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Dokumentenidentifikation DE10331630A1 27.01.2005
Titel Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrates
Anmelder SMS Demag AG, 40237 Düsseldorf, DE
Erfinder Trakowski, Walter, Dr., 47269 Duisburg, DE;
Behrens, Holger, Dr., 40699 Erkrath, DE;
Brisberger, Rolf, 47661 Issum, DE
Vertreter Patentanwälte Valentin, Gihske, Grosse, 57072 Siegen
DE-Anmeldedatum 12.07.2003
DE-Aktenzeichen 10331630
Offenlegungstag 27.01.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.01.2005
IPC-Hauptklasse G21K 5/04
IPC-Nebenklasse B05D 3/06   G02B 5/02   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrates (1), insbesondere eines Metallstranges, auf dem eine Schicht (2) aufgebracht ist, mit Licht definierter Wellenlänge, die einen Strahler (3) aufweist, der zur Emission des Lichts angeregt werden kann. Zur Verbesserung der Bestrahlung des Substrates ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Strahler (3) eine Oberfläche (4) aufweist, die eine Vielzahl trichterförmiger oder keilförmig ausgebildeter Erhebungen (5) aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrates, insbesondere eines Metallstranges, auf dem eine Schicht aufgebracht ist, mit Licht definierter Wellenlänge, die einen Strahler aufweist, der zur Emission des Lichts angeregt werden kann.

Bei der Behandlung von Oberflächen von Metallsträngen in Anlagen zur Bandveredelung werden für Trocknungsvorgänge und insbesondere für organische Beschichtungen Anlagen zur gezielten Erwärmung für die Trocknung bzw. die Vernetzung der organischen Beschichtung eingesetzt. Hierfür werden Strahler verwendet, die die Aufgabe haben, eine möglichst hohe Strahlungsleistung zur Verfügung zu stellen. Aus Gründen der Strahlungsleistung würde sich eine möglichst hohe Strahlungstemperatur anbieten. Hier sind jedoch Grenzen gesetzt, denn aufgrund der Oberflächenqualität ist eine maximale Strahlungstemperatur zu beachten.

Die Wellenlängen der Strahlung sind ein Maß für die Durchdringungsfähigkeit der Strahlung, insbesondere bei organischer Beschichtung. Es ist bekannt, dass man dafür spezielle Materialien für die Strahler einsetzt, die in einem bestimmten Wellenlängenbereich in Abhängigkeit von der Temperatur strahlen. Hierzu ist im allgemeinen ein Heizdraht mit einem Material umgeben, das in dem benötigten Wellenbereich strahlt. Durch die Drahttemperatur wird die erforderliche Anregung der Strahlung eingestellt.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass man vor dem Strahler eine lichtdurchlässige Wand, z. B. aus speziellem Glas, anordnet, die in dem benötigten Wellenlängenbereich durchlässig ist und den restlichen Wellenbereich abdeckt. Allerdings ist das ohne eine spezielle Beschichtung des Glühdrahtes energetisch sehr ineffektiv.

Um die Strahlungsleistung zu maximieren, besteht lediglich die Möglichkeit, die Oberfläche des Strahlers zu vergrößern. Hier tritt jedoch als Problem auf, dass lediglich die Anordnung eines Reflektors hinter dem Strahler nichts nützt. Der Reflektor kann zwar das Licht bündeln, für die Strahlungsleistung ist aber die Größe der strahlenden Fläche (Fläche der Glühwendel) und nicht der Reflektor dahinter maßgeblich. Wählt man die Glühwendel möglichst breit, so schwächt man den an sich positiven Effekt eines Reflektors dahinter wieder ab, denn die Glühwendel befindet sich zwischen Reflektor und Band und würde für das reflektierte Licht wieder absorbierend wirken.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Beschichtung der Glühwendel vorzusehen und diese möglichst rauh zu machen, worüber die Oberfläche vergrößert werden kann. Das bringt zwar eine Vergrößerung der strahlenden Oberfläche, jedoch wird durch die statistische Anordnung der Oberflächenpartikel die Strahlung gestreut in den Raum abgegeben und nicht gezielt in Richtung des zu bestrahlenden Metallstranges. Folglich wird hiermit nur ein geringer Effekt bewirkt.

Aus der DE 100 21 230 C1 ist eine Vorrichtung zur Strahlführung von Lichtstrahlen bekannt, mit einem für die Lichtstrahlung optisch transparenten Medium, in das die Lichtstrahlen über einen Einkoppelbereich einkoppelbar und in dem die Lichtstrahlen im Wege der Totalreflexion oder Wellenleitung an der Grenzfläche zwischen dem Medium und Luft führbar sind. Dort ist vorgesehen, dass das Medium in Form eines Trichters ausgebildet ist, der eine Trichterwand aufweist, die einen größten Trichterdurchmesser hat, an dem der Einkoppelbereich für die Lichtstrahlen derart vorgesehen ist, dass sich die in die Trichterwand eingekoppelten Lichtstrahlen innerhalb der Trichterwand in Richtung des sich im Durchmesser verjüngenden Trichters ausbreiten.

Die DE 101 31 620 A1 offenbart ein Verfahren zum Trocknen bzw. zum Vernetzen eines Beschichtungsmittels auf einem Substrat, wobei zur Volumenerwärmung eines Körpers mit elektromagnetischer Strahlung mit einem schmalbandigen oder diskreten Spektrum oder einem Bandenspektrum eine Strahlung eingesetzt wird, deren wesentlicher Wirkanteil im Wellenlängenbereich nahe Infrarot liegt.

Durch die DE 101 09 061 A1 ist eine Lampenanordnung zur Verwendung in der Druck- und Beschichtungsindustrie bekannt geworden. Die Anordnung hat eine längliche Strahlungsquelle und einen Reflektor mit einer länglichen reflektierenden Fläche, welche die Quelle zur Reflexion von Strahlung von der Quelle abwärts auf ein Substrat zur Trocknung einer darauf angebrachten Beschichtung teilweise umgibt. Durch eine Abschottung der Quelle wird verhindert, dass Strahlung das Substrat erreicht. Der Zustand der Lampenanordnung wird durch Abschotten der Quelle und Messen der Menge reflektierter Strahlung überwacht, welche aus einer Öffnung durch den Reflektor austritt.

Eine Vorrichtung zur Bündelung elektromagnetischer Strahlen ist aus der DE 34 31 571 A1 bekannt. Diese besteht aus einem Trichter beliebigen Materials und beliebiger Größe mit einer offenen zu bemessenden Strahleneintrittsfläche und einer offenen zu bemessenden Strahlenaustrittsfläche. Vorgesehen ist, dass die Innenwände des Trichters eine strahlenreflektierende Oberfläche besitzen, die Strahleneintrittsfläche größer ist als die Strahlenaustrittsfläche und der Öffnungswinkel innerhalb eines zu optimierenden Bereichs von ca. 5° bis 20° liegt.

Aus der DE 196 06 383 C2 geht eine Pulverbeschichtungseinrichtung zum Auftragen von geschmolzenem Beschichtungspulver auf ein Substrat hervor. Die Einrichtung umfasst eine Aufbereitungseinheit zur Erzeugung eines Beschichtungspulverstroms und einen Pulverauftragkopf, von dem ausgehend der Beschichtungspulverstrom sich in Form eines gerichteten Pulverstrahls zum Substrat hin ausbreitet. Die Einrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Strahlführungsoptik mit mehreren einen Laserstrahl reflektierenden Elementen versehen ist, die den Laserstrahl im Bereich der Schmelzzone quer zur Durchlaufrichtung mehrfach durch mindestens eine Aufheizzone für den Beschichtungspulverstrom hindurchtreten lassen.

Die DE 198 10 455 C2 offenbart eine Vorrichtung zum Härten einer UV-Beschichtung. Sie weist eine über dem Substrat angeordnete Lichtquelle auf, deren Licht der UV-Beschichtung über ein Reflektorsystem zum Zwecke der Aushärtung zuführbar ist. Dabei blendet eine Barriere den direkten Strahlengang der Lichtquelle auf das Substrat zumindest teilweise aus. Vorgesehen ist hier, dass von der Lichtquelle emittierte UV-Strahlung von einer UV-Reflexionsschicht der Barriere durch die Lichtquelle hindurch auf hinter der Lichtquelle angeordnete Reflektoren reflektiert wird und die Barriere zumindest einen wärmeabsorbierenden Körper aufweist, der von der Lichtquelle emittierte Wärmestrahlung zumindest teilweise absorbiert.

Trocknungseinrichtungen für beschichtete Substrate bzw. UV-Bestrahlungseinrichtungen sind schließlich auch aus der DE 199 45 074 A1 bzw. aus der DE 93 12 809 U1 bekannt.

Mit all den vorbekannten Lösungen besteht noch nicht die Möglichkeit, in besonders einfacher und effizienter Weise ein Substrat, insbesondere einen Metallstrang, auf den eine Schicht aufgebracht ist, mit Licht definierter Wellenlänge zu bestrahlen, ohne dass es eines hohen apparativen Aufwandes bedarf. Die vorbekannten Vorrichtungen sind teilweise sehr aufwendig aufgebaut, so dass deren Realisierung mit entsprechend hohen Kosten einhergeht. Ferner ist nicht gewährleistet, dass genügend Strahlungsleistung zur Bestrahlung des Metallstranges zur Verfügung gestellt werden kann, so dass ein wirtschaftliches und schnelles Beschichten eines Metallstranges möglich wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass die genannten Nachteile vermieden werden. Sie soll also besonders effizient arbeiten können und dennoch einfach aufgebaut sein, so dass eine wirtschaftliche Fertigung beschichteter Metallstränge möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Strahler eine Oberfläche aufweist, die eine Vielzahl trichterförmiger oder keilförmig ausgebildeter Erhebungen aufweist.

Bevorzugt weisen die trichterförmigen oder keilförmig ausgebildeten Erhebungen einen Öffnungswinkel auf, der kleiner als 45°, vorzugsweise kleiner als 30°, ist. Besonders bevorzugt liegt der Öffnungswinkel zwischen 10° und 30°.

Die trichterförmigen oder keilförmig ausgebildeten Erhebungen sind dabei gemäß einer Weiterbildung mit einer dünnen Beschichtung versehen. Diese Beschichtung kann äquidistant auf die Erhebungen aufgebracht sein. Mit Vorteil kommt eine sehr dünne Schichtdicke zum Einsatz, namentlich eine Beschichtung, die maximal 100 nm dick ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Strahler eine Anzahl aneinander gereihter plattenförmiger Einzelelemente aufweist, die jeweils an mindestens einem Ende eine im Querschnitt dachförmige Kontur aufweisen.

Die Erhebungen können dabei durch einen Schneidvorgang in den Strahler eingebracht sein.

Vor dem Strahler kann ein lichtdurchlässiges Element, insbesondere ein Filter, angeordnet werden. Strahler und lichtdurchlässiges Element können dabei als modulare Einheit ausgebildet sein.

Die Erfindung sieht somit vor, dass die strahlende Fläche – vorzugsweise mit einer Beschichtung versehen – so ausgebildet wird, dass man eine Richtcharakteristik in Richtung des zu bestrahlenden Metallstranges erhält.

Dazu wird eine quantenphysikalischer Effekt ausgenutzt:

Es ist aus der Quantenphysik bekannt, dass Oberflächen (Barrieren) nicht nur reflektieren (Reflexionsgrad), sondern auch einen Anteil der Wellen des Lichts hindurchlassen (Translationsgrad). Das lässt sich dazu nutzen, eine völlig absorbierende Oberfläche für Licht zu schaffen. Hierzu kann man einen trichterförmigen Körper ausbilden, in den man das Licht fallen lässt. Der Öffnungswinkel für den Trichter muss kleiner als 45° sein. Das Licht, das von oben in den Trichter hineinfällt, wird weiter in den Trichter hinein reflektiert. Da die Lichtstärke mit jeder Reflektion an Intensität verliert und durch den oben genannten quantenmechanischen Effekt ergibt sich, dass in Richtung des unteren Endes des Trichters die Anzahl der Reflektionen ansteigt und das Licht im Trichter eingefangen wird. Die Trichteröffnung erscheint für den Beobachter bei senkrechtem Betrachten tief schwarz.

Für die vorliegende Erfindung wird die Umkehrung dieses Effekts benutzt, wodurch eine Richtcharakteristik entsteht.

Der Strahler wird an seiner Oberfläche mit einem Material beschichtet, das in dem benötigten Wellenlängenbereich strahlt. Die Beschichtung der Oberfläche erfolgt mit bekannten Verfahren der Nanotechnologie, so dass eine dünne Schicht von nur wenigen Moleküllagen Dicke aufgebracht wird. Gleichzeitig wird mit dieser Beschichtung ein Schutz gegen Korrosion auf dem Strahler erzeugt.

Der Strahler wird sodann an seiner Oberfläche mit einer Struktur versehen, die einer Trichtergeometrie bzw. einer Keilgeometrie nahe kommt. Der Öffnungswinkel der Struktur muss dabei kleiner als 45° sein. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, den Öffnungswinkel möglichst klein zu wählen. Bei einem Öffnungswinkel von 45° hat man die Oberfläche um den Faktor 1,4 vergrößert, bei 30° um den Faktor 2, bei 15° um den Faktor 3,9 und bei 10° um den Faktor 5,8.

Dazu wird gemäß einer der beschriebenen Weiterbildungen vorgeschlagen, eine Längsstruktur auf der Strahleroberfläche zu erzeugen, die ähnlich aussieht wie die Reiterdächer mit den Lichtöffnungen bei alten Industriehallen. Die Oberflächenstruktur kann dabei durch einen Schneidvorgang mittels Schneidwerkzeugen eingebracht werden.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Oberfläche durch Aufeinanderstapeln dünner Plättchen mit Schneiden an den Enden zu erzeugen (dachförmige Kontur, ähnlich der Form einer Rasierklinge). Die einzelnen Plättchen werden vor dem Aufeinanderstapeln mit einer dünnen Beschichtung versehen. Hierdurch lässt sich die für die Richtcharakteristik und die Vergrößerung der Oberfläche wichtige gleichmäßige spitze Tiefe der einzelnen keilförmig ausgebildeten Erhebungen erreichen.

Ein solcher Strahler kann als modulare Einheit ausgebildet sein. Es besteht die Möglichkeit, eine Schutzhaube über dem Strahler anzuordnen, die für die benötigte Wellenlänge lichtdurchlässig ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 schematisch eine Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung eines Substrates,

2 den Strahler der Bestrahlungsvorrichtung im Detail und

3 eine zu 2 alternative Ausführungsform.

In 1 ist ein Substrat 1 in Form eines Metallstranges schematisch skizziert. Auf dem Substrat 1 ist eine Schicht 2 aufgebracht, die durch Bestrahlen getrocknet werden muss. Hierzu läuft das Substrat 1 mit der Schicht 2 an einem Strahler 3 in Pfeilrichtung nach rechts vorbei.

Der Strahler 3 hat eine Oberfläche 4, die eine Anzahl keilförmig ausgebildeter Erhebungen 5 aufweist. Die Erhebungen 5 können mittels eines Schneidvorganges in die Oberfläche 4 eingearbeitet werden. Zwischen Strahler 3 und Substrat 1 ist ein Filter in Form eines lichtdurchlässigen Elements 9 angeordnet, so dass nur Licht gewünschter Wellenlänge auf das Substrat 1 bzw. auf die Schicht 2 auftrifft.

Details der Ausgestaltung der Oberfläche 4 des Strahlers 3 sind in den 2 und 3 zu sehen.

In 2 ist ein Ausschnitt des Strahlers 3 skizziert, wobei zu erkennen ist, dass die Erhebungen 5 trichterförmig bzw. keilförmig ausgebildet sind und einen Öffnungswinkel &agr; aufweisen. Wie ferner zu erkennen ist, sind die Erhebungen 5 mit einer Beschichtung 6 versehen.

Eine fertigungstechnisch besonders einfache Herstellungsmöglichkeit für den Strahler 3 ergibt sich aus der in 3 dargestellten Anordnung. Der Strahler 3 besteht hier aus Einzelelementen 7, 7', 7'', 7''' und 7''''. Es handelt sich dabei um einzelne plattenförmige Elemente, die in ihrem der Oberfläche 4 zugewandten Abschnitt eine dachförmige Kontur 8 aufweisen. Auch hierdurch wird der Öffnungswinkel &agr; definiert. Die Einzelelemente 7, 7', 7'', 7''', 7'''' werden vor der Zusammenfügung zum in 3 dargestellten Paket mit der Beschichtungen 6 versehen, die, wie oben erwähnt, nur wenige Nanometer Dicke aufweist.

Bei der Anregung des Strahlers 3 wird Licht aus der Oberfläche 4 heraus in Pfeilrichtung emittiert und zum Substrat 1 geleitet. Durch die trichterförmige bzw. keilförmig ausgebildete Kontur der Erhebungen 5 wird der oben erläuterte Strahlungseffekt mit Richtcharakteristik erzeugt, mit dem es möglich ist, das Substrat 1 bzw. die Schicht 2 sehr effizient zu bestrahlten, so dass ein schnelles Trocknen des Metallstranges bzw. der sich auf diesem befindlichen Schicht 2 möglich wird.

1Substrat 2Schicht 3Strahler 4Oberfläche 5Erhebung 6Beschichtung 7Einzelelement 7'Einzelelement 7''Einzelelement 7'''Einzelelement 7''''Einzelelement 8dachförmige Kontur 9lichtdurchlässiges Element (Filter) &agr;Öffnungswinkel

Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrates (1), insbesondere eines Metallstranges, auf dem eine Schicht (2) aufgebracht ist, mit Licht definierter Wellenlänge, die einen Strahler (3) aufweist, der zur Emission des Lichts angeregt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (3) eine Oberfläche (4) mit einer Vielzahl trichterförmig oder keilförmig ausgebildeter Erhebungen (5) aufweist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die trichterförmigen oder keilförmig ausgebildeten Erhebungen (5) einen Öffnungswinkel (&agr;) aufweisen, der kleiner als 45°, vorzugsweise kleiner als 30°, ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die trichterförmigen oder keilförmig ausgebildeten Erhebungen (5) einen Öffnungswinkel (&agr;) zwischen 10° und 30° aufweisen.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die trichterförmigen oder keilförmig ausgebildeten Erhebungen (5) mit einer dünnen Beschichtung (6) versehen sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (6) äquidistant auf die Erhebungen (5) aufgebracht ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung maximal 100 nm dick ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (3) eine Anzahl aneinander gereihter plattenförmiger Einzelelemente (7, 7', 7'', 7''', 7'''') aufweist, die jeweils an mindestens einem Ende eine im Querschnitt dachförmige Kontur (8) aufweisen.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (5) durch einen Schneidvorgang in den Strahler (3) eingebracht sind.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Strahler (3) ein lichtdurchlässiges Element (9), insbesondere ein Filter, angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahler (3) und das lichtdurchlässige Element (9) als modulare Einheit ausgebildet sind.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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