CONDENSO

1. CONDENSO THERMO- CONDENSATION Février 2002

2. SOMMAIRE Principe État liquide État vapeur Changement d'état Fluides Four à condensation Profils réalisables Four à condensation et alliages sans plomb Autres applications du four à condensation

3. PRINCIPE Les produits de transfert thermique utilisés dans le procédé de chauffage par condensation de vapeur sont généralement des fluides liquides perfluorocarbonés inertes (GALDEN) dont la longueur de chaîne induit la valeur du point d’ébullition qui servira de régulation parfaite et gratuite de la température dans une gamme d’une quinzaine de valeurs comprises entre 55 °C et 272 °C. ( les variations de pression atmosphérique n’ont pas une valeur pratique suffisante pour être considérées dans le process) Ces fluides ont deux états : liquide ou vapeur

4. ETAT LIQUIDE C’est la forme de livraison et de stockage du produit. Le liquide peut être chauffé. Il absorbe dans un premier temps de la chaleur qui a pour effet d’élever sa température, tout en restant à l’état liquide. Cette élévation de température se poursuit jusqu’au point d’ébullition du liquide considéré sans changement d’état.

5. ETAT VAPEUR L’apport supplémentaire de chaleur, à partir de la t° d’ébullition, a pour effet de changer l’état du liquide qui devient de la vapeur, sans augmentation de la température qui reste strictement égale au point d’ébullition, en emmagasinant l’énergie correspondant à la chaleur latente de vaporisation du liquide considéré. Cette énergie est « latente » car elle sera libérée instantanément uniquement lors de la condensation à la surface d’un point « froid ».

6. On peut considérer deux états de vapeur a) Vapeur saturée (Mode préférentiel des fours à condensation) la vapeur saturée est constituée uniquement de vapeur inerte, sans présence d’agent oxydant (air) dans l’ambiance. Dans ce cas, la température de l’ambiance est exactement celle du point d’ébullition du liquide. Il est évident que la régulation de température est parfaite et gratuite sans intervention technique et que la quantité de chaleur transmise est égale à 100% de la chaleur latente de la vapeur condensée au contact des pièces à chauffer. Une variation de pression entraîne une variation du point d’ébullition. Les systèmes fonctionnent à pression atmosphérique (considérée comme une constante) ce qui garanti la constance des t° d’ambiance.

7. b)  Vapeur insaturée ( mode préférentiel phases vapeurs en ligne allemandes) La vapeur insaturée est constituée d’un mélange d’air et de vapeur . Cet état insaturé a pour conséquence que la température de condensation est égale au point de rosée correspondant à la pression et à la concentration qui est variable et non au point d’ébullition. (La vapeur saturée d’eau se condense à 100 °C et la vapeur insaturée contenue dans l’air ambiant humide se condense au point de rosée beaucoup plus bas) .../...

8. .../... Ceci impose une régulation en concentration si l’utilisation est à la pression constante atmosphérique ou une régulation sur certains systèmes à variation de pression, ce qui n’est pas automatique et peu aisé. Le chauffage ne s’effectue plus par condensation pure et sa maîtrise est plus difficile. Les systèmes doivent être munis d’une variation et d’un contrôle de pression pour tenter d’obtenir une t° constante ou « admettre » une dérive permanente des t° En outre, il est nécessaire d’utiliser un liquide de point d’ébullition plus élevé qui est plus coûteux.

9. CHANGEMENT D'ÉTAT Le changement d’état permet un transfert de la chaleur latente de vaporisation avec un rendement égal à 100 %.  La passage de l’état liquide à l’état vapeur au contact de la partie relativement chaude qui apporte l’énergie ( résistances électriques) emmagasine la chaleur latente de vaporisation. Le passage de l’état vapeur à l’état liquide au contact de la partie relativement froide (pièces à traiter) restitue la totalité de la chaleur latente de vaporisation à l’endroit de la condensation, c’est à dire, dans ce cas, à la surface des pièces traitées sans zone d’ombre et sans manque du fait de l’immersion totale des pièces dans le bain de vapeur.

10. Diagramme de changement d'état Absorption sur élément chauffant Liquide t° ébullition Chaleur latente de vaporisation Chaleur latente de condensation Vapeur t° point d'ébullition Restitution sur pièces à traiter t° liquide = t° vapeur Chaleur latente de vaporisation = chaleur latente de condensation R=1

11. FLUIDES Les fluides utilisables doivent impérativement avoir, entre autres, les caractéristiques suivantes : Excellente stabilité thermique La régulation de température étant assurée par le point d’ébullition du liquide, il est important que celui-ci soit stable dans le temps afin d’éviter des dérives de process.  GALDEN : La T° d’ébullition est suffisamment stable pour ne pas modifier le process.

12. Excellente stabilité chimique Le liquide utilisé ne doit pas se dégrader aux températures d’utilisation en process afin de garantir la sécurité des utilisateurs. De plus, il est certain qu’une dégradation du liquide entraîne obligatoirement une dérive et une dégradation de ses caractéristiques thermiques GALDEN : Le point de dégradation des liquides GALDEN est très largement supérieur au point d’ébullition, jamais d’incident constaté, consignes de sécurité simples à utiliser Un rapport de l’I N R S montre l’absence de danger dans cette utilisation des PFC de type GALDEN

13. Inertie chimique Le produit utilisé ne doit pas réagir avec les crèmes à braser ou avec les constituants des pièces traitées. De plus, il ne doit pas présenter de danger pour l’environnement. GALDEN : produit perfluorocarboné particulièrement inerte, étudié par les conférences mondiales pour l’environnement, déclaré sans restriction d’usage.

14. Point d’ébullition adapté Chaque opération est facilitée par l’emploi du liquide dont le point d’ébullition est immédiatement supérieur à la t° d’utilisation, afin de faciliter le séchage et permettre la réduction des émissions dans l’atmosphère. Il est néanmoins possible d’utiliser un liquide supérieur en T° d’ébullition en optimisant les paramètres de séchage GALDEN : Vaste gamme de produits de 55 °C à 260 °C

15. Il est à noter que :  la sécurité des personnes est assurée par l’excellente stabilité des liquides PFC et par la construction de fours à confinement de liquide et de vapeurs  la sécurité de l’environnement a été étudiée lors des travaux ayant conduit à l’interdiction des CFC sans que les organismes compétents n’émettent de restriction à l’usage des PFC

16. Fluides recommandés Bien que la condensation soit applicable à tout liquide pouvant passer de l’état liquide à l’état vapeur, il est préférable d’utiliser des produits présentant les caractéristiques ci-dessus. Le meilleur choix est constitué par la catégorie des PerFluoroCarbones qui permettentd’obtenir des ambiances de 55 à 272 °C, totalement inertes en vapeur saturée. Il est à noter que ces liquides sont tous homologués dans les MIL-STANDARD US et qu’ils sont très largement utilisés en test ou en refroidissement.

17. FOUR A CONDENSATION Un four à condensation est un four à convection libre ( les éléments chauffants émettent également des radiations onde longue) de forme et de dimensions appropriées, muni de : une ou deux portes étanches, commandées mécaniquement, assurant la fermeture hermétique et le confinement du liquide et des vapeurs présents dans l’enceinte du four à condensation lors du process,

18. un évent piloté et confiné permettant la sortie de l’air intérieur chassé par la vapeur produite, son confinement dans une enceinte élastique pendant le process et son retour piloté dans l’enceinte lorsque la condensation externe et le retour du liquide dans son réservoir créent une dépression de séchage en fin de cycle, un système d’injection de liquide régulé permettant d’introduire le médium de transfert thermique dans l’enceinte afin de produire la vapeur à condenser. La quantité de liquide injecté est pilotée et permet de régler la quantité de vapeur produite donc le gradient de t° montant

19.  un système d’aspiration de vapeur assurant la condensation externe de celle-ci et son retour au réservoir de stockage. Ce système permet de vider l’enceinte de la vapeur de traitement avant ouverture des portes pour transfert de la charge à traiter. La quantité de vapeur et de liquide extraite est régulée et permet de régler le gradient de t° descendant. Ce système renvoi également de l’air réfrigéré dans l’enceinte. Le débit réglable de cet air froid permet aussi de modifier le gradient de t° qui peut être ainsi plat ou descendant  un ou plusieurs capteurs de t° embarqués permettant de mesurer la t° de surface des pièces à traiter et d’assurer le pilotage des profils. (déclenchement pas à pas des séquences du profil souhaité) Ce système permet, en outre, d’obtenir des t° de surface inférieures au point d’ébullition d’une manière répétitive et sure.

20. Cuve Turbine Circuit traitement eau air Galden Échangeur Réservoir + filtre Réservoir + filtre Circuit Galden Pompe Réservoir Réchauffe Rejet d'eau

21. Le four à condensation met à la disposition de l’utilisateur les moyens suivant : Convection L’enceinte du four à condensation est chauffée extérieurement par des moyens électriques. L’intérieur de l’enceinte est donc maintenu par convection à une t° supérieure au point d’ébullition du liquide. Une pièce introduite dans l’enceinte sera chauffée suivant un gradient lent typique des fours à convection jusqu’à la t° de consigne de l’enceinte (<300°c) Cette possibilité sera largement utilisée en cas de nécessité de gradient faible.

22. Condensation Il est possible d’injecter une certaine quantité de liquide GALDEN dans l’enceinte à convection. Ce liquide est mis en ébullition par le fond de l’enceinte et passe à l’état vapeur. Ne pouvant se condenser sur les parois relativement chaudes , cette vapeur se condense uniquement à la surface des pièces à traiter assurant le chauffage de celles-ci ( t° < point d’ébullition liquide). La quantité de liquide injectée permet de régler le degré de saturation de la vapeur qui peut ainsi être entièrement saturée ou insaturée suivant différentes concentrations (réglage de 0 à 100%) et varier proportionnellement le gradient de t° entre le mode condensation pure à forte pente et le mode convection pure à faible pente.

23. Refroidissement Le four à condensation est muni d’un système de condensation externe de vapeur aspirée dans l’enceinte assurant la vidange de celle-ci avant ouverture des portes. Une particularité conséquente de ce système est la réfrigération préalable dans le condenseur de l’air réintroduit dans la zone de traitement. Cet apport important d’air froid sur les pièces permet un refroidissement très efficace. La variation de la vitesse de rotation du ventilateur modifie le débit d’air froid qui permet un ajustement du gradient de t° dans une gamme très étendue y compris à t° constante ( courbe plate avec gradient = 0)

24. Séchage Le four à condensation doit évacuer la vapeur de l’enceinte avant de permettre l’ouverture des portes étanches. Cette évacuation est assurée par une aspiration de la vapeur contenue dans cette zone, qui traverse un condenseur et revient au réservoir de stockage. La très forte diminution du volume de la vapeur transformée en liquide crée une dépression dans le système qui tend à aspirer l’air qui avait été chassé en phase de vaporisation et qui est confiné dans l’évent. Une vanne commandée retarde le casse-vide. Cette période de vide relatif abaisse la tension de vapeur du liquide présent dans l’enceinte et sur les pièces et assure ainsi un séchage parfait et puissant sans possibilité de rétention, la dépression étant strictement identique en tous points de l’enceinte et des pièces traitées. La circulation importante d’air dans l’enceinte favorise le séchage

25. DE FAIT, LE FOUR A CONDENSATION EST UN FOUR A CONVECTION & CONDENSATION A SECHAGE FORCE

26. PROFILS REALISABLES Le four à condensation permet de réaliser une infinité de profils différents, bien que l’expérience montre qu’il est généralement suffisant d’utiliser un seul profil par point de fusion d’alliage soit un profil pour alliage avec plomb et un profil pour alliage sans plomb. Néanmoins, on peut considérer deux type de profils différents : Profil avec préchauffage Profil sans préchauffage

27. Profil avec préchauffage °C d Delta T = 5°C 3 liquidus/solidus 4 c 2 e b 1 a 5 S

28. La recette d’exécution de ce profil comprend, outre certains pas de process /machine, les valeurs « utilisateur » suivantes : quantité de liquide injectée/préchauffage 1: contrôle la pente du segment (a) débutant de montée à la t° de préchauffage T° de début de préchauffage : point remarquable (1) déclenchant l’extraction de vapeur quantité de vapeur extraite : permet d’obtenir la pente du segment (b) débutant de préchauffage durée de préchauffage ou T° de fin de préchauffage : permet de déterminer la durée ou la fourchette de t° du segment (b) de préchauffage. La fin de ce segment déclenche l’injection suivante quantité de liquide injecté/brasage : contrôle la pente du segment ( c ) débutant de brasage .../...

29. T° de brasage : ce point remarquable (3) est généralement situé entre 5 et 10°C au dessus du point de fusion de l’alliage. Les valeurs courantes sont : 190°C pour Sn/Pb ou Sn/Pb/Ag 227°C pour Sn/Cu/Ag 229°C pour Sn/Ag Cette valeur lue sur la carte déclenche l’extraction totale de la vapeur et le refroidissement interne des pièces traitées quelle que soit la masse ou la forme de celle-ci Temps de séchage des pièces : permet de maintenir la dépression le temps nécessaire au séchage complet des pièces traitées (4) T° de refroidissement : t° des pièces en fin de cycle (5)

30. Profil sans préchauffage °C 3 d Delta T = 5°C 4 liquidus/solidus c e 5 S Ce profil est identique au profil avec préchauffage commençant au pas  injection/brasage »

31. Il est à noter que le mode préférentiel de brasage dans le four à condensation est le mode en vapeur saturée

32. FOUR A CONDENSATION ET ALLIAGES SANS PLOMB Nous savons que le Four à Condensation assure la refusion des alliages à une t° comprise entre 5°C et 10 °C au-dessus du point de fusion (au lieu de 30 à 50 ° pour les fours à convection forcée..) Ainsi, les alliages avec plomb sont normalement refondus à une t° de l’ordre de 187°C à 192 °C Les alliages Sn/Ag et Sn/Cu/Ag, dont les points de fusion sont de 221 et 217°C sont refondus avec utilisation de liquide à 230°C de point d’ébullition et 228 ou 226 °C de t° de surface. Les alliages Sn/Cu et Sn/Cu/Ag d’un point de fusion supérieur sont refondus avec utilisation de liquide à point d’ébullition de 240°C ou 250°C

33. Les fours à condensation sont particulièrement adaptés au sans plomb, sans modification de profil, le pic de brasage d'un four à convection pour les alliages plombés étant le même que celui du four à condensation pour le sans plomb.

34. AUTRES APPLICATIONS DU FOUR A CONDENSATION Brasage tendre Polymérisation/réticulation Séchage Revenu de détente

35. Le Four à Condensation dispose de l’ensemble des qualités des différents systèmes de chauffage sans les inconvénients associés. C’est le procédé actuellement le plus complet sur le marché dans ces gammes de température.

36. Le terme FOUR à CONDENSATION est apparu pour la première fois dans un brevet français de 1998. Une machine phase vapeur utilise la condensation de vapeur sans possibilité de convection. Un vrai Four à Condensation doit normalement être équipé de convection et condensation de vapeur saturée associées aux portes étanches permettant d’assurer le séchage. Les fabricants de phase vapeur utilisent le terme de four à condensation pour leurs productions d’une manière inappropriée.