DE10051903B4

DE10051903B4 - Strahlungsquelle

Info

Publication number: DE10051903B4
Application number: DE10051903A
Authority: DE
Inventors: Kai K.O. Dr. Bär; Rainer Dr. Gaus; Günther 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: 2005-08-18
Anticipated expiration: 2020-10-20
Also published as: DE10051903A1; DE10051905A1; DE10051905B4

Abstract

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

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus früheren Patentanmeldungen der Anmelderin, so etwa der DE 197 36 462 A1 , WO 99/42774 A1 oder DE 100 24 731 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 wesentlich. 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 bekannt.

Bei bekannten Strahlungsquellen bzw. Bestrahlungsvorrichtungen mit langgestreckten, beidseitig gesockelten Lampen – beispielsweise 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 übri gen Bestrahlungsanordnungen mit mehreren Strahlungsquellen, die parallel nebeneinander angeordnet sind.

Mit einer solchen Strahlungsquelle läßt sich eine breite Bestrahlungszone mit über ihre Breite annähernd konstanter Strahlungsflussdichte realisieren, die wiederum über die entsprechende Breite des Arbeitsbereiches einheitliche Prozeßbedingungen schafft.

Bei der praktischen Anwendung solcher Strahlungsquellen und Bestrahlungsanordnungen 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 Reflektoranordnungen ergeben, die nach Erkenntnissen der Erfinder mit einer dauerhaften thermischen Überlastung in Zusammenhang gebracht werden können.

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

Aus der AT-PS 269283 ist eine elektrische Glühlampe mit einem rohrförmigen Kolben in U-förmiger Gestalt bekannt, bei der die Glühwendel sich im die Schenkel verbindenden Abschnitt des "U" erstreckt. Aus der DE 88 02 042 U1 ist eine langgestreckte Halogenlampe bekannt, die insgesamt eine Ω-förmige oder – vereinfacht dargestellt – C-förmige Biegung mit eingezogenen Lampensockeln aufweist.

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

Die Erfindung schließt den grundlegenden Gedanken ein, die temperaturempfindlichen Enden der Halogenlampe – also die Bereiche, in denen üblicherweise die Wolfram-Glühwendel über ein Molybdän-Plättchen mit einem Anschlußstift verbunden ist – außerhalb 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 röhrenförmigen Abschnitt der Lampe zugewandte Oberfläche des zugeordneten 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 Längserstreckung über einen Krümmungsradius im wesentlichen rechteckig umgebogen. Hierbei verlaufen also die Lampenanschlüsse grundsätzlich im rechten Winkel zur Längserstreckung des Glaskörpers 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 Ausführung 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 Bestrahlungsfeldes 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 wärmeleitendem Kontakt mit dem Reflektor angeordnet und/oder den Sockeln sind Kühlmittel zur Wärmeabführung zugeordnet. Hierdurch wird ein steiler Temperatur(T)-Gradient zwischen den gebogenen Bereichen des Glaskörpers und dem jeweils benachbarten Anschlußbereich realisierbar. Hierdurch wird insbesondere ein Temperaturabfall von einer oberhalb von 600°C liegenden Temperatur des Glaskörpers auf eine Anschluß- bzw. Endtemperatur deutlich unterhalb von 300°C, speziell unterhalb von 200°C, erzeugt und der thermischen Empfindlichkeit der Lampenenden Rechnung getragen.

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

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

Speziell ist im Reflektor mindestens ein Preßluft-Strömungskanal mit auf die Enden der Halogenlampe gerichteten Austrittsöffnungen ("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 Lampenenden dient.

Eine besonders vorteilhafte Art und Weise der Wärmeabführung ermöglichen Reflektoren, die als massive Strangpreßprofile aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, ausgeführt sind. In derartige 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 Wärmeabstrahlung 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 übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
1 einen Ausschnitt aus einer Bestrahlungsanordnung mit einer Strahlungsquelle gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Art einer Längsschnittdarstellung und
2 einen Ausschnitt aus einer Bestrahlungsanordnung mit einer Strahlungsquelle gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in Art einer Längsschnittdarstellung.
1 zeigt einen Ausschnitt aus einer NIR-Bestrahlungsanordnung 10 für technologische Zwecke mit einer Mehrzahl von in Längsrichtung und in Ausrichtung miteinander aneinandergereihten 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 spezielle 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-Glühfadenlampe 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 erhöhter 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 Anschluß 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 Molybdänplättchen einerseits und dem Molybdänplättchen und dem Anschlußstift 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 Glaskörpers 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 oberhalb von 600°C eine für die Lebensdauer der Strahlungsquelle wichtige Enden-Temperatur um oder unterhalb von 200°C erreichbar wird. Für Applikationen mit durchschnittlicher Strahlungsquellenleistung dürfte aufgrund der vorgeschlagenen Lampengeometrie die aufwendige Druckluftkühlung aber verzichtbar sein, was für bestimmte Anwenderkreise deutliche Vorteile und im übrigen nennenswerte Kosteneinsparungen erbringt.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bestrahlungsanordnung 20, bei der zu 1 funktionsgleiche Komponenten auch mit an 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 1 – einen durch die aneinandergereihten Reflektoren 22 durchgehenden Kühlwasserkanal 26 aufweist.
Hinsichtlich der Halogen-Glühfadenlampe 21 besteht ein wesentlicher Unterschied in der geometrisch modifizierten Ausbildung der Umbiegung im Bereich der Lampenenden. Diese ist hier nämlich im Wesentlichen C-förmig ausgeführt, womit erreicht wird, daß die Anschlüsse 23 gegenüber den äußersten Punkten des Glaskörpers 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 sorgen.
Durch diese Maßnahmen zusammen wird – bei Verzicht auf Einrichtungen zu einer aktiven Druckluftkühlung – ebenfalls ein relativ steiler T-Gradient im Bereich der Lampenenden erreicht.
Durch die enge Aneinanderreihung der Halogenlampen, die mit der Ausbildung des Glaskörpers nach 2 möglich wird, in Verbindung mit der C-förmigen Ausformung der Umbiegungsbereiche wird eine sehr gute Konstanz der Strahlungsflußdichte im Längsverlauf von mehreren aneinanderstoßenden Strahlungsquellen möglich.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele und hervorgehobenen Aspekte beschränkt, sondern im Rahmen der Ansprüche ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns liegen.

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

Strahlungsquelle (11; 21) für elektromagnetische Strahlung, deren wesentlicher Wirkanteil im Bereich des nahen Infrarot im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm, liegt, zur Ausbildung einer langgestreckten Bestrahlungszone, mit einer langgestreckten Halogenlampe (11; 21), die einen röhrenförmigen, an den Enden gesockelten Glaskörper (14; 24) mit mindestens einer Glühwendel (15; 25) hat, und einem langgestreckten Reflektor (12; 22), dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Glaskörpers im Bereich der Glühwendel zum Reflektor hin umgebogen und, bezogen auf die Position des röhrenförmigen Abschnittes des Glaskörpers, hinter der der Halogenlampe zugewandten Oberfläche des Reflektors angeordnet sind, wobei die Glühwendel sich im umgebogenen Bereich des Glaskörpers fortsetzt.
Strahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Ende des Glaskörpers (14) in Bezug auf dessen Längserstreckung über einen Krümmungsradius rechteckig umgebogen ist.
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) gegenüber dem äußersten Punkt des Glaskörpers (24) an diesem Ende geringfügig nach innen versetzt ist.
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 Glaskörpers (14; 24) und dem jeweils benachbarten Anschluß (13; 23), insbesondere ein T-Abfall von einer Glaskörpertemperatur oberhalb von 600°C auf eine Sockel-Temperatur unterhalb von 300°C, speziell unterhalb von 200°C, erzeugt wird.
Strahlungsquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel Wärmeabstrahlungsflächen (29) an den Enden der Halogenlampe (21) umfassen.
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 Reflektors (12) umfassen.
Strahlungsquelle nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch mindestens einen Preßluft-Strömungskanal (17) im oder nahe dem Reflektor (12) mit auf die Enden des Glaskörpers gerichteten Austrittsöffnungen (18).
Strahlungsquelle nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch Wasserkanäle (16; 26) im Reflektor (12; 22), die den Lampenenden benachbarte Bereiche desselben durchqueren.
Strahlungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Steckkontakt-Sockel (23), denen Wärmeleitmittel (29) zur Wärmeabführung an den Reflektor (22) zugeordnet sind.
Strahlungsquelle nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (22) als massives Strangpreßprofil aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, ausgeführt ist, in das insbesondere Kühlfluid-Strömungskanäle (26) eingepreßt sind.