DE19926084A1 - Absaugvorrichtung und Vorrichtung enthaltend eine Absaugvorrichtung - Google Patents
Absaugvorrichtung und Vorrichtung enthaltend eine AbsaugvorrichtungInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Absaugvorrichtung sowie auf eine Vorrichtung zur Behandlung, insbesondere zur Abreinigung, von Oberflächen mittels eines CO¶2¶-Schnee-Strahles. Derartige Vorrichtungen werden in der optischen Industrie, der Medizintechnik, der pharmazeutischen Industrie, der Lackiertechnik, der Mikro- und Feinwerktechnik und dergleichen zur Behandlung bzw. Reinigung von Oberflächen verwendet. DOLLAR A Erfindungsgemäß weist die Absaugvorrichtung ein Absaugrohr (65) auf, das die zu behandelnde oder zu reinigende Oberfläche (1) in der Ebene der Oberfläche (1) vollständig umgibt und längs seines Innenumfangs Gasdurchtrittsöffnungen aufweist, durch die das auf der Oberfläche (1) laminar abströmende Gas einer Strahlvorrichtung aufgesaugt wird.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Absaugvorrichtung sowie auf eine Vorrichtung zur
Behandlung, insbesondere zur Abreinigung von
Oberflächen mittels eines CO2-Schnee-Strahles.
Derartige Absaugvorrichtungen und Vorrichtungen
werden in der optischen Industrie, der Medizin
technik, der pharmazeutischen Industrie, der Lackier
technik, der Mikro- und Feinwerktechnik zur Behand
lung von Oberflächen, u. a. zur Behandlung weicher
Oberflächenbeschichtungen, Gele und dergleichen
verwendet. Die Basis dieses Behandlungs- bzw. Reini
gungsverfahrens ist die Reinigung mittels CO2-Eis
kristallen. Das Verfahren wird auch zur trockenen
lokalen Abreinigung teilchenförmiger und filmischer
Verunreinigung von strukturierten sowie aus Elenxenten
unterschiedlicher Materialien zusammengesetzten
Oberflächen bis in den Submikrometerbereich
eingesetzt.
Die fortschreitendene Miniaturisierung bei gleich
zeitiger Hybridisierung von Baugruppen verlangt nach
einem Reinigungsverfahren, welches ein lokales
Reinigen von Funktionsflächen erlaubt, ohne dabei
angrenzende Bereiche durch Querkontamination zu
verunreinigen. Der Einsatz herkömmlicher Reinigungs
verfahren, wie z. B. Ultraschall oder der Einsatz
agressiver Chemikalien ist aufgrund von Materialun
verträglichkeiten nur noch selten möglich. Das
Strahlen mit CO2-Partikeln stellt hier eine
interessante Alternative dar.
Die CO2-Eisreinigung ist ein trockenes, tiefkaltes,
rückstandsfreies Strahlverfahren mit breitem Anwen
dungsgebiet. Prinzipiell läßt sich das Trockeneis
strahlen in zwei verschiedene Verfahren einteilen -
dem Reinigen mit luftgetragenen Trockeneispellets und
der Reinigung mittels CO2-Schnee.
Das Strahlen mit Trockeneispellets wird seit 1987 zum
Entlacken und Reinigen von Flugzeugkomponenten und
Flugzeugen verwendet. Vor allem aufgrund der Eigen
schaft von Trockeneis, während des Reinigungspro
zesses zu sublimieren und somit kein kontaminiertes
Reinigungsmittel zu hinterlassen, konnten Teile in
eingebautem Zustand gereinigt und die Reinigungs
kosten an Flugzeugen bis zu 50% gesenkt werden.
Heute hat sich das Strahlen mit Trockeneispellets
bereits in vielen Bereichen wie z. B. der Entlackung
von Flugzeugen, der Fassadenreinigung oder dem
Beseitigen grober Verschmutzungen an Maschinen
durchgesetzt. Seine Stärke der rückstandsfreien
Reinigung spielt es besonders in der Baugruppen
reinigung bereits installierter Anlagen aus.
Die Reinigungswirkung stützt sich dabei grundsätzlich
auf drei Mechanismen. Zum einen werden beim Auftref
fen der CO2-Kristalle auf die Oberfläche die Verun
reinigung bzw. die Beschichtung auf der Oberfläche
stark unterkühlt, wodurch diese schrumpfen und
verspröden. Aufgrund der unterschiedlichen Wärme
ausdehnung von Grundmaterial und Verschmutzung bzw.
Beschichtung entstehen Spannungen so daß die Ver
bindung zwischen der Verschmutzung und dem Grundma
terial gelockert bzw. gelöst wird. Weiterhin wird
durch den von den CO2-Pellets übertragenen Impuls die
versprödeten Vetunreinigung weiter gelöst und mecha
nisch abgetragen. Zuletzt wird das durch die Trocken
eispellets abgelöste Material durch das sublimierte
CO2 und ggf. weiteres Stützgas in der Schwebe gehal
ten und von der Reinigungszone abtransportiert.
Das Strahlverfahren unter Verwendung von Trockeneis
pellets ist beispielsweise in "Kantig oder rund,
Metallsalze und Kohlendioxidpellets sind exotische
Mittel in der Strahltechnik" von Reinhold Schäfer in
Maschinenmarkt Würzburg 98 (1992) beschrieben.
Nachteilig an der Strahltechnik unter Verwendung von
Trockeneispellets ist, daß die Abkühlung während und
nach der erfolgten Reinigung eine Rekontamination der
Oberfläche durch Abscheidung vormals in der Luft ent
haltener und während der Abtrocknung des CO2-Eis-
Films zurückbleibender Stoffe bewirkt. Insbesondere
schlägt sich auf der abgekühlten Oberfläche im
Anschluß an die Abstrahlung die Umgebungsfeuchtigkeit
nieder, so daß der zu reinigende Gegenstand feucht
wird.
Alternativ können als Strahlmittel statt Trocken
eispellets auch Trockeneiskristalle verwendet werden.
In diesem Falle wird ein Strahl aus CO2-Schnee
erzeugt, der unter hoher Geschwindigkeit auf die zu
reinigende Oberfläche gestrahlt wird.
Zur Verhinderung der durch Resublimieren der Luft
feuchtigkeit während der Reinigung stattfindenden
Vereisung der Oberfläche, durch die ein weiteres
reinigendes Einwirken der CO2-Schnee-Kristalle
erschwert bis verhindert wird, sind nach dem Stand
der Technik zwei Methoden bekannt. Zum einen wird
eine beheizte Platte als Unterlage des Reinigungs
gutes verwendet, um das Reinigungsgut möglichst rasch
nach dem Überstreichen des Trockeneisstrahles wieder
zu erwärmen. Die Wirksamkeit dieses Verfahrens als
Einzelmaßnahme ist durch das Material, die Geometrie
und die Baugröße des Reinigungsgutes teilweise stark
beeinträchtigt oder gar nicht gegeben. Alternativ
kann der CO2-Schnee-Strahl von einem Hüllstrahl
umgeben werden, der beheizt wird. Damit wird beim
Überstreichen einer Oberfläche durch den CO2-Strahl
unmittelbar anschließend die Oberfläche wieder durch
den Stützstrahl aufgewärmt, so daß die Kondensation
der Luftfeuchtigkeit verringert bzw. verhindert wird.
Dieses Verfahren bewirkt jedoch eine unerwünschte
Aufheizung des CO2-Eis-Strahles durch den warmen
Stützstrahl, so daß die Wirksamkeit des Strahlver
fahrens beeinträchtigt wird. Ein derartiges Verfahren
ist in der US 5,725,154 beschrieben.
Nachteilig am Strahlverfahren unter Verwendung von
CO2-Schneekristallen ist, daß diese einen erheblich
geringeren Impuls als die Trockeneispellets mit einem
Durchmesser von mehreren Millimetern besitzen, so daß
die Reinigungswirkung verglichen mit Trockeneis
pellets erheblich geringer ist.
In der US 5 725 154 wird vorgeschlagen, ein induk
tives Magnetfeld zu erzeugen, um die Aufladung des
heranfließenden flüssigen CO2 zu kompensieren. Die
durch Ladungstrennung bei der Expansion des CO2 und
der Auskristallisierung des CO2-Schnees erfolgende
Ionisierung wird nicht kompensiert.
Problematisch bei all diesen Verfahren nach dem Stand
der Technik ist die Querkontamination von Oberflä
chenbereichen durch den Abtrag, der an anderer Stelle
durch den CO2-Eisstrahl erzeugt wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine
Absaugvorrichtung und eine diese enthaltende Strahl
vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit der Ober
flächen einfach und zuverlässig ohne Rekondensation
von Wasser oder Querkontamination behandelt,
insbesondere abgestrahlt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Absaugvorrichtung nach
Anspruch 1 und die Vorrichtung nach Anspruch 14
gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungs
gemäßen Strahlwerkzeuges und der erfindungsgemäßen
Vorrichtung werden in den abhängigen Ansprüchen
gegeben. Erfindungsgemäß können die erfindungsgemäße
Absaugvorrichtung und die erfindungsgemäße Vorrich
tung wie in den Ansprüchen 35 bis 38 angegeben, ver
wendet werden.
Durch die erfindungsgemäße Absaugvorrichtung wird
vorteilhafterweise das aufgestrahlte, sublimierte CO2
und der volumenstarke Stütz- bzw. Druckstrahl, der
ohne weitere Umlenkung vom Probentisch abströmt,
aufgefangen und anschließend von dort abgesaugt, wo
durch eine Querkontamination anderer Oberflächen
bereiche zuverlässig minimiert wird. Die erfindungs
gemäße Absaugvorrichtung erzeugt auch keinerlei
Wirbel oder dergleichen außerhalb der Absaugvorrich
tung selbst, so daß die Laminarströmung der anflie
ßenden Luft nicht gestört wird und deren Reinheit
zuverlässig erhalten bleibt.
Insgesamt ergibt sich ein sehr hoher Wirkungsgrad bei
kurzer Behandlungsdauer unter Verwendung der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung und der erfindungsgemäßen
Absaugvorrichtung. Weitere vorteilhafte Eigenschaften
sind ein einfacher, kompakter Geräteaufbau, eine hohe
Gerätesicherheit, geringe Anlagen-, Betriebs- und
Wartungskosten, ein hoher Automatisierungsgrad, gute
Reproduzierbarkeit des Reinigungsergebnisses sowie
eine einfache Handhabung der Vorrichtung und der
Absaugvorrichtung.
Durch die erfindungsgemäße Weiterbildung der Strahl
vorrichtung mit dem erfindungsgemäßen Strahlwerkzeug
werden folgende Verbesserungen erzielt:
Zum einen wird eine sehr hohe Strahlgeschwindigkeit durch Verwendung einer Lavaldüse erzielt, so daß die sehr kleinen Eiskristalle durch das sich auf der zu reinigenden Oberfläche bildende Gaspolster geschossen werden können. Weiterhin wird die statische Aufladung des festen Kohlendioxid-Schnees, die ein Problem bei der Reinigung elektronischer Bauteile darstellt, mit tels der Ionisierungsvorrichtung aufgehoben. Weiter hin wird durch die Düse und durch die erfindungsge mäße Einrichtung der Reinigungsvorrichtung eine Lami narströmung in der Reinigungskammer erzeugt, so daß keine Schmutznester innerhalb der Reinigungsanlage gebildet werden. Insbesondere ist der Strahldurch messer äußerst gering, so daß er sich für Anwendung in der Mikrosystem- bzw. Feinwerktechnik eignet und die Anlage flexibel in der Produktion von Mikrosyste men eingesetzt werden kann. Das Strahlwerkzeug ist voll beweglich und der Reinigungsablauf ist ohne weiteres automatisierbar. Insgesamt ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad bei einer kurzen Reinigungszeit.
Zum einen wird eine sehr hohe Strahlgeschwindigkeit durch Verwendung einer Lavaldüse erzielt, so daß die sehr kleinen Eiskristalle durch das sich auf der zu reinigenden Oberfläche bildende Gaspolster geschossen werden können. Weiterhin wird die statische Aufladung des festen Kohlendioxid-Schnees, die ein Problem bei der Reinigung elektronischer Bauteile darstellt, mit tels der Ionisierungsvorrichtung aufgehoben. Weiter hin wird durch die Düse und durch die erfindungsge mäße Einrichtung der Reinigungsvorrichtung eine Lami narströmung in der Reinigungskammer erzeugt, so daß keine Schmutznester innerhalb der Reinigungsanlage gebildet werden. Insbesondere ist der Strahldurch messer äußerst gering, so daß er sich für Anwendung in der Mikrosystem- bzw. Feinwerktechnik eignet und die Anlage flexibel in der Produktion von Mikrosyste men eingesetzt werden kann. Das Strahlwerkzeug ist voll beweglich und der Reinigungsablauf ist ohne weiteres automatisierbar. Insgesamt ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad bei einer kurzen Reinigungszeit.
Insgesamt ist durch die erfindungsgemäße Vorrichtung
eine schnelle und vereisungsfreie Reinigung von Bau
teilen während der Produktion möglich unter Wegfall
komplizierter und aufwendiger Reinigungsvorbereitun
gen. Mit dem erfindungsgemäßen Trockeneisstrahlver
fahren kann eine Vielzahl von Materialien gereinigt
werden, sofern sie dem kurzzeitig auftretenden
Temperaturschock widerstehen. Bei den auftretenden
Strukturen gibt es nur geringfügige Einschränkungen,
da es sich beim Trockeneisstrahlen wie bei allen
Strahlverfahren um ein Sichtlinienverfahren handelt.
Daher können nur Oberflächen abgereinigt werden, die
in Strahlrichtung liegen. Das Reinigen von uneinseh
baren Hinterschneidungen ist somit nicht oder nur
sehr eingeschränkt möglich. Gleiches gilt für Vertie
fungen mit relativ großem Aspektverhältnis, die sich
relativ rasch mit sublimiertem CO2 füllen und so das
weitere Eindringen der Eiskristalle behindern oder
gar verhindern.
Im folgenden wird ein Beispiel einer erfindungs
gemäßen Absaugvorrichtung und einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung beschrieben. Dabei werden in sämtlichen
Figuren gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen
bezeichnet.
Es zeigen
Fig. 1 das erfindungsgemäße Strahlverfahren;
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Absaugvorrichtung;
Fig. 4 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße
Absaugvorrichtung nach Fig. 3;
Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Strahlwerkzeug;
Fig. 6 ein Reinigungsergebnis nach dem erfindungs
gemäßen Verfahren; und
Fig. 7 ein weiteres Reinigungsergebnis nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren.
Fig. 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße Ver
fahren. Eine Oberfläche eines Objektes 1, beispiels
weise eines Probentisches wird mit CO2-Eiskristallen
(CO2-Schnee) 3 aus einer Sprühdüse 2 bestrahlt. Der
CO2-Schnee bildet dabei einen CO2-Strahl 5, der eine
Verunreinigung 4 von der Oberfläche des Objektes 1
abstrahlt. Dabei treten zwei Wirkmechanismen auf. Mit
a ist ein Wirkmechanismus beschrieben, bei dem ein
CO2-Kristall 3 auf die Oberfläche des Objektes 1
auftrifft und dabei die Verunreinigung 4 absprengt.
Mit b ist ein anderer Mechanismus beschrieben, bei
dem der CO2-Schneekristall auf die Oberfläche des
Objektes 1 auftrifft und dort sublimiert. Bei dieser
Sublimation wird durch den Gasdruck die Verun
reinigung 4 von der Oberfläche des Objektes 1 gelöst
und wird von dem abfließenden CO2 mitgenommen.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Behandeln, insbesondere zum Abstrahlen von Ober
flächen.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Reini
gungskammer 36 auf, in der ein Probentisch 1 und ein
Strahlwerkzeug 2 zur Erzeugung eines CO2-Schnee-
Strahles 5 angeordnet sind und von laminar anfließen
der Luft umströmt sind. Der gewöhnlich senkrecht zum
Probenträger 1 ausgerichtete Gasstrahl 5 aus dem
Strahlwerkzeug 2 wird an den meist flachen Reini
gungsobjekten bzw. am Probentisch 1 selbst um 90°
umgelenkt und strömt radial vom Auftreffpunkt und
parallel zum Probentisch 1 ab. Durch die hohe Strö
mungsgeschwindigkeit und das entstehende Gasvolumen
ist es nicht möglich, das abgelöste Material lokal an
der Wirkungsstelle abzusaugen. Die Absaugung der
Prozeßgase erfolgt daher außerhalb des Probentisches
1 mittels der Strömungsfalle 21, die seitlich zu dem
Probentisch 1 in der Ebene seiner Oberfläche und den
Probentisch vollständig umgebend angeordnet ist.
Diese Strömungsfalle 21 fängt das als Oberflächen
strömung 35 abströmende CO2, das von dem CO2-Schnee-
Strahl 5 auf der Oberfläche des Probentisches 1
erzeugt wird, seitlich auf.
Der Probentisch 1 ist in allen drei Dimensionen
beweglich, über eine Heizung 22 beheizbar und ist von
unterhalb über ein Ventil 24 und einen Vakuumanschluß
23 an einer Vakuumleitung angeschlossen. Der Proben
tisch 1 besteht aus einer metallischen Lochplatte, so
daß mittels dieses Unterdruckes abzustrahlende
Objekte auf der Oberfläche des Probentisches 1
fixiert werden können. Weiterhin ist ein Regler 25
für die Heizung 22 des Probentisches 1 vorgesehen, um
diesen auf eine konstante Temperatur zu bringen.
In der Probenkammer wird eine Laminarströmung 6
erzeugt, die längs der Wände 36 der Reinigungskammer
und in Richtung des CO2-Schnee-Strahles 5 fließt.
Dem Strahlwerkzeug 2 wird über einen Kühler 26, einen
Filter 27 und ein Hochdruckventil 28 flüssiges CO2
aus einem CO2-Behälter 34 zugeführt. In gleicher
Weise wird der Strahlvorrichtung 2 über eine Armatur
mit Druckminderer 32, ein Hochdruckventil 30 und ein
weiteres Ventil 31 gasförmiges N2 aus einem N2-Behäl
ter 33 zugeführt. Die beiden Hochdruckventile 28 und
30 sind an eine Steuerung 29 angeschlossen.
Damit besteht die beschriebene erfindungsgemäße
Vorrichtung im Kern aus folgenden Komponenten:
- 1. Eine mit Reinstluft durchströmte Reinigungs kammer 36 (z. B. Reinheitsklasse 1 gemäß VDI 2083 Blatt 1, Strömungsgeschwindigkeit 0,4 m/s),
- 2. ein Strahlwerkzeug 2 mit einer Beschleunigungs- und Mischdüse sowie einer Ionisierungseinheit (nicht gezeigt),
- 3. der Absaugvorrichtung 21,
- 4. einer Aufbereitungsanlage (nicht gezeigt) für das von der Absaugvorrichtung 21 abgesogene Gas, und
- 5. einem beheizten Probentisch 1.
Diese erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt eine
turbulenzarme Reinstluftströmung in der Reinigungs
kammer 36, die so gerichtet ist, daß das Strahl
werkzeug 2 vor dem Probentisch 1 liegt und der
Probentisch 1 senkrecht prallend angeströmt wird. In
Kombination mit der Absaugvorrichtung 21 wird daher
eine durch die Injektionswirkung des Reinigungs
strahles erfolgende unkontrollierbare Verunreinigung
aus der Luft vermieden. Zugleich wird verhindert, daß
sich mit der Zeit Schmutznester im Bereich der
gesamten Anlage bilden.
Das Strahlwerkzeug 2 setzt sich im wesentlichen aus
zwei ineinander integrierten Düsen zusammen: Zum
einen als erste Düse eine Kapillare, durch die das
unter hohem Druck verflüssigte Kohlendioxid geleitet
wird. Am konisch erweiterten Ende der Kapillare tritt
das flüssige Kohlendioxid aus, wobei etwa 55% der
Masse durch Expansion verdampft und etwa 45% sich
durch Resublimation zu kleinen Kristallen, zu dem
CO2-Eisschnee, verfestigt. Die Menge des ausströ
menden CO2 kann durch Variation und des Kapillar
durchmessers eingestellt werden.
Zum anderen weist das Strahlwerkzeug 2 eine zweite
Düse auf, die konzentrisch die erste Düse und die
Kapillare umschließt. Diese zweite Düse ist eine
Lavaldüse, die bei Raumtemperatur überschall
schnelles, trockenes Druckgas (N2) ausstößt. Durch
dieses Druckgas wird zum einen der Trockeneisschnee-
Strahl gestützt und weiterhin zu einem parallelen
Strahl gebündelt und beschleunigt.
Dieser Druck- bzw. Stützstrahl kann zeitversetzt zu
dem CO2-Schnee-Strahl gestartet bzw. beendet werden,
so daß bei einem Zuschalten des CO2-Schnee-Strahls
nach dem Start des Druckgasstrahles die Umgebungsluft
vom Reinigungspunkt ferngehalten wird. Damit wird die
Kondensation von Luftfeuchtigkeit an dem durch den
Reinigungsstrahl gekühlten Reinigungspunkt erfolg
reich unterbunden. Zum selben Zweck kann der Stütz
strahl erst nach dem CO2-Schnee-Strahl abgeschaltet
werden.
Der Stützstrahl aus trockenem Druckgas führt weiter
hin dazu, daß die Substratoberfläche nach erfolgter
Reinigung am Reinigungspunkt rasch wieder erwärmt
wird.
Die Absaugung des vom Trockeneisstrahl abgelösten
Materials direkt an der Wirkungsstelle, ist aufgrund
der hohen Strömungsgeschwindigkeit und des entste
henden Gasvolumens mit einer herkömmlichen Absaugvor
richtung nicht möglich. Daher wurde eine erfindungs
gemäße Absaugvorrichtung 21 eingesetzt.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Ebene des
Probentisches 1. Der Probentisch 1 ist vollständig
von einem Absaugrohr 65 der Absaugvorrichtung 21 in
der Ebene des Probentisches 1 umgeben. Der gewöhnlich
senkrecht zum Probenträger ausgerichtete Gasstrahl 5
wird an den meist flachen Reinigungsobjekten bzw. am
Probentisch selbst um 90° umgelenkt und strömt radial
vom Auftreffpunkt auf der Oberfläche des Objektes
oder des Probentisches als laminare Strömung 35 ab.
Die Absaugung der Prozeßgase erfolgt bei der
erfindungsgemäßen Absaugvorrichtung 21 daher nur
außerhalb des Probentisches. Wie in Fig. 4 zu
erkennen ist, weist das Absaugrohr 65 einen nieren
förmigen Querschnitt mit Einbuchtungen in der Ebene
des Probentisches 1 auf. Auf der Seite des Proben
tisches 1 ist diese Einbuchtung als Gaseinlaßöffnung
geöffnet. Das vom Probentisch 1 abströmende Gas 35
trifft folglich auf die Innenwand des Absaugringes 65
und wird, unterstützt durch den Mittenknick 66 auf
grund der nierenförmigen Einschnürung in der Ebene
des Probentisches 1, nach oben bzw. nach unten umge
lenkt. Durch die Geometrie dieser Strömungsfalle 21
wird das mit hoher Geschwindigkeit vom Probentisch 1
abströmende Prozeßgas 35 (Druckgas, CO2-Gas, abge
tragene Partikel 4) in eine zu den Ecken des Absaug
ringes 65 fließende Drallströmung 63 überführt. In
den Ecken des Absaugringes 65 befinden sich Ventila
toren 61, die mit dem Absaugring 65 über Absaugöff
nungen 64 in Verbindung stehen. Diese Ventilatoren
erzeugen einen Absaugvolumenstrom über einen Absaug
kanal 60, der den Fluß dieser Strahlströmung unter
stützt und ein Rückfließen zum Probenträger verhin
dert.
Die Öffnungen 64 zwischen dem Absaugring 65 und dem
Absaugkanal 60 befinden sich dabei ober- und unter
halb des Mittenknicks 66, so daß die gebildeten
Wirbel 63 abgesaugt werden.
Das Absaugvolumen der Ventilatoren 61 wird über eine
Drehzahlsteuerung ständig der Summe von laminarem
Zuluft-Gasstrom 6 (siehe Fig. 2) und Reinigungsgas
strom 5 angepaßt. Der Zuluftstrom ermittelt sich über
die freie Querschnittsfläche des Absaugringes 65 und
die Zuluftgeschwindigkeit (Geschwindigkeit des
Reinstgasstromes 6). Die Berechnung des Reinigungs
gasstromes 5 erfolgt im wesentlichen anhand des
Durchmesseres der Kapillare 42 der CO2-Zuführung, der
Geometrie der Lavaldüse 51 sowie des Vordruckes des
Druck/Stützgases in herkömmlicher Weise.
Das abgesaugte Gas wird anschließend von den Ventila
toren 61 zu einer Prozeßabluftanlage 62 geblasen, wo
die abgesaugte Luft gereinigt, aufbereitet und/oder
weiterverwertet werden kann.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungs
gemäßes Strahlwerkzeug, das nunmehr genauer beschrie
ben werden soll.
Das Strahlwerkzeug setzt sich im wesentlichen aus
zwei ineinander integrierte Düsen zusammen: Eine
Kapillare 42, durch die das unter hohem Druck ver
flüssigte CO2 geleitet wird und an deren konisch
erweitertem Ende 49 das CO2 expandiert. Hierbei
entsteht ein Gemisch aus Gas- und Trockeneisschnee.
Der Schneeanteil beträgt ungefähr 45% der ausströ
menden Gesamtmasse. Die Menge des ausströmenden CO2
kann durch Variation des Durchmessers der Kapillare
42 eingestellt werden.
Weiterhin wird die Kapillare 42 konzentrisch von
einer speziellen Lavaldüse 51 umschlossen, aus der
über eine Leitung 56 zugeführtes trockenes Druckgas
(Reinstluft oder Reinststickstoff) überschallschnell
ausströmt. Dieser Druckgasstrahl bündelt den Stahl
aus Trockeneisschnee zu einem Parallelstrahl und
beschleunigt diesen. Zusätzlich wird durch diesen
Druckgas-Stützstrahl die Umgebungsluft vom Reini
gungspunkt ferngehalten und die Substratoberfläche
nach erfolgter Reinigung recht schnell wieder
erwärmt. Die Kondensation von Luftfeuchtigkeit wird
somit erfolgreich unterbunden.
Die Lavaldüse 51 wird durch die Außenkontur einer
Düsennadel 45, die die Kapillare 42 enthält und durch
die Innenkontur eines Düsenkopfes 46 gebildet. Die
Lavaldüse 51 kann durch Veränderung des minimalen
Querschnitts mittels Verschiebens der Düsennadel 45
relativ zum Düsenkopf 46 feinjustiert und optimal
eingestellt werden. Die Fixierung erfolgt dann durch
Unterlegen von geeigneten Distanzscheiben zwischen
einem an der Düsennadel 45 angeordneten Flansch 43
und dem Düsenkopf 46.
Sowohl das flüssige CO2 als auch das Druckgas wird
über die Düsennadel 45 zugeführt. Das Druckgas strömt
dann zur Beruhigung über vier einlaßseitig an der
Lavaldüse 51 angeordnete sternförmigen Bohrungen in
die Vorkammer der Lavaldüse 51. Aus der Lavaldüse
strömt das Druckgas mit Überschall, drallfrei und
symmetrisch aus.
Das CO2 wird über die Kapillare 42 zugeführt, die im
Kanal der Düsennadel 45 geführt wird. Ein Stopfen 48
am unteren Ende der Düsennadel 45 zentriert die
Kapillare 42 und dichtet zugleich den Druckgaskanal
nach unten ab. Am oberen Ende wird der Druckgaskanal
durch die CO2-Leitung 40 und deren Verschraubung 41
verschlossen.
Da das CO2 aufgrund von Druckänderung innerhalb der
Geometrie der Lavaldüse 51 den Aggregatzustand
wechseln würde, sind die beiden Düsen, die Lavaldüse
41 und die am Ende der Kapillare 42 ausgebildete
Schnee-Düse 49 so angeordnet, daß das Stützgas erst
dem fertigen Trockeneisschnee-Strahl zugemischt wird.
Ansonsten wäre die Funktion des Strahlwerkzeugs nicht
gewährleistet.
Abgedichtet wird das ganze System durch zwei Dich
tungen, nämlich einer Packung 44 mit Flansch 43 sowie
einer dünnen Metallfolie zwischen Düsenkopf 46 und
einer Anschlußplatte 55.
Am Düsenende ist ein Metallring 50 mit drei Ionisa
tionsspitzen durch einen Isolator 47 isoliert ange
bracht, der über ein Hochspannungkabel 53 mit einem
regelbaren Ionisator verbunden ist. Über die Ionisa
tionsspitzen des Metallrings 50 wird die stark
negative Aufladung des CO2-Strahles beim Kristal
lisieren des CO2 am Ausgang der Kapillare 42 durch
kontinuierliches Deionisieren kompensiert.
Weiterhin ist die Kapillare 42 mittels eines Masse
kabels geerdet, so daß die Ladungstrennung in der
Randschicht des durch die Kapillare strömenden flüs
sigen CO2 hinreichend aufgehoben wird.
Mit diesem System wurden bereits verschiedene Teile
aus der Mikrosystem- bzw. Feinwerktechnik erfolgreich
gereinigt. Dazu gehören beispielsweise Kontaktflächen
von Mikroschaltern, Düsenelemente aus der Druck
technik, auf einem Keramikträger aufgebaute Mikro
chips und Stanzteile für den Bau von Schaltelementen.
Dabei wurden sowohl partikuläre Ablagerungen als auch
biotische und/oder abiotische Beschichtung wie bei
spielsweise Fingerabdrücke oder dünne Lackschichten
entfernt.
Als weitere vorteilhafte Ausgestaltung, ist die CO2-
Zuführung so ausgebildet, daß kurze CO2-Strahlstöße
erzeugt werden können. Diese sind verglichen mit
einem kontinuierlichen CO2-Strahl wesentlich effek
tiver, da hier im Vergleich zu der längeren Einwirk
zeit des Trockeneisstrahles höhere Thermospannungen
erzeugt werden.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine Reinigung mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung. Oben sind verkrustetet
Düsen eines Tintenstrahldruckkopfes dargestellt, die
erfindungsgemäß gereinigt wurden. Im unteren Teil der
Abbildung ist ein Mikrochip auf einem Keramikträger
dargestellt, dessen Verzunderung auf der rechten
Seite zu sehen ist. Linksseitig ist in diesem Bild
der gereinigte Bereich zu erkennen.
Fig. 7 zeigt eine Lacksohicht, die mit der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung behandelt wurde. Die Dar
stellung in Fig. 7 ist 50fach vergrößert. Wie zu
erkennen ist, ist die Lackschicht teilweise mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren abgetragen worden. Deut
lich ist die Rißbildung und die Absprengung vom
Grundmaterial zu erkennen.
Claims (45)
1. Absaugvorrichtung zum Absaugen von Luft von der
Oberfläche eines Objektes (1), beispielsweise eines
zu reinigenden Werkstückes oder eines Probentisches,
gekennzeichnet durch
ein Absaugrohr (65), das das Objekt (1) in der Ebene
der Oberfläche vollständig umgibt und längs seines
Innenumfangs Gasdurchtrittsöffnungen aufweist.
2. Absaugvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des
Absaugrohres (65) derart ausgebildet ist, daß die
abgesaugte Luft innerhalb des Rohres längs seines
Querschnitts Wirbel (63) bildet.
3. Absaugvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Absaugrohr (65) einen nierenförmigen Querschnitt mit
einer Einbuchtung längs seines Außenumfangs
aufweist.
4. Absaugvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65)
längs der Einbuchtung längs seines Innenumfangs als
Gasdurchtrittsöffnung geöffnet ist.
5. Absaugvorrichtung nach einem der beiden
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die längs des Außenumfangs des Absaugrohres (65)
vorhandene Einbuchtung einen als spitz
zusammenlaufende, nach innen weisende Kante
ausgebildeten Mittenknick (66) aufweist.
6. Absaugvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Absaugrohr (65) mit mindestens einem Ventilator (61)
zur Absaugung der Luft aus dem Absaugrohr (65)
verbunden ist.
7. Absaugvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine
Ventilator (61) in seiner Drehzahl regelbar ist.
8. Absaugvorrichtung nach einem der beiden
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der mindestens eine Ventilator (61) über
Öffnungen (64) mit dem Absaugrohr (65) verbunden
ist, die an der Ober- und/oder Unterseite des
Absaugrohres (65) angeordnet sind.
9. Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine
Ventilator (61) über Öffnungen (64) mit dem
Absaugrohr (65) verbunden ist, die seitlich des
Mittenknicks (66) angeordnet sind.
10. Absaugvorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das
Absaugrohr (65) ringförmig ausgebildet ist.
11. Absaugvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65) als
Vieleck ausgebildet ist.
12. Absaugvorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugrohr (65)
zwischen je zwei benachbarten Ecken bogenförmig in
Richtung des Objektes (1) gekrümmt ist.
13. Absaugvorrichtung nach einem der beiden
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß in jeder Ecke des Vielecks ein, vorzugsweise
regelbarer, Ventilator (61) gemäß einem der
Ansprüche 6 bis 9 angeordnet ist.
14. Vorrichtung zur Behandlung, beispielsweise zur
Abreinigung, einer Oberfläche eines Objektes (1),
beispielsweise eines Werkstückes oder eines
Probentisches, durch Anstrahlen der Oberfläche mit
CO2-Schnee,
gekennzeichnet durch
eine Absaugvorrichtung zum Absaugen des von der
Oberfläche abströmenden Gases und von der Oberfläche
abgetragenen Materials nach einem der vorhergehenden
Ansprüche.
15. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die Absaugvorrichtung
und das Objekt (1) in einer Reinigungskammer (36)
angeordnet sind.
16. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungskammer
(36) von Reinstluft (6) durchströmt ist.
17. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reinigungskammer (36) von der Reinstluft (6)
turbulenzarm, quasilaminar durchströmt ist.
18. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt
(1) derart in der Reinigungskammer (36) angeordnet
ist, daß seine Oberfläche von der Reinstluft (6)
senkrecht prallend angeströmt ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, daß die Reinigungskammer
(36) einen Probentisch (1) zur Montage eines zu
behandelnden oder abzureinigenden Werkstückes
aufweist.
20. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß der Probentisch (1)
beheizbar ist.
21. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß der Probentisch (1)
elektrisch beheizbar ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß der Probentisch (1) eine
flache Metallplatte zur Befestigung des zu
behandelnden oder abzureinigenden Werkstücks
aufweist.
23. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte mehrere
Bohrungen aufweist und eine Vakuumpumpe (23) zum
Anlegen eines Vakuums an die Bohrungen vorgesehen
ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Aufbereitungsanlage
für abgesaugte und darin gegebenenfalls enthaltene
Partikel vorgesehen ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 24,
gekennzeichnet durch eine Strahlvorrichtung (2) zum
Erzeugen eines Strahles aus CO2-Schnee mit einer
ersten Düse (49) zur Erzeugung eines CO2-Schnee-
Strahles und einer zweiten Düse (51) zur Erzeugung
eines Stütz- bzw. Druckstrahles, wobei die zweite
Düse (51) die erste Düse (49) umgibt, und wobei die
zweite Düse (51) eine Düse zur Erzeugung eines
Überschall-Strahles ist.
26. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51)
eine Laval-Düse ist.
27. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite
Düse (51) so ausgebildet ist, daß sie den Strahl der
ersten Düse (49) bündelt, vorzugsweise parallel
bündelt, und/oder beschleunigt.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 27,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Düse (49) mit
einer Kapillare (42) als Zuleitung verbunden ist.
29. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillare (42)
elektrisch geerdet ist.
30. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste
Düse (49) als konische Erweiterung der Kapillare (42)
ausgebildet ist.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 30,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) die
erste Düse (49) konzentrisch umschließt.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 31,
dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlwerkzeug (2)
eine Düsennadel (45) und einen diese umgebenden
Düsenkopf (46) aufweist, wobei die erste Düse in der
Düsennadel (45) angeordnet ist.
33. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) als
Zwischenraum zwischen Düsennadel (45) und Düsenkopf
(46) ausgebildet ist.
34. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der zweiten
Düse (51) durch die Außenkontur der Düsennadel (45)
und/oder durch die Innenkontur des Düsenkopfes (46)
ausgebildet ist.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 34,
dadurch gekennzeichnet, daß die Düsennadel (45)
längs des Düsenkopfes (46) verschiebbar ist.
36. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 35,
dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende der
Düsennadel (45) ein Vorrichtung zur Lagerung und
Zentrierung der Düsennadel in dem Düsenkopf (46)
angeordnet ist.
37. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 36,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Düse (51) an
ihrem Einlaß mehrere sternförmige Bohrung zur
Gaszufuhr aufweist.
38. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 25 bis 37,
dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung hinter
der ersten Düse (49) eine Vorrichtung (50) zur
Deionisation des CO2-Schnee-Strahles angeordnet ist.
39. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur
Deionisation einen zur ersten Düse (49) konzentri
schen Metallring aufweist.
40. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß der Metallring
mindestens eine in den Strahlbereich ragende
Ionisationsspitze aufweist.
41. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38 bis 40,
dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (50) zur
Deionisation über ein Hochspannungskabel (53) mit
einem Ionisator verbunden ist.
42. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, daß der Ionisator regelbar
ist.
43. Verwendung einer Absaugvorrichtung und/oder einer
Vorrichtung zur Behandlung, beispielsweise
Abreinigung, von Oberflächen nach einem der
vorhergehenden Ansprüche zum Reinigen von
Oberflächen und/oder der Entfernung von Beschichtung
im Bereich der optischen Industrie, der
Medizintechnik, der pharmazeutischen Industrie, der
Lackiertechnik, der Mikrotechnik und/oder der
Feinwerktechnik und anderen.
44. Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch zur
Behandlung weicher Oberflächen, zur Entfernung
partikulärer, biotischer und/oder abiotischer
Beschichtungen und/oder Ablagerungen und/oder zur
Entfernung von Lackschichten.
45. Verwendung nach einem der beiden vorhergehenden
Ansprüche zur Behandlung von Oberflächen im sub-µm-
Bereich.
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DE19926084A DE19926084B4 (de) | 1999-06-08 | 1999-06-08 | Absaugvorrichtung und Vorrichtung enthaltend eine Absaugvorrichtung |
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