DE69635682T2

DE69635682T2 - Trocknungssystem für ein beschichtetes Substrat

Info

Publication number: DE69635682T2
Application number: DE69635682T
Authority: DE
Inventors: Gary L. Huelsmann; William B. Kolb
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-09-18
Filing date: 1996-09-09
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2016-09-10
Also published as: MX9801965A; KR19990045734A; EP0851997A1; EP1195564B1; EP1191295B1; EP0851997B1; ES2253321T3; EP1632740A2; CN1196119A; KR100449962B1; HK1015025A1; ES2256146T3; EP1632740A3; DE69635530T2; KR20040037178A; CN1515338A; KR100449961B1; PT851997E; DE69627357D1; DE69635682D1

Description

FACHGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen eines beschichteten Substrats.
STAND DER TECHNIK
Das Trocknen von beschichteten Substraten wie Geweben erfordert, der Beschichtung Energie zuzuführen, und dann die verdampfte Flüssigkeit zu entfernen. Die von der Beschichtung zu verdampfende Flüssigkeit kann eine beliebige Flüssigkeit sein, einschließlich Lösungsmitteln wie organischen Lösungsmittelsystemen und anorganischen Systemen, die wasserbasierende Lösungsmittelsysteme umfassen. Konvektion, Wärmeleitung, Strahlung und Mikrowellenenergie werden verwendet, um beschichteten Geweben Energie zuzuführen. Die verdampfte Flüssigkeit wird durch erzwungene Konvektion oder erzwungene Konvektion entfernt. Die erzwungene Konvektion wird definiert als durch Leistungseintrag entstehende Konvektion, die absichtlich erzeugt wird. Das schließt Konvektion aus, die nur durch Bewegung des Gewebes, natürliche Konvektion oder andere unvermeidliche Kräfte entsteht. In einigen Fällen, wo die Dämpfe ungiftig sind, wie beim Verdampfen von Wasser, wird der Dampf durch Verdunsten in die umgebende Atmosphäre entfernt.
Mit konventioneller Trocknungstechnik werden große Gasvolumen von Schutzgas oder anderem Gas benötigt, um die verdampfte Flüssigkeit von der Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche zu entfernen. Diese Trockner erfordern ziemlich große Abstände zwischen dem trocknenden beschichteten Gewebe und der Oberseite der Trocknerabdeckung um die großen Gasströme unterzubringen. Das Trocknen wird an der Gas/Flüssigkeits-Grenzfläche unter anderem durch Diffusion, Konvektion, Grenzschichtluft durch die Bewegung der Gewebe und die auftreffenden Luftströme, Dampfkonzentrationen und Konvektion beim Phasenübergang aus der Flüssigkeits- in die Dampfphase bestimmt. Diese Phänomene treten unmittelbar über dem beschichteten Gewebe auf, üblicherweise innerhalb von 15 cm über der Oberfläche. Weil konventionelle Trockner einen großen Freiraum über dem beschichteten Gewebe haben, und nur die Durchschnittsgeschwindigkeit und Temperatur des gesamten Gasstroms steuern können, haben sie nur eine begrenzte Fähigkeit, diese Phänomene an der Gas/Flüssigkeits- Grenzfläche zu steuern.
Für Systeme mit organischen Lösungsmitteln werden die Dampfkonzentrationen im Gasstrom niedrig gehalten, üblicherweise 1-2%, um unter der Entzündlichkeitsgrenze der Dampf/Gas-Mischung zu bleiben. Diese großen Gasströme sollen die verdampfte Flüssigkeit aus dem Prozess entfernen. Die Kosten zum Aufnehmen, Erhitzen, auf Druck Bringen und Steuern dieser Gasströme sind ein großer Teil der Trocknerkosten. Es wäre vorteilhaft, wenn diese großen Gasströme nicht mehr benötigt würden.
Diese Gasströme können in Kondensationssysteme geleitet werden, um, bevor das Gas als Abgas abgegeben wird, die Dämpfe abzutrennen, wobei große Wärmetauscher oder gekühlte Walzen mit Wischblättern verwendet werden. Diese Kondensationssysteme sind relativ weit von dem beschichteten Gewebe entfernt im Gasstrom angeordnet. Aufgrund der geringen Dampfkonzentration in diesem Gasstrom sind diese Systeme groß, teuer, und müssen bei niedriger Temperatur betrieben werden.
Es wäre von Vorteil, die Kondensationssysteme nahe an dem beschichteten Substrat anzuordnen, wo die Dampfkonzentrationen hoch sind. Allerdings würde von herkömmlichen Wärmetauschern die kondensierte Flüssigkeit durch Schwerkraft wieder auf die beschichtete Oberfläche ablaufen, und die Produktqualität beeinträchtigen, es sei denn, sie wären schräg eingebaut oder hätten eine Auffangschale. Wenn sie eine Auffangschale hätten, wären sie von der Gewebeoberfläche mit der hohen Konzentration isoliert. Wenn sie schräggestellt wären, wäre das Tropfen wahrscheinlich immer noch ein Problem. Außerdem sind konventionelle Wärmetauscher nicht eben, so dass sie dem Weg der Gewebe nicht folgen, um die Trocknungsbedingungen zu steuern.
US-Patentschrift 4,365,423 beschreibt ein Trocknungssystem, das eine kleine Löcher aufweisende Oberfläche über dem trocknenden Gewebe verwendet, um die Beschichtung vor den durch die großen Gasströme erzeugten Turbulenzen zu schützen, um "mottling" zu verhindern. Allerdings braucht dieses System erzwungene Konvektion, sekundäre Lösungsmittelrückgewinnung mit niedriger Effizienz, und hat verringerte Trocknungsgeschwindigkeiten. Wegen der verringerten Trocknungsgeschwindigkeiten lehrt dieses Patent außerdem, die Abschirmung nur für 5-25% der Trocknerlänge zu verwenden.
Die deutsche Offenlegungsschrift No. 4009797 beschreibt ein Lösungsmittelrückgewinnungssystem, das innerhalb der Abdeckung des Trockners angeordnet ist, um verdampfte Flüssigkeit zu entfernen. Eine gekühlte Walze mit einem Wischblatt wird über der Gewebeoberfläche angeordnet und entfernt den Dampf in flüssiger Form. Die verdampfte Flüssigkeit wird nicht durch erzwungene Konvektion entfernt. Allerdings ist die Walze nur in einem kurzen Abschnitt der Trocknerlänge in der hohen Konzentration nahe der Oberfläche. Das ergibt keine optimale Steuerung der Bedingungen and der Gas/Flüssig-Grenzfläche. Beim Rotieren kann nämlich die Walze Turbulenzen in der Nähe der Gewebeoberfläche erzeugen. Außerdem kann dieses System seine Form nicht der Serie von Ebenen Oberflächen des durch den Trockner wandernden beschichteten Gewebes anpassen. Deswegen kann das System nicht mit einem kleinen, ebenen Spalt arbeiten, um die Trocknungsbedingungen zu steuern und kann keine optimale Kondensationseffizienz erreichen.
UK-Patentschrift 1 401 041 beschreibt ein Lösungsmittelrückgewinnungssystem, das ohne die für konventionelles Trocknen benötigten hohen Gasströme arbeitet, indem es heizende und kühlende Platten in der Nähe der beschichteten Oberfläche verwendet. Das Lösungsmittel kondensiert an einer Kondensationsplatte und die kondensierte Flüssigkeit läuft unter Schwerkrafteinfluss in ein Sammelgerät. Diese Vorrichtung verwendet nur Schwerkraft, um die Flüssigkeit von der Kondensationsoberfläche zu entfernen. Dementsprechend kann die Kondensationsoberfläche nicht über dem beschichteten Substrat angeordnet sein, weil die Schwerkraft die kondensierte Flüssigkeit wieder auf das beschichtete Substrat zurückbefördern würde. In den Zeichnungen und Erklärungen (Seite 3, Zeilen 89-92) wird die Kondensationsoberfläche als senkrecht oder mit dem beschichteten Substrat, dessen beschichtete Seite nach unten zeigt, oberhalb der Kondensationsoberfläche beschrieben. Das Auftragen einer Beschichtung auf die Unterseite des Substrats oder das Umdrehen des Substrats nach dem Auftragen der Beschichtung ist nicht das in der Industrie bevorzugte Verfahren. Das Beschichten in umgekehrter Position und das Umdrehen eines beschichteten Substrats vor dem Trocknen kann Beschichtungsfehler hervorrufen. Diese Begrenzungen schränken die Flexibilität dieses Verfahrens stark ein, und ziehen erhebliche Kosten nach sich, um es an übliche Herstellungsverfahren anzupassen. Diese Notwendigkeit des senkrechten oder umgekehrten Trocknens ist sehr wahrscheinlich der Grund, warum dieses Verfahren in der Industrie nicht angenommen oder diskutiert wurde.
UK-Patentschrift 1401041 beschreibt auch auf Seite 2 Zeile 126 bis Seite 3 Zeile 20 die Probleme dieses Verfahrens mit dem Wachstum der Flüssigkeitsfilmschicht auf der Kondensationsoberfläche und Tröpfchenbildung. Da "der entstehende Flüssigkeitsfilm 14 an Dicke gegen das untere Ende des Kondensators zunehmen kann" ist die Länge der Kondensationsoberfläche durch den Aufbau und die Stabilität dieser Filmschicht begrenzt. Das Begrenzen der Länge der Kondensationsoberfläche begrenzt die Trocknerlänge oder erfordert es, das Trocknungssystem mit einer nicht getrockneten Beschichtung zu verlassen. Das hat den unerwünschten Effekt, einen Teil der Lösungsmitteldämpfe an die Atmosphäre zu verlieren, die Kontrolle über die Trocknungsphänomene zu verlieren, und Defekte zu erzeugen. Eine andere Begrenzung ist, dass die Entfernung der Kondensationsoberfläche von dem beschichteten Substrat "kaum unter etwa 5 mm fallen kann", um einen Kontakt zwischen dem kondensierenden Flüssigkeitsfilm und dem Substrat zu vermeiden, und um zu vermeiden, dass Tropfen mit dem Substrat in Kontakt kommen. Die Begrenzung dieses Systems auf senkrechtes oder umgekehrtes Trocknen, Begrenzungen in der Trocknerlänge, und die Unfähigkeit bei der gewünschten Entfernung von der beschichteten Oberfläche zu arbeiten machen es ungeeignet, um die gewünschten Vorteile beim Trocknen zu erreichen.
Es besteht ein Bedürfnis für ein Trocknungssystem für beschichtete Substrate, welches das Trocknen eines beschichteten Substrates verbessert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist in Ansprüchen 1 und 8 spezifiziert.
Die Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen eines beschichteten Substrats. Eine Kondensationsoberfläche wird auf der zu trocknenden Substratseite (der Seite mit der Beschichtung) in der Nähe des Substrats angeordnet. Die Flüssigkeit aus dem beschichteten Substrat wird verdampft und dann auf der Kondensationsoberfläche kondensiert, ohne dass eine erzwungene Konvektion nötig ist. Die kondensierte Flüssigkeit wird von der Kondensationsoberfläche weggeführt und bleibt dabei flüssig.
Es kann eine Filmschicht von Kondensat auf der Kondensationsoberfläche erzeugt werden, um Tröpfchenbildung des Kondensats und die Überbrückung des Zwischenraums zwischen Kondensat und Substrat zu vermeiden.
Die Kondensationsoberfläche kann weniger als 5 mm von dem Substrat entfernt angeordnet werden. Die kondensierte Flüssigkeit kann entfernt werden, wobei zumindest teilweise Kapillarkräfte verwendet werden. Zusätzlich kann auch die Schwerkraft helfen, das Kondensat von der Kondensationsoberfläche zu entfernen. Zum Beispiel kann die Kondensationsoberfläche zu einer Seite des Substrats hin geneigt werden.
Eine Vielzahl von Kondensationsoberflächen könnte verwendet werden. Eine könnte eine Kondensationsplatte sein, die über dem beschichteten Substrat angeordnet ist und zu einer Seite des Substrats hin geneigt ist, und andere könnten Bleche sein, die obere und untere Oberflächen haben. Die Bleche können unter der Kondensationsplatte angeordnet sein, so dass sie aus der horizontalen geneigt sind, wobei ihre untere Kante der unteren Kante der Kondensationsplatte gegenübersteht. Die Bleche können überlappen und im überlappenden Bereich einen Zwischenraum aufweisen.
Die Trocknungsgeschwindigkeit kann über die Steuerung der Spalthöhe und der Temperaturdifferenz zwischen dem beschichteten Substrat und der Kondensationsoberfläche gesteuert werden.
Die Kondensationsoberfläche kann auf einem feststehenden oder umlaufenden Band gebildet werden. Wahlweise kann die Kondensationsoberfläche aus flachen oder mit Nuten versehenen Platten jeder Art, Röhren, Rippen oder anderen Formen gebildet werden. Die Kondensationsoberfläche kann aus einer kleine Löcher aufweisenden Platte bestehen, die Young-Laplace-Oberflächenspannungskräfte verwendet, um das Kondensat zurückzuhalten, und Kapillarkräfte, um es zu transportieren.
Wenn die Kondensationsoberfläche ein Abfließen des Kondensats in Längsrichtung verursacht, kann ein Auffangsystem verwendet werden, um die Flüssigkeit aufzufangen, oder Strukturen auf der Kondensationsoberfläche können die Flüssigkeit leiten. Strukturen, wie Rippen auf der Kondensationsoberfläche können den Aufbau von Kondensat und die Bildung von Tröpfchen begrenzen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Alle Ausführungsbeispiele in 1 bis 12 zeigen den erfindungsgemäßen Magnetfelderzeuger nicht.
1 ist eine Perspektivansicht einer Trockenvorrichtung, die in der Erfindung verwendet werden kann.
2 ist eine Endansicht der Vorrichtung aus 1.
3 ist ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 in 1.
4 ist eine Perspektivansicht einer Trockenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform, die in der Erfindung verwendet werden kann.
5 ist eine Endansicht der Vorrichtung aus 4.
6 ist ein Querschnitt einer Trockenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform, die in der Erfindung verwendet werden kann.
7 ist ein Querschnitt einer Trockenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform, die in der Erfindung verwendet werden kann.
8 ist ein Querschnitt einer Trockenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform, die in der Erfindung verwendet werden kann.
9 ist eine schematische Seitenansicht einer Trockenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform, die in der Erfindung verwendet werden kann.
10 ist ein Querschnitt einer Trockenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform, die in der Erfindung verwendet werden kann.
11 ist eine Seitenansicht einer Trockenvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform, die in der Erfindung verwendet werden kann.
12 ist eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung, bei der Prozessvariable gezeigt sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das System der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen eines beschichteten Substrats, wie eines bewegten Gewebes, mit einer Kondensationsoberfläche, die einen schmalen Spalt mit kontrollierten Bedingungen über der beschichteten Oberfläche bildet. Andere physikalische und chemische Phänomene, wie chemische Reaktionen, Härten und Phasenübergänge können auch von der Erfindung betroffen sein.
In der Ausführungsform der 1, 2 und 3 geschieht das Trocknen (Erhitzen der Flüssigkeit, um sie zu einem Dampf zu verdampfen, wegtransportieren des Dampfes von dem Gewebe, kondensieren des Dampfes, und wegtransportieren des kondensierten Dampfes (auch als Kondensat bekannt) von dem Gewebe) ohne erzwungene Konvektion zu erfordern, wie sie mit konventionellen Trocknungsver fahren einhergeht. Das verringert das bei vielen Präzisionsbeschichtungen vorkommende "Mottling" und ermöglicht das Trocknen bei erhöhten Geschwindigkeiten. In der Ausführungsform der 4-12 erfolgt mindestens das Entfernen der verdampften Flüssigkeit von dem Gewebe ohne erzwungene Konvektion zu erfordern. Alle Versionen dieses Systems erreichen verbesserte Steuerung der Phänomene, die in der Nähe der Gas- Flüssigkeitsgrenzfläche auftreten, und erreichen hohe Flüssigkeitsrückgewinnungseffizienzen.
Alle Versionen verwenden Kondensation, um verdampfte Flüssigkeit in einem Spalt zu entfernen, der im wesentlichen eben sein kann, ohne erzwungene Konvektionskräfte zu erfordern, und wo Konvektionskräfte in Umgebung und Grenzschicht minimiert sind. Das Trocknungssystem hat zahlreiche Vorteile gegenüber konventioneller Trocknungstechnik durch die Erzeugung eines schmalen Spalts mit kontrollierten Bedingungen direkt neben der Beschichtungsoberfläche, und dadurch dass keine erzwungene Konvektion für den Trocknungsmechanismus nötig ist. In einigen Produkten finden beim Trocknen chemische Reaktionen oder andere physikalische und chemische Prozesse statt. Das Trocknungssystem funktioniert, egal ob diese Prozesse in dem Verfahren ablaufen oder nicht. Das Trocknungssystem kann diese Prozesse beim Trocknen beeinflussen. Ein Beispiel sind feuchtigkeitshärtende Polymere, die in einem Lösungsmittel dispergiert oder gelöst sind, und die beim Trocknen nachteilig beeinflusst werden können, wenn in der Trocknungsatmosphäre Feuchtigkeit enthalten ist. Weil die Erfindung einen schmalen Spalt mit kontrollierten Bedingungen über der Beschichtungsoberfläche schaffen kann, ist es wesentlich einfacher, eine Trocknungsatmosphäre mit kontrollierter Feuchtigkeit zu schaffen, um die Härtung dieser Polymere zu verbessern. Viele andere Anwendungen, wo andere physikalische und chemische Prozesse beim Trocknen ablaufen, können von der Verbesserung der Steuerung der Trocknungsphänomene, und der Schaffung eines schmalen Spalts mit kontrollierten Bedingungen über der beschichteten Oberfläche gewinnen.
Das Trocknungssystem kann mit erzwungener Konvektion kombiniert werden, und die erzwungene Konvektion kann erreicht werden, indem Gas entweder längs oder quer oder in jeder anderen Richtung über die Beschichtung gezwungen wird. Das kann zusätzlichen Massentransfer oder andere Veränderungen der Atmosphäre über der beschichteten Oberfläche bringen. Dieses Verfahren könnte verwendet werden, wo erzwungene Konvektion kein Nachteil für die Produkteigenschaften ist.
Die Erfinder haben festgestellt, dass beim Trocknen von Substraten erhebliche Verbesserungen beim Trocknen und erhöhte Trocknungsgeschwindigkeiten auftreten, wenn die Entfernung zwischen der Kondensationsoberfläche zur beschichteten Oberfläche weniger als 5 Millimeter ist. Das System der UK-Patentschrift No. 1 401 041 ist in Bereichen, wo erhebliche Verbesserungen bei der Trocknungssteuerung gemacht werden können, nicht praktisch einsetzbar.
Viele Arten von Kondensationsstrukturen können verwendet werden, wie Platten jedes Typs, egal ob flach oder nicht, porös oder nicht, strukturiert oder nicht, oder andere Formen wie Rohre oder Rippen. Die Struktur der Kondensationsoberfläche kann Geometrien und Abmessungen im Makro-, Meso-, und Mikromaßstab kombinieren. Die Kondensationsstruktur kann parallel zum Gewebe oder in einem Winkel zum Gewebe angeordnet sein, und kann ebene oder gebogene Oberflächen aufweisen.
Die Kondensationsoberfläche muss drei Kriterien genügen. Erstens muss sie zu ausreichender Energieübertragung fähig sein, um die latente Wärme der Kondensation abzuführen. Zweitens muss das Kondensat die Kondensationsoberfläche mindestens teilweise benetzen. Drittens muss die Kondensationsoberfläche den kondensierten Dampf (das Kondensat) davon abhalten, auf die beschichtete Oberfläche des Gewebes zurückzufallen. Für die Kondensationsoberfläche gibt es eine wirksame kritische Kondensatfilmdicke, die den Beginn von Ungleichmäßigkeiten im Film markiert. Diese Dicke ist eine Funktion von Material, Geometrie, Abmessungen, Topologie, Ausrichtung, Konfiguration der Kondensationsoberfläche und anderer Faktoren, sowie der physikalischen Eigenschaften des Kondensats (wie Oberflächenspannung, Dichte und Viskosität). Eine andere Eigenschaft des Systems ist der Transport und die Entfernung des Kondensats. Dies hält die Kondensatfilmdicke unterhalb der wirksamen kritischen Dicke und kann durch Kapillarkräfte, Gravitationskräfte mechanische Kräfte, oder verschiedene Kombinationen dieser Kräfte erreicht werden.
Kapillarkraft, oder Kapillardruck kann beschrieben werden als die Resultierende der Oberflächenspannung, die in gebogenen Menisken auftritt, und wird durch die Fundamentalgleichung der Kapillarität, die als Young-LaPlace-Gleichung bekannt ist beschrieben. Die Young-LaPlace Gleichung ist ΔP = σ(1/R₁ + 1/R₂), wobei ΔP der Druckverlust über die Grenzfläche ist, σ die Oberflächenspannung ist und R₁ und R₂ die Hauptkurvenradien der Grenzfläche sind. Kapillarität wird im Detail beschrieben in Adamson, A.W. "Physical Chemistry of Surfaces, 4th ed.", John Wiley & Sons, Inc. (1982). 1, 2, 4, 5, 8, 9 und 10 zeigen Beispiele für die Verwendung von Kapillarkräften, zusammen mit anderen Kräften, um das Kondensat von der Kondensationsoberfläche wegzubewegen.
Gravitationskräfte folgen aus der Position der Flüssigkeitsmasse in einem Gravitationsfeld, das ist der hydrostatische Druck. 6, 7 und 9 zeigen Beispiele, die Gravitationskräfte verwenden, zusammen mit anderen Kräften, um das Kondensat von der Kondensationsoberfläche wegzubewegen.
Andere Mechanismen können zusammen mit Kapillarkräften verwendet werden, um die kondensierte Flüssigkeit von der Kondensationsoberfläche zu entfernen, um zu verhindern, dass die kondensierte Flüssigkeit auf das Substrat zurückfällt. Zum Beispiel können mechanische Vorrichtungen, wie Pumpsysteme, verwendet werden, um die kondensierte Flüssigkeit von der Kondensationsoberfläche zu entfernen. 11 zeigt ein Beispiel, das mechanische Kräfte zusammen mit Kapillarkräften verwendet, um das Kondensat von der Kondensationsoberfläche zu entfernen.
1 und 2 zeigen eine Vorrichtung, die zwei Platten verwendet. 4 und 5 zeigen eine Vorrichtung, die eine Platte verwendet. In beiden Versionen hat eine Platte eine kondensierende Flüssigkeitstransportoberfläche, die in geringem Abstand von der beschichteten Gewebeoberfläche angeordnet ist. Abstände von weniger als 15-20 cm sind bevorzugt. Abstände von weniger als 5 mm bringen mehr Vorteile. Abstände von weniger als 0,5 mm und sogar so geringe Abstände wie 0,1 mm und weniger sind erreichbar.
In 1 und 2 umfasst die Vorrichtung 10 eine Kondensationsplatte 12, die gekühlt werden kann, und mit Abstand von einer geheizten Platte 14 angeordnet ist. Die Kondensationsplatte 12 wird auf eine Temperatur T₁ eingestellt, die über oder unter der Umgebungstemperatur liegen kann, und die geheizte Platte 14 wird auf eine Temperatur T₂ eingestellt, die über oder unter der Umgebungstemperatur liegen kann. Die Temperatur des beschichteten Gewebes 16 ist T₃.
Die Gewebeposition wird durch h₁ und h₂ definiert, den Abständen zwischen den entsprechenden gegenüberstehenden Gewebeoberflächen 16 und den Kondensations- und Heizplatten. 12 zeigt die relative Anordnung dieser Variablen. Die Gesamtabmessung des Spalts zwischen der Kondensationsplatte und einer Heizplatte, h, ist die Summe von h₁, h₂, und der Dicke des beschichteten Gewebes. Das Gewebe 16, das eine Beschichtung 18 aufweist, bewegt sich mit einer beliebigen Geschwindigkeit zwischen den zwei Platten. Alternativ dazu kann das Gewebe feststehen und die gesamte Vorrichtung 10 sich bewegen, oder sowohl das Gewebe als auch die Vorrichtung sich bewegen. Die Platten stehen innerhalb der Vorrichtung fest. Die beheizte Platte 14 ist auf der nichtbeschichteten Seite des Gewebes 16 angeordnet, entweder in Kontakt mit dem Gewebe oder mit einem schmalen Spalt h₂ zwischen dem Gewebe und der Platte. Die Kondensationsplatte 12 ist auf der beschichteten Seite des Gewebes 16 angeordnet, mit einem schmalen Spalt zwischen dem Gewebe und der Platte. Die Kondensationsplatte 12 und die beheizte Platte 14 machen die erzwungenen Konvektionskräfte sowohl oberhalb als auch unterhalb der Gewebe 16 überflüssig. Das Trocknen wird durch das einstellen der Temperaturen T₁, T₂, und der Abstände h₁, h₂ gesteuert.
Die Kondensationsplatte 12, die feststehend oder mobil sein kann, ist in der Nähe der beschichteten Oberfläche angeordnet (z.B. 10 cm weit weg, 5 cm weit weg, oder näher). Die Anordnung der Platten erzeugt einen schmalen Spalt direkt neben dem beschichteten Gewebe. Der Spalt ist im Wesentlichen konstant, was eine geringe Konvergenz oder Divergenz zulässt. Außerdem ist der Spalt im Wesentlichen konstant trotz eventueller Nuten (wie untern besprochen) auf der Kondensationsoberfläche. Die Ausrichtung der Platten ist nicht sehr wichtig. Die Kondensationsplatte 12 kann über dem Gewebe sein (wie in 1, 2, 4-8 und 11-12 gezeigt), unter dem Gewebe (mit der Beschichtung auf der Unterseite des Gewebes), und das System kann betrieben werden mit einem senkrechten oder in einem sonstigen Winkel angeordneten Gewebe, einschließlich mit einem um die Fortbewegungsrichtung des Gewebes gedrehten Gewebe.
Die beheizte Platte 14 liefert, ohne erzwungene Konvektion zu erfordern, durch das Gewebe 16 der Beschichtung 18 Energie, um die Beschichtung 18 zu trocknen. Energie wird durch eine Kombination von Wärmeleitung, Strahlung und Konvektion übertragen, wodurch ein hoher Wärmeübergang erreicht wird. Dies verdampft die Flüssigkeit in der Beschichtung 18 auf dem Gewebe 16. Die verdampfte Flüssigkeit aus der Beschichtung 18 wird dann (unter Verwendung von Diffusion und Konvektion) über den Spalt h₁ zwischen dem Gewebe 16 und der Kondensationsplatte 12 transportiert und kondensiert auf der Unterseite der Kondensationsplatte 12.
Wie in 3 gezeigt ist die Unterseite der Kondensationsplatte 12 die Kondensationsoberfläche 22 und hat quer verlaufende offene Kanäle oder Nuten 24, die Kapillarkräfte verwenden, um zu verhindern, dass die kondensierte Flüssigkeit durch Schwerkraft auf die Beschichtung zurückfällt, und um die kondensierte Flüssigkeit seitlich zu Kantenplatten 26 zu bewegen. Die Nuten können dreieckige, rechteckige, kreisförmige oder sonstige komplexere Formen oder Kombinationen von Formen aufweisen. Das Material, die Geometrie und die Abmessungen der Nuten werden auf den erforderlichen Massenstrom und die physikalischen Eigenschaften des Kondensats, wie Oberflächenspannung, Viskosität und Dichte ausgelegt.
Ein bestimmter Typ von Kondensationsoberflächen ist einer, der offene Kanäle oder Nuten mit Ecken hat. Dieser Typ von kapillarer Kondensationsoberfläche, der zum Beispiel in 3 gezeigt ist, ist eine geometrisch spezifische Oberfläche, die ausgelegt werden kann mit Hilfe der Concus-Finn-Ungleichung (Concus P. und Finn R. "On the Behavior of a Capillary Surface in a Wedge", Proceeding of the National Academy of Science, Vol. 63, 292-299 (1969)), die lautet:
α + θ_B < 90°, wobei α die Hälfte des eingeschlossenen Winkels irgendeiner Ecke ist und θ_B der statische Gas/Flüssigkeits/Feststoff-Kontaktwinkel. Der statische Kontaktwinkel wird für eine gegebene Oberfläche in Gas von der Oberflächenspannung der Flüssigkeit bestimmt. Wenn die Ungleichung nicht erfüllt ist, ist die Grenzfläche begrenzt; wenn die Ungleichung erfüllt ist, hat die Grenzfläche keine endliche Gleichgewichtsstellung und der Meniskus ist unbegrenzt. In diesem letzteren Fall bewegt sich die Flüssigkeit durch Kapillarität endlos weiter oder bis zum Ende des Kanals oder der Nut. Oberflächen, die Nuten mit Ecken aufweisen sind hilfreich, wenn die Beschichtungsflüssigkeit eine hohe Oberflächenspannung hat, wie Wasser. Kapillare Oberflächen mit Ecken sind detailliert beschrieben in Lopez de Ramos, A.L., "Capillary Enhanced Diffusion of CO2 in Porous Media", Ph.D. Dissertation, University of Tulsa (1993).
Die Nuten 24 können auch in der Längsrichtung oder jeder anderen Richtung verlaufen. Wenn die Nuten in Längsrichtung verlaufen kann ein geeignetes Auffangsystem am Ende der Nuten angeordnet werden, um zu verhindern, dass die kondensierte Flüssigkeit auf die beschichtete Oberfläche 18 zurückfällt. Diese Ausführungsform begrenzt die Länge einer Kondensationsplatte 12 und begrenzt auch die minimale Spalthöhe h₁.
Wenn die Flüssigkeit das Ende der Nuten 24 erreicht, schneidet sie den Winkel zwischen den Kantenplatten 26 und der Kondensationsoberfläche 22. Es bildet sich ein Flüssigkeitsmeniskus und erzeugt ein Gebiet mit Unterdruck, der das Kondensat von der Kondensationsoberfläche zu mindestens einer Kantenplatte zieht. Die Schwerkraft überwindet die Kapillarkraft in dem Meniskus und die Flüssigkeit fließt als Film oder Tropfen 28 an der Oberfläche der Kantenplatten 26 herunter. Die Kantenplatten 26 können mit jeder Kondensationsoberfläche verwendet werden, nicht nur mit solchen, die Nuten haben. Die Tropfen 28 Fallen von jeder Kantenplatte 26 und können in einer Sammelvorrichtung (nicht gezeigt) aufgefangen werden. Zum Beispiel kann ein geschlitztes Rohr um die untere Kante jeder Kantenplatte 26 angeordnet werden, um die Flüssigkeit zu sammeln und in einen Behälter zu führen. Die Kantenplatten 26 sind in der gesamten Patentanmeldung so gezeigt, dass sie die Enden der Kondensationsoberflächen der Kondensationsplatten berühren. Die Kantenplatten können aber auch neben den Kondensationsplatten angeordnet sein ohne sie zu berühren, solange sie nahe genug sind, dass sie die kondensierte Flüssigkeit noch aufnehmen können.
Alternativ dazu braucht die kondensierte Flüssigkeit überhaupt nicht von der Platte entfernt zu werden, solang sie von der Kondensationsoberfläche 22 entfernt wird, oder zumindest daran gehindert wird, auf das Gewebe 16 zurückzufallen. Außerdem sind die Kantenplatten 26 als zur Kondensationsoberfläche 14 senkrecht stehend gezeigt, obwohl sie in einem anderen Winkel dazu stehen können, und die Kantenplatten 26 können aus glatten, geriffelten, porösen oder anderen Materialien sein.
Die beheizte Platte 14 und die Kondensationsplatte 12 können interne Passagen wie Kanäle umfassen. Ein Wärmeübertragungsfluid kann in einem externen Heizsystem erhitzt werden und durch die Passagen umgewälzt werden, um die Temperatur T₂ der beheizten Platte 14 einzustellen. Das gleiche oder ein anderes Wärmeübertragungsfluid kann durch einen externen Kühler gekühlt werden und durch die Passagen umgewälzt werden, um die Temperatur T₁ der Kondensationsplatte 12 einzustellen. Andere Mechanismen zum Beheizen der Platte 14 und zum Kühlen der Platte 12 können verwendet werden.
Die Vorrichtung 30 der 4 und 5 ist der der 1-3 ähnlich, außer dass es keine Heizplatte gibt. In der Vorrichtung 30 wird die Gewebe 16 beheizt, um die Flüssigkeit aus der Beschichtung zu verdampfen, wo bei ein beliebiges Heizverfahren oder eine Kombination von Heizverfahren, egal ob Wärmeleitung, Strahlung, Mikrowellen, Konvektion oder Umgebungsenergie, und ein beliebiges Heizgerät verwendet wird. Das kann eine beheizte Walze, Wärmestrahler oder erzwungene Konvektion einschließen, aber ist nicht darauf begrenzt. Dieses System kann sogar ohne Energiezufuhr arbeiten, sogar außerhalb des Trockners, wobei nur Umgebungsenergie verwendet wird, um die Flüssigkeit zu verdampfen.
Die Vorrichtung 30 funktioniert ansonsten genauso wie die der 1-3, ohne dass erzwungene Konvektion für den Transport der verdampften Flüssigkeit von dem Gewebe 16 zur Kondensationsoberfläche 22 auf der Kondensationsplatte 12 benötigt wird. Der Spalt h₁ zwischen dem beschichteten Gewebe 16 und der Kondensationsoberfläche 22 ist von deren Heizvorrichtungen isoliert durch eine beliebige Kombination aus dem Gewebe 16 und Trägermaterialien des Gewebes oder anderen Barrieren. Das kann den Bereich von jeder erzwungene Konvektion isolieren.
Kapillarität kann mit Schwerkraft kombiniert werden.
6 und 7 zeigen Ausführungsformen der Vorrichtung, wo die Schwerkraft gemeinsam mit der Kapillarität verwendet wird, um das flüssige Lösungsmittel von einer Kondensationsoberfläche zu entfernen. Die Kondensationsoberfläche 22 ist in 6 auf einer Platte 42, die zu einer Längsseite der Gewebe 16 gekippt ist, und die Kondensationsoberfläche 22 ist in 7 auf einer oder zwei Platten 44, die von der Mitte zu beiden Längsseiten der Gewebe 16 gekippt sind. In beiden Fällen werden Kapillarität und Schwerkraft verwendet, um die Flüssigkeit von der Kondensationsoberfläche wegzubewegen. Der Winkel könnte auf der längsgrichteten Mittellinie des Gewebes zentriert sein oder auch nicht.
8 ist eine andere Ausführungsform, wo Kapillar kräfte die Flüssigkeit auf der Kondensationsoberfläche bewegen. In dieser Ausführungsform ist die Kondensationsplatte 46 ein poröses oder dochtartiges Material, wie Sintermetall oder Schwamm, das Kapillarkräfte verwendet, um das flüssige Lösungsmittel zu transportieren. Das Lösungsmittel kondensiert an der Kondensationsoberfläche 22 und verteilt sich durch Kapillarkräfte durch die ganze Kondensationsplatte 46. Die Kantenplatten 26 neben der Kondensationsplatte 46 bilden eine kapillare Oberfläche. Ein Flüssigkeitsmeniskus bildet sich, und erzeugt einen Unterdruckbereich, der das Kondensat von der Kondensationsoberfläche zu mindestens einer Kantenplatte hinzieht. Die Schwerkraft überwindet die Kapillarkraft, und die Flüssigkeit fließt als Film oder Tropfen an der Oberfläche der Kantenplatte 26 herunter.
9 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der Kapillarkräfte und Schwerkraft verwendet werden, um die kondensierte Flüssigkeit auf den Kondensationsoberflächen 22 zu transportieren. Wie gezeigt, werden Kondensationsoberflächen 22 auf vielen Oberflächen gebildet. Eine Kondensationsplatte 50 ist zu einer Seite, oder von der Mitte zu beiden Seiten über dem Gewebe 16 schräggestellt. Dünne Bleche 48 aus Material sind unter die Kondensationsplatte 50 gehängt, und so angeordnet, dass sie aus der horizontalen gedreht sind, so dass ihre untere Kante der unteren Kante der Kondensationsplatte 50 gegenübersteht. Wie gezeigt, überlappen die Materialbleche 48 mindestens 0,05 cm und sind so angeordnet, dass sie im überlappenden Bereich durch einen Schlitz von 0,01-0,25 cm getrennt sind. Dampf, der auf den Kondensationsoberflächen 22 kondensiert, wird auf den Oberflächen von der Oberflächenspannung zurückgehalten. Die Schwerkraft bewegt die kondensierte Flüssigkeit entlang jeder oberen Oberfläche der Bleche 48 in einem Kaskadeneffekt, bis die Flüssigkeit über die Kante der Gewebe 16 hinausgeht. Flüssigkeit, die auf der unteren Oberfläche der dünnen Bleche kondensiert, wird in den Überlappungsbereich transportiert, und durch den Schlitz erzeugte Kapillarkräfte ziehen die Flüssigkeit in den Schlitz. Die Flüssigkeit wird dann auf die obere Oberfläche des nächsten Blechs 48 übertragen und die Schwerkraft bewegt sie kaskadenartig zur Kante des Substrats. So bildet Flüssigkeit, die an der unteren Oberfläche der Bleche kondensiert keine Tropfen, die auf die beschichtete Oberfläche zurückfallen. In einigen Fällen ist es nicht erwünscht, dass die Flüssigkeit den Spalt zwischen den Blechen 48 und der Kondensationsplatte 50 komplett füllt.
10 ist eine andere Ausführungsform, die Schwerkraft und Kapillarkräfte kombinieren kann, um die Flüssigkeit auf der Kondensationsoberfläche zu bewegen. In dieser Ausführungsform ist ein poröses, geschlitztes, schwammartiges, wabenförmiges, gitternetzartiges oder anderweitig mit kleinen Löchern versehenes Material 52 an einer Kondensationsplatte 54 befestigt und unter ihr angeordnet. Der Abstand zwischen der Kondensationsplatte 54 und dem mit kleinen Löchern versehenen Material 52, die Abmessungen der kleinen Löcher in dem Material 52, und das Verhältnis von offener Fläche zu ausgefüllter Fläche auf dem mit kleinen Löchern versehenen Material 52 sind alle dafür ausgelegt, ein Zurückhalten der Flüssigkeit auf den drei Kondensationsoberflächen 22 durch Oberflächenspannungskräfte zu verursachen. Die Vorrichtung ist direkt neben dem Gewebe 16 angeordnet. Auf der Kondensationsoberfläche 22 kondensierender Dampf wird in den Leerräumen des mit kleinen Löchern versehenen Materials und im Plattenzwischenraum 56 als Flüssigkeit zurückgehalten. Wenn Flüssigkeit aus dem Plattenzwischenraum 56 entfernt wird, wird Flüssigkeit von der Seite des mit kleinen Löchern versehenen Materials 52, die zum Gewebe 16 gewendet ist durch Kapillarkräfte transportiert, um den Leerraum im Bereich des Plattenzwischenraums 56 auszufüllen.
Flüssigkeit kann aus dem Plattenzwischenraum 56 entweder durch Schwerkraft, Kapillarkräfte oder mechanische Kräfte entfernt werden. Durch Neigen der Kondensationsplatte 54 aus der Horizontalen in einer beliebigen Richtung entfernen Gravitationskräfte Flüssigkeit aus dem Plattenzwischenraum 56 zu einem Punkt, der über die Kante des Gewebes 16 hinausragt. Alternativ dazu kann die Flüssigkeit aus dem Plattenzwischenraum 56 entfernt werden, indem mindestens eine Kantenplatte 26 an der Kante der Kondensationsplatte 54 angeordnet wird. Die Kantenplatte 26 berührt die Kondensationsplatte 54, um eine kapillare Oberfläche zu bilden. Die Kantenplatten können in einigen Anwendungen das mit kleinen Löchern versehene Material 22 berühren. Es bildet sich ein Flüssigkeitsmeniskus, der das Kondensat in Richtung mindestens einer Kantenplatte zieht. Die Schwerkraft überwindet die Kapillarkräfte und die Flüssigkeit fließt als Film oder Tropfen an der Oberfläche der Kantenplatte 26 herunter. Außerdem kann das Kondensat aus dem Plattenzwischenraum 56 mechanisch abgepumpt werden.
11 zeigt schematisch eine Ausführungsform, die eine Pumpe 80 verwendet, um die kondensierte Flüssigkeit von der Kondensationsoberfläche zu entfernen. Die Pumpe kann von einem beliebigen Pumpentyp sein, und jede andere Vorrichtung zur Erzeugung eines Unterdrucks kann verwendet werden. Wie ebenfalls in 11 gezeigt, kann die kondensierte Flüssigkeit vor der Entfernung in die auf die Gewebebreite bezogene Mitte der Kondensationsoberfläche getrieben werden, zum Beispiel durch Kapillarität und Schwerkraft.
In einer anderen Anwendung kann das System erst Flüssigkeit von einem beschichteten Substrat entfernen. Danach kann das System verwendet werden, um an einem dem Ort des Trocknens nachgestellten Ort "rückwärts" eine kleine Menge Feuchtigkeit oder zusätzliche Reagenzien auf das Substrat zu bringen, um die Beschichtung zu mo difizieren.
Die Vorrichtung kann außerhalb einer Trockneranordnung ohne Energiezufuhr arbeiten, mit nur der Umgebungswärme zum Verdampfen der Flüssigkeit. Durch die Steuerung der Temperatur der Kondensationsoberfläche 22, so dass sie bei oder nahe an der Umgebungstemperatur ist, erfolgt das Verdampfen der Flüssigkeit nur so lang, bis die Dampfkonzentration im Spalt h₁ zwischen der Kondensationsoberfläche und dem Gewebe 16 bei der Sättigungskonzentration ist, die durch die Temperaturen der Kondensationsoberfläche 22 und des Gewebes 16 vorgegeben ist. Die verdampfte Flüssigkeit ist eingeschlossen und wird durch viskoses mitschleppen von dem Gewebe durch den Spalt h₁ zum Ausgang des Systems befördert. Unerwünschtes Trocknen kann reduziert werden, und Dampfemissionen können von den Umgebungsbedingungen isoliert werden.
Das Trocknungssystem kann verwendet werden, um das Trocknen der Beschichtung zu reduzieren oder praktisch zu stoppen. Die Trockengeschwindigkeit ist eine Funktion der Spalthöhe und des Gradienten der Dampfkonzentration zwischen der beschichteten Oberfläche 18, dem Gewebe 16 und der Kondensationsoberfläche 22. Für einen gegebenen Spalt h₁ definiert die Temperaturdifferenz zwischen dem Gewebe 16 und der Kondensationsoberfläche den Gradienten der Dampfkonzentration. Je höher die Temperatur der beschichteten Oberfläche 18 in bezog auf die Temperatur der Kondensationsoberfläche 22 ist, desto schneller ist die Trocknungsgeschwindigkeit. Wenn die Temperatur der Kondensationsoberfläche 22 sich der Temperatur der beschichteten Oberfläche 18 annähert, geht die Trocknungsgeschwindigkeit gegen Null. Beim herkömmlichen Trocknen kann der Gradient der Dampfkonzentration nicht gesteuert werden, ohne ein teures Inertgas- Trocknungssystem zu verwenden. Einige flüssige Beschichtungen haben mehrere Lösungsmittel, wobei eins oder mehrere der Lösungsmittel dazu dienen, die Trocknungsgeschwindigkeit zu senken, um optimale Produkteigenschaften zu erhalten. Durch das Einstellen der Temperaturen der beschichteten Oberfläche 18 und der Kondensationsoberfläche 22 kann die Trocknungsgeschwindigkeit reduziert werden, und möglicherweise die Verwendung von Lösungsmitteln zum Verlangsamen der Trocknungsgeschwindigkeit unnötig gemacht werden.
Die Trocknungsgeschwindigkeit wird bestimmt durch die Höhe des Spalts h₁ und die Temperaturdifferenz zwischen der beschichteten Oberfläche 18 und der Kondensationsoberfläche 22. Deswegen kann bei gegebener Temperaturdifferenz die Trocknungsgeschwindigkeit über die Position der Kondensationsplatte, die den Spalt h₁ definiert gesteuert werden. So kann über das Ändern der Abmessungen des Trocknungssystems, wie das Ändern der entsprechenden Spalte, die Trocknungsgeschwindigkeit gesteuert werden. Konventionelle Trockner haben diese Fähigkeit nicht.
Das Trocknen mancher beschichteten Gewebe mit erzwungener Konvektion kann "Mottling" in den Beschichtungen erzeugen. "Mottling" sind Defekte in Filmbeschichtungen, die durch Gradienten der Dampfkonzentration oder der Gasgeschwindigkeit über der Beschichtungsoberfläche entstehen, die ein ungleichmäßiges Trocknen an der Flüssigkeitsoberfläche verursachen. Normaler Luftzug in der Raumluft ist oft ausreichend, um diese Defekte zu verursachen. Die Trockner können verwendet werden, um durch natürliche Konvektion verursachte Defekte, wie Mottling an Stellen außerhalb der gewünschten Trocknungsposition zu vermindern und zu kontrollieren. An Stellen, wo die beschichtete Oberfläche nicht im Trocknungsbereich ist, und sonst Konvektion aufgrund von Luftzug der Umgebungsluft oder turbulenter Grenzschichtluft aufgrund der Gewebebewegung ausgesetzt wäre, könnte die Vorrichtung mit Nuten oder anderen Flüssigkeitstransport- und Entfernungseigenschaften, Vorrichtungen, Strukturen oder ohne sie in der Nähe des beschichteten Gewebes 16 angeordnet werden, von ihm durch einen Spalt h₁ getrennt. Die Anordnung der Kondensationsplatte 12 in der Nähe des beschichteten Gewebes 16 kann den Luftzug der Umgebungsluft von der Beschichtungsoberfläche isolieren. Es kann auch verhindern, dass die Grenzschichtluft oberhalb der beschichteten Oberfläche turbulent wird. Dementsprechend können Defekte wie Mottling, die auf Konvektion außerhalb der Trocknungsposition zurückzuführen sind, reduziert oder verhindert werden. Die Vorrichtung kann mit Kondensation und Lösungsmittelentfernung ähnlich wie in 4-12 betrieben werden, oder sie kann sogar ohne Kondensation und Lösungsmittelentfernung betrieben werden, indem die Temperatur der Kondensationsoberfläche 22 über den Taupunkt der Dämpfe in dem Spalt h₁ angehoben wird.
In allen Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, mehrere Zonen von heizenden und kondensierenden Elementen bereitzustellen, indem mehrere Paare verwendet werden. Die Temperaturen und Spalte jedes Paars von heizenden und kondensierenden Komponenten können unabhängig von den anderen Paaren gesteuert werden. Die Zonen können mit Abstand voneinander angeordnet sein oder auch nicht.
Die Systeme aller Ausführungsformen verwenden Kondensation in der Nähe des beschichteten Gewebes 16 mit einem schmalen Spalt zwischen der Beschichtung auf dem Gewebe 16 und der Kondensationsoberfläche 22. Erzwungene Konvektion ist nicht nötig, und das Dampfvolumen ist niedrig. Die Dampfkonzentration und Konvektionskräfte können über das Einstellen der Gewebetemperatur, des Spalts und der Temperatur der Kondensationsoberfläche gesteuert werden. Das bietet bessere Kontrolle der Bedingungen in der Nähe der Gas-Flüssig-Grenzfläche. Weil die Plattentemperaturen und der Spalt durch das ganze Trocknungssystem kontinuierlich und konstant sein können, werden Wärme- und Massenübergangsgeschwindigkeit gleichmäßiger gesteuert als mit konventionellen Trocknungssystemen. Alle diese Faktoren tragen zu verbesserter Leistung bei. Es verbessert auch die Effizienz der Kondensations-Dampfrückgewinnungssysteme, bietet Flüssigkeitsrückgewinnung mit hoher Effizienz ohne zusätzliche Kosten im Vergleich zu bekannten teuren Verfahren der Verbrennung, Adsorption oder Kondensation in einem sekundären Gasstrom.
Außerdem muss man sich weniger Sorgen machen, dass die Umgebungsluft über dem Gewebe explodiert oder die Flammgrenze überschreitet. Wenn der Spalt nämlich sehr schmal ist, wie weniger als 1 cm, können Flammbarkeitserwägungen ausgeschlossen werden, weil der gesamte Raum über der Gewebe zu wenig Sauerstoff enthält um brennbar zu sein. Zusätzlich macht dieses System große Gasströme unnötig. Die mechanische Ausrüstung und das Steuerungssystem kosten nur 20% eines konventionellen Schwebetrockners.
Es wurden Experimente durchgeführt mit 30,5 cm breiten Platten, die querstehende Nuten hatten. Die untere Platte wurde mit einem durch Passagen in den Platten zirkulierenden Wärmeübertragungsfluid auf Temperaturen im Bereich von 15°C bis 190°C geheizt. Durch die Wärmeübertragung an die Beschichtung verdampft die Flüssigkeit in der Beschichtung. Die Temperatur der Kondensationsplatte wurde mit einem beliebigen geeigneten Verfahren im Bereich von –10°C bis 65°C gesteuert, um die treibende Kraft für den Dampftransport und die Kondensation zu liefern. Ein effektiver Bereich für den Spalt h₁ ist 0,15-5 cm. Es wurden mottlefreie Beschichtungen erhalten.
In einem Beispiel wurde eine für Mottling anfällige Polymer/MEK-Lösung mit 11,5% Feststoffanteil, 2 Centipoise, 7,6 Mikron Dicke im nassen Zustand und 20,3 cm Breite beschichtet. Das Gewebe war 21,6 cm breit und bewegte sich mit einer Geschwindigkeit von 0,635 m/s.
Die Temperatur der beheizten Platte, die verwendet wurde, um das Gewebe zu beheizen, wurde auf 82°C geregelt. Die Temperatur der Kondensationsplatte wurde auf 27°C eingestellt. Die Gesamtlänge der Platten war 1,68 m und sie waren in einem Winkel von 3,4° aus der Horizontalen montiert, wobei die Einlassseite niedriger lag. Der Einlass zu den Platten war 76 cm von der Stelle entfernt, an der die Beschichtung aufgetragen wurde. Die beheizte Platte war von dem Gewebe durch einen Spalt von etwa 0, 076 cm getrennt. Der Spalt h₁ war auf 0,32 cm eingestellt. Die kapillaren Nuten waren 0,0381 cm tief mit einem Spitzenabstand von 0,076 cm, einem Winkel α von 30°, und einer erhabenen Fläche von 0,013 cm am oberen Rand der Nuten. Die Gewebe wurde in den 1,68 cm Plattenlänge mottlefrei getrocknet, obwohl ein Rest Lösungsmittel in der Beschichtung war, als sie die Platten verließ. Ein konventioneller Trockner würde etwa 9 m erfordern, um den selben Trocknungspunkt zu erreichen, so dass der Trockner mehr als fünf mal größer sein müsste.
Andere Anwendungen dieses Systems umfassen das Trocknen von Klebstoffen, wo Blasendefekte häufig sind. Blasendefekte können dadurch verursacht werden, dass die Beschichtungsoberfläche eine getrocknete Haut bildet, bevor der Rest der Beschichtung getrocknet ist. Beim herkömmlichen Trocknen ist die Lösungsmitteldampfkonzentration im gesamten Gasstrom sehr gering wegen Flammbarkeitsgrenzen. Wenn der Beschichtung zu viel Wärme zugeführt wird, verdampft das Lösungsmittel an der Oberfläche sehr schnell in den Gasstrom mit geringer Dampfkonzentration und bildet eine Haut an der Oberfläche. Das System erzeugt eine kontrollierte Dampfkonzentration in dem Raum über dem Gewebe, welche die Tendenz, eine Haut auf der Oberfläche zu bilden reduzieren kann. Andere Anwendungen sind in Bereichen, wo Trockner mit hohen Lösungsmittelkonzentrationen betrieben werden, um bestimmte Produktleistungen zu erreichen.
Das System bietet Vorteile, die über Lösungsmittelrückgewinnung und Trocknungsleistung hinausgehen. Gemäß der Erfindung wird die Beschichtungsflüssigkeit einem magnetischen Feld ausgesetzt. Anstatt den Magnetfeldgenerator in einem bekannten Trockner anzuordnen, kann mit der vorliegenden Erfindung der Magnetfeldgenerator außerhalb des Trockners (d.h. außerhalb der Vorrichtung 10, 30) angeordnet werden. Dies wird durch die kompakte Natur der Vorrichtung ermöglicht. Das ist besonders geeignet, wenn ein Fluid, das mit Metallpartikeln beladen wird, auf ein Substrat aufgetragen wird, um Produkte wie Video- und Audio- Recorderbänder, Computer- und Datenspeicherbänder, Computerdisketten etc. herzustellen. Da die Magnetfeldgeneratoren außerhalb der Vorrichtung sind, können sie leicht eingestellt und gewartet werden.
Diese Anordnung verbessert auch die Partikelausrichtung. Die magnetische Wiedergabe wird verbessert, wenn die Partikel physisch in der Aufnahmerichtung ausgerichtet sind. Herkömmlicherweise ist die Ausrichtevorrichtung im Trockner eingebaut, und die Partikel werden an einem einzigen Punkt oder mehreren Punkten ausgerichtet, währen das Lösungsmittel entfernt wird. Ein Vorteil hier ist, dass, weil die magnetische Ausrichtevorrichtung außerhalb des Trockners liegt, und nicht eingreift (konventionelle Ausrichtevorrichtungen innerhalb des Trockners unterbrechen den Wärme- und Stoffübergang durch Konvektion), sie die Lösungsmittelentfernungsgeschwindigkeit in keiner Weise beeinträchtigt. Das erlaubt gleichmäßige Entfernung des Lösungsmittels. Die magnetischen Partikel werden leicht ausgerichtet, wenn die Flüssigkeit in den frühen Stadien des Trocknens mit dieser Erfindung weniger viskos ist. Beim Verlassen einer herkömmlichen Ausrichtevorrichtung in den frühen Stadien des Trocknens verursachen jegliche Komponenten des Magnetfelds, die nicht in der Ebene der Beschichtung sind, eine Umorientierung der Partikel in eine nicht bevorzugte Richtung, wie sie senkrecht zu kippen. Wenn das Lösungsmittel entfernt wird, nimmt die Viskosität zu, was es für die Ausrichtungsvorrichtung schwierig macht, die Partikel zu drehen. Die Partikel werden nicht beim Verlassen des Feldes oder durch Kräfte zwischen den Partikeln umorientiert.
Ein anderer Vorteil ist, dass wegen seiner geringen Größe und höheren Lösungsmittelentfernungsgeschwindigkeiten, die Erfindung das Ausrichten der Partikel am Beginn des Trockners und der Ausrichtevorrichtung erlaubt. Das gleichmäßige Feld hält die Partikel in der bevorzugten Richtung während das Lösungsmittel in einer gleichmäßigen Trocknungsumgebung verdampft wird bis zu dem Punkt an dem die viskosen Kräfte dominieren. Das verhindert unerwünschte Andersausrichtung der Partikel beim Verlassen der Ausrichtevorrichtung oder durch Kräfte zwischen den Partikeln. Trocknen in konventionellen Trocknern verursacht ein Rauwerden der Oberfläche. Das Entfernen des Lösungsmittels in der kontrollierten Umgebung des Trockners der vorliegenden Erfindung scheint bei hohen Lösungsmittelentfernungsgeschwindigkeiten glättere Oberflächen zu erzeugen. Das verbessert auch die magnetische Wiedergabe, weil, zum Beispiel, das entstandene Band näher am Aufnahmekopf entlangläuft.

Claims

Verfahren zum Trocknen eines beschichteten Substrats, wobei das beschichtete Substrat magnetische Teilchen aufweist, mit: Anordnen einer Kondensationsoberfläche in nächster Nähe einer Oberfläche des Substrats, um einen Spalt zwischen dem Substrat und der Kondensationsoberfläche zu definieren; Verdampfen der Flüssigkeit von dem Substrat, um einen Dampf zu erzeugen; Kondensieren des Dampfes auf der Kondensationsoberfläche, um ein Kondensat zu erzeugen; Entfernen des Kondensats von der Kondensationsoberfläche, wobei mindestens Kapillarkräfte verwendet werden; und Ausrichten der magnetischen Teilchen auf dem beschichteten Substrat am Anfang des Trockners, indem das beschichtete Substrat einem Magnetfeld ausgesetzt wird, das die Teilchen in der bevorzugten Richtung hält, während die Flüssigkeit soweit entfernt wird, dass die Viskosität bis zu dem Punkt erhöht ist, dass die viskosen Kräfte überwiegen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Teilchen in der Beschichtung einem Magnetfeld ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Ausrichtschritt das Erzeugen eines Magnetfelds außerhalb des Trockners aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner mit: Bereitstellen einer Relativbewegung zwischen der Kondensationsoberfläche und dem beschichteten Substrat; Steuern der Trocknungsrate durch das Steuern der Spalthöhe und der Temperaturdifferenz zwischen dem beschichteten Substrat und der Kondensationsoberfläche.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ferner mit Entfernen des Kondensats von der Kondensationsoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Entfernen des Kondensats die Verwendung von Schwerkraft, mechanischen Kräften, Kapillarkräften oder Kombinationen davon aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner mit dem Schritt des Umwandelns des beschichteten Substrats nach dem Verdampfungsschritt in ein Ton-, Bild- oder Datenträgerprodukt.
Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Trocknen eines beschichteten Substrats, wobei das beschichtete Substrat magnetische Teilchen aufweist, mit: einer Kondensationsoberfläche in nächster Nähe einer Oberfläche des Substrats, um einen Spalt zwischen dem Substrat und der Kondensationsoberfläche zu definieren; Mittel zum Verdampfen der Flüssigkeit von dem Substrat, um einen Dampf zu erzeugen; Mittel zum Kondensieren des Dampfes auf der Kondensationsoberfläche, um ein Kondensat zu erzeugen; Mittel zum Entfernen des Kondensats von der Kondensationsoberfläche, wobei mindestens Kapillarkräfte verwendet werden; und mindestens einen Magnetfelderzeuger zum Ausrichten der magnetischen Teilchen auf dem beschichteten Substrat am Anfang des Trockners, und zum Halten der Teilchen in der bevorzugten Richtung, während die Flüssigkeit soweit entfernt wird, dass die Viskosität bis zu dem Punkt erhöht ist, dass die viskosen Kräfte überwiegen.