DE102018122910A1

DE102018122910A1 - Infrarot-Erwärmungseinheit zum Trocknen von Tinten oder Lacken in einer Druckmaschine, sowie Infrarotstrahler-Modul für eine Druckmaschine

Info

Publication number: DE102018122910A1
Application number: DE102018122910.0A
Authority: DE
Inventors: Lotta Gaab; Thomas Piela; Christoph Sternkiker; Jürgen Weber; Thomas Bieniakowski; Larisa Von Riewel; Simone Ganz
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2018-09-18
Filing date: 2018-09-18
Publication date: 2020-03-19
Also published as: WO2020058163A1

Abstract

Eine bekannte Infrarot- Erwärmungseinheit umfasst ein Gehäuse, in dem mindestens zwei Infrarotstrahler benachbart zueinander angeordnet sind, wobei jeder Infrarotstrahler einen plattenförmigen Basiskörper mit einer auf einer Kontaktierungsfläche des Basiskörpers aufgebrachten Heizleiterbahn aus einem Widerstandsmaterial, die mit einer elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Heizstroms verbunden ist, aufweist. Um hiervon ausgehend eine Infrarot-Erwärmungseinheit bereitzustellen, die sich auch durch eine homogene Strahlungsintensität und Reaktionsschnelligkeit auszeichnet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Steuerelektronik vorgesehen ist, mittels der die Heizströme für die Infrarotstrahler unabhängig voneinander einstellbar sind.

Description

Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft eine Infrarot- Erwärmungseinheit mit einem Gehäuse, in dem mindestens zwei Infrarotstrahler benachbart zueinander angeordnet sind, wobei jeder Infrarotstrahler einen plattenförmigen Basiskörper mit einer auf einer Kontaktierungsfläche des Basiskörpers aufgebrachten Heizleiterbahn aus einem Widerstandsmaterial, die mit einer elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Heizstroms verbunden ist, aufweist.
Außerdem geht es in der Erfindung um ein Infrarotstrahler-Modul, insbesondere zum Einsatz in einer Infrarot-Erwärmungseinheit.
Derartige Infrarot-Erwärmungseinheiten und Infrarotstrahler werden zur thermischen Behandlung in der Druckindustrie, beim Aushärten von Lacken oder beim Trocknen von Farben.
Bei Infrarotstrahlern für thermische Heizprozesse sind in der Regel Flächenleistungsdichten oberhalb von 100 kW/m² erforderlich, um einen schnellen Heizprozess mit kurzer Bestrahlungsdauer zu gewährleisten.
Bei vielen dieser Anwendungen ist eine großflächige Bestrahlungszone mit hoher Flächenleistungsdichte erwünscht, die durch eine Parallelanordnung mehrerer langgestreckter Infrarotstrahler erzeugt werden kann.
Stand der Technik
Zum Bedrucken bogenförmiger oder bahnförmiger Bedruckstoffe aus Papier, Pappe, Folie oder Karton mit Druckfarben werden beispielsweise Digitaldruckmaschinen, Offset-Druckmaschinen, lithographische Druckmaschinen, Rotationsdruckmaschinen oder Flexo-Druckmaschinen eingesetzt. Typische Inhaltsstoffe von Druckfarben sind Glycole, Öle, Harze, Wasser und Bindemittel. Bei UV-härtbaren Druckfarben beruhen Härtung und Haftung auf dem Bedruckstoff auf Polymerisation, die durch Photoinitiation mittels UV-Licht ausgelöst wird. 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 und deren Diffusion in den Bedruckstoff, was auch als „Wegschlagen“ bezeichnet wird. Unter chemischer Trocknung wird die Oxidation beziehungsweise Polymerisation von Druckfarben-Inhaltsstoffen verstanden.
Die DE 10 2006 026 652 A1 beschreibt einen IR-Trockner für eine Bogendruckmaschine, der ein Luftwehr beigeordnet ist, das eine über dem IR-Trockner „stehende“ Luftschicht gewährleistet, die den IR-Trockner vor einem Direktkontakt mit der vorbei strömenden Umgebungsluft schützt. Das Strahlerfeld des IR-Trockners umfasst eine Vielzahl einzelner Wärmekacheln, die in Zeilen und Spalten eines Rasters nebeneinander und oberhalb des Bedruckstoffs angeordnet sind.
Die DE 10 2005 046 230 A1 offenbart eine Rotationsdruckmaschine mit einem Druckwerk zum Bedrucken eines Druckbogens und mit einer Vorrichtung zum Trocknen des bedruckten Druckbogens. Die Trocknungsvorrichtung umfasst mehrere IR-Farbtrockner, die elektromagnetische Strahlung mit einem Emissionsspektrum emittieren, das den absorbierenden Spektralbereich der Druckfarbe abdeckt.
Die DE 10 2010 046 756 A1 beschreibt 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 den Prozessraum. Die Gasaustrittsdüsen sind beidseitig des Infrarotstrahler angeordnet, wobei die in Transportrichtung für den Bedruckstoff vordere Düse schräg zur Bedruckstoffebene mit einer Orientierung entgegen der Transportrichtung, und die in Transportrichtung hintere Düse ebenfalls schräg zur Bedruckstoffebene mit einer Orientierung in Transportrichtung verlaufen. Der Grad der Schrägstellung der Gasaustrittsdüsen ist motorisch veränderbar.
Technische Aufgabenstellung
Bei üblichen 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.
Die Heizfilamente selbst haben zwar eine sehr geringe thermische Masse und damit eine schnelle Reaktionszeit im Bereich von 1 bis 2 Sekunden. Bis jedoch das gesamte IR-Trocknersystem aus Quarzrohr, Filament, elektrischen Anschlüssen und einem Reflektor im thermischen Gleichgewicht ist, können mehrere Minuten vergehen. Da der Bedruckstoff in modernen Rotationsdruckmaschinen mit einer Bahngeschwindigkeit von 3 bis 5 m/s läuft und diese Geschwindigkeit zu Beginn bereits vorhanden ist, können bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts bis zu 1500 m Bedruckstoff verloren gehen. Bei wechselnden individuellen Bedruckprozessen entstehen diese Verluste bei jedem Druckvorgang neu.
Je höher die elektrische Leistung der Quarzrohrstrahler ist, umso schneller erreichen sie ihre Soll-Temperatur. Die Erhöhung der Leistung erhöht aber nicht nur die vom Infrarotstrahler abgestrahlte Energiemenge, was zu einer Überhitzung des Heizguts führen kann, sondern sie verändert auch die Hauptwellenlänge der abgegebenen Strahlung, die sich in Richtung des kurzwelligen Spektralbereichs verschiebt. Da das Quarzglas langwellige Strahlung ab ca. 3300 nm nahezu vollständig absorbiert und eine signifikante Absorption bereits ab ca. 2500 nm eintritt, sind derartige Strahler effektiv nur für zur kurz- und mittelwellige Strahlung einsetzbar.
Häufig bilden mehrere nebeneinander liegende Infrarot-Strahlerrohre einen Flächenstrahler. Um dabei eine homogene Abstrahlung auf dem Heizgut zu erhalten, sollte der Abstand zwischen dem Flächenstrahler und dem Bedruckstoff mindestens dem 1,5-fachen Mittenabstand zwischen den Einzel-Strahlerrohren betragen. Dieser vergleichsweise hohe Mindestabstand zwischen Flächenstrahler und Heizgut führt zu einer geringen effektiven Strahlungsintensität auf der Heizgut-Ebene, was die Reaktionszeit verlängert, innerhalb der die erforderliche Strahlungsleistung auf dem Heizgut, wie beispielsweise einem Bedruckstoff aufgebracht ist.
Eine schnelle Reaktionszeit ist aber insbesondere bei Mehrfarbendruck erforderlich, bevor der Bedruckstoff entweder mit der nächsten Farbe bedruckt oder durch einen Lackauftrag veredelt wird oder in der Druckmaschine zum Zweck des Bedruckens der Rückseite gewendet wird. Denn aufgrund der relativ kurzen Zeit, in denen der Bedruckstoff zwischen den Druckwerken verweilt, muss die erforderliche IR-Strahlungsleistung auf den Bedruckstoff einwirken, ohne das Druckbild durch Überhitzung beschädigt wird.
Dabei ist insbesondere die gleichzeitige Trocknung von schwarzer und gelber Druckfarbe aufgrund unterschiedlicher Absorptionsverhältnissen und Aufheizraten der Pigmente eine Herausforderung, die mit komplexen Konstruktionen mit mehreren Trocknungsstationen begegnet wird.
Darüber hinaus müssen bekannte Infrarotstrahler insbesondere in engen Bauräumen aktiv gekühlt werden, um sie vor Überhitzung zu schützen. Häufig wird dafür ein Kühlluftstrom erzeugt, der die Infrarotstrahler direkt anbläst. Es hat sich aber gezeigt, dass sich am Infrarotstrahler vorbeiströmende Kühlluft mit warmer Prozessluft, die unter anderem dem Abtransport von Feuchtigkeit dient interagiert und dadurch die Temperatur am Bedruckstoff verändert und den Abtransport von Feuchtigkeit vermindert.
Grundsätzlich hat die Temperatur der Infrarotstrahler wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis der Infrarot-Behandlung. Daher ist eine örtlich und zeitlich reproduzierbare und in der Regel gleichmäßige Temperaturverteilung erwünscht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Infrarot-Erwärmungseinheit bereitzustellen, die durch eine homogene Strahlungsintensität und Reaktionsschnelligkeit auszeichnet.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Infrarotstrahler-Modul anzugeben, das eine einfache räumliche Anpassung einer Abstrahlfläche mit gleichmäßiger Temperaturverteilung an gegebene Anforderungen und eine einfache Integration in eine Infrarot-Anlage ermöglicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Hinsichtlich der Infrarot-Erwärmungseinheit wird diese Aufgabe durch eine Infrarot-Erwärmungseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Infrarot-Erwärmungseinheit umfasst mehrere innerhalb eines Gehäuses in einem vorgegebenen Raster aneinandergereihte, baugleiche Infrarotstrahler. Diese haben einen plattenförmigen in der Draufsicht polygonalen, vorzugsweise rechteckigen Basiskörper mit einer auf einer Kontaktierungsfläche des Basiskörpers aufgebrachten Heizleiterbahn.
Die Heizleiterbahn ist mit einer elektrischen Kontaktierung verbunden, über das sie mit einem Stromkreis verbindbar ist. Die Stromversorgung für die Heizleiterbahnen der Infrarotstrahler der Infrarot-Erwärmungseinheit und damit die Temperatur der einzelnen Infrarotstrahler ist mittels einer Steuerelektronik unabhängig voneinander einstellbar. Dadurch kann jeder einzelne Infrarotstrahler auf eine vorgegebene Soll-Temperatur gebracht und auf dieser Temperatur gehalten werden. Dies sorgt dafür, dass das gewünschte Emissionsspektrum auch dann konstant bleibt, wenn sich die Umgebungstemperatur ändert. Auch ein Überhitzen der Infrarotstrahler wird verhindert, so dass benachbarte Infrarotstrahler auch ohne nennenswerten Abstand zueinander montiert werden können, ohne durch Stauhitze zu überhitzen.
Die Temperatureinstellung basiert beispielsweise auf widerstandsgeregelter Spannungsansteuerung der Heizleiterbahnen. Oder sie basiert auf einer Temperaturregelung unter Einsatz von Temperatursensoren, die vorzugsweise auf der Kontaktierungsfläche aufgebracht sind.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Infrarotstrahler mit je wenigstens einem Temperatursensor ausgestattet, wobei vorzugsweise die Infrarot-Erwärmungseinheit wenigstens eine Steuerelektronik zur Einstellung wenigstens eines Heizstromes für wenigstens einen der Infrarotstrahler auf Basis einer Temperaturmessung mittels des jeweiligen Temperatursensors umfasst.
Die einzelnen, platten- oder kachelförmigen Basiskörper der aneinandergereihten Infrarotstrahler der Infrarot-Erwärmungseinheit haben gegenüberliegend zu ihrer Kontaktierungsfläche die eigentliche Abstrahlfläche, die Infrarotstrahlung in Richtung auf das thermisch zu behandelnde Heizgut emittiert. Die Abstrahlfläche ist im einfachsten Fall eben ausgeführt, sie kann aber auch eine Struktur und eine von der Planheit abweichende flächige geometrische Form aufweisen. Das emittierte Strahlungsintensitätsprofil entspricht im Wesentlichen der Geometrie der Abstrahlfläche: Insbesondere zeigt sich kein ausgeprägtes lokales Temperaturmaximum, was das Einstellen eines kurzen Abstandes zwischen dem Heizgut und der Abstrahlfläche ermöglicht. Dadurch gelingt es, eine höhere Strahlungsleistung pro Flächeneinheit bereitzustellen und eine homogene Abstrahlung und ein gleichförmiges Temperaturfeld zu erzeugen. Dies trägt zur Homogenität und Schnelligkeit der thermischen Behandlung des Heizguts bei.
Die einzelnen Infrarotstrahler sind innerhalb des Gehäuses der Infrarot-Erwärmungseinheit in der Regel so angeordnet, dass ihre Abstrahlflächen eine gemeinsame Gesamt-Abstrahlfläche bilden. Diese ist beispielsweise eben ausgeführt, wenn alle Einzel-Abstrahlflächen eine gemeinsame Erstreckungsebene und eine gemeinsame Flächennormale haben. In diesem Fall erzeugt die Gesamt-Abstrahlfläche der Infrarot-Erwärmungseinheit ein gleichermaßen ebenes Strahlungsintensitätsprofil. Im Unterschied dazu ergibt eine räumlich gebogene Gesamt-Abstrahlfläche ein gleichermaßen geformtes Strahlungsintensitätsprofil, das beispielsweise an die Geometrie des zu behandelnden Heizguts angepasst sein kann.
Die Infrarotstrahler sind vorzugsweise jeweils zur Erzielung einer Flächenleistungsdichte von mindestens 100 kW/m² ausgelegt, insbesondere bei einer Emissions-Hauptwellenlänge von wenigstens 2600 nm und/oder einer Farbtemperatur des Strahlers von 700 °C.
Die Flächenleistungsdichte ist hierbei die „elektrische Flächenleistungsdichte“, definiert als elektrische Anschlussleistung der Leiterbahn bezogen auf die von der Leiterbahn belegte Kontaktierungsfläche.
Vorzugsweise liegt die Emissions-Hauptwellenlänge des zur Trocknung eingesetzten Infrarotstrahlers oberhalb von 2700 nm, insbesondere bei 3000 nm ±200 nm, besonders bevorzugt bei 3000 nm ±100 nm.
Infrarotstrahler mit dünnen Basiskörpern haben eine geringe Wärmekapazität und ermöglichen schnelle Temperaturwechsel. Im Hinblick auf eine möglichst kurze Reaktionszeit ist die Infrarot-Erwärmungseinheit daher vorzugsweise mit einem plattenförmigen Basiskörper mit einer Plattendicke von weniger als 10 mm ausgestattet.
Das Widerstandsmaterial des Heizleiters ist vorzugsweise bis mindestens 1000 °C temperaturbeständig, im Idealfall auch in oxidativer Umgebung. Es ist elektrisch leitfähig, und dass sich seine elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur nicht wesentlich verändert oder die Widerstandsänderung bekannt ist. Diese Bedingungen werden insbesondere erfüllt:

(1) von einem edelmetallhaltigen Widerstandsmaterial. Das in dieser Hinsicht bevorzugte Widerstandsmaterial besteht zu mindestens 50 Atom-%, vorzugsweise zu mindestens 95 At.-% aus Elementen der Platingruppe. Die Platingruppe umfasst die folgenden Edelmetalle: Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt. Diese liegen in reiner Form oder als Legierung untereinander oder mit einem oder mehreren anderen Metallen vor, insbesondere mit Au, Ag.
(2) von Widerstandsmaterial aus hochtemperaturfestem Stahl, Tantal, einer ferritischen FeCrAl-Legierung, einer austenitischen CrFeNi-Legierung, Siliziumcarbid, Molybdändisilicid oder einer Molybdän-Basislegierung. Diese Werkstoffe, insbesondere Siliziumcarbid (SiC), Molybdändisilicid (MoSi₂), Tantal (Ta), hochwarmfester Stahl oder eine ferritische FeCrAl-Legierung sind an Luft oxidationsbeständig und kostengünstiger als Platingruppenmetalle.

Die Heizleiterbahn wird bevorzugt als Dickfilmschicht beispielsweise aus Widerstandspaste mittels Siebdruck oder aus metallhaltiger Tinte mittels Tintenstrahldruck erzeugt und anschließend bei hoher Temperatur eingebrannt. Die Heizleiterbahn verläuft beispielsweise in einem spiral- oder mäanderförmigen Linienmuster.
Die Kontaktierungsfläche mit der Heizleiterbahn darauf ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Infrarot-Erwärmungseinheit ist die Kontaktfläche mindestens teilweise mit einem Primärreflektor, insbesondere einer Reflektorschicht aus porösem Quarzglas belegt.
Dabei hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn zusätzlich ein der Kontaktierungsfläche zugewandter Sekundärreflektor. insbesondere ein beabstandet dazu angeordnetes Reflektor-Bauteil vorgesehen ist.
Die Reflektorschicht wirkt als diffuser Reflektor für Infrarot-Strahlung und trägt so zur Effizienz der Temperaturbehandlung bei. Gleichzeitig dient die Reflektorschicht zum mechanischen Schutz und zur Stabilisierung der Heizleiterbahn. Sie wird aus einer Dispersion erzeugt, die amorphe SiO₂-Teilchen in einer Flüssigkeit enthält. Diese wird auf die Kontaktierungsfläche aufgetragen, zu einer Grünschicht getrocknet und diese bei hoher Temperatur gesintert. Das Sintern der Grünschicht und das Einbrennen der Leiterbahn erfolgt bevorzugt in ein und demselben Heizprozess. Die Reflektorschicht wird im Folgenden auch als „Primärreflektor“ bezeichnet.
Die einzelnen Infrarotstrahler sind innerhalb des Gehäuses der Infrarot-Erwärmungseinheit in der Regel so angeordnet, dass ihre Kontaktierungsflächen eine gemeinsame ebene oder gebogene Gesamt-Kontaktierungsfläche bilden. Das zusätzliche Reflektor-Bauteil ist jedem einzelnen Infrarotstrahler oder einer Aneinanderreihung mehrerer oder aller Infrarotstrahler zugeordnet. Demnach ist das Reflektor-Bauteil einer einzelnen Kontaktierungsfläche zugewandt, beziehungsweise es ist der Gesamt-Kontaktierungsfläche mehrerer oder aller Infrarotstrahler einer Aneinanderreihung zugewandt. Im Sinne einer möglichst hohen Homogenität des Strahlungsprofils ist der Abstand zwischen benachbarten Infrarotstrahlern so gering wie möglich. Andererseits muss ein Kurzschluss vermieden werden. Daher ist der Abstand zwischen benachbarten Infrarotstrahlern kleiner als 10 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm, insbesondere höchstens 2,5 mm. Der Abstand kann größer sein als 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm, insbesondere mindestens 1,5 mm. Beispielsweise beträgt der Abstand 2,0 mm ±0,15 mm.
Das Reflektor-Bauteil ist einteilig ausgeführt oder es ist aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt und es ist vorzugsweise mit einer spiegelnden Reflektor-Oberfläche ausgeführt, beispielsweise aus poliertem Aluminium. Das Reflektor-Bauteil wird im Folgenden auch als „Sekundärreflektor“ bezeichnet.
Da bei der Infrarot-Erwärmungseinheit eine aktive Kühlung der einzelnen Infrarotstrahler entbehrlich ist und damit die dafür notwendigen baulichen Maßnahmen (beispielsweise Bleche mit Lüftungsschlitzen oder -löchern in unmittelbarer Nähe zu den Kontaktierungsflächen der Infrarotstrahler) entfallen können, kann der Sekundärreflektor in geringem Abstand rückseitig zu dem Infrarotstrahler beziehungsweise zu den Infrarotstrahlern positioniert werden. Dieser Abstand liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 mm. Damit wird das Erhitzen anderer Bereiche und Bauteile innerhalb des Gehäuses vermindert, so dass auch dort eine aktive Kühlung entfallen kann.
Je geringer der Abstand zwischen Sekundärreflektor und Infrarotstrahler-Rückseite ist, umso effektiver ist reflektierende Wirkung des Sekundärreflektors auf den Infrarotstrahler und - bei Kühlung des Sekundärreflektors, seine kühlende und damit temperaturhomogenisierende Wirkung. Bei einem metallischen Sekundärreflektor, der elektrischer auf Masse oder einem anderen elektrischen Potential liegen kann, muss ein Kurzschluss aber vermieden werden. Daher ist Abstand ist kleiner als 10 mm, vorzugsweise höchstens 5 mm, insbesondere höchstens 2,5 mm. Der Abstand kann größer sein als 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm, insbesondere mindestens 1,5 mm. Beispielsweise beträgt der Abstand 2,0 mm ±0,15 mm.
Das Zusammenspiel von Primärreflektor und Sekundärreflektor kann wie folgt beschrieben werden. Der Primärreflektor lenkt den größten Teil der Gesamtstrahlungsleistung in Richtung auf das Heizgut. Die restliche Strahlungsleistung (=Verluststrahlung) wird zur Rückseite in Richtung des Sekundärreflektors gelenkt, der wiederum einen großen Teil (bis zu 99%) der ankommenden Verluststrahlung zurückreflektieren kann, so dass ein Großteil der Verluststrahlung wieder auf den Infrarotstrahler trifft. Der Infrarotstrahler würde dadurch theoretisch heißer, was aber durch die individuelle Temperaturregelung verhindert wird, so dass der Infrarotstrahler lediglich weniger Strom (weniger Spannung) verbraucht. Es hat sich gezeigt, dass durch die Kombination von Primärreflektor und Sekundärreflektor im thermischen Gleichgewicht der Infrarotstrahler der Erwärmungseinheit ein bis zu 80 % niedrigerer Energieverbrauch als beim Aufheizen der Infrarotstrahler erreichbar ist. Da somit die Verluststrahlung zur Eigenerwärmung der Infrarotstrahler beiträgt, sind höhere Aufheizraten erreichbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Infrarot-Erwärmungseinheit ist eine Kühlmedienversorgungseinheit zur Erzeugung von mindestens einem Kühlmedienstrom, vorzugsweise mindestens zwei Kühlmedienströmen vorgesehen, wovon insbesondere wenigstens einer auf den Sekundärreflektor und gegebenenfalls ein anderer auf eine Außenwand des Gehäuses.
Mittels der zentralen Kühlmedienversorgungseinheit werden zwei getrennte Kühlmedienströme (beispielsweise Kühlluftströme oder Kühlwasserströme) und damit sowohl eine Sekundärreflektor-Kühlung als auch eine Gehäuseaußenwand-Kühlung realisiert. So wird gleichermaßen eine optimale Temperatur am Sekundärreflektor und außerdem eine Gehäusetemperatur unterhalb der Berührgrenze (60°C) mit einem gemeinsamen Kühlmittelführungssystem erreicht. Die Aufteilung der zwei Kühlmedienströme erfolgt vorzugsweise durch eine Aufteilung einer zentralen Kühlmedieneinlassströmung in räumlich getrennte Strömungskanäle innerhalb des Gehäuses der Infrarot-Erwärmungseinheit, von denen der eine Strömungskanal entlang des Sekundärreflektors verläuft, und der andere Strömungskanal entlang mindestens eines Teils der Gehäuseaußenwand. Diese räumliche Trennung in Strömungskanäle wird im Folgenden auch kurz als „doppelwandiger Gehäuseaufbau“ bezeichnet.
Der Kühlmedienstrom in Richtung Sekundärreflektor ist dabei vorzugsweise als Kühlluftstrom und das Reflektor-Bauteil (der Sekundärreflektor) als Finnenkühler mit polierter Unterseitenfläche ausgeführt. Die Kühlluft strömt dabei durch den Finnenbereich des Finnenkühlers, dessen Unterseitenfläche die spiegelpolierte Oberfläche des Sekundärreflektors bildet.
Der Einsatz von Temperatursensoren an den einzelnen Infrarotstrahlern und/oder am Sekundärreflektor und/oder an Litzenkontakten der Infrarotstrahler (Klemmkasten) ermöglicht eine Steuerung der Kühlluftmenge je nach aktueller Einsatzbedingung, was zu einem geräusch-minimierten Betrieb der Infrarot-Erwärmungseinheit beiträgt.
Die plattenförmigen Basiskörper der Infrarotstrahler ermöglichen insbesondere in Kombination mit dem doppelwandigen Gehäuseaufbau die Realisierung einer geringen Bauhöhe der Infrarot-Erwärmungseinheit. Diese zeichnet sich bevorzugt durch ein Gehäuse aus, das eine Gesamthöhe von weniger als 15 cm aufweist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Infrarot-Erwärmungseinheit besteht der Basiskörper aus einem Komposit-Werkstoff, bei dem elementares Silicium in eine Quarzglas-Matrix eingebettet ist. Er zeichnet sich durch hohe Emissivität nach thermisch aktivierter Besetzung des Leitungsbandes in Si-Atomen aus. So zeigt er bei einer Temperatur von 600 °C einen normalen Emissionsgrad im Wellenlängenbereich von 2 µm bis 4 µm oberhalb von 0,6, und bei einer Temperatur von 1.000 °C einen normalen Emissionsgrad im selben Wellenlängenbereich oberhalb von 0,75.
Bei der erfindungsgemäßen Infrarot-Erwärmungseinheit kann die Regulierung der Strahlertemperatur die ansonsten notwendige Strahlerkühlung ersetzen. Dadurch kann die optimale Emissionswellenlänge unabhängig von den Umgebungsbedingungen, insbesondere der Umgebungstemperatur eingehalten werden. Der Einsatz flächiger Infrarotstrahler ermöglicht sowohl eine homogenere Abstrahlung durch rasterweise Aneinanderreihung der Abstrahlflächen von mehreren Infrarotstrahlern und damit einhergehend höhere Flächenleistungsdichten bei geringeren Temperaturen, als auch eine flache Bauform der Erwärmungseinheit.
Eine Strahlerkühlung mit Kühlluft kann entfallen, so dass eine homogene Emission mit minimalen Konvektionsverlusten realisiert werden kann. Durch die Temperaturkontrolle der einzelnen Infrarotstrahler kann die optimale Emissionswellenlänge auch bei verschiedenen Einbaubedingungen und Umgebungsbedingungen eingehalten werden. Da die einzelnen Abstrahlflächen der Infrarotstrahler praktisch ohne Abstand zueinander aneinandergereiht werden können, ist eine homogene strahlende Fläche realisierbar, die es ermöglicht, die zu bestrahlende Fläche sehr nah an die Infrarot-Erwärmungseinheit heran zu bringen. Der Abstand ist bevorzugt kleiner als 15 mm. Der geringe Abstand ermöglicht hohe Flächenleistungsdichten von wenigstens 80 kW/m², wenigstens 100 kW/m² oder sogar 200 kW/m². Die Flächenleistungsdichte beträgt im Betrieb der Infrarot-Erwärmungseinheit vorzugsweise höchstens 200 kW/m², insbesondere höchstens 180 kW/m², besonders bevorzugt höchstens 150 kW/m² oder höchstens 130 kW/m². Bevorzugt ist eine Flächenleistungsdichte von wenigstens 90 kW/m², insbesondere wenigstens 100 kW/m², und/oder höchstens 140 kW/m², insbesondere höchstens 120 kW/m². Beim Anfahren der Vorrichtung kann kurzzeitig (höchstens 5-10 Minuten, insbesondere höchstens 6 Minuten, höchstens 4 Minuten oder höchstens 2 Minuten) eine hohe Start- Flächenleistungsdichte insbesondere im Bereich zwischen 120 kW/m² und 200 kW/m² bevorzugt sein. Die Flächenleistungsdichte ist dabei die elektrische Leistungsdichte, definiert als die elektrische Anschlussleistung der Leiterbahn bezogen auf die von der Leiterbahn belegte Kontaktierungsfläche.
Hinsichtlich des Infrarotstrahler-Moduls wird die weiter oben angegebene Aufgabe durch ein Infrarotstrahler-Modul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst.
Das Infrarotstrahler-Modul ermöglicht einen modularen Zusammenbau in einer Einheit aus mehreren baugleichen Infrarotstrahler-Modulen. Es ist für den Einsatz in einer Infrarot-Erwärmungseinheit nach einem der Anspruch 1 bis 8 besonders geeignet.
Für die Realisierung echter Modularität auch in Kombination mit anderen Bauteilen und Geräten einer IR-Behandlungseinrichtung, wie etwa der Strom- und Prozessmedienversorgung, umfasst das Infrarotstrahler-Modul einen Modul-Rahmen) mit polygonalem Querschnitt und mindestens drei Begrenzungsseiten, in dem oder an dem angeordnet sind:

(a) ein Infrarotstrahler mit einem plattenförmigen Basiskörper, die eine Abstrahlfläche und der Abstrahlfläche gegenüberliegende Kontaktierungsfläche begrenzen, wobei auf der Kontaktierungsfläche eine Heizleiterbahn aus einem Widerstandsmaterial aufgebracht ist, die mit einer elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Heizstroms verbunden ist,
(b) ein der Kontaktierungsfläche zugewandtes und beabstandet dazu angeordnetes Reflektor-Bauteil,
(c) Wärmesenke im Kontakt mit dem Reflektor-Bauteil,
(d) einen Kühlmedienanschluss und
(e) Kopplungsmittel, die zur Herstellung einer formschlüssigen mechanischen Verbindung zwischen mindestens zwei der Begrenzungsseiten und jeweils einem weiteren, benachbarten Modul-Rahmen ausgelegt sind.

Das Infrarotstrahler-Modul (kurz: IR-Modul) ist mit einem Infrarotstrahler ausgestattet, der einen kachel- oder plattenförmigen in der Draufsicht polygonalen, vorzugsweise dreieckigen, rechteckigen oder rautenförmigen Basiskörper mit einer auf einer Kontaktierungsfläche des Basiskörpers aufgebrachten Heizleiterbahn umfasst. Gegenüberliegend der Kontaktierungsfläche ist die eigentliche Abstrahlfläche, die Infrarotstrahlung in Richtung auf das thermisch zu behandelnde Heizgut emittiert. Sie ist flächig und im einfachsten Fall eben ausgeführt, sie kann aber auch eine Struktur und eine von der Planheit abweichende räumlich-flächige Form aufweisen. Die ebene Form der Abstrahlfläche ergibt ein gleichermaßen ebenes Strahlungsintensitätsprofil - das heißt, ohne ausgeprägtes Temperaturmaximum - was das Einstellen eines kurzen Abstandes zwischen dem Heizgut und der Abstrahlfläche ermöglicht. Dadurch gelingt es, eine höhere Strahlungsleistung pro Flächeneinheit bereitzustellen und eine homogene Abstrahlung und ein gleichförmiges Temperaturfeld zu erzeugen. Dies trägt zur Homogenität und Schnelligkeit der thermischen Behandlung des Heizguts bei.
Die Heizleiterbahn ist mit einer elektrischen Kontaktierung verbunden, über das sie mit einem Stromkreis verbindbar ist. Die Temperatur der Abstrahlfläche ist einstellbar. Die Temperatureinstellung basiert beispielsweise auf widerstandsgeregelter Spannungsansteuerung der Heizleiterbahn. Oder sie basiert auf einer Temperaturregelung unter Einsatz von einem Temperatursensor, der vorzugsweise auf der Kontaktierungsfläche aufgebracht ist, oder von mehreren Temperatursensoren. Das Infrarotstrahler-Modul (genauer: die Abstrahlfläche) wird vorzugsweise mittels der Temperaturregelung bei einer Temperatur im Bereich von 600 °C bis 800°C betrieben, insbesondere bei 700 °C ± 50°C, besonders bevorzugt bei 700 °C ± 15 °C. Bei dieser Temperatur emittiert die Abstrahlfläche Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von λ = 2,7 bis 3,3 µm. Das IR-Modul ist vorzugsweise zur Erzielung einer Flächenleistungsdichte von mindestens 80 kW/m², vorzugsweise mindestens 100 kW/m² ausgelegt.
Die obigen Erläuterungen zum Widerstandsmaterial des Heizleiters und zum bevorzugten Kompositwerkstoff des Basiskörpers bei der erfindungsgemäßen Infrarot-Erwärmungseinheit gelten gleichermaßen für das IR-Modul.
Die Kontaktierungsfläche mit der Heizleiterbahn darauf ist bei einer bevorzugten Ausführungsform des Infrarotstrahler-Moduls mindestens teilweise mit einer Reflektorschicht aus porösem Quarzglas belegt. Diese Reflektorschicht wirkt als diffuser Reflektor für Infrarot-Strahlung und trägt so zur Effizienz der Temperaturbehandlung bei. Gleichzeitig dient die Reflektorschicht zum mechanischen Schutz und zur Stabilisierung der Heizleiterbahn. Die Reflektorschicht wird hier auch als „Primärreflektor“ bezeichnet.
Zusätzlich ist ein der Kontaktierungsfläche zugewandtes und beabstandet dazu angeordnetes Reflektor-Bauteil vorgesehen. Das Reflektor-Bauteil ist einteilig ausgeführt oder es ist aus mehreren Bauteilen zusammengesetzt und es ist vorzugsweise mit einer spiegelnden Reflektor-Oberfläche ausgeführt, beispielsweise aus poliertem Aluminium. Dieses Reflektor-Bauteil wird hier auch als „Sekundärreflektor“ bezeichnet.
Der Sekundärreflektor ist vorzugsweise in geringem Abstand rückseitig zu dem Basiskörper positioniert; der Abstand liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 mm.
Der Primärreflektor lenkt den größten Teil der Gesamtstrahlungsleistung in Richtung auf das Heizgut. Die restliche Strahlungsleistung (=Verluststrahlung) wird zur Rückseite in Richtung des Sekundärreflektors gelenkt, der wiederum einen großen Teil (bis zu 99%) der ankommenden Verluststrahlung zurückreflektieren kann, so dass ein Großteil der Verluststrahlung wieder auf den Infrarotstrahler trifft.
Das Reflektor-Bauteil (Sekundärreflektor) ist in Kontakt mit einer Wärmesenke. Diese ist beispielsweise als Kühlmedienstrom oder als mechanischer Kühler ausgelegt. Der Kühlmedienstrom durchströmt vorzugsweise einen Kühlkanal, von dem das Reflektor-Bauteil eine Wandung bilden kann. Basiert die Kühlwirkung beispielsweise auf einem Kühlluftstrom, so ist vorzugsweise der Sekundärreflektor als Finnenkühler mit polierter Unterseitenfläche ausgeführt. Die als Finnenkühler ausgebildete Seite des Sekundärreflektors bildet einen Teil des Kühlers und die polierte Unterseitenfläche bildet die spiegelpolierte Oberfläche des Sekundärreflektors.
Das IR-Modul verfügt über Kopplungsmittel zur Herstellung einer formschlüssigen mechanischen Verbindung zwischen jeder Begrenzungsseite des polygonalen Basiskörpers und jeweils einem weiteren IR-Modul, so dass jeweils mindestens eine Basiskörper-Begrenzungsseite des einen IR-Moduls an einer Basiskörper-Begrenzungsseite eines anderen IR-Moduls direkt oder unter Belassung eines kleinen Spaltes im Bereich von 0 bis 2 mm anliegt. Bei einem nicht für den Rand einer mehrere IR-Module umfassenden Strahlereinheit ausgelegten IR-Moduls sind vorzugsweise Kopplungsmittel zur Kontaktierung aller Begrenzungsseiten des Polygons vorhanden.
Es hat sich außerdem als günstig erwiesen, wenn die Kopplungsmittel zur Herstellung einer formschlüssigen mechanischen Verbindung zu einer Zulufteinheit oder einer Ablufteinheit ausgelegt sind.
Das IR-Modul verfügt gegebenenfalls über einen eigenen Kanalabschnitt für Zuluft beziehungsweise Ablauft, ebenso wie die Zuluft- beziehungsweise Ablufteinheit. Bei der r Herstellung der Verbindung zur Zuluft- beziehungsweise Ablufteinheit werden die beiderseitigen Kanalabschnitte miteinander verbunden. Bei einem nicht endseitig einer Strahlereinheit angeordneten IR-Module ist der betreffende Kanalabschnitt beidseitig offen. Bei einem endseitig einer Strahlereinheit angeordneten IR-Randmodul ist der Kanalabschnitt einseitig geschlossen.
Auch sonst können die für den Rand der Abstrahlfläche und für den Abschluss einer Strahlereinheit ausgelegte IR-Randmodule ein vom mittig der Strahlereinheit angeordneten IR-Modul abweichendes Design haben, das die Randlage beziehungsweise den notwendigen Abschluss gegenüber der Umgebung berücksichtigt.
Mittels der Zulufteinheit oder der Ablufteinheit können in die Gasphase übergegangenen Bestandteile des Heizguts verwirbelt und abgesaugt werden. Wodurch die Effizienz insbesondere beim Trocknen verbessert werden kann.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Infrarotstrahler-Moduls ist die Abstrahlfläche randlos ausgebildet.
Aus den randlosen Strahler-Modulen können mittels der Kopplungsmittel an wenigstens zwei, vorzugsweise an allen Begrenzungsseiten des Rahmens zusätzliche Infrarotstrahler-Module angebracht und dadurch zu einer größeren, nahezu nahtlosen und daher besonders homogenen emittierenden Abstrahlfläche zusammengesetzt werden.
Infrarotstrahler mit dünnen Basiskörpern haben eine geringe Wärmekapazität und ermöglichen schnelle Temperaturwechsel. Im Hinblick auf eine möglichst kurze Reaktionszeit beträgt die Plattendicke des plattenförmigen Basiskörpers vorzugsweise weniger als 10 mm. Die flächigen Basiskörper ermöglichen eine geringe Bauhöhe des Infrarotstrahler-Moduls. Dieses zeichnet sich durch eine Gesamthöhe aus, die vorzugsweise weniger als 10 cm beträgt. Die Gesamthöhe berechnet sich dabei ohne etwaige Anschlussmittel für die Medienversorgung.
Das Infrarotstrahler-Modul ist insbesondere zum Trocknen von wasserbasierten Tinten vorteilhaft einsetzbar.
Eine spezielle Herausforderung in der Druckindustrie sind die Anforderungen speziell des Inkjetdrucks. Die Tinten werden mit einem sehr hohen Wasseranteil (ca. 80 %) entwickelt, um die Verdruckbarkeit an den Druckköpfen bei sehr hohen Geschwindigkeiten (bis zu 6 m/s) zu gewährleisten. Wasser hat eine starke Absorptionsbande bei einer Wellenlänge im Wellenlängenbereich von etwa 2,75 bis 3 µm. Bisherige IR-Trocknersysteme setzen zumeist IR-Strahlung aus dem nahen Infrarot ein (NIR-Strahlung; λ = 800-1000 nm), um die Tinten zu trocknen. NIR-Strahler verfügen über hohe Flächenleistungsdichten um 250 kW/m²in dem NIR Wellenlängenbereich. Es sind vor allem die Farbpigmente der Tinte, die die NIR-Strahlung absorbieren, dies aber auch in starker Abhängigkeit ihrer Farbe. Diese Problematik zeigt sich beispielhaft an einem starken Wellenlängenmismatch bei Farbpigmenten für Black (Schwarz) und Yellow (Gelb).
Mit dem Infrarotstrahler-Modul gemäß der Erfindung wird dieser Wellenlängenmismatch adressiert. Zum einen kann die Abstrahlfläche durch die Temperaturregelung auf einer Temperatur im Bereich von 700 bis 800°C eingestellt und gehalten werden, was eine Emissionwellenlänge von ca. λ = 2,7-3,3 µm ermöglicht. Bevorzugt entspricht die Emissionwellenlänge des Infrarotstrahler-Moduls einem Absorptionswellenlängenspektrum von Wasser. Bevorzugt liegt sie in einem Bereich, in dem übliche Farbpigmente kaum oder wenige Absorptionsbanden zeigen, so dass die Farbunterschiede der Pigmente hinsichtlich des Trocknungsverhaltens keine Auswirkungen haben. Zusätzlich haben die Infrarotstrahler-Module trotz einer vergleichsweise niedrigen Temperatur im oben genannten Temperaturbereich eine immer noch hohe Flächenleistungsdichte von ca. 100 kW/m². Vergleichbare mittelwellige IR-Strahler können nur deutlich niedrigere Flächenleistungsdichten bei vergleichbarer Wendeltemperatur erreichen. Zum Beispiel haben mittelwellige IR-Strahler bei einer Wendeltemperatur im Bereich von 700-800°C eine optische Flächenleistungsdichte von etwa 20 bis 30 kW/m², und Carbonstrahler von etwa 60 kW/m².
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt im Einzelnen:

1 eine Druckmaschine mit einem Druckaggregat und einem Infrarot-Trocknersystem und einem entlang eines Transportwegs und in einer Transportrichtung transportierten Bedruckstoffs, in schematischer Darstellung,
2 eine räumliche Darstellung einer Ausführungsform eines IR-Moduls mit doppelwandigem Gehäuse als Teil des Trocknersystems der Druckmaschine von 1 in einem Schnitt entlang der Bedruckstoff-Transportrichtung,
3 eine räumliche Darstellung der Ausführungsform des IR-Moduls von 2 in einem Schnitt senkrecht zur Bedruckstoff-Transportrichtung,
4
- (a): einen Ausschnitt eines aus mehreren IR-Modulen bestehenden Trocknermoduls als Teil eines Trocknersystems für eine Druckmaschine in einem Längsschnitt in Bedruckstoff-Transportrichtung in schematischer Darstellung,
- (b): einer Ausschnitt des Trocknersystems in einer Draufsicht auf die Strahler der IR-Module in Richtung des Pfeils X von 4(a).
5 eine Ausführungsform einer Infrarot-Strahlereinheit in Kombination mit einem Lüfter als Teil eines Trocknersystems für eine Druckmaschine in einem Längsschnitt in Bedruckstoff-Transportrichtung,
6 die Infrarot-Strahlereinheit von 5 in einem Schnitt in Richtung des Pfeils y von 5 senkrecht zur Bedruckstoff-Transportrichtung, und
7 Blockdiagramme mit Heizraten von schwarzen und gelben Pigmenten einer Druckfarbe bei Behandlung mittels verschiedener IR-Trocknungssysteme gemäß dem Stand der Technik im Vergleich mit der Behandlung mittels eines IR-Moduls gemäß der Erfindung.

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 Infrarot-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 ausgestattet.
Die Trocknermodule 7 sind im Trocknersystem 70 in Transportrichtung 5 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 6 näher erläutert.
2 zeigt eine räumliche Darstellung eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahler-Moduls (IR-Modul) 7 zum Einsatz als Trockner-Modul 7 in der Druckmaschine 1.
Das IR-Modul 7 hat ein Gehäuse 21, in dem eine Strahlereinheit 22, eine Kühlluft-Zuführungseinheit 23 und eine Ablufteinheit 24 untergebracht sind. Das Gehäuse 21 ist weiterhin mit Anschlüssen 21c für Strom- und Datenleitungen, wie beispielsweise einen Heizstrom, einen Temperatursensor und eine Steuerelektronik versehen.
In der Strahlereinheit 22 ist ein kachelförmiger Infrarotstrahler 25 angeordnet, der einen plattenförmiger Basiskörper 25c mit planer Abstrahlfläche (Unterseite 25b) und ebenso planer Oberseite 25a. Auf der Basiskörper-Oberseite 25a ist eine Leiterbahn aufgebracht, die wiederum in eine Reflektorschicht eingebettet ist.
Der Basiskörper 25c hat Rechteckform mit einer Plattenstärke von 2,0 mm und seitlichen Abmessungen von 4 cm x 40 cm. Es besteht aus einem Kompositwerkstoff mit einer Matrix aus Quarzglas, in der Phasenbereiche aus elementarem Silizium homogen verteilt sind. Der Gewichtsanteil dieser Si-Phase beträgt 2,5% und die maximalen Abmessungen der Si-Phasenbereiche liegen im Mittel (Medianwert) im Bereich von etwa 1 bis 10 µm. Der Kompositwerkstoff ist gasdicht, er hat eine Dichte von 2,19 g/cm³ und er ist an Luft bis zu einer Temperatur von etwa 1200 °C stabil. Er zeigt bei hoher Temperatur eine hohe Absorption von Wärmestrahlung und einen hohen Emissionsgrad.
Die Leiterbahn wird aus einer Platin-Widerstandspaste auf der Oberseite 25a des Basiskörpers 25c erzeugt. An beiden Enden sind Leitungen oder Klemmen zum Einspeisen elektrischer Energie angeschweißt. Die Leiterbahn zeigt einen mäanderförmigen Verlauf, wobei zwischen benachbarten Leiterbahnabschnitten ein gleichmäßiger Abstand von 2 mm verbleibt. Die Leiterbahn hat direkten Kontakt mit der Oberseite 25a des Basiskörpers 25c so dass eine größtmögliche Wärmeübertragung erreicht wird. Die gegenüberliegende Unterseite 25b dient beim Einsatz des Infrarotstrahlers 25 als Abstrahlfläche für die Wärmestrahlung in einen Substrat-Behandlungsraum 27. Die Abstrahlrichtung wird von den Richtungspfeilen 28 und die Substrat-Transportrichtung vom Richtungspfeil 5 angezeigt.
Die Reflektorschicht besteht aus opakem Quarzglas und hat eine mittlere Schichtdicke zwischen 1,0 mm bis 1,5 mm. Sie zeichnet sich durch Rissfreiheit und eine hohe Dichte von etwa 2,15 g/cm³ aus und sie ist bis Temperaturen oberhalb von 1100 °C thermisch beständig. Die Reflektorschicht bedeckt die Leiterbahn vollständig und schirmt sie somit vor chemischen oder mechanischen Einflüssen aus der Umgebung ab. Der Infrarotstrahler 25 ist zur Erzielung einer Flächenleistungsdichte von 100 kW/m² ausgelegt.
Die Kühlluft-Zuführungseinheit 23 jedes IR-Moduls 7 umfasst einen mittig zum Gehäuse 21 angeordneten Kühlluft-Zufuhrstutzen 31, der in eine Kühlluft-Sammelkammer 35 mündet, aus der mittels Lochblechen 32 ein oberer Kühlluftstrom 33a in einen oberen Kühlkanal 33 und ein unterer Kühlluftstrom 34a in einen oberen Kühlkanal 34 abgezweigt werden.
Der obere Kühlkanal 33 verläuft beiderseits zum Kühlluft-Zufuhrstutzen 31 entlang der Gehäuse-Oberseite 21a, und der obere Kühlluftstrom 33a dient zur Kühlung des Gehäuses 21 und insbesondere der Gehäuse-Oberseite 21a. Der untere Kühlkanal 34 verläuft ebenfalls beiderseits zum Kühlluft-Zufuhrstutzen 31 unterhalb des oberen Kühlkanals 33 und entlang einer Gehäuse-Unterseite 21b. Auf der Gehäuse-Unterseite 21b ist ein sogenannter Finnenkühler 26 montiert, der vom unteren Kühlluftstrom 34a durchströmt wird.
Beide Kühlkanäle (33; 34) münden in Luftabfuhrstutzen 38, die an beiden Längsseiten des Gehäuses 21 angeordnet sind und die zur Ablufteinheit 24 gehören. Die parallel zueinander verlaufenden Kühlkanäle (33; 34) sind durch eine Gehäusezwischenwand 36 voneinander getrennt durchsetzen den gesamten Mittelbau des Gehäuses 21 ausgehend vom Kühlluftsammelraum 35 bis zu den Luftabfuhrstutzen 38, so dass diese Ausführung hier auch als „Doppelwandigkeit“ des Gehäuses bezeichnet wird.
Die dem unteren Kühlluftstrom 34a abgewandte Unterseite des Finnenkühlers 26 ist in Form einer hochpolierten Aluminiumplatte ausgeführt, die als spiegelnder Modul-Reflektor 26b dient. Der Modul-Reflektor 26b ist der Basiskörper-Oberseite 25a zugewandt und verläuft parallel dazu in einem Abstand. Die Gehäusehöhe, gemessen von der Basiskörper-Unterseite 25b bis zur Gehäuse-Oberseite 21a beträgt 13 cm.
Ein direktes Anströmen der Strahlereinheit 22 und des Basiskörpers 25c mit einem Kühlmedium ist nicht erforderlich und nicht vorgesehen, so dass der Substrat-Behandlungsraum 27 insoweit unbeeinflusst von Strömungen von Kühlmedium für eine Strahlerkühlung ist.
An den beiden senkrecht zur Transportrichtung 5 verlaufenden Seitenwänden 21d sind Rastmittel 29 zur mechanisch- formschlüssigen und lösbaren Verbindung mit je einem weiteren IR-Modul 7 angebracht.
Aus der Darstellung des IR-Moduls 7 in 3 ist erkennbar, dass der untere Kühlluftstrom 34a vom Kühlluft-Zufuhrstutzen 31 durch Lochbleche 32 in den Bereich des Finnenkühlers 26 gelangt, der den unteren Kühlkanal 34 vollständig ausfüllt.
Der Basiskörper 25c des Infrarotstrahlers 25 erstreckt sich über die gesamte Formatbreite des Bedruckstoffs 3. Der Modul-Reflektor 26 hat die gleichen seitlichen Abmessungen (4 cm x 40 cm) wie der Basiskörper 25, und die beiden Bauteile (25; 26) sind so zueinander ausgerichtet, dass die Oberseite 25a des Basiskörpers 25c vollständig von dem Modul-Reflektor 26 überdeckt ist.
Alle Infrarotstrahler 25 des IR-Moduls 7 sind mit einer individuellen Temperaturregelung ausgestattet, die auf einer widerstandsgeregelten Spannungsansteuerung der Heizleiterbahn basiert.
4 (a) zeigt schematisch einen Ausschnitt eines aus mehreren baugleichen IR-Modulen 7 bestehenden Trocknermoduls als Teil eines Trocknersystems für eine Druckmaschine 1 in einem Längsschnitt in Bedruckstoff-Transportrichtung 5. Sofern dabei identische Bezugsziffern verwendet werden wie in den 2 und 3, so sind damit gleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile des IR-Moduls bezeichnet. Das Modul-Gehäuse 21 umschließt einen Behandlungsraum (=Prozessraum) 27 für den in Transportrichtung 5 bewegten Bedruckstoff 3 mit einer Strahlereinheit, die durch den Infrarotstrahler 25 mit kachelförmigen Basiskörper 25c symbolisiert ist.
An der dem Bedruckstoff 3 abgewandten Oberseite jedes Basiskörpers 25c ist ein Temperatursensor angebracht, dessen Messwert einem Regler 41a, 41b zugeführt wird, der Teil der elektrischen Ansteuerung 42, 42b des jeweiligen Infrarotstrahlers 25 ist. Die elektrischen Ansteuerungen 42a, 42b der Infrarotstrahler 25 des Trocknermoduls sind dazu ausgelegt, dass die Heizströme der jeweiligen Infrarotstrahler 25 unabhängig voneinander einstellbar sind.
Die Draufsicht von 4 (b) zeigt, dass das Gehäuse 21 Rechteckform hat. Es ist allseitig mit Kopplungsmitteln in Form von Rastmitteln zur formschlüssigen Verbindung mit weiteren IR-Modulen oder mit Zulufteinheiten 44 oder mit Ablufteinheiten 45 versehen. Im Ausführungsbeispiel sind an den beiden Längsseiten der IR-Module 7 jeweils ein weiteres baugleiches IR-Modul angeordnet (in der Figur nicht dargestellt) und an den Querseiten (in Richtung 5 gesehen) ist entweder eine Zulufteinheit 44 oder eine Ablufteinheit 45 montiert. Dadurch kommt es zwischen jedem IR-Modul 7 zu einer paarweisen Anordnung von Zulufteinheit 44 und Ablufteinheit 45. Zwischen der auf die Oberfläche des Bedruckstoffs 3 gerichteten Luftströmung der Zulufteinheit 44, und der vom Bedruckstoff 3 wegführenden Luftströmung der Ablufteinheit 45 kommt es zu Gasverwirbelungen in unmittelbarer Nähe zur Bedruckstoff-Oberfläche, die eine Störung, Verkleinerung oder sogar Ablösung der fluiddynamischen laminaren Strömungsgrenzschicht bewirken, so dass die infolge der Einwirkung der Infrarotstrahlung entstandene Feuchtigkeit in die Gasphase überführt und effektiver entfernt werden kann
Die in den 5 und 6 dargestellte Ausführungsform des IR-Moduls 50 ist mit einer Wasserkühlung ausgestattet. In einem Gehäuse 51 sind eine Strahlereinheit 52, eine Wasserkühlungseinheit 53 und eine Zuluft- und Ablufteinheit 54 untergebracht.
Die Strahlereinheit 52 umfasst einen kachelförmigen Infrarotstrahler 55, der einen Basiskörper mit Rechteckform und eine auf der Basiskörper-Oberseite aufgebrachte Heizleiterbahn aufweist, die in eine Reflektorschicht eingebettet ist, wie oben anhand 1 beschrieben. Die stirnseitigen Enden des Infrarotstrahlers 55 sind zwischen Keramik-Elementen 56 eingeklemmt.
Die Wasserkühlungseinheit 53 umfasst einen Kühlmittelkreislauf mit Kühlplatten 58, die die Strahlereinheit 52 umgeben, und die gleichzeitig das Gehäuse des IR-Moduls 50 bilden. In die Kühlplatten 58 sind zum Teil Rundnuten 59 zur Aufnahme von Kupferrohren (nicht dargestellt) für die Kühlwasserleitung eingearbeitet. Die der Strahlereinheit 52 zugewandten Innenseiten der Kühlplatten 58 sind mittels einer Beschichtung verspiegelt oder spiegelpoliert, so dass sie als „Sekundärreflektor“ wirken. Die thermische Masse der Kühlplatten 58 unterstützt die Kühlwirkung.
Die Zuluft- und Ablufteinheit 54 umfasst einen Zuluftkanal 62 und einen Abluftkanal 60. Die Kanäle (60; 62) verlaufen beiderseits der Längsseiten der Strahlereinheit 52 und sind jeweils mit einer Anzahl von Lüftern 61 ausgestattet, die in einer Reihe angeordnet sind. In Transportrichtung 5 des zu trocknenden Bedruckstoffs 3 gesehen ist der Strahlereinheit 52 der Zuluftkanal 62 vorgeordnet und der Abluftkanal 60 nachgeordnet. Die Strömungsrichtungen von Zuluft und Abluft deuten die Richtungspfeile 66 an. Über den Abluftkanal 60 werden die von der Infrarotstrahlung aus dem Bedruckstoff 3 freigesetzten Gase und Dämpfe entfernt.
Alle Infrarotstrahler 55 des IR-Moduls 50 sind mit einer individuellen Temperaturregelung ausgestattet, die auf einer widerstandsgeregelten Spannungsansteuerung der Heizleiterbahn basiert.
Die Schnittdarstellung der Infrarot-Strahlereinheit 50 senkrecht zur Bedruckstoff-Transportrichtung (die Transportrichtung liegt senkrecht zur Papierebene) gemäß 6 zeigt, dass sich die Infrarotstrahler 55 über die gesamte Formatbreite des Bedruckstoffs 3 erstrecken. Die Reihe der in dieser Darstellung erkennbaren Lüfter 61 ist der Entlüftung (Abluftkanal 60) zuzuordnen. Alle Lüfter (60; 61) dieser Reihe dienen zur Entfernung der vom vorgeordneten Infrarotstrahler 55 freigesetzten Gase und Dämpfe aus dem Bedruckstoff 3. Entgegen der Transportrichtung 5 der Bedruckstoffs 3 gesehen ist der Infrarot-Strahlereinheit 52 eine Belüftung (Zuluftkanal 62; siehe 5) vorgeordnet.
Bei dieser Ausführungsform der Infrarot-Strahlereinheit ist die Reihenfolge der Komponenten beziehungsweise der damit ausgeführten Verfahrensmaßnahmen in Transportrichtung 5 der Bedruckstoffs 3 gesehen somit Belüften, IR-Trocknen, Entlüften. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Abfolge mehrmaliges Belüften, IR-Trocknen, Entlüften, Belüften, IR-Trocknen Entlüften usw.
Das Diagramm von 7 zeigt einen Vergleich der Heizraten von schwarzen und gelben Farbpigmenten im CMYK-Farbsystem mit den üblichen Farbtinten für Yellow (Y) und Black (B) bei Behandlung mittels verschiedener IR-Trocknungssysteme. Auf der Y-Achse ist die mittlere Heizrate R in K/s für den Temperaturbereich zwischen 40 °C und 110 °C aufgetragen.
Bei Heizsystem (A) wurde ein im Nahen Infrarot emittierender Infrarotstrahler eingesetzt, bei Heizsystem (B) ein mittelwelliger Carbonstrahler und bei Heizsystem (C) ein temperaturgeregeltes IR-Modul gemäß vorliegender Erfindung.
Bei allen Heizsystemen ergibt sich bei den schwarzen Pigmenten (B) eine ähnlich hohe Aufheizrate, die auch jeweils höher ist als die Aufheizrate bei den gelben Pigmenten (Y). Es zeigt sich aber, dass bei Einsatz des mittelwelligen Infrarotstrahlers (Heizsystem (A)) die gelben Pigmente (Y) nur langsam erwärmen. Der Heizratenunterschied (jeweils bezogen auf die Heizrate der schwarzen Pigmente (B)) ist um 168 % kleiner. Bei Einsatz des Carbonstrahlers (Heizsystem (B)) ergibt sich ein Heizratenunterschied von 82 %. Bei einem auf eine Temperatur von 700 °C eingestellt und geregeltem IR-Modul bei Heizsystem (C) ergibt sich der im Vergleich geringste Heizratenunterschied von lediglich etwa 17% zwischen den Heizraten der schwarzen Pigmente (B) und der gelben Pigmente (Y).
Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Trocknungssystems absorbieren gelbe und schwarze Pigmente etwa gleich stark, so dass die Farbunterschiede der Pigmente auf das Trocknungsverhaltens keine Auswirkungen haben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006026652 A1 [0007]
DE 102005046230 A1 [0008]
DE 102010046756 A1 [0009]

Claims

Infrarot-Erwärmungseinheit (7; 30; 50) zum Trocknen von insbesondere wasserbasierten Tinten oder Lacken in einer Druckmaschine (1), mit einem Gehäuse (2158), in dem mindestens zwei Infrarotstrahler (25; 55) benachbart zueinander angeordnet sind, wobei jeder Infrarotstrahler (525; 55) einen plattenförmigen Basiskörper (25c) mit einer auf einer Kontaktierungsfläche (25a) des Basiskörpers (25c) aufgebrachten Heizleiterbahn aus einem Widerstandsmaterial, die mit einer elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Heizstroms verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerelektronik (20; 41a; 41b; 42a, 42b) vorgesehen ist, mittels der die Heizströme für die Infrarotstrahler (25; 55) unabhängig voneinander einstellbar sind.
Infrarot-Erwärmungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahler (25; 55) mit je wenigstens einem Temperatursensor ausgestattet sind, wobei vorzugsweise die Steuerelektronik (20; 41a; 41b; 42a, 42b) zur Einstellung wenigstens eines Heizstromes für wenigstens einen der Infrarotstrahler (25; 55) auf Basis einer Temperaturmessung mittels des jeweiligen Temperatursensors umfasst.
Infrarot-Erwärmungseinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsfläche (25c) mindestens teilweise mit einem Primärreflektor, insbesondere einer Reflektorschicht aus porösem Quarzglas belegt ist.
Infrarot-Erwärmungseinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein der Kontaktierungsfläche (25c) zugewandter Sekundärreflektor (26; 58), insbesondere ein beabstandet zur Kontaktfläche (25a) angeordnetes Reflektor-Bauteil, vorgesehen ist.
Infrarot-Erwärmungseinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmedienversorgungseinheit (24; 44, 54) zur Erzeugung von mindestens einem Kühlmedienstrom, vorzugsweise zwei Kühlmedienströmen (33a; 34a), vorgesehen ist, wovon insbesondere wenigstens einer (34a) auf den Sekundärreflektor (26; 58) und gegebenenfalls ein anderer (33a) auf eine Außenwand des Gehäuses (21; 58) einwirkt.
Infrarot-Erwärmungseinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf den Sekundärreflektor (26; 58) einwirkender Kühlmedienstrom (34a) als Kühlluftstrom oder Kühlfluidstrom und/oder dass das der Sekundärreflektor (26) als Finnenkühler mit polierter Unterseitenfläche (26b) ausgeführt sind.
Infrarot-Erwärmungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (21; 58) eine Gesamthöhe von weniger als 15 cm aufweist.
Infrarot-Erwärmungseinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper (25c) aus einem Komposit-Werkstoff besteht, bei dem elementares Silicium in eine Quarzglas-Matrix eingebettet ist.
Infrarotstrahler-Modul für eine Druckmaschine, insbesondere zum Einsatz in einer Infrarot-Erwärmungseinheit nach einem der Anspruch 1 bis 8, mit einem Modul-Rahmen (21) mit polygonalem Querschnitt und mindestens drei Begrenzungsseiten (21d), in dem oder an dem angeordnet sind: (a) ein Infrarotstrahler (25) mit einem plattenförmigen Basiskörper (25c), die eine Abstrahlfläche (25b) und der Abstrahlfläche (25b) gegenüberliegende Kontaktierungsfläche (25a) begrenzen, wobei auf der Kontaktierungsfläche (25a) eine Heizleiterbahn aus einem Widerstandsmaterial aufgebracht ist, die mit einer elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Heizstroms verbunden ist, (b) ein der Kontaktierungsfläche (25a) zugewandtes und beabstandet dazu angeordnetes Reflektor-Bauteil (26; 58), (c) eine Wärmesenke (34a) im Kontakt mit dem Reflektor-Bauteil (26; 58), (d) ein Kühlmedienanschluss (23; 44; 61) und (e) Kopplungsmittel (29), die zur Herstellung einer formschlüssigen mechanischen Verbindung zwischen mindestens zwei der Begrenzungsseiten (21d) und jeweils einem weiteren, benachbarten Modul-Rahmen (21) ausgelegt sind.
Infrarotstrahler-Modul nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsfläche (25a) mindestens teilweise mit einer Reflektorschicht aus porösem Quarzglas belegt ist
Infrarotstrahler-Modul nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektor-Bauteil (26; 58) eine Oberfläche aus poliertem Aluminium aufweist.
Infrarotstrahler-Modul nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gesamthöhe von weniger als 10 cm aufweist.
Infrarotstrahler-Modul nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstrahlfläche (25b) mindestens an zwei sich gegenüberliegenden Seiten randlos ausgebildet ist.
Infrarotstrahler-Modul nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsmittel (29) zur Herstellung einer formschlüssigen mechanischen Verbindung zu einer Zulufteinheit (23; 44; 62) oder einer Ablufteinheit (24; 45; 60) ausgelegt sind.