CN102811505A - 全波段红外辐射加热器 - Google Patents

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方得志
俞春东
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Abstract

本发明涉及一种全波段红外辐射加热器，包括石英内管加热器，加热元件为钨丝；石英内管加热器后方的定向反射屏；石英内管加热器的石英玻璃管外罩；其特征在于所述的定向反射屏具有陶瓷涂层，并且陶瓷涂层的组成为：CoO：32-38wt％；TiO2：18-30wt％；Mn2O3：15-32wt％；Y2O3：1-8wt％和余量的SiO2。本发明的设备具有启动时间短、发射全波段红外线的特点，特别适合用于用来对涂漆和涂料进行干燥或固化。

Description

全波段红外辐射加热器
技术领域
本发明涉及一种红外辐射加热器，具体地，本发明涉及一种全波段红外辐射加热器。
背景技术
涂料覆盖于基体表面后，由液态或熟料固体粉末状态转变成致密完整的固体涂膜的过程称为涂层或涂膜的干燥或固化。
涂层干燥是涂漆施工的主要环节之一，只有最终形成固化的连续涂层之后，涂料才能发挥它的各种功能。只有选择正确的干燥方式和工艺，才能得到理想的预期涂层，完成涂料施工的整个工艺要求。涂层干燥工艺除了影响涂料施工的效果之外，由于它是一个耗能高、耗时长的过程，因而对涂料施工的效率和经济性也有重大影响。
涂层的干燥过程一般是由液态变为固态，黏度逐渐增加，性能逐渐达到规定要求的过程。变化过程经历表面干燥、半干燥、完全干燥三个阶段。
(1)表面干燥：是涂膜丛可流动的状态干燥到用手指轻触涂膜时手指上不沾漆但感到涂膜发黏、涂膜上留有指痕的阶段。
(2)半干燥，是用手指轻压涂膜时能不留指纹的干燥状态，是一种半硬的干燥状态。
(3)完全干燥，是用手指强压涂膜也不留指纹，用手指磨擦涂膜也不留伤痕的干燥状态，此时涂膜能抗压、耐打磨。但不同涂膜完全干燥的标准往往还有具体要求，标准的方法是测试涂膜的硬度等力学性质来判断涂膜的干燥或固化程度。
根据干燥时的具体条件可分为自然干燥、加热干燥和特种干燥三种情况。红外线辐射干燥是常用的加热干燥方式之一。
众所周知，红外辐射按其辐射波长可以分为三个波段，近红外波段其波长为750nm-2500nm，辐射体温度为2000-2200℃，热元件启动时间为1-2秒，辐射源呈光亮色；中红外波段其波长为2500nm-4000nm，辐射体温度为800-900℃，热元件启动时间为60-90秒，辐射源呈暗红色；远红外波段其波长为4-50um，辐射体温度400-600℃，热元件启动时间为15分钟，辐射源呈暗色。应用在工业上的红外辐射加热器，对不同的被加热工件，其加热及吸收红外辐射波长各不相同，于是红外辐射加热器提供的波长必须与工件加热及吸收所需的波长相互匹配，才能达到预期的效果，其性能指标包含节能效果，升温及降温快速，红外辐射加热器使用寿命等。
各国研制的高发射率红外辐射器所使用的材料多为陶瓷材料。根据振动对称性原则，粒子振动时的对称性越低，偶极矩的变化就越大，其红外辐射就越强。由于陶瓷材料多原子组成的分子结构在振动过程中易改变分子的对称性而使偶极矩发生变化。因此，许多陶瓷材料都具有较高的发射率。陶瓷材料还具有耐酸碱、抗腐蚀、抗氧化、耐高温等优良性能。所以红外辐射陶瓷材料越来越受到人们的重视。
20世纪60～70年代，美国、日本等对SiO2、Fe2O3等具有优良辐射特性的化合物单晶材料进行了理论研究；由于SiO2在高温下容易被氧化而使得在使用过程中红外发射率降低，英国HethertBeven公司与欧、澳联营推出的Enecoat红外辐射涂料产品，将SiO2和化学添加剂混合，经预烧结后，添加剂可以在碳化硅表面形成二氧化硅保护膜，可有效防止碳化硅的高温氧化，延长其使用寿命。但是单一材料的发射率随波长不断变化，物体的发射与吸收也都呈现出一定的选择性。选择在不同波段分别具有高发射率的填料进行复合化，使得涂料在不同的温度和波长范围内有着高发射率。
高红外辐射加热技术是20世纪90年代发展起来的一种红外辐射新技术。远红外加热技术是在辐射器的红外辐射光谱与被照射涂膜的吸收光谱相匹配的理论基础上发展起来的。研究表明，涂膜的吸收波长敏感区多处于远红外波段，所以选用远红外加热器有利于加速涂膜的固化。但远红外辐射的明显缺点在于辐射的能量密度低。在工业应用中又很难达到最佳匹配，所以许多场合它的实际应用效果并不好。而高红外辐射技术时刻瞬间提供高强度、高能量和高密度的全波段红外辐射的新技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全波段红外辐射加热器，并且其具有启动时间短、发射全波段红外线的特点，特别适合用于用来对涂漆和涂料进行干燥或固化。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种全波段红外辐射加热器，包括石英内管加热器，加热元件为钨丝；石英内管加热器后方的定向反射屏；石英内管加热器的石英玻璃管外罩；其特征在于所述的定向反射屏具有陶瓷涂层，并且陶瓷涂层的组成为：CoO：32-38wt％；TiO2：18-30wt％；Mn2O3：15-32wt％；Y2O3：1-8wt％和余量的SiO2。
加热单元的钨丝工作温度可达到2000-2400度，并向外辐射近红外线；石英玻璃管外罩工作时表面的温度可以达到800度左右，向外辐射中红外线；定向反射屏工作时温度可以达到600度左右，向外辐射远红外线。
优选的，其中CoO的含量为32-35wt％。
优选的，其中TiO2的含量为18-25wt％。
优选的，其中Mn2O3的含量为15-25wt％。
优选的，其中Y2O3的含量为1-5wt％。
优选的，所述的陶瓷涂层的组成和含量分别为：CoO：32wt％；TiO2：18wt％；Mn2O3：15wt％；Y2O3：8wt％和余量的SiO2。
优选的，所述的陶瓷涂层的组成和含量分别为：CoO：35wt％；TiO2：25wt％；Mn2O3：25wt％；Y2O3：5wt％和余量的SiO2。
优选的，所述的陶瓷涂层的厚度介于5um-30um之间，例如10um-20um之间。
其中，所述的陶瓷涂层可以通过本领域已知的技术来沉积，例如，溅射法如磁控溅射、喷涂法如电弧喷涂、蒸镀法如电子束蒸镀法、化学气相沉积如等离子体增强化学气相沉积等。
优选的，可以通过涂料涂刷、喷涂等方法来制备上述组分和含量的涂层。更优选的通过喷涂方法来制备上述涂层。
优选的，所述的喷涂包括：火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、激光喷涂或冷喷涂等方法。更优选的本申请可采用粉末火焰喷涂或电弧喷涂。
采用热喷涂工艺制备涂层，热喷涂方法直接融化粉末材料，以高速动能直接撞击基体表面形成高粘附力的涂层，涂层间靠融粒变形相互嵌合，涂层强度与结合强度都远优于用涂料涂刷方法制备的涂层，一般使用寿命可达20年，并可以长期保持很高的红外辐射性能。
本申请制备的陶瓷涂层的辐射性能采用中科院上海技术物理研究所研制的IRE-2红外辐射测试仪，按照GB7287.9-87规定的方法，在600度测试其红外发射率高达90-96％之间。
另外，申请人还对涂层的抗热震性进行了测试，将制备的红外辐射涂层在800度的高温下加热120小时，视觉检查涂层表面无明显变化，而通过红外发射率测试也表明，发射率降低了不到2％，显示出该涂层在严酷的高温条件下依然具有优异的红外辐射性能。
同现有技术的全波段红外辐射加热器相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的全波段红外辐射加热器的启动时间短，能够辐射全波段红外线，可以大大缩短涂漆的烘干和固化时间，因而特别适合用于涂漆材料的干燥。
(2)主要采用红外反射率高的金属氧化物陶瓷材料作为定向反射屏，反射率高达90％以上，克服了现有技术中金属材料作为反射层易氧化、反射率低下的缺点。
(3)本发明的陶瓷涂层能耐800度高温长时间的考验，而且性能没有明显下降(工作温度一般低于600度)。
具体实施例
以下将通过具体实施例对本发明做出进一步的说明。
实施例1
一种全波段红外辐射加热器，包括石英内管加热器，加热元件为钨丝；石英内管加热器后方的定向反射屏；石英内管加热器的石英玻璃管外罩；其特征在于所述的定向反射屏具有陶瓷涂层，并且陶瓷涂层的组成为：CoO：32wt％；TiO2：18wt％；Mn2O3：15wt％；Y2O3：8wt％和余量的SiO2。涂层的厚度为10mm，采用电弧喷涂方法制备。600度时远红外线的反射率为92％。
实施例2
一种全波段红外辐射加热器，包括石英内管加热器，加热元件为钨丝；石英内管加热器后方的定向反射屏；石英内管加热器的石英玻璃管外罩；其特征在于所述的定向反射屏具有陶瓷涂层，并且陶瓷涂层的组成为：CoO：35wt％；TiO2：25wt％；Mn2O3：25wt％；Y2O3：5wt％和余量的SiO2。涂层的厚度为20mm，采用电弧喷涂方法制备。600度时远红外线的反射率为95％。
应用本发明的红外线辐射管可以用于涂层固化炉上。通过对汽车制动盘有机硅富锌涂层的固化对比实验表明，与普通的石英管加热固化方式相比，节省电力大约30％以上，固化时间缩短了80％以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡在本申请的权利要求要求保护的技术方案范围之内，所作的任何修改和/或等同替换和/或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本申请的保护范围以权利要求的技术方案及其等同的技术方案为准，而不受说明书具体描述部分的限制。

Claims (8)

1.一种全波段红外辐射加热器，包括石英内管加热器，加热元件为钨丝；石英内管加热器后方的定向反射屏；石英内管加热器的石英玻璃管外罩；其特征在于所述的定向反射屏具有陶瓷涂层，并且陶瓷涂层的组成为：CoO：32-38wt％；TiO2：18-30wt％；Mn2O3：15-32wt％；Y2O3：1-8wt％和余量的SiO2。
2.权利要求1所述的全波段红外辐射加热器，其特征在于CoO的含量为32-35wt％。
3.权利要求1所述的全波段红外辐射加热器，其特征在于TiO2的含量为18-25wt％。
4.权利要求1所述的全波段红外辐射加热器，其特征在于Mn2O3的含量为15-25wt％。
5.权利要求1所述的全波段红外辐射加热器，其特征在于Y2O3的含量为1-5wt％。
6.权利要求1所述的全波段红外辐射加热器，其特征在于所述陶瓷涂层采用喷涂法制备。
7.权利要求7所述的全波段红外辐射加热器，其特征在于所述陶瓷涂层采用电弧喷涂法制备。
8.权利要求1-7任一项所述的全波段红外辐射加热器的应用，将其用于涂漆材料的固化或干燥设备中。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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