DE202014004068U1 - High-temperature infrared radiators - Google Patents

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Abstract

Hochtemperatur-Infrarotstrahler flächiger Bauart gemäss 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsfläche (1) fester Bestandteil eines trogartigen keramischen Gehäuses (2) ist, in das der mäanderförmig eingebaute, elektrische Heizleiter (7) aus einem Wolframdraht besteht, der als flachbandartiges Drahtgestrick ausgeführt ist und dem Hochtemperatur-Infrarotstrahler Betriebstemperaturen bis 1.800°C ermöglicht.1, characterized in that the radiation surface (1) is a fixed component of a trough-like ceramic housing (2), in which the meandering electrical heating conductor (7) consists of a tungsten wire, which is designed as a flat ribbon-like wire mesh and the high-temperature infrared heater enables operating temperatures up to 1,800 ° C.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrisch betreibbaren Hochtemperatur-Infrarotstrahler, der über ein flächiges keramisches Gehäuse mit einem einteiligen metallischen Heizleiter verfügt. Der Hochtemperatur-Infrarotstrahler emittiert die in seinem Inneren erzeugte Energie primär an seiner Frontseite, während an der Rückseite die elektrischen Zuleitungen sowie mechanische Befestigungselemente angeordnet sind. Der Hochtemperatur-Infrarotstrahler ist für den betriebsfertigen Einbau in Maschinen und Anlagen ausgelegt, mittels derer Erwärmungsgüter aller Art ohne körperlichen Kontakt erwärmt oder getrocknet werden.The invention relates to an electrically operable high-temperature infrared radiator, which has a flat ceramic housing with a one-piece metallic heating conductor. The high-temperature infrared emitter emits the energy generated in its interior primarily on its front side, while at the rear of the electrical leads and mechanical fasteners are arranged. The high-temperature infrared radiator is designed for ready installation in machines and systems, by means of which warming goods of all kinds are heated or dried without physical contact.

Derartige keramische Infrarotstrahler sind in mehreren Bauformen und Bauarten bekannt. Typische, industrielle Anwendungsgebiete sind: Warmumformung von Kunststofffolien und -platten durch Thermoforming bzw. Vacuumforming, Lack einbrennen, Pulverlack aufschmelzen, Klebstoff aktivieren, Lebensmittel backen oder bräunen, GfK-Teile herstellen, Autoglas biegen, Schweißnähte vorwärmen.Such ceramic infrared radiators are known in several designs and types. Typical industrial fields of application are: Hot forming of plastic films and sheets by thermoforming or vacuum forming, burning in paint, melting powder paint, activating adhesive, bake or brown food, produce GfK parts, bend car glass, preheat weld seams.

Die hier zitierten, weltweit bekannten und millionenfach eingesetzten keramischen Infrarotstrahler verfügen über flächige, zumeist rechteckige Bauformen mit den Abmessungen 60 × 60, 60 × 122, 60 × 245 oder 122 × 122 mm. Die Kontur der Abstrahlfläche kann eben oder gekrümmt sein; die Strahlerrückseite ist zentral mit einem rechteckig abgerundeten, keramischen Sockel zur Aufnahme und Befestigung in Reflektoren oder Trägerblechen ausgestaltet. Der Befestigungssockel dient gleichzeitig als Durchführung der elektrischen Zuleitungen, die in der Regel bis zu 100 mm lang, aus einer temperaturbeständigen Nickel-Litze bestehen und mit keramischen Isolierperlen umhüllt sind. An den Enden sind die elektrischen Zuleitungen mit Aderendhülsen bestückt, die zur Befestigung und Kontaktsicherung, mit Hilfe eines Presswerkzeuges, mit den elektrischen Zuleitungen form- und kraftschlüssig verbunden werden.The cited here, known worldwide and millions of times used ceramic infrared heaters have flat, mostly rectangular designs with the dimensions 60 × 60, 60 × 122, 60 × 245 or 122 × 122 mm. The contour of the radiating surface may be flat or curved; the back of the reflector is designed centrally with a rectangular rounded ceramic base for mounting and fixing in reflectors or support plates. The mounting base also serves as a passage for the electrical leads, which are usually up to 100 mm long, made of a temperature-resistant nickel-strand and are coated with ceramic insulating beads. At the ends of the electrical leads are equipped with ferrules, which are positively and non-positively connected for attachment and contact protection, with the aid of a pressing tool with the electrical leads.

Die Bauart dieser bekannten keramischen Infrarotstrahler, die erstmals vor mehr als 60 Jahren in den Patentschriften DE 828 758 sowie DE 829 479 offenbart worden sind, ist gekennzeichnet durch einen polykristallinen keramischen Körper, der auf Basis mehrteiliger Gipsformen zur keramischen Formgebung, im bekannten Schlickergussverfahren erzeugt wird, bei dem, nach Ausformung und Trocknung, ein plastischer Grünkörper vorliegt, in den zuvor eine metallische, spiralförmige, über die Abstrahlfläche mäanderförmig angeordnete Heizwendel eingelegt wurde, die durch den keramischen Werkstoff allseitig umhüllt ist.The type of these known ceramic infrared radiators, the first time more than 60 years ago in the patents DE 828 758 such as DE 829 479 is characterized by a polycrystalline ceramic body, which is produced on the basis of multi-part plaster molds for ceramic shaping, in the known slip casting method in which, after molding and drying, a plastic green body is present in the previously a metallic, spiral, on the Radiating surface meandering arranged heating coil was inserted, which is enveloped on all sides by the ceramic material.

Der keramische Körper, mit seiner im Inneren ortsfest und spielfrei positionierten Heizwendel, erfährt im nachfolgenden Fertigungsschritt einen Verfestigungsbrand, so dass ein stabiler keramischer Scherben vorliegt. Dieser wird abschließend mit einer flüssigen, keramischen Glasur umhüllt, die sich im anschließenden Glasurbrand als glasartige, nach Bedarf farblich definierbare, dünnwandige und stoffschlüssige Beschichtung der Strahleroberfläche ausbildet.The ceramic body, with its inside fixed and clearance-free positioned heating coil undergoes in the subsequent manufacturing step a solidification firing, so that a stable ceramic shards is present. This is finally wrapped with a liquid, ceramic glaze, which forms in the subsequent glaze firing as glassy, color-definable, as required, thin-walled and cohesive coating of the radiator surface.

Ein weiteres Merkmal dieser bekannten Bauart ist, dass der keramische Körper des Infrarotstrahlers massiv oder innen hohl ausgeführt sein kann. Die neuere bereits bekannte Strahler-Bauart, die einen Hohlraum aufweist, ermöglicht gegenüber einem Strahler in massiver Bauart eine Reduzierung des Wärmeverlustes an der Strahlerrückseite, da das durch den Hohlraum entstehende Luftpolster der rückseitigen, unerwünschten Abstrahlung einen Widerstand entgegensetzt.Another feature of this known type is that the ceramic body of the infrared radiator can be solid or hollow inside. The newer already known radiator design, which has a cavity, allows a solid-type radiator to reduce the heat loss at the radiator rear side, since the air cushion created by the cavity opposes the back, unwanted radiation resistance.

Im Stand der Technik ist dieser Hohlraum, gemäß PS-DE 7206777 , mit einem thermisch isolierenden Werkstoff ausgefüllt, womit eine zusätzliche Reduzierung des rückseitigen Strahlungsverlustes und somit eine Verbesserung der Strahler-Effizienz erreicht wird.In the prior art, this cavity, according to PS-DE 7206777 , filled with a thermally insulating material, whereby an additional reduction of the backside radiation loss and thus an improvement of the radiator efficiency is achieved.

Im Stand der Technik erreichen diese keramischen Infrarotstrahler Flächenleistungen bis zu 76 kW/m2, bzw. sind Flächenbelastungen von ca. 8 Watt/cm2 möglich, bevor die thermische Belastungsgrenze der Strahlerwerkstoffe erreicht wird. Mit Strahlern dieser Leistungsklasse sind Betriebstemperaturen bis 1.100°C möglich.In the prior art, these ceramic infrared radiators reach surface powers of up to 76 kW / m 2 , or surface loads of about 8 watts / cm 2 are possible before the thermal load limit of the radiator materials is reached. With spotlights of this performance class, operating temperatures up to 1,100 ° C are possible.

Der Vorteil dieser Infrarotstrahler ist, dass sie in Abhängigkeit von ihrer elektrischen Auslegung über hohe Flächenleistungen von bis zu 76 kW/m2 verfügen, dabei Betriebstemperaturen von bis zu 1.100°C erreichen sowie ihre maximale Strahlungsleistung im Spektralbereich von 2.000–10.000 nm erbringen. Vorteilhaft ist weiterhin, dass diese Infrarotstrahler wegen ihres bewegungsfrei positionierten Heizleiters nicht nur horizontal, sondern in beliebigen Positionen im Raum betriebsfähig sind. Außerdem lassen sich diese Infrarotstrahler baukastenartig und kostengünstig zu Heizflächen, zu Heizzeilen oder zu frei wählbaren Baugruppen zusammensetzen und sind dabei für zahlreiche Anwendungen betriebssicher einsetzbar.The advantage of these infrared radiators is that, depending on their electrical design, they have high surface powers of up to 76 kW / m 2 , thereby achieving operating temperatures of up to 1,100 ° C. and yielding their maximum radiant power in the spectral range of 2,000-10,000 nm. A further advantage is that these infrared heaters are not only horizontal, but in any position in the room are operational because of their motion-free positioned heating. In addition, these infrared heaters can modular and inexpensive to heating surfaces, to form heating lines or freely selectable modules and are reliable for many applications.

Es gibt jedoch industrielle Anforderungen, die Infrarotstrahler im Stand der Technik nicht oder nicht ausreichend erfüllen können. Eine dieser Anforderungen ist beispielsweise eine Strahlertemperatur größer 1.100°C.However, there are industrial requirements that infrared radiators in the prior art can not or not sufficiently meet. One of these requirements is, for example, a radiator temperature greater than 1100 ° C.

Eine weitere Anforderung, die ein typischer, keramischer Infrarotstrahler im Stand der Technik nicht erfüllen kann, ist die, dass die elektrische Leistung eines einzelnen Strahlers größer als 1.200 Watt bzw. seine Flächenbelastung deutlich größer als 8 W/cm2 sein soll. Diese Anforderung kann gestellt werden, wenn ein flüssiger oder fester Werkstoff seine Soll-Temperatur in kürzerer Zeit, als im Stand der Technik möglich, erreichen soll.Another requirement that a typical ceramic infrared radiator in the prior art can not meet is that the electric Power of a single radiator greater than 1200 watts or its surface load should be significantly greater than 8 W / cm 2 . This requirement can be set if a liquid or solid material is to reach its setpoint temperature in a shorter time than is possible in the prior art.

Auch wenn ein keramischer Strahler im Stand der Technik bestimmungsgemäß, zum Beispiel mit einer Leistung von 1.200 Watt, betrieben wird, werden bei einigen Anwendungen, unter hoher thermischer Belastung, vom Erwärmungsgut chemische Verbindungen, insbesondere Kohlenstoffverbindungen freigesetzt, die eine oxidierende Atmosphäre erzeugen, welche auf den Heizleiter des Infrarotstrahlers negativ einwirken, da der keramische Körper des Strahlers über eine poröse Struktur und die Glasur des Strahlers über eine mikro-rissige Struktur verfügen, die die oxidierende Atmosphäre zur Heizwendel des Strahlers vordringen lassen, diesen schädigen und einen vorzeitigen Ausfall des Infrarotstrahlers herbeiführen. Bedingt durch das Schlickerguss- und Brennverfahren entsteht ein weiterer Nachteil, der darin besteht, dass der gebrannte, keramische Körper, bei seinen äußeren Abmessungen und den Wandstärken, über Maßtoleranzen von bis zu 2% verfügt, wobei nicht selten ein Bauteilverzug hinzukommt. Ebenso gibt es nachteilige Toleranzen, die durch das manuelle Einlegen der Heizwendel in das noch plastische oder viskose keramische Material entstehen. Die Folge davon ist, dass der Abstand zwischen Heizwendel und äußerer Strahlungsfläche nicht exakt reproduzierbar ist. Nachteilig ist außerdem, dass die Heizwendel ein dreidimensionaler Körper ist, der über einen kreisförmigen Querschnitt verfügt, der senkrecht zur Strahlungsfläche steht und über die Länge der Heizwendel, in Relation zur Strahlungsfläche, einen linienförmigen Verlauf ergibt. Alle übrigen Punkte des kreisförmigen Querschnitts befinden sich zunehmend entfernt von der Strahlungsfläche. Das bedeutet, dass die spiralförmige Heizwendel in Richtung Strahlungsfläche, aber auch in alle anderen Richtungen abstrahlt.Even if a ceramic emitter in the prior art is operated as intended, for example, with a power of 1,200 watts, in some applications, under high thermal stress, from the material to be heated releases chemical compounds, in particular carbon compounds, which produce an oxidizing atmosphere the heat conductor of the infrared radiator act negatively because the ceramic body of the radiator on a porous structure and the glaze of the radiator have a micro-cracked structure, which penetrate the oxidizing atmosphere to the heating coil of the radiator, this damage and cause premature failure of the infrared radiator , Due to the Schlickerguss- and combustion process creates a further disadvantage, which consists in the fact that the fired ceramic body, with its outer dimensions and wall thickness, has dimensional tolerances of up to 2%, which is often a component distortion added. Likewise, there are disadvantageous tolerances caused by the manual insertion of the heating coil in the still plastic or viscous ceramic material. The consequence of this is that the distance between heating coil and outer radiation surface is not exactly reproducible. Another disadvantage is that the heating coil is a three-dimensional body having a circular cross-section which is perpendicular to the radiation surface and over the length of the heating coil, in relation to the radiation surface, results in a linear course. All other points of the circular cross-section are increasingly distant from the radiation surface. This means that the helical heating coil radiates in the direction of the radiation surface, but also in all other directions.

Abschließend muss vorgetragen werden, dass die bekannten Infrarotstrahler wahlweise über Thermoelemente zur Temperaturregelung verfügen. Diese werden, ebenso wie die Heizwendeln keramisch eingebettet und eingebrannt, wobei sie zuvor in der Nähe der Heizwendel, im plastischen oder viskosen keramischen Material, manuell positioniert werden. Wegen der zuvor beschriebenen, fertigungsbedingten Toleranzen, sind die mit Thermoelement ausgerüsteten Strahler nicht exakt reproduzierbar. Dies beinhaltet den Nachteil, dass ein neuer Thermoelement-Strahler, der gegen einen defekten ausgetauscht werden muss, Messwerte liefert, die bis zu 20% von denen des Vorgängers abweichen.Finally, it must be stated that the known infrared radiators optionally have thermocouples for temperature control. These are ceramic embedded and burned, as well as the heating coils, whereby they are previously positioned manually in the vicinity of the heating coil, in the plastic or viscous ceramic material. Because of the manufacturing tolerances described above, the radiator equipped with emitters are not exactly reproducible. This has the disadvantage that a new thermocouple emitter, which must be replaced by a defective, provides readings that deviate up to 20% from those of the predecessor.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen keramischen, flächigen, elektrisch betriebenen Infrarotstrahler vorzustellen, der auf Basis seiner Bauart und auf Basis der eingesetzten Werkstoffe die Nachteile im Stand der Technik durch konstruktive Verbesserungen überwindet.The object of the invention is to present a ceramic, planar, electrically operated infrared radiator, which overcomes the disadvantages of the prior art by design improvements based on its design and on the basis of the materials used.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein keramischer Hochtemperatur-Infrarotstrahler erzeugt wird, dessen Strahlungsfläche (1) als einstöckiger, flächiger keramischer Körper ausgebildet ist, bei dem die Kanten umlaufend nach oben abgewinkelt sind, so dass ein trogartiges Gehäuse (2), bestehend aus einem Boden (3) mit umlaufender Wandung (4) vorliegt. Der Werkstoff dieses trogartigen Gehäuses (2) ist, für Infrarotstrahler mit Betriebstemperaturen über 1.000°C, Aluminiumnitrid. Unter Verzicht auf die Herstellung im Schlickerguss-Brennverfahren, wird das trogartige Gehäuse (2), ebenso wie die übrigen Komponenten des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers, als vorgefertigtes Zulieferteil mit geringen Toleranzen, bereitgestellt. Die innere Bodenfläche (5) des trogartigen Gehäuses (2) verfügt über Vertiefungsfugen (6), die mäanderförmig über die Fläche verteilt und zur Aufnahme eines Heizleiters (7) bestimmt sind. Die Tiefe der Fugen (6) ist derartig geprägt, dass auf der gegenüberliegenden Seite, der Strahlungsfläche (1), der mäanderförmige Verlauf der innen liegenden Fugen (6), konvex, als keramischer, geschlossener Strang (8) erscheint.The object is achieved in that a ceramic high-temperature infrared radiator is generated whose radiation surface ( 1 ) is formed as a one-storey, planar ceramic body, in which the edges are circumferentially angled upward, so that a trough-like housing ( 2 ), consisting of a floor ( 3 ) with circumferential wall ( 4 ) is present. The material of this trough-like housing ( 2 ) is, for infrared radiators with operating temperatures above 1000 ° C, aluminum nitride. Waiving the production in Schlickerguss combustion process, the trough-like housing ( 2 ), as well as the other components of the infrared radiator according to the invention, as a prefabricated supplier part with small tolerances provided. The inner bottom surface ( 5 ) of the trough-like housing ( 2 ) has recessed joints ( 6 ), which meander across the surface and for receiving a heat conductor ( 7 ) are determined. The depth of the joints ( 6 ) is shaped such that on the opposite side, the radiation surface ( 1 ), the meandering course of the internal joints ( 6 ), convex, as a ceramic, closed strand ( 8th ) appears.

Der Heizleiter (7), der in die Fugen (6) des trogartigen Gehäuses (2) unterbrechungsfrei eingelegt wird, besteht aus Wolfram, wenn der Infrarotstrahler Betriebstemperaturen größer als 1.000°C erreichen soll. Der Heizleiter (7) ist ein flaches, ca. 5 mm breites Drahtgestrick., das als Endlosband auf einer Vorratsrolle bereit gestellt und den Fugen (6) zugeführt, in diese eingelegt, auf Länge geschnitten und mit den elektrischen Zuleitungen(13) verbunden wird. Das flache und flexible Heizleiterband (7) kann insbesondere an den Wendepunkten der mäanderförmigen Fugen (6), flach bleibend, über die Längsseiten gebogen werden.The heating conductor ( 7 ) in the joints ( 6 ) of the trough-like housing ( 2 ) is inserted without interruption, consists of tungsten, if the infrared heater is to reach operating temperatures greater than 1000 ° C. The heating conductor ( 7 ) is a flat, about 5 mm wide wire mesh., Which provided as an endless belt on a supply roll and the joints ( 6 ), inserted into this, cut to length and connected to the electrical leads ( 13 ) is connected. The flat and flexible conductor strip ( 7 ) can in particular at the turning points of the meandering joints ( 6 ), remain flat, are bent over the long sides.

Zur Übertragung der vom Heizleiter (7) erzeugten Energie auf die keramische Strahlungsfläche (1) ist es vorteilhaft, wenn der Heizleiter (7) nicht linienartig wie bei einer Spirale, sondern flächig auf der Strahlungsfläche (1) steht. Ein Heizleiter (7) mit flachem Querschnitt ist im Vergleich zu Heizwendeln im Kreis-Querschnitt weiterhin vorteilhaft, da dieser nicht über einen geometrisch bedingten Hohlraum verfügt, wie er bei spiralförmigen Heizwendeln typisch ist und keramisch verfüllt werden muss.For transmission of the heating conductor ( 7 ) generated energy on the ceramic radiation surface ( 1 ), it is advantageous if the heating conductor ( 7 ) not linear like a spiral, but flat on the radiation surface ( 1 ) stands. A heating conductor ( 7 ) with a flat cross-section is compared to heating coils in the circular cross-section also advantageous because it does not have a geometrically induced cavity, as is typical in spiral heating coils and ceramic must be filled.

Wird dieser Hohlraum nicht verfüllt und gegebenenfalls auch nicht zusätzlich gesintert, kommt es unter hohen Temperaturen erfahrungsgemäß zu einer undefinierten „Wanderung” bzw. „Nestbildung” der Windungen entlang der Heizwendel. Daher kann ein Infrarotstrahler ohne keramische Einbettung oder ohne sonstige Befestigung der Heizwendel nur horizontal betrieben werden, wenn inhomogene Temperaturen an der Abstrahlfläche oder lokale Überhitzungen sowie kurze Standzeiten vermieden werden sollen.If this cavity is not filled and, if appropriate, not additionally sintered, experience shows that under high temperatures an undefined "migration" or "nest formation" occurs. the turns along the heating coil. Therefore, an infrared radiator without ceramic embedding or other attachment of the heating coil can only be operated horizontally, if inhomogeneous temperatures on the radiating surface or local overheating and short life should be avoided.

Der erfindungsgemäße Heizleiter (7) im Flach-Querschnitt wird in den mäanderförmig verlaufenden Fugen (6) des trogartigen, keramischen Gehäuses (2) durch eine einteilige, keramische Abdeckplatte (10) befestigt. Die Abdeckplatte (10) auf der dem Heizleiter (7) zugewandten Seite verfügt über Profilstege(11), welche der Geometrie der mäanderförmigen Fugen (6) entsprechen und somit einen formschlüssigen Schiebesitz ergeben. Durch das formschlüssige Eingreifen der Stege (11) in die Fugen (6) werden die Fugen (6) seitlich und nach oben geschlossen, wobei die Ober- und Unterseite des flachen Wolfram-Heizleiters (7) Kontakt zum keramischen Material haben, eben geführt werden, sich bei hohen Temperaturen in der Ebene dennoch ausdehnen und die erzeugte Energie durch Wärmeleitung auf das keramische Material übertragen können.The heating conductor according to the invention ( 7 ) in the flat cross-section is in the meandering joints ( 6 ) of the trough-like, ceramic housing ( 2 ) by a one-piece, ceramic cover plate ( 10 ) attached. The cover plate ( 10 ) on the heating conductor ( 7 ) facing side has profiled webs ( 11 ), which shows the geometry of the meandering joints ( 6 ) and thus give a positive sliding seat. Due to the positive engagement of the webs ( 11 ) in the joints ( 6 ), the joints ( 6 ) are closed laterally and upwardly, with the top and bottom of the flat tungsten ( 7 ) Have contact with the ceramic material, just run, still expand at high temperatures in the plane and can transfer the energy generated by heat conduction to the ceramic material.

Der Werkstoff, der mit den Profilstegen (11) versehenen Abdeckplatte (10), besteht ebenso wie das trogartige Gehäuse (2), aus monokristallinem Aluminiumnitrid.The material used with the profile webs ( 11 ) provided cover plate ( 10 ), as well as the trough-like housing ( 2 ), made of monocrystalline aluminum nitride.

Die Abdeckplatte (10) verfügt über zwei in etwa mittig angeordnete Bohrungen zur Durchführung der aus Wolfram bestehenden, elektrischen Zuleitungen (13), die vorzugsweise als Litze definiert sind. Die elektrischen Zuleitungen (13) werden unterhalb der Abdeckplatte (10) mit Hilfe von aus Wolfram bestehenden Verbindungselementen form- und kraftschlüssig mit den beiden Enden des Heizleiters (7) verbunden. Dabei ist die Dimension der Verbindungselemente so zu bestimmen, dass sie größer als die Durchführungsbohrungen in der Abdeckplatte (10) sind und dadurch als Zugentlastung wirken.The cover plate ( 10 ) has two approximately centrally arranged bores for the passage of the existing tungsten electrical supply lines ( 13 ), which are preferably defined as a strand. The electrical leads ( 13 ) are placed below the cover plate ( 10 ) by means of tungsten connecting elements positive and non-positive with the two ends of the heating conductor ( 7 ) connected. The dimension of the connecting elements is to be determined so that they are larger than the feedthrough holes in the cover plate ( 10 ) and thereby act as strain relief.

Die innerhalb des trogartigen Gehäuses (2) aufliegende Abdeckplatte (10), wird mittels keramischer Stifte oder keramischer Rohre, die an mehreren Positionen die umlaufende Wandung (4) des trogartigen Gehäuses (2) durchdringen, verschiebungssicher fixiert. Die Länge der Stifte bzw. der Rohre ist so zu bestimmen, dass sie über die Kanten der Abdeckplatte (10) ausreichend hinausragen. Die an der Stoßkante zwischen Wandung (4) und Abdeckplatte (10) umlaufende Winkelfuge, wird ebenso wie die Durchführungsbohrungen, mit einem thermisch beständigen, keramischen Kleber abgedichtet.The inside of the trough-like housing ( 2 ) lying cover plate ( 10 ), by means of ceramic pins or ceramic tubes, which at several positions the circumferential wall ( 4 ) of the trough-like housing ( 2 ), fixed in a secure manner. The length of the pins or tubes should be determined to fit over the edges of the cover plate ( 10 ) protrude sufficiently. The at the abutting edge between wall ( 4 ) and cover plate ( 10 ) circumferential angular joint, as well as the bushing holes, sealed with a thermally stable, ceramic adhesive.

Im nachfolgenden Schritt wird auf die Rückseite der Abdeckplatte (10), innerhalb des trogartigen Gehäuses (2), eine aus keramischem Fasermaterial bestehende, thermisch belastbare Isolierschicht (12) aufgelegt, die den verbleibenden Innenraum nahezu vollständig ausfüllt und durch die die elektrischen Anschlusslitzen (13) durchgeführt werden.In the following step, the back of the cover plate ( 10 ), within the trough-like housing ( 2 ), consisting of ceramic fiber material, thermally stable insulating layer ( 12 ), which almost completely fills the remaining interior and through which the electrical connection leads ( 13 ) be performed.

Oberhalb der Isolierschicht (12) wird der gesamte, trogartige Bauraum mit einer keramischen, polykristallinen Trägerplatte (14) abgeschlossen, die über eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit verfügt. Die Trägerplatte (14) ist mit zwei nahezu mittig angeordneten Bohrungen versehen, die der Durchführung der elektrischen Anschlusslitzen (13) dienen. Die Trägerplatte (14) wird ebenso wie die Abdeckplatte (10) mit keramischen Stiften oder keramischen Rohren an der umlaufenden Wandung (4) fixiert, die am oberen Ende über eine ebenfalls umlaufende Aussparung zur ebenen Auflage der Trägerplatte (14) verfügt.Above the insulating layer ( 12 ), the entire, trough-like space with a ceramic polycrystalline support plate ( 14 ), which has the lowest possible thermal conductivity. The carrier plate ( 14 ) is provided with two holes arranged almost centrally, which are the implementation of the electrical connection wires ( 13 ) serve. The carrier plate ( 14 ) as well as the cover plate ( 10 ) with ceramic pins or ceramic tubes on the peripheral wall ( 4 ), which at the upper end via a likewise circumferential recess for planar support of the support plate ( 14 ).

Wahlweise kann auf der Außenseite der Trägerplatte (14) eine mittig angeordnete flache und ovale Vertiefung (9) eingeprägt werden, in die mittels eines keramischen Klebers ein ovaler, keramischer Befestigungssockel 15) eingesetzt wird, der zur Aufnahme des Infrarotstrahlers in Reflektoren oder sonstigen Trägerblechen dient.Optionally, on the outside of the carrier plate ( 14 ) a centrally located flat and oval depression ( 9 ) are embossed, in the means of a ceramic adhesive an oval, ceramic mounting base 15 ) is used, which serves to receive the infrared radiator in reflectors or other support plates.

Die elektrischen Anschlusslitzen (13) werden wiederum durch den Befestigungssockel (15) hindurchgeführt, außerhalb dessen mit keramischen Isolierperlen bestückt sowie mit Aderendhülsen gesichert, die aus Wolfram bestehen.The electrical connection wires ( 13 ) are in turn by the mounting base ( 15 ), externally equipped with ceramic insulating beads and secured with ferrules, which consist of tungsten.

Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler wird im Vergleich zur PS-DE 7206777 auf Basis vorgefertigter Komponenten im Fügeverfahren hergestellt. Die aus Aluminiumnitrid bestehende, primäre Strahlungsfläche (1), verfügt gegenüber den im Schlickergussverfahren hergestellten keramischen Körpern, über eine deutlich verbesserte Wärmeleitfähigkeit. Sie beträgt 180–220 W/mK. Ebenso wird die thermische Belastbarkeit des Strahlers und damit seine Leistung deutlich, auf 1.800°C, angehoben. Die Belastbarkeit der Strahlungsfläche (1) liegt bei 12 W/cm2, dies ergibt eine Flächenleistung von 115 kW/m2.The infrared radiator according to the invention is compared to PS-DE 7206777 manufactured on the basis of prefabricated components in the joining process. The aluminum nitride primary radiation surface ( 1 ), compared to the ceramic bodies produced by slip casting, has a significantly improved thermal conductivity. It is 180-220 W / mK. Likewise, the thermal load capacity of the radiator and thus its performance is significantly raised to 1,800 ° C. The load capacity of the radiation surface ( 1 ) is 12 W / cm 2 , this gives a surface power of 115 kW / m 2 .

Die Verwendung eines flachen, Wolfram-Heizleiters (7), in Kombination mit dem hoch-wärmeleitfähigen Aluminiumnitrid, verkürzen die Aufheiz- und Abkühlzeiten des Infrarotstrahlers im Vergleich zum Stand der Technik auf Werte unterhalb einer Minute.The use of a flat, tungsten heating conductor ( 7 ), in combination with the highly thermally conductive aluminum nitride, reduce the heating and cooling times of the infrared radiator to values of less than one minute compared to the prior art.

Es ist bekannt, dass Wolfram bei höheren Temperaturen im Kontakt mit Sauerstoff oder Kohlenstoff oxidiert. Um dies zu vermeiden, ist der Heizleiter erfindungsgemäß durch die Fugen (6) und die Stege (11) allseitig von Aluminiumnitrid umgeben, ohne dass eine zusätzliche Isolierschicht gemäß PS-DE 4330953 erforderlich ist. Aluminiumnitrid setzt bei hohen Temperaturen Stickstoff frei, welches den Heizleiter (7) umgibt, ohne dass Kohlenstoff oder Sauerstoff zum Heizleiter (7) vordringen kann.It is known that tungsten oxidizes at higher temperatures in contact with oxygen or carbon. To avoid this, the heating element according to the invention by the joints ( 6 ) and the webs ( 11 ) surrounded on all sides by aluminum nitride, without an additional insulating layer according to PS-DE 4330953 is required. aluminum nitride releases nitrogen at high temperatures, which releases the heat conductor ( 7 ) without carbon or oxygen to the heating conductor ( 7 ) can penetrate.

Im Vergleich zu PS-DE 4330953 ist der erfindungsgemäße Infrarotstrahler flächig ausgebildet. Dies ist gegenüber stabförmigen Strahlern vorteilhaft, da diese zur Erzeugung einer Heizfläche aus mehreren Stäben zusammengesetzt und entsprechend aufwändig verschaltet werden müssen. Darüber hinaus offenbart die PS-DE 4330953 keine integrierte Isolierschicht und ebenso keine Befestigungsmöglichkeit zum Betrieb des Heizelementes außerhalb eines Ofens. Außerdem wird offenbart, dass als Heizleiter eine Heizwendel vorgesehen ist. Darunter ist im Stand der Technik ein spiralförmig gewickelter Heizdraht zu verstehen.Compared to PS-DE 4330953 the infrared radiator according to the invention is formed flat. This is advantageous over rod-shaped radiators, since these must be composed of several rods to produce a heating surface and connected in a correspondingly complex manner. In addition, PS-DE 4330953 discloses no integrated insulating layer and also no mounting option for operating the heating element outside of a furnace. It is also disclosed that a heating coil is provided as heating conductor. This is to be understood in the prior art, a spirally wound heating wire.

Die in der PS-DE 4330953 angegebene Möglichkeit der Ausgestaltung als Platten oder Quader, enthält ebenso den Hinweis darauf, dass diese Heizelemente nur für den Ofenbetrieb vorgesehen sind.The in the PS-DE 4330953 specified possibility of embodiment as plates or cuboid, also contains the indication that these heating elements are intended only for the oven operation.

Schließlich sind auch andere Heizelemente bekannt, die aus Platten verklebt, aus Aluminiumnitrid oder anderen Hoch leistungskeramiken bestehen und Heizleiter enthalten, die zum Beispiel aus Wolfram oder Molybdän gefertigt sind. Es wird dabei jedoch nicht offenbart, dass diese Heizelemente bezüglich ihrer Ausgestaltung und Anwendbarkeit dem Stand der PS-DE 7206777 entsprechen oder dass deren Heizleiter-Einbettungssystem, so wie es erfindungsgemäß angegeben, aus einer Profil-Fuge (6) besteht, in die ein flacher, aus einem Drahtgestrick bestehender Heizleiter (7) eingelegt und von einem Profil-Steg (11) formschlüssig eingeschlossen ist, ohne dass eine zusätzliche Verfüllung des Heizleiters (7) sowie zusätzliche Brenn- und Pressvorgänge erforderlich sind. Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler kann dennoch in jeder Position im Raum betrieben werden, wobei sich der Heizleiter (7) unter hoher Temperatur, ohne Veränderung seiner Geometrie ausdehnen kann. Da keramische und metallische Werkstoffe immer über unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügen und sich diese mit zunehmender Temperatur verändern, ermöglicht es das erfindungsgemäße Heizleiter-Einbettungssystem, dass bei hoher Temperatur keine Spannungsrisse im keramischen Material auftreten, die häufig durch unterschiedliche Materialausdehnungen bei Verbundwerkstoffen hervorgerufen werden.Finally, other heating elements are known which are glued from plates, made of aluminum nitride or other high performance ceramics and contain heating conductors, which are made for example of tungsten or molybdenum. However, it is not disclosed that these heating elements in terms of their design and applicability to the state of PS-DE 7206777 or that their heating conductor embedding system, as indicated according to the invention, consists of a profile joint ( 6 ), in which a flat, consisting of a knitted wire heating conductor ( 7 ) and from a profile web ( 11 ) is positively enclosed, without an additional backfilling of the heating conductor ( 7 ) and additional firing and pressing operations are required. The infrared radiator according to the invention can nevertheless be operated in any position in the room, with the heating conductor ( 7 ) can expand under high temperature without changing its geometry. Since ceramic and metallic materials always have different coefficients of thermal expansion and these change with increasing temperature, the heating conductor embedding system according to the invention makes it possible that no stress cracks in the ceramic material occur at high temperature, which are frequently caused by different material expansions in composite materials.

Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler kann auf Grund seiner Bauform, seiner Bauart sowie dank seiner Leistungsfähigkeit sowohl innerhalb als auch außerhalb eines Ofens eingesetzt werden. Ein Beispiel für den Ofenbetrieb sei ein Glasbiege-Durchlaufofen, in dem Glasscheiben für Kraftfahrzeuge unter Einsatz von Wärmestrahlung nach dem Gravitationsprinzip gebogen werden. Durch die hohe Strahlungsleistung des erfindungsgemäßen Strahlers kann die Durchlaufzeit des Glases im Ofen verkürzt werden.The infrared radiator according to the invention can be used both inside and outside of a furnace due to its design, its design and thanks to its performance. An example of the furnace operation is a glass bending continuous furnace in which glass panes for motor vehicles are bent using heat radiation according to the gravitational principle. Due to the high radiant power of the radiator according to the invention, the passage time of the glass in the oven can be shortened.

Außerhalb des Ofenbetriebes kann der neue Infrarotstrahler zum Beispiel in Thermoformmaschinen oder in Vakuumformmaschinen zur Umformung von Metallblechen eingesetzt werden; bisher wird mit derartigen Maschinen nur Kunststoff oder Glas umgeformt. Denkbar sind auch Prägearbeiten auf der Oberfläche von Metallen oder Natursteinplatten. Darüber hinaus gibt es Anwendungen, bei denen der Infrarotstrahler in größerem Abstand vom Erwärmungsgut installiert werden muss, aber am Erwärmungsgut immer noch eine Temperatur von zum Beispiel 1.000°C benötigt wird.Outside the furnace operation, the new infrared radiator can be used for example in thermoforming machines or in vacuum forming machines for forming metal sheets; So far, only plastic or glass is formed with such machines. Also conceivable are embossing work on the surface of metals or natural stone slabs. In addition, there are applications in which the infrared radiator must be installed at a greater distance from the material to be heated, but the material to be heated still requires a temperature of, for example, 1,000 ° C.

Generell kann der neue Infrarotstrahler jedoch überall dort eingesetzt, wo die Aufheizzeit flüssiger oder fester Werkstoffe unter Einsatz von Infrarotstrahlung deutlich verkürzt werden muss. Ein Beispiel dafür sei der Schiffbau, bei dem Stahlplatten vor dem Schweißen vorgewärmt werden oder auch Metalle, die bis zum Schmelzpunkt erwärmt werden müssen, was zum Beispiel bei Laboranwendungen häufig gefordert ist.In general, however, the new infrared radiator can be used wherever the heating time of liquid or solid materials using infrared radiation has to be significantly reduced. An example of this is shipbuilding, in which steel plates are preheated before welding, or metals which have to be heated to their melting point, which is frequently required, for example, in laboratory applications.

Die Verwendung des erfindungsgemäßen Heizleiter-Einbettungssystems kann auch dazu genutzt werden, um flächige, keramische Infrarotstrahler, wie sie in der PS-DE 7206777 angegeben und heute weltweit verbreitet sind, nicht mehr im Schlickerguss-Brennverfahren, sondern auf Basis vorgefertigter Bauteile, im Montageverfahren herzustellen.The use of the heating conductor embedding system according to the invention can also be used to flat, ceramic infrared radiators, as shown in the PS-DE 7206777 specified and today are used worldwide, no longer in the slip casting combustion process, but on the basis of prefabricated components to produce in the assembly process.

Das keramische Eingießen von spiralförmigen Heizdrähten ist seit mehr als 60 Jahren bekannt und wird in den PS-DE 828758 sowie DE 829479 offenbart. In der Zwischenzeit, bis heute, haben sich die keramischen Werkstoffe und auch die Heizleiterwerkstoffe weiterentwickelt. Unabhängig davon, ist jedoch die spiralartige Bauform des Heizleiters und auch die damit verbundene Art des keramischen Eingießens des Heizleiters, gleich geblieben. In Folge dessen ist im Stand der Technik, bei der Herstellung keramischer Infrarotstrahler der hier angesprochenen Bauart, immer ein aufwändiger keramischer Herstellungsbetrieb anzutreffen.The ceramic pouring of spiral heating wires has been known for more than 60 years and is incorporated in the PS-DE 828758 such as DE 829479 disclosed. In the meantime, until today, the ceramic materials as well as the heating conductor materials have evolved. Regardless, however, the spiral-like design of the heating element and also the associated type of ceramic pouring of the heating element has remained the same. As a result, in the prior art, in the production of ceramic infrared radiator of the type mentioned here, always a complex ceramic manufacturing company can be found.

Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß dadurch überwunden, dass keramische Infrarotstrahler auf Basis des neuen Heizleiter-Einbettungssystems und damit im Fügeverfahren hergestellt werden.This disadvantage is overcome according to the invention in that ceramic infrared radiators are produced on the basis of the new heating conductor embedding system and thus in the joining process.

Die im Stand der Technik eingesetzten Heizleiter-Werkstoffe, zum Beispiel Kanthal AF sowie die Verwendung polykristalliner, keramischer Werkstoffe zur Erzeugung der bauform-bekannten Infrarotstrahler gemäß PS-DE 7206777 , stehen der Nutzung des erfindungsgemäßen Heizleiter-Einbettungssystems nicht entgegen. Das angegebene Heizleiter-Einbettungssystem umfasst auch den Vorteil der reproduzierbaren Positionierung eines Thermoelementes. Dies wird dadurch ermöglicht, dass wahlweise in der Abdeckplatte (10) oder im trogartigen Gehäuse (2) eine Vertiefung eingeprägt ist, in die das Thermoelement spielfrei eingelegt wird.The heat conductor materials used in the prior art, for example Kanthal AF and the use of polycrystalline, ceramic materials for producing the known design infrared radiators according to PS-DE 7206777 , stand the use the Heizleiter-embedding system according to the invention does not oppose. The specified heat conductor embedding system also has the advantage of reproducible positioning of a thermocouple. This is made possible by the fact that optionally in the cover plate ( 10 ) or in the trough-like housing ( 2 ) is embossed a recess into which the thermocouple is inserted without play.

Bei der Strahlerherstellung im Fügeverfahren, auf Basis vorgefertigter Komponenten, werden die Fertigungstiefe, die Taktzeiten und damit die Fertigungskosten deutlich reduziert.When producing spotlights in the joining process on the basis of prefabricated components, the vertical range of manufacture, the cycle times and thus the production costs are significantly reduced.

Die Kostenreduzierung entsteht in der Hauptsache durch den Entfall der keramischen Masseherstellung, den Entfall des Gießprozesses, den Entfall eines Brennprozesses sowie den Entfall der Gipsformen, die bereits nach etwa 100 Abgüssen durch Erosion sowie durch Rückgang ihrer Wasseraufnahmefähigkeit unbrauchbar werden.The cost reduction is mainly due to the omission of the ceramic mass production, the elimination of the casting process, the elimination of a burning process and the elimination of the plaster molds, which are unusable after about 100 casts by erosion and by reducing their water absorbency.

Weiterhin kann beim erfindungsgemäßen Infrarotstrahler auf eine Glasur, wie sie ursprünglich in der PS-DE 829 479 vorgesehen ist, verzichtet werden, da diese das keramische Material der Abstrahlfläche in der Regel nicht abdichtet.Furthermore, in the infrared radiator according to the invention to a glaze, as originally in the PS-DE 829 479 is provided, are omitted, since this does not seal the ceramic material of the radiating surface in the rule.

Durch die Verwendung vorgefertigter, maßgenauer keramischer Bauteile, wird auch die Ausschussquote reduziert, die im Stand der Technik bis zu 2% beträgt und dadurch eine entsprechende Reduzierung der Produktivität verursacht.By using prefabricated, dimensionally accurate ceramic components, the reject rate is reduced, which is up to 2% in the prior art, thereby causing a corresponding reduction in productivity.

Die Bauart des erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Infrarotstrahlers beinhaltet darüber hinaus die Möglichkeit, einzelne Fertigungsschritte zumindest teilweise zu automatisieren, was einer sprunghaften Weiterentwicklung entspricht.The design of the high-temperature infrared radiator according to the invention moreover includes the possibility of at least partially automating individual production steps, which corresponds to a sudden further development.

Darüber hinaus können auch keramische Infrarotstrahler mit größeren Bauformen (Länge und Breite) in Serie hergestellt werden. Dies ist im Stand der Technik problematisch, da die benötigten Gipsformen zu groß und zu schwer werden, die manuell einzulegenden Heizwendeln zu lang werden, die manuelle Entnahme der plastischen Grünlinge aus den Gipsformen nicht schadensfrei möglich ist, der Bauteilverzug im Brennverfahren zu groß wird und auch die Öffnungsweiten der Brenn- und Trockenöfen technische und wirtschaftliche Grenzen setzen.In addition, ceramic infrared radiators with larger designs (length and width) can be produced in series. This is problematic in the prior art, since the required plaster molds are too large and too heavy, the manually inserted heating coils are too long, the manual removal of plastic green compacts from the plaster molds is not harmless possible, the component distortion in the combustion process is too large and also the opening widths of the kilns set technical and economic limits.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Strahlungsflächeradiating surface
22
Trogartiges GehäuseTrough-like housing
33
Bodenground
44
Wandungwall
55
Bodenflächefloor area
66
FugenPut
77
Heizleiterheating conductor
88th
Strangstrand
99
Vertiefungdeepening
1010
Abdeckplattecover
1111
Profil-StegeProfile webs
1212
Isolierschichtinsulating
1313
Zuleitungen (Litzen)Supply lines (strands)
1414
Trägerplattesupport plate
1515
Befestigungssockelmounting base

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (5)

Hochtemperatur-Infrarotstrahler flächiger Bauart gemäss 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsfläche (1) fester Bestandteil eines trogartigen keramischen Gehäuses (2) ist, in das der mäanderförmig eingebaute, elektrische Heizleiter (7) aus einem Wolframdraht besteht, der als flachbandartiges Drahtgestrick ausgeführt ist und dem Hochtemperatur-Infrarotstrahler Betriebstemperaturen bis 1.800°C ermöglicht.High-temperature infrared radiator flat design according to 1 , characterized in that the radiation surface ( 1 ) integral part of a trough-shaped ceramic housing ( 2 ), in which the meandering built-in, electrical heating conductor ( 7 ) consists of a tungsten wire, which is designed as a flat-band-like knitted wire and the high-temperature infrared radiator operating temperatures up to 1,800 ° C allows. Hochtemperatur-Infrarotstrahler nach Anspruch 1, bei dem der Heizleiter (7) in einer vorgeformten Fuge (6) der Strahlungsfläche (1) positioniert und von einer Abdeckplatte (10) überdeckt wird, die über einen angeformten Steg (11) verfügt, welcher formschlüssig in die Fuge (6) eingreift, wodurch der Heizleiter (7) allseitig von einem keramischen Werkstoff umgeben ist.High-temperature infrared radiator according to claim 1, wherein the heating conductor ( 7 ) in a preformed joint ( 6 ) of the radiation surface ( 1 ) and from a cover plate ( 10 ) is covered over a molded web ( 11 ), which positively in the joint ( 6 ), whereby the heating conductor ( 7 ) is surrounded on all sides by a ceramic material. Hochtemperatur-Infrarotstrahler gemäß der Ansprüche 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fuge (6) des trogartigen Gehäuses (2) und auch der Steg (11) der Abdeckplatte (10), über den jeweiligen Flächen mäanderförmig und deckungsgleich angeordnet sind, wobei der Werkstoff des Gehäuses (2) und der der Abdeckplatte (10) Aluminiumnitrid ist.High-temperature infrared radiator according to claims 1-2, characterized in that the joint ( 6 ) of the trough-like housing ( 2 ) and also the footbridge ( 11 ) of the cover plate ( 10 ), over the respective surfaces meandering and congruent are arranged, wherein the material of the housing ( 2 ) and the cover plate ( 10 ) Aluminum nitride is. Hochtemperatur-Infrarotstrahler auf Basis der Ansprüche 1–3, der auf seiner Rückseite, innerhalb des trogartigen Gehäuses (2), über eine thermisch isolierende Schutzschicht (12) verfügt, über der eine keramische Trägerplatte (14) angeordnet ist, die das trogartige Gehäuse (2) abschließt und die Durchführung der elektrischen Zuleitungen (13) sowie die Anordnung geeigneter Befestigungselemente (15) ermöglicht.High-temperature infrared radiator on the basis of claims 1-3, on its rear side, within the trough-like housing ( 2 ), via a thermally insulating protective layer ( 12 ), over which a ceramic carrier plate ( 14 ) is arranged, which the trough-like housing ( 2 ) and carrying out the electrical supply lines ( 13 ) and the arrangement of suitable fasteners ( 15 ). Hochtemperatur-Infrarotstrahler auf Basis der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass eine beliebige Anzahl dieser Infrarotstrahler, mit Hilfe von Metallrahmen und Trägerblechen, zu rechteckigen Strahlungspaneelen oder zu Strahlungsanlagen anderer Geometrie zusammengebaut werden können, bei denen sich die Infrarotstrahler in frei wählbarer Position im Raum befinden.High-temperature infrared radiator on the basis of claims 1-4, characterized in that any number of these infrared radiators, with the help of metal frame and support plates, can be assembled to form rectangular radiation panels or radiation systems of other geometry, in which the infrared radiator in arbitrary position in the Room are located.
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