"UV-Bestrahlungsvorrichtung"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine UV-Bestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen von Objekten mit ultravioletter Strahlung (UV-Strahlung).
Derartige UV-Bestrahlungsvorrichtungen zum Bestrahlen von Objekten mit UV-Strahlung werden beispielsweise von der Anmelderin in verschiedenen Ausgestaltungen hergestellt und vertrieben und dienen unter anderem zum Trocknen und Aushärten von Klebstoffen, Lacken, Kunststoffen usw. Anwendungsgebiete sind beispielsweise die Bestrahlung von Compact-Discs, Digital Video Discs etc.
Eine bekannte UV-Bestrahlungsvorrichtung der geschilderten Art ist in Figur 7 gezeigt, die einen Querschnitt durch die insgesamt längliche UV-Bestrahlungsvorrichtung 70 darstellt. Die bekannte UV-Bestrahlungsvorrichtung 70 umfaßt einen aus zwei Teilen 71a, 71b bestehenden länglichen Reflektor 71 mit Schichten 70a, 70b aus hochreflektierendem Material, der sich längs einer länglichen UV-Lampe 72 zum Ausstrahlen von UV-Strahlung erstreckt. Der längliche Reflektor 71 und die UV-Lampe 12 befinden sich in einem Gehäuse 73. Die im Querschnitt dargestellte UV-Lampe 72 emittiert UV-Strahlung nach allen Seiten, wobei die in der Zeichenebene von Figur 7 nach oben imitierte UV-Strahlung von den beiden Reflektorschichten 70a und 70b nach unten zu einer Durchtrittsöffnung 75 reflektiert wird. Die Durchtrittsöffnung 75 wird durch eine erste Längsseite 76 des Reflektorteiles 71b und eine zweite Längsseite 77 des zweiten Reflektorteiles 71a begrenzt. An die erste Längsseite 76 des ersten Reflektorteiles 71b schließt sich eine längliche Halterung 80 für einen weiteren Reflektor 78 an. Der Reflektor 78 umfaßt eine ebene Fläche aus hochreflektiereήdem Material und ist in die Reflektorhalterung 80 eingespannt. Der Reflektor 78 reflektiert dabei direkt von der UV-Lampe 72 ausgestrahlte UV-Strahlung und von den Reflektorschichten 70a bzw. 70b reflektierte UV-Strahlung zu einer Austrittsöffnung 74, die sich an die zweite Längsseite 77 des zweiten Reflektorteiles 71a anschließt. Die durch die Austrittsöffnung 74 fallende UV-Strahlung wird zum Bestrahlen von Objekten 79 verwendet, die vor der Austrittsöffhung 74 plaziert oder an ihr entlangbewegt werden. Die Verweildauer der Objekte 79 vor der Austrittsöffnung 74 und die Art der verwendeten UV-Lampen 72 variieren hierbei abhängig vom Typ der zu bestrahlenden Gegenstände sowie vom Anwendungszweck der UV-Strahlung.
Ein Problem bei der Bestrahlung von Objekten mit UV-Strahlung ist die gleichzeitig von den UV-Lampen erzeugte infrarote (IR) Strahlung. Die ebenfalls auf die Objekte eingestrahlte IR-Strahlung kann zu einer starken Aufheizung der Objekte und in der Folge zu einer Beschädigung der bestrahlten Objekte führen. Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Maßnahmen möglich. Beispielsweise können die bestrahlten Objekte 79 mit einer Wasserkühlung gekühlt werden, um die durch die IR-Strahlung erzeugte Wärme abzutransportieren und ein effizientes Trocknen bzw. Aushärten durch die UV-Strahlung zu gewährleisten. Eine Wasserkühlung ist jedoch mit einem sehr hohen Aufwand verbunden und in der Regel nicht in den Fertigungsprozeß integrierbar. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines Reflektors aus dichroitischem Material für den Reflektor 78. Da praktisch die gesamte von der UV-Lampe 72 emittierte UV-Strahlung entweder direkt oder durch die Reflektorschichten 70a und 70b reflektiert auf den weiteren Reflektor 78 fällt, kann hier durch die Verwendung von dichroitischem Material der IR-Anteil der UV-Stra lung stark reduziert werden. Für die Reflektorschichten 70a bzw. 70b kann ebenfalls dichroitisches Material verwendet werden. Der Nachteil bei der Verwendung von dichroitischem Material ist, daß durch die Reflektionsverluste die UV-Bestrahlungseffizienz sinkt. Weiter reduziert wird die UV-Bestrahlungseffizienz durch die Verwendung des zusätzlichen Reflektors 78 in Folge der Verluste durch den längeren Strahlengang. Ein weiteres Problem ist, daß durch den Reflektor 78 zwar ein relativ hoher IR-Anteil aus der UV-Strahlung herausgefiltert werden kann, jedoch die resultierende Wärme in Folge der Materialübergange Reflektpr-Luft-Refiektorhalterung nicht besonders effektiv ist. Weiterhin erweist sich die Ausgestaltung des Reflektors 78 mit einer ebenen Reflektionsfläche als nicht vorteilhaft hinsichtlich der Homogenität und der Stärke der auf das Objekt 79 einfallenden UV-Strahlung.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Bestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen von Objekten mit UV-Strahlung bereitzustellen, die eine Bestrahlung des Objektes auf möglichst einfache und effektive Weise insbesondere hinsichtlich der notwendigen Leistung und der Erhitzung des Objektes ermöglicht. '
Die obige Aufgabe wird durch eine Bestrahlungsvorrichtung zum Bestrahlen von Objekten mit UV-Strahlung gemäß Ansprach 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung umfaßt eine längliche UV-Lampe zum Ausstrahlen von UV-Bestrahlung, einen ersten länglichen Reflektor aus hochreflektierendem Material, der sich längs der UV-Lampe erstreckt und diese teilweise umschließt, wobei eine erste und eine zweite der ersten gegenüberliegende Längsseite den ersten länglichen Reflektor abschließen und eine Durchtrittsöffnung für die UV-Strahlung definieren, einen zweiten länglichen Reflektor aus hochreflektierendem Material, der sich an die erste Längsseite
des ersten länglichen Reflektors anschließt und von der UV-Lampe bzw. vom ersten länglichen Reflektor kommende UV-Strahlung zu einer Austrittsöffnung reflektiert, die sich an die zweite Längsseite anschließt, wobei der zweite längliche Reflektor zumindest teilweise um eine zur länglichen UV-Lampe parallele Achse gekrümmt ist.
Durch die zumindest teilweise gekrümmte Form des zweiten Reflektors wird eine wesentlich verbesserte Verteilung der auf ein zu bestrahlendes Objekt einfallenden UV-Strahlung erreicht.
Vorteilhafterweise weist der zweite längliche Reflektor zur Austrittsöffnung hin einen im wesentlichen ebenen Bereich auf. Durch diesen je nach Anwendung größeren oder kleineren ebenen Bereich nahe der Austrittsöffnung wird gewährleistet, daß aus der Bestrahlungsvorrichtung kommende UV-Strahlung tatsächlich auf das zu bestrahlende Objekt und nicht zurück in die Bestrahlungsvorrichtung reflektiert wird. Hierdurch wird die Bestrahlungseffizienz gesteigert.
Alternativ kann der zweite längliche Reflektor vollständig um eine oder mehrere zur länglichen UV-Lampe parallelen Achsen gekrümmt sein. Diese Ausgestaltung kann in speziellen Anwendungsfällen von Vorteil sein. Weiterhin ist ein vollständig gekrümmter Reflektor gegebenenfalls einfacher und somit billiger herzustellen.
Vorteilhafterweise weist der zweite längliche Reflektor Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungsradien auf. Durch die Verwendung unterschiedlicher Krümmungsradien kann die Homogenitätsverteilung und die Effizienz der auf ein zu bestrahlendes Objekt einfallenden UV-Strahlung genau auf die Erfordernisse abgestimmt werden. Weiterhin wird es hierdurch möglich, den zweiten Reflektor stetig, das heißt ohne Knicke oder sonstige die Reflektion der UV-Strahlung störende Hindernisse an den ersten Reflektor anzuschließen. Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn der zweite längliche Reflektor in einem sich an die erste Längsseite des ersten länglichen Reflektors anschließenden ersten Bereich einen kleineren Krümmungsradius aufweist als in einem zweiten Bereich, der sich an den ersten Bereich anschließt.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der zweite längliche Reflektor keine Knicke aufweist. Mit anderen Worten ist die Oberfläche des zweiten Reflektors im Querschnitt stetig differenzierbar. Hierdurch wird eine Minimierung der Reflektionsverluste erreicht.
Vorteilhafterweise ist das hochreflektierende Material des zweiten länglichen Reflektors direkt auf ein mit Kühlrippen versehenes Reflektorelement aufgedampft. Hierdurch
wird eine effiziente Aufnahme und Ableitung des durch den zweiten Reflektor aufgenommenen IR-Anteils der UV-Strahlung ermöglicht. Das Reflektorelement ist vorteilhafterweise ein Aluminium-Strangpreßprofil. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das hochreflektierende Material des zweiten länglichen Reflektors ein dichroitisches Material ist. Ein derartiges Material ermöglicht eine besonders hohe Absorption des IR-Anteils der auftreffenden UV-Strahlung. Hierdurch wird gewährleistet, daß die auf das zu bestrahlende Objekt einfallende UV-Strahlung einen möglichst geringen IR-Anteil aufweist und somit die Wärmeentwicklung im zu bestrahlenden Objekt minimal ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
Figur 1 eine schematische Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung ,
Figur 2 eine schematische Schnittansicht eines ersten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung,
Figur 3 eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung,
Figur 4 eine genauere Darstellung des zweiten Reflektors des in
Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispieles,
Figur 5 eine genauere Darstellung des in Figur 4 gezeigten ersten
Ausführungsbeispieles ,
Figur 6 ein Vergleichsdiagramm der Bestrahlungsstärken pro Querschnittsfläche für das erste und das zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung und die in Figur 7 gezeigte bekannte Bestrahlungsvorrichtung, und
Figur 7 eine schematische Schnittansicht einer bekannten Bestrahlungs- Vorrichtung.
Figur 1 zeigt eine schematische Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung 10 zum Bestrahlen von Objekten mit UV-Strahlung. Die Bestrahlungsvorrichtung 10 umfaßt ein Gehäuse 11, in dem eine längliche UV-Lampe
zum Ausstrahlen von UV-Strahlung angeordnet ist. Die UV-Lampe befindet sich in einem oberen Teil des Gehäuses 11. Unterhalb des Gehäuses 11 umfaßt die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung 10 eine Reflektorhalterung 13, die von der UV-Lampe 12 bzw. von den diese UV-Lampe 12 umgebenden Reflektoren kommende UV-Strahlung nach vorne zu einer Austrittsöffnung 14, das heißt aus der Zeichenebene heraus reflektiert.
In Figur 2 ist ein Querschnitt der in Figur 1 gezeigten Bestrahlungsvorrichtung 10 dargestellt. Im Gehäuse 11 befindet sich ein erster länglicher Reflektor 21 mit einer im Querschnitt im wesentlichen elliptischen Form. Die UV-Lampe 12, das heißt deren Längsachse A, liegt im wesentlichen auf dem Brennpunkt der vom Reflektor gebildeten Ellipse. Der erste längliche Reflektor 21 umfaßt dabei zwei reflektierende Schichten 20a und 20b, die die UV-Lampe 12 teilweise umschließen und die von der UV-Lampe 12 ausgestrahlte UV-Strahlung in Richtung einer Durchtrittsöffnung 22 reflektieren. Die Durchtrittsöffnung 22 ist durch eine erste Längsseite 24 und eine zweite, der ersten Längsseite 24 gegenüberliegende Längsseite 25 definiert, die den ersten länglichen Reflektor 21 zu beiden Seiten abschließen. Die beiden Reflektorschichten 20a und 20b sind jeweils auf ein Aluminiumprofil 21a bzw. 21b aufgedampft bzw. als separate Reflektorschicht an dem zugeordneten Aluminiumprofil befestigt. Auf den Rückseiten weisen die beiden Aluminiumprofile 21a und 21b Kühlrippen auf, durch die bei der Reflektion der UV-Strahlung freiwerdende Energien in Form von Wärme durch entsprechende Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder Luft, abtransportiert werden. Die im wesentlichen elliptische Form des ersten länglichen Reflektors 21 gewährleistet eine sehr homogene und effiziente Reflektion der UV-Strahlung zur Durchtrittsöffnung 22, das heißt in der dargestellten Figur 2 nach unten.
An die erste Längsseite 24 des ersten Reflektors 21 schließt sich die bereits im Bezug in Figur 1 erwähnte Reflektorhalterung 13 an. Die Reflektorhalterung 13 umfaßt einen zweiten Reflektor 23a, der durch die Durchtrittsöffnung 22 kommende UV-Strahlung zu einer Austrittsöffnung 14 reflektiert, die sich an die zweite Längsseite 25 des ersten Reflektors anschließt. Die Austrittsöffnung 14 erstreckt sich im in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel im wesentlichen senkrecht zur Durchtrittsöffnung 22, so daß vor der Austrittsöffnung 14 befindliche Objekte 26, die mit der UV-Strahlung bestrahlt werden, keine direkte UV-Strahlung von der UV-Lampe 12 erhalten, sondern im wesentlichen ausschließlich von dem ersten Reflektor 21 und dem zweiten Reflektor 23a reflektierte UV-Strahlung. Das oder die mit UV-Strahlung bestrahlten Objekte 26 werden entweder an der Austrittsöffnung 14 entlangbewegt oder bleiben während einer bestimmten Einstrahlzeit statisch an einem Ort.
Die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung 10 kann zum Bestrahlen von Objekten 26 jeder Art und für jede Art von Anwendung verwendet werden. Die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung 10 ist jedoch speziell für das Trocknen und Härten von UV-reaktiven Farben, Lacken oder Klebstoffen ausgelegt. Die UV-Lampe 12 kann ebenfalls ein beliebiger Typ UV-Lampe sein, wie zum Beispiel Gasentladungslampen verschiedener Druckbereiche. Für die obengenannten bevorzugten Anwendungen ist eine Mitteldruckgasentladungslampe als UV-Lampe 12 von Vorteil. Die Entladungslampe kann dabei verschiedene Arten von Dotierungen aufweisen, beispielsweise eine Gallium-Dotierung, eine Quecksilber-Dotierung oder dergleichen. Alternativ kann auch ein Metall-Halogenit-Strahler Verwendung finden. Die Bogenlänge, die gewählte Leistung sowie die Belichtungszeit sind jeweils auf die Große des zu bestrahlenden Objektes 26 sowie auf den Zweck der Bestrahlung entsprechend abzustimmen.
Zur Gewährleistung einer guten Strahlungseffizienz beim Bestrahlen des Objektes 26 ist der zweite längliche Reflektor 23a zumindest teilweise um eine zur UV-Lampe 12, das heißt deren Längsachse A, parallele Achse gekrümmt. Die Krümmung des zweiten Reflektors 23 a ist im Querschnitt von Figur 2 gut zu erkennen. Dabei setzt sich der zweite Reflektor 23a im wesentlichen aus zwei Bereichen zusammen, nämlich einem ersten Bereich 27a, der sich unmittelbar an die erste Längsseite 24 des ersten Reflektors anschließt und gekrümmt ist und einen zweiten Bereich 28a, der an die Austrittsöffhung 14 angrenzt und eine im wesentlichen ebene Fläche aufweist. Durch diese Form des zweiten Reflektors 23a wird die Bestrahlungseffizienz und eine Erhöhung der Bestrahlungsdosis der auf das Objekt 26 eingestrahlten UV-Strahlung erreicht.
Vorteilhafterweise ist das hochreflektierende Material des ersten Reflektors 20a, 20b und des zweiten Reflektors 22a hochreines Aluminium. Hochreines Aluminium bedeutet beispielsweise einen Reinheitsgrad von 99,99% Aluminium, durch das die UV-Strahlung praktisch ohne Verlust auf die zu bestrahlenden Objekte reflektiert wird. Von besonderem Vorteil ist allerdings die Verwendung von dichroitischen Reflektoren für die Schichten 20a, und 20b des ersten Reflektors 21 und für den zweiten Reflektor 23a. Die chroitischen Reflektoren sind von besonderem Vorteil, da sie bei der Reflektion der UV-Strahlung den IR-Anteil der Strahlung um ca. 25% reduzieren. Die durch den absorbierten IR-Anteil erzeugte Wärme wird durch geeignete Kühlmittel abtransportiert.
Figur 3 zeigt den Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung 30. Die Bestrahlungsvorrichtung 30
unterscheidet sich lediglich in der Form des Gehäuses und des zweiten Reflektors 23b von der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Bestrahlungsvorrichtung 10, so daß alle obigen Ausführungen auch für das zweite Ausführungsbeispiel gelten. Die Bestrahlungsvorrichtung 30 weist im Unterschied zur Bestrahlungsvorrichtung 10 ein etwas größeres Gehäuse 31 auf, bei dem über ein innenliegendes Innengehäuse 32 das Gehäuse 11 befestigt ist, in dem der erste Reflektor 21 und die UV-Lampe 12 angeordnet sind, wie unter Bezug auf Figur 2 erläutert wurde. Ein weiterer Unterschied ist die Form des zweiten Reflektors 23b. Die allgemeine Aufteilung in einen gekrümmten Bereich 27b und einen sich an die Austrittsöffnung 14 anschließenden ebenen Bereich 28b ist identisch zur Bestrahlungsvorrichtung 10. Der ebene Bereich 28b ist jedoch etwas länger als der ebene Bereich 28a des ersten Ausführungsbeispieles, so daß sich die gesamte Fläche des zweiten Reflektors 23b beim zweiten Ausführungsbeispiel bis zum Außenrand des äußeren Gehäuses 31 erstreckt und somit die Austrittsöffnung 14 wieder im wesentlichen rechtwinkelig zur Durchtrittsöffnung 22 angeordnet ist. Die ebene Fläche 28b ist mit anderen Worten im Vergleich zur ebenen Fläche 28a etwas verlängert, um dem größeren Gehäuse Rechnung zu tragen. Alle anderen wesentlichen Eigenschaften und Funktionen der Bestrahlungsvorrichtung 30 stimmen mit denjenigen der Bestrahlungsvorrichtung 10 überein.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung des zweiten Reflektors 23a der Bestrahlungsvorrichtung 30 von Figur 3. Der gekrümmte Bereich 27b des zweiten Reflektors 23b teilt sich in verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Krümmungsradien auf. In einem ersten Bereich 40, der sich unmittelbar an die erste Längsseite 24 des ersten Reflektors anschließt, weist der zweite Reflektor 23b einen mittelgroßen Radius, im gezeigten Beispiel 90,78cm auf. In einem mittleren Bereich 41, der sich an den ersten Bereich 40 anschließt, weist der zweite Reflektor 23b einen großen Radius von im gezeigten Beispiel 114,50cm auf. In einem dritten Bereich 42, der sich zwischen dem mittleren Bereich 41 und dem ebenen Bereich 28b befindet, weist der zweite Reflektor 23b einen kleinen Radius von 50,0cm auf. Die Länge des ebenen Bereiches beträgt im gezeigten Beispiel 43,41cm. Die in Figur 4 gezeigte Form des zweiten Reflektors 23b ist eine in Bezug auf die Strahlungseffizienz und Strahlungsdosis der auf den Gegenstand 26 auftreffenden UV-Strahlung optimierte Form. Abweichungen von dieser speziellen Form für bestimmte Anwendungen sind möglich. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Ausgestaltung des zweiten Reflektors 23b mit zumindest zwei Bereichen unterschiedlicher Krümmung und einem ebenen Bereich zur Austrittsöffnung 14 hin besondere Vorteile hat. Es ist weiterhin hervorzuheben, daß der zweite Reflektor 23a der Bestrahlungsvorrichtung 10 ebenfalls sehr ähnlich oder identisch gekrümmte Bereiche 40, 41 und 42 aufweisen kann, wie der zweite
Reflektor 23b von Figur 4. Lediglich die ebene Fläche 28a des zweiten Reflektors 23a der Bestrahlungsvorrichtung 10 ist etwas kürzer als die ebene Fläche 28b der zweiten Reflektors 23b.
Es ist weiterhin hervorzuheben, daß im Übergang zwischen dem ebenen Bereich 28a bzw. 28b und den gekrümmten Bereichen 27a bzw. 27b vorteilhafterweise kein Knick in der Fläche des zweiten Reflektors 23a bzw. 23b vorhanden ist und daß die Linie des zweiten Reflektors 23a bzw. 23b im Querschnitt sozusagen stetig differenzierbar ist. Hierdurch wird ein Maximum der Reflektionsausbeute garantiert.
Figur 5 zeigt einen etwas detaillierteren Querschnitt des in Figur 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung 10. Der zweite Reflektor 23a umfaßt ein Aluminiumprofil 50 mit Kühlrippen 51, die von der Fläche des zweiten • Reflektors 23a nach hinten zur Reflektorhalterung 13 wegstehen. Die Kühlung und der Abtransport der Wärme erfolgt über geeignete Kühlmittel, wie zum Beispiel Luft oder Wasser. Der zweite Reflektor 23a ist vorteilhafterweise direkt auf das Aluminiumprofil 50 aufgedampft, wodurch die Effizienz der Wärmeabfuhr wesentlich gesteigert wird, da ein direkter Übergang der bei der Reflektion der UV-Strahlung absorbierten Wärme auf das Aluminiumprofil 50 und dessen Kühlrippen 51 erfolgt. Das gleiche Prinzip wird vorteilhafterweise für den ersten Reflektor 21 angewendet, dessen Schichten 20a, 20b ebenfalls auf die Aluminiumprofile 21a und 21b aufgedampft sein können. Durch diese Technik wird eine effiziente Absorption des IR-Anteils aus der reflektierten UV-Strahlung sowie ein zuverlässiger Abtransport der entwickelten Wärme gewährleistet. Hierdurch sinkt die beim Bestrahlen des Objektes 26 in das Objekt eingebrachte Temperatur erheblich, wobei die Reflektionsverluste und der längere Strahlengang der UV-Strahlung durch die besondere Geometrie des zweiten Reflektors 23a mehr als ausgeglichen wird. Die obigen Ausführungen gelten identisch auch für die Bestrahlungsvorrichtung 30.
Figur 6 zeigt ein Diagramm der pro Fläche eingestrahlten Leistung in Bezug auf die Querschnittsfläche des zu bestrahlenden Objektes 26 für die in Figur 7 gezeigte bekannte Bestrahlungsvorrichtung 70 (Kurve I), die Bestrahlungsvorrichtung 10 (Kurve II) und die Bestrahlungsvorrichtung 30 (Kurve III). Es ist zu erkennen, daß die spezielle Geometrie des zweiten Reflektors 23a bzw. 23b der erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtungen 10 und 30 eine Steigerung um ca. 80% in der Spitze und eine Steigerung um ca. 30% in Bezug auf die gesamte auf das Objekt 26 eingestrahlte Dosis ermöglichen.