DE29923271U1 - Device for the contactless, localized heating of material by means of radiation - Google Patents
Device for the contactless, localized heating of material by means of radiationInfo
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Description
Vorrichtung zur berührungslosen, örtlich begrenzten Erwärmung von Material mit Hilfe von StrahlungDevice for contactless, localized heating of material using radiation
In der industriellen Fertigung besteht vielfach der Bedarf, Material (z.B. Werkstücke oder Proben) punktuell zu erwärmen. Beispiele sind Glühen, Hartlöten, Schmelzen, Schrumpfen, Kleben, Trocknen oder Weichlöten von Kunststoffen und Metallen.In industrial production, there is often a need to heat materials (e.g. workpieces or samples) at specific points. Examples include annealing, brazing, melting, shrinking, gluing, drying or soft soldering of plastics and metals.
Ein berührungsloses Verfahren, bei dem Wärmestrahlungsenergie auf einen kleinen Bereich begrenzt und der Wärmeeintrag geregelt werden kann, ist die Bestrahlung mit Licht einer Lichtquelle (deutsche Patentschrift Nr. 498501 vom 23.05.1930). Die Strahlungsenergie kann über die Leistung der Lichtquelle, die Strahlungsdauer und die Art der Fokussierung variiert werden. Sie wird an der Oberfläche des zu erwärmenden Werkstückes absorbiert und in Wärme umgewandelt. Daher ist das Absorptionsverhalten der bestrahlten Werkstücke von entscheidender Bedeutung, und es sollte eine Lichtquelle gewählt werden, deren Wellenlänge in einem Bereich liegt, in dem das Licht sehr gut absorbiert wird.A non-contact method in which thermal radiation energy can be limited to a small area and the heat input can be regulated is irradiation with light from a light source (German patent specification No. 498501 dated May 23, 1930). The radiation energy can be varied by the power of the light source, the duration of the radiation and the type of focusing. It is absorbed on the surface of the workpiece to be heated and converted into heat. The absorption behavior of the irradiated workpieces is therefore of crucial importance and a light source should be selected whose wavelength is in a range in which the light is absorbed very well.
Beim Lichtlöten wird ein Teil der von einer Lichtquelle ausgehenden Strahlen mit einem halbellipsoiden Reflektor in einem Brennpunkt fokussiert und zu einer Lötstelle geleitet. Bei einem Produkt der Fa. Royonic wird das Licht zusätzlich mit einem Linsensystem gebündelt, welches einen beachtlichen Teil der Lichtleistung absorbiert. Da dieses System zur langsamen und „schonenden" Aufheizung vonIn light soldering, part of the rays emitted by a light source are focused at a focal point using a semi-ellipsoidal reflector and directed to a soldering point. In a product from Royonic, the light is additionally bundled using a lens system, which absorbs a considerable part of the light output. Since this system is used for the slow and "gentle" heating of
Elektronikbauteilen in Verbindung mit einer Unterheizung eingesetzt wird, reicht die vergleichsweise geringe Leistungsdichte aber aus.However, if electronic components are used in conjunction with a sub-heater, the comparatively low power density is sufficient.
Bei einem weiteren Reparatursystem (DE 196 39 993 A1) wird das Licht eines Halogenstrahlers mit einem ellipsoiden Reflektor gebündelt und durch ein Kapillarglasrohr geleitet, welches es ermöglicht, die Handhabungsfunktion einer Saugpipette mit der Funktion eines Lötwerkzeuges zu kombinieren. Durch eine Verjüngung des Kapillarrohres soll eine bessere Fokussierung erreicht werden.In another repair system (DE 196 39 993 A1), the light from a halogen spotlight is bundled with an ellipsoidal reflector and guided through a capillary glass tube, which makes it possible to combine the handling function of a suction pipette with the function of a soldering tool. Better focusing is to be achieved by tapering the capillary tube.
Auch bei einem System mit Xenon-Hochducklampe wird Licht mit einem ellipsoiden Reflektor gebündelt und im zweiten Brennpunkt in einen flexiblen Lichtleiter eingekoppelt (Stellbrink, L.: "Löten mit Licht", Productronic (1994) 4, S. 31-32). Durch Verstellen der Optik kann die Fokussierung verändert werden.In a system with a high-pressure xenon lamp, light is also bundled with an ellipsoidal reflector and coupled into a flexible light guide at the second focal point (Stellbrink, L.: "Soldering with light", Productronic (1994) 4, pp. 31-32). The focus can be changed by adjusting the optics.
Bei diesen Systemen mit halbellipsoiden Reflektoren wird das Licht in einem beachtlichen Teil &phgr;* des Strahlungselevationswinkels nicht auf den zweiten Brennpunkt fokussiert, sondern verläßt als Streulicht den Reflektor. Dieser Verlustwinkel &phgr;* beträgt bei einer Ellipse mit einer numerischen Exzentrizität von 0,6-0,7 (wie sie Wiesner, P. in seinem Abschlußbericht zum DFG-Vorhaben „Oberflächenhärten mit Hochenergielampen Wi 1209/3-1" empfiehlt) ca. 90°. Dieses Streulicht ist als Leistung für die Erwärmung der Bearbeitungsstelle verloren und stört unter Umständen den Prozeß, da es die Umgebung erwärmt. Weiterhin ist der maximale Lichtaustrittswinkel oder Öffnungswinkel &phgr; bei halbellipsoiden Reflektoren gleich dem Verlustwinkel &phgr;*. Wird nun der austretende Lichtkegel mit einem Objektiv beeinflußt, treten weitere Leistungsverluste auf, da handelsübliche Linsen nur das Licht bis zu einem Öffnungswinkel von ca. 60° aufnehmen können. Strahlungsanteile, die außerhalb dieses Winkels liegen, werden in die Umgebung reflektiert.In these systems with semi-ellipsoidal reflectors, the light is not focused on the second focal point in a considerable part φ* of the radiation elevation angle, but leaves the reflector as scattered light. This loss angle φ* is approximately 90° for an ellipse with a numerical eccentricity of 0.6-0.7 (as recommended by Wiesner, P. in his final report on the DFG project "Surface hardening with high-energy lamps Wi 1209/3-1"). This scattered light is lost as power for heating the processing area and may disrupt the process because it heats the environment. Furthermore, the maximum light exit angle or opening angle φ for semi-ellipsoidal reflectors is equal to the loss angle φ*. If the emerging light cone is influenced by a lens, further power losses occur because commercially available lenses can only absorb light up to an opening angle of approximately 60°. Radiation components that lie outside this angle are reflected into the environment.
Ziel ist also eine Reflektorform mit geringem Verlustwinkel &phgr;* und geringem Öffnungswinkel &phgr;.The aim is therefore a reflector shape with a low loss angle φ* and a small opening angle φ.
Eine Verlängerung des Reflektors von der Halbellipse (in einem Schnitt längs der Rotationssymmetrieachse des Reflektors gesehen) bis fast zur vollen Ellipse verringert den Verlustwinkel &phgr;*, jedoch steigt der Öffnungswinkel &phgr;. Eine Verkürzung der Ellipse verringert den Öffnungswinkel &phgr;, jedoch steigt der Verlustwinkel &phgr;*. Eine Änderung der numerischen Exzentrizität verändert die Größe der Abbildung der Lichtquelle im Brennpunkt.An extension of the reflector from a half-ellipse (seen in a section along the axis of rotational symmetry of the reflector) to almost a full ellipse reduces the loss angle φ*, but the opening angle φ increases. A shortening of the ellipse reduces the opening angle φ, but the loss angle φ* increases. A change in the numerical eccentricity changes the size of the image of the light source at the focal point.
Einen anderen Weg zeigt die deutsche Patentanmeldung DE 43 45 010 A1 mit einem Reflexionselement aus einem ellipsoidförmigen Hauptreflektor und einem zusätzlichen ellipsoidförmigen Reflektor, die über einen sphärischen Ringreflektor miteinander verbunden sind. Ein Strahlungsbrennpunkt des ersten Reflektors liegt in der Kopplungsfläche des letzteren. Dadurch wird der Verlustwinkel &phgr;* geringer, der Öffnungswinkel &phgr; ändert sich nicht.Another approach is shown in the German patent application DE 43 45 010 A1 with a reflection element consisting of an ellipsoidal main reflector and an additional ellipsoidal reflector, which are connected to one another via a spherical ring reflector. A radiation focal point of the first reflector lies in the coupling surface of the latter. This reduces the loss angle φ*, while the opening angle φ does not change.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, dass bei Fokussierung mittels eines ellipsoidförmigen Reflektors Leistungsverluste dadurch auftreten, daß in einem Verlustwinkel &phgr;* Strahlung nicht auf den Reflektor trifft und daher nicht auf den zweiten Brennpunkt fokussiert wird, und weiterhin dadurch, daß eventuell der Öffnungswinkel &phgr; größer ist als der zulässige Lichteintrittswinkel eines nachgeschalteten Objektivs.The invention is based on the problem that when focusing by means of an ellipsoidal reflector, power losses occur because at a loss angle φ* radiation does not hit the reflector and is therefore not focused on the second focal point, and furthermore because the opening angle φ may be larger than the permissible light entry angle of a downstream lens.
Durch die Erfindung soll erreicht werden, dass von der zur Verfügung stehenden Wärmestrahlung einer Wärmequelle möglichst viel zu einer Bearbeitungsstelle gelangt.The invention is intended to ensure that as much of the available heat radiation from a heat source as possible reaches a processing location.
Dies wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht, weil nun eine der Reflektorflächen bis weit an die Rotationssymmetrieebene der Reflektoranordnung heran reichen kann. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This is achieved by a device having the features of patent claim 1, because one of the reflector surfaces can now extend far into the rotational symmetry plane of the reflector arrangement. Advantageous further developments are specified in the dependent claims.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass eine Reflektoranordnung so aus mehreren rotationssymmetrischen Reflektorflächen zusammengesetzt ist, dass die von einem Wärmestrahler, insbesondere Lampe, ausgesandte Strahlung durch einfache oder mehrfache Reflexion von umgebenden Reflektorflächen so auf eine hinter bzw. um den Wärmestrahler herum angeordnete Reflektorfläche gespiegelt wird, dass sie als achsnahe Strahlung durch eine Strahlungsaustrittsöffnung geleitet wird, d.h. so, dass der Öffnungswinkel &phgr; kleiner ist als bei einem vergleichbaren ellipsoiden Reflektor, möglichst kleiner 60°. Weiterhin ist der Verlustwinkel &phgr;* sehr gering, d.h. noch kleiner als der Öffnungswinkel &phgr;.An essential idea of the invention is that a reflector arrangement is composed of several rotationally symmetrical reflector surfaces in such a way that the radiation emitted by a heat radiator, in particular a lamp, is reflected by single or multiple reflection from surrounding reflector surfaces onto a reflector surface arranged behind or around the heat radiator in such a way that it is guided as near-axis radiation through a radiation exit opening, i.e. in such a way that the opening angle φ is smaller than with a comparable ellipsoidal reflector, preferably less than 60°. Furthermore, the loss angle φ* is very small, i.e. even smaller than the opening angle φ.
Die Figuren 1 bis 3 zeigen im Längsschnitt schematisch jeweils ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.Figures 1 to 3 each show, in longitudinal section, a schematic embodiment of a device according to the invention.
Figur 4 zeigt den Einsatz der Vorrichtung in einem Lichtlötsystem.Figure 4 shows the use of the device in a light soldering system.
In den Figuren 5 und 6 sind weitere Ausführungsbeispiele schematisch dargestellt.Further embodiments are shown schematically in Figures 5 and 6.
Der gesamte Reflektor R (siehe Figur 4) weist gemäß Figur 1 mehrere Reflektorflächen mit gemeinsamer Rotationssymmetrieachse ROT auf, nämlich:The entire reflector R (see Figure 4) has, according to Figure 1, several reflector surfaces with a common rotational symmetry axis ROT, namely:
1. eine stetig gekrümmte Sammelfläche RS, die gesehen von einem Wärmestrahler L auf der einer Strahlungsaustrittsöffnung LA gegenüberliegenden Seite angeordnet ist,1. a continuously curved collecting surface RS, which is arranged on the side opposite a radiation outlet opening LA as seen from a heat radiator L,
2. eine Reflektorfläche RA1, die sich an RS anschließt, und2. a reflector surface RA1, which is connected to RS, and
3. eine Reflektorfläche RA2, die sich an RA1 anschließt und bis zu einer Strahlungsaustrittsöffnung LA, also fast bis an die Rotationssymmetrieachse ROT reicht.3. a reflector surface RA2, which is connected to RA1 and extends to a radiation exit opening LA, i.e. almost to the rotational symmetry axis ROT.
Ein Strahl &khgr; zeigt die Wirkungsweise. Ausgehend von dem Wärmestrahler (Lichtquelle) L trifft der Strahl auf die Reflektorfläche RA1 und wird auf die Reflektorfläche RA2 (die sogenannte Gegenfläche), von dort zur Reflektorfläche (Sammelfläche) RS und von dort auf die Strahlungsaustrittsöffnung (Lichtaustrittsöffnung) LA geleitet (siehe Figur 1 im unteren Bereich). Der letzte Teil des Strahlenganges (zwischen RS und LA) verläuft achsnah, das heißt so nahe der Rotationssymmetrieachse der Reflektorflächen, daß er innerhalb des maximalen Öffnungswinkels &phgr; liegt, den das (in Figur 1 nicht gezeigte) nachgeschaltete Objektiv (O in Figur 4) zulässt. Dieses gilt für alle Strahlen &khgr; in einem Bereich &agr; des Strahlungselevationswinkels, also zwischen den Strahlen a und b (siehe Figur 1 im oberen Bereich).A beam &khgr; shows the mode of operation. Starting from the heat radiator (light source) L, the beam hits the reflector surface RA1 and is guided to the reflector surface RA2 (the so-called counter surface), from there to the reflector surface (collecting surface) RS and from there to the radiation exit opening (light exit opening) LA (see Figure 1 in the lower section). The last part of the beam path (between RS and LA) runs close to the axis, i.e. so close to the rotational symmetry axis of the reflector surfaces that it lies within the maximum opening angle ϕ that the downstream lens (O in Figure 4) (not shown in Figure 1) allows. This applies to all beams &khgr; in a range &agr; of the radiation elevation angle, i.e. between the beams a and b (see Figure 1 in the upper section).
Die Lichtaustrittsöffnung LA ist als auswechselbare Blende B gestaltet. In der Lichtaustrittsöffnung LA kreuzen sich die austretenden Strahlen, die hier eine Strahlentaille bilden. Da die Reflektoranordnung bis zur Lichtaustrittsöffnung geschlossen ist, gibt es nahezu kein Streulicht außerhalb des den Reflektor verlassenden Lichtkegels. Eine oder mehrere Öffnungen OL in der Sammelfläche RS dienen zur Positionierung des Wärmestrahlers L mit seiner Fassung F.The light exit opening LA is designed as a replaceable aperture B. The emerging rays cross in the light exit opening LA, forming a beam waist here. Since the reflector arrangement is closed up to the light exit opening, there is almost no scattered light outside the light cone leaving the reflector. One or more openings OL in the collecting surface RS are used to position the heat radiator L with its socket F.
• · fr * &phgr; ·• · fr * &phgr; ·
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei ist zwischen der Sammelfläche RS und der Reflektorfläche RA1 eine weitere Reflektorfläche RE angeordnet, deren Form ellipsoid ist, so dass sich in einem der beiden Brennpunkte die Lichtquelle L und im anderen Brennpunkt die Lichtaustrittsöffnung LA befindet.Figure 2 shows a further embodiment of the device according to the invention. In this case, a further reflector surface RE is arranged between the collecting surface RS and the reflector surface RA1, the shape of which is ellipsoidal, so that the light source L is located in one of the two focal points and the light exit opening LA is located in the other focal point.
Strahlen in einem Bereich &bgr; des Strahlungselevationswinkels, also zwischen den Strahlen c und a* (siehe Figur 2 im oberen Bereich), treffen auf die ellipsoide Reflektorfläche RE und werden von dort direkt durch die JKk Lichtaustrittsöffnung LA gespiegelt (siehe Strahl y in Figur 2, im unteren Bereich). Strahlen im Bereich &agr;* des Strahlungselevationswinkels, also zwischen den Strahlen a* und b* (siehe Strahl x* in Figur 2, im unteren Bereich), werden durch Mehrfachreflexion durch die Lichtaustrittsöffnung LA geleitet.Rays in a range β of the radiation elevation angle, i.e. between the rays c and a* (see Figure 2 in the upper area), strike the ellipsoidal reflector surface RE and are reflected from there directly through the JKk light exit opening LA (see ray y in Figure 2, in the lower area). Rays in the range α* of the radiation elevation angle, i.e. between the rays a* and b* (see ray x* in Figure 2, in the lower area), are guided through the light exit opening LA by multiple reflection.
Figur 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Hierbei ist die Sammelfläche RS zwischen der Lichtquelle L und der Strahlungsaustrittsöffnung LA angeordnet. Strahlen in einem Bereich &ggr; des Strahlungselevationswinkels, also zwischen den Strahlen b** und d (siehe Figur 3 im oberen Bereich), treffen auf die Reflektorfläche RA3 und werden von dort auf die Sammelfläche RS und von dort direkt durch die Lichtaustrittsöffnung LA gespiegelt (siehe Strahl &zgr; in Figur 3, im unteren Bereich).Figure 3 shows a further embodiment of the device according to the invention. Here, the collecting surface RS is arranged between the light source L and the radiation exit opening LA. Rays in a range γ of the radiation elevation angle, i.e. between the rays b** and d (see Figure 3 in the upper area), strike the reflector surface RA3 and are reflected from there onto the collecting surface RS and from there directly through the light exit opening LA (see ray ζ in Figure 3, in the lower area).
Strahlen im Bereich &agr;** des Strahlungselevationswinkels, also zwischen den Strahlen a** und b** (siehe Figur 3 im oberen Bereich), werden durch dreifache Reflexion an RA1, RA2 und RS durch die Lichtaustrittsöffnung LA geleitet (Strahl x**).Rays in the range α** of the radiation elevation angle, i.e. between the rays a** and b** (see Figure 3 in the upper area), are guided through the light exit opening LA by triple reflection at RA1, RA2 and RS (ray x**).
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel , bei dem in einem weiten Bereich des Strahlungselevationswinkels eine Reflektorfläche RA3 StrahlenFigure 5 shows an embodiment in which a reflector surface RA3 emits rays over a wide range of the radiation elevation angle.
(beispielsweise z1, z2, z3) auf eine Reflektorfläche RS reflektiert, welche eine weitere Reflexion in Richtung auf eine Lichtaustrittsöffnung LA bewirkt. Bemerkenswert ist, dass die Strahlung hier jeweils nur zwei mal reflektiert wird.(for example z1, z2, z3) is reflected onto a reflector surface RS, which causes a further reflection in the direction of a light exit opening LA. It is noteworthy that the radiation is only reflected twice here.
In Figur 6 wird (ähnlich wie in Figur 2) ein Teil der Strahlung an einer Reflektorfläche RE nur einmal reflektiert (Strahl y* zwischen den Grenzstrahlen c* und a*). Andere Strahlen (Strahl z* zwischen den Grenzstrahlen a* und b*) werden zweimal reflektiert.In Figure 6 (similar to Figure 2) a part of the radiation is reflected only once at a reflector surface RE (ray y* between the boundary rays c* and a*). Other rays (ray z* between the boundary rays a* and b*) are reflected twice.
Vorteilhaft bei den Figuren 5 und 6 ist, dass durch die geringe Anzahl von Reflexionen nur relativ geringe Verluste auftreten.The advantage of Figures 5 and 6 is that only relatively small losses occur due to the small number of reflections.
Das Lichtlötsystem nach Figur 4 gestattet, kostengünstig einzelne hochwertige Lötverbindungen zu erzeugen?*- Es kann sowohl zum Reflowlöten mit Lotpaste als auch zum Löten mit Lotdraht verwendet werden.The light soldering system according to Figure 4 allows individual, high-quality solder joints to be produced cost-effectively?*- It can be used both for reflow soldering with solder paste and for soldering with solder wire.
Mit der oben beschriebenen Reflektoranordnung R wird die von der Lichtquelle L emittierte Strahlung auf die Strahlungsaustrittsöffnung LA fokussiert, die wiederum mit einem Objektiv O auf eine Bearbeitungsstelle BS abgebildet wird, wo sich das örtlich begrenzt zu erwärmende Material befindet.With the reflector arrangement R described above, the radiation emitted by the light source L is focused onto the radiation exit opening LA, which in turn is imaged with an objective O onto a processing point BS, where the material to be locally heated is located.
Das System wird ergänzt durch eine Lotdrahtzuführungseinheit LZ und ein Pyrometer P zur berührungslosen Temperaturmessung an der Bearbeitungsstelle BS.The system is supplemented by a solder wire feed unit LZ and a pyrometer P for non-contact temperature measurement at the processing point BS.
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Legal Events
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---|---|---|---|
R207 | Utility model specification |
Effective date: 20001221 |
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R156 | Lapse of ip right after 3 years |
Effective date: 20021001 |