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Die
Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Materialwissenschaften
und betrifft einen plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper
eines Infrarot-Flächenstrahlers, wie er beispielsweise
in Trockensystemen zur Trocknung von Papier- oder Kartonbahnen oder
auch für die Beheizung von Gebäuden oder Hallen
eingesetzt werden kann.
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Bekannt
sind Infrarot-Flächenstrahler, die im Wesentlichen aus
einem Brennersystem mit mindestens einer Brennerplatte bestehen,
welches ein Fluid-Luft-Gemisch mit einer Vielzahl an Flammen verbrennt
und damit einen davor angeordneten Wärmestrahlkörper
aufheizt, der die Energie als Infrarot-Strahlung an die gegenüberliegende
Seite abgibt. Diese Infrarot-Strahlung dient dann zur Trocknung oder
Heizung.
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Nach
der
WO 0042356 ist ein
als Flächenstrahler ausgebildeter Infrarot-Strahler mit
einem Wärmestrahlkörper bekannt, der an seiner
Rückseite von einem brennenden Fluid-Luft-Gemisch aus einer Brennerplatte
beheizt wird und dessen Vorderseite die Infrarot-Strahlung abgibt,
wobei der Wärmestrahlkörper eine Vielzahl von
durchgehenden, als Hohlraumstrahler wirkende Kanäle enthält,
bei denen das Verhältnis Wandfläche/Querschnittsfläche
im flammenfreien Bereich größer als 10, bevorzugt
größer/gleich 20, ist. Dabei ist der Wärmestrahlkörper vorteilhafterweise
aus Keramik ausgebildet.
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Ebenfalls
ist schon sehr lange bekannt, dass mit einer Vielzahl von Löchern
versehene Keramikplatten als Brennerplatten von einem Gas-Luftgemisch
durchströmt werden und das Gasgemisch an der Oberfläche
verbrennt (
DE 46 46 92
C ,
US 2,103,365
A ). Durch die Aufheizung der Keramikplatte wird von dieser
Infrarotstrahlung emittiert, was besonders erwünscht ist,
da Infrarotstrahlung am effektivsten zum Aufheizen der gegenüberliegenden
Umgebung führt. Spezielle Ausgestaltungen der Löcher und
der Oberfläche der Brennerplatte, wie in
US 4,340,357 A beschrieben,
soll eine hohe Verankerung der Flammen an der Oberfläche
und eine intensive Wärmeabgabe an die Platte erzeugen,
wodurch diese eine höhere Ausbeute an Infrarotstrahlung
abgeben kann.
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Zur
Steigerung des Wirkungsgrades solcher Wärmestrahler werden
verschiedene Mechanismen genutzt. Z. B. wird durch Einsatz von Brennerplatten mit
hohem Emissionskoeffizienten die Ausbeute an Infrarotstrahlung erhöht.
Oder die absolute Temperatur der Platten wird durch eine Erhöhung
der Energiedichte erhöht, wodurch die Infrarotstrahlung
gesteigert werden kann.
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Bei
anderen bekannten Ausführungen, z. B.
DE 46 65 86 C oder
GB1082823 A , wird
eine Platte vor der Verbrennungszone angebracht und von dieser rückseitig
beheizt, wobei auch die Abgase durch die Platte geführt
werden. insgesamt ergibt sich dadurch eine sehr starke Erwärmung
dieses Wärmestrahlkörpers, wodurch dieser wiederum
eine hohe Wärmestrahlung an die Umgebung abgeben kann.
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Für
eine solche Wärmestrahlkörperplatte können
verschieden strukturierte Materialien benutzt werden, z. B. Drahtgeflechte,
Faserfilze oder offenzellige Schaumkeramik, wie z. B. in
US 3,912443 A oder
EP 04 15 008 A1 beschrieben.
Auch kann die Verbrennung teilweise noch in dem Wärmestrahlkörper
stattfinden, wie prinzipiell in
EP 06 57 011A1 beschrieben.
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Oder
es wird, wie in
DE
199 01 145 A1 beschrieben, eine hohe Emission von Infrarotstrahlung dadurch
erreicht, dass Wärmestrahlkörper benutzt werden,
die als kanalförmige Hohlraumstrahler ausgebildet sind,
d. h. es werden Platten benutzt, die eine Vielzahl von Kanälen
mit einem bestimmten Verhältnis von Länge zu Durchmesser
aufweisen. Die Kanäle sind parallel zur Abstrahlungsrichtung
ausgerichtet, d. h. senkrecht zur Plattenoberfläche und
wirken so als nahezu schwarzer Strahler, d. h. mit einem sehr hohen
Emissionskoeffizienten.
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Durch
die bevorzugt auftretenden hohen Temperaturen sind speziell Keramiken
für diese Anwendungen geeignet, da andere, z. B. metallische Werkstoffe
keine ausreichende Hochtemperaturstabilität und Lebensdauer
besitzen.
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Durch
den speziellen Charakter keramischer Werkstoffe, d. h. hohe Steifigkeit/geringe
Verformbarkeit in Verbindung mit geringer mechanischer Stabilität
unter Zugspannungen ergeben sich aber eine Reihe von Problemen beim
Einsatz solcher Wärmestrahlkörper-Platten, vor
allem beim Aufheizen und Abkühlen der Platten. Durch das
Auftreten hoher thermischer Gradienten beim Aufheizen/Abkühlen entstehen
infolge der unterschiedlichen Wärmedehnung in den Platten
mechanische Spannungen, die die Eigenfestigkeit der Platten übersteigen
und dann zum Bruch und Versagen der Platten führen. Insofern sind
Keramiken mit hoher Festigkeit, geringer Wärmedehnung und
guter Wärmeleitfähigkeit bevorzugt, weil dort
die Auswirkungen dieser Effekte geringer sind als bei Keramiken,
die entsprechend schlechtere Eigenschaften aufweisen. Als eine Keramik
mit den bevorzugten Eigenschaften ist, wie auch in
DE 199 01 145 A1 beschrieben,
Siliciumcarbidkeramik geeignet.
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In
DE 199 01 145 A1 sind
verschiedene Ausgestaltungen von Wärmestrahlkörper-Platten
beschrieben, die sich insbesondere in der Form und den Abmaßen
der Kanäle innerhalb der Wärmestrahlkörperplatten
unterscheiden. Allerdings hat der Einsatz der dort beschriebenen
Platten Probleme gezeigt, dahingehend, dass die Platten bei hohen
Belastungen beim Aufheizen und Abkühlen infolge hoher thermischer
Gradienten reißen und versagen. Die beschriebene Verstärkung
der Siliciumcarbidkeramik mit Kohlefasern schafft dabei nur kurzzeitig Entlastung,
da die Verstärkungswirkung infolge Oxidation der Kohlefasern
bei den hohen Anwendungstemperaturen sehr schnell nachlässt
und bei einem erneuten Aufheiz-/Abkühlzyklus ebenfalls
Risse auftreten.
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Außerdem
ist bekannt, dass Nichtoxidkeramiken, wie Siliciumnitrid- oder Siliciumcarbidkeramiken,
eine hohe Oxidationsstabilität bei hohen Temperaturen dadurch
aufweisen, dass sie eine oberflächliche Passivierungsschicht
aus SiO2 bilden. Allerdings besitzen dichte
monolithische Keramiken die höchste Steifigkeit (E-Modul),
wodurch infolge lokal unterschiedlicher Wärmedehnungen
hohe thermische Spannungen auftreten. Zur Verminderung der Spannungen
ist es daher vorteilhaft, die Steifigkeit zu verringern, was bekanntermaßen
durch feine Poren im Gefüge möglich ist. Unter
feiner Porosität werden hier Porengrößen
verstanden, die deutlich kleiner als die Kanaldurchmesser der Wärmestrahlkörper
sind. Die Kanaldurchmesser bekannter Wärmestrahlkörper-Platten
liegen im mm-Bereich, während die feine Porosität
von keramischen Werkstoffen typischerweise unter 0,1 mm mittlerer
Porengröße liegt.
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Kohlefaserverstärkte
SiC-Werkstoffe würden nach dem Verbrennen der Kohlefasern über
zwar verringerte Festigkeit, aber auch eine verringerte Steifigkeit
verfügen, da die verbrannten Fasern Porenkanäle
hinterlassen. Oder es könnten spezielle poröse
Nichtoxidkeramiken eingesetzt werden, die ausreichend feine Porosität
enthalten, wie rekristallisiertes Siliciumcarbid.
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Es
hat sich jedoch gezeigt, dass poröse Nichtoxidkeramiken
auch in den Poren oxidieren und die langfristig auftretende Bildung
der kristallinen Modifikation des SiO2,
Cristobalit, dann durch ungünstige Wärmedehnungseffekte
zu einer Zerrüttung des Gefüges und einer völligen
Zerstörung der Platten bei längerem Gebrauch führt.
Dagegen sind verschiedene Gegenmaßnahmen untersucht worden,
wie Dotierungen, die die Kristallisation des SiO2 verzögern
sollen, oder spezielle Schutzschichten, die das Eindringen von Sauerstoff
in die Poren verhindern sollen. Diese Maßnahmen wirken
jedoch ebenfalls nicht dauerhaft oder sind aufwändig herzustellen
und anfällig gegen Beschädigungen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen plattenförmigen
keramischen Wärmestrahlkörper eines Infrarot-Flächenstrahlers
anzugeben, der eine hohe Emissivität aufweist und gleichzeitig
einen hohen Widerstand gegen Rissbildung besitzt.
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Die
Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung
gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Bei
dem erfindungsgemäßen plattenförmigen
keramischen Wärmestrahlkörper eines Infrarot-Flächenstrahlers
weisen mindestens die Randseiten der Platte, die beim Aufheizen
einer erhöhten Zugspannung unterliegen, eine makroskopische Strukturierung
mit Strukturierungen ≥ 0,5 mm auf, durch die der äußere
Randumfang der Platte gegenüber dem Randumfang der bekannten
plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper
um mindestens 25% vergrößert ist.
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Vorteilhafterweise
weisen alle vier Randseiten des Wärmestrahlkörpers
eine makroskopische Strukturierung auf.
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Ebenfalls
vorteilhafterweise weisen die Randseiten über ihre gesamte
Fläche makroskopische Strukturierungen auf.
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Weiterhin
vorteilhafterweise entsprechen die makroskopischen Strukturierungen
teilweise der Form und Größe der Kanäle
im Längsschnitt im Wärmestrahlkörper.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn der äußere Randumfang der Platte
um 25 bis 300%, noch vorteilhafterweise um 90 bis 200% vergrößert
ist.
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Und
auch vorteilhaft ist es, wenn die Platte aus Siliciumcarbid- und/oder
Siliciumnitridkeramik besteht.
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Weiterhin
von Vorteil ist es, wenn das keramische Material des Wärmestrahlkörpers
eine Gesamtporosität von 3–15% und eine offene
Porosität von < 10%
aufweist.
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Und
auch vorteilhaft ist es, wenn der plattenförmige Körper
segmentiert ist, noch vorteilhafterweise wenn der plattenförmige
Körper in hälftige Segmente, in Viertel- oder
Drittelsegmente unterteilt ist.
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Im
Rahmen der Erfindung soll unter einem Infrarot-Flächenstrahler
das Gesamtsystem, bestehend aus Gaszuführung/Luftmischung,
Brennerplatte, Wärmestrahlkörper, Rahmen/Befestigungen/Halterungen
verstanden werden.
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Weiterhin
soll im Rahmen der Erfindung unter einer Brennerplatte eine Lochplatte
mit feinen Kanälen oder eine Düsenplatte oder
eine Platte aus porösem Material verstanden werden, an
deren Rückseite das Gas/Luftgemisch zugeführt
wird, und an deren Vorderseite das Gas flächig verbrennt.
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Unter
dem Wärmestrahlkörper soll im Rahmen der Erfindung
eine keramische Platte mit Kanälen oder aus einem hochporösem
Material verstanden werden, die auf der Rückseite von der
Brennerplatte beheizt wird und an der Vorderseite Wärmestrahlung
(Infrarotstrahlung) an die gegenüberliegende Umgebung abgibt.
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Bei
den erfindungsgemäßen plattenförmigen keramischen
Wärmestrahlkörpern wird der hohe Widerstand gegen
Rissbildung erreicht, indem die Randseiten der Platte, mindestens
an den Seiten, die beim Aufheizen einer erhöhten Zugspannung
unterliegen, mit einer makroskopischen Strukturierung versehen sind,
die den äußeren Randumfang im Vergleich zu einer
Platte nach dem Stand der Technik mit glattem Rand um mindestens
25% vergrößern. Dabei soll unter den Randseiten
der Platte die vier jeweils flächenmäßig
kleinsten Seiten der Platte verstanden werden.
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Unter
makroskopischer Strukturierung soll im Rahmen der Erfindung eine
geometrische Gestaltung der Randflächen verstanden werden,
die mindestens Strukturgrößen von ≥ 0,5
mm aufweist und sich dadurch von der Oberflächenvergrößerung durch
Rauhigkeitserhöhung unterscheidet.
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Unter äußerem
Randumfang der Platte wird die Länge der begrenzenden äußeren
Linien der Projektion der Platte in Abstrahlungsrichtung verstanden,
also die äußere begrenzende Linie der Platte. Dabei
können die Strukturierungen parallel oder schräg
oder verjüngend zur Abstrahlungsrichtung verlaufen, dass
heißt, dass die Umfänge von verschiedenen Plattenquerschnitten
auch unterschiedlich sein können.
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Ein
besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
besteht darin, dass der erfindungsgemäße Wärmestrahlkörper
neben einem hohen Widerstand gegen Rißbildung auch eine
hohe Oxidationsstabilität aufweist.
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Dies
wird insbesondere dann erreicht, wenn die Platten aus Nichtoxidkeramik
ausgeführt werden, die Poren (offene und geschlossene Poren)
in einer Gesamtmenge von 3–15% enthalten sind und der Anteil
der offenen Poren unter 10%, vorteilhafterweise unter 8% liegt.
Unter Gesamtporosität wird dabei das gesamte Volumen an
Poren verstanden, welches aus dem Verhältnis der Rohdichte
und der Reindichte der Keramik ermittelt wird. Unter offener Porosität wird
das Volumen an Poren verstanden, welches von außen zugänglich
ist und z. B. über die Wägung der Wasseraufnahme
ermittelt wird. Mit dieser geringen Menge von Poren ist sicher gestellt,
dass der Sauerstofftransport so stark eingeschränkt ist,
dass die innere Oxidation der Platten sehr gering ist und die Platten
eine hohe Lebensdauer erreichen. Gleichzeitig wir durch den geringen
Gehalt die Festigkeit der Platten nur geringfügig verringert,
während die Elastizität erhöht, also
der E-Modul verringert wird.
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Bei
einer Gesamtporosität von > 15% und offener Porosität von > 10% nimmt die Anzahl
miteinander verbundener Poren stark zu, so dass die innere Oxidation
stark zunimmt und die Lebensdauer begrenzt wird. Bei Porenanteilen < 3% ist dagegen
der E-Modul so hoch, dass die Spannungen bei thermischen Gradienten
höher werden, so dass die Rissanfälligkeit der
Platten zu hoch wird. Als Nichtoxidkeramik ist insbesondere Siliciumcarbid-
und Siliciumnitridkeramik vorteilhaft einsetzbar, also Keramik,
die zu einem überwiegenden Anteil aus Siliciumcarbid oder Siliciumnitrid
besteht.
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Bekanntermaßen
besitzen Wärmestrahlkörperplatten laterale Abmessungen
von ca. 150 × 200 mm oder 130 × 180 mm und Dicken
von 5–25 mm. Diese werden, wie in
DE 199 01 145 A1 beschrieben, vor
die Brennerplatte oder spezielle Brennerdüsenanordnungen
montiert und an den Rändern von einem Metallrahmen gehalten,
mit zwischenliegenden Streifen eines thermischen Isolationsmaterials.
Der Rahmen ist gasdicht mit der Rückseite des Brenners
verbunden, der Befestigungseinrichtungen, Gasmischung und Gasversorgungsanschlüsse
enthält.
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Für
technische Aufgaben, wie zur Trocknung von Papierbahnen oder Hallenheizungen,
werden dann mehrere Wärmestrahler nebeneinander angeordnet,
um eine gleichmäßige Wärmeabstrahlung
in großer Breite zu ermöglichen. Die Abmaße
der Wärmestrahlerfläche können prinzipiell
zwar variiert werden; allerdings nimmt bei kleineren Strahlern die Strahlungsausbeute
infolge der Randverluste zu und der Aufwand für die Herstellung
des gesamten Strahlers wächst unverhältnismäßig.
Bei einer Vergrößerung der Fläche der
Strahler nehmen die mit der Wärmedehnung verbundenen Probleme
der Materialien sehr stark zu.
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Zur
Verringerung der Spannungen können die Wärmestrahlkörperplatten
deshalb segmentiert werden und die einzelnen Wärmestrahlkörperplattensegmente
in einem Strahler eingesetzt werden. Allerdings sind zu viele und
kleinteilige Segmentierungen kontraproduktiv, weil diese schwieriger
in dem Halterahmen einzufassen sind. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt,
bei einer typischen lateralen Strahlerfläche von z. B.
insgesamt 130 × 180 mm, hälftige Segmente mit
Abmaßen von z. B. 90 × 130 mm oder Drittelsegmente
mit Abmaßen von 60 × 130 mm oder Viertelsegmente
mit Abmaßen von 45 × 130 mm einzusetzen, d. h.
die Fläche an der Längsseite zu halbieren oder
zu dritteln oder zu vierteln. Die Platten werden dann nebeneinander
in den Rahmen eingesetzt. Durch die Segmentierungen werden die thermomechanischen
Spannungen in den Platten geringer und die Rissanfälligkeit
verringert sich. Allerdings zeigt sich auch hier, dass bei den hälftig
ausgeführten Platten diese an den innenliegenden Seiten
und bei den Drittel- oder Viertelplatten die beiden äußeren Platten
an den innenliegenden Seiten beim Aufheizen oder Abkühlen
häufig reißen.
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Aus
diesem Grund wurde versucht, die Festigkeit der Lochplatten durch
eine Verdickung des Randes an diesen Innenseiten zu steigern, jedoch ohne
Erfolg.
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Überraschenderweise
zeigte sich jedoch erfindungsgemäß, dass die Rissanfälligkeit
völlig verschwindet, wenn mindestens eine der äußeren Randseite
der Platten geometrisch so gestaltet wird, dass sie gegenüber
einem glatten Plattenrand einen um mindestens 25% erhöhten
Umfang besitzt und diese Randseite an der am stärksten
rissanfälligen Seite eingesetzt wird.
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Vorteilhafterweise
können auch alle Seiten der Platten mit einem strukturierten
Rand versehen werden, da hierdurch die Gefahr einer falschen Lage beim
Einsetzen der Platten in den Rahmen vermieden wird.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn die Strukturierung zu einer deutlich weiteren
Erhöhung des Umfanges führt, als 25%; z. B. einen
um 30, 50, 90%, bis zu 300% größeren Umfang als
gerade, unstrukturierte Plattenseiten aufweist.
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Ebenfalls
vorteilhaft ist es, wenn die makroskopischen Strukturierungen dadurch
erzeugt werden, dass die Kanäle oder großen Poren
des Wärmestrahlkörpers bis über den Rand
der Platte hinaus geführt werden, wodurch bei beispielsweise
Kanälen mit runden Querschnitten und gleichmäßiger
Anordnung die Kanäle jeweils im Querschnitt halbkreisförmige
Ausnehmungen aufweisen. Sofern die Kanäle eine andere Querschnittsform
oder Anordnung aufweisen, weisen auch die Ausnehmungen der Strukturierungen
jeweils eine andere Form auf, wobei in diesen Fällen, die
Ausnehmungen der Strukturierungen im Querschnitt immer teilweise
die Querschnittsform der Kanäle aufweisen. Beim Einsatz
eines großporigen keramischen Materials für die
Wärmestrahlungskörper sind die Ränder
hinsichtlich Querschnitts- und Flächenform vollkommen unregelmäßig.
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Es
besteht aber auch die Möglichkeit, die Ränder
durch spezielle Randbearbeitungen in jeweils gewünschter
Art und Weise herzustellen, die einerseits eine möglichst
große Vergrößerung des Randumfanges ermöglicht,
andererseits die Platte aber noch in die vorhandenen Halterungen
oder Vorrichtungen implementierbar macht.
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Nachfolgend
wird die Erfindung noch an einem Ausführungsbeispiel näher
erläutert.
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Dabei
zeigen
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1:
eine Wärmestrahlkörperplatte (1) nach
dem Stand der Technik mit 180 × 130 × 10 mm in
Draufsicht oder auch als Projektion in Abstrahlungsrichtung der Fläche
180 × 130 aus einer Keramik (2) mit durchgehenden
zylindrischen Kanälen (3) mit Durchmessern von
4 mm und Längen von 10 mm parallel zur Abstrahlungsrichtung.
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2:
in der Projektion drei identische Wärmestrahlkörperplattensegmente
(4) nach dem Stand der Technik mit Abmessungen von 60 × 130 × 10
mm und mit geradlinigem Randumfang, die nebeneinander angeordnet
eine Wärmestrahlkörperplatte 180 × 130 × 10
mm ergeben. (27) zeigt Bereiche auf den innenliegenden
Seiten der Segmente, in denen beim schnellen Aufheizen Rissbildung
auftritt.
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3:
in der Projektion ein erfindungsgemäßes Wärmestrahlkörperplattensegment
(5) mit den Abmessungen 60 × 130 × 10
mm, bei dem alle 4 Seiten (6) einen strukturierten Randumfang
aufweisen, der insgesamt um 38% größer als der
der Segmente (4) ist.
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4:
in der Projektion ein erfindungsgemäßes Wärmestrahlkörperplattensegment
(7) mit den Abmessungen 60 × 130 × 10
mm, bei dem eine Seite (9) einen strukturierten Randumfang
aufweist, der gegenüber dem unstrukturierten Randumfang
(8) um 30 % vergrößert ist.
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5:
in der Projektion eine andere Möglichkeit der Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmentes
(10) mit den Abmessungen 60 × 130 × 10
mm, bei dem eine Seite (12) einen strukturierten Randumfang
aufweist, der gegenüber dem unstrukturierten Randumfang
(11) um 180% vergrößert ist.
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6:
in der Projektion eine andere Möglichkeit der Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmentes
(13) mit den Abmessungen 60 × 130 × 10
mm, bei dem eine Seite (15) einen strukturierten Randumfang
aufweist, der gegenüber dem unstrukturierten Randumfang
(14) um 50% vergrößert ist.
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7:
in der Projektion eine andere Möglichkeit der Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmentes
(16) mit den Abmessungen 60 × 130 × 10
mm, welches prismatische Kanäle enthält, die im
Querschnitt Sechsecke bilden und bei dem eine Seite (18)
einen strukturierten Randumfang aufweist, der gegenüber
dem unstrukturierten Randumfang um 28% vergrößert
ist.
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8:
in der Projektion eine andere Möglichkeit der Ausgestaltung
eines erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmentes
(19) mit den Abmessungen 60 × 130 × 10
mm, welches prismatische Kanäle enthält, die im
Querschnitt Quadrate 4 × 4 mm bilden und bei dem eine Seite
(21) einen strukturierten Randumfang aufweist, der gegenüber
dem unstrukturierten Randumfang (20) um 95% vergrößert
ist.
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9:
eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen
Wärmestrahlkörperplattensegmentes (22)
mit den Abmessungen 60 × 130 × 10 mm, bei dem
eine Seite (23) einen strukturierten Randumfang aufweist.
Der angedeutete Flächenschnitt A-A ergibt die Fläche
gem. Bild 4.
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10:
in der Projektion eine aus drei Segmenten (24) zusammengesetzte
erfindungsgemäße Wärmestrahlkörperplatte
mit den Abmessungen 180 × 130 × 10 mm. Die Segmente
(24) entsprechen der in 3 beschriebenen
Variante (5).
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Beispiel 1:
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Wärmestrahlkörperplattensegmente
mit den Abmessungen 60 × 130 × 10 mm mit 372 durchgängigen,
gleichmäßig angeordneten, parallelen zylindrischen
Kanälen mit einem Durchmesser von 4 mm und einer Länge
von 10 mm, die alle senkrecht zur Plattenfläche 60 × 130
liegen, werden durch Heißgießen einer Suspension
aus Siliziumcarbidkeramikpulver und Additiven, mit nachfolgender
Entbinderung und druckloser Sinterung hergestellt. Die SiC-Keramik
ist so gesintert, dass sie eine mittels Wasseraufnahme bestimmte
offene Porosität von 7% aufweist, die aus kleinen, isolierten
Poren mit einer mittlerer Größe von 8 μm
gebildet wird (Bestimmung durch Bildauswertung am keramographischen
Anschliff). Die Gesamtporosität beträgt 13%.
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Die äußeren
4 schmalen Seiten der Platten sind nach der Sinterung so bearbeitet,
dass keine glatten äußeren Ränder entstehen,
sondern dass diese Randseiten mit vielen wiederholten Strukturierungen
versehen sind, die im einzelnen die Form von Ausschnitten aus zylindrischen
Kanälen mit Durchmessern von 4 mm aufweisen; die Längsseiten
besitzen 16 solcher halbierten zylindrischen Aussparungen, während
die kürzeren Stirnseiten jeweils 12,5 dieser halbzylinderförmigen
Aussparungen besitzen. In der Draufsicht, dass heißt in
der Projektion senkrecht zur Fläche 60 × 130 mm
ergibt sich das in 3 dargestellte Bild, bei dem
alle 4 Seiten (6) einen strukturierten Randumfang aufweisen,
der insgesamt einen Umfang von 525 mm aufweist, was um 38% größer
ist als ein Segment mit glatten Kanten (Umfang 380 mm).
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Jeweils
drei dieser erfindungsgemäßen Wärmestrahlkörperplattensegmente
mit den Abmessungen 60 × 130 × 10 mm werden zu
einer Wärmestrahlkörperplatte 130 × 180 × 10
mm kombiniert, wie in der Draufsicht, dass heißt als Projektion
auf die Fläche 130 × 180 in
10 dargestellt.
Diese Wärmestrahlkörperplatte wird in einen Infrarot-Flächenstrahler,
wie er in
WO 0042356 ,
Bild 1 beschrieben ist, eingebaut.
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Dieser
Brenner wird versuchsweise mit Propangas-Luftgemisch bei einem Gasdruck
von 190000 Pa und einer Gesamtleistung von 11 kW beheizt. Nach dem
Zünden werden die Platten innerhalb weniger Sekunden auf
eine Temperatur von 1200°C erhitzt. Durch Unterbrechung
der Gaszufuhr verlöscht der Brenner und die Platten kühlen
innerhalb weniger Minuten aus. Dieser Start-Stop-Zyklus wird 10-mal
wiederholt, ohne dass Risse an den Wärmestrahlkörperplattensegmenten
auftreten. Bei einem Dauerbetriebstest von 1000 h bei konstanter Temperatur
von 1200°C ist ein Massezuwachs infolge von Oxidation von
1,2% zu verzeichnen, nach 10000 h von 3,9%. Ein kritischer Festigkeitsverlust
infolge von Oxidation wird erst bei einer Massezunahme von 5% erwartet.
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Vergleichsbeispiel 2:
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Wärmestrahlkörperplattensegmente
mit den Abmessungen 60 × 130 × 10 werden analog
zu Beispiel 1 hergestellt, mit dem Unterschied, dass sie einen glatten
Rand ohne die erfindungsgemäße Strukturierung
aufweisen und entsprechen somit den Wärmestrahlkörperplattensegmenten
gemäß dem Stand der Technik. Jeweils drei dieser
Wärmestrahlkörperplattensegmente mit den Abmessungen
60 × 130 × 10 mm werden zu einer Wärmestrahlkörperplatte
130 × 180 × 10 mm kombiniert, wie in der Draufsicht,
dass heißt als Projektion auf die Fläche 130 × 180
in Bild 2 dargestellt. Diese Wärmestrahlkörperplatte
wird analog wie in Beispiel 1 getestet. Schon beim ersten Aufheizen
sind Risse auf der innenliegenden Seite der beiden äußeren
Segmente ((27) in Bild 2) zu verzeichnen, die bei weiterer
Zyklierung weiter wachsen und zum Ausplatzen einzelner Teile der
Platten bis hin zum völligen Zerbrechen führen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 0042356 [0003, 0057]
- - DE 464692 C [0004]
- - US 2103365 A [0004]
- - US 4340357 A [0004]
- - DE 466586 C [0006]
- - GB 1082823 A [0006]
- - US 3912443 A [0007]
- - EP 0415008 A1 [0007]
- - EP 0657011 A1 [0007]
- - DE 19901145 A1 [0008, 0010, 0011, 0034]