DE19758739B4

DE19758739B4 - Bestrahlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE19758739B4
Application number: DE19758739A
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: 2009-12-17
Anticipated expiration: 2017-08-02
Also published as: GB2349684B; GB0018348D0; DE19733496B4; GB2315850A; US5973331A; GB9616311D0; GB2315850B; GB2349684A; DE19733496A1

Abstract

Bestrahlungsvorrichtung mit einer länglichen, röhrenförmigen Strahlungsquelle (26), einer länglichen, reflektierenden Oberfläche (8), welche die Strahlungsquelle (26) teilweise umgibt um Strahlung von der Strahlungsquelle (26) durch eine Öffnung unterhalb der Strahlungsquelle (26) auf ein Substrat zu reflektieren, um eine sich darauf befindende Beschichtung auszuhärten, und mit Mitteln (30) zum Zuführen von Kühlluft an die Strahlungsquelle (26) von oberhalb der Strahlungsquelle (26), wobei sie Mittel (50) zum Erzeugen eines Luftwirbels (48) der Art aufweist, dass ein Kühlluftfluss um die Strahlungsquelle (26) herum besteht dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (50) zum Erzeugen eines Luftwirbels (48) eine angewinkelte Luftzufuhrdurchtrittsöffnung aufweisen, um Kühlluft tangential direkt und nur auf eine Seite der Strahlungsquelle (26) zu richten.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bestrahlungsvorrichtungen, insbesondere auf Bestrahlungsvorrichtungen 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 einer länglichen Bestrahlungsvorrichtung 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 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.
Dieses Problem wurde im französischen Patent FR 2 334 966 A 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 zu verformen, um ihm extern eine im wesentlich konkave Form entlang der Breite der Lampe zu geben, durch Biegen der oberen Kante jeder Halbschale nach unten in Richtung der Lampe.
Die in dem französischen Patent FR 2 334 966 A veröffentlichte 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, was mit dem derzeitigen Wunsch der Industrie nach kleineren Aushärtungseinrichtung nicht in Übereinstimmung ist. Die Kühlung der Halbschalen wird schwierig sein; wiederum aufgrund der Notwendigkeit die Drehbewegung unterzubringen. Es werden auch Probleme auftreten 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 Bestrahlungsvorrichtungen war ein konstantes 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. Nun sind Lampenenergien von 80–160 W/cm üblich und es werden zunehmend Lampen noch höherer Energien, 200–240 W/cm zunehmend 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, einschließlich Substraten, die sehr empfindlich gegenüber Hitzeschäden sind zu verarbeiten.
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 des Fokussierens des Lichtes von der Lampe auf das Substrat. Die Kühlflüssigkeit zirkuliert durch alle Röhren mittels Kühl- oder Tiefkühlmitteln.
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 einer Bestrahlungsvorrichtung 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 Schaden an der reflektierenden Oberfläche zur Folge, daß der Block ersetzt werden muß, mit entsprechender Abklemmung und Wiederanschließung an die Kühlflüssigkeitszuführungen.
Aus GB 1 234 846 A ist eine Bestrahlungsvorrichtung bekannt, die eine Strahlungsquelle und einen die Strahlungsquelle umgebenden Reflektor zeigt. Durch mehrere Schlitze wird Kühlluft in den Innenraum des Reflektors von oben zugeführt und hierdurch eine symmetrische Luftströmungsführung entlang der Oberfläche des Reflektors erzielt. Diese Luftströmung bewirkt gleichzeitig einen Abzug von erwärmter Luft aus der Umgebung der Strahlungsquelle und kann dadurch eine Kühlung der Strahlungsquelle selbst bewirken. Aus US 5 343 629 A ist eine Bestrahlungsvorrichtung bekannt, die eine ähnlich ausgeführte Kühlluftströmungsführung aufweist. Nachteilhaft bei diesen bekannten Bestrahlungsvorrichtungen ist, dass die Kühlluft regelmäßig nur einen Teil der Oberfläche der Strahlungsquelle überstreichen kann und auf diese Weise nicht die gesamte Strahlungsquellenoberfläche zur Abfuhr der Wärme aus der Strahlungsquelle genutzt wird.
Die DE 33 05 173 A1 offenbart einen durch Zwangsluftströmung kühlbaren UV-Strahler mit einer Langbogenentladungslampe. Kühlluft gelangt in einem Luftführungskanal, aus dem sie gleichmäßig verteilt in einen Schlitz eintritt und sich hier zur Hälfte in zwei Kanäle verteilt. Die Kühlluft dient dazu, die Langbogenentladungslampe zu umströmen und zu kühlen.
Es ist ein allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Bestrahlungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche eines oder mehrere der mit bekannten Aufbauten verbundenen, wie oben diskutierten Probleme überwindet. Es ist insbesondere ein Ziel, eine Bestrahlungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, in der die Hitzeerzeugung reduziert ist. Es ist weiterhin insbesondere Ziel, eine Bestrahlungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit einem effizienteren Kühlsystem, insbesondere einem effektiveren Luftkühlsystem. Es ist weiterhin insbesondere Ziel, eine Bestrahlungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit einem Reflektorteil, welches schnell und leicht ersetzt werden kann.
Eine Bestrahlungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung ist ausgestattet gemäß Anspruch 1.
Die Bestrahlungsvorrichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung ist ausgestattet mit einer länglichen Strahlungsquelle, einer länglichen, reflektierenden Oberfläche, welche die Quelle teilweise umgibt, um Strahlung von der Quelle durch eine Öffnung unterhalb der Quelle auf ein Substrat zu reflektieren, um eine sich darauf befindende Beschichtung, Mitteln zum Zuführen von Kühlluft an die Quelle von oberhalb der Quelle und Mitteln zum Erzeugen eines Luftwirbels benachbart zur Quelle, derart, daß ein Kühlluftfluß um die Quelle 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 herum zu wirbeln. Dies erhöht die Kühleffizienz und somit die Lampeneffizienz und verlängert auch die Lampenlebensdauer.
Die Wirbelerzeugungsmittel weisen einen angewinkelten Luftzuführkanal auf, um Kühlluft tangential zu einer tubusförmigen Strahlungsquelle auf eine Seite der Quelle 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 Lichtquelle 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 Form 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 reflektierende 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 Quelle derart geformt ist, daß weniger als 10% der von der Quelle 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 FR 2 334 966 A auftreten, vermieden werden, indem das reflektierende Oberflächenprofil kontinuierlich konkav gebogen wird. Das Profil ist geformt, um die auf die Lampe zurückreflektierte Strahlung zu minimieren, wodurch sich eine Abweichung von den herkömmlichen, elliptischen und parabolischen Formen von bekannten Reflektoren ergibt.
Die Bestrahlungsvorrichtung kann einen reflektierenden Körper mit einem Hohlraum aufweisen, in welchem die Quelle angeordnet ist, wobei die reflektierende Oberfläche auf der Hohlraumoberfläche angeordnet ist.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der Erfindung weist dieser Typ eine 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 Reflektorhohlraums durch Befestigungsmittel angebrachten Klammer gehalten werden.
Die Verwendung von zwei Reflektorelementen macht den Reflektor insgesamt leichter anpaßbar, als wenn ein einziges Reflektorteil verwendet wird. Die Klammer 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 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 Bestrahlungsvorrichtungen 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.
Die 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, welcher Strahlung emittiert, und Endabschnitte, welche mit einer passenden Energiequelle 28 verbunden sind, um die Lampe mit Energie zu versorgen, auf.
Die Bestrahlungsvorrichtung 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, sogar bei einer Lampenenergie von 200 W/cm. 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 Bestrahlungsvorrichtungen 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 eine schmalen Region auf dem Substrat 42 erzeugt. Diese Energiespitze läßt sich in Graph C der 8 erkennen. 5 zeigt das andere Strahlmuster, welches von einer Bestrahlungsvorrichtung 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 der Bestrahlungsvorrichtung 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 der Bestrahlungsvorrichtung 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 ein 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 die Bestrahlungsvorrichtung 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 der Bestrahlungsvorrichtung 2 die Kühleffizienz durch die Kombination der vielfältigen Kühlmittelflüssigkeitskanäle 34, die Klammerung der Reflektorelemente 12 an dem Reflektorkörper 4, die relative 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.
Zur gleichen Zeit führt das reflektierende Oberflächenprofil zu einer Maximierung der Filtereffizienz, wenn der Aufbau mit Filtern versehen wird, da mehr Strahlung durch die Filter hindurchtritt, als bei bekannten Anordnungen.
Das Gesamtergebnis ist eine Bestrahlungsvorrichtung, die Lampen mit hoher Energie ohne Überhitzung der Lampe aufnehmen kann, ohne Risiko eines Schadens an dem Substrat, dessen Beschichtung, angrenzenden Teilen in der Druckerpresse oder bei Bedienpersonal.
Der Entwurf stellt auch eine sicherere Arbeitsumgebung für das Bedienpersonal zur Verfügung und eine effizientere Herstellungslinie, die bei höheren Geschwindigkeiten arbeiten kann, mit weniger Standzeiten und weniger Betriebskosten bezüglich der Verbrauchsteile aufweist.

Claims

Bestrahlungsvorrichtung mit einer länglichen, röhrenförmigen Strahlungsquelle (26), einer länglichen, reflektierenden Oberfläche (8), welche die Strahlungsquelle (26) teilweise umgibt um Strahlung von der Strahlungsquelle (26) durch eine Öffnung unterhalb der Strahlungsquelle (26) auf ein Substrat zu reflektieren, um eine sich darauf befindende Beschichtung auszuhärten, und mit Mitteln (30) zum Zuführen von Kühlluft an die Strahlungsquelle (26) von oberhalb der Strahlungsquelle (26), wobei sie Mittel (50) zum Erzeugen eines Luftwirbels (48) der Art aufweist, dass ein Kühlluftfluss um die Strahlungsquelle (26) herum besteht dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (50) zum Erzeugen eines Luftwirbels (48) eine angewinkelte Luftzufuhrdurchtrittsöffnung aufweisen, um Kühlluft tangential direkt und nur auf eine Seite der Strahlungsquelle (26) zu richten.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (50) zum Erzeugen des Luftwirbels (48) die reflektierende Oberfläche (8) enthalten, welche ein Profil aufweist, welches so konfiguriert ist, dass es den Luftwirbel bildet.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (50) zum Erzeugen von Luftwirbel (48) mindestens einen zwischen der Strahlungsquelle (26) und dem Substrat angeordneten Filter (40, 40A, 40B) einschließen, wobei jeder Filter (40, 40A, 40B) derart geformt und angeordnet ist, dass der Luftwirbel erzeugt wird.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Reflektorkörper (4) mit einem Hohlraum (6), in wel chem die Strahlungsquelle (26) angeordnet ist, wobei die reflektierende Oberfläche (8) auf der Hohlraumoberfläche vorgesehen ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche (8) durch zwei Reflektorplatten gebildet wird, welche zu beiden Seiten einer symmetrischen Mittenlinie des Hohlraumes (6) an dem Reflektorkörper (4) befestigt sind.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorplatten durch lösbare Klemmen (16) befestigt sind, welche dafür sorgen, dass die Reflektorplatten sich an das Profil der Hohlraumoberfläche anpassen.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorkörper (4) sich in den Hohlraum erstreckende Flansche (14) einschließt, wobei jede Reflektorplatte mit einer Kante benachbart zu einem Flansch (14) und mit der gegenüberliegenden Kante benachbart zu einer Klammer befestigt ist, welche an einem, dem Substrat benachbart liegenden Ende des Hohlraums (6) durch festziehbare Befestigungsmittel (18) angebracht ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorplatten voneinander beabstandet sind, um eine längliche Lücke zu definieren, in der der Reflektorkörper (4) eine längliche Bohrung einschließt, welche durch eine kontinuierliche Öffnung mit dem Hohlraum (6) verbunden ist, wobei die Mittel (30) zum Zuführen von Kühlluft eine Luftquelle (32), die Bohrung, die Öffnung und die Lücke enthalten.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Öffnung auf einer Seite der symmetrischen Mittenlinie des Hohlraums (6) befindet.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorkörper (4) eine Vielzahl von Kanälen (34, 34a) das Hindurchtreten einer Kühlflüssigkeit aufweist, von denen mindestens einer benachbart zu jedem der Hohlraumenden angeordnet ist, um die Hohlraumwandung zu kühlen.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektorkörper (4) innerhalb eines Gehäuses befestigt ist.
Bestrahlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zwei zwischen der Strahlungsquelle (26) und dem Substrat angeordneten Filtern (40A, 40B), wobei die reflektierende Oberfläche (8) ein Profil aufweist, welches so geformt ist, dass es zwei Brennpunkte (44) reflektiertes Licht auf jeder Seite der Strahlungsquelle (26) definiert, und wobei die Brennpunkte (44) bezüglich der Filter (40A, 40B) derart angeordnet sind, dass im Wesentlichen das gesamte Licht der Brennpunkte (44) durch die Filter (40A, 40B) zu dem Substrat gelangt.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der reflektierenden Oberfläche (8) derart geformt ist, das ein wesentlicher Teil des von ihr reflektierten Lichtes durch die Filter (40A, 40B) geschickt wird.
Bestrahlungsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der reflektierenden Oberfläche (8) im Wesentlichen 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 wird.