DE102015113766B4

DE102015113766B4 - Strahlermodul sowie Verwendung des Strahlermoduls

Info

Publication number: DE102015113766B4
Application number: DE102015113766.6A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Weber; Bernhard Weber; Frank Diehl
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2019-07-04
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: EP3338301A1; DE102015113766A1; JP2018527171A; US20180242399A1; WO2017029052A1; US10708980B2; CN107924854A

Abstract

Strahlermodul (104a; 104b; 200; 350; 450), aufweisend einen ersten Infrarotstrahler (109a; 109b; 109c; 202a; 202b; 202c; 202d; 353a; 353b; 353c) mit einem in einer Strahlerebene (115) angeordneten, ersten Strahlerrohr und einen zweiten Infrarotstrahler (109a; 109b; 109c; 202a ;202b; 202c; 202d; 353a; 353b; 353c) mit einem in der Strahlerebene (115) angeordneten zweiten Strahlerrohr, wobei zwischen dem ersten Strahlerrohr und dem zweiten Strahlerrohr ein Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Strahlerrohr, das zweite Strahlerrohr und das Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) jeweils mit einer reflektierenden Beschichtung (111; 112; 356a; 356b; 356c; 357a; 357b) versehen sind, und dass das erste Strahlerrohr, das zweite Strahlerrohr und das Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) jeweils eine einem Prozessraum (113; 371) zugewandte und eine dem Prozessraum (113; 371) abgewandte Seite aufweisen, wobei die reflektierende Beschichtung (111; 112; 356a; 356b; 356c; 357a; 357b) auf die jeweilige dem Prozessraum (113; 371) abgewandte Seite des ersten und des zweiten Strahlerrohrs, sowie auf die dem Prozessraum (113; 371) zugewandte Seite des Hüllrohrs (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) aufgebracht ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strahlermodul, aufweisend einen ersten Infrarotstrahler mit einem in einer Strahlerebene angeordneten, ersten Strahlerrohr und einen zweiten Infrarotstrahler mit einem in der Strahlerebene angeordneten zweiten Strahlerrohr, wobei zwischen dem ersten Strahlerrohr und dem zweiten Strahlerrohr ein Hüllrohr angeordnet ist..
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung des Strahlermoduls.
Strahlermodule im Sinne der Erfindung sind zur Bestrahlung eines Substrats mit einer reflektierenden Oberfläche geeignet, beispielsweise zur Bestrahlung eines Substrats mit einer metallischen Oberfläche. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Bestrahlungsmodul zur Bestrahlung transparenter Substrate einsetzbar, insbesondere in Bestrahlungsvorrichtungen, bei denen zur Erhöhung der Bestrahlungseffizienz unterhalb des transparenten Substrats ein Reflektor angeordnet ist, der die durch das Substrat hindurchgehenden Strahlungsanteile in Richtung auf das Substrat zurückreflektiert.
Eine reflektierende Oberfläche ist eine Oberfläche, die die auf sie auftreffende Strahlung vollständig oder partiell reflektiert. Sie kann nichtreflektierende Teilflächen aufweisen. Reflektierende Oberflächen weisen regelmäßig einen hohen Reflexionsgrad von mindestens 50% auf.
Der Reflexionsgrad ist das Verhältnis von reflektierter Energie zu einfallender Energie und kann beispielsweise wie folgt ermittelt werden: $ρ = \frac{P_{r}}{P_{o}}$

mit P_r: Leistung der reflektierten Strahlung
und P_o: Leistung der einfallenden Strahlung

Strahlermodule im Sinne der Erfindung sind zur Erzielung hoher Bestrahlungsstärken ausgelegt; sie sind beispielsweise zum Verzinnen von Kupferblech, zum Erwärmen von Substraten, wie Bändern oder Blechen, zum Herstellen gedruckter Elektronik oder zum Trocknen von Tinte einsetzbar.
Stand der Technik
Bei bekannten Infrarot-Strahlermodulen sind mehrere Infrarotstrahler in einer Strahlerebene angeordnet. Sie werden häufig als Flächenstrahler eingesetzt.
Flächenstrahler haben eine Vorderseite und eine Rückseite. Häufig ist die Flächenstrahler-Vorderseite einem Prozessraum zugewandt, so dass bei derartigen Strahlermodulen nur die zur Flächenstrahler-Vorderseite emittierte Strahlung als Nutzstrahlung zur Verfügung steht. Es ist es daher wünschenswert, dass ein möglichst hoher Anteil der von den Infrarotstrahlern emittierten Strahlung zur Flächenstrahler-Vorderseite gerichtet ist, da nur dieser für die Bestrahlung eines Substrats genutzt werden kann.
Infrarotstrahler emittieren allerdings grundsätzlich ungerichtete Strahlung. Um dennoch einen möglichst großen Anteil der von den Infrarotstrahlern emittieren Strahlung für die Substrat-Bestrahlung bereitstellen und gleichzeitig eine hohe Bestrahlungsstärke im Prozessraum erzielen zu können, ist den Infrarotstrahlern regelmäßig ein gemeinsamer Reflektor zugeordnet, der in einem vorgegebenen Abstand zu den Infrarotstrahlern verläuft.
Ein solcher Reflektor reflektiert den zur Flächenstrahler-Rückseite gelangten Strahlungsanteil und lenkt ihn in Richtung auf das Substrat um.
Eine Bestrahlungsvorrichtung mit einem derartigen Strahlermodul ist beispielsweise aus der DE 10 2013 105 959 A1 bekannt. Das Strahlermodul weist ein Gehäuse auf, in dem mehrere Zwillingsrohr-Infrarotstrahler angeordnet sind. Darüber hinaus ist das Gehäuse an seiner Innenseite mit einem Reflektor versehen, so dass ein möglichst großer Anteil der emittierten Infrarotstrahlung auf dem Substrat eingekoppelt wird. Bekannte Strahlermodule weisen daher regelmäßig einen von den Infrarotstrahlern einerseits und dem Reflektor andererseits begrenzten Rückraum auf.
Ein weiteres Strahlermodul in Form eines Infrarotflächenstrahlers mit mehreren Infrarotstrahlern ist in US 3 627 989 A offenbart. Hierbei ist zwischen benachbarten Infrarotstrahlern ein Quarzglas-Leerrohr angeordnet, das kein Heizelement enthält. Die Infrarotstrahler und das Leerrohr sind in einem Gehäuse montiert, das gleichzeitig als Reflektor dient.
Der Einsatz eines separaten Reflektors hat allerdings den Nachteil, dass die Strahlung vom Reflektor nicht immer unmittelbar auf das Substrat reflektiert wird, sondern, dass reflektierte Strahlung auch auf benachbarte Infrarotstrahler auftreffen und dort erneut reflektiert werden kann. Hierbei werden regelmäßig Strahlungsverluste beobachtet, die die Bestrahlungseffizienz des Strahlermoduls beeinträchtigen können. Dieses Problem stellt sich insbesondere, wenn mit dem Strahlermodul hohe Bestrahlungsstärken erzielt werden sollen. Strahlermodule, die für hohe Bestrahlungsstärken ausgelegt sind, weisen häufig eine kompakte Bauform auf, bei der benachbarte Infrarotstrahler einen möglichst geringen Abstand zueinander aufweisen. Mit abnehmendem Abstand der Infrarotstrahler steigt aber gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Reflexion oder Absorption von Strahlung an den Infrarotstrahlern. Hierdurch wird die Energie-Effizienz des Strahlermoduls beeinträchtigt.
Aus DE 10 2011 012 363 A1 ist weiterhin ein Infrarot-Flächenstrahler bekannt, bei dem die Mantelflächen der Strahlerrohre sich direkt berühren und auf der dem Prozessraum abgewandten Seite mit einer zusammenhängenden Masse aus opakem Quarzglas versehen sind, die gleichzeitig als Reflektor und als Fixierungsmittel dient. Durch die Fixierung benachbarter Strahlerrohre aneinander wird die Montage des Infrarot-Flächenstrahlers vereinfacht.
Technische Aufgabe
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein für hohe Bestrahlungsstärken ausgelegtes Strahlermodul anzugeben, das eine hohe Energie-Effizienz aufweist.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung des Strahlermoduls anzugeben.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Strahlermoduls wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das erste Strahlerrohr, das zweite Strahlerrohr und das Hüllrohr jeweils mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind, und dass das erste Strahlerrohr, das zweite Strahlerrohr und das Hüllrohr jeweils eine einem Prozessraum zugewandte und eine dem Prozessraum abgewandte Seite aufweisen, wobei die reflektierende Beschichtung auf die jeweilige dem Prozessraum abgewandte Seite des ersten und des zweiten Strahlerrohrs, sowie auf die dem Prozessraum zugewandte Seite des Hüllrohrs aufgebracht ist.
Insbesondere bei der Bestrahlung reflektierender Substrate tritt das Problem auf, dass nicht die gesamte auf das Substrat auftreffende Strahlung von dem Substrat absorbiert wird. Häufig werden vielmehr größere Strahlungsanteile vom Substrat selbst reflektiert und in Richtung des Strahlermoduls zurückgeworfen. Dies hat zur Folge, dass nur ein Teil der auf das Substrat gerichteten Strahlung tatsächlich Nutzstrahlung ist.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Energieeffizienz eines Strahlermoduls gesteigert werden kann, wenn auch der vom Substrat reflektierte Strahlungsanteil möglichst unvermittelt auf das Substrat zurückgeführt werden kann. Hierzu werden gemäß der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik zwei Modifikationen vorgeschlagen, von denen eine das Vorsehen eines zusätzlichen Hüllrohrs, und die andere das Vorsehen einer reflektierenden Beschichtung auf den Infrarotstrahlern und dem Hüllrohr betrifft.
Infrarotstrahler werden in Flächenstrahlern zwar häufig nebeneinander angeordnet. Allerdings sind die Infrarotstrahler unter Betriebsbedingungen hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt, insbesondere, da sich benachbarte Infrarotstrahler gegenseitig erwärmen. Daher ist bei der Anordnung der Infrarotstrahler grundsätzlich die Einhaltung eines Mindestabstands zu beachten. Zwischen benachbarten Infrarotstrahlern besteht daher regelmäßig ein Zwischenraum, durch den die vom Substrat reflektierte Strahlung in den Rückraum des Strahlermoduls gelangen kann. Häufig wird im Rückraum die Strahlung mehrfach reflektiert, wobei wesentliche Anteile dieser Strahlung absorbiert werden.
Die Energieeffizienz des Strahlermoduls kann daher gesteigert werden, wenn das Eindringen von Strahlung in den Rückraum minimiert wird. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, zwischen dem ersten und dem zweiten Infrarotstrahler mindestens ein Hüllrohr anzuordnen. Ein Hüllrohr ist ein langgestreckter Hohlkörper, beispielsweise ein zylinderförmiges Rohr aus Quarzglas. Die Temperatur eines solchen Hüllrohrs wird im Wesentlichen durch die Temperatur seiner Umgebung bestimmt. Es kann daher im Gegensatz zu dem beheizten Strahlerrohr des zweiten Infrarotstrahlers näher am Strahlerrohr des ersten Infrarotstrahlers positioniert werden. Hierdurch wird zunächst der Zwischenraum zwischen benachbarten Infrarotstrahlern ausgefüllt und verringert. Ist auch das Hüllrohr zur Reflexion von Strahlung geeignet, trägt schon allein das Vorsehen eines Hüllrohrs zu einem verminderten Eindringen von Strahlung in den Rückraum bei.
Dadurch, dass darüber hinaus sowohl das Strahlerrohr des ersten Infrarotstrahlers, das Strahlerrohr des zweiten Infrarotstrahlers als auch das Hüllrohr mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sind, kann einem Eindringen von Infrarotstrahlung in der Rückraum effektiv entgegengewirkt wird. Dies gilt sowohl für die von den Infrarotstrahlern emittierte Strahlung, die - sofern sie auf den Rückraum gerichtet ist - unmittelbar an der reflektierenden Beschichtung des Strahlerrohrs reflektiert wird, als auch für die vom Substrat reflektierte Strahlung, die ebenfalls an der reflektierenden Beschichtung des Hüllrohrs, des ersten oder des zweiten Infrarotstrahlers auf das Substrat zurückreflektiert wird.
Erfindungsgemäß weisen zusätzlich das erste Strahlerrohr, das zweite Strahlerrohr und das Hüllrohr jeweils eine einem Prozessraum zugewandte und eine dem Prozessraum abgewandte Seite auf, wobei die reflektierende Beschichtung auf die jeweilige dem Prozessraum abgewandte Seite des ersten und/oder des zweiten Strahlerrohrs, sowie auf die dem Prozessraum zugewandte Seite des Hüllrohrs aufgebracht ist.
Hinsichtlich des ersten und/oder zweiten Strahlerrohrs trägt eine auf der dem Prozessraum abgewandten Seite aufgebrachte reflektierende Beschichtung dazu bei, dass aufgrund der Rohrwölbung die emittierte Strahlung zumindest teilweise gebündelt wird und so gezielt auf das Substrat geführt werden kann.
Die reflektierende Beschichtung des Hüllrohrs kann sowohl auf der dem Prozessraum zugewandten Seite, auf der dem Prozessraum abgewandten Seite des Hüllrohrs aufgebracht sein. Ein auf die dem Prozessraum zugewandte Seite des Hüllrohrs aufgebrachte reflektierende Beschichtung hat den Vorteil, dass vom Substrat reflektierte Strahlung unmittelbar auf die reflektierende Beschichtung trifft und dort reflektiert wird, ohne zuvor die Wandung des Hüllrohrs passieren zu müssen. Hierdurch werden einerseits Absorptionsverluste an der Hüllrohrwandung verringert. Andererseits wird verhindert, dass die auf das Hüllrohr auftreffende Strahlung in das Hüllrohr eingekoppelt wird. Treffen Strahlungsanteile in geeignetem Winkel auf das Hüllrohr auf, kann dieses als Lichtwellenleiter wirken, durch den die in das Rohr eingekoppelte Strahlung über Totalreflexion bis an die Strahlerrohr-Enden transportiert werden kann. Dieser Strahlungsanteil kann nicht für die Bestrahlung des Substrat genutzt werden. Die Einkopplung von Strahlung in das Hüllrohr geht daher regelmäßig mit Strahlungsverlusten und einer geringeren Energieeffizienz einher.
Eine Beschichtung des ersten oder zweiten Strahlerrohrs beziehungsweise des Hüllrohrs ist einfach zu fertigen; sie geht darüber hinaus mit einem geringen Raumbedarf einher und trägt so zu einem kompakten Strahlermodul bei.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Strahlermoduls ist vorgesehen, dass das Hüllrohr mit einer diffus streuend reflektierenden Beschichtung versehen ist.
Auf die reflektierende Beschichtung des Hüllrohrs trifft vor allem Strahlung auf, die von dem Substrat reflektiert wird. Ein auf eine diffus streuende Oberfläche auftreffender Lichtstrahl wird in viele verschiedene Richtungen zurückgeworfen (Streulicht). Eine diffus streuende Beschichtung trägt daher zu einer ungerichteten, gleichmäßigen Strahlungsverteilung bei. Streulicht ist insbesondere für eine Erzeugung gleichmäßiger Bestrahlungsintensitäten geeignet, da Maxima in der Bestrahlungsstärke abgeschwächt und der Unterschied zwischen minimaler und maximaler Bestrahlungsstärke verringert wird.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das erste Strahlerrohr und/oder das zweite Strahlerrohr mit einer gerichtet reflektierenden Beschichtung versehen ist.
Die von der Beschichtung des ersten und/oder zweiten Strahlerrohrs reflektierte Strahlung ist zu einem wesentlichen Anteil unmittelbar von dem jeweiligen Infrarotstrahler emittierte Strahlung. Eine gerichtet reflektierende Beschichtung hat den Vorteil, dass aus dieser Strahlung durch die Reflexion ein Strahlungsfeld erzeugt werden kann, das durch geeignete Wahl der Beschichtung und deren Form an das zu bestrahlende Substrat anpassbar ist. Insbesondere ist es möglich, die reflektierte Strahlung auf einen bestimmten Bereich des Substrats zu fokussieren. Hierdurch wird eine Anpassung der Bestrahlungsverteilung in Abhängigkeit von der Substratform ermöglicht. Darüber hinaus ist es möglich, die vom ersten und/oder zweiten Strahlerrohr derart zu bündeln, dass ein Bestrahlungsfeld hoher Bestrahlungsstärke erhalten wird.
Vorzugsweise ist die reflektierende Beschichtung des ersten Strahlerrohrs, des zweiten Strahlerrohrs und/oder des Hüllrohrs aus Gold, aus opakem Quarzglas oder aus Keramik gefertigt.
Reflektierende Beschichtungen aus Gold, aus opakem Quarzglas oder Keramik zeichnen sich durch gute Reflexionseigenschaften aus und sind einfach zu fertigen. Eine reflektierende Goldbeschichtung weist einen hohen Reflexionsgrad auf; sie ist insbesondere für Betriebstemperaturen bis zu 600 °C einsetzbar. Ein Reflektor aus opakem Quarzglas ist auch bei hohen Betriebstemperaturen oberhalb von 600 °C, nämlich bis zu 1.000 °C, einsetzbar; er weist eine darüber hinaus gute chemische Beständigkeit auf und ist für den Einsatz in Hochleistungs-Strahlermodulen mit einer Gesamtflächenleistung oberhalb von 100 kW/m² einsetzbar. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die reflektierende Beschichtung aus einer Keramik gefertigt ist, die Aluminiumoxid oder Titandioxid enthält. Derartige Beschichtungen zeigen eine gute thermische Beständigkeit und können einfach in einem Spritzverfahren auf das jeweilige Strahlerrohr beziehungsweise Hüllrohr aufgebracht werden.
Es hat sich bewährt, wenn das erste und das zweite Strahlerrohr mit einer reflektierenden Beschichtung aus Gold und das Hüllrohr mit einer Beschichtung aus opakem Quarzglas versehen ist.
Der größte Anteil der Nutzstrahlung ist Strahlung, die von einem der Infrarotstrahler unmittelbar in Richtung auf das Substrat emittiert wurde oder die an der Beschichtung des ersten beziehungsweise zweiten Strahlerrohrs in Richtung auf das Substrat reflektiert wurde. Ein Goldreflektor ermöglicht eine gezielte, gerichtete Reflexion der Strahlung auf das Substrat. Sind das erste und das zweite Strahlerrohr mit einer Beschichtung aus Gold versehen, lässt sich die Größe des Bestrahlungsfelds und die Intensitätsverteilung im Bestrahlungsfeld vorgeben.
Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die von dem Substrat selbst reflektierte Strahlung hingegen möglichst gleichmäßig auf das Substrat zurückgeführt wird. Auf diese Weise wird durch die vom Substrat reflektierte Strahlung die Bestrahlungsintensität im Bestrahlungsfeld gleichmäßig erhöht, wobei die zuvor durch die Art und Form der Goldreflektoren gewählte Größe und Intensitätsverteilung des Bestrahlungsfelds im Wesentlichen beibehalten wird. Hierdurch wird eine einfache Anpassung und Einstellung des Bestrahlungsfelds ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Modifikation des Strahlermoduls ist die reflektierende Beschichtung des ersten Strahlerrohrs, des zweiten Strahlerrohrs und/oder des Hüllrohrs auf einem Umfangsabschnitt des jeweiligen Rohr-Außenmantels aufgebracht.
Eine solche streifenförmige, reflektierende Beschichtung erstreckt sich in einer Längsrichtung des jeweiligen Strahlerrohrs beziehungsweise Hüllrohrs. Sie kann einfach in einem Tauchverfahren oder Spritzverfahren aufgebracht werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Hüllrohr einen Hüllrohr-Außenmantel aufweist, und wenn ein Abschnitt des Hüllrohr-Außenmantels mit der reflektierenden Beschichtung vollständig ummantelt ist.
Der Außenmantel des Hüllrohrs kann vollständig oder teilweise mit der reflektierenden Beschichtung versehen sein. Ein Hüllrohr mit einem vollständig beschichteten Außenmantel ist einfach herzustellen, beispielsweise in durch Eintauchen in ein Beschichtungsmittel. Er trägt darüber hinaus zu einer guten Energieeffizienz des Strahlermoduls bei, da ein Eindringen von Strahlung in das Hüllrohr erschwert ist, so dass weniger Verluste durch Strahlungsabsorption am Hüllrohr beobachtet werden.
Vorteilhafterweise sind die reflektierenden Beschichtungen von erstem Strahlerrohr, zweitem Strahlerrohr und Hüllrohr miteinander verbunden.
Eine Verbindung der Beschichtungen von erstem Strahlerrohr, zweitem Strahlerrohr und Hüllrohr trägt dazu bei, die Zwischenräume zwischen dies Bauteilen zu minimieren, so dass ein Eindringen von Strahlung in den Rückraum des Strahlermoduls effektiv verringert werden kann. Vorzugsweise sind die Zwischenräume durch die Beschichtung vollständig geschlossen.
Es hat sich bewährt, wenn der kürzeste Abstand des ersten Strahlerrohrs zum Hüllrohr und/oder der kürzeste Abstand des zweiten Strahlerrohrs zum Hüllrohr im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegt.
Ein kürzester Abstand in diesem Bereich trägt zu Steigerung der Energieeffizienz des Strahlermoduls bei. Ein Abstand von weniger als 0,5 mm ist aufgrund der temperaturabhängigen Materialausdehnung von Strahlerrohr und Hüllrohr nur aufwendig zu realisieren. Bei einem Abstand von mehr als 2 mm wird nur eine geringe Steigerung der Energieeffizienz beobachtet.
Hinsichtlich der Verwendung des Strahlermoduls wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Strahlermodul zum Erwärmen von Metall-Blechen, zum Erwärmen von Substraten für gedruckte Elektronik oder zum Trocknen von Tinte oder zum Beschichten von Metall-Blechen, insbesondere zum Verzinnen von Kupferblech, zu verwenden,.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren näher beschrieben. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung:

1 eine Querschnittsdarstellung einer Bestrahlungsvorrichtung mit zwei erfindungsgemäßen Strahlermodulen gemäß einer ersten Ausführungsform,
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlermoduls in perspektivischer Ansicht,
3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlermoduls im Querschnitt, und
4 ein Strahlermodul ohne Hüllrohr als Vergleichsbeispiel.

1 zeigt eine Bestrahlungsvorrichtung der insgesamt die Bezugsziffer 100 zugeordnet ist. Die Bestrahlungsvorrichtung 100 wird zum Trocknen eines mit einer Nass-Lackschicht 102 versehenen Glassubstrats 101 eingesetzt.
Zunächst wird das Glassubstrat 101 bereitgestellt und mit einer Nasslackschicht 102 versehen, vorzugsweise durch Aufsprühen (nicht dargestellt). Um die Nasslackschicht 102 zu trocknen, wird das Glassubstrat 101 der Bestrahlungsvorrichtung 100 zugeführt und dort einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierzu ist eine Transportvorrichtung 106 mit einem Transportband aus Quarzglas vorgesehen. Die Zuführungsrichtung ist durch den Pfeil 105 angedeutet. Unterhalb des Transportbands 106 ist ein Reflektor 125 angeordnet, der den auf ihn auftreffenden Strahlungsanteil in Richtung auf das Glassubstrat 101 zurückreflektiert. Bei der Wärmebehandlung wird die Nasslackschicht 102 über den Siedepunkt eines in der Nasslackschicht enthaltenen Lösungsmittels erwärmt, so dass dieses verdampft.
Die Bestrahlungsvorrichtung 100 umfasst ein Aluminium-Gehäuse 103, einen Prozessraum 113 und zwei in dem Gehäuse 103 angeordnete Strahlermodule 104a, 104b, zur Bestrahlung des Prozessraums 113. Die Strahlermodule 104a, 104b sind baugleich.
Das Strahlermodul 104a weist ein Modulgehäuse 107 aus feueraluminiertem Feinblech auf, das mit einer Austrittsöffnung 108 für Infrarotstrahlung versehen ist. Innerhalb des Modulgehäuses 107 sind drei baugleiche Infrarotstrahler 109a, 109b, 109c und zwei baugleiche Hüllrohre 110a, 110b angeordnet. Die Infrarotstrahler 109a, 109b, 109c weisen jeweils ein zylinderförmiges Strahlerrohr aus Quarzglas mit einer Strahlerrohr-Längsachse auf. Die Infrarotstrahler 109a, 109b, 109c zeichnen sich jeweils durch eine Nominalleistung von 4.000 W bei einer Nominalbetriebsspannung von 230 V aus. Der Außendurchmesser des jeweiligen Strahlerrohrs beträgt 23 mm bei einer beheizten Strahlerrohr-Länge von 700 mm. Die Strahlerrohre weisen darüber hinaus jeweils eine einem Rückraum 114 zugewandte Rückseite und eine gegenüberliegende, dem Prozessraum 113 zugewandte Vorderseite auf. Auf die Rückseite der Strahlerrohre ist jeweils eine Strahlerrohr-Beschichtung 112 aus opakem Quarzglas aufgebracht.
Zwischen den Infrarotstrahlern 109a, 109b, 109c ist jeweils ein zylinderförmiges Hüllrohre 110a, 110b mit einer Hüllrohr-Längsachse angeordnet. Die Hüllrohre 110a, 110b haben jeweils einen Außendurchmesser von 23 mm bei einer Wanddicke von1,8 mm und einer Hüllrohrlänge von 700 mm; sie weisen darüber hinaus eine der Austrittsöffnung 108 des Modulgehäuses 107 abgewandte Rückseite und der Austrittsöffnung 108 zugewandte Vorderseite auf. Auf die Rückseite des Hüllrohrs 110a ist eine Hüllrohr-Beschichtung 111 aus opakem Quarzglas aufgebracht.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Strahlermoduls 104a (nicht dargestellt) ist die Beschichtung aus opakem Quarzglas auf die Vorderseite des Hüllrohrs 110a aufgebracht.
Infrarotstrahler 109a, 109b, 109c und Hüllrohre 110a, 110b sind derart angeordnet, dass die Strahlerrohr-Längsachsen und die Hüllrohr-Längsachsen in einer Strahlerebene 115 verlaufen.
Das Strahlermodul 104a ist darüber hinaus auch für das Verzinnen von Kupferblech geeignet. Vorzugsweise ist das Kupferblech auf eine Rolle aufgerollt (nicht dargestellt). Das Verfahren umfasst die Verfahrensschritte: Bereitstellen einer ersten Rolle mit einem darauf aufgerollten unverzinnten Kupferblech, Führen des Kupferblechs durch ein Zinn-haltiges Bad unter Abscheidung eines Zinnüberzugs, Wärmebehandeln des mit dem Zinnüberzug versehenen Kupferblechs mit Infrarotstrahlung unter Erhalt eines verzinnten Kupferblechs und Führen des verzinnten Kupferblechs zu einer zweiten Rolle, die zur Aufnahme des verzinnten Kupferblechs ausgelegt ist.
Bei diesem Verfahren wird das Kupferblech vorzugsweise in eine Zinn-haltige Lösung eingetaucht, wobei sich auf der Oberfläche des Kupferblechs ein Zinnüberzug abscheidet. Vorzugsweise erfolgt die Zinnabscheidung durch Anlegen einer elektrischen Spannung (galvanische Verzinnung) (nicht dargestellt). Hierdurch wird ein Zinnüberzug mit einer dünnen Überzugsdicke erhalten. Um die Festigkeit des Zinnüberzugs zu erhöhen, wird das mit dem Zinnüberzug versehene Kupferblech einer Bestrahlungsvorrichtung mit dem Strahlermodul 104a zugeführt und dort einer Wärmebehandlung unterzogen. In diesem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn das Kupferblech in einer Führungsrichtung senkrecht zur Oberfläche des Bads aus dem Bad herausgeführt wird und, wenn das Strahlermodul 104a bezogen auf die Oberfläche des Bads senkrecht angeordnet ist, also die Strahlerrohre des Strahlermoduls 104a parallel zur Führungsrichtung angeordnet sind.
Bei der Wärmebehandlung wird der Zinnüberzug über den Schmelzpunkt von Zinn hinaus erwärmt, so dass sich zumindest im Übergangsbereich von Zinnüberzug und Kupferblech sich eine Zinn-Kupfer-Legierungsschicht ausbildet.
Weiterhin kann das Modul 104a zur Änderung des Gefüges eines Aluminiumblechs eingesetzt werden. Hierbei wird das Aluminiumblech auf eine Temperatur oberhalb von 330 °C erwärmt.
2 zeigt in perspektivischer Ansicht eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlermoduls 200, das ebenfalls in die Bestrahlungsvorrichtung 100 gemäß 1 einsetzbar ist.
Das Strahlermodul 200 umfasst ein Modulgehäuse 201 aus Edelstahl, in dem vier Infrarotstrahler 202a, 202b, 202c, 202d und drei Hüllrohre 203a, 203b, 203c angeordnet sind. Das Modulgehäuse 201 hat eine Vorderseite mit einer Austrittsöffnung 206 für Infrarotstrahlung und eine der Vorderseite gegenüberliegende Rückseite (nicht dargestellt); es weist eine Länge von 900 mm, eine Breite von 550 mm und eine Höhe von 300 mm auf.
Die Infrarotstrahler 202a, 202b, 202c, 202d sind baugleich. Nachfolgend ist daher exemplarisch nur der Infrarotstrahler 202a beschrieben.
Der Infrarotstrahler 202a hat ein zylinderförmiges Strahlerrohr 205 aus Quarzglas mit einer Länge von 700 mm, einem Außendurchmesser von 34 mm und einer Wandstärke von 2 mm. In dem Strahlerrohr 205 ist ein wendelförmiges Heizfilament 204 aus Wolfram angeordnet. Der Infrarotstrahler 202a zeichnet sich durch eine Nominal-Leistung von 4.000 W bei einem nominalen Strom von 17 A aus.
Auf die Oberfläche der Strahlerrohre der Infrarotstrahler 202a, 202b, 202c, 202d ist jeweils halbseitig eine reflektierende Beschichtung aus Titandioxid aufgebracht. Die Infrarotstrahler 202a, 202b, 202c und 202d sind im Strahlermodul 200 derart angeordnet, dass jeweils die beschichtete Strahlerrohr-Hälfte der Rückseite des Strahlermoduls 200 zugewandt ist.
Die Infrarotstrahler 202a, 202b, 202c, 202d sind innerhalb des Modulgehäuses 201 derart angeordnet, dass ihre Strahlerrohr-Längsachsen parallel zueinander verlaufen. Der Abstand benachbarter Infrarotstrahler (gemessen von Strahlerrohr-Außenseite zu Strahlerrohr-Außenseite) beträgt 27 mm.
In den Zwischenräumen zwischen benachbarten Infrarotstrahlern 202a, 202b, 202c sind Hüllrohre 203a, 203b, 203c mit jeweils einer Hüllrohr-Längsachse derart angeordnet, dass die jeweilige Hüllrohr-Längsachse parallel zu den Strahlerrohr-Längsachsen der Infrarotstrahler 202a, 202b, 202c, 202d verläuft. Die Hüllrohre 203a, 203b, 203c sind aus Quarzglas gefertigt; sie weisen eine Länge von 700 mm bei einem Außendurchmesser von 23 mm und einer Hüllrohr-Wanddicke von 2 mm auf. Der kürzeste Abstand von Hüllrohr zu Strahlerrohr beträgt 2 mm. Auf die Hüllrohre 203a, 203b, 203c ist jeweils halbseitig eine Beschichtung aus opakem Quarzglas aufgebracht. Die beschichtete Seite der Hüllrohre ist der Rückseite des Strahlermoduls 200 zugewandt.
3 zeigt eine Bestrahlungsvorrichtung 300 mit einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlermoduls 350 im Querschnitt. Die Bestrahlungsvorrichtung 300 wird zur Trocknung von Farbschichten auf metallischen Oberflächen eingesetzt.
Die Bestrahlungsvorrichtung 300 umfasst eine Transportvorrichtung 301 für ein Substrat 310 und das Strahlermodul 350. Dabei legt die Transportvorrichtung 301 eine Transportrichtung 355 für das Substrat 310 fest. Das Substrat 310 hat eine reflektierende Oberfläche aus Aluminium, die mit einer transparenten, noch nicht getrockneten Klarlack-Schicht 312 überzogen ist. Die Oberfläche des Substrats 310 samt Klarlack-Schicht 312 reflektiert etwa 60% der auf sie auftreffenden Strahlung.
Das Strahlermodul 350 weist ein Modulgehäuse 351 aus Aluminium auf, das mit einer Austrittsöffnung 352 für Infrarotstrahlung versehen ist. Innerhalb des Modulgehäuses 351 sind drei baugleiche Infrarotstrahler 353a, 353b, 353c und zwei baugleiche Hüllrohre 354a, 354b derart in einer Strahlerebene 370 angeordnet, dass die Infrarotstrahler-Längsachsen und die Hüllrohr-Längsachsen senkrecht zur Transportrichtung 355 verlaufen.
Die Infrarotstrahler 353a, 353b, 353c zeichnen sich jeweils durch eine Nominalleistung von 6.000 W bei einem nominalen Strom von 15 A aus. Der Außendurchmesser des jeweiligen Strahlerrohrs beträgt 34 mm, die Strahlerrohr-Länge beträgt 1.000 mm und die Wanddicke des jeweiligen Strahlerrohrs beträgt 2 mm.
Die Strahlerrohre weisen darüber hinaus jeweils eine der Austrittsöffnung 352 abgewandte Rückseite und eine gegenüberliegende, der Austrittsöffnung 352 und dem Prozessraum 371 zugewandte Vorderseite auf. Auf die Rückseite der Strahlerrohre ist jeweils eine Strahlerrohr-Beschichtung 356a, 356b, 356c aus Gold aufgebracht.
Zwischen den Infrarotstrahlern 353a, 353b, 353c sind zwei baugleiche, zylinderförmige Hüllrohre 354a, 354b angeordnete, die in ihren Abmessungen den Strahlerrohren der Infrarotstrahlern 353a, 353b, 353c entsprechen (gleicher Außendurchmesser, gleicher Länge, gleiche Wanddicke). Auf die Rückseite der Hüllrohr 354a, 354b ist jeweils eine diffus reflektierende Hüllrohr-Beschichtung 357a, 357b aus opakem Quarzglas aufgebracht.
Darüber hinaus zeigt 3 beispielhaft den Strahlenverlauf einzelner, von den Infrarotstrahlern 353a, 353b, 353c emittierter Strahlen A, B, C. Sie sind in 3 unterschiedlich schraffiert dargestellt.
Der von dem Infrarotstrahler 353b emittierte Stahl A trifft in einem nahezu senkrechten Winkel auf die Oberfläche des Substrats 310, und wird zum Teil von der Oberfläche des Substrats 310 absorbiert, aber zumindest teilweise auch in Richtung des Reflektors des emittierenden Infrarotstrahler zurückreflektiert, also auf den Reflektor 356b zurückgeworfen, und dort in mehreren Schritten auf das Substrat 310 zurückgeworfen und steht für eine Bestrahlung des Substrats 310 wieder zur Verfügung.
Trifft die Strahlung mit einem flacheren Winkel auf das Substrat 310 (Strahl B), wird der reflektierte Strahl nicht zum Reflektor des emittierenden Infrarotstrahlers (hier: 356b) zurückgeführt, sondern auf ein benachbartes Hüllrohr 354a und trifft dort auf den Hüllrohr-Reflektor 357a. Dort wird der auftreffende Teil-Strahl B diffus reflektiert und insgesamt betrachtet auf das Substrat 310 zurückreflektiert.
Trifft die Strahlung in einem noch flacheren Winkel auf das Substrat 310 auf (Strahl C), wird der reflektierte Strahlungsanteil auf einen der Reflektoren zurückgeworfen, beispielsweise auf den Reflektor einer weiteren Infrarotlampe (nicht dargestellt) oder auf den Reflektor eines nicht unmittelbar benachbarten Hüllrohrs, beispielsweise auf den Reflektor 357b des Hüllrohrs 354b (Strahl C). In beiden Fällen wird der Strahl in Richtung auf das Substrat 310 zurückgeworfen.
Vom Substrat reflektierte Strahlung kann so in wenigen Reflexionsschritten auf das Substrat zurückgeführt werden. Gleichzeitig werden Strahlungsverluste vermieden. Darüber hinaus trägt die erfindungsgemäße Anordnung dazu bei, dass die Strahlen in den Prozessraum 371 zurückgeführt werden (in 3 dargestellt durch gestrichelte Linien 358a, 358b, so dass dort eine hohe Bestrahlungsstärke erreichbar ist.
Vergleichsbeispiel 1
Sofern in den 3 und 4 dieselben Bezugsziffern verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand der Beschreibung zu 3 näher erläutert sind.
4 zeigt eine nicht zur Erfindung gehörende Bestrahlungsvorrichtung 400 als Vergleichsbeispiel mit einem Strahlermodul 450 im Querschnitt, die sich von der Bestrahlungsvorrichtung 300 gemäß 3 im Wesentlichen darin unterscheidet, dass zwischen den Infrarotstrahlern 353a, 353b, 353c kein mit einer Reflektorbeschichtung 357a, 357b versehenes Hüllrohr angeordnet ist.
4 zeigt darüber hinaus den Strahlenverlauf der in 3 beispielhaft dargestellten Strahlen A, B, C.
Der von dem Infrarotstrahler 353b emittierte Strahl A trifft in einem nahezu senkrechten Winkel auf die Oberfläche des Substrats 310, und wird zum Teil von der Oberfläche des Substrats 310 absorbiert, aber zumindest teilweise auch in Richtung des Reflektors des emittierenden Infrarotstrahler zurückreflektiert, also auf die Goldbeschichtung 356b zurückgeworfen, und dort in zwei Schritten auf das Substrat 310 zurückgeworfen; der reflektierte Anteil von Strahl A steht für eine Bestrahlung des Substrats 310 wieder zur Verfügung.
Der Strahlenverlauf von Strahl A aus 4 unterscheidet sich gegenüber dem aus 3 nicht. Unterschiede im Strahlenverlauf werden aber bei den Strahlen B und C beobachtet.
Strahl B trifft - im Vergleich zu Strahl A - in einem flacheren Winkel auf das Substrat 310. Der reflektierte Anteil von Strahl B gelangt daher in den Rückraum 480 des Strahlermoduls 450. Da das Modulgehäuse 351 aus Aluminium gefertigt ist, wird Strahl B auf die rückseitige Oberfläche der Goldbeschichtung 356a des Infrarotstrahler 353a reflektiert. Er gelangt erst nach mehrfacher Reflexion an Modulgehäuse 351 und der rückseitigen Oberfläche der Goldbeschichtung 356a zurück in den Prozessraum 371.
Es kann aber auch sein, dass der reflektierte Strahlungsanteil in einem Winkel auf die Oberfläche des Substrats trifft, dass die Strahlung in den Prozessraum und von dort in einen Bereich außerhalb des Prozessraums reflektiert wird (siehe Strahl C). Derart reflektierte Strahlung kann für eine Bestrahlung im Prozessraum 371 nicht zur Verfügung; es wird eine verringerte Bestrahlungsstärke erreicht.
Vergleichsbeispiel 2
Um den Einfluss der Hüllrohre auf die Bestrahlungsstärke zu zeigen, wurden Vergleichsversuche mit einem Substrat in Form eines Aluminium-Blechs (L × B × H 400 mm × 400 mm × 1,3 mm) durchgeführt.
Hierzu wurde die Oberseite des Aluminium-Blechs mit einem Strahlermodul ausgehend von einer Starttemperatur von 25 °C auf eine Zieltemperatur von 270 °C erwärmt und die Temperatur des Aluminium-Blechs mit einem auf der Rückseite desselben angebrachten Thermoelement in Abhängigkeit von der Erwärmungszeit erfasst.
Das Strahlermodul umfasst neun parallel zueinander angeordnete Zwillingsrohr-Infrarotstrahler, jeweils mit einer Strahlerrohr-Länge von 700 mm und einem Querschnitt von 23 mm × 11 mm. Die Nominalbetriebsleistung des Strahlermoduls beträgt 9 × 4.200 W. Der Abstand von Mittelachse eines ersten Infrarotstrahlers zur Mittelachse eines benachbarten, zweiten Infrarotstrahlers beträgt 55 mm.

Das Strahlermodul wurde in zwei Varianten eingesetzt:

1.	Variante:	Zwischen den Strahlerrohren sind acht Hüllrohre mit einer halbseitigen Beschichtung aus opakem Quarzglas eingesetzt Hüllrohrquerschnitt: 23 mm × 11 mm; Hüllrohr-Länge: 700 mm
2.	Variante:	Keine Hüllrohre.

Ergebnisse:

	Variante 1	Variante 2
Erwärmungszeit:	58 s	79 s
Mittlerer Erwärmungsgradient:	3,1 K/s	4,0 K/s

Durch die Verwendung zusätzlicher Hüllrohre steigt die Erwärmungseffizienz um etwa 27%.

Claims

Strahlermodul (104a; 104b; 200; 350; 450), aufweisend einen ersten Infrarotstrahler (109a; 109b; 109c; 202a; 202b; 202c; 202d; 353a; 353b; 353c) mit einem in einer Strahlerebene (115) angeordneten, ersten Strahlerrohr und einen zweiten Infrarotstrahler (109a; 109b; 109c; 202a ;202b; 202c; 202d; 353a; 353b; 353c) mit einem in der Strahlerebene (115) angeordneten zweiten Strahlerrohr, wobei zwischen dem ersten Strahlerrohr und dem zweiten Strahlerrohr ein Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Strahlerrohr, das zweite Strahlerrohr und das Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) jeweils mit einer reflektierenden Beschichtung (111; 112; 356a; 356b; 356c; 357a; 357b) versehen sind, und dass das erste Strahlerrohr, das zweite Strahlerrohr und das Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) jeweils eine einem Prozessraum (113; 371) zugewandte und eine dem Prozessraum (113; 371) abgewandte Seite aufweisen, wobei die reflektierende Beschichtung (111; 112; 356a; 356b; 356c; 357a; 357b) auf die jeweilige dem Prozessraum (113; 371) abgewandte Seite des ersten und des zweiten Strahlerrohrs, sowie auf die dem Prozessraum (113; 371) zugewandte Seite des Hüllrohrs (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) aufgebracht ist.
Strahlermodul (104a; 104b; 200; 350; 450) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) mit einer diffus streuend reflektierenden Beschichtung versehen ist.
Strahlermodul (104a; 104b; 200; 350; 450) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Strahlerrohr und/oder das zweite Strahlerrohr mit einer gerichtet reflektierenden Beschichtung versehen ist.
Strahlermodul (104a; 104b; 200; 350; 450) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Beschichtung des ersten Strahlerrohrs, des zweiten Strahlerrohrs und/oder des Hüllrohrs (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) aus Gold, aus opakem Quarzglas oder aus Keramik gefertigt ist.
Strahlermodul (104a; 104b; 200; 350; 450) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Strahlerrohr mit einer reflektierenden Beschichtung aus Gold und das Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) mit einer Beschichtung aus opakem Quarzglas versehen ist.
Strahlermodul (104a; 104b; 200; 350; 450) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Beschichtung des ersten Strahlerrohrs, des zweiten Strahlerrohrs und/oder des Hüllrohrs (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) auf einem Umfangsabschnitt des jeweiligen Rohr-Außenmantels aufgebracht ist.
Strahlermodul (104a; 104b; 200; 350; 450) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) einen Hüllrohr-Außenmantel aufweist, und dass ein Abschnitt des Hüllrohr-Außenmantels mit der reflektierenden Beschichtung (111; 112; 356a; 356b; 356c; 357a; 357b) vollständig ummantelt ist.
Strahlermodul (104a; 104b; 200; 350; 450) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierenden Beschichtungen (111; 112; 356a; 356b; 356c; 357a; 357b) von erstem Strahlerrohr, zweitem Strahlerrohr und Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) miteinander verbunden sind.
Strahlermodul (104a; 104b; 200; 350; 450) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der kürzeste Abstand des ersten Strahlerrohrs zum Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) und/oder der kürzeste Abstand des zweiten Strahlerrohrs zum Hüllrohr (110a; 110b; 203a; 203b; 203c; 354a; 354b) im Bereich von 0,5 mm bis 2 mm liegt.
Verwendung eines Strahlermoduls (104a; 104b; 200; 350; 450) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 zum Erwärmen von Metall-Blech, zum Beschichten von Metall-Blech, zum Erwärmen von Substraten für gedruckte Elektronik oder zum Trocknen von Tinte.