Keramischer Infrarotstrahler

Ein keramischer Infrarotstrahler ist eine aus Keramik bestehende Quelle für elektromagnetische Strahlung im für den Menschen unsichtbaren, infraroten Spektralbereich. Dabei handelt es sich um technische Strahlungsquellen; im Gegensatz zu natürlichen IR-Strahlungsquellen, wie der Sonne oder Feuer. Ausgenommen von der nachfolgenden Erläuterung sind technische Strahlungsquellen, die z. B. als IR-Sender, astronomische oder militärische Ortungssysteme konzipiert sind.

Aufbau

In der Decke eingebauter Infrarotstrahler

Der keramische Infrarotstrahler besteht aus einem elektrischen Widerstandsheizleiter, der in geeignetes keramisches Material vollständig eingebettet ist. Durch die Einbettung wird die vom Heizleiter erzeugte Energie auf das umgebende Material übertragen. Dies schützt den Heizleiter vor Überhitzung und ermöglicht die Verlängerung seiner Lebensdauer. Der Werkstoff, der zur Einbettung des Heizleiters verwendet wird, ist elektrisch nichtleitend und sollte über gute Absorptions- bzw. Emissionseigenschaften im gewünschten IR-Wellenlängenbereich verfügen. Unter Berücksichtigung dieser Kriterien sind keramische IR-Strahler in unterschiedlichen Geometrien herstellbar.

Keramische Infrarotstrahler sind demnach keramische Körper, bei denen ein Teil der Oberfläche als Strahlungsfläche mit eingebauter Heizwendel genutzt wird. Bei keramischen IR-Strahlern besteht darüber hinaus die Möglichkeit, ein Thermoelement in unmittelbarer Nähe des Heizleiters ortsfest zu positionieren.

Erfinder des oben beschriebenen keramischen Infrarotstrahlers ist das Elstein-Werk. Für das Grundmodell des keramischen Einschraubstrahlers wurde das Patent am 24. März 1949 erteilt. Parallel dazu erfolgte die Entwicklung von flächigen keramischen IR-Strahlern, mittels derer der Aufbau von großflächigen IR-Heizflächen möglich wurde. Das Patent für flächige keramische IR-Strahler wurde dem Elstein-Werk am 8. März 1950 erteilt. Durch die weit verbreitete Bezeichnung von keramischen IR-Strahlern als „Elsteinstrahler“ wird diese Bezeichnung heute auch als Gattungsbegriff für keramische IR-Strahler verwendet.

Anwendungen als Heizelement

Die hier behandelten IR-Strahler sind technische Bauteile oder Geräte, die Aufgrund ihrer Bauart dazu bestimmt sind, dass sie einen möglichst großen Anteil der in sie eingespeisten Energie (elektrischer Strom, Gas) in Wärme umwandeln und diese über eine Strahlungsfläche abgeben können.

Unabhängig von der Bauart des IR-Strahlers wird immer das Ziel verfolgt, die vom IR-Strahler emittierte und sich unabhängig von einem weiteren Transportmedium wellenförmig ausbreitende Wärmestrahlung dem Erwärmungsgut möglichst verlustfrei zuzuführen.

Dabei ist zu beachten, dass der IR-Strahler in Abhängigkeit von seiner technischen Auslegung, IR-Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich emittiert (Spektralbereich). Dies ist z. B. der IR-Bereich von 2–10 μm; damit ist sein Strahlungsleistungs-Maximum gemeint. Dies bedeutet, dass jeder IR-Strahler auch in Wellenlängenbereichen emittiert, die außerhalb seines Strahlungsleistungsmaximums liegen.

Auswirkungen auf den angestrahlten Körper

Wegen des unterschiedlichen atomaren Aufbaus von Erwärmungsgütern, unterscheiden diese sich dadurch, in welchem Spektralbereich sie die emittierte Strahlung am besten aufnehmen können. Strahlungsanteile, die sie materialbedingt nicht aufnehmen können, werden durch das Material hindurchgeleitet oder von diesem reflektiert.

Die Aufnahme der IR-Strahlung durch das Erwärmungsgut wird als Absorption bezeichnet. Der Absorptionsprozess am Erwärmungsgut ist demnach immer auch (anteilig) ein Prozess, der von Reflexion und Transmission der IR-Strahlung begleitet wird. Eine 100-%ige Absorption ist technisch nicht möglich. Die vollständige Absorption gibt es nur beim theoretischen Modell des Schwarzen Strahlers bzw. „Schwarzen Körpers“.