DE69014892T2 - Einrichtung für infrarotausstrahlung. - Google Patents
Einrichtung für infrarotausstrahlung.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Infrarot-Strahlungsemissionsanordnung.
- Es sind Infrarot-Strahler bekannt, die einen Wolframfaden in einer Umhüllung aus Quarzglas umfassen. Derartige Strahler weisen ein schnelles Ansprechverhalten auf, darin, daß sich die emittierte Strahlung innerhalb einer Sekunde nach Ausschalten des Strahlers von voller Leistung auf vernachlässigbare Werte ändern kann. Jedoch emittieren diese Strahler Strahlung überwiegend im kurzen Wellenlängenbereich der Infrarot-Strahlung, d.h. im Bereich von 0,8 bis 2,5 um, oder im mittleren Wellenlängenbereich der Infrarot-Strahlung von 1,2 bis 4,0 um.
- Es ist auch bekannt, Strahlung im Wellenlängenbereich von 2 bis 10 um emittierende langwellige Infrarot-Strahler vorzusehen, bei denen ein Substrat auf einer Temperatur gehalten wird, welche die Wellenlänge der emittierten Strahlung bestimmt. Solche Strahler weisen jedoch ein langsames thermisches Ansprechverhalten der Größenordnung von 200 bis 300 Sekunden auf.
- Aus der EP-A-0134090 und der GB-A-2160400 ist es bekannt, eine Infrarot-Strahlungsemissionsanordnung vorzusehen, die eine zur Emission der Strahlung in ener ersten Richtung ausgelegte Primärquelle kurz oder mittelwelliger Infrarot-Strahlung sowie ein Substrat aus thermisch isolierendem Material mit einer von der Primärquelle im Abstand vorgesehenen und in die erste Richtung weisenden Oberfläche umfaßt. Diese Anordnung bietet jedoch keine signifikante Abstrahlung langwelliger Tnfrarot-Strahlung, da die Oberfläche ein hohes Reflexionsvermögen aufweist.
- Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Infrarot-Strahlungsemissionsanordnung zu schaffen.
- Erfindungsgemäß ist eine Infrarot-Strahlungsemissionsanordnung vorgesehen, umfassend:
- eine Primärquelle kurz- oder mittelwelliger Infrarot-Strahlung, welche zur Emission der kurz oder mittelwelligen Infrarot-Strahlung in einer ersten Richtung ausgelegt ist,
- sowie ein Substrat aus thermisch isolierendem Material mit einer von der Primärquelle im Abstand vorgesehenen und in die erste Richtung weisenden Oberfläche,
- gekennzeichnet durch eine auf zumindest einem Teil der Oberfläche, auf den die kurz oder mittelwellige Infrarot-Strahlung im Gebrauch einfällt, vorgesehene Schicht eines Infrarot-Strahlung absorbierenden Materials, wobei die Schicht ausgeführt ist, die kurz- oder mittelwellige Infrarot-Strahlung zu absorbieren, wodurch die Schicht zur Abstrahlung längerwelliger Infrarot-Strahlung in einer zweiten, der ersten Richtung im wesentlichen entgegengesetzten Richtung erwärmt wird, wobei das infrarot-absorbierende Material bei Infrarot-Wellenlängen eine normale spektrale Emittanz von wenigstens 0,8 aufweist.
- Bei einer gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Anordnung fällt Strahlung von der Primärquelle auf die Schicht ein und wird von dieser absorbiert. Da das Substrat thermisch isolierend ist, wird wenig Wärme von der Schicht abgeleitet und die Schicht so über der Umgebungstemperatur gehalten. Die von dem infrarot-absorbierenden Material erreichte Temperatur hängt von der Intensität der darauf einfallenden kurz- oder mittelwelligen Infrarot- Strahlung der Primärquelle sowie vom Absorptionsvermögen/Reflexionsvermögen der Schicht ab. Die Intensität der auf die Schicht einfallenden Strahlung selbst ist von der Positionierung und Gestaltung der Schicht bezüglich der Primärquelle abhängig. Demgemäß befindet sich die Schicht auf einer niedrigeren Temperatur und emittiert so Strahlung längerer Wellenlänge als die Primärquelle.
- Vorteilhafterweise ist ein Teil der Oberfläche für Strahlung bei Infrarot-Wellenlängen reflektierend. Die gesamte Strahlungsabgabe einer solchen Anordnung ist eine Kombination der von der Oberfläche reflektierten kurz oder mittelwelligen Primärquellenstrahlung und der von der Schicht emittierten mittel-/langwelligen Strahlung. Auf diese Weise kann die Gesamtstrahlungsabgabe der Anordnung weiter kontrolliert werden.
- Vorteilhafterweise hat die Schicht eine geringe thermisch wirksame Masse und spricht in der Temperatur schnell auf Änderungen in der einfallenden Infrarot-Strahlung an. Das thermische Ansprechverhalten der Anordnung hängt vom thermischen Ansprechverhalten der Primärquelle, das, wie vorher angedeutet, sehr schnell sein kann, sowie von der thermisch wirksamen Masse desjenigen Teils des Substrats ab, der auf die einfallende Infrarot-Strahlung anspricht. Dementsprechend hat eine diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung gemäße Anordnung ein relativ schnelles thermisches Ansprechverhalten sowie ein Emissionsspektrum im langwelligen Infrarot.
- Die Anordnung der Erfindung hat die Vorteile, daß sie bei Emission im langwelligen Bereich des Infrarot-Spektrums ein schnelleres thermisches Ansprechverhalten als bekannte Emissionsanordnungen hat und daß sie auch eine kontrollierbare Aufweitung der nützlichen Wellenlängengrenzen der Gesamtstrahlungsabgabe der Anordnung, verglichen mit einem herkömmlichen Einzelheißkörper- Infrarotstrahler, bietet.
- Vorzugsweise strahlt die Oberfläche der Schicht wenigstens 50% und bevorzugt wenigstens 85% der von der Primärquelle auf die Schicht einfallenden Strahlungsenergie wieder ab.
- Vorteilhafterweise umfaßt die Primärquelle eine Umhüllung, wobei ein Teil dieser Umhüllung, durch den Strahlung von der Oberfläche weg durchgelassen wird, mit einem Infrarot-Strahlung absorbierenden Material beschichtet ist, das im Betrieb zur Abstrahlung längerwelliger Infrarot-Strahlung erwärmt wird.
- Alternativ kann die Anordnung einen Sekundärreflektor umfassen, um Strahlung von der Primärquelle auf die Oberfläche zu richten.
- Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun lediglich beispeilhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
- Figur 1 eine drei erfindungsgemäß vorgesehene Infrarot-Strahlungsemissionsanordnungen umfassende, zusammengesetzte Anordnung zeigt;
- Figur 2 die spektrale Abgabe eines Wolframquarzstrahlers zur Verwendung bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zeigt;
- Figuren 3 und 4 zweite und dritte Ausführungsformen erfindungsgemäß vorgesehener Infrarot-Strahlungsemissionsanordnungen zeigen;
- Figur 5 ein Substrat zur Verwendung mit einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen Infrarot-Strahlungsemissionsanordnung zeigt;
- Figuren 6 und 7 spektrale Abgaben erfindungsgemäß vorgesehener Anordnungen zeigen; und
- Figur 8 das Reflexionsvermögen eines Substrats zur Verwendung bei einer erfindungsgemäßen Anordnung zeigt.
- Figur 1 zeigt drei Infrarot-Strahlungsemissionsanordnungen 1, 2 und 3, die jeweils einen kurzwelligen Infrarot-Strahler 4, wie beispielsweise einen Wolframquarzstrahler, umfassen. Die spektrale Abgabe eines bekannten Wolframquarzstrahlers ist in Figur 2 gezeigt. Jeder kurzwellige Infrarot-Strahler 4 weist einen zugehörigen Reflektor 5 auf, der so angeordnet ist, daß er Infrarot-Strahlung vom Strahler 4 auf eine konkave Oberfläche 6 eines thermisch isolierenden Substrats 7 hohen Wirkungsgrads richtet. Das Substrat 7 kann aus einem Material geringer thermisch wirksamer Masse, wie Keramikfaser oder mikroporösem thermisch isolierenden Material, sein, das sowohl Strahlung infraroter Wellenlängen reflektiert als auch thermisch isolierend ist. Die Oberfläche 6 weist eine Schicht 8 auf, auf die die Strahlung vom zugehorigen Strahler 4 einfällt. Die Schicht 8 ist aus einem Infrarot-Strahlung absorierenden Material, wie Kupferoxid, Borcarbid oder Eisenoxid. Die Schicht 8 wird durch die einfallende Strahlung des zugehörigen Strahlers 4 (angedeutet durch den Pfeil S) erwärmt und emittiert Infrarot-Strahlung im mittleren/langen Wellenlängenbereich des Infrarot-Strahlungsspektrums (wie durch den Pfeil M/L angedeutet). Die Schicht ist sehr dünn, so daß sie eine geringe thermisch wirksame Masse hat und daher schnell auf Änderungen der auf sie einfallenden Infrarot-Strahlung anspricht.
- Die Schicht 8 kann aus jedem Infrarot-Strahlung absorbierenden Material hergestellt sein, das ein hohes Emissionsvermögen von vorzugsweise wenigstens 0,8 aufweist. Tabelle 1 zeigt eine Anzahl von Materialien hohen Emissionsvermögens und gibt die Bedingungen an, unter denen dieses hohe Emissionsvermögen gemessen wurde, nämlich den Wellenlängenbereich der emittierten Strahlung sowie die Temperatur des Materials, bei der diese Emission stattfand. Tabelle 1 Bedingungen für normale spektrale Emittanz E > 0,8 Material Bemerkungen Wellenlänge (um) TEMP (K) Kohlenstoff (Graphit) im nichtoxidierenden Zustand verschiedene Zusammensetzungen
- Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Strahlungsemissionsanordnung. Angesichts der Ähnlichkeit zwischen dieser Ausführungsform und der Ausführungsform der Figur 1 sind gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Bei der Ausführungsform der Figur 3 ist die Oberfläche 6 als ebene Oberfläche vorgesehen. Ebenso können Oberflächen anderer geometrischer Formen verwendet werden.
- Figur 4 zeigt eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorbereiteten Infrarot-Strahlungsemissionsanordnung. Zu jenen der Figuren 1 und 3 gleiche Teile sind durch gleiche Bezugsziffern bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform ist die Primärquelle 4 im Detail als ein Wolframfaden 10 in einer Ümhüllung 12 aus Quarzglas gezeigt. Ein Teil der Umhüllung 12, durch den Strahlung vom Faden 10 in Richtung weg vom Substrat 7 transmittiert wird, ist mit einem Infrarot-Strahlung absorbierenden Material beschichtet, das ein hohes Emissionsvermögen aufweist. Geeignete Materialien sind die vorher in Tabelle 1 vorgestellten. Wie die Schicht 8 auf dem Substrat 7 wird die Schicht 14 auf der Umhüllung 12 durch die einfallende Strahlung des Wolframfadens 10 erwärmt und emittiert Infrarot-Strahlung im mittleren/langen Wellenlängenbereich des Infrarot-Strahlungsspektrums. Ein Vorteil dieser Ausführungsform gegenüber den Ausführungsformen der Figuren 1 und 3 ist, daß die Wirkung der Abschirmung der Strahlung der Schicht 8 durch den Sekundärreflektor 5 der Fig. 1 und 3 auf die Gesamtstrahlungsabgabe der Ausführungsform vermindert ist. In Figur 4 gibt der Pfeil s kurzwellige Primärquellenstrahlung und der Pfeil M/L längerwellige Strahlung an.
- Wie oben besprochen, kann die Gesamtstrahlungsabgabe jeder Infrarot-Strahlungsemissionsanordnung 1, 2 oder 3 durch geeignete Wahl der Masse, d.h. der Dicke, und des Materials der Schicht 8 sowie der Position des Strahlers 4 und seines Reflektors 5 relativ zu der beschichteten Oberfläche 6 des Substrats 7 festgelegt werden, wobei diese Wahl die Temperatur der Schicht 8 während des Betriebs bestimmt.
- Figur 5 zeigt ein Substrat 7 zur Verwendung mit einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäß vorgesehenen Infrarot- Strahlungsemissionsanordnung. Zu jenen der Figuren 1 und 3 gleiche Teile sind durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform ist die Oberfläche 6 zum Teil nicht von der Schicht 8 bedeckt. Demgemäß wird vom zugehörigen Strahler 4 auf die unbeschichteten Teile 9 einfallende Infrarot-Strahlung hiervon direkt reflektiert werden. Die Gesamtstrahlungsabgabe dieser Anordnung ist eine Kombination von der Schicht 8 emittierter mittel-/langwelliger Strahlung und vom unbeschichteten Teil 9 reflektierter kurz-/mittelwelliger Infrarot-Strahlung.
- Bei den vorher beschriebenen Ausführungsformen weist die Schicht 8 eine ausreichende Menge infrarot-absorbierenden Materials pro Einheitsfläche des Teils des Substrats 7 auf, daß im wesentlichen die gesamte einfallende Infrarot-Strahlung absorbiert und bei längeren Wellenlängen wieder abgestrahlt wird. Alternativ kann die Schicht 8 eine zur Absorption der gesamten einfallenden Infrarot-Strahlung nicht ausreichende Menge Infrarot-Strahlung absorbierenden Materials umfassen. Es ist vorstellbar, daß dies dadurch geschieht, daß die Menge des Materials nicht ausreichend ist, die gesamte Oberfläche des Substrats 7 zu beschichten, so daß einfallende Strahlung von den unbeschichteten Teilen reflektiert wird. In diesem letzteren Fall wird diejenige Infrarot- Strahlung, die von der Schicht 8 nicht absorbiert wird, zum Substrat 7 transmittiert und von dort reflektiert. Dementsprechend ist die Gesamtstrahlungsabgabe einer solchen Anordnung wie bei der Ausführungsform der Figur 5 eine Kombination von der Schicht 8 emittierter Strahlung mittlerer/langer Wellenlängen und vom Substrat 7 reflektierter Infrarot-Strahlung kurzer/mittlerer Wellenlängen.
- Die Figuren 6 und 7 zeigen spektrale Abgaben für erfindungsgemäß vorgesehene Infrarot-Strahlungsemissionsanordnungen. In den Beispielen wurde das Substrat 7 aus einer Aluminosilikat-Keramikfaserplatte (beispielsweise "Kaowool 1600", hergestellt von Morgan Ceramic Fibres Limited) der Dicke 5 mm bis 7 mm mit einem Träger aus einer mikroporösen Wärmeisolationsplatte (beispielsweise "Microtherm", hergestellt von Micropore Insulation Limited) der Dicke 25 mm gefertigt. Alternativ kann eine einzelne Platte aus Keramikfaser oder Microtherm der Dicke 25 mm bis 30 mm verwendet werden. Die angegebenen thermischen Leitfähigkeiten des Substratmaterials betragen 0,079 W/mK für Kaowool und 0,025 W/mK für Microtherm. Das Reflexionsvermögen dieser zwei Substratmaterialien ist bei kurzwelliger Infrarot-Strahlung hoch - ein das Reflexionsvermögen von Microtherm zeigendes Schaubild ist als Figur 8 vorgesehen.
- In den Beispielen ist das für die absorbierende Schicht verwendete Material Siliziumcarbid, obwohl mit Erfolg auch Emissionsanordnungen unter Verwendung von Schichten aus Kupferoxid, Borsilizid und Molybdendisilizid hergestellt wurden. Wie vorher angedeutet, hat Siliziumcarbid bekanntermaßen ein Emissionsvermögen von wenigstens 0,8. Seine Absorptionsfähigkeit hängt von der Menge des pro Einheitsfläche des Substrat vorgesehenen Materials ab. Oberhalb eines bestimmten Werts der Schichtdicke ist das Absorptionsvermögen gleich dem Emissionsvermögen und die Schicht ist für die einfallende Strahlung undurchlässig. Für das speziell verwendete Siliziumcarbid betrug dieser kritische Wert 150 Gramm pro Quadratmeter.
- In jedem Beispiel waren das Substrat 7 und die Schicht 8 eben und das Substrat und die Primärquellen horizontal angeordnet.
- Figur 6 zeigt die Wirkung der Menge des Materials in der Schicht auf die spektrale Strahlungsabgabe vom Substrat. Die Einzelheiten dieser Beispiele sind wie folgt:
- Beispiel A - unbeschichtetes Kaowool;
- Beispiel B - Kaowool mit einer Schicht aus Siliziumcarbid des Schichtgewichts 50 Gramm pro Quadratmeter;
- Beispiel C - Kaowool mit einer Schicht aus Siliziumcarbid des Schichtgewichts 150 Gramm pro Quadratmeter;
- Man kann erkennen, daß die spektrale Strahlungsabgabe für Beispiel C überwiegend bei Wellenlängen größer als 2 um liegt. Die spektrale Strahlungsabgabe für Beispiel B umfaßt jedoch einen signifikanten Anteil bei Wellenlängen kleiner als 2 um, welcher durch Reflexion an Kaowool beigesteuert wird.
- Figur 7 zeigt die Wirkung, wenn ein Teil der Substratoberfläche unbeschichtet bleibt, wobei der Rest mit Siliziumcarbid des Schichtgewichts 150 Gramm pro Quadratmeter beschichtet wird. Die Einzelheiten sind wie folgt:
- Beispiel A - unbeschichtetes Kaowool;
- Beispiel D - gleiche Streifen beschichteten und unbeschichteten Kaowools;
- Beispiel E - Fläche der Schicht ist zweimal diejenige des unbeschichteten Kaowools;
- Beispiel F - Kaowool vollständig beschichtet.
- Man kann erkennen, daß mit zunehmender Fläche des unbeschichteten Kaowools der Anteil der Infrarot-Strahlung bei Wellenlängen kleiner als 2 um zunimmt.
- Wie in den Figuren 6 und 7 gezeigt, liegt die spektrale Abgabe des Beispiels A überwiegend beim kurzwelligen Ende des Infrarot- Strahlungsspektrums, und obwohl dieses Beispiel, das keine erfindungsgemäße Emissionsanordnung ist, das beste thermische Ansprechverhalten zeigt liegt dies primär an dem schnellen thermischen Ansprechverhalten der Primärquelle. Die anderen Beispiele B, C, D und E weisen ein beträchtlich schnelleres thermisches Ansprechverhalten als die kommerziellen langwelligen Strahler, wie beispielsweise Pearlco 500 Watt und Vulcan 400 Watt, auf.
- Erfindungsgemäße Anordnungen können als Heiz-/Aushärtequellen in kommerziellen Prozeßöfen oder als Wärmequellen im Haushalt verwendet werden.
- Modifikationen an den beschriebenen Ausführungsformen im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind für einen Fachmann ersichtlich.
Claims (14)
1. Infrarot-Strahlungsemissionsanordnung, umfassend:
eine Primärquelle (4) kurz oder mittelwelliger Infrarot-
Strahlung, welche zur Emission der kurz oder mittelwelligen
Infrarot-Strahlung in einer ersten Richtung ausgelegt ist,
sowie ein Substrat (7) aus thermisch isolierendem Material
mit einer von der Primärquelle (4) im Abstand vorgesehenen
und in die erste Richtung weisenden Oberfläche (6),
gekennzeichnet durch eine auf zumindest einem Teil der
Oberfläche (6), auf den die kurz- oder mittelwellige Infrarot-
Strahlung im Gebrauch einfällt, vorgesehene Schicht (8)
eines Infrarot-Strahlung absorbierenden Materials, wobei die
Schicht (8) ausgeführt ist, die kurz- oder mittelwellige
Infrarot-Strahlung zu absorbieren, wodurch die Schicht (8)
zur Abstrahlung längerwelliger Infrarot-Strahlung in einer
zweiten, der ersten Richtung im wesentlichen
entgegengesetzten Richtung erwärmt wird, wobei das infrarot-absorbierende
Material bei Infrarot-Wellenlängen eine normale spektrale
Emittanz von wenigstens 0,8 aufweist.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (8) wenigstens 50% der einfallenden
Infrarot-Strahlungsenergie wieder abstrahlt.
3. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (8) wenigstens 85% der einfallenden
Infrarot-Strahlungsenergie wieder abstrahlt.
4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht (8) lediglich einen Teil der Oberfläche (6)
bedeckt und ein von der Schicht (8) nicht bedeckter Teil der
Oberfläche (6) für Strahlung bei Infrarot-Wellenlängen
reflektierend ist.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die pro Einheitsfläche des zumindest einen Teils der
Oberfläche (6) vorgesehene Menge des Infrarot-Strahlung
absorbierenden Materials ausreichend ist, im wesentlichen
die gesamte kurz- und mittelwellige Infrarot-Strahlung zu
absorbieren.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche (6) für Strahlung bei
Infrarot-Wellenlängen reflektierend ist und die pro Einheitsfläche des
zumindest einen Teils der Oberfläche (6) vorgesehene Menge
des Infrarot-Strahlung absorbierenden Materials nicht
ausreichend ist, im wesentlichen die gesamte kurz und
mittelwellige Infrarot-Strahlung zu absorbieren, wodurch ein Teil
der kurz und mittelwelligen Infrarot-Strahlung von der
Oberfläche (6) reflektiert wird.
7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Infrarot-Strahlung absorbierende Material aus der
aus Kupferoxid, Borcarbid und Eisenoxid bestehenden Gruppe
ausgewählt ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Infrarot-Strahlung absorbierende Material
Siliziumcarbid ist.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das thermisch isolierende Material Keramikfaser umfaßt.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das thermisch isolierende Material mikroporöses
thermisch isolierendes Material ist.
11. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Primärquelle (4) eine Umhüllung (12) umfaßt.
12. Anordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Primärquelle (4) in der Umhüllung (12) einen
Wolframfaden (10) umfaßt.
13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Primärquelle (4) zur Emission der kurz- oder
mittelwelligen Infrarot-Strahlung auch in der zweiten Richtung
ausgelegt ist und ein Teil der Umhüllung (12), durch den
Strahlung in der zweiten Richtung durchgelassen wird, mit
einer Primärquellenschicht (4) versehen ist, welche aus
einem Infrarot-Strahlung absorbierenden Material gebildet
ist, das die von der Primärquelle (4) in der zweiten
Richtung emittierte kurz- oder mittelwellige Infrarot-Strahlung
absorbiert, wodurch die Primärquellenschicht (14) zur
Abstrahlung längerwelliger Infrarot-Strahlung erwärmt wird.
14. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
gekennzeichnet durch einen Sekundärreflektor (5), um
Strahlung der Primärquelle (4) in der ersten Richtung auf die
Oberfläche (6) zu richten.
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