DE19545296C2 - Infrarotstrahler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler mit einem ein für Infrarotstrahlung durchlässiges Fenster oder Hüllrohr aufweisenden Gehäuse, in dem eine flächenhaft ausgebildete Strah­ lungsquelle in Form eines Carbonbandes angeordnet ist, dessen Enden mit metallischen An­ schlußelementen für den elektrischen Anschluß zu einer Energiequelle versehen sind.

Ein derartiger Infrarotstrahler ist aus der GB-A-2 233 150 bekannt. Das Carbonband, das aus einer Vielzahl parallel zueinander und in Form eines Bandes angeordneter Graphitfasern be­ steht, ist innerhalb eines beidseitig verschlossenen Quarzglasrohres angeordnet. Für den elek­ trischen Anschluß ist das Carbonband beidseitig mit metallischen Endkappen versehen. Übli­ cherweise werden die stirnseitigen Enden des Carbonbandes in diese Endkappen einge­ klemmt. Die Kappen sind mit einem spiralig gebogenen Metalldraht verbunden, der wiederum an die durch die verschlossenen Stirnseiten des Hüllrohres ragende, elektrische Durchführung angreift.

Aus der Produktinformationsschrift "Mittelwellige Carbon-Infrarot-Strahler CRS: hohe Produktsi­ cherheit und Effizienz" der Heraeus Noblelight GmbH (Duckvermerk: 3C 12.93/NT) ist ein Carbon-Infrarotstrahler bekannt, bei dem die Enden des Carbonbandes mit einer dicken Lage aus Graphitpapier umwickelt sind. Das Graphitpapier wird mittels einer Molybdän-Feder kraft­ schlüssig an das Carbonband gepreßt. Die Molybdän-Feder besteht aus einem flachen Grund­ körper mit den gleichen seitlichen Abmessungen wie das zu haltende Carbond, der seitlich mit vier umbiegbaren Laschen versehen ist. Das mit Graphitpapier umwickelte Ende des Carbonbandes liegt auf dem Grundkörper auf und wird mittels der umgebogenen Laschen unter Herstellung der kraftschlüssigen Verbindung seitlich umschlossen.

Die aus dem Stand der Technik bekannten kraftschlüssigen Verbindungen durch Einklemmen des Carbonbandes in eine Endkappe bzw. durch Einklemmen in einer Molybdän-Feder weisen eine relativ große Bauhöhe auf. Kleine Infrarotstrahler, wie sie beispielsweise im Bereich der Gasanalytik benötigt werden, sind damit nicht realisierbar. Darüberhinaus liefern die kraft­ schlüssigen Verbindungen keine reproduzierbaren Verhältnisse für den elektrischen Anschluß. Dies gilt insbesondere, wenn die bekannten Infrarotstrahler mit relativ geringen elektrischen Leistungen und dementsprechend kleinen Spannungen und Strömen betrieben werden. Es hat sich gezeigt, daß insbesondere bei mechanischen Beanspruchungen der Strahler die Betriebs­ sicherheit und insbesondere bei relativ kleinen Anschlußwerten die Reproduzierbarkeit der ab­ gegebenen Strahlung nicht gewährleistet ist.

Aus der gemäß § 3 (2) PatG zum Stand der Technik gehörenden DE-A1 44 38 870 ist ein Infra­ rotstrahler bekannt, der ein Kapillarrohr aus Quarzglas aufweist, in dem eine Strahlungsquelle in Form eines Carbonbandes ausgebildet ist. Für den elektrischen Anschluß zu einer Energie­ quelle sind die Enden des Carbonbandes mit einer metallischen Kontaktschicht versehen, an der jeweils eine U-förmige Kontaktklammer angreift.

Aus der US-PS 5,152,330 ist zu entnehmen, daß bei einem elektrischen Schleifkontakt eine Schleifkohle bzw. eine Kohlebürste mit einer Metallschicht versehen wird, um einen guten elek­ trischen Kontakt zwischen der Schleifkohle bzw. der Kohlebürste und dem mit ihr verbundenen Trägerelement zu erreichen.

Um darüberhinaus die mechanischen Verbindung dieser Bauteile zu verbessern, wird vorge­ schlagen, die Schleifkohle bzw. die Kohlebürste allseitig mit einem Profil zu versehen, in das ein passendes Gegenprofil des Trägerelementes eingreift. In einem Ausführungsbeispiel wird die Schleifkohle mit noppenartigen Vertiefungen oder mit umlaufenden Nuten versehen. Diese Verbesserung der mechanischen Verbindung zwischen Schleifkohle bzw. Kohlebürste und Trä­ gerelement erfordert eine nachträgliche Bearbeitung der Schleifkohle bzw. der Kohlebürste. Darüberhinaus ist es bei der aus der US-PS 5,152,380 beschriebenen Ausführungsform des Schleifkontaktes erforderlich, die Schleifkohle bzw. die Kohlebürste vor der Verbindung mit dem Trägerelement zu metallisieren.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen betriebssicheren Infrarot­ strahler der angegebenen Gattung zu schaffen, bei dem die abgegebene Strahlungsleistung definiert einstellbar und reproduzierbar ist und der mit sehr kleinen Bauhöhen herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten Strahler erfindungsgemäß da­ durch gelöst, daß die Anschlußelemente jeweils mit einer hülsenförmig ausgebildeten Aufnah­ me versehen sind, in die ein Ende des Carbonbandes eingeführt und darin teilweise kraft­ schlüssig oder formschlüssig umschlossen wird und die mit einer Mantelfläche ausgebildet ist, die mindestens eine Öffnung aufweist, durch die hindurch das jeweilige Ende des Carbonban­ des und das Anschlußelement von einer metallischen Kontaktschicht kontaktiert sind.

Dadurch, daß die Enden des Carbonbandes mit einer metallischen Kontaktschicht versehen sind, an der die Anschlußelemente angreifen, werden Übergangswiderstände vermieden. Die elektrische Kontaktschicht ist unmittelbar auf dem Carbonband aufgebracht. Sie haftet an der Oberfläche des Carbonbandes, so daß sichergestellt ist, daß zwischen dem Carbonband und der Kontaktschicht eine innige Verbindung besteht. Die Kontaktschicht kann aus einer einzigen Schicht oder aus einem Schicht-Verbund bestehen.

An der jeweiligen Kontaktschicht greift das Anschlußelement an. Es kann dabei formschlüssig oder kraftschlüssig mit der Kontaktschicht verbunden sein. Üblicherweise genügt eine kraft­ schlüssige Klemmung zwischen dem Anschlußelement und der Kontaktschicht. Die Kontakt­ schicht besteht aus Metall und ist dementsprechend weich. Sie gibt von außen durch das An­ schlußelement auf sie einwirkenden Kräften in gewissem Umfang durch plastische Verformung nach. Darüberhinaus gleicht die Kontaktschicht Unebenheiten der Oberfläche des Carbonbandes aus, so daß die elektrische Verbindung zu dem Anschlußelement nicht nur punktweise an wenigen Kontaktstellen, sondern über eine größere Fläche besteht.

Die Qualität der elektrischen Verbindung hängt daher nicht in erster Linie von der Stärke und Reproduzierbarkeit der kraftschlüssigen Verbindung zwischen dem Carbonband und dem An­ schlußelement ab. Die kraftschlüssige Verbindung selbst kann daher wesentlich filigraner als bei den eingangs zum Stand der Technik beschriebenen Strahlern gebildet werden. Dies er­ möglicht die Realisierung geringer Bauhöhen.

Die erfindungsgemäß hergestellte elektrische Verbindung zwischen dem Carbonband und dem Anschlußelement weist einen Übergangswiderstand auf, der selbst bei sehr kleinen Anschluß­ werten, wie beispielsweise weniger als 10 Watt, keinen nennenswerten Spannungsabfall er­ zeugt und somit keinen merklichen Einfluß auf die Stromversorgung des Carbonbandes hat. Zudem ist sichergestellt, daß der Übergangswiderstand auch bei mechanischen Beanspruchun­ gen während der Lebensdauer des Strahlers konstant bleibt.

Das Carbonband weist eine Vielzahl parallel zueinander und in Form eines Bandes angeordne­ ter Kohlenstoff-Fasern auf. Üblicherweise zeigt es in Richtung seiner Längsachse gesehen ei­ nen Rechteck-Querschnitt. Das Carbonband kann aber auch einen anderen Querschnitt, bei­ spielsweise einen runden oder einen kreisfömigen Querschnitt haben. Wesentlich ist, daß es eine große strahlende Oberfläche aufweist, also einen flächigen Strahler darstellt.

Die metallische Kontaktschicht wird in einer ersten Variante der Erfindung durch eine Löt­ schicht und in einer weiteren Variante durch eine galvanisch abgeschiedene Schicht realisiert. Bei der zuerst genannten Variante hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die eigentliche Löt­ schicht mit einer metallischen Haftschicht zu unterlegen, wobei die Haftschicht vorteilhafterwei­ se eine Dicke im Bereich von 10 µm bis 30 µm aufweist und löttechnisch gut benetzbar sein sollte. Als Material für die Haftschicht bietet sich Nickel, eine Nickellegierung oder Edelmetall an. Die Haftschicht kann galvanisch abgeschieden oder durch Aufdampfen oder Aufsputtern aufgebracht sein. Für die Lötschicht selbst haben sich die üblichen Zinn-Lote bewährt. Die Lot­ schicht hat den Vorteil, daß sie leicht aufzubringen ist und mechanischen Spannungen, die bei­ spielsweise beim Verklemmen des Carbonbandes mit dem Anschlußelement entstehen kön­ nen, nachgibt.

Für den Fall einer galvanisch abgeschiedenen Kontaktschicht gemäß der oben genannten wei­ teren Variante der Erfindung ist es nicht erforderlich, das Carbonband vorher zu metallisieren. Üblicherweise werden vor der galvanischen Abscheidung der Kontaktschicht die Anschlußele­ mente an den Enden des Carbonbandes angebracht. Bei der Abscheidung scheidet sich dann das Kontaktschicht-Metall sowohl am Carbonband selbst als auch an dem metallischen An­ schlußelement ab, so daß eine feste elektrische Verbindung zwischen dem Carbonband und dem Anschlußelement über eine größere Fläche zustandekommt. Eine nachträgliche Kontaktie­ rung des Anschlußelements ist nicht erforderlich. Es findet daher keine Verformung des so ge­ bildeten elektrischen Anschlusses mehr statt, so daß der Übergangswiderstand vorab geprüft und reproduzierbar eingestellt werden kann. Die galvanisch abgeschiedene Kontaktschicht um­ gibt sowohl das Anschlußelement, als auch das dazugehörige Ende des Carbonbandes. Dies ergibt sich zwangsläufig aufgrund ihrer Herstellung durch galvanische Abscheidung. Zwischen dem Anschlußelement und dem Carbonband bestehende Spalte werden dabei überbrückt. Als Material für die galvanisch abgeschiedene Kontaktschicht haben sich Nickel oder Gold bewährt.

Der elektrische Anschluß bei einer galvanisch abgeschiedenen Kontaktschicht zeichnet sich durch besonders kleine geometrische Abmessungen aus, da der Spalt zwischen dem An­ schlußelement und dem Carbonband sehr klein und das Anschlußelement selbst sehr dünn gehalten werden können.

Es wird eine Ausführungsform des Infrarotstrahlers bevorzugt, bei der die Anschlußelemente jeweils mit einer Aufnahme versehen sind, die das jeweilige Ende des Carbonbandes teilweise umschließt. In der Aufnahme wird das Carbonband formschlüssig oder kraftschlüssig gehalten. Dabei umschließt die Aufnahme das Ende des Carbonbandes jedoch nicht vollständig, sondern nur teilweise. In dem Bereich oder in den Bereichen, in denen das Carbonband nicht umschlos­ sen wird, also frei zugänglich ist, kann die metallische Kontaktschicht sowohl an dem Carbon­ band als auch an dem Anschlußelement angreifen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Aufnahme hülsenförmig und mit einer Mantelflä­ che ausgebildet, die mindestens eine Öffnung aufweist. In die hülsenförmige Aufnahme wird das Ende des Carbonbandes eingeklemmt. Das eingeklemmte Ende des Carbonbandes kann vorab metallisiert sein; dies ist aber nicht erforderlich. Die Öffnung dient zum Aufbringen eines weiteren Teils der Kontaktschicht bzw. der Kontaktschicht, wobei sicherzustellen ist, daß die durch die Öffnung aufgebrachte metallische Schicht sowohl das hülsenförmige Anschlußele­ ment als auch das Carbonband kontaktiert.

Besonders bewährt hat sich ein Infrarotstrahler, bei dem bei Aufnahme eines Carbonbandes mit rechteckigem Querschnitt das Anschlußelement mit einer im Querschnitt gesehen U-förmigen Aufnahme versehen ist, wobei die Schenkel der U-förmigen Aufnahme entlang der Ober- und Unterseite des Carbonbandes verlaufen. Unter Ober- und Unterseite werden hier und im folgenden diejenigen Oberflächen verstanden, die von der Längenabmessung und von der Breitenabmessung des Carbonbandes aufgespannt werden. Die U-förmige Aufnahme umgreift so das jeweilige Ende des Carbonbandes unter Freilassung der langen Schmalseiten.

Der erfindungsgemäße IR-Strahler eignet sich besonders für den Einbau in Analysengeräten, insbesondere für die Abgasanalytik, bei der Infrarotstrahler mit sehr geringen Bauhöhen benö­ tigt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen im einzelnen in schematischer Darstellung

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Verbindung des Carbonbandes mit einem hülsenförmigen Anschlußelement in einer Seitenansicht,

Fig. 2 eine gegenüber der Fig. 1 um 90° verdrehte Seitenansicht der ersten Ausführungsform,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform einer Verbindung zwischen dem Carbonelement und einem hülsenförmigen Anschlußelement in einer Seitenansicht,

Fig. 4 eine um 90° verdrehte Seitenansicht der Ausführungsform gemäß Fig. 3.

Fig. 1 zeigt die Verbindung eines im Querschnitt rechteckigen Carbonbandes 1 mit einer Nic­ kelhülse 2. Die Nickelhülse 2 ist kraftschlüssig auf das stirnseitige Ende 3 des Carbonbandes 1 gepreßt. Die Breite des Carbonbandes 1 beträgt 1,3 mm; seine Dicke 0,1 mm. Die Nickelhülse 2, die einen Innendurchmesser von 1 mm und eine Wandstärke von 0,1 mm aufweist, ist in ih­ rem dem Carbonband 1 zugewandten, unteren Bereich, dem die Bezugsziffer 4 zugeordnet ist, auf das Carbonband 1 gepreßt.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß im Bereich des eingepreßten, stirnseitigen Ende 3 des Carbon­ bandes 1, das mit punktierten Linien dargestellt ist, die Nickelhülse 2 einen Bereich 4 mit eben­ falls annähernd rechteckigem Querschnitt aufweist und dort an dem Carbonband 1 möglichst dicht anliegt. Der zwischen dem Carbonband 1 und der Innenseite der Nickelhülse 2 in ihrem unteren Bereich 4 verbleibende Spalt ist in den Fig. 1 und 2 nicht maßstabsgetreu, sondern aus Gründen der Deutlichkeit übertrieben groß dargestellt.

An den unteren Bereich 4 schließt sich der obere, nicht verformte, im Querschnitt ringförmige Bereich 5 an. Der obere Bereich 5 ist mit dem elektrischen Anschluß (in der Figur nicht darge­ stellt) verbunden.

Die Nickelhülse 2 weist an der Schmalseite ihres unteren, zusammengepreßten Bereiches 4 zwei versetzt gegenüberliegend angeordnete Ausnehmungen 6 auf. Durch die Ausnehmungen 6 ist sowohl ein Ausschnitt der Schmalseite des Carbonbandes 1 als auch ein Teil der breiten Ober- und Unterseite zugänglich.

Der durch die Klemmung hergestellte kraftschlüssige Verbund von Carbonband 1 und Nickel­ hülse 2 wird mit einer galvanisch abgeschiedenen Nickelschicht 7 versehen. Der Verlauf der Nickelschicht 7 ist in den Fig. 1 und 2 mit gestrichelten Linien angedeutet. Es ist ersichtlich, daß die Nickelschicht 7 gleichzeitig die Oberfläche der Nickelhülse 2 als auch die Oberfläche des Carbonbandes 1 im Bereich der Ausnehmungen 6 vollständig und allseitig überdeckt. Auf­ grund der guten Haftung von Nickel auf Nickel selbst und aufgrund der Oberflächenstruktu­ rierung des Carbonbandes ist eine feste Verbindung der Nickelschicht 7 sowohl mit dem Car­ bonband 1 einerseits als auch mit der Nickelhülse 2 andererseits gewährleistet. Dadurch wird eine leitfähige Verbindung ohne wesentlichen Übergangswiderstand zwischen der Nickelhülse 2 und dem Carbonband 1 hergestellt.

Aus der um 90° gedrehten Ansicht von Fig. 2 ist die Lage der Ausnehmungen 6 im zusam­ mengepreßten Bereich 3 der Nickelhülse 2 deutlich erkennbar.

Sofern in den nachfolgenden Fig. 3 und 4 die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1 verwen­ det werden, betreffen diese identische oder äquivalente Bauteile, wie sie anhand der Fig. 1 und 2 erläutert worden sind.

Bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 3 weist das Carbonband 1 eine Breite von 1,3 mm und eine Dicke von 0,1 mm auf. Mit seinem stirnseitigen Ende 3 ist es im zusammen­ gepreßten Bereich 4 einer Nickelhülse 2 kraftschlüssig gehalten. Die Nickelhülse 2 hat einen In­ nendurchmesser von 1,5 mm und eine Wandstärke von 0,15 mm.

Im zusammengepreßten Bereich 4 sind zwei im wesentlichen kreisförmige Öffnungen 9 vorge­ sehen. Die Öffnungen 9 sind paarweise gegenüberliegend beidseitig des Carbonbandes 1, also sowohl im Bereich dessen flacher Ober- als im Bereich der flachen Unterseite (beide mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet), vorgesehen.

Die über die Öffnungen 9 zugängliche Oberfläche des Carbonbandes 1 ist mit einer ca. 20 µm dicken Haftschicht 10 aus galvanisch abgeschiedenem Nickel versehen. Aus Gründen einer deutlicheren Darstellung ist die Haftschicht 10 in dem mit B bezeichneten Ausschnitt in Fig. 4 übertrieben dick dargestellt. Über der Haftschicht 10 ist eine ca. 0,4 mm dicke Lotschicht 11 vorgesehen, die sich über den Bereich der Öffnungen 9 hinaus auf die Oberfläche der Nickel­ hülse 2 erstreckt. Die Lotschicht 11 besteht aus einem üblichen Silberlot, das sowohl mit dem Material der Nickelhülse 2 als auch mit der Haftschicht 10 gut benetzt. Die Lotschicht 11 ge­ währleistet daher eine sehr gute elektrische Kontaktierung des Carbonbandes 1 mit der Nickel­ hülse 2.

Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers ist besonders als Analytik- Strahler für die Abgas-Untersuchung geeignet und bei Temperaturen bis 500°C im Anschluß­ bereich einsetzbar.

Claims (5)

1. Infrarotstrahler mit einem ein für Infrarotstrahlung durchlässiges Fenster oder Hüllrohr aufweisenden Gehäuse, in dem eine flächenhaft ausgebildete Strahlungsquelle in Form eines Carbonbandes (1) angeordnet ist, dessen Enden (3) mit metallischen Anschlußele­ menten (2; 12) für den elektrischen Anschluß zu einer Energiequelle versehen sind, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anschlußelemente (2; 12) jeweils mit einer hülsenförmig ausgebildeten Aufnahme (4; 13) versehen sind, in die ein Ende (3) des Carbonbandes (1) eingeführt und darin teilweise kraftschlüssig oder formschlüssig umschlossen wird und die mit einer Mantelfläche ausgebildet ist, die mindestens eine Öffnung (6; 9) aufweist, durch die hindurch das jeweilige Ende (3) des Carbonbandes (1) und das Anschlußele­ ment (2; 12) von einer metallischen Kontaktschicht kontaktiert sind.

2. Infrarotstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht eine Lotschicht (11) umfaßt.

3. Infrarotstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotschicht (11) mit ei­ ner metallischen Haftschicht (10) unterlegt ist.

4. Infrarotstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktschicht eine galvanisch abgeschiedene Schicht (7) umfaßt.

5. Infrarotstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanisch abgeschie­ dene Schicht (7) aus Nickel oder aus Gold besteht.