DE102008000010B4

DE102008000010B4 - Plattenförmiger keramischer Wärmestrahlkörper eines Infrarot-Flächenstrahlers

Info

Publication number: DE102008000010B4
Application number: DE102008000010A
Authority: DE
Inventors: Jörg ADLER; Wieland Beckert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-01-07
Filing date: 2008-01-07
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2028-01-08
Also published as: WO2009087126A2; WO2009087126A3; DE102008000010A1

Abstract

Plattenförmiger keramischer Wärmestrahlkörper eines Infrarot-Flächenstrahlers, bei dem mindestens die Randseiten der Platte, die beim Aufheizen einer erhöhten Zugspannung unterliegen, eine makroskopische Strukturierung mit Strukturierungen ≥ 0,5 mm aufweisen, durch die der äußere Randumfang der Platte gegenüber dem Randumfang der bekannten plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper um mindestens 25% vergrößert ist und die makroskopischen Strukturierungen teilweise der Form und Größe der Kanäle im Längsschnitt im Wärmestrahlkörper entsprechen und alle vier Randseiten oder im Falle von Segmentierungen mindestens die Ränder an den innenliegenden Seiten der Segmente eine makroskopische Strukturierung aufweisen.

Description

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.
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.
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.
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.
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.
Bei anderen bekannten Ausführungen, z. B. DE 46 65 86 C oder GB 1082823 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.
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 57 011 A1 beschrieben.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Weiterhin bekannt ist aus der DE 43 35 707 A1 die Verkleidung einer Brennkammerwand, bei der die Wärmetauscherrohre an der Brennkammerwand mit einer feuerfesten keramischen Schicht und feuerfesten keramischen Platten versehen sind, wobei die Form der Platten dem Profil der Brennkammerwand angepasst ist und die Schicht im Wesentlichen gleich dick ist.
Aus der EP 1 715 250 A1 ist ein Hitzeschildelement zur Auskleidung einer Brennkammerwand bekannt, bei dem im thermisch belasteten Bereich gezielt Kerben im Material eingebracht, so dass die Spannungskräfte auf eine größere Fläche wirken.
Gemäß der DE 10 2005 004 062 A1 sind Porenkörpereinrichtungen für einen Porenbrenner bekannt, die komplex hergestellte Faserverbundkeramiken sind und eine kombinierte Vorwärm- und Brennzone aufweisen.
Und ebenfalls bekannt ist aus der US 1,419,499 A eine Brennerplatte für einen Infrarotstrahler, an deren Oberfläche die Flamme brennt und Kanalstrukturen senkrecht zur Brennerplatte, Aussparungen an der Oberfläche und spezielle Gruppierungen der Strukturen und Aussparungen vorhanden sind.
Weiterhin sind aus „Brevier Technische Keramik”, Verband der Keramischen Industrie e. V., Verlag Hans Carl Grundregeln für die Gestaltung von Bauteilen aus technischer Keramik bekannt.
Nach der US 3,695,818 A1 ist ein Infrarot-Flächenstrahlbrenner bekannt, Die Brennerplatte und die Heizplatte sind aus einem feuerfesten Werkstoff hergestellt und beinhalten eine Vielzahl an kreisförmigen Löchern gleicher Größe, die in gleichmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.
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.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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 und die makroskopischen Strukturierungen teilweise der Form und Größe der Kanäle im Längsschnitt im Wärmestrahlkörper entsprechen und alle vier Randseiten oder im Falle von Segmentierungen mindestens die Ränder an den innenliegenden Seiten der Segmente eine makroskopische Strukturierung aufweisen.
Ebenfalls vorteilhafterweise weisen die Randseiten über ihre gesamte Fläche makroskopische Strukturierungen auf.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der äußere Randumfang der Platte um 25 bis 300%, noch vorteilhafterweise um 90 bis 200% vergrößert ist.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Platte aus Siliciumcarbid- und/oder Siliciumnitridkeramik besteht.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn das keramische Material des Wärmestrahlkörpers eine Gesamtporosität von 3–15% und eine offene Porosität von < 10% aufweist.
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.
Im Rahmen der Erfindung soll unter einem Infrarot-Flächenstrahler das Gesamtsystem, bestehend aus Gaszuführung/Luftmischung, Brennerplatte, Wärmestrahlkörper, Rahmen/Befestigungen/Halterungen verstanden werden.
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.
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.
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.
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.
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.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass der erfindungsgemäße Wärmestrahlkörper neben einem hohen Widerstand gegen Rißbildung auch eine hohe Oxidationsstabilität aufweist.
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.
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.
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.
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.
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.
Aus diesem Grund wurde versucht, die Festigkeit der Lochplatten durch eine Verdickung des Randes an diesen Innenseiten zu steigern, jedoch ohne Erfolg.
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.
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.
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.
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.
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.
Nachfolgend wird die Erfindung noch an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigen
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
Beispi el 1:
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%.
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).
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.
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.
Vergleichsbeispiel 2:
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.

Claims

Plattenförmiger keramischer Wärmestrahlkörper eines Infrarot-Flächenstrahlers, bei dem mindestens die Randseiten der Platte, die beim Aufheizen einer erhöhten Zugspannung unterliegen, eine makroskopische Strukturierung mit Strukturierungen ≥ 0,5 mm aufweisen, durch die der äußere Randumfang der Platte gegenüber dem Randumfang der bekannten plattenförmigen keramischen Wärmestrahlkörper um mindestens 25% vergrößert ist und die makroskopischen Strukturierungen teilweise der Form und Größe der Kanäle im Längsschnitt im Wärmestrahlkörper entsprechen und alle vier Randseiten oder im Falle von Segmentierungen mindestens die Ränder an den innenliegenden Seiten der Segmente eine makroskopische Strukturierung aufweisen.
Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 1, bei dem die Randseiten über ihre gesamte Fläche makroskopische Strukturierungen aufweisen.
Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 1, bei dem der äußere Randumfang der Platte um 25 bis 300% vergrößert ist.
Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 3, bei dem der äußere Randumfang der Platte um 90 bis 200% vergrößert ist.
Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 1, bei dem die Platte aus Siliciumcarbid- und/oder Siliciumnitridkeramik besteht.
Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 1, bei dem das keramische Material des Wärmestrahlkörpers eine Gesamtporosität von 3–15% und eine offene Porosität von < 10% aufweist.
Keramischer Wärmestrahlkörper nach Anspruch 1, bei dem der plattenförmige Körper in hälftige Segmente, in Viertel- oder Drittelsegmente unterteilt ist.