人工气候老化试样装置中用作辐射源的UV发光二极管.pdf

气候老化检测器常用的氙辐射源被UV发光二极管(LEDs)6所取代。可用于提供与太阳光谱中UV成分的良好相近性，特别当使用具有不同辐射特性的不同类型UV发光二极管时。当然还可使用在可见光谱范围内的其它发光二极管，以覆盖太阳光谱的其它部分。发光二极管6可被装配在柔性印刷电路板5上，所述柔性印刷电路板依次被装配在管状支持件4上。载有发光二极管的柔性印刷电路板可以被放置在以几何形状稳定的方式具有柔韧性的其它基体7上，因而它们可以排列在与特定表面拓扑结构材料样品距离均一的位置上，以使样品得到均一的暴露。

权利要求书
1.  用于人工气候老化试样的装置，具有包含支架框(2)的气候老化室(1)，所述支架框(2)用于支持待老化的试样(3)；以及UV辐射装置，用于对试样施加UV辐射，其特征在于：
UV辐射装置包含UV发光二极管(LEDs)(6)装置。

2.  根据权利要求1所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
配有多个具有不同辐射光谱特性的不同种类发光二极管(6)，以模拟自然太阳辐射中的紫外线光谱成分。

3.  根据权利要求1或2所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
还配有至少一种其它类型的发光二极管，其辐射光谱位于可见光谱范围内，以模拟自然太阳辐射中的可见光谱成分。

4.  根据权利要求3所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
不同种类的LEDs(6)基本上覆盖整个自然太阳辐射的光谱。

5.  根据权利要求1至4任意一项所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
LED装置被设置为LEDs(6)的规则排列。

6.  根据权利要求1至5任意一项所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
LED装置被设计和排列为：使得LEDs(6)以相同距离面对试样(3)的试样表面或者多个试样的试样表面。

7.  根据权利要求6所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
LED装置被设计为：可针对单个样品表面的外形或者多个样品表面的外形进行调整。

8.  根据权利要求1至7任意一项所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
LEDs(6)被装配在柔性印刷电路板(5)上，尤其是柔性板。

9.  根据权利要求8所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
柔性印刷电路板(5)被固定在支持体(4，7)上，特别是，所述支持体被设计为散热器。

10.  根据权利要求1至9任意一项所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
支持装置(2)由密闭地形成为环状的支架框(2)形成，它同心地围绕辐射源延伸，特别是，可以围绕辐射源进行旋转移动。

11.  根据权利要求10所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
LED装置被设置为在支架框(2)内封闭为环形的排列。

12.  根据权利要求11所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
固定有LEDs(6)的LED装置或者柔性印刷电路板(5)，被固定在管状支持件(4)上，所述管状支持件被特别地设计为散热器。

13.  根据权利要求1至12任意一项所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
作为时间的函数，LEDs(6)可以单独地被操作。

14.  根据权利要求1至13任意一项所述的用于人工气候老化试样的装置，其特征在于：
LEDs(6)由GaN为主要部分制成。

说明书人工气候老化试样装置中用作辐射源的UV发光二极管
技术领域
本发明涉及一种用于人工气候老化试样的装置。在这种装置中，通过对试样进行人工气候老化中来评价试样，尤其是平板材料的试样，的依赖气候的老化。为了这个目的，这样的装置通常具有气候老化室，该气候老化室含有支持被老化试样的支持件；以及对试样施加辐射，尤其是UV辐射的辐射源。
背景技术
用于人工气候老化试样的这种装置被用来评估材料的寿命，该材料由于在使用时经常暴露于自然气候老化环境中，因而遭受到气候的影响，如阳光、太阳热量、湿度等。为了获得良好的对自然气候老化条件的模拟，装置中产生的光的光谱能量分布应尽可能接近自然太阳辐射中的光谱能量分布，为此在这种装置中氙辐射器被用作辐射源。主要通过对材料进行与自然条件相比强得多的辐射，来进行材料加速老化试验，这加速了试样的老化。通过这种方式，可以在相对短的时间做出材料试样长期老化的预测。
在人工气候老化装置中研究的大量试样包括聚合材料。它们由于气候引起的性能劣化实质上是由太阳辐射中的UV成分导致。其中发生的主要是光化学过程，即光子的吸收和激发态或自由基的产生，是不受温度影响的。然而，随后与聚合物或添加剂发生的反应步骤可能是依赖温度的，因此观察到的材料老化也是依赖于温度的。
现有技术的气候老化检测器中通常使用氙灯作为辐射源。尽管这种灯以其可以很好的模拟太阳光谱而被人所知，不过它发出的辐射红外光谱范围内有相对高的光谱成分在，为了防止试样过热，需要通过滤光片将其抑制。另外，市售的氙辐射源只有大约1500小时的寿命。
卤素灯也可以被用作辐射源，尽管它存在不可调节、或只能在小范围内调节的缺点。同样可应用荧光灯，该灯同样已经被用作气候老化检测器中的辐射源，但也有寿命相对短的缺点。
所有上述辐射源另外还有一个缺点，就是它们的光谱不可变。但对于研究材料试样的老化来说，在限定波长范围内辐射的功能是非常有用的。为此，公知的是在将辐射发射到试样之前，通过使用棱镜或光栅，将氙灯的辐射分解为其光谱成分：试样的不同部分就暴露于不同波长的辐射中，并且试样不同位置处的特性变化可以明确地由入射辐射的波长决定。然而，由于在试样自身上的光谱曝光量级相对低，就需要相对长的曝光时间。
上述在气候老化检测器中常用的辐射源的另一个缺点是，由于它们设计和操作的方法，使得它们相对不灵活，例如，不能针对待曝光材料试样的试样表面调节优化条件。
发明内容
因此本发明的目的是提供用于试样人工气候老化的装置，在这种装置中可以更加灵活的调整辐射源的光谱和空间特性以及其发出的辐射，具体的说，可以更好地适应待曝光试样变化的情况。
此目的通过权利要求1表现的特征得到实现。独立权利要求涉及首选实施例及其改进。
本发明涉及用于试样人工气候老化的装置，具有包含有支架框的气候老化室，所述支架框用于支持待老化的试样；以及用于对试样进行UV辐射的UV辐射装置。本发明本质的特征在于UV辐射装置包含UV发光二极管(LEDs)装置。本发明使得将近年出现的UV发光二极管的有效性用于气候老化检测器成为可能，具体的说是基于GaN的UV发光二极管。GaN LEDs现在可以令人满意地覆盖太阳光谱中的整个UV区域。获得地辐射密度已经足够高，即可以通过多个UV LEDs的排列得到常用的氙灯的辐射功率。
想要得到的UV光谱仅仅依赖于LEDs使用的半导体材料的能带间隙。其它的不需要的光谱成分，例如红外光谱成分，根本就不产生。
另一个优越性是产生的UV辐射的光强度可以非常容易地、通过输送给LEDs的电流的方式进行调节。也可以通过调节电流来在限定范围内变化辐射光谱。
由于LEDs紧凑的特性，可以以LED列阵的方式进行排列。通过将它们装配在柔性印刷电路板上，还可能使几何形状不平的试样被基本均一地曝光，或者使气候老化室内的多个试样可以被均一地曝光。实质上，由于可以相对简单地设计LED列阵，可以得到任何辐射表面。
此外，LEDs还具有1500小时或更长的寿命。
这种UV辐射装置的光谱调整可以通过配置多个具有不同辐射光谱特性的不同种类发光二极管得到，以模拟自然太阳辐射中的UV光谱成分。这使得保证太阳光谱中的UV-A成分和UV-B成分能够以稳定逼真的方式被顾及到成为可能。由于不同类型的发光二极管也可以单独被操作，还使研究在各个波长范围内对材料试样进行曝光的效果成为可能。
此外，这可另外提供至少一种其它类型的发光二极管，其辐射光谱位于可见光谱范围内，以模拟自然太阳辐射中的可见光谱成分。实际上如果需要，通过设置具有不同辐射特性的不同类型LEDs，可以覆盖整个自然太阳辐射光谱。
LED装置最好设置为LEDs规则的排列，尤其是行和列的矩阵形式。
有可能需要曝光具有非平面型表面拓扑结构的材料试样。在这种情况下，LED装置可以被设计和排列为：LEDs以相同的距离面对材料试样的试样表面，以便获得材料试样的均一曝光。如果多个材料试样被曝光，那么同样地也可将LEDs设置在距离多个材料试样的试样表面同等距离的位置。LED装置可以相应地调整以适应单个试样表面或多个试样表面的外形或拓扑结构。
特别地，可通过将LEDs装配在柔性印刷电路板上来调整LED装置，尤其是所谓“柔性板”。通过使用已知的表面装配技术(SMT)将多个LEDs装配在印刷电路板(PCB)来完成该装配。例如，可以使用F.Mllmer和G.Waitl在名为“SiemensSMT TOPLED For surface mount technology”文章中所述的LED设计(发表在《Siemens components》29(1991)，第4卷第147页，结合图1)。这种LED形式非常紧凑，使得在行或者矩阵排列中将多个这样的LEDs进行排列成为可能。
如果LEDs被装配在柔性印刷电路板上，就可以通过将其安装在支持体上来对其进行支持，因而它能够适应支持体的表面形状和拓扑结构。此支持体可由厚金属板组成，因此可同时作用为散热器。金属板或另外的支持件在几何形状稳定的方式下具有柔韧性，因此使得针对变化了的试样形状进行调整成为可能。支持体需要被固定在气候老化室的内壁上。
作为替代方案，根据其厚度和材料，可以如下方式设计柔性印刷电路板本身，即柔性印刷电路板是柔韧的，并可分别以几何形状稳定的方式保持新的形态。
在常用的气候老化检测器中，支持装置由密闭地形成为环状的支架框形成，它同心地围绕辐射源延伸，特别是，可以围绕辐射源进行旋转移动。如果本发明被应用到常用的气候老化检测器中，那么LED装置可以被设置在环状支架框内，同样地作为封闭为环形的装置。特别地，管状支持件可被设置在支架框内，并与之同心，LEDs以所要求的分布被固定在管状支持件的外周面上，并以合适的方式进行电连接。LEDs优选被装配在柔性印刷电路板上，所述柔性印刷电路板依次设置于管状支持件的外周面上，并与之固定。管状支持件可由金属制成，因此它构成了从LEDs分散热量的散热器。
下面结合附图的具体实施例，将详细说明本发明。
附图说明
图1是表示根据本发明人工气候老化试样装置的具体实施例的纵截面；
图2是表示图1中管状支持件和与之固定的、载有发光二极管的柔性印刷电路板的横截面；
图3是表示与柔韧的支持件固定并载有发光二极管的柔性印刷电路板；
图4是表示使用了三种不同UV LEDs的具体实施例，和它们的辐射光谱特性曲线(实线)以及累积辐射光谱曲线(虚线)。
具体实施方式
图1是表示根据本发明的人工气候老化试样装置的纵截面。
封闭为环形的支架框2被装配为可在气候老化室1内旋转，并且试样3或工件可被支持在其内壁上。支架框2具有特别是圆形的横截面。通过将管状支持件4固定在气候老化室1的顶壁，管状支持件4定位在支架框2内，并与之同心。柔性印刷电路板5被围绕在管状支持件4的外周，并以合适的方式与其固定。通过使用表面装配技术，UV发光二极管6以规则的排列被装配在柔性印刷电路板5上。所述UV发光二极管6可包括具有不同辐射光谱特性的不同类型发光二极管。另外它们可以单独地进行电操作，并且每个单独的发光二极管可以作为时间的函数而以不同的方式工作。还有，一个光谱类型的发光二极管可以被一起进行电操作，并且另一个光谱类型的发光二极管可以类似地被一起进行电操作。发光二极管的整个区域可以被分为多个子区域，每个子区域含有每个光谱类型的至少一个发光二极管供使用。
支架框2优选被装配为可以绕与管状支持件4的轴同心的旋转轴旋转，从而试样3围绕各个发光二极管6、并与之相距同样的距离而在圆形路径上移动。
众所周知，气候老化室1还可以具有其它人工气候老化设备，例如湿度发生器等，尽管这些设备在本发明中不起实质作用、并没有进行详细讨论。例如，空气流可以吹入气候老化室1中，并在垂直方向上扫过试样3。
图2是表示图1中管状支持件4的横截面。柔性印刷电路板5紧贴着围绕管状体4的外周面形成。通过使用已知的SMT装配技术，将UV发光二极管6装配在柔性印刷电路板5上。因其是公知的现有技术，所以对其不进行详细描述。管状支持件4可由金属或其它具有良好导热性的材料制成，从而发光二极管6产生的热量可以被有效地发散。作为另外的选择，为了散热，也可以使气候老化室1中生成的空气流穿过管状支持件4的内部。
如图所示，LEDs6被排列为矩阵。作为替代方案，行也可以交替地排列，在彼此处于上下位置关系的LED之间形成偏移，并且在上述行中排列两个LED之间分别形成间隙。
各个发光二极管的动态电可操作性可用于例如UV辐射装置的节能操作。尤其是，例如，如果只有相对少量的材料样品进行人工气候老化，那么它们可以在限定的特定角度扇区内被依次固定在支架框2上。当支架框2旋转时，只有那些位于相应角度扇区内的发光二极管总被供给电流，因而材料试样曝光于以一定角速度旋转移动的UV辐射光锥中，该角速度与支架框2的角速度相同。仅仅需要提供适当的电操作和发光二极管6的程序设计。
如上所述，发光二极管6的整个二极管区域可以被分为子区域，所述子区域分别具有特定光谱类型的至少一个发光二极管。特别是，不同的发光二极管可以被排列在这些子区域中的每一个区中，从而可以放射出大致接近太阳光谱的辐射。
但是如果只需大致模拟太阳光谱中的UV组分，例如，就可以使用在UV光谱中具有三种不同辐射曲线的三种不同发光二极管。这在图4中得到描述，其中，通过所举例子来说，标绘出了三个波长为300nm到400nm之间的光谱不同的发光二极管，这三个叠加发光二极管在一起得到整体辐射曲线。由于可以彼此独立地操作这三个发光二极管，因而可以灵活地对放射出的UV光谱进行调整。
结合图1描述了根据本发明构造常规气候老化检测器的方式。然而，本发明的重点不限于此，它可以对一个或更多待曝光的材料试样进行UV辐射装置的空间调整。图4中示出了具有特定表面拓扑结构的材料样品3的例子。本发明能以下述方式对材料试样3进行曝光：发光二极管6和试样表面之间的距离在空间上保持不变。为了实现此方式，发光二极管6以如前文所述方式被固定在柔性印刷电路板5上。由于通常柔性印刷电路板5自身几何形状不稳定，所以应用基体7，该基体7形状可变化，并可在变化之后保持该形状，即几何形状稳定。例如，基体7可以是轻质、柔韧的金属板，它也被用作散热器，以从发光二极管6上散去热量。然后只需要以合适的方式将基体7固定在气候老化室的内壁上。还可以使用几何形状可稳定变化的柔性印刷电路板，由于该柔性印刷电路板能够以几何形状稳定变化的方式被构造，所以不需要使用另外的基体7。
如果将图4中的材料试样3旋转移动，则LED装置可以类似地以相同角速度共同旋转移动，使得材料试样3和LED装置总是彼此保持恒定的空间关系。