CN109716858A - 红外面板辐射器 - Google Patents

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Abstract

红外面板辐射器包括具有加热表面和导体轨道的载体，该导体轨道施加成覆盖该载体的表面并且由导电电阻材料制成，该导电电阻材料在电流流过时产生热量，该导体轨道包括用于产生第一表面输出的第一导体轨道区段和用于产生与第一表面输出不同的第二表面输出的第二导体轨道区段。本发明的目的是提供一种具有高照射水平的红外面板辐射器，它设计成以最高可能的均匀照射强度发射辐射。为此，所述载体包含复合材料，该复合材料包括非晶基质组分和半导体材料形式的附加组分，第一导体轨道区段和第二导体轨道区段串联连接，并且它们的覆盖密度和/或它们的导体横截面积彼此不同。

Description

红外面板辐射器
技术领域
本发明涉及一种红外面板辐射器，它包括具有加热表面和导体线路(印刷导体，导体电路)的载体，该导体线路由导电的电阻材料制成，该电阻材料在电流流过时产生热量并被施加到载体的导体线路布设(占有，占用)表面，其中导体线路包括用于产生第一单位面积功率的第一导体线路区段和用于产生与第一单位面积功率不同的第二单位面积功率的第二导体线路区段。
本发明范围内的红外面板辐射器显示出具有面板状二维或三维发射特性的加热表面。它们的面板状发射特性使它们易于适应待加热的加热物品表面的几何形状，使得三维加热物品的两个或表面的均匀照射变得可行。
根据本发明的红外面板辐射器尤其用于加热工艺，例如印刷行业或塑料加工、半导体或光伏行业中的半导体晶片的热处理。根据本发明的红外面板辐射器例如用于塑料材料的聚合、漆的固化或涂料的干燥。此外，它们可以用于多种干燥工艺，例如用于薄膜或纱线的生产，用于模型、样品、原型、工具或成品的制作(增材制造)。另一个重要的应用领域是柔性印刷电子器件的生产，特别是在卷到卷程序(R2R程序)中，其中干燥和烧结过程直接先后进行。
背景技术
通常使用红外面板辐射器来对加热物品进行热处理。已知的红外面板辐射器可以在设计上不同。例如，已知这样的红外面板辐射器，其中具有柱形发射器管的多个红外发射器适当地布置在发射器模块中，使得发射器管的纵向轴线在平面中彼此平行地延伸。此外，已知上述类型的红外面板辐射器，其中电阻加热元件直接施加至面板状载体的表面。
上述两种设计的不同之处在于它们的传热模式。然而，在前一种情况下，从布置在发射管中的加热元件到发射管的热传递主要通过热辐射进行，后一种情况下的加热元件与面板状载体直接接触，使得从加热元件到载体的热传递主要通过热传导和对流进行。
具有应用于载体的加热元件的红外面板辐射器显示出良好的功效。如果将电压施加到这些红外面板辐射器的电阻器加热元件，则红外面板辐射器在其全部长度上通过基本上恒定的电功率操作。
然而，显而易见的是，具有恒定电功率的加热元件的操作可能与温差相关联，特别是与载体的加热表面上的不均匀温度分布相关联。特别是在载体的周边，通常测得比例如载体的中间区域中低的温度。一个潜在的原因是，与中间区域相比，由于对流引起的较高能量损失可能发生在载体的周边。这与特别是在载体的周边的较低温度相关联，并且相对于整个载体而言与不均匀的温度分布相关联。
因此，已知载体的周边和中间区域需要被以两种不同程度加热，以便取得尽可能均匀的载体温度，并且与其一起取得尽可能均匀的实际加热表面的辐射发射。
具有面板状载体的红外面板散热器是已知的，其中导体线路包括多个并联连接的导体线路区段。使它们并联连接有助于导体线路包括尽可能低的总电阻，使得它可以在高工作电流下并且与其一起在高功率下工作。为了补偿周边效应，导体线路区段以不同的单位面积功率工作，由此导体线路区段通常通过使用印刷技术产生，例如通过丝网印刷或喷墨印刷产生。通常，这些辐射器具有导体线路区段，该导体线路区段可以以与载体周边相关联的更高的单位面积功率工作。这是有利的，因为周边区域中的对流相关温度损失可以通过分配给该区域的导体线路区段的较高单位面积功率来补偿。
从DE 10 2014 108 356 A1已知一种红外面板辐射器，其中电阻器结构应用于载体。电阻器结构包括内部导体线路以及与其并联连接的外部导体线路，所述内部导体线路和所述外部导体线路的电阻不同。这种类型的电阻器结构利用了具有较低电阻的导体线路对加热功率的贡献较大的效果。这是一种抵消所谓“冷点”的形成和/或周边功率下降的手段。
使加热电阻器并联连接的有利之处在于这些加热电阻器的总电阻特别低。在给定的恒定工作电压下，低的总电阻与高工作电流相关联，并且允许红外面板辐射器在高功率下工作。然而，设置并联连接的加热电阻器对导体线路设计、即导体线路区段的布置和几何形状有影响。特别地，期望的温度分布可以限定并联的部分电路的电阻和来自主电路的并联节点的位置。结果，由于并联电路的节点的给定位置，可能不再能自由选择导体线路设计。而且，在平行节点处可能产生较高的导体线路布设密度，这又对载体上的温度分布、特别是加热表面的温度分布有影响。
发明内容
因此，本发明的目的是设计一种具有高照射功率的红外面板辐射器，它被设计用于以尽可能均匀的照射功率发射辐射。
根据本发明，基于上述类型的红外面板辐射器来解决上述目的，其中载体包含复合材料，该复合材料包括无定形(非晶)的基质组分和形式为半导体材料的附加组分，其中第一导体线路区段和第二导体线路区段串联连接(接通，形成线路)并且它们的布设密度和/或它们的导体横截面积彼此不同。
本发明基于以下发现：如果红外面板辐射器由具有高发射率的复合材料制成，并且如果导体线路设计可以通过串联连接的多个导体线路区段适应该复合材料，则可以获得具有高辐射强度和特别均匀的辐射发射的红外面板辐射器，其中导体线路区段的布设密度和/或导体横截面积彼此不同。这种适应性实现的是加热表面以均匀的照射强度发射IR辐射，或者换句话说，在向导体线路施加电压时获得加热表面上的基本均匀的温度分布。
因此，根据本发明的红外面板辐射器与传统红外面板辐射器的不同之处在于两个方面，即，一方面，载体的或至少该载体的由特定复合材料制成的部分的化学成分，另一方面，特别适合于复合材料的成分的导体线路设计。
由于载体具有无定形的基质组分和半导体材料形式的附加组分，因此所得到的载体在热激发时能呈现能量丰富的激发状态。特别地，载体的物理特性受到附加组分的影响。显然，添加半导体材料使得所得到的载体适合于以高照射强度发射红外辐射。同时，复合材料显示出与温度相关的导热率，该导热率也基于半导体材料的添加。
在这种情况下，复合材料包括以下组分：
·无定形的基质组分在重量和体积方面占复合材料的最大份额。基质组分对复合材料的机械和化学特性起决定性作用，例如其耐温性、强度和腐蚀性能。由于基质组分是无定形的—它优选由玻璃组成，因此载体的几何形状可以比由结晶态的材料制成的载体更容易适应红外面板辐射器的特定应用的现有要求。
基质组分可以由未掺杂或掺杂的石英玻璃组成，并且如果适用的话，除了SiO2之外可以含有最多10wt％的氧化物、氮化物或碳化物组分。为了防止由载体材料引起的任何污染风险，红外面板辐射器的一个实施例已被证明特别有利，在该实施例中无定形的基质组分是石英玻璃，并且优选具有至少99.99％的SiO2的化学纯度和不超过1％的方英石含量。
·此外，根据本发明，形式为半导体材料的附加组分嵌入所述基质组分中。它形成分散在无定形的基质组分中的固有的非晶或结晶相。它有助于高发射率，从而获得用于在高辐射功率下发射红外辐射的适当载体。
根据本发明的施加到红外面板辐射器中的导体线路布设表面上的导体线路直接用于加热另一部件，即载体。该导体线路充当“局部”加热元件，载体的至少部分区域可以借助于该加热元件被局部加热。该导体线路的尺寸确定为使得它加热载体的由复合材料制成的部分，该部分形成载体的实际的红外辐射发射元件。由于连接到载体的导体线路与载体的导体线路布设表面直接接触，因此获得了特别紧凑的红外面板辐射器。
导体线路设计和导体线路区段的电路适应于可热激发的复合材料的物理特性。
传统红外面板辐射器—其中导体线路是实际的加热元件—的加热功率遵循欧姆定律并且取决于导体线路的总电阻，通过将导体线路的总电阻值选择为尽可能低，可以增加它们的加热功率。由于这个原因，已经证明使用导体线路区段的并联连接是特别有利的，因为它允许获得小于最小单独电阻的总电阻。
相反，根据本发明的红外面板辐射器显示出与材料相关的吸收范围，其中载体的热激发是可行的。由于单位面积功率取决于吸收范围，因此它不是所需的最低总电阻—与传统的红外面板辐射器不同，而是显而易见的是，如果导体线路的单位面积功率值以及它们的总电阻适应于材料相关的吸收范围，则可以实现最佳的有效加热功率。
为了获得最佳照射强度，需要对载体进行充分的热激发。如果导体线路及其区段连接成使得可以获得足够的能量用于载体的热激发，则可以实现这一点。更多能量的输入仅在有限程度上有助于辐射强度的增加，并且通常与较低的能量效率相关联。
通过串联连接导体线路区段，可以容易且低成本地获得激励载体所需的能量。而且，参照载体的可热激发的复合材料，将导体线路区段串联连接具有另外的优点，即在特别有利的电流-电压比下的激励是可行的。将导体线路电阻串联连接使得工作电压可以在100V至400V的范围内。同时，导体线路区段可以在较低的工作电流下工作，借助于此可以增加根据本发明的红外面板辐射器的使用寿命。
最后，由于根据本发明的导体线路区段的串联连接，导体线路设计可以灵活地适应相应的应用。特别地，与导体线路区段的并联连接—其中每个导体线路区段形成部分电路—形成对比，不需要局部电路节点，所述局部电路节点的位置可以由要取得的总电阻预先确定，这可能妨碍自由设计印刷设计的能力。可自由选择的印刷设计使得加热表面具有特别均匀的照射强度，从而使得可以对加热物品进行特别均匀的热处理。
为补偿不均匀的温度分布，特别是为补偿与对流相关的外围效应，根据本发明的红外面板辐射器的导体线路包括可以利用它们取得的单位面积功率不同的多个区段，即至少一个第一和一个第二导体线路区段，其中第一和第二导体线路区段的布设密度和/或导体横截面积相互匹配成使得加热表面上的基本均匀的温度分布是在向导体线路施加电压时获得的。
第一和第二导体线路区段的相应单位面积功率可以通过改变布设密度或通过改变相应导体线路区段的导体横截面积或通过两者来调节。
在这种情况下，单位面积功率被定义为导体线路的相对于由导体线路占有的载体表面积的电连接负荷。在这种情况下，载体表面积应理解为由围绕导体线路的包络线包围的表面积，其中相邻导体线路区段的包络线在它们之间没有距离的情况下在相邻导体线路之间在中间延伸，并且不考虑可能存在的电流馈送线。因此，载体表面积反映分配给导体线路区段的各个表面区域。导体线路区段中的单位面积功率越高，导体线路的布设密度就越高，并且导体线路的导体横截面积就越低。
导体线路横截面积是在电流流动方向上看去的、穿过导体线路的横截面积。在矩形层状导体线路的情况下，导体横截面积因此通过层的宽度和层的厚度的乘积而获得。
布设密度是载体区段被布设导体线路的紧密程度的量度。通过将导体线路所布设的表面积(作为在导体线路布设区域上的投影)与载体表面积相关联，以百分比为单位给出布设密度作为表面积的比率。在这种情况下，载体表面积包括被布设导体线路的导体线路布设区域的表面和未被布设导体线路的导体线路布设区域的“自由”表面积两者。
由于导体线路包括多个这种类型的导体线路区段，因此可以形成在单位面积功率上不同的加热区。这些加热区可以布置成使得加热表面的温度损失得到补偿，从而获得具有均匀照射强度的加热表面。具体地，可以补偿周边效应，例如，将具有较高的单位面积功率的导体线路区段分配给导体线路布设区域的周边区域。
这种类型的红外面板辐射器包括加热表面，该加热表面设计用于获得高于200kW/m2、优选在200kW/m2至250kW/m2的范围内的辐射强度。
在根据本发明的红外面板辐射器的一个优选细化方案中，整个载体由复合材料制成，其中所述复合材料是电绝缘体。
载体可以设计成多层的，并且可以包含由复合材料以外的其它材料制成的区域。然而，对于红外面板辐射器的操作而言必要的是，载体表面至少在导体线路布设表面的区域中由电绝缘材料制成。这确保了红外面板辐射器以很小的干扰工作，特别是防止了相邻导体线路区段之间的闪络和短路。由于复合材料是电绝缘体，因此可以将导体线路直接施加到复合材料上并因此施加到载体上。
由多种材料制成的载体可以包括例如分层结构，其中两层或更多层材料可以彼此上下布置。或者，也可以是载体包括由第一材料、优选由复合材料制成的芯，该芯由利用第二材料制成的涂层涂覆。全部或部分芯可以由第二材料涂覆。优选地，芯完全由第二材料涂覆。
在根据本发明的红外面板辐射器的一个优选改进方案中，复合材料—至少在导体线路布设表面的区域中—涂覆有由电绝缘材料制成的层。
制造载体的复合材料在红外范围内显示出良好的发射率。除了复合材料的发射率之外，复合材料的其它物理特性、特别是其导电性对于其作为红外面板辐射器的载体的适用性是重要的。复合材料的物理特性主要由构成复合材料的组分决定。因此，取决于化学组成，复合材料可以是电绝缘体或包括一定的导电性。由于上述原因，导电的复合材料不能直接设置导体线路，因为这可能在红外面板散热器的操作期间引起短路。为了能够不论如何都由导电复合材料制造载体，已经证明首先用复合材料涂覆由电绝缘材料制成的层是有利的。全部或部分复合材料可以用电绝缘材料涂覆。在任何情况下，至少载体的具有分配给它的导体线路的区域—即导体线路布设表面—应当用由电绝缘材料制成的层涂覆，例如用由玻璃制成、特别是由石英玻璃制成的层涂覆。
根据本发明的红外面板辐射器的又一优选的细化方案，附加组分的重量份额设置成在1％至5％的范围内，优选在1.5％至3.5％的范围内。
复合材料的吸热量取决于附加组分的份额。因此，附加组分的重量份额应当优选为至少1％。另一方面，附加组分的体积份额过高可能对基质的化学和机械特性产生不利影响。考虑到这一点，附加组分的重量份额优选在1％至5％的范围内，更优选在1.5％至3.5％的范围内。
已经证明有利的是，以烧制(烧入，烧焊)的厚膜层的形式提供导体线路，或者将导体线路作为成型部件施加到载体的表面上，以使得导体线路和载体永久地彼此连接。
导体线路可以通过各种制造方法生产，例如通过使用印刷技术生产，但也可以通过冲压、激光切割或铸造生产。
已经证明，将导体线路设置为烧制的厚膜层是特别有利的。所述厚膜层例如借助于丝网印刷由电阻膏或借助于喷墨印刷由含金属的油墨产生，并随后在高温下烧制。或者，成型部件也可以使用热分离程序由金属板制成，例如通过激光切割或冲压。热分离或冲压程序的使用允许大量制造导体线路，因此有助于保持材料和生产成本低。
热分离和冲压程序的使用甚至允许加工通过印刷技术加工困难或费力的材料以形成导体线路。由于导体线路由导电并且当电流流过时产生热量的电阻材料制成，所以导体线路充当加热元件。然而，仅在导体线路连接到载体之后才获得呈面板状并以高辐射功率均匀发射的红外面板辐射器。为此目的，例如导体线路作为成型部件施加到载体表面上并永久地连接到载体。在这种情况下，导体线路可以通过机械和热方法并且借助于非导电层与载体结合。在最简单的情况下，导体线路彼此松散接触地与载体结合。
而且，使用热分离或冲压程序允许在早期检测到在导体线路的生产期间可能发生的制造误差。特别是与通过使用印刷技术制造的导体线路形成对比，在将它们与载体结合的工艺步骤之前检查导体线路成型部件的功能是可行的。例如，如果导体线路是单独的部件，则很容易向导体线路施加电压。通过这种方式，可以拒绝有缺陷的导体线路，并且这可以在将有缺陷的导体线路连接到载体之前完成，从而产生较少的废料，因此可以通过这种方式降低生产成本。
已经证明有利的是，由铂、耐高温钢、钽、铁素体FeCrAl合金、奥氏体CrFeNi合金、碳化硅、二硅化钼或钼基合金制造导体线路。
上述材料，特别是碳化硅(SiC)、二硅化钼(MoSi2)、钽(Ta)、耐高温钢或铁素体FeCrAl合金例如Kanthal(Kanthal是SANDVIK INTELLECTUAL PROPERTY AB 811 81，Sandviken，SE的注册商标)与贵金属如金、铂或银相比价格便宜，它们易于成型为可被用作红外面板辐射器生产中的半成品的导体线路成型体。特别地，它们可以作为金属板获得，利用该金属板可以容易且低成本地制造导体线路。而且，上述材料的优点在于它们在空气中是抗氧化的，使得覆盖导体线路以保护导体线路的附加层(覆盖层)不是强制性的。
每个导体线路区段的加热功率取决于电阻材料的具体电阻、导体线路区段的长度以及导体横截面积。通过调节长度和导体横截面积，可以容易且快速地调节导体线路区段的加热功率。
在这种情况下：导体线路区段的导体横截面积越大，其电阻越低，并且其在恒定电源电压下的单位面积功率越低。在恒定电源电压下的总电阻和电流是由串联连接的电阻之和产生的。使用相同横截面积的导体借助于较高的布设密度或通过增加电流密度或借助于较薄的导体横截面，可以产生较高的单位面积功率。
因此，特别有利的是，第一导体线路区段的导体线路的导体横截面积在0.01mm2至0.03mm2的范围内，第二导体线路区段的导体线路的导体横截面积在0.025mm2与0.5mm2之间。
显然，如果第一和第二导体线路区段的导体横截面积彼此相差至少25％，则可以取得关于通常用红外面板辐射器观察到的关于辐射强度的不均匀性的补偿的良好结果。优选地，第一和第二导体线路区段之间的导体横截面积的差异在30％至70％的范围内。小于0.01mm2的导体横截面积可能难以应用并且它们的机械粘附性差。超过0.5mm2的导体横截面积导致相对较低的电阻，并且因此需要相对较高的加热工作电流。
在0.01至0.5mm2的范围内的导体横截面积的特征是特别有利的电压/电流比，它们特别可以在1A至4.5A的电流下以100V至400V范围内的电压工作。
通过适当选择导体线路的形状可以改变导体线路的长度。关于尽可能均匀的温度分布，已经证明有利的是将导体线路设置为覆盖载体表面的线形图案，使得在导体线路的相邻区段之间保留了至少1mm、优选至少2mm的居间空间。
有利地，导体线路被作为线图案(线形图案，线路图案，Linienmuster)提供，该线图案的布设密度在25％至85％的范围内。
在小于25％的低布设密度下，导体线路可能由于温度分布的不均匀而在加热表面侧突出。将布设密度增加到85％以上，单位面积功率没有显著增加。第一和第二导体线路区段可以具有相同或不同的布设密度。布设密度可用于调节单位面积功率。在这种情况下，单位面积功率的调节可以通过适当选择布设密度和适当选择导体横截面积来进行。如果导体横截面积低或导体线路区段具有高布设密度，则获得具有较高单位面积功率的导体线路区段。如果导体线路区段的导体横截面积和它们的布设密度两者都不同，则可以非常精确地调节第一和第二导体线路区段的单位面积功率。
优选地，第一导体线路区段的布设密度最大为75％，第二导体线路区段的布设密度最大为85％。上述布设密度的第一和第二导体线路区段可以例如通过印刷容易且低成本地制造。
根据本发明的红外面板辐射器的一个优选细化方案，导体线路包括多个第一导体线路区段和多个第二导体线路区段，其中第一和第二导体线路区段依次交替。
设置多个连续的导体线路区段允许特别灵活地调节加热表面上的辐射强度并因此调节温度分布，从而可以防止形成所谓的“冷点”或“热点”。由于多个导体线路区段串联连接，因此实际上可以实现任何导体线路设计。
在第一导体线路区段与第二导体线路区段之间布置用于产生单位面积功率的梯度的第三导体线路区段是特别有利的。
导体线路区段对应于加热表面的以恒定的单位面积功率被加热的部分。第一和第二导体线路区段可以彼此紧邻或可以彼此相距一定距离。第一和第二导体线路区段之间的逐渐过渡有助于获得尽可能均匀的辐射功率和加热表面上均匀的温度分布。为此目的，第三导体线路区段可以布置在第一和第二导体线路区段之间，并且可以设计成使得它产生单位面积功率梯度。这提供了从第一导体线路区段的第一单位面积功率到第二导体线路区段的第二单位面积功率的连续过渡。在最简单的情况下，第三导体线路区段被适当地设计成使得第三导体线路区段中的单位面积功率从第一单位面积功率过渡到第二单位面积功率。
根据本发明的红外面板辐射器的一个优选细化方案，导体线路布设表面包括周边区域和中间区域，其中第一导体线路区段包括比第二导体线路区段高的单位面积功率并且被分配给周边区域，而第二导体线路区段被分配给中间区域。
显然，红外面板辐射器的周边区域通常具有比中间区域低的温度。这种现象的一个原因是，由于其空间布置，周边区域比中间区域更容易散热。因此，已经证明有利的是，特别地对周边区域分配具有可以补偿散热的较高单位面积功率的导体线路区段。例如，这可以通过包括较高布设密度或较低导体横截面积的外部区域来实现。
附加组分对载体的光学和热学特性起决定性作用。更具体地说，它在红外光谱范围内影响吸收，红外光谱范围是780nm与1mm之间的波长范围。对于该光谱范围内的至少一部分辐射，附加组分显示出高于基质组分的吸收。
基质中的附加组分的相区域充当光学缺陷并且导致例如复合材料在常温下对肉眼呈黑色或灰黑色，这视层的厚度而定。而且，所述缺陷还具有吸热效果。
存在于复合材料中的附加组分的类型和量优选适合于使得在复合材料中在600℃的温度下对于2μm与8μm之间的波长实现至少为0.6的发射率ε。在根据本发明的红外面板辐射器的一个特别优选的实施例中，附加组分的类型和量使得在处于1000℃的温度下的衬底材料中对于2μm与8μm之间的波长实现至少为0.75的发射率ε。
因此，载体材料对于2μm和8μm之间的热辐射、即在红外辐射的波长范围内的热辐射具有高的吸收和发射功率。这减少了载体表面的反射，使得在假设透射率可忽略不计地小的情况下，对于在2μm与8μm之间的波长，在高于1000℃的温度下，最终反射度最大为0.25，而在高于600℃的温度下最大为0.4。因此防止了由反射的热辐射引起的不可再现的加热，这有助于均匀或期望的不均匀温度分布。
如果附加组分作为附加组分相存在并且包含最大平均尺寸小于20μm但优选大于3μm的非球形形态，则可以获得特别高的发射率。
在这种情况下，附加组分相的非球形形态也有助于复合材料具有高机械强度和低形成裂缝的倾向。术语“最大尺寸”是指在显微照片中可见的附加组分相的隔离区域的最长延伸范围。上述平均值是显微照片中所有最长延伸范围的中值。
根据基尔霍夫热辐射定律，处于热平衡的实体的吸收率αλ和发射率ελ是相等的。
αλ＝ελ (1)
因此，附加组分导致载体材料发射红外辐射。如果光谱半球反射率Rgh和透射率Tgh是已知的，则可以如下计算发射率ελ：
ελ＝1-Rgh–Tgh (2)
在这种情况下，“发射率”应理解为“光谱标准发射程度”。它可以通过由J.Manara,M.Keller,D.Kraus,M.Arduini-Schuster发表于“DETERMINING THE TRANSMITTANCE ANDEMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATEDTEMPERATURES”《5th European Thermal-Sciences Conference,The Netherlands(2008)》中的名称为“黑体边界条件(Black-Body Boundary Conditions,BBC)”的测量原理来确定。
与不存在附加组分时相比，无定形的基质组分在复合材料中、即与附加组分结合具有较高的热辐射吸收。这导致从导体线路到载体的导热性提高，热分布更快，并且朝向载体的发射速率更高。通过这种方式，可以提供更高的单位面积辐射功率，并且即使对于薄的载体壁和/或在相对低的导体线路布设密度下也能产生均匀的发射和均匀的温度场。具有低壁厚的载体具有低热质量并允许快速的温度变化。为此不需要冷却。
附图说明
下面基于示例性实施例和附图更详细地说明本发明。在示意图中，
图1示出了具有导体线路的根据本发明的红外面板辐射器的第一实施例，该导体线路在周边区域中具有比在中间区域中高的布设密度；
图2示出了具有导体线路的根据本发明的红外面板辐射器的第二实施例，该导体线路在周边区域中包括比在中间区域中低的横截面积；
图3示出了根据本发明的红外面板辐射器的第三实施例以及热图像，该热图像显示了位于该红外面板辐射器的被布设导体线路的一侧上的衬底的温度分布；
图4示出了根据本发明的红外面板辐射器的第四实施例，其中具有交替的高电阻和低电阻的导体线路区段串联连接；
图5示出了具有由单一材料制成的载体的根据本发明的红外面板辐射器的第五实施例；
图6示出了具有包括三层材料的载体的根据本发明的红外面板辐射器的第六实施例；以及
图7示出了根据本发明的红外面板辐射器的第七实施例，其中载体包括带夹套的载体芯。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的红外面板辐射器的第一实施例的俯视图，其总体上被分配给附图标记100。红外面板辐射器100适合在用于生产柔性印刷电子器件(未示出)的装置中使用。它包括板形衬底(这是本发明范围内的载体)101、施加到衬底101的导体线路102、以及用于导体线路102的电接触的两个导体线路103a、103b。
板形衬底101由具有99.99％的化学纯度和0.25％的方英石含量的石英玻璃制成，其中添加的元素硅的量为总质量的5％。元素硅相以非球形区域的形式均匀地分布在石英玻璃中。Si相区域的最大平均尺寸(中值)在约1μm至10μm的范围内。板形衬底101的密度为2.19g/cm3，长度L为100mm，宽度B为100mm，厚度为2mm。板形衬底101肉眼看是黑色的。
嵌入的Si相不仅有助于衬底101的整体不透明度，而且还影响衬底101的光学和热特性。所述衬底在高温下显示出高的热辐射吸收和高发射率。
在常温下，使用积分球测量复合材料的发射率。这允许测量光谱半球反射率Rgh和光谱半球透射率Tgh，据此可以计算出标准发射率。升高的温度下的发射率是应用上述BBC测量原理借助于FTIR光谱仪(Bruker IFS66V傅立叶变换红外(FTIR))测量的，BBC样品室借助于附加光学系统联接到该FTIR光谱仪。在这种情况下，样品室在样品架前面和后面的半球中设置有恒温黑体环境，并且设置有带检测器的光束出口。在单独的炉中将样品加热到预定温度，并且为了测量，将样品转移到样品室的光束路径中，其中黑体环境被设定为预定温度。通过检测器检测到的强度包括发射、反射和透射部分，即样品本身发射的强度、从前半球入射到样品上并被样品反射的强度、以及从后半球入射到样品上并由样品传输的强度。需要进行三次测量以确定各个参数，即发射、反射和透射程度。
在2μm至约4μm的波长范围内在衬底101上测得的发射程度是温度的函数。温度越高，发射程度越高。在600℃下，在2μm至4μm的波长范围内的正常发射程度高于0.6。在1000℃下，在2μm至8μm的整个波长范围内的正常发射程度高于0.75。
导体线路102是通过将铂电阻浆料涂敷到板形衬底101的导体线路布设表面104并随后将其烧入而由该浆料生成的。导体线路102具有曲折的(迂回的，蜿蜒的)轮廓，并且包括两个导体线路区段105、106，其中第一导体线路区段105被分配给衬底101的周边区域，第二导体线路区段106被分配给衬底101的中间区域。为了能抵消衬底101的与对流相关的不均匀温度分布，分配给周边区域的导体线路区段105以比分配给中间区域的导体线路区段106更高的布设密度施加到衬底101。导体线路区段105的布设密度为80％，导体线路区段106的布设密度为40％，中间区域中相邻导体线路的距离b为4.2mm，周边区域中相邻导体线路的距离a为0.7mm。
导体线路区段105、106的特征在于横截面积为0.028mm2，宽度为2.8mm，厚度为10μm。
只要在其它图中示出的实施例中使用与图1中相同的附图标记，这些附图标记就表示与上面借助于图1的描述更详细地示出的部件和零件设计相同或相当的部件和零件。
图2示出了根据本发明的红外面板辐射器的第二实施例，其总体上被分配给附图标记200。红外面板辐射器200包括板形衬底101、施加到衬底101的导体线路202、以及两个导体线路103a、103b。
红外面板辐射器200与图1中已知的红外面板辐射器100的不同之处主要在于导体线路设计。关于衬底101，应参考图1的描述。
导体线路202是通过将铂电阻浆料涂敷到板形衬底101的顶面204并随后将其烧入而由该浆料生成的。导体线路202具有曲折的轮廓，并且包括两个导体线路区段205、206，其中第一导体线路区段205被分配给衬底101的周边区域，第二导体线路区段206被分配给衬底101的中间区域。为了能抵消衬底101上的与对流相关的不均匀温度分布，分配给周边区域的导体线路区段205包括比分配给中间区域的导体线路区段206高的电阻。导体线路区段205的横截面积为0.02mm2，宽度为0.02mm，厚度为10μm。导体线路区段206的横截面积为0.028mm2，宽度为2.8mm，厚度为10μm。
中间区域中相邻导体线路的距离b为4.18mm，而周边区域中相邻导体线路的距离为4.98mm。然而，导体线路宽度(和因此导体横截面积)在中间区域206中比在周边区域205中大，使得区段205、206不具有均匀的导体线路布设密度。相对于被布设透视导体线路的载体表面积，中间区域206中的布设密度为40％，周边区域中为28.8％，载体表面积由以灰色背景示出的表面区域205a(对于周边区域205的载体表面积)和206a(对于中间区域206的载体表面积)表示。
图3示出了根据本发明的红外面板辐射器的第三实施例，其总体上被分配给附图标记300。红外面板辐射器300包括通过图1更详细描述的类型的衬底101。该衬底101上施加有导体线路302，该导体线路302在端部设置有导体线路303a、303b。导体线路302设计用于产生温度梯度。
为此目的，施加到衬底101的表面304上的导体线路302被适当地设计成使得相邻导体线路的距离x0至x22在箭头310的方向上持续减小，使得布设密度增加，如在箭头310的方向上看到的。第一导体线路端部区段321中的布设密度为40％，布设密度在第二导体线路端部区段322中持续地增加至91％。
导体线路302通过丝网印刷产生，如下面基于图5的示例性实施例更详细地示出的。在箭头310的方向上看，导体线路302具有曲折的轮廓。导体线路区段302的横截面积为0.02mm2，宽度为0.1mm，厚度为20μm。
红外面板辐射器300可以在设计用于以卷到卷程序(R2R程序)生产柔性印刷电子器件的装置(未示出)中使用。在该装置中，红外面板辐射器300被适当地布置成使得输送方向(从卷到卷)对应于箭头310的方向。结果，在照射开始时按需提供低功率，例如用于干燥印刷电子器件。由于红外面板辐射器300的布设密度在输送方向上增大，所以在传送过程中，加热物品按需以稳定增大的照射功率被照射，直到它在照射过程结束时暴露于高功率，例如，用于印刷电子器件的烧结。照射过程开始时的照射功率为50kW/m2并且连续地增大为在结束时达到150kW/m2。
该梯度也反映在红外面板辐射器300的加热表面上的温度分布中。图3B示出了红外面板辐射器300的加热表面上的温度分布的图表400。加热表面的温度在箭头310的方向上随着布设密度的变化而持续地增大，并且从在红外面板辐射器300的左场中大约550℃的平均温度开始直到在红外面板辐射器300的右场中760℃的温度。
图4示出了根据本发明的红外面板辐射器的第四实施例，其总体上被分配给附图标记500。红外面板辐射器500包括板形衬底101，该衬底上通过丝网印刷施加有导体线路502，如在下面描述的图5的示例性实施例中所示。
关于衬底101，应参考图1的描述。与图1的衬底100不同的是，它的长度l为200mm，宽度b为100mm，厚度为2mm。
导体线路502包括五个串联连接的导体线路区段，它们用参考字母A至E表示。导体线路区段B、D的设计相同，它们的横截面积为0.01mm2，宽度为0.05mm，厚度为20μm。导体线路区段A、E在设计上也是相同的，并且它们的横截面积为0.02mm2，宽度为0.1mm，厚度为20μm。导体线路区段C具有与区段A、E相同的导体线路宽度和相同的导体横截面积，仅长度与区段A、E的长度不同。区段B的导体线路布设密度与区段D相同，但这些区段中的导体线路宽度仅为其它区段A、E和C的一半。因此，区段B和D中的导体线路布设密度仅为其它区段的50％。
图5示出了根据本发明的红外面板辐射器600的实施例，其具有衬底603、导体线路601、以及覆盖导体线路601的覆盖层602，该导体线路601具有施加到衬底603的五个导体线路区段。
衬底603由与图1中的板状衬底101相同的材料制成。应参考在图1的上下文中提供的相关解释。制造衬底603的复合材料是电绝缘体。它包括石英玻璃形式的基质组分。元素硅的相以非球形区域的形式均匀地分布在基质中，占5％的重量分数。硅相区域的最大平均尺寸(中值)在约1μm至10μm的范围内。该复合材料是气密的，它的密度为2.19g/cm3，并且在空气中在约1150℃的温度以内是稳定的。该复合材料在高温下显示出高的热辐射吸收和高发射率。这随着温度变化。在600℃下，在2μm至4μm的波长范围内的正常发射程度高于0.6。在1000℃下，相同波长范围内的正常发射程度高于0.75。
导体线路601由铂浆料制成，该铂浆料借助于丝网印刷被施加到衬底603上并随后被烧入。由石英玻璃制成的薄覆盖层602被施加到导体线路601。由SiO2制成的所述覆盖层通过使用厚膜程序的丝网印刷施加，并且具有20-50μm的平均层厚度。该层没有裂缝和细孔，以保护铂免受腐蚀性攻击。
只要在图6和7中示出的实施例中使用与图5中相同的附图标记，这些附图标记就表示与前面借助于图5的描述更详细地示出的的部件和零件设计相同或相当的部件和零件。
图6示出了根据本发明的红外面板辐射器700的另一实施例。红外面板辐射器700与图5中的红外面板辐射器600的不同之处在于其衬底成分。衬底705由两种材料制成，这两种材料以层的形式彼此连接。平均层704由具有高发射率的导电材料即SiC组成。由于其导电性，导体线路601不能直接放置在层704上。由于该原因，层704在其顶侧和底侧均被由石英玻璃制成的层703覆盖。层703的层厚度不同。
图7示出了根据本发明的红外面板辐射器的第七实施例，其总体上被分配给附图标记800。红外面板辐射器800包括衬底805，衬底805由与图6中的衬底705相同的材料组成。材料704形成由一层材料703围绕的衬底芯。

Claims (11)

1.一种红外面板辐射器，它包括载体，该载体具有加热表面并具有由导电的电阻材料制成的导体线路，该电阻材料在电流流过其中时发热并且被施加到所述载体的导体线路布设表面，其中所述导体线路包括用于产生第一单位面积功率的第一导体线路区段和用于产生与所述第一单位面积功率不同的第二单位面积功率的第二导体线路区段，其特征在于，所述载体包含复合材料，所述复合材料包括无定形的基质组分和半导体材料形式的附加组分；以及，所述第一导体线路区段和所述第二导体线路区段串联连接并且在它们的布设密度和/或它们的导体横截面积方面彼此不同。
2.根据权利要求1所述的红外面板辐射器，其特征在于，所述载体完全由所述复合材料制成，其中该复合材料为电绝缘体。
3.根据权利要求1所述的红外面板辐射器，其特征在于，所述复合材料至少在所述导体线路布设表面的区域中被涂覆有由电绝缘材料制成的层。
4.根据前述权利要求中任一项所述的红外面板辐射器，其特征在于，所述附加组分的重量份额在1％至5％的范围内，优选在1.5％至3.5％的范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的红外面板辐射器，其特征在于，所述导体线路以烧制的厚膜层的形式提供，或者作为成型部件施加到所述载体的表面上，以使得所述导体线路和所述载体永久地彼此连接。
6.根据前述权利要求中任一项所述的红外面板辐射器，其特征在于，所述导体线路是作为线图案被提供的，该线图案具有范围为25％至85％的布设密度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的红外面板辐射器，其特征在于，所述第一导体线路区段中的导体线路具有范围为0.01-0.03mm2的导体横截面积，所述第二导体线路区段中的导体线路具有范围为0.025-0.5mm2的导体横截面积。
8.根据前述权利要求中任一项所述的红外面板辐射器，其特征在于，所述导体线路包括多个第一导体线路区段和多个第二导体线路区段，其中第一和第二导体线路区段依次交替。
9.根据前述权利要求中任一项所述的红外面板辐射器，其特征在于，在所述第一导体线路区段与所述第二导体线路区段之间布置有用于产生单位面积功率的梯度的第三导体线路区段。
10.根据前述权利要求中任一项所述的红外面板辐射器，其特征在于，所述导体线路布设表面包括周边区域和中间区域，其中所述第一导体线路区段具有比第二导体线路区段更高的单位面积功率并且被分配给所述周边区域，所述第二导体线路区段被分配给所述中间区域。
11.根据前述权利要求中任一项所述的红外面板辐射器，其特征在于，所述加热表面具有范围为200kW/m2至250kW/m2的照射功率。
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