DE2726387B2 - Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrates mit gebündelter UV-Strahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrats mit gebündelter UV-Strahlung hoher Bestrahlungsstärke, mit einer im Bereich der Brennlinie eines länglichen Reflektors angeordneten UV-Strahlungsquelle. Eine solche Vorrichtung ist bekannt (DE-OS 23 35 423).

Fotohärtbare organische Überzugsstoffe lassen sich mit niedrigen bis mäßigen Strahlungsflußdichten aushärten, und zwar häufig mit UV-Strahlung von nur einer Wellenlänge. Diese Art von Energie kann mit Hilfe von Niederleistungs-UV-Lampen (beispielsweise keimtötenden Lampen) leicht erzeugt werden, die einen hohen Wirkungsgrad haben und verhältnismäßig kalt sind. Wenn jedoch stark pigmentierte, verhältnismäßig dicke Überzüge ausgehärtet werden sollen, ist es notwendig, für eine Breite spektrale Verteilung der UV-Strahlung zu sorgen und mit höherer Flußdichte zu arbeiten. Dies läßt sich ohne weiteres mit Quecksilberlampen höherer Leistung erreichen, das heißt Lampen mit einer Leistung von einigen 10 bis einigen 1OO Watt je 2,5 cm Lichtbogenlänge. Diese Lampen erzeugen unvermeidbar eine große Menge an IR-Strahlung, die sich als Wärme auf dem auszuhärtenden Substrat auswirkt. Dies schließt in vielen Fällen den Einsatz von Hochleistungs-UV-Lampen als UV-Strahlungsquelle aus, weil die erzeugte Wärme das auszuhärtende Substrat, beispielsweise Papier, Kunststofflaminat und dergleichen, zerstört. Bis jetzt waren daher UV-Lampen in ihrer Anwendbarkeit für solche und ähnliche Zwecke beschränkt.

In der einschlägigen Technik wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, ein System zum Trennen der erwünschten UV-Strahlung von der unerwünschten IR-Strahlung zu entwickeln. Bei einigen der vorgeschlagenen Lösungen werden Wasserfilter benutzt. Diese Lösung hängt von der Wasserreinheit ab, die schwierig aufrechtzuerhalten ist; es kommt zu erhöhten Verlusten der das Wasser durchlaufenden UV-Strahlung, wenn die Reinheit des Wassers abnimmt.

Dichroitische Stoffe sind bekannte Materialien, die in der Lage sind, Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge zu trennen, indem ein Wellenlängenband reflektiert

ίο wird, während andere Wellenlängenbänder durchgelassen werden. Bestrahlungsvorrichtungen wurden auch bereits mil: dichroitischen Reflektoren ausgestattet (US-PS 33 »1 125). Ferner sind Bestrahlungsvorrichtungen mit einem länglichen Reflektor von elliptischem Querschnitt bekannt (DE-OS 23 60 273), bei denen ein unterhalb der länglichen Strahlungsquellen angeordneter keilförmiger Körper dafür sorgt, daß nur einmal reflektierte, gefilterte Strahlung die Vorrichtung verläßt. Bis jetzt steht jedoch kein marktfähiges, praktisch verwendbares, wirtschaftliches System zum Einsatz von dichroitischen Reflektoren in Verbindung mit Hochleistungs-Strahlungsquellen zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrats mit gebündelter UV-Strahlung hoher Bestrahlungsstärke zu schaffen, die bei kompaktem Aufbau auf wirtschaftliche Weise und mil hohevi Wirkungsgrad eine verhältnismäßig kalte UV-Strahlung liefert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß anschließend an die Reflektorfläche, die einen ellipsenähnlichen Querschnitt aufweist, zwei Paare von ebenen, dichroitischen Reflektoren, die im wesentlichen nur den UV-Anteil der Strahlung reflektieren, zur Symmetrieebene der Reflektorfläche symmetrisch und konkav geneigt angeordnet sind, und daß jenseits der zweiten Brennlinie der Reflektorfläche ein langgestreckter Hilfsreflektor mit zur SymmiMrieebcne symmetrischen, aus vier konkaven, zylindrischen Segmenten bestehendem Querschnitt derart vorgesehen ist. daß im wesentlichen die gesamte, von der Strahlungsquelle abgegebene Strahlung, die auch einen IR-Antcil enthält, auf die dichroitischen Reflektoren einmal auftritt und daß die von diesen reflektierte UV-Strahlung direkt oder nach einmaliger Reflexion am Hilfsreflektor die Vorrichtung verläßt. Bei der Vorrichtung nach der Erfindung wird einerseits die von der UV-Strahlungsquelle miterzeugte IR-Strahlung weitestgchcnd unterdrückt, während andererseits sichergestellt ist, daß die erzeugte UV-Strahlung im wesentlichen ohne Verluste abgestrahlt wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist hinter den dichroitischen Reflektoren je eine gekühlte Absorberplatte zur Absorption der clurchgelasscnen sichtbaren und IR-Strahlung vorgesehen. Dadurch wird

auf einfache Weise eine Überhitzung der dichroitischen Reflektoren vermieden.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. I einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung, sowie

F i g. 2 und 3 Darstellungen typischer Strahlengänge für die von den Quadranten der UV-Strahlungsquclle ausgehende Strahlung.

f>5 Die Vorrichtung weist ein Lampengehäuse 1 mit einer Reflektorfläche 3 und einer öffnung 4 auf. Die Reflektorfläche J besteht aus drei zylindrischen Flächcnabschniltcn. deren Krümmungsmittelpunktc in

den Fig.2 und 3 bei 5, 7 und 9 dargestellt sind. Die Reflektorfläche 3 hat daher einen ellipsenähnlichen Querschnitt. Um einen leichten Zugang zu der dichroitischen Reflektoranordnung zu ermöglichen, ist das Lampengehäuse 1 auf der dichroitischen Reflektoranordnung 11 lösbar montiert, wobei die öffnung 4 des Lampengehäuses 1 mit der Reflektoranordnung 11 in Verbindung steht. Eine UV-S'rahlungsquelle 13 in Form einer Hochleistungs-Quecksilberdampflampe sitzt in dem Lampengehäuse 1 an der ersten Brennlinie 15. Das to Lampengehäuse 1 und die Reflektoranordnung 11 weisen eine Symmetrieebene 16 auf, die senkrecht zu der Ebene der öffnung 4 steht. Die Längsachse der Strahlungsquelle 13 liegt n; der Symmetrieebene 16.

Die Reflektoranordnung 11 weist ein erstes Paar optisch flachen dichroitischer Reflektoren 17 und 18 auf, die auf beiden Seiten der Symmetrieebene 16 derart montiert sind, daß ein Ende dieser Reflektoren benachbart der öffnung 4 sitzt, wenn das Lampengehäuse und die Reflektoranordnung für den Betrieb zusammengesetzt sind. Ein zweites Paar optisch flacher, dichroittscher Reflektoren 19 und 20 ist aif beiden Seiten der Symmetrieebene 16 montiert und mit dem anderen Ende 21, 22 der Reflektoren 17 bzw. )8 derart verbunden, daß die Reflektoren 17 und 19 sowie die 2ί Reflektoren 19 und 20 auf beiden Seiten der Symmetrieebene, von dieser aus gesehen, eine konkave Oberfläche bilden. Vorzugsweise sind die Reflektoren 17 und 18 mit Bezug auf die Symmetrieebene 16 in einem Winkel Ö von ungefähr 9 Grad geneigt. Dieser jo Winkel wird zwischen einer Linie 23. die parallel zu der Symmetrieebene 16 verläuft, und den Reflektoren 17, 18 gemessen. Die Reflektoren 19, 20 sind mit Bezug auf die Symmetrieebene 16 in einem Winkel \ von ungefähr 11 Grad geneigt. )^r>

Die dichroitischen Reflektoren 17 und 18 sind auf extrudicrten Absorberplatten 24 und 25 aus Aluminium montiert. In entsprechender Weise sitzen die dichroitischen Reflektoren 19 und 20 auf extrudierten Absorberplatten 26 "nd 27 aus Aluminium. Benachbart der Rückseite der dichroitischen Reflektoren sind die Absorberplatten mit einer sägezahnförmigcn Oberfläche verschen, wobei der eingeschlossene Winkel zwischen den Zähnen ungefähr 30 Grad beträgt.

Für eine Wasserkühlung der Absorbcrplatten wird gesorgt, imlem durch Kanäle 29 Kühlwasser hindurchgeleitet wird. Die Reflektoranordnung Il ist an beiden Enden mittels einer seitlichen Spiegelfläche 28 abgeschlossen.

Ein langgestreckter Hrlfsreflektor 30 ist zwischen den dichroitischen Reflektoren 17, 19 bzw. 18, 20 derart montiert, daß seine Länjssymmetrieebcne mit der Symmetrieebenc 16 zusammenfällt. Der Uilfsreflektor 30 sitzt in Richtung der Symmetricebene 16 jenseits der zweiten Brennlinie 32 des Lampengehäuses 1. Der Hilfsreflektor und dessen zuvor erwähnte Lage stellen sicher, daß im wesentlichen die gesamte von dei Strahlungsquelle 13 ausgehende Strahlung nur einmal von einem dichroitischen Reflektor reflektiert wird. Der Hilfsreflektor verhindert damit den unmittelbaren Austritt von nicht gefilterter Strahlung (F i g. 2 und 3); er lenkt diese Strahlung zu einem der dichroitischen Reflektoren und läßt gefilterte Strahlung aus der Vorrichtung austreten, ohne daß sie erneut auf einen dichroitischen Reflektor trifft. Um dies zu erreichen, besteht der Querschnitt des Hilfsreflekiors aus vier konkaven, zylindrischen Segmenten 40, 40', 42, 42', die die Spiegeloberflächen eines entsprechend geformten Aluminiumgehäuses bilden. Bei dieser Ausführungsform haben die beiden Segmente 40,40' einen Krümmungsradius von ungefähr 7,6 cm. Die Segmente 42, 42' sind mit einem Krümmungsradius von ungefähr 8,9 rm versehen.

Dichroitische Reflektoren lassen sich so auslegen, daß sie sehr wirkungsvoll Strahlung innerhalb unterschiedlicher Wellenlängenbereiche mit Spitzenwerten bei bestimmten gewünschten Wellenlängui durchlassen bzw. reflektieren. Die vorliegend vorgesehenen dichroitischen Reflektoren reflektieren vorzugsweise besonders stark UV-Strahlung innerhalb eines Bandes mit einem .Spitzenwert bei 3700 Angström, wenn die Strahlung auf die Oberfläche rechtwinklig (unter 90 Grad) auffällt. Die Reflektoren sind jedoch derart angeordnet, daß der größte Teil der von der Strahlungsquelle 13 ausgehenden Strahlung die Reflektoren unter ungefähr 45 Grad trifft. Bei diesem Winkel wird UV-Licht über ein Band mit einem Spitzenwert bei einer Wellenlänge von 3478 Angström besonders wirkungsvoll reflektiert.

Die beschriebene Vorrichtung beruht darauf, daß die dichroitischen Reflektoren derart angeordnet sind, daß praktisch die gesamte Strahlung die Reflektoren mindestens einmal trifft und daß die gesamte, die Reflektoranordnung 11 verlassende Strahlung, nur einmal auf einen der dichroitischen Reflektoren aufgefallen ist. Dies ist notwendig, weil ein Strahl, der ein zweites Mal auf einen dichroitischen Reflektor trifft, in den meisten Fällen einen Einfallwinkel hat, der sich von dem ersten Einfallwinkel unterscheidet. Das UV-Band mit einem Spitzenwert bei .'478 Angstrom, das gebildet wird, wenn die Strahlung auf die dichroitischen Reflektoren unter einem Einfallwinkel von 45 Grad gegenüber der .Senkrechten trifft, wird beispielsweise fast vollständig durchgelassen, wenn es auf einen zweiten dichroitischen Reflektor unter einem Einfallwinkel gelangt, der sicn von 45 Grad wesentlich unterscheidet; damit würde der angestrebte Effekt zunichte gemacht, UV-Sirahlung zu reflektieren und nur IF.-Sli a;ilung durchzulassen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Bestrahlen eines Substrats mit gebündelter UV-Strahlung hoher Bestrahlungsstärke, mit einer im Bereich der Brennlinie eines länglichen Reflektors angeordneten UV-Strahlungsquelle, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an die Reflektorfläche (3), die einen ellipsenähnlichen Querschnitt aufweist, zwei Paare von ebenen, dichroitischen Reflektoren (17, 18; 19, 20), die im wesentlichen nur den UV-Anteil der Strahlung reflektieren, zur Symmetrieebene (16) der Reflektorfläche (3) symmetrisch und konkav geneigt angeordnet sind, und daß jenseits der zweiten Brennlinie (32) der Reflektorfläche (3) ein langgestreckter Hilfsreflektor(30) mit zur Symmetrieebene (16) symmetrischem, aus vier konkaven, zylindrischen Segmenten (40, 40'; 42, 42') bestehendem Querschnitt derart vorgesehen ist, daß im wesentlichen die gesamte, von der Strahlungsquelle (13) abgegebene Strahlung, die auch einen IR-Anteil enthält, auf die dichroitischen Reflektoren (17, 18; 19, 20) einmal auftrifft und daß die von diesen reflektierte UV-Strahlung direkt oder nach einmaliger Reflexion am Hilfsrefleklor(30) die Vorrichtung verläßt.

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß hinter den dichroitischen Reflektoren (17, 18; 19, 20) je eine gekühlte Absorberplatte (24, 25; 26, 27) zur Absorption der durchgelassenen sichtbaren und f R-Strahiung vorgesehen ist.