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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Trockenlager für feuchtigkeitsempfindliche
Bauteile, Baugruppen und Materialien, bei dem die Atmosphärenfeuchte
im Lagervolumen durch Zuführung von
Gasen (Druckluft und/oder Inertgas) 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.
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Die
Druckluft zum Trocknen der Atmosphäre in einem Volumen wird herkömmlicherweise
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. Dieses Verfahren der Drucklufttrocknung ist beispielsweise
aus
DE 198 16 311
B4 ,
DE 699
23 419 T2 ,
DE 199
43 109 C1 oder
AT
412 844 B bekannt.
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In
DE 102 22 438 A1 beschriebener
Stand der Technik ist auch, die Gasfeuchte in einem abgeschlossenen
Klimaraum dadurch zu regulieren, dass eine Verbindung zu einem Nebenvolumen
hergestellt wird, das wenigstens teilweise mit einem Feuchte puffernden
Mittel, z. B. mit Silika-Gel, gefüllt ist. Über eine Temperiereinrichtung
kann die Temperatur des Feuchte puffernden Mittels zur Steuerung
seiner Feuchtigkeitsaufnahme und -abgabe variabel eingestellt werden.
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Bekannt
ist auch eine Trocknung ausschließlich mit Inertgas (z. B.
US 2006/0032931 A1 ).
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 reinen 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. Der Nachteil der reinen Inertgas-Trocknung ist, dass die
Trocknung durch ein Inertgas der Zeit teurer als die Trocknung durch Druckluft
ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Trockenlager zur Aufbewahrung feuchtigkeitsempfindlicher Bauteile
und ein Verfahren zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte in einem Volumen
anzugeben, die 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 Trockenlager zur Aufbewahrung feuchtigkeitsempfindlicher Materialien.
Es weist ein abschließbares
Volumen auf. Zum Beeinflussen der Atmosphärenfeuchte im Volumen gibt
es eine Druckluftzuführung
und eine Inertgaszuführung.
Diese Kombination einer Druckluft- und Inertgaszuführung, die – einzeln
angewendet – bekannt
sind, ist neu. Druckluft- und Inertgaszuführung können je nach gewünschter
Atmosphärenfeuchte
im Volumen miteinander oder unabhängig voneinander angewendet
werden. Das Trockenlager 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 Atmosphäre 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 Trockenlagers durch Einsatz einer Druckluftzuführung und
einer Inertgaszuführung.
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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 Trockenlagers.
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2 ist
eine schematische Darstellung von Lagerschränken mit einzelnen Kammern
und mit zugehörigen
Steuereinheiten und Rohrleitungen zur Gaszuführung.
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In 1 wird
ein schematischer Aufbau eines Trockenlagers beschrieben.
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Ein
Trockenlager (10) zur Aufbewahrung feuchtigkeitsempfindlicher
Bauteile mit einem abschließbaren
Volumen (11) hat eine Druckluftzuführung (12) zum Beeinflussen
der Atmosphärenfeuchte im
Volumen (11), eine Inertgaszuführüng (13) zum Beeinflussen
der Atmosphärenfeuchte
im Volumen (11) und eine Steuerung (14) zum Ansteuern
der Druckluftzuführung
(12) und der Inertgaszuführung (13) nach Maßgabe eines
Sollwertes (16).
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Der
Sollwert ist der Feuchtegrad, den die Atmosphäre im Volumen maximal aufweisen
darf, um Korrosionen oder sonstige Schädigungen des eingelagerten
Materials zu vermeiden, wie z. B. in der
DE 102 22 438 A1 ausgeführt. Dazu
ist bei der Einlagerung und anschließend fortlaufend der Istwert
der Atmosphärenfeuchte
zu ermitteln, der durch einen Feuchtigkeitssensor (
32)
und einen Temperatursensor (
33) gemessen wird. Der Istwert-/Sollwertvergleich
bestimmt den Trocknungsvorgang. Je weiter Ist- und Sollwert auseinanderliegen, umso
intensivere Trocknungsmaßnahmen
sind erforderlich. Wird das Trockenlager geöffnet, um z. B. ein Bauteil
zu entnehmen, wird der dadurch erzeugte Anstieg des Feuchtegrades über die
Sensoren an die Steuerung gemeldet, die entsprechend ihrer Programmierung die
Druckluft- und/oder Inertgaszuführung
aktiviert, um den Sollwert wieder herzustellen.
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In 2 wird
der detaillierte Aufbau des Trockenlagers bestehend aus Schränken, Kammern, Druckluft-
und Inertgaszuführung,
Rohrleitungen (19, 20), Steuerung und Sensoren
beschrieben.
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Das
Trockenlager (10) kann aus einem oder mehreren Lagerschränken (30)
bestehen. Auch ein oder mehrere Zimmer oder Gebäude können das Trockenlager bilden.
Jeder Lagerschrank (30) bzw. jedes Trockenlager 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 über eine
Datenleitung (35) zur Steuerung ausgelesen werden. Eine
einzige Steuerung (14) kann zur Ansteuerung mehrerer Lagerschränke (30)
oder mehrerer Kammern (31) ausgelegt sein. Eine einzige
durch Datenkabel (18) mit der Steuerung verbundene Anzeige-Einheit
(15) mit einem Grafikdisplay kann Ausgaben zu mehreren
Lagerschränken
(30) oder mehreren Kammern (31) anzeigen. Das
Trockenlager (10), insbesondere die Steue rung (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 können über 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
vorgesehen 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 Druckluftzuführung (12)
oder die Inertgaszuführung
(13) über
eine Steuerleitung (17) zu betreiben. Alternativ kann die
Druckluftzuführung
(12) zusammen mit der Inertgaszuführung (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 abgeschie den 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
Inertgas 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 Feuchtigkeitssensoren (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 erzielbare Trocknungsgrad aus. Müssen relativ
niedrige Atmosphärenfeuchten
unter einem zweiten Schwellenwert, der gleich dem ersten Schwellenwert
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. 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 Feuchtigkeitssensor
(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 Druck luft oder allein durch Inertgas
oder durch eine Kombination aus beiden Verfahren erfolgen.
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In
der Erfindung wird ein Verfahren entwickelt, um die Atmosphärenfeuchte
im Volumen (11) eines Trockenlagers (10) für feuchtigkeitsempfindliche
Materialien 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.
Bei der Bauteiltrocknung kann in eine Kammer zuerst 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.
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Er
kann festlegen, ob die Atmosphäre
von Anfang an nur mit Druckluft oder nur mit Inertgas oder mit einer
Kombination aus beiden getrocknet werden soll.
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- 10
- Trockenlager
- 11
- Volumen
- 12
- Druckluftzuführung
- 13
- Inertgaszuführung
- 14
- Steuerung
- 15
- Anzeige-Einheit
- 16
- Sollwert
- 17
- Steuerleitung
- 18
- Datenkabel
- 19
- Rohrleitung
- 20
- Rohrleitung
- 30
- Lagerschrank
- 31
- Kammer
- 32
- Feuchtigkeitssensor
- 33
- Temperatursensor
- 34
- Datenleitung
(zur Rückführung des
Feuchtigkeitssensorsignals)
- 35
- Datenleitung
(zur Rückführung des
Temperatursensorsignals)
- 36
- Schnittstelle
- 37
- Datennetz