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Title:
METHOD AND DEVICE FOR DRYING A FLUID FILM APPLIED TO A SUBSTRATE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/189612
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for drying a fluid film (F) comprising a vaporizable liquid and applied to a substrate surface of a substrate (3), having the following steps: transporting of the substrate (3) on a transport surface (6) of a transport device (5) along a transport direction (T) via a drying apparatus (7), vaporizing the liquid by means of a plurality of heat sources (13) arranged in succession in the transport direction (T), wherein each of the heat sources (13) has a heating surface (G) which is arranged at a distance (δG) of 0.1 mm to 15.0 mm opposite the substrate surface, and discharging of the vaporized liquid through a discharge opening (19) between two successive heating surfaces (G).

Inventors:
DURST FRANZ (DE)
Application Number:
PCT/EP2013/051476
Publication Date:
December 27, 2013
Filing Date:
January 25, 2013
Export Citation:
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Assignee:
FMP TECHNOLOGY GMBH FLUID MEASUREMENTS & PROJECTS (DE)
International Classes:
F26B3/00; F26B13/10
Domestic Patent References:
WO1982003450A11982-10-14
Foreign References:
DE19813111A11999-10-14
US20070110894A12007-05-17
US20060192317A12006-08-31
DE3927627A11991-02-28
Attorney, Agent or Firm:
GASSNER, Wolfgang et al. (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zur Trocknung eines auf eine Substratoberflä¬ che eines Substrats (3) aufgetragenen, eine verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms (F) mit folgenden Schrit¬ ten :

Transportieren des Substrats (3) auf einer Transportfläche (6) einer Transportvorrichtung (5) entlang einer Transport- richtung (T) durch eine Trocknungseinrichtung (7),

Verdampfen der Flüssigkeit mittels mehrerer in Transportrichtung (T) aufeinanderfolgend angeordneter Wärmequellen (13), wobei jede der Wärmequellen (13) eine Heizfläche (G) auf- weist, welche in einem Abstand (5G) von 0,1 mm bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substratoberfläche angeordnet ist, und

Abführen der verdampften Flüssigkeit durch eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen (G) vorgesehene Abführöff- nung (19) .

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Transportgas durch einen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen (G) vorgesehene Zuführöffnung (20) zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Transportgas in Transportrichtung (T) durch abwechselnd angeordnete Ab- (19) und Zuführöffnungen (20) abwechseln ab- und zugeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Transportgas durch die Zuführöffnungen (20) mit einer Ge¬ schwindigkeit von 1 bis 10 m/s zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Transportgas vor dem Zuführen auf eine Temperatur von 50°C bis 300°C, vorzugsweise 100°C bis 250°C, aufgeheizt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Transportgas Luft (L) , Stickstoff oder Kohlendioxid ver¬ wendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine erste Temperatur TG der Heizfläche (G) in Abhängigkeit einer Grenzflächentem¬ peratur Ti der Fluidfilms (F) geregelt wird. 8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Temperatur TG im Bereich von 50°C bis 200°C, vor¬ zugsweise im Bereich zwischen 80°C und 150°C, geregelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärme von der Heizfläche (G) auf den Fluidfilm (F) im We¬ sentlichen mittels direkter Wärmeleitung übertragen wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche , wobei die Transportfläche (6, 18) mittels einer weiteren Wärme- quelle beheizt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine durch die weitere Wärmequelle erzeugte zweite Temperatur TH der Transportfläche (6, 18) in Abhängigkeit der Grenzflä- chentemperatur ΤΊ geregelt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Temperatur TH so geregelt wird, dass folgende Be¬ ziehung erfüllt ist: TH = Ti + ΔΤ, wobei

Ti im Bereich von 5°C bis 40°C und

ΔΤ im Bereich von 2 bis 30°C, vorzugsweise 5 bis 10°C, liegt. 13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dem Substrat (3) zugewandte Heizfläche (G) in einem Ab¬ stand (5G) von 0,2 mm bis 10,0 mm gegenüberliegend der Sub¬ stratoberfläche angeordnet ist. 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Temperatur TH so geregelt wird, dass sie stets kleiner als die erste Temperatur TG ist.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten TG und der zweiten Temperatur TH so geregelt wird, dass sich entlang der Transportvorrichtung (5) ein vorgegebenes Temperaturdiffe¬ renzprofil einstellt. 16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Wärmequelle (13) eine elektrische Heizquelle verwendet wird .

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Wärmequelle (13) ein Wärmetauscher verwendet wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als Transportvorrichtung zumindest eine rotierbare Walze (5) verwendet wird, deren Mantelfläche die Transportfläche (6) bildet .

19. Vorrichtung zur Trocknung eines auf eine Substratober- fläche eines Substrats (3) aufgetragenen, eine verdampfbare

Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms (F) , umfassend: eine Transportvorrichtung (5) zum Transportieren des Substrats (3) auf einer Transportfläche (6) entlang einer Trans- portrichtung (T) , mehrere gegenüberliegend des Substrats (3) in Transportrich¬ tung (T) aufeinanderfolgend angeordnete Wärmequellen (13), wobei jede der Wärmequellen (13) eine Heizfläch (G) aufweist, welche in einem Abstand (5G) von 0,1 bis 15,0 mm gegenüber¬ liegend der Substratoberfläche angeordnet ist, und eine Einrichtung (14) zum Abführen der verdampften Flüssigkeit (F) , welche eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen (G) vorgesehene Abführöffnung (19) zum Abführen der verdampften Flüssigkeit umfasst.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei eine Einrichtung zum Zuführen von Transportgas vorgesehen ist, welche eine zwi- sehen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen (G) vorgesehene Zuführöffnung (20) zum Zuführen des Transportgases umfasst.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei zwischen den in Transportrichtung (T) aufeinanderfolgend angeordneten Heizflächen (G) abwechselnd die Ab- (19) und Zuführöffnungen (20) vorgesehen sind.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei mittels der Einrichtung zum Zuführen das Transportgas durch die Zuführöffnungen (20) mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 m/s zugeführt wird.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei eine Heizung zum Aufheizen des Transportgases auf eine Tempe¬ ratur von 50°C bis 300°C, vorzugsweise 150°C bis 250°C, vor¬ gesehen ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Einrichtung zum Abführen aus mehreren in Transportrichtung (T) aufeinanderfolgenden Modulen (M) gebildet ist, wobei jedes der Module (M) zwei Heizflächen (G) und eine dazwischen vorgesehene Abführöffnung (19) aufweist, der stromabwärts ein Abführkanal (21) nachgeordnet ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei zwei aufeinanderfolgende Module (M) so angeordnet sind, dass dazwischen die Zuführöffnung (20) gebildet ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei stromaufwärts der Zuführöffnung (20) ein Zuführkanal und eine Gebläse zum Zuführen des Transportgases vorgesehen sind.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei eine weitere Wärmequelle zum Beheizen der Transportfläche (6) vorgesehen ist. 28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 oder 27, wobei eine erste Regeleinrichtung zur Regelung einer von der Heizfläche (G) erzeugten ersten Temperatur TG in Abhängigkeit ei- ner Grenzflächentemperatur ΤΊ des Fluidfilms (F) vorgesehen ist .

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 28, wobei eine zweite Regeleinrichtung zur Regelung einer zweiten Temperatur TH der Transportfläche (6) in Abhängigkeit der Grenz¬ flächentemperatur Ti vorgesehen ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 29, wobei mittels der ersten und/oder zweiten Regeleinrichtung eine

Temperaturdifferenz zwischen der ersten TG und der zweiten Temperatur TH so geregelt wird, dass sich entlang der Trans¬ portrichtung (T) ein vorgegebenes Temperaturdifferenzprofil einstellt .

31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 30, wobei eine Einrichtung zum Spülen eines die Transportvorrichtung (5) umgebenden Gehäuses (1) mit einem nicht brennbaren Gas, vorzugsweise Stickstoff- oder Kohlendioxidatmosphäre, vorge- sehen ist.

32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die dem Substrat (3) zugewandte Heizfläche (G) in einem Ab¬ stand (5G) von 0,2 mm bis 10,0 mm gegenüberliegend der Sub- stratoberfläche angeordnet ist.

33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 32, wobei die Wärmequelle (13) eine elektrische Heizquelle ist. 34. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 33, wobei die Wärmequelle (13) ein Wärmetauscher ist.

35. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 32, wobei die Transportvorrichtung eine rotierbare Walze (5) umfasst, deren Mantelfläche die Transportfläche (6) bildet.

Description:
Verfahren und Vorrichtung zur Trocknung eines auf ein Substrat aufgetragenen Fluidfilms

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trocknung eines auf ein Substrat aufgetragenen Fluidfilms, der eine verdampfbare Flüssigkeit enthält.

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, die Oberflächen bahnförmiger Güter zu beschichten. Bei den bahnförmigen Gütern kann es sich beispielsweise um Papier, Kunststofffolien, Textilien oder Metallbänder handeln. Zur Beschichtung der Oberfläche wird ein Fluidfilm aufgetragen, der eine

verdampfbare Flüssigkeit und nicht-verdampfbare Komponenten enthält. Der Fluidfilm wird durch Verdampfen der

verdampfbaren Flüssigkeit verfestigt. Dieser Prozess wird als Trocknung der Fluidschicht bezeichnet.

Zur Verfestigung bzw. Trocknung des Fluidfilms ist es bei- spielsweise aus der DE 39 27 627 AI bekannt, sowohl eine Un ¬ terseite des Substrats als auch eine mit dem Fluidfilm verse ¬ hene gegenüberliegende Oberseite mit einem erwärmten Trans ¬ portgas anzuströmen. Zur Anströmung der Oberseite sind in Transportrichtung aufeinanderfolgend erste und zweite Filter- platten vorgesehen. Durch die ersten Filterplatten wird Zuluft zugeführt. Durch die zweiten Filterplatten wird die mit Dämpfen und Lösungsmitteln angereichte Abluft abgeführt. Das Vorsehen der Filterplatten trägt zu einer relativ langsamen Strömungsgeschwindigkeit bei, so dass die Zu- und Abluft im Wesentlichen laminar strömt. Es können damit Meliererschei ¬ nungen auf der Oberfläche des Fluidfilms vermieden werden. Aus der WO 82/03450 ist es bekannt, Zuluft durch eine in ei ¬ nem Abstand oberhalb des Fluidfilms vorgesehene Verteiler ¬ platte zuzuführen. Durch die Wirkung der Verteilerplatte wird die Strömung des Transportgases im Bereich oberhalb der

Fluidschicht verlangsamt. Turbulente Strömungen werden ver ¬ mieden. Ein aus dem Fluidfilm entweichender Flüssigkeitsdampf kann allerdings nicht besonders schnell abgeführt werden. Dieses Trocknungsverfahren ist nicht besonders effizient. Bei den nach dem Stand der Technik bekannten Trocknungsverfahren werden große Volumenströme an Transportgas benötigt, die anschließend aufwändig gereinigt und/oder regeneriert werden müssen. Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Es sollen insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung angegeben werden, mit denen ein auf ein Substrat aufgetragener Fluidfilm unter Vermeidung von Meliererscheinungen und mit verbesserter Energieeffizienz ge- trocknet werden kann. Nach einem weiteren Ziel der Erfindung soll eine zum Abführen der verdampften Flüssigkeit erforderliche Menge an Transportgas möglichst gering gehalten werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 19 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 18 und 20 bis 35.

Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Verfahren zur Trocknung eines auf eine Substratoberfläche eines Substrats aufgetrage- nen, eine verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms mit folgenden Schritten vorgeschlagen: Transportieren des Substrats auf einer Transportfläche einer Transportvorrichtung entlang einer Transportrichtung durch eine Trocknungseinrichtung, Verdampfen der Flüssigkeit mittels mehrerer in Transportrichtung aufeinanderfolgend angeordneter Wärmequellen, wobei jede der Wärmequellen eine Heizfläche aufweist, welche in einem Abstand von 0,1 mm bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substrat ¬ oberfläche angeordnet ist, und

Abführen der verdampften Flüssigkeit durch eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen vorgesehene erste Abführöffnung . Beim vorgeschlagenen Verfahren wird, in Abkehr vom Stand der Technik, die Flüssigkeit mittels einer gegenüberliegend des Substrats vorgesehenen Wärmequelle verdampft. Indem die Heiz ¬ fläche der Wärmequelle lediglich in einem Abstand von 0,1 mm bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substratoberfläche angeord- net ist, wird die Wärme beim erfindungsgemäßen Verfahren im Wesentlichen durch direkte Wärmeleitung dem Fluidfilm zugeführt. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass der Fluidfilm von seiner der Heizfläche zugewandten Grenzfläche aus in Richtung der Substratoberfläche aufgeheizt wird. Im Gegensatz zum Eintrag von Wärme mittels Wärmestrahlung, welche im Wesentlichen an der Substratoberfläche absorbiert wird, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine besonders effektive und gleichmäßige Verdampfung der Flüssigkeit erreicht werden.

Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung erfolgt der Eintrag der Wärme auf das Substrat mittels mehrerer in Trans ¬ portrichtung aufeinanderfolgend angeordneter Heizflächen, wo- bei zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen eine erste Abführöffnung zum Abführen der verdampften Flüssigkeit vorgesehen ist. Damit ist es möglich, die verdampfte Flüssigkeit bzw. ein die verdampfte Flüssigkeit aufnehmendes Transportgas besonders schnell aus einem Trocknungskanal zu entfernen, der durch die Heizflächen, die Transportfläche sowie in Trans ¬ portrichtung verlaufende Seitenwände gebildet ist. Mit dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Verfahren können Trocknungsraten von bis zu 20 g/m 2 s erreicht werden. Das entspricht et- wa dem 10-Fachen derjenigen Trocknungsraten, welche mit den nach dem Stand der Technik bekannten Verfahren erreicht werden können. Die benötigten Mengen an Transportgas können um einen Faktor von bis zu 100 reduziert werden. Der Aufwand zum Aufheizen und Reinigen des Transportgases kann erheblich ver- mindert werden. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine besonders effiziente Trocknung eines auf eine Substratober ¬ fläche eines Substrats aufgetragenen Fluidfilms.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Transportgas durch eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen vorgesehene Zuführöffnung zugeführt wird. Vorteilhafterweise wird das Transportgas in Transportrichtung durch abwechselnd angeordnete Ab- und Zu ¬ führöffnungen abwechselnd ab- und zugeführt.

Die Zuführöffnungen sind insbesondere so ausgestaltet, dass damit das Transportgas in eine im Wesentlichen zur Transport ¬ richtung parallele Richtung dem Trocknungskanal zugeführt wird. Es kann damit die Ausbildung einer laminaren Strömung im Trocknungskanal unterstützt werden. Vorteilhafterweise sind die Zuführöffnungen so ausgebildet, dass eine damit zu den ersten Schlitzen gerichtete Strömung in Transportrichtung verläuft. Die Zuführöffnungen können aber auch so ausgebildet sein, dass eine entgegen der Transportrichtung gerichtete Strömung von den Zu- zu den Abführöffnungen sich ausbildet.

Ein Abstand zwischen den Ab- und den Zuführöffnungen beträgt vorteilhafterweise 20 bis 100 mm, vorzugsweise 40 bis 70 mm.

Das Transportgas kann durch die Zuführöffnungen mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 m/s zugeführt werden. Es kann mit einer weiteren Geschwindigkeit von 1 bis 10 m/s durch die Ab- führöffnungen abgeführt werden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Transportgas vor dem Zuführen auf eine Temperatur von 50°C bis 300°C, vorzugsweise 100°C bis 250°C, aufgeheizt. - Die relative Feuchtigkeit des Transportgases kann weniger als 50%, vorteilhafterweise weniger als 30%, betragen. Zu diesem Zweck wird das Transportgas vor dem Zuführen zur Zuführöffnung vorteilhafterweise getrocknet. Das Transportgas wird zweckmäßigerweise erst nach dem Trocknen aufgeheizt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird eine erste Temperatur T G der Heizfläche in Abhängigkeit einer Grenzflächen ¬ temperatur Ti des Fluidfilms geregelt. Die erste Temperatur T G wird dabei so eingestellt, dass der erforderliche Abtrans- port des frei werdenden Fluiddampfs von der Oberfläche ge ¬ währleistet wird.

Die Wärme wird von der Heizfläche auf den Fluidfilm vorteil ¬ hafterweise im Wesentlichen mittels direkter Wärmeleitung übertragen. Wegen des geringen Abstands zwischen Heizfläche und Grenzfläche des Fluidfilms und der Anordnung der Heizflä ¬ che oberhalb der Grenzfläche kommt es im Transportgas kaum zu einer Konvektion. Gleichwohl wird die im Transportgas durch Molekülbewegung enthaltene Wärme ähnlich "direkter Wärmeübertragung" auf den Fluidfilm übertragen. Die von der Heizfläche abgestrahlte Wärmestrahlung wird im Wesentlichen vom Substrat und/oder der Transportfläche absorbiert. Sie wird von da aus dem Fluidfilm zugeführt.

Die erste Temperatur T G wird zweckmäßigerweise im Bereich von 50°C bis 200°C, vorzugsweise im Bereich von 80°C und 150°C, geregelt .

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die Transportfläche mittels einer weiteren Wärmequelle beheizt. Eine durch die weitere Wärmequelle erzeugte zweite Temperatur T H der Transportfläche wird vorteilhafterweise in Abhängig- keit der Grenzflächentemperatur ΤΊ geregelt. Dabei kann die zweite Temperatur T H insbesondere so geregelt werden, dass folgende Beziehung erfüllt ist:

T H = Ti + ΔΤ, wobei

Ti im Bereich von 10°C bis 50°C und

ΔΤ im Bereich von 10°C bis 40°C, vorzugsweise 20°C bis 30°C, liegt .

Bedingt durch die Verdampfung der Flüssigkeit kommt es zu ei ¬ ner Abkühlung der Transportfläche. Zur Erhöhung des Massestroms der verdampften Flüssigkeit wird mittels einer weite ¬ ren Wärmequelle die Transportfläche auf eine zweite Tempera- tur T H aufgeheizt. Dabei wird die zweite Temperatur T H so eingestellt, dass sie größer als die Grenzflächentemperatur Ti ist. Ein besonders großer Massestrom der verdampften Flüssigkeit wird vorteilhafterweise dann erreicht, wenn die Dif- ferenz ΔΤ zwischen der Grenzflächentemperatur ΤΊ und der zweiten Temperatur T H im Bereich von 2°C bis 30°C liegt.

Als Transportgas kann Luft oder ein nicht-brennbares Gas ver- wendet werden. Zweckmäßigerweise wird die Verdampfung der

Flüssigkeit in einer nicht-brennbaren Gasatmosphäre, vorzugs ¬ weise Stickstoff- oder Kohlendioxidatmosphäre, durchgeführt. Damit kann sicher und zuverlässig eine Entzündung einer innerhalb der Trocknungseinrichtung verdampften brennbaren Flüssigkeit vermieden werden.

Nach einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die dem Substrat zugewandte Heizfläche in einem Abstand von 0,2 mm bis 10,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 5,0 mm, gegenüber- liegend der Substratoberfläche angeordnet. Der vorgeschlagene geringe Abstand zwischen der Heizfläche und der Substratober ¬ fläche ermöglicht eine besonders homogene Erwärmung des

Fluidfilms und damit eine gleichmäßige Verdampfung der Flüs ¬ sigkeit. Eine Dicke des Fluidfilms ist dabei selbstverständ- lieh so gewählt, dass sie kleiner als der vorgenannte Abstand ist. Der Fluidfilm kann beispielsweise eine Dicke im Bereich von 5 ym bis 300 ym, vorzugsweise 10 ym bis 100 ym haben.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird die zweite Temperatur T H so geregelt, dass sie stets kleiner als die erste Temperatur T G ist. Eine Temperaturdifferenz zwischen der ersten T G und der zweiten Temperatur T H kann insbesondere so geregelt werden, dass sich entlang der Transport ¬ vorrichtung ein vorgegebenes Temperaturdifferenzprofil ein- stellt. Der Temperaturgradient bzw. die Temperaturdifferenz zwischen erster T G und zweiter Temperatur T H kann sich entlang der Transportrichtung in vorgegebener Weise ändern. Damit wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die Menge der zu verdampfenden Flüssigkeit in Transportrichtung abnimmt. Die Änderung des Temperaturgradienten kann durch eine geeignete Regelung der ersten T G und/oder zweiten Temperatur T H oder auch durch eine Änderung des Abstands der Heizfläche von der Grenzfläche bewirkt werden.

Als Wärmequelle wird zweckmäßigerweise eine elektrische Heiz ¬ quelle, vorzugsweise eine mit Widerstandsheizelementen be ¬ stückte Heizquelle, verwendet. Dabei können die Widerstands- heizelemente beispielsweise gitterartig angeordnet sein. Fer ¬ ner ist es möglich, als Wärmequelle zumindest einen Wärmetau ¬ scher zu verwenden. Ein solcher Wärmetauscher kann ähnlich einem Kühler für Kraftfahrzeuge durchströmbar ausgestaltet sein. Es können auch mehrere Wärmetauscher in Transportrich- tung hintereinander vorgesehen sein, wobei zwischen den Wärmetauschern jeweils eine Lücke vorgesehen sein kann. Durch die Lücke kann die verdampfte Flüssigkeit von der Oberfläche des Fluidfilms abgeführt werden. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Transportvorrichtung zumindest eine rotierbare Walze verwendet, deren Mantelfläche die Transportfläche bildet. Ei ¬ ne solche Transportvorrichtung kann relativ kompakt ausgestaltet werden. Sie kann ferner mit einem Schiitzdüsenwerk- zeug zum Auftragen des Fluidfilms kombiniert werden. Im Falle der Verwendung einer rotierbaren Walze als Transportvorrichtung ist die Wärmequelle korrespondierend zur Mantelfläche der Walze ausgestaltet, d. h. die Heizflächen sind in einem vorgegebenen geringen Abstand von der Mantelfläche angeord- net. Die weitere Wärmequelle ist z. B. innerhalb der Walze angeordnet. - Mittels der weiteren Wärmequelle wird die

Transportfläche von einer dem Substrat gegenüberliegenden Unterseite der Transportvorrichtung her, vorzugsweise mittels direkter Wärmeleitung, aufgeheizt. Beispielsweise kann die Transportfläche mittels Widerstandsheizelementen elektrisch beheizt werden. Eine solche elektrische Heizung ermöglicht eine besonders einfache Regelung der Temperatur der Trans- portfläche.

Nach weiterer Maßgabe der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Trocknung eines auf eine Substratoberfläche eines Substrats aufgetragenen, eine verdampfbare Flüssigkeit enthaltenden Fluidfilms vorgeschlagen, umfassend: eine Transportvorrichtung zum Transportieren des Substrats auf einer Transportfläche entlang einer Transportrichtung, mehrere gegenüberliegend des Substrats in Transportrichtung aufeinanderfolgend angeordnete Wärmequellen, wobei jede der Wärmequellen eine Heizfläche aufweist, welche in einem Ab ¬ stand von 0,1 mm bis 15,0 mm gegenüberliegend der Substrat ¬ oberfläche angeordnet ist, und eine Einrichtung zum Abführen der verdampften Flüssigkeit, welche eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen vorgesehene Abführöffnung zum Abführen der verdampften Flüssigkeit umfasst.

Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht eine effiziente Trocknung eines auf einem Substrat aufgetragenen Fluidfilms. Dabei wird die Flüssigkeit durch mehrere gegenüberliegend des Substrats vorgesehene Wärmequellen verdampft. Die Heizflächen der Wärmequellen sind in Abkehr vom Stand der Technik lediglich in einem Abstand von 0,1 bis 15,0 mm, vorzugsweise 0,2 bis 10,0 mm, von der Substratoberfläche angeordnet. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen ist eine Abführöffnung vorgesehen. Die Abführöffnung ist Bestandteil einer Einrichtung zum Abführen der verdampften Flüssigkeit. - Damit ist es möglich, die verdampfte Flüssigkeit schnell aus dem Trock ¬ nungskanal abzuführen. Die vorgeschlagene Vorrichtung ermög- licht eine effiziente Trocknung eines auf eine Substratober ¬ fläche eines Substrats aufgetragenen Fluidfilms.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Einrichtung zum Zuführen von Transportgas vorgesehen, welche eine zwischen zwei aufeinanderfolgenden Heizflächen vorgesehene Zuführöffnung zum Zuführen des Transportgases umfasst. Vorteilhafterweise sind zwischen den in Transportrichtung aufeinanderfolgend angeordneten Heizflächen abwechselnd die Ab- und die Zuführöffnungen vorgesehen. Ein Abstand zwischen den Ab- und den Zuführöffnungen beträgt beispielsweise 10 mm bis 100 mm, vorzugsweise 30 mm bis 70 mm. Die vorgeschlagene abwechselnde Anordnung der Ab- und der Zuführöffnungen ermöglicht ein effizientes Abführen der verdampften Flüssigkeit. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels der Einrichtung zum Zuführen das Transportgas durch die Zuführöffnungen mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 m/s zu ¬ geführt. Dabei sind die Zuführöffnungen zweckmäßigerweise so ausgestaltet, dass das Transportgas in einer im Wesentlichen parallel zur Transportrichtung verlaufenden Richtung dem

Trocknungskanal zugeführt wird. Das Transportgas kann sowohl in Transportrichtung als auch entgegen der Transportrichtung dem Trocknungskanal zugeführt werden. Es kann eine Heizung zum Aufheizen des Transportgases auf ei ¬ ne Temperatur von 150°C bis 300°C, vorzugsweise 100°C bis 250°C, vorgesehen sein. Die Einrichtung zum Aufheizen des Transportgases kann mit einer Einrichtung zum Trocknen des Transportgases kombiniert sein. Wegen des erfindungsgemäß vorgeschlagenen geringen Abstands zwischen den Heizflächen und dem Substrat wird nur eine geringe Menge an Transportgas benötigt. Die Heizung sowie eine ggf. vorgesehene Trocknungs- Vorrichtung können im Vergleich zu den nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen kleiner und kostengünstiger ausgestaltet werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin- dung ist die Einrichtung zum Abführen aus mehreren in Transportrichtung aufeinanderfolgenden Modulen gebildet, wobei jedes der Module zwei Heizflächen und eine dazwischen vorgese ¬ hene Abführöffnung aufweist, der - bezüglich einer Strömungsrichtung des abgeführten Transportgases - stromabwärts ein Abführkanal nachgeordnet ist. Die modulare Bauweise ermög ¬ licht eine einfache und effiziente Herstellung von Vorrich ¬ tungen mit in Transportrichtung unterschiedlich langen Trocknungseinrichtungen. Ferner lässt sich die vorgeschlagene Vorrichtung einfach reparieren. Beispielsweise kann im Falle ei- nes Ausfalls einer Heizfläche das betreffende Modul schnell und einfach ausgetauscht werden.

Vorteilhafterweise sind zwei aufeinanderfolgende Module so angeordnet, dass dazwischen die Zuführöffnung gebildet ist. Zu diesem Zweck können am Modul entsprechende Abstandshalter und/oder eine Verbindungsvorrichtung vorgesehen sein, welche eine Verbindung zweier aufeinanderfolgender Module unter Ausbildung der Zuführöffnung ermöglicht. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind - bezüglich der Strömungsrichtung des zugeführten Transportgases - stromaufwärts der Zuführöffnung ein Zuführkanal und ein Ge ¬ bläse zum Zuführen des Transportgases vorgesehen. Zweckmäßi- gerweise sind sämtliche Zuführöffnungen mit einem gemeinsamen Zuführkanal verbunden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist eine weitere Wär- mequelle zum Beheizen der Transportfläche vorgesehen. Die weitere Wärmequelle ist zweckmäßigerweise an einer dem Sub ¬ strat gegenüberliegenden "Unterseite" der Transportvorrichtung vorgesehen. Es kann sich dabei beispielsweise um eine Widerstandsheizung handeln.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine erste Regeleinrichtung zur Regelung einer von der Heizfläche erzeugten ersten Temperatur T G in Abhängigkeit einer Grenzflä ¬ chentemperatur Ti des Fluidfilms vorgesehen. Die Regelgröße, nämlich die erste Temperatur T G der Heizfläche, wird gemäß einem vorgegebenen Algorithmus in Abhängigkeit der Grenzflä ¬ chentemperatur Ti, welche die Führungsgröße bildet, einge ¬ stellt. Dabei kann die erste Temperatur T G beispielsweise so geregelt werden, dass sich zwischen der Grenzflächentempera- tur Ti und der ersten Temperatur T G ein vorgegebener Temperaturgradient ausbildet.

Ferner ist vorteilhafterweise eine zweite Regeleinrichtung zur Regelung einer zweiten Temperatur T H der Transportfläche in Abhängigkeit der Grenzflächentemperatur ΤΊ vorgesehen. In diesem Fall wird die Grenzflächentemperatur ΤΊ als Führungsgröße gemessen. In Abhängigkeit der gemessenen Grenzflächentemperatur Ti wird mittels der Regeleinrichtung die zweite Temperatur T H eingestellt bzw. nachgeführt. Dabei erfolgt die Einstellung bzw. das Nachführen der zweiten Temperatur T H zweckmäßigerweise derart, dass eine vorgegebene Grenzflächen ¬ temperatur Ti im Wesentlichen konstant gehalten wird. Die erste T G und die zweite Temperatur T H können beispiels ¬ weise mittels herkömmlicher Thermoelemente gemessen werden. Die Grenzflächentemperatur ΤΊ kann berührungslos beispiels ¬ weise mittels eines Infrarot-Messgerätes erfasst werden.

Die erste Regeleinrichtung kann auch weggelassen werden. In diesem Fall wird die erste Temperatur T G konstant gehalten. - Die erste und die zweite Regeleinrichtung können auch gekop ¬ pelt sein. Ein Temperaturgradient zwischen der ersten T G und der zweiten Temperatur T H kann gemäß einem weiteren vorgegebenen Algorithmus so geregelt werden, dass sich entlang der Transportrichtung ein vorgegebenes Temperaturdifferenzprofil zwischen der Transportfläche und der Heizfläche einstellt. Wegen der vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird auf die Beschreibung der Ausgestaltungen zum Verfahren verwiesen. Die verfahrensmäßig beschriebenen Ausgestaltungsmerkmale bilden sinngemäß auch Ausgestaltungen der Vorrichtung. Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der in den Formel verwendeten Größen,

Fig. 2 die Grenzflächentemperatur über der Gastemperatur bei vorgegebener Transportflächentemperatur,

Fig. 3 die Grenzflächentemperatur über der Transportflä- chentemperatur bei vorgegebener Gastemperatur,

Fig. 4 die Massendiffusionsrate über der Gastemperatur bei vorgegebener Transportflächentemperatur, Fig. 5 die Massendiffusionsrate über der Transportflächentemperatur bei vorgegebener Gastemperatur, Fig. 6 die Trocknungsdauer über der Gastemperatur bei vorgegebener Transportflächentemperatur,

Fig. 7 die Trocknungsdauer über der Transportflächentemperatur bei vorgegebener Gastemperatur, eine schematische Schnittansicht durch ein Ausfüh ¬ rungsbeispiel einer Vorrichtung zur Trocknung, eine schematische Detailansicht gemäß Fig. 8, eine schematische Schnittansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Trocknung, Fig. 11 die Geschwindigkeit des Transportgases über dem Ab ¬ stand zwischen Heizfläche und Substratoberfläche,

Fig. 12 die Dichte des Transportgases über dem Abstand zwi ¬ schen Heizfläche und Substratoberfläche,

Fig. 13 die Temperatur des Transportgases über dem Abstand zwischen Heizfläche und Substratoberfläche und

Fig. 14 eine schematische Schnittansicht durch Module einer weiteren Vorrichtung zur Trocknung.

Nachfolgend werden theoretische Grundlagen des erfindungsge ¬ mäßen Verfahrens anhand eindimensionaler Gleichungen für den diffusiven Massentransport in Abhängigkeit der Temperatur kurz erläutert.

Aus Fig. 1 sind die in den nachfolgenden Gleichungen verwendeten Größen im Wesentlichen ersichtlich.

Der Temperaturgradient im Luftspalt oberhalb der Grenzfläche des Fluidfilms erfüllt die Energiegleichung, die für die Gas ¬ phase wie folgt angegeben werden kann:

Löst man diese Diffusionsgleichung, so erhält man folgende, allgemeine Lösung: wobei C-L und c 2 zwei noch zu definierende Integrationskonstan ¬ ten darstellen. Diese können über geeignete Randbedingungen bestimmt werden. Diese Randbedingungen sind wie folgt:

y = δ α , T = T G

Löst man die obigen Gleichungen durch Einsetzen der Randbedingungen nach C-L und c 2 auf, so erhält man für diese Größen Werte, die das Temperaturprofil in der Gasphase wie folgt an ¬ geben lassen:

Für y = 0 erhält man T = T 1 . Damit lässt sich die Grenzflächentemperatur Γ / , d. h. die Temperatur an der freien Oberfläche des Fluidfilms, wie folgt errechnet:

(1 - f) * T H - Tj) * exp 5 G ) - l}

Die Massendiffusionsrate pro Flächeneinheit auf Grund des vorliegenden Temperaturgradienten an der freien Oberfläche lässt sich wie folgt errechnen:

Die Trocknungszeit für das zu beschichtende Material kann wie folgt berechnet werden:

M p L *h*(ß G Ah LH -2 G T I *(^ +^j

t d = = α-0*μβΗΤ Η -Τ,)

Durch den obigen Satz von Gleichungen kann das eindimensionale Diffusions-Wärmeübertragungsproblem und das Problem der zugehörigen Massenfreisetzung und des Massentransports analy ¬ tisch gelöst werden.

Unter Verwendung der nachfolgend beschriebenen Randbedingungen wurden u. a. die Massendiffusionsrate der verdampften Flüssigkeit und die Trocknungszeit berechnet. Die Berechnung ist unter folgenden Annahmen erfolgt:

H = 300 ym, i = 10 ym, 5 G = 300 ym

f = 0.2, TQ = 350 K, Tf j = 295 K

Die folgenden Materialeigenschaften wurden, trotz der Temperaturänderungen, als konstant angenommen: μ α = 1.8 x 10 "5 kg/ (ms), A G = 0.024 W/ (mK) , C P = 1.012

KJ/ (KgK)

Ä L = 0.6 W/ (mK) , p L = 1000 kg/m 3 , A/i iH = 2260 KJ/Kg

Ä s = 0.12 W/ (mK) Die Trocknung des Fluidfilms wird u. a. durch eine Kontrolle der zweiten Temperatur T H auf der Transportfläche und durch die erste Temperatur T G der Wärmequelle bestimmt. Die Wärme ¬ quelle ist in einem Abstand Ö G von der der Gasphase zugewand ¬ ten Grenzfläche des Fluidfilms angebracht.

Fig. 2 zeigt die Grenzflächentemperatur T j über der ersten Temperatur T G der Wärmequelle bzw. Gasphase. Fig. 3 zeigt die Grenzflächentemperatur T j über der Temperatur T H der Transportfläche .

Wie insbesondere aus den Fig. 3 bis 5 ersichtlich ist, kann die Massendiffusionsrate durch eine Erhöhung der ersten Tem ¬ peratur T G erreicht werden. Ferner ist ersichtlich, dass eine Erhöhung der zweiten Temperatur T H eine Reduktion der Massen- diffusionsrate bewirkt. Wie insbesondere aus den Fig. 6 und 7 ersichtlich ist, kann eine Reduktion der Trocknungszeit dann erreicht werden, wenn die zweite Temperatur T H klein und die erste Temperatur T G hoch gewählt wird. Dabei sind beide Temperaturen T G und T H so einstellbar, dass T } kontrolliert werden kann. T j kann z. B. auf Raumtemperatur gehalten werden.

Fig. 8 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Ausfüh ¬ rungsbeispiels einer Vorrichtung zur Trocknung. In einem Ge- häuse 1 befindet sich eine Vorratswalze 2, auf der das zu be ¬ schichtende Substrat 3 aufgenommen ist. Das Substrat 3 wird über erste Spannrollen 4a, 4b auf eine Transportwalze 5 ge ¬ führt. Eine Mantel- bzw. Transportfläche 6 der Transportwalze 5 ist abschnittsweise, vorzugsweise über einen Winkel von 180-270°, von einer Trocknungseinrichtung 7 umgeben. Stromaufwärts der Trocknungseinrichtung 7 ist ein mit dem Bezugszeichen 8 bezeichnetes Schlitzdüsenwerkzeug zum Auftragen ei ¬ nes Fluidfilms F auf das Substrat 3 vorgesehen. Stromabwärts der Trocknungseinrichtung 7 befindet sich zumindest eine wei- tere Spannrolle 9, über welche das Substrat 3 auf eine Walze 10 aufgewickelt wird. Mit dem Bezugszeichen 11 ist eine Wal ¬ zenreinigungsvorrichtung bezeichnet, welche stromabwärts der Trocknungseinrichtung 7 und stromaufwärts des Schlitzdüsenwerkzeugs 8 angeordnet ist.

Die Trocknungseinrichtung 7 weist ein weiteres Gehäuse 12 auf. Das weitere Gehäuse 12 ist mit Absaugeinrichtungen 14 versehen, mit denen ein aus dem Fluidfilm F entweichender Flüssigkeitsdampf abgesaugt wird.

In Fig. 9 ist eine Wärmequelle 13 beispielsweise aus Wider ¬ standsheizdrähten gebildet. Eine Heizfläche G der Wärmequelle 13 ist in einem Abstand 6 G von beispielsweise 0,1 mm bis 1,0 mm gegenüberliegend der Grenzfläche I des Fluidfilms F ange ¬ ordnet. Durch den Pfeil S ist eine im Wesentlichen parallel zur Grenzfläche I verlaufende Strömungsrichtung des Trans- portgases angedeutet.

Die in Fig. 8 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung ist be ¬ sonders kompakt aufgebaut. Anstelle einer Transportwalze 5 können auch mehrere Transportwalzen 5 verwendet werden. Damit kann eine Trocknungsstrecke vergrößert werden, was eine

Trocknung auch relativ dicker Fluidfilme F ermöglicht.

Bei der in Fig. 10 gezeigten schematischen Schnittansicht durch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä- ßen Diffusionstrockners bzw. einer weiteren Trocknungseinrichtung 15 gezeigt. Dabei ist das Substrat 3 wiederum auf einer Vorratswalze 2 aufgenommen; es wird mit einer angetrie ¬ benen Walze 16 transportiert. Mit dem Bezugszeichen 8 ist wiederum ein Schlitzdüsenwerkzeug zum Auftragen eines Fluid- films F auf das Substrat 3 bezeichnet, welches stromaufwärts einer weiteren Trocknungseinrichtung 15 angeordnet ist.

Die weitere Trocknungseinrichtung 15 umfasst mehrere in

Transportrichtung T aufeinanderfolgend angeordnete Heizele- mente 17, bei denen es sich um plattenförmige Widerstands ¬ heizelemente handeln kann. Eine Heizfläche G der Heizelemente 17 ist in einem Abstand Ö G von 2 bis 10 mm von einer Substratoberfläche angeordnet. Mit dem Bezugszeichen 18 ist eine weitere Transportfläche bezeichnet. Die weitere Transportflä- che 18 kann beheizbar sein. Es kann insbesondere ein vorgege ¬ benes Heizprofil entlang der weiteren Transportfläche 18 ein ¬ stellbar sein. Die weitere Transportfläche 18 kann auch ge ¬ kühlt werden. Zwischen den Heizelementen 17 sind abwechselnd Ab- 19 und Zu ¬ führöffnungen 20 vorgesehen. Die Ab- 19 und/oder Zuführöffnungen 20 sind zweckmäßigerweise schlitzartig ausgebildet. Insbesondere die Zuführöffnungen 20 können mit einer (hier nicht gezeigten) Strömungsleiteinrichtung versehen sein. Die Strömungsleiteinrichtung ist so ausgestaltet, dass das Trans ¬ portgas dem Trocknungskanal in einer Richtung zugeführt wird, welche im Wesentlichen parallel zur Grenzfläche I ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Trocknung des Fluidfilms nicht nur durch Diffusion, sondern auch durch die Konvektion des Transportgases im Trocknungskanal. Fig. 11 zeigt die Geschwindigkeit U * (dimensionslos) über dem Abstand Y * (dimensionslos) zwischen der Heizfläche und der Substrat ¬ oberfläche für verschiedene Druckgradienten A (dimensions ¬ los) . Es wird angenommen, dass die Transportfläche sich mit einer dimensionslosen Geschwindigkeit U * = 1 nach rechts be ¬ wegt. Im Falle eines Druckgradienten A = 0 ergibt sich im Be- reich der Heizfläche eine Strömungsgeschwindigkeit von 0. Die Strömungsgeschwindigkeit nimmt linear in Richtung der Trans ¬ portfläche auf den Wert "1" zu. Mit zunehmenden Druckgradienten, d. h. mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit des

Transportgases in Transportrichtung, nimmt die Strömungsge- schwindigkeit zu. Sie ist etwa bei halbem Abstand zwischen Heizfläche und Transportfläche maximal.

Fig. 12 zeigt die Dichte des Transportgases über dem Abstand zwischen Heizfläche und Substratoberfläche. Die Dichte nimmt mit abnehmendem Abstand von der Substratoberfläche wegen des zunehmenden Gehalts an verdampfter Flüssigkeit zu. Fig. 13 zeigt die Temperatur des Transportgases über dem Ab ¬ stand zwischen Heizfläche und Substratoberfläche, wobei eine Eintrittstemperatur des Transportgases in den Trocknungskanal etwa 475 K beträgt. Wie aus Fig. 13 ersichtlich ist, nimmt in diesem Fall die Temperatur auf einen Wert von etwa 320 K im Bereich der Substratoberfläche ab.

Fig. 14 zeigt eine schematische Teilschnittansicht durch eine weitere Vorrichtung zum Trocknen. Jeweils zwei aufeinander- folgende Heizelemente 17 sind Bestandteil eines Moduls M.

Zwischen den beiden Heizflächen G ist in Form eines Schlitzes eine Abführöffnung 19 vorgesehen, welche in einen Abführkanal 21 mündet. Die Abführkanäle 21 der Module M führen in einen (hier nicht gezeigten) Abführsammelkanal , mit welchem feuch- tes Transportgas einem Trockner zugeführt wird (hier nicht gezeigt) .

Zwischen zwei in Transportrichtung T hintereinander angeordneten Modulen ist jeweils eine Zuführöffnung 20 zum Zuführen von Transportgas, beispielsweise Luft L, gebildet. Die Zu ¬ führöffnungen 20 sind ebenfalls schlitzartig ausgebildet. Ei ¬ ne Schlitzweite der Zuführöffnungen 20 ist größer als eine Schlitzweite der Abführöffnungen 19. Sie beträgt zweckmäßi ¬ gerweise das 2-Fache, vorzugsweise das 3- bis 5-Fache, einer Schlitzweite der Abführöffnungen 19.

Bezugs zeichenliste

1 Gehäuse

2 Vorratswalze

3 Substrat

4a, 4b Spannrolle

5 Transportwalze

6 Transportfläche

7 Trocknungseinrichtung

8 Schlitzdüsenwerkzeug

9 weitere Spannrolle

10 Walze

11 Walzenreinigungsvorrichtung

12 weiteres Gehäuse

13 Wärmequelle

14 Absaugeinrichtung

15 weitere Trocknungseinrichtung

16 angetriebene Walze

17 Heizelement

18 weitere Transportfläche

19 Abführöffnung

20 Zuführöffnung

21 Abführkanal 5 G Abstand

F Fluidfilm

G Heizfläche

I Grenzfläche

L Luft

M Modul

S Strömungsrichtung

T Transportrichtung