CN107847966B - 用于辐射硬化的uv辐射设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于使聚合物层（12）辐射硬化的UV辐射设备，所述UV辐射设备具有布置在载体表面（22）上的LED装置（24），所述LED装置包括多个在UV范围内进行发射的、无外壳的LED芯片（26），其中所述LED芯片（26）形成至少一个直线形LED串（28）。在这种情况下提出：每个LED串（28）都通过棒形的准直透镜（30）来覆盖，其中所述准直透镜（30）具有：一个沿着LED串（28）延伸的并且包围所述LED串的容纳导槽（38）、一个朝向所述工作区（36）的光出射面（40）以及两个在所述容纳导槽（38）两侧延伸的、使从内部射出的UV光朝向光出射面（40）转向的光转向面（42）。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于使聚合物层、尤其是处在衬底上的印刷油墨层或漆层辐射硬化的UV辐射设备，所述UV辐射设备具有布置在载体表面上的LED装置，所述LED装置为了对与载体表面对置的工作区进行UV辐射而包括多个在UV范围内进行发射的、无外壳的LED芯片，其中所述LED芯片形成至少一个直线形LED串（LED-Strang）。
背景技术
在使用LED用于使光化聚合物硬化、例如用于印刷油墨、漆或胶粘剂的聚合作用的情况下，需要很高的总功率，使得需要将所提供的光功率尽可能完全传导到工作面上。此外，还常常需要或希望将所提供的辐射功率均匀地集中到表面区域内，以便这样实现尽可能高效的硬化过程。此外，还应该提供尽可能高的辐射强度和辐射剂量，以便这样能够实现在生产期间的高的过程速度。为此，不同于常见的照明技术，不是将LED芯片用作SMD构件，而是将半导体芯片直接涂到载体材料上。由此也可能的是显著提高构件的充填密度。通过芯片的高充填密度与高效的冷却的结合可能实现在千瓦范围内的很高的光总功率。
在此，LED芯片本身可以被理解为朗伯辐射体，所述朗伯辐射体在没有附加的光学元件或辅助工具的情况下辐射到半空间中并且因此具有180度的辐射角。如果应该实现高的总功率，那么多个LED可以被组合成一个阵列，由此形成面辐射体。这样形成的照明表面总体上同样作为朗伯辐射体起作用，使得只有一部分所提供的辐射功率射到间隔开的有限定并且有限制的工作面上。
对于特殊的工业应用来说，需要实现至少沿所选择的方向对工作区的尽可能均匀的辐射，以便这样例如能够在工作宽度内尽可能均匀地实现光化聚合作用。为此，值得期望的是：在工作区之内得到辐射功率的尽可能恒定和均匀的分布，而且尤其是朝向工作区的边缘得到辐射功率的尽可能陡峭的下降，使得在理想情况下至少在工作宽度内得到矩形的辐射功率轮廓。为此，在EP-A 1 089 069中提出了LED的直线形装置，所述LED的直线形装置的装置密度在直线形装置的端部变得更高，使得至少部分地补偿总辐射功率的下降。在所示出的实施方案方面不利的是，装置密度的提高只是在狭窄的范围之内是可能的，因为否则不能确保或者只能不充分地确保对在边缘上的LED的有效的冷却。此外不利的是，必须将在整个LED线内的平均装置密度保持得相对低，以便能够实现对边缘下降的补偿，由此，系统的总辐射功率低。
发明内容
基于此，本发明所基于的任务在于：消除在现有技术中出现的缺点并且提供如下系统，所述系统在总辐射功率高的情况下确保了有效地将光转向到所设置的工作面上。此外，任务还是：以所提供的光功率尽可能完全地并且均匀地辐射工作面或所希望的辐射区，并且实现陡峭的边缘下降。
为了解决该任务，提出了在专利权利要求1中说明的特征组合。本发明的有利的设计方案和扩展方案从从属权利要求中得到。
本发明的出发点是如下思想：将圆柱形的透镜光学装置分配给各个LED串，使得也还使扁平地辐射的光转向。按照本发明，与此相应地提出：每个LED串都通过棒形的准直透镜来覆盖，其中该准直透镜具有：一个沿着LED串延伸的并且包围所述LED串的容纳导槽、一个朝向工作区的光出射面以及两个在该容纳导槽两侧延伸的、使从内部射出的UV光朝向光出射面转向的光转向面。通过将LED布置在容纳导槽中，所辐射的光完全由准直透镜的限制导槽的光入射面检测。借此可能的是，尽可能完全使用所提供的包括以扁平的角度发射的边缘辐射在内的辐射功率。在这种情况下，最后提到的部分借助于在LED串侧面延伸的光转向面的全内反射朝光轴的方向转向并且借此同样被提供用于使用。经此，根据LED装置和光学元件的实施方案，可以实现将能使用的光输出功率提高5%-20%。此外，由于LED串和所属的透镜的共线的布置，可能的是，将LED芯片的充填密度提高到15直至超过30个芯片/cm2的范围内，由此同样得到更高的光输出功率。
一个有利的设计方案规定：多个准直透镜优选地一个接一个直线地无缝地来布置。以这种方式可能的是将经济的生产过程用于透镜制造，而工作宽度可以以可变的方式来适配。
用于实现紧凑的结构形式的另一改进方案规定：多个侧面并排布置的准直透镜形成连在一起的准直模块。
由于所需的高光功率和稳定性，有利的是，必要时作为连在一起的准直模块的准直透镜由UV透明玻璃材料组成，优选地作为压缩成型模的准直透镜由石英玻璃（如透明石英）组成或者由硼硅玻璃组成。不同于此，对于持久使用来说不可能使用塑料材料（如PMMA或PC或这一类的），因为所述塑料材料的尤其是关于短波长的光透明度大大降低，由此一方面大大减小了在工作面内的能使用的光功率，而另一方面在光学元件中被吸收的功率导致塑料的热或光化学分解。
关于模块化应用进一步有利的是，多个侧面并排布置的LED串以及它们的必要时作为连在一起的准直模块来关联的准直透镜形成一个统一的LED模块。
可以通过如下方式得到另一改进方案：多个LED模块沿LED串的纵向看连接在一起，其中这些LED模块在它们的连接面方面平地来实施或者具有用于形状配合连接的啮合部，使得各个模块可以紧密地排列在一起，以便这样例如实现更大的辐射面或更大的工作宽度。
有利地，透镜终端元件被附加到准直透镜的自由的端部上，其中在端面从准直透镜射出的光通过透镜终端元件朝向工作区转向，以便实现辐射功率的尽可能均匀的辐射分布以及辐射功率在串端部上的尽可能陡峭的下降。
在该上下文中也有利的是，透镜终端元件被设计为具有平面的旋转体的一半，其中该平面与准直透镜的端面全等。
另一结构上的改进方案规定：相邻的LED模块的透镜终端元件重叠地来布置。
有利地，LED芯片被包围的准直透镜中，使得由LED芯片发射的UV光基本上完全射到容纳导槽的内表面上。
对于所希望的直线形辐射或高充填密度来说有利的是，准直透镜的长度是该准直透镜的最大横向尺寸的多倍大。
通过在LED串中的LED芯片的主辐射轴撑开所分配的准直透镜的中间面，可以实现对称的辐射集束。
通过使光转向面在外轮廓方面直地或者凸地弯曲，可以以所希望的方式影响辐射集束。
对于在高辐射功率时的散热来说特别有利的是，载体表面与冷却装置、尤其是水冷却的冷却装置保持热连接。
通过如下方式得到关于高充填密度的另一改进方案：载体表面由陶瓷板形成，而且LED芯片与在陶瓷板上的印制导线电连接。
附图说明
在下文，本发明依据在附图中示意性地示出的实施例进一步予以阐述。其中：
图1示出了用于使在衬底上的聚合物层辐射硬化的UV辐射设备的示意图；
图2以俯视图示出了包括LED串和所属的准直透镜的UV辐射设备的LED模块；
图3示出了在LED模块中具有侧面并排布置的LED串和准直透镜的另一UV辐射设备；
图4示出了对根据图3的LED模块的俯视图；
图5-8以俯视图示出了彼此排成一列的LED模块的其它实施例。
具体实施方式
在图1中示出的辐射设备10能够实现借助于UV光16使衬底14上的聚合物层12（例如印刷材料轨道上的印刷油墨层）辐射硬化或交联。为此，设备10包括在冷却装置20上的载体板18以及安装在载体板的自由表面22上的LED装置24，所述LED装置24具有多个在UV范围内进行发射的LED芯片26，所述LED芯片形成至少一个直线形LED串28，所述直线形LED串分配有圆柱形的准直透镜30，其中LED串28和准直透镜30形成LED模块32。
冷却装置20包括冷却通道34，用于输送和排出冷却流体，所述冷却通道与载体板18保持导热连接。适宜地，载体板18被构造为陶瓷板，其中LED芯片26作为无外壳的半导体组件通过接合线、倒装芯片技术或类似的与在陶瓷板上的印制导线电连接（未示出）。
如也从图2可见，LED芯片26彼此以微小的间隔共线地布置在LED串28中。相应的芯片尺寸通常在1mm2的范围内，而每个芯片的光输出功率通常为0.5W至2W。通过芯片的高充填密度和高效的冷却的结合可以实现在千瓦范围内的很高的光总功率。由此可能的是，给横向于LED串28地移动经过静止的设备10的工作区或辐射区36的印刷材料轨道14充分地加载UV辐射，以便使处在所述印刷材料轨道上的印刷油墨层或漆层12连续地交联。
LED芯片26本身可以被理解为朗伯辐射体，所述朗伯辐射体在没有附加的光学元件或辅助工具的情况下辐射到半空间中并且因此具有180度的辐射角。
为了避免光损失并且使所提供的光功率尽可能完全地并且均匀地集中到工作区36内，针对每个LED串28设置一个棒形的或圆柱形的准直透镜30，如其在图1中在具有UV光16的光路的横截面或轮廓中示出的那样。
准直透镜30具有一个沿着LED串28延伸的并且包围所述LED串的容纳导槽38、一个朝向工作区36的光出射面40和两个在容纳导槽38两侧延伸的光转向面42。在此，容纳导槽38形成两个不同的光入射面，由此在光轴44附近的光线通过第一个面被传导经过准直透镜，而射在光转向面42上的UV光16朝向光出射面40转向。为了该目的，光转向面42在其外轮廓方面凸地弯曲地或直地延伸地来构造，使得通过利用全内反射（TIR效应），所辐射的UV光16的外围区域也被检测而且沿所希望的朝向LED芯片26的主辐射面44的方向转向。适宜地，容纳导槽38的边沿够得到直至载体表面22，以便也覆盖扁平的辐射角并且基本上完全检测到由LED芯片26发射的光。
在图1中示出的透镜轮廓的情况下，光出射面40平地来构造而且光垂直于载体表面22地准直成平行的光束。也可能的是，光出射面40凸地或凹地来弯曲，而且所辐射的光发散地或会聚地延伸。原则上值得期望的是：在工作区之内得到辐射功率的尽可能恒定和均匀的分布，使得在理想情况下至少在工作宽度内得到矩形的辐射功率分布。
如从图2可见，准直透镜30的长度是该准直透镜在光出射面40的范围内的最大宽度的多倍大。为了也使在端面从准直透镜30射出的光转向到工作区36，分别将透镜终端元件46附加到准直透镜30的自由的端部上。相应的透镜终端元件46被设计为具有平面48的旋转体的一半，所述平面与准直透镜30的邻近的端面全等。此外，对终端元件46的使用引起了辐射强度在LED模块32的端面的端部上的陡峭的下降，由此改善了辐射强度在整个出射面40内的均匀性并且借此改善了辐射强度在辐射区36内的均匀性，而且减少了不符合期望的散射。
图3和4示出了UV辐射设备10的另一实施例，其中不同于根据图1的示例，多个LED串28和所分配的准直透镜30侧面并排地布置，并且在此形成一个统一的具有扁平辐射特性的LED模块32。在此，并排布置的准直透镜30可以彼此耦合为连在一起的准直模块50（图4）。接着，相对应地，各个准直透镜30的透镜终端元件46也通过作为终端元件52的桥接片彼此连接。
准直透镜30或准直模块50由UV透明材料组成，尤其是由石英玻璃组成。在此，通过压缩成型方法可以产生所希望的模制件。不过，压模的尺寸接着取决于方法地受限制。适宜地，为了仍然覆盖在不同的印刷材料的情况下所需的材料宽度，例如对于贴标签印刷来说0.2-0.5m、对于弓形印刷来说1-2m以及对于封装印刷来说0.5-2.5m，多个LED准直透镜30或准直模块50以及所属的LED串28一个接一个地来布置。
图5示出了具有无缝地直线地排列在一起的LED串28的实施例，其中准直模块50相对应地被级联，而且设置端侧的终端模块52，使得实现了相对于根据图4的示例整体上延长的辐射体装置。
在根据图6的实施例中，作为载体18、在侧面并且沿纵向交联的LED串28和相对应的准直模块50的相应的组合的多个LED模块32组合成LED装置，其中终端模块50'能够实现整体上矩形的装置。不同于根据图5的示例，LED模块32在它们的连接面方面不是平地来实施，而是具有用于相互的形状配合连接的啮合部。
图7和8示例性地示出了各个LED模块32的其它配置（图形左侧）以及它们以直线形装置的组合（图形右侧）。
Claims (17)
1.一种用于使聚合物层（12）辐射硬化的UV辐射设备，所述UV辐射设备具有布置在载体表面（22）上的LED装置（24），所述LED装置为了对与所述载体表面（22）对置的工作区（36）进行UV辐射而包括多个在UV范围内进行发射的LED芯片（26），其中所述LED芯片（26）形成至少一个直线形LED串（28），其中每个LED串（28）都通过棒形的准直透镜（30）来覆盖，其特征在于，所述LED芯片（26）是无外壳的，而且所述准直透镜（30）具有：一个沿着所述LED串（28）延伸的并且包围所述LED串的容纳导槽（38）、一个朝向所述工作区（36）的光出射面（40）以及两个在所述容纳导槽（38）两侧延伸的、使从内部射出的UV光朝向所述光出射面（40）转向的光转向面（42）；而且多个侧面并排布置的准直透镜（30）形成连在一起的准直模块（50）。
2.根据权利要求1所述的UV辐射设备，其特征在于，所述聚合物层（12）是处在衬底（14）上的印刷油墨层或漆层。
3.根据权利要求1所述的UV辐射设备，其特征在于，多个准直透镜（30）一个接一个直线地无缝地来布置。
4.根据权利要求1所述的UV辐射设备，其特征在于，作为连在一起的准直模块（50）的准直透镜（30）由UV透明玻璃材料组成。
5.根据权利要求4所述的UV辐射设备，其特征在于，所述准直透镜（30）作为压缩成型模由石英玻璃组成。
6.根据权利要求1至5之一所述的UV辐射设备，其特征在于，多个侧面并排布置的LED串（28）以及它们的作为连在一起的准直模块（50）来关联的准直透镜（30）形成一个统一的LED模块（32）。
7.根据权利要求6所述的UV辐射设备，其特征在于，多个LED模块（32）沿所述LED串（28）的纵向看连接在一起，其中所述LED模块（32）在它们的连接面方面平地来实施或者具有用于形状配合连接的啮合部。
8.根据权利要求1至5之一所述的UV辐射设备，其特征在于，透镜终端元件（46）被附加到准直透镜（30）的自由的端部上，其中在端面从所述准直透镜（30）射出的光通过所述透镜终端元件（46）朝向所述工作区（36）转向。
9.根据权利要求8所述的UV辐射设备，其特征在于，所述透镜终端元件（46）被设计为具有平面的旋转体的一半，其中所述平面与准直透镜（30）的端面全等。
10.根据权利要求6所述的UV辐射设备，其特征在于，相邻的LED模块（32）的透镜终端元件（46）重叠地布置。
11.根据权利要求1至5之一所述的UV辐射设备，其特征在于，由LED串（28）的LED芯片（26）发射的UV光完全射到所属的准直透镜（30）的容纳导槽（38）的内表面上。
12.根据权利要求1至5之一所述的UV辐射设备，其特征在于，所述准直透镜（30）的长度是所述准直透镜的最大横向尺寸的多倍大。
13.根据权利要求1至5之一所述的UV辐射设备，其特征在于，在LED串（28）中的LED芯片（26）的主辐射轴撑开所分配的准直透镜（30）的中间面。
14.根据权利要求1至5之一所述的UV辐射设备，其特征在于，所述光转向面（42）在外轮廓方面是直的或者呈凸形弯曲。
15.根据权利要求1至5之一所述的UV辐射设备，其特征在于，所述载体表面（22）与冷却装置（20）保持热连接。
16.根据权利要求15所述的UV辐射设备，其特征在于，所述冷却装置（20）是水冷却装置。
17.根据权利要求1至5之一所述的UV辐射设备，其特征在于，所述载体表面（22）由陶瓷板（18）形成，而且所述LED芯片（26）与在所述陶瓷板（18）上的印制导线电连接。
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