DE4419285C2 - Infrarotstrahler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler mit wenigstens einer flächenhaft ausgebildeten Strahlungsquelle in Form eines Carbonbandes.

Ein derartiger Infrarotstrahler ist aus der GB 2 233 150 A bekannt. Das Carbonband, das aus einer Vielzahl parallel zueinander und in Form eines Bandes angeordneter Graphitfasern be­ steht, ist innerhalb eines beidseitig verschlossenen Quarzglasrohres angeordnet. Für den elek­ trischen Anschluß ist das Carbonband beidseitig mit metallischen Endkappen versehen. Übli­ cherweise werden die stirnseitigen Enden des Carbonbandes in diese Endkappen einge­ klemmt. Die Kappen sind mit einem spiralig gebogenen Metalldraht verbunden, der wiederum an die durch die verschlossenen Stirnseiten des Hüllrohres ragende, elektrische Durchführung angreift. Mittels des Carbonbandes sind schnelle Temperaturwechsel möglich. Die Halterung des Carbonbandes ermüdet jedoch mit der Zeit, was bei dem bekannten Infrarotstrahler zu ei­ ner geringen Temperaturwechselbeständigkeit führen kann.

In der EP 0 495 770 A1 ist ein Schichtstrahler mit einem mäanderförmig ausgebildeten Heizleiter beschrieben, der auf einer Trägerplatte fixiert ist. In einem Ausführungsbeispiel eines derartigen Schichtstrahlers sind zwei mäanderförmige Heizleiter vorgesehen, deren Enden paar­ weise miteinander verbunden sind. Diese Anordnung soll eine möglichst gleichmäßige Infrarot-Be­ strahlung ermöglichen.

Ein ähnlicher Infrarotstrahler ist auch aus der DE 34 37 397 A1 bekannt. Die Strahlungsquelle besteht bei diesem Infrarotstrahler aus einer Widerstandsschicht, welche auf einem Träger­ substrat angeordnet ist. Um möglichst schnelle Temperaturwechsel zu ermöglichen, ist das Trä­ gersubstrat im Bereich der Widerstandsschicht dünnwandig ausgebildet.

Die WO 92/05411 A1 beschreibt eine Infrarot-Strahlenquelle in Form eines durch elastische Span­ nelemente gestrafften, elektrisch leitenden Bandes, welches von einem Strom durchflossen wird. Das elektrisch leitende Band ist aus Metall gebildet.

In der DE-AS 17 73 336 ist ein Infrarotstrahler zur Verwendung in einem Infrarot-Analysengerät offenbart, bei dem auf eine hochtemperaturbeständige, elektrisch nicht leitende Unterlage, ins­ besondere ein Tonerdeplättchen, eine Schicht aus Widerstandsmaterial aufgeschmolzen ist, die aus einem verfestigten Binder und einem fein verteilten, elektrisch leitenden Material besteht, das in diesem Binder in elektrisch leitendem Verhältnis dispergiert ist. Der Binder besteht vor­ zugweise aus einer Keramikmasse, während das elektrisch leitende Material ein Metall ist. Der­ artige Infrarotstrahler sind technologisch relativ aufwendig. Zum einen ist es notwendig, einen Grundkörper der Strahlungsquelle zusätzlich zu beschichten, zum anderen ist eine federnde Aufhängung des Metallbandes zur Gewährleistung der mechanischen Stabilität im gesamten Temperaturbereich des Strahlers notwendig. Dies ist sowohl hinsichtlich der Konstruktionsele­ mente als auch des Zusammenbaus mit einem relativ hohem Aufwand verbunden. Ein Strahler der letztgenannten Art kann zudem nur im Bereich kleiner Leistungen effektiv eingesetzt werden, da die Wärmeabführung über die Spannelemente erfolgt, was bei Leistungserhöhungen zu Überhitzungen führt, die die Funktion des Strahlers beeinträchtigen können. Zudem neigen derartige Anordnungen zu Ermüdungserscheinungen bei Temperaturwechselbelastungen, wo­ durch die Lebensdauer der Strahler beeinträchtigt wird.

Ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Infrarotstrahler zu schaffen, der bei geringer thermischer Trägheit über längere Zeit temperaturwechselbeständig ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Carbonband aus mehreren zu­ sammenhängenden Teilabschnitten gebildet ist, wobei die Teilabschnitte an ihren Enden in Auflagen gehaltert sind, von denen mindestens die erste und die letzte als Kontakte ausgebildet sind, und wobei das Carbonband an den nicht als Kontakt ausgebildeten Auflagen beweglich gehaltert ist.

Carbonband ist als Strahlermaterial auch größeren Temperaturwechseln gewachsen, die Koh­ lenstoff-Fasern behalten auch bei Temperaturen um 1000°C ihre Stabilität, leiten den Strom und besitzen einen hohen Emissionsgrad. Durch die sehr geringe thermische Trägheit des Ma­ terials kann eine Temperaturmodulation über die elektrische Leistung vorgenommen werden. Durch die Halterung des Carbonbandes in Auflagen werden Temperaturwechselreaktionen (Län­ genänderungen) kompensiert und Spannungen im Infrarotstrahler vermieden. Durch die be­ wegliche Halterung an den nicht als Kontakt ausgebildeten Auflagen werden Temperaturwech­ selbelastungen optimal ausgeglichen.

Die Stromleitung wird dadurch verbessert, daß die Enden der Teilabschnitte zumindest teilwei­ se mit Graphitpapier umhüllt sind. Zweckmäßigerweise ist das Carbonband zur Ausbildung ei­ nes Flächenstrahlers mäanderförmig angeordnet, wobei es an den nicht als Kontakt ausgebil­ deten Auflagen beweglich gehaltert ist, um Temperaturwechselbelastungen optimal ausglei­ chen zu können.

In einer besonderen Ausführungsform sind drei Auflagen als Kontakte ausgebildet, wobei der mittlere Kontakt das Carbonband beispielsweise halbieren kann. Durch eine derartige Anord­ nung ist es möglich, zwei Teile des Carbonbandes separat anzusteuern. Dabei ist es vorteilhaft, daß zwischen zwei benachbarten Teilabschnitten des Carbonbandes, insbesondere zwischen den durch einen Kontakt getrennten Teilabschnitten, ein Mittelsteg angeordnet ist, der die bei­ den separat voneinander angesteuerten Teile des Carbonbandes gegeneinander abschirmt, um zwei unterschiedlich strahlende Abschnitte zu erzeugen. Dazu ist es vorteilhaft, daß der Mit­ telsteg als Abschirmfläche ausgebildet ist.

Zweckmäßig ist es, das Carbonband zwischen einem Fenster und einem Reflektor innerhalb ei­ nes Gehäuses anzuordnen. Auf diese Weise ist die Strahlungsquelle geschützt und ein mög­ lichst großer Strahlungsanteil gelangt durch das Fenster zu dem zu bestrahlenden Objekt, bei­ spielsweise zu einer Küvette eines Analysators.

Nachfolgend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung erläu­ tert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung, deren Lage in Fig. 2 als Ebene B-B gekennzeichnet ist.

Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung, deren Lage in Fig. 1 als Ebene A-A gekennzeichnet ist.

Das Carbonband 1 (Carbonfaser) wird mäanderförmig ausgearbeitet, wobei dies durch Aus­ stanzen oder durch geeignete Verbindung von Streifen erfolgen kann. Die Stromleitung quer zur Faserrichtung wird durch Graphitpapier 2 unterstützt, das bei der Vorbehandlung des Strah­ lers aufgebracht worden ist. Die Verbindung zwischen Carbonband 1 und Graphitpapier 2 ist ei­ nerseits thermisch stabil, zum zweiten kann über das Graphitpapier 2 die Stromzuführung mit­ tels formschlüssiger Verbindung über Kontakte 3 erfolgen und außerdem ist die Masse der Ver­ bindungen so gering, daß die Auflage 4 nur als Transportsicherung dient, weil bei Transporten erheblich höhere Beschleunigungen auf die Bauteile wirken können als im Betrieb.

In Fig. 1 ist erkennbar, daß der Mittelsteg 5 die Strahlungsquelle in zwei Hälften teilt, wie dies für die Erzeugung einer gegenphasigen Modulation bei geteilten Küvetten eines Analysators (nicht dargestellt) erforderlich ist. Über den mittleren Kontakt kann die Masseverbindung herge­ stellt werden, über die Außenkontakte ist eine getrennte Ansteuerung der Strahlerhälften mög­ lich. Auf diese Weise kann sowohl der Nullpunkt eines Meßgerätes ohne zusätzliche mechani­ sche Bauteile (Betragsblende) abgeglichen werden als auch eine gegenphasige Ansteuerung der Strahler und damit eine gegenphasige Modulation der IR-Strahlung erreicht werden. Die Oberfläche des Keramikträgers 8 ist glasiert und vergoldet und als Reflektor 10 ausgebildet. Da die Bautiefe des Infrarotstrahlers (Höhe des Randteiles 6) gering sein kann, vorzugsweise klei­ ner 15 mm, wird ein großer Teil der Strahlung, die sowohl von der dem in Halterung 7 angeordneten Fenster 9 und damit der Küvette (nicht dargestellt) zugewandten Seite als auch von der dem Reflektor 10 zugewandten Seite des Carbonbandes 1 emittiert wird, in die Küvette eingekoppelt. Da der Strahlungsempfänger des Meßgerätes (nicht dargestellt) die ebene Strah­ lungsquelle direkt sieht, wird auch ein hoher Parallelstrahlungsanteil bereitgestellt. Der Strahler ist beispielsweise modulierbar bis etwa 5 Hz bei einer mittleren Leistung von etwa 10 W und Modulationsgraden von ca. 50%.

Der konstruktive Aufbau der Strahlungsquelle ist verhältnismäßig einfach und kann weitgehend automatisiert werden. Dies bezieht sich beispielsweise auf die Strukturierung und Konfektionie­ rung des Carbonbandes 1 und des Graphitpapieres 2, die Herstellung der Kontakte 3 und die Fertigung der Teile des Gehäuses (4, 5, 6, 7, 8), wobei letzteres nur zu Beispielszwecken der­ artig komplex dargestellt worden ist.

Claims (8)

1. Infrarotstrahler mit wenigstens einer flächenhaft ausgebildeten Strahlungsquelle in Form eines Carbonbandes, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbonband (1) aus mehreren zusammenhängenden Teilabschnitten gebildet ist, wobei die Teilabschnitte an ihren Enden in Auflagen (4) gehaltert sind, von denen mindestens die erste und die letzte als Kontakte (3) ausgebildet sind, und wobei das Carbonband (1) an den nicht als Kontakt ausgebildeten Auflagen (4) beweglich gehaltert ist.

2. Infrarotstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Teilab­ schnitte zumindest teilweise mit Graphitpapier (2) umhüllt sind.

3. Infrarotstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbonband (1) mäanderförmig angeordnet ist.

4. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Auf­ lagen als Kontakte (3) ausgebildet sind.

5. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen zwei benachbarten Teilabschnitten des Carbonbandes (1) ein Mittelsteg (5) ange­ ordnet ist.

6. Infrarotstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelsteg (5) zwi­ schen zwei durch einen Kontakt (3) getrennten Teilabschnitten des Carbonbandes (1) an­ geordnet ist.

7. Infrarotstrahler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelsteg (5) als Abschirmfläche ausgebildet ist.

8. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbonband (1) zwischen einem Fenster (9) und einem Reflektor (10) angeordnet ist.