DE19733496B4

DE19733496B4 - Lampenaufbau

Info

Publication number: DE19733496B4
Application number: DE19733496A
Authority: DE
Inventors: Philip John Farnham Stevens; Patrick Gerald Windsor Keogh
Original assignee: Nordson Corp
Current assignee: Baldwin Technology Ltd
Priority date: 1996-08-02
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2017-08-02
Also published as: DE19758739B4; GB0018348D0; GB2349684A; GB2315850B; GB2349684B; GB9616311D0; GB2315850A; US5973331A; DE19733496A1

Abstract

Bestrahlungsvorrichtung (2) mit einer länglichen Strahlungsquelle (26) und einer länglichen Reflektoroberfläche, welche die Strahlungsquelle (26) teilweise umgibt, um Strahlung von der Strahlungsquelle (26) auf ein Substrat (42) zu reflektieren, um eine sich auf diesem befindende Beschichtung auszuhärten, gekennzeichnet durch zwei zwischen der Strahlungsquelle (26) und dem Substrat (42) angeordnete Filter (40), wobei die Reflektoroberfläche ein Profil aufweist, welches so geformt ist, dass es zwei Brennpunkte für reflektiertes Licht auf jeder Seite der Strahlungsquelle (26) definiert, und wobei die Lage der Brennpunkte bezüglich der Filter (40) derart ist, dass Licht der Brennpunkte durch die Filter (40) zu dem Substrat (42) gelangt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Bestrahlungsvorrichtung mit dem Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft insbesondere Lampenaufbauten, insbesondere Lampenaufbauten zur Verwendung in der Druck- und Beschichtungsindustrie, für das schnelle Aushärten von Tinten oder dergleichen. auf einer großen Vielzahl von Substratmaterialien. Während des Aushärtungsprozesses wird das Substrat auf einem Weg unterhalb eines länglichen Lampenaufbaus bewegt, so daß eine Beschichtung auf dem Substrat durch die Strahlung der Lampe bestrahlt wird, um die Beschichtung in einem kontinuierlichen Prozess auszuhärten. Das Substrat kann kontinuierlich sein oder mehrere Bögen enthalten, die an der Lampe nacheinander vorbeigeführt werden.
Es ist bekannt, Tinten auf einem Substrat auszuhärten, durch Anwendung von ultravioletter Strahlung aus einer oder mehrerer mit durchschnittlichem Druck arbeitender Quecksilberdampf-UV-Lampen. Es ist ebenfalls wohlbekannt, jede Lampe in einem Aufbau mit einem Reflektor zu versehen, welcher eine reflektierende Oberfläche einschließt, welche die Lampe teilweise umgibt, um von dieser Strahlung auf das Substrat zu reflektieren. Die reflektierende Oberfläche weist ein konkaves Profil auf, welches im allgemeinen elliptisch oder parabolisch ist, wobei die Lampe auf der symmetrischen Mittenlinie des Profils und benachbart zum Scheitelpunkt angebracht ist.
Der Reflektor erhöht die Intensität der Strahlung auf dem aushärtbaren Material. Das Eindringen der Strahlung in das Material ist ein wichtiger Faktor bei der Aushärtung und je größer die Intensität ist, desto besser ist das Eindringen, während das Eindringen mit verschiedenen Farben und Materialien variiert.
Ein Problem, welches bei bekannten Anordnungen auftritt, ist, daß ein Teil der Strahlung zurück auf die Lampe reflektiert wird, was die Menge der für die Aushärtung zur Verfügung stehenden Strahlungsenergie reduziert und dazu führt, daß sich die Lampe aufheizt, was den Betrieb der Lampe negativ beeinflussen kann und die bereits große Menge der von dem Aufbau abgegebenen Hitze erhöht.
Aus der DE 93 12 809 U1 ist eine UV-Bestrahlungseinrichtung zur UV-Lack- und Druckfarbentrocknung bekannt. Um bei Störungen im Betriebslauf oder bei technologisch bedingten Unterbrechungen eine einfache Abschirmung der UV-Strahlungsquelle gegenüber dem zu bestrahlenden Objekt zu erlauben und eine sichere Betriebsweise zu gewährleisten, werden zwei symmetrische, parallel zur Hauptachse der UV-Strahlungsquelle schwenkbar gelagerte Reflektorhälften vorgeschlagen. Diese Reflektorhälften umgeben die UV-Strahlungsquelle im geöffnete Zustand symmetrisch und sind gleichzeitig überlappend ohne gegenseitige Berührung verschiebbar. Durch diese Maßnahme kann die UV-Strahlung im Bedarfsfall vom Bestrahlungsgut weg geleitet werden.

Das Problem, daß ein Teil der Strahlung zurück auf die Lampe reflektiert wird, wurde im französischen Patent 2334966 erkannt, welches einen Reflektor in der Form von zwei Halbschalen beschreibt, von denen jede innerhalb des Hohlraums entlang einer longitudinalen Achse zu den Seiten der symmetrischen Mittenlinie desselben drehbar ist. Das französische Patent schlägt vor, den oberen Abschnitt des Reflektors durch Biegen der oberen Kante jeder Halbschale nach unten in Richtung der Lampe zu verformen, um ihm extern eine im wesentlich konkave Form entlang der Breite der Lampe zu geben.

Die in der Druckschrift FR 2334966 A1 beschriebene Vorrichtung weist aufgrund ihrer Grundform Nachteile auf, derart, daß ein kompliziertes System notwendig ist, um die gewünschte Drehbewegung zu erreichen und das Raum zur Verfügung gestellt werden muß, um der Halbschale die Drehung zu ermöglichen. Dies paßt nicht zu dem derzeitigen Bedarf der Industrie an kleineren Aushärtungseinrichtungen. Die Kühlung der Halbschalen ist schwierig; wiederum aufgrund der Notwendigkeit, die Drehbewegung unterzubringen. Es treten auch Probleme auf als Ergebnis der in dem französischen Patent für das Problem der Lampenselbstaufheizung vorgeschlagenen Lösung. Die Verwindung des Reflektors in Richtung der Lampe führt zu einer exzessiven Aufheizung des verwundenen Abschnitts und macht die Kühlung der benachtbarten Region der Lampe sehr viel schwieriger.

Die effiziente und effektive Kühlung von Lampenaufbauten war ein dauerndes Problem, welches noch wichtiger wurde, da steigende Lampenenergien verwendet wurden, um eine schnellere Aushärtung zu ermöglichen, so daß die Substratgeschwindigkeiten erhöht werden können. Beispielsweise lagen zum Zeitpunkt des französischen Patentes, 1975, die Lampenenergien nur im Bereich von 100 W/cm (250 W/Zoll). Nun sind Lampenenergien von 80 – 160 W/cm (200 – 400 W/Zoll) üblich und es werden zunehmend Lampen noch höherer Energien, 200 – 240 W/cm (500 – 600 W/Zoll) verwendet. Darüber hinaus haben die Vorteile der UV-Aushärtung, einschließlich Sauberkeit und Qualität, zu einer Nachfrage für Aushärtungssysteme geführt, welche in der Lage sind, eine breite Vielzahl von Substraten zu verarbeiten, einschließlich Substraten, die sehr empfindlich gegenüber Hitzeschäden sind.

Frühere Anordnungen wurden im allgemeinen nur durch Luft gekühlt. In den ersten luftgekühlten Systemen wurde Luft durch eine oder mehrere Öffnungen oberhalb der Lampe aus dem Reflektor herausgeführt, um die Hitze herauszuleiten. In späteren Systemen wurde Kühlluft in die Anordnung und auf die Lampe geblasen, wiederum durch benachbart zu der Lampe angeordnete Öffnungen. Ein Problem mit der Luftkühlung ist, daß die benötigen Gebläse die Größe des Aufbaus erhöhen, was es schwierig macht, eine Installation zwischen den Ständern einer Vielständerpresse vorzunehmen.

Dies und die steigenden Kühlanforderungen aufgrund höherer Lampenenergien führen zu dem Gebrauch einer Wasserkühlung, alleine oder in Verbindung mit einer Luftkühlung. Das Kühlwasser wird durch an den Reflektor angebrachten oder integral mit ihm ausgebildeten Rohren zugeführt. Darüber hinaus wurden einige Entwürfe vorgeschlagen mit Filtern mit einer oder mehreren Röhren aus Quarz zwischen der Lampe und dem Substrat, durch welche Flüssigkeit, typischerweise destilliertes, deionisiertes Wasser, hindurchgeführt wird. Neben ihrer Unterstützung der Kühlung haben die Filter den primären Effekt der Filterung der Infrarotstrahlung, welche dazu neigt, das Substrat aufzuheizen, und den Effekt des Fokussierens des Lichtes von der Lampe auf das Substrat. Die Kühlflüssigkeit zirkuliert durch alle Röhren mittels Kühl- oder Tiefkühlvorrichtungen.

Wenn die Lampenenergien ansteigen, werden sogar noch effizientere und effektivere Kühlsysteme benötigt, um die Temperaturen innerhalb akzeptabler Bereiche zu halten, nicht nur, um Schaden an dem Substrat zu verhindern, sondern auch, um Schaden an dem angrenzenden Equipment und den Bedienern des Drucksystems zu verhindern.

Ein bekanntes Design eines Lampenaufbaus weist einen Reflektor in der Form eines Blocks mit einem Hohlraum auf, auf dessen Oberfläche die reflektierende Oberfläche vorgesehen ist. Die reflektierende Oberfläche kann durch Polieren der Hohlraumoberfläche gebildet werden, oder es kann ein bestimmtes Reflektorteil an diesem angebracht werden. In jedem Fall ist es bekannt, Beschichtungen auf die reflektierende Oberfläche hitzeabsorbierenden Materials aufzubringen. Um eine Luftkühlung zu erlauben, wenn ein getrenntes Reflektorteil verwendet wird, ist es notwendig, ein oder mehrere Löcher durch das Teil zu stoßen, um eine Verbindung mit dem Bereich oder den Bereichen herzustellen, durch die die Luft fließt. Auf der anderen Seite hat bei einem integralen Reflektor ein Schaden an der reflektierenden Oberfläche zur Folge, daß der Block ersetzt werden muß, mit der entsprechenden Notwendigkeit des Abklemmens und des Wiederanschließens an die Kühlflüssigkeitszuführungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bestrahlungsvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine höhere Substratgeschwindigkeit möglich ist, während weiterhin die korrekte Aushärtung der Beschichtung auf dem Substrat sichergestellt ist.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Bestrahlungsvorrichtung mit einer länglichen Strahlungsquelle und einer länglichen Reflektoroberfläche welche die Strahlungsquelle teilweise umgibt, um Strahlung von der Strahlungsquelle auf ein Substrat zu reflektieren, um eine sich auf diesem befindende Beschichtung auszuhärten, und mit zwischen Strahlungsquelle dem Substrat angeordneten Filtern, wobei die Reflektoroberfläche ein Profil aufweist, welches so geformt ist, daß es zwei Brennpunkte für reflektiertes Licht auf jeder Seite der Strahlungsquelle definiert, und wobei die Brennpunkte bezüglich der Filter derart angeordnet sind, daß im wesentlichen das gesamte Licht der Brennpunkte durch die Filter zu dem Substrat gelangt.

Die Form der Bestrahlungsvorrichtung ist derart, daß reflektierte Strahlen, im allgemeinen von dem oberen Abschnitt der Lampe, auf jeder Seite der Lampe konvergieren, um effektiv zwei getrennte Linienquellen zu bilden. Dies wiederum hat den Effekt einer Aufweitung der Region der höchsten Intensität entlang des Substrates, wodurch die Substratgeschwindigkeiten erhöht werden können. Es existiert eine entsprechende Abnahme der direkt unterhalb der Lampe befindlichen Energieintensität. Dies verbessert die Filtereffizienz der herkömmlichen Filterkonfiguration zweier paralleler Röhren zwischen der Lampe des Substrates, da mehr Strahlung durch die Filter als zwischen ihnen hindurchtritt.

Das reflektrierende Oberflächenprofil ist vorteilhaft geformt, insbesondere die mittleren Abschnitte desselben, um möglichst viel reflektierte Strahlung durch die Filter zu leiten. In Kombination mit der Form, insbesondere des oberen Abschnittes, derart, daß im wesentlichen das gesamte Licht der Brennpunkte durch die Filter zu dem Substrat gelangt, ergibt sich, daß die Filtereffizienz gemessen an der Reduzierung der Infrarotstrahlung maximiert ist, wie auch die Brechung des reflektierten Lichtes. Mit zwei Brennpunkten, die das reflektierte Licht auf die Filter fokussieren, wurde herausgefunden, daß es möglich ist, den Bereich der maximalen Strahlungsintensität noch weiter aufzuweiten, da zwei Brennpunkte mit Filtern vier Maxima mit einer nur schwachen Abschwächung zwischen diesen erzeugen. Dies erlaubt einen weiteren Anstieg der Substratgeschwindigkeit, während weiterhin die korrekte Aushärtung sichergestellt wird.

Bevorzugt weist die reflektierende Oberfläche ein Profil auf welches im wesentlichen kontinuierlich konkav gebogen ist und bezüglich der Strahlungsquelle derart geformt ist, daß weniger als 10% der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung auf diese zurück reflektiert wird.

Der Vorteil liegt darin, daß der Energieverlust und die Selbstaufheizung der Lampe reduziert wird, aber die Probleme der exzessiven Aufheizung und die Schwierigkeiten der Lampenkühlung, die mit der Anordnung des älteren französischen Patentes 2334966 auftreten, vermieden werden, indem das reflektierende Oberflächenprofil kontinuierlich konkav gebogen wird. Das Profil ist so geformt, daß die auf die Lampe zurückreflektierte Strahlung minimiert wird, wodurch sich eine Abweichung von den herkömmlichen, elliptischen und parabolischen Formen von bekannten Reflektoren ergibt.

Eine Bestrahlungsvorrichtung in Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ausgestattet mit einer länglichen Strahlungsquelle, einer länglichen, reflektierenden Oberfläche, welche die Strahlungsquelle teilweise umgibt, um Strahlung von der Strahlungsquelle eine Öffnung unterhalb der Strahlungsquelle auf ein Substrat zu reflektieren, um eine sich darauf befindende Beschichtung Mitteln zum Zuführen von Kühlluft an die Strahlungsquelle von oberhalb der Strahlungsquelle und Wirbelerzeugungsmittel zum Erzeugen eines Luftwirbels benachbart zur Strahlungsquelle, derart, daß ein Kühlluftfluß um die Strahlungsquelle herum besteht.

Ein Problem bei bekannten Luftkühlsystemen ist, daß der Luftfluß nicht entlang der gesamten Lampe fließt, so daß konsequenterweise ein Teil der Lampe weniger gekühlt wird als der Rest. Durch die Anordnung, in der ein Luftwirbel erzeugt wird, kann die Luft dazu veranlaßt werden zu strudeln und im Falle einer tubusförmigen Lampe um den gesamten Lampenumfang herumzuwirbeln. Dies erhöht die Kühleffizienz und somit die Effizienz der Bestrahlungsvorrichtung und verlängert auch deren Lebensdauer.

Die Wirbelerzeugungsmittel können einen angewinkelten Luftzuführkanal aufweisen, um Kühlluft tangential zu einer röhrenformigen, tubusförmigen Strahlungsquelle auf eine Seite der Strahlungsquelle zu leiten. Es ist für das Erreichen der gewünschten Luftflüsse wichtig, daß die Zufuhr nur zu einer Seite geschieht. Alternativ oder zusätzlich können die Wirbelerzeugungsmittel die reflektierende Oberfläche enthalten, welche ein Profil aufweist, welches derart konfiguriert ist, daß es den Luftwirbel bildet. Weiterhin können die Wirbelerzeugungsmittel alternativ oder zusätzlich mindestens einen zwischen der Strahlungsquelle und dem Substrat angeordneten Filter einschließen, wobei der oder die Filter derart geformt und angeordnet sind, daß sie den Luftwirbel erzeugen. Bevorzugt ist die Kombination, da herausgefunden wurde, daß sie zu den wünschenswertesten Luftflüssen und der entsprechenden Kühlung führt.

Die Bestrahlungsvorrichtung kann eine reflektierenden Körper mit einem Hohlraum aufweisen, in welchem die Strahlungsquelle angeordnet ist, wobei die reflektierende Oberfläche auf der Hohlraumoberfläche angeordnet ist.

In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung weist dieser Typ einer Bestrahlungsvorrichtung eine reflektierende Oberfläche auf, welche durch zwei reflektierende Elemente gebildet ist, die an dem Körper zu beiden Seiten einer symmetrischen Mittenlinie des Hohlraums lösbar befestigt sind. Die Reflektorelemente können Platten aufweisen, die durch Klammern an der Hohlraumoberfläche befestigt sind und somit gezwungen werden, sich an das Profil der Hohlraumoberfläche anzupassen.

Jede Platte kann zwischen einem sich in den Hohlraum erstreckenden Flansch und einer an das Ende des benachbart zu dem Substrat liegenden Reflektorhohlraumsdurch Befestigungsmittel angebrachten Klammer gehalten werden.

Die Verwendung von zwei Reflektorelementen macht den Reflektor insgesamt leichter anpaßbar, als wenn ein einziges Reflektorteil verwendet wird. Die Klammern erleichtern weiter die Anpassung, insbesondere wenn sie vom schnellösbaren Typ sind, und sichern einen guten Kontakt zwischen den Reflektorelementen und dem Reflektorkörper. Dies wiederum bedeutet, daß die dem Reflektorkörper zur Verfügung gestellte Kühlung wirksam die Hitze von dem Reflektor entfernt.

Die Verwendung eines separaten Reflektors gegenüber dem Polieren der Hohlraumoberfläche, wie in einigen bekannten Anordnungen, hat den Vorteil, daß sie das Ersetzen des gesamten Reflektorkörpers vermeidet, wenn die reflektierende Oberfläche beschädigt ist. Reparatur und Ersatz sind durch die Aufteilung des getrennten Reflektors in zwei Element sogar noch weiter vereinfacht.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung von zwei Reflektorelementen ist es, daß diese so angeordnet werden, daß sie eine Lücke zwischen sich definieren, die mit einer Öffnung in Verbindung steht, welche den Hohlraum mit einer länglichen Luftzuführbohrung verbindet, so daß die Lücke dann einen Teil der Zuführmittel bildet. Die Notwendigkeit für das Bilden einer Luftzufuhr Löcher in einen Reflektor zu stoßen, wie bei bekannten Aufbauten mit einteiligen Reflektoren, wird vermieden. Die Lücke führt auch zu einer Reduzierung der auf die Quelle zurückreflektierten Strahlung.

Die Öffnung, die sich in dem Reflektorkörper oder in einer Luftflußröhre befinden kann, kann sich auf einer Seite der symmetrischen Mittenlinie des Hohlraumes befinden. Die Öffnung wird daher den angewinkelten Luftzuführkanal der ersten, oben beschriebenen Ausführungsform der Wirbelerzeugungsmittel bilden.

Der Reflektorkörper kann eine Vielzahl von Kanälen für das Hindurchtreten einer Kühlflüssigkeit aufweisen, von denen mindestens einer benachbart zu jedem der Hohlraumenden ist, um die Hohlraumwandungen zu kühlen. Es wurde herausgefunden, daß dies bedeutend ist, da die maximalen Temperaturen an den Enden des Hohlraums auftreten und diese für den Bediener noch sichere Stärken übersteigen können. Es ist herausgefunden wurden, daß es durch die Wasserkühlung der Wandungen sogar bei hohen Lampenenergien möglich ist, die Außenoberflächentemperatur innerhalb akzeptabler Grenzen zu halten.

Der Reflektorkörper ist bevorzugt von dem Typ, welcher innerhalb eines Gehäuses in einer Stellung befestigt ist. In einigen bekannten Anordnungen ist der Reflektorkörper oder ein Teil oder Teile desselben beweglich, um die Strahlungsübertragung auf das Substrat zu stoppen oder zu reduzieren. Ein befestigter Körper ist bevorzugt, da dieser Abmessungen aufweisen kann, welche es erlauben, integrierte Kühlkanäle mit einzuschließen, und es wird die Kühlmittelzuführung erleichtert. Der Reflektorkörper ist passenderweise ein monolithischer Block, welcher mittels Extrusion aus einem passenden Material, wie etwa Aluminium, gebildet ist.

Die Erfindung wird nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben.
1 ist eine Vorderansicht einer Bestrahlungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung;
2 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine Klammer zeigt, die einen Teil des Aufbaus der 1 bildet;
3 ist eine schematische, perspektivische Ansicht des Aufbaus der 1 im Betrieb;
4 und 5 zeigen die Strahlmuster, welche mit Lampenaufbauten aus dem Stand der Technik erzeugt werden;
6 und 7 zeigen die Strahlmuster, die mit dem Aufbau der 1 erzeugt werden;
8 enthält Lichtintensitäts-Graphen, die sich aus den Strahlmustern der 4, 5 und 7 ergeben;
9 ist eine Serie von Ansichten, die die Konstruktionsschritte der reflektierenden Oberfläche des Aufbaus der 1 darstellen;
10 stellt ein beispielhaftes, reflektierendes Oberflächenprofil dar; und
11 enthält Skizzen, die das Luftkühlsystem der Bestrahlungsvorrichtung der 1 und Luftkühlsysteme des Standes der Technik darstellen.
Der Lampenaufbau (Bestrahlungsvorrichtung) 2 enthält einen Reflektorkörper 4, welcher bevorzugt aus extrudiertem Aluminium hergestellt ist. Der Reflektorkörper 4 weist einen Hohlraum 6 mit einer kontinuierlich konkav gebogenen Oberfläche 8 auf, an der ein separater Reflektor 10 mit einer reflektierenden Oberfläche gleichen Profils, wie der Hohlraum 6, befestigt ist.
Der Reflektor 10 besteht aus zwei Reflektorelementen 12, von denen jedes zwischen einem Flansch 14 und einer Klammer 16 gehalten wird. Die Reflektorelemente 12 enthalten Platten, welche ursprünglich flach sind, und welche der Form des Hohlraums 6 durch die Klammerung in die Position der 1 angepaßt werden.
Jede Klammer 16, siehe 2, ist so geformt, daß sie an das untere Ende des Reflektorkörpers 4 paßt, wenn sie mit diesem durch ein Befestigungsmittel 18 verbunden wird. Die Klammer 16 schließt einen Kanal 20 ein, um den Kopf des Befestigungsmittels 18 aufzunehmen. Ein sich nach oben erstreckender Flansch 22 definiert zusammen mit dem Reflektorkörper 4 einen Schlitz zur Aufnahme einer Kante eines Reflektorelementes 12. Wie aus der 2 zu erkennen ist, kann der an dem Körper 4 gebildete Flansch auch so geformt sein, daß er einen Schlitz zur Verfügung stellt, welcher beim Halten des Elementes 12 während der Befestigung der Klammer 16 unterstützend wirkt.
Die Klammern 16 können schnell lösbar sein, indem die Befestigungsmittel 18 an dem Körper 4 befestigt werden, wobei dann die Klammern mit einem entsprechend großen Schlüssellochausschnitt 24 versehen werden. Die Klammer 16 kann befestigt und gelöst werden, indem sie einfach verschoben wird, um die Schlüssellöcher 24 in bzw. außer befestigenden Eingriff mit den Befestigungsmitteln 18 zu bringen.
Die Verwendung der Klammern stellt sicher, daß die Reflektorelemente 12 nahe an den Reflektorkörper 4 gepreßt werden, und daß die Kühlung dieses Körpers 4 so wirksam ist, daß Hitze von den Reflektorelementen 12 genommen wird. Indem die Hitze an den Reflektorelementen 12 wirksam abgebaut wird, altern die Elemente 12 nicht so schnell. Dies bedeutet, daß sie weniger häufig ersetzt werden müssen. Darüber hinaus müssen die Elemente 12 nur ersetzt werden, im Gegensatz zu einer Extrusion einer vollständig zu polierenden Oberfläche. Dies reduziert nicht nur die Stoppzeiten in der Produktionslinie des Anwenders, sondern es senkt zusätzlich stark die Betriebskosten des Anwenders.
Der Reflektor 10 dient dazu, die von einer Lampe 26 emittierte Strahlung zu reflektieren. Die Lampe 26 ist eine längliche, tubusförmige, mit durchschnittlichem Druck arbeitende Quecksilberdampf-UV-Lampe. Die Lampe 26 weist einen zentralen Abschnitt auf, welcher Strahlung emittiert, und Endabschnitte, welche mit einer passenden Energiequelle 28 verbunden sind, um die Lampe mit Engergie zu versorgen, auf.
Der Lampenaufbau 2 ist sowohl luftgekühlt als auch wassergekühlt. Luft wird verwendet, um die Lampe 26 zu kühlen, während von dem Körper 4 die Hitze durch Wasser entfernt wird. Komprimierte Kühlluft wird von einer Quelle 32 für komprimierte Luft einer Röhre 30 zugeführt, welche sich durch eine in dem Reflektorkörper 4 am Scheitelpunkt des Hohlraums 6 gebildete Bohrung erstreckt. Der Reflektorkörper 4 schließt darüber hinaus mehrere Kanäle 34 ein, welche sich longitudinal zu demselben zum Zwecke der Zirkulation des flüssigen Kühlmittels von und zu einer Kühlmittelflüssigkeitsquelle 36 erstrecken. Wie in 1 gezeigt, sind die Kanäle 34 derart geformt und angeordnet, daß die Kühlmittelflüssigkeit benachbart zu einem Großteil der äußeren Oberfläche des Reflektors 10 fließt. Die an den Seiten des Reflektors 10 angeordneten Kanäle 34a sind insbesondere nützlich, da sie helfen, die Oberflächentemperatur auf der Außenseite des Blocks 4 nicht über akzeptable Grenzen ansteigen zu lassen, beispielsweise 50°C (122° F), sogar bei einer Lampenenergie von 200 W/cm (500 W/Zoll). Sie reduzieren oder verhindern Hitzeabstrahlung von den Wandungen des Körpers 4, was wiederum das Aufheizen von benachbarten Teilen reduziert oder verhindert. Zusätzlich helfen die im Sinne der 1 unteren Kanäle 34a, die Enden des Körpers 4, welche einen Bereich darstellen, der insbesondere empfindlich gegenüber Überhitzung ist, kühl zu halten.
Kühlmittelflüssigkeit wird auch durch die Zuführung 36 von und zu den Quarzröhren 38 geführt, um Filter 40 zu bilden. Die zylindrischen Wandoberflächen der Röhren 38 funktionieren als Linsen und die Kühlmittelflüssigkeit filtert gleichzeitig Infrarotstrahlung heraus und kooperiert mit den Röhrenwänden, um durch diese hindurchtretende Strahlung zu beugen und zu fokussieren. Die Verwendung der Filter 40 hat daher Vorteile, aufgrund der Filterungs- und Fokussiereffekte derselben und der zusätzlichen Kühlung, die sie erzeugen. In einigen Situationen können Filter jedoch unerwünscht oder unnötig sein, so daß sie dann nicht verwendet werden.
Die 4 und 5 zeigen die Strahlungslichtstrahlmuster, die mit den bekannten Lampenaufbauten erzeugt werden, in 4 ungefiltert und in 5 gefiltert. Der Reflektor 10 der 4 weist eine reflektierende Oberfläche auf, welche elliptisch ist, während der Reflektor 10 der 5 parabolisch ist.
Gemäß 4 wird mit einer elliptischen, reflektierenden Oberfläche und ohne Filterung die Lampe wie üblich in einem der elliptischen Brennpunkte angeordnet, wobei in dem anderen Brennpunkt eine Strahlungskonzentration erzeugt wird. Tatsächlich ergibt sich eine Strahlungslinie, welche eine sehr hohe Energie über einer schmalen Region auf dem Substrat 42 erzeugt. Diese Energiespitze läßt sich in Graph C der 8 erkennen. 5 zeigt das andere Strahlmuster, welches von einem Lampenaufbau 2 mit einer parabolischen, reflektierenden Oberfläche und Filtern 40 erzeugt wird. Es wird immer noch eine Linie hoher Intensität unterhalb der Lampe 26 von den reflektierten und den direkt nach unten emittierten Strahlen erzeugt. Die Filter 40 fokussieren die nach unten gerichteten, aber angewinkelten Strahlen, um zwei zusätzliche Konzentrationszentren niedrigeren Niveaus zu erzeugen. Die sich ergebende Lichtintensitätsvariation über dem Aufbau 2 ist in dem Graph B der 8 dargestellt.
Sowohl mit dem Lampenaufbau der 4 als auch mit dem der 5 wird ein signifikanter Anteil der von der Lampe 26 emittierten Strahlung zurück auf die Lampe 26 reflektiert. Dies ergibt einen Verlust der verfügbaren Strahlungsenergie, da die verlorene Energie unnötig die Lampe 26 aufheizt, was wiederum ihren Betrieb nachteilig beeinflussen kann und einen ihren Ersatz erfordernde Alterung verursachen kann.
Bei den bekannten Anordnungen liegt der Winkelbereich der Strahlung, die zurück auf die Lampe 26 reflektiert wird, bei etwa 90°. Bei den bekannten elliptischen und parabolischen Reflektoranordnungen gemäß den 4 und 5 ist der Winkelbereich α 86° bzw. 82°, so daß 24% bzw. 23% der emittierten Strahlung verloren wird.
Der Reflektor 10 des Lampenaufbaus 2 der 1 hat eine reflektierende Oberfläche, welche so geformt ist, daß sie die Menge der zurück auf die Lampe 26 reflektierten Strahlung um mindestens 50% reduziert. Wie in 6 gezeigt, mit der Ausführungsform der 1, wird die gesamte; von dem Reflektor 10 reflektierte Strahlung von der Lampe 26 weggeleitet. Die Strahlung, die durch die Lücke zwischen den Reflektorelementen 12 hindurchtritt, kann auf die Lampe 26 zurückreflektiert werden; der sich daraus ergebene Aufheizungseffekt ist jedoch wesentlich geringer als mit den bekannten Anordnungen, da die Lücke einen wesentlich kleineren Winkelbereich definiert, weniger als 36°, bevorzugt 26° bis 28°. Der Energieverlust wird somit auf 7.2% bis 7.7% reduziert.
Das Profil der reflektierenden Oberfläche des Reflektors 10 der 1 und 6 ist auch derart, daß die aus dem oberen Abschnitt der Lampe austretende Strahlung durch die Reflektion auf zwei Brennpunkte 44 fokussiert wird, die sich auf jeder Seite der Lampe 26 befinden. Die Brennpunkte 44 verhalten sich so, als ob sie zweite Strahlungsquellen wären, die die Wirkung der Erzeugung eines größeren Bereichs relativ hoher Intensität haben.
7, die der Einfachheit halber nur ein Reflektorelement 12 darstellt, zeigt den Effekt von zwei Brennpunkten 44, wenn der Lampenaufbau 2 mit Filtern 40A und 40B versehen ist. Jeder Filter 40 fokussiert die von dem darüberliegenden Brennpunkt 44 ausgesandte Strahlung, um eine erste Strahlungsbündelung unter dem Filter 40 zu bilden, wie mit Bezug auf den Filter 40A dargestellt ist. Zusätzlich fokussiert jeder Filter 40 die von dem unteren Abschnitt der Lampe 26 ausgesandte Strahlung, um eine zweite Bündelung auf der dem anderen Filter 40 abgewandten Seite zu bilden, wie mit Bezug auf den Filter 40B dargestellt ist. Das Ergebnis sind vier Strahlungsintensitätsspitzen, wie in dem Graph A der 8 dargestellt.
Der Aufbau eines reflektierenden Oberflächenprofils der 6 und 7, welches die oben beschriebenen Ergebnisse erzielt, ist in der 9 dargestellt. Für jeden Lichtstrahl, der aus dem oberen Abschnitt der Lampe 26 austritt, ist ein reflektierter Strahl gezeichnet, so daß der reflektierte Strahl die Seite der Lampe 26 (1) passiert. Dann ist eine Facette aufgetragen, um die gewünschte Reflexion (2) zu erzeugen. Der Vorgang wird für die weiteren Strahlen um die Lampe 26 herum fortgeführt (3). Für die aus dem unteren Abschnitt der Lampe austretenden Strahlen sind Facetten gezeichnet, so daß die reflektierten Strahlen die Filter 40 passieren (4). Die Reflektionsfacetten werden verbunden, um ein Profil zu bilden (5). Um ein glattes Profil zu bilden, wird dann eine "best fit"-Kurve erzeugt (6).
Eine mögliche "best fit"-Kurve ist in der 10 dargestellt. Diese enthält vier Bögen AB, BC, CD und DE mit vier verschiedenen Zentren F, G, H, J und Radien K, L, M und N. Die Positionen der Punkte A, B, C, D, E, F, G, H und J sind aufgrund einer automatischen Datenverarbeitung ausgewählt, um das Profil durch Formen des Hohlraums 6 des Reflektorblockes 4 mittels einer CNC zu bilden.
Die 10 ist einfach eine Darstellung eines passenden Profilgenerators; es gibt jedoch andere Wege die "best fit"-Kurve zu erzeugen.
Das reflektierende Oberflächenprofil reduziert nicht nur die zurück auf die Lampe reflektierte Strahlungsmenge, sondern maximiert auch die Filtereffizienz, da sie die Strahlungsmenge maximiert, die durch den Filter 40 entweder direkt von dem unteren Abschnitt der Lampe 26 oder über den Brennpunkt 44 hindurchtreten. Insbesondere ist im Vergleich mit bekannten Anordnungen die Strahlungsmenge reduziert, die zwischen den Filtern hindurchtritt.
Das reflektierende Oberflächenprofil kann auch die Erzeugung eines Luftwirbels innerhalb des Hohlraums 6 verursachen oder zu dieser beitragen, wie im Hauptbild der 11 dargestellt ist. Wie dort gezeigt, weist die in den Hohlraum 6, siehe Pfeil 46, gerichtete Kühlluft eine in diesen eindringende Rotationsbewegung auf, die sie veranlaßt zu verwirbeln und um die Lampe 26, siehe Pfeile 48, herumzufließen. Die Filter 40 sind dimensioniert und angeordnet, um zu diesem Effekt beizutragen.
Durch Zuführen der Kühlluft in einem einfachen, tangential auf die Lampe 26 gerichteten Strom kann der Wirbeleffekt erzeugt werden; dies ist jedoch nicht der Fall mit zwei angewinkelten Strömen oder einem direkt hinunter auf die Lampe gerichteten Strom, wie in dem oberen bzw. unteren kleinen Bild der 11 dargestellt. In beiden Fällen fließt Luft um einen Teil der Lampe 26 herum, aber es existiert in dem ersten Fall kein Fluß entlang einer oberen und einer unteren Region und in dem zweiten Fall kein Fluß entlang einer unteren Region.
Der schräge Luftstrom kann durch Verwendung einer Luftröhre 30 mit einer Ausgangsöffnung 50 zu einer Seite der symmetrischen Mittenlinie des Reflektorkörpers 4 erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Öffnung in dem Reflektorkörper 4 zwischen der Luftröhre 30 und der zwischen den Reflektorelementen bestehenden Lücke entsprechend beabstandet sein. Ein bevorzugter Winkel ist 15°.
Ein die gesamte Lampe 26 umgebender kühlender Luftfluß ergibt eine viel bessere Kühlung, mit Unterbrechung und Aufbrechen der sich benachbart zu der Oberfläche der Lampe 26 befindenden Grenzschicht.
Insgesamt ist mit dem Lampenaufbau 2 die Kühleffizienz durch die Kombination der vielfältigen Kühlmittelflüssigkeitskanäle 34, die Klammerung der Reflektor elemente 12 an dem Reflektorkörper 4, die relativ große Luftröhre 30, die verwendet werden kann, da eine Lücke zwischen den Reflektorelementen 12 und der Wirbelerzeugung in dem durch die Luftröhre 30 zugeführten Kühlluftstrom besteht, optimiert. Darüber hinaus wird weniger Kühlenergie benötigt, um mit der Selbstaufheizung der Lampe 26 fertig zu werden, da diese durch das reflektierende Oberflächenprofil reduziert ist.

Claims

Bestrahlungsvorrichtung (2) mit einer länglichen Strahlungsquelle (26) und einer länglichen Reflektoroberfläche, welche die Strahlungsquelle (26) teilweise umgibt, um Strahlung von der Strahlungsquelle (26) auf ein Substrat (42) zu reflektieren, um eine sich auf diesem befindende Beschichtung auszuhärten, gekennzeichnet durch zwei zwischen der Strahlungsquelle (26) und dem Substrat (42) angeordnete Filter (40), wobei die Reflektoroberfläche ein Profil aufweist, welches so geformt ist, dass es zwei Brennpunkte für reflektiertes Licht auf jeder Seite der Strahlungsquelle (26) definiert, und wobei die Lage der Brennpunkte bezüglich der Filter (40) derart ist, dass Licht der Brennpunkte durch die Filter (40) zu dem Substrat (42) gelangt.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Reflektoroberfläche derart geformt ist, das ein Teil des von ihr reflektierten Lichtes durch die Filter (40) geschickt wird.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Reflektoroberfläche (12) fortlaufend konkav gebogen ist und bezüglich der Strahlungsquelle (26) derart geformt ist, dass weniger als 10% der von der Strahlungsquelle (26) emittierten Strahlung auf diese zurückreflektiert.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Mittel (30) zum Zuführen von Kühlluft an die Strahlungsquelle (26) von oberhalb der Strahlungquelle (26) und Wirbelerzeugungsmitteln zum Erzeugen eines Luftwirbels derart, dass ein Kühlluftfluss um die Strahlungsquelle (26) herum besteht.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (26) röhrenförmig ist und die Wirbelerzeugungsmittel eine angewinkelte Luftzuführdurchtrittsöffnung aufweisen, um Kühlluft tangential und auf eine Seite der Strahlungsquelle (26) zu richten.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelerzeugungsmittel die Reflektoroberfläche enthalten, welche ein Profil aufweist, welches so konfiguriert ist, dass es den Luftwirbel bildet.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelerzeugungsmittel mindestens ein zwischen der Strahlungsquelle (28) und dem Substrat (42) angeordnetes Filter (40) einschließen, wobei jedes Filter (40) zum Erzeugen eines Luftwirbels geformt und angeordnet ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Reflektorkörper (10) mit einem Hohlraum, in welchem die Strahlungsquelle (26) angeordnet ist, wobei die Reflektoroberfläche auf der Hohlraumoberfläche angeordnet ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorkörper (10) eine Vielzahl von Kanälen (34) für das Hindurchtreten einer Kühlflüssigkeit aufweist, von denen mindestens einer benachbart zu jedem der Hohlraumenden angeordnet ist, um die Hohlraumwandung zu kühlen.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoroberfläche durch zwei Reflektorplatten (12) gebildet ist, welche zu beiden Seiten einer symmetrischen Mittenlinie des Hohlraumes an dem Reflektorkörper befestigt sind.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorplatten (12) voneinander beabstandet sind, um eine längliche Lücke zu definieren, in der der Reflektorkörper (10) eine längliche Bohrung einschließt, welche durch eine kontinuierliche Öffnung mit dem Hohlraum verbunden ist, wobei die Luftzuführmittel eine Luftquelle, die Bohrung, die Öffnung und die Lücke enthalten.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnung auf einer Seite der symmetrischen Mittenlinie des Hohlraums befindet.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflekorplatten durch lösbare Klemmen befestigt sind, welche dafür sorgen, dass die Reflektorplatten sich an das Profil der Hohlraumoberfläche anpassen.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorkörper sich in den Hohlraum erstreckende Flansche einschließt, wobei jede Reflektorplatte (12) mit einer Kante benachbart zu einem Flansch und mit der gegenüberliegenden Kante benachbart zu einer Klammer (16) befestigt ist, welche an einem, dem Substrat (42) benachbart liegenden Ende des Reflektorkörperhohlraums durch festziehbare Befestigungsmittel angebracht ist.