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Die vorliegende Erfindung betrifft eine steuerbare Blende zur Strahlungsregelung eines durch solare oder künstliche Strahlung betriebenen Strahlungssystems.
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Es existieren Strahlungssysteme, bei denen Licht, beispielsweise das Sonnenlicht, um einen Faktor von mehr als 4.500 konzentriert wird. Ein derartiges Strahlungssystem ist beispielsweise ein Sonnenofen. Diese Strahlung steht für verschiedenste Experimente zur Verfügung, z. B. für die Untersuchung einzelner Komponenten von Solarkraftwerken oder für Experimente im Bereich der solaren Chemie und der Materialforschung. Der Vorteil gegenüber einem herkömmlichen elektrisch oder fossil betriebenen Ofen besteht in der besonderen Regelbarkeit der Energiezufuhr. Mittels optischer Einrichtungen, wie Blenden, kann die Energiezufuhr innerhalb weniger Zehntelsekunden an- bzw. abgeschaltet werden. Dies ermöglicht eine Vielzahl von Anwendungen, bei denen z. B. Temperaturgradienten auf Oberflächen bestrahlte Objekte von Interesse sind oder als Ersatz für das Spiegelfeld eines Solarkraftwerkes. Darüber hinaus bietet der Sonnenofen gegenüber einem herkömmlichen Ofen die Möglichkeit, bestimmte Wellenlängenbänder im Sonnenlicht zu nutzen, beispielsweise für chemische Reaktionen.
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Die konzentrierte Strahlung derartiger Öfen muss nicht notwendigerweise solar erzeugt werden, sondern es besteht auch die Möglichkeit, künstliche Strahlung zu verwenden.
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Das Leistungsangebot in dem Sonnenofen muss auf den Leistungsbedarf des entsprechenden Experimentes angepasst werden. Dabei ist die konzentrierte Strahlungsleistung in der Regel nicht konform mit dem Leistungsbedarf des Experiments.
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Zumeist benötigen die Experimente weniger Leistung als zur Verfügung steht. Daher wird zwischen die Strahlungsquelle und dem Target eine steuerbare Blende platziert. Diese unterbricht das Strahlungsfeld so weit, bis der benötigte Leistungsbetrag auf das Target auftrifft.
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Ein vorbekanntes Konzept einer derartigen Blende besteht aus zwei Stahlplatten, die vertikal aufeinander zufahren, bis der Strahl vollständig unterbrochen ist. Eine Blende mit mehreren linear verschiebbaren Lamellen ist aus
US 2013/0 044 860 A1 bekannt. Ferner sind Lamellenshutter bekannt, die aus mehreren vertikalen schmalen Körpern bestehen, die sich jeweils um ihre eigene Achse drehen.
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Das Problem der vorbekannten Shutter besteht darin, dass bei kleinen Leistungsanforderungen und somit kleinen Öffnungswinkeln der Blende das Strahlungsprofil stark verzerrt wird. Da bei vielen Experimenten grundsätzlich eine gleichmäßige Verteilung der Strahlungsflussdichte benötigt wird, ist daher die vorbekannte Blende häufig nur unzureichend einsetzbar.
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US 2006/0 067 481 A1 offenbart eine Blende nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
DE 696 05 730 T2 beschreibt eine Blende mit mehreren Lamellen, bei der die Öffnungsgröße der Blendenöffnung veränderbar ist, wobei ein vollständiges Verschließen der Blende nicht möglich ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine steuerbare Blende für ein Strahlungssystem zu schaffen, bei dem auch bei starkem Unterbrechungsgrad der Strahlung eine möglichst gleichmäßige Strahlungsverteilung erzielt werden kann.
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Die Erfindung ist definiert durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Bei der erfindungsgemäßen steuerbaren Blende zur Strahlungsregelung eines durch solare oder künstliche Strahlung betriebenen Strahlungssystems mit einer runden oder vieleckigen Öffnung mit einer Mittelachse und mit mehreren beweglichen Lamellen zum Verschließen der Öffnung ist vorgesehen, dass die Lamellen jeweils zwei Seitenkanten aufweisen, die eine Lamellenspitze bilden, wobei die Lamellen und mit einer der Lamellenspitze gegenüberliegenden Seite an einer Peripheriekante der Öffnung beweglich angebracht sind, wobei im geschlossenen Zustand der Blende jeweils die Lamellenspitzen aller Lamellen zu der Mittelachse der Öffnung gerichtet sind, wobei die Lamellen jeweils in der Hauptebene der Öffnung oder in einer in einem spitzen Winkel zu der Hauptebene verlaufenden Verschwenkebene um eine Drehachse verschwenkbar sind und im geöffneten Zustand der Blende benachbarte Lamellen einander teilweise überdecken. Die Hauptebene der Öffnung ist dabei eine Ebene, die orthogonal zu der Mittelachse im Bereich der Peripheriekante der Öffnung verläuft.
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Durch das Vorsehen von Lamellen mit einer Lamellenspitze kann gewährleistet werden, dass beim Schließen der Blende die Strahlung gleichmäßig über ihre Querschnittsfläche unterbrochen wird. Dadurch wird eine gleichmäßigere Strahlungsflussdichte erreicht. Dadurch, dass die Lamellen in der Hauptebene der Öffnung oder jeweils in einer in einem spitzen Winkel zu der Hauptebene verlaufenden Verschwenkebene um eine Drehachse verschwenkbar sind, ist die steuerbare Blende in vorteilhafter Weise an die Strahlengänge einer solaren oder künstlichen Strahlung, beispielsweise eines Sonnenofenkonzentrators oder einer konzentrierenden elliptischen Lampenkopierung, angepasst. Die Strahlen werden beim Schließen der Blende gleichmäßig über die Querschnittsfläche der Öffnung unterbrochen. Dadurch, dass im geöffneten Zustand der Blende benachbarte Lamellen einander teilweise überdecken, kann die Blende kompakt ausgebildet werden und es wird sichergestellt, dass diese beim Öffnen der Blende nicht verklemmen, sondern übereinander gleiten.
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Das Verschwenken der Lamellen ermöglicht ein schnelles Öffnen der Blende in vorteilhafter Weise. Darüber hinaus kann durch das Verschwenken ein Verkanten oder Verklemmen einzelner Lamellen während des Öffnens vermieden werden. Beim Verschwenken der Lamellen werden diese aus dem Strahlengang heraus bewegt, wodurch die thermische Belastung auf die Lamellen aufgrund der in diese Richtung abnehmenden Strahlungsflussdichte verringert wird.
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Unter Strahlungsquelle werden im Rahmen der Erfindung nicht ausschließlich die Strahlung tatsächlich erzeugende Objekte, wie beispielsweise die Sonne oder künstliche Strahler, verstanden, sondern auch etwaige Reflektionsvorrichtungen und/oder Fokussiervorrichtungen. Die Formulierung „in Richtung zu der Strahlungsquelle hin” oder „auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite” bedeutet somit, dass auf die Richtung, aus der der Strahl kommt, Bezug genommen wird.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die zwei Seitenkanten in einem spitzen Winkel zueinander verlaufen, wodurch die Lamellenspitze gebildet ist. Über derartige Lamellenspitzen lässt sich in besonders vorteilhafter Weise erreichen, dass Strahlung gleichmäßig über ihre Querschnittsfläche unterbrochen wird. Insbesondere lassen sich mit Hilfe von den Lamellenspitzen sehr kleine Öffnungsstellungen der Blende erreichen.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Drehachsen der Lamellen parallel zu der Mittelachse verlaufen. Dadurch können die Lamellen auf konstruktiv einfache Art und Weise gelagert werden, wobei gleichzeitig ein Antrieb der Lamellen in vorteilhafter Weise in Form eines gleichgerichteten Antriebs möglich ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass im geschlossenen Zustand der Blende jeweils benachbarte Lamellen mit einander zugewandten Seitenkanten aneinander anliegen oder sich im Bereich der Seitenkanten überdecken. Dadurch wird erreicht, dass die Blende in vorteilhafter Weise geschlossen wird. Durch sich im Bereich der Seitenkanten überdeckende Lamellen wird erreicht, dass die Blende in besonders vorteilhafter Weise geschlossen ist und keine Spalten entstehen, durch die Licht gelangen kann. Darüber hinaus wird beim Öffnen der Blende ein Verklemmen benachbarter Lamellen vermieden, indem sich die im geöffneten Zustand der Blende überdeckenden benachbarten Lamellen bereits im geschlossenen Zustand an ihren Seitenkanten überdecken. Zum Öffnen der Blende müssen die benachbarten Lamellen daher beim Verschwenken lediglich übereinander gleiten. Eine derartige Konstruktion hat sich daher als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Die Lamellen können beispielsweise dreieckig, beispielsweise in Form eines gleichschenkeligen Dreiecks, ausgebildet sein und in Art einer Tortenform angeordnet werden.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass im geschlossenen Zustand der Blende die Lamellen in einem spitzen Winkel zu der Hauptebene der Öffnung angeordnet sind. Der Winkel kann beispielsweise zwischen 10 und 30°, vorzugsweise 20°, betragen. Mit anderen Worten: Die Lamellen verlaufen im geschlossenen Zustand der Blende nicht in einer Ebene, sondern ragen aus der Hauptebene heraus.
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Dadurch kann in besonders vorteilhafter Weise gewährleistet werden, dass ein Verklemmen der Lamellen zueinander vermieden wird. Darüber hinaus kann ein sehr schnelles Öffnen und Schließen der Blende gewährleistet werden, da bereits kleine Bewegungen der Lamellen ausreichen, um eine Öffnung in der Blende zu erreichen.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Blende acht Lamellen aufweist. Selbstverständlich sind auch Blenden mit mehr oder weniger Lamellen möglich.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lamellen ein Kühlsystem zur Kühlung der Lamellenspitzen aufweisen.
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Durch das Vorsehen eines Kühlsystems zur Kühlung der Lamellenspitzen wird erreicht, dass die Lamellenspitzen, die bei teilweise geöffneter Blende aufgrund der Strahlung einer starken thermischen Belastung ausgesetzt sind, ausreichend gekühlt werden, um Beschädigungen entgegenzuwirken. Darüber hinaus kann aufgrund des Kühlsystems die Blende wesentlich näher an dem Fokus des Strahlungssystems positioniert werden, da das Kühlsystem Beschädigungen an den Lamellen, die aufgrund der hohen Strahlungsflussdichte im fokusnahen Bereich auftreten könnten, verhindert werden. Dadurch kann die Blende gegenüber herkömmlichen Blenden wesentlich kompakter ausgestaltet werden. Somit ist beispielsweise eine Blende bereitstellbar, die gegenüber herkömmlichen Blenden ein wesentlich geringeres Gewicht aufweist, so dass beispielsweise auch mobile Blendensysteme möglich sind, die einen schnellen Transport zwischen verschiedenen Strahlungssystemen ermöglichen.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass das Kühlsystem mit einem Kühlfluid durchflossene Kühlkanäle aufweist, wobei jeweils mindestens ein Kühlkanal in eine Oberfläche einer Lamelle eingelassen und an seiner Oberseite mit einer Abdeckung verschlossen ist. Ein Kühlsystem mit derartigen Kühlkanälen hat sich als besonders vorteilhaft zur Kühlung der Lamellen herausgestellt. Durch das Einlassen der Kühlkanäle in eine Oberfläche der Lamelle sind die Kühlkanäle in vorteilhafter Weise und auf konstruktiv einfache Art und Weise bereitstellbar. Die Abdeckung ermöglicht, dass in jeder Stellung der Lamelle das Kühlfluid in vorteilhafter Weise in den Kühlkanälen verbleibt und diese durchfließen kann.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Abdeckung eines Kühlkanals aus der Oberfläche herausragt und eine Kühlrippe bildet. Dadurch wird erreicht, dass auf diesem Bereich der Lamelle auftreffende Strahlung auf eine große Oberfläche trifft und somit besser verteilt wird. Dadurch kann eine vorteilhaftere Kühlung erreicht werden. Darüber hinaus kann der Kühlkanal durch eine derartige Abdeckung auch aus der Oberfläche der Lamelle herausragen, so dass Kühlkanäle mit einem größeren Querschnitt erreicht werden können, wodurch das Volumen des durch die Kühlkanäle fließenden Kühlfluids vergrößert werden kann.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kühlkanäle zumindest teilweise parallel zu den Seitenkanten der Lamellen verlaufen. Ein derartiger Verlauf hat sich als herstellungstechnisch besonders vorteilhaft herausgestellt. Darüber hinaus können durch einen derartigen Verlauf größere Teile der Lamelle gekühlt werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle abschnittsweise in einem Winkel zu den Seitenkanten angeordnet sind. Dabei kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein erster Abschnitt eines Kühlkanals, der zu der Lamellenspitze hinführt, in einem Abstand zu einer Seitenkante angeordnet ist, der etwa die Hälfte des Abstandes des Kühlkanalabschnitts zu einem zweiten Kühlkanalabschnitt beträgt, der von der Lamellenspitze wegführt. Dadurch ist eine besonders gleichmäßige Kühlung einer Lamelle möglich.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle im Bereich der Lamellenspitzen jeweils einen bogenförmigen Verlauf aufweisen. Dadurch wird im Bereich der Lamellenspitze ein relativ großes Volumen für Kühlfluid durch die Kühlkanäle bereitgestellt, so dass die Spitzen in besonders vorteilhafter Weise gekühlt werden. Der bogenförmige Verlauf lässt sich darüber hinaus herstellungstechnisch in vorteilhafter Weise erzeugen.
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Die Erfindung kann vorsehen, dass die Oberfläche der Lamelle, in die ein Kühlkanal eingelassen ist, auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite angeordnet ist.
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Selbstverständlich kann auch vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle auf der von der Strahlungsquelle abgewandten Seite in die Oberfläche der Lamellen eingelassen sind. Da durch den Aufprall der Strahlung auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite ein besonders hoher Wärmeeintrag auf der Oberfläche der Lamelle entsteht, ist das Vorsehen der Kühlkanäle möglichst nahe dieser Oberfläche für deren Kühlung von besonderem Vorteil. Dies wird durch ein Einlassen der Kühlkanäle auf der gegenüberliegenden Seite erreicht.
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In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lamelle über ein Kettengetriebe, das vorzugsweise an der der Strahlungsquelle abgewandten Seite der Lamellen angeordnet ist, antreibbar ist. Über derartige Getriebe lassen sich die Lamellen in besonders vorteilhafter Weise zum Öffnen der Blende verschwenken.
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Das Kettengetriebe bewirkt ferner, dass die Lamellen gleichzeitig, gleichmäßig und ohne Schlupf angetrieben werden können. Dadurch ist ein Öffnen der Blende in besonders vorteilhafter Weise möglich. Ferner sind Kettengetriebe gegenüber thermischen Einflüssen relativ robust.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Lamellen jeweils an einer parallel zu der Mittelachse angeordneten Welle gelagert sind und über diese angetrieben werden. Dadurch lassen sich die Lamellen in vorteilhafter Weise antreiben. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass an der Welle ein Kettenrad des Kettengetriebes angeordnet ist. Dieses ist vorzugsweise an der von den Lamellen abgewandten Seite der Welle angeordnet.
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Eine derartige Konstruktion ermöglicht einen besonders vorteilhaften Antrieb der Lamellen. Das Kettengetriebe kann in vorteilhafter Weise an die Wellen angreifen und diese zum Verschwenken der Lamellen verdrehen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kettenräder und das Kettengetriebe auf der von der Strahlungsquelle abgewandten Seite der Lamelle angeordnet sind. Dadurch kann die thermische Belastung auf das Kettengetriebe gering gehalten werden. Die Lamellen können orthogonal zu der Welle an dieser befestigt sein. Auf diese Weise lassen sich die Lamellen in der Hauptebene der Blende verschwenken. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Lamellen in einem stumpfen Winkel an der Welle befestigt sind, wodurch ein Verschwenken der Lamellen in einer Verschwenkebene, die in einem spitzen Winkel zu der Hauptebene verläuft, verschwenkbar ist. In einem Ausführungsbeispiel, bei dem die Lamellen jeweils in einer Verschwenkebene verschwenkbar sind, weist jede Lamelle eine eigene Verschwenkebene auf.
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Die Erfindung kann ferner vorsehen, dass die Lamellen im geschlossenen Zustand aus der Hauptebene auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite der Blende herausragen. Die Lamellen erstrecken sich somit mit ihren Spitzen entgegen der Strahlungsrichtung von dem Fokuspunkt weg, so dass im geschlossenen Zustand der Blende die auf die Blende auftreffende Strahlung verglichen mit Bereichen näher am Fokus eine geringere Strahlungsflussdichte hat. Dadurch können die auf die Lamellen der Blende einwirkenden thermischen Belastungen verringert werden.
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Das Kühlsystem kann ein aktives Kühlsystem sein, das beispielsweise Wasser als Kühlfluid verwendet. Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Figuren die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1a und 1b eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße steuerbare Blende im geschlossenen und geöffneten Zustand,
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2 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemäßen Blende,
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3 eine Detailansicht einer Lamelle einer erfindungsgemäßen Blende sowie
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4 eine schematische Hinteransicht der erfindungsgemäßen Blende im geöffneten Zustand.
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In 1a und 1b ist eine erfindungsgemäße steuerbare Blende 1 im geschlossenen und im geöffneten Zustand gezeigt. Die steuerbare Blende 1 dient zur Strahlungsregelung eines durch Solar- oder künstliche Strahlung betriebenen Strahlungssystems. Die Blende 1 besteht aus einem Blendenkörper 3, der einen Rahmen 5 aufweist. An dem Rahmen 5 sind mehrere Lamellen 7 angelenkt. Der Rahmen 5 bildet eine Öffnung 9, wobei in dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel die Öffnung 9 achteckig ausgebildet ist. Selbstverständlich kann die Öffnung auch eine runde Öffnung oder die Form eines andersartigen Vielecks aufweisen.
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Wie am besten aus 2 ersichtlich ist, durchdringt eine theoretische Mittelachse 9a das Zentrum der Öffnung 9.
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Die Lamellen 7 sind im Wesentlichen dreieckig ausgebildet, wobei zwei Seitenkanten 11 in einem spitzen Winkel zueinander zum Bilden einer Lamellenspitze 13 verlaufen. Die Seitenkanten 11 und die Lamellenspitze 13 sind am besten in 3, in der eine Detaildarstellung einer einzelnen Lamellen schematisch gezeigt ist, zu erkennen.
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Die Lamellen 7 sind mit der der Lamellenspitze 13 gegenüberliegenden Seite 15 an dem Rahmen 5 angelenkt, wobei im geschlossenen Zustand die Lamellenspitzen 13 zur Mitte der Öffnung 9 hin zeigen und somit auf der Mittelachse 9a enden. Dies ist in 2 ersichtlich, wobei 2 eine stark vereinfachte Darstellung der erfindungsgemäßen Blende zeigt.
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Die Lamellen 7 sind jeweils mit einer der Lamellenspitze 13 gegenüberliegenden Seite 15 an der Peripheriekante der Öffnung 9, vorzugsweise an dem Rahmen 5, beweglich angebracht. Im geschlossenen Zustand der Blende 1 sind die Lamellen 7 in einem spitzen Winkel zu einer Hauptebene 9b der Öffnung 9 angeordnet. Dazu sind die Lamellen 7 jeweils am Ende einer Welle 17 befestigt, die an dem Rahmen 5 drehbar gelagert ist. Die Wellen sind parallel zu der Mittelachse 9a angeordnet, wobei die Lamellen 7 jeweils in einem stumpfen Winkel zu der Welle 17, an der sie befestigt sind, verlaufen. Durch ein Drehen der Welle 17 werden die Lamellen 7 in einer Verschwenkebene 9c um eine Drehachse verschwenkt, die durch die Welle 17 verläuft. Die Lamellen 7 werden alle in die gleiche Richtung verschwenkt, wobei im geöffneten Zustand der Blende benachbarte Lamellen einander teilweise überdecken. Mit anderen Worten: Die Lamellen werden verschwenkt, wobei die Lamellenspitzen jeweils auf der benachbarten Lamelle 7 liegen.
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Wie am besten aus 3 und 4 ersichtlich ist, ist an dem von der Lamelle abgewandten Ende der Welle 7 ein Kettenrad 19 angeordnet, das den Teil eines Kettengetriebes 21 bildet. Das Getriebe 21 besteht ferner aus einer Kette 23, die lediglich in 4 dargestellt ist, sowie einem Antriebskettenrad 25, das von einem Motor 27 angetrieben ist. Über das Kettengetriebe lassen sich die Lamellen 7 in vorteilhafter Weise und gleichförmig antreiben.
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Die Lamellen 7 weisen ein Kühlsystem 29 auf, über das die Lamellen 7 und insbesondere die Lamellenspitzen 13 gekühlt werden können. Das Kühlsystem 29 weist mit einem Kühlfluid durchflossene Kühlkanäle 31 auf, die in eine Oberfläche 7a der Lamelle 7 eingelassen sind. Die Kühlkanäle können an ihrer Oberseite eine Abdeckung aufweisen, die in den Figuren nicht dargestellt ist. Die Abdeckung kann beispielsweise aus der Oberfläche 7a herausragen und eine Kühlrippe bilden.
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Die Kühlkanäle verlaufen zumindest abschnittsweise parallel zu den Seitenkanten 11. Im Bereich der Lamellenspitze 13 besitzen die Kühlkanäle 31 einen bogenförmigen Verlauf 31a, wodurch eine besonders vorteilhafte Kühlung der Lamellenspitze 13 erreicht werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Oberfläche 7a der Lamelle 7, in die ein Kühlkanal 31 eingelassen ist, im geschlossenen Zustand der Lamelle auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite 1a der Blende 1 angeordnet ist.
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Der Antrieb der Lamellen 7 und das Kettengetriebe 21 sind bei diesem Ausführungsbeispiel auf der von der Strahlungsquelle abgewandten Seite der Blende 1 angeordnet, wodurch die thermischen Einflüsse auf den Antrieb und das Kettengetriebe 21 gering gehalten werden können.
