der zwei Platten (38, 40) aufweist sowie eine zwischen diesen
Platten angebrachte Vorrichtung zur Abschirmung der Wärmeleitung und Wärmestrahlung.