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Die
Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Eine
derartige Strahlungsquelle ist aus der
DE 100 51 905 A1 der Anmelderin
bekannt. Im Zusammenhang mit dem Gegenstand steht auch die
DE 100 51 641 A1 ,
in der der Aufbau einer Bestrahlungsanordnung aus entsprechenden
Strahlungsquellen und Kühlfluid-Verteilern
beschrieben wird.
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Diese
vorbekannten Strahlungsquellen bzw. Bestrahlungsanordnungen haben
sich bei großtechnischen
Prozessen, die mit Strahlung im Bereich des nahen Infrarot ausgeführt werden
und bei denen teilweise große
Materialbreiten zusammenhängend
bestrahlt werden müssen,
gut bewährt.
Die bekannten Lösungen
ermöglichen
unter Einsatz von Strangpressprofilen auch in flexibler Weise den
modulartigen Aufbau verschiedenster Konfigurationen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Strahlungsquelle
der gattungsgemäßen Art
bereitzustellen, die insbesondere kostengünstiger herstellbar ist und
gleichwohl überzeugende
Gebrauchseigenschaften bei allen relevanten Applikationen aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Strahlungsquelle mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
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Die
Erfindung schließt
den grundlegenden Gedanken ein, eine Optimierung der Strahlungs-
und thermischen Eigenschaften der Strahlungsquelle durch verbesserte
Anpassung der Reflektorgeometrie an die spezielle Form der Halogenlampen
mit umgebogenen Enden zu bewerkstelligen. Weiterhin gehört zur Erfindung
der Ge danke, die Oberflächen
der Reflektorabschnitte derart auszubilden, dass sie im Dauerbetrieb
der Strahlungsquelle mit hoher Leistungsdichte – typisch mehr als 200 KW/m2, insbesondere mehr als 400 KW/m2 über
mehrere hundert bis tausend Stunden – über den Bereich des nahen Infrarot
(0,8 μm
bis 1,5 μm)
ein Reflexionsvermögen
von 80% oder mehr haben. Bevorzugt ist eine Ausführung mit einem Reflexionsgrad
von mehr als 90%, diese ist aber nicht für sämtliche Applikationen erforderlich.
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Mit
der erfindungsgemäßen Ausführung ergeben
sich für
die Anwender von derartige Strahlungsquellen aufweisenden Bestrahlungsanlagen, etwa
in der Papier- und Druckindustrie, der kunststoffverarbeitenden
Industrie, der Automobilindustrie, der Möbelindustrie oder der Elektronikindustrie, hochgradig
vorteilhafte Gebrauchseigenschaften – insbesondere homogene Strahlungsdichteverteilungen
und ein hoher energetischer Wirkungsgrad.
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In
einer besonders kostengünstig
zu fertigenden Ausführung
ist der Reflektorblock als Druckgussteil aus Al oder einer Al-Legierung
mit in eine den Reflektorabschnitten gegenüberliegende Oberfläche eingearbeiteten
Kühlfluidkanälen ausgebildet. Zur
Gewährleistung
der oben spezifizierten Reflexionsgrade ist die die Reflektorabschnitte
bildende Oberfläche
des Reflektorblockes mit einer das Reflexionsvermögen erhöhenden Dünnschicht,
insbesondere aus Ag oder Au oder einer Legierung mit diesen oder
Reinst-Al, versehen. Durch eine derartige Beschichtung wird das
aufgrund von Mikroporositäten begrenzte
Reflexionsvermögen
der unbehandelten Druckgussoberfläche deutlich verbessert.
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Wird
Silber oder eine Silberlegierung als Beschichtungsmaterial eingesetzt,
so wird dieses bevorzugt noch mit einer hochtransparenten mineralischen
Korrosionsschutzschicht versehen, um den an sich bekannten und durch
den Dauerbetrieb bei hohen Temperaturen verstärkten Korrosionseffekten, die
das Reflexionsvermögen
im Lauf der Zeit dramatisch verschlechtern können, zu begegnen. Eine derartige
Korrosionsschutzschicht muss hinreichend dünn und derart präzise aufgebracht
sein, dass dadurch die optimierte Reflektorgeometrie nicht nachteilig
verändert
wird.
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Die
Einformung von Kühlfluidkanälen in die Rückseite
des Reflektorblockes erfolgt bevorzugt derart, dass die Kühlfluidkanäle sich
im wesentlichen geradlinig und zueinander und zur Richtung der Längserstreckung
eingesetzter Halogenlampen parallel zwischen einem Kühlfluid-Verteilbereich
nahe einer ersten Seitenkante des Reflektorblockes und einem Kühlfluid-Sammelbereich
nahe einer gegenüberliegenden
zweiten Seitenkante erstrecken. Diese Ausführung ist herstellungstechnisch
einfach und kostengünstig
realisierbar und sichert eine hohe Lebensdauer der Strahlungsquelle
aufgrund effizienter Kühlung.
Hierbei ist die Abrundung der Enden der Reflektorabschnitte und
insbesondere der gesamten Seitenkanten der Oberfläche des
Reflektorblockes im wesentlichen viertelkreisförmig ausgeführt.
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Speziell
bei der oben erwähnten
Ausführung des
Reflektorblockes in Druckgusstechnik erfordert das Vorsehen der
rückseitig
eingearbeiteten Kühlfluidkanäle eine
die Rückseite
des Reflektorblockes abdeckende und fluiddicht verschließende Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte.
Es versteht sich, dass die Abdeckplatte im Normalfall unter Einbindung
einer separaten Fluiddichtung, die hier aus einem ausreichend temperaturbeständigen Material
bestehen muss, auf die Rückseite
des Reflektorblockes aufgesetzt ist.
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In
einer herstellungstechnisch und kostenseitig bevorzugten Ausführung ist
die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte
ein Strangpressteil mit einer nahe einer ersten Seitenkante verlaufenden
Kühlfluidzuleitung
mit mindestens einer Öffnung
zum Kühlfluid-Verteilbereich
des Reflektorblockes und einer nahe einer gegenüberliegenden zweiten Seitenkante verlaufenden
Kühlfluidabführung mit
mindestens einer Öffnung
zum Kühlfluid-Sammelbereich
des Reflektorblockes.
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Zur
Realisierung einer konsequent modularen Bauweise von Bestrahlungsanordnungen
der oben erläuterten
Art weist bevorzugt die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte
zur Aufnahme je einer Kontaktanordnung für die Halogenlampen ausgebildete
Seitenkantenbereiche auf, und im Betriebszustand ist dort je eine
Kontaktanordnung aufgesetzt. Mit derartigen Kontaktanordnungen – die als
solche nicht Gegenstand der Erfindung sind – lassen sich, je nach konkreter
Ausführung,
die Halogen lampen (Emitter) der Strahlungsquelle einzeln oder gruppenweise
mit Strom versorgen und ansteuern. Die konstruktive Abstimmung von
Abdeckplatte und Kontaktanordnung über geeignete Eingriffsmittel
sichert in Verbindung mit einer geeigneten Ausführung der Kontakte selbst eine
exakte Positionierung und zuverlässige
Fixierung der Emitter gegenüber
dem Reflektorblock, was sich vorteilhaft auf die Strahlungseigenschaften
und Betriebssicherheit der jeweiligen Bestrahlungsanordnung auswirkt.
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In
vorteilhafter Weise hat die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte
Befestigungseinrichtungen zur Anbringung von Stromversorgungs- und
Steuerungskomponenten, insbesondere zwischen der Kühlfluidzuleitung
und der Kühlfluidabführung. Auch diese
Ausführung
dient der Realisierung eines modularen Aufbaukonzeptes für NIR-Bestrahlungsanlagen mit
kompakter Bauform, die in einfacher Weise auf verschiedene Anwendungszwecke
angepasst und auch gewartet werden können und daher sowohl kostengünstig herstellbar
als auch betreibbar sind. In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung
sind die besagten Befestigungseinrichtungen für die Stromversorgungs- bzw.
Steuerungskomponenten an der Basis der erwähnten U-förmigen Abdeckplatte, also zwischen
den Schenkeln des "U" geschützt, angeordnet.
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Vorteile
und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich im übrigen
aus den Unteransprüchen
sowie der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
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1 eine
Strahlungsquelle mit sechs Reflektorabschnitten gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung von seitlich
oben,
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2 eine
aus zwei Modulen nach 1 zusammengesetzte Strahlungsquelle
mit zwölf
Reflektorabschnitten in einer perspektivischen Untersicht und
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3A bis 3C eine
Untersicht sowie eine Längs-
und Querschnittsdarstellung des Reflektorblocks der Strahlungsquelle
nach 1.
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1 zeigt
eine Strahlungsquelle 100 zur Erzeugung von Strahlung im
Bereich des nahen Infrarot, also insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen
0,8 μm und
1,5 μm,
mit hoher Leistungsdichte zu Bearbeitungszwecken mittels Halogen-Glühfadenlampen 101.
Die Strahlungsquelle 100 umfasst im wesentlichen einen
Reflektorblock 103 aus Al-Druckguss mit einer Mehrzahl
von Reflektorabschnitten 105 einer weiter unten genauer
beschriebenen Form, die jeweils einer Halogenlampe 101 zugeordnet
sind, und eine Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107,
die rückseitig
auf den Reflektorblock 103 aufgesetzt ist.
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Weiterhin
umfasst die Strahlungsquelle 100 eine Kontaktanordnung 109 zur
mechanischen Fixierung und elektrischen Kontaktierung der Halogenlampen 101,
welche nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist und daher
hier nicht genauer beschrieben wird, sowie Ansteuerungs- und Stromversorgungskomponenten 111,
die rückseitig
auf die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte
montiert sind. Sowohl die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 als
auch die Ansteuerungs- und Stromversorgungskomponenten 111 weisen
aufeinander abgestimmte Befestigungsmittel zur leichten und schnellen
Erstbestückung
der Strahlungsquelle in modularer Art und Weise auf, die auch einen
unproblematischen Austausch von Komponenten bei Ausfällen oder
einer etwaigen Aufrüstung
der Bestrahlungsanlage ermöglichen.
Hierfür
kommen sowohl Schraub- als auch Klemmverbindungen als auch Kombinationen
beider in Betracht.
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Der
Reflektorblock 103 hat – was in den Figuren nicht
zu erkennen ist – eine
die Reflexionseigenschaften im NIR-Bereich verbessernde Oberflächenbeschichtung,
und seine Reflektorabschnitte haben (was am besten in 3C zu
erkennen ist) im Querschnitt annähernd
eine W-Form. In 1 und 3B ist
gut zu erkennen, dass der Reflektorblock 103 an seinen
Enden viertelkreisförmig
abgerundet ausgeführt
ist. Diese Formgebung dient zur Anpassung an die Form der an ihren
Enden abgebogenen Halogenlampen 101.
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Die
Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 ist
als annähernd
U-förmiges
Al-Strangpressteil mit
einem ebenen, plattenförmigen
Mittelteil 107a (der Basis des "U")
und zwei annähernd
quadratischen Seitenteilen 107b, 107c (den Schenkeln
des "U") mit im Querschnitt
kreisförmigen
Kühlfluidkanälen 113a, 113b gebildet.
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2 zeigt
eine hinsichtlich der Anzahl der aufzunehmenden Halogenlampen 101 und
entsprechenden Reflektorabschnitte 105 modifizierte Ausführung als
Strahlungsquelle 200. Es versteht sich, dass diese einen
entsprechend längeren
Reflektorblock 203 und eine auf dessen Länge abgestimmte Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführüngsplatte 207 aufweist. Der
Aufbau dieser Komponenten ist jedoch derselbe wie bei der Strahlungsquelle 100 nach 1,
und daher wurden auch gleiche oder korrespondierende Bezugsziffern
zur Bezeichnung konstruktiv oder funktionell gleicher Teile bzw.
Abschnitte verwendet.
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3A bis 3C zeigen
die Konstruktion des Reflektorblockes 103 im Einzelnen. 3A zeigt besonders
deutlich, dass dieser rückseitig
eine großflächige Ausnehmung 103a hat,
die durch parallel zueinander in Richtung der Längserstreckung verlaufende
Trennrippen 103b in einzelne Kanäle 103c unterteilt
ist. Die Ausnehmung 103a ist umgeben von einer Ringnut 103d zur
Aufnahme eines (nicht dargestellten) Dichtringes zur Abdichtung
der Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte
(1 und 2) gegenüber dem Reflektorblock 103.
Gewindebohrungen 103e sind zum Verschrauben des Reflektorblockes mit
der Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte
vorgesehen.
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Im
Mittenbereich des Reflektorblockes 103 ist eine Sensor-Bohrung 103f vorgesehen,
mit der der Reflektorblock zur Aufnahme eines Pyrometerelementes
für Temperaturmessungen
an einem Bearbeitungsgegenstand vorbereitet ist. Die Sensor-Bohrung 103f ist – ebenso
wie die großflächige Ausnehmung 103a – von einer
Ringnut 103g zur Aufnahme eines Dichtringes umgeben.
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Ein
erster (in der Figur der linke) Seitenbereich 103h der
Ausnehmung 103a steht bei aufgesetzter Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 mit
deren erstem Kühlfluidkanal 113a (1)
in Verbindung, während
ein zweiter (in der Figur der rechte) Seitenbereich 103i der
Ausnehmung 103a mit dem zweiten Kühlfluidkanal 113b der
Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 verbunden
ist. Je nach Anschluss einer Kühlfluidquelle
(speziell eines Kühlwasseranschlusses)
wird über
den Kühlfluidkanal 113a als
Kühlfluidzuleitung
das Kühlfluid
dem Bereich 103h als Kühlfluid-Verteilbereich des
Reflektorblockes zugeführt
und über
den zweiten Seitenbereich 103i als Kühlfluid-Sammelbereich des Reflektorblockes
und den zweiten Kühlfluidkanal 113b (im erwärmten Zustand)
wieder abgeführt
oder umgekehrt. Es versteht sich, dass in der Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 in
zum Kühlfluid-Verteilbereich 103h bzw.
dem Kühlfluid-Sammelbereich 103i des
Reflektorblockes 103 korrespondierender Position Durchgangsöffnungen
von den Kühlfluidkanälen 113a, 113b aus
vorgesehen sind; diese sind allerdings in den Figuren nicht zu erkennen.
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Die
Seitenkanten der Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 stehen über die
Schenkel 107b, 107c seitlich etwas vor und schützen dadurch
die aufgesetzte (und bevorzugt verschraubte) Kontaktanordnung 109,
die teilweise aus Kunststoff besteht, vor übermäßiger mechanischer Beanspruchung.
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Mit
dem in den Figuren dargestellten und oben beschriebenen Aufbau wird
zum einen ein modulares Aufbaukonzept für unterschiedlich ausgedehnt
NIR-Bestrahlungsanordnungen mit den zugehörigen Stromversorgungs-, Ansteuerungs-
und Kühleinrichtungen
realisiert. Er bietet andererseits die Gewähr für einen zuverlässigen und
energieeffizienten Langzeitbetrieb einer derartigen Bestrahlungsanordnung.
Die Ausführung
der Erfindung ist indes nicht auf dieses Beispiel beschränkt, sondern
ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns
liegen.
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- 100;
200
- Strahlungsquelle
- 101
- Halogen-Glühfadenlampe
- 103;
203
- Reflektorblock
- 103a
- Ausnehmung
- 103b
- Trennrippe
- 103c
- Kanal
- 103d,
103g
- Ringnut
- 103e
- Gewindebohrung
- 103f
- Sensor-Bohrung
- 103h
- Kühlfluid-Verteilbereich
- 103i
- Kühlfluid-Sammelbereich
- 105
- Reflektorabschnitt
- 107;
207
- Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte
- 107a
- Mittelteil
(Basis)
- 107b,
107c
- Seitenteil
(Schenkel)
- 109
- Kontaktanordnung
- 111
- Ansteuerungs-
und Stromversorgungskomponente
- 113a,
113b
- Kühlfluidkanal