EP2761240A1 - Vorrichtung für den wärme- oder stoffübergang mit hexagonalen prallstrahldüsen und verfahren zur behandlung von oberflächenschichten - Google Patents

Vorrichtung für den wärme- oder stoffübergang mit hexagonalen prallstrahldüsen und verfahren zur behandlung von oberflächenschichten

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EP2761240A1
EP2761240A1 EP12756377.3A EP12756377A EP2761240A1 EP 2761240 A1 EP2761240 A1 EP 2761240A1 EP 12756377 A EP12756377 A EP 12756377A EP 2761240 A1 EP2761240 A1 EP 2761240A1
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EP
European Patent Office
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jet nozzles
drying
process gas
effusion
impact
Prior art date
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Application number
EP12756377.3A
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English (en)
French (fr)
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EP2761240B1 (de
Inventor
Philipp CAVADINI
Wilhelm SCHABEL
Philip SCHARFER
Lukas WENGELER
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Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
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Publication date
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Publication of EP2761240A1 publication Critical patent/EP2761240A1/de
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Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26DRYING
    • F26BDRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B21/00Arrangements for supplying or controlling air or other gases for drying solid materials or objects
    • F26B21/50Ducting arrangements from the source of air or other gases to the materials or objects being dried

Definitions

  • the present invention relates to a device for the heat and mass transfer, in particular for drying thin layers or coatings.
  • a device for the heat and mass transfer in particular for drying thin layers or coatings.
  • the foreground 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.
  • the invention relates to a method for the treatment of surface layers, in particular a method for gentle drying of organic (opto) electronic components.
  • Impact jets are widely used in industrial production processes where workpieces must be cooled, heated or dried. However, although impact blasting is able to force convective-driven processes, they produce a highly inhomogeneous distribution of heat and mass transfer coefficients.
  • Huber and Viskanta are concerned 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.
  • a drying device that meets the requirements for coatings in organic electronics must perform a more homogeneous drying work than the drying technologies known in the prior art.
  • 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.
  • 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.
  • 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 or of the method are described in the dependent claims.
  • the subject of the present invention is a device for the heat and mass transfer to surfaces in impact blast systems with simultaneous extraction via effusion openings embedded in the impact blast field.
  • the impact jet nozzles have a hexagonal shape and are distributed regularly and equidistantly over the impact radiation field, so that a lattice-like structure is formed.
  • the impact jet nozzles serve to radiate a fluid for the heat and mass transfer to the substrate surface. Between the impact jet nozzles or around the impingement jet nozzles around the effusion openings are arranged, through which the radiated fluid is sucked.
  • the effu sion openings are hexagonal arranged around the impingement jet nozzles, so that there is a honeycomb structure of impingement jet nozzles and effusion openings.
  • 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.
  • the individual impingement jet nozzles can be held in position against one another via webs.
  • 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.
  • 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, longer residence times of the substrate are achieved
  • the invention further relates to a drying hood equipped with a device for the heat and mass transfer according to the above description.
  • 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.
  • at least one connection for pressurizing process gas is arranged under pressure on the housing, which presses the impact jet nozzles of the device at the distal end via a process gas distributor. supplied 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.
  • 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 infusion openings.
  • the drying hood according to the invention is advantageous, since thus a movable device, which includes all the advantages of the device for the 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.
  • 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.
  • 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.
  • the invention also includes a method of treating surface layers on workpieces using one of 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.
  • 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.
  • this method is a method of drying wet surface layers on workpieces.
  • this method is a deposition method for applying substances from the gas phase to a surface layer of a workpiece.
  • these deposition methods may also be sublimation or condensation processes.
  • This distance is individually defined as required and depends on the size of the nozzle, the configuration of the impingement jet 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 distance should be chosen so that the core jet of the collision jet (region in the free jet which is still unaffected by the Environment is) when hitting the surface of the substrate is still preserved.
  • Conveyor belt is transported past the drying device or the drying device is approached in the form of a drying hood the stationary workpiece (batch-wise
  • 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 longer any fixed allocation between injection and exhaustion. 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.
  • Fig. 2 Relative frequency of the heat transfer coefficient at the baffle in a round nozzle field and a honeycomb field.
  • FIG. 3 Schematic representation of a drying hood with honeycomb panel.
  • Example 1 Distribution of the heat transfer coefficients
  • Fig. 1 upper row, the investigated impact beam fields are shown.
  • black color the impact jet nozzles are shown, while the effusion openings are highlighted in light gray color.
  • the lower row in Fig. 1 represents the corresponding ones
  • Fig. 1 a) - c) corresponds to systems of the prior art.
  • Fig. 1 a) is a round nozzle field without additional suction
  • Fig. 1 b) a round nozzle field with additional suction
  • Fig. 1 c corresponds to a slot nozzle field with additional suction.
  • the system according to the invention with hexagonal impact jet and effusion nozzles with additional extraction is depicted in FIG. 1 d).
  • 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.
  • Fig. 1 a The system in Fig. 1 a) 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.
  • FIG. 1 d represents the field of the heat and mass transfer coefficient at the baffle plate in the hexagonal nozzle field according to the invention. It can clearly be seen that, although under the chosen conditions, a certain gradient occurs transversely to the belt direction, this is a lot lower gradient in the tape direction brings with it. Of Furthermore, the distribution of the heat transfer coefficient is much more homogeneous than in round or slot nozzle systems.
  • FIG. 2 illustrates the homogenization of the distribution on the basis of the representation of the relative frequencies of the heat transfer coefficients over the flowed-on area.
  • Fig. 3 a is shown schematically a technical realization of a drying hood using a hexagonal nozzle geometry according to the invention.
  • the hood comprises an outer housing 1, on which a device for extracting process gas (suction tube) 2 from the interior of this housing 1 is arranged.
  • a device for extracting process gas (suction tube) 2 from the interior of this housing 1 is arranged.
  • At the distal end of the outer housing 1 there is an impact radiation field 3 with hexagonal impact jet nozzles 5 and the effusion openings 4, which in this embodiment surround the respective impact jet nozzles 5 in slot form.
  • the collision beam field 3 is shown from a distal point of view.
  • the hexagonal impact jet openings and the slot-shaped interspaces of the effusion openings 4 are visualized.
  • an airtight inner casing 8 serving as a distributor for the process gas from the ports for the process gas 6 to the respective impingement jet nozzles 5.
  • This type of feeding of the process gas to the impact jet nozzles 5 through a plenum ensures identical flow conditions for the individual nozzles.
  • the process gas can only escape via the impact jet nozzles 5 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 a gap is created between the individual nozzles.
  • this intermediate space In its extension to the distal end, this intermediate space has the function of the effusion openings 4.
  • the effusion openings 4 or the intermediate spaces are in direct contact with the area of reduced pressure in the inner cavity 7.
  • the length of the impact jet nozzles 5 can be varied via the impact radiation field 3, in such a way that arranged in the middle of the field.

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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.

Description

Vorrichtung für den Wärme- oder Stoffübergang mit hexagonalen PrallStrahldüsen und Verfahren zur Behandlung von Oberflächenschichten
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.
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 .
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 Kon- vektionsströmungen, 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 .
Derzeit bestehen auf dem Gebiet der Trocknung von Beschichtun- gen 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 AI 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 AI: Papier), 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. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann es vorkommen, dass das Produkt aufgrund der aufprallenden Fluidstrahlen eine Oberflächendeformation erfährt. Dies kann zu einer Reduzierung der Leistungsfähigkeit führen. 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 Pralloder in der Düsenplatte - denkbar. Die Ausführung hängt dabei vom Anwendungsfall und den daraus abgeleiteten geometrischen Beschränkungen ab.
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.
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 (Aef fusion/AStrahi=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 Strah- len 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.
Eine Trocknungsvorrichtung, die den Anforderungen für Be- schichtungen 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 zügigen bzw. effizienten Trocknungsverfahren mit guten Wärme- und StoffÜbergangskoeffizienten, das gleichzeitig schonend für die zu trocknenden Flächen ist.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der Erfindung, die genannten Probleme bei der Trocknung von sensiblen flächigen Be- schichtungen 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.
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 .
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung fü 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 Aufba entsteht. Die Prallstrahldüsen dienen dazu, dass ein Fluid fü den Wärme- und StoffÜbergang auf die Substratoberfläche aufge strahlt wird. Zwischen den Prallstrahldüsen bzw. um die Prall Strahldüsen herum sind die Effusionsöffnungen angeordnet, durch welche das ausgestrahlte Fluid abgesaugt wird.
In einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung sind die Effu sionsöffnungen hexagonal um die Prallstrahldüsen angeordnet, sodass sich eine wabenförmige Struktur aus Prallstrahldüsen und Effusionsöffnungen ergibt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Vorrichtung sind die Effusionsöffnungen um die Prallstrahldüsen in Schlitz- o- der 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 wer den .
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.
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.
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.
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 Prozessgasvertei- ler mit Prozessgas versorgt. Die Gesamtheit aus Prozessgasan- schluss, 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 Ef- fusionsöffnungen ansaugbar.
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.
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 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.
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.
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 einer bevorzugten Ausführung ist dieses Verfahren ein Trocknungsverfahren von feuchten Oberflächenschichten auf Werkstücken .
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist dieses Verfahren ein Abscheideverfahren zum Auftragen von Stoffen aus der Gasphase auf eine Oberflächenschicht eines Werkstücks. Beispiels weise können diese Abscheideverfahren auch Sublimations- oder Kondensationsverfahren sein.
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 de 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 de 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.
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) .
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 Aus- düsung 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.
Die Erfindung wird im Folgenden mit Ausführungsbeispielen und folgenden Figuren erläutert.
Fig. 1 Prallstrahlfelder und deren resultierende Verteilung des Wärmeübergangskoeffizienten an der Prallfläche.
Fig. 2 Relative Häufigkeit des Wärmeübergangskoeffizienten an der Prallfläche in einem Runddüsenfeld und einem Wabenfeld.
Fig. 3 Schematische Darstellung einer Trocknungshaube mit Wabenfeld .
Beispiel 1: Verteilung der Wärmeübergangskoeffizienten Im Folgenden werden Untersuchungen an Systemen von Prallstrahlfeldern einander gegenüber gestellt. In Fig. 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 Fig. 1 stellt die aus den entsprechenden
Prallstrahlfeldern resultierenden Wärmeübergangskoeffizienten dar, wie sie über die Fläche verteilt sind.
Fig. 1 a) - c) entspricht Systemen aus dem Stand der Technik. Fig. 1 a) ist ein Runddüsenfeld ohne zusätzliche Absaugung, Fig. 1 b) ein Runddüsenfeld mit zusätzlicher Absaugung und
Fig. 1 c) entspricht einem Schlitzdüsenfeld mit zusätzlicher Absaugung. Das erfindungsgemäße System mit hexagonalen Prallstrahl- und Effusionsdüsen mit zusätzlicher Absaugung ist in Fig. 1 d) abgebildet. Die bestehenden Untersuchungen wurden mittels CFD-Simulationen durchgeführt und dienen der qualitativen Bewertung der Verteilungen des Wärmeübergangskoeffizienten an der Prallfläche.
Das System in Fig. 1 a) 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.
Die Systeme gem. Fig. 1 b) und c) berücksichtigen eine zusätzliche Abfuhr des eingedüsten Fluids. Die Konfiguration in Fig. 1 b) ist der eben beschriebenen ähnlich, jedoch ist hier jeder Strahl von Absaugungsöffnungen umringt. Das System in Fig. 1 c) entspricht einer Schlitzdüsenanordnung . Klar zu sehen ist, dass im Runddüsensystem durch die lokale Abfuhr die
Querströmung reduziert und somit die Homogenität erhöht werden konnte .
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. Bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten kann es vorkommen, dass das Produkt aufgrund der aufprallenden Strahlen eine Oberflächendeformation erfährt. Dies kann zu einer Reduzierung der Leistungsfähigkeit führen.
Die Darstellung in Fig. 1 d) stellt das 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.
Fig. 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. Fig. 1 a) ) 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.
Beispiel 2: Trocknungshaube
In Fig. 3 a) 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 Fig. 3 b) ist das Prallstrahlfeld 3 aus distaler Sicht dargestellt. Hier sind die hexagonalen Prallstrahlöffnungen sowie die schlitzförmigen Zwischenräume der Effusionsöffnungen 4 vi- sualisiert . In dem äußeren Gehäuse 1 ist ein luftdichtes inneres Gehäuse 8 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.
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.

Claims

Patentansprüche :
1) Vorrichtung für den Wärme- und StoffÜbergang auf Oberflächen, umfassend eine regelmäßige gitterförmige Anordnung von
i) hexagonalen Prallstrahldüsen (5) in äquidistanter Anordnung, mit welchen ein Fluid auf die zu trocknende Oberfläche aufstrahlbar ist, und
ii) Effusionsöffnungen (4) , welche die Prallstrahldüsen (5) umgeben und durch welche das exngedüste Fluid absaugbar ist.
2) Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Effusionsöffnungen
(4) hexagonal um die Prallstrahldüsen (5) angeordnet sind, sodass sich eine wabenförmige Struktur aus Prallstrahldüsen
(5) und Effusionsöffnungen (4) ergibt.
3) Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Effusionsöffnungen
(4) um die Prallstrahldüsen (5) in Schlitz- oder Spaltform angeordnet sind, welche die Prallstrahldüsen (5) möglichst vollständig umgeben, sodass die einzelnen Prallstrahldüsen
(5) durch die Effusionsschlitze oder -spalten voneinander getrennt sind.
4) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die
Vorrichtung für den Wärme- und StoffÜbergang eine Trocknungsvorrichtung, eine Kondensationsvorrichtung, eine Sublimationsvorrichtung oder eine Abscheidevorrichtung ist.
5) Trocknungshaube umfassend ein luftdichtes äußeres Gehäuse (1) mit Anschlüssen zum Absaugen (2) von Prozessgas aus dem Inneren dieses Gehäuses (1) und einer Vorrichtung für den Wärme- und StoffÜbergang (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die am distalen Ende des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Effusionsöffnungen (4) der Vorrichtung (3) mit den Anschlüssen zum Absaugen (2) verbunden sind, und wobei die WO 2013/045026 - 15 - PCT/EP2012/0037S1
Prallstrahldüsen (5) der Vorrichtung (3) mit Anschlüssen zum Einbringen von Prozessgas (6) verbunden sind, sodass das Prozessgas nach außen in distaler Richtung ausstrahlbar ist und das ausgestrahlte Prozessgas aus distaler Richtung in die Effusionsöffnungen (4) einleitbar ist.
Trocknungshaube nach Anspruch 5, wobei die Verbindung der Effusionsöffnungen (4) mit den Anschlüssen zum Absaugen (2) von Prozessgas über den inneren Hohlraum des äußeren Gehäuses (7) gewährleistet ist und die Verbindung der Prallstrahldüsen (5) mit den Anschlüssen für das Prozessgas (6) über ein inneres Gehäuse (8) , das hermetisch geschlossen im äußeren Gehäuse (1) befindlich ist, gewährleistet ist.
Verfahren zur Behandlung von Oberflächenschichten auf Werkstücken umfassend folgende Schritte: i. Bereitstellen einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
ii. Bereitstellen eines zu behandelnden flächigen Werkstücks ,
iii. in Kontakt bringen der Oberflächenschicht des Werkstücks mit der Vorrichtung und Aufbringen eines Volumenstroms auf die Oberfläche des Werkstücks, in einem derartigen Abstand, dass die Prallstrahlen aus den Prallstrahldüsen (5) die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks erreichen und das ausgedüste Prozessgas durch die Effusions- düsen (4) wieder abgesaugt wird,
wobei das Werkstücks entweder auf einem Fließband an der Vorrichtung vorbeitransportiert wird oder die Vorrichtung in Form einer Haube dem Werkstücks genähert wird.
8) Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren ein Trocknungsverfahren von feuchten Oberflächenschichten ist. 9) Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verfahren ein Abscheideverfahren zum Auftragen von Stoffen aus der Gasphase auf eine Oberflächenschicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Vo lumenstrom derart oszilliert, dass das Prozessgas abwech selnd aus den Prallstrahldüsen (5) und den Effusionsöff- nungen (4) strömt und das Absaugen von den jeweils anderen Düsen übernommen wird.
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