EP0985121A1 - Vorrichtung zum bestrahlen eines substrats mittels uv-strahlen und verfahren zum betrieb der vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zum bestrahlen eines substrats mittels uv-strahlen und verfahren zum betrieb der vorrichtung

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EP0985121A1
EP0985121A1 EP98916778A EP98916778A EP0985121A1 EP 0985121 A1 EP0985121 A1 EP 0985121A1 EP 98916778 A EP98916778 A EP 98916778A EP 98916778 A EP98916778 A EP 98916778A EP 0985121 A1 EP0985121 A1 EP 0985121A1
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EP
European Patent Office
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housing
lamp
cooling gas
rays
reflector
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EP98916778A
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EP0985121B1 (de
Inventor
Bernhard Max Glaus
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Uviterno AG
Original Assignee
Glaus Bernhard Max
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP0985121B1 publication Critical patent/EP0985121B1/de
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F26—DRYING
    • F26B—DRYING SOLID MATERIALS OR OBJECTS BY REMOVING LIQUID THEREFROM
    • F26B3/00—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat
    • F26B3/28—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun

Definitions

  • the invention relates to a device for irradiating a substrate by means of UV rays according to the preamble of claim 1.
  • Such devices are used, for example, in printing technology for drying lacquers, inks, etc. by polymerization. Treatments using UV rays are also used, for example, in food technology for preservation purposes, etc.
  • UV radiation sources in addition to UV radiation, a very high proportion of heat-intensive infrared radiation is emitted. On the one hand, this requires permanent cooling of the radiation source and, on the other hand, measures must be taken so that the mostly heat-sensitive substrate cannot be damaged. To cool the UV radiation source, it was therefore already known to direct an air stream through the housing, which was sealed off with a quartz glass plate.
  • US-A-5,094,010 shows a UV lamp of the same type, the housing of which is additionally equipped with water cooling.
  • the reflector of the UV lamp is firmly integrated in a relatively solid lamp head.
  • This UV lamp is for drying large workpieces such as Boat hull made of glass fiber reinforced plastic is not intended and suitable for irradiating substrates that pass the radiation source at high speed. It is not possible to quickly shut down or turn away the radiation source.
  • a major disadvantage of open airflow cooling is that the cooling air drawn in contaminants such as Carries dust or fine paint particles. These contaminants hit the surface of the UV lamp or the reflector, where they are burned in due to the high temperature and form a film of dirt over time. This reduces the efficiency of the radiation source.
  • the known devices with a closed cooling air system cannot work in different operating positions and the very sensitive reflectors are only exposed to the cooling air flow on one side.
  • the housing is provided with at least one cooling gas inlet and at least one cooling gas outlet each, in such a way that the UV lamp can be acted upon by the gas flow between the inlet and outlet. Cooling at full power is therefore possible in any operating position without the environment being affected by a current. No more ozone can escape from the lamp. This means that there is no longer any risk that the surface of the substrate will be directly exposed to air containing ozone, which in certain cases can delay the drying desired with the UV rays.
  • either the entire housing or the UV lamp in the housing can be moved between a working position and a stand-by position.
  • the reflector is freely mounted in the housing in such a way that cooling gas flows around it in every operating position.
  • a particularly high degree of efficiency can be achieved if the cooling gas inlet is connected to a pressure fan and if the cooling gas outlet is connected to a suction fan. In this way, large amounts of cooling gas can be guided through the lamp housing with a specific flow. Harmful ozone is extracted.
  • only the cooling gas inlet is connected to a pressure fan or that only the cooling gas outlet is connected to a suction fan.
  • a temperature sensor is arranged in the housing and that control means for controlling the amount of air flowing through the housing are arranged on the pressure fan and / or on the suction fan and are operatively connected to the temperature sensor.
  • the amount of cooling gas can thus be controlled via the temperature sensor.
  • This can be achieved, for example, by the control means having a motor-controlled flap for changing the flow cross section.
  • the control means can also have a frequency control for the drive motor of the pressure fan and / or the suction fan.
  • the cooling gas outlet or an outlet line connected to it is provided with an ozone filter. This prevents contamination of the environment with artificially generated ozone.
  • the air cleaned in this way can be released into the room at a suitable location for heating purposes, since it can have temperatures of up to 80 ° Celsius. It is also conceivable to feed the heated exhaust air into a heat exchanger for the recovery of the heat given off.
  • cooling gas inlet or an inlet line connected to it is provided with an air filter.
  • the cooling gas entering the housing is thus cleaned of dust and contamination of the UV lamp is prevented.
  • the UV lamp in the housing is preferably surrounded by a reflector which is provided with at least one opening for the passage of the air flow.
  • This can advantageously be a longitudinal slot lying on the plane of symmetry of the reflector and running parallel to the UV lamp. As a result, at least part of the amount of cooling gas can be directed directly onto the UV lamp.
  • a reflector with or without an opening can also be designed to be permeable to heat radiation. As a result, the reflector only reflects the UV rays, while a large part of the heat-intensive IR radiation penetrates the reflector. Such a design of the reflector can be specifically taken into account when guiding the cooling gas within the housing.
  • the reflector particularly advantageously consists of a glass ceramic provided with a mirror layer (e.g. ROBAX® registered trademark). Glass-ceramic materials have a very high permeability to heat rays and are also used for this purpose in electric stovetops. A mirror layer can be applied by known coating techniques, so that UV rays are nevertheless reflected.
  • the supply line and the discharge line are at least partially configured as flexible lines or as telescopic tubes.
  • the housing forms an autonomous module that can be supplied with a cooling gas flow in a closed system, regardless of its operating position.
  • the housing is advantageously mounted to be linearly displaceable between the working position and the stand-by position. Alternatively, however, it could also be rotatably or pivotably mounted.
  • an absorber for absorbing the heat and UV rays is advantageously arranged in the stand-by position.
  • the absorber can be connected to a suction device for additional cooling.
  • the housing In the event of a temporary stoppage of the substrate run the housing is automatically moved into the stand-by position so that the substrate is not exposed to excessively long exposure to radiation, which in extreme cases could lead to self-ignition.
  • the UV rays are absorbed by the absorber so that the operating personnel are not at risk.
  • the maximum possible extension position of the housing for reaching the working position can be adjustable in such a way that the UV lamp irradiates only one section of the substrate, while the remaining section is directed at the absorber and irradiates it.
  • the adjustable extension position has the advantage that the irradiation section can be adapted to the size of the workpiece that is passing through. In this way, means of transport or the like which would heat up need not be irradiated unnecessarily.
  • the housing can be moved linearly particularly advantageously if it is suspended from at least one guide rail and if it can be moved between the working position and the standby position with a pneumatic cylinder. Other drive means such as Linear motors etc. would of course also be conceivable.
  • the housing is advantageously divided into a first flow chamber in which the UV lamp is arranged and a second flow chamber, the cooling gas inlet being arranged on the first flow chamber and the cooling gas outlet being arranged on the second flow chamber.
  • the two flow chambers are connected to one another via a slot running parallel to the UV lamp or via a series of openings.
  • the quartz glass plate has a different coefficient of thermal expansion than the steel housing. It is therefore advantageously stored in a dilatation bearing on the housing.
  • the invention also relates to a method for operating the device mentioned above.
  • This method is characterized by the features in claims 15, 16 and 17.
  • Feeding the cooling gas at a pressure of at least 1 kilopascal causes intensive cooling of all parts within the housing.
  • the working pressure on the pressure fan can be 2 to 3 kilopascals.
  • the pressure difference compared to the housing results from the transmission lines.
  • the cooling gas throughput can be up to approx. 400 mV hour.
  • the temperature of the cooling gas fed in can correspond to the ambient temperature, but should not exceed approx. 25 to 30 ° Celsius. In certain cases, it would be conceivable to reduce the temperature of the cooling gas fed in with a cooling unit.
  • the temperature of the exhaust air at the outlet can be 45 to 80 ° Celsius, so that heat recovery makes sense in certain cases.
  • FIG. 2 shows a cross section through a lamp housing with reflector
  • FIG. 3 shows the schematic representation of a cooling air control
  • FIG. 4 shows a cross section through a lamp housing with a pivotable UV lamp
  • FIG. 5 shows a cross section through a lamp housing for direct and indirect irradiation of the substrate
  • FIG. 6 shows a side view of a linearly displaceable radiation head analogous to FIG. 1, but with further structural details
  • FIG. 7 shows a top view of the radiation head according to FIG. 6,
  • FIG. 8 shows an end view on the radiation head according to FIG. 6 on a somewhat enlarged scale
  • ambient air is used as the cooling gas.
  • air is therefore always used instead of "cooling gas”.
  • FIG. 1 shows a highly schematized UV lamp 2, which is arranged in a housing 3.
  • the UV rays strike a substrate 1, which is guided, for example, on a conveyor belt under the housing.
  • the outlet side 4 on the housing 3 is closed with a UV radiation-permeable quartz glass plate 5.
  • the air inlet 6 is connected to a pressure fan 8, which draws in ambient air and feeds it into the housing 3 at a relatively high pressure.
  • the air outlet 7 is connected to a suction fan 9 which sucks air out of the housing and in turn releases it to the environment via an ozone filter 12.
  • the feed line 10 and the discharge line 11 are preferably designed as flexible lines.
  • Air inlet 6 and air outlet 7 are arranged on the housing such that the UV lamp 2 is in the main flow area.
  • additional baffles, baffles and the like can be arranged in the housing in order to improve the flow effect.
  • the housing 3 is fastened on a slide, not shown here, on a linear guide 14 and can be moved in the direction of arrow a. With the output of the fans 8, 9 unchanged, the housing can thus be shifted to the right in the illustration from the illustrated working position until the UV lamp 2 lies over the absorber 13. In this stand-by position, the throughput of the substrates 1 can be temporarily stopped. In this way, switching off the UV lamp 2 can be avoided.
  • a cross section through the housing 3, the outlet side 4 of which is closed with a quartz glass plate 5, is likewise shown in highly schematic form.
  • the UV lamp 2 is surrounded by a reflector 15 which has a gap 16 above the UV lamp 2. Through this gap, cooling air from the air inlet 6 can strike the UV lamp 2 directly. Part of the cooling air sweeps along the back of the reflector 15 and also cools it.
  • the air outlet 7 is arranged on the long side, but, like the air inlet, could also be on an end side. Self-evident In each embodiment, several air inlets or air outlets could also be arranged on the housing.
  • the reflector 15 is designed by means of a surface coating in such a way that only the UV rays 21 are reflected, while heat-intensive IR rays 22 penetrate the reflector directly. This measure also serves to keep harmful heat rays away from the substrate.
  • FIG. 3 schematically shows a lamp housing 3 with a UV lamp 2 arranged therein.
  • a temperature sensor 19 is also fitted in the housing, with the aid of which the internal temperature can be monitored continuously.
  • the temperature sensor 19 is operatively connected to an actuator 20 with which flap valves 18, 18 'in the feed line 10 or in the discharge line 11 can be actuated.
  • the drive motors 17, 17 'of the Druckventilator ⁇ 8 and the suction fan 9 always work at full power and the control of the air volume takes place only via the flap valves.
  • the drive motors 17, 17 'could also be provided with a frequency control which receives control pulses from the temperature sensor 19.
  • FIG. 4 shows a lamp housing 3 in which the UV lamp 2 arranged therein, together with its reflector 15, can be pivoted through 90 °.
  • the UV rays exit through the quartz glass plate 5 on the exit side 4.
  • the rays strike a protective plate 23.
  • UV rays are deflected onto the substrate or away from the substrate via a partially transparent mirror.
  • a partially transparent mirror Such embodiments are described, for example, in CH-A-660 489.
  • the part- transparent mirror can be fixed or pivoted in the housing.
  • FIG. 5 shows a UV lamp in which two different operating positions are possible.
  • a plurality of air inlets 6, 6 ′, 6 ′′ and a plurality of air outlets 7, 7 ′ are arranged in the housing 3 with the outlet side 4 closed by a quartz glass plate 5.
  • the UV lamp 2 is provided with a reflector 15 which can be rotated into three different positions.
  • a partially transparent mirror 24 is arranged next to the UV lamp, via which UV rays 21 can be directed onto the substrate 1 in a first operating position, while the heat-intensive IR rays 22 penetrate the mirror and are absorbed on the absorber 13.
  • the reflector 15 In a second operating position, the reflector 15 can be pivoted through 90 ° in such a way that the radiation falls directly through the glass plate 5 onto a substrate 1.
  • This direct radiation contains the entire radiation spectrum, including the IR rays, which may be desirable in certain cases.
  • the reflector 15 In the stand-by position, the reflector 15 is turned upward so that the rays fall onto the mudguard 23.
  • air cooling in the closed housing is particularly advantageous because the mechanically movable parts and in particular also the sensitive mirror 24 are protected by the quartz glass plate 5. The cooling air can be directed inside the housing to where it is needed, e.g. also on the absorber 13.
  • cooling channels are additionally provided for the passage of a cooling liquid.
  • FIGS. 6 to 8 show an irradiation head which if linearly displaceable in the direction of arrow a.
  • the shift takes place on a frame 25, which can be part of an irradiation device.
  • roller bearings 26 are arranged on the frame, which engage in two U-shaped guide rails 27 on the top of the housing 3.
  • a pneumatic cylinder 28 is attached between the two guide rails, the piston rod of which is connected to the frame at a piston attachment 37.
  • the pneumatic cylinder is supplied via pneumatic lines, not shown here.
  • the fully extended position is shown in FIG. 6, so that the UV lamp 2 emits down over its entire length onto the substrate.
  • the maximum possible extension position can be limited.
  • a limitation has the effect, for example, that the end face of the radiation head extends only up to the vertical plane 36.
  • the UV lamp 2 emits radiation downward only over part of its length.
  • the remaining section of the lamp partially overlaps the absorber 13, which is arranged firmly under the housing 3.
  • the absorber 13 consists of grill-like lamellae and can heat up to red heat when intensely irradiated.
  • the UV lamp 2 irradiates the absorber over its entire length.
  • a cylindrical bottle cap 35 is shown as the substrate, which is attached to the end of a mandrel 34.
  • a part of the mandrel 34 would obviously also be irradiated and thus heated. Since the mandrel 34 is not cooled, this could damage the closure cap 35.
  • the locking cap 35 irradiated.
  • the housing 3 is divided into a first flow chamber 29 and a second flow chamber 30. Separation plates 31, which leave a longitudinal slot 32 open in the middle, serve as the subdivision. This longitudinal slot runs over the longitudinal slot 16 which the two reflector halves form.
  • the cooling air enters the first flow chamber 29 via the supply line 10, flows around the UV lamp 2 and its reflector 15 and then passes in the direction of arrow b into the second flow chamber 30, which also leaves it again via the discharge line 11 at the end.
  • the lines 10 and 11 are designed as flexible hose lines. This also applies to the absorber suction line 33, via which ambient air is extracted through the absorber grill for cooling purposes.
  • the electrical lines which lead to the UV lamp 2 or to the temperature sensor 19 are likewise combined in a flexible hose 40.
  • FIG. 9 shows a dilatation bearing 38 for holding the quartz glass plate 5.
  • This is attached to the housing 3 by means of a holder 39 such that it can expand in the direction of the arrow c.
  • the bracket 39 must not clamp the quartz glass plate. Rather, it has proven to be advantageous that the quartz glass plate rests freely with sufficient play in the holder 39 (dash-dotted position). If a negative pressure is maintained in the housing in relation to the atmosphere, the quartz glass plate is sucked in and presses tightly against the housing opening (hatched position). However, the use of high-temperature resistant sliding seals would also be conceivable.

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Description

Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrats mittels UV-Strahlen und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrats mittels UV-Strahlen gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1. Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in der Drucktechnik zum Trocknen von Lacken, Farben usw. durch Polymerisation eingesetzt. Behandlungen mittels UV-Strahlen werden aber beispielsweise auch in der Lebensmitteltechnik für Konservierungszwecke usw. eingesetzt.
Ein Problem bei UV-Strahlungsquellen besteht darin, dass neben der UV-Strahlung ein sehr hoher Anteil wärmeintensiver Infrarotstrahlung abgegeben wird. Einerseits bedingt dies eine permanente Kühlung der Strahlungsquelle und anderseits müssen Massnahmen getroffen werden, damit das zumeist wärmeempfindliche Substrat nicht beschädigt werden kann. Zur Kühlung der UV-Strahlungsquelle war es daher bereits bekannt, einen Luftstrom durch das mit einer Quarzglasplatte abgeschlossene Gehäuse zu leiten.
So zeigt beispielsweise die US-A-5,094, 010 einen gattungs- mässig vergleichbaren UV-Strahler, dessen Gehäuse zusätzlich auch noch mit einer Wasserkühlung ausgerüstet ist. Der Reflektor der UV-Lampe ist fest in einen relativ massiven Lampenkopf integriert. Dieser UV-Strahler ist zum Trocknen grosser Werkstücke wie z.B. Bootskörper aus glasfaserverstärktem Kunststoff bestimmt und eignet sich nicht zum Bestrahlen von Substraten, die mit hoher Geschwindigkeit an der Strahlungsquelle vorbeilaufen. Ein schnelles Abblenden oder Wegdrehen der Strahlungsquelle ist nicht möglich.
In der DE U 93 12 809.6 ist eine UV-Strahlungseinrichtung beschrieben, die für hochproduktive Fertigungslinien, bei- spielsweise zur Herstellung von Compact Discs bestimmt ist. Die Austrittsöffnung ist zwar mit einer Quarzglasscheibe abgedeckt, das Gehäuse ist jedoch gegenüber der Umgebung nicht hermetisch abgeschlossen. Über eine Ablufteinrichtung wird Umgebungsluft über seitliche Lüftungsöffnungen und Schlitze angesaugt. Dies hat den Nachteil, dass auch Schmutz und Staubpartikel in das Gehäuse gelangen können. Der Reflektor der UV-Lampe ist in zwei beweglich gelagerte Reflektorhälften unterteilt, die zum Abblenden der Strahlung sich gegenseitig überlappend zusammengefahren werden können. Trotz der Luftkühlung werden die Reflektorhälften dabei im geschlossenen Zustand sehr hohen Temperaturen ausgesetzt und ausserdem werden die Wärmestrahlen auf die Lampe zurückgeworfen.
Ein wesentlicher Nachteil der offenen Luftstromkühlung besteht darin, dass die angesaugte Kühlluft Verunreinigungen wie z.B. Staub oder feine Lackpartikel mit sich trägt. Diese Verunreinigungen treffen auf die Oberfläche der UV-Lampe oder des Reflektors, wo sie infolge der hohen Temperatur eingebrannt werden und mit der Zeit einen Schmutzfilm bilden. Dieser reduziert den Wirkungsgrad der Strahlungsquelle.
Anderseits können die bekannten Vorrichtungen mit geschlossenem Kühlluftsystem nicht in verschiedenen Betriebsstellungen arbeiten und die sehr empfindlichen Reflektoren sind nur auf einer Seite dem Kühlluftstrom ausgesetzt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die UV-Lampe ohne die Gefahr einer Verunreinigung mittels Kühlgas gekühlt werden kann. Die Kühlung soll auch bei beweglichem Gehäuse bzw. bei beweglicher Lampe möglich sein und zwar derart, dass nicht nur die UV-Lampe selbst, sondern auch der Reflektor ausreichend gekühlt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss mit einer Vorrichtung gelöst, welche die Merkmale im Anspruch 1 aufweist .
Das Verschliessen der Austrittsseite mit einer UV-strahlungsdurchlässigen Glasplatte insbesondere mit einer Quarzglasplatte ermöglicht es, innerhalb des Lampengehäuses einen geschlossenen Kühlluftkreislauf zu führen. Zu diesem Zweck ist das Gehäuse mit wenigstens je einem Kühlgaseinlass und mit wenigstens je einem Kühlgasauslass versehen, und zwar derart, dass die UV-Lampe mit dem Gasstrom zwischen Einlass und Auslass beaufschlagbar ist. Eine Kühlung mit voller Leistung ist somit in jeder Betriebsstellung möglich, ohne dass die Umgebung durch eine Strömung beeinträchtigt wird. An der Lampe kann ausserdem kein Ozon mehr austreten. Damit besteht auch nicht mehr die Gefahr, dass die Oberfläche des Substrats direkt mit ozonhaltiger Luft beaufschlagt wird, was in bestimmten Fällen die mit den UV-Strahlen angestrebte Trocknung verzögern kann.
Trotz dieses geschlossenen Kühlkreislaufs kann entweder das ganze Gehäuse oder aber die UV-Lampe im Gehäuse zwischen einer Arbeitsstellung und einer Stand-by Stellung bewegt werden. Der Reflektor ist dabei derart frei im Gehäuse gelagert, dass er in jeder Betriebsstellung allseits von Kühlgas umströmt ist.
Ein besonders hoher Wirkungsgrad kann erzielt werden, wenn der Kühlgaseinlass mit einem Druckventilator und wenn der Kühlgasauslass mit einem Saugventilator verbunden ist. Auf diese Weise können grosse Kühlgasmengen mit einer gezielten Strömung durch das Lampengehäuse geführt werden. Schädliches Ozon wird abgesaugt. Alternativ ist es natürlich auch denkbar, dass lediglich der Kühlgaseinlass mit einem Druckventilator oder dass lediglich der Kühlgasauslass mit einem Saugventilator verbunden ist.
Eine besonders effiziente Kühlung kann dadurch bewirkt wer- den, dass in dem Gehäuse ein Temperatursensor angeordnet ist und dass am Druckventilator und/oder am Saugventilator Steuerungsmittel zum Steuern der das Gehäuse durchströmenden Luftmenge angeordnet sind, welche mit dem Temperatursensor in Wirkverbindung stehen. Über den Temperatursensor kann damit die Kühlgasmenge gesteuert werden. Dies lässt sich beispielsweise damit erreichen, dass die Steuerungsmittel eine motorisch gesteuerte Klappe zum Verändern des Strömungsquerschnitts aufweisen. Der Antriebsmotor des Ventilators arbeitet dadurch immer mit voller Leistung, so dass ohne Verzögerung mit maximaler Kühlleistung gearbeitet werden kann. Alternativ können die Steuerungsmittel aber auch eine Frequenzsteuerung für den Antriebsmotor des Druckventilators und/oder des Saugventilators aufweisen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kühlgasauslass oder eine mit diesem verbundene Auslassleitung mit einem Ozonfilter versehen ist. Damit wird die Kontamination der Umgebung mit künstlich erzeugtem Ozon verhindert. Die derart gereinigte Luft kann an einer geeigneten Stelle zu Heizzwecken in den Raum abgegeben werden, da sie Temperaturen von bis zu 80° Celsius aufweisen kann. Denkbar ist auch die Einspeisung der aufgeheizten Abluft in einen Wärmetauscher für die Rückgewinnung der abgegebenen Wärme.
In bestimmten Fällen ist es auch zweckmässig, wenn der Kühlgaseinlass oder eine mit diesem verbundene Einlassleitung mit einem Luftfilter versehen ist. Das in das Gehäuse eintretende Kühlgas wird so von Staub gereinigt und eine Verschmutzung der UV-Lampe wird verhindert.
Vorzugsweise ist die UV-Lampe im Gehäuse von einem Reflektor umgeben, der mit wenigstens einer Öffnung zum Durchleiten des Luftstroms versehen ist. Dabei kann es sich vorteilhaft um einen auf der Symmetrie-Ebene des Reflektors liegenden und parallel zur UV-Lampe verlaufenden Längsschlitz handeln. Dadurch kann wenigstens ein Teil der Kühlgasmenge direkt auf die UV-Lampe gerichtet werden.
Ein Reflektor mit oder ohne Öffnung kann ausserdem wärmestrahlungsdurchlässig ausgebildet sein. Der Reflektor reflektiert dadurch lediglich die UV-Strahlen, während ein grosser Teil der wärmeintensiven IR-Strahlung den Reflektor durchdringt. Eine derartige Ausbildung des Reflektors kann bei der Führung des Kühlgases innerhalb des Gehäuses speziell berücksichtigt werden. Besonders vorteilhaft besteht der Reflektor dabei aus einer mit einer Spiegelschicht versehenen Glaskeramik (z.B. ROBAX® eingetragene Marke). Glaskeramische Werkstoffe haben eine sehr hohe Durchlässigkeit für Wärmestrahlen und werden zu diesem Zweck auch bei elektrischen Herdplatten eingesetzt. Durch an sich bekannte Beschichtungstechniken kann eine Spiegelschicht aufgetragen werden, so dass UV- Strahlen trotzdem reflektiert werden.
Zur Kompensation der Relativbewegung des Gehäuses zwischen der Arbeitsstellung und der Stand-by Stellung sind die Zufuhrleitung und die Abfuhrleitung wenigstens abschnittweise als flexible Leitungen oder als Teleskoprohre ausgebildet. Das Gehäuse bildet auf diese Weise ein autonomes Modul, das unabhängig von seiner Betriebsstellung in einem geschlossenen System mit einem Kühlgasstrom beaufschlagt werden kann. Das Gehäuse ist dabei vorteilhaft zwischen der Arbeitsstellung und der Stand-by Stellung linear verschiebbar gelagert. Alternativ könnte es allerdings auch drehbar oder schwenkbar gelagert sein.
Neben dem Gehäuse ist vorteilhaft ein Absorber zum Absorbieren der Wärme- und UV-Strahlen in der Stand-by Stellung angeordnet. Der Absorber kann dabei für zusätzliche Kühlung mit einer Absaugeinrichtung verbunden sein.
Bei einem vorübergehenden Stillstand des Substratdurchlaufs wird das Gehäuse dabei automatisch in die Stand-by Stellung gefahren, so dass das Substrat nicht einer übermässig langen Strahlungseinwirkung ausgesetzt ist, welche im Extremfall zu einer Selbstentzündung führen könnte. Die UV-Strahlen werden vom Absorber absorbiert, so dass das Bedienungspersonal nicht gefährdet ist.
Die maximal mögliche Ausfahrposition des Gehäuses zum Erreichen der Arbeitsstellung kann derart einstellbar sein, dass die UV-Lampe nur mit einem Abschnitt das Substrat bestrahlt, während der verbleibende Abschnitt auf den Absorber gerichtet ist und diesen bestrahlt. Die verstellbare Ausfahrposition hat den Vorteil, dass der Bestrahlungsabschnitt der Grosse des durchlaufenden Werkstückes angepasst werden kann. Auf diese Weise müssen nicht unnötigerweise Transportmittel oder dergleichen bestrahlt werden, welche sich dabei erwärmen würden. Besonders vorteilhaft lässt sich das Gehäuse linear bewegen, wenn es an wenigstens einer Führungsschiene aufgehängt ist und wenn es mit einem Pneumatikzylinder zwischen der Arbeitsstellung und der Stand-by Stellung verschiebbar ist. Andere Antriebsmittel, wie z.B. Linearmotoren usw. wären natürlich ebenfalls denkbar.
Das Gehäuse ist vorteilhaft unterteilt in eine erste Strömungskammer, in der die UV-Lampe angeordnet ist und in einer zweite Strömungskammer, wobei der Kühlgaseinlass an der ersten Strömungskammer und der Kühlgasauslass an der zweiten Strömungskammer angeordnet ist. Die beiden Strömungskammern sind über einen parallel zur UV-Lampe verlaufenden Schlitz oder über eine Reihe von Öffnungen miteinander verbunden.
Die Quarzglasplatte hat einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse aus Stahl. Sie ist daher vorteilhaft in einem Dilatationslager am Gehäuse gelagert.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb der eingangs genannten Vorrichtung. Dieses Verfahren ist durch die Merkmale in den Ansprüchen 15, 16 und 17 gekennzeichnet. Das Einspeisen des Kühlgases mit einem Druck von wenigstens 1 Kilopascal bewirkt eine intensive Bestreichung sämtlicher Teile innerhalb des Gehäuses mit Kühlgas. Am Druckventilator kann der Arbeitsdruck 2 bis 3 Kilopascal betragen. Die Druckdifferenz gegenüber dem Gehäuse ergibt sich durch die Übertragungsleitungen. Je nach Gehäusegrösse kann der Kühlgasdurchsatz bis zu ca. 400 mVStunde betragen. Die Temperatur des eingespeisten Kühlgases kann der Umgebungstemperatur entsprechen, sollte aber ca. 25 bis 30° Celsius nicht überschreiten. In bestimmten Fällen wäre es denkbar, die Temperatur des eingespeisten Kühlgases mit einem Kühlaggregat zu reduzieren. Die Temperatur der Abluft kann am Ausgang 45 bis 80° Celsius betragen, so dass in bestimmten Fällen eine Wärmerückgewinnung sinnvoll ist.
Unter bestimmten Umständen kann es vorteilhaft sein, im Gehäuse stets einen unter dem Atmosphärendruck liegenden Druck aufrechtzuerhalten. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass keine ozonhaltige Luft aus dem Gehäuse austreten kann.
Das Problem der Ozonbildung durch Zusammenwirken der UV- Strahlen und des Luftsauerstoffs könnte aber auch dadurch völlig beseitigt werden, dass als Kühlgas Stickstoff verwendet wird. Es hat sich ausserdem überraschend gezeigt, dass der Polymerisationsvorgang in einer Stickstoffatmosphäre besser abläuft und es wäre daher denkbar, das Substrat in einer Stickstoffatmosphäre zu bestrahlen und das Gas gleichzeitig als Kühlgas durch das Gehäuse zu führen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend genauer beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 die Seitenansicht eines linear verschiebbaren Be- strahlungskopfes mit den Merkmalen der Erfindung,
Figur 2 ein Querschnitt durch ein Lampengehäuεe mit Reflektor,
Figur 3 die schematische Darstellung einer Kühlluftsteuerung,
Figur 4 ein Querschnitt durch ein Lampengehäuse mit schwenkbarer UV-Lampe,
Figur 5 ein Querschnitt durch ein Lampengehäuse für direkte und indirekte Bestrahlung des Substrats,
Figur 6 eine Seitenansicht eines linear verschiebbaren Bestrahlungskopfes analog zu Figur 1, aber mit weiteren konstruktiven Details,
Figur 7 eine Draufsicht auf den Bestrahlungskopf gemäss Figur 6,
Figur 8 eine Stirnansicht auf dem Bestrahlungskopf gemäss Figur 6 in etwas vergrössertem Massstab, und
Figur 9 ein Dilatationslager für die Quarzglasplatte.
Bei allen nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird als Kühlgas Umgebungsluft verwendet. Der Einfachheit halber wird daher stets der Ausdruck "Luft" anstelle von "Kühlgas" verwendet.
In Figur 1 ist stark schematisiert eine UV-Lampe 2 dargestellt, die in einem Gehäuse 3 angeordnet ist. Durch eine Austrittsseite 4 am Gehäuse treffen die UV-Strahlen auf ein Substrat 1, das beispielsweise auf einem Förderband unter dem Gehäuse hindurchgeführt wird. Die Austrittsseite 4 am Gehäuse 3 ist mit einer UV-strahlungsdurchlässigen Quarzglasplatte 5 verschlossen. Bis auf einen Lufteinlass 6 und auf einen Luftauslass 7 ist das Gehäuse 3 somit weitgehend hermetisch abgeschlossen. Der Lufteinlass 6 ist mit einem Druckventilator 8 verbunden, der Umgebungsluft ansaugt und mit relativ hohem Druck in das Gehäuse 3 einspeist. Der Luftauslass 7 ist mit einem Saugventilator 9 verbunden, der Luft aus dem Gehäuse absaugt und über einen Ozonfilter 12 wiederum an die Umgebung abgibt. Die Zufuhrleitung 10 bzw. die Abfuhrleitung 11 sind vorzugsweise als flexible Leitungen ausgebildet. Lufteinlass 6 und Luftauslass 7 sind derart am Gehäuse angeordnet, dass die UV- Lampe 2 im Hauptströmungsbereich liegt. Selbstverständlich können im Gehäuse zusätzliche Schikanen, Leitbleche und dergleichen angeordnet sein, um die Strömungswirkung zu verbessern. Das Gehäuse 3 ist auf einem hier nicht näher dargestellten Schlitten auf einer linearen Führung 14 befestigt und kann in Pfeilrichtung a verschoben werden. Aus der dargestellten Arbeitsstellung kann damit bei unveränderter Leistung der Ventilatoren 8, 9 das Gehäuse soweit in der Abbildung nach rechts verschoben werden, bis die UV-Lampe 2 über dem Absorber 13 liegt. In dieser Stand-by Stellung kann vorübergehend der Durchsatz der Substrate 1 gestoppt werden. Auf diese Weise kann ein Abschalten der UV-Lampe 2 vermieden werden.
In Figur 2 ist ebenfalls stark schematisiert ein Querschnitt durch das Gehäuse 3 dargestellt, dessen Austrittsseite 4 mit einer Quarzglasplatte 5 verschlossen ist. Die UV-Lampe 2 ist von einem Reflektor 15 umgeben, der über der UV-Lampe 2 einen Spalt 16 aufweist. Durch diesen Spalt kann Kühlluft aus dem Lufteinlass 6 unmittelbar auf die UV-Lampe 2 treffen. Ein Teil der Kühlluft streicht auf der Rückseite des Reflektors 15 entlang und kühlt diesen ebenfalls. Der Luftauslass 7 ist auf der Längsseite angeordnet, könnte aber ebenso wie der Lufteinlass auch auf einer Stirnseite liegen. Selbstverständ- lieh könnten bei jeder Ausführungsform auch mehrere Luftein- lässe bzw. Luftauslässe am Gehäuse angeordnet sein.
Der Reflektor 15 ist mittels einer Oberflächenbeschichtung derart ausgebildet, dass lediglich die UV-Strahlen 21 reflektiert werden, während wärmeintensive IR-Strahlen 22 den Reflektor direkt durchdringen. Diese Massnahme dient ebenfalls dazu, schädliche Wärmestrahlen vom Substrat fernzuhalten.
Figur 3 zeigt schematisch ein Lampengehäuse 3 mit einer darin angeordneten UV-Lampe 2. Im Gehäuse ist auch noch ein Temperatursensor 19 angebracht, mit dessen Hilfe die Innentemperatur ständig überwacht werden kann. Der Temperatursensor 19 steht in Wirkverbindung mit einem Stellantrieb 20, mit dem Klappenventile 18, 18' in der Zufuhrleitung 10 bzw. in der Abfuhrleitung 11 betätigt werden können. Die Antriebsmotoren 17, 17' des Druckventilatorε 8 bzw. des Saugventilators 9 arbeiten dabei immer mit voller Leistung und die Steuerung der Luftmenge erfolgt lediglich über die Klappenventile. Alternativ könnten die Antriebsmotoren 17, 17' aber auch mit einer Frequenzsteuerung versehen sein, welche Steuerimpulse vom Temperatursensor 19 empfängt.
Figur 4 zeigt ein Lampengehäuse 3, bei dem die darin angeordnete UV-Lampe 2 samt ihrem Reflektor 15 um 90° geschwenkt werden kann. In der dargestellten Arbeitsstellung treten die UV-Strahlen durch die Quarzglasplatte 5 auf der Austrittsseite 4 aus. In der mit 15' dargestellten Stand-by Stellung des Reflektors treffen die Strahlen auf ein Schutzblech 23.
Selbstverständlich wären auch alternative Arbeitsstellungen bzw. Stand-by Stellungen denkbar, bei denen die UV-Strahlen über einen teildurchlässigen Spiegel auf das Substrat bzw. vom Substrat weggelenkt werden. Derartige Ausführungsbeispiele sind z.B. in der CH-A-660 489 beschrieben. Der teil- durchlässige Spiegel kann dabei fest oder schwenkbar im Gehäuse angeordnet sein.
Figur 5 zeigt einen UV-Strahler, bei dem zwei verschiedene Betriebsstellungen möglich sind. Im Gehäuse 3 mit der durch eine Quarzglasplatte 5 verschlossenen Austrittsseite 4 sind mehrere Lufteinlässe 6, 6', 6'' und mehrere Luftauslässe 7, 7' angeordnet. Die UV-Lampe 2 ist mit einem Reflektor 15 versehen, der in drei verschiedene Stellungen gedreht werden kann. Neben der UV-Lampe ist ein teildurchlässiger Spiegel 24 angeordnet, über den in einer ersten Betriebsstellung UV- Strahlen 21 auf das Substrat 1 gerichtet werden können, während die wärmeintensiven IR-Strahlen 22 den Spiegel durchdringen und am Absorber 13 absorbiert werden. In einer zweiten Betriebsstellung kann der Reflektor 15 derart um 90° geschwenkt werden, dass die Strahlung direkt durch die Glasplatte 5 auf ein Substrat 1 fällt. Diese direkte Bestrahlung enthält das gesamte Strahlenspektrum, also auch die IR-Strahlen, was jedoch in bestimmten Fällen erwünscht sein kann. In der Stand-by Stellung wird der Reflektor 15 nach oben gedreht, so dass die Strahlen auf das Schutzblech 23 fallen. An einem derart multifunktionalen Strahlenkopf ist die Luftkühlung im geschlossenen Gehäuse besonders vorteilhaft, weil durch die Quarzglasplatte 5 die mechanisch beweglichen Teile und insbesondere auch der empfindliche Spiegel 24 geschützt werden. Die Kühlluft kann innerhalb des Gehäuses gezielt an die Stellen gelenkt werden, wo sie benötigt wird, also z.B. auch auf den Absorber 13.
Selbstverständlich können am Gehäuse noch zusätzliche Kühl- massnahmen vorgesehen sein, ohne dass dabei der Gegenstand der Erfindung verlassen würde. So wäre es z.B. denkbar, dass zusätzlich noch Kühlkanäle für das Durchleiten einer Kühlflüssigkeit vorgesehen sind.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen einen Bestrahlungskopf, der eben- falls in Pfeilrichtung a linear verschiebbar gelagert ist. Die Verschiebung erfolgt dabei an einem Gestell 25, das Bestandteil einer Bestrahlungsvorrichtung sein kann. Zu diesem Zweck sind am Gestell Wälzlager 26 angeordnet, welche in zwei U-förmige Führungsschienen 27 auf der Oberseite des Gehäuses 3 eingreifen. Zwischen den beiden Führungsschienen ist ein Pneumatikzylinder 28 befestigt, dessen Kolbenstange an einer Kolbenbefestigung 37 mit dem Gestell verbunden ist. Die Versorgung des Pneumatikzylinders erfolgt über hier nicht dargestellte Pneumatikleitungen. In Figur 6 ist die vollständig ausgefahrene Position dargestellt, so dass die UV- Lampe 2 über ihre gesamte Länge nach unten auf das Substrat abstrahlt.
Über hier nicht näher dargestellte Begrenzungsmittel, wie z.B. steckbare Anschlagbolzen oder dergleichen, kann die maximal mögliche Ausfahrposition begrenzt werden. Eine derartige Begrenzung bewirkt beispielsweise, dass die Stirnseite des Bestrahlungskopfes nur bis auf die vertikale Ebene 36 ausfährt. In dieser Position gibt die UV-Lampe 2 nur über einen Teil ihrer Länge Strahlung nach unten ab. Der restliche Abschnitt der Lampe überlappt teilweise noch den fest unter dem Gehäuse 3 angeordneten Absorber 13. Dieser besteht aus grillartigen Lamellen und kann sich bei intensiver Bestrahlung bis auf Rotglut erhitzen. In der zurückgezogenen Stand- by Position bestrahlt die UV-Lampe 2 den Absorber über ihre gesamte Länge.
Als Substrat ist im vorliegenden Fall eine zylindrische Flaschenverschlusskappe 35 dargestellt, die auf das Ende eines Dorns 34 aufgesteckt ist. Bei einem vollständigen Ausfahren der UV-Lampe 2 würde ersichtlicherweise auch ein Teil des Dorns 34 bestrahlt und damit erwärmt. Da der Dorn 34 nicht gekühlt ist, könnte dies zu einer Beschädigung der Verschlusskappe 35 führen. Bei einem Ausfahren auf die Ausfahrposition 36 wird dagegen praktisch nur die Verschluss- kappe 35 bestrahlt.
Das Gehäuse 3 ist in eine erste Strömungskammer 29 und eine zweite Strömungskammer 30 unterteilt. Als Unterteilung dienen dabei Trennbleche 31, die in der Mitte einen Längsschlitz 32 offenlassen. Dieser Längsschlitz verläuft über dem Längsschlitz 16, den die beiden Reflektorhälften bilden. Die Kühlluft tritt über die Zufuhrleitung 10 stirnseitig in die erste Strömungskammer 29 ein, umströmt die UV-Lampe 2 und ihren Reflektor 15 und gelangt dann in Pfeilrichtung b in die zweite Strömungskammer 30, welche sie ebenfalls stirnseitig über die Abfuhrleitung 11 wieder verlässt. Die Leitungen 10 und 11 sind als flexible Schlauchleitungen ausgebildet. Dies gilt auch für die Absorberabsaugleitung 33, über welche Umgebungsluft durch den Absorbergrill zu Kühlungszwecken abgesaugt wird. Die elektrischen Leitungen, welche zur UV- Lampe 2 bzw. zum Temperatursensor 19 führen, sind ebenfalls in einem flexiblen Schlauch 40 zusammengefasst.
Figur 9 zeigt ein Dilatationslager 38 für die Halterung der Quarzglasplatte 5. Diese ist mittels einer Halterung 39 derart am Gehäuse 3 befestigt, dass sie sich in Pfeilrichtung c ausdehnen kann. Die Halterung 39 darf dabei die Quarzglasplatte nicht festklemmen. Es hat sich vielmehr als vorteilhaft erwiesen, dass die Quarzglasplatte mit ausreichendem Spiel frei in der Halterung 39 aufliegt (strichpunktierte Position). Wird im Gehäuse gegenüber der Atmosphäre ein Unterdruck aufrechterhalten, wird die Quarzglasplatte angesaugt und presst sich dichtend gegen die Gehäuseöffnung (schraffierte Position). Denkbar wäre aber auch der Einsatz hochtemperaturbeständiger Gleitdichtungen .

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrats (1) mittels UV-Strahlen, mit einer UV-Lampe (2), welche derart in einem Gehäuse (3) angeordnet ist, dass UV-Strahlen direkt oder indirekt auf einer Austrittsseite (4) aus dem Gehäuse austreten, wobei die Austrittsseite mit einer UV-strahlungsdurchlässigen Glasplatte (5) verschlossen ist, sowie mit Mitteln zum Kühlen der UV-Lampe durch einen Kühlgasstrom, wobei das Gehäuse (3) wenigstens je einen an eine Zufuhrleitung (10) angeschlossenen Kühlgaseinlass (6) und wenigstens je einen an eine Abfuhrleitung (11) angeschlossenen Kühlgasauslass (7) aufweist, so dass Kühlgas durch das Gehäuse durchleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das ganze Gehäuse (3) oder die UV-Lampe im Gehäuse zwischen einer Arbeitsstellung, in welcher die UV-Strahlen auf das Substrat treffen und einer Stand-by Stellung, in welcher die UV- Strahlen vom Substrat weggelenkt sind, beweglich ist, und dass die UV-Lampe (2) einen Reflektor (15) aufweist, der im Gehäuse (3) in der Arbeitsstellung und in der Stand-by Stellung allseits von Kühlgas umströmt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung (10) mit einem Druckventilator (8) und/oder dass die Abfuhrleitung (11) mit einem Saugventilator (9) verbunden ist, dass im Gehäuse (3) ein Temperatursensor (19) angeordnet ist und dass am Druckventilator (8) und/oder am Saugventilator (9) Steuerungsmittel zum Steuern der das Gehäuse durchströmenden Luftmenge angeordnet sind, welche mit dem Temperatursensor in Wirkverbindung stehen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel eine motorisch gesteuerte Klappe (18, 18') zum Verändern des Strömungsquerschnitts aufweisen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsmittel eine Frequenzsteuerung für den Antriebsmotor (17, 17') des Druckventilators und/oder des Saugventilators aufweisen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (15) einen auf seiner Symmetrie-Ebene liegenden und parallel zur UV-Lampe verlaufenden Längsschlitz (16) zum Durchleiten des Kühlgasstroms aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (15) wärmestrahlungsdurchlässig ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (15) aus einer mit einer Spiegelschicht versehenen Glaskeramik besteht.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse zwischen der Arbeitsstellung und der Stand-by Stellung linear verschiebbar gelagert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhrleitung (10) und die Abfuhrleitung (11) zur Kompensation der Relativlage des Gehäuses zwischen den beiden Arbeitsstellungen wenigstens abschnittweise als flexible Leitungen oder als Teleskoprohre ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Gehäuse ein Absorber (13) zum Absorbieren der Wärme- und UV-Strahlen in der Stand-by Stellung angeordnet ist, und dass am Absorber für zusätzliche Kühlung eine Absaugeinrichtung angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die maximal mögliche Ausfahrposition des Gehäuses (3) zum Erreichen der Arbeitsstellung derart einstellbar ist, dass die UV-Lampe (2) nur mit einem Abschnitt das Substrat bestrahlt, während der verbleibende Abschnitt den Absorber bestrahlt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) an wenigstens einer Führungsschiene (27) aufgehängt ist und mit einem Pneumatikzylinder (28) zwischen der Arbeitsstellung und der Stand-by Stellung verschiebbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) in eine erste Strömungskammer (29), in der die UV-Lampe (2) angeordnet ist, und in eine zweite Strömungskammer (30) unterteilt ist, und dass der Kühlgaseinlass (6) an der ersten Strömungskammer (29) und der Kühlgasauslass (7) an der zweiten Strömungskammer (30) angeordnet ist, wobei die beiden Strömungskammern über einen parallel zur UV-Lampe (2) verlaufenden Schlitz (32) bzw. über eine Reihe von Öffnungen miteinander verbunden sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Quarzglasplatte (5) derart in einem Dilatationslager (38) am Gehäuse gelagert ist, dass temperaturbedingte Ausdehnungen in Ihrer Ebene kompensierbar sind.
15. Verfahren, insbesondere zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlgas mit einem Druck von wenigstens ein Kilopas- cal über den Kühlgaseinlass (6) in das Gehäuse (3) eingespeist wird.
16. Verfahren, insbesondere zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse ein unter dem Atmosphärendruck liegender Druck aufrechterhalten wird.
17. Verfahren, insbesondere zum Betrieb der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlgas Stickstoff verwendet wird.
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