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Die
Erfindung betrifft eine thermische Bestrahlungsanordnung zur Erwärmung eines
Bestrahlungsgutes, mit mindestens einer Hochleistungs-Strahlungsquelle
für Strahlung
mit einem wesentlichen Wirkanteil im sichtbaren und/oder IR- und/oder
UV-Bereich, insbesondere im Bereich des nahen Infrarot, und mindestens
einer mit der Strahlung beaufschlagten Wandung.
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Zur
thermischen Behandlung von Oberflächen, Bearbeitung von Materialien
und Herstellung von Verbundwerkstoffen werden im industriellen Umfeld
vielfach Bestrahlungsverfahren angewendet, bei denen das Bestrahlungsgut
mit elektromagnetischer Strahlung mit einem wesentlichen Wirkanteil
im Bereich des nahen Infrarot (NIR), insbesondere im Wellenlängenbereich
zwischen 0,8 μm
und 1,5 μm,
beaufschlagt und so erwärmt
wird. Strahlung im UV- oder sichtbaren Bereich wird jedoch von vielen
Materialien ebenfalls absorbiert und ruft entsprechende thermische
Wirkungen hervor.
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Bekannt
ist bspw. der Einsatz von Bestrahlungsanordnungen zum Trocknen von
Lacken, etwa Flüssig-
oder auch Pulverlacken, auf Metall, Holz, Papier oder Kunststoffen,
vgl. die Patentschriften
DE 100
48 361 C1 oder
DE
101 08 926 C1 der Anmelderin. Auch zum Trocknen von Farben,
Druckfarben, Lasuren oder Ölen
wird das beschichtete Substrat vielfach mit einer Strahlung beaufschlagt,
die in die Beschichtung und teilweise auch in das Substrat eindringt;
für weitere
Informationen hierzu sei etwa auf das Patent
DE 100 38 896 B4 der Anmelderin
verwiesen. Auch zur Streckblasformung von Kunststoffprodukten, bspw.
PET-Behältern,
werden ent sprechende Preforms mit Strahlung beaufschlagt; Details
finden sich etwa in der Patentschrift
DE 197 36 462 C2 der Anmelderin.
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Bei
der Realisierung von Applikationen von im nahen Infrarot arbeitenden
Bestrahlungsanordnungen werden vielfach Gegenreflektoren auf der der
Strahlungsquelle abgewandten Seite des Bearbeitungsgegenstandes
und/oder Seitenreflektoren, ggfs. zur Ausbildung eines im wesentlichen
geschlossenen Strahlungsraumes, vorgesehen. Dies gilt insbesondere
für Applikationen
zur Bestrahlung eines schnell geförderten Bearbeitungsgegenstandes,
wie einer Papierbahn, einer Kunststofffolie, eines Metallbandes,
eines Elastomerprofiles oder von Preforms o. ä. Hierdurch ergeben sich wesentliche Verbesserungen
beim behandelten Produkt und in der Prozessführung. Die Reflektoren bilden
Wandungen der Bestrahlungszone bzw. des Strahlungsraumes. Entsprechende
Anordnungen sind bspw. den Patenten
DE 198 07 643 C2 und
DE 198 57 044 C2 sowie
den Offenlegungsschriften
DE
100 51 641 A1 und
DE
100 51 642 A1 der Anmelderin zu entnehmen.
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Im
Betrieb, insbesondere bei Anwendung hoher Strahlungsflussdichten
(von 200 kW/m2 und mehr) erweist sich eine
aktive Kühlung
der Gegenreflektoren und vielfach auch von Seitenreflektoren als wesentlich,
um die durch die Emitter eingetragene Wärme aus dem Strahlungsraum
abzuführen.
Trotz hohen Reflexionsgrades nehmen die Reflektoren nämlich soviel
Strahlungsenergie in Form von Wärme
auf, dass ihre Formtreue bei längerem
Einsatz ohne aktive Kühlung
nicht ohne weiteres gewährleistet
ist.
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Sehr
häufig
weist das Bestrahlungsgut flüchtige
Bestandteile auf, wie etwa Lösungsmittel
in Lacken oder Farben. Bei vielen Applikationen dampfen aus dem
erwärmten
Bestrahlungsgut größere Mengen
dieser hochsiedenden Bestandteile ab. Diese setzen sich sodann an
den kühleren
Teilen der Anordnung ab, insbesondere an der gekühlten Wandung bzw. an den Reflektoren.
Dort laufen sie an den Wänden
entlang und/oder bilden Verkrustungen. Derartige Verschmutzungen
beeinträchtigen
die Funktionsfähigkeit
der Anlage, bspw. die Reflexionsfähigkeit der Wandung, und gefährden auch
die Qualität
der Produkte, wenn von der Wandung heruntertropfende Kondensate
oder abplatzende Ablagerungen auf dem Bestrah lungsgut anhaften.
Sie sind zudem feuergefährlich
und erzeugen ggfs. Explosionsgefahr. Somit werden Reinigungs- und
Polierarbeiten erforderlich, die zeit- und personalaufwendig sind und
einen längeren
Anlagenstillstand und entsprechende Kosten bedingen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Bestrahlungsanordnung
der gattungsgemäßen Art
anzugeben, welche die Beeinträchtigung
der Funktionsfähigkeit
der Anordnung sowie der Qualität
der erzeugten Produkte durch abdampfende Bestandteile eines Bestrahlungsgutes,
die an der Wandung kondensieren, auf einfache und kostengünstige Weise
vermeidet.
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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, ein Vorblendelement vorzusehen, welches
auf der Wandung mit Abstand angebracht ist. Das Vorblendelement
weist eine von der Strahlung beaufschlagte reflektierende Vorderseite
und eine der Wandung zugewandte abstrahlende Rückseite auf.
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Speziell
sind die Reflexions- und Abstrahleigenschaften des Vorblendelementes
derart festgelegt, dass sich im Betrieb der Bestrahlungsanordnung
eine Temperatur oberhalb der Temperatur der Wandung einstellt. Diese
Temperatur bestimmt sich aus dem thermischen Gleichgewicht, das
sich durch die Absorption der von der Strahlungsquelle emittierten
Strahlung auf der Vorderseite und die Abstrahlung in Richtung auf
die gekühlten
Anlagenteile einstellt. Die Temperatur des Vorblendelementes kann somit
im Betrieb so eingestellt werden, dass eine Kondensation abgedampfter
flüchtiger
Verbindungen aus dem Bestrahlungsgut und somit die Bildung von Verkrustungen
und/oder von die Reflexionsfähigkeit der
Elemente beeinträchtigenden
Verschmutzungen verhindert oder zumindest eingeschränkt wird.
Dabei ist ggfs. auch der Einfluss (Konvektion) von erwärmter Prozessluft
zu berücksichtigen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsanordnung
ist die Vorderseite des Vorblendelementes hochreflektierend. Dies
ist für
den Strahlungsraum begrenzende Bereiche vorteilhaft, bei der hohe
Reflektivität
erwünscht
ist, bspw. aufgrund besonders intensiver Beaufschlagung mit der
Strahlung.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorderseite des Vorblendelementes diffus reflektierend.
Dies ist für
Bereiche geringerer Strahlenbelastung vorteilhaft, bspw. am Ein-
bzw. Auslauf einer Trocknungsanlage mit Fördereinrichtung. In weiteren
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Bestrahlungsanordnung
ist die Rückseite des
Vorblendelementes geschwärzt.
Hierdurch wird die Abstrahlung und damit die Wärmeabfuhr auf die gekühlten Anlagenteile
besonders effizient gestaltet.
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Für eine Vielzahl
praktischer Anwendungen bevorzugt sind Ausführungsformen der Erfindung, bei
denen das Vorblendelement auswechselbar angebracht ist. Hierdurch
gestaltet sich eine Reinigung verschmutzter Bereiche der Bestrahlungsanordnung besonders
einfach. In bevorzugten Ausgestaltungen dieser Ausführungsformen
ist das Vorblendelement mittels einer Schnappverbindung oder Klemmverbindung
angebracht.
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Bei
weiterhin vorteilhaften Ausführungsformen
umfasst das Vorblendelement eine Mehrzahl von Modulen, die jeweils
einzeln angebracht sind. Somit brauchen nur diejenigen Module ausgewechselt
werden, die tatsächlich
verschmutzt sind.
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Bevorzugt
ist das Vorblendelement über
eine Befestigungseinrichtung, ausgebildet als leichte Tragstruktur
mit Draht-Abschnitten, insbesondere aus Federdraht, an der Wandung
angebracht, wobei das Vorblendelement zur Befestigung an Draht-Abschnitten profiliert
ist. Über
eine derartige Befestigungseinrichtung erfolgt nur eine geringe
Wärmeleitung
zu den aktiv gekühlten
Anlagenteilen hin. Somit kann die Festlegung der Betriebstemperatur
des Vorblendelements auf einfache und vorhersehbare Weise über die
Festlegung der Reflexions- und Abstrahleigenschaften erfolgen.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsanordnung
weist das Vorblendelement Aluminiumblech oder ein- oder beidseitig
emailliertes oder mit Keramik beschichtetes Stahlblech auf. Vorteilhaft
kann das Aluminiumblech vorderseitig poliert und/oder rückseitig
anodisiert sein. Derartige Vorblendelemente sind chemisch und mechanisch
widerstandsfähig,
hitzebeständig
und nach Erkenntnissen der Erfinder für die Anforderungen im Betrieb
erfindungsgemäßer Bestrahlungsanordnungen
allgemein geeignet.
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Bei
weiteren, besonders einfachen und kostengünstigen Ausführungsformen
der Erfindung weist das Vorblendelement eine Metallfolie auf. Diese
ist preisgünstig
und kann auf einfache Weise angebracht bzw. ausgetauscht werden,
ist allerdings nicht so belastbar und standfest wie etwa massive Module.
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Weitere
Vorteile und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele
anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung einen Wandungsausschnitt einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsanordnung
mit einer Befestigungseinrichtung und einem Vorblendelement;
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2 einen
Ausschnitt einer Seitenwandung einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsanordnung mit
als Seitenreflektor ausgebildetem Vorblendelement;
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3 der
Eingang eines Strahlungstunnels einer erfindungsgemäßen NIR-Bestrahlungsanordnung
mit Strahlungsquelle und Vorblendelementen.
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1 zeigt
einen Ausschnitt einer Wandung 11 einer erfindungsgemäßen Bestrahlungsanordnung 10,
an der über
eine Befestigungseinrichtung 12 ein (hier teilweise aufgeschnitten
dargestelltes) Modul 14-1 eines Vorblendelementes 16 befestigt ist. Ein
weiteres Modul 14-2 des Vorblendelementes 16 ist über eine
weitere, nicht gezeigte Befestigungseinrichtung an der Wandung 11 befestigt.
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Die
Wandung 11 ist als massive Tragstruktur für den Prozess-
bzw. Strahlungsraum ausgeführt. Kanäle 18 dienen
der Durchleitung von Kühlfluid, etwa
Wasser, Luft oder einem Thermoöl.
Die einfachste und damit kostengünstigste
Lösung
ist die Wasserkühlung
mit Wasser bei geringem Druck. Soll die Temperatur der Wandung 11 im
Betrieb der Anlage über
100°C liegen,
ist jedoch die Kühlung
durch Wasser bei hohem Druck, Luft oder Öl ebenso möglich.
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Die
Befestigungseinrichtung 12 ist als Schnellspannhalterung
aus Federdraht ausgeführt. Der
Draht bildet zwei an zentraler Stelle fixierte Rahmen oder Schenkel 20, 22.
Die Verbindung mit der Wandung ist als Nietverbindung 24 realisiert.
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Vielfältige Abweichungen
von der in 1 gezeigten Ausführung der
Befestigungseinrichtung 12 sind denkbar. So kann statt
der beiden Rahmen 20, 22 aus Federdraht nur ein
Rahmen oder es können
mehr als zwei Rahmen vorliegen. Diese können über zwei oder mehr Verbindungen
an der Wandung angebracht sein; statt über Niete, wie in 1 gezeigt,
können
auch Schraubverbindungen oder andere Verbindungsarten verwendet
werden.
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Das
Modul 14-1 wird auf die Federdraht-Rahmen 20, 22 der
Befestigungseinrichtung 12 aufgeklemmt. Es hat dazu vorteilhaft
auf einer seiner Seiten einen Aufnahmebereich 26 für den Federdraht,
so dass das Modul 14-1 beim Anbringen in die Rahmen 20, 22 eingehängt werden
kann. Durch manuellen Druck erfolgt sodann die Befestigung des Moduls 14-1 an
der Wandung 11. Der Abstand zwischen der Rückseite
des Moduls 14-1 und der Oberfläche der Wandung 11 beträgt ca. 2–5 Millimeter.
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Das
aufgeklemmte Modul 14-1 kann entweder werkzeuglos oder
mit einem einfachen Werkzeug (bspw. einem Schraubendreher) mit geringem
Zeitaufwand abgenommen werden.
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Der
Aufnahmebereich 26 wird durch eine geeignete Profilierung
des Moduls 14-1 bei dessen Herstellung ausgebildet. Ein
Aufklemmen der Module ist jedoch auch ohne einen derartigen Aufnahmebereich möglich. Ebenso
sind auch andere Profilierungen denkbar, die bspw. zu einem Aufschieben
oder einem Aufschnappen der Module auf die Befestigungseinrichtungen
führen.
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In 2 ist
zu einem zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Ausschnitt einer Wandung 11' einer Bestrahlungsanordnung 10' gezeigt. Die Wandung 11' besteht aus
Aluminium-Strangpressprofilen und ist mit aktiver Wasserkühlung versehen. Hierzu
sind nicht sichtbare Kühlwasserkanäle in das Profil
eingepresst. Ein Anschluss 27 eines Kühlwasserkanals ist angedeutet. Öffnungen 28 ermöglichen das
Zusammenfügen
der Wandung 11' mit
weiteren, nicht gezeigten Abschnitten der Anordnung 10'.
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Ein
Vorblendelement 16' ist
aus einzelnen Modulen zusammengesetzt, von denen die Module 14-3–14-5 angedeutet
sind. Ein weiteres Modul ist entfernt worden, so dass die den Modulen
zugewandte Oberfläche 29 der
Wandung 11' erkennbar ist.
Die Oberfläche 29 ist
geschwärzt
(durch Schraffur angedeutet), und ist so zur effizienten Absorption
und Abführung
der von der Rückseite
des Vorblendelements 16' abgegebenen
Wärmestrahlung
geeignet.
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Anders
als in dem in 1 gezeigten Beispiel besteht
die Befestigungseinrichtung 12' hier aus vier Rahmenabschnitten 20' aus Federdraht
zur Befestigung je eines Moduls. Jeweils zwei der Rahmenabschnitte 20' sind über eine
doppelte Nietverbindung 24' an
der Wandung 11' angebracht.
In den beiden Ausführungsbeispielen
ist gezeigt, dass die Form der Module rechteckig oder quadratisch
sein kann. Andere Formen sind ebenso denkbar, wobei sich für jeden
konkreten Anwendungsfall die Form der Module u.a. aus der Geometrie
des Strahlungsraumes sowie der gewünschten Handhabbarkeit der Module
ergibt. Unterschiedlich geformte Module können zu einem Vorblendelement
kombiniert werden.
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In 3 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Bestrahlungsanordnung 10'' gezeigt. Wandungsabschnitte 11'' bilden einen Eingang eines Strahlungstunnels 30.
Die Wandung 11'' ist wiederum
aktiv gekühlt,
wobei ein Anschluss 27' zur
Zu- bzw. Abführung
von Kühlwasser
dient.
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Die
Wandungsabschnitte 11'' des Strahlungsraumes 30 sind
mit einem modulartig aufgebauten Vorblendelement 16'' ausgekleidet. Ausgenommen ist
eine Brücke
bzw. ein Einstrahlungsbereich 32, der im Betrieb des Tunnels 30 durch
eine nicht eingezeichnete Quarzglasscheibe gebildet wird, unter
der eine Mehrzahl von NIR-Emittern 34 liegt,
die NIR-Strahlung in den Tunnel 30 einstrahlen.
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Im
Betrieb wird Bestrahlungsgut durch den Strahlungstunnel 30 mittels
eines nicht eingezeichneten Förderbandes
geführt.
Um ein Berühren
des Bandes zu vermeiden, sind einige der Module des Vorblendelementes 16'', bspw. die Module 14-6, 14-7,
jeweils mit einem Berührschutz 36 versehen. Dieser
ist vorteilhaft statt an der Wandung an den Modulen angebracht,
beispielsweise durch Verschrauben, um ein einfaches und schnelles
Auswechseln auch dieser Module zu ermöglichen.
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Die
Module des Vorblendelementes 16'' können sich
in den Reflexionseigenschaften ihrer Vorderseiten unterscheiden,
so dass die Module im Betrieb die gewünschten (hohen) Temperaturen
annehmen. So können
bspw. die Module 14-8, 14-9 in 3 aus
hochreflektierendem Aluminiumblech bestehen, wobei die intensive
Strahlenbelastung am Ort der Module 14-8, 14-9 berücksichtigt
wird, während
die Module 14-6, 14-7 aus diffus reflektierendem Material,
etwa emailliertem Stahlblech, bestehen, um der geringeren Strahlenbelastung
am Ort der Module 14-6, 14-7 Rechnung zu tragen. Über das
unterschiedliche Reflexionsvermögen
wird erreicht, dass alle Module im Vergleich zur gekühlten Wandung 11'' eine hohe Temperatur annehmen
und ein Niederschlagen von aus dem Bestrahlungsgut abdampfenden
oder ausgasenden Bestandteilen auf dem Vorblendelement 16'' verhindert oder zumindest stark verringert
wird.
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Neben
der Reflektivität
kann auch das Abstrahlungsvermögen
der Rückseite
des Vorblendelements durch Einschwärzung zur Einstellung der Temperatur
verwendet werden. Werden Befestigungseinrichtungen wie die in den 1 und 2 gezeigten, drahtförmigen Halterungen
verwendet, kann die Wärmeleitung
durch die Be festigungseinrichtung im Hinblick auf das thermische
Gleichgewicht des Vorblendelements vernachlässigt werden (allerdings wird stets
neben der Wärmeabstrahlung
eine geringe Wärmeabfuhr
durch Konvektion erfolgen).
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Im
Betrieb der Anlage schlagen sich somit die Lösungsmittel nicht oder nur
in geringem Maße auf
den die Wandung auskleidenden Vorblendelementen nieder, sondern
verbleiben in Gasform im Inneren des Strahlungsraums und können durch
eine Belüftungsanlage
abgesaugt werden. Gegenüber
bekannten Anlagen ist damit die Verschmutzung der reflektierenden
Anlagenteile wesentlich vermindert. Reinigungsarbeiten fallen in
entsprechend geringerem Umfang an.
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Die
Behandlung dennoch auftretender Verschmutzungen gestaltet sich darüber hinaus
wesentlich einfacher, da die verschmutzten Module des Vorblendelementes
nicht gereinigt und poliert, sondern lediglich ausgetauscht werden.
Insgesamt verkürzen sich
somit die Stillstandszeiten wesentlich. Entnommene Module können aber
nach Art und Grad der Verschmutzung, ggf. auch außerhalb
der Anlage gereinigt und später
wiederverwendet werden.
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Eine
erfindungsgemäße Bestrahlungsanordnung
ist vorteilhaft bspw. in Trocknungsanlagen zum Trocknen und/oder
Härten
von Lacken verwendbar. Hierbei wird eine auf ein Substrat aufgebrachte
Lackbeschichtung mit Strahlung im Infrarotbereich und/oder im UV-Bereich
beaufschlagt. Die Reflektivität
des Vorblendelementes der Erfindung kann an die jeweils konkret
verwendeten Wellenlängenbereiche angepasst
werden, so dass das Element im Betrieb der Anlage eine Temperatur
oberhalb der Siedetemperatur von aus dem Lack verdampfenden Lösungsmitteln
annimmt.
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Eine
Bestrahlungsanordnung gemäß der Erfindung
kann weiterhin vorteilhaft in Strahlungstrocknungsanlagen zum Trocknen
von Farben, Druckfarben, Lasuren, Ölen oder dergleichen in ein
Substrat dauerhaft einzubringenden Stoffe verwendet werden. Das
Substrat wird mit Strahlung beaufschlagt, die bis in eine bestimmte
Tiefe in das Substrat eindringt. Hierdurch wird eine Trocknung bzw.
Härtung
der eingebrachten Stoffe verursacht, wobei Lösungsmittel aus der Farbe und/oder
Be standteile des Substrates selbst freiwerden können. Eine Auskleidung des Strahlungsraumes
einer derartigen Anlage mit dem erfindungsgemäßen Vorblendelement führt auch
hier zu einer erheblich verringerten Verschmutzung und damit geringerem
Stillstand.
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Eine
thermische Bestrahlungsanordnung gemäß der Erfindung kann weiterhin
vorteilhaft Verwendung als Erwärmungsstrecke
oder als Teil einer solchen in einer Anlage zur Streckblasformung
finden, beispielsweise zur Herstellung von PET-Behältnissen
aus Vorformlingen bzw. Preforms. Hierbei werden die Preforms in
einer kurzen Zeitspanne auf eine Verstrecktemperatur von etwa 110°C erwärmt und
im erwärmten
Zustand einer Streckblasform zugeführt, in der unter Zuführung von
Druckluft die endgültige Form
des Behälters
ausgeformt wird. Zur Erwärmung werden
häufig
Infrarotstrahler verwendet. Gegen- und Seitenreflektoren dienen
zur Erzeugung eines für
die Erwärmung
der Preforms optimalen Strahlungsfeldes. Werden die Reflektoren
nicht durch die Wandung selbst, sondern durch erfindungsgemäße Vorblendelemente
gebildet, ergeben sich auch hier die oben in Bezug auf Trocknungsanlagen
geschilderten Vorteile.
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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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- 10,
10', 10''
- Bestrahlungsanordnung
- 11,
11', 11''
- Wandung
- 12,
12'
- Befestigungseinrichtung
- 14-1–14-9
- Module
- 16,
16', 16''
- Vorblendelemente
- 18
- Kühlfluid-Kanäle
- 20,
20', 22
- Rahmen
aus Federdraht
- 24,
24'
- Nietverbindungen
- 26
- Aufnahmebereich
- 27,
27'
- Kühlwasseranschluss
- 28
- Öffnungen
zum Zusammenfügen
- 29
- Oberfläche der
Wandung
- 30
- Strahlungstunnel
- 32
- Einstrahlungsbereich
- 34
- NIR-Emitter
- 36
- Berührschutz