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Die Erfindung betrifft einen elektrisch betreibbaren Infrarotstrahler, der über ein flächiges, allseitig geschlossenes, Gehäuse verfügt. Im Gehäuseinnenraum ist eine einteilige, metallische Heizwendel (2) derart positioniert, dass diese ohne Kontakt mit der Strahlungsfläche (1) des Gehäuseunterteils (13), die erzeugte Strahlungsenergie, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 2.000 bis 4.000 Nanometer, in Richtung des Erwärmungsgutes emittieren kann. An der Strahler-Rückseite, dem Gehäuseoberteil (11), werden die elektrischen Anschlüsse durchgeführt. Ein zentral angeordneter Befestigungssockel (9) dient der Fixierung des Strahlers an Träger- oder Reflektorblechen.
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Infrarotstrahler ähnlicher, äußerer Bauform, sind im Stand der Technik als keramische Infrarotstrahler bekannt und werden seit mehr als 60 Jahren in unterschiedlichen runden, rechteckigen, sechseckigen oder auch balligen Formen erzeugt und überwiegend für industrielle Anwendungen genutzt. Die weltweit bedeutendsten Bauformen haben eine rechteckige Geometrie mit den Abmessungen 245 × 60, 122 × 60, 122 × 122 sowie 60 × 60 mm. Ein wesentliches, technisches Merkmal derartiger Infrarotstrahler, ist die ortsfest an der Abstrahlseite, keramisch eingebrannte, zumeist mäanderförmig angeordnete Heizwendel, die im Betriebszustand ihr Strahlungsleistungs-Maximum im Wellenlängenbereich von ca. 5.000 Nanometer erreicht. Da Infrarotstrahler dieser Bauart, in Abhängigkeit von ihrer elektrischen Auslegung sowie bedingt durch die keramische Einbettung der Heizwendel, nur geringfügig sichtbares Licht bzw. eine Glühfarbe erzeugen, werden sie als Dunkelstrahler bezeichnet. Beispielhaft dafür ist die PS
DE 19841674 A1 .
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Weiterhin gibt es im Stand der Technik den Quarzstrahler bzw. den Quarzgutstrahler, welcher als Flächenstrahler 1968 durch die PS
DT 18 15914 offenbart wurde und nahezu unverändert bis heute hergestellt und industriell genutzt wird. Ein wesentliches, technisches Merkmal dieses Strahlers ist ein rechteckiges, flächiges Metallgehäuse, in dem, je nach Bauform, z. B. 7 Quarzrohre bündig nebeneinander zwecks Bildung einer ebenen Strahlungsfläche angeordnet sind. Die Quarzrohre werden durch eine elektrisch betriebene Heizwendel beheizt, die die Innenräume der Quarzrohre mäanderförmig durchzieht. Wegen der relativ hohen Transparenz von Quarz gegenüber Infrarotstrahlung, erzeugt ein Quarzstrahler einen relevanten Infrarot-Strahlungsanteil im Wellenlängenbereich von 2.000 bis 4.000 Nanometer. Dies ist für Erwärmungsgüter bedeutsam, welche über ein Absorptionsspektrum im vorgenannten Bereich verfügen. In diesem Wellenlängenbereich wird jedoch auch ein Anteil sichtbaren Lichtes erzeugt, welcher durch das nahezu transparente Quarzrohr emittiert wird, was für die Erwärmungsaufgabe jedoch keine positive Relevanz hat. Im industriellen Sprachgebrauch ist es üblich, Strahler dieser Bauart als Hellstrahler zu bezeichnen. Im Maschinen- und Anlagenbau werden die flächigen Quarzstrahler, ebenso wie die erstgenannten, keramischen Infrarotstrahler, gemäß Baukastenprinzip, modular zu unterschiedlich großen Heizflächen zusammengesetzt und auch über integrierte Pilotstrahler in ihrer Leistungsabgabe geregelt. Die äußeren Abmessungen des Quarzstrahlers entsprechen nur näherungsweise denen der keramischen Strahler. Dies beinhaltet eine Einschränkung der Austauschbarkeit in Fertigungsanlagen. Es sind Ausführungen des Quarzstrahlers mit Metallgehäuse bekannt, bei denen die Befestigung in der Erwärmungsanlage, mittels Schrauben erfolgt, die an der Rückseite des Strahlergehäuses angeschweißt sind. Diese Befestigungsart ist zeitintensiv und im Falle eines Austausches problematisch, da die Gewindebolzen im Bereich hoher Temperaturen relativ schnell korrodieren.
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Der weltweite Jahresbedarf aller keramischer- und aller Quarz-Infrarotstrahler beträgt zusammen ca. 1 Million Stück. Der Anteil der Quarzstrahler daran beträgt ca. 150.000 Stück, also ca. 15%. Aus Sicht vieler Anwender erscheint es sinnvoll, über Strahler verfügen zu können, die sich bzgl. ihrer Strahlungseigenschaft unterscheiden, die aber, bzgl. der Abmessungen, der Befestigungsart sowie der Effizienz und Sicherheit, kompatibel sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektrisch betreibbaren, flächigen, reaktionsschnellen Infrarotstrahler vorzustellen, welcher im Wellenlängen-Spektrum von 2.000 bis 4.000 Nanometer emittiert, über ein nichtmetallisches Gehäuse mit geschlossener Strahlungsfläche sowie über eine integrierte Wärmedämmung verfügt. Gleichzeitig soll der erfindungsgemäße Strahler derart konstruiert sein, dass seine Standzeit und seine Betriebsicherheit erhöht werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein einstückiges, stoffgleiches, vollständig geschlossenes, rechteckiges, flaches Gehäuse erzeugt wird, welches an einer Außenseite über eine homogene Abstrahlfläche und an der ihr gegenüber liegenden Fläche über einen, mit der Fläche stoffschlüssig verbundenen, stoffgleichen Befestigungssockel verfügt. Das Strahlergehäuse umschließt einen rechteckigen Hohlraum, der überwiegend mit einem temperaturbeständigen, keramischen Isolierkörper gefüllt ist. Der Isolierkörper ist gleichzeitig Träger einer auf ihm mäanderförmig, in Vertiefungsfugen angeordneten Heizwendel, die im definierten Abstand zur Innenseite der Strahlungsfläche ortsfest und spielfrei fixiert ist. Optional kann der Strahler mit einem Thermoelement ausgestattet werden, welches nahe der Heizwendel, ebenfalls ortsfest und spielfrei, befestigt wird.
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Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler auf Basis Zeichnung 1 zeichnet sich vorteilhaft dadurch aus, dass er über ein vollständig geschlossenes Gehäuse verfügt, welches aus dem Gehäuseoberteil (11) sowie dem Gehäuseunterteil (13) besteht, wobei beide Gehäuseteile durch eine horizontal verlaufende Fügenaht (12) stoffschlüssig, vorzugsweise durch Laserschweißung, miteinander verbunden werden. Die Erfindung sieht vor, dass das Gehäuse aus einer temperaturbeständigen, infrarot-durchlässigen, Glaskeramik besteht und einen im Prinzip rechteckigen Hohlraum umschließt, der mit einem Isolierkörper (10) ausgefüllt ist. In Abhängigkeit von der Strahler-Anwendung, kann der glaskeramische Werkstoff der Strahlungsfläche (1), glasklar, rot, schwarz oder andersfarbig bestimmt werden. Der Isolierkörper (10) verfügt über eine mäanderförmig angeordnete Vertiefungsrille, die der Strahlungsfläche (1) zugewandt und zur Aufnahme der elektrischen Heizwendel (2) vorgesehen ist. Die Heizwendelbefestigung (3) in der Vertiefungsrille erfolgt vorzugsweise mit einem keramischen Kleber, wodurch der Heizwendel (2) eine ortsfeste Lage mit definiertem Abstand zur Strahlungsfläche (1) gegeben wird. Diese ortsfeste Lage der Heizwendel (2) wird auch durch die Geometrie des Isolierkörpers (10) bestimmt, der über einen umlaufenden, Abstand bildenden Rand verfügt, welcher gleichzeitig für eine im Betriebszustand seitliche, thermische Entkoppelung sorgt. Optional ist ein Thermoelement (4) in Nähe der Heizwendel (2), ortsfest und spielfrei zur Leistungssteuerung installierbar. Die Anschlussleitungen (6) für das Thermoelement (4) sowie die Anschlussleitungen (5) für die Heizwendel (2), werden durch den Isolierkörper (10) und fortlaufend durch das Gehäuseoberteil (11), den Befestigungssockel (9) und die Isolierperle (8) durchgeführt. Der Befestigungssockel (9) entspricht bzgl. seiner Geometrie und seiner Abmessungen den Befestigungssockeln keramischer Infrarotstrahler im Stand der Technik, welche weltweit verbreitet sind. Hervorzuheben ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Strahlergehäuses, dass der Befestigungssockel (9) einstückig und stoffgleicher Bestandteil des Gehäuseoberteils (11) ist.
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Die erfindungsgemäße Bauart des Infrarotstrahlers löst einige Probleme, die beim Dauereinsatz eines Quarzstrahlers auftreten, wie er in der PS
DT 18 15914 gezeigt wird. Dies ist zunächst das Gehäuse aus aluminisiertem Stahlblech, welches aus einzelnen Abkantteilen oder als einzelnes Tiefziehteil hergestellt wird. Das Blechgehäuse ist an seiner Abstrahlseite offen und somit für jegliche Umwelteinflüsse zugänglich, da die nebeneinander angeordneten, eine Strahlungsfläche bildenden Quarzrohre, in den seitlichen Isolatoren beweglich positioniert sind. Betriebsbedingte Umwelteinflüsse, z. B. Wasserdampf, chemische Dämpfe und Stäube, können ohne nennenswerte Hinderung zur Heizwendel und auch zur inneren Gehäuserückwand vordringen und in diesen wichtigen Bereichen Korrosion verursachen, die Reflektorleistung der Gehäuseinnenwände verringern sowie die Heizwendel-Lebensdauer der Heizwendel verkürzen. Da das Gehäuse aus Metall besteht, sind die Heizwendel sowie die stromführenden Anschlüsse und Durchführungen elektrisch spannungsfrei zu isolieren. Besonders kritisch hinsichtlich der Lebensdauer der Heizwendel, sind die jeweiligen Umlenkstellen der Heizwendel, wenn diese das eine Ende des Quarzrohres verlässt und in die Öffnung des nächsten Quarzrohres eingeführt wird. Hierbei wird die Heizwendel im Bereich der Trägerisolatoren windungsfrei gestreckt, was bei hohen Betriebstemperaturen zu sog. Hot Spots führt, also zu lokalen Überhitzungen, die den vorzeitigen Wendelausfall begünstigen. Ein weiterer Nachteil von Quarzstrahlern mit Metallgehäuse ist das Fehlen einer rückwärtigen, thermischen Isolierschicht, was die Effizienz dieser Strahlerbauart deutlich herabsetzt. Ohne eine Isolierschicht entsteht im Betriebsverlauf an den Gehäuse-Innenwänden eine Oxydschicht, die einerseits die Reflektorwirkung herabsetzt und dadurch die Strahlungsleistung in der gewünschten Richtung reduziert und andererseits gibt es Abplatzungen der Oxydschicht, die in unerwünschter Weise auf das Erwärmungsgut rieseln.
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Demgegenüber ist der erfindungsgemäß vorgestellte Strahler kompakter in seiner Bauart, d. h. er wird mit deutlich weniger Bauteilen hergestellt. Weiterhin verfügt er über ein glaskeramisches, elektrisch sicheres Gehäuse. Von besonderer Bedeutung ist die Dichtigkeit des Gehäuses, die ein Vordringen schädlicher Stoffe aus der Umgebung in den Strahler sowie ein Austreten unerwünschter Stoffe aus dem Strahler verhindert. Dieser Strahler erfüllt somit Reinraumanforderungen. Ein weiterer Vorzug der erfindungsgemäßen Bauart ist die integrierte, rückseitige, Wärme dämmende Isolierschicht, die die Strahler-Effizienz, im Vergleich zum Quarzrohrstrahler mit Metallgehäuse, relevant erhöht. Ein weiterer Vorteil des neuen Strahlers ist die Möglichkeit der ortsfesten Positionierung eines Thermoelementes. Bei Quarzrohrstrahlern befindet sich das Thermoelement im Inneren eines dazu nicht mit einer Heizwendel bestückten Quarzrohres. Dieses Quarzrohr ist jedoch, wie die übrigen Quarzrohre des Strahlers beweglich gelagert. Hinzu kommt, dass die Heizwendel im Innenraum des Quarzrohres nicht spielfrei ist. Diese im Strahlerbetrieb wechselnden Lagetoleranzen, führen zu Messfehlern bzw. zu uneinheitlichen Messwerten und somit zu ungenauen Steuerungsergebnissen.
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Die beim Quarzstrahler im Innenraum der Quarzrohre relativ frei bewegliche Heizwendel beschränkt den Strahler dieser Bauart lediglich zu einem Betrieb in horizontaler Position. Wird der Strahler senkrecht betrieben, kommt es zu Verschiebungen der Heizwendel, wodurch sog. Wendelnester entstehen, die zu Überhitzungen und dadurch zum frühzeitigen Ausfall der Heizwendel führen. Diese Einschränkung der Einbaulage des Strahlers ist nur mit zusätzlichem, technischen Aufwand gegen Mehrpreis vermeidbar. Der erfindungsgemäße Strahler ist auf Basis seiner ortsfesten Heizwendel in jeder beliebigen Lage sicher betreibbar. Die zum Teil freistehende, aber dennoch befestigte Heizwendel ermöglicht eine kurze Aufheizzeit im Taktbetrieb.
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Die technischen und wirtschaftlichen Nachteile des Quarzstrahlers mit Metallgehäuse im Stand der Technik, werden durch die Vorstellung des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers überwunden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strahlungsfläche
- 2
- Heizwendel
- 3
- Heizwendelbefestigung
- 4
- Thermoelement
- 5
- Anschluss für Heizwendel
- 6
- Anschluss für Thermoelement
- 7
- Anschlusslitze
- 8
- Isolierperle
- 9
- Befestigungssockel
- 10
- Isolierkörper
- 11
- Gehäuseoberteil
- 12
- Fügenaht
- 13
- Gehäuseunterteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19841674 A1 [0002]
- DE 1815914 [0003, 0008]
