BRPI0914786B1

BRPI0914786B1 - Módulo para gerar radiação de ultravioleta para a irradiação de um substrato e método para a produção de um módulo

Info

Publication number: BRPI0914786B1
Application number: BRPI0914786-1A
Authority: BR
Inventors: Sven Linow; Ralf Pretsch; Thomas Arnold
Original assignee: Heraeus Noblelight Gmbh
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2009-06-15
Publication date: 2019-07-02
Also published as: DE102008028233A1; US20110163651A1; US8330341B2; CN102084454B; JP2011524616A; CA2727170A1; WO2010003511A2; WO2010003511A3; KR20110030455A; MX2010014141A; CN102084454A; EP2289091A2; BRPI0914786A2; CA2727170C

Abstract

patente de invenção: "módulo compacto para irradiação de ultravioleta". a presente invenção refere-se a um dispositivo para a irradiação de pelo menos um substrato, compreendendo uma unidade de irradiação para irradiar o substrato com luz ultravioleta, em que a unidade de irradiação é uma lâmpada de descarga com um refletor integrado e um método para a produção de um módulo de irradiação para irradiar um substrato usando luz ultravioleta.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para MÓDULO PARA GERAR RADIAÇÃO DE ULTRAVIOLETA PARA A IRRADIAÇÃO DE UM SUBSTRATO E MÉTODO PARA A PRODUÇÃO DE UM MÓDULO.

[001] A presente invenção refere-se a um módulo para gerar luz ultravioleta para irradiar um substrato.

[002] Lâmpadas de descarga para gerar radiação, em particular para a geração alvo de radiação de ultravioleta, já são conhecidas da técnica anterior. A dopagem do enchimento de gás, a fim de obter um efeito alvo sobre a forma do espectro de emissão e, assim, aperfeiçoar a lâmpada para aplicações diferentes, também é descrita em várias publicações. Essas lâmpadas podem ser construídas com emissores de baixa pressão, emissores de média pressão ou emissores de alta pressão e através da pressão sob a qual a descarga ocorre durante a operação, o espectro e a força são influenciados com relação ao volume da descarga.

[003] Contudo, mesmo com lâmpadas de descarga dopadas otimamente, operando na faixa ótima de pressão, apenas uma porção da radiação emitida é usada para o processo desejado, uma vez que os espectros de lâmpadas de descarga também contêm sempre componentes na faixa visível ou de infravermelho e porque uma porção da energia aquece o tubo de envelope e esse tubo irradia no infravermelho distante. As porções do espectro da radiação emitida que são prejudiciais ou indesejadas para o processo, frequentemente, são removidas do espectro da radiação global por um filtro. Essas lâmpadas de descarga ou as descargas usadas como fontes de radiação irradiam em todas as direções espaciais, de modo que, pelo menos na direção radial, apenas uma dependência desprezível da intensidade emitida sobre o ângulo entre a lâmpada e o substrato existe.

[004] A fim de obter o uso mais eficiente possível da radiação

Petição 870180146296, de 30/10/2018, pág. 4/19

2/9 emitida, entre outras coisas, a radiação emitida uniformemente em todas as direções da lâmpada é defletida por refletores, por exemplo, em um substrato. Aqui, refletores especulares, espectralmente de banda larga, não proporcionam boa eficiência (isto é, alta refletividade) para ultravioleta, porque metais exibem uma alta absorção e as cerâmicas são ainda transparentes ou semelhantes exibem uma alta absorção. A reflexão especular é compreendida ser reflexão sobre uma superfície essencialmente lisa, pelo que a informação angular da radiação é preservada.

[005] Uma vez que outras faces de limite de material simples que não na visível (Ag, Al) ou infravermelha (quase todos os metais) não estão disponíveis como refletores eficientes, refletores dielétricos são usados feitos de materiais transmissivos tendo sequências de camadas de índices variáveis de refração. Esses refletores têm apenas uma largura de banda limitada dentro da qual eles realmente refletem. Portanto, eles também podem ser usados como um filtro. A produção desses refletores é onerosa porque uma pluralidade de camadas diferentes deve ser depositada em um transportador polido de alta qualidade.

[006] Como a área refletiva de um refletor dielétrico depende do ângulo sob o qual a luz é incidente no refletor, esses refletores devem ser projetados para situação geométrica sob a qual são operados. A fim de obter uma refletividade razoavelmente homogênea através da superfície que está sendo usada, essa deve ser disposta em um ângulo constante em relação à fonte de radiação. O refletor deve ser montado a uma distância não muito pequena da fonte de luz, porque a radiação emitida da lâmpada não é de uma origem puntiforme, mas, na verdade, se origina de toda a área de superfície da descarga e, assim, é incidente em diferentes ângulos no refletor, mas, para uma alta eficiência, grandes variações em ângulos, em que a radiação é incidente

Petição 870180146296, de 30/10/2018, pág. 5/19

3/9 no refletor, não são permissíveis.

[007] A operação contínua desses refletores é onerosa, porque esses usualmente devem ser resfriados - eles são otimizados para alta refletividade na ultravioleta ou VIS e, portanto, absorvem fortemente fora de suas faixas espectrais, refletivas. Instalações compactas, portanto, são, tipicamente, resfriadas a água, o que está associado com altos custos e com construções onerosas.

[008] Módulos para radiação de ultravioleta ou VIS, isto é, alojamentos em que fontes de radiação, refletores e obturadores, opcionalmente, são alojadas, sempre consistem em uma pluralidade de componentes e, tipicamente, requerem água para resfriar o refletor e o obturador. Apenas unidades de potência muito baixa podem ter uma construção resfriada a ar. Esse módulo é descrito, por exemplo, em WO 2005/105448 como técnica anterior. DE 20 2004 006 274 U1 dá um exemplo para as dificuldades de como uma luz intermitente pode ser extrema, compacta e facilmente construída. Com essa finalidade, um refletor externo deve ser selecionado. A potência da lâmpada é apenas muito baixa, de modo que o uso de resfriamento por ar dimensionado muito grande impede um superaquecimento do radiador e do refletor. Daí segue-se que o sistema tem dimensões desproporcionalmente grandes, em comparação com as dimensões da fonte de luz real e, assim, consiste em uma pluralidade de partes únicas.

[009] Decisiva para uma vida longa em serviço e, assim, alta utilidade para o usuário de radiadores de ultravioleta é, além disso, a temperatura do pinçamento do tubo da lâmpada. A temperatura do pinçamento não deve exceder a 300° C, mas o tubo da lâmpada pode exibir temperaturas significativamente maiores, de modo que medições adicionais são necessárias para o resfriamento separado das regiões pinçadas para lâmpadas de maiores densidades de potência.

[0010] DE 33 05 173 mostra como é possível desenhar dispositiPetição 870180146296, de 30/10/2018, pág. 6/19

4/9 vos puramente resfriados a ar pelo uso de complexos canais de fluxo e o uso de lâmpadas tendo baixas densidades de potência. A densidade de potência é definida como a potência/ duração da descarga. Os módulos mencionados acima são todos complexos e onerosos em sua configuração ou podem emitir apenas volume de dispositivo/ baixa potência.

[0011] Um objetivo da invenção, portanto, é proporcionar um módulo simples e compacto para gerar radiação de ultravioleta ou VIS por uma lâmpada de descarga. Aqui, uma pluralidade de componentes deve ser eliminada, de modo que o tamanho estrutural e a despesa para produção e montagem, manutenção, etc. são significativamente reduzidos.

[0012] Esse objetivo é alcançado exatamente com as características da invenção.

[0013] Modalidades vantajosas devem ser tiradas das reivindicações dependentes.

[0014] O módulo de acordo com a invenção para gerar radiação de ultravioleta para a irradiação de um substrato, compreendendo um dispositivo de irradiação, em que o dispositivo de irradiação tem uma lâmpada de descarga com um refletor integrado feito de vidro de quartzo, desde que o refletor seja parte da lâmpada de descarga.

[0015] Assim, o refletor está localizado como parte de uma lâmpada de descarga, que tem o resultado de que a radiação da própria lâmpada pode ser emitida de maneira direta. Aqui, a posição e a orientação do refletor podem ser adaptadas de modo que a radiação é emitida essencialmente apenas nas direções desejadas.

[0016] Esse dispositivo, tendo um refletor integrado através de 180° da periferia do tubo da lâmpada, mostra que, para lâmpadas alongadas, no lado da frente da lâmpada de descarga, quase duas vezes a quantidade de radiação é emitida. No lado traseiro, menos de

Petição 870180146296, de 30/10/2018, pág. 7/19

5/9

25% da radiação comparada com um radiador não revestido ou uma lâmpada de descarga não revestida, são obtidos. Aqui, a potência de radiação integrada através de toda a faixa espectral é considerada. [0017] Essa disposição de um refletor como parte da lâmpada de descarga tem o efeito de que o refletor traseiro, que, normalmente, é disposto nesses dispositivos para irradiação, pode ser eliminado ou uma simplificação do resfriamento de água normalmente disposto pode ser realizada. Desse modo, o resfriamento é realizado, de preferência, por convecção de maneira mais simples e tem o resultado de que, finalmente, também o espaço de instalação é reduzido e uma redução para um módulo mínimo e compacto é realizado. Se outro refletor externo for anexado, então, poder de radiação significativamente menor poderia ocorrer, igualmente.

[0018] Em uma modalidade vantajosa, a invenção proporciona que o refletor compreende um revestimento feito de vidro de quartzo opaco. Esse revestimento permite a integração de um refletor de banda larga de ultravioleta-C a FIR, mesmo na faixa de comprimento de onda de 200 nm a 3000 nm e, efetivamente, permite que toda a radiação emitida da descarga através do tubo de irradiação saia de maneira dirigida.

[0019] De modo vantajoso, o revestimento compreende vidro de quartzo sintético, que obtém uma reflexão de ultravioleta especialmente efetiva devido a sua reduzida absorção de ultravioleta.

[0020] Para sistemas de geração de ultravioleta, também é concebível usar um vidro de quartzo resistente à solarização para o tubo irradiador e também para o refletor opaco.

[0021] Com espessura de camada suficiente, esse revestimento feito de vidro de quartzo opaco reflete quase toda a radiação na ultravioleta e VIS e também no IR. Contudo, porque o refletor feito desse material se torna quente durante operação da lâmpada e ele próprio emite

Petição 870180146296, de 30/10/2018, pág. 8/19

6/9 radiação térmica acima de, aproximadamente, 3000 nm e especialmente forte acima de aproximadamente 4500 nm, a saída de radiação na parte traseira é quase puramente infravermelha e começa em aproximadamente 2500 nm. Surpreendentemente, o refletor opaco, assim, atua, adicionalmente, como um filtro útil.

[0022] Em uma modalidade preferida, a invenção proporciona que emissores de mercúrio de média pressão sejam usados como lâmpadas e emissores de mercúrio de média pressão sejam usados em uma modalidade de arco curto. Contudo, é possível aplicar a invenção igualmente bem em emissores de baixa pressão ou em emissores de alta pressão, bem como para lâmpadas de ultravioleta de uso geral. [0023] A invenção será explicada em detalhes abaixo por meio de modalidades preferidas e com referência às figuras anexas.

[0024] Mostrados em diagramas esquemáticos estão:

[0025] A figura 1 é um módulo compacto sem filtro;

[0026] A figura 2 é uma lâmpada de descarga com um filtro adicional;

[0027] A figura 3 é um radiador para acoplamento direto em um guia de onda óptico.

[0028] A figura 1 mostra, em corte longitudinal, um módulo de acordo com a invenção tendo resfriamento convectivo passivo do corpo da lâmpada. No interior do módulo, a lâmpada de ultravioleta 10 é disposta com suas regiões pinçadas 11 e as alimentações de corrente

12. No corpo da lâmpada, um refletor 13 feito de quartzo opaco é depositado diretamente. A lâmpada é montada em um alojamento 14, que é resfriado puramente por fluxo de ar convectivo. Aqui, o alojamento 14 é dividido em regiões diferentes, A região mediana 16 é construída como um eixo, que é coberto na figura com uma placa 15 para limitar a radiação de ultravioleta de dispersão, com aberturas de escoamento para a subida de ar quente sendo estampadas nessa plaPetição 870180146296, de 30/10/2018, pág. 9/19

7/9 ca. As aberturas 15 para desvio do ar quente são mostradas como uma possibilidade especialmente simples. No escopo de atividade usual da invenção, soluções técnicas para desvio do ar podem ser encontradas que permitem um sombreamento melhor da radiação de ultravioleta (prejudicial) e permitem boa convecção simultaneamente. [0029] A invenção, portanto, não está limitada à variante simples com uma placa 15, mas, na verdade, também construções mais complexas do eixo 16 e da cobertura 15 da radiação de dispersão, tal como, coberturas planas ou dobradas, são incluídas aqui no escopo de atividade usual da invenção. Aqui, a geometria resulta da exigência de obtenção de fluxo convectivo mais contínuo e mais rápido possível, o que é obtido, em articular, para parada da descarga de radiação por dispersão em eixos altos, onde isso é estruturalmente requerido e mantendo, simultaneamente o tamanho estrutural tão pequeno quanto possível. As divisões 17 servem para vedar regiões pinçadas e fornecimento de corrente bem como o suporte mecânico, não mostrado, do radiador, elas podem ser ativamente resfriadas de modo separado.

[0030] Na figura 2, o corte transversal através de um módulo de acordo com a invenção é mostrado com resfriamento convectivo ativo do corpo da lâmpada. No tubo da lâmpada 21 um refletor feito de quartzo opaco 22 é aplicado, o qual circunda mais de 180°, a fim de deixar tão pouca radiação quanto possível bater no alojamento de módulo 24. [0031] Um ventilador 23 é disposto que serve para resfriamento ativo. Um ventilador axial é mostrado, o qual pode ser usado para produzir pressão negativa e também positiva. É concebível que ventiladores ou compressores radiais com ar comprimido ou semelhante - assim, dispositivos que geram, ativamente, um fluxo de ar, são usados como soluções alternativas.

[0032] Esses ventiladores podem agora fornecer ar frio, que é guiado além do tubo de radiador 21 através do eixo 24 contra uma janela

Petição 870180146296, de 30/10/2018, pág. 10/19

8/9 e é descarregado do módulo mais uma vez das aberturas de descarga 27 ou o ventilador aspira ar através das aberturas 27.

[0033] Uma camada funcional 26, que, como uma camada de reflexão adicional permite a transmissão apenas de certas porções da radiação, é aplicada, adicionalmente, à janela 25. A camada funcional poderia, porém, também ser deixada de fora. A janela 25, de preferência, é feita de um material de transmissão de ultravioleta, tal como vidro de quartzo; o refletor também pode ser construído de diversas camadas dielétricas ou metálicas.

[0034] A construção mostrada tornará claro o princípio da invenção. Contudo, outras disposições de canais e ventiladores também são úteis e incluídas.

[0035] Além disso, um obturador, que ocultará rapidamente a radiação, pode ser montado em frente da janela. Em princípio, o disco também poderia ser substituído por um corpo oco feito de vidro transparente - ultravioleta que transporta um fluxo de água e serve como um filtro de IR e, ao mesmo tempo, tem uma superfície muito fria. [0036] A figura 3 mostra um outro dispositivo de acordo com a invenção, em que a radiação de ultravioleta de uma lâmpada de descarga é acoplada diretamente em uma fibra óptica. O corpo de lâmpada 41 feito de vidro de quartzo é quase completamente encerrado com um revestimento refletivo feito de vidro de quartzo opaco 42. As regiões pinçadas 43 fecham o bulbo de vidro 41, folhas de molibdênio 45 são vedadas herméticas a gás nas regiões pinçadas 43, com pinos condutores externos 46 para fornecimento da corrente elétrica e eletrodos internos 44 sendo soldados a essas folhas.

[0037] O bulbo é dotado de um elemento de afunilamento 47 feito de vidro de quartzo, em que uma grande parte da radiação do bulbo da lâmpada é descarregada e da qual a radiação não pode escapar devido à reflexão total na superfície. Esse elemento é conectado à fiPetição 870180146296, de 30/10/2018, pág. 11/19

9/9 bra óptica real por um elemento de acoplamento adequado, que, porém, não é mostrado na figura.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Módulo para gerar radiação de ultravioleta para a irradiação de um substrato, caracterizado pelo fato de que compreende:

um alojamento (14);

um dispositivo de irradiação disposto dentro do alojamento (14) e tendo uma lâmpada (10) de descarga com um refletor (13) integrado feito de vidro de quartzo, em que o refletor (13) é disposto em uma superfície externa da lâmpada (10) de descarga; e um sistema de refrigeração configurado para promover um fluxo de ar convectivo através de pelo menos uma porção do alojamento (14).
2. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o refletor (13) compreende um revestimento feito de vidro de quartzo opaco.
3. Módulo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o revestimento compreende vidro de quartzo sintético.
4. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o refletor (13) é um refletor de banda larga.
5. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a lâmpada (10) de descarga é uma lâmpada de ultravioleta (10).
6. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a lâmpada (10) de descarga é um emissor de mercúrio de média pressão.
7. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a lâmpada (10) de descarga é um emissor de baixa pressão.
8. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a lâmpada (10) de descarga é um emissor de alta pressão.

Petição 870180146296, de 30/10/2018, pág. 13/19

2/2
9. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de refrigeração compreende uma placa disposta em um lado superior do alojamento (14), a placa incluindo uma pluralidade de aberturas de descarga (27).
10. Módulo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de refrigeração compreende um ventilador (23) e uma ou mais aberturas (27) no alojamento (14).
11. Módulo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o ventilador (23) é configurado para fornecer ar frio que é descarregado através das uma ou mais aberturas (27) no alojamento (14).
12. Módulo, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que o ventilador (23) é configurado para puxar ar para o alojamento (14) através das uma ou mais aberturas (27).
13. Método para a produção de um módulo, como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um refletor (13) é aplicado como um revestimento em uma lâmpada (10) de descarga do módulo de irradiação.