DE102014003301A1

DE102014003301A1 - Hochtemperatur-Infrarotstrahler, Verfahren und Anwendung

Info

Publication number: DE102014003301A1
Application number: DE102014003301.5A
Authority: DE
Inventors: Peter Sewzyk
Original assignee: infratransfer GmbH
Current assignee: infratransfer GmbH
Priority date: 2014-03-08
Filing date: 2014-03-08
Publication date: 2015-09-10
Also published as: DE202014004068U1

Abstract

Die bekannten Infrarotstrahler bestehen aus einem flächigen Körper, mit einer keramischen Strahlungsfläche, innerhalb derer eine spiralförmige Heizwendel keramisch verfüllt und eingebrannt ist. Die Heizwendel erzeugt bei Anschluss an eine elektrische Spannung Wärmestrahlung, die über die Strahlungsfläche emittiert wird. Der Werkstoff der Strahlungsfläche ist eine polykristalline Rezeptur, der Werkstoff der Heizwendel ist eine Metalllegierung. Infrarotstrahler dieser Bauart erreichen bei Flächenleistungen über 76 Watt/m2 ihre thermische Belastungsgrenze. Um die Flächenleistung auf 115 Watt/m2 anheben zu können, besteht der Heizleiter (7) des neuen Strahlers aus Wolframdraht, der als flachbandartiges Gestrick ausgeführt ist. Der Heizleiter (7) ist zwischen den Fugen (6) der Strahlungsfläche (1) und den Stegen (11) der Abdeckplatte (10) eingeschlossen, wobei der Werkstoff der Strahlungsfläche (1) und der der Abdeckplatte (10) Aluminiumnitrid ist. Die Einbettung des Heizleiters (7) in Aluminiumnitrid schützt diesen bei hohen Temperaturen vor oxydierenden Atmosphären. Durch dieses Heizleiter-Einbettungssystem, unter Verwendung der Werkstoffe Wolfram und Aluminiumnitrid, sind Betriebstemperaturen bis zu 1.800°C möglich. Der Infrarotstrahler eignet sich aufgrund seiner besonderen Leistungsfähigkeit zur Reduzierung der Prozesszeiten beim Erwärmen oder Trocknen zahlreicher Werkstoffe innerhalb und außerhalb von Öfen. Die Strahler im Stand der Technik können, unter Verwendung bisheriger Werkstoffe und auf Basis des neuen Heizleiter-Einbettungssystems, kostengünstiger hergestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch betreibbaren Hochtemperatur-Infrarotstrahler, der über ein flächiges keramisches Gehäuse mit einem einteiligen metallischen Heizleiter verfügt. Der Hochtemperatur-Infrarotstrahler emittiert die in seinem Inneren erzeugte Energie primär an seiner Frontseite, während an der Rückseite die elektrischen Zuleitungen sowie mechanische Befestigungselemente angeordnet sind. Der Hochtemperatur-Infrarotstrahler ist für den betriebsfertigen Einbau in Maschinen und Anlagen ausgelegt, mittels derer Erwärmungsgüter aller Art ohne körperlichen Kontakt erwärmt oder getrocknet werden.
Derartige keramische Infrarotstrahler sind in mehreren Bauformen und Bauarten bekannt. Typische, industrielle Anwendungsgebiete sind: Warmumformung von Kunststofffolien und -platten durch Thermoforming bzw. Vacuumforming, Lack einbrennen, Pulverlack aufschmelzen, Klebstoff aktivieren, Lebensmittel backen oder bräunen, GfK-Teile herstellen, Autoglas biegen, Schweißnähte vorwärmen.
Die hier zitierten, weltweit bekannten und millionenfach eingesetzten keramischen Infrarotstrahler verfügen über flächige, zumeist rechteckige Bauformen mit den Abmessungen 60 × 60, 60 × 122, 60 × 245 oder 122 × 122 mm. Die Kontur der Abstrahlfläche kann eben oder gekrümmt sein; die Strahlerrückseite ist zentral mit einem rechteckig abgerundeten, keramischen Sockel zur Aufnahme und Befestigung in Reflektoren oder Trägerblechen ausgestaltet. Der Befestigungssockel dient gleichzeitig als Durchführung der elektrischen Zuleitungen, die in der Regel bis zu 100 mm lang, aus einer temperaturbeständigen Nickel-Litze bestehen und mit keramischen Isolierperlen umhüllt sind. An den Enden sind die elektrischen Zuleitungen mit Aderendhülsen bestückt, die zur Befestigung und Kontaktsicherung, mit Hilfe eines Presswerkzeuges, mit den elektrischen Zuleitungen form- und kraftschlüssig verbunden werden.
Die Bauart dieser bekannten keramischen Infrarotstrahler, die erstmals vor mehr als 60 Jahren in den Patentschriften DE 828 758 sowie DE 829 479 offenbart worden sind, ist gekennzeichnet durch einen polykristallinen keramischen Körper, der auf Basis mehrteiliger Gipsformen zur keramischen Formgebung, im bekannten Schlickergussverfahren erzeugt wird, bei dem, nach Ausformung und Trocknung, ein plastischer Grünkörper vorliegt, in den zuvor eine metallische, spiralförmige, über die Abstrahlfläche mäanderförmig angeordnete Heizwendel eingelegt wurde, die durch den keramischen Werkstoff allseitig umhüllt ist. Der keramische Körper, mit seiner im Inneren ortsfest und spielfrei positionierten Heizwendel, erfährt im nachfolgenden Fertigungsschritt einen Verfestigungsbrand, so dass ein stabiler keramischer Scherben vorliegt. Dieser wird abschließend mit einer flüssigen, keramischen Glasur umhüllt, die sich im anschließenden Glasurbrand als glasartige, nach Bedarf farblich definierbare, dünnwandige und stoffschlüssige Beschichtung der Strahleroberfläche ausbildet.
Ein weiteres Merkmal dieser bekannten Bauart ist, dass der keramische Körper des Infrarotstrahlers massiv oder innen hohl ausgeführt sein kann. Die neuere bereits bekannte Strahler-Bauart, die einen Hohlraum aufweist, ermöglicht gegenüber einem Strahler in massiver Bauart eine Reduzierung des Wärmeverlustes an der Strahlerrückseite, da das durch den Hohlraum entstehende Luftpolster der rückseitigen, unerwünschten Abstrahlung einen Widerstand entgegensetzt. Im Stand der Technik ist dieser Hohlraum, gemäß PS-DE 7206777 , mit einem thermisch isolierenden Werkstoff ausgefüllt, womit eine zusätzliche Reduzierung des rückseitigen Strahlungsverlustes und somit eine Verbesserung der Strahler-Effizienz erreicht wird. Im Stand der Technik erreichen diese keramischen Infrarotstrahler Flächenleistungen bis zu 76 kW/m², bzw. sind Flächenbelastungen von ca. 8 Watt/cm² möglich, bevor die thermische Belastungsgrenze der Strahlerwerkstoffe erreicht wird. Mit Strahlern dieser Leistungsklasse sind Betriebstemperaturen bis 1.100°C möglich.
Der Vorteil dieser Infrarotstrahler ist, dass sie in Abhängigkeit von ihrer elektrischen Auslegung über hohe Flächenleistungen von bis zu 76 kW/m² verfügen, dabei Betriebstemperaturen von bis zu 1.100°C erreichen sowie ihre maximale Strahlungsleistung im Spektralbereich von 2.000–10.000 nm erbringen. Vorteilhaft ist weiterhin, dass diese Infrarotstrahler wegen ihres bewegungsfrei positionierten Heizleiters nicht nur horizontal, sondern in beliebigen Positionen im Raum betriebsfähig sind. Außerdem lassen sich diese Infrarotstrahler baukastenartig und kostengünstig zu Heizflächen, zu Heizzeilen oder zu frei wählbaren Baugruppen zusammensetzen und sind dabei für zahlreiche Anwendungen betriebssicher einsetzbar.
Es gibt jedoch industrielle Anforderungen, die Infrarotstrahler im Stand der Technik nicht oder nicht ausreichend erfüllen können. Eine dieser Anforderungen ist beispielsweise eine Strahlertemperatur größer 1.100°C. Eine weitere Anforderung, die ein typischer, keramischer Infrarotstrahler im Stand der Technik nicht erfüllen kann, ist die, dass die elektrische Leistung eines einzelnen Strahlers größer als 1.200 Watt bzw. seine Flächenbelastung deutlich größer als 8 W/cm² sein soll. Diese Anforderung kann gestellt werden, wenn ein flüssiger oder fester Werkstoff seine Soll-Temperatur in kürzerer Zeit, als im Stand der Technik möglich, erreichen soll. Auch wenn ein keramischer Strahler im Stand der Technik bestimmungsgemäß, zum Beispiel mit einer Leistung von 1.200 Watt, betrieben wird, werden bei einigen Anwendungen, unter hoher thermischer Belastung, vom Erwärmungsgut chemische Verbindungen, insbesondere Kohlenstoffverbindungen freigesetzt, die eine oxidierende Atmosphäre erzeugen, welche auf den Heizleiter des Infrarotstrahlers negativ einwirken, da der keramische Körper des Strahlers über eine poröse Struktur und die Glasur des Strahlers über eine mikro-rissige Struktur verfügen, die die oxidierende Atmosphäre zur Heizwendel des Strahlers vordringen lassen, diesen schädigen und einen vorzeitigen Ausfall des Infrarotstrahlers herbeiführen. Bedingt durch das Schlickerguss- und Brennverfahren entsteht ein weiterer Nachteil, der darin besteht, dass der gebrannte, keramische Körper, bei seinen äußeren Abmessungen und den Wandstärken, über Maßtoleranzen von bis zu 2% verfügt, wobei nicht selten ein Bauteilverzug hinzukommt. Ebenso gibt es nachteilige Toleranzen, die durch das manuelle Einlegen der Heizwendel in das noch plastische oder viskose keramische Material entstehen. Die Folge davon ist, dass der Abstand zwischen Heizwendel und äußerer Strahlungsfläche nicht exakt reproduzierbar ist. Nachteilig ist außerdem, dass die Heizwendel ein dreidimensionaler Körper ist, der über einen kreisförmigen Querschnitt verfügt, der senkrecht zur Strahlungsfläche steht und über die Länge der Heizwendel, in Relation zur Strahlungsfläche, einen linienförmigen Verlauf ergibt. Alle übrigen Punkte des kreisförmigen Querschnitts befinden sich zunehmend entfernt von der Strahlungsfläche. Das bedeutet, dass die spiralförmige Heizwendel in Richtung Strahlungsfläche, aber auch in alle anderen Richtungen abstrahlt. Abschließend muss vorgetragen werden, dass die bekannten Infrarotstrahler wahlweise über Thermoelemente zur Temperaturregelung verfügen. Diese werden, ebenso wie die Heizwendeln keramisch eingebettet und eingebrannt, wobei sie zuvor in der Nähe der Heizwendel, im plastischen oder viskosen keramischen Material, manuell positioniert werden. Wegen der zuvor beschriebenen, fertigungsbedingten Toleranzen, sind die mit Thermoelement ausgerüsteten Strahler nicht exakt reproduzierbar. Dies beinhaltet den Nachteil, dass ein neuer Thermoelement-Strahler, der gegen einen defekten ausgetauscht werden muss, Messwerte liefert, die bis zu 20% von denen des Vorgängers abweichen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen keramischen, flächigen, elektrisch betriebenen Infrarotstrahler vorzustellen, der auf Basis seiner Bauart und auf Basis der eingesetzten Werkstoffe die Nachteile im Stand der Technik durch konstruktive Verbesserungen überwindet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein keramischer Hochtemperatur-Infrarotstrahler erzeugt wird, dessen Strahlungsfläche (1) als einstückiger, flächiger keramischer Körper ausgebildet ist, bei dem die Kanten umlaufend nach oben abgewinkelt sind, so dass ein trogartiges Gehäuse (2), bestehend aus einem Boden (3) mit umlaufender Wandung (4) vorliegt. Der Werkstoff dieses trogartigen Gehäuses (2) ist, für Infrarotstrahler mit Betriebstemperaturen über 1.000°C, Aluminiumnitrid. Unter Verzicht auf die Herstellung im Schlickerguss-Brennverfahren, wird das trogartige Gehäuse (2), ebenso wie die übrigen Komponenten des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers, als vorgefertigtes Zulieferteil mit geringen Toleranzen, bereitgestellt. Die innere Bodenfläche (5) des trogartigen Gehäuses (2) verfügt über Vertiefungsfugen (6), die mäanderförmig über die Fläche verteilt und zur Aufnahme eines Heizleiters (7) bestimmt sind. Die Tiefe der Fugen (6) ist derartig geprägt, dass auf der gegenüberliegenden Seite, der Strahlungsfläche (1), der mäanderförmige Verlauf der innen liegenden Fugen (6), konvex, als keramischer, geschlossener Strang (8) erscheint. Der Heizleiter (7), der in die Fugen (6) des trogartigen Gehäuses (2) unterbrechungsfrei eingelegt wird, besteht aus Wolfram, wenn der Infrarotstrahler Betriebstemperaturen größer als 1.000°C erreichen soll. Der Heizleiter (7) ist ein flaches, ca. 5 mm breites Drahtgestrick., das als Endlosband auf einer Vorratsrolle bereit gestellt und den Fugen (6) zugeführt, in diese eingelegt, auf Länge geschnitten und mit den elektrischen Zuleitungen (13) verbunden wird. Das flache und flexible Heizleiterband (7) kann insbesondere an den Wendepunkten der mäanderförmigen Fugen (6), flach bleibend, über die Längsseiten gebogen werden. Zur Übertragung der vom Heizleiter (7) erzeugten Energie auf die keramische Strahlungsfläche (1) ist es vorteilhaft, wenn der Heizleiter (7) nicht linienartig wie bei einer Spirale, sondern flächig auf der Strahlungsfläche (1) steht. Ein Heizleiter (7) mit flachem Querschnitt ist im Vergleich zu Heizwendeln im Kreis-Querschnitt weiterhin vorteilhaft, da dieser nicht über einen geometrisch bedingten Hohlraum verfügt, wie er bei spiralförmigen Heizwendeln typisch ist und keramisch verfüllt werden muss. Wird dieser Hohlraum nicht verfüllt und gegebenenfalls auch nicht zusätzlich gesintert, kommt es unter hohen Temperaturen erfahrungsgemäß zu einer undefinierten „Wanderung” bzw. „Nestbildung” der Windungen entlang der Heizwendel. Daher kann ein Infrarotstrahler ohne keramische Einbettung oder ohne sonstige Befestigung der Heizwendel nur horizontal betrieben werden, wenn inhomogene Temperaturen an der Abstrahlfläche oder lokale Überhitzungen sowie kurze Standzeiten vermieden werden sollen. Der erfindungsgemäße Heizleiter (7) im Flach-Querschnitt wird in den mäanderförmig verlaufenden Fugen (6) des trogartigen, keramischen Gehäuses (2) durch eine einteilige, keramische Abdeckplatte (10) befestigt. Die Abdeckplatte (10) auf der dem Heizleiter (7) zugewandten Seite verfügt über Profilstege (11), welche der Geometrie der mäanderförmigen Fugen (6) entsprechen und somit einen formschlüssigen Schiebesitz ergeben. Durch das formschlüssige Eingreifen der Stege (11) in die Fugen (6) werden die Fugen (6) seitlich und nach oben geschlossen, wobei die Ober- und Unterseite des flachen Wolfram-Heizleiters (7) Kontakt zum keramischen Material haben, eben geführt werden, sich bei hohen Temperaturen in der Ebene dennoch ausdehnen und die erzeugte Energie durch Wärmeleitung auf das keramische Material übertragen können. Der Werkstoff, der mit den Profilstegen (11) versehenen Abdeckplatte (10), besteht ebenso wie das trogartige Gehäuse (2), aus monokristallinem Aluminiumnitrid. Die Abdeckplatte (10) verfügt über zwei in etwa mittig angeordnete Bohrungen zur Durchführung der aus Wolfram bestehenden, elektrischen Zuleitungen (13), die vorzugsweise als Litze definiert sind. Die elektrischen Zuleitungen (13) werden unterhalb der Abdeckplatte (10) mit Hilfe von aus Wolfram bestehenden Verbindungselementen form- und kraftschlüssig mit den beiden Enden des Heizleiters (7) verbunden. Dabei ist die Dimension der Verbindungselemente so zu bestimmen, dass sie größer als die Durchführungsbohrungen in der Abdeckplatte (10) sind und dadurch als Zugentlastung wirken. Die innerhalb des trogartigen Gehäuses (2) aufliegende Abdeckplatte (10), wird mittels keramischer Stifte oder keramischer Rohre, die an mehreren Positionen die umlaufende Wandung (4) des trogartigen Gehäuses (2) durchdringen, verschiebungssicher fixiert. Die Länge der Stifte bzw. der Rohre ist so zu bestimmen, dass sie über die Kanten der Abdeckplatte (10) ausreichend hinausragen. Die an der Stoßkante zwischen Wandung (4) und Abdeckplatte (10) umlaufende Winkelfuge, wird ebenso wie die Durchführungsbohrungen, mit einem thermisch beständigen, keramischen Kleber abgedichtet. Im nachfolgenden Schritt wird auf die Rückseite der Abdeckplatte (10), innerhalb des trogartigen Gehäuses (2), eine aus keramischem Fasermaterial bestehende, thermisch belastbare Isolierschicht (12) aufgelegt, die den verbleibenden Innenraum nahezu vollständig ausfüllt und durch die die elektrischen Anschlusslitzen (13) durchgeführt werden. Oberhalb der Isolierschicht (12) wird der gesamte, trogartige Bauraum mit einer keramischen, polykristallinen Trägerplatte (14) abgeschlossen, die über eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit verfügt. Die Trägerplatte (14) ist mit zwei nahezu mittig angeordneten Bohrungen versehen, die der Durchführung der elektrischen Anschlusslitzen (13) dienen. Die Trägerplatte (14) wird ebenso wie die Abdeckplatte (10) mit keramischen Stiften oder keramischen Rohren an der umlaufenden Wandung (4) fixiert, die am oberen Ende über eine ebenfalls umlaufende Aussparung zur ebenen Auflage der Trägerplatte (14) verfügt. Wahlweise kann auf der Außenseite der Trägerplatte (14) eine mittig angeordnete flache und ovale Vertiefung (9) eingeprägt werden, in die mittels eines keramischen Klebers ein ovaler, keramischer Befestigungssockel (15) eingesetzt wird, der zur Aufnahme des Infrarotstrahlers in Reflektoren oder sonstigen Trägerblechen dient.
Die elektrischen Anschlusslitzen (13) werden wiederum durch den Befestigungssockel (15) hindurchgeführt, außerhalb dessen mit keramischen Isolierperlen bestückt sowie mit Aderendhülsen gesichert, die aus Wolfram bestehen.
Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler wird im Vergleich zur PS-DE 7206777 auf Basis vorgefertigter Komponenten im Fügeverfahren hergestellt. Die aus Aluminiumnitrid bestehende, primäre Strahlungsfläche (1), verfügt gegenüber den im Schlickergussverfahren hergestellten keramischen Körpern, über eine deutlich verbesserte Wärmeleitfähigkeit. Sie beträgt 180–220 W/mK. Ebenso wird die thermische Belastbarkeit des Strahlers und damit seine Leistung deutlich, auf 1.800°C, angehoben. Die Belastbarkeit der Strahlungsfläche (1) liegt bei 12 W/cm², dies ergibt eine Flächenleistung von 115 kW/m². Die Verwendung eines flachen, Wolfram-Heizleiters (7), in Kombination mit dem hoch-wärmeleitfähigen Aluminiumnitrid, verkürzen die Aufheiz- und Abkühlzeiten des Infrarotstrahlers im Vergleich zum Stand der Technik auf Werte unterhalb einer Minute. Es ist bekannt, dass Wolfram bei höheren Temperaturen im Kontakt mit Sauerstoff oder Kohlenstoff oxidiert. Um dies zu vermeiden, ist der Heizleiter erfindungsgemäß durch die Fugen (6) und die Stege (11) allseitig von Aluminiumnitrid umgeben, ohne dass eine zusätzliche Isolierschicht gemäß PS-DE 4330953 erforderlich ist. Aluminiumnitrid setzt bei hohen Temperaturen Stickstoff frei, welches den Heizleiter (7) umgibt, ohne dass Kohlenstoff oder Sauerstoff zum Heizleiter (7) vordringen kann. Im Vergleich zu PS-DE 4330953 ist der erfindungsgemäße Infrarotstrahler flächig ausgebildet. Dies ist gegenüber stabförmigen Strahlern vorteilhaft, da diese zur Erzeugung einer Heizfläche aus mehreren Stäben zusammengesetzt und entsprechend aufwändig verschaltet werden müssen. Darüber hinaus offenbart die PS-DE 4330953 keine integrierte Isolierschicht und ebenso keine Befestigungsmöglichkeit zum Betrieb des Heizelementes außerhalb eines Ofens. Außerdem wird offenbart, dass als Heizleiter eine Heizwendel vorgesehen ist. Darunter ist im Stand der Technik ein spiralförmig gewickelter Heizdraht zu verstehen. Die in der PS-DE 4330953 angegebene Möglichkeit der Ausgestaltung als Platten oder Quader, enthält ebenso den Hinweis darauf, dass diese Heizelemente nur für den Ofenbetrieb vorgesehen sind. Schließlich sind auch andere Heizelemente bekannt, die aus Platten verklebt, aus Aluminiumnitrid oder anderen Hochleistungskeramiken bestehen und Heizleiter enthalten, die zum Beispiel aus Wolfram oder Molybdän gefertigt sind. Es wird dabei jedoch nicht offenbart, dass diese Heizelemente bezüglich ihrer Ausgestaltung und Anwendbarkeit dem Stand der PS-DE 7206777 entsprechen oder dass deren Heizleiter-Einbettungssystem, so wie es erfindungsgemäß angegeben, aus einer Profil-Fuge (6) besteht, in die ein flacher, aus einem Drahtgestrick bestehender Heizleiter (7) eingelegt und von einem Profil-Steg (11) formschlüssig eingeschlossen ist, ohne dass eine zusätzliche Verfüllung des Heizleiters (7) sowie zusätzliche Brenn- und Pressvorgänge erforderlich sind. Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler kann dennoch in jeder Position im Raum betrieben werden, wobei sich der Heizleiter (7) unter hoher Temperatur, ohne Veränderung seiner Geometrie ausdehnen kann. Da keramische und metallische Werkstoffe immer über unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügen und sich diese mit zunehmender Temperatur verändern, ermöglicht es das erfindungsgemäße Heizleiter-Einbettungssystem, dass bei hoher Temperatur keine Spannungsrisse im keramischen Material auftreten, die häufig durch unterschiedliche Materialausdehnungen bei Verbundwerkstoffen hervorgerufen werden.
Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler kann auf Grund seiner Bauform, seiner Bauart sowie dank seiner Leistungsfähigkeit sowohl innerhalb als auch außerhalb eines Ofens eingesetzt werden. Ein Beispiel für den Ofenbetrieb sei ein Glasbiege-Durchlaufofen, in dem Glasscheiben für Kraftfahrzeuge unter Einsatz von Wärmestrahlung nach dem Gravitationsprinzip gebogen werden. Durch die hohe Strahlungsleistung des erfindungsgemäßen Strahlers kann die Durchlaufzeit des Glases im Ofen verkürzt werden. Außerhalb des Ofenbetriebes kann der neue Infrarotstrahler zum Beispiel in Thermoformmaschinen oder in Vakuumformmaschinen zur Umformung von Metallblechen eingesetzt werden; bisher wird mit derartigen Maschinen nur Kunststoff oder Glas umgeformt. Denkbar sind auch Prägearbeiten auf der Oberfläche von Metallen oder Natursteinplatten. Darüber hinaus gibt es Anwendungen, bei denen der Infrarotstrahler in größerem Abstand vom Erwärmungsgut installiert werden muss, aber am Erwärmungsgut immer noch eine Temperatur von zum Beispiel 1.000°C benötigt wird. Generell kann der neue Infrarotstrahler jedoch überall dort eingesetzt, wo die Aufheizzeit flüssiger oder fester Werkstoffe unter Einsatz von Infrarotstrahlung deutlich verkürzt werden muss. Ein Beispiel dafür sei der Schiffbau, bei dem Stahlplatten vor dem Schweißen vorgewärmt werden oder auch Metalle, die bis zum Schmelzpunkt erwärmt werden müssen, was zum Beispiel bei Laboranwendungen häufig gefordert ist.
Die Verwendung des erfindungsgemäßen Heizleiter-Einbettungssystems kann auch dazu genutzt werden, um flächige, keramische Infrarotstrahler, wie sie in der PS-DE 7206777 angegeben und heute weltweit verbreitet sind, nicht mehr im Schlickerguss-Brennverfahren, sondern auf Basis vorgefertigter Bauteile, im Montageverfahren herzustellen. Das keramische Eingießen von spiralförmigen Heizdrähten ist seit mehr als 60 Jahren bekannt und wird in den PS-DE 828758 sowie DE 829479 offenbart. In der Zwischenzeit, bis heute, haben sich die keramischen Werkstoffe und auch die Heizleiterwerkstoffe weiterentwickelt. Unabhängig davon, ist jedoch die spiralartige Bauform des Heizleiters und auch die damit verbundene Art des keramischen Eingießens des Heizleiters, gleich geblieben. In Folge dessen ist im Stand der Technik, bei der Herstellung keramischer Infrarotstrahler der hier angesprochenen Bauart, immer ein aufwändiger keramischer Herstellungsbetrieb anzutreffen.
Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß dadurch überwunden, dass keramische Infrarotstrahler auf Basis des neuen Heizleiter-Einbettungssystems und damit im Fügeverfahren hergestellt werden. Die im Stand der Technik eingesetzten Heizleiter-Werkstoffe, zum Beispiel Kanthal AF sowie die Verwendung polykristalliner, keramischer Werkstoffe zur Erzeugung der bauform-bekannten Infrarotstrahler gemäß PS-DE 7206777 , stehen der Nutzung des erfindungsgemäßen Heizleiter-Einbettungssystems nicht entgegen. Das angegebene Heizleiter-Einbettungssystem umfasst auch den Vorteil der reproduzierbaren Positionierung eines Thermoelementes. Dies wird dadurch ermöglicht, dass wahlweise in der Abdeckplatte (10) oder im trogartigen Gehäuse (2) eine Vertiefung eingeprägt ist, in die das Thermoelement spielfrei eingelegt wird.
Bei der Strahlerherstellung im Fügeverfahren, auf Basis vorgefertigter Komponenten, werden die Fertigungstiefe, die Taktzeiten und damit die Fertigungskosten deutlich reduziert. Die Kostenreduzierung entsteht in der Hauptsache durch den Entfall der keramischen Masseherstellung, den Entfall des Gießprozesses, den Entfall eines Brennprozesses sowie den Entfall der Gipsformen, die bereits nach etwa 100 Abgüssen durch Erosion sowie durch Rückgang ihrer Wasseraufnahmefähigkeit unbrauchbar werden. Weiterhin kann beim erfindungsgemäßen Infrarotstrahler auf eine Glasur, wie sie ursprünglich in der PS-DE 829 479 vorgesehen ist, verzichtet werden, da diese das keramische Material der Abstrahlfläche in der Regel nicht abdichtet. Durch die Verwendung vorgefertigter, maßgenauer keramischer Bauteile, wird auch die Ausschussquote reduziert, die im Stand der Technik bis zu 2% beträgt und dadurch eine entsprechende Reduzierung der Produktivität verursacht. Die Bauart des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Infrarotstrahlers beinhaltet darüber hinaus die Möglichkeit, einzelne Fertigungsschritte zumindest teilweise zu automatisieren, was einer sprunghaften Weiterentwicklung entspricht. Darüber hinaus können auch keramische Infrarotstrahler mit größeren Bauformen (Länge und Breite) in Serie hergestellt werden. Dies ist im Stand der Technik problematisch, da die benötigten Gipsformen zu groß und zu schwer werden, die manuell einzulegenden Heizwendeln zu lang werden, die manuelle Entnahme der plastischen Grünlinge aus den Gipsformen nicht schadensfrei möglich ist, der Bauteilverzug im Brennverfahren zu groß wird und auch die Öffnungsweiten der Brenn- und Trockenöfen technische und wirtschaftliche Grenzen setzen.
Bezugszeichenliste

1: Strahlungsfläche
2: Trogartiges Gehäuse
3: Boden
4: Wandung
5: Bodenfläche
6: Fugen
7: Heizleiter
8: Strang
9: Vertiefung
10: Abdeckplatte
11: Profil-Stege
12: Isolierschicht
13: Zuleitungen (Litzen)
14: Trägerplatte
15: Befestigungssockel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 828758 [0004, 0013]
DE 829479 [0004, 0013, 0015]
DE 7206777 [0005, 0011, 0011, 0013, 0014]
DE 4330953 [0011, 0011, 0011, 0011]

Claims

Hochtemperatur-Infrarotstrahler flächiger Bauart gemäss 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsfläche (1) fester Bestandteil eines trogartigen keramischen Gehäuses (2) ist, in das der mäanderförmig eingebaute, elektrische Heizleiter (7) aus einem Wolframdraht besteht, der als flachbandartiges Drahtgestrick ausgeführt und für Betriebstemperaturen bis 1.800°C ausgelegt ist.
Hochtemperatur-Infrarotstrahler nach Anspruch 1, bei dem der Heizleiter (7) in einer vorgeformten Fuge (6) der Strahlungsfläche (1) positioniert und von einer Abdeckplatte (10) überdeckt wird, die über einen angeformten Steg (11) verfügt, welcher formschlüssig in die Fuge (6) eingreift, wodurch der Heizleiter (7) allseitig von einem keramischen Werkstoff umgeben ist, sich aber bei thermischer Belastung, gleichmäßig und verschiebungsfrei ausdehnen kann.
Hochtemperatur-Infrarotstrahler gemäß der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fuge (6) des trogartigen Gehäuses (2) und auch der Steg (11) der Abdeckplatte (10), über den jeweiligen Flächen mäanderförmig und deckungsgleich angeordnet sind, wobei der Werkstoff des Gehäuses (2) und der der Abdeckplatte (10) Aluminiumnitrid ist, das bei höherer Temperatur Stickstoff freisetzt und den Heizleiter (7) mit einer schützenden Atmosphäre umgibt, ohne dass der Aluminiumnitrid-Werkstoff von anderen, zusätzlichen Werkstoffen umhüllt ist.
Hochtemperatur-Infrarotstrahler auf Basis der Ansprüche 1–3, der auf seiner Rückseite, innerhalb des trogartigen Gehäuses (2), über eine thermisch isolierende Schutzschicht (12) verfügt, über der eine keramische Trägerplatte (14) angeordnet ist, die das trogartige Gehäuse (2) abschließt und die Durchführung der elektrischen Zuleitungen (13) sowie die Anordnung geeigneter Befestigungselemente (15) ermöglicht.
Hochtemperatur-Infrarotstrahler gemäß der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Komponenten des Infrarotstrahlers, vorzugsweise das trogartige Gehäuse (2) und die Abdeckplatte (10), in einem toleranzarmen Pressverfahren hergestellt werden, so dass der Infrarotstrahler einfach manuell oder auch mit Hilfe teilautomatisierter Anlagen zusammengebaut werden kann.
Hochtemperatur-Infrarotstrahler auf Basis der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, das dieser mit oder ohne eine integrierte Isolierschicht (12), auch im Ofenbetrieb eingesetzt werden kann, wobei der Ofen über eine eigene, thermische Isolierschicht verfügt.
Hochtemperatur-Infrarotstrahler auf Basis der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass eine beliebige Anzahl dieser Infrarotstrahler, mit Hilfe von Metallrahmen und Trägerblechen, zu rechteckigen Strahlungspaneelen oder zu Strahlungsanlagen anderer Geometrie zusammengebaut werden können, bei denen sich die Infrarotstrahler in frei wählbarer Position im Raum befinden.
Hochtemperatur-Infrarotstrahler gemäß der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass seine keramischen Komponenten (2, 10, 14) aus polykristallinem Werkstoff und der Heizleiter (7) wahlweise aus einem legierten Metalldraht bestehen, womit der Infrarotstrahler für Betriebstemperaturen bis 1.100°C ausgelegt ist und kostengünstig hergestellt werden kann.
Hochtemperatur-Infrarotstrahler gemäß der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass sein Strahlungsleistungsmaximum im Spektralbereich von 2.000 nm bis 10.000 nm liegt.
Hochtemperatur-Infrarotstrahler auf Basis der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass er zur Erwärmung und Trocknung von Erwärmungsgütern aller Art eingesetzt werden kann.