WO2019110484A1 - Verfahren zum trocknen eines substrats, trocknermodul zur durchführung des verfahrens sowie trocknersystem - Google Patents

Verfahren zum trocknen eines substrats, trocknermodul zur durchführung des verfahrens sowie trocknersystem Download PDF

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WO2019110484A1
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substrate
process gas
infrared
transport direction
drying
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PCT/EP2018/083303
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Bernhard Graziel
Michael Tittmann
Vincent Krafft
Larisa Von Riewel
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Heraeus Noblelight Gmbh
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    • 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 process for the at least partial drying of a
  • the invention relates to an infrared dryer module for drying a substrate moved in a substrate plane and in a transport direction through a process chamber, comprising
  • radiator unit which comprises at least one infrared radiator having a longitudinal axis for emission of infrared radiation onto the substrate plane
  • a process gas supply unit with a process gas collecting space having at least one inlet opening for the introduction of process gas from the process gas collecting space in the process space, wherein the inlet opening adjacent a gas guide, which is in the direction of the substrate level extends
  • an exhaust unit with at least one suction channel for the discharge of moisture-laden process gas from the process space
  • the invention relates to a drying system for drying a substrate moved in a substrate plane and in a transport direction through a process space.
  • drying systems for example, for the drying of inks, paints, varnishes, adhesives or other solvent-containing layers, and in particular for drying paper and cardboard and products thereof and of printed products.
  • printing inks For printing sheet-like or web-like substrates from paper, paperboard, foil or cardboard with printing inks, offset printing machines, lithographic printing machines, rotary printing machines or flexo printing machines are commonly used.
  • Typical ingredients of printing inks and inks are oils, resins, water and binders.
  • drying is required which can be based on both physical and chemical drying processes. Physical drying processes include the evaporation of solvents (especially water) and their diffusion into the substrate, which is also known as “knocking off”. Chemical drying is understood to mean the oxidation or polymerization of printing ink constituents.
  • IR dryer systems feature further functional components such as cooling, supply air and exhaust air, which are linked and controlled in different ways in an air management system.
  • DE 10 2010 046 756 A1 describes a dryer module and a dryer system composed of a plurality of dryer modules for printing machines for printing sheet or roll material.
  • the dryer system consists of a plurality of dryer modules arranged transversely to the transport direction, each of which has an elongate infrared radiator aligned with the printing material to be dried, whose longitudinal axis is perpendicular to the transport direction of the printing material.
  • an air flow is generated which acts on the infrared radiator and on the printing material.
  • the infrared radiator is arranged within a process space for the printing substrate.
  • the supply air is supplied to a supply air collecting space and heated therein by means of a heating device.
  • the air heated by the infrared radiator is removed by means of a fan, added to the heated supply air and the infrared radiator thereby cooled.
  • the heated supply air enters the process area via gas outlet nozzles in the form of slot nozzles.
  • the gas outlet nozzles are arranged on both sides of the infrared radiator, wherein the slot in the transport direction for the printing material obliquely to the substrate plane with an orientation opposite to the transport direction, and the rear in the transport direction slot nozzle also obliquely to the substrate level with an orientation in the transport direction.
  • the degree of inclination of the slot nozzles can be changed by a motor.
  • the supply air laden with moisture is removed as exhaust air via an intake duct and partially fed to a heat exchanger, and another part added to the Zu Kunststoffsammelraum.
  • the process gas is heated by means of a dedicated heating device.
  • the heated process gas exits via the slit nozzles in the direction of the printing material as a heated air flow and acts locally on the substrate to be dried and otherwise more or less undefined until it is sucked off at another location as air laden with moisture.
  • the effectiveness of the drying air regarding Moisture removal from the substrate surface is therefore not exactly reproducible.
  • Slot nozzles are structurally relatively complex.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a drying method which is reproducible and effective and, in particular with regard to homogeneity and rapid drying of the substrate, leads to an improved result.
  • the invention has for its object to provide an energy-efficient IR dryer module and a dryer system, which are improved in particular for the drying of solvent-containing and especially water-based ink in terms of homogeneity and rapid drying.
  • this object is achieved on the basis of a method of the type mentioned above in that the at least two process gas flows are directed to the infrared radiator before they act on the substrate, and that each directed to the substrate process gas flow from the Substrate away exhaust air flow is spatially associated.
  • the at least two process gas flows are conducted to the infrared radiator before they act on the substrate.
  • the process gas is air in the simplest case. It primarily serves
  • the process gas is heated before it acts on the substrate.
  • the two process gas flows are heated by impinging on the hot infrared radiator and on any hot gas conducting elements in its immediate vicinity.
  • the process gas flows are guided to the infrared radiator, so that they at least partially flow around the radiator. At the same time they cool the infrared radiator and any gas conducting elements in the environment. By warming up the process gas, it can absorb a larger amount of moisture.
  • the at least one infrared radiator is, for example, a tubular radiator with a long-mounted radiator tube or a U-shaped or annular curved radiator tube or a plate-shaped, tile-shaped radiator. It can comprise a reflector and a housing.
  • the heating of the process gas by flowing the infrared radiator is done in these infrared radiator embodiments, for example, characterized in that the process gas flows around the radiator tube on its longitudinal sides, or by striking the planets of a plate-shaped infrared radiator and laterally or through openings in the radiator plate in the direction the process room is forwarded.
  • Such infrared radiators for example, have an emission wavelength in the range from about 1000 to 2750 nm and, as a rule, they must be actively cooled, in particular in confined spaces, as are typical for printing presses, in order to protect them from overheating.
  • the process gas reaching the infrared radiator is heated and at the same time it cools the infrared radiator.
  • the cooling gas for the infrared radiator after its heating simultaneously serves as a heated process gas for the drying process. Additional heating of the process gas can be dispensed with, or the additional heating of the process gas can take place with less energy input than would be the case without the additional heating by the infrared radiator, which is to be cooled anyway. This results in an efficient use of energy.
  • Each process gas flow directed to the substrate is spatially associated with an exhaust air flow leading away from the substrate.
  • the heated process gas is introduced into the process chamber as directed and heated process gas flow.
  • the process gas flow is not diffusive, but has a main propagation direction in which, depending on the volume of the process gas and the flow velocity, it penetrates onto the substrate surface and impinges on it at a preset angle, where it dries on the coated substrate.
  • the action here means that the process gas flow dries the layer, for example by Solvent from the layer is added to the gas phase and generated in the region of the substrate surface Gasverwirbelisme.
  • the process gas loaded with moisture and other gaseous components emanating from the substrate are removed as exhaust air from the process area completely or partially.
  • the directed flow of the exhaust air is generated by the suction through a suction channel, so that the exhaust air flow - as the process gas flow - has a main propagation direction.
  • the direction of the exhaust air flow is decisively determined by the position and orientation of the exhaust duct in relation to the substrate surface and defined as an imaginary extension of the exhaust duct to the substrate surface.
  • the spatial allocation of the process gas flows and the exhaust air flow results from the fact that each of the at least two process gas flows impinging on the substrate surface is adjacent to at least one exhaust air flow, or better if each of the at least two process gas flows on the substrate surface An exhaust air flow meets.
  • the spatial allocation causes an interaction of the respective gas flows on the substrate surface.
  • the interaction of the respective gas flows is thus effected on the one hand by the fact that the flow directions differ from heated process gas and from exhaust air laden with moisture, and on the other hand by the fact that they inevitably come into contact as a result of the explained spatial allocation.
  • the thus enforced interaction between process gas flow and exhaust air flow leads to a gas turbulence in the immediate vicinity of the substrate surface. This gas turbulence can cause a disturbance, reduction or even detachment of the fluid-dynamic laminar flow boundary layer and thus bring about an improvement in the mass transport and, in particular, the removal of moisture from the substrate.
  • the principal directions of propagation of process gas and exhaust air in the preferred case are at an angle of less than 90 degrees, and in the most preferred case they are counter-directed.
  • the infrared radiator is - preferably centrally - arranged in or below a slot-shaped inlet opening of the process space limiting wall so that it forms a longitudinal gap or preferably two equal width longitudinal gaps with the wall, from which the process gas along the two longitudinal sides of the infrared radiator in the direction on the substrate surface emerges.
  • the slot-shaped inlet opening is designed, for example, as a continuous gap or as a series of individual openings.
  • the infrared radiator thus contributes to the generation of the two process gas flows and it is simultaneously impinged by the process gas flows.
  • Each of the process gas flows generated in this process acts on the substrate to be dried in a strip-shaped surface area.
  • the respective associated suction flows are each preferably formed in strip form.
  • the emitter unit used for the purpose of a planar infrared irradiation of the substrate comprises a multiplicity of infrared emitters, each of which has mutually parallel longitudinal axes.
  • a process gas flow directed onto the substrate is guided around each of the infrared radiator longitudinal sides, with adjacent process gas flows of adjacent infrared radiators spatially associated with a common exhaust air flow.
  • an exhaust air flow in each case runs between two process gas flows, one of which is assigned to one infrared radiator and the other to the adjacent infrared radiator. Seen in the direction of the infrared radiator longitudinal axis, the flow sequence results between the two adjacent infrared radiators: process gas flow, exhaust air flow, process gas flow.
  • the process gas flows involved in this process interact with the common exhaust air flow and they can preferably also interact with one another, namely on a common strip-shaped region of the substrate surface.
  • the infrared radiator longitudinal axes can run perpendicular to the substrate transport direction and thereby extend over the entire width of the substrate, for example. However, in some applications, for example printing presses, it is desired that one and the same device can be used to treat substrates of different widths. Optionally, infrared radiation is required only via the so-called "format width", which may be smaller than the total equipped with infrared radiators equipment width of the device. In particular with regard to this, it has proved to be advantageous if the infrared radiator longitudinal axes extend in the substrate transport direction or enclose an angle of less than 30 degrees with the substrate transport direction
  • infrared radiators are arranged in the direction of the substrate transport direction, peripheral infrared radiators of the overall population can be simply switched off as required.
  • strip-like inhomogeneities in the substrate transport direction which can occur as a result of this arrangement in the drying effect on the substrate, is a slight inclination of the infrared radiator arrangement with respect to the transport direction, wherein the skew angle is small and advantageously less than 30 degrees.
  • Another preferred method is characterized in that the process space is formed in an infrared dryer module which, seen in the transport direction of the substrate, has a combination of the following components: a front air knife (Air Knife), one with several parallel to one another arrayed infrared radiators irradiation space, an air exchanger unit with integrated suction and a rear air knife.
  • a front air knife Air Knife
  • an air exchanger unit with integrated suction and a rear air knife.
  • the irradiation chamber is equipped with a radiator array of infrared radiators, and therein takes place the above-described treatment of the substrate by heating and drying under the action of process gas, suction and infrared radiation.
  • the front air knife generates an intensive air flow directed towards the substrate surface in the transport direction, which breaks through the laminar flow boundary layer on the substrate, generates turbulences and thereby promotes evaporation already at the beginning of the drying process.
  • unwanted substances can be introduced into the process space, both via the gas phase and with the substrate, for example substances in gaseous or liquid form, which adhere to the substrate surfaces.
  • the front air knife is subsequently provided with a suction in the direction of transport.
  • This optional extraction removes some of the air and components that are removed from the surface of the substrate by means of the front air knife Gas phase have been transferred, already removed from the process room from the beginning.
  • the rear air knife also generates an intense airflow directed at the substrate surface, which breaks the laminar flow boundary layer on the substrate at the process end.
  • the process gas accumulated in front of the air knife is sucked off in a controlled manner by the air exchange unit with integrated extraction in the transport direction and can be disposed of in a controlled manner via the process chamber extraction system.
  • the air exchange unit generates at least one directed onto the substrate surface directed air jet and it has an exhaust, by means of which the air jet is removed again immediately after its action on the substrate surface.
  • the air exchange unit consists, for example, of an arrangement of gas inlet nozzles arranged in alternation and suction channels, which extends over the entire width of the substrate. It has the task of taking along the moisture resulting from the action of the infrared radiation by means of intensive air turbulence and transported away. The direct extraction contributes to a low discharge of impurities from the dryer module.
  • the rear air knife thus completes the process step of drying the substrate within the respective dryer module.
  • the front and rear air knives thus also take over the function of air curtains at the entrance and exit of the dryer module and thus seal the IR module pneumatically.
  • the interaction of the irradiation space with the other components described reduces the risk that contaminants, and in particular water, will be introduced into the process space and emitted out of the dryer module. This enables a special This low-water process room improves and optimizes the drying effect.
  • the increase of the flow volume preferably takes place continuously by continuous enlargement of an open flow cross-section of an outlet opening extending along the infrared radiator longitudinal axes for the process gas into the process space.
  • the inventive method comprises a process gas amount control, when the gas introduced into the dryer module gas volume V is set at less than the out of the dryer module aspirated gas volume
  • the gas volume extracted from the process chamber is larger than the gas volume introduced into the process chamber. This ensures that as possible no toxic or otherwise undesirable substances escape from the process space.
  • the gas volume introduced into the process chamber comprises the volume of process gas and, if appropriate, the gas volumes introduced via the air exchanger unit and the air knife (s).
  • the object mentioned in the introduction is achieved according to the invention in that the infrared radiator is arranged with respect to the inlet opening such that it forms an inlet channel for the process gas with the gas guide element on both sides of its longitudinal axis. at least one process gas suction channel is adjacent to the process gas inlet channel.
  • the infrared radiator is arranged with respect to the inlet opening so that it forms an inlet channel for the process gas with the gas guide element on both sides of its longitudinal axis.
  • the at least one infrared radiator is, for example, a tubular radiator with a long-mounted or a U-shaped bent radiator tube or a plate-shaped, tiled radiator. It has a longitudinal axis and it can include a reflector and a housing.
  • the inlet opening is parallel to the infrared radiator longitudinal axis; it is executed in example as a continuous gap or as a juxtaposition of a plurality of individual openings.
  • the at least one infrared radiator is arranged with respect to the process gas inlet opening in such a way that it is directly flowed against and circulated by the process gas flowing from the inlet opening into the process space.
  • the intermediate space between the infrared radiator and the gas conduction elements forms an inlet channel for at least two process gas flows on each side of its longitudinal axis.
  • the gas outlet of the process gas inlet channel is directed perpendicular or at an angle to the substrate plane.
  • the gas guide elements can be used to guide the process gas flowing out of the inlet opening into the process chamber in the direction of the infrared emitter; if appropriate, they extend to near the infrared emitter or even beyond in the direction of the substrate plane.
  • the gas-conducting elements and the infrared radiator are thus cooled by the process gas, which is thereby simultaneously produced. is heated.
  • the cooling gas for the infrared radiator is used after its heating as a heated process gas. Additional heating of the process gas can be dispensed with, or the additional heating of the process gas can take place with less energy input than would be the case without the additional heating by the infrared radiator, which is to be cooled anyway. This results in an efficient use of energy.
  • the infrared radiator is part of the process gas guide; it contributes to the formation and guidance of the process gas flows over at least a small section.
  • Each process gas inlet channel is followed by at least one process gas suction channel.
  • the heated process gas passes through the process gas inlet channel as directed and heated process gas flow into the process space.
  • the process gas flow is not diffuse but has a main propagation direction in which, depending on the volume of the process gas and the flow velocity, it penetrates the substrate surface and impinges on it at a preset angle, where it dries on the substrate.
  • the moisture-laden process gas and other gaseous components leaving the substrate are completely or partially removed from the process space.
  • the directed flow of the exhaust air is generated by the exhaust via a suction channel, so that the exhaust air flow - as the process gas flow - has a main direction of propagation.
  • the direction of the flow is largely determined by the position and orientation of the suction channel in relation to the substrate plane.
  • a suction channel is adjacent to each inlet channel, it also follows that at least one exhaust air flow is adjacent to each of the at least two process gas flows impinging on the substrate surface, or even better, that each of the at least two process gas flows the substrate surface coincides with an exhaust air flow.
  • an interaction of the respective gas flows is generated on the substrate surface.
  • the interaction of the respective gas flows is thus on the one hand caused by the fact that the flow directions of heated process gas and of moisture-laden exhaust air differ, and, on the other hand, that they come together as a result of the spatial allocation described.
  • the thus enforced interaction between process gas flow and exhaust air flow leads to a gas turbulence in the immediate vicinity of the substrate surface. This gas turbulence can cause a disturbance, reduction or even detachment of the fluid-dynamic laminar flow boundary layer and, concomitantly, an improvement in the mass transport and, in particular, the removal of moisture from the substrate.
  • the dryer module In the case of the dryer module according to the invention, rapid and effective drying of the substrate with simultaneously low energy consumption is achieved on the basis of these measures.
  • the degree of gas turbulence can be set reproducibly and thus also the degree of dryness.
  • the principal directions of propagation of process gas and exhaust air in the preferred case are at an angle of less than 90 degrees, and in the most preferred case they are oppositely directed. It has proven to be advantageous if the gas-conducting element and the suction channel have a common wall section which terminates at a distance from the substrate plane.
  • the heated process gas flows in the direction of the substrate plane, and on the other side of the common wall section, the moisture-laden process gas flows away from the substrate plane as exhaust air.
  • a high flow velocity of the process gas flow and the smallest possible free distance of the end of the common wall section to the substrate plane contribute to the fact that as little process gas as possible reaches the suction channel at the end of the common wall section.
  • the said free distance to the substrate plane may be less than 10 mm, for example.
  • the emitter unit used for the purpose of a planar infrared irradiation of the substrate has a plurality of infrared Includes emitters, each having parallel longitudinal axes.
  • a common suction channel is arranged between adjacent infrared radiators.
  • Infrared radiator and suction channel alternate. This results in a particularly intensive gas turbulence and nevertheless a defined and reproducible effect of the process gas flow on the substrate to be dried.
  • Infrared radiators with infrared radiators on both sides have a suction channel on each of their longitudinal sides, which is assigned to one of the two process gas flows.
  • the exhaust air flow in the suction thus runs between two process gas flows, one of which is assigned to the one infrared radiator and the other the adjacent infrared radiator.
  • the process gas flows involved interact with the common exhaust air flow and they can preferably also interact with each other.
  • Peripheral infrared radiators have only with the adjacent infrared radiator a suction channel in common, with a separate, separate suction is arranged on its other long side, or there acts another suction.
  • the infrared radiator longitudinal axes can run perpendicular to the substrate transport direction and thereby extend over the entire width of the substrate, for example. However, in some applications, for example printing presses, it is desired that one and the same device can be used to treat substrates of different widths. Optionally, infrared radiation is required only via the so-called "format width", which may be smaller than the total equipped with infrared radiators equipment width of the device. In particular, it has proved to be advantageous if the infrared radiator longitudinal axes extend in the substrate transport direction or enclose an angle of less than 30 degrees with the substrate transport direction
  • the infrared radiators are arranged in the direction of the substrate transport direction, peripheral infrared radiators of the overall population can be simply switched off as required.
  • a slight inclination of the infrared radiator arrangement is advantageous with respect to the transport direction, wherein the Angle of inclination is small and advantageously less than 30 degrees.
  • the process space is formed in an infrared dryer module which, viewed in the transport direction, has the following components: a front air knife (air knife), an irradiation space equipped with a plurality of infrared heaters arranged parallel to one another , an air exchange unit with integrated extraction and a rear air knife.
  • the irradiation chamber is equipped with a radiator array of infrared radiators, and therein takes place the above-described treatment of the substrate by heating and drying under the action of process gas, suction and infrared radiation.
  • the front air knife generates an intensive air flow directed towards the substrate surface in the transport direction, which breaks through the laminar flow boundary layer on the substrate, generates turbulences and thereby promotes evaporation already at the beginning of the drying process.
  • unwanted substances can be introduced into the process space, both via the gas phase as well as with the substrate, such as substances in gaseous or liquid form, which adhere to the substrate surfaces.
  • an aspiration follows the front air knife in the transport direction.
  • This optional suction removes part of the air and components that have been removed from the substrate surface and vaporized by the front air knife, from the beginning of the process chamber.
  • the rear air knife also generates an intense airflow directed at the substrate surface, which breaks the laminar flow boundary layer on the substrate at the process end.
  • the process gas accumulated in front of the air knife is sucked off in a controlled manner by the air exchange unit with integrated extraction in the transport direction and can be disposed of in a controlled manner via the process chamber extraction system.
  • the air exchange unit generates at least one air jet directed onto the substrate surface and it has an extraction system by means of which the air jet is removed again immediately after its action on the substrate surface.
  • the air exchange unit consists, for example, of an arrangement of alternately arranged gas inlet nozzles and suction channels, which extends over the entire width of the substrate. It has the task of taking along and carrying away the moisture that has arisen as a result of the influence of infrared radiation by means of intensive air turbulence.
  • the rear air knife thus completes the process step of the substrate within the respective dryer module.
  • the front and rear air knives thus also take over the function of air curtains at the entrance and exit of the dryer module and thus seal the IR module pneumatically.
  • the interaction of the irradiation chamber with the other components described reduces the risk of contaminants, and in particular of water, being introduced into the entry into the process chamber and being emitted out of the dryer module. This allows a particularly water-poor process space and improves and optimizes the drying effect.
  • the above-mentioned technical problem is solved according to the invention in that it contains a plurality of dryer modules according to the invention, which are arranged side by side and / or behind one another in the transport direction.
  • FIG. 1 shows a printing press with a printing unit and an infrared
  • FIG. 2 shows a dryer module according to the invention as part of the dryer system of the printing press of FIG. 1 in a longitudinal section in the printing material transport direction
  • FIG. 3 shows a detail of the irradiation unit of the invention
  • Dryer module in a section along the line A-A of Figure 2, and
  • FIG. 4 shows a section of the irradiation unit in a plan view of radiation units in the direction of the arrow X of FIG. 3.
  • a heating filament made of carbon or tungsten in spiral or ribbon form is enclosed in an inert gas-filled radiator tube, which is usually made of quartz glass.
  • the heating filaments are equipped with electrical connections. which are inserted over one end or both ends of the radiator tube.
  • Figure 1 shows schematically a printing machine in the form of a roller inkjet printing machine, the total number 1 is assigned.
  • the material web 3 from a printing material, such as paper, to a printing unit 40.
  • This includes several, along the web 3 successively arranged inkjet printheads 4, by the solvent on the substrate and insbesonde - Water-based inks are applied.
  • the material web 3 then passes from the printing unit 40 via a deflecting roller 6 to an infrared dryer system 70.
  • This is equipped with a plurality of dryer modules 7 which are designed for drying or repelling the solvent into the material web.
  • the further transport path of the material web 3 passes through a tension roller 8, which is equipped with its own traction drive motor and via which the adjustment of the web tension takes place, to a take-up reel 9.
  • each of the dryer modules is equipped with several infrared radiators - eighteen in the exemplary embodiment.
  • the dryer modules are arranged in pairs next to and behind each other in the dryer system in the transport direction.
  • the respective adjacent pair of dryer modules 7 covers the maximum format width of the printing machine 1.
  • the dryer modules 7 and the individual infrared radiators are electrically controllable separately from one another.
  • the transport speed of the material web 3 is set to 5 m / s. This is a comparatively high speed, which is made possible by an optimization of the individual processing steps, and which in particular requires a high drying rate.
  • the drying method required for achieving this requirement and the dryer module 7 used for this purpose are explained in more detail below with reference to FIGS. 2 to 4. Unless in these Figures are used the same reference numerals as in Figure 1, so construction equivalent or equivalent components and components are referred to, as they are explained in more detail above with reference to the description of the printing press.
  • Directional arrows 28 indicate an airflow directed toward the surface of printing material 3 and directional arrows 29 an airflow leading away from printing substrate 3 and an interaction 35 of these airflows, which is explained with reference to FIG.
  • the length of the directional arrows 28, which increases in the transporting direction 5; 29 symbolizes the increase in the respective flow volumes.
  • the surface of the printing substrate 3 simultaneously corresponds to the substrate plane 3 a.
  • the cross section shown in FIG. 3 comprises a section of the infrared irradiation chamber 25 along four identical infrared radiator units 30.
  • the cross section shows a suction space 31, a gas supply space 32 and the actual infrared treatment space 33.
  • the gas supply space 32 is connected to a gas inlet 36 and is composed of a plurality of gas collecting spaces 32 a, which are fluidly connected to one another via lines 32 b.
  • Each radiator unit 30 has a gas collecting space 32a.
  • Each gas collecting space 32 a is provided with a centrally extending, elongated opening 37 to the substrate treatment space 33.
  • the elongated opening 37 has the shape of a longitudinal slot extending in the substrate transporting direction 5 (perpendicular to the plane of the paper) and extending on both longitudinal sides of gas guide elements 38a; 38b is limited.
  • the Luftleitglocke 38 terminates at a distance of about 10 mm in front of the surface of the printing substrate 3 (the substrate plane 3a).
  • the suction space 31 has a gas outlet 34 which is connected to a fan (not shown in the figure).
  • a fan not shown in the figure.
  • suction chamber 31 open gap-shaped suction channels 39 which extend between adjacent IR emitter units 30 and each end with the air guide elements 38a and 38b in front of the substrate level 3a.
  • the infrared radiators 24 arranged in the substrate treatment space 33 are designed as commercial twin tube radiators. They consist of a quartz glass envelope, which is eight-shaped in cross section and encloses two subspaces separated by a central web. Its nominal output is 3,500 W. The total radiator length is 70 cm and the outer dimensions of the enveloping piston are 34 x 14 mm.
  • the opening 37 for the cooling air in the treatment chamber 33 and behind the infrared radiator 24 can be seen.
  • the opening width of the elongated opening 37 widens continuously in the transport direction 5.
  • the width of the suction channels 39 remains constant in the transport direction 5.
  • the transport direction 5 encloses an angle of 10 degrees with the longitudinal sides of the suction channels 39, or with the longitudinal axes of the infrared radiators 24 (not visible in the figure).
  • the components of the dryer module 7 of Figure 2 have the following functions and effects.
  • the front air knife 22 With the aid of the guide plate 22a, the front air knife 22 generates an intensive air flow 22b directed onto the printing substrate surface 3a in the transport direction 5, which breaks through the laminar flow boundary layer on the printing material 3, generates swirls and thereby causes evaporation already at the beginning of drying. favors the process of About the front air knife 22 in transport tion downstream suction, a part of the air and the components, which have been stirred up by means of the front Air Knifes 22, sucked out of the dryer module 7.
  • the rear air knife 27 also generates an intensive, assisted, baffle 27a.
  • On the substrate surface 3a directed air flow, which breaks through the lami- nary flow boundary layer on the substrate 3.
  • the process gas 27b accumulated thereby in front of the air knife 27 is removed by the air exchange unit 26 located upstream in the transport direction.
  • a plurality of air curtains 26a extending transversely to the transport direction 5 are produced by means of the air exchanger unit 26.
  • a supply air flow 26b directed onto the printing substrate surface 3a is produced in each air curtain 26a and this is withdrawn again immediately after impinging on the printing material via an exhaust air flow 26c.
  • the air exchanger unit 26 can take the moisture resulting from the action of the infrared radiation by means of intensive air turbulence and remove it via their inte grated suction, so that unwanted components can not leave the dryer module 7 in a controlled manner.
  • the treatment of the printing substrate 3 in the infrared irradiation chamber 25 comprises heating by means of infrared radiation while being exposed to dry air.
  • the cooling air flowing from the gas supply chamber 32 through the elongate opening into the treatment chamber 33 is divided into two process gas streams 28 which are partially guided around the infrared radiator 24 and around its enveloping pistons. In this case, the infrared radiator 24 is cooled and at the same time the cooling air is heated.
  • a narrow gap results between the wall of the infrared radiator 24 and the air-conducting bell 38, which accelerates the two air flows 28 in the direction of the substance 3, so that they act intensively on them and cause moisture. transfer or absorb gas into the gas phase. As a result of their heating, the absorption capacity of the cooling air for moisture is increased.
  • Each directed to the substrate 3 air flow 28 is spatially associated with a wegsetdem away from the printing material Ab povertyströmung 29 by the directions of inflowing air stream 28 and sucked air stream 29 are directed almost in opposite directions (they close in the embodiment, an angle of less than 30th Degree with each other) and in an interaction zone 35 meet, with the interaction zone 35 is located on the surface of the printing material 3.
  • Each of the two air flows 28 therefore meets on the printing material surface with an exhaust air flow 29 together.
  • An exhaust air flow 29 in each case runs between two air flows 28, one of which is assigned to one infrared radiator 24 and the other to the adjacent infrared radiator 24.
  • the flow sequence follows between adjacent infrared radiators 24: air flow 28-exhaust air flow 29-air flow 28.
  • These air flows 28 interact with the common exhaust air flow 29 and can preferably also interact with one another a common strip-shaped region 36 on the substrate surface.
  • the interactions (interactions) of the flows 28, 29, 28 with one another produce in the common strip-shaped interaction region 35 of the substrate surface a particularly intense gas turbulence which particularly effectively disturbs, reduces or removes the laminar flow boundary layer at the printing material surface that a quick drying is achieved.
  • the common use of an exhaust air flow 29 of two adjacent air flows 28 allows a spatially close arrangement of the infrared radiator 24 of the radiator field and thus an effective drying with a compact design.

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Abstract

Verfahren zum Trocknen eines Substrats mit den folgenden Verfahrensschritten sind bekannt: (a) Emittieren von Infrarotstrahlung in Richtung auf ein durch einen Prozessraum bewegtes Substrats mittels einer Strahlereinheit, die mindestens einen Infrarotstrahler umfasst, (b)Erzeugen mindestens zweier auf das Substrat gerichteter Prozessgasströmungen eines Prozessgases, (c) Trocknen des Substrats durch Einwirkung von Infrarotstrahlung und Prozessgas auf das Substrat, und Absaugen von feuchtebeladenem Prozessgas über einen Absaugkanal aus dem Prozessraum unter Bildung einer von dem Substrat wegführenden Abluftströmung. Um hiervon ausgehend ein Trocknungsverfahren anzugeben, das reproduzierbar und effektiv ist und insbesondere hinsichtlich Homogenität und Schnelligkeit der Trocknung des Substrats zu einem verbesserten Ergebnis führt, wird vorgeschlagen, dass die mindestens zwei Prozessgasströmungen an den Infrarotstrahler geführt werden, bevor sie auf das Substrat einwirken, und dass jeder auf das Substrat gerichteten Prozessgasströmung eine vom Substrat wegführende Abluftströmung räumlich zugeordnet ist.

Description

Verfahren zum Trocknen eines Substrats, Trocknermodul zur Durchführung des Verfahrens sowie Trocknersystem Beschreibung
Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mindestens teilweisen Trocknen eines
Substrats, umfassend die Verfahrensschritte
(a) Emittieren von Infrarotstrahlung in Richtung auf ein durch einen Prozessraum entlang eines Transportwegs und in einer Transportrichtung bewegten Sub- strats mittels einer Strahlereinheit, die mindestens einen Infrarotstrahler um- fasst,
(b) Erzeugen mindestens zweier auf das Substrat gerichteter Prozessgasströ- mungen eines Prozessgases,
(c) mindestens teilweises Trocknen des Substrats durch Einwirkung von Infrarot-
Strahlung und Prozessgas auf das Substrat, und Absaugen von feuchtebela- denem Prozessgas über einen Absaugkanal aus dem Prozessraum unter Bil- dung einer von dem Substrat wegführenden Abluftströmung.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Infrarot-Trocknermodul zum Trocknen eines in einer Substratebene und in einer Transportrichtung durch einen Prozessraum be- wegten Substrats, umfassend
(a) eine Strahlereinheit, die mindestens einen eine Längsachse aufweisenden Infrarotstrahler zur Emission von Infrarotstrahlung auf die Substratebene um- fasst,
(b) eine Prozessgas-Zuführungseinheit mit einem Prozessgas-Sammelraum, der mindestens eine Einlassöffnung für die Einleitung von Prozessgas aus dem Prozessgas-Sammelraum in den Prozessraum aufweist, wobei an die Ein- lassöffnung ein Gasleitelement angrenzt, das sich in Richtung der Substrat- ebene erstreckt, (c) eine Ablufteinheit mit mindestens einem Absaugkanal für die Ableitung von feuchtebeladenem Prozessgas aus dem Prozessraum
Darüber hinaus geht es bei der Erfindung um ein Trocknersystem zum Trocknen eines in einer Substratebene und in einer Transportrichtung durch einen Prozess- raum bewegten Substrats.
Derartige Trocknersysteme, Trocknermodule und Trocknungsverfahren werden beispielsweise für die Trocknung von Tinten, Farben, Lacken, Klebern oder ande- ren lösungsmittelhaltigen Schichten, und insbesondere zur Trocknung von Papier und Pappe und Produkten hieraus sowie von Druckerzeugnissen eingesetzt.
Stand der Technik
Zum Bedrucken bogenförmiger oder bahnförmiger Bedruckstoffe aus Papier, Pap- pe, Folie oder Karton mit Druckfarben sind Offset-Druckmaschinen, lithographi sche Druckmaschinen, Rotationsdruckmaschinen oder Flexo-Druckmaschinen gebräuchlich. Typische Inhaltsstoffe von Druckfarben und -tinten sind Öle, Harze, Wasser und Bindemittel. Bei lösungsmittelhaltigen und vor Allem wasserhaltigen Druckfarben und Lacken ist ein Trocknen erforderlich, das sowohl auf physikali- schen als auch auf chemischen Trocknungsprozessen beruhen kann. Physikali sche Trocknungsprozesse umfassen das Verdunsten von Lösungsmitteln (insbe- sondere von Wasser) und deren Diffusion in den Bedruckstoff, was auch als „Wegschlagen“ bezeichnet wird. Unter chemischer Trocknung wird die Oxidation beziehungsweise Polymerisation von Druckfarben-Inhaltsstoffen verstanden.
Zwischen physikalischer und chemischer Trocknung gibt es Übergänge. So kann beispielsweise das Wegschlagen der Lösungsmittel eine Annäherung monomerer Harzmoleküle bewirken, so dass diese gegebenenfalls einfacher polymerisieren. Trocknungsvorrichtungen zum Trocknen des bedruckten Bedruckstoffs dienen somit zum Entfernen von Lösungsmittel und/oder zum Auslösen von Vernetzungs- reaktionen.
Übliche IR-Trocknersysteme weisen neben Infrarotstrahlern weitere Funktions- bausteine wie Kühlung, Zuluft und Abluft auf, die in einem Luftmanagement- System in unterschiedlicher Ausprägung miteinander verknüpft und geregelt wer- den. So beschreibt beispielsweise die DE 10 2010 046 756 A1 ein Trocknermodul und ein aus mehreren Trocknermodulen zusammengesetztes Trocknersystem für Druckmaschinen zum Bedrucken von Bogen- oder Rollenmaterial.
Das Trocknersystem besteht aus mehreren quer zur Transportrichtung angeord- neten Trocknermodulen, von denen jedes einen auf den zu trocknenden Bedruck- stoff ausgerichteten langgestreckten Infrarotstrahler aufweist, dessen Längsachse senkrecht zur Transportrichtung des Bedruckstoffs verläuft. Mittels eines regelba- ren Lüftungssystems wird eine Luftströmung erzeugt, die auf den Infrarotstrahler und auf den Bedruckstoff einwirkt. Der Infrarotstrahler ist innerhalb eines Prozess- raums für den Bedruckstoff angeordnet. Die Zuluft wird einem Zuluftsammelraum zugeführt und darin mittels einer Heizeinrichtung erwärmt. Außerdem wird mittels eines Ventilators die vom Infrarotstrahler erwärmte Luft abgeführt, der erwärmten Zuluft hinzugefügt und der Infrarotstrahler dadurch gekühlt.
Aus dem Zuluftsammelraum gelangt die erwärmte Zuluft über Gasaustrittsdüsen in Form von Schlitzdüsen in den Prozessraum. Die Gasaustrittsdüsen sind beidseitig des Infrarotstrahler angeordnet, wobei die in Transportrichtung für den Bedruck- stoff vordere Schlitzdüse schräg zur Bedruckstoffebene mit einer Orientierung entgegen der Transportrichtung, und die in Transportrichtung hintere Schlitzdüse ebenfalls schräg zur Bedruckstoffebene mit einer Orientierung in Transportrich- tung verlaufen. Der Grad der Schrägstellung der Schlitzdüsen ist motorisch verän- derbar.
Aus dem Prozessraum wird die mit Feuchtigkeit beladene Zuluft als Abluft über einen Ansaugkanal abgeführt und teilweise einem Wärmetauscher zugeführt, und ein anderer Teil dem Zuluftsammelraum hinzugefügt.
Technische Aufgabenstellung
Bei dem bekannten Trocknermodul wird das Prozessgas mittels einer eigens dafür vorgesehenen Heizeinrichtung erwärmt. Das erwärmte Prozessgas tritt über die Schlitzdüsen in Richtung auf den Bedruckstoff als erwärmte Luftströmung aus und wirkt dabei auf den zu trocknenden Bedruckstoff lokal und ansonsten mehr oder weniger Undefiniert solange ein, bis sie als mit Feuchtigkeit beladene Luft an an- derer Stelle wieder abgesaugt wird. Die Effektivität der Trocknungsluft hinsichtlich des Feuchteabtransports von der Substrat-Oberfläche ist daher nicht exakt repro- duzierbar. Schlitzdüsen sind konstruktiv relativ aufwändig.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Trocknungsverfahren anzu- geben, das reproduzierbar und effektiv ist und insbesondere hinsichtlich Homoge- nität und Schnelligkeit der Trocknung des Substrats zu einem verbesserten Er- gebnis führt.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein energieeffizientes IR- Trocknermodul und ein Trocknersystem bereitzustellen, die insbesondere für die Trocknung lösungsmittelhaltiger und insbesondere wasserbasierter Druckfarbe hinsichtlich Homogenität und Schnelligkeit der Trocknung verbessert sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die min- destens zwei Prozessgasströmungen an den Infrarotstrahler geführt werden, be- vor sie auf das Substrat einwirken, und dass jeder auf das Substrat gerichteten Prozessgasströmung eine vom Substrat wegführende Abluftströmung räumlich zugeordnet ist.
Die mindestens zwei Prozessgasströmungen werden an den Infrarotstrahler ge- führt, bevor sie auf das Substrat einwirken. · Das Prozessgas ist im einfachsten Fall Luft. Es dient in erster Linie dazu,
Feuchtigkeit vom Substrat abzuführen. Zu diesem Zweck wird das Prozessgas erwärmt, bevor es auf das Substrat einwirkt. Im Unterschied zum gattungsge- mäßen Verfahren werden die beiden Prozessgasströmungen dadurch erwärmt, dass sie auf den heißen Infrarotstrahler und auf etwaige heiße Gasleitelemente in dessen unmittelbarer Umgebung auftreffen. Dazu werden die Prozessgas- strömungen an den Infrarotstrahler geführt, so dass sie den Strahler mindes- tens teilweise umströmen. Gleichzeitig kühlen sie dabei den Infrarotstrahler und etwaige Gasleitelemente in der Umgebung. Durch das Aufwärmen des Prozessgases kann es eine größere Feuchtigkeitsmenge aufnehmen. Bei dem mindestens einen Infrarotstrahler handelt es sich beispielsweise um einen rohrförmigen Strahler mit einem langesteckten oder einem U-förmig oder ringförmig gebogenen Strahlerrohr oder um einen plattenförmigen, kachelför- migen Strahler. Er kann einen Reflektor und ein Gehäuse umfassen. Das Auf- wärmen des Prozessgases durch Anströmen des Infrarotstrahlers geschieht bei diesen Infrarotstrahler-Ausführungsformen beispielsweise dadurch, dass das Prozessgas das Strahlerrohr an seinen Längsseiten umströmt, oder indem es auf die Planseiten eines plattenförmigen Infrarotstrahlers auftrifft und seitlich oder über Öffnungen in der Strahlerplatte in Richtung auf den Prozessraum weitergeleitet wird.
• Derartige Infrarotstrahler haben beispielsweise eine Emissionswellenlänge im Bereich von etwa 1000 bis 2750 nm und müssen in der Regel - insbesondere in engen Bauräumen, wie sie beispielsweise für Druckmaschinen typisch sind - aktiv gekühlt werden, um sie vor Überhitzung zu schützen. Beim erfindungs- gemäßen Verfahren wird das auf den Infrarotstrahler gelangende Prozessgas erwärmt, und es kühlt dabei gleichzeitig den Infrarotstrahler. Somit dient das Kühlgas für den Infrarotstrahler nach seiner Erwärmung gleichzeitig als er- wärmtes Prozessgas für den Trocknungsprozess. Auf eine zusätzliche Erwär- mung des Prozessgases kann verzichtet werden, oder die zusätzliche Erwär- mung des Prozessgases kann mit weniger Energieeinsatz erfolgen als dies ohne die zusätzliche Erwärmung durch den ohnehin zu kühlenden Infrarot- Strahler der Fall wäre. Dadurch ergibt sich eine effiziente Energienutzung.
Jeder auf das Substrat gerichteten Prozessgasströmung ist eine vom Substrat wegführende Abluftströmung räumlich zugeordnet.
• Das erwärmte Prozessgas wird in den Prozessraum als gerichtete und er- wärmte Prozessgasströmung eingeleitet. Die Prozessgasströmung ist nicht dif fus, sondern sie hat eine Hauptausbreitungsrichtung, in der sie je nach Volu- men des Prozessgases und der Strömungsgeschwindigkeit auf die Substrat- Oberfläche vordringt und darauf in einem voreingestellten Winkel auftrifft und dort trocknend auf das beschichtete Substrat einwirkt. Das Einwirken bedeutet hier, dass die Prozessgasströmung die Schicht trocknet, beispielsweise indem Lösungsmittel aus der Schicht in die Gasphase aufgenommen und im Bereich der Substrat-Oberfläche Gasverwirbelungen erzeugt werden.
• Das mit Feuchtigkeit beladene Prozessgas und andere aus dem Substrat aus- tretende gasförmige Komponenten werden als Abluft aus dem Prozessraum ganz oder teilweise abgeführt. Die gerichtete Strömung der Abluft wird durch das Absaugen über einen Absaugkanal erzeugt, so dass auch die Abluftströ- mung - so wie die Prozessgasströmung - eine Hauptausbreitungsrichtung hat. Die Richtung der Abluftströmung wird maßgeblich durch die Position und Aus- richtung des Absaugkanals in Bezug zur Substrat-Oberfläche bestimmt und als gedachte Verlängerung des Absaugkanals auf die Substrat-Oberfläche defi niert.
• Die räumliche Zuordnung der Prozessgasströmungen und der Abluftströmung ergibt sich dadurch, dass jeder der mindestens zwei auf die Substrat- Oberfläche auftreffenden Prozessgasströmungen mindestens eine Abluftströ- mung benachbart ist, oder besser: wenn jede der mindestens zwei Prozess- gasströmungen auf der Substrat-Oberfläche mit einer Abluftströmung zusam- mentrifft.
• Die räumliche Zuordnung bewirkt auf der Substrat-Oberfläche eine Interaktion der jeweiligen Gasströmungen miteinander. Die Interaktion der jeweiligen Gas- strömungen wird somit einerseits dadurch bewirkt, dass sich die Strömungs- richtungen von erwärmtem Prozessgas und von feuchtebeladener Abluft unter- scheiden, und andererseits dadurch, dass sie infolge der erläuterten räumli- chen Zuordnung zwangsläufig aufeinandertreffen. Die dadurch erzwungene Wechselwirkung zwischen Prozessgasströmung und Abluftströmung führt zu einer Gasverwirbelung in unmittelbarer Nähe zur Substrat-Oberfläche. Diese Gasverwirbelung kann eine Störung, Verkleinerung oder sogar Ablösung der fluiddynamischen laminaren Strömungsgrenzschicht bewirken und damit ein- hergehend eine Verbesserung des Stofftransports und insbesondere der Ab- führung von Feuchtigkeit aus dem Substrat bewirken.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird aufgrund dieser Maßnahmen eine schnelle und effektive Trocknung des Substrats bei gleichzeitig möglichst gerin- gem Energieverbrauch erreicht. Zudem ist durch Steuerung der Volumina an Pro- zessgas und Abluft der Grad der Gasverwirbelung beherrschbar und damit auch die Effektivität der Trocknung reproduzierbar einzustellen.
Zur Unterstützung der Ausbildung von Gasverwirbelungen schließen die Haupt- ausbreitungsrichtungen von Prozessgas und Abluft im bevorzugten Fall einen Winkel von weniger als 90 Grad ein, und im besonders bevorzugten Fall sind sie gegenläufig gerichtet.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen eine Längsachse aufweisenden Infrarot- Strahler einzusetzen, wobei der Infrarotstrahler beidseitig seiner Längsachse von je einer der beiden Prozessgasströmungen angeströmt wird.
Der Infrarotstrahler ist dabei - vorzugsweise mittig - in einer oder unterhalb einer schlitzförmigen Einlassöffnung einer den Prozessraum begrenzenden Wandung angeordnet, so dass er mit der Wandung einen Längsspalt oder bevorzugt zwei gleich breite Längsspalte bildet, aus denen das Prozessgas entlang der beiden Längsseiten des Infrarotstrahlers in Richtung auf die Substrat-Oberfläche austritt. Die schlitzförmige Einlassöffnung ist beispielsweise als durchgehender Spalt aus- geführt oder als Aneinanderreihung einer Vielzahl von Einzelöffnungen.
Der Infrarotstrahler trägt somit zur Erzeugung der beiden Prozessgasströmungen bei und er wird gleichzeitig von den Prozessgasströmungen angeströmt. Jede der dabei erzeugten Prozessgasströmungen wirkt in einem streifenförmigen Oberflä- chenbereich auf das zu trocknende Substrat ein. Gegebenenfalls sind auch die jeweils zugeordneten Absaugströmungen jeweils bevorzugt streifenförmig ausge- bildet.
Im Folgenden werden bevorzugte Verfahrensweisen des erfindungsgemäßen Ver- fahrens erläutert, bei denen die zum Zweck einer flächigen Infrarot-Bestrahlung des Substrats eingesetzte Strahlereinheit eine Vielzahl von Infrarotstrahlern um- fasst, die jeweils parallel zueinander verlaufende Längsachsen aufweisen.
Bei einer besonders effektiven Ausführungsform dieser Verfahrensweise wird um jede der Infrarotstrahler-Längsseiten eine auf das Substrat gerichtete Prozessgas- strömung geführt, wobei benachbarte Prozessgasströmungen benachbarter Infra- rotstrahler einer gemeinsamen Abluftströmung räumlich zugeordnet sind. Bei dieser Verfahrensvariante verläuft eine Abluftströmung jeweils zwischen zwei Prozessgasströmungen, von denen eine dem einen Infrarotstrahler und die andere dem benachbarten Infrarotstrahler zuzuordnen ist. In Richtung der Infrarotstrahler- Längsachse gesehen, ergibt sich zwischen den beiden benachbarten Infrarot- Strahlern die Strömungsabfolge: Prozessgasströmung, Abluftströmung, Prozess- gasströmung. Die dabei beteiligten Prozessgasströmungen interagieren (wech- selwirken) mit der gemeinsamen Abluftströmung und die können vorzugsweise auch miteinander interagieren, und zwar auf einem gemeinsamen streifenförmigen Bereich der Substrat-Oberfläche.
Durch die Wechselwirkungen (Interaktionen) der Strömungen miteinander wird in dem gemeinsamen streifenförmigen Bereich der Substrat-Oberfläche eine beson- ders intensive Gasverwirbelung erzeugt, die die laminare Strömungsgrenzschicht an der Substrat-Oberfläche besonders effektiv stört, verkleinert oder ablöst, so dass ein schnelles Trocknen erreicht wird. Die gemeinsame Nutzung einer Abluft- strömung von zwei benachbarten Prozessgasströmungen ermöglicht eine räum- lich enge Anordnung der Infrarotstrahler des Strahlerfeldes und damit ein effekti- ves Trocknen bei gleichzeitig kompakter Bauweise.
Die Infrarotstrahler-Längsachsen können senkrecht zur Substrat-Transportrichtung verlaufen und sich dabei beispielsweise über die gesamte Substrat-Breite erstre- cken. Bei einigen Anwendungen, beispielsweise bei Druckmaschinen, ist es je- doch gewünscht, dass ein und dieselbe Vorrichtung für die Behandlung von Subs- traten unterschiedlicher Breite einsetzbar ist. Gegebenenfalls ist Infrarotstrahlung nur über die sogenannte„Formatbreite“ erforderlich, die kleiner sein kann, als die gesamte mit Infrarotstrahlern bestückte Ausstattungsbreite der Vorrichtung. Insbe- sondere im Hinblick darauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Infrarot- strahler-Längsachsen in Substrat-Transportrichtung verlaufen oder mit der Sub- strat-Transportrichtung einen Winkel von weniger als 30 Grad einschließen
Dadurch, dass die Infrarotstrahler in Richtung der Substrat-Transportrichtung an- geordnet sind, können randständige Infrarotstrahler der Gesamt-Bestückung nach Bedarf einfach abgeschaltet werden. Um in diesem Fall streifenförmige Inhomo- genitäten in Substrat-Transportrichtung zu vermeiden, die sich infolge dieser An- ordnung bei der Trocknungswirkung auf dem Substrat einstellen können, ist eine leichte Schrägstellung der Infrarotstrahler-Anordnung in Bezug auf die Transport- richtung vorteilhaft, wobei der Schrägstellungswinkel gering ist und vorteil hafter- weise weniger als 30 Winkelgrade beträgt.
Eine andere bevorzugte Verfahrensweise zeichnet sich dadurch aus, dass der Prozessraum in einem Infrarot-Trocknermodul ausgebildet ist, das in Transport- richtung des Substrats gesehen eine Kombination folgender Komponenten auf- weist: ein vorderes Luftmesser (Air-Knife), einen mit mehreren parallel zueinander angeordneten Infrarotstrahlern bestückten Bestrahlungsraum, eine Lufttauscher- einheit mit integrierter Absaugung und ein hinteres Luftmesser.
Diese Komponenten sind Bestandteil eines Trocknermoduls, das wiederum Be- standteil eines Trocknersystems sein kann, in dem mehrere gleiche oder unter- schiedliche Trocknermodule zusammengefasst sind. Die mittels der einzelnen Komponenten ausgeführten Verfahrensschritte werden im Folgenden erläutert. Der Bestrahlungsraum ist mit einem Strahlerfeld aus Infrarotstrahlern bestückt, und darin findet die oben erläuterte Behandlung des Substrats durch Erwärmung und Trocknung unter Einwirkung von Prozessgas, Absaugung und Infrarotstrah- lung statt.
Das vordere Luftmesser erzeugt eine intensive, auf die Substrat-Oberfläche in Transportrichtung gerichtete Luftströmung, die die laminare Strömungsgrenz- schicht am Substrat durchbricht, Verwirbelungen erzeugt und dadurch die Ver- dunstung bereits zu Beginn des Trocknungsprozesses begünstigt.
Beim Einbringen des Substrats in den Prozessraum können unerwünschte Sub- stanzen in den Prozessraum eingeschleppt werden, sowohl über die Gasphase als auch mit dem Substrat, wie beispielsweise Substanzen in gasförmiger oder flüssiger Form, die an den Substrat-Oberflächen anhaften.
Um dem entgegen zu wirken, ist bei einer bevorzugten Modifikation dieser Verfah- rensweise dem vorderen Luftmesser in Transportrichtung nachfolgend eine Ab- saugung vorgesehen.
Über diese optionale Absaugung wird ein Teil der Luft und der Komponenten, die mittels des vorderen Luftmessers von der Substrat-Oberfläche entfernt und in die Gasphase überführt worden sind, bereits von Anfang an aus dem Prozessraum entfernt.
Beim Austritt des Substrats aus dem Prozessraum können giftige oder aus ande- ren Gründen unerwünschte Substanzen in gasförmiger und flüssiger Form den Prozessraum ungefiltert und unkontrolliert verlassen, darunter auch solche Sub- stanzen, die an den Oberflächen des Substrats durch Adsorption oder Absorption haften, oder die innerhalb der Strömungsgrenzschicht immobilisiert sind. Es ist vorteilhaft, den unkontrollierten Austrag solcher Substanzen aus dem Prozess- raum möglichst zu vermeiden.
Im Hinblick darauf erzeugt das hintere Luftmesser ebenfalls eine intensive, auf die Substrat-Oberfläche gerichtete Luftströmung, die die laminare Strömungsgrenz- schicht am Substrat am Prozessende durchbricht. Das dadurch vor dem Luftmes- ser angestaute Prozessgas wird durch die in Transportrichtung vorgelagerte Luft- tauschereinheit mit integrierter Absaugung kontrolliert abgesaugt und kann über die Prozessraum-Absaugung kontrolliert entsorgt werden.
Die Lufttauschereinheit erzeugt mindestens einen auf die Substrat-Oberfläche ge- richteten Luftstrahl und sie verfügt über eine Absaugung, mittels der der Luftstrahl unmittelbar nach seiner Einwirkung auf die Substrat-Oberfläche wieder entfernt wird. Die Lufttauschereinheit besteht beispielsweise aus einer Anordnung ab- wechselnd angeordneter Gaseinlassdüsen und Absaugkanälen, die sich über die gesamte Substratbreite erstreckt. Sie hat die Aufgabe, die infolge der Einwirkung der Infrarotstrahlung entstandene Feuchtigkeit mittels intensiver Luftverwirbelung mitzunehmen und abzutransportieren. Die unmittelbare Absaugung trägt zu einem geringen Austrag an Verunreinigungen aus dem Trocknermodul bei.
Das hintere Luftmesser schließt somit den Prozessschritt der Trocknung des Sub- strats innerhalb des betreffenden Trocknermoduls ab.
Das vordere und das hintere Luftmesser übernehmen somit am Eingang und am Ausgang des Trocknermoduls zusätzlich die Funktion von Luftvorhängen und dichten somit das IR-Modul pneumatisch ab. Das Zusammenwirken des Bestrah- lungsraums mit den beschriebenen weiteren Komponenten vermindert die Gefahr, dass Verunreinigungen, und insbesondere Wasser, in den Prozessraum eingetra- gen und aus dem Trocknermodul emittiert werden. Dies ermöglicht einen beson- ders wasserarmen Prozessraum und verbessert und optimiert den Trocknungsef- fekt.
Es hat sich auch bewährt, wenn die Volumencharakteristik der Prozessgasströ- mung in Substrat-Transportrichtung mindestens über eine Teillänge der Infrarot- strahlerlänge zunimmt.
Die Zunahme des Strömungsvolumens erfolgt bevorzugt kontinuierlich durch kon- tinuierliche Vergrößerung eines offenen Strömungsquerschnitts einer entlang der Infrarotstrahler-Längsachsen verlaufenden Austrittsöffnung für das Prozessgas in den Prozessraum. Dadurch wird es ermöglicht, dass die dynamische Einwirkung des Prozessgases und damit der Grad der Verwirbelungen am Ende des IR- Strahlerfeldes mit dem zunehmenden Grad der Verdunstung im Trocknungspro- zess korreliert; das heißt, zu Beginn des Trocknungsprozesses bei noch geringer Erwärmung des Substrats und vergleichsweise geringem Verdunstungsgrad wird weniger Prozessgas zum Trocknen eingesetzt als gegen Ende des Trocknungs- prozesses bei noch hoher Erwärmung des Substrats und vergleichsweise hohem Verdunstungsgrad. Dadurch wird ein besonders effizienter und sparsamer Einsatz des Prozessgases ermöglicht.
Vorteilhafterweise umfasst das erfindungsgemäße Verfahren eine Prozessgas- mengensteuerung, bei der das in das Trocknermodul eingeleitete Gasvolumen Vin kleiner eingestellt wird als das aus dem Trocknermodul abgesaugte Gasvolumen
Vout-
Das vom Prozessraum abgesaugte Gasvolumen ist größer als das in den Pro- zessraum eingeführte Gasvolumen. Dadurch wird gewährleistet, dass möglichst keine giftigen oder aus anderen Gründen unerwünschte Substanzen aus dem Prozessraum austreten. Das in den Prozessraum eingeführte Gasvolumen um- fasst das Volumen an Prozessgas und gegebenenfalls das über die Lufttauscher- einheit und das oder die Luftmesser eingebrachten Gasvolumina.
Hinsichtlich des Infrarot-Trocknermoduls wird die eingangs genannte Aufgabe er- findungsgemäß dadurch gelöst, dass der Infrarotstrahler in Bezug auf die Einlass- Öffnung so angeordnet ist, dass er mit dem Gasleitelement beiderseits seiner Längsachse jeweils einen Einlasskanal für das Prozessgas bildet, und wobei je- dem Prozessgas-Einlasskanal mindestens ein Prozessgas-Absaugkanal benach- bart ist.
Der Infrarotstrahler ist in Bezug auf die Einlassöffnung so angeordnet, dass er mit dem Gasleitelement beiderseits seiner Längsachse jeweils einen Einlasskanal für das Prozessgas bildet.
• Bei dem mindestens einen Infrarotstrahler handelt es sich beispielsweise um einen rohrförmigen Strahler mit einem langesteckten oder einem U-förmig ge- bogenen Strahlerrohr oder um einen plattenförmigen, kachelförmigen Strahler. Er hat eine Längsachse und er kann einen Reflektor und ein Gehäuse umfas- sen.
Die Einlassöffnung verläuft parallel zur Infrarotstrahler-Längsachse; sie ist bei spielsweise als durchgehender Spalt ausgeführt oder als Aneinanderreihung einer Vielzahl von Einzelöffnungen.
Der mindestens eine Infrarotstrahler ist in Bezug auf die Prozessgas- Einlassöffnung so angeordnet, dass er von dem aus der Einlassöffnung in den Prozessraum einströmenden Prozessgas direkt angeströmt und umströmt wird. Dabei bildet der Zwischenraum zwischen dem Infrarotstrahler und den Gaslei- telementen beiderseits seiner Längsachse jeweils einen Einlasskanal für min- destens zwei Prozessgasströmungen. Der Gasauslass des Prozessgas- Einlasskanals ist senkrecht oder in einem Winkel auf die Substratebene gerich- tet.
Die Gasleitelemente können zur Führung des aus der Einlassöffnung in die Prozesskammer ausströmenden Prozessgases in Richtung auf den Infrarot- Strahler betragen; gegebenenfalls erstrecken sie sich bis nahe an den Infrarot- Strahler oder auch darüber hinaus in Richtung auf die Substratebene. Durch Einstellen einer kleinen Spaltweite, also durch einen kleinen Abstand zwischen Infrarotstrahler und Gasleitelementen, ergibt sich ein Düseneffekt, der zu einer Beschleunigung der Prozessgasströmung in Richtung auf die Substratebene beitragen kann.
Beim erfindungsgemäßen Trocknermodul werden die Gasleitelemente und der Infrarotstrahler somit vom Prozessgas gekühlt, das dadurch gleichzeitig er- wärmt wird. Das Kühlgas für den Infrarotstrahler dient nach seiner Erwärmung als erwärmtes Prozessgas. Auf eine zusätzliche Erwärmung des Prozessgases kann verzichtet werden, oder die zusätzliche Erwärmung des Prozessgases kann mit weniger Energieeinsatz erfolgen als dies ohne die zusätzliche Erwär- mung durch den ohnehin zu kühlenden Infrarotstrahler der Fall wäre. Dadurch ergibt sich eine effiziente Energienutzung. Außerdem ist der Infrarotstrahler Bestandteil der Prozessgas-Führung; er trägt zur Bildung und Führung der Prozessgasströmungen über mindestens eine kleine Teilstrecke bei.
Jedem Prozessgas-Einlasskanal ist mindestens ein Prozessgas-Absaugkanal be- nachbart.
• Das erwärmte Prozessgas gelangt durch den Prozessgas-Einlasskanal als ge- richtete und erwärmte Prozessgasströmung in den Prozessraum. Die Prozess- gasströmung ist nicht diffus, sondern sie hat eine Flauptausbreitungsrichtung, in der sie je nach Volumen des Prozessgases und der Strömungsgeschwindig- keit auf die Substrat-Oberfläche vordringt und darauf in einem voreingestellten Winkel auftrifft und dort trocknend auf das Substrat einwirkt.
Das mit Feuchtigkeit beladene Prozessgas und andere aus dem Substrat aus- tretende gasförmige Komponenten werden aus dem Prozessraum ganz oder teilweise abgeführt. Die gerichtete Strömung der Abluft wird durch das Absau- gen über einen Absaugkanal erzeugt, so dass auch die Abluftströmung - so wie die Prozessgasströmung - eine Flauptausbreitungsrichtung hat. Die Rich- tung der Strömung wird maßgeblich durch die Position und Ausrichtung des Absaugkanals in Bezug zur Substratebene bestimmt.
Dadurch, dass jedem Einlasskanal ein Absaugkanal benachbart ist, ergibt es sich auch, dass jedem der mindestens zwei auf die Substrat-Oberfläche auf- treffenden Prozessgasströmungen mindestens eine Abluftströmung benach- bart ist, oder noch besser, dass jede der mindestens zwei Prozessgasströ- mungen auf der Substrat-Oberfläche mit einer Abluftströmung zusammentrifft. Dadurch wird auf der Substrat-Oberfläche eine Interaktion der jeweiligen Gas- strömungen miteinander erzeugt. Die Interaktion der jeweiligen Gasströmun- gen wird somit einerseits dadurch bewirkt, dass sich die Strömungsrichtungen von erwärmtem Prozessgas und von feuchtebeladener Abluft unterscheiden, und andererseits dadurch, dass sie infolge der erläuterten räumlichen Zuord- nung aufeinandertreffen. Die dadurch erzwungene Wechselwirkung zwischen Prozessgasströmung und Abluftströmung führt zu einer Gasverwirbelung in unmittelbarer Nähe zur Substrat-Oberfläche. Diese Gasverwirbelung kann eine Störung, Verkleinerung oder sogar Ablösung der fluiddynamischen laminaren Strömungsgrenzschicht bewirken und damit einhergehend ei-ne Verbesserung des Stofftransports und insbesondere der Abführung von Feuchtigkeit aus dem Substrat bewirken.
Beim erfindungsgemäßen Trocknermodul wird aufgrund dieser Maßnahmen eine schnelle und effektive Trocknung des Substrats bei gleichzeitig geringem Energie- verbrauch erreicht. Zudem kann durch Steuerung der Volumina von Prozessgas und Abluft der Grad der Gasverwirbelung reproduzierbar eingestellt werden und damit auch der Trocknungsgrad.
Zur Unterstützung der Ausbildung von Gasverwirbelungen schließen die Haupt- ausbreitungsrichtungen von Prozessgas und Abluft im bevorzugten Fall einen Winkel von weniger als 90 Grad ein, und im besonders bevorzugten Fall sind sie gegen-läufig gerichtet. Dabei hat es sich als günstig erweisen, wenn das Gaslei- telement und der Absaugkanal einen gemeinsamen Wandabschnitt haben, der in einem Abstand zur Substratebene endet.
An einer Seite des gemeinsamen Wandabschnitts strömt das erwärmte Prozess- gas in Richtung auf die Substratebene und auf der anderen Seite des gemeinsa- men Wandabschnitts strömt das mit Feuchtigkeit beladene Prozessgas als Abluft von der Substratebene weg. Eine hohe Strömungsgeschwindigkeit der Prozess- gasströmung und ein möglichst kleinen freien Abstand des Endes des gemeinsa- men Wandabschnitts zur Substratebene tagen dazu bei, dass am Ende des ge- meinsamen Wandabschnitts möglichst wenig Prozessgas direkt in den Absaugka- nal gelangt. Der besagte freie Abstand zur Substratebene kann beispielsweise weniger al 10 mm betragen.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Trocknermoduls näher erläutert, bei dem die zum Zweck einer flächigen Infrarot- Bestrahlung des Substrats eingesetzte Strahlereinheit eine Vielzahl von Infrarot- Strahlern umfasst, die jeweils parallel zueinander verlaufende Längsachsen auf- weisen.
Bei einer besonders effektiven Ausführungsform dieses Trocknermoduls ist zwi- schen benachbarten Infrarotstrahlern jeweils ein gemeinsamer Absaugkanal an- geordnet.
Infrarotstrahler und Absaugkanal wechseln sich ab. Dadurch ergibt sich ein be- sondere intensive Gasverwirbelung und trotzdem ein definiertes und reproduzier- bares Einwirken der Prozessgasströmung auf das zu trocknende Substrat. Dabei haben Infrarotstrahler mit beiderseits benachbarten Infrarotstrahlern auf jeder ihrer Längsseiten einen Absaugkanal, der jeweils einem der beiden Prozessgasströ- mungen zugeordnet ist. Die Abluftströmung im Absaugkanal verläuft somit jeweils zwischen zwei Prozessgasströmungen, von denen eine dem einen Infrarotstrahler und die andere dem benachbarten Infrarotstrahler zuzuordnen ist. Die beteiligten Prozessgasströmungen interagieren (wechselwirken) mit der gemeinsamen Ab- luftströmung und die können vorzugsweise auch miteinander interagieren. Durch die Wechselwirkungen (Interaktionen) der Strömungen miteinander wird in einem gemeinsamen streifenförmigen Bereich der Substrat-Oberfläche eine besonders intensive Gasverwirbelung erzeugt, die die laminare Strömungsgrenzschicht an der Substrat-Oberfläche besonders effektiv stört, verkleinert oder ablöst, so dass ein schnelles Trocknen des Substrats erreicht wird. Die gemeinsame Nutzung ei- nes Absaugkanals durch zwei benachbarte Prozessgasströmungen ermöglicht außerdem eine kompakte Bauform des Infrarotstrahlers.
Randständige Infrarotstrahler haben nur mit dem benachbarten Infrarotstrahler einen Absaugkanal gemeinsam, wobei auf ihrer anderen Längsseite ein separater, eigener Absaugkanal angeordnet ist, oder dort eine andere Absaugung wirkt.
Die Infrarotstrahler-Längsachsen können senkrecht zur Substrat-Transportrichtung verlaufen und sich dabei beispielsweise über die gesamte Substrat-Breite erstre- cken. Bei einigen Anwendungen, beispielsweise bei Druckmaschinen, ist es je- doch gewünscht, dass ein und dieselbe Vorrichtung für die Behandlung von Subs- traten unterschiedlicher Breite einsetzbar ist. Gegebenenfalls ist Infrarotstrahlung nur über die sogenannte„Formatbreite“ erforderlich, die kleiner sein kann, als die gesamte mit Infrarotstrahlern bestückte Ausstattungsbreite der Vorrichtung. Insbe- sondere im Hinblick darauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Infrarot- strahler-Längsachsen in Substrat-Transportrichtung verlaufen oder mit der Sub- strat-Transportrichtung einen Winkel von weniger als 30 Grad einschließen
Dadurch, dass die Infrarotstrahler in Richtung der Substrat-Transportrichtung an- geordnet sind, können randständige Infrarotstrahler der Gesamt-Bestückung nach Bedarf einfach abgeschaltet werden. Um in diesem Fall streifenförmige Inhomo- genitäten in Substrat-Transportrichtung zu vermeiden, die sich infolge dieser An- ordnung bei der Trocknungswirkung auf dem Substrat einstellen können, ist eine leichte Schrägstellung der Infrarotstrahler-Anordnung in Bezug auf die Transport- richtung vorteilhaft, wobei der Schrägstellungswinkel gering ist und vorteil hafter- weise weniger als 30 Winkelgrade beträgt.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform des Trocknermoduls zeichnet sich dadurch aus, dass der Prozessraum in einem Infrarot-Trocknermodul ausgebildet ist, das in Transportrichtung gesehen folgende Komponenten aufweist: ein vorde- res Luftmesser (Air-Knife), einen mit mehreren parallel zueinander angeordneten Infrarotstrahlern bestückten Bestrahlungsraum, eine Lufttauschereinheit mit inte- grierter Absaugung und ein hinteres Luftmesser.
Diese Komponenten sind Bestandteil eines Trocknermoduls, das wiederum Be- standteil eines Trocknersystems sein kann, in dem mehrere gleiche oder unter- schiedliche Trocknermodule zusammengefasst sind. Die mittels der einzelnen Komponenten ausgeführten Verfahrensschritte werden im Folgenden erläutert. Der Bestrahlungsraum ist mit einem Strahlerfeld aus Infrarotstrahlern bestückt, und darin findet die oben erläuterte Behandlung des Substrats durch Erwärmung und Trocknung unter Einwirkung von Prozessgas, Absaugung und Infrarotstrah- lung statt.
Das vordere Luftmesser erzeugt eine intensive, auf die Substrat-Oberfläche in Transportrichtung gerichtete Luftströmung, die die laminare Strömungsgrenz- schicht am Substrat durchbricht, Verwirbelungen erzeugt und dadurch die Ver- dunstung bereits zu Beginn des Trocknungsprozesses begünstigt.
Beim Einbringen des Substrats in den Prozessraum können unerwünschte Sub- stanzen in den Prozessraum eingeschleppt werden, sowohl über die Gasphase als auch mit dem Substrat, wie beispielsweise Substanzen in gasförmiger oder flüssiger Form, die an den Substrat-Oberflächen anhaften.
Um dem entgegen zu wirken, ist bei einer bevorzugten Modifikation vorgesehen, dass dem vorderen Luftmesser in Transportrichtung eine Absaugung nachfolgt.
Über diese optionale Absaugung wird ein Teil der Luft und der Komponenten, die mittels des vorderen Luftmessers von der Substrat-Oberfläche entfernt und in die Gasphase überführt worden sind, bereits von Anfang an aus dem Prozessraum entfernt.
Beim Austritt des Substrats aus dem Prozessraum können giftige oder aus ande- ren Gründen unerwünschte Substanzen in gasförmiger und flüssiger Form den Prozessraum ungefiltert und unkontrolliert verlassen, darunter auch solche Sub- stanzen, die an den Oberflächen des Substrats durch Adsorption oder Absorption haften, oder die innerhalb der Strömungsgrenzschicht immobilisiert sind. Es ist vorteilhaft, den unkontrollierten Austrag solcher Substanzen aus dem Prozess- raum möglichst zu vermeiden.
Im Hinblick darauf erzeugt das hintere Luftmesser ebenfalls eine intensive, auf die Substrat-Oberfläche gerichtete Luftströmung, die die laminare Strömungsgrenz- schicht am Substrat am Prozessende durchbricht. Das dadurch vor dem Luftmes- ser angestaute Prozessgas wird durch die in Transportrichtung vorgelagerte Luft- tauschereinheit mit integrierter Absaugung kontrolliert abgesaugt und kann über die Prozessraum-Absaugung kontrolliert entsorgt werden.
Die Lufttauschereinheit erzeugt mindestens einen auf die Substrat-Oberfläche gerichteten Luftstrahl und sie verfügt über eine Absaugung, mittels der der Luft- strahl unmittelbar nach seiner Einwirkung auf die Substrat-Oberfläche wieder ent- fernt wird. Die Lufttauschereinheit besteht beispielsweise aus einer Anordnung abwechselnd angeordneter Gaseinlassdüsen und Absaugkanälen, die sich über die gesamte Substratbreite erstreckt. Sie hat die Aufgabe, die infolge der Einwir- kung der Infrarotstrahlung entstandene Feuchtigkeit mittels intensiver Luftverwir- belung mitzunehmen und abzutransportieren.
Das hintere Luftmesser schließt somit den Prozessschritt der des Substrats inner- halb des betreffenden Trocknermoduls ab. Das vordere und das hintere Luftmesser übernehmen somit am Eingang und am Ausgang des Trocknermoduls zusätzlich die Funktion von Luftvorhängen und dichten somit das IR-Modul pneumatisch ab. Das Zusammenwirken des Bestrah- lungsraums mit den beschriebenen weiteren Komponenten vermindert die Gefahr, dass Verunreinigungen und insbesondere von Wasser in den Eintrag in den Pro- zess-raum eingetragen und aus dem Trocknermodul emittiert werden. Dies er- möglicht einen besonders wasserarmen Prozessraum und verbessert und opti miert den Trocknungseffekt.
Hinsichtlich des Trocknersystem zum Trocknen eines in einer Substratebene und in einer Transportrichtung durch einen Prozessraum bewegten Substrats wird die oben genannte technische Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es mehrere Trocknermodule gemäß der Erfindung enthält, die in Transportrichtung nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind.
Ausführunqsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Pa- tentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:
Figur 1 eine Druckmaschine mit einem Druckaggregat und einem Infrarot-
Trocknersystem und einem entlang eines Transportwegs und in einer Transportrichtung transportierten Bedruckstoffs,
Figur 2 ein erfindungsgemäßes Trocknermodul als Teil des Trocknersystems der Druckmaschine von Figur 1 in einem Längsschnitt in Bedruckstoff- Transportrichtung,
Figur 3 einen Ausschnitt der Bestrahlungseinheit des erfindungsgemäßen
Trocknermoduls in einem Schnitt entlang der Linie A-A von Figur 2, und
Figur 4 einen Ausschnitt der Bestrahlungseinheit in einer Draufsicht auf Strah- lereinheiten in Richtung des Pfeils X von Figur 3.
Bei Infrarotstrahlern ist ein Heizfilament aus Carbon oder Wolfram in Wendel- oder Bandform in ein inertgasgefülltes Strahlerrohr eingeschlossen, das meist aus Quarzglas gefertigt ist. Die Heizfilamente sind mit elektrischen Anschlüssen ver- bunden, die über ein Ende oder beiden Enden des Strahlerrohres eingeführt wer- den.
Figur 1 zeigt schematisch eine Druckmaschine in Form einer Rollen- Tintenstrahldruckmaschine, der insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet ist. Aus- gehend von einem Abwickler 2 gelangt die Materialbahn 3 aus einem Bedruck- stoff, wie beispielsweise aus Papier, zu einem Druckaggregat 40. Dieses umfasst mehrere, entlang der Materialbahn 3 hintereinander angeordnete Tintenstrahl- druckköpfe 4, durch die auf den Bedruckstoff lösungsmittelhaltige und insbesonde- re wasserhaltige Druckfarben aufgetragen werden.
In Transportrichtung 5 gesehen, gelangt die Materialbahn 3 vom Druckaggregat 40 über eine Umlenkwalze 6 anschließend zu einem Infrarot-Trocknersystem 70. Dieses ist mit mehreren Trocknermodulen 7 bestückt, die für das Trocknen bezie- hungsweise Wegschlagen des Lösungsmittels in die Materialbahn ausgelegt sind.
Der weitere Transportweg der Materialbahn 3 geht über eine Zugwalze 8, die mit eigenem Zugantriebsmotor ausgestattet ist und über die die Einstellung der Bahn- spannung erfolgt, zu einer Aufwickelrolle 9.
In dem Trocknersystem 70 sind mehrere - im Ausführungsbeispiel sind es vier- Trocknermodule 7 zusammengefasst. Jedes der Trocknermodule ist mit mehreren Infrarotstrahlern - im Ausführungsbeispiel sind es achtzehn - ausgestattet.
Die Trocknermodule sind im Trocknersystem in Transportrichtung gesehen paar- weise neben- und hintereinander angeordnet. Das jeweils nebeneinander ange- ordnete Paar der Trocknermodule 7 deckt die maximale Formatbreite der Druck- maschine 1 ab. Entsprechend der Abmessungen und Farbbelegung des Bedruck- stoffs sind die Trocknermodule 7 und die einzelnen Infrarotstrahler getrennt vonei- nander elektrisch ansteuerbar.
Die Transportgeschwindigkeit der Materialbahn 3 wird auf 5 m/s eingestellt. Dabei handelt es sich um eine vergleichsweise hohe Geschwindigkeit, die durch eine Optimierung der einzelnen Bearbeitungsschritte ermöglicht wird, und die insbe- sondere eine hohe Trocknungsrate erfordert. Das zum Erreichen dieser Anforde- rung erforderliche Trocknungsverfahren und das dafür eingesetzte Trocknermodul 7 wird im Folgenden anhand der Figuren 2 bis 4 näher erläutert. Sofern in diesen Figuren dieselben Bezugsziffern wie in Figur 1 verwendet sind, so sind damit bau- gleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben an- hand der Beschreibung der Druckmaschine näher erläutert sind.
Bei der in Figur 2 schematisch gezeigten Ausführungsform eines erfindungsge- mäßen Trocknermoduls 7 umschließt ein Gehäuse 21 einen Behandlungsraum (=Prozessraum) für den Bedruckstoff 3 mit folgenden Komponenten (in Transport- richtung 5 gesehen): ein vorderes Air-Knife 22 mit Luftleitblech 22a, eine dem vor- deren Air Knife 22 unmittelbar nachgeordnete Absaugung 23, eine mit den acht- zehn Infrarotstrahlern 24 bestückte Infrarot-Bestrahlungskammer 25, deren Längsachsen 24a etwa in Transportrichtung 5 verlaufen und die parallel zueinan- der angeordnet sind, eine Lufttauschereinheit 26 mit abwechselnd angeordneten Gaseinlassdüsen und Absaugkanälen (26b, 26a) und ein hinteres Air Knife 22 mit einem abschließenden Luftleitblech 22a.
Die Richtungspfeile 28 deuten eine auf die Oberfläche des Bedruckstoffs 3 gerich- tete Luftströmung, und die Richtungspfeile 29 eine vom Bedruckstoff 3 wegfüh- rende Luftströmung, sowie eine Wechselwirkung 35 dieser Luftströmungen mitei- nander an, die anhand Figur 3 erläutert wird. Die in Transportrichtung 5 zuneh- mende Länge der Richtungspfeile 28; 29 symbolisiert die Zunahme der jeweiligen Strömungsvolumina. Die Oberfläche des Bedruckstoffs 3 entspricht gleichzeitig der Substratebene 3a.
Der in Figur 3 gezeigte Querschnitt umfasst einen Ausschnitt der Infrarot- Bestrahlungskammer 25 entlang von vier baugleichen Infrarotstrahlereinheiten 30. Der Querschnitt zeigt einen eine Absaugraum 31 , einen Gaszuführungsraum 32 und den eigentlichen Infrarot-Behandlungsraum 33.
Der Gaszuführungsraum 32 ist mit einem Gaseinlass 36 verbunden und setzt sich aus mehreren Gassammelräumen 32a zusammen, die über Leitungen 32b flui- disch miteinander verbunden sind. Jede Strahlereinheit 30 verfügt über einen Gassammelraum 32a. Jeder Gassammelraum 32a ist mit einer mittig verlaufen- den, länglichen Öffnung 37 zum Substrat-Behandlungsraum 33 versehen. Die länglichen Öffnung 37 hat die Form eines sich in Substrat-Transportrichtung 5 (senkrecht zur Papierebene) erstreckenden Längsschlitzes, der an beiden Längs- seiten von Gasleitelementen 38a; 38b begrenzt ist. In dem in Figur 3 gezeigten Querschnitt überwölben die Gasleitelemente 38a; 38b den Infrarotstrahler 24 glo- ckenartig und werden im Folgenden zusammen auch als„Luftleitglocke 38“ be- zeichnet. Die Luftleitglocke 38 endet in einem Abstand von etwa 10 mm vor der Oberfläche des Bedruckstoffs 3 (der Substratebene 3a).
Der Absaugraum 31 hat einen Gasauslass 34, der mit einem (in der Figur nicht gezeigten) Ventilator verbunden ist. In den Absaugraum 31 münden spaltförmige Absaugkanäle 39, die zwischen benachbarten IR-Strahlereinheiten 30 verlaufen und die jeweils mit den Luftleitelementen 38a beziehungsweise 38b vor der Sub- stratebene 3a enden.
Die im Substrat-Behandlungsraum 33 angeordneten Infrarotstrahler 24 sind als handelsübliche Zwillingsrohrstrahler ausgebildet. Sie bestehen aus einem im Querschnitt achtförmigen Hüllkolben aus Quarzglas, der zwei Teilräume um- schließt, die durch einen Mittelsteg voneinander getrennt sind. Ihre Nominal- Leistung beträgt 3.500 W. Die Gesamtstrahlerlänge beträgt 70 cm und die Außen- abmessungen des Hüllkolbens betragen 34 x 14 mm.
Aus der Draufsicht auf die Strahlereinheiten 30 von Figur 4 sind die Öffnung 37 für die Kühlluft in den Behandlungsraum 33 und dahinter die Infrarotstrahler 24 erkennbar. Die Öffnungsweite der länglichen Öffnung 37 erweitert sich in Trans- portrichtung 5 kontinuierlich. Die Weite der Absaugkanäle 39 bleibt hingegen in Transportrichtung 5 konstant. Die Transportrichtung 5 schließt mit den Längssei- ten der Absaugkanäle 39, beziehungsweise mit den Längsachsen der (in der Figur nicht sichtbaren) Infrarotstrahler 24 einen Winkel von 10 Grad ein.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren beispielhaft anhand der Figu- ren 1 bis 4 näher erläutert:
Die Komponenten des Trocknermoduls 7 von Figur 2 haben folgende Funktionen und Wirkungen.
Das vordere Air Knife 22 erzeugt unter Mithilfe des Leitblechs 22a eine intensive, auf die Bedruckstoff-Oberfläche 3a in Transportrichtung 5 gerichtete Luftströmung 22b, die die laminare Strömungsgrenzschicht am Bedruckstoff 3 durchbricht, Ver- wirbelungen erzeugt und dadurch die Verdunstung bereits zu Beginn des Trock- nungsprozesses begünstigt. Über die dem vorderen Air Knife 22 in Transportrich- tung nachgeordnete Absaugung wird ein Teil der Luft und der Komponenten, die mittels des vorderen Air Knifes 22 aufgewirbelt worden sind, aus dem Trockner- moduls 7 abgesaugt.
Damit beim Austritt des Bedruckstoffs 3 aus dem Trocknermodul 7 möglichst keine giftigen oder aus anderen Gründen unerwünschten Substanzen in gasförmiger und flüssiger Form den Prozessraum ungefiltert und unkontrolliert verlassen, er- zeugt das hintere Air Knife 27 unter Mithilfe des Leitblechs 27a ebenfalls eine in- tensive, auf die Bedruckstoff-Oberfläche 3a gerichtete Luftströmung, die die lami- nare Strömungsgrenzschicht am Bedruckstoff 3 durchbricht. Das dadurch vor dem Air Knife 27 angestaute Prozessgas 27b wird durch die in Transportrichtung vor- gelagerte Lufttauschereinheit 26 entfernt. Zu diesem Zweck werden mittels der Lufttauschereinheit 26 mehrere quer zur Transportrichtung 5 verlaufende Luftvor- hänge 26a erzeugt. Mittels sich abwechselnder Gaseinlassdüsen und Absaugka- näle wird bei jedem Luftvorhang 26a ein auf die Bedruckstoff-Oberfläche 3a ge- richteter Zuluftstrom 26b erzeugt und dieser unmittelbar nach dem Auftreffen auf den Bedruckstoff über einen Abluftstrom 26c wieder abgezogen. Die Lufttauscher- einheit 26 kann die infolge der Einwirkung der Infrarotstrahlung entstandene Feuchtigkeit mittels intensiver Luftverwirbelung mitnehmen und über ihre integrier te Absaugung entfernen, so dass unerwünschte Komponenten das Trocknermodul 7 nicht kontrolliert verlassen können.
Die Behandlung des Bedruckstoffs 3 in der Infrarot-Bestrahlungskammer 25 um- fasst ein Erhitzen mittels Infrarotstrahlung bei gleichzeitiger Beaufschlagung mit trockener Luft. Damit beide Behandlungen möglichst effektiv auf den Bedruckstoff 3 einwirken, wird die aus dem Gaszuführungsraum 32 durch die längliche Öffnung in den Behandlungsraum 33 einströmende Kühlluft in zwei Prozessgasströmungen 28 geteilt, die zum Infrarotstrahler 24 und um dessen Hüllkolben teilweise herum geführt werden. Dabei wird der Infrarotstrahler 24 gekühlt und gleichzeitig wird die Kühlluft erwärmt.
Zwischen der Wandung des Infrarotstrahlers 24 und der Luftleitglocke 38 ergibt sich ein enger Spalt, der die beiden Luftströmungen 28 in Richtung auf den Be- druckstoff 3 beschleunigt, so dass sie auf diesen intensiv einwirken und Feuchtig- keit in die Gasphase überführen oder aufnehmen. Infolge ihrer Erwärmung ist die Aufnahmefähigkeit der Kühlluft für Feuchtigkeit erhöht.
Jeder auf den Bedruckstoff 3 gerichteten Luftströmung 28 ist eine vom Bedruck- stoff wegführende Abluftströmung 29 räumlich zugeordnet, indem die Richtungen von einströmendem Luftstrom 28 und angesaugtem Luftstrom 29 nahezu gegen- läufig gerichtet sind (sie schließen im Ausführungsbeispiel einen Winkel von weni- ger als 30 Grad miteinander ein) und in einer Wechselwirkungszone 35 aufeinan- dertreffen, wobei die Wechselwirkungszone 35 an der Oberfläche des Bedruck- stoffs 3 liegt. Jede der beiden Luftströmungen 28 trifft daher auf der Bedruckstoff- Oberfläche mit einer Abluftströmung 29 zusammen. Die dadurch erzwungene Wechselwirkung zwischen Luftströmung 28 und Abluftströmung 29 führt zu einer Gasverwirbelung in der Wechselwirkungszone 35, also in unmittelbarer Nähe zur Bedruckstoff-Oberfläche, die eine Störung, Verkleinerung oder sogar Ablösung der fluiddynamischen laminaren Strömungsgrenzschicht bewirken und damit einher- gehend eine Verbesserung des Stofftransports und insbesondere der Abführung von Feuchtigkeit aus dem Bedruckstoff 3 bewirken kann.
Eine Abluftströmung 29 verläuft jeweils zwischen zwei Luftströmungen 28, von denen eine dem einen Infrarotstrahler 24 und die e andere dem benachbarten Inf- rarotstrahler 24 zuzuordnen ist. Wie Figur 3 zeigt, ergibt sich zwischen benachbar- ten Infrarotstrahlern 24 die Strömungsabfolge: Luftströmung 28 - Abluftströmung 29 - Luftströmung 28. Diese Luftströmungen 28 interagieren (wechselwirken) mit der gemeinsamen Abluftströmung 29 und die können vorzugsweise auch mitei- nander interagieren, und zwar auf einem gemeinsamen streifenförmigen Bereich 36 an der Bedruckstoff-Oberfläche. Die Wechselwirkungen (Interaktionen) der Strömungen 28, 29, 28 miteinander erzeugen in dem gemeinsamen streifenförmi- gen Wechselwirkungsbereich 35 der Substrat-Oberfläche eine besonders intensi- ve Gasverwirbelung die die laminare Strömungsgrenzschicht an der Bedruckstoff- Oberfläche besonders effektiv stört, verkleinert oder ablöst, so dass ein schnelles Trocknen erreicht wird. Die gemeinsame Nutzung einer Abluftströmung 29 von zwei benachbarten Luftströmungen 28 ermöglicht eine räumlich enge Anordnung der Infrarotstrahler 24 des Strahlerfeldes und damit ein effektives Trocknen bei gleichzeitig kompakter Bauweise.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum mindestens teilweisen Trocknen eines Substrats, umfassend die Verfahrensschritte:
(a) Emittieren von Infrarotstrahlung in Richtung auf ein durch einen Prozess- raum entlang eines Transportwegs und in einer Transportrichtung bewegten Substrats mittels einer Strahlereinheit, die mindestens einen Infrarotstrahler umfasst,
(b) Erzeugen mindestens zweier auf das Substrat gerichteter Prozessgasströ- mungen eines Prozessgases,
(c) mindestens teilweises Trocknen des Substrats durch Einwirkung von Infra- rotstrahlung und Prozessgas auf das Substrat, und Absaugen von feuchte- beladenem Prozessgas über einen Absaugkanal aus dem Prozessraum un- ter Bildung einer von dem Substrat wegführenden Abluftströmung, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Prozessgasströmungen an den Infrarotstrahler geführt werden, bevor sie auf das Substrat einwirken, und dass jeder auf das Substrat gerichteten Prozessgasströmung eine vom Sub- strat wegführende Abluftströmung räumlich zugeordnet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein eine Längs- achse aufweisender Infrarotstrahler eingesetzt wird, und dass der Infrarotstrah- ler beidseitig seiner Längsachse von je einer der beiden Prozessgasströmun- gen angeströmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mindes- tens zwei Prozessgasströmungen streifenförmig auf das zu trocknende Sub- strat einwirken, und dass den streifenförmigen Prozessgasströmungen bevor- zugt jeweils eine streifenförmige Abluftströmung räumlich zugeordnet ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass zum Zweck einer flächigen Infrarot-Bestrahlung des Substrats eine Strahlereinheit eingesetzt wird, die eine Vielzahl von Infrarotstrahlern umfasst, die jeweils parallel zueinander verlaufende Längsachsen aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass um jede der Infra- rotstrahler-Längsachsen eine auf das Substrat gerichtete Prozessgasströmung geführt wird, wobei benachbarte Prozessgasströmungen benachbarter Infra- rotstrahler einer gemeinsamen Abluftströmung räumlich zugeordnet sind
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot- strahler-Längsachsen in Substrat-Transportrichtung verlaufen oder mit der Substrat-Transportrichtung einen Winkel von weniger als 30 Grad einschlie- ßen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessraum in einem Infrarot-Trocknermodul ausgebildet ist, das in Transportrichtung des Substrats gesehen eine Kombination folgender Kompo- nenten aufweist: ein vorderes Luftmesser (Air-Knife), einen mit mehreren paral- lel zueinander angeordneten Infrarotstrahlern bestückten Bestrahlungsraum, eine Lufttauschereinheit mit integrierter Absaugung und ein hinteres Luftmes- ser.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem vorderen
Luftmesser in Transportrichtung eine Absaugung nachfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasströmung eine Volumencharakteristik aufgeprägt wird, die in Substrat-Transportrichtung mindestens über eine Teillänge der Infrarotstrahler- länge zunimmt.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich- net, dass mittels einer Prozessgasmengensteuerung das in das Trocknermodul eingeleitete Gasvolumen Vin kleiner eingestellt wird als das aus dem Trock- nermodul abgesaugte Gasvolumen Vout·
11. Infrarot-Trocknermodul zum Trocknen eines in einer Substratebene und in ei- ner Transportrichtung durch einen Prozessraum bewegten Substrats, umfas- send
(a) eine Strahlereinheit, die mindestens einen eine Längsachse aufweisenden Infrarotstrahler zur Emission von Infrarotstrahlung auf die Substratebene umfasst,
(b) eine Prozessgas-Zuführungseinheit mit einem Prozessgas-Sammelraum, der mindestens eine Einlassöffnung für die Einleitung von Prozessgas aus dem Prozessgas-Sammelraum in den Prozessraum aufweist, wobei an die Einlassöffnung ein Gasleitelement angrenzt, das sich in Richtung der Sub- stratebene erstreckt,
(c) eine Ablufteinheit mit mindestens einem Absaugkanal für die Ableitung von feuchtebeladenem Prozessgas aus dem Prozessraum,
dadurch gekennzeichnet, dass der Infrarotstrahler in Bezug auf die Einlassöff- nung so angeordnet ist, dass er mit dem Gasleitelement beiderseits seiner Längsachse jeweils einen Einlasskanal für das Prozessgas bildet, und wobei jedem Prozessgas-Einlasskanal mindestens ein Prozessgas-Absaugkanal be- nachbart ist.
12. Trocknermodul nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gaslei- telement und der Absaugkanal einen gemeinsamen Wandabschnitt haben, der in einem Abstand zur Substratebene endet.
13. Trocknermodul nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlereinheit eine Vielzahl von Infrarotstrahlern umfasst, die jeweils parallel zueinander verlaufende Längsachsen aufweisen.
14. Trocknermodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Infrarotstrahlern ein gemeinsamer Absaugkanal angeordnet ist.
15. Trocknermodul nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarotstrahler-Längsachsen in Substrat-Transportrichtung verlaufen oder mit der Substrat-Transportrichtung einen Winkel von weniger als 30 Grad ein- schließen.
16. Trocknermodul nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessraum in Transportrichtung gesehen folgende Komponenten aufweist: ein vorderes Luftmesser (Air-Knife), einen mit mehreren parallel zuei- nander angeordneten Infrarotstrahlern bestückten Bestrahlungsraum, eine Lufttauschereinheit mit integrierter Absaugung und ein hinteres Luftmesser.
17. Trocknermodul nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass dem vorde- ren Luftmesser in Transportrichtung eine Absaugung nachfolgt.
18. Trocknermodul nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgasströmung eine Volumencharakteristik aufgeprägt wird, die in Substrat-Transportrichtung mindestens über eine Teillänge der Infrarotstrah- lerlänge zunimmt.
19. Trocknersystem zum Trocknen eines in einer Substratebene und in einer
Transportrichtung durch einen Prozessraum bewegten Substrats, das mehrere Trocknermodule nach einem der Ansprüche 13 bis 18 enthält, die in Transport- richtung nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sind.
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