DE69007779T2

DE69007779T2 - Trocknungsverfahren und vorrichtung dazu.

Info

Publication number: DE69007779T2
Application number: DE69007779T
Authority: DE
Inventors: Shota - Oba; Yoichi - Oba
Original assignee: INTERFACE TECHNICAL LAB CO
Current assignee: INTERFACE TECHNICAL LAB CO
Priority date: 1989-11-21
Filing date: 1990-11-21
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2010-11-22
Also published as: EP0454873A1; US5222307A; EP0454873A4; DE69007779D1; EP0454873B1; WO1991007239A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Trocknungsverfahren zur Entfernung von freiem Wasser, das sich an elektronischen Bauteilen wie gedruckten Schaltungen, optischen Teilen wie Linsen und Prismen und Teilen von Präzisionsinstrumenten wie Zahnrädern und Bleirahmen befindet, die einer sorgfältigen Reinigung, Oberflächenbehandlung usw. unterzogen wurden, und eine Vorrichtung dafür.
Beim Trocknen von elektronischen Bauteilen wie Halbleitern, Flüssigkristallanzeige-Vorrichtungen und gedruckten Schaltungen, optischen Teilen wie Linsen und Prismen und Teilen von Präzisionsinstrumenten wie Zahnrädern und Bleirahmen, die einer sorgfältigen Reinigung, Oberflächenbehandlung usw. unterzogen wurden, ist es erforderlich, daß ein hohes Finish bei der Trocknung billig erreicht wird und daß das freie Wasser, das sich auf der Oberfläche dieser Teile befindet, sicher und in kurzer Zeit entfernt wird.
Während ein geeignetes Trocknungsverfahren im allgemeinen ausgewählt wird, indem das Niveau des für den zu trocknenden Gegenstand zu erwartenden Trocknungsfinishs, die Effizienz des Trocknungsvorgangs und die Kosten in Betracht gezogen werden, kann, wie weiter unten gezeigt wird, kein herkömmlich verwendetes Trocknungsverfahren alle diese Bedingungen erfüllen, weshalb die Entwicklung eines neuartigen Trocknungsverfahrens erwartet wurde.

(1) Abwischen

Beim Abwischverfahren wird das freie Wasser durch Abwischen der nassen Oberfläche mit einem Stück Stoff oder einem Schwamm entfernt. Obwohl dieses Trocknungsverfahren einfach und leicht ist, ist es schwer, es bei kleinen und komplizierten Teilen anzuwenden. Außerdem ist das Trocknungsfinish nicht gut genug und die Anwendbarkeit schlecht.

(2) Zirkulations-Heißlufttrocknen

Während das Zirkulations-Heißlufttrocknen, bei dem die zu trocknenden Gegenstände in eine Kammer gelegt werden, in der Heißluft zirkuliert, aufgrund der leichten Handhabung in großem Umfang angewendet wird, sollte die zirkulierende Luft absolut frei von Staubpartikeln oder öligen Bestandteilen sein, um eine Sekundärverschmutzung der zu trocknenden Gegenstände zu vermeiden, da die zu trocknenden Gegenstände direkt der Heißluft ausgesetzt sind. Es ist jedoch praktisch unmöglich, solche Schmutzstoffe zur Gänze zu entfernen, sodaß man kein hohes Trocknungsfinish erwarten kann.

(3) Gasblasen (Luft- oder Sticktoffgasblasen)

Beim Trocknungsverfahren, bei dem auf die zu trocknenden Gegenstände ein Luft- oder Stickstoffstrom geblasen wird, ist eine große Menge hochreines Gas erforderlich, was zu einer Steigerung der Kosten führt. Außerdem können jene Abschnitte der Gegenstände, die dem Gasstrom nicht ausgesetzt sind, nicht gut getrocknet werden, was eine ungleichmäßige und daher unvorteilhafte Trocknung zur Folge hat.

(4) IR oder FIR-Bestrahlung

Beim Trocknungsverfahren unter Verwendung von IR oder FIR als Wärmequelle zum Trocknen kann man ein hohes Trocknungsfinish erwarten, wenn die Umgebung rein ist, doch geht das Trocknen nur langsam vonstatten, und es ist wahrscheinlich, daß große und komplizierte Formen von zu trocknenden Gegenständen ungleichmäßig getrocknet werden.

(5) Vakuumtrocknen

Beim Vakuumtrocknen werden die zu trocknenden Gegenstände in eine Kammer gelegt, und das freie Wasser wird durch Verdampfen durch Verringerung des Innendrucks der Kammer unter Verwendung einer Vakuumpumpe u.ä. entfernt. Da jedoch eine große Menge an latenter Verdampfungswärme beim Verdampfen des freien Wassers für die Gegenstände verloren geht, kühlen die Gegenstände ab, wodurch das Verdampfen (Trocknen) des freien Wassers eine lange Zeit in Anspruch nimmt. Weiters besteht die Gefahr der Verschmutzung der zu trocknenden Gegenstände durch das in der Vakuumpumpe verwendete Öl.

(6) Trocknen durch Abzentrifugieren

Beim Trocknen durch Abzentrifugieren wird das freie Wasser durch Zentrifugalkraft abzentrifugiert und kann in sehr kurzer Zeit getrocknet werden, was einen Vorteil darstellt. Das abgeschleuderte Wasser jedoch, das oft Schmutzstoffe enthält, strömt in Form von Nebel durch die Vorrichtung und verschmutzt so die getrockneten Gegenstände, was einen Nachteil darstellt.

(7) Trocknen mit Lösungsmittel-Dampf

Bei diesem Trockenvorgang werden die zu trocknenden Gegenstände mit einem Dampf eines hydrophilen organischen Lösungsmittel in Kontakt gebracht, um das freie Wasser durch Lösungsmittel zu verdrängen. Dieses Verfahren kann zu einem guten Finish der Trocknung führen. Es wird jedoch als hydrophiles Lösungsmittel im allgemeinen ein entflammbares Lösungsmittel wie IPA (Isopropylalkohol) verwendet, weshalb eine explosionssichere Bauweise, die nicht Feuer fangen kann, oder Feuerlöschvorrichtungen installiert sein sollten.

(8) Wasserverdrängungstrocknen

Beim Wasserverdrängungs-Trocknungsverfahren wird das freie Wasser auf der Oberfläche des zu trocknenden Gegenstands mit einem nicht entflammbaren Wasserverdrängungsmittel (einem wasserabweisenden Mittel) wie Freon 113/Alkohol oder Freon 113/Tensid entfernt, bevor unter Verwendung eines nicht entflammbaren organischen Lösungsmittels, z.B. Freon 113, das Trocknungsfinish erfolgt, um das Wasserverdrängungsmittel zu entfernen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß der Gegenstand unter Verwendung eines nicht entflammbaren Lösungsmittels leicht getrocknet werden kann, doch die Oberfläche des zu trocknenden Gegenstandes neigt dazu, bis zu einem gewissen Grad hydrophob zu werden (dies wird, so nimmt man an, durch die Adsorption von Freon hervorgerufen), sodaß das Trocknungsfinish nicht gut genug ist. Da Freon 113 weiters als Stoff gilt, der die Ozonschicht zerstört, ist dieses Verfahren nicht vorzuziehen.
Ein Beispiel eines Trocknungsverfahrens wird in der US-PS 3943002 beschrieben, die eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trocknen negativer Lagerbatterieplatten betrifft. Das Verfahren umfaßt einen ersten Trocknungsschritt in einer Atmosphäre, die im wesentlichen aus zirkulierendem Trockendampf besteht. Ein zweiter Trocknungsschritt umfaßt das Trocknen der Platten in einer Mischatmosphäre aus Dampf und Inertgas wie Kohlenmonoxid oder Stickstoff bei mäßig positivem Druck. Daran schließt sich ein dritter Schritt, das Kühlen, an, während die Zufuhr von Inertgas in Abwesenheit von Dampf aufrechterhalten wird.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Trocknen elektronischer Bauteile wie Halbleiter, Flüssigkkristallanzeige-Vorrichtungen, optischer Teile wie Linsen und Prismen und Teile von Präzisionsistrumenten wie Zahnrädern und Bleirahmen vorzusehen, die einer ausführlichen Reinigung, Oberflächenbehandlung usw. unterzogen wurden, das all jene Bedingungen erfüllt, die herkömmliche Verfahren nicht erfüllen können, und das das auf der Oberfläche solcher Teile befindliche freie Wasser sicher und in kurzer Zeit entfernt, um billig zu einem hohen Finish bei der Trocknung zu gelangen, sowie eine Vorrichtung dafür vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Trocknen eines Gegenstandes vor, das im beigelegten Anspruch 1 dargelegt ist.
Der hier zu verwendende heiße Dampf sollte eine Temperatur (einen Siedepunkt) haben, bei dem der Dampfdruck zumindest gleich dem atmosphärischen Druck ist (760 mmHg). Während Wasser üblicherweise aus Gründen der Sicherheit als Quelle des heißen Dampfes herangezogen wird, kann auch ein hydrophiles organisches Lösungsmittel mit einem niedrigeren Siedepunkt als Wasser, z.B. Niederalkohole wie Methanol, Äthanol und IPA (Isopropylalhkohol) oder Aceton verwendet werden, wobei die Wärmebeständigkeit des zu trocknenden Gegenstands berucksichtigt wird. Ein geeignetes hydrophiles organisches Lösungsmittel kann ausgewählt werden, indem weiters die chemische Beständigkeit des zu trocknenden Gegenstands und die Kosten des Lösungsmittels in Betracht gezogen werden.
Als Beispiele sind die Siedepunkte verschiedener Quellen von heißem Dampf nachstehend (gemeinsam mit den Dampfdrücken bei 20ºC) angeführt. Dampfquelle Siedepunkt (ºC) Dampfdruck bei 20ºC (mmHg) Aceton Methanol Äthanol Wasser
Die Vorgangsweise und Wirkungsweise des vorliegenden Trocknungsverfahrens wird weiter unten bezugnehmend auf Fig.1 beschrieben; worin die Ordinatenachsen die Oberflächentemperatur T (ºC) des zu trocknenden Gegenstands, den Feuchtigkeitsgehalt W (mg/l) im Raum innerhalb des Gefäßes, die Menge des freien Wassers M (g/m²), das sich auf der Oberfläche des zu trocknenden Gegenstands befindet, und die Menge des Kondensats Q (g) jeweils in den Graphen (a), (b), (c) und (d) darstellen; während die Abszissenachsen die abgelaufene Zeit t darstellen. Es sei festgehalten, daß der in der folgenden Beschreibung angeführte heiße Dampf Wasserdampf bei 100ºC ist. Nun wird der Trocknungsvorgang Schritt für Schritt von (1) bis (6) beschrieben.
(1) Ein zu trocknender Gegenstand wird in ein Gefäß gelegt und das Gefäß mit einer Abdeckung geschlossen (Zeit: t&sub0;).
Zu diesem Zeitpunkt sind die jeweiligen Werte wie folgt: T&sub0; (Raumtemperatur), W&sub0; (errechnet aus der gesättigten Dampfdichte bei To und der relativen Luftfeuchtigkeit in derselben Atmosphäre), MS (z.B. im Fall von 10 um Wasserfilm, MS = 10 g/m²) und Q (null, da sich das Kondensat während des Trocknungsvorgangs bildet.
(2) Dampf wird in das Gefäß eingelassen (Zeit: t&sub1; --> t&sub2;)
Die Luft im Gefäß wird durch Dampf ersetzt, um schließlich (t&sub2;) den Raum innerhalb des Gefäßes mit Dampf zu füllen. Der Dampf erwärmt den zu trocknenden Gegenstand und das Gefäß, bis ihre Temperaturen im wesentlichen der Dampftemperatur entsprechen, während er an der Oberfläche des zu trocknenden Gegenstands und an der Innenwand des Gefäßes kondensiert (die Kondensatmenge Q zeigt einen Spitzenwert in der Anfangsphase dieses Schritts; da die Oberflächentemperatur des zu trocknenden Gegenstands in der Anfangsphase des Erwärmens niedriger als die des Dampfes ist, kondensiert er an der Oberfläche des zu trocknenden Gegenstandes, um das darauf befindliche freie Wasser zu entfernen, sodaß sich die darauf befindliche Menge freien Wassers M offenkundig einige Zeit lang erhöht). Mit Annäherung der Temperatur des zu trocknenden Gegenstands und jener des Gefäßes an die Dampftemperatur nimmt die Kondensatmenge ab (Gesamtkondensatmenge: I), und zu dem Zeitpunkt, an dem ihre Temperaturen im wesentlichen der Dampftemperatur entsprechen, wird das sich an der Oberfläche des zu trocknenden Gegenstandes und an der Innenwand des Gefäßes befindliche Wasser (eigentlich das Kondensat) durch Dampf ersetzt, um kein Kondensat mehr zu bilden (Q = 0 g), worauf sich der zu trocknende Gegenstand unter einem Dampfdruck von 760 mmHg in einer gesättigten Dampfatmosphäre befindet (relative Luftfeuchtigkeit = 100%; W&sub2; = 598 mg/l) (die Menge des freien Wassers, das auf dem zu trocknenden Gegenstand abgelagert ist: M = 0 g/m² = Mf).
(3) Nach Bestätigung des Zustandes, daß das Gefäß mit Dampf gefüllt ist und der zu trocknende Gegenstand auf die Dampftemperatur erwärmt wird, wird die Dampfzufuhr gestoppt. Das Gefäß wird dann gegenüber der Außenluft abgedichtet und der Raum innerhalb des Gefäßes abgekühlt (Zeit: t&sub2; --> t&sub3;).
Beim Abkühlen des Raums innerhalb des Gefäßes beginnt der im Raum innerhalb des Gefäßes vorhandene Dampf an der Oberfläche des Kühlabschnittes zu kondensieren (Gesamtkondensatmenge: II), wodurch der Druck im Raum innerhalb des Gefäßes allmählich gesenkt wird (z.B. bewirkt ein Abkühlen auf 20ºC eine Verringerung des Sättigungs- Dampfdruckes bei 20ºC auf 17,5 mmHg). Es sei festgehalten, daß W zu diesem Zeitpunkt, d.h. W&sub3;, 17,3 mg/l beträgt, was der Sättigungsdampfdichte bei 20ºC (relative Luftfeuchtigkeit: 100%) entspricht. Da der zu trocknende Gegenstand, wie weiter unten beschrieben wird, vom Kühlabschnitt thermisch isoliert ist und aufgrund der großen Wärmekapazität des zu trocknenden Gegenstands und der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Raumes innerhalb des Gefäßes, in dem der Druck verringert ist (Vakuum), ist die Oberflächentemperatur T&sub3; des zu trocknenden Gegenstands deutlich höher als die Temperatur im Raum innerhalb des Gefäßes (negativer Temperaturgradient vom zu trocknenden Gegenstand zum Kühlabschnitt), wodurch die Feuchtigkeit im Raum nahe der Oberfläche des zu trocknenden Gefäßes im Kühlabschnitt und nicht an der Oberfläche des zu trocknenden Gefäßes mit hoher Wirksamkeit kondensiert.
(4) Wird kein Zuwachs der Kondensatmenge im Gefäß beobachtet (t&sub3;), wird das Kühlen des Raums innerhalb des Gefäßes gestoppt und trockenes Gas eingeleitet.
Während das Gefäßinnere wieder atmosphärischen Druck annimmt, fällt die relative Luftfeuchtigkeit von W&sub3; auf W&sub4; (< W&sub0;).
Es ist ein reines Gas mit einer möglichst niedrigen relativen Feuchtigkeit als trockenes Gas vorzuziehen, und üblicherweise wird ein nicht brennbares Gas mit einer relativen Feuchtigkeit von 10% oder weniger verwendet, welches je nach Bedarf mit einem Trockner u.ä. weitergetrocknet wird, z.B. Luft oder Stickstoffgas.
Dieser Vorgang verhindert eine neuerliche Ablagerung von freiem Wasser auf der Oberfläche des zu trocknenden Gegenstandes (wobei die Tatsache, daß die Temperatur des zu trocknenden Gegenstands von T&sub3; auf T&sub4; gesunken ist und die dem Temperaturverlust entsprechende Wärmeenergie als Quelle der latenten Verdampfungswärme für die Restfeuchtigkeit im Gefäß dient, zur Verhinderung der neuerlichen Ablagerung von freiem Wasser auf der Oberfläche des zu trocknenden Gegenstands beiträgt).
(5) Nachdem im Gefäßinneren wieder atmosphärischer Druck herrscht, wird der zu trocknende Gegenstand aus dem Gefäß herausgenommen.
(6) Die Schritte (1) bis (5) werden wiederholt.
Wie oben beschrieben, wird gemäß dem erfindungsgemäßen Trocknungsverfahren der zu trocknende Gegenstand zuerst mit Dampf erwärmt (worin der Dampf nach Freisetzung von Wärmeenergie natürlich an der Oberfläche des zu trocknenden Gegenstands kondensiert, um allmählich das darauf befindliche freie Wasser zu ersetzen, und endlich zum Zeitpunkt, wo der zu trocknende Gegenstand auf Dampftemperatur erwärmt ist, das Kondensat durch Dampf ersetzt wird), um den Raum innerhalb des Gefäßes mit Dampf zu füllen; nachdem das Gefäß gegenüber der Außenluft abgedichtet wird, wird der Raum innerhalb des Gefäßes, das den zu trocknenden Gegenstand enthält, abgekühlt, um eine Kondensation der darin vorhandenen Feuchtigkeit zu bewirken (der Druck im Raum innerhalb des Gefäßes wird folglich reduziert); schließlich wird ein trockenes Gas in den Innenraum des Gefäßes eingeleitet, wobei es dem Gefäßinneren ermöglicht wird, atmosphärischen Druck wiederzuerlangen, um das Trocknen des Gegenstands zu bewirken. Es ist demnach wichtig, daß der Kühlabschnitt und der trocknende Gegenstand nur über eine Gasphase in wärmeleitender Beziehung stehen und daß das am Kühlabschnitt gebildete Kondensat daran gehindert wird, sich neuerlich auf dem zu trocknenden Gegenstand abzulagern.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der zum Trocknen in ein Gefäß gelegte Gegenstand durch Erwärmen mit heißem Dampf ausreichend getrocknet, bevor das Abkühlen des Raums im Gefäß erfolgt. Die vorliegende Vorrichtung umfaßt ein Gefäß zur Aufnahme von zu trocknenden Gegenständen mit (a) einer Heißdampf-Einleitungseinrichtung, (b) einer Kühleinrichtung, um einen Kühlabschnitt im Innenraum des Gefäßes zu schaffen, (c) einer Einrichtung zum Sammeln und Ableiten des Kondensats, (d) einer Trockengas-Einleitungseinrichtung, (e) einer Struktur, worin der Kühlabschnitt der Kühleinrichtung gegenüber den zu trocknenden Gegenständen thermisch isoliert werden kann und (f) einem Mittel zum Abdichten des Innenraums des Gefäßes gegenüber der Außenluft.
Als Gefäß kann ein zylindrischer Stahlbehälter mit einem offenen Oberteil (durch den die zu trocknenden Gegenstände hineingelegt oder herausgenommen werden können) und einem geschlossenen Boden (wo das Kondensat gesammelt und durch ein damit verbundenes Rohr abgeleitet werden kann) verwendet werden, den man mit einer Abdeckung am Oberteil schließen kann. Der Grund, weshalb das Gefäß eine zylindrische Form hat, liegt darin, daß es eine druckdichte Struktur aufweisen sollte, da der Trocknungsvorgang selbst zeitweilig bei verringertem Druck erfolgt. Natürlich ist es möglich, verschiedene Arten von druckdichten Gefäßen zu verwenden. Die Heißdampf-Einleitungseinrichtung ist üblicherweise eine Rohrleitung, die mit der Heißdampfquelle außerhalb des Systems in Verbindung steht und ein Ventil zum Steuern/Absperren des heißen Dampfflusses. Es kann jedoch eine Flüssigkeit oder die Heißdampfquelle vorher in das Gefäß geleert werden, das z.B. mit einer elektrischen Heizvorrichtung oder einer Dämpfheizvorrichtung erhitzt werden kann, die vorübergehend mit dem Gefäß in Kontakt stehen, um im System Dampf zu erzeugen. Bei Verwendung der Dampfheizvorrichtung kann die Kühleinrichtung (üblicherweise ein indirektes Kühlungssystem, wo das Gefäß eine Doppelwandstruktur an der Seitenwand und/oder am Boden aufweist und wo ein Kühlrohr um den Innenraum des Gefäßes angeordnet ist, durch das ein Kühlmedium von der Systemaußenseite durchfließt) als Heizvorrichtung verwendet werden, da der Heißdampfeinleitungsvorgang und der Kühlvorgang nacheinander erfolgen. In diesem Fall ist ein Ventil zum selektiven Einleiten des Heizmediums oder Kühlmediums in das System erforderlich. Der Kühlabschnitt ist im übrigen in einem bestimmten horizontalen Abstand von jener Stelle angeordnet, auf die der zu trocknende Gegenstand gelegt wird, oder es ist eine Trennwand dazwischen vorgesehen (wenn der Kühlabschnitt im wesentlichen auf der gleichen Höhe wie der zu trocknende Gegenstand angeordnet ist), oder alternativ ist die Kühleinrichtung unterhalb der genannten Stelle angeordnet, sodaß das sich auf der Oberfläche des Kühlabschnitts bildende Kondensat während des Kühlvorgangs nicht in Kontakt mit dem zu trocknenden Gegenstand steht. Um weiters eine Wärmeisolierung zwischen dem zu trocknenden Gegenstand und dem Kühlabschnitt zu erreichen, wird der zu trocknende Gegenstand auf eine Halterungsvorrichtung gelegt, die aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht (entweder direkt oder über ein Element aus demselben Material), oder er kann direkt oder in einem Behälter, z.B. einem Korb, von der Oberseite des Gefäßes herunterhängen. Der Abschnitt zum Sammeln und Ableiten des Kondensats ist ein am Gefäßboden definierter Raum, der an der niedrigstmöglichen Stelle mit einem Kondensatabflußrohr versehen ist, wobei ein Ventil zur Aufrechterhaltung eines Vakuums im Gefäß vorgesehen ist, und der eine Kapazität hat, die, wie aus Fig. 1-(d) ersichtlich, die gesamte Kondensatmenge II aufnehmen kann oder eine Tiefe hat, in der ein Standmesser funktionieren kann. Während die Form des obigen Abschnitts nicht beschränkt sein kann, ist er angesichts des wirkungsvollen Sammelns des Kondensats vorzugsweise konisch. Wenn der heiße Dampf zum Erwärmen des zu trocknenden Gegenstandes im System selbst erzeugt wird, muß man berücksichtigen, daß der Abschnitt zum Sammeln und Ableiten von Kondensat eine Kapazität hat, die ausreicht, um das Erwärmen durch die Heizvorrichtung zu verhindern, wenn sich im Abschnitt keine Flüssigkeit befindet. Als Struktur, die den Innnenraum des Gefäßes von der Außenluft abdichtet, wird üblicherweise ein Siphon verwendet, der Flüssigkeitsabdichtung des unteren Endes des Kondensatabflußrohres durch Wasser bewirkt (das während des Heißdampfeinleitungsvorgangs gebildete Kondensat wird über den Siphon zur Gefäßaußenseite abgeleitet). Während die Trockengaseinleitungseinrichtung üblicherweise eine Rohrleitung ist (mit einem Flußsteuerventil und/oder einem Absperrventil), die mit einer äußeren Gasquelle in Verbindung steht, wenn der heiße Dampf von der Systemaußenseite her eingeleitet wird, kann auch die Trockengaseinleitungseinrichtung als Heißdampfeinleitungseinrichtung verwendet werden, da die Einleitung des heißen Dampfes und die Einleitung des trockenen Gases nacheinander erfolgen (in diesem Fall ist ein Umschaltventil zum selektiven Einleiten des heißen Dampfes oder des Gases erforderlich).
Da das erfindunggemäße Trocknungverfahren chargenweise funktioniert, ist je nach Liniengeschwindigkeit des Herstellungssystems der zu trocknenden Gegenstände üblicherweise eine Vielzahl solcher Trocknungsvorrichtungen vorgesehen. Es kann jedoch auch eine einzige oder eine sehr kleine Anzahl an Trocknungsvorrichtungen verwendet werden, die eine erhöhte Verarbeitungskapazität pro Zeiteinheit aufweisen.
Fig.1 erklärt den grundlegenden Trocknungsmechanismus der vorliegenden Erfindung, worin die darin ausdrücklich als Beispiele angeführten Zahlenwerte Wasser betreffen, das als Heißdampfquelle benutzt wurde (die Ordinatenachsen zeigen die Oberflächentemperatur T (ºC) des zu trocknenden Gegenstands, den Feuchtigkeitsgehalt W (mg/l) im Innenraum des Gefäßes, die Menge an freiem Wasser M (g/m²), das sich auf der Oberfläche des zu trocknenden Gegenstands befindet, und die Kondensatmenge Q (g) jeweils in den Graphen (a), (b), (c) und (d); während die Abszissenachsen die abgelaufene Zeit t darstellen (das tiefgestellte Zeichen o gibt an, wann ein zu trocknender Gegenstand in das Gefäß eingeführt wird; 1, wann die Einleitung des heißen Dampfes beginnt; 2, wann die Einleitung des heißen Dampfes gestoppt wird und das Abkühlen des Raums im Gefäß beginnt; 3, wann das Abkühlen des Raums im Gefäß gestoppt wird und das Einleiten von trockenem Gas beginnt und 4, wann der Trocknungsvorgang abgeschlossen ist). Die gleichen bei T und W stehenden tiefgestellten Zeichen haben dieselbe Bedeutung wie bei t. Die bei M stehenden tiefgestellten Zeichen s, max und f zeigen jeweils einen Wert vor dem Trocknen, den maximalen Wert und den Endwert an. Die bei Q stehenden I und II stehen jeweils für die Gesamtmenge des während der Einleitung des heißen Dampfes und während des Abkühlens gebildeten Kondensates. Fig.2 zeigt in einem Vertikalschnitt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; Figuren 3 und 4 zeigen beide Vertikalschnitte anderer Ausführungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei insbesondere verschiedene Arten des Einleitens des heißen Dampfes (der heiße Dampf wird im System erzeugt) gegenüber jener der in Fig.2 dargestellten Vorrichtung gezeigt sind; Fig.5-(a) ist ein Vertikal schnitt einer Ausführungsform für ein alternatives Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, und Fig.5-(b) ist eine vergrößerte Ansicht des relevanten Abschnitts davon.
A...zu trocknender Gegenstand 1...Gefäß
2...Abdeckung 3...Boden
4...Heißdampfeinleitungsrohr 5...Siphon
6...Kondensatüberlaufrohr
7...Trockengaseinleitungsrohr 8...Kühlabschnitt
9...Kühlwassereinleitungsrohr
10...Kühlwasserabflußrohr
11...Halterungsvorrichtung
12...Flüssigkeitseinleitungsrohr
13...Heizvorrichtung 14...Kondensatabflußrohr
15...Entwässerungsrohr 16, 17...Abfluß
21, 22, 23, 24, 25, 26, 27...Ventil
31...Druckanzeiger 32...Temperaturanzeiger
33...Flüssigkeitsstandanzeiger
Nun wird die vorliegende Erfindung ausführlich anhand nichtbeschränkender Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigelegten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 2 zeigt einen Vertikal schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Trocknungsvorrichtung.
Die Trocknungsvorrichtung besteht aus einem zylindrischen Gefäß 1, in das ein zu trocknender Gegenstand A hineingelegt werden kann und das einen geschlossenen Boden 3 (umgekehrte konische Form) und eine Abdeckung 2 aufweist (die das Gefäß hermetisch abdichten kann); aus einem Heißdampfeinleitungsrohr 4, wobei ein Ende davon zur Gefäßinnenseite geöffnet ist; aus einem Siphon 5, der über ein Kondensatabflußrohr 14 mit dem Boden 3 verbunden ist; einem Gaseinleitungsrohr 7, wobei ein Ende davon zur Gefäßinnenseite geöffnet ist; und aus einem Kühlabschnitt 8 (die Doppelwandstruktur des Gefäßes wird als Kühlabschnitt verwendet), an den jeweils ein Kühlwassereinleitungsrohr 9 und ein Kühlwasserabflußrohr 10 angeschlossen sind; worin der zu trocknende Gegenstand A auf eine gitterartige Halterungsvorrichtung 11 gelegt wird, die aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht, um eine Wärmeisolierung davon gegenüber dem Kühlabschnitt zu erreichen. Die Rohre 4, 7, 9, 10 und 14 haben jeweils Durchflußsteuerungsventile und/oder Absperrventile 21, 23, 24, 25 und 22; während das Gefäß jeweils einen Druckanzeiger 31 und einen Temperaturanzeiger 32 am Oberteil und einen Flüssigkeitsstandanzeiger 33 am Boden aufweist.
Die unter Verwendung der vorliegenden Vorrichtung ablaufenden Trocknungsvorgänge sind wie folgt (man beachte, daß der zu trocknende und in der Zeichnung dargestellte Gegenstand A ein einzelner Gegenstand oder eine Gruppe von Gegenständen und daß der heiße Dampf Wasserdampf bei 100ºC ist):
Zuerst wird ein zu trocknender Gegenstand A auf die Halterungsvorrichtung 11 im Gefäß gelegt (wobei die Ventile 21, 23, 24 und 25 geschlossen sind und das Ventil 22 offen ist) und das Gefäß mit der Abdeckung 2 geschlossen (Zeit: t&sub0; in Fig.1).
Danach öffnet sich das Ventil 21, um Dampf in das Gefäß einströmen zu lassen (Zeit: t&sub1; --> t&sub2; in Fig.1). Der Dampf wird durch Sieden von entmineralisiertem Wasser bei atmosphärischen Temperaturen gewonnen (die Dampfquelle ist nicht dargestellt); er kondensiert, während er den zu trocknenden Gegenstand und das Gefäß selbst erwärmt und ersetzt die Luft im Innenraum des Gefäßes, während das Kondensat über die Strecke Kondensatabflußrohr 14 --> Siphon 5 --> Kondensatüberlaufrohr 6 zur Systemaußenseite fließt. Wenn die Temperatur des zu trocknenden Gegenstands und des Gefäßes im wesentlichen der Dampftemperatur entsprechen, hört die Kondensation von Dampf auf, und das Gefäß wird mit dem eingeleiteten Dampf gefüllt (T: t&sub2; in Fig.1; wobei die Menge des aus dem Überlaufrohr 6 abgegebenen Kondensats konstant oder null ist, und der Kondensationsendpunkt durch partielles Überströmen von durchströmendem Dampf selbst ermittelt werden kann, was auch durch den Temperaturanzeiger bestätigt werden kann). Anschließend werden die Ventile 21 und 22 geschlossen und die Ventile 25 und 24 geöffnet, um Kühlwasser entlang der Strecke Kühlwassereinleitungsrohr 9 --> Kühlabschnitt 8 --> Kühlwasserabflußrohr 10 fließen zu lassen (Zeit: t&sub2; --> t&sub3; in Fig.1). Der das Gefäß füllende Dampf wird im Anschluß an den obigen Vorgang an der Oberfläche des Kühlabschnitts kondensiert, um den Druck im Raum im Gefäß auf 0,023 atm zu senken (wenn die voreingestellte Kühltemperatur 20ºC ist), wodurch sich das Kondensat am Boden 3 des Gefäßes sammelt. Nach Überwachen des Endpunkts (Zeit: t&sub3; in Fig.1) durch den Flüssigkeitsstandanzeiger 33, um nachzuweisen, daß der Flüssigkeitsstand konstant ist, und nach einer weiteren Bestätigung davon durch den Temperaturanzeiger 32, um nachzuweisen, daß die Temperatur des Raums innerhalb des Gefäßes konstant ist, werden die Ventile 24 und 25 geschlossen, um den Kühlvorgang zu beenden und das Ventil 23 geöffnet, um über das Trockengaseinleitungsrohr 7 ein reines trockenes Gas einströmen zu lassen und um es dem Innenraum des Gefäßes zu ermöglichen, wieder atmosphärischen Druck zu erlangen (der durch den Druckanzeiger 31 kontrolliert werden kann). Das Ventil 22 wird dann geöffnet (um das am Gefäßboden gesammelte Kondensat zur Systemaußenseite abzugeben), und nachdem das Ventil 23 geschlossen wird, wird die Abdeckung 2 geöffnet, um den zu trocknenden Gegenstand A herauszunehmen. Der Trocknungsvorgang ist somit abgeschlossen und die Vorrichtung für den nächsten Trocknungsvorgangszyklus bereit. Während eine Kombination aus Ventil 22 und Siphon 5 als Beispiel der Kondensatabflußeinrichtung angeführt wurde (die auch als Einrichtung zum Abdichten des Gefäßinnenraums gegenüber der Außenluft dient), ist die Kondensatabflußeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht auf eine solche Kombination beschränkt, denn der Siphon kann weggelassen werden, wenn ein Entlastungsventil anstelle des Ventils 22 verwendet wird.
In der obigen Ausführungsform wird Wasser als Heißdampfquelle verwendet. Wenn jedoch irgendeine Beschränkung der Wärmebeständigkeit des zu trocknenden Gegenstands vorliegt, kann aucn ein hydrophiles organisches Lösungsmittel mit niedrigem Siedepunkt, z.B. verschiedene Arten von Niederalkoholen, verwendet werden, wobei wirkungsvolle Gegenmaßnahmen hinsichtlich ihrer Entflammbarkeit oder Explosivität (bei den Einrichtungen und Arbeitsgängen) getroffen werden; wobei die Heiztemperatur vorzugsweise der Siedepunkt des Alkohols ist. Die voreingestellte Kühltemperatur kann geeigneterweise innerhalb der Wärmeabnahme (Temperaturdifferenz) zwischen der anzuwendenden Temperatur des Kühlmediums und der Heiztemperatur ausgewählt werden.
Figuren 3 und 4 zeigen beide einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, worin der ausreichend erhitzte Dampf innerhalb des Systems erzeugt wird (der dargestellte Kühlabschnitt 8 ist ein Ersatz für den in Fig.2 verwendeten, bei dem es sich um eine spiralförmig entlang der Innenfläche des Gefäßbodens (Fig.3) oder entlang der Innenwandfläche (Fig.4) davon angeordnete Rohrleitung handelt).
In der in Fig.3 dargestellten Ausführungsform ist das obige Heißdampfeinleitungsrohr 4 durch ein Flüssigkeitseinleitungsrohr 12 ersetzt, und eine Heizvorrichtung 13 ist zusätzlich an der Außenfläche an der Bodenwand des Gefäßes angeordnet; wobei eine vorherbestimmte Flüssigkeitsmenge zunächst durch das Flüssigkeitseinleitungsrohr 12 zum Boden geleitet wird und die solcherart eingeleitete Flüssigkeit durch die Heizvorrichtung erwärmt wird, um einen heißen Dampf während des Heißdampfeinleitungsvorgangs zu erzeugen. Das während des Erwärmens gebildete Kondensat wird durch das Kondensatabflußrohr 14 mit Hilfe des Drucks des erzeugten Dampfes an die Systemaußenseite abgegeben (wobei das Ventil 22 ein Absperrventil ist). Das Rohr 15 ist ein Abflußrohr (das Ventil 27 ist ein Absperrventil) zum Ableiten des Kondensats (der in Fig.1-(d) dargestellten Gesamtkondensatmenge II), das sich während des Kühlvorgangs bildet. Das Kondensatabflußrohr 14 kann bei Bedarf auch als Flüssigkeitseinleitungsrohr verwendet werden, indem daran ein Richtungssteuerungsventil angebracht wird.
In der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform dient das Rohr 14 als Abflußrohr 15 und das in Fig.3 dargestellte Kondensatabflußrohr 14, und eine Heizvorrichtung ist zusätzlich um die Innenfläche des Gefäßbodens angeordnet (diese Anordnung der Heizvorrichtung 13 kann auch auf die Vorrichtung von Fig.3 übertragen werden); worin heißer Dampf auf gleiche Weise wie in der Vorrichtung von Fig.3 erzeugt werden kann. Man beachte jedoch, daß ein Entlastungsventil als Ventil 22 verwendet wird, oder daß alternativ dazu die Kombination eines Absperrventils und eines Siphons 5 wie in der Vorrichtung von Fig.2 verwendet werden können.
In den obigen zwei Ausführungsformen kann die anfänglich dem Gefäß zuzuführende Flüssigkeitsmenge anhand des Wertes erhalten werden, der sich durch Addieren der Flüssigkeitsmenge zur Verhinderung der Erwärmung des Gefäßes ohne Flüssigkeit am Gefäßboden und der Menge an Flüssigkeit ergibt, die von der durch den Dampf und die latente Verdampfungswärme zu erwärmenden Wärmekapazität bestimmt wird.
Zehn Stücke Glasplatten (Breite 150 mm x Länge 150 mm) mit 10 g/m² freiem Wasser auf der Oberfläche wurden in einen Polyäthylenkorb gelegt und unter Verwendung der in Fig.2 dargestellten Vorrichtung (Innendurchmesser: 390 mm; Innenhöhe 579 mm; Innenvolumen: 50 l) getrocknet. Die für das Trocknen erforderliche Zeit war wie folgt t&sub0; --> t&sub2;: 8 min; t&sub2; --> t&sub3;: 4 min; t&sub3; --> t&sub4;: 2 min; Gesamttrocknungszeit 14 min. Das Finish der Trocknung war sehr gut, und es befand sich auf der Oberfläche keine Fleck und keine Ablagerung. Als Heißdampfquelle wurde 100ºC-Wasserdampf und als trockenes Gas Stickstoffgas verwendet.
Das erfindungsgemäße Trocknungsverfahren wurde anhand der Ausführungsformen beschrieben, bei denen der Heizvorgang bei geschlossener Abdeckung des Gefäßes erfolgt und bei denen der Kühlvorgang in einem Zustand durchgeführt wird, wo der Innenraum des Gefäßes von der Außenluft abgedichtet wird, nachdem das Einleiten des heißen Dampfes beendet ist, bevor das Einleiten des trockenen Gases nach Abschluß des Kühlvorgangs erfolgt. Es ergibt sich jedoch aus der folgenden Beschreibung, daß die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist.
Wie weiter oben beschrieben, eignet sich das Vefahren oder die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung sehr zur industriellen Anwendung, da es/sie sich zum Trocknen elektronischer Teile wie Halbleiter, Flüssigkristallanzeige-Geräte und gedruckter Schaltungen, optischer Teile wie Linsen oder Prismen, Teile von Präzisionsinstrumenten wie Zahnräder oder Bleirahmen eignet, die einer sorgfältigen Reinigung, Oberflächenbehandlung, usw. unterzogen wurden, um sicher und in kurzer Zeit ein hohes Trocknungsfinish zu erzielen.
Weiters hat die vorliegende Erfindung die folgenden Vorteile, die durch herkömmliche Verfahren niemals erreicht wurden.
1) Es kann durch Verwendung von gereinigtem Dampf und reinem Gas, die nur einmal verwendet und nachher entfernt werden, ein hervorragendes Trocknungsfinish erzielt werden.
2) Gegenstände mit komplizierten Formen können ohne Einschränkung hinsichtlich ihrer Größe und Form getrocknet werden.
3) Aufgrund des Nichtvorhandenseins beweglicher Teile im Trocknungssystem und seiner einfachen Struktur treten nur sehr selten Probleme auf, wodurch der automatische Betrieb erleichtert wird. Es besteht nicht die Gefahr, daß der zu trocknende Gegenstand neuerlich verschmutzt wird, und außerdem kann man sich vom Trocknungsvorgang eine gewisse reinigende Wirkung erwarten.
4) Der Trocknungsvorgang erfordert sehr kleine Mengen an zu verbrauchenden Materialien, wodurch ein Trocknen zu niedrigen Kosten ermöglicht wird.

Claims

1. Verfahren zum Trocknen eines Gegenstands, das das Einbringen des zu trocknenden Gegenstandes (A) in ein Gefäß (1), das Einleiten von heißem Dampf in das Gefäß (1), um den Gegenstand (A) im wesentlichen auf die Dampftemperatur zu erwärmen und um weiters die Luft innerhalb des Gefäßes durch heißen Dampf zu ersetzen, das hermetische Abdichten des Gefäßes gegenüber der Außenluft, das Abkühlen eines Abschnitts (8) des Innenraums des Gefäßes (1), während der Gegenstand (A) vom Kühlabschnitt (8) wärmeisoliert wird, das Einleiten eines trockenen Gases in das Gefäß und das anschließende Herausnehmen des Gegenstands (A) aus dem Gefäß umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der heiße Dampf aus Wasser oder einem hydrophilen organischen Lösungsmittel besteht, das eine Temperatur aufweist, die einen Dampfdruck von zumindest atmosphärischem Druck erzeugen kann.

3. Vorrichtung zum Trocknen eines Gegenstands nach dem in Anspruch 1 oder 2 dargelegten Verfahren, welche Vorrichtung ein Gefäß (1) zur Aufnahme des zu trocknenden Gegenstands (A) umfaßt, wobei das Gefäß (1):

(a) eine Heißdampfeinleitungseinrichtung (4, 21), (b) eine Kühleinrichtung (9, 10, 24, 25) zum Vorsehen eines Kühlabschnitts (8) im Inenraum des Gefäßes (1), (c) eine Einrichtung zum Sammeln und Abführen von Kondensat (5, 6, 14, 22), (d) eine Trockengaseinleitungseinrichtung (7, 23), (e) eine Struktur, worin der Kühlabschnitt (8) der Kühleinrichtung und der zu trocknende Gegenstand (A) gegeneinander wärmeisoliert sein können und (f) ein Mittel (2, 7, 21, 22, 23) zum Abdichten des Innenraums des Gefäßes (a) gegenüber der Außenluft aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Gefäß (1) ein zylindrischer Stahlbehälter mit einem offenen Oberteil und einem geschlossenen Boden ist, der mit einer im oberen Bereich des Behälters angeordneten Abdeckung (2) verschlossen werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, worin die Kühleinrichtung (b) eine im Innenraum des Gefäßes (1) befindliche Kühloberfläche (8) zum indirekten Kühlen des genannten Raums durch genannte Oberfläche (8) enthält, und worin die Kühloberfläche (8) angeordnet ist, um entweder in einem horizontalen Abstand von der Anordnungsstelle des zu trocknenden Gegenstands (A), wenn dieser in das Gefäß eingebracht wird, oder unterhalb der genannten Stelle angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, worin die Struktur (e) zum Wärmeisolieren des Kühlabschnitts (8) gegenüber dem zu trocknenden Gegenstand (A) an der Wand des Gefäßes (1) fixierte Träger und eine damit in Eingriff stehende Haltevorrichtung für den zu trocknenden Gegenstand (A) umfaßt, wobei sowohl die Träger als auch die Haltevorrichtung aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit bestehen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, worin die Struktur (e) zum Wärmeisolieren des Kühlabschnitts (8) gegenüber dem zu trocknenden Gegenstand (A) einen an der Abdeckung des Gefäßes (1) fixierten Hänger und einen Korb zum Tragen des zu trocknenden Gegenstandes (A) umfaßt, der von genanntem Hänger hinunterhängt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, worin die Einrichtung (f) zum Abdichten des Innenraums des Gefäßes (1) gegenüber der Außenluft aus einer Abdeckung (2), die mit dem Oberteil des Gefäßes (1) in Eingriff steht, um es hermetisch abzudichten, und entweder einem Siphon (5), der zum Abdichten des unteren Endes eines Kondensatabflußrohres (14), das mit dem Boden des Gefäßes (1) verbunden ist, mittels Flüssigkeit dient, oder einem am Kondensatabflußrohr (14) angeordneten Ventil (22) besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, worin die Heißdampfeinleitungseinrichtung (a) eine Heizvorrichtung (13) umfaßt, die am Boden des Gefäßes (1) angeordnet ist, um die Flüssigkeit oder Quelle von heißem Dampf zu erwärmen, die in den unteren Raum des Gefäßes (1) eingebracht wird, um dadurch den notwendigen heißen Dampf zu erzeugen.