EP1039780B1 - Infra-red radiating device and process for heating articles to be treated - Google Patents

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EP1039780B1
EP1039780B1 EP00104297A EP00104297A EP1039780B1 EP 1039780 B1 EP1039780 B1 EP 1039780B1 EP 00104297 A EP00104297 A EP 00104297A EP 00104297 A EP00104297 A EP 00104297A EP 1039780 B1 EP1039780 B1 EP 1039780B1
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infrared radiator
carbon
length
heating
infrared
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EP00104297A
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Walter Dieudonné
Joachim Scherzer
Klaus Schmitz
Siefried Grob
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Heraeus Noblelight GmbH
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Heraeus Noblelight GmbH
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    • H05B2203/032—Heaters specially adapted for heating by radiation heating

Definitions

  • the carbon ribbon is accordion-folded or wavy curved. It is essential that said special shapes contribute to a length of the carbon ribbon which is at least 1.5 times larger than the irradiation length.
  • the thickness of the carbon band is usually in the range between 0.1 mm and 0.5 mm, and its width in the range between 2 mm and 25 mm.
  • a power output of at least 15 watts per cm 3 of the space enclosed by the envelope tube over the radiation length volume is set for the heating of the material to be treated, said power output substantially comprises a wavelength range of from about 1.8 microns to 4 microns, within the water-containing material to be treated typically absorption maxima having. Therefore, not only a relatively low energy input is required for the operation of the new infrared radiator, but in particular this wavelength range is in good agreement with the abovementioned application-specific wavelength range of about 1.8 ⁇ m to 4 ⁇ m. As a result, the irradiation times for the desired heating are short. In this mode of operation of the new infrared radiator thus the efficiency for heating the material to be treated is better than in conventional short-wave infrared radiators. In particular, the energy required for heating is lower and the treatment time is shorter.

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  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)

Abstract

The radiator has a closed envelope tube (1) enclosing a carbon strip emission source (2) with connections to a power supply. The length of the carbon strip is greater than the radiation length (B) by a factor of at least 1.5. The carbon strip can be formed into a spiral shape or a concertina shape. An Independent claim is also included for a method of heating an object.

Description

Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler mit einem abgeschlossenen Hüllrohr, das eine mit Anschlüssen für eine Stromversorgung verbundene Emissionsquelle in Form eines Carbonbandes, das sich in Richtung der Längsachse des Hüllrohres erstreckend eine Bestrahlungslänge des Infrarotstrahlers bestimmt, umschließt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Erwärmung eines Behandlungsgutes unter Verwendung eines Infrarotstrahlers, der eine Aufheizgeschwindigkeit von mindestens 250 °C/Sekunde erlaubt.The invention relates to an infrared radiator with a closed cladding tube which encloses an emission source connected to terminals for a power supply in the form of a carbon band, which determines an irradiation length of the infrared radiator extending in the direction of the longitudinal axis of the cladding tube. Furthermore, the invention relates to a method for heating a material to be treated using an infrared radiator, which allows a heating rate of at least 250 ° C / second.

Die am 22.03.2000 (d.h. nach dem Anmeldungstag) veröffentlichte europäische Anmeldung EP-A-0 987 923 beansprucht die Priorität vom 29.08.1998 . Daher ist diese Anmeldung für die Frage der erfinderischen Tätigkeit nicht von Bedeutung. Diese ältere Anmeldung zeigt: einen Infrarotstrahler mit einem abgeschlossenen Hüllrohr, das eine mit Anschlüssen für eine Stromversorgung verbundenen Emissionsquelle in Form eines Carbonfades, das sich in Richtung der Längsachse des Hüllrohres erstreckend eine Bestrahlungslänge des Infrarotstrahlers bestimmt, umschließt, wobei das Carbonband eine Länge aufweist, die mindestens um einen Faktor 1,5 größer als die Bestrahlungslänge ist.The published on 22.03.2000 (ie after the registration date) European application EP-A-0 987 923 claims the priority of 29.08.1998 , Therefore, this application is irrelevant to the question of inventive step. This prior application shows: an infrared radiator with a closed cladding tube enclosing an emission source connected to terminals for a power supply in the form of a carbon thread, which defines an irradiation length of the infrared radiator extending in the direction of the longitudinal axis of the cladding tube, the carbon band having a length, which is at least a factor of 1.5 greater than the irradiation length.

Aus der GB-A 2 233 150 ist ein Infrarotstrahler bekannt, bei dem die Emissionsquelle in Form eines länglichen Carbonbandes ausgebildet ist, das sich von einer Stirnseite zur gegenüberliegenden eines beidseitig verschlossenen Quarzglas-Hüllrohres erstreckt. Das Carbonband besteht aus einer Vielzahl parallel zueinander und in Form eines Bandes angeordneter Graphitfasern. Für den elektrischen Anschluß ist das Carbonband beidseitig mit metallischen Endkappen versehen. Üblicherweise werden die Enden des Carbonbandes in diese Endkappen eingeklemmt. Die Kappen sind mit einem spiralig gebogenen Metalldraht verbunden, der wiederum an die durch die verschlossenen Stirnseiten des Hüllrohres ragende, elektrische Durchführung angreift. Die Bestrahlungslänge des Infrarotstrahlers ergibt sich unmittelbar aus der Länge des Carbonbandes.From the GB-A 2 233 150 An infrared radiator is known in which the emission source is designed in the form of an elongate carbon band which extends from one end face to the opposite of a sealed quartz glass cladding tube on both sides. The carbon band consists of a multiplicity of graphite fibers arranged parallel to one another and in the form of a band. For the electrical connection, the carbon band is provided on both sides with metallic end caps. Usually, the ends of the carbon band are clamped in these end caps. The caps are connected to a spirally bent metal wire, which in turn acts on the protruding through the closed end faces of the cladding, electrical feedthrough. The irradiation length of the infrared radiator results directly from the length of the carbon ribbon.

Das Carbonband erlaubt schnelle Temperaturwechsel von mindestens 250 °C/Sekunde, so daß die bekannten Infrarot-Carbonstrahler sich durch hohe Reaktionsschnelligkeit auszeichnen. Jedoch hängt gemäß dem Stefan-Boltzmann-Gesetz die Strahlungsleistung eines strahlenden Körpers stark von seiner Temperatur ab; sie geht mit abnehmender Temperatur erheblich zurück. Der bekannte Carbonstrahler ist zwar bei hohen Temperaturen um 1450 K einsetzbar. In dem Fall ist aber sicherzustellen, daß das Quarzglas-Hüllrohr nicht mit dem heißen Carbonband in Kontakt kommt. Wird der Carbonstrahler dagegen bei Temperaturen unterhalb der Belastungsgrenze des Quarzglases betrieben (ca. 1270 K), so vermindert sich die Strahlungsleistung entsprechend dem Stefan-Boltzmann'schen-Gesetz.The carbon band allows rapid temperature changes of at least 250 ° C / second, so that the known infrared carbon emitters are characterized by high reaction speed. However, according to the Stefan Boltzmann law, the radiant power of a radiating body depends strongly on its temperature; it goes down considerably with decreasing temperature back. The well-known carbon emitter is usable at high temperatures around 1450 K. In that case, however, it must be ensured that the quartz glass cladding does not come into contact with the hot carbon ribbon. On the other hand, if the carbon emitter is operated at temperatures below the load limit of the quartz glass (about 1270 K), the radiation power is reduced in accordance with Stefan-Boltzmann's law.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Infrarotstrahler im Sinne einer höheren Strahlungsleistung weiterzubilden, und ein Verfahren für den Einsatz eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers zur Behandlung von Materialschichten anzugeben, das kurze Behandlungszeiten bei einem gleichzeitig hohem Energiewirkungsgrad ermöglicht.The invention is therefore based on the object to further develop the known infrared radiator in terms of a higher radiation power, and to provide a method for using an infrared radiator according to the invention for the treatment of material layers, which allows short treatment times with a high energy efficiency.

Hinsichtlich des Infrarotstrahlers wird diese Aufgabe ausgehend von dem eingangs beschriebenen Strahler erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Carbonband eine Länge aufweist, die mindestens um einen Faktor 1,5 größer ist als die Bestrahlungslänge.With regard to the infrared radiator, this object is achieved, starting from the radiator described above, according to the invention in that the carbon band has a length that is at least a factor of 1.5 greater than the irradiation length.

Unter der Bestrahlungslänge wird der Längenabschnitt des Infrarotstrahlers verstanden, der zur Beheizung direkt beiträgt. Dieser Längenabschnitt erstreckt sich zwischen den nicht beheizten Enden des Hüllrohres. Während beim bekannten Infrarotstrahler die Länge des Carbonbandes der Bestrahlungslänge entspricht, ist die Länge des Carbonbandes beim erfindungsgemäßen Infrarotstrahler mindestens 1,5 mal so lang. Dadurch wird über die Bestrahlungslänge mindestens eine Vergrößerung der emittierenden Oberfläche um den Faktor 1,5 erreicht, womit nach dem Boltzmann'schen Gesetz eine entsprechende Vergrößerung der Strahlungsleistung bei gleicher Oberflächentemperatur einhergeht. Somit sind bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahler auch bei niedrigen Betriebstemperaturen hohe Leistungsdichten erreichbar. Diese liegen bei mindestens 15 Watt pro cm3 des vom Hüllrohr über die Bestrahlungslänge umschlossenen Volumens. Die höhere Leistungsdichte wirkt sich in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft aus. Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler erlaubt ein schnelles Aufheizen von mindestens 250 °C/Sekunde und ein rasches Abkühlen und verhält sich somit hinsichtlich seiner Temperaturwechselgeschwindigkeit ähnlich wie kurzwellige Infrarotstrahler. Deren Emissionsmaximum liegt aber üblicherweise im Wellenlängenbereich zwischen 0,9 µm und 1,8 µm, wogegen bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahler aufgrund der niedrigen Betriebstemperaturen unterhalb von etwa 1220 K, das Maximum der Emission im Wellenlängenbereich von etwa 2,3 µm bis 2,9 µm liegt. Dieser Wellenlängenbereich stimmt gut mit dem Wellenlängenbereich von etwa 1,8 µm bis 4 µm überein, innerhalb dem wasserhaltiges Behandlungsgut Absorptionsmaxima aufweist. Aufgrund der erhöhten Strahlungsleistung des neuen Infrarotstrahlers, reicht ein vergleichsweiser geringer Energieeinsatz zum Betrieb des neuen Infrarotstrahlers in diesem Wellenlängenbereich aus. Dies führt auch zu einer dementsprechend geringen Erwärmung der Strahlerumgebung. Somit zeigt sich überraschenderweise, daß beim neuen Infrarotstrahler der Wirkungsgrad bei der Infrarot-Behandlung des üblichen Behandlungsgutes besser, und der Energiebedarf gleichzeitig geringer sein kann, als bei den bekannten kurzwelligen Infrarotstrahlern.The irradiation length is understood to mean the longitudinal section of the infrared radiator, which contributes directly to the heating. This length section extends between the unheated ends of the cladding tube. Whereas in the known infrared radiator the length of the carbon band corresponds to the irradiation length, the length of the carbon band in the infrared radiator according to the invention is at least 1.5 times as long. As a result, the irradiation length achieves at least a magnification of the emitting surface by a factor of 1.5, which according to Boltzmann's law is accompanied by a corresponding increase in the radiant power at the same surface temperature. Thus, in the infrared radiator according to the invention high power densities can be achieved even at low operating temperatures. These are at least 15 watts per cm 3 of the volume enclosed by the cladding tube over the irradiation length. The higher power density is beneficial in several ways. The infrared radiator according to the invention allows a rapid heating of at least 250 ° C / second and a rapid cooling and thus behaves in terms of its rate of thermal cycling similar to short-wave infrared radiator. Their emission maximum is usually in the wavelength range between 0.9 microns and 1.8 microns, whereas in the infrared radiator according to the invention due to the low operating temperatures below about 1220 K, the maximum of the emission in the wavelength range of about 2.3 microns to 2.9 microns lies. This wavelength range agrees well with the wavelength range of about 1.8 microns to 4 microns, within the water-containing material to be treated has absorption maxima. Due to the increased radiant power of the new infrared radiator, enough Comparatively low energy consumption for the operation of the new infrared radiator in this wavelength range. This also leads to a correspondingly low heating of the radiator environment. Thus, surprisingly, it turns out that with the new infrared radiator, the efficiency in the infrared treatment of the usual material to be treated better, and the energy requirement can be simultaneously lower than in the known short-wave infrared radiators.

Die Vergrößerung der Oberfläche des Carbonbandes im Vergleich zur einfachen, langgestreckten Ausführung wird durch eine spezielle geometrische Formgebung des Carbonbandes erreicht, wie durch Falten, Biegen, Stauchen, Rollen, Verdrillen. Wesentlich ist lediglich, daß die Länge des Carbonbandes nach dieser Formgebung maximal 66,67% der Länge des Carbonbandes in seiner langgestreckten Form entspricht.The enlargement of the surface of the carbon ribbon compared to the simple, elongated design is achieved by a special geometric shape of the carbon ribbon, such as by folding, bending, upsetting, rolling, twisting. It is only essential that the length of the carbon ribbon after this shaping corresponds to a maximum of 66.67% of the length of the carbon ribbon in its elongated shape.

Besonders bewährt hat sich ein spiralförmig ausgebildetes Carbonband. Infolge der Spiralform ist die Oberfläche der Emissionsquelle deutlich größer als die Oberfläche eines zylinderförmigen, gestreckten Bandes gleicher Länge. Bei der Spiralform ist für die Leistungsabgabe im wesentlichen die nach außen abstrahlende Oberfläche relevant, die abgesehen vom Spalt zwischen den Windungen annährend die Form einer Zylindermantelfläche hat. In diesem Fall ist es im Sinne der Erfindung erforderlich, daß die nach außen abstrahlende Oberfläche um mindestens einen Faktor 1,5 größer ist als die Bestrahlungslänge. Die größere Oberfläche wiederum führt bei gegebener Oberflächentemperatur zu einer höheren Strahlungsleistung.Has proven particularly useful a spirally formed carbon band. Due to the spiral shape, the surface of the emission source is significantly larger than the surface of a cylindrical, elongated strip of equal length. In the case of the spiral shape, the outgoing radiation surface is essentially relevant for the power output, which, apart from the gap between the windings, has approximately the shape of a cylinder jacket surface. In this case, it is necessary for the purposes of the invention that the outwardly radiating surface is at least a factor of 1.5 greater than the irradiation length. The larger surface in turn leads to a higher radiant power at a given surface temperature.

In gleichermaßen bevorzugten Ausführungsformen ist das Carbonband ziehharmonikaartig gefaltet oder wellenförmig gebogen. Wesentlich ist, daß die genannten speziellen Formgebungen zu einer Länge des Carbonbandes beitragen, die mindestens um den Faktor 1,5 größer als die Bestrahlungslänge ist. Die Dicke des Carbonbandes liegt üblicherweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, und seine Breite im Bereich zwischen 2 mm und 25 mm.In equally preferred embodiments, the carbon ribbon is accordion-folded or wavy curved. It is essential that said special shapes contribute to a length of the carbon ribbon which is at least 1.5 times larger than the irradiation length. The thickness of the carbon band is usually in the range between 0.1 mm and 0.5 mm, and its width in the range between 2 mm and 25 mm.

Hinsichtlich des Verfahrens zur Erwärmung eines Behandlungsgutes unter Verwendung eines Infrarotstrahlers wird die oben angegebene Aufgabe dadurch gelöst, daß der erfindungsgemäße Infrarotstrahler so betrieben wird, daß sein Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge im Bereich von 1,8 µm bis 2,9 µm liegt und daß seine Leistungsabgabe mindestens 15 Watt pro cm3 des vom Hüllrohr über die Bestrahlungslänge umschlossenen Volumens beträgt.With regard to the method for heating a material to be treated using an infrared radiator, the above object is achieved in that the infrared radiator according to the invention is operated so that its emission maximum at a wavelength in the range of 1.8 microns to 2.9 microns and that its power output at least 15 watts per cm 3 of the volume enclosed by the cladding tube over the irradiation length.

Die Erwärmung des Behandlungsgutes mittels des Infrarotstrahlers kann beispielsweise zum Trocknen, Härten, Erweichen oder Verschweißen erfolgen. Der angegebene Wellenlängenbereich von 1,8 µm bis 2,9 µm geht mit einer Oberflächentemperatur im Bereich von etwa 1250 K bis etwa 1000 K einher. Aufgrund der vergleichsweise großen Oberfläche der Emissionsquelle sind bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahler auch bei diesen relativ niedrigen Betriebstemperaturen hohe Leistungsdichten erreichbar. Erfindungsgemäß wird für die Erwärmung des Behandlungsgutes eine Leistungsabgabe von mindestens 15 Watt pro cm3 des vom Hüllrohr über die Bestrahlungslänge umschlossenen Volumens eingestellt, wobei dieses Leistungsabgabe im wesentlichen einen Wellenlängenbereich von etwa 1,8 µm bis 4 µm umfaßt, innerhalb dem wasserhaltiges Behandlungsgut üblicherweise Absorptionsmaxima aufweist. Für den Betrieb des neuen Infrarotstrahlers ist daher nicht nur ein verhältnismäßig niedriger Energieeinsatz erforderlich, sondern insbesondere stimmt dieser Wellenlängenbereich gut mit dem oben genannten anwendungsspezifischen Wellenlängenbereich von etwa 1,8 µm bis 4 µm überein. Dadurch sind die Bestrahlungsdauern für die gewünschte Erwärmung kurz. Bei dieser Betriebsweise des neuen Infrarotstrahlers ist somit der Wirkungsgrad zur Erwärmung des Behandlungsgutes besser als bei herkömmlichen kurzwelligen Infrarot-Strahlern. Insbesondere ist der Energiebedarf für die Erwärmung geringer und die Behandlungsdauer ist kürzer.The heating of the material to be treated by means of the infrared radiator can be done for example for drying, curing, softening or welding. The specified Wavelength range of 1.8 microns to 2.9 microns is associated with a surface temperature in the range of about 1250 K to about 1000 K. Due to the comparatively large surface area of the emission source, high power densities can be achieved in the infrared radiator according to the invention even at these relatively low operating temperatures. According to the invention a power output of at least 15 watts per cm 3 of the space enclosed by the envelope tube over the radiation length volume is set for the heating of the material to be treated, said power output substantially comprises a wavelength range of from about 1.8 microns to 4 microns, within the water-containing material to be treated typically absorption maxima having. Therefore, not only a relatively low energy input is required for the operation of the new infrared radiator, but in particular this wavelength range is in good agreement with the abovementioned application-specific wavelength range of about 1.8 μm to 4 μm. As a result, the irradiation times for the desired heating are short. In this mode of operation of the new infrared radiator thus the efficiency for heating the material to be treated is better than in conventional short-wave infrared radiators. In particular, the energy required for heating is lower and the treatment time is shorter.

Besonders bevorzugt wird eine Verfahrensweise, bei der das Maximum der Emissionswellenlänge bei 2,3 µm bis 2,7 µm liegt. Bei einer Betriebsweise des neuen Infrarotstrahlers in diesem Wellenlängenbereich werden ein besonders hoher Energiewirkungsgrad bei gleichzeitig kurzen Behandlungsdauern erreicht.Particularly preferred is a procedure in which the maximum of the emission wavelength is 2.3 microns to 2.7 microns. When operating the new infrared radiator in this wavelength range, a particularly high energy efficiency with simultaneously short treatment periods are achieved.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Figur 1:
einen erfindungsgemäßen Infrarotstrahler mit einer Emissionsquelle in Form eines spiralförmigen Carbonbandes in schematischer Darstellung,
Figur 2:
ein Diagramm mit typischen spektralen Strahlungsverteilungen dreier Infrarot-Strahler,
Figur 3:
ein ziehharmonikaartig gefaltetes Carbonband in schematischer Darstellung, und
Figur 4:
ein wellenförmig geformtes Carbonband in schematischer Darstellung.
The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and a patent drawing. In detail in the drawing:
FIG. 1:
an infrared radiator according to the invention with an emission source in the form of a spiral carbon ribbon in a schematic representation,
FIG. 2:
a diagram with typical spectral radiation distributions of three infrared emitters,
FIG. 3:
an accordion-folded carbon ribbon in a schematic representation, and
FIG. 4:
a wavy shaped carbon ribbon in a schematic representation.

Bei dem in Figur 1 schematisch dargestellten Infrarotstrahler handelt es sich um einen mittelwelligen Infrarotstrahler mit einem Emissionsmaximum im Wellenlängenbereich von 2,0 bis 2,9 µm. Innerhalb eines evakuierten Hüllrohres 1 aus Quarzglas ist ein Heizelement in Form eines spiralförmigen Carbonbandes 2 angeordnet. Das Hüllrohr 1 weist einen Innendurchmesser von 16 mm und eine Länge von ca. 110 cm auf Die Enden des Hüllrohres 1 sind durch Quetschungen 4 verschlossen, durch die metallische Anschlußelemente 3 für den elektrischen Anschluß des Carbonbandes 2 herausgeführt sind.The infrared radiator shown schematically in FIG. 1 is a medium-wave infrared radiator with an emission maximum in the wavelength range from 2.0 to 2.9 μm. Within an evacuated envelope tube 1 made of quartz glass, a heating element in the form of a spiral carbon band 2 is arranged. The cladding tube 1 has an inner diameter of 16 mm and a length of about 110 cm. The ends of the cladding tube 1 are closed by pinching 4, are led out through the metallic connecting elements 3 for the electrical connection of the carbon strip 2.

Das Carbonband 2 hat eine Dicke von 0,15 mm und eine Breite von 11 mm. Die Enden des Carbonbandes 2 sind den metallischen Anschlußelementen 3 verbunden. Die vom Carbonband 2 geformte Wendel umschreibt einen Hüllkreis mit einem Außendurchmesser von ca. 15 mm. Der Spalt zwischen den Windungen beträgt etwa 2 mm. Die Wendel erstreckt sich über die gesamte Bestrahlungslänge "B" des Infrarotstrahlers, die ca. 100 cm beträgt. Die tatsächliche Länge des Carbonbandes 2 in ausgestreckter Form liegt bei etwa 360 cm. Somit wird - im Vergleich zu einer über die Bestrahlungslänge "B" gestreckten Ausführungsform des Carbonbandes - beim spiralförmigen Carbonband 2 insgesamt eine um etwa den Faktor 3,6 größere Oberfläche innerhalb der Bestrahlungslänge "B" des Hüllrohres 1 bereitgestellt, wovon die nach außen abstrahlende Oberfläche jedoch nur einen Anteil ausmacht, so daß die für die Leistungssteigerung eigentlich wirksame Oberflächenvergrößerung gegenüber der langgestreckten Ausführungsform etwa einen Faktor 2 liegt. Dementsprechend wird eine doppelt so hohe Strahlungsleistung bereitgestellt, was sich insbesondere bei niedrigen Temperaturen unterhalb von 1220 K deutlich bemerkbar macht. Das spiralförmige Carbonband 2 ist daher besonders geeignet zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers. Der Infrarotstrahler erlaubt schnelle Temperaturwechsel; Aufheizgeschwindigkeiten von mehr als 250 °C/Sekunde sind möglich. Das vom Hüllrohr 1 über die Bestrahlungslänge B umschlossene Volumen beträgt bei dieser Ausführungsform etwa 200 cm3.The carbon band 2 has a thickness of 0.15 mm and a width of 11 mm. The ends of the carbon strip 2 are connected to the metallic connecting elements 3. The coil formed by the carbon band 2 circumscribes an enveloping circle with an outer diameter of about 15 mm. The gap between the turns is about 2 mm. The helix extends over the entire irradiation length "B" of the infrared radiator, which is approximately 100 cm. The actual length of the carbon band 2 in extended form is about 360 cm. Thus, in comparison with an embodiment of the carbon ribbon stretched over the irradiation length "B", the spiral carbon ribbon 2 as a whole provides a surface which is larger by approximately 3.6 times within the irradiation length "B" of the cladding tube 1, of which the surface radiating outwards however, only makes up a proportion, so that the surface enlargement actually effective for the increase in performance is approximately a factor of 2 compared with the elongate embodiment. Accordingly, a twice as high radiant power is provided, which is particularly noticeable at low temperatures below 1220 K. The spiral carbon band 2 is therefore particularly suitable for producing an infrared radiator according to the invention. The infrared radiator allows rapid temperature changes; Heating rates of more than 250 ° C / second are possible. The volume enclosed by the cladding tube 1 over the irradiation length B is approximately 200 cm 3 in this embodiment.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel für eine Betriebsweise anhand des in Figur 1 dargestellten Infrarotstrahlers näher beschrieben:An exemplary embodiment for an operating mode will be described in more detail below with reference to the infrared radiator shown in FIG. 1:

Der Infrarotstrahler wird zum Erwärmen eines bandförmigen Materials in einem Durchlaufofen eingesetzt. Die Haupt-Absorptionsbanden des zu erwärmenden bandförmigen Materials liegen im Bereich zwischen 1,8 µm und 4 µm. Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler wird so betrieben, daß sein Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge um etwa 2,4 µm liegt. Dabei gibt der Infrarotstrahler eine Leistung von etwa 40 Watt pro cm Strahlerlänge ab, im Ausführungsbeispiel also etwa 4000 Watt insgesamt, was etwa 20 W pro cm3 des vom Hüllrohr 1 über die Bestrahlungslänge B umschlossenen Volumens entspricht. Für ein 1 m2 großes Heizfeld ergibt sich bei Bestückung mit 20 derartigen Infrarotstrahlern somit eine Flächenleistung von 80 kW/m2. Der angegebene Emissions-Wellenlängenbereich von 2,4 µm entspricht einer Oberflächentemperatur im Bereich von etwa 1200 K. Aufgrund der vergleichsweise großen Oberfläche des Carbonbandes 2 sind bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahler auch bei diesen relativ niedrigen Betriebstemperaturen die genannten hohen Leistungsdichten von etwa 80 kW/m2 erreichbar. Aufgrund der hohen Leistungsdichte im Bereich der Haupt-Absorptionsbanden des zu erwärmenden Materials sind darüberhinaus hohe Prozeßgeschwindigkeiten möglich.The infrared radiator is used for heating a band-shaped material in a continuous furnace. The main absorption bands of the band-shaped material to be heated are in the range between 1.8 μm and 4 μm. The infrared radiator according to the invention is operated so that its emission maximum at a wavelength of about 2.4 microns. In this case, the infrared radiator emits a power of about 40 watts per cm radiator length, in the exemplary embodiment therefore about 4000 watts in total, which corresponds to about 20 W per cm 3 of the enveloped by the sheath 1 over the irradiation length B volume. For a 1 m 2 heating field yields when equipped with 20 such infrared radiators thus a surface power of 80 kW / m 2 . The specified emission wavelength range of 2.4 microns corresponds to a surface temperature in the range of about 1200 K. Due to the comparatively large surface of the carbon strip 2 in the infrared radiator according to the invention, the said high power densities of about 80 kW / m 2 even at these relatively low operating temperatures reachable. Due to the high power density in the region of the main absorption bands of the material to be heated beyond high process speeds are possible.

Bei dieser Betriebsweise des neuen Infrarotstrahlers ist somit der Wirkungsgrad zur Erwärmung des Behandlungsgutes besser als bei kurzwelligen Infrarot-Strahlern. Insbesondere ist der Energiebedarf für die Erwärmung geringer und die Behandlungsdauer ist kürzer.In this mode of operation of the new infrared radiator thus the efficiency for heating the material to be treated is better than short-wave infrared radiators. In particular, the energy required for heating is lower and the treatment time is shorter.

In einer weiteren Verfahrensweise wird der erfindungsgemäße Infrarotstrahler zum Verschweißen von Kunststoff-Formteilen verwendet. Hierzu wird das Emissionsmaximum des Carbonstrahlers 2 auf eine Wellenlänge von 2,5 µm eingestellt. Die Haupt-Absorptionsbanden des zu erwärmenden Kunststoffes liegen bei 3 bis 4 µm. Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler wird so betrieben, daß sein Emissionsmaximum bei einer Wellenlänge um etwa 2,9 µm liegt. Dabei gibt der Infrarotstrahler eine Leistung von etwa 36 Watt pro cm Strahlerlänge ab, im Ausführungsbeispiel also etwa 3600 Watt insgesamt, was etwa 18 W pro cm3 des vom Hüllrohr 1 über die Bestrahlungslänge B umschlossenen Volumens entspricht. Für ein 1 m2 großes Heizfeld ergibt sich damit bei Bestückung mit 20 derartigen Infrarotstrahlern eine Flächenleistung von 72 kW/m2. Gleichzeitig ist eine hohe Aufheizgeschwindigkeit von mindestens 250 °C/s erreichbar. Aufgrund der hohen Leistungsdichte im Bereich der Haupt-Absorptionsbanden des zu erwärmenden Kunststoffes sind hohe Prozeßgeschwindigkeiten möglich.In a further procedure, the infrared radiator according to the invention is used for welding plastic molded parts. For this purpose, the emission maximum of the carbon radiator 2 is set to a wavelength of 2.5 microns. The main absorption bands of the plastic to be heated are 3 to 4 microns. The infrared radiator according to the invention is operated so that its emission maximum at a wavelength of about 2.9 microns. In this case, the infrared radiator emits a power of about 36 watts per cm radiator length, ie in the exemplary embodiment about 3600 watts total, which corresponds to about 18 W per cm 3 of the enveloping tube 1 over the irradiation length B volume. For a 1 m 2 large heating field, this results in a surface power of 72 kW / m 2 when equipped with 20 such infrared radiators. At the same time a high heating rate of at least 250 ° C / s can be achieved. Due to the high power density in the region of the main absorption bands of the plastic to be heated, high process speeds are possible.

Anhand des in Figur 2 gezeigten Diagramms wird die vorteilhafte Wirkung des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers deutlich. Im Diagramm sind spektrale Strahlungsverteilungen eines typischen kurzwelligen Infrarotstrahlers (Kurve A), eines üblichen Carbonstrahlers bei einer Betriebstemperatur des Carbonbandes von 1500 K (Kurve B) und eines erfindungsgemäßen Carbonstrahlers mit einem gewendelten Carbonband, wie er in Figur 1 dargestellt ist, bei einer Betriebstemperatur von 1200 K (Kurve C) dargestellt. Auf der y-Achse ist die Intensität der spektralen Emission gemäß dem Stefan Boltzmann Gesetz in relativen Einheiten (kW/m2-Normierung) aufgetragen, und auf der x-Achse der Wellenlängenbereich von 0 bis 7,5 µm. Alle diese Infrarot-Strahler zeichnen sich gleichermaßen dadurch aus, daß sie sich sehr schnell aufheizen lassen (Die Aufheizgeschwindigkeit beträgt mindestens 250 °C/Sekunde). Die Flächen unter den Kurven A, B und C sind jeweils gleich, das heißt, die emittierte optische Leistung ist bei allen Infrarotstrahlern gleich. Das Emissionsmaximum der Kurve A liegt bei ca. 1,5 µm, das der Kurve B bei ca. 2 µm und das der Kurve C bei etwa 2,5 µm. Entscheidend sind jedoch die spektralen Anteile in einem anwendungsspezifischen Wellenlängenbereich, innerhalb dem wasserhaltiges Behandlungsgut üblicherweise Absorptionsmaxima aufweist und der zwischen 1,8 µm und etwa 4 µm liegt. Besonders relevant ist der Wellenlängenbereich zwischen 2,5 µm und 3,5 µm, der in Figur 2 durch senkrechte Linien begrenzt ist. In diesem Wellenlängenbereich unterscheiden sich die Kurven A, B und C. Bei einem üblichen kurzwelligen Infrarotstrahler gemäß Kurve A ist der entsprechende spektrale Anteil, der durch die schraffierte Fläche unter der Kurve A gekennzeichnet ist, am geringsten, wogegen dieser spektrale Anteil beim erfindungsgemäßen Infrarot-Strahler gemäß Kurve C trotz gleicher Leistung am größten ist. Daraus ergeben sich die oben genannten vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers, insbesondere das große Energieeinsparpotential.Based on the diagram shown in Figure 2 , the advantageous effect of the infrared radiator according to the invention is clear. In the diagram are spectral radiation distributions of a typical short-wave infrared radiator (curve A), a conventional carbon radiator at an operating temperature of the carbon band of 1500 K (curve B) and a carbon radiator according to the invention with a coiled carbon ribbon, as shown in Figure 1, at an operating temperature of 1200 K (curve C) shown. On the y-axis, the intensity of the spectral emission according to the Stefan Boltzmann law in relative units (kW / m 2 normalization) is plotted, and on the x-axis, the wavelength range of 0 to 7.5 microns. All these infrared emitters are characterized equally by the fact that they can heat up very quickly (the heating rate is at least 250th ° C / second). The areas under the curves A, B and C are the same in each case, that is, the emitted optical power is the same for all infrared radiators. The emission maximum of the curve A is about 1.5 microns, that of the curve B at about 2 microns and that of the curve C at about 2.5 microns. Decisive, however, are the spectral components in an application-specific wavelength range within which water-containing material to be treated usually has absorption maxima and which is between 1.8 μm and about 4 μm. Particularly relevant is the wavelength range between 2.5 microns and 3.5 microns, which is limited in Figure 2 by vertical lines. In this wavelength range, the curves A, B and C differ. In a conventional short-wave infrared radiator according to curve A, the corresponding spectral component, which is characterized by the hatched area under the curve A, is the smallest, whereas this spectral component is the infrared component according to the invention. Emitter according to curve C despite the same power is greatest. This results in the abovementioned advantageous effects of the infrared emitter according to the invention, in particular the great energy-saving potential.

Das in Figur 3 schematisch dargestellte ziehharmonikaartig gefaltete Carbonband 5 hat eine Dicke von 0,15 mm und eine Breite von 10 mm. Das Carbonband 5 ist quer zu seiner Längsachse 6 gefaltet. Im Ausführungsbeispiel sind vier gleiche Faltungen 7 vorgesehen, wobei jede der Faltungen 7 eine obere Knickstelle 8 oberhalb der Längsachse 6 und eine untere Knickstelle 9 unterhalb der Längsachse 6 umfaßt. Die Abstand zwischen oberer Knickstelle 8 und unterer Knickstelle 9 beträgt für jede Faltung 7 ca. 11 mm. Das gefaltete Carbonband 5 erstreckt sich über eine Bestrahlungslänge von ca. 8 cm. Die tatsächliche Länge des Carbonbandes 5 in ausgestreckter Form liegt bei etwa 12,5 cm. Somit wird durch das gefaltete Carbonband 5 - im Vergleich zu einer längs der Längsachse 6 gestreckten Ausführungsform des Carbonbandes - eine um etwa den Faktor 1,5 größere Oberfläche innerhalb der Bestrahlungslänge bereitgestellt und dementsprechend eine um den gleichen Faktor höhere Strahlungsleistung ermöglicht.The concertina-like folded carbon ribbon 5 shown schematically in FIG. 3 has a thickness of 0.15 mm and a width of 10 mm. The carbon band 5 is folded transversely to its longitudinal axis 6. In the exemplary embodiment four identical folds 7 are provided, wherein each of the folds 7 comprises an upper kink 8 above the longitudinal axis 6 and a lower kink 9 below the longitudinal axis 6. The distance between upper bend 8 and lower bend 9 is about 11 mm for each fold 7. The folded carbon ribbon 5 extends over an irradiation length of about 8 cm. The actual length of the carbon ribbon 5 in extended form is about 12.5 cm. Thus, by the folded carbon ribbon 5 - compared to an elongated along the longitudinal axis 6 embodiment of the carbon ribbon - provided by a factor of about 1.5 larger surface within the irradiation length and accordingly allows a higher by the same factor radiation power.

Das in Figur 4 schematisch dargestellte wellenförmig geformte Carbonband 10 hat eine Dicke von 0,15 mm und eine Breite von 10,5 mm. Das Carbonband 10 ist quer zu seiner Längsachse 11 wellenförmig gebogen. Im Ausführungsbeispiel sind 19 gleiche Wellen 12 vorgesehen, wobei jede der Wellen 12 einen Wellenberg 13 oberhalb der Längsachse 11 und ein Wellental 14 unterhalb der Längsachse 11 umfaßt. Die Carbonband-Länge zwischen Wellenberg 13 und Wellental 14 beträgt jeweils ca. 33 mm. Das gebogene Carbonband 10 erstreckt sich über eine Bestrahlungslänge von ca. 41 cm. Die tatsächliche Länge des Carbonbandes 10 in ausgestreckter Form liegt bei etwa 64 cm. Somit ermöglicht das gewellte Carbonband 10 - im Vergleich zu einer längs der Längsachse 11 gestreckten Ausführungsform des Carbonbandes - eine um etwa den Faktor 1,5 größere Oberfläche innerhalb der Bestrahlungslänge und dementsprechend eine um den gleichen Faktor höhere Strahlungsleistung.The wave-shaped carbon ribbon 10 shown schematically in FIG. 4 has a thickness of 0.15 mm and a width of 10.5 mm. The carbon band 10 is bent in a wave shape transversely to its longitudinal axis 11. In the exemplary embodiment, 19 identical shafts 12 are provided, wherein each of the shafts 12 comprises a wave crest 13 above the longitudinal axis 11 and a wave trough 14 below the longitudinal axis 11. The carbon band length between Wellenberg 13 and Wellental 14 is approx. 33 mm each. The bent carbon ribbon 10 extends over an irradiation length of about 41 cm. The actual length of the carbon strip 10 in extended form is about 64 cm. Thus, the corrugated carbon tape allows 10 - in Compared to an elongated along the longitudinal axis 11 embodiment of the carbon ribbon - a larger by about a factor of 1.5 surface within the irradiation length and, accordingly, by the same factor higher radiation power.

Claims (6)

  1. Infrared radiator comprising a closed envelope tube, which encloses an emission source which is connected to connections for a power supply and is in the form of a carbon strip, which, extending in the direction of the longitudinal axis of the envelope tube, determines a radiation length of the infrared radiator, wherein the carbon strip (2; 5; 10) has a length which is greater by at least a factor of 1.5 than the radiation length (B), and wherein its power output is at least 15 watts per cm3 of the volume enclosed by the envelope tube over the radiation length.
  2. Infrared radiator according to claim 1, wherein the carbon strip (2) is helical.
  3. Infrared radiator according to claim 1, wherein the carbon strip (5) is folded in the manner of a concertina.
  4. Infrared radiator according to claim 1, wherein the carbon strip (10) is bent in an undulating shape.
  5. Method for heating an item to be treated using an infrared radiator according to any one of claims 1 to 4, which allows a heating speed of at least 250°C/second, wherein the infrared radiator according to the invention is operated in such a way that its emission maximum is in a wavelength in the range of 1.8 µm to 2.9 µm and its power output is at least 15 watts per cm3 of the volume enclosed by the envelope tube (1) over the radiation length (B).
  6. Method according to claim 5, wherein the maximum of the emission wavelength is 2.3 µm to 2.7 µm.
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