EP2739923B1

EP2739923B1 - Verfahren und vorrichtung zur trocknung eines auf ein substrat aufgetragenen fluidfilms

Info

Publication number: EP2739923B1
Application number: EP12741294.8A
Authority: EP
Inventors: Franz Durst
Original assignee: FMP Tech GmbH Fluid Measurements and Projects
Current assignee: FMP Tech GmbH Fluid Measurements and Projects
Priority date: 2011-08-01
Filing date: 2012-07-20
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: US9851144B2; EP2739923A1; JP2014527148A; PL2739923T3; BR112014002515A2; RU2647192C2; KR20140068039A; US20140215844A1; CN103814266B; WO2013017441A1; RU2014107511A; CN103814266A; CA2843492A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung eines auf ein Substrat aufgetragenen Fluidfilms, der eine verdampfbare Flüssigkeit enthält, nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 15.
Ein solches Verfahren sowie eine solche Vorrichtung sind aus der US 2007/110894 A1 bekannt.
Nach dem Stand der Technik ist es weiter bekannt, die Oberflächen bahnförmiger Güter zu beschichten. Bei den bahnförmigen Gütern kann es sich beispielsweise um Papier, Kunststofffolien, Textilien oder Metallbänder handeln. Zur Beschichtung der Oberfläche wird ein Fluidfilm aufgetragen, der eine verdampfbare Flüssigkeit und nicht-verdampfbare Komponenten enthält. Der Fluidfilm wird durch Verdampfen der verdampfbaren Flüssigkeit verfestigt. Dieser Prozess wird als Trocknung der Fluidschicht bezeichnet.
Zur Verfestigung bzw. Trocknung des Fluidfilms ist es beispielsweise aus der DE 39 27 627 A1 bekannt, sowohl eine Unterseite des Substrats als auch eine mit dem Fluidfilm versehene gegenüberliegende Oberseite mit einem erwärmten Trocknungsgas anzuströmen. Bei einem aus der DE 39 00 957 A1 bekannten Verfahren wird ein entlang der Oberfläche des Fluidfilms strömendes Trocknungsgas in Stromrichtung beschleunigt. - Die vorgenannten Trocknungsverfahren haben den Nachteil, dass es durch die Einwirkung des Trocknungsgases auf der Oberfläche des Fluidfilms zu unerwünschten Meliererscheinungen kommt.
Zur Überwindung dieses Nachteils ist es aus der WO 82/03450 bekannt, in einem Abstand oberhalb des Fluidfilms eine durchströmbare Filterschicht vorzusehen. Durch die Wirkung der Filterschicht wird die Strömung des Trocknungsgases im Bereich oberhalb der Fluidschicht verlangsamt und turbulente Strömungen werden so vermieden. Infolgedessen kann allerdings ein aus dem Fluidfilm entweichender Flüssigkeitsdampf nicht besonders schnell abgeführt werden. Dieses Trocknungsverfahren ist nicht besonders effizient.
Bei den nach dem Stand der Technik bekannten Trocknungsverfahren werden große Volumina an Trocknungsgas benötigt, die anschließend aufwändig gereinigt und/oder regeneriert werden müssen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, mit denen ein auf ein Substrat aufgetragener Fluidfilm unter Vermeidung von Meliererscheinungen und mit verbesserter Effizienz getrocknet werden kann, ohne dass große Luftmengen bewegt werden müssen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 15 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 14 und 16 bis 25.
Nach Maßgabe der Erfindung wird bei einem Verfahren zur Trocknung eines auf eine Substratoberfläche eines Substrats aufgetragenen, eine verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms mit folgenden Schritten vorgeschlagen, dass die Wärme von der Heizfläche auf den Fluidfilm im Wesentlichen mittels direkter Wärmeleitung übertragen wird.
Beim vorgeschlagenen Verfahren wird, in Abkehr vom Stand der Technik, die Flüssigkeit im Wesentlichen mittels einer gegenüberliegend des Substrats vorgesehenen Wärmequelle verdampft. Damit entfällt der Aufwand zum Aufheizen des Trocknungsgases. Der weitere Aufwand zur Reinigung oder Regenerierung des Trocknungsgases kann erheblich reduziert werden. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können Trocknungsraten von bis zu 20 g/m²s erreicht werden. Das entspricht etwa dem 10-Fachen derjenigen Trocknungsraten, welche mit den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren erreicht werden.
Indem die Heizfläche der Wärmequelle lediglich in einem Abstand von 0,1 mm bis 15,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 5,0 mm, gegenüberliegend der Substratoberfläche angeordnet ist, wird die Wärme beim erfindungsgemäßen Verfahren im Wesentlichen durch direkte Wärmeleitung dem Fluidfilm zugeführt. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Fluidfilm von seiner der Heizfläche zugewandten Grenzfläche aus in Richtung der Substratoberfläche aufgeheizt wird. Im Gegensatz zum Eintrag von Wärme mittels Wärmestrahlung, welche im Wesentlichen an der Substratoberfläche absorbiert wird, kann damit eine besonders effektive Verdampfung bzw. Diffusion der Flüssigkeit erreicht werden.
Des Weiteren wird die verdampfte Flüssigkeit in Richtung der Wärmequelle durch den angelegten Temperaturgradienten abgeführt. D. h. die verdampfte Flüssigkeit strömt im Wesentlichen senkrecht von der Grenzfläche ab und gelangt dann in einen durch die Grenzfläche und die Heizfläche gebildeten Kanal. Es wird innerhalb des Fluidfilms die Erzeugung einer im Wesentlichen parallel zur Grenzfläche gerichteten Strömung mit hohen Luftmengen weitgehend vermieden. Infolgedessen treten beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Meliererscheinungen im Fluidfilm auf.
Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird zum Abführen der verdampften Flüssigkeit entgegensetzt zur Transportrichtung des Substrats eine Gasströmung in dem zwischen der Heizfläche und der Grenzfläche gebildeten Kanal erzeugt. Die Gasströmung kann beispielsweise durch eine Absaugeinrichtung erzeugt werden, welche am stromaufwärtigen Ende des Kanals vorgesehen ist. Damit wird die verdampfte Flüssigkeit in Richtung der jeweils stromaufwärts benachbarten Wärmequelle bewegt. Eine Strömungsgeschwindigkeit des in Gegenrichtung zur Transportrichtung des Substrats geführten Gasstroms beträgt zweckmäßigerweise 2 cm/s bis 30 m/s, vorzugsweise 10 cm/s bis 10 m/s. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases hängt .von der Länge des Kanals und der Menge der zu verdampfenden Flüssigkeit ab. Falls die zu verdampfende Flüssigkeit brennbar ist, ist als Gas ein Inertgas zu wählen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine erste Temperatur T_G der Heizfläche in Abhängigkeit einer Grenzflächentemperatur T_I des Fluidfilms geregelt. Die erste Temperatur T_G wird dabei so eingestellt, dass der erforderliche Abtransport des frei werdenden Fluiddampfs von der Oberfläche gewährleistet wird. Die Wärme wird von der Heizfläche auf den Fluidfilm vorteilhafterweise im Wesentlichen mittels direkter Wärmeleitung übertragen.
Die erste Temperatur T_G wird zweckmäßigerweise im Bereich von 50°C bis 300°C, vorzugsweise im Bereich von 80°C und 200°C, geregelt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Transportfläche mittels einer weiteren Wärmequelle beheizt. Eine durch die weitere Wärmequelle erzeugte zweite Temperatur T_H der Transportfläche wird vorteilhafterweise in Abhängigkeit der Grenzflächentemperatur T_I geregelt. Dabei kann die zweite Temperatur T_H insbesondere so geregelt werden, dass folgende Beziehung erfüllt ist: $T_{H} = T_{I} + ΔT,$
wobei

T_I im Bereich von 10°C bis 50°C und
ΔT im Bereich von 10°C bis 40°C, vorzugsweise 20°C bis 30°C, liegt.

Bedingt durch die Verdampfung der Flüssigkeit kommt es zu einer Abkühlung der Transportfläche. Zur Erhöhung des Massestroms der verdampften Flüssigkeit wird mittels einer weiteren Wärmequelle die Transportfläche auf eine zweite Temperatur T_H aufgeheizt. Dabei wird die zweite Temperatur T_H so eingestellt, dass sie größer als die Grenzflächentemperatur T_I ist. Ein besonders großer Massestrom der verdampften Flüssigkeit wird vorteilhafterweise dann erreicht, wenn die Differenz ΔT zwischen der Grenzflächentemperatur T_I und der zweiten Temperatur T_H im Bereich von 2°C bis 30°C liegt.
Zweckmäßigerweise wird die Verdampfung der Flüssigkeit in einer nicht-brennbaren Gasatmosphäre, vorzugsweise Stickstoff- oder Kohlendioxidatmosphäre, durchgeführt. Damit kann sicher und zuverlässig eine Entzündung einer innerhalb der Trocknungseinrichtung verdampften brennbaren Flüssigkeit vermieden werden.
Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die dem Substrat zugewandte Heizfläche in einem Abstand von 0,2 mm bis 5,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 1,0 mm, gegenüberliegend der Substratoberfläche angeordnet. Der vorgeschlagene geringe Abstand zwischen der Heizfläche und der Substratoberfläche ermöglicht eine besonders homogene Erwärmung des Fluidfilms und damit eine gleichmäßige Verdampfung der Flüssigkeit. Eine Dicke des Fluidfilms ist dabei selbstverständlich so gewählt, dass sie kleiner als der vorgenannte Abstand ist. Der Fluidfilm kann beispielsweise eine Dicke im Bereich von 5 µm bis 200 µm, vorzugsweise 10 µm bis 50 µm haben.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die zweite Temperatur T_H so geregelt, dass sie stets kleiner als die erste Temperatur T_G ist. Eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten T_G und der zweiten Temperatur T_H kann insbesondere so geregelt werden, dass sich entlang der Transportvorrichtung ein vorgegebenes Temperaturdifferenzprofil einstellt. Der Temperaturgradient bzw. die Temperaturdifferenz zwischen erster T_G und zweiter Temperatur T_H kann sich entlang der Transportrichtung in vorgegebener Weise ändern. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Menge der zu verdampfenden Flüssigkeit in Transportrichtung abnimmt. Die Änderung des Temperaturgradienten kann durch eine geeignete Regelung der ersten T_G und/oder zweiten Temperatur T_H oder auch durch eine Änderung des Abstands der Heizfläche von der Grenzfläche bewirkt werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, dass als Wärmequelle eine durchströmbare Wärmequelle verwendet wird und die verdampfte Flüssigkeit durch die Wärmequelle hindurch abgeführt wird. Damit kann die verdampfte Flüssigkeit im Wesentlichen senkrecht von der Oberfläche des Fluidfilms bzw. der Grenzfläche abgeführt werden.
Als Wärmequelle wird zweckmäßigerweise eine elektrische Heizquelle, vorzugsweise eine mit Widerstandsheizdrähten bestückte Heizquelle, verwendet. Dabei können die Widerstandsheizdrähte beispielsweise gitterartig angeordnet sein. Ferner ist es möglich, als Wärmequelle zumindest einen Wärmetauscher zu verwenden. Ein solcher Wärmetauscher kann ähnlich einem Kühler für Kraftfahrzeuge durchströmbar ausgestaltet sein. Es können auch mehrere Wärmetauscher in Transportrichtung hintereinander vorgesehen sein, wobei zwischen den Wärmetauschern jeweils eine Lücke vorgesehen sein kann. Durch die Lücke kann die verdampfte Flüssigkeit von der Oberfläche des Fluidfilms abgeführt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Transportvorrichtung zumindest eine rotierbare Walze verwendet, deren Mantelfläche die Transportfläche bildet. Eine solche Transportvorrichtung kann relativ kompakt ausgestaltet werden. Sie kann ferner mit einem Schlitzdüsenwerkzeug zum Auftragen des Fluidfilms kombiniert werden. Im Falle der Verwendung einer rotierbaren Walze als Transportvorrichtung ist die Wärmequelle korrespondierend zur Mantelfläche der Walze ausgestaltet, d. h. eine Heizfläche der Wärmequelle ist in einem vorgegebenen geringen Abstand von der Mantelfläche angeordnet. Die weitere Wärmequelle ist innerhalb der Walze angeordnet. - Mittels der weiteren Wärmequelle wird die Transportfläche von einer dem Substrat gegenüberliegenden Unterseite der Transportvorrichtung her, vorzugsweise mittels direkter Wärmeleitung, aufgeheizt. Beispielsweise kann die Transportfläche mittels Widerstandsheizelementen elektrisch beheizt werden. Eine solche elektrische Heizung ermöglicht eine besonders einfache Regelung der Temperatur der Transportfläche.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Trocknung eines auf eine Substratoberfläche eines Substrats aufgetragenen, eine verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms vorgeschlagen, wobei die Wärme von der Heizfläche auf den Fluidfilm im Wesentlichen mittels direkter Wärmeleitung übertragen wird.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht eine effiziente Trocknung eines auf einem Substrat aufgetragenen Fluidfilms. Dabei wird die Flüssigkeit durch eine gegenüberliegend des Substrats vorgesehene Wärmequelle verdampft. Die Wärmequelle ist lediglich in einem Abstand von 0,1 bis 15,0 mm, vorzugsweise 0,1 bis 5,0 mm, von der Substratoberfläche angeordnet. Die verdampfte Flüssigkeit wird durch Erzeugen einer vom Substrat in Richtung der Wärmequelle gerichteten Strömung abgeführt. Zu diesem Zweck ist eine Einrichtung zum Abführen der verdampften Flüssigkeit vorgesehen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine weitere Wärmequelle zum Beheizen der Transportfläche vorgesehen. Die weitere Wärmequelle ist zweckmäßigerweise an einer dem Substrat gegenüberliegenden "Unterseite" der Transportvorrichtung vorgesehen. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Widerstandsheizung handeln.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine erste Regeleinrichtung zur Regelung einer von der Heizfläche erzeugten ersten Temperatur T_G in Abhängigkeit einer Grenzflächentemperatur T_I des Fluidfilms vorgesehen. Die Regelgröße, nämlich die erste Temperatur T_G der Heizfläche, wird gemäß einem vorgegebenen Algorithmus in Abhängigkeit der Grenzflächentemperatur T_I, welche die Führungsgröße bildet, eingestellt. Dabei kann die erste Temperatur T_G beispielsweise so geregelt werden, dass sich zwischen der Grenzflächentemperatur T_I und der ersten Temperatur T_G ein vorgegebener Temperaturgradient ausbildet.
Ferner ist vorteilhafterweise eine zweite Regeleinrichtung zur Regelung einer zweiten Temperatur T_H der Transportfläche in Abhängigkeit der Grenzflächentemperatur T_I vorgesehen. In diesem Fall wird die Grenzflächentemperatur T_I als Führungsgröße gemessen. In Abhängigkeit der gemessenen Grenzflächentemperatur T_I wird mittels der Regeleinrichtung die zweite Temperatur T_H eingestellt bzw. nachgeführt. Dabei erfolgt die Einstellung bzw. das Nachführen der zweiten Temperatur T_H zweckmäßigerweise derart, dass eine vorgegebene Grenzflächentemperatur T_I im Wesentlichen konstant gehalten wird.
Die erste T_G und die zweite Temperatur T_H können beispielsweise mittels herkömmlicher Thermoelemente gemessen werden. Die Grenzflächentemperatur T_I kann berührungslos beispielsweise mittels eines Infrarot-Messgerätes erfasst werden.
Die erste Regeleinrichtung kann auch weggelassen werden. In diesem Fall wird die erste Temperatur T_G konstant gehalten. - Die erste und die zweite Regeleinrichtung können auch gekoppelt sein. Ein Temperaturgradient zwischen der ersten T_G und der zweiten Temperatur T_H kann gemäß einem weiteren vorgegebenen Algorithmus so geregelt werden, dass sich entlang der Transportrichtung ein vorgegebenes Temperaturdifferenzprofil zwischen der Transportfläche und der Heizfläche einstellt.
Wegen der vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird auf die Beschreibung der Ausgestaltungen zum Verfahren verwiesen. Die verfahrensmäßig beschriebenen Ausgestaltungsmerkmale bilden sinngemäß auch Ausgestaltungen der Vorrichtung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung zur Erläuterung der in den Formel verwendeten Größen,
Fig. 2: die Grenzflächentemperatur über der Gastemperatur bei vorgegebener Transportflächentemperatur,
Fig. 3: die Grenzflächentemperatur über der Transportflächentemperatur bei vorgegebener Gastemperatur,
Fig. 4: die Massendiffusionsrate über der Gastemperatur bei vorgegebener Transportflächentemperatur,
Fig. 5: die Massendiffusionsrate über der Transportflächentemperatur bei vorgegebener Gastemperatur,
Fig. 6: die Trocknungsdauer über der Gastemperatur bei vorgegebener Transportflächentemperatur,
Fig. 7: die Trocknungsdauer über der Transportflächentemperatur bei vorgegebener Gastemperatur,
Fig. 8: eine schematische Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Diffusionstrockners,
Fig. 9: eine schematische Detailansicht gemäß Fig. 8 und
Fig. 10: eine schematische Schnittansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Diffusionstrockners.

Nachfolgend werden die theoretischen Grundlagen des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eindimensionaler Gleichungen für den diffusiven Massentransport in Abhängigkeit der Temperatur kurz erläutert.
Aus Fig. 1 sind die in den nachfolgenden Gleichungen verwendeten Größen im Wesentlichen ersichtlich.
Der Temperaturgradient im Luftspalt oberhalb der Grenzfläche des Fluidfilms erfüllt die Energiegleichung, die für die Gasphase wie folgt angegeben werden kann: $\frac{d^{2} T}{{dy}^{2}} - (\frac{\dot{m} C_{P}}{λ_{G}}) \frac{dT}{dy} = 0$
Löst man diese Diffusionsgleichung, so erhält man folgende, allgemeine Lösung: $T = c_{1} + c_{2} \exp (\frac{\dot{m} C_{P}}{λ_{G}} y),$
wobei c ₁ und c ₂ zwei noch zu definierende Integrationskonstanten darstellen. Diese können über geeignete Randbedingungen bestimmt werden. Diese Randbedingungen sind wie folgt: $y = 0 \frac{dT}{dy} |_{I / G} = \frac{(1 - f) * (T_{H} - T_{I})}{(\frac{μ_{G} {Δ h}_{LH}}{2 T_{I}} - λ_{G}) * (\frac{H}{λ_{S}} + \frac{h}{λ_{L}})}$
$y = δ_{G}, T = T_{G}$
Löst man die obigen Gleichungen durch Einsetzen der Randbedingungen nach c ₁ und c ₂ auf, so erhält man für diese Größen Werte, die das Temperaturprofil in der Gasphase wie folgt angeben lassen: $T = T_{G} = \frac{(1 - f) * (T_{H} - T_{I}) * \{\exp (\frac{\dot{m} C_{P}}{λ_{G}} δ_{G}) - \exp (\frac{\dot{m} C_{P}}{λ_{G}} y)\}}{\dot{m} C_{P} * (\frac{μ_{G} {Δ h}_{LH}}{2 λ_{G} T_{I}} - 1) * (\frac{H}{λ_{S}} + \frac{h}{λ_{L}})}$
Für y = 0 erhält man T = T₁. Damit lässt sich die Grenzflächentemperatur T₁ , d. h. die Temperatur an der freien Oberfläche des Fluidfilms, wie folgt errechnet: $T_{I} = T_{G} - \frac{(1 - f) * (T_{H} - T_{I}) * \{\exp (\frac{\dot{m} C_{P}}{λ_{G}} δ_{G}) - 1\}}{\dot{m} C_{P} - (\frac{μ_{G} {Δ h}_{LH}}{2 λ_{G} T_{I}} - 1) - (\frac{H}{λ_{S}} + \frac{h}{λ_{L}})}$
Die Massendiffusionsrate pro Flächeneinheit auf Grund des vorliegenden Temperaturgradienten an der freien Oberfläche lässt sich wie folgt errechnen: $\dot{m} = \frac{(1 - f) * μ_{G} * (T_{H} - T_{I})}{(μ_{G} {Δ h}_{LH} - 2 λ_{G} T_{I}) * (\frac{H}{λ_{S}} + \frac{h}{λ_{L}})}$
Die Trocknungszeit für das zu beschichtende Material kann wie folgt berechnet werden: $t_{d} = \frac{M}{\dot{m}} = \frac{ρ_{L} * h * (μ_{G} {Δ h}_{LH} - 2 λ_{G} T_{I}) * (\frac{H}{λ_{S}} + \frac{h}{λ_{L}})}{(1 - f) * μ_{G} * (T_{H} - T_{I})}$
Durch den obigen Satz von Gleichungen kann das eindimensionale Diffusions-Wärmeübertragungsproblem und das Problem der zugehörigen Massenfreisetzung und des Massentransports analytisch gelöst werden.
Unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Randbedingungen wurden u. a. die Massendiffusionsrate der verdampften Flüssigkeit und die Trocknungszeit berechnet. Die Berechnung ist unter folgenden Annahmen erfolgt: $H = 300 μm, h = 10 μm, δ_{G} = 300 μm$
$f = 0.2, T_{G} = 350 K, T_{H} = 295 K$
Die folgenden Materialeigenschaften wurden, trotz der Temperaturänderungen, als konstant angenommen: $μ_{G} = 1.8 \times 10^{- 5} kg / (ms), λ_{G} = 0.024 W / (mK), C_{P} = 1.012 KJ / (KgK)$
$\begin{matrix} λ_{L} & = 0.6 W (mK), ρ_{L} = 1000 kg / m^{3}, {Δ h}_{LH} = 2260 KJ / Kg \\ λ_{S} & = 0.12 W / (mK) \end{matrix}$
Die erfindungsgemäße Trocknung des Fluidfilms wird im Wesentlichen durch eine Kontrolle der zweiten Temperatur T_H auf der Transportfläche und durch die erste Temperatur T_G der Wärmequelle bestimmt. Die Wärmequelle ist in einem Abstand δ _G von der der Gasphase zugewandten Grenzfläche des Fluidfilms angebracht.
Fig. 2 zeigt die Grenzflächentemperatur T_I über der ersten Temperatur T_G der Wärmequelle bzw. Gasphase. Fig. 3 zeigt die Grenzflächentemperatur T₁ über der Temperatur T_H der Transportfläche.
Wie insbesondere aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich ist, kann die Massendiffusionsrate durch eine Erhöhung der ersten Temperatur T_G erreicht werden. Ferner ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der zweiten Temperatur T_H eine Reduktion der Massendiffusionsrate bewirkt.
Wie insbesondere aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, kann eine Reduktion der Trocknungszeit dann erreicht werden, wenn die zweite Temperatur T_H klein und die erste Temperatur T_G hoch gewählt wird. Dabei sind beide Temperaturen T_G und T_H so einstellbar, dass T_I kontrolliert werden kann. T_I kann z. B. auf Raumtemperatur gehalten werden.
Fig. 8 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Diffusionstrockners. In einem Gehäuse 1 befindet sich eine Vorratswalze 2, auf der das zu beschichtende Substrat 3 aufgenommen ist. Das Substrat 3 wird über erste Spannrollen 4a, 4b auf eine Transportwalze 5 geführt. Eine Mantel- bzw. Transportfläche 6 der Transportwalze 5 ist abschnittsweise, vorzugsweise über einen Winkel von 180-270°, von einer Trocknungseinrichtung 7 umgeben. Stromaufwärts der Trocknungseinrichtung 7 ist ein mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnetes Schlitzdüsenwerkzeug zum Auftragen eines Fluidfilms F auf das Substrat 3 vorgesehen. Stromabwärts der Trocknungseinrichtung 7 befindet sich zumindest eine weitere Spannrolle 9, über welche das Substrat 3 auf eine Walze 10 aufgewickelt wird. Mit dem Bezugszeichen 11 ist eine Walzenreinigungsvorrichtung bezeichnet, welche stromabwärts der Trocknungseinrichtung 7 und stromaufwärts des Beschichtungswerkzeugs 8 angeordnet ist.
Die Trocknungseinrichtung 7 weist ein weiteres Gehäuse 12 auf. Das weitere Gehäuse 12 ist mit Absaugeinrichtungen 14 versehen, mit denen ein aus dem Fluidfilm F entweichender Flüssigkeitsdampf abgesaugt wird.
Wie insbesondere in Zusammensicht mit Fig. 9 ersichtlich ist, kann eine im weiteren Gehäuse 12 aufgenommene Wärmequelle 13 beispielsweise aus Widerstandsheizdrähten gebildet sein, welche gitterartig angeordnet sind. Die Heizdrähte bilden eine Heizfläche G, welche in einem Abstand δ_G von beispielsweise 0,1 mm bis 1,0 mm gegenüberliegend der Grenzfläche I des Fluidfilms F angeordnet ist. Durch die in Fig. 9 nicht näher gezeigte Absaugeinrichtungen 14 entsteht eine im Wesentlichen senkrecht zur Transportfläche 6 sich ausbildende Strömung, welche in Fig. 9 durch Pfeile kenntlich gemacht ist. Durch die Absaugeinrichtungen 14 wird vorteilhafterweise ein Unterdruck im Zwischenraum zwischen der Grenzfläche I und der Heizfläche G erzeugt. Damit wird ein Entweichen eventuell brennbarer Flüssigkeitsdämpfe in die Umgebung vermieden. Das Gehäuse 1 kann außerdem mit einer Schutzgasatmosphäre gespült werden, um eine Brand- oder Explosionsgefahr durch Entweichen der brennbaren Flüssigkeitsdämpfe zu vermeiden.
Die in Fig. 8 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders kompakt aufgebaut. Anstelle einer Transportwalze 5 können auch mehrere Transportwalzen 5 verwendet werden. Damit kann eine Trocknungsstrecke vergrößert werden, was eine Trocknung auch relativ dicker Fluidfilme F ermöglicht. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in Kombination mit herkömmlichen Konvektionstrocknern verwendet werden. Zu diesem Zweck wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zweckmäßigerweise stromaufwärts eines herkömmlichen Konvektionstrockners eingesetzt. Durch einen Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Kombination mit einem herkömmlichen Konvektionstrockner kann die zum Betrieb des herkömmlichen Konvektionstrockners verwendete Energie drastisch reduziert werden.
Bei der in Fig. 10 gezeigten schematischen Schnittansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Diffusionstrockners bzw. einer weiteren Trocknungseinrichtung 15 gezeigt. Dabei ist das Substrat 3 wiederum auf einer Vorratswalze 2 aufgenommen; es wird mit einer angetriebenen Walze 16 transportiert. Mit dem Bezugszeichen 8 ist wiederum ein Schlitzdüsenwerkzeug zum Auftragen eines Fluidfilms auf das Substrat 3 bezeichnet, welches stromaufwärts einer weiteren Trocknungseinrichtung 15 angeordnet ist.
Die weitere Trocknungseinrichtung 15 umfasst in Transportrichtung T Heizelemente 17, bei denen es sich um in Transportrichtung T hintereinander angeordnete plattenförmige Widerstandsheizelemente handeln kann. Die Heizelemente 17 bilden bei dieser Ausgestaltung eine im Wesentlichen geschlossene Heizfläche G, welche in einem Abstand δ_G von 2 bis 10 mm von einer Substratoberfläche angeordnet sind. Die weitere Trocknungseinrichtung 15 weist also einen rechteckigen Kanal K mit der Höhe δ_G auf, durch welchen das Substrat 3 in Transportrichtung T geführt wird.
Mittels der Absaugeinrichtung 14 wird am stromaufwärtigen Ende der weiteren Trocknungseinrichtung 15 Luft L in den Kanal K eingesaugt und entgegen der Transportrichtung T in Richtung der Absaugeinrichtung 14 im Gegenstrom bewegt. Dabei beträgt eine Strömungsgeschwindigkeit beispielsweise 30 cm/s bis 3 m/s.
Eine weitere Transportfläche 18 der weiteren Trocknungseinrichtung 15 ist hier eben ausgebildet. Sie kann ebenfalls beheizbar ausgestaltet sein (hier nicht gezeigt).

Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Vorratswalze
3: Substrat
4a, 4b: Spannrolle
5: Transportwalze
6: Transportfläche
7: Trocknungseinrichtung
8: Schlitzdüsenwerkzeug
9: weitere Spannrolle
10: Walze
11: Walzenreinigungsvorrichtung
12: weiteres Gehäuse
13: Wärmequelle
14: Absaugeinrichtung
15: weitere Trocknungseinrichtung
16: angetriebene Walze
17: Heizelement
18: weitere Transportfläche

δ_G: Abstand
F: Fluidfilm
G: Heizfläche
I: Grenzfläche
L: Luft
T: Transportrichtung

Claims

Verfahren zur Trocknung eines auf eine Substratoberfläche eines Substrats (3) aufgetragenen, eine verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms (F) mit folgenden Schritten:
Transportieren des Substrats (3) auf einer Transportfläche (6) einer Transportvorrichtung (5) entlang einer Transportrichtung (T) durch eine Trocknungseinrichtung (7),

Verdampfen der Flüssigkeit mittels einer eine Heizfläche (G) aufweisenden Wärmequelle (13), wobei die Heizfläche (G) in einem Abstand (δ_G) von 0,1 mm bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substratoberfläche angeordnet ist, und

Abführen der verdampften Flüssigkeit in Richtung der Wärmequelle (13)
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärme von der Heizfläche (G) auf den Fluidfilm (F) im Wesentlichen mittels direkter Wärmeleitung übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste Temperatur T_G der Heizfläche (G) in Abhängigkeit einer Grenzflächentemperatur T_I des Fluidfilms (F) geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Temperatur T_G im Bereich von 50°C bis 300°C, vorzugsweise im Bereich zwischen 80°C und 200°C, geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die Transportfläche (6) mittels einer weiteren Wärmequelle beheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine durch die weitere Wärmequelle erzeugte zweite Temperatur T_H der Transportfläche (6) in Abhängigkeit der Grenzflächentemperatur T_I geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zweite Temperatur T_H so geregelt wird, dass folgende Beziehung erfüllt ist: $T_{H} = T_{I} + ΔT,$

wobei
T_I im Bereich von 5°C bis 40°C und

ΔT im Bereich von 2 bis 30°C, vorzugsweise 5 bis 10°C, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdampfung der Flüssigkeit in einer nicht brennbaren Gasatmosphäre, vorzugsweise Stickstoff- oder Kohlendioxidatmosphäre, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Substrat (3) zugewandte Heizfläche (G) in einem Abstand (δ_G) von 0,2 mm bis 5,0 mm gegenüberliegend der Substratoberfläche angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, sofern abhängig von Anspruch 2, oder nach Anspruch 7 oder 8, sofern abhängig von den Ansprüchen 2 und 5, wobei die zweite Temperatur T_H so geregelt wird, dass sie stets kleiner als die erste Temperatur T_G ist.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, sofern abhängig von Anspruch 2, oder nach Anspruch 7 oder 8, sofern abhängig von den Ansprüchen 2 und 5, oder nach Anspruch 9, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten T_G und der zweiten Temperatur T_H so geregelt wird, dass sich entlang der Transportvorrichtung (5) ein vorgegebenes Temperaturdifferenzprofil einstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Wärmequelle (13) eine durchströmbare Wärmequelle verwendet wird und die verdampfte Flüssigkeit durch die Wärmequelle (13) hindurch abgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Wärmequelle (13) eine elektrische Heizquelle verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Wärmequelle (13) ein Wärmetauscher verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Transportvorrichtung zumindest eine rotierbare Walze (5) verwendet wird, deren Mantelfläche die Transportfläche (6) bildet.
Vorrichtung zur Trocknung eines auf eine Substratoberfläche eines Substrats (3) aufgetragenen, eine verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms (F), umfassend:
eine Transportvorrichtung (5) zum Transportieren des Substrats (3) auf einer Transportfläche (6) entlang einer Transportrichtung (T),

eine gegenüberliegend des Substrats (3) vorgesehene Wärmequelle (13) mit einer Heizfläche (G), welche in einem Abstand (δ_G) von 0,1 bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substratoberfläche angeordnet ist, und

eine Einrichtung (14) zum Abführen der verdampften Flüssigkeit (F) in Richtung der Wärmequelle (13),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärme von der Heizfläche (G) auf den Fluidfilm (F) im Wesentlichen mittels direkter Wärmeleitung übertragen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei eine weitere Wärmequelle zum Beheizen der Transportfläche (6) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, wobei eine erste Regeleinrichtung zur Regelung einer von der Heizfläche (G) erzeugten ersten Temperatur T_G in Abhängigkeit einer Grenzflächentemperatur T_I des Fluidfilms (F) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei eine zweite Regeleinrichtung zur Regelung einer zweiten Temperatur T_H der Transportfläche (6) in Abhängigkeit der Grenzflächentemperatur T_I vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 18, wobei mittels der ersten und/oder zweiten Regeleinrichtung eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten T_G und der zweiten Temperatur T_H so geregelt wird, dass sich entlang der Transportrichtung (T) ein vorgegebenes Temperaturdifferenzprofil einstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei eine Einrichtung zum Spülen eines die Transportvorrichtung (5) umgebenden Gehäuses (1) mit einem nicht brennbaren Gas, vorzugsweise Stickstoff- oder Kohlendioxidatmosphäre, vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die dem Substrat (3) zugewandte Heizfläche (G) in einem Abstand (δ_G) von 0,2 mm bis 5,0 mm gegenüberliegend der Substratoberfläche angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, wobei die Wärmequelle (13) eine durchströmbare Wärmequelle ist, so dass die verdampfte Flüssigkeit durch die Wärmequelle (13) hindurch abführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei die Wärmequelle (13) eine elektrische Heizquelle ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei die Wärmequelle (13) ein Wärmetauscher ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 24, wobei die Transportvorrichtung eine rotierbare Walze (5) umfasst, deren Mantelfläche die Transportfläche (6) bildet.