DE3530929C2 - Einrichtung zur Transmission von Strahlungsenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Übertragung von Strahlungsenergie gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Beispielsweise zur Beheizung von begrenzten Arbeitsräumen finden gasgefeuerte Infrarot-Heizstrahler Verwendung, die mit einer Quarzlinse versehen sind, um die Wärmestrahlung auf einen bestimmten Bereich zu konzentrieren. Durch eine derar­ tige Linse kann jedoch etwa nur 40% der der Linse zugeführten Wärmestrahlung gerichtet übertragen werden. Insbesondere kann der Linse nur eine begrenzte Strahlungsenergie zugeführt wer­ den, weil sonst durch die absorbierte Strahlungsenergie eine Beschädigung der Linse verursacht werden kann, und weil keine ausreichende Begrenzung der Temperatur der Linse durch Wär­ meableitung möglich ist.

Aus der US 3 400 706 ist auch eine Einrichtung zur Übertra­ gung von Strahlungsenergie bekannt, wobei die Strahlungsquelle oberhalb einer wabenförmigen Gitterstruktur angeordnet ist und diese Gitterstruktur aus offenendigen Zellen besteht, welche einen durchgehend rechteckigen Querschnitt aufweisen und aneinander angrenzen. Diese bekannte Einrichtung hat aber den Nachteil, daß es nicht möglich ist, die Wärmestrahlung auf einen bestimmten Bereich zu konzentrieren.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die von einer Strahlungsquelle abgegebene Wärmestrahlung mit hohem Wirkungsgrad gezielt einem vorgegebenen Bereich zuzuführen.

Diese Aufgabe wird durch eine Einrichtung zur Übertragung von Strahlungsenergie mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind andere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung unter Schutz gestellt.

Durch die Erfindung soll deshalb eine Einrichtung dieser Art geschaffen werden, die wie eine zwischen den Energiequellen und dem zu bestrahlenden Bereich angeordnete Linse wirkt, aber die Strahlung auf den zu bestrahlenden Bereich nicht durch Brechung sondern durch Reflexion überträgt, so daß sich nicht die Schwierigkeiten ergeben, die bei der Verwendung einer Linse mit ausreichend hoher Brechkraft auftreten. Die Einrichtung soll ferner Eigenschaften hinsichtlich Absorption und Emissionsvermögen aufweisen, welche eine Übertragung von beispielsweise 85% der Strahlungsenergie in den zu bestrahlenden Bereich ermöglicht. Die Einrichtung hat eine gitterförmige Struktur, die mit einem Medium ausgefüllt sein kann, das auf die Wärmestrahlung einen Filter- und Brechungseffekt ausübt, welcher dem primären Effekt zur Erzielung einer gerichteten Strahlung überlagert werden kann. Die Einrichtung soll ferner derart abgewandelt werden können, daß selektiv nur gewisse Frequenzen der Strahlung reflektiert werden. Ferner soll die Einrichtung in allen Umgebungsmedien mit vergleichbaren Vorteilen verwendbar sein.

Gemäß der Erfindung findet eine Einrichtung zur Übertragung von Strahlungsenergie Verwendung, die zwischen der Energiequelle und dem zu bestrahlenden Bereich angeordnet wird und die wie eine Linse wirkt. Sie hat eine wabenförmige Gitterstruktur mit offenendigen Zellen, die aneinander angrenzend um eine Symmetrieachse angeordnet sind. Die einzelnen Zellen der Einrichtung weisen reflektierende Wände auf und haben einen rechteckigen Querschnitt. Die Achsen der Zellen verlaufen unter einem Winkel zu der Symmetrieachse und treffen sich in einem Brennpunkt auf der Symmetrieachse. Die Längen-der Zellen sind unterschiedlich, so daß bei Anordnung der Energiequelle in dem Brennpunkt die von diesem Punkt zugeführte Energie zu und von den Wänden der Zellen nicht mehr als 2 mal reflektiert wird, bevor der Austritt aus den Zellen erfolgt. Es erfolgt eine Reflexion in Richtung der Symmetrieachse und parallel dazu. Wenn die Energiequelle entlang der Symmetrieachse zu der einen oder anderen Seite des Brennpunkts verschoben wird, wird die Energie auf den zu bestrahlenden Bereich mehr oder weniger verstärkt und zwar in Abhängigkeit von der Anordnung der Energiequelle relativ zu dem Brennpunkt.

Vorzugsweise haben die Zellen einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt und die Querschnittsflächen haben eine im wesentlichen konstante Größe von dem einen zu dem anderen Ende jeder Zelle. Es kann jedoch erforderlich sein, die Zellen in axialer Richtung leicht zu verjüngen, so daß die Querschnittsflächen der Zellen in Richtung des Brennpunkts kleiner werden.

Die Zellen können mit dem umgebenden Medium ausgefüllt sein, welches beispielsweise flüssig oder gasförmig sein kann. Die Zellen können auch mit einem Medium ausgefüllt werden, das sich von demjenigen unterscheidet, das die Einrichtung nach der Erfindung umgibt. Beispielsweise können sie mit einem Medium ausgefüllt sein, das ein Absorptionsvermögen für gewisse Frequenzen der Strahlung aufweist. Die Wände der Zellen können die Eigenschaft aufweisen, daß gewisse Frequenzen der Strahlung selektiv absorbiert werden während andere Frequenzen reflektiert werden.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung beispielsweise näher erläutert werden. Die dargestellten Ausführungsbeispiele betreffen die Anwendung dar Erfindung auf einen Heizstrahler zum Beheizen eines Arbeitsbereichs in einem Geschäftsraum. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines In­ frarot-Heizstrahlers mit einer Einrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Untenansicht des Heizstrahlers in Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht der Einrichtung für eine gerichtete Transmission der Strahlung in einer axialen Ebene davon, zur Erläuterung der Fokussierung der von deren Brennpunkt ausgehenden Strahlung;

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Schnittansicht, zur Erläuterung der Fokussierung von Strahlung, die außerhalb des Brennpunkts der Einrichtung emittiert wird;

Fig. 5 eine weitere Schnittansicht der Einrichtung zur Erläuterung der Fokussierung der Strahlung, die neben dem Brennpunkt der Einrichtung emittiert wird;

Fig. 6 eine weitere derartige Schnittansicht zur Erläuterung der Fokussierung der Strahlung, die von unterhalb des Brennpunkts der Einrichtung ausgeht;

Fig. 7 einen fünften derartigen Querschnitt zur Erläuterung der Fokussierung der Strahlung, die von oberhalb des Brennpunkts der Einrichtung ausgeht;

Fig. 8 eine perspektivische Teilansicht einer Zelle der Einrichtung;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht eines In­ frarot-Heizstrahlers mit einem abgewandelten Ausführungsbeispiel einer Einrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 10 eine schematische perspektivische Ansicht zur Erläuterung der Fokussierung durch das Ausführungsbeispiel in Fig. 9;

Fig. 11 einen Teilschnitt durch den Heizstrahler in Fig. 9 entlang der Linie 11-11; und

Fig. 12 einen Teilschnitt durch den Heizstrahler entlang der Linie 12-12 in Fig. 1.

Bei dem in den Fig. 1 bis 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Heizstrahler 2 vorgesehen, der ein an einer Decke aufgehängtes Gehäuse 4 aufweist, in dem eine gasgefeuerte Strahlungsquelle 6 zur Erzeugung von Infrarotstrahlung vorgesehen ist, und an dem ein haubenförmiger Reflektor 8 angeordnet ist. An dem Reflektor 8 ist entlang dessen unterer Öffnung eine Einrichtung 10 gemäß der Erfindung angeordnet, durch die eine Fokussierung der Strahlung erfolgt. Das Gehäuse 4 und die Strahlungsquelle 6 sind im wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und der Reflektor 8 besitzt einen entsprechend ausgebildeten Randbereich 12 entlang der unteren Öffnung, an der die Einrichtung 10 befestigt ist. Die Einrichtung 10 ist kugelkappenförmig ausgebildet, wobei jedoch der Randbereich 12 und die Umfanglinie der Einrichtung entlang bogenförmigen Linien auf den vier Seiten des Heizstrahlers verlaufen. Der Heizstrahler ist an vier Bügeln 14 mit Ketten 16 aufgehängt.

Die Einrichtung 10 besteht aus einer wabenförmigen Gitterstruktur 18, deren Zellen 22 mit ihren offenen Enden 34, 36 konvex ausgebildete Oberflächen 26 und 28 begrenzen. Die einzelnen Zellen 22 haben reflektierende Wände 30 und weisen Achsen 32 (Fig. 5) auf, die, wie aus den Fig. 3 bis 8 ersichtlich ist, unter einem Winkel zu der Symmetrieachse 24 verlaufen, so daß die Einrichtung einen Brennpunkt 38 über ihrer Oberseite aufweist. Bei Anordnung der Strahlungsquelle 6 in dem Brennpunkt 38 wird die in die offenen oberen Enden 34 eintretende Strahlung zu und von den Wänden 30 der Zellen nicht mehr als 2 mal reflektiert bevor sie aus den unteren Enden 36 austritt. Ferner sind die Zellen derart orientiert und in der beschriebenen Weise dimensioniert, daß die vom Brennpunkt 38 abgestrahlte Strahlung von den Wänden 30 der Zellen 22 in der Richtung der Unterseite der Einrichtung entlang zur Symmetrieachse 24 parallelen Linien gerichtet ist, wie Fig. 3 zeigt. Die Zellen werden deshalb in einem maximal möglichen Ausmaß im Hinblick auf die Winkellage und Größe derart angeordnet, daß die in die oberen Enden 34 der Zellen von der Oberseite der Einrichtung her eintretende Strahlung nicht mehr als 2 mal vor dem Austritt durch die unteren Enden 36 der Zellen reflektiert wird. Dadurch ist gewährleistet, daß der Strahlengang 42 der austretenden Strahlung unter demselben Winkel zu den Achsen 32 der betreffenden Zellen verläuft, wie es bei dem entsprechenden eintretenden Strahlengang 44 der Fall ist.

Da eine große Anzahl von Zellen vorgesehen ist, können die Zellen einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen, und die Querschnittsfläche jeder Zelle kann praktisch von einem zum anderen Ende der Zelle konstant sein. Dies bedeutet deshalb, daß keine sich verjüngende Ausbildung der Zellen erforderlich ist, was für deren Herstellung vorteilhaft ist. Wenn jedoch die Einrichtung verhältnismäßig klein ist oder verhältnismäßig wenig Zellen aufweisen soll, kann es erforderlich sein, eine leichte in axialer Richtung nach innen verlaufende Verjüngung der Zellen vorzusehen. In entsprechender Weise kann es erforderlich sein, anstelle eines quadratischen Querschnitts einen mehr rechteckförmigen Querschnitt für diejenigen Zellen vorzusehen, die weit von der der Symmetrieachse 24 angeordnet sind.

Aus den Fig. 3 bis 7 ist der Strahlungsverlauf bei verschiedenen Stellungen der Strahlungsquellen 6 ersichtlich. Wenn die Strahlungsquelle auf der durch den Brennpunkt 38 gehenden Brennebene 40 seitlich zum Punkt 41 verschoben wird, dann verlaufen die Strahlen 42 hinter der Einrichtung nach der Erfindung parallel, aber nicht in Richtung der Symmetrieachse 24 sondern schräg zu dieser parallel zur Achse 32 wie Fig. 5 zeigt.

Wenn die Strahlungsquelle außerhalb der durch den Brennpunkt 38 verlaufenden Brennebene 40 angeordenet ist, beispielsweise über der Brennebene im Punkt 48 wie in Fig. 7 und in Fig. 4 dargestellt ist, dann erfolgt eine Dispersion der Strahlung in dem Sinne, daß der Strahlengang 42 der reflektierten Strahlung von der Symmetrieachse 24 divergiert. Wenn andererseits die Strahlungsquelle 6 unter der Brennebene 40 im Punkt 52 angeordnet wird, wie in Fig. 6 und auf der rechten Seite in Fig. 4 dargestellt wird, dann wird die Strahlung in dem Sinne gesammelt, daß der austretende Strahlengang 42 der reflektierten Strahlung zu der betreffenden Achse konvergiert, also zu der Symmetrieachse 24 oder der Zellenachse 32. Durch Änderung der Anordnung der Strahlungsquelle relativ zu der Brennebene der Einrichtung ist es deshalb möglich, die Stärke der Strahlung auf den zu heizenden Bereich zu ändern. Dadurch wird es dem Konstrukteur ermöglicht, einen speziellen Arbeitsraum mehr oder weniger intensiv zu heizen, als dies bei einer direkten Strahlung in diesem Raumbereich möglich wäre. Beispielsweise bei einer vorgegebenen Energieabstrahlung pro Flächeneinheit durch die Strahlungsquelle 6 und einem bestimmten, dadurch zu bestrahlenden Bereich kann der Konstrukteur nicht nur die günstigste Form und Größe für die Einrichtung bestimmen, sondern auch die räumliche Beziehung zwischen der Einrichtung für eine gerichtete Transmission der Wärmestrahlung und der Oberfläche der Einheit, durch die die gewünschte Erwärmung des zu heizenden Bereichs ermöglicht wird. Wenn der Konstrukteur mehr Wärme in dem interessierenden Raumbereich konzentrieren will, als es bisher bei der Verwendung eines Heizstrahlers möglich war, der die gleiche Wärmeenergie pro Flächeneinheit abgibt, muß der Heizstrahler höher über dem Arbeitsraum angeordnet werden, um einen "Sonneneffekt" zu erzielen und den Nachteil zu vermeiden, der bei so naher Anordnung des Heizstrahlers auftritt, daß eine sich in und aus dem beheizten Bereich bewegende Person unangenehme Temperaturunterschiede empfindet.

Ein entsprechender, aber entgegengesetzter Effekt tritt beispielsweise bei Facettenaugen von Tieren auf. In den äußeren Peripherien derart ausgebildeter Augen sind zusammengesetzte Spiegellinsen vorgesehen, die einen der Einrichtung 10 entsprechenden Querschnitt aufweisen. Die Wirkungsweise besteht darin, daß eintretendes Licht an Stellen auf der Retina überlagert wird, so daß bei der normalerweise vorhandenen geringen Helligkeit eine Verstärkung erfolgt. Bei der Einrichtung 10 ist dieser Überlagerungseffekt zur Fokussierung von Strahlung auf einen Bereich unter der Einrichtung benutzt, während die Linse des Auges von Tieren diesen Effekt zur Verstärkung von auf die Retina auffallendem Licht benutzt. So kann auch die Einrichtung 10 zur Verstärkung der eintretenden Strahlung benutzt werden, wenn die Strahlungsquelle an den Stellen 38, 41, 48, 50, 52 und 54 bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen fokussiert wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Wände 30 der Zellen selektiv gewisse Frequenzen der Strahlung absorbieren, während sie eine oder mehrere andere Frequenzen reflektieren, so daß nur gewünschte Frequenzen in der Austrittsrichtung reflektiert werden. Bei anderen Ausführungsbeispielen können ferner die Zellen 22 mit einem Medium imprägniert werden, das sich von dem die Einrichtung umgebenden Medium unterscheidet. Beispielsweise können sie mit Stöpseln verschlossen werden, die aus einem lichtbrechenden und/oder selektiv absorbierenden glasartigen Material bestehen, welches nur für Infrarotstrahlung durchlässig ist.

Die fokussierenden Effekte der Einrichtung können in einer Ebene reduziert oder weggelassen werden, wie in Fig. 9 bis 12 dargestellt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 4' und die Strahlungsquelle 6' einen rechteckförmigen Umriß auf. Bei dieser Ausführungsform ist der Fokussiereffekt auf eine Ebene begrenzt, denn die Einrichtung 10' weist einen teilzylindrischen Querschnitt auf und ist derart angeordnet, daß deren Achse parallel zu der längeren Abmessung der Strahlungsquelle 6' verläuft, sowie oberhalb deren Oberfläche 46', so daß ein konzentrierender Effekt relativ zu der Breite der Einheit erzielt werden kann. Aus Fig. 11 ist ersichtlich, daß zwischen den Flanken 56 der Einrichtung 10' die Zellen 22' so bemessen und orientiert sind, daß die Strahlung zu den Achsen in der in Fig. 6 dargestellten Weise konvergiert.

In der Ebene der Achse der Einrichtung, also in der Zeichenebene in Fig. 12, wurde der konzentrierende Effekt verringert oder dadurch beseitigt, daß die Zellen 22' einen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen und wobei deren längere Seiten parallel zu dieser Ebene orientiert sind, so daß die aus den offenen Enden der Zellen nach unten austretende Strahlung entlang einer Linie der Ebene verteilt wird. Als Folge davon wird ein Bereich 57 angestrahlt, dessen Grundriß länglich ist, wie in Fig. 10 dargestellt ist. Diese Ausbildung ist beispielsweise zur Beheizung einer Reihe von Arbeitsplätzen in einem Geschäftsraum verwendbar.

Um die Länge der bestrahlten Fläche zu begrenzen, weist die Einrichtung an ihren axialen Enden parallel zueinander verlaufend Wände 58 auf. Die Wände 58 verlaufen parallel zu der Symmetrieebene und vorzugsweise ist mindestens eine Zwischenwand 60 zwischen den Enden der Einrichtung vorgesehen, wodurch die Festigkeit der Einrichtung erhöht wird. Diese Wände verlaufen ebenfalls parallel zu der Symmetrieebene und sind ebenfalls symmetrisch zwischen den Endwänden 58 angeordnet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel können die Zellen die Form von Schlitzen mit offenen Enden in der Ebene von Fig. 12 aufweisen, wobei also die Wände 58 und 60 weggelassen sind.

Claims (7)

1. Einrichtung zur Übertragung von Strahlungsenergie, mit einer Strahlungsquelle (6) oberhalb einer wabenförmigen Gitterstruktur (18), die aus offenendigen Zellen (22) besteht, welche einen durchgehend rechteckigen Querschnitt aufweisen und aneinander angrenzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen (22) reflektierende Wände (30) aufweisen und die offenen Zellenenden (26, 28) konvexe Flächen definie­ ren, die auf einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt orien­ tiert sind.

2. Einrichtung zur Übertragung von Strahlungsenergie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (6) auf der durch den Krümmungsmittelpunkt gehenden Symmetrieachse (24) angeordnet ist.

3. Einrichtung zur Übertragung von Strahlungsenergie nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (6) in der Brennpunktebene (40) angeordnet ist, wobei die Brennpunktebene (40) die Symmetrieachse (24) im Krümmungsmittelpunkt senkrecht schneidet.

4. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen mit dem die Einrichtung umgebenden Medium gefüllt sind.

5. Einrichtung nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen mit einem Medium gefüllt sind, das sich von dem die Einrichtung umgebenden Medium unterscheidet.

6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen der Seitenwände der Zellen gewisse Frequenzen der Strahlung absorbieren.

7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen in Richtung der Zellenachsen eine derartige Länge aufweisen, daß die von der Strahlungsquelle ausgehende Strahlung nicht mehr als zweimal vor dem Austritt aus den Zellen reflektiert wird.