DE102013113600A1

DE102013113600A1 - Prüfvorrichtung und hochfokussierende Heizvorrichtung zur Erzeugung hoher Wärmestromdichten

Info

Publication number: DE102013113600A1
Application number: DE102013113600.1A
Authority: DE
Inventors: Marcus Thiele; Uwe Gampe
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-06-11
Anticipated expiration: 2033-12-07
Also published as: DE102013113600B4

Abstract

Der Erfindung, die eine Heizvorrichtung zur Erhitzung von Probekörpern für Werkstoffuntersuchungen, bauteilähnlichen Probekörpern oder Bauteilen, insbesondere für thermische, mechanische oder thermo-mechanische Belastungsversuche betrifft, umfasst eine Mehrzahl hochfokussierender Lichtführungseinrichtungen zur Erzeugung hoher Wärmestromdichten mit jeweils einer Lichtquelle, einen kompakten abschnittsweise elliptisch ausgebildeten Reflektor mit zwei Brennpunkten sowie einen Lichtleiter mit einem Lichteintrittsbereich und einem Lichtaustrittsbereich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine derartige Heizvorrichtung anzugeben, die eine sehr hohe definierbare Energie- und Wärmestromdichte homogen auf einer definierten Fläche abgibt, wobei der Anteil der nutzbaren Energie erhöht ist und die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Die Aufgabe wird durch eine Heizvorrichtung gelöst, bei welcher der zweite Brennpunkt im Lichteintrittsbereich angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung zur Erhitzung von Probekörpern für Werkstoffuntersuchungen, bauteilähnlichen Probekörpern oder Bauteilen, insbesondere für thermische, mechanische oder thermo-mechanische Belastungsversuche, umfassend eine Mehrzahl hochfokussierender Lichtführungseinrichtungen zur Erzeugung hoher Wärmestromdichten mit jeweils einer Lichtquelle, einem kompakten abschnittsweise elliptisch ausgebildeten Reflektor mit zwei Brennpunkten sowie einem Lichtleiter mit einem Lichteintrittsbereich und einem Lichtaustrittsbereich, wobei die Lichtquelle im ersten Brennpunkt und der Lichtaustrittsbereich an einem Strahlungsraum angeordnet ist.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Prüfmaschine mit einer solchen Heizvorrichtung.
Neben Untersuchungen bei Raumtemperatur sind eine Vielzahl unterschiedlicher Versuche bekannt, die bei zur Raumtemperatur erhöhten Temperaturen durchgeführt werden. Hierzu zählen beispielsweise Warmzugversuche, Versuche zu niederzyklischer oder hochzyklischer Ermüdung, Kriechversuche aber auch Versuche zur thermo-mechanischen Ermüdung.
Die zu untersuchenden Probekörper oder Bauteile können dabei bezüglich ihrer physikalischen und geometrischen Eigenschaften sehr unterschiedlich ausgebildet sein. Probekörper für Werkstoffuntersuchungen weisen häufig eine einfache Geometrie auf, um grundlegende werkstofftechnische Zusammenhänge zu untersuchen. So sind zylindrische Probekörper aber auch Probekörper mit anderen Querschnitten, wie beispielsweise Flachzugproben mit rechteckigem Querschnitt bekannt. Desweiteren unterscheiden sich Probekörper auch hinsichtlich ihrer Größen, insbesondere in ihrem kritischen Querschnitt, d.h. in dem Querschnitt, der die höchste Versagenswahrscheinlichkeit aufweist. In Abhängigkeit vom Untersuchungsziel können beispielsweise Durchmesser von Probekörpern mit zylindrischem Querschnitt um bis zu vier Größenordnungen differieren, gleiches gilt für Probekörper mit anderen Querschnitten. Im kritischen Querschnitt können überdies Spannungskonzentrationsstellen, beispielsweise in Form von Kerben, angeordnet sein. Zudem ist bekannt, Versuche mit Probekörpern durchzuführen, bei denen die Probekörper ein auf ihrer Oberfläche abgeschiedenes Schichtsystem aufweisen. Ein solches Schichtsystem kann etwa Korrosionsschutzschichten oder thermische Schutzschichten, sogenannte Thermal Barrier Coatings (TBC) aufweisen.
Neben diesen standardisierten und teils genormten Probekörpern sind auch bauteilähnliche Probekörper bekannt, die eine komplexere Geometrie aufweisen und zumindest einen kritischen Abschnitt eines wahren Bauteils repräsentieren. Solche Probekörper können wesentlich größer sein als standardisierte Probekörper.
Schließlich sind auch Versuche mit seriennahen oder Serienbauteilen bekannt, deren Geometrie und Größe von Fall zu Fall sehr unterschiedlich sein kann.
Vor dem Hintergrund dieses großen Spektrums unterschiedlicher Probekörper und Bauteile und deren Eigenschaften sind eine Vielzahl unterschiedlicher Prinzipien zur Beheizung eines solchen Probekörpers oder Bauteils bekannt.
Grundsätzlich können hierbei drei Gruppen von Heizvorrichtungen unterschieden werden. Es sind konvektiv arbeitende Heizvorrichtungen für Probekörper bekannt, bei denen der Probekörper durch Wärmeübertragung eines ihn umgebenden oder umströmenden Mediums aufgeheizt wird. Desweiteren sind Heizvorrichtungen bekannt, mittels derer der Probekörper direkt aufgeheizt werden kann, beispielsweise als Widerstandsheizung oder als Induktionsheizung. Schließlich wird die dritte Gruppe durch Heizvorrichtungen gebildet, die den Probekörper mittels Strahlung, beispielsweise thermischer Strahlung (Wärmestrahlung), aufheizen.
Bei den auf Strahlung basierenden Heizvorrichtungen zur Erhitzung von Probekörpern oder Bauteilen können wiederum zwei Gruppen differenziert werden. Zum einen sind indirekt erwärmte Strahler bekannt. Bei diesen wird der Strahler durch eine zusätzliche Energiequelle erwärmt, keramische Körper etwa durch eine Widerstandsheizung oder metallische Strahler beispielsweise durch Induktion. Zum anderen sind Strahler in Form von Lichtquellen, beispielsweise Lampen, Entladungslampen, LEDs, Lasern oder Elektronenstrahlquellen bekannt, die die eingebrachte Energie direkt in Wärmestrahlung oder andere energetische Strahlung umwandeln.
Bei der Beheizung durch Lichtquellen sind diese um den Probekörper herum angeordnet, wobei die Strahlung zusätzlich durch geeignete Reflektoren möglichst stark auf die Probenoberfläche konzentriert wird.
Standardisierte Probekörper weisen eine Anfangsmesslänge L₀, als Bezugsgröße für spätere Berechnung ausgewählter Werkstoffkennwerte, als auch eine Versuchslänge L_c auf, wobei L₀ kleiner ist als L_C. Die Gesamtlänge L_t des Probekörpers ergibt sich aus der Versuchslänge L_c und jeweils der Kopfhöhe der Einspannköpfe des Probekörpers, zum Einspannen der Probe in Probenaufnahme einer Prüfmaschine.
Die Ausbildung und Anordnung der Lichtquellen um den Probekörper herum muss dabei so erfolgen, dass die Probekörperoberfläche im Bereich der Anfangsmesslänge L₀ homogen während zumindest eines Teils der Versuchszeit beheizt wird. Durch die homogene Beheizung wird eine im Wesentlichen gleichmäßige Temperaturverteilung im Bereich der Anfangsmesslänge erzielt, wodurch thermisch induzierte Spannungen, welche das Versuchsergebnis fehlerhaft beeinflussen würden, minimiert werden können. Aufgrund der geometrischen Ausdehnung des Probekörpers als auch der Beheizung der Probekörperoberfläche, können Wärmeströme von der beheizten Oberfläche hin zur Probekörpermitte als auch von der Probekörpermitte hin zu den Einspannköpfen nicht in Gänze verhindert werden. Dies gilt auch für den stationären, d.h. den thermisch eingeschwungenen Zustand, in dem der eigentliche Versuch durchgeführt wird.
Eine typische Anordnung von Lichtquellen ist aus DE 298 04 666 U1 bekannt. Die darin offenbarte Reflektoranordnung für eine Infrarotheizung, umfasst dabei ein quaderförmig ausgebildetes Gehäuse mit darin angeordneten linienförmigen Lichtquellen. Die Innenseite des Gehäuse kann zur Steigerung des Reflexionsgrades poliert oder vergoldet ausgeführt sein. Weiterhin ist eine Reflektorkühlung mit einem flüssigen Medium vorgesehen. Typischerweise werden die beschriebenen Reflektoranordnungen paarweise um einen Probekörper herum angeordnet, wobei die linienförmigen Lichtquellen nicht parallel, sondern senkrecht zur Längsachse des Probekörpers angeordnet sind. Besonders nachteilig an dieser Reflektoranordnung ist, dass die Strahlung der Lichtquellen von den reflektierenden Oberflächen des Inneren des Gehäuses lediglich diffus reflektiert, jedoch nicht konzentriert wird, so dass die Strahlung bei Austritt aus einer rechteckigen Öffnung des Gehäuses, dieses mehr oder minder inhomogen verlässt. Demnach trifft die Strahlung inhomogen auf den Probekörper, was zu den oben beschriebenen thermisch induzierten Spannungen führen kann. Durch die Anordnung der Lichtquellen senkrecht zur Längsachse des Probekörpers und die fehlende Fokussierung der Strahlung der Lichtquelle, wird eine nur geringe Wärmestromdichte auf der Probekörperoberfläche erreicht. Die zum Probekörper tangentiale Ausdehnung der Lichtquellen ist vor allem bei sehr kleinen, sogenannten Miniaturprobekörpern, unverhältnismäßig groß im Vergleich zur Anfangsmesslänge, wodurch eine nur unzureichende Effektivität der Heizvorrichtung erreicht wird.
Aus diesen Gründen sind auch Heizvorrichtungen bekannt, die einen Reflektor aufweisen, welcher ebenfalls zur Fokussierung der Strahlung der Lichtquelle geeignet ist. Dabei ist die minimal fokussierbare Fläche durch die Größe des strahlungsabgebenden oder strahlungsaussendenden Teils der Lichtquelle festgelegt. Für eine Glühlampe oder Halogenglühlampe wäre dies mithin der glühende Teil des Wolframfilaments im Inneren des Glaskolbens der Glühlampe oder Halogenglühlampe. Desweiteren wird durch die Größe der Lichtquelle als solches, bei einer Glühlampe dementsprechend der Glaskolben mit dem Sockel, der konstruktiv minimale Abstand zum Probekörper festgelegt. Da aber mit zunehmendem Abstand der Lichtquelle vom Probekörper die maximal erreichbare Fokussierung und damit die maximal erreichbare Energie- und Wärmestromdichte sinkt, sind bisherige Heizvorrichtungen in ihrer maximal erreichbaren Energiedichte beschränkt.
Es ist bekannt, Ellipsen als Reflektoren zu verwenden, um Strahlung von einer Strahlungsquelle, die in dem ersten Brennpunkt der Ellipse angeordnet ist, in den zweiten Brennpunkt der Ellipse zu reflektieren. Neben der Anwendung in der Energietechnik, beispielsweise zur Fokussierung der Sonnenstrahlung in solarthermischen Kraftwerken, sind auch Anwendungen aus der Projektionstechnik, beispielsweise von DLP-Projektoren (digital light processing), bekannt.
Weiterhin ist bekannt, Strahlung durch sogenannte Lichtleiter von einem Ende des Lichtleiters zum anderen Ende des Lichtleiters zu übertragen. Die Lichtleitung wird dabei durch Reflexion an der Grenzfläche des Lichtleiters entweder durch Totalreflexion aufgrund eines geringeren Brechungsindex des den Lichtleiter umgebenden Mediums oder durch Verspiegelung der Grenzfläche erreicht. Lichtleiter sind beispielsweise in Form flexibler Glasfasern aus der Infrastruktur von Telekommunikations- und Datennetzen bekannt.
Die Anordnung einer Lichtquelle in räumlicher Nähe zu einem Ellipsoiden Reflektor sowie einem zusätzlichen Lichtleiter ist beispielsweise in DE 10 2004 028 714 A1 offenbart. Darin wird eine thermische Behandlungsvorrichtung für SiC-Substrate offenbart, wobei das flächige Substrat schnell und gleichmäßig auf Temperaturen bis zu 1200 °C erhitzt werden kann. Das Substrat ist hierbei auf einem leitfähigen Substrathalter in einer Vakuumkammer angeordnet. Die Lichtquelle ist im Inneren eines Reflektorraumes angeordnet, wobei dieser Reflektorraum beidseits durch einen ellipsoiden Reflektor abgeschlossen ist. An einem der Ellipsoiden ist ein Ende einer Infrarotwellenleiter-Quarzsäule angeordnet, deren anderes Ende in der Vakuumkammer angeordnet ist. Die Behandlungsvorrichtung umfasst weiterhin eine Hochfrequenzwicklung um den Substrathalter herum. Die Homogenität der Erhitzung des Substrates wird dadurch erreicht, dass Randbereiche des Substrates stärker durch die induktive Heizvorrichtung und das Zentrum des Substrates stärker durch die Wärmestrahlung der Lichtquellen erhitzt wird.
Nachteilig an der beschriebenen Anordnung ist, dass ein Großteil der von der Lichtquelle abgegebenen Strahlung, von dem der Lichtquelle gegenüberliegenden Ellipsoiden, wieder zu dieser zurückreflektiert wird. Hierdurch wird einerseits der Reflektor übermäßig erwärmt und andererseits die Wärmestromdichte auf dem Substrat reduziert. Weiterhin nachteilig ist, dass der Lichtleiter als massive Quarzsäule ausgebildet ist, wobei durch deren Aufheizung die zur Verfügung stehende Energie der Lichtquelle weiter reduziert wird und die zur Verfügung stehende Wärmestromdichte abnimmt. Die Anordnung von Lichtquellen und Reflektoren ist nicht geeignet, um eine homogene Erhitzung eines Substrates zu erreichen, da hierzu stets die gleichzeitige Benutzung einer induktiven Heizvorrichtung notwendig ist.
Eine weitere Heizvorrichtung mit ellipsoiden Reflektoren sowie Lichtleitern ist in WO 2013/081 107 A1 beschrieben. Darin wird eine Heizvorrichtung, geeignet für die Züchtung eines Einkristalls, offenbart. Ein Kristallkeim des zu züchtenden Einkristalls ist in einer Quarzröhre angeordnet. Zur Erhitzung sind bis zu drei der folgenden Anordnungen gleichmäßig verteilt um das zentrale und vertikal ausgerichtete Quarzrohr vorgesehen. Jede der Anordnungen umfasst eine Lichtquelle die im ersten Brennpunkt eines ersten ellipsoiden Reflektors angeordnet ist, wobei der zweite Brennpunkt des ersten ellipsoiden Reflektors im ersten Brennpunkt eines zweiten ellipsoiden Reflektors angeordnet ist. Der zweite Brennpunkt des zweiten ellipsoiden Reflektors wiederrum kann im Bereich des Kristallkeims liegen. Die Hauptachse des zweiten ellipsoiden Reflektors schließt einen Winkel mit der Mittelachse der zentralen Quarzröhre ein, der kleiner als der rechte Winkel ist. Durch diese Schrägstellung des zweiten ellipsoiden Reflektors wird eine besonders große Schnittfläche zwischen dem zweiten ellipsoiden Reflektor und der zentralen Quarzröhre gebildet. So wird der Bereich des Kristallkeims aufgrund seiner Lage im zweiten Brennpunkt des zweiten ellipsoiden Reflektors stark aufgeheizt, der Bereich über dem Kristallkeim jedoch ebenfalls durch den Bereich der eben beschriebenen Schnittfläche bestrahlt, so dass der Temperaturgradient des Einkristalls während dessen Abkühlung weniger stark ist.
Zwar wird die Strahlung der Lichtquelle zunächst von dem ersten ellipsoiden Reflektor konzentriert, jedoch ist die offenbarte Anordnung so ausgelegt, dass der überwiegende Teil der Strahlung den zweiten ellipsoiden Reflektor in einer Richtung senkrecht zur Mittelachse des zentralen Quarzzylinders verlässt. Die Strahlung tritt demnach weder homogen noch hochfokussiert in den Bereich der Quarzsäule ein. Vielmehr soll ein großer Bereich des Einkristalls in axialer Richtung der Quarzsäule beheizt werden, um den Temperaturgradient des Einkristalls in diesem Bereich zu verkleinern und mithin die Bildung des Einkristalls zu ermöglichen und zu begünstigen.
Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Heizvorrichtung zur Erhitzung von Probekörpern für Werkstoffuntersuchungen, bauteilähnlichen Probekörpern oder Bauteilen anzugeben, die eine sehr hohe definierbare Energie- und Wärmestromdichte homogen auf einer definierten Fläche abgibt, wobei der Anteil der nutzbaren Energie erhöht ist und die Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Es wird daher eine Heizvorrichtung zur Erhitzung von Probekörpern für Werkstoffuntersuchungen, bauteilähnlichen Probekörpern oder Bauteilen, für thermische, mechanische oder thermo-mechanische Belastungsversuche vorgeschlagen. Diese umfasst eine Mehrzahl hochfokussierender Lichtführungseinrichtungen zur Erzeugung hoher Wärmestromdichten mit jeweils einer Lichtquelle, einem kompakten abschnittsweise elliptisch ausgebildeten Reflektor mit zwei Brennpunkten sowie einem Lichtleiter mit einem Lichteintrittsbereich und einem Lichtaustrittsbereich, wobei die Lichtquelle im ersten Brennpunkt und der Lichtaustrittsbereich an einem Strahlungsraum angeordnet ist.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der zweite Brennpunkt im Lichteintrittsbereich angeordnet ist.
Bei der Anordnung der Lichtquelle im ersten Brennpunkt des Reflektors ist es vorteilhaft, wenn insbesondere der strahlungsabgebende oder strahlungsaussendende Teil der Lichtquelle im ersten Brennpunkt des Reflektors angeordnet wird. Auf diese Weise wird der Großteil der Strahlung der Lichtquelle ausgehend vom ersten Brennpunkt hin zum zweiten Brennpunkt mittels des abschnittsweise elliptisch ausgebildeten Reflektors reflektiert. Damit der überwiegende Teil der Strahlung der Lichtquelle den Strahlungsraum erreichen kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den zweiten Brennpunkt des Reflektors im Lichteintrittsbereich des Lichtleiters anzuordnen. Mithin kann der Teil der Strahlung, der auch den zweiten Brennpunkt passiert, sicher in den Lichteintrittsbereich des Lichtleiters eindringen, um zum Strahlungsraum zu gelangen. Der Anteil, der zur Lichtquelle hin zurückreflektierten Strahlung, kann sodann minimiert werden, wodurch der Anteil der nutzbaren Energie erhöht wird und die Verlustleistung, die sich beispielsweise in einer Erwärmung des Reflektors äußert, minimiert werden. Mit anderen Worten wird der Wirkungsgrad der Heizvorrichtungen im Gegensatz zu bekannten Heizvorrichtungen wesentlich verbessert.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn der zweite Brennpunkt so nah wie möglich am ersten Brennpunkt angeordnet ist, so dass eine hohe Fokussierung der Strahlung erreicht werden kann.
Der Lichteintrittsbereich ist dabei durch die Form und Größe des Endes des Lichtleiters definiert. Bei einem Lichtleiter mit einem kreisförmigen Querschnitt wäre der Lichteintrittsbereich entweder kreisförmig oder elliptisch ausgebildet. Der Lichteintrittsbereich kann auch durch eine andere einfach oder mehrfach gekrümmte Fläche gebildet werden. Erfindungsgemäß ist jedoch, dass stets der überwiegende Teil der Strahlung, die den zweiten Brennpunkt passiert hat, in den Strahlungsraum gelangt, ohne vorher ein zweites oder weiteres Mal vom Reflektor reflektiert worden zu sein. Aufgrund von Fertigungstoleranzen oder bei doppelt gekrümmten Lichteintrittsbereichen ist es nicht möglich, den zweiten Brennpunkt exakt im Lichteintrittsbereich anzuordnen. Mithin ist vorgesehen, den zweiten Brennpunkt im Wesentlichen im Lichteintrittsbereich anzuordnen, so dass die oben genannten Vorteile durch die Fehllage des zweiten Brennpunktes nicht maßgeblich negativ beeinflusst werden.
Der Lichtleiter kann sowohl als Hohlleiter als auch als massiver Lichtleiter, beispielsweise als Quarzröhre, ausgebildet sein. Durch die Möglichkeit den Lichtleiter nahezu beliebig geformt zu gestalten ist es möglich, die Lichtführungseinrichtungen mit großem Gestaltungsspielraum um den Strahlungsraum herum anzuordnen. Weiterhin kann vorgesehen sein, das Innere des Reflektors und/oder des Lichtleiters mit reflektierenden Schichten zu versehen. Vorzugsweise können hierzu Beschichtungen aus Gold oder Silber oder auch anderen reflektierenden Materialien verwendet werden. Zum Schutz dieser Schichten gegen Oxidation kann außerdem vorgesehen sein, zumindest eine weitere Schicht in Form einer Oxidationsschutzschicht, beispielsweise eine Klarlackschicht oder Rhodiumschicht, auf die Reflexionsschicht aufzubringen. Eine weitere Reflexionserhöhung kann durch Aufbringung einer dielektrischen, transparenten, chemisch und thermisch stabilen Schicht über der Reflexionsschicht, einer sogenannten λ/4-Schicht, erreicht werden. Alternativ zur Beschichtung des Reflektors und/oder Lichtleiters kann vorgesehen sein, dass der Reflektor und/oder Lichtleiter aus reflektierendem Material besteht und ggf. jeweils zumindest eine Oxidationsschutzschicht und/oder λ/4-Schicht aufgebracht wird.
Der erfindungsgemäße Strahlungsraum beschreibt den Bereich um einen nicht zur Heizvorrichtung gehörenden Probekörper oder nicht gehörendes Bauteil herum, an dem die Lichtaustrittsbereiche so angeordnet sind, dass der Probekörper oder das Bauteil möglichst homogen und mit hoher Wärmestromdichte in dem dafür an dem Probekörper oder Bauteil vorgesehenen Abschnitt erhitzt wird. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Strahlungsraum zylindrisch ausgebildet ist, wobei die Lichtaustrittsbereiche auf der Mantelfläche des zylindrischen Strahlungsraums angeordnet sind. Der Strahlungsraum kann jedoch auch eine andere prismatische Form, beispielsweise die eines Vielecks, oder aber auch eine Kugelform aufweisen.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Heizvorrichtungen treten umso deutlicher hervor, je größer das Verhältnis von der Größe der Lichtquelle, hierbei insbesondere der Größe des lichtabgebenden oder lichtaussendenden Teils, zum Probekörper oder Bauteil, insbesondere zu dem Abschnitt des Probekörpers oder Bauteils der beheizt werden soll, ist.
Dabei ist die erfindungsgemäße Heizvorrichtung neben der Erhitzung von Probekörpern für Werkstoffuntersuchungen, bauteilähnlichen Probekörpern oder Bauteilen, für thermische, mechanische oder thermo-mechanische Belastungsversuche auch zur Beheizung anderer Objekte, die beispielsweise in einem Produktionsprozess, einem Herstellungsverfahren, einem Verfahren zur thermischen Behandlung oder Ähnlichem erhitzt werden, geeignet.
Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Heizvorrichtung kann in einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass der Lichttunnel eine lediglich den Lichteintrittsbereich und den Lichtaustrittsbereich schneidende Achse aufweist, wobei die Achse eine Flächennormale des Lichteintrittsbereichs ist und die Hauptachse der den Reflektor abschnittsweise bildende Ellipse deckungsgleich mit der Achse des Lichtleiters ist. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass ein Teil der Strahlung den Lichtaustrittsbereich verlassen kann, ohne zuvor vom Lichtleiter reflektiert worden zu sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Lichtleiter als linearer Hohlkörper ausgebildet ist, wobei dessen Lichteintrittsbereich und Lichtaustrittsbereich jeweils als ebene Flächen ausgebildet sind, so dass diejenige Strahlung der Lichtquelle, die parallel zur Flächennormalen des Lichteintrittsbereiches in den Lichtleiter eintritt, ohne am Lichtleiter reflektiert zu werden, aus dem Lichtaustrittsbereich austritt. Die Reflexionsverluste dieser Ausgestaltung sind minimal. Weiterhin vorteilhaft an dieser Ausgestaltung im Unterschied zum Stand der Technik, hier insbesondere WO 2013/081 107 A1 ist, dass eine Rückreflexion der Strahlung zurück zur Lichtquelle verhindert werden kann.
Erfindungsgemäß kann der Reflektor als rotationssymmetrischer Ellipsoid ausgebildet sein. Bei einem großen Verhältnis von der Größe der Lichtquelle zum Probekörper oder Bauteil und bei Anordnung einer Vielzahl von Lichtführungseinrichtungen um den Strahlungsraum herum kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Reflektor abschnittsweise prismatisch ausgebildet ist. Im Gegensatz zu der Anordnung von Lichtführungseinrichtungen mit ellipsoiden Reflektoren kann durch diese vorteilhafte Ausgestaltung die um den Strahlungsraum anordenbare Anzahl von Lichtführungseinrichtungen erhöht werden, da deren konstruktiv bedingte Abmessungen zumindest in einer Richtung kleiner sind, als bei der ellipsoiden Ausgestaltung des Reflektors. Hierdurch ergeben sich außerdem fertigungstechnische Vorteile, da ein prismatischer Reflektor durch eine wesentlich einfachere mechanische Bearbeitung herstellbar ist als ein ellipsoider Reflektor. Dies vor allem dann, wenn der Reflektor aus dem Ganzen gefräst wird.
Untersuchungen haben gezeigt, dass es zweckmäßig ist, dass die den Reflektor abschnittsweise bildende Ellipse mindestens eine Halbellipse ist. Beschreibt man den Querschnitt des Reflektors in der Ebene der Hauptachse der Ellipse, so weist der Reflektor eben diese mindestens Halbellipse auf, wobei sich an deren freien Enden, in einer Ausgestaltung, Geraden anschließen, die diese freien Enden mit jeweils einem Endpunkt der Spur des Lichteintrittsbereichs verbinden. In vorteilhaften Ausgestaltungen ist die Spur des Lichteintrittsbereichs in der beschriebenen Hauptachsenebene der Ellipse kleiner als die Nebenachse der Ellipse. Berechnungen haben gezeigt, dass der Wirkungsgrad der Lichtführungseinrichtung erhöht werden kann, wenn die den Reflektor abschnittweise bildende Ellipse größer ist als eine Halbellipse, die nur bis zur Nebenachse ausgebildet ist.
Durch die Anordnung der Lichtaustrittsbereiche am Strahlungsraum können Überschneidungen der Lichtaustrittsbereiche auftreten. Es ist daher zweckmäßig und in einer Ausgestaltung erfindungsgemäß vorgesehen, dass zumindest eine Lichtführungseinrichtung Mittel zum Einstellen der Größe und/ oder der Form des Lichtaustrittsbereichs aufweist. Diese können mithin so einstellbar sein, dass die aus mehreren Lichtaustrittsbereichen austretende Strahlung möglichst homogen auf dem entsprechenden Abschnitt des Probekörpers oder Bauteils trifft. Die Strahlung gilt als homogen verteilt, wenn auf der bestrahlten Fläche keine nennenswerten Maxima oder Minima der Strahlungsintensität auftreten. Ferner kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Wärmestromdichte in den Randbereichen des auf dem Probekörper oder dem Bauteil zu bestrahlenden Abschnitts größer sein soll, als in zentralen Bereichen dieses Abschnitts. Auch hierzu sind die benannten Mittel in einer weiteren Ausgestaltung verwendbar. So können die benannten Mittel beispielsweise als verschiebbare Keile ausgebildet sein, die sich in den Lichtaustrittsbereich einer oder mehrerer Lichtführungseinrichtungen verschieben lassen.
Ein wesentlicher Erfindungsgedanke ist die Anordnung einer Mehrzahl von Lichtführungseinrichtungen um den zu beheizenden Probekörper oder das zu beheizende Bauteil herum. Grundsätzlich zweckmäßig ist es, die Lichtführungseinrichtungen kreisförmig um den Probekörper oder das Bauteil anzuordnen.
Im Allgemeinen sind dreidimensionale Objekte rotationssymmetrisch, wenn eine Drehung um jeden beliebigen Winkel um eine Achse (Symmetrieachse) das Objekt auf sich selbst abbildet. Eine besondere Form der Rotationssymmetrie ist die n-zählige Rotation, eine sogenannte Symmetrieoperation. Eine n-zählige Rotation ist eine Rotation um 360° / n um eine n-zählige Drehachse (Symmetrieachse), wodurch das dreidimensionale Objekt jeweils auf sich selbst abgebildet wird. Entsprechendes gilt für m-zählige Drehachsen.
In einer weiteren Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass eine erste Gruppe Lichtführungseinrichtungen mit einer n-zählige Drehachse und eine zweite Gruppe Lichtführungseinrichtungen mit einer zur n-zähligen Drehachse deckungsgleichen m-zählige Drehachse um den Strahlungsraum angeordnet ist, wobei n = m > 1 und die Zentriwinkel zwischen einer Lichtführungseinrichtung der ersten Gruppe und einer Lichtführungseinrichtung der zweiten Gruppe jeweils gleich sind. Mit anderen Worten sind die Lichtführungseinrichtungen in dieser Ausgestaltung gleichverteilt um den Probekörper oder das Bauteil herum angeordnet. Bezüglich anderer Raumrichtungen können die Lichtführungseinrichtungen der ersten Gruppe und die Lichtführungseinrichtungen der zweiten Gruppe unterschiedlich angeordnet sein, beispielsweise mit jeweils unterschiedlichen Winkeln zu einer Ebene deren Flächennormale von einer Mittelachse eines Probekörpers gebildet wird. Zweckmäßig ist es außerdem, wenn die n-zählige Drehachse als auch die m-zählige Drehachse deckungsgleich mit einer Mittelachse des Probekörpers ist.
Besonders vorteilhaft ist eine weitere Ausgestaltung, bei der die Lichtführungseinrichtungen der ersten Gruppe spiegelsymmetrisch zu den Lichtführungseinrichtungen der zweiten Gruppe angeordnet sind, wobei die n-zähligen Drehachse eine Flächennormale der Spiegelebene ist. Durch die spiegelsymmetrische Anordnung der Lichtführungseinrichtungen kann eine besonders homogene Beheizung des Probekörpers oder des Bauteils erreicht werden.
Für eine optimale Ausnutzung des vorhandenen Raumes um den Probekörper oder das Bauteil herum bei gleichzeitiger maximierter Wärmestromdichte hat sich ergeben, dass die Wahl von n = m > 5 vorteilhaft ist.
Hinsichtlich der Lichtquelle einer Lichtführungseinrichtung kann vorgesehen sein, dass die Lichtquelle als Temperaturstrahler oder aber als Nichttemperaturstrahler ausgebildet ist.
Temperaturstrahler sind Lichtquellen, bei denen Licht durch die Erhitzung eines Stoffes entsteht. Fängt der Stoff an zu glühen, so strahlt er Licht ab. Das dabei emittierte kontinuierliche Farbspektrum ist von der absoluten Temperatur des Stoffes abhängig. Dies bedeutet, dass der Übergang zwischen den Wellenlängen/Frequenzen stetig ist. Es sind daher Ausgestaltungen vorgesehen, bei denen Lichtquellen vorzugsweise als Halogenlampe oder als Blitzlichtlampen ausgebildet sind.
Nichttemperaturstrahler erzeugen Licht ohne sich Wärmestrahlung zu Nutze zu machen. Diese Lichtquellen arbeiten unter anderem mit der Anregung von Gasatomen. Da sich die Temperatur dabei kaum verändert, nennt man dies auch „kaltes Licht“. Das dabei entstehende Spektrum ist ein kontinuierliches, das von einem diskontinuierlichen überlagert wird. Dies bedeutet, dass das Spektrum einzelne, diskrete Spektrallinien besitzt. Es sind daher weitere Ausgestaltungen vorgesehen, bei denen Lichtquellen vorzugsweise als Gasentladungslampe oder Blitzröhre ausgebildet sind.
Wie dargelegt, ist es ein wesentlicher Erfindungsgedanke eine Mehrzahl von Lichtführungseinrichtungen um den zu beheizenden Probekörper oder das zu beheizende Bauteil herum anzuordnen. Neben der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung, ist ein weiterer wesentlicher Erfindungsgedanke, dass die Lichtführungseinrichtungen sehr kompakt gestaltet sind, um die Anzahl der Lichtführungseinrichtungen zu erhöhen. Aufgrund dieser kompakten Gestaltung der Lichtführungseinrichtungen ergeben sich erhöhte thermische Belastungen für den Reflektor.
Es ist bekannt, dass Lichtquellen zur Versorgung mit elektrischer Energie und zur mechanischen Lagerung einen Sockel oder eine andere Halterung aufweisen. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass die Lichtquelle mittels eines Sockels am Reflektor angeordnet ist, wobei der Sockel durch zumindest einen Kühlkreislauf und der Reflektor durch zumindest einen weiteren Kühlkreislauf mit einem flüssigen Kühlmedium kühlbar ist. Da der Sockel der Lichtquelle in der Regel in einer Fassung angeordnet ist, wird auch diese von der Kühlwirkung des Kühlmediums mit erfasst. Die Aufteilung in zwei Kühlkreisläufe hat den technischen Vorteil, dass hierdurch die abführbare Wärmemenge gegenüber der Verwendung eines einzigen Kühlkreislaufs erhöht werden kann. Grundsätzlich ist jedoch die Ausgestaltung mit lediglich einem einzigen Kühlkreislauf möglich. Auch ist die Verwendung eines gasförmigen Kühlmediums grundsätzlich möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Lichtquelle mittels zumindest einem, auf die Lichtquelle gerichteten, gasförmigen Kühlmittelstrom konvektiv kühlbar ist. Durch den direkt auf die Lichtquelle gerichteten gasförmigen Kühlmittelstrom, kann die Lichtquelle in ihrem thermisch höchstbelasteten Bereich gekühlt werden, was zu einer Verminderung der Temperatur der Lichtquelle führt. Durch die Absenkung der Temperatur der Lichtquelle wird mithin weniger Wärme von der Lichtquelle in den Sockel und den Reflektor geleitet, wodurch diese thermisch weniger beansprucht werden.
Durch die Einbringung des Kühlmittelstroms in die Lichtführungseinrichtung zur Kühlung der Lichtquelle, wird die Temperatur der Lichtquelle gesenkt, die Temperatur der in der Lichtführungseinrichtung befindlichen Luft jedoch erhöht. Folglich ist es zweckmäßig, wenn der zumindest eine von der Lichtquelle erwärmte, gasförmige Kühlmittelstrom mittels einer Absaugeinrichtung aus der Umgebung der Lichtquelle absaugar ist. Durch diese Ausgestaltung kann die von der Lichtquelle konvektiv abgeführte Wärme auch aus der Lichtführungseinrichtung abgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in einem Übergangsbereich vom Reflektor zum Lichtleiter eine oder mehrere Öffnungen vorgesehen sind, durch welche die erwärmte Luft mittels eines Gebläses absaugt wird.
Ferner wird eine Prüfvorrichtung für thermische, mechanische oder thermo-mechanische Belastungsversuche an Probekörpern für Werkstoffuntersuchungen, bauteilähnlichen Probekörpern oder Bauteilen vorgeschlagen, wobei die Prüfvorrichtung eine erfindungsgemäße Heizvorrichtung aufweist.
Vorteilhaft ist insbesondere, wenn die Heizvorrichtung so an der Prüfvorrichtung angeordnet wird, dass die aus den Lichtaustrittsbereichen austretende Strahlung den Probekörper oder das Bauteil zumindest abschnittsweise beheizen kann.
So kann in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung vorgesehen sein, dass die Lichtführungseinrichtungen an einem Träger angeordnet sind, wobei der Träger öffenbar so ausgebildet ist, dass der Probekörper oder das Bauteil im Inneren des Strahlungsraums zugänglich ist. Der öffenbare Träger ist vorteilhaft, wenn beispielsweise die Heizvorrichtung grundsätzlich in ihrer relativen Position zur Prüfvorrichtung verbleiben soll, aber lediglich der Probekörper oder das Bauteil für den nächsten Versuch gewechselt werden soll. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Träger teilbar ausgebildet ist, so dass die Heizvorrichtung, in beispielsweise zwei Teilbaugruppen, von der Prüfvorrichtung entfernbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Lichtführungseinrichtungen an einem Träger angeordnet sind, wobei der Träger so ausgebildet ist, dass die Position des Strahlungsraumes zum Probekörper oder zum Bauteil einstellbar ist. Hierzu können Einstellmittel vorgesehen sein, durch welche der Träger beispielsweise in drei Achsen relativ zum Probekörper oder zum Bauteil verschiebbar ist. So kann eine homogene Beheizung des Probekörpers oder Bauteils auch dann sichergestellt werden, wenn ein und dieselbe Heizvorrichtung für eine Vielzahl von Prüfvorrichtungen verwendet werden kann.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer erfindungsgemäßen Lichtführungseinrichtung
2a eine Draufsicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung,
2b eine Schnittansicht der ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung,
3a eine Draufsicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung und
3b eine Schnittansicht der zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung.
Die in 1 dargestellte Lichtführungseinrichtung 1 ist Teil einer in 1 nicht weiter dargestellten Heizvorrichtung zur Erhitzung von Probekörpern 2 für Werkstoffuntersuchungen, die geeignet ist, eine sehr hohe definierbare Energie- bzw. Wärmestromdichte homogen auf einer definierten Fläche abzugeben. Der abschnittweise dargestellte Probekörper 2 ist hierzu in einer nicht weiter dargestellten Prüfvorrichtung für thermische, mechanische oder thermo-mechanische Belastungsversuche eingespannt, so dass mechanische Kräfte in den Probekörper 2 eingeleitet werden können. Im vorliegenden Fall weist der Probekörper 2 einen kreisförmigen Querschnitt auf, es können jedoch beliebig geformte Probekörper 2 von der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung beheizt werden.
Die Beheizung des Probekörpers 2 erfolgt durch eine Mehrzahl hochfokussierender Lichtführungseinrichtungen 1 zur Erzeugung hoher Wärmestromdichten. Jede der Lichtführungseinrichtungen 1 hat folgenden grundsätzlichen Aufbau.
Die Grundelemente der Lichtführungseinrichtung 1 sind ein abschnittweise elliptisch ausgebildeter Reflektor 4, zum Fokussieren der von einer Lichtquelle 3 ausgesendeten Strahlung 31, sowie ein Lichtleiter 5, zum Weiterleiten der Strahlung 31 in Richtung des Probekörpers 2. Die Lichtquelle 3 ist durch einen Temperaturstrahler oder einen Nichttemperaturstrahler, vorzugsweise eine Quarzlampe oder eine Xenon-Gasentladungslampe mit einer Leistung von beispielsweise 2.500 W gebildet. In 1 ist hierzu lediglich der lichtabgebende oder lichtaussendende Teil der Lichtquelle 3 dargestellt, evtl. vorhandene Sockel und Fassungen sind nicht abgebildet.
Der lichtabgebende Teil der Lichtquelle 3 ist im Wesentlichen im ersten Brennpunkt FP1 des abschnittweise elliptisch ausgebildeten Reflektors 4 angeordnet. Es hat sich jedoch gezeigt, dass eine Verschiebung der Lichtquelle 3 um einen Brennpunkt-Offset 32 von beispielsweise ca. 3% bis 8% der Länge der Hauptachse 411 weg vom zweiten Brennpunkt FP2 und aus dem ersten Brennpunkt FP1 heraus, zu Wirkungsgradsteigerungen der Heizeinrichtung führt. In Abhängigkeit von der Größe der Lichtquelle 3, insbesondere von der Größe des lichtabgebenden Teils der Lichtquelle 3, kann der Brennpunkt-Offset 32 auch von dem angegebenen Bereich abweichen.
Der Reflektor 4 weist einen Ellipsenabschnitt 41 auf. Dieser Ellipsenabschnitt 41 wird im rechten Bereich der 1 von einem Durchführungsabschnitt 43 unterbrochen. Der Durchführungsabschnitt 43 ist geeignet, um dem nicht dargestellten Sockel und Fassungen von Lichtquellen 3 aufzunehmen. Die den Ellipsenabschnitt 41 bildende Ellipse weist ein Verhältnis der Hauptachse 411 zur Nebenachse 412 von 1,25 auf, wobei der erste Brennpunkt FP1 sowie der zweite Brennpunkt FP2 deckungsgleich mit der Hauptachse 411 sind. Als vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Hauptachse 411 nur unwesentlich länger als die Nebenachse 412 ist, d.h. wenn der Ellipsenabschnitt 41 sich allmählich einem Kreisabschnitt annähert. Hierdurch wird der Abstand des ersten Brennpunktes FP1 zum zweiten Brennpunkt FP2 verkleinert, wodurch der Wirkungsgrad der Heizeinrichtung verbessert werden kann. In Abhängigkeit von der Größe der Lichtquelle 3, insbesondere von der Größe des lichtabgebenden Teils der Lichtquelle 3, kann das Verhältnis der Ellipsenhalbachsen auch von 1,25 abweichen. Dem Durchführungsabschnitt 43 gegenüberliegend wird der Reflektor 4 von zwei Linearabschnitten 42 begrenzt. Es kann vorteilhaft sein, den Ellipsenabschnitt 41 über die Nebenachse 412 hinaus in Richtung des Linearabschnitts 42 zu verlängern. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn die Ellipse um eine Ellipsenverlängerung 413 von ca. 40% des Abstandes des zweiten Brennpunktes FP2 zum Schnittpunkt der Hauptachse 411 mit der Nebenachse 412 verlängert wird. Um eine große Anzahl Lichtführungseinrichtungen 1 um den Probekörper 2 herum anordnen zu können, ist der Reflektor 4 nicht rotationssymmetrisch sondern prismatisch ausgebildet. Die Seitenkannten dieses Prismas werden hierbei durch Flächennormalen der Zeichnungsebene der 1 gebildet. Die rotationssymmetrische Ausbildung des Reflektors 4 bleibt für die Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades jedoch vorteilhaft und kann erfindungsgemäß vorgesehen sein.
Der Lichtleiter 5 wird durch einen geraden prismatischen Hohlleiter mit viereckigem Querschnitt gebildet. Es können jedoch auch Lichtleiter mit anderen Querschnittsformen, beispielsweise kreisförmigen Querschnitten, gekrümmte Lichtleiter 5 oder Lichtleiter 5 aus Vollmaterial verwendet werden. Der Lichtleiter 5 hat einen ebenen, viereckigen Lichteintrittsbereich 51. Vorteilhaft an der Ausgestaltung des Lichteintrittsbereichs 51 mit viereckigem Querschnitt ist, dass der Übergang von dem prismatisch ausgebildeten Reflektor 4 zum Lichtleiter 5 konstruktiv sehr einfach gestaltet werden kann. Erfindungswesentlich ist es, dass der zweite Brennpunkt FP2 im Lichteintrittsbereich 51 des Lichtleiters 5 liegt. Als besonders zweckmäßig hat sich erwiesen, wenn die Hauptachse 411, die Flächennormale des Lichteintrittsbereichs 51 sowie die Mittelachse des Lichtleiters 5 deckungsgleich sind. Der dem Lichteintrittsbereich 51 gegenüberliegende Lichtaustrittsbereich 52 ist am Strahlungsraum 53 angeordnet. Der Strahlungsraum 53 ist hierbei kein abgeschlossener physischer Raum sonder ein fiktives Volumen um den zu beheizenden Abschnitt des Probekörpers 2 herum, an dem die Lichtaustrittsbereiche 52 der Lichtführungseinrichtungen 1 angeordnet sind.
Der erfindungsgemäß wesentliche Vorteil der Heizeinrichtung besteht darin, dass der zweite Brennpunkt FP2 im Lichteintrittsbereich 51 liegt. Strahlung 31, die vom ersten Brennpunkt FP1 ausgeht, gelangt über den abschnittsweise elliptischen Reflektor 41 in den zweiten Brennpunkt FP2. Da der zweite Brennpunkt FP2 im Lichteintrittsbereich 51 liegt, gelangt sämtliche Strahlung 31, die auch durch den zweiten Brennpunkt FP2 führt in den Lichtleiter 5 hinein. Würde der zweite Brennpunkt FP2 nicht im Lichteintrittsbereich 51 und nicht im Inneren des Lichtleiters 5 liegen, dann würde ein Teil der Strahlung 31, die durch den zweiten Brennpunkt FP2 führt, von dem Linearabschnitt 42 wieder zurückreflektiert. Durch diese weitere Reflektion würde dieser Teil der Strahlung 31 lediglich den Reflektor 4 aufheizen, ohne jedoch einen Beitrag zur Beheizung des Probekörpers 2 zu leisten.
Zur weiteren Steigerung des Wirkungsgrades der Heizeinrichtung kann vorgesehen sein, die lichtreflektierenden Flächen des Reflektors 4 und des Lichtleiters 5 mit Beschichtungen zu versehen, deren Reflexionseigenschaften besser sind als die des Grundmaterials des Reflektors 4 und des Lichtleiters 5. Zusätzlich kann auch eine dielektrische, transparente, chemisch und thermisch stabile Schicht über der Reflexionsschicht, eine sogenannten λ/4-Schicht, aufgebracht werden.
Durch die sehr hohen Wärmestromdichten sowie die sehr kompakte Bauweise ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Lichtführungseinrichtungen 1 zu kühlen. Hierzu sind für jede einzelne Lichtführungseinrichtung 1 drei Kühlkreisläufe vorgesehen, die in 1 jedoch nicht dargestellt sind. Hierbei weist der Reflektor 4 zwei Kühlkreisläufe mit einem flüssigen Medium, vorzugsweise Wasser oder Deionat, auf. Hierzu sind im nicht dargestellten Gehäuse des Reflektors 4 nicht dargestellte Kühlmittelleitungen vorgesehen, so dass sowohl der Ellipsenabschnitt 41, der Linearabschnitt 42 als auch die nicht dargestellten Seitenwände gekühlt werden können. Dabei kühlt jeweils ein Kühlkreislauf sowohl einen Teil des Ellipsenabschnittes 41 und des Linearabschnitts 42, gemäß 1 entweder die oberen oder die unteren, als auch eine der nicht dargestellten Seitenwände. Die Kühlmittelleitungen sind dabei so im Gehäuse des Reflektors 4 angeordnet, dass auch der Sockel der Lichtquelle 3 gekühlt werden kann.
Ferner ist ein dritter, ebenfalls nicht dargestellter, Kühlkreislauf mit einem gasförmigen Medium, beispielsweise Luft, vorgesehen. Hierzu ist in jeweils eine der Seitenwände des Reflektors 4 eine nicht dargestellte Lufteintrittsöffnung, mit beispielweise einer daran angeordneten Düse vorgesehen, die so ausgerichtet sind, dass die beiden sich gegenüberliegenden eintretenden gasförmigen Kühlmittelströme auf den nicht dargestellten Glaskolben der Lichtquelle 3 gerichtet sind. Diese beiden Kühlmittelströme sind insbesondere auf die Bereiche des Glaskolbens gerichtet, in welchem der lichtabgebende Teil der Lichtquelle 3 angeordnet ist. Durch diese direkte Prallkühlung, kann ein Großteil der von der Lichtquelle 3 erzeugten thermischen, den Glaskolben erwärmenden Energie abgeführt werden, um die Lichtquelle 3 vor Überhitzung zu schützen. Damit sich die, im Inneren des Reflektors 4 befindliche, Luft nicht fortwährend erwärmt, ist in dieser Ausgestaltung des dritten Kühlkreislaufes vorgesehen, dass eine nicht dargestellte Absaugung am Reflektor 4 angeordnet ist. Die zur Absaugung gehörigen nicht dargestellten Absaugöffnungen sind hierzu beispielsweise jeweils zwischen dem Ellipsenabschnitt 41 und dem Linearabschnitt 42 angeordnet.
2a, 2b und 3a, 3b zeigen jeweils alternative Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung. Die beiden Ausführungsformen unterscheiden sich hinsichtlich der Anordnung ihrer Lichtführungseinrichtung 1 um den Strahlungsraum 53 herum. Beide Ausführungsformen sind beispielsweise geeignet, Lichtführungseinrichtungen 1 um einen prismatisch ausgebildeten Strahlungsraum 53, gemäß den Ausführungen zu 1, herum anzuordnen.
Die erfindungsgemäßen Heizeinrichtungen gemäß 2a, 2b und 3a, 3b umfassen jeweils zwölf Lichtführungseinrichtungen 1 mit jeweils einer Lichtquelle 3 mit einer Lichtleistung von ca. 2,500 W. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Heizeinrichtung ist es grundsätzlich vorteilhaft, die Lichtführungseinrichtungen 1 sehr kompakt um den Strahlungsraum 53 herum anzuordnen. Zur Erhöhung der Homogenität der Beheizung des in 2a, 2b und 3a, 3b nicht dargestellten Probekörpers 2 ist es vorteilhaft, die Lichtführungseinrichtungen 1 gleichmäßig verteilt um den Strahlungsraum 53 anzuordnen, so dass die Strahlung 31 jedes Lichtaustrittsbereichs 52 etwa den gleichen Abschnitt auf dem Probekörper 2 beheizt.
Die Lichtleiter 5 aller Lichtführungseinrichtungen 1 gemäß 2a, 2b und 3a, 3b sind in einer gemeinsamen Lichtleiterbaugruppe 54 angeordnet. Diese kann in einer Ausgestaltung ein integrales Frästeil, in einer anderen Ausgestaltung aber eine gebaute, beispielsweise verschraubte, Lichtleiterbaugruppe 54 sein. Diese Lichtleiterbaugruppe weist in ihrem Zentrum eine prismatische Aussparung auf, durch welche der Strahlungsraum 53 gebildet wird. An jedem der zwölf Lichteintrittsbereiche 51 wiederum ist ein Reflektor 4 angeordnet. Der Reflektor 4 weist ferner eine Lichtquelle 3 sowie andere Elemente auf, die zum Betrieb der Lichtführungseinrichtung 1 notwendig sind. Hierzu zählen beispielsweise Kühlmittelanschlüsse sowie elektrische Anschlüsse für die Lichtquelle 3, die jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind.
Hinsichtlich der gleichmäßigen Verteilung der Lichtführungseinrichtungen 1 um den Strahlungsraum 53 herum, ist zum einen die Anordnung entlang des Umfangs des Strahlungsraumes 53 als auch die Anordnung in axialer Erstreckung des Strahlungsraumes 53 zu beachten.
Gemäß 2a, 2b und 3a, 3b können mithin zwei Gruppen von Lichtführungseinrichtungen 11, 12 unterschieden werden. Die erste Gruppe Lichtführungseinrichtungen 11 weist eine n-zählige Drehachse 111 und die zweite Gruppe Lichtführungseinrichtungen 12 weist einer zur n-zähligen Drehachse deckungsgleiche m-zählige Drehachse 121 auf.
Im Allgemeinen sind dreidimensionale Objekte rotationssymmetrisch, wenn eine Drehung um jeden beliebigen Winkel um eine Achse (Symmetrieachse) das Objekt auf sich selbst abbildet. Eine besondere Form der Rotationssymmetrie ist die n-zählige Rotation, eine sogenannte Symmetrieoperation. Eine n-zählige Rotation ist eine Rotation um 360° / n um eine n-zählige Drehachse (Symmetrieachse), wodurch das dreidimensionale Objekt jeweils auf sich selbst abgebildet wird. Entsprechendes gilt für m-zählige Drehachsen.
Für die Ausführungsformen gemäß 2a, 2b und 3a, 3b ist n = m = 6. Vorzugsweise kann jedoch n = m > 1 gewählt werden. Die n-zählige Drehachse 111 als auch die m-zählige Drehachse 121 sind kollinear zur Mittelachse des primatischen Strahlungsraums 53 angeordnet, wobei der Strahlungsraum 53 durch ein gerades Prisma gebildet wird. Mithin wäre es vorteilhaft auch einen Probekörper 2 kollinear zur n-zähligen Drehachse 111 und zur m-zähligen Drehachse 121 anzuordnen. Für n = m = 6 ist der Zentriwinkel zwischen Lichtführungseinrichtungen 1 derselben Gruppe Lichtführungseinrichtungen 11, 12 jeweils 60°.
Bei der ersten Ausführungsform gemäß 2a, 2b ist die erste Gruppe Lichtführungseinrichtungen 11 spiegelsymmetrisch zur zweiten Gruppe Lichtführungseinrichtungen 12 angeordnet, wobei die n-zähligen Drehachse 111 eine Flächennormale der Spiegelebene 13 ist.
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß 3a, 3b ist die erste Gruppe Lichtführungseinrichtungen 11 spiegelsymmetrisch zur zweiten Gruppe Lichtführungseinrichtungen 12 angeordnet, wobei die zweite Gruppe Lichtführungseinrichtungen 12 zusätzlich gegenüber der ersten Gruppe Lichtführungseinrichtungen 11 um eine Drehachse, die deckungsgleich mit der n-zähligen Drehachse 111 ist, verdreht. Vorteilhaft ist, das diese zusätzliche Drehung um einen Winkel erfolgt, der halb so groß ist wie der Zentriwinkel zwischen Lichtführungseinrichtungen 1 derselben Gruppe Lichtführungseinrichtungen 11, 12, im vorliegenden Fall 30°.
Bezugszeichenliste

1: Lichtführungseinrichtung
11: erste Gruppe Lichtführungseinrichtungen
111: n-zählige Drehachse
12: zweite Gruppe Lichtführungseinrichtungen
121: m-zählige Drehachse
13: Spiegelebene
2: Probekörper
3: Lichtquelle
31: Strahlung
32: Brennpunkt-Offset
4: Reflektor
41: Ellipsenabschnitt
411: Hauptachse
412: Nebenachse
413: Ellipsenverlängerung
42: Linearabschnitt
43: Durchführungsabschnitt
FP1: erster Brennpunkt
FP2: zweiter Brennpunkt
5: Lichtleiter
51: Lichteintrittsbereich
52: Lichtaustrittsbereich
53: Strahlungsraum
54: Lichtleiterbaugruppe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 29804666 U1 [0013]
DE 102004028714 A1 [0017]
WO 2013081107 A1 [0019, 0031]

Claims

Heizvorrichtung zur Erhitzung von Probekörpern (2) für Werkstoffuntersuchungen, bauteilähnlichen Probekörpern (2) oder Bauteilen, für thermische, mechanische oder thermo-mechanische Belastungsversuche umfassend eine Mehrzahl hochfokussierender Lichtführungseinrichtungen (1) zur Erzeugung hoher Wärmestromdichten mit jeweils einer Lichtquelle (3), einem kompakten abschnittsweise elliptisch (41) ausgebildeten Reflektor (4) mit zwei Brennpunkten (FP1, FP2) sowie einem Lichtleiter (5) mit einem Lichteintrittsbereich (51) und einem Lichtaustrittsbereich (52), wobei die Lichtquelle (3) im ersten Brennpunkt (FP1) und der Lichtaustrittsbereich (52) an einem Strahlungsraum (53) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Brennpunkt (FP2) im Lichteintrittsbereich (51) angeordnet ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (5) eine lediglich den Lichteintrittsbereich (51) und den Lichtaustrittsbereich (52) schneidende Achse aufweist, wobei die Achse eine Flächennormale des Lichteintrittsbereichs (51) ist und die Hauptachse (411) der den Reflektor (4) abschnittsweise bildenden Ellipse (41) deckungsgleich mit der Achse des Lichtleiters (5) ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (4) abschnittsweise prismatisch ausgebildet ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Reflektor (4) abschnittsweise bildende Ellipse (41) mindestens eine Halbellipse ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lichtführungseinrichtung (1) Mittel zum Einstellen der Größe und/oder der Form des Lichtaustrittsbereichs (52) aufweist.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe Lichtführungseinrichtungen (11) mit einer n-zählige Drehachse (111) und eine zweite Gruppe Lichtführungseinrichtungen (12) mit einer zur n-zähligen Drehachse deckungsgleichen m-zählige Drehachse (121) um den Strahlungsraum (53) angeordnet ist, wobei n = m > 1 und die Zentriwinkel zwischen einer Lichtführungseinrichtung der ersten Gruppe (11) und einer Lichtführungseinrichtung der zweiten Gruppe (12) jeweils gleich sind.
Heizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtführungseinrichtungen der ersten Gruppe (111) spiegelsymmetrisch zu den Lichtführungseinrichtungen der zweiten Gruppe (121) angeordnet sind, wobei die n-zähligen Drehachse (11) eine Flächennormale der Spiegelebene (13) ist.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass n = m > 5 ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) einer Lichtführungseinrichtung (1) entweder als Temperaturstrahler oder aber als Nichttemperaturstrahler ausgebildet ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) mittels eines Sockels am Reflektor (4) angeordnet ist, wobei der Sockel durch zumindest einen Kühlkreislauf und der Reflektor (4) durch zumindest einen weiteren Kühlkreislauf mit einem flüssigen Kühlmedium kühlbar ist.
Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (3) mittels zumindest einem, auf die Lichtquelle (3) gerichteten, gasförmigen Kühlmittelstrom konvektiv kühlbar ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine von der Lichtquelle (3) erwärmte, gasförmige Kühlmittelstrom mittels einer Absaugeinrichtung aus der Umgebung der Lichtquelle (3) absaugbar ist.
Prüfvorrichtung für thermische, mechanische oder thermo-mechanische Belastungsversuche an Probekörpern (2) für Werkstoffuntersuchungen, bauteilähnlichen Probekörpern (2) oder Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung eine Heizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtführungseinrichtungen (1) an einem Träger angeordnet sind, wobei der Träger öffenbar ausgebildet ist.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtführungseinrichtungen (1) an einem Träger angeordnet sind, wobei der Träger so ausgebildet ist, dass die Position des Strahlungsraumes (53) zum Probekörper (2) oder zum Bauteil einstellbar ist.