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Infrarot-Strahler
Die technische Ausnutzung der Infrarot-Strahlung
beruht bekanntlich darauf, daß die von einer Strahlungsquelle ausgehenden Strahlen
beim Auftreffen auf einen Körper absorbiert und dort in Wärme umgewandelt werden.
Diese Umwandlung wird auf Schwingungen bzw. Rotationen der Moleküle zurückgeführt,
sobald sie von Infrarot-Strahlen getroffen werden. Es ist somit zu erwarten, daß
bestimmte Molekülkomplexe zu charakteristischen Eigenschwingungen neigen und infolgedessen
auf bestimmte Wellenlängen der auftreffenden Infrarot-Strahlung besonders wirkungsvoll
reagieren. Diese Überlegungen werden durch eine Unzahl von Infrarot-Spektren bestätigt,
die seitens der Wissenschaft von festen, flüssigen und sogar gasförmigen Körpern
aufgenommen werden. Nur der sogenannte ideale schwarze Körper bzw. der sich ähnlich
verhaltende graue Körper verhalten sich indifferent bezüglich des gesamten infraroten
Spektralbereiches (0,8 u bis etwa 400 /t). Als graue Körper können zahlreiche technische
Oberflächen gelten, für die statt der idealen Strahlungszahl C = 4,96 eine je nach
Schwärzegrad verringerte Strahlungszahl gilt; deren Strahlung jedoch im übrigen
wie beim schwarzen Körper durch das Stefan Boltzmannsche Gesetz dargestellt wird.
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Während also graue Körper für jede infrarote Wellenlänge das gleiche
Absorptionsvermögen aufweisen, gibt es auch nichtgraue Körper, welche die Infrarot-Strahlung
selektiv, d. h. bei gewissen Wellenlängen mehr oder weniger ausgeprägt absorbieren.
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Die Zahl dieser Stoffe überwiegt bei weitem die Anzahl der oben erwähnten
grauen Körper. Insbesondere gilt dies für Flüssigkeiten, wie Lösungs-und Bindemittel,
die durch Infrarot-Strahlen erwärmt oder verdampft werden sollen. Die weit verbreitete
Infrarot-Trockentechnik stellt infolgedessen
die Bedingung auf,
daß bei der Auswahl der anzuwendenden Infrarot-Strahlung auf die Absorptionseigenschaften,
d. h. das Absorptiumsspektrum des zu behandelnden Trockengutes Rücksicht zu nehmen
ist. Diese Forderung führt zu der Aufgabe, eine spektrale Abstimmung zwischen dem
als Sender wirkenden Infrarot-Strahler und dem als Empfänger wirkenden Trockengut
vorzunehmen.
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Wenn also beispielsweise ein Trockengut eine Absorptionsbande bei
etwa 2 lt aufweist, so soll der zur Anwendung gelangende Infrarot-Strahler möglichst
ein Emissionsmaximum gleichfalls bei etwa 2 lt besitzen. Nur auf diese Art und Weise
kann eine möglichst wirtschaftliche Ausnutzung erzielt werden. Sollte die Strahlungsquelle
mit einem Reflektor ausgestattet sein, so müßte natürlich auch das Reflexionsvermögen
derart gewählt werden, daß der erwünschte Strahlungsbereich von 2 2 µ möglichst
verlustlos reflektiert wird.
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Die Überprüfung der bisher vorliegenden Absorptionsspektren der für
die Technik bedeutungsvollsten Stoffe läßt erkennen, daß die Infrarot-Strahlung
zwischen 0,8 und 3 lt vornehmlich absortiert wird und infolgedessen von den Strahlern
vorzugsweise emittiert werden müßte. Infrarot-Strahlen größerer Wellenlängen haben
nur geringe Bedeutung für die meist technischen Anwendungsgehiete. Man kann sogar
noch in dem Spektralbereich bis 3 lt eine Unterscheidung zwischen Wellenlängen bis
etwa 2 lt und den darüberliegenden Wellenlängen befürworten, weil es tatsächlich
Stoffe gibt, die auf die besonders kurzen Infrarot-Strahlen ansprechen. Auch in
der Wärmetherapie sind diese kurzwelligeren Infrarot-Strahlen erwünscht, da sie
am besten in die menschliche Haut einzudringen vermögen.
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Legt man sich die Frage vor, inwieweit nun Strahlungsquellen mit
einem Strahlungsschwerpunkt für kurzwellige Infrarot-Strahlung, d. h. bis 2 st,
oder für eine Infrarot-Strahlung mit Strahlungsschwrpunkt bei etwa 3 µ zur Verfügung
stehen, so kommt man zu folgendem Ergebnis : Der Strahlungsquerschnitt einer Infrarot-Strahlungsquelle
kann durch geeignete Wahl der Glühtemperatur des Strahlers verschoben werden. Je
höher die Glühtemperatur liegt, um so kürzer wird die ausgesandte Infrarot-Strahlung
sein. Begreiflicherweise ist die Höhe dieser Glühtemperatur begrenzt. Sie kann etwa
bei einer Glühlampe verhältnismäßig hoch getrieben werden, da eine Oxydation und
Zerstörung der Glühwendel vermieden ist. In der Tat glückt es, bei hochbelasteten
Glühlampen den Strahlungsschwerpunkt bis auf I, O, tl zu senken. In Anbetracht einer
brauchbaren Lebensdauer hat man sich jedoch bei technischen Anwendungsgehieten mit
etwa 1,4 i' als Strahlungsschwerpunkt begnügt und hierbei recht gute Erfolge erzielt.
Auch lassen sich glühende Halbleiter in freier Atmosphäre bis etwa i4000 C Oberflächentemperatur
betreiben und damit einen Strahlungsschwerpunkt von etwa 2 lt erzielen. Alle übrigen
elektrisch beheizten Heizkörper, insbesondere Heizkörper mit metallischen Umhül
lungsrohren, können höchstens bis II00° C Oberflächentemperatur betrieben werden,
wenn man aus praktischen Gründen auf eine Schutzatmosphäre verzichten will oder
muß.
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Die genannten Infrarot-Strahler, wie Glühlampen oder Halbleiter,
mit ihren Strahlungsschwerpunkten bis höchstens 2 µ zeigen in der Praxis jedoch
erhebliche Nachteile. Abgesehen von der Empfindlichkeit von Glaskörpern im rauhen
Betrieb und den verhältnismäßig hohen Installationskosten ist auch die begrenzte
Lebensdauer der recht hoch belastete Glühwendel im technischen Dauerbetrieb störend.
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Die Halbleiter haben auf der anderen Seiten den Nachteil, daß sie
einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes besitzen,
der eine laufende Überwachung der Spannung erfordert, die an den Heizkörper zu legen
ist. Es ergibt sich infolgedessen die Aufgabe, Infrarot-Strahler zu entwickeln,
die zwar bei einer niedrigeren Oberflächentemperatur laufen und dennoch einell Strahlungsschwerpunkt
bei kürzeren Wellenlängen zeigen.
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Obgleich also das optische Grundgestz dieser Forderung entgegensteht.
mußte ein \usweg gesucht werden, um für die teclnische ;\usnutzung der Infrarot-Strahlung
im robusten Betrieb eine Lösung zu finden. Die vorliegende Erfindung stellt eine
neuartige Lösung dieses Problems dar.
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Sie nutzt die eingangs erwähnte Eigenart der selektiven Absorption
vieler Stoffe aus. Nach dem Kirchhoffschen Gesetz hesitzen dieselben Körper dann
auch ein entsprechendes selektives Emissionsvermögen, d. h. ein Stoff, der z. B.
bei 2 lt eine Absorptionslande aufweist, wird auch bei 2 {t eine ebenso ausgeprägte
Emissionsbande zeigen.
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In Abb. I ist schematisch das Emissionsspektrum eines nichtgrauen
Körpers dargestellt, in dem deutlich Spitzen und Täler zu erkennen sind. Es bezieht
sich auf eine Masse, die im wesentlichen aus den Oxyden des Zirkons, Thoriums, Magnesiums,
Calciums und eventuell des Ceriums besteht. In der Abbildung sind die Emissionskurven
für verschiedene spezifische Belastungen angegeben. Durch gestrichlte Linien sind
die Emissionskurven andeutungsweise derart ergänzt, daß sie die Strahlung eines
entsprechenden schwarzen lEörpers darstellen.
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Es zeigt sich dabei, daß ein erheblicher Teil der Gesamtstrahlung,
die man eigentlich bei der vorliegenden Olerflächentemperatur erwarten könnte, nicht
zur Emission gelangt. dafür aller eine quasi bevorzugte Emission in gewissen Spektrallereichen
vorgetäuscht wird, die bei der technischen Verwertung sehr erwünscht sein kann.
Das entstehende Manko an Gesamtstrahlungsstärke kann durch Installation einer entsprechend
vermehrten Heizleistung, etwa durch Einbau vermehrter Heizkörper, leicht ausgeglichen
werden.
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Hieraus darf nicht etwa der Fehlschluß gezogen werden, daß die Wirtschaftelichkeit
der Anlage verschlechtert sei; vielmehr wird die verringerte Ausbeute der Emission
des nfrarot-Strahlers (Senders) wieder ausgeglichen durch den erhöhten Wirkungsgrad
der Strahlungsabsorption in tlem zu behandelnden Gut (Empfänger). Non ausschlaggebender
Be-
deutung kann dabei die Tatsache sein, daß die Ausschaltung der
nichtalsorliierlaren Wellenlängenbereiche das Trockengut vor schädlichen Einflüssen
schont. Es sei z. 13. nur erwähnt, daß Gegenstände durch eine Trocknungsanlage wandern
können, deren Oberflächen aus verschiedenartigen Stoffen oder Teilen l>esteben
und infolgedessen auf die einzelnen Wellenlängenbereiche abweichend reagieren k<iiiiien.
In einem solchen Fall ist es also denkbar, daß nur ein Teil des Gegenstandes, der
z. B. auf 2 lt durch starke Alisorption reagiert, erfolgreich getrocknet werden
kann, während die übrigen Teile des Gegenstandes, die auf Wellenlängen von mehr
als 2 µ reagieren, sich nicht erhitzen können da diese Strahlung von dem Sender
nicht ausgesandt wird.
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Ebensogut wie man den Infrarot-Strahler im Silane der Erfindung für
einen bestimmten Wellenlängenberieich sensihilisiert, kann man auch das zu bestrahlende
Gut in geeigneter Weise sensilbilisieren, d. h. für ei iieii bestimmten Wellenlängenbereich
eml>tiii<llich otlcr unempfindlich machen.
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1 )er Erfindungsgedanke besteht nun darin, die gesamte otler anteilige
Oberflächenschicht eines Infrarot-Strahlers derart zuszubilden, daß sie selektiv
emittiert. Vorzugsweise wird man die Oberfläche mit einer geigneten Schicht überziehen,
sei es durch Bestreichen, Tauchen, Spritzen, Tränken o. dgl. und zeitweiliges Trocknen.
Im allgemeinen werden Scliichtdicken bis etwa 100 µ Stärke ausreichen.
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Auch kann man dafür Sorge tragen, daß die selektiv strahlende Schicht
durch Diffusion aus ndem Innern des lleizk<irpers zustande kommt; oder daß man
dem Heizkörper, der etwa gesintert sein kann, von vornheriein entsprechende Beimengungen
zufügt bzw. daß man dem Werkstoff der Metallhülle des heizkörpers \\irks;ime Legierungsbestandteile
beimischt. Ein solches NIetallrohr kann in diesem Fall entxvecler induktiv oder
durch Joulesche Wärme direkt oder indirekt erhitzt werden. Im letzteren Fall würde
innerhalb des Mantelrohres eine Heizwendel eingel) aut, die durch eine gut wärmeleitende,
aller auch gut elektrisch isolierende Masse, wie z. B.
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Magnesiumoxuyd 0. dgl., von der Umhüllung getrennt ist.
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Der bekannte Nachteil, den die Oxyde als Halbleiter zeigen und der
als negativer Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes zu Tage tritt,
kann sich infolgedessen bei dem Erfindungsgegenstand nicht störend auswirken, da
das selektiv strahlende Oxyd nur als dünne Oberflächenschicht auftritt. Als selektiv
strahlende Stoffe können Oxyde, Carbonate o. dgl. Verwendung finden, die selbstverständlich
temperaturbeständig sein müssen uiid an der Oberfläche des jeweiligen Heizkörpers
gut haften. Es mag überraschend erscheinen, daß diese Stoffe vornehmlich eine weiße,
zumindest helle Farbe besitzen. Infolgedessen ist es von vorherein nicht zu erwarten,
daß sie die erfindungsgemäß beanspruchte hohe Absorptionsfähigkeit bzw.
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Emissionsfähigkeit einzelner infraroter Spektralbereiche zeigen.
Man darf jedoch nicht aus dem visuellen Eindruck einer hellen Farbe, die bekanntlich
im sichtbaren Spektralbereich für hohes Reflexionsvermögen, d. h. minimales Absorptionsvermögen,
charakteristisch ist, auf entsprechende Eigenschaften im infraroten Spektralbereich
schließen. Derartig helle Stoffe können sehr gut im infraroten Gebiet als dunkle
Strahler gelten. Ihre Strahlungszahlen liegen daher verhältnismäßig hoch.
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In Abb. 2 ist der Aufbau eines Infrarot-Strahlers dargestellt, bei
dem ein Stabheizkörper bekannter Bauart mit der beschriebenen hitzebeständigen Schicht
versehen ist, die selektive Strahlungseigenschaften besitzt. Eine Metallhülse a
ist von der Heizwendel b durch eine isolierende Masse c getrennt. Die Hülle selbst
ist oberflächlich mit der selektiv strahlenden Schicht d überzogen. Dabei kann eine
Aufrauhung oder andersartige Vorbereitung der Hülle von Vorteil sein, z. B. können
auch geeignete Rillen o. dgl. zur Aufnahme der selektiv strahlenden Schicht dienen.
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Eine derartige Anordnung erinnert an den Aufbau indirekt beheizter
Glühkathoden, die in der Entladungsphysik eine weitverzweigte Anwendung finden.
Auf diesem Gebiet hat allerdings die oberflächlich angebrachte Oxydschicht eine
völlig andere Bedeutung. Sie soll zu einer gesteigerten Elektronenemission der Glühkathode
beitragen, während in dem Erfindungsgegenstand eine selektive Emission von Infrarot-Strahlen
angestrebt wird. Bei den Glühkathoden ist die Auswahl geeigneter Oberflächenschichten
recht beengt; insbesondere muß auf äußerste Reinheit der verwendeten Stoffe geachtet
werden, da sonst eine vergiftende Wirkung die Elektronenemission schmälert. Die
in der Erfindung beanspruchte Emissionsschicht fordert nicht den besonders hohen
Reinheitsgrad, jedoch im übrigen eine ähnlich gute Haftfähigkeit und Temperaturwechselleständigkeit.
Die Aufbringung der Schicht bietet keinerlei Schwierigkeiten. Es können sowohl destilliertes
Wasser als auch organische Bindemittel, wie Aceton, Amylacetat, Nitrocelluloselack
o. dgl., verwendet werden. Die breiige Paste wird erst angerührt, nachdem die festen
Bestandteile in einer Kugelmühle sorgfältig vorbehandelt und gemahlen wurden. Bei
der geringen Schichtdicke ist nur mit einem verhältnismäßig bescheidenen Materialverbrauch
von wenigen Milligramm/cm zu rechnen, so daß auch kostspieligere Präparate Verwendung
finden können.
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P T E N T A N S P R Ü C H E : I. Infrarot-Strahler mit einer möglichst
kurzwelligen Infrarot-Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Heizkörper bekannter
Bauart mit einer hitzebeständigen Oberflächenschicht versehen ist, die selektive
Strahlungseigenschaften im Spektralbereich von 0,8 bis etwa 2 lt besitzt.