CN101500452B - 辐射加热器 - Google Patents

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CN101500452B CN2007800302584A CN200780030258A CN101500452B CN 101500452 B CN101500452 B CN 101500452B CN 2007800302584 A CN2007800302584 A CN 2007800302584A CN 200780030258 A CN200780030258 A CN 200780030258A CN 101500452 B CN101500452 B CN 101500452B
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Abstract

一种辐射加热器，包括具有盒状构造的加热器主体，该主体限定内腔并包括基壁和与该基壁相对的开口端部。主体由陶瓷材料制成。主体还包括沿着主体的长度延伸并设置用于将能量引导通过主体的开口端部的加热元件。

Description

辐射加热器
相关申请的交叉引用
本申请要求Enoch A.Zenteno和Fermin Adames Sr于2006年6月16日提交的题为“辐射加热器”的美国临时专利申请No.60/814,268的优先权。
技术领域
本发明涉及一种加热元件，更加具体而言，本发明涉及陶瓷、红外辐射加热器。
背景技术
可通过对流、传导和辐射进行传热。如公知的那样，对流是当被加热的诸如空气或水之类的介质携带着能量远离热源移动时，通过介质的整体运动而进行的传热；传导是通过物质内的分子搅动、而不是物质整体的任何运动而进行的传热；而辐射是通过携带能量的电磁波远离发射物体的发射而进行的传热。在以上三种方式中，辐射是最有效和最灵活的传热方式，并且适于多种应用。
工业上的红外加热器通常由基于它们的光谱辐射功率分布中的最大发射或峰值波长的位置的类型(例如，短波、中波和长波)来分类。这一分类是仅仅基于加热元件本身的温度并通过应用Wien的位移定律而进行。换言之，短波加热器之所以归类为短波加热器，是因为其线圈能达到2148°F(2μm)到6060°F(0.8μm)之间的稳态温度；类似的，中波加热器线圈的温度能达到845°F(4μm)到2148°F(2μm)之间的稳态温度；而长波加热器的线圈温度低于845°F(或者λmax＞4μm)。
辐射加热元件通常在需要定向的或聚焦的加热的应用中使用。为此目的，如公知的那样，石英加热器包括细长的管和金属反射器，而陶瓷加热器形成为弯曲板或平板。用来制造加热器的一些工艺对加热器可能呈现的形状有限制。已经开发了一些工艺来制造具有非标准形状的加热器，但是这些工艺对这样的加热器的内部结构有限制。这些对内部结构的限制使得不能提供具有最高潜在效率的加热器。另外还有一些工艺仅能生产单一类型的加热器(即，该工艺仅能生产在180°的范围内辐射的加热器，或者在360°的范围内辐射的加热器，而不能这两种类型的加热器都生产)。
红外辐射由有机分子吸收，并被转化为分子振动能。当辐射能与特定分子振动的能量相匹配时，发生吸收。在一个实施例中，有效的红外加热系统包括这样一组红外加热器，即它们的发射波长被精细地调节成与给定应用在其不同加热处理阶段的吸收波长相匹配。即，如图1所示，在干燥处理进行时且物质的吸收波长发生改变时，发射波长也相应改变。
参照图1，位于传送器系统或处理路径的入口附近的系统A区可包括在2μm附近运行的短波加热器，以与水的吸收光谱的第一个峰值(约95％)匹配。在加热应用的中间部位(即，B区)，可采用中波加热器来与第二高的吸收峰值(约94％)匹配。最后，在接近传送器终点、正好在离开系统之前的C区中，为了防止对应用物质产生强的热冲击，可放置长波加热器以与最后的高吸收峰值(约78％)匹配。
然而，在实际的应用中，这一系统的结构和运行非常难以实现，这是因为业界没有能以单一单元的形式传递短波、中波或长波的红外加热器。每一加热器类型具有独特的设计、结构和运行要求，这使得它们非常难以与其他类型的加热器组合。例如，短波发射器的热输出非常之高，从而通常要有冷却系统来将加热器壳体维持在容许的水平。
当前使用的工业用辐射加热器都具有两个元件，即，反射表面和壳体。Elstein-Werk M.Steinmetz GmbH&CO.KG(德国)和HeraeusNoblelight Inc.(乔治亚州Duluth)提供的加热器都包括分别地直接施加到壳体和石英物质上的金制反射材料。金的直接施加使得加热器的整体尺寸变小，并使得可更容易地加以处理，这是因为无需反射器(即，主体本身就是反射器)。然而，加热器元件产生的功率不能超过一定的限制，即，不能使金挥发(高于820°)。而且，反射器仍然会吸收相当多的热，而且会将其传导到加热器的背侧，从而加热保持加热器的结构而不是应用物。Fostoria Industries(俄亥俄州Fostroria)和Research Inc.(明尼苏达州Eden Prairie)要求将反射器嵌入在钢壳体中以使加热器正常运行。
工业用辐射加热器的另一示例包括实心或中空的陶瓷红外加热器。高能的中空加热器由于嵌入的线圈层与外壳之间热膨胀的差异而容易在外壳处产生裂纹。用简单的传热术语来说，线圈处产生的焦耳加热通过传导而传递到周围的陶瓷中。由于陶瓷的热传导性较低，从而与外壳相比，线圈层受到的冲击要明显较快，导致在这两层之间产生大的温度梯度，同时产生大的热膨胀差异。在一些情况下，拉伸应力将超过主体的强度，从而会产生可见的裂纹来释放应变。在上釉或不上釉的陶瓷主体中，在具有或不具有头部的陶瓷主体中都形成这些裂纹。这样的破裂暗示了裂纹不是由冷却釉料导致的残余应力引起的，而是由线圈层在赋能期间受到更大的膨胀而引起的。
设计一种能在所有可用波长内进行发射的红外加热器的挑战要求对现有红外单元的参数加以考虑。现有的带嵌入铁氧体合金(FeCrAl)的陶瓷主体加热器具有高的机械稳定性，但是还具有最大功率限制，超过这些最大功率的限制将导致微结构破裂，这些微结构破裂在高瓦特数/高压单元中引起介电失效。具有封装在板框内的石英管的红外加热器具有在管内自由膨胀的线圈；但是该板框结构极易受到腐蚀、扭曲和变形。最后，卤钨和碳红外灯具有快的响应时间，并提供对发射器波长的控制和管理，但是这样的灯具有有限的组装选择。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供一种辐射加热器，其包括具有盒状构造的加热器主体，所述主体限定内腔并包括基壁和与该基壁相对的开口端部。所述主体由陶瓷材料制成。所述辐射加热器还包括加热元件，该加热元件沿着所述主体的长度延伸，并设置用于将能量引导通过所述主体的所述开口端部。
在另一实施例中，该辐射加热器包括具有盒状构造的加热器主体，所述主体限定内腔并包括基壁和与该基壁相对的开口端部。所述主体由陶瓷材料制成。加热元件沿着所述主体的长度延伸，并设置用于将能量引导通过所述主体的所述开口端部。该辐射加热器还包括反射器，该反射器设置在所述主体的所述基壁与所述加热元件之间，其中，所述反射器的反射表面将来自所述加热元件的能量再次引导通过所述主体的所述开口端部。
在还一实施例中，本发明提供一种用在干燥或加热处理中的工业用加热系统。所述加热系统包括：壳体，该壳体与处理物质的处理路径相邻地设置；以及辐射加热器，该辐射加热器容纳在所述壳体内，并朝向所述处理路径。所述辐射加热器包括：具有盒状构造的加热器主体，所述主体限定内腔并包括基壁和与该基壁相对的开口端部，所述开口端朝向所述处理路径。所述加热器主体由陶瓷材料制成。加热元件沿着所述主体的长度延伸，并设置用于将能量引导通过所述主体的所述开口端部。所述加热器还包括反射器，该反射器设置在所述主体的所述基壁与所述加热元件之间，其中，所述反射器的反射表面将来自所述加热元件的能量再次引导通过所述主体的所述开口端部。
通过考察详细说明和附图将明了本发明的其他方面。
附图说明
图1示出了用于干燥处理的红外加热系统的示例。
图2A和图2B示出了根据本发明一个实施例的辐射加热器。
图3A至图3C示出了根据本发明另一实施例的辐射加热器。
图4A至图4D示出了根据本发明一个实施例的辐射加热器的壳体。
图5示出了根据本发明一个实施例的辐射加热器的壳体。
图6示出了根据本发明另一实施例的辐射加热器的壳体。
图7A至图7B示出了用于辐射加热器的平面反射器的一个实施例。
图8示出了用于辐射加热器的安装头部的弹簧夹的一个实施例。
图9示出了图2A至图2C所示的辐射加热器的壳体的一个实施例。
图10A和图10B示出了包括卤钨灯的辐射加热器的实施例。
图11A和图11B示出了包括一对卤钨灯的辐射加热器的实施例。
图12示出了图2A至图2B、图3A至图3C、图10A至图10B、以及图18A至图18B所示的辐射加热器的壳体的另一实施例。
图13示出了图10A所示的辐射加热器的端部，包括对流孔。
图14A至图14C示出了根据本发明一个实施例的元件保持器。
图15示意性地示出了图10A所示的辐射加热器的剖面图，包括元件保持器。
图16A至图16B示出了用于辐射加热器的抛物面反射器的一个实施例。
图17示出了图11A至图11B、图19A至图19B以及图21A至图21B所示的辐射加热器的壳体的一个实施例。
图18A和图18B示出了包括碳元件的辐射加热器的实施例。
图19A和图19B示出了包括两个碳元件的辐射加热器的实施例。
图20A和图20B示出了包括三个碳元件的辐射加热器的实施例。
图21A和图21B示出了包括卤钨元件和碳元件的辐射加热器的实施例。
图22A和图22B示出了包括卤钨元件和碳元件的辐射加热器的实施例。
在详细说明本发明的任何实施例之前，应理解的是，本发明的应用不限于在以下说明中所阐明的或在以下附图中所示出的详细构造和部件布置。本发明可以有其他实施例，可以以各种方式实施或实现。而且，应理解的是，这里使用的用语和术语是为了说明的目的，而不应被认为是限制性的。
具体实施方式
在各种工业和医疗应用中使用红外加热器以在干燥或加热处理中提供辐射热。工业应用的示例包括纺织加工、食品加工、热成形、底片处理、液体处理等。还可将红外加热器用作辐射热源，例如用于室外加热。如本领域内公知的那样，辐射加热器通常容纳在结构壳体(例如图1)中，并朝向通常沿着处理路径运送的处理物质。结构壳体的示例包括容纳单一加热器的壳体、沿着其长度容纳多个加热器的壳体阵列、以阵列结构容纳多个加热器的面板阵列壳体，等等。可根据使用者的需求而定制结构壳体。例如，可单独利用加热器，或者可将加热器结合到含有以下将描述的加热器的任意组合的较大组件中。
本发明的辐射加热器的一优选实施例将现有的红外技术结合到单个单元中。该辐射加热器能容纳卤钨灯(短波)、碳丝灯(中波，快速响应)、成双嵌入的电阻丝和单个的石英管(中波和长波)，并能将热再次朝向给定的应用物引导(即，提供定向的热)。辐射加热器能经受热冲击，并能在任何运行温度下提供高的机械稳定性。最后，辐射加热器与工业上广泛应用的标准红外加热器相容。
图2A、图2B、图3A、图3B和图3C示出了根据本发明一个实施例的辐射加热器10。该辐射加热器10包括由陶瓷材料制成的细长的、大致呈矩形的主体14(图4A至图4D)，其具有第一端部14A和第二端部14B。纵向轴线A(图2A、图3A和图4A)延伸穿过主体14的中心和第一端部14A及第二端部14B。加热器10还包括沿着主体14的长度在第一端部14A和第二端部14B之间延伸的六个加热元件18(包括容纳在石英管18B内的电阻丝元件18A)或灯、用于将加热元件18保持在主体14中的适当位置的支承板22、设置在加热元件18和主体14之间的反射器26、以及用于将加热器10联接到壳体(未示出)上的安装头部30。
参照图4A至图4D，主体14包括基壁34、位于第一端部14A处的第一端壁38、位于第二端部14B处的第二端壁42以及在第一端壁38和第二端壁42之间延伸的第一侧壁46和第二侧壁50。壁34至50限定了主体14的内腔54，该内腔包含加热器10的加热元件18和支承板22。在所示的实施例中，主体14的基壁34包括两个弧形的区域56或凹形的区域，以增加内腔54的尺寸。
基壁34包括用于接收安装头部30的狭槽58。在所示的实施例中，安装头部30沿着主体14的纵向轴线A取向(图2B和图3B)，不过在其他的实施例中，安装头部30可定向为垂直于该纵向轴线A。
在所示的实施例中，加热器主体14由热膨胀极低的陶瓷材料制成，这样的陶瓷材料能防止在使用高温加热元件18时在主体14中形成裂纹。当前使用的陶瓷加热器由于加热元件和壳体之间的热膨胀差异而形成裂纹或微裂纹。一些加热元件能达到高达6100°F的稳态温度，或者被快速赋能，这会导致对主体的热冲击，从而导致裂纹。
在耐磨部分两侧产生大的温度梯度时，即，物体一侧比相邻侧更快地膨胀，直到相对侧上产生的拉伸强度超过陶瓷体的强度时，产生陶瓷体的热冲击失效。在所示的实施例中，加热器主体14由热膨胀极低的陶瓷材料制成，这使主体的线性或横向热膨胀很小，或没有热膨胀。陶瓷体提供高度的机械和热稳定性和性能，这对于快速的冷却操作是重要的。在使用快速赋能或高温加热元件时，防止了主体14破裂，从而即使在快速的热载荷下也能保持陶瓷主体14的结构整体性。而且，主体14的陶瓷材料使得通过主体14的热损失相对低。在所示的实施例中，用于制造主体14的陶瓷材料包括下表中所述的配方。
Figure G2007800302584D00081
透锂长石、陶土和球粘土可以是Hammill&Gillepie(新泽西州Livingston)提供的，而
Figure G2007800302584D00082
No.7可以是R.T.Vanderbilt Company，Inc.(康奈提格州Norwalk)提供的。
本领域技术人员可容易看到，可采用具有其他化学配方的低和极低热膨胀陶瓷材料来制造主体14。可用于主体的其他材料的示例包括钠长石、堇青石、蓝晶石、锂云母、多铝红柱石、锂辉石、滑石或熔融石英。例如，在一个实施例中，陶瓷材料包括丙烯酸材料以提高加热器主体14的密度和降低加热器14的多孔性。在该实施例中，用于制造主体14的陶瓷材料包括下表中所述的配方。
Figure G2007800302584D00083
着釉色彩可以是T.W.S.，Inc.(科罗拉多州Greeley)的Reusche&Co.提供的，而
Figure G2007800302584D00091
B-1022和
Figure G2007800302584D00092
HA-8可以是Rohm和Haas公司(宾夕法尼亚州Philadelphia)提供的。
中波和长波陶瓷红外加热器(即，加热器主体)的通用尺寸约60mm乘约122mm，以及约60mm乘约245mm。在两个实施例中，主体的深度约为18mm，厚度约为3mm。在另一实施例中，可以以这两种尺寸的任意组合来制造加热器，例如约60mm乘约367mm(245mm加122mm)。本领域技术人员容易看到，主体的尺寸可随定制的辐射加热器而变化。例如，主体可更宽、更深或更长，从而容纳更多的加热元件、尺寸定制的加热元件、或电路。而且，主体可更厚或更薄，这取决于设计的特性、加热元件和用于主体的陶瓷。
在一个实施例中，主体14由两个模制构件制成，这两个模制构件由主体14的盒部62和上边缘部66或边沿限定(图4D)。这两个构件62、66被联接在一起从而形成单体部件，这样主体14具有同质的结构。为了制造主体14，使用第一模型来从陶瓷材料形成盒部62，并使用第二模型来从陶瓷材料形成上边缘部66。向盒部62或上边缘部66的外露边缘施加陶瓷接合剂或胶。接合剂的一个示例包括约45％的基于多铝红柱石的胶。然后将第二模型放置在第一模型上，使盒部62和上边缘部66相抵接。在经过定型时段后，移开第二模型，并将上边缘部66连接到盒部62上。本领域技术人员容易明了的是，可使用其他工艺制造主体14。
参照图2B和图3B，主体14的内腔54填充有陶瓷纤维68。该陶瓷纤维68位于反射器26和主体14的基壁34之间，从而为加热器10提供额外的绝缘。本领域技术人员容易明了的是，在其他的实施例中，内腔54可没有陶瓷纤维，或填充有其他的绝缘材料。
参照图3A至图3C，加热器10包括沿着主体14的长度在第一端部14A和第二端部14B之间延伸的六个加热元件18。每一加热元件18都包括容纳在透明或半透明石英管18B内的电阻丝元件18A。图3C示出了加热器10，但没有示出丝元件和反射器26，以便更加清楚地示出管18B。参照图2A至图2B所示的实施例，辐射加热器10包括容纳在三个双孔腔石英管18C内的六个电阻丝元件18A。
每个丝元件都容纳在管的一个孔腔中。可改变加热器主体14的尺寸以容纳双孔腔管。电阻丝元件提供中波至长波的红外加热，并具有约10W/in2到约75W/in2(12W/cm2)之间的可变瓦特密度。丝元件的赋能或加热时间小于一分钟。在一个实施例中，丝元件由铁氧体合金(FeCrAl)形成；然而，在其他实施例中，丝元件可由镍铬或镍铬合金形成。
参照图2A、图3A和图3C，支承板22将加热元件18保持并维持在主体14的内腔54内。支承板22设置在主体14的每一端部处，并联接到主体14，使得支承板22的一部分覆盖加热元件18的相应端部。在所示的实施例中，每个支承板22都具有大致矩形的形状，且尺寸确定为与主体14的宽度相适应。支承板22通常用于本发明的包括一个以上的加热元件的加热器中。在另一实施例中，支承板22可包括用于接收加热元件18的凹部或孔。
支承板22也是由具有低热膨胀性的硬质、绝缘陶瓷材料制成。在所示实施例中，陶瓷材料为滑石。本领域技术技术人员容易明了的是，可使用具有其他化学配方的低膨胀或极低膨胀的陶瓷材料来制造支承板22。
支承板22通过能经受高温的高温接合剂或胶联接到主体14上。需要有高温接合剂来防止支承板22在加热元件18的高运行温度下从主体14分离。在所示的实施例中，用于将支承板22结合到主体14上的接合剂包括在下表中所述的配方。
  成分   百分比(按重量计)   说明
  Ceremabind 642   65％   无机、水基粘合剂系统
  釉料烧料(Glaze frit)   17.5％   硼硅酸铋和氧化铈烧料(例如，no.94T1001)
Ceremabind 642可以是Aremco Products，Inc.(纽约州ValleyCottage)提供的，釉料烧料可以是T.W.S.Inc.(科罗拉多州Greeley)的Reusche&Co.提供的。本领域技术人员容易明了的是，可采用具有其他化学配方的高温接合剂来将支承板22结合到主体14上。
参照图2A至图2B以及图3A至图3C，反射器26设置在加热器10内，位于加热元件18与主体14的基壁34之间。图7A至图7B示出了在辐射加热器10内使用的反射器26的一个实施例，该反射器26在所示实施例中大致呈平面状或是平的。反射器26将来自加热元件18的热再次引导到主体14外，并达到处理物质(未示出)。通过将热反射回处理物质，加热器10的热损失被保持为相对较低，这是因为较少的热被传导到基壁34并被陶瓷主体14吸收。对于平面反射器26而言，从反射表面70反射的电磁辐射能量占入射到表面70上的能量的比值取决于辐射能量的波长和表面70的性质以及入射角度。根据基尔霍夫定律，反射率可表示为1-e，其中e为表面70的发射率。应意识到的是，主体14和反射器26或者单独地或者相组合地减少了来自加热器10的热损失。
反射器26具有细长的、大致矩形形状的主体，该主体的大小确定为配合在加热器主体14的内腔54内。在所示实施例中，反射器26保持在支承板22之间的适当位置处，这使得反射器26可浮动并可在主体14内膨胀。至少反射器26的反射表面70包括穹状样式或其他的凹形样式或隆起，以提供辐射能量的更多镜面反射。在一个实施例中，隆起为反射器26提供更大的反射率。
在一个实施例中，反射器26包括白的反射表面，其将大约75％的辐射能量反射回处理物质。在另一实施例中，反射器26包括金反射表面或白金反射表面，其将大约95％的辐射能量反射回处理物质。
反射器26由基于陶瓷复合物的材料、诸如氧化铝粉末制成。为了制造反射器26，切割出一定长度的氧化铝粉末带，然后用期望的样式对其进行凸压。在另一实施例中，通过压印或刻痕施加样式。本领域技术人员容易明了的是，可不采用图案来制造反射器26，或者可使用任何已知的反射样式用于反射器。
接着，对所述带进行烧制或烘焙(例如，在1200℃)，以使反射器26硬化。在所示的实施例中，在平的模型上对所述带进行烧制，以获得平的表面。在另一实施例中，反射器26呈抛物面形，从而在抛物面模型上对所述带进行烧制，以获得抛物面形状。
反射器26成形之后，向反射器26的所有表面添加釉料，并再次烧制或烘焙(例如，1120℃)反射器26，以将釉料结合到反射器体上。在所示实施例中，所述釉料起到了反射表面70的作用；然而，在其他的实施例中，所述釉料起到了用于施加金、白金、或其他反射材料的结合剂的作用。由于加热元件18产生的大量的热，釉料使得反射材料在高温下保持结合在反射体上。在所示实施例中，用于反射器26的釉料包括在下表中所述的配方。
Clear glaze可以是Johnsom Matthey(宾夕法尼亚州Downington)提供的，方石英可以是CED Process Minerals(俄亥俄州Tallmage)提供的，而
Figure G2007800302584D00131
悬浊剂可以是R.T.Vanderbilt Company，Inc.(康奈提格州Norwalk)提供的。本领域技术人员容易明了的是，可使用具有其他化学配方的釉料用于反射器26。
如果要向反射器26施加另外的反射材料，则要在将釉料烧制到反射体上之后添加所述材料。在一个实施例中，如本领域公知的那样，利用工业喷射系统将反射材料喷射到反射器26上。金反射材料由24K金构成，而白金反射材料由约90％的24K金和约10％的铂构成。在一个实施例中，需要约0.825克反射材料来涂布反射器26的反射表面。在将反射材料施加到反射器26上之后，再次烧制或烘焙(例如，850℃)反射器26，以将所有的材料结合在一起。
参照图2B和图3B，加热器10包括用于将加热器10联接到壳体(未示出)的安装头部30。所述安装头部30被联接到主体14的基壁34的外表面34A。所述安装头部30由诸如不渗透的熔岩陶瓷之类的陶瓷材料形成。需要有高温接合剂来防止安装头部30在加热元件18的高运行温度下从主体14分离。在所示实施例中，用于将安装头部30结合到主体14上的接合剂包括在下表中所述的配方。
  成分   百分比(按重量计)   说明
  Ceramabind 642   65％   无机的基于水的结合剂系统
  黑釉料   35％   釉料烧料(例如，ENQ10615E/P1)
Ceramabind 642可以是Aremco Products，Inc.(纽约州ValleyCottage)提供的，而黑釉料可以是Johnsom Matthey(宾夕法尼亚州Downington)提供的。本领域技术人员容易明了的是，可使用具有其他化学配方的高温接合剂用于将安装头部30结合到主体14。
为了将加热器10联接到壳体，如本领域公知的那样，通过狭槽58将安装头部30接纳在壳体内，并将安装弹簧夹74联接到头部30的自由端30A，从而将加热器10保持在适当位置。图8示出了弹簧夹74的一个示例。
图5、图6和图9示出了用于图2A至图2B以及图3A至图3C所示的辐射加热器10的主体的其他实施例。图5示出了用于辐射加热器10的主体78，如以下将要描述的那样，其包括用于联接元件保持器的孔82。图6示出了用于辐射加热器10的主体86，如以下将要描述的那样，其包括用于元件保持器的孔82，以及用于分散来自加热器10的热或能量的对流孔90。图9示出了辐射加热器10的主体94，其包括改型的内腔98，该内腔用于接收如图2A至图2B所示的带有丝元件的双孔腔加热管。
图10A和图10B示出了根据本发明的另一实施例的辐射加热器110。该辐射加热器110与图2A至图2C以及图3A至图3C所示的辐射加热器10类似，从而用相同的附图标记来表示相同的元件。辐射加热器110包括由陶瓷材料制成的细长的大致矩形的主体14、沿着主体14的长度在第一端部14A和第二端部14B之间延伸的加热元件114、用于将加热元件114保持和支承在主体14内适当位置的元件保持器118、设置在加热元件114和主体14之间的反射器122、以及用于将加热器110联接到壳体(未示出)的安装头部30。
参照图12和图13，加热器110包括形成在主体14的基壁中的对流孔126。例如当加热器110包括短波加热元件114时，对流孔126为在辐射加热器110的使用期间由处理物质产生的烟气提供贯穿路径。所述对流孔126通过将烟气穿过孔126散开而使烟气在加热器腔体区域内的累积最小化。烟气的累积会影响到处理物质的物理性质。基于主体的基壁、加热元件和处理物质的位置来设置对流孔126，以充分地分散烟气。
在所示的实施例中，加热器主体14由膨胀极低的陶瓷材料制成，这种陶瓷材料防止在使用高温加热元件114时在主体14内产生裂纹。以上相对于图2A和图3A所示的辐射加热器10描述了所述陶瓷材料的一个示例。
辐射加热器110包括一个沿着主体14的长度在第一端部14A和第二端部14B之间延伸的加热元件114。该加热元件114包括容纳在石英管134内的卤钨元件130。该卤钨灯114也称为卤素灯。所述卤钨元件130提供短波红外加热，且瓦特密度约为190W/in2(29W/cm2)。所述卤钨元件130的赋能或加热时间约为2秒。在一个实施例中，所述卤钨元件由透明或半透明的高纯度石英材料形成。在另一实施例中，卤钨元件130容纳在红宝石石英管内，该红宝石石英管吸收发自元件130的可见光，同时传输大部分的红外能量。
元件保持器118将加热元件114保持和维持在主体14的内腔54内。一个元件保持器118支承加热元件114的与加热器主体14的相对端部14A、14B相邻的每一端部。元件保持器118也由热膨胀性低的硬绝缘陶瓷材料制成。在所示实施例中，所述陶瓷材料为滑石。本领域内技术人员容易明了的是，可使用具有其他化学配方的零膨胀陶瓷材料来制造元件保持器118。
参照图14A至图14C以及图15，元件保持器118包括体部138，该体部138具有一对向上延伸的凸缘142、146以及一对向下延伸的突起150、154。凸缘142、146限定用于接收加热元件114的一个端的通道158。在一个实施例中，加热元件114通过摩擦配合或压力配合维持在通道158内，不过可使用其他的机制来将加热元件114固定在通道158内。在进一步的实施例中，加热元件114置于通道158内，而丝元件从加热元件开始延伸，且联接到安装头部30上，以将加热元件114保持在适当位置。体部138包括向外延伸的肩部162，该肩部162可用于将反射器122保持在主体14内。
为了将每个元件保持器118联接到加热器110的主体14上，将第一突起150保持在形成于主体14的基壁34内的孔166(图12)内。在一个实施例中，突起150可通过摩擦或压力配合、或者高温接合剂而固定到主体14上。本领域技术人员容易明了的是，可在基壁34内形成第二孔，以用于保持第二突起154。为了进一步将元件保持器118固定到主体14，能经受高温的高温接合剂、或胶将元件保持器118结合到主体14。需要有高温接合剂来防止元件保持器118在加热元件114的高运行温度下与主体14分离。相对于图2A和图3A所示的辐射加热器10的支承板22描述了所述接合剂的一个示例。
在另一实施例中，可使用另外的机械装置将元件保持器联接到加热器主体。例如，元件保持器118包括所述对的向下延伸突起150、154，且所述第一突起150包括贯通其间的狭槽，以用于接收机械紧固件(未示出)。而且，至少所述第一突起150具有较长的长度以便于附连。为了将元件保持器118联接到加热器110的主体14上，第一突起150被保持在形成于主体14的基壁34内的孔166中，且丝紧固夹(未示出)滑动通过第一突起150的狭槽，以阻止元件保持器118从加热器主体14掉出。在一个实施例中，突起150可通过摩擦或压力配合固定到主体14上。如以上相对于图14A至图14C所述的那样，为了进一步将元件保持器118固定到主体14，能经受高温的高温接合剂、或胶将元件保持器118结合到主体14。
反射器122设置在加热器110内，位于加热元件114和主体14的基壁34之间。图16A和图16B示出了辐射加热器110内使用的反射器122的一个实施例，该反射器在所示的实施例中具有大致抛物面形状。对于抛物面反射器122而言，抛物线的方程为y2＝4px，其中抛物线的焦点位于(0，p)。在反射表面170为镀金的情况下，距离p变得很重要。该抛物线方程应考虑反射器122的平均厚度。为了形成抛物面反射器122，如以上参照图7A和图7B所述的那样制造反射器122；不过，在抛物面模型上烧制铝带以获得抛物面形状。反射器模型的设计要基于期望的抛物面形状、应用场合下的焦点、以及反射器122与加热元件114之间的期望距离。
反射器122具有细长的、大致抛物面形状的主体，该主体的尺寸确定为可配合在加热器主体14的内腔54内。在所示的实施例中，反射器122由元件保持器118保持在适当位置，该元件保持器118允许反射器122在主体14内浮动和膨胀。参照图10A和图15，反射器122可在内腔54内纵向和横向滑动；然而，反射器122的端部在由元件保持器118的肩部162与主体14限定的通道174(图15)内滑动。在所示的实施例中，反射器122的每个端部都包括一对突起176。在组装辐射加热器10时，通过由元件保持器118限定的通道174接收反射器122的突起176，以将反射器122保持在加热器主体14内。而且，元件保持器118允许反射器122与主体14的基壁34之间存在一距离，这提供通过加热器110的气隙绝缘体。
至少反射器122的反射表面170包括穹状样式或其他的凹形样式或隆起，以提供对辐射能量的更多镜面反射。在一个实施例中，隆起为反射器122提供更大的反射率。在一个实施例中，反射器122包括金反射表面。在其他的实施例中，反射器122包括白金反射表面。在再一实施例中，辐射加热器110包括具有白发射表面的反射器122，该白反射表面是由反射器釉料形成的(如上所述)。
在另一实施例中，一对突起被结合到反射器122的反射表面，以允许反射器122在主体14内横向运动，并将抛物面反射器122保持在主体14内的中央。所述突起可由热膨胀性低的硬绝缘陶瓷材料制成。在所述实施例中，所述陶瓷材料为滑石。为了将所述突起固定到反射器122的反射表面170，能经受高温的高温接合剂、或胶将所述突起结合到反射器122。需要有高温接合剂来防止所述突起在加热元件114的高运行温度下从主体14分离。相对于图2A和图3A所示的辐射加热器10的支承板22描述了所述接合剂的一个示例。
图11A和图11B示出了根据本发明另一实施例的辐射加热器210。该辐射加热器210与图10A至图10B所示的辐射加热器110类似，因此用相同的附图标记来表示相同的元件。辐射加热器210包括沿着主体14的长度在第一端部14A和第二端部14B之间延伸的加热元件114，每个加热元件114都由一对元件保持器118支承。每个加热元件114都包括容纳在石英管134内的卤钨元件130。在所述实施例中，卤钨元件114间隔开。两个卤钨元件114的使用允许定制波长和相应产生的加热器210的辐射能量。在另一实施例中，卤钨元件114容纳在红宝石石英管内，该红宝石石英管减弱从加热元件114发出的光。
参照图17，加热器210包括位于主体14的每一端部处的两对孔214，用于容纳相应的元件保持器118。如上所述，主体14还包括形成在主体14的基壁34中的用于分散烟气的对流孔126。
图11A和图11B所示的辐射加热器210包括平面反射器218，如上相对于图7A-图7B所述，该反射器用于将来自加热元件114的热再次引导到主体14外，并引导至处理物质(未示出)。在所示的实施例中，由于主体14内的加热元件114的数量，所以使用平面反射器218，而不使用抛物面反射器122。
在一个实施例中，该反射器218包括金反射表面。在另一实施例中，反射器218包括白金反射表面，而在还一实施例中，辐射加热器210包括具有白反射表面的反射器218，该白反射表面由反射器釉料形成(如上所述)。
图18A和图18B示出了根据本发明另一实施例的辐射加热器310。该辐射加热器310与图10A和图10B所示的辐射加热器110类似，因此用相同的附图标记表示相同的元件。该辐射加热器310包括沿着主体14的长度在第一端部14A和第二端部14B之间延伸的加热元件314。该加热元件314包括容纳在石英管322内的碳元件318。该碳元件318提供中波红外加热，并具有约75W/in2(12W/cm2)的瓦特密度。该碳元件318的赋能或加热时间约为2秒。
如上所述，加热元件314由一对元件保持器118支承。参照图12，加热器310在主体14的每一端部处包括孔166，用于接收相应的元件保持器118。如上所述，主体14还包括形成在主体14的基壁34内的用于分散烟气的对流孔126。
图18A和图18B所示的辐射加热器310包括抛物面反射器326，如上所述，该反射器用于将来自加热元件314的热再次引导到主体14外，并引导至处理物质(未示出)。反射器326可包括如上所述的金反射表面、白金反射表面或由反射器釉料形成的白反射表面。
图19A和图19B示出了根据本发明另一实施例的辐射加热器410。该辐射加热器410与图18A和图18B所示的辐射加热器310类似，因此用相同的附图标记表示相同的元件。该辐射加热器410包括一对沿着主体14的长度在第一端部14A和第二端部14B之间延伸的加热元件314。每个加热元件314都由一对元件保持器118支承。每个加热元件314都包括容纳在石英管322内的碳元件318。在所示实施例中，碳加热元件314间隔开。两个碳元件318的使用允许定制加热器410的波长以及所产生的辐射能。
参照图17，加热器410在主体14的每一端部处包括两对孔214，用于接收相应的元件保持器118。如上所述，主体14还包括形成在主体14的基壁34内的用于分散烟气的对流孔126。
图19A和图19B所示的辐射加热器410包括平面反射器414，如上所述，该反射器用于将来自加热灯314的热再次引导到主体14外，并引导至处理物质(未示出)。在所示的实施例中，由于主体14内的加热元件314的数量，所以使用平面反射器414，而不使用抛物面反射器。反射器414可包括如上所述的金反射表面、白金反射表面或由反射器釉料形成的白反射表面。
图20A和图20B示出了根据本发明另一实施例的辐射加热器510。该辐射加热器510与图18A至图18B所示的辐射加热器310类似，因此用相同的附图标记表示相同的元件。该辐射加热器510包括沿着主体14的长度在第一端部14A和第二端部14B之间延伸的三个加热元件314。每个加热元件314都包括容纳在石英管322内的碳元件318。在所示实施例中，碳加热元件318间隔开。三个碳元件318的使用允许定制加热器510的波长以及所产生的辐射能。
每个加热元件314由一对元件保持器118支承，并且两个支承板22帮助将加热元件314维持在主体14中。参照图17，加热器510在主体14的每个端部处包括三对孔214，用于接收相应的元件保持器118。如上所述，主体14还包括形成在主体14的基壁34中的用于分散烟气的对流孔126。在主体的每个端部处设置有一个支承板22并且联接到主体，使得支承板22的一部分与加热元件314的端部重叠。
图20A和图20B所示的辐射加热器510包括平面反射器518，如上所述，该反射器用于将来自加热元件314的热再次引导到主体14外，并引导至处理物质(未示出)。在所示的实施例中，由于主体14内的加热元件314的数量，所以使用平面反射器518，而不使用抛物面反射器。反射器518可包括如上所述的金反射表面、白金反射表面或由反射器釉料形成的白反射表面。
本发明的辐射加热器允许要在单一单元内使用的加热元件具有不同波长。例如，在一个实施例中，单个加热器可包括两个加热元件，一个传递短波，一个传递中波。因此，通过利用不同的加热元件，辐射加热器就可以以单一单元的形式传递短波、中波或长波。具有不同波长的多个元件的使用允许定制加热器的波长以及所产生的辐射能。
图21A和图21B示出了根据本发明另一实施例的辐射加热器610。该辐射加热器610与图11A至图11B所示的辐射加热器210以及图19A至图19B所示的辐射加热器410类似，从而用相同的附图标记表示相同的元件。该辐射加热器610包括沿着主体14的长度在第一端部14A和第二端部14B之间延伸的一对加热元件614A、614B，每个加热元件由一对元件保持器118支承。一个加热元件614A包括容纳在石英管622内的卤钨元件618，另一加热元件614B包括容纳在石英管622内的碳元件626。在所述实施例中，加热元件614A、614B间隔开。在另一实施例中，卤钨元件618容纳在红宝石石英管内，该红宝石石英管减弱了从加热元件614A发出的光。
参照图17，加热器610在主体14的每一端部处包括两对孔214，用于接收相应的元件保持器118。如上所述，主体14还包括形成在主体14的基壁34内的用于分散烟气的对流孔126。
图21A和图21B所示的辐射加热器610包括平面反射器630，如上所述，该反射器用于将来自加热元件614A、614B的热再次引导到主体14外，并引导至处理物质(未示出)。在所示的实施例中，由于主体14内的加热元件的数量，所以使用平面反射器630，而不使用抛物面反射器。反射器630可包括如上所述的金反射表面、白金反射表面或由反射器釉料形成的白反射表面。
图22A和图22B示出了根据本发明另一实施例的辐射加热器710。该辐射加热器710与图20A至图20B所示的辐射加热器510以及图21A至图21B所示的辐射加热器610类似。该辐射加热器710包括沿着主体14的长度在第一端部14A和第二端部14B之间延伸的三个加热元件614A、614B、614C。中间的加热元件614A包括容纳在石英管622内的卤钨元件618，外部的加热元件614B、614C包括容纳在石英管622内的碳元件626。在另一实施例中，卤钨元件618容纳在红宝石石英管内，该红宝石石英管减弱了从加热元件614A发出的光。
每个加热元件614A至614C都由一对元件保持器118支承，且两个支承板22帮助将加热元件维持在主体14内。参照图17，加热器710在主体14的每一端部处包括三对孔214，用于接收相应的元件保持器118。如上所述，主体14还包括形成在主体14的基壁34内的用于分散烟气的对流孔126。在主体14的每一端部处设置有一个支承板22，且该支承板联接到主体14，使得支承板22的一部分与加热元件614A至614C的端部重叠。
图22A和图22B所示的辐射加热器710包括平面反射器714，如上所述，该反射器用于将来自加热元件614A至614C的热再次引导到主体14外，并引导至处理物质(未示出)。在所示的实施例中，由于主体14内的加热元件的数量，所以使用平面反射器714，而不使用抛物面反射器。反射器714可包括如上所述的金反射表面、白金反射表面或由反射器釉料形成的白反射表面。
应理解的是，在利用多个加热元件的辐射加热器中，可对所述元件单独赋能，以进一步定制加热器的波长以及所产生的辐射能。在一个实施例中，通过控制器启动和控制加热元件的赋能和断电(单独地或相组合地)。
还应理解的是，可利用上述辐射加热器部件来制造定制的加热器。例如，使用者可指定期望的波长、所产生的辐射能、主体大小、结构壳体等，能利用通用尺寸的主体、元件保持器、支承板、安装头部、反射器和加热元件来按照期望的规格制作辐射加热器。
以上所述以及在附图中所述的实施例是仅以示例的方式给出的，而不是对本发明的概念和原理的限制。因此，本领域普通技术人员应理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对元件及其结构和布置进行多种改变。

Claims (15)

1.一种辐射加热器，包括：
具有盒状构造的加热器主体，所述加热器主体限定内腔，并包括基壁和与该基壁相对的开口端部，其中所述加热器主体由热膨胀极低的陶瓷材料制成，所述热膨胀极低的陶瓷材料至少部分地包含透锂长石；
加热元件，该加热元件沿着所述加热器主体的长度延伸，并设置用于将能量引导通过所述加热器主体的所述开口端部；
支承板，所述支承板联接到所述加热器主体，且由具有低热膨胀性的硬质、绝缘陶瓷材料制成，所述支承板将所述加热元件保持并维持在所述加热器主体的内腔内；和
安装头部，所述安装头部被联接到所述加热器主体的基壁的外表面，且由陶瓷材料形成；并且
其中，所述加热器主体包括反射表面，该反射表面至少部分地包括金涂层。
2.根据权利要求1所述的辐射加热器，其中，所述加热器主体的所述基壁包括用于分散累积在所述内腔内的烟气的至少一个孔。
3.根据权利要求1所述的辐射加热器，还包括位于所述加热器主体的基壁和所述加热元件之间的反射器，其中，所述反射器将来自所述加热元件的热再次引导通过所述加热器主体的所述开口端部。
4.根据权利要求1所述的辐射加热器，其中，所述加热元件包括容纳在石英管内的丝元件。
5.根据权利要求4所述的辐射加热器，其中，所述石英管是半透明的。
6.根据权利要求4所述的辐射加热器，其中，所述石英管是红宝石石英管。
7.根据权利要求4所述的辐射加热器，其中，所述丝元件选自包括以下元件的组：电阻丝元件、卤钨元件和碳元件。
8.根据权利要求7所述的辐射加热器，其中，所述电阻丝元件由铁氧体合金形成。
9.根据权利要求1所述的辐射加热器，其中，所述加热元件选自包括以下元件的组：短波加热元件、中波加热元件和长波加热元件。
10.根据权利要求1所述的辐射加热器，其中，所述加热元件包括沿着所述加热器主体的长度延伸的多个加热元件。
11.根据权利要求10所述的辐射加热器，其中，每个所述加热元件包括容纳在石英管内的丝元件。
12.根据权利要求11所述的辐射加热器，其中，所述石英管是双孔腔管，每个孔腔容纳一个丝元件。
13.根据权利要求10所述的辐射加热器，其中，所述加热元件中的至少一个加热元件为短波加热元件，且所述加热元件中的至少一个加热元件为中波加热元件。
14.根据权利要求1所述的辐射加热器，该辐射加热器在所述加热器主体的相对端部处还包括横跨所述加热器主体的宽度延伸的一对支承板，其中，所述支承板将所述加热元件保持在适当位置。
15.根据权利要求1所述的辐射加热器，还包括位于所述加热器主体的相对端部处且联接到所述加热器主体的所述基壁的元件保持器，其中，每个元件保持器将所述加热元件的一个端部联接到所述加热器主体。
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