DE2110865B2

DE2110865B2 - Rohrofen

Info

Publication number: DE2110865B2
Application number: DE19712110865
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr Groll; Guenther Neuer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1971-03-08
Filing date: 1971-03-08
Publication date: 1972-01-13
Also published as: DE2110865A1

Description

Es ist an sich bekannt, mittels eines in einer geschlossenen Kammer an einer beheizten Zone verdampfenden und einer gekühlten Zone kondensierenden Fluids große Wärmemengen bei kleinen Temperaturunterschieden zu übertragen. Das Kondensat wird in einer solchen als Wärmerohr bezeichneten
Wärmeübertragungsvorrichtung über Kapillaren und Verbindungsleitungen mit Hilfe der Kapillarkräfte von der Kondensationszone wieder zur Verdampfungszone zurückgefördert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohrofen unter Anwendung des oben beschriebenen Wärmerohrprinzips so zu konstruieren, daß ein hohes Maß an räumlicher Temperaturkonstanz innerhalb des Ofenraum erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Rohr von einem zweiten Rohr unter Bildung eines Ringraumes umgeben ist und daß sich die Heizvorrichtung außerhalb des zweiten Rohres befindet, daß an der Außenwand des ersten und an der Innenwand des zweiten Rohres jeweils eine mit der betreffenden Rohrwand in thermischem Kontakt stehende Kapillarstruktur vorgesehen ist und die beiden Kapillarstrukturen über mindestens eine Verbindungsleitung miteinander verbunden sind und daß im Inneren des Ringraumes ein während des Betriebs an der Oberfläche der Kapillarstruktur des zweiten Rohrs teilweise verdampfendes und an der Oberfläche der Kapillarstruktur des ersten Rohrs teilweise kondensierendes Fluid vorhanden ist. Das während des Betriebs aus der Kapillarstruktur des zweiten Rohrs verdampfendes Fluid strömt durch den Ringraum zur Kapillarstruktur des ersten Rohrs und kondensiert unter Abgabe der Kondensationswärme bevorzugt an den Stellen, an denen die Temperatur und der zugehörige Dampfdruck am niedrigsten ist.
Aus diese Weise werden die Stellen momentan niedrigerer Temperatur stärker beheizt als die Stellen höherer Temperatur, wodurch sich selbstregelnd ein konstanter Temperaturverlauf längs des Kondensationsbereichs einstellt. Dadurch kann ohne eine äußere Regelung Isothermie innerhalb eines großen Ofenraums erzielt werden.
Für spezielle Anwendungen, beispielsweise für eine Fließbandproduktion von Halbleitermaterial, ist es vorteilhaft, wenn der Ringraum axial in einzelne Teilräume unterteilt und für jeden Teilraum eine unabhängig regulierbare Heizvorrichtung vorgesehen ist.
Damit ist es möglich, die Rohrwände in den durch die Teilräume definierten Zonen unabhängig voneinander auf jeweils unterschiedlichen Temperaturen zu halten, die sich im Bereich der Zwischenwände zwischen den Teilräumen nahezu sprungartig ändern. Diese Eigenschaften lassen sich, allerdings mit etwas größerem Aufwand, auch durch eine Hintereinanderanordnung mehrerer Einzelöfen erzielen. Durch die einstellbaren plötzlichen Temperaturübergänge zwischen den Zonen des Rohrofens kann bei der oben angegebenen Anwendungsmöglichkeit verhindert werden, daß in dem zu dotierenden Material während des Durchförderns durch die Übergangsbereiche Diffusionsprozesse bei nicht genau definierten Temperaturen stattfinden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den in den beiden Rohren vorgesehenen Kapillarstrukturen eine als Dochtsteg ausgebildete Verbindung vorgesehen, die sich über die Länge des Ringraums bzw. der Teilräume erstreckt und vorzugsweise aus mehreren Lagen Drahtnetz, einem porösen Körper od. dgl. besteht.
Die Kapillarstrukturen an den Rohrwänden können aus quer zur Längserstreckung des Ringraums in die betreffende Rohrwand eingeschnittenen Rillen bestehen. Dabei ist es vorteilhaft, die Rillen in an sich bekannter Weise in Form eines Gewindes in die Rohrwand einzuschneiden.
Ferner kann die Kapillarstruktur auch durch ein Maschennetz, einen schraubenförmig aufgewickelten Draht, einen aus porösem Werkstoff bestehenden Körper od. dgl. gebildet sein.
Um zu vermeiden, daß an den Stoßstellen zwischen Kapillarstruktur und Verbindungsleitung Lücken auftreten, ist es vorteilhaft, wenn die Wandteile der Verbindungsleitung mit den Kapillarstrukturen einstückig verbunden sind.
Die Dampf- und Flüssigkeitsströmung verläuft innerhalb des Ringraums in mehr oder weniger radialer Richtung zwischen den beiden Kapillarstrukturen. In speziellen Ausführungsformen der Erfindung kann jedoch auch eine erhebliche axiale Strömungskomponente auftreten. Es ist sogar möglich, daß ein Teil des aus der Kapillarstruktur des zweiten Rohres verdampfenden Fluids in einem anderen Bereich wieder an der Oberfläche dieser Kapillarstruktur kondensiert. Solche Strömungsverhältnisse herrschen insbesondere dann, wenn die Heizvorrichtung sich nur über einen Teilbereich des zweiten Rohrs erstreckt. Bei derartigen Ausführungsformen des Rohrofens ist es von Vorteil, wenn die Verbindungsleitung mit einem sich in Längsrichtung des Ringraums erstreckenden Kanal verbunden ist. Dadurch kann der Druckabfall in der axialen Strömungskomponente der Flüssigkeit klein gehalten und auf diese Weise eine bessere Temperaturkonstanz über große Rohrlängen erzielt werden.
Da die Wandteile der Verbindungsleitungen vorzugsweise aus sehr feinen und daher relativ weichen Drahtnetzen bestehen, kann es vorteilhaft sein, innerhalb der Verbindungsleitung einen Stützsteg anzuordnen.
In der Zeichnung sind in schematischer Weise Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch einen beidseitig beschickbaren Rohrofen, F i g. 2 einen Längsschnitt durch einen einseitig beschickbaren Rohrofen, Fig. 3 einen Querschnitt durch den inneren Bereich eines Rohrofens, Fig.4 den mit der strichpunktierten Linie umrandeten Bereich der F i g. 3 in vergrößerter Darstellung, wobei die beiden Kapillarstrukturen als Drahtnetze und die Verbindungsleitung als separat eingesetzter Dochtsteg ausgeblidet sind, Fig.5 ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Wandteile der Verbindungsleitung einstückig mit der äußeren Netzlage der inneren Kapillarstruktur verbunden sind, in einer der F i g. 4 entsprechenden Darstellung, F i g. 6 und 7 zwei Ausführungsbeispiele mit innerhalb der Verbindungsleitung angeordnetem Längskanal, in einer der F i g. 4 entsprechenden Darstellung, F i g. 8 ein Ausführungsbeispiel mit einstückig über einen Dochtsteg miteinander verbundenen Kapillarstrukturen aus porösem Werkstoff, in einer der F i g. 4 entsprechenden Darstellung, Fig.9 ein Ausführungsbeispiel mit einem innerhalb der Verbindungsleitung angeordneten Stützsteg, in einer der F i g. 4 entsprechenden Darstellung.
Das durch die Öffnung 2 mit den aufzuheizenden Gegenständen beschickbare Rohr 4 ist von einem zweiten Rohr 6 umgeben, welches seinerseits von einem eine Heizwicklung od. dgl. aufweisenden Heizrohr 8 umschlossen ist. Das Heizrohr 8 ist an der Außenseite durch ein Isolierrohr 10 gegen Wärmeabgabe isoliert.
Die mit der Außenwand des Rohrs 4 und der Innenwand des Rohrs 6 in thermischem Kontakt stehenden Kapillarstrukturen 14 und 16 können als feine Maschennetze od. dgl. (14 und 16 in Fig. 4 und 5; 14 in Fig. 6, 7 und 9), als in die betreffende Rohrwand eingeschnittene feine Gewinderillen (16 in F i g. 6, 7 und 9) oder als poröse Körper (Fig. 8) ausgebildet sein. Die Kapillarstrukturenl4 und 16 sind durch sechs sich über die Länge des Ringraums erstreckende Verbindungsleitungen 18 miteinander verbunden.
Die in Fig.4 dargestellte Verbindungsleitung 18 besteht aus einem im Profil S-förmig gebogenen, zwischen die beiden Kapillarstrukturen eingeklemmten, aus einem Maschennetz gebildeten Dochtsteg. Der entsprechend ausgebildete Dochtsteg 18 gemäß F i g. 5 und 6 ist jeweils einstückig mit der äußeren Drahtnetzlage der Kapillarstruktur 14 verbunden.
Dabei weist die in F i g. 5 dargestellte Verbindungsleitung 18 einen aus Drahtnetzen bestehenden Stützsteg 22 auf, während innerhalb der in Fig.6 dargestellten Verbindungsleitung 18 ein Längskanal 20 ausgebildet ist. Entsprechende Längskanäle 20 sind auch in den Verbindungsleitungen gemäß F i g. 7 und 9 vorgesehen. Während jedoch Fig. 7 eine frei zwischen die beiden Rohre 4 und 6 eingespannte Verbindungsleitung 18 zeigt, stützen sich in dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 9 die Wandteile der Verbindungsleitung jeweils gegen einen starren, in eine Nut24 des Rohres 4 eingesetzten Stützsteg22 ab.
In der in Fig.8 dargestellten Ausführungsform sind die aus porösen Körpern bestehenden Kapillarstrukturen 14 und 16 über entsprechend ausgebildete Dochtstege 18 einstückig miteinander verbunden.
In dem Ringrauml2 befindet sich ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Fluid, welches innerhalb der Kapillarstrukturen 14 und 16 und der Verbindungsleitungen 18 sowie der Längskanäle 20 in flüssiger und in dem freien Bereich des Ringraumes 12 in gasförmiger Phase vorliegt. Wenn das Rohr 6 beheizt wird, verdampft von der Oberfläche der Kapillarstruktur 16 ein Teil des flüssigen Fluids und strömt zu den kälteren Stellen der Kapillarstruktur 14, um dort unter Abgabe der Kondensationswärme zu kondensieren. Das Kondensat strömt über die Kapillaren der Kapillarstruktur 14 und die Verbindungsleitung 18 wieder zu den Kapillaren der Kapillarstruktur 16 und ersetzt die von dort wegdampfende Flüssigkeit. Die für die Umwälzung des Fluids erforderliche Druckdifferenz wird durch Kapillarkräfte aufgebaut.
Die in F i g. 2 dargestellte Ausführungsform eines Rohrofens ist vorzugsweise zum Eichen von Thermoelementen und als schwarzer Körper geeignet.

Claims

Patentansprüche: 1. Ofen mit einem von außen beheizbaren Rohr, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr (4) von einem zweiten Rohr (6) unter Bildung eines Ringraumes (12) umgeben ist und daß sich die Heizvorrichtung(8) außerhalb des zweiten Rohres (6) befindet, daß an der Außenwand des ersten und an der Innenwand des zweiten Rohres jeweils eine mit der betreffenden Rohrwand in thermischem Kontakt stehende Kapillarstruktur(14, 16) vorgesehen ist und die beiden Kapillarstrukturen über mindestens eine Verbindungsleitung (18) miteinander verbunden sind und daß im Inneren des Ringraumes (12) ein an der Oberfläche der Kapillarstruktur (16) des zweiten Rohrs (6) teilweise verdampfendes und an der Oberfläche der Kapillarstruktur (14) des ersten Rohrs (4) teilweise kondensierendes Fluid vorhanden ist.
2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (12) axial in einzelne Teilräume unterteilt und für jeden Teilraum eine unabhängig regulierbare Heizvorrichtung vorgesehen ist.
3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ringraum (12) mindestens ein sich zwischen den an den beiden Rohren (4, 6) vorgesehenen Kapillarstrukturen(14, 16) und über die Länge des Ringraumes (12) bzw. der Teilräume erstreckender, aus Drahtnetzen od. dgl.

bestehender Dochtsteg zur Bildung der Verbindungsleitung(18) zwischen den beiden Kapillarstrukturen (14, 16) angeordnet ist.
4. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kapillarstrukturen (16) aus quer zur Längserstreckung des Ringraums (12) in die betreffende Rohrwand eingeschnittenen Rillen od. dgl. besteht.
5. Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (16) als Gewinderillen ausgebildet sind.
6. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kapillarstrukturen(14, 16) aus einem Maschennetz besteht.
7. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kapillarstrukturen (14, 16) aus einem schraubenförmig gewickelten Draht besteht.
8. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Kapillarstrukturen (14, 16) durch einen Poren aufweisenden Körper gebildet ist.
9. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandteile der Verbindungsleitung (18) mit mindestens einer der Kapillarstrukturen (14, 16) einstückig verbunden sind.
10. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (18) mit einem sich in Längsrichtung des Ringraumes erstreckenden Kanal (20) verbunden ist.
11. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Ver- bindungsleitung (18) ein Stützsteg(22) angeordnet ist.

Die Erfindung betrifft einen Ofen mit einem von außen beheizbaren Rohr.

Es ist bekannt, das Rohr eines solchen Ofens mittels einer das Rohr umgebenden Heizwicklung aufzuheizen. Ein großer Teil der zugeführten Wärme wird über die Einspannstellen des Rohrs abgeleitet.

Dies hat zur Folge, daß sich längs des Rohrs ein Temperaturprofil ausbildet. Um die Wärmeableitung über die Einspannstellen klein zu halten, ist es bekannt, in diesem Bereich eine Querschnittsverengung oder eine Wärmeisolation vorzusehen. Insbesondere bei hohen Anforderungen an die räumliche Temperaturkonstanz längs eines längeren Rohrteils reichen diese Vorkehrungen jedoch nicht aus.

Ein hohes Maß an räumlicher Temperaturkonstanz wird beispielsweise bei sogenannten Diffusionsöfen zur Herstellung von Halbleitermaterialien gefordert.

Um möglichst große Chargen des entsprechenden Ausgangsmaterials gleichmäßig dotieren zu können, muß die Temperatur in einem verhältnismäßig großen Ofenraum konstant sein.

Ferner werden für die Eichung von Themoelementen ebenfalls Rohröfen mit guter räumlicher Temperaturkonstanz benötigt. Die Isothermie muß dort vor allem über eine relativ große Rohrlänge erfüllt sein, um eine Kühlung des Themoelements durch Wärmeleitung in dessen durch den Ofenraum hindurchzuführenden Anschlußadern zu vermeiden.

Schließlich kann eine weitere Anwendung eines Rohrofens mit konstantem Temperaturverlauf in der Verwendung als schwarzer Körper z. B. für die Kalibrierung von Strahlungsempfängern gesehen werden.

Für diesen Anwendungsfall sind im Hinblick auf die Eichung von Strahlungsempfängern mit großen Öffnungswinkeln Rohrdurchmesser von 50 mm und mehr erwünscht, und die Isothermie der Wand sollte über eine Länge von mindestens etwa dem Fünffachen des Rohrdurchmessers gewährleistet sein. Mit den herkömmlichen Mitteln sind diese Bedingungen nur mit einem hohen konstruktiven und regelungstechnischen Aufwand zu erfüllen.

So wird z. B. bei einem bekannten Ofen der oben beschriebenen Art eine Einebnung des Temperaturverlaufs über einen gewissen Ofenbereich dadurch erzielt, daß längs des Rohres drei unabhängig voneinander regulierbare Heizwicklungen vorgesehen sind.

Dadurch ist es möglich, die beiden Außenzonen mit einer höheren Leistungsdichte zu beaufschlagen als die mittlere, den nutzbaren Ofenraum bildende Zone.

Zur Erzielung einer ausreichenden Isothermie in diesem Bereich mit Abweichungen in der Größenordnung einiger Zehntel Grad Celsius müssen dort jedoch aufwendige Einrichtungen zur Messung des Temperaturverlaufs und zur Steuerung der Heizleistung in den verschiedenen Heizzonen verwendet werden.