Konvektionsmodul mit pneumatischem Nntrieb Convection module with pneumatic drive
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Konvektionsmodul zur Herstellung eines optimalen Wärmeübergangs zwischen einem Wärmeträgergas und einem Werkstück bei gegebenem Nbstand und maximaler Nnströmgeschwindigkeit, mit einer Nntriebseinrichtung für eine auf das Werkstück gerichtete Strömung und mit einem Wärmetauscher.The present invention relates to a convection module for producing an optimal heat transfer between a heat transfer gas and a workpiece for a given distance and maximum nominal flow velocity, with a drive device for a flow directed towards the workpiece and with a heat exchanger.
Solche Konvektionsmodule sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel werden üblicherweise Lochrasterplatten verwendet. Solche Lochrasterplatten sind flächig ausgebildet und weisen über ihre Oberfläche Durchgangslöcher auf. Auf einer Rückseite einer solchen Lochrasterplatte wird durch einen Lüfter ein leichter Überdruck erzeugt, so daß ein erhitztes oder gekühltes Gas isobar durch die Löcher ausströmt und als Prallstrahl auf das Heizgut auftrifft. Bei gegebener maximaler Nnströmgeschwindigkeit wird der optimale Wärmeübergangskoeffizient eines Gasstrahls dann erreicht, wenn der aus den Löchern austretende Kernstrahl das Werkstück gerade erreicht.Such convection modules are known from the general prior art. For example, perforated grid plates are usually used. Such perforated grid plates are flat and have through holes on their surface. On the back of such a perforated grid plate, a slight positive pressure is generated by a fan, so that a heated or cooled gas flows out isobarically through the holes and impinges on the heating material as an impact jet. For a given maximum flow rate, the optimal heat transfer coefficient of a gas jet is reached when the core jet emerging from the holes just reaches the workpiece.
Bei größeren Werkstücken sind statt des ideal betrachteten Einzelstrahls eine Vielzahl von Strahlen mit dem Werkstück in Berührung. Da die eingeblasene Luft auch abströmen muß, ändern sich zwangsläufig die Strömungsverhältnisse und damit auch die Wärmeübergangs- koeffizienten über die Oberfläche des Werkstücks (Schräganströmung).In the case of larger workpieces, a large number of beams are in contact with the workpiece instead of the ideally considered single beam. Since the air blown in must also flow out, the flow conditions and thus also the heat transfer coefficients inevitably change over the surface of the workpiece (inclined flow).
Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Lüfter als elektrische Strömungsantriebe insbesondere bei Prozessen mit heißen Gasen aufwendige, abgedichtete Wellendurchführungen erforderlich machen.Another disadvantage is that the fans, as electrical flow drives, require complex, sealed shaft bushings, particularly in processes with hot gases.
Auch eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit ist bei den gängigen Lüftern nur mit unbefriedigendem Ergebnis durch Veränderung der Klemmenspannung oder aber unter großem Aufwand mit Hilfe eines Frequenzumrichters möglich.A change in the flow speed is also possible with the current fans only with an unsatisfactory result by changing the terminal voltage or with great effort using a frequency converter.
Ferner ist aus dem Stand der Technik ein sogenanntes Konvektionsmodul "WSP" bekannt. Dieses Modul saugt das Gas nach einmaliger, kurzer Überströmung des Werkstücks wieder ab, um es über einen Wärmetauscher konditioniert dem Prozeß wieder zuzuführen und vermeidet damit die strömungstechnischen Nachteile des vorgenannten Standes der Tech-
nik. Die Nachteile eines solchen bekannten Konvektionsmoduls "WSP" liegen in der sehr aufwendigen Fertigungstechnik und darin, daß wie bereits im vorgenannten Stand der Technik, als Antrieb üblicherweise ein Lüfter verwendet wird. Aufgrund der Tatsache, daß relativ große Gasmengen zu bewegen sind, fällt das Konvektionsmodul aufgrund der erfor- derlichen Strömungsquerschnitte recht groß aus.Furthermore, a so-called convection module "WSP" is known from the prior art. This module sucks off the gas after a single, brief overflow of the workpiece in order to feed it back to the process conditioned via a heat exchanger and thus avoids the fluidic disadvantages of the aforementioned prior art. technology. The disadvantages of such a known convection module "WSP" lie in the very complex manufacturing technology and in the fact that, as already in the aforementioned prior art, a fan is usually used as the drive. Due to the fact that relatively large amounts of gas have to be moved, the convection module turns out to be quite large due to the required flow cross sections.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Konvektionsmodul zur Herstellung eines optimalen Wärmeüberganges zwischen einem Wärmeträgergas und einem Werkstück bei gegebenem Abstand und maximaler Anströmgeschwindigkeit zu schaffen, das ferti- gungstechnisch einfach herzustellen ist, konstruktiv einfacher ausgebildet ist und weniger störanfällig arbeitet.The object of the present invention is therefore to create a convection module for producing an optimal heat transfer between a heat transfer gas and a workpiece at a given distance and maximum inflow velocity, which is easy to manufacture in terms of production technology, is structurally simpler and less prone to malfunction.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Antriebseinrichtung eine mit einem Druckfluid betriebener Injektor ist.The object is achieved in that the drive device is an injector operated with a pressure fluid.
Mit dem erfindungsgemäßen Konvektionsmodul können aufwendig abgedichtete Wellendurchführungen in dem Modul entfallen. Insbesondere entfallen jegliche bewegte Dichtflächen und bewegten Teile in dem Modul. Auch die Anströmgeschwindigkeit kann einfach durch Verändern des Antriebsdruckes eingestellt werden. Auch das Bauvolumen fallt we- sentlich kleiner aus als bei den konventionellen Lösungen, da die platzraubenden Lüfter entfallen. Es ist somit möglich, das erfϊndungsgemäße Konvektionsmodul auch für kleinere Ofenabmessungen zu verwenden. Zudem ist es einfacher zu isolieren.With the convection module according to the invention, there is no need for elaborately sealed shaft bushings in the module. In particular, any moving sealing surfaces and moving parts in the module are eliminated. The flow velocity can also be adjusted simply by changing the drive pressure. The construction volume is also considerably smaller than with conventional solutions, as the space-consuming fans are no longer required. It is therefore possible to use the convection module according to the invention also for smaller oven dimensions. It is also easier to isolate.
Da der Massenstrom des Antriebsfluids klein ist im Verhältnis zur tatsächlich umgewälzten Gas- bzw. Fluidmenge und sich außerdem innig mit dem umgebenden Prozeßgas vermischt, bevor er das Wärmgut erreicht, muß er nicht unbedingt auf Prozeßtemperatur gebracht werden, wenn er der Prozeßkammer zugeführt wird. Beim herkömmlichen Stand der Technik würden dabei überall dort kalte Zonen entstehen, wo der Kernstrahl die Oberfläche des Wärmgutes erreicht.Since the mass flow of the drive fluid is small in relation to the amount of gas or fluid actually circulated and also mixes intimately with the surrounding process gas before it reaches the heating material, it does not necessarily have to be brought to process temperature when it is supplied to the process chamber. In the conventional state of the art, cold zones would arise wherever the core jet reaches the surface of the heating material.
Aufgrund der Tatsache, daß die Bauhöhe sehr viel geringer ausfallt als im Stand der Technik, etwa 150 mm statt 500 mm, kann das Konvektionsmodul problemlos auch beidseitig eingesetzt werden. Ferner ist das erfindungsgemäße Konvektionsmodul wesentlich leichter
als ein herkömmliches und kann daher leichter gehandhabt werden. Auch hat es eine schnellere Ansprechzeit.Due to the fact that the overall height is much lower than in the prior art, about 150 mm instead of 500 mm, the convection module can also be used on both sides without any problems. Furthermore, the convection module according to the invention is much lighter than a conventional one and is therefore easier to handle. It also has a faster response time.
Zudem ist das erfindungsgemäße Konvektionsmodul einfach zu demontieren und zu reini- gen, was insbesondere bei Kühlzonen wegen der dort häufig zu beobachtenden Verschmutzung durch Kondensatniederschläge von Bedeutung ist.In addition, the convection module according to the invention is easy to disassemble and clean, which is particularly important in the case of cooling zones because of the contamination by condensate precipitation which is frequently observed there.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus dem Merkmal des Anspruchs 2. Dieser liegt darin, daß die über die Oberfläche abzuströmende Luftmenge aufgrund der nur geringen Kernströ- mung auch geringer ausfällt.A further advantage arises from the feature of claim 2. This is that the amount of air to be discharged via the surface is also smaller due to the low core flow.
Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche 3 bis 8.Further advantages of the present invention result from the features of subclaims 3 to 8.
Eine Ausfuhrungsform der vorliegenden Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:An embodiment of the present invention is described below with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf einen Moduldeckel der vorliegenden Erfindung;Figure 1 is a schematic plan view of a module cover of the present invention.
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht von Fig. 1.FIG. 2 is a schematic side view of FIG. 1.
In Fig. 1 ist schematisch ein Moduldeckel 1 dargestellt, dessen Oberfläche Düsen 1.1 und Rippen 1.2 aufweist. Mit der dargestellten Oberfläche ist der Moduldeckel 1 einem Werkstück (nicht dargestellt) entgegen gerichtet. Auf der Rückseite (nicht dargestellt) befindet sich ein pneumatischer Antrieb, der mit Druckluft bzw. Druckgas betrieben wird. Die Düsen 1.1 haben ein sehr geringen Ausblasquerschnitt, von wenigen Zehntel mm. Der Moduldeckel 1 mit dem pneumatischen Antrieb und wenigstens einer Düse 1.1 bildet einen Injektor.In Fig. 1, a module cover 1 is shown schematically, the surface of which has nozzles 1.1 and ribs 1.2. With the surface shown, the module cover 1 is directed towards a workpiece (not shown). On the back (not shown) there is a pneumatic drive that is operated with compressed air or gas. The nozzles 1.1 have a very small discharge cross-section, a few tenths of a mm. The module cover 1 with the pneumatic drive and at least one nozzle 1.1 forms an injector.
Der aus der Düse 1.1 austretende Kernstrahl ist durch Verändern des Antriebdrucks des pneumatischen Antriebs einstellbar. Die Länge des Kernstrahls, die regelmäßig das 5 bis 8- fache des Düsenaustrittsdurchmessers beträgt, ist so kurz, daß dieser ein in Abstand zu dem Moduldeckel liegendes Werkstück nicht erreicht. Vielmehr dient der Kernstrahl lediglich
dazu, die sich in dem Abstand zwischen dem Moduldeckel 1 und dem entsprechenden Werkstück befindliche Umgebungsluft bzw. das dort befindliche Umgebungsgas umzuwälzen und zu einem Wärmeträgergas zu machen. Der Kernstrahl entwickelt sich über den Abstand zu einem Fluidstrahl, der beim Auftreffen auf das Werkstück zu etwa 80 bis 95% aus dem Umgebungsgas besteht. Das beschriebene Verfahren läßt sich mit Vordrücken von einigen mbar bis hin zu einigen bar nutzen.The core jet emerging from the nozzle 1.1 can be adjusted by changing the drive pressure of the pneumatic drive. The length of the core jet, which is regularly 5 to 8 times the nozzle outlet diameter, is so short that it does not reach a workpiece located at a distance from the module cover. Rather, the core beam only serves to circulate the ambient air or the ambient gas located in the distance between the module cover 1 and the corresponding workpiece and to make it a heat transfer gas. The core jet develops over the distance to a fluid jet, which consists of about 80 to 95% of the ambient gas when it hits the workpiece. The process described can be used with initial pressures from a few mbar to a few bar.
Der Moduldeckel 1 ist in der vorliegenden Ausführungsform temperaturgeregelt und besteht aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff, z. B. Aluminium oder Kupfer. In Verbin- düng mit den Rippen 1.2 übernimmt der Moduldeckel 1 somit auch die Funktion eines Wärmetauschers, so daß kein separater Wärmetauscher vorgesehen sein muß.The module cover 1 is temperature-controlled in the present embodiment and consists of a good heat-conducting material, e.g. B. aluminum or copper. In conjunction with the fins 1.2, the module cover 1 thus also takes on the function of a heat exchanger, so that no separate heat exchanger has to be provided.
Das Konvektionsmodul der vorliegenden Erfindung kann entweder aus einem entsprechenden Strangpreßprofil oder auch als Aluminium-Gußteil (Kokillenguß oder Feinguß) herge- stellt sein.The convection module of the present invention can either be produced from a corresponding extruded profile or as an aluminum casting (permanent mold casting or precision casting).
Die erforderliche Antriebsenergie kann bei Schutzgasprozessen zum Teil dem Schutzgas selbst entnommen werden, da dieses regelmäßig mit einem Überdruck von einigen Bar zugeführt wird. Für die darüber hinaus erforderliche Antriebsenergie und für das Löten unter Luft bietet sich der Einsatz eines kleinen Verdichters an, der der Prozeßkammer einen Teil Gas entnimmt, dieses reinigt und unter Druck wieder zuführt. Dadurch werden gleichzeitig Dämpfe, die sich im Prozeßgas anreichern, entfernt und an einer geeigneten Stelle nieder geschlagen.
In the case of protective gas processes, the required drive energy can in part be drawn from the protective gas itself, since this is regularly supplied at a pressure of a few bar. For the additional drive energy required and for soldering in air, the use of a small compressor offers itself, which takes a part of the gas from the process chamber, cleans it and supplies it again under pressure. As a result, vapors that accumulate in the process gas are removed and precipitated at a suitable point.