JP2004273453A - 赤外線放射エレメントおよびその使用 - Google Patents

Abstract

【課題】シリカガラスから成り、２つの端部を有している放射管２ａ，２ｂを備え、放射管に放射源として配置されている導体を備え、シリカガラスから成る冷却管３を備え、該冷却管は放射管を離間して取り囲みかつ端部で直接該放射管に連結されていて、放射管と冷却管との間の導体の領域に貫流可能な通路が実現され、金属リフレクタを備えている赤外線放射エレメントにおいて、比較的簡単な構造で液体またはガスの一層効率のよい加熱が可能になるようにする。
【解決手段】冷却管は放射管とは反対の側において完全にリフレクタ８によって被覆されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、
シリカガラスから成っている少なくとも１つの放射管を備え、該放射管は２つの端部を有しており、
放射管に放射源として配置されている少なくとも１つの導体を備え、
シリカガラスから成る冷却管を備え、該冷却管は少なくとも１つの放射管を離間して取り囲みかつ端部で直接該放射管に連結されていて、導体の領域において少なくとも１つの放射管と冷却管との間で少なくとも１つの貫流可能な通路が実現されているようになっており、かつ
金属リフレクタを備え
ている赤外線放射エレメントに関する。

本発明は更に、この種の赤外線放射エレメントの使用に関する。

冒頭に述べた赤外線放射エレメントはＤＥ１００４１５６４Ａ１から公知である。ここには冷却可能な赤外線放射エレメントが開示されており、ここでは図５ａないし図６ｃにはシリカガラスの冷却管によって被覆されている、２つの側でコンタクト形成されている赤外線放射器が示されている。赤外線放射器の冷却のための冷却媒体は冷却管と赤外線放射器との間の空間を貫流するように設けられている。冷却管には、赤外線放射器の、放射を放出する領域の他に、リフレクタも存在している。冷却媒体の一部が、赤外線放射が冷却媒体のこの部分に影響することなく、リフレクタを通って流れるようにすることができる。赤外線放射器から放出される赤外線放射は、放射透過の冷却媒体およびシリカガラスから成る冷却管を通って直接達するかまたはまずリフレクタによって反射されかつそれから放射が処置すべき物体にぶつかる前に、冷却管を通る経路をとる。

ＷＯ９８／３１０４５は、石英ガラスから成る２つの管の間に配置されているシリンダ形状の加熱エレメントを備えた高純度の、脱イオン水に対する加熱体を開示している。この加熱装置の内部および外部にそれぞれ、石英ガラスから成る別の管が存在しており、その際加熱すべき水に対する第１および第２のリング形状の流れ通路が形成される。管の端面にてこれらは合成樹脂から成る終端キャップによって連結されている。水は第１の流れ通路から第２の流れ通路に流れ、その結果一旦シリンダ形状の加熱エレメントの内側をこれに沿って流れかつ次いで加熱エレメントの外側をこれに沿って流れる。その際水の加熱は熱伝導、対流および放射によって行われる。流れ通路には層状の流れが生じて、水による管のエロージオンが僅かに抑えられるようにしている。このために、熱交換が余り効果的でなくなるということにもなる。装置構成は必要な多数の部品に基づいて複雑、高価でありしかもシールするのが難しい。異なっている直径を有する石英ガラスから成る４つの管をシールするものである終端キャップは合成樹脂から形成されかつ加熱すべき水に直接接している。この点は殊に不都合である。というのは、合成樹脂はバクテリアによる水の汚染を引き起こす可能性があるからである。

ＵＳ５０５４１０７には、赤外線放射を用いて液体を加熱するための装置が記載されている。その際被覆管に電熱線から成る、周りにガスが流れている形式の赤外線放射器が高純度の水を加熱するために設けられている。ここで水は石英ガラスまたはＰＴＦＥから成る容器の中を通って流れていく。その際容器はリフレクタを有していて、それが赤外線放射器から放出されかつ水によって直接吸収されない放射を水に反射して戻す。加熱すべき液体と赤外線放射器の被覆管との間は直接接触しないようになっているので、液体の加熱は放射によってのみ行われなければならず、おまけに赤外線放射器、ケーシングおよびリフレクタの冷却が必要である。これら部品の付加的な冷却は熱損失に繋がりかつ高純度の液体の汚染源になりかねない。赤外線放射器の冷却の際の冷却効率は悪いので、この熱交換機の出力は制限されている。赤外線放射器が放出すべきである有利な波長として、３μｍのところに水の最大の吸収があることが分かっている。しかしこの波長の赤外線放射は水中に深く侵入することができず、不均質な加熱が生じることになる。
ＤＥ１００４１５６４Ａ１ ＷＯ９８／３１０４５ ＵＳ５０５４１０７

従って本発明の課題は、比較的簡単な構造で液体またはガスの効率のよい加熱に適している赤外線放射エレメントを提供することである。

この課題は、本発明によれば、シリカガラスから成っている少なくとも１つの放射管を備え、該放射管は２つの端部を有しており、放射管に放射源として配置されている少なくとも１つの導体を備え、シリカガラスから成る冷却管を備え、該冷却管は少なくとも１つの放射管を離間して取り囲みかつ端部で直接該放射管に連結されていて、導体の領域において少なくとも１つの放射管と冷却管との間に少なくとも１つの貫流可能な通路が実現されるようになっており、かつ金属リフレクタを備えている赤外線放射エレメントから出発して、冷却管が放射管とは反対の側において完全にリフレクタによって被覆されていることによって解決される。リフレクタのこの形式の配置により冷却管を通って放射が外に出るのが妨げられる。むしろ液体によって吸収されない赤外線放射がリフレクタでマルチ反射することに基づいて非常に大きな路長が液体中で実現され、これにより吸収強度が比較的僅かである波長領域の放射も液体によって効率よく吸収される。これにより液体は高い効率によって迅速に加熱されることになる。同時に、放射管は液体と直接接触しているので強力に冷却されかつ加熱から保護される。従って液体は熱放射を用いてのみならず、熱伝導および対流によっても効率よく加熱される。

放射管はその両端部で気密に封止されており、その際両端部の少なくとも１つに、導体を接続するための気密の電流ブッッシングが配置されていることが実際に有利であることが認められている。この種の実施形態は短波の放射源ないしカーボン材料から成る放射源に対して殊に適している。中波の放射源が使用されるとき、放射管はその両端部が開いていても構わない。

高い出力を実現するために、冷却管において２つの導体を２つの隣接する放射管−所謂ツイン管−に使用すると有利であることが認められている。

その際殊に、冷却管が少なくとも１つの放射管に対して同軸に配置されているとよいことが分かっている。この種の配置により、放射管の全面的に均一な冷却ないし冷却管を通ってガイドされる液体の均一な加熱が補償される。

冷却管を通ってガイドされるべき液体の巧みな供給および放出のために、冷却管がその一方の端部に流入管およびその他方の端部に排出管を有していると有利である。

リフレクタは基本的に多数の金層から成っていることができる。この場合、リフレクタ材料として金を使用すると殊に有利であることが分かっている。というのは、金は近赤外線における耐食性の金属中抜きんでて最高の反射率を有しているからである。その際リフレクタは被膜の形で冷却管に直接被着されていてよいが、独立した管として冷却管を取り囲んでいても構わない。しかしリフレクタの効率および寿命を考慮して、リフレクタを被膜として実現すると有利である。例えば金層を冷却管に被せるために、とりわけ、刷毛を用いた手動の塗布、噴霧式ラッカまたは移し絵によって行うことができる。冷却管での金層の固着およびその耐久性を考量すると、金層が冷却管の上に焼き付けられていると有利である。

リフレクタは更に、冷却管とは反対の側で保護層によって被覆されているようにすることができる。すなわちリフレクタとして金層を使用する際殊に、これを機械的な損傷から保護すると有意味である。このために例えば、ガラス、アルミニウム酸化物またはジルコン酸化物から成る保護層が適している。冷却管に高圧がかけられると、管を保護層としての高度に破断しにくい合成樹脂ホースに埋め込むと有利であろう。こうしておけば、冷却管が破断した場合にも、怪我するおそれはなくなる。

冷却管において最適な流れ分布を調整設定するために、少なくとも１つの通路にシリカガラスから成る流れに影響を及ぼすためのエレメントを配置すると有利である。

少なくとも１つの通路が円環形状または近似的に円環形状の横断面を有していると有利であることが分かっている。この種のチャネルは放射管の、冷却管を流れる液体に対するほぼ対称的な熱分布を保証するものである。

しかし、少なくとも１つの通路が少なくとも１つの放射管に沿ってスパイラル形状に延在しているようにしても有利である。これにより、少なくとも１つの赤外線放射器の領域において冷却管を通って流れる液体の滞留時間を延長しかつ液体の実現可能な温度を一段と高めることができる。

導体に対する材料として、タングステンまたはカーボン材料が有利であることが分かっている。高い電力が入力結合されるべきであれば、タングステンまたはカーボン材料から成る導体を両側が封止されておりかつ不活性の充填ガスによって充填されているまたは真空化されている放射管を使用すると有利であることが分かっている。しかし基本的には、いずれの赤外線放射器も使用可能である。すなわち例えば、鉄、アルミニウムおよびクロムから成る合金またはニッケル−クロム合金から形成されている導体を使用することができる。この形式の導体は両側が開放している放射管において、空気に触れて使用されても全く問題ない。

冷却管における液体として水が加熱されるべき場合には、赤外線の吸収特性を考慮して、１．３ないし１．８μｍの領域の波長に放射の主成分がある短波の放射器を使用すると有利である。水の良好でかつ均一な十分な加熱は数ミリメートルの層厚の場合殊にこの波長領域において実現される（図４参照）。比較的分厚い水層が加熱されるべきであれば、０．９ないし１．４μｍの領域の波長に放射の主成分がある放射器を使用すると有利であることが認められている（図５参照）。冷却管において十分に乱流の流れが生じるようにされていれば、水の加熱のために長波の放射を使用することができる。

その際殊に、放射管に配置されている導体が２４００Ｋないし２６００Ｋの領域にある温度で作動されると有利であることが分かった。これにより冷却管において水の申し分ない、均一な十分な加熱の他に更に、赤外線放射エレメントの高い寿命が実現される。しかし基本的には導体を比較的高い温度で使用するのが望ましい（図５参照）。

加熱すべき別の液体またはガスに対して、最適な放射器放出は別個に求められるべきである。

本発明の赤外線放射エレメントを、特別純度の高い液体、殊に高純度または最高純度の水またはガスに対する貫流式加熱器として使用すると理想的である。高純度または最高純度の水とはここでは、ＡＳＴＭＤ１１９３−９９Ｅ１，ＴｙｐＩ（化学的な汚染）および／またはＴｙｐＩＡ（微生物的な汚染）の規格に対応するものとする。その際液体またはガスは冷却管と放射管との間の少なくとも１つの通路を通って流れかつ少なくとも１つの放射源を用いて加熱される。その際冷却管での液体の流れは使用の赤外線放射器の電力が高い場合には有利には対流させて、放射管からの十分な熱搬送が保証されかつ放射管での液体の沸騰が妨げられるようにする。赤外線放射エレメントは加熱すべき液体の他に付加的な冷却は必要でない。これにより、貫流加熱器の構造体はコンパクトであり、それは僅かな製造コストで製造可能でありかつ故障も極めてしにくい。しかし同時に、この形式の貫流式加熱器は高い効率および高い電力を有し、しかも構造がシンプルであるために保守または交換も容易に行える。

加熱すべき高純度の液体またはガスは貫流加熱器において、シリカガラスから成る冷却管およびシリカガラスから成る放射管にしか接触しない。シリカガラスと液体またはガスとの接触の際には液体またはガスの極めて僅かな汚染しか引き起こさないことは周知である。液体を著しく強く汚染する合成樹脂または金属との接触は回避される。

次に本発明を図示の実施例に付き図面を用いて詳細に説明する。

図１ないし図３には、本発明の赤外線放射エレメントが例示されている。

図４ないし図７には、実施された測定に対する線図が示されている。

図１には、冷却管３に２つの放射管２ａ，２ｂないしツイン管を備えた赤外線放射エレメント１が示されている。放射管２ａ，２ｂも冷却管３もシリカガラスから形成されている。放射管２ａ，２ｂにはタングステンコイルの形の導体４ａ，４ｂが配置されている。これら導体４ａ，４ｂは接続ワイヤ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを用いてコンタクト形成されており、その際接続ワイヤ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄは電流ブッシング５ａ，５ｂを介して気密に放射管２ａ，２ｂから導出されている。冷却管は冷却通路３ａ（図１ａ）を有している。これは放射管２ａ，２ｂを取り囲んでいる。更に冷却管３にシリカガラスから成る接続管９ａ，９ｂが存在している。これら接続管により冷却通路３ａに対して液体を供給しかつ排出することが可能になる。冷却管３の、冷却通路３ａとは反対の表面に金から成るリフレクタ層８が配置されている。

図１ａは図１の赤外線放射エレメントの横断面Ａ−Ａ’、殊に冷却通路３ａの配置を示している。

有利な実施形態において図１および図１ａに示す赤外線放射エレメントによって６ｋＷの電力が供給される。これは、２６００Ｋの放出温度で動作するタングステンコイルから形成されている、ツイン管に配置されている２つの導体を用いて発生される。この種の装置の効率（加熱電力に対する消費される電力）は、電力損失が発生する可能性がある領域は僅かしか存在しないので、＞９５％と高い。赤外線放射エレメントの完全な電力は、放射源の完全な電力が１ないし２ｓ後に既に達するので、電流が流れ始めてからその都度１０ｓから２ｍｉｎ以内に実現される。

図２には、２つの放射管２ａ，２ｂないしツイン管を冷却管３に有している赤外線放射エレメント１の長手方向で見た図が示されている。放射管２ａ，２ｂも冷却管３もシリカガラスから形成されている。放射管２ａ，２ｂは、カーボン・リボンの形の導体４ａ、４ｂが配置されている。導体４ａ、４ｂはばね１０ａ，１０ｂを用いて緊張されておりかつ電気的な接続は電流ブッシング５ａ，５ｂを介して気密に放射管２ａ，２ｂから外部へ導出されている。冷却管３は冷却通路３ａ（図２ａ）を有している。これは放射管２ａ，２ｂを取り囲んでいる。更に冷却管３にシリカガラスから成る接続管９ａ，９ｂが存在している。これら接続管により冷却通路３ａに対して液体を供給しかつ排出することが可能になる。冷却管３の、冷却通路３ａとは反対の表面に金から成るリフレクタ層８が配置されている。

図２ａは図１の赤外線放射エレメント１の横断面Ｂ−Ｂ’、殊に冷却通路３ａの配置を示している。

図３には、放射管２ａを冷却管３に有している赤外線放射エレメント１の長手方向で見た図が示されている。放射管２ａも冷却管３もシリカガラスから形成されている。放射管２ａは、カーボン・リボンの形の導体４ａが配置されている。導体４ａはばね１０ａを用いて緊張されておりかつ電気的な接続は電流ブッシング５ａ，５ｂを介して気密に放射管２ａから外部へ導出されている。冷却管３は冷却通路３ａを有している。これは放射管２ａを取り囲んでいる。更に冷却管３にシリカガラスから成る接続管９ａ，９ｂが存在している。これら接続管により冷却通路３ａに対して液体を供給しかつ排出することが可能になる。冷却管３の、冷却通路３ａとは反対の表面に金から成るリフレクタ層８が配置されている。

本発明の赤外線放射エレメントのその他の可能な形態は例えば冷却通路複数の放射管を別個に配置することによってまたは冷却通路における流れに影響を及ぼすためのエレメントを配置することによって発明ではない手法で問題なく見つけることができる。

図４には、放射の、水中への侵入深度Ｘが放射の波長λに依存して示されている特性図である。その際曲線群は、水中で吸収される放射の百分率を示している。数ミリメートルの厚さを有する水の層に対して、均一な十分な加熱を鑑みると１３００ないし１８００ｎｍの領域にある波長が好ましいことが分かる。これに対して数センチメートルの厚さを有する水層に対しては、９００ないし１４００ｎｍの領域にある波長の方が有利である。

図５には、約２ｍｍ厚のシリカガラス管におけるタングステンワイヤから成る導体の放射される電力Ｌ_ｎが総電力に正規化されて、波長λに依存して示されている。その際図示の曲線群は導体の温度を示している。導体の温度が１６００ないし２０００Ｋいう低い領域にある場合むしろ広帯域の、中波のスペクトルが実現されることが分かる。この形式のスペクトルは短波成分によってしか、水への十分な侵入深度を実現しない。導体の温度が２６００ないし２８００Ｋいう領域にある場合、吸収されるには水中を非常に長い距離を進まなければならない放射成分が優勢である。従ってタングステンから成る導体に対する温度は好ましくは２４００ないし２６００Ｋの領域にある。

しかし原理的にはできるだけ高い温度を有する導体の使用が望ましいことが図６に示されている。放射管に吸収される放射の成分Ｖ_ＳＲはここではタングステンワイヤから成る導体の温度Ｔ_ｅｌに依存して示されている。導体の温度が上昇するに従って、シリカガラスから成る放射管に吸収される放射損失は低下していくことが分かる。

図７には、本発明の貫流式加熱器を通る流量Ｑに依存して２０℃の入力温度を有する水の温度変化ΔＴ_Ｈ２０が示されており、その際放射器に対する電力は６０００Ｗ、１２０００Ｗおよび１８０００Ｗの領域が選択された。測定点Ｍは６０００Ｗの放射器電力における測定された値を示しているが、これは計算された曲線の正しさを確認するものである。

水の温度の更なる上昇は本発明の貫流式加熱器の加熱すべき液体の高い逗留時間によってまたは複数の本発明の貫流式加熱器の直列接続によって実現することができる。貫流式加熱器の並列作動は注意が必要である。というのはこの場合、水の強すぎる加熱、ひいては気泡形成のおそれが生じるほど流れ速度が大幅に低減される可能性があるからである。

冷却管に２つの放射管（ツイン管）を備えた赤外線放射エレメントの縦断面略図 図１の赤外線放射エレメントをＡ−Ａ’に沿って切断して見た横断面略図 冷却管に２つの放射管（ツイン管）を備えた赤外線放射エレメントをＢ−Ｂ’に沿って切断して見た横断面略図 図２の赤外線放射エレメントの縦断面略図 冷却管に１つの放射管を備えた赤外線放射エレメントの縦断面略図 種々異なった波長における水中への放射の侵入深度を示す線図 タングステンワイヤから成る導体の放射される電力を総放射電力に正規化されて示す線図 タングステンワイヤから成る導体の温度に依存して放射管に吸収される放射を示す線図 流量に依存して水の温度変化を示す線図

符号の説明

１ 赤外線放射エレメント
２ａ、２ｂ 放射管
３ 冷却管
３ａ 冷却通路
４ａ、４ｂ 導体
５ａ，５ｂ 電流ブッシング
６ａ、６ｂ，６ｃ，６ｄ 接続ワイヤ
８ 反射層
９ａ，９ｂ 接続管
１０ａ，１０ｂ ばね

Claims (16)

1. シリカガラスから成っている少なくとも１つの放射管を備え、該放射管は２つの端部を有しており、
   放射管に放射源として配置されている少なくとも１つの導体を備え、
   シリカガラスから成る冷却管を備え、該冷却管は少なくとも１つの放射管を離間して取り囲みかつ端部で直接該放射管に連結されていて、導体の領域において少なくとも１つの放射管と冷却管との間に少なくとも１つの貫流可能な通路が実現されており、かつ
   金属リフレクタを備え
   ている赤外線放射エレメントにおいて、
   冷却管（３）は放射管（２ａ，２ｂ）とは反対の側において完全にリフレクタ（８）によって被覆されている
   ことを特徴とする赤外線放射エレメント。
2. 放射管（２ａ，２ｂ）はその両端部で気密に封止されており、その際両端部の少なくとも１つに、気密の電流ブッッシングが配置されている
   請求項１記載の赤外線放射エレメント。
3. 冷却管（３）は少なくとも１つの放射管（２ａ，２ｂ）に対して同軸に配置されている
   請求項１または２記載の赤外線放射エレメント。
4. 冷却管（３）はその一方の端部に流入管（９ａ）およびその他方の端部に排出管（９ｂ）を有している
   請求項１から３までのいずれか１項記載の赤外線放射エレメント。
5. リフレクタ（８）は金層から形成されている
   請求項１から４までのいずれか１項記載の赤外線放射エレメント。
6. 金層は冷却管（３）の上に焼き付けられている
   請求項５記載の赤外線放射エレメント。
7. リフレクタ（８）は冷却管（３）とは反対の側で保護層によって被覆されている
   請求項５または６記載の赤外線放射エレメント。
8. 少なくとも１つの通路（３ａ）にシリカガラスから成る、流れに影響を及ぼすためのエレメントが配置されている
   請求項１から７までのいずれか１項記載の赤外線放射エレメント。
9. 少なくとも１つの通路（３ａ）は円環形状または近似的に円環形状の横断面を有している
   請求項１から８までのいずれか１項記載の赤外線放射エレメント。
10. 少なくとも１つの通路（３ａ）は少なくとも１つの放射管（２ａ，２ｂ）に沿ってスパイラル形状に延在している
    請求項１から８までのいずれか１項記載の赤外線放射エレメント。
11. 導体（４ａ，４ｂ）はタングステンから形成されている
    請求項１から８までのいずれか１項記載の赤外線放射エレメント。
12. 導体（４ａ，４ｂ）はＮｉＣｒまたはＡｌＣｒＦｅから形成されている
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の赤外線放射エレメント。
13. 導体（４ａ，４ｂ）はカーボン材料から形成されている
    請求項１から１０までのいずれか１項記載の赤外線放射エレメント。
14. 液体またはガスが冷却管（３）と放射管（２ａ，２ｂ）との間の少なくとも１つの通路（３ａ）を通って流れかつ少なくとも１つの放射源を用いて加熱される
    請求項１から１３までのいずれか１項記載の赤外線放射エレメントの、液体またはガスに対する貫流式加熱器としての使用。
15. 液体は、ＡＳＴＭＤ１１９３−９９ｅ１，ＴｙｐＩに従った水である
    請求項１４記載の使用。
16. 液体は、ＡＳＴＭＤ１１９３−９９ｅ１，ＴｙｐＡに従った水である
    請求項１４または１５記載の使用。

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