CN101978212B

CN101978212B - 红外灯的灯丝及其制造方法

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Publication number: CN101978212B
Application number: CN2009801098057A
Authority: CN
Inventors: 金容善; 金营男; 朴警勋; 尹正晔
Original assignee: Lichtzen Co Ltd
Current assignee: Lichtzen Co Ltd
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: KR100918918B1; CN101978212A; CA2717782C; WO2010082731A3; US20110266948A1; US8133088B2; WO2010082731A2; CA2717782A1

Abstract

本发明涉及作为工业用干燥炉等使用的加热装置的红外灯的灯丝及其制造方法，该方法通过在石墨箔板上涂覆硅系的涂覆溶液来制造红外灯的灯丝。这样制造的灯丝及利用该灯丝的红外灯具有红外线放射均匀、放射效率高、耐热性和耐久性高、耗电量小、制造容易而生产率高的效果。此外，本发明设置有支撑固定红外灯的灯丝的定心线圈，并改善了用于绝缘的绝缘子的结构，且在上方设置有反射膜，从而大大提高了红外灯的性能。

Description

红外灯的灯丝及其制造方法

技术领域

本发明涉及作为工业用干燥炉等使用的加热装置的红外灯的灯丝及其制造方法，具体涉及利用铅箔板大大提高红外线放射效率、电学特性以及耐久性的红外灯的灯丝及其制造方法。

背景技术

依靠常规电源运作的红外灯广泛用于工业用干燥炉、家用取暖器、烹调工具等加热装置，图1是这种现有技术的红外灯的示意图。

如图1所示，灯丝2两端的内部导线3连接到由金属箔片形成的中介片4上，中介片4的另一端连接到外部导线5。且这种灯丝2插入到石英管1内，所述石英管1是透明的，其两端夹封（pinch sealing）且内部注入有惰性气体。电源施加到外部导线5，从石英管1内的灯丝2向各个方向放射出红外线。

这种红外灯的灯丝通常由碳材料制成，碳材料的灯丝有棒状碳多孔材料灯丝、条状碳烧结体灯丝、将多条碳丝捻成条状并将其再形成为螺旋状的螺旋形碳条灯丝等多种。

一方面，上述传统的碳材灯丝存在如下的问题。首先，棒状碳多孔材料灯丝由于碳自身的电阻特性而很难调节所需的电阻值，多孔材料的密度不均匀导致产生不经过电流的部分，因此具有不能均匀地放射红外线的问题，由于是棒状，表面和中心部的温度差导致寿命缩短。

条状碳烧结体灯丝在发光时灯丝变长，由于薄而宽的宽度而发生弯曲或变形。而且，宽度在10mm以上时烧成作业困难且强度弱，因此存在很难制造500mm以上灯丝的问题。因此，将两个以上短灯丝用中间媒介连接来制造长灯丝，但是存在灯丝容易破损，为了中间媒介和灯丝的粘着而要使用特殊的粘着剂，由于中间媒介不发光而导致红外线放射不均匀等问题。

螺旋形碳条灯丝在发光时灯丝长度伸长弯曲，其结果灯丝触到石英管壁而污染石英管，严重时还会发生石英管破损的情况。另外，灯丝内部呈空洞且灯丝和灯丝之间有间隙而不能将能量集中有效使用，从而灯丝的比表面积的发光率低，导致耗电量大。

另外，若灯丝的长度变长，则成型时加压不均匀且烧结时容易发生变形，若灯丝和灯丝之间的间隙不均匀，则根据灯丝的位置产生温度偏差且能量效率低下，而且，将灯丝置于石英管内部中央的操作变得困难，需要精确熟练的操作，所以难以提高生产率。

如上所述，现有的碳材灯丝存在红外线放射效率低、放射不均匀、耗电量大、寿命短、制造困难而生产率低等问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种红外线放射均匀、放射效率高、耐热性和耐久性高、耗电量少、制造容易而生产率高的红外灯的灯丝及其制造方法。

为了达到所述目的，本发明通过用硅（silicon）系的特殊涂覆溶液涂覆箔板石墨（Graphite）来制造红外灯的灯丝。

另外，本发明设置有支撑灯丝的定心线圈，改善绝缘体的结构，使外部导线能够根据需要向水平或垂直方向引出，在石英管的表面设置反射膜，使放射到上方的红外线反射到下方。

本发明的灯丝以及利用该灯丝的红外灯具有红外线放射均匀、放射效率高、耐热性和耐久性高、耗电量少、制造容易而生产率高的效果。

另外，本发明的灯丝具有耐热性和强度高且制造容易，因此无需使用中间媒介也能够制造出较长的灯丝及红外灯的效果。

本发明设置有定心线圈，因此还具有石英管受到冲击时灯丝也不会脱离而维持固定，并且发光时即使产生热膨胀也不会引起灯丝下垂或粘到石英管内部的效果。

本发明改善了绝缘子的结构，因此还具有能够根据需要将外部导线向水平或垂直方向引出的效果。

另外，本发明的石英管表面设置有反射膜，因此还具有将放射到上方的红外线反射到下方，从而提高红外线放射效率的效果。

附图说明

图1是现有的红外灯的示意图；

图2是本发明实施方式的红外灯的整体结构图；

图3是本发明实施方式的红外灯的平面图；

图4是定心线圈的结构图；

图5是固定夹的结构图；

图6是弹簧的结构图；

图7是绝缘子的结构图；

图8是涂覆有反射膜的灯丝的形状图；

图9是采用图8的灯丝的红外灯的放射角度示意图。

附图标记说明

1：石英管 2:灯丝

3：内部导线 4：中介片

5：外部导线 100：石英管

200：灯丝 310：密封垫

320：中介片 330：细销

340：固定夹 350：弹簧

360：连接夹 370：定心线圈

400：夹紧部 500：注入口

600：绝缘子 700：外部导线

800：反射膜

具体实施方式

本发明通过切断石墨箔板而形成所需尺寸的石墨箔板条，将2个所述石墨箔板条加热粘合为一体，在惰性气体中，将所述粘合为一体的石墨箔板条进行第一次加热烧成后，涂覆硅系涂覆溶液并自然干燥，再次按照与所述第一次加热烧成相同的过程进行加热烧成后进行自然冷却来制造红外灯的灯丝。

实施方式

本发明利用硅系特殊涂覆溶液涂覆箔板石墨来制造红外灯的灯丝。石墨具有特殊的物理性质而具有多种用途，与其他材料不同，石墨加热到2500摄氏度，其强度也增加，即使在温度变化很大的情况下也不会有尺寸变化。

另外，石墨是化学性质最为稳定的材料之一，对于除了如磷酸（Phosphoric Acid）和重铬酸钾（Potassium Dichromate）混合物等强氧化催化剂以外的大部分酸和碱性试剂都具有优秀的耐受性。而且，重量比强度的比率高，精密加工非常容易，通过提纯处理能够去除杂质。通常无机材料是绝缘体，但是石墨是导电性良好的导体。

如上所述，石墨除了具有作为灯丝材料的适合的特性之外，也具有不适合的特性。即，石墨在大气或者活性氛围中350摄氏度以上就开始氧化。因此，用于高温工艺时，为了抑制氧化而需要维持真空状态。另一方面，在这种石墨表面涂覆硅系物质能够大大提高耐氧化性，耐磨性等物理特性。

本发明有效利用了石墨的上述特性，制造具有红外线放射均匀、放射效率高、耐热性和耐久性高、耗电量少、制造容易而生产率高的灯丝。

下面详细说明本发明。首先，对用于涂覆（coating）灯丝的硅系特殊涂覆溶液的制造进行说明。

（1）将70wt%的甲基三甲氧基硅烷（CH₃Si(OCH₃)₃）溶液、2wt%的乙酸（CH₃COOH）和28wt%的水（H₂O）混合进行水解反应。这时，利用搅拌机等使水解反应进行的充分，通过该反应生成化合物A。

（2）将硅酸铝和石墨粉末以8:2的重量比例混合形成混合物B。

（3）将硅溶液与混合物B混合形成新的混合物C，所述硅溶液为生成的混合物B的重量的约1.66倍。

（4）接着在混合物C中加入化合物A生成硅系特殊涂覆溶液，所述化合物A为混合物C的25wt%（4:1）左右。

如此生成的硅系特殊涂覆溶液的色泽与石墨几乎相同，将其涂覆于灯丝上，发光时红外线的透过率高而能够提高放射效率，强化灯丝的耐久性，防止热膨胀引起的下垂现象。

另外，在灯丝的制造中使用硅系成分，使得该灯丝在红外线区域的中红外波段（通常为2~5μm）中释放的红外线辐射能量最强。这种中红外能量具有对涂覆金属或非金属系列的产品干燥最为适合的波段，尤其是，在对水性涂料、高分子树脂、玻璃、油漆、墨、水分等的干燥中显示优秀的效果。与现有的碳系或者棒状的加热器或灯相比，本发明的红外灯的渗透性非常优秀，点灯速度也仅仅是1~2秒左右，反应速度快，从而在干燥时间方面具有卓越的效果。

下面详细说明本发明的灯丝的制造。

将石墨箔板以10~15mm的宽度切断，考虑灯的功率来选定长度并切断。例如，额定输入电压为110VAC，灯的功率为2.1KW时，将石墨箔板切断成宽度约为13mm、长度为720mm；灯的功率为1KW时，将石墨箔板切断成宽度约为13mm、长度为370mm。

将这样形成的2个石墨箔板条（strip）加热粘合为一体。当然也可使用1个石墨箔板，但是1个的时候会带来电学特性值，尤其是电阻值很难调整，且灯丝的尺寸需要变大，由于耐久性不高，所以可能会因发热导致灯丝断线，还可能因灯丝弹性降低而变形，导致难以维持水平等问题，因此优选使用2个石墨箔板条粘合来制造灯丝。

如上所述，将2个粘合的石墨箔板条在氮气、氩气等惰性气体氛围中加热到1100摄氏度左右来进行烧成。这种烧成时的急剧的温度上升和烧成后冷却时的骤冷会使箔板产生异常，因此烧成时每分钟要以5~8摄氏度的速度升温，冷却时要自然冷却。

在上述第一次烧成的石墨箔板条上涂覆所述硅系特殊涂覆溶液。涂覆溶液的涂覆优选进行两次，但是也可进行一次或者数次。将所述被涂覆的石墨箔板条自然干燥后，按照与第一次烧成相同的过程进行第二次加热烧成。冷却时也同样慢慢地自然冷却。

由此制造本发明的灯丝，该灯丝红外线放射均匀、放射效率高、耐热性和耐久性高、耗电量少。另外，如果利用本发明的灯丝，则灯的制造变得容易。

下面对利用本发明灯丝的红外灯的制造进行详细说明。图2是本发明实施方式中的红外灯的整体结构图，图3是本发明实施方式中的红外灯的平面图，图4是定心线圈的结构图，图5是固定夹的结构图，图6是弹簧的结构图，图7是绝缘子的结构图。

如上所述制造的本发明的灯丝200设置在透明的石英管100的内部，所述石英管100能够保护灯丝200，并使放射的红外线最大限度地透过。将灯丝200置于石英管100内部的中央后，将定心线圈（centering coil）370插入灯丝200的中央以固定灯丝200。

如图4所示，圆形环状定心线圈370形成有2条圆周部371，从而确保安全，中央部形成有横向的插入部372，从而可以将灯丝200插入到插入部372的缝隙（slot）373中固定。

由于定心线圈370的这种结构，所以从外部对石英管施加摇晃、平放或、竖起等物理冲击，或者发光时发生热膨胀，灯丝200也不会脱离，仍然能被固定。另外，发光时因热膨胀而灯丝200产生拉伸，所述灯丝也不会下垂，因此可防止灯丝粘到石英管100的内壁上。这种定心线圈370使用温度特性优秀的钼（Molybdenum）材质的线（wire）。

接着，在灯丝200两端的上下部附着软材质的石墨箔板的密封垫310，用固定夹340包裹后压着。使密封垫310的宽度与灯丝200的宽度相同，长度约为10mm，厚度约为1~2mm。为了在灯丝200发光时不泄露杂质，这种密封垫310也通过在与制造灯丝200时相同的温度下进行烧成工序来制造。

如果灯丝200和密封垫310的接触状态不好，则可能会使接触电阻变高，导致过电流而造成灯丝200烧损。因此，为了使灯丝200和密封垫310的接触良好，使用固定夹340固定。如图5所示，为了不对软质的密封垫310造成损伤，且提高灯丝200和密封垫310的接触，固定夹340优选由板状的垫板341、侧板342及上板343构成。另外，垫板341的一侧形成与弹簧350或连接夹360连接的连接部344，所述连接部344上形成有连接孔345。

灯丝200一端的固定夹340的连接部344连接连接夹360，该连接夹360的另一端的端部连接中介片320。中介片320是小型箔板，其大小和材质根据施加到灯上的电流、电压及功率等进行选择。本发明的实施方式中使用宽度是7mm、长12mm、厚0.03mm的钼箔板。

此外，另一端的固定夹340的连接部344连接弹簧350，该弹簧的350另一端的端部连接中介片320。另外，两侧中介片320的外侧端分别连接有钼材质的细销330，该细销330的外端分别连接外部导线700。所述连接夹360、弹簧350、细销330通过点（spot）焊与中介片320连接。

所述弹簧350用于缓冲发光时灯丝200由于热膨胀而产生的微小的伸长，因此所述弹簧350应为足以承受高电流的弹簧。因此，将温度性能优秀的多条钼材质的线捻成1条后，将其再形成为螺旋形。螺旋的直径要与石英管100内部的直径几乎相同，才能在热膨胀时使灯丝200的变化小。

弹簧350通常是卷簧等螺旋形结构（图6A），但是也可以是图6B或图6C中所示的板簧的结构，根据流过灯丝200的电流量而选择板的厚度及宽度。另外，灯丝200的长度在300mm以下的情况下由于热膨胀少，因此可以不设置弹簧350。

弹簧350应充分考虑热膨胀弹性而设计，弹簧350的圈数需为2.5圈以上。另外，这种弹簧350优选只在一侧使用。设置在两侧时，存在使石英管100的长度变长而导致灯的长度变长的问题，且向不同方向发生热膨胀时会导致灯丝200变形。

所述中介片320、细销330、固定夹340、弹簧350、连接夹360及定心线圈370根据内部温度等来选择材料。本发明的一种实施方式中使用了钼材料，但是也可使用钨（Tungsten）、钽（Tantalum）等材料。

完成上述连接之后，将石英管100的两端利用夹紧密封机进行夹紧密封形成夹紧部400。接着通过石英管100的中央部的注入口500注入氮气、氩气、或氮气与氩气的混合气体等惰性气体后，将注入口密封（sealing）。所述惰性气体是为了防止石英管100内部部件的氧化并提高红外线放射效率而注入。

最后，为了绝缘，在石英管100两端的夹紧部400上插入图7所示的绝缘子600，并用石膏或白水泥等粘合剂进行固定，以防止安全事故。在绝缘子600的插入槽部601插入石英管100的夹紧部400并用粘合剂固定，将外部导线700引出到引出部602。

图7A的绝缘子600只能使外部导线700在水平方向引出而不能在垂直方向上引出，因此存在根据不同情况可能会有不便或者整体的体积变大的问题，但是图7B的绝缘子600可以根据需要在水平或垂直方向上引出导线700，因而作为优选。

图8是涂覆有反射膜的灯丝的形状图，图9是使用了图8的灯丝的红外灯的放射角度的示意图。如图8所示，在石英管100的表面的上方设置反射膜（Reflector）800时，能够将向上方放射的红外线反射到下方，从而提高红外线的放射效率。反射膜800通常设置在石英管100的圆周表面的半面，此时反射角度如图9所示，为60~75度。

作为反射膜800的材料使用最多的是反射效率最为优秀的金。反射膜800越厚反射率越高，一般在石英管100的表面上涂覆4~5μm厚度的金箔（Gold Film）。另外，可以代替反射膜800设置高亮度的反射罩来提高反射效率。在没有反射膜800的情况下，大约有40%左右的红外线向上方放射，因此放射效率低而且还可能对安装灯的结构物产生不好的影响。

下表为不同灯丝的耗电量的测量结果。

表1

*最大温度是照射距离130mm处的温度。

*W/℃是提高每1℃被干燥物表面温度所需的功率。

如上表所示，可以看到使用本发明的灯丝较使用现有的灯丝耗电量显著减少。即，使用本发明的灯丝时（921.2W）相比于使用现有的螺旋形碳条灯丝的情况（1,826W），只消耗了50%的功率。

另外，观察提高每1℃被干燥物表面温度所需的功率，使用本发明的箔板石墨灯丝的情况（14.9W）相比于使用现有的螺旋形碳条灯丝的情况（19.0W），只消耗了78%的功率。

特别是，可以看到使用本发明的灯丝并设置有反射膜的情况（11.2W）相比于使用现有的螺旋形碳条灯丝的情况（19.0W），只消耗了59%的功率。

以上根据实施方式对本发明进行了说明，但是本发明并不限于此，在本发明的技术思想的范围内可以做出多样的变形。因此，本发明的权利要求范围并不被上述记载内容所限定。

工业实用性

本发明的灯丝及利用该灯丝的红外灯由于红外线放射均匀、红外线放射效率高、耐热性和耐久性高、耗电少、制造容易而生产率高，因此，可以广泛的应用于工业用干燥炉等的加热装置。

Claims

1.一种红外灯的灯丝制造方法，其特征在于，该红外灯的灯丝制造方法包括：

切断石墨箔板而形成所需尺寸的石墨箔板条；

将2个所述石墨箔板条加热粘合为一体；

在惰性气体中，将所述粘合为一体的石墨箔板条进行第一次加热烧成后；

涂覆硅系的涂覆溶液自然干燥后；

再次按照所述第一次加热烧成相同的过程进行加热烧成，之后进行自然冷却；

其中，所述硅系的涂覆溶液的制造方法包括：

（1）将70重量%的甲基三甲氧基硅烷溶液、2重量%的乙酸和28重量%的水混合进行水解反应，利用搅拌机等使水解反应进行的充分，通过该反应生成化合物A；

（2）将硅酸铝和石墨粉末以8:2的重量比例混合形成混合物B；

（3）将硅溶液与混合物B混合形成新的混合物C，所述硅溶液为生成的混合物B的重量的1.66倍；

（4）接着在混合物C中加入化合物A生成硅系的涂覆溶液，所述化合物A为混合物C的25重量%。

2.根据权利要求1所述的方法制造的红外灯的灯丝。

3.利用权利要求2所述的灯丝的红外灯。

4.根据权利要求3所述的红外灯，其特征在于，对所述灯丝起保护作用的石英管内部设置有固定所述灯丝的定心线圈。

5.根据权利要求3所述的红外灯，其特征在于，所述灯丝的端部设置有密封垫和固定夹。

6.根据权利要求3所述的红外灯，其特征在于，所述灯丝的端部设置有弹簧。

7.根据权利要求6所述的红外灯，其特征在于，所述弹簧是卷簧。

8.根据权利要求6所述的红外灯，其特征在于，所述弹簧是板簧。

9.根据权利要求3所述的红外灯，其特征在于，对所述灯丝起保护作用的所述石英管的夹紧部设置有用于绝缘的绝缘子，所述绝缘子的引出部向水平方向和垂直方向开放。

10.根据权利要求3所述的红外灯，其特征在于，对所述灯丝起保护作用的所述石英管的部分表面设置有反射膜。