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Die
Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler mit einem abgeschlossenen
Hüllrohr,
das eine mit Anschlüssen
für eine
Stromversorgung verbundene Emissionsquelle in Form eines Carbonbandes,
das sich in Richtung der Längsachse
des Hüllrohres
erstreckend eine Bestrahlungslänge
des Infrarotstrahlers bestimmt, umschließt. Weiterhin betrifft die
Erfindung ein Verfahren zur Erwärmung
eines Behandlungsgutes unter Verwendung eines Infrarotstrahlers, der
eine Aufheizgeschwindigkeit von mindestens 250 °C/Sekunde erlaubt.
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Aus
der
GB 2 233 150 A ist
ein Infrarotstrahler bekannt, bei dem die Emissionsquelle in Form
eines länglichen
Carbonbandes ausgebildet ist, das sich von einer Stirnseite zur
gegenüberliegenden
eines beidseitig verschlossenen Quarzglas-Hüllrohres erstreckt. Das Carbonband
besteht aus einer Vielzahl parallel zueinander und in Form eines
Bandes angeordneter Graphitfasern. Für den elektrischen Anschluß ist das
Carbonband beidseitig mit metallischen Endkappen versehen. Üblicherweise
werden die Enden des Carbonbandes in diese Endkappen eingeklemmt.
Die Kappen sind mit einem spiralig gebogenen Metalldraht verbunden,
der wiederum an die durch die verschlossenen Stirnseiten des Hüllrohres
ragende, elektrische Durchführung
angreift. Die Bestrahlungslänge
des Infrarotstrahlers ergibt sich unmittelbar aus der Länge des
Carbonbandes.
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Das
Carbonband erlaubt schnelle Temperaturwechsel von mindestens 250 °C/Sekunde,
so daß die
bekannten Infrarot-Carbonstrahler sich durch hohe Reaktionsschnelligkeit
auszeichnen. Jedoch hängt
gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz
die Strahlungsleistung eines strahlenden Körpers stark von seiner Temperatur
ab; sie geht mit abnehmender Temperatur erheblich zurück. Der
bekannte Carbonstrahler ist zwar bei hohen Temperaturen um 1450
K einsetzbar. In dem Fall ist aber sicherzustellen, daß das Quarzglas-Hüllrohr nicht
mit dem heißen
Carbonband in Kontakt kommt. Wird der Carbonstrahler dagegen bei
Temperaturen, unterhalb der Belastungsgrenze des Quarzglases betrieben
(ca. 1270 K), so vermindert sich die Strahlungsleistung entsprechend
dem Stefan-Boltzmann'schen-Gesetz.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Infrarotstrahler
im Sinne einer höheren
Strahlungsleistung weiterzubilden, und ein Verfahren für den Einsatz
eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers
zur Behandlung von Materialschichten anzugeben, das kurze Behandlungszeiten bei
einem gleichzeitig hohem Energiewirkungsgrad ermöglicht.
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Die
nicht vorveröffentlichte
DE 198 39 457 A1 beschreibt
einen bekannten Infrarotstrahler mit einem in einem Hüllrohr gewendelt
angeordneten Carbonband. Somit weist das Carbonband eine Länge auf,
die größer ist
als die Bestrahlungslänge
des Hüllrohres:
Die größere Oberfläche des
Carbonbandes führt
bei gleicher Strahlerlänge
zu einer Erhöhung der
Strahlungsleistung.
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Hinsichtlich
des Infrarotstrahlers wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs
beschriebenen Strahler erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Carbonband
eine Länge
aufweist, die mindestens um einen Faktor 1,5 größer ist als die Bestrahlungslänge und
seine Leistungsabgabe mindestens 15 Watt pro cm3 des
vom Hüllrohr über die
Bestrahlungslänge
umschlossenen Volumens beträgt.
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Unter
der Bestrahlungslänge
wird der Längenabschnitt
des Infrarotstrahlers verstanden, der zur Beheizung direkt beiträgt. Dieser
Längenabschnitt
erstreckt sich zwischen den nicht beheizten Enden des Hüllrohres.
Während
beim bekannten Infrarotstrahler die Länge des Carbonbandes der Bestrahlungslänge entspricht,
ist die Länge
des Carbonbandes beim erfindungsgemäßen Infrarotstrahler mindestens
1,5 mal so lang. Dadurch wird über
die Bestrahlungslänge
mindestens eine Vergrößerung der
emittierenden Oberfläche
um den Faktor 1,5 erreicht, womit nach dem Boltzmann'schen Gesetz eine
entsprechende Vergrößerung der
Strahlungsleistung bei gleicher Oberflächentemperatur einhergeht.
Somit sind bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahler
auch bei niedrigen Betriebstemperaturen hohe Leistungsdichten erreichbar.
Diese liegen bei mindestens 15 Watt pro cm3 des
vom Hüllrohr über die
Bestrahlungslänge
umschlossenen Volumens. Die höhere
Leistungsdichte wirkt sich in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft aus.
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Der
erfindungsgemäße Infrarotstrahler
erlaubt ein schnelles Aufheizen von mindestens 250 °C/Sekunde
und ein rasches Abkühlen
und verhält sich
somit hinsichtlich seiner Temperaturwechselgeschwindigkeit ähnlich wie
kurzwellige Infrarotstrahler. Deren Emissionsmaximum liegt aber üblicherweise im
Wellenlängenbereich
zwischen 0,9 pm und 1,8 pm, wogegen bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahler
aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen unterhalb von etwa 1220
K, das Maximum der Emission im Wellenlängenbereich von etwa 2,3 pm bis
2,9 pm liegt. Dieser Wellenlängenbereich
stimmt gut mit dem Wellenlängenbereich
von etwa 1,8 pm bis 4 pm überein,
innerhalb dem wasserhaltiges Behandlungsgut Absorptionsmaxima aufweist.
Aufgrund der erhöhten
Strahlungsleistung des neuen Infrarotstrahlers, reicht ein vergleichsweiser
geringer Energieeinsatz zum Betrieb des neuen Infrarotstrahlers
in diesem Wellenlängenbereich
aus. Dies führt auch
zu einer dementsprechend geringen Erwärmung der Strahlerumgebung.
Somit zeigt sich überraschenderweise,
daß beim
neuen Infrarotstrahler der Wirkungsgrad bei der Infrarot-Behandlung
des üblichen
Behandlungsgutes besser, und der Energiebedarf gleichzeitig geringer
sein kann, als bei den bekannten kurzwelligen Infrarotstrahlern.
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Die
Vergrößerung der
Oberfläche
des Carbonbandes im Vergleich zur einfachen, langgestreckten Ausführung wird
durch eine spezielle geometrische Formgebung des Carbonbandes erreicht,
wie durch Falten, Biegen, Stauchen, Rollen, Verdrillen. Wesentlich
ist lediglich, daß die
Länge des
Carbonbandes nach dieser Formgebung maximal 66,67% der Länge des
Carbonbandes in seiner langgestreckten Form entspricht.
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Besonders
bewährt
hat sich ein spiralförmig ausgebildetes
Carbonband. Infolge der Spiralform ist die Oberfläche der
Emissionsquelle deutlich größer als
die Oberfläche
eines zylinderförmigen,
gestreckten Bandes gleicher Länge.
Bei der Spiralform ist für die
Leistungsabgabe im Wesentlichen die nach außen abstrahlende Oberfläche relevant,
die abgesehen vom Spalt zwischen den Windungen annährend die
Form einer Zylindermantelfläche
hat. In diesem Fall ist es im Sinne der Erfindung erforderlich,
daß die nach
außen
abstrahlende Oberfläche
um mindestens einen Faktor 1,5 größer ist als die Bestrahlungslänge. Die
größere Oberfläche wiederum
führt bei
gegebener Oberflächentemperatur
zu einer höheren
Strahlungsleistung.
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In
gleichermaßen
bevorzugten Ausführungsformen
ist das Carbonband ziehharmonikaartig gefaltet oder wellenförmig gebogen.
Wesentlich ist, daß die
genannten speziellen Formgebungen zu einer Länge des Carbonbandes beitragen,
die mindestens um den Faktor 1,5 größer als die Bestrahlungslänge ist.
Die Dicke des Carbonbandes liegt üblicherweise im Bereich zwischen
0,1 mm und 0,5 mm, und seine Breite im Bereich zwischen 2 mm und
25 mm.
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Hinsichtlich
des Verfahrens zur Erwärmung eines
Behandlungsgutes unter Verwendung eines Infrarotstrahlers wird die
oben angegebene Aufgabe dadurch gelöst, daß der erfindungsgemäße Infrarotstrahler
so betrieben wird, daß sein
Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge im Bereich von 1,8 μm bis 2,9 μm liegt und
daß seine
Leistungsabgabe mindestens 15 Watt pro cm3 des
vom Hüllrohr über die
Bestrahlungslänge
umschlossenen Volumens beträgt.
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Die
Erwärmung
des Behandlungsgutes mittels des Infrarotstrahlers kann beispielsweise
zum Trocknen, Härten,
Erweichen oder Verschweißen
erfolgen. Der angegebene Wellenlängenbereich
von 1,8 μm
bis 2,9 μm
geht mit einer Oberflächentemperatur
im Bereich von etwa 1250 K bis etwa 1000 K einher. Aufgrund der
vergleichsweise großen
Oberfläche
der Emissionsquelle sind bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahler auch bei
diesen relativ niedrigen Betriebstemperaturen hohe Leistungsdichten
erreichbar. Erfindungsgemäß wird für die Erwärmung des
Behandlungsgutes eine Leistungsabgabe von mindestens 15 Watt pro
cm3 des vom Hüllrohr über die Bestrahlungslänge umschlossenen
Volumens eingestellt, wobei dieses Leistungsabgabe im Wesentlichen
einen Wellenlängenbereich
von etwa 1,8 μm
bis 4 μm
umfaßt,
innerhalb dem wasserhaltiges Behandlungsgut üblicherweise Absorptionsmaxima
aufweist. Für
den Betrieb des neuen Infrarotstrahlers ist daher nicht nur ein
verhältnismäßig niedriger Energieeinsatz
erforderlich, sondern insbesondere stimmt dieser Wellenlängenbereich
gut mit dem oben genannten anwendungsspezifischen Wellenlängenbereich
von etwa 1,8 μm
bis 4 μm überein.
Dadurch sind die Bestrahlungsdauern für die gewünschte Erwärmung kurz. Bei dieser Betriebsweise
des neuen Infrarotstrahlers ist somit der Wirkungsgrad zur Erwärmung des
Behandlungsgutes besser als bei herkömmlichen kurzwelligen Infrarot-Strahlern.
Insbesondere ist der Energiebedarf für die Erwärmung geringer und die Behandlungsdauer
ist kürzer.
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Besonders
bevorzugt wird eine Verfahrensweise, bei der das Maximum der Emissionswellenlänge bei
2,3 μm bis
2,7 μm liegt.
Bei einer Betriebsweise des neuen Infrarotstrahlers in diesem Wellenlängenbereich
werden ein besonders hoher Energiewirkungsgrad bei gleichzeitig
kurzen Behandlungsdauern erreicht.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen im einzelnen:
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1:
einen erfindungsgemäßen Infrarotstrahler
mit einer Emissionsquelle in Form eines spiralförmigen Carbonbandes in schematischer
Darstellung,
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2:
ein Diagramm mit typischen spektralen Strahlungsverteilungen dreier
Infrarot-Strahler,
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3:
ein ziehharmonikaartig gefaltetes Carbonband in schematischer Darstellung,
und
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4:
ein wellenförmig
geformtes Carbonband in schematischer Darstellung.
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Bei
dem in 1 schematisch dargestellten Infrarotstrahler handelt
es sich um einen mittelwelligen Infrarotstrahler mit einem Emissionsmaximum
im Wellenlängenbereich
von 2,0 bis 2,9 μm.
Innerhalb eines evakuierten Hüllrohres 1 aus
Quarzglas ist ein Heizelement in Form eines spiralförmigen Carbonbandes 2 angeordnet.
Das Hüllrohr 1 weist
einen Innendurchmesser von 16 mm und eine Länge von ca. 110 cm auf. Die
Enden des Hüllrohres 1 sind
durch Quetschungen 4 verschlossen, durch die metallische Anschlußelemente 3 für den elektrischen
Anschluß des
Carbonbandes 2 herausgeführt sind.
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Das
Carbonband 2 hat eine Dicke von 0,15 mm und eine Breite
von 11 mm. Die Enden des Carbonbandes 2 sind den metallischen
Anschlußelementen 3 verbunden.
Die vom Carbonband 2 geformte Wendel umschreibt einen Hüllkreis
mit einem Außendurchmesser
von ca. 15 mm. Der Spalt zwischen den Windungen beträgt etwa
2 mm. Die Wendel erstreckt sich über
die gesamte Bestrahlungslänge "B" des Infrarotstrahlers, die ca. 100
cm beträgt.
Die tatsächliche
Länge des
Carbonbandes 2 in ausgestreckter Form liegt bei etwa 360
cm. Somit wird – im Vergleich
zu einer über
die Bestrahlungslänge "B" gestreckten Ausführungsform des Carbonbandes – beim spiralförmigen Carbonband 2 insgesamt
eine um etwa den Faktor 3,6 größere Oberfläche innerhalb
der Bestrahlungslänge "B" des Hüllrohres 1 bereitgestellt,
wovon die nach außen
abstrahlende Oberfläche
jedoch nur einen Anteil ausmacht, so daß die für die Leistungssteigerung eigentlich
wirksame Oberflächenvergrößerung gegenüber der
langgestreckten Ausführungsform
etwa einen Faktor 2 liegt. Dementsprechend wird eine doppelt so
hohe Strahlungsleistung bereitgestellt, was sich insbesondere bei
niedrigen Temperaturen unterhalb von 1220 K deutlich bemerkbar macht.
Das spiralförmige
Carbonband 2 ist daher besonders geeignet zur Herstellung
eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers.
Der Infrarotstrahler erlaubt schnelle Temperaturwechsel; Aufheizgeschwindigkeiten
von mehr als 250 °C/Sekunde
sind möglich.
Das vom Hüllrohr 1 über die
Bestrahlungslänge
B umschlossene Volumen beträgt bei
dieser Ausführungsform
etwa 200 cm3.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel für eine Betriebsweise
anhand des in 1 dargestellten Infrarotstrahlers
näher beschrieben:
Der
Infrarotstrahler wird zum Erwärmen
eines bandförmigen
Materials in einem Durchlaufofen eingesetzt. Die Haupt-Absorptionsbanden
des zu erwärmenden
bandförmigen
Materials liegen im Bereich zwischen 1,8 μm und 4 μm. Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler
wird so betrieben, daß sein
Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge um etwa 2,4 μm liegt.
Dabei gibt der Infrarotstrahler eine Leistung von etwa 40 Watt pro
cm Strahlerlänge
ab, im Ausführungsbeispiel
also etwa 4000 Watt insgesamt, was etwa 20 W pro cm3 des
vom Hüllrohr 1 über die
Bestrahlungslänge
B umschlossenen Volumens entspricht. Für ein 1 m2 großes Heizfeld
ergibt sich bei Bestückung
mit 20 derartigen Infrarotstrahlern somit eine Flächenleistung
von 80 kW/m2. Der angegebene Emissions-Wellenlängenbereich
von 2,4 μm
entspricht einer Oberflächentemperatur
im Bereich von etwa 1200 K. Aufgrund der vergleichsweise großen Oberfläche des
Carbonbandes 2 sind bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahler
auch bei diesen relativ niedrigen Betriebstemperaturen die genannten hohen
Leistungsdichten von etwa 80 kW/m2 erreichbar.
Aufgrund der hohen Leistungsdichte im Bereich der Haupt-Absorptionsbanden
des zu erwärmenden Materials
sind darüberhinaus
hohe Prozeßgeschwindigkeiten
möglich.
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Bei
dieser Betriebsweise des neuen Infrarotstrahlers ist somit der Wirkungsgrad
zur Erwärmung des
Behandlungsgutes besser als bei kurzwelligen Infrarot-Strahlern.
Insbesondere ist der Energiebedarf für die Erwärmung geringer und die Behandlungsdauer
ist kürzer.
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In
einer weiteren Verfahrensweise wird der erfindungsgemäße Infrarotstrahler
zum Verschweißen
von Kunststoff-Formteilen verwendet. Hierzu wird das Emissionsmaximum
des Carbonstrahlers 2 auf eine Wellenlänge von 2,5 μm eingestellt.
Die Haupt-Absorptionsbanden des zu erwärmenden Kunststoffes liegen
bei 3 bis 4 μm.
Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler
wird so betrieben, daß sein Emissionsmaximum
bei einer Wellenlänge
um etwa 2,9 μm
liegt. Dabei gibt der Infrarotstrahler eine Leistung von etwa 36
Watt pro cm Strahlerlänge
ab, im Ausführungsbeispiel
also etwa 3600 Watt insgesamt, was etwa 18 W pro cm3 des
vom Hüllrohr 1 über die Bestrahlungslänge B umschlossenen
Volumens entspricht. Für
ein 1 m2 großes Heizfeld ergibt sich damit bei
Bestückung
mit 20 derartigen Infrarotstrahlern eine Flächenleistung von 72 kW/m2. Gleichzeitig ist eine hohe Aufheizgeschwindigkeit
von mindestens 250 °C/s
erreichbar. Aufgrund der hohen Leistungsdichte im Bereich der Haupt-Absorptionsbanden
des zu erwärmenden
Kunststoffes sind hohe Prozeßgeschwindigkeiten
möglich.
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Anhand
des in 2 gezeigten Diagramms wird die vorteilhafte Wirkung
des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers
deutlich. Im Diagramm sind spektrale Strahlungsverteilungen eines
typischen kurzwelligen Infrarotstrahlers (Kurve A), eines üblichen
Carbonstrahlers bei einer Betriebstemperatur des Carbonbandes von
1500 K (Kurve B) und eines erfindungsgemäßen Carbonstrahlers mit einem
gewendelten Carbonband, wie er in 1 dargestellt ist,
bei einer Betriebstemperatur von 1200 K (Kurve C) dargestellt. Auf
der y-Achse ist die Intensität
der spektralen Emission gemäß dem Stefan
Boltzmann Gesetz in relativen Einheiten (kW/m2-Normierung) aufgetragen,
und auf der x-Achse der Wellenlängenbereich
von 0 bis 7,5 μm.
Alle diese Infrarot-Strahler zeichnen sich gleichermaßen dadurch
aus, daß sie sich
sehr schnell aufheizen lassen (Die Aufheizgeschwindigkeit beträgt mindestens
250 °C/Sekunde). Die
Flächen
unter den Kurven A, B und C sind jeweils gleich, das heißt, die
emittierte optische Leistung ist bei allen Infrarotstrahlern gleich.
Das Emissionsmaximum der Kurve A liegt bei ca. 1,5 μm, das der
Kurve B bei ca. 2 μm
und das der Kurve C bei etwa 2,5 μm. Entscheidend
sind jedoch die spektralen Anteile in einem anwendungsspezifischen
Wellenlängenbereich, innerhalb
dem wasserhaltiges Behandlungsgut üblicherweise Absorptionsmaxima
aufweist und der zwischen 1,8 μm
und etwa 4 μm
liegt. Besonders relevant ist der Wellenlängenbereich zwischen 2,5 μm und 3,5 μm, der in 2 durch
senkrechte Linien begrenzt ist. In diesem Wellenlängenbereich
unterscheiden sich die Kurven A, B und C. Bei einem üblichen
kurzwelligen Infrarotstrahler gemäß Kurve A ist der entsprechende
spektrale Anteil, der durch die schraffierte Fläche unter der Kurve A gekennzeichnet ist,
am geringsten, wogegen dieser spektrale Anteil beim erfindungsgemäßen Infrarot-Strahler
gemäß Kurve
C trotz gleicher Leistung am größten ist.
Daraus ergeben sich die oben genannten vorteilhaften Wirkungen des
erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers,
insbesondere das große
Energieeinsparpotential.
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Das
in 3 schematisch dargestellte ziehharmonikaartig
gefaltete Carbonband 5 hat eine Dicke von 0,15 mm und eine
Breite von 10 mm. Das Carbonband 5 ist quer zu seiner Längsachse 6 gefaltet.
Im Ausführungsbeispiel
sind vier gleiche Faltungen 7 vorgesehen, wobei jede der
Faltungen 7 eine obere Knickstelle 8 oberhalb
der Längsachse 6 und eine
untere Knickstelle 9 unterhalb der Längsachse 6 umfaßt. Die
Abstand zwischen oberer Knickstelle 8 und unterer Knickstelle 9 beträgt für jede Faltung 7 ca.
11 mm. Das gefaltete Carbonband 5 erstreckt sich über eine
Bestrahlungslänge
von ca. 8 cm. Die tatsächliche
Länge des
Carbonbandes 5 in ausgestreckter Form liegt bei etwa 12,5
cm. Somit wird durch das gefaltete Carbonband 5 – im Vergleich
zu einer längs
der Längsachse 6 gestreckten
Ausführungsform
des Carbonbandes – eine
um etwa den Faktor 1,5 größere Oberfläche innerhalb
der Bestrahlungslänge
bereitgestellt und dementsprechend eine um den gleichen Faktor höhere Strahlungsleistung ermöglicht.
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Das
in 4 schematisch dargestellte wellenförmig geformte
Carbonband 10 hat eine Dicke von 0,15 mm und eine Breite
von 10,5 mm. Das Carbonband 10 ist quer zu seiner Längsachse 11 wellenförmig gebogen.
Im Ausführungsbeispiel
sind 19 gleiche Wellen 12 vorgesehen, wobei jede der Wellen 12 einen
Wellenberg 13 oberhalb der Längsachse 11 und ein
Wellental 14 unterhalb der Längsachse 11 umfaßt. Die
Carbonband-Länge
zwischen Wellenberg 13 und Wellental 14 beträgt jeweils
ca. 33 mm. Das gebogene Carbonband 10 erstreckt sich über eine
Bestrahlungslänge
von ca. 41 cm. Die tatsächliche
Länge des
Carbonbandes 10 in ausgestreckter Form liegt bei etwa 64
cm. Somit ermöglicht
das gewellte Carbonband 10 – im Vergleich zu einer längs der
Längsachse 11 gestreckten
Ausführungsform des
Carbonbandes – eine
um etwa den Faktor 1,5 größere Oberfläche innerhalb
der Bestrahlungslänge und
dementsprechend eine um den gleichen Faktor höhere Strahlungsleistung.