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EP1293740A2 - Bestrahlungsvorrichtung mit veränderlichem Spektrum - Google Patents

Bestrahlungsvorrichtung mit veränderlichem Spektrum Download PDF

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Publication number
EP1293740A2
EP1293740A2 EP02018547A EP02018547A EP1293740A2 EP 1293740 A2 EP1293740 A2 EP 1293740A2 EP 02018547 A EP02018547 A EP 02018547A EP 02018547 A EP02018547 A EP 02018547A EP 1293740 A2 EP1293740 A2 EP 1293740A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
radiation
irradiation device
spectrum
radiation sources
sources
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP02018547A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1293740A3 (de
Inventor
Michael Bisges
Knut Kisters
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Arccure Technologies GmbH
Original Assignee
Arccure Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arccure Technologies GmbH filed Critical Arccure Technologies GmbH
Publication of EP1293740A2 publication Critical patent/EP1293740A2/de
Publication of EP1293740A3 publication Critical patent/EP1293740A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B3/00—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat
    • F26B3/28—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun

Definitions

  • the invention relates to an irradiation device for irradiation of objects with in particular ultraviolet electromagnetic Radiation, with a housing that is on the outlet to be irradiated aligned for which has electromagnetic radiation and at least two elongated radiation sources arranged in the housing for the electromagnetic radiation with a a prescribed operating temperature defined spectrum.
  • UV light come in the photochemical influence of radiation objects for use. Important applications are the curing of printing inks, adhesives and coatings as well as sterilization and medical radiation. Depending on the application, different proportions of importance from the UV spectrum. Basically leaves the UV spectrum is in the UV-C (100-280nm), UV-B range Subdivide (280-315nm), UV-A (315-380nm) and UV-VIS (380-450nm).
  • UV radiation sources especially gas discharge lamps used in which by the Evaporation of metallic additives creates a plasma.
  • the lamps essentially consist of a tubular one Vitreous body, two electrodes, two metallic melts as well as two bases.
  • In UV radiation technology have three radiation sources as standard established by the addition of mercury (Hg) or iron (Fe) or Gallium (Ga) have different spectra. Depending on the addition, the therefore differ Energy components in the UV-A, -B, -C and -VIS range of radiation sources.
  • a UV irradiation device can only do that spectrum determined by the radiation source used radiate.
  • a change in the power supply can only the total amount of energy supplied is increased or reduced, while distributing the energy over the wavelength changes only slightly.
  • UV radiation devices with mercury (Hg) radiation sources mainly for curing Printing inks used.
  • the very high energy radiation around 254 nm is well absorbed and hardened in thin layers of paint therefore effectively apply the paint.
  • Layers such as adhesive layers are required the UV-A radiation around 365 nm or even the proportion of visible light generated with gallium (GA) radiation sources becomes.
  • the spectrum of radiation sources in the Operation can change by up to 30%.
  • changing the spectrum does not manifest itself as uniform decrease in intensity over the wavelength, but as an increased decrease in individual wavelength ranges.
  • iron as a vaporising additive, this is uneven
  • the decrease can be observed particularly clearly since the Iron penetrates into the wall of the vitreous body and thus the Evaporation process in the plasma is withdrawn.
  • electrode material released, which also change the spectrum can.
  • the invention is based on the object of an irradiation device to create their spectrum on the fly is changeable.
  • the radiation device Can be used for various applications without waiting times be and an effective compensation for aging or manufacturing Changes and / or deviations of the Enable spectrum.
  • This task is the beginning of an irradiation device mentioned type solved in that at least one Radiation source at least one of the other radiation sources has partly different spectrum and that the Power of at least one radiation source is variable.
  • At least one radiation source is one of the others Radiation sources at least partially deviating spectrum has a mixed spectrum of the overlapping Spectra of the individual radiation sources created.
  • Radiation sources at least partially deviating spectrum has a mixed spectrum of the overlapping Spectra of the individual radiation sources created.
  • For radiation applications mostly a special one Wavelength range of electromagnetic radiation, in particular UV radiation, but also at the same time require small portions from a different wavelength range, it is expedient that, for example, two radiation sources a matching spectrum in the particular Have wavelength range and another radiation source the spectrum from the other wavelength range.
  • the setting option for the performance of at least one Radiation source causes the spectrum to change with that Power operated radiation source, albeit in quite small, changes; at the same time changes to but also to a greater extent that of the radiation device radiated mixed spectrum, since the intensity at least one of the overlapping spectra changes.
  • the reason for the small spectrum change due to change the power supplied to the radiation source is that when operating at a lower power, e.g. 40% of the maximum power, the evaporating metallic additives, e.g. Iron, condense in the gas discharge lamp. From that the additives significantly influences the radiated spectrum condensation of additives causes a change in the spectrum.
  • a lower power e.g. 40% of the maximum power
  • the evaporating metallic additives e.g. Iron
  • all Radiation sources independently of one another with different Performance operable.
  • the setting of each radiation source supplied power can be gradual or gradual between a minimum and a maximum power respectively.
  • the radiation source is switched off at minimum power, while the maximum performance of the maximum Power of the radiation source corresponds.
  • the irradiation device for irradiating objects with ultraviolet electromagnetic radiation When the irradiation device for irradiating objects with ultraviolet electromagnetic radiation is to come, it is necessary that the spectra of the radiation sources in the range of the wavelength of the electromagnetic Radiation from 100 nm - 450 nm at least partially differ from each other.
  • Each radiation source can have separate control electronics be associated with either manual or collaborative with a control loop an automated control of the supplied power allowed.
  • Automated control requires that the radiation device a spectral apparatus, in particular a Spectrometer, for measuring and monitoring the radiation device radiated electromagnetic Has radiation.
  • an evaluation unit required an input for that from Spectral apparatus measured spectrum and an output to Changes in the performance of the individual radiation sources.
  • the evaluation unit changes the performance depending on a target mixed spectrum of the radiation device radiated electromagnetic radiation.
  • the performance of the individual radiation sources based on the spectrometer measurement manually.
  • the electromagnetic radiation emitted by the radiation device Radiation can be emitted in the area of the outlet opening arranged optical fiber from the radiation device to the measuring head of the spectrometer become.
  • each radiation source is a gas discharge lamp, and at least one radiation source as evaporating during operation Addition of mercury (HG), at least one radiation source as evaporating additive iron (FE) and at least one radiation source contains gallium (GA) as a vaporising additive, the three are mainly used in UV radiation technology spectra used with only one UV irradiation device generate as well as all of them resulting mixed spectra.
  • the tubular radiation sources a diameter of 10 - 20 mm very close to each other, but without touching their outer surfaces. The distance between the outer surfaces is between 2 - 5 mm.
  • the radiation sources are bundled in one imaginary circular cylinder whose diameter is the outside diameter the radiation source to be replaced of the conventional one Irradiation device corresponds.
  • the radiated Total power of the bundled radiation sources corresponds to the radiated power of the one to be replaced Radiation source.
  • the bundling of the radiation sources also increases the effective cooling surface of the radiation sources a conventional radiation source with the same emitted Performance because the entire shell surface of the tube bundle in the imaginary circular cylinder larger than the surface of one single pipe with the same outer diameter. Also the danger and the extent of undesirable deflections is reduced with the bundled radiation sources compared to a conventional, much larger radiation source same radiation power. Especially at Radiation sources that are longer than 1 m are exposed possible division of the total power required according to the invention noticeably noticeable on several radiation sources. The distribution of the total performance allows higher overall Performances of the radiation device without the conventional radiation sources with very large diameters associated disadvantages must be accepted.
  • the Radiation sources of an irradiation device can all in only one holder, but also in groups in several Brackets are summarized.
  • Figures 1a - 1d show tubular, elongated radiation sources (1) between a housing (2) between a reflector (3) and an object (4) to be irradiated are.
  • the radiation sources (1) are in one through a dashed line indicated imaginary circular cylinder (5) arranged in a bundle, but without on their lateral surfaces to touch.
  • the beam path (6) from the radiation sources (1) on the object (4) is shown schematically.
  • the object (4) is drawn with the direction of movement (7) passed under the UV irradiation device.
  • FIG. 2 shows a UV radiation device according to the invention according to Figure 1b) in a schematic side view.
  • the radiation sources (1) summarized at the ends (8) in common brackets (9) are a simultaneous and therefore time-saving Allow replacement of the radiation sources (1).
  • the control electronics (14, 15, 16) allow each radiation source (1) electrical power supplied between a minimum and to change a maximum value independently of each other.
  • Figure 3 shows the further feature essential to the invention that at least one radiation source (1) one of the others Radiation sources (1) at least partially different spectrum having.
  • the arrangements (17, 18, 19) relate to the Basic case that at least one radiation source is a different one Has spectrum, while the arrangements (21, 22, 23) concern cases in which at least 2 radiation sources one that is at least partially different from the other radiation sources Show spectrum.
  • the radiation sources (1) shown in FIG. 3 are gas discharge lamps with different evaporating in operation Additives, namely mercury (Hg), iron (Fe) or Gallium (Ga). These additions are in the UV radiation technology standardized additives.
  • Figure 4 shows the spectra of radiation sources with the standard additives mentioned at the prescribed operating temperature. By switching individual radiation sources on and off, ongoing operation of the UV radiation device between the Spectra can be changed according to Figure 4. Meanwhile, become individual or more radiation sources with one electrical Power operated between the minimum and maximum value, a large number of superimposed spectra can be generated Mixed spectra, as shown in Figures 5 and 6 are. The largest possible changes in the spectrum arise in those arrangements in which all Radiation sources have different additives, in particular in the arrangement (22, 23).
  • each diagram according to FIG. 5 is on the X axis Wavelength plotted in nanometers while on the Y axis the relative intensity of the electromagnetic radiation is applied.
  • the ones shown above the diagram Abbreviations denote the vaporizing additives in the radiation sources. All the diagrams show that prescribed operating temperature and maximum output of mixed spectrum emitted by the irradiation device.
  • a universal UV irradiation device can be a combination of the radiation sources, as in Figure 5a shown, are used.
  • the mixed spectrum shown contains all the parts used in UV radiation technology required are.
  • FIG. 5b shows a mixed spectrum with an emphasis on the intensity in the wavelength range around 360 nanometers.
  • a combination the radiation sources as they are for a spectrum Figure 5b is required, especially during curing of adhesives used. By switching off the Power supply of one of the Fe radiation sources can do that Mixed spectrum during operation into that shown in Figure 5a Mixed spectrum can be transferred.
  • FIG. 5c shows a mixed spectrum that is used in particular for coating of wooden surfaces with varnishes is suitable.
  • Figure 5d shows a mixed spectrum for curing printing inks.
  • FIG. 6 shows the division of the mixed spectrum according to FIG. 5 a) in the individual spectra of radiation sources according to the arrangement (23) according to Figure 3 each at operating temperature and Peak performance.
  • the adjustment range is with item number (24) the Ga radiation source, with position (25) the adjustment range the Fe radiation source and with position (26) denotes the adjustment range of the mercury radiation source.
  • Each wavelength range can be controlled by controlling the Power of the respective radiation source the intensity within the adjustment range marked with (24, 25) and (26) change.
  • FIG. 7 shows schematically a control arrangement for the emitted Mixed spectrum.
  • the UV irradiation device has additionally a sensor (28), which the Electromagnetic radiation detected, a spectrometer (29) for measuring the spectrum of the emitted electromagnetic Radiation and an evaluation unit (31) with a Input for the spectrum measured by the spectrometer (29) and an output that is connected to the control electronics (14, 15, 16) connected to the power setting of the radiation sources (1) is.
  • the light emitted by the UV irradiation device is detected by the sensor (28) and in the spectrometer (29) performed and measured there.
  • the evaluation unit (31) the measured spectrum with a required by the user target spectrum entered in the evaluation unit for the of electromagnetic radiation emitted by the radiation device Compared radiation. If there is a rule deviation, then the performance of the control electronics (14, 15, 16) individual radiation sources. Only when, as in Figure 7 indicated, the target and the actual spectrum match is a controlled and safe UV curing process guaranteed.
  • Monitoring by means of the sensor (28) can either be continuous or only at certain intervals respectively. For this purpose, the sensor (28) is in the range of Light exit opening (34) of the irradiation device bring.
  • the senor on the spectrometer and the light through an optical fiber in the Coupling the sensor.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit insbesondere ultravioletter elektromagnetischer Strahlung, mit einem Gehäuse, das eine auf das zu bestrahlende Objekt ausgerichtete Austrittsöffnung für die elektromagnetische Strahlung aufweist sowie mindestens zwei in dem Gehäuse angeordneten langgestreckten Strahlungsquellen für die elektromagnetische Strahlung mit einem bei einer vorgeschriebenen Betriebstemperatur definierten Spektrum.
Um das Spektrum im laufenden Betrieb verändern zu können, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass wenigstens eine Strahlungsquelle ein von den übrigen Strahlungsquellen zumindest teilweise abweichendes Spektrum aufweist und dass die Leistung wenigstens einer Strahlungsquelle veränderlich ist.
Die erfindungsgemäße Bestrahlungsvorrichtung ist ohne Wartezeiten für verschiedene Anwendungen einsetzbar und ermöglicht einen wirksamen Ausgleich alterungs- oder herstellungsbedingter Änderungen und/oder Abweichungen des Spektrums.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit insbesondere ultravioletter elektromagnetischer Strahlung, mit einem Gehäuse, das eine auf das zu bestrahlende Objekt ausgerichtete Austrittsöffnung für die elektromagnetische Strahlung aufweist sowie mindestens zwei in dem Gehäuse angeordneten langgestreckten Strahlungsquellen für die elektromagnetische Strahlung mit einem bei einer vorgeschriebenen Betriebstemperatur definierten Spektrum.
Bestrahlungsvorrichtungen, insbesondere für Ultraviolett (Abk.: UV)-Licht kommen in der photochemischen Beeinflussung von Bestrahlungsobjekten zur Anwendung. Wichtige Anwendungen sind die Aushärtung von Druckfarben, Klebstoffen und Beschichtungen sowie die Sterilisation und die medizinische Bestrahlung. Abhängig von der Anwendung sind verschiedene Anteile aus dem UV-Spektrum von Bedeutung. Grundsätzlich lässt sich das UV-Spektrum in die Bereiche UV-C (100-280nm), UV-B (280-315nm), UV-A (315-380nm) und UV-VIS (380-450nm) unterteilen.
Als Strahlungsquellen in UV-Bestrahlungsvorrichtungen kommen vor allem Gasentladungslampen zum Einsatz, in denen durch das Verdampfen von metallischen Zusätzen ein Plasma erzeugt wird. Die Lampen bestehen dabei im wesentlichen aus einem röhrenförmigen Glaskörper, zwei Elektroden, zwei metallischen Folieneinschmelzungen sowie zwei Sockeln. In der UV-Bestrahlungstechnik haben sich drei Strahlungsquellen als Standard etabliert, die durch den Zusatz von Quecksilber (Hg) oder Eisen (Fe) oder Gallium (Ga) unterschiedliche Spektren aufweisen. Abhängig von dem Zusatz unterscheiden sich daher die Energieanteile im UV-A, -B,-C und -VIS Bereich der Strahlungsquellen.
Eine UV-Bestrahlungsvorrichtung kann somit immer nur das durch die verwendete Strahlungsquelle festgelegte Spektrum abstrahlen. Über eine Änderung der Leistungszufuhr kann nur die gesamt zugeführte Energiemenge erhöht oder reduziert werden, während die Verteilung der Energie über die Wellenlänge sich nur geringfügig ändert.
In der Praxis werden UV-Bestrahlungsvorrichtungen mit Quecksilber (Hg)-Strahlungsquellen hauptsächlich zur Härtung von Druckfarben eingesetzt. Die sehr energiereiche Strahlung um 254 nm wird gut in dünnen Farbschichten absorbiert und härtet daher effektiv den Farbauftrag. Zur Aushärtung von dickeren Schichten, wie beispielsweise Klebstoffschichten, benötigt man die UV-A Strahlung um 365 nm oder sogar den Anteil des sichtbaren Lichts, der mit Gallium (GA)-Strahlungsquellen erzeugt wird.
Um eine UV-Bestrahlungsvorrichtung für verschiedene Anwendungen einsetzen zu können, ist es nach dem Stand der Technik erforderlich, eine Abkühlzeit von einigen Minuten einzuhalten, um sodann die Strahlungsquelle auszuwechseln. Während dieser Zeit muss der Produktionsprozess angehalten werden.
Hinzu kommt, dass sich das Spektrum der Strahlungsquellen im Betrieb, insbesondere alterungsbedingt schon während der ersten 100 Betriebsstunden um bis zu 30% verändern kann. Die Veränderung des Spektrums äußert sich jedoch nicht als gleichmäßige Abnahme der Intensität über die Wellenlänge, sondern als vermehrte Abnahme einzelner Wellenlängenbereiche. Insbesondere bei Eisen als verdampfenden Zusatz ist diese ungleichmäßige Abnahme besonders deutlich zu beobachten, da das Eisen in die Wand des Glaskörpers eindringt und somit dem Verdampfungsprozess im Plasma entzogen wird. Außerdem werden während des Betriebs andere Elemente, beispielsweise Elektrodenmaterial, freigesetzt, die ebenfalls das Spektrum verändern können. Zur Kompensation des sich ändernden Spektrums wurde bisher die zugeführte Leistung angehoben, was jedoch aufgrund der ungleichmäßigen Änderungen keine zufriedenstellenden Ergebnisse mit sich bringt.
Auch produktionsbedingte Toleranzen im Spektrum der Strahlungsquellen lassen sich mit einer Leistungsänderung nicht wirksam ausgleichen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Bestrahlungsvorrichtung zu schaffen, deren Spektrum im laufenden Betrieb veränderlich ist. Insbesondere soll die Bestrahlungsvorrichtung ohne Wartezeiten für verschiedene Anwendungen einsetzbar sein und einen wirksamen Ausgleich alterungs- oder herstellungsbedingter Änderungen und/oder Abweichungen des Spektrums ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei einer Bestrahlungsvorrichtung der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, dass wenigstens eine Strahlungsquelle ein von den übrigen Strahlungsquellen zumindest teilweise abweichendes Spektrum aufweist und dass die Leistung wenigstens einer Strahlungsquelle veränderlich ist.
In dem wenigstens eine Strahlungsquelle ein von den übrigen Strahlungsquellen zumindest teilweise abweichendes Spektrum aufweist, wird ein Mischspektrum aus den sich überlagernden Spektren der einzelnen Strahlungsquellen geschaffen. Für Bestrahlungsanwendungen, die vorwiegend einen speziellen Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere der UV-Strahlung, benötigen, gleichzeitig aber auch geringe Anteile aus einem anderen Wellenlängenbereich erfordern, ist es zweckmäßig, dass beispielsweise zwei Strahlungsquellen ein übereinstimmendes Spektrum in dem speziellen Wellenlängenbereich aufweisen und eine weitere Strahlungsquelle das Spektrum aus dem anderen Wellenlängenbereich.
Die Einstellmöglichkeit für die Leistung wenigstens einer Strahlungsquelle bewirkt, dass sich das Spektrum der mit veränderter Leistung betriebenen Strahlungsquelle, wenn auch in recht geringem Umfang, ändert; gleichzeitig ändert sich in stärkerem Maße aber auch das von der Bestrahlungsvorrichtung abgestrahlte Mischspektrum, da sich die Intensität zumindest eines der sich überlagernden Spektren ändert.
Der Grund für die geringe Spektrumsänderung durch Verändern der der Strahlungsquelle zugeführten Leistung besteht darin, dass beim Betrieb mit geringerer Leistung, z.B. 40 % der maximalen Leistung, die verdampfenden metallische Zusätze, z.B. Eisen, in der Gasentladungslampe kondensieren. Da von den Zusätzen das abgestrahlte Spektrum maßgeblich beeinflusst wird, bewirkt die Kondensation von Zusätzen eine Spektrumsänderung.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind sämtliche Strahlungsquellen unabhängig voneinander mit unterschiedlicher Leistung betreibbar. Die Einstellung der jeder Strahlungsquelle zugeführten Leistung kann stufenlos oder schrittweise zwischen einer minimalen und einer maximalen Leistung erfolgen. Bei minimaler Leistung ist die Strahlungsquelle abgeschaltet, während die maximale Leistung der höchstzulässigen Leistung der Strahlungsquelle entspricht.
Aus der unabhängigen Leistungsstellung für jede Strahlungsquelle resultieren zahlreiche Kombinationsmöglichkeiten für den Betrieb der Bestrahlungsvorrichtung. So kann beispielsweise eine der Strahlungsquellen mit maximaler Leistung betrieben werden, während die übrigen Strahlungsquellen mit niedriger Leistung betrieben werden, um die Gewichtung der einzelnen Strahlungsquellen zu verändern.
Wenn die Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit ultravioletter elektromagnetischer Strahlung zum Einsatz kommen soll, ist es erforderlich dass die Spektren der Strahlungsquellen im Bereich der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung von 100 nm - 450 nm zumindest teilweise voneinander abweichen.
Jeder Strahlungsquelle kann eine separate Steuerelektronik zugeordnet sein, die entweder eine manuelle oder im Zusammenwirken mit einem Regelkreis eine automatisierte Steuerung der zugeführten Leistung erlaubt.
Eine automatisierte Steuerung setzt voraus, dass die Bestrahlungsvorrichtung einen Spektralapparat, insbesondere ein Spektrometer, zur Messung und Überwachung der von der Bestrahlungsvorrichtung abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung aufweist.
Um den Regelkreis zu schließen, ist darüber hinaus eine Auswerteeinheit erforderlich, die einen Eingang für das vom Spektralapparat gemessene Spektrum sowie einen Ausgang zur Veränderung der Leistung der einzelnen Strahlungsquellen aufweist. Die Auswerteinheit verändert die Leistung in Abhängigkeit eines Soll-Mischspektrums der von der Bestrahlungsvorrichtung abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung. Selbstverständlich liegt es im Rahmen der Erfindung, die Leistung der einzelnen Strahlungsquellen anhand der Spektrometermessung manuell nachzuführen.
Mit Hilfe des Regelkreises lässt sich darüber hinaus eine durch Alterung der Strahlungsquellen eintretende Änderung des von der Bestrahlungsvorrichtung abgestrahlten Spektrums automatisch ausgleichen.
Die von der Bestrahlungsvorrichtung abgestrahlte elektromagnetische Strahlung kann über einen im Bereich der Austrittsöffnung angeordneten Lichtwellenleiter aus der Bestrahlungsvorrichtung bis zum Messkopf des Spektrometers geführt werden.
Wenn jede Strahlungsquelle eine Gasentladungslampe ist, und mindestens eine Strahlungsquelle als im Betrieb verdampfenden Zusatz Quecksilber (HG), mindestens eine Strahlungsquelle als verdampfenden Zusatz Eisen (FE) und mindestens ein Strahlungsquelle als verdampfenden Zusatz Gallium (GA) enthält, lassen sich die drei hauptsächlich in der UV-Bestrahlungstechnik zum Einsatz gelangenden Spektren mit nur einer UV-Bestrahlungsvorrichtung erzeugen sowie sämtliche sich daraus ergebenden Mischspektren.
Soll die Abstrahlcharakteristik der Bestrahlungsvorrichtung bezogen auf das zu bestrahlende Objekt dem einer herkömmlichen Bestrahlungsvorrichtung mit nur einer Strahlungsquelle entsprechen, werden die röhrenförmigen Strahlungsquellen mit einem Durchmesser von 10 - 20 mm sehr nah beieinander angeordnet, ohne sich jedoch an ihren Mantelflächen zu berühren. Der Abstand zwischen den Mantelflächen liegt zwischen 2 - 5 mm. Die Bündelung der Strahlungsquellen erfolgt hierzu in einem gedachten Kreiszylinder, dessen Durchmesser dem Außendurchmesser der zu ersetzenden Strahlungsquelle der herkömmlichen Bestrahlungsvorrichtung entspricht. Die abgestrahlte Gesamtleistung der gebündelten Strahlungsquellen entspricht der abgestrahlten Leistung der zu ersetzenden Strahlungsquelle.
Die Bündelung der Strahlungsquellen vergrößert darüber hinaus die effektive Kühloberfläche der Strahlungsquellen gegenüber einer herkömmlichen Strahlungsquelle bei gleicher abgestrahlter Leistung, da die gesamte Manteloberfläche des Rohrbündels in dem gedachten Kreiszylinder größer als die Oberfläche eines einzelnen Rohres mit dem gleichen Außendurchmesser ist. Auch die Gefahr und das Ausmaß von unerwünschten Durchbiegungen reduziert sich bei den gebündelten Strahlungsquellen gegenüber einer herkömmlichen, wesentlich größeren Strahlungsquelle gleicher Abstrahlleistung. Insbesondere bei Strahlungsquellen, die länger als 1 m sind, macht sich die erfindungsgemäß mögliche Aufteilung der benötigten Gesamtleistung auf mehrere Strahlungsquellen vorteilhaft bemerkbar. Die Aufteilung der Gesamtleistung erlaubt insgesamt höhere Leistungen der Bestrahlungsvorrichtung, ohne dass die bei herkömmlichen Strahlungsquellen mit sehr großen Durchmessern verbundenen Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
Um das Auswechseln der Strahlungsquellen zu erleichtern, sind mehrere Strahlungsquellen in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung in einer gemeinsamen Halterung zusammengefasst. Die Strahlungsquellen einer Bestrahlungsvorrichtung können sämtlich in nur einer Halterung, jedoch auch gruppenweise in mehreren Halterungen zusammengefasst sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 a-d
vier Vorderansichten erfindungsgemäßer UV-Bestrahlungsvorrichtungen in schematischer Darstellung,
Fig. 2
eine Seitenansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen UV-Bestrahlungsvorrichtung,
Fig. 3
Anordnungsvarianten von Strahlungsquellen in einer erfindungsgemäßen UV-Bestrahlungsvorrichtung,
Fig. 4
Spektren von Gasentladungslampen für die UV-Bestrahlung,
Fig. 5 a-d
von erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtungen abgestrahlte Mischspektren,
Fig. 6
eine Veranschaulichung der Änderungsmöglichkeiten des Mischspektrums nach Figur 5 a sowie
Fig. 7
eine erfindungsgemäße UV-Bestrahlungsvorrichtung mit einer Leistungsregelung für jede Strahlungsquelle in schematischer Darstellung.
Figuren 1a - 1d zeigen röhrenförmige, langgestreckte Strahlungsquellen (1), die innerhalb eines Gehäuses (2) zwischen einem Reflektor (3) und einem zu bestrahlenden Objekt (4) angeordnet sind. Die Strahlungsquellen (1) sind in einem durch eine gestrichelte Linie angedeuteten gedachten Kreiszylinder (5) gebündelt angeordnet, ohne sich jedoch an ihren Mantelflächen zu berühren. Der Strahlengang (6) von den Strahlenquellen (1) auf das Objekt (4) ist schematisch dargestellt. Das Objekt (4) wird mit der eingezeichneten Bewegungsrichtung (7) unter der UV-Bestrahlungsvorrichtung hindurchgeführt.
Die Unterschiede zwischen den Bestrahlungsvorrichtungen nach den Figuren 1a - 1d bestehen in der Anzahl und Anordnung der Strahlungsquellen (1) innerhalb des Kreiszylinders (5). Durch die Anordnung kann die Wirkung einzelner Strahlungsquellen hervorgehoben werden.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße UV-Bestrahlungsvorrichtung nach Figur 1b) in schematischer Seitenansicht. In der Seitenansicht ist erkennbar, dass die Strahlungsquellen (1) an den Enden (8) in gemeinsamen Halterungen (9) zusammengefasst sind, die ein gleichzeitiges und damit zeitsparendes Auswechseln der Strahlungsquellen (1) ermöglichen. An Kontakten der gemeinsamen Halterungen (9) setzen Leitungen (11, 12, 13) an, die jede Strahlungsquelle (1) mit einer separaten Steuerelektronik (14, 15, 16) verbinden. Die Steuerelektroniken (14, 15, 16) erlauben es, die jeder Strahlungsquelle (1) zugeführte elektrische Leistung zwischen einem Minimal- und einem Maximalwert unabhängig voneinander zu verändern.
Figur 3 zeigt das weitere erfindungswesentliche Merkmal, dass wenigstens eine Strahlungsquelle (1) ein von den übrigen Strahlungsquellen (1) zumindest teilweise abweichendes Spektrum aufweist. Die Anordnungen (17, 18, 19) betreffen den Grundfall, dass wenigstens eine Strahlungsquelle ein abweichendes Spektrum aufweist, während die Anordnungen (21, 22, 23) Fälle betreffen, in denen wenigstens 2 Strahlungsquellen ein von den übrigen Strahlungsquellen zumindest teilweise abweichendes Spektrum aufweisen.
Die in Figur 3 dargestellten Strahlungsquellen (1) sind Gasentladungslampen mit unterschiedlichen im Betrieb verdampfenden Zusätzen, nämlich Quecksilber (Hg), Eisen (Fe) oder Gallium (Ga). Bei diesen Zusätzen handelt es sich um in der UV-Bestrahlungstechnik standardisierte Zusätze. Figur 4 zeigt die Spektren von Strahlungsquellen mit den genannten Standardzusätzen bei der vorgeschriebenen Betriebstemperatur. Durch Zu- und Abschalten einzelner Strahlungsquellen kann im laufenden Betrieb der UV-Bestrahlungsvorrichtung zwischen den Spektren nach Figur 4 gewechselt werden. Werden indes einzelne oder mehrere Strahlungsquellen mit einer elektrischen Leistung zwischen dem Minimal- und Maximalwert betrieben, lässt sich eine Vielzahl überlagerter Spektren erzeugen, sogenannte Mischspektren, wie sie in den Figuren 5 und 6 dargestellt sind. Die größtmöglichen Veränderungen des Spektrums ergeben sich bei denjenigen Anordnungen, bei denen sämtliche Strahlungsquellen unterschiedliche Zusätze aufweisen, insbesondere bei der Anordnung (22, 23).
In jedem Diagramm nach Figur 5 ist auf der X-Achse die Wellenlänge in Nanometer aufgetragen, während auf der Y-Achse die relative Intensität der elektromagnetischen Strahlung aufgetragen ist. Die jeweils oberhalb des Diagramms wiedergegebenen Abkürzungen bezeichnen die verdampfenden Zusätze in den Strahlungsquellen. Sämtliche Diagramme zeigen das bei vorgeschriebener Betriebstemperatur und Höchstleistung von der Bestrahlungsvorrichtung abgestrahlte Mischspektrum.
Für eine universell einsetzbare UV-Bestrahlungsvorrichtung kann eine Kombination der Strahlungsquellen, wie in Figur 5a dargestellt, zum Einsatz kommen. Das dargestellte Mischspektrum enthält alle Anteile, die in der UV-Bestrahlungstechnologie erforderlich sind.
Figur 5b zeigt ein Mischspektrum mit einer Betonung der Intensität im Wellenlängenbereich um 360 Nanometer. Eine Kombination der Strahlungsquellen, wie sie für ein Spektrum nach Figur 5b erforderlich ist, wird insbesondere bei der Aushärtung von Klebstoffen eingesetzt. Durch ein Abschalten der Leistungszufuhr einer der Fe-Strahlungsquellen kann das Mischspektrum im laufenden Betrieb in das in Figur 5a dargestellte Mischspektrum überführt werden.
Figur 5c zeigt ein Mischspektrum, das insbesondere zur Beschichtung von Holzflächen mit Lacken geeignet ist.
Figur 5d zeigt ein Mischspektrum zur Aushärtung von Druckfarben.
Figur 6 zeigt die Aufteilung des Mischspektrum nach Figur 5 a) in die Einzel-Spektren von Strahlungsquellen gemäß der Anordnung (23) nach Figur 3 jeweils bei Betriebstemperatur und Höchstleistung. Mit Positionsziffer (24) ist der Verstellbereich der Ga-Strahlungsquelle, mit Position (25) der Verstellbereich der Fe-Strahlungsquelle und mit Position (26) der Verstellbereich der Hg-Strahlungsquelle bezeichnet. In jedem Wellenlängenbereich lässt sich durch Steuerung der Leistung der jeweiligen Strahlungsquelle die Intensität innerhalb des mit (24, 25) und (26) gekennzeichneten Verstellbereichs verändern.
Figur 7 zeigt schematisch eine Regelanordnung für das abgestrahlte Mischspektrum. Zu diesem Zweck besitzt die UV-Bestrahlungsvorrichtung zusätzlich einen Sensor (28), der die elektromagnetische Strahlung erfasst, ein Spektrometer (29) zur Messung des Spektrums der abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung sowie eine Auswerteeinheit (31) mit einem Eingang für das von dem Spektrometer (29) gemessene Spektrum sowie einem Ausgang, der mit den Steuerelektroniken (14, 15, 16) zur Leistungsstellung der Strahlungsquellen (1) verbunden ist.
Das von der UV-Bestrahlungsvorrichtung abgestrahlte Licht wird von dem Sensor (28) erfasst und in das Spektrometer (29) geführt und dort gemessen. In der Auswerteeinheit (31) wird das gemessene Spektrum mit einem vom Anwender geforderten und in die Auswerteeinheit eingegebenen Sollspektrum für die von der Bestrahlungsvorrichtung abgestrahlte elektromagnetische Strahlung verglichen. Liegt eine Regelabweichung vor, wird über die Steuerelektroniken (14, 15, 16) die Leistung der einzelnen Strahlungsquellen nachgeführt. Erst wenn, wie in Figur 7 angedeutet, das Soll- und das Istspektrum übereinstimmen ist ein kontrollierter und sicherer UV-Härtungsprozess gewährleistet. Die Überwachung mittels des Sensors (28) kann entweder fortlaufend oder nur in bestimmten Intervallen erfolgen. Hierzu ist der Sensor (28) in den Bereich der Lichtaustrittsöffnung (34) der Bestrahlungsvorrichtung zu bringen.
Alternativ ist es möglich, den Sensor an dem Spektrometer anzuordnen und das Licht über einen Lichtwellenleiter in den Sensor einzukoppeln.
Bezugszeichenliste
Nr. Bezeichnung Nr. Bezeichnung
1. Strahlungsquelle 18. Anordnung Strahlenquelle
2. Gehäuse 19. Anordnung Strahlenquelle
3. Reflektor 20. -
4. Objekt 21. Anordnung Strahlenquelle
5. Kreiszylinder 22. Anordnung Strahlenquelle
6. Strahlengang 23. Anordnung Strahlenquelle
7. Bewegungsrichtung 24. Regelbereich Ga
8. Enden 25. Regelbereich Fe
9. Halterung 26. Regelbereich Hg
10. - 27. -
11. Leitungen 28. Sensor
12. Leitungen 29. Spektrometer
13. Leitungen 30. -
14. Steuerelektronik 31. Auswerteeinheit
15. Steuerelektronik 32. -
16. Steuerelektronik 33. -
17. Anordnung Strahlenquelle 34. Lichtaustrittsöffnung

Claims (13)

  1. Bestrahlungsvorrichtung zur Bestrahlung von Objekten mit insbesondere ultravioletter elektromagnetischer Strahlung, mit einem Gehäuse, das eine auf das zu bestrahlende Objekt ausgerichtete Austrittsöffnung für die elektromagnetische Strahlung aufweist sowie mindestens zwei in dem Gehäuse angeordneten langgestreckten Strahlungsquellen für die elektromagnetische Strahlung mit einem bei einer vorgeschriebenen Betriebstemperatur definierten Spektrum, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Strahlungsquelle (1) ein von den übrigen Strahlungsquellen (1) zumindest teilweise abweichendes Spektrum aufweist und dass die Leistung wenigstens einer Strahlungsquelle (1) veränderlich ist.
  2. Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum im Bereich der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung von 100nm - 450 nm abweicht.
  3. Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche Strahlungsquellen (1) ein von den übrigen Strahlungsquellen zumindest teilweise abweichendes Spektrum aufweisen.
  4. Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (1) unabhängig voneinander mit unterschiedlicher Leistung betreibbar sind
  5. Bestrahlungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Strahlungsquelle (1) eine Steuerelektronik (14, 15, 16) zugeordnet ist.
  6. Bestrahlungsvorrichtung einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Spektralapparat (29) zur Messung des Spektrums der von der Bestrahlungsvorrichtung (27) abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung aufweist.
  7. Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (31) mit einem Eingang für das vom Spektralapparat (29) gemessene Spektrum sowie einem Ausgang zur Veränderung der Leistung der einzelnen Strahlungsquellen (1) in Abhängigkeit eines Soll-Spektrums für die von der Bestrahlungsvorrichtung abgestrahlte elektromagnetische Strahlung.
  8. Bestrahlungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Strahlungsquelle eine Gasentladungslampe ist, die einen im Betrieb verdampfenden Zusatz (Hg, Fe, Ga) enthält.
  9. Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz Quecksilber (Hg) oder Eisen (Fe) oder Gallium (Ga) ist.
  10. Bestrahlungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen sämtlicher Strahlungsquellen (1) parallel verlaufen.
  11. Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen sämtlichen Längsachsen übereinstimmt.
  12. Bestrahlungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (1) gebündelt (5)angeordnet sind, ohne sich jedoch an ihren Mantelflächen zu berühren.
  13. Bestrahlungsvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Strahlungsquellen (1) in einer gemeinsamen Halterung (9) zusammengefasst sind.
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