DE102017129017A1

DE102017129017A1 - Verfahren zum Trocknen eines Substrats, Trocknermodul zur Durchführung des Verfahrens sowie Trocknersystem

Info

Publication number: DE102017129017A1
Application number: DE102017129017.6A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Graziel; Michael Tittmann; Vincent Krafft; Larisa Von Riewel
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2017-12-06
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-06-06
Also published as: US12025375B2; US20200300542A1; CN111465501B; WO2019110484A1; CN111465501A; EP3720716A1; US20240310119A1; JP2021505837A; EP3720716B1; JP7114712B2

Abstract

Verfahren zum Trocknen eines Substrats mit den folgenden Verfahrensschritten sind bekannt: (a) Emittieren von Infrarotstrahlung in Richtung auf ein durch einen Prozessraum bewegtes Substrats mittels einer Strahlereinheit, die mindestens einen Infrarotstrahler umfasst, (b)Erzeugen mindestens zweier auf das Substrat gerichteter Prozessgasströmungen eines Prozessgases, (c) Trocknen des Substrats durch Einwirkung von Infrarotstrahlung und Prozessgas auf das Substrat, und Absaugen von feuchtebeladenem Prozessgas über einen Absaugkanal aus dem Prozessraum unter Bildung einer von dem Substrat wegführenden Abluftströmung. Um hiervon ausgehend ein Trocknungsverfahren anzugeben, das reproduzierbar und effektiv ist und insbesondere hinsichtlich Homogenität und Schnelligkeit der Trocknung des Substrats zu einem verbesserten Ergebnis führt, wird vorgeschlagen, dass die mindestens zwei Prozessgasströmungen an den Infrarotstrahler geführt werden, bevor sie auf das Substrat einwirken, und dass jeder auf das Substrat gerichteten Prozessgasströmung eine vom Substrat wegführende Abluftströmung räumlich zugeordnet ist.

Description

Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mindestens teilweisen Trocknen eines Substrats, umfassend die Verfahrensschritte

(a) Emittieren von Infrarotstrahlung in Richtung auf ein durch einen Prozessraum entlang eines Transportwegs und in einer Transportrichtung bewegten Substrats mittels einer Strahlereinheit, die mindestens einen Infrarotstrahler umfasst,
(b) Erzeugen mindestens zweier auf das Substrat gerichteter Prozessgasströmungen eines Prozessgases,
(c) mindestens teilweises Trocknen des Substrats durch Einwirkung von Infrarotstrahlung und Prozessgas auf das Substrat, und Absaugen von feuchtebeladenem Prozessgas über einen Absaugkanal aus dem Prozessraum unter Bildung einer von dem Substrat wegführenden Abluftströmung.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Infrarot-Trocknermodul zum Trocknen eines in einer Substratebene und in einer Transportrichtung durch einen Prozessraum bewegten Substrats, umfassend

(a) eine Strahlereinheit, die mindestens einen eine Längsachse aufweisenden Infrarotstrahler zur Emission von Infrarotstrahlung auf die Substratebene umfasst,
(b) eine Prozessgas-Zuführungseinheit mit einem Prozessgas-Sammelraum, der mindestens eine Einlassöffnung für die Einleitung von Prozessgas aus dem Prozessgas-Sammelraum in den Prozessraum aufweist, wobei an die Einlassöffnung ein Gasleitelement angrenzt, das sich in Richtung der Substratebene erstreckt,
(c) eine Ablufteinheit mit mindestens einem Absaugkanal für die Ableitung von feuchtebeladenem Prozessgas aus dem Prozessraum

Darüber hinaus geht es bei der Erfindung um ein Trocknersystem zum Trocknen eines in einer Substratebene und in einer Transportrichtung durch einen Prozessraum bewegten Substrats.
Derartige Trocknersysteme, Trocknermodule und Trocknungsverfahren werden beispielsweise für die Trocknung von Tinten, Farben, Lacken, Klebern oder anderen lösungsmittelhaltigen Schichten, und insbesondere zur Trocknung von Papier und Pappe und Produkten hieraus sowie von Druckerzeugnissen eingesetzt.
Stand der Technik
Zum Bedrucken bogenförmiger oder bahnförmiger Bedruckstoffe aus Papier, Pappe, Folie oder Karton mit Druckfarben sind Offset-Druckmaschinen, lithographische Druckmaschinen, Rotationsdruckmaschinen oder Flexo-Druckmaschinen gebräuchlich. Typische Inhaltsstoffe von Druckfarben und -tinten sind Öle, Harze, Wasser und Bindemittel. Bei lösungsmittelhaltigen und vor Allem wasserhaltigen Druckfarben und Lacken ist ein Trocknen erforderlich, das sowohl auf physikalischen als auch auf chemischen Trocknungsprozessen beruhen kann. Physikalische Trocknungsprozesse umfassen das Verdunsten von Lösungsmitteln (insbesondere von Wasser) und deren Diffusion in den Bedruckstoff, was auch als „Wegschlagen“ bezeichnet wird. Unter chemischer Trocknung wird die Oxidation beziehungsweise Polymerisation von Druckfarben-Inhaltsstoffen verstanden.
Zwischen physikalischer und chemischer Trocknung gibt es Übergänge. So kann beispielsweise das Wegschlagen der Lösungsmittel eine Annäherung monomerer Harzmoleküle bewirken, so dass diese gegebenenfalls einfacher polymerisieren. Trocknungsvorrichtungen zum Trocknen des bedruckten Bedruckstoffs dienen somit zum Entfernen von Lösungsmittel und/oder zum Auslösen von Vernetzungsreaktionen.
Übliche IR-Trocknersysteme weisen neben Infrarotstrahlern weitere Funktionsbausteine wie Kühlung, Zuluft und Abluft auf, die in einem Luftmanagement-System in unterschiedlicher Ausprägung miteinander verknüpft und geregelt werden. So beschreibt beispielsweise die DE 10 2010 046 756 A1 ein Trocknermodul und ein aus mehreren Trocknermodulen zusammengesetztes Trocknersystem für Druckmaschinen zum Bedrucken von Bogen- oder Rollenmaterial.
Das Trocknersystem besteht aus mehreren quer zur Transportrichtung angeordneten Trocknermodulen, von denen jedes einen auf den zu trocknenden Bedruckstoff ausgerichteten langgestreckten Infrarotstrahler aufweist, dessen Längsachse senkrecht zur Transportrichtung des Bedruckstoffs verläuft. Mittels eines regelbaren Lüftungssystems wird eine Luftströmung erzeugt, die auf den Infrarotstrahler und auf den Bedruckstoff einwirkt. Der Infrarotstrahler ist innerhalb eines Prozessraums für den Bedruckstoff angeordnet. Die Zuluft wird einem Zuluftsammelraum zugeführt und darin mittels einer Heizeinrichtung erwärmt. Außerdem wird mittels eines Ventilators die vom Infrarotstrahler erwärmte Luft abgeführt, der erwärmten Zuluft hinzugefügt und der Infrarotstrahler dadurch gekühlt.
Aus dem Zuluftsammelraum gelangt die erwärmte Zuluft über Gasaustrittsdüsen in Form von Schlitzdüsen in den Prozessraum. Die Gasaustrittsdüsen sind beidseitig des Infrarotstrahler angeordnet, wobei die in Transportrichtung für den Bedruckstoff vordere Schlitzdüse schräg zur Bedruckstoffebene mit einer Orientierung entgegen der Transportrichtung, und die in Transportrichtung hintere Schlitzdüse ebenfalls schräg zur Bedruckstoffebene mit einer Orientierung in Transportrichtung verlaufen. Der Grad der Schrägstellung der Schlitzdüsen ist motorisch veränderbar.
Aus dem Prozessraum wird die mit Feuchtigkeit beladene Zuluft als Abluft über einen Ansaugkanal abgeführt und teilweise einem Wärmetauscher zugeführt, und ein anderer Teil dem Zuluftsammelraum hinzugefügt.
Technische Aufgabenstellung
Bei dem bekannten Trocknermodul wird das Prozessgas mittels einer eigens dafür vorgesehenen Heizeinrichtung erwärmt. Das erwärmte Prozessgas tritt über die Schlitzdüsen in Richtung auf den Bedruckstoff als erwärmte Luftströmung aus und wirkt dabei auf den zu trocknenden Bedruckstoff lokal und ansonsten mehr oder weniger undefiniert solange ein, bis sie als mit Feuchtigkeit beladene Luft an anderer Stelle wieder abgesaugt wird. Die Effektivität der Trocknungsluft hinsichtlich des Feuchteabtransports von der Substrat-Oberfläche ist daher nicht exakt reproduzierbar. Schlitzdüsen sind konstruktiv relativ aufwändig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Trocknungsverfahren anzugeben, das reproduzierbar und effektiv ist und insbesondere hinsichtlich Homogenität und Schnelligkeit der Trocknung des Substrats zu einem verbesserten Ergebnis führt.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein energieeffizientes IR-Trocknermodul und ein Trocknersystem bereitzustellen, die insbesondere für die Trocknung lösungsmittelhaltiger und insbesondere wasserbasierter Druckfarbe hinsichtlich Homogenität und Schnelligkeit der Trocknung verbessert sind.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die mindestens zwei Prozessgasströmungen an den Infrarotstrahler geführt werden, bevor sie auf das Substrat einwirken, und dass jeder auf das Substrat gerichteten Prozessgasströmung eine vom Substrat wegführende Abluftströmung räumlich zugeordnet ist.
Die mindestens zwei Prozessgasströmungen werden an den Infrarotstrahler geführt, bevor sie auf das Substrat einwirken.

• Das Prozessgas ist im einfachsten Fall Luft. Es dient in erster Linie dazu, Feuchtigkeit vom Substrat abzuführen. Zu diesem Zweck wird das Prozessgas erwärmt, bevor es auf das Substrat einwirkt. Im Unterschied zum gattungsgemäßen Verfahren werden die beiden Prozessgasströmungen dadurch erwärmt, dass sie auf den heißen Infrarotstrahler und auf etwaige heiße Gasleitelemente in dessen unmittelbarer Umgebung auftreffen. Dazu werden die Prozessgasströmungen an den Infrarotstrahler geführt, so dass sie den Strahler mindestens teilweise umströmen. Gleichzeitig kühlen sie dabei den Infrarotstrahler und etwaige Gasleitelemente in der Umgebung. Durch das Aufwärmen des Prozessgases kann es eine größere Feuchtigkeitsmenge aufnehmen.

Bei dem mindestens einen Infrarotstrahler handelt es sich beispielsweise um einen rohrförmigen Strahler mit einem langesteckten oder einem U-förmig oder ringförmig gebogenen Strahlerrohr oder um einen plattenförmigen, kachelförmigen Strahler. Er kann einen Reflektor und ein Gehäuse umfassen. Das Aufwärmen des Prozessgases durch Anströmen des Infrarotstrahlers geschieht bei diesen Infrarotstrahler-Ausführungsformen beispielsweise dadurch, dass das Prozessgas das Strahlerrohr an seinen Längsseiten umströmt, oder indem es auf die Planseiten eines plattenförmigen Infrarotstrahlers auftrifft und seitlich oder über Öffnungen in der Strahlerplatte in Richtung auf den Prozessraum weitergeleitet wird.

• Derartige Infrarotstrahler haben beispielsweise eine Emissionswellenlänge im Bereich von etwa 1000 bis 2750 nm und müssen in der Regel - insbesondere in engen Bauräumen, wie sie beispielsweise für Druckmaschinen typisch sind - aktiv gekühlt werden, um sie vor Überhitzung zu schützen. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das auf den Infrarotstrahler gelangende Prozessgas erwärmt, und es kühlt dabei gleichzeitig den Infrarotstrahler. Somit dient das Kühlgas für den Infrarotstrahler nach seiner Erwärmung gleichzeitig als erwärmtes Prozessgas für den Trocknungsprozess. Auf eine zusätzliche Erwärmung des Prozessgases kann verzichtet werden, oder die zusätzliche Erwärmung des Prozessgases kann mit weniger Energieeinsatz erfolgen als dies ohne die zusätzliche Erwärmung durch den ohnehin zu kühlenden Infrarotstrahler der Fall wäre. Dadurch ergibt sich eine effiziente Energienutzung.

Jeder auf das Substrat gerichteten Prozessgasströmung ist eine vom Substrat wegführende Abluftströmung räumlich zugeordnet.

• Das erwärmte Prozessgas wird in den Prozessraum als gerichtete und erwärmte Prozessgasströmung eingeleitet. Die Prozessgasströmung ist nicht diffus, sondern sie hat eine Hauptausbreitungsrichtung, in der sie je nach Volumen des Prozessgases und der Strömungsgeschwindigkeit auf die Substrat-Oberfläche vordringt und darauf in einem voreingestellten Winkel auftrifft und dort trocknend auf das beschichtete Substrat einwirkt. Das Einwirken bedeutet hier, dass die Prozessgasströmung die Schicht trocknet, beispielsweise indem Lösungsmittel aus der Schicht in die Gasphase aufgenommen und im Bereich der Substrat-Oberfläche Gasverwirbelungen erzeugt werden.
• Das mit Feuchtigkeit beladene Prozessgas und andere aus dem Substrat austretende gasförmige Komponenten werden als Abluft aus dem Prozessraum ganz oder teilweise abgeführt. Die gerichtete Strömung der Abluft wird durch das Absaugen über einen Absaugkanal erzeugt, so dass auch die Abluftströmung - so wie die Prozessgasströmung - eine Hauptausbreitungsrichtung hat. Die Richtung der Abluftströmung wird maßgeblich durch die Position und Ausrichtung des Absaugkanals in Bezug zur Substrat-Oberfläche bestimmt und als gedachte Verlängerung des Absaugkanals auf die Substrat-Oberfläche definiert.
• Die räumliche Zuordnung der Prozessgasströmungen und der Abluftströmung ergibt sich dadurch, dass jeder der mindestens zwei auf die Substrat-Oberfläche auftreffenden Prozessgasströmungen mindestens eine Abluftströmung benachbart ist, oder besser: wenn jede der mindestens zwei Prozessgasströmungen auf der Substrat-Oberfläche mit einer Abluftströmung zusammentrifft.
• Die räumliche Zuordnung bewirkt auf der Substrat-Oberfläche eine Interaktion der jeweiligen Gasströmungen miteinander. Die Interaktion der jeweiligen Gasströmungen wird somit einerseits dadurch bewirkt, dass sich die Strömungsrichtungen von erwärmtem Prozessgas und von feuchtebeladener Abluft unterscheiden, und andererseits dadurch, dass sie infolge der erläuterten räumlichen Zuordnung zwangsläufig aufeinandertreffen. Die dadurch erzwungene Wechselwirkung zwischen Prozessgasströmung und Abluftströmung führt zu einer Gasverwirbelung in unmittelbarer Nähe zur Substrat-Oberfläche. Diese Gasverwirbelung kann eine Störung, Verkleinerung oder sogar Ablösung der fluiddynamischen laminaren Strömungsgrenzschicht bewirken und damit einhergehend eine Verbesserung des Stofftransports und insbesondere der Abführung von Feuchtigkeit aus dem Substrat bewirken.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird aufgrund dieser Maßnahmen eine schnelle und effektive Trocknung des Substrats bei gleichzeitig möglichst geringem Energieverbrauch erreicht. Zudem ist durch Steuerung der Volumina an Prozessgas und Abluft der Grad der Gasverwirbelung beherrschbar und damit auch die Effektivität der Trocknung reproduzierbar einzustellen.
Zur Unterstützung der Ausbildung von Gasverwirbelungen schließen die Hauptausbreitungsrichtungen von Prozessgas und Abluft im bevorzugten Fall einen Winkel von weniger als 90 Grad ein, und im besonders bevorzugten Fall sind sie gegenläufig gerichtet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen eine Längsachse aufweisenden Infrarotstrahler einzusetzen, wobei der Infrarotstrahler beidseitig seiner Längsachse von je einer der beiden Prozessgasströmungen angeströmt wird.
Der Infrarotstrahler ist dabei - vorzugsweise mittig - in einer oder unterhalb einer schlitzförmigen Einlassöffnung einer den Prozessraum begrenzenden Wandung angeordnet, so dass er mit der Wandung einen Längsspalt oder bevorzugt zwei gleich breite Längsspalte bildet, aus denen das Prozessgas entlang der beiden Längsseiten des Infrarotstrahlers in Richtung auf die Substrat-Oberfläche austritt. Die schlitzförmige Einlassöffnung ist beispielsweise als durchgehender Spalt ausgeführt oder als Aneinanderreihung einer Vielzahl von Einzelöffnungen.
Der Infrarotstrahler trägt somit zur Erzeugung der beiden Prozessgasströmungen bei und er wird gleichzeitig von den Prozessgasströmungen angeströmt. Jede der dabei erzeugten Prozessgasströmungen wirkt in einem streifenförmigen Oberflächenbereich auf das zu trocknende Substrat ein. Gegebenenfalls sind auch die jeweils zugeordneten Absaugströmungen jeweils bevorzugt streifenförmig ausgebildet.
Im Folgenden werden bevorzugte Verfahrensweisen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert, bei denen die zum Zweck einer flächigen Infrarot-Bestrahlung des Substrats eingesetzte Strahlereinheit eine Vielzahl von Infrarotstrahlern umfasst, die jeweils parallel zueinander verlaufende Längsachsen aufweisen.
Bei einer besonders effektiven Ausführungsform dieser Verfahrensweise wird um jede der Infrarotstrahler-Längsseiten eine auf das Substrat gerichtete Prozessgasströmung geführt, wobei benachbarte Prozessgasströmungen benachbarter Infrarotstrahler einer gemeinsamen Abluftströmung räumlich zugeordnet sind.
Bei dieser Verfahrensvariante verläuft eine Abluftströmung jeweils zwischen zwei Prozessgasströmungen, von denen eine dem einen Infrarotstrahler und die andere dem benachbarten Infrarotstrahler zuzuordnen ist. In Richtung der Infrarotstrahler-Längsachse gesehen, ergibt sich zwischen den beiden benachbarten Infrarotstrahlern die Strömungsabfolge: Prozessgasströmung, Abluftströmung, Prozessgasströmung. Die dabei beteiligten Prozessgasströmungen interagieren (wechselwirken) mit der gemeinsamen Abluftströmung und die können vorzugsweise auch miteinander interagieren, und zwar auf einem gemeinsamen streifenförmigen Bereich der Substrat-Oberfläche.
Durch die Wechselwirkungen (Interaktionen) der Strömungen miteinander wird in dem gemeinsamen streifenförmigen Bereich der Substrat-Oberfläche eine besonders intensive Gasverwirbelung erzeugt, die die laminare Strömungsgrenzschicht an der Substrat-Oberfläche besonders effektiv stört, verkleinert oder ablöst, so dass ein schnelles Trocknen erreicht wird. Die gemeinsame Nutzung einer Abluftströmung von zwei benachbarten Prozessgasströmungen ermöglicht eine räumlich enge Anordnung der Infrarotstrahler des Strahlerfeldes und damit ein effektives Trocknen bei gleichzeitig kompakter Bauweise.
Die Infrarotstrahler-Längsachsen können senkrecht zur Substrat-Transportrichtung verlaufen und sich dabei beispielsweise über die gesamte Substrat-Breite erstrecken. Bei einigen Anwendungen, beispielsweise bei Druckmaschinen, ist es jedoch gewünscht, dass ein und dieselbe Vorrichtung für die Behandlung von Substraten unterschiedlicher Breite einsetzbar ist. Gegebenenfalls ist Infrarotstrahlung nur über die sogenannte „Formatbreite“ erforderlich, die kleiner sein kann, als die gesamte mit Infrarotstrahlern bestückte Ausstattungsbreite der Vorrichtung. Insbesondere im Hinblick darauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Infrarotstrahler-Längsachsen in Substrat-Transportrichtung verlaufen oder mit der Substrat-Transportrichtung einen Winkel von weniger als 30 Grad einschließen Dadurch, dass die Infrarotstrahler in Richtung der Substrat-Transportrichtung angeordnet sind, können randständige Infrarotstrahler der Gesamt-Bestückung nach Bedarf einfach abgeschaltet werden. Um in diesem Fall streifenförmige Inhomogenitäten in Substrat-Transportrichtung zu vermeiden, die sich infolge dieser Anordnung bei der Trocknungswirkung auf dem Substrat einstellen können, ist eine leichte Schrägstellung der Infrarotstrahler-Anordnung in Bezug auf die Transportrichtung vorteilhaft, wobei der Schrägstellungswinkel gering ist und vorteilhafterweise weniger als 30 Winkelgrade beträgt.
Eine andere bevorzugte Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, dass der Prozessraum in einem Infrarot-Trocknermodul ausgebildet ist, das in Transportrichtung des Substrats gesehen eine Kombination folgender Komponenten aufweist: ein vorderes Luftmesser (Air-Knife), einen mit mehreren parallel zueinander angeordneten Infrarotstrahlern bestückten Bestrahlungsraum, eine Lufttauschereinheit mit integrierter Absaugung und ein hinteres Luftmesser.
Diese Komponenten sind Bestandteil eines Trocknermoduls, das wiederum Bestandteil eines Trocknersystems sein kann, in dem mehrere gleiche oder unterschiedliche Trocknermodule zusammengefasst sind. Die mittels der einzelnen Komponenten ausgeführten Verfahrensschritte werden im Folgenden erläutert. Der Bestrahlungsraum ist mit einem Strahlerfeld aus Infrarotstrahlern bestückt, und darin findet die oben erläuterte Behandlung des Substrats durch Erwärmung und Trocknung unter Einwirkung von Prozessgas, Absaugung und Infrarotstrahlung statt.
Das vordere Luftmesser erzeugt eine intensive, auf die Substrat-Oberfläche in Transportrichtung gerichtete Luftströmung, die die laminare Strömungsgrenzschicht am Substrat durchbricht, Verwirbelungen erzeugt und dadurch die Verdunstung bereits zu Beginn des Trocknungsprozesses begünstigt.
Beim Einbringen des Substrats in den Prozessraum können unerwünschte Substanzen in den Prozessraum eingeschleppt werden, sowohl über die Gasphase als auch mit dem Substrat, wie beispielsweise Substanzen in gasförmiger oder flüssiger Form, die an den Substrat-Oberflächen anhaften.
Um dem entgegen zu wirken, ist bei einer bevorzugten Modifikation dieser Verfahrensweise dem vorderen Luftmesser in Transportrichtung nachfolgend eine Absaugung vorgesehen.
Über diese optionale Absaugung wird ein Teil der Luft und der Komponenten, die mittels des vorderen Luftmessers von der Substrat-Oberfläche entfernt und in die Gasphase überführt worden sind, bereits von Anfang an aus dem Prozessraum entfernt.
Beim Austritt des Substrats aus dem Prozessraum können giftige oder aus anderen Gründen unerwünschte Substanzen in gasförmiger und flüssiger Form den Prozessraum ungefiltert und unkontrolliert verlassen, darunter auch solche Substanzen, die an den Oberflächen des Substrats durch Adsorption oder Absorption haften, oder die innerhalb der Strömungsgrenzschicht immobilisiert sind. Es ist vorteilhaft, den unkontrollierten Austrag solcher Substanzen aus dem Prozessraum möglichst zu vermeiden.
Im Hinblick darauf erzeugt das hintere Luftmesser ebenfalls eine intensive, auf die Substrat-Oberfläche gerichtete Luftströmung, die die laminare Strömungsgrenzschicht am Substrat am Prozessende durchbricht. Das dadurch vor dem Luftmesser angestaute Prozessgas wird durch die in Transportrichtung vorgelagerte Lufttauschereinheit mit integrierter Absaugung kontrolliert abgesaugt und kann über die Prozessraum-Absaugung kontrolliert entsorgt werden.
Die Lufttauschereinheit erzeugt mindestens einen auf die Substrat-Oberfläche gerichteten Luftstrahl und sie verfügt über eine Absaugung, mittels der der Luftstrahl unmittelbar nach seiner Einwirkung auf die Substrat-Oberfläche wieder entfernt wird. Die Lufttauschereinheit besteht beispielsweise aus einer Anordnung abwechselnd angeordneter Gaseinlassdüsen und Absaugkanälen, die sich über die gesamte Substratbreite erstreckt. Sie hat die Aufgabe, die infolge der Einwirkung der Infrarotstrahlung entstandene Feuchtigkeit mittels intensiver Luftverwirbelung mitzunehmen und abzutransportieren. Die unmittelbare Absaugung trägt zu einem geringen Austrag an Verunreinigungen aus dem Trocknermodul bei.
Das hintere Luftmesser schließt somit den Prozessschritt der Trocknung des Substrats innerhalb des betreffenden Trocknermoduls ab.
Das vordere und das hintere Luftmesser übernehmen somit am Eingang und am Ausgang des Trocknermoduls zusätzlich die Funktion von Luftvorhängen und dichten somit das IR-Modul pneumatisch ab. Das Zusammenwirken des Bestrahlungsraums mit den beschriebenen weiteren Komponenten vermindert die Gefahr, dass Verunreinigungen, und insbesondere Wasser, in den Prozessraum eingetragen und aus dem Trocknermodul emittiert werden. Dies ermöglicht einen besonders wasserarmen Prozessraum und verbessert und optimiert den Trocknungseffekt.
Es hat sich auch bewährt, wenn die Volumencharakteristik der Prozessgasströmung in Substrat-Transportrichtung mindestens über eine Teillänge der Infrarotstrahlerlänge zunimmt.
Die Zunahme des Strömungsvolumens erfolgt bevorzugt kontinuierlich durch kontinuierliche Vergrößerung eines offenen Strömungsquerschnitts einer entlang der Infrarotstrahler-Längsachsen verlaufenden Austrittsöffnung für das Prozessgas in den Prozessraum. Dadurch wird es ermöglicht, dass die dynamische Einwirkung des Prozessgases und damit der Grad der Verwirbelungen am Ende des IR-Strahlerfeldes mit dem zunehmenden Grad der Verdunstung im Trocknungsprozess korreliert; das heißt, zu Beginn des Trocknungsprozesses bei noch geringer Erwärmung des Substrats und vergleichsweise geringem Verdunstungsgrad wird weniger Prozessgas zum Trocknen eingesetzt als gegen Ende des Trocknungsprozesses bei noch hoher Erwärmung des Substrats und vergleichsweise hohem Verdunstungsgrad. Dadurch wird ein besonders effizienter und sparsamer Einsatz des Prozessgases ermöglicht.
Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren eine Prozessgasmengensteuerung, bei der das in das Trocknermodul eingeleitete Gasvolumen V_in kleiner eingestellt wird als das aus dem Trocknermodul abgesaugte Gasvolumen V_out.
Das vom Prozessraum abgesaugte Gasvolumen ist größer als das in den Prozessraum eingeführte Gasvolumen. Dadurch wird gewährleistet, dass möglichst keine giftigen oder aus anderen Gründen unerwünschte Substanzen aus dem Prozessraum austreten. Das in den Prozessraum eingeführte Gasvolumen umfasst das Volumen an Prozessgas und gegebenenfalls das über die Lufttauschereinheit und das oder die Luftmesser eingebrachten Gasvolumina.
Hinsichtlich des Infrarot-Trocknermoduls wird die eingangs genannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Infrarotstrahler in Bezug auf die Einlassöffnung so angeordnet ist, dass er mit dem Gasleitelement beiderseits seiner Längsachse jeweils einen Einlasskanal für das Prozessgas bildet, und wobei jedem Prozessgas-Einlasskanal mindestens ein Prozessgas-Absaugkanal benachbart ist.
Der Infrarotstrahler ist in Bezug auf die Einlassöffnung so angeordnet, dass er mit dem Gasleitelement beiderseits seiner Längsachse jeweils einen Einlasskanal für das Prozessgas bildet.

• Bei dem mindestens einen Infrarotstrahler handelt es sich beispielsweise um einen rohrförmigen Strahler mit einem langesteckten oder einem U-förmig gebogenen Strahlerrohr oder um einen plattenförmigen, kachelförmigen Strahler. Er hat eine Längsachse und er kann einen Reflektor und ein Gehäuse umfassen.

Die Einlassöffnung verläuft parallel zur Infrarotstrahler-Längsachse; sie ist beispielsweise als durchgehender Spalt ausgeführt oder als Aneinanderreihung einer Vielzahl von Einzelöffnungen.
Der mindestens eine Infrarotstrahler ist in Bezug auf die Prozessgas-Einlassöffnung so angeordnet, dass er von dem aus der Einlassöffnung in den Prozessraum einströmenden Prozessgas direkt angeströmt und umströmt wird. Dabei bildet der Zwischenraum zwischen dem Infrarotstrahler und den Gasleitelementen beiderseits seiner Längsachse jeweils einen Einlasskanal für mindestens zwei Prozessgasströmungen. Der Gasauslass des Prozessgas-Einlasskanals ist senkrecht oder in einem Winkel auf die Substratebene gerichtet.
Die Gasleitelemente können zur Führung des aus der Einlassöffnung in die Prozesskammer ausströmenden Prozessgases in Richtung auf den Infrarotstrahler betragen; gegebenenfalls erstrecken sie sich bis nahe an den Infrarotstrahler oder auch darüber hinaus in Richtung auf die Substratebene. Durch Einstellen einer kleinen Spaltweite, also durch einen kleinen Abstand zwischen Infrarotstrahler und Gasleitelementen, ergibt sich ein Düseneffekt, der zu einer Beschleunigung der Prozessgasströmung in Richtung auf die Substratebene beitragen kann.
Beim erfindungsgemäßen Trocknermodul werden die Gasleitelemente und der Infrarotstrahler somit vom Prozessgas gekühlt, das dadurch gleichzeitig erwärmt wird. Das Kühlgas für den Infrarotstrahler dient nach seiner Erwärmung als erwärmtes Prozessgas. Auf eine zusätzliche Erwärmung des Prozessgases kann verzichtet werden, oder die zusätzliche Erwärmung des Prozessgases kann mit weniger Energieeinsatz erfolgen als dies ohne die zusätzliche Erwärmung durch den ohnehin zu kühlenden Infrarotstrahler der Fall wäre. Dadurch ergibt sich eine effiziente Energienutzung. Außerdem ist der Infrarotstrahler Bestandteil der Prozessgas-Führung; er trägt zur Bildung und Führung der Prozessgasströmungen über mindestens eine kleine Teilstrecke bei.
Jedem Prozessgas-Einlasskanal ist mindestens ein Prozessgas-Absaugkanal benachbart.

• Das erwärmte Prozessgas gelangt durch den Prozessgas-Einlasskanal als gerichtete und erwärmte Prozessgasströmung in den Prozessraum. Die Prozessgasströmung ist nicht diffus, sondern sie hat eine Hauptausbreitungsrichtung, in der sie je nach Volumen des Prozessgases und der Strömungsgeschwindigkeit auf die Substrat-Oberfläche vordringt und darauf in einem voreingestellten Winkel auftrifft und dort trocknend auf das Substrat einwirkt.

Das mit Feuchtigkeit beladene Prozessgas und andere aus dem Substrat austretende gasförmige Komponenten werden aus dem Prozessraum ganz oder teilweise abgeführt. Die gerichtete Strömung der Abluft wird durch das Absaugen über einen Absaugkanal erzeugt, so dass auch die Abluftströmung - so wie die Prozessgasströmung - eine Hauptausbreitungsrichtung hat. Die Richtung der Strömung wird maßgeblich durch die Position und Ausrichtung des Absaugkanals in Bezug zur Substratebene bestimmt.
Dadurch, dass jedem Einlasskanal ein Absaugkanal benachbart ist, ergibt es sich auch, dass jedem der mindestens zwei auf die Substrat-Oberfläche auftreffenden Prozessgasströmungen mindestens eine Abluftströmung benachbart ist, oder noch besser, dass jede der mindestens zwei Prozessgasströmungen auf der Substrat-Oberfläche mit einer Abluftströmung zusammentrifft. Dadurch wird auf der Substrat-Oberfläche eine Interaktion der jeweiligen Gasströmungen miteinander erzeugt. Die Interaktion der jeweiligen Gasströmungen wird somit einerseits dadurch bewirkt, dass sich die Strömungsrichtungen von erwärmtem Prozessgas und von feuchtebeladener Abluft unterscheiden, und andererseits dadurch, dass sie infolge der erläuterten räumlichen Zuordnung aufeinandertreffen. Die dadurch erzwungene Wechselwirkung zwischen Prozessgasströmung und Abluftströmung führt zu einer Gasverwirbelung in unmittelbarer Nähe zur Substrat-Oberfläche. Diese Gasverwirbelung kann eine Störung, Verkleinerung oder sogar Ablösung der fluiddynamischen laminaren Strömungsgrenzschicht bewirken und damit einhergehend ei-ne Verbesserung des Stofftransports und insbesondere der Abführung von Feuchtigkeit aus dem Substrat bewirken.
Beim erfindungsgemäßen Trocknermodul wird aufgrund dieser Maßnahmen eine schnelle und effektive Trocknung des Substrats bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch erreicht. Zudem kann durch Steuerung der Volumina von Prozessgas und Abluft der Grad der Gasverwirbelung reproduzierbar eingestellt werden und damit auch der Trocknungsgrad.
Zur Unterstützung der Ausbildung von Gasverwirbelungen schließen die Hauptausbreitungsrichtungen von Prozessgas und Abluft im bevorzugten Fall einen Winkel von weniger als 90 Grad ein, und im besonders bevorzugten Fall sind sie gegen-läufig gerichtet. Dabei hat es sich als günstig erweisen, wenn das Gasleitelement und der Absaugkanal einen gemeinsamen Wandabschnitt haben, der in einem Abstand zur Substratebene endet.
An einer Seite des gemeinsamen Wandabschnitts strömt das erwärmte Prozessgas in Richtung auf die Substratebene und auf der anderen Seite des gemeinsamen Wandabschnitts strömt das mit Feuchtigkeit beladene Prozessgas als Abluft von der Substratebene weg. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der Prozessgasströmung und ein möglichst kleinen freien Abstand des Endes des gemeinsamen Wandabschnitts zur Substratebene tagen dazu bei, dass am Ende des gemeinsamen Wandabschnitts möglichst wenig Prozessgas direkt in den Absaugkanal gelangt. Der besagte freie Abstand zur Substratebene kann beispielsweise weniger al 10 mm betragen.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trocknermoduls näher erläutert, bei dem die zum Zweck einer flächigen Infrarot-Bestrahlung des Substrats eingesetzte Strahlereinheit eine Vielzahl von Infrarotstrahlern umfasst, die jeweils parallel zueinander verlaufende Längsachsen aufweisen.
Bei einer besonders effektiven Ausführungsform dieses Trocknermoduls ist zwischen benachbarten Infrarotstrahlern jeweils ein gemeinsamer Absaugkanal angeordnet.
Infrarotstrahler und Absaugkanal wechseln sich ab. Dadurch ergibt sich ein besondere intensive Gasverwirbelung und trotzdem ein definiertes und reproduzierbares Einwirken der Prozessgasströmung auf das zu trocknende Substrat. Dabei haben Infrarotstrahler mit beiderseits benachbarten Infrarotstrahlern auf jeder ihrer Längsseiten einen Absaugkanal, der jeweils einem der beiden Prozessgasströmungen zugeordnet ist. Die Abluftströmung im Absaugkanal verläuft somit jeweils zwischen zwei Prozessgasströmungen, von denen eine dem einen Infrarotstrahler und die andere dem benachbarten Infrarotstrahler zuzuordnen ist. Die beteiligten Prozessgasströmungen interagieren (wechselwirken) mit der gemeinsamen Abluftströmung und die können vorzugsweise auch miteinander interagieren. Durch die Wechselwirkungen (Interaktionen) der Strömungen miteinander wird in einem gemeinsamen streifenförmigen Bereich der Substrat-Oberfläche eine besonders intensive Gasverwirbelung erzeugt, die die laminare Strömungsgrenzschicht an der Substrat-Oberfläche besonders effektiv stört, verkleinert oder ablöst, so dass ein schnelles Trocknen des Substrats erreicht wird. Die gemeinsame Nutzung eines Absaugkanals durch zwei benachbarte Prozessgasströmungen ermöglicht außerdem eine kompakte Bauform des Infrarotstrahlers.
Randständige Infrarotstrahler haben nur mit dem benachbarten Infrarotstrahler einen Absaugkanal gemeinsam, wobei auf ihrer anderen Längsseite ein separater, eigener Absaugkanal angeordnet ist, oder dort eine andere Absaugung wirkt.
Die Infrarotstrahler-Längsachsen können senkrecht zur Substrat-Transportrichtung verlaufen und sich dabei beispielsweise über die gesamte Substrat-Breite erstrecken. Bei einigen Anwendungen, beispielsweise bei Druckmaschinen, ist es jedoch gewünscht, dass ein und dieselbe Vorrichtung für die Behandlung von Substraten unterschiedlicher Breite einsetzbar ist. Gegebenenfalls ist Infrarotstrahlung nur über die sogenannte „Formatbreite“ erforderlich, die kleiner sein kann, als die gesamte mit Infrarotstrahlern bestückte Ausstattungsbreite der Vorrichtung. Insbesondere im Hinblick darauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Infrarotstrahler-Längsachsen in Substrat-Transportrichtung verlaufen oder mit der Substrat-Transportrichtung einen Winkel von weniger als 30 Grad einschließen Dadurch, dass die Infrarotstrahler in Richtung der Substrat-Transportrichtung angeordnet sind, können randständige Infrarotstrahler der Gesamt-Bestückung nach Bedarf einfach abgeschaltet werden. Um in diesem Fall streifenförmige Inhomogenitäten in Substrat-Transportrichtung zu vermeiden, die sich infolge dieser Anordnung bei der Trocknungswirkung auf dem Substrat einstellen können, ist eine leichte Schrägstellung der Infrarotstrahler-Anordnung in Bezug auf die Transportrichtung vorteilhaft, wobei der Schrägstellungswinkel gering ist und vorteilhafterweise weniger als 30 Winkelgrade beträgt.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des Trocknermoduls zeichnet sich dadurch aus, dass der Prozessraum in einem Infrarot-Trocknermodul ausgebildet ist, das in Transportrichtung gesehen folgende Komponenten aufweist: ein vorderes Luftmesser (Air-Knife), einen mit mehreren parallel zueinander angeordneten Infrarotstrahlern bestückten Bestrahlungsraum, eine Lufttauschereinheit mit integrierter Absaugung und ein hinteres Luftmesser.
Diese Komponenten sind Bestandteil eines Trocknermoduls, das wiederum Bestandteil eines Trocknersystems sein kann, in dem mehrere gleiche oder unterschiedliche Trocknermodule zusammengefasst sind. Die mittels der einzelnen Komponenten ausgeführten Verfahrensschritte werden im Folgenden erläutert. Der Bestrahlungsraum ist mit einem Strahlerfeld aus Infrarotstrahlern bestückt, und darin findet die oben erläuterte Behandlung des Substrats durch Erwärmung und Trocknung unter Einwirkung von Prozessgas, Absaugung und Infrarotstrahlung statt.
Das vordere Luftmesser erzeugt eine intensive, auf die Substrat-Oberfläche in Transportrichtung gerichtete Luftströmung, die die laminare Strömungsgrenzschicht am Substrat durchbricht, Verwirbelungen erzeugt und dadurch die Verdunstung bereits zu Beginn des Trocknungsprozesses begünstigt.
Beim Einbringen des Substrats in den Prozessraum können unerwünschte Substanzen in den Prozessraum eingeschleppt werden, sowohl über die Gasphase als auch mit dem Substrat, wie beispielsweise Substanzen in gasförmiger oder flüssiger Form, die an den Substrat-Oberflächen anhaften.
Um dem entgegen zu wirken, ist bei einer bevorzugten Modifikation vorgesehen, dass dem vorderen Luftmesser in Transportrichtung eine Absaugung nachfolgt.
Über diese optionale Absaugung wird ein Teil der Luft und der Komponenten, die mittels des vorderen Luftmessers von der Substrat-Oberfläche entfernt und in die Gasphase überführt worden sind, bereits von Anfang an aus dem Prozessraum entfernt.
Beim Austritt des Substrats aus dem Prozessraum können giftige oder aus anderen Gründen unerwünschte Substanzen in gasförmiger und flüssiger Form den Prozessraum ungefiltert und unkontrolliert verlassen, darunter auch solche Substanzen, die an den Oberflächen des Substrats durch Adsorption oder Absorption haften, oder die innerhalb der Strömungsgrenzschicht immobilisiert sind. Es ist vorteilhaft, den unkontrollierten Austrag solcher Substanzen aus dem Prozessraum möglichst zu vermeiden.
Im Hinblick darauf erzeugt das hintere Luftmesser ebenfalls eine intensive, auf die Substrat-Oberfläche gerichtete Luftströmung, die die laminare Strömungsgrenzschicht am Substrat am Prozessende durchbricht. Das dadurch vor dem Luftmesser angestaute Prozessgas wird durch die in Transportrichtung vorgelagerte Lufttauschereinheit mit integrierter Absaugung kontrolliert abgesaugt und kann über die Prozessraum-Absaugung kontrolliert entsorgt werden.
Die Lufttauschereinheit erzeugt mindestens einen auf die Substrat-Oberfläche gerichteten Luftstrahl und sie verfügt über eine Absaugung, mittels der der Luftstrahl unmittelbar nach seiner Einwirkung auf die Substrat-Oberfläche wieder entfernt wird. Die Lufttauschereinheit besteht beispielsweise aus einer Anordnung abwechselnd angeordneter Gaseinlassdüsen und Absaugkanälen, die sich über die gesamte Substratbreite erstreckt. Sie hat die Aufgabe, die infolge der Einwirkung der Infrarotstrahlung entstandene Feuchtigkeit mittels intensiver Luftverwirbelung mitzunehmen und abzutransportieren.
Das hintere Luftmesser schließt somit den Prozessschritt der des Substrats innerhalb des betreffenden Trocknermoduls ab.
Das vordere und das hintere Luftmesser übernehmen somit am Eingang und am Ausgang des Trocknermoduls zusätzlich die Funktion von Luftvorhängen und dichten somit das IR-Modul pneumatisch ab. Das Zusammenwirken des Bestrahlungsraums mit den beschriebenen weiteren Komponenten vermindert die Gefahr, dass Verunreinigungen und insbesondere von Wasser in den Eintrag in den Prozess-raum eingetragen und aus dem Trocknermodul emittiert werden. Dies ermöglicht einen besonders wasserarmen Prozessraum und verbessert und optimiert den Trocknungseffekt.
Hinsichtlich des Trocknersystem zum Trocknen eines in einer Substratebene und in einer Transportrichtung durch einen Prozessraum bewegten Substrats wird die oben genannte technische Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es mehrere Trocknermodule gemäß der Erfindung enthält, die in Transportrichtung nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:

1 eine Druckmaschine mit einem Druckaggregat und einem Infrarot-Trocknersystem und einem entlang eines Transportwegs und in einer Transportrichtung transportierten Bedruckstoffs,
2 ein erfindungsgemäßes Trocknermodul als Teil des Trocknersystems der Druckmaschine von 1 in einem Längsschnitt in Bedruckstoff-Transportrichtung,
3 einen Ausschnitt der Bestrahlungseinheit des erfindungsgemäßen Trocknermoduls in einem Schnitt entlang der Linie A-A von 2, und
4 einen Ausschnitt der Bestrahlungseinheit in einer Draufsicht auf Strahlereinheiten in Richtung des Pfeils X von 3.

Bei Infrarotstrahlern ist ein Heizfilament aus Carbon oder Wolfram in Wendel- oder Bandform in ein inertgasgefülltes Strahlerrohr eingeschlossen, das meist aus Quarzglas gefertigt ist. Die Heizfilamente sind mit elektrischen Anschlüssen verbunden, die über ein Ende oder beiden Enden des Strahlerrohres eingeführt werden.
1 zeigt schematisch eine Druckmaschine in Form einer Rollen-Tintenstrahldruckmaschine, der insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet ist. Ausgehend von einem Abwickler 2 gelangt die Materialbahn 3 aus einem Bedruckstoff, wie beispielsweise aus Papier, zu einem Druckaggregat 40. Dieses umfasst mehrere, entlang der Materialbahn 3 hintereinander angeordnete Tintenstrahldruckköpfe 4, durch die auf den Bedruckstoff lösungsmittelhaltige und insbesondere wasserhaltige Druckfarben aufgetragen werden.
In Transportrichtung 5 gesehen, gelangt die Materialbahn 3 vom Druckaggregat 40 über eine Umlenkwalze 6 anschließend zu einem Infrarot-Trocknersystem 70. Dieses ist mit mehreren Trocknermodulen 7 bestückt, die für das Trocknen beziehungsweise Wegschlagen des Lösungsmittels in die Materialbahn ausgelegt sind.
Der weitere Transportweg der Materialbahn 3 geht über eine Zugwalze 8, die mit eigenem Zugantriebsmotor ausgestattet ist und über die die Einstellung der Bahnspannung erfolgt, zu einer Aufwickelrolle 9.
In dem Trocknersystem 70 sind mehrere - im Ausführungsbeispiel sind es vier-Trocknermodule 7 zusammengefasst. Jedes der Trocknermodule ist mit mehreren Infrarotstrahlern - im Ausführungsbeispiel sind es achtzehn - ausgestattet.
Die Trocknermodule sind im Trocknersystem in Transportrichtung gesehen paarweise neben- und hintereinander angeordnet. Das jeweils nebeneinander angeordnete Paar der Trocknermodule 7 deckt die maximale Formatbreite der Druckmaschine 1 ab. Entsprechend der Abmessungen und Farbbelegung des Bedruckstoffs sind die Trocknermodule 7 und die einzelnen Infrarotstrahler getrennt voneinander elektrisch ansteuerbar.
Die Transportgeschwindigkeit der Materialbahn 3 wird auf 5 m/s eingestellt. Dabei handelt es sich um eine vergleichsweise hohe Geschwindigkeit, die durch eine Optimierung der einzelnen Bearbeitungsschritte ermöglicht wird, und die insbesondere eine hohe Trocknungsrate erfordert. Das zum Erreichen dieser Anforderung erforderliche Trocknungsverfahren und das dafür eingesetzte Trocknermodul 7 wird im Folgenden anhand der 2 bis 4 näher erläutert. Sofern in diesen Figuren dieselben Bezugsziffern wie in 1 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand der Beschreibung der Druckmaschine näher erläutert sind.
Bei der in 2 schematisch gezeigten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Trocknermoduls 7 umschließt ein Gehäuse 21 einen Behandlungsraum (=Prozessraum) für den Bedruckstoff 3 mit folgenden Komponenten (in Transportrichtung 5 gesehen): ein vorderes Air-Knife 22 mit Luftleitblech 22a, eine dem vorderen Air Knife 22 unmittelbar nachgeordnete Absaugung 23, eine mit den achtzehn Infrarotstrahlern 24 bestückte Infrarot-Bestrahlungskammer 25, deren Längsachsen 24a etwa in Transportrichtung 5 verlaufen und die parallel zueinander angeordnet sind, eine Lufttauschereinheit 26 mit abwechselnd angeordneten Gaseinlassdüsen und Absaugkanälen (26b, 26a) und ein hinteres Air Knife 22 mit einem abschließenden Luftleitblech 22a.
Die Richtungspfeile 28 deuten eine auf die Oberfläche des Bedruckstoffs 3 gerichtete Luftströmung, und die Richtungspfeile 29 eine vom Bedruckstoff 3 wegführende Luftströmung, sowie eine Wechselwirkung 35 dieser Luftströmungen miteinander an, die anhand 3 erläutert wird. Die in Transportrichtung 5 zunehmende Länge der Richtungspfeile 28; 29 symbolisiert die Zunahme der jeweiligen Strömungsvolumina. Die Oberfläche des Bedruckstoffs 3 entspricht gleichzeitig der Substratebene 3a.
Der in 3 gezeigte Querschnitt umfasst einen Ausschnitt der Infrarot-Bestrahlungskammer 25 entlang von vier baugleichen Infrarotstrahlereinheiten 30. Der Querschnitt zeigt einen eine Absaugraum 31, einen Gaszuführungsraum 32 und den eigentlichen Infrarot-Behandlungsraum 33.
Der Gaszuführungsraum 32 ist mit einem Gaseinlass 36 verbunden und setzt sich aus mehreren Gassammelräumen 32a zusammen, die über Leitungen 32b fluidisch miteinander verbunden sind. Jede Strahlereinheit 30 verfügt über einen Gassammelraum 32a. Jeder Gassammelraum 32a ist mit einer mittig verlaufenden, länglichen Öffnung 37 zum Substrat-Behandlungsraum 33 versehen. Die länglichen Öffnung 37 hat die Form eines sich in Substrat-Transportrichtung 5 (senkrecht zur Papierebene) erstreckenden Längsschlitzes, der an beiden Längsseiten von Gasleitelementen 38a; 38b begrenzt ist. In dem in 3 gezeigten Querschnitt überwölben die Gasleitelemente 38a; 38b den Infrarotstrahler 24 glockenartig und werden im Folgenden zusammen auch als „Luftleitglocke 38“ bezeichnet. Die Luftleitglocke 38 endet in einem Abstand von etwa 10 mm vor der Oberfläche des Bedruckstoffs 3 (der Substratebene 3a).
Der Absaugraum 31 hat einen Gasauslass 34, der mit einem (in der Figur nicht gezeigten) Ventilator verbunden ist. In den Absaugraum 31 münden spaltförmige Absaugkanäle 39, die zwischen benachbarten IR-Strahlereinheiten 30 verlaufen und die jeweils mit den Luftleitelementen 38a beziehungsweise 38b vor der Substratebene 3a enden.
Die im Substrat-Behandlungsraum 33 angeordneten Infrarotstrahler 24 sind als handelsübliche Zwillingsrohrstrahler ausgebildet. Sie bestehen aus einem im Querschnitt achtförmigen Hüllkolben aus Quarzglas, der zwei Teilräume umschließt, die durch einen Mittelsteg voneinander getrennt sind. Ihre Nominal-Leistung beträgt 3.500 W. Die Gesamtstrahlerlänge beträgt 70 cm und die Außenabmessungen des Hüllkolbens betragen 34 x 14 mm.
Aus der Draufsicht auf die Strahlereinheiten 30 von 4 sind die Öffnung 37 für die Kühlluft in den Behandlungsraum 33 und dahinter die Infrarotstrahler 24 erkennbar. Die Öffnungsweite der länglichen Öffnung 37 erweitert sich in Transportrichtung 5 kontinuierlich. Die Weite der Absaugkanäle 39 bleibt hingegen in Transportrichtung 5 konstant. Die Transportrichtung 5 schließt mit den Längsseiten der Absaugkanäle 39, beziehungsweise mit den Längsachsen der (in der Figur nicht sichtbaren) Infrarotstrahler 24 einen Winkel von 10 Grad ein.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand der 1 bis 4 näher erläutert:
Die Komponenten des Trocknermoduls 7 von 2 haben folgende Funktionen und Wirkungen.
Das vordere Air Knife 22 erzeugt unter Mithilfe des Leitblechs 22a eine intensive, auf die Bedruckstoff-Oberfläche 3a in Transportrichtung 5 gerichtete Luftströmung 22b, die die laminare Strömungsgrenzschicht am Bedruckstoff 3 durchbricht, Verwirbelungen erzeugt und dadurch die Verdunstung bereits zu Beginn des Trocknungsprozesses begünstigt. Über die dem vorderen Air Knife 22 in Transportrichtung nachgeordnete Absaugung wird ein Teil der Luft und der Komponenten, die mittels des vorderen Air Knifes 22 aufgewirbelt worden sind, aus dem Trocknermoduls 7 abgesaugt.
Damit beim Austritt des Bedruckstoffs 3 aus dem Trocknermodul 7 möglichst keine giftigen oder aus anderen Gründen unerwünschten Substanzen in gasförmiger und flüssiger Form den Prozessraum ungefiltert und unkontrolliert verlassen, erzeugt das hintere Air Knife 27 unter Mithilfe des Leitblechs 27a ebenfalls eine intensive, auf die Bedruckstoff-Oberfläche 3a gerichtete Luftströmung, die die laminare Strömungsgrenzschicht am Bedruckstoff 3 durchbricht. Das dadurch vor dem Air Knife 27 angestaute Prozessgas 27b wird durch die in Transportrichtung vorgelagerte Lufttauschereinheit 26 entfernt. Zu diesem Zweck werden mittels der Lufttauschereinheit 26 mehrere quer zur Transportrichtung 5 verlaufende Luftvorhänge 26a erzeugt. Mittels sich abwechselnder Gaseinlassdüsen und Absaugkanäle wird bei jedem Luftvorhang 26a ein auf die Bedruckstoff-Oberfläche 3a gerichteter Zuluftstrom 26b erzeugt und dieser unmittelbar nach dem Auftreffen auf den Bedruckstoff über einen Abluftstrom 26c wieder abgezogen. Die Lufttauschereinheit 26 kann die infolge der Einwirkung der Infrarotstrahlung entstandene Feuchtigkeit mittels intensiver Luftverwirbelung mitnehmen und über ihre integrierte Absaugung entfernen, so dass unerwünschte Komponenten das Trocknermodul 7 nicht kontrolliert verlassen können.
Die Behandlung des Bedruckstoffs 3 in der Infrarot-Bestrahlungskammer 25 umfasst ein Erhitzen mittels Infrarotstrahlung bei gleichzeitiger Beaufschlagung mit trockener Luft. Damit beide Behandlungen möglichst effektiv auf den Bedruckstoff 3 einwirken, wird die aus dem Gaszuführungsraum 32 durch die längliche Öffnung in den Behandlungsraum 33 einströmende Kühlluft in zwei Prozessgasströmungen 28 geteilt, die zum Infrarotstrahler 24 und um dessen Hüllkolben teilweise herum geführt werden. Dabei wird der Infrarotstrahler 24 gekühlt und gleichzeitig wird die Kühlluft erwärmt.
Zwischen der Wandung des Infrarotstrahlers 24 und der Luftleitglocke 38 ergibt sich ein enger Spalt, der die beiden Luftströmungen 28 in Richtung auf den Bedruckstoff 3 beschleunigt, so dass sie auf diesen intensiv einwirken und Feuchtigkeit in die Gasphase überführen oder aufnehmen. Infolge ihrer Erwärmung ist die Aufnahmefähigkeit der Kühlluft für Feuchtigkeit erhöht.
Jeder auf den Bedruckstoff 3 gerichteten Luftströmung 28 ist eine vom Bedruckstoff wegführende Abluftströmung 29 räumlich zugeordnet, indem die Richtungen von einströmendem Luftstrom 28 und angesaugtem Luftstrom 29 nahezu gegenläufig gerichtet sind (sie schließen im Ausführungsbeispiel einen Winkel von weniger als 30 Grad miteinander ein) und in einer Wechselwirkungszone 35 aufeinandertreffen, wobei die Wechselwirkungszone 35 an der Oberfläche des Bedruckstoffs 3 liegt. Jede der beiden Luftströmungen 28 trifft daher auf der Bedruckstoff-Oberfläche mit einer Abluftströmung 29 zusammen. Die dadurch erzwungene Wechselwirkung zwischen Luftströmung 28 und Abluftströmung 29 führt zu einer Gasverwirbelung in der Wechselwirkungszone 35, also in unmittelbarer Nähe zur Bedruckstoff-Oberfläche, die eine Störung, Verkleinerung oder sogar Ablösung der fluiddynamischen laminaren Strömungsgrenzschicht bewirken und damit einhergehend eine Verbesserung des Stofftransports und insbesondere der Abführung von Feuchtigkeit aus dem Bedruckstoff 3 bewirken kann.
Eine Abluftströmung 29 verläuft jeweils zwischen zwei Luftströmungen 28, von denen eine dem einen Infrarotstrahler 24 und die e andere dem benachbarten Infrarotstrahler 24 zuzuordnen ist. Wie 3 zeigt, ergibt sich zwischen benachbarten Infrarotstrahlern 24 die Strömungsabfolge: Luftströmung 28 - Abluftströmung 29 - Luftströmung 28. Diese Luftströmungen 28 interagieren (wechselwirken) mit der gemeinsamen Abluftströmung 29 und die können vorzugsweise auch miteinander interagieren, und zwar auf einem gemeinsamen streifenförmigen Bereich 36 an der Bedruckstoff-Oberfläche. Die Wechselwirkungen (Interaktionen) der Strömungen 28, 29, 28 miteinander erzeugen in dem gemeinsamen streifenförmigen Wechselwirkungsbereich 35 der Substrat-Oberfläche eine besonders intensive Gasverwirbelung die die laminare Strömungsgrenzschicht an der Bedruckstoff-Oberfläche besonders effektiv stört, verkleinert oder ablöst, so dass ein schnelles Trocknen erreicht wird. Die gemeinsame Nutzung einer Abluftströmung 29 von zwei benachbarten Luftströmungen 28 ermöglicht eine räumlich enge Anordnung der Infrarotstrahler 24 des Strahlerfeldes und damit ein effektives Trocknen bei gleichzeitig kompakter Bauweise.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010046756 A1 [0007]

Claims

Verfahren zum mindestens teilweisen Trocknen eines Substrats, umfassend die Verfahrensschritte: (a) Emittieren von Infrarotstrahlung in Richtung auf ein durch einen Prozessraum entlang eines Transportwegs und in einer Transportrichtung bewegten Substrats mittels einer Strahlereinheit, die mindestens einen Infrarotstrahler umfasst, (b) Erzeugen mindestens zweier auf das Substrat gerichteter Prozessgasströmungen eines Prozessgases, (c) mindestens teilweises Trocknen des Substrats durch Einwirkung von Infrarotstrahlung und Prozessgas auf das Substrat, und Absaugen von feuchtebeladenem Prozessgas über einen Absaugkanal aus dem Prozessraum unter Bildung einer von dem Substrat wegführenden Abluftströmung, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Prozessgasströmungen an den Infrarotstrahler geführt werden, bevor sie auf das Substrat einwirken, und dass jeder auf das Substrat gerichteten Prozessgasströmung eine vom Substrat wegführende Abluftströmung räumlich zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Längsachse aufweisender Infrarotstrahler eingesetzt wird, und dass der Infrarotstrahler beidseitig seiner Längsachse von je einer der beiden Prozessgasströmungen angeströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Prozessgasströmungen streifenförmig auf das zu trocknende Substrat einwirken, und dass den streifenförmigen Prozessgasströmungen bevorzugt jeweils eine streifenförmige Abluftströmung räumlich zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zweck einer flächigen Infrarot-Bestrahlung des Substrats eine Strahlereinheit eingesetzt wird, die eine Vielzahl von Infrarotstrahlern umfasst, die jeweils parallel zueinander verlaufende Längsachsen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass um jede der Infrarotstrahler-Längsachsen eine auf das Substrat gerichtete Prozessgasströmung geführt wird, wobei benachbarte Prozessgasströmungen benachbarter Infrarotstrahler einer gemeinsamen Abluftströmung räumlich zugeordnet sind
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahler-Längsachsen in Substrat-Transportrichtung verlaufen oder mit der Substrat-Transportrichtung einen Winkel von weniger als 30 Grad einschließen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessraum in einem Infrarot-Trocknermodul ausgebildet ist, das in Transportrichtung des Substrats gesehen eine Kombination folgender Komponenten aufweist: ein vorderes Luftmesser (Air-Knife), einen mit mehreren parallel zueinander angeordneten Infrarotstrahlern bestückten Bestrahlungsraum, eine Lufttauschereinheit mit integrierter Absaugung und ein hinteres Luftmesser.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem vorderen Luftmesser in Transportrichtung eine Absaugung nachfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasströmung eine Volumencharakteristik aufgeprägt wird, die in Substrat-Transportrichtung mindestens über eine Teillänge der Infrarotstrahlerlänge zunimmt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Prozessgasmengensteuerung das in das Trocknermodul eingeleitete Gasvolumen V_in kleiner eingestellt wird als das aus dem Trocknermodul abgesaugte Gasvolumen V_out.
Infrarot-Trocknermodul zum Trocknen eines in einer Substratebene und in einer Transportrichtung durch einen Prozessraum bewegten Substrats, umfassend (a) eine Strahlereinheit, die mindestens einen eine Längsachse aufweisenden Infrarotstrahler zur Emission von Infrarotstrahlung auf die Substratebene umfasst, (b) eine Prozessgas-Zuführungseinheit mit einem Prozessgas-Sammelraum, der mindestens eine Einlassöffnung für die Einleitung von Prozessgas aus dem Prozessgas-Sammelraum in den Prozessraum aufweist, wobei an die Einlassöffnung ein Gasleitelement angrenzt, das sich in Richtung der Substratebene erstreckt, (c) eine Ablufteinheit mit mindestens einem Absaugkanal für die Ableitung von feuchtebeladenem Prozessgas aus dem Prozessraum, dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotstrahler in Bezug auf die Einlassöffnung so angeordnet ist, dass er mit dem Gasleitelement beiderseits seiner Längsachse jeweils einen Einlasskanal für das Prozessgas bildet, und wobei jedem Prozessgas-Einlasskanal mindestens ein Prozessgas-Absaugkanal benachbart ist.
Trocknermodul nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasleitelement und der Absaugkanal einen gemeinsamen Wandabschnitt haben, der in einem Abstand zur Substratebene endet.
Trocknermodul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlereinheit eine Vielzahl von Infrarotstrahlern umfasst, die jeweils parallel zueinander verlaufende Längsachsen aufweisen.
Trocknermodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Infrarotstrahlern ein gemeinsamer Absaugkanal angeordnet ist.
Trocknermodul nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahler-Längsachsen in Substrat-Transportrichtung verlaufen oder mit der Substrat-Transportrichtung einen Winkel von weniger als 30 Grad einschließen.
Trocknermodul nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessraum in Transportrichtung gesehen folgende Komponenten aufweist: ein vorderes Luftmesser (Air-Knife), einen mit mehreren parallel zueinander angeordneten Infrarotstrahlern bestückten Bestrahlungsraum, eine Lufttauschereinheit mit integrierter Absaugung und ein hinteres Luftmesser.
Trocknermodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem vorderen Luftmesser in Transportrichtung eine Absaugung nachfolgt.
Trocknermodul nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasströmung eine Volumencharakteristik aufgeprägt wird, die in Substrat-Transportrichtung mindestens über eine Teillänge der Infrarotstrahlerlänge zunimmt.
Trocknersystem zum Trocknen eines in einer Substratebene und in einer Transportrichtung durch einen Prozessraum bewegten Substrats, das mehrere Trocknermodule nach einem der Ansprüche 13 bis 18 enthält, die in Transportrichtung nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind.