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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit
mit einem rechtwinkligen Metallgrundgehäuse, das zumindest eine Grundfläche und
vier Seitenflächen
aufweist, einer Isolierschicht, die auf der Innenseite der Grundfläche aufliegt,
mindestens einer elektrischen Heizwendel, einem Isolationskörper, der
die mindestens eine elektrische Heizwendel trägt, und Anschlussleitungen, die
die Heizwendel(n) mit Anschlusselementen verbinden.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Bestrahlungseinheit, die aus mehreren
Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten
aufgebaut ist. Schließlich
betrifft die Erfindung einen Infrarot-Bestrahlungsofen, der eine solche Bestrahlungseinheit
einsetzt. Infrarot-Bestrahlungseinheiten, die zum Teil aus Modulen zusammengesetzt
sind, werden auf unterschiedlichen technischen Gebieten eingesetzt,
in denen die Behandlung von Bauteilen mit Infrarotstrahlung erforderlich
ist. Einsatzbereiche solcher Infrarot-Bestrahlungseinheiten umfassen
beispielsweise das Reflow-Löten,
das Härten
von auf Bauteilen aufgebrachten Beschichtungsmaterialien, das Trocknen von
Lacken auf verschiedenen Grundmaterialien, wie beispielsweise auf
Holz, Metall, Kunststoff, Glas, das Erwärmen von PVC-Fußböden vor
dem Prägen,
das Erwärmen
von Kunststoffplatten vor dem Verformen (Tiefziehen), das Erwärmen von
Materialien vor dem Pulverbeschichten, das Aushärten von Kleber, um einige
zu nennen.
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Je
nach den gestellten Anforderungen, die durch den entsprechenden
Einsatzbereich solcher Bestrahlungseinheiten vorgegeben werden,
müssen solche
Bestrahlungseinheiten unterschiedliche Größen und Formen aufweisen. Aus
diesem Grund werden sehr oft solche Bestrahlungseinheiten für den betreffenden
Einsatzbereich ausgelegt und dimensioniert, was zu kostspieligen
Anlagen führt.
Aber nicht nur die unterschiedlichen Größen der Anlagen, sondern auch
die speziellen Anforderungen, wie beispielsweise Wärmeverteilung,
Zuführen
von Kühlluft, Anordnen
solcher Bestrahlungseinheiten oberhalb und unterhalb und auch seitlich
eines Bauteils, tragen zu den Kosten einer solcher Einheit bei.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit,
eine Bestrahlungseinheit aus mehreren solcher Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten
sowie einen Infrarot-Bestrahlungsofen zu schaffen, die den jeweiligen
Anforderungen in geeigneter Weise angepasst werden können, so
dass diese Einheiten kostengünstig
aufgebaut werden können.
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Die
vorliegenden Aufgaben werden mit einer Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit,
die die eingangs genannten Merkmale aufweist, dadurch gelöst, dass Schlitze
in den Seitenwänden
des Metallgehäuses vorgesehen
sind und dass jeder elektrischen Heizwendel eigene Anschlusselemente
an der Rückseite
der Grundfläche
zugeordnet sind. In Bezug auf eine Bestrahlungseinheit, die aus
mehreren solcher Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten aufgebaut ist, wird
die Aufgabe dadurch gelöst,
dass jeweils jeweilige Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten
mit ihren Seitenwänden
aneinanderliegend zu einer Flächeneinheit
zusammengesetzt sind und die Moduleinheiten an einem Tragesystem
gehalten sind. Auch kann aus solchen Bestrahlungseinheiten ein Infrarot-Bestrahlungsofen
aufgebaut werden, bei dem zumindest eine solche Bestrahlungseinheit
als zumindest eine Heizfläche
vorgesehen ist.
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Wesentlich
für die
Erfindung ist es, dass die Infrarot-Bestrahlungseinheit in den Seitenwänden des
Metallgehäuses
Schlitze aufweist, so dass die Innenräume der jeweiligen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten,
wenn sie zu größeren Einheiten über die Seitenwände miteinander
verbunden sind, in Verbindung stehen, so dass ein Luftaustausch
erfolgen kann. Ein solcher Luftaustausch dient zum einen dazu, eine
gleichmäßige Wärmeverteilung
innerhalb der Gehäuse
und damit auch eine gleichmäßige Grunderwärmung der
Me tallgehäuse
zu gewährleisten,
andererseits dient er auch zur Kühlung
der Gehäuse,
da über
die Schlitze der miteinander verbundenen Metallgehäuse ein
Wärmetransport
zu den Außenseiten
größerer Moduleinheiten
erfolgen kann. Eine weitere wesentliche Maßnahme, um größere Bestrahlungseinheiten,
die aus einzelnen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten
zusammengesetzt sind, aufzubauen, ist diejenige, dass jede elektrische Heizwendel
der einzelnen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten eigene Anschlusselemente
an der Rückseite
der Grundfläche
aufweist. Über
diese jeweiligen Anschlusselemente, insbesondere dann, wenn mehrere
unterschiedliche Heizwendel in einer Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit
vorgesehen sind, können
die Heizwendel zugeschaltet oder abgeschaltet werden, indem die
jeweiligen Heizwendel mit der Stromversorgung verbunden werden.
Auch nachdem größere Bestrahlungseinheiten,
zusammengesetzt aus einzelnen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten,
zusammengestellt sind, können
jeweilige bereits in den Moduleinheiten eingebaute Heizwendel zugeschaltet
oder auch abgetrennt werden.
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Bevorzugt
sollten die Moduleinheiten Abmessungen im Bereich von 300 mm bis
etwa 500 mm mal 100 mm bis etwa 300 mm haben, so dass aus diesen
relativ kleinen Moduleinheiten größere, komplexe Bestrahlungseinheiten
zusammengesetzt werden können,
insbesondere auch im Hinblick darauf, diese Bestrahlungseinheiten
oder Bestrahlungsanlagen den Geometrien der zu bestrahlenden Bauteilen anpassen
zu können.
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Bevorzugt
sind in den Isolationskörpern
Nuten vorgesehen, in die die Heizwendel/Heizwendeln eingelegt wird/werden
und mittels Befestigungselementen gehalten werden. Diese Nuten können in
Isolationskörpern
der Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten in vorgegebenen Mustern
ausgebildet sein, und diese Nuten werden nur an den Stellen mit
Heizwendeln bestückt,
an denen entsprechende Bestrahlungsleistungen erforderlich sind.
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Als
Befestigungselement können
einfache Haltebügel
eingesetzt werden, mit denen die Heizwendel in den Nuten klemmend
gehalten werden.
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Als
Isolationskörper
haben sich Keramikplatten bewährt,
die gut den Anforderungen, die an solche Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten
und den Heizleistungen gestellt werden, gerecht werden.
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Um
die Strahlungsverluste gering zu halten, ist es von Vorteil, die
Nuten des Isolationskörpers
mit einem Reflexionslack zu beschichten.
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Aus
gleichem Grund sollten die erhabenen Zwischenräume zwischen den Nuten mit
Lack beschichtet sein, der eine hohe Reflexionscharakteristik für Infrarotstrahlung
und Wärmestrahlung
besitzt, um die gesamte, von den Heizwendel abgegebene Strahlungsleistung
auf den Bestrahlungsbereich zu richten.
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Um
die einzelnen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten bzw. die darin
angeordneten Heizwendel individuell auf die geforderte Heizleistung
in diesem Bereich einstellen zu können, sollte der/den Heizwendel(n)
mindestens ein Thermoelement zu geordnet sein.
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Vorzugsweise
wird ein solches Thermoelement einer Heizwendel, die in einem mittleren
Bereich des Isolationskörpers
angeordnet ist, zugeordnet.
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Mehrere
Heizwendeln einer einzelnen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit können zu
Gruppen zusammengefasst und/oder einzeln angesteuert werden. Hierzu
werden insbesondere die an der Rückseite
der Grundfläche
des Metallgrundgehäuses
der Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit
vorhandenen Anschlusselemente verwendet.
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Der
Isolationskörper
der Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit kann Mittel aufweise, mit
denen in die Keramikplatte verschiedenartige geformte Heizwendel
eingebaut werden können.
Beispielsweise kann in den Isolationskörper eine entsprechende Nut
eingefräst
werden, die den Verlauf der zu trocknenden oder zu erwärmenden
Zone auf dem eigentlichen Produkt nachbildet. In diese Nut wird
die Heizwendel gelegt, so dass die Erwärmung gezielt erfolgen kann.
Es wird nur die Zone beheizt, die erwärmt oder getrocknet werden
soll. Durch diese Anordnung, die mit Stabstrahlern nur schwierig
realisiert werden kann, kann der erforderliche Energieeinsatz minimiert
und insgesamt Energie gespart werden.
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Um
vielen Anwendungen gerecht zu werden, sollte mindestens eine Heizwendel
um den Randbereich des Isolationskörpers umlaufend ausgebildet werden,
so dass zumindest der Umfangsrand der Moduleinheit solche Heizelemente
aufweist.
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Die
verschiedenen Heizelemente jeder Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit
können
mittels elektrischer Brücken,
die die jeweiligen Anschlusselemente überbrücken bzw. miteinander verbinden,
zusammengefasst werden.
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In
einer solchen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit, wie sie vorstehend
beschrieben ist, können ein
Luftgebläse
sowie ein Luftmesser eingebaut werden, um den Lufttransport zu regulieren
und festzulegen, um zum einen die Bestrahlungsmoduleinheit selbst
zu kühlen,
aber insbesondere auch Luft auf den Arbeitsbereich abzugeben, um
bei Trocknungsprozessen die sich bildende Grenzschicht aufzureißen und
wegzublasen. Dadurch wird der Trocknungseffekt wesentlich verbessert.
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Die
Ansteuerung der einzelnen Heizwendel wird bevorzugt über Impulsweitenmodule
vorgenommen. Mit einem solchen elektronischen Impulsgeber ist eine
stufenlose Leistungsdosierung (von ohmschen Lasten) in Verbindung
mit getakteten Thyristorschaltern bzw. Solid-State-Relais möglich. Die Leistungsdosierung
erfolgt hierbei nach dem Taktprinzip. Ein solcher Impulsgeber wird üblicherweise mit
24 V Gleichstrom und bei einer Leistungsaufnahme von 3 VA betrieben;
die Taktfrequenz liegt bei etwa 23 Hz.
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Über ein
solches Impulsweitenmodul kann jede Heizwendel in ihrer Leistung
vorab auf einen Grundwert eingestellt werden, was insbesondere dahingehend
von Vorteil ist, dass dann jede Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit,
ausgehend von diesem Grundwert, geregelt werden kann oder auch mit
dieser festen Grundeinstellung betrieben wird.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit
ist dem Metallgrundgehäuse
ein Abdeckgehäuse
zugeordnet, das Seitenwände
aufweist. Diese Seitenwände
des Abdeckgehäuses übergreifen
die Seitenwände
des Metallgrundgehäuses
innen oder außen,
und das Abdeckgehäuse
weist eine Abdeckfläche
auf, die als rahmenartige Fläche
mit einer die Heizwendel/Heizwendeln freigebenden Öffnung ausgebildet ist.
Durch ein solches zweiteiliges Gehäuse mit dem Metallgrundgehäuse und
dem Abdeckgehäuse
kann der Innenraum des Gehäuses
variiert werden, indem die sich überdeckenden
Seitenwände
des Metallgrundgehäuses
und des Abdeckgehäuses
gegeneinander so verschoben wird, dass der Abstand (und damit die
Dicke des Gehäuses)
vergrößert oder
verkleinert werden kann. Hierdurch ist es möglich, beispielsweise unterschiedlich
dicke Isolationsplatten in das Gehäuse einzulegen oder auch die
den Isolierkörper zu
variieren, der die Heizwendel aufnimmt. Mit einem solchen Aufbau
des Gehäuses
können
die unterschiedlichen Anforderungen erfüllt werden, ohne dass das Gehäuse in seinem
Grundaufbau geändert werden
muss.
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Wie
bereits vorstehend erwähnt,
können
aus Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten, wie sie vorstehend beschrieben
sind, Bestrahlungseinheiten aufgebaut werden, indem mehrere Bestrahlungsmoduleinheiten über ihre
Seitenwände
miteinander verbunden werden. Solche Bestrahlungseinheiten sind in
ihrer Größe beliebig
erweiterbar, indem weitere Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten angefügt werden. Da
jede Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit Öffnungen bzw. Schlitze in ihren
Seitenwänden
aufweist, sollten, um die Innenräume
der Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten miteinander zu verbinden,
die Öffnungen
benachbarter Moduleinheiten zueinander ausgerichtet werden.
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Mit
solchen Bestrahlungseinheiten, die aus mehreren Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten
zusammengesetzt sind, können
Infrarot-Bestrahlungsöfen
aufgebaut werden, in denen zumindest eine solche Bestrahlungseinheit
als Heizfläche
vorgesehen ist. Es besteht aber auch die Möglichkeit, einen Infrarot-Bestrahlungsofen
aufzubauen, der sowohl an seiner oberen Seite, seiner unteren Seite
als auch an seinen Seitenwände
Bestrahlungseinheiten aufweist, um den Ofeninnenraum zu beheizen.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
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1 eine
Draufsicht auf die untere Seite einer Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit
mit einer Vielzahl parallel zueinander angeordneter Heizwendeln,
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2 einen
Querschnitt durch einen Isolationskörper, wie er in der Bestrahlungsmoduleinheit der 1 eingesetzt
ist, quer zu zwei Heizwendeln,
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3 den
Querschnitt der 2, mit einer zusätzlichen
Abdeckplatte,
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4 eine
Außenansicht
des Metallgehäuses
der Moduleinheit der 1,
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5a und 5b einen
Querschnitt einer Infrarot-Bestrahlungseinheit aus zwei Metallgehäuseteilen,
die in der Darstellung der 5a ineinander geschoben
sind, während
sie in der Darstellung der 5b auf
einen maximalen Abstand zueinander auseinandergezogen sind,
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6 eine
Darstellung, teilweise im Querschnitt, einer Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit
mit zusätzlicher
Luft- oder N2-Zufuhr sowie einem entlang
dieser Bestrahlungsmoduleinheit geführten Bauteils,
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7 eine
schematische Darstellung einer Bestrahlungseinheit, die aus einer
Vielzahl von Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten zusammengesetzt ist,
und
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8 eine
schematische Darstellung eines Infrarot-Bestrahlungsofens, der in
seinem Boden und Deckenbereich aus jeweiligen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten
aufgebaut ist.
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Die
Bestrahlungsmoduleinheit, wie sie insbesondere in den 1, 4, 5 und 6 dargestellt ist,
umfasst ein Metallgrundgehäuse 1 (siehe 4) mit
einer Grundfläche 2 und
vier rechtwinklig zueinander angeordneten und senkrecht zu der Grundfläche 2 verlaufenden
Seitenflächen 3.
In die von den Seitenflächen 3 begrenzte Öffnung ist
ein Isolationskörper 4 (siehe 1)
eingesetzt, der eine Vielzahl von Nuten 5 aufweist, wie
dies in den 2 und 3 zu sehen
ist. In jede dieser Nuten ist eine Heizwendel 6 eingelegt
und mittels geeigneter Klemmelemente, die in den Figuren nicht dargestellt
sind, gehalten.
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Wie
in der 1 zu sehen ist, sind jeweils zwei benachbarte
Heizwendel 6 an ihren einen Enden, mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet,
verbunden, während
die beiden anderen Enden 8 Anschlussenden bilden, die durch
den Isolationskörper 4 geführt sind,
und an der Rückseite
des Gehäuses 1 mit
Anschlussklemmen verbunden sind, wie dies beispielsweise in den 5 und 6 zu sehen
ist.
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Zwischen
dem Isolationskörper 4 und
der Grundfläche 3 des
Metallgrundgehäuses 1 ist
weiterhin eine Isolationsschicht 9 eingefügt, wie
sie beispielsweise. in 5A zu sehen ist. Um die Isolationsschicht 9 den
unterschiedlichen Einsatzbedingungen einer solchen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit,
die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist,
anpassen zu können,
kann das Gehäuse zweiteilig
aufgebaut sein, indem, wie in den 5A und 5B gezeigt
ist, ein Abdeckgehäuse 11 eingesetzt
wird, das Seitenwände 12 aufweist,
die die Seitenwände
(Seitenflächen) 3 des
Metallgrundgehäuses 1 auf
der Außenseite überdecken.
Aufgrund dieser Überdeckung
der Seitenflächen 3 durch
die Seitenwände 12 besteht
die Möglichkeit,
die beiden Gehäuseteile,
d. h. das Grundgehäuse 1 einerseits und
das Abdeckgehäuse 11 andererseits,
zueinander zu verschieben, so dass der jeweilige Innenraum vergrößert wird.
In dem auseinander gezogenen Zustand, wie er in 5B dargestellt
ist, kann eine dickere Isolationsschicht 9 in dem Gehäuse 1/11 untergebracht
werden.
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Auf
der Rückseite
des Metallgrundgehäuses 1,
d. h. auf der Grundfläche 2,
sind Anschlusselemente 13 angebracht, an denen die Anschlussenden 8,
wie sie in 1 gezeigt und vorstehend beschrieben
sind, elektrisch verbunden sind. Obwohl es nicht in den 5A und 5B zu
sehen ist, sind den jeweiligen Heizwendeln 6, die in 1 paarweise
verlaufen, jeweils eigene Anschlusselemente 13 zugeordnet.
Diese Anschlusselemente 13 liegen in den Ansichten der 5A und 5B hintereinander. Durch
diese jeweiligen Anschlusselemente 13 ist es möglich, die
jeweiligen Heizwendel 6 elektrisch anzuschließen, so
dass der Wärmebedarf,
das bedeutet die Wärmemenge
pro Flächeneinheit,
dieses Moduls die jeweiligen Anforderungen angepasst werden kann.
Auch können
jeweilige Anschlusselement 13 über nicht näher dargestellte Brücken elektrisch
miteinander verbunden werden. Die jeweiligen Heizwendel 6 werden über nicht
näher gezeigte
Impulsweitenmodule angesteuert. Ein solches Impulsweitenmodul kann
auf einen Grundwert vorab eingestellt werden, so dass hierdurch
eine zusätzliche
Variabilität
bei der Einstellung der Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit gegeben
ist.
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In 6 ist
in einer schematischen Darstellung die Anwendung einer Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit 10 gezeigt.
Diese Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheit 10 ist unterhalb
eines plattenförmigen Bauteils 14 angeordnet.
Diese Bestrahlungsmoduleinheit 10 kann Teil eines Durchlaufofens
sein, so dass das plattenartige Bauteil 14 in Richtung
des Pfeils 15 transportiert wird. In dem gezeigten Beispiel wird
Infrarotstrahlung von der Heizwendel 6 in Richtung der
Pfeile 16 auf die Unterseite des Bauteils 14 abgegeben.
Zusätzlich
ist in dem Metallgrundgehäuse 1 ein
Luftführungskanal 17,
der die gesamte Grundfläche 2 abdeckt
und sich entlang einer Seitenfläche 3 des
Gehäuses
in Form eines Seitenkanals 18 nach oben erstreckt, ausgebildet.
Am oberen Ende des Seitenkanals 18 befindet sich eine Düsenanordnung 19,
die gegebenenfalls einstellbar ist, über die Luft, die über den
Einlaufstutzen 20 dem Luftführungskanal zugeführt wird,
in Richtung der Strö mungspfeile 21 auf
die Unterseite des Bauteils 14 gerichtet wird. Unterhalb
des Bauteils 14 bildet sich üblicherweise aufgrund der Infrarotstrahlung,
die das Bauteil 14 aufheizt, eine Grenzschicht 22 in
Form von Dampf (z. B. Wasserdampf) aus, der durch den Luftstrom 21 aufgelöst werden
kann. Um den Luftstrom zu optimieren, kann die Düsenanordnung in dem Winkel,
in dem die Luft abgegeben wird, eingestellt werden.
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In 7 ist
schematisch ein Beispiel gezeigt, bei dem eine Bestrahlungseinheit
(23) aus einem Feld mit 4 × 4 einzelnen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten
(10) aufgebaut ist. Diese einzelnen Moduleinheiten können mit
ihren Seitenwänden
aneinander verschraubt werden; zusätzlich kann, falls dies aus
Stabilitätsgründen notwendig
ist, eine nicht näher
gezeigte Trägereinheit
oder Rahmenkonstruktion vorgesehen werden. Wie die 4 zeigt,
sind in den Seitenflächen 3 des
Metallgrundgehäuses 1 Schlitze 24 ausgebildet,
die in einem vorgegebenen Muster angeordnet sind. Diese Schlitze 24 benachbarter
Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten 10 sind
in der Bestrahlungseinheit 23, wie sie in 7 gezeigt
ist, so zueinander ausgerichtet, dass die Innenräume der jeweiligen Moduleinheiten 10 strömungsmäßig miteinander
verbunden sind. An den jeweils außen liegenden Flächen der
Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten 10 können, je
nach Bedarf, diese Schlitze 24 weggelassen oder verschlossen
werden.
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Durch
diese strömungsmäßige Verbindung erfolgt
ein Luftaustausch zwischen den einzelnen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten 10,
so dass optimale Wärmebedingungen
innerhalb der Bestrahlungseinheit 23 geschaffen werden.
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In 8 nun
ist ein Beispiel eines Infrarot-Bestrahlungsofens, allgemein mit
dem Bezugszeichen 25 bezeichnet, dargestellt. Dieser Bestrahlungsofen
ist aus zwei Bestrahlungseinheiten, jeweils mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet,
die wiederum jeweils aus vier einzelnen Infrarot-Bestrahlungsmoduleinheiten 10 zusammengesetzt
sind, aufgebaut. Diese beiden Bestrahlungseinheiten 23 bilden
eine Deckeneinheit und eine Bodeneinheit des Ofens 25. Seitlich
sind Isolationseinheiten 26 vorgesehen, die den Ofenraum
seitlich begrenzen und isolieren. Falls erforderlich, kann der Ofen
auf seiner Rückseite
mit einer Rückwand
abgedeckt und an seiner Vorderseite mit einer Ofentür verschlossen
werden.