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Die
Erfindung betrifft ein Vakuumtrockengerät mit einer mit
Unterdruck beaufschlagbaren Trockenkammer, die eine druckdicht verschließbare
Beladeöffnung aufweist, und mit einem in der Trockenkammer
angeordneten Trockengutträger zur Aufnahme eines Trockengutes.
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Unter
Trocknung oder Austrocknung (Exsikkation) versteht man allgemein
den Entzug von Flüssigkeit aus einem Stoff oder von einem
Gegenstand, dem Trockengut, beispielsweise durch Verdunstung, Verdampfung
oder den Einsatz von Trocknungsmitteln. Merkmal einer Trocknung
ist dabei die Verringerung der Feuchtigkeit des Trockengutes durch
eine in der Regel thermisch-physikalische Umwandlung der Flüssigkeit
in den gasförmigen Zustand (Phasenumwandlung). Grundlage
der Trocknung in einer gasförmigen Atmosphäre
ist der Dampfdruck der Flüssigkeit in Abhängigkeit
von Temperatur und Druck. Entspricht oder überschreitet
der Gehalt der Flüssigkeit in der umgebenden Atmosphäre
den Dampfdruck, so ist keine Trocknung durch Verdunstung möglich.
Mit höherer Temperatur steigt in der Regel der Dampfdruck
der Flüssigkeit, die Trocknung ist begünstigt.
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Bei
der Vakuumtrocknung von Trockengut unterscheidet man grundsätzlich
Verfahren, bei denen die Trockenguttemperatur unter dem Gefrierpunkt
liegt (Gefriertrocknung) von solchen, bei denen sich das Trockengut
auf einer Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes befindet. Im ersten
Falle erfolgt die Trocknung durch Sublimation, im zweiten Falle durch
Verdampfung. Die Vakuumtrocknung ist zum einen aus der Lebensmittelbranche
und der Chemie bekannt, wo sie für den Entzug von Restfeuchte
aus organischen oder anorganischen Stoffen verwendet wird, und zum
anderen aus der Elektronikindustrie und dem Maschinenbau, wo sie
häufig zum Trocknen von Komponenten nach einem Reinigungsvorgang
in einem Flüssigkeitsbad verwendet wird.
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Bei
der Vakuumtrocknung durch Verdampfung wird das Trockengut einem
Unterdruck ausgesetzt, was den Siedepunkt der Flüssigkeit
reduziert und somit bereits bei niedrigeren Temperaturen als bei
Normaldruck zu einer Verdampfung der Flüssigkeit führt.
Dazu wird das mit der Flüssigkeit durchsetzte bzw. benetzte
Trockengut in eine mit Unterdruck beaufschlagbare Trockenkammer
gebracht und die Flüssigkeit durch Verringerung des Innendrucks
der Trockenkammer mittels einer Vakuumpumpe oder dergleichen zum
Verdunsten bzw. Verdampfen angeregt. Für eine schnellere
Trocknung wird üblicherweise das Trockengut erwärmt,
d. h. seine Temperatur wird erhöht. Der als Unterdruck
bezeichnete Druck kann bei der Vakuumtrocknung nahe einem Vakuum
liegen, also bei etwa 0,1 bar oder darunter, eine Vakuumtrocknung
kann aber auch bei wesentlich höherem Druck, im Extremfall
bis nahe dem Umgebungs-, Atmosphären- oder Normaldruck,
stattfinden.
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Zur
Vakuumtrocknung durch Verdampfung sind Vakuumtrockenschränke
mit einer in einem Gehäuse angeordneten evakuierbaren Trockenkammer bekannt,
die eine verschließbare Beladeöffnung aufweist,
die mit einer Türe oder dgl. druckdicht verschlossen werden
kann. In der Trockenkammer sind beispielsweise Heizplatten angeordnet,
die von einem flüssigen Heizmedium durchflossen oder von elektrischen
Heizdrähten durchsetzt sind. Auf den Heizplatten sind Trockengutträger
zur Aufnahme des Trockengutes angeordnet.
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Des
weiteren weisen solche Vakuumtrockenschränke einen Vakuumanschluss
auf, der mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, so dass die Trockenkammer
für die Trocknung des Trockengutes mit Unterdruck beaufschlagbar
ist. Das Trockengut wird für eine schnelle Verdampfung
der Flüssigkeit mittels der Heizplatten erwärmt,
wobei die verdampfte Flüssigkeit als Flüssigkeitsdampf
während des Trockenvorgangs mittels der Vakuumpumpe abgesaugt
wird. Ein derartiger Trockenschrank ist beispielsweise Gegenstand
der Patentschrift
DE
195 18 996 C2 .
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Bevor
das zur schnellen Trocknung erwärmte Trockengut nach dem
Trockenvorgang aus der Trockenkammer entfernt werden kann, muss
es in der Regel wieder abkühlen. Dies nimmt eine gewisse Zeit
in Anspruch, in der der Vakuumtrockenschrank belegt ist und nicht
erneut mit zu trocknendem Trockengut beschickt werden kann. Derartige
Stillstandszeiten sind unproduktiv und daher unerwünscht.
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Vor
diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
Möglichkeit vorzuschlagen, bei einem Vakuumtrockengerät
die Abkühlzeit des Trockengutträgers mit dem darauf
befindlichen Trockengut zu verkürzen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Vakuumtrockengerät
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen sind den rückbezogenen Ansprüchen
zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß ist
der Trockengutträger mit einer Wärme- und einer
Kältequelle verbunden, so dass der Trockengutträger
erwärmt und abgekühlt werden kann. Dies bringt
zum einen den Vorteil mit sich, dass die Temperatur des Trockengutträgers
und damit des Trockengutes nach dem Trockenvorgang schnell auf eine
gewünschte, beliebig festlegbare Temperatur absenkbar ist,
und zum anderen den Vorzug, dass die Temperatur des Trockengutes über
den Trockengutträger während des Trockenvorgangs
regelbar ist. Dabei kann die Wärmequelle und/oder die Kältequelle
in der Trockenkammer bzw. außerhalb der Trockenkammer in
oder an dem Vakuumtrockengerät angeordnet oder abgesetzt
vom Vakuumtrockengerät vorgesehen sein. Die Wärme-
und/oder Kältequelle kann direkt oder indirekt mit dem
Trockengutträger verbunden sein. Dabei kann die Temperierung
des Trockengutträgers mittels eines flüssigen
oder gasförmigen Mediums unmittelbar und/oder mit einem
elektrischen oder elektronischen Bauelement mittelbar, geregelt
oder ungeregelt, erfolgen.
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Vorzugsweise
ist die Wärme- und die Kältequelle in der Trockenkammer
angeordnet, so dass die Verbindungswege zu dem Trockengutträger
kurz gehalten sind. Damit wird insbesondere bei einer geregelten
Temperierung des Trockengutträgers, wie sie für
empfindliche Trockengüter notwendig ist, eine schnelle
Reaktionszeit erreicht. Besonders günstig ist in diesem
Zusammenhang, die Wärme- und die Kältequelle direkt
an dem Trockengutträger anzuordnen.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die
Wärme- und die Kältequelle ein Peltierelement.
Ein Peltierelement ist ein elektrothermischer Wandler, der in der
gebräuchlichsten Form aus zwei in einem Abstand von einigen
Millimetern zueinander angeordneten Aluminiumoxid-Keramikplatten besteht,
zwischen denen ein Halbleiter in elektrisch- und thermisch leitendem
Kontakt angeordnet ist. Basierend auf dem Peltiereffekt erzeugt
ein Stromdurchfluss durch den Halbleiter eine Temperaturdifferenz
an den Keramikplatten. Durch Umkehr der Stromrichtung ist mit Peltierelementen
sowohl Kühlen als auch Heizen möglich. Günstigerweise
sind damit für den Trockengutträger die Wärmequelle
und die Kältequelle zu einer Funktionseinheit zusammengefasst,
die einen geringen Platzbedarf im Vergleich mit zwei getrennten
Quellen aufweist. Das Peltierelement kann mit einer seiner Platten
an einer Wandung oder einem Boden der Trockenkammer befestigt sein,
so dass die andere Platte den Trockengutträger tragen oder
bilden kann. Denkbar sind allerdings auch andere Kühlmöglichkeiten
mit beispielsweise Kühlwasser bzw. -flüssigkeit
oder Kühlluft.
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Für
eine schonende Trocknung des Trockengutes ist üblicherweise
eine für das Trockengut geeignete Trockentemperatur einzuhalten.
Dies kann mit einer geregelten Wärme- und/oder Kältequelle
erreicht werden, wozu die Temperatur des Trockengutträgers
und/oder des Trockengutes während des Trockenvorgangs erfasst
werden muss. Dazu weist die Trockenkammer zweckmäßigerweise
einen dem Trockengutträger zugeordneten Temperatursensor
auf, der die Temperatur des Trockengutträgers bzw. des Trockengutes
im Kontaktverfahren oder berührungslos misst. Bei einer
vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Vakuumtrockengerätes
ist der verwendete Temperatursensor ein Infrarotsensor, der dem
Trockengutträger mit Abstand gegenüberliegend
angeordnet ist. Er ist vorzugsweise auf das Trockengut gerichtet.
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Für
mehr Durchsatz und für Vergleichstrocknungen ist es zweckmäßig,
in der Trockenkammer mindestens zwei Trockengutträger mit
Abstand zueinander anzuordnen. Die Trockengutträger können mit
gleichen oder unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden, wobei
auf den Trockengutträgern übereinstimmende oder
verschiedene Trockengüter angeordnet werden können.
Entsprechend sind den Trockengutträgern vorzugsweise voneinander
unabhängige Wärme- und Kältequellen zugeordnet,
die den Trockengutträgern Wärme zuführen
oder entziehen können.
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Da
die Trockenzeit wesentlich von dem in der Trockenkammer herrschenden
(Unter-)Druck sowie von der zu entziehenden Flüssigkeit
abhängig ist, ist es wichtig, den Unterdruck entsprechend
der zu verdampfenden Flüssigkeit zu wählen, einzustellen
und während dem gesamten Trockenvorgang einzuhalten. Dazu
ist es zweckmäßig, die Vakuumkammer mit einem
Drucksensor auszurüsten. Der Drucksensor ermöglicht
insbesondere eine kontinuierliche Überwachung des Innendruckes
der Trockenkammer. Sowohl der Drucksensor wie auch der dem Trockengutträger
zugeordnete Temperatursensor kann zur Anzeige der ermittelten Prozesswerte
und/oder zur automatischen Regelung des Druckes bzw. der Temperatur
mittels einer elektronischen Steuerung verwendet werden.
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Bei
einer Variante des erfindungsgemäßen Vakuumtrockengerätes
weist die Trockenkammer zumindest teilweise transparente Wandungen
auf. Damit kann das Trockengut während des Trockenvorgangs
beobachtet und der Trockenzustand des Trockengutes durch Augenschein
bewertet werden.
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Zum
Abbau des Unterdrucks in der Trockenkammer nach dem Trockenvorgang
ist das Vakuumtrockengerät mit einer Belüftungsleitung
für die Trockenkammer ausgestattet. Die Belüftungsleitung weist
vorzugsweise einen Luftfilter zur Luftreinigung der beim Belüften
in die Trockenkammer einströmenden Luft auf. Der Luftfilter
hält Feinstaub, Schwebstoffe und Partikel zurück.
Die durch die Belüftungsleitung strömende Luft
passiert nach dem Durchtritt durch den Luftfilter außerdem
einen Feuchtigkeitsabsorber mit Trockenmaterial, der zwischen der
Belüftungsleitung und der Trockenkammer angeordnet ist. So
wird verhindert, dass die Trockenkammer und das darin befindliche
getrocknete Trockengut mit zuviel Feuchtigkeit aus der Atmosphäre
in Kontakt kommt. Zu Beginn des Belüftens, wenn der Druck
in der Trockenkammer noch niedrig ist, besteht die Gefahr, dass
in der einströmenden Luft gelöster Wasserdampf
(Luftfeuchtigkeit) kondensiert und das Trockengut befeuchtet. Diese
Gefahr wird durch den Feuchtigkeitsabsorber zumindest verringert.
Als Trockenmaterial sind hygroskopischem Stoffe vorgesehen, die
der Luft Wasser entziehen und dieses binden, beispielsweise Silikagel
oder Zeolithe. Man verwendet solche Stoffe üblicherweise,
um Bauteile oder hochwertige Komponenten eines Produktes vor Luftfeuchte
zu schützen, die zur Korrosion führen kann.
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Die
Belüftung der Trockenkammer sollte langsam erfolgen, es
sollte eine sanfte Belüftung ohne Druckstoß erfolgen.
Ein Luftzug in der Trockenkammer, der das Trockengut anheben, bewegen oder
verschieben oder Partikel, Verunreinigungen oder dgl. vom Trockengut
blasen kann, die nach der Trocknung zur Untersuchung noch auf dem
Trockengut sein sollten, sollte vermieden werden.
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Das
erfindungsgemäße Vakuumtrockengerät eignet
sich insbesondere zur Vakuumtrocknung von Analysemembranen, die
als Trockengut von dem Trockengutträger aufgenommen sind.
Analysemembranen sind Fein- oder Feinstfilter, die zur Probenahme
aus einem strömenden Gas oder einer strömenden
Flüssigkeit eingesetzt werden. Sie filtern darin enthaltene
Partikel zur Analyse aus. Für die Analyse werden die Analysemembranen üblicherweise
vor und nach der Probenahme in trockenem Zustand gewogen, so dass
sich das Partikelgewicht als Differenz der Wägungen ergibt.
Damit ist die Verunreinigung des Fluids bei bekannter Durchflussmenge
durch die Analysemembran feststellbar.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Weitere Merkmale der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels
der Erfindung in Verbindung mit den Ansprüchen und der
beigefügten Zeichnung. Die einzelnen Merkmale der Erfindung
können für sich allein oder zu mehreren bei unterschiedlichen Ausführungsformen
der Erfindung verwirklicht sein. Die einzige Figur der Zeichnung
zeigt ein erfindungsgemäßes Vakuumtrockengerät
in einer schematischen Schnittdarstellung.
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Das
in der Zeichnung dargestellte erfindungsgemäße
Vakuumtrockengerät 1 weist ein quaderförmiges
Gehäuse 2 auf, das aus einem pultartigen Gehäuseunterteil 3 und
einem davon abnehmbaren Gehäuseoberteil 4 zusammengesetzt
ist. Das Gehäuseoberteil 4 ist als einseitig offener
Hohlquader ausgebildet und aus einem transparenten Material, beispielsweise
Kunststoff oder Glas, hergestellt. Es kann als Deckel auf eine oben
angeordnete Trageplatte 5 des Gehäuseunterteils 3 dichtend
aufgesetzt werden. Ein Innenraum 6 des Gehäuseoberteils 4,
den die Trageplatte 5 bei auf das Gehäuseunterteil 3 aufgesetztem
Gehäuseteil 4 abschließt, bildet eine Trockenkammer 7 des
Vakuumtrockengerätes 1. In der Trockenkammer 7 sind
auf der Trageplatte 5 zwei Trockengutträger 8 mit
seitlichem Abstand zueinander angeordnet, die jeweils mit einer
Wärmequelle 9 und einer Kältequelle 10 in
Form eines zugeordneten Peltierelements 11 verbunden sind.
Das Peltierelement 11 trägt jeweils den Trockengutträger 8,
so dass der Trockengutträger 8 einfach temperiert,
nämlich erwärmt und gekühlt werden kann.
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Auf
den Trockengutträgern 8 kann ein zum Vakuumtrocknen
vorgesehenes Trockengut 12 angeordnet werden. Dazu muss
das Gehäuseoberteil 4 von dem Gehäuseunterteil 3 abgenommen
werden, so dass die Trockenkammer 7 durch eine von dem Gehäuseoberteil 4 freigegebene
Beladeöffnung 13 zugänglich ist. Nach
dem Anordnen des Trockengutes 12 auf den Trockengutträgern 8 wird
die Beladeöffnung 13 mittels dem Gehäuseoberteil 4 druckdicht verschlossen,
so dass die evakuierbare Trockenkammer 7 mit Unterdruck
beaufschlagbar ist. Dazu ist eine Vakuumpumpe 14 abgesetzt
von dem Vakuumtrockengerät 1 vorgesehen, die durch
eine Entlüftungsleitung 15 mit der Trockenkammer 7 verbunden ist.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind als Trockengut 12 zwei
Analysemembranen in die Trockenkammer 7 eingebracht. Alternativ
können mit dem Vakuumtrockengerät 1 auch
andere massive oder poröse Teile sowie Pulver- oder granulatförmige Stoffe
bzw. andere beliebige Filterträger vakuumgetrocknet werden.
Mittels der Peltierelemente 11 können die beiden
Analysemembranen 12 über die Trockengutträger 8 gezielt
zwischen beispielsweise 0 bis 100°C geregelt temperiert
werden. Dazu wird die Temperatur jeder der Analysemembranen 12 mittels eines
Infratorsensors 16, der dem jeweiligen Trockengutträger 8 mit
Abstand gegenüberliegt, gemessen und der ermittelte Wert
einer Steuerung 17 des Vakuumtrockengerätes 1 zugeführt,
die den Strom des entsprechenden Peltierelements 11 in
Stärke und Richtung regelt. Die dazu notwendigen elektrischen
Verbindungen sind in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Zur
Prozesskontrolle bzw. Prozesssteuerung weist die Trockenkammer 7 außerdem
einen Drucksensor 18 auf, der in einem Regelkreis mit der
Vakuumpumpe 14 und der Steuerung 17 liegt. Die
entsprechenden elektrischen Anschlussleitung sind in der Zeichnung
ebenfalls nicht gezeichnet. Mit dem Drucksensor 18 wird
der in der Trockenkammer 7 herrschende Unterdruck gemessen.
Mittels der Vakuumpumpe 14 kann die Trockenkammer 7 bis
auf zirka 0,9 bar unter Umgebungsdruck, also auf zirka 0,1 bar Druck
absolut, evakuiert werden. In Abhängigkeit von der den
Analysemembranen 12 durch Verdunstung zu entziehenden Flüssigkeit
ist ein schneller Trocknungsprozess auch bei einem wesentlich geringeren Unterdruck
gegenüber dem Atmosphärendruck möglich.
Die von den Analysemembranen 12 verdunstende Flüssigkeit
wird als Flüssigkeitsdampf mit der Vakuumpumpe 14 aus
der Trockenkammer 7 über die Entlüftungsleitung 15 abgesaugt.
Der Flüssigkeitsdampf kondensiert anschließend
in einem der Vakuumpumpe 14 nachgeschalteten Kondensator 19.
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Das
Vakuumtrockengerät 1 weist zudem eine Belüftungsleitung 20 zum
Belüften der Trockenkammer 7 nach dem Trockenvorgang
auf. Die Belüftung der Trockenkammer 7 erfolgt über
ein 2/2-Wegeventil 21, das nach Abschalten der Vakuumpumpe 14 Raumluft
durch einen Luftfilter 22 in die Trockenkammer 7 einströmen
lässt. Dabei durchströmt die Raumluft einen Feuchtigkeitsabsorber 23 mit
einem hygroskopischen Trockenmaterial. Die Belüftungsleitung 20,
das 2/2-Wegeventil 21 und der Luftfilter 22 sind
in einem Hohlraum 24 des Gehäuseunterteils 3 eingebaut,
der Feuchtigkeitsabsorber 23 ist an der Trageplatte 5 des
Gehäuseunterteils 3 angeordnet, befindet sich
also in der Trockenkammer 7. Des weiteren sind in dem Hohlraum 24 mit
den Peltierelementen 11 verbundene Kühlkörper 25 angeordnet, die
in einem Kühlluftstrom eines Lüfters 26 liegen. Für
den Kühlluftstrom sind in dem Gehäuseunterteil 3 Luftdurchtritte 27 vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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