WO2002084190A1 - Strahlermodul und hochleistungs-bestrahlungsanlage - Google Patents

Strahlermodul und hochleistungs-bestrahlungsanlage Download PDF

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WO2002084190A1
WO2002084190A1 PCT/EP2002/004215 EP0204215W WO02084190A1 WO 2002084190 A1 WO2002084190 A1 WO 2002084190A1 EP 0204215 W EP0204215 W EP 0204215W WO 02084190 A1 WO02084190 A1 WO 02084190A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
radiator module
control unit
radiator
switching control
emitter
Prior art date
Application number
PCT/EP2002/004215
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rainer Gaus
Kai K. O. BÄR
Rajk Hamm
Rolf Wirth
Original Assignee
Advanced Photonics Technologies Ag
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Publication date
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Application filed by Advanced Photonics Technologies Ag filed Critical Advanced Photonics Technologies Ag
Priority to EP02761915A priority Critical patent/EP1381816B1/de
Priority to DE50209346T priority patent/DE50209346D1/de
Publication of WO2002084190A1 publication Critical patent/WO2002084190A1/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
    • F26B3/30—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by radiation, e.g. from the sun from infrared-emitting elements

Definitions

  • the invention relates to a radiator module according to the preamble of claim 1 and a high-power radiation system according to the preamble of claim 13.
  • NIR technology Important areas of application of this technology are the drying and crosslinking of lacquers and other coatings, in particular on temperature-sensitive substrates, the drying of printing inks and adhesives and the production of material composites - as for example in the documents WO 99/42774 and WO 99 which go back to the applicant / 42276.
  • This technology uses high-performance radiation systems which allow the provision of said radiation in the near infrared range (NIR radiation) with the required high power densities in an efficient manner and have a service life which is sufficient for industrial use.
  • the radiation systems implemented by the applicant include radiator modules of the generic type as described in (unpublished) German patent applications 100 51 904.0 and 100 51 641.6.
  • radiator modules have a solid metallic reflector body with cooling channels for water cooling.
  • Several elongated tubular halogen filament lamps serving as emitters are usually inserted into the reflector body, and it has a suitably shaped reflector section for each emitter.
  • radiator modules with only one emitter and a partially elliptical reflection surface, which are also referred to as line radiators.
  • line radiators With several such active radiator modules and / or additional, preferably likewise actively cooled, reflector modules, largely closed radiation spaces can be constructed for the energy-efficient implementation of a wide variety of thermal processing operations.
  • control devices which allow the emitters of the radiation system to be controlled individually or in groups.
  • controlled process control based on the evaluation of temperature values recorded on the workpiece without contact is desired.
  • the required control electronics are usually accommodated in a control cabinet and, in addition to suitable signal processing and optionally control stages, and the necessary input and display means, in particular power dividers for power control of the emitters.
  • the power dividers are connected to the individually controllable emitters via separate power supply lines.
  • the construction of a high-performance radiation system of the type in question therefore requires the laying of a large number of supply lines from the control cabinet to the radiator modules and is accordingly labor-intensive and prone to errors.
  • the power controllers require a relatively large amount of installation space in the control cabinet because they are provided with voluminous heat sinks due to the considerable amount of heat generated.
  • Irradiation system for NIR irradiation also a variety of measured values that are transmitted from the radiator modules via measuring lines to the control cabinet and processed there. The laying of these lines further increases the production costs of the system, harbors additional error and failure risks and contributes significantly to the fact that such a system according to the prior art is not very "handy".
  • the invention is therefore based on the object of specifying an improved radiator module of the generic type and an improved high-performance radiation system, the construction of which is possible with reduced workload and error and failure risk.
  • the irradiation system should be compact and clear and easily configurable for different processing processes.
  • the invention includes, on the one hand, the essential idea of relocating the switching control unit or units from the central system control (the control cabinet) and relocating them to the radiator module. It also includes the idea of using the active cooling of the reflector body provided in the radiator modules at the same time to cool the switching control elements by bringing them into thermal contact with the reflector body. In addition to saving an Substantial number of separate supply or control lines is thus also a considerable space saving for the switching control units by eliminating the need for separate cooling channels.
  • the central system control can therefore be considerably more compact. This makes it possible, if necessary, to dispense with a proper control cabinet and to place the compact central control unit of the NIR radiation system directly in a process computer of an overall production system or directly on the NIR radiation device inserted in the overall system.
  • this further includes the idea of equipping the switching control unit or units of the irradiation system with additional “intelligence”, that is to say with monitoring or control means which are otherwise assigned to the central system control, that is to say arranged in the control cabinet are.
  • Certain functions of the condition monitoring of the emitters - in particular for the purpose of an advance detection to determine the correct replacement time - can be carried out more sensibly on the switching control unit itself (in particular if it is attached directly to the emitter module).
  • their implementation directly at the switching control unit or the radiator module saves the signal transmission to the central system control and thus also the corresponding signal lines or transmission links.
  • their spatial assignment to the switching control unit or the emitters is also advantageous in that control signals derived as a result of the evaluation are available directly at the location where they are needed. Simplifications and savings in control lines and other control signal transmission paths can therefore also be realized.
  • the switching control unit comprises separate control means - in particular power dividers separate control of several emitters and correspondingly separate outputs for supply lines leading to the individual emitters.
  • each individual emitter can be controlled and, if necessary, regulated separately, as a result of which a differentiated NIR radiation profile of a workpiece can be built up in a simple manner and the aging condition of the individual emitters can be taken into account in the control.
  • groups of individual emitters can also be controlled together - which means that the expenditure on components during the control can be reduced, but on the other hand does not achieve the same flexibility as with the individual control.
  • modular prefabricated hardwirings eg circuit boards
  • the emitters which can be mounted directly on the reflector body.
  • the provision of a wireless signal receiving unit in the switching control unit for wireless signal transmission from and to the central system controller is also useful.
  • the control signals can be transmitted from the central control unit, in particular according to the DECT or Bluetooth standard, to the switching control unit or the switching control units without having to lay signal lines. It is also possible to use a mobile radio link according to the GSM or UMTS or a future standard suitable for industrial applications - albeit their
  • the switching control unit preferably has a bus interface according to one of the customary industry standards, which enables connection to a control signal bus of the system controller. In particular, this can be a Profibus or Ethernet connection.
  • the radiator modules are individually electronically marked in a useful further development of the inventive concept, so that they can be identified in an overall system during commissioning - or periodically during operation - and, if necessary, can be supplied with individual control signals.
  • the emitter module is configured, the corresponding identifier is stored in a suitable emitter module code memory and provides information, for example, about the type of emitter, the type of reflector, the start of operation or other characteristic quantities - in the simplest case, however, it can also be just an identification number , For transmission to the
  • the system controller is used to use a radiator module code transmitter, which is activated in particular when the system controller requests a signal and transmits the identifier stored in the radiator module code memory.
  • a corresponding recognition stage is provided in the system control, which receives and decodes these signals and makes the data obtained available to the actual system control.
  • a registration control which realizes the transmission of a ready signal of the individual radiator modules when the irradiation system is started up, that is to say, a "logging in” of the modules to the system control.
  • Vorzugswei This registration is ⁇ se - but not necessarily - under submission of the radiator module code.
  • the emitters are - in a manner known per se from the above-mentioned publications or unpublished patent applications - preferably elongated tubular high-performance halogen lamps which are connected externally in particular via plug contacts in the reflector body.
  • the reflector body preferably has cooling channels for passing a cooling fluid, in particular cooling water, and standardized connections for connection to a corresponding cooling system.
  • the switching control unit and the optionally provided fixed wiring modules are expediently screwed or plugged onto the reflector body, which is preferably just on the back.
  • At least one - in particular contactless - measuring sensor is preferably integrated or integrable into the radiator module, the detection area of which is aligned with a workpiece to be heated and which is used to detect the temperature thereof in the machining process and / or other process-relevant ones
  • a direct measurement signal connection is preferably provided between this sensor or the sensors and the switching control unit.
  • the switching control unit comprises a measurement signal processing unit which supplies an input signal for the control or regulation of the operation of the emitters of the radiator module.
  • the integrated sensor system can advantageously also be identified.
  • the corresponding identifier can be contained in the radiator module code mentioned above, but it can also be stored in a separate sensor code memory, in particular when the radiator module is supplemented with sensors.
  • the transmission together with the radiator module code is possible via the radiator module code transmitter and, on the other hand, a separate query and transmission by a dedicated sensor code transmitter is possible. With this version, it is possible at any time to provide the system control with the most up-to-date information about the sensors (and important parameters of the same) available in the individual radiator module.
  • Fig. 1 is a schematic perspective view of a
  • FIG. 1 shows a simplified perspective illustration of a radiator module 1 of an NIR irradiation system, a reflector body 3 being shown cut near its one end and only a frame part 5 of several frame parts which serve for holding and supplying cooling fluid is shown schematically.
  • the radiator module 1 is designed to accommodate six elongated tubular halogen filament lamps (emitters) 7.
  • the reflector body 3 is manufactured as an extruded profile from a solid aluminum alloy and has molded-in cooling water channels 9 as well as approximately W-shaped reflector sections 11, each with an emitter 7, with a polished surface.
  • the halogen lamps 7 are connected via plug contacts 13 at their ends, which are insulated through the reflector body 3, to connection surfaces 15 on the back of the reflector body.
  • a switching control unit 17 is mounted on the rear of the reflector body 3, which comprises power dividers (not shown individually) for the power supply and control of the emitters 7.
  • the switching control unit 17 has a power supply connection 19 and a control signal connection 21 for connection to a central control unit of the radiation system.
  • the switching control unit 17 is connected to the connection surfaces 15 of the emitters 7 via a wiring board 23 with conductor tracks 23a and supplies them with an operating voltage controlled by the power dividers.
  • the power switching components within the switching control unit 17 are arranged in direct thermal contact with the solid, cooled reflector body 3, so that they are cooled by the latter and separate coolants are not required. As a result, the overall volume of the switching control unit 17 can be kept relatively small.
  • the wiring boards 23 are designed in such a way that they can be given dividing lines or addition of several circuit boards - a simple configuration of the emitter power supply of various radiation arrangements is possible without annoying cable runs.
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the overall structure of a production system 100 with two NIR irradiation stations 102 and 104 for irradiating a quasi-endless workpiece 106 under the control of a control computer 110.
  • the production facility includes the NIR radiation stations
  • the NIR irradiation stations 102, 104 each comprise two radiator modules 102A, 102B and 104A, 104B of the type shown in FIG. 1, each of which has a plurality of separately monitorable and controllable emitters 107 in a reflector body 103 and a switching control unit 117.
  • the switching control units 117 are each assigned a radio transmission and reception unit 118 which operates according to the DECT standard.
  • the radio transmission and reception units 118 on the radiator modules implement a wireless measurement and control signal connection between the switching control units 117 and the control computer 110, which is connected to a corresponding DECT module 120.
  • a pyrometer element 122 for non-contact temperature measurement on the workpiece 106 is assigned to the radiator module 104A and is connected to the radio transmission and reception unit 118 of this radiator module via a measurement signal connection. These are used to transmit the temperature measurement signals to the control computer 110, process them there and take them into account for the power control or regulation of the NIR radiation stations.
  • a complex measurement and control data can be transmitted via the DECT communication link between the emitter modules and the control computer. Communication possible without having to lay any lines in the production plant 100 for operating the NIR radiation stations 102, 104, apart from power supply lines which connect them to a central power supply connection 124.
  • This data communication includes, in particular, the transmission of the voltage and current measured values used for the condition detection of the emitters, the above-mentioned temperature signals and other measured values obtained in the process on the one hand and all control signals required for the operation of the irradiation systems on the other hand.
  • the embodiment of the invention is not limited to the examples described above, but is also possible in a large number of modifications which lie within the scope of professional action.
  • the configurations and storage devices for identifiers of the emitter modules mentioned above are in the configurations described here or their (intelligent) sensors or for registering or signaling readiness of the radiator modules in the system control, which can be easily integrated.
  • the corresponding data transmissions can be realized with the alternative means shown in the figures and described above or with the alternative means mentioned in the introduction to the description, within the knowledge of the average person skilled in the art.

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Abstract

Strahlermodul (1) einer Hochleistungs-Bestrahlungsanlage für thermische Bearbeitungsprozesse, welches mindestens einen Emitter (7) für elektromagnetische Strahlung, die wesentliche Wirkanteile im Bereich des nahen Infrarot aufweist, und einen gekühlten Reflektorkörper (3) zur Konzentrierung der elektromagnetischen Strahlung auf ein Werkstück aufweist, wobei am Strahlermodul mindestens eine Schaltsteuereinheit (27), insbesondere Leistungssteller-Einheit, zur Ansteuerung des Emitters oder der Emitter im thermischen Kontakt mit dem Reflektorkörper angebracht ist.

Description

Strahlermodul und Hochieistungs-Bestrahlungsanlage
Besehrθibung
Die Erfindung betrifft ein Strahlermodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Hochleistungs-Bestrahlungsanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
Die Durchführung vielgestaltiger thermischer Bearbeitungsprozesse unter Erwärmung des jeweiligen Werkstücks durch elektromagnetische Strahlung im Bereich des nahen Infrarot, insbesondere mit einem wesentlichen Wirkanteil im Wellenlängenbereich zwischen 0,8 μm und 1,5 μm, ist eine neue, hochgradig leis- tungsfähige und wirtschaftlich vielversprechende Technologie
("NIR-Technologie") . Wichtige Anwendungsbereiche dieser Technologie sind die Trocknung und Vernetzung von Lacken und anderen Beschichtungen, insbesondere auf temperatursensitiven Substraten, die Trocknung von Druckfarben und Klebstoffen und die Her- Stellung von Werkstoffverbunden - wie beispielsweise in den auf die Anmelderin zurückgehenden Druckschriften WO 99/42774 und WO 99/42276 beschrieben.
Bei dieser Technologie kommen Hochleistungs-Bestrahlungsanlagen zum Einsatz, die die Bereitstellung der besagten Strahlung im Bereich des nahen Infrarot (NIR-Strahlung) mit den erforderlichen hohen Leistungsdichten in effizienter Weise erlauben und eine für den industriellen Einsatz ausreichende Lebensdauer aufweisen. Die seitens der Anmelderin realisierten Bestrah- lungsanlagen umfassen Strahlermodule der gattungsgemäßen Art, wie sie in den (unveröffentlichten) deutschen Patentanmeldungen 100 51 904.0 und 100 51 641.6 beschrieben sind.
Derartige Strahlermodule haben einen massiven metallischen Re- flektorkörper mit Kühlkanälen zur Wasserkühlung. In den Reflektorkörper sind üblicherweise mehrere als Emitter dienende langgestreckt röhrenförmige Halogen-Glühfadenlampen eingesetzt, und er hat für jeden Emitter einen geeignet geformten Reflektorabschnitt. Für spezielle Anwendungen gibt es Strahlermodule mit nur einem Emitter und einer teil-elliptischen Reflexionsfläche, die auch als Linienstrahler bezeichnet werden. Mit mehreren derartigen aktiven Strahlermodulen und/oder zusätzlichen, bevorzugt ebenfalls aktiv gekühlten, Reflektormodulen lassen sich weitgehend geschlossene Strahlungsräume zur energieökonomischen Durchführung der verschiedensten thermischen Bearbeitungsvorgänge aufbauen.
Zur differenzierten Steuerung derartiger Bearbeitungsvorgänge sind Steuereinrichtungen vorgesehen, die die einzelne oder gruppenweise Ansteuerung der Emitter der Bestrahlungsanlage erlauben. Vielfach ist auch eine geregelte Prozeßführung unter Auswertung von berührungslos am Werkstück erfaßten Temperaturwerten erwünscht. Die erforderliche Steuerelektronik ist üblicherweise in einem Schaltschrank untergebracht und umfaßt neben geeigneten Signalverarbeitungs- und wahlweise Regelstufen sowie den erforderlichen Eingabe- und Anzeigemitteln insbesondere Leistungssteiler zur Leistungssteuerung der Emitter.
Die Leistungssteiler sind mit den einzeln anzusteuernden Emitter jeweils über separate Stromversorgungsleitungen verbunden. Der Aufbau einer Hochleistungs-Bestrahlungsanlage der hier in Rede stehenden Art erfordert daher das Verlegen einer großen Anzahl von Versorgungsleitungen von dem Schaltschrank zu den Strahlermodulen und ist entsprechend arbeitsaufwendig und fehleranfällig. Die Leistungssteller benötigen im Schaltschrank relativ viel Installationsraum, weil sie aufgrund der erhebli- chen Wärmeentwicklung mit voluminösen Kühlkörpern versehen sind.
Weiterhin ist für eine präzise Prozeßsteuerung und zuverlässige Betriebsführung in der Regel nicht nur die erwähnte Temperatur- erfassung, sondern auch eine Erfassung des aktuellen Betriebs- zustandes der Emitter zur frühzeitigen Erfassung bevorstehender Ausfälle wünschenswert. Für spezielle Anwendungen ist auch eine Abstandserfassung und -Überwachung zwischen den Emittern bzw. Strahlermodulen und dem Werkstück erforderlich oder zumindest wünschenswert. Es fällt also bei einer Hochleistungs-
Bestrahlungsanlage zur NIR-Bestrahlung auch eine Vielzahl von Meßwerten an, die von den Strahlermodulen über Meßleitungen zum Schaltschrank übertragen und dort verarbeitet werden. Die Verlegung dieser Leitungen erhöht den Gestehungsaufwand der Anlage weiter, birgt zusätzliche Fehler- und Ausfallrisiken und trägt wesentlich dazu bei, daß eine solche Anlage nach dem Stand der Technik wenig "handlich" ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbesser- tes Strahlermodul der gattungsgemäßen Art sowie eine verbesserte Hochleistungs-Bestrahlungsanlage anzugeben, deren Aufbau mit verringertem Arbeitsaufwand sowie Fehler- und Ausfallrisiko möglich ist. Die Bestrahlungsanlage soll kompakt und übersichtlich und leicht für verschiedenartige Bearbeitungsprozesse kon- figurierbar sein.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten wesentlichen Aspekt der Erfindung durch ein Strahlermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und gemäß einem weiteren wesentlichen Aspekt durch eine Hochleistungs-Bestrahlungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Die Erfindung schließt zum einen den wesentlichen Gedanken einer Auslagerung der Schaltsteuereinheit bzw. -einheiten aus der zentralen Anlagensteuerung (dem Schaltschrank) und ihrer Verlagerung an das Strahlermodul ein. Sie schließt weiter den Gedanken ein, die in den Strahlermodulen vorgesehene aktive Kühlung des Reflektorkörpers zugleich zur Kühlung der Schaltsteuerelemente zu nutzen, indem diese in thermischen Kontakt mit dem Re- flektorkörper gebracht werden. Neben der Einsparung einer er- heblichen Anzahl von separaten Versorgungs- bzw. Ansteuerleitungen wird damit auch eine erhebliche Platzersparnis für die Schaltsteuereinheiten realisiert, indem auf gesonderte Kühlkanäle verzichtet werden kann. Die zentrale Anlagensteuerung kann daher wesentlich kompakter werden. Dies ermöglicht gegebenenfalls den Verzicht auf einen regelrechten Schaltschrank und eine Plazierung der kompakten zentralen Steuereinheit der NIR- Bestrahlungsanlage direkt bei einem Prozeßrechner einer Gesamt- Produktionsanlage oder aber unmittelbar an der in die Gesamtan- läge eingefügten NIR-Bestrahlungsvorrichtung.
Gemäß einem relativ selbständigen Aspekt der Erfindung schließt diese weiterhin den Gedanken ein, die Schaltsteuereinheit bzw. -einheiten der Bestrahlungsanlage mit zusätzlicher "Intelli- genz" auszurüsten, also mit Überwachungs- bzw. Ansteuermitteln, welche ansonsten der zentralen Anlagensteuerung zugeordnet, also im Schaltschrank angeordnet sind. Bestimmte Funktionen der Zustandsüberwachung der Emitter - insbesondere zum Zweck einer Vorausfallsdetektion zur Bestimmung des richtigen Ersatzzeit- punktes - lassen sich an der Schaltsteuereinheit selbst (insbesondere dann, wenn diese direkt am Strahlermodul angebracht ist) sinnvoller ausführen. Zudem spart ihre Realisierung direkt bei der Schaltsteuereinheit bzw. dem Strahlermodul die Signalübertragung zur zentralen Anlagensteuerung und damit auch die entsprechenden Signalleitungen bzw. Übertragungsstrecken ein. Schließlich ist ihre Realisierung in räumlicher Zuordnung zur Schaltsteuereinheit bzw. den Emittern auch insofern vorteilhaft, als im Ergebnis der Auswertung abgeleitete Steuersignale unmittelbar an dem Ort zur Verfügung stehen, wo sie gebraucht werden. Es sind daher also auch Vereinfachungen und Einsparungen bei Steuerleitungen bzw. sonstigen Steuersignal-Übertragungsstrecken zu realisieren.
In einer bevorzugten Ausführung umfaßt die Schaltsteuereinheit getrennte Steuermittel - insbesondere Leistungssteiler - zur separaten Ansteuerung mehrerer Emitter und entsprechend getrennte Ausgänge für zu den einzelnen Emittern führende Versorgungsleitungen. In dieser Ausführung läßt sich jeder einzelne Emitter separat steuern und gegebenenfalls regeln, wodurch sich in einfacher Weise ein differenziertes NIR-Bestrahlungsprofil eines Werkstücks aufbauen und der Alterungszustand der einzelnen Emitter in der Ansteuerung berücksichtigen läßt. Ebenso können auch Gruppen einzelner Emitter zusammen angesteuert werden - womit der Bauelementeaufwand bei der Ansteuerung redu- ziert werden kann, jedoch andererseits nicht die gleiche Flexibilität wie bei der Einzel-Ansteuerung erreicht wird.
Zur Verbindung zwischen den Thyristerstellern und den Emittern sind in einer weiter bevorzugten Ausführung modular vorgefer- tigte Festverdrahtungen (z. B. Platinen) vorgesehen, die direkt auf den Reflektorkörper montiert werden können. Hierdurch werden auf besonders einfache Weise spezifische Bestrahlungskonfigurationen realisierbar, und "Kabelsalat" wird nahezu vollständig beseitigt.
In diesem Sinne ist desweiteren das Vorsehen einer drahtlosen Signalempfangseinheit bei der Schaltsteuereinheit zur drahtlosen Signalübertragung von und zu der zentralen Anlagensteuerung sinnvoll. In dieser Ausführung können die Steuersignale von der zentralen Steuereinheit insbesondere nach dem DECT- oder Bluetooth-Standard zur Schaltsteuereinheit oder den Schaltsteuereinheiten übertragen werden, ohne daß Signalleitungen verlegt werden müssen. Auch die Nutzung einer Mobilfunkstrecke nach dem GSM- oder dem UMTS- oder einem künftigen, für industrielle An- Wendungen geeigneten Standard ist möglich - wenn auch deren
Zweckmäßigkeit natürlich unter Kostengesichtspunkten gegen den Einsatz einer betriebsinternen Übertragungsstrecke abzuwägen ist. Alternativ ist natürlich auch das Vorsehen eines Signalleitungsanschlusses an der oder jeder Schaltsteuereinheit zur leitungsgebundenen Signalverbindung mit der Anlagensteuerung möglich. In beiden Ausführungen hat die Schaltsteuereinheit bevor- zugt eine Bus-Schnittstelle nach einem der üblichen Industriestandards, die den Anschluß an einen Steuersignalbus der Anlagensteuerung ermöglicht. Es kann sich hierbei insbesondere um eine Profibus- oder Ethernet-Verbindung handeln.
Die Strahlermodule sind in einer zweckmäßigen Fortbildung des Erfindungsgedankens individuell elektronisch markiert, so daß sie in einer Gesamtanlage bei Inbetriebnahme - oder auch periodisch während des Betriebes - identifiziert und gegebenenfalls mit individuellen Steuersignalen versorgt werden können. Die entsprechende Kennung wird bei Konfiguration des Strahlermoduls in einen geeigneten Strahlermodul-Codespeicher eingespeichert und gibt beispielsweise Auskunft über die Bauart der Emitter, die Bauart des Reflektors, den Betriebsbeginn oder andere charakteristische Größen - es kann sich im einfachsten Fall aber auch nur um eine Kennnummer handeln. Zur Übermittlung an die
Anlagensteuerung dient ein Strahlermodul-Codesender, der insbesondere auf ein Abfragesignal von der Anlagensteuerung hin aktiv wird und die im Strahlermodul-Codespeicher gespeicherte Kennung überträgt. In der Anlagensteuerung ist eine entspre- chende Erkennungsstufe vorgesehen, die diese Signale empfängt und entschlüsselt und die gewonnenen Daten der eigentlichen Anlagensteuerung bereitstellt.
In einer Fortführung dieses Gedankens ist eine Anmeldesteuerung vorgesehen, die die Übertragung eines Bereitschaftssignals der einzelnen Strahlermodule bei Inbetriebnahme der Bestrahlungsanlage, also gewissermaßen ein "Einloggen" der Module bei der Anlagensteuerung, realisiert. Diese Anmeldung erfolgt vorzugswei¬ se - aber nicht notwendigerweise - unter Übermittlung des Strahlermodulcodes. Bei den Emittern handelt es sich - in an sich aus den oben genannten Druckschriften bzw. unveröffentlichten Patentanmeldungen bekannterweise - bevorzugt um langgestreckt röhrenförmige Hochleistungs-Halogenlampen, die insbesondere über Steckkontakte in dem Reflektorkörper extern angeschlossen sind. Der Reflektorkörper hat bevorzugt Kühlkanäle zum Durchleiten eines Kühlfluids, insbesondere von Kühlwasser, und genormte Anschlüsse zum Anschluß an eine entsprechende Kühlanlage.
Die Schaltsteuereinheit und die wahlweise vorgesehenen Festverdrahtungsmodule sind auf den - rückseitig bevorzugt eben ausgeführten - Reflektorkörper zweckmäßigerweise aufgeschraubt oder aufgesteckt .
In das Strahlermodul ist bevorzugt mindestens ein - insbesondere berührungslos arbeitender - Meßfühler integriert oder integrierbar, dessen Erfassungsbereich auf ein zu erhitzendes Werkstück ausgerichtet ist und der zur Erfassung von dessen Tempe- ratur im Bearbeitungsprozeß und/oder anderen prozeßrelevanten
Parametern dient. Zwischen diesem Meßfühler oder den Meßfühlern und der Schaltsteuereinheit ist bevorzugt eine direkte Meßsignalverbindung vorgesehen. Die Schaltsteuereinheit umfaßt eine Meßsignal-Verarbeitungseinheit, welche ein Eingangssignal für die Steuerung bzw. eine Regelung des Betriebes der Emitter des Strahlermoduls liefert.
Ähnlich zur oben erwähnten Kennzeichnung des Strahlermoduls durch einen geeigneten Code ist in vorteilhafter Weise auch ei- ne Kennzeichnung der integrierten Sensorik möglich. Die entsprechende Kennung kann einerseits in dem oben erwähnten Strahlermodulcode enthalten sein, andererseits aber auch - insbesondere bei einer nachträglichen Ergänzung des Strahlermoduls mit Sensorik - in einem gesonderten Meßfühler-Codespeicher abgelegt sein. Auch bezüglich der Übertragung an die Anlagensteuerung ist zum einen die Übertragung zusammen mit dem Strahlermodulcode über den Strahlermodul-Codesender und zum anderen eine separate Abfrage und Übertragung durch einen dedizierten Meßfühler-Codesender möglich. Mit dieser Ausführung ist es jederzeit möglich, der Anlagensteuerung die aktuellsten Informationen ü- ber die im einzelnen Strahlermodul verfügbare Sensorik (und von wichtigen Parametern derselben) zur Verfügung zu stellen.
Neben der oben speziell erwähnten Temperaturerfassung ist zur Bestimmung des optimalen Leistungsbereiches der Emitter im
Bearbeitungsprozeß gegebenenfalls die Erfassung diverser weiterer Prozeßparameter zweckmäßig. Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, wenn diese Parameter, beispielsweise bezüglich der Prozeßgeschwindigkeit, des Materials oder spezieller Material- eigenschaften des Werkstücks bzw. dessen Verweilzeit unter dem Strahlermodul, jeweils separat gewonnen werden. Zweckmäßigerweise wird auch die Erfassung von Meßwerten in den Prozeß integriert, die Aufschluß über das spezifische Einsatzverhalten des Emitters/der Emitter in der konkreten Anlage bezüglich ih- rer Leistungsfähigkeit und ihres Lebenszyklus geben.
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im übrigen aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Strahlermoduls gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Hochleistungs-Be- strahlungsanlage mit mehreren Strahlermodulen gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Fig. 1 zeigt in einer vereinfachten perspektivischen Darstellung ein Strahlermodul 1 einer NIR-Bestrahlungsanlage, wobei ein Reflektorkörper 3 nahe seinem einen Ende geschnitten dargestellt und von mehreren Rahmenteilen, die zur Halterung und Kühlfluidzuführung dienen, nur ein Rahmenteil 5 schematisch dargestellt ist. Das Strahlermodul 1 ist zur Aufnahme von sechs langgestreckt röhrenförmigen Halogen-Glühfadenlampen (Emittern) 7 ausgebildet.
Der Reflektorkörper 3 ist als Strangpreßprofil aus einer massiven Aluminiumlegierung gefertigt und hat eingeformte Kühlwasserkanäle 9 sowie jeweils einem Emitter 7 zugeordnete, annähernd W-förmige Reflektorabschnitte 11 mit polierter Oberfläche. Die Halogenlampen 7 sind über Steckkontakte 13 an ihren Enden, die isoliert durch den Reflektorkörper 3 geführt sind, mit Anschlußflächen 15 auf der Rückseite des Reflektorkörpers verbunden.
Auf die Rückseite des Reflektorkörpers 3 ist desweiteren eine Schaltsteuereinheit 17 montiert, welche (nicht einzeln dargestellte) Leistungssteiler zur Stromversorgung und Ansteuerung der Emitter 7 umfaßt. Die Schaltsteuereinheit 17 hat einen Stromversorgungsanschluß 19 und einen Steuersignalanschluß 21 zur Verbindung mit einer zentralen Steuereinheit der Bestrah- lungsanlage. Über eine Verdrahtungsplatine 23 mit Leiterzügen 23a ist die Schaltsteuereinheit 17 mit den Anschlußflächen 15 der Emitter 7 verbunden und versorgt diese mit einer über die Leistungssteiler gesteuerten Betriebsspannung. Die Leistungss- chalt-Bauelemente innerhalb der Schaltsteuereinheit 17 sind im direkten thermischen Kontakt mit dem massiven, gekühlten Reflektorkörper 3 angeordnet, so daß sie über diesen gekühlt werden und gesonderte Kühlmittel nicht erforderlich sind. Dadurch kann das Bauvolumen der Schaltsteuereinheit 17 relativ klein gehalten werden. Die Verdrahtungsplatinen 23 sind derart ges- taltet, daß mit ihnen - gegebenenfalls durch Teilen längs vor- gegebener Teilungslinien bzw. Addition mehrerer Platinen - eine einfache Konfiguration der Emitter-Stromversorgung verschiedener Bestrahlungsanordnung ohne störende Kabelstränge möglich ist.
In Fig. 2 ist in einer Prinzipskizze der Gesamtaufbau einer Produktionsanlage 100 mit zwei NIR-Bestrahlungsstationen 102 und 104 zur Bestrahlung eines quasi-endlosen Werkstücks 106 unter Steuerung durch einen Steuerrechner 110 dargestellt. Die Produktionsanlage umfaßt neben den NIR-Bestrahlungsstationen
102, 104 weitere (nicht gesondert bezeichnete) Bearbeitungsstationen.
Die NIR-Bestrahlungsstationen 102, 104 umfassen jeweils zwei Strahlermodule 102A, 102B bzw. 104A, 104B der in Fig. 1 gezeigten Art, die jeweils eine Mehrzahl von separat überwachbaren und steuerbaren Emittern 107 in einem Reflektorkörper 103 sowie eine Schaltsteuereinheit 117 aufweisen. Den Schaltsteuereinheiten 117 ist jeweils eine nach dem DECT-Standard arbeitende Funksende- und -empfangseinheit 118 zugeordnet. Die Funksende- und -empfangseinheiten 118 an den Strahlermodulen realisieren eine drahtlose Meß- und Steuersignalverbindung zwischen den Schaltsteuereinheiten 117 und dem Steuerrechner 110, der an ein entsprechendes DECT-Modul 120 angeschlossen ist.
Dem Strahlermodul 104A ist ein Pyrometerelement 122 zur berührungslosen Temperaturmessung am Werkstück 106 zugeordnet, welches über eine Meßsignalverbindung mit der Funksende- und - empfangseinheit 118 dieses Strahlermoduls verbunden ist. Über diese werden die Temperaturmeßsignale an den Steuerrechner 110 übermittelt, dort verarbeitet und für die Leistungssteuerung bzw. -regelung der NIR-Bestrahlungsstationen berücksichtigt.
Über die DECT-Kommunikationsstrecke zwischen den Strahlermodu- len und dem Steuerrechner ist eine komplexe Meß- und Steuerda- tenkommunikation möglich, ohne daß in der Produktionsanlage 100 zum Betrieb der NIR-Bestrahlungsstationen 102, 104 - abgesehen von Stromversorgungsleitungen, die diese mit einem zentralen Stromversorgungsanschluß 124 verbinden - Leitungen zu verlegen wären. Diese Datenkommunikation umfaßt insbesondere die Übertragung von der Zustandserfassung der Emitter dienenden Span- nungs- und Strommeßwerten, der oben erwähnten Temperatursignale und sonstiger im Prozeß gewonnener Meßwerte einerseits sowie aller für den Betrieb der Bestrahlungsanlagen benötigten Steu- ersignale andererseits.
Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern ebenso in einer Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachgemäßen Handelns lie- gen. Insbesondere sind in die hier beschriebenen Konfigurationen die weiter oben erwähnten Speicher- und Sendeeinrichtungen für Kennungen der Strahlermodule bzw. ihrer (intelligenten) Sensorik bzw. zur Registrierung bzw. Bereitschaftsmeldung der Strahlermodule bei der Anlagensteuerung ohne weiteres integ- rierbar. Die entsprechenden Datenübertragungen sind mit den in den Figuren gezeigten und oben beschriebenen oder den in der Beschreibungseinleitung erwähnten alternativen Mitteln im Rahmen der Kenntnisse des Durchschnittsfachmanns realisierbar.
Bezugszeichenliste
1 Strahlermodul
3; 103 Reflektorkörper
5 Rahmenteil
7; 107 Halogen-Glühfadenlampe (Emitter) 9 Kühlwasserkanal Reflektorabschnitt Steckkontakte Anschlußfläche ; 117 Schaltsteuereinheit Stromversorgungsanschluß Steuersignalanschluß Verdrahtungsplatine a Leiterzug 0 Produktionsanlage 2, 104 NIR-Bestrahlungsstation 2A, 102B, 104A, 104B Strahlermodul 6 Werkstück 0 Steuerrechner 8 Funksende- und -empfangseinheit 0 DECT-Modul 2 Pyrometerelement 4 zentraler Stromversorgungsanschluß

Claims

Patentansprüche
1. Strahlermodul (1; 102A, 102B, 104A, 104B) einer Hoch- leistungs-Bestrahlungsanlage (102, 104) für thermische Bearbeitungsprozesse, welches mindestens einen Emitter (7; 107) für elektromagnetische Strahlung, die wesentliche Wirkanteile im Bereich des nahen Infrarot aufweist, und einen gekühlten Reflektorkörper (3; 103) zur Konzentrierung der elektromagnetischen Strahlung auf ein Werkstück (106) aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß am Strahlermodul mindestens eine Schaltsteuereinheit (27; 117), insbesondere Leistungssteller-Einheit, zur Ansteuerung des Emitters oder der Emitter im thermischen Kontakt mit dem Reflektorkörper angebracht ist.
2. Strahlermodul nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltsteuereinheit (17; 107) Steuermittel, insbesondere Leistungssteiler, und getrennte Ausgänge zur separaten Ansteuerung mehrerer Emitter (7; 107) aufweist.
3. Strahlermodul nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltsteuereinheit eine Bus-Schnittstelle zum Anschluß an einen Steuersignalbus zur Verbindung mit einer Anlagensteuerung aufweist.
4. Strahlermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltsteuereinheit (17) einen Signalleitungsanschluß (27) zur leitungsgebundenen Signalverbindung mit einer An- lagensteuerung, insbesondere über ein zentrales Steuerkabel, aufweist.
5. Strahlermodul nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Signalleitungsanschluß einem Stromversorgungsanschluß des Strahlermoduls zugeordnet ist und eine Demodulatorstu- fe zur Rückgewinnung von einer Versorgungsspannung aufmodulierten Steuersignalen umfaßt.
6. Strahlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltsteuereinheit (117) eine Funkempfangseinheit (118) zur drahtlosen Signalverbindung mit einer Anlagen- Steuerung (110, 120) aufweist.
7. Strahlermodul nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Funkempfangseinheit (118) zur mindestens unidirektio- nalen, bevorzugt bidirektionalen, Datenkommunikation mit der Anlagensteuerung (110, 120) , insbesondere auf Basis des DECT- oder Bluetooth- oder UMTS-Standards, ausgebildet ist.
8. Strahlermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltsteuereinheit einen Strahlermodul-Codespeicher zur Speicherung einer Kennung des individuellen Strahlermoduls und einen Strahlermodul-Codesender zur Übertragung der Kennung an eine Anlagensteuerung, insbesondere im Ansprechen auf ein Abfragesignal von dieser, aufweist.
9. Strahlermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine auf dem Reflektorkörper (3) angeordnete, insbesondere modular vorgefertigte, Festverdrahtung (23) zwischen der Schaltsteuereinheit (17) und Anschlußkontakten (13, 17) des Emitters (7) oder der Emitter.
10. Strahlermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mindestens ein Emitter (7; 107) als, insbesondere langgestreckt röhrenförmige, Hochleistungs-Halogenlampe ausge- bildet ist, die mit einer Strahlertemperatur oberhalb von 2900 K betrieben wird.
11. Strahlermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltsteuereinheit (17) und wahlweise vorgesehene
Festverdrahtungs-Module (23) auf den Reflektorkörper (3) aufgeschraubt oder aufgesteckt sind.
12. Strahlermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h mindestens einen integrierten Meßfühler (122), insbesondere ein Pyrometerelement zur Temperaturerfassung und/oder einen Feuchtesensor zur Feuchtigkeitsmessung und/oder eine optische Erfassungseinrichtung zur Materialerkennung bzw. Strahlungsdichteerfassung an einem Werkstück (106) .
13. Strahlermodul nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltsteuereinheit einen Meßfühler-Codespeicher zur Speicherung einer Kennung für den oder jeden integrierten Meßfühler und einen Meßfühler-Codesender zur Übertragung der Kennung bzw. Kennungen an eine Anlagensteuerung, insbesondere im Ansprechen auf eine Abfrage von dieser, aufweist.
14. Strahlermodul nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere einem der Ansprüche 8 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltsteuereinheit eine Anmeldesteuerung zur Absen- düng eines Anmeldungs-Datensatzes an eine Anlagensteuerung bei Inbetriebnahme aufweist, wobei die Anmeldesteuerung insbesondere mit dem Strahlermodul-Codesender und/oder dem Meßfühler-Codesender zur Übertragung von Kennungen des Strahlermoduls bzw. des oder jedes integrierten Meßfühlers an die Anlagensteuerung verbunden ist.
15. Hochleistungs-Bestrahlungsanlage (102, 104) für thermische Bearbeitungsprozesse mit mindestens einem Emitter (107) für elektromagnetische Strahlung, die wesentliche Wirkan- teile im Bereich des nahen Infrarot aufweist, einer
Schaltsteuereinheit (117) zur Stromversorgung und Ansteuerung des Emitters, wobei der Emitter und die Schaltsteuereinheit insbesondere in einem Strahlermodul (102A, 102B, 104A, 104B) nach einem der vorangehenden Ansprüche zusam- mengefaßt sind, sowie einer Anlagensteuerung (110), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die oder jede Schaltsteuereinheit als intelligente Leistungssteuerung mit Überwachungsmitteln zur Zustands- überwachung, insbesondere zur Spannungs- und Stromüberwa- chung zum Zweck der Vorausfallsdetektion, und/oder mit Ansteuermitteln zur Realisierung mindestens einer vorbestimmten Ansteuerkennlinie, insbesondere einer Einschaltkennlinie, des oder jedes Emitters ausgebildet ist.
16. Hochleistungs-Bestrahlungsanlage nach Anspruch 15, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine der Anzahl der zu überwachenden bzw. zu steuernden Emitter entsprechende Anzahl unabhängig arbeitender Über- wachungs- und/oder Ansteuermittel.
17. Hochleistungs-Bestrahlungsanlage nach Anspruch 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schaltsteuereinheit einen Anschluß für einen Meßfühler, insbesondere berührungslos arbeitenden Temperaturfüh- 1er (122) und/oder einen Feuchtesensor zur Feuchtigkeitsmessung und/oder eine optische Erfassungseinrichtung zur Materialerkennung bzw. Strahlungsdichteerfassung und mindestens eine Meßsignal-Verarbeitungseinheit aufweist.
18. Hochleistungs-Bestrahlungsanlage nach Anspruch 17, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine der Meßsignal-Verarbeitungseinheit oder den Meßsignal-Verarbeitungseinheiten nachgeschaltete Regelstufe zur Realisierung einer Regelung eines thermischen Bearbei- tungsprozesses.
19. Hochleistungs-Bestrahlungsanlage nach einem der Ansprüche 15 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Anlagensteuerung eine Strahlermodul-Erkennungsstufe zur Auswertung von durch die Strahlermodule übermittelten Kennungen, insbesondere eines Strahlermodulcodes und/oder mindestens eines Meßfühlercodes, aufweist, die insbesondere zur Realisierung einer automatischen Anmeldung der Strahlermodule der Anlage bei Inbetriebnahme ausgebildet ist.
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