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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler, aufweisend einen Hüllkolben, ein innerhalb des Hüllkolbens angeordnetes Heizelement, eine innerhalb des Hüllkolbens angeordnete und mit dem Heizelement elektrisch leitend verbundene Ausgleichsfeder zum Aufprägen einer Zugspannung auf das Heizelement und eine gasdichte Abdichtung im Bereich des Hüllkolben-Endes, durch die eine Stromversorgung geführt ist.
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Infrarotstrahler umfassen ein von Strom durchflossenes, lang gestrecktes, häufig wendel- oder bandförmiges Heizelement aus einem temperaturstabilen und elektrisch leitenden Werkstoff, wie etwa aus Wolfram oder Kohlenstoff (Carbon). Die Enden des Heizelements sind mit elektrischen Anschlusselementen zur Stromversorgung versehen. Das Heizelement ist von einem stirnseitig offenen oder einem geschlossenen Hüllkolben aus einem für Infrarotstrahlen durchlässigen Werkstoff umgeben, dessen primäre Funktion der Schutz des Heizelements vor Oxidation und mechanischer Beanspruchung ist und aus dem die elektrischen Anschlusselemente über sogenannte Stromzuführungen herausgeführt sind.
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Stand der Technik
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Ein Strahler der eingangs genannten Gattung ist aus der
US 2002/0096984 A1 bekannt. Der Infrarotstrahler besteht aus einem linearen, zylindrisch-gestreckten Hüllkolben aus Quarzglas und einem bandförmigen Heizelement aus Carbon, dessen Enden mit elektrischen Anschlusselementen zur Stromversorgung über Stromzuführungsdrähte versehen sind. Darüber hinaus weist der Infrarotstrahler eine Spiralfeder auf, die im Hüllkolben angeordnet ist und deren Durchmesser nahe an den Innendurchmesser des Hüllkolbens angepasst ist. Die Spiralfeder wird zur Aufprägung einer Zugspannung am Heizelement verwendet.
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Aus der
DE 199 17 270 A1 ist ein Infrarotstrahler mit einem linearen, zylindrischen Hüllkolben bekannt, bei dem ein innerhalb des Hüllkolbens angeordnetes Heizelement mit einer Ausgleichsfeder in Form eines gefalteten Molybdänblechs elektrisch leitend verbunden ist. Die Ausgleichsfeder ermöglicht kleine Hüllkolbendurchmesser und wird zum Kompensieren von Längenänderungen in der Strahlungsquelle verwendet.
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Die Herstellung linearer Strahler umfasst das Bereitstellen eines Hüllkolbens, das Herstellen eines Ensembles aus Heizelement, Ausgleichsfeder und elektrischem Anschlusselement, sowie das Einführen des Ensembles in den Hüllkolben und das Herstellen einer gasdichten Abdichtung durch Erzeugen einer Quetschung des Hüllkolbens, wobei das elektrische Anschlusselement in die Quetschung eingebettet wird.
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Bedingt durch den sperrigen elektrischen Anschluss kann der Einsatz von Infrarotstrahlern mit einem linearen, gestreckten Hüllkolben insbesondere in schwer zugänglichen oder beengten Räumen nachteilig sein. Dabei ist auch zu beachten, dass die Bereiche um die elektrischen Anschlüsse unbeheizt sind. Sie verursachen einen unbeleuchteten Strahlerlängenabschnitt, was insbesondere bei einer flächenhaften Aneinanderreihung von Infrarotstrahlern zu einer Verringerung der Leistungsdichte führen kann. Diesen Nachteil vermeiden abgewinkelte Infrarotstrahler, mit denen sich in der Abstrahlebene vergleichsweise kurze unbeheizte Strahlerlängenabschnitte realisieren lassen.
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In der
DE 1 589 271 A ist eine elektrische Glühlampe mit einem U-förmigen Hüllkolben offenbart, bei der in einem Schenkel des Hüllkolbens Stromzuleitungsstifte verlaufen, die über einer Feder abgestützt werden. Die Feder soll zur Verringerung der Gefahr eines Hüllkolbenbruchs dienen.
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Abgewinkelte Infrarotstrahler werden beispielsweise in Infrarot-Flächenstrahlern zum Polymerisieren von Kunststoffen, zum Aushärten von Lacken oder dem Trocknen von Farben eingesetzt. Es sind Flächenstrahler bekannt, bei denen der Hüllkolben in der Abstrahlebene mehrfach abgewinkelt ist, spiralförmig oder mäanderförmig verläuft.
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Allerdings sind abgewinkelte Infrarotstrahler, bei denen der Hüllkolben mehrere Hüllkolbenbögen aufweist, aufwändig zu fertigen. Beim Einführen des Ensembles aus Heizelement, Ausgleichsfeder und elektrischem Anschlusselement ergibt sich die Schwierigkeit, das Ensemble exakt und reproduzierbar zu positionieren und eine Verdrehung (Torsion) der Ausgleichsfedern und damit des Heizelements zu vermeiden.
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Besonders problematisch ist dabei die Positionierung eines Ensembles, das zwei oder mehr Ausgleichfedern aufweist. Die Hauptauslenkung der vorderen Ausgleichsfedern erfolgt in Richtung der Federachse, dennoch ist gleichzeitig auch eine Verdrehung der Ausgleichsfeder (Torsion) und damit des Heizelements beim Einführen in den Hüllkolben möglich. Die vordere Ausgleichsfeder wird dabei zusammengepresst, so dass diese die exakte und reproduzierbare Positionierung der folgenden Ausgleichsfedern erschwert.
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Technische Aufgabe
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für einen abgewinkelten Infrarotstrahler ein flexibles Bauteil zum Aufprägen einer Zugspannung auf das Heizelement anzugeben, das geeignet ist,
- a) das Heizelement innerhalb des Hüllkolbens exakt zu positionieren,
- b) das Heizelement auszurichten, wobei eine Verdrehung desselben vermieden wird,
- c) die Zugspannung auf das Heizelement reproduzierbar einzustellen, und
- d) einen einfachen und kostengünstigen Herstellungsprozess zu ermöglichen.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Infrarotstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in einem Hüllkolben mit Hüllkolbenbogen die Ausgleichsfeder im Bereich des Hüllkolbenbogens angeordnet ist und mit einem biegsamen Überbrückungselement verbunden ist.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung bei einem abgewinkelten Infrarotstrahler, der einen gebogenen Hüllkolben aufweist. Der Hüllkolben kann einen Hüllkolbenbogen oder mehrere Hüllkolbenbögen umfassen. Bei derartigen Infrarotstrahlern kann das Heizelement nahe an den Hüllkolbenbogen herangeführt werden, so dass sich im gestreckten Längenabschnitt eine kurze unbeleuchtete Strahlerlänge und damit einhergehend eine hohe Leistungsdichte realisieren lässt. Ferner ist es möglich, mehrere Hüllkolben parallel zueinander und nebeneinander anzuordnen, so dass ein Flächenstrahler erhalten wird, der bei geringem Flächenbedarf eine große Leuchtfläche aufweist.
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Beim erfindungsgemäßen Infrarotstrahler ist eine Ausgleichsfeder vorgesehen, die mit einem biegsamen Überbrückungselement verbunden ist. Das biegsame Überbrückungselement wird im Bogen des Hüllkolbens angeordnet und kann als Draht oder flächenhaft, beispielsweise als Metallband, ausgebildet sein. Wesentlich ist, dass seine Biegsamkeit derart ist, dass eine gebogene Anordnung im Hüllkolben-Bogen ermöglicht wird. Das Überbrückungselement kann die gesamte Ausgleichsfeder oder ein Teil derselben umspannen. Es ist einteilig ausgebildet oder aus mehreren, starr miteinander verbundenen Teilen gefertigt. Außerdem können mehrere biegsame Überbrückungselemente mit der Ausgleichsfeder verbunden sein.
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Die Ausgleichsfeder verursacht einen unbeleuchteten Strahlerlängenabschnitt. Durch die Anordnung der Ausgleichsfeder im Bereich des Hüllkolbenbogens kann der unbeleuchtete Strahlerlängenabschnitt aus dem gestreckten Längenabschnitt herausgeführt und in den Bogen verlagert werden, so dass das Heizelement nahe an den Hüllkolbenbogen herangeführt und die effektive Strahlerlänge in der Abstrahlebene gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten, gestreckten Ausführungsform vergrößert wird.
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Die Ausgleichsfeder mit Überbrückungselement ist das zentrale Bauteil des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers. Durch sie wird das Heizelement im Hüllkolben zentriert, örtlich fixiert und eine Zugspannung auf das Heizelement aufgeprägt. Darüber hinaus kann die Ausgleichsfeder als elektrisch leitendes Verbindungselement im Rahmen der Stromversorgung des Heizelements verwendet werden.
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Durch die Überbrückung der Ausgleichsfeder und die Verbindung mit dem Überbrückungselement wird diese örtlich fixiert, sobald das Überbrückungselement fixiert ist. Außerdem wird einer Verdrehung der Federenden gegeneinander entgegengewirkt, wodurch die Herstellung des Infrarotstrahlers vereinfacht wird.
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Darüber hinaus erleichtert die Überbrückung der Ausgleichsfeder die Voreinstellung der Federkraft und damit die reproduzierbare Einstellung der Zugspannung, die auf das Heizelement aufgeprägt werden soll.
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Im einfachsten Fall ist das biegsame Überbrückungselement parallel zur Mittenachse der Ausgleichsfeder angeordnet und mit der Ausgleichsfeder an mindestens zwei Punkten mechanisch verbunden.
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Durch die mechanische Verbindung des biegsamen Überbrückungselements mit der Ausgleichsfeder an mindestens zwei Punkten wird der Auslenkungsbereich der Ausgleichsfeder zwar begrenzt, es ergibt sich aber eine exakte und reproduzierbare Positionierung von Überbrückungselement und Ausgleichsfeder zueinander. Außerdem wirkt die Biegung des Überbrückungselements infolge seiner Anordnung im Hüllkolbenbogen einer Verdrehung der Federenden gegeneinander entgegen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das biegsame Überbrückungselement in der Auslenkungsrichtung der Ausgleichsfeder eine geringere Auslenkbarkeit als die Ausgleichsfeder aufweist.
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Ein biegsames Überbrückungselement, das in der Auslenkungsrichtung der Ausgleichsfeder eine geringere Auslenkbarkeit als die Ausgleichsfeder aufweist, wirkt nicht nur einer Verdrehung der Federenden entgegen, sondern begrenzt gleichzeitig die Auslenkbarkeit der Ausgleichsfeder. Durch das biegsame Überbrückungselement kann sowohl die Federkraft als auch der Federweg der Ausgleichsfeder eingestellt werden.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Ausgleichsfeder ein gefaltetes Metallband ist und eine Dicke im Bereich von 0,05 mm bis 0,5 mm aufweist.
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Ein gefaltetes Metallband ist einfach zu fertigen und im Hüllkolbenbogen zu positionieren. Darüber hinaus lassen gefaltete Metallbänder eine Verdrehung der Federenden nur in geringem Maße zu, wodurch einer Verdrehung (Torsion) des Heizelements entgegengewirkt und die Positionierung desselben im Hüllkolben erleichtert wird. In Verbindung mit dem gefalteten Metallband erfüllt das Überbrückungselement im Wesentlichen die Funktionen, das exakte Positionieren im Hüllkolbenbogen zu vereinfachen und eine übermäßige Auslenkung der Ausgleichsfeder zu verhindern. Eine Ausgleichsfeder, die aus einem Metallband mit einer Dicke von weniger als 0,05 mm gefertigt ist, begrenzt den Betriebsstrom des Infrarotstrahlers und damit dessen Leistung. Eine Ausgleichsfeder, die aus einem Metallband mit einer Dicke von mehr als 0,5 mm gefertigt ist, führt zu höheren Herstellungskosten. Sie weist im nicht ausgelenkten Zustand typischerweise eine Länge im Bereich von 5 mm bis 35 mm auf. Vorzugsweise weist die Ausgleichfeder eine Länge im Bereich von 15 mm bis 25 mm auf.
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Eine alternative und gleichermaßen bevorzugte Variante des Infrarotstrahlers sieht vor, dass die Ausgleichsfeder aus einem spiralförmigen Metalldraht gefertigt ist, der eine Dicke im Bereich von 0,5 mm bis 1,5 mm aufweist.
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Eine Ausgleichsfeder, die aus spiralförmigem Metalldraht gefertigt ist, ist einfach zu fertigen. Typischerweise weist die unausgelenkte Ausgleichsfeder eine Länge im Bereich von 5 mm bis 35 mm, vorzugsweise im Bereich von 15 mm bis 25 mm, auf. Eine Ausgleichsfeder, die aus einem Metalldraht mit einer Dicke von weniger als 0,5 mm gefertigt ist, begrenzt den Betriebsstrom des Infrarotstrahlers und damit dessen Leistung. Eine Ausgleichsfeder, die aus einem Metalldraht mit einer Dicke von mehr als 1,5 mm gefertigt ist, führt zu höheren Herstellungskosten.
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Es hat sich bewährt, wenn die Ausgleichsfeder ein Ende aufweist, in dem eine Bohrung zur elektrischen und mechanischen Verbindung mit dem Heizelement vorgesehen ist.
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Die Verbindung zwischen Feder und Heizelement erfolgt unmittelbar oder mittelbar unter Einsatz eines Zwischenelements. Zur elektrischen und mechanischen Verbindung der Ausgleichsfeder mit dem Heizelement weist die Ausgleichsfeder eine oder mehrere Bohrungen auf. Eine einfache und flexible elektrische und mechanische Verbindung der Ausgleichsfeder mit dem Heizelement wird beispielsweise über einen in die Bohrung eingehängten Haken gewährleistet. Hierzu kann das Ende des Heizelements als Verbindungselement, beispielsweise als Haken, ausgebildet sein, der in die Bohrung der Ausgleichsfeder eingehängt wird.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Ausgleichsfeder aus Molybdän, Wolfram oder einer Basislegierung dieser Metalle gefertigt ist.
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Ausgleichsfedern aus Molybdän, Wolfram oder einer Basislegierung dieser Metalle zeichnen sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit aus. Die Ausgleichsfeder kann aus einem oder aus mehreren Werkstoffen bestehen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ausgleichsfeder einen Federweg im Bereich von 5 mm bis 25 mm, vorzugsweise im Bereich von 10 mm bis 20 mm, aufweist.
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Zur Spannung des Heizelements wird eine bestimmte Kraft benötigt. Die Federkonstante ist so ausgelegt, dass sich bei den typischen am Heizelement wirkenden Zugkräften ein Federweg im Bereich von 5 mm bis 25 mm, vorzugsweise im Bereich von 10 mm bis 20 mm, ergibt. Bei einer Ausgleichsfeder mit einem Federweg von weniger als 5 mm ist die Fehlertoleranz des Infrarotstrahlers in Bezug auf Abweichungen bei Abmessungen und Montagefehlern gering. Bei einer Ausgleichsfeder mit einem Federweg von mehr als 25 mm ist zwar die Fehlertoleranz des Infrarotstrahlers in Bezug auf Abweichungen bei Abmessungen und Montagefehlern groß, es können sich aber große unbeleuchtete, abgewinkelte Bereiche des Hüllkolbens ergeben.
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Die Länge der unausgelenkten Ausgleichsfeder hat Einfluss auf die Länge der unbeleuchteten, abgewinkelten Bereiche des Hüllkolbens. Sie ist daher so kurz wie möglich, aber so lang wie nötig, um eine einfache und reproduzierbare Fertigung des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers zu gewährleisten. In dem Zusammenhang hat es sich bewährt, wenn die unausgelenkte Ausgleichsfeder eine Länge im Bereich von 5 mm bis 35 mm, vorzugsweise im Bereich von 15 mm bis 25 mm aufweist.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das biegsame Überbrückungselement aus Molybdän, Wolfram oder einer Basislegierung dieser Metalle gefertigt ist.
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Biegsame Überbrückungselemente aus Molybdän, Wolfram oder einer Basislegierung dieser Metalle zeichnen sich durch eine hohe Temperaturbeständigkeit aus.
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Es hat sich als günstig erwiesen, wenn das biegsame Überbrückungselement ein drahtförmiges Überbrückungselement mit einer Länge im Bereich von 15 mm bis 55 mm und einem Durchmesser von 0,5 mm bis 1,5 mm ist oder das biegsame Überbrückungselement ein Metallband ist, das eine Länge im Bereich von 15 mm bis 55 mm, eine Breite im Bereich von 5 mm bis 15 mm und eine Dicke im Bereich von 0,05 mm bis 0,5 mm aufweist.
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Bei einem biegsamen Überbrückungselement mit einer Länge von weniger als 15 mm verliert sich der Einfluss des Überbrückungselements auf die exakte Positionierbarkeit des Heizelements. Bei einem biegsamen Überbrückungselement mit einer Länge von mehr als 55 mm können sich große unbeleuchtete, abgewinkelte Bereiche des Hüllkolbens ergeben. Ist das biegsame Überbrückungselements als Metalldraht ausgebildet, begrenzt ein Drahtdurchmesser von weniger als 0,5 mm die mechanische Stabilität. Ein Drahtdurchmesser von mehr als 1,5 mm führt zu höheren Herstellungskosten und ist kaum noch biegsam. Ist das biegsame Überbrückungselement ein Metallband, muss die Breite des Metallbandes geringer als der Innendurchmesser des Hüllkolbens sein. Das Metallband liegt mit seinen Längskanten an der Innenwandung des Hüllkolbens an. Ist die Dicke des Metallbandes geringer als 0,05 mm, kann das Metallband hohen Federkräften nicht standhalten. Ist die Dicke des Metallbandes größer als 0,5 mm verliert sich die Biegsamkeit des Metallbandes.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das biegsame Überbrückungselement eine Länge hat, die der der Ausgleichsfeder im nicht ausgelenkten Zustand entspricht.
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Ein die Ausgleichsfeder umspannendes Überbrückungselement kann einfach und kostengünstig mit der Ausgleichsfeder verbunden werden, wenn die Ausgleichsfeder und das biegsame Überbrückungselement die gleiche Länge aufweisen.
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Infrarotstrahler, bei denen der Hüllkolben mehrere Hüllkolbenbögen aufweist, sind bisher besonders aufwändig zu fertigen. Die erfindungsgemäße Ausgleichsfeder eignet sich besonders für die Herstellung mehrfach abgewinkelter Infrarotstrahler.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt in schematischer Darstellung:
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1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers mit zwei Hüllkolbenbögen in einem Ausschnitt.
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1 zeigt schematisch einen Abschnitt des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers, dem insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet ist. Der Infrarotstrahler 1 ist als Zwillingsrohrstrahler ausgebildet. Er besteht aus einem im Querschnitt achtförmigen Hüllkolben 2 aus Quarzglas, der zwei Teilräume umschließt, die durch einen Mittelsteg voneinander getrennt sind. In der Querschnittszeichnung von 1 ist lediglich einer der Teilräume dargestellt. Weiterhin weist der Infrarotstrahler ein Heizelement 3 und eine Ausgleichsfeder 4, die mit einem biegsamen Überbrückungselement 5 verbunden ist, auf. Der Bereich zur gasdichten Abdichtung 9 des Hüllkolbens 2 ist mit gestrichelten Linien angedeutet.
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Der Hüllkolben 2 des abgewinkelten Infrarotstrahlers 1 weist zwei Hüllkolbenbögen auf. Der Mittenachse des Strahlers ist die Bezugsziffer 10 zugeordnet. Zur Vereinfachung ist nur ein Ende des Hüllkolbens 2 dargestellt. Das andere Ende des Hüllkolbens 2 ist genauso ausgebildet. Der Hüllkolben ist mit Argon gefüllt. In einer alternativen Ausführungsform ist der Hüllkolben mit einem Argongemisch gefüllt oder evakuiert.
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Als Heizelement 3 ist eine Wendel aus Wolfram vorgesehen, die durch Stützringe 7 im Hüllkolben 2 gehaltert wird. Die Enden des Heizelements 3 sind als Haken 6 ausgebildet und werden zur mechanischen und elektrischen Verbindung mit der Ausgleichsfeder 4 verwendet, die an ihren Enden Bohrungen (nicht dargestellt) zur Aufnahme der Haken 6 aufweist. In einer alternativen Ausführungsform ist das Heizelement ein Carbonband (nicht dargestellt).
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Die Ausgleichsfeder 4 ist ein gefaltetes Metallband aus Molybdän. Sie ist im Bereich ihrer Enden mit dem biegsamen Überbrückungselement 5, einem flexiblen Metallband aus Molybdän, verschweißt.
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Die Ausgleichsfeder 4 ist aus einem Metallband gefertigt. Im ungefalteten Zustand, weist das Metallband eine Länge Von 300 mm, eine Breite von 10 mm und eine Dicke von 0,1 mm auf. Das Überbrückungselement 5 weist eine Länge von 30 mm und eine Breite von 10 mm auf. Die Dicke des Überbrückungselements beträgt 0,1 mm.
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Die gasdichte Abdichtung 9 des Hüllkolbens 2 wird durch eine sogenannte „Quetschung” erreicht, durch die hindurch die Stromzuführung in das Quarzglas-Hüllrohr 2 geführt wird.
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Die Stromzuführung besteht aus einem äußeren Stromzuführungsdraht 12, einem inneren Stromzuführungsdraht 11 und einer Molybdän-Folie 8. Der innere Stromzuführungsdraht 11 ragt in den Hüllkolben 2 hinein und wird zur elektrischen Kontaktierung der Ausgleichsfeder 4 beziehungsweise mittelbar zur Kontaktierung des Heizelements 3 verwendet. Das Ende der inneren Stromzuführungsdrahtes 11 ist als Haken 6 ausgeführt. Die Ausgleichsfeder 4 weist Bohrungen zum Einhaken des Hakens 6 auf. Der äußere Stromzuführungsdraht wird zur Kontaktierung einer elektrischen Anschlussleitung verwendet. Um die Montage zu erleichtern, ist auch das Ende des äußeren Stromzuführungsdrahtes 12 als Haken 6 ausgebildet, der zur flexiblen Verbindung mit einem Montagewerkzeug (nicht dargestellt) verwendet werden kann.
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Der Infrarotstrahler zeichnet sich durch eine Nominal-Leistung von 4.000 W (bei einem nominalen Lampenstrom von 17 A), eine Gesamtstrahlerlänge von 70 cm und eine effektive Strahlerlänge von 60 cm. Der Außenabmessungen des Hüllkolbens des Zwillingsrohrstrahlers betragen 34 × 14 mm.
