JP2000299178A - 赤外線放射器および処理物品を加熱する方法 - Google Patents

赤外線放射器および処理物品を加熱する方法

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Joachim Scherzer
シェルツァー ヨアヒム
Klaus Schmitz
シュミッツ クラウス
Siegfried Grob
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】 公知の赤外線放射器を放射工率が高まる方向
に改良し、材料層を処理するために本発明の赤外線放射
器を使用する方法を提供して、処理時間を短縮すると同
時にエネルギ効率を高める。 【解決手段】 給電用の接続端子に接続されたカーボン
ベルトの形の放射源を取り囲む閉鎖された包絡管を備え
た赤外線放射器であって、前記カーボンベルトが、前記
包絡管の長手方向軸線の方向に延びて、赤外線放射器の
放射長さを決定している形式のものにおいて、カーボン
ベルト(2;5;10)を、放射長さ(B)よりも少な
くとも係数1.5倍分大きい長さとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、給電用の接続端子
に接続されたカーボンベルトの形の放射源を取り囲む閉
鎖された包絡管を備えた赤外線放射器であって、前記カ
ーボンベルトが、前記包絡管の長手方向軸線の方向に延
びて、赤外線放射器の放射長さを決定している形式のも
のに関する。さらに本発明は、少なくとも250℃/s
の昇熱速度を許容する赤外線放射器を使用して処理物品
を加熱する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】英国特許第2233150号明細書に基
づき公知の赤外線放射器においては、放射源が、細長い
カーボンベルトの形に形成されており、該カーボンベル
トは、両端部で閉鎖された石英ガラス製包絡管の一方の
端面から対向端面へ延在している。カーボンベルトは、
互いに平行に1本のベルトの形に配置された多数の黒鉛
繊維から成っている。電気的な接続のためにカーボンベ
ルトの両側には金属製の端部キャップが設けられてい
る。一般にカーボンベルトの両端部は、前記の両端部キ
ャップ内に挟み込まれている。端部キャップは、螺旋状
に曲げられた金属ワイヤに接続されており、該金属ワイ
ヤ自体は、包絡管の閉鎖端面を貫通して突出する電気的
なブッシュに係合している。赤外線放射器の放射長さ
は、カーボンベルト長さから直接生じる。
【0003】カーボンベルトは、少なくとも250℃/
sの迅速な温度交換を許容するので、公知のカーボン形
赤外線放射器は、反応速度が高い点で優れている。しか
しながらシュテファン・ボルツマン法則によれば、放射
体の放射工率は放射体の温度に著しく関連しており、温
度の低下に伴って著しく衰退する。公知のカーボン形放
射器は、約1450Kの高い温度で確かに使用すること
ができる。しかしながらその場合、石英ガラス製の包絡
管が高熱のカーボンベルトと接触しないことが保証され
なければならない。これに対してカーボン形放射器が、
石英ガラスの負荷限界以下の温度(約1270K)で運
転されると、放射工率はシュテファン・ボルツマンの法
則に応じて低下する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】したがって本発明の課
題は、公知の赤外線放射器を放射工率が高まる方向に改
良し、材料層を処理するために本発明の赤外線放射器を
使用する方法を提供して、処理時間を短縮すると同時に
エネルギ効率を高めることである。
【0005】
【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
の本発明の構成では、カーボンベルトが、放射長さより
も少なくとも係数1.5倍分大きい長さを有しているよ
うにした。
【0006】
【発明の効果】放射長さとは、加熱処理のために直接寄
与する、赤外線放射器の長さ区分のことである。この長
さ区分は、包絡管の加熱されない両端部間に延在してい
る。公知の赤外線放射器ではカーボンベルト長さが放射
長さに等しいのに対して、本発明の赤外線放射器の場合
にはカーボンベルト長さは放射長さの少なくとも1.5
倍分長い。これによって放射長さにわたって放射表面積
の少なくとも係数1.5倍分の増大が得られ、従ってボ
ルツマンの法則に基づいて、等しい表面温度において放
射工率の相応の増大が随伴する。従って本発明の赤外線
放射器では、運転温度が低くても高い出力密度が得られ
る。この出力密度は、包絡管によって放射長さにわたっ
て閉鎖された容積の少なくとも15W/cm3である。
より高い出力密度は種々の点で有利に作用する。本発明
の赤外線放射器は、少なくとも250℃/sの迅速な加
熱と迅速な急冷とを可能にし、従ってその温度交換速度
の点で短波式赤外線放射器のように挙動する。しかしな
がら短波式赤外線放射器の最大放射値は一般に0.9μ
m〜1.8μmの波長範囲内にあるのに対して、本発明
の赤外線放射器の場合には約1220K以下の低い運転
温度に基づいて最大放射値は約2.3μm 〜2.9μ
mの波長範囲内にある。この波長範囲は、含水処理物品
が最大吸収値を示すところの約1.8μm〜4μmの波
長範囲に合致している。本発明による新規の赤外線放射
器の高い放射工率に基づいて、この波長範囲で新規の赤
外線放射器を運転するためのエネルギ使用量は比較的僅
かで済む。その結果、放射器周辺の加熱もそれ相応に低
くなる。従って本発明による新規の赤外線放射器では、
従来の処理物品の赤外線処理時における効率が顕著に改
善されると同時に、エネルギ需要量が公知の短波式赤外
線放射器の場合よりも僅かになることが判った。
【0007】従来の長く延在させた単純構成に比べて、
カーボンベルトの表面積の増大は、折り、屈曲、据込
み、丸め巻成、捩りのように、カーボンベルトを特別の
幾何学的形状に成形することによって得られる。ただ重
要な点は、この成形後のカーボンベルト長が、長く延び
た形のカーボンベルト長の最大66.67%に相当する
ことである。
【0008】螺旋状に形成されたカーボンベルトが特に
有利であると判った。螺旋形状に基づいて放射源の表面
積は、等長の真直ぐに延びた円筒形のベルトの表面積よ
りも著しく大きくなる。螺旋形状の場合、出力のために
は主として外向きに放射する表面が重要であり、該表面
は、ワインディング間のギャップを無視すれば、ほぼ円
筒周壁面の形状を有している。この場合に本発明では、
外向きに放射する表面積が、放射長さよりも少なくとも
係数1.5倍分だけ大きいことが必要である。表面温度
が規定されている場合、表面積が大きくなることによっ
て放射工率がやはり高くなる。
【0009】同じく有利な実施形態ではカーボンベルト
は、アコーディオン状に折られているかまたは波形状に
屈曲されている。重要なことは、前記の特殊な形状付与
によって、放射長さよりも少なくとも係数1.5倍分大
きなカーボンベルト長さが得られることである。カーボ
ンベルトの肉厚は通例0.1mm〜0.5mmの範囲内
にあり、該カーボンベルトの幅は2mm〜25mmの範
囲内にある。
【0010】赤外線放射器を使用して処理物品を加熱す
る方法において、前記の同一の課題を解決するための本
発明の構成手段は、1つの波長における赤外線放射器の
最大放射値が1.8μm 〜2.9μmの波長範囲内に
あり、前記赤外線放射器の出力が包絡管によって放射長
さにわたって閉鎖された容積の少なくとも15W/cm
3であるように、本発明の赤外線放射器を運転する点に
ある。
【0011】赤外線放射器による処理物品の加熱は、例
えば乾燥、焼入れ、軟化または溶接のために行われる。
前記の波長範囲1.8μm 〜2.9μmは、約125
0K〜約1000Kの範囲の表面温度を伴って生じる。
本発明の赤外線放射器では、放射源の比較的大きな表面
積に基づいて、運転温度が比較的低い場合でも高い出力
密度が得られる。本発明によれば処理物品を加熱するた
めには出力が、包絡管によって放射長さにわたって閉鎖
された容積の少なくとも15W/cm3によって調整さ
れ、しかも該出力は主として、含水処理物品が通常、最
大吸収値を示すところの約1.8μm〜4μmの波長範
囲から成っている。それ故に本発明の新規な赤外線放射
器を運転するためには比較的低いエネルギ使用量が必要
であるばかりでなく、特にこの波長範囲は前記の適用上
の約1.8μm〜4μmの波長範囲に十分に合致してい
る。これによって所望の加熱のための放射時間は短くな
る。従って本発明の新規な赤外線放射器のこの運転方式
の場合、処理物品を加熱するための効率は、従来の短波
式赤外線放射器の場合よりも改善される。特に加熱のた
めのエネルギ需要量は少なくなり、かつ処理時間は短く
なる。
【0012】放射波長を2.3μm〜2.7μmにする
方法上の実施形態は特に有利である。この波長範囲で本
発明の新規な赤外線放射器を運転する場合、特に高いエ
ネルギ効率と同時に短い処理時間が得られる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面につき詳しく説明する。
【0014】図1に概略的に示した赤外線放射器は、
2.0μm〜2.9μmの波長範囲内に最大放射値を有
する中波式赤外線放射器である。石英ガラスから成る排
気された包絡管1の内部には、螺旋状のカーボンベルト
2の形の発熱体が配置されている。前記包絡管1は16
mmの内径と約110cmの長さとを有している。包絡
管1の両端部は圧搾部4によって閉鎖されており、該圧
搾部を通して、カーボンベルト2を電気的に接続するた
めの金属接続素子3が導出されている。
【0015】カーボンベルト2は肉厚0.15mm、幅
11mmを有している。カーボンベルト2の両端は金属
接続素子3に結合されている。カーボンベルト2によっ
て成形された螺旋体は、約15mmの外径を有する包絡
円を描いている。ワインディング間のギャップは約2m
mである。螺旋体は赤外線放射器の全放射長さBにわた
って延在しており、該放射長さは約100cmである。
伸直された形のカーボンベルト2の実際の長さは約36
0cmである。従って、放射長さBにわたって伸直され
たカーボンベルトの実施形態に比べて、螺旋状のカーボ
ンベルト2の場合には、全体として係数約3.6倍だけ
大きな表面積が包絡管1の放射長さB内に形成される
が、外向きに放射する表面積はその内の一部分でしかな
いので、出力向上のために実際に効果的な表面積増大分
は、長く延びた実施形態に対して約係数2倍分である。
それに相応して、倍増した高さの放射工率が得られ、こ
れは特に1220K以下の低い温度において顕著にな
る。従って螺旋状のカーボンベルト2は、本発明の赤外
線放射器を製造するために特に適している。該赤外線放
射器は、迅速な温度交換を可能にし、250℃/s以上
の昇熱速度が可能である。包絡管1によって放射長さB
にわたって閉鎖された容積は、本実施例の場合には約2
00cm3である。
【0016】以下に、図1に示した赤外線放射器に基づ
き1つの使用態様の実施例を詳しく説明する。
【0017】赤外線放射器は、連続炉内においてベルト
状材料を加熱するために使用される。加熱したいベルト
状材料の主吸収帯域は、1.8μm〜4μm間の範囲に
ある。本発明の赤外線放射器は、1つの波長におけるそ
の最大放射値が約2.4μmであるように運転される。
赤外線放射器はその場合、放射器長さセンチメートル当
り約40ワットの出力、要するに本実施例では全体とし
て約4000ワットの出力を放射し、これは、包絡管1
によって放射長さBにわたって閉鎖された容積の立方セ
ンチメートル当り約20ワットに相当する。従って1平
方メートルの大きさの加熱フィールドのために、このよ
うな赤外線放射器を20個装備した場合、80kW/m
2の面積当り出力が生じる。前記2.4μmの放射波長
範囲は約1200K範囲の表面温度に相当する。カーボ
ンベルト2の表面積が比較的大きいことに基づき本発明
の赤外線放射器では、比較的低い運転温度の場合でも前
記の約80kW/m2の高い出力密度が得られる。加熱
したい材料の主吸収帯域における出力密度が高いことに
基づき、更にまた高いプロセス速度が可能である。
【0018】従って本発明による新規の赤外線放射器の
前記使用態様においては、処理物品を加熱するための効
率は短波式赤外線放射器の場合よりも向上する。特に加
熱のためのエネルギ需要量は僅かになり、処理時間は短
縮される。
【0019】別の使用態様では本発明の赤外線放射器
は、プラスチック成形部品を溶着するために使用され
る。この溶着のためにカーボンベルト2の最大放射値は
2.5μmの波長に設定される。加熱したいプラスチッ
クの主吸収体域は3〜4μmである。本発明の赤外線放
射器は、1つの波長における最大放射値が約2.9μm
になるように運転される。その場合、赤外線放射器は、
放射器長さセンチメートル当り約36ワットの出力、要
するに本実施例では約3600ワットの出力を放射し、
これは、包絡管1によって放射長さBにわたって閉鎖さ
れた容積の立方センチメートル当り約18ワットに相当
する。従って1平方メートルの大きさの加熱フィールド
のために、このような赤外線放射器を20個装備した場
合、72kW/m2の面積当り出力が生じる。同時に少
なくとも250℃/sの高い昇熱速度が得られる。加熱
したいプラスチックの主吸収帯域における出力密度が高
いことに基づいて、高いプロセス速度が可能である。
【0020】図2に示した線図に基づいて、本発明の赤
外線放射器の有利な作用が明確になる。線図には、典型
的な短波式赤外線放射器のスペクトル放射分布率(曲線
A)と、従来慣用のカーボン形放射器の、カーボンベル
トの運転温度1500Kにおけるスペクトル放射分布率
(曲線B)と、図1に図示したような螺旋状のカーボン
ベルトを備えた本発明のカーボン形放射器の、カーボン
ベルトの運転温度1200Kにおけるスペクトル放射分
布率(曲線C)とが示してある。y軸上には、シュテフ
ァン・ボルツマンの法則によるスペクトル放射強度が相
対的な単位(kW/m2 標準化)で、またx軸上には0
〜7.5μmの波長範囲がプロットされている。これら
の赤外線放射器は全て、著しく迅速に加熱される(昇熱
速度が少なくとも250℃/s)という点で同じく優れ
ている。曲線A,BおよびCの下の面積はそれぞれ等し
く、つまり放射された光学的出力は、全ての赤外線放射
器において等しい。曲線Aの最大放射値は約1.5μ
m、曲線Bの最大放射値は約2μm、曲線Cの最大放射
値は約2.5μmである。しかしながら決定的な点は、
含水性の処理物品が通常最大吸収値を示す1.8μm〜
約4μmの適用上の波長範囲内にスペクトル成分がある
ということである。特に重要なのは、図2において垂直
線によって制限されている2.5μm 〜3.5μmの
波長範囲である。この波長範囲において曲線A,B,C
は相異している。曲線Aで示した短波式赤外線放射器の
場合、曲線Aの下のハッチング面積によって示した相応
のスペクトル成分は最小であるのに対して、曲線Cで示
した本発明の赤外線放射器におけるスペクトル成分は、
等しい出力にも拘わらず最大である。その結果、本発明
の赤外線放射器の前記の有利な作用、特に大きなエネル
ギ節減ポテンシャルが得られる。
【0021】図3に概略的に示したアコーディオン状に
折られたカーボンベルト5は肉厚0.15mm、幅10
mmを有している。カーボンベルト5はその長手方向軸
線6に対して横方向に折られている。本実施例では4つ
の等しい折り部7が設けられており、しかも各折り部7
は、長手方向軸線6より上側に上側折曲箇所8を、また
長手方向軸線6よりも下側に下側折曲箇所9を有してい
る。上側折曲箇所8と下側折曲箇所9との間の間隔は、
各折り部7について約11mmである。折られたカーボ
ンベルト5は約8cmの放射長さにわたって延在してい
る。伸直された形のカーボンベルト5の実際長さは約1
2.5cmである。従って、長手方向軸線6に沿って伸
直されたカーボンベルトの実施形態に比べて、折られた
カーボンベルト5によって、放射長さの内部に係数約
1.5倍大きな表面積が形成され、これに相応して等し
い係数分高い放射出力が可能になる。
【0022】図4に概略的に示した波形に成形されたカ
ーボンベルト10は肉厚0.15mm、幅10.5mm
を有している。カーボンベルト10はその長手方向軸線
11に対して横方向に波形に屈曲されている。本実施例
では19個の等しい波状部12が設けられており、しか
も各波状部12は、長手方向軸線11より上側に波の山
13を、また長手方向軸線11より下側に波の谷14を
有している。波の山13と波の谷14との間のカーボン
ベルト長さはそれぞれ約33mmである。屈曲されたカ
ーボンベルト10は、約41cmの放射長さにわたって
延在している。伸直された形のカーボンベルト10の実
際長さは約64cmである。従って波形のカーボンベル
ト10は、長手方向軸線11に沿って伸直されたカーボ
ンベルトの実施形態に比べて、放射長さの内部で係数約
1.5倍分だけ表面積を大きくすることができ、それに
相応して等しい係数分だけ放射出力を高くすることが可
能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】螺旋状のカーボンベルトの形の放射源を有する
本発明による赤外線放射器の概略図である。
【図2】3つの赤外線放射器の典型的なスペクトル放射
分配率を有する線図である。
【図3】アコーディオン状に折られたカーボンベルトの
概略的な斜視図である。
【図4】波形に成形されたカーボンベルトの概略的な斜
視図である。
【符号の説明】
1 包絡管、 2 螺旋状のカーボンベルト、 3 金
属接続素子、 4 圧搾部、 5 アコーディオン状に
折られたカーボンベルト、 6 長手方向軸線、 7
折り部、 8 上側折曲箇所、 9 下側折曲箇所、
10 波形のカーボンベルト、 11 長手方向軸線、
12 波状部、 13 波の山、 14 波の谷、
B 放射長さ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨアヒム シェルツァー ドイツ連邦共和国 ブルーフケーベル エ ミール−ベーリング−シュトラーセ 15 (72)発明者 クラウス シュミッツ ドイツ連邦共和国 ハーナウ フォア デ ア キンツィッヒブリュッケ 29 (72)発明者 ジークフリート グロープ ドイツ連邦共和国 ハーナウ ラントシュ トラーセ 60

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 給電用の接続端子に接続されたカーボン
    ベルトの形の放射源を取り囲む閉鎖された包絡管を備え
    た赤外線放射器であって、前記カーボンベルトが、前記
    包絡管の長手方向軸線の方向に延びて、赤外線放射器の
    放射長さを決定している形式のものにおいて、カーボン
    ベルト(2;5;10)が、放射長さ(B)よりも少な
    くとも係数1.5倍分大きい長さを有していることを特
    徴とする赤外線放射器。
  2. 【請求項2】 カーボンベルト(2)が螺旋状に形成さ
    れている、請求項1記載の赤外線放射器。
  3. 【請求項3】 カーボンベルト(5)がアコーディオン
    状に折られている、請求項1記載の赤外線放射器。
  4. 【請求項4】 カーボンベルト(10)が波形に屈曲さ
    れている、請求項1記載の赤外線放射器。
  5. 【請求項5】 少なくとも250℃/sの昇熱速度を許
    容する、請求項1から4までのいずれか1項記載の赤外
    線放射器を使用して処理物品を加熱する方法において、
    1つの波長における最大放射値が1.8μm〜2.9μ
    mの範囲内にあり、出力放射が、包絡管(1)によって
    放射長さ(B)にわたって閉鎖された容積の立方センチ
    メートル当り少なくとも15ワットになるように赤外線
    放射器を運転することを特徴とする、処理物品を加熱す
    る方法。
  6. 【請求項6】 放射波長の最大値が2.3μm〜2.7
    μmである、請求項5記載の方法。
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