王馨 吳雪晴

摘要：真空干燥時，由于干燥室的壓力始終是負壓，氣體分子稀薄，含氧量低，因而適合對容易氧化變質(zhì)、易燃易爆的危險品、容易感染細菌的食品進行干燥處理;真空干燥由于是在低壓下操作，降低操作溫度，因此不會影響食品風(fēng)味，能夠回收干燥物料中有毒有害物質(zhì)的排放，從環(huán)保意義上真空干燥被稱為“綠色干燥”，本文通過研究目前世界上關(guān)于基于沸點的真空干燥技術(shù)的專利文獻，將有助于基于沸點的真空干燥技術(shù)的應(yīng)用以及改進。

關(guān)鍵詞：真空;干燥;專利

中圖分類號：TQ02文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2020）12-0130-03

1 基于沸點的真空干燥原理

真空干燥就是將被干燥的物料置于密封的干燥室中，用抽真空系統(tǒng)抽真空的同時對被干燥物料不斷加熱，使物料內(nèi)的水分子通過壓力差和濃度差擴散到表面，水分子在物料表面獲得足夠的動能，在克服分子間吸引力后，逃逸到真空室的低壓空間，從而被真空泵抽走的干燥過程[1]。根據(jù)真空干燥的基本原理，可分為基于沸點的真空干燥和基于融點的真空干燥，其中基于沸點的真空干燥原理在于水在沸騰時汽化速度比蒸發(fā)時的汽化速度快，通過降低壓強使水的沸點降低而加快汽化速度，基于融點的真空干燥原理在于先降溫使水凍結(jié)成固態(tài)，在高度真空下固態(tài)水直接升華為氣態(tài)而去除，也稱為冷凍干燥[2]。真空干燥設(shè)備和工藝受到大量學(xué)者和企業(yè)的關(guān)注和研究，其中基于沸點的真空干燥相對成本較低、應(yīng)用更為廣泛，因此本文主要是對于基于沸點的真空干燥專利技術(shù)進行闡述。

2 基于沸點的真空干燥的發(fā)展狀況

在基于沸點的真空干燥領(lǐng)域中，其主要分為裝置、操作、應(yīng)用三大部分，其中結(jié)構(gòu)上主要是對加熱方式、冷凝方式以及抽真空方式的改進，其目的是使物料受熱均勻、及時排除干燥脫除的水分，從而提高干燥效率和改善干燥質(zhì)量;而操作上主要是根據(jù)干燥物料以及干燥的需求對干燥過程中真空度的調(diào)節(jié)以及干燥節(jié)點的判斷，其目的使物料內(nèi)部水分充分溢出、保證干燥質(zhì)量，以及提高裝置干燥效果的能效和可靠性;而在應(yīng)用上主要是在木材、食品、熱敏物料、生物材料、電子設(shè)備等行業(yè)的應(yīng)用。

2.1 申請量年度分布

從圖1中可以看出，早在20世紀60年代，就有對基于沸點的真空干燥技術(shù)的專利申請，至今已經(jīng)有幾十余年的歷史，但是在進入21世紀之后才取得快速的發(fā)展，我國的專利申請最早出現(xiàn)在1986年以后，一方面是由于引入了抽真空裝置，増加了設(shè)備的復(fù)雜性，另一方面早期關(guān)于干燥的科學(xué)和工程文獻都是采用俄文、日文、德文和法文撰寫的，國內(nèi)缺乏這方面的技術(shù)資料，使得國內(nèi)對真空技術(shù)的研究一直都落后于國外。事實上，干燥幾乎是所有工業(yè)部門的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而工業(yè)生產(chǎn)過程中許多難以充分干燥或?qū)囟让舾械奈锪喜坏貌徊捎谜婵崭稍锛夹g(shù)。因此90年代后，國內(nèi)的學(xué)者才開始對真空干燥技術(shù)展開了深入的研究。進入21世紀后，由于我國于2001年底正式加入WTO，從此實施了保護知識產(chǎn)權(quán)的TPIPS協(xié)議，我國涉及真空干燥技術(shù)的申請數(shù)量開始逐步增長，雖然我國在這一領(lǐng)域起步較晚，然而近年來，特別是2006年以后發(fā)展異常迅速，自2009年起，我國的申請量已連續(xù)多年占到全球申請總量的八成以上，雖然2011—2012年的申請量小幅度的降低，但隨著真空干燥應(yīng)用領(lǐng)域愈來愈廣泛，特別真空干燥在處理電子元件的應(yīng)用，2012年以后關(guān)于真空干燥的專利申請數(shù)量大幅度增長。

2.2 申請原創(chuàng)國分布

由圖2可知，中國、日本、美國是專利申請的主要原創(chuàng)國，其申請量占到了全球申請總量的87%，其中中國在該領(lǐng)域中申請量最多，占全球申請總量的約41%，我國的關(guān)于真空干燥機技術(shù)的申請量較大一方面是由于近十年來我國在工業(yè)化進程中取得了飛速的發(fā)展，另一方面我國屬于農(nóng)業(yè)大國，使得關(guān)于糧食、種子、木材、食品的真空干燥技術(shù)得到廣泛關(guān)注和研究;日本的民族飲食文化的發(fā)展使其對例如脫水蔬菜、方便面和豆醬等方便食品的需求量增加，使相關(guān)的企業(yè)和研究機構(gòu)推進真空干燥技術(shù)的發(fā)展。

2.3 專利技術(shù)發(fā)展趨勢

早期的專利申請主要是涉及采用蒸汽作為加熱介質(zhì)、外置冷凝器以及真空泵抽真空的真空干燥裝置，主要應(yīng)用在木材、食品領(lǐng)域;1960年以后，隨著微波、紅外等技術(shù)的發(fā)展，同時考慮到物料的受熱均勻程度，開始采用微波、紅外和電介質(zhì)加熱方式，冷凝方式出現(xiàn)噴霧冷凝，同時也開始了關(guān)于干燥節(jié)點判斷的研究，通過測量物料阻抗或冷凝液的量來監(jiān)測物料的干燥程度;1980年以后，真空干燥擴展到醫(yī)療器械領(lǐng)域并與等離子殺菌相結(jié)合，在半導(dǎo)體領(lǐng)域，為徹底干燥半導(dǎo)體器械的殘余水分，開始采用間斷式抽真空方式;2000年以后，真空干燥擴展到晶片領(lǐng)域，為了避免晶片上殘留水印，開始采用瞬間減壓的抽真空方式，在干燥節(jié)點的判斷上也出現(xiàn)了通過壓力傳感器、溫度傳感器、露點傳感器等干燥腔內(nèi)的蒸汽參數(shù)綜合判斷的技術(shù);2010年以后，真空干燥技術(shù)在電池電芯以及便攜電子設(shè)備上得到了應(yīng)用，并開始采用抽真空、卸真空的循環(huán)操作以達到更徹底的干燥效果。

3 基于沸點的真空干燥技術(shù)專利分析

3.1 采用電介質(zhì)加熱的木材真空干燥裝置

美國DRYWOOD公司在1973年提出了采用電介質(zhì)加熱的木材真空干燥裝置的專利申請，該專利號為：US3986268A，該專利提出了真空干燥技術(shù)與電介質(zhì)加熱技術(shù)的結(jié)合，干燥過程中水蒸氣從木材中蒸發(fā)并被抽出，冷卻水排出以促進水蒸氣在壓力容器內(nèi)表面的凝結(jié)，通過測量回收的冷凝液的量來確定木材的含水量是否達到規(guī)定的限度。由于電介質(zhì)加熱技術(shù)能夠使木材內(nèi)部含水量較高的區(qū)域產(chǎn)生更多能量，真空干燥技術(shù)能夠促進水分低溫揮發(fā)，避免了單純的電介質(zhì)加熱導(dǎo)致的木材內(nèi)部碳化和燃燒，通過真空干燥技術(shù)與電介質(zhì)加熱技術(shù)的結(jié)合提高了干燥操作的效率和均勻性，實現(xiàn)了提高干燥木材速率的同時不損壞木質(zhì)結(jié)構(gòu)，而且由于干燥周期顯著縮短、干燥均勻性明顯提高，該裝置還可以干燥一些傳統(tǒng)干燥工藝難以干燥的木材。

3.2 采用導(dǎo)熱介質(zhì)加熱的真空干燥裝置

申請人PAGNOZZI.E.F在1978年提出了用于干燥木材的真空干燥窯，該專利號為：DE2821259A1，提出采用熱水之類的導(dǎo)熱介質(zhì)為真空干燥提供熱量，干燥產(chǎn)生的水蒸氣將其汽化熱傳遞給二次流體后，二次流體溫度上升很多后在熱交換器內(nèi)與循環(huán)熱水換熱，使為干燥室提供能量而降溫的熱水吸收二次流體的能量，即干燥產(chǎn)生的汽化熱又回收至作為導(dǎo)熱介質(zhì)的熱水，熱水吸收汽化熱后再次進入鍋爐加熱，繼續(xù)為干燥室提供干燥所需能量。該方案采用循環(huán)熱水作為導(dǎo)熱介質(zhì)，將木材干燥產(chǎn)生的汽化熱回收，提高了系統(tǒng)的能量利用率。

3.3 采用噴射器抽真空的微波織物真空干燥機

申請人Richard D.Smith等在1979年提出了采用噴射器抽真空的微波織物真空干燥機的專利申請，該專利號為：US4250628A，公開了一種微波織物干燥機，該專利提出采用水力噴射器抽取干燥腔內(nèi)真空，與傳統(tǒng)的機械真空泵相比，水力噴射器在較高的亞大氣壓下可以保持較高的流速，能夠從干燥腔中快速抽氣，同時水力噴射器除了具有抽真空的作用，還具有冷凝功能;微波能量加熱織物中的水分子，干燥室內(nèi)壓力達到設(shè)定值時織物中的水在相對較低的溫度下氣化，固態(tài)微波陣列感測到微波吸收，當檢測到輻射吸收速率明顯降低時，電反饋信號指示干燥周期結(jié)束。由于微波能量能滲透到整個濕衣服中，且水分含量多處能吸收更多微波能量，因此可具有更均勻的干燥效果，該方案能夠以更少的時間在足夠低溫度下干燥和保護熱敏感織物。

3.4 瞬時減壓干燥晶片的真空干燥裝置

韓國三星電子公司在2002年提出了采用瞬時減壓干燥晶片的真空干燥裝置的專利申請，該專利號為：KR20030097263A，公開了一種干燥晶片的干燥裝置。具有減壓室和干燥室的雙室結(jié)構(gòu)，干燥開始前使減壓室與干燥室隔離，真空泵抽取減壓室中的空氣使其壓力降低，開啟微波發(fā)生器使干燥室達到預(yù)定溫度，再將晶片裝載到干燥室內(nèi)，晶片表面的水分滴落排出后，干燥室中的空氣分散到減壓室中，使得減壓室的壓力從大氣壓瞬間降低，水的沸點突然降低而瞬間蒸發(fā)，干燥結(jié)束后向干燥室內(nèi)供應(yīng)惰性氣體使干燥室內(nèi)壓力恢復(fù)至大氣壓后卸載晶片。該方案使干燥室可以通過打開安裝在減壓室和干燥室之間的壓力調(diào)節(jié)閥瞬間排空，使殘留在晶片上的水可以從晶片瞬間蒸發(fā)，防止了諸如水印或凝膠形成的缺陷。

3.5 間斷式抽真空

申請人Altos Engineer 公司在1996年針對精密器件中的殘余水分去除提出了強制對流真空干燥，該專利號為：US5732478A，該專利提出采用強制對流真空干燥處理半導(dǎo)體器件，可以取出半導(dǎo)體器件的殘留水分，操作過程中采用交替的加熱和真空循環(huán)，氣刀不僅可以輸送加熱需要的熱風(fēng)，同時也為腔室內(nèi)帶來良好的氣流循環(huán)，加熱和低壓的循環(huán)促進殘留水分的蒸發(fā)，同時加熱的空氣也可以防止設(shè)備受到低壓時殘留的水分凍結(jié)。本方案使半導(dǎo)體器件的殘留水分在不到5小時內(nèi)可降低至0.04%以下，可在7小時內(nèi)將殘余水分降低至零。

申請人東莞新能源科技有限公司在2012年提出了鋰離子電池電芯的干燥方法，該專利號為：CN102735023A，該專利提出將干燥的電芯置于封閉的腔體中，設(shè)定腔體的恒定溫度，進行若干次抽真空、卸真空的真空循環(huán)操作，即當腔體的真空度達到設(shè)定真空度時，進行延時處理，然后進行卸真空動作，當真空度達到所設(shè)定的真空度時，再進行延時處理，如此循環(huán)，在封閉的腔體內(nèi)形成循環(huán)氣流流動。在傳統(tǒng)真空干燥方法的基礎(chǔ)上引入抽換氣的循環(huán)，通過干燥氣流的流動，帶走處于半封閉狀態(tài)下電芯的水分，從而能在較短時間內(nèi)改善電芯中水含量。

4 結(jié)語

本文詳細梳理了基于沸點的真空干燥技術(shù)的分類，對基于沸點的真空干燥技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量隨年度的變化、技術(shù)來源國、以及核心專利進行分析。在最近幾年基于沸點的真空干燥技術(shù)進入飛速發(fā)展階段，而我國的申請量已經(jīng)達到了第一位，說明我國關(guān)于基于沸點的真空干燥技術(shù)的研究已經(jīng)進入了重要階段。

參考文獻：

[1] 閆一野.普通真空干燥設(shè)備綜述[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2011（02）.

[2] 徐成海，張志軍，張世偉，彭潤玲，張斌.真空干燥現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢分析[J].干燥技術(shù)與設(shè)備，2009（05）.