Способ обработки инфракрасным лазерным излучением с заданной длиной волны и предназначенная для этого система

Способ обработки инфракрасным лазерным излучением с заданной длиной волны и предназначенная для этого система

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Уровень техники

Данное изобретение относится к технологии прямого направления теплового инфракрасного (ИК) излучения с выбранной длиной волны (т.е. тепловой инфракрасной энергии) на намеченные объекты для проведения в отношении них разнообразных видов нагрева, обработки или в лечебных целях. Как описано ниже, эти цели актуальны для самых разных промышленных, медицинских, потребительских или коммерческих областей и включают в себя нагрев предметов, повышение или поддержание их температуры, или стимуляция выбранных объектов. Способы и систему, описанные в данной заявке, особенно целесообразно применять при операциях, при которых необходимо, или по меньшей мере предпочтительно, облучать объекты непрерывным или импульсным излучением с конкретной выбранной длиной волны. Изобретение особо предпочтительно использовать в случае, когда целевой объект перемещается с высокими скоростями, а также в случае отсутствия контакта с целевым объектом. В изобретении предложена система на основе инфракрасного лазера с выбранной узкой полосой частот, которую можно настраивать программным образом для решения самых разных задач. В изобретении описана система инфракрасного облучения нового типа, содержащая по меньшей мере один лазер, в наиболее предпочтительном случае выполненный на основе твердотельных излучающих устройств (RED-устройств) нового класса, излучающих в узком диапазоне волн. Один вариант данной системы описан в настоящей заявке ниже.

Более конкретно, изобретение относится к новому эффективному способу направления инфракрасного излучения по меньшей мере одной конкретной оптимальной длины волны на целевой объект для изменения температуры этого объекта. Отметим, что "целевыми объектами" инфракрасного облучения могут быть самые разнообразные предметы, например отдельные объекты, обрабатываемые в ходе какой-либо технологической операции, локальные зоны материала для непрерывной цикличной обработки, пища в процессе ее приготовления, люди, которым оказывается медицинская помощь, и т.д.

Хотя данное изобретение описано ниже на примере нагрева заготовок для пластиковых бутылок, его принципы в равной степени применимы и в отношении других упомянутых задач. Описанный пример изобретения относится к одноэтапным операциям выдувания пластиковых бутылок, когда предварительно выполняют операцию литьевого формования (как раз перед операцией выдувного формования). В данном виде применения изобретения, предложенные способы и устройство обеспечивают по сути те же преимущества, что и известные технические решения, однако они используют другие средства измерения и управления, позволяющие учитывать различия в начальной температуре на входе в секцию нагрева.

В идеальном случае система инфракрасного нагрева оптимально нагревает целевой объект при наименьшем потреблении энергии. Такая система может содержать устройство, преобразующее подводимую электрическую энергию непосредственно в энергию электромагнитного облучения с единственной выбранной длиной волны или с группой волн узкого диапазона, направленную на целевой объект, в результате чего энергия излучения будет частично или полностью поглощаться целевым объектом, преобразовываясь в тепло. Чем эффективнее входная электроэнергия преобразуется в электромагнитное излучение, тем эффективнее действует система. Чем точнее излученные электромагнитные волны нацелены на выбранные участки целевого объекта, тем эффективнее система выполняет свою функцию. Излучающее устройство, выбранное для использования, должно обладать свойством мгновенного включения и мгновенного выключения, чтобы ни входная, ни выходная энергия не тратились напрасно, когда целевой объект не облучается. Чем эффективнее облучаемый целевой объект поглощает излученную электромагнитную энергию, преобразуя ее в тепло, тем эффективнее функционирует система. Для оптимизации работы системы необходимо, чтобы набор длин волн ее выходного излучения соответствовал поглощающим характеристикам целевого объекта. Эти длины волн, очевидно, должны по-разному выбираться для разных задач изобретения, чтобы как можно точнее соответствовать различным поглощающим характеристикам различных материалов, а также обеспечивать различные желательные результаты.

Из уровня техники хорошо известно использование излучающих нагревательных систем различного типа, предназначенных для проведения самых разных обработок и лечебных процедур. Технологии, которые были разработаны ранее для таких целей, обеспечивают достаточно широкий диапазон частот излучаемой электромагнитной энергии. Несмотря на то, что эти системы могут упоминаться в данной области техники как системы лечения или обработки посредством инфракрасного нагрева, на самом деле они зачастую производят лучевую энергию далеко за пределами инфракрасного спектра.

Инфракрасная часть спектра делится по длинам волн на три основные области: область коротких волн, область средних волн и область длинных волн инфракрасных лучей. Точные границы между этими основными областями ясно не установлены, однако считается, что область коротких волн инфракрасных лучей охватывает диапазон от верхнего предела визуальной способности человеческого глаза (примерно 780 нм) и до 1,5 мкм. Область средних волн инфракрасных лучей охватывает диапазон от 1,5 до 5 мкм. Область длинных волн инфракрасных лучей, как принято считать, лежит между 5 мкм и 14 мкм и даже простирается дальше. Вообще предполагается, что реальное тепловое инфракрасное излучение включает в себя диапазоны средних, длинных и сверхдлинных волн. Инфракрасное излучение области коротких волн, напротив, ведет себя подобно невидимому свету.

Известные источники инфракрасного излучения, используемые в промышленном, коммерческом и медицинском нагревательном оборудовании для лечебных или технологических процессов, генерируют электромагнитные волны в широком диапазоне частот, редко ограниченном только одной областью инфракрасного спектра. Хотя выходная мощность таких широкополосных установок может достигать максимума в конкретном диапазоне инфракрасного спектра, у них обычно присутствуют побочные пики, которые простираются далеко в смежные частотные области.

Например, известные из уровня техники кварцевые лампы инфракрасного нагрева, используемые для операций нагрева в различных процессах, обычно обеспечивают пиковую мощность в диапазоне от 0,8 до 1 мкм. Хотя их мощность достигает своего максимума в диапазоне 0,8 и 1 мкм, эти лампы также излучают значительную энергию в широком непрерывном диапазоне волн, начиная от ультрафиолетового излучения (УФ), продолжая видимым диапазоном и доходя примерно до 3,5 мкм в средневолновой области инфракрасных лучей. Понятно, что несмотря на то, что пиковая мощность кварцевой лампы приходится на область коротких волн инфракрасных лучей, лампа излучает значительную мощность и в видимой, и в средневолновой областях инфракрасных лучей. Вследствие этого существующие широкодиапазонные источники инфракрасного излучения не способны обеспечить избирательное излучение на какой-либо предпочтительной длине волны или длинах волн, которые были бы наиболее подходящими для конкретной задачи нагрева, обработки или лечения. В сущности, эти процессы представляют собой лечение или обработку электромагнитным излучением широкодиапазонного спектра. До появления настоящего изобретения они широко использовались лишь по причине отсутствия других альтернатив, за исключением альтернатив, описанных в совместно рассматриваемых заявках №11/003679 (подана 3 декабря 2004) и №011/351030 (подана 9 февраля 2006), содержание которых включено в данную заявку посредством ссылки. Основное повышение температуры у многих целевых объектов происходит из-за поглощения ими тепловой энергии инфракрасного излучения, характеризующейся узким диапазоном волн, одним или несколькими. Таким образом, большая часть энергии инфракрасного излучения, распределенной в широком диапазоне, тратится впустую.

Тем не менее, кварцевые инфракрасные лампы широко используются в промышленности как для дискретной, так и для непрерывной обработки материалов. Чтобы направить излучение кварцевой лампы на целевой объект, в технологическом процессе обычно используют различные средства, включающие отражатели разных типов. Независимо от того, каким образом энергия фокусируется на целевом объекте, кварцевые лампы обычно запитываются электропитанием непрерывно. Это относится к случаям когда целевой объект является и непрерывно облучаемым, и дискретно. Причина этого прежде всего заключается в том, что тепловые кварцевые лампы достаточно медленные и им свойственно продолжительное время реагирования, составляющее обычно несколько секунд. Кварцевые лампы представляют собой "медленные" устройства как в отношении включения, так и в отношении выключения, и потому фактически не могут эффективно быстро включаться и быстро выключаться или работать синхронно импульсам малой длительности.

В качестве примера области применения предложенного способа направления энергии можно указать область формования раздувом. В частности, в системах формования пластиковых бутылок раздувом с вытяжкой, специальные температурные условия необходимо создавать предварительно, т.е. перед проведением операций формования раздувом с вытяжкой. Один аспект этого процесса известен из уровня техники как операция подогрева. В операции подогрева заготовки, образованные в ходе теплового литьевого формования или в ходе компрессионного формования, охлаждают до температуры окружающей среды или до комнатной температуры и стабилизируют при этой температуре. Некоторое время спустя, которое обычно составляет несколько дней или недель, заготовки подают в систему формования раздувом с вытяжкой, в которой на начальной стадии обработки заготовки нагревают до некоторой температуры, причем определенную часть термопластического материала заготовки нагревают до температуры, оптимизированной для последующих операций формования раздувом. Выполнение этого условия обеспечивают во время транспортировки заготовок через секцию нагрева или печь, предусмотренные на пути транспортировки к секции формования раздувом в установке. В секции формования раздувом заготовки сначала механически растягивают и затем раздувают (обычно воздухом повышенного давления) до формы сосудов или контейнеров большего объема. Примером такого контейнера является одноразовая бутылка для воды или газированного напитка, изготовленная из материала ПЭТ (полиэтилентерефталат).

Затраты энергопотребления существенно влияют на стоимость готовой продукции, создаваемой формованием раздувом, и обычно являются самыми высокими издержками производства. В частности, количество энергии, используемое при известном способе нагрева заготовки из терефталата полиэтилена (ПЭТ) от температуры окружающей среды до 105°С в секции нагрева, входящей в состав установки формования раздувом с вытяжкой, является крайне существенным. Что касается остальных аспектов повышения эффективности производства, то с экономической и экологической точек зрения необходимо уменьшать энергопотребление, связанное с функционированием секции поддержания температурных условий в системах формования раздувом с вытяжкой.

Кроме того, согласно современной практике контейнеры подвергают действию энергии, излучаемой группой кварцевых инфракрасных ламп типа W-VII, образующих туннельную печь. Энергия каждой лампы имеет разброс в широких пределах, вследствие чего степень облучения отдельных сегментов контейнера можно регулировать очень незначительно. Большая часть энергии ламп вообще не поглощается контейнером, а поглощается окружающим воздухом и механическими опорами, что приводит к значительному снижению общей эффективности. Для снижения нежелательного нагрева можно предпринимать некоторые меры, например, туннельную печь обдувают воздухом с целью 1) охлаждения внешней оболочки контейнера (что очень желательно) и 2) направления в контейнеры больше энергии за счет конвекции излишне нагретого воздуха.

К недостаткам способа, известного из уровня техники, относятся ненужный нагрев воздуха и смежных конструкций, плохая регулируемость распределения по контейнеру энергии облучения, необходимость использования больших физических пространств, неспособность выборочно нагревать конкретные участки или области заготовок, низкая способность быстрой адаптации распределения нагрева к новым технологическим требованиям, таким как частая смена типов контейнеров с различными размерами, и вытекающие отсюда проблемы. Например, из-за того лучевая энергия поглощается контейнерной заготовкой не полностью, приходится повышать мощность туннельной печи, задействовать дополнительные ресурсы на снижение избыточной высокой температуры среды в установке, использовать больше пространства в туннельной печи для обеспечения постепенного и однородного нагрева, чаще менять сгоревшие и частично утратившие излучающую способность лампы.

В патенте США №5322651 раскрыт улучшенный способ тепловой обработки термопластичных заготовок. В этом патенте описана обычная практика использования широкополосного инфракрасного (ИК) лучевого нагрева для тепловой обработки пластичных заготовок. Приведем цитату из этого патента: "По сравнению с другими нагревающими или тепловыми способами обработки, такими как конвекция и проводимость, нагрев с использованием инфракрасного облучения обеспечивает более высокую производительность и позволяет улучшить нормы изготовления, тем более принимая во внимание низкую удельную теплопроводность материала". Этот патент описывает широкополосные источники инфракрасного облучения, которые сегодня обычно используют в промышленности для обработки изделий из материала ПЭТ.

Конкретное усовершенствование известных способов, предложенное в данном патенте, относится к управлению избыточной энергией, излучаемой во время ИК-нагрева заготовок. В частности, данный патент касается энергии, излучаемой во время процесса нагрева, которая в конечном счете (за счет поглощения другими элементами, отличными от заготовок, проводимости и последующей конвекции) приводит к увеличению температуры воздуха, окружающего транспортируемые по печи заготовки. Конвекционный нагрев заготовок, обусловленный струей горячего воздуха, как выяснилось, приводит к неоднородному нагреву заготовок и, таким образом, вредно сказывается на технологическом процессе. Бесполезный расход энергии также присущ установке системы HVAC, которая тоже отличается большим энергопотреблением. Патент №5322651 описывает способ, противодействующий влиянию непреднамеренного нагрева воздуха, окружающего заготовки во время операций ИК-нагрева.

Таким образом понятно, что передача тепловой энергии от известных современных широкополосных элементов и систем ИК-нагрева к обрабатываемым заготовкам является недостаточно эффективной. В идеальном случае выбранные участки заготовок должны поглощать в виде тепловой энергии все 100% энергии, предназначенной для тепловой обработки этих заготовок. Хотя это специально не оговорено в перечисленных выше патентах, типичные значения эффективности передачи энергии (отношение: энергия, полученная транспортируемыми заготовками/энергия, потребленная ИК-нагревателями) у известных установок формования раздувом лежат в пределах 5%-10%. Несмотря на то, что это трудно проверить на практике, но фактическая эффективность передачи энергии у этих систем вряд ли достигает даже такого уровня. Поэтому любое усовершенствование способов или средств, связанных с инфракрасным нагревом заготовок, повышающее эффективность передачи энергии, является чрезвычайно предпочтительным и обуславливает существенное снижение энергозатрат при использовании установок формования раздувом с вытяжкой.

Есть много факторов, которые способствуют повышению эффективности передачи энергии элементов и систем ИК-нагрева, используемых в известных установках формования раздувом. Как замечено выше, стандартные термопластичные заготовки, такие как заготовки из материала ПЭТ, нагревают примерно до температуры 105°С. Обычно это осуществляют в известных установках формования раздувом с использованием коммерчески доступных широкополосных кварцевых инфракрасных ламп. В быстродействующих / высокопроизводительных установках эти лампы зачастую образуют большие группы баллонов очень высокой мощности. Общая энергия, потребляемая всеми группами кварцевых ламп, обуславливает огромное токопотребление, которое в самых быстрых установках выливается во многие сотни киловатт потребляемой мощности. Два фактора, связанные с элементами ИК-нагрева этого типа и оказывающие влияние на эффективность передачи общей энергии всей нагревательной системы, - это цветовая температура нити лампы и свойства оптической передачи баллона лампы.

Другим фактором, оказывающим существенное влияние на эффективность передачи общей энергии тепловых подсистем, используемых в известных установках формования раздувом, является управление потоком или средствами фокусировки, предназначенными для направления ИК-излучения, испускаемого нагревательными элементами, в заготовки, транспортируемые через эту систему. В большинстве известных установок формования раздувом используются специальные средства, обеспечивающие направление потока ИК-лучей, испускаемых кварцевыми лампами, непосредственно на заготовки. В частности, используются металлизированные отражатели, позволяющие значительно снизить количество испускаемого ИК-излучения, которое в этих системах расходуется впустую.

Еще одним фактором, влияющим на эффективность передачи энергии в подсистемах ИК-нагрева, является степень синхронизации энергии, подводимой к стационарным элементам ИК-нагрева, с движением заготовок, перемещаемых через нагревательную систему. Более конкретно, если входная энергия непрерывно потребляется стационарным элементом ИК-нагрева в фиксированном количестве, даже в то время, когда в непосредственной близости от нагревателя нет ни одной заготовки по причине непрерывного движения заготовок через систему, то очевидно, что эффективность передачи энергии в этой системе не оптимизирована. На практике, медленное физическое срабатывание коммерчески доступных кварцевых ламп и относительно высокие скорости транспортировки заготовок в известных установках формования раздувом нивелируют любую успешную попытку модуляции входной мощности лампы с целью синхронизации ее облучения с дискретным движением компонента и, таким образом, не позволяют повысить эффективность передачи общей энергии.

В американских патентах №5925710, 6022920 и 6503586 раскрыты подобные способы увеличения доли энергии, испускаемой ИК-лампами, которая поглощается заготовками, транспортируемыми в процессе формования раздувом. Все эти патенты описывают, с разной степенью детализации, общую практику нагрева в известных установках формования раздувом с использованием кварцевых ламп в качестве элементов ИК-нагрева. Согласно процессу теплового формования раздувом заготовки, которые ранее были созданы методом литьевого формования и доведены до комнатной температуры, нагревают до нужной температуры лишь непосредственно перед операцией формования раздувом. Вышеупомянутые патенты описывают, как полимеры вообще и ПЭТ, в частности, могут быть нагреты поглощением ИК-излучения более эффективно, чем это возможно с использованием проводимости или конвекционных средств. В этих патентах измеренный коэффициент поглощения материала ПЭТ графически представлен в виде функции длины волны. Для материала ПЭТ обнаружен ряд диапазонов с большим молекулярным поглощением, прежде всего в ИК-диапазонах для длин волн больше 1,6 мкм. Кварцевые лампы, как известно, излучают в широком спектре, и точный спектр излучения может быть определен по температуре нити накала в соответствии с законом Планка.

Кварцевые лампы, используемые в известных установках формования раздувом, работают при температуре нити накала около 3000 К. При этой температуре пик излучения ламп приходится на длину волны примерно 0,8 мкм. Поскольку эмиссией, согласно данной области техники, принято считать эмиссию абсолютно черного тела, то можно сказать, что нить кварцевой лампы излучает непрерывный спектр энергии от рентгеновского излучения до сверхдлинноволнового инфракрасного излучения. При цветовой температуре 3000 К эмиссия растет по всей видимой области спектра, достигает максимума на длине волны 0,8 мкм и затем постепенно уменьшается, поскольку она начинает попадать в область значительного поглощения материала ПЭТ, которая начинается с длины волны примерно 1,6 мкм.

Но ни в одном из этих патентов не описано влияние кварцевого баллона на спектр излучения лампы. У кварцевого материала, используемого при изготовлении баллонов для коммерческих кварцевых ламп, есть верхний предел передачи, соответствующий длине волны примерно 3,5 мкм. За пределами этой длины волны любая энергия, излучаемая помещенной в баллон нитью, большей частью поглощается кварцевым стеклом баллона, в котором размещена нить накаливания, и поэтому непосредственно не может быть использована для нагрева заготовки.

В силу указанных выше причин в известных установках формования раздувом, в которых для нагрева заготовки из материала ПЭТ до температуры раздува используются кварцевые лампы, диапазон нагрева поглощением расположен между 1 мкм и 3,5 мкм. Все вышеупомянутые патенты (№№5925710, 6022920 и 6503586) описывают различные способы и средства, предназначенные для изменения естественных поглощающих свойств заготовки, а значит для улучшения эффективности преобразования общей энергии в процессе нагрева. Все эти патенты раскрывают добавление в материал ПЭТ заготовки инородных материалов, осуществляемое с единственной целью увеличения коэффициента поглощения смеси материалов. Эти описанные способы и средства направлены на изменение оптических поглощающих свойств материала в диапазоне от ближней области ИК-излучения, примерно 0,8 мкм, до 3,5 мкм. Указанное изменение поглощающих свойств заготовок действительно позволяет повысить эффективность преобразования общей энергии в процессе нагрева и обеспечивает снижение затрат на изготовление контейнера. Однако оно, к сожалению, также связано с ухудшением внешнего вида готового контейнера. Снижение оптической прозрачности контейнера, иногда называемое замутнением контейнера, заставляет считать этот подход неоптимальным решением поставленной технологической задачи.

Патент США №5206039 описывает одностадийную систему формования литьем/раздувом, включающую в себя улучшенное средство кондиционирования заготовок и их транспортировки от зоны литья до зоны раздува. Согласно этому патенту автономная работа установки формования литьем и установки формования раздувом, при которой каждая из них добавляет значительное количество энергии в процесс температурного кондиционирования термопластичного материала, оценена как расточительная. В этом патенте утверждается, что одноэтапный производственный процесс позволяет сократить как потребление общей энергии, так и производственные затраты. Это сокращение потребления энергии обусловлено прежде всего тем, что большая часть тепловой энергии, необходимой для проведения операции формования раздувом, уже содержится в заготовке после этапа литьевого формования. Более конкретно, согласно одноэтапному процессу, описанному в патенте №5206039, заготовку не охлаждают до комнатной температуры после литьевого формования. Напротив, с этапа литьевого формования заготовки перемещают без задержки непосредственно в секцию теплового кондиционирования и затем в секцию формования раздувом.

В секции теплового кондиционирования, описанной в патенте №5206039, созданы условия как для добавления небольшого количество тепловой энергии, так и выдержки заготовок для стабилизации в течение регулируемого периода времени. Это отличается от требований секции теплового кондиционирования для 2-этапного процесса в установке горячего формования раздувом, в которой для разогрева заготовки до температуры раздува необходимо большое количество энергии. Хотя использование одноэтапных установок формования литьем/раздувом известно из уровня техники, проблемы качества готовых контейнеров, выпускаемых этими установками, остаются прежними. Эти проблемы качества связаны с изменением температуры от заготовки к заготовке, по мере того как поток заготовок поступает в зону раздува. Несмотря на достижения, описанные в патенте №5206039, основанные на использовании известных средств и способов ИК-нагрева и измерения температуры, процесс теплового кондиционирования заготовок сразу после их удаления с этапа литьевого формования тем не менее все еще приводит к разнице содержания тепла в заготовках, поступающих в зону раздува. Разница в содержании тепла поступающих заготовок приводит к разнице свойств и качества готовых контейнеров. Невозможность эффективно отрегулировать процесс ИК-нагрева для устранения разницы в качестве между заготовками заставляет изготовителей обратиться к использованию способа формования раздувом с повторным нагревом с целью достижения необходимого уровня качества. Поэтому, что касается самых высокопроизводительных применений, то изготовители по-прежнему придерживаются в этих случаях способов формования с повторным нагревом. Кроме того, процесс повторного нагрева по-прежнему остается популярным и с той точки зрения, что предприятия-изготовители зачастую продают конечному пользователю изделия в виде заготовок, а тот впоследствии сам выдувает из них контейнеры и заполняет эти контейнеры.

Перспектива улучшения эффективности и/или функциональных возможностей секции ИК-нагрева в установках формования раздувом несомненно предпочтительна как в отношении эксплуатационных расходов, так и в отношении качества продукции. Хотя были предприняты некоторые попытки добиться усовершенствования известных подсистем ИК-нагрева, очевидно, что некоторые их недостатки все еще не исправлены. Таким образом, задача настоящего изобретения заключается в преодолении указанных недостатков за счет создания новых принципов и способов ИК-нагрева.

В области твердотельной электроники хорошо известны когерентные твердотельные излучатели или лазерные диоды. Фотонные или потоковые излучатели этого типа коммерчески доступны и работают на различных частотах от ультрафиолетового облучения (УФ) до ближней области инфракрасного спектра. Светодиоды построены на основе соответствующих полупроводниковых материалов n-типа и р-типа. Некоторое количество полупроводникового материала, содержащего после соответствующей обработки легированную область с акцепторной примесью (р-типа), введенное в прямой контакт с некоторым количеством того же материала, содержащего область, легированную донорной примесью (n-типа), называется диодом. Как известно из данной области техники, диоды обладают рядом важных электрических и фотоэлектрических свойств. Например, известно, что в физической области раздела между областью с донорной примесью (n-типа) и областью с акцепторной примесью (р-типа), собственно и образующей полупроводниковый диод, в материале существует характерная запрещенная энергетическая зона. Эта запрещенная энергетическая зона определяет разницу между энергетическим уровнем электронов, расположенных в зоне проводимости в области n-типа, и энергетическим уровнем электронов, расположенных в более низкой области р-типа. Электроны, при протекании под действием электрического поля через pn-переход, перемещаются с энергетического уровня, допустимого для зоны проводимости в области n-типа, на более низкий энергетический уровень, допустимый для зоны проводимости в области р-типа, что приводит к испусканию фотона при каждом таком энергетическом переходе электрона. Таким образом, точное количество выделенной энергии или, альтернативно, длина волны излучаемого фотона соответствует энергии, потерянной электроном, прошедшим рп-переход.

Короче говоря, лазерные диоды действуют как излучатели, преобразующие электрический ток непосредственно в фотоны. В отличие от нити накаливания или других излучателей типа абсолютно черного тела, лазерным диодам не требуется преобразовывать входную энергию в промежуточную форму тепловой энергии, чтобы испускать фотоны. Благодаря этому свойству прямого преобразования электрического тока в фотоны, лазерные диоды обладают чрезвычайно высоким быстродействием. Лазерные диоды используются в ряде применений, требующих генерации импульсов с чрезвычайно низкой скважностью в ультрафиолетовом и видимом диапазоне световых волн и/или в ближней области инфракрасного спектра.

В отличие от источников света на основе нити накаливания лазерные диоды излучают энергию в относительно ограниченном диапазоне волн, соответствующем конкретной запрещенной энергетической зоне используемого полупроводникового материала.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение направлено на создание устройств инфракрасного облучения, которые обладают высокой избирательностью по длине волны и позволяют использовать инфракрасное излучение для задач и технологий нового класса, не известных из уровня техники.

Первый аспект настоящего изобретения заключается в создании способа формования или другого способа или системы обработки, в которых используется система ИК-нагрева, обладающая повышенной эффективностью преобразования энергии ИК-облучения.

Другой аспект изобретения заключается в создании тепловой системы ИК-нагрева, у которой можно регулировать характеристику глубины проникновения ИК-излучения для конкретного обрабатываемого или выбранного материала.

Другой аспект настоящего изобретения заключается в создании тепловой системы ИК-облучения, содержащей комбинацию RED-диодов (например, RED-диодов на основе лазера), производящих ИК-излучение в таких выбранных узких диапазонах волн, какие являются оптимальными для задач соответствующих классов.

Другой аспект настоящего изобретения заключается в создании системы ИК-нагрева, способной действовать в импульсном режиме; причем упомянутый импульсный режим подходит для ИК-нагрева дискретно изготовляемых частей по мере их транспортировки во время производственного процесса или для синхронного отслеживания облучаемых целевых объектов.

Другой аспект настоящего изобретения заключается в создании системы ИК-нагрева, которую можно точно направлять или нацеливать туда, где излучаемая тепловая энергия применяется с максимальной эффективностью.

Другой аспект настоящего изобретения заключается в создании системы ИК-нагрева, обладающей возможностью взаимодействия с системой измерения температуры заготовок для обеспечения особых характеристик ИК-нагрева конкретной заготовки.

Другой аспект настоящего изобретения заключается в создании элементов инфракрасного лазерного нагрева, выполненных в виде матрицы инфракрасных твердотельных лазеров, осуществляющих прямое преобразование электрического тока в излучение фотонов, или матрицы лазерных излучающих диодов (RED-диодов).

Еще одно преимущество настоящего изобретения заключается в создании системы инфракрасного облучения, выходное излучение которой по существу соответствует выбранному очень конкретному одиночному диапазону волн или группе узких диапазонов волн.

Другое преимущество настоящего изобретения заключается в обеспечении функциональных средств для формирования мощного теплового инфракрасного облучения, программируемым образом регулируемого в отношении по меньшей мере одного из следующих параметров: положение, интенсивность, длина волны, продолжительность облучения, скорость включения/выключения, направленность, частота пульсации и отслеживание продукции.

Другое преимущество настоящего изобретения состоит в более высокой эффективности прохождения тепловой энергии в материал целевого объекта по сравнению с известными широкополосными источниками излучения.

Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что при обеспечении нагрева заготовок бутылок их можно эффективно нагревать без необходимости добавления примесей к компонентам материала целевого объекта, которые визуально ухудшают качество и увеличивают себестоимость производства.

Другой аспект настоящего изобретения заключается в создании универсальной излучающей системы нагрева, предназначенной для задач разного класса и позволяющей расширить возможности инфракрасного облучения, отличающегося частотной избирательностью, в сочетании с программируемостью и возможностью действовать в импульсном режиме.

Другое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что оно облегчает отвод нелучистой тепловой энергии в то место, где эту тепловую энергию можно использовать, или позволяет выводить ее из среды использования для уменьшения нагрева окружающей среды или нецелевого нагрева.

Другое преимущество настоящего изобретения состоит в обеспечении функциональных возможностей для создания инфракрасного излучения выбранной длины волны, программным образом регулируемого в отношении по меньшей мере одного из следующих параметров: положение лазерного излучения, интенсивность, длина волны, тип сканирования, перекрытие сканирования, скорость включения/выключения, направленность, частота пульсации и отслеживание целевого объекта.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 изображает поперечное сечение полупроводникового устройства, выполненного согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.2 изображает поперечное сечение буферного слоя полупроводникового устройства, выполненного согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.3 изображает поперечное сечение слоя квантовых точек полупроводникового устройства, выполненного согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.4 изображает поперечное сечение излучающего диода, включающего слой квантовых точек и выполненного согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.5 изображает поперечное сечение излучающего диода, включающего слой квантовых точек и выполненного согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.6 изображает поперечное сечение излучающего диода, включающего слой квантовых точек и выполненного согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.7 изображает поперечное сечение лазерного диода, включающего слой квантовых точек и выполненного согласно одному из вариантов настоящего изобретения.

Фиг.8 изображает одиночное полупроводниковое RED-устройство.

Фиг.9 и 10 иллюстрируют в процентах зависимость величины инфракрасной энергии, переданной через участок материала ПЭТ толщиной 10 мм, как функцию от длины волны.

Фиг.11а, 11b и 11с изображают типичную сборку отдельных RED-излучателей, скомпонованных вместе в нагревательном RED-элементе.

Фиг.12а и 12b иллюстрируют предпочтительное расположение нагревательных RED-элементов в установке формования раздувом.

Фиг.13а и 13b изображают дополнительный вариант настоящего изобретения, иллюстрирующий применение лазерных излучателей на основе RED-диодов.

Фиг.14 изображает блок-схему предпочтительного способа тепловой обработки заготовок как описано в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.15-17 изображают блок-схемы заявленных способов тепловой обработки термопластичных заготовок.

Фиг.18 изображает нагревательные элементы RED, предпочтительно примененные к динамически транспортируемой части.

Описание предпочтительных вариантов изобретения

Настоящее изобретение относится к новой технологии, которая обеспечивает непосредственное испускание значительного количества инфракрасного лазерного излучения с выбранной длиной волны и предложена для замены излучающих нагревающих источников широкополосного типа. Для осуществления на