DE19609151A1 - Kurzwelliger Infrarot-Strahler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen kurzwelligen Infrarot-Strahler mit einem Leuchtrohr zur Aufnahme einer Heizwendel, die mittels elektrischer Anschlüsse mit einer mittels einer Regeleinrichtung regelbaren Spannungsquelle verbunden ist.

Ein derartiger kurzwelliger Infrarot-Strahler ist in der Produktinformationsschrift "Komplett Kom­ pentenz von UV bis IR; Lichtquellen für Produktivität" der Heraeus Noblelight GmbH aus dem Jahr 1992 beschrieben (Druckvermerk: 5C 2.921N FB). Kurzwellige Infrarot-Strahler zeichnen sich unter anderem dadurch aus, daß sie schnelle Temperaturwechsel ermöglichen. Der be­ kannte Infrarot-Strahler besteht aus einem Quarzglas-Leuchtrohr, in dem sich eine Wolfram- Heizwendel befindet. Die Heizwendel ist mit einer Spannungsquelle verbunden und mit einer Regeleinrichtung versehen, die zumindest ein Aus- und Einschalten des Strahlers erlaubt.

Bei derartigen kurzwelligen Infrarot-Strahlern werden an der Heizwendel sehr hohe Temperatu­ ren, die oberhalb 1750°C liegen können, erreicht. Auch die Temperatur des Leuchtrohres kann mehrere Hundert Grad Celsius erreichen. Um eine Berührung der Heizwendel mit der Innen­ wandung des Leuchtrohres zu vermeiden, werden bei den bekannten Infrarot-Strahlern gleich­ mäßig über die Länge der Heizwendel verteilte Stützscheiben verwendet, mittels denen die Heizwendel axial in der Mitte des Leuchtrohres gehalten wird. Im Bereich dieser Stützscheiben ist jedoch ein starker Temperaturabfall, der über 100°C betragen kann, zu beobachten.

Bei den bekannten kurzwelligen Infrarot-Strahlern sind die beiden Stirnseiten des Quarzglas- Leuchtrohres mittels einer Quetschung vakuumdicht verschlossen. In die Quetschung ist eine dünne Molybdänfolie eingelassen, die einerseits nach innen hin mit der Heizwendel und ande­ rerseits nach außen hin mit der Spannungsquelle bzw. mit einer elektrischen Regeleinrichtung verbunden ist und die so den elektrischen Kontakt zwischen der Heizwendel und der Regeleinrichtung gewährleistet. Die Herstellung einer dichten Einschmelzung der Molybdänfolie in der Quetschung ist aufwendig und erfordert große Sorgfalt.

Für viele Anwendungen von Infrarot-Strahlern ist es erforderlich oder wünschenswert, das zu bestrahlende Gut in unmittelbare Nähe des Strahlers oder sogar in Kontakt mit der Leuchtrohr­ oberfläche zu bringen. Lokale Schwankungen der Oberflächentemperatur des Infrarot-Strahlers machen sich dann besonders bemerkbar. Für diese Anwendungen ist daher einerseits eine ho­ mogene Temperaturverteilung über die Strahlerlänge erforderlich. Andererseits ist aufgrund der hohen Oberflächentemperatur des Strahlers ein Ankleben des zu bestrahlenden Gutes zu be­ fürchten, insbesondere, wenn es sich dabei um ein thermoplastisches Material handelt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen kurzwelligen Infrarot-Strahler anzuge­ ben, der für Anwendungen besonders geeignet ist, bei denen das zu bestrahlende Gut, insbe­ sondere Kunststoffe, in die unmittelbare Nähe des Strahlers oder in Kontakt mit ihm gebracht wird.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs genannten kurzwelligen Infrarot-Strahler er­ findungsgemäß dadurch gelöst, daß die äußere Mantelfläche des Leuchtrohres mit einer an Kunststoffoberflächen schlecht haftenden Antihaftschicht versehen ist, und daß mittels der Re­ geleinrichtung die elektrische Spannung an der Heizwendel zwischen einem oberen und einem unteren Wert wechselweise einstellbar ist.

Die Antihaftschicht verhindert ein Festkleben von Kunststoffen an dem Leuchtrohr. Das Leuchtrohr kann deshalb in unmittelbaren Kontakt mit dem zu behandelnden Gut, insbesondere von Kunststoffbahnen, -folien oder -schichten, gebracht werden.

Um ein Verbrennen oder eine Zersetzung der Antihaftschicht aufgrund zu hoher Temperaturen des Leuchtrohres zu verhindern, ist die Heizwendel mit der Regeleinrichtung verbunden und mittels dieser die elektrische Spannung an der Heizwendel zwischen einem oberen und einem unteren Wert wechselweise einstellbar. Bei dem unteren Spannungswert, der auch gleich Null sein kann, wird der Strahler abgekühlt oder auf einer niedrigen Temperatur, bei der keine Be­ schädigung der Antihaftschicht zu befürchten ist. Bei dem oberen Spannungswert wird der Strahler auf seine Betriebstemperatur aufgeheizt und bei dieser gehalten.

Als "wechselweise" wird hier eine solche Schaltweise bezeichnet, bei der sowohl zwischen ei­ nem konstanten höheren Spannungswert und einem konstanten niedrigeren Spannungswert gewechselt wird, als auch eine solche, bei der der höhere und der niedrigere Spannungswert variiert werden. Im einfachsten Fall wird der Infrarot-Strahler wechselweise ein- und ausge­ schaltet und wird so intermittierend betrieben. Die Haltezeiten bei niedriger bzw. bei hoher Spannung richten sich nach der jeweiligen Leistung des Infrarot-Strahlers und der Temperatur­ beständigkeit der Antihaftschicht. Wesentlich ist, daß die Oberflächentemperatur des Leuch­ trohres mittels der Regeleinrichtung so einstellbar ist, daß sie auch bei längerem Betrieb des Strahlers unterhalb der Zersetzungstemperatur der Antihaftschicht bleibt. Die hierfür günstigen Strahler-Leistungen und Haltezeiten lassen sich für konkrete Anwendungen anhand weniger Versuch leicht ermitteln.

Als vorteilhaft hat sich eine Antihaftschicht erwiesen, die aus einem organischem Polymer be­ steht. Eine solche Antihaftschicht läßt sich auf das Leuchtrohr leicht aufbringen. Besonders ein­ fach gestaltet sich das Aufbringen bei Verwendung eines Schrumpfschlauches, der aus dem Material der Antihaftschicht besteht.

Als geeignet hat sich eine Antihaftschicht erwiesen, die aus Polytetrafluorethylen (PTFE) be­ steht. PTFE zeichnet sich durch relativ hohe Temperaturbeständigkeit bis zu etwa 260°C sowie eine hohe chemische Resistenz aus.

Besonders bewährt hat sich eine Antihaftschicht mit einer Dicke im Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise von 0,3 bis 0,4 mm.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers ist das Leuchtrohr als Kapillarrohr mit einem Innendurchmesser von maximal 3 mm und mit einer Wandstärke von mindestens 2 mm ausgebildet. Ein derartiges Kapillarrohr zeichnet sich durch hohe mechanische Stabilität aus. Es ist daher für Anwendungen, bei denen auf das Leuchtrohr eine mechanische Kraft einwirkt besonders gut geeignet. Dies ist beispielsweise bei solchen Anwendungen der Fall, bei denen das Leuchtrohr in direkten Kontakt mit dem zu behandelnden Gut, zum Beispiel einer Folienbahn, gebracht wird. Zudem hat das kapillarförmige Leuchtrohr einen relativ kleinen Außendurchmesser, so daß relativ schmale Bereiche mit IR-Strahlung be­ aufschlagt werden können. So sind zum Beispiel bei zu verschweißenden Folienbahnen dünne Schweißnähte herstellbar.

Besonders bewährt hat sich eine Ausführungsform des Infrarot-Strahlers, bei der die Heizwendel einen Außendurchmesser umschreibt, der um einen kleinen Spalt kleiner ist als der Innen­ durchmesser des Kapillarrohres. Unter dem Außendurchmesser wird dabei der Durchmesser des Hüllkreises verstanden, den die Wendel um die Längsachse des Leuchtrohres beschreibt. Bei dieser Ausführungsform des Strahlers wird die Heizwendel allein durch das kapillarförmige Leuchtrohr geführt. Stützelemente oder Abstandshalter sind nicht erforderlich. Damit ist eine besonders homogene Temperaturverteilung über die Länge des Leuchtrohres gewährleistet. Diese Ausführungsform des kurzwelligen Infrarot-Strahlers, ist daher insbesondere für die Kon­ takt-Wärmeübertragung geeignet. Sie wird dadurch ermöglicht, daß mittels der Regeleinrich­ tung die Zeitzyklen für den Betrieb bei dem unteren bzw. bei dem oberen Spannungswert so einstellbar sind, daß innerhalb des Leuchtrohres keine Temperaturen erzeugt werden, bei de­ nen die Heizwendel in die Innenwandung des Leuchtrohres einschmelzen würde. Bei einem Leuchtrohr aus Quarzglas wäre das bei Temperaturen um 1700°C zu erwarten.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Infrarot-Strahlers sind die Stirnseiten des Leuchtrohres mittels einer Quetschung verschlossen, durch die die Drähte für den elektrischen Anschluß der Heizwendel hindurchgeführt sind, wobei die Quetschung mit einem nach außen offenen, mit einer Dichtmasse gefülltem Hohlraum ausgebildet ist. Diese Ausführungsform des Infrarot-Strahlers, bei der auf die üblichen Molybdänfolien in den Quetschungen verzichtet wird, ist besonders einfach und daher preisgünstiger herstellbar. Die die Dichtigkeit des kurzwelli­ gendes Infrarot-Strahlers wird durch die Dichtmasse gewährleistet. Als hierfür geeignete Mate­ rialien kommen Kunststoffe in Frage. Die Temperaturbeständigkeit solcher Dichtmassen ist daher nicht sehr hoch. Ihr Einsatz in dem erfindungsgemäßen kurzwelligen Infrarot-Strahler wird durch dessen besondere Betriebsweise erreicht, bei der mittels der Regeleinrichtung die Zeitzyklen für den Betrieb bei dem unteren bzw. bei dem oberen Spannungswert so einstellbar sind, daß innerhalb des Leuchtrohres keine Temperaturen erzeugt werden, bei denen die Dicht­ massen thermisch beschädigt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Patentzeichnung dargestellt und werden nach­ folgend näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen

Fig. 1a einen Infrarot-Strahler mit einer Antihaftschicht in einer Draufsicht

Fig. 1b einen Schnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Strahler entlang der Linie A-B

Fig. 2a einen Infrarot-Strahler mit einem Kapillar-Leuchtrohr und mit einer Antihaftschicht in einer Draufsicht

Fig. 2b einen Schnitt durch den in Fig. 2 dargestellten Strahler entlang der Linie C-D und

Fig. 3a eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers mit einer Antihaftschicht in einer Draufsicht

Fig. 3b einen Schnitt durch den in Fig. 3 dargestellten Strahler entlang der Linie E-F.

Der in Fig. 1a dargestellte kurzwellige Infrarot-Strahler besteht aus einem Leuchtrohr 1 aus Quarzglas, das eine Heizwendel 2a aus Wolfram vakuumdicht umschließt und dessen Mantel­ oberfläche mit einer Schicht 3 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) umhüllt ist.

Die Länge des Leuchtrohres 1 beträgt ca. 50 cm, sein Außendurchmesser ca. 10 mm und sei­ ne Wandstärke etwa 1,5 mm. Die Heizwendel 2a, die einen Außendurchmesser von ca. 1,2 mm aufweist, wird mittels sogenannter Spacer 4 in der Mittelachse des Leuchtrohres 1 geführt. Der Abstand der Spacer 4 zueinander beträgt ca. 20 mm. Die Dicke der PTFE-Schicht 3 beträgt 0,38 mm; sie erstreckt sich über eine Länge von ca. 45 cm über das Leuchtrohr 1. Sie wurde durch Aufschrumpfen eines PTFE-Schlauches auf das Leuchtrohr 1 erzeugt.

Die Enden des Leuchtrohres 1 sind jeweils mittels einer Quetschung 5 vakuumdicht verschlos­ sen. In die Quetschungen 5 sind dünne Molybdänfolien 6 eingeschmolzen, die den elektrischen Kontakt der Heizwendel 2a mit den elektrischen Anschlüssen 7 gewährleisten. Aus Gründen ei­ ner besseren mechanischen Stabilität sind die seitlichen Ränder der Quetschungen 5 in Form senkrecht von der Flachseite der Quetschung 5 abstehender Stege 8 ausgebildet.

Die elektrischen Anschlüsse 7 sind mit einer 230 Volt-Spannungsquelle (in der Figur nicht dar­ gestellt) verbunden, die ein- und ausschaltbar ist. Hierzu ist eine (in der Figur ebenfalls nicht dargestellte) Regeleinrichtung vorgesehen, mittels der die Einschaltzeiten und die Einschaltzy­ klen so geregelt werden, daß die Oberflächentemperatur des Leuchtrohres 1 nicht über 260°C ansteigt.

Bei den nachfolgend erläuterten Darstellungen der Figuren werden zur Bezeichnung der glei­ chen Bauteile, wie sie anhand Fig. 1a erläutert sind, auch die gleichen Bezugsziffern wie in Fig. 1a verwendet.

Aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 1b ist ersichtlich, daß die Heizwendel 2a mittels der Spacer 4 zentrisch innerhalb des Leuchtrohres 1 geführt wird. Das Leuchtrohr 1 wird radial voll­ ständig von der PTFE-Schicht 3 umhüllt.

Bei dem in Fig. 2a gezeigten kurzwelligen Infrarot-Strahler ist das Leuchtrohr als Kapillarrohr 9 mit einer Länge von 50 cm, einem Außendurchmesser von 7,0 mm, einer Wandstärke von 2,25 mm und einem Innendurchmesser von 2,5 mm ausgebildet. Das Kapillarrohr 9 umschließt eine Heizwendel 2 aus Wolfram, deren Wendel einen Leuchtkreis mit einem Außendurchmes­ ser von 2,3 mm umschreibt. Zwischen der Innenwandung des Kapillarrohres 9 und der Heiz­ wendel 2b verbleibt somit ein Spalt 10 von ca. 0,1 mm. Aus Gründen einer deutlicheren Dar­ stellung ist die Spaltweite in der Figur nicht maßstabsgetreu dargestellt. Aufgrund des nur klei­ nen Spaltes 10 wird eine zentrische Führung der Heizwendel 2b im Kapillarrohr 9 ohne die Ver­ wendung von Stützelementen erreicht. Damit wird eine besonders homogene Temperaturver­ teilung über die Länge des Kapillarrohres 9 gewährleistet.

Die äußere Manteloberfläche des Kapillarrohres 9 ist mit einer 0,38 mm dicken Schicht 3 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) umhüllt. Die PTFE-Schicht 3 wurde durch Aufschrumpfen eines PTFE-Schlauches auf das Kapillarrohr 9 erzeugt.

Hinsichtlich der Quetschungen 5 an den Enden des Kapillarrohres 9, sowie der elektrischen An­ schlüsse 7 wird auf die Erläuterungen anhand Fig. 1a verwiesen, die auch bei der Ausfüh­ rungsform gemäß Fig. 2a zutreffen.

Die (in der Figur nicht dargestellte) Regeleinrichtung ist mit einer Zeitschaltuhr versehen, mittels der die Einschaltzeiten und die Einschaltzyklen so geregelt werden, daß weder die Oberflä­ chentemperatur des Kapillarrohres 9 über 260°C, noch die Temperatur an der Innenwandung des Kapillarrohres 9 so weit ansteigt, daß die Heizwendel 2b in die Wandung einschmilzt. Die Temperatur, ab der ein Festkleben der Heizwendel 2b zu befürchten wäre, liegt bei etwa 1750°C.

Aus der Schnittdarstellung gemäß Fig. 2b ist ersichtlich, daß die Heizwendel 2b ohne Ver­ wendung von Spacern oder Stützringen, sondern aufgrund des kleinen Innendurchmessers des Kapillarrohres 9 zentrisch geführt wird. Aus Gründen einer übersichtlicheren Darstellung ist auch bei Fig. 2b die Breite des Spaltes 10 übertrieben groß dargestellt.

Der in Fig. 3a dargestellte kurzwellige Infrarot-Strahler unterscheidet sich in seinem Aufbau von dem in Fig. 2a gezeigten lediglich durch die Art und Weise des elektrischen Anschlusses. Insoweit wird daher auf die Erläuterungen zu Fig. 2a und Fig. 2b verwiesen.

Die Enden des Kapillarrohres 9 sind auch bei dieser Ausführungsform mit Quetschungen 5 verschlossen. Durch die Quetschungen 5 hindurch erstreckt sich ein Anschlußdraht 11, der ei­ nerseits an der Heizwendel 2b und andererseits an einem (in der Figur nicht dargestellten) Ver­ bindungselement für den elektrischen Anschluß angreift. Um die Vakuumdichtigkeit des Kapil­ larrohres 9 trotz der Durchführung des Anschlußdrahtes 11 zu gewährleisten, ist das nach au­ ßen weisende Ende jeder Quetschung 5 in Form einer nach außen offenen Hülse ausgebildet, die mit einer Dichtmasse 12 gefüllt ist. Mittels der Dichtmasse 12, die aus einem Silikonkau­ tschuk besteht, wird die erforderliche Vakuumdichtigkeit des Kapillarrohres 9 erreicht. Die An­ schlußdrähte 11 werden, wie in der Figur mit gestrichelten Linien angedeutet, durch die Dicht­ masse 12 hindurchgeführt.

Die elektrischen Anschlußdrähte 11 sind mit einer 230 Volt-Spannungsquelle (in der Figur nicht dargestellt) verbunden. Mittels einer (in der Figur ebenfalls nicht dargestellten) Regeleinrichtung wird die Spannungsversorgung des Infrarot-Strahlers ein- und ausgeschaltet. Hierzu ist die Re­ geleinrichtung mit einer Zeitschaltuhr versehen, mittels der die Einschaltzeiten und die Ein­ schaltzyklen so geregelt werden, daß weder die Oberflächentemperatur des Kapillarrohres 9 über 260°C, noch die Temperatur an der Innenwandung des Kapillarrohres 9 so ansteigt daß daran die Heizwendel 2b festklebt, noch die Dichtmasse 12 so hoch erhitzt wird, daß sie ihre Dichtfunktion verliert. Die Dichtmasse 12 ist bis zu einer Temperatur von etwa 200°C bestän­ dig. Alternativ kann als Dichtmasse auch ein handelsüblicher zweikomponentiger Epoxykleber verwendet werden, der bis 300°C beständig ist.

Im Ausführungsbeispiel ist mittels der Regeleinrichtung die Einschaltzeit des Strahlers auf 2 Se­ kunden und die Ausschaltzeit auf 20 Sekunden eingestellt. Die kurze Einschaltzeit genügt, um den kurzwelligen Infrarot-Strahler auf eine Temperatur aufzuheizen, bei der zwei aufeinander­ liegende Kunststoff-Folienbahnen mit einer Dicke von ca. 40 µm über eine Länge von ca. 40 cm miteinander verschweißt werden. Die Antihaftwirkung der PTFE-Schicht erlaubt, daß dabei mindestens die eine der Folienbahnen in unmittelbarem Kontakt mit dem Kapillarrohr 9 kommt. Dabei liegt die andere Folienbahn an einem Widerlager an, so daß mittels des Kapillarrohres 9 auf die Folienbahnen einen Druck ausgeübt werden kann, durch den die Folienbahnen aufein­ andergepreßt werden.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Infrarot-Strahler unterscheiden sich in ihrem Aufbau entlang der Schnittlinien C-D bzw. E-F nicht, so daß die Schnittdarstellung gemäß Fig. 3b der­ jenigen gemäß der Fig. 2b entspricht.

Die erfindungsgemäßen kurzwelligen Infrarot-Strahler, insbesondere die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsformen der Strahler sind für die Kontakt-Wärmeübertragung beson­ ders geeignet. Sie zeichnen sich insbesondere durch schnelle Temperaturwechsel, eine an Kunststoffoberflächen nicht haftende Oberfläche, durch eine schmale Heizzone und eine homo­ gene Temperaturverteilung aus und sie sind relativ preiswert herstellbar. Dies wird ermöglicht durch eine von der Regelvorrichtung vorgegebene Arbeitsweise, beispielsweise im intermittie­ renden Betrieb, bei der die ansonsten bei kurzwelligen Strahlern auftretenden hohen Tempera­ turen vermieden werden.

Claims (8)

1. Kurzwelliger Infrarot-Strahler mit einem Leuchtohr zur Aufnahme einer Heizwendel, die mittels elektrischer Anschlüsse mit einer mittels einer Regeleinrichtung regelbaren Span­ nungsquelle verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Mantelfläche des Leuchtrohres (1; 9) mit einer an Kunststoffoberflächen schlecht haftenden Antihaftschicht (3) versehen ist, und daß mittels der Regeleinrichtung die elektrische Spannung an der Heizwendel (2a; 2b) zwischen einem oberen und einem unteren Wert wechselweise ein­ stellbar ist.

2. Infrarot-Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antihaftschicht (3) aus einem organischen Polymer besteht.

3. Infrarot-Strahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antihaftschicht (3) aus Polytetrafluorethylen besteht.

4. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antihaftschicht (3) eine Dicke im Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise von 0,3 bis 0,4 mm aufweist.

5. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leuchtrohr als Kapillarrohr (9) mit einem Innendurchmesser von maximal 3 mm und mit einer Wandstärke von mindestens 2 mm ausgebildet ist.

6. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizwendel (2b) einen Außendurchmesser umfaßt, der um einen kleinen Spalt (10) kleiner ist als der Innendurchmesser des Kapillarrohres (9).

7. Infrarot-Strahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalt (10) im Be­ reich zwischen 0,1 mm und 0,3 mm liegt.

8. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseiten des Leuchtrohres (1; 9) mittels einer Quetschung (5) verschlossen sind, durch die Drähte (11) für den elektrischen Anschluß der Heizwendel (2) hindurchge­ führt sind, und daß die Quetschung (5) mit einem nach außen offenen, mit einer Dichtma­ sse (12) gefüllten Hohlraum ausgebildet ist.