CN109845397A - 红外线加热器 - Google Patents

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Hokkaido University NUC
NGK Insulators Ltd
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Abstract

红外线加热器(10)具备加热器主体(11)和壳体(50)。加热器主体(11)具备发热体(13)和超材料结构体(30)，当从发热体(13)输入有热能时，所述超材料结构体(30)能够辐射具有非普朗克分布的峰值波长的红外线。壳体(50)具有供加热器主体(11)配置、且能够进行减压的内部空间(53)。另外，壳体(50)具有红外线透过板(54)，该红外线透过板(54)能够使得来自超材料结构体(30)的红外线向壳体(50)的外部透过。

Description

红外线加热器
技术领域
本发明涉及红外线加热器。
背景技术
以往，作为红外线加热器，已知有各种结构。例如，专利文献1中记载了一种面状加热器，其具备支撑板、以及卷绕于支撑板的条带状的发热体。另外，专利文献2中记载了一种红外线加热器，其具备发热体以及微腔形成体，所述微腔形成体形成有至少表面由导电体构成的微腔。对于专利文献2所记载的红外线加热器而言，吸收了来自发热体的能量的微腔形成体辐射出具有非普朗克分布的峰值波长的红外线。由此，能够向对象物辐射出特定波长区域的红外线。需要说明的是，如该微腔形成体这样辐射出特定波长区域的红外线的结构体被称为超材料结构体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2006-261095号公报
专利文献2：日本特开2015-198063号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在如专利文献2那样使用了超材料结构体的红外线加热器中，特定波长区域以外的波长区域中的红外线的辐射率较低。因此，使用了超材料结构体的红外线加热器与例如专利文献1那样未使用超材料结构体的通常的红外线加热器相比，在输入有相同电力的情况下，红外线加热器自身的温度容易升高。并且，存在下述问题:因温度容易升高而容易在红外线加热器和周围的气体之间产生对流热传导，对流损失增大而容易导致能效下降。
本发明是为了解决这种课题而完成的，其主要目的在于，进一步提高使用了超材料结构体的红外线加热器的能效。
用于解决课题的手段
为了达成上述主要目的，本发明采用了以下手段。
本发明的红外线加热器具备:
加热器主体，所述加热器主体具有发热体和超材料结构体，当从所述发热体输入有热能时，所述超材料结构体能够辐射具有非普朗克分布的峰值波长的红外线；
壳体，其具有供所述加热器主体配置、且能够进行减压的内部空间，所述壳体具有能够使得来自该超材料结构体的红外线向该壳体的外部透过的红外线透过部。
对于上述红外线加热器而言，具有发热体和超材料结构体的加热器主体配置于壳体内的能够减压的内部空间内。因此，通过使内部空间形成为减压状态而使用该红外线加热器，例如与内部空间为常压的情况相比，能够减弱从加热器主体向内部空间内的对流热传导，从而能够抑制对流损失。因此，能够进一步提高红外线加热器的能效。此处，超材料结构体可以设为具有最大峰值比普朗克分布的峰值更陡峭的辐射特性的结构体。需要说明的是，“比普朗克分布的峰值更陡峭”意味着“与普朗克分布的峰值相比而半峰全宽(FWHM:full width at half maximum)更窄”。
本发明的红外线加热器可以具备红外线反射部，所述红外线反射部配置为与所述加热器主体分离，并能够将红外线向所述加热器主体侧和对象物侧的至少一侧反射。如此，能够通过反射而将从加热器主体辐射的红外线的能量的至少一部分输入至加热器主体和对象物的至少一者，从而能效得到进一步提高。在该情况下，所述红外线反射部可以位于所述壳体中的在所述内部空间露出的内周面。
在具备红外线反射部的本发明的红外线加热器中，所述壳体可以由能够使得红外线透过的红外线透过部件构成，所述红外线反射部可以配设于所述壳体的外侧。即便如此，也能够通过反射而将从加热器主体辐射的红外线的能量至少一部分输入至加热器主体和对象物的至少一者。在该情况下，所述红外线反射部可以配设于所述壳体的外周面。
在本发明的红外线加热器中，所述加热器主体可以具备低辐射层，所述低辐射层配置于从所述发热体观察而处于所述超材料结构体的相反侧的表面、且具有比该超材料结构体的平均辐射率低的平均辐射率。如此，能够减少从发热体观察而向超材料结构体的相反侧辐射的红外线的能量，因此能效得到进一步提高。
在本发明的红外线加热器中，所述超材料结构体可以从所述发热体侧起按顺序依次具备：第1导体层；电介质层，其与上述第1导体层接合；以及第2导体层，其具有多个独立导体层，所述多个独立导体层分别与所述电介质层接合、且相互分离并呈周期性地配置。
在本发明的红外线加热器中，所述超材料结构体可以具备多个微腔，所述多个微腔至少表面由导体构成、且相互分离并呈周期性地配置。
附图说明
图1是红外线加热器10的概要截面图。
图2是超材料结构体30的局部仰视图。
图3是变形例的加热器主体11A的局部截面图。
图4是变形例的超材料结构体30A的局部底面立体图。
图5是变形例的红外线加热器110的截面图。
图6是变形例的红外线加热器110的截面图。
图7是表示对发热体13输入的电力和加热器主体的温度的关系的曲线图。
具体实施方式
接下来，利用附图对本发明的实施方式进行说明。图1是本发明的一个实施方式的红外线加热器10的概要截面图。图2是超材料结构体30的局部仰视图。需要说明的是，在本实施方式中，左右方向、前后方向以及上下方向如图1、图2所示。红外线加热器10具备加热器主体11、壳体50以及固定部70。加热器主体11以及固定部70配置于壳体50的内部空间53内。该红外线加热器10向配置于下方的未图示的对象物辐射红外线。
加热器主体11配置于壳体50的内部空间53内。如图1的放大图所示，加热器主体11具备：发热部12；支撑基板20，其配置于发热部12的下方；超材料结构体30，其配置于支撑基板20的下方；以及低辐射层40，其配置于发热部12的上方。
发热部12构成为所谓的面状加热器，并具备：发热体13，其通过线状部件以锯齿状弯曲而成；以及作为绝缘体的保护部件14，其与发热体13接触并将发热体13的周围覆盖。作为发热体13的材质，可以举出例如W、Mo、Ta、Fe-Cr-Al合金以及Ni-Cr合金等。作为保护部件14的材质，可以举出例如聚酰亚胺等绝缘性的树脂、陶瓷等。在发热体13的两端安装有一对电配线15(在图1中仅示出了1根)。电配线15将安装于壳体50上部的密封压盖67内贯通并引出到红外线加热器10的外部。借助该电配线15而能够从外部向发热体13供给电力。需要说明的是，发热部12可以设为在绝缘体卷绕有条带状发热体的结构的面状加热器。需要说明的是，发热部12在俯视时呈矩形，但例如也可以为圆形。
支撑基板20是配置于发热部12下侧的平板状的部件。利用配置于壳体50内部的固定部70对支撑基板20进行固定，该支撑基板20对发热部12以及超材料结构体30进行支撑。作为支撑基板20的材质，可以举出例如Si晶圆、玻璃等容易维持平滑面、耐热性较高、热翘曲程度较低的原材料。在本实施方式中，支撑基板20设为Si晶圆。需要说明的是，支撑基板20可以如本实施方式那样与发热部12的下表面接触，也可以不接触而是隔开空间地相对于发热部12上下分离配设。在支撑基板20和发热部12接触的情况下，可以将二者接合。
超材料结构体30是配设于发热体13以及支撑基板20的下方的板状部件。可以根据需要而将超材料结构体30与支撑基板20的下表面直接接合，也可以借助未图示的粘接层将它们接合。超材料结构体30从发热体13侧趋向下方而按顺序依次具备第1导体层31、电介质层33、以及具有多个独立导体层36的第2导体层35。需要说明的是，可以将超材料结构体30所具有的各层间直接接合，也可以借助粘接层而将它们接合。超材料结构体30配置为下表面与壳体50的红外线透过板54对置。需要说明的是，可以利用防止氧化层(未图示，例如由氧化铝形成)将独立导体层36以及电介质层33的下表面露出部覆盖。
第1导体层31是从支撑基板20观察而在发热体13的相反侧(下侧)接合的平板状的部件。第1导体层31的材质例如为金属等导体(导电体)。作为金属的具体例，可以举出金、铝(Al)或钼(Mo)等。在本实施方式中，第1导体层31的材质设为金。第1导体层31借助未图示的粘接层而与支撑基板20接合。作为粘接层的材质，例如可以举出铬(Cr)、钛(Ti)、钌(Ru)等。需要说明的是，可以将第1导体层31和支撑基板20直接接合。
电介质层33是从第1导体层31观察而在发热体13的相反侧(下侧)接合的平板状的部件。电介质层33夹设于第1导体层31和第2导体层35之间。作为电介质层33的材质，例如可以举出氧化铝(Al2O3)、二氧化硅(SiO2)等。在本实施方式中，电介质层33的材质设为氧化铝。
第2导体层35是由导体构成的层，其在沿着电介质层33下表面的方向(前后左右方向)上具有周期性结构。具体而言，第2导体层35具备多个独立导体层36，该独立导体层36配置为在沿着电介质层33下表面的方向(前后左右方向)上相互分离，从而构成周期性结构(参照图2)。多个独立导体层36在左右方向(第1方向)上以隔开间隔D1的方式彼此等间隔地配设。另外，多个独立导体层36在与左右方向正交的前后方向(第2方向)上以隔开间隔D2的方式彼此等间隔地配设。独立导体层36以上述方式而排列为格子状。需要说明的是，在本实施方式中，如图2所示，独立导体层36排列为四方格子状，但例如也可以以使得独立导体层36分别位于正三角形的顶点的方式而将独立导体层36排列为六边形格子状。多个独立导体层36分别在仰视时呈圆形，并形成为厚度h(上下高度)小于直径W的圆柱形状。关于第2导体层35的周期性结构的周期，横向的周期为Λ1＝D1+W，纵向的周期为Λ2＝D2+W。在本实施方式中设为D1＝D2，因此Λ1＝Λ2。第2导体层35(独立导体层36)的材质例如为金属等导体，可以使用与上述的第1导体层31同样的材质。第1导体层31以及第2导体层35的至少一者可以为金属。在本实施方式中，第2导体层35的材质设为与第1导体层31相同的金。
如此，超材料结构体30具备：第1导体层31；第2导体层35(独立导体层36)，其具有周期性结构；以及电介质层33，其由第1导体层31以及第2导体层35夹持。由此，当从发热体13输入有热能时，超材料结构体30能够辐射出具有非普朗克分布的峰值波长的红外线。需要说明的是，普朗克分布是指：在横轴设为越向右越长的波长、且纵轴设为辐射强度的曲线图上具有特定峰值的山形分布，其是具有峰值左侧的斜度陡峭、且峰值右侧的斜度平缓的形状的曲线。一般的材料依照该曲线(普朗克辐射曲线)而进行辐射。非普朗克辐射(具有非普朗克分布的峰值波长的红外线的辐射)是指：以该辐射的最大峰值为中心的山形的斜度比所述普朗克辐射的斜度陡峭的辐射。即，超材料结构体30具有最大峰值比普朗克分布的峰值陡峭的辐射特性。需要说明的是，“比普朗克分布的峰值陡峭”意味着“半峰全宽(FWHM:full width at half maximum)比普朗克分布的峰值窄”。由此，超材料结构体30作为超材料辐射器而发挥功能，所述超材料辐射器具有选择性地辐射出红外线的整个波长区域(0.7μm～1000μm)中的特定波长的红外线的特性。可以认为，该特性是由在磁极化激元(Magnetic polariton)中所说明的共振现象而引起的。需要说明的是，磁极化激元是指：在上下2个导体(第1导体层31以及第2导体层35)激起反向平行电流，并在其间的电介质(电介质层33)内获得强磁场的封闭效应的共振现象。由此，在超材料结构体30中，在第1导体层31以及独立导体层36的局部激起强电场的振动，因而，由此构成红外线的辐射源，使得红外线向周围环境(此处尤指下方)辐射。另外，在该超材料结构体30中，通过对第1导体层31、电介质层33以及第2导体层35的材质、独立导体层36的形状以及周期性结构进行调整而能够调整共振波长。由此，从超材料结构体30的第1导体层31以及独立导体层36辐射的红外线显示出特定波长的红外线的辐射率升高的特性。即，超材料结构体30具有下述特性：能够辐射出半峰全宽较小且辐射率较高、并具有陡峭的最大峰值的红外线。需要说明的是，在本实施方式中设为D1＝D2，但间隔D1和间隔D2也可以不同。关于周期Λ1以及周期Λ2也一样。需要说明的是，半峰全宽可以通过改变周期Λ1以及周期Λ2而控制。对于超材料结构体30而言，规定的辐射特性中的上述最大峰值可以处于波长的6μm以上7μm以下的范围内，也可以处于2.5μm以上3.5μm以下的范围内。另外，对于超材料结构体30而言，从最大峰值的升高到降低为止的波长区域以外的波长区域中的红外线的辐射率的值优选为0.2以下。超材料结构体30的最大峰值的半峰全宽优选为1.0μm以下。对于超材料结构体30的辐射特性而言，可以具有以最大峰值为中心的大致左右对称的形状。另外，超材料结构体30的最大峰值的高度(最大辐射强度)不会超过上述普朗克辐射的曲线。
需要说明的是，这种超材料结构体30例如可以以如下方式而形成。首先，通过溅射而在支撑基板20的表面(图1中为下表面)按顺序依次形成粘接层以及第1导体层31。接着，通过ALD法(atomic layer deposition:原子层沉积法)而在第1导体层31的表面(图1中为下表面)形成电介质层33。接着，在电介质层33的表面(图1中为下表面)形成规定的抗蚀剂图案，然后通过螺旋溅射法而形成由第2导体层35的材质构成的层。然后，将抗蚀剂图案除去而形成第2导体层35(多个独立导体层36)。
低辐射层40配置于加热器主体11表面中的、从发热体13观察而处于超材料结构体30的相反侧的表面(图1中为上表面)。该低辐射层40具有比超材料结构体30的平均辐射率低的平均辐射率。此处，“平均辐射率”意味着红外线的整个波长区域(0.7μm～1000μm)中的平均的辐射率。因此，即使低辐射层40中存在辐射率高于超材料结构体30的辐射率的波长区域，也只要使得低辐射层40整体的辐射率较低即可。另外，超材料结构体30和低辐射层40各自的平均辐射率是基于使它们分别处于相同温度时的辐射率而导出的值。低辐射层40优选使用辐射率较低的材质。作为低辐射层40的材质，例如可以举出金或铝(Al)等。在本实施方式中，低辐射层40设为金。需要说明的是，低辐射层40例如可以采用溅射等方式而形成于保护部件14的整个表面(此处为上表面)。
壳体50具备圆筒部52、红外线透过板54(外线透过部的一例)、夹持部件55、56、以及板状部件57、58。圆筒部52是轴向沿着上下方向的部件，其上端以及下端开口。红外线透过板54配置为将圆筒部52的下端的开口封闭。红外线透过板54发挥使得来自超材料结构体30的红外线透射至壳体50的外部的窗口的作用。红外线透过板54能够使从超材料结构体30辐射的红外线中的、从最大峰值的升高至降低为止的波长区域的至少一部分波长区域的红外线透过。红外线透过板54优选至少能够使从超材料结构体30辐射的红外线中的、包含最大峰值的波长区域的红外线透过，更优选至少能够使包含最大峰值的半峰全宽区域的波长区域的红外线透过。作为红外线透过板54的材质，例如可以举出石英(使波长为3.5μm以下的红外线透过)、透明氧化铝(使波长为5.5μm以下的红外线透过)、萤石(氟化钙，CaF2，使波长为8μm以下的红外线透过)等。红外线透过板54的材质例如可以根据来自超材料结构体30的红外线的最大峰值而适当地选择。壳体50具有由圆筒部52、板状部件57以及红外线透过板54包围的内部空间53。夹持部件55、56是具有俯视时呈圆形的开口的板状部件，在圆筒部52的外侧从上下侧对红外线透过板54进行夹持而将红外线透过板54固定。在红外线透过板54和夹持部件55、56之间分别配设有例如O形环等密封部件63、64，由此对内部空间53内和壳体50的外部之间进行密封。利用螺栓等多个固定金属配件61(图1中仅示出了2个)对夹持部件55、56以使得它们在上下方向上相互接近的方式进行按压固定。板状部件57、58是在俯视时呈圆形的板状部件。板状部件57配置为将圆筒部52的上端的开口封闭，板状部件57的下表面57a在内部空间53露出。板状部件58具有俯视时呈圆形的开口，圆筒部52的上端插入于该开口。在板状部件57、58之间配设有例如O形环等密封部件65。利用多个固定金属配件62(图1中仅示出了2个)对板状部件57、58以使得它们在上下方向上相互接近的方式进行按压固定。固定金属配件62例如由螺栓以及螺母等构成。
作为圆筒部52、夹持部件55、56、以及板状部件57、58的材质，例如可以举出不锈钢或铝等。另外，形成壳体50中的内部空间53且是红外线透过板54以外的部件(此处为圆筒部52以及板状部件57)优选为能够反射红外线的材质。进一步，对于在壳体50中的内部空间53露出且是红外线透过板54以外的部件的表面(红外线反射部的一例，此处为圆筒内表面52a以及下表面57a)而言，特别优选其对红外线的反射率较高。例如，圆筒内表面52a以及下表面57a的红外线的反射率可以设为50％以上，也可以设为80％以上、90％以上。在本实施方式中，圆筒部52以及板状部件57为不锈钢，通过抛光研磨等研磨而提高了圆筒内表面52a以及下表面57a的反射率。需要说明的是，圆筒内表面52a是在壳体50中的内部空间53露出的侧面(位于加热器主体11的前后左右的表面)。另外，下表面57a是在壳体50中的内部空间53露出的顶面，且是从发热体13观察而位于超材料结构体30的相反侧(此处为上方)的表面。
该壳体50在上方安装有配管66以及密封压盖67。配管66的内部经由形成于圆筒部52以及板状部件57的贯通孔而与内部空间53连通。在配管66连接有真空计81以及未图示的真空泵，通过真空泵的动作能够对内部空间53进行减压。电配线15插通于密封压盖67的内部，从而将内部空间53内和外部空间之间密封，并且将发热体13的电配线15引出至外部。
固定部70是在内部空间53内对加热器主体11进行支撑的部件。固定部70具备一对螺母71、72、间隔件71a、72a、引导轴73、支撑板75以及固定金属配件76。螺母71、72是从上下侧对加热器主体11的支撑基板20进行夹持的一对部件，固定部70具备多对(例如4对，图1中仅示出了2对)螺母71、72。间隔件71a配设于螺母71和支撑基板20之间，间隔件72a配设于螺母72和支撑基板20之间。支撑基板20隔着间隔件71a、72a而与螺母71、72以及引导轴73接触。为了能够减弱从支撑基板20向螺母71、72以及引导轴73的热传导，间隔件71a、72a优选使用导热率低的材质(例如陶瓷、玻璃、树脂等)。引导轴73是将螺母71、72、间隔件71a、72a以及支撑基板20贯通并对它们进行支撑的棒状部件。以与螺母71、72相同的数量而设置有引导轴73(在本实施方式中为4根，图1中仅示出了2根)。多个引导轴73借助支撑板75以及将支撑板75贯通的固定金属配件76而安装固定于板状部件57。由此，固定部70在与壳体50分离的状态下对加热器主体11进行支撑。需要说明的是，加热器主体11的支撑基板20是在俯视时大于发热部12以及超材料结构体30的部件，其相对于这些部件在水平方向上露出。因此，引导轴73仅将加热器主体11中的支撑基板20贯通。另外，引导轴73形成有外螺纹，螺母71、72能够沿着引导轴73而改变上下位置。由此，能够改变加热器主体11的上下方向的位置(例如与红外线透过板54之间的距离)。
以下对这种红外线加热器10的使用例进行说明。首先，利用未图示的真空泵使得内部空间53形成为规定的减压气氛。虽未特别限定，但内部空间53也可以设为空气气氛或非活性气体气氛(例如氮气氛)。内部空间53减压后的压力设为100Pa以下。需要说明的是，内部空间53减压后的压力也可以设为0.01Pa以上。另外，从未图示的电源经由电配线15而向发热体13的两端供给电力。进行电力供给以使得例如发热体13的温度达到预先设定的温度(虽未特别限定，但此处设为320℃)。从达到规定温度的发热体13主要通过传导、对流、辐射这3种传热方式中的传导而向周围传递能量，由此对超材料结构体30进行加热。其结果，超材料结构体30升高至规定温度(此处例如设为300℃)，成为辐射体而辐射出红外线。此时，如上所述，超材料结构体30具有第1导体层31、电介质层33以及第2导体层35，从而使得加热器主体11辐射出具有非普朗克分布的峰值波长的红外线。更具体而言，加热器主体11从超材料结构体30的第1导体层31以及独立导体层36选择性地辐射出特定波长区域的红外线。并且，从第1导体层31以及独立导体层36辐射出的特定波长区域的红外线透过红外线透过板54而向红外线加热器10的下方辐射。由此，红外线加热器10能够对配置于红外线透过板54下方的对象物选择性地辐射出特定波长区域的红外线。因此，例如可以对该特定波长区域的红外线的吸收率较高的对象物高效地辐射红外线而进行加热等。
在以上详细叙述的本实施方式的红外线加热器10中，加热器主体11具有超材料结构体30，因此特定波长区域以外的波长区域中的红外线的辐射率较低。因此，例如与不具有超材料结构体30而直接辐射来自发热体13的红外线的一般的红外线加热器相比，在输入相同电力的情况下，红外线加热器10的加热器主体11的温度更容易升高。一般情况下，加热器主体11的温度越高，越容易在加热器主体11和内部空间53内的气体之间产生对流热传导，从而从加热器主体11向壳体50的对流热传导增强。因此，在具备超材料结构体30的红外线加热器10中，一般情况下，容易因对流损失而导致能效下降。但是，本实施方式的红外线加热器10是将内部空间53调整为减压状态来使用的，从而与内部空间53为常压的情况相比，从加热器主体11向内部空间53内的对流热传导减弱，能够抑制对流损失。因此，能够进一步提高具有超材料结构体30的红外线加热器10的能效。
另外，红外线加热器10具备圆筒内表面52a以及下表面57a，它们配置为与加热器主体11分离，并能够将红外线反射到加热器主体11侧和对象物侧的至少一侧。该圆筒内表面52a以及下表面57a能够反射红外线，从而能够通过反射而将从加热器主体11辐射出的红外线的能量的至少一部分输入至加热器主体11和对象物的至少一者，能效得到进一步提高。
进一步，在红外线加热器10中，加热器主体11具备低辐射层40，所述低辐射层40配置于从发热体13观察而处于超材料结构体30的相反侧的表面(图1中的上表面)、且具有比超材料结构体30的平均辐射率低的平均辐射率。因此，能够减少从发热体13向超材料结构体30的相反侧辐射的红外线的能量，能效得到进一步提高。
需要说明的是，本发明并未受到上述实施方式的任何限定，只要属于本发明的技术范围，则当然可以以各种方式来实施。
例如，在上述实施方式中，超材料结构体30具有第1导体层31、电介质层33以及第2导体层35，但并不局限于此。超材料结构体30只要是当从发热体13输入有热能时便能够辐射出具有非普朗克分布的峰值波长的红外线的结构体即可。例如，超材料结构体可以构成为具有多个微腔的微腔形成体。图3是变形例的加热器主体11A的局部截面图。图4是变形例的超材料结构体30A的局部底面立体图。加热器主体11A具备超材料结构体30A而不具备超材料结构体30。超材料结构体30A具有至少表面(此处为侧面42A以及底面44A)由导体层35A构成、且构成前后左右方向的周期性结构的多个微腔41A。超材料结构体30A从加热器主体11A的发热体13侧向下方按顺序依次具备主体层31A、凹部形成层33A以及导体层35A。主体层31A例如由玻璃基板等构成。凹部形成层33A例如由树脂、陶瓷以及玻璃等无机材料等构成，其形成于主体层31A下表面、且形成有圆柱状的凹部。凹部形成层33A可以是与第2导体层35相同的材料。导体层35A配设于超材料结构体30A的表面(下表面)，将凹部形成层33A的表面(下表面以及侧面)和主体层31A的下表面(未配设凹部形成层33A的部分)覆盖。导体层35A由导体构成，作为材质，例如可以举出金、镍等金属、导电性树脂等。微腔41A由该导体层35A的侧面42A(将凹部形成层33A侧面覆盖的部分)以及底面44A(将主体层31A下表面覆盖的部分)包围，且是向下方开口的近似圆柱形状的空间。如图4所示，在前后左右方向上排列配设有多个微腔41A。需要说明的是，超材料结构体30A的下表面成为向对象物辐射红外线的辐射面38A。具体而言，当超材料结构体30A吸收了来自发热体13的能量时，通过由底面44A和侧面42A形成的空间内的入射波和反射波的共振作用，从辐射面38A向下方的对象物强烈地辐射出特定波长的红外线。由此，与超材料结构体30相同，超材料结构体30A能够辐射出具有非普朗克分布的峰值波长的红外线。需要说明的是，通过对多个微腔41A各自的圆柱的直径以及深度进行调整而能够调整超材料结构体30A的辐射特性。需要说明的是，微腔41A并不局限于圆柱，也可以为多棱柱形状。微腔41A的深度例如可以设为1.5μm以上10μm以下。对于具有这种加热器主体11A的红外线加热器10而言，也与上述实施方式相同，使用时的内部空间53为减压气氛，从而能够抑制使用时的加热器主体11A的对流损失，能够进一步提高能效。需要说明的是，这种超材料结构体30A例如可以以如下方式形成。首先，通过周知的纳米压印法在成为主体层31A下表面的部分形成凹部形成层33A。然后，例如通过溅射以将凹部形成层33A的表面以及主体层31A的表面覆盖的方式而形成导体层35A。
在上述实施方式中，加热器主体11具有低辐射层40，但也可以将其省略。
在上述实施方式中，壳体50中的使得来自加热器主体11的红外线透过的部件仅为红外线透过板54，但并不局限于此，例如壳体50整体可以为红外线透过部。例如，可以将壳体50设为圆筒形，并且利用与红外线透过板54相同的红外线透过材料(例如石英玻璃)而形成壳体50整体。该情况下，加热器主体11可以设为圆柱形。更具体而言，加热器主体11可以具有：圆柱形的发热部12；以及超材料结构体30，其配置于上述发热部12表面。另外，在如此将壳体50整体设为红外线透过材料的情况下，可以在壳体50的外侧的上表面或上侧的内周面形成反射层作为红外线反射部。作为这种反射层的材质，例如可以举出金、铝等。另外，壳体50可以是以同心圆状配置的双重的圆筒形的管。该情况下，只要将加热器主体11配置于内侧的圆筒形的管的内侧即可。另外，可以构成为使得冷媒(例如空气)在内侧的圆筒形的管和外侧的圆筒形的管之间的空间流通而能够对壳体50进行冷却。
利用图5、图6，对壳体50由与红外线透过板54相同的红外线透过材料形成的情况的示例进行说明。图5、图6是变形例的红外线加热器110的截面图。图5是沿着壳体150的轴向的截面图，图6是与壳体150的轴向垂直的截面图。对于红外线加热器110的构成要素中的与红外线加热器10相同的构成要素标注相同的附图标记，并省略其详细说明。红外线加热器110具备加热器主体111、壳体150、反射层159以及热电偶185。加热器主体111配置于壳体150的内部空间153内，并形成为平板状。此处，加热器主体111的发热部12的材质设为KANTHAL(注册商标：含有铁、铬以及铝的合金)。加热器主体111具备分别配设于发热部12的上表面以及下表面的支撑基板20a、20b作为支撑基板20。此处，支撑基板20a、20b设为石英玻璃。加热器主体111具备分别配设于支撑基板20a的上表面以及支撑基板20b的下表面的超材料结构体30a、30b作为超材料结构体30。超材料结构体30a、30b各自的结构与图1所示的超材料结构体30相同。超材料结构体30a和超材料结构体30b构成为上下对称，超材料结构体30a主要向上方辐射红外线，超材料结构体30b主要向下方辐射红外线。在加热器主体111的长度方向(图5的左右方向)的两端分别安装有与发热部12导通的棒状导体115。棒状导体115从壳体150的轴向的两端引出至外部，能够借助该棒状导体115而从外部向发热体13供给电力。棒状导体115在壳体150内还发挥对加热器主体111进行支撑的作用。此处，棒状导体115的材质设为Mo。热电偶185是对加热器主体111的表面的温度进行测定的温度传感器的一例，其从加热器主体111表面将壳体150贯通并被引出至外部。与上述的红外线透过板54相同，壳体150由红外线透过材料形成。此处，壳体150设为石英玻璃(使波长为3.5μm以下的红外线透过)。壳体150形成为近似圆筒状的形状。在壳体150的内侧的内部空间153内配置有加热器主体111。壳体150的轴向两端形成为弯曲的尖头形状，棒状导体115从该两端引出至外部。内部空间153在红外线加热器110的制造时被预先调整为减压气氛。对于棒状导体115以及热电偶18的从壳体150中的内部空间153引出至外部的部分而言，通过设置使得壳体150熔融的熔融部而进行密封。但是，也可以利用与壳体150不同的密封件对该部分进行密封。反射层159为红外线反射部的一例，其配设为将壳体150的外周面的一部分覆盖。因此，反射层159设置为仅将加热器主体111的周围的一部分覆盖。从加热器主体111观察，反射层159配置于与壳体150的长度方向垂直的方向(此处为图5、图6中的上方)。反射层159配设于壳体150外侧的上表面。此处，反射层159将壳体150的外周面的上侧的一半完全覆盖(参照图6)。反射层159配设为与超材料结构体30a对置，并位于超材料结构体30a的红外线的主要辐射方向(此处为上侧)。作为反射层159的材质，例如可以举出金、铂、铝等。此处，反射层159设为金。可以采用涂敷干燥、溅射或CVD、热喷涂这样的成膜方法而使得反射层159形成于壳体150的表面。在如此构成的红外线加热器110中，从超材料结构体30b主要向下方辐射红外线，辐射出的红外线透过壳体150而到达配置于红外线加热器110下方的对象物。在红外线加热器110中，对内部空间153进行了减压，因此，与上述实施方式相同，能效得到进一步提高。另外，从超材料结构体30a主要向上方辐射红外线，辐射出的红外线被反射层159反射并被输入至加热器主体111和对象物的至少一者(此处主要为加热器主体111)。因此，红外线加热器110的能效得到进一步提高。此处，壳体150整体作为红外线透过部而发挥功能，特别是未配设反射层159的部分(此处为壳体150的下半部分)作为红外线透过部而发挥功能，能够从该部分向对象物辐射红外线。
在上述变形例的红外线加热器110中，反射层159配设于壳体150的外周面，但并不局限于外周面，只要配设于壳体150的外侧即可。例如，可以取代反射层159而将作为独立部件的反射部配置于壳体150的外侧。
在上述实施方式中，将在壳体50中的内部空间53露出且是红外线透过板54以外的部件的表面(此处为圆筒内表面52a以及下表面57a)均设为红外线反射部，但并不局限于此，在壳体50中的内部空间53露出的表面的至少一部分也可以是红外线反射部。另外，可以将红外线反射部设为与壳体50不同的部件。例如，可以在圆筒内表面52a以及下表面57a的至少一者形成反射层作为红外线反射部。或者，可以作为相对于壳体50独立的部件而在圆筒内表面52a和加热器主体11之间配置红外线反射部、或在下表面57a和加热器主体11之间配置红外线反射部。另外，红外线加热器10也可以不具有红外线反射部。
在上述实施方式中，利用安装于壳体50的配管66，并在红外线加热器10的使用时利用真空泵而使得内部空间53形成为减压气氛，但并不局限于此。例如，可以在红外线加热器10的制造时，预先在使得内部空间53形成为减压气氛的状态下对内部空间53和外部空间之间进行密封。该情况下，也可以不在壳体50安装配管66。
在上述实施方式中，固定部70将加热器主体11支撑为与壳体50分离的状态，但并不局限于此。例如，加热器主体11的上表面(例如发热部12中的超材料结构体30的相反侧的表面)可以与壳体50接触。该情况下，加热器主体11也可以不具有低辐射层40。但是，为了能够抑制两者之间的热传导并进一步提高能效，优选使得加热器主体11和壳体50分离。
实施例
以下，作为实施例而对具体制作红外线加热器的示例进行说明。需要说明的是，本发明并不限定于以下实施例。
[实施例1]
制作了图1、图2所示的红外线加热器10。然而，设为加热器主体11不具备低辐射层40。需要说明的是，对于超材料结构体30的材质而言，第1导体层31以及第2导体层35设为金，电介质层33设为氧化铝。第1导体层31的厚度f设为100nm，电介质层33的厚度d设为176.3nm，第2导体层35(独立导体层36)的厚度h设为55nm。另外，独立导体层36的直径W设为2.16μm，周期Λ1、Λ2均设为4.00μm。对于所制作的具备超材料结构体30的加热器主体11的辐射特性而言，最大峰值的峰值波长为6.7μm。对于壳体50而言，内部空间53的内径(即圆筒部52的内径)设为108mm，内部空间53的上下方向的高度设为85mm。红外线透过板54设为厚度为7mm的石英玻璃。红外线透过板54中的能够使得红外线透过的部分(未被夹持部件55、56夹持的部分的面积)在俯视时形成为直径为108mm的圆形。以#400对圆筒内表面52a以及下表面57a进行了抛光研磨。利用该红外线加热器10并使得内部空间53形成为真空(9.1Pa)的状态。接着，对发热体13输入电力，直至加热器主体11达到300℃为止，对达到300℃时的输入电力进行了测定，其结果为18.3W。同样地，改变输入电力而对其与加热器主体11的温度的关系进行了测定，其结果，在259℃时为13.5W，在207℃时为9.1W。需要说明的是，使热电偶与超材料结构体30的表面接触而对加热器主体11的温度进行了测定。
[比较例1]
利用与实施例1相同的红外线加热器10，并在使得内部空间53形成为大气气氛的状态下进行了与实施例1相同的试验，并将其作为比较例1。在比较例1中，加热器主体11(超材料结构体30)为300℃时的、向发热体13输入的电力为36.1W。同样地，改变输入电力而对其与加热器主体11的温度的关系进行了测定，其结果，在255℃时为26.7W，在208℃时为18.7W，在140℃时为9.9W。
[实施例2]
利用除了加热器主体11具备低辐射层40这一点以外与实施例1相同的红外线加热器10，并使得内部空间53形成为真空(9.1Pa)的状态，由此进行了与实施例1相同的试验，并将其作为实施例2。需要说明的是，低辐射层40设为厚度为11μm的铝。在实施例2中，加热器主体11(超材料结构体30)达到300℃时向发热体13输入的电力设为13.4W。
图7是表示关于实施例1、2以及比较例1的、向发热体13输入的电力和加热器主体的温度的关系的曲线图。根据图7可知，当在输入电力为相同程度的情况下进行比较时，实施例1、2的加热器主体的温度均高于比较例1。另外，当对为了使加热器主体11升高到相同的300℃所需的输入电力进行比较时，实施例1与比较例1相比，输入电力大约为一半，并且，实施例2与实施例1相比，输入电力大约为3/4(若与比较例1相比则大约为1/3)。通过该实施例1、2和比较例1的比较可以确认，在具有相同的超材料结构体30的红外线加热器10中，与内部空间为常压的比较例1相比，对内部空间进行了减压的实施例1、2的能效有所提高。另外，通过实施例1和实施例2的比较可以确认，加热器主体11具备低辐射层40的实施例2的能效进一步提高。
需要说明的是，在实施例1、2以及比较例1中，为了方便进行试验，加热器主体11的最大峰值的峰值波长设为6.7μm，与此相对，红外线透过板54使用了石英玻璃(使波长为3.5μm以下的红外线透过)。为了使得红外线高效地向对象物辐射，红外线透过板54例如优选使用萤石(使波长为8μm以下的红外线透过)等，从而能够使得包含加热器主体11的最大峰值的峰值波长的波长区域的红外线透过。需要说明的是，在上述的实施例1、2以及比较例1的红外线加热器中，在红外线透过板54使用萤石的情况下，可以认为，例如加热器主体整体的温度有可能降低，但实施例1、2以及比较例1之间的关系与上述图7所示的结果相同。
本申请以2016年10月24日申请的日本专利申请第2016-207571号作为主张优先权的基础，并通过引用而将其全部内容并入本说明书中。
工业实用性
本发明能够用于对象物的加热处理、干燥处理或使对象物发生化学反应的处理等需要进行红外线处理的工业中。
附图标记说明
10…红外线加热器、11…加热器主体、12…发热部、13…发热体、14…保护部件、15…电配线、20、20a、20b…支撑基板、30、30a、30b…超材料结构体、31…第1导体层、33…电介质层、35…第2导体层、36…独立导体层、40…低辐射层、50…壳体、52…圆筒部、52a…圆筒内表面、53…内部空间、54…红外线透过板、55、56…夹持部件、57、58…板状部件、57a…下表面、61、62…固定金属配件、63～65…密封部件、66…配管、67…密封压盖、70…固定部、71、72…螺母、71a、72a…间隔件、73…引导轴、75…支撑板、76…固定金属配件、81…真空计、11A…加热器主体、30A…超材料结构体、31A…主体层、33A…凹部形成层、35A…导体层、38A…辐射面、41A…微腔、42A…侧面、44A…底面、110…红外线加热器、111…加热器主体、115…棒状导体、150…壳体、153…内部空间、159…反射层、185…热电偶。

Claims (8)

1.一种红外线加热器，其中，所述红外线加热器具备:
加热器主体，所述加热器主体具有发热体和超材料结构体，当从所述发热体输入有热能时，所述超材料结构体能够辐射具有非普朗克分布的峰值波长的红外线；以及
壳体，其具有供所述加热器主体配置、且能够进行减压的内部空间，所述壳体具有能够使得来自该超材料结构体的红外线向该壳体的外部透过的红外线透过部。
2.根据权利要求1所述的红外线加热器，其中，
所述红外线加热器具备红外线反射部，所述红外线反射部配置为与所述加热器主体分离，并能够将红外线向所述加热器主体侧和对象物侧的至少一侧反射。
3.根据权利要求2所述的红外线加热器，其中，
所述红外线反射部位于所述壳体中的在所述内部空间露出的内周面。
4.根据权利要求2所述的红外线加热器，其中，
所述壳体由能够使得红外线透过的红外线透过部件构成，
所述红外线反射部配设于所述壳体的外侧。
5.根据权利要求4所述的红外线加热器，其中，
所述红外线反射部配设于所述壳体的外周面。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的红外线加热器，其中，
所述加热器主体具备低辐射层，所述低辐射层配置于从所述发热体观察而处于所述超材料结构体的相反侧的表面、且具有比该超材料结构体的平均辐射率低的平均辐射率。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的红外线加热器，其中，
所述超材料结构体从所述发热体侧起按顺序依次具备：第1导体层；电介质层，其与上述第1导体层接合；以及第2导体层，其具有多个独立导体层，所述多个独立导体层分别与所述电介质层接合、且相互分离并呈周期性地配置。
8.根据权利要求1～6中任一项所述的红外线加热器，其中，
所述超材料结构体具备多个微腔，所述多个微腔至少表面由导体构成、且相互分离并呈周期性地配置。
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