EP1158836A2 - Strahlungsanordnung sowie deren Verwendung und Verfahren zur Behandlung von Oberflächen - Google Patents

Strahlungsanordnung sowie deren Verwendung und Verfahren zur Behandlung von Oberflächen Download PDF

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EP1158836A2
EP1158836A2 EP01108725A EP01108725A EP1158836A2 EP 1158836 A2 EP1158836 A2 EP 1158836A2 EP 01108725 A EP01108725 A EP 01108725A EP 01108725 A EP01108725 A EP 01108725A EP 1158836 A2 EP1158836 A2 EP 1158836A2
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EP
European Patent Office
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radiation
arrangement according
radiator
tube
range
Prior art date
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EP01108725A
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English (en)
French (fr)
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EP1158836B1 (de
EP1158836A3 (de
Inventor
Walter Dieudonné
Joachim Scherzer
Siegfried Grob
Klaus Schmitz
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Excelitas Noblelight GmbH
Original Assignee
Heraeus Noblelight GmbH
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Publication date
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Publication of EP1158836A3 publication Critical patent/EP1158836A3/de
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
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    • H05B3/40—Heating elements having the shape of rods or tubes
    • H05B3/42—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible
    • H05B3/44—Heating elements having the shape of rods or tubes non-flexible heating conductor arranged within rods or tubes of insulating material
    • H—ELECTRICITY
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    • H05B3/145—Carbon only, e.g. carbon black, graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B2203/00—Aspects relating to Ohmic resistive heating covered by group H05B3/00
    • H05B2203/032—Heaters specially adapted for heating by radiation heating

Definitions

  • the invention relates to a radiation arrangement with at least one infrared radiator and at least one further radiator with at least two elongated, permeable to light and IR radiation and to the surrounding atmosphere closed, cladding tubes, of which at least a first cladding tube one Has filament that has sealed tube ends and outer contacts with an outer Power supply is electrically connected, its use and a method for the treatment of surfaces.
  • Infrared emitters are also known from EP 0 428 835 A2 and the corresponding US Pat. No. 5,091,632 known with twin tube spotlights.
  • an infrared radiator with a carbon band use as a heating element; such a carbon band is especially for sale of IR radiation in a medium wavelength range from 1.5 to 4.5 ⁇ m.
  • the invention has for its object to provide a thermal radiation arrangement coatings or prints with pigments or colors on surfaces Drying solvents quickly and at the same time the solvents, such as toluene or let water evaporate quickly.
  • the object is achieved in that at least one second cladding tube is provided, which has a radiator tape, which also has sealed ends and external contacts with the or with a further external energy supply electrically connected is.
  • the second cladding tube is also used to emit infrared radiation, in particular for the output of IR radiation in the middle IR range. It can of course, a different type of temperature radiator instead of the radiator belt are used, which emits radiation in the middle IR range.
  • the arrangement is in the visible spectral range as well as near infrared radiation range, in particular with a wavelength in the range from 780 nm to 1.4 ⁇ m, as also has relatively high levels of radiation in the middle IR radiation range, in particular with a wavelength in the range from 2.5 ⁇ m to 5 ⁇ m.
  • an elongated one is used as the radiator band
  • Carbon tape used is also formed as an elongated spiral. It emits radiation in a medium IR spectral range off, while a filament lamp emits short-wave IR radiation (near IR) and, if necessary, also emits visible light.
  • the radiation arrangement has different Planck distributions due to its superposition as a percentage more IR radiation components than previous radiation sources with only one Temperature in the specified wavelength ranges.
  • thermal radiation sources at least one additional elongated one that is permeable to light and UV radiation Provide tube which has an electrical discharge path and a outputs additional UV radiation in the wavelength range from 0.15 to 380 nm, which in particular is suitable for drying paint.
  • the reduced space requirement compared to individual radiators has proven to be particularly advantageous, by an optional operation of the radiation sources with different wavelengths optimal radiation conditions are set for the respective application areas can.
  • the object is achieved in a method for treating surfaces by means of IR radiation, especially of coated or printed surfaces on substrates or irradiated with dissolved color pigments on a support for drying, thereby solved that the surface at least temporarily with an IR radiation with a high proportion in a first wavelength range from 780 nm to 1.2 ⁇ m and at least at times simultaneously with an IR radiation with a high radiation component in a second Wavelength range from 2.5 microns to 5 microns is treated.
  • a major advantage is the fact that, depending on the embodiment, the individual radiation components of this radiation arrangement can be switched on in an OR combination or operated in a common switching mode. When operating machines with changing processes, this has the advantage that there is no longer a need to change the lamp. The user also no longer needs different individual emitter sources, so that a reduction in the spare parts inventory is achieved.
  • the carbon emitter used can be used as a starting current limiter for the short-wave emitter (incandescent filament).
  • UV radiation components can also be overlaid with the IR spectra become.
  • separate and common operating modes can be combined.
  • FIG. 1a schematically shows a twin tube radiator according to the invention in a perspective view.
  • FIG. 1b shows a twin tube radiator in a front view, but one that is coiled Has carbon emitter.
  • FIG. 1c shows a frontal view of an arrangement which additionally has a tubular discharge lamp has, so that in addition to infrared radiation, UV radiation is also generated can.
  • Figure 2 shows in the diagram the relative intensity of a spectral radiation distribution according to Planck with KW / m 2 nomination with a short-wave infrared radiator (NIR / IR-A) at an operating temperature of 2600 ° C and a carbon radiator at an operating temperature of approx. 950 ° C , the intensity being plotted against the wavelength lambda [ ⁇ m].
  • NIR / IR-A short-wave infrared radiator
  • FIG. 3 shows the spectral absorption of the water for different layer thicknesses in the diagram (2 ⁇ m; 10 ⁇ m), with absorption ranging from 0 to 100 percent over the wavelength Lambda is plotted in ⁇ m.
  • FIG. 4 shows the efficiency of water drying for a layer of 10 ⁇ m in the diagram Thickness, with temperature in Kelvin plotted along the X axis, while efficiency is entered along the Y axis.
  • the radiation arrangement has a twin tube radiator 1, which has two Cladding tubes 2, 3 arranged at least approximately parallel to one another for infrared radiation and visible radiation contains transparent material, preferably quartz glass, the two tubes through an intermediate web 4, which is also made of quartz glass, are mechanically firmly connected.
  • the first tube 2 has one with a Incandescent 5 provided short-wave infrared radiator, the high radiation intensity is in the wavelength range from 780 nm to approx. 1.2 ⁇ m (near IR / IR-A), as from the following Figure 2 (curve II) emerges.
  • the definition of the wavelength range results derives from DIN standard 5030, part 2.
  • a similar radiator is known, for example, from EP 0 428 835 and that mentioned at the beginning corresponding US 5,091,632 known.
  • the incandescent filament 5 of the cladding tube 2 via leaf-shaped current feedthroughs 6, 7 made of molybdenum in the respective pinching area of the tube ends 8 ', 9' of tube 2 with each an outer connection contact 8, 9 electrically and mechanically connected to electrical connection with an external power supply.
  • the tube 3 points against it an infrared radiator with a carbon band as the radiator band 10, which over Terminal contacts 11, 12 and leaf-shaped bushings 13, 14 made of molybdenum in respective squeezing area of the pipe ends 15, 16 with external connection contacts 17, 18 is provided for connection to the power supply.
  • connection between the ends of the carbon band 11 and the current feedthroughs 13, 14 is preferably made of graphite paper, as described, for example, in DE 44 19 285 C2 or the corresponding US 5,567,951 is known. In this way, the lengthways pronounced electrical conductivity of the carbon tape when contacting Power supply can be balanced. It will also improve Cooling achieved.
  • FIG. 1b shows the two cladding tubes 2 lying next to one another and 3 of the twin tube radiator 1, which are connected to one another via an intermediate web 4 made of quartz glass are connected.
  • the emitter band 10 ' according to FIG. 1b is introduced into the Carbon emitter coiled, i.e. that a spiral helix serves as the radiator band 10 '.
  • the coiled emitter band 10 has the particular advantage that a larger proportion of radiation in the wavelength range from 1.6 to 3.8 ⁇ m (near IR / IR-B to medium IR / IR-C) can be emitted according to curve 1 of Figure 2, as it is from the Stefan-Boltzmannschen Law results.
  • the definition of the wavelength range results from the DIN standard 5030, part 2.
  • connection contacts 8, 9, 17 '17 “and 18', 18" correspond in their function largely the contacts 17, 18 explained with reference to FIG. 1. Due to the separate connection contacts, there is a single control of the respective lamps possible, so that they can, for example, simultaneously or also can be operated alternately.
  • FIG. 1c The frontal view of a lamp combination shown in FIG. 1c shows next to the one above described twin arrangement an additional switched as a discharge lamp Radiator arrangement, which is additionally connected via an intermediate web 4 '(quartz glass) Cladding tube 19 made of quartz glass allows the discharge lamp to emit UV radiation. Since the discharge lamp 20 via the intermediate web 4 'with the twin-tube lamp arrangement 1 'is connected, it can also be referred to as a triple tube radiator arrangement become. It is therefore possible to use colored light through visible light and infrared radiation to treat, and at the same time or alternating photoinitiators by means of UV radiation to be treated by discharge lamp 20.
  • the filling of the discharge lamp 20 consists preferably of mercury and possibly an admixture of metal halides, the electrodes 21, 22 are preferably made of tungsten.
  • the energy supply Discharge lamp 20 takes place via current feedthroughs 23, 24, which are preferably as Molybdenum foils are formed.
  • the additional cladding tube 19 of the discharge lamp 20 is made as well as web 4 'or web 4 made of quartz glass, so that here an optimal transparency for UV radiation.
  • the connection contacts 26, 27 of the discharge lamp 20 are also led out separately, so that the discharge lamp 20 is independent of the others both infrared emitters can be ignited and operated.
  • the relative intensity maximum of a carbon radiator with a temperature of 950 ° C. (curve I) is in the range from 1.6 to 3.8 ⁇ m.
  • incandescent filament 5 (curve II) and carbon band 10 or 10 'as the emitter
  • a combination of the two emitters creates a thermal radiation source which has a high total radiation component in the range from 780 nm to 3.5 ⁇ m according to curve III has (near IR to the beginning of middle IR).
  • Such a combination increases the efficiency of processes in which both color pigments have to be dried and associated solvents such as toluene or water which are to be removed from paints or lacquers by evaporation.
  • Short reaction times and high power densities of the short-wave infrared radiation sources can thus be achieved by the double radiator according to the invention. If the temperature of the carbon band 10 or 10 'is increased to 1200 ° C., a similar spectral radiation distribution of the intensity can be achieved as has already been shown with reference to FIG. 2.
  • the spectral absorption of the water can be seen in FIG both for a greater layer thickness of, for example, 10 ⁇ m (curve I) and for a smaller layer thickness of 2 ⁇ m (curve II) of the applied layer is a first maximum Spectral absorption, which is denoted by A1, A1 ', in the wavelength range of approx. 3 um occurs while a second lower maximum with degree of absorption of about 40 to 90 Percent lies in a spectral range of approx. 6 ⁇ m designated A2, A2 '. It can be seen that a layer thickness of only 2 ⁇ m has a lower degree of absorption in the Has absorption points A1 'and A2' of curve II with 90 percent and 40 percent, respectively.
  • the efficiency of water drying stands for a layer 10 ⁇ m thick a functional relationship with temperature; at a temperature in the range From 1500 to 1200 K, the efficiency is in the range of 30 to 40 percent, while in the Range of 3000 K and above drops below 10 percent. It can thus be seen that a optimal efficiency of water drying in the range of 1000 to 1500 K can be achieved.

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  • Resistance Heating (AREA)
  • Drying Of Solid Materials (AREA)
  • Supply, Installation And Extraction Of Printed Sheets Or Plates (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)

Abstract

Eine Strahlungsanordnung weist wenigstens zwei miteinander verbundene langgestreckte, für Licht und IR-Strahlung durchlässige und gegenüber der Umgebungs-Atmosphäre abgeschlossene Hüll-Rohre auf, von denen ein erstes Hüll-Rohr eine Glühwendel enthält, die über abgedichtete Rohrenden und äußere Kontakte mit einer äußeren Energieversorgung elektrisch verbunden ist und Infrarot-Strahlung im nahen IR-Bereich abgibt; weiterhin ist wenigstens ein zweites Hüll-Rohr vorgesehen, das ein langgestrecktes Carbon-Band als lnfrarot-Strahler für Strahlung im mittleren IR-Bereich aufweist, welches ebenfalls über abgedichtete Enden und äußere Kontakte mit der oder mit einer weiteren äußeren Energieversorgung verbunden ist. Vorzugsweise wird als Strahlerband ein Carbon-Band eingesetzt, das entweder als langgestreckte Spirale ausgebildet ist oder ein langgestrecktes Band bildet.
Es ist somit möglich, sowohl Infrarotstrahlung im nahen IR-Bereich als auch lnfrarotstrahlung im mittleren IR-Bereich zu erzeugen, so dass beispielsweise bei Oberflächenauftrag von Farben sowohl Farbpigmente als auch Farblösungsmittel rasch verdunstet und getrocknet werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Strahlungsanordnung mit wenigstens einem Infrarotstrahler und wenigstens einem weiteren Strahler mit wenigstens zwei miteinander verbundenen langgestreckten, für Licht und IR-Strahlung durchlässigen und gegenüber der Umgebungs-Atmosphäre abgeschlossenen, Hüll-Rohren, von denen wenigstens ein erstes Hüll-Rohr eine Glühwendel aufweist, die über abgedichtete Rohrenden und äußere Kontakte mit einer äußeren Energieversorgung elektrisch verbunden ist, sowie deren Verwendung und ein Verfahren zur Behandlung von Oberflächen.
Aus der GB-PS 15 44 551 ist ein elektrischer Wärmestrahler bekannt, der zwei zueinander parallel angeordnete spiralförmige Heizwendel aufweist, die jeweils in einer Quarzglasröhre angeordnet sind, wobei die Quarzglasrohre in ihrer Länge durch eine Schmelzverbindung miteinander sind. Die beiden Glühwendel sind in Serie geschaltet.
Auch wenn sich eine erhebliche Erhöhung der Intensität erreichen lässt, wird nur ein verhältnismäßig enger Spektralbereich der kurzwelligen Infrarotstrahlung ausgegeben, wobei es in der Regel schwierig ist, gleichzeitig Farben bzw. Pigmente und deren Lösung beispielsweise Wasser, nach einem Oberflächenauftrag, wie beispielsweise Aufdrucken auf einen Träger, rasch zu trocknen.
Weiterhin sind aus der EP 0 428 835 A2 bzw. der entsprechenden US 5,091,632 auch Infrarot-Strahler mit Zwillings-Rohr-Strahlern bekannt.
Weiterhin ist es aus der DE 198 39 457 A1 bekannt, einen Infrarotstrahler mit einem Carbonband als Heizelement einzusetzen; ein solches Carbonband ist insbesondere zur Abgabe von IR-Strahlung in einem mittleren Wellenlängenbereich von 1,5 bis 4,5 µm geeignet.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine thermische Strahlungsanordnung zu schaffen, um auf Oberflächen aufgebrachte Beschichtungen oder Aufdrucke mit Pigmenten oder Farben in Lösungsmitteln rasch zu trocknen und gleichzeitig die Lösungsmittel, wie beispielsweise Toluol oder Wasser rasch verdunsten zu lassen.
Die Aufgabe wird vorrichtungsgemäß dadurch gelöst, dass wenigstens ein zweites Hüll-Rohr vorgesehen ist, das ein Strahlerband aufweist, welches ebenfalls über abgedichtete Enden und äußere Kontakte mit der oder mit einer weiteren äußeren Energieversorgung elektrisch verbunden ist. Das zweite Hüllrohr ist ebenfalls zur Ausgabe von Infrarot-Strahlung, insbesondere zur Ausgabe von IR-Strahlung im mittleren IR-Bereich, vorgesehen. Dabei kann selbstverständlich auch ein andersgearteter Temperaturstrahler statt des Strahlerbandes eingesetzt werden, der Strahlung im mittleren IR-Bereich abgibt. Als vorteilhaft erweist es sich, daß die Anordnung sowohl im sichtbaren Spektralbereich sowie nahen Infrarotstrahlungsbereich, insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 780 nm bis 1,4 µm, als auch im mittleren IR-Strahlungsbereich verhältnismäßig hohe Strahlungsanteile aufweist, insbesondere mit einer Wellenlänge im Bereich von 2,5 µm bis 5 µm.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung wird als Strahlerband ein langgestrecktes Carbonband eingesetzt, wobei das Carbonband in einer weiteren bevorzugten Form auch als langgestreckte Spirale ausgebildet ist. Es sendet Strahlung in einem mittleren IR-Spektralbereich aus, während ein Glühwendelstrahler kurzwellige IR-Strahlung (nahes IR) und ggf. auch sichtbares Licht ausgibt.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass durch Kombination von Strahlenquellen mit verschiedenen Temperaturen (Δ λ max > 400 nm) in einer gemeinsamen Strahlungsanordnung die Effizienz von Prozessen zur Wärmebehandlung gegenüber üblichen kurzwelligen IR-Strahlenquellen gesteigert werden kann. Beispielsweise wird die Effizienz von Farbentrocknungsprozessen verbessert.
Die Strahlungsanordnung besitzt durch ihre Überlagerung von verschiedenen Planck-Verteilungen prozentual mehr IR-Strahlungsanteile als bisherige Strahlenquellen mit nur einer Temperatur in den angegebenen Wellenlängenbereichen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, neben thermischen Strahlenquellen wenigstens ein zusätzliches, für Licht und UV-Strahlung durchlässiges, langgestrecktes Rohr vorzusehen, welches eine elektrische Entladungsstrecke aufweist und eine zusätzliche UV-Strahlung im Wellenlängenbereich von 0,15 bis 380 nm ausgibt, die insbesondere zu Farbtrocknung geeignet ist.
Bevorzugte Ausgestaltungen des Infrarot-Strahlers bzw. der Strahlungsanordnung sind in den Ansprüchen 1 bis 13 angegeben.
Als besonders vorteilhaft erweist sich der gegenüber Einzelstrahlern verringerte Platzbedarf, wobei durch einen wahlweisen Betrieb der Strahlenquellen mit unterschiedlicher Wellenlänge für die jeweiligen Anwendungsgebiete optimale Strahlungs-Bedingungen eingestellt werden können.
Eine verwendungsgemäße Lösung der Aufgabe ist durch Einsatz einer Zwillingsrohr-Strahlungsanordnung mit Glühwendel als kurzwelliger Infrarotstrahlerquelle und einer mit Carbonband als Strahlerband versehenen Röhre als mittelwelliger IR-Strahler vorgesehen.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zur Behandlung von Oberflächen mittels IR-Bestrahlung, insbesondere von beschichteten oder bedruckten Oberflächen auf Substraten oder von gelösten Farbpigmenten auf einem Träger zwecks Trocknung bestrahlt wird, dadurch gelöst, dass die Oberfläche wenigstens zeitweise mit einer IR-Strahlung mit einem hohen Anteil in einem ersten Wellenlängenbereich von 780 nm bis 1,2 µm und wenigstens zeitweise gleichzeitig mit einer IR-Bestrahlung mit hohem Strahlungsanteil in einem zweiten Wellenlängenbereich von 2,5 µm bis 5 µm behandelt wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Ansprüchen 17 und 18 angegeben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens überlappen sich die Oberflächenbestrahlung des ersten Wellenlängenbereichs und des zweiten Wellenlängenbereichs zumindest zeitweise, wobei die erste IR-Strahlung aus einem Strahler mit einer Glühwendel und die zweite IR-Strahlung aus einem Strahler mit einem Carbonband als Strahlenquelle abgestrahlt wird. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass bei Überlagerung des ersten und des zweiten Wellenlängenbereichs eine spektrale Strahlungsverteilung bei einem relativ hohen Strahlungsanteil im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 3,1 µm erzielt wird.
Ein wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, dass je nach Ausführungsform die einzelnen Strahlungsanteile dieser Strahlungsanordnung in einer Oder-Verknüpfung eingeschaltet oder in einer gemeinsamen Schaltart betrieben werden können. Hieraus ergibt sich beim Betrieb von Maschinen mit wechselnden Prozessen der Vorteil, dass kein Strahlerwechsel mehr stattfinden muss. Auch benötigt der Anwender nicht mehr verschiedene einzelne Strahlerquellen, so dass eine Verringerung der Ersatzteilbevorratung erzielt wird.
Darüber hinaus kann der verwendete Carbonstrahler als Anlaufstrombegrenzer für den kurzwelligen Strahler (Glühwendel) verwendet werden.
In einer weiteren Ausführung können auch UV-Strahlungsanteile mit den IR-Spektren überlagert werden. Auch hier sind wiederum getrennte und gemeinsame Betriebsarten kombinierbar.
Im folgenden ist der Gegenstand anhand der Figuren 1a, 1b, 1c, 2, 3 und 4 näher erläutert. Figur 1a zeigt in einer perspektivischen Ansicht schematisch einen erfindungsgemäßen Zwillingsrohrstrahler.
Figur 1b zeigt in einer Frontansicht einen Zwillingsrohrstrahler, der jedoch einen gewendelten Carbonstrahler aufweist.
Figur 1c zeigt in einer Frontal-Ansicht eine Anordnung, die zusätzlich eine rohrförmige Entladungslampe aufweist, so dass neben Infrarotstrahlung auch UV-Strahlung erzeugt werden kann.
Figur 2 zeigt im Diagramm die relative Intensität einer spektralen Strahlungsverteilung nach Planck mit KW/m2-Nominierung mit einem kurzwelligen Infrarotstrahler (NIR/IR-A) bei einer Betriebstemperatur von 2600°C und einem Carbonstrahler bei einer Betriebstemperatur von ca. 950°C, wobei die Intensität über der Wellenlänge Lambda [µm] aufgetragen ist.
Figur 3 zeigt im Diagramm die spektrale Absorption des Wassers für verschiedene Schichtdicken (2 µm; 10 µm), wobei die Absorption im Bereich von 0 bis 100 Prozent über der Wellenlänge Lambda in µm aufgetragen ist.
Figur 4 zeigt im Diagramm die Effizienz der Wassertrocknung für eine Schicht von 10 µm Dicke, wobei die Temperatur in Kelvin entlang der X-Achse aufgetragen ist, während die Effizienz entlang der Y-Achse eingetragen ist.
Gemäß Figur 1a weist die Strahlungsanordnung einen Zwillingsrohrstrahler 1 auf, der zwei zueinander wenigstens annähernd parallel angeordnete Hüll-Rohre 2, 3 aus für Infrarotstrahlung und sichtbare Strahlung transparentem Werkstoff, vorzugsweise Quarzglas, enthält, wobei die beiden Rohre durch einen Zwischensteg 4, der ebenfalls aus Quarzglas besteht, mechanisch fest miteinander verbunden sind. Das erste Rohr 2 weist einen mit einer Glühwendel 5 versehenen kurzwelligen Infrarotstrahler auf, dessen hohe Abstrahlungsintensität im Wellenlängenbereich von 780 nm bis ca. 1,2 µm (nahes IR/IR-A) liegt, wie aus der nachfolgenden Figur 2 (Kurve II) hervorgeht. Die Definition des Wellenlängenbereiches ergibt sich aus der DIN-Norm 5030, Teil 2.
Ein ähnlicher Strahler ist beispielsweise aus der eingangs genannten EP 0 428 835 bzw. der entsprechenden US 5,091,632 bekannt. Bei einem solchen kurzwelligen Infrarotstrahler ist gemäß Figur 1a die Glühwendel 5 des Hüll-Rohres 2 über blattförmige Stromdurchführungen 6, 7 aus Molybdän im jeweiligen Quetschbereich der Rohrenden 8', 9' des Rohres 2 mit jeweils einem äußeren Anschlusskontakt 8, 9 elektrisch und mechanisch verbunden, der zur elektrischen Verbindung mit einer äußeren Energieversorgung dient. Das Rohr 3 weist dagegen einen Infrarotstrahler mit einem Carbonband als Strahlerband 10 auf, welches über Anschlusskontakte 11, 12 und blattförmige Stromdurchführungen 13, 14 aus Molybdän im jeweiligen Quetschbereich der Rohrenden 15, 16 mit äußeren Anschlusskontakten 17, 18 zwecks Anschluss an die Energieversorgung versehen ist.
Die Verbindung zwischen den Enden des Carbonbandes 11 und den Stromdurchführungen 13, 14 erfolgt vorzugsweise über Graphitpapier, wie es beispielsweise aus der DE 44 19 285 C2 bzw. der entsprechenden US 5,567,951 bekannt ist. Auf diese Weise soll die in Längsrichtung ausgeprägte elektrische Leitfähigkeit des Carbonbandes beim Kontaktieren zur Stromdurchführung ausgeglichen werden. Darüber hinaus wird auch eine Verbesserung der Kühlung erzielt.
Die Frontalansicht gemäß Figur 1b zeigt die beiden nebeneinander liegenden Hüllrohre 2 und 3 des Zwillingsrohrstrahlers 1, welche über einen Zwischensteg 4 aus Quarzglas miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zu Figur 1a in der ein langgestrecktes flaches Strahlerband 10 dargestellt ist, wird Strahlerband 10' gemäß Figur 1b vor dem Einbringen in den Carbonstrahler gewendelt, d.h. dass eine spiralförmige Wendel als Strahlerband 10' dient. Das gewendelte Strahlerband 10' hat insbesondere den Vorteil, dass ein größerer Strahlungsanteil im Wellenlängen-Bereich von 1,6 bis 3,8 µm (nahes IR/IR-B bis mittleres IR/IR-C) gemäß Kurve 1 der Figur 2 abgestrahlt werden kann, wie es sich aus dem Stefan-Boltzmannschen Gesetz ergibt. Die Definition des Wellenlängenbereiches ergibt sich aus der DIN-Norm 5030, 2. Teil.
Die Hüllrohre 2 und 3 sind - wie bereits anhand Figur 1a erläutert - über einen Zwischensteg 4 mechanisch miteinander verbunden. Die Anschlusskontakte 8, 9, 17' 17" und 18', 18" entsprechen in ihrer Funktion weitgehend den anhand Figur 1 erläuterten Kontakten 17, 18. Aufgrund der jeweils getrennt herausgeführten Anschlusskontakte ist eine einzelne Ansteuerung der jeweiligen Lampen möglich, so dass diese beispielsweise gleichzeitig oder auch zeitlich alternierend betrieben werden können.
Die in Figur 1c dargestellte Frontalansicht einer Strahlerkombination weist neben der zuvor beschriebenen Zwillingsanordnung eine zusätzliche als Entladungslampe geschaltete Strahleranordnung auf, wobei das zusätzlich über einen Zwischensteg 4' (Quarzglas) verbundene Hüllrohr 19 aus Quarzglas der Entladungslampe die Abgabe von UV-Strahlung ermöglicht. Da die Entladungslampe 20 über Zwischensteg 4' mit der Zwillingsrohrstrahleranordnung 1' verbunden ist, kann hier auch von einer Drillingsrohrstrahleranordnung gesprochen werden. Es ist somit möglich, durch sichtbares Licht und Infrarotstrahlung Farbpigmente zu behandeln, und gleichzeitig bzw. alternierend Fotoinitiatoren mittels UV-Bestrahlung durch Entladungslampe 20 zu behandeln. Die Füllung der Entladungslampe 20 besteht vorzugsweise aus Quecksilber und ggf. einer Beimengung von Metallhalogeniden, wobei die Elektroden 21, 22 vorzugsweise aus Wolfram bestehen. Die Energieversorgung von Entladungslampe 20 erfolgt über Stromdurchführungen, 23, 24, die vorzugsweise als Molybdänfolien ausgebildet sind. Das zusätzliche Hüllrohr 19 der Entladungslampe 20 besteht ebenso wie Steg 4' bzw. Steg 4 aus Quarzglas, so dass hier eine optimale Transparenz für UV-Strahlung gegeben ist. Die Anschlusskontakte 26, 27 der Entladungslampe 20 sind ebenfalls separat herausgeführt, so dass die Entladungslampe 20 unabhängig von den anderen beiden Infrarotstrahlern gezündet und betrieben werden kann.
So ist es möglich, eine kompakte universell einsetzbare Strahleranordnung zu schaffen, die einerseits raumsparend gelagert und bevorratet, andererseits in einer Vielzahl unterschiedlicher Funktionen eingesetzt werden kann.
Wie anhand des in Figur 2 gezeigten Diagramms erkennbar ist, liegt das relative Intensitätsmaximum eines Carbonstrahlers mit einer Temperatur von 950°C (Kurve I) im Bereich von 1,6 bis 3,8 µm. Bei einem gleichzeitigen Betrieb von Glühwendel 5 (Kurve II) und Carbon-band 10 bzw. 10' als Strahler entsteht durch Kombination beider Strahler eine thermische Strahlungsquelle, die einen hohen Gesamt-Strahlungsanteil im Bereich von 780 nm bis 3,5 µm gemäß Kurve III aufweist (nahes IR bis zum Anfang von mittlerem IR). Eine solche Kombination steigert die Effizienz von Prozessen, bei denen sowohl Farbpigmente getrocknet werden müssen, als auch zugehörige Lösungsmittel wie beispielsweise Toluol oder Wasser, die aus Farben, bzw. Lacken durch Verdunstung entfernt werden sollen. Es sind somit durch den erfindungsgemäßen Doppelstrahler kurze Reaktionszeiten und hohe Leistungsdichten der kurzwelligen Infrarotstrahlenquellen zu erzielen.
Bei einer Erhöhung der Temperatur des Carbonbandes 10 bzw. 10' auf 1200°C lässt sich eine ähnliche spektrale Strahlungsverteilung der Intensität erzielen, wie sie bereits anhand Figur 2 dargestellt worden ist.
In Figur 3 ist anhand des Diagramms die spektrale Absorption des Wassers erkennbar, wobei sowohl für eine größere Schichtdicke von beispielsweise 10 µm (Kurve I) als auch für eine geringere Schichtdicke von 2 µm (Kurve II) der aufgebrachten Schicht eine erste maximale Spektralabsorption, die mit A1, A1' bezeichnet ist, im Wellenlängen-Bereich von ca. 3 um auftritt, während ein zweites geringeres Maximum mit Absorptionsgrad von ca. 40 bis 90 Prozent in einem mit A2, A2' bezeichneten Spektralbereich von ca. 6 µm liegt. Dabei ist erkennbar, dass eine Schichtdicke von nur 2 µm einen niedrigeren Absorptionsgrad in den Absorptionspunkten A1' bzw. A2' der Kurve II mit jeweils 90 Prozent bzw. 40 Prozent aufweist.
Anhand der Figur 3 ist erkennbar, dass sich das Maximum der für die Verdunstung von Wasser oder anderen Lösungsmitteln erforderlichen Bestrahlung eher im mittleren Infrarotbereich (IR-C/MIR gemäß DIN 5030, 2. Teil) liegt, während eine Trocknung der Farbpigmente gemäß Figur 2 bereits im kurzwelligen Bereich von 780 nm bis ca. 1,2 µm erfolgreich durchgeführt wird (NIR/IR-A gemäß DIN 5030, 2. Teil).
Gemäß Figur 4 steht die Effizienz der Wassertrocknung für eine Schicht von 10 µm Dicke in einem funktionellen Zusammenhang mit der Temperatur; bei einer Temperatur im Bereich von 1500 bis 1200 K liegt die Effizienz im Bereich von 30 bis 40 Prozent, während sie im Bereich von 3000 K und darüber unter 10 Prozent abfällt. Es ist somit erkennbar, dass eine optimale Effizienz der Wassertrocknung im Bereich von 1000 bis 1500 K zu erzielen ist.
Anhand der Figuren 2 bis 4 ist somit erkennbar, dass aufgrund der gleichzeitigen Einwirkung der kurzwelligen Infrarotstrahlung mittels Glühwendel im Zusammenwirken mit der mittelwelligen Infrarotstrahlung mittels Carbonband sehr unterschiedliche Anforderungen an Trocknung und Verdunstung von aufgebrachten Schichten bzw. Aufdrucken erfüllt werden, so dass durch diese Art der Kombination ein Synergieeffekt auftritt.

Claims (18)

  1. Strahlungsanördnung mit einem Infrarot-Strahler und einem weiteren Strahler mit wenigstens zwei miteinander verbundenen langgestreckten, für Licht und IR-Strahlung durchlässigen und gegenüber der Umgebungs-Atmosphäre abgeschlossenen Hüllrohren, von denen wenigstens ein erstes Hüllrohr eine Glühwendel aufweist, die über abgedichtete Rohrenden und äußere Kontakte mit einer äußeren Energieversorgung elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Hüllrohr (3) vorgesehen ist, das ein Strahlerband (10, 10') aufweist, welches ebenfalls über abgedichtete Enden (15, 16) und äußere Kontakte (17, 18) mit der äußeren Energieversorgung elektrisch verbunden ist.
  2. Strahlungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlerband (10) ein langgestrecktes Carbon-Band eingesetzt ist.
  3. Strahlungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlerband (10') als langgestreckte Spirale ausgebildet ist.
  4. Strahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zusätzliches für Licht und UV-Strahlung durchlässiges, langgestrecktes Hüllrohr (19) mit beiden Hüllrohren (2, 3) verbunden ist, wobei das zusätzliche Rohr (19) eine elektrische Entladungsstrecke aufweist.
  5. Strahlungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das die Entladungsstrecke aufweisende zusätzliche Rohr (19) sich gegenüberliegende Elektroden (21, 22) aufweist, die jeweils über abgedichtete Rohrenden mit Stromdurchführung und Anschlusskontakten (26, 27) an eine äußere Energieversorgung anschließbar sind.
  6. Strahlungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung der Entladung im zusätzlichen Rohr (19) elektromagnetische Energie von außen in das Rohrinnere eingekoppelt wird.
  7. Strahlungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Energie über außerhalb des Rohrinneren befindliche Elektroden eingekoppelt wird.
  8. Strahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Elektroden zum Betrieb der Entladungsstrecke über äußere Kontakte mit einer Energieversorgung verbunden sind.
  9. Strahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Kontakte jeweils für sich mit Anschlüssen einer gemeinsamen Energieversorgung elektrisch verbunden sind.
  10. Strahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Rohre eine Reflektionsschicht aufweist.
  11. Strahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenaustrittsrichtung aus den Rohren (2, 3) wenigstens näherungsweise parallel ausgerichtet ist.
  12. Strahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsaustrittsrichtung auf ein gemeinsam zu bestrahlendes Feld ausgerichtet ist.
  13. Strahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Strahler elektrisch in Serie schaltbar sind.
  14. Verwendung der Strahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das mit Glühwendel (5) versehene Hüllrohr als IR-Strahlenquelle im nahen IR-Bereich und das mit Strahlerband (10, 10') versehene Hüllrohr als IR-Strahlenquelle im nahen IR-Bereich (IR-B) und mittleren IR-Bereich eingesetzt wird.
  15. Verwendung der Strahlungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, wobei ein mit einem Entladungsraum versehenes zusätzliches Hüllrohr als UV-Strahlenquelle eingesetzt wird.
  16. Verfahren zur Behandlung von Oberflächen mittels IR-Bestrahlung, insbesondere von beschichteten Oberflächen auf Substraten oder von gelösten Farbpigmenten auf einem Träger zwecks Trocknung, wobei die Oberfläche für einen vorgegebenen Zeitraum aus wenigstens einer Infrarotquelle bestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche wenigstens zeitweise mit einer IR-Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich von 780 nm bis 1,4 µm und wenigstens zeitweise mit einer IR-Bestrahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich von 2,5 µm bis 5 µm behandelt wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bestrahlung des ersten und des zweiten Wellenlängenbereichs wenigstens zeitweise überlagert.
  18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlung des ersten Wellenlängenbereichs aus einem IR-Strahler mit einer Glühwendel als Strahlenquelle und die IR-Strahlung des zweiten Wellenlängenbereichs aus einem IR-Strahler mit einem Carbonband als Strahlenquelle ausgesandt wird.
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