DE4022100C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flächenstrahler für kurzwellige Infrarot­ strahlung mit hoher Strahlungsleistung pro Flächeneinheit, mit einem Gehäuse und mit einer oder mehreren Heizwendeln mit mindestens zwei Strom-Anschlüssen, wobei die Heizwendeln hinter der Abstrahlfläche des Gehäuses in dessen Innen­ raum weitgehendst gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei die Heizwendeln in Aufnahmekörpern mittels Distanzteilen geführt und gehalten sind, wobei die Teile der Aufnahmekörper zur Abstrahlfläche hin für die Infrarotstrahlung transparent sind, wobei den Heizwendeln auf ihrer der Abstrahlfläche gegen­ überliegenden Seite ein Reflektor zugeordnet ist und wobei das Gehäuse min­ destens einen Zuführungs- und einen Abführungs-Anschluß für ein Kühlmedium aufweist, das im Durchfluß den Strahler kühlt.

Derartige kurzwellige Hochleistungs-Infrarotstrahler sind allgemein bekannt. Sie zeichnen sich durch hohe Energiekonzentration auf engem Raum und große Eindringtiefe der Strahlung in das Heizgut aus und werden in den ver­ schiedensten industriellen Produktionsprozessen eingesetzt.

Bei den bekannten Hochleistungs-Infrarotstrahlern sind die Heizwendeln innerhalb eines mit Inertgas gefüllten Quarzglashüllrohres eingeschlossen. Die Stromzufuhr zur Heizwendel erfolgt über metallische Kontaktplättchen, die an den zugeschmolzenen Quarzglashüllrohrenden herausgeführt sind. Aufgrund der hohen Ströme und den Unterschieden in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Glas- und Kontaktplättchen sind diese Einschmelzungen bei Temperatur­ änderungen besonders stark belastet, und begrenzen die Einsatzmöglichkeiten des Strahlers hinsichtlich Leistung, Temperatur und Lebensdauer. Bei solchen Hochleistungs-Infrarotstrahlern werden mehrere Heizwendeln inklusive ihrer Quarzglashüllrohre in einem Lampengehäuse so positioniert, daß damit das Heizgut großflächig bestrahlt werden kann. Da hierbei die gesamte zur Ver­ fügung stehende Strahlungsenergie nur in eine Richtung abgegeben werden soll, werden derartige Strahler vor einem Reflektorkörper positioniert. Aufgrund seiner mechanischen und chemischen Stabilität sowie seiner guten Reflek­ tionseigenschaften im Infraroten wird eine dünne Goldschicht als Reflektor­ oberfläche verwendet. Allerdings macht die relativ schlechte thermische Stabilität der Goldschicht bei Temperaturen von mehr als 800°C eine Kühlung des Reflektors erforderlich. Deshalb ist der Reflektorkörper oder das ganze Lampengehäuse so groß und massiv ausgelegt, daß eine effektive Wasser- und Luftkühlung des Reflektors möglich ist. Da die mit den Hochleistungs-Infra­ rotstrahlern erreichbaren Temperaturen weit über dem Temperaturbereich liegen, bei dem Quarzglas erweicht, müssen auch die Quarzglashüllrohre und insbesondere die empfindlichen Einschmelzungen an den Rohrenden gekühlt werden. Bei unzureichender Kühlung besteht aufgrund unvermeidlicher Unter­ schiede zwischen den Gasdrücken von innerhalb und außerhalb der geschlossenen Quarzglashüllrohre die Gefahr der Hüllrohrverformung. Bei den bekannten Hochleistungs-Infrarotstrahlern werden die Quarzglashüllrohre in einem Luft­ strom gekühlt, der hinter einem Quarzglasschirm so geführt wird, daß das Heizgut nicht durch Konvektion mitgekühlt wird. Ein Einsatz derartiger Hochleistungs-Infrarotstrahler unter extremen Außendruckbedingungen, bei­ spielsweise unter Vakuum, ist aufgrund ihrer Bauweise nicht oder nur ein­ geschränkt möglich.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, durch einen einfachen und kompakten Aufbau die Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit von Hochleistungs-Infrarotstrahlern, insbesondere hinsichtlich der auftretenden Wärmentwicklung und der damit verbundenen Kühlmaßnahmen, zu erhöhen und deren Einsatzbereich hinsichtlich der tolerierbaren Temperatur- und Außendruck­ bedingungen zu erweitern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Innenraum des Ge­ häuses, der einseitig von der Abstrahlfäche begrenzt wird, gasdicht abgeschlossen ist und den mindestens einen Zuführungs-Anschluß und den mindestens einen Abführungs-Anschluß aufweist, daß das Kühlmedium ein inertes Gas ist, das den Innenraum durchströmt und die Heizwendeln umspült und daß die mindestens zwei Strom-Anschlüsse durch mindestens eine Durchführung gasdicht durch die den Innenraum begrenzende Wandung hindurchgeführt sind. Dadurch daß die Heizwendeln im Innenraum des Gehäuses im Durchfluß mit Intertgas gespült werden, sind sie einerseits sehr gut vor Oxidation geschützt, andererseits ist eine Anordnung der Heizwendeln in separaten, gasdichten, an den Enden zugeschmolzenen Rohren nicht erforderlich. Dadurch entfällt sowohl die Gefahr des Strahler-Ausfalls durch die Verformung eines geschlossenen Rohres aufgrund der Unterschiede zwischen den Gasdrücken innerhalb und außerhalb des Rohres als auch die Notwendigkeit von bruchempfindlichen, hohen Temperaturbelastungen ausgesetzten Einschmelzungen für die Strom-Anschlüsse an den Rohrenden. Gegebenenfalls können die Strom-Anschlüsse für mehrere Heizwendeln zusammengefaßt und durch die Wandung des Gehäuses an einer Stelle mit geringer Temperaturbelastung herausgeführt werden. Die Spülung der Heizwendeln mit Inertgas wird so ausgeführt, daß gleichzeitig eine Kühlung der Aufnahmekörper für die Heizwendeln, des Reflektors und der stark temperaturbelasteten Wandungen des Gehäuses erfolgt, so daß zusätzliche Kühlmittel, beispielsweise auf der Außenseite des Gehäuses, und die damit verbundenen Anschlüsse und Einrichtungen nicht erforderlich sind. Durch diese Innenkühlung läßt sich das Gehäuse des Strahlers sehr kompakt und dünnwandig gestalten, so daß, abgesehen von den, die Abstrahlfläche seitlich begrenzenden, dünnen Gehäusewänden, die entsprechende Seite des Gehäuses vollständig als Abstrahlfläche zur Verfügung steht. Der Raumbedarf des Strahlers als auch dessen Betriebskosten werden somit vermindert, während die Betriebssicherheit erhöht wird.

Hohe Strahlungsleistungen sind mit einer Ausgestaltung der Aufnahmekörper in Form von an den Enden offenen Röhren in denen die Heizwendeln vor dem Kühl­ medium weitgehendst geschützt verlaufen, zu erreichen.

Je nach Größe der Fläche die bestrahlt werden soll, werden mehrere Röhren parallel zueinander angeordnet. Um eine gleichmäßige Bestrahlung des Heizgutes zu gewährleisten und eine kompakte Bauweise des Strahlers zu erzielen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Röhren auf einer gemeinsamen Trägerplatte anzuordnen, die gleichzeitig als Reflektor ausgebildet ist. Dabei hat es sich bewährt die Trägerplatte im Innenraum so anzuordnen, daß sie bezüglich der Röhren der Abstrahlfläche des Gehäuses abgekehrt ist und daß sie mindestens von zwei Seiten gleichzeitig mit dem Kühlmedium umspült wird. Dies hat den Vorteil, daß eine separate Wasserkühlung des Reflektors und eine damit ver­ bundene große und massive Auslegung von Reflektor und Gehäuse vermieden wird. Aufgrund der geringen Temperaturbelastung auf der den Röhren abgekehrten Seite der Trägerplatte, ist es zweckmäßig, die Reflektorschicht dort auszubilden. Der Stromanschluß zu den Heizwendeln erfolgt über eine oder mehrere vakuum­ dichte elektrische Durchführungen durch eine Begrenzungswand des Innenraums. Besonders raumsparend gestaltet sich die Anordnung, wenn die Durchführung oder die Durchführungen an derselben Seite des Innenraums angeordnet sind wie der Zuführungs-Anschluß und wenn der Zuführungs-Anschluß, und der Abführungs-An­ schluß an der der Abstrahlfläche gegenüberliegenden Seite des Gehäuses an­ geordnet sind.

Die zu- und abgeführte Gasmenge wird den Kühl- und Druckerfordernissen an­ gepaßt. Dabei ist es kostengünstig, das Kühlmedium im Kreislauf zu führen und das vom Abführungs-Anschluß abgeführte Kühlmedium dem Zuführungs-Anschluß abgekühlt wieder zuzuführen. Als Kühlmedium der im normalen Betrieb auftretenden Wärmemengen hat sich Argon bewährt das gleichzeitig die Heiz­ wendeln vor Oxidation schützt. Aufgrund der hohen Temperaturbelastung bestehen die Aufnahmekörper, die Trägerplatte sowie zumindest die den Innenraum be­ grenzende Abstrahlfläche aus Quarzglas.

Anhand der Zeichnung wird ein erfindungsgemäßer Flächenstrahler nachfolgend beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Flächenstrahlers, bei dem die Aufnahmekörper für die Heizwendeln als achsenparallele Rohre, in denen die Heizwendeln verlaufen, ausgebildet sind,

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch den in Fig. 1 dargestellten Flächen­ strahler entlang der Schnittlinie II-II, mit Blick in Richtung ent­ lang der Längsachsen der Rohre,

Fig. 3 einen horizontalen Schnitt durch den in Fig. 2 dargestellten Flächenstrahler entlang der Linie III-III,

Fig. 4 einen horizontalen Schnitt duch eine Strahler-Einheit, wobei Schnitthöhe und Blickrichtung so wie in Fig. 3 für den Modul dargestellt, gelegt sind.

Der dargestellte Hochleistungs-Flächenstrahler weist ein vakuumdichtes Gehäuse 1 mit einer, den Innenraum 5 begrenzenden Abstrahlfläche 16 aus Quarzglas auf, wobei das Gehäuse 1 einen Zuführungs- und einen Abführungs-Anschluß 2, 3 für ein Kühlmedium, dessen Strömungs-Richtung durch Strömungspfeile 10 dargestellt ist, sowie Strom-Anschlüsse 4 aufweist. Im Innenraum 5 des Gehäuses 1 ist eine auf ca. 15 mm langen Stützen 12 befestigte Trägerplatte 6 aus Quarzglas angeordnet, auf der sieben beidseitig offene Quarzglasrohre 7 angeschmolzen sind. Innerhalb der Quarzglasrohre 7 werden über Distanzteile 8 in Form von runden, in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordneten Stützringen aus Niobdraht, Heizwendeln 9 aus Wolframdraht geführt. Die Strom-Anschlüsse 4 für die Heizwendeln 9 erfolgen über eine elektrische vakuumdichte Durchführung 14 durch dieselbe Gehäusewand, an der auch der Zuführungs- und der Abführungs-Anschluß 2, 3 für das Kühlmedium angeordnet sind. Die Anordnung aller Anschlüsse für das Kühlmedium und für die Stromversorgung auf der der Abstrahlfläche 16 des Gehäuses gegenüberliegenden Gehäusewand, ermöglicht den Einsatz des Strahlers als Modul 13 einer Strahler-Einheit 15.

Auf der den Quarzglasrohren 7 abgewandten Seite der Trägerplatte 6 ist ein Reflektor 11 angebracht, der gewährleistet, daß die Strahlungsenergie zum Heizgut hin abgestrahlt wird und der die elektrischen Anschlüsse vor zu hoher Temperatur schützt. Der Reflektor 11 besteht aus einer dünnen Goldschicht, die auf die den Quarzglasrohren 7 gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte 6 aufgebracht ist.

Über den Zuführungs-Anschluß 2 wird ein Argon-Gasstrom in den Innenraum 5 des Gehäuses 1 geleitet, über den Abführungs-Anschluß 3 wieder herausgeführt, über ein Kühlaggregat geleitet (nicht dargestellt) und dem Zuführungs-Anschluß 2 wieder zugeführt. Der Gasstrom kühlt im Durchlauf den Reflektor 11, die Aufnahmekörper für die Heizwendeln 9 und die Innenwandungen des Gehäuses 1 und umspült gleichzeitig die Heizwendeln 9 und schützt sie vor Oxidation. Die mit dieser Ausführungsformen eines Hochleistungs-Infrarot-Strahlers erreichbare Farbtemperatur liegt bei 3000 K.

Die in Fig. 4 gezeigte Strahler-Einheit (15) setzt sich aus neun Strahler-Modulen (13) zusammen, die gemäß einer (3×3)-Matrix angeordnet sind. Die einfache Inertgas-Kühlung ermöglicht einen kompakten Aufbau der Strahler-Module 13. Augrund dieser kompakten Bauweise bilden sich beim Zu­ sammenfügen mehrere Module 13 nur schmale Zwischenräume, die keine Strahlungs­ energie abgeben, woraus sich eine hohe Strahlungsleistung pro Flächeneinheit für die Strahler-Einheit (15) ergibt.

Claims (13)

1. Flächenstrahler für kurzwellige Infrarotstrahlung mit hoher Strahlungs­ leistung pro Flächeneinheit, mit einem Gehäuse und mit einer oder mehreren Heizwendeln mit mindestens zwei Strom-Anschlüssen, wobei die Heizwendeln hinter der Abstrahlfläche des Gehäuses in dessen Innenraum weitgehendst gleichmäßig verteilt angeordnet sind, wobei die Heizwendeln in Aufnahme­ körpern mittels Distanzteilen geführt und gehalten sind, wobei die Teile der Aufnahmekörper zur Abstrahlfläche hin für die Infrarotstrahlung trans­ parent sind, wobei den Heizwendeln auf ihrer der Abstrahlfläche gegenüber­ liegenden Seite ein Reflektor zugeordnet ist und wobei das Gehäuse min­ destens einen Zuführungs- und einen Abführungs-Anschluß für ein Kühlmedium aufweist, das im Durchfluß den Strahler kühlt, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum (5) des Gehäuses (1), der einseitig von der Abstrahl­ fläche (16) begrenzt wiird, gasdicht abgeschlossen ist und den mindestens einen Zuführungs-Anschluß (2) und den mindestens einen Abführungs-Anschluß (3) aufweist, daß das Kühlmedium ein inertes Gas ist, das den Innenraum (5) durchströmt und die Heizwendeln (9) umspült, und daß die mindestens zwei Strom-Anschlüsse (4) durch mindestens eine Durchführung (14) gasdicht durch die den Innenraum (5) begrenzende Wandung hindurchgeführt sind.

2. Flächenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auf­ nahmekörper durch mehrere, parallel zueinander verlaufende, an den Enden offene Röhren (7) gebildet sind, in denen die Heizwendeln (9) verlaufen.

3. Flächenstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Röhren (7) auf einer gemeinsamen Trägerplatte (6) derart angeordnet sind, daß die Trägerplatte (6) bezüglich der Röhren (7) der Abstrahlfläche (16) des Gehäuses (1) abgekehrt ist.

4. Flächenstrahler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Trägerplatte (6) der Reflektor (11) angeordnet ist.

5. Flächenstrahler nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (6) im Innenraum (5) so angeordnet ist, daß sie von zwei Seiten gleichzeitig mit dem Kühlmedium gekühlt wird.

6. Flächenstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (11) auf der den Röhren (7) abgewandten Seite der Träger­ platte (6) angeordnet ist.

7. Flächenstrahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch­ führung (14) oder die Durchführungen (14) an der selben Seite des Ge­ häuses (1) angeordnet sind wie der Zuführungs-Anschluß (2).

8. Flächenstrahler nach einem des Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) und die Durchführung(en) (14) vakuumdicht ausgeführt sind.

9. Flächenstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zuführungs-Anschluß (2) und der Abführungs-Anschluß (3) an der der Abstrahlfläche (16) gegenüberliegenden Seite des Gehäuses (1) angeordnet sind.

10. Flächenstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das über den Abführungs-Anschluß (3) abgeführte Kühlmedium dem Zu­ führungs-Anschluß (2) abgekühlt wieder zugeführt wird.

11. Flächenstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium Argon ist.

12. Flächenstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmekörper, die Trägerplatte (6) und wenigstens die Abstrahl­ fläche (16) des Gehäuses (1) aus Quarzglas bestehen.

13 . Verwendung eines Flächenstrahlers nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als Modul (13) für eine aus mehreren Strahlern bestehende Strahler-Einheit (15).