Infrarotstrahler

Die Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler und dessen Verwendung.

Infrarotstrahler ermöglichen eine schnelle und berührungslose Erwärmung großer Flächen. Infrarotstrahler beinhalten in der Regel eine auf einem Trägermaterial aufgebrachte Heizwendel oder Heizbeschichtung. Die Intensität der Erwärmung und die daraus resultierende Abgabe elektromagnetischer Wärmestrahlung, kann durch den elektrischen Widerstand der Heizwendel und durch die angelegte Spannung geregelt werden. Der elektrische Widerstand ist dabei vor allem von der Materialzusammensetzung und dem Leitungsquerschnitt abhängig. Mit größer werdendem Leitungsquerschnitt sinkt bei sonst gleichem Material der elektrische Widerstand und damit die Intensität der Wärmestrahlung.

In vielen Fällen stellt sich beim Erwärmen von Gegenständen und Flächen ein Temperaturgradient ein. Wenn der zu erwärmende Gegenstand vergleichbar dimensioniert ist wie der Infrarotstrahler, so ist insbesondere in den Randbereichen die ankommende Wärmestrahlung geringer als im zentralen Heizbereich. Wird die Erwärmung für eine chemische oder thermische Umsetzung genutzt, so erfolgt die Umsetzung nicht in allen Bereichen gleich. Bei der thermischen Umsetzung kristalliner Verbindungen können sich in Abhängigkeit von der Temperatur Verbindungen mit sehr unterschiedlicher Stöchiometrie und Zusammensetzung bilden. Die Reproduzierbarkeit derartiger Prozesse ist somit auf größeren Substraten oder im industriellen Maßstab schwierig zu realisieren.

EP 1 168 418 Al offenbart einen Infrarotstrahler, bei dem das Heizelement aus Carbonfasern in einem Quarzglasrohr besteht. Der Infrarotstrahler kann bei Temperaturen von über 1000 ⁰ C betrieben werden.

DE 202 20 808 Ul offenbart einen röhrenförmigen Infrarotstrahler mit einer Strahlungsquelle aus kryptokristallinem Kohlenstoff. Die Strahlungsquelle ist von einem Gehäuse mit einem für infrarote Strahlung durchlässigen Fenster oder Hüllrohr umgeben. DE 102 53 582 B3 offenbart einen Infrarotstrahler in einem gasdichten Lampengefäß aus Kieselglas. Das Lampengefäß ist teilweise mit einer reflektierenden Schicht versehen, die mit einem Abdampfschutz aus Kieselglas versehen ist.

EP 0 410 151 Al offenbart einen Infrarotstrahler mit einer innerhalb eines Hüllrohres angeordneten elektrischen Heizwendel und einem Temperatursensor. Die Heizwendel ist auf einem siliziumdioxidhaltigen Trägerrohr aufgewickelt.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Infrarotstrahler bereitzustellen, der eine homogene und reproduzierbare Erwärmung von großflächigen Substraten ermöglicht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß durch einen Infrarotstrahler und dessen Verwendung nach den unabhängigen Ansprüchen 1, 14 und 15 gelöst. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler umfasst mindestens ein Hüllrohr und eine Heizquelle. Das Hüllrohr besteht aus einem hochtemperaturstabilen und für Infrarotstrahlung durchlässigen Material. Die Heizquelle umfasst mindestens zwei äußere Segmente und ein inneres Segment. Die äußeren Segmente können im Rahmen der Erfindung eine unterschiedliche Heizleistung aufweisen. Die Heizleistung (als abgestrahlte Wärme) des inneren Segments ist um mindestens 3 %, bevorzugt mehr als 10 % niedriger als die Heizleistung der äußeren Segmente. Weisen die beiden äußeren Segmente eine unterschiedliche Heizleistung auf, so bezieht sich die niedrigere Heizleistung des inneren Segments auf die gemittelte Heizleistung der beiden äußeren Segmente.

Eine niedrigere Heizleistung lässt sich beim gleichen Material durch eine Vergrößerung des Leitungsquerschnitts erreichen. Hierzu kann für das innere Segment eine dickere Heizquelle gewählt werden. Eine niedrigere Heizleistung lässt sich auch durch die Verwendung eines im Vergleich zum äußeren Segment besser elektrisch leitenden Materials erzielen. Eine bessere Leitfähigkeit bedingt einen niedrigeren elektrischen Widerstand und damit eine niedrigere Wärmeentwicklung . Die Heizquelle ist bevorzugt entweder auf einem Trägerrohr aufgebracht und somit im Hüllrohr fixiert oder wird durch einen Platzhalter im Hüllrohr fixiert. Auch Kombinationen dieser beiden Ausführungen sind möglich. Das Trägerrohr und/oder der Platzhalter enthalten ein auch bei hohen Temperaturen von 700 ⁰ C bis 2300 ⁰ C, bevorzugt 800 ⁰ C bis 1500 ⁰ C formstabiles Material, bevorzugt metallisches oder keramisches Material.

Der freie Raum zwischen der Heizquelle und dem Hüllrohr wird bevorzugt mit einem Inertgas, beispielsweise Edelgasen oder Vakuum befüllt. Das Inertgas verhindert die Oxidation und damit die Alterung des Trägerrohrs, des Platzhalters und der Heizquelle.

Der Platzhalter umfasst bevorzugt ein Drahtgeflecht mit Führungs-Öse. Der Draht enthält bevorzugt Wolfram, Palladium, Platin, Nickel, Chrom, Mangan, Eisen, Silber, Kupfer, Gold, Kalium, Silizium und/oder Gemische und/oder Legierungen davon.

Der Platzhalter weist bevorzugt eine ovale, kreisförmige und/oder eckige Scheibenform mit einer Führungs-Öse auf. Die Führungs-Öse ist bevorzugt in der Mitte des Platzhalters angeordnet.

Der Platzhalter enthält bevorzugt SiO ₂ , Quarzglas, Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ , Y ₂ O ₃ , Keramiken und/oder Gemische davon.

Die Heizquelle enthält bevorzugt eine Heizschicht und/oder einen gewickelten Draht und/oder Heizwendel. Die Heizquelle kann bevorzugt auch ausschließlich durch einen Draht und/oder Heizwendel gebildet werden. Über den Abstand der Heizwendel zueinander lässt sich zudem die Heizleistung eines Segments steuern und regeln. Eine höhere Heizleistung lässt sich beim gleichen Material durch z.B. eine engere Wicklung der Heizwendeln erreichen.

Die Länge des inneren Segments beträgt bevorzugt mindestens 10 % der Gesamtlänge der Heizquelle.

Die Heizquelle enthält bevorzugt weitere innere Segmente mit kleinerer Heizleistung als die äußeren Segmente und/oder kleinerer Heizleistung als das innere Segment. Mit Hilfe weiterer innerer Segmente lässt sich die Temperaturverteilung auf dem zu bestrahlenden Objekt noch weiter einstellen und homogenisieren.

Die Heizquelle enthält bevorzugt Wolfram, Palladium, Platin, Nickel, Chrom, Mangan, Eisen, Silber, Kupfer, Gold, Kalium, Silizium und/oder Gemische und/oder Legierungen davon.

Die Heizquelle weist bevorzugt einen Außendurchmesser von 100 μm bis 50 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 10 mm auf.

Die Heizquelle wird bevorzugt auf eine Temperatur von 700 ⁰ C bis 2300 ⁰ C erwärmt. Diese Temperatur ergibt sich im Sinne der Erfindung als über die äußeren und inneren Segmente gemittelte Temperatur. Die gemittelte Heizleistung beträgt bevorzugt 500 Watt bis 6500 Watt.

Die Heizquelle weist bevorzugt zwischen den Segmenten Verbindungssegmente auf. Diese Verbindungs segmente verbinden unterschiedliche Heizsegmente untereinander und können so ausgelegt sein, dass sie selbst keine Heizleistung erzeugen. Verbindungssegmente können bevorzugt als Klemmkontakte zwischen den Segmenten vorliegen.

An den beiden Enden der Heizquelle sind elektrische Kontaktierungen angebracht, welche den Infrarotstrahler mit Strom versorgen und die elektrische Kontaktierung enthält bevorzugt Gold, Silber, Kupfer, Chrom, Nickel, Eisen, Wolfram, Platin, Legierungen und/oder Gemische davon.

Das Hüllrohr weist bevorzugt eine Länge von 100 mm bis 2500 mm, besonders bevorzugt von 700 mm bis 1000 mm auf. Das Trägerrohr weist bevorzugt eine dementsprechende Dimensionierung auf.

Das Hüllrohr weist bevorzugt einen Außendurchmesser von 5 mm bis 50 mm auf.

Das Hüllrohr enthält bevorzugt Quarz, Quarzglas, hochsilikatisches Glas, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid und/oder Keramiken. Das Trägerrohr enthält bevorzugt SiO ₂ , Quarzglas, Al ₂ O ₃ , ZrO ₂ , Y ₂ O ₃ , und/oder Gemische davon.

Das Trägerrohr weist bevorzugt einen Außendurchmesser von 1 mm bis 50 mm auf.

Die Erfindung umfasst des Weiteren einen Infrarotstrahler mit einem Hüllrohr und einer Heizquelle aus Drahtwendeln D, die in dem Hüllrohr angebracht sind. Die Heizquelle weist mindestens zwei äußere Segmente und ein inneres Segment auf. Die Heizleistung des inneren Segments ist um mindestens 5 % niedriger ist als die Heizleistung der äußeren Segmente und der Durchmesser D der Drahtwendeln senkrecht zur Längsachse L des Hüllrohrs im inneren Segment ist um mindestens 5 %, bevorzugt 10 %, besonders bevorzugt 20 % kleiner ist als der Durchmesser D der Drahtwendeln in den äußeren Segmenten (4a). Die Strahlungsleistung P kann über das Stefan-Boltzmann Gesetz abgeschätzt werden, dabei gilt P = σ* ε * A * T ⁴ mit σ = 5,67*10 ^"8 W m ^"2 K ^"4 , ε = Emissionsgrad des Strahlers, A = Strahlungsfläche, T =

Temperatur. Die Strahlungsfläche A ergibt sich aus A = π * d *τj[a ² + π ² * D ² ) wobei d = Drahtdurchmesser, D = Windungsdurchmesser und a = Abstand der Windungen sind.

Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung des Infrarotstrahlers zum Erwärmen von Oberflächen, bevorzugt von Glas Substraten.

Der erfindung s gemäße Infrarotstrahler wird bevorzugt zum Erwärmen von beschichteten Glas Substraten verwendet.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen sind rein schematische Darstellungen und nicht maßstabsgetreu. Sie schränken die Erfindung in keiner Weise ein.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 einen Längsschnitt eines Infrarotstrahlers I nach dem Stand der Technik,

Figur 2 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers II,

Figur 3 einen Längsschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers II,

Figur 4 einen Querschnitt eines erfindungs gemäßen Infrarotstrahlers II,

Figur 5 eine Skizze der Verwendung eines Infrarotstrahlers I nach dem Stand der Technik,

Figur 6 einen Längsschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers II,

Figur 7 eine Skizze des Platzhalters und

Figur 8 einen Längsschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers.

Figur 1 zeigt einen Infrarotstrahler nach dem Stand der Technik im Längsschnitt. Auf einem durchgehenden Trägerrohr (1) ist eine Heizquelle (4) aufgebracht. Über eine elektrische Kontaktierung (3) wird diese mit Strom versorgt. Das Trägerrohr (1), die Heizquelle (4) und die elektrische Kontaktierung (3) sind in einem Hüllrohr (2) untergebracht. Der Zwischenraum des Hüllrohrs ist mit Inertgas gefüllt. Die gleichmäßige Heizleistung des Infrarotstrahlers (I) bewirkt eine ungleichmäßige Erwärmung von Substraten, wenn diese eine vergleichbare Länge aufweisen wie der Infrarotstrahler (I). Zum äußeren Rand des Infrarotstrahlers (I) nimmt die Wärmestrahlung ab, welche das zu erwärmende Substrat erreicht. Dementsprechend erwärmen sich Substrate, die vergleichbare oder größere Dimensionen aufweisen als der Infrarotstrahler, in diesen Randbereichen geringer als in zentralen Bereichen.

Figur 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Infrarotstrahler (II). Die Segmente mit unterschiedlicher Heizleistung Sg _l (4a) und Sg ₂ (4b) bewirken eine größere Wärmeabgabe in den Randbereichen (4a) des Infrarotstrahlers (II) und eine niedrigere Wärmeabgabe im Zentrum (4b) des Infrarotstrahlers (II). Dies gleicht die in Figur 1 beschriebenen Temperaturunterschiede bei der Aufheizung von Glassubstraten mit vergleichbarer oder größerer Dimensionierung als der Infrarotstrahler aus.

Figur 3 zeigt einen weiteren Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers (II). Der Infrarotstrahler (II) weist neben den beiden äußeren Segmenten Sg ₁ (4a) mit maximaler Heizleistung und dem inneren Segment Sg ₂ (4b) noch weitere Segmente Sg _{1, mit i>2} (4b.1, 4b.2 und 4b.3) auf. Die Zahl„i" entspricht dabei einer ganzen Zahl der Reihe 3, 4, 5, 6, ... usw.) Mit Hilfe dieser zusätzlichen Segmente Sg ₃ (4b.1), Sg ₄ (4b.2) und Sgs (4b.3) lässt sich die Temperaturverteilung im Infrarotstrahler II noch weiter anpassen und damit eine homogenere Temperaturverteilung im Substrat erreichen. Zwischen den einzelnen Segmenten Sg ₁ (4a), Sg ₂ (4b), Sg ₃ (4b.1), Sg ₄ (4b .2) und Sgs (4b.3) sind Verbindungssegmente (5) angeordnet. Diese Verbindungs segmente gewährleisten die elektrische Kontaktierung zwischen den Segmenten des erfindung s gemäßen Infrarotstrahlers. Bevorzugt können die Verbindungs segmente (5) auch als lokale „Kaltstellen" wirken, die selbst keine oder nur geringe Anteile Wärmestrahlung erzeugen. Die Verbindungs segmente (5) erzeugen bevorzugt weniger als 10% der Heizleistung der äußeren Segmente Sg ₁ (4a).

Figur 4 zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers (II). Auf einem inerten Trägerrohr (1) befindet sich die Heizquelle (4). Diese kann sowohl als Beschichtung als auch als umwickelter Draht oder Heizwendel ausgebildet sein. An der Heizquelle (4) ist die elektrische Kontaktierung (3) angebracht, welche die Heizquelle (4) mit Strom versorgt. Der Infrarotstrahler II ist von einem Hüllrohr (2) umgeben. Der Zwischenraum zwischen der Heizquelle (4), Teilen des Trägerrohrs (1) und dem Hüllrohr (2) ist bevorzugt mit einem Inertgas wie N ₂ , He, Ne, Ar, Kr, Xe und/oder Vakuum gefüllt.

Figur 5 zeigt eine Skizze der Verwendung eines Infrarotstrahlers (I) nach dem Stand der Technik. Dabei wird ein planes Substrat mit einem Infrarotstrahler mit homogener Heizleistung bestrahlt. Aus der Positionierung des Substrats unter dem Infrarotstrahler ergibt sich eine ungleichmäßige Aufheizung des Substrats mit heißen Zonen in der Mitte und kalten Zonen am Rand. Die Verwendung des erfindung s gemäßen Infrarotstrahlers (II) führt hingegen (nicht gezeigt) zu einer gleichmäßigen Aufheizung des planen Substrats. Figur 6 zeigt einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers IL Die Heizquelle (4) wird in den äußeren Segmenten (4a) und im inneren Segment (4b) über Platzhalter (6) im Füllrohr (2) fixiert. Die Platzhalter (6) können dabei auch als Drahtgeflechte ausgebildet sein. Die Verbindungssegmente (5) trennen die äußeren Segmente (4a) von dem inneren Segment (4b).

Figur 7 zeigt einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Platzhalters (6). Im Mittelbereich des Platzhalters befindet sich eine Führungs-Öse (6a), welche die nicht gezeigte Heizquelle (4) aufnimmt und im Hüllrohr (2) fixiert.

Figur 8 zeigt einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers IL Innerhalb des Hüllrohres befinden sich die Heizsegmente (4a), (4b) und (4a). Der Abstand (a) der Heizwendeln ist in allen Segmenten gleich. Der Windungsdurchmesser (D) der Heizwendeln senkrecht zur Längsachse (L) des Hüllrohres (2) ist in den äußeren Segmenten (4a) größer als im inneren Segment (4b).

Bezugszeichenliste

(1) Trägerrohr,

(2) Hüllrohr,

(3) elektrische Kontaktierung,

(4) Heizquelle,

(4a) äußere Segmente Sg ₁ ,

(4b) inneres Segment Sg ₂ ,

(4b.1) inneres Segment Sg ₃

(4b.2) inneres Segment Sg ₄ ,

(4b3) inneres Segment Sgs ,

(5) Verbindungssegmente,

(6) Platzhalter,

(6a) Führungs-Öse,

(a) Abstand der Windungen,

(D) Windungsdurchmesser,

(L) Längsachse des Hüllrohrs,

(I) Infrarotstrahler gemäß Stand der Technik und

(II) Infrarotstrahler gemäß Erfindung.