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Wärmestrahler, insbesondere für Zwecke der Therapie
Bei Wärmestrahlern,
wie sie für therapeutische und technische Zwecke Verwendung finden, kommt es auf
die Intensität der Strahlung und auch auf die Wellenlängenbereiche an, welche die
Strahlung umfaßt. So hat man in der medizinischen Therapie die Erfahrung gemacht,
daß die Eindringtiefe der Wärmestrahlung nach kleineren Wellenlängen., also mit
steigender Temperatur des Strahlers, erheblich zunimmt. Nach vorliegenden Erfahrungen
dringt die Strahlung eines Heizleiters von I000° K etwa 0,5 bis I mm und die eines
Strahlers von 20000 Ketwa 3 mm tief in den Organismus ein. Auc bei vielen technischen
Vorgängen, beispielsweise Trockenverfahren, ist eine Erhöhung der Wirkung nach kürzeren
Wellenlängen zu beobachten, wenn auch in vielen Fallen hei einer bestimmten Wellenlänge
ein Optimum erreicht wird, beispielsweise bei lestimmten Lacktrocknungsverfahren
bei Strahlern mit einer Temperatur von I800 bis 20000 K. Die vorliegende Erfindung
befaßt sich nun mit der auf gabe, mit einfachen technischen Mitteln Wärmestrahler
vergleichsweise hoher Leistung herzustellen, die insbesondere auch kurzwelligere
Strahlen aussenden. Es wenden Strahler benötigt, die auf den Quadratzentimeter der
Oberfläche des Gerätes gerechnet eine Leistung von mindestens 1,5 W, im allgemeinen
sogar 4 W und mehr aufweisen.
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Erfindungsgemäß lassen sich solche Wärmestrahler in einfacher Weise
dadurch herstellen, daß ein elektrischer Heizleiter, dessen Ahmessungen die erforderliche
Temperatur und Strahlungsintensität gewährleisten, ohne Verwendung strahlungsabsorl>ierender
Zwischenschichten oder Einbettmassen von einer Hülle aus Siliciumdioxyd umgeben
wird.
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Das Silieiumdioxyd liegt hierbei als durchsichtiges Quarzglas vor
oder besser als halbdurchsichtiges oder milchiges opakes Quarzglas oder als Quarzgut.
beispielsweise in der Form, wie es nach dem Schleuderverfahen bergestellt wird und
unter den Namen Rotosil bekannt ist. Die Erfindung wertet die Tatsache aus, daß
Quarzglas hohe Temperaturbeständigkeit mit einer guten Durchlässigkeit für Wärmestrahlen
vereinigt.
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Wesentlich hierbei ist, daß zwischen dem Heizleiter und der Umhüllung
aus Siliciumdioxyd keine isolierenden Bestandteile angeordnet sind und auch der
Heizleiter selbst, wenn er beispielsweise in Form eines heizdrhtes ausgebildet ist,
nicht in einer Einbettmasse ruht, sondern frei ausgespannt o (ler einfach auf einem
hitzebeständigen Träger aufgewickelt ist. Als Tauchsieder fiir das Erhitzen von
Flüssigkeiten hat man schon Vorrichtungen benutzt, l'ei denen ein Heizdraht von
einer Quarzguthülle umgeben ist. Hierbei liegt jedoch der Heizdraht in einer Einbettmasse,
so daß diese Anordnung als Strahler für kürzere Wellenlängen kaum in Betracht kommt,
weil die isolierende Schicht die Strahlung absorbiert und nach der Aufheizung mit
Verzögerung eine langwelligere Strahlung als der Heizdraht selbst aussendet. Bei
der Anordnung der Erfindung geht die Strahlung unmittelbar auf die Hülle; bei der
Veb wendung von durch si chtigem Quariglas strahlt sie im wesentlichen unverändert
durch. bei opakem Quarzglas oder Quarzgut wird noch eine gewisse Streuung erzielt,
die die gewünschte gelichmäßige Verteilung auf den Raum le irkt, bei einseitiger
Bestrahlung in Verbidnung mit einem Reflektor. Quarzglas und Quarzgut besitzen andererseits
zum Unterschied von gewöhnlichen Gläsern eine ausreichende Temperaturbeständigkeit,
um den Anforderungen an einen der artigen Wärmestrahiler zu entsprechen.
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Vorteilhaft wird hierbei der Strahler in Rohrform ausgebildet, indem
der Heizdraht ausgespannt oder bei stärkeren Leistungen, meist in Form einer Spirale,
auf einen Träger aufgewickelt wird, der selbst aus einem hochfeuerfesten Stoff,
insbesondere Quarzglas oder Quarzgut, besteht. Die Hülle wird möglichst eng um den
Heizdraht gelegt; eine Grenze ist dadurch gesetzt, daß bcispielsweise bei Gegenwart
von Lösungsmitteln die Temperature der Hülle nicht über die Entzündungstemperatur
steigen darf.
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So beträgt beispielsweise die Weite des Spaltes zwischen dem Heizleiterträger
und der Innenwand des Schutzrohres bei einer Belastung von 4 W je Quadratzentimeter
etwa 8 mm und weniger.
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Im allgemeinen kann der Raum, in dem die Heizspirale aus dem hochhitzebeständigen
Widerstnadsmaterial angebracht ist, unter gewöhnlichen Druckverhältnissen bleiben
Allerdings empfiehlt es sich, die Enden eines in Rohrform ausgebildeten Strahlers
gasdicht abzuschließen; im Betrieb dürfen nur geringe Luftmengen durchdiffundieren,
um einen möglichst guten Oxydationsschutz zu erreichen.
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Auf diese Weise läßt sich die Lebensdauer gegenüler den an freier
I, uft erhitzten Neizspiralen vervielfahen, Wenn das die Spirale umschließende Quarzglas-
oder Quarzgutrohr einen geringen Luftraum besitzt, ist die beim Anheizen vorhandene
Sauerstoffmenge von vornherein beschränkt, so daß die Heizdrähte nur wenig oxydiert
werden. Die Herabsetzung der spezifischen Oberflächenbelastung des Strahlers im
Vergleich zu freistrahlenden Glühdrähten ist in vielen Fällen der Trockentechnik
wichtig, um eine Explosion durch leicht entzündlichte Lösungsmittel zu vermeiden;
zweckmäßig ist hierbei auch die diffuse Verteilung der von der G lühweridel emittierten
Strahlung.
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Es ergeben sich so wesentlich größere Leistungen, die andererseits
mit einer gleichmäßgieren Breitenstrahlung verbunden sind. als bei Verwendung der
bisher beispielsweise in der Trockentechnik benutzten Reflektoren. die mit kugelförmigen
Glühlampen bestückt sind.
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Bei der Verwendung voll metallischen Heizdrähten und von nichtmetallischen
Heizleitern, wie Graphit oder Siliciumkarbid. empfiehlt es sich oft, das Rohr zu
evakuieren und mit inerten Gasen, wie einem Gemisch von Stickstoff und Edelgasen
von einem Druck von beispielsweise 500 mm Hg und mehr zu füllen. SIit diesen Strahlern
lassen sich höhere Temperaturen und damit kurzwelligere Strahlungen erreichen. Die
Stromzuführung wird hierbei in an sich bekannter Weise durch Folien-oder Drahteinschmelzungen
der Quetschungen vorgenommen.
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Ein Beispiel für einen rohrförmigen Strahler mit einer Heizspirale
ist in der Abb. 1 dargestellt.
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Auf dem Träger A aus feuerfester Masse ist eine Heizwendel aus hochhitzebeständigem
Widerstandsdraht B spiralig aufgewickelt und an den Enden in üblicher Weise gesichert.
Trägerrohr mit Heizwendel sind in einem Schutzrohr aus Siliciumdz oxyd C an den
Enden in elastischen Packringen D eingelagert. Das äußere Schutz rohr ist an beiden
Enden mit Metallkappen E, die beispielsweise mit keramischem Kitt, Kieselsäure,
Feldspat und Wasserglas gasdicht aufgekittet werden, verschlossen. Das Rohrilmere
ist gegebenenfalls zur besseren Sicherung gegen Oxydation mit einem inerten Gas
gefüllt.
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Darüber hinaus wurde festgestellt, daß sich auch nichtmetallische
Heizleiter, wie Graphit und Silicimumkarbid, gegen Abbrand dadurch schützen lassen,
daß das Rohr aus Quarzglas oder Quarzgut so eng über den Heizstäben angeordnet wird,
daß der Zwischenraum zwischen dem Heizstab und der Hülle im allgemeinen nicht mehr
als etwa 3 mm beträgt. Die Enden des Schutzrohres sind genau wie bei der vorher
beschriebenen Anordnung gasdicht verschlossen. Beim Erhitzen eines solchen Heizleiters,
das im allgemeinen über einen Hochstromtransformator geschieht, bildet sich in dem
kleinen Spaltraum ein inertes Gasgemisch aus Kahlenoxyd, Kohlendioxvd und Stickstoff.
Die Lebensdauer kann hierdurch derjenigen evakuierter Strahler angenähert werden,
im Gegensatz zu einer kürzeren Brenndauer in freier Atmosphäre.
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In der Abb. 2. ist ein Strahler dieser Bauart dargestellt. Ein GlühstabH
aus Graphit oder Silicium-
karbid ist an einem Ende konisch verstärkt
und mit einem Metallüberzug K versehen. Darauf ist eine Gegenhülse aus gut leitendem
Metall N ]\T aufgepaßt und verlötet, Ein solcher Stab wird in das Schutzrohr aus.
Siliciumdioxyd I derart angeordnet, daß zwischen der Metallbülse N N und dem Schutzrohr
I ein geringer Spaltraum entsprechend der Querdehnung loei leto im Betrieb auftretenden
Temperaturen vorhanden ist. Das Ende der Metallhülse 7\ ist verschiebbar am hinteren
Teil der abgesetzten Kappe M gelagert. l)ie Kappe M ist mit dem Schutzrohr 1 durch
einen hitzebeständigen Kitt O verbunden, Zwischen Glühstab II und Schutzrohr I befindet
sich ein Spalt L von einer Breite von zur oder weniger.
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Das Strahlungsmaximum liegt je nach der Temperatur des Heizleiters
zwischen 1 udn 3 µ Derselbe Zweck wird auch erreicht mit Gasentladungslampen aus
Siliciumdioxyd, die eine starke Emission kurzwelliger Wärmestrahlen, z. B. zwischen
1 und 4 µ, besitzen, wie beispielsweise Lampen, deren Füllung Quecksilber, Zink
oder Kadmium enthält.
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In manchen Fällen können an die Stelle des Quarzglases andere hochschmelzende
Gläser treten, ctie in ähnlicher Weise Wärmestrahlung durchlassen. Es sei jedoch
darauf hingewiesen, daß Quarzlas eine höhere Durchlässigkeit für Wärmestrahlen besitzt
als andere bekannte temperaturbeständige technische Gläser.
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Die neuen Wärmestrahler finden auf therapeutischem Gebiet eine vorzügliche
Anwendung, beispelsweise in dem unter dem Namen Solluxlampe bekannte Wärmstahler
zur Erzeugung von Hyperämie und zur Bekämpfung von Anämit und zur Schmerzl inderung.
Sie lassen sich vorteilhaft zur Bestückung v>n Lichtkästen verwenden.
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Nach den eingangs gegebenen Ausführungen ergeben sich für die neuen
Wärmestrahler wertvolle Verwendungsmöglichkeiten auch in der Technik.
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So ergeben sie besondere Vorteile bei der Trochknung von Lacken, Farben
und Anstrichen, bei der Polymerisation und Kondensation von Kunstharzen sowie in
der Textiltechnik zum Kondensieren, Aushärten und Trocknen der farben und Appreturen
von Spinnfasern und Geweben. Mit den neuen Strahlern läßt sich das las Verdampfen
und Trocknen in der Nahrungsmittelindustrie, beispielsweise von llefen und Nahrsalzen,
sche schonend durchführen.
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Andererseits werden aggressive Lösungen unter Verwendung dieser Wärmestrahler
als Oberflächenstranhler oft vorteilhafter eingedamptf als bei verwendung von Unterfeuerung,
bei der empfindliche 1 ösungen leicht überhitzt werden.
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Schließlcih lassen sich clie neuen Wärmestrahler auch als Tauchsieder
r verwenden. Zum Unterschiend von den bekannten Tauchsiendern mit einer Quarzguthülle,
bei denne die Heizdrähte in einer Einbettmasse ruhen, wird bei (leii Wärmestrahlern
der Erfindung die Energie nahezu trägheitslos abs Wärmestrahlung auf llie dietl
Strahler umgebende Flüssigkeit übertragen und von dort an die weiter abliegenden
Schichten der Flüssigkeit durch Konvektioll oder Wärmeleitung abgegeben, Bewährt
haben sich hierbei Strahler, bei denen der Heizdraht in einer Quarzhülle angeordnet
ist, die mehrere große Schleifen enthält.
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In der Abb. 3 ist ein einfacher Glühstrahler dargestellt, vie er
als Tauchheizkörper Verwendung findet. Ein schleifenförmig gebogenes Rohr aus Siliciumdioxyd
P trägt im Innern ohne Einhettmasse eine Heizspieale Q, an deren Endendie Stromzuführungsdrähte
R angeschlossen sind. An den beiden Enden S sind sie gasdicht verkittet.
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Die Strahler der Erfindung halten gegenüber den bisher benannten
Taucheiedern aus Quarzgut den Vorteil, daß die Heizspirale im Falle des Durchbrennens
leichter ausgewechselt und das Quarzgutrohr im Falle eines Bruches leicht haltbar
verschweißt werden kann. Der grundsätzliche Vorteil dieser Quarztauchsieder gegenüber
den Metalltauchsiedern besteht darin, daß sie ohne Flüssigkeit betieben den können,
da ihnen eine höhere Oberflächenbelastung nichts schadet, und daß vor allem wegen
des Fehlens der Einbettmeasse die entwickelte Wärme besser abgestrahlt werden kann.
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Der Quarztaucsieder findet überall da vorteilhafte Anwendung, wo
ns beim Erhitzen auf höchste Sauberkeit ankommt, so beispielsweise zur Herstellung
von destilliertem Wasser in einem aus Quarzglas oder Quarzgut hergestellten Gerät.
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Die Erfindutog gestattet die neuartige Ausgestaltung eines Tauchsieders
in Form einer Tauchheizglocke, wie sie in der Abb. 4 dargestellt ist.
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Hierbei befindet sich die Heizspirale V in einer Quarzrohrspirale
t, die an der Innenseite einer gewölbeten Fläche T angeschmolzen ist, so daß beim
Eintauchen in die zu erhitzende Flüssigkeit die Heizkörper mit der wie bei einer
Taucherglocke eingeschlossenen Luft in Berührung stehen. Sie können ihre Wärme nur
durch Strahlung auf die Flüssigkeitsoberfläche übertragen, da die Rückseite der
Glocke durch den mit einer Isoliermasse ausgefüllten Hohlraum W wärmeisoliert ist.
Wenn sich beim Erhitzen aus der Flüssigkeit Dampf entwickelt und Luft aus dem Hohlraum
entweicht, findet die Übertragung der Wärme nach wie vor durch Strahlung über den
eingeschlossenen Gasraum statt. Nur wenn erhebliche Temperatufschwankungen während
des Verfahrens stattfinden, kann die Flüssigkeit etwas in den Hohlraum zurücksteigen.
I. S empfiehlt sich deshalb, die Tauchheizglocke so auszubilden, daß auch die Innenseite
am unteren Rand frei von Heizelementen ist. Um das Strahlungsgewölbe gegen Verunreinigung
durch unmittelbare Berührung mit der Flüssigkeit zu schützen. gilit man ihm zweckmäßig
die Gestalt eines bochgezogenen Domes.