DE102020131324A1

DE102020131324A1 - Infrarotstrahler und Infrarotstrahlung emittierendes Bauelement

Info

Publication number: DE102020131324A1
Application number: DE102020131324.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Zissing; Oliver Weiss; Daniel Ambs; Simone Ganz; Thomas Piela; Frank Diehl; Jürgen Weber
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2020-11-26
Filing date: 2020-11-26
Publication date: 2022-06-02
Also published as: US20230413391A1; WO2022112306A1; JP2023548025A; EP4252487A1; US12075531B2; CN116438924A

Abstract

Bekannte Infrarotstrahler haben einen Formkörper, der eine Abstrahlfläche aufweist, die kurzwellige oder mittelwellige Infrarotstrahlung mit einer ersten Peak-Emissionswellenlänge emittiert. Um davon ausgehend einen Infrarotstrahler mit einem Emissionsspektrum bereitzustellen, das an eine Absorptionscharakteristik mit einem Maximum um 2750 nm gut angepasst ist, und der außerdem mit hoher elektrischer Leistungsdichte betrieben, und mit dem die Erwärmungszeit in industriellen Anwendungen, wie beispielsweise zum Trocknen von Tinten, Fügen von Kunststoffen oder Biegen von Glas, verkürzt werden kann, wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Teil der Abstrahlfläche mit einem Strahlungswandlermaterial belegt ist, das infolge Erhitzung durch die Infrarotstrahlung der ersten Peak-Emissionswellenlänge Infrarotstrahlung mit einer zweiten Peak-Emissionswellenlänge emittiert, die langwelliger ist als die erste Peak-Emissionswellenlänge.

Description

Technischer Hintergrund
Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler, mit einem Formkörper, der eine Abstrahlfläche aufweist, die kurzwellige oder mittelwellige Infrarotstrahlung mit einer ersten Peak-Emissionswellenlänge emittiert.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Infrarotstrahlung emittierendes Bauelement, mit einem Basiskörper aus einem Basiskörper-Werkstoff, aufweisend eine Absorptionsfläche zur Absorption kurzwelliger oder mittelwelliger Infrarot-Primärstrahlung mit einer ersten Peak-Emissionswellenlänge, sowie eine Abstrahlfläche zur Emission von Infrarot-Sekundärstrahlung mit einer zweiten Peak-Emissionswellenlänge, die langwelliger ist als die erste Peak-Emissionswellenlänge.
Stand der Technik
Zum Erwärmen eines Heizguts werden in den verschiedensten industriellen Fertigungsprozessen kurzwellige, mittelwellige und langwellige Infrarotstrahler eingesetzt. Gemäß der IEC 62798:2014 (S.11, Table 1) wird unterschieden zwischen den Wellenlängenbereichen
IR-A = 780-1400nm (entsprechend einer Temperatur zwischen 1800 und 3450°C),
IR-B = 1400-3000nm (entsprechend einer Temperatur zwischen 690°C und 1800°C),
IR-C = 3000nm bis 1mm (entsprechend einer Temperatur niedriger als 690°C)
Die Arbeitsstrahlung langwelliger Infrarotstrahler wird vom Heizgut in der Regel besonders gut und schnell absorbiert, so dass die Erwärmung mit hohem Wirkungsgrad erfolgt. Jedoch ist das Aufheiz- und Abkühlverhalten langsam, so dass schnelle Temperaturwechsel nicht zu bewerkstelligen sind.
Mittelwellige Infrarotstrahler (kurz: MWIR -Strahler) zeigen ein breitbandiges Infrarotspektrum im Wellenlängenbereich von etwa 1400bis 3000 nm und werden typischerweise im Temperaturbereich bis 1100°C betrieben. Mittelwellige Strahlung wird bereits in der oberen Schicht absorbiert und erwärmt vor allem die Oberfläche. Mittelwellige Infrarotstrahler haben typischerweise ein offenes Hüllrohr aus einem temperaturstabilen Glas, aus Metall oder einer Keramik, das ein Heizfilament aus einem Widerstandsmaterial umgibt. Ein Nachteil von Mittelwellenstrahlern ist ihre begrenzte elektrische Leistungsdichte von etwa 15 W/cm und ihre thermische Trägheit und die damit einhergehende langsame Reaktion.
Kurzwellige Strahlung mit Emissionswellenlängen zwischen 780nm und 1400nm dringt tief in massive Materialien ein und sorgt für eine gleichmäßige Durchwärmung. Bei kurzwelligen Infrarotstrahlern (kurz: SWIR -Strahler) ist ein Heizfilament aus Carbon oder Wolfram in Wendel- oder Bandform in ein inertgasgefülltes Strahlerrohr eingeschlossen, das meist aus Quarzglas gefertigt ist. Die Heizfilamente sind mit elektrischen Anschlüssen verbunden, die über ein Ende oder beiden Enden des Strahlerrohres eingeführt werden. Die Heizfilamente selbst haben eine geringe thermische Masse und damit eine schnelle Reaktionszeit im Bereich von 1 bis 2 Sekunden. Eine Besonderheit von SWIR-Strahlern ist ihre hohe optische Leistungsdichte von bis zu 120 Watt pro Zentimeter Heizfilament (im Folgenden kurz: W/cm). SWIR-Strahler werden insbesondere zum Erwärmen von Pulverbeschichtungen, Klebeverbindungen oder zur schnellen Vorwärmung eingesetzt.
Aus der US 10 2013 104 577 B3 ist beispielsweise die Verwendung von kurzwelligen Infrarotstrahlern für das Trocknen und Sintern metallhaltiger Tinte bekannt.
Die DE 299 05 385 U1 beschreibt eine Vorrichtung zum homogenen Erwärmen von semitransparenten und/oder transparenten Gläsern und/oder Glaskeramiken mit Hilfe von Infrarot-Strahlung. Ein Anteil von mehr als 50 % der vom Heizgut nicht absorbierten kurzwelligen Infrarot-Primärstrahlung mit einer Farbtemperatur größer als 1500 K wird mittels Reflektoren oder Diffusoren reflektiert oder gestreut und trägt zur indirekten Beheizung bei.
Die DE 42 02 944 C2 beschreibt einen aus mehreren Infrarotstrahlern bestehenden Flächenstrahler zum schnellen Erwärmen von Heizgut, das oberhalb von 2500 nm eine hohe Absorption aufweist. In Hauptausbreitungsrichtung der von dem Flächenstrahler emittierten Primärstrahlung ist ein sogenannter Strahlungswandler angeordnet, der aus Keramikfasern besteht. Der Strahlungswandler dient als Sekundärstrahler, der angeregt durch die mittelwellige oder kurzwellige IR-Strahlung des Flächenstrahlers, Sekundärstrahlung in einem langwelligeren Bereich emittiert, der stärker mit der optischen Absorption des Heizguts überlappt. Dadurch werden schnelle Temperaturwechsel bei gutem Wirkungsgrad ermöglicht.
Aus der DE 10 2015 119 763 A1 ist ein kachelförmiger Infrarot-Flächenstrahler bekannt, bei dem ein Substrat in Kontakt mit einer Leiterbahn aus einem Widerstandsmaterial steht. Das Substrat-Material ist vorzugsweise Quarzglas, in das in feiner Verteilung eine Infrarotstrahlung absorbierende Zusatzkomponente eingelagert ist. Die Zusatzkomponente ist bevorzugt elementares Silizium.
Technische Aufgabenstellung
Thermische Strahlung mit einer Temperatur von etwa. 700°C - entsprechend einer mittelwelligen Peak-Emissionswellenlänge um 2700 nm - wird von vielen Kunststoffen, Glas und vor allem Wasser besonders gut absorbiert und direkt in Wärme umgesetzt. Mittelwellige Infrarotstrahlung in diesem Wellenlängenbereich ist besonders gut für Trocknungsanwendungen in der Druckindustrie geeignet, da die sonst übliche Farbselektivität bei der Trocknung der verschiedenen Druckfarben vermieden wird.
Neuerdings wurde nachgewiesen, dass IR-Strahlung in diesem Wellenlängenbereich auch die Farbselektivität beim Schweißen beziehungsweise beim Erhitzen und Fügen im Wellenlängenbereich von ca. 2700nm unterschiedlicher Kunststoffe vermeidet. Insbesondere sind die Aufheizraten von Kunststoffen mit verschiedenen Farben nahezu identisch.
Zudem kann das Erwärmen von Gläsern - beispielsweise zum thermisch unterstützen Fügen oder Formen - mit Infrarotstrahlern mit hoher Emissivität schnell und homogen durchgeführt werden.
Für diese Anwendungen kommen grundsätzlich SWIR- als auch MWIR-Strahler in Betracht. Je höher die elektrische Anschlussleistung der Infrarotstrahler ist, umso schneller erreichen sie die Solltemperatur. Das Erhöhen der elektrischen Anschlussleistung erhöht die vom Infrarotstrahler abgegebene optische Leistungsdichte, was aber auch zu einer Verschiebung der Peak-Emissionswellenlänge der emittierten Strahlung in Richtung des kurzwelligen Spektralbereichs führen kann.
Es ist jedoch wünschenswert, dass die Peak-Emissionswellenlänge zur Absorptionscharakteristik des Heizguts passt, beispielsweise der Druckfarben, Kunststoffe oder Gläser, also beispielsweise bei etwa 00nm liegt. Die bisherigen kommerziellen Infrarotstrahler weisen entweder ein daran angepasstes Emissionsspektrum auf (MWIR-Strahler); dann haben sie aber eine geringe elektrische Anschlussleistung und benötigen für eine hinreichend große optische Strahlungsleistung eine vergleichsweise große Abstrahlungsfläche und dementsprechend eine große Wärmekapazität, welche wiederum vergleichsweise lange Aufheiz- und Abkühlzeiten des Infrarotstrahlers und somit Reaktionsträgheit des Trocknersystems bedingt. Oder die Infrarotstrahler haben eine hohe elektrische Anschlussleistung und eine geringe Reaktionsträgheit (SWIR-Strahler); dann ist ihr Emissionsspektrum aber nicht optimal an die Absorptionscharakteristik des Heizguts angepasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Infrarotstrahler mit einem Emissionsspektrum bereitzustellen, das an ein Heizgut mit einer Absorptionscharakteristik im mittelwelligen Wellenlängenbereich gut angepasst ist, und der außerdem mit hoher elektrischer Leistungsdichte (beispielsweise mit mehr als 50 W/cm) betrieben, und mit dem die Erwärmungszeit in industriellen Anwendungen, wie beispielsweise zum Trocknen von Tinten, Fügen von Kunststoffen oder Biegen von Glas, verkürzt werden kann.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein passives, Infrarotstrahlung emittierendes Bauelement anzugeben, dessen Emissionsspektrum an ein Heizgut mit einer Absorptionscharakteristik im mittelwelligen Bereich gut angepasst ist
Kurzbeschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Infrarotstrahlers wird diese Aufgabe ausgehend von einem Infrarotstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil der Abstrahlfläche mit einem Strahlungswandlermaterial belegt ist, das infolge Erhitzung durch die Infrarotstrahlung der ersten Peak-Emissionswellenlänge Infrarotstrahlung mit einer zweiten Peak-Emissionswellenlänge emittiert, die langwelliger ist als die erste Peak-Emissionswellenlänge.
Typische Infrarotstrahler-Formkörper haben Zylinderform, beispielsweise Rohr- oder Kachelform. Rohrförmige Infrarotstrahler können gestreckt oder gebogen sein, beispielsweise in U- oder Ringform. Plattenförmige Formkörper haben zwei sich gegenüberliegende Plattenseiten, die eben oder gebogen sein können.
Die Abstrahlfläche ist die dem Heizgut zugewandte Fläche; sie ist Bestandteil des Infrarotstrahler-Formkörpers.
Der Infrarotstrahler verfügt über einen elektrischen Anschluss und erzeugt mittelwellige oder bevorzugt kurzwellige Infrarotstrahlung mit der ersten Peak-Emissionswellenlänge beispielsweise durch thermisches Anregen eines Infrarotstrahlung abgebenden Emitters, wie etwa einer Heizwendel, einem Heizband oder von in einer Quarzglasmatrix eingelagertem, elementarem Silizium. Kurzwellige Emitter haben eine etwas schnellere Reaktionszeit als mittelwellige Emitter, die jedoch kostengünstiger sind.
Die kurzwellige oder mittelwellige Infrarotstrahlung der ersten Peak-Emissionswellenlänge (im Folgenden auch als „Primärstrahlung“ bezeichnet) tritt aus der Abstrahlfläche des Infrarotstrahlers aus, wird von dem dort abgelagerten Strahlungswandlermaterial absorbiert, das sich in der Folge erhitzt und längerwelligere Infrarotstrahlung abgibt. Deren Peak-Emissionswellenlänge (im Folgenden auch als „Sekundärstrahlung“ bezeichnet) liegt vorzugsweise im Bereich von 2200 bis 3100 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 2400 bis 3000 nm und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 2600 bis 2800 nm. Der Wellenlängenbereich um 2700nm wird im Folgenden auch als „maßgeblicher“ Wellenlängenbereich bezeichnet. Der vom Strahlungswandlermaterial diffus oder gerichtet transmittierte Anteil der Primärstrahlung ist möglichst gering und beträgt bevorzugt weniger als 20%, besonders bevorzugt weniger als 10% der emittierten Primärstrahlung.
Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das Strahlungswandlermaterial ein Beschichtungsstoff, der ein Farbpigment oder eine Vorläufersubstanz dafür enthält. Der Beschichtungsstoff ist beispielsweise eine Paste oder ein Lack. Das Farbpigment ist thermisch stabil und wird beispielsweise durch Einbrennen auf der Ablagerungsfläche fixiert. Das Farbpigment kann auch durch thermische Zersetzung oder chemische Reaktion einer Vorläufersubstanz beim Einbrennen oder davor gebildet werden.
Das Farbpigment emittiert mindestens Infrarotstrahlung im maßgeblichen Wellenlängenbereich um 2750 nm mit einem Emissionsgrad von 0,8 oder mehr, vorzugsweise von mindestens 0,9. Diese Emissivität ist besonders angepasst an ein Heizgut mit hoher Absorption in diesem Wellenlängenbereich. Je nach Anwendung und Heizgut kann auch ein Farbpigment vorteilhaft sein, das auch in einem breiteren Wellenlängenbereich von beispielsweise 2000 nm bis 8000 nm, insbesondere von 2000 nm bis 4700 nm, eine hohe Emissivität mit einem Emissionsgrad von beispielsweise 0,75 oder höher, vorzugsweise von mindestens 0,8 aufweist.
Farbpigmente, die im sichtbaren Wellenlängenbereich schwarz erscheinen, absorbieren (und emittieren) in der Regel auch Licht im maßgeblichen infraroten Wellenlängenbereich. Es hat sich bewährt, wenn das Farbpigment schwarze Mineralpartikel enthält, wie beispielsweise Kupferchromitschwarzspinell oder Mangan-Ferrit-Schwarz-Pigment und wenn es alkalifrei ist. Die Alkali-Freiheit des Beschichtungsstoffes hat den Vorteil, dass eine Abstrahlfläche aus Glas; insbesondere aus Quarzglas, beim Erhitzen in Kontakt mit dem Beschichtungsstoff nicht entglast, also nicht kristallisiert und dadurch ihre optische Qualität einbüßt.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst das Strahlungswandlermaterial mindestens teilweise opakes Quarzglas.
Ein derartiges mindestens teilweise opakes Quarzglas ist in der DE 10 2004 051 846 A1 beschrieben und unter der Bezeichnung „QRC“ (Quartz Reflective Coating) bekannt geworden. Es wird bisher in erster Linie als Werkstoff zur Herstellung diffus reflektierender Reflektorschichten eingesetzt. Die Herstellung der QRC-Reflektorschicht erfolgt mittels eines Schlickerverfahrens, bei dem ein hoch gefüllter, gießfähiger, wässriger SiO₂-Schlicker erzeugt wird, der amorphe SiO₂-Teilchen enthält. Dieser wird als Schlickerschicht auf einer Unterlage aufgetragen, und anschließend wird die Schlickerschicht getrocknet und unter Ausbildung einer mehr oder weniger opaken Quarzglasschicht verglast.
Bei einer bevorzugt Ausführungsform der Erfindung ist der Formkörper als Hüllrohr aus Quarzglas ausgebildet, wobei das Hüllrohr einen mit einem Stromanschluss versehenen Strahlungsemitter in Form einer Heizwendel oder eines Heizbandes umgibt, und wobei die Abstrahlfläche mindestens einen Teil der Rohrmantelfläche bildet.
Das Hüllrohr hat beispielsweise einen runden, ovalen oder polygonalen Querschnitt oder es ist als sogenannter Zwillingsrohrstrahler ausgebildet, das einen Querschnitt in Form einer horizontal liegenden Acht hat. Die Außenwandung des Hüllrohres ist beispielsweise glatt oder sie ist aufgeraut. Insbesondere kurzwellige Infrarotstrahler haben ein beidseitig geschlossenes, kolbenförmiges Hüllrohr, wobei die Stromversorgung an einem Ende oder an beiden Enden herausgeführt ist.
Das Hüllrohr hat eine Abstrahlfläche, die sich in der Regel an der Rohrmantelfläche befindet. Das Hüllrohr-Material ist beispielsweise Quarzglas und hat eine vergleichsweise geringe eigene Emissivität für Infrarotstrahlung insbesondere im Wellenlängenbereich um 2200 bis 3100 nm. Durch die Beschichtung mit einem Strahlungswandlermaterial wird die abstrahlende Fläche im Hinblick auf eine höhere Emissivität von beispielsweise mehr als 80%, bevorzugt mehr 90% in diesem Wellenlängenbereich modifiziert.
Die von der Abstrahlfläche emittierte Infrarotstrahlung gelangt mindestens zum Teil in das Strahlungswandlermaterial und von dort unmittelbar oder mittelbar - über einen Reflektor - auf das Heizgut. Die Abstrahlfläche erstreckt sich beispielsweise über einen Umfangswinkel zwischen 20 und 360 Grad, bevorzugt zwischen 60 und 200 Grad, und besonders bevorzugt zwischen 90 und 180 Grad der Rohrmantelfläche.
Der mit dem Strahlungswandlermaterial belegte Anteil der Abstrahlfläche kann bis zu 100% betragen; besonders bevorzugt erstreckt sich die mit dem Strahlungswandlermaterial belegte Fläche jedoch über einen Umfangswinkel zwischen 20 und 360 Grad, bevorzugt zwischen 60 und 200 Grad, und besonders bevorzugt zwischen 90 und 180 Grad der Rohrmantelfläche des Hüllrohres.
Bei einer besonders bevorzugten ersten Modifikation der Ausführungsform des Infrarotstrahlers mit einem Formkörper in Form eines Hüllrohres aus Quarzglas umfasst das Strahlungswandlermaterial eine untere Lage aus dem opaken Quarzglas und eine auf der unteren Lage aufgebrachte obere Lage aus dem farbpigmenthaltigen Beschichtungsstoff, wobei mindestens ein Teil der Rohrmantelfläche des Hüllrohres, bevorzugt die gesamte Rohrmantelfläche des Hüllrohres, von der unteren Lage bedeckt ist, und mindestens ein erster Umfangsabschnitt der unteren Lage von der oberen Lage belegt ist.
Die untere Lage aus opakem Quarzglas kann einerseits selbst als Strahlungswandlermaterial wirken, und sie trägt andererseits zur Verbesserung der Haftung der oberen Lage aus dem Beschichtungsstoff bei.
Das Quarzglas-Hüllrohr und die darauf aufgebrachte untere Lage aus opakem Quarzglas absorbieren zwar einen Anteil der kurzwelligen oder mittelwelligen Primärstrahlung, jedoch wird einige Zeit benötigt, um den Infrarotstrahler auf Betriebstemperatur zu bringen. Die zusätzliche obere Lage aus dem Beschichtungsstoff bewirkt zum einen eine Erhöhung des Emissionsgrades im maßgeblichen Wellenlängenbereich. Darüber hinaus bewirkt sie auch eine höhere Absorption der kurzwelligen oder mittelwelligen Primärstrahlung und ermöglicht dadurch ein schnelleres Aufheizen des Infrarotstrahlers (und damit eine frühere Einsatzbereitschaft). Zudem wird die Energie-Effizienz des Infrarotstrahlers erhöht, da ein größerer Teil der zugeführten elektrischen Energie in Infrarotstrahlung im maßgeblichen Wellenlängenbereich umgewandelt wird.
Hierfür ist es vorteilhaft, wenn die obere Lage mit dem Beschichtungsstoff geeignet ist, mindestens 80% der Primärstrahlung im Wellenlängenbereich von 1000 bis 2500 nm zu absorbieren. Die Dicke der oberen Lage beträgt weniger als 0,1 mm, bevorzugt liegt sie im Bereich von 30-50µm.
Die untere Lage aus opakem Quarzglas zeigt einerseits eine gewisse Transmission für die kurzwellige oder mittelwellige Primärstrahlung und sie kann andererseits auch als diffuser Reflektor für die Primärstrahlung wirken. Um den transmittierten Anteil zu reduzieren, ist die untere Lage aus dem opaken Quarzglas vorteilhafterweise in einem zweiten Umfangsabschnitt von einer spiegelnd reflektierenden Reflektorschicht, vorzugsweise mit einer goldhaltigen Reflektorschicht, belegt.
Um die Qualität der spiegelnd reflektierenden Reflektorschicht zu verbessern, hat es sich bewährt, wenn die untere Lage aus dem opaken Quarzglas mindestens im Auflagebereich der spiegelnd reflektierenden Reflektorschicht vorab thermisch verdichtet wird, um dort offene Porosität zu vermindern oder zu vermeiden.
Es ist vorteilhaft, wenn der erste Umfangsabschnitt und der zweite Umfangsabschnitt nicht überlappen und sich vorzugsweise zu einem Umfangswinkel von 360 Grad ergänzen.
Der von der oberen Lage aus dem farbpigmenthaltigen Beschichtungsstoff freigelassene disgruente Flächenanteil der Rohrmantelfläche ist bei dieser Ausführungsform mit der spiegelnd reflektierenden Reflektorschicht belegt.
Bei einer besonders bevorzugten zweiten Modifikation der Ausführungsform des Infrarotstrahlers mit einem Formkörper in Form eines Hüllrohres aus Quarzglas weist mindestens ein Teil der Rohrmantelfläche des Hüllrohres eine Oberflächenrauheit - definiert als arithmetische mittlere Rauheit R_a auf, mit R_a im Bereich von 0,5 bis 5µm, bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 3,2µm, von der ein erster Umfangsabschnitt die mit dem Strahlungswandlermaterial belegte Abstrahlfläche bildet.
Die Rauheit mit einem R_a-Wert von 0,8 entspricht der Rauheitsklasse 6 und stellt sich typischerweise beim Grobschleifen ein, und der R_a-Wert von 3,2 entspricht der Rauheitsklasse 8, die geschruppte Oberflächen definiert. Die Rohrmantelfläche des Hüllrohres ist vorzugsweise nur dort aufgeraut, wo der Beschichtungsstoff aufgebracht werden soll, also im Bereich der Abstrahlfläche. Auf dem aufgerauten Teil der Rohrmantelfläche ist das Strahlungswandlermaterial aufgebracht. Die Aufrauhung verbessert die Haftung des Strahlungswandlermaterials, insbesondere bei einem Strahlungswandlermaterial in Form eines farbgigmenthaltigen Beschichtungsstoffes, wie beispielsweise einem Lack oder einer Paste. Die Aufrauhung der Oberfläche erfolgt beispielsweise mechanisch oder chemisch, insbesondere durch Schleifen, Sandstrahlen oder Ätzen. Bei einer hohen Oberflächenrauheit R_a von mehr als 5µm leidet die optische Qualität der Abstrahlfläche ohne nennenswerten Zugewinn an Haftvermittlungswirkung. Bei einer geringen Oberflächenrauheit R_a von weniger als 0,5µm ergibt sich kein nennenswerter Beitrag an Haftvermittlungswirkung.
Bei dieser Ausführungsform ist es besonders vorteilhaft, wenn ein zweiter Umfangsabschnitt der Rohrmantelfläche des Hüllrohres von einer Reflektorschicht belegt ist, wobei der erste Umfangsabschnitt und der zweite Umfangsabschnitt der Rohrmantelfläche nicht überlappen und sich vorzugsweise zu einem Umfangswinkel von 360 Grad ergänzen.
Auch bei dieser Ausführungsform ist der zweite Umfangsabschnitt, der vom Strahlungswandlermaterial, insbesondere von einem farbpigmenthaltigen Beschichtungsstoff, freigelassen wird, mit der Reflektorschicht belegt. Die Reflektorschicht umfasst vorzugsweise eine Schicht aus opakem Quarzglas und/oder eine spiegelnd reflektierende, metallbasierte Reflektorschicht, vorzugsweise eine goldhaltige Schicht.
Bei einer Reflektorschicht aus einer Schicht aus opakem Quarzglas und einer metallbasierten Schicht, bildet die Schicht aus opakem Quarzglas die untere Lage auf der die metallbasierte Schicht als Lage aufgebracht ist. Um die Qualität der Lage aus der spiegelnd reflektierenden Reflektorschicht zu verbessern, wird die untere Lage aus dem opaken Quarzglas mindestens im Auflagebereich der spiegelnd reflektierenden Reflektorschicht vorab thermisch verdichtet, um dort offene Porosität zu vermindern oder zu vermeiden.
Bei einer anderen besonders bevorzugten Modifikation des Infrarotstrahlers ist der Formkörper in Form einer Kachel aus einem bei Erhitzung Infrarotstrahlung emittierenden Werkstoff ausgebildet, wobei die Kachel sich gegenüberliegende Planseiten aufweist, von denen die eine Planseite die mit dem Strahlungswandlermaterial mindestens teilweise belegte Abstrahlfläche umfasst, und auf der anderen Planseite eine mit einer elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Heizstroms verbundene Heizleiterbahn aus einem Widerstandsmaterial aufgebracht ist.
Kachelförmige Infrarotstrahler sind Flächenstrahler mit in der Regel überwiegend zweidimensionaler Abstrahlcharakteristik. Die überwiegend abstrahlende Planseite wird im Folgenden auch als Vorderseite bezeichnet und die gegenüberliegende Planseite als Rückseite. Beim erfindungsgemäßen Infrarotstrahler ist mindestens die Vorderseite vollständig oder teilweise, beispielsweise zu 80%, 60% oder zu 40%, mit dem Strahlungswandlermaterial belegt. Das Strahlungswandlermaterial ist beispielsweise opakes Quarzglas oder ein pigmenthaltiger Beschichtungsstoff oder eine Kombination der beiden Strahlungswandlermaterialien, wobei das opake Quarzglas eine untere Lage und der Beschichtungsstoff eine obere Lage bildet.
Der Kachel-Werkstoff ist vorzugsweise eine Keramik, insbesondere Al₂O₃ oder ZrO₂, oder er umfasst einen Kompositwerkstoff, insbesondere eine Matrix aus Quarzglas, in die elementares Silicium oder Kohlenstoff eingebettet ist.
Die mögliche Größe der Kachelfläche richtet sich dabei nach den Eigenschaften des Werkstoffs und der geforderten Formstabilität.
Bei Temperaturerhöhung verändern manche Kachel-Werkstoffe ihre Farbe. Das bedeutet, ihre Emissivität und damit die Peak-Emissionswellenlänge der Primärstrahlung wird kurzwelliger. Durch die Beschichtung mit dem Strahlungswandlermaterial verändert sich in die Emissivität bei Temperatur-Erhöhung weniger oder nicht. Insbesondere der pigmenthaltiger Beschichtungsstoff und das opake Quarzglas verlieren auch bei hoher Temperatur bis beispielsweise 1100 °C ihre Emissivität nicht oder wenig.
Hinsichtlich des Infrarotstrahlung emittierendes Bauelement wird ausgehend von einem Bauelement der eingangs genannten Gattung die technische Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil der Abstrahlfläche mit einem Strahlungswandlermaterial belegt ist, das einen farbpigmenthaltigen Beschichtungsstoff umfasst.
Das Infrarotstrahlung emittierende Bauelement wirkt als Strahlungswandler. Es ist kein aktives, elektrisch betriebenes Heizelement, sondern der Basiskörper wird durch Absorption von kurz- oder mittelwelliger Infrarotstrahlung eines aktiven Heizers aufgeheizt. Die kurz- oder mittelwellige Primärstrahlung erlaubt vergleichsweise schnelle Temperaturwechsel. Andererseits emittiert das Bauelement infolge der Erwärmung des Basiskörpers Infrarot-Sekundärstrahlung im längerwelligeren Bereich, die besser an die Absorptionscharakteristik des Heizguts angepasst ist.
Der Basiskörper liegt beispielsweise in Form eines Rohres, Kolbens, einer Kammer, Halbschale, Kugel- oder Ellipsoid-Segment, Platte oder dergleichen vor.
Die Absorptionsfläche zur Absorption kurzwelliger oder mittelwelliger Infrarot-Primärstrahlung kann sich von der Abstrahlfläche zur Emission von Infrarot-Sekundärstrahlung unterscheiden oder diese Flächen können vollständig oder teilweise zusammenfallen.
Da Farbpigmente, die im sichtbaren Wellenlängenbereich schwarz erscheinen, in der Regel auch Licht im maßgeblichen infraroten Wellenlängenbereich absorbieren (und emittieren), enthält der farbpigmenthaltige Beschichtungsstoff des Strahlungswandlermaterial vorzugsweise ein Farbpigment mit schwarzen Mineralpartikeln, wie beispielsweise Kupferchromitschwarzspinell oder Mangan-Ferrit-Schwarz-Pigment, und er ist alkalifrei.
Die Alkalifreiheit hat Vorteile insbesondere bei einem Basiskörper aus Glas, beziehungsweise aus Quarzglas, da dadurch die Veränderung und Schädigung der Basiskörper-Oberfläche durch Entglasen verhindert wird.
Besonders vorteilhaft ist ein Bauelement, bei dem das Strahlungswandlermaterial zusätzlich zum farbpigmenthaltigen Beschichtungsstoff opakes Quarzglas umfasst.
Die beiden Strahlungswandlermaterialien ergänzen sich in ihrer Emissivität, und das opake Quarzglas kann insbesondere bei einem Basiskörper aus Quarzglas als Haftvermittler zum Beschichtungsstoff wirken. Das Strahlungswandlermaterial ist hierbei eine Kombination der beiden Strahlungswandlermaterialien, wobei das opake Quarzglas eine untere Lage und der Beschichtungsstoff eine obere Lage bildet.
Der Basiskörper und die darauf aufgebrachte untere Lage aus opakem Quarzglas absorbieren zwar einen Anteil der kurzwelligen oder mittelwelligen Primärstrahlung, jedoch wird einige Zeit benötigt, um das Bauelement auf Betriebstemperatur zu bringen. Die zusätzliche obere Lage aus dem Beschichtungsstoff bewirkt zum einen eine Erhöhung des Emissionsgrades im maßgeblichen infraroten Wellenlängenbereich. Darüber hinaus bewirkt sie auch eine höhere Absorption der kurzwelligen oder mittelwelligen Primärstrahlung und ermöglicht dadurch ein schnelleres Aufheizen des Bauelements (und damit eine frühere Einsatzbereitschaft).
Hierfür ist es vorteilhaft, wenn die obere Lage mit dem Beschichtungsstoff geeignet ist, mindestens 80% der Primärstrahlung im Wellenlängenbereich von 1000 bis 2500 nm zu absorbieren. Die Dicke der oberen Lage beträgt weniger als 0,1 mm, bevorzugt liegt sie im Bereich von 30-50µm.
Definitionen
Mittlere Rauheit R_a
Die arithmetische mittlere Rauheit R_a wird nach EN ISO 25178 ermittelt. Es handelt sich um einen Linienrauheitsparameter. Zur Ermittlung des Messwertes R_a wird die Oberfläche einer definierten Messstrecke (mit einer feinen Nadel) abgetastet und sämtliche Höhen- und Tiefenunterschiede der Oberfläche aufgezeichnet. Nach der Berechnung des bestimmten Integrals dieses Rauheitsverlaufes auf der Messstrecke wird das Ergebnis durch die Länge der Messstrecke dividiert
Abstrahlfläche
Von der Abstrahlfläche gelangt die Nutzstrahlung direkt oder indirekt - über einen Reflektor - auf das Heizgut.
Peak-Emissionswellenlänge
Sie definiert das Maximum der spektralen Verteilung der emittierten Strahlung.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher erläutert. Dabei zeigt im Einzelnen:

1 eine Ausführungsform eines kurzwelligen Quarzrohstrahlers, dessen Hüllrohr außen mit einem Strahlungswandlermaterial belegt ist, im Querschnitt und in schematischer Darstellung,
2a eine Ausführungsform eines kurzwelligen Quarzrohstrahlers, basierend auf der in 1 gezeigten Basisform in schematischer Darstellung,
2b ein Foto der Ausführungsform des kurzwelligen Quarzrohstrahlers gemäß 2a,
3 bis 5 weitere Ausführungsformen eines kurzwelligen Quarzrohstrahlers basierend auf der in 1 gezeigten Basisform.
6 und 7 weitere Ausführungsformen eines kurzwelligen Quarzrohstrahlers, dessen Hüllrohr außen mit einem Strahlungswandlermaterial belegt ist, im Querschnitt und in schematischer Darstellung,
8 eine Ausführungsform eines kachelförmigen Infrarotstrahlers, dessen Abstrahlfläche mit einem Strahlungswandlermaterial belegt ist, im Querschnitt und in schematischer Darstellung,
9 ein Diagramm zur Radial-Abstrahlung eines kurzwelligen Quarzrohstrahlers gemäß 7,
10 ein Diagramm zur diffusen und gerichteten Transmission eines kurzwelligen Quarzrohstrahlers gemäß 1, und
11 ein Diagramm mit dem Ergebnis von Zeitverlaufsmessungen der Bestrahlungsstärke bei einem kurzwelligen Quarzrohstrahlers gemäß 1 im Vergleich einem kurzwelligen Quarzrohstrahlers gemäß 4.

1 zeigt schematisch eine erste Basisvariante des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers. Es handelt sich hierbei um einen kurzwelligen Infrarotstrahler mit einem Lampenrohr 1 aus Quarzglas. Das Lampenrohr 1 ist beidseitig geschlossen und umgibt einen Wolfram-Heizdraht (nicht dargestellt), der mit einem elektrischen Anschluss versehen ist und auf Temperaturen bis zu 2300°C erhitzt werden kann.
Die Lampenrohr-Mantelfläche ist vollständig (360 Grad) mit einer QRC-Schicht 2 aus opakem Quarzglas belegt, die als Strahlungswandlermaterial wirkt.
Die Herstellung der QRC-Schicht 2 auf der Außenmantelfläche des Lampenrohres 1 erfolgt nach dem bekannten, in der DE 10 2004 051 846 A1 beschriebenen Schlickerverfahren. Dabei wird der gießfähige, wässriger SiO₂-Schlicker als Schlickerschicht auf das Lampenrohr 1 aufgetragen, die Schlickerschicht anschließend getrocknet und unter Ausbildung der QRC-Schicht 2 verglast. Diese besteht aus porenhaltigem, opakem Quarzglas. Sie hat eine Dichte von etwa 2,15 g/cm³ und eine mittlere Schichtdicke im Bereich von 0,5 bis 2 mm. Ihre Oberfläche ist offenporig, wie ein Farbeindringtest zeigt.
Die QRC-Schicht 2 wandelt die kurzwellige Primärstrahlung des Infrarotstrahlers in längerwelligere Sekundärstrahlung mit einer Peak-Emissionswellenlänge von etwa 2750nm um.
Dadurch gelingt es, den kurzwelligen Infrarotstrahler mit einem an die Heizanwendung bei 700 bis 800 °C gut angepassten Emissionsspektrum zu betreiben, und dabei schnelle Temperaturwechsel zu ermöglichen und dennoch eine hohe elektrische Leistungsdichte von mehr als 50 W/cm zu erzielen, beispielsweise von mindestens 120 W/cm.
Die elektrische Leistungsdichte in der Einheit „elektrische Leistung pro beheizter Länge “ (W/cm) wird zu nahezu 100% in optische Leistung (W/m²) umgesetzt. Eine Leistungsdichte eines kurzwelligen Infrarotstrahlers mit beispielsweise 120 W/cm wird in Primärstrahlung mit einer ersten Peak-Emissionswellenlänge und durch den Einsatz des Strahlungswandlermaterials wie beispielsweise der QRC-Schicht 2 in mittelwellige Infrarotstrahlung mit einer langwelligeren Peak-Emissionswellenlänge umgewandelt, beispielsweise in einem Abstand von 200mm (vom Heizfilament) kommen am Detektor ca. 1.2kW/m² gesamt an.
Die gesamte Hüllrohr-Mantelfläche wirkt als Abstrahlfläche, so dass sich eine dreidimensionale Abstrahlcharakteristik des Infrarotstrahlers ergibt.
Die 2 bis 5 zeigen Modifikationen der Basisvariante von 1 mit zusätzlichen Schichten. Die Darstellungen sind nicht maßstäblich; insbesondere können die Dicken der zusätzlichen Schichten aus Gründen der besseren Erkennbarkeit dicker dargestellt sein.
Bei der in 2a gezeigten Modifikation der Basisvariante ist die Hälfte (Vorderseite) der QRC-Schicht 2 (180 Grad) geschwärzt, indem sie mit einer Lackschicht 3 aus einem temperaturstabilen schwarzen Lack belegt wird. Die Abstrahlfläche entspricht hierbei der mit der geschwärzten Lackschicht 3 belegten Lampenrohr-Mantelfläche. Die Lacksicht behält ihre schwarze Farbe - und damit auch ihr Emissionsspektrum - auch beim Erhitzen auf 800°C und darüber hinaus.
Die Lackschicht 3 wird durch Aufsprühen oder Aufpinseln einer Thermofarbe erzeugt. Die Thermofarbe ist alkalifrei. Sie enthält eine Aluminosilikatlösung (10 bis 20 Gew.-%), Kupferchromitschwarzspinell als mineralisches Farbpigment (25 bis 35 Gew.-%) und Wasser (40 bis 60 Gew.-%). Geeignete Thermofarben werden als Ofenfarben beispielsweise von den Firmen ULFALUX Lackfabrikation GmbH und Aremco Products Inc. angeboten, wobei als weitere organische Inhaltstoffe angegeben werden: Xylol, Ethylacetat, Butylacetat, Ethylbenzol.
Mehrfaches Lackieren gewährleistet eine vollständig geschlossene Schicht. Nach dem Aufsprühen wird die Thermofarbe bei 250°C getrocknet und ist danach berührfest. Durch ein Erhitzen auf 1200°C bekommt die Lackschicht 3 ihren endgültigen Zustand. Dieses Erhitzen kann bei der Inbetriebnahme des Infrarotstrahlers erfolgen. Dabei werden keramische Bestandteile auf die Lampenrohr-Oberfläche beziehungsweise auf die Oberfläche der QRC-Schicht aufgesintert und es entsteht eine feste, stoffschlüssige Verbindung, so dass die Lacksicht 3 größtenteils kratzfest ist. Die Dicke der Lackschicht 3 beträgt etwa 40µm. Die Emissivität der Lackschicht bei 800°C wird vom Hersteller mit über 90% angegeben.
Die unter der Lackschicht 3 liegende QRC-Schicht 2 zeigt in der Regel offene Porosität und wirkt als Haftvermittler. Durch Feuerpolieren der Oberfläche der QRC-Schicht 2 kann das Eindringen des Lackes in die poröse Oberflächenstruktur verhindert werden, wodurch eine optisch ansprechendere Oberflächenstrukturierung erzielt wird. Das Feuerpolieren erfolgt durch Erhitzen der QRC-Schicht 2 mit einem Knallgasbrenner. Dadurch werden lokal sehr hohe Temperaturen um 1800 °C erzeugt, was die Herstellung eines möglichst dünnen Glasfilms innerhalb weniger Sekunden ermöglicht, der die poröse Oberfläche versiegelt.
Im Betrieb erwärmt sich die dünne schwarze Lackschicht 3 in wenigen Sekunden auf bis zu 700-750°C und emittiert somit Infrarotstrahlung in einem mittelwelligen Bereich (bevorzugt im Wellenlängenbereich von 2500 bis 3500nm). Es gilt Absorption = Emission, so dass die auf vom Lampenrohr 1 emittierte und in der Lackschicht 3 schnell absorbierte kurzwellige Strahlung ebenso schnell, aber bei einer geringeren Temperatur (also mittelwellig) die nahezu gleiche Energie mit hoher Intensität wieder abgibt. Die schwarze Lackschicht 3 fungiert dabei als Strahlungswandler, indem sie hochenergetische kurzwellige Strahlung in mittelwellige Strahlung hoher Intensität umwandelt. Durch das kurzwellige Wolfram- Heizfilament sind schnelle Schaltzeiten der Energiezufuhr im Sekundenbereich möglich.
Das Foto von 2b zeigt die Ausführungsform des Infrarotstrahlers von 2 a in einer dreidimensionalen Ansicht. Erkennbar sind hier außerdem die an einem Ende des Lampenrohres 1 herausgeführten elektrischen Anschlüsse 1a
Bei der in 3 gezeigten Modifikation der Basisvariante ist die Hälfte der QRC-Schicht 2 (180 Grad) mit einer rückseitigen Reflektorschicht in Form einer Goldschicht 4 belegt.
Die Goldschicht 4 wird erzeugt, indem auf die offenporige oder durch thermische Behandlung versiegelte Oberfläche der QRC-Schicht 2 eine goldhaltige Emulsion (Goldresinat) mit einem Pinsel aufgetragen wird. Die Emulsion wird anschließend durch Erhitzen eingebrannt. Beim Einbrennen zerfällt das Goldresinat in metallisches Gold und Harzsäure, die ihrerseits, wie auch die übrigen Komponenten der Paste, durch die hohe Einbrenntemperatur verflüchtigt werden. Zurück bleibt einer geschlossene, spiegelnde Goldschicht 4, die als Reflektor wirkt und deren Dicke je nach Anforderung an den Reflexionsgrad vorzugsweise im Bereich von 50 nm bis 300 nm liegt. Je dicker die Schicht ist, umso höher ist der Reflexionsgrad. Die Abstrahlfläche entspricht hierbei der Hälfte (180 Grad) der Lampenrohr-Mantelfläche, die von der QRC-Schicht 2 aber nicht von der Goldschicht 4 belegt ist.
Die Goldschicht 4 vermindert die Emissivität im Bereich der Lampenrohr-Rückseite, und bewirkt eine sehr gute Reflexion der Strahlung, die nach vorne auf die Lackschicht 3 reflektiert und dort absorbiert wird. Dieser Strahlungsanteil trägt zur schnellen Erwärmung der schwarzen Lackschicht 3 erheblich mit bei.
Bei der in 4 gezeigten Modifikation der Basisvariante ist die gesamte QRC-Schicht 2 (360 Grad) mit einer 0,04mm dicken Lackschicht 3 aus Thermofarbe belegt (Herstellung und Eigenschaften sind anhand 2 erläutert). Die gesamte Hüllroh-Mantelfläche wirkt als Abstrahlfläche, so dass sich eine dreidimensionale Abstrahlcharakteristik des Infrarotstrahlers ergibt.
Bei der in 5 gezeigten Modifikation der Basisvariante ist eine Hälfte der Oberfläche der QRC-Schicht 2 (180 Grad) mit einer 0,04mm dicken Lackschicht 3 aus Thermofarbe belegt (Herstellung und Eigenschaften sind anhand 2 erläutert) und die disgruente Oberflächenhälfte (180 Grad) mit einer 0,1 mm dicken Goldschicht 4 (Herstellung und Eigenschaften sind anhand 3 erläutert). Die Abstrahlfläche entspricht hierbei der Hälfte (180 Grad) der Lampenrohr-Mantelfläche, die von der Lackschicht 3 aber nicht von der Goldschicht 4 belegt ist.
6 zeigt schematisch eine zweite Basisvariante des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers. Auch hier handelt sich um einen kurzwelligen Infrarotstrahler mit einem Lampenrohr 1 aus Quarzglas. Das Lampenrohr 1 ist beidseitig geschlossen und umgibt einen Wolfram-Heizdraht (nicht dargestellt), der mit einem elektrischen Anschluss versehen ist und auf Temperaturen bis zu 2300°C, bei Halogenstrahlern bis zu 3000°C erhitzt werden kann, und überwiegend kurzwellig emittiert.
Übliche Infrarotstrahler mit Quarzrohr besitzen einen Goldreflektor oder eine diffusen Reflektor aus QRC oder aus Keramik auf ihrer Rückseite, um die Strahlungsenergie nach vorne über die Abstrahlfläche des transparenten Quarzglas-Lampenrohr 1 in das Heizgut zu bringen.
Bei dieser Ausführungsform des Infrarotstrahlers ist eine Hälfte der Mantelfläche des Lampenrohres 1 (180 Grad) geschwärzt, indem sie mit einer Lackschicht 3 aus einem temperaturstabilen schwarzen Lack belegt wird (Herstellung und Eigenschaften sind anhand 2 erläutert). Die Abstrahlfläche entspricht hierbei der mit der geschwärzten Lackschicht 3 belegten Lampenrohr-Mantelfläche. Bei einer anderen (nicht gezeigten) Ausführungsform des Infrarotstrahlers ist die gesamte Mantelfläche des Lampenrohres 1 (360 Grad) geschwärzt.
Auf einer glatten Lampenrohr-Mantelfläche kann die schwarze Lackschicht 3 unter Umständen bei hoher Temperatur über einige hundert Stunden abblättern. Zur Verbesserung der Haftfähigkeit der Lackschicht 3 wird die Lampenrohr-Oberfläche aufgeraut. Der Bereich der Aufrauhung 6 ist anhand einer gestrichelten Linie symbolisiert.
Das Aufrauen erfolgt mechanisch durch Sandstrahlen oder Schleifen oder chemisch: durch Behandlung mit einer Ätzlösung. Eine geeignete Ätzlösung (NH4 + HF+ Essigsäure) und deren Anwendung zur Aufrauhung einer Quarzglas-Oberfläche ist in der DE 197 13 014 C2 beschrieben. Die mittlere Rautiefe R_a liegt bevorzugt im Bereich von 0,8 - 3,2µm; im Ausführungsbeispiel sind es 3µm.
Die Aufrauhung 6 bewirkt nicht nur eine bessere Haftfähigkeit der Lackschicht 3 auf der Lampenrohr-Oberfläche, sondern auch noch eine homogenere Verteilung der mittelwelligen Strahlung durch Streuung der Strahlung an der aufgerauten Oberfläche. Die Radialverteilung der gewandelten Strahlung ist sehr gleichmäßig über den halben Umfang des Quarzrohres nach vorne verteilt (siehe Radialverteilung gemäß 9).
Die schwarze Lackschicht 3 wirkt als Strahlungswandler und emittiert bei Temperaturen im Bereich von 700 bis 750°C mittelwellig. Lebensdauertests haben gezeigt, dass die Lackschicht beziehungsweise der Infrarotstrahler ohne visuelle oder funktionelle Beeinträchtigungen eine Betriebsdauer bis zu 10.000h erreichen kann.
Die Erwärmung der Lackschicht 3 auf etwa 700°C, also bis zur mittelwelligen Emission bei ca. 3µm, dauert etwa 10 s. Im Vergleich dazu benötigen Standard-Mittelwelle-Infrarotstrahler ca. 5min bis zum thermischen Gleichgewicht.
Bei der in 7 gezeigten Modifikation der zweiten Basisvariante gemäß 6 ist die nicht von der Lackschicht 3 belegte Hälfte der Lampenrohr-Oberfläche (180 Grad) mit einer 0,1 mm dicken Goldschicht 4 (Herstellung und Eigenschaften sind anhand 3 erläutert). Die Abstrahlfläche entspricht hierbei der Hälfte (180 Grad) der Lampenrohr-Mantelfläche, die von der Lackschicht 3 aber nicht von der Goldschicht 4 belegt ist.
8 zeigt schematisch einen flächigen, kachelförmigen Infrarotstrahler 8 aus einem Kompositwerkstoff aus Quarzglas und darin eingelagertem elementarem Silizium, wie er in der DE 10 2015 119 763 A1 beschrieben ist. Der kachelförmige Basiskörper 9 des Infrarot-Flächenstrahler 8 ist mit einer (nicht dargestellten Heizleiterbahn) belegt, die den Basiskörper bei Stromdurchfluss aufheizt, so dass dieser Infrarotstrahlung emittiert. Derartige Infrarotstrahler 8 erreichen bei einer Temperatur von 1000 °C eine Emissivität von etwa 0,82 bei einer Wellenlänge von 2,75µm. Diese Wellenlänge stellt die Peak-Wellenlänge bei dieser Temperatur dar. Mit fallender Temperatur verliert der Kompositwerkstoff seine hohe Emissivität. Um dem entgegen zu wirken, ist die Abstrahlfläche mit einer Schicht 10 aus einem Strahlungswandlermaterial belegt.
Dabei handelt es sich bei einer Ausführungsform um eine QRC-Schicht 2. Deren Herstellung und Eigenschaften sind anhand 1 erläutert. Bei einer anderen Ausführungsform handelt es sich um eine Lackschicht 3. Deren Herstellung und Eigenschaften sind anhand 2 erläutert. Oder es handelt es sich bei einer dritten Ausführungsform um Kombination aus einer unteren Lage, die eine QRC-Schicht 2 ist, und einer oberen Lage, die eine Lackschicht 3 ist. In 8 sind diese möglichen Kombination durch die Bezugsziffer (2/3) symbolisiert.
Die Beschichtung der Abstrahlfläche mit einer Schicht aus Strahlungswandlermaterial ermöglicht es, dass unabhängig von der Temperatur des Basiskörper 9 eine hohe Emissivität aufrecht erhalten werden kann. Auf diese Weise wird die ohnehin hohe Effizienz des kachelförmigen Infrarotstrahlers noch weiter gesteigert, da die Emissivität auch bei niedrigeren Temperaturen hoch ist und somit die Energieübertragung bestmöglich erfolgen kann.
Die Kachel 9 hat Plattengrößen bis zu 400x400 mm², bei einer Dicke bis zu 2 mm.
Alternativ dazu besteht die Kachel 9 aus keramischem Werkstoff, wie beispielsweise aus Aluminiumoxid oder Zirkonoxid. Das thermische Anregen der Keramik wird mittels Widerstandsheizer ermöglicht. Die Abstrahlfläche der Kachel 9 ist mit einer Lackschicht 3 belegt (Herstellung und Eigenschaften sind anhand 2 erläutert). Die Lackschicht 3 gibt den größten Teil der absorbierten Energie per Strahlung ab. Die Temperatur der Keramik-Kachel 8 bestimmt dabei die Peak-Emissionswellenlänge. Temperaturen bis zu 1100 °C sind erreichbar. Mit keramische Kacheln sind auch größere Abmessungen als die oben Angegebenen sowie gekrümmte Geometrien besonders einfach zu realisieren.
Um die Wirkung des Strahlungswandlermaterials auf die radiale Verteilung der emittierten optischen Leistungsdichte (Bestrahlungsstärke) zu ermittelt, wurde eine Radialmessung durchgeführt. Diese erfolgt in üblicher Weise unter Einsatz eines auf einer drehbaren Halterung montierten Infrarotstrahlers, der in 5 Grad-Schritten um 360 Grad rotiert. Ein im Abstand von 25 cm montierter Thermopile-Sensor erfasst dabei die vom Infrarotstrahler emittierte Strahlung. Im Diagramm von 9 ist auf dem Kreisradius die normierte Bestrahlungsstärke (rel. Einheit) gegen die Umfangswinkelposition (in Grad) der Messpunkte aufgetragen. Die Messkurve zeigt das Ergebnis der Radialmessung bei einem Infrarotstrahler gemäß 7 mit einer Lackschicht 3 auf der Vorderseite (Abstrahlfläche) und einer spiegelnd reflektierenden Goldschicht 4 auf der Rückseite.
Im rückwärtigen Strahlerraum 90 zeigt die Messkurve einen geringen Anteil an Bestrahlungsintensität. Diese setzt sich zusammen aus transmittierter Primärstrahlung und aus Sekundärstrahlung, die auf die Aufheizung der Goldschicht 4 zurückzuführen ist. Im eigentlichen Bestrahlungsfeld 91 zeigt die Messkurve hingegen eine hohe Bestrahlungsstärke und eine homogene Verteilung der mittelwelligen Strahlung. Die Radialverteilung der gewandelten Strahlung ist gleichmäßig über den halben Umfang des Quarzrohres nach vorne verteilt.
Im Diagramm von 10 zur Transmission eines kurzwelligen Quarzrohstrahlers gemäß 1 ist die per Ulbrichtkugel ermittelte Gesamt-Transmission T (in %) gegen die Wellenlänge λ (in nm) aufgetragen. Die Ulbrichtkugel erlaubt die Messung des gerichtet-hemisphärischen spektralen Transmissionsgrades, der die diffuse und die gerichtete Transmission umfasst.
Es zeigt sich, dass dem Einschalten des Infrarotstrahlers aufgrund von Mehrfachreflexionen ein signifikanter Anteil der Primärstrahlung durch Transmission durch die QRC-Schicht 2 hindurch abgegeben wird. Die nicht transmittierte Strahlung erwärmt das Quarzglas-Mantelrohr 1 mitsamt der QRC-Schicht 2 mit der Zeit und erzeugt so zusätzlich Sekundärstrahlung im mittelwelligen Bereich. Nach wenigen Minuten Betrieb ist der thermische Gleichgewichtszustand erreicht und der Infrarotstrahler emittiert ein breitbandiges Spektrum, bestehend aus kurzwelliger Primär- und mittelwelliger Sekundärstrahlung.
Das Diagramm von 11 zeigt Zeitverlaufsmessungen bei einem Infrarotstrahler gemäß 1 im Vergleich zu einem Infrarotstrahler gemäß 4. Dabei ist auf der y-Achse die optische Leistung P (in W/m²) aufgetragen gegen die Anschaltdauer t (in s)
Eine Zeitverlaufsmessung der Bestrahlungsstärke zeigt, dass der nur mit einer QRC-Schicht 2 beschichtete Infrarotstrahler (4) bereits direkt nach dem Einschalten ca. 50% der maximalen Bestrahlungsstärke erzeugt. Im Anschluss dauert es ca. 4 Minuten. bis die volle optische Leistung erreicht ist. Bei dem zusätzlich mittels Lackschicht 3 vollständig geschwärzten Infrarotstrahler (4) steigt die Bestrahlungsstärke langsamer an, erreicht aber aufgrund der höheren Absorption früher, nach ca. 3 min., die maximale Leistung. Vor allem die schnelle Verfügbarkeit eines Teils der gesamten optischen Leistung ist für die Anwendung in der Druckindustrie vorteilhaft, weil auf die Verwendung von Shuttersystemen zur Abschattung der Papierbahn vor den trotz Abschaltung noch heißen Infrarotstrahlern verzichtet werden kann.
Bei den anhand von 8 erläuterten kachelförmigen Infrarotstrahlern der Erfindung ist auf einer der Plattenseiten der Kachel eine Heizleiterbahn vorgesehen, die bei Stromfluss Wärme erzeugt und diese durch Wärmeleitung an die Kachel abgibt, wodurch sich diese erwärmt. Die beschriebenen Kacheln ohne die Heizleiterbahn sind als passive Wärmeelemente einsetzbar, wenn sie anstelle der Heizleiterbahn von einer externen Heizquelle erwärmt werden, die mittelwellige oder kurzwellige Infrarotstrahludn emittiert. Die Beschichtungen mit dem Strahlungswandlermaterial wirken sich gegebenenfalls in gleicher Weise aus, wie dies oben erläutert ist, zum Beispiel anhand der 8.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 102013104577 B3 [0007]
DE 29905385 U1 [0008]
DE 4202944 C2 [0009]
DE 102015119763 A1 [0010, 0093]
DE 102004051846 A1 [0027, 0067]
DE 19713014 C2 [0088]

Claims

Infrarotstrahler, mit einem Formkörper, der eine Abstrahlfläche aufweist, die kurzwellige oder mittelwellige Infrarotstrahlung mit einer ersten Peak-Emissionswellenlänge emittiert, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Abstrahlfläche mit einem Strahlungswandlermaterial belegt ist, das infolge Erhitzung durch die Infrarotstrahlung der ersten Peak-Emissionswellenlänge Infrarotstrahlung mit einer zweiten Peak-Emissionswellenlänge emittiert, die langwelliger ist als die erste Peak-Emissionswellenlänge.
Infrarotstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungswandlermaterial einen Farbpigment enthaltenden Beschichtungsstoff umfasst.
Infrarotstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbpigment schwarze Mineralpartikel enthält und alkalifrei ist.
Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungswandlermaterial opakes Quarzglas umfasst.
Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper als Hüllrohraus Quarzglas ausgebildet ist, das einen mit einem Stromanschluss versehenen Strahlungsemitter in Form einer Heizwendel oder eines Heizbandes umgibt, wobei die Abstrahlfläche mindestens einen Teil der Rohrmantelfläche bildet.
Infrarotstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abstrahlfläche über einen Umfangswinkel zwischen 20 und 360 Grad, bevorzugt zwischen 60 und 200 Grad, und besonders bevorzugt zwischen 90 und 180 Grad der Rohrmantelfläche erstreckt.
Infrarotstrahler nach den Ansprüchen 2 oder 3 und 4 und 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungswandlermaterial eine untere Lage aus dem opaken Quarzglas und eine auf der unteren Lage aufgebrachte obere Lage aus dem farbpigmenthaltigen Beschichtungsstoff umfasst, und dass mindestens ein Teil der Rohrmantelfläche des Hüllrohres von der unteren Lage bedeckt ist, und mindestens ein erster Umfangsabschnitt der unteren Lage von der oberen Lage belegt ist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Lage aus dem opaken Quarzglas in einem zweiten Umfangsabschnitt von einer spiegelnd reflektierenden Reflektorschicht, vorzugsweise mit einer goldhaltigen Reflektorschicht, belegt ist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Umfangsabschnitt und der zweite Umfangsabschnitt nicht überlappen und sich vorzugsweise zu einem Umfangswinkel von 360 Grad ergänzen.
Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Rohrmantelfläche des Hüllrohres eine Oberflächenrauheit - definiert als arithmetische mittlere Rauheit R_a - mit R_a im Bereich von 0,5 bis 5µm, bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 3,2µm - aufweist, von der ein erster Umfangsabschnitt die mit dem Strahlungswandlermaterial belegte Abstrahlfläche bildet.
Infrarotstrahler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Umfangsabschnitt der Rohrmantelfläche des Hüllrohres von einer Reflektorschicht belegt ist, wobei der erste Umfangsabschnitt und der zweite Umfangsabschnitt der Rohrmantelfläche nicht überlappen und sich vorzugsweise zu einem Umfangswinkel von 360 Grad ergänzen.
Infrarotstrahler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorschicht von einer Schicht aus opakem Quarzglas und/oder von einer metallhaltigen Schicht, vorzugsweise einer goldhaltigen Schicht, gebildet wird.
Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper in Form einer Kachel aus einem bei Erhitzung Infrarotstrahlung emittierenden Werkstoff ausgebildet ist, wobei die Kachel sich gegenüberliegende Planseiten aufweist, von denen die eine Planseite die mit dem Strahlungswandlermaterial mindestens teilweise belegte Abstrahlfläche umfasst, und auf der anderen Planseite eine mit einer elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Heizstroms verbundene Heizleiterbahn aus einem Widerstandsmaterial aufgebracht ist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kachel-Werkstoff eine Keramik, insbesondere Al₂O₃ oder ZrO₂, oder dass der Kachel-Werkstoff einen Kompositwerkstoff umfasst, insbesondere eine Matrix aus Quarzglas, in die elementares Silicium oder Kohlenstoff eingebettet ist.
Infrarotstrahlung emittierendes Bauelement, mit einem Basiskörper aus einem Basiskörper-Werkstoff, aufweisend eine Absorptionsfläche zur Absorption kurzwelliger oder mittelwelliger Infrarot-Primärstrahlung mit einer ersten Peak-Emissionswellenlänge, sowie eine Abstrahlfläche zur Emission von Infrarot-Sekundärstrahlung mit einer zweiten Peak-Emissionswellenlänge, die langwelliger ist als die erste Peak-Emissionswellenlänge, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Abstrahlfläche mit einem Strahlungswandlermaterial belegt ist, das einen farbpigmenthaltigen Beschichtungsstoff umfasst.
Bauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Farbpigment schwarze Mineralpartikel enthält und alkalifrei ist.
Bauelement nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlungswandlermaterial opakes Quarzglas umfasst.
Bauelement nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper-Werkstoff Quarzglas ist.