DE2232989A1

DE2232989A1 - Infrarotstrahlungsquelle und verfahren zu deren herstellung

Info

Publication number: DE2232989A1
Application number: DE2232989A
Authority: DE
Inventors: James R Martin
Original assignee: Block Engineering Inc
Current assignee: Block Engineering Inc
Priority date: 1971-07-06
Filing date: 1972-07-05
Publication date: 1973-01-18
Also published as: US3737625A; GB1346745A

Description

19 Blackstone Street

Cambridge, Massachusetts

Infrarot strahlungsquelle und Z^xf ah.ren zu äg^en 5§?^i£ÜHB

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch erregte Infrarotstrahlungsquelle und auf ein Verfahren zur Herstellung dieser Infrarotquelle.

Infrarotstrahlungsquellen, Tor allem solchen für die kürzeren Wellenlängen, kommt eine erhebliche Bedeutung für verschiedene y/i s se η schaftsgebiete zu, in denen man sich ihrer bedient. Pur viele Anwendungszwecke, wie beispielsweise für die Spektroskopie, ist eine Strahlungsquelle mit praktisch konstanter, schwankungsfreier Ausstrahlung erforderlich, die einer steifen Regelung unterliegen kann. Die für diese Zwecke benutzten herkömmlichen Infrarotatrahlungsquellen weisen im allgemeinen einen aus Metall, aus Keramik oder aus einer Kombination solcher Materialien bestehenden hochohmigen elektrischen Leiter auf, der von einem elektrischen Strom durchflossen wird, um so die Strahlungsquelle bis zur Infrarotemission zu erhitzen

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zen. Strahlungsquelle]! mit Drahtwendel zeigen eine gute Emission im lichtnahen Infrarotbereich, doch haftet ihnen der Mangel einer thermischen Instabilität an, was Schwankungen in der Strahlungsintensität nach sich zieht. Strahlungsquellen aus Keramik sind demgegenüber zwar thermisch stabiler, aber ihre Ausstrahlung ist im lichtnahen Infrarotbereich nur relativ schwach.

Die Erfindung hat einerseits zur Aufgabe, eine aus Draht bestehende Infrarotquelle zu schaffen, die sich durch eine starke Emission im lichtnahen Infrarotbereich und durch eine wesentlich, höhere- thermische Stabilität auszeichnet, und anderseits die Schaffung eines einfachen, nicht aufwendigen Verfahrens zur Herstellung einer solchen Strahlungsquelle.

Die Lösung dieser und weiterer Aufgaben wird mit Hilfe eines hochohmigen Drahtes erreicht, der eine Oxidschicht aufweist und auf einen Gewindekern aufgewickelt ist, wobei dieser Kern beim Betrieb der Strahlungsquelle als Wärmeballast wirkt und außerdem im Fertigungsgang als Dorn für die Spulenbildung benutzt werden kann.

Weitere Ziele der Erfindung ergeben sich einesteils von selbst und gehen andernteils aus den nachfolgenden Darlegungen hervor.

Die Erfindung erstreckt sich demgemäß auf die einzelnen Maßnahmen und auf die wechselseitige Zuordnung und Reihenfolge einer oder mehrerer dieser Maßnahmen in bezug auf alle anderen sowie außerdem auf das Erzeugnis mit den Merkmalen, Eigenschaften und wechselseitigen Beziehungen seiner Elemente, die in der nachfolgenden Beschreibung exemplifiziert sind, wie dies in den Ansprüchen abgegrenzt ist·

Dem Verständnis des Erfindungswesentlichen und der Erfindungsziele dient die folgende eingehende Beschreibung anhand der beigegebenen Zeichnungen. Darin zeigern

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Infrarotquelle ι und

Fig. 2 eine Schnittansicht in einem im wesentlichen durch

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die Mitte oder durch die Achse der Strahlungsquelle gelegten Schnitt.

Es sei nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen eine die Erfindung verkörpernde und in erfindungsgemäßer Weise hergestellte Infrarotquelle mit Drahtwendel dargestellt ist. Die Hauptbestandteile dieser Strahlungsquelle sind eine Wendel 12 mit voneinander getrennten Windungen eines relativ hochohmigen Drahts und ein Metallkern 10, auf den der Draht aufgewickelt ist. Der Draht ist oberflächlich oxidiert, so daß eine dielektrische Schicht gebildet ist, die die Spule 12 gegen den Kern 10 isoliert. Als Bestandteil der Strahlungsquelle dient der Kern einem doppelten Zweck, nämlich einerseits zur Halterung des Drahtes, während er anderseits, was nochfwesentlicher ist, als Wärmeballast wirkt, der verhindert, daß Schwankungen in d.ex Temperatur des Drahtes und in der Infrarotabstrahlung der Strahlungsquelle auftreten. Auch im Fertigungsgang kommt dem Kern eine wichtige Funktion zu, da er nämlich als Dorn für den Aufbau der Spule verwendet wird.

Die Spule 12 besteht vorzugsweise aus einem Draht mit kreisförmigen Querschnitt, bei dem es sich um eine. Niekelchromlegierung jener Art handelt, wie man sie üblicherweise für die elektrische Widerstandsheizung benutzt und die also einen hohen elektrischen Widerstand und eine hohe Oxidationsbeständigkeit aufweist. Der Kern 10 kann in ibrm einer üblichen zylindrischen Schraube mit V-förmigen Gewindegangen und mit einem Schlitz oder einer Höhlung 14 zum Drehen dieser Schraube ausgebildet sein. Der Kern 10 besteht vorzugsweise aus einem He tall mit hoher spezifischer Wärme und hoher Korrosionsbeständigkeit, wobei rostfreier (chromlegierter) Stahl für diesen Zweck besonders geeignet ist. Als Beispiel sei erwähnt, daß eine die Erfindung verkörpernde Infrarotquelle durch Aufwickeln von sieben Windungen eines handelsüblichen Mckelchromdrahts auf eine übliche, aus ro stfreiem Stahl bestehende Stiftschraube ITr. 6-32 χ 7 »94 iiim lang, gebildet wurde.

Im Rahmen der zur Herstellung der Strahlungsquelle bevorzugten Verfahrensweise wird der Draht zu einer Spule verformt, indem man die gewünschte Zahl von Windungen auf einen Dorn aufwickelt, zweckdienlich also gleich auf den Kern 10, so daß der Draht in das

Schraubengewinde

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Schraubengewinde eingreift und benachbarte Windungen jeweils voneinander getrennt sind. Der Kern wird dann aus der Spule herausgedreht, worauf, diese in einer oxidierenden Umgebung erhitzt wird, also in einer Atmosphäre mit einem Gehalt eines oxidierenden Gases wie beispielsweise Sauerstoff, um den Draht zu oxidieren und eine sehr dünne, elektrisch isolierende Oxidschicht darauf zu bilden. Eine gleichmäßige Erhitzung wird in einfacher und zweckdienlicher Weise dadurch erreicht, daß man einen elektrischen Strom durch den Draht leitet. Die Schraube wird dann etwas in die Spule eingeführt., beispielsweise über eine Umdrehung, worauf der Draht und die Spule in einer oxidierenden 'Umgebung erhitzt werden. Während dieses zweiten Erhitzungsvorgangs wird die Stiftschraube gedreht, um sie nach und nach in die Spule einzuführen, bis diese mit sämtlichen Windungen auf die Schraube aufgeschraubt ist. Auch der zweite Erhitzungsvorgang erfolgt in der Weise, daß ein Strom durch den Draht geleitet wird, wobei die zu Anfang gebildete Oxidschicht die einleitend erforderliche elektrische Isolierung zwischen der Spule und dem Kern vermittelt.

Bei dem obenstehend herangezogenen Beispiel wurde die Spule zunächst ohne den Kern für die Zeitdauer von zehn Minuten in Luft auf eine Temperatur von 1000°C erhitzt. Die Schraube Nr. 6-32 aus rostfreiem Stahl wurde dann um eine Umdrehung eingeführt, worauf die Spule und die Schraube weitere fünf Minuten auf einer Temperatur von 1000⁰C gehalten wurden. Danach wurde die Schraube gedreht, um sie allmählich ganz in die Spule einzuführen, während die Oxidation bei der gleichen Temperatur fortgeführt wurde. Das Einführen der Schraube erfolgt in einer allmählich fortschreitenden Bewegung, damit sich auf dem Draht zwischen diesem und der'Schraube eine Oxidschicht bilden kann, um eo ein Kurzschließen der Spulenwindungen zu vermeiden und um sicherzustellen, daß der elektrische Widerstand (und die Temperatur) in der Gesamtlänge der Spule im wesentlichen konstant bleibt. Bei dem Eingreifen des mit kreisförmigen Querschnitt ausgebildeten Drahtes in eine V-fÖrmige Rille kommt es entlang zweier Berührungslinien zu einem Kontakt zwischen dem Draht und dem Ballast, was sich in einer entsprechend stärkeren thermischen

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sehen Kopplung auswirkt. Biese liaßnahae ermöglicht auch den Zutritt von Sauerstoff zu allen Teilen der Drahtoberfläche beia gleichseitigen Ablauf des Hontage- und des Oxidationsvorgangs.

Sie Oxidschicht auf der Spule 12 stellt nicht nur eine dielektrische Isolierschicht zwischen dem Draht und de» Kern 10 dar» sondern sie hat darüber hinaus auch die wichtige funktion -eines Wärmeleiters, der eine ausgezeichnete thermische Kopplung zwischen dem Heizdraht-Infrarotstrahler und den durch den Kern gebildeten thermischen Ballast vermittelt, während anderseits die Infrarotabstrahlung hierdurch nicht beeinträchtigt wird. Dank diesem Aufbau und dieser Anordnung können Temperatur Schwankungen verhindert werden, wie sie sonst beispielsweise bei HeiζStromänderungen auftreten würden, und die Infrarotleistung der Strahlungsquelle bleibt somit konstant. Me Erhitzung der Spule ist gleichmäßiger und die Spule ist in ihrer GesamterStreckung gut gehaltert und folglich gegen Beschädigung und Bruch geschützt.

An dem obigen Produkt und der obigen Verfahrensweise können gewisse Abänderungen vorgenommen werden, die in den Bahnen der Erfindung fallen, und Einzelheiten in der vorstehenden Beschreibung oder in den beigegebenen Zeichnungen sind daher nicht in einem die Erfindung einschränkenden Sinn aufzufassen, da sie lediglich der Teranschaulichung dienen sollen.

Patentansprüche

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Claims

- 6 - Patentansprüche

Infrarotstrahlungsquelle, gekennzeichnet durch die Kombination eines als thermischer Ballast geeigneten metallischen Kernteils· (ΙΟ) , eines auf das Kernteil (lO) aufgewickelten und dieses berührenden Metalldrahts (12), wobei dieser Metalldraht (12) eine Vielzahl voneinander getrennter Windungen einbegreift, und einer durch Oxidation der Drahtoberfläche gebildeten dünnen, dielektrischen Schicht auf dem Metalldraht (12) zwischen diesem und des Kernteil (lO).
2. Infrarotstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß'das Kernteil (lO) allgemein zylindrisch ausgebildet ist und d«r Metalldraht (12) in ibrm einer Wendel mit getrennten Windungen auf das Kernteil (lO) aufgewickelt ist.
3· Infrarotstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kernteil (lO) um einen am Umfang mit einer Sohneckenrille ausgebildeten Zylinder handelt und der Metalldraht (12) in diese Schneckenrille eingeführt ist.
4. Infrarotstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kernteil (lO) um einen am Umfang mit einer Schneckenrille mit Y-förmigem Querschnitt ausgebildeten Zylinder handelt und der Metalldraht (12) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und in diese Sohneckenrille eingeführt ist.
5· Infrarotstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kernteil (lO) um eine Legierung mit hoher Korrosionsbeständigkeit und bei dem Metalldraht (12) um eine legierung mit relativ hohem elektrischen Widerstand handelt.
6. Infrarotstrahlungsquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Kernteil (lO) um einen chromlegierten Stahl und bei dem Metalldraht (12) um eine Niekelchromlegierung handelt.
7. Verfahren zur Herstellung einer Infrarotstrahlungsquelle gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch das Aufwickeln eines Drahtes (12) auf einen mit einem Gewinde versehenen Metallkern (10) zur Bildung einer Spule mit einer Vielzahl in.die Gewinderille dee Metallkerns (lO) eingreifender und von den benaohbaxtsn Windungen getrennter

Windungen

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Windungen, das Drehen des Metallkerns (lo) in bezug auf die Spule im Sinne eines zumindest teilweisen Herausführens des Metallkerns (lO) aus der Spule und des Lösens von Windungen der Spule aus dem Eingriff an dem Metallkern (lO), das gleichzeitige Erhitzen des Metallkerns (lO) und der Spule in einer.oxidierenden Umgebung und das Drehen des Metallkerns (lO) in bezug auf die Spule im Zuge der oxidativen Behandlung der Spule im Sinne eines fortschreitenden Einrückens aller Windungen der Spule in einen Eingriff mit der Gewinderille.
8. Verfahren nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (lO' vor einem ersten Erhitzen der Spule in einer oxidierenden Umgebung zur Ausbildung einer Oxidschicht auf dieser ganz aus der Spule herausgeführt wird.
9· Verfahren nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen der Spule durch Hindurchleiten eines elektrischen Stroms durch den Draht (12) erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (lO) in bezug auf die Spule zum Einführen des Metallkerns (10) in die Spule zum Erhitzen der Spule, und zur Ausbildung einer Oxidschicht auf dieser gedreht wird, während elektrischer Strom durch den Draht (12) hindurchgeleitet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallkern (lO) aus einem chromlegierten Stahl mit hoher Korrosionsbeständigkeit besteht und es sich bei dem Draht (12) um eine Niekelchromlegierung mit relativ hohem elektrischen Widerstand handelt.

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