Beschreibung

Technischer Hintergrund

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum mindestens teilweisen Trocknen eines Substrats, umfassend die Verfahrensschritte:

(a) Erzeugung einer auf das Substrat gerichteten Zuluftströmung, die eine Zu- luftströmungsrichtung aufweist, die eine Richtungs-Komponente in Transport- richtung oder in Gegenrichtung dazu hat, und

(b) Erzeugen einer vom Substrat wegführenden Abluftströmung.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Lufttrocknermodul zum Trocknen eines in ei- ner Transportrichtung durch einen Trocknungsraum bewegten Substrats, umfas- send

(a) eine Zulufteinheit, umfassend eine Zuluft-Düse zur Erzeugung einer auf das Substrat gerichteten Zuluftströmung, die eine Hauptausbreitungsrichtung hat, die mit der Oberfläche des Substrats einen Winkel zwischen 10 und 85 Grad einschließt, und

(b) eine Ablufteinheit zum Erzeugen einer vom Substrat aus dem Trocknungs- raum wegführenden Abluftströmung.

Darüber hinaus geht es bei der Erfindung um ein Infrarot-Trocknersystem zum Trocknen eines in einer Transportrichtung durch einen Prozessraum bewegten Substrats, umfassend ein Infrarot-Trocknermodul, das in Substrat-Transport- richtung gesehen eine Sequenz folgender Komponenten aufweist: eine vordere Lufttauschereinheit, einen mit mehreren parallel zueinander angeordneten Infra- rotstrahlern bestückten Bestrahlungsraum, und eine hintere Lufttauschereinheit.

Derartige Lufttrocknermodule und Trocknungsverfahren werden beispielsweise für die Trocknung von wasserbasierten Dispersionen, Tinten, Farben, Lacken, Kle- bern oder anderen lösungsmittelhaltigen Schichten auf Substraten oder zur Trock- nung feuchter Materialbahnen aus Flies und anderen textilen Stoffen eingesetzt. Infrarot-Trocknersysteme finden insbesondere Anwendung zur Trocknung von Druckerzeugnissen wie Papier und Pappe und Produkten hieraus.

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, Flarze, 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. Unter chemischer Trocknung wird die Oxidation beziehungsweise Polymerisation von Druckfarben- Inhaltsstoffen verstanden.

Übliche Infrarot-Trocknersysteme weisen neben Infrarotstrahlern weitere Funkti- onsbausteine 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 Infrarot-Trocknermodulen, von denen jedes einen auf den zu trocknenden Bedruckstoff ausgerichteten langgestreckten Infrarotstrahler aufweist, dessen Längsachse senkrecht zur Transportrichtung des Bedruckstoffs verläuft. Mittels eines regelbaren Lüftungssystems wird eine Luftströmung erzeugt, die auf den Infrarotstrahler und auf den Bedruckstoff einwirkt. Der Infrarotstrahler ist innerhalb eines Prozessraums für den Bedruckstoff angeordnet. Die Zuluft wird einem Zu- luftsammelraum zugeführt und darin mittels einer Heizeinrichtung erwärmt. Außer- dem wird mittels eines Ventilators die vom Infrarotstrahler erwärmte Luft abge- führt, 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 Infrarotstrahlers 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.

Bei dem bekannten Infrarot-Trocknermodul wird das Prozessgas mittels einer ei- gens dafür vorgesehenen Fleizeinrichtung 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 anderer Stelle wieder abgesaugt wird. Die Effektivität der Trocknungsluft hinsichtlich des Feuchteabtransports von der Substrat-Oberfläche ist daher nicht exakt reproduzierbar.

Die CA 2 748 263 C beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trocknen mittels erwärmtem Luftstrom und Ultraschall. Die dafür eingesetzten Ultraschall- wandler erzeugen an der Grenzfläche des zu trocknenden Materials Ultraschall- wellen mit einem Leistungspegel im Bereich von 120 bis 190 dB und tragen so zum Abbau einer Diffusionsgrenzschicht bei. In einer Ausführungsform sind die Ultraschallwandler mit Druckluftunterstützung ausgeführt, wobei ein Gehäuse mit einem zentralen Luftauslass, der beidseitig von je einem schräg gestellten Druck- luftauslass mit zusätzlichem Ultraschallwandler und zwei Rücklufteinlässen einge- setzt wird.

Aus der WO 01/02643 A1 ist eine Düsenanordnung in einer luftgestützten Bahn- trocknungsvorrichtung zum Trocknen einer beschichteten Papierbahn bekannt, bei der eine Überdruckdüse so angeordnet ist, dass sie Trocknungsluft sowohl in Laufrichtung der Bahn als auch entgegen der Laufrichtung der Bahn bläst. Die Düsenanordnung umfasst außerdem eine Pralldüse, die mit der Überdruckdüse kombiniert ist, wobei in der Pralldüse eine Vielzahl von Düsenschlitzen ausgebildet sind, um Trocknungsluft weitgehend senkrecht zur Bahn zu blasen. Bei Einsatz mehrerer, in Transportrichtung der Papierbahn hintereinander angeordneter Dü- senanordnungen ist zwischen benachbarten Düsenanordnungen jeweils ein ge- meinsamer Absaugkanal für die Absaugung der Abluft angeordnet.

Die DE 10 2016 112 122 A1 beschreibt eine LED-Aushärtungseinrichtung für UV- Druckfarben, die einen LED-Lampenträger mit einer Kühlvorrichtung und ein Ge- häuse umfasst. Von der Oberseite der Kühlvorrichtung des LED-Lampenträgers zu einer Gehäuse-Oberwand erstreckt sich eine Trennplatte, die den Innenraum des Gehäuses beidseitig zum LED-Lampenträger in eine Gasansaugkammer mit mehreren Gasansaugöffnungen und in eine Gasausblaskammer mit mehreren Gasausblasöffnungen aufteilt. Sowohl die Gasansaugöffnung als auch die Gas- ausblasöffnung sind so schräg gestellt, dass sie mit der vertikalen Mittellinie des LED-Lampenträgers einen Winkel von 45° einschließen.

Technische Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Trocknungsverfahren anzugeben, das reproduzierbar und effektiv ist und insbesondere hinsichtlich Homogenität und Schnelligkeit der Trocknung des Substrats zu einem verbesserten Ergebnis führt.

Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein energieeffizientes Luft- trocknermodul und ein Infrarot-Trocknersystem bereitzustellen, die insbesondere für die Trocknung lösungsmittelhaltiger und insbesondere wasserbasierter Disper- sionen 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 Ab- luftströmung in mehrere Teilströme aufgeteilt wird, indem jeder der Teilströme ei- nem individuellen Ansaugkanal zugeführt wird, und dass im Fall einer Zuluftströ- mung mit einer Richtungs-Komponente in Richtung der Fortbewegung des Sub- strats die Zuluftströmung der Abluftströmung räumlich vorgeordnet ist, und im Fall einer Zuluftströmung mit einer Richtungs-Komponente in Gegenrichtung der Fort- bewegung des Substrates die Zuluftströmung der Abluftströmung räumlich nach- geordnet ist.

Die Zuluftströmung ist nicht diffus, sondern sie hat eine Hauptausbreitungsrich- tung, in der sie je nach Luftdurchsatz und Strömungsgeschwindigkeit auf die Sub- strat-Oberfläche vordringt und darauf in einem voreingestellten Winkel auftrifft und dort trocknend auf das beschichtete Substrat einwirkt. Einwirken bedeutet hier, dass die Zuluftströmung das Substrat trocknet, beispielsweise indem Lösungsmit- tel aus der Oberflächenschicht in die Gasphase aufgenommen werden. Vorzugs- weise schließt die Hauptausbreitungsrichtung der Zuluftströmung mit der Oberflä- che des Substrats einen Winkel zwischen 10 und 85 Grad ein.

Jeder auf das Substrat gerichteten Zuluftströmung ist eine vom Substrat wegfüh- rende und in mehrere Teilströme unterteilte Abluftströmung räumlich zugeordnet, über die das mit Feuchtigkeit beladene Prozessgas und andere aus dem Substrat austretende gasförmige Komponenten als Abluft aus einem Trocknungsraum ab- geführt werden. Die Strömung der Abluft wird durch das Absaugen über einen An- saugkanal erzeugt.

Das erfindungsgemäße Trocknungsverfahren zeichnet sich insbesondere durch die Kombination folgender Aspekte aus:

(i) Mittels der auf die Substrat-Oberfläche gerichteten Zuluftströmung werden die am bewegten Substrat mitgezogenen und hängenden Strömungsgrenzschich- ten durchbrochen. Insbesondere wird dabei in einem vorgelagerten Heizpro- zess verdampftes Wasser mit der Zuluftströmung mitgerissen und vom Sub- strat entfernt. Das Durchbrechen der Strömungsgrenzschichten gelingt am besten, wenn die Zuluftströmungsrichtung eine Hauptausbreitungsrichtung mit einer Richtungs-Komponente in Richtung der Fortbewegung des Substrates oder in Gegenrichtung dazu hat, also schräg zur Substrat-Oberfläche verläuft. Vorzugsweise liegt der zwischen der Hauptausbreitungsrichtung der Zuluft- strömung und der Substrat-Oberfläche eingeschlossene Neigungswinkel zwi- schen 10 und 85 Grad. Dadurch wird eine Störung, Verkleinerung oder sogar Ablösung der fluiddynamischen laminaren Strömungsgrenzschicht und damit einhergehend eine Verbesserung des Stofftransports und insbesondere der Abführung von Feuchtigkeit aus dem Substrat bewirkt.

Im Fall einer schräg in Transportrichtung austretenden Zuluftströmung trifft diese mit einer Auftreffgeschwindigkeit auf das Substrat auf, die um die Bewe- gungsgeschwindigkeit des Substrats vermindert ist. Im anderen Fall addieren sich die in Transportrichtung weisenden Geschwindigkeitsvektoren von Zuluft strömung und Substrat-Bewegung in der Auftreffgeschwindigkeit.

(ii) Der schräg zur Substrat-Oberfläche verlaufenden Zuluftströmung ist eine Ab- saugung zugeordnet, die je nach Transportrichtung des Substrats entweder räumlich vor oder nach dem Ort der Zuluftströmung liegt. Die schräg zur Sub- strat-Oberfläche verlaufende Zuluftströmung weist somit stets in Richtung auf die Abluftströmung. Die räumliche Zuordnung von Zuluftströmung und Abluft- strömung bewirkt auf der Substrat-Oberfläche eine Interaktion der jeweiligen Gasströmungen miteinander und gewährleistet, dass die Luft der von der Zu- luftströmung aufgerissenen Strömungsgrenzschicht unmittelbar abgesaugt werden kann.

Im Fall einer Zuluftströmung mit einer Richtungs-Komponente in Gegenrich- tung der Fortbewegung des Substrates ist die Zuluftströmung der Abluftströ- mung räumlich nachgeordnet. Dadurch und infolge der schräg zur Substrat- Oberfläche verlaufenden Zuluftströmungsrichtung besteht jedoch die Gefahr einer Wirbelbildung. Der Drehsinn des sich dabei bildenden Luftwirbels wird durch die schräge Orientierung der Zuluftströmungsrichtung bestimmt und ver- läuft im gegebenen Fall im Uhrzeigersinn.

Im anderen Fall mit einer Zuluftströmung mit einer Richtungs-Komponente in Richtung der Fortbewegung des Substrates ist die Zuluftströmung der Abluft- strömung räumlich vorgeordnet und es besteht die Gefahr einer Wirbelbildung in der Abluftströmung mit einer Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn.

(iii) Eine ausgeprägte Wirbelbildung führt zu einer örtlichen Stabilisierung und

Bindung der verwirbelten Luft, einhergehend mit austauscharmen, sogenann- ten toten Zonen, was ein effektives Absaugen erschwert. Die Erfindung sieht daher vor, dass die Abluftströmung in mehrere Teilströme aufgeteilt wird, in- dem jeder der Teilströme einem individuellen Ansaugkanal zugeführt wird. Je- dem Teilstrom ist genau ein Ansaugkanal zugeordnet; jeder Teilstrom wird über genau einen Ansaugkanal abgesaugt.

Es hat sich gezeigt, dass die Wirbelbildung durch eine Aufteilung der Abluft- strömung in mehrere Teilströme vermindert werden kann. Ein sich bildender Luftwirbel wird in den Ansaugkanälen kanalisiert und dadurch mindestens teilweise aufgelöst. Dadurch wird ein effektives und energiesparendes Absau- gen ermöglicht und der Luftverbrauch sinkt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird aufgrund dieser Maßnahmen eine schnelle und effektive Trocknung des Substrats bei gleichzeitig geringem Energie- verbrauch erreicht. Zudem ist durch Steuerung der Volumina an Zuluft und Abluft der Grad der Gasverwirbelung beherrschbar und damit auch die Effektivität der Trocknung reproduzierbar einzustellen.

Durch die Aufteilung der Abluftströmung wird der Ausbildung austauscharmer Zo- nen in einem ausgeprägten Abluftströmungs-Wirbels entgegengewirkt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Abluftströmung in mindestens drei Teilströme aufgeteilt wird.

An den örtlichen Positionen im Trocknungsraum, an denen die Aufteilung der Ab- luftströmung geschieht, werden Teilströme aus dem„Abluftströmungs-Wirbel“ ab- gezweigt. Diese Positionen liegen im bevorzugten Fall dort, wo sich ansonsten der besagte Abluftströmungs-Wirbel in ausgeprägter Weise ausbilden würde.

Im Hinblick darauf hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Ansaugkanäle je- weils eine einem Trocknungsraum zugewandte Ansaugkanal-Einsaugöffnung ha- ben, wobei sich benachbarte Einsaugöffnungen in ihrer Position und Orientierung im Trocknungsraum unterscheiden. Dadurch werden aus dem„Abluftströmungs- Wirbel“ an unterschiedlichen Positionen und Richtungen Teilströme abgegriffen.

Konstruktiv wird dies bevorzugt dadurch bewerkstelligt, dass die Einsaugöffnun- gen durch in den Trocknungsraum ragende Luftleitbleche begrenzt und definiert werden. Durch die Position und Orientierung der Luftleitbleche werden Ansau- göffnungen definiert und aus dem Abluftströmungs-Wirbel Teilströme abgezweigt und denen eine neue Strömungsrichtung aufgeprägt, die im Folgenden als„Ein- strömrichtung“ des jeweiligen Teilstroms bezeichnet wird. Jede der Einsaugöffnungen definiert ihre eigene Einströmrichtung, wobei die Ein- saugöffnungen vorzugsweise so orientiert sind, dass sich ihre jeweiligen Ansaug- richtungen voneinander unterscheiden. Im Hinblick auf eine effektive Trocknung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn mehrere Einsaugöffnungen, besonders bevorzugt alle Einsaugöffnungen, so orientiert sind, dass ihre individuelle Ein- strömrichtung und die Hauptausbreitungsrichtung der Zuluftströmung nahezu ent- gegengesetzt verlaufen, also beispielsweise einen Winkel zwischen 0 und 45 Grad einschließen.

Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante ist vorgesehen, dass die Zu- luftströmung aus einer längsschlitzförmigen Düsenöffnung ausströmt und streifen- förmig auf das zu trocknende Substrat einwirkt, und dass die Abluftströmung über mehrere schlitzförmige Ansaugkanäle abgeführt wird.

Die Trocknungsluft wird hierbei aus einer schlitzförmige Einlassöffnung in den Trocknungsraum in Richtung auf die Substrat-Oberfläche aus. Die schlitzförmige Einlassöffnung ist beispielsweise als durchgehender Spalt ausgeführt oder als An- einanderreihung einer Vielzahl von Einzelöffnungen. Sie wirkt in einem streifen- förmigen Oberflächenbereich auf das zu trocknende Substrat ein. Gegebenenfalls sind auch die Ansaugkanäle schlitzförmig und damit auch die Abluft-Teilströme jeweils bevorzugt streifenförmig ausgebildet und werden durch eine entsprechen- de Anzahl von schlitzförmigen Ansaugkanälen abgeführt. Somit sind der streifen- förmigen Zuluftströmung bevorzugt jeweils mehrere, parallel verlaufende streifen- förmige Abluft-Teilströmungen räumlich zugeordnet.

Der Trocknungsraum ist zur Substratlaufrichtung hin quer angeordnet und er- streckt sich über die gesamte Breite des darunter bewegten Substrats. So kann die gesamte Breite des Substrates mittels der dynamisch einwirkenden Luft ho- mogen behandelt und getrocknet werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass mittels einer Prozessgasmengensteuerung das in den Trocknungsraum eingeleitete Gasvolumen V _in kleiner eingestellt wird als das aus dem Trocknungsraum abgesaugte Gasvolumen V _out , wobei vorzugsweise gilt:

1 ,2 x Vj _n *· V ₀ ut ^ 1 ,5 x Vj _n . Anhand von Simulationen konnte gezeigt werden, dass in einem ausgeprägten Luftwirbel innerhalb des Trocknungsraums hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Abluftströmung erzeugt würden, die dazu führen können, dass Abluft in nennens- werter Menge über die Eintritts- und Austrittsseite des Substrats austritt, was zu Störungen in der vorgelagerten Prozessstufe beziehungsweise zu Kontaminatio- nen der Umgebung führen kann.

Infolge der Aufteilung der Abluftströmung in Teilströme wird die Ausbildung eines ausgeprägten Luftwirbels innerhalb des Trocknungsraums vermieden, wie oben erläutert. Anstatt die Trocknungsluft aus dem Trocknungsraum austreten zu las- sen, wird sie bevorzugt in den Trocknungsraum in leichter Tendenz eingesaugt. Die Luftbalance zwischen der Abluftströmung einerseits und den über die Zuluft- strömung und an den Substrat-Eintritts- und Austrittsseite in den im Trocknungs- raum einströmenden Luftmengen wird vorzugsweise so eingestellt, dass sich ein Volumenverhältnis zwischen 1 ,2 und 1 ,5 ergibt. Im Idealfall wird dadurch verhin- dert, dass keine Trocknungsluft nach Außen aus dem Trocknungsraum entweicht. Das Trocknungsmodul wirkt lufttechnisch nach Außen neutral das heißt, die Um- gebung wird durch austretende heiße und mit Feuchte angereicherte Luft nicht kontaminiert; das Modul ist pneumatisch dicht.

Hinsichtlich des Lufttrocknermoduls wird die oben angegebene Aufgabe ausge- hend von einem Luftmodul der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Ablufteinheit mehrere Ansaugkanäle umfasst, so dass die Abluftströmung in mehrere Teilströme aufgeteilt wird, und dass die Zuluft-Düse eine Düsenöffnung aufweist, die der Ablufteinheit zugewandt ist.

Durch die Zuluft-Düse tritt die Zuluftströmung schräg in Richtung auf die Substrat- Oberfläche aus. Die Düsenöffnung der Zuluft-Düse weist somit in Richtung auf die Substrat-Oberfläche und gleichzeitig weist sie in Richtung der Ablufteinheit.

Im Trocknungsraum finden das teilweise Trocknen des Substrats und der Luftaus- tausch zwischen Zuluft und Abluft statt. Ziel ist es, den Trocknungsraum möglichst klein zu halten und ein Austreten von Luft aus dem Trocknungsraum möglichst zu vermeiden

Das erfindungsgemäße Trocknungsmodul zeichnet sich insbesondere durch die Kombination folgender Aspekte aus: (i) Mittels der auf die Substrat-Oberfläche gerichteten Zuluftströmung werden die am bewegten Substrat mitgezogenen und hängenden Strömungsgrenzschich- ten durchbrochen. Das Durchbrechen der Strömungsgrenzschichten gelingt am besten, wenn die aus der Düse austretende Zuluftströmung eine Haupt- ausbreitungsrichtung hat, die mit der Substrat-Oberfläche einen Winkel zwi- schen 10 und 85 Grad einschließt. Durch das effektive Durchbrechen der Strömungsgrenzschichten kann der Trocknungsraum kompakt gehalten wer- den. So schließt beispielsweise bei einer schlitzförmigen Zuluft-Düse mit einer in Richtung der Zuluftströmung verlaufenden Düsen-Längsachse, die Längs- achse mit der Oberfläche des Substrats einen Winkel zwischen 30 und 90 Grad ein.

(ii) Der Zuluftströmung ist eine Ablufteinheit zugeordnet, die je nach Transport- richtung des Substrats entweder räumlich vor oder nach dem Ort der Zuluft- strömung liegt. In jedem Fall weist die Düsenöffnung der Zuluft-Düse in Rich- tung auf die Ablufteinheit (und nicht von der Ablufteinheit weg). Die schräg zur Substrat-Oberfläche ausströmende Zuluftströmung hat somit stets eine Rich- tungs-Komponente in Richtung der Ablufteinheit.

Im Fall einer Zuluftströmung mit einer Richtungs-Komponente in Gegenrich- tung der Fortbewegung des Substrates ist das Trocknungsmodul so orientiert, dass die Zulufteinheit der Ablufteinheit räumlich nachgeordnet. Im anderen Fall mit einer Zuluftströmung mit einer Richtungs-Komponente in Richtung der Fortbewegung des Substrates ist das Trocknungsmodul so orientiert, dass die Zulufteinheit der Ablufteinheit räumlich vorgeordnet.

(iii) Um eine ausgeprägte Wirbelbildung und damit eine örtliche Stabilisierung und Bindung der verwirbelten Luft im Trocknungsraum zu erschweren , sieht die Erfindung vor, dass die Ablufteinheit mehrere Ansaugkanäle umfasst, mittels denen die Abluftströmung in mehrere Teilströme, vorzugsweise in mindestens drei Teilströme, aufgeteilt wird, indem jeder der Teilströme einem individuellen Ansaugkanal zugeführt wird. Jedem Teilstrom ist genau ein Ansaugkanal zu- geordnet; jeder Teilstrom wird über genau einen Ansaugkanal abgesaugt.

Es hat sich gezeigt, dass die Wirbelbildung durch eine Aufteilung der Abluftströ- mung in mehrere Teilströme vermindert werden kann. Dadurch wird ein effektives und energiesparendes Absaugen innerhalb eines kleinen Trocknungsraum- Volumen ermöglicht, und der Luftverbrauch sinkt. Das erfindungsgemäße Luft- trocknermodul ist daher für den Einsatz im erfindungsgemäßen Verfahren geeig- net.

Die Unterteilung der Ablufteinheit in Ansaugkanäle wird konstruktiv bevorzugt dadurch bewerkstelligt, dass in den Trocknungsraum Luftleitbleche ragen, die mindestens einen Teil der Einsaugöffnungen der Absaugkanäle begrenzen und definieren.

Durch die Position und Orientierung der Luftleitbleche werden die Teilstrom an unterschiedlichen Stellen im Trocknungsraum abgezweigt. Jede der Ansaugöff- nungen ist durch eine individuelle Flächennormale definiert, wobei sich die Rich- tungen der Flächennormalen voneinander unterscheiden können. Es hat sich be- währt, wenn die jeweilige individuelle Flächennormale mit der Zuluftströmungsrich- tung einen Winkel zwischen 90 und 200 Grad einschließt.

Das bedeutet, dass die jeweilige Einsaugöffnung so orientiert ist, dass die Ein- strömrichtung des jeweiligen Teilstroms der Abluftströmung und die Zuluftströ- mungsrichtung nahezu entgegengesetzt verlaufen.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luft- trocknermoduls umfasst dieses einen Luftversorgungskasten, in dem die Zuluft- einheit und die Ablufteinheit integriert sind.

Im Luftversorgungskasten in diesem Sinne sind beispielsweise die Zulufteinheit, umfassend eine Zuluftkammer mit Zuluftanschluss und die Zuluftdüse, sowie die Ablufteinheit, umfassend eine Absaugkammer mit Abluftanschluss und den An- saugkanälen so zusammengefasst, dass sie ein eigenständiges Bauelement bil- den, das in Anlagen zur Substrat-Prozessierung als Trocknungsmodul einfügbar ist, ohne dass es dafür einer konstruktiven Umgestaltung anderer Anlagenberei- che bedarf. Der Luftversorgungskasten kann außerdem ein Gebläse enthalten, das der Zulufteinheit oder Ablufteinheit zuzuordnen ist. Die seitliche Abmessung des Luftversorgungskastens - in Transportrichtung des Substrats gesehen - be- trägt bei bevorzugten Ausführungsformen weniger als 100 mm. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Luft- trocknermoduls ist der Trocknungsraum begrenzt von einer ersten Fläche, in der die Zuluftdüse ausgebildet ist, von einer zweiten Fläche, in der die Ansaugkanäle ausgebildet sind, und von dem Substrat.

Der Trocknungsraum ist dabei im Wesentlichen von drei Flächen begrenzt und hat in einem Querschnitt entlang der Substrat-Transportrichtung gesehen in etwa Dreiecksform. Er erleichtert eine Luftzirkulation, bei der die aus der Zuluftdüse ausströmende Zuluft nach dem Kontakt am Substrat unter anfänglicher Ausbil- dung eines Teil-Wirbels wieder hochsteigen kann, wo sie von den Ansaugkanälen effizient erfasst und abgesaugt werden kann. Beim erfindungsgemäßen Trock- nermodul wird aufgrund dieser Maßnahme eine schnelle und effektive Trocknung des Substrats bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch erreicht. Angesichts des effizienten Luftmanagements stellt das Luftmodul eine kompakte und in der Ma- schine platzsparende Trocknereinheit dar. Der Abstand zwischen der Zuluft-Düse und der Oberfläche des Substrats ist vorzugsweise auf weniger als 10 mm ein- stellbar.

Das erfindungsgemäße Trocknermodul kann Bestandteil eines Trocknersystems sein, in dem mehrere gleiche oder unterschiedliche Trocknermodule zusammen- gefasst sind.

Hinsichtlich des Trocknersystems zum Trocknen eines in einer Transportrichtung durch einen Prozessraum bewegten Substrats wird die oben genannte technische Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die vordere und/oder die hintere Lufttauschereinheit mindestens jeweils ein Lufttrocknermodul gemäß der Erfin dung enthalten.

Das Trocknersystem gemäß der Erfindung ist beispielsweise als Infrarot- Trocknermodul ausgeführt, bei dem der eigentliche Prozessraum eine Bestrah- lungskammer umfasst, die mit einem oder mit mehreren Infrarotstrahlern bestückt ist. Der eigentliche Prozessraum, beispielsweise die Bestrahlungskammer, ist von mindestens einem erfindungsgemäßen Lufttrocknermodul begrenzt. Bei einer be- sonders bevorzugten Ausführungsform ist der eigentliche Prozessraum von meh- reren Lufttrocknermodulen gemäß der Erfindung begrenzt, die dabei in Transport- richtung nebeneinander und/oder hintereinander angeordnet sein können. Bevor- zugt sind in Transportrichtung drei Lufttrocknermodule hintereinander angeordnet.

Bei jedem in Transportrichtung der Prozesskammer nachgeordneten, hinteren Trocknungsmodul ist die Richtung der Luftströmung aus der Düse entgegen der Transportrichtung des Substrates gerichtet. Beim jedem in Transportrichtung der Prozesskammer vorgeordneten, vorderen Trocknungsmodul stimmt die Richtung der Luftströmung aus der Düse mit der Transportrichtung des Substrates überein.

Das vordere und das hintere Lufttrocknermodul übernehmen am Eingang und am Ausgang des Trocknersystems zusätzlich zu den Funktionen der Ablösung der Strömungsgrenzschicht und der Trocknung des Substrats die Funktion von Luft- vorhängen und dichten somit das Trocknersystem pneumatisch nach außen ab. Das Zusammenwirken der Bestrahlungskammer mit den Lufttrocknermodulen vermindert die Gefahr, dass Verunreinigungen, und insbesondere Wasser, in den Prozessraum eingetragen und aus dem Trocknersystem ausgasen. Dies ermög- licht einen besonders wasserarmen Prozessraum und verbessert und optimiert den Trocknungseffekt.

Definitionen

“Zuluft“ ist im einfachsten Fall die aus der Atmosphäre entnommene Luft. Sie kann auch synthetisch erzeugte Gase und Gasgemische umfassen, die zur physikali- sehen Aufnahme von Wasser geeignet sind. Sie kann auch reaktive Substanzen zur chemischen Trocknung des Substrat enthalten. Zur Verbesserung der Trock- nungseffizienz ist die Zuluft vorzugsweise auf eine Temperatur im Bereich zwi- schen 70 und 90 °C vorgewärmt.

Über die„Ansaugkänale“ fließt die Abluft aus dem Trocknungsraum ab. Als„Ein- Säugöffnung“ eines Ansaugkanals wird diejenige von einem Kanalrand begrenzte Fläche verstanden, durch die hindurch die angesaugte Abluft in den Ansaugkanal eintritt. Die Ansaugkanäle können in eine gemeinsame Absaugkammer münden.

Die Begriffe„räumlich nachgeordnet“ beziehungsweise„räumlich vorgeordnet“ beziehen sich auf die Anordnung in Transport-Richtung des Substrats gesehen. Eine Zuluftströmung mit einer Richtungs-Komponente in Substrat- Transportrichtung hat eine Hauptausbreitungsrichtung mit einer Richtungs- Komponente in Substrat-Transportrichtung. Dementsprechend ist eine Zuluftströ- mung mit einer Richtungs-Komponente größer Null entgegen der Substrat- Transportrichtung eine solche, deren Hauptausbreitungsrichtung eine Richtungs- Komponente größer Null entgegen der Substrat-Transportrichtung hat. Die Haupt- ausbreitungsrichtung ist diejenige Strömungsrichtung der Zuluftströmung (noch unbeeinflusst von den Strömungsverhältnissen im Trocknungsraum) unmittelbar nach dem Eintritt in den Trocknungsraum aufgeprägt wird. Bei der in Figur 2 schematisch gezeigten Ausführungsform ist die Richtung durch die Längsachse 25a der Zuluft-Düse 25 vorgegeben.

Ausführunqsbeispiele

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Pat- entzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:

Figur 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lufttrocknermoduls in einem Querschnitt entlang der Transportrichtung eines zu behandeln- den Substrats,

Figur 2 einen Ausschnitt des Lufttrocknermoduls mit Einzelheiten zum Strö- mungsverhalten innerhalb des Trocknungsraums,

Figur 3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lufttrocknermo- duls in einem Querschnitt entlang der Transportrichtung eines zu be- handelnden Substrats, und

Figur 4 ein Infrarot-Trocknersystem, ausgerüstet mit Lufttrocknermodulen ge- mäß der Erfindung in einem Längsschnitt in Bedruckstoff- Transportrichtung.

Bei der in Figur 4 schematisch gezeigten Ausführungsform eines Infrarot- Trocknermoduls 1 umschließt ein Gehäuse 2 einen Behandlungsraum

(=Prozessraum) für einen Bedruckstoff 3 (=Substrat) mit folgenden Komponenten (in Transportrichtung 5 gesehen): eine vordere Lufttauschereinheit 6 mit einem eigenen Gehäuse 10 und einem zusätzlichen Luftleitblech 6a, eine mit achtzehn Infrarotstrahlern 8 bestückte Infrarot-Bestrahlungskammer 9, deren Längsachsen 8a etwa in Transportrichtung 5 verlaufen und die parallel zueinander angeordnet sind, und eine hintere Lufttauschereinheit 7 mit einem eigenen Gehäuse 10. Die in die Bestrahlungskammer 9 eingezeichneten Richtungspfeile 20 deuten eine auf die Oberfläche des Bedruckstoffs 3 gerichtete Luftströmung, und die Richtungs- pfeile 21 eine vom Bedruckstoff 3 wegführende Luftströmung, sowie eine Wech- selwirkung 22 dieser Luftströmungen miteinander an.

In einem Trocknersystem sind beispielsweise mehrere der Trocknermodule 1 in Transportrichtung 5 gesehen paarweise neben- und hintereinander angeordnet. Das jeweils nebeneinander angeordnete Paar der Trocknermodule 1 deckt die maximale Formatbreite einer Druckmaschine ab. Entsprechend der Abmessungen und Farbbelegung des Bedruckstoffs sind die Trocknermodule 1 und die einzelnen Infrarotstrahler getrennt voneinander elektrisch ansteuerbar.

Die Lufttauschereinheiten 6; 7 sind mit ihrem jeweils eigenen Gehäuse 10 ausge- stattet und in das Gehäuse des Trocknermoduls 1 lösbar eingesetzt. Die Lufttau- schereinheiten 6; 7 sind baugleich, jedoch liegt bei der Lufttauschereinheit 6 die Zuluftseite vor der Abluftseite, und bei der Lufttauschereinheit 7 ist es umgekehrt. Am Ausgang des Trocknermoduls 1 sind drei Lufttauschereinheiten 7 zu einer Gruppe zusammengefasst, und die letzte Lufttauschereinheit 7 ist mit einem ab- schließenden Luftleitblech 7a versehen. Die Lufttauschereinheit 6; 7 bilden gleichzeitig Lufttrocknermodule im Sinne der Erfindung. Sie werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Sofern in diesen Figuren dieselben Bezugsziffern wie in Figur 4 verwendet sind, so sind damit baugleiche oder äqui valente Bauteile und Bestandteile bezeichnet, wie sie oben anhand der Beschrei- bung des Infrarot-Trocknermodul 1 erläutert sind.

Der in Figur 1 gezeigte Querschnitt eines einzelnen Lufttrocknermoduls 6 umfasst ein zweigeteiltes, kastenförmiges Gehäuse 1010, das auf einem Zuluft-Strang (Zu- luftkanal) eine obere Zuluftkammer 13, eine mittlere Zuluftkammer 14 und eine untere Zuluftkammer 15, sowie auf einem Abluft-Strang (Ansaugkanal) eine untere Abluftkammer 16, eine mittlere Abluftkammer 17 und eine obere Abluftkammer 18 umschließt. Die obere Zuluftkammer 13 ist mit einem Gebläse 19 verbunden, mittels dem tro- ckene Zuluft geregelt mit dem Volumen V _in in den Zuluft-Strang eingeleitet wird. Ebenso ist die obere Abluftkammer 18 mit einem (in der Figur nicht dargestellten) Gebläse verbunden, mittels dem die feuchte Abluft mit dem Volumen V _out geregelt aus dem Abluftstrang entfernt wird. Die Prozessgasmengensteuerung für das Trocknungsmodul 6; 7 ist dabei so ausgelegt, dass gilt: 1 ,2 x V _in < V _out < 1 ,5 x V _in . Das bedeutet, das Trocknungsmodul 6; 7 ist pneumatisch neutral in dem Sinn, dass es außer über die Absaugung nominal kein anderes Gasvolumen an die Umgebung abgibt. Im Gegenteil, aus der Umgebung wird ein gewisses Volumen an Fremdluft (etwa 20 bis 50% bezogen auf das Zuluft-Volumen) in das Trock- nungsmodul eingesaugt. Der Effekt der einströmenden Fremdluft ist in Figur 2 an- hand der Strömungspfeile 37 angedeutet.

Zwischen oberer und mittlerer Zuluftkammer (13; 14) befindet sich eine vordere Lochplatte 23, und zwischen mittlerer und unterer Zuluftkammer (23; 24) eine hin- tere Lochplatte 24, wobei die vordere Lochplatte 23 eine erste Anzahl N1 von Zu- luft-Durchlassöffnungen aufweist, die einen ersten mittleren Öffnungsquerschnitt A1 haben, und wobei die hintere Lochplatte 24 mit einer zweiten Anzahl N2 von Zuluft-Durchlassöffnungen versehen ist, die über die Lochplatte 24 gleichmäßig verteilt sind, und die einen zweiten mittleren Öffnungsquerschnitt A2 haben, wobei gilt: N2>N1 und A1 >A2. Die vordere Lochplatte 23 bewirkt eine gleichmäßige Ver- teilung des Zuluft-Volumens entlang der hinteren Lochplatte 24, die wiederum da- zu dient, die Zuluft gleichmäßig entlang der schlitzförmigen Luftauslass-Düse 25 zu verteilen.

Die untere Zuluftkammer 15 ist mit einer schlitzförmigen Luftauslass-Düse 25 ver- bunden, deren Längsachse 25a mit der Oberfläche des zu trocknenden Substrats (Bedruckstoff 3) einen Winkel a von 30 Grad einschließt. Über die schlitzförmige Luftauslass-Düse 25 gelangt ein Zuluftstrom mit einer Hauptausbreitungsrichtung in Richtung der Längsachse 25 auf die Substrat-Oberfläche und wirkt im Trock- nungsraum 26 trocknend auf das Substrat (3) ein.

Vom Trocknungsraum 26 gelangt die mit Feuchtigkeit beladene Prozessluft in die untere Abluftkammer 16. Zwischen unterer Abluftkammer 16 und mittlerer Abluft- kammer 17 befindet sich eine zweite vordere Lochplatte 28, und zwischen mittle- rer und oberer Abluftkammer (17; 18) eine zweite hintere Lochplatte 29, wobei die zweite vordere Lochplatte 28 eine erste Anzahl N3 von Abluft-Durchlassöffnungen aufweist, die einen ersten mittleren Öffnungsquerschnitt A3 haben, und wobei die zweite hintere Lochplatte 29 mit einer zweiten Anzahl N4 von Abluft- Durchlassöffnungen versehen ist, die über die Lochplatte 29 gleichmäßig verteilt sind, und die einen zweiten mittleren Öffnungsquerschnitt A4 haben, wobei gilt: N4>N3 und A3>A4. Die Lochung in der zweiten vorderen Lochplatte 28 ist so aus- gelegt, dass sich über die Länge der unteren Abluftkammer 16 ein möglichst gleichmäßiger Innendruck einstellt.

Mittels der auf die Substrat-Oberfläche gerichteten Zuluftströmung werden die am bewegten Substrat (3) mitgezogenen und hängenden Strömungsgrenzschichten durchbrochen. Dadurch, dass die Zuluftströmungsrichtung eine Richtungs- Komponente in Richtung 5 der Fortbewegung des Substrates (3) oder in Gegen- richtung dazu hat, wird eine Störung, Verkleinerung oder sogar Ablösung der flu iddynamischen laminaren Strömungsgrenzschicht und damit einhergehend eine Verbesserung des Stofftransports und insbesondere der Abführung von Feuchtig- keit aus dem Substrat (3) und dem Trocknungsraum 26 bewirkt.

Dafür ist die schräg zum Substrat 3 verlaufende Strömungsrichtung der Zuluft (Hauptausbreitungsrichtung in Richtung der Längsachse 25a) wichtig und außer- dem eine Aufteilung der Abluftströmung durch eine Absaugung, die je nach Transportrichtung des Substrats entweder räumlich vor oder nach dem Ort der Zuluftströmung liegt. In jedem Fall weist die schräg zur Substrat-Oberfläche ver- laufende Zuluftströmung in Richtung auf die Abluftseite. Der Trocknungsraum 26 hat im dargestellten Querschnitt im Wesentlichen Dreiecksform.

Figur 1 zeigt den Fall einer Zuluftströmung mit einer Strömungsrichtungs- Komponente entgegen der Transportrichtung des Substrats 3. Dabei ist die Zuluft- strömung der Abluftströmung in der Transportrichtung räumlich nachgeordnet. In- folge des Einströmwinkels a und der gegenüberliegenden Absaugung setzt eine Wirbelbildung der einströmenden und ausströmenden Trocknungsluft ein, was durch den Richtungspfeil 27 angedeutet ist. Der Drehsinn des sich bildenden Luftwirbels 27 verläuft im Uhrzeigersinn Um eine ausgeprägte Wirbelbildung zu verhindern wird die Abluftströmung mit Hilfe von Luftleitblechen 30; 31 in mehrere Teilströme aufgeteilt. Die Luftleitbleche 30; 31 sind im Gegensinn zur Drehrichtung des sich ausbildenden Luftwirbels abgewinkelt und bilden für insgesamt drei Teil ströme individuelle Ansaugkanäle 41 ; 42; 43 aus, wie aus Figur 2 erkennbar.

Die Wirbelbildung wird durch die Aufteilung der Abluftströmung in mehrere Teil ströme vermindert und ein sich anfänglich bildender Luftwirbel wird in den An- saugkanälen 41 , 42, 43 kanalisiert. Das Strömungsverhalten innerhalb der Trock- nungskammer 26 ist schematisch von den Strömungspfeilen 37, 38 und 39 ange- deutet, wobei die in den Trocknungsraum 26 einströmende Zuluft mit der Bezugs- ziffer 38 und die Abluft nach Richtungsumkehr mit der Bezugsziffer 39 bezeichnet werden. Die unabhängig davon einströmende Fremdluft ist mit der Bezugsziffer 37 bezeichnet.

Die Kanalisierung der Abluftströmung in den Ansaugkanälen 41 , 42, 43 wird durch die abgewinkelten Luftleitbleche 30; 31 bewirkt, die in unterschiedlichen Positio- nen in den sich anfänglich und teilweise ausbildenden Luftwirbel 27 hineinragen. Sie definieren Einsaugöffnungen 41 a, 42a, 43a der Ansaugkanäle 41 , 42, 43 (in der Zeichnung durch gestrichelte Linien markiert). Benachbarte Einsaugöffnungen 41 a, 42a, 43a unterscheiden sich in ihrer Position und Orientierung im Trock- nungsraum 26. Dadurch werden aus dem Abluftströmungs-Wirbel 27 an unter- schiedlichen Positionen und Richtungen Teilströme abgegriffen. Jede der Einsau- göffnungen 41 a, 42a, 43a ist durch eine individuelle Flächennormale definiert. Die jeweilige Flächennormale gibt in etwa die Einströmrichtung des betreffenden Teil- stroms in den Ansaugkanal 41 ; 42, 43 wieder. Die Richtungen der Flächennorma- len und damit die Einströmrichtung unterscheiden voneinander und schließen mit der Zuluftströmungsrichtung (Längsachse 25a) einen Winkel um 180 Grad +/- 30 Grad ein.

Die örtlichen Positionen im Trocknungsraum 26, an denen die Aufteilung der Ab- luftströmung geschieht, liegen dort, wo sich ansonsten der besagte Abluftströ- mungs-Wirbel 27 in ausgeprägter Weise ausbilden würde. Dieser wird dadurch mindestens teilweise aufgelöst, so dass durch die Aufteilung der Abluftströmung der Ausbildung eines ausgeprägten Abluftströmungs-Wirbels entgegengewirkt, und ein effektives und energiesparendes Absaugen ermöglicht wird. Beim erfin- dungsgemäßen Verfahren wird aufgrund dieser Maßnahmen eine schnelle und effektive Trocknung des Substrats 3 bei gleichzeitig geringem Energieverbrauch erreicht.

Figur 3 zeigt schematisch eine Hintereinander-Anordnung von drei erfindungsge- mäßen Lufttrocknermodulen 7 von Figur 1. Diese Anordnung kommt beispielswei- se am Ausgang eines Infrarot-Trocknermoduls 1 gemäß Figur 4 zum Einsatz. Dadurch wird erreicht, dass beim Austritt des Bedruckstoffs 3 aus dem Infrarot- Trocknermodul 1 möglichst keine giftigen oder aus anderen Gründen unerwünsch- ten Substanzen in gasförmiger und flüssiger Form den Prozessraum ungefiltert und unkontrolliert verlassen.