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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.
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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.
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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.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird die im Patentanspruch 1 angegebene Merkmalskombination vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
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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.
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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.
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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.
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In
baulich vorteilhafter Ausgestaltung ist in dem Gehäuse ein
Gehäuseeinsatz
als Teil des Kanalsystems angeordnet.
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Zur
Minimierung des Herstellungs- und Betriebsaufwands ist das Kanalsystem
ausschließlich zur
Durchleitung eines gasförmigen
Kühlmittels
ausgebildet.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen
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1 ein
UV-Bestrahlungsaggregat im Betriebszustand vereinfacht im Querschnitt;
und
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2 das
Bestrahlungsaggregat nach 1 im Standby-Zustand.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 ei nem 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.
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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.
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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.
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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 (reduzier te) Strahlung aufnimmt.
Aus diesem Betriebszustand kann ohne Zeitverlust durch Öffnen des
Reflektors 14 in den der jeweiligen Voreinstellung entsprechenden Produktionsmodus
gefahren werden.
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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.
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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.
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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.
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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.