DE1963560C3 - Widerstandsbeheizter Ofen in Form eines Doppelmantel-Wärmerohres - Google Patents

Description

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (14) einen Kreisquerschnitt aufweist.

3. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr einen Rechteckquerschnitt aufweist.

4. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsfluid Kalium oder Lithium als wesentlichen Bestandteil enthält.

5. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmerohr (14) zusammen mit der Widerstandsheizeinrichtung (16) zusätzlich von einem Isoliermantel (20) umgeben ist.

6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, deß das Dochtmaterial (26, 28) und das Material für die radial verlaufenden Stege (30) aus gesintertem Material, Drahtschirmen oder anderen porigen Verbundstoffen besteht, die Poren oder Öffnungen kapillarer Größe besitzen und die in der Lage sind, das Wärmeübertragungsfluid zu transportieren.

Die Erfindung betrifft einen widerstandsbeheizten Ofen in Form eines Doppelmantel-Wärmerohres, bei dem der Außenmantel mit dem Dochtmaterial belegt

Es ist bereits die Anwendung eines derartigen Doppelmantel-Wärmerohres für einen Durchlauferwärmer nach der US-PS 19 87 119 bekannt, wobei eine in einen menschlichen Körper einzuführende lnfusionsflüssigkeit auf einer vorgegebenen Temperatur gehalten werden soll. Dabei ist jedoch von weitgehend vernachlässigbarer Bedeutung, ob in Strömungsrichtung des »Durchlauferwärmers« ein verhältnismäßig großer oder kleiner Temperaturgradient vorliegt, sofern nur die durchgepumpte Infusionsflüssigkeit an der Auslaßseite des »Durchlauferwärmers« eine vorgegebene Temperatur aufweist. Das Wärmerohr verläuft hierbei vertikal.

Gemäß einer überschlägigen physikalischen Betrachtung liegt nun bei einem Wärmerohr nach der betrachteten Druckschrift in jedem Volumenelement eine konstante Temperatur ohne jeden Temperaturgradienten vor, wenn sowohl die flüssige als auch die gasförmige Phase eines Wärmeübertragungsfluids in diesem Raum gleichzeitig und nebeneinander vorhanden sind. Bei einer verfeinerten Betrachtung kann jedoch nicht vernachlässigt werden, daß sich die dampfförmige Phase des in dem Dochtmaterial enthaltenen Wärmeübertragungsfluids an dem Innenmantel niederschlägt, der mit der Infusionsflüssigkeit in Wärmeberührung besteht.

Das hierbei gebildete Kondensat läuft an dem lnnenmante vertikal von oben nach unten und tropft schheß-S" η einen Sumpf des Wärmeübertragungsfluids. Beracnmman den Weg eines Kondensattropfens in dem Wärmerohr von oben nach unten so ergibt sich, daß bein Einfallen des Kondensattropfens m den Sumpf dessen Temperatur mehr oder weniger unterhalb der Verdampfungstemperatur des Warmeubertragungs-Ξ liegt. Es besteht also eine D.fferenz zwischen der η dem Sumpf vorliegenden Temperatur der fluss.gen Phase des Wärmeübertragungsflu.ds und der Verdampfungstemperatur des Wärmeübertragungsfluids

Ein ähnliches Doppelmantel-Wärmerohr, welches _,„-dessen keinerlei Belegung mit Dochtmaterialaufweist, ierfnch ähnlich der bereits vorangehend abgehandelten D?uckschrift im Betrieb vertikal steht, zeigt die US-PS ifi 16 628 infolge des Fehlens jeglichen Dochtmaterials in dem Wärmerohr ergibt sich die Wirkung, daß in dem oberen Bereich des Wärmerohres kern Wärmeubertramnesiluid in flüssiger Phase mehr vorliegt, so daß hier EdiSchtardts in Gasphase befindliches Wärmeübertragungsfluid noch weiter erwärmt w=rd, wodurch eine _ wenn auch geringe - örtliche Überhitzung der Gasnhase des Wärmeübertragungsfluids gegenüber der Temperatur des flüssigen Sumpfes im unteren Teil des Wärmerohres entsteht. Die zu erwartende Konstanz der Temperaturverteilung in einem derartigen nicht mit Dochtmaterial belegten Wärmerohr ist daher geringer als diejenige eines mit Dochtmaterial belegten Warme-

^r° Aufgrund der vorangehenden Ausführungen ergibt sich daß die Aufrechterhaltung einer sehr hohen Temperäturkonstanz in Axialrichtung e.nes Wärmerohres problematisch wird, je größer dessen axiale Abmessung ist, insbesondere bei vertikaler Aufstellung.

Bei den vorangehend erläuterten bekannten Doppelmantel-Wärmerohren ist eine vertikale Aufstellung vorgesehen. Seit längerer Zeit sind indessen auch lediglich einen Mantel umfassende Wärmerohre in honzontaler Anordnung bekannt, beispielsweise nach der US-PS 32 29 759. Bei derartigen Wärmerohren ergibt sich zwangläufig ein relativ hoher Temperaturgradient, der an den Rohrenden genau der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Wärmespeichern entspricht, zwisehen denen durch das Wärmerohr ein lemperaiurausgleich herbeigeführt werden soll. Bei derartigen Wärmerohien ist es auch bekannt, eine Belegung aus Dochtmaterial vorzusehen. Derartige lediglich einen Mantel umfassende Wärmerohre sind jedoch nicht in Form widerstandsbeheizter Öfen zur Behandlung beispielsweise von Festkörpern auszuführen, da hier zwangläufig ein Doppelmantel-Wärmerohr erforderlich ist. .

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines widerstandsbeheizten Ofens in Form eines Doppelmantel-Wärmerohres, welches zur Behandlung kontinuierlich in Axiairichtung hindurchbewegter Festkörper geeignet ist und vom Einlaß zum Auslaß einen wesentlich geringeren Temperaturgradienten aufweist als dies bisher mit bekannten Einrichtungen ähnlicher Art möglich war. Erreicht wird dies dadurch, daß bei horizontaler Anordnung des Ofens zusätzlich auch der Innenmantel mit Dochtmaterial belegt ist und die mit dem Dochtmaterial belegten Mantelflächen durch einen oder mehrere aus dem Dochtmaterial bestehende radial verlaufende Stege verbunden sind.

Durch die horizontale Anordnung des Wärmerohres, die bei widerstandsbeheizten rohrförmigen öfen nach

dem Stand der Technik an sich bekannt ist, läßt sich vorab eine ungünstige Luft- oder Gaskonvektion nahezu vollständig unterbinden, die bei einer vertikalen Aufstellung des Wärmerohres aufträte. Von entscheidender Bedeutung für die verbesserte Wirkungsweise des Erfindungsgegenslandes ist jedoch der die beide": Belegungen des Dochtmaterials verbindende radiale Steg bzw. mehicre Stege, weil dadurch erreicht wird, daß eine örtliche Unterkühlung des Kondensats des Wärmeübertragungsfluids am Innenmantel nicht auftreten kann. Das dem Innenmantel zugeordnete Dochtmaterial verteilt das Kondensat des Wärmeübertragungsfluids gleichmäßig über die gesamte Axiallänge des Wärmerohres. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Steg bzw. die Stege wird ein radialer Wärmeaustausch zwischen dem Innenmantel und dem Außenmantel herbeigeführt. Da bei gleichzeitigem Vorliegen der dampfförmigen und flüssigen Phase des in dem Ringraum des Wärmerohres enthaltenen Wärmeübertragungsfluids dessen Temperatur genau konstant bleibt, werden auch größere Wärmeabstrahlungen an den beiden Endabschnitten des Wärmerohres durch das Wärmeübertragungsfluid vollständig ausgeglichen, so daß sich insgesamt über die Axiallänge des Wärmerohres die gewünschte verbesserte Temperaturkonstanz ergibt. Dadurch kann der Erfindungsgegenstand auf dem Gebiet der kontrollierten Erwärmung von Festkörpern, insbesondere zum Eindiffundieren von Fehlstellen in Halbleiter, angewendet werden, wo besonders strenge Temperaturtoleranzen einzuhalten sind.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel eines crlindungsgemäßen Ofens in Form eines Doppelmantel-Wärmerohres mit einer umgebenden Widerstandsheizeinrichtung nebst einem Isoliermantel, in perspektivischer Teildarstellung, wobei der Isoliermantel in einem Sektor axial aufgeschnitten ist,

F i g. 2 d=<s in F i g. 1 veranschaulichte Doppelmantelwärmerohr in demgegenüber wesentlich vergrößerter Axialschnittdarstellung,

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 von F i g. 2,

Fig.4 der axialen Temperaturverlauf über das in F i g. 1 bis 3 veranschaulichte Wärmerohr als Funktion des axialen Abstandes von der Einlaßseite in Schaubilddarstellung.

Der in F i g. 1 veranschaulichte widerstandsbeheizte Ofen umfaßt als wesentlichen Bestandte^:l ein Doppelmantel-Wärmerohr 14, dessen Innenraum 12 zur Aufnahme kontinuierlich in Axialrichtung bewegter Festkörper eingerichtet ist, die einer konstanten Temperatur über einen gewissen Zeitraum unterworfen werden sollen, und zwar ohne Rücksicht auf den axialen Abstand von der Einlaßseite des Wärmerohres 14, die bei Betrachtung gemäß F i g. 1 auf der linken Seite anzunehmen ist. Das Wärmerohr 14 ist auf einem geringeren Teil seiner Längserstreckung an der Einlaßscitc von einer Widerstandsheizeinrichtung 16 in Form einer Heizwendel umgeben, die von einer Wechselstromquelle 18 gespeist wird. Die Widerstandsheizeinrichtung 16 ist ihrerseits von einem wärmebeständigen Isoliermantel 20 umgeben.

Wie sich am besten aus F i g. 2 und 3 ergibt, weist das Wärmerohr 14 einen Außcnmantel 24, welcher mit einer Dochtmaterialschicht 28 belegt ist, und einen Innenmantel 22 auf, der mit einer Dochtmaterialschicht 26 belegt ist. Der Außcnmantcl 24 und der Innenmantel 22 sind an den .stirnseitigen Enden durch je eine ringförmige Stirnplatte 32 abgeschlossen.

Die beiden Dochtmaterialschichten 26, 28 sind durch zumindest einen radial verlaufenden Steg 30, im vorliegenden Ausführungsbeispiel vier radiale Stege 30, die

ίο aus dem gleichen Material wie die Dochtmaterialschichten 26, 28 bestehen, miteinander verbunden. Ein zwischen dem Außenmantel 24 und dem Innenmantel 22 gebildeter, durch die Stirnplatten 32 hermetisch abgeschlossener Ringraum 25 ist in üblicher Weise mit einem Wärmeübertragungsfluid gefüllt, das zum Teil in gasförmiger und zum Teil in flüssiger Phase vorliegt, wobei sich die flüssige Phase in einem Sumpf 34 im unteren Teil des Wärmeübertragungsrohres 14 sammelt. Das Wärmerohr 14 verläuft mit seiner Achse genau horizontal, so daß die gleichmäßige Verteilung des Sumpfes 34 über die gesamte Länge des Wärmerohres 14 sichergestellt ist.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel weist das Wärmerohr 14 einen Kreisquerschnitt auf, jedoch ist es auch möglich, abweichend hiervon das Wärmerohr mit einem Rechteckquerschnitt auszuführen. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn das Wärmeübertragungsfluid Kalium oder Lithium als wesentlichen Bestandteil enthält.

Das Material für die beiden Dochtmaterialschichten 26,28 und für den oder die radial verlaufenden Stege 30 kann aus gesintertem Material, Drahtschirmen oder anderen porigen Verbundstoffen bestehen, die Poren oder Öffnungen kapillarer Größe besitzen und die in der Lage sind, das Wärmeübertragungsfluid zu transportieren.

Im Betrieb kann beispielsweise eine einer Behandlung mit konstanter Temperatur zu unterwerfende Gruppe von Halbleiterbauelementen mittels eines Förderbandes axial durch den Innenraum 12 des Wärmerohres 14 geführt werden. Da die hierbei erfolgten Reaktionen in den zu behandelnden Festkörpern meist proportional einer Exponentialfunktion der Temperatur ablaufen und somit schon sehr geringe Temperatur-Schwankungen innerhalb der axialen Länge des Wärmerohres 14 den Erfolg der Behandlung gefährden könnten, ist es sehr wichtig, die theoretisch oder experimentell als richtig ermittelte Temperatur möglichst genau einzuhalten. Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß gemaß der Funktion 36 das Wärmerohr 14 durch die Heizeinrichtung 16 mit einer maximalen Temperatur von etwa 780⁰C beaufschlagt wird, die indessen nur über einen verhältnismäßig sehr geringen Axialbereich des Wärmerohres 14 auftritt. Zur Einlaßseite (linke Seite von Fi g. 1) hin fällt die Temperatur auf 700⁰C ab, zur Auslaßseite hin sogar auf unter 600°C. Gleichwohl ergibt sich, daß die Temperatur des Innenraums 12 gemäß der Funktion 40 über die gesamte Axiallänge des Wärmerohres 14 auf einer Temperatur von 72O°C gehalten werden kann. Es wird damit eine äußerst gleichmäßige Temperaturbehandlung der eingebrachten Festkörper während deren gesamtem Weg durch das Wärmerohr 14 sichergestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Widerstandsbeheizter Ofen in Form eines Doppelmantel-Wärmerohres, bei dem der Außenmantel mit dem Dochtmaterial belegt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei horizontaler Anordnung des Ofens zusätzlich auch der Innenmantel (22) mit Dochtmaterial (26) belegt ist und die mit dem Dochtmaterial (26, 28) belegten Mantelflächen durch einen oder mehrere aus dem Dochtmaterial bestehende radial verlaufende Stege (30) verbunden