Verfahren und Vorrichtung zum Strahlungshärten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strahlungshärten von beschichteten Bauteilen und eine Vorrichtung hierfür.

Die Anwendung von Strahlung zum Vernetzen oder Härten von Beschichtungen wie Lacken und ähnlichem ist allgemein bekannt. Durch die Strahlung von Ultraviolettstrahler oder Elektronenstrahler werden in dem zu härtenden Lack oder anderen Beschichtungen chemische Reaktionen insbesondere Vernetzungsreaktionen ausgelöst. Diese führen zum Erhärten des Lackes oder einer anderen entsprechend reagierenden Beschichtung. Bei derartigen Vorrichtungen und insbesondere Ultraviolett- trockner wird ein Gegenstand unter Inertgasatmosphäre mit UV-Strahlen bestrahlt. Bei dieser Behandlung entsteht sowohl durch UV- als auch durch Elektronen-Strahler aber auch durch die Strahlung ausgelösten chemischen Reaktionen in den Substraten bzw. Beschichtungen Wärme. Diese Wärme muss abgeleitet werden um die Bauteile, deren Beschichtungen und auch Trägermaterialien bzw. das Produkt vor Hitze- schaden zu bewahren. Hierzu werden herkömmliche Kältemaschinen verwendet um z.B. eiη^g Kühlmittel abzukühlen und im Kreislaufbetrieb rückzukühlen. Beispielsweise kann die Abkühlung mittels einer Wasserkühlung erfolgen.

Bei derartigen bekannten Vorrichtungen ist von Nachteil, dass die Abkühlung des Mittels mit dem die Produkte bzw. Substrate gekühlt werden energieaufwändig und daher teuer ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen bei dem die Strahlungshärtung energieoptimiert durchgeführt wird.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zum Strahlungshärten zu schaffen, welche energieoptimiert ausgebildet ist.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruch 9 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben.

Wie bereits ausgeführt, müssen die beschichteten Bauteile während der Strahlungshärtung gekühlt werden, da einerseits die Strahler mit denen die Strahlen erzeugt werden, beispielsweise UV-Strahler, eine erhebliche Wärmemenge erzeugen und an das Bauteil abgeben und zudem exotherme Reaktionen bei der chemischen Reaktion, die durch die Strahlung erzeugt wird, ebenfalls zu einer weiteren Erwärmung füh- ren.

Derartige Strahlungshärtevorrichtungen werden mit einer Inertgasatmosphäre betrieben, unter anderem um Oxidationen auszuschließen.

Dieses Inertgas wird in flüssiger Form angeliefert und in den gasförmigen Zustand überführt, bevor es in eine Strahlungshärtekammer eingeleitet wird.

Erfinduπgsgemäß wird die Kälte die beim Erzeugen des gasförmigen Inertgases aus der flüssigen Phase entsteht zum Abkühlen des Kühlmittels zum Abkühlen der Bau- teile genutzt. Erfindungsgemäß wird der Kältekreislauf der Kältemaschine mit der Kälteleistung des verdampfenden Inertgases gekoppelt und dem Kälteaggregat ein Kühlmittel mit reduzierter Temperatur zur Verfügung gestellt. Das Gas stellt somit der Kältemaschine eine Grundlastdeckung zur Verfügung. Dies kann z.B. über einen ungeregelten oder geregelten Wärmetauscher geschehen, wobei der apparative Auf- wand gering ist.

Das Inertgas wird flüssig in einer Tankanlage vorgehalten und über einen Luftverdampfer, der der Umgebungsluft Wärme entzieht verdampft und den Behandlungsstationen zur Ausbildung der inerten Atmosphäre zugeführt. Erfindungsgemäß ist nun der Kühlkreislauf mittels des Wärmetauschers an die Zuführleitung des Inertgases gekoppelt, wobei der Wärmetauscher parallel aber auch in Reihe zum Luftverdampfer angeordnet sein kann. Die vom Gas aufgenommene Verdampfungswärme

kühlt mittels des Wärmetauschers das Kühlmittel des Kühlkreislaufes, so dass die Kälteanlage weniger stark beansprucht wird.

Vorzugsweise wird über eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung in Abhängigkeit von der Wassertemperatur des Kühlkreislaufes die Beanspruchung des Wärmetauschers geregelt, wobei die Wassertemperatur auf einen Bereich von 1 °C bis 20 ⁰ C und vorzugsweise auf einen Bereich von 4°C bis 12°C eingestellt wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird bei einer zu geringen Tempe- ratur des Inertgases die Zuführung des Inertgases über eine Steuerungs- /Regelungseinrichtung abgeschaltet, wobei ein Schalter bzw. eine Steuerungs- /Regelungseinrichtung auf ein Ventil zwischen dem Wärmetauscher und dem Luftverdampfer wirkt und auf ein Absperrventil in der Zuführung des Inertgases. Zudem kann auf ein hierzu benachbartes Ventil eine weitere Steuerungs- /Regelungseinrichtung wirken, die den Druck des zugefuhrten Inertgases konstant hält. Der Druck des Inertgases liegt im Bereich von 4 bis 12 bar, wobei die Verdampfung des Inertgases im Luftverdampfer leichten Druckschwankungen unterliegt, die mit dieser Druckregeleinrichtung ausgeglichen werden.

Eine vollständige Eliminierung des Luftverdampfers ist nicht möglich, da z.B. bei der Inbetriebnahme der Anlage flüssiges Gas verdampft werden muss aber noch kein erwärmtes Wasser zur Verfügung steht. Eine absolute Kopplung zwischen der Verdampfung des Gases und der Kühlung ist deshalb nicht möglich.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann um die Kälteanlage ein Bypass vorgesehen werden. Dies ist insbesondere bei Anwendungen zweckmäßig, die viel Inertgas (= großes Volumen der Inertgasatmosphäre) benötigen und bei denen jedoch relativ wenig Wärme abfällt. Bei einer Ultravioletttrocknung ist es wahrscheinlich, dass der Bypass nur selten in Betrieb ist. UV-Lampen erzeugen bis circa 65 % ihrer Strah- lungsleistung in Infrarotstrahlung (Wärmestrahlung).

Da flüssiger Stickstoff etwa 350 bis 400 kJ/kg Energie zum Verdampfen und Anwärmen benötigt, kann bei einer erfindungsgemäßen Kopplung eine Stromersparnis bei einer typischen Anlage von circa 4000 bis 5000 € pro Jahr bei den heutigen Energie- kosten erzielt werden. Der Effekt durch die Kopplung ist daher deutlich spürbar. Zudem wird durch die Energieeinsparung die Umwelt geschont.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert, die stark schematisiert eine erfindungsgemäße Strahlungshärtevorrichtung zeigt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 besitzt eine Batterie 2 von Trocknern bei- spielsweise UV-Trocknern, beispielsweise neun UV-Trocknern 3 bis 1 1.

In diesen UV-Trocknern 3 bis 11 wird eine Strahlungshärtung in an sich bekannter Weise durchgeführt, wobei anstelle einer UV-Trocknung eine Elektronenstrahlen- trocknung oder jede andere Verfahrensweise durchgeführt werden kann.

Die Trockner 3 bis 11 besitzen eine gemeinsame Kühlmittelzuleitung 12, welche bei jedem Trockner über einen entsprechenden Abzweig verfügt und eine Kühlmittelableitung 13 die ebenfalls über je eine Ableitung von jedem Trockner verfügt.

Das abgeleitete aufgewärmte Kühlwasser wird über ein Ventil 14 geführt und gelangt in einen Wärmetauscher 15. Aus dem Wärmetauscher 15 heraus wird das im Wärmetauscher abgekühlte Kühlwasser über eine weitere Leitung 16 einer konventionellen Kälteanlage 17 zugeführt, in der, so notwendig eine weitere Kühlung stattfindet und das Kühlwasser dann mit der Leitung 12 aus der konventionellen Kälteanlage 17 herausgeführt und den UV-Trocknern zugeführt wird.

Zudem ist eine Tankanlage 18 vorhanden, welche flüssiges Inertgas speichert. Von der Tankanlage 18 verläuft eine Leitung 19 über ein Druckregelventil 20, welche sich in Leitungen 21 und 22 verzweigt. Die Leitung 22 führt zum Wärmetauscher 15, wo- bei im Wärmetauscher 15 das flüssige Inertgas verdampft wird und über eine abgehende Leitung 23 und ggf. ein Druckregelventil 24 in eine Inertgasspeiseleitung 25 geführt wird. Mit der Inertgasspeiseleitung 25 wird das Inertgas zu den jeweiligen Trocknern 3 bis 11 geführt, wobei sich die Leitung 25 vor dem Trocknen entsprechend so verzweigt, dass jeder Trockner über eine eigene Zuleitung verfügt.

Die von der Tankanlage kommende Leitung 21 führt flüssiges Inertgas zu einem herkömmlichen Luftverdampfer 26 der neben dem Wärmetauscher 15 für eine Verdampfung des Inertgases sorgt. über entsprechende Regelventile 27 wird das gasförmige Inertgas dann in die Speiseleitung 25 zu den UV-Trocknern eingespeist.

Zwischen der Leitung 16 und dem Druckregelventil 24 in der Inertgasableitung vom Wärmetauscher 15 ist eine Steuerungs-/Regelungseinrichtung 28 vorhanden (TIC= Temperature Indicator and Controller) welche in Abhängigkeit von der Wassertempe-

ratur des Kühlkreislaufes die Beanspruchung des Wärmetauschers regelt, wobei die Regelung vorzugsweise so durchgeführt wird, dass die Wassertemperatur auf einen Bereich von 1°C bis 20 ⁰ C und vorzugsweise auf einen Bereich von 4°C bis 12°C eingestellt wird und bevorzugt auf 12 ⁰ C.

Zwischen der entsprechenden Messstrecke 29 zwischen der Steuerungs- /Regelungseinrichtung 28 und dem Druckregelventil 24 einerseits und der Inertgasspeiseleitung 25 ist über eine Messleitung 30 eine Steuerungs- /Regelungseinrichtung 31 (TSL= Temperature Switch Low) angeordnet, welche bei einer zu geringen Temperatur des Inertgases die Zuführung des Inertgases abschaltet. Diese Steuerungs-/Regelungseinrichtung 31 wirkt auf das Ventil 24 zwischen dem Wärmetauscher und dem Luftverdampfer und auf ein Absperrventil 32 in der Zuführung bzw. Speiseleitung 25 des Inertgases.

Auf ein zu dem Ventil 32 benachbartes Ventil 33 in der Speiseleitung 25 wirkt eine weitere Steuerungs-/Regelungseinrichtung 34 (PIC= Pressure Indicator with Controller) welche den Druck des zugeführten Inertgases konstant hält. Der Druck liegt im Bereich von 4 bis 12 bar, wobei die Verdampfung im Luftverdampfer leichten Druckschwankungen unterliegt, die mit diesem Druckregler ausgeglichen werden.

Nachfolgend wird die Betriebsweise bzw. das Verfahren erläutert.

Vor der Inbetriebnahme der Trockner 3 bis 11 wird zunächst Inertgas aus der Tankanlage 18 entnommen und über das Ventil 20 und die Leitungen 19 und 21 dem Luftverdampfer zugeführt und anschließend als gasförmiges Inertgas über die Inertgasspeiseleitung 25 den Trocknern zugeführt. Nachdem in den Trocknern eine entsprechende Inertgasatmosphäre hergestellt ist, können diese ihren Trocknerbetrieb aufnehmen.

Beim Trocknerbetrieb in den Trocknern 3 bis 11 bzw. der Trocknerbatterie 2 wird insbesondere bei der Verwendung von UV-Strahlern Wärme freigesetzt, die noch vermehrt werden kann um die Wärme die durch chemische Reaktion in einer zu härtenden Beschichtung entsteht. Um diese Wärme abzuführen wird über eine Kühlwasserspeiseleitung 12 Kühlwasser jedem einzelnen Trockner zugeführt und über eine Abführleitung 13 diesen wieder entzogen. Das aufgewärmte Kühlwasser gelangt über ein Ventil 14 in einen Wärmetauscher 15 und von dem Wärmetauscher 15 über eine Zuleitung 16 in ein konventionelle Kälteanlage 17 in der das Kühlwasser rückgekühlt wird. Nachdem das Kühlwasser eine ausreichende Temperatur angenom-

men hat, kann über die Leitung 22 bzw. das Ventil 24 und die Leitung 23 das aus der Tankanlage 18 entnommene Inertgas auch über den Wärmetauscher 15 später auch ausschließlich über den Wärmetauscher 15 geführt und dort verdampft werden. Die Durchflussmenge des Inertgases entlang der Leitung 22 und 23 durch den Wärme- tauscher 15 wird durch die Regeleinrichtung 28 und das hierdurch gesteuerte Ventil 24 geregelt.

Bei der Erfindung ist von Vorteil, das ein einfaches Verfahren geschaffen wird, mit dem bei Strahlungshärteanlagen ein Teil der abgeführten Wärme dazu verwendet wird, dass notwendige Inertgas zu verdampfen. Dies spart Energie und schont die Umwelt.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darüber hinaus von Vorteil, dass diese besonders einfach aufgebaut ist und somit leicht und kostengünstig zu realisieren ist.

Die Erfindung kann folgendermaßen kurz zusammengefasst werden:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Strahlungshärten wobei zumindest eine Einrichtung zum Beaufschlagen eines Werkstückes mit Strahlung vorhanden ist und zudem eine Zuleitung für Kühlmittel und eine Ableitung für Kühlmittel vorhanden ist, welches in der Einrichtung entstehende Wärme aufnimmt und abführt und eine Kühleinrichtung zum Kühlen des erwärmten Kühlmittels vorhanden ist. Zudem wird Inertgas über eine Zuleitung der Einrichtung zum Strahlungshärten zugeleitet wird, wobei das Inertgas in einer Verdampfungseinrichtung aus dem flüs- sigen in den gasförmigen Zustand überführt wird, wobei zumindest ein Teil des flüssigen Inertgases über einen Wärmetauscher (15) geführt wird, in den das aufgewärmte Kühlmittel eintritt. Die Verdampfung des Inertgases entzieht dem Kühlmittel Wärme.

Bezugszeichenliste

1 Vorrichtung

2 Batterie

3-11 UV-Trockner

12 Kühlmittelzuleitung

13 Kühlmittelableitung

14 Ventil

15 Wärmetauscher

16 Leitung

17 Kälteanlage

18 Tankanlage

19 Leitung

20 Druckregelventil

21 Leitungen

22 Leitungen

23 abgehende Leitung

24 Druckregelventil

25 Inertgasspeiseleitung

26 Luftverdampfer

27 Regelventile

28 Steuerungs-/Regelungseinrichtung

29 Netzstrecke

30 Messleitung

32 Absperrventil

33 benachbartes Ventil