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Dokumentenidentifikation DE102005046233A1 06.04.2006
Titel UV-Bestrahlungsaggregat
Anmelder IST METZ GmbH, 72622 Nürtingen, DE
Erfinder Jung, Joachim, 72622 Nürtingen, DE;
Ebinger, Klaus, 73249 Wernau, DE;
Treichel, Oliver, Dr., 70186 Stuttgart, DE;
Fuchs, Günter, 73252 Lenningen, DE;
Gümbel, Urs, 72622 Nürtingen, DE
Vertreter Wolf & Lutz, 70193 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 28.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005046233
Offenlegungstag 06.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.04.2006
IPC-Hauptklasse G21K 5/04(2006.01)A, F, I, 20050928, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B05D 3/06(2006.01)A, L, I, 20050928, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein UV-Bestrahlungsaggregat mit einem Gehäuse (10), einer darin angeordneten stabförmigen UV-Lampe (12), einem längs der UV-Lampe (12) sich erstreckenden und dabei einen die UV-Lampe (12) umgebenden Lampenraum (22) begrenzenden Reflektor (14) sowie einem Kanalsystem (20) zur Durchleitung eines den Reflektor (14) kühlenden Kühlmittels. Für einen optimierten Lampenbetrieb wird vorgeschlagen, dass das Kanalsystem (20) außerhalb des Lampenraums (22) angeordnet ist, so dass der Lampenraum (22) angeordnet ist, so dass der Lampenraum (22) frei von der Kühlmittelströmung (24) bleibt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Bestrahlungsaggregat zur UV-Bestrahlung von insbesondere bahnförmigen Substraten, mit einem Gehäuse, einer darin angeordneten stabförmigen UV-Lampe, einem längs der UV-Lampe sich erstreckenden Reflektor, welcher einen die UV-Lampe umgebenden Lampenraum gegenüber einem Gehäuseinnenraum begrenzt, und einem Kanalsystem zur Durchleitung eines den Reflektor kühlenden, vorzugsweise gasförmigen Kühlmittels.

Bei Aggregaten dieser Art, wie sie zur Polymerisation von Oberflächenbeschichtungen mit hoher Lampenleistung betrieben werden, sind Lampe und Reflektor durch einen Gasstrom aus dem Bereich des Bestrahlungsobjekts hin zu einem Abluftgehäuse gekühlt. Die zur Kühlung erforderliche Gasmenge wird durch die Strom/Spannungscharakteristik der UV-Lampe und die noch zulässigen Temperaturen des Reflektors bestimmt. Durch aufwändige Abluftregelungen ist zu vermeiden, dass bei reduzierter Lampenleistung oder im Standby-Betrieb die Lampe zu stark gekühlt wird und dabei die Gasentladung abbricht, weil sonst die Lampe zum Wiederzünden zeitraubend abgekühlt werden muss. Im Betrieb wird vor allem durch das kurzwellige UV-Licht im Lampenraum Ozon erzeugt. Dieser Prozess erfolgt kontinuierlich, da zur Aggregatkühlung laufend ozonhaltige Kühlluft abgesaugt wird. Dadurch steht aber ein Teil des energiereichen UV-Lichts für den Polymerisationsprozess an der Objektoberfläche nicht mehr zur Verfügung. Zudem können sich durch den Kühlgasstrom Spaltprodukte aus dem Objektbereich auf dem Reflektor niederschlagen, und die Abluft wird mit Spaltprodukten und Ozon verunreinigt.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik aufgetretenen Nachteile zu vermeiden und ein Aggregat der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass mit einfachen Mitteln eine Bestrahlungsoptimierung erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Dementsprechend wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Kanalsystem für die Kühlmittelführung außerhalb des Lampenraums angeordnet ist, so dass der Lampenraum frei von der Kühlgasströmung bleibt, wobei der Reflektor durch innenseitig mit Kühlgas beaufschlagbare Hohlprofile als Teil des Kanalsystems gebildet ist. Da somit der vom Reflektor und Objekt umschlossene Lampenraum nicht kontinuierlich mit Sauerstoff beaufschlagt wird, kann ein andauernder optischer Absorptionsprozess durch Ozonbildung nach außen verhindert werden. Dadurch kann entweder die Produktionsleistung erheblich erhöht werden, oder aber man erhält mit niedrigerer spezifischer Leistung die gleichen Trocknungsergebnisse wie bei Aggregaten mit Lampenraumkühlung. Weiterhin ist eine saubere Trennung der Gerätefunktionalitäten möglich, wobei auf eine Regelung der Luftkühlung bei verschiedenen Leistungszuständen der Lampe verzichtet werden kann. Durch die vorzugsweise extrudierten Hohlprofile ist ein besonders einfacher Aufbau mit geringem Raumbedarf und effektiver Kühlung möglich.

Vorteilhafterweise ist der Reflektor vorzugsweise über seine gesamte Länge quer zur Längsrichtung der UV-Lampe durchströmbar, so dass auch Temperaturgradienten in Lampenlängsrichtung weitgehend vermieden werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung sieht vor, dass das Kanalsystem eine durch einen doppelwandigen Gehäusemantel begrenzte Einströmkammer aufweist. Zur Schaffung gleichmäßiger Kühlbedingungen über die Lampenlänge ist es auch von Vorteil, wenn das Kanalsystem eine parallel zu der UV-Lampe sich erstreckende, vorzugsweise einem Absorber nachgeordnete Abluftkammer aufweist, und wenn der Strömungsquerschnitt der Abluftkammer vorzugsweise um ein Mehrfaches größer als der größte Strömungsquerschnitt des einströmseitigen Kanalsystems ist.

In baulich vorteilhafter Ausgestaltung ist in dem Gehäuse ein Gehäuseeinsatz als Teil des Kanalsystems angeordnet.

Zur Minimierung des Herstellungs- und Betriebsaufwands ist das Kanalsystem ausschließlich zur Durchleitung eines gasförmigen Kühlmittels ausgebildet.

Eine weitere Verbesserung wird dadurch erreicht, dass in dem Gehäuseinnenraum ein von der Lampe zumindest im Standby-Betrieb mit Strahlung beaufschlagter Absorber angeordnet ist, und dass der Absorber durch die Kühlgasströmung kühlbar ist. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Absorber einen Bereich des Kanalsystems vorzugsweise in Form eines die Kühlgasströmung umlenkenden Labyrinths begrenzt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besitzt der Reflektor zwei zwischen einer auf das Substrat ausgerichteten Betriebsstellung und einer auf einen Absorber im Gehäuseinnenraum gerichteten Standby-Stellung gegeneinander schwenkbare Reflektorhälften, wobei die Reflektorhälften in der Standby-Stellung mit dem Absorber unter Freihaltung des Lampenraums von der Kühlgasströmung in Eingriff stehen.

Vorteilhafterweise ist das Verhältnis von Dauerbetriebsleistung zu Länge der UV-Lampe größer als 20W/cm, vorzugsweise größer als 100W/cm. Auch dabei ist es möglich, dass die Kühlgasströmung unabhängig von der Lampenleistung im Bestrahlungsbetrieb vorgegeben ist.

Durch Abschirmung des Lampenraums gegen Ozonausleitung (wobei der Reflektor und ggf. das Substrat Barrieren bilden) ist es möglich, den Lampenraum im Bestrahlungsbetrieb unter Ozonsättigung zu halten, so dass nur wenig UV-Strahlung für die Ozonbildung verloren geht.

Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass der Lampenraum durch eine strahlungsdurchlässige Trennscheibe, insbesondere eine Quarzscheibe von dem Substrat getrennt ist. Zur Freihaltung von Ablagerungen ist es möglich, die Trennscheibe im Bestrahlungsbetrieb durch die UV-Lampe auf eine Temperatur von mehr als 300°C aufzuheizen.

Um einen möglichst homogenen Gasstrom zu ermöglichen, ist es vorteilhaft, wenn der Reflektor über längsseitige Öffnungen an einer in Lampenlängsrichtung verlaufenden Längsseite mit Kühlgas beaufschlagbar ist.

Eine Strömungsleitung und ggf. eine Ventilfunktion bei einem Klappreflektor lässt sich vorteilhafterweise dadurch erreichen, dass der Reflektor zur Kühlgasdurchleitung an einer in Lampenlängsrichtung verlaufenden Längsseite mit Gehäusedichtungen in Eingriff bringbar ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

1 ein UV-Bestrahlungsaggregat im Betriebszustand vereinfacht im Querschnitt; und

2 das Bestrahlungsaggregat nach 1 im Standby-Zustand.

Das in der Zeichnung dargestellte Bestrahlungsaggregat dient zur UV-Trocknung und Vernetzung von Lacken, Farben, Klebstoffen und dergleichen Beschichtungen auf insbesondere bahnförmigen Substraten bzw. Produkten. Es besteht im Wesentlichen aus einem kastenförmigen Gehäuse 10, einer in dem Gehäuse angeordneten stabförmigen UV-Lampe 12, einem Reflektor 14 zur Reflexion des abgestrahlten UV-Lichts auf eine bodenseitige Bestrahlungsöffnung 16, einem gehäuseinternen Strahlungsabsorber 18 für den Standby-Betrieb und einem Kanalsystem 20 zur Durchleitung von Kühlluft.

Die UV-Lampe 12 ist als zweiendige Mitteldruck-Gasentladungslampe in der Mittellängsebene des Gehäuses 10 angeordnet und gibt ihre Strahlung über die Gehäuseöffnung 16 auf die darunter vorbeigeführte Substratbahn bzw. das zu bestrahlende Objekt ab. Das Kanalsystem 20 der Kühlung ist vollständig außerhalb des die Lampe 12 umgebenden Lampenraums 22 angeordnet, so dass dieser frei von der Kühlluftströmung (Pfeile 24) bleibt.

Wie in 1 gezeigt, ist die UV-Lampe 12 im Betriebszustand über ihren von der Gehäuseöffnung 16 abgewandten Sektor von dem Reflektor 14 umgeben, so dass das reflektierte Licht durch die Gehäuseöffnung 16 hindurch abgestrahlt und der angrenzende Gehäuseinnenraum 26 gegenüber dem Lampenraum 22 abgeschirmt wird. Die anfallende Verlustwärme kann dabei über die rückseitig an der Reflektorfläche 28 vorbei geführte Kühlluftströmung 24 aufgenommen und aus dem Gehäuse 10 abgeführt werden.

Zu diesem Zweck umfasst das bezüglich der Längsmittelebene des Gehäuses 10 symmetrische Kanalsystem 20 einen Einströmkanal 30, einen Reflektorkanal 32, einen Absorberkanal 34 und eine Abluftkammer 36. Die Luftströmung in den Kanälen 30, 32, 34 erfolgt über die Länge des Gehäuses 10 quer zur Längsachse, während die Abluftströmung in der Abluftkammer 36 hauptsächlich in Längsrichtung zu einer nicht gezeigten Absaugöffnung hin erfolgt.

Zur Abgrenzung der verschiedenen Strömungsbereiche ist in dem Gehäuse 10 ein Gehäuseeinsatz 38 angeordnet, der sich zwischen den Gehäusestirnseiten längs durchgehend erstreckt. Auf diese Weise wird stromab von einem Einströmschlitz 40 ein doppelwandiger Gehäusemantel als Einströmkanal 30 gebildet. Der daran anschließende Reflektorkanal 32 besteht aus Profilhohlräumen, die in dem aus extrudierten Profilstücken 42 zusammengesetzten Reflektor 14 ausgebildet sind. Die Profilstücke 42 besitzen eine Doppelwandung mit zur Bildung von längsseitigen Durchlässen durchbrochenen Zwischenstegen 44 und sind um jeweils eine Drehachse 46 gegeneinander verschwenkbar. Die Drehfunktion für den Standby-Betrieb wird weiter unten näher erläutert.

Das aus dem Reflektor 14 austretende Kühlgas wird durch den ebenfalls als Profilabschnitt ausgebildeten Absorber 18 umgelenkt, wobei an dem Gehäuseeinsatz 38 nach innen abstehende Leitbleche 48 ein Strömungslabyrinth 50 bilden. Aufgrund des sehr viel größeren Volumens bzw. Strömungsquerschnitts der Abluftkammer 36 ist gewährleistet, dass über die gesamte Gehäuselänge gleichmäßige Luftgeschwindigkeiten und damit Kühlbedingungen bestehen.

In der Betriebsstellung gemäß 1 ist der Reflektor 14 auf das zu bestrahlende Objekt ausgerichtet, während wärmefeste Gehäusedichtungen 52 für eine direkte Kühllufteinleitung sorgen. Beim Anfahren oder bei Betriebsunterbrechungen wird das Aggregat in einen Standby-Betrieb gefahren, bei dem der Reflektor 14 zu der Gehäuseöffnung 16 hin geschlossen und zu dem gehäuseinternen Absorber 18 hin geöffnet ist.

Die Standby-Stellung lässt sich gemäß 2 dadurch einnehmen, dass die Reflektorhälften 42 um die Drehachsen 46 verschwenkt werden, bis die unteren Reflektorkanten gegeneinander schließen und die oberen Reflektorkanten mit dem Absorber 18 in Eingriff gelangen. Auch in diesem Betriebszustand bleibt der Lampenraum 22 frei von der Kühlluftströmung 24, während der Reflektor 14 und Absorber 18 weiterhin unter Strömungsumlenkung gekühlt werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Lampe 12 auch im Standby-Betrieb am Brennen zu halten, wobei der Absorber 18 die (reduzierte) Strahlung aufnimmt. Aus diesem Betriebszustand kann ohne Zeitverlust durch Öffnen des Reflektors 14 in den der jeweiligen Voreinstellung entsprechenden Produktionsmodus gefahren werden.

In diesem Zusammenhang ist von besonderer Bedeutung, dass die kurzwellige UV-C-Strahlung im Bereich von 200 bis 240 nm Wellenlänge im Lampenraum bei Vorhandensein von Luftsauerstoff Ozon erzeugt. Aufgrund der abgetrennten Kühlluftströmung kann jedoch in Ozonsättigung ohne kontinuierliche Ozonbildung gearbeitet werden, so dass die kurzwellige Strahlungsausbeute für den Polymerisationsprozess an der Substratoberfläche erheblich verbessert wird. Durch die raschere Härtung einer dünnen Oberflächenschicht kann auch die Sauerstoffbeeinflussung (Inhibierung) der Polymerisation in der Tiefe der Beschichtung verringert werden.

Bei Versuchen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wurde gezeigt, dass UV-Lampen mit einer spezifischen Leistung von 200W/cm bis zu einer Lampenlänge von ca. 50 cm ohne Luftströmung im Lampenraum bis zu mehreren 1000 Stunden betrieben werden können. Dies gilt für Reflektoren mit Aluminiumbeschichtung genauso wie für Reflektoren mit dichroitischer Beschichtung auf massiven Trägern (so genannte Kaltlichtspiegel). Die Kühlung lässt sich dabei durch eine reine Luftkühlung realisieren. Werden solche Aggregate eingesetzt, erhält man mit niedrigerer spezifischer Lampenleistung die gleichen Trocknungsergebnisse wie bei Geräten mit Lampenraumkühlung, oder aber die Produktionsleistung kann drastisch erhöht werden.

Durch die Trennung von Lampenraum 22 und Kanalsystem 20 kann auch auf eine Regelung der Kühlmittelströmung bei verschiedenen Betriebs/Leistungszuständen von Lampe und Reflektor verzichtet werden.

Grundsätzlich ist es möglich, den Lampenraum durch eine UV-durchlässige Quarzscheibe von dem Substrat zu trennen (nicht gezeigt). Dabei kann die Quarzscheibe durch die Emission der UV-Lampe auf Temperaturen über 300°C aufgeheizt werden, so dass sich auf der Objektseite der Scheibe keine Ablagerungen bilden. Zur Schaffung einer weiter sauerstoffreduzierten Atmosphäre im Belichtungsraum ist es vorteilhaft, wenn am Einlauf der Materialbahn vorzugsweise durch eine Laminardüse mit einer Gasgeschwindigkeit kleiner als die Bahngeschwindigkeit Stickstoffgas injiziert wird.


Anspruch[de]
  1. Bestrahlungsaggregat zur UV-Bestrahlung von insbesondere bahnförmigen Substraten, mit einem Gehäuse (10), einer darin angeordneten stabförmigen UV-Lampe (12), einem längs der UV-Lampe (12) sich erstreckenden Reflektor (14), welcher einen die UV-Lampe (12) umgebenden Lampenraum (22) gegenüber einem Gehäuseinnenraum (26) begrenzt, und einem Kanalsystem (20) zur Durchleitung eines den Reflektor (14) kühlenden Kühlgases, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (20) außerhalb des Lampenraums (22) angeordnet ist, so dass der Lampenraum (22) frei von der Kühlgasströmung (24) bleibt, wobei der Reflektor (14) durch innenseitig mit Kühlgas beaufschlagbare Hohlprofile (42) als Teil des Kanalsystems (20) gebildet ist.
  2. Bestrahlungsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (14) vorzugsweise über seine gesamte Länge quer zur Längsrichtung der UV-Lampe (12) durchströmbar ist.
  3. Bestrahlungsaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (14) durch in Längsrichtung der UV-Lampe (12) verlaufende, extrudierte Hohlprofile (42) gebildet ist.
  4. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (20) eine durch einen doppelwandigen Gehäusemantel begrenzte Einströmkammer (30) aufweist.
  5. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (20) eine parallel zu der UV-Lampe (12) sich erstreckende, vorzugsweise einem Absorber (18) nachgeordnete Abluftkammer (36) aufweist.
  6. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Abluftkammer (36) vorzugsweise um ein Mehrfaches größer als der größte Strömungsquerschnitt des einströmseitigen Kanalsystems (30, 32, 34) ist.
  7. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (10) ein Gehäuseeinsatz (38) als Teil des Kanalsystems (20) angeordnet ist.
  8. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (14) ausschließlich durch Kühlgas und nicht durch flüssiges Kühlmedium gekühlt ist.
  9. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuseinnenraum (26) ein von der UV-Lampe (12) zumindest im Standby-Betrieb mit Strahlung beaufschlagter Absorber (18) angeordnet ist, und dass der Absorber (18) durch die Kühlgasströmung (24) kühlbar ist.
  10. Bestrahlungsaggregat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Absorber (18) einen Bereich des Kanalsystems (20) vorzugsweise in Form eines die Kühlgasströmung (24) umlenkenden Labyrinths (50) begrenzt.
  11. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (14) zwei zwischen einer auf das Substrat ausgerichteten Betriebsstellung und einer auf einen Absorber (18) im Gehäuseinnenraum (26) gerichteten Standby-Stellung gegeneinander schwenkbare Reflektorhälften (42) aufweist, wobei die Reflektorhälften (42) in der Standby-Stellung mit dem Absorber (18) unter Freihaltung des Lampenraums (22) von der Kühlgasströmung (24) in Eingriff stehen.
  12. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Dauerbetriebsleistung zu Länge der UV-Lampe (12) größer als 20W/cm, vorzugsweise größer als 100W/cm ist.
  13. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlgasströmung (24) unabhängig von der Lampenleistung im Bestrahlungsbetrieb vorgegeben ist.
  14. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lampenraum (22) gegen Ozonausleitung abgeschirmt ist, wobei der Lampenraum (22) im Bestrahlungsbetrieb unter Ozonsättigung steht.
  15. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lampenraum (22) durch eine strahlungsdurchlässige Trennscheibe, insbesondere eine Quarzscheibe von dem Substrat getrennt ist.
  16. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennscheibe im Bestrahlungsbetrieb durch die UV-Lampe (12) auf eine Temperatur von mehr als 300°C aufgeheizt wird.
  17. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (14) über längsseitige Öffnungen an einer in Lampenlängsrichtung verlaufenden Längsseite mit Kühlgas beaufschlagbar ist.
  18. Bestrahlungsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (14) zur Kühlgasdurchleitung an einer in Lampenlängsrichtung verlaufenden Längsseite mit Gehäusedichtungen (52) in Eingriff bringbar ist.
Es folgt ein Blatt Zeichnungen






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