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Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler mit einer Emitterschicht und mit einer Abdeckung, wobei Infrarotstrahlung von der Oberfläche der Emitterschicht emittierbar ist.
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Infrarotstrahler sind Bauteile oder Geräte, die Infrarotstrahlung erzeugen, welche für Erwärmungs- oder Trocknungszwecke eingesetzt werden. Als Energiequelle für Infrarotstrahler können z.B. brennbares Gas oder elektrischer Strom verwendet werden. Die Infrarotstrahlung entspricht einem Teil der Wärmestrahlung, die von der menschliche Haut absorbierbar ist. Dadurch offerieren sich besonders vorteilhafte Heizmöglichkeiten, die nicht das Erwärmen der Umgebungsluft, sondern das Übertragen von Wärme über elektromagnetische Strahlung im Bereich der Infrarotstrahlung vorsehen.
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Infrarotstrahler heizen sich auf, um Strahlung im infraroten Wellenlängenbereich emittieren zu können. Eine heiße Fläche strahlt idealerweise als schwarzer Körper ab. Die Oberfläche von Infrarotstrahlern ist jedoch in Kontakt zur Umgebungsluft, sodass es zusätzlich zur Übertragung mittels Infrarotstrahlung zu Konvektion kommt. Der Übertrag von Wärme mittels Konvektion und Wärmeleitung stellt eine Effizienzminderung des Infrarotstrahlers dar.
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Davon ausgehend ist es die Aufgabe der Erfindung, die Effizienz von Infrarotstrahlern zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist also ein Infrarotstrahler mit einer Emitterschicht und mit einer Abdeckung vorgesehen, wobei Infrarotstrahlung von der Oberfläche der Emitterschicht emittierbar ist, die Abdeckung in einem Abstand vor der Infrarotstrahlung emittierenden Emitterschicht angebracht ist und das Material der Abdeckung wenigstens teilweise transparent für die Infrarotstrahlung ist.
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Die Abdeckung dient dazu den Austausch von Luft an der Emitterschicht zu reduzieren. Dazu ist die Abdeckung in einem Abstand zur Emitterschicht auf derselben angeordnet. Emitterschicht, Abstand und Abdeckung bilden einen Schichtaufbau. Die Abdeckung schließt den Infrarotstrahler insoweit gegen die Umgebung ab, als dass durch den gebildeten Abstand und die Abdeckung der Wärmeaustausch durch Konvektion aus der Emitterschicht reduziert ist. Dadurch ist bei Verwendung des Infrarotstrahlers in Räumen zusätzlich die Bildung von Zugluft vermeidbar. Eine reduzierte Oberflächentemperatur führt ebenso zu einer verringerten Verbrennungsgefahr für Mensch und Umgebung.
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Der Abstand kann variieren, beträgt vorzugsweise aber 1 cm. Der Wärmeübertrag von Infrarotstrahlung bei Temperaturen von 120°C hat ein Intensitätsmaximum im Bereich um 7.5 µm Wellenlänge und das Material der Abdeckung sowie innerhalb des Abstands vorhandenes Medium sind wenigstens teilweise transparent für Infrarotstrahlung in diesem Wellenlängenbereich ausgestaltet. Die Infrarotstrahlung kann dementsprechend den Abstand und die Abdeckung praktisch ohne Absorption passieren. Dies sorgt dafür, dass der Energieübertrag im Wesentlichen über die Infrarotstrahlung und nicht über Konvektion oder Wärmeleitung stattfindet. Die Konvektion entspricht dabei dem Transport von Wärme in strömenden Gasen. Der konvektive Transport thermischer Energie ist ein Mechanismus des Wärmetransports und wird auch Wärmemitführung genannt. Die Wärmeleitung entspricht dem Wärmefluss in oder zwischen einem Feststoff, einem Fluid oder einem Gas infolge eines Temperaturunterschiedes.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Abdeckung weitere Abstände bildende Abdeckungen in einem mehrschichtigen Aufbau bis hin zu einer einen letzten Abstand bildenden letzten Abdeckung angeordnet sind. Dieser mehrschichtige Aufbau sorgt für eine verbesserte Isolation der Emitterschicht gegenüber der Umgebung.
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Grundsätzlich können in dem Abstand verschiedene Stoffe vorgesehen sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass in dem Abstand ein Gas vorhanden ist. Dieses Gas wird zwischen der Abdeckung und der Emitterschicht derart gehalten, dass Wechselwirkungen mit der Umgebungsluft außerhalb des Infrarotstrahlers reduzierbar sind. Das Gas ist ebenfalls transparent für die Infrarotstrahlung. Mit verschiedenen Stoffen sind hier Stoffe im chemischen Sinn gemeint, die fest, flüssig oder gasförmig und aus verschiedenen Elementen zusammengesetzt sein können.
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Prinzipiell kann das Gas auch einen Druck aufweisen, der größer oder kleiner als der Umgebungsdruck ist oder diesem entspricht. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Gas einen niedrigeren Druck als den Umgebungsdruck aufweist. Mit Umgebungsdruck ist dabei der mittlere Luftdruck in der direkten Umgebung des Infrarotstrahlers gemeint. Durch die Reduktion des Drucks in dem Abstand und die damit einhergehende Reduktion der Teilchenzahldichte wird die Wärmeleitung reduziert und so die Isolation der aufgeheizten Emitterschicht verbessert. Vorzugsweise gilt dabei, dass der Druck so gering ist, dass die mittlere frei Weglänge länger ist als der Abstand zwischen Abdeckung und Emitterschicht.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Gas ein Gasgemisch mit einer der Umgebungsluft entsprechenden Zusammensetzung ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Abstand ein Aerogel angeordnet ist. Aerogele sind hochporöse Festkörper, deren Volumen zu einem Großteil aus luftgefüllten Poren besteht. Diese Poren haben eine geringe Ausdehnung, sodass die Luft nicht zirkulieren kann und sowohl Konvektion, als auch Wärmeleitung im Abstand erheblich reduziert werden.
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Es ist möglich, dass das Aerogel aus verschiedenen Materialien gebildet ist. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass das Aerogel ein Aerogel auf Siliziumbasis ist. Aerogele auf Siliziumbasis tragen zu einer gesteigerten Transmission bei.
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Grundsätzlich sind verschiedene Arten von Energiequellen zum Betreiben des Infrarotstrahlers denkbar. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Infrarotstrahler ein elektrischer Infrarotstrahler ist. Dadurch eignet sich der Infrarotstrahler insbesondere zur Verwendung in einem geschlossenen Raum.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Infrarotstrahler durch eine Gasheizung antreibbar ist. Infrarotstrahler, die über die Verbrennung von Gas angetrieben werden, sind insbesondere in mobilen und in industriellen Anwendungsbereichen vorteilhaft.
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Prinzipiell sind verschiedene Materialien als Abdeckung verwendbar. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Abdeckung als eine Siliziumfolie ausgebildet ist. Die Siliziumfolie hat vorzugsweise eine Dicke von 10 µm. Silizium ist transparent für elektromagnetische Strahlung im Bereich von 1 µm bis 10 µm Wellenlänge und damit transparent für Infrarotlicht. Gleichzeitig weist die Siliziumfolie ein geringes Gewicht auf, wodurch der Infrarotstrahler insgesamt leicht ausgestaltet ist.
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Es ist möglich Abdeckungen mit verschiedenen Dicken zu verwenden. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Abdeckung als eine Siliziumplatte ausgebildet ist. Die Siliziumplatte ist im wesentlichen formstabil, sodass der Druck im Abstand gegenüber dem Umgebungsdruck auf Drücke unterhalb von 300 mbar absenkbar ist.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abdeckung aus Kunststoff ausgebildet ist. Temperaturbeständiger, im Infrarotspektrum, transparenter Kunststoff weist eine gute Verfügbarkeit sowie hohe Flexibilität bezüglich anderer addierbarer Materialeigenschaften auf.
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Grundsätzlich kann der Infrarotstrahler verschiedene Formen aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Infrarotstrahler eine einem Zylinder entsprechende Form aufweist, sodass die Infrarotstrahlung entlang des Umfangs des Zylindermantels emittierbar ist. Die Emitterschicht mit in einem Abstand dazu angeordneter Abdeckung bildet den Zylindermantel. Dadurch ist der Infrarotstrahler insbesondere dazu geeignet Wärme multidirektional an Personen oder zu erwärmende Oberflächen abzustrahlen.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abdeckung des Infrarotstrahlers als Photovoltaikzelle zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet wird. Eine entsprechende Ausgestaltung der Abdeckung ermöglicht die Erzeugung von Strom mit dem Infrarotstrahler. Der Infrarotstrahler kann an einen Ort verbracht werden, der direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist und der erzeugte Strom kann dann in das allgemeine Stromnetz eingespeist werden. Außerdem ist es möglich, die Abdeckung des Infrarotstrahlers so auszugestalten, dass sie als Bildschirm verwendet werden kann.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Infrarotstrahler eine Batterie zur Speicherung elektrischer Energie aufweist. Dadurch kann der Infrarotstrahler auch ohne festen Stromanschluss in Form einer mobilen Heizmöglichkeit verwendet werden. Des Weiteren ist bei Stromausfällen sichergestellt, dass über einen gewissen Zeitabschnitt hinweg autark geheizt werden kann.
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Prinzipiell kann der Infrarotstrahler mit verschiedenen Anschlüssen versehen sein. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass der Infrarotstrahler einen elektrischen Anschluss zum Verbinden mit einem weiteren Infrarotstrahler aufweist. Auf diese Art und Weise wäre eine Koppelung der Infrarotstrahler bezüglich der Optimierung der Distribution der Infrarotstrahlung möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Infrarotstrahler durch einen Fluid führenden Kreislauf realisiert ist, wobei das Fluid eine Temperatur aufweist, die höher ist als die Umgebungstemperatur. Das Fluid hat vorzugsweise eine Temperatur von mehr als 60° C. Die meisten Haushalte sind mit wasserführenden Heizkörpern versehen, sodass die entsprechende Infrastruktur zur Realisierung eines Wasser führenden Infrarotstrahlers bereits verfügbar ist.
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Schließlich gilt noch gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, dass die teilweise Transparenz für die Infrarotstrahlung wenigstens 50 % Transparenz bei einer Wellenlänge der Infrarotstrahlung größer 7 µm bedeutet.
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In der Zeichnung zeigt
- 1 schematisch einen Infrarotstrahler gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Aus 1 ist schematisch ein Infrarotstrahler 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ersichtlich. Der Infrarotstrahler 1 ist flächig ausgebildet, sodass er an der Wand oder der Decke eines Raums montierbar ist, ohne zu weit in diesen hinein zu ragen. Dieser Infrarotstrahler 1 weist eine Emitterschicht 2 auf, die Infrarotstrahlung in Richtung einer Abdeckung 4 emittiert.
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Die Abdeckung 4 ist in einem Abstand 3 von 1 cm vor der Emitterschicht 2 angebracht und bedeckt diese vollständig. Die Abdeckung 4 ist derart mit der Emitterschicht 2 verbunden, dass die Wechselwirkung mit der Umgebungsluft minimiert wird. Der Abstand 3 ist mit Luft mit einem Druck gefüllt der niedriger als derjenige der Umgebung ist. Dadurch weist der Abstand 3 eine Reduktion der Teilchendichte gegenüber der Umgebung auf. Diese Reduktion der Teilchendichte zusammen mit dem niedrigen Wärmeleitkoeffizienten von Luft trägt zu einer Reduktion der Wärmeleitung und der Konvektion bei. Insbesondere der Wärmeübertrag durch Konvektion wird durch diesen Aufbau nahezu unterbunden. Auf einer der Abdeckung 4 gegenüberliegenden Seite der Emitterschicht 2 ist eine Dämmschicht 5 an der Emitterschicht 2 angeordnet, die den Übertrag von Wärme durch Konvektion oder Wärmeleitung ebenfalls reduziert. Die Dämmschicht 5 weist vorliegend keine transparenten Eigenschaften für Infrarotstrahlung auf.
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Die Emitterschicht 2 erhitzt sich auf eine Temperatur zwischen 120° C und 140° C, sodass Infrarotstrahlung hin zu der Abdeckung 4 emittiert wird. Die Abdeckung 4 ist eine Siliziumfolie, die den Infrarotstrahler 1 derart gegen die Umgebung abdichtet, dass der Druck des Abstandes 3 gehalten werden kann. Die Siliziumfolie ist transparent für die in einem Wellenlängenbereich zwischen 1 µm und 10 µm emittierte Infrarotstrahlung, sodass diese in die Umgebung außerhalb des Infrarotstrahlers 1 gelangen kann. Der Abstand 3 erwärmt sich aufgrund der von der Emitterschicht 2 übertragenen Wärme. Der Wärmestrom, also die Menge an Wärmeenergie pro Zeiteinheit, ist jedoch aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit des Mediums deutlich reduziert. Die Konvektion wird durch den fehlenden Luftwechsel auf der Oberfläche der Emitterschicht 2 reduziert. Daher wird deutlich weniger Energie zum Aufrechterhalten der Temperatur der Emitterschicht 2 benötigt. Aufgrund der in dem Abstand 3 enthaltenen Luft, ist dieser ebenfalls transparent für die Infrarotstrahlung. Auf der der Abdeckung 4 gegenüberliegenden Seite der Emitterschicht 2 wird der Wärmeübertrag durch die Dämmschicht 5 gehemmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Infrarotstrahler
- 2
- Emitterschicht
- 3
- Abstand
- 4
- Abdeckung
- 5
- Dämmschicht
