EP2864725A1 - Verfahren und vorrichtung zur trocknung eines auf ein substrat aufgetragenen fluidfilms - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur trocknung eines auf ein substrat aufgetragenen fluidfilms

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Publication number
EP2864725A1
EP2864725A1 EP13702951.8A EP13702951A EP2864725A1 EP 2864725 A1 EP2864725 A1 EP 2864725A1 EP 13702951 A EP13702951 A EP 13702951A EP 2864725 A1 EP2864725 A1 EP 2864725A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transport
temperature
substrate
heating
drying
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13702951.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Durst
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
FMP Tech GmbH Fluid Measurements and Projects
Original Assignee
FMP Tech GmbH Fluid Measurements and Projects
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by FMP Tech GmbH Fluid Measurements and Projects filed Critical FMP Tech GmbH Fluid Measurements and Projects
Publication of EP2864725A1 publication Critical patent/EP2864725A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B13/00—Machines and apparatus for drying fabrics, fibres, yarns, or other materials in long lengths, with progressive movement
    • F26B13/10—Arrangements for feeding, heating or supporting materials; Controlling movement, tension or position of materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B3/00—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat
    • F26B3/02—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by convection, i.e. heat being conveyed from a heat source to the materials or objects to be dried by a gas or vapour, e.g. air
    • F26B3/04—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by convection, i.e. heat being conveyed from a heat source to the materials or objects to be dried by a gas or vapour, e.g. air the gas or vapour circulating over or surrounding the materials or objects to be dried
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B3/00—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B17/00—Machines or apparatus for drying materials in loose, plastic, or fluidised form, e.g. granules, staple fibres, with progressive movement
    • F26B17/26—Machines or apparatus for drying materials in loose, plastic, or fluidised form, e.g. granules, staple fibres, with progressive movement with movement performed by reciprocating or oscillating conveyors propelling materials over stationary surfaces; with movement performed by reciprocating or oscillating shelves, sieves, or trays
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B3/00—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat
    • F26B3/18—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by conduction, i.e. the heat is conveyed from the heat source, e.g. gas flame, to the materials or objects to be dried by direct contact
    • F26B3/20—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by conduction, i.e. the heat is conveyed from the heat source, e.g. gas flame, to the materials or objects to be dried by direct contact the heat source being a heated surface, e.g. a moving belt or conveyor

Definitions

  • the invention relates to a method and an apparatus for drying a fluid film applied to a substrate which contains a vaporizable liquid.
  • the web-shaped goods may be, for example, paper, plastic films, textiles or metal strips.
  • a fluid film is applied, which is a
  • the object of the invention is to eliminate the disadvantages of the prior art.
  • a method and a device are to be specified with which a fluid film applied to a substrate can be dried while avoiding mottling phenomena and with improved energy efficiency.
  • a required for discharging the evaporated liquid amount of transport gas should be kept as low as possible.
  • a method for drying a deposited on a substrate surface of a substrate NEN, a vaporizable liquid-containing fluid film is proposed with the following steps: Transporting the substrate on a transport surface of a transport device along a transport direction by a drying device, evaporation of the liquid by means of a plurality of successively arranged in the transport direction heat sources, each of the heat sources having a heating surface, which at a distance of 0.1 mm to 15.0 mm opposite Substrate ⁇ surface is arranged, and
  • the liquid is evaporated by means of a heat source provided opposite the substrate.
  • the heat process of the invention essentially is supplied by direct heat conduction to the fluid film. This advantageously ensures that the fluid film is heated from its surface facing the heating surface in the direction of the substrate surface.
  • a particularly effective and uniform evaporation of the liquid can be achieved by the method according to the invention.
  • the entry of heat is applied to the substrate by means of several successively arranged in Trans ⁇ port directional heating surfaces, WO is provided between two successive heating surfaces, a first discharge opening for discharging the evaporated liquid.
  • WO is provided between two successive heating surfaces, a first discharge opening for discharging the evaporated liquid.
  • the transport gas is supplied through a supply opening provided between two successive heating surfaces.
  • the transport gas is alternately in the transport direction by alternately arranged removal and feed openings ⁇ off and fed.
  • the feed openings are in particular configured to allow the transport gas is supplied in a substantially parallel direction to the transport direction ⁇ the drying duct. It can thus be supported the formation of a laminar flow in the drying channel.
  • the feed openings are designed such that a flow directed thereby to the first slots extends in the transport direction. But the feed openings can also be formed be that directed against the transport direction flow from the supply to the discharge is formed.
  • a distance between the discharge and the feed openings is advantageously 20 to 100 mm, preferably 40 to 70 mm.
  • the transport gas can be supplied through the supply ports at a speed of 1 to 10 m / s. It can be discharged through the discharge openings at a further speed of 1 to 10 m / s.
  • the transport gas before being heated to a temperature of 50 ° C to 300 ° C, preferably 100 ° C to 250 ° C, heated.
  • the relative humidity of the transport gas may be less than 50%, advantageously less than 30%.
  • the transport gas is advantageously dried before being fed to the feed opening.
  • the transport gas is expediently heated only after drying.
  • a first temperature T G is controlled as a function of the heating surface in an interfacial ⁇ temperature Ti of the fluid film.
  • the first temperature T G is set so that the required Abtrans- port of the released fluid vapor from the surface ge ⁇ is ensured.
  • the heat is transferred from the heating surface to the fluid film ⁇ advantageous way to be in the substantially by direct heat conduction. Because of the small distance between the heating surface and the interface of the fluid film and the arrangement of Edelflä ⁇ che above the interface hardly occurs in the transport gas to convection. Nevertheless, in the transport gas through Molecular movement heat transferred similar to "direct heat transfer" on the fluid film.
  • the heat radiation emitted by the heating surface is essentially absorbed by the substrate and / or the transport surface. It is fed from there to the fluid film.
  • the first temperature T G is suitably controlled in the range of 50 ° C to 200 ° C, preferably in the range of 80 ° C and 150 ° C.
  • the transport surface is heated by means of a further heat source.
  • a second temperature T H of the transport surface generated by the further heat source is advantageously regulated as a function of the interfacial temperature ⁇ .
  • the second temperature T H can be regulated in particular such that the following relationship is fulfilled:
  • the transport surface is heated to a second temperature T H by means of a further heat source.
  • the second temperature T H is set so that it is greater than the interface temperature Ti.
  • a particularly large mass flow of the evaporated liquid is advantageously achieved when the differences difference ⁇ between the interface temperature ⁇ and the second temperature T H is in the range of 2 ° C to 30 ° C.
  • Air or non-flammable gas can be used as transport gas. Conveniently, the evaporation of the
  • Liquid in a non-combustible gas atmosphere preferably ⁇ nitrogen or carbon dioxide atmosphere performed. This can be safely and reliably avoided ignition of a vaporized within the drying device combustible liquid.
  • the heating surface facing the substrate is arranged at a distance of 0.2 mm to 10.0 mm, preferably 0.2 to 5.0 mm, opposite the substrate surface.
  • the proposed small distance between the heating surface and the substrate surface ⁇ surface allows a particularly homogeneous heating of the
  • Fluid film and hence a uniform evaporation of flues ⁇ fluid A thickness of the fluid film is of course chosen so that it is smaller than the aforementioned distance.
  • the fluid film may have a thickness in the range of 5 ym to 300 ym, preferably 10 ym to 100 ym.
  • the second temperature T H is controlled so that it is always smaller than the first temperature T G.
  • a temperature difference between the first and the second temperature T G T H can be particularly controlled so that along the transport device ⁇ a predetermined temperature difference profile once.
  • the temperature gradient or the temperature difference between the first T G and the second temperature T H can change along the transport direction in a predetermined manner. This takes into account the fact that the amount of evaporating liquid decreases in the transport direction.
  • the change of the temperature gradient can be effected by a suitable regulation of the first T G and / or second temperature T H or also by a change of the distance of the heating surface from the boundary surface.
  • an electrical heating ⁇ source preferably a resistive heating elements be ⁇ ded to heat source used.
  • the resistance heating elements can be arranged, for example, like a grid.
  • Fer ⁇ ner it is possible to use as a heat source at least one réelletau ⁇ shear.
  • Such a heat exchanger may be designed to be flowed through like a radiator for motor vehicles. It is also possible for a plurality of heat exchangers to be provided one behind the other in the transport direction, it being possible for a gap to be provided in each case between the heat exchangers. Through the gap, the vaporized liquid can be removed from the surface of the fluid film.
  • At least one rotatable roller is used as a transport device, whose lateral surface forms the transport surface.
  • Ei ⁇ ne such transport device can be made relatively compact. It can also be combined with a Schiitzdüsentechnik- tool for applying the fluid film.
  • the heat source is configured corresponding to the lateral surface of the roller, ie the heating surfaces are arranged at a predetermined small distance from the lateral surface.
  • the further heat source is z. B. disposed within the roller. - By means of the further heat source is the
  • Transport surface of a substrate opposite the underside of the transport device ago preferably by means direct heat conduction, heated.
  • the transport surface can be electrically heated by means of resistance heating elements.
  • Such an electric heater allows a particularly simple control of the temperature of the transport surface.
  • an apparatus for drying a fluid film containing a vaporizable liquid applied to a substrate surface comprising: a transport device for transporting the substrate on a transport surface along a transport direction, a plurality of heat sources sequentially arranged opposite to the substrate in the transport direction, wherein each of the heat sources comprises a heating surface of the substrate ⁇ surface is in a from ⁇ was from 0.1 mm to 15.0 mm disposed opposite, and means for discharging the evaporated liquid which is an opening provided between two successive heating areas discharge opening for Removing the evaporated liquid comprises.
  • the proposed device enables efficient drying of a fluid film applied to a substrate.
  • the liquid is vaporized by a plurality of heat sources provided opposite the substrate.
  • the heating surfaces of the heat sources are in departure from the prior art only at a distance of 0.1 to 15.0 mm, preferably 0.2 to 10.0 mm, arranged from the substrate surface. Between two successive heating surfaces is a discharge opening intended.
  • the discharge opening is part of a device for removing the evaporated liquid. - This makes it possible to quickly dissipate the evaporated liquid from the drying ⁇ channeling.
  • the proposed device enables an efficient light-drying of a coated substrate to a top surface of a substrate ⁇ fluid film.
  • a device for supplying transport gas which comprises a supply opening provided between two successive heating surfaces for supplying the transport gas.
  • the discharge and the supply openings are alternately provided between the heating surfaces successively arranged in the transport direction.
  • a distance between the discharge and the supply openings is for example 10 mm to 100 mm, preferably 30 mm to 70 mm.
  • the proposed alternate arrangement of the discharge and the supply ports allows efficient removal of the evaporated liquid.
  • the feed openings are expediently designed such that the transport gas in a direction substantially parallel to the transport direction to the
  • the transport gas can be supplied to the drying channel both in the transport direction and counter to the transport direction. It may be a heater for heating the transport gas to ei ⁇ ne temperature of 150 ° C to 300 ° C, preferably 100 ° C to 250 ° C, may be provided.
  • the device for heating the transport gas can be equipped with a device for drying the Be combined transport gas. Because of the inventively proposed small distance between the heating surfaces and the substrate only a small amount of transport gas is needed.
  • the heater and a possibly provided drying device can be made smaller and less expensive compared to the devices known from the prior art.
  • the device for discharging from several successive in the transport direction modules is formed, each of the modules has two heating surfaces and a vorgese ⁇ hene discharge opening therebetween - downstream of a downstream discharge - with respect to a flow direction of the discharged transport gas is.
  • the modular design enabled ⁇ light a simple and efficient production of Vorrich ⁇ obligations with different length in the transport direction drying facilities.
  • the proposed device can be easily repaired. For example, in the event of failure of a heating surface, the module in question can be replaced quickly and easily.
  • two successive modules are arranged so that the feed opening is formed therebetween.
  • corresponding spacers and / or a connecting device may be provided on the module, which allows a connection of two successive modules to form the feed opening.
  • a feed channel and a Ge ⁇ blower for supplying the transport gas is provided. more convenient locations Sure, all feed ports are connected to a common feed channel.
  • a further heat source for heating the transport surface is provided.
  • the further heat source is expediently provided on an opposite strat the sub ⁇ "bottom" of the transport device. It may be, for example, a resistance heater.
  • a first control device for controlling a generated from the heating surface first temperature T G is provided in response to a Grenzflä ⁇ chentemperatur Ti of the fluid film.
  • the controlled variable namely, the first temperature T G of the heating surface is turned provides ⁇ according to a predetermined algorithm in dependence of the Grenzflä ⁇ chentemperatur Ti which constitutes the reference variable.
  • the first temperature T G can be regulated, for example, such that a predetermined temperature gradient is formed between the interface temperature Ti and the first temperature T G.
  • a second control device is advantageously provided for controlling a second temperature T H of the transport surface as a function of the interface temperature ⁇ .
  • the interface temperature ⁇ is measured as a reference variable.
  • the second temperature T H is adjusted or tracked by means of the control device.
  • the setting or the tracking of the second temperature T H is expediently carried out in such a way that a predetermined interfaces ⁇ temperature Ti is kept substantially constant.
  • the first T G and the second temperature T H can ⁇ example, be measured by conventional thermocouples.
  • the interface temperature ⁇ can contactlessly be detected by means of an infrared measuring device Example ⁇ example.
  • the first control device can also be omitted.
  • the first temperature T G is kept constant.
  • the first and second control means may also be gekop ⁇ pelt.
  • a temperature gradient between the first T G and the second temperature T H can be regulated in accordance with a further predetermined algorithm so that along the transport direction a predetermined temperature difference profile is established between the transport surface and the heating surface.
  • FIG. 4 shows the mass diffusion rate over the gas temperature for a given transport surface temperature
  • 5 the mass diffusion rate over the transport surface temperature at a given gas temperature
  • FIG. 6 the drying time above the gas temperature at a given transport surface temperature
  • Fig. 14 is a schematic sectional view through modules of another device for drying.
  • the temperature gradient in the air gap above the interface of the fluid film meets the equation of energy that can be used for the gas phase ⁇ specified as follows:
  • the interfacial temperature ⁇ / ie the temperature at the free surface of the fluid film, can be calculated as follows:
  • the mass diffusion rate per unit area based on the temperature gradient at the free surface can be calculated as follows:
  • the drying time for the material to be coated can be calculated as follows:
  • ⁇ L 0.6 W / (mK)
  • p L 1000 kg / m 3
  • a / i iH 2260 KJ / Kg
  • the drying of the fluid film is determined inter alia by controlling the second temperature T H to the conveying surface and by the first temperature T G of the heat source.
  • the heat ⁇ source is mounted at a distance ⁇ G of the gas phase facing ⁇ th interface of the fluid film.
  • FIG. 2 shows the interface temperature T j above the first temperature T G of the heat source or gas phase.
  • 3 shows the interface temperature T j above the temperature T H of the transport surface.
  • the mass diffusion rate can be achieved by increasing the first temperature Tem ⁇ T G. It can also be seen that an increase in the second temperature T H causes a reduction in the mass diffusion rate. As can be seen in particular from FIGS. 6 and 7, a reduction in the drying time can be achieved if the second temperature T H is selected to be small and the first temperature T G is selected to be high. Both temperatures T G and T H are adjustable so that T ⁇ can be controlled. T j can z. B. be kept at room temperature.
  • Fig. 8 shows a schematic sectional view of an exporting ⁇ approximately example of an apparatus for drying.
  • a supply roll 2 on which the layer to be ⁇ substrate is accommodated.
  • the substrate 3 is first clamping rollers 4a, 4b ge ⁇ leads to a transport roller.
  • a jacket or transport surface 6 of the transport roller 5 is partially surrounded by a drying device 7, preferably over an angle of 180-270 °.
  • Upstream of the drying device 7 is provided a designated by the reference numeral 8 slot nozzle tool for applying ei ⁇ nes fluid film F onto the substrate.
  • 3 Downstream of the drying device 7 is at least one further tension roller 9, via which the substrate 3 is wound onto a roller 10.
  • the reference numeral 11 is a Wal ⁇ zenalismsvortechnisch is designated, which is arranged downstream of the drying device 7 and upstream of the slot die tool. 8
  • the drying device 7 has a further housing 12.
  • the further housing 12 is provided with suction devices 14, with which a liquid vapor escaping from the fluid film F is extracted.
  • a heat source 13 for example, cons ⁇ standscomposingdrähten is formed.
  • a heating surface G of the heat source 13 is arranged at a distance 6 G of, for example, 0.1 mm to 1.0 mm opposite the interface I of the fluid film F ange ⁇ .
  • a substantially parallel to the interface I extending flow direction of the transport gas is indicated.
  • the apparatus shown in Fig. 8 according to the invention is constructed be ⁇ Sonders compact. Instead of a transport roller 5, a plurality of transport rollers 5 can be used. Thus, a drying section can be increased, which is a
  • FIG. 10 The schematic sectional view shown in FIG. 10 is shown by a further exemplary embodiment of a diffusion dryer or a further drying device 15 according to the invention.
  • the substrate 3 is in turn received on a supply roll 2; it is transported with a trie is surrounded ⁇ roller sixteenth
  • the reference numeral 8 again denotes a slot nozzle tool for applying a film of fluid F to the substrate 3, which is arranged upstream of a further drying device 15.
  • the further drying device 15 comprises several in
  • Transport direction T successively arranged Bankele- elements 17, which may be plate-shaped resistance ⁇ heating elements.
  • a heating surface G of the heating elements 17 is arranged at a distance ⁇ G of 2 to 10 mm from a substrate surface.
  • the reference numeral 18 denotes a further transport surface.
  • the further transport surface 18 can be heated. It may in particular be an adjustable ⁇ a specified differently surrounded heating profile along the further transport surface eighteenth
  • the further transport surface 18 can also be ge ⁇ cooled.
  • the discharge and / or supply openings 20 are expediently slot-shaped.
  • the feed openings 20 may be provided with a (not shown here) flow guide.
  • the flow guide is configured such that the Trans ⁇ port gas is supplied to the drying channel in a direction which is parallel to the interface I substantially.
  • Fig. 12 shows the density of the transport gas over the distance between the heating surface and the substrate surface. The density increases with decreasing distance from the substrate surface due to the increasing content of vaporized liquid.
  • FIG. 13 shows the temperature of the transport gas above the distance between the heating surface and the substrate surface, wherein an inlet temperature of the transport gas into the drying channel is approximately 475 K. As can be seen from FIG. 13, in this case the temperature decreases to a value of about 320 K in the region of the substrate surface.
  • Fig. 14 shows a schematic partial sectional view through a further device for drying. Two successive heating elements 17 are part of a module M.
  • a discharge opening 19 is provided in the form of a slot, which opens into a discharge channel 21.
  • the discharge channels 21 of the modules M lead into a discharge collection channel (not shown here) with which moist transport gas is fed to a dryer (not shown here).
  • the To ⁇ -openings 20 are also slot-like design.
  • Egg ⁇ ne slot width of the feed openings 20 is larger than a slot width of the discharge openings 19.

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Abstract

Die Erfindung betrifft 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 mehrerer in Transportrichtung (T) aufeinanderfolgend angeordneter Wärmequellen(13), wobei jede der Wärmequellen (13) eine Heizfläche (G) aufweist, welche in einem Abstand (deltaG) von 0,1 mm bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substratoberfläche angeordnet ist, und Abführen der verdampften Flüssigkeit durch einen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen (G) vorgesehene Abführöffnung (19).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Trocknung eines auf ein Substrat aufgetragenen Fluidfilms
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung eines auf ein Substrat aufgetragenen Fluidfilms, der eine verdampfbare Flüssigkeit enthält.
Nach dem Stand der Technik ist es 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 bei- spielsweise aus der DE 39 27 627 AI bekannt, sowohl eine Un¬ terseite des Substrats als auch eine mit dem Fluidfilm verse¬ hene gegenüberliegende Oberseite mit einem erwärmten Trans¬ portgas anzuströmen. Zur Anströmung der Oberseite sind in Transportrichtung aufeinanderfolgend erste und zweite Filter- platten vorgesehen. Durch die ersten Filterplatten wird Zuluft zugeführt. Durch die zweiten Filterplatten wird die mit Dämpfen und Lösungsmitteln angereichte Abluft abgeführt. Das Vorsehen der Filterplatten trägt zu einer relativ langsamen Strömungsgeschwindigkeit bei, so dass die Zu- und Abluft im Wesentlichen laminar strömt. Es können damit Meliererschei¬ nungen auf der Oberfläche des Fluidfilms vermieden werden. Aus der WO 82/03450 ist es bekannt, Zuluft durch eine in ei¬ nem Abstand oberhalb des Fluidfilms vorgesehene Verteiler¬ platte zuzuführen. Durch die Wirkung der Verteilerplatte wird die Strömung des Transportgases im Bereich oberhalb der
Fluidschicht verlangsamt. Turbulente Strömungen werden ver¬ mieden. Ein aus dem Fluidfilm entweichender Flüssigkeitsdampf kann allerdings nicht besonders schnell abgeführt werden. Dieses Trocknungsverfahren ist nicht besonders effizient. Bei den nach dem Stand der Technik bekannten Trocknungsverfahren werden große Volumenströme an Transportgas 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 Energieeffizienz ge- trocknet werden kann. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll eine zum Abführen der verdampften Flüssigkeit erforderliche Menge an Transportgas möglichst gering gehalten werden.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 19 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 18 und 20 bis 35.
Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Verfahren zur Trocknung eines auf eine Substratoberfläche eines Substrats aufgetrage- nen, eine verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms mit folgenden Schritten vorgeschlagen: Transportieren des Substrats auf einer Transportfläche einer Transportvorrichtung entlang einer Transportrichtung durch eine Trocknungseinrichtung, Verdampfen der Flüssigkeit mittels mehrerer in Transportrichtung aufeinanderfolgend angeordneter Wärmequellen, wobei jede der Wärmequellen eine Heizfläche aufweist, welche in einem Abstand von 0,1 mm bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substrat¬ oberfläche angeordnet ist, und
Abführen der verdampften Flüssigkeit durch eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen vorgesehene erste Abführöffnung . Beim vorgeschlagenen Verfahren wird, in Abkehr vom Stand der Technik, die Flüssigkeit mittels einer gegenüberliegend des Substrats vorgesehenen Wärmequelle verdampft. Indem die Heiz¬ fläche der Wärmequelle lediglich in einem Abstand von 0,1 mm bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substratoberfläche angeord- net 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 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besonders effektive und gleichmäßige Verdampfung der Flüssigkeit erreicht werden.
Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung erfolgt der Eintrag der Wärme auf das Substrat mittels mehrerer in Trans¬ portrichtung aufeinanderfolgend angeordneter Heizflächen, wo- bei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen eine erste Abführöffnung zum Abführen der verdampften Flüssigkeit vorgesehen ist. Damit ist es möglich, die verdampfte Flüssigkeit bzw. ein die verdampfte Flüssigkeit aufnehmendes Transportgas besonders schnell aus einem Trocknungskanal zu entfernen, der durch die Heizflächen, die Transportfläche sowie in Trans¬ portrichtung verlaufende Seitenwände gebildet ist. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können Trocknungsraten von bis zu 20 g/m2s erreicht werden. Das entspricht et- wa dem 10-Fachen derjenigen Trocknungsraten, welche mit den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren erreicht werden können. Die benötigten Mengen an Transportgas können um einen Faktor von bis zu 100 reduziert werden. Der Aufwand zum Aufheizen und Reinigen des Transportgases kann erheblich ver- mindert werden. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine besonders effiziente Trocknung eines auf eine Substratober¬ fläche eines Substrats aufgetragenen Fluidfilms.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Transportgas durch eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen vorgesehene Zuführöffnung zugeführt wird. Vorteilhafterweise wird das Transportgas in Transportrichtung durch abwechselnd angeordnete Ab- und Zu¬ führöffnungen abwechselnd ab- und zugeführt.
Die Zuführöffnungen sind insbesondere so ausgestaltet, dass damit das Transportgas in eine im Wesentlichen zur Transport¬ richtung parallele Richtung dem Trocknungskanal zugeführt wird. Es kann damit die Ausbildung einer laminaren Strömung im Trocknungskanal unterstützt werden. Vorteilhafterweise sind die Zuführöffnungen so ausgebildet, dass eine damit zu den ersten Schlitzen gerichtete Strömung in Transportrichtung verläuft. Die Zuführöffnungen können aber auch so ausgebildet sein, dass eine entgegen der Transportrichtung gerichtete Strömung von den Zu- zu den Abführöffnungen sich ausbildet.
Ein Abstand zwischen den Ab- und den Zuführöffnungen beträgt vorteilhafterweise 20 bis 100 mm, vorzugsweise 40 bis 70 mm.
Das Transportgas kann durch die Zuführöffnungen mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 m/s zugeführt werden. Es kann mit einer weiteren Geschwindigkeit von 1 bis 10 m/s durch die Ab- führöffnungen abgeführt werden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Transportgas vor dem Zuführen auf eine Temperatur von 50°C bis 300°C, vorzugsweise 100°C bis 250°C, aufgeheizt. - Die relative Feuchtigkeit des Transportgases kann weniger als 50%, vorteilhafterweise weniger als 30%, betragen. Zu diesem Zweck wird das Transportgas vor dem Zuführen zur Zuführöffnung vorteilhafterweise getrocknet. Das Transportgas wird zweckmäßigerweise erst nach dem Trocknen aufgeheizt.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine erste Temperatur TG der Heizfläche in Abhängigkeit einer Grenzflächen¬ temperatur Ti des Fluidfilms geregelt. Die erste Temperatur TG wird dabei so eingestellt, dass der erforderliche Abtrans- port des frei werdenden Fluiddampfs von der Oberfläche ge¬ währleistet wird.
Die Wärme wird von der Heizfläche auf den Fluidfilm vorteil¬ hafterweise im Wesentlichen mittels direkter Wärmeleitung übertragen. Wegen des geringen Abstands zwischen Heizfläche und Grenzfläche des Fluidfilms und der Anordnung der Heizflä¬ che oberhalb der Grenzfläche kommt es im Transportgas kaum zu einer Konvektion. Gleichwohl wird die im Transportgas durch Molekülbewegung enthaltene Wärme ähnlich "direkter Wärmeübertragung" auf den Fluidfilm übertragen. Die von der Heizfläche abgestrahlte Wärmestrahlung wird im Wesentlichen vom Substrat und/oder der Transportfläche absorbiert. Sie wird von da aus dem Fluidfilm zugeführt.
Die erste Temperatur TG wird zweckmäßigerweise im Bereich von 50°C bis 200°C, vorzugsweise im Bereich von 80°C und 150°C, geregelt .
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Transportfläche mittels einer weiteren Wärmequelle beheizt. Eine durch die weitere Wärmequelle erzeugte zweite Temperatur TH der Transportfläche wird vorteilhafterweise in Abhängig- keit der Grenzflächentemperatur ΤΊ geregelt. Dabei kann die zweite Temperatur TH insbesondere so geregelt werden, dass folgende Beziehung erfüllt ist:
TH = Ti + ΔΤ, wobei
Ti im Bereich von 10°C bis 50°C und
ΔΤ im Bereich von 10°C bis 40°C, vorzugsweise 20°C bis 30°C, liegt .
Bedingt durch die Verdampfung der Flüssigkeit kommt es zu ei¬ ner Abkühlung der Transportfläche. Zur Erhöhung des Massestroms der verdampften Flüssigkeit wird mittels einer weite¬ ren Wärmequelle die Transportfläche auf eine zweite Tempera- tur TH aufgeheizt. Dabei wird die zweite Temperatur TH so eingestellt, dass sie größer als die Grenzflächentemperatur Ti ist. Ein besonders großer Massestrom der verdampften Flüssigkeit wird vorteilhafterweise dann erreicht, wenn die Dif- ferenz ΔΤ zwischen der Grenzflächentemperatur ΤΊ und der zweiten Temperatur TH im Bereich von 2°C bis 30°C liegt.
Als Transportgas kann Luft oder ein nicht-brennbares Gas ver- wendet werden. Zweckmäßigerweise wird die Verdampfung der
Flüssigkeit in einer nicht-brennbaren Gasatmosphäre, vorzugs¬ weise 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 10,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 5,0 mm, gegenüber- liegend der Substratoberfläche angeordnet. Der vorgeschlagene geringe Abstand zwischen der Heizfläche und der Substratober¬ fläche ermöglicht eine besonders homogene Erwärmung des
Fluidfilms und damit eine gleichmäßige Verdampfung der Flüs¬ sigkeit. Eine Dicke des Fluidfilms ist dabei selbstverständ- lieh so gewählt, dass sie kleiner als der vorgenannte Abstand ist. Der Fluidfilm kann beispielsweise eine Dicke im Bereich von 5 ym bis 300 ym, vorzugsweise 10 ym bis 100 ym haben.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die zweite Temperatur TH so geregelt, dass sie stets kleiner als die erste Temperatur TG ist. Eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten TG und der zweiten Temperatur TH kann insbesondere so geregelt werden, dass sich entlang der Transport¬ vorrichtung ein vorgegebenes Temperaturdifferenzprofil ein- stellt. Der Temperaturgradient bzw. die Temperaturdifferenz zwischen erster TG und zweiter Temperatur TH 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 TG und/oder zweiten Temperatur TH oder auch durch eine Änderung des Abstands der Heizfläche von der Grenzfläche bewirkt werden.
Als Wärmequelle wird zweckmäßigerweise eine elektrische Heiz¬ quelle, vorzugsweise eine mit Widerstandsheizelementen be¬ stückte Heizquelle, verwendet. Dabei können die Widerstands- heizelemente beispielsweise gitterartig angeordnet sein. Fer¬ ner ist es möglich, als Wärmequelle zumindest einen Wärmetau¬ scher zu verwenden. Ein solcher Wärmetauscher kann ähnlich einem Kühler für Kraftfahrzeuge durchströmbar ausgestaltet sein. Es können auch mehrere Wärmetauscher in Transportrich- tung 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. Ei¬ ne solche Transportvorrichtung kann relativ kompakt ausgestaltet werden. Sie kann ferner mit einem Schiitzdüsenwerk- zeug 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. die Heizflächen sind in einem vorgegebenen geringen Abstand von der Mantelfläche angeord- net. Die weitere Wärmequelle ist z. B. 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 Trans- portfläche.
Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Trocknung eines auf eine Substratoberfläche eines Substrats aufgetragenen, eine verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms vorgeschlagen, umfassend: eine Transportvorrichtung zum Transportieren des Substrats auf einer Transportfläche entlang einer Transportrichtung, mehrere gegenüberliegend des Substrats in Transportrichtung aufeinanderfolgend angeordnete Wärmequellen, wobei jede der Wärmequellen eine Heizfläche aufweist, welche in einem Ab¬ stand von 0,1 mm bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substrat¬ oberfläche angeordnet ist, und eine Einrichtung zum Abführen der verdampften Flüssigkeit, welche eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen vorgesehene Abführöffnung zum Abführen der verdampften Flüssigkeit umfasst.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht eine effiziente Trocknung eines auf einem Substrat aufgetragenen Fluidfilms. Dabei wird die Flüssigkeit durch mehrere gegenüberliegend des Substrats vorgesehene Wärmequellen verdampft. Die Heizflächen der Wärmequellen sind in Abkehr vom Stand der Technik lediglich in einem Abstand von 0,1 bis 15,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 10,0 mm, von der Substratoberfläche angeordnet. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen ist eine Abführöffnung vorgesehen. Die Abführöffnung ist Bestandteil einer Einrichtung zum Abführen der verdampften Flüssigkeit. - Damit ist es möglich, die verdampfte Flüssigkeit schnell aus dem Trock¬ nungskanal abzuführen. Die vorgeschlagene Vorrichtung ermög- licht eine effiziente Trocknung eines auf eine Substratober¬ fläche eines Substrats aufgetragenen Fluidfilms.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung zum Zuführen von Transportgas vorgesehen, welche eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen vorgesehene Zuführöffnung zum Zuführen des Transportgases umfasst. Vorteilhafterweise sind zwischen den in Transportrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Heizflächen abwechselnd die Ab- und die Zuführöffnungen vorgesehen. Ein Abstand zwischen den Ab- und den Zuführöffnungen beträgt beispielsweise 10 mm bis 100 mm, vorzugsweise 30 mm bis 70 mm. Die vorgeschlagene abwechselnde Anordnung der Ab- und der Zuführöffnungen ermöglicht ein effizientes Abführen der verdampften Flüssigkeit. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels der Einrichtung zum Zuführen das Transportgas durch die Zuführöffnungen mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 m/s zu¬ geführt. Dabei sind die Zuführöffnungen zweckmäßigerweise so ausgestaltet, dass das Transportgas in einer im Wesentlichen parallel zur Transportrichtung verlaufenden Richtung dem
Trocknungskanal zugeführt wird. Das Transportgas kann sowohl in Transportrichtung als auch entgegen der Transportrichtung dem Trocknungskanal zugeführt werden. Es kann eine Heizung zum Aufheizen des Transportgases auf ei¬ ne Temperatur von 150°C bis 300°C, vorzugsweise 100°C bis 250°C, vorgesehen sein. Die Einrichtung zum Aufheizen des Transportgases kann mit einer Einrichtung zum Trocknen des Transportgases kombiniert sein. Wegen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen geringen Abstands zwischen den Heizflächen und dem Substrat wird nur eine geringe Menge an Transportgas benötigt. Die Heizung sowie eine ggf. vorgesehene Trocknungs- Vorrichtung können im Vergleich zu den nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen kleiner und kostengünstiger ausgestaltet werden.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung ist die Einrichtung zum Abführen aus mehreren in Transportrichtung aufeinanderfolgenden Modulen gebildet, wobei jedes der Module zwei Heizflächen und eine dazwischen vorgese¬ hene Abführöffnung aufweist, der - bezüglich einer Strömungsrichtung des abgeführten Transportgases - stromabwärts ein Abführkanal nachgeordnet ist. Die modulare Bauweise ermög¬ licht eine einfache und effiziente Herstellung von Vorrich¬ tungen mit in Transportrichtung unterschiedlich langen Trocknungseinrichtungen. Ferner lässt sich die vorgeschlagene Vorrichtung einfach reparieren. Beispielsweise kann im Falle ei- nes Ausfalls einer Heizfläche das betreffende Modul schnell und einfach ausgetauscht werden.
Vorteilhafterweise sind zwei aufeinanderfolgende Module so angeordnet, dass dazwischen die Zuführöffnung gebildet ist. Zu diesem Zweck können am Modul entsprechende Abstandshalter und/oder eine Verbindungsvorrichtung vorgesehen sein, welche eine Verbindung zweier aufeinanderfolgender Module unter Ausbildung der Zuführöffnung ermöglicht. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind - bezüglich der Strömungsrichtung des zugeführten Transportgases - stromaufwärts der Zuführöffnung ein Zuführkanal und ein Ge¬ bläse zum Zuführen des Transportgases vorgesehen. Zweckmäßi- gerweise sind sämtliche Zuführöffnungen mit einem gemeinsamen Zuführkanal verbunden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine weitere Wär- mequelle zum Beheizen der Transportfläche vorgesehen. Die weitere Wärmequelle ist zweckmäßigerweise an einer dem Sub¬ strat 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 TG in Abhängigkeit einer Grenzflä¬ chentemperatur Ti des Fluidfilms vorgesehen. Die Regelgröße, nämlich die erste Temperatur TG der Heizfläche, wird gemäß einem vorgegebenen Algorithmus in Abhängigkeit der Grenzflä¬ chentemperatur Ti, welche die Führungsgröße bildet, einge¬ stellt. Dabei kann die erste Temperatur TG beispielsweise so geregelt werden, dass sich zwischen der Grenzflächentempera- tur Ti und der ersten Temperatur TG ein vorgegebener Temperaturgradient ausbildet.
Ferner ist vorteilhafterweise eine zweite Regeleinrichtung zur Regelung einer zweiten Temperatur TH der Transportfläche in Abhängigkeit der Grenzflächentemperatur ΤΊ vorgesehen. In diesem Fall wird die Grenzflächentemperatur ΤΊ als Führungsgröße gemessen. In Abhängigkeit der gemessenen Grenzflächentemperatur Ti wird mittels der Regeleinrichtung die zweite Temperatur TH eingestellt bzw. nachgeführt. Dabei erfolgt die Einstellung bzw. das Nachführen der zweiten Temperatur TH zweckmäßigerweise derart, dass eine vorgegebene Grenzflächen¬ temperatur Ti im Wesentlichen konstant gehalten wird. Die erste TG und die zweite Temperatur TH können beispiels¬ weise mittels herkömmlicher Thermoelemente gemessen werden. Die Grenzflächentemperatur ΤΊ kann berührungslos beispiels¬ weise mittels eines Infrarot-Messgerätes erfasst werden.
Die erste Regeleinrichtung kann auch weggelassen werden. In diesem Fall wird die erste Temperatur TG konstant gehalten. - Die erste und die zweite Regeleinrichtung können auch gekop¬ pelt sein. Ein Temperaturgradient zwischen der ersten TG und der zweiten Temperatur TH 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 Transportflä- chentemperatur 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, eine schematische Schnittansicht durch ein Ausfüh¬ rungsbeispiel einer Vorrichtung zur Trocknung, eine schematische Detailansicht gemäß Fig. 8, eine schematische Schnittansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Trocknung, Fig. 11 die Geschwindigkeit des Transportgases über dem Ab¬ stand zwischen Heizfläche und Substratoberfläche,
Fig. 12 die Dichte des Transportgases über dem Abstand zwi¬ schen Heizfläche und Substratoberfläche,
Fig. 13 die Temperatur des Transportgases über dem Abstand zwischen Heizfläche und Substratoberfläche und
Fig. 14 eine schematische Schnittansicht durch Module einer weiteren Vorrichtung zur Trocknung.
Nachfolgend werden theoretische Grundlagen des erfindungsge¬ mäßen 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 Gas¬ phase wie folgt angegeben werden kann:
Löst man diese Diffusionsgleichung, so erhält man folgende, allgemeine Lösung: wobei C-L und c2 zwei noch zu definierende Integrationskonstan¬ ten darstellen. Diese können über geeignete Randbedingungen bestimmt werden. Diese Randbedingungen sind wie folgt:
y = δα , T = TG
Löst man die obigen Gleichungen durch Einsetzen der Randbedingungen nach C-L und c2 auf, so erhält man für diese Größen Werte, die das Temperaturprofil in der Gasphase wie folgt an¬ geben lassen:
Für y = 0 erhält man T = T1. Damit lässt sich die Grenzflächentemperatur Γ/, d. h. die Temperatur an der freien Oberfläche des Fluidfilms, wie folgt errechnet:
(1 - f) * TH - Tj) * exp 5G) - l}
Die Massendiffusionsrate pro Flächeneinheit auf Grund des vorliegenden Temperaturgradienten an der freien Oberfläche lässt sich wie folgt errechnen:
Die Trocknungszeit für das zu beschichtende Material kann wie folgt berechnet werden:
M pL*h*(ßGAhLH-2 GTI *(^ +^j
td = = α-0*μβΗΤΗ-Τ,)
Durch den obigen Satz von Gleichungen kann das eindimensionale Diffusions-Wärmeübertragungsproblem und das Problem der zugehörigen Massenfreisetzung und des Massentransports analy¬ tisch 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 ym, i = 10 ym, 5G = 300 ym
f = 0.2, TQ = 350 K, Tfj = 295 K
Die folgenden Materialeigenschaften wurden, trotz der Temperaturänderungen, als konstant angenommen: μα = 1.8 x 10"5 kg/ (ms), AG = 0.024 W/ (mK) , CP = 1.012
KJ/ (KgK)
ÄL = 0.6 W/ (mK) , pL = 1000 kg/m3, A/iiH = 2260 KJ/Kg
Äs = 0.12 W/ (mK) Die Trocknung des Fluidfilms wird u. a. durch eine Kontrolle der zweiten Temperatur TH auf der Transportfläche und durch die erste Temperatur TG der Wärmequelle bestimmt. Die Wärme¬ quelle ist in einem Abstand ÖG von der der Gasphase zugewand¬ ten Grenzfläche des Fluidfilms angebracht.
Fig. 2 zeigt die Grenzflächentemperatur Tj über der ersten Temperatur TG der Wärmequelle bzw. Gasphase. Fig. 3 zeigt die Grenzflächentemperatur Tj über der Temperatur TH der Transportfläche .
Wie insbesondere aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich ist, kann die Massendiffusionsrate durch eine Erhöhung der ersten Tem¬ peratur TG erreicht werden. Ferner ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der zweiten Temperatur TH eine Reduktion der Massen- diffusionsrate bewirkt. Wie insbesondere aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, kann eine Reduktion der Trocknungszeit dann erreicht werden, wenn die zweite Temperatur TH klein und die erste Temperatur TG hoch gewählt wird. Dabei sind beide Temperaturen TG und TH so einstellbar, dass T} kontrolliert werden kann. Tj kann z. B. auf Raumtemperatur gehalten werden.
Fig. 8 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausfüh¬ rungsbeispiels einer Vorrichtung zur Trocknung. In einem Ge- häuse 1 befindet sich eine Vorratswalze 2, auf der das zu be¬ schichtende Substrat 3 aufgenommen ist. Das Substrat 3 wird über erste Spannrollen 4a, 4b auf eine Transportwalze 5 ge¬ führt. 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 ei¬ nes Fluidfilms F auf das Substrat 3 vorgesehen. Stromabwärts der Trocknungseinrichtung 7 befindet sich zumindest eine wei- tere Spannrolle 9, über welche das Substrat 3 auf eine Walze 10 aufgewickelt wird. Mit dem Bezugszeichen 11 ist eine Wal¬ zenreinigungsvorrichtung bezeichnet, welche stromabwärts der Trocknungseinrichtung 7 und stromaufwärts des Schlitzdüsenwerkzeugs 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.
In Fig. 9 ist eine Wärmequelle 13 beispielsweise aus Wider¬ standsheizdrähten gebildet. Eine Heizfläche G der Wärmequelle 13 ist in einem Abstand 6G von beispielsweise 0,1 mm bis 1,0 mm gegenüberliegend der Grenzfläche I des Fluidfilms F ange¬ ordnet. Durch den Pfeil S ist eine im Wesentlichen parallel zur Grenzfläche I verlaufende Strömungsrichtung des Trans- portgases angedeutet.
Die in Fig. 8 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung ist be¬ sonders 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.
Bei der in Fig. 10 gezeigten schematischen Schnittansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä- ßen Diffusionstrockners bzw. einer weiteren Trocknungseinrichtung 15 gezeigt. Dabei ist das Substrat 3 wiederum auf einer Vorratswalze 2 aufgenommen; es wird mit einer angetrie¬ benen Walze 16 transportiert. Mit dem Bezugszeichen 8 ist wiederum ein Schlitzdüsenwerkzeug zum Auftragen eines Fluid- films F auf das Substrat 3 bezeichnet, welches stromaufwärts einer weiteren Trocknungseinrichtung 15 angeordnet ist.
Die weitere Trocknungseinrichtung 15 umfasst mehrere in
Transportrichtung T aufeinanderfolgend angeordnete Heizele- mente 17, bei denen es sich um plattenförmige Widerstands¬ heizelemente handeln kann. Eine Heizfläche G der Heizelemente 17 ist in einem Abstand ÖG von 2 bis 10 mm von einer Substratoberfläche angeordnet. Mit dem Bezugszeichen 18 ist eine weitere Transportfläche bezeichnet. Die weitere Transportflä- che 18 kann beheizbar sein. Es kann insbesondere ein vorgege¬ benes Heizprofil entlang der weiteren Transportfläche 18 ein¬ stellbar sein. Die weitere Transportfläche 18 kann auch ge¬ kühlt werden. Zwischen den Heizelementen 17 sind abwechselnd Ab- 19 und Zu¬ führöffnungen 20 vorgesehen. Die Ab- 19 und/oder Zuführöffnungen 20 sind zweckmäßigerweise schlitzartig ausgebildet. Insbesondere die Zuführöffnungen 20 können mit einer (hier nicht gezeigten) Strömungsleiteinrichtung versehen sein. Die Strömungsleiteinrichtung ist so ausgestaltet, dass das Trans¬ portgas dem Trocknungskanal in einer Richtung zugeführt wird, welche im Wesentlichen parallel zur Grenzfläche I ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Trocknung des Fluidfilms nicht nur durch Diffusion, sondern auch durch die Konvektion des Transportgases im Trocknungskanal. Fig. 11 zeigt die Geschwindigkeit U* (dimensionslos) über dem Abstand Y* (dimensionslos) zwischen der Heizfläche und der Substrat¬ oberfläche für verschiedene Druckgradienten A (dimensions¬ los) . Es wird angenommen, dass die Transportfläche sich mit einer dimensionslosen Geschwindigkeit U* = 1 nach rechts be¬ wegt. Im Falle eines Druckgradienten A = 0 ergibt sich im Be- reich der Heizfläche eine Strömungsgeschwindigkeit von 0. Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt linear in Richtung der Trans¬ portfläche auf den Wert "1" zu. Mit zunehmenden Druckgradienten, d. h. mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des
Transportgases in Transportrichtung, nimmt die Strömungsge- schwindigkeit zu. Sie ist etwa bei halbem Abstand zwischen Heizfläche und Transportfläche maximal.
Fig. 12 zeigt die Dichte des Transportgases über dem Abstand zwischen Heizfläche und Substratoberfläche. Die Dichte nimmt mit abnehmendem Abstand von der Substratoberfläche wegen des zunehmenden Gehalts an verdampfter Flüssigkeit zu. Fig. 13 zeigt die Temperatur des Transportgases über dem Ab¬ stand zwischen Heizfläche und Substratoberfläche, wobei eine Eintrittstemperatur des Transportgases in den Trocknungskanal etwa 475 K beträgt. Wie aus Fig. 13 ersichtlich ist, nimmt in diesem Fall die Temperatur auf einen Wert von etwa 320 K im Bereich der Substratoberfläche ab.
Fig. 14 zeigt eine schematische Teilschnittansicht durch eine weitere Vorrichtung zum Trocknen. Jeweils zwei aufeinander- folgende Heizelemente 17 sind Bestandteil eines Moduls M.
Zwischen den beiden Heizflächen G ist in Form eines Schlitzes eine Abführöffnung 19 vorgesehen, welche in einen Abführkanal 21 mündet. Die Abführkanäle 21 der Module M führen in einen (hier nicht gezeigten) Abführsammelkanal , mit welchem feuch- tes Transportgas einem Trockner zugeführt wird (hier nicht gezeigt) .
Zwischen zwei in Transportrichtung T hintereinander angeordneten Modulen ist jeweils eine Zuführöffnung 20 zum Zuführen von Transportgas, beispielsweise Luft L, gebildet. Die Zu¬ führöffnungen 20 sind ebenfalls schlitzartig ausgebildet. Ei¬ ne Schlitzweite der Zuführöffnungen 20 ist größer als eine Schlitzweite der Abführöffnungen 19. Sie beträgt zweckmäßi¬ gerweise das 2-Fache, vorzugsweise das 3- bis 5-Fache, einer Schlitzweite der Abführöffnungen 19.
Bezugs zeichenliste
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
19 Abführöffnung
20 Zuführöffnung
21 Abführkanal 5G Abstand
F Fluidfilm
G Heizfläche
I Grenzfläche
L Luft
M Modul
S Strömungsrichtung
T Transportrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Trocknung eines auf eine Substratoberflä¬ che eines Substrats (3) aufgetragenen, eine verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms (F) mit folgenden Schrit¬ ten :
Transportieren des Substrats (3) auf einer Transportfläche (6) einer Transportvorrichtung (5) entlang einer Transport- richtung (T) durch eine Trocknungseinrichtung (7),
Verdampfen der Flüssigkeit mittels mehrerer in Transportrichtung (T) aufeinanderfolgend angeordneter Wärmequellen (13), wobei jede der Wärmequellen (13) eine Heizfläche (G) auf- weist, welche in einem Abstand (5G) von 0,1 mm bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substratoberfläche angeordnet ist, und
Abführen der verdampften Flüssigkeit durch eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen (G) vorgesehene Abführöff- nung (19) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Transportgas durch einen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen (G) vorgesehene Zuführöffnung (20) zugeführt wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Transportgas in Transportrichtung (T) durch abwechselnd angeordnete Ab- (19) und Zuführöffnungen (20) abwechseln ab- und zugeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Transportgas durch die Zuführöffnungen (20) mit einer Ge¬ schwindigkeit von 1 bis 10 m/s zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Transportgas vor dem Zuführen auf eine Temperatur von 50°C bis 300°C, vorzugsweise 100°C bis 250°C, aufgeheizt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Transportgas Luft (L) , Stickstoff oder Kohlendioxid ver¬ wendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste Temperatur TG der Heizfläche (G) in Abhängigkeit einer Grenzflächentem¬ peratur Ti der Fluidfilms (F) geregelt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Temperatur TG im Bereich von 50°C bis 200°C, vor¬ zugsweise im Bereich zwischen 80°C und 150°C, geregelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärme von der Heizfläche (G) auf den Fluidfilm (F) im We¬ sentlichen mittels direkter Wärmeleitung übertragen wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die Transportfläche (6, 18) mittels einer weiteren Wärme- quelle beheizt wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine durch die weitere Wärmequelle erzeugte zweite Temperatur TH der Transportfläche (6, 18) in Abhängigkeit der Grenzflä- chentemperatur ΤΊ geregelt wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Temperatur TH so geregelt wird, dass folgende Be¬ ziehung erfüllt ist: TH = Ti + ΔΤ, wobei
Ti im Bereich von 5°C bis 40°C und
ΔΤ im Bereich von 2 bis 30°C, vorzugsweise 5 bis 10°C, liegt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Substrat (3) zugewandte Heizfläche (G) in einem Ab¬ stand (5G) von 0,2 mm bis 10,0 mm gegenüberliegend der Sub¬ stratoberfläche angeordnet ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Temperatur TH so geregelt wird, dass sie stets kleiner als die erste Temperatur TG ist.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten TG und der zweiten Temperatur TH so geregelt wird, dass sich entlang der Transportvorrichtung (5) ein vorgegebenes Temperaturdiffe¬ renzprofil einstellt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Wärmequelle (13) eine elektrische Heizquelle verwendet wird .
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Wärmequelle (13) ein Wärmetauscher verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Transportvorrichtung zumindest eine rotierbare Walze (5) verwendet wird, deren Mantelfläche die Transportfläche (6) bildet .
19. Vorrichtung zur Trocknung eines auf eine Substratober- fläche 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 Trans- portrichtung (T) , mehrere gegenüberliegend des Substrats (3) in Transportrich¬ tung (T) aufeinanderfolgend angeordnete Wärmequellen (13), wobei jede der Wärmequellen (13) eine Heizfläch (G) aufweist, welche in einem Abstand (5G) von 0,1 bis 15,0 mm gegenüber¬ liegend der Substratoberfläche angeordnet ist, und eine Einrichtung (14) zum Abführen der verdampften Flüssigkeit (F) , welche eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen (G) vorgesehene Abführöffnung (19) zum Abführen der verdampften Flüssigkeit umfasst.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei eine Einrichtung zum Zuführen von Transportgas vorgesehen ist, welche eine zwi- sehen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen (G) vorgesehene Zuführöffnung (20) zum Zuführen des Transportgases umfasst.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei zwischen den in Transportrichtung (T) aufeinanderfolgend angeordneten Heizflächen (G) abwechselnd die Ab- (19) und Zuführöffnungen (20) vorgesehen sind.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei mittels der Einrichtung zum Zuführen das Transportgas durch die Zuführöffnungen (20) mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 m/s zugeführt wird.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei eine Heizung zum Aufheizen des Transportgases auf eine Tempe¬ ratur von 50°C bis 300°C, vorzugsweise 150°C bis 250°C, vor¬ gesehen ist.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Einrichtung zum Abführen aus mehreren in Transportrichtung (T) aufeinanderfolgenden Modulen (M) gebildet ist, wobei jedes der Module (M) zwei Heizflächen (G) und eine dazwischen vorgesehene Abführöffnung (19) aufweist, der stromabwärts ein Abführkanal (21) nachgeordnet ist.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei zwei aufeinanderfolgende Module (M) so angeordnet sind, dass dazwischen die Zuführöffnung (20) gebildet ist.
26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei stromaufwärts der Zuführöffnung (20) ein Zuführkanal und eine Gebläse zum Zuführen des Transportgases vorgesehen sind.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei eine weitere Wärmequelle zum Beheizen der Transportfläche (6) vorgesehen ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 27, wobei eine erste Regeleinrichtung zur Regelung einer von der Heizfläche (G) erzeugten ersten Temperatur TG in Abhängigkeit ei- ner Grenzflächentemperatur ΤΊ des Fluidfilms (F) vorgesehen ist .
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 28, wobei eine zweite Regeleinrichtung zur Regelung einer zweiten Temperatur TH der Transportfläche (6) in Abhängigkeit der Grenz¬ flächentemperatur Ti vorgesehen ist.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 29, wobei mittels der ersten und/oder zweiten Regeleinrichtung eine
Temperaturdifferenz zwischen der ersten TG und der zweiten Temperatur TH so geregelt wird, dass sich entlang der Trans¬ portrichtung (T) ein vorgegebenes Temperaturdifferenzprofil einstellt .
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 30, wobei eine Einrichtung zum Spülen eines die Transportvorrichtung (5) umgebenden Gehäuses (1) mit einem nicht brennbaren Gas, vorzugsweise Stickstoff- oder Kohlendioxidatmosphäre, vorge- sehen ist.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die dem Substrat (3) zugewandte Heizfläche (G) in einem Ab¬ stand (5G) von 0,2 mm bis 10,0 mm gegenüberliegend der Sub- stratoberfläche angeordnet ist.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 32, wobei die Wärmequelle (13) eine elektrische Heizquelle ist.
34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 33, wobei die Wärmequelle (13) ein Wärmetauscher ist.
35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 32, wobei die Transportvorrichtung eine rotierbare Walze (5) umfasst, deren Mantelfläche die Transportfläche (6) bildet.
EP13702951.8A 2012-06-20 2013-01-25 Verfahren und vorrichtung zur trocknung eines auf ein substrat aufgetragenen fluidfilms Withdrawn EP2864725A1 (de)

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