CN109844902B - 红外辐射器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种红外辐射器，该红外辐射器具有由石英玻璃构成的套管，该套管包围作为发出红外辐射的元件的热丝，该热丝通过电流通路在套管外与电联接部连接。为了改善寿命和功率密度，根据本发明提出，热丝包括载体板，该载体板具有由电绝缘材料构成的表面，所述表面被敷设有由在电流流经时发热的材料构成的导体线路。

Description

红外辐射器
技术领域
本发明涉及一种红外辐射器，该红外辐射器具有由石英玻璃构成的套管，该套管包围作为发出红外辐射的元件的热丝，该热丝通过电流通路在所述套管外与电联接部连接。
在本发明范畴中的红外辐射器呈现出二维或三维辐射特性；该红外辐射器例如用于塑料的聚合或漆的硬化或使被加热物品上的颜料干燥，还用于在半导体或光伏产业中的半导体晶片的热处理。
背景技术
已知的红外辐射器在由玻璃构成的套管中具有作为热导体或热丝的螺旋形的电阻丝或电阻带。该电阻丝或电阻带不与套管接触、或基本上不与套管接触。从电阻丝至套管的热传递主要通过热辐射实现。也被称为热丝的热导体作为被电流流过的灯丝、热丝或螺旋形丝用在白炽灯、红外辐射器或炉子中，并且通常以长形延伸的形状作为平的或围绕其纵轴线扭转或螺旋卷曲的带材存在。基于碳纤维的热丝在同时具有较高电阻的情况下呈现出良好的机械稳定性，并且该热丝允许较快的温度变化。
在这种类型的红外辐射器中，由电阻材料构成的电阻元件形成辐射器的发出实际的红外辐射的元件。由石英玻璃构成的套管对于红外辐射来说基本上是可穿透的，使得由电阻元件发出的辐射在无大的辐射损失的情况下被传递到被加热物品。
在电特性方面应当特别重视热丝的电阻。一方面，电阻应当即使在负荷下也随时间的推移而保持恒定，另一方面，电阻应当尽可能地高，以便短的热丝长度同样能在常规电压(例如230V)下运行。
对于带状热丝，名义电阻原则上可通过横截面来调节，尤其可通过带材的厚度来调节。然而，由于机械强度和预定的最低寿命，带材厚度的减小是有限制的。尤其当热丝在使用中被施加高机械负载时，例如对于1m或更长的长辐射长度，这种限制便很明显了。
例如由DE 100 29 437 A1已知具有带状的碳热丝的红外辐射器。螺旋形的碳带与由石英玻璃构成的套管的壁间隔开并且沿着该套管的中轴线布置。在碳带的端部处设置有具有端子接线片的接触部，其穿过套管的夹紧区域延伸至外部的电联接部。套管的内部在装配时被抽真空，以避免由于氧化引起的加热元件电阻变化。由于螺旋形碳带的表面积大，所以碳辐射器的功率密度比具有金属加热元件的红外辐射器更高。就此而言，该碳辐射器原则上还适合于其中辐射器长度被限制为小于一米的应用。然而问题在于，由于所述带呈螺旋形而使辐射特性并不是完全均匀的，而是存在有功率密度更高的区域(所谓的热点)和功率密度更低的区域(冷点)。这一点在其尤其被用于面辐射器时必须通过以下方式被加以考虑：通过与被辐射物品的更大的间距实现更高的辐射均匀性。然而，该措施影响到到辐射器的效率成本。
除了具有碳热丝的红外辐射器之外，还已知具有所谓的
Figure BDA0002001105030000021
(康泰尔)加热元件的辐射器。该辐射器显示出宽带的红外光谱并且一般在直至1000℃的温度下运行。辐射特性中缺乏均匀性的缺点类似于针对具有碳热丝的辐射器描绘的缺点。
例如，由US3699309已知具有康泰尔丝的红外加热器。康泰尔丝位于由玻璃构成的套管中，并且支撑到由陶瓷纤维材料(Al2O3–SiO2)构成的具有半圆形横截面的柱状杆上。通过该支撑避免康泰尔丝的“热点”。其缺点在于，红外辐射器的辐射区域不再与套管周向相对应地沿周向延伸360°，而是减少了与支撑杆的康泰尔丝接触的区域。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种红外辐射器，该红外辐射器具有单位面积的高辐射功率，尤其具有高表面比电阻/表面电阻，使得该红外辐射器还可在1m或更短的短辐射长度的情况下以工业上通常的230V的电压运行，并且在此情况下具有长的寿命。
基于开头所述类型的红外辐射器，上述目的根据本发明以如下方式实现：热丝包括载体板，该载体板具有由电绝缘材料构成的表面，所述表面敷设有由在电流流经时发热的材料构成的导体线路。
本发明所基于的发明思想是：提出一种在由石英玻璃构成的套管中的红外辐射器，其中热丝由具有由电绝缘材料构成的表面的载体板形成。在此，或者是载体板本身由电绝缘材料形成，使得其整个表面是电绝缘的。载体板借助于至少在一侧施加在载体板的表面上的、在电流流经时发热的导体线路发射出在红外光谱范围中的激发的辐射。载体板的光特性和热特性引起在红外光谱范围中的吸收，该红外光谱范围是在780nm和1mm之间的波长范围。因此，载体板的由导体线路加热的部分形成实际的发出红外辐射的元件。
替代地也可以是，仅仅表面的部分区域电绝缘地形成，例如通过电绝缘材料形成，该电绝缘材料以表面层的形式施加到载体板上。在这种情况下，导体线路仅仅被敷设在表面的或者说表面层的电绝缘的区域中。以这种方式可局部优化作为发出红外辐射的元件的载体板的辐射特性。
由于与载体板相结合的导体线路直接接触其表面，所以得到特别紧凑的红外辐射器。由于发出红外辐射的元件的紧凑的结构方式，能以高的辐射密度对小面积进行局部的针对性照射。
与根据现有技术的、其中由电阻材料构成的电阻元件形成辐射器的实际热丝的红外辐射器不同，在根据本发明的红外辐射器中，在此呈导体线路形式的电阻元件用于加热另一构件，该另一构件在此被称为“基板”或“载体板”。从导体线路至载体板的传热首选通过热传导实现；但传热也可以基于对流和/或热辐射实现。
由于被安装到套管中，根据本发明的红外辐射器在其使用时得到保护从而不受其环境、例如氧化氛围的影响。在辐射特性相对均匀的情况下得到高的辐射功率，该辐射特性基本上不受环境影响。此外，具有套管的该实施方式使得辐射器的安装以及可能的维护更为容易。
根据本发明的红外辐射器的一优选实施方式在于，被敷设在载体板上的导体线路的材料是非贵金属。
由非贵金属材料构成的导体线路的材料的特征在于，在小的面积上提供高的电阻率，这样便在相对小的电流流经时引起高的温度。与具有大份额的贵金属——例如铂、金或银——的导体线路相比，由非贵金属构成的导体线路材料明显成本更低，并且不会由此带来在导体线路的电特性方向的损失。
载体板连同施加在其上的热导体被安装到由石英玻璃构成的套管中，由此通过以下方式延长导体线路的寿命：避免了由于局部的环境条件而对导体线路造成的基于化学和/或机械的侵蚀作用。由非贵金属或非贵金属合金构成的导体线路对这些侵蚀作用特别敏感。
有利地，导体线路的材料含有以下物质中的一种或多种：钨(W)、钼(Mo)、碳化硅(SiC)、二硅化钼(MoSi2)、硅化三铬(Cr3Si)、多晶硅(Si)、铝(Al)、钽(Ta)、铜(Cu)和耐高温钢。这种类型的导体线路材料具有在50欧姆/sq(Ohm/□)至约100欧姆/sq(Ohm/□)的范围中的方块电阻/膜电阻(也称为表面比电阻)。这一组材料由于其相应的电学性质和热学性质而能实现其用于根据本发明的红外辐射器的载体板的热激发的功能，并且能成本有利地制成。
此外，已被证明可行的是，载体板包括至少两个材料层。在此，载体板可包括基底材料层和表面材料层，其中，这两个材料层可在其电阻方面彼此不同，或在电阻相同的情况下具有不同的辐射发射率。因此，可以针对作为发出红外辐射的元件的载体板的使用对其光学性质和热学性质、因此对其辐射特性进行优化。当然，有利的实施方式不限于上下堆叠的双层系统。同样，材料层也可以相邻布置或并排布置。
关于载体板的材料已经证实可行的是，该材料包括复合材料，所述复合材料包括基质组分以及呈半导体材料形式的额外组分/添加组分。
载体板的材料可被热激发，并且包括复合材料，该复合材料包括基质组分和作为额外组分的半导体材料。载体板的光学性质和热学性质引起在红外光谱范围中的吸收。合适的基质组分包括氧化材料或氮化材料，在其中掺入半导体材料作为额外组分。
就此而言有利的是，基质组分为石英玻璃，优选地，所述基质组分具有至少99.99％的SiO2的化学纯度及不超过1％的方英石含量。
石英玻璃具有如上所述的优点，即良好的耐腐蚀性、耐高温性和耐温度变化性能，并且可获得高纯度的石英玻璃。因此，即使在温度高达1100℃的高温热处理过程中，石英玻璃也适合作为基质材料或载体板材料。不需要冷却。
通过基质的1％或更少的低方英石含量确保了反玻璃化倾向较低、并由此在使用中确保了开裂风险较低。由此还满足了在半导体制造方法中通常存在的关于无颗粒、纯度及惰性的高要求。
载体板材料的热吸收与额外组分的份额有关。因此，额外组分的重量份额应优选至少0.1％。另一方面，额外组分的高体积份额会对基质的化学性质及机械性质产生有害影响。有鉴于此，额外组分的重量份额优选处于0.1％至5％之间的范围内。
在红外辐射器的一种优选实施方式中，额外组分含有呈元素形式、优选元素硅形式的半导体材料。
半导体包括价带及传导带，价带和传导带通过具有不超过ΔE≈3eV的宽度的禁区/禁带来彼此分隔开。半导体的导电能力取决于多少来自价带的电子能够跨越禁带到达传导带。基本上，在室温下，仅少数电子可跨越禁带并到达传导带，因此半导体在室温下通常仅具有较低的导电能力。但半导体导电能力的大小主要取决于其温度。若半导体材料的温度升高，则存在足以将来自价带的电子提升至传导带的能量的概率亦增大。因此，半导体的导电能力随温度升高而增大。因此，在足够高的温度下，半导体材料展现出良好的导电能力。
在基质中，半导体相的细颗粒区域一方面作为光学缺陷起作用并引起载体板的材料取决于厚度在室温下视觉上呈黑色或灰黑色。在另一方面，光学缺陷还影响载体板材料的整体热吸收。这主要是因为由以元素形式存在的半导体构成的细颗粒相的性质，据此，一方面在价带和传导带之间的能量(带隙能量)随着温度降低，另一方面在足够高的激活能量下电子从价带升到传导带中，这带来吸收系数的显著提升。该传导带的热活化状态使得半导体材料可以在室温下针对特定的波长(例如自1000nm起)在某种程度上是可透射的，而在高温下则变为不可透射的。因此，随着载体板的温度上升，吸收和发射率可能阶跃式地增大。该效应尤其取决于半导体的结构(无定形的/结晶态的)和掺杂。纯硅例如自约600℃起显示出显著的发射提升，其自约1000℃起达到饱和。
载体板的材料的光谱发射率ε在600℃的温度下对2μm与8μm之间的波长为至少0.6。
根据基尔霍夫热辐射定律，热平衡中的实体的光谱吸收率αλ及光谱发射率ελ相等。
αλ＝ελ (1)
因此，半导体组分导致基板材料发射红外辐射。若已知光谱半球反射率Rgh及透射率Tgh，则可按下式计算发射率ελ：
ελ＝1-Rgh–Tgh (2)
在此，“光谱发射率”应理解为“标准的/正常的光谱发射率”。这可以通过J.Manara,M.Keller,D.Kraus,M.Arduini-Schuster发表于“DETERMINING THETRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS ATELEVATED TEMPERATURES”《5th European Thermal-Sciences Conference,TheNetherlands(2008)》中的标题为“黑体边界条件(Black-Body Boundary Conditions,BBC)”的文章中的测量原理来确定发射率。
因此，半导体材料，特别是优选使用的元素硅使玻璃基质材料变黑，也就是说在室温下，但在例如600℃以上的升高温度下也使玻璃基质材料变黑。因此，在高温下实现了在宽频、高发射方面的良好辐射特性。在此，半导体材料，优选为元素硅形成了分散于基质中原本的Si相。Si相可包含有多种半金属或金属(然而金属分别相对于额外组分的重量份额最高为50wt.％，优选不多于20wt.％)。在此，载体板材料没有开孔孔隙率，而且在任何情况下闭孔孔隙率小于0.5％，载体板材料的密度为至少2.19g/cm3。因此，其适合于如下的红外辐射器：其中载体板的纯度或气密性很重要。
为了被用作根据本发明的红外辐射器的发出红外辐射的材料，载体板材料被敷设有导体线路，该导体线路优选实施为烧入/烧结的厚膜层。
这种厚膜层由电阻印刷膏借助于丝网印刷产生、或由含有金属的油墨借助于喷墨印刷产生，接下来在高温下被烧入。
在尽可能均匀的温度分布方面已经证实有利的是，导体线路实施为覆盖载体板的面的线条式样，使得在相邻的导体线路区段之间留有至少1mm、优选至少2mm的间隙。
载体板材料的高吸收能力使得即使在加热面的导体线路敷设密度较低的情况下也能实现均匀的辐射。低敷设密度的特征在于，在相邻的导体线路区段之间的最小间距为1mm或更大，优选为2mm或更大。在导体线路区段之间的大间距避免了闪络/跳火，这种闪络尤其在真空下在以高电压运行时可能出现。导体线路例如以螺旋形或回形的线条式样伸延。
对于降低对导体线路的材料的可能的侵蚀作用优选的是，载体板连同设置在其上的导体线路在真空条件下或在保护气氛围的条件下被保持在套管中，该保护气氛围包括以下气体中的一种或多种：氮气、氩气、氙气、氪气或氘气。
根据本发明的红外辐射器特别适合于真空运行，但在个别情况下在石英玻璃套管中包围载体板的保护气氛围便足以避免导体线路材料的氧化变化。
在根据本发明的红外辐射器的一种优选的设计方案中规定，多个导体线路被施加在载体板上，这多个导体线路能分别被单独地电气操控。
多个导体线路的设置实现了对利用红外辐射器所能实现的辐射通量密度的单独操控和调整。一方面，通过合适地选择相邻的传导电路区段的间距可调节载体板的辐射功率。在此，载体板的区段被不同程度地加热，以发出具有不同辐射通量密度的红外辐射。改变施加在相应的导体线路上的运行电压或运行电流也能够实现对载体板中温度分布的简单、快速的调整。
此外，本发明的一种有利的设计方案在于，多个载体板连同导体线路被布置在套管中，所述载体板能分别被单独地电操控。本发明的该实施方式能够实现与被加热物品的几何结构匹配的辐射器变体。因此，可在唯一的套管中通过彼此紧靠地排列多个载体板例如实现一个面板辐射器，其在各部分区域中通过单独操控载体板而具有不同的辐射强度。
此外，已经证实可行的是，套管在部分区域中具有由不可被透射的高反射性石英玻璃构成的覆层。为了构造缝隙辐射器，尤其有利的是，该覆层在套管的周向上覆盖一角度区间，所述角度区间为180°至330°。这种覆层反射热丝的红外辐射，并且因此对于被加热物品而言改善了红外辐射的效率。也被称为反射层的覆层由不可被透射的石英玻璃构成，并且具有1.1mm的平均层厚度。该覆层的特征在于无裂纹和约2.15g/cm3的高密度，并且在直至1100℃以上的温度下具有热稳定性。覆层优选覆盖套管的周向的330°的角度区间，由此空出了套管的条形形状的、长形的部分区域，该部分区域可被红外辐射透射。该构造方案以简单的方式实现了所谓缝隙辐射器的制造。
附图说明
下面借助实施例进一步阐述本发明。其中，
图1以示意图示出红外辐射器的部分视图，该红外辐射器安装在由石英玻璃构成的套管中，
图2示出套管与根据本发明的红外辐射器的横截面，
图3示出一图表，其中与具有康泰尔丝的传统辐射器相对比地示出了根据本发明的红外辐射器的辐射特性。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的红外辐射器的第一实施方式，给该红外辐射器整体上分配一附图标记100，该红外辐射器安装在由石英玻璃构成的套管101中。套管101具有纵轴线L。图1以部分视视图出了红外辐射器100，该红外辐射器具有载体板102、导体线路103、以及用于电接通导体线路103的两个接触区域104a、104b。
在接触区域104a、104b上焊接有薄丝105a、105b，所述薄丝延伸至在套管101的联接座108中的夹紧部107中的接触面106a、106b。薄丝105a、105b在5mm的长度区段上具有弹簧丝线圈115a、115b，以便在高运行温度下补偿薄丝的纵向热膨胀。
接触丝109a、109b在联接座108中向外延伸，接触丝同样通过焊接与在夹紧部107中的接触面106a、106b连接。
在套管101的内部存在负压(真空)，或利用惰性气体在套管中产生非氧化性的氛围，从而避免由非贵金属构成的导体线路103氧化。
载体板102包括复合材料，该复合材料具有呈石英玻璃的形式的基质组分。元素硅形成的相以非球形区域的形式均匀地分布在基质组分中。基质在视觉上半透明至透明。在显微镜检查中，基质没有开放的孔，并且在任何情况下具有的闭孔的最大尺寸平均小于10μm。元素硅形成的相以非球形区域的形式均匀地分布在基质中。该相的重量份额为5％。硅相区域的最大尺寸平均(中值)在约1μm至10μm的范围中。复合材料是气密的，它具有2.19g/cm3的密度，在直到约1150℃的温度的空气中是稳定的。掺入的硅相一方面有助于复合材料整体的不可被透射性，并且硅相影响复合材料的光学和热学性质。该复合材料在高温下显示出热辐射的高吸收性和高的发射率。载体板102呈黑色，并且具有100mm的长度l、15mm的宽度b和2mm的厚度。
在载体板102的复合材料处测得的、在2μm至约4μm的波长范围中的发射率取决于温度。温度越高，发射越高。在600℃时，在2μm至4μm的波长范围中的标准的发射率高于0.6。在1000℃时，在2μm和8μm之间的整个波长范围中的标准的发射率高于0.75。
导体线路103回形地构造。用于导体线路103的材料主要包括非贵金属材料——例如钨和钼——或多晶硅，其中，具有相应布局的导体线路借助于可丝网印刷的印刷膏施加到载体板102上并且被烧入。
在根据本发明的红外辐射器的一替代设计方案中，载体板102包括由呈由深灰色至黑色的陶瓷构成的材料，该陶瓷由氮化硅(Si3N4)或碳化硅(SiC)构成。在具有由SiC构成的基础材料层的载体板中，在表面上施加有由SiO2构成的表面层，该表面层相对于金属导体线路电绝缘。
呈深棕色或深灰色的玻璃陶瓷(例如
Figure BDA0002001105030000101
)同样适合作为载体板材料；同样适合的是，由玻璃碳构成的载体板，例如由材料
Figure BDA0002001105030000102
构成的板。
用于载体板102的另一替代材料是聚酰亚胺塑料，其可加热到高达400℃的温度。恰恰对于需要特别快的接通时间(几秒)的应用，由具有低的热质量的聚酰亚胺膜构成的载体板很有利。同样，在作为载体板102的聚酰亚胺膜中施加有由非贵金属构成的导体线路103。通过安装到由石英玻璃构成的套管中可实现在非氧化氛围中的运行。
图2示出了垂直于套管101的纵轴线L的横截面，在套管中布置有红外辐射器。在套管101的外周面上在与载体板102长度对应的长度上施加有由石英玻璃构成的反射层200，该反射层覆盖周向上的330°范围。由此得到所谓的缝隙辐射器，该缝隙辐射器具有在套管上的窄长形的开放面，经该开放面使得由载体板发出的红外辐射能向外射出。
图3以与具有康泰尔丝的红外辐射器(曲线B)相对比的方式示出根据本发明的红外辐射器(曲线A)的功率谱。在这种情况下，根据本发明的红外辐射器的载体板由复合材料形成，该复合材料由呈石英玻璃形式的基质组分和均匀分布在基质组分中的硅元素相构成，如上文详细说明的那样。在这种情况下，导体线路材料为钨。在红外辐射器的载体板上的导体线路的温度被调节到1000℃。具有康泰尔丝的对比辐射器同样在约1000℃的温度下运行。如图所示，与用曲线B示出的对比辐射器相比，根据本发明的红外辐射器在1500nm至约5000nm的波长范围中、曲线A的最大值提高了约25％的功率。

Claims (16)

1.一种红外辐射器，该红外辐射器具有由石英玻璃构成的套管(101)，该套管包围作为发出红外辐射的元件的热丝，该热丝通过电流通路在所述套管外与电联接部连接，其特征在于，所述热丝包括载体板(102)，该载体板具有由电绝缘材料构成的表面，所述表面被敷设有导体线路(103)，所述导体线路由在电流流经时发热的材料构成，所述载体板(102)包括复合材料，所述复合材料包括基质组分以及呈半导体材料形式的额外组分。
2.根据权利要求1所述的红外辐射器，其特征在于，所述导体线路(103)的材料是非贵金属。
3.根据权利要求1或2所述的红外辐射器，其特征在于，所述导体线路(103)的材料含有以下物质中的一种或多种：钨(W)、钼(Mo)、碳化硅(SiC)、二硅化钼(MoSi2)、硅化三铬(Cr3Si)、铝(Al)、钽(Ta)、多晶硅(Si)、铜(Cu)和耐高温钢。
4.根据权利要求1或2所述的红外辐射器，其特征在于，所述载体板(102)包括至少两个材料层。
5.根据权利要求1所述的红外辐射器，其特征在于，所述基质组分为石英玻璃。
6.根据权利要求1所述的红外辐射器，其特征在于，所述基质组分具有至少99.99％的SiO2化学纯度及不超过1％的方英石含量。
7.根据权利要求1所述的红外辐射器，其特征在于，所述额外组分含有呈元素形式的半导体材料。
8.根据权利要求1所述的红外辐射器，其特征在于，所述额外组分含有元素硅。
9.根据权利要求1所述的红外辐射器，其特征在于，所述额外组分的类型和量使得在所述载体板(102)中在600℃的温度下对于在2μm和8μm之间的波长产生至少0.6的光谱发射率ε。
10.根据权利要求1或2所述的红外辐射器，其特征在于，所述载体板(102)具有小于0.5％的闭孔孔隙度和至少2.19g/cm3的密度。
11.根据权利要求1或2所述的红外辐射器，其特征在于，在所述载体板(102)上设有多个导体线路(103)，所述多个导体线路能分别被单独地电操控。
12.根据权利要求1或2所述的红外辐射器，其特征在于，多个载体板(102)连同导体线路(103)被布置在套管(101)中，这些载体板(102)中的每一个能被单独地电操控。
13.根据权利要求1或2所述的红外辐射器，其特征在于，所述载体板(102)连同设置在其上的导体线路(103)在真空条件下或在保护气氛围中被保持在所述套管(101)中，该保护气氛围包括以下气体中的一种或多种：氮气、氩气、氙气、氪气或氘气。
14.根据权利要求1或2所述的红外辐射器，其特征在于，所述导体线路(103)为烧入的厚膜层。
15.根据权利要求1或2所述的红外辐射器，其特征在于，所述套管(101)在部分区域中具有由不可被透射的高反射性石英玻璃构成的覆层(200)。
16.根据权利要求15所述的红外辐射器，其特征在于，在套管(101)的周向上以一角度区间施加所述覆层(200)，所述角度区间为180°至330°。
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