DE19910723A1

DE19910723A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Vakuumtrocknen

Info

Publication number: DE19910723A1
Application number: DE19910723A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Bernhard Groeninger
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: AMSONIC AG, CH
Priority date: 1999-03-11
Filing date: 1999-03-11
Publication date: 2000-09-21
Also published as: ATE440253T1; EP1080333A1; WO2000053983A1; DE50015717D1; EP1080333B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vakuumtrocknen, wobei der zu trocknende Gegenstand in einer luftdicht verschließbaren Vakuumkammer (1) in einer ersten Stufe mittels Konvektionswärme unterstützt durch Umluft erwärmt und vorgetrocknet wird, anschließend in einer zweiten Stufe an die Kammer Vakuum angelegt wird und in einer dritten Stufe ein gasförmiger Stoff durch die Kammer geleitet wird, insbesondere betrifft die Erfindung ein derartiges Verfahren zum Vakuumtrocknen, wobei die Trocknung über Auswahl geeigneter Steuerungsgrößen unter Selbststeuerung erfolgen kann.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vakuumtrocknen von industriellen Artikeln wie mechanischen oder elektronischen Bauteilen, Werkstücke etc. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine derartige Vorrichtung und Verfahren, die nach einem selbststeuernden Prinzip arbeiten können.

Trocknungsverfahren sind in vielen Varianten bekannt.

Ein technisch sehr einfaches aber energieintensives Verfahren ist die Umlufttrocknung. Weitere Trocknungsverfahren sind beispielsweise die Infrarottrocknung, Vakuumtrocknung oder die Konfektionstrocknung.

Je nach konkreten Anwendungsfall wird das eine oder andere Verfahren in der Praxis eingesetzt.

Problematisch bei den bekannten Verfahren sind die langen und energieintensiven Trocknungszeiten, die je nach Werkstofftyp und Beschaffenheit des zu trocknenden Gegenstandes weitere Probleme nach sich ziehen können.

Komplizierte Strukturen wie Sacklöcher, Hinterschneidungen, Lunker und Kapillaren wirken sich dabei besonders erschwerend auf die Trocknung aus.

Müssen z. B. korrosionsempfindliche Werkstoffe wie Stahlwerkstoffe getrocknet werden, z. B. nach einer Behandlung oder Reinigung in einem wässrigen Medium, sollte die Trocknungszeit kurz sein, um die Gefahr einer Ober flächenkorrosion aufgrund anhaftenden Wassers möglichst gering zu halten. Nachteilig auf die Trocknungszeit wirken sich hierbei insbesondere komplizierte verwinkelte Strukturen aus, die nur schwer trocknen bzw. zu trocknen sind.

Es hat sich auch gezeigt, daß Trocknungsverfahren durch übliche Um gebungsbedingungen beeinträchtigt werden können, indem z. B. Verunreinigungen wie Staubpartikel in das Trocknungssystem eingetragen werden können, die an den zu trocknenden Artikeln haften bleiben und als Folge eine Weiterverarbeitung z. B. eine sich anschließende Beschichtung, oder deren Gebrauchsfähigkeit nachteilig beeinflussen können.

Es wurde eine Reihe von Ansätzen vorgeschlagen, um die bekannten Trocknungsverfahren zur Lösung der vorstehend genannten Probleme weiterzuentwickeln.

So wird zur Verkürzung der Trocknungszeit Vakuum angelegt, wodurch sich der Siedepunkt des am Artikel anhaftenden Lösungs- oder Reinigungsmittels erniedrigt.

Gemäß einem weiteren Lösungsansatz wird die Trocknung durch eine vorgeschaltete Konvektionswärme in einem heißen wässrigen Bad erreicht. Es ist auch bekannt, die eigentliche Trocknung durch eine vorgeschaltete Stickstoffabblasung zu unterstützen.

Auch wurde vorgeschlagen, das bei der Vakuumtrocknung aufgrund des Energieschwundes auftretende Problem der Vereisung durch eine Vorwärmung der Artikel zu beseitigen oder zumindest zu verringern.

In der EP-A-0 539 607 wird eine Vorrichtung beschrieben, wobei der zu trocknende Artikel mittels heißer Luft vorgewärmt und anschließend im Vakuum getrocknet wird. Um auch bei längeren Trocknungszeiten den Durchsatz erhöhen zu können, können mehrere Vakuumkammern parallel geschaltet sein.

Die mit den bekannten Verfahren erzielten Ergebnisse sind jedoch für viele industrierelevante Anwendungsfälle nicht ausreichend.

Insbesondere fehlt es an einem Verfahren, das die unterschiedlichen Probleme, die bei der Trocknung auftreten können, ganzheitlich zu lösen vermag.

Es war daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die neben kurzen Trocknungszeiten und geringem Energieverbrauch eine reproduzierbare und hohe Trocknungsqualität auch bei kompliziert gebauten und korrosionsempfindlichen Artikeln gewährleisten können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Vakuumtrocknen, die eine luftdicht verschließbare Vakuumkammer, eine Heizvorrichtung, Öffnungen zum Einleiten und Ablassen von gasförmigen Stoffen und eine Gaszuleitung enthält, wobei die Vorrichtung mit einer Vakuumpumpe verbindbar ist.

Weiter betrifft die vorliegende Erfindung ein mehrstufiges Verfahren zur Trocknung, wobei der zu trocknende Artikel in der Vakuumkammer in einer ersten Stufe mittels Konvektionswärme erwärmt und gleichzeitig vorgetrocknet wird, anschließend in einer zweiten Stufe Vakuum angelegt und in einer dritten Stufe ein gasförmiger Stoff durch die Kammer geleitet wird.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Durchführung des erfindungsgemäßen mehrstufigen Trocknungsverfahrens programmgesteuert über die Messung und Bestimmung von Steuerungsgrößen. Hierbei wird der Verlauf und die Dauer der einzelnen Stufen über die Messung von relevanten Steuerungsgrößen und Vergleich der gemessenen Steuerungsgrößen mit vorgegebenen Sollwerten gesteuert.

Durch diese Steuerung kann ein optimales und reproduzierbares Trocknungsergebnis für die einzelnen Trocknungsstufen erhalten werden. Über die Selbststeuerung ist zudem eine vollkommen automatisierte Durchführung der Trocknung möglich.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Figur anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß bevorzugte Vorrichtung zum Vakkuumtrocknen, die als wesentliche Bestandteile eine Kammer 1 zur Aufnahme des oder der zu trocknenden Artikel, einen Verschluß 1a zum luftdichten Verschließen der Kammer 1, eine Heizvorrichtung 2, 3, Öffnungen 4, 5 zum Einleiten und Ablassen eines gasförmigen Stoffes, eine Gaszuleitung 6 und einen Anschluß 7 für eine Vakuumpumpe 9 umfaßt.

Die Heizvorrichtung dient zur Erzeugung von Konvektionswärme und kann vorzugsweise aus einem oder mehreren Heizstrahlern bestehen. Die in Fig. 1 gezeigte bevorzugte Vorrichtung weist beispielsweise zwei gegenüberliegende Heizstrahler 2, 3 auf.

Auch andere Heizvorrichtungen zur Erzeugung von Konvektionswärme sind denkbar.

Alternativ oder auch ergänzend zu der intern in der Kammer 1 angebrachten Heizvorrichtung 2, 3 kann eine externe Heizvorrichtung vorgesehen sein. Hierbei kann der über die Öffnung 4 zugeführte gasförmige Stoff wie Umluft über eine dieser Öffnung 4 vorgeschaltete Heizvorrichtung erwärmt werden und die Wärmebeaufschlagung des oder der zu tocknenden Artikel in der Kammer 1 erfolgt über den extern erwärmten gasförmigen Stoff.

Die Kammer 1 weist Öffnungen 4, 5 zum Einleiten und Ablassen von gasförmigen Stoffen, vorzugsweise Luft, zur Erzeugung von Umluft auf. Die Öffnungen sind so angebracht, daß eine optimale Durchströmung der Kammer bzw. Umströmung des oder der Artikel erzielt wird. Beispielsweise können sie höhenversetzt in gegenüberliegenden Wandseiten vorgesehen sein wie in dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel, wobei Bezugszeichen 4 die Öffnung zum Einleiten und Bezugszeichen 5 die Öffnung zum Ablassen bezeichnet.

Es können auch mehrere Zuleitungsöffnungen und/oder Ableitungsöffnungen vorgesehen sein.

Wie in Fig. 1 gezeigt, können die Zuleitung und die Ableitung miteinander verbunden sein.

Die Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit der Umluft und damit die Menge an zugeführter Luft erfolgt über geeignete Mittel zur Regulierung der Gaszu- und abfuhr 10, 11 wie Ventilatoren, die vorzugsweise frequenzgeregelt sein können, oder auch geeignete Pumpen. Zusätzlich können je nach Bedarf Ventile, Mehrweghähne oder ähnliches zur Regulierung der Gaszufuhr und Gasableitung wie z. B. in Fig. 1 die Ventile 12, 13 vorgesehen sein.

Zur Zufuhr von frischer Luft bzw. Ableitung von feuchtigkeitsbeladener Umluft können in dem Umluftleitungssystem entsprechende Vorrichtungen wie z. B. Drosselklappen 14, 15 vorgesehen sein.

Diese Vorrichtungen können für die erfindungsgemäß bevorzugte Selbststeuerung über Meßstellen geregelt arbeiten.

Vorzugsweise passiert die Luft vor Einleiten in die Kammer eine Filtervorrichtung (nicht gezeigt), um Verunreinigungen wie Staubpartikel etc. zu entfernen und eine Kontamination der Kammer zu vermeiden.

Auch kann außerhalb der Kammer 1 in dem Leitungssystem für die Umluft eine Heizvorrichtung und/oder eine Trockenvorrichtung vorgesehen sein, um die Luft vor Einleitung in die Kammer vorzuerwärmen und/oder ihren Feuchtigkeitsgehalt zu verringern.

So kann in dem Umluftleitungssystem ein Kondensator zur Trocknung der feuchtigkeitsbeladenen Umluft, die die Kammer 1 über die Öffnung 5 verläßt, vorgesehen sein. In diesem Fall kann auf die Drosselklappen 14, 15 verzichtet werden.

Der Kondensator befindet sich in dem Leitungssystem vorzugsweise ausgangs seitig.

Zur Umlufttrocknung kann prinzipiell ein beliebiges Gas wie Umgebungsluft, ein Inertgas oder Mischungen davon verwendet werden. Vorzugsweise wird Umgebungsluft eingesetzt.

Die Kammer 1 ist mit einer Vakuumpumpe 9 verbindbar.

In der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung ist die Kammer über Leitungen 22a und 7 mit der Vakuumpumpe 9 verbunden, wobei die Leitung 22a zugleich mit Meßstellen 23 und 24 verbunden ist.

In Fig. 1 ist der Zugang zur Leitung 22a über ein Ventil 16 regelbar, wobei der Vakuumpumpe 9 ein regelbares Ventil 17, wie z. B. ein Butterflyventil, vorge schaltet sein kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung verfügt ferner über eine Gaszuleitung 6, über die ein beliebiges weiteres Gas, vorzugsweise ein Inertgas, eingespeist werden kann. Über die Gaszuleitung 6 kann z. B. die Einspeisung von Gas für die dritte Stufe erfolgen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, kann die Gaszuleitung 6 mit Reservoirs 8 für ver schiedene Gase in Verbindung stehen, so daß je nach Anwendungsfall die Art des eingespeisten Gases geändert oder aber auch eine beliebig zusammenge setzte Mischung eingeleitet werden kann.

Zur Steuerung der Gaszufuhr können in der Gaszuleitung 6 selbst oder in den Zuleitungen zu den einzelnen Reservoirs Ventile, Mehrwegehähne oder ähn liches vorgesehen sein.

Bevorzugt sind hierfür sogenannte Flow controller, die eine geregelte Gaszufuhr erlauben.

Vorzugsweise wird für die dritte Stufe ein Inertgas wie Stickstoff oder Argon oder Mischungen davon zugesetzt, um Korrosion zu verhindern. Je nach Anwendungsfall kann aber auch Luft oder Sauerstoff etc. eingeleitet werden. Auch hier kann eine Heizungsvorrichtung, um das Gas vorzuerwärmen, und/oder bei Bedarf eine Trockenvorrichtung vorgesehen sein, um so die Trocknung zu fördern.

Optional kann die erfindungsgemäße Vorrichtung je nach Bedarf mit geeigneten weiteren Vorrichtungen ausgestattet sein, z. B. mit einer Belüftung 18, einer Kühlung 19 und/oder einer Abflußleitung 30, die z. B. über Ventile 31, 32 und 33 zugeschaltet werden können.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt in einer ersten Stufe eine Wärmebeaufschlagung des oder der zu trocknenden Artikel mit Konvektionswärme. Dies geschieht vorzugsweise durch eine energieintensive aber kurze Strahlungswärme unterstützt durch Umlufttrocknung mittels der Heizvorrichtung 2, 3 und/oder einer externen Heizvorrichtung zur Erwärmung der Umluft vor Eintritt in die Kammer 1. Hierbei nimmt der Artikel Wärmeenergie auf, um einer Vereisung bei Anlegen von Vakuum entgegenzuwirken.

Gleichzeitig erfolgt eine Vortrocknung durch Abführung eines ersten Großteils der Oberflächenfeuchtigkeit.

In Anschluß an die Wärmebeaufschlagung wird in einer zweiten Stufe Vakuum angelegt bzw. der Druck in der Kammer 1 reduziert. Ein großer Teil der Oberflächenfeuchtigkeit ist zu diesem Zeitpunkt bereits entfernt.

Gleichzeitig mit der Druckreduzierung und/oder in Anschluß daran nachdem die gewünschte Druckreduktion erreicht worden ist, wird zur Förderung der Trocknung die Kammer mit Gas durchströmt (dritte Stufe). Vorzugsweise wird hierbei ein Inertgas verwendet, um gleichzeitig ein Schutzatmosphäre zu erzeugen.

Das Vakuum oder ein gewünschter Druck kann über eine entsprechende Regelung der notwendigen Steuerungsgrößen aufrechterhalten werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Vakuumtrocknung erfolgt vorzugsweise selbst bzw. programmgesteuert auf Grundlage von Steuerungsgrößen. Hierbei werden für die einzelnen Stufen, d. h. für die einzelnen Verfahrensmaßnahmen wie Wärmebeaufschlagung, Druckreduzierung und Gaseinleitung, eine oder auch mehrere geeignete Steuerungsgrößen ausgewählt und der Verlauf der Trocknung in den einzelnen Stufen über eine Bestimmung der Istwerte der jeweils ausgewählten Steuerungsgrößen und deren Vergleich mit vorgegebenen Sollwerten beobachtet und gesteuert.

Die Istwerte der einzelnen Steuerungsgrößen können über Meßstellen oder Sonden 23, 24, 25, die in der Kammer 1 selbst angebracht oder mit dieser verbunden sein können, gemessen werden, wobei die Meßstellen oder Sonden wiederum mit Steuervorrichtungen verbunden sind.

So sind in Fig. 1 Temperaturfühler 20, 21 gezeigt, die in der Kammer vorgesehen sind, sowie außerhalb der Kammer Leitungen 22a, b, c, die die Kammer mit Meßvorrichtungen und Steuervorrichtungen für die einzelnen Steuerungsgrößen wie den Druck, den Feuchtegehalt, die Temperatur usw. verbindet.

In dem Leitungssystem für die Umluft können zudem eine oder mehrere Meßsonden 25 für den Feuchtigkeitsgehalt der Luft vorgesehen sein.

In Abhängigkeit der Abweichungen der gemessenen Istwerte von den Sollwerten können die Steuerungsgrößen und/oder die Dauer der einzelnen Stufen geändert werden, so daß auch für kompliziert gebaute, schwer zu trocknende Artikel ein gleichförmig optimales Trocknungsergebnis erzielt werden kann.

Steuerungsgrößen können sein für die
Wärmebeaufschlagung die Feuchtigkeit, die Temperatur, die Stellung der Ventilklappen, die Frequenz der Ventilatoren und die Pumpenleistung;
Druckreduzierung der Druck, unterstützt durch die Feuchtemessung, die Temperatur, Stellung der Ventilklappen;
Gas- bzw. Inertgaszufuhr die zugeführte Gasmenge, der Druck, die Temperatur, die Ventilstellung und die Feuchtemessung, Steuerung der Flow controller.

Die Steuerungsgrößen oder mit anderen Worten, die Erfassung und Erfüllung aller wichtigen Parameter, bestimmen über den gesamten Prozeß den optimalen Abbruch des jeweiligen Trocknungsschrittes. Auch schwer zugängliche Stellen lassen sich durch dieses System schnell und effizient trocknen.

Bevorzugt einzustellende Parameter sind derart, daß die Trocknung bei einer Temperatur in einem Bereich von 50°C bis 150°C erfolgt. Bevorzugte Gase sind Stickstoff oder Argon. Die bevorzugte Durchflußmenge (Flowmenge) kann bei einem Kammervolumen von 1 m³ von etwa 0 bis 50.000 sccm betragen, bei einem Vakuum zwischen 10 und 100 mbar.

Erfindungsgemäß findet die Trocknung in einem geschlossenen Trocknungssystem statt, wodurch das Einschleppen von Verunreinigungen aus der Umgebung verhindert wird. Die getrockneten Gegenstände erfüllen daher einen hohen Reinheitsstandard, so daß auch sich anschließende Beschichtungsverfahren problemlos durchgeführt werden können. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren ökologisch und wirtschaftlich.

Es eignet sich insbesondere für Bauteile, für die ein hoher Reinheitsgrad erforderlich ist, wie z. B. für Bauteile aus den Bereichen der Medizin, Luft- und Raumfahrt oder der Glasindustrie.

Bezugszeichenliste

1

Vakuumkammer

1

a Verschluß

2

,

3

Heizvorrichtung

4

Öffnung zum Einleiten eines gasförmigen Stoffes

5

Öffnung zum Ablassen eines gasförmigen Stoffes

6

Gaszuleitung

7

Verbindung zu einer Vakuumpumpe

8

Gasreservoir

9

Vakuumpumpe

10

Ventilator

11

Ventilator

12

Ventil

13

Ventil

14

Drosselklappe zur Umluftzufuhr

15

Drosselklappe zur Umluftableitung

16

Ventil

17

regelbares Ventil

18

Belüftung

19

Kühlung

20

Temperaturfühler

21

Temperaturfühler

22

a

, b, c

Verbindungsleitungen zu Meßstellen der Steuerungsgrößen

23

Meßstelle für Steuerungsgrößen

24

Meßstelle für Steuerungsgrößen

25

Meßsonde für Feuchtigkeit

30

Abfluß

31

Ventil für Abfluß

32

Ventil für Belüftung

33

Ventil für Kühlung

Claims

1. Vorrichtung zum Vakuumtrocknen enthaltend eine luftdicht verschließbare Vakuumkammer (1), eine Heizvorrichtung (2, 3), Öffnungen zum Einleiten und Ablassen von gasförmigen Stoffen (4, 5), eine Gaszuleitung (6), wobei die Vorrichtung mit einer Vakuumpumpe (9) verbindbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mit mindestens einer Meßstelle (23, 24, 25) zum Bestimmen von Steuerungsgrößen verbunden ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Regulierung der Gaszu- und abfuhr (10, 11) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Regulierung der Gaszu- und abfuhr (10, 11) ausgewählt sind unter einem Ventilator oder einer Pumpe.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Ventile (12, 13) zur Regulierung der Gaszu- und abfuhr vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Heizvorrichtung in der Kammer (1) zwei gegenüberliegende Heizstrahler (2, 3) vorgesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung außerhalb der Kammer (1) eingangsseitig zur Öffnung 4 vorgesehen ist.

8. Verfahren zum Vakuumtrocknen, dadurch gekennzeichnet, daß der zu trocknende Gegenstand in einer luftdicht verschließbaren Vakuumkammer (1) in einer ersten Stufe mittels Konvektionswärme unterstützt durch Umluft erwärmt und vorgetrocknet wird, anschließend in einer zweiten Stufe an die Kammer Vakuum angelegt wird und in einer dritten Stufe ein gasförmiger Stoff durch die Kammer geleitet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trocknung über eine Auswahl und Bestimmung von Steuerungsgrößen unter Selbststeuerung erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung über mindestens eine Steuerungsgröße ausgewählt unter der Feuchtigkeit, Temperatur, Druck, Gasfluß zur Umlufttrocknung und Flow controller erfolgt.

11. Verfahren nach einem der Anspruche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das in der ersten und dritten Stufe eingeleitete Gas Umgebungsluft und/oder ein Inertgas ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umlufttrocknung in der ersten Stufe Umgebungsluft und als Gas in der dritten Stufe ein Inertgas eingesetzt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas für die erste und/oder dritte Stufe vorgewärmt in die Kammer (1) eingeleitet wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Druckreduzierung in der zweiten Stufe der Kammer (1) ein Gas oder Gasgemisch gemäß der dritten Stufe zugesetzt wird.