DE10051903A1

DE10051903A1 - Strahlungsquelle

Info

Publication number: DE10051903A1
Application number: DE10051903A
Authority: DE
Inventors: Kai K O Baer; Rainer Gaus; Guenther Gesell; Torsten Berge
Original assignee: Advanced Photonics Technologies AG
Current assignee: KHS GmbH; Adphos Innovative Technologies GmbH
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-10-19
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: DE10051903B4; DE10051905A1; DE10051905B4

Abstract

Strahlungsquelle (11) für elektromagnetische Strahlung, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 mum und 1,5 mum, liegt, zur Ausbildung einer langgestreckten Bestrahlungszone, mit einer langgestreckten Halogenlampe (11), die einen röhrenförmigen, an den Enden gesockelten Glaskörper (14) mit mindestens einer Glühwendel (15) hat, und einem langgestreckten Reflektor (12), wobei die Sockel (13) der Halogenlampe im Bereien der Reflektorfläche oder, bezogen auf die Position der Halogenlampe, hinter dieser angeordnet sind, wobei die Enden der Halogenlampe zum Reflektor hin umgebogen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle nach dem Oberbe griff des Anspruchs 1.

Aus früheren Patentanmeldungen der Anmelderin, so etwa der DE 197 36 462 A1, WO 99/42774 oder P 10024731.8 (unveröffent licht), sind Verfahren zur Behandlung von Oberflächen, Bearbei tung von Materialien und Herstellung von Verbundwerkstoffen un ter Einsatz von elektromagnetischer Strahlung bekannt, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot, insbe sondere 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 wesentlich. Es ist da her der Einsatz einer langgestreckten Halogenlampe, die einen röhrenförmigen, an den Enden gesockelten Glaskörper mit mindes tens einer Glühwendel hat, mit einem langgestreckten Reflektor als Strahlungsquelle bekannt.

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 17 812 A1. Diese Druckschriften beschreiben im übri gen Bestrahlungsanordnungen mit mehreren Strahlungsquellen, die parallel nebeneinander angeordnet sind.

Mit einer solchen Strahlungsquelle läßt sich eine breite Be strahlungszone mit über ihre Breite annähernd konstanter Strah lungsflußdichte realisieren, die wiederum über die entsprechen de Breite des Arbeitsbereiches einheitliche Prozeßbedingungen schafft.

Bei der praktischen Anwendung solcher Strahlungsquellen und Be strahlungsanordnungen zur Erzeugung von Strahlungszonen mit Energiedichten oberhalb und teilweise weit oberhalb von 100 kW/m² haben sich Probleme hinsichtlich einer ausreichenden Lebensdauer der Lampen und der Formbeständigkeit der Reflektor anordnungen ergeben, die nach Erkenntnissen der Erfinder mit einer dauerhaften thermischen Überlastung in Zusammenhang ge bracht werden können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesser te Strahlungsquelle der gattungsgemäßen Art anzugeben, die die Erzeugung einer Bestrahlungszone mit sehr hoher Strahlungsfluß dichte erlaubt, wobei eine ausreichend lange Lebensdauer bei reproduzierbaren Bestrahlungsparametern gewährleistet sein soll.

Diese Aufgabe wird durch eine Strahlungsquelle mit den Merkma len des Anspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, die tem peraturempfindlichen Enden der Halogenlampe - also die Berei che, in denen üblicherweise die Wolfram-Glühwendel über ein Mo lybdän-Plättchen mit einem Anschlußstift verbunden ist - außer halb des im Betrieb der Halogenlampe erzeugten Strahlungsfeldes zu verlegen. Dadurch wird vermieden, daß sie direkter NIR- Strahlung ausgesetzt sind, und dies erbringt eine wesentliche Reduzierung der Wärmebelastung. Weiter schließt die Erfindung den Gedanken ein, hierzu die Lampenenden hinter die dem röhren förmigen Abschnitt der Lampe zugewandte Oberfläche des zugeord neten Reflektors zu verlegen. Dies wird durch eine Umbiegung der Enden des Glaskörpers zum Reflektor hin bewerkstelligt.

In einer wegen ihrer Einfachheit bevorzugten Ausführung ist mindestens ein Ende der Halogenlampe im Bezug auf deren Längs erstreckung über einen Krümmungsradius im wesentlichen rechtec kig umgebogen. Hierbei verlaufen also die Lafrtpenänschlüsse grundsätzlich im rechten Winkel zur Längserstreckung des Glas körpers und der Glühwendel, womit sich auf einfache Weise eine Reihung der Lampenanschlüsse von hintereinander angeordneten Halogenlampen realisieren läßt.

In einer hierzu alternativen Ausführung weist mindestens ein Ende der Halogenlampe einen Bereich C-förmiger Biegung auf, derart, daß der äußerste Punkt des diesem Ende zugeordneten Sockels gegenüber dem äußersten Punkt des Glaskörpers an diesem Ende geringfügig nach Innen versetzt ist. Es ist auch die Aus führung von Halogenlampen möglich, deren Glaskörper an einem Ende diese letztgenannte Geometrie aufweist, während am anderen Ende die oben erwähnte rechtwinklige Umbiegung realisiert ist. Die letztgenannte Ausführung ermöglicht (wenn auch mit etwas höherem Konstruktionsaufwand bezüglich der Halogenlampe) in noch verbesserter Weise die "nahtlose" Aneinanderreihung von Strahlungsquellen zur Realisierung eines sehr breiten Bestrah lungsfeldes mit nahezu völlig konstanter Strahlungsflußdichte, da hierbei für die Stromzuführung zu den Lampensockeln mehr Platz zur Verfügung steht.

Die Enden der Halogenlampe sind zweckmäßigerweise in wärmelei tendem Kontakt mit dem Reflektor angeordnet und/oder den Soc keln sind Kühlmittel zur Wärmeabführung zugeordnet. Hierdurch wird ein steiler Temperatur(T)-Gradient zwischen den gebogenen Bereichen des Glaskörpers und dem jeweils benachbarten An schlußbereich realisierbar. Hierdurch wird insbesondere ein Temperaturabfall von einer oberhalb von 600°C liegenden Tempe ratur des Glaskörpers auf eine Anschluß- bzw. Endtemperatur deutlich unterhalb von 300°C, speziell unterhalb von 200°C, er zeugt und der thermischen Empfindlichkeit der Lampenenden Rech nung getragen.

Die erwähnten Kühlmittel umfassen in einer ersten speziellen Ausführung Wärmeabstrahlungsflächen ("Flags") an den Enden der Lampe. Zusätzlich oder alternativ hierzu sind Steckkontakt-Soc kel mit speziellen Wärmeleitmitteln zur Wärmeabführung an den (in der Regel im wesentlichen vollständig metallischen und da her die Wärme sehr gut ableitenden) Reflektor vorgesehen.

Für Hochleistungs-Anwendungen noch effizienter, wenn auch ver fahrenstechnisch aufwendiger, ist der Einsatz eines unter Druck stehenden Kühlfluids zur Abführung der Wärme von den Lampenen den. Hierzu umfassen die Kühlmittel Kühlfluid-Strömungskanäle zur Zuleitung des Kühlfluids zu den Enden bzw. endnahen Berei chen der Halogenlampe und/oder den diesen benachbarten Berei chen des zugeordneten Reflektors.

Speziell ist im Reflektor mindestens ein Preßluft-Strömungs kanal mit auf die Enden der Halogenlampe gerichteten Aus trittsöffnungen ("Düsen") vorgesehen, über den kalte Druckluft - oder auch ein anderes Kühlgas - in diese Bereiche zugeführt wird. Eine weitere bevorzugte Ausführung hat Wasserkanäle im Reflektor, die sockelnahe Bereiche desselben durchqueren. Durch diese Wasserkanäle wird Kühlwasser geleitet, das einerseits zur Kühlung des (der Strahlung der Glühwendel direkt ausgesetzten) Reflektors und andererseits - mittelbar über die Wärmeleitung zwischen Reflektor und Lampenenden - auch zur Kühlung der Lam penenden dient.

Eine besonders vorteilhafte Art und Weise der Wärmeabführung ermöglichen Reflektoren, die als massive Strangpreßprofile aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Alu minium oder einer Aluminiumlegierung, ausgeführt sind. In der artige Reflektoren sind nämlich die Kühlfluid-Strömungskanäle (sowohl in der Ausführung als Preßluftkanäle als auch in der Ausführung als Wasserkanäle) besonders leicht einarbeitbar, und die massive Ausführung des Reflektors verleiht diesem eine hohe Wärmekapazität und trägt damit zur Vergleichmäßigung der Wärme abstrahlung durch die Strahlungsquelle auch bei geringfügigen Inhomogenitäten des primären Strahlungsprofils der Glühwendel bzw. bei geringfügigen Schwankungen der Versorgungsspannung bei.

Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im üb rigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschrei bung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Bestrahlungsanordnung mit einer Strahlungsquelle gemäß einer ersten Ausfüh rungsform der Erfindung in Art einer Längsschnittdar stellung und

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Bestrahlungsanordnung mit einer Strahlungsquelle gemäß einer zweiten Ausfüh rungsform der Erfindung in Art einer Längsschnittdar stellung.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer NIR-Bestrahlungsanord nung 10 für technologische Zwecke mit einer Mehrzahl von in Längsrichtung und in Ausrichtung miteinander aneinandergereih ten Halogen-Glühfadenlampen 11 mit jeweils einem zugeordneten, langgestreckten Reflektor 12, der aus einem Al-Strangpreßprofil gefertigt ist.

Der grundsätzliche Aufbau des Reflektors ist an sich aus der EP 0 999 724 A2 der Anmelderin bekannt und wird daher hier nicht weiter erläutert. Nachfolgend wird lediglich auf speziel le Kühleinrichtungen Bezug genommen werden, die im Inneren oder in der Nähe des Reflektors angeordnet sind.

Wie aus der Figur zu ersehen ist, hat die Halogen-Glühfadenlam pe 11 einen röhrenförmigen, an den beiden Enden jeweils einen Anschlußstift 13 aufweisenden Glaskörper 14, in dessen Zentrum eine langgestreckte Glühwendel 15 verläuft. Sie wird bei erhöh ter Spannung und daher mit erhöhter Betriebstemperatur oberhalb von 2500 K, insbesondere oberhalb von 2900 K, betrieben und liefert daher Strahlung, deren wesentlicher Strahlungsanteil im Bereich des nahen Infrarot, speziell im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 1,5 µm, liegt. Der Glaskörper 14 ist nahe seiner Enden annähernd rechtwinklig umgebogen derart, daß ein in etwa im rechten Winkel zu seinem Verlauf im mittleren Teil sich erstreckender Endabschnitt schließlich den jeweiligen An schluß 13 trägt.

Durch die Umbiegung des Glaskörpers 14 zum Reflektor hin wird erreicht, daß die temperaturempfindlichen gequetschten Enden, die die Verbindungen zwischen der Glühwendel und dem Molybdän plättchen einerseits und dem Molybdänplättchen und dem An schlußstift andererseits tragen und kritische Punkte der Lampen bei hoher thermischer Belastung darstellen, im wesentlichen keiner direkten Wärmestrahlung mehr ausgesetzt sind und daher wesentlich kühler bleiben als bei konventionellen Ausführungen der Anschlüsse.

Im Inneren des Reflektors 12 ist ein Kühlwasserkanal 16 zur Kühlung des Reflektors mit Kühlwasser W vorgesehen. Nahe der Reflektoroberfläche verläuft ein Preßluftröhrchen 17 mit Luft düsen 18 nahe der die Anschlüsse tragenden Enden des Glaskör pers 14, durch die dieser Bereich des Glaskörpers mit kalter Preßluft A beaufschlagt wird.

Durch diese Kühlung der Lampenenden wird - in Kombination mit dem Wärmeableitungsvermögen des massiven Metallreflektors - ein steiler T-Gradient verwirklicht. Dieser sichert, daß auch bei Höchstleistungs-Anwendungen trotz Glaskörpertemperaturen ober halb von 600°C eine für die Lebensdauer der Strahlungsquelle wichtige Enden-Temperatur um oder unterhalb von 200°C erreich bar wird. Für Applikationen mit durchschnittlicher Strahlungs quellenleistung dürfte aufgrund der vorgeschlagenen Lampengeo metrie die aufwendige Druckluftkühlung aber verzichtbar sein, was für bestimmte Anwenderkreise deutliche Vorteile und im üb rigen nennenswerte Kosteneinsparungen erbringt.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bestrah lungsanordnung 20, bei der zu Fig. 1 funktionsgleiche Komponen ten auch mit an Fig. 1 angelehnten Bezugsziffern bezeichnet sind.

Es ist zu erkennen, daß der Reflektor 22 hier nur bis unterhalb der Mittenachse des Glaskörpers 24 bzw. der Glühwendel 25 reicht und - anders als bei der Anordnung 10 nach Fig. 1 - ei nen durch die aneinandergereihten Reflektoren 22 durchgehenden Kühlwasserkanal 26 aufweist.

Hinsichtlich der Halogen-Glühfadenlampe 21 besteht ein wesent licher Unterschied in der geometrisch modifizierten Ausbildung der Umbiegung im Bereich der Lampenenden. Diese ist hier näm lich im wesentlichen C-förmig ausgeführt, womit erreicht wird, daß die Anschlüsse 23 gegenüber den äußersten Punkten des Glas körpers 24 etwas nach innen versetzt sind. Dies ermöglicht zum einen das noch dichtere Aneinanderstoßen der Halogenlampen 21 und zum anderen das Vorsehen von relativ großflächigen Kühlflä chen (Flags) 29 an den Anschlüssen 23. Zudem sind im Bereich des Durchführungen der Lampenenden durch den Reflektorkörper spannungsausgleichende und wärmeleitende Buchsen 30 vorgesehen, die für eine gute Wärmeübertragung an den Reflektorkörper sor gen.

Durch diese Maßnahmen zusammen wird - bei Verzicht auf Einrich tungen zu einer aktiven Druckluftkühlung - ebenfalls ein rela tiv steiler T-Gradient im Bereich der Lampenenden erreicht.

Durch die enge Aneinanderreihung der Halogenlampen, die mit der Ausbildung des Glaskörpers nach Fig. 2 möglich wird, in Verbin dung mit der C-förmigen Ausformung der Umbiegungsbereiche wird eine sehr gute Konstanz der Strahlungsflußdichte im Längsver lauf von mehreren aneinanderstoßenden Strahlungsquellen mög lich.

Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebe nen Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern im Rahmen der Ansprüche ebenso in einer Vielzahl von Abwandlun gen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.

Bezugszeichenliste

10

;

20

NIR-Bestrahlungsanordnung

11

;

21

Halogen-Glühfadenlampe

12

;

22

Reflektor

13

;

23

Anschlußstift

14

;

24

Glaskörper

15

;

25

Glühwendel

16

;

26

Kühlwasserkanal

17

Preßluftröhrchen

18

Luftdüse

29

Kühlfläche (Flag)

30

Buchse
A Preßluft
W Kühlwasser

Claims

1. Strahlungsquelle (11; 21) für elektromagnetische Strah lung, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 µm und 1,5 m, liegt, zur Ausbildung einer langge streckten Bestrahlungszone, mit einer langgestreckten Halogenlampe (11; 21), die einen röhrenförmigen, an den Enden gesockelten Glaskörper (14; 24) mit mindestens ei ner Glühwendel (15; 25) hat, und einem langgestreckten Reflektor (12; 22), dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Glaskörpers zum Reflektor hin umgebogen und, bezogen auf die Position des röhrenförmigen Ab schnittes des Glaskörpers, hinter der der Halogenlampe zugewandten Oberfläche des Reflektors angeordnet sind.

2. Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ende des Glaskörpers (14) in Bezug auf dessen Längserstreckung über einen Krümmungsradius im wesentlichen rechteckig umgebogen ist.

3. Strahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ende des Glaskörpers (24) einen Bereich C-förmiger Biegung aufweist, derart, daß der äußerste Punkt des diesem Ende zugeordneten Anschlusses (23) ge genüber dem äußersten Punkt des Glaskörpers (24) an die sem Ende geringfügig nach innen versetzt ist.

4. Strahlungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Halogenlampe (11; 21) in wärmeleitendem Kontakt mit dem Reflektor (12; 22) angeordnet sind und/ oder den Enden Kühlmittel (16, 17, 18; 26, 29, 30) zur Wärmeabführung zugeordnet sind derart, daß ein steiler T-Gradient zwischen den gebogenen Bereiches des Glaskör pers (14; 24) und dem jeweils benachbarten Anschluß (13; 23), insbesondere ein T-Abfall von einer Glaskörpertem peratur oberhalb von 600°C auf eine Sockel-Temperatur unterhalb von 300°C, speziell unterhalb von 200°C, er zeugt wird.

5. Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel Wärmeabstrahlungsflächen (29) an den En den der Halogenlampe (21) umfassen.

6. Strahlungsquelle nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel Kühlfluid-Strömungskanäle (16, 17) zur Zuleitung eines unter Druck stehenden Kühlfluids zu den Enden bzw. endnahen Bereichen der Halogenlampe (11) und/oder den diesen benachbarten Bereichen des Reflek tors (12) umfassen.

7. Strahlungsquelle nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens einen Preßluft-Strömungskanal (17) im oder nahe dem Reflektor (12) mit auf die Enden des Glaskör pers gerichteten Austrittsöffnungen (18).

8. Strahlungsquelle nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch Wasserkanäle (16; 26) im Reflektor (12; 22), die den Lampenenden benachbarte Bereiche desselben durchqueren.

9. Strahlungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Steckkontakt-Sockel (23), denen Wärmeleitmittel (29) zur Wärmeabführung an den Reflektor (22) zugeordnet sind.

10. Strahlungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (22) als massives Strangpreßprofil aus ei nem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, ausgeführt ist, in das insbesondere Kühlfluid-Strömungskanäle (26) ein gepreßt sind.