CN103038572B - 用于产生紫外光的灯系统和方法 - Google Patents
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Abstract
用于产生紫外光的装置以及操作紫外光源的方法。所述装置可包括：围绕内部空间的微波腔室(16)；具有联接到微波腔室(16)的灯头(28)的光源(10)；紫外线(UV)透射构件(88)，该紫外线(UV)透射构件(88)被定位在灯面(32)上方并且在内部空间下方以在其间限定充气部(116)；以及与充气部以流体连通方式联接的排气系统(100)。灯头(28)具有灯面(32)，紫外光(34)和冷却空气(30)可以通过该灯面发出。该UV透射构件(88)被构造成使紫外光(34)透射到内部空间中并且将冷却空气(30)从该内部空间转向。所述排气系统(100)被构造成从充气部(116)排出冷却空气(30)。
Description
技术领域
本发明大体上涉及用于紫外光的装置和方法，并且更具体地说，涉及用于通过应用紫外光而在基材或者产品上处理或者固化材料的灯系统和方法。
背景技术
紫外灯系统，诸如在例如粘接剂、密封剂、墨水或者其它镀膜的加热或者固化中使用的那些，被设计成将微波能量耦合至无电极灯，例如安装在灯系统的微波腔室内的紫外线(UV)等离子灯泡。在紫外线灯加热和固化应用中，在灯系统内通常提供一个或更多个磁控管以便在微波腔室内将微波辐射与等离子灯泡耦合。该磁控管通过波导与微波腔室相耦合，该波导包括与该腔室的上端连接的输出端口。当该等离子灯泡被微波能量充分地激励时，该等离子灯泡在一个方向上通过灯系统的开口灯面发射紫外辐射，以照射大体上位于所述开口灯面附近的基材。
压缩空气源流动地与灯系统的外壳连接，所述灯系统包括磁控管，微波腔室和等离子灯泡。所述压缩空气源可被操作成引导冷却空气，诸如例如350CFM的冷却空气，穿过外壳并且进入微波腔室，以在基材被灯系统照射期间适当地冷却磁控管和等离子灯泡。
在某些紫外线加热和固化应用中，灯系统包括安装在开口灯面处的网筛，该网筛可以透射紫外线但是不能透过微波。该网筛的构造同样允许冷却空气的主要气流在其间通过并且朝向基材。
然而，在某些应用中，基材可能需要干净的环境，例如在固化腔室中，从而使基材在加热和固化过程期间不会被与该基材接触的冷却空气所携带的杂质污染。此外，基材还可能是多少有些精密的，因此在恶劣环境下，例如在冲击并且可能扰动基材的冷却空气的明显气流的影响下易受毁坏。通常，基材还可能受在照射过程期间由等离子灯泡产生的过热的不利影响。更进一步，基材可能被构造在材料的边缘周围，因此需要多个并且不同作用的紫外线灯以照射产品周围的基材。
发明内容
本发明的实施例通过提供用于产生紫外光的装置以及用于操作紫外光源的方法，来解决与现有技术有关的这些和其它问题。
在一个实施例中，该装置包括：腔室，其围绕内部空间；光源，其包括与所述腔室联接的灯头；以及紫外线(UV)透射构件。所述灯头包括灯面，所述灯面被构造成透射紫外光和提供至该装置的冷却空气。所述紫外线(UV)透射构件被定位在所述灯面上方并且在内部空间下方以在其间限定充气部。该紫外线透射构件被构造成使紫外光透射到内部空间中并且将冷却空气转向而不进入内部空间。排气系统，所述排气系统与所述充气部的以流体连通方式联接，被构造成从充气部排出所述冷却空气。
在另一个实施例中，所述方法包括：从灯头发射紫外光；利用冷却空气冷却灯头；通过紫外线透射构件将紫外光透射进入到腔室的内部空间中；并且使冷却空气转向离开腔室的内部空间。
根据随后的附图及详细说明，这些及其它优点将是显而易见的。
附图说明
被并入到本说明书中并且构成本说明书的一部分的附图图示了本发明的实施例，并且与以上给出的本发明的一般说明以及下面给出的具体实施例的详细说明一起，用来解释本发明的原理。
图1是按照本发明的实施例的微波激励的紫外光源的透视图；
图2是沿线2-2截取的图1的光源的剖视图；
图3是沿线3-3截取的图1的光源的剖视图；
图4是灯系统的透视图，其包括图1的光源以及压缩空气源，固化腔室，以及排气系统；
图5是图4的灯系统的透视图，其图示了固化腔室的内部组件；
图6是图4的灯系统的部分分解图，其图示了固化腔室的内部构件以及固化腔室与光源和排气系统的连接；
图7是沿线7-7截取的图4中的光源、固化腔室和排气系统的部分的剖视图；
图8是沿视野8截取的图7中的固化腔室的上下外壳之间的连接细节的部分剖视图；并且
图9是沿线9-9截取的图4中的固化腔室的光罩的剖视图。
应当理解的是，附图不是必然按比例绘制的，而是作为本发明的实施例的基本原理的不同特征的说明的一定程度的简化表示。这里所公开的本发明的实施例的具体设计特征，包括例如各种图示元件的规定的尺寸、取向、位置和形状，以及具体操作顺序(例如，包括并行的和/或顺序操作)，将在某种程度上由所意图的具体应用和使用环境确定。为了便于观察和清楚的理解，所图示的实施例的某些特征相对于其它的可能已被扩大或者失真。
具体实施方式
现在转向附图，其中贯穿几个示意图，相同标记表示相同部件，图1-3所示的是根据本发明的实施例的微波激励的UV灯系统或者光源10。光源10包括作为一对磁控管图示的一对微波发生器14，所述一对微波发生器14通过相应的波导18各自联接至纵向延伸的微波腔室16。
每个波导18具有一个与微波腔室16的下端联接的出口端口20，使得微波发生器14所产生的微波能量在邻近微波腔室16的相对的下端以间隔的纵向关系被耦合至微波腔室16。呈密封的、纵向延伸的等离子灯泡的形式的无电极等离子灯22被安装在微波腔室16内并且被邻近微波腔室16的上端支撑，如在现有技术中公知的。
光源10包括外壳24，外壳24在一个实施例中通过进气导管26与压缩空气源(图1-3中未示出)以流体连通的方式连接在一起，如在现有技术中公知的。进气导管26位于外壳24的下端处并且外壳24的上端形成灯头28。压缩空气源能够被操作成引导在图1和2中由箭头30概略地表示的冷却空气流，穿过外壳24并且进入到微波腔室16内以冷却微波发生器14和等离子灯泡22，如将在下文中更具体地描述的。冷却空气30的气流经过微波腔室16并且通过在灯头28的开口灯面32中的开口而发射或者透射。
光源10被设计和构造成在等离子灯泡22通过来自一对微波发生器14的被耦合至微波腔室16的微波能量足够的激励后，通过光源10的开口灯面32发射紫外光，所述紫外光在图2中由箭头34的概略地表示。尽管这里图示和描述了一对微波发生器14，应当理解的是，光源10可仅包括一个微波发生器14来激励根据本发明的实施例的等离子灯泡22。
如图3所示，光源10包括起动灯泡36以及一对变压器38(示出了一个)，所述一对变压器38各自与相应的一个微波发生器14电联接以激发微波发生器14的细丝，如本领域的技术人员所明白的。微波发生器14安装到波导18的进口端口40，使得由微波发生器14产生的微波通过波导18的纵向隔开的出口端口20而排出到微波腔室16中。优选地，两个微波发生器14的频率小量地分开或者偏移，以防止在光源10的工作期间两个微波发生器14之间的相互耦合。在特定的实施例中，第一微波发生器14可产生大约2.4GHz的信号，而第二微波发生器14可产生与第一微波发生器14大约相差20MHz的信号。
纵向延伸的灯反射器42安装在微波腔室16内，用于向位于灯头28的开口灯面32外部的基材(未示出)反射从等离子灯泡22发射的紫外光34。灯反射器42的横截面可具有椭圆结构，但是在不脱离本发明的精神和范围的情况下，抛物线型或者其它截面结构也是可以的。可替换地，灯反射器42可被构造成泛光反射器(与聚焦反射器相反的，同样在现有技术中是公知的)，如现有技术中公知的。这里使用的紫外光是具有在电磁波谱的紫外波段内的波长(或者频率)的辐射。
灯反射器42由镀膜玻璃制造。例如，灯反射器42的一侧(例如，等离子灯泡侧)包括二向色的镀膜，而灯反射器42的另一侧可以是喷砂的。因此，灯反射器42对于由一对微波发生器14产生的微波能量大体上是透明的，但是对于由等离子灯泡22发射的紫外光34大体上是不透明的并且大体上是反射的。可替换地，灯反射器42可以由具有适当反射性、折射性和/或热特性的其它材料例如抛光铝制造，所述抛光铝同样对由微波发生器14产生的微波能量是大体上透明的，但是对于由等离子灯泡22发射的紫外光34是大体上不透明的，并且大体上是反射的。
如图2所示，灯反射器42包括一对纵向延伸的反射器面板44，所述反射器面板44以对置方式即镜像面对的关系安装在微波腔室16内，并且与等离子灯泡22成间隔的关系。尽管具有合适反射性和热特性的其它材料同样也是可以的，但是每个反射器面板44优选地由镀膜玻璃制造。在例如由镀膜玻璃制造时，每个反射器面板44对于一对微波发生器14所产生的微波能量是大体上透明的，但是对于等离子灯泡22所发射的紫外光34是不透明的，并且是反射的。
进一步参照图2，纵向延伸的中间构件46安装在微波腔室16内，与反射器面板44成间隔关系，并且还与等离子灯泡22成间隔关系。中间构件46可以由玻璃例如PYREX(派热克斯玻璃)制造，并且可以是未涂覆的，以便对于由等离子灯泡22发射的紫外光34是非反射性的。
当一对反射器面板44和中间构件46被安装在微波腔室16内以形成灯反射器42时，一对间隔的、纵向延伸的狭缝48被形成在反射器面板44和中间构件46之间。所述一对间隔的、纵向延伸的狭缝48可以被操作成使来自朝向等离子灯泡22的压缩空气源的冷却空气30穿过，使得冷却空气30大体上包围等离子灯泡22的外表面以冷却灯泡22。灯反射器42的结构的细节在共有的并且共同未决的名称为“具有改进冷却的微波激励的紫外线灯系统”(“Microwave Excited Ultraviolet Lamp System With Improved Cooling”)的美国专利No.6,696,801中充分地描述，该专利的公开内容在此通过引用以其整体并入。可替换地，本领域技术人员容易理解的是也可以使用其它的反射器结构。冷却空气30穿过微波腔室16并且通过灯头28的开口灯面32而被散发。如图2和3所图示的，光源10还被构造有具有螺纹孔口52的安装凸缘50，所述安装凸缘50可以被用于将固化腔室和/或排气系统安装至光源10。
对于冷却空气30，在外壳24内提供足够的流速，诸如例如大约350CFM，以确保微波发生器14和等离子灯泡22的正常运行。为了确保在光源10的操作期间提供足够的冷却空气流速，差压传感器56被以流体连通方式联接到灯头28和外壳24。该差压传感器56感应外壳24中的压降并且向光源10的控制器(未示出)提供信号，以在没有感应到预定的压强时关闭光源10、调整流向微波发生器14的能量流(从而调整来自等离子灯泡22的紫外线的强度)和/或调整光源10中的气流。
参考图4-5，灯系统包括用于压缩空气的源60，和/或固化腔室70被安装到光源10。压缩空气源60可以收集环境空气，过滤所述空气，并且冷却所述空气。压缩空气源60随后可以将所述已收集、已过滤并且已冷却的空气作为冷却空气30通过进气导管26提供至光源10。与光源10相结合的固化腔室70被构造成向基材(未示出)的大体上的所有边缘提供紫外光以及将基材与通过灯头28的开口灯面32而散发的冷却空气30隔离开。
参照图4-9，固化腔室70利用多个螺栓71而固定到光源10，所述螺栓71与安装凸缘50的相应孔口52螺纹接合。固化腔室70包括内部空间，所述内部空间至少部分地由通过铰链76连接的下壳体72和上壳体74限定。所述下壳体72在闭合时通过闩锁组件78(例如，在上壳体74上的通过在下壳体72上的固定机构78b固定的闩锁78a)固定至上壳体72，当通过上述的螺栓71固定到光源10。固化腔室70包括顶面板79，但是不包括底面板。相反地，固化腔室70的底部对于冷却空气30以及由光源10发出的紫外光34是开放的。
两个光罩80被构造在固化腔室70的侧面上。特别地，光罩80的内部通过进口81a和出口81b与固化腔室70的内部空间流体连通，不过进口81a和出口81b可以调换。光罩80被构造成防止大量的紫外光从固化腔室70泄漏。
每个光罩80还包括下罩壳体82和上罩壳体84以及相应的端盖(例如在上罩壳体84上的端盖86a以及在下罩壳体82上的端盖86b)。端盖可以被移除，以允许承载可紫外线固化的材料的基材(例如，诸如绳、棒或者管的物体)被引入或者馈送到一个光罩80内，穿过固化腔室70，并且从另一个光罩80出去。可替换地，端盖可被加工成包括延伸过端盖的孔口89，所述孔口89大体上与基材的剖面相似(例如，该孔口可具有与上述绳、棒或者管相对应的类似剖面)，从而使基材和可紫外线固化的材料可以被引入或馈送穿过一个光罩80，穿过固化腔室70，并且从另一个光罩80出去。如全部的附图所图示的，每个光罩80大体上是中空的，使得引导机构(未示出)可以定位在光罩的底部中以支撑和/或引导产品穿过固化腔室70。
如图6和7最好地示出的，固化腔室70包括被安装架90保持在适当位置的紫外光(UV)透射构件88。该UV透射构件88可以由石英组成。所述安装架90继而被固定到固化腔室70的前壁92和后壁94。所述前壁92不是直接连接到后壁94，而是改为与后壁94间接地连接。固化腔室反射器120被定位在前壁92和后壁94之间。
在UV透射构件88和固化腔室70的壁之间形成一般的气密密封。这样的气密密封确保了与光罩80流体连通的固化腔室70的内部，并且因此确保了基材位于其中的固化腔室70的内部不会接收到从灯头28的开口灯面32散发的任何冷却空气30。密封层或其它垫片(未示出)可以与UV透射构件88的边缘，或者UV透射构件88和安装架90或固化腔室70的其它壁连通，以形成一般的气密密封。在光源10和固化腔室70之间还可以定位至少一个橡皮垫96，以建立它们之间的一般气密密封。在某些实施例中，该UV透射构件88是大体上矩形的构件，所述大体上矩形的构件具有通常与固化腔室70的顶视图截面对应的大体上平坦的截面和边缘，而不引起在其间透射的紫外光34的会聚或者发散。在可替换的实施例中，UV透射构件88可具有这样的截面，即，使得通过UV透射构件88透射的紫外光34被发散或者会聚。
排气系统100与灯头28的开口灯面32流体连通，特别地，排气系统100被构造有进气端口102以接收通过开口灯面32发射进入由固化腔室70的壁和UV透射构件88形成的充气部的冷却空气30。排气系统100通过孔103接收冷却空气30，该孔103延伸过固化腔室70的位于UV透射构件88下方的前壁92。排气管道104被构造成将冷却空气30引导至远离灯头28的位置，使得冷却空气30不与基材接触。
在一个实施例中，排气系统100是排气管道，所述排气管道又包括上壁108、相对的下壁110、一对相对的侧壁112以及端壁114，所述上壁108、相对的下壁110、一对相对的侧壁112以及端壁114被构造成形成细长的并且封闭的充气部116。该封闭的充气部116与灯头28的开口灯面32流体连通。该排气系统100通过至少一个螺钉118附接到固化腔室70的前壁92。
该固化腔室70还构造有至少一个被构造在上壳体74的内部的固化腔室反射器120，以及至少一个侧反射器122。在某些实施例中，至少一个侧反射器122被构造在前壁92和后壁94中的每一个上。在特定的实施例中，并且如图6所图示的，两个侧反射器122被构造在前壁92和后壁94中的每个上：一个侧反射器122a在UV透射构件88上方的附接到后壁94，一个侧反射器122b在UV透射构件88下方附接到后壁94，一个侧反射器122c在UV透射构件88上方附接到前壁92，并且一个侧反射器122d在UV透射构件88下方附接到前壁92。固化腔室反射器120以及侧反射器122a-d可具有椭圆形构造的横截面(例如，如利用侧反射器122c和122d所图示的)，不过在脱离发明的实施例的情况下抛物线或者其它截面构造是可能的。特别地，如图4-6所示，侧反射器122a和122b具有平坦的截面并且侧反射器122c和122d具有曲率并且是不平坦的，使得侧反射器122a-d具有不同的横截面轮廓。因此，利用固化腔室反射器120以及侧反射器122，固化腔室70可被构造成将紫外光34提供至被围绕在产品的边缘定位的基材。
下壳体72的至少一部分被构造成与上壳体74重叠。特别地，如图8所示，上壳体74的前壁92的至少一部分在130处被除去，同时下壳体72具有与除去部分130重叠的向上定向的突起132。类似地，如图9所示，光罩80的与上壳体74连接的部分在140处同样被除去，而光罩80的与下壳体72连接的部分同样具有与除去部分140重叠的向上定向的突起142。正因如此，可以防止紫外光会从下壳体72和上壳体74之间的连接处漏出，并且防止光会从光罩80的两半相遇的连接处漏出。
因此，发明的实施例提供一种灯系统，该灯系统具有固化腔室70附属物，用于提供增强的二次固化。特别地，该固化腔室70可被操作成提供完全的产品固化(有时被称为“三维”或者“360度固化”)。固化腔室70同样可以被构造成通过调整侧反射器122的角度并且从而调整反射到基材上的紫外光的角度，使得在基材几何形状上的紫外光的强度最大化。因此，避免了使用多个等离子灯泡22，多个灯头28，和/或多个并且不同的用于基材的紫外光应用。另外，固化腔室70提供在工作期间被加温至300°F的内部空间，并且因此不仅提供完全的产品紫外光固化，而且还提供用于增强的二次固化的热固化。
对于固化腔室70，下壳体72和上壳体74的边缘的重叠设计，以及光罩80的边缘的重叠设计，防止了大量的紫外光损失并且防止了向操作环境的透射。在不污染基材和/或产品(例如可紫外线固化的材料)同时还提供用于产品的稳定平台的情况下，还提供增强的二次固化。特别地，来自光源10的冷却空气30不会污染基材或者产品，冷却空气30也不会向基材或者基材上的产品施加不必要的动作。所述产品又能够被在相应的光罩80中的前述引导机构支撑。
本领域中的普通技术人员应认识到的是，图1-9中所图示的环境并非旨在限制本发明的实施例的范围。特别地，光源可以具有根据本发明的可替换实施例的极少数或者额外的部件。事实上，本领域技术人员应认识到的是，在脱离本发明的范围的情况下可以使用其它可替换的硬件环境。例如，本领域技术人员将意识到的是，光源10可以联接有可致动的快门装置(未示出)，以在该可致动的快门组件关闭时，保证尽可能少的紫外光34从光源10漏出。这种快门组件被公开在名称为“具有外部快门的微波供能灯头”(“MicrowavePowered Lamphead Having External Shutter”)的美国专利No.6,933,683中，所述专利的公开内容在此通过参考以其整体并入。
此外，尽管本发明的实施例已经通过不同的实施例以及例子的描述而被说明，并且尽管这些实施例已经非常详细地被描述，但是申请人并非意图将所附的权利要求的范围限定或者以任何方式限制至这样的细节。额外的优点和改型对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，本发明在其更宽的方面并不局限于所示出的和所描述的特定细节、装置和/或方法。因此，在没有脱离申请人的一般发明构思的精神或者范围的情况下，可以进行对这样的细节的分离。
Claims (11)
1.一种用于产生紫外光的装置，所述装置设置有冷却空气流，所述装置包括：
腔室，所述腔室围绕内部空间；
光源，所述光源包括联接到所述腔室的灯头，所述灯头包括：灯泡，所述灯泡被构造成发射所述紫外光；灯面，所述灯面被构造成透射所述紫外光和所述冷却空气；和灯反射器，所述灯反射器被构造成朝向所述灯面反射来自所述灯泡的所述紫外光；
紫外线透射构件，所述紫外线透射构件被定位在所述灯面上方并且在所述内部空间下方以限定在所述灯面和所述紫外线透射构件之间的充气部，所述紫外线透射构件被构造成使所述紫外光透射到所述内部空间中并且被构造成使所述冷却空气转向而不进入所述内部空间；
第一反射器，所述第一反射器被定位在所述充气部中并且在所述紫外线透射构件下方，所述第一反射器被定位成将所述紫外光朝向所述内部空间反射；以及
排气系统，所述排气系统与所述充气部以流体连通方式联接，所述排气系统被构造成从所述充气部排出所述冷却空气，
所述装置进一步包括：
第二反射器，所述第二反射器被定位在所述腔室中并且在所述紫外线透射构件上方，所述第二反射器被定位成朝向所述内部空间反射所述紫外光。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
第三反射器，所述第三反射器被定位在所述腔室中并且在所述紫外线透射构件上方，所述第三反射器被定位成朝向所述内部空间反射所述紫外光。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述腔室包括第一壁和与所述第一壁间接连接的第二壁，所述第二反射器被附接到所述第一壁，并且所述第三反射器被附接到所述第二壁。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
第三反射器，所述第三反射器被定位在所述充气部中并且在所述紫外线透射构件下方，所述第三反射器被定位成朝向所述内部空间反射所述紫外光，并且所述紫外线透射构件被定位在所述第二反射器和所述第三反射器之间。
5.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
光罩，所述光罩被联接到所述腔室的所述内部空间并且被构造成用于将目标引入到所述内部空间中，所述目标携带将由所述紫外光固化的材料。
6.根据权利要求2所述的装置，进一步包括：
第四反射器，所述第四反射器被定位在所述腔室的所述内部空间中并且在所述紫外线透射构件上方，所述第四反射器被定位成将所述紫外光朝向所述灯头反射回去。
7.一种用于操作具有空气冷却灯头的紫外光源的方法，所述方法包括：
从所述灯头内部的灯泡发射紫外光；
朝向所述灯头的灯面反射来自所述灯泡的所述紫外光；
利用冷却空气流冷却所述灯头；
将来自所述灯面的所述紫外光透射穿过紫外线透射构件并进入定位在所述紫外线透射构件上方的腔室的内部空间中，所述紫外线透射构件被定位在所述灯面上方并且在所述内部空间下方以限定在所述灯面和所述紫外线透射构件之间的充气部；
利用定位在所述紫外线透射构件下方的第一反射器，朝向所述内部空间反射所述紫外光；并且
使所述冷却空气流转向离开所述腔室的内部空间，
所述方法进一步包括：
利用定位在所述腔室中并且在所述紫外线透射构件上方的第二反射器，朝向所述内部空间反射所述紫外光。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
利用定位在所述腔室中并且在所述紫外线透射构件上方的第三反射器，朝向所述内部空间反射所述紫外光。
9.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
利用定位在所述紫外线透射构件下方的第三反射器，朝向所述内部空间反射所述紫外光。
10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
朝向所述腔室的内部空间引导从所述灯头的灯面发射的所述冷却空气流，用于通过所述紫外线透射构件转向离开所述腔室的内部空间。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括：
利用定位在所述腔室的所述内部空间中并且在所述紫外线透射构件上方的第四反射器，将所述紫外光朝向所述灯头反射回去。
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