CN108353468B - 红外线发射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有衬底的面板红外线发射器，所述衬底包含表面且由电绝缘材料制成。所述电绝缘材料与由电阻材料制成的印刷导体接触，所述印刷导体具导电性且当电流流过时产生热。在此基础上，为提供每单位面积具有高辐射功率、易适于待加热表面的几何形状且即使衬底壁薄但仍允许均匀加热的红外线发射器，特别是面板红外线发射器，本发明提出衬底材料包含非晶态基质组分，在该非晶态基质组分中包埋红外线辐射光谱范围吸收的额外组分。

Description

红外线发射器
技术领域
本发明涉及一种红外线发射器(特别是面板红外线发射器)，其具有由电绝缘材料制成的衬底，该衬底包含与由电阻材料制成的印刷导体接触的表面，该印刷导体具导电性且当电流流过时产生热。
红外线发射器通常配备有由电阻材料制成的电阻元件，当电流流过该电阻元件时产生热。在某些实施例中，电阻元件本身形成红外线发射器的实际加热元件。在为本发明的目标的其它实施例中，电阻元件(例如，由电阻材料制成的丝、网或层)可用来加热另一组件，后文中称该组件为“衬底”。从电阻元件到衬底的热传递可基于热传导、对流和/或热辐射。
红外线发射器显示用于红外线辐射的点状或线状发射特征，或作为空间红外线发射器，它们显示二维或三维发射特征，适于待加热的加热物品表面的几何形状且可实现二维或三维表面的均匀照射。
背景技术
通常在面板红外线发射器中使用管状红外线灯，其中线圈状电阻丝被由石英玻璃制成的包覆管包围，同时与该管保持一定距离，且基本上不与该管接触。例如，在从DE 102011 012 363 A1已知的面板IR发射器中，将许多单个红外线灯组合成几何形状适于加热物品的几何形状的空间灯布置。在此背景下，红外线灯在背部包埋在由不透光石英玻璃制成的块体(mass)中，该块体用作漫反射器。反射石英玻璃块体与面板IR灯布置的集合形成组合件，其中石英玻璃用作灯管相互固定的接合块体，且还用作反射器。
在此面板IR发射器实施例中，热从电流流过的电阻丝传递到石英玻璃灯管以及热传递到加热物品几乎完全通过辐射进行，而对流和热传导仅起次要作用。此背景下，一个基本问题是如何尽量有效(以高功率效率)且同时以高均匀度向加热物品发射可用辐射功率。加热物品与空间发射器的各个红外线灯之间的距离在此背景下起重要作用。实证经验法则(empirical rule of thumb)称均匀辐射所需要的最小距离相当于各个红外线灯的中心距离的约1.5倍。因此，各个红外线灯之间的小距离和空间发射器与加热物品间的大距离有利于均匀辐射。前一可选方案(狭窄灯-灯-发射器距离)受物理和技术限制，且空间发射器的制造成本较高。后一可选方案(大红外线发射器-加热物品距离)导致用于所述过程中的照射功率效率程度变小且每单位面积加热表面的辐射功率相对变小。
根据从WO1999/025154 A1获知的面板红外线发射器的实施例，传递效率程度方面有一定提高，其中使用由石英玻璃制成的与电阻元件直接且连续接触的空间、平面、管状或多面体衬底。电阻元件具有例如曲折形状且通过膜、丝网印刷或薄层印刷技术涂覆到衬底加热表面，且接着烧入(burned in)。
从US 5,643,483 A获知用于晶片的加热设施，其中衬底是由合成制得的石英玻璃组成的矩形板。衬底的背向晶片的底侧经喷砂且通过铂-银膏的丝网印刷将印刷导体呈双螺旋形式涂覆到由此粗糙化的表面。
在后两个实施例中，加热元件不加热周围包覆管，但其经由直接且空间上延伸呈印刷导体形式的接触件直接加热石英玻璃衬底，使得加热元件与衬底间的热传递主要以热传导和对流进行，此可对功率效率产生积极影响。
石英玻璃具有良好的耐腐蚀性、耐温性和耐温度循环性且可以高纯度获得。因此，石英玻璃也特别适于对作为面板红外线发射器的衬底材料的纯度和惰性有严苛要求的高温加热工艺。然而，一般来说，石英玻璃显示相当低的热导率且甚至通常用作热绝缘体。因此，如果衬底壁薄，那么存在非均匀热分布风险，此在极端情况中可在衬底相对侧显示为反映电阻元件形状的图案。此可仅由印刷导体的高占有密度反作用，然而，此举成本高。如果衬底壁厚，那么功率效率和反应时间会受到影响(这意味着不能进行快速温度变化，因为这些需要快速加热和冷却衬底)。
根据例如从EP 1 185 144 A1获知的具有由氮化铝陶瓷制成的二维衬底的另一面板红外线发射器，反应时间方面有一定提高。因为氮化铝(AlN)显示至少180Wm-1K-1的热导率，该热导率对陶瓷材料来说极高，但在高温下对含水环境敏感。除此之外，衬底脆且仅难以适于加热表面的多维几何形状，此是所述材料与用于加热元件的其它已知晶态衬底材料(例如陶瓷材料)和非导电材料(氮化硼或氧化铝)共有的缺点。
本发明的技术目标
本发明的目标是提供一种红外线发射器，特别是面板红外线发射器，该红外线发射器每单位面积具有高辐射功率、可易适于待加热表面的几何形状且即使衬底壁薄但仍容许均匀加热。
发明内容
根据本发明，基于上述类型的红外线发射器，可满足该目标，其中衬底材料包含非晶态基质组分，在该非晶态基质组分中包埋吸收红外线辐射光谱范围的额外组分。
在根据本发明的红外线发射器中，衬底是发射IR辐射的实际元件。衬底材料包含以下组分：
·基质组分在重量和体积方面占衬底材料最大分率。基质组分对于衬底的机械和化学性质(例如温度抗性、强度和腐蚀性质)具确定性。由于基质组分是非晶态，其例如由玻璃或塑料组成，故衬底的几何形状可在红外线发射器的特定应用期间相比晶态材料更容易地适合要求。
·额外组分均匀地或具体来说非均匀地分布在基质组分中。所述额外组分对于衬底的光学和热性质来说具确定性；更具体来说，其影响在红外线光谱范围(780nm与1mm之间的波长范围)的吸收。所述额外组分对此光谱范围内至少部分辐射显示比基质组分更高的吸收率。
基质中额外组分相的区域充作光学缺陷且可例如引起复合材料在室温下肉眼看起来呈黑色或灰黑色，视层厚度而定。除此之外，所述缺陷还具有吸热效果。
根据基尔霍夫热辐射定律(Kirchhoff's law of thermal radiation)，热平衡中真实本体的吸收率αλ和发射率ελ是相等的。
αλ＝ελ (1)
因此，所述额外组分导致衬底材料发射红外线辐射。如果光谱半球形反射率Rgh和透射率Tgh已知，那么可如下计算发射率ελ：
ελ＝1-Rgh–Tgh (2)
在此背景中，“发射率”应理解为“发射的光谱正常程度”。发射率是以被称为“黑体边界条件(Black-Body Boundary Conditions)”(BBC)且在“确定透明和半透明材料在高温下的透射率和发射率(DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENTAND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES)”；J.Manara、M.Keller、D.Kraus、M.Arduini-Schuster；第5版欧洲热科学会议(European Thermal-SciencesConference)，荷兰(2008)中公开的测量原理进行测定。
具有额外组分的衬底材料比不存在额外组分的情况具有更高的热辐射吸收。此导致从电流路径进入衬底中的热导率提高，热更快速地分布，且朝向加热物品的发射速率提高。以此方式，可提供每单位面积更高的辐射功率，且即使对薄衬底壁和/或相当低的印刷导体占有密度也能产生均匀发射和均匀温度场。薄衬底具有低的热质量且准许快速温度变化。对此目的来说，不需要冷却。
由于衬底由非晶态材料组成，故可经简单适当成型以用于特定应用。例如将衬底设计为板、环、块状圆柱体或中空圆柱体，但还可仅是炉壁或反应器的一部分。
额外组分包埋在基质组分中。其形成分散在非晶态基质组分中的固有非晶态或晶态相。
衬底材料中存在的额外组分的种类和含量优选地是适当的，从而在600℃下在所述衬底材料中对2μm与8μm之间的波长实现至少0.6的发射率ε。
在根据本发明的红外线发射器的特别优选的实施例中，存在的额外组分的种类和量使得在1000℃的温度下在所述衬底材料中对2μm与8μm之间的波长实现至少0.75的发射率ε。
因此，衬底材料对2μm与8μm之间(即，在红外线辐射的波长范围内)的热辐射具有高的吸收和发射功率。这降低衬底表面处的反射，因此，在假设透射率小到可忽略的情况下，对2μm与8μm之间的波长和高于1000℃的温度下所产生的反射程度最大为0.25，且在高于600℃的温度下最大为0.4。由此防止了反射热辐射导致的不可重复地加热，其造成均匀或所需非均匀温度分布。
基质可由未掺杂或掺杂的石英玻璃组成，且若适用，则可除了SiO2之外包含最多10重量％的量的氧化、氮化或碳化组分。为防止从衬底材料产生污染的风险，已证实红外线发射器的一个实施例(其中非晶态基质组分为石英玻璃且优选地具有至少99.99％SiO2的化学纯度和不大于1％的方硅石含量)是特别有利的。
石英玻璃具有上述良好的耐腐蚀性、耐温性和耐温度循环性的优点，且总是可以高纯度得到。因此甚至在温度高达1100℃的高温加热工艺中石英玻璃也是可行的衬底材料。不需要冷却。
基质的方硅石含量低，即，1％或更小，可确保反玻璃化倾向低和因此使用期间裂缝形成的风险小。因此，即使在半导体制造工艺中经常出现的无颗粒、纯度和惰性方面的严格要求也能得到满足。
衬底材料的热吸收取决于额外组分的分率。因此，额外组分的重量分率应优选地为至少0.1％。另一方面，如果额外组分的体积分率高，那么此可对于基质的化学和机械性质具有不利影响。考虑到这一点，额外组分的重量分率优选地在0.1％到5％范围内。
如果额外组分是呈额外组分相存在且包含具有小于20μm、但优选地大于3μm的最大平均尺寸的非球形形态，那么可达成特别高的发射率。
在此背景下，所述额外组分相的非球形形态还造成高机械强度且造成衬底材料的裂缝形成的倾向低。术语“最大尺寸”是指如在显微照片中可见的额外组分相的分离区的最长延伸。上文所提及的平均值是显微照片中所有最长延伸的中值。
在红外线发射器的优选实施例中，所述额外组分含有呈元素形式(优选地元素形式的硅)的半导体材料。
基质中半导体相的微细颗粒区充作光学缺陷且可引起例如衬底材料在室温下肉眼看起来呈黑色或灰黑色，视层厚度而定。另一方面，所述缺陷还对衬底材料的整体热吸收具有影响。此主要是归因于呈元素形式存在的半导体的精细分布相的性质，归因于以下效应：一方面，价带与导带间的能量(带隙能)随着温度减小，而另一方面，如果活化能足够高，那么电子从价带到导带升高，此与吸收系数的明显增大相关联。导带的热活化占有导致半导体材料在室温下对特定波长(如，从1000nm开始)在特定程度透明且在高温下变成不透光。因此，吸收和发射率可随着衬底材料的温度增加而突然增加。此效应尤其取决于半导体的结构(非晶态/晶态)和掺杂。例如，纯硅显示发射从约600℃明显增加，从约1000℃达到饱和。
因此，半导体材料，尤其是优选使用的元素硅，具有使玻璃基质材料在室温下变成黑色的效应，而且还在超过例如600℃的高温下也有变成黑色的效应。因此，就高宽带发射来说，在高温下达成良好照射特征。在此背景下，半导体材料，优选是元素硅，形成分散在基质中的其自身的Si相。所述相可含有多种类金属或金属(但金属仅至多50重量％，更优选地不大于20重量％；相对额外组分的重量分率计)。在此背景下，衬底材料未显示开放孔隙率，但不超过小于0.5％的封闭孔隙率且具有至少2.19g/cm3的比密度。因此，它特别适于红外线发射器，关于衬底材料的纯度或气密性是重要的。
已知由具有由石英玻璃制成的基质且其中包埋硅相的复合材料制成的组件。根据WO 2015067688A1，这些是用于制造例如在氧化或退火工艺、外延或化学气相沉积中使用的反应器、配件或晶片保持器。为了用作根据本发明的红外线发射器的红外线辐射发射材料，衬底经配置有印刷导体，该印刷导体优选呈烧入厚膜层形式提供。
所述厚膜层例如从电阻膏通过丝网印刷或从含金属的油墨通过喷墨印刷产生，且随后在高温下烧入。
关于尽可能均匀的温度分布，已证实可有利地提供呈覆盖衬底表面的线图案的印刷导体，使得至少1mm，优选地至少2mm的中介空间留在印刷导体的相邻部分之间。
即使加热表面的印刷导体占有密度相当低，衬底材料的吸收能力高还可实现均匀发射。低占有密度的特征在于印刷导体的相邻部分之间的最小距离为1mm或更大，优选的是2mm或更大。印刷导体的部分之间距离大防止击穿，此可尤其在高电压下在真空中操作时发生。根据本发明的红外线发射器因此尤其非常适合真空操作。印刷导体例如以螺旋状或曲折线图案延伸。
根据本发明的红外线发射器的一个特别有利的实施例的特征在于衬底包含面对印刷导体的表面且所述表面的至少一部分配置成具有多孔石英玻璃制成的覆盖层，借此将所述印刷导体至少部分地包埋在所述覆盖层中。
在此背景下，由不透光石英玻璃制成的覆盖层充作漫反射器，且同时保护并稳定印刷导体。由不透光石英玻璃制成的此类型覆盖层的效果和制备是已知的，并在例如WO2006/021416A1中描述。其是由在液体中包含非晶态SiO2颗粒的分散液产生。将所述覆盖层涂覆到面对印刷导体的衬底表面，干燥以形成生坯层，且在高温下烧结所述生坯层。生坯层的烧结和印刷导体的烧入优选是在同一个加热工艺中进行。
在红外线发射器的另一个优选实施例中，改由电绝缘、气密层(如釉层)替代或补充由不透光石英玻璃制成的覆盖层覆盖印刷导体。所述层在外侧电屏蔽印刷导体且可用来防止印刷导体受机械和腐蚀应力影响。
根据本发明的红外线发射器的特征还尤其在于所发射辐射的高空间均匀性。因此，在距平面发射表面短的距离处已经测得大致相同辐射强度。因此，在面板红外线发射器的一个优选实施例中，衬底包括背对印刷导体且发射红外线辐射的平面发射表面，其中红外线辐射在距发射表面10mm的距离处产生辐射强度，所述辐射强度在彼此间隔5mm的十个测量位点测得的值，与在所述测量位点任一处测得的辐射强度最大值，偏差不超过+/-10％，优选偏差不超过+/-5％。
通过国际标准IEC 62798(2014)的方法进行照射强度的测量。
附图说明
图1显示根据本发明的具有反射层的红外线发射器的实施例的示意图和侧视图；
图2显示具有作为中介层的反射层的红外线发射器的多层实施例的示意图；
图3显示根据本发明的多层红外线发射器的另一个实施例的侧视图；
图4显示根据图1的瓦状红外线发射器的示意图的俯视图，可见上侧配置有曲折印刷导体；
图5显示俯视图中红外线发射器的视觉上可感知辉光在瓦底侧上的光学图像；
图6显示根据本发明的瓦状红外线发射器的实施例，该瓦状红外线发射器具有包埋到电绝缘且气密釉层中的印刷导体：
图7以两个图(a)和(b)显示根据本发明的面板红外线发射器和根据现有技术的面板红外线发射器的辐射的均匀度和强度的比较；
图8显示说明根据本发明的面板红外线发射器的红外线辐射照射在测量样品上的照射曲线的图；
图9显示说明根据现有技术的由若干单个碳发射灯管组成的面板红外线发射器的红外线辐射照射在测量样品上的照射曲线的图；和
图10显示说明根据现有技术的由若干单个双管发射器组成的面板红外线发射器的红外线辐射照射在测量样品上的照射曲线的图。
具体实施方式
下文中，根据示范性实施例和专利图更详细地说明本发明。
图1显示根据本发明的多层面板红外线发射器1的第一实施例的示意图。此红外线发射器包括板状衬底2、印刷导体3和反射层4。
板状衬底2具有矩形形状，且板厚2.5mm。板状衬底2由复合材料组成，该复合材料具有由石英玻璃制成的基质。基质的视觉效果呈半透明到透明。在显微镜检查时，基质未显示开放孔且至多显示最大平均尺寸小于10μm的封闭孔。元素硅相以非球形区形式均匀分布在基质中。非球形区占5％重量分率。Si相区的最大平均尺寸(中值)范围在约1到10μm内。复合材料具气密性，其具有2.19g/cm3的密度且在高达约1200℃的温度的空气中是稳定的。
包埋的Si相不仅造成复合材料整体不透明，而且影响复合材料的光学和热性质。该复合材料显示热辐射的高吸收率和在高温下的高发射率。
室温下，使用集成球体测定衬底2的复合材料的发射率。此允许测量光谱半球形反射率Rgh和光谱半球形透射率Tgh，由此可计算正常发射率。在2μm到18μm的波长范围内通过FTIR光谱仪(布鲁克尔(Bruker)IFS 66v傅立叶(Fourier)变换红外((FTIR))(所述FTIR光谱仪通过额外光学系统与BBC样品室耦合，应用上述BBC测量原理)测量高温下的发射率。在此背景下，样品室在样品固定架前后的半球体中提供恒温黑体环境，且提供具有检测器的光束出口孔。在单独的炉中将样品加热到预定温度，且为了测量，将样品转移到具有设定为预定温度的黑体环境的样品室的光束路径中。通过检测器检测到的强度是由发射部分、反射部分和透射部分组成，即，由样品本身发射的强度、从半球体正面入射在样品上且被样品反射的强度和从半球体背面入射在样品上且由样品透射的强度。需要进行3次测量以确定各个参数，即，发射程度、反射程度和透射程度。
在复合材料上测得的2μm到约4μm波长范围内的发射程度是温度的函数。温度越高，发射程度越高。在600℃，2μm到4μm波长范围内的正常发射程度大于0.6。在1000℃，2μm到8μm的整个波长范围内的正常发射程度大于0.75。
由铂电阻膏在衬底2的顶部5上产生印刷导体3。印刷导体3两端具有焊接到其的电缆或夹具46(参见图4)以用于供应电能。印刷导体3显示曲折轮廓(参见图4)，其紧密覆盖衬底2的加热表面使得印刷导体的相邻部分间保持2mm的均匀距离。在所示横截面中，印刷导体3具有宽1mm和厚20μm的矩形轮廓。由于厚度小，与效率相比，红外线发射器中昂贵印刷导体材料所占的材料比例是低的。印刷导体3与衬底2的顶部5直接接触，使得实现到衬底2的最大热量传输。就红外线发射器的使用来说，相对的底侧6充作热辐射的发射表面。方向箭头7指示发射方向。
反射层4由不透光石英玻璃组成且具有约1.7mm的平均层厚度。其特征在于无裂缝和约2.15g/cm3的高密度，且在高达且超过1100℃的温度下是热稳定的。反射层4覆盖衬底2的整个加热区，且其完全覆盖印刷导体3且因此屏蔽其免受环境化学或机械影响。
至于与图1中相同的元件符号用在其它图中所示的实施例中，这些元件符号表示组件和部件与上文通过根据本发明的红外线发射器的第一实施例的描述更详细说明的组件和部件在设计上相同或等效。
在图6所示的瓦状红外线发射器61的实施例中，印刷导体3位于衬底2的与发射表面(底侧6)相对的顶部5上。该印刷导体通过呈釉形式的电绝缘层64进行覆盖。绝缘层64相对于外侧电屏蔽印刷导体3，且可用来防止印刷导体3免受机械和腐蚀应力影响。绝缘层64由玻璃状材料组成，该玻璃状材料在加热时呈软粘性玻璃相均匀地分布在顶部5上，且实现气密屏蔽。由于玻璃相具有相当低的软化温度的软化行为和对应的跨宽温度范围塑性变形的能力，因此大大地防止衬底2与绝缘层64间因它们不同热膨胀系数所产生的压缩应力。
为产生绝缘层64，将丝网印刷膏适当涂覆到衬底的顶部5，使印刷导体3完全地包埋在其中。丝网印刷膏由高纯度SiO2粉末(20重量％到80重量％)和溶剂(20重量％到50重量％)和结合剂(1重量％到15重量％)组成，其中圆括号中所给出的数字指定各别组分关于膏的总质量的优选重量分率。例如，己醇用作溶剂，例如，邻苯二甲酸酯用作塑化剂，及例如聚乙烯醇用作结合剂。
由粉末原料混合物和含所添加结合剂的蒸馏水的1:1混合物(分率)制得丝网印刷膏。接着将厚度为100μm的该膏层印刷到衬底2的顶部，使印刷导体3完全地包埋在其中并烧结其以形成气密性绝缘层64。然而，印刷导体3和绝缘层64的烧结也可在一个工作步骤中进行。
在图2的面板红外线发射器21的实施例中，提供两个构造基本上相同的衬底本体2、22，且反射层4和印刷导体3、23以夹层方式包埋在其中。此面板红外线发射器实施例是设计用于双侧发射热量，因为其具有两个发射表面(6；26)。方向箭头7、7'指示发射方向。
多层衬底32用于图3的红外线发射器31的实施例中。所述衬底是由如通过图1说明的复合材料制成的基础本体33和由未掺杂石英玻璃制成的薄覆盖层34(其完全地覆盖基础本体33的表面)组成。由石英玻璃制成的覆盖层34具有0.5mm的厚度，且形成衬底顶部5，印刷导体3涂覆到衬底顶部5。所述实施例相较图1的实施例的优势在于可将印刷导体3涂覆到比复合材料更光滑的覆盖层的表面。
在根据本发明的红外线发射器的另一个实施例(其未以图形式描绘)中，提供多层衬底，其是由如通过图1说明的复合材料制成的基础本体组成，其中发射侧完全配置有由未掺杂石英玻璃制成的薄覆盖层。所述实施例相较图1的实施例的优势在于复合材料与待照射物品周围完全屏蔽开，使得防止杂质从复合材料排入加热物品以及复合材料从周围受侵蚀。
图4显示由含硅石英玻璃制成的瓦状衬底2的顶部5上的俯视图。衬底顶部上的印刷导体3的曲折轮廓和电源端子46均可从图中看到。印刷导体的部分之间存在较大距离(2mm)。在此示范性实施例中，经由两个相对侧上的端子46发生电接触。明显地，仅一侧上的接触也是可行的。
印刷导体3的占有表面限定衬底2的加热表面47。在加热表面47中，如从图5的石英玻璃衬底2的视觉上可识别辉光是均匀明亮区显而易见，在衬底底侧上基本上均匀地建立约1000℃的最高温度。
下文将通过实例更详细地进行说明一种用于制造面板红外线发射器1的方法。
衬底2的制造
使用WO 2015067688 A1中描述的浆料浇铸方法进行制造。事先在热氯化方法中纯化非晶态石英玻璃粒，确保方硅石含量低于1重量％。用去离子水湿研磨粒度在250μm到650μm范围内的石英玻璃粒，使得形成固体含量为78％的均匀基础浆料。
接着，从基础浆料移除研磨珠，且添加硅粉直到固体含量达到83重量％。硅粉主要包含具有狭窄粒度分布的非球形粉末颗粒，其D97值为约10μm，且事先移除小于2μm的粒度的微细部分。
将填充硅粉的浆料再均质化12小时。硅粉占总固体内含物的重量分率为5％。已均质化浆料中的SiO2颗粒具有约8μm的D50值和约40μm的D90值的粒度分布特征。
在市售铸模机的模具中浇铸浆料且使用多孔塑料膜脱水以形成多孔生坯本体。生坯本体具有矩形板的形状。为移除结合水，在加气炉(aerated furnace)中，在约90℃下干燥生坯本体五天。冷却后，机械处理由此获得的多孔毛坯，使之接近欲制备的石英玻璃板的最终尺寸，其具有2.5mm的板厚度。为了烧结，在烧结炉中，在有空气的条件下历时一小时加热毛坯到1390℃的加热温度且维持此温度5小时。
由此获得的石英玻璃板(2)是由密度为2.1958g/cm3的气密复合材料组成，其中元素Si相的非球形区域彼此分开且尺寸和形态基本上对应于工艺中所用的Si粉的元素Si相的非球形区域，元素Si相的这些非球形区域均匀地分布在由不透光石英玻璃制成的基质中。最大平均尺寸(中值)在约1μm到10μm范围内。基质的视觉效果呈半透明到透明。在显微镜检查时，其未显示开孔且至多显示最大平均尺寸小于10μm的封闭孔；根据密度计算孔隙率为0.37％。复合材料在高达约1200℃的温度的空气中是稳定的。
印刷导体3和反射层4的涂覆
在表面上抛光石英玻璃板(2)使得建立约1μm的平均表面粗糙度Ra。通过丝网印刷方法将曲折状印刷导体3涂覆到其经抛光的顶部5。市售含铂电阻膏用于此目的。
干燥印刷导体3后，将浆料层涂覆到石英玻璃板(2)的顶部5。通过改质上述类型的基础SiO2浆料(不含添加的硅粉)，混合成粒度约5μm的球形颗粒形式的均匀稳定基础浆料非晶态SiO2粒直到达到84重量％的固体含量，来获得此浆料。在旋转式滚磨机中以25rpm速率均质化此混合物12小时。由此获得的浆料具有84％的固体含量和约2.0g/cm3的密度。在研磨石英玻璃粒后获得的浆料中的SiO2颗粒具有约8μm的D50值和约40μm的D90值的粒度分布特征。
将事先在醇中清洗的石英玻璃板(2)浸泡在所述浆料中几秒。因此，在石英玻璃板(2)上形成厚度约2mm的均匀浆料层。在擦拭底侧6后，最初在室温下干燥浆料层约5小时且在随后通过IR发射器在空气干燥。经干燥的浆料层不含裂纹且平均厚度略小于2mm。
随后，烧入和/或在烧结炉中在空气中烧结经干燥的印刷导体和经干燥的浆料层。加热曲线包含1200℃的加热温度。在示范性实施例中，维持时间为两小时。随后，烧入印刷导体且刮刀层(slicker layer)是不透光的，但视觉上致密且大程度上不含气泡。
根据本发明的红外线发射器的特征是热辐射的高发射程度、电源的高有效使用率和其几何形状设计的高弹性。例如，其可在印刷工业中用作平面红外线发射器，以在极高功率密度(>200kW/m2)和距衬底小距离(<5mm)下实现高处理速度(>100m/s)。另一应用是3D印刷领域，其中印刷金属粉是因高区域输出和约1000℃的发射器温度而经压实。
图7的图式(a)和(b)示意性地说明照射均匀度和/或照射强度与发射器与加热物品间距离之间的关系，以及由若干单个发射器(图式(A))组成的面板红外线发射器与根据本发明的瓦状面板红外线发射器(图式(b))之间的相关差异。相对于发射器与加热物品之间的距离“A”(为相对单位)，在图式(a)和(b)的纵坐标上绘制均匀度“H”和/或照射在加热物品上的辐射强度“I”(也为相对单位)。图式(a)中的面板发射器70以多个彼此相邻布置且其包覆管以三个圆形指示的碳辐射加热器表示。图式(b)中由矩形瓦71指示根据本发明的红外线发射器。在此背景下，瓦状红外线发射器71和碳发射器的布置70具有相同的电连接负载。
均匀度H对距离A的曲线以虚曲线H指示，且强度I的曲线由连续曲线I指示。因此，标准面板发射器70和根据本发明的面板红外线发射器71中的照射强度I随距离A增加到大致相同程度，但根据本发明的面板红外线发射器71中照射均匀度很大程度上与距离A无关，而在标准面板红外线发射器中照射均匀度在短距离下是低的。
灰色网格区示意性地限定“工作区”，其中经照射物品上的可接受照射均匀度显而易见。然后，明显地，可在标准面板红外线发射器70中通过维持特定距离达成所述均匀度，但此与照射强度的明显损失相关联。相比之下，根据本发明的红外线发射器71甚至在极小距离(在所述极小距离下，辐射强度也高)下还允许足够高的均匀度。因此，相比由若干单个碳发射器制成的面板发射器70，根据本发明的红外线发射器71的特征在于效率明显提高。
根据IEC 62798(2014)测试所发射的辐射的空间均匀度。为此，将面板红外线发射器安装在测试装置中并固定于可移动的桌子上。通过热电检测器以距红外线发射器的发射表面10mm的预定工作距离处检测光学功率。在若干测量位点以5mm的步长测定照射强度。如果辐射强度与在接近样品中间的10个测量位点所测得的最大值改变不大于+/-5％，那么定义其为足够均匀。后文中，此类型的测量称为“轴向测量”。
图8到10的图式说明不同类型的面板红外线发射器上轴向测量的结果。在各情况中，在y轴上绘制标准化光学功率L(单位为％)，及在x轴上绘制距延伸通过轴起点且与面板发射器(图8)的横向尺寸相关或与若干单个发射器(图9、图10)的空间布置的横向尺寸相关的中心线的横向距离A(单位为mm)。
图8显示就根据本发明的面板红外线发射器(例如，图7的面板红外线发射器71)情况来说，在10mm的工作距离处测得的光学功率的横向谱。横向谱在绕中心线的延伸区上接近100％相对地均匀。此点显而易见，因为工作区中就绕中心线的10个以上测量点来说光学功率不会降低到低于最大值(100％)的95％。
相比之下，图9显示由若干单个碳发射器组成的面板红外线发射器(如图7的面板红外线发射器70)的情况，在10mm的标准工作距离下的光学功率L的谱(曲线A)是不均匀的。具有可接受均匀度的光学功率的横向谱仅在40mm的工作距离下得到(曲线B)。然而，可在加热物品的表面处达到的光学功率小于最大功率的50％。
关于设计为所谓的双管发射器的空间布置的面板红外线发射器，在轴向测量中得到相似的结果，如图10中所显示。市售双管发射器配备有彼此平行地延伸且空间上彼此分开的通道以适应加热丝。照前述，光学功率L的非均匀谱在10mm的工作距离下明显(曲线C)；且仅在60mm的工作距离下得到具有可接受均匀度的光学功率的横向谱(曲线D)。然而，可在加热物品的表面达到的所得光学功率仅为小于最大功率的30％。

Claims (15)

1.一种红外线发射器，其包含由电绝缘材料制成的衬底(2；32)，所述衬底(2；32)包含与由电阻材料制成的印刷导体(3)接触的表面(5)，所述印刷导体(3)具导电性且当电流流过时产生热，其中所述衬底(2；32)由衬底材料组成，所述衬底材料包含非晶态基质组分，在所述非晶态基质组分中包埋红外线辐射光谱范围吸收的额外组分，并且其中所述衬底(2；32)包含面对所述印刷导体(3)的表面(5)且所述表面(5)的至少一部分配置有由多孔玻璃制成的覆盖层(4)，借此所述印刷导体至少部分地被所述覆盖层(4)包埋，其中存在某一类型及某一量的所述额外组分，从而在1000℃温度下在所述衬底材料中对2μm与8μm之间的波长实现至少0.75的发射率ε。
2.根据权利要求1所述的红外线发射器，其中存在某一类型及某一量的所述额外组分，从而在600℃温度下在所述衬底材料中对2μm与8μm之间的波长实现至少0.6的发射率ε。
3.根据权利要求1所述的红外线发射器，其中所述非晶态基质组分是石英玻璃。
4.根据权利要求3所述的红外线发射器，其中所述石英玻璃具有至少99.99％SiO2的化学纯度和至多1％的方硅石含量。
5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的红外线发射器，其中所述额外组分的重量分率在0.1％到5％范围内。
6.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的红外线发射器，其中所述额外组分呈单独的额外组分相存在，且包含具有小于20μm的最大平均尺寸的非球形形态。
7.根据权利要求6所述的红外线发射器，其中所述单独的额外组分相包含具有大于3μm且小于20μm的最大平均尺寸的非球形形态。
8.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的红外线发射器，其中所述额外组分包含呈元素形式的半导体材料。
9.根据权利要求8所述的红外线发射器，其中所述额外组分包含呈元素形式的硅。
10.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的红外线发射器，其中所述衬底材料显示小于0.5％的封闭孔隙率且具有至少2.19g/cm3的比密度。
11.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的红外线发射器，其中所述印刷导体(3)是呈烧入覆盖膜层的形式提供。
12.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的红外线发射器，其中所述印刷导体(3)是呈覆盖所述衬底(2；32)的表面的线图案的形式提供，使得至少1mm的中介空间留在所述印刷导体的相邻部分之间。
13.根据权利要求12所述的红外线发射器，其中所述印刷导体(3)是呈覆盖所述衬底(2；32)的表面的线图案的形式提供，使得至少2mm的中介空间留在所述印刷导体的相邻部分之间。
14.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的红外线发射器，其中所述印刷导体(3)由电绝缘气密层覆盖。
15.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的红外线发射器，其中所述红外线发射器经设计为面板红外发射器，借此所述衬底(2；32)包括背对所述印刷导体(3)且发射红外线辐射的平面发射表面(6)，其中所述红外线辐射在距所述发射表面(6)10mm的距离处产生辐射强度，所述辐射强度在彼此间隔开5mm的十个测量位点测得的值，与在所述测量位点任一处测得的辐射强度最大值，偏差不超过+/-10％。
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