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Die unsichtbaren Dämpfe in einem Dampfentfetter sind schwerer als Luft und bleiben in der Maschine. Hier wurde ein Ballon in das System gebracht, der von den eingeschlossenen Dämpfen getragen wird.
Die primären Kühlschlangen sind das Herzstück des Dampfentfetters: Sie definieren die maximale Höhe der Dampfschicht.
Bei einem normalen Reinigungszyklus werden die Platten oder Teile in einen Korb eingelegt und in die Reinigungsflüssigkeiten eingetaucht.
Dampfentfettung ist kostengünstig, solange die Lösungsmittelverluste unter Kontrolle bleiben.

In der Elektronikfertigung kommen vier wesentliche Präzisionsreinigungsverfahren zum Einsatz: Das Reinigen mit Kohlenwasserstoff (KW), die wasserbasierte Reinigung, die emulsionsbasierte Reinigung und die Dampfentfettung. Jedes dieser Verfahren hat seine Vor- und Nachteile. Doch das Problem bei der wasser- oder emulsionsbasierten Reinigung ist der hohe Energieverbrauch der Reinigungssysteme.

Die Lösungsmittelchemie

Seit zehn Jahren haben führende Unternehmen neue, umweltfreundliche und für eine Dampfentfettung geeignete Lösungsmittel auf den Markt gebracht. Anders als wasserbasierte oder Kohlenwasserstoff-Reinigungssysteme erfordert die Dampfentfettung Spezialflüssigkeiten mit einer besonderen Kombination von verschiedenen Eigenschaften.

Idealerweise sind die Reinigungsmittel nicht brennbar und nicht mit Wasser mischbar. Sie haben eine niedrige Siedetemperatur, einen entsprechenden Kari-Butanol-Wert (Kb), eine hohe Dichte, niedrige Oberflächenspannung, niedrige Viskosität, eine niedrige spezifische Wärme und eine niedrige latente Verdampfungswärme. Der Kb-Wert gibt Auskunft darüber, ob das Lösungsmittel genug „Muskeln“ hat, um Verschmutzungen zu lösen.

Die hohe Dichte, die geringe Oberflächenspannung und die niedrige Viskosität ermöglichen, dass das Lösungsmittel alle Oberflächen benetzt und in winzige Ecken und Öffnung hinein- und wieder herausgelangt. Der viel zitierte Satz „Was sich nicht benetzen lässt, kann nicht gereinigt werden“ gilt also immer noch.

Niedrige spezifische Wärme und eine niedrige latente Verdampfungswärme sind die Hauptgründe, warum ein Dampfentfetter energieeffizienter wirkt als andere Technologien. Die Energieineffizienz der Reinigung mit Wasser resultiert aus den chemischen Eigenschaften des Wassers. Es lässt sich jedoch nur sehr schwer von komplexen Oberflächen entfernen. Im Vergleich hierzu ist die Reinigung mit Lösungsmitteln ausgesprochen energieeffizient.

Der Begriff „spezifische Wärme” definiert die Wärmemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur einer Einheitsmasse um 1 °C anzuheben. Die relativ hohe spezifische Wärme von Wasser macht das Erwärmen oder Abkühlen von Wasser sehr energieintensiv. Wasser weist eine spezifische Wärme von 4,2 J/g °C auf und damit das Vierfache von modernen Lösungsmitteln wie NPB oder HFC-Reinigungschemikalien. Aus diesem Grund ist auch der Einfluss der Ozeane als Puffer für den globalen Klimawandel so groß; es wird sehr viel Energie benötigt, um die Wassertemperatur zu ändern.

Nach der Reinigung wird die an den Flächen des Teils anhaftende Reinigungsflüssigkeit verdampft. Sobald eine Flüssigkeit ihre Phase ändert, d. h. vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht, spricht man nicht mehr von spezifischer Wärme, sondern von „latenter Verdampfungswärme” als Maß für die benötigte Energie zur Verdampfung.

Wasser benötigt 970 BTU Energie (1 BTU = 293kWh), um ein Pfund Wasser zu verdampfen. Demgegenüber benötigt NPB nur 59 BTU für die gleiche Menge und HFC-Lösungsmittel benötigen nur 67 BTU. Das bedeutet, dass für die Verdampfung von Wasser ungefähr 14 Mal mehr Energie verbraucht wird als für die Verdampfung von Lösungsmitteln.

Wie funktioniert die Dampfentfettung?

Bei der Dampfentfettung wird das Lösungsmittel in einen Siedesumpf gefüllt (Kammer unten links), wo es je nach Lösungsmittel auf die Siedetemperatur zwischen 38 und 78 °C erwärmt wird. Wie jede siedende Flüssigkeit erzeugt das Lösungsmittel Dampf. Dieser reine, dichte Dampf steigt zur Maschine hoch und gelangt dort an die primären Kondensationsschlangen, wo der Dampf abkühlt und wieder in seinen flüssigen Zustand zurückgeführt wird.

Die Flüssigkeit fällt in einen Behälter am Innenumfang der Maschine. Dort wird sie durch einen Wasserabscheider geführt und gelangt dann zurück in den Spülsumpf. Da der Spülsumpf bereits mit sauberem Lösungsmittel befüllt ist, bewirkt das frisch hinzugefügte Lösungsmittel, dass der Sumpf in den Siedesumpf überläuft und der Destillationszyklus geschlossen wird.

Wasserbasierte Reinigung contra Dampfentfettung

Die meisten wasserbasierten Reinigungssysteme sind horizontal konzipiert und verwenden Hebe- oder Fördervorrichtungen, um die Teile durch eine Serie von Tauchtanks zu bewegen. Ein typisches wasserbasiertes Chargensystem verfügt über einen Waschtank und zwei bis fünf reversierende Kaskadentanks, die pro Minute 7,5 bis 19 Liter deionisiertes Wasser verbrauchen. Diese Systeme sind in der Regel 50 bis 150 % größer als Dampfentfetter der gleichen Kapazität, weil schlichtweg mehr Tanks, größere Pumpen, Gebläse, Filter usw. benötigt werden. Typischerweise benötigen diese Maschinen 8 bis 10 kW pro Betriebsstunde.

Die meisten wasserbasierten Reinigungssysteme verfügen über drei oder mehr Tanks mit Ultraschall, was den Stromverbrauch um weitere 1 bis 2 kW in die Höhe schnellen lässt.

Meist dauern die Zyklen wasserbasierter Reinigungssysteme länger als die von Dampfentfettern. Reinigungszyklen mit einer Dauer von 20 bis 40 Minuten sind nichts Ungewöhnliches. Viele Dampfentfetter reinigen in Zyklen zu 5 bis 12 Minuten, was nicht nur Energiekosten senkt, sondern auch den Bestand der in Produktion befindlichen Teile vermindert.

Die Restwasserentfernung von den Teilen ist aufgrund der oben angesprochenen chemischen Eigenschaften des Wassers aufwändig. Die Restwasserverdampfung mit Wärme ist relativ langsam und kostenintensiv, sodass meist auf die Luftmesser-Trocknung zurückgegriffen wird. Ein typisches wasserbasiertes System kann an den Trocknungsstationen leicht 5 kWh, bei größeren Maschinen aufgrund der größeren Motoren, Gebläse und Kompressoren sogar das Doppelte verbrauchen. Für die Schlusstrocknung kommt häufig ein beheiztes Air-Knife zum Einsatz, was die Energieverbrauchsproblematik noch verschärft.

Auch für die Wasseraufbereitung vor und nach der Reinigung benötigt man viel Energie. Das deionisierte Wasser wird für die Reinigung auf 60 bis 71 °C aufgeheizt, wobei für die Pumpen und Zusatzausrüstung mindestens 2 bis 3 kW erforderlich sind. Auf der anderen Seite des Prozesses muss man für ein System, bei dem pro Minute beispielsweise 19 Liter Abwasser anfallen, 3 bis 5 kW veranschlagen, selbst bei einem bescheidenen Abwasseraufbereitungssystem.

Eine letzte Überlegung soll dem Stromverbrauch im Standby-Betrieb gelten. In vielen Unternehmen werden wasserbasierte Reinigungssysteme aufgrund der mit dem Aufheizen verbundenen hohen Kosten und der langen Wartezeit nicht abgeschaltet. Dieser Fall schlägt – ohne jegliche Reinigungsaktivität – Stunde für Stunde mit mindestens 2 bis 5 kW zu Buche.

Beispielrechnung

Ein wasserbasiert arbeitendes Branson 1620-System mit mittelhoher Reinigungsleistung kostet etwa 85.000 US-$. Es besteht aus vier Sümpfen, hat eine Länge von etwa 4,5 m und ist damit mehr als doppelt so groß wie ein entsprechender Dampfentfetter. Der Stromverbrauch beim Anlaufen liegt bei 17 kW und sinkt dann auf 12 kW im Betrieb ab, plus etwaige Ultraschallausrüstung, bei einer Betriebstemperatur von 60 °C. Das komplette System benötigt etwa 25 kW/h.

Wasserbasierte Reinigungsmaschinen erwärmen zudem die Luft in ihrer Umgebung, mit der Folge, dass die Klimaanlage stärker belastet wird. Das Branson 1620-System bringt pro Stunde etwa 300.000 BTU Wärme in einen Raum ein, dazu ca. 7,5 Liter Wasser, die abtransportiert werden müssen. Dampfentfetter mit den neuen Niedrigtemperaturlösungsmitteln leisten in dieser Hinsicht nur minimale Beiträge.