CN102792464A - 用于紧凑的uv固化灯组件的uv led基灯 - Google Patents

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Abstract

用于紧凑的UV固化灯组件的UV LED基灯。公开了一种用于UV固化灯组件的紫外(UV)LED基灯。UV发光LED阵列被封装在一起并沿柱面透镜长度设置以形成UV LED基光部件组件。UV LED基光部件组件可做成模块。UV LED灯组件可包括设置在工件管周围的多个UV LED基光部件组件。工件管可由惰性气体填充并可由石英或玻璃制成。一个或多个弯曲的后背反射器可放置在LED UV LED基光部件组件的对面以收集逃离工件管的UV光并将该光再次聚焦到工件的另一侧。UV LED可设置在单个表面上或多级别递升平台上。

Description

用于紧凑的UV固化灯组件的UV LED基灯
相关申请的交叉参考
本申请要求2009年12月23日提交的U.S.临时专利申请No.61/289,518的权益，其整体公开的内容通过参考并入这里。
技术领域
本发明一般涉及紫外(UV)固化灯组件，并更具体的涉及用于UV固化灯组件的发光二极管(LED)基灯。
背景技术
辐射能量用在多种制造工艺中用于处理表面、薄膜和施加到广泛范围材料的涂层。具体工艺包括但不局限于：固化(例如固定、聚合)、氧化、提纯以及消毒。应用辐射能量以便聚合或实现希望的化学变化的的工艺是快速的并且相比于热处理而言经常是便宜的。还可以局部化辐射以控制表面处理并允许仅在辐射施加的地方优先固化。固化还可在界面区域的涂层或薄膜内或在涂层或薄膜的整体内被局部化。固化工艺的控制通过选择辐射源类型、物理特性(例如光谱特性)、辐射的空间和时间的变化以及固化化学组成(例如涂层成分)而实现。
多种辐射源用于固化、固定、聚合、氧化、提纯或消毒应用。这些源的实例包括但不局限于光子、电子或离子束源。典型的光子源包括但不局限于弧灯、白炽灯、无电极灯和多种电子和固态源(即激光器)。传统的弧型UV灯系统和微波驱动UV灯系统使用由熔融的石英玻璃或熔融的硅石制成的管状灯泡外壳。
图1是示出现有技术中辐射体和遮光组件的微波驱动UV固化灯组件的透视图。图2是图1灯组件的部分截面图，示出半椭圆初级反射器和圆形截面光源。图3是图1的遮光组件的部分截面内部视图，示出与第二反射器和末端反射器匹配的半椭圆初级反射器和圆形截面光源。
现在参考图1-3，装置10包括辐射体12和遮光组件14。辐射体12包括初级反射器16，通常具有平滑的半椭圆形状，其具有用于接收微波辐射以激发光源20的开口18(下文讨论)，以及用于接收空气流以冷却光源20的多个开口22。光源20包括灯(例如模块灯，诸如具有无电极或玻璃对金属密封的微波驱动灯泡(例如通常具有圆形截面的管状灯泡))的微波驱动灯。光源20被放置在通过初级反射器16形成的半椭圆的内部焦点上。光源20和初级反射器16沿移出页面方向(未示出)的轴线线性延伸。一对未端反射器24(示出一个)在初级反射器16的对面侧终止以形成基本半椭圆的反射圆柱体。图1-3的遮光组件14包括具有基本平滑的椭圆形状的第二反射器25。第二对末端反射器26(示出一个)在第二反射器25的对面侧终止以形成基本半椭圆的反射圆柱体。
在末端反射器26中的圆形开口28中接收圆形截面的工件管30。开口28的中心和工件管30的轴典型地位于由初级反射器16形成的半椭圆的外部焦点(即由第二反射器25形成的半椭圆的焦点)。工件管28和第二反射器25沿移出页面方向的轴线性延伸(未示出)。
在操作中，光源20中的气体通过射频(RF)辐射源，例如位于辐射体12中的磁电管(未示出)激发为等离子态。光源20中的激发气体的原子返回到低能级态，由此发射紫外光(UV)。紫外光射线38从光源20沿所有方向辐射，撞击初级反射器16、第二反射器25以及末端反射器24，26的内表面。多数紫外光射线38朝工件管30的中心轴反射。优化光源20和反射器设计以在放置在工件管30内的加工产品的表面(也线性传播出页面外)产生最大峰值光强(灯辐射)。
用作光源的微波驱动、UV发射无电极灯具有几个缺点。微波驱动、UV发射无电极灯体积大、有噪音且由于多种消耗零件而需要大的制造和分配基础设施，因为无电极灯的使用寿命相对短。对现代光学装置而言，无电极灯的聚焦光束宽度最好约1厘米(可与灯泡尺寸相比)，其导致大量没有撞击到加工产品的浪费的光能。另外，大量能量还作为等离子体基灯系统(有电极的或无电极的灯)中的热损耗掉。由于灯经常包括少量的水银，所以它们引起环境处理危害。在现有的操作中，使用个人保护设备和冗长处理工艺缓解在组装和处理这些灯时对人员有害的运行条件。
从而，所需要的但仍未提供的是提供高峰值UV固化辐射的环境友好的、高效的固态光源。
发明内容
上述问题被处理并在本领域通过提供用于UV固化灯组件的紫外(UV)LED基灯而获得技术解决方案。UV发射LED阵列被封装在一起并沿至少一个光学部件的长度被设置，该光学部件(例如折射光学装置、反射光学装置、自适应光学装置或超材料(metamaterial))被配置用于聚焦UV辐射以形成UVLED基光学部件组件。UV LED基光学部件组件可做成模块。标准长度封装可以被端对端安排，以增加UV LED基光学部件组件的整体辐射。
UV LED灯组件可包括多个UV LED基光学部件组件设置在工件管周围，工件可移动的插入到工件管中。工件管可填充惰性气体并可由石英或UV透明材料形成。相对于LED组件，一个或多个弯曲的后背反射器可放置在工件管的另一侧，LED组件的对面。弯曲的后背反射器被配置成收集逃离工件管的UV光并将该光再次聚焦到工件的另一侧。后背反射器的曲率决定了反射器和工件管之间的工作距离。
UV LED可提供在单个表面上线性配置的或在多种级别的多表面上设置的预封装的或裸管芯形式中。对于多级别递升平台的情况，低平台和至少一个高平台之间的侧壁是有角度的或从至少一个高平台到低平台向内弯曲，由此至少一个高平台至少部分覆盖低平台。这样，与当高平台基本垂直于低平台的情况相比，管芯被设置的彼此更接近。作为LED管芯彼此更接近的结果，来自多个LED管芯的组合辐射图案被证明比传统线性设置具有每单位面积约1.5的功率增加。
在操作中，UV LED管芯发射特定波长的UV辐射，其聚焦到静止的或以预定的速度移动的工件，例如光纤上。光学部件(例如柱面透镜)将光聚焦到所需的辐射图案上，其基本与工件的几何形状匹配。
附图说明
从下面呈现的举例性实施例的详细描述结合附图考虑会更容易理解本发明并且其中相同的参考数字指代相同的元件且其中：
图1是示出现有技术中的辐射体和遮光组件的UV固化灯组件的透视图；
图2是图1的灯组件的部分截面图，示出半椭圆初级反射器和圆形截面的光源；
图3是图1的灯组件与遮光组件互联的部分内部截面图，示出与第二反射器和末端反射器匹配的半椭圆初级反射器和圆形截面的光源；
图4示出根据本发明的实施例的用于固化加工产品的UV LED阵列组件的几何布置的侧面图；
图5A示出根据本发明的实施例的具有单UV LED阵列封装和单后背反射器的UV LED灯组件的顶视图；
图5B示出根据本发明的实施例的具有多个UV LED阵列封装的UV LED灯组件的顶视图；
图6A示出根据本发明实施例的UV LED管芯的线性封装布置；以及
图6B示出根据本发明的实施例的UV LED管芯平台上的递升封装布置。
应该理解附图是用于说明本发明的概念的目的，并且不是按尺寸的。
具体实施方式
图4示出根据本发明的实施例的用于固化加工产品，例如光纤，的UV LED阵列组件的几何布置的侧视图。多个UV发射LED管芯40被以线性阵列42LED1-LED“N”被封装在一起。UV LED管芯40可发射450nm以下的单个或多个波长的光。
UV LED管芯40可与一个或多个光学部件44一起封装。例如光学部件44可以是但不局限于折射光学装置(例如透镜、棱镜等)，反射光学装置(例如反射镜)，自适应光学装置，超材料等。在优选的实施例中，该一个或多个光学部件44是柱面透镜44，其可移动地附着到UV LED阵列42或固定到UV LED管芯40以形成UV LED基光学部件组件46。UV LED基光学部件组件46可做成模块，即具有具体长度和每单位长度具体数量的UV LED管芯40。该标准长度封装可以被端对端安排以增加UV LED基光学部件组件46的整个辐射。沿UV LED基光学部件组件46长度的辐射均匀性可由下面将参考图6讨论的单独UV LED管芯40之间的间隔决定。
在操作中，UV LED管芯40发射特定波长的UV辐射，其聚焦到以预定速度移动的工件48，例如光纤上。柱面透镜44将光聚焦到所需的辐射图案，其基本与工件48的截面(例如宽度)匹配。在优选的实施例中，工件48的位置处的聚焦光束的宽度50是在约0.5到1.0毫米的范围内。
传送到以约40米/秒移动的被辐射工件48的典型能量密度是约0.4焦耳/cm2。对于具有约0.5mm宽度的辐射图案，关系式80＝PLED(W)XNLED成立，其中PLED(W)是每个LED管芯的“有用的”输出功率，而NLED是整个LED管芯的数量。从柱面透镜44的中心到工件48的工件距离D可依据透镜44的聚距而变化，但优选在1和10cm之间。从半柱面透镜44中心到工件48的距离是距离D，而从UV LED管芯40的前表面到半柱面透镜44的中心的距离是距离d。在优选实施例中，d＜＜D。
图5A示出具有单个UV LED阵列封装和单个后背反射器的UV LED灯组件的顶视图，而图5B示出根据本发明的实施例的具有多个UV LED阵列封装(示出3个)的UV LED灯组件。原理上，一个或多个LED阵列封装60可设置在工件管62的周围，工件从工件管62可移动的插入(工件沿工件管62的轴移动进入页面)。工件管可填充惰性气体(即基本无氧气)。在优选实施例中，工件管62可由石英制成。本领域技术人员应该理解工件管62可用不昂贵的提供充足的光学透明度的玻璃管替代。一个或多个弯曲的后背反射器64可放置在LED阵列封装60的对面。在该例子中，弯曲的后背反射器64的焦距与柱面透镜44的焦距相同，由此工件管62被直接放置在反射器64和透镜44之间。弯曲的后背反射器64被配置成收集逃离工件管62的UV光并将该光重新聚焦到工件的另一侧。LED灯光学装置(即LED阵列封装60和/或弯曲的后背反射器64可具有补偿因工件管62的光的折射的光学装置)。
工件管62需要周期性地移除和清洗，并且因此不应该以固定方式引入LED灯组件中。
图6A示出封装的UV LED管芯典型的线性封装安排，而图6B示出根据本发明的实施例的递升的UV LED管芯的封装安排。可商业获得在基本透明的封装72中的LED管芯70(例如像Nichia NC4U13xE这样的商业可获得器件)。不止一个二极管可包括在封装72中。可选择的，裸管芯可购买并线性地(图6A)或以递升形式设置在多级别平台74上(图6B)。
现在参考图6B，由在或不包括矩形封装72的单独LED管芯70发射的辐射图案可以是朗伯型的(即余弦分布)。当管芯/二极管封装72设置在多级别上时，低平台78和至少一个高平台80之间的侧壁76是有角度的或从至少一个高平台80到低平台78向内弯曲，这样至少一个高平台80至少部分重叠低平台78上。(侧壁的准确形状还取决于单独二极管的输出辐射图案)。这样，管芯被设置成比高平台基本上垂直于低平台时的情况下更彼此接近。作为LED管芯70彼此更接近的结果，来自多个LED管芯70的组合辐射图案已经被证明比图6A的传统线性安排具有每单位面积约1.5的功率增加。而且，递升配置的辐射的空间均匀性大于线性的单级别配置的辐射的空间均匀性。
递升的多级别平台74可配备有适当的电连接和二极管运行的热管理，如图6A中所示的标准平面平台。
本发明具有与传统微波驱动灯相比的几点优势。LED基UV固化灯提供较少的环境污染及在寿命期间的低运行成本。LED基灯仅使用具有数千小时使用寿命的固态器件(二极管)。与传统微波驱动灯相比，LED基灯实际上没有自耗部件。使用传统光学装置，从LED发射的所有光可聚焦到光纤的小区域上(小于500微米)，因此现在的固化平台仅可聚焦输出光到近似1厘米(10,000微米)。因此，UV LED基灯可提供比微波或弧灯更小的占用面积并可更好地配置成安装在被固化的光纤的圆柱几何形状周围。另外，LED灯可被模块化成更小的部分以允许订制设计。这些当中的最后两点都可大量减少散射光并由此工人的工业环境变得安全。
因为它们目前有限的单色光谱和低功率，由于氧气的阻止以及最大工艺速度的需要，传统UV LED基灯一般遭遇不充分的固化结果。然而，在本发明中，光纤涂层(i)在适当的无氧环境中被固化，(ii)具有小衬底，且(iii)主要依靠UVA(320-390nm)波段固化。这样，本发明的UV LED的整个光输出可聚焦到小的光纤区域以产生用于固化光纤所需的高处理速度的大能量密度。涂层的化学组成还可被优化用于UVA波段(其中可获得高功率LED)。
在使用惰性(低氧含量)环境的应用中，可应用短工作距离。这里概述的UV LED基灯可用于固化管内部(或外部)上的涂层，其中空间非常有限，并且该环境可以被吹入氧气以提高固化性能。由于现代二极管的可用性，对UVA波段高度灵敏的化学组成是优选的，然而，随着技术改进(LED波长变得更短且输出功率增加)UV LED基灯可用于更宽范围的化学组成和因此更多应用中。例如，喷墨打印需要近工作距离，但是化学组成需要UVA和UVC(240-250nm)波段并且吹入大衬底以降低氧气的阻止问题没有吸引力。然而，在UV LED材料重大进步并且器件已经被制造之后，具有UVA和UVC波长的LED基灯可大大减少这些壁垒。
应该理解举例性实施例仅是本发明的示意且本领域技术人员在不脱离本发明范围的情况下可设计上述实施例的许多种变型。因此意图所有的这些变型都包括在下面权利要求和它们的等效内容的范围中。

Claims (20)

1.一种固化加工产品的组件，包括：
工件管，配置成接收加工产品；
至少一个光学部件，设置成基本平行于该工件管；以及
发光二极管(LED)阵列，设置在具有至少两个级别的递升平台上，其中第一LED位于该递升平台的第一级别且第二LED位于该递升平台的第二级别，
其中从LED阵列发射的光通过工件管上的至少一个光学部件被聚焦，以便固化该加工产品。
2.权利要求1的组件，其中递升平台的第二级别比递升平台的第一级别更接近透镜。
3.权利要求2的组件，其中递升平台的第二级别至少部分与递升平台的第一级别重叠，使得第一和第二LED被设置成比如果递升平台的第一级别和递升平台的第二级别不重叠更接近地在一起。
4.权利要求3的组件，其中连接递升平台的第一级别和递升平台的第二级别的递升平台表面是平的。
5.权利要求3的组件，其中连接递升平台的第一级别和递升平台的第二级别的递升平台表面是弯曲的。
6.权利要求1的组件，进一步包括位于基本平行于工件管并在递升平台末端的弯曲反射器，其中该弯曲反射器配置成将逃离工件管的从LED阵列发射的光基本上再次聚焦回到工件管上。
7.权利要求6的组件，其中延长的弯曲反射器的曲率决定延长的弯曲反射器和工件管之间的工作距离。
8.权利要求1的组件，其中该组件是模块。
9.权利要求1的组件，其中该LED阵列发射至少一个波长的紫外(UV)光。
10.权利要求1的组件，其中该LED阵列中的每一个是预封装的或裸芯片。
11.权利要求1的组件，其中该LED阵列中的每一个以朗伯图案发射光。
12.权利要求1的组件，其中该LED阵列和该至少一个光学部件之间的距离基本小于该至少一个光学部件和该工件管之间的距离。
13.权利要求1的组件，其中该至少一个光学部件是折射光学装置、反射光学装置、自适应光学装置以及超材料之一。
14.权利要求13的组件，其中该至少一个光学部件是透镜。
15.权利要求1的组件，其中该透镜形成弯曲的、具有靠近工件管的基本上平的表面的半圆柱体。
16.权利要求1的组件，其中工件管基本上是中空的。
17.权利要求14的组件，其中工件管对UV光是基本上透明的。
18.权利要求15的组件，其中工件管由石英制成。
19.权利要求14的组件，其中工件管基本上由惰性气体填充。
20.权利要求14的组件，其中工件可移动地插入到工件管中。
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