Výzkum a optimalizace proudění tepla v konvekční peci pro pájení přetavením

Abstract

Práce se zabývá analýzou metodiky a měřením rychlosti proudění v konvekční průtahové peci. V současné době nejsou k dispozici systémy, které měří přímo za provozních teplot, jež dosahují hodnot přes 250°C. Cílem práce bylo provést analýzu stávající situace a navrhnout měřicí systém, který umožní hlubší analýzu, reprodukovatelné měření a následně optimalizaci proudění v konvekční průtahové peci určené pro pájení elektronických sestav za provozních teplot. Vzhledem k evropské legislativě a používání bezolovnatých pájecích slitin s vyšší teplotou tavení rostou energetické nároky na pájecí pece. Otázka optimalizace, a tím snížení spotřeby pájecího zařízení, proto nabývá velkého významu. Vyvinutý měřící systém byl odzkoušen a výsledky získané experimentálním měřením na průtahových pecích byly graficky vyhodnoceny. Díky spolupráci s jedním z bývalých zaměstnavatelů autora práce se podařilo povést sadu měření na třech různých pájecích zařízeních, což umožnilo jejich exaktní porovnání. Podařilo se jednoznačně prokázat vztah mezi mechanickou stavbou a výslednými vlastnostmi dané pece. Další částí práce byla zjednodušená simulace přenosu tepla a rozložení proudění uvnitř pájecí pece a porovnání s naměřenými výsledky. Přestože simulace je založena na mnoha zjednodušujících předpokladech, může být nápomocna přiblížit základní situaci v zařízení a při návrhu nového umožní odhalit některé případné nedostatky konstrukce. V konečném důsledku ale musí takové zařízení být podrobeno detailnímu měření, což navržený a odzkoušený systém umožňuje.The main aim is the analysis of methodology and the measurement of flow velocity in a convection reflow oven. Currently, there are no available systems that measure directly at operating temperatures exceeding 250 °C. The main aim was to analyse the current approach and propose a measuring system that would enable a deeper analysis, reproducible measurements, and subsequent optimization of airflow in a convection reflow oven that was designed for soldering electronic assemblies at operating temperatures. Due to European legislation and the use of lead-free solder alloys with higher melting points, the energy demands on soldering ovens are increasing. The issue of optimization and the reduction of energy consumption of soldering equipment is therefore of great importance. The developed measuring system was tested and the results obtained by experimental measurements on ovens were graphically evaluated. Thanks to cooperation with one of the author's former employers, it was possible to conduct a series of measurements on three different soldering devices, allowing for their precise comparison. The relationship between the mechanical structure and the resulting properties of the given oven was clearly demonstrated. Another part of the work involved a simplified simulation of heat transfer and airflow distribution inside the soldering oven, which was then compared with the measured results. Although the simulation is based on many simplifications, it provides a basic overview of the conditions inside the device and helps identify major structural deficiencies when designing a new system. However, in the end, such a device must undergo detailed measurement, which the proposed and tested system allows.