DE102011009456A1 - UV-Trockner mit Röhrenkühlungssystem - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen UV-Trockner (1) zum Trocknen von UV-photopolymerisierbaren Materialien, umfassend einen UV-Strahlkopf (2) mit Bestrahlungseinheit (12) mit rohrzylindrischer UV-Lampe (14), welche UV-Licht in einem Bestrahlungsraum (21) auf UV-photopolymerisierbare Materialien abstrahlen kann, wobei die UV-Lampe (14) in einem Kühlraum (17) einer Kühlhülle (15) gelagert ist, welche teils durchlässig für UV-Licht und teils undurchlässig bzw. reflektierend für IR-Licht ist, wobei die Kühlhülle (15) einen Kühlmantel aufweist, entlang dessen gesamter Längsachse eine Vielzahl von radialen Durchgangsöffnungen (16) vorgesehen sind, durch welche Kühlluft mit Ozon (22, 23) mittels Unterdruckmittel (5) hindurch radial/quer entlang der gesamten Längsachse der UV-Lampe (14) über diese strömen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von radialen Durchgangsöffnungen (16) in zwei voneinander getrennten Winkelbereichen (α, β) der UV-Lampe (14) vorgesehen ist und die Kühlluft mit Ozon (22, 23) aus dem Bestrahlungsraum (21) in dem ersten Winkelbereich (α) in den Kühlraum (17) der Kühlhülle (15) einströmt und in dem zweiten Winkelbereich (β) aus der Kühlhülle (15) über das Unterdruckmittel (5) ins Freie ausströmt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen gattungsgemäßen UV-Trockner bereitzustellen, der eine verbesserte optimale homogene Kühlung der UV-Lampe unabhängig von der relativen Einbaulage der UV-Lampe in den UV-Trockner aufweist und gleichzeitig einfacher und kostengünstiger in der Konstruktion, Herstellung, Wartung und Reparatur ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen UV-Trockner nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Zur Aushärtung von UV-sensiblen Farben (mit denen Tuben, Folien etc. bedruckt werden), kommen (dotierte) Quecksilberdampflampen zur Anwendung, die UV Licht ausstrahlen. Die Wellenlängen bewegen sich von ca. 260 nm bis 400 nm, Leistungen bis 400 W/cm bis 600 W/cm Röhrenlänge.
• In UV-Röhren herrscht im Zentrum der Röhre eine Temperatur von ca. 6000°C, die bis zum Quarzglasmantel auf 800 bis 900°C abfällt. Damit die UV-Leistung und Lebensdauer der Röhre optimal ist, sollte die UV-Röhre über die gesamte Länge und über den gesamten Umfang mit 800 bis 900°C betrieben werden, da die UV-Röhren sehr sensibel auf Kühlung und Lage reagieren. Zudem sollten die Molybdänfolien, die den Strom in der UV-Röhre zur Elektrode führen, 350°C nicht überschreiten.
• Die DE 69225879 T2 und DE 69224539 T2 offenbaren einen Ultraviolett UV-Trockner zum Trocknen von Druckfarben und anderen UV-photopolymerisierbaren Materialien, umfassend eine UV-Lampe, die in einem Reflektor gelagert ist, welcher eine offene Seite zum Richten von UV-Licht auf bedruckte Blätter oder Bahnen aufweist, wobei eine rohrförmige thermische Barriere, welche relativ transparent für UV-Licht ist und aneinandergrenzende, in Längsrichtung der Lampe sich erstreckende Rohre umfasst, angeordnet ist, um die offene Seite des Reflektors abzublocken und wobei der Reflektor in einem Reflektorgehäuse angebracht ist, und wobei der Trockner vollständig luftgekühlt ist, die thermische Barriere drei oder mehr Rohre umfasst, und der Trockner Mittel zum Richten einer Kühlluftströmung durch die rohrförmige thermische Barriere und zum Erzeugen einer Kühlluftströmung über die Lampe enthält, wobei die Strömung von Luft in das Gehäuse gesaugt ist und durch geeignete Trennwände und Ablenkplatten durch die Rohre – über den Reflektor und über die Lampe – geführt ist. Es ist ein rohrförmiger Durchgang im Reflektor angeordnet, welcher eine Mehrzahl von Auslässen in Form von axial beabstandeten Schlitzen oder Löchern aufweist, welche Kühlluft quer/schräg zur UV-Lampe richten, wobei die so erwärmte Kühlluft axial zur UV-Lampe wiederum abgeführt wird.
• Nachteil ist, dass dieser Trockner relativ aufwändig und damit kostenträchtig aufgebaut ist und zudem die Kühlluft hauptsächlich axial zur UV-Lampe und dem Reflektor strömt und nur entlang eines einzigen axial verlaufenden Kühlrohres quer/schräg zur UV-Lampe strömt, so dass damit keine homogene und somit keine optimale Kühlung der UV-Lampe gewährleistet ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen gattungsgemäßen UV-Trockner bereitzustellen, der eine verbesserte homogene Kühlung der UV-Lampe unabhängig von der relativen Einbaulage der UV-Lampe in den UV-Trockner aufweist und gleichzeitig einfacher und kostengünstiger in der Konstruktion, Herstellung, Wartung und Reparatur ist.
• Grundlegendes Merkmal dabei ist, dass entlang der gesamten Längsachse des Kühlmantels der die UV-Lampe umgebenden Kühlhülle eine Vielzahl von radialen Durchgangsöffnungen vorgesehen sind, durch welche die Kühlluft hindurch radial/quer entlang der gesamten Längsachse der UV-Lampe über diese strömen kann.
• Wesentliches Merkmal dabei ist, dass die radialen Durchgangsöffnungen in zwei voneinander getrennten Winkelbereichen der UV-Lampe vorgesehen sind und die Kühlluft in dem ersten der zwei Winkelbereiche der UV-Lampe in die Kühlhülle einströmt und in dem zweiten der zwei Winkelbereiche der UV-Lampe aus der Kühlhülle ausströmt.
• Hierbei gibt es zwei Möglichkeiten, wobei die erste Möglichkeit die vorteilhaftere mit besserem Kühl-Wirkungsgrad ist.
• Bevorzugt ist, dass die Kühlluft aus dem Bestrahlungsraum in dem ersten Winkelbereich in den Kühlraum der Kühlhülle einströmt und in dem zweiten Winkelbereich aus der Kühlhülle über das Luftströmungserzeugungsmittel ins Freie ausströmt.
• Alternativ kann aber vorgesehen sein, dass die Kühlluft über das Luftströmungserzeugungsmittel in dem zweiten Winkelbereich in den Kühlraum der Kühlhülle einströmt und in dem ersten Winkelbereich aus der Kühlhülle in den Bestrahlungsraum ausströmt.
• Vorteil ist, dass die UV-Lampe damit sehr gleichmäßig über deren Längserstreckung und Umfang gekühlt wird und damit die Lebensdauer wesentlich verlängert werden kann, bei gleichzeitig einfachem Aufbau des UV-Trockners bzw. des UV-Strahlkopfes. Zudem erfolgt gleichzeitig mit der Kühlung der UV-Lampe auch eine Wärmeabfuhr des Bestrahlungsraumes und damit eine geringere Temperaturbelastung des bestrahlten Gutes, welches ja vor schädlicher Erwärmung geschützt werden soll.
• Bevorzugt wird, dass der erste Einström-Winkelbereich zwischen 90° und 359° insbesondere zwischen 180° und 330°, typisch bei ca. 330° liegt und der zweite Ausström-Winkelbereich zwischen 1° und 90° insbesondere zwischen 20° und 40°, typisch bei ca. 30° liegt.
• Bevorzugt wird weiter, dass die symmetrischen Mitten der beiden Winkelbereiche zueinander etwa fluchten oder einen Winkel kleiner gleich 90° einnehmen, so dass die Kühlluft optimal im Kühlraum der Kühlhülle über die zu kühlende UV-Lampe geleitet wird, bevor sie aus dem Kühlmantel der Kühlhülle strömt.
• Bevorzugt wird weiter, dass die radialen Durchgangsöffnungen im Kühlmantel der die UV-Lampe umgebenden Kühlhülle geometrisch oder aber strömungstechnisch und wärmetechnisch gleichmäßig über den Kühlmantel verteilt sind.
• Bevorzugt wird weiter, dass die Kühlhülle durch 2 Stirnplatten, sowie eine Vielzahl (von 3 bis n, insbesondere 6 Stück) von axial verlaufenden Quarzglasplatten gebildet ist, die zwischen sich Längsschlitze bilden, wobei durch einen Teil dieser Längsschlitze Kühlluft über die UV-Lampe strömt und durch einen anderen Teil dieser Längsschlitze die erwärmte Kühlluft aus der der Kühlhülle ausströmt.
• Bevorzugt wird weiter, dass im Einström-Winkelbereich die Längsschlitze zwischen den Quarzglasplatten einige mm breit sind und in radialer Richtung einen V-förmigen Trichter (Venturi Effekt) bilden, wobei im Ausström-Winkelbereich nur ein einziger Längsschlitz zwischen zwei Quarzglasplatten vorhanden ist, welcher jedoch einige cm breit ist und in radialer Strömungsrichtung einen quaderförmigen Durchlass bilden.
• Der Kühlmantel kann aber in anderen Ausführungen als Zylinder ausgebildet sein, in den radialen Durchgangsöffnungen eingebracht sind. Die Längsschlitze müssen daher nicht zwangsläufig über die gesamte Längserstreckung des Kühlmantels durchgängig sein, sondern können durch Stege der Kühlhülle unterbrochen sein.
• Die aus der Kühlhülle austretende Kühlluft kann über einen außerhalb der Kühlhülle befindlichen Wärmetauscher in Freie geführt werden, damit die durch die UV-Lampe abgegebene Wärme nutzbar gemacht werden kann.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Strahlkopf mit 2 UV-Röhren (Quecksilberdampflampen) vorgesehen. In diesem Fall hat die UV-Röhre z. B. einen Durchmesser von 26 mm und eine Länge von ca. 300 mm.
• Kühlluft strömt in dieser bevorzugten Ausführungsform durch Längsschlitze, (z. B. 6 Quarzglasplatten) von aussen sternförmig auf den Quarzglasmantel der UV-Röhre. Dadurch wird die UV-Röhre gleichmäßig auf der gesamten Manteloberfläche gekühlt, egal, ob die Röhre waagrecht, senkrecht, oder im Winkel betrieben wird. Die Luftströmung bzw. die dafür erforderliche Druckdifferenz wird durch z. B. Ventilatoren erzeugt. Ebenso wird Kühlluft an den Stirnseiten links und rechts der UV-Röhre angesaugt, damit die Molybdänfolien die zulässige Temperatur nicht überschreiten. Weitere Vorteile sind der hohe Wirkungsgrad der Kühlung, mit dem die ”Saugluft” durch den Venturieffekt der V-förmigen Glasspalte arbeitet.
• Das durch UV-Strahlung entstehende Ozon wird abgesaugt, ebenso die heiße Luft aus der Umgebung der UV-Röhre.
• Als Option kann die Luftströmung entgegengesetzt, d. h. ”geblasen” werden, die Kühlluft würde durch den Strahlkopf an der UV-Röhre vorbei durch die Schlitze der Quarzglasplatten nach aussen geführt.
• Ein weiterer Vorteil ist die Verwendung von beschichteten Quarzglasstreifen, die UV-Licht transmittieren und IR Strahlung in die Röhre reflektieren. Reflexion der IR-Strahlung hat den Vorteil, dass die Effizienz der UV-Röhre erhöht wird, da die UV-Strahlung rein thermisch verursacht wird. Der Lichtbogen dient nur zur Anhebung der Quecksilberdampf-Plasmatemperatur. Zudem wird das zu bestrahlende Substrat thermisch weniger belastet, wie bei herkömmlichen Systemen.
• Rasche und unproblematische Röhrenwechsel ermöglicht dieses System.
• Im Folgenden wird die Erfindung anhand von eine Ausführungsform darstellende Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
• Es zeigt:
• 1: Perspektivische Darstellung von vorn-oben eines UV-Trockners mit erfindungsgemäßem UV-Strahlkopf;
• 2: Vorderansicht des erfindungsgemäßen UV-Strahlkopfes nach 1 im Detail;
• 3: Perspektivische Darstellung von vorn-oben-links des erfindungsgemäßen UV-Strahlkopfes nach 2;
• 4: Der erfindungsgemäße UV-Strahlkopf nach 3 mit abgenommenem linken Seitendeckel und aus der Kühlröhre herausgezogener UV-Lampe.
• In 1 ist der komplette UV-Trockner 1 in perspektivischer Ansicht dargestellt, welcher aus einem Kasten 3 mit zwei Flügeltüren 4 besteht, in welchem sich der UV-Strahlkopf 2 auf einem Schlitten 10 befindet, so dass der UV-Strahlkopf 2 dort zu Wartungs- und Reparaturzwecken ein- und ausschiebbar ist.
• Im Kasten 3 selbst entsteht bei Schließen der Türen 4 ein Bestrahlungsraum 21, der sich während des Betriebes aufheizt, was jedoch durch Absaugung der Kühlluft verringert werden soll.
• Hinter dem Kasten 3 ist ein Ventilator 5 mit Saugmotor und zwei Anschlüssen 5a für die Anschlussstutzen 20 (3 und 4) vorgesehen.
• Über die zahlreichen Transportrollen 6 wird im Betrieb das zu bestrahlende Band in Form einer Kette 7 in Einzugsrichtung 8 in den Kasten 3 eingezogen, um den UV-Strahlkopf 2 herumgeführt und dabei durch die zwei Bestrahleinheiten 12 bestrahlt und wieder aus dem Kasten 3 in Ausführrichtung 9 ausgeführt.
• In 2 ist nun im vergrößerten Detail der UV-Strahlkopf 2 dargestellt, beinhaltend ein Gehäuse 11, an dem sich links und rechts randseitig je eine Bestrahleinheit 12 befindet, wobei das gesamte Gehäuse 11 über Rollen 13 auf dem Schlitten 10 (1) verschiebbar und feststellbar gelagert ist.
• Jede Bestrahleinheit 12 beinhaltet eine röhrenförmige UV-Lampe 14, deren Längsachse sich in die Zeichnungsebene der 2 hinein erstreckt. Die UV-Lampe 14 (besitzt eine) besteht aus einer zylindrischen Quarzglasröhre 14a, deren Elektroden über Molybdänfolien 14b mit Strom versorgt werden.
• Um diese UV-Lampe 14 herum ist nun die erfindungsgemäße Kühlhülle 15 in Form von 6 Stück Quarzglasplatten 15a (4 breite und 2 schmale) sowie zwei Stirnplatten 15b angeordnet, welche auf dem Gehäuse 11 mit Schrauben auswechselbar befestigt sind. Auch die Längsachsen der Quarzglasplatten 15a erstrecken sich wieder in die Zeichnungsebene der 2 hinein.
• Zwischen den Quarzglasplatten 15a sind V-förmige Spalte 16 gebildet, dessen Längsachsen sich wieder in die Zeichnungsebene der 2 hinein erstrecken.
• Zwischen den beiden inneren schmalen Quarzglasplatten 15a ist ein kleiner Ausgangskanal 18 gebildet, der sich zum einen in die Zeichnungsebene der 2 hinein erstreckt, zum anderen in horizontaler Richtung der 2. Dieser kleine Ausgangskanal 18 ist zum einen in luftschlüssiger Verbindung mit einem Kühlraum 17, welcher zwischen der UV-Lampe 14 und den Quarzglasplatten 15 gebildet ist und zum anderen in luftschlüssiger Verbindung mit einem großen Ausgangskanal 19, welcher wiederum über den Anschlussstutzen 20 mit den Anschlüssen 5a des Saugventilators 5 luftschlüssig verbunden ist.
• Die durch den Bestrahlvorgang leicht erwärmte Luft wird daher aus dem Bestrahlungsraum 21 in die Bestrahleinheit 12 mittels des Saugventilators 5 angesaugt. Diese leicht erwärmte Luft mit Ozon strömt dabei in radialer Strömungsrichtung 22 in den Kühlraum 17 der Kühlhülle 15 um die UV-Lampe 14 herum und kühlt diese. Diese nun stärker erhitzte Luft mit Ozon strömt in Strömungsrichtung 23 durch den kleinen 18 und großen Ausgangskanal 19 und durch die Anschlussstutzen 20 in Strömungsrichtung 24 und schließlich durch die Stutzen 5a in den Ventilator und von dort ggfs. über einen Wärmetauscher ins Freie.
• 3 und 4 zeigen den leichten und schnellen Ausbau und Wechsel der UV-Lampe 14 aus der Kühlhülle 15 durch Abschrauben eines der beiden Seitendeckel 11a des Gehäuses 11 und anschließendes axiales Herausziehen der UV-Lampe 14 aus der Kühlhülle 15 auf der Seite des abgenommenen Seitendeckels 11a.
• Bezugszeichenliste

1

UV-Trockner

2

UV-Strahlkopf

3

Kasten

4

Türen

5

Saugventilator; 5a Anschlüsse für 20

6

Transportrollen (Kettenräder)

7

zu bestrahlendes Band (Kette mit Dornen, auf denen das Substrat liegt)

8

Förderrichtung (Einzug in 3)

9

Förderrichtung (Auszug aus 3)

10

Schlitten für 2

11

Gehäuse von 2; 11a Seitendeckel von 11

12

Bestrahleinheit

13

Rollen für 10 an 2

14

UV-Lampe; 14a Quarzglasröhre, 14b Molybdänfolien

15

Kühlhülle; 15a Quarzglasplatten; 15b Stirnplatten

16

Spalte zwischen 15a

17

Kühlraum zwischen 14 und 15

18

kleiner Ausgangskanal aus 17

19

großer Ausgangskanal aus 18

20

Anschlussstutzen von 19

21

Bestrahlungsraum von 3

22

Strömungsrichtung in 15

23

Strömungsrichtung aus 15

24

Strömungsrichtung aus 11

α

Winkelbereich von 14

β

Winkelbereich von 14

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 69225879 T2 [0004]
• DE 69224539 T2 [0004]

Claims (10)

1. UV-Trockner (1) zum Trocknen von UV-photopolymerisierbaren Materialien, umfassend einen UV-Strahlkopf (2) mit Bestrahlungseinheit (12) mit rohrzylindrischer UV-Lampe (14), welche UV-Licht in einem Bestrahlungsraum (21) in Richtung auf mit UV-photopolymerisierbaren Materialien versehene antreibbare Bänder (7) abstrahlen kann, wobei die UV-Lampe (14) in einem Kühlraum (17) einer Kühlhülle (15) gelagert ist, welche teils durchlässig für UV-Licht und teils undurchlässig für IR-Licht ist, wobei die Kühlhülle (15) einen Kühlmantel (15a) aufweist, entlang dessen gesamter Längsachse eine Vielzahl von radialen Durchgangsöffnungen (16) vorgesehen sind, durch welche Kühlluft (22, 23) mittels Luftströmungserzeugungsmittel (5) hindurch radial/quer entlang der gesamten Längsachse der UV-Lampe (14) über diese strömen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Durchgangsöffnungen (16) in zwei voneinander getrennten Winkelbereichen (α, β) der UV-Lampe (14) vorgesehen sind und dass die Kühlluft (22, 23) in dem ersten Einström-Winkelbereich (α oder β) in den Kühlraum (17) der Kühlhülle (15) einströmt und in dem zweiten Ausström-Winkelbereich (β oder α) aus der Kühlhülle (15) ausströmt.
2. UV-Trockner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass entweder die Kühlluft (22, 23) aus dem Bestrahlungsraum (21) in dem ersten Winkelbereich (α) in den Kühlraum (17) der Kühlhülle (15) einströmt und in dem zweiten Winkelbereich (β) aus der Kühlhülle (15) über das Luftströmungserzeugungsmittel (5) ins Freie ausströmt, oder aber dass die Kühlluft (22, 23) über das Luftströmungserzeugungsmittel (5) in dem zweiten Winkelbereich (β) in den Kühlraum (17) der Kühlhülle (15) einströmt und in dem ersten Winkelbereich (α) aus der Kühlhülle (15) in den Bestrahlungsraum (21) ausströmt.
3. UV-Trockner (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Einström-Winkelbereich (α) zwischen 90° und 359° insbesondere zwischen 180° und 330°, typisch bei ca. 330° liegt und der zweite Ausström-Winkelbereich (β) zwischen 1° und 90° insbesondere zwischen 20° und 40°, typisch bei ca. 30° liegt.
4. UV-Trockner (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die symmetrischen Mitten der beiden Winkelbereiche (α, β) zueinander etwa fluchten oder einen Winkel kleiner gleich 90° miteinander einschließen.
5. UV-Trockner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radialen Durchgangsöffnungen (16) im Kühlmantel der die UV-Lampe (14) umgebenden Kühlhülle (15) geometrisch oder aber strömungstechnisch-wärmetechnisch gleichmäßig über den Kühlmantel verteilt sind.
6. UV-Trockner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (15a) der Kühlhülle (15) eine Vielzahl von axial verlaufenden Quarzglasplatten (15a) enthält, die zwischen sich Längsschlitze (16) bilden, durch welche teils Kühlluft mit Ozon (22) in den Kühlraum (17) und über die UV-Lampe (14) einströmt und teils die so erwärmte Kühlluft (23) aus dem Kühlraum (17) ausströmt.
7. UV-Trockner (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Einström-Winkelbereich (α) die Längsschlitze (16) zwischen den Quarzglasplatten (15a) einige mm breit sind und in radialer Strömungsrichtung (22) einen V-förmigen Trichter bilden, welcher durch Venturieffekt eine verbesserte Kühlleistung bringt, wobei im Ausström-Winkelbereich (β) nur ein einziger Längsschlitz zwischen zwei Quarzglasplatten vorhanden ist, welcher einige cm breit ist und in radialer Strömungsrichtung (23) einen quaderförmigen Durchlass bilden.
8. UV-Trockner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmantel (15a) der Kühlhülle (15) als Rohrzylinder ausgebildet ist, in welchen die radialen Durchgangsöffnungen (16) eingebracht sind.
9. UV-Trockner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Kühlhülle (15) austretende Kühlluft (22, 23) über einen außerhalb der Kühlhülle (15) befindlichen Wärmetauscher geführt wird.
10. UV-Trockner (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftströmungserzeugungsmittel (5) Druckluft oder Saugluft erzeugen kann und z. B. ein Ventilator ist.

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