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Dokumentenidentifikation DE10232198A1 05.02.2004
Titel Strahlungsquelle
Anmelder Advanced Photonics Technologies AG, 83052 Bruckmühl, DE
Erfinder Gaus, Rainer, Dr.-Ing., 83703 Gmund, DE;
Bär, Kai K.O., Dr.-Ing., 83043 Bad Aibling, DE
Vertreter Meissner, Bolte & Partner GbR, 80538 München
DE-Anmeldedatum 16.07.2002
DE-Aktenzeichen 10232198
Offenlegungstag 05.02.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.02.2004
IPC-Hauptklasse G21K 5/04
IPC-Nebenklasse H01L 21/324   H01K 7/00   B01J 19/12   
Zusammenfassung Strahlungsquelle (100) für elektromagnetische Strahlung, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot liegt, mit einer Mehrzahl langgestreckter Halogenlampen (101), die einen röhrenförmigen, an den Enden gesockelten Glaskörper mit mindestens einer Glühwendel und umgebogene Enden haben, und einem Reflektorblock (103) mit einer Mehrzahl von jeweils einer Halogenlampe zugeordneten Reflektorabschnitten (105), wobei mindestens die Reflektorabschnitte an ihren Enden in Anpassung an die Form der umgebogenen Halogenlampenenden abgerundet sind und eine Oberflächenbearbeitung aufweisen, die ein Reflexionsvermögen von 80% oder mehr, insbesondere 98% oder mehr, für die Strahlung im Bereich des nahen Infrarot im Dauerbetrieb bei einer Leistungsdichte von 200 KW/m2 oder mehr gewährleistet.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Strahlungsquelle ist aus der DE 100 51 905 A1 der Anmelderin bekannt. Im Zusammenhang mit dem Gegenstand steht auch die DE 100 51 641 A1, in der der Aufbau einer Bestrahlungsanordnung aus entsprechenden Strahlungsquellen und Kühlfluid-Verteilern beschrieben wird.

Diese vorbekannten Strahlungsquellen bzw. Bestrahlungsanordnungen haben sich bei großtechnischen Prozessen, die mit Strahlung im Bereich des nahen Infrarot ausgeführt werden und bei denen teilweise große Materialbreiten zusammenhängend bestrahlt werden müssen, gut bewährt. Die bekannten Lösungen ermöglichen unter Einsatz von Strangpressprofilen auch in flexibler Weise den modulartigen Aufbau verschiedenster Konfigurationen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Strahlungsquelle der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, die insbesondere kostengünstiger herstellbar ist und gleichwohl überzeugende Gebrauchseigenschaften bei allen relevanten Applikationen aufweist.

Diese Aufgabe wird durch eine Strahlungsquelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, eine Optimierung der Strahlungs- und thermischen Eigenschaften der Strahlungsquelle durch verbesserte Anpassung der Reflektorgeometrie an die spezielle Form der Halogenlampen mit umgebogenen Enden zu bewerkstelligen. Weiterhin gehört zur Erfindung der Gedanke, die Oberflächen der Reflektorabschnitte derart auszubilden, dass sie im Dauerbetrieb der Strahlungsquelle mit hoher Leistungsdichte – typisch mehr als 200 KW/m2, insbesondere mehr als 400 KW/m2 über mehrere hundert bis tausend Stunden – über den Bereich des nahen Infrarot (0,8 &mgr;m bis 1,5 &mgr;m) ein Reflexionsvermögen von 80% oder mehr haben. Bevorzugt ist eine Ausführung mit einem Reflexionsgrad von mehr als 90%, diese ist aber nicht für sämtliche Applikationen erforderlich.

Mit der erfindungsgemäßen Ausführung ergeben sich für die Anwender von derartige Strahlungsquellen aufweisenden Bestrahlungsanlagen, etwa in der Papier- und Druckindustrie, der kunststoffverarbeitenden Industrie, der Automobilindustrie, der Möbelindustrie oder der Elektronikindustrie, hochgradig vorteilhafte Gebrauchseigenschaften – insbesondere homogene Strahlungsdichteverteilungen und ein hoher energetischer Wirkungsgrad.

In einer besonders kostengünstig zu fertigenden Ausführung ist der Reflektorblock als Druckgussteil aus Al oder einer Al-Legierung mit in eine den Reflektorabschnitten gegenüberliegende Oberfläche eingearbeiteten Kühlfluidkanälen ausgebildet. Zur Gewährleistung der oben spezifizierten Reflexionsgrade ist die die Reflektorabschnitte bildende Oberfläche des Reflektorblockes mit einer das Reflexionsvermögen erhöhenden Dünnschicht, insbesondere aus Ag oder Au oder einer Legierung mit diesen oder Reinst-Al, versehen. Durch eine derartige Beschichtung wird das aufgrund von Mikroporositäten begrenzte Reflexionsvermögen der unbehandelten Druckgussoberfläche deutlich verbessert.

Wird Silber oder eine Silberlegierung als Beschichtungsmaterial eingesetzt, so wird dieses bevorzugt noch mit einer hochtransparenten mineralischen Korrosionsschutzschicht versehen, um den an sich bekannten und durch den Dauerbetrieb bei hohen Temperaturen verstärkten Korrosionseffekten, die das Reflexionsvermögen im Lauf der Zeit dramatisch verschlechtern können, zu begegnen. Eine derartige Korrosionsschutzschicht muss hinreichend dünn und derart präzise aufgebracht sein, dass dadurch die optimierte Reflektorgeometrie nicht nachteilig verändert wird.

Die Einformung von Kühlfluidkanälen in die Rückseite des Reflektorblockes erfolgt bevorzugt derart, dass die Kühlfluidkanäle sich im wesentlichen geradlinig und zueinander und zur Richtung der Längserstreckung eingesetzter Halogenlampen parallel zwischen einem Kühlfluid-Verteilbereich nahe einer ersten Seitenkante des Reflektorblockes und einem Kühlfluid-Sammelbereich nahe einer gegenüberliegenden zweiten Seitenkante erstrecken. Diese Ausführung ist herstellungstechnisch einfach und kostengünstig realisierbar und sichert eine hohe Lebensdauer der Strahlungsquelle aufgrund effizienter Kühlung. Hierbei ist die Abrundung der Enden der Reflektorabschnitte und insbesondere der gesamten Seitenkanten der Oberfläche des Reflektorblockes im wesentlichen viertelkreisförmig ausgeführt.

Speziell bei der oben erwähnten Ausführung des Reflektorblockes in Druckgusstechnik erfordert das Vorsehen der rückseitig eingearbeiteten Kühlfluidkanäle eine die Rückseite des Reflektorblockes abdeckende und fluiddicht verschließende Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte. Es versteht sich, dass die Abdeckplatte im Normalfall unter Einbindung einer separaten Fluiddichtung, die hier aus einem ausreichend temperaturbeständigen Material bestehen muss, auf die Rückseite des Reflektorblockes aufgesetzt ist.

In einer herstellungstechnisch und kostenseitig bevorzugten Ausführung ist die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte ein Strangpressteil mit einer nahe einer ersten Seitenkante verlaufenden Kühlfluidzuleitung mit mindestens einer Öffnung zum Kühlfluid-Verteilbereich des Reflektorblockes und einer nahe einer gegenüberliegenden zweiten Seitenkante verlaufenden Kühlfluidabführung mit mindestens einer Öffnung zum Kühlfluid-Sammelbereich des Reflektorblockes.

Zur Realisierung einer konsequent modularen Bauweise von Bestrahlungsanordnungen der oben erläuterten Art weist bevorzugt die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte zur Aufnahme je einer Kontaktanordnung für die Halogenlampen ausgebildete Seitenkantenbereiche auf, und im Betriebszustand ist dort je eine Kontaktanordnung aufgesetzt. Mit derartigen Kontaktanordnungen – die als solche nicht Gegenstand der Erfindung sind – lassen sich, je nach konkreter Ausführung, die Halogenlampen (Emitter) der Strahlungsquelle einzeln oder gruppenweise mit Strom versorgen und ansteuern. Die konstruktive Abstimmung von Abdeckplatte und Kontaktanordnung über geeignete Eingriffsmittel sichert in Verbindung mit einer geeigneten Ausführung der Kontakte selbst eine exakte Positionierung und zuverlässige Fixierung der Emitter gegenüber dem Reflektorblock, was sich vorteilhaft auf die Strahlungseigenschaften und Betriebssicherheit der jeweiligen Bestrahlungsanordnung auswirkt.

In vorteilhafter Weise hat die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte Befestigungseinrichtungen zur Anbringung von Stromversorgungs- und Steuerungskomponenten, insbesondere zwischen der Kühlfluidzuleitung und der Kühlfluidabführung. Auch diese Ausführung dient der Realisierung eines modularen Aufbaukonzeptes für NIR-Bestrahlungsanlagen mit kompakter Bauform, die in einfacher Weise auf verschiedene Anwendungszwecke angepasst und auch gewartet werden können und daher sowohl kostengünstig herstellbar als auch betreibbar sind. In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind die besagten Befestigungseinrichtungen für die Stromversorgungs- bzw. Steuerungskomponenten an der Basis der erwähnten U-förmigen Abdeckplatte, also zwischen den Schenkeln des "U" geschützt, angeordnet.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

1 eine Strahlungsquelle mit sechs Reflektorabschnitten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer perspektivischen Darstel-lung von seitlich oben,

2 eine aus zwei Modulen nach 1 zusammengesetzte Strahlungsquelle mit zwölf Reflektorabschnitten in einer perspektivischen Untersicht und

3A bis 3C eine Untersicht sowie eine Längs- und Querschnittsdarstellung des Reflektorblocks der Strahlungsquelle nach 1.

1 zeigt eine Strahlungsquelle 100 zur Erzeugung von Strahlung im Bereich des nahen Infrarot, also insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 &mgr;m und 1,5 &mgr;m, mit hoher Leistungsdichte zu Bearbeitungszwecken mittels Halogen-Glühfadenlampen 101. Die Strahlungsquelle 100 umfasst im wesentlichen einen Reflektorblock 103 aus Al-Druckguss mit einer Mehrzahl von Reflektorabschnitten 105 einer weiter unten genauer beschriebenen Form, die jeweils einer Halogenlampe 101 zugeordnet sind, und eine Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107, die rückseitig auf den Reflektorblock 103 aufgesetzt ist.

Weiterhin umfasst die Strahlungsquelle 100 eine Kontaktanordnung 109 zur mechanischen Fixierung und elektrischen Kontaktierung der Halogenlampen 101, welche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist und daher hier nicht genauer beschrieben wird, sowie Ansteuerungs- bzw. Stromversorgungskomponenten 111, die rückseitig auf die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte montiert sind. Sowohl die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 als auch die Ansteuerungs- bzw. Stromversorgungskomponenten 111 weisen aufeinander abgestimmte Befestigungsmittel zur leichten und schnellen Erstbestückung der Strahlungsquelle in modularer Art und Weise auf, die auch einen unproblematischen Austausch von Komponenten bei Ausfällen oder einer etwaigen Aufrüstung der Bestrahlungsanlage ermöglichen. Hierfür kommen sowohl Schraub- als auch Klemmverbindungen als auch Kombinationen beider in Betracht.

Der Reflektorblock 103 hat – was in den Figuren nicht zu erkennen ist – eine die Reflexionseigenschaften im NIR-Bereich verbessernde Oberflächenbeschichtung, und seine Reflektorabschnitte haben (was am besten in 3C zu erkennen ist) im Querschnitt annähernd eine W-Form. In 1 und 3B ist gut zu erkennen, dass der Reflektorblock 103 an seinen Enden viertelkreisförmig abgerundet ausgeführt ist. Diese Formgebung dient zur Anpassung an die Form der an ihren Enden abgebogenen Halogenlampen 101.

Die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 ist als annähernd U-förmiges Al-Strangpressteil mit einem ebenen, plattenförmigen Mittelteil 107a (der Basis des "U") und zwei annähernd quadratischen Seitenteilen 107b, 107c (den Schenkeln des "U") mit im Querschnitt kreisförmigen Fluidkanälen 113a, 113b gebildet.

2 zeigt eine hinsichtlich der Anzahl der aufzunehmenden Halogenlampen 101 und entsprechenden Reflektorabschnitte 105 modifizierte Ausführung als Strahlungsquelle 200. Es versteht sich, dass diese einen entsprechend längeren Reflektorblock 203 und eine auf dessen Länge abgestimmte Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 207 aufweist. Der Aufbau dieser Komponenten ist jedoch derselbe wie bei der Strahlungsquelle 100 nach 1, und daher wurden auch gleiche oder korrespondierende Bezugsziffern zur Bezeichnung konstruktiv oder funktionell gleicher Teile bzw. Abschnitte verwendet.

3A bis 3C zeigen die Konstruktion des Reflektorblockes 103 im Einzelnen. 3A zeigt besonders deutlich, dass dieser rückseitig eine großflächige Ausnehmung 103a hat, die durch parallel zueinander in Richtung der Längserstreckung verlaufende Trennrippen 103b in einzelne Kanäle 103c unterteilt ist. Die Ausnehmung 103a ist umgeben von einer Ringnut 103d zur Aufnahme eines (nicht dargestellten) Dichtringes zur Abdichtung der Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte (1 und 2) gegenüber dem Reflektorblock 103. Gewindebohrungen 103e sind zum Verschrauben des Reflektorblockes mit der Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte vorgesehen.

Im Mittenbereich des Reflektorblockes 103 ist eine Sensor-Bohrung 103f vorgesehen, mit der der Reflektorblock zur Aufnahme eines Pyrometerelementes für Temperaturmessungen an einem Bearbeitungsgegenstand vorbereitet ist. Die Sensor-Bohrung 103f ist – ebenso wie die großflächige Ausnehmung 103a – von einer Ringnut 103g zur Aufnahme eines Dichtringes umgeben.

Ein erster (in der Figur der linke) Seitenbereich 103h der Ausnehmung 103a steht bei aufgesetzter Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 mit deren erstem Kühlfluidkanal 113a (1) in Verbindung, während ein zweiter (in der Figur der rechte) Seitenbereich 1031 der Ausnehmung 103a mit dem zweiten Kühlfluidkanal 113b der Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 verbunden ist. Je nach Anschluss einer Kühlfluidquelle (speziell eines Kühlwasseranschlusses) wird über den Kühlfluidkanal 113a als Kühlfluidzuleitung das Kühlfluid dem Bereich 103h als Kühlfluid-Verteilbereich des Reflektorblockes zugeführt und über den zweiten Seitenbereich 103i als Kühlfluid-Sammelbereich des Reflektorblockes und den zweiten Kühlfluidkanal 113b (im erwärmten Zustand) wieder abgeführt oder umgekehrt. Es versteht sich, dass in der Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 in zum Kühlfluid-Verteilbereich 103h bzw. dem Kühlfluid-Sammelbereich 103i des Reflektorblockes 103 korrespondierender Position Durchgangsöffnungen von den Kühlfluidkanälen 113a, 113b aus vorgesehen sind; diese sind allerdings in den Figuren nicht zu erkennen.

Die Seitenkanten der Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 stehen über die Schenkel 107b, 107c seitlich etwas vor und schützen dadurch die aufgesetzte (und bevorzugt verschraubte) Kontaktanordnung 109, die teilweise aus Kunststoff besteht, vor übermäßiger mechanischer Beanspruchung.

Mit dem in den Figuren dargestellten und oben beschriebenen Aufbau wird zum einen ein modulares Aufbaukonzept für unterschiedlich ausgedehnt NIR-Bestrahlungsanordnungen mit den zugehörigen Stromversorgungs-, Ansteuerungs- und Kühleinrichtungen realisiert. Er bietet andererseits die Gewähr für einen zuverlässigen und energieeffizienten Langzeitbetrieb einer derartigen Bestrahlungsanordnung. Die Ausführung der Erfindung ist indes nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.

100; 200 Strahlungsquelle 101 Halogen-Glühfadenlampe 103; 203 Reflektorblock 103a Ausnehmung 103b Trennrippe 103c Kanal 103d, 1039 Ringnut 103e Gewindebohrung 103f Sensor-Bohrung 103h Kühlfluid-Verteilbereich 103i Kühlfluid-Sammelbereich 105 Reflektorabschnitt 107; 207 Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107a Mittelteil (Basis) 107b, 107c Seitenteil (Schenkel) 109 Kontaktanordnung 111 Ansteuerungs- bzw. Stromversorgungskomponente

Anspruch[de]
  1. Strahlungsquelle (100; 200) für elektromagnetische Strahlung, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot liegt, mit einer Mehrzahl langgestreckter Halogenlampen (101), die einen röhrenförmigen, an den Enden gesockelten Glaskörper mit mindestens einer Glühwendel und umgebogene Enden haben, und einem Reflektorblock (103; 203) mit einer Mehrzahl von jeweils einer Halogenlampe zugeordneten Reflektorabschnitten (105), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Reflektorabschnitte an ihren Enden in Anpassung an die Form der umgebogenen Halogenlampenenden abgerundet sind und eine Oberflächenbearbeitung aufweisen, die ein Reflexionsvermögen von 80% oder mehr, insbesondere 98% oder mehr, für die Strahlung im Bereich des nahen Infrarot im Dauerbetrieb bei einer Leistungsdichte von 200 KW/m2 oder mehr gewährleistet.
  2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorblock (103; 203) als Druckgussteil aus Al oder einer Al-Legierung mit in eine den Reflektorabschnitten gegenüberliegende Oberfläche eingearbeiteten Kühlfluidkanälen ausgebildet ist.
  3. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die die Reflektorabschnitte (105) bildende Oberfläche des Reflektorblockes (103; 203) mit einer das Reflexionsvermögen erhöhenden Dünnschicht, insbesondere aus Ag oder Au oder einer Legierung mit diesen oder Reinst-Al, versehen ist.
  4. Strahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Ag-Schicht oder Ae-Legierungs-Schicht eine hochtransparente mineralische Korrosionsschutzschicht vorgesehen ist.
  5. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluidkanäle sich im wesentlichen geradlinig und zueinander und zur Richtung der Längserstreckung eingesetzter Halogenlampen (101) parallel zwischen einem Kühlfluid-Verteilbereich nahe einer ersten Seitenkante des Reflektorblockes (103; 203) und einem Kühlfluid-Sammelbereich nahe einer gegenüberliegenden zweiten Seitenkante erstrecken.
  6. Strahlungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrundung der Enden der Reflektorabschnitte (105) und insbesondere der gesamten Seitenkanten der Oberfläche des Reflektorblockes (103) im wesentlichen viertelkreisförmig ausgeführt ist.
  7. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch eine die Rückseite des Reflektorblockes (103; 203) abdeckende und fluiddicht verschließende Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte (107; 207).
  8. Strahlungsquelle nach Anspruch 5 oder 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte (107) ein Strangpressteil mit einer nahe einer ersten Seitenkante verlaufenden Kühlfluidzuleitung (113a) mit mindestens einer Öffnung zum Kühlfluid-Verteilbereich (103h) des Reflektorblockes und einer nahe einer gegenüberliegenden zweiten Seitenkante verlaufenden Kühlfluidabführung (113b) mit mindestens einer Öffnung zum Kühlfluid-Sammelbereich (103i) des Reflektorblockes aufweist.
  9. Strahlungsquelle nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte (107) zur Aufnahme je einer Kontaktanordnung (109) für die Halogenlampen (101) ausgebildete Seitenkantenbereiche aufweist und im Betriebszustand dort je eine Kontaktanordnung aufgesetzt ist.
  10. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte (107) Befestigungseinrichtungen zur Anbringung von Stromversorgungs- und Steuerungskomponenten (111), insbesondere zwischen der Kühlfluidzuleitung (113a) und der Kühlfluidabführung (113b), aufweist.
  11. Strahlungsquelle nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte (107) im Längsschnitt im wesentlichen U-Form aufweist, wobei die Schenkel (107b, 107c) des "U" die Kühlfluidzuleitung (113a) und Kühlfluidabführung (113b), insbesondere in Form von im Querschnitt kreisförmigen Kanälen, aufnehmen und an der Basis (107a) des "U" insbesondere die Befestigungseinrichtungen für die Stromversorgungs- bzw. Steuerungskomponenten angeordnet sind.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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