JP2006508506A - 少なくとも２つの異なる放射線を有する加熱システム - Google Patents

Abstract

本発明は、例えば、塗料の乾燥のような用途に用いられる加熱システムに関する。加熱システムは、対称軸（２０８，５０８）に対して対称な凹面部を有する反射器（２０１，５０５）を含む。加熱システムは、さらに、第一種類の放射線を放射し得る少なくとも第一放射線部材（２０２，５０１）を有する第一放射線システムと、第二種類の放射線を放射し得る少なくとも第二放射線部材（２０３，５０２）を有する第二放射線システムとを有する。第二放射線システムは、第一放射線システムに対し、前記対称軸と平行な方向に位置する。

Description

本発明は、少なくとも２つの異なる種類の放射線を放射し得る少なくとも２つの放射線部材を含む加熱システムに関する。

本発明は、例えば、熱による合成樹脂の硬化、紙の乾燥又は塗料の焼付けのような産業目的に設計された加熱システムに用いられる。

２００２年７月１６日に発行された米国特許第６，４２１，５０３号は、２つの異なる種類の放射線を放射し得る２つの放射線部材を含む加熱システムを記載している。これらの放射線部材は管形状である。第一放射線部材は、赤外線範囲の近傍で放射線を放射し得る白熱電球フィラメントを含むのに対し、第二放射線部材は、中間の赤外線範囲で放射線を放射し得るカーボンリボンを含んでいる。

そのようなシステムの欠点は、処理中の被膜の所定位置が２つの種類の放射線に同時に晒されないことである。図１は、そのような加熱システム及びこの加熱システムによって処理される被膜の断面図である。図１に示されている加熱システムは、米国特許第６，４２１，５０３号の図５に示されている加熱システムに対応している。そのような加熱システムは、第一水晶外被１２及びカーボンリボン１４を含む第一放射線部材１０と、第二水晶外被１３及び支持部材１５ａによって保持された白熱電球フィラメント１５を含む第二放射線部材１１とを含む。２つの放射線部材１０，１１は中央部１７によって固定的に結合されている。２つの放射線部材１０，１１の各々は、各水晶外被の上部半分が反射層１６で覆われている。

これらの動作条件下で、加熱システムが図１に示されるように配置されると、第一放射線部材及び第二放射線部材１０、１１から放射される放射線は必然的に下方に方向付けられる。その結果、この加熱システムによって処理されるべき物体１８は、加熱システムの下方に位置している。この物体１８は、この加熱システムによって処理されるべき被膜１９を含む。これは、例えば、顔料及び溶剤から成る塗料で表面処理された金属板に関係し得る。

そのような構造では、放射線部材１０，１１によって放射される放射線は、被膜１９の同一地点に集束されない。その結果、塗料の乾燥のような用途において特に有利な２つの種類の放射線のオーバーラップは限定される、即ち、２つの種類の放射線のスペクトルのスペクトル結合は限定される。

加えて、放射線部材１０，１１によって放射される放射線が被膜１９の同一地点に集束されないという事実は、被膜１９の長期に亘る処理時間につながる。何故ならば、被膜１９の各地点は２つの種類の放射線に晒されなければならないからである。

そのような加熱システムの他の欠点は、加熱システムが扱いづらいということである。被膜を乾燥するための炉は、実際上、処理下にある物体の移動方向と平行な方向に並列配置された幾つかの加熱システムを含むのが普通である。図１の加熱システムの大きさは、この方向の観点から重要である。何故ならば、加熱システムは、この方向に配置された２つの放射線部材１０，１１を含むからである。

強化されたスペクトル結合をもたらすコンパクトな加熱システムを提供するのが本発明の目的である。

上記目的を達成するために、本発明は、対称軸に対して実質的に対称な凹面の断面を有する反射器と、第一種類の放射線を放射し得る第一放射線部材を少なくとも有する第一放射線システムと、第二種類の放射線を放射し得る第二放射線部材を少なくとも有する第二放射線システムとを含み、第二放射線システムは、第一放射線システムに対し、対称軸と実質的に平行な方向に位置することを特徴とする。

本発明によれば、放射線システムは、従来技術のように、反射器の断面の対称軸に直交する方向にではなく、相互に反射器の断面の対称軸と平行な方向に配置されている。このようにして、２つの放射線システムによって放射された放射線は、その大部分が処理中の被膜の同一領域に集束する。それによって、異なる放射線の種類のスペクトル結合が強化される。加えて、放射線システムは放射線の放射方向に重ね合わされるので、加熱システムはコンパクトである。

有利に、第一放射線部材は、第一外被と、第一外被の一部に配置された第一反射層とを含む。これによって、第一放射線部材によって放射された放射線の集束が向上し、従って、放射された放射線のスペクトル結合が強化される。

有利に、第二放射線部材は、第二外被と、第二外被の一部に配置された第二反射層とを含む。これによって、集束が向上し、放射された放射線のスペクトル結合がさらに強化される。

第一反射層は、反射器の断面の対称軸と平行な第一対称軸に対し実質的に対称な第一凹面部を有し、第二反射層は、反射器の断面の対称軸と平行な第二対称軸に対し実質的に対称な第二凹面部を有し、第一反射層と第二反射層は相互に反対方向の凹面を有し、且つ、相互に隣接するのが好ましい。そのような構成によって、特に、放射線部材を断熱し得る。そのような反射層の配置によって、放射線部材が他の放射線部材から放射された放射線から保護される。そのような断熱によって、そのような加熱システムの稼動寿命が延長され得る。

有利に、第一放射線の種類は短い赤外線範囲に位置し、第二放射線の種類は中間の赤外線範囲に位置し、第二放射線部材は、反射器と第一放射線部材との間に位置する。これらの２つの種類の放射線がそのような加熱システムで用いられる場合、そのような構成はさらに強化されたスペクトル結合をもたらす。

本発明の有利な実施態様において、反射器は、第一放射部材の第一外被の一部に配置された第一反射層である。これによって、外部反射器の使用を排除することが特に可能となり、加熱システムの嵩張りが低減される。

有利に、第二放射線部材はその第二外被の一部に配置された第二反射層を追加的に有する。これによって、集束が向上し、放射された放射線のスペクトル結合が強化される。

第二反射層は、第一反射層の断面の対称軸と平行な対称軸に対し実質的に対称な凹面部を有し、第一反射層及び第二反射層は相互に反対方向の凹面を有し、且つ、相互に隣接するのが好ましい。そのような加熱システムは、放射線部材の断熱を特にもたらす。そのような加熱システムは、外部反射器との組み合わせで、例えば、反射器が既に取り付けられた炉内で用いられるのが好ましい。加熱システムは外部反射器を有せず、よって、もし加熱システムが反射器を備える炉内で用いられるのであれば、外部反射器を取り除くことは必要ではない。

用いられる反射層はセラミック層であるのが好ましい。そのような反射層は放射線の良好な集束をもたらし、そのような加熱システムの高い動作温度に対して耐性があり、良好な断熱手段を形成し、放射部材に容易に配置される。

有利に、第一放射線部材及び第二放射線部材は、少なくとも１つのキャップによって位置決めされ、第一放射線部材の端部及び第二放射線部材の端部がキャップに挿入されている。このようにして、従来技術のように、放射線部材を恒久的に接続する必要がない。これによって、放射線部材の１つに欠陥があるときに、その交換が容易化される。

本発明及びその詳細は、添付の図面に基づく非限定的な実施例に関する以下の記述によってより明瞭に理解されるであろう。

図２ａ及び２ｂは、本発明に従った加熱システムを示す横断面及び縦断面である。図２ｂは、図２ａにおける平面ＡＡ内の断面に対応している。図２ａは、図２ｂにおける平面ＢＢ内の断面に対応している。そのような加熱システムは、外部反射器２０１と、白熱電球フィラメント２０４を含む第一放射線部材２０２と、星形フィラメントを含む第二放射線部材２０３と、２つの支持部材２０６と、２つのキャップ２０７とから成る。

本実施例における第一放射線部材２０２は、以下にＩＲ−Ａと指し示される短い赤外線の範囲で放射し得るハロゲン管であり、０．７８〜１．４マイクロンの波長を主としてカバーする。波長の定義は、セクション８４５−０１「放射線、量及びユニット」において、国際電気標準会議（ＩＥＣ）によって、１９８７年に付与されている。白熱電球フィラメント２０４を備えたハロゲン管の形態のそのような放射線部材２０２は、当業者にとって既知である。例えば、出願人は、参照番号１３４０２Ｚの下に、そのようなハロゲン管を商業化している。白熱電球フィラメント２０４の２つの端部が溶接されたモリブデン箔２０９に接続された外部接点２１０を介して、白熱電球フィラメント２９４は電流供給されている。第一放射線部材２０２は排気管先端部２１１を有し、排気管先端部はハロゲン管の製造中にハロゲン管を希ガス及びハロゲン混合ガスを充満する結果として生じる。

本実施例における第二放射線部材２０３は、以下にＩＲ−Ｂと指し示される中間の赤外線の範囲で放射し得るハロゲン管であり、１．４〜３マイクロンにある波長を主として含む。星形フィラメントを備えたハロゲン管の形態のそのような放射線部材２０３は、当業者にとって既知である。例えば、出願人は、参照番号１７０１０Ｚの下に、そのようなハロゲン管を商業化しており、この管は「高速中波」と概ね指し示されるランプの範囲からの１つである。第一放射線部材２０２と同様に、第二放射線部材２０３は、外部接点２１０と、モリブデン箔２０９と、排気管先端部２１１とを含む。

放射線部材の代替的な種類の放射線部材を本発明の範囲から逸脱しないで用い得ることは明らかである。例えば、シングルエンド型のランプ又は米国特許第６，４２１，５０３号に記載されているような放射線部材を用いることも可能である。

図２ａに示されている外部反射器２０１の断面は、対称軸２０８を有する凹面部である。第一放射線部材及び第二放射線部材２０２，２０３は、相互に対称軸２０８と平行な方向に位置している。図２ａに示される実施例では、外部反射器２０１の対称軸２０８は、垂直位置に示されており、よって、第一放射線部材及び第二放射線部材２０２，２０３は上下に位置している。この位置付けによって、第一放射線部材及び第二放射線部材２０２，２０３によって放射される放射線は、対称軸２０８を中心とした単一且つ同一の領域に主として集束する。よって、大きなスペクトル結合が前記領域のレベルで得られる。例えば、塗料被膜の乾燥のために、物体がそのような加熱システムによって処理されると、処理中の物体の地点は２つの種類の放射線に対して同時に晒される。その結果、物体の処理時間は短く、且つ、処理は効率的である。さらに、そのような加熱システムは、放射線部材が対称軸２０８に対して直交する方向に相互に位置する従来技術の加熱システムよりもコンパクトである。複数の加熱システムを含む炉においては、処理中の物体の移動方向における、即ち、対称軸２０８と直交する方向における空間の占有を低減することが必要なので、これは特に有利である。

本発明よれば放射線部材２０２，２０３は必ずしも対称軸２０８上に位置する必要がないことが留意されるのは重要である。放射線部材２０２，２０３は、対称軸２０８と実質的に平行な方向に、即ち、対称軸を伴う小さな角度、例えば、３０°以下の角度を囲む方向に相互に位置し得る。よって、図２ａの実施例において、本発明の精神から逸脱することなく、第二放射線部材２０３は図示の位置に対して左側又は右側に僅かにシフトされ得る。実際上、そのような僅かなシフトは、処理中の物体の領域において得られるスペクトル結合に余り影響を及ぼさない。

図２ａ及び２ｂの実施例において、外部反射器２０１は楕円形状を有し、第一放射線部材及び第二放射線部材２０２，２０３は楕円の焦点の周りに位置している。何故ならば、２つの放射線部材２０２，２０３によって放射される放射線の良好な集束を可能にするので、そのような楕円形状は特に有利である。その上、ハロゲン型の放射線部材が用いられているという事実は特に有利である。何故ならば、そのような放射線部材によって放射される放射線は容易に集束するからである。

図２ａ及び２ｂの実施例において、第二放射線部材２０３は、外部反射器２０１と第一放射線部材２０２との間に位置している。第一放射線部材２０２が短い赤外線範囲で放射し且つ第二放射線部材２０３が中間の赤外線範囲で放射する場合、第一放射線部材２０２を外部反射器２０１と第二放射線部材２０３との間に位置させるよりも優れたスペクトル結合が、それによって得られることを出願人は見い出した。

本実施例における第一放射線部材及び第二放射線部材２０２，２０３は、２つのキャップ２０７によって相互に位置決めされている。放射線部材２０２，２０３の両端部は、２つのキャップ２０７に挿入されている。有利に、これらのキャップ２０７はセラミックキャップであり、放射線部材２０２，２０３の両端部は、セメントによって各キャップに結合されている。代替的な種類のキャップ、特に、例えば、Ｒ７ｓ型の瞬間結合を用いて、放射線部材のための反転可能な固定手段を有するキャップを用い得るのは明らかである。これによって、故障時に、放射線部材の１つを簡単に取替え可能である。そのようなキャップを用いずに済ませ得ることは明らかである。そのような場合は、例えば、放射線部材２０２，２０３は、米国特許第６，４２１，５０３号に記載されているように、それらの中心部によって一体的に結合される。しかしながら、そのような解決手段は、繊細な融合工程を必要とし、欠陥時に、放射線部材の１つを取替え得なくする。

図２ａ及び２ｂの実施例において、第一放射線部材及び第二放射線部材２０２，２０３は、外部反射器２０１の一部を形成する支持部材２０６によって、外部反射器２０１に対して位置決めされている。放射線部材を外部反射器２０１内に位置決めするための代替的な種類の取付が想定され得るのは明らかである。２つの放射線部材２０２，２０３の両端部を支持部材２０６に挿入することによって、キャップ２０７又は中央融合部を排除することが可能であるのが留意されるべきであり、その場合には、第一放射線部材及び第二放射線部材２０２，２０３は一体物ではない。よって、支持部材２０６は、放射線部材の相互の位置付け及び大部反射器２０１に対するそれらの位置付けを確実にする働きをする。

図３ａ及び３ｂは、各々、本発明の好適実施態様における加熱システムを示す横断面及び縦断面である。この加熱システムは、図１に示されている部材に加えて、第一反射層３０１と、第二反射層３０２とを含む。第一反射層及び第二反射層３０１，３０２は、対称軸２０８に対して対称な凹面部を有する。第一反射層及び第二反射層３０１，３０２は相互に反対の凹面を有し、隣接している。本実施例において、第一反射層３０１は第一放射線部材２０２の上側部に配置され、第二反射層３０２は第二放射線部材２０３の下側部に配置されている。

そのような加熱システムは、第一放射線部材及び第二放射線部材２０２，２０３によって放射される放射線の集束を向上すると共に、図２ａ及び２ｂに比べて強化されたエネルギー効率をもたらす。実際には、第二放射線部材２０３によって下方に放射される放射線は、加熱システムの下方に配置された処理中の物体に到達するよう外部反射器２０１によって反射される以前に、第二反射層３０２によって反射される。第一放射線部材２０２によって上方に放射された放射線は、処理中の物体に到達するよう、第一反射層３０１によって直接的に反射される。このようにして、２つの放射線部材２０２，２０３によって放射される放射線の大部分は、処理中の物体に到達し、物体の領域上に集束する。その領域は低減された表面領域を有する。よって、実際には動力レベルであるが、スペクトル結合がこの領域で強化される。

用いられている反射層は当業者にとって既知である。例えば、それらは金の反射層である。代替的に、それらはセラミック材料の反射層であってもよい。そのようなセラミック材料の反射層は、参照番号１３１８５Ｚ／９８の下で出願人によって商業化されているハロゲンランプで特に用いられている。反射層３０１，３０２は、放射線部材２０２，２０３の外被の厚さに対して極めて薄いことが留意されるべきである。例えば、反射層の厚さは１０ミクロンのオーダであるのに対し、放射線部材の外被の厚さは１ｍｍのオーダである。図３ａにおける反射層３０１，３０２の厚さは、これらの２つの反射層を識別可能とするように、意図的に誇張して描写されている。

本発明に従って代替的な構成を用い得ることも留意されるべきである。例えば、加熱システムは放射線部材の１つにのみセラミック層を有してもよく、それは、図２ａ及び２ｂの加熱システムに比べて向上したスペクトル結合及び動力レベルをもたらす。

図３ａ及び３ｂの実施例において、反射層３０１，３０２はセラミック層であり、放射線部材２０２，２０３のための断熱をもたらすように配置されている。事実、放射線部材の１つによって放射された放射線は他の放射線部材には直接到達せず、図２ａ及び２ｂの加熱システムに比べて、放射線部材２０２，２０３の温度の低下をもたらす。これによって、放射線部材２０２，２０３の耐用年数が延長される。

図３ａ及び３ｂの実施例において、外部反射器２０１は２つの楕円形部を有する。第一放射線部材２０２は、２つの楕円頚部の１つの焦点の中心に位置し、第二放射線部材２０３は他の楕円形部の焦点の中心に位置する。放射線部材２０２，２０３によって放射される放射線の集束を向上し得るので、そのような外部反射器２０１は特に有利である。

図４ａ及び４ｂは、各々、本発明に従った第二の加熱システムを示す横断面図及び縦断面図である。そのような加熱システムは、上記の図２ａ，２ｂ，３ａ及び３ｂに示されている部材に加えて、第三放射線部材４０１を含む。第一放射線部材２０２は第一放射線システムを形成している。第二放射線部材２０３及び第三放射線部材４０１は第二放射線システムを形成している。この実施例において、第二放射線システムは第一放射線システムの下方に位置している。

本発明がこれらの放射線システムに限定されないのは明らかである。例えば、本発明は、２つの放射線部材から成る第一放射線システムと、２つの放射線部材から成る第二放射線システムとを含み得る。

図４ａ及び４ｂの実施例において、第三放射線部材４０１は、紫外線範囲で放射し得る放電ランプである。第三放射線部材４０１は、２つの電極４０２を含み、第三放射線部材４０１を構成する外被の上側部が反射層４０３で被覆されている。そのような第三放射線部材４０１は当業者にとって既知である。例えば、紫外線範囲で放射し得る放電管は米国特許第６，４２１，５０３号に記載されている。

そのような加熱システムによって、処理中の物体の領域のレベルで広範な波長のスペクトルを得ることが可能である。しかしながら、そのような加熱システムを用いて、一度に１つ又は２つの種類の放射線のみで物体を処理することも可能であることが留意されるであろう。例えば、第三放射線部材４０１に電流を供給しないで、短い赤外線及び中間の赤外線範囲の放射線の組み合わせで物体を処理することも可能である。他方、専ら紫外線範囲の放射線だけで物体を処理することも可能である。そのような加熱システムの利点は、システムがコンパクトで、多様な波長のスペクトルを必要とする数多くの用途に用い得ることである。

これらの放射線部材のための供給電圧が変化する所望の用途に依存して、第一放射線部材及び第二放射線部材２０２，２０３の放射線のスペクトルを変えることも可能であることも留意されるべきである。これによって、そのような加熱システムを適用し得る用途の数が増大される。

図４ａ及び４ｂの実施例において、外部反射器２０１の凹面部はセグメントで構成されている。そのような外部反射器は容易に構成され、且つ、２つの放射線システムによって放射される放射線の良好な集束を得るのを可能にする。

もし図２の外部反射器２０１のような放物線形状の外部反射器が用いられるならば、所望の用途の関数として、放射線部材２０２，２０３，４０１の各位置を変えるのが有利である。例えば、中間の赤外線の放射線を介した乾燥工程が遂行されるならば、第二放射線部材２０３を外部反射器の焦点の周り、即ち、第一放射線部材２０２の位置に置くのが有利である。例えば、外部反射器に対して回転し得るキャップ２０７によって、放射線部材を回転することによって実現し得る。この場合、反射層３０１，３０２，４０３は相互に１２０°に有利に位置している。

図５ａ及び５ｂは、各々、本発明の有利な実施態様における加熱システムを示す横断面及び縦断面図である。この加熱システムは、白熱電球フィラメント５０３を含む第一放射線部材５０１と、星形フィラメント５０４を含む第二放射線部材５０２とから成る。第一放射線部材５０１は外被を含み、外被の一部は反射層５０５によって被覆されている。この反射層５０５は、対称軸５０８に対して対称な凹面部を含む。放射線部材５０１，５０２は、排気管先端部５０７と、モリブデン箔５０９と、外部接点５１０とを含む。放射線部材５０１，５０２は、その両端部を収容するキャップ５０６によって、相互に対して位置決めされている。

そのような加熱システムにおける反射層５０５は、図２ａ及び２ｂの外部反射器の機能を遂行する。従って、図２ａ及び２ｂの加熱システムに比べて嵩張っていないので、そのような加熱システムは特に有利である。さらに、そのようなシステムは、既に反射器を備える炉においても用い得る。

本発明のこの有利な実施態様の加熱システムは、図５ａ及び５ｂに示されている特定の実施態様に限定されない。例えば、第二放射線部材５０２は反射層を含んでもよい。例えば、第一放射線部材５０１は反射層をその外被の下半分に含み、第二放射線部材５０２は反射層をその外被の上半分に有してもよい。そのようなシステムは図２ａ及び２ｂの外部反射器２０１のような外部反射器と用いられるのが有利であるが、代替的に、例えば、反射壁を備える炉内において独立して用い得る。

「含む」(comprise)という動詞及びその活用形には広義の解釈が与えられるべきである。即ち、その動詞の後方に列挙されている部材以外の存在を排除しないものとして解釈されるべきである。その動詞の後方に列挙され、且つ、不定冠詞(a, an)によって先行されるならば、複数の部材が存在することも可能である。

従来技術の加熱システムを示す断面図である。 ａは、本発明に従った第一の加熱システムを示す横断面図であり、ｂは、そのようなシステムを示す縦断面図である。 ａは、本発明に従った加熱システムの好適実施態様を示す横断面図であり、ｂは、本発明に従った加熱システムの好適実施態様を示す縦断面図である。 ａは、本発明に従った第二の加熱システムを示す横断面図であり、ｂは、そのようなシステムを示す縦断面図である。 ａは、本発明の有利な実施態様における加熱システムを示す横断面図であり、ｂは、そのようなシステムを示す縦断面図である。

Claims (11)

1. 対称軸に対して実質的に対称な凹面の断面を有する反射器と、
   第一種類の放射線を放射し得る第一放射線部材を少なくとも有する第一放射線システムと、
   第二種類の放射線を放射し得る第二放射線部材を少なくとも有する第二放射線システムとを有し、
   前記第二放射線システムは、前記第一放射線システムに対し、前記対称軸と実質的に平行な方向に位置することを特徴とする加熱システム。
2. 前記第一放射線部材は、第一外被と、該第一外被の一部に配置された第一反射層とを有することを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
3. 前記第二放射線部材は、第二外被と、該第二外被の一部に配置された第二反射層とを有することを特徴とする請求項２に記載の加熱システム。
4. 前記第一反射層は、前記反射器の断面の対称軸と平行な第一対称軸に対し実質的に対称な第一凹面部を有し、前記第二反射層は、前記反射器の断面の対称軸と平行な第二対称軸に対し実質的に対称な第二凹面部を有し、前記第一反射層と前記第二反射層は相互に反対方向の凹面を有し、且つ、相互に隣接することを特徴とする請求項３に記載の加熱システム。
5. 前記第一放射線システムは短い赤外線範囲に位置し、前記第二放射線システムは中間の赤外線範囲に位置することを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
6. 前記第二放射線部材は、前記反射器と前記第一放射線部材との間に位置することを特徴とする請求項５に記載の加熱システム。
7. 前記第一放射線部材は第一外被を有し、前記反射器は、前記第一外被の一部に配置された第一反射層であることを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。
8. 前記第二放射線部材は、第二外被と、該第二外被の一部に配置された第二反射層とを有することを特徴とする請求項７に記載の加熱システム。
9. 前記第二反射層は、前記第一反射層の断面の対称軸と平行な対称軸に対し実質的に対称な凹面部を有し、前記第一反射層及び前記第二反射層は相互に反対方向の凹面を有し、且つ、相互に隣接することを特徴とする請求項８に記載の加熱システム。
10. 使用されている前記反射層はセラミック層であることを特徴とする請求項２乃至９のうちいずれか１項に記載の加熱システム。
11. 前記第一放射線部材及び第二放射線部材は、少なくとも１つのキャップによって位置決めされ、前記第一放射線部材の端部及び前記第二放射線部材の端部が前記キャップに挿入されていることを特徴とする請求項１に記載の加熱システム。

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