DE19849277A1 - Sphäroidisch abstrahlender Infraraot-Strahler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen sphäroidisch abstrahlenden Infrarot-Strahler mit einem Hüllkolben, der eine mit elektrischen Anschlüssen versehene Strahlungsquelle umgibt.

Derartige Infrarot-Strahler werden zur lokalen Erwärmung verwendet, beispielsweise in der Me­ dizin zur punktuellen therapeutischen Behandlung oder in schwer zugänglichen Bereichen zur lokalen Erwärmung von Trägermaterialien aus Kunststoff-Formteilen, wie Türinnenverkleidun­ gen bei der Pkw-Fertigung, sowie ähnlichen industriellen Anwendungen, wie Tiefziehprozes­ sen. Häufig wird dabei eine möglichst kugelförmige oder sphäroidische Abstrahlung der Infra­ rotstrahlung angestrebt.

Bei einem bekannten Infrarot-Strahler wird eine derartige sphäroidische Abstrahlung durch ei­ nen kugelförmigen oder halbkugelförmigen Hüllkolben erreicht, der aus einer Infrarot-Strahlung abgebenden Keramik gefertigt ist. Innerhalb des Hüllkolbens ist die Strahlungsquelle angeord­ net, die den Hüllkolben erwärmt. Häufig sind bei industriellen Anwendungen schnelle Tempe­ raturwechsel erforderlich, die jedoch mit dem bekannten Infrarot-Strahler aufgrund thermischer Trägheit des Hüllkolbens nicht realisierbar sind. Darüberhinaus ist der bekannte Infrarot-Strah­ ler nur für niedrige Leistungsdichten geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen sphäroidisch abstrahlenden Infrarot- Strahler anzugeben, der eine geringe thermische Trägheit aufweist, mit dem hohe Strahlungs­ leistungen erreichbar sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs beschriebenen Infrarot-Strahler erfindungs­ gemäß dadurch gelöst, daß die Strahlungsquelle ein erstes Strahlungsband umfaßt, das entlang seiner Längsachse so gebogen ist, daß es eine obere, konvex gekrümmte Flachseite aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Infrarotstrahler wird eine sphäroidische Abstrahlung dadurch er­ reicht, daß die Strahlenquelle selbst annähernd sphäroidische Form aufweist. Hierzu umfaßt die Strahlenquelle in ihrer einfachsten Form ein erstes, gebogenes Strahlungsband. Das Strahlungsband strahlt in erster Linie in Richtung seiner Flachseiten ab. Die obere Flachseite ist konvex gekrümmt, wobei sie einen Abschnitt der gewölbten Oberfläche eines Kugelseg­ mentes oder eines Sphäroid-Segmentes formt. Die Biegung kann beispielsweise in Form eines "U", eines Kreissegmentes oder in Form einer einfachen Wendel, ähnlich einem Looping, aus­ geführt sein. Wesentlich ist, daß durch die Krümmung der oberen Flachseite wenigstens in er­ ster Näherung eine sphäroidische Abstrahlung nach außen erzielt wird. Das Strahlungsband kann zusätzlich zu seiner konvexen Krümmung auch um seine Längsachse verdrillt sein. Der Scheitelpunkt der Krümmung liegt üblicherweise im Bereich der Längsachse des Infrarotstrahlers.

Eine sphäroidische Abstrahlung hat im Idealfall die Form eines Rotationsellipsoides oder eines Teils eines derartigen Rotationsellipsoides. Eine sphärische Abstrahlung in Form einer im Ide­ alfall kugelsegmentförmigen, beispielsweise einer halbkugelförmigen Abstrahlung, wird hier als Spezialfall einer sphäroidischen Abstrahlung verstanden. Der Einfachheit halber wird im folgenden nur noch von sphäroidischer Abstrahlung oder sphäroidischer Ausbildung des Strahlungsbandes gesprochen, wobei auch halbsphäroidische, sphärische oder halbsphäri­ sche Abstrahlungen bzw. Strahlungsband-Ausbildungen umfaßt sein sollen.

Bei vielen Anwendungen können Abstriche an den genannten Idealformen hingenommen wer­ den; es genügt dann wenn eine wenigstens teilweise sphäroidische Abstrahlung erhalten wird. Auch eine solche vom Idealfall abweichende Abstrahlung ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Dadurch, daß die Strahlungsquelle ein Strahlungsband umfaßt, das aufgrund seiner Gemetrie eine relativ geringe Masse aufweist, werden schnelle Temperaturwechsel ermöglicht. Je gerin­ ger die spezifische Wärmekapazität des Strahlungsband-Materials und umso dünner das Strahlungsband ist, umso schnellere Temperaturwechsel sind möglich. Typische Materialien für das Strahlungsband sind Metall, Kohlenstoff oder leitfähige Keramik.

Die Biegung des Strahlungsbandes trägt auch zu einer hohen Temperaturwechselbeständig­ keit der Strahlungsquelle bei. Denn Längenänderungen aufgrund thermischer Ausdehnung oder Kontraktion können von der Biegung leicht kompensiert werden. Dies erlaubt einen Be­ trieb des Strahlungselementes mit hohen Leistungsdichten.

Besonders bewährt hat sich eine Ausführungsform des Infrarot-Strahlers, bei der das erste Strahlungsband in einer ersten Krümmungsebene verläuft, und das einen Scheitelpunkt im Be­ reich der Längsachse des Infrarot-Strahlers aufweist. Durch einen Scheitelpunkt der Krüm­ mung im Bereich der Längsachse des Infrarot-Strahlers wird dessen Symmetrie - und die des Hüllkobens - mit derjenigen des Strahlungsbandes in Übereinstimmung gebracht. Die erste Krümmungsebene wird durch die Mittelachsen der beiden freien Schenkel des gebogenen Strahlungsbandes definiert.

Dabei wird eine ausreichende Annäherung an eine sphäroidische Abstrahlung besonders ein­ fach dadurch erreicht, daß das erste Strahlungsband in der ersten Krümmungsebene U-förmig oder halbkreisförmig gebogen ist. Unter einer U-förmigen Biegung wird hier auch eine im Quer­ schnitt hufeisenförmige Biegung verstanden.

Besonders bewährt hat sich ein aus einem Carbonband bestehendes Strahlungsband. Das Carbonband wird üblicherweise durch eine Vielzahl parallel zueinander verlaufender Kohlen­ stoff-Fasern gebildet. Es zeichnet sich durch eine geringe Wärmekapazität aus, so daß damit besonders schnelle Temperaturwechsel erreichbar sind. Außerdem zeichnet sich das Carbon­ band durch einen hohen spezifischen Emissionskoeffizienten für infrarote Strahlung aus, so daß mit einem derart ausgebildeten Strahlungsband bereits bei relativ niedrigen mittleren Farb­ temperaturen hohe Strahlungsenergien erreichbar sind. Die mittleren Farbtemperaturen des Carbonbandes liegen bei üblichen Betriebsbedingungen im Bereich zwischen 1100°C und 1200°C. Die volle Strahlungsleistung ist innerhalb weniger Sekunden ab dem Einschalten des Strahlers verfügbar. Beim erfindungsgemäßen Infrarot-Strahler beträgt dieses Zeitspanne typi­ scherweise lediglich 1 bis 2 Sekunden.

Insbesondere im Hinblick auf schnelle Temperaturwechsel hat sich ein Strahlungsband in Form eines Carbonbandes mit einer Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm, und mit einer Breite im Bereich von 5 mm bis 8 mm als günstig erwiesen.

Vorteilhafterweise werden die beiden freien Enden des ersten Strahlungsbandes in oder an ei­ nem Trägerelement aus elektrisch isolierendem Werkstoff gehalten. Dadurch wird eine gute Formstabilität des Strahlungsbandes gewährleistet. Es kann deshalb sehr dünn ausgebildet sein. Die Enden des Strahlungsbandes können unmittelbar oder über Zwischenelemente am Trägerelement befestigt sein. Das Trägerelement kann gleichzeitig für die Befestigung der elektrischen Anschlüsse und für deren elektrische Verbindung mit dem Strahlungsband dienen.

Im Hinblick hierauf hat sich ein Trägerelement besonders bewährt, das eine Keramik-Scheibe umfaßt, die mit einer Nut für die Aufnahme einer Quetschung für die vakuumdichte Durchfüh­ rung der elektrischen Anschlüsse, und mit Durchgangsbohrungen für die elektrischen An­ schlüsse versehen ist.

Eine weitere Annäherung an eine ideal sphäroidische Abstrahlung wird durch eine Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers erreicht, bei der die Strahlungsquelle ein zweites Strahlungsband umfaßt, das entlang seiner Längsachse so gebogen ist, daß es eine obere, konvex gekrümmte Flachseite aufweist, wobei das zweite Strahlungsband in einer zwei­ ten Krümmungsebene verläuft, und einen Scheitelpunkt im Bereich der Längsachse des Infra­ rot-Strahlers aufweist, der vom Scheitelpunkt des ersten Strahlungsbandes beabstandet ist. Die Vorteile der Halterung und Biegung des Strahlungsbandes hinsichtlich seiner thermischen Wechselbeständigkeit und der damit einhergehenden "thermischen Schnelligkeit" wurden oben bereits erläutert. Das zweite Strahlungsband erlaubt einen Betrieb des Infrarot-Strahlers mit besonders hoher Leistungsdichte. Darüberhinaus wird die sphärische Geometrie der Ab­ strahlung verbessert, da die beiden Strahlungsbänder jeweils unterschiedliche Segmente der gewünschten sphärischen oder sphäroidischen Abstrahlung erzeugen können, wenn sich die jeweiligen Krümmungsebenen schneiden. Bis auf ihre jeweiligen Längen können das erste und das zweite Strahlungsband identisch ausgebildet sein.

Aus diesem Grund stehen die jeweiligen Krümmungsebenen vorteilhafterweise senkrecht auf­ einander, wobei die Scheitelpunkte der Strahlungsbänder in Richtung der Längsachse des In­ frarot-Strahlers gesehen, übereinander liegen. Dadurch wird eine besonders gute Annäherung an eine rotationssymmetrische, sphärische Abstrahlung erreicht.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers, bei der das erste und das zweite Strahlungsband elektrisch in Reihe geschaltet sind, können die Strahlungsbänder unter Anpassung an die erforderliche Leistungsdichte getrennt voneinander geschaltet werden.

Der Hüllkolben des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers ist durchlässig für infrarote Strah­ lung; er besteht vorteilhafterweise aus Quarzglas. Eine lange Lebensdauer des Strahlungsban­ des und eine hohe Leistungsdichte wird dadurch erreicht, daß der Hüllkolben evakuiert oder mit einem Edelgas gefüllt ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Infrarot-Strahler sind Farbtemperaturen im Bereich zwischen 1100°C und 1200°C erreichbar.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Patentzeich­ nung näher erläutert. Die einzige Figur der Patentzeichnung zeigt eine dreidimensionale Dar­ stellung eines mittelwelligen Carbon-Strahlers mit halbsphäroidischer Abstrahlung.

Dem Carbon-Strahler in Fig. 1 ist insgesamt die Bezugsziffer 1 zugeordnet. Der Carbon- Strahler 1 weist einen Kolben 2 aus Quarzglas auf, der einen scheibenförmigen, keramischen Träger 3 umfaßt. Innerhalb des Kolbens 2 befindet sich weiterhin ein erstes, im Querschnitt hufeisenförmig entlang seiner Längsachse gebogenes Carbonband 4 und ein zweites, kürze­ res und ebenfalls hufeisenförmig gebogenes Carbonband 5. Die oberen Flachseiten der Car­ bonbänder 4, 5 sind - in Richtung der Längsachse 6 des Kolbens 2 gesehen - konvex ge­ krümmt. Die Krümmungsebenen, in denen die Biegungen der Carbonbänder 4, 5 verlaufen, stehen senkrecht aufeinander und die Scheitelpunkte 13; 14 der jeweiligen gebogenen Car­ bonbänder 4, 5 liegen - in Richtung der Längsachse 6 des Kolbens 2 gesehen - übereinander. Die Carbonbänder 4, 5 sind in jedem Punkt so weit voneinander beabstandet, daß eine gegen­ seitige Berührung ausgeschlossen ist. Aufgrund ihrer Anordnung zueinander bilden die gebo­ genen Carbonbänder 4, 5 angenähert eine Halbkugel oder ein Halbsphäroid.

Der Träger 3 ist mit insgesamt vier (in der Figur nicht extra dargestellten) Schlitzen versehen, in denen die freien Enden der Carbonbänder 4, 5 jeweils fixiert sind. Dies gewährleistet die Stabilität ihrer geometrischen Form, Anordnung und elektrischen Kontaktierung innerhalb des Trägers 3 und damit auch die Stabilität der Infrarot-Abstrahlung.

Die Carbonbänder 4, 5 weisen jeweils eine Dicke von 0,15 mm und eine Breite von 7 mm auf. Aufgrund ihrer Anordnung und Biegung strahlen die Carbonbänder 4, 5 beim Betrieb des Car­ bon-Strahlers 1 Infrarotstrahlung annähernd halbkugelförmig nach außen ab.

Die Bänder 4, 5 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Dies wird durch eine entsprechende Kon­ taktierung im Träger 3 vorgegeben. Die elektrischen Anschlüsse 7 für die Carbonbänder 4, 5 sind über eine Quetschung 8 aus dem Kolben 2 vakuumdicht herausgeführt. Die Quetschung 8 ist mit ihrem dem Kolben 2 abgewandten Ende als nach außen weisender und den Kolben 2 untergreifender Quarzglasfuß 12 ausgeformt, mit dem der Kolben 2 verschmolzen ist.

Die Zuführung der elektrischen Energie erfolgt über die elektrischen Anschlüsse 7, die als Steckkontakte ausgebildet sind. Der Kolben 2 ist im Ausführungsbeispiel evakuiert. Alternativ ist er mit einem Edelgas gefüllt.

Um eine möglichst vollständige Abstrahlung nach vorne, in Richtung des Pfeiles 9, zu gewähr­ leisten, ist der Carbon-Strahler 1 von einem Reflektor 10 umgeben, der eine quadratische Öff­ nung 11 hat. In Fig. 1 ist der Reflektor 10 nur perspektivisch angedeutet.

Mittels des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers wird eine annähernd halbkugelförmige Ab­ strahlung erreicht. Die Carbonbänder gewährleisten bei hoher Leistung von ca. 240 W bis 250 W eine hohe thermische Schnelligkeit. In der beschriebenen Ausführungsform ist die volle Strahlungsleistung innerhalb von 1 bis 2 Sekunden verfügbar. Seine mittlere Farbtemperatur liegt bei 1100° bis 1200°C. Gleichzeitig ist der erfindungsgemäße Infrarot-Strahler in geringen Bauhöhen mit kleinen geometrischen Abmessungen herstellbar.

Mittels des erfindungsgemäßen Carbon-Strahlers können Heizleistungen punkt- und zeitgenau erzeugt werden. Dies erlaubt einen Einsatz als temperaturvariablen Flächenstrahler, wobei ei­ ne Vielzahl der erfindungsgemäßen Infrarot-Strahler in einem Raster angeordnet und unab­ hängig voneinander ansteuerbar sind. Mittels einer derartigen Anordnung können beispielswei­ se unterschiedliche Bereiche geometrisch komplexer Formteile individuell beheizt werden. Dies ist insbesondere zur gleichmäßigen oder schonenden Erwärmung schwer zugänglicher Bereiche von Kunststoff-Formteilen nützlich.

Claims (13)

1. Sphäroidisch abstrahlender Infrarot-Strahler mit einem Hüllkolben, der eine mit elektri­ schen Anschlüssen versehene Strahlungsquelle umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein erstes Strahlungsband (4) umfaßt, das entlang seiner Längs­ achse so gebogen ist, daß es eine obere, konvex gekrümmte Flachseite aufweist.

2. Infrarot-Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Strahlungs­ band (4) in einer ersten Krümmungsebene verläuft, und einen Scheitelpunkt (13) im Be­ reich der Längsachse (6) des Infrarot-Strahlers (1) aufweist.

3. Infrarot-Strahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Strah­ lungsband (4) U-förmig oder halbkreisförmig gebogen ist.

4. Infrarot-Strahler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Strahlungsband als Carbonband (4) ausgebildet ist.

5. Infrarot-Strahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbonband (4) ei­ ne Dicke im Bereich von 0,1 mm bis 0,2 mm aufweist.

6. Infrarot-Strahler nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Carbonband (4) eine Breite im Bereich von 5 mm bis 8 mm aufweist.

7. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden freien Enden des ersten Strahlungsbandes (4) in oder an einem Trägere­ lement (3) aus elektrisch isolierendem Werkstoff gehalten werden.

8. Infrarot-Strahler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (3) eine Keramik-Scheibe umfaßt, die mit einer Nut für die Aufnahme einer Quetschung (8) für die vakuumdichte Durchführung der elektrischen Anschlüsse (7), und mit Durch­ gangsbohrungen für die elektrischen Anschlüsse (7) versehen ist.

9. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle ein zweites Strahlungsband (5) umfaßt, das entlang seiner Längsachse so gebogen ist, daß es eine obere, konvex gekrümmt Flachseite aufweist, wobei das zweite Strahlungsband (5) in einer zweiten Krümmungsebene verläuft, und ei­ nen Scheitelpunkt (14) im Bereich der Längsachse (6) des Infrarot-Strahlers (1) aufweist, der vom Scheitelpunkt (13) des ersten Strahlungsbandes (4) beabstandet ist.

10. Infrarot-Strahler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Krümmungsebene senkrecht aufeinander stehen, und daß die Scheitelpunkte (13; 14) der Strahlungsbänder (4; 5), in Richtung der Längsachse (6) des Infrarot-Strahlers (1) gesehen, übereinander liegen.

11. Infrarot-Strahler nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Strahlungsband (4; 5) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

12. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hüllkolben (2) evakuiert oder mit einem Edelgas gefüllt ist.

13. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Farbtemperatur im Bereich zwischen 1100°C und 1200°C erzeugt.