DE4438870A1 - Infrarotstrahler mit langgestrecktem Widerstandskörper als Strahlenquelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler mit langgestreckter Strahlungsquelle, die von einer gasdichten Quarzglasumhüllung umgeben ist, wobei die Strahlungsquelle als bandförmiger Wi­ derstandskörper ausgebildet ist und an wenigstens zwei Enden mit nach außen führenden, ab­ gedichteten Stromdurchführungen elektrisch und mechanisch verbunden ist.

Aus der DE-P 39 38 437 ist ein Infrarotstrahler mit einem langgestreckten einstückigen Zwil­ lingsrohr mit Innensteg bekannt, der zwei in Längsrichtung verlaufende mit Glühwendeln verse­ hene Teilräume voneinander trennt, wobei der Strahler an seinen Enden abgedichtete Strom­ durchführungen enthält; der Strahler soll durch äußere Anschlußbelegung wahlweise über sei­ ne volle Länge oder eine Teillänge beheizbar sein; der Strahler dient zur Abgabe von kurzwelli­ ger Infrarotstrahlung.

Als problematisch erweist sich hierbei die verhältnismäßig aufwendige Einbringung einer Glüh­ wendel, welche besondere Arretierungs- und Stabilisierungselemente entlang ihrer gesamten Wendellänge erforderlich macht.

Aus der WO 92/05411 ist eine Infrarotstrahlenquelle in Form eines durch Spannelemente ge­ strafften Kohlefaserbandes bekannt, welches von Strom durchflossen wird. Außer der frontal in Richtung der Flächen normalen austretenden Strahlung wird zusätzlich die nach rückwärts ge­ richtete Strahlung über ein Reflektorsystem zurückgespiegelt, das ebenfalls in frontseitiger Richtung austritt.

Aufgrund der durch eine Öffnung gerichtet austretenden Strahlung, ist ein Einsatz der Infrarot­ strahlenquelle als langgestreckter Infrarotstrahler in der Praxis nicht geeignet.

Weiterhin sind aus dem Prospekt "Mittelwellige Carbon-Infrarot-Strahler CRS: hohe Prozeßsi­ cherheit und Effizienz" (Bezeichnung: 3C 12.93/N T) der Heraeus Noblelight GmbH langge­ streckte Infrarot-Strahler mit einem Kohlefaserband als Strahlenquelle bekannt; dabei ist jeweils ein Ende des Kohlefaserbandes über eine Schraubenfeder mit einem stirnseitigen Kontakt ver­ bunden, um einen Dehnungsausgleich bei Erwärmung zu gewährleisten; bei Bandlängen von mehr als 1 m ist der volle Dehnungsausgleich jedoch nicht mehr ohne weiteres gewährleistet.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, Infrarotstrahler, insbesondere langgestreckte Infrarot­ strahler mit Längen von über 1 m, zur flächenhaften bzw. linienhaften Bestrahlung bei Wahrung der axialen Stabilität anzugeben; dabei sollen flache Heizelemente, bzw. Strahlerelemente ein­ gesetzt werden, die ggf. eine hohe Modulationsrate der Strahlungsintensität ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Als vorteilhaft erweist es sich dabei, daß aufgrund des gasdichten Abschlusses eine hohe Be­ lastbarkeit des Kohlefaserbandes, bzw. Carbonbandes möglich ist, wobei zur Fertigung auf die bereits vorhandene Technologie von gasdicht abgeschlossenen Quarzlampen, bzw. Infrarot­ strahlern zurückgegriffen werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß mehrere Kohlefaserbänder zueinander parallel angeordnet werden können, um so eine großflächige In­ frarotbestrahlung zu erzielen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Als besonders vorteilhaft erweist sich nach der Erfindung das verhältnismäßig rasche Anspre­ chen der Infrarotstrahlung in Abhängigkeit von der Stromversorgung, so daß beispielsweise auch eine Modulation der abgegebenen Infrarotstrahlung möglich ist.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b, 1c, 2a, 2b und 2c näher erläutert.

Fig. 1a zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen langgestreckten Infrarotstrahler zur flächenhaften Bestrahlung mit Blick auf die Strahlungsquelle,

Fig. 1b zeigt schematisch einen Querschnitt entlang der Linie AB der Fig. 1a mit kreisrundem Quarzglaskapillarrohr, bzw. Quarzglas-Schlitzkapillarrohr;

Fig. 1c zeigt ebenfalls einen Schnitt entlang der Linie AB der Fig. 1a mit einem flachge­ quetschten Quarzglaskapillarrohr, bzw. Quarzglas-Schlitzkapillarrohr;

Fig. 2a zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Infrarotstrahlers zur flächenhaften Be­ strahlung mit zwei nebeneinander liegenden Strahlenquellen in einem Quarzglas-Schlitzkapil­ larrohr mit zwei zueinander parallel angeordneten Hohlräumen;

Fig. 2b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie CD der Fig. 2a mit einem Kapillarrohrquer­ schnitt in Form einer Acht, während Fig. 2c ein Flachkapillarrohr mit zwei nebeneinander lie­ genden Strahlenquellen gemäß dem Schnitt CD der Fig. 2a zeigt.

Gemäß Fig. 1a ist der als Kohlefaserband ausgebildete Widerstandskörper 1 als Strahlungs­ quelle in einem durch gestrichelte Linien schematisch dargestellten Hohlraum 2 angeordnet, welcher von einem Quarzglas-Schlitzkapillarrohr, bzw. einer Quarzglasumhüllung 3 umgeben ist. Die elektrischen Leistungen der Strahlungsquelle werden durch die Querschnittsfläche und Länge des Widerstandskörpers 1 definiert; der Widerstandskörper 1 weist an seinen Enden 4, 5 jeweils Metallisierungsbereiche 6 und 7 auf, die jeweils über eine kraftschlüssig aufgebrachte U-förmige Kontaktklammer 8, 9 mit daran befestigten Kontaktstiften 10, 11 verbunden sind; die Kontaktklammern 8, 9 können zusätzlich mit dem Metallisierungsbereich 6, 7 verschweißt sein. Die Kontaktstifte 10, 11 sind ihrerseits wiederum durch Widerstandsschweißung mit den zur Stromdurchführung vorgesehenen Dichtungsfolien 12, 13 elektrisch und mechanisch fest ver­ bunden, die durch den abgedichteten Bereich der Quarzglasumhüllung führen. Der Außenan­ schluß erfolgt durch äußere Kontaktstifte 14, 15 welche ebenfalls durch Widerstandsschwei­ ßung mit den Dichtungsfolien 12, 13 nach außen durch die Quarzglasumhüllung verbunden ist. Die Abdichtung der Dichtungsfolien zusammen mit den Schweißkontakten der Kontaktstifte wird durch ein in der Quarzlampentechnik übliches Quetschverfahren vorgenommen. Der Stift 11 ist in Form eines Felderelements ausgebildet, um einen Dehnungsausgleich bzw. Län­ genausgleich bei Erwärmung des Widerstandskörpers zu gewährleisten. Als besonders geeig­ neter Werkstoff für die Dichtungsfolien ist Molybdän vorgesehen.

Fig. 1b zeigt einen Schnitt entlang der Linie AB der Fig. 1a, wobei erkennbar ist, daß sich der Widerstandskörper 1 innerhalb des Hohlraumes 2 befindet, der von dem umgebenen Quarzglasrohr 3, bzw. der Quarzglasumhüllung gebildet wird. Als besonders vorteilhaft erweist sich bei einem solchen schlitzförmigen flachen Kanal die Reaktionsschnelligkeit der mittelwelli­ gen Infrarotstrahlungsquelle, da sie durch die thermische Trägheit des umgebenen Quarzmate­ rials nicht wesentlich beeinträchtigt wird.

In Fig. 1c ist ebenfalls ein Querschnitt gemäß Linie AB der Fig. 1a dargestellt, wobei in die­ sem Falle ein abgeflachtes Quarzkapillarrohr 3 eingesetzt wird, welches aufgrund seiner gerin­ gen Dicke eine verzerrungsfreie flächenhafte Bestrahlung ermöglicht.

Der Hohlraum des Quarzglas-Kapillarrohres weist eine Höhe im Bereich von 1 bis 3 mm und ei­ ne Breite im Bereich von 4 bis 12 mm auf; das Verhältnis von Höhe zu Breite beträgt annä­ hernd 1 : 4.

Fig. 2a zeigt schematisch im Längsschnitt zwei zueinander parallel angeordnete Widerstands­ körper 17, 18, die sich jeweils in einem durch gestrichelte Linien angedeuteten Hohlraum 19, 20 eines Quarzglas-Schlitzkapillarrohres 21 befinden und über Metallisierungsbereiche 22, 23, 24 und 25 an ihren jeweiligen Enden mit kraftschlüssig aufgebrachten U-förmigen Kontaktklam­ mern 26, 27, 28, 29 verbunden sind, die ihrerseits wiederum mit Kontaktstiften 31, 32, 33, 34 versehen sind; die zueinander parallel angeordneten Kontaktstifte 33, 34 sind als Federelemen­ te ausgebildet, die aufgrund ihrer spiralförmigen Struktur die bandförmigen Widerstandskörper auf Zug beanspruchen, um eine thermische Dehnung beim Betrieb auszugleichen; die Kontakt­ klammern 26, 27, 28 und 29 können mit dem jeweiligen Metallisierungsbereich 22, 23, 24 und 25 zusätzlich verschweißt sein.

Die Kontaktstifte 31, 32, 33 und 34 sind jeweils mit Dichtungsfolien 36, 37, 38 und 39 durch Wi­ derstandsschweißung elektrisch und mechanisch fest verbunden, wobei die Dichtungsfolien zur äußeren Kontaktierung mit Kontaktstiften 41, 42, 43 und 44 durch Widerstandsschweißung ver­ bunden sind; die Dichtungsfolien 36, 37, 38 und 39 sind zusammen mit den Schweißkontakten der Kontaktstifte durch ein in der Fertigungstechnik für Quarzlampen übliches Quetschverfah­ ren gasdicht abgeschlossen. Da jeder der beiden Widerstandskörper 17 und 18 eigene Außen­ kontakte hat, ist es möglich, je nach Anwendungsfall durch äußere Schaltungsmittel eine Paral­ lel- oder Serienschaltung beider Widerstandskörper zu bilden.

Fig. 2b zeigt einen Querschnitt durch das Quarz-Doppelrohrsystem in Form einer Acht gemäß der Linie CD der Fig. 2a. Innerhalb des Quarzglas-Doppelrohres 21 befinden sich die kapilla­ ren schlitzförmigen Hohlräume 19, 20, in denen jeweils ein Widerstandskörper 17, 18 angeordnet ist. Anhand Fig. 2b ist erkennbar, daß beide Hohlräume 19, 20 durch einen Zwi­ schensteg 45 vollständig voneinander getrennt sind.

Fig. 2c zeigt eine Variante des Querschnittes entlang der Linie CD gemäß Fig. 2a auf, wobei das Kapillarquarzglas-Doppelrohrsystem abgeflacht ist, um eine verbesserte Transmission oh­ ne optische Bündelung der erzeugten Infrarotstrahlung zu ermöglichen. Aufbau und Wirkungs­ weise entsprechen dabei im wesentlichen der anhand der Fig. 2b dargestellten Ausführungs­ form, so daß auch entsprechende Bezugsziffern verwendet werden.

Als Werkstoffe für die Widerstandskörper haben sich insbesondere Carbonbänder mit einer Dicke von 0,15 mm und einer Breite von 10 bis 11 mm bewährt, während als Metallisierungs­ werkstoff insbesondere Nickel eingesetzt wird. Die mit der Metallisierung durch Widerstands­ schweißung verbundenen Kontaktstifte bestehen aus Molybdän, wobei die mit ihnen verbunde­ nen Dichtungsfolien ebenfalls aus Molybdän bestehen; die äußeren Kontaktstifte bestehen auch aus Molybdän.

Claims (12)

1. Infrarotstrahler mit langgestreckter Strahlungsquelle, die von einer gasdichten Quarzglas­ umhüllung umgeben ist, wobei die Strahlungsquelle als bandförmiger Widerstandskörper ausgebildet ist und an wenigstens zwei Enden mit nach außen führenden, abgedichteten Stromdurchführungen elektrisch und mechanisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (1, 17, 18) in einem Quarzglas-Kapillarrohr (3, 21) angeord­ net ist.

2. Infrarotstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstandskörper (1, 17, 18) ein Kohlefaser-Band vorgesehen ist.

3. Infrarotstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlefaserband eine Dicke von 0,1 bis 0,15 mm aufweist, wobei dessen Verhältnis von Dicke zu Breite im Be­ reich von 1 : 10 bis 1 : 70 liegt.

4. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in­ nere Hohlraum (2) des Quarzglas-Kapillarrohres (3) eine Höhe im Bereich von 1 bis 3 mm und eine Breite im Bereich von 4 bis 12 mm aufweist.

5. Infrarotstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Höhe zu Breite näherungsweise 1 : 4 beträgt.

6. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens zwei Widerstandskörper (17, 18) in jeweils eigenen spaltförmigen Ausnehmungen (19, 20) der Quarzglas-Umhüllung (3) angeordnet sind, die sich in derselben Ebene befin­ den, wobei zwischen beiden Widerstandskörpern ein trennender Quarzglas-Steg ange­ ordnet ist.

7. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stromdurchführung durch die Quarzglasumhüllung wenigstens zwei Dichtungsfolien (12, 13, 36, 37, 38, 39) vorgesehen sind, die über jeweils eine Kontaktklammer (8, 9, 26, 27, 28, 29) mit einem Metallisierungsbereich (6, 7, 22, 23, 24, 25) des Widerstandskörpers (1, 17, 18) verbunden sind.

8. Infrarotstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallisierungsbe­ reich (6, 7, 22, 23, 24, 25) vernickelt ist.

9. Infrarotstrahler nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktklam­ mer (8, 9, 26, 27, 28, 29) durch Kraftschluß und durch eine zusätzliche Widerstands­ schweißung mit dem Metallisierungsbereich (6, 7, 22, 23, 24, 25) verbunden ist.

10. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenig­ stens zwei zueinander parallel ausgerichtete Widerstandskörper (17, 18) vorgesehen sind.

11. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllgas des Quarzglas-Kapillarrohres Edelgas, vorzugsweise Argon, mit einem Kalt­ fülldruck von 600 bis 900 mbar vorgesehen ist.

12. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das In­ nere des Quarzglas-Kapillarrohres evakuiert ist.