DE102007053543B4 - Device for irradiating elements with UV light and method for their operation - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung zur Bestrahlung von Elementen (50) mit UV-Licht mit mindestens einem UV-Strahler (20), der in seinem Innenraum eine UV-Lampe (30) aufweist, und einer mit Inertgas befüllten Bestrahlungskammer (40), dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des UV-Strahlers (20) gegenüber der Bestrahlungskammer (40) einen Unterdruck aufweist und dass der UV-Strahler (20) von der Bestrahlungskammer (40) durch eine Trennwand (35) abgetrennt ist, welche mindestens eine Öffnung (37) zum Absaugen von Inertgas aus der Bestrahlungskammer (40) in den UV-Strahler (20) aufweist.Device for irradiating elements (50) with UV light with at least one UV lamp (20), which has a UV lamp (30) in its interior, and an irradiation chamber (40) filled with inert gas, characterized in that the The interior of the UV lamp (20) has a negative pressure relative to the radiation chamber (40) and that the UV lamp (20) is separated from the radiation chamber (40) by a partition (35) which has at least one opening (37) for suction of inert gas from the radiation chamber (40) into the UV lamp (20).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestrahlung von Elementen mit UV-Licht nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zu deren Betrieb nach Patentanspruch 9. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung der Vorrichtung zum Härten von UV-härtbaren Stoffen nach Patentanspruch 13.The invention relates to a device for irradiation of elements with UV light according to the preamble of
Aus dem Stand der Technik sind Verbindungen oder Zubereitungen bekannt, welche unter der Einwirkung von UV-Strahlung aushärten. Das aushärtende Gut kann dabei der Strahlungsquelle in Form einer auf einer Trägerbahn aufgebrachten Schicht oder in Form von Platten oder anderen flächigen Formkörpern zugeführt werden. Die Produkte härten unter der Einwirkung der Strahlung in kurzer Zeit aus, so dass es möglich ist, das zu härtende Gut kontinuierlich auf einer Transportvorrichtung unter einer entsprechenden Strahlungsquelle vorbeizuführen.From the prior art compounds or preparations are known which cure under the action of UV radiation. The hardening material can be supplied to the radiation source in the form of a layer applied to a carrier web or in the form of plates or other flat shaped bodies. The products cure under the action of the radiation in a short time, so that it is possible to continuously pass the material to be cured on a transport device under a corresponding radiation source.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Anlagen bekannt, die zum Vernetzen von Beschichtungen UV-Licht einsetzen. Solche Anlagen werden verwendet, um hochwertige Oberflächen zu erzeugen. Diese Oberflächen können glänzend und glatt aber auch strukturiert sein. Es kann sich dabei um Oberflächen von Papierbahnen oder Kunststofffolien oder aber um Furniere von Möbeln handeln. Die zu behandelnde Schicht ist häufig mit Fotoinitiatoren versehen, um durch die UV-Lichteinwirkung die gewünschte Vernetzung zu bewirken.Furthermore, systems are known from the prior art, which use UV light for the crosslinking of coatings. Such systems are used to produce high quality surfaces. These surfaces can be shiny and smooth, but also structured. These may be surfaces of paper webs or plastic films or veneers of furniture. The layer to be treated is often provided with photoinitiators to effect the desired crosslinking by the UV light.
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Die Aushärtung von UV-härtbaren Verbindungen wird durch Sauerstoff, wie zum Beispiel durch den in der Luft enthaltenen Sauerstoff, inhibiert oder zumindest beeinträchtigt. Insbesondere wird durch die hochenergetische UV-Strahlung in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre Ozon gebildet. Dieses Gas ist hochreaktiv und wirkt rasch oxidativ auf damit in Kontakt kommende Substanzen ein. Die Aushärtung erfolgt deshalb entsprechend dem Stand der Technik in einer Bestrahlungsvorrichtung, welche mit Inertgas beaufschlagt ist.Curing of UV-curable compounds is inhibited or at least impaired by oxygen, such as oxygen contained in the air. In particular, ozone is formed by the high-energy UV radiation in an oxygen-containing atmosphere. This gas is highly reactive and rapidly oxidizes substances in contact with it. The curing therefore takes place according to the prior art in an irradiation device which is acted upon with inert gas.
Bei den nach dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen wird die von der Strahlungsquelle entwickelte Wärmemenge durch das Inertgas abgeführt. Es werden deshalb häufig nur derartige Strahlungsquellen verwendet, welche verhältnismäßig wenig Wärme entwickeln, wobei in Kauf genommen wird, dass diese Strahlungsquellen weniger wirksam sind, so dass die Durchlaufgeschwindigkeit von zu härtenden Produkten relativ begrenzt ist. Die Verwendung wirksamerer Strahlungsquellen bedingt einen wirtschaftlich nicht mehr tragbaren Durchsatz von Inertgas zur Abführung der Wärme. Außerdem wird hierbei die Wärmemenge über die Oberfläche des auszuhärtenden oder ausgehärteten Gutes abtransportiert.In the devices known from the prior art, the amount of heat developed by the radiation source is removed by the inert gas. It is therefore often only those radiation sources are used which develop relatively little heat, it being accepted that these radiation sources are less effective, so that the flow rate of products to be cured is relatively limited. The use of more efficient radiation sources requires an economically not sustainable throughput of inert gas to dissipate the heat. In addition, in this case the amount of heat is removed via the surface of the cured or cured material.
Bei der Verwendung intensiverer Strahlungsquellen ist es aus wirtschaftlichen Gründen notwendig, auf kostengünstigere Kühlmedien für die Strahlungsquelle, insbesondere auf Luft, auszuweichen. Dabei besteht jedoch die Gefahr, dass bei einer nicht vollkommen gasdichten Abdichtung der Strahlungsquelle Spuren von Luft in die Bestrahlungskammer entweichen können und dadurch der hochempfindliche photochemische Prozess der Härtung mittels UV-Strahlung gestört wird. Eine vollkommene Abdichtung der Strahlungsquelle ist häufig auch unter sehr hohem Aufwand kaum zu erreichen.When using more intensive radiation sources, it is necessary for economic reasons, to switch to less expensive cooling media for the radiation source, in particular on air. However, there is the danger that, if the radiation source is not completely gas-tight, traces of air can escape into the irradiation chamber, thereby disturbing the highly sensitive photochemical curing process by means of UV radiation. A perfect seal of the radiation source is often difficult to achieve, even at very high cost.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestrahlung von Elementen mit UV-Licht sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung bereitzustellen, wobei mögliche Undichtigkeiten der Strahlungsquelle in Kauf genommen und dennoch eine sauerstoffarme Atmosphäre in der Bestrahlungskammer gewährleistet werden kann.Based on this prior art, the invention has for its object to provide a device for irradiation of elements with UV light and a method for operating a device, with possible leaks of the radiation source taken into account and yet a low-oxygen atmosphere in the irradiation chamber are guaranteed can.
Die Erfindung löst die Aufgabe, durch eine Vorrichtung zur Bestrahlung von Elementen mit UV-Licht mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zu deren Betrieb mit den Merkmalen nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.The invention solves the problem by a device for irradiation of elements with UV light with the features of
Dadurch, dass der Innenraum des UV-Strahlers gegenüber der Bestrahlungskammer einen Unterdruck aufweist, wird vermieden, dass Kühlmedium aus dem UV-Strahler in die Bestrahlungskammer entweicht. Insbesondere bei Verwendung von Luft als kostengünstigem Kühlmedium wird dadurch verhindert, dass Sauerstoff in die Bestrahlungskammer eindringt und den photochemisch initiierten Prozess der Aushärtung inhibiert oder stört. Auf diese Weise kann die Qualität der Oberflächenbeschichtung verbessert und die Ausbeute an fehlerfreien Beschichtungen erhöht werden. Somit können die Kosten für die Behandlung der betreffenden Elemente reduziert werden. Darüber hinaus entfallen aufwändige Arbeiten zur vollständigen Abdichtung der UV-Strahlungsquellen. Ferner wird durch den in den Strahlungsquellen gegenüber der Behandlungskammer vorliegenden Unterdruck laufend Gas aus der Behandlungskammer in die Strahlungsquelle abgezogen, so dass der in der Behandlungskammer vorliegende Gehalt an Restsauerstoff kontinuierlich verringert wird. Insbesondere wird durch die Undichtigkeit der UV-Strahlungsquelle der durch die längere Stillstandszeit der UV-Aushärteanlage angereicherte Luftsauerstoff gezielt innerhalb einer kurzen Zeit aus der Bestrahlungskammer entfernt. Der Restsauerstoffgehalt in der UV-Behandlungskammer kann damit weitgehend angehalten werden. Darüber hinaus ist eine Sauerstoffanreicherung des Stickstoffes in der Bestrahlungskammer durch eine undichte UV-Strahlungskühlung nicht mehr möglich.The fact that the interior of the UV radiator has a negative pressure relative to the irradiation chamber avoids that cooling medium escapes from the UV emitter into the irradiation chamber. In particular, when using air as a cost-effective cooling medium is thereby prevented that oxygen penetrates into the irradiation chamber and inhibits the photochemically initiated process of curing or interferes. In this way, the quality of the surface coating can be improved and the yield of flawless Coatings are increased. Thus, the cost of treating the items in question can be reduced. In addition, no time-consuming work is required to fully seal the UV radiation sources. Furthermore, gas is continuously withdrawn from the treatment chamber into the radiation source by the negative pressure existing in the radiation sources with respect to the treatment chamber, so that the content of residual oxygen present in the treatment chamber is reduced continuously. In particular, due to the leakage of the UV radiation source, the atmospheric oxygen enriched by the longer standstill time of the UV curing system is deliberately removed from the irradiation chamber within a short time. The residual oxygen content in the UV treatment chamber can thus be largely stopped. In addition, an oxygen enrichment of the nitrogen in the irradiation chamber by a leaky UV radiation cooling is no longer possible.
Insgesamt werden somit die Betriebskosten deutlich reduziert, während gleichzeitig Qualität und Ausbeute der UV-Beschichtung verbessert werden.Overall, the operating costs are thus significantly reduced, while improving the quality and yield of the UV coating.
Geeigneterweise ist der mindestens eine UV-Strahler mit einem Kühlmedium gekühlt, das ein Inertgas, insbesondere Stickstoff enthält, welches insbesondere dem Inertgas der Bestrahlungskammer entspricht.Suitably, the at least one UV emitter is cooled with a cooling medium which contains an inert gas, in particular nitrogen, which corresponds in particular to the inert gas of the irradiation chamber.
Durch die Kühlung mit einem Kühlmedium können auch leistungsfähigere UV-Strahlungsquellen, die eine höhere Wärmeentwicklung zeigen, verwendet werden. Durch die Verwendung von einem Inertgas, wie beispielsweise Edelgasen, Kohlendioxid, Schwefelhexafluorid oder insbesondere Stickstoff, sind mögliche Undichtigkeiten der Strahlungsquelle irrelevant, da die genannten Gase verhältnismäßig unreaktiv sind und nicht in die sensible Photochemie, die durch UV-Bestrahlung initiiert wird, eingreifen. Wenn die Zusammensetzung des Kühlmediums dem der Atmosphäre in der Bestrahlungskammer entspricht, wird durch das Entweichen von Kühlmedium in die Bestrahlungskammer die Konzentration der Einzelgase beibehalten, so dass mögliche chemische oder physikalische Auswirkungen auf das Bestrahlungsergebnis ausgeschlossen sind.By cooling with a cooling medium and more powerful UV radiation sources, which show a higher heat development can be used. By using an inert gas, such as noble gases, carbon dioxide, sulfur hexafluoride or, in particular, nitrogen, possible leakages of the radiation source are irrelevant, since the gases mentioned are relatively unreactive and do not interfere with the sensitive photochemistry initiated by UV irradiation. If the composition of the cooling medium corresponds to that of the atmosphere in the irradiation chamber, the escape of cooling medium into the irradiation chamber maintains the concentration of the individual gases, so that possible chemical or physical effects on the irradiation result are excluded.
Erfindungsgemäß ist der UV-Strahler von der Bestrahlungskammer durch eine Trennwand abgetrennt, welche mindestens eine Öffnung zum Durchtritt von Inertgas von der Bestrahlungskammer in den UV-Strahler aufweist. Durch dieses definierte Vorsehen einer Öffnung zum Durchtritt von Inertgas wird ein gleich bleibender Gasstrom aus der Bestrahlungskammer in die Strahlungskammer gewährleistet, wodurch mögliche in der Kammer vorliegende Verunreinigung an unerwünschten Gasen laufend ausgetragen werden. Ferner ist beim Vorliegen einer definierten Öffnung der Ausgabestrom aus der Bestrahlungskammer genau festgelegt und kann durch entsprechende Maßnahmen besser kompensiert werden. Für die Trennwand können verschiedene UV-transparente Materialien, wie Quarzglas, verwendet werden.According to the invention, the UV emitter is separated from the irradiation chamber by a dividing wall which has at least one opening for the passage of inert gas from the irradiation chamber into the UV emitter. By this defined provision of an opening for the passage of inert gas, a constant gas flow from the irradiation chamber is ensured in the radiation chamber, whereby possible present in the chamber contamination of unwanted gases are continuously discharged. Furthermore, in the presence of a defined opening, the output flow from the irradiation chamber is precisely defined and can be better compensated by appropriate measures. For the partition, various UV-transparent materials such as quartz glass can be used.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Kühlmedium in einem Kreislauf geführt, und ist in dem Kühlkreislauf mindestens ein Wärmetauscher zum Kühlen des Kühlmediums vorgesehen.In a preferred embodiment of the device according to the invention, the cooling medium is guided in a circuit, and at least one heat exchanger for cooling the cooling medium is provided in the cooling circuit.
Mittels Führung im Kreislauf wird das Kühlmedium wieder verwendet und geht nur in geringem Umfang verloren. Somit ist ein kostengünstiger Betrieb möglich. Durch das Vorsehen eines ersten Wärmetauschers wird das Kühlmedium effektiv gekühlt, wobei die dabei gewonnene Wärmeenergie für andere Prozesse weiterverwendet werden kann. Die Verwendung eines Wärmetauschers ermöglicht, dass das Maß der Abkühlung auf eine sehr definierte Weise erfolgt.By means of guidance in the circulation, the cooling medium is used again and is lost only to a small extent. Thus, a cost-effective operation is possible. By providing a first heat exchanger, the cooling medium is effectively cooled, wherein the heat energy thereby obtained can be reused for other processes. The use of a heat exchanger allows the degree of cooling to occur in a very defined manner.
Es ist vorteilhaft, wenn in dem Kühlkreislauf ein Regelventil zum Regeln des Volumenstroms des Kühlmediums und/oder ein Auslassventil zur Abfuhr von überschüssigem Kühlmedium vorgesehen sind.It is advantageous if a control valve for regulating the volume flow of the cooling medium and / or an outlet valve for removing excess cooling medium are provided in the cooling circuit.
Über ein Regelventil zum Regeln des Volumenstroms des Kühlmediums kann der Volumenstrom an die jeweilige Wärmeentwicklung der UV-Strahlungsquelle angepasst werden. So ist bei einer starken Wärmeentwicklung der UV-Strahlungsquelle ein höherer Volumenstrom notwendig und bei einer geringeren Wärmeabgabe entsprechend ein niedriger Volumenstrom. Insbesondere hängt die Wärmeabgabe auch von der Art der UV-Strahlungsquelle beziehungsweise deren Leistungsaufnahme ab, so dass je nach Leistungsaufnahme und Strahlungsquelleart ein individuell einzustellender Volumenstrom erforderlich ist.Via a control valve for controlling the volume flow of the cooling medium, the volume flow can be adapted to the respective heat development of the UV radiation source. Thus, with a strong heat development of the UV radiation source, a higher volume flow is necessary and with a lower heat output correspondingly a lower volume flow. In particular, the heat output also depends on the type of UV radiation source or its power consumption, so that depending on the power consumption and Strahlungsquelleart an individually adjustable volume flow is required.
Durch den in der UV-Strahlungsquelle vorliegenden Unterdruck und den bestehenden Undichtigkeiten wird laufend Gas aus der Bestrahlungskammer in die UV-Strahlungsquelle abgezogen und dadurch das Volumen an Kühlmedium erhöht. Um ein Ansteigen des Druckes an Kühlmedium zu verhindern, wird über das Auslaufventil angesaugtes und überschüssiges Kühlmedium abgeführt. Dadurch kann der Druck an Kühlmedium in dem Kühlkreislauf konstant gehalten werden, und möglichen Störungen des Kreislaufsystems durch entstehenden Überdruck begegnet werden.Due to the negative pressure present in the UV radiation source and the existing leaks, gas is continuously withdrawn from the irradiation chamber into the UV radiation source, thereby increasing the volume of cooling medium. In order to prevent an increase in the pressure of the cooling medium, sucked in and excess cooling medium is discharged via the outlet valve. As a result, the pressure on the cooling medium in the cooling circuit can be kept constant, and possible problems of the circulation system can be counteracted by the resulting overpressure.
Vorteilhafterweise ist eine Inertgaszufuhr zum Zuführen von inertgas, insbesondere von Stickstoff, in die Bestrahlungskammer vorgesehen.Advantageously, an inert gas supply for supplying inert gas, in particular nitrogen, is provided in the irradiation chamber.
Auch die Bestrahlungskammer verliert durch Undichtigkeiten gegenüber der UV-Strahlungsquelle aber auch an anderen Stellen zur äußeren Umgebung ständig Inertgas. Mittels einer Inertgaszufuhr wird das ausgetretene Inertgas kompensiert und einem Druckverlust entgegengewirkt. Dadurch können die chemischen und physikalischen Verhältnisse in der Bestrahlungskammer, das heißt insbesondere die Zusammensetzung der Atmosphäre sowie deren Druck, weitgehend konstant gehalten und eine gleichmäßige Umgebung gewährleistet werden. Dies erhöht insbesondere die Gleichförmigkeit und die Qualität der Bestrahlungswirkung. The irradiation chamber also continuously loses inert gas due to leaks in relation to the UV radiation source but also at other points to the outside environment. By means of an inert gas, the leaked inert gas is compensated and counteracted a pressure loss. As a result, the chemical and physical conditions in the irradiation chamber, that is to say in particular the composition of the atmosphere and its pressure, can be kept substantially constant and a uniform environment ensured. This increases in particular the uniformity and the quality of the irradiation effect.
Es ist vorteilhaft, wenn mindestens ein zweiter Wärmetauscher zum Erwärmen des der Bestrahlungskammer zugeführten Inertgases vorgesehen ist.It is advantageous if at least one second heat exchanger is provided for heating the inert gas supplied to the irradiation chamber.
Um eine optimale photochemische Umsetzung durch die UV-Bestrahlung zu gewährleisten, ist auch eine erhöhte Temperatur in der Bestrahlungskammer notwendig. Durch die Temperaturerhöhung wird die Geschwindigkeit der chemischen Umsetzungen erhöht und dadurch Umsatz und Ausbeute verbessert. Gleichzeitig werden bei einer höheren Temperatur mögliche Lösungsmittelrückstände beispielsweise in UV-hartbaren Materialien rascher verdampft.In order to ensure optimum photochemical conversion by the UV irradiation, an elevated temperature in the irradiation chamber is also necessary. The increase in temperature increases the rate of chemical reactions, thereby improving conversion and yield. At the same time, possible solvent residues, for example in UV-curable materials, are evaporated more rapidly at a higher temperature.
Es ist bevorzugt, wenn der zweite Wärmetauscher mit dem Kühlkreislauf gekoppelt ist, so dass dem vom UV-Strahler erwärmten Kühlmedium Wärmeenergie entnehmbar und dem in die Bestrahlungskammer zuzuführenden Inertgas zuführbar ist.It is preferred if the second heat exchanger is coupled to the cooling circuit, so that heat energy can be taken from the cooling medium heated by the UV radiator and fed to the inert gas to be supplied into the irradiation chamber.
Auf diese Weise kann die von der UV-Strahlungsquelle erzeugte Wärmeenergie genutzt und für die Erwärmung des der Bestrahlungskammer zuzuführenden Inertgases verwendet werden. Somit wird im Rahmen des bestehenden Wirkungsgrades der Verlust an Wärmeenergie weitgehend vermieden, und die aufzuwendenden Energiekosten können in erheblichem Maße reduziert werden. Dieser Aspekt ist insbesondere vor dem Hintergrund steigender Energiepreise aber auch unter ökologischen Gesichtspunkten von Bedeutung.In this way, the heat energy generated by the UV radiation source can be used and used for the heating of the inert gas to be supplied to the irradiation chamber. Thus, the loss of heat energy is largely avoided within the existing efficiency, and the energy costs can be reduced to a considerable extent. This aspect is particularly important against the background of rising energy prices but also from an ecological point of view.
Es ist weiterhin zweckmäßig, wenn der UV-Strahler und die Bestrahlungskammer in einer Kabine angeordnet sind durch welche eine Fördereinrichtung zum Befördern von zu bestrahlenden Elementen durch die Bestrahlungskammer geführt ist.It is also expedient if the UV radiator and the irradiation chamber are arranged in a cabin through which a conveying device for conveying elements to be irradiated is guided through the irradiation chamber.
Somit sind UV-Strahlungsquelle und Bestrahlungskammer von der Umgebung weitgehend isoliert, so dass das Risiko eventuell austretender umweltschädlicher Gase auf ein Minimum reduziert wird. Darüber hinaus ist durch die Fördereinrichtung ein stetiges und gleichmäßiges Zuführen von zu bestrahlenden Elementen in die Bestrahlungskammer gewährleistet. Insbesondere bei einem automatisierten Betrieb werden gleiche Belichtungsqualitäten durch gleiche Belichtungszeiten und räumliche Lichtverteilung verbessert. Auch werden durch den laufenden Antransport von Elementen ökonomisch uneffektive Totzeiten vermindert und dadurch die Produktionskosten reduziert.Thus, the UV radiation source and irradiation chamber are largely isolated from the environment, thus minimizing the risk of any environmentally harmful gases escaping. In addition, a continuous and uniform feeding of elements to be irradiated in the irradiation chamber is ensured by the conveyor. In particular, in an automated operation the same exposure qualities are improved by the same exposure times and spatial light distribution. Also, the on-going transport of elements reduces economically ineffective dead times, thereby reducing production costs.
Geeigneterweise weist die Bestrahlungskammer Reflektoren zur Reflexion von UV-Strahlung auf. Mittels der Reflektoren wird eine optimale Ausbeute der UV-Strahlungsleistung erreicht und Energieverluste vermieden. Die Energie- und Produktionskosten werden dadurch weiter verringert. Ferner wird durch die Reflexion und die dabei stattfindende Rückstrahlung eine gleichmäßige Bestrahlung der Elemente von verschiedenen Richtungen erreicht, so dass die Homogenität der Oberflächenbeschichtung mittels UV-Bestrahlung verbessert wird.Suitably, the irradiation chamber has reflectors for reflecting UV radiation. By means of the reflectors, an optimum yield of the UV radiation power is achieved and energy losses are avoided. The energy and production costs will be further reduced. Furthermore, the reflection and the reflection taking place in the process achieve a uniform irradiation of the elements from different directions, so that the homogeneity of the surface coating is improved by means of UV irradiation.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Bestrahlung von Elementen mit UV-Licht nach Anspruch 9, wobei in dem Innenraum des UV-Strahlers gegenüber der Bestrahlungskammer ein Unterdruck erzeugt wird.The invention also provides a method for operating a device for irradiating elements with UV light according to claim 9, wherein in the interior of the UV emitter relative to the irradiation chamber, a negative pressure is generated.
Durch das Vorliegen eines Unterdruckes sowie bestehender Undichtigkeiten im Gehäusebereich des UV-Strahlers wird der Bestrahlungskammer ständig Atmosphärengas entzogen, so dass darin enthaltene gasförmige Verunreinigungen allmählich entfernt werden. Insbesondere wird der Restsauerstoffgehalt auf einem niedrigen Niveau gehalten. Durch die extrem geringe Sauerstoffkonzentration innerhalb der Bestrahlungskammer wird die Photochemie durch die UV-Bestrahlung nicht beeinträchtigt und es treten insbesondere keine Inhibition oder unerwünschte Nebenreaktionen auf. Darüber hinaus kann für den UV-Strahler auch gewöhnliche Atmosphärenluft als Kühlmedium verwendet werden, da durch den bestehenden Unterdruck das Risiko von Entweichen von Sauerstoff in die Behandlungskammer sehr gering gehalten werden kann.Due to the presence of a negative pressure and existing leaks in the housing region of the UV emitter, the irradiation chamber is constantly deprived of atmospheric gas, so that gaseous impurities contained therein are gradually removed. In particular, the residual oxygen content is kept at a low level. Due to the extremely low oxygen concentration within the irradiation chamber, the photochemistry is not impaired by the UV irradiation and there are in particular no inhibition or unwanted side reactions. In addition, ordinary atmospheric air can also be used as cooling medium for the UV radiator, since the risk of leakage of oxygen into the treatment chamber can be kept very low due to the existing negative pressure.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der UV-Strahler mit einem Inertgas, insbesondere mit Stickstoff, als Kühlmedium gekühlt, welches in einem Kühlkreislauf geführt wird.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the UV radiator is cooled with an inert gas, in particular with nitrogen, as cooling medium, which is guided in a cooling circuit.
Bei der Verwendung von Inertgas ist es unschädlich, wenn Spuren des Kühlmediums in die Behandlungskammer eindringen. Die in die Behandlungskammer eingetretenen Gasspuren können aufgrund der Reaktionsträgheit des Inertgases keine nachteiligen chemischen Reaktionen auf der Oberfläche durch eine photochemische Reaktion oder anderweitige physikalische Adsorptionsvorgänge hervorrufen. Neben Edelgasen und anderen aus der Industrie bekannten Schutzgasen ist insbesondere Stickstoff als Inertgas geeignet. Stickstoff weist insbesondere bei gemäßigten Temperaturen eine ausreichende Reaktionsträgheit auf und ist als 80%iger Atmosphärenbestandteil in sehr günstiger Weise zu erhalten. Insbesondere ist Stickstoff auch im Falle auftretender Leckagen für die umgebende Umwelt völlig unschädlich, so dass in diesem Fall kostenaufwändige Sicherheitsmaßnahmen entfallen können.When using inert gas, it is harmless if traces of the cooling medium penetrate into the treatment chamber. The traces of gas introduced into the treatment chamber can not cause adverse chemical reactions on the surface due to the reaction inertness of the inert gas due to a photochemical reaction or other physical adsorption processes. In addition to noble gases and other protective gases known in the industry is in particular Nitrogen suitable as an inert gas. Nitrogen has a sufficient reaction inertia, especially at moderate temperatures, and can be obtained as an 80% atmospheric constituent in a very favorable manner. In particular, nitrogen is completely harmless even in the event of leaks occurring for the surrounding environment, so that costly security measures can be omitted in this case.
Durch das Führen in einem Kühlkreislauf kann die UV-Strahlungsquelle auch mit einer hohen Leistung betrieben werden, da überschüssig erzeugte Wärmeenergie stetig abgeführt wird. Dies erhöht insbesondere die Lebensdauer der teuren UV-Strahlungsquellen. Ferner kann über einen Wärmetauscher die gewonnene Wärmeenergie genutzt und für einen anderen Verfahrensschritt verwendet werden. Darüber hinaus geht bei einem in einen Kreislauf geführten System nur ein geringer Teil des Inertgases verloren, so dass relativ wenig zusätzliches Inertgas zugeführt werden muss. Dies ist insbesondere bei teuren Edelgasen, sofern diese als Inertgase verwendet werden, von Vorteil.By guiding in a cooling circuit, the UV radiation source can also be operated with a high power, since excess heat energy is continuously dissipated. This increases in particular the life of expensive UV radiation sources. Furthermore, the recovered thermal energy can be used via a heat exchanger and used for another process step. Moreover, in a recirculated system, only a small portion of the inert gas is lost, so that relatively little additional inert gas must be supplied. This is particularly advantageous for expensive noble gases, if they are used as inert gases.
Es ist vorteilhaft, wenn in die Bestrahlungskammer erwärmtes Inertgas, insbesondere erwärmter Stickstoff, eingespeist wird.It is advantageous if inert gas heated in the irradiation chamber, in particular heated nitrogen, is fed in.
Die in der Bestrahlungskammer für die photochemischen Umsetzungen erforderliche Energie kann auf diese Weise besonders einfach über das Inertgas in das System eingespeist werden. Es ergeben sich dadurch höhere Reaktionsgeschwindigkeiten und bessere Ausbeuten an bestrahlten Materialien. Durch die Verwendung von erwärmtem Stickstoff kann wiederum ein sehr kostengünstig zu erhaltender Rohstoff, der eine hohe Umweltverträglichkeit aufweist, eingesetzt werden. Zwar erreicht Stickstoff insbesondere bei erhöhten Temperaturen nicht die gleiche Inertheit wie beispielsweise Edelgase, unter Kostengesichtspunkten spielt diese Einschränkung jedoch keine Rolle, da eine nennenswerte Reaktionsfähigkeit von Stickstoff im Allgemeinen erst bei wesentlich höheren Temperaturen zu beobachten ist.The energy required in the irradiation chamber for the photochemical reactions can be fed into the system in a particularly simple manner via the inert gas. This results in higher reaction rates and better yields of irradiated materials. By using heated nitrogen can in turn be a very inexpensive to obtain raw material, which has a high environmental impact, are used. Although nitrogen does not reach the same inertness as, for example, noble gases, especially at elevated temperatures, this restriction does not play a role in terms of cost, since a considerable reactivity of nitrogen can generally only be observed at much higher temperatures.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der UV-Strahler aus der Bestrahlungskammer Inertgas ansaugt.Furthermore, it is advantageous if the UV radiator sucks in inert gas from the irradiation chamber.
Das aus der Bestrahlungskammer stammende Inertgas kann unmittelbar für die Verwendung als Kühlmedium des UV-Strahlers verwendet werden. Insbesondere wird durch den kontinuierlichen Abtransport von Inertgas aus der Bestrahlungskammer auch der Anteil an gasförmigen Verunreinigungen in der Atmosphäre der Kammer verringert. Das verwendete Inertgas erfüllt in diesem Fall zwei Funktionen. Zum einen fungiert es als Träger von Wärmeenergie, welche für die Aufrechterhaltung einer ausreichenden Geschwindigkeit der photochemischen Prozesse erforderlich ist. Zum anderen wird das Gas nach der Abkühlung in der Behandlungskammer in den UV-Strahler eingesaugt, kann hier in den Kühlkreislauf eintreten und somit als Kühlmedium Verwendung finden. Dadurch können auch eventuell in dem Kühlkreislauf auftretende Verluste ausgeglichen werden. Ferner besteht somit auch die Möglichkeit, in die Bestrahlungskammer kontinuierlich frisch erwärmtes Inertgas einzuleiten. Die Temperatur innerhalb der Kammer kann daher auf einem weitgehend gleich bleibenden Niveau gehalten werden, wodurch die Homogenität der Photochemie unterstützt wird.The inert gas originating from the irradiation chamber can be used directly for use as the cooling medium of the UV emitter. In particular, the continuous removal of inert gas from the irradiation chamber also reduces the proportion of gaseous contaminants in the atmosphere of the chamber. The inert gas used fulfills two functions in this case. On the one hand, it acts as a carrier of heat energy, which is necessary for maintaining a sufficient speed of the photochemical processes. On the other hand, the gas is sucked into the UV lamp after cooling in the treatment chamber, can enter here in the cooling circuit and thus find use as a cooling medium. As a result, any losses occurring in the cooling circuit can be compensated. Furthermore, it is thus also possible to continuously introduce freshly heated inert gas into the irradiation chamber. The temperature within the chamber can therefore be maintained at a substantially constant level, thereby promoting the homogeneity of the photochemistry.
Es ist bevorzugt, wenn die Wärmeenergie zum Erwärmen des Inertgases für die Bestrahlungskammer dem Kühlkreislauf zumindest teilweise entnommen wird.It is preferred if the thermal energy for heating the inert gas for the irradiation chamber is at least partially removed from the cooling circuit.
Auf diese Weise wird die von der UV-Strahlungsquelle abgegebene Wärmeenergie weiter genutzt und geht nicht verloren. Die Betriebskosten werden dadurch reduziert und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessert. Auch unter ökologischen Gesichtspunkten ist eine dadurch erreichte Vermeidung einer Abgabe überschüssiger Wärmeenergie an die Umwelt von Vorteil. Dabei kann die dem Kühlkreislauf zu entnehmende Wärmeenergie in einem gewissen Umfang auch an die Leistungsaufnahme der UV-Strahlungsquellen angepasst werden. So ist bei einer erhöhten Strahlungsleistung einerseits zwar eine höhere Wärmeabfuhr zum Kühlen der UV-Strahler notwendig, andererseits wird jedoch durch die in der Bestrahlungskammer vorliegende erhöhte Energiedichte auch eine vergrößerte Umsatzgeschwindigkeit erreicht. Für eine erhöhte Umsatzrate ist wiederum jedoch ein verstärkter Strom an erwärmtem Inertgas in die Bestrahlungskammer notwendig, um die gegebenen Reaktionsbedingungen aufrechtzuerhalten.In this way, the heat energy emitted by the UV radiation source continues to be used and is not lost. The operating costs are reduced and the cost of the process improved. From an ecological point of view as well, an avoidance of a release of surplus heat energy to the environment achieved thereby is advantageous. In this case, the thermal energy to be taken from the cooling circuit can also be adapted to a certain extent to the power consumption of the UV radiation sources. Thus, with an increased radiation power on the one hand, although a higher heat dissipation for cooling the UV lamps is necessary, on the other hand, however, an increased turnover speed is achieved by the present in the irradiation chamber increased energy density. However, for an increased turnover rate, an increased flow of heated inert gas into the irradiation chamber is again necessary to maintain the given reaction conditions.
Die Entnahme der Wärmeenergie aus dem Kühlkreislauf und die Verwendung zum Erwärmen des der Bestrahlungskammer zugeführten Inertgases kann in geeigneter Weise mit einem Wärmeaustauscher erreicht werden.The extraction of the heat energy from the refrigeration cycle and the use for heating the inert gas supplied to the irradiation chamber can be suitably achieved with a heat exchanger.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zu UV-härtbaren Stoffen, insbesondere von Elementen mit UV-härtbaren Lacken, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Another aspect of the invention relates to a process for UV-curable substances, in particular of elements with UV-curable coatings, with the device according to the invention.
Es besteht in der Industrie ein zunehmender Bedarf zur Aushärtung von photopolymerisierbaren Beschichtungen wie sie im Bereich der Kleinserienfertigung und bei Lackreparaturen der Fall ist. Anwendungen für das erfindungsgemäße Verfahren sind die Härtung und Polymerisation von Druckfarben, Lacken, Klebstoffen, Kunststoffen, Photoresisten, photopolymeren Druckplatten, Fingernagellacken, Harzen für die Stereolithographie oder anderer mit UV-Strahlung arbeitender Rapid-Phototyping- und Teilfertigungsverfahren, Gießmassen für die Elektronik, mechanische Bauteile, optische Linsen, Körper und Oberflächen sowie allgemein für zu fixierende und konservierende Objekte und Formen.There is an increasing demand in the industry for the curing of photopolymerizable coatings as is the case in the field of small batch production and paint repairs. Applications for the process according to the invention are the curing and polymerization of printing inks, lacquers, adhesives, plastics, photoresists, photopolymeric printing plates, fingernail lacquers, resins for stereolithography or other rapid UV phototyping and partial manufacturing processes, casting compounds for electronics, mechanical Components, optical lenses, bodies and surfaces as well as in general for fixing and preserving objects and forms.
Neben Aushärtungsverfahren von UV-härtbaren Verbindungen können Material- und Oberflächenalterungsprozesse unter Bestrahlung beispielsweise zu Prüfzwecken, zur künstlichen Ausbleichung oder Vergilbung durchgeführt werden. Kurzwellige UV-C-Strahlung kann über seine Keim tötende Wirkung zur Desinfektion von Oberflächen eingesetzt werden. Insbesondere UV-A-Lampen mit einer Leistungsaufnahme unter 600 W können zum Beispiel zur Härtung photopolymerisierbarer Materialien dienen. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren induzierten photochemischen Prozesse beinhalten insbesondere Spaltungs-, Additions-, Redox- oder Umlagerungsreaktionen.In addition to curing methods of UV-curable compounds, material and surface aging processes can be carried out under irradiation, for example for testing purposes, for artificial bleaching or yellowing. Short-wave UV-C radiation can be used to disinfect surfaces via its germicidal effect. In particular, UV-A lamps with a power consumption below 600 W can serve, for example, for curing photopolymerizable materials. The photochemical processes induced by the method according to the invention include, in particular, cleavage, addition, redox or rearrangement reactions.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines schematischen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:The invention will be explained in more detail below with reference to a schematic embodiment with reference to the drawing. It shows:
Es sind verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung denkbar. Im Folgenden wir eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben.Various embodiments of the device according to the invention are conceivable. In the following we describe a preferred embodiment.
In dem in
Durch eine Stickstoffzuführungsleitung
Die Erwärmung des Stickstoffes für die Bestrahlungskammer
Die UV-Strahler
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