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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler mit einem Strahlerrohr, das einen Innenraum definiert, in dem mindestens ein band- oder wendelförmiges Heizfilament angeordnet ist, welches zum elektrischen Anschluss mit einem Anschlusselement aus metallischem Werkstoff versehen ist.
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Stand der Technik
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Lampen und Infrarotstrahler mit einem Filament aus einem leitfähigen Material mit hoher Schmelztemperatur sind bekannt. Solche Filamente können einfache gestreckte geometrische Form wie etwa Stäbe, Drähte, Bleche haben, oder sie können eine von der gestreckten Form abweichende Geometrie, wie etwa die Form eines Mäanders, einer Wendel oder einer Schleife annehmen.
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Einige Filament-Geometrien sind so ausgelegt, dass sie die thermische Ausdehnung des Filaments beim bestimmungsgemäßen Einsatz ohne starke mechanische Belastung ermöglichen, da sich das Filament frei ausdehnen kann, wie etwa ein bogenförmig verlegtes Filament, das bereits T. A. Edison bei der Entwicklung seiner Glühbirne so vorgesehen hatte (
US-PS 251,539 ).
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Bei anderen Ausführungsformen ist die Länge des Filaments so gering, dass die thermische Ausdehnung an und für sich vernachlässigt werden kann. Ein derartiges Filament ist beispielsweise aus der
US-PS 205,144 bekannt. Hier wird zusätzlich vorgeschlagen, eine Druckkraft auf das Filament auszuüben, die eventuellen Abbrand an den Enden kompensiert. Bei einem gestreckten Filament, wie in der
US-PS 1,028,118 beschrieben, kann es dagegen angezeigt sein, das Filament mittels Federkräfte gestreckt zu halten und so eventuelle thermische Ausdehnung im Betrieb zu kompensieren.
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Technische Aufgabenstellung
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Gestreckte Wendeln aus Metall zeigen grundsätzlich eine starke thermische Ausdehnung, die insbesondere bei langen gestreckten Wendeln erhebliche Kräfte erzeugt. Da das Metall im Betrieb zumeist eine Temperatur erreicht, bei der es sich nicht nur reversibel elastisch verformbar ist, sondern über so genanntes Kriechen über die Zeit eine irreversible plastische Verformung erfährt, tritt beim Abkühlen eine irreversible Verkürzung der Wendel auf.
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Aus diesem Grund wird bei langen Metall-Wendeln mit jedem Schaltvorgang eine gewisse Verkürzung der Wendel beobachtet, die sich insbesondere bei Längen von mehr als dem 1000-fachen des Wendel-Innendurchmessers und bei dünnen Wendeldrahtdicken, deren Dicke im Verhältnis zum Innendurchmesser (Dorn) weniger als 1/5 beträgt, bemerkbar machen. Mit der Zeit treten makroskopische irreversible Verformungen der Wendel auf, die dazu führen können, dass die Wendel bricht oder das Strahler-Rohr berührt.
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All dies führt zu einer merklichen Verkürzung der Lebensdauer des Strahlers, was umso bedauerlicher ist, als gerade lange Strahler zugleich verhältnismäßig teuer sind und aufgrund ihrer Bruchempfindlichkeit ihr Transport einen besonderen Aufwand erfordert.
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Durchgängig leitfähige Elemente, wie etwa an den Enden des Filaments befestigte Drahtfedern, die zugleich kostengünstig sind und über die Lebensdauer des Strahlers und einige 100 000 Schaltvorgänge hinweg ihre Fähigkeit bewahren, die erhebliche Längenausdehnung von einigen Zentimetern aufzunehmen, müssen kaum zu bewältigende Randbedingungen erfüllen:
- • Die Umgebung des Strahlerrohres ist etwa 600 bis 1000 °C heiß und unterliegt einer chemisch reduzierend wirkenden Atmosphäre. Es muss ein Strom von 12 bis 25 A durch das Bauteil fließen, ohne dass es aufgrund des Joule-Effekts zu einer deutlichen eigenen Wärmeaufnahme des Bauteils führt.
- • Einfache Drahtfedern müssen aus thermisch beständigem Metall ausreichender Stärke gefertigt werden und zugleich eine geringe Leitfähigkeit aufweisen. Wünschenswert ist zudem, dass Rekristallisation oder Kriechen erst deutlich oberhalb von 1000 °C einsetzt und das Material leicht verformbar ist. Nickel, Wolfram, Molybdän seien beispielhaft genannt, keines dieser Metalle hat alle geforderten Eigenschaften, so dass zumeist extrem rigide Federn ohne erwünschte Federwirkung erzeugt werden.
- • Die US 6,856,078 B2 illustriert einen der möglichen Schadenseffekte und offenbart eine Lösung, die für die hier vorliegende Aufgabenstellung nicht geeignet ist: Zur Kompensation der Längenausdehnung geht die Filamentwendel aus Wolfram im Bereich ihrer beiden Enden in Wendelbereiche mit etwa dem doppelten Wendel-Durchmesser über. Der so erzeugte Federbereich erweist sich jedoch in der Praxis als zu kurz zur Lösung der ihm zugedachten Aufgabe, und Wolfram zeigt darüber hinaus wie alle Metalle eine mit der Temperatur abnehmende Festigkeit, so dass der Federbereich mechanisch erheblich fester ist, als die Wendel und sich daher nicht oder kaum verformt.
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Elektrische schleifende Kontakte sind insbesondere aus dem Bereich der rotierenden elektrischen Maschinen bekannt. Dort werden beispielsweise Stäbe aus Kohle verwendet, die mittels einer Feder gegen die rotierende Welle gedrückt werden. Welle, Kohlestab und die Kombination aus Feder und Halterung des Kohlestabes bilden eine elektrisch leitende Verbindung, so dass Strom von einem rotierenden Bauteil auf ein dazu ruhendes übertragen werden kann.
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Diese Bauteile sind jedoch nicht ohne weiteres für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignet. Insbesondere zeigt es sich,
- • dass dauerhaft federnde Metalle nur etwa bis 600 °C zur Verfügung stehen und diese Metalle eine ausgesprochen geringe elektrische Leitfähigkeit aufweisen,
- • Kohlenstoff ab etwa 400 °C oxidiert oder in Schutzatmosphäre gehalten werden muss,
- • je nach Metall ab 400 °C eine Einlagerung von Kohlenstoff in das Metall zumindest bei direktem Kontakt erfolgt (Karburieren), die zu einer Versprödung und Veränderung der meisten Eigenschaften des Metalls führt.
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Besondere Schwierigkeiten bereiten grundsätzlich sogenannte Zwillingsrohrstrahler, die über parallel zueinander verlaufende, räumlich getrennte Kanäle zur Aufnahme von Heiz-Filamenten verfügen. Zwillingsrohrstrahler werden zum Beispiel in Anlagen zum Trennen von Verbundglas eingesetzt und erreichen Längen bis zu 6,5 m. Dabei werden in beide Kanäle des Strahlerrohres unabhängig voneinander beheizbare Heizwendeln eingesetzt, die beispielsweise 4 m und 2,2 m lang sind, wobei die Wendeln versetzt gegeneinander eingebaut sind. Um den Stromfluss sicherzustellen, werden lange Zuleitungen benötigt, die üblicherweise aus Molybdän bestehen und die jeweils parallel zur Wendel im anderen Kanal verlaufen. Ausgleichselemente für die Längenausdehnung können in dem Fall nur parallel zu einer Wendel im benachbarten Kanal eingebaut werden, wobei sich auch dort Temperaturen bis 900 °C ergeben, denen die metallischen Bauteile ausgesetzt sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Infrarotstrahler so zu modifizieren, dass sich auch bei häufigen Ein- und Ausschaltvorgängen eine vergleichsweise geringe thermische Verformung des Heizfilaments ergibt und dadurch der Infrarotstrahler eine hohe Lebensdauer hat.
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Allgemeine Darstellung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Infrarotstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Heizfilament und/oder das Anschlusselement mit einem Gleitlager verbunden sind, das mindestens zwei elektrisch leitfähige Gleitlagerelemente aufweist, die aufeinander gleitend in Kontakt sind.
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Das Gleitlager bildet ein elektrisch leitendes Bauteil, welches eine kraftlose Kompensation der Längenausdehnung des Heizfilaments ermöglicht, wie beispielsweise einer Heizwendel. Die Längenkompensation erfolgt dabei ohne Federwirkung allein durch einen stoffschlüssigen, leitfähigen, gleitenden Kontakt der Gleitelemente untereinander.
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Das Gleitlager kann dabei sowohl an der Anschlussleitung für die Stromversorgung als auch am Heizfilament angreifen. Für Fälle, bei denen sehr große Längenänderungen zu kompensieren sind, können auch mehrere Gleitlager vorgesehen sein. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass ein solches Bauteil an die oben genannten Rahmenbedingungen angepasst ist und die Anforderungen bezüglich elektrischer Leitfähigkeit, thermischer und chemischer Beständigkeit und mechanischer Langlebigkeit erfüllt und eine nennenswerte Verlängerung der Lebensdauer von Infrarotstrahlern ermöglicht, insbesondere auch von Infrarotstrahlern großer Länge von mehr als 4m.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Heizfilament und das Anschlusselement über das Gleitlager miteinander verbunden.
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Hierbei ist das Gleitlager zwischen dem Heizfilament und dem Anschlusselement vorgesehen. Das erste Gleitlagerelement ist dabei quasi unmittelbar oder mittelbar dem Heizfilament und das zweite Gleitlagerelemente unmittelbar oder mittelbar dem Anschlusselement zugeordnet.
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Es hat sich bewährt, wenn die Gleitlagerelemente aus Molybdän und/oder aus Kohlenstoff, insbesondere aus hochreinem technischem Kohlenstoff, bestehen.
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Molybdän zeigt im Temperaturbereich bis 1000 °C eine verhältnismäßig gute Leitfähigkeit bei eher geringer Neigung zum Karburieren. Kohlenstoff, insbesondere Graphit, ist als Lagerwerkstoff besonders geeignet, da sein Abrieb selbstschmierend wirkt. Er verfügt darüber hinaus über eine gute elektrische Leitfähigkeit.
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Dabei ist vorteilhafterweise eines der Gleitlagerelemente als Gleitstab und das andere der Gleitlagerelemente als Gleitbuchse ausgeführt, wobei vorteilhafterweise der Gleitstab und die Gleitbuchse eine Gleitpassung bilden, vorzugsweise eine Gleitpassung H7/h7.
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Dabei bestehen der Gleitstab bevorzugt aus Molybdän und die Gleitbuchse aus Kohlenstoff. Die auf Gleitpassung gefertigte Buchse aus Kohlenstoff ermöglicht auch ohne Federwirkung einen stoffschlüssigen, leitfähigen, gleitenden Kontakt zum Gleitstab.
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Bei einer bevorzugen Ausführungsform ist ein Gleitlager vorgesehen, das zwei oder mehr Bohrungen aufweist, die mit zwei oder mehr Gleitstäben korrespondieren.
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Das Gleitlager umfasst mehrere Gleitbuchsen. Diese können in einem Bauteil oder in mehreren, fest miteinander verbundenen Bauteilen verwirklicht sein. Dadurch ergibt sich eine höhere Verwindungssteifigkeit um die Gleitlager-Längsachse beziehungsweise um die Strahler-Längsachse.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Gleitstab dem Heizfilament und die Gleitbuchse dem Anschlusselement zugeordnet ist.
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Es wird eine Ausführungsform des Infrarotstrahlers bevorzugt, bei der das Gleitlager eine Gleitstrecke definiert, innerhalb der die Gleitlagerelemente aufeinander gleitend in elektrischem Kontakt sind, und dass ein Begrenzungselement vorgesehen ist, das eine gegenseitige Gleitverschiebung der Gleitlagerelemente über die Gleitstrecke hinaus verhindert.
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Durch das Begrenzungselement wird der Gleitweg begrenzt und damit ein Abgleiten von Buchse und Stab im Betrieb verhindert.
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Das Gleitlager umfasst vorteilhafterweise mindestens einen Abstandshalter zur Abstützung an der Strahlerrohr-Innenwandung.
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Bevorzugt ist beidseitig des Heizfilaments ein Gleitlager vorgesehen.
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Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler ist dabei symmetrisch beispielsweise mit zwei Buchsen aufgebaut.
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Alternativ dazu ist das Heizfilament einseitig mit einem Gleitlager versehen.
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Eine Verwendung einer einzelnen Buchse ist ebenfalls möglich. Diese kann von einem metallischen Kontakt umschlossen und innerhalb des Strahlerrohres fixiert sein, beispielsweise mittels Nieten.
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Der erfindungsgemäß mit Gleitelement ausgestattete Infrarotstrahler erweist sich dann besonders vorteilhaft, wenn das Strahlerrohr für eine Betriebstemperatur oberhalb von 800 °C ausgelegt ist.
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Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigt in schematischer Darstellung
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1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers mit beidseitig zur Heizwendel angeordnetem Gleitlager,
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2 eine alternative Ausführungsform eines Gleitlagers zum Einsatz im erfindungsgemäßen Infrarotstrahler,
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3 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers mit etwa mittig innerhalb der Strahlerrohres angeordnetem Gleitlager,
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4 eine vergrößerte Darstellung eines Gleitlagers der Infrarotstrahlers von 3 in gestreckter Stellung,
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5 eine vergrößerte Darstellung des Gleitlagers von 4 in gestauchter Stellung, und
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6 eine Ansicht auf die Gleitbuchse des Gleitlagers von 4 in Richtung der Strahler-Längsachse.
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1 zeigt schematisch einen Infrarotstrahler 1 mit axialsymmetrischen Hüllkolben 2 aus Quarzglas mit rundem Querschnitt. Der Infrarotstrahler 1 ist für eine Betriebstemperatur oberhalb von 800 °C ausgelegt.
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Der Hüllkolben 2 umschließt gasdicht einen Innenraum, in dem ein wendelförmiges Heizfilament 3 aus Wolfram mit einer (beheizten) Länge von 650 cm angeordnet ist und der mit Argon gefüllt ist.
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Im Bereich der beiderseitigen Enden des Hüllkolbens 2 sind jeweils Gleitlager 5 eingesetzt und fixiert. Jedes der Gleitlager 5 besteht aus einer Gleitbuchse 6 aus hochreinem technischen Kohlenstoff und einem dazu in Gleitpassung H7/h7 angepassten Gleitstab 7 in Form eines runden Molybdänstabes. Die dem stirnseitigen Ende zugewandten Enden des Gleitlagers 5 sind jeweils mit elektrischen Anschlussstiften 8 versehen, die aus den stirnseitigen Enden des Hüllkolbens 2 herausgeführt sind. Über diese Anschlussstifte 4 ist jeweils eine Kontakthülse 4 aus Edelstahl mittels Hartlot fixiert.
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Die Enden der Heizwendel 3 sind jeweils mit einem Ende des Gleitstabs 7 verschweißt. Das andere Ende des Gleitstabs 7 ragt in die Buchse 6. Das Gleitlager 5 bildet ein elektrisch leitendes Bauteil zwischen der Heizwendel 3 und den Anschlussstiften 4, das eine kraftlose Kompensation der Längenausdehnung des Heizfilaments 3 während des Betriebes erlaubt. Die Längenkompensation erfolgt dabei ohne Federwirkung allein durch einen stoffschlüssigen, leitfähigen, gleitenden Kontakt der Gleitelemente 6 und 7 untereinander.
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Das Gleitlager 5 erfüllt die Anforderungen bezüglich elektrischer Leitfähigkeit, thermischer und chemischer Beständigkeit und mechanischer Langlebigkeit.
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Bei der Ausführungsform des Gleitlagers 25 von 2 ist die Graphit-Gleitbuchse in zwei Gleitbuchsenteile 26 in Richtung der mit Bezugsziffer 21 angedeuteten Strahlerlängsachse längsgeteilt. Jede der Gleitbuchsenteile 26 weist wiederum zwei Durchgangsbohrungen auf, die paarweise jeweils einen Gleitstab 27 aus Graphit in Gleitpassung H7/h7 aufnehmen. Im Vergleich zur einfachen Gleitbuchsenausführung von 1 führt die zweigeteilte Gleitbuchse zu einer stabileren axialen Führung der Gleitstäbe 27 und sie erleichtert die Montage des Infrarotstrahlers.
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Die von der Gleitbuchse wegweisenden Enden der Gleitstäbe 27 sind jeweils mit einem Molybdändraht (23; 28) verbunden, von denen der eine Molybdändraht 23 zur Heizwendel führt (in 2 nicht dargestellt) und der andere Molybdändraht 28 direkt zu einem Stromanschluss. Die Molybdändrähte 23; 28 sind dabei jeweils um das jeweilige Gleitstab-Ende gewickelt und bilden gleichzeitig mit einer größeren Wicklung 29 einen Abstandshalter zwecks mittiger Positionierung des Gleitlagers 25 innerhalb des Infrarotstrahler-Hüllrohres (in der Figur nicht dargestellt). Die dem Molybdändraht-Anschluss gegenüberliegenden Enden der Gleitstäbe 27 ragen aus den Gleitbuchsenteile 26 jeweils heraus und sind mit einer Verdickung 22 versehen, die das Durchrutschen der Gleitstäbe 27 aus der Gleitbuchse 26 verhindert.
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3 zeigt einen als Zwillingsrohrstrahler 31 ausgeführten Infrarotstrahler. Dieser verfügt zur Aufnahme von Heiz-Filamenten über zwei parallel zueinander verlaufende, räumlich getrennte Kanäle, die einen 8-förmiger Strahlerrohr-Querschnitt bilden. Die Biegesteifigkeit und mechanische Festigkeit von Zwillingsrohrstrahlern ist höher als die von Rundstrahlern, so dass sie derzeit mit großen Gesamtlängen bis zu 6,5 m verfügbar sind. Infolge der großen Länge machen sich Längenausdehnungen der Heizwendel besonders deutlich bemerkbar.
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In den beiden Kanälen des Strahlerrohres im Ausführungsbeispiel von 3 sind versetzt zueinander Heizwendeln 33a, 33b aus Wolfram eingesetzt, die 4 m und 2,2 m lang sind. Die Heizwendeln 33a, 33b sind unabhängig voneinander beheizbar und mit Molybdän-Zuleitungen 38 für die Stromzufuhr verbunden. Die Molybdän-Zuleitungen 38 sind mittels Nickel-Klemmhülsen 34 mit Stromanschlussdrähten verbunden, die über gequetschte Strahlerrohrenden 41 zu einem Sockel 42 geführt sind. Außerdem dienen die Nickel-Klemmhülsen 34 auch zur elektrischen Anbindung der Molybdän-Zuleitungen 38 an schleifgelagerte Distanzausgleichselemente (Gleitlager 35a, 35b), von denen je eines in jedem Strahlerkanal vorgesehen ist.
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Aufbau und Funktion der baugleichen Gleitlager 35a, 35b werden im Folgenden anhand der 4 bis 6 am Beispiel des in 3 im unteren Strahlerkanal angeordneten Gleitlagers 35a näher erläutert. Beim Gleitlager 35a ist die Graphit-Gleitbuchse in zwei Gleitbuchsenteile 36 in Richtung der mit Bezugsziffer 31 angedeuteten Strahlerlängsachse längsgeteilt. Jede der Gleitbuchsenteile 36 weist wiederum zwei Durchgangsbohrungen 61 (6) auf, die paarweise jeweils einen Gleitstab 37 aus Graphit in Gleitpassung H7/h7 aufnehmen. Beide Enden der Gleitstäbe 37 sind mit Verdickungen 32 versehen, die das Durchrutschen der Gleitstäbe 37 verhindert.
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Die Gleitstäbe 37 dienen zur mechanischen und elektrischen Verbindung der beiden Gleitbuchsenteile 36 miteinander. Im Unterschied zum Gleitlager 25 von 2 erfüllen sie jedoch nicht gleichzeitig die Anschlussfunktion für Heizwendel 33a und Stromanschlussleitung 38a. Für diesen Zweck weist jedes der Gleitbuchsenteile 36 eine weitere Durchgangsbohrung 62 (6) auf, die koaxial zur Strahler-Längsachse 31 verläuft. In jede Durchgangsbohrung 62 ist jeweils ein Anschlussstab 43a, 43b aus Graphit eingesetzt. Die Passung für den Anschlussstab kann als Presspassung oder ebenfalls als Gleitpassung ausgeführt sein.
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Der Anschlussstab 43a ist über eine Nickel-Klemmhülse 34 (3) mit einer Strom-Anschlussleitung 38 (3) verbunden, und auf dem Anschlussstäbe 43b ist eines der Enden der Heizwendel 33a gewickelt und daran befestigt. Die beiden Anschlussstäbe 43a, 43b sind nicht direkt miteinander verbunden. Ihre koaxiale Anordnung und die mittige Überleitung der durch die jeweiligen Anschlüsse wirkenden Kräfte vermeidet Verkantungen des zweigeteilten Gleitlagers 35. Um ein Verrutschen der Anschlussstäbe 43a, 43b zu verhindern, sind beiderseits der Gleitbuchsen 36 und an diese unmittelbar anliegend Wicklungen 39 aus Molybdändrähten vorgesehen, die gleichzeitig als Abstandshalter zwecks mittiger Positionierung des Gleitlagers 35a innerhalb des Infrarotstrahler-Hüllrohrkanals dienen.
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4 zeigt das Gleitlager 35a in der offenen, geweiteten Stellung, wie es beim kalten Zustand des Infrarotstrahlers 31 vorliegt. Bei einer Heizwendel aus Wolfram mit einer Länge von 6 m ist im Betrieb typischerweise mit einer Längenausdehnung von etwas weniger als 3 cm zu rechnen. Diese Distanz A vermag die Gleitbuchse 35a auszugleichen, wie 5 mit dem Gleitlager 35a in seiner gestauchten Stellung schematisch zeigt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 251539 [0003]
- US 205144 [0004]
- US 1028118 [0004]
- US 6856078 B2 [0008]
