DE102011012363A1

DE102011012363A1 - Infrarot-Flächenstrahler mit hoher Strahlungsleistung und Verfahren für seine Herstellung

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Publication number: DE102011012363A1
Application number: DE201110012363
Authority: DE
Inventors: Jürgen Weber; Frank Diehl
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-08-30

Abstract

Es wird ausgegangen von einem Flächenstrahler für Infrarotstrahlung mit einer flächigen Strahleranordnung von zwei oder mehr Heizstrahlern und einem gegenüberliegend einer Abstrahlseite vorgesehenen Reflektor, wobei die Heizstrahler jeweils ein Strahlerrohr aus Quarzglas aufweisen, das ein Heizfilament umgibt, und wobei die Strahlerrohe nebeneinander angeordnet und mittels eines Fixierungsmittels in dieser Anordnung fixiert sind. Um hiervon ausgehend einen Infrarot-Flächenstrahler mit hoher Strahlungsleistung pro Flächeneinheit bereitzustellen, der sich durch kompakte und einfache Bauweise, eine lange Lebensdauer sowie durch Montage- und Wartungsfreundlichkeit auszeichnet, wird vorgeschlagen, dass die Strahlerrohre auf ihrer der Abstrahlfläche abgewandten Mantelfläche mit einer zusammenhängenden Masse aus opakem Quarzglas versehen sind, die gleichzeitig als Reflektor und als Fixierungsmittel dient.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flächenstrahler für Infrarotstrahlung mit hoher Strahlungsleistung pro Flächeneinheit, mit einer flächigen Strahleranordnung von zwei oder mehr Heizstrahlern und einem gegenüberliegend einer Abstrahlseite vorgesehenen Reflektor, wobei die Heizstrahler jeweils ein Strahlerrohr aus Quarzglas aufweisen, das ein Heizfilament umgibt, und wobei die Strahlerrohe nebeneinander angeordnet und mittels eines Fixierungsmittels in dieser Anordnung fixiert sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Infrarot-Flächenstrahlers.
Zum Erwärmen einer Heizguts in den verschiedensten industriellen Produktionsprozessen werden kurzwellige, mittelwellige und langwellige Infrarotstrahler eingesetzt.
Die Arbeitsstrahlung von langwelligen Infrarotstrahlern liegt typischerweise im Wellenlängenbereich oberhalb von 2800 nm und wird vom Heizgut in der Regel besonders gut absorbiert, so dass die Erwärmung mit hohem Wirkungsgrad erfolgt. Jedoch ist das Aufheiz- und Abkühlverhalten von langwelligen Infrarotstrahler langsam; sie liegen im Minutenbereich, so dass schnelle Temperaturwechsel nicht zu bewerkstelligen sind.
Demgegenüber haben kurzwellige Infrarotstrahler eine Arbeitswellenlänge bis etwa 1000 nm und sie zeichnen sich durch hohe Energiekonzentration auf engem Raum und großer Eindringtiefe der Strahlung in das Heizgut aus. Kurzwellige Infrarotstrahler ermöglichen ein schnelles Aufheizen und Abkühlen, jedoch erweist sich der Wirkungsgrad der vom Strahler abgegebenen Energie wegen geringer Absorption im Heizgut als relativ niedrig. Die verschlechterte Energieausnutzung erfordert wiederum längere Aufheizdauern.
Im Vergleich zu punkt- oder linienförmiger Bestrahlung ermöglichen Infrarot-Flächenstrahler eine flächige homogene Bestrahlung. Dabei bildet eine Vielzahl von Infrarot-Heizstrahlern eine Bestrahlungseinheit, deren Geometrie an diejenige des Heizguts angepasst ist. Es stellt sich grundsätzlich das Problem, eine möglichst homogene Bestrahlungsintensität auf dem oder im Heizgut zu gewährleisten. Diese hängt vom Abstand zwischen dem Heizgut und den einzelnen Heizstrahlern des Flächenstrahlers ab. Eine empirische Faustformel besagt, dass der für eine homogene Bestrahlung erforderliche Mindestabstand etwa dem 1,5-fachen des Mittenabstands der einzelnen Heizstrahler entspricht. Demnach sind für eine homogene Bestrahlung ein geringer Abstand zwischen den Heizstrahlern des Flächenstrahlers und ein großer Abstand zwischen Flächenstrahler und Heizgut förderlich. Der erst genannten Alternative sind physikalische und technologische Grenzen gesetzt und sie zieht höhere Fertigungskosten für den Flächenstrahler nach sich; die zweitgenannte Alternative führt zu einem geringeren Wirkungsgrad der eingesetzten Bestrahlungsenergie.
Stand der Technik
Aus der US 4,789,771 A ist ein Reaktor zur axial-symmetrischen Beschichtung von Substraten unter Wärmeeinwirkung bekannt. Als Heizquellen sind innerhalb des Reaktors mehrere, parallel zueinander verlaufende rohrförmige, kurzwellige Heizstrahler angeordnet, die jeweils in der Kammerwandung fixiert sind. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Temperatur-Beaufschlagung des Substrates sind die Reaktor-Innenwände mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Der Reaktor besteht bevorzugt aus einem oberen Kammerbereich, in dem die Heizstrahler angeordnet sind, die das Substrat erwärmen, wobei die vom Substrat nicht absorbierte Strahlung in einem unteren Kammerbereich reflektiert wird. Hierfür sind die Innenflächen des Reaktors mit einer spiegelnd reflektierenden Schicht versehen, deren Reflektivität größer als 95% ist. Im Bodenbereich des Reaktors ist eine kreisförmige, diffus reflektierende Fläche mit einer relativen Reflektivität um 80% vorgesehen, die durch diffuse Reflexion eine punktförmige oder eine andere bevorzugte Erhitzung von Bereichen innerhalb des Reaktors vermeidet und die Strahlungsenergie im Reaktor-Innenraum gleichmäßig verteilt.
Aus der EP 0 133 847 A2 ist ein Durchlaufofen zum kontinuierlichen Erwärmen einer Materialbahn unter Einsatz eines Flächenstrahlers bekannt. Der Flächenstrahler weist eine Vielzahl rohrförmiger, parallel zueinander verlaufender Heizstrahler auf, denen ein plattenförmiger Reflektor auf ihrer der Hauptabstrahlrichtung abgewandten Seite zugeordnet ist. Der Reflektor besteht aus keramischem Fasermaterial und weist eine Reflektivität von ca. 85% auf.
Aus der DE 42 02 944 A1 ist ein Flächenstrahler mit hoher Strahlungsleistung pro Flächeneinheit mit den Merkmalen der eingangs genannten Gattung bekannt. Der Flächenstrahler besteht aus einem Ensemble aus mehreren mittelwelligen Infrarotstrahlern, die in Form eines so genannten Zwillingsrohres ausgeführt sind. Hierbei ist ein Quarzglas-Hüllrohr durch einen Längssteg in zwei parallel zueinander verlaufende Teilräume unterteilt, wobei in einem oder in beiden Teilräumen eine Heizwendel verläuft. Mehrere dieser Zwillingsrohrstrahler sind mit parallel zueinander verlaufenden Längsachsen angeordnet und an einer als Reflektor dienenden Gehäusewand befestigt. In Hauptausbreitungsrichtung der von den Zwillingsrohrstrahlern ausgehenden Strahlung ist ein so genannter Strahlungswandler vorgesehen, der aus miteinander verfilzten Keramikfasern besteht. Der Strahlungswandler dient als Sekundärstrahler, der – angeregt durch die mittelwellige IR-Strahlung des Flächenstrahlers – Sekundärstrahlung in einem langwelligeren Bereich emittiert, der stärker mit der optischen Absorption des Heizguts überlappt. Dadurch werden schnelle Temperaturwechsel bei gutem Wirkungsgrad ermöglicht.
Die Oberflächen hochwertiger Reflektoren, die in chemisch aggressiver Umgebung eingesetzt werden können, ohne dass das Reflektormaterial Schaden nimmt und der Reflexionsgrad merkbar nachlässt, bestehen aus Gold. Reflexionsschichten aus Gold sind jedoch teuer und nur eingeschränkt temperatur- und temperaturwechselbeständig.
In jüngster Zeit sind diffus reflektierende Reflektoren für Infrarotstrahler bekannt geworden, die als Schichten aus opakem Quarzglas ausgeführt sind. Derartige Reflektoren und ihre Herstellung sind beispielsweise in der DE 10 2004 051 846 A1 beschrieben. Zur Herstellung einer Reflektorschicht auf einem Zwillingsrohr eines Infrarotstrahlers wird eine wässrige Suspension mit SiO₂-Partikeln eingesetzt. Diese wird auf der der Hauptabstrahlrichtung abgewandten Oberseite des Zwillingsrohres aufgesprüht, daraufhin getrocknet und die getrocknete Suspensionsschicht anschließend in einem Sinterofen unter Luftatmosphäre zu opakem Quarzglas verglast. Die so erhaltene Reflektorschicht zeichnet sich durch hohe chemische und thermische Beständigkeit aus und zeigt im infraroten Wellenlängenbereich einen Reflexionsgrad um 80%.
Technische Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Infrarot-Flächenstrahler mit hoher Strahlungsleistung pro Flächeneinheit bereitzustellen, der sich durch kompakte und einfache Bauweise, eine lange Lebensdauer sowie durch Montage- und Wartungsfreundlichkeit auszeichnet.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kostengünstigen und reproduzierbaren Herstellung eines Infrarot-Flächenstrahlers mit hoher Strahlungsleistung pro Flächeneinheit anzugeben.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Infrarot-Flächenstrahlers wird diese Aufgabe ausgehend von einem Infrarot-Flächenstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Mantelflächen der Strahlerrohre auf ihrer der Abstrahlfläche abgewandten Seite mit einer zusammenhängenden Masse aus opakem Quarzglas versehen sind, die gleichzeitig als Reflektor und als Fixierungsmittel dient.
Beim erfindungsgemäßen Infrarot-Flächenstrahler sind mindestens zwei Strahlerrohre über die zusammenhängende Masse aus opakem Quarzglas miteinander verbunden, so dass das Ensemble aus Reflektor und flächiger Strahleranordnung eine Baueinheit bildet. Die Strahlerrohre sind teilweise in die zusammenhängende Masse aus opakem Quarzglas eingebettet, die somit eine Fügemasse zur Fixierung der Strahlerrohre untereinander und gleichzeitig einen Reflektor für diffuse Reflexion darstellt.
Die Masse aus opakem Quarzglas ist beispielsweise als zusammenhängende Schicht ausgebildet, die die Strahlerrohre etwa gleichmäßig im Bereich der Reflektorseite bedeckt: Sie kann mittels des aus dem Stand der Technik ( DE 10 2004 051 846 A1 ) Verfahrens erzeugt werden, wobei die zusätzliche Funktion als mechanische Fügemasse nicht nur die teilweise Umhüllung der Strahlerrohre, sondern auch die Ausbildung einer zusammenhängenden Schicht zwischen den nebeneinander angeordneten Strahlerrohren erfordert.
Da in der Baueinheit die Strahlerrohre und der dazugehörige Reflektor fest zueinander fixiert sind, entfallen Arbeiten für die Justage und Ausrichtung der einzelnen Bauteile, was die Handhabung, Montage und Wartung des erfindungsgemäßen Infrarot-Flächenstrahlers vereinfacht.
Der erfindungsgemäße Infrarot-Flächenstrahler ist für hohe Leistungen und Temperaturen über 600°C geeignet, da er vollständig – abgesehen von den Heizfilamenten und deren Stromzuführungen – aus Quarzglas besteht. Die Lebensdauer der kompletten Baueinheit wird durch ein Versagen der Heizfilamente bestimmt, welche gegen neue Filamente ausgetauscht werden können.
Der Rohrquerschnitt der Strahlerrohe ist in der Regel rund, kann aber auch jede andere Geometrie aufwiesen, wie etwa rechteckig, polygonal, oval und insbesondere auch 8-förmig, wie bei den oben erwähnten Zwillingsrohren. Die Geometrie der Anordnung der Strahlerrohre richtet sich im Wesentlichen nach der gewünschten Geometrie des Infrarot-Flächenstrahlers; im einfachsten Fall sind die Strahlerrohre lang gestreckt ausgebildet und mit ihren Längsachsen parallel zueinander angeordnet; sie können aber beispielsweise auch in Mäander-, Halbkreis- oder Kreisform gebogen sein.
Die Strahlungsleistung pro Flächeneinheit hängt unter anderem von der Flächenbelegung mit beheizbaren Heizfilamenten und damit vom seitlichen Abstand der Strahlerrohre zueinander ab. Im Idealfall liegen die Strahlerrohre unmittelbar aneinander, sind also im Kontakt miteinander. Im Hinblick hierauf hat es sich bewährt, wenn zwischen benachbarten Strahlerrohren ein Spalt mit einer Spaltweite von weniger als 1 mm verbleibt.
Im Vergleich zu einem konventionellen Flächenstrahler, bei dem die Strahlerrohre zum Hitzeschutz des metallischen Reflektors einen seitlichen Abstand im Bereich von typischerweise 30 bis 50 mm haben müssen, ermöglicht beim erfindungsgemäßen Flächenstrahler die höhere Temperaturstabilität des Reflektors aus Quarzglas einen Betrieb mit eng benachbarten oder sogar unmittelbar aneinander liegenden Strahlerrohren. Ein geringer verbleibender Spalt kann einfach und kostengünstig mit der zusammenhängenden, opaken Quarzglasmasse aufgefüllt werden, was dann zur mechanischen Stabilität des Ensembles zusätzlich beiträgt.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarot-Flächenstrahlers ist vorgesehen, dass die Strahlerrohre und die Heizfilamente für mittelwellige Infrarot-Strahlungsemission ausgelegt sind.
Im Gegensatz zu Infrarotstrahlern für den kurzwelligen IR-Wellenlängenbereich, die zum Schutz des Heizfilaments mit einem Inertgas gefüllt und daher verschlossen sind, kann das Strahlerrohr eines mittelwelligen Heizstrahlers offen sein. Bei einem einseitig oder beidseitig offenen Strahlerrohr ist das Heizfilament unmittelbar zugänglich und kann deshalb besonders leicht und kostengünstig ausgetauscht werden. Diese Ausführungsform erleichtert somit Montage und Wartung des Flächenstrahlers.
Eine zusätzliche Erhöhung der Leistungsdichte ergibt sich, wenn die der Abstrahlfläche zugewandte Seite der Strahlerrohre mit einer länglichen Aussparung, insbesondere einem Längsschlitz versehen ist.
In der Aussparung ist das Quarzglas des Strahlerrohres entfernt, so dass der Temperaturwiderstand in Richtung auf die Abstrahlfläche geringer ist als bei einem rundum geschlossenen Strahlerrohr. So ergibt sich eine um etwa 20% höhere Leistungsdichte. Die Aussparung kann vor den Stirnseiten enden; im einfachsten Fall ist sie aber durchgehender Längsschlitz ausgeführt. Die Breite ist vorzugsweise geringer als der Durchmesser der Heizfilament-Wicklung, so dass dieses nicht durch den Längsschlitz rutschen kann.
Im Hinblick auf eine besonders homogene Bestrahlung des Heizguts hat es sich bewährt, wenn der Strahleranordnung ein Diffusorbauteil zugeordnet ist, auf das aus der Abstrahlfläche emittierte Infrarot-Strahlung auftrifft.
Das Diffusorbauteil dient zur „Homogenisierung” der vom Infrarot-Flächenstrahler emittierten Infrarotstrahlung und es dient gleichzeitig als „Strahlungswandler” in dem Sinne, dass es durch die vom Infrarot-Flächenstrahler emittierte Primärstrahlung erwärmt wird, und ihrerseits eine Sekundärstrahlung emittiert, deren Wellenlängenbereich gegenüber demjenigen der Primärstrahlung zu längeren Wellenlängen hin verschoben ist.
Die Geometrie des Diffusorbauteils ist – im Vergleich zum Flächenstrahler – relativ einfach auch an komplexere Formen des Heizguts beziehungsweise an die Geometrie der zu beheizenden Fläche anpassbar. Im einfachsten Fall ist es plattenförmig ausgebildet; kann aber auch andere Geometrien haben, wie etwa gewölbt oder rohrförmig.
Durch die Anordnung des Diffusorbauteils zwischen den Heizstrahlern und dem Heizgut kann der Abstand zwischen Strahler und Heizgut verringert werden, ohne die Qualität der Homogenität der Bestrahlungsintensität zu beeinträchtigen. Die Verringerung des Abstandes bedeutet eine Erhöhung des Niveaus der Bestrahlungsintensität im oder auf dem Heizgut, was wiederum eine schnellere Aufheizung auf die Zieltemperatur ermöglicht.
Das Diffusorbauteil kann aus miteinander verfilzten Keramikfasern, wie oben zum Stand der Technik erläutert, oder auch aus opakem dichtem Quarzglas bestehen. Seine beiden Hauptfunktionen, also „Homogenisierung” und „Wandlung” der vom Infrarot-Flächenstrahler emittierten Infrarotstrahlung, erfüllt das Diffusorbauteil aber dann besonders gut, wenn es eine Wärmespeicherschicht aus porösem Quarzglas aufweist, die mit einem Füllstoff imprägniert ist, der eine auf das Volumen bezogene spezifische Wärmekapazität aufweist, die höher ist als die von Quarzglas.
Die Wärmespeicherschicht aus porösem Quarzglas verläuft quer, beispielsweise senkrecht zur Richtung der auf das Diffusorbauteil auftreffenden Infrarotstrahlen.
Für ein effizientes Aufheizen des Diffusorbauteils ist einerseits eine große Oberfläche hilfreich, die durch eine offenporige, schwammähnliche Wärmespeicherschicht bereitgestellt wird. Andererseits trägt auch eine gewisse Wärmespeicherfähigkeit, also eine hohe Wärmekapazität zur Vergleichmäßigung der emittierten Wärmestrahlung bei. Quarzglas hat eine relativ geringe spezifische Wärmekapazität (bezogen auf ein Einheitsvolumen). Deswegen werden die Poren der Wärmespeicherschicht mit einem Füllstoff mit höherer Wärmekapazität imprägniert. Bei dem Füllstoff kann es sich um metallische oder keramische Partikel handeln, die beispielsweise über eine Dispersion oder eine Lösung in die Poren der Wärmespeicherschicht eingetragen werden.
Quarzglas hat eine spezifische Wärmekapazität von etwa 0,8 J/g K und eine spezifische Dichte von etwa 2,2 g/cm³. Somit beträgt die auf das Volumen bezogene spezifische Wärmekapazität von Quarzglas etwa 1,8 J/cm³ K. Für Kupfer liegt dieser Wert bei 4,5 J/cm³ K (spezifische Wärmekapazität: 0,387 J/g·K; spezifische Dichte: 8,95 g/cm³) und für Gold bei etwa 2,5 J/cm³ K (spezifische Wärmekapazität etwa: 0,13 J/g K; spezifische Dichte: 19,3 g/cm³). Die metallischen Füllstoffe ergeben somit bei gegebenem Porenvolumen eine im Vergleich zu Quarzglas höhere Wärmekapazität und tragen so zu einem günstigen thermischen Verhalten des Diffusorbauteils in Bezug auf einen effektiven und homogenen Heizprozess bei.
Außerdem wird die Wärmestrahlung von den Partikeln des Füllstoffs reflektiert oder absorbiert, was zu einer raschen Aufheizung der Partikel und des Diffusorbauteils führt. Außerdem erzeugt der Füllstoff Streuzentren innerhalb des Diffusorbauteils und bewirkt so eine gleichmäßigere Verteilung der Wärmestrahlung innerhalb des Diffusorbauteils. Je nach Chemie oder Zusammensetzung des Füllstoffs können verschiedene Temperaturen und damit verschiedene Wellenlängen zur Erwärmung des Heizguts selektiv eingestellt werden.
Die Wärmespeicherschicht aus porösem Quarzglas kann sich über das gesamte Diffusorbauteil erstrecken oder sie kann als Zwischenschicht innerhalb des Diffusorbauteils ausgebildet sein, die sandwichartig von Quarzglasschichten umgeben ist. Im Hinblick auf eine einfache Fertigung und ein möglichst effizientes und homogenes Aufheizen des Diffusorbauteils ist die Wärmespeicherschicht jedoch als Oberflächenschicht mit einer spezifischen Oberfläche von mindestens 1 m²/g, vorzugsweise mindestens 3 m²/g, ausgebildet.
Der Flächenstrahler gemäß der Erfindung besteht – abgesehen von den Heizfilamenten – ausschließlich aus Quarzglas und zeichnet sich daher durch Robustheit und Beständigkeit in aggressiver Umgebung aus. Die Heizfilamente sind einfach austauschbar und durch eine enge Anordnung der Strahlerrohre wird eine hohe Bestrahlungsintensität pro Flächeneinheit bei gleichzeitig hoher Homogenität erreicht.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines Infrarot-Flächenstrahlers wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, das folgende Verfahrensschritte umfasst:

(a) Bereitstellen einer flächigen Strahleranordnung von zwei oder mehr Strahlerrohren aus Quarzglas, die eine Abstrahlseite und eine der Abstrahlseite gegenüberliegende Verbindungs- und Reflektorseite aufweist,
(b) Bedecken der Verbindungs- und Reflektorseite mit einer Suspension, die amorphe SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen im Bereich bis maximal 500 μm in einer Flüssigkeit enthält, unter Ausbildung einer zusammenhängenden Grünkörperschicht, die die Abstrahlseite freilässt,
(c) Trocknen und Sintern der Grünkörperschicht unter Bildung einer Masse aus opakem Quarzglas, die gleichzeitig als Reflektor der Strahleranordnung und als Fixierungsmittel für die Strahlerrohre dient, und
(d) Einziehen von Heizfilamenten in die Strahlerrohranordnung.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine flächige Strahleranordnung aus mindestens zwei Strahlerrohren aus Quarzglas über eine zusammenhängende Masse aus opakem Quarzglas miteinander verbunden. Eine derartige Methode zur Verbindung von Quarzglasbauteilen mittels SiO₂-haltiger Verbindungsmassen ist aus der DE 2005 025 796 A1 grundsätzlich bekannt.
Die flächige Strahleranordnung definiert eine ebene oder eine gebogene Abstrahlseite, die an die Geometrie des Heizgut oder der zu bestrahlenden Oberfläche angepasst sein kann. Auf der der Abstrahlseite gegenüberliegende Seite der Strahleranordnung befindet sich eine opake Quarzglasmasse, die als diffuser Reflektor und gleichzeitig als Verbindungsmittel dient, mittels der die Strahlerrohre untereinander verbunden sind.
Zur Herstellung der opaken SiO₂-haltigen Verbindungsmasse wird die Verbindungs- und Reflektorseite der Strahleranordnung mit einer Suspension bedeckt, die amorphe SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen im Bereich bis maximal 500 μm in einer Flüssigkeit enthält. Das Bedecken mit der Suspension erfolgt beispielsweise durch Einbetten oder Eintauchen der Strahleranordnung in die Suspension oder durch Beschichten der Strahleranordnung mit der Suspension, wie etwa durch Aufsprühen, Aufrakeln, Aufstreichen, Aufgießen. Wichtig ist dabei, dass eine zusammenhängende Grünkörperschicht erzeugt wird, die die Abstrahlseite freilässt und die Verbindungs- und Reflektorseite derart abdeckt, dass sie gleichzeitig zu einer mechanischen Umfassung der Strahlerrohre kommt.
Nach dem Trocknen der Grünkörperschicht erfolgt ein Sintern unter Temperatur- und Zeitbedingungen, die für eine mechanische Verfestigung ausreichen, jedoch ein Verglasen zu transparentem Quarzglas verhindern. So wird die gewünschte Masse aus opakem Quarzglas erhalten, die gleichzeitig als Reflektor der Strahleranordnung und als Fixierungsmittel für die Strahlerrohre dient. Die Masse aus opakem Quarzglas ist beispielsweise als zusammenhängende Schicht ausgebildet, die die Strahlerrohre etwa gleichmäßig im Bereich der Reflektorseite bedeckt.
Abschließend werden in den Strahlerrohren Heizfilamente fixiert und mit einem elektrischen Anschlusselement versehen.
Auf diese Weise wird ein Flächenstrahler gemäß der Erfindung erhalten, wie oben erläutert. Die Strahlerrohre sind hierbei lediglich einmalig vor dem oder beim Beschichten mit der Suspension auszurichten und zu fixieren, wofür beispielsweise ein Gestell oder eine Schablone eingesetzt werden kann. Nachdem die Strahlrohre und der Reflektor durch die thermisch verfestigte Quarzglasmasse zueinander fixiert sind, bilden diese Teile eine fest gefügt Baueinheit, so dass eine Ausrichtung oder Justierung einzelner Heizstrahler oder des Reflektors weder möglich noch erforderlich ist. Somit entfallen Arbeiten für die Justage und Ausrichtung der einzelnen Bauteile, was die Handhabung, Montage und Wartung des erfindungsgemäß hergestellten Infrarot-Flächenstrahlers vereinfacht.
Besonders bevorzugt wird eine Verfahrensweise, bei der das Bedecken der Verbindungs- und Reflektorseite erfolgt, indem die flächige Strahleranordnung in einer Form in die Suspension eingebettet wird.
Die Strahlerrohre werden dabei entweder in die mit der Suspension vorab gefüllte Form eingelegt, oder die Heizstrahler werden in der Form fixiert und anschließend wird die Suspension eingefüllt. Die Innengeometrie der Form bestimmt die Außengeometrie der Grünkörperschicht beziehungsweise der SiO₂-Verbindungsmasse. Bei der Form kann es sich um eine saugende Form handeln, so dass das Trocknen der Suspension beschleunigt wird. Wichtig ist, dass zwischen der Formunterseite und den flächig angeordneten Strahlerrohren ein Spalt von mindestens 0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm verbleibt.
Im Hinblick auf eine besonders homogene Bestrahlung des Heizguts hat es sich bewährt, wenn der Strahleranordnung ein Diffusorbauteil zugeordnet wird, das eine Wärmespeicherschicht aus porösem Quarzglas aufweist, die mit einem Füllstoff imprägniert wird, der eine auf das Volumen bezogene spezifische Wärmekapazität aufweist, die höher ist als die von Quarzglas.
Das Diffusorbauteil dient zur „Homogenisierung” der vom Infrarot-Flächenstrahler emittierten Infrarotstrahlung und sie gleichzeitig als „Strahlungswandler” in dem Sinne, dass es durch die vom Infrarot-Flächenstrahler emittierte Primärstrahlung erwärmt wird, und ihrerseits eine Sekundärstrahlung emittiert, deren Wellenlängenbereich gegenüber demjenigen der Primärstrahlung zu längeren Wellenlängen hin verschoben ist.
Die Wärmespeicherschicht wird als poröse SiO₂-Oberflächenschicht mit einer spezifischen Oberfläche von mindestens 1 m²/g, vorzugsweise mindestens 3 m²/g, erzeugt, indem ein Basisbauteil aus opakem Quarzglas mit einer Suspension, die amorphe SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen im Bereich bis maximal 500 μm in einer Flüssigkeit enthält, beschichtet, die Schicht getrocknet und bei einer Temperatur von weniger als 1250°C zu einer porösen, schwammartigen SiO₂-Schicht verdichtet wird.
Für ein effizientes Aufheizen des Diffusorbauteils ist einerseits eine große Oberfläche hilfreich, die durch eine offenporige, schwammähnliche Wärmespeicherschicht mit hoher Oberfläche bereitgestellt wird.
Außerdem wird die Wärmestrahlung von den Partikeln eines Füllstoffs in den Poren der Wärmespeicherschicht reflektiert oder absorbiert, was zu einer raschen Aufheizung der Partikel und des Diffusorbauteils führt. Außerdem kann der Füllstoff Streuzentren innerhalb des Diffusorbauteils erzeugen und so eine gleichmäßigere Verteilung der Wärmestrahlung innerhalb des Diffusorbauteils bewirken.
Im Hinblick darauf wird die poröse, schwammartige SiO₂-Schicht vorzugsweise mit einer Edelmetall-Emulsion getränkt und die Emulsion durch Erhitzen in den Poren der SiO₂-Schicht zu Edelmetallschichten umgesetzt.
Die so erzeugten Edelmetallschichten finden sich auf den Porenoberflächen der porösen SiO₂-Schicht. Sie tragen zur Vergleichmäßigung der emittierten Wärmestrahlung bei, indem sie Wärmestrahlung reflektieren oder absorbieren, als Streuzentren wirken und die Wärmespeicherfähigkeit der Diffusorplatte verbessern, wie oben anhand der Beschreibung des erfindungsgemäßen Flächenstrahlers bereits erläutert.
Ausführungsbeispiel
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung im Einzelnen:
1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarot-Flächenstrahlers in einer Seitenansicht im Schnitt, und
2 ein Diagramm, das einen Vergleich des Aufheizverhaltens von Diffusorplatten aus verschiedenen Werkstoffen unter Einsatz des erfindungsgemäßen Flächenstrahlers zeigt.
Beispiel 1
In 1 ist schematisch ein kompakter Flächenstrahler gemäß der Erfindung dargestellt, dem insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet ist. Dieser ist in einem metallischen Gehäuse 2 angeordnet, dessen Innenseite mit einer Isolationsmatte 12 ausgekleidet ist. Der Flächenstrahler 1 besteht aus einer flächigen Anordnung von zehn mittelwelligen IR-Heizstrahlern 3 mit rundem Querschnitt (Rundrohre 3a) und einem Durchmesser von jeweils 10 mm. In jedem der Heizstrahler 3 sind mittelwellige Heizfilamente 4 in Form von Kanthal-Heizwendeln eingezogen.
Die Rundrohre 3a der Heizstrahler 3 sind so angeordnet, dass sie mit ihren Längsachsen parallel zueinander verlaufen und aneinander liegen. Die stirnseitigen Enden sind offen. Jeder Heizstrahler 3 hat eine beheizte Länge von 350 mm. Die beheizte Gesamtfläche des Flächenstrahlers 1 beträgt also 350 × 100 mm² = 0,035 m². Die Anordnung der Heizstrahler 3 definiert somit eine in erster Näherung eine ebene Bestrahlungsfläche 11 mit der genannten Größe, die einem ebenen bahnförmigem Heizgut 6 zugewandt ist, das kontinuierlich durch seitliche Öffnungen 13 des Gehäuses 2 transportiert wird.
Auf der der Bestrahlungsfläche 11 abgewandten Seite ist die Anordnung der Heizstrahler 3 mit einer Fixierungs- und Reflektorschicht 10 aus opakem Quarzglas belegt. Die Fixierungs- und Reflektorschicht 10 bedeckt die gesamte Rückseite des Heizstrahler-Anordnung (1) und sie ist im Zwickelbereich zwischen benachbarten und aneinander liegenden Rundrohren (3a) dicker als auf den Rundrohren (3a), wo sie eine Schichtdicke um 1 mm hat. Die Reflektor- und Fixierungsschicht 10 auf der Rückseite der Heizstrahler 3 bewirkt einerseits eine diffuse Rückstrahlung und damit eine nennenswerte Verbesserung der Energieeffizienz und der Bestrahlungsstärke auf dem Heizgut 6 und andererseits eine einfach und kostengünstige Fixierung der Heizstrahler 3 des Flächenstrahlers 1.
Die Mantelfläche der Rundrohre ist im Ausführungsbeispiel geschlossen. Bei einer alternativen, in der 1 nicht dargestellten Ausführungsform, weist die der Bestrahlungsfläche 11 zugewandte Seite der Heizstrahler 3 einen durchgängigen Längsschlitz 13 mit einer Breite von 5 mm auf, die dem halben Durchmesser Heizfilament-Wendel entspricht.
Jeder Heizstrahler 3 besitzt eine elektrische Anschlussleistung von 400 W, insgesamt also 4 kW. Die Flächenleistung beträgt 4 kW/0,035 m² = 114 kW/m². Zur Ermittlung der Aufheizgeschwindigkeit wurde ein geschwärztes Stahlblech (Dicke: 0.8 mm; seitliche Abmessungen: 50 × 100 mm; Emissivität ε ~ 0,9) in einem Abstand von ca. 90 mm von der ebene Bestrahlungsfläche 11 angeordnet und beheizt.
Unter Verwendung des anhand Beispiel 1 beschriebenen mittelwelligen Flächenstrahlers (jedoch ohne Diffusorplatte 5, die weiter unten noch erörtert wird) ergibt sich auf der Oberfläche des Stahlblechs eine nominale Flächenleistung von 50 kW/m², und es wird nach 90 s eine Temperatur von 500°C auf der Oberfläche des Stahlblechs erreicht. Bei einem konventionellen Flächenstrahler mit Goldreflektor und einem Abstand zwischen den Strahlerrohren und ansonsten gleichen Abmessungen und Leistungsdaten wäre auf der Oberfläche des Stahlblechs eine nominale Flächenleistung von lediglich 25 kW/m² und eine dementsprechend niedrigerer Maximaltemperatur innerhalb der angegebenen Aufheizdauer erreichbar.
Der erfindungsgemäße Flächenstrahler 1 besteht ausschließlich aus Quarzglas. Relativ schnelle Temperaturwechsel beeinträchtigen die Funktionsweise und die Lebensdauer des Flächenstrahlers 1 nicht. Demzufolge ist der Flächenstrahler 1 nicht nur in einem kontinuierlichen Betrieb, sondern auch im Batchbetrieb einsetzbar.
Im Folgenden wird die Herstellung des Flächenstrahlers 1 nach Beispiel 1 anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es wird ein homogener SiO₂-Grundschlicker hergestellt. Für einen Ansatz von 10 kg Grundschlicker (SiO₂-Wasser-Schlicker) werden in einer mit Quarzglas ausgekleideten Trommelmühle mit ca. 20 Liter Volumeninhalt, 8,2 kg einer amorphen Quarzglaskörnung aus natürlichem Rohstoff mit Korngrößen im Bereich zwischen 250 μm und 650 μm mit 1,8 kg deionisiertem Wasser mit einer Leitfähigkeit von weniger als 3 μS vermischt. Die Quarzglaskörnung wurde vorab in einem Heißchlorierverfahren gereinigt; es wird darauf geachtet, dass kein Cristobalit enthalten ist.
Diese Mischung wird mittels Mahlkugeln aus Quarzglas auf einem Rollenbock bei 23 U/min während einer Dauer von 3 Tagen soweit vermahlen, dass sich ein homogener Grundschlicker mit einem Feststoffgehalt von 79% bildet. Im Verlauf des Vermahlens kommt es infolge des in Lösung gehenden SiO₂ zu einer Absenkung des pH-Werts auf etwa 4.
Dem so erhaltenen homogenen, stabilen Grundschlicker wird weitere amorphe SiO₂-Körnung in Form sphärischer Teilchen mit einer Korngröße um 5 μm zugemischt, bis ein Feststoffgehalt von 84 Gew.-% erreicht ist. Die Mischung wird 12 Stunden lang in einer Trommelmühle bei einer Drehzahl von 25 U/min homogenisiert. Der so erhaltene Schlicker hat einen Feststoffgehalt von 84% und eine Dichte von etwa 2,0 g/cm³. Die nach dem Vermahlen der Quarzglaskörnung erhaltenen SiO₂-Teilchen im Schlicker 14 zeigen eine Teilchengrößenverteilung, die durch einen D₅₀-Wert von etwa 8 μm und durch einen D₉₀-Wert von etwa 40 μm gekennzeichnet ist.
Der Schlicker wird in eine Gipsform gegossen, die ein Gestell zu Aufnahme der 10 Quarzglas-Rundrohre 3a des Flächenstrahlers 1 aufweist. Unmittelbar folgend werden die vorab in Alkohol und durch chemisches Ätzen gereinigten Rundrohre 3a in die Aufnahmen eingelegt. Die Enden sind dabei mit Stopfen verschlossen. Das Gestell und die Füllhöhe des Schlickers in der Form sind so aufeinander abgestimmt, dass die in die Aufnahmen eingelegten Rundohre 3a mit etwas mehr als ihrem halben Durchmesser aus dem Schlicker herausragen.
Auf der Unterseite der Anordnung der Rundrohre 3a wird eine geschlossene Schlicker-Schicht ausgebildet, die zunächst ca. 5 Stunden bei Raumtemperatur und anschließend mittels eines IR-Strahlers an Luft getrocknet wird. Die getrocknete Schlicker-Schicht ist rissfrei und wird anschließend unter Luft in einem Sinterofen bei einer Heiztemperatur bis zu 1350°C erhitzt. Danach ist die Schlicker-Schicht vollständig gesintert und opak.
In die Rundrohre 3a wird jeweils ein Heizfilament 4 mit Anschlüssen für dessen Stromversorgung eingebaut. Die rückseitige SiO₂-Schicht 10 bewirkt eine diffuse, ungerichtete Reflexion der von den Heizstrahlern 3 ausgehenden IR-Strahlung und sie dient gleichzeitig der Fixierung der Heizstrahler 3 zueinander. Die Baueinheit aus Heizstrahlern 3 und Reflektor 10 wird im Gehäuse 2 montiert.
Der erfindungsgemäße Flächenstrahler 1 ist optional mit einer Diffusorplatte 5 ausgerüstet, deren Ausführungsformen, Eigenschaften und Wirkungen im Folgenden näher erläutert werden.
Optionale Diffusorplatte
1 zeigt in einem Abstand von 25 mm zum Flächenstrahler 1 zwischen diesem und dem zu beheizenden Gut 6 eine Diffusorplatte 5, die sich in Hauptabstrahlrichtung 7 über die beheizte Gesamtfläche des Flächenstrahlers 1 erstreckt und die ebenfalls im Gehäuse 2 gehalten wird. Die Diffusorplatte 5 setzt sich aus einer Basisplatte 8 aus opakem Quarzglas mit einer Dicke von 2 mm und einer integral mit ihr verbundenen und dem Flächenstrahler 1 zugewandten Oberflächenschicht 9 aus offenporigem Quarzglas mit einer Dicke von 0,5 mm zusammen. Die Poren der Oberflächenschicht 9 sind mit einer Goldschicht belegt.
Die Diffusorplatte 5 wird aus demselben SiO₂-Grundschlicker hergestellt wie der Reflektor 10. Je nach Grad der gewünschten Homogenisierung der Infrarotstrahlung wird sie in unterschiedlichen Ausführungsformen eingesetzt, deren Herstellung nachfolgend anhand mehrerer Verfahrensweisen beispielhaft beschrieben wird.

(a) Bei einer ersten Ausführungsform der Diffusorplatte 5 – wie schematisch in 1 dargestellt – wird zunächst die 2 mm dicke Basisplatte 8 aus dichtem aber opakem Quarzglas durch Auftragen, Trocknen und Sintern einer entsprechenden SiO₂-Schlickerschicht erzeugt. Auf die gesinterte Basisplatte 8 wird eine weitere dünne Schlickerschicht aus demselben Schlicker aufgetragen und diese durch Trocknen und Sintern bei niedriger Temperatur um 1100°C zu einem porösen, schwammartigen Material mit einer spezifischen Oberfläche (nach BET) von etwa 6 m²/g verfestigt. Die schwammartige Oberflächenschicht wird mit einer Goldemulsion (Resinat GP Q3-15% der W. C. Heraeus GmbH) getränkt und anschließend das Gold bei 800°C im Durchlaufofen umgesetzt. Dabei schlagen sich dünne Goldschichten auf den Oberflächen der offenen Poren der schwammartigen Oberflächenschicht nieder. Durch die hohe spezifische Wärmeleitfähigkeit von Gold in Verbindung mit der großen Oberfläche ergibt sich eine schnelle Aufheizung der Diffusorplatte 5.
(b) Bei einer zweiten, in 1 nicht dargestellten Ausführungsform der Diffusorplatte wird eine 2 mm dicke Platte aus opakem Quarzglas durch Auftragen, Trocknen und Sintern einer entsprechenden SiO₂-Schlickerschicht erzeugt. Das Sintern erfolgt durch eine Temperbehandlung bei einer Temperatur um 1250°C. Es wird eine porenhaltige Quarzglasplatte erhalten.
(c) Bei einer dritten, ebenfalls in 1 nicht dargestellten Ausführungsform der Diffusorplatte wird eine 2 mm dicke Platte aus offenporigem Quarzglas durch Auftragen, Trocknen und thermisches Verfestigen einer entsprechenden SiO₂-Schlickerschicht erzeugt. Das thermische Verfestigen erfolgt durch eine Temperbehandlung bei niedriger Temperatur um 1100°C. Es wird eine poröse, schwammartige Schicht mit einer spezifischen Oberfläche (nach BET) von etwa 6 m²/g erhalten.

Die Baueinheit aus Heizstrahlern 3 und Reflektor 10 wird im Gehäuse 2 montiert, ebenso die optionale Diffusorplatte 5.
Beispiel 2
Ein mittelwelliger Flächenstrahler wie anhand Beispiel 1 beschrieben, wird zusätzlich mit einer Diffusorplatte 5 ausgestattet, die im Abstand von 25 mm zur Unterseite der Heizstrahler 3 angeordnet ist. Die Diffusorplatte 5 hat eine Dicke von 2 mm und besteht aus opakem Quarzglas der Qualität „OM100” der Heraeus Quarzglas GmbH & Co. KG. Sie wird anhand eines Verfahrens erhalten, wie anhand obiger Verfahrensweise (b) erläutert.
Beim Betrieb des Flächenstrahlers 1 wird nach etwa 2 Minuten auf dem geschwärzten Stahlblech (mit Abmessungen und Abstand zum Flächenstrahler wie bei Beispiel 1) eine Temperatur von 450°C erreicht. Die Diffusorplatte selbst besitzt dabei eine Temperatur von ca. 820°C. Aufgrund der Diffusorplatte wird zwar eine geringere Maximaltemperatur auf dem Stahlblech, dafür aber ein homogeneres Bestrahlungsfeld realisiert.
Beispiel 3
Für den kompakten mittelwelligen Flächenstrahler, wie oben anhand Beispiel 1 beschrieben werden zehn Rundrohre mit einem Durchmesser von jeweils 10 mm verwendet. In jedem Rundrohr sind mittelwellige Heizfilamente eingezogen und dienen somit als Heizstrahler. Jeder Heizstrahler hat eine beheizte Länge von 520 mm, die beheizte Gesamtfläche beträgt also 520 × 100 mm² = 0,052 m². Jeder Heizstrahler besitzt eine elektrische Anschlussleistung von 800 W, insgesamt also 8 kW. Die Temperatur der Filamente der Heizstrahler beträgt ca. 965°C. Die Flächenleistung des Flächenstrahlers beträgt 8 kW/0,052 m² = 154 kW/m².
In einem Abstand von 50 mm befindet sich das Heizgut, in diesem Fall eine Scheibe aus unbeschichtetem Floatglas. An der Oberfläche der Glasscheibe ergibt sich eine nominale Bestrahlungsintensität von 100 kW/m², die zu einem raschen Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb des Erweichungspunkts (520°C) des Glases führt.
Vergleichsbeispiel 1
Ein konventionelles Infrarotstrahlermodul für kurzwellige Infrarotstrahlung umfasst neun parallel zueinander angeordnete Zwillingsrohrstrahler mit einer elektrischen Anschlussleistung von jeweils 3 kW, einer Breite von 34 mm und einer Länge von 1000 mm und einem rückseitig angebrachten Goldreflektor. Der Längsachsen-Abstand der Zwillingsrohrstrahler beträgt etwa 55 mm, und die Gesamtbreite eines Strahlermoduls demnach ca. 500 mm. Nach Anwendung der Faustformel (Abstand Strahler zum Substrat = 1.5 × Längsachsenabstand) beträgt der Mindest-Strahlerabstand zum Heizgut etwa 80 mm. Aus der Strahlerleistung 9 × 3 = 27 kW ergibt sich in diesem Abstand eine Strahlungsintensität auf dem Substrat von ca. 50 kW/m².
Beispiel 4
In ein 500 mm breites konventionelles Flächenmodul gemäß Vergleichsbeispiel 1 passen 14 Zwillingsrohr-Heizstrahler mit einem Längsachsen-Abstand von etwa 35 mm. Damit ergibt sich gemäß obiger Faustformel bei gleicher Bestrahlungsintensität über das Heizgut ein optimaler Abstand zwischen Flächenstrahler und Heizgut von nur 54 mm.
Bei einer elektrischen Anschlussleistung von jeweils 3 kW ergibt sich somit 14 × 3 = 42 kW und unter Berücksichtigung des Abstandes auf dem Substrat eine Bestrahlungsintensität von ca. 80 kW/m².
2 zeigt das Aufheizverhalten verschiedener Diffusorplatten bei Einsatz eines Flächenstrahlers gemäß Beispiel 1 und bei jeweils gleichen seitlichen Abmessungen und gleichem Abstand zum Flächenstrahler. Auf der y-Achse ist die Temperatur „T” auf der Oberfläche der Diffusorplatte in °C und auf der x-Achse ist die Bestrahlungsdauer „t” in s aufgetragen.
Die Kurve „A” zeigt das Aufheizverhalten einer Diffusorplatte 5 gemäß Beispiel 1. Diese heizt sich schnell – innerhalb etwa 120 s auf die Maximaltemperatur auf, die bei etwa 900°C liegt.
Demgegenüber wird bei Kurve „B”, die das Aufheizverhalten einer Platte aus opaker Glas-Keramik zeigt, ein langsameres Aufheizen auf die Maximaltemperatur beobachtet, die zudem etwa 125°C niedriger liegt als bei Kurve „A”. Die Maximaltemperatur von 775°C wird nach etwa 210 s erreicht.
Kurve „C” zeigt das Aufheizverhalten derselben Platte aus opaker Glas-Keramik, wenn diese zusätzlich mit Gold beschichtet ist (zur Herstellung einer gewissen Analogie zur goldhaltigen Oberflächenschicht 9 der Diffusorplatte 5 von Beispiel 1). Dabei zeigt sich ein noch langsameres Aufheizen der Diffusorplatte; das Maximum der Temperatur wird innerhalb der Heizdauer von 270 s praktisch nicht erreicht. Die innerhalb der Aufheizdauer erreichte Temperatur ist mit etwa 525°C außerdem relativ niedrig.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4789771 A [0007]
EP 0133847 A2 [0008]
DE 4202944 A1 [0009]
DE 102004051846 A1 [0011, 0016]
DE 2005025796 A1 [0038]

Claims

Flächenstrahler für Infrarotstrahlung mit hoher Strahlungsleistung pro Flächeneinheit, mit einer flächigen Strahleranordnung (1) von zwei oder mehr Heizstrahlern (3) und einem gegenüberliegend einer Abstrahlseite (11) vorgesehenen Reflektor (10), wobei die Heizstrahler (3) jeweils ein Strahlerrohr (3a) aus Quarzglas aufweisen, das ein Heizfilament (4) umgibt, und wobei die Strahlerrohe (3a) nebeneinander angeordnet und mittels eines Fixierungsmittels in dieser Anordnung fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelflächen der Strahlerrohre (3a) auf ihrer der Abstrahlfläche (11) abgewandten Seite mit einer zusammenhängenden Masse (10) aus opakem Quarzglas versehen sind, die gleichzeitig als Reflektor und als Fixierungsmittel dient.
Flächenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerrohre (3a) lang gestreckt ausgebildet und mit ihren Längsachsen parallel zueinander angeordnet sind.
Flächenstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Strahlerrohren (3a) ein Spalt mit einer Spaltweite von weniger als 1 mm verbleibt.
Flächenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlerrohre (3a) und die Heizfilamente (4) für mittelwellige Infrarot-Strahlungsemission ausgelegt sind.
Flächenstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die der Abstrahlfläche (11) zugewandte Seite der Strahlerrohre mit einer länglichen Ausnehmung, insbesondere einem Längsschlitz, versehen ist.
Flächenstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahleranordnung ein Diffusorbauteil (5) zugeordnet ist, auf die aus der Abstrahlfläche (11) emittierte Infrarot-Strahlung auftrifft.
Flächenstrahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Diffusorbauteil (5) eine Wärmespeicherschicht (9) aus porösem Quarzglas aufweist, die mit einem Füllstoff imprägniert ist, der eine auf das Volumen bezogene spezifische Wärmekapazität aufweist, die höher ist als die von Quarzglas.
Flächenstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherschicht als Oberflächenschicht (9) mit einer spezifischen Oberfläche von mindestens 1 m²/g, vorzugsweise mindestens 3 m²/g, ausgebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Flächenstrahlers für Infrarotstrahlung, umfassend folgenden Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen einer flächigen Strahleranordnung (1) von zwei oder mehr Strahlerrohren (3a) aus Quarzglas, die eine Abstrahlseite (11) und eine der Abstrahlseite gegenüberliegende Verbindungs- und Reflektorseite aufweist, (b) Bedecken der Verbindungs- und Reflektorseite mit einer Suspension, die amorphe SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen im Bereich bis maximal 500 μm in einer Flüssigkeit enthält, unter Ausbildung einer zusammenhängenden Grünkörperschicht, die die Abstrahlseite freilässt, (c) Trocknen und Sintern der Grünkörperschicht unter Bildung einer Masse (10) aus opakem Quarzglas, die gleichzeitig als Reflektor der Strahleranordnung und als Fixierungsmittel für die Strahlerrohre dient, und (d) Einziehen von Heizfilamenten in die Strahlerrohre.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bedecken der Verbindungs- und Reflektorseite erfolgt, indem die flächige Strahleranordnung (1) in einer Form in die Suspension eingebettet wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahleranordnung (1) ein Diffusorbauteil (5) zugeordnet wird, das eine Wärmespeicherschicht aus porösem Quarzglas aufweist, die mit einem Füllstoff imprägniert wird, der eine auf das Volumen bezogene spezifische Wärmekapazität aufweist, die höher ist als die von Quarzglas.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmespeicherschicht als poröse SiO₂-Oberflächenschicht (9) mit einer spezifischen Oberfläche von mindestens 1 m²/g, vorzugsweise mindestens 3 m²/g, erzeugt wird, indem ein Basisbauteil (8) aus opakem Quarzglas mit einer Suspension, die amorphe SiO₂-Teilchen mit Teilchengrößen im Bereich bis maximal 500 μm in einer Flüssigkeit enthält, beschichtet, die Schicht getrocknet und bei einer Temperatur von weniger als 1250°C zu einer porösen, schwammartigen SiO₂-Schicht verdichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die poröse, schwammartige SiO₂-Schicht (9) mit einer Edelmetall-Emulsion getränkt und die Emulsion durch Erhitzen in den Poren der SiO₂-Schicht zu Edelmetallschichten umgesetzt wird.