DE4438871A1

DE4438871A1 - Infrarotstrahler mit einem flächenhaft ausgebildeten Widerstandskörper als Strahlungsquelle

Info

Publication number: DE4438871A1
Application number: DE19944438871
Authority: DE
Inventors: Joachim Scherzer; Klaus Spitzenberg
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 1994-11-03
Filing date: 1994-11-03
Publication date: 1996-05-09

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler mit wenigstens einem flächenhaft ausgebildeten Wi derstandskörper als Strahlungsquelle, die von einer vakuumdichten Quarzglasumhüllung umge ben ist, wobei der Widerstandskörper in Form eines langgestreckten Bandes ausgebildet und an wenigstens zwei Enden mit nach außen führenden Stromdurchführungen in Form von abge dichteten Kontaktfolien elektrisch und mechanisch fest verbunden ist.

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

Als problematisch erweist sich hierbei die verhältnismäßig aufwendige Einbringung einer Glüh wendel, welche besondere Arretierungs- und Stabilisierungselemente entlang ihrer gesamten Wendellänge erforderlich macht; weiterhin stellt eine Wendel aufgrund ihrer Linienform keine ideale Flächenbeleuchtung dar, so daß stets eine Vielzahl von Strahlerquellen mit Wendeln, zur Erzeugung einer flächenhaften Bestrahlung erforderlich ist.

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

Aufgrund der durch eine Öffnung gerichtet austretenden Strahlung, ist die Infrarotstrahlenquelle als Flächenstrahler praktisch 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 zur flächenhaften Bestrahlung anzugeben, die sehr flache Heizelemente, bzw. Strahlerelemente einsetzen und eine hohe Modulationsrate der Strahlungsintensität ermöglichen.

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

Als vorteilhaft erweist es sich dabei besonders, daß aufgrund des gasdichten Abschlusses eine hohe Belastbarkeit des Kohlefaserbandes, bzw. Carbonbandes möglich ist, wobei zur Fertigung auf die bereits vorhandene Technologie der gasdicht abgeschlossene Infrarotstrahler zurückge griffen werden kann. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß mehrere Kohlefaserbänder zu einander parallel angeordnet werden können, um so eine großflächige Infrarotstrahlungswir kung 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.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die Evakuierung und eventuelle Einbringung von Inertgas nach vakuumdichter Verbindung der Quarzglasflächen und nach vakuumdichtem Ein schmelzen der Kontaktfolien bzw. Dichtungsfolien nach der bei Entladungslampen mit Quarz glasumhüllung üblichen Technologie vorgenommen wird.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1a, 1b, 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, 5a und 5b näher erläutert;

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

Fig. 1b zeigt schematisch einen Querschnitt entlang der Linie AB der Fig. 1a;

Fig. 2a zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Infrarotstrahlers zur flächenhaften Be strahlung mit zwei nebeneinander liegenden Strahlenquellen, die elektrisch in Serie geschaltet sind;

Fig. 2b zeigt schematisch einen Querschnitt entlang der Linie CD der Fig. 2a,

Fig. 3a zeigt einen flächenhaften Infrarotstrahler mit mäanderförmig geschalteten Wider standskörpern im Längsschnitt,

Fig. 3b zeigt schematisch einen Querschnitt entlang der Linie EF der Fig. 3a;

Fig. 4a zeigt schematisch in der Draufsicht einen Längsschnitt eines Hochleistungs-Infrarot strahlers zur flächenhaften Bestrahlung mit mehreren parallelen elektrischen Anschlüssen;

Fig. 4b zeigt schematisch einen Querschnitt entlang Linie GH;

Fig. 5a zeigt schematisch einen Längsschnitt eines Infrarot-Flächenstrahlers mit Serienschal tung mehrerer bandförmiger Strahlungsquellen, die näherungsweise die Form einer Kreisfläche ausfüllen;

Fig. 5b zeigt schematisch einen Querschnitt entlang Linie IK der Fig. 5a.

Gemäß Fig. 1a ist der Widerstandskörper 1 als Kohlefaserband ausgebildet, welches als Strahlungsquelle von einer Umhüllung aus zwei sich gegenüberliegenden Quarzglasplatten 2 und 3 umgeben ist, die jeweils im Bereich ihres Randes 4 und 5 vakuumdicht miteinander ver bunden sind, wobei durch den Randbereich jeweils eine abgedichtete Kontaktfolie 6 zur Herstellung der Außenkontaktierung geführt ist. Der Widerstandskörper 1 weist an seinen En den 7, 8 jeweils Metallisierungsbereiche 9 und 10 auf, die jeweils über eine kraftschlüssig auf gebrachte U-förmige Kontakt-Klammer 11, 12 mit daran befestigten Kontaktstiften 13, 14 ver bunden sind; darüberhinaus können die Kontakt-Klammern 11, 12 zusätzlich mit dem Metalli sierungsbereich 9, 10 verschweißt sein. Die Kontaktstifte 13, 14 sind ihrerseits wiederum durch Widerstandsschweißung mit den Kontaktfolien 6 elektrisch und mechanisch fest verbunden. Der Außenanschluß erfolgt durch äußere Kontaktstifte 15, 16, welche ebenfalls durch Wider standsschweißung mit den Kontaktfolien 6 nach außen verbunden sind.

Fig. 1b zeigt den Schnitt entlang der Linie AB der Fig. 1a, wobei erkennbar ist, daß der als Kohlefaserband ausgebildete Widerstandskörper 1 von den sich kongruent überlagernden Quarzglasplatten 2 und 3 umhüllt wird, deren Ränder 4 und 5 in einem mittels Bezugsziffer 17 dargestellten Bereich vakuumdicht miteinander verbunden sind; die Verbindung kann als Schmelzverbindung oder als Klebeverbindung ausgeführt sein, wobei die Klebeverbindung mit Hochtemperaturkitt vorgenommen wird. Aufgrund der hohen thermischen Trägheit und gerin gen Wärmeleitfähigkeit des Quarzmaterials wird die Reaktionsschnelligkeit des Widerstands körpers 1 praktisch nicht beeinträchtigt so daß auch ein modulierter Betrieb des Widerstands körpers als Infrarotstrahlenquelle möglich ist.

Fig. 2a zeigt schematisch im Längsschnitt zwei zueinander parallel angeordnete Widerstands körper 1 ^I, 1 ^II, die ähnlich - wie in Fig. 1a erläutert - von zwei kongruent übereinander liegenden Quarzglasplatten 2, 3 umgeben sind, wobei die Ränder 4, 5 der Quarzglasplatten vakuumdicht miteinander verbunden sind und lediglich jeweils eine abgedichtete Stromdurchführung in Form von Kontaktfolien 6 aufweisen; die Widerstandskörper 1 ^I, 1 ^II weisen an ihren Enden jeweils Me tallisierungsbereiche 19, 20, 21 und 22 auf, von denen die Metallisierungsbereiche 19 und 22 jeweils über eine kraftschlüssig aufgebrachte U-förmige Kontakt-Klammer 11, 12 mit daran be festigten Kontaktstiften 13, 14 verbunden sind; darüberhinaus ist es auch möglich, die Kontakt- Klammern 11, 12 jeweils zusätzlich mit dem Metallisierungsbereich 19, 22 zu verschweißen. Die Kontaktstifte 13, 14 sind ihrerseits wiederum durch Widerstandsschweißung mit den Kon taktfolien 6 elektrisch und mechanisch fest verbunden. Der Außenanschluß erfolgt durch äuße re Kontaktstifte 15, 16, welche ebenfalls durch Widerstandsschweißung mit den Kontaktfolien 6 verbunden sind; die Kontaktfolien 6 sind durch den Verbindungsbereich im Bereich der Ränder 4, 5 der Quarzglasplatten 2, 3 geführt; weiterhin ist eine Überbrückung zwischen den Metallisie rungsbereichen 20, 21 zur Serienschaltung beider Widerstandskörper 1 ^I und 1 ^II vorgesehen. Als Überbrückung zwischen dem Metallisierungsbereichen 20, 21 hat sich insbesondere eine Kontaktbrücke 23 aus Molybdänblech erwiesen, die ebenso wie die Kontakt-Klammern mittels U-förmiger Ausbildung auf die Metallisierungsbereiche aufgesteckt und ggf. zusätzlich ver schweißt ist. Ein Trennsteg zwischen den beiden Widerstandskörpern 1 ^I, 1 ^II ist nicht vorgese hen, dies bedeutet, daß sich beide Widerstandskörper in einem gemeinsamen Raum befinden.

Fig. 2b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie CD gemäß Fig. 2a; anhand Fig. 2b sind die beiden Widerstandskörper 1 ^I, 1 ^II erkennbar, welche mittels Kontaktbrücke 23 miteinander verbunden sind; beide Widerstandskörper sind ähnlich wie anhand Fig. 1a erläutert von zwei zueinander kongruenten Quarzglasplatten 2, 3 umhüllt, welche entlang ihrer Ränder 4, 5 im Verbindungsbereich 17 vakuumdicht verbunden sind, wobei jeweils mittels Kontaktfolie die Stromdurchführung nach außen erfolgt. Beide Widerstandskörper liegen in einer Ebene, wobei die geringe Wärmeleitfähigkeit und hohe Wärmeträgheit des umgebenen Quarzmaterials eben so wie anhand Fig. 1b erläutert, eine Modulation der Strahlungsintensität ermöglichen.

Fig. 3a zeigt in der Draufsicht eine mäanderförmige Anordnung, die aus vier in einer Ebene liegenden, in Reihe geschalteten Widerstandskörpern 1 ^I, 1 ^II, 1 ^III und 1 ^IV zusammengesetzt ist, wobei die bandförmigen Widerstandskörper zueinander parallel angeordnet sind und die äuße ren Anschlußkontakte 15, 16 über Folien 6 mit Kontaktstiften 13, 14 und Kontakt-Klammern 11, 12 der Metallisierungsbereiche 24, 31 verbunden und aus einer Umfangsseite der vakuumdich ten Abdichtung herausgeführt sind; gemäß Fig. 3a sind die beiden äußeren Widerstandskör per 1 ^I bis 1 ^IV jeweils über Metallisierungsbereiche 25, 26, 27, 28, 29, 30 mittels Kontaktbrücken 23 verbunden, welche zu einer Serienschaltung der äußeren mit den inneren Widerstandskör pern 1 ^III und 1 ^IV führt, so daß alle vier Widerstandskörper in Reihe geschaltet sind.

Anhand des Querschnitts der Fig. 3b ist erkennbar, daß alle vier Widerstandskörper 1 ^I, 1 ^II, 1 ^III und 1 ^IV zueinander parallel in einer Ebene liegen, so daß ein flächiger Bestrahlungseffekt erzielt werden kann.

Eine Hochleistungsstrahlungsanordnung ist anhand Fig. 4a erläutert, wobei der Widerstands körper 1 auf zwei gegenüber liegenden Seiten an seinen Rändern jeweils einen Metallisie rungsbereich 32, 33 aufweist, der über jeweils eine Kontakt-Klammer 41, 42 mit mehreren, im vorliegenden Fall jeweils drei Kontaktstiften 35, 36, 37 und 38, 39, 40 an Kontaktfolien 6 durch Widerstandsschweißung angeschlossen ist, welche über äußere Kontaktstifte 43, 44, 45 und 46, 47, 48 aus dem abgedichteten Verbindungsbereich 17 der zueinander konkruenten Quarz glasplatten 2, 3 geführt sind. Da der Widerstandskörper 1 als homogene Heizfläche somit von drei parallelen Strömen durchflossen wird, ist es möglich, eine solche Anordnung beispielswei se als Heizplatte eines Kochherdes einzusetzen, da hier verhältnismäßig große Strahlungse nergien erforderlich sind.

Fig. 4b zeigt im Querschnitt entlang der Linie GH den Gegenstand der Fig. 4a. Auch hier ist erkennbar, daß sich der Widerstandskörper 1 zwischen zwei Quarzglasplatten 2 und 3 befindet, welche zueinander konkruent übereinanderliegen und deren Ränder 4, 5 im Bereich 17 mitein ander vakuumdicht verbunden sind, wobei der Verbindungsbereich 17 durch Kontaktfolien 6 unterbrochen wird; die Kontaktfolien 6 sind jeweils über einen aufgeschweißten Kontaktstift mit dem Widerstandskörper 1 verbunden. Die Verbindung zu den äußeren Kontaktstiften ist durch eine Widerstandsschweißung zwischen Kontaktfolie 6 und den äußeren Kontakten hergestellt, wobei der übrige Aufbau sinngemäß dem der Fig. 1a und 1b entspricht.

Fig. 5a zeigt eine Anordnung zur Beheizung einer kreisförmigen Fläche, wobei fünf Wider standskörper 1 ^I, 1 ^II, 1 ^III, 1 ^IV, 1 ^V, die näherungsweise als Kreissegmente ausgebildet sind, in Rei he geschaltet sind. Die beiden äußeren Widerstandskörper 1 ^I und 1 ^II sind über Kontakt-Klam mern 49, 50 der Metallisierungsbereiche 51, 52 und über Kontaktstifte 53, 54 jeweils mit zuein ander diametral angeordneten Kontaktfolien 6 durch Widerstandsschweißung verbunden, die über äußere Kontaktstifte 55, 56 mit einer Stromquelle zu verbinden sind; die Metallisierungs bereiche 51, 52 sind im Verhältnis zur jeweiligen Längsachse 57 der Widerstandskörper ange winkelt, um näherungsweise geeignete Kreissegmente zu bilden; entsprechend sind auch die übrigen Metallisierungsbereiche 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65 im Bereich der Kontaktbrücken 66, 67, 68, 69 schrägwinkelig zu den Längsachsen 57 der Widerstandskörper angeordnet. Auf grund der Reihenschaltung der Widerstandskörper ist gemäß Fig. 5a eine gleichmäßige Ener gieabstrahlung aller Widerstandskörper zu erzielen, wobei die vorliegende Form insbesondere für Geräte zur Gasanalyse oder zur Ausgestaltung als Kochplatte geeignet ist.

Fig. 5b zeigt einen Querschnitt entlang der Linie IK, so daß sämtliche Widerstandskörper 1 ^I, 1 ^II 1 ^III, 1 ^IV und 1 ^V schematisch erkennbar sind. Anhand dieser Figur ist ersichtlich, daß beide Glasplatten übereinanderliegend entlang ihrer Ränder 4, 5 miteinander verbunden sind, wobei der Kontaktstift 54 des Widerstandskörpers 1 ^II schematisch dargestellt ist. Weiterhin sind die Kontaktbrücken 66 und 68 zwischen den Widerstandskörpern 1 ^I und 1 ^III sowie 1 ^IV und 1 ^V deut lich erkennbar.

Der übrige Aufbau entspricht prinzipiell dem, wie er anhand der Fig. 1a und 1b, bzw. 3a und 3b erläutert ist.

Die Dicke des Kohlefaserbandes liegt im Bereich von 0, 1 bis 0,2 mm, das Verhältnis der Dicke zur Breite im Bereich von 1 : 70 bis 1 : 150. Als Werkstoff für die Metallisierung hat sich insbeson dere Nickel bewährt, während die Kontaktstifte zu der Kontaktfolie aus Molybdän bestehen; die Kontaktfolie ist als Molybdänfolie ausgebildet. Die äußeren Kontaktstifte bestehen ebenso wie die auf den Metallisierungsbereich aufgebrachte Kontakt-Klammer aus Molybdän.

Claims

1. Infrarotstrahler mit wenigstens einem flächenhaft ausgebildeten Widerstandskörper als Strahlungsquelle, die von einer vakuumdichten Quarzglasumhüllung umgeben ist, wobei der Widerstandskörper in Form eines langgestreckten Bandes ausgebildet und an wenig stens zwei Enden mit nach außen führenden Stromdurchführungen in Form von abge dichteten Kontaktfolien elektrisch und mechanisch fest verbunden ist, dadurch gekenn zeichnet, daß der Widerstandskörper (1, 1 ^I, 1 ^II, 1 ^III, 1 ^IV, 1 ^V) mit seinen Breitseiten jeweils zu einer Quarzglasfläche (2, 3) der Quarzglasumhüllung benachbart angeordnet ist und daß beide Quarzglasflächen entlang ihrer äußeren Ränder (4, 5) übereinanderliegend vaku umdicht miteinander verbunden sind.

2. Infrarotstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglasflächen (2, 3) entlang ihrer Ränder (4, 5) miteinander verschmolzen sind.

3. Infrarotstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglasflächen (2, 3) entlang ihrer Ränder (4, 5) mittels vakuumdichten Hochtemperaturkitt miteinander ver bunden sind.

4. Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Widerstandskörper (1, 1 ^I, 1 ^II, 1 ^III, 1 ^IV, 1 ^V) Kohlefaserband eingesetzt ist.

5. Infrarotstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstandskörper (1, 1 ^I, 1 ^II, 1 ^III, 1 ^IV, 1 ^V) an seinen beiden Enden einen Metallisierungsbereich (9, 10, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 51, 52, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65) aufweist.

6. Infrarotstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Metallisierungs bereich eine U-förmige Kontakt-Klammer (11, 12, 41, 42, 49, 50) oder Kontaktbrücke (23, 66, 67, 68, 69) aufgesetzt ist, die das mit dem Metallisierungsbereich versehene Ende des Widerstandskörpers kraftschlüssig umfaßt.

7. Infrarotstrahler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakt-Klammer (11, 12, 41, 42, 49, 50) zusätzlich durch Widerstandsschweißung mit dem Metallisierungsbe reich verbunden ist.

8. Infrarotstrahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktbrücke (23, 66, 67, 68, 69) zusätzlich durch Widerstandsschweißung mit dem Metallisierungsbereich verbunden ist.

9. Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglasflächen (2, 3) in zwei Ebenen übereinanderliegend angeordnet sind.

10. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglasflächen zylindrisch ausgebildet sind, wobei eine erste zylindrische Quarzglasflä che eine zweite zylindrische Quarzglasfläche konzentrisch umfaßt.

11. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglasflächen konisch ausgebildet sind, wobei eine erste konische Quarzglasfläche eine zweite konische Quarzglasfläche konzentrisch umfaßt.

12. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Quarzglasflächen in ihrer Gestalt einem zu bestrahlenden Werkstück angepaßt sind.

13. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das In nere der Quarzglasumhüllung mit Inertgas gefüllt ist.

14. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das In nere der Quarzglasumhüllung evakuiert ist.