-
Die
Erfindung betrifft einen UV-Trockner, insbesondere zur Trocknung
von Farbschichten von Druckprodukten, mit einem Tragkörper, an
dem mehrere UV-Leuchtdioden angebracht sind.
-
Ein
solcher UV-Trockner, der insbesondere zur Trocknung von Farbschichten,
die bei einem Druckprozess auf Druckprodukte aufgebracht wurden,
verwendet werden kann, ist aus der Praxis bekannt. Die für den Trockenvorgang
notwendige Energie wird als ultraviolettes Licht (UV-Licht) berührungslos
auf das Druckprodukt gestrahlt, und als Quelle für das ultraviolette Licht werden
Leuchtdioden eingesetzt, die Lichtwellen in einem engen Spektrum
aussenden können.
Die Leuchtdioden sind auf einem Tragkörper, üblicherweise einer gedruckten Schaltung
aus einem glasfaserverstärkten
Kunststoffmaterial mechanisch gehalten und können zudem über Leiterbahnen, die derart
auf dem Tragkörper
aufgebracht sind, dass dieser eine gedruckte Schaltung bildet, mit
elektrischer Energie versorgt werden.
-
Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen UV-Trockner mit erhöhter Leistungsdichte
zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird durch einen UV-Trockner mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen UV-Trockner ist
vorteilhaft, dass der aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellte
Tragkörper
eine verbesserte Abfuhr der Verlustwärme ermöglicht, die die UV-Leuchtdioden
bei Beaufschlagung mit elektrischer Spannung neben dem ausgesendeten UV-Licht
abgeben.
-
Vorteilhaft
ist es, wenn der Tragkörper
einen Wärmeleitungskoeffizienten λ (W/K·m) aufweist,
der über
dem Wärmeleitungskoeffizienten
von glasfaserverstärkten
Kunststoffmaterialien liegt (λtyp = 0,3–0,5 W/K·m).
-
Besonders
vorteilhaft ist es, wenn der Wärmeleitungskoeffizient
des Materials des Tragkörpers in
einem Bereich liegt, der einem Wärmeleitungskoeffizienten
eines metallischen Materials entspricht ((λtyp =
50–300
W/K·m).
-
Um
eine gute Wärmeabfuhr
von den UV-Leuchtdioden zum Tragkörper zu gewährleisten, liegen diese zumindest
teilweise unter flächiger
Wärmekopplung
an dem Tragkörper
auf. Dadurch kann gewährleistet
werden, dass ein erheblicher Anteil der beim Betrieb der UV-Leuchtdioden
freiwerdenden Abwärme
auf den Tragkörper
abgeführt
werden kann und somit die Betriebstemperatur der UV-Leuchtdioden
auf einem niedrigen Niveau verharrt. Mit einer solchen Wärmeabfuhr
kann eine hohe Packungsdichte der UV-Leuchtdioden und somit eine
hohe Beleuchtungsstärke
des UV-Trockners
erreicht werden, der somit kompakt gebaut werden kann und dadurch gut
in eine Trocknungseinrichtung, beispielsweise für eine Druckmaschinen, integriert
werden kann.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 2 ist vorteilhaft,
dass der Tragkörper aus
einem metallischen Werkstoff einen Wärmeleitungskoeffizienten aufweist,
der in einem Bereich von λtyp = 200–250 W/K·m für Aluminiumlegierungen und Reinaluminium
und bis zu λtyp = 350–400 W/K·m für Kupferlegierungen und Reinkupfer
liegt. Mit einer solchen Werkstoffauswahl für den Tragkörper ist neben einer guten
Wärmeabfuhr
von den UV-Leuchtdioden auch deren stabile Befestigung gewährleistet.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 3 ist vorteilhaft,
dass dadurch eine kostengünstige
Herstellung auch komplexer Querschnitte zur Aufnahme der UV-Leuchtdioden
möglich ist.
Vorzugsweise ist das Strangpressprofil aus einer Aluminium-Knetlegierung
hergestellt, die eine gute Verarbeitbarkeit und einen vorteilhaften
Wärmeleitungskoeffizienten
miteinander kombiniert.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 4 ist vorteilhaft,
dass durch den wenigstens einen Kühlkanal ein vorzugsweise flüssiges oder
gasförmiges
Kühlmedium
bis nahe an diejenigen Bereiche herangeführt werden kann, in denen die
UV-Leuchtdioden
auf dem Tragkörper
aufliegen, um einen vorteilhaften Wärmeabtransport von den UV-Leuchtdioden
zu gewährleisten.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kühlkanal eine Innenoberfläche aufweist,
die mit sich in den Kanalquerschnitt erstreckenden Kühlrippen
versehen ist. Die Kühlrippen vergrößern die
Wärmeaustauschoberfläche zwischen
Tragkörper
und Kühlmedium
und können
im Strangpressverfahren in einfacher Weise verwirklicht werden.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 5 ist vorteilhaft,
dass auch derjenige Bereich der UV-Leuchtdioden, der für die Versorgung mit
elektrischer Energie vorgesehen ist, zur Kühlung der UV-Leuchtdioden beitragen
kann. Zu Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit
zwischen UV-Leuchtdiode und gedruckter Schaltung kann vorgesehen
sein, dass Bereiche der elektrischen Schaltung um die zur elektrischen
Versorgung der UV-Leuchtdioden vorgesehen Leiterbahnen herum mit
einer Metallbeschichtung in der Art der Leiterbahnen versehen sind,
und dass diese Metallbeschichtung über Durchkontaktierungen mit
der Unterseite der gedruckten Schaltung verbunden sind, um darüber eine
Wärmekopplung zwischen
den UV-Leuchtdioden und dem Tragkörper zu ermöglichen.
-
Weiterhin
ist es von Vorteil, wenn die gedruckte Schaltung lediglich eine
geringe Dicke aufweist, so dass nur eine geringe Isolierwirkung
zwischen den UV-Leuchtdioden und dem Tragkörper in Kauf genommen werden
muss. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die gedruckte Schaltung
aus einem dünnen,
flexiblen Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem Polyimidwerkstoff,
hergestellt ist, das sowohl durch die geringe Dicke als auch durch
einen guten Wärmeleitungskoeffizienten
eine gute thermische Anbindung der UV-Leuchtdioden an den Tragkörper gewährleistet.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 6 ist vorteilhaft,
dass durch einen mechanischen Kontakt zwischen den Rückseiten
der UV-Leuchtdioden, also den von einer Lichtaustrittsseite der
UV-Leuchtdioden abgewandten Oberfläche, und dem Tragkörper ein
guter Wärmetransport
in den Tragkörper
erfolgen kann.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 7 ist vorteilhaft,
dass durch die Wärmekopplungsschicht,
die insbesondere aus einem elektrisch isolierenden und thermisch
gut leitenden Material hergestellt sein kann, eine flächige Wärmeübertragung
zwischen UV-Leuchtdiode und Tragkörper erfolgen kann.
-
Besonders
bevorzugt ist die Wärmekopplungsschicht
aus einem plastisch oder elastisch deformierbaren Material hergestellt,
das sich an die Oberflächen
der UV-Leuchtdioden und des Tragkörpers anpassen kann und damit
eine gute Wärmekopplung
sicherstellen kann. Als Materialien für die Wärmekopplungsschicht kommen
insbesondere Wärmeleitpasten,
also mit Metalloxiden wie beispielsweise Berylliumoxid oder Zinkoxid
gefülltes
Silikonöl,
zum Einsatz.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 9 ist vorteilhaft,
dass mit Hilfe der Andrückeinrichtung
eine flä chige
Anlage der UV-Leuchtdioden am Tragkörper und somit ein guter Wärmeleitungskoeffizient
erhalten wird.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 10 ist vorteilhaft,
dass durch die plattenförmige
Gestaltung der Andrückeinrichtung
ein thermischer Ausgleich der UV-Leuchtdioden untereinander und
eine Wärmeabfuhr
von der Andrückeinrichtung
nach außen
möglich
ist, und dass durch die Anpassung der Öffnungen der Andrückeinrichtung an
die Geometrie der Leuchtdioden eine gute Überdeckung der UV-Leuchtdioden
erhalten wird, um mit einer geringen Flächenpressung (Kraft pro Flächeneinheit)
eine gute thermische Ankopplung an den Tragkörper und ein sicheres Festlegen
der UV-Leuchtdioden erhalten wird.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 11 ist vorteilhaft,
dass durch die kegelförmige
Gestaltung der Wände
der Öffnungen
der Geometrie des Lichtbündels
Rechnung getragen ist und sehr schräg zur Diodenachse abgegebenes Licht
durch spiegelnde Reflektoren ebenfalls nutzbar gemacht wird. Dies
gilt insbesondere dann, wenn die Oberflächen der Wände der Öffnungen entsprechend bearbeitet
sind.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 12 ist vorteilhaft,
dass eine geometrisch eindeutig bestimmte Auflage der UV-Leuchtdioden
auf dem Tragkörper
verwirklicht werden kann. Die UV-Leuchtdioden liegen lediglich mit
den für
die direkte Wärmeübertragung
an den Tragkörper
vorgesehenen Oberflächenbereichen
am Tragkörper
auf, während
die für
die elektrische Versorgung der UV-Leuchtdioden vorgesehenen Oberflächenbereiche
mit den gedruckten Schaltungen verbunden sind, die ihrerseits nicht
mechanisch mit dem Tragkörper
in Verbindung stehen. Dadurch wird eine geometrische Überbestimmung
der Auflage der UV-Leuchtdioden vermieden, womit eine zuverlässige und
flächige Wärmeübertragung
zwischen den UV-Leuchtdioden und dem Tragkörper besteht. Die abstützungsfreie Aufnahme
der ge druckten Schaltungen kann insbesondere durch entsprechend
gestaltete Längsnuten in
dem Tragkörper
erreicht werden.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 13 ist vorteilhaft,
dass zum einen die gedruckten Schaltungen durch einen Kühlfluidstrom gekühlt werden
können.
Zum anderen kann der Kühlfluidstrom
unmittelbar zu den Oberflächen
der UV-Leuchtdioden
gelenkt werden, um dort eine Kühlung
erwärmter
Oberflächen
zu gewährleisten.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 14 ist vorteilhaft,
dass auch die Andrückeinrichtung
selbst als Kühlköper dienen
kann. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn aus einem oder mehreren
Kühlkanälen des
Tragkörpers
Kühlfluidströme austreten,
die an der Andrückeinrichtung
vorbei gelenkt werden und somit zu deren Kühlung beitragen können.
-
Bei
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weisen
die Andrückeinrichtungen
Kühlrippen
auf, die für
eine Vergrößerung der Wärmeübertragungsoberfläche mit
dem Kühlfluid und/oder
mit der Umgebungsluft vorgesehen ist.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 15 ist vorteilhaft,
dass eine vorteilhafte Wärmeabfuhr
von den Oberflächen
der UV-Leuchtdioden in die Andrückeinrichtung
und von dort in den Tragkörper
erfolgen kann. Die Andrückeinrichtung kann
unmittelbar in flächigem
Kontakt mit dem Tragkörper
stehen, alternativ kann vorgesehen sein, dass Andrückeinrichtung
und Tragkörper über eine
Wärmekopplungsschicht,
insbesondere über
Wärmeleitpaste,
thermisch miteinander gekoppelt sind. Die Andrückeinrichtung kann aus einem
metallischen Werkstoff, insbesondere aus Aluminium, oder aus einem gut
wärmeleitenden
Kunststoffmaterial, insbesondere aus einem metallgefüllten Kunststoff,
hergestellt sein.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 16 ist vorteilhaft,
dass eine kombinierte Kühlung
der Andrückeinrichtung
und der Oberflächen
der UV-Leuchtdioden erreicht wird.
-
Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß dem Anspruch 17 ist vorteilhaft,
dass ein erheblicher Bereich der Leuchtdioden nicht auf der gedruckten Schaltung
aufliegt und somit für
die Wärmeübertragung
zum Tragkörper
zur Verfügung
steht.
-
Nachstehend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Dabei zeigt:
-
1 eine
schematische Draufsicht auf einen Ausschnitt eines UV-Trockners
mit mehreren UV-Leuchtdioden,
-
2 eine
schematische Schnittansicht des UV-Trockners, und
-
3 eine
schematische Darstellung einer UV-Leuchtdiode.
-
Der
in der 1 schematisch und ausschnittartig dargestellte
UV-Trockner 10 umfasst eine Vielzahl von UV-Leuchtdiodenfelder 12.
Die Leuchtdiodenfelder 12 bestehen im Wesentlichen aus
jeweils 8 UV-Leuchtdioden 14, die auf einem in 2 näher dargestellten
Tragkörper 16 aufliegen
und jeweils durch eine Anpressplatte 18 auf den Tragkörper 16 gepresst
werden.
-
Die
Anpressplatte 18 ist in Aufsicht rechteckig und weist an
einer Unterseite Ausnehmungen auf, die an die Geometrie der UV-Leuchtdioden 14 angepasst
sind und deren formschlüssige
Aufnahme ermöglichen.
-
Zudem
sind in den Anpressplatten 18 Bohrungen 20 vorgesehen,
die hinsichtlich ihrer Lage den lichtaussendenden Bereichen der
UV-Leuchtdioden 14 angepasst sind. Die Bohrungen 20 sind kegelstumpfförmig und
haben eine spiegelnde Oberfläche. Der
Kegelöffnungswinkel
der Bohrungen 20 ist auf den Abstrahlwinkel der UV-Leuchtdioden 14 angepasst,
so dass die Bohrungsoberflächen
als Reflektoren für
von den UV-Leuchtdioden 14 stärker geneigt ausgehenden UV-Strahlen
dienen können
und somit eine vorteilhafte Abstrahlung von UV-Licht ermöglichen.
-
Die
Anpressplatten 18 sind an einem Ende jeweils mit einer
Spannschraube 22 mit dem Tragkörper 16 verschraubt.
Am anderen Ende ist an den Anpressplatten 18 ein Absatz 24 vorgesehen,
auf den die mit einem korrespondierend geformten Absatz 26 versehene
nächste
Anpressplatte 18 aufgelegt werden kann. Dies ermöglicht die
Festlegung der vorhergehenden Anpressplatte 18 mit der
endseitigen Spannschraube 22 der nachfolgenden Anpressplatte 18.
-
Wie
in der 2 näher
dargestellt wird, weist der Tragkörper 16 eine zu einer
Mittelebene 28 spiegelsymmetrische Querschnittsgeometrie
auf. In dem Tragkörper 16 ist
eine erste, breite Nut 30 vorgesehen, die sich über nahezu
die gesamte Breite des Tragkörpers 16 erstreckt
und die einen im Wesentlichen ebenen Nutgrund aufweist.
-
Auf
dem Nutgrund liegen die UV-Leuchtdioden 14 bereichsweise
mit ihren Unterseiten, also mit den von der in 2 obliegenden
Lichtaustrittsseite abgewandten Oberflächen, auf.
-
Im
Nutgrund der ersten Nut 30 sind mehrere parallel zueinander
ausgerichtete zweite Nuten 32 eingebracht, die für die abstützungsfreie
Aufnahme von Leiterplatten 34 vorgesehen sind, die ihrerseits der
Stromversorgung der UV-Leuchtdioden 14 dienen. Die Leiterplatten 34 sind
jeweils für
die Versorgung von zwei benachbarten Reihen von UV-Leuchtdioden 14 vorgesehen,
die ihrerseits asymmetrisch auf den Leiterplatten 34 elektrisch
leitend aufgebracht sind. Mit dem über die Leiterplatte 34 über stehenden
Oberflächenbereich
liegen die UV-Leuchtdioden 14 auf dem Nutgrund auf.
-
Der
Tragkörper 16 weist
zwei Kühlkanäle 36 auf,
in denen Kühlwasser
strömen
kann, um die von den UV-Leuchtdioden 14 in den Tragkörper 16 eingebrachte
Abwärme
schnell abtransportieren zu können.
Zusätzlich
zu den für
Kühlwasser
bestimmten Kühlkanälen 36 ist
die Unterseite des Tragkörpers 16 profiliert
ausgebildet und bildet mit einer Versorgungsleiterplatte 38 einen
Kühlluftkanal 40,
in dem Kühlluft
strömen
kann, um eine zusätzliche
Wärmeabfuhr
zu gewährleisten.
-
Ausgehend
von dem Kühlluftkanal 40 erstrecken
sich senkrecht zu der in die Darstellungsebene der 2 ausgerichteten
Haupterstreckungsrichtung des Tragkörpers 16 Kühlluftbohrungen 42,
die in den zweiten Nuten 32 münden. Von dort aus kann die Kühlluft durch
die in 1 dargestellten Auslassbohrungen 44 der
Leiterplatten 34 in Luftkanäle 46 einströmen, die
von der Unterseite her in die Anpressplatten 18 sternförmig eingebracht
sind und die in die Bohrungen 20 münden. Somit kann die Kühlluft aus dem
Kühlluftkanal 40 mit
zur Richtung der von den UV-Leuchtdioden 14 abgestrahlten
Lichtstrahlen transversaler Bewegungskomponenten über die Oberfläche der
UV-Leuchtdioden 14 strömen
und eine zusätzliche
Kühlung
der UV-Leuchtdioden 14 bewirken.
-
Dem
Tragkörper 16 ist
mit einer für
die Befestigung an einer nicht dargestellten Druckmaschine vorgesehenen
Befestigungsprofil 48 verbunden, das zudem die Versorgungsleiterplatte 38 am
Tragkörper 16 festlegt.
-
Die
in der 3 perspektivisch dargestellte UV-Leuchtdiode 14 weist
ein Gehäuse 50 auf,
das im Wesentlichen aus einer planparallelen Grundplatte 52 aus
Metall, einem luftdicht damit verbundenen, napfförmigen Deckel 54 und
einem luftdicht mit dem Deckel 54 verbundenen Deckglas 56 besteht.
Die Grundplatte 52, der Deckel 54 und das Deckglas 56 begrenzen
somit einen hermetisch abgeschlossenen Raum, in dem ein nicht näher dargestellter
Halbleiterkristall aufgenommen ist, der die Leucht- oder Lumineszenzdiode
bildet und der bei Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung
Lichtstrahlen im ultravioletten Spektralbereich durch das Deckglas 56 in
die Umgebung abstrahlt. Ein Abstrahlwinkel der UV-Leuchtdiode 54 kann
exemplarisch 20 Grad betragen.
-
Die
nach außen
bzw. unten weisende Oberfläche
der Grundplatte 52 ist mit nicht näher dargestellten, isolierten
Elektroden für
eine elektrische Verbindung mit der Leiterplatte 34 versehen.
Der Deckel 54 weist einen Durchmesser auf, der geringfügig kleiner
als die Kantelänge
der Grundplatte 52 ist, so dass ein umlaufender Rand 58 gebildet
wird, der eine formschlüssige
Aufnahme der UV-Leuchtdiode 14 in der korrespondierend
geformten Ausnehmung der Anpressplatte 18 ermöglicht.