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Vorrichtung zum Härten und/oder Trocknen einer Beschichtung auf einem Substrat - Dokument DE10352184A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10352184A1 23.06.2005
Titel Vorrichtung zum Härten und/oder Trocknen einer Beschichtung auf einem Substrat
Anmelder arccure technologies GmbH, 59557 Lippstadt, DE
Erfinder Bisges, Michael, 59557 Lippstadt, DE
Vertreter Kohlmann, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 52078 Aachen
DE-Anmeldedatum 05.11.2003
DE-Aktenzeichen 10352184
Offenlegungstag 23.06.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.06.2005
IPC-Hauptklasse G21K 5/02
IPC-Nebenklasse B05D 3/06   G21K 1/02   F26B 3/28   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft Vorrichtung zum Härten und/oder Trocknen einer Beschichtung auf einem Substrat mit mindestens einer über dem Substrat angeordneten Strahlungsquelle, deren elektromagnetische Strahlung insbesondere mit einer Wellenlänge im NIR-Bereich des Spektrums der Beschichtung über ein Reflektorsystem zuführbar ist.
Um kurze Trocknungs- und/oder Härtungszeiten bei gleichzeitig reduziertem Energieverbrauch zu ermöglichen und Infrarotstrahlung oberhalb des NIR-Bereichs wirksam vom Substrat fernzuhalten, wird mittels einer Barriere dafür Sorge getragen, dass keine direkte Strahlung von der Strahlungsquelle auf die Beschichtung fällt, sondern lediglich indirekte Strahlung über mindestens zwei unterschiedliche Reflexionsfilter auf die Beschichtung auftrifft.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Härten und/oder Trocknen einer Beschichtung auf einem Substrat mit mindestens einer über dem Substrat angeordneten Strahlungsquelle, deren Strahlung der Beschichtung über ein Reflektorsystem zuführbar ist.

Derartige Vorrichtungen kommen beispielsweise zum Einsatz, wenn ein Lösungsmittel aus der Beschichtung entfernt werden soll. Der Einsatz niedrigsiedender Lösemittel verbietet sich häufig aus Umweltgründen. Kommt Wasser als Lösemittel zum Einsatz ist zur Erreichung der Siedetemperatur ein hoher Energiebedarf erforderlich. Ist das Substratmaterial wärmeempfindlich, wie beispielsweise Kunststoff, ist ein hoher Energieeintrag problematisch; das Substratmaterial kann beschädigt werden. Die Ursache liegt darin, das insbesondere langwellige Infrarotstrahlung durch die Beschichtung hindurch in das Substratmaterial gelangt und dort in Wärme umgewandelt wird.

Aus dem Stand der Technik sind daher bereits gattungsgemäße Bestrahlungsvorrichtungen bekannt geworden, die in erster Linie Strahlung im nahen Infrarotbereich (NIR) abstrahlen. Diese Vorrichtungen werden auch als Hellstrahler-Systeme bezeichnet. Sie weisen Quarzlampen-Lampen mit Quarzglaskolben- auf, die überwiegend kurzwellige Infrarotstrahlung nahe am sichtbaren Spektrum, mit der größten Intensität erzeugen. Der zentrale physikalische Vorteil der Trocknung mit Strahlung vorwiegend im NIR-Bereich besteht darin, dass die elektromagnetische Energie direkt von der zu trocknenden Beschichtung absorbiert wird. Die Hitze wirkt daher in erste Linie dort, wo sie wirken soll, nicht jedoch in dem häufig hitzeempfindlichen Substrat.

Obwohl die bekannten Vorrichtungen in erster Linie Strahlung im NIR-Bereich abstrahlen, gelangt stets auch ein recht hoher Anteil längerwelliger Infrarot-Strahlung, die von jeder Strahlungsquelle emittiert wird, auf das Substrat. Reflexionsfilter, die die längerwellige Infrarotstrahlung reflektieren, während sie die erwünschte NIR-Strahlung transmittieren, sind technisch nicht herstellbar. Es ist daher nicht möglich über einen zwischen Substrat und Strahlungsquelle angeordneten Reflexionsfilter die unerwünschte längerwellige Infrarotstrahlung vom Substrat fernzuhalten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die kurze Trocknungs- und/oder Härtungszeiten bei gleichzeitig reduziertem Energieverbrauch ermöglicht und Infrarotstrahlung oberhalb des NIR-Bereichs wirksam vom Substrat fernhält.

Für die Erfindung wird von folgenden Definitionen ausgegangen:

Infrarotstrahlung ist diejenige elektromagnetische Strahlung, die sich unterhalb der Empfindlichkeitsgrenze des Auges (Wellenlänge 760 nm) bis zum Mikrowellenbereich (1 mm) erstreckt und in nahes (NIR: 760 nm bis 2,5 &mgr;m), mittleres (MIR: 2,5 bis 25 &mgr;m) und fernes Infrarot (FIR: 25 bis 1000 &mgr;m) unterteilt wird. Die Grenzen des sichtbaren Lichts liegen bei etwa 380 nm Wellenlänge am ultravioletten und bei etwa 760 nm am infraroten Ende des Spektrums. Ultravioletstrahlung bezeichnet den Bereich des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung, der sich von etwa 380 nm bis etwa 10 nm erstreckt.

Die Lösung der Aufgabe basiert auf dem Gedanken, dass keine direkte Strahlung von der Strahlungsquelle auf die Beschichtung fällt, sondern lediglich indirekte Strahlung über mindestens zwei unterschiedliche Reflexionsfilter auf die Beschichtung auftrifft.

Im einzelnen wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass

  • – mindestens eine Barriere den direkten Strahlengang der Strahlungsquelle ausblendet,
  • – das Reflektorsystem mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Reflexionsfilter aufweist,
  • – das jeder erste Reflexionsfilter für ein erstes Spektrum der Strahlung teilweise reflektierend und für ein zweites Spektrum der Strahlung transmittierend ist
  • – dass jeder zweite Reflexionsfilter für das erste Spektrum der Strahlung teilweise transmittierend ist und zwischen der Strahlungsquelle und dem Substrat angeordnet ist.

Die Barriere blendet wirksam die direkte Strahlung und damit auch die unerwünschte längerwellige Infrarotstrahlung im MIR- und FIR-Bereich aus.

Jeder erste Reflexionsfilter ist zumindest für Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb des NIR-Bereichs der Strahlung transmittierend und für Strahlung im NIR-Bereich, insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 760 nm–1600 nm zu etwa 90–95% sowie Strahlung im sichtbaren Bereich und dem Ultraviolet-Bereich reflektierend.

Die ersten Reflektionsfilter sind sämtlich derart angeordnet, dass die transmittierende Strahlung nicht auf die zweiten Reflexionsfilter einfallen kann, während die reflektierte Strahlung vorzugsweise vollständig auf die zweiten Reflexionsflächen gerichtet ist. Hierzu können die ersten Reflexionsfilter in Bezug auf das zu bestrahlende Substrat zumindest teilweise hinter der Strahlungsquelle angeordnet sein. Sie sind beispielsweise an den Innenwänden eines Gehäuses, dass die Strahlungsquelle umgibt, befestigt. Die transmittierende Strahlung im Infrarot-Bereich wird vorzugsweise über eine Kühlung des Gehäuses abgeführt. Die Kühlung ist insbesondere als Wasserkühlung ausgeführt.

Die zweiten Reflexionsfilter sind lediglich für den NIR-Bereich der Strahlung, insbesondere für Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 760 nm und 1600 nm, transmittierend, während die Strahlung im sichtbaren Bereich und Ultraviolet-Bereich nahezu vollständig (etwa zu 90–95 )reflektiert wird. Als Ergebnis dieses zweistufigen Reflexionssystems verläßt die erfindungsgemäße Vorrichtung praktisch ausschließlich Strahlung im gewünschten NIR-Bereich.

Eine weitere Verbesserung der Energieeffizienz der Vorrichtung lässt sich erreichen, wenn die Barriere direkt unterhalb jeder Strahlungsquelle angeordnet ist und eine Ausformung ausweist, die jede Strahlungsquelle teilweise umgibt und in der Ausformung eine Reflexionsschicht angeordnet ist, die zumindest den NIR-Bereich der Strahlung reflektiert. Zur Abfuhr der Restwärme aus der Barriere weist diese vorzugsweise eine Kühlung auf.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von 1 näher erläutert:

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur NIR- Trocknung einer Beschichtung 12 auf einem Substrat 11, dass in Förderrichtung 10 unterhalb der Vorrichtung bewegt wird.

Die Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse 4 mit einem annähernd halbzylindrischen Innenraum, in dem im Ausführungsbeispiel lediglich eine Strahlungsquelle 1 angeordnet ist, die sich in der Bildebene in Längsrichtung erstreckt. Das Gehäuse ist durch einen Kühlluftkanal 3 in zwei Gehäusehälften 4a, 4b unterteilt. An jeder Gehäusehälfte 4a, 4b sind jeweils zwei erste Reflexionsfilter 2 angeordnet. Unterhalb der Strahlungsquelle 1 ist eine Barriere 8 mit einer im Querschnitt teilkreisförmigen Ausformung 16 angeordnet. Die Ausformung 16 umgibt die Strahlungsquelle 1 an ihrer Unterseite. Auf der Oberfläche der Ausformung 16 ist eine Reflexionsschicht 6 aufgebracht, die in erster Linie den NIR-Bereich der auf sie auftreffenden Strahlung in Richtung der ersten Reflexionsfilter 2 reflektiert. Zur Abfuhr der Restwärme weist die Barriere 8 in Längsrichtung verlaufende Kühlmittelkanäle 15 auf, die mit einem Kühlmedium, insbesondere Wasser, beaufschlagt werden können. Ferner weist die Barriere 8 einen Kühlluftkanal 17 mit Ausströmöffnungen 18 auf.

Am unteren Rand des Gehäuses 4, im Bereich von deren Austrittsöffnung 13, befinden sich Halterungen 9 zur Aufnahme von zweiten Reflexionsfiltern 7, die parallel zu der Austrittsöffnung 13 und dem beschichteten Substrat 11 angeordnet sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel enden die zweiten Reflexionsflächen auf Höhe der senkrecht verlaufenden Seitenwände der Barriere 8. Über den zwischen den zweiten Reflexionsflächen 7 ausgebildeten Schlitz tritt die über die Kühlluftkanäle 3 und 17 zugeführte Kühlluft aus.

Weiter ist aus 1 erkennbar, dass in den Wänden der Gehäusehälften 4a, 4b mehrere Durchgänge 14 für ein Kühlmedium, insbesondere Wasser angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Die Strahlungsquelle 1, insbesondere ein Halogenstrahler, erzeugt Strahlung im UV-Bereich, im Bereich des sichtbaren Lichts sowie im Infrarotbereich.

Die Barriere 8 unterhalb der Strahlungsquelle 1 verhindert, dass direkte Strahlung von der Strahlungsquelle 1 auf die Beschichtung 12 auftrifft. Die Reflexionsschicht 6 in der Ausformung 16 reflektiert in erster Linie die Strahlung im NIR-Bereich, während die Strahlung im MIR- und FIR-Bereich in dem Körper der Barriere in Wärme umgewandelt und von dem Kühlmedium in den Kühlkanälen 15 abgeführt wird. Die von der Reflexionsschicht 6 reflektierte Strahlung trifft zusammen mit der übrigen Strahlung der Strahlungsquelle 1 auf die ersten Reflexionsfilter 2, die an den Innenwänden der Gehäusehälften 4a, 4b teilweise hinter der Strahlungsquelle, teilweise seitlich daneben angeordnet sind. Diese ersten Reflexionsfilter 2 sind für Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb des NIR-Bereichs, im vorliegenden Ausführungsbeispiel für eine Strahlung ab einer Wellenlänge von 1600 nm transmittierend, wie dies aus dem Schaubild a) erkennbar ist. Für Strahlung im NIR-Bereich zwischen 760 nm und 1600 nm, im sichtbaren Bereich zwischen etwa 400 nm und 760 nm sowie für Strahlung im UV-Bereich zwischen 10 und 400 nm sind die ersten Reflexionsfilter 2 reflektierend.

Die ersten Reflexionsfilter 2 sind derart an den Innenwandungen der Gehäusehälften 4a, 4b angeordnet, dass die reflektierte Strahlung praktisch vollständig auf die zweiten Reflexionsfilter 7 auftrifft. Die durch die Reflexionsfilter 2 transmittierende Infrarotstrahlung im MIR- und FIR-Bereich wird vom Material der Gehäusehälften 4a, 4b aufgenommen und durch das die Kanäle 14 durchströmende Kühlmedium abgeführt.

Das Schaubild b) verdeutlicht, dass die Strahlung im sichtbaren Bereich sowie im Ultraviolet-Bereich nahezu vollständig von den zweiten Reflexionsflächen reflektiert wird, während die Strahlung im NIR-Bereich, insbesondere zwischen 760 nm und 1600 nm nahezu vollständig durch die zweiten Reflektionsfilter 7 transmittiert.

Aus Schaubild c) ist erkennbar, dass infolge der nahezu vollständigen Reflexion der NIR-Strahlung im Bereich zwischen 760 und 1600 nm an den ersten Reflektionsfiltern 2 sowie der nahezu vollständigen Reflexion der Strahlung im sichtbaren Bereich sowie im Ultraviolet-Bereich an den zweiten Reflexionsflächen 7 bei gleichzeitig hoher Transmission der Strahlung im NIR-Bereich nahezu ausschließlich Energie im NIR-Bereich auf die Beschichtung 12 wirkt. Die NIR-Strahlung dringt in die Beschichtung 12 ein, wird jedoch von dem Substrat 11 reflektiert, so dass besonders bei empfindlichen Materialien, wie beispielsweise Kunststoff, keine Überhitzung des Substrates 11 zu befürchten ist.

Da die auf die Beschichtung auftreffende elektromagnetische Strahlung im NIR-Bereich die höchste Energiedichte des abgestrahlten Spektrums aufweist werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kürzeste Trocknungszeiten bei geringem Energieeinsatz erreicht. Bei gleicher Trocknungswirkung baut die erfindungsgemäße Vorrichtung kompakter als vergleichbare, herkömmliche Vorrichtungen.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zum Härten und/oder Trocknen einer Beschichtung auf einem Substrat mit mindestens einer über dem Substrat angeordneten Strahlungsquelle, deren elektromagnetische Strahlung der Beschichtung über ein Reflektorsystem zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass

    – mindestens eine Barriere (8) den direkten Strahlengang jeder Strahlungsquelle ausblendet,

    – das Reflektorsystem mindestens einen ersten und mindestens einen zweiten Reflexionsfilter (2, 7) aufweist,

    – das jeder erste Reflexionsfilter (2) für ein erstes Spektrum der Strahlung reflektierend und für ein zweites Spektrum der Strahlung transmittierend ist

    – dass jeder zweite Reflexionsfilter (7) für das erste Spektrum der Strahlung teilweise transmittierend ist und zwischen jeder Strahlungsquelle (1) und dem Substrat (11, 12) angeordnet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Reflexionsfilter (2) in Bezug auf das zu bestrahlende Substrat (11, 12) zumindest teilweise hinter jeder Strahlungsquelle (1) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

    – dass jeder erste Reflexionsfilter (2) für Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb des NIR-Bereich transmittierend und für Strahlung mit einer Wellenlänge im NIR-Bereich, im sichtbaren Bereich und im Ultraviolett-Bereich reflektierend ist,

    – dass jeder zweite Reflexionsfilter für Strahlung mit einer Wellenlänge im NIR-Bereich transmittierend und für Strahlung mit einer Wellenlänge im sichtbaren Bereich und im Ultraviolett-Bereich reflektierend ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlungsquelle (1) eine Quarzlampe ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

    – dass jede Strahlungsquelle (1) in einem Gehäuse (4) angeordnet ist,

    – dass das Gehäuse (4) eine Austrittsöffnung (13) für die Strahlung aufweist

    – und die Austrittsöffnung (13) zumindest teilweise von den zweiten Reflexionsfiltern (7) abgedeckt ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (13) zumindest soweit von den zweiten Reflexionsfiltern (7) abgedeckt ist, dass sämtliche von jeder ersten Relexionsfläche (2) reflektierte Strahlung auf jede zweiten Reflexionsfilter auftrifft.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) eine Kühlung (14) aufweist.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriere (8) direkt unterhalb jeder Strahlungsquelle (1) anordnet ist und eine Ausformung (16) aufweist, die jede Strahlungsquelle (1) teilweise umgibt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausformung (16) eine Reflexionsschicht (6) angeordnet ist, die zumindest Strahlung mit einer Wellenlänge aus dem NIR-Bereich reflektiert.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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