专利名称：蒸气收集方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种蒸气收集方法，并且更具体地涉及一种能够在基本不稀释气相组分的情况下收集气相组分的方法。
背景技术：
在干燥带有涂层的材料期间，现有的用于除去和收回组分的实施手段一般使用干燥设备或者干燥炉。在封闭的及开放的干燥系统中，都使用收集罩或者收集口来收集基片或者材料所散发出的溶剂蒸气。现有的开放的蒸气收集系统一般使用空气处理系统，该空气处理系统无法在不大量吸入周围空气流的情况下选择性地主要吸入所想要的气相组分。封闭的蒸气收集系统一般会引入惰性气体循环系统，用以帮助净化封闭容积。无论是在哪一种系统中，周围空气或者惰性气体的引入都会稀释气相组分的浓度。从而，随后的使蒸气与稀释的蒸气流分离的过程可能是困难而又低效的。
另外，与现有的蒸气收集系统有关的热力学现象经常会在基片或材料上或者在基片或材料附近出现不希望有的蒸气凝结。冷凝物会落在基片或材料上，并对材料的外观或者功能特征造成不利的影响。在工业条件下，工艺过程和加工设备周围的环境条件可能会包括有异物。在大容量干燥设备中，异物可能会在现有的干燥系统的大体积流量下被吸入到收集系统中。
所希望的是，在气相组分基本上不被周围空气或者惰性气体稀释的情况下收集气相组分。另外，在一种工业条件下有优势的是，在相对较低的体积流量下收集气相组分，以防止夹带异物。
发明内容
本发明提供了用于在基本上不稀释的情况下运送和收集气相组分的方法及设备。所述的方法和设备利用位于基片表面附近的腔来实现基片表面附近的气相组分的收集。
在本发明的方法中，提供至少一种具有至少一个主要表面的材料，该主要表面带有邻近气相。然后，将一腔定位在该材料表面附近，以在腔和材料之间限定出一间隙。所述间隙优选地小于等于3厘米。腔和材料表面之间的邻近气相限定出一区域，该区域具有一定量的物质。来自邻近气相的至少一部分所述物质通过引导通过所述区域的流动而被运送通过该腔。用以下公式来表示所述的气相流量M1+M2+M3＝M4(公式I)其中，M1是由压力梯度所引起的通过间隙进入所述区域并通过腔的物质的单位宽度总的净时间平均质量流量，M2是从材料的所述至少一个主要表面进入所述区域并通过腔的物质的单位宽度时间平均质量流量，M3是由材料运动所引起的通过间隙进入所述区域并通过腔的物质的单位宽度总的净时间平均质量流量，而M4是被运送通过腔的物质的单位宽度时间平均质量流量。出于本发明的目的，限定宽度的尺寸为间隙在垂直于材料运动方向的方向上并位于材料平面内的长度。
本发明的方法和设备旨在基本上减小被运送通过腔的稀释气体的量。利用在材料表面附近的腔以及小的负压梯度能够基本上减小稀释气体的量，即M1。压力梯度(Δp)定义为腔下围处气压(pc)和腔外气压(po)之间的压力差，其中Δp＝pc-po。M1的值一般大于0但小于等于0.25千克/秒/米。优选的是，M1的值一般大于0但小于等于0.1千克/秒/米，且最优选的是，M1的值大于0但小于等于0.01千克/秒/米。
在另一种表述中，可以用由M1导出的平均速度来表示进入腔的稀释气相组分的流量。利用在材料表面附近的腔以及小的负压梯度能够基本上减小通过间隙的气相的平均总净流速(<v>)。对本发明而言，<v>的值一般大于0但小于等于0.5米/秒。
本发明的方法旨在通过基本上减小公式I中的M1值来显著地减小对在邻近气相中气相组分的稀释程度。M1表示由压力梯度所引起的进入所述区域的物质的单位宽度的总的净气相稀释流量。邻近气相中的物质的稀释会不利地影响气相收集系统的效率，并且会影响随后的分离工艺的实施。对于本发明的方法而言，M1大于0但是小于等于0.25千克/秒/米。另外，由于腔和材料表面之间相对较小的间隙，由受引导流动而造成的通过间隙的气相组分的平均流速一般小于等于0.5米/秒。
在替代性实施例中，可将本发明视为一种用于处理移动的不定长基片的设备。该设备具有在基片表面附近的控制表面，用以在所述基片和该控制表面之间限定出一控制间隙。第一腔定位于所述控制表面附近，该第一腔具有气体引入装置。第二腔定位于所述控制表面附近，该第二腔具有气体排出装置。所述控制表面和所述两个腔一起限定出一区域，在该区域中，邻近气相具有一定量的物质。在引导该区域内的至少一部分所述物质时，物质的质量流量被分为以下几部分M1表示由压力梯度所引起的单位宽度进入或者离开所述区域的物质的总的净平均质量流量-时间，M1’表示从所述气体引入装置通过第一腔进入所述区域的物质的单位宽度总的净时间平均质量流量，M2表示从基片的所述至少一个主要表面进入所述区域的物质的单位宽度平均时间质量流量，M3表示由材料运动所引起的进入所述区域的物质的单位宽度的总的净时间平均质量流量，和M4表示通过所述气体排出装置所运送的物质的单位宽度时间平均质量流量。
结合本发明的替代性实施例，用下面的公式来表示气相中的质量流量M1+M1’+M2+M3＝M4 (公式IA)本发明的设备将M1的值优选地限制为其绝对值小于等于0.25千克/秒/米。
如上所述，邻近气相中的物质的稀释会不利地影响到系统。M1流量的其它缺点将使得这些缺点显而易见。例如，M1流量可能会含有微粒物和其它空气污染物。它一般具有不受控制的成分，并且具有不受控制的温度，以及不受控制的相对湿度。
在本发明的可选实施例中，希望的是，通过基本上控制M1’和M4来减小对邻近气相中的气相组分的稀释程度。经过验证的是，具有受控湿度、优选的是干净的惰性气体的一个给定的流入气流M1’能够在不过度地增加稀释程度的情况下，实现许多功能，从而为材料提供干净、受控的环境。本领域技术人员将能容易地选择适于具体要求应用的气体环境的组分、温度和湿度。通过小心地控制引入M1’并收回M4的气体体积和条件，可以通过在区域内建立很小的正压力而显著地减小流量M1。在此情形中，所要指出的是，M1是带符号的数字，当M1表示进入所述区域的小的流入量时，它是正的，当M1表示流出所述区域的小的流出量时，它是负的。结合本发明，优选地使M1的绝对值保持小于0.25千克/秒/米，且最优选地使M1的绝对值保持小于0.025千克/秒/米。
或者，可将本发明视为一种用于处理移动的不定长基片的方法，该方法包括以下步骤(a)将一控制表面定位于所述基片的一表面附近，以在基片和该控制表面之间限定出一控制间隙；(b)将第一腔定位于所述控制表面附近，该第一腔具有气体引入装置；(c)将第二腔定位于所述控制表面附近，该第二腔具有气体排出装置，使得所述控制表面和所述两个腔限定出一区域，在该区域中，邻近气相具有一定量的物质；和(d)引导运送所述区域内的至少一部分所述物质，使得在M1、M1’、M2、M3和M4为如上定义的质量流量时，MI+M1’+M2+M3＝M4。与上面关于设备的描述相同，该方法将M1的值优选地限制在绝对值小于等于0.25千克/秒/米。
经过验证的是，表现该可选实施例的所述方法和设备可以在网状物加工中串联使用，从而形成多个区域或者多种应用。
所述方法非常适于要求以有效方式收集蒸气组分的应用。有机溶剂和无机溶剂是常常作为载体来使用的组分的实例，用以允许在基片或者材料上沉积所要求的成分。一般通过供应充足的能量，使溶剂气化，从而将所述组分从基片或者材料除去。希望的是，并且对于健康、安全以及环境因素而言常常必要的是，在将蒸气组分从基片或者材料上除去之后，收回该蒸气组分。本发明能够在不引入大量稀释流的情况下收集和运送蒸气组分。
在优选的实施例中，本发明的方法包括使用含有至少一种可蒸发组分的材料。将所述腔放置在材料表面附近。然后将足够的能量导入该材料，以使所述至少一个可蒸发组分气化，从而形成蒸气组分。该蒸气组分中的至少一部分被收集在腔中。一般在高浓度下收集蒸气组分，高浓度使诸如分离的后续加工变得更加有效。
本发明的设备包括用于支撑材料的支撑机构。所述材料具有带邻近气相的至少一个主要表面。腔被放置在材料表面附近，从而在所述表面和收集腔之间限定出一间隙。在腔和材料之间的邻近气相限定出含有一定量物质的区域。与腔连通的机构引导运送在邻近气相中的至少一部分所述物质通过该区域。物质通过所述区域进入腔中的运送由公式I来表示。可以任选地将腔内的蒸气运送到用于另外加工的分离机构。
本发明的方法和设备优选地适于在运送和收集来自移动的网状物的溶剂中使用。在工作中，腔被放置在连续移动的网状物上方，以收集高浓度的蒸气。蒸气的低体积流量和高浓度提高了溶剂收回的效率，并基本上消除了有关现有的组分收集装置的污染物问题。
本发明的方法和设备优选地结合现有的间隙干燥系统使用。间隙干燥系统一般运送材料通过加热板和冷凝板之间的一窄间隙，用于蒸发以及随后冷凝材料中的可蒸发组分。在间隙干燥系统的各个位置上，本发明设备的构造能够进一步收集在进入间隙干燥设备前、或者在离开间隙干燥设备前通常存在于材料表面上的邻近气相中的气相组分。
出于本发明的目的，对本申请中所使用的以下术语作如下定义“时间-平均质量流量”由公式MI=1t∫0tmidt]]>来表示，其中MI是以千克/秒为单位的物质的时间平均质量流量，t是以秒为单位的时间，而mi是以千克/秒为单位的物质的瞬时质量流量；“压力梯度”表示腔内和外部环境之间的压力差；和“受引导流动”表示一般由所述压力梯度所引起的流动。
从以下实施例的描述以及权利要求中，其它的特征和优点将是明显的。
对于本领域技术人员而言，在结合附图考虑以下详细描述时，本发明上述的以及其它的优点将变得更明显，在附图中图1是本发明的示意图；
图1a是本发明替代性实施例的示意图；图2是本发明的气相收集设备优选实施例的示意图；图3是本发明的气相收集设备优选实施例的剖视图；图4是本发明的气相收集设备优选实施例的等轴视图；图5a是与间隙干燥系统相结合的本发明的一个优选实施例的示意图；图5b是与任选的机械密封相结合的本发明的一个优选实施例的示意图；图6是与任选的可缩回的机械密封相结合的本发明的一个优选实施例的示意图；和图7是如这里提供的实例中所描述的气相收集系统和设备的另一优选实施例的示意图。
具体实施例方式
在图1中总的描述了本发明的方法和设备10。所述方法包括步骤提供材料12，该材料具有带邻近气相(未示出)的至少一个主要表面14。具有排气口18的腔16定位于附近，从而在腔16的下围19和材料12的表面14之间限定出一间隙。所述间隙具有高度H，该高度优选地是3厘米或者3厘米以下。在腔16的下围19和材料12的表面14之间的邻近气相限定出一具有一定量物质的区域。该区域中的物质一般为气相。然而，本领域技术人员能够认识到，该区域还可包含液态或者固态的物质，或者包含三态的组合。
来自该区域的物质的至少一部分通过受引导流动而被运送通过腔16。可通过一般为本领域技术人员所知的机构来引导流动。用公式I来表示进入并通过腔的单位宽度质量流量M1+M2+M3＝M4(公式I)图1描绘了在实施本发明的方法中所遇到的各种流动气流。M1表示由压力梯度所引起的单位宽度的进入或者离开所述区域的物质的总的净时间平均质量流量。对于本发明的目的而言，M1实质上表示稀释气流。M2表示单位宽度的从基片的所述至少一个主要表面进入所述区域的物质的时间平均质量流量。M3表示由材料运动所引起的单位宽度的进入所述区域的物质的总的净时间平均质量流量。M3一般被认为是表示机械拖曳，并且包括在腔下方随材料的运动而吸入的物质和随着材料从腔下方通过而离开的物质。在材料静止在腔下方的情形中，M3的值为0。在间隙H是一致的情形中(即入口和出口的间隙高度是相同的)，M3的值为0。当入口和出口的间隙高度不一致(即不相同)时，则M3不为0。M4表示单位宽度通过所述气体排出装置所运送的物质的时间平均质量流量。所要理解的是，物质能够在不被运送通过腔的情况下被运送通过间隙并进入所述区域。这种流量并不被包括在公式I中所包括的总体净流量之内。出于本发明的目的，将宽度尺寸限定为间隙在垂直于材料运动方向的方向上并且位于材料平面内的长度。
本发明的方法和设备旨在基本上减小通过腔所运送的稀释气体的量。利用在材料表面附近的腔以及非常小的负压梯度使得能够基本减小稀释气体的量，即M1。压力梯度Δp定义为腔下围处气压pc和腔外气压po之间的压力差，其中Δp＝pc-po。M1的值通常大于0但小于等于0.25千克/秒/米。优选的是，M1的值一般大于0但小于等于0.1千克/秒/米，且最优选的是，M1的值大于0但小于等于0.01千克/秒/米。
在一种可选的表述中，可以用M1所引起的平均速度来表述进入腔的稀释气相组分的流量。利用在材料表面附近的腔以及小的负压梯度能够基本上减小通过间隙的气相的总的净平均流速<v>。由M1所引起的气相的平均速度定义为<v>＝M1/ρA。其中，M1定义如上，ρ是以千克/米3为单位的气流平均密度，A是以米为单位的单位宽度可用来进入所述区域的横截面面积。其中，A＝(H(2w+21))/w，其中H定义如上，w是间隙在垂直于材料运动方向的方向上的长度，1是间隙在材料运动方向上的长度。对本发明而言，<v>的值一般大于0但小于等于0.5米/秒。
腔在材料表面附近以及相对较小的压力梯度，使得能够在最小稀释的情况下将邻近气相中的物质运送通过腔。从而，可以运送并收集较高浓度下较低流速的物质。本发明的方法还适于运送并收集位于邻近气相中的相对较小量的物质。间隙高度一般为3厘米或者3厘米以下，优选的是1.5厘米或者1.5厘米以下，且最优选的是0.75厘米或者0.75厘米以下。另外，在优选的实施例中，围绕腔周围的间隙高度是基本一致的。然而，间隙可以变化，或者对具体应用可以不一致。在优选的实施例中，腔可以具有比该材料或者在腔下方所运送的网状物宽的周长。在这些情形中，可以将腔设计成几个边密封，以便进一步减小单位宽度的由压力梯度所引起的物质的时间平均流量(M1)。还可以将腔设计成符合若干不同几何形状的材料的表面。例如，腔可具有切成圆角的下围，以符合圆筒形材料的表面。
所使用的材料可包括任何材料，只要该材料能定位于腔附近即可。优选的材料是网状物。网状物可包括一层或者多层材料，或者包括涂敷在基片上的涂层。
如概括地在图1a中所描述的，还可利用本发明的设备10a来实施所述的方法。如上面关于公式IA所提到的，本发明的基本原理优选的是，所选定的总的质量流量要紧密符合来自材料的气相组分的生成流量，本发明基本原理的一个部分例外包括任选地引入一气流量。气流量的总质量应当尽可能的低，以便符合在基片上方提供一个基本没有微粒污染物的环境的要求。结合所述方法的这种变化，设备10a还包括提供基片12，该基片具有带邻近气相(未示出)的至少一个主要表面14。所述基片12在控制表面15下方沿箭头“V”的方向运动，从而限定出一控制间隙“G”。具有气体引入装置21的第一腔17定位于所述控制表面15附近。
所述气体引入装置21的确切形状可以变化，可以用诸如气割刀，气幕，或者供气集流腔等合适的装置。尽管示出的实施例描绘了第一腔17为增压室的形式，但将气体引入装置21定位于与控制表面15的水平面有一定距离并不是本发明的要求。第二腔16a也定位于控制表面15附近，并具有气体排出装置18a。同样的是，尽管示出的实施例描绘了第二腔16a为增压室的形式，但将气体引入装置18a定位于与控制表面15的水平面有一定距离也不是本发明的要求。在最优选的实施例中，第一腔17和第二腔16a将位于控制表面15的相对两端，如图1a所示。
第一腔17在第一腔17和基片12之间限定出第一间隙G1。第二腔16a在第二腔16a和基片12之间限定出第二间隙G2。在一些实施例中，第一间隙G1、第二间隙G2和控制间隙G都具有相同的高度，然而在一些其它的优选实施例中，第一间隙G1或者第二间隙G2中的至少一个具有与控制间隙G不同的高度。当第一间隙、第二间隙以及控制间隙都为3厘米或者3厘米以下时，获得最佳结果。在一些优选实施例中，第一间隙、第二间隙和控制间隙都为0.75厘米或者0.75厘米以下。
除了间隙G1、G2和G之外，通过使用机械结构，诸如图1a中所示的延长部分23和25，还可使蒸气组分的稀释程度达到最小。该延长部分23和25具有间隙G3和G4，既可以将它们添加在设备的前端，也可以将它们添加在设备的后端。本领域技术人员能够认识到，所述的延长部分可根据对于具体目的的所选择的具体实施例而附在设备的各个部件上。
控制表面15、第一间隙17、第二间隙16a以及基片12的表面14之间的邻近气相限定出一具有一定质量的区域。所述延长部分23和25可以进一步限定在所述控制表面下方的所述区域，该控制表面具有所述的具有一定量物质的邻近气相。该区域内的物质一般为气相。然而，如上所述，本领域技术人员能够认识到，该区域还可包含液态或者固态的物质，或者包含三态的组合。另外，M1’流可以含有活性组分，或者可以任选地含有从M4回收的至少一些组分。
在优选的实施例中，来自所述区域的物质的至少一部分通过受引导流动而被运送通过腔16a。可通过通常为本领域技术人员所知的现有机构来引导流动。用公式IA来表示单位宽度的进入并通过腔的质量流量M1+M1’+M2+M3＝M4 (公式IA)图1a描绘了在实施本发明的方法中所遇到的各种流动气流。M1是由压力梯度所引起的进入或者离开所述区域的物质的单位宽度的总的净时间平均质量流量。如上所述，在公式IA中，M1是带符号的数字，当M1表示进入所述区域的小流入量时，它是正的，当M1表示流出所述区域的小流出量时，它是负的。对于本发明的目的而言，M1实质上表示本发明想要最小化的稀释流。M1’是从气体引入装置21进入所述区域的物质的总的净平均质量流量-时间。然而，本发明认识到，M1’可在由稀释所造成的所能容忍的主要表面14的洁净度方面提供足够的改善。M2是单位宽度从基片的所述至少一个主要表面进入所述区域的物质的时间平均质量流量的绝对值。如上所述，M3是由材料运动所引起的单位宽度进入所述区域的物质的总的净时间平均质量流量，而M4是单位宽度通过所述第二腔的所运送的物质的时间平均质量流量。
本发明的方法和设备旨在基本上减小所运送通过所述腔的稀释气体的量，且与上面的描述相同的是，M1的绝对值优选地小于等于0.25千克/秒/米。最优选的是，M1的绝对值小于等于0.1千克/秒/米，更加优选的是，M1的绝对值小于等于0.01千克/秒/米。在不需要气体来保护主要表面14时，M1’的值可以是0，但在M1’存在时，它的值优选的小于等于0.25千克/秒/米。在很多优选的情形中，M1’的值大于0，但小于等于0.025千克/秒/米。腔被加工和操作成适合在基本上不稀释的情况下，或者在不会由于无法将气相组分吸入腔内而损失过多气相组分的情况下，能够收集到足够的气相组分。本领域技术人员能够设计并操作腔来控制给定材料的蒸发速度以及用于适当收回气相组分所需的流体流速。对于可燃的气相组分而言，优选的是，出于安全起见，收回在可燃性上限以上浓度的蒸气。另外，可以在网状物的主要部分保持间隙。还可以在操作中沿网状物的加工路径的各个点放置若干腔。各单独腔可以在不同的压力、温度和间隙下工作，以控制工艺和材料变化。
通过引入压力梯度，实现了将物质从所述区域运送通过腔。压力梯度一般借助于机械装置来建立，例如，泵、吹风机和风扇。引入压力梯度的机械装置与腔相连通。从而，压力梯度将建立通过腔并穿过腔中的排气口的物质流。本领域技术人员还能够认识到，压力梯度还可以来源于气相组分的密度梯度。
所述腔还可以包括一个或者多个机构，用以控制被运送通过腔的物质的形态，从而控制物质中组分的形态改变。例如，可将现有的温度控制装置引入腔中，用以防止冷凝物形成在腔内部上面。现有的温度控制装置的非限定性实例包括加热线圈、电加热器和外部热源。加热线圈在腔内提供了充足的用以防止蒸气组分冷凝的能量。现有的加热线圈和热传导流体适合与本发明一起使用。
根据具体的气相成分，腔可以任选地包括阻焰能力。阻焰装置内置于腔内，该装置允许气体通过，但是熄灭火焰，以防止大规模着火或者爆炸。火焰是发生自生发热(产生能量)化学反应的大量气体。一般在工作环境包括以下物质时需要阻焰装置氧气、高温以及以适当比例与氧气混合的可燃气体所造出的可燃混合物。阻焰装置通过除去上述组分中的一个而起作用。在优选实施例中，气相组分通过由吸热材料所界定的一窄间隙。间隙和材料的尺寸都取决于具体的蒸气成分。例如，可借助于带有根据美国国家防火协会标准加工出的网孔的细网金属屏，例如铝屏，使腔充满容纳在底部的扩展金属吸热材料。
本发明中所使用的任选的分离装置和运送装备也可以具有阻焰能力。本领域技术人员所知道的现有技术适合于与本发明一起使用。在腔中以及随后的加工装备中使用阻焰装置，而不会引入惰性气体。从而，蒸气浓度总的保持在使得能够有效地实施分离工艺的程度。
本发明的方法适于连续收集气相成分。气相成分一般从腔流到后续加工步骤，优选的是在不稀释的情况下。后续加工步骤包括诸如以下可选的步骤例如，分离或者破坏气相中的一个或者多个组分。分离加工步骤可以在受控方式下置于腔内发生，或者可以在外部发生。优选的是，使用诸如以下的现有分离工艺来分离蒸气流例如，吸收、吸附、薄膜分离或者冷凝。高浓度和低质量流量的蒸气组分提高了现有分离工艺实施的整体效率。最优选的是，蒸气组分中的至少一部分在一个高得足以允许随后在0℃或者0℃以上的温度分离蒸气组分的浓度下被收集。这样的温度防止了在分离工艺期间形成霜冻，具有设备上以及工艺上的优点。
来自腔的蒸气流可以含有蒸气，或者含有蒸气和液态的混合物。蒸气流还可以包括微粒物，该微粒物可在分离工艺之前过滤掉。适合的分离工艺可包括，例如，现有的分离实施手段，诸如浓缩气流中的蒸气组分；直接冷凝气流中稀释的蒸气组分；直接冷凝气流中浓缩过的蒸气组分；直接两阶段冷凝；使用活性炭或者合成吸收介质来吸收气流中稀释的蒸气组分；使用活性炭或者合成吸收介质来吸收气流中浓缩过的蒸气组分；使用具有高吸收特性的介质来吸收气流中稀释的蒸气组分；以及使用具有高吸收特性的介质来吸收气流中浓缩过的蒸气组分。破坏装置可包括现有的装置，诸如热氧化器。任选的是，根据气相组分的成分，可以在气流离开腔后将气流排出，或者将气流过滤并排出。
图2-4中描述了本发明的一个优选实施例。本发明的设备20包括网状物22，其被通过网状物运送系统(未示出)在加热元件24和腔26之间运送。网状物22包括含有至少一种可蒸发组分的材料(未示出)。腔26包括下围28。所述腔26定位于网状物22附近，从而腔26的下围28在腔26和网状物22之间限定出一间隙H。腔26可选地包括加热线圈30、阻焰元件32和阻焰元件32上方的顶部空间39。岐管34提供了到压力控制机构(未示出)的连接。该岐管34最后还提供了出口36，用以将蒸气运送到后续加工步骤。
在工作中，加热元件24主要提供传导热能量给网状物材料22的底面，用以使网状物材料中的可蒸发组分气化。腔26在压力梯度下工作，使得当蒸气从网状物材料22上散发出来时，至少一部分蒸气被运送通过垂直间隙H并进入腔26。被吸入腔26中的蒸气被运送通过岐管34和出口36，以便进一步处理。间隙H和压力梯度使得能够在基本上不稀释的情况下收集腔内26的蒸气。
所述的优选实施例涉及运送并收集来自材料的可蒸发组分。可蒸发组分可以被包括在材料内、在材料的表面上、或者被包括在邻近气相中。材料包括，例如涂层基片、聚合物、色素、陶瓷、胶水、织物、非织物、纤维、粉末、纸、食品、药品或者它们的组合。优选的是，所提供的材料为网状物。然而，可以使用不连续的段或者片的材料。
材料包括至少一种可蒸发组分。该可蒸发组分为任何液体成分或者固体成分，只要该成分能够气化并与材料分离即可。非限定性实例可包括有机化合物和无机化合物或者两种化合物的组合，诸如水或者乙醇。一般而言，所述可蒸发组分可能会原先作为溶剂使用，以便最初制造材料。本发明非常适于后续除去所述溶剂。
根据本发明，将足够量的能量供应到材料，以便使至少一种可蒸发组分气化。气化该可蒸发组分所需的能量可通过辐射、传导、对流或者它们的组合来供应。传导加热，例如可包括让材料通过平的加热板、弧形加热板附近，或者将材料部分地围绕在加热圆筒上。对流加热的实例可包括借助于喷嘴、喷射器或者增压室，将热空气引导到材料。诸如无线电频率、微波或者红外的电磁辐射可被引导到材料，并被材料吸收，从而引起材料内部加热。能量可被供应到材料的任何表面或者所有的表面。另外，可供应带有充足内能的材料，例如预热处理过的材料，或者在材料中发生发热化学反应的材料。各种能量源可以单独地使用，或者以组合方式使用。
本领域技术人员能够认识到，用于加热材料和蒸发组分的能量可以从现有的热源供应。例如，可以借助于电力、油料燃烧或者其它热源来提供充足的能量。能量可以被直接供应到施加点上，或者间接地通过以下的方式来供应加热的、诸如水或者油的液体，加热的、诸如空气或者惰性气体的气体，或者加热的、诸如气流或者现有热传递流体的蒸气。
本发明的腔定位于材料附近，从而在腔下围和材料之间形成间隙。间隙在材料表面和腔的底部之间优选地是高度基本上一致的空间距离。间隙高度优选地是3厘米或者3厘米以下，最优选地是1.5厘米或者1.5厘米以下，且更为优选地是0.75厘米或者0.75厘米以下。腔在压力梯度下工作，使得蒸气被吸入腔中。腔位于材料附近，这使得在蒸气被吸入腔中时的蒸气稀释最小。除了间隙之外，通过使用添加在腔上的机械结构，诸如，图2-4中所示的延伸部分35、37，也可以使蒸气组分的稀释最小。在该延伸部分延伸超出网状物并接触到热滚筒24时，延伸部分还可以提供周边密封。
根据本发明，优选的是，所选定的总的质量流量紧密符合来自材料的气相组分的生成流量。这将有助于防止蒸气组分的稀释或损失。来自腔的物质的总的体积流量优选地是至少100％的该蒸气组分的体积流量。另外，本发明能够实现基本上均匀地流动穿过腔的入口表面。这可以在多孔介质层上方的腔中存在顶部空间时实现。在上述情形中，相对于通过多孔介质的压降，顶部空间中横向压降可以忽略不计。本领域技术人员将认识到，顶部空间和多孔介质的孔尺寸可以调节，以便调节穿过腔的入口表面的流量。
在另一优选实施例中，本发明的腔可与现有的间隙干燥系统结合在一起。间隙干燥系统是一种采用直接溶剂冷凝结合传导主要能量转移的系统，从而该系统不需要施加强制对流来蒸发并带走溶剂蒸气。间隙干燥机由加热板和冷却板组成，两个板间隔开一小间隙。加热板位于网状物的未涂层面附近，其供应能量，用以蒸发涂层的溶剂。冷却板位于涂层面附近，提供驱动力，用于冷凝并将溶剂蒸气运送穿过间隙。冷却板具有表面几何形状，该表面防止了液体滴回到涂层表面上。在涂层基片被运送通过两个板之间的间隙时，发生干燥和同时的溶剂收回。在美国专利No.6,047,151、4,980,697、5,813,133、5,694,701、6,134,808和5,581,905中详细描述了间隙干燥系统，这里将它们的全部内容作为参考引入。
腔可以定位于间隙干燥系统中的若干任选点上。例如，腔可以被置于间隙干燥机的相对两端，内置于间隙干燥机内，或者是它们的组合。图5a显示了定位于间隙干燥系统42的尾端44处的腔40。
在现有的间隙干燥式构造中，一些气相组分通过移动的网状物的拖拽而被运送。由于网状物和顶板之间的间隙中的气相组分可以理想地充满可蒸发组分，因而该组分可以是所关心之处。出于环境、健康或者安全方面的考虑，该组分(溶剂或者其它组分)可以是所要关心之处。当间隙足够小时，排出流量Q可以容易地从网状物的速度Vweb、顶部间隙高度hu以及膜/网状物宽度W中借助以下公式计算出Q＝(1/2)(Vweb)(W)(hu)例如，对于0.508米/秒的网状物速度、1.53米宽度以及0.0492厘米的间隙，这意味着每秒0.00123立方米的流量。这样的流量是小的，比其它更多的具有比本发明高几个数量极的气相流量的干燥装置更加容易管理。
从而，本发明的腔是用于运送并收集网状物材料的邻近气相中的相对较小量的材料的合适装置。在图5a中示出了基本的实施例。间隙干燥系统42包括定位于冷凝板48和加热板50之间的网状物46。在网状物46的上表面和冷凝板48之间形成有距离H的间隙。冷凝板48包括毛细作用表面52，用以运送冷凝过的材料离开冷凝表面54。在网状物46离开所述间隙的点处设有腔40，用以收集离开间隙干燥系统42的气相组分。
通过在腔的尾端施加密封，可以有助于物质流过腔。密封起到了清扫的作用，用以防止气体离开腔的尾端，从而强迫气体进入腔中。密封可包括加压气体或者机械密封。图5a描绘了一种可选的在腔的外部41上沿向下箭头的加压气体流F。所述加压气体阻止了由移动的网状物46携带的任何气相组分。气体可以是干净的空气、氮气、二氧化碳气或者其它惰性气体系统。
还可以利用机械密封来迫使气相组分进入腔中。图5b示出了在腔40的外部41处的柔性密封元件56的使用，用以减小被运送通过腔40的稀释量。可使柔性密封56拖在网状物46上，或者与网状物46间隔开一小间隙。在此情形中，间隙不是均匀的，在出口处为H，而在接近密封处则接近0。
所述机械密封还可以包括可缩回密封机构，如图6所示。该可缩回密封机构76显示出处于接合位置，用于与腔60和间隙干燥系统62一起正常连续地工作，所述间隙干燥系统62包括冷凝板68和加热板70。在这种布置中，可缩回密封机构76可设置在比其它形式的机械密封距网状物66更小的间隙处。对于在不会擦伤或者破坏涂层或者网状物表面的情况下收集而言，在从移动的网状物66上除去气相组分的边界层方面，较小的间隙更有效。距网状物66表面的间隙可以在0.00508厘米到0.0508厘米之间的范围内，或者更大。在除去气相组分的边界层方面，较小的间隙更有效。在将与网状物相对应的密封面78保持于密封点处的同时，通过增加密封的厚度，提高了可缩回密封机构76的效率。在有如图6中所示的惰轮辊80的情况下，所述可缩回密封机构76具有与惰轮辊80的半径相对应的切成圆角的形状。可缩回密封机构76的厚度可以在1.5厘米到3厘米以上的范围内。较厚的板增加了密封面积，从而使密封更有效。实际厚度将取决于诸如惰轮半径和惰轮包角等因素。可通过使用致动器82或者其它机械装置将所述密封移动到缩回位置。升高的布置防止了污染密封结构76和破坏网状物66，允许过厚的涂层通过，或者允许接头或者其它加厚情况通过。本领域技术人员能够认识到，对于诸如接头或者涂层过厚等已知的加厚情况而言，可以自动操作并控制可缩回密封机构76的缩回，或者甚至将密封机构76连接在用于加厚情况的传感器(诸如顶栅，激光观察装置等)上(未示出)，以便在出现意外事件时允许缩回。
本发明的设备使用了材料支撑机构，用于将材料固定在腔附近，以保证合适的间隙。现有的材料处理系统和装置适于与本发明一起使用。
如上所述，所述设备包括腔，腔被置于材料上方，以便在材料表面和腔下围之间限定出一间隙。腔由现有材料构成，并被设计成满足具体的应用标准。例如，腔可以作为单独装置存在，或者可以被置于封闭环境中，诸如炉箱。另外，被可选地置于腔中的阻焰装置和加热线圈可以包括现有熟知的装备和材料。
如上所述，能量源用来向材料提供足够的能量，以使材料中的至少一种可蒸发组分气化。本领域所熟知的一般的加热方法和热量传递装备适合于于本发明一起使用。
收集在腔内的浓缩的蒸气流还可以利用现有的分离装备和工艺来分离，所述的工艺一般描述为吸收、吸附、膜分离或者冷凝。本领域技术人员能够根据蒸气成分以及所要求的分离效率来选择具体的分离实施手段和装备。
在操作中，本发明在基本上不稀释和不冷凝干燥系统中的蒸气组分的情况下收集该蒸气组分中的至少一部分。高浓度下的蒸气组分的收集使得有效率地收回材料。干燥系统中冷凝的消除减小了由于冷凝物落在产品上所造成的产品质量问题。本发明还利用相对较低的空气流量，显著地减小了引入干燥系统的异物，从而防止了最终产品的产品质量问题。
实例实例1参照图7，在本实例中，使用了带有直接燃烧的加热箱102的炉100。该炉100具有供气增压室104，该增压室104具有多个高速喷嘴106。这些高速对流喷嘴106被置于离基片材料1082.5厘米内的位置上。材料108为塑料膜的网状物，其具有涂在材料表面上的半硬的乙烯基扩散物。高速喷嘴106提供了到材料108的高热量传递。在炉温下，喷嘴出口的排气速度在每秒20-30米之间。加热箱具有循环风扇110和受调节的直接燃烧的燃烧器112。加热箱将循环空气114与新鲜补充空气116混合，并使该空气116通过加热箱102。直接燃烧的燃烧器112被调节成将排气温度控制在150℃-200℃之间。通过控制排气口118和补充空气116而保持所要求的炉的工作压力。腔120是用不锈钢制造的10厘米×10厘米×200厘米长的结构。多个腔(未示出)在炉100内被安装在离材料1081.5厘米的位置上。每个腔120在顶部都具有3个1.2厘米的出口。这三个出口接在直径2厘米的岐管122上。岐管122为直径2厘米，并且穿过炉外壳到炉100外。炉体外的岐管122被连接到冷凝器124。冷凝器124为管状的管子，并且由不锈钢制成。内管是2厘米的直径，而外管是3.5厘米的直径。冷凝器124具有2厘米直径的设备冷却水入口126和2厘米直径的设备冷却水出口128。在冷却水入口126处，设备冷却水在5℃-10℃之间。来自材料108的蒸气组分被收集在腔120内，随后在冷凝器124中冷凝，并接着被收集到分离器130中。从分离器130来的干净气流通过2厘米直径的PVC管到真空泵132。控制该真空泵132，以便将腔120保持在相对于炉工作压力的压力梯度上。真空泵132的排出气体被送回到炉体中。这种方法收集了大部分来自材料108的气化组分，而基本上没有稀释。经过4000小时的工作之后，在炉100的内部区域观察到冷凝物出现。这相对于现有系统有大约100％程度的提高。在安装本发明的设备之前，经过2000小时的工作之后就已经观察到了冷凝物。
实例2-5下面的对照表表1提供了用于在现有装备构造和工作条件下几个不同系统的实例计算结果。对M1、M2、M3和M4的定义与上述一样。M5表示以千克/秒/米为单位的提供给腔的任何额外稀释流(例如，在对流炉中的补充气流)的单位宽度的物质的时间平均质量流量。以厘米为单位的材料宽度(“w”)是沿垂直于材料运动方向的方向所测得的(间隙的)尺寸。气相的时间平均流速(“<v>”)定义如上，单位是米/秒。压差(“Δp”)是单位为帕的腔下围和腔外部之间的压力梯度。材料移动速度(“V”)是以米/秒为单位测得的。
通过间隙的气相组分的平均流速<v>可以用诸如热丝风速计的速度计来测量，随同已知的系统间隙横截面面积从公式I计算而得，或者用以下公式来估算<v>=1.288|Δp|]]>(公式2)流量Q和流量M之间的关系为M＝ρQ，其中ρ是以千克/米3为单位的气相组分的平均密度。气相温度相关性可以通过理想气体定律的代入而引入，结果如下M=(MWpRT)Q]]>(公式3)
其中MW是气相的分子量，p是压力，R是气态常数，而T是气相温度。如果稀释流量M1是唯一未知的量，则可以用公式I来计算M1，或者用以下公式来计算M1M1＝ρH<v> (公式4)对照实例2现有的空气对流干燥系统由含有若干高速对流喷嘴的大封闭箱构成。以网状物形式的材料通过具有76.2厘米宽和10.2厘米高的入口间隙进入。所述材料通过具有与入口间隙相同尺寸的出口槽离开。该材料以大约1米/秒的速度被运送通过间隙中心。材料由带有有机溶剂基涂层的聚酯网状物构成，并在通过所述封闭箱时被干燥。干燥机系统的工作条件如下在腔内的整体循环流量为18.6千克/秒/米，封闭箱(腔)压力设置在-5帕。通过腔的排出流量M4是7.43千克/秒/米。由-5帕的压力梯度所引起的、通过入口和出口间隙并进入腔的流量M1为0.71千克/秒/米。M1由公式4计算出。由蒸发涂层溶液的溶剂所引起的流量M2(即干燥)为0.022千克/秒/米。对于可燃下限(LFL)为1.5％体积的溶剂浓度的溶剂而言，假定流量M4被保持在20％的LFL，计算M2的值。由材料通过腔的运动所引起的进入间隙的净流量M3为0。进入腔的补充空气流量M5为6.7千克/秒/米。用公式2计算出通过间隙的物质的总的净平均流速<v>＝2.9米/秒。算出的值由使用热丝风速计所得到的测量值进行校验。
对照实例3现有的惰性气体对流干燥系统由含有若干高速对流喷嘴的大封闭箱构成。材料通过具有76.2厘米宽度和2.54厘米高度的间隙进入。所述材料通过具有与入口间隙相同尺寸的出口间隙离开。材料以大约1米/秒的速度被运送通过间隙中心。该材料由带有有机溶剂基涂层的聚酯网状物构成，并在通过所述封闭箱时被干燥。干燥机系统的工作条件如下在腔内的整体循环流量为5.66千克/秒/米，封闭箱(腔)压力设置在2.5帕。通过腔的排出流量M4是1.48千克/秒/米。由2.5帕的压力梯度所引起的、通过入口和出口间隙并进入腔的流量M1为0.12千克/秒/米。M1由公式4计算出。由蒸发涂层溶液的溶剂所引起的流量M2(即干燥)为0.03千克/秒/米。该流量是在将M4作为部分稀释流M5返回到干燥机之前，从M4当中所收回(在分离装置处)的2％体积的溶剂中测定的。由材料通过腔的运动所引起的进入间隙的净流量M3为0。额外的稀释流量M5为1.57千克/秒/米。该流量M5由来自分离装置的返回流量和惰性气体补充气流组成。由公式2计算出通过间隙的物质的总的净平均流速<v>＝2米/秒。
实例4在本实例中，蒸汽收集设备与现有的间隙干燥系统一体集成，用以捕获并收集离开该间隙干燥机的气相组分。网状物由运送系统运送通过本发明的设备。网状物由涂有扩散在乙醇和水中的无机材料的聚酯膜组成。该网状物通过具有30.5厘米宽度w和0.32厘米高度H的间隙进入。材料通过具有与入口间隙相同尺寸的出口间隙离开。所述网状物以大约0.015米/秒的速度被运送通过腔下方的间隙。排出流量M4是0.0066千克/秒/米。通过入口和出口间隙并进入腔的流量M1大致相同，为0.0066千克/秒/米。M1由公式1计算出。对于所有的实施目的，在离开间隙干燥机后，网状物和涂层是干燥的，从而M2的值为0。由材料通过腔的运动所引起的进入间隙的净流量M3为0，并且没有额外的稀释流量M5。由公式1和4计算出通过间隙的物质的总的净平均流速<v>＝0.086米/秒。由公式2计算出压力梯度为0.0045帕。
实例5在本实例中，通过运送系统将网状物运送通过设备，该设备基本上类似于图2-4中所公开的设备。所述网状物由聚酯膜构成，该聚酯膜涂有由10％苯乙烯丁二烯共聚物的甲苯溶液所构成的材料。该网状物通过腔下方，从而在腔下围和材料暴露出的表面之间形成间隙。该间隙具有15厘米宽度w和0.32厘米高度H。所述材料在具有与入口间隙相同尺寸的间隙处从腔下方离开。所述网状物以大约0.0254米/秒的速度在腔下方被运送通过间隙。干燥机系统的工作条件如下加热元件的温度被保持在87℃，而腔温被保持在50℃。测得的排出流量M4是0.00155千克/秒/米。由引导的压力梯度所引起的、通过入口和出口间隙离开腔的流量M1为0.00094千克/秒/米。M1由公式1计算出。由甲苯蒸气所引起的流量M2为0.00061千克/秒/米。由材料通过腔的运动所引起的进入间隙的净流量M3为0。没有额外的稀释流量M5。由公式1、3和4计算出通过间隙的物质的总的净平均流速<v>＝0.123米/秒。
表1
从本发明基本原理的上述公开和前面的详细描述中，本领域技术人员将容易理解本发明所容许的各种修改。因此，本发明的范围应当仅由权利要求及其等价物来限定。
权利要求
1.一种用于处理移动的不定长基片的设备，其包括(a)位于所述基片表面附近的控制表面，从而在该控制表面和所述基片之间限定出一控制间隙；(b)位于所述控制表面附近的第一腔，所述第一腔具有气体引入装置；(c)在所述控制表面附近的第二腔，所述第二腔具有气体排出装置，使得所述控制表面和所述两个腔限定出一区域，在该区域中，邻近气相具有一定量的物质；其中，在引导运送所述区域内的至少一部分所述物质时M1表示由压力梯度所引起的进入或者离开所述区域的物质的单位宽度的总的净时间平均质量流量，M1’表示从所述气体引入装置通过第一腔进入所述区域的物质的单位宽度的总的净时间平均质量流量，M2表示从所述基片的至少一个主要表面进入所述区域的物质的单位宽度时间平均质量流量，M3表示由材料运动所引起的进入所述区域的物质的单位宽度的总的净时间平均质量流量，和M4表示通过所述气体排出装置所运送的物质的单位宽度的时间平均质量流量，使得M1+M1’+M2+M3＝M4。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，M1具有大于0但小于等于0.25千克/秒/米的值。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，M1’具有大于0但小于等于0.25千克/秒/米的值。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一和第二腔位于所述控制表面的相对两端。
5.根据权利要求1中所述的设备，其中，所述控制表面为冷凝表面。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气体引入装置和所述基片表面之间的距离近似地等于所述控制间隙的高度。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气体为惰性气体。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气体在控制间隙中引入热梯度。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述气体引入装置为气割刀、气幕、或者供气集流腔。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述第一腔在其和基片之间限定出第一间隙，所述第二腔在其和基片之间限定出第二间隙，并且所述第一间隙、第二间隙和控制间隙的高度都是3厘米或者3厘米以下。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一间隙、第二间隙和控制间隙都具有相同的高度。
12.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一间隙和第二间隙中的至少一个具有与控制间隙不同的高度。
13.根据权利要求10所述的设备，其中，所述第一间隙、第二间隙和控制间隙的高度都是0.75厘米或者0.75厘米以下。
14.一种用于处理移动的不定长基片的方法，其包括以下步骤(a)将控制表面定位于所述基片的表面附近，从而在所述基片和该控制表面之间限定出一控制间隙；(b)将第一腔定位在所述控制表面附近，该第一腔具有气体引入装置；(c)将第二腔定位在所述控制表面附近，该第二腔具有气体排出装置，使得所述控制表面和所述两个腔限定出一区域，在该区域中，邻近气相具有一定量的物质；和(d)引导运送所述区域内的至少一部分所述物质，使得在以下条件时M1表示由压力梯度所引起的进入或者离开所述区域的物质的单位宽度的总的净时间平均质量流量，M1’表示从所述气体引入装置通过所述第一腔进入所述区域的物质的单位宽度的总的净时间平均质量流量，M2表示从所述基片的至少一个主要表面进入所述区域的物质的单位宽度的时间平均质量流量，M3表示由材料运动所引起的进入所述区域的物质的单位宽度的总的净时间平均质量流量，和M4表示通过所述气体排出装置所运送的物质的单位宽度的时间平均质量流量，使M1+M1’+M2+M3＝M4。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，M1具有大于0但小于等于0.25千克/秒/米的值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，M1’具有大于0但小于等于0.25千克/秒/米的值。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一和第二腔位于所述控制表面的相对两端。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，所述控制表面为冷凝表面。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，所述气体引入装置和所述基片表面之间的距离近似地等于所述控制间隙的高度。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，所述气体为惰性气体。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述气体在控制间隙中引入热梯度。
22.根据权利要求14所述的方法，其中，所述气体引入装置为气割刀、气幕、或者供气集流腔。
23.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一腔在其和基片之间限定出第一间隙，所述第二腔在其和基片之间限定出第二间隙，并且所述第一间隙、第二间隙和控制间隙的高度都是3厘米或者3厘米以下。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一间隙、第二间隙和控制间隙都具有相同的高度。
25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一间隙和第二间隙中的至少一个具有与控制间隙不同的高度。
26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述第一间隙、第二间隙和控制间隙的高度都是0.75厘米或者0.75厘米以下。
全文摘要
用于处理移动的不定长基片(12)的设备(10a)及方法。该设备(10a)具有定位于所述基片(12)的表面(14)附近的控制表面(15)，从而在所述控制表面(15)和所述基片(12)之间限定出一控制间隙(G)。第一腔(17)定位于所述控制表面(15)附近，该第一腔(17)具有气体引入装置(21)。第二腔(16a)定位于所述控制表面(15)附近，该第二腔(16a)具有气体排出装置(18a)。所述控制表面(15)和所述两个腔(17、16a)一起限定出一区域，在该区域中，气体的质量流量受到控制，从而显著地减小了对气相组分的稀释程度。通过引入受控气流(M1’)，从而由于该系统中的压力梯度而减少了不受控的周围气流的流量，实现了上述目的。
文档编号F26B25/00GK1777784SQ200480010895
公开日2006年5月24日 申请日期2004年3月8日 优先权日2003年4月23日
发明者克雷格·A·米勒, 尼马尔·K·贾殷, 威廉·B·科尔布 申请人:3M创新有限公司