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Die Erfindung betrifft eine UV-Bestrahlungsanlage
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige UV-Bestrahlungsanlagen
sind seit langem bekannt und werden in erheblichen Stückzahlen
insbesondere in der Druckindustrie zur UV-Trocknung bzw. Vernetzung
von Druckfarben eingesetzt. Von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung ist
ihr Einsatz in schnelllaufenden Rollen- und Bogenoffset-Druckmaschinen
zur Massenproduktion von Druckerzeugnissen mit großer Papierbahnbreite.
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Für
dieses Einsatzgebiet ist auf Grund der sehr hohen Durchla-ufgeschwindigkeit
des das Werksstück
darstellenden Druckträgers
und des in Transportrichtung beengtem Einbauraumes eine sehr hohe
Leistungsdichte in der UV-Strahlungszone gefordert. Das Strahlungsfeld
muss zudem eine hinreichende räumliche
Homogenität
haben, um einerseits den Qualitätsanforderungen
den Betreiber zuverlässig
zu entsprechen und andererseits Überhitzungen
der Druckerzeugnisse und Energieverschwendung zu vermeiden.
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Bekannte UV-Bestrahlungsanlagen dieser Art
haben einen oder wenige sehr lange UV-Strahler, die mit ihrer Längsachse
senkrecht zur Transportrichtung der Druckbahn ausgerichtet sind
und deren Länge
mindestens so groß wie
die Werkstückbreite
ist. Üblicherweise
ist diesen Strahlern auf der der Druckbahn abgewandten Seite ein
Reflektor zugeordnet, der eine zur Erzielung einer vorbestimmten
Fokussierung der UV-Strahlung auf die Materialbahn geeignete Krümmung oder
Abwinklungen aufweist.
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Zur Gewährleistung der erforderlichen
mechanischen Stabilität
bei den sehr hohen Temperaturen des Metalldampf-Plasmas im Strahler
haben die Strahler derartiger UV-Bestrahlungsanlagen einen relativ
großen
Durchmesser – normalerweise
ca. 22 mm – und
daher auch eine relativ große
Materialdicke der Röhrenwandung.
Diese absorbiert in einer an sich unerwünschter Weise einen nennenswerten
Anteil der UV-Strahlung in den Absorptionsbanden des Materials.
Zudem haben diese Strahler auf Grund ihrer relativ großen Masse
eine erhebliche Wärmekapazität und hierdurch
bedingte thermische Trägheit, so
dass ein schnelles Aus- und Einschalten nur bedingt möglich ist.
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Aus Sicherheitsgründen muss es aber in Gesamtanlagen
der genannten Art bei einem Materialstillstand möglich sein, die hochintensive
UV-Strahlung praktisch trägheitslos
abzuschalten. Zudem ist es von erheblicher Bedeutung, dass bei einem
Wiederanfahren der Gesamtanlage auch praktisch sofort die benötigte UV-Strahlung mit der
vorgegebenen spektralen Verteilung und Energiedichte zur Verfügung steht.
Bekannte Bestrahlungsanlagen weisen daher vielfach einen sogenannten
Shutter auf, mit dem bei einem Stillstand das Werkstück der Einwirkung
der UV-Strahlung durch Abblenden entzogen und dadurch ein Ausschalten
der UV-Strahler überflüssig wird.
Ein solcher Shutter ermöglicht
es auch, die UV-Strahlung beim Wiederanfahren der Anlage sehr schnell
wieder auf dem Werkstück
bereitzustellen.
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Jedoch sind Bestrahlungsanlagen mit
beweglichem Shutter konstruktiv aufwändig und dementsprechend kostspielig,
und zudem bedürfen
die mechanisch bewegten Teile einer speziellen Wartung.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
der Bereitstellung einer verbesserten UV-Bestrahlungsanlage zu Grunde, welche
insbesondere ohne Shutter auskommt, kostengünstig herstellbar und flexibel in
Anpassung an verschiedene Applikationen ausführbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine UV-Bestrahlungsanlage
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung beruht auf einer grundlegenden
Abkehr von den etablierten Konstruktionsprinzipien von UV-Bestrahlungsanlagen
für Materialbearbeitungszwecke
der oben beschriebenen Art, die auf dem Einsatz nur eines oder jedenfalls
weniger UV-Strahler fußen,
der/die gesamte Materialbreite abdecken und daher sehr lang sein
müssen.
Sie beruht auf der Erkenntnis, dass die zur Abdeckung der Materialbreite
erforderliche Länge
des UV-Strahlungsfeldes auch durch modulare Aneinanderreihung von
parallel zur Transportrichtung des Werkstücks orientierten schmalen Strahlungsfeldern
realisiert werden kann, die jeweils durch einen kurzen Strahler erzeugt
werden.
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Diese kurzen Strahler sind bei den üblichen Betriebstemperaturen
einer wesentlich geringeren Durchbiegungsgefahr ausgesetzt als die
bisher eingesetzten langen Strahler und können daher mit viel geringerem
Durchmesser und entsprechend geringerer Wandstärke des Quarzglaskörpers gefertigt
werden. Hierdurch und die geringe Länge verringert sich auch die
Wärmekapazität ganz erheblich,
so dass sehr kurze Aus- und Wiedereinschaltzeiten möglich werden,
was wiederum den Verzicht auf Shutter ermöglicht.
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Im Rahmen der Erfindung liegt auch
eine Kombination von parallel und geneigt, insbesondere senkrecht,
zur Transportrichtung des Werkstücks ausgerichteten
UV-Strahlern. Es
sind vielfältige
derartige Kombinationen denkbar, mit denen insbesondere spezielle
räumliche
Strahlungsdichteverteilungen – beispielsweise
zur Vermeidung von Strahlungsdichteabfällen im Kantenbereich des Werkstücks oder
mit lokalen Überhöhungen der
Strahlungsdichte – realisierbar
sind.
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Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Vielzahl
relativ kurzer UV-Strahler, die grundsätzlich alle einzeln, sinnvoller
Weise aber zumindest gruppenweise, ansteuerbar sind, lässt sich
insgesamt rein räumlich
und erforderlichen falls auch zeitlich leicht und differenziert
steuerbares UV-Strahlungsfeld erzeugen. Für spezifische Anwendungen können einzelne
Strahler bzw. Strahlengruppen während
eines Bearbeitungsprozesses permanent ausgeschaltet bleiben (beispielsweise
bei der Behandlung schmalerer Materialbahnen als sonst üblich. Durch kurzzeitige
Ausschal tung oder Leistungsverringerung einzelner Strahler bzw.
Strahlengruppen lassen sich vorrübergehend
Inhomogenitäten
des UV-Strahlungsfeldes zielgerichtet erzeugen, um beispielsweise
temperaturempfindliche Abschnitte einer Materialbahn zu schonen
oder auf vorrübergehende
Verringerung der Transportgeschwindigkeit zu reagieren.
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Als UV-Strahler (Emitter) werden
im Rahmen der vorgeschlagenen Lösung
an sich bekannte Plasma-UV-Strahler mit einer Quarzglasröhre eingesetzt, die
Metalldampf – insbesondere
Quecksilberdampf, ggf. mit Fe Ga oder anderen Metallen dotiert – enthalten.
Von besonderem Vorteil ist dabei der Einsatz derartiger Strahler
mit gegenüber
der Längserstreckung
einen rechten oder auch stumpfen Winkel aufweisenden Steckkontakten.
In der einfachsten Ausführung
können
diese abgewinkelten Kontakte durch geeignete Adapter auf in Lampenlängsrichtung
verlaufenden Kontakten realisiert sein; bevorzugt ist jedoch eine
Lampenausführung
mit U- oder L-förmig gebogenem
Glaskörper,
bei dem die Lampenkontakte von vorneherein die gewünschte Ausrichtung
aufweisen.
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UV-Strahler mit dieser Kontaktkonfiguration lassen
sich in höchst
vorteilhafter Weise mit einem auf der vom Werkstück abgewandten Seite des Strahlers
angeordneten Reflektor derart kombinieren, dass die Lampenenden
außerhalb
des Strahlungsfeldes hinter der Reflektoroberfläche und damit in einem relativ
kühlen
Bereich liegen. Dies wirkt sich in erheblichem Maße lebensdauererhöhend aus – insbesondere
dann, wenn der Reflektor und bevorzugt zugleich die Lampenenden
aktiv gekühlt
werden.
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Mit der vorgeschlagenen Konfiguration
wird eine Verringerung des Durchmesser des Lampen-Glaskörpers auf
ca. 13 mm oder weniger, insbesondere 10 mm oder weniger, möglich. Die
Länge der UV-Strahler
richtet sich nach den konkreten Anwenderforderungen und wird bei
Druckmaschinen wegen der beengten Platzverhältnisse für den Einbau der UV-Bestrahlungsanlage üblicherweise
120 mm nicht übersteigen.
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Der erwähnte Reflektor kann in seiner
einfachsten Ausführung
plan sein, bevorzugt ist aber eine Ausführung mit einer Vielzahl aneinender
gereihter Reflektorabschnitte, die jeweils einem UV-Strahler zugeordnet
und konkav gekrümmt
oder auch annährend
W-förmig
ausgebildet sind. Eine Verringerung der thermischen Belastung des
Werkstücks
lässt sich
für Fälle, in
denen diese Maßnahme angezeigt
ist, durch Einsatz eines wellenlängenselektiven
(beispielsweise dichroitischen) Reflektors erreichen.
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Eine massive Reflektorausführung, beispielsweise
als Strangpress- oder Druckgussteil, – weist insbesondere eingearbeitete
Kühlfluidkanäle zur Durchströmung mit
Kühlwasser
oder einem anderem hocheffektiven Kühlfluid auf. Zusätzlich oder alternativ
kann, insbesondere für
die Lampenenden eine Pressluft- oder Gebläsekühlung vorgesehen sein.
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Eine besonders flexibel auf verschiedene Anwendungen
konfigurierbare und kostengünstig
erstell- und betreibbare Ausführung
lässt sich
aus derzeitiger Sicht mit einem modularen Aufbau realisieren. Hierbei
ist die Vielzahl der UV-Strahler aus mehreren Strahlergruppen zusammengestellt,
die jeweils auf einem zusammenhängenden
Träger
zur mechanischen Fixierung und elektrischen Kontaktierung vollmontiert
sind. In einer Fortbildung dieses Gedankens ist jeder dieser Strahlergruppen
auch ein eigener Teil-Reflektor zugeordnet, der mit der Strahlergruppe
zusammen montiert wird und austauschbar ist. Eine weitere Fortbildung
dieses modularen Konzeptes besteht darin, dass den Lampen jeder
Strahlergruppe auch ein gemeinsames Vorschaltgerät zugeordnet ist, welches in
einer besonders vorteilhaften Ausführung zusammen mit dem Träger und
dem Teil-Reflektor als Anlagen-Modul
eine mechanische Einheit bildet. Bei der letztgenannten Ausführung lassen
sich die Kosten der Stromversorgung und Ansteuerung unter Umständen erheblich
senken, womit ein wesentlicher Beitrag zur niedrigen Gestehungs- und
Betriebskosten geleistet wird.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich im übrigen
aus den abhängigen Ansprüchen sowie
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der
beigefügten
Figuren. Von diesen zeigen:
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1 eine
perspektivische Darstellung Prinzipskizze einer UV-Bestrahlungsanordnung
gemäß einem
bevorzugtem Ausführungsbeispiel
der Erfindung und
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2 eine
perspektivische Darstellung einer Strahlergruppe einer UV-Bestrahlungsanordnung
gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführung
der Erfindung.
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1 zeigt
in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung eine UV-Bestrahlungsanordnung 1 zur
Druckfarbentrocknung auf Druckpapier 3 zum Einbau in eine
(nicht dargestellte) Bogen- oder Rollenoffset-Druckmaschine. Dargestellt
sind die beiden seitlichen Anlagenmodule 1.1 und 1.2 von
insgesamt fünf
Anlagenmodulen, mit denen eine Druckpapierbreite von 2000 mm mit
einem UV-Strahlungsfeld hoher
Intensität
abgedeckt wird. Die Anlagenmodule sind mit einer Länge von
jeweils 120 mm oder weniger zum Einbau in übliche Druckmaschinen geeignet. Ein
mit T bezeichneter Pfeil kennzeichnet in der Figur die Transportrichtung
des Druckpapiers 3.
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Jedes der Anlagenmodule umfasst 15 Hg-Strahler 5 mit
einem röhrenförmigen,
an den Enden im rechten Winkel zur Längserstreckung umgebogenen
Glaskörper
und rechtwinklig zur Längserstreckung
des Glaskörpers
ausgerichteten Steckkontakten 7, die in der Figur nicht
näher dargestellt
sind. Den Hg-Strahlern fünf
eines Anlagenmoduls ist ein gemeinsamer, als massives Al-Strankpressteil
ausgebildeter Reflektorköper 9.1 bzw. 9.2 zugeordnet, dessen
Reflektoroberfläche
durch 15 konkav gekrümmte,
annähernd
parabolische Reflektorabschnitte 9i gebildet ist. Rückseitig
ist jeder Refklektorkörper
mit einer Vielzahl von langgestreckten Kühlrippen 9j versehen.
An den Enden sind in jedem Reflektorkörper Durchgänge für die Steckkontakte 7 sowie Aussparungen
(nicht gesondert bezeichneter) der Kühlrippen 9j zur Schaffung
einer planen Auflagefläche
für Kontaktleisten 11 vorgesehen.
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Zu jedem Anlagenmodul gehören zwei
Dreiergruppen von Kontaktleisten 11, die jeweils zum Anschluss
von fünf
UV-Strahlern 5 an ein allen Strahlern des Anlage moduls
gemeinsames Vorschaltgerät 13 über Kontaktleisten-Anschlüsse 15 dienen.
Jedes Vorschaltgerät 13 verfügt über einen
eigenen Stromnetzanschluss S und umfasst Leistungsbauelemente zur
gemeinsamen Stromversorgung aller UV-Strahler eines Moduls und zur
gruppenweise separaten Ansteuerung der den einzelnen Kontaktleisten 11 zugeordneten
Strahler.
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Mittels einer (nicht dargestellten)
Gebläseanordnung
wird Kühlluft
L zur aktiven Kühlung
der UV-Bestrahlungsanlage 1 erzeugt, die in Längsrichtung
der Kühlrippen 9j gelenkt
wird und diese sowie die Kontaktleisten 11 mit den darin
fixierten Lampenenden kühlt.
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Die Kontaktleisten 11 sind
auf den Reflektorkörpern
mechanisch, beispielsweise durch Schraub- oder Klemmverbindungen,
lösbar
fixiert, und auch die Vorschaltgeräte 13 sind mit dem
jeweiligem Reflektorköper
mechanisch verbunden, so dass jedes Anlagenmodul eine mechanisch
in sich abgeschlossene und separat handhabund austauschbare Baugruppe
der UV-Bestrahlungsanlage 1 bildet. Es versteht sich, dass
innerhalb der Anlagenmodule jede Kontaktleiste 11 und,
unabhängig
davon, jeder Strahler 7 einzeln handhabbar ist.
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2 zeigt
eine Strahlungsquelle 100 zur Erzeugung von Strahlung im
UV-Bereich mit hoher Leistungsdichte zu Bearbeitungszwecken mittels Hg-Metalldampflampen 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 einem UV-Strahler 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 UV-Strahler 101, welche nicht Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist und daher hier nicht genauer beschrieben wird,
sowie Ansteuerungs- bzw. Stromversorgungskomponenten 111,
die rückseitig
auf die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte
montiert sind. Sowohl die Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte 107 als
auch die Ansteuerungs- bzw. 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 UV-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 UV-Strahler 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
Fluidkanälen 113a, 113b gebildet.
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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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Mit den in den Figuren dargestellten
und oben beschriebenen Konfigurationen wird zum einen ein modulares
Aufbaukonzept für
unterschiedlich ausgedehnt UV-Bestrahlungsanordnungen
mit den zugehörigen
Stromversorgungs-, Ansteuerungsund Kühleinrichtungen realisiert.
Sie bieten 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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- 1
- UV-Bestrahlungsanlage
- 1.1,
1.2
- Anlagenmodule
- 3
- Druckpapier
- 5
- Hg-Strahler
- 7
- Steckkontakt
- 9.1,
9.2
- Reflektorkörper
- 9i
- Reflektorabschnitt
- 9j
- Kühlrippe
- 11
- Kontaktleiste
- 13
- Vorschaltgerät
- 15
- Kontaktleisten-Anschluß
- 100
- Strahlungsquelle
- 101
- Halogen-Glühfadenlampe
- 103;
- Reflektorblock
- 103a
- Ausnehmung
- 103b
- Trennrippe
- 103c
- Kanal
- 103d,
103g
- Ringnut
- 103e
- Gewindebohrung
- 103f
- Sensor-Bohrung
- 103h
- Kühlfluid-Verteilbereich
- 103i
- Kühlfluid-Sammelbereich
- 105
- Reflektorabschnitt
- 107;
- Kühlfluid-Zuleitungs-/Abführungsplatte
- 107a
- Mittelteil
(Basis)
- 107b,
107c
- Seitenteil
(Schenkel)
- 109
- Kontaktanordnung
- 111
- Ansteuerungs-
bzw. Stromversorgungskomponente
- L
- Kühlluft
- S
- Stromnetzanschluß
- T
- Druckpapier-Transportrichtung