WO2022013137A1

WO2022013137A1 - Mittelwelliger infrarotstrahler und verfahren für dessen herstellung

Info

Publication number: WO2022013137A1
Application number: PCT/EP2021/069296
Authority: WO
Inventors: Larisa Von Riewel; Markus Noll; Oliver Weiss; Holger Zissing; Martin Klinecky; Uwe Koch
Original assignee: Heraeus Noblelight Gmbh
Priority date: 2020-07-13
Filing date: 2021-07-12
Publication date: 2022-01-20

Abstract

Es ist ein mittelwelliger Infrarot-Strahler (20) mit einem Hüllrohr (21) aus Glas bekannt, das mindestens einen Kanal (25a; 25b) aufweist, in dem ein wendelförmiges Heizfilament (22a; 22b; 22c; 22d) aus einer Heizleiterlegierung als Infrarotstrahlung emittierendes Element angeordnet ist, das mit einem elektrischen Anschluss (24a; 24b) verbunden ist. Um hiervon ausgehend einen MWIR- Infrarotstrahler mit einem an die Wasserabsorption gut angepassten Emissionsspektrum bereitzustellen, der außerdem mit hoher optischer Leistungsdichte von mehr 15 W/cm betrieben werden kann, wird vorgeschlagen, dass in dem Kanal (25a; 25b) mindestens zwei wendelförmige Heizfilamente (22a; 22b; 22c; 22d) mit passivierter Oberfläche nebeneinander angeordnet sind.

Description

BESCHREIBUNG

MITTELWELLIGER INFRAROTSTRAHLER UND VERFAHREN FÜR DESSEN

HERSTELLUNG

Technischer Hintergrund

Die Erfindung betrifft einen mittelwelligen Infrarot-Strahler mit einem Hüllrohr aus Glas, das mindestens einen Kanal aufweist, in dem ein wendelförmiges Heizfilament aus einer Heizleiterlegierung als Infrarotstrahlung emittierendes Element angeordnet ist, das mit einem elektrischen Anschluss verbunden ist.

Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines mittelwelligen Infrarot-Strahlers, mit den Verfahrensschritten:

(a) Bereitstellen eines Hüllrohres aus Glas, das mindestens einen Kanal aufweist,

(b) Bereitstellen eines wendelförmigen Heizfilaments aus einer Heizleiterlegierung als Infrarotstrahlung emittierendes Element,

(c) Versehen des Heizfilaments mit Kontaktmitteln für einen elektrischen Anschluss, und

(d) Einbringen des wendelförmigen Heizfilaments in den Hüllrohr-Kanal.

Stand der Technik

Abhängig von der Temperatur der Heizwendel, gibt ein Infrarotstrahler unterschiedlich viel Strahlung in verschiedenen Wellenlängenbereichen ab. Kurzwellige Strahlung mit Emissionswellenlängen zwischen 950 nm und 1400 nm dringt tief in massive Materialien ein und sorgt für eine gleichmäßige Durchwärmung. Bei kurzwelligen Infrarotstrahlern (kurz: SWIR -Strahler) ist ein Heizfilament aus Carbon oder Wolfram in Wendel- oder Bandform in ein inertgasgefülltes Strahlerrohr eingeschlossen, das meist aus Quarzglas gefertigt ist. Die Heizfilamente sind mit elektrischen Anschlüssen verbunden, die über ein Ende oder beiden Enden des Strahlerrohres eingeführt werden. Die Heizfilamente selbst haben eine geringe thermische Masse und damit eine schnelle Reaktionszeit im Bereich von 1 bis 2 Sekunden. Eine Besonderheit von SWIR- Strahlern ist ihre hohe optische Leistungsdichte von bis zu 120 Watt pro Zentimeter Heizfilament (im Folgenden kurz: W/cm). SWIR-Strahler werden beispielsweise zum Erwärmen von Pulverbeschichtungen, Klebeverbindungen oder zur schnellen Vorwärmung eingesetzt.

Mittelwellige Strahlung wird bereits in der äußeren Schicht absorbiert und erwärmt vor allem die Oberfläche. Sie wird von vielen Kunststoffen, Glas und vor allem Wasser besonders gut absorbiert und dann direkt in Wärme umgesetzt. Mittelwellige Infrarotstrahler (kurz: MWIR -Strahler) zeigen ein breitbandiges Infrarotspektrum im Wellenlängenbereich von etwa 1000 bis 2750 nm und werden typischerweise im Temperaturbereich von 700°C bis 1000°C betrieben. Sie haben ein offenes Hüllrohr aus einem temperaturstabilen Glas, das eine Wendel aus einem Widerstandsdraht umgibt. Dieser besteht aus einer Heizleiterlegierung, beispielsweise aus Eisen, Chrom und Aluminium (Kanthai®). Ein Nachteil von Mittelwellenstrahlern ist ihre begrenzte optische Leistungsdichte von etwa 15 W/cm pro Kanal.

Aus der FR 1 400035 ist ein mittelwelliger Infrarotstrahler bekannt, bei dem die Hüllrohr-Bohrung mittels eines oder mehrere gerade Längsstege oder mittels eine wendelartig verdrillten Längsstegs in zwei oder vier Kammern unterteilt ist. In jeder der Kammern verläuft jeweils eine Heizwendel. Dadurch wird eine Leistung im Bereich von 4 bis 7 Watt pro cm² der Hüllrohr-Oberfläche erreicht.

Technische Aufgabenstellung

Die in der FR 1 400035 vorgeschlagene Separierung der Kammern mittels Längsstegen ist konstruktiv aufwändig. Zum Bedrucken bogenförmiger oder bahnförmiger Bedruckstoffe aus Papier, Pappe, Folie oder Karton mit Druckfarben sind Offset-Druckmaschinen, lithographische Druckmaschinen, Rotationsdruckmaschinen oder Flexo- Druckmaschinen Im Einsatz. In neuester Zeit werden auch Inkjet-Druckverfahren oder Tintenstrahldruckverfahren eingesetzt, bei denen die bilderzeugende Einrichtung als Tintenstrahldruckkopf ausgeführt ist, der eine oder mehrere Düsen aufweist, mittels denen wasserhaltige Tintentropfen auf den Bedruckstoff übertragen werden.

Unabhängig davon kommen zum Trocknen der Druckfarben grundsätzlich SWIR- als auch MWIR-Strahler in Betracht. Je höher die elektrische Anschlussleistung der Infrarotstrahler ist, umso schneller erreichen sie die Solltemperatur des IR- Trocknersystems. Das Erhöhen der elektrischen Anschlussleistung erhöht die vom Infrarotstrahler abgegebene optische Leistungsdichte, was aber auch zu einer Überhitzung des Bedruckstoffs und zu einer Verschiebung der Hauptwellenlänge der emittierten Strahlung in Richtung des kurzwelligen Spektralbereichs führen kann.

Bei wasserbasierten Druckfarben ist es aber wünschenswert, dass die Emissions- Hauptwellenlänge der Infrarotstrahler zur Absorptionscharakteristik des Wassers passt, also bei etwa 2,75 pm liegt. Die bisherigen kommerziellen Infrarotstrahler weisen entweder ein daran angepasstes Emissionsspektrum auf (MWIR-Strahler); dann haben sie aber eine geringe elektrische Anschlussleistung und benötigen für eine hinreichend große optische Strahlungsleistung eine vergleichsweise große Abstrahlungsfläche und dementsprechend eine große Wärmekapazität, welche wiederum vergleichsweise lange Aufheiz- und Abkühlzeiten des Infrarotstrahlers und somit Reaktionsträgheit des Trocknersystems bedingt. Oder die Infrarotstrahler haben eine hohe elektrische Anschlussleistung und eine geringe Reaktionsträgheit (SWIR-Strahler oder sogenannte FMWIR-Strahler); dann ist ihr Emissionsspektrum aber nicht optimal an die Absorptionscharakteristik des Wassers angepasst.

Insbesondere bei Mehrfarbdruck ist es schwierig, den Bedruckstoff schnell und effektiv zu trocknen, bevor er entweder mit der nächsten Farbe bedruckt oder durch einen Lackauftrag veredelt wird oder in der Druckmaschine zum Zwecke des Bedruckens der Rückseite gewendet wird. Denn aufgrund der relativ kurzen Zeit, in denen der Bedruckstoff zwischen den Druckwerken verweilt, ist es nicht einfach, die erforderliche Strahlungsleistung auf den Bedruckstoff einwirken zu lassen, ohne das Druckbild durch Überhitzung zu schädigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen MWIR-Infrarotstrahler mit einem an die Wasserabsorption gut angepassten Emissionsspektrum bereitzustellen, der außerdem mit hoher optischer Leistungsdichte von mehr 15 W/cm betrieben werden kann.

Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Infrarotstrahlers anzugeben.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Hinsichtlich des MWIR-Strahlers wird diese Aufgabe ausgehend von einem Infrarotstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Hüllrohr-Kanal mindestens zwei wendelförmige Heizfilamente mit passivierter Oberfläche nebeneinander angeordnet sind.

Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ist die gesamte-emittierte Strahlungsleistung E in Watt (Gesamt-Emissivität) des Heizfilaments proportional zur spezifischen Emissivität des Heizfilament-Werkstoffs, der Heizfilament-Oberfläche und zur vierten Potenz der Temperatur:

E =SeaT⁴ (1) mit:

S: Oberfläche des Heizfilaments (in m²) e materialspezifischer Emissionsgrad des Heizfilament-Werkstoffs s: Stefan-Boltzman-Konstante (= 5,670 x 10⁸ W/m²K⁴)

T: Temperatur des Heizfilaments (in °K)

Der Temperatur des Heizfilaments ist (im Folgenden auch als „Betriebstemperatur“ bezeichnet) aufgrund der thermischen Stabilität des Hüllrohr- Werkstoffs Grenzen gesetzt. Bei einem Hüllrohr aus Quarzglas dürfen beispielsweise 1.000°C nicht dauerhaft überschritten werden; insbesondere, wenn das Heizfilament lokal an der Wandung des Quarzglas-Hüllrohres anliegt. Außerdem ist die Haupt-Emissionswellenlänge der Infrarotstrahlung in der Regel auf die Absorptionseigenschaften des Bestrahlungsgutes abgestimmt, womit nach dem

„Wienschen Verschiebungsgesetz“ die Betriebstemperatur festliegt. Für einen gegebenen Heizwendel-Werkstoff verbleibt als frei wählbarer Parameter daher nur die Größe der Oberfläche S des wendelförmigen Heizfilaments.

Die Größe der Oberfläche des wendelförmigen Heizfilaments hängt vom Verhältnis zwischen Wendel- und Drahtdurchmesser sowie von der Wendelsteigung ab, und ist herstellungsbedingt ebenfalls weitgehend festgelegt. Bei steilen Wendel-Steigungen kann es außerdem leicht zu einer nicht homogenen Abstrahlcharakteristik kommen, wenn sich infolge von elektrischen Kontakten zwischen benachbarten Wendelabschnitten Bereiche mit höherer Leistungsdichte (sogenannte Hot-Spots) und dafür an anderen Stellen Bereiche mit geringerer Leistungsdichte (Cold-Spots) bilden.

Um dennoch die optische Leistungsdichte des MWIR-Strahlers erhöhen zu können, wird vorgeschlagen, dass in dem mindestens einen Hüllrohr-Kanal zwei, vorzugsweise mindestens drei, wendelförmige Heizfilamente mit passivierter Oberfläche nebeneinander angeordnet sind. Durch die Nebeneinanderanordnung der Heizfilamente wird über die gleiche Bestrahlungslänge eine Vergrößerung der emittierenden Oberfläche erzielt, beispielsweise bei Verwendung von zwei baugleichen Heizfilamenten etwa eine Verdoppelung der emittierenden Oberfläche.

Infolge der dadurch höheren emittierten Strahlungsleistung zeigt der Infrarotstrahler eine höhere optische Leistungsdichte und ein schnelleres Anschaltverhalten. Somit ist auf der Oberfläche des Heizguts eine höhere maximale Leistungsdichte erreichbar und/oder eine vorgegebene, geringere optische Leistung stellt sich schneller ein als bei einem Infrarotstrahler mit einfacher Heizwendel gemäß dem Stand der Technik. Damit die Oberflächen der mindestens zwei Heizfilamente mittelwellige Infrarotstrahlung emittieren, verfügen beide Heizfilamente über elektrische Anschlüsse zur Einspeisung einer elektrischen Eingangsleistung. Die insgesamt eingespeiste elektrische Leistung und damit auch die emittierte optische Leistung werden dadurch erhöht. Bei baugleichen Heizfilamenten und gleicher elektrischer Eingangsleistung ergibt sich beispielsweise etwa eine Verdoppelung der insgesamt eingespeisten elektrischen Leistung und der emittierten optischen Leistung.

Innerhalb ihres gemeinsamen Kanals kommt es zwangsläufig zu Kontakten zwischen den Heizfilamenten. Durch die vorherige Oberflächen-Passivierung, die als elektrischer Isolator wirkt, werden aber Kurzschlüsse und etwaige Hot-Spots vermieden oder zumindest vermindert.

Gemäß Gleichung (1) skaliert die Gesamt-Emissivität E mit der Größe der emittierenden Oberfläche. Die Betriebstemperatur T und damit die Haupt- Emissionswellenlänge ändern sich dadurch jedoch nicht. Zwar kann es infolge der gegenseitigen Bestrahlung der beiden Heizfilamente zu einer Erhöhung des Betriebstemperatur T kommen, was aber durch eine Verringerung der gesamten elektrischen Leistungsaufnahme einfach kompensiert werden kann.

Dadurch gelingt es, den MWIR-Infrarotstrahler mit einem an die Wasserabsorption gut angepassten Emissionsspektrum zu betreiben, und dabei dennoch eine hohe optische Leistungsdichte von mehr als den sonst für MWIR-Strahler üblichen 15 W/cm zu erzielen, beispielsweise von mindestens 30 W/cm.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen MWIR-Strahlers liegt darin, dass er mit den geometrischen Abmessungen einfacher, üblicher Infrarotstrahler ausgeführt sein kein, was die Nachrüstung bestehender Trocknungssysteme von Druckmaschinen vereinfacht.

Durch die gleichmäßige Abstrahlung kann der Abstand zwischen Bedruckstoff und MWIR-Strahler gering ausfallen, wodurch die Bestrahlungsintensität erhöht und die Effizienz entsprechend weiter zunimmt. Der Abstand beträgt beispielsweise 10cm oder weniger und besonders bevorzugt weniger als 6cm. Bei einem Abstand von weniger als 2cm können sich jedoch zunehmend Einbußen an Homogenität der Infrarotstrahlung bemerkbar machen.

Zur Erzeugung der passivierten Oberfläche haben sich Heizleiterlegierungen bewährt, die Eisen, Chrom und Aluminium enthalten. Diese FeCrAI-Legierungen bilden beim Erhitzen auf hohe Temperatur unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre, wie etwa Luft, eine dichte und gut auf dem Grundwerkstoff haftende Oxidschicht auf ihrer Oberfläche, die als elektrischer Isolator wirkt. Eine dichte und gut haftende Oxidschicht, die der Eindiffusion von Gasen und der Ausdiffusion von Metallionen widersteht, so dass sich die weitere Oxidation des Materials verlangsamt, besteht bei FeCrAI-Legierungen im Wesentlichen aus Aluminiumoxid (AI2O3) oder Chromoxid (Cr203) und sie bildet sich ab Temperaturen von mehr als 1000°C.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektrische Anschluss des MWIR- Strahlers in einer Parallelschaltung der mindestens zwei wendelförmigen Heizfilamente ausgeführt.

Bei baugleichen und parallel geschalteten Heizwendeln kann im Vergleich zu einer einfachen Heizwendel die doppelte Stromstärke eingespeist werden, wodurch sich eine Verdopplung der emittierten Strahlungsleistung und eine Verdopplung der optischen Leistungsdichter ergibt

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der elektrische Anschluss des MWIR-Infrarotstrahler als Reihenschaltung der mindestens zwei wendelförmigen Heizfilamente ausgeführt.

Bei baugleichen und in Serie geschalteten Heizwendeln kann im Vergleich zu einer einfachen Heizwendel die doppelte Spannung angelegt werden, wodurch sich eine Verdopplung der emittierten Strahlungsleistung und eine Verdopplung der optischen Leistungsdichter ergibt.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Infrarotstrahlers ist dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr als Zwillingsrohr ausgeführt ist, das zwei parallel zueinander verlaufende und von einem Längssteg räumlich voneinander getrennte Kanäle aufweist, wobei in einem Kanal oder in beiden Kanälen mindestens zwei wendelförmige Heizwendeln verlaufen.

Durch die Anordnung und den elektrischen Anschluss der Heizwendeln ist eine hohe und gleichzeitig an die Erfordernisse flexible optische Leistungsdichte erreichbar.

Ausgehend von einem Verfahren mit den Schritten (a) bis (d) des gattungsgemäßen Verfahrens wird die oben angegebene Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung eines derartigen mittelwelligen Infrarot-Strahlers dadurch gelöst, dass das Bereitstellen des wendelförmigen Heizfilaments gemäß Verfahrensschritt (b) das Aufwickeln eines Drahtes aus der Heizleiterlegierung auf einem Dorn unter Bildung des wendelförmigen Heizfilaments, und das Ausbilden einer passivierten Oberfläche auf dem Heizfilament umfasst, und dass beim Einbringen des wendelförmigen Heizfilaments in den Hüllrohr-Kanal gemäß Verfahrensschritt (d) mindestens zwei wendelförmige Heizfilamente mit passivierter Oberfläche nebeneinander angeordnet werden.

Es wird zunächst ein Draht aus der Heizleiterlegierung bereitgestellt, der vorzugsweise noch keine passivierte Oberfläche besitzt. Denn eine etwaige vorab bereits vorhandene Passivierungsschicht würde durch das Umformen des Drahtes zur Herstellung des wendelförmigen Heizfilaments beschädigt. In jedem Fall wird die eigentliche passivierte Oberflächenschicht erst nach dem Umformschritt und an der Wendel des Heizfilaments erzeugt, die durch Aufwickeln des Heizleiterlegierungs-Drahtes auf einem Dorn gebildet worden ist.

Nachdem auf diese Weise mindestens zwei Heizfilamente mit passivierter Oberfläche erzeugt worden sind, werden diese in einen gemeinsamen Kanal des Hüllrohres so eingebracht, dass sie nebeneinander liegen.

Zum Ausbilden der passivierten Oberfläche wird das wendelförmige Heizfilament vorzugsweise einer Konditionierungsbehandlung unter erhöhter Temperatur und unter einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre unterzogen. Diese Konditionierungsbehandlung ist somit zweistufig, wobei die erste Stufe den Umformschritt umfasst, bei der die Heizfilament-Wendel mit vorgegebener Wendelsteigung gebildet wird, und im zweiten Schritt wird auf der Oberfläche der vorgeformten Wendel eine Passivierungsschicht erzeugt.

Zur Erzeugung der passivierten Oberfläche haben sich Heizleiterlegierungen bewährt, die Eisen, Chrom und Aluminium enthalten. Diese FeCrAI-Legierungen sind unter dem Handelsnamen „Kanthai“ der Sandvik AB bekannt. Sie bilden beim Erhitzen auf hohe Temperatur unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre, wie etwa Luft, eine dichte und gut auf dem Grundwerkstoff haftende Oxidschicht auf ihrer Oberfläche, die als elektrischer Isolator wirkt. Eine dichte und gut haftende Oxidschicht, die der Eindiffusion von Gasen und der Ausdiffusion von Metallionen widersteht und der weiteren Oxidation des Materials entgegenwirkt, besteht bei FeCrAI-Legierungen im Wesentlichen aus Aluminiumoxid (AI2O3) oder Chromoxid (Cr203). Die Konditionierungsbehandlung umfasst daher vorzugsweise ein Erhitzen des wendelförmigen Heizfilaments unter Luft auf eine Temperatur von mindestens 1000°C, vorzugsweise mindestens 1050°C.

Die Dauer der Konditionierungsbehandlung ist so kurz wie möglich, vorteilhafterweise beträgt sie aber mindestens 30min, vorzugsweise mindestens 60min, und besonders bevorzugt mindestens 90min. Eine Dauer von mehr als 300min ist in der Regel nicht erforderlich.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeichnung näher erläutert. Dabei zeigt im Einzelnen:

Figur 1 ein Foto einer ersten Ausführungsform eines MWIR-Strahlers in einem Ausschnitt,

Figur 2 ein Foto einer zweiten Ausführungsform eines MWIR-Strahlers in einem Ausschnitt, und

Figur 3 eine Skizze eines Messaufbaus zur Ermittlung der optischen Leistungsdichte.

Das Foto von Figur 1 zeigt ein Ende eines Infrarotstrahlers 10, mit einem Quarzglas-Hüllrohr 1, das einen einzigen Kanal zur Aufnahme eines Widerstandselementes aufweist. In den Kanal sind zwei nebeneinander liegende Heizwendeln 2a, 2b eingesetzt. Auf das Hüllrohrende ist eine Kappe 3 aus Keramik aufgesetzt, ohne Dichtheit herzustellen. Die Heizwendeln 2a, 2b sind mit einem gemeinsamen Stromanschluss 4 verbunden, also elektrisch parallel zueinander geschaltet; das nicht gezeigte, gegenüberliegende Infrarotstrahler- Ende ist dementsprechend mit einem gemeinsamen elektrischen Anschluss für die Heizwendeln 2a, 2b ausgestaltet. Die Heizwendeln 2a, 2b sind baugleich. Sie sind aus Drähten aus einer Heizleiterlegierung aus Eisen, Chrom und Aluminium (Kanthai^® AF) gefertigt. Die Drähte haben einen Durchmesser von 0,55 mm, und die Heizwendeln 2a, 2b haben einen Innendurchmesser von 3,6 bis 3,8 mm. Die Länge der Heizdrähte beträgt 6442 mm und die Länge der Heizwendeln 2a, 2b beträgt 300 mm. Die elektrische Anschlussleistung für die beiden Heizwendeln 2a, 2b zusammen beträgt 610 W und die nominale Betriebstemperatur von 900 bis 950°C.

Damit die dichte Nebeneinanderanordnung der Heizwendeln 2a, 2b nicht zu elektrischen Kurzschlüssen führt, sind sie mit einer passivierten Oberfläche versehen, die als elektrischer Isolator wirkt. Die passivierte Oberfläche liegt als eine auf dem Grundwerkstoff haftende Oxidschicht aus Aluminiumoxid (AI2O3) und Chromoxid (Cr203) vor und wird durch Erhitzen auf hohe Temperatur unter Luft erzeugt. Dies wird weiter unten noch näher erläutert.

Durch die Nebeneinanderanordnung und Parallelschaltung der Heizwendeln 2a,

2b wird über die Bestrahlungslänge des Infrarotstrahlers 10 eine Verdoppelung der emittierenden Oberfläche und damit eine Verdoppelung der optischen Leistungsdichte (bei Verdopplung der Anschlussleistung) erreicht. Der Infrarotstrahler 10 zeigt bei einer Heizfilament-Temperatur (Betriebstemperatur) von 1000°C ein Emissionsspektrum mit einer Hauptemission um 2700nm mit einer Gesamt Emissivität e von 0,65 und einer über das gesamte Spektrum (400 bis lOOOOnm) gemessenen, integrierten optischen Leistungsdichte von 1 ,45 KW/cm² bei einem Abstand von 150 mm zum Heizgut. Dieser Wert entspricht bei dem gemessenen Infrarotstrahler einer Anschlussleistungsdichte von 40 W/cm. Im Vergleich dazu erzeugt ein Infrarot-Rundstrahler mit einer einfachen Heizwendel im Abstand von 150 mm zum Heizgut eine optische Leistungsdichte von 0,8 KW/cm². Dieser Wert entspricht beispielsweise einer Anschlussleistungsdichte von 20 W/cm.

Das Foto von Figur 2 zeigt ein Ende eines Infrarotstrahlers 20, mit einem Quarzglas-Hüllrohr 21 in Form einer sogenannten Zwillingsrohres. Bei diesem Hüllrohrtyp sind zwei parallel verlaufende Kanäle 25a, 25b vorgesehen, die von einem Mittelsteg 26 räumlich voneinander getrennt sind. Die Außenabmessungen des Hüllkolbens des Zwillingsrohrstrahlers betragen 34 x 14 mm. In jedem der Kanäle 25a, 25b ist ein Paar von nebeneinander liegenden Heizwendeln 22a, 22b; 22c, 22d eingesetzt.

Der Infrarotstrahler ist einseitig elektrisch angeschlossen, das heißt: alle elektrischen Zuleitungen liegen an einem Ende des Infrarotstrahlers und die in Reihe geschalteten Heizwendel-Paare sind am anderen Ende vermittels eines Bügels miteinander kontaktiert. Auf das Anschlussende des Hüllrohres 21 ist eine nicht dicht abschließende Kappe 23 aus Keramik aufgesetzt. Die Heizwendeln 22a, 22b beziehungsweise 22c, 22d sind paarweise mit jeweils einem gemeinsamen Stromanschluss 24a, 24b verbunden, also auch paarweise elektrisch parallel zueinander geschaltet. Insgesamt ergeben sich zwei hintereinander geschaltete Paare parallel geschalteter Heizwendeln.

Die Heizwendeln 22a, 22b, 22c, 22d sind baugleich. Sie sind aus Drähten aus einer Heizleiterlegierung aus Eisen, Chrom und Aluminium (Kanthai^®) gefertigt.

Die Drähte haben einen Durchmesser von 0,65 mm, und die Heizwendeln 2a, 2b haben einen Außendurchmesser von 3,9 mm. Die elektrische Anschlussleistung für die beiden Heizwendelpaare 22a, 22b beziehungsweise 22c, 2d sind gleich und betragen zusammen 1860 W.

Damit die dichte Nebeneinanderanordnung der Heizwendel-Paare 22a, 22b beziehungsweise 22c, 22d nicht zu elektrischen Kurzschlüssen führt, sind alle Heizwendeln mit einer passivierten Oberfläche versehen, die als elektrischer Isolator wirkt. Die passivierte Oberfläche liegt als eine auf dem Grundwerkstoff haftende Oxidschicht aus Aluminiumoxid (AI2O3) und Chromoxid (Cr203) vor und wird durch Erhitzen auf hohe Temperatur unter Luft erzeugt.

Durch die Nebeneinanderanordnung und Parallelschaltung der Heizwendel-Paare 22a, 22b beziehungsweise 22c, 22d wird über die Bestrahlungslänge des Infrarotstrahlers 20 eine Verdoppelung der emittierenden Oberfläche und eine Verdoppelung der optischen Leistungsdichte (bei Verdopplung der Anschlussleistung) im Vergleich zu einer Einfachbelegung jedes Kanals 25a, 25b erreicht. Der Infrarotstrahler 20 zeigt bei einer Betriebstemperatur von 1000°C ein Emissionsspektrum mit einer Hauptemission um 2700 nm eine Gesamt Emissivität e von 0.65 und einer über das gesamte Spektrum (400 bis lOOOOnm integrierten, gemessenen optischen Leistungsdichte von 11 KW/cm² bei einem Abstand von 150 mm.

Messung der optischen Leistungsdichte

Die Messung der optischen Leistungsdichte des MWIR-Strahlers 20 von Figur 2 wird nachfolgend anhand Figur 3 erläutert.

Der schematisch dargestellte, sogenannte Radialmessplatz 31 ist ein Aufbau zur Detektion der Abstrahlcharakteristik von Infrarotstrahler 30. Die Strahler 30 können in Haltefedern 32 eingespannt und über die Rotationseinheit 33 um ihre Längsachse gedreht werden. Die flächenbezogene Leistung der Infrarotstrahler 30 wird durch einen Thermopiledetektor 34 (Thermopile-Sensor (wassergekühlt) aufgenommen. Der Thermopiledetektor 34 ist auf einem Hubzylinder montiert und in Richtung der Horizontalen und Vertikalen (x- und z-Achse) verfahrbar. Der Standard-Messabstand zwischen dem Infrarotstrahler 30 und dem Thermopiledetektor 34 beträgt 150mm. Aufgrund der hohen Strahlungsintensität wird er mittels eines Temperiergeräts 35 ständig auf einer konstanten Temperatur gehalten. Die Leistungsdichte der Detektorfläche wird mit einem Power-Meter 36 in der Einheit W/cm² erfasst und an den Computer 37 zur Speicherung und Auswertung geleitet.

Zur Steuerung des Messablaufs befindet sich auf dem Computer das von Heraeus selbst entwickelte Programm „Heraspec“, welches auf die Anforderungen des RMP angepasst wurde. Es verfügt über drei verschiedene Messmodi: Radial-, Axial- und Zeitverlaufsmessung.

Betriebsbedingungen

Die Umgebungstemperatur bei der Messung beträgt 25°C ±5°C.

Die Einbrenndauer beträgt 10 Minuten bei Einstellung auf Nennspannung.

Versorgungsart: Wechselstrom; Beim Einschalten des Stroms langsam von 0 auf den Endwert erhöhen

Der Sensor ist ein Thermopile; Abstand Sensor - Strahler: 1150 mm; der Sensor integriert über das Emissionsspektrum 400 bis lOOOOnm

Im Folgenden wird die Herstellung des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers und insbesondere die Ausbildung der Passivierungsschicht auf der Heizfilament- Oberfläche näher erläutert.

In einem ersten Schritt einer Konditionierungsbehandlung wird ein Draht aus einer handelsüblichen FeCrAI-Heizleiterlegierung (Kanthai AF) mit oxidfreier Oberfläche und einem Durchmesser von 0,65 mm, auf etwa 1100°C erhitzt und dabei auf einen Dorn mit einem Außendurchmesser von 3,7 mm aufgewickelt. Es wird eine Wendel mit einem Außendurchmesser von etwa 5 mm und einer Länge von 1060 m geformt. Diese wird nach dem Abkühlen dem zweiten Schritt der Konditionierungsbehandlung unterzogen, um eine passivierte Oberfläche zu erzeugen. Dazu wird die Heizwendel auf eine Temperatur von 1100°C erhitzt und 90 Minuten bei dieser Temperatur unter Luft gehalten.

Dabei bildet sich eine dichte und gut auf dem Grundwerkstoff haftende Oxidschicht auf der Oberfläche, die als elektrischer Isolator wirkt. Die Oxidschicht ist weniger als 1 pm dick und besteht im Wesentlichen aus Aluminiumoxid (AI2O3) und Chromoxid (Cr203).

Claims

ANSPRÜCHE

1. Mittelwelliger Infrarot-Strahler (20) mit einem Hüllrohr (21 ) aus Glas, das mindestens einen Kanal (25a; 25b) aufweist, in dem ein wendelförmiges Heizfilament (22a; 22b; 22c; 22d) aus einer Heizleiterlegierung als Infrarotstrahlung emittierendes Element angeordnet ist, das mit einem elektrischen Anschluss (24a; 24b) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal (25a; 25b) mindestens zwei wendelförmige Heizfilamente (22a; 22b; 22c; 22d) mit passivierter Oberfläche nebeneinander angeordnet sind.

2. Infrarotstrahler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kanal (25a; 25b) mindestens drei wendelförmige Heizfilamente (22a; 22b; 22c; 22d) mit passivierter Oberfläche nebeneinander angeordnet sind.

3. Infrarotstrahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterlegierung Eisen, Chrom und Aluminium und die passivierte Oberfläche eine oxidische Verbindung enthält.

4. Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei wendelförmigen Heizfilamente (22a; 22b; 22c; 22d) baugleich sind.

5. Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss als Parallelschaltung der mindestens zwei wendelförmigen Heizfilamente (22a; 22b; 22c; 22d) ausgeführt ist.

6. Infrarotstrahler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Anschluss als Reihenschaltung der mindestens zwei wendelförmigen Heizfilamente (22a; 22b; 22c; 22d) ausgeführt ist.

7. Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (21) als Zwillingsrohr ausgeführt ist, das zwei parallel zueinander verlaufende und von einem Längssteg (26) räumlich voneinander getrennte Kanäle (25a; 25b) aufweist, wobei in einem Kanal (25a; 25b) oder in beiden Kanälen (25a; 25b) mindestens zwei wendelförmige Heizwendeln (22a; 22b; 22c; 22d) verlaufen.

8. Verfahren zur Herstellung eines mittelwelligen Infrarot-Strahlers nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit den Verfahrensschritten:

(a) Bereitstellen eines Hüllrohres (21) aus Glas, das mindestens einen Kanal (25a; 25b) aufweist,

(b) Bereitstellen eines wendelförmigen Heizfilaments (22a; 22b; 22c; 22d) aus einer Heizleiterlegierung als Infrarotstrahlung emittierendes Element,

(c) Versehen des Heizfilaments (22a; 22b; 22c; 22d) mit Kontaktmitteln (24a; 24b) für einen elektrischen Anschluss,

(d) Einbringen des wendelförmigen Heizfilaments (22a; 22b; 22c; 22d) in den Hüllrohr-Kanal (25a; 25b), dadurch gekennzeichnet, dass das Bereitstellen des wendelförmigen Heizfilaments (22a; 22b; 22c; 22d) gemäß Verfahrensschritt (b) das Aufwickeln eines Drahtes aus der Heizleiterlegierung auf einem Dorn unter Bildung des wendelförmigen Heizfilaments (22a; 22b; 22c; 22d), und das Ausbilden einer passivierten Oberfläche auf dem Heizfilament (22a; 22b;

22c; 22d) umfasst, und dass beim Einbringen des wendelförmigen Heizfilaments (22a; 22b; 22c; 22d) in den Hüllrohr-Kanal (25a; 25b) gemäß Verfahrensschritt (d) mindestens zwei wendelförmige Heizfilamente (22a; 22b; 22c; 22d) mit passivierter Oberfläche nebeneinander angeordnet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausbilden der passivierten Oberfläche das wendelförmige Heizfilament (22a; 22b; 22c; 22d) einer Konditionierungsbehandlung unter erhöhter Temperatur und unter einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre unterzogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Konditionierungsbehandlung ein Erhitzen des wendelförmigen Heizfilaments (22a; 22b; 22c; 22d) unter Luft auf eine Temperatur von mindestens 1000°C, vorzugsweise mindestens 1050°C umfasst.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Konditionierungsbehandlung mindestens 30min, vorzugsweise mindestens 60min, und besonders bevorzugt mindestens 90min beträgt.