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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Lagersystem für feuchtigkeitsempfindliche
Bauteile, Baugruppen und Materialien, bei dem die Atmosphärenfeuchte
im Lagervolumen durch Trocknungsvorrichtungen beeinflusst wird,
und auf ein Verfahren zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte.
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Die
die Schaltkreise umgebenden Kunststoffummantelungen können bei
offener Lagerung Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft aufnehmen. Feuchtigkeitsempfindliche
Bauteile müssen
trocken gelagert werden, um bspw. im Reflowlötprozess nicht zerstört zu werden.
Durch die Hitzeentwicklung beim Verlöten der Schaltkreise verdampft
die eingelagerte Feuchtigkeit schlagartig mit einem bis zu 1700-fachen
Volumen im Vergleich zur Flüssigkeit.
Der entstehende Dampf kann meist nicht schnell genug nach außen abgeführt werden,
so dass es zu Zerstörungen
(Cracks) im Inneren kommt. Ausfälle
durch Mikrorisse sind die Folge, die zum Teil erst nach langer Zeit
auftreten können.
Wegen höherer
Temperaturen im Bleifreiprozess nimmt die Gefahr von Beschädigung noch
zu, da eingelagerte Feuchtigkeit noch schneller verdampft.
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Die
Trocknung der Atmosphäre
kann entweder durch Anwendung von Druckluft oder von Inertgas wie
Stickstoff erreicht werden. Wesentlich hierbei ist, dass (entspannte,
ehemalige) Druckluft oder auch Inertgas wegen ihrer vorherigen Bearbeitung oder
Herstellung vergleichsweise trocken sind. Die Druckluft zum Trocknen
der Atmosphäre
in einem Volumen wird in einem mehrstufigen Prozess erzeugt. Zuerst
wird Umgebungsluft komprimiert, wobei ein Teil der in der Atmosphäre enthaltenen
Feuchte kondensiert und abgeschieden werden kann. Optional kann
die komprimierte Luft anschließend
in einem weiteren Schritt kältegetrocknet
werden. Die komprimierte Luft wird dann wieder entspannt und ist um
die abgeschiedene Feuchte trockener als vorher. Sie wird dann in
das zu trocknende Volumen geleitet. Dort mischt sie sich mit der
schon vorhandenen Atmosphäre
bzw. verdrängt
diese. Auf diese Weise kann die Atmosphärentrocknung erreicht werden.
In einer trockenen Atmosphäre
trocknen auch dort eingelagerte Komponenten.
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Ein
Inertgas zum Trocknen der Atmosphäre stammt aus einem Reservoir,
bspw. einer Gasflasche, in dem das industriell hergestellte, relativ
trockene Gas aufbewahrt wird. Der Zustrom des relativ trockenen
Inertgases in das Volumen wird über
ein Ventil geregelt.
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Der
Nachteil der Drucklufttrocknung ist, dass minimal nur Werte bis
ca. 10% Luftfeuchte erreicht werden können. Für niedrigere Luftfeuchtewerte
muß ein
trockenes Inertgas wie zum Beispiel Stickstoff eingesetzt werden.
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Der
Nachteil der Inertgas-Trocknung ist, dass die Trocknung durch ein
Inertgas viel teurer als die Trocknung durch Druckluft ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Lagersystem zur Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher
Bauteile und ein Verfahren zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte
in einem Volumen anzugeben, die kostengünstig in einem weiten Wertebereich
einzustellender Feuchten arbeiten können.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Lagersystem zur Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher
Bauteile. Es weist ein abschließbares
Volumen auf. Zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte im Volumen gibt
es eine Drucklufttrocknungsvorrichtung und eine Inertgas-Trocknungsvorrichtung,
die je nach gewünschter
Atmosphärenfeuchte
im Volumen miteinander oder unabhängig voneinander angewendet werden
können.
Das Lagersystem kann gesteuert oder geregelt sein und eine Vielzahl
von Kammern aufweisen, die getrennt voneinander gesteuert bzw. geregelt
werden können.
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Zum
Erreichen relativ niedriger Atmosphärenfeuchtewerte im Volumen
kommt trockenes Inertgas zum Einsatz. Das Inertgas verdrängt je nach
Umfang nach seinem Einströmen
in das Volumen einen größeren oder
kleineren Teil der darin enthaltenen Artmosphäre zusammen mit der Feuchtigkeit
darin. Das Resultat kann eine Atmosphärenfeuchte im Volumen von weniger
als 1% sein.
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt zudem ein Verfahren zur Steuerung
der Atmosphärenfeuchte
im Volumen eines Lagersystems durch Einsatz einer Drucklufttrocknungsvorrichtung
und einer Inertgas-Trocknungsvorrichtung.
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Im
Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
mit Bezug auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Lagersystems.
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2 ist
eine schematische Darstellung von Lagerschränken mit einzelnen Kammern
und mit zugehörigern
Steuereinheiten und Zuleitungen für die Gase.
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3 ist
eine schematische Darstellung einer Drucklufttrocknungsvorrichtung.
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4 ist
eine schematische Darstellung einer Inertgas-Trocknungsvorrichtung.
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In 1 wird
ein schematischer Aufbau eines Lagersystems beschrieben.
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Ein
Lagersystem (10) zur Lagerung feuchtigkeitsempfindlicher
Bauteile mit einem abschließbaren
Volumen (11) hat eine Drucklufttrocknungsvorrichtung (12)
zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte
im Volumen (11), eine Inertgas-Trocknungsvorrichtung (13)
zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte
im Volumen (11) und eine Steuerung (14) zum Ansteuern
der Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) und der Inertgas-Trocknungvorrichtung
(13) nach Maßgabe
eines Sollwertes (16).
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In 2 wird
der detaillierte Aufbau des Lagersystems bestehend aus Schränken, Kammern, Trocknungsvorrichtungen,
Gaszuleitungen, Steuerung und Sensoren beschrieben.
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Das
Lagersystem (10) kann aus einem oder mehreren Lagerschränken (30)
bestehen. Auch ein oder mehrere Zimmer oder Gebäude können das Lagersystem bilden.
Jeder Lagerschrank (30) bzw. jedes Trocknungssystem kann
aus mehreren separat ansteuerbaren Kammern (31) aufgebaut
sein. In jeder Kammer (31) kann ein Feuchtigkeitssensor
(32) installiert sein, um die Atmosphärenfeuchte für die Regelung
zu messen. Zudem kann in den Kammern ein Temperatursensor (33)
platziert sein, dessen Messwerte ebenfalls zur Steuerung ausgelesen
werden. Eine einzige Steuerung (14) kann zur Ansteuerung
mehrerer Lagerschränke
(30) oder mehrerer Kammern (31) ausgelegt sein.
Eine einzige Anzeige-Einheit (15) mit einem Grafikdisplay
kann Ausgaben zu mehreren Lagerschränken (30) oder mehreren
Kammern (31) anzeigen. Das Lagersystem (10), insbesondere
die Steuerung (14) kann über eine Schnittstelle (36)
zu einem Datennetz (37) zum Senden und/oder Empfangen von
Daten etwa für
Fernüberwachung
und/oder Fernsteuerung verfügen.
Die aufgezeichneten Daten könne
via Bluetooth, WLAN oder Internet an jeden beliebigen PC übertragen
werden. Für
jede Kammer können
separat steuerbare Einlassventile für relativ trockene Druckluft
und/oder für
relativ trockenes Inertgas vorgese hen sein. Die Ventile können gleichzeitig
die Flussregulierung und die Druckminderung bewirken.
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Die
Steuerung (14) ist dazu ausgelegt, insbesondere nach Maßgabe des
Sollwerts (16) entweder die Drucklufttrocknungsvorrichtung
(12) oder die Inertgas-Trocknungvorrichtung
(13) zu betreiben. Alternativ kann die Drucklufttrocknungsvorrichtung
(12) zusammen mit der Inertgas-Trocknungvorrichtung (13)
betrieben werden.
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Der
Sollwert (16), der eingestellt werden kann, kann der Wert
einer relativen Atmosphärenfeuchte
sein. Die Luftfeuchtigkeit ist als der Wasserdampfgehalt in der
Luft definiert. Die relative Luftfeuchtigkeit ist das prozentuale
Verhältnis
zwischen dem momentanen Wasserdampfdruck und dem Sättigungsdampfdruck.
Zum Beispiel enthält
die Luft bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% nur die Hälfte der
gasförmigen
Wasserdampfmenge, die maximal enthalten sein könnte. Die Wasserdampfkapazität der Luft
nimmt mit steigender Temperatur zu. Eine Druckerhöhung führt zur
Kondensation einer bestimmten Wassermenge, die abgeschieden werden kann.
Analoge Überlegungen
gelten allgemein zu Gasen bzw. Atmosphären.
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Die
verwendete Druckluft kann so sein bzw. so erzeugt und behandelt
werden, dass nach ihrer Entspannung auf Umgebungsdruck die Luft
bei 20°C eine
relative Feuchte entsprechend einer oder mehreren der folgenden
Angaben hat: < 25%, < 15%, < 10%, > 1%, > 3%, > 8%. Das verwendete
Inert gas kann so sein bzw. so erzeugt und behandelt werden, dass
nach seiner Entspannung auf Umgebungsdruck das Inertgas bei 20°C eine relative
Feuchte entsprechend einer oder mehreren der folgenden Angaben hat: < 15%, < 10%, < 5%, > 0,1%, > 0,5%, > 1%. Die obigen Angaben
können
auch für
Temperaturen von 0°C,
10°C, 30°C oder 50°C gelten.
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Ein
oder mehrere Sensoren (32) können vorgesehen sein, die als
Teil einer Rückführung (34)
das Sensorsignal an die Steuerung (14) senden, um den Prozeß regeln
zu können.
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In
den getrennt voneinander regelbaren Kammern (31) können als
Sollwert Feuchtegrade zwischen < 1%
und Umgebungsfeuchte vorzugsweise stufenlos eingestellt werden.
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Relativ
hohe Sollwerte der Atmosphärenfeuchte über einem
ersten Schwellenwert, der aber regelmäßig unter der Umgebungsfeuchte
liegt, können
allein durch Einsatz von Druckluft als Trockenmedium erreicht werden.
Für die
meisten Anwendungen reicht der damit erzielbar Trocknungsgrad aus. Müssen relativ
niedrige Atmosphärenfeuchten
unter einem zweiten Schwellenwert, der gleich dem ersten Schwelenwert
sein kann, erzielt werden, kann trockenes Inertgas verwendet werden.
In einem Übergangsbereich
zwischen erstem und zweitem Schwellenwert können die beiden Trockenmedien
auch gleichzeitig eingesetzt werden. Der erste Schwellenwert kann
5%, 10%, 15% oder 20% relative Feuchte sein. Der zweite Schwellenwert
kann 1%, 2%, 5% oder 10% relative Feuchte sein.
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Durch
den Einsatz von Druckluft zum Erreichen von relativ hohen Feuchtegraden
unter der Umgebungsfeuchte (bspw. bis hinunter auf 10%) können niedrige
Inertgas-Verbrauchskosten
realisiert werden.
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Ein
reines Druckluftsystem zum Trocknen der Atmosphäre in einem Volumen ist dagegen
preisgünstiger
zu betreiben als ein Inertgassystem.
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Die
zulässigen
Aufbewahrungszeiten sind abhängig
von der relativen Feuchte gemessen durch einen Luftfeuchtesensor
(32) und von der Lagertemperatur gemessen durch einen Temperatursensor (33).
Man teilt die Bauelemente in verschiedene Level der Feuchteempfindlichkeit
ein. In der Praxis dürfen
mehr als 80% aller feuchtigkeitsempfindlicher Bauteile bei 10% bis
20% Luftfeuchte gelagert werden. Das Trocknungssystem kann dementsprechend aus
mehreren Kammern bestehen, in denen jeweils unterschiedliche Trocknungsmethoden
für jeweils unterschiedliche
Feuchtegrade angewendet werden können.
Die Trocknung kann allein durch Druckluft oder allein durch Inertgas
oder durch eine Kombination aus beiden Verfahren erfolgen.
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In 3 ist
der Aufbau einer Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) dargestellt.
Die Drucklufttrocknungsvorrichtung (12) weist einen Kompressor
(42), einen Kondensatabscheider (43) und ggf.
einen Kältetrockner
(55) zur weiteren Trocknung der Luft auf. Mehrere Ventile
(41, 45, 47), die durch die Steuerung (14)
geregelt sind, steuern den Zu- und Abfluss des Gases durch die und
zwischen den Kom ponenten der Drucklufttrocknungsvorrichtung (12).
Durch die Komprimierung der Luft im Kompressor (42) kann
sie sehr viel weniger Feuchtigkeit aufnehmen als im entspannten
Zustand und gibt diese als Wasser ab.
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In 4 ist
der Aufbau einer Inertgastrocknungsvorrichtung (13) dargestellt.
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Die
Inertgas-Trocknungseinrichtung (13) besteht aus einem Reservoir
(60) relativ trockenen Inertgases, einem Anschluss (63),
einem geregelten Ventil (61), das mittels einer Steuerleitung
(62) von der Steuerung (14) gesteuert wird und
einer Inertgaszuleitung (20). Das Inertgas kann Stickstoff
und/oder Ein Edelgas wie Helium o. ä. sein oder aufweisen.
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In
der Erfindung wird ein Verfahren entwickelt, um die Atmosphärenfeuchte
im Volumen (11) eines Lagersystems (10) für feuchtigkeitsempfindliche
Bauteile zu beeinflussen. Durch Zuführen von Druckluft oder Inertgas
oder einer Kombination aus Beiden wird eine Trocknung der Atmosphäre und damit
der Bauteile erreicht. Dabei können
Druckluft und Inertgas einzeln, in beliebiger Reihenfolge nacheinander
oder gleichzeitig angewendet werden.
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Bei
dem Prozess der Trocknung kann unterschieden werden zwischen Bauteiltrocknung
und Atmosphärentrocknung.
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Bei
der Bauteiltrocknung kann in eine Kammer zuerst vergleichsweise
billige, relativ trockene Druckluft eingeleitet werden, bis ein
bestimmter Trocknungsgrad der Bauteile erreicht ist, der vom Feuchtegrad
der eingeleiteten Druckluft abhängt. Wenn
darüber
hinaus eine weitere Bauteiltrocknung gewünscht ist, kann der Trocknungsvorgang
mit relativ trockenem Inertgas fortgesetzt werden. In der trockenen
Atmosphäre
in der Kammer geben die Bauteile ihre Feuchtigkeit, die sie zuvor
aus der Umgebungsluft aufgenommen hatten, an die umgebende Atmosphäre ab.
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Die
Atmosphärentrocknung
funktioniert ähnlich
wie die obige Bauteiltrocknung, wobei der Focus allerdings darauf
liegt die Atmosphäre
zu entfeuchten, um zum Beispiel Korrosion von Gegenständen in der
Kammer zu verhindern. Je nach gewünschter Feuchtigkeit kann von
Anfang an entweder Druckluft oder Inertgas oder beides in Kombination
verwendet werden. Entscheidend kann der Sollwert der Atmosphärenfeuchte
sein, der in der Kammer erreicht werden soll. Er kann festlegen,
ob von Anfang an nur mit Druckluft oder nur mit Inertgas oder mit
einer Kombination aus Beiden die Atmosphäre getrocknet werden soll.