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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Trockeneinheit, ein Batteriesystem diese enthaltend sowie auf ein Verfahren zum Betrieb derselben und deren Verwendung gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche.
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Stand der Technik
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Es besteht ein erheblicher Bedarf an Batterien für breite Anwendungsbereiche, beispielsweise für Fahrzeuge, stationäre Anlagen, wie zum Beispiel Windkraftanlagen, und mobile Elektronikgeräte, wie zum Beispiel Laptops und Kommunikationsgeräte. An diese Batterien werden sehr hohe Anforderungen hinsichtlich Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Leistungsfähigkeit gestellt.
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Eine Batteriezelle besteht im Inneren aus elektrochemischen Elementen, die empfindlich auf äußere Einflüsse wie Luft oder Feuchtigkeit reagieren und daher so gut wie möglich davor geschützt werden müssen.
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So ist beispielsweise bei Lithium-Ionen-Zellen zur Interkalation sowie zur Deinterkalation von Lithium die Anwesenheit eines sogenannten Lithium-Ionen-Leitsalzes notwendig. Sowohl für Batteriezellen geringerer Ladung, wie sie zum Beispiel in tragbaren elektronischen Geräten Anwendung finden, als auch in Batteriezellen für den automotiven Bereich wird als Lithium-Leitsalz Lithiumhexafluorophosphat (LiPF6) eingesetzt. Dieses Leitsalz ist gegenüber Feuchtigkeit äußerst reaktiv, so dass durch Hydrolyse Fluorwasserstoff (HF) entstehen kann.
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Insbesondere bei automotiven Anwendungen der Lithium-Ionen-Speichertechnologie muss jedoch zwischen dem Innenraum des Gehäuses der Batterie und der Umgebung ein Druckausgleich stattfinden, da ansonsten durch hohe Umgebungsdruckunterschiede das Gehäuse komprimiert werden oder im anderen Fall sich stark ausdehnen kann. Hohe Druckunterschiede sind bei Flugzeugtransport, bei Gebirgsfahrten, infolge täglicher Druckschwankungen und hohen Temperaturschwankungen gegeben. Das hat im Extremfall zur Folge, dass das Gehäuse der Batterie durch die sehr starke mechanische Belastung zerstört wird.
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Daher wird ein zeitweiliger oder permanent ablaufender Volumenaustausch zwischen Gehäuseinnenraum und Umgebung mittels eines Druckausgleichselementes sichergestellt. Das Druckausgleichselement kann durch eine Membran ausgebildet sein. Da in der Umgebungsluft stets ein gewisser Anteil an Wasserdampf enthalten ist, gelangt dieser durch Volumenaustausch und Diffusion durch die Membran in das Gehäuse.
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Um genannte Probleme durch Kondenswasser im Inneren des Gehäuses zu verhindern, wird üblicherweise ein Trockenmittel eingesetzt. Auch bei kleinsten Gehäusevolumen ist jedoch über eine Lebensdauer von mehreren Jahren eine Trockenmittelmasse von einigen hundert Gramm erforderlich oder es ist ein Austausch des Trockenmittels vorzusehen.
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Beispielsweise ist aus der
DE 10 2006 053 114 A1 ein Druckausgleichselement für ein Gehäuse zur Aufnahme einer elektronischen Schaltung bekannt, das aus einer semipermeablen Membran besteht, die geschützt in einem elektrischen Steckverbindungselement angeordnet ist.
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Weiterhin ist aus der
US 2012/0315517 ein Batteriepack bekannt, der eine Trockeneinheit enthält, welche mit einem Trocknungsmittel gefüllt ist und Feuchtigkeit, die im Inneren des Batteriepacks auftritt, absorbiert. Die Trockeneinheit umfasst weiterhin ein Heizmittel, über das das Trockenmittel der Trockeneinheit, sobald dieses mit Feuchtigkeit gesättigt ist, getrocknet werden kann.
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Darüber hinaus ist aus der
JP 2011-016098 eine weitere Trockeneinheit bekannt, die einen metallischen Käfig aufweist, wobei feuchte Luft durch kleine Öffnungen dieses metallischen Käfigs in das Innere des Käfigs eindringen kann und die Feuchtigkeit von einem dort platzierten Trockenmittel absorbiert wird.
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Aus der
DE 10 2012 202 103 ist ein weiteres Druckausgleichselement sowie ein Batteriezellenmodul dieses enthaltend bekannt. Das Druckausgleichselement umfasst ein Trockenmittel zur Entfeuchtung von Luft die dem Gehäuse eines Batteriezellenmoduls zugeführt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Trockeneinheit bzw. auf ein Verfahren zu dessen Betrieb sowie auf dessen Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche.
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Dabei ist erfindungsgemäß eine Trockeneinheit vorgesehen, die einen Einlass für ein zu entfeuchtendes Gas- oder Flüssigkeitsgemisch aufweist sowie mindestens einen Auslass für ein entfeuchtetes Gas- bzw. Flüssigkeitsgemisch. Diese Trockeneinheit weist zur Entfeuchtung des Gas- bzw. Flüssigkeitsgemischs einen Metallkörper auf, der porös, insbesondere offenporig ausgeführt ist, wobei dessen Poren zumindest teilweise mit einem Trocknungsmittel belegt sind.
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Der besondere Vorteil dieser Ausführungsform ist darin zu sehen, dass eine Regeneration der Trockeneinheit besonders wirkungsvoll durchgeführt werden kann, da Metalle im Allgemeinen gut wärmeleitend sind und somit eine Erwärmung des Metallblocks mit relativ geringem Aufwand durchgeführt werden kann, wobei diese Erwärmung direkt zur Trocknung des in den Poren des Metallblocks vorgesehenen Trocknungsmittels verwendet werden kann.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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So ist von Vorteil, wenn der Metallkörper der Trockeneinheit eine elektrische Kontaktierung aufweist. Auf diese Weise kann der Metallkörper elektrisch beheizt werden, indem der Metallkörper selbst als elektrische Widerstandsheizung fungiert und bei Stromfluss eine Erwärmung desselben realisiert wird. Auf diese Weise kann verhältnismäßig rasch und mit geringem Energieaufwand eine Trocknung des in den Poren des Metallkörpers vorliegenden Trocknungsmittels erreicht werden. Darüber hinaus wird eine Überhitzung lokaler Bereiche der Trockeneinheit, wie sie beispielsweise bei einer externen Heizeinheit auftreten könnten, vermieden.
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Weiterhin ist von Vorteil, wenn der Einlass für ein zu entfeuchtendes Gas- bzw. Flüssigkeitsgemisch in die Trockeneinheit und/oder der Auslass für ein entfeuchtetes Gas- bzw. Flüssigkeitsgemisch eine Absperrvorrichtung beispielsweise in Form eines Absperrhahns, Ventils, Bimetalls oder einer Klappe aufweist. Auf diese Weise kann die Trockeneinheit alternierend mit einem zu entfeuchtenden Gas- bzw. Flüssigkeitsgemisch beaufschlagt werden oder es kann im Rahmen einer Regeneration ein mit Feuchtigkeit aus der Trockeneinheit beaufschlagtes zweites Gas- bzw. Flüssigkeitsgemisch gezielt an eine Umgebung abgegeben werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Metallkörper beispielsweise zu dessen mechanischer Stabilisierung auf eine Unterkonstruktion aufgebracht die beispielsweise in Form eines vorzugsweise keramischen Wabenkörpers ausgeführt ist. Die Verwendung keramischer Wabenkörper ist beispielsweise aus dem Bereich der Abgaskatalyse bekannt, wobei sich diese durch eine hohe Oberflächenaktivität und gute Langzeitbeständigkeit auszeichnen.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Batteriesystem, dass die erfindungsgemäße Trockeneinheit aufweist. Darüber hinaus ist vorteilhafterweise ein Sensor zur Bestimmung der Feuchte innerhalb des Batteriesystems vorgesehen, sodass auf einfachem Wege erkannt werden kann, ob eine Entfeuchtung des Innenraums des Batteriesystems durch die Trockeneinheit erfolgt oder ob diese soweit mit Feuchtigkeit belegt ist, dass die Feuchte im Inneren des Batteriesystems ansteigt.
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In diesem Fall ist beispielsweise eine Regeneration oder ein Austausch der Trockeneinheit möglich.
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Weiterhin ist von Vorteil, wenn das Batteriesystem eine elektrische Verbindung der elektrischen Terminals des Batteriesystems und der Trockeneinheit aufweist, da auf diese Weise durch die in der Batterie gespeicherte elektrische Energie eine elektrische Beheizung der Trockeneinheit und somit eine Regeneration derselben ermöglicht wird.
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Die erfindungsgemäße Trockeneinheit ist in vorteilhafter Weise einsetzbar zur Entfeuchtung von Innenräumen beispielsweise von Batteriezellen, Batteriemodulen oder Batteriesystemen, insbesondere bei lithiumhaltigen Batteriesystemen wie Lithium-Ionen-Batterien, Lithium-Schwefel-Batterien oder Lithium-Luft-Batterien. Weiterhin ist eine Anwendung der erfindungsgemäßen Trockeneinheit zur Entfeuchtung beispielsweise von organischen Flüssigkeiten wie bspw. Lösungsmitteln denkbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Funktionsähnliche oder identische Bauteile oder Komponenten sind in allen Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichung
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Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Figuren und der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Es zeigt:
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1: eine schematische Darstellung einer Trockeneinheit gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung einer Trockeneinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Trockenelements einer Trockeneinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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4 eine schematische Aufsicht auf das Trockenelement gemäß 3.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In 1 ist eine Trockeneinheit 16 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung abgebildet. Diese ist beispielsweise in einer nur in einem Außenschnitt dargestellten Batterie 10 innerhalb deren Gehäuse 12 positioniert. Die Trockeneinheit 16 umfasst ein Gehäuseelement 36, in welchem ein Trockenelement 34 positioniert ist. Dieses Trockenelement 34 ist vorzugsweise aus einer porösen, insbesondere offenporigen Metallstruktur gebildet, in deren Poren zumindest teilweise ein Trockenmittel 18 vorgesehen ist. Als Feuchte absorbierendes Trockenmittel 18 eignen sich beispielsweise Silikagel oder geeignete Zeolithmaterialien. Das Trockenmittel 18 ist zumindest in einem Teil der Poren des Trockenelements 34 vorgesehen, wobei das Trockenmittel 18 die jeweiligen Poren an deren Innenwand zumindest teilweise belegt.
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Weiterhin umfasst die Trockeneinrichtung 16 einen Einlass 22, durch den Luft aus dem Inneren des Batteriegehäuses 12 in das Innere der Trockeneinrichtung 16 gelangt, sowie ein Auslass 24, durch den überschüssige Feuchtigkeit aus dem Trockenmittel 18 an eine Umgebung des Batteriegehäuses 12 abgegeben werden kann. Zu diesem Zweck, umfasst der Einlass 22 vorzugsweise eine Absperrvorrichtung 22a, über die der Zutritt von Luft aus dem Innenraum des Gehäuses 12 in das Innere der Trockeneinrichtung 16 begrenzt werden kann. Weiterhin umfasst der Auslass 24 eine weitere Absperrvorrichtung 24a, über die ein Luftaustritt aus dem Inneren der Trockenvorrichtung 16 in die Umgebung des Batteriegehäuses 12 gesteuert werden kann.
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Darüber hinaus umfasst die Trockenvorrichtung 16 zusätzlich eine erste und eine zweite elektrische Kontaktierung 26a, 26b über die ein elektrischer Strom durch den Metallkörper des Trockenelements 34 geführt werden kann. Das Anlegen einer elektrischen Spannung an dem Metallkörper des Trockenelements 34 führt zu einer Erwärmung desselben, so dass dieser zusätzlich als elektrische Widerstandsheizung fungiert.
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Während des Betriebs der Trockenvorrichtung 16 ist zunächst die erste Absperrvorrichtung 22a geöffnet und die zweite Absperrung 24a geschlossen. Dies ermöglicht den Zutritt von Luft aus dem Inneren des Batteriegehäuses 12 in das Innere der Trockenvorrichtung 16. Gleichzeitig ist der Zutritt von Umgebungsluft über den Auslass 24 in das Innere der Trockenvorrichtung durch die geschlossene zweite Absperrvorrichtung 24a blockiert.
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Die in das Innere der Trockenvorrichtung 16 eintretende Luft aus dem Inneren des Batteriegehäuses 12 tritt in Kontakt mit dem Trockenmittel 18. Dies führt zu einer Entfeuchtung der Luft im Inneren des Batteriegehäuses 12. Sobald die Aufnahmefähigkeit des Trockenmittels 18 in Bezug auf Feuchtigkeit erschöpft ist, kommt es zu keiner weiteren Entfeuchtung der Luft im Inneren des Batteriegehäuses 12; es kann im Gegenteil zu einem langsamen Anstieg der Luftfeuchtigkeit durch in das Batteriegehäuse 12 eindringende Feuchte kommen. Dies kann beispielsweise über einen Feuchtesensor 40 erfasst werden, welche im Inneren des Batteriegehäuses 12 positioniert ist. Alternativ kann der Feuchtesensor 40 auch Bestandteil der Trockenvorrichtung 16 sein.
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Alternativ kann auf die Verwendung eines Feuchtesensors 40 auch verzichtet werden. In diesem Fall erfolgt die Regeneration des Trockenmittels 18 des Trockenelements 34 vorzugsweise periodisch nach Ablauf vorbestimmter Zeiträume. Eine weitere Alternative besteht darin, auf die Existenz einer Absperrvorrichtung 22a zu verzichten und stattdessen bei Sättigung des Trockenmittels 18 mit Feuchtigkeit aus dem Innenraum des Batteriegehäuses 12 die Trockenvorrichtung 16 oder zumindest deren Trockenelement 34 zu entnehmen und außerhalb des Batteriegehäuses 12 zu regenerieren.
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Alternativ kann die feuchte Luft während der Regeneration auch über einen definierten Luftstrom bspw. mittels eines Lüfters oder einer Pumpe an die Umgebung abgegebene werden.
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Wird eine Erschöpfung des Trockenmittels 18 im Bezug auf eine weitere Entfeuchtung der Luft im Inneren des Batteriegehäuses 12 detektiert, so wird vorzugsweise die erste Absperrvorrichtung 22a geschlossen und eine Spannung an die elektrischen Kontakte 26a, 26b angelegt. Durch die Erwärmung des Metallkörpers des Trockenelements 34 kommt es zu einer Desorption des im Trockenmittel 18 gespeicherten Wasserdampfs. Daraufhin wird die zweite Absperrvorrichtung 24a geöffnet, so dass die mit desorbierter Feuchte beladene Luft im Inneren der Trockenvorrichtung 16 über den Auslass 24 an eine Umgebung des Batteriegehäuses 12 abgegeben wird. Nach der Regeneration des Trockenmittels 18 wird die zweite Absperrvorrichtung 24a geschlossen, der durch den Metallkörper des Trockenelements fließende Strom abgeschaltet und die erste Absperrvorrichtung 22a wieder geöffnet. Daraufhin kann eine weitere Entfeuchtung der Luft im Inneren des Batteriegehäuses 12 durchgeführt werden.
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Bei dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel umfasst die Trockeneinrichtung 16 ein zylindrisches Gehäuse 36, in dem ein im vorliegenden Ausführungsbeispiel rotationssymmetrisches, insgesamt ebenfalls zylindrisches Trockenelement 34 angeordnet ist.
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Das Trockenelement 34 ist als extrudierter Formkörper aus einem keramischen Material, wie zum Beispiel Cordierit, hergestellt und umfasst auf dessen Oberfläche eine poröse, insbesondere offenporige Metallstruktur bspw. mit schichtförmigem Aufbau. Das Trockenelement 34 wird in Richtung der Pfeile 20 von Luft aus dem Innenraum des Batteriegehäuses 12 durchströmt.
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Innerhalb des Trockenelementes 34 sind mehrere Eintrittskanäle 28 im Wechsel mit Austrittskanälen 30 vorgesehen. Die Eintrittskanäle 28 sind in Richtung des Einlasses 22 geöffnet ausgeführt. Im Gegensatz dazu sind die Austrittskanäle 30 in Richtung des Auslasses 24 geöffnet ausgeführt.
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Der Strömungsweg der zu entfeuchtenden Luft aus dem Inneren des Batteriegehäuses 12 führt in einen der Eintrittskanäle 28. Im Rahmen der Regeneration des Trockenelementes 34 desorbiert die im Trockenelement 34 gespeicherte Feuchtigkeit vorzugsweise in die Austrittskanäle 30 und gelangt von dort über den Auslass 24 in eine Umgebung der Batterie 10.
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Das Trockenelement 34 gemäß 1 ist in Form einer porösen, insbesondere offenporigen Metallstruktur ausgeführt. Diese kann erzeugt werden, in dem beispielsweise ein metallischer Wirkstoff aufgeschäumt wird oder indem ein Gemisch aus Metall und Trockenmittel gesintert wird, wobei vorzugsweise das Trockenmittel eine Schmelztemperatur von mehr als 1500 °C aufweisen sollte. Alternative Herstellungsverfahren beruhen auf einem Feinguss von Metall und Trockenmittel analog einer üblichen Herstellung von in einem Kunststoff eingebetteten Glasfasern oder auf einem Verfahren, bei dem ein vorgefertigtes Metallgitter aufgedehnt wird, dieses in ein entsprechendes Trockenmittel eingetaucht wird und nachfolgend das Metallgitter wieder entspannt wird, wodurch es zu einer mechanischen Fixierung der Trockenmittelpartikel innerhalb des Metallgitters kommt.
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Eine weitere Herstellungsmöglichkeit besteht darin den Metallkörper des Trockenelements 34 auf Basis eines Metall-Injection-Moldings (MIM) durchzuführen, bei dem ein Metallpulver-Binder-Gemisch über ein Spritzgussverfahren in eine geeignete Form überführt wird, anschließend eine thermische Entbinderung durchgeführt wird und der entstehende Formkörper abschließend soweit gesintert wird, dass ein poröses Metallgerüst entsteht.
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Die erzeugte, vorzugsweise offenporige Metallstruktur wird abschließend mit dem Trocknungsmittel 18 belegt, wobei dieses beispielsweise in Form einer Suspension oder Aufschlämmung in Poren der vorzugsweisen offenporigen Metallstruktur des Trockenelements 34 eingebracht und anschließend getrocknet wird.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung des Trockenelements 34 gemäß 1 besteht in einer Herstellungsweise, wie sie in anderem Kontext bei der Erzeugung von Halbleiterstrukturen in abgewandelter Form angewandt wird. Diese Herstellungswiese ist in 3 und 4 verdeutlicht.
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Dazu wird das Trockenelement 34 vorzugsweise als zweidimensionales Gebilde ausgestaltet, wie es beispielsweise in 3 und 4 abgebildet ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die in 3 bzw. 4 gezeigte Ausführungsform als mehrschichtiges System auszubilden.
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Die Ausbildung der dem Trockenelement 34 zugrundeliegenden offenporigen Metallstruktur kann in einer Weise erfolgen, wie sie in abgewandelter Form auch aus der Herstellung von Halbleiterbauteilen bekannt ist.
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Dazu wird ein Substrat 10 zunächst vorzugsweise mit einer ersten Zwischenschicht 11 versehen, auf der eine erste Metallstruktur 12 ausgebildet wird. Dazu wird die erste Zwischenschicht 11 in einer geeigneten Weise metallisiert und nachfolgend bspw. durch eine Ätzverfahren so strukturiert, dass definierte Ausnehmungen 13 entstehen, in die Partikel 14 des Trockenmittels 18 in einem weiteren Verfahrensschritt platziert und fixiert werden können. Die Partikel 14 des Trockenmittels 18 können dabei bspw. mit einem geeigneten Lack gegenüber nachfolgenden Ätzprozessen geschützt werden.
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In einem weiteren Schritt wird dann auf die erste Metallstruktur 12 eine weitere Zwischenschicht 15 aufgetragen. Daraufhin erfolgt die Aufbringung einer zweiten Metallstruktur 16 auf die weitere Zwischenschicht 15 und eine geeignete Strukturierung derselben. Diese erfolgt vorzugsweise mit einem weiteren Ätzverfahrensschritt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt vorzugsweise die Erzeugung einer weiteren Metallstruktur 17. Abschließend werden vorzugsweise die erste und die weitere Zwischenschicht 11, 15 wieder entfernt sowie ggf. die Schutzschicht der Partikel 14 eines Trockenmittels 18. Dabei entstehen im Bereich der zweiten und der weiteren Metallstruktur 16, 17 Zwischenöffnungen 19, sodass im Ergebnis eine offenporige Metallstruktur mit darin eingelagerten Partikeln 14 des Trockenmittels 18 resultiert.
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Die erfindungsgemäße Trockeneinheit 16 kann alternativ auch zur Trocknung beispielsweise von organischen Flüssigkeiten verwendet werden. Dazu wird dieses in fluidleitendem Kontakt mit einem zu trocknendem organischem Lösungsmittel gebracht, wobei eine Entfeuchtung desselben über das Trocknungsmittel 18 erfolgt. Sobald die Aufnahmefähigkeit des Trocknungsmittels 18 für Feuchtigkeit erschöpft ist, wird beispielsweise über den Auslass 24 bei geschlossener Absperrvorrichtung 22a das Innere der Trockeneinheit 16 mit einem Feuchtigkeit absorbierendem Fluidstrom in Form eines geeignetem Gases oder eines flüssigkeitsabsorbierendem Lösungsmittels gespült und so die Trockeneinheit 18 gegebenenfalls unter Erwärmung regeneriert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006053114 A1 [0008]
- US 2012/0315517 [0009]
- JP 2011-016098 [0010]
- DE 102012202103 [0011]
