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Die
Erfindung betrifft eine Bestrahlungsanordnung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Aus
früheren
Patentanmeldungen der Anelderin, so etwa der
DE 197 36 462 A1 ,
WO 99/42774 A1 oder
DE 10024731 A1 sind
Verfahren zur Behandlung von Oberflächen, Bearbeitung von Materialien
und Herstellung von Verbundwerkstoffen unter Einsatz von elektromagnetischer
Strahlung bekannt, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des
nahen Infrarot, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm, liegt.
Bei einer Reihe dieser Anwendungen ist die Realisierung einer relativ breiten
Bestrahlungszone im Interesse einer hohen Produktivität des jeweiligen
Verfahrens mit hoher Leistungsdichte wesentlich.
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Es
ist daher der Einsatz einer langgestreckten Halogenlampe, die einen
röhrenförmigen,
an den Enden gesockelten Glaskörper
mit mindestens einer Glühwendel
hat, mit einem langgestreckten Reflektor als Strahlungsquelle für thermische
Bearbeitungsprozesse bekannt. Auch Parallelanordnungen mehrerer
solcher Strahlungsquellen sind bekannt.
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Bei
bekannten Strahlungsquellen bzw. Bestrahlungsvorrichtungen mit langgestreckten,
beidseitig gesockelten Lampen – beispiels weise
für medizinische
oder lichttechnische Anwendungen – haben die Lampen Anschlüsse bzw.
Sockel, die koaxial zum Glaskörper
an dessen Enden angeordnet sind; vgl. etwa die
US 4,287,554 oder
DE 33 178 12 A1 . Diese Druckschriften
beschreiben im übrigen
Bestrahlungsanordnungen mit mehreren Strahlungsquellen, die parallel
nebeneinander angeordnet sind.
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Mit
einer solchen Strahlungsquelle läßt sich eine
breite und erforderlichenfalls außerdem langgestreckte Bestrahlungszone
mit über
ihre Breite annähernd
konstanter Strahlungsflußdichte
realisieren, die wiederum über
die entsprechende Breite des Arbeitsbereiches einheitliche Prozeßbedingungen schafft.
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Bei
der praktischen Anwendung solcher Strahlungsquellen und Bestrahlungsanordnungen zur
Erzeugung von Strahlungszonen mit Energiedichten oberhalb (teilweise
weit oberhalb) von 100 kW/m2 haben sich
aber Probleme hinsichtlich einer ausreichenden Lebensdauer der Lampen
und der Formbeständigkeit
der Reflektoranordnungen ergeben, die nach Erkenntnissen der Erfinder
mit einer dauerhaften thermischen Überlastung in Zusammenhang
gebracht werden können
und eine aktive Kühlung
der Reflektoren erfordern.
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Aus
der
EP 0 302 490 B1 bzw.
DE 38 54 703 T2 ist
eine Trocknungs- und Kühlungsvorrichtung
für eine
Druckpresse zur Infrarothärtung
einer wärmeempfindlichen
Beschichtung auf einem bewegten Träger bekannt, wobei diese Vorrichtung
eine Anzahl von voneinander beabstandeten Infrarotlampen vor einem
gekühlten
Reflektor aufweist. An den Reflektorseiten sind jeweils Endblöcke angesetzt,
in die die Enden der Infrarotlampen eingesetzt sind und wo diese
abgestützt
werden. Die Endblöcke
bestehen aus isolierendem, feuerfestem Material und haben Öffnungen,
durch die Kühlleitungen
hindurchgehen und in Kühlkanäle in den
Reflektoren münden.
Alle einander benachbarten Kühlkanäle sind
jeweils über
separate Kühlleitungen
miteinander verbunden. Das Kühlsystem
dieser bekannten Anordnung weist daher, wenn es eine Vielzahl von
Kühlkanälen in den
Reflektoren hat, auch eine große
Anzahl von einzelnen Verbindungsleitungen auf, die einzeln hergestellt
und auf Lager gehalten werden müssen.
Zudem erfordert die Erstellung der Bestrahlungsanordnung einen relativ hohen
Zeitaufwand für
die Montage der vielen Einzelteile.
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Aus
der
EP 0 374 511 A2 ist
eine Bestrahlungsanordnung bekannt, die eine Mehrzahl von nebeneinander
und parallel zueinander angeordneten Strahlungsquelle in Form von
röhrenförmigen Glühlampen
aufweist sowie langgestreckte Reflektoren, in denen Kühlfluid-Ströhmungskanäle vorgesehen
sind. An jedem Ende der Reflektoreinheit ist jeweils ein Kühlwasserverteiler
angeordnet, und die Einlässe der
Kühlfluid-Ströhmungskanäle des Reflektors
sind mit den Einlässen
des Wasserverteilers verbunden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Bestrahlungsanordnung der
gattungsgemäßen Art
anzugeben, die die Erzeugung einer großflächigen Bestrahlungszone mit
sehr hoher Strahlungsflußdichte
erlaubt, wobei eine ausreichend lange Lebensdauer bei reproduzierbaren Bestrahlungsparametern
und eine rationelle Herstellung und Betriebsweise gewährleistet
sein sollen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Bestrahlungsanordnung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung schließt
den wesentlichen Gedanken ein, der eine Bestrahlungsanordnung bildenden
Mehrzahl von Strahlungsquellen – speziell
den mit Kühlfluid-Strömungskanälen versehenen
Reflektoren – an
den Enden jeweils einen Kühlfluid-Verteiler zuzuordnen.
Jeder Kühlfluid-Verteiler
hat einen Kühlfluidanschluß (insbesondere
Wasseranschluß für eine Wasserkühlung der
Reflektoren) und eine Mehrzahl von mit den Strömungskanälen in den Reflektoren verbundenen
Ein- bzw. Auslässen.
Die Ein- bzw. Auslässe
sind über
die Längserstreckung
des jeweiligen Kühlfluid-Verteilers in Abstimmung
auf die Breite der Reflektoren und die Lage der Kühlfluid-Strömungskanäle in diesen
angeordnet.
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In
einer für
die flexible und rationelle Realisierung unterschiedlicher Bestrahlungsanordnungen besonders
geeigneten Ausführung
sind sowohl die Reflektoren als auch die Kühlfluid-Verteiler als massive
Profile, insbesondere Strangpreßprofile,
aus einem relativ kostengünstigen
Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
ausgeführt.
Hierfür
wird bevorzugt eine Aluminiumlegierung eingesetzt. In die Profile sind
die erwähnten
Kühlfluid-Strömungskanäle seitens
des Profilherstellers bereits eingeformt. Für unterschiedlich lange und/oder
unterschiedlich breite Bestrahlungsanordnungen werden diese Profile
entsprechend der gewünschten
Strahlungsfeldgeometrie (in Abstimmung auf die jeweils eingesetzten
Halogenlampen) abgelängt.
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Die
Außenkontur
der Reflektoren hat bevorzugt einen rechteckigen – und zwar
insbesondere flach rechteckigen – Querschnitt. Es versteht
sich dabei, daß die
eigentliche, der Halogenlampe bzw. den Halogenlampen zugewandte
Reflektoroberfläche nicht
plan sein muß,
sondern (je nach konkret gewünschten
Bestrahlungsparametern) im Querschnitt die Form eines Ellipsen-
oder Parabelabschnittes oder auch eine Trapezform haben kann. Besonders bevorzugt
ist eine annähernde
W-Form der Reflektor-Wirkfläche,
wie sie beispielsweise in der
DE 199 09 542 A1 der Anmelderin beschrieben
ist.
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Die
bevorzugte Ausführung
der Reflektoren und Kühlfluid-Verteiler
als im wesentlichen rechteckige Profilteile ermöglicht die einfache Fixierung
der Reflektoren an den Kühlfluid-Verteilern,
insbesondere durch Verschrauben oder Verklammern, in einer Weise,
daß die
Kühlfluid-Verteiler
gewissermaßen als
Tragbalken für
die Reflektoren dienen können. Eine
solche Anordnung wird besonders bevorzugt dadurch realisiert, daß die Ein-
und Auslässe
der Reflektoren an deren Rückseite
angeordnet und die Kühlfluid-Verteiler
plan auf die Rückseiten
der Reflektoren aufgesetzt sind. Die Ein- und Auslässe beider
Komponenten sind zur Realisierung einer derartigen Modulbauweise
sinnvollerweise so angeordnet, daß sie dann miteinander ausgerichtet übereinander liegen.
Dies ermöglicht
den Verzicht auf zusätzliche Verbindungsstücke, wobei
die Abdichtung der Fluidkanalöffnungen
miteinander in einfacher und billiger Weise über O-Ringe erfolgen kann.
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In
einer bevorzugten Reflektorausführung hat
jeder Reflektor (mindestens) zwei Strömungskanäle und dementsprechend die
doppelte Anzahl an Ein- und Auslaßöffnungen. Hierauf ist dann
auch die Anordnung von Ein- bzw. Auslässen im Kühlfluid-Verteiler abgestimmt.
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Für viele
Anwendungen bevorzugt ist die Realisierung eines geschlossenen Reflektorfeldes. Hierzu
ist eine lückenlose
Nebeneinander-Anreihung der Reflektoren erforderlich, die bei der
Bestimmung der Abstände
zwischen den Ein- bzw. Auslässen
im Kühlfluid-Verteiler
zu berücksichtigen
ist.
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Die
Realisierung unterschiedlich langer Strahlungsfelder erfolgt durch
entsprechendes Ablängen
der Kühlfluid-Verteiler,
ebenso wie die Realisierung unterschiedlich breiter Strahlungsfelder durch
entsprechendes Ablängen
der Reflektorelemente erfolgt. Die Öffnungen der Kühlfluid-Strömungskanäle an den Stirnseiten
der jeweiligen Elemente werden durch Stopfen verschlossen.
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Für eine Vielzahl
praktischer Anwendungen bevorzugt ist weiterhin eine Ausführung der
Bestrahlungsanordnung mit einer Gegenreflektorfläche und/oder Seitenreflektorflächen. Diese
werden – im Prinzip
analog zur Ausführung
der den Halogenlampen direkt zugeordneten Reflektorfläche – bevorzugt aus
einzelnen Reflektormodulen aufgebaut, die zur Abführung der
absorbierten Wärme
ebenfalls mit Kühlfluid-Strömungskanälen versehen
sind. Auch für diese
Gegen- bzw. Seitenreflektoren ist eine Ausführung als Profilteil, insbesondere
aus einem hochgradig wärmeleitfähigem Material,
mit eingeformten Strömungskanälen sinnvoll.
Hinsichtlich des Vorsehens und der Anordnung von Ein- und Auslässen, der bevorzugten
Querschnittsgestaltung und der bevorzugten Kombination mit entsprechenden
Kühlfluid-Verteilern
gelten weitgehend analog die obigen Ausführungen bezüglich der (Haupt-)Reflektoren.
Allerdings werden die Gegen- bzw. Seitenreflektoren für viele
Anwendungen einen streng rechteckigen Querschnitt, d. h. eine plane
Reflektor-Wirkfläche, haben.
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Vorteile
und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich im übrigen
aus den Unteransprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Darstellung einer NIR-Bestrahlungsanordnung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung,
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2 eine
schematische perspektivische Darstellung einer NIR-Bestrahlungsanordnung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung,
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3 eine
teilweise geschnittene Seitenansicht eines aus zwei Reflektoren
bestehenden Haupt-Reflektorfeldes
gemäß einer
Ausführung
der Erfindung und
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4A und 4B zwei
teilweise geschnittene Seitenansichten (in Quer- und Längsrichtung) eines
aus zwei Gegenreflektoren bestehenden Gegenreflektorfeldes gemäß einer
Ausführung
der Erfindung.
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1 zeigt
in einer schematischen perspektivischen Darstellung die wesentlichen
Elemente einer NIR-Bestrahlungsanordnung 1, die insbesondere zur
thermischen Bearbeitung eines relativ voluminösen Bearbeitungsgegenstandes
(Werkstücks)
geeignet ist. Sie umfaßt
eine Strahleranordnung 2 aus insgesamt neun langgestreckt
röhrenförmigen Halogen-Glühfadenlampen 3,
die zur primären
Emission von Infrarotstrahlung im Bereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm Wellenlänge betrieben
werden, und ein diesen zugeordnetes Haupt-Reflektorfeld 4,
das aus drei gleichartigen Reflektoren 5 aufgebaut ist.
Weiterhin umfaßt
die NIR-Bestrahlungsanordnung 1 ein gegenüber dem
Haupt-Reflektorfeld und parallel zu diesem angeordnetes Gegenreflektorfeld 6 aus
drei gleichartigen Gegenreflektoren 7.
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Auf
den Rückseiten
der Reflektoren 5 und Gegenreflektoren 7 sind
jeweils zwei Kühlwasser-Verteilerbalken 8 mit
quadratischem Querschnitt angebracht, die jeweils einen Wasseranschluß 9 haben.
Diese Kühlwasser-Verteilerbalken 8 sind
auf eine in 3 bis 4B gezeigte
und weiter unten genauer beschriebene Weise mit einem Kühlwasserkanal
versehen und haben Kühlwasser-Ein- bzw. -Auslässe, die
mit entsprechenden Ein- bzw. Auslässen von in den Reflektorelementen
angeordneten Kühlwasserkanälen verbunden
sind. Sie dienen als Verteiler für
eine Wasserkühlung
der einzelnen Reflektorelemente der Reflektorfelder 4 und 6.
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2 zeigt
eine weitere NIR-Bestrahlungsanordnung 21, die einen schmaleren
Bearbeitungsraum hat und daher insbesondere zur thermischen Bearbeitung
eines flächigen
oder doch zumindest relativ flachen Bearbeitungsgegenstandes mittels NIR-Strahlung
geeignet ist. Soweit diese Anordnung mit 1 weitgehend übereinstimmende
Komponenten umfaßt,
sind an 1 angelehnte Bezugsziffern benutzt
und wird auf eine nochmalige genauere Beschreibung nachfolgend verzichtet.
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Derartige Übereinstimmungen
bestehen insbesondere hinsichtlich des Vorhandenseins einer NIR-Strahleranordnung 22 aus
neun Halogen-Glühfadenlampen 23 vor
einem aus drei Reflektoren 25 aufgebauten Haupt-Reflektorfeld 24,
dem ein aus drei Gegenreflektoren 27 aufgebautes Gegenreflektorfeld 26 parallel
gegenüberliegt.
Weiterhin sind auch hier dem Haupt- und Gegenreflektorfeld 24, 26 jeweils
zwei Kühlwasser-Verteilerbalken 28 zugeordnet,
d. h. auf die Rückseiten
der entsprechenden Reflektorelemente aufgeschraubt. Allerdings befinden sich
hier die Wasseranschlüsse 29 nicht
an den Stirnseiten, sondern an den Rückseiten der Kühlwasser-Verteilerbalken 28.
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Die
NIR-Bestrahlungsanordnung 21 gemäß 2 unterscheidet
sich von der einfacheren Anordnung nach 1 durch
das zusätzliche
Vorhandensein von je einem Seitenreflektor 30 an der Ober- und
Unterseite der Anordnung, wodurch ein (bis auf schmale Be- und Entlüftungsschlitze 31a, 31b)
geschlossener Strahlungsraum gebildet wird. Auch die Seitenreflektoren 30 sind
an Kühlwasser-Verteilerbalken 38 angebracht,
die – entsprechend
der Geometrie der NIR-Bestrahlungsanordnung – deutlich kürzer als
die dem Haupt- und Gegenreflektorfeld zugeordneten Verteilerbalken
sind und Wasseranschlüsse 29 an
ihren Stirnseiten haben. Alle Kühlwasser-Verteilerbalken 29, 38,
bilden – wie 2 deutlich
zeigt – zwei
rechteckige Rahmen, in denen sämtliche
Reflektorelemente stabil gehalten sind.
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Die
Wirkflächen
der Reflektoren 5 und 25 aus 1 und 2 haben
eine annähernd
W-förmige
Querschnittsgestalt, während
die Oberflächen
der Gegenreflektoren 7 bzw. 27 und der Seitenreflektoren 30 plan
sind. Alle Reflektorelemente sind aus einer Aluminiumlegierung stranggepreßt und haben polierte
Reflexionsflächen.
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In 3 bis 4B sind
der innere Aufbau der Reflektorelemente und der Kühlwasser-Verteilerbalken
sowie deren Verbindung miteinander gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung näher
dargestellt. Die Bezugsziffern für
die einzelnen Komponenten sind in Anlehnung an 1 und 2 gewählt.
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3 zeigt
ein Haupt-Reflektorfeld 34 mit zwei Reflektoren 35 zur
Aufnahme von jeweils sechs (also insgesamt zwölf) langgestreckten Halogenlampen.
Jeder der Reflektoren 35 hat sechs im Querschnitt annähernd W-förmige Reflexionsbereiche 35a und
fünf langgestreckte,
im Querschnitt kreisförmige
Kühlwasserkanäle 35b,
die jeweils hinter dem Grenzbereich zwischen zwei Reflexionsbereichen 35a angeordnet
sind. Die Kühlwasserkanäle 35b sind
mäanderförmig miteinander
verbunden, und die beiden äußeren Kanalabschnitte
sind jeweils mit vergrößertem Durchmesser
ausgeführt.
Diese haben jeweils einen auf die Rückseite mündenden Ein- bzw. Auslaß 35c.
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Auf
den Reflektoren 35, deren Rückseite plan ausgeführt ist,
und die in ihrer Außenkontur
insgesamt einen annähernd
rechtekkigen Querschnitt haben, sind rückseitig zwei Kühlwasser-Verteilerbalken
(gemäß 1 oder 2)
angeordnet, von denen in 3 einer zu erkennen ist. Der
Kühlwasser-Verteilerbalken 38 hat
einen geradlinig durchgehenden Verteiler-Kühlwasserkanal 38a und
zwei Verteiler-Ein- bzw. Auslässe 38b,
die so angeordnet sind, daß sie
im auf den Reflektoren 35 angebrachten Zustand des Verteilerbalkens 38 mit
den Ein-/Auslässen 35c der
Reflektoren ausgerichtet sind. Da sie auch den gleichen Durch messer
wie diese haben, ist in einfacher Weise eine Abdichtung mittels
O-Ringen 38c möglich.
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Von
den Enden des Verteiler-Kühlwasserkanals 38a wird
im installierten Zustand des gesamten Reflektorfeldes jeweils einer
einen Kühlwasser-Ein- bzw.
-Auslaß für das Hauptreflektorfeld
bilden, während
der andere mit einem (in 1 und 2 gezeigten,
aber nicht mit einer eigenen Bezugsziffer versehenen) Stopfen verschlossen
sein wird. In analoger Weise ist ein seitlicher Verschluß der in
die stranggepreßten
Reflektorprofile durchgehend eingeformten Kühlwasserkanäle 35b ausgeführt.
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4A und 4B zeigen
ein Gegenreflektorfeld 46 aus zwei Gegenreflektoren 47 mit
einem aufgesetzten Kühlwasser-Verteilerbalken 48.
Analog zum Aufbau des Kühlwasser-Verteilerbalkens 38 aus 3 hat
auch der Kühlwasser-Verteilerbalken 48 einen
geradlinig durchgehenden Verteiler-Kühlwasserkanal 48a,
der in 4A in einem beidseitig durch Verschlußstopfen 48d verschlossenen
Zustand gezeigt ist.
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Die
Gegenreflektoren 47 haben jeweils eine hochglanzpolierte
plane Reflexionsfläche 47a und zwei
Kühlwasserkanäle 47b,
die jeweils zwei Ein-/Auslässe 47c auf
der Rückseite
haben. Die Abmessungen der Gegenreflektoren 47 und die
Anordnung der Kühlwasserkanäle 47b und
der Ein-/Auslässe 47c in
diesen sind derart auf die Ausführung der
Kühlwasser-Verteilerbalken 48 – insbesondere die
Anordnung der Ein-/Auslässe 48b in
diesen – abgestimmt,
das im montierten Zustand der Anordnung die Ein- bzw. Auslässe beider
Komponenten miteinander fluchten und wiederum durch O-Ringe 48c gegeneinander
abgedichtet werden können.
Die durchgehenden Kühlwasserkanäle 47b sind
(wie oben bereits im Hinblick auf die Reflektoren des Hauptreflektorfeldes
erwähnt)
durch Verschlußstopfen 49 verschlossen.
Daher strömt über die
Kühlwasser-Verteilerbalken 48 zugeführtes bzw.
abgeleitetes Kühlwasser
aus dem Verteiler-Kühlwasserkanal 48a des
einen Ver teilers über
dessen Auslaß 48b und
den angrenzenden Einlaß 47c in
den Kühlwasserkanal 47b des
Gegenreflektors. Aus diesem strömt
es über
dessen Auslaß und
den benachbarten Einlaß im
anderen Verteilerbalken in dessen Verteiler-Kühlwasserkanal und wird von
dort (für
mehrere Reflektorelemente gemeinsam) abgeleitet.
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Zur
lückenlosen
Aneinanderreihung der Gegenreflektoren zur Bildung ausgedehnterer
Gegenreflektorfelder sind an deren Seitenflächen Schwalbenschwanznuten 47d zum
Einsetzen entsprechender (nicht dargestellter) Verbinderprofile
vorgesehen. In 4B ist zu erkennen, daß die Verbindung
zwischen den Gegenreflektoren 47 und den Kühlwasser-Verteilerbalken 48 jeweils
durch Schraubbolzen 50 hergestellt wird, die in entsprechend
ausgebildete Montagebohrungen 48e der Verteilerbalken 48 bzw. 47e der
Gegenreflektoren eingesetzt werden.
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Die
Ausführung
der Erfindung ist nicht auf diese Beispiele sowie die oben hervorgehobenen
Aspekte beschränkt,
sondern im Rahmen der Ansprüche
ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns
liegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1;
21
- NIR-Bestrahlungsanordnung
- 2;
22
- Strahleranordnung
- 3;
23
- Halogen-Glühfadenlampe
- 4;
24; 34
- Haupt-Reflektorfeld
- 5;
25; 35
- Reflektor
- 6;
26; 46
- Gegenreflektorfeld
- 7;
27; 47
- Gegenreflektor
- 8;
28; 38; 48
- Kühlwasser-Verteilerbalken
- 9;
29
- Wasseranschluß
- 30
- Seitenreflektor
- 31a
- Belüftungsschlitz
- 31b
- Entlüftungsschlitz
- 35a;
47a
- Reflexionsbereich
- 35b;
47b
- Kühlwasserkanal
- 35c;
47c
- Ein-/Auslaß
- 38a;
48a
- Verteiler-Kühlwasserkanal
- 38b;
48b
- Verteiler-Ein-
bzw. -Auslaß
- 38c;
48c
- O-Ring
- 47d
- Schwalbenschwanznut
- 47e,
48e
- Montagebohrung
- 48d;
49
- Verschlußstopfen
- 50
- Schraubbolzen