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Dokumentenidentifikation DE102006014689A1 11.10.2007
Titel Infrarot Bestrahlungseinheit
Anmelder Heraeus Noblelight GmbH, 63450 Hanau, DE
Erfinder Klinecky, Martin, 63571 Gelnhausen, DE;
Simon, Jochen, 63579 Freigericht, DE;
Linow, Sven, Dr., 64293 Darmstadt, DE
Vertreter Kühn, H., Pat.-Ass., 63450 Hanau
DE-Anmeldedatum 28.03.2006
DE-Aktenzeichen 102006014689
Offenlegungstag 11.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse G21K 5/04(2006.01)A, F, I, 20060328, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B01J 19/12(2006.01)A, L, I, 20060328, B, H, DE   B05D 3/06(2006.01)A, L, I, 20060328, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Hochleistungsstrahlermodul, bei dem zwischen Strahler und Gehäuse ein Hitzeschutz aus anorganischem oxidischen Material angeordnet ist, wobei der Hitzeschutz aus einem im Wesentlichen faserfreien und bezüglich IR-Strahlung oder UV-Strahlung optisch inhomogenem Material besteht und das Hochleistungsstrahlermodul eine Anschlussflächenleistung von mindestens 200 kW/m2 aufweist, sowie die Verwendung eines Strahlermoduls und ein Verfahren zur Herstellung eines Strahlermoduls, bei dem mehrere Strahler oder Strahlereinheiten in einem Gehäuse mit einer Austrittsöffnung für die emittierte Strahlung elektrisch angeschlossen und mechanisch gehaltert werden.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft Hochleistungsstrahlermodule insbesondere NIR-Module. Derartige Module sind Flächenstrahler und enthalten üblicherweise mindestens zwei parallel nebeneinander angeordnete Infrarotstrahler, die ein einfaches Rundrohr oder ein Doppelrohr aufweisen. Bei Modulen mit einer Flächenleistung bis 150 kW/m2 eignen sich luftgekühlte Goldreflektoren um die Strahlung auf das zu bestrahlende Objekt zu fokussieren. Anschlussleistungen von 200 kW/m2 und darüber können nur mit wassergekühlten Reflektoren ausgeführt werden, da die Reflektoren andernfalls durch Überhitzung sehr schnell zerstört würden. Solche mit einer zusätzlichen Wasserkühlung versehenen Module sind aus der DE 101 56 915 oder aus der DE 101 25 888 bekannt.

Aufwändige Wasserkühlung ist in elektrischen Anlagen nicht erwünscht. Erstens aufgrund der zusätzlichen Kosten und zweitens, da stets die Gefahr von Wasseraustritt besteht. Wasseraustritt kann zum Einen die zu bestrahlenden Produkte schädigen und zum Anderen verheerende Auswirkungen für die elektrischen Einrichtungen oder die heißen Teile der Anlage haben. Wasser ist daher unter dem Gesichtspunkt der Betriebssicherheit ein äußerst unerwünschtes Medium.

In der DE 101 56 915 werden zudem keramische Faserplatten als Hitzeschutz des Gehäuses und als Hitzeschutz einer Kammer in der die elektrischen Zuführungen und die Kühlwasserschläuche offenbart. Diese Faserplatten schützen das Gehäuse vor Streustrahlung, die trotz der Goldreflektoren in den Kühlkanälen noch in Richtung des Modules ausgesendet wird.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Hochleistungsstrahlermodule mit verringertem Gefahrenpotential bereit zu stellen.

Lösungen der Aufgabe erfolgen nach den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Ausführungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß wird ein bezüglich seiner optischen Dichte inhomogener, aus anorganischem oxidischen Material bestehender Hitzeschutz zwischen Strahler und Gehäuse eines Moduls angeordnet. Der erfindungsgemäße Hitzeschutz ermöglicht Anschlussflächenleistungen von 200 kW/m2 und mehr. Hochleistungsstrahler mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschutz sind äußerst robust und für den Dauerbetrieb geeignet, d.h. der Strahler kann beim vollständigen Erreichen des Gleichgewichts mit der Umgebung betrieben werden. Dieser Gleichsgewichtszustand stellt sich üblicherweise nach 5 bis 15 Minuten ein.

Fasern sind für den erfindungsgemäßen Hitzeschutz nicht mehr nötig, weshalb das von Fasermaterial ausgehende Gefahrenpotential erfindungsgemäß eliminiert wird.

Maßgeblich ist, dass die optische Dichte des Hitzeschutzes hinsichtlich IR-Strahlung und ggf. bezüglich UV-Strahlung schwankt, insbesondere im Mikrobereich uneinheitlich ist.

In bevorzugter Ausführung besteht der bezüglich IR-Strahlung optisch inhomogene Hitzeschutz aus einem an sich für IR-Strahlung transparentem Material, wie Quarzglas oder Al2O3-Keramik. Es werden jedoch Schwankungen in der optischen Dichte, insbesondere durch unterschiedliche Phasen innerhalb des anorganischen oxidischen Materials gebildet, so dass diese Schwankungen bezüglich der optischen Dichte des Materials wesentliche Strahlungsanteile streuen. Aufgrund seiner speziellen Struktur weist dieses erfindungsgemäß in seiner optischen Dichte bezüglich IR-Strahlung oder ggf. UV-Strahlung uneinheitliche Material in dem Wellenlängenbereich, in dem bei homogener und einphasiger Ausführung des Materials eine sehr hohe Transparenz erreicht würde, nicht die Energieübertragung auf, die das Gehäuse beschädigen würde. Dies ist für Quarzglas je nach Zusammensetzung und Anteil an Spurenverunreinigungen der Wellenlängebereich von 180 nm bis 5000 nm. Dabei ist der Bereich von 180 bis 400 nm, insbesondere 200 nm bis 380 nm für UV-Strahler maßgeblich und der Bereich von 760 bis 5000 nm, insbesondere 780 bis 4000 nm für IR-Strahler maßgeblich. Erreicht wird diese Eigenschaft durch eine optische Inhomogenität des Quarzglases, wie z.B. durch gezieltes und homogenes Einbringen von Blasen und Störungen. Aluminiumoxyd in reiner Form weist eine sehr gute Transmission vom UV bis etwa 6000 nm hin auf. Hier wird die genannte Eigenschaft durch eine geeignete mikrokristalline Struktur des Festkörpers erreicht. Überraschend ist der Schutzschild unter Bedingungen anwendbar ist, denen metallische Reflektoren nicht mehr standhalten können, obwohl der Schutzschild mehr Strahlungsenergie bzw. Strahlungsleistung absorbiert als Reflektoren, aber nicht wie diese dadurch seine Funktionalität verliert. Während metallische Reflektoren in ihrer Funktionalität von ihrer Oberfläche abhängen und bei deren Beschädigung somit auch ihre Funktionalität verlieren, ist die Funktionalität des erfindungsgemäßen Hitzeschutzes von dessen Dicke abhängig, wobei im weiteren Gegensatz zu den bekannten Reflektoren die Rustikalität des Hitzeschutzes mit dessen Dicke zunimmt.

Bewährt haben sich Hochleistungsstrahlermodule, die sich dadurch auszeichnen, dass der zwischen Strahler und Gehäuse angeordnete Hitzeschutz zu seiner Kühlung nur eine Luftkühlung aufweist, wobei in einer bevorzugten Ausführung die Luftkühlung zusätzlich den Strahler kühlt. Mit einer einfachen Luftkühlung deren Energieverbrauch im Verhältnis zur Strahlerleistung vernachlässigbar gering ausfällt, beispielsweise im Prozent- oder Promille-Bereich sind mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschutz robuste, Hochleistungsstrahlermodule mit einer Anschlussflächenleistung von 400 bis 600 KW/m2 realisierbar. Mit aufwendigeren Kühlsystemen werden Anschlussleistungen von über 600 KW/m2 ermöglicht, wobei sogar Anschlussflächenleistungen von über 1 MW/m2 realisierbar sind. Eine einfache Luftkühlung erfolgt beispielsweise durch einen Luftstrom aus einem Ventilator, einem Lüfter oder einem Radialverdichter.

Erfindungsgemäß ist auch die Kühlung mit einem anderen Prozessgas, wie z.B. Stickstoff oder Argon eingeschlossen. Weiter umschließt die Erfindung auch die Kühlung mit einem Strom aus Druckluft oder einem anderen geeigneten Gas, welcher nicht mittels eines Radialverdichters, eines Lüfters oder eines Ventilators direkt erzeugt wurde, sondern welcher mittelbar aus einem Druckkreislauf oder Druckbehältern entnommen wird, sowie jede weitere dem Fachmann bekannte Variante der Erzeugung eines geeigneten Gasstromes.

In einer erfinderischen Weiterbildung ist der Hitzeschutz auf der Gehäuseseite mit Gold beschichtet. Dies reduziert die Sekundärstrahlung von der Oberfläche eines im Betrieb aufgeheizten Hitzeschutzes. Die Abstrahlung der Sekundärstrahlung erfolgt dann überwiegend von der unvergoldeten strahlerseitigen Oberfläche aus.

Die mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschutz ausgestatteten Hochleistungsstrahlermodule zeigen keine Verschlechterung des Wirkungsgrades mit zunehmender Betriebsdauer, wie dies beispielsweise von Hochleistungsstrahlermodulen mit wassergekühlten Reflektoren her bekannt ist.

Das anorganisch oxidische Material des Hitzeschutzes ist aus hochtemperaturstabilen Gläsern, insbesondere Quarzglas sowie aus Glaskeramiken, Alumosilikat oder Keramiken, insbesondere Aluminiumoxid auswählbar. Besonders bewährt haben sich reines Quarzglas sowie reine Aluminiumoxidkeramik.

Erfindungsgefäß wird ein Strahlungsschutz bereit gestellt, der von der auf ihn gerichteten Strahlungsleistung wesentlich mehr Leistung in Richtung des bestrahlenden Objektes zurückführt, als er auf seiner Rückseite auf das Modul abstrahlt und transmittiert. Weiter maßgeblich ist, dass der Strahlungsschutz sich nicht bis zur Selbstzerstörung erhitzt. Mit den erfindungsgemäßen Strahlungsschutzeinrichtungen wird es erstmals ermöglicht, Hochleistungsstrahlermodule mit einer Anschlussflächenleistung von 200 Watt und weit darüber hinaus ohne Wasser- bzw. Flüssigkeitskühlung bereit zu stellen.

Erfindungsgemäß wird also das leidige Sicherheitsrisiko bezüglich der Wasserkühlung ausgeräumt und der bislang betriebene enorme Aufwand zur Minimierung des Risikos bezüglich der Wasserkühlung erübrigt sich.

Der erfindungsgemäße Strahlungsschutz eignet sich auch für Module mit einer Anschlussleistung zwischen 100 und 200 Watt/m2, insbesondere für den Bereich von 150 bis 200 Watt/m2 in dem erhebliche Anstrengungen gemacht werden, um ohne Wasserkühlung auszukommen.

Der erfindungsgemäße Strahlungsschutz ermöglicht es weiterhin, die bisher mit wassergekühlten Reflektoren erreichbare Anschlussflächenleistung in der Größenordnung von 1 MW/m2 weiter zu steigern, insbesondere bei wassergekühlten Modulen.

Für Höchstleistungsanwendungen, beispielsweise luftgekühlten Modulen mit Flächenleistungen ab 400 Watt/m2, insbesondere ab 600 Watt/m2 hat sich optisches, inhomogenes Quarzglas als Strahlungsschutz bewährt, insbesondere in einem Verbund mit Gold, bei dem das optische, inhomogene Quarzglas zur Modulvorderseite, d.h. in Richtung der oder die Strahl- bzw. des zu bestrahlenden Objekts und das Gold als Schicht rückseitig zur Modulrückseite weisend auf dem optischen, inhomogenen Quarzglas angeordnet ist. Alternativ bieten sich Quarzglaskeramiken oder mit Quarzglas glasierte Keramiken, insbesondere mit einer rückseitigen Gold-Beschichtung an.

Für weniger extreme Anwendungen, beispielsweise luftgekühlte Module mit einer Anschlussflächenleistung von 100 bis 300 Watt/m2, insbesondere 150 bis 250 Watt/m2 eignen sich bereits hochtemperaturstabile optische, inhomogene Gläser, beispielsweise Alumo-Silikat-Gläser, Borat-Silikat-Gläser, Alumino-Silikat-Borat-Gläser. In vorteilhafter Ausführung ist deren Rückseite mit Gold beschichtet oder ein Goldreflektor dazu beabstandet.

Bewährt hat sich eine Luftkühlung bei der ein Luftstrom von der Rückseite des Moduls durch Öffnungen im Strahlungsschutz auf die Strahler gerichtet wird.

Die erfindungsgemäß angewendeten Strahler weisen ein in einer Umhüllung angeordnetes Heizfilament oder einen in der Umhüllung begrenzten Entladungsraum auf. Die Umhüllung ist vorzugsweise rohrförmig oder doppelrohrförmig ausgebildet, wobei die Rohrenden vakuumdicht verschlossen sind und Stromdurchführungen aufweisen. Das Strahlungsmaximum der Strahler liegt vorzugsweise im NIR, insbesondere im IR-A. Das Heizfilament besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus Wolfram oder Kohlenstoff.

Zum Betreiben von Hochleistungs-Heizfilamenten auf Wolframbasis mit Emittertemperaturen von über 2500 K, insbesondere über 3000 K ist ein erfindungsgemäßer Hitzeschutz zwischen dem Hüllrohr des Strahlers und dem den Strahler haltenden Gehäuse vorteilhaft, insbesondere bei Anwendung mehrerer Strahler in einem Modul.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen mit Bezug auf Figuren verdeutlicht.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein Hochleistungsmodul.

2 zeigt einen Querschnitt einer Strahleranordnung des Moduls aus 1.

Der Hitzeschutz wird aus einem optischen, inhomogenen Quarzglas gemäß Heraeus-Broschüre Opaque Fused Material OFM 970 gefertigt.

Ein Hitzeschutz aus optisch inhomogenem Quarzglas gemäß Heraeus-Broschüre Heraeus-Broschüre Opaque Fused Material OFM 970 wird gehäuseseitig mit Gold beschichtet, wie dies bereits für vergoldete Hüllrohre von Infrarotstrahlern in bekannter Weise ausgeführt wird.

Ausführungsbeispiel 1

Die 1 zeigt ein Modul mit einer Flächenleistung von 400 kW/m2 in dem 6 Zwillingsrohrstrahler (1) parallel nebeneinander angeordnet und mittels Halteelementen (2) fixiert sind. Die erfindungsgemäßen Hitzeschutzelemente (3) aus optisch inhomogenen Quarzglas sind als Halbschalen ausgeformt und entweder glasbläserisch an den den Strahlerrohren fixiert oder entsprechend 1 mittels zusätzlicher Halteelemente (4). Diese Halbschalen sind so angeordnet, dass die einzelnen Emitter sich nicht gegenseitig anstrahlen.

Das eigentliche Modul besteht aus einem Gehäuse (11), einer Einlassöffnung für Luft (12) und einer Prallplatte (13) an der der eintretende Luftstrom im Modulgehäuse verteilt wird. Zwischen dem Modulinnenraum und der Strahler/Hitzeschildanordnung befindet sich ein Diffusorblech (14). Dieses Blech dient zum ersten der mechanischen Halterung von Strahler und Reflektor, wobei diese auch an anderer Stelle im Modul gehalten werden können. Zweitens sind in dieses Diffusorblech Löcher oder Schlitze eingearbeitet, die zur optimalen Formung des Kühlgasstromes dienen. Hierzu können Löcher oder Schlitze insbesondere zentral hinter den einzelnen Hitzeschilden angeordnet werden. Als Begrenzung des Strahlerfeldes werden zusätzliche Platten aus dem Hitzeschutzschildmaterial angeordnet (15).

Die 2 ist eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnittes aus der 1.

Als Hitzeschutzschild werden Halbschalen, geschnitten aus Rohren aus OMF 70 eingesetzt (gemäß Heraeus-Broschüre Opaque Fused Material OFM 70), wobei hier viele andere für IR-Strahlung optisch inhomogene Quarzgläser als Ausgangsmaterial dienen können.

Ausführungsbeispiel 2

In einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einer Flächenleistung von 550 kW/m2 werden die parallel angeordneten Zwillingsrohrstrahler an ihren langen unbeheizten Enden gehalten und sind vor einer Platte aus optisch, inhomogem, rückseitig vergoldeten Quarzglas angeordnet. Diese Platte besteht aus mehreren Segmenten, um die Produktionskosten gering zu halten. In die Segmente sind an geeigneten Positionen Löcher eingebracht, so dass das mittels geeigneter Vorrichtungen im Modulgehäuse zur Verfügung gestellte Gas so über diese Löcher abfließt, dass zum Einen die Strahler effektiv angeblasen und so konvektiv gekühlt werden und zum zweiten der noch kalte Gasstrom aus dem Gehäuse durch das Hitzeschild dieses kühlt. Die Platten werden aus OM 100 gefertigt (gemäß Heraeus-Broschüre OM 100 High purity opaque quartz glass), wobei alternativ viele andere optisch inhomogene Quarzgläser als Ausgangsmaterial verwenmdbar sind.

Seitlich sind zum Schutz des Modules zusätzliche Platten aus OM 100 angeordnet, die rückseitig konvektiv gekühlt werden.

Ausführungsbeispiel 3

In einem dritten Ausführungsbeispiel mit einer Flächenleistung von 600 kW/m2 werden die parallel angeordneten Zwillingsrohrstrahler an ihren langen unbeheizten Enden gehalten. Anordnung wie im Ausführungsbeispiel 2, jedoch besteht der rückseitige Hitzeschutz aus einer Platte transparenten Quarzglases, auf das eine ausreichend starke Schicht aus optisch inhomogenem Quarz als Schlicker aufgebracht und nachträglich aufgesintert wurde. Diese Schicht wird in Richtung der Infrarotstrahler ausgerichtet und die rückseitige Quarzplatte vergoldet. Schlitze und Löcher zur Kühlung des Hitzeschildes und der Strahler werden wie bei Ausführungsbeispiel 2 ausgeführt, jedoch die Luftmenge zur Kühlung entsprechend erhöht.


Anspruch[de]
Hochleistungsstrahlermodul bei dem zwischen Strahler und Gehäuse ein Hitzeschutz aus anorganischem oxidischen Material angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschutz aus einem im Wesentlichen faserfreien und bezüglich IR-Strahlung oder UV-Strahlung optisch inhomogenem Material besteht und das Hochleistungsstrahlermodul eine Anschlussflächenleistung von mindestens 200 kW/m2 aufweist. Hochleistungsstrahlermodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschutz zu seiner Kühlung nur eine Luftkühlung aufweist. Hochleistungsstrahlermodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschutz so dick ist, dass er eine IR-Transmission von weniger als 10 % bei einer Temperatur zwischen 0 bis 1000°C aufweist. Hochleistungsstrahlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das optische, inhomogene, oxidische Material Quarzglas, hochtemperaturstabile Gläser, Glaskeramiken, Alumosilikate, Keramiken aufweist. Hochleistungsstrahlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein kühlender Luftstrom über die Hitzeschutzschilder zu den Strahlern geführt wird. Hochleistungsstrahlermodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Hitzeschutzschild Öffnungen aufweist, durch die Kühlluft auf die Strahler geführt werden kann. Verwendung eines Strahlermoduls nach Anspruch 1 als wassergekühltes Hochleistungsstrahlermodul mit einer Anschlussflächenleistung von mindestens 600 KW/m2, insbesondere mindestens 1 Megawatt/m2. Verfahren zur Herstellung eines Strahlermoduls, bei dem mehrere Strahler oder Strahlereinheiten in einem Gehäuse mit einer Austrittsöffnung für die emittierte Strahlung elektrisch angeschlossen und mechanisch gehaltert werden, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Seite der Strahler die der Austrittsöffnung abgewandt ist, ein Hitzeschutz anorganischem oxidischen Material angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschutz optisch inhomogen und im Wesentlichen faserfrei ist. Verfahren zur Herstellung eines Strahlermoduls nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hitzeschutz und dem Gehäuse eine Goldschicht angeorgnet wird, insbesondere durch gehäuseseitiges Beschichten des Hitzschutzes mit Gold. Verwendung eines anorganischen oxidischen Hitzeschutzes für ein Hochleistungsstrahlermodul insbesondere mit einer Anschlussflächenleistung von mindestens 200 kW/m2 dadurch gekennzeichnet, dass der Hitzeschutz optisch inhomogen und im Wesentlichen faserfrei ist.






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