Ekologické aspekty pájení přetavením

Ekologie je jedním z důležitých témat současné doby. V Německu na webové stránce Spolkového ministerstva pro vzdělání a výzkum lze najít významné cíle stanovené pro tuto oblast. Energetický koncept do roku 2050 směřuje spolkovou vládu k ekologickému, spolehlivému a hlavně ekonomicky přijatelnému zásobování energií. Hlavní prvky tohoto konceptu se zabývají základními možnostmi zásobování energií. K nejvýznamnějším bodům patří redukce spotřeby primární energie o 50 % oproti roku 2008 a snížení emisí o min. 80 % vůči roku 1990, přičemž již v roce 2020 má dojít ke snížení o 40 %.

Pro podniky vyrábějící stroje to je velká výzva vyžadující strategické změny. V elektronické výrobě je příkladem firma Rehm vyrábějící např. pece pro pájení a také solární systémy, která se rozhodla přispět svým dílem k plnění tohoto konceptu. Tento článek popisuje některá inovativní řešení související s koncepcí pájecích zařízení, které firma Rehm vyvinula ve spolupráci s dalšími partnery, jako např. firmou AirLiquid.

Účinnost a energetická bilance pájecích zařízení

Reflow pájecí pec představuje systém přenosu tepla pracující s danou účinností, která závisí na technickém a technologickém řešení daného zařízení, stejně jako na charakteru zpracovávaných výrobků, které jsou pájeny. Podíváme-li se na účinnost jiných procesů a strojů, pak např. Ottův motor má účinnost 40 %, plynová elektrárna 39 %, hnědouhelná elektrárna 43 %. Proto můžeme teoreticky vzít účinnost 40 % u pájecích zařízení jako „state of the art“ a potom se reflow zařízení se spotřebou pod 14 kW jeví v tomto smyslu jako velmi pokrokové.

U každého tepelného procesu se vyskytují ztráty.

Literatura [2] se zabývá snižováním tepelných ztrát v reflow procesu při zachování užitné hodnoty zařízení při zachování kvality pájecího procesu. V prvním kroku je zařízení považováno za tzv. black box, který je napojen na média ve formě elektrické energie, chladicí vody, přiváděného vzduchu a dusíku stejně jako přínos pájeného výrobku. Tato média se potom určitým způsobem projevují vůči vnějšímu prostředí. Elektrická energie představující hlavní zdroj energie se přemění v teplo, které se předává pájenému výrobku, část odvádí chladicí voda a odsávání, část vyzařuje ze stroje do pracovního prostředí. Na základě celkové energetické bilance stroje je stanoven úsporný potenciál pro největší ztráty (obr. 1). Největší podíl na ztrátách má chladicí voda, která odnímá teplo pájenému výrobku.

Obr. 1 Schéma proudění energie u konvekčního pájecího zařízení

Využití synergií

Relativně vysoké ztráty v chladicí zóně vedly k myšlence zapojit chladicí systém pece do celkového konceptu výrobní haly. Firma Tecron provedla začlenění tohoto systému u svých sedmi výrobních linek ve Worbisu. Dosáhla tím významného synergického efektu. Došlo k velkým úsporám v systému topení a ohřevu užitkové vody ve výrobní hale (obr. 2). Systém rekuperace dokáže zpracovat až 66 % ztrátového tepla. Dochází tím také k úsporám na chladicím systému, který může pracovat se spotřebou sníženou o téměř 25 %.

Obr. 2 Vícenásobné využití energií pro topení v hale

Na základě těchto poznatků byly pece Rehm vybaveny speciálními výměníky tepla, které jsou navíc programově řízeny.

Minimalizace ztrát

Další významný podíl na ztrátách představuje vyzařování tepla strojem do prostoru výrobní haly. Vývojem a výrobou pájecích pecí řady VXP+ bylo možné dosáhnout významných úspor i v této oblasti (obr. 3).

Obr. 3 Porovnání tepelných ztrát pecí VXP a VXP+

Pro ještě dokonalejší úsporu nabízí firma Rehm přídavné chlazení krytů pece. Tím dochází k dalšímu snižování potřebného výkonu klimatizace ve výrobní hale. Předávání tepla je takto možné snížit až na 15 % vložené energie. Dochází tak k významnému zlepšení klimatu ve výrobní hale a snížené vyzařování zařízení přispívá i k lepší pracovní pohodě obslužného personálu.

Přídavné chlazení pecí může být nasazeno u všech zařízení výrobní řady VX. Např. firma Continental v Regensburgu vybavila tímto systémem sedm svých zařízení.

Obr. 4 Přídavné chlazení krytů pece

Obr. 5 Potenciální úspory řízením frekvence ventilátorů

Obecně jsou konvekční pájecí zařízení vybavena velkým množstvím ventilátorů, které spotřebují nemálo elektrické energie. Se stoupající frekvencí spotřebují motory ventilátorů větší množství energie. Optimalizací přenosu tepla lze i tady dosáhnout úspory energie kolem 5 %. Jako vedlejší efekt se projeví snížené otáčky ventilátorů snížením hluku až o 3 dB.

Dalším prvkem úspory může být tzv. „stand by“ režim snižující spotřebu reflow pece až o 15 %, kdy dochází ke snížení otáček ventilátorů při zachování teplot. Má-li pec dál pájet, dojde k automatickému zrušení „stand by“ režimu vlivem požadavku na vstupním rozhraní.

Obr. 6 Úspory regulací dusíku na hodnotu 500 ppm

Malé prostoje, vysoká flexibilita

Minimalizace plánovaných odstávek, jako např. změna teplotního procesu (bezolovo, olovo, vytvrzení lepidla), je dalším cílem optimalizace výrobního procesu.

Využitím tzv. SSP (Speed switch process) lze dobu potřebnou ke změně procesu snížit na polovinu bez nebezpečí ovlivnění vnitřní atmosféry v peci namísto často používaného krátkodobého otevření pece pro rychlejší ochlazení. To přispívá k lepšímu pracovnímu prostředí a významnou měrou také pomáhá udržet výrobní zařízení v dobrém stavu. Použitím SSP se dosáhne za 30 minut připravenosti stroje k výrobnímu procesu.

Úspory v procesu pájení v dusíku

Dovoluje-li výrobní proces změnu úrovně zbytkového kyslíku, je možné aktivní regulací dusíku dosáhnout dalších úspor. Obrázek 6 ukazuje možnosti úspor u pece řady VXP+ (7 předehřevů, 3 peak zóny a 4 chladicí zóny) při změně zbytkového kyslíku z původní hodnoty 100 ppm na novou hodnotu 500 ppm. Inovativní koncept partnerské firmy AirLiquid umožňuje další výrazné snížení spotřeby reflow zařízení v oblasti chlazení. Jádro myšlenky je ve využití energie tekutého dusíku (–196 °C). Za použití vakuově izolovaného přívodu (princip „termosky“) lze přivést toto velmi chladné médium k peci.

Tekutý dusík předá chlad v chladicí zóně, změní skupenství na plynné a použije se pro inertní atmosféru uvnitř procesní komory (obr. 7). Tím se dosáhne vícenásobného využití dusíku. Množství dusíku potřebné pro inertní atmosféru vystačí pro optimální chlazení v příslušné zóně pece.

Obr. 7 Schéma zařízení ALIXControlFlow Obr. 8 Porovnání chlazení vodou a systémem ALIXCoolFlow

S pomocí chlazení tekutým dusíkem ALIXCoolFlow není nadále potřeba do zařízení přivádět chladicí vodu. Náklady na chladicí systém se tak výrazně sníží, resp. úplně odpadnou. Předehřátý dusík působí jako bonus na další úsporu energie v topení pájecího systému. Těmito úsporami dochází ke snížení emisí CO2, což vede k dalšímu zlepšení ochrany životního prostředí.

Požadujeme-li větší gradient ochlazení a nižší teplotu výrobků na výstupu ze zařízení, dá se pomocí regulátoru nastavit velmi flexibilně teplota v chladicí zóně. Velká rozdílová teplota (–196 °C u tekutého dusíku) umožňuje dosáhnout až o 20 °C nižší teploty výrobků na výstupu ze zařízení (obr. 8) bez toho, aby byly překročeny dovolené gradienty ochlazování.

Obr. 8 Porovnání chlazení vodou a systémem ALIXCoolFlow

Zdroje:
[1] Oznámení Spolkového ministerstva pro vzdělání a výzkum, www.bmbf.de/foerderungen/21940.php
[2] Marcel Kneer, bakalářská práce na téma Celková energetická bilance pájecích reflow zařízení a sušíicích pecí pro solární techniku

Překlad: Ing Milan Hurban, Rehm CZ