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Die
Erfindung betrifft eine Bestrahlungsanordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
früheren
Patentanmeldungen der Anmelderin, so etwa der
DE 197 36 462 A1 ,
WO 99/42774 A1 der
DE 10024731 A1 ,
sind Verfahren zur Behandlung von Oberflächen, Bearbeitung von Materialien
und Herstellung von Verbundwerkstoffen unter Einsatz von elektromagnetischer
Strahlung bekannt, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des nahen
Infrarot, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm, liegt.
Bei einer Reihe dieser Anwendungen ist die Realisierung einer relativ
breiten Bestrahlungszone im Interesse einer hohen Produktivität des jeweiligen
Verfahrens mit hoher Leistungsdichte wesentlich.
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Es
ist daher der Einsatz einer langgestreckten Halogenlampe, die einen
röhrenförmigen,
an den Enden gesockelten Glaskörper
mit mindestens einer Glühwendel
hat, mit einem langgestreckten Reflektor als Strahlungsquelle für thermische
Bearbeitungsprozesse bekannt. Auch Parallelanordnungen mehrerer
solcher Strahlungsquellen sind bekannt.
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Bei
bekannten Strahlungsquellen bzw. Bestrahlungsvorrichtungen mit langgestreckten,
beidseitig gesockelten Lampen – beispiels weise
für medizinische
oder lichttechnische Anwendungen – haben die Lampen Anschlüsse bzw.
Sockel, die koaxial zum Glaskörper
an dessen Enden angeordnet sind; vgl. etwa die
US 4,287,554 A oder
DE 33 178 12 A1 .
Diese Druckschriften beschreiben im übrigen Bestrahlungsanordnungen
mit mehreren Strahlungsquellen, die parallel nebeneinander angeordnet
sind.
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Mit
einer solchen Strahlungsquelle läßt sich eine
breite und erforderlichenfalls außerdem langgestreckte Bestrahlungszone
mit über
ihre Breite annähernd
konstanter Strahlungsflußdichte
realisieren, die wiederum über
die entsprechende Breite des Arbeitsbereiches einheitliche Prozeßbedingungen schafft.
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Bei
der Realisierung einer Vielzahl von Applikationen von im nahen Infrarot
arbeitenden Bestrahlungsanordnungen („NIR-Bestrahlungsanordnungen") haben die Erfinder
festgestellt, daß das
Vorsehen von Gegenreflektoren auf der der Strahlungsquelle abgewandten
Seite des Bearbeitungsgegenstandes – insbesondere eines flächigen und
gegebenenfalls schnell geförderten
Bearbeitungsgegenstandes, wie einer Papierbahn, einer Kunststofffolie
oder eines Elastomerprofiles o. ä. – wesentliche
Verbesserungen beim behandelten Produkt und in der Prozeßführung erbringen
kann. Derartige Gegenreflektoren werden daher für eine Reihe von technologischen
Applikationen der NIR-Bestrahlungsanordnungen eingesetzt.
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Beim
Einsatz insbesondere unter Anwendung höchster Strahlungsflußdichten
(von 200 kW/m2 und mehr) hat sich eine aktive
Kühlung
der Gegenreflektoren und vielfach auch von Seitenreflektoren als
praktisch unverzichtbar erwiesen. Trotz des hohen Reflexionsgrades
nehmen diese nämlich
soviel Strahlungsenergie in Form von Wärme auf, daß ihre Formtreue bei längerem Einsatz
ohne aktive Kühlung
nicht ohne weiteres gewährleistet
ist. Außerdem
ermöglicht
eine Kühlung
der Gegen- bzw. Seitenreflektoren Wärme aus dem Reflektorzwischenraum,
d. h. der Bearbeitungszone.
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Aus
der
DE 3 854 703 T2 ist
eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Diese
umfasst eine flache, mit einem Kühlmitteleinlass und
einem Kühlmittelauslass
versehene Kühlplatte, die
mit einer Reflektorfläche
versehen ist. Diese Kühlplatte
ist den Bestrahlungslampen und Reflektoren und dem Bearbeitungsgegenstand
gegenüberliegend
geordnet. In dieser Druckschrift wird an anderer Stelle darauf hingewiesen,
dass die Trocknungs- und Kühlungsvorrichtung
modular aufgebaut sein kann.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Bestrahlungsanordnung der
gattungsgemäßen Art
anzugeben, die eine effiziente Ausführung von praktisch wichtigen
Bearbeitungsvorgängen,
insbesondere an gefördertem
flächigen
Material, ermöglicht
und für
unterschiedliche Applikationen rationell hergestellt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Bestrahlungsanordnung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung schließt
den wesentlichen Gedanken ein, die technologisch erwünschte Gegen- bzw.
Seitenreflektorfläche
modulartig aus einer Mehrzahl massiver Gegen- bzw. Seitenreflektorelemente
aufzubauen. Sie schließt
weiter den Gedanken des Vorsehens eines (im wesentlichen durchgehenden)
Kühlfluid-Strömungskanals
in diesen Reflektorelementen ein, der an oder nahe deren Enden einen
Einlaß und
einen Auslaß hat.
Der modulartige Aufbau aus – insbesondere
gleichartigen – Gegen- bzw.
Seitenreflektorelementen – ermöglicht in
Baukastenart die Ausführung
von unterschiedlich langen bzw. breiten Bestrahlungszonen für verschiedenartigste
Bearbeitungsprozesse mit einem Minimum an Konstruktions- und Logistikaufwand.
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In
einer besonders einfachen und leicht kombinierbaren Ausführung sind
die Querschnitte der Reflektoren und Gegen- bzw. Seitenreflektoren
(zumindest in der Außenkontur)
im wesentlichen flach rechteckig. Dieser Querschnitt ist besonders
leicht herzustellen, zu transportieren und zu lagern und ermöglicht die
einfache Nebeneinander-Reihung von Reflektorelementen zur Ausführung eines
in einer Ebene liegenden Reflektor-, Gegenreflektor- oder Seitenreflektorfeldes
mit größeren Abmessungen.
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Zur
Minimierung der Wärmeabsorption
und Maximierung des Anteils der für den Verarbeitungsprozeß verfügbaren Strahlung
sind die Oberflächen aller
Reflektoren hoch reflektierend, insbesondere poliert, ausgeführt. Für die meisten
Anwendungsfälle ist
eine plane Ausführung
der Oberflächen
der Gegen- bzw. Seitenreflektoren sinnvoll. Die Reflektor-Wirkflächen der
den Halogenlampen direkt zugeordneten Reflektorelemente haben dagegen
bevorzugt andere Querschnittsformen, etwa die Form eines Ellipsen-
oder Parabelabschnitts oder eine Trapezform. Bevorzugt ist hierbei
aus derzeitiger Sicht eine annähernde
W-Form, wie sie in der
DE
199 09 542 A1 der Anmelderin beschrieben ist.
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Die
Gegenreflektoren sind für
eine Vielzahl praktischer Anwendungen bevorzugt in strengem Sinne
gegenüber
den Lampen und deren Reflektoren angeordnet, d. h. in einer parallel
zu der durch die Mittenachsen der Halogenlampen aufgespannten Ebene.
Die Seitenreflektoren sind typischerweise in einer im wesentlichen
senkrecht zu der durch die Mittenachsen der Halogenlampen aufgespannten
Ebene liegenden Ebene angeordnet. Für spezielle Anwendungen ist
aber durchaus eine Schrägstellung der
Seitenreflektoren in Betracht zu ziehen, beispielsweise zur Bestrahlung
von geneigten Seiten- oder Deckflächen zu behandelnder Produkte.
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Bei
Kombination der den Halogenlampen zugeordneten (Haupt-)Reflektoren
sowohl mit Gegenreflektoren als auch mit Seitenreflektoren kann
ein am Umfang weitgehend geschlossener Strahlungskasten ausgebildet
werden, der durch die aktive Kühlung
von einigen oder allen Begrenzungsflächen weitgehend gegen einen
Wärmestau
im Innenraum geschützt
ist.
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In
einer besonders flexibel und rationell aufzubauenden Ausführung der
Bestrahlungsanordnung sind an den Enden der jeweiligen Reflektoren im
wesentlichen senkrecht zu diesen verlaufende Kühlfluid-Verteiler vorgesehen,
die über
entsprechende Ein- bzw.
Auslässe
einen einzelnen Kühlfluid-Anschluß mit den
Kühlfluid-Strömungskanälen in den
einzelnen Reflektorelementen verbinden. Diese haben bevorzugt einen
rechteckigen, insbesondere quadratischen, Querschnitt und sind im
montierten Zustand der Bestrahlungsanordnung vorzugsweise durch
Verschrauben oder Verklammern fest mit den Reflektoren und Gegen-
bzw. Seitenreflektoren verbunden. Sie bilden damit gewissermaßen zugleich den
Tragbalken für
die jeweiligen Reflektorfelder bzw. bei einem weitgehend geschlossenen
Strahlungskasten einen Tragrahmen desselben.
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Die
Anordnung der in den Kühlfluid-Verteilern
vorgesehenen Öffnungen
des dort angeordneten Kühlfluid-Strömungskanals
sind bevorzugt so auf die Breiten der Reflektorelemente und die
Anordnung der Strömungskanäle in diesen
abgestimmt, daß beim
Verbinden von aneinandergereihten Reflektorelementen mit den Kühlfluid-Verteilern
die Ein- und Auslässe
beider Komponenten derart miteinander ausgerichtet sind, daß die jeweiligen
Strömungskanäle ohne
zusätzliche
Verbindungselemente direkt miteinander kommunizieren. Eine Abdichtung
erfolgt in rationeller und kostengünstiger Weise durch einfache
O-Ringe.
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Die
Realisierung unterschiedlich langer Strahlungsfelder erfolgt durch
entsprechendes Ablängen
der Kühlfluid-Verteiler,
ebenso wie die Realisierung unterschiedlich breiter Strahlungsfelder durch
entsprechendes Ablängen
der Reflektorelemente erfolgt. Die Öffnungen der Kühlfluid-Strömungskanäle an den
Stirnseiten der jeweiligen Elemente werden durch Stopfen verschlossen.
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Vorteile
und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich im übrigen
aus den Unteransprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Darstellung einer NIR-Bestrahlungsanordnung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung,
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2 eine
schematische perspektivische Darstellung einer NIR-Bestrahlungsanordnung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung,
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3 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht eines aus zwei Reflektoren
bestehenden Haupt-Reflektorfeldes
gemäß einer
Ausführung
der Erfindung und
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4A und 4B zwei
teilweise geschnittene Seitenansichten (in Quer- und Längsrichtung) eines
aus zwei Gegenreflektoren bestehenden Gegenreflektorfeldes gemäß einer
Ausführung
der Erfindung.
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1 zeigt
in einer schematischen perspektivischen Darstellung die wesentlichen
Elemente einer NIR-Bestrahlungsanordnung 1, die insbesondere zur
thermischen Bearbeitung eines relativ voluminösen Bearbeitungsgegenstandes
(Werkstücks)
geeignet ist. Sie umfaßt
eine Strahleranordnung 2 aus insgesamt neun langgestreckt
röhrenförmigen Halogen-Glühfadenlampen 3,
die zur primären
Emission von Infrarotstrahlung im Bereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm Wellenlänge betrieben
werden, und ein diesen zugeordnetes Haupt-Reflektorfeld 4,
das aus drei gleichartigen Reflektoren 5 aufgebaut ist.
Weiterhin umfaßt
die NIR-Bestrahlungsanordnung 1 ein gegenüber dem
Haupt-Reflektorfeld und parallel zu diesem angeordnetes Gegenreflektorfeld 6 aus
drei gleichartigen Gegenreflektoren 7.
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Auf
den Rückseiten
der Reflektoren 5 und Gegenreflektoren 7 sind
jeweils zwei Kühlwasser-Verteilerbalken 8 mit
quadrati schem Querschnitt angebracht, die jeweils einen Wasseranschluß 9 haben.
Diese Kühlwasser-Verteilerbalken 8 sind
auf eine in 3 bis 4B gezeigte
und weiter unten genauer beschriebene Weise mit einem Kühlwasserkanal
versehen und haben Kühlwasser-Ein- bzw. -Auslässe, die
mit entsprechenden Ein- bzw. Auslässen von in den Reflektorelementen
angeordneten Kühlwasserkanälen verbunden
sind. Sie dienen als Verteiler für
eine Wasserkühlung
der einzelnen Reflektorelemente der Reflektorfelder 4 und 6.
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2 zeigt
eine weitere NIR-Bestrahlungsanordnung 21, die einen schmaleren
Bearbeitungsraum hat und daher insbesondere zur thermischen Bearbeitung
eines flächigen
oder doch zumindest relativ flachen Bearbeitungsgegenstandes mittels NIR-Strahlung
geeignet ist. Soweit diese Anordnung mit 1 weitgehend übereinstimmende
Komponenten umfaßt,
sind an 1 angelehnte Bezugsziffern benutzt
und wird auf eine nochmalige genauere Beschreibung nachfolgend verzichtet.
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Derartige Übereinstimmungen
bestehen insbesondere hinsichtlich des Vorhandenseins einer NIR-Strahleranordnung 22 aus
neun Halogen-Glühfadenlampen 23 vor
einem aus drei Reflektoren 25 aufgebauten Haupt-Reflektorfeld 24,
dem ein aus drei Gegenreflektoren 27 aufgebautes Gegenreflektorfeld 26 parallel
gegenüberliegt.
Weiterhin sind auch hier dem Haupt- und Gegenreflektorfeld 24, 26 jeweils
zwei Kühlwasser-Verteilerbalken 28 zugeordnet,
d. h. auf die Rückseiten
der entsprechenden Reflektorelemente aufgeschraubt. Allerdings befinden sich
hier die Wasseranschlüsse 29 nicht
an den Stirnseiten, sondern an den Rückseiten der Kühlwasser-Verteilerbalken 28.
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Die
NIR-Bestrahlungsanordnung 21 gemäß 2 unterscheidet
sich von der einfacheren Anordnung nach 1 durch
das zusätzliche
Vorhandensein von je einem Seitenreflektor 30 an der Ober- und
Unterseite der Anordnung, wodurch ein (bis auf schmale Be- und Entlüftungsschlitze 31a, 31b)
geschlossener Strah lungsraum gebildet wird. Auch die Seitenreflektoren 30 sind
an Kühlwasser-Verteilerbalken 38 angebracht,
die – entsprechend
der Geometrie der NIR-Bestrahlungsanordnung – deutlich kürzer als
die dem Haupt- und Gegenreflektorfeld zugeordneten Verteilerbalken
sind und Wasseranschlüsse 29 an
ihren Stirnseiten haben. Alle Kühlwasser-Verteilerbalken 29, 38,
bilden – wie 2 deutlich
zeigt – zwei
rechteckige Rahmen, in denen sämtliche
Reflektorelemente stabil gehalten sind.
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Die
Wirkflächen
der Reflektoren 5 und 25 aus 1 und 2 haben
eine annähernd
W-förmige
Querschnittsgestalt, während
die Oberflächen
der Gegenreflektoren 7 bzw. 27 und der Seitenreflektoren 30 plan
sind. Alle Reflektorelemente sind aus einer Aluminiumlegierung stranggepreßt und haben polierte
Reflexionsflächen.
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In 3 bis 4B sind
der innere Aufbau der Reflektorelemente und der Kühlwasser-Verteilerbalken
sowie deren Verbindung miteinander gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung näher
dargestellt. Die Bezugsziffern für
die einzelnen Komponenten sind in Anlehnung an 1 und 2 gewählt.
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3 zeigt
ein Haupt-Reflektorfeld 34 mit zwei Reflektoren 35 zur
Aufnahme von jeweils sechs (also insgesamt zwölf) langgestreckten Halogenlampen.
Jeder der Reflektoren 35 hat sechs im Querschnitt annähernd W-förmige Reflexionsbereiche 35a und
fünf langgestreckte,
im Querschnitt kreisförmige
Kühlwasserkanäle 35b,
die jeweils hinter dem Grenzbereich zwischen zwei Reflexionsbereichen 35a angeordnet
sind. Die Kühlwasserkanäle 35b sind
mäanderförmig miteinander
verbunden, und die beiden äußeren Kanalabschnitte
sind jeweils mit vergrößertem Durchmesser
ausgeführt.
Diese haben jeweils einen auf die Rückseite mündenden Ein- bzw. Auslaß 35c.
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Auf
den Reflektoren 35, deren Rückseite plan ausgeführt ist,
und die in ihrer Außenkontur
insgesamt einen annähernd
rechteckigen Querschnitt haben, sind rückseitig zwei Kühlwasser-Verteilerbalken
(gemäß 1 oder 2)
angeordnet, von denen in 3 einer zu erkennen ist. Der
Kühlwasser-Verteilerbalken 38 hat
einen geradlinig durchgehenden Verteiler-Kühlwasserkanal 38a und
zwei Verteiler-Ein- bzw. Auslässe 38b,
die so angeordnet sind, daß sie
im auf den Reflektoren 35 angebrachten Zustand des Verteilerbalkens 38 mit
den Ein-/Auslässen 35c der
Reflektoren ausgerichtet sind. Da sie auch den gleichen Durchmesser
wie diese haben, ist in einfacher Weise eine Abdichtung mittels
O-Ringen 38c möglich.
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Von
den Enden des Verteiler-Kühlwasserkanals 38a wird
im installierten Zustand des gesamten Reflektorfeldes jeweils einer
einen Kühlwasser-Ein- bzw.
-Auslaß für das Hauptreflektorfeld
bilden, während
der andere mit einem (in 1 und 2 gezeigten,
aber nicht mit einer eigenen Bezugsziffer versehenen) Stopfen verschlossen
sein wird. In analoger Weise ist ein seitlicher Verschluß der in
die stranggepreßten
Reflektorprofile durchgehend eingeformten Kühlwasserkanäle 35b ausgeführt.
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4A und 4B zeigen
ein Gegenreflektorfeld 46 aus zwei Gegenreflektoren 47 mit
einem aufgesetzten Kühlwasser-Verteilerbalken 42.
Analog zum Aufbau des Kühlwasser-Verteilerbalkens 38 aus 3 hat
auch der Kühlwasser-Verteilerbalken 48 einen
geradlinig durchgehenden Verteiler-Kühlwasserkanal 48a,
der in 4A in einem beidseitig durch Verschlußstopfen 48d verschlossenen
Zustand gezeigt ist.
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Die
Gegenreflektoren 47 haben jeweils eine hochglanzpolierte
plane Reflexionsfläche 47a und zwei
Kühlwasserkanäle 47b,
die jeweils zwei Ein-/Auslässe 47c auf
der Rückseite
haben. Die Abmessungen der Gegenreflektoren 47 und die
Anordnung der Kühlwasserkanäle 47b und
der Ein-/Auslässe 47c in
diesen sind der art auf die Ausführung der
Kühlwasser-Verteilerbalken 48 – insbesondere die
Anordnung der Ein-/Auslässe 48b in
diesen – abgestimmt,
das im montierten Zustand der Anordnung die Ein- bzw. Auslässe beider
Komponenten miteinander fluchten und wiederum durch O-Ringe 48c gegeneinander
abgedichtet werden können.
Die durchgehenden Kühlwasserkanäle 47b sind
(wie oben bereits im Hinblick auf die Reflektoren des Hauptreflektorfeldes
erwähnt)
durch Verschlußstopfen 49 verschlossen.
Darüber
strömt über die
Kühlwasser-Verteilerbalken 48 zugeführtes bzw.
abgeleitetes Kühlwasser
aus dem Verteiler-Kühlwasserkanal 48a des einen
Verteilers über
dessen Auslaß 48b und
den angrenzenden Einlaß 47c in
den Kühlwasserkanal 47b des
Gegenreflektors. Aus diesem strömt
es über
dessen Auslaß und
den benachbarten Einlaß im
anderen Verteilerbalken in dessen Verteiler-Kühlwasserkanal und wird von
dort (für
mehrere Reflektorelemente gemeinsam) abgeleitet.
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Zur
lückenlosen
Aneinanderreihung der Gegenreflektoren zur Bildung ausgedehnterer
Gegenreflektorfelder sind an deren Seitenflächen Schwalbenschwanznuten 47d zum
Einsetzen entsprechender (nicht dargestellter) Verbinderprofile
vorgesehen. In 4B ist zu erkennen, daß die Verbindung
zwischen den Gegenreflektoren 47 und den Kühlwasser-Verteilerbalken 48 jeweils
durch Schraubbolzen 50 hergestellt wird, die in entsprechend
ausgebildete Montagebohrungen 48e der Verteilerbalken 48 bzw. 47e der
Gegenreflektoren eingesetzt werden.
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Die
Ausführung
der Erfindung ist nicht auf diese Beispiele sowie die oben hervorgehobenen
Aspekte beschränkt,
sondern im Rahmen der Ansprüche
ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns
liegen.
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- 1;
21
- NIR-Bestrahlungsanordnung
- 2;
22
- Strahleranordnung
- 3;
23
- Halogen-Glühfadenlampe
- 4;
24; 34
- Haupt-Reflektorfeld
- 5;
25; 35
- Reflektor
- 6;
26; 46
- Gegenreflektorfeld
- 7;
27; 47
- Gegenreflektor
- 8;
28; 38; 48
- Kühlwasser-Verteilerbalken
- 9;
29
- Wasseranschluß
- 30
- Seitenreflektor
- 31a
- Belüftungsschlitz
- 31b
- Entlüftungsschlitz
- 35a;
47a
- Reflexionsbereich
- 35b;
47b
- Kühlwasserkanal
- 35c;
47c
- Ein-/Auslaß
- 38a;
48a
- Verteiler-Kühlwasserkanal
- 38b;
48b
- Verteiler-Ein-
bzw. -Auslaß
- 38c;
48c
- O-Ring
- 47d
- Schwalbenschwanznut
- 47e,
48e
- Montagebohrung
- 48d;
49
- Verschlußstopfen
- 50
- Schraubbolzen