CN116438924A - 红外线辐射器和发射红外线辐射的部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及已知的红外线辐射器，该红外线辐射器具有模制体，该模制体具有辐射表面，该辐射表面发射具有第一峰值发射波长的短波或中波红外线辐射。由此出发，为了提供一种红外线辐射器，该红外线辐射器具有与最大大约2750nm的吸收特性良好匹配的发射光谱，并且此外可以以高电功率密度操作，并且利用该红外线辐射器可以缩短在工业应用(诸如，例如油墨干燥、塑料接合或玻璃弯曲)中的预热时间，根据本发明，辐射转换器材料施加到该辐射表面的至少一部分，并且由于该第一峰值发射波长的该红外线辐射的加热而发射具有第二峰值发射波长的红外线辐射，该第二峰值发射波长为比该第一峰值发射波长更长的波长。

Description

红外线辐射器和发射红外线辐射的部件

背景技术

本发明涉及一种红外线辐射器，该红外线辐射器具有模制体，该模制体具有辐射表面，该辐射表面发射具有第一峰值发射波长的短波或中波红外线辐射。

本发明还涉及一种发射红外线辐射的部件，该部件具有由基体材料制成的基体，该基体具有用于吸收具有第一峰值发射波长的短波或中波初级红外线辐射的吸收表面，以及用于发射具有第二峰值发射波长的次级红外线辐射的辐射表面，该第二峰值发射波长为比第一峰值发射波长更长的波长。

现有技术

短波、中波和长波红外线辐射器用于在多种工业制造工艺中加热加热材料。根据IEC 62798:2014(第11页，表1)，在波长范围IR-A＝780nm-1,400nm(对应于1,800℃与3,450℃之间的温度)、IR-B＝1,400nm-3,000nm(对应于690℃与1,800℃之间的温度)、IR-C＝3,000nm至1mm(对应于低于690℃的温度)之间进行区分。

长波红外线辐射器的工作辐射通常被加热材料特别好且快速地吸收，使得高效地进行加热。然而，加热和冷却行为缓慢，使得不能实现快速的温度变化。

中波红外线辐射器(简称：MWIR辐射器)示出在约1,400nm至3,000nm的波长范围内的宽带红外光谱，并且通常在高达1,100℃的温度范围内操作。中波辐射已经在加热材料的上层中被吸收，并且主要加热其表面。中波红外线辐射器通常具有由温度稳定的玻璃、金属或陶瓷制成的开口覆盖层管，该开口覆盖层管围绕由氧化稳定的电阻材料制成的加热长丝。中波辐射器的一个缺点在于其大约15W/cm的有限电功率密度和其热惯性以及相关联的慢反应。

发射波长在780nm与1,400nm之间的短波辐射深深地穿透到固体材料中并确保均匀的加热。对于短波红外线辐射器(简称：SWIR辐射器)，由碳或钨制成的加热长丝以螺旋或带形式嵌入填充有惰性气体的辐射器管中，该管通常由石英玻璃制成。加热长丝连接到经由辐射器管的一端或两端插入的电连接件。加热长丝本身具有低热质量，因此具有在1秒至2秒范围内的快速反应时间。SWIR辐射器的一个特性在于其高达每厘米加热长丝120瓦(以下简称为：W/cm)的高光功率密度。SWIR辐射器特别用于加热粉末涂料、粘合剂粘结件或用于快速预热。

例如，US 10 2013 104 577 B3公开了短波红外线辐射器用于干燥和烧结含金属油墨的用途。

DE 299 05 385U1描述了一种借助于红外线辐射均匀加热半透明和/或透明玻璃和/或玻璃陶瓷的装置。短波初级红外线辐射的超过50％的未被色温大于1,500°K的加热材料吸收的部分通过反射器或扩散器反射或散射并有助于间接加热。

DE 42 02 944 C2描述了一种表面辐射器，该表面辐射器由几个红外线辐射器组成，用于快速加热在2,500nm以上显示出高吸收的加热材料。由陶瓷纤维构成的所谓辐射转换器被布置在由表面辐射器发射的初级辐射的主传播方向上。辐射转换器用作次级辐射器，该辐射转换器由表面辐射器的中波或短波IR辐射激发，在更长波长范围内发射次级辐射，该更长波长范围与加热材料的光学吸收更强地重叠。这高效地实现快速温度变化。

DE 10 2015 119 763 A1公开了片状红外线表面辐射器，其中基底与由电阻材料制成的导体带接触。基底材料优选地为石英玻璃，该石英玻璃中以精细分布的形式嵌入吸收红外线辐射的附加组分。附加组分优选地为元素硅。

技术目标

具有大约700℃的温度的热辐射(对应于大约2,700nm的中波峰值发射波长)被许多塑料、玻璃尤其是水特别好地吸收并且被直接转化成热。该波长范围内的中波红外线辐射特别适用于印刷工业中的干燥应用，因为避免了在干燥各种印刷油墨中通常的颜色选择性。

最近，已经证明在该波长范围内的IR辐射也避免了在不同塑料的大约2,700nm的波长范围内焊接期间或加热和接合期间的颜色选择性。具体地，不同颜色的塑料的加热速率几乎相同。

此外，可以用具有高发射率的红外线辐射器快速且均匀地进行对例如用于热支持接合或成型的玻璃的加热。

原则上，SWIR辐射器和MWIR辐射器均适用于这些应用。红外线辐射器的电连接功率越高，其达到目标温度越快。增加电连接功率增加了由红外线辐射器发射的光功率密度，但是这也可能导致所发射的辐射的峰值发射波长在短波光谱范围的方向偏移。

然而，期望峰值发射波长匹配加热材料(例如，印刷油墨、塑料或玻璃)的吸收特性，即例如在大约2,750nm处。先前的商用红外线辐射器或者具有与其匹配的发射光谱(MWIR辐射器)；然而，它们具有低的电连接容量，并且需要相对大的辐射表面和因此对于足够大的光辐射功率需要高的热容量，该高的热容量继而导致红外线辐射器的相对长的加热和冷却时间，从而导致干燥系统的惰性。或者红外线辐射器具有高的电连接容量和低的惰性(SWIR辐射器)，但是其发射光谱没有最佳地匹配加热材料的吸收特性。

本发明的目的是提供一种红外线辐射器，该红外线辐射器具有与在中波长范围内具有吸收特性的加热材料良好匹配的发射光谱，并且该红外线辐射器也可以以高电功率密度(例如，以大于50W/cm)工作，并且利用该红外线辐射器可以减少工业应用(诸如，例如用于油墨干燥、塑料接合或玻璃弯曲)中的预热时间。

本发明的目的还在于指定一种发射红外线辐射的无源部件，该无源部件的发射光谱与在中波长范围内具有吸收特性的加热材料良好匹配。

发明内容

关于红外线辐射器，该目的根据本发明从开头所述类型的红外线辐射器出发实现，其中辐射转换器材料施加到辐射表面的至少一部分，并且由于第一峰值发射波长的红外线辐射的加热而发射具有第二峰值发射波长的红外线辐射，该第二峰值发射波长为比该第一峰值发射波长更长的波长。

典型的红外线辐射器主体具有柱状形状，例如，管状或片状形状。管状红外线辐射器可以被拉伸或弯曲成例如U形或环形。板状主体具有两个彼此相对定位的板侧，其可以是平的或弯曲的。

辐射表面为面向加热材料的表面；该辐射表面为红外线辐射器主体的组成部分。

红外线辐射器具有电连接件，并且例如通过发射红外线辐射的发射器(诸如加热线圈、加热条带或嵌入石英玻璃基质中的元素硅)的热激发来产生具有第一峰值发射波长的中波或优选地短波红外线辐射。短波发射器具有比中波发射器稍快的反应时间，然而中波发射器更便宜。

第一峰值发射波长的短波或中波红外线辐射(以下也称为“初级辐射”)从红外线辐射器的辐射表面射出并且被沉积在那里的辐射转换器材料吸收，该辐射转换器材料然后被加热并发射较长波红外线辐射。其峰值发射波长(以下也称为“次级辐射”)优选地在2,200nm至3,100nm的范围内，特别优选地在2,400nm至3,000nm的范围内，并且非常特别优选地在2,600nm至2,800nm的范围内。在下文中，大约2,700nm的波长范围也称为“相关”波长范围。初级辐射的由辐射转换器材料漫射或者直接透射的部分尽可能小并且优选地小于所发射的初级辐射的20％，特别优选地小于10％。

在第一优选实施方案中，辐射转换器材料是包含着色颜料或用于其的先驱物质的涂覆材料。该涂覆材料例如是糊状物或漆。着色颜料是热稳定的，并且例如通过将其燃烧到沉积表面上而被固定。着色颜料也可以通过在焙烤期间或之前对先驱物质进行热分解或化学反应来形成。

着色颜料至少在大约2,750nm的相关波长范围内以0.8或更高并且优选地至少0.9的发射率发射红外线辐射。该发射率与在该波长范围内具有高吸收的加热材料特别匹配。取决于应用和加热材料，着色颜料也可以是有利的，该着色颜料甚至在更宽的波长范围(例如，2,000nm至8,000nm，并且特别是2,000nm至4,700nm)内具有发射比例如为0.75或更高并且优选地至少0.8的高发射率。

在可见光波长范围内呈现黑色的着色颜料通常也吸收(并发射)相关红外波长范围内的光。如果着色颜料包含黑色矿物粒子(诸如，例如，亚铬酸铜黑色尖晶石或锰铁氧体黑色颜料)，并且如果它不含碱，则已经证明其有效。涂覆材料中不存在碱度的优点在于，由玻璃特别是石英玻璃制成的辐射表面不会反玻璃化，即，在加热时不会结晶并失去与涂覆材料接触时的光学质量。

在第二优选实施方案中，辐射转换器材料包括至少部分不透明石英玻璃。

这种至少部分不透明石英玻璃在DE 10 2004 051 846 A1中描述，并以名称“QRC”(石英反射涂料)为人所知。其先前已经主要用作用于生产漫反射反射器层的材料。QRC反射器层通过滑动方法产生，其中产生包含无定形SiO₂粒子的高度填充、可倾倒的含水SiO₂浆液。该浆液作为浆液层施加到基底上，并且随后干燥并玻璃化该浆液层，从而形成或多或少的不透明石英玻璃层。

在本发明的优选实施方案中，模制体形成为由石英玻璃制成的覆盖层管，其中该覆盖层管围绕以加热线圈或加热条带形式设置有电源连接件的辐射发射器，并且其中辐射表面形成管的侧表面的至少一部分。

覆盖层管例如具有圆形、椭圆形或多边形的横截面或者被设计为所谓的双管辐射器，该双管辐射器具有水平八字形的横截面。覆盖层管的外壁例如是光滑的或者是粗糙的。短波的红外线辐射器尤其具有在两侧封闭的活塞状覆盖层管，其中电源在一端处或两端处引出。

覆盖层管具有通常位于管的侧表面上的辐射表面。覆盖层管材料例如是石英玻璃，并且对于红外线辐射(特别是在2,200nm至3,100nm的波长范围内)具有相对低的固有发射率。通过用辐射转换器材料对辐射表面进行涂覆，该辐射表面在该波长范围内相对于例如大于80％并且优选地大于90％的较高发射率被改性。

由辐射表面发射的红外线辐射至少部分地到达辐射转换器材料中，并且从那里直接地或间接地经由反射器到达加热材料。辐射表面例如在管的侧表面的20度与360度之间，优选地60度与200度之间并且特别优选地90度与180度之间的圆周角上延伸。

辐射表面的对其施加有辐射转换器材料的部分可以高达100％；然而，特别优选地，对其施加有辐射转换器材料的表面在覆盖层管的侧表面的20度与360度之间，优选地60度与200度之间并且特别优选地90度与180度之间的圆周角上延伸。

在具有由石英玻璃制成的覆盖层管形状的主体的红外线辐射器的实施方案的特别优选的第一变型中，辐射转换器材料包括：由不透明石英玻璃制成的下层和由含着色颜料的涂覆材料制成的施加到该下层的上层，其中该覆盖层管的侧表面的至少一部分并且优选地该覆盖层管的整个侧表面被该下层覆盖，并且该上层施加到该下层的至少第一圆周区段。

由不透明石英玻璃制成的下层一方面本身可以充当辐射转换器材料，另一方面有助于提高由涂覆材料制成的上层的附着力。

尽管石英玻璃覆盖层管和施加到其上由不透明石英玻璃制成的下层吸收短波或中波初级辐射中的一些短波或中波初级辐射，但需要一些时间使红外线辐射器达到工作温度。由涂覆材料制成的附加上层使得在相关波长范围内的发射率增加。此外，其还引起对短波或中波初级辐射的更高吸收，并且由此能够更快地加热红外线辐射器(从而更早进入工作就绪状态)。此外，提高了红外线辐射器的能量效率，因为所供应电能的较大部分被转换成相关波长范围内的红外线辐射。

为此，如果具有涂覆材料的上层适用于吸收在1,000nm至2,500nm的波长范围内的初级辐射的至少80％，则是有利的。上层的厚度小于0.1mm；优选地，在30μm-50μm的范围内。

由不透明石英玻璃制成的下层一方面显示出对短波或中波初级辐射的一定透射，并且另一方面也可以充当针对初级辐射的漫反射器。为了减少透射部分，由不透明石英玻璃制成的下层有利地在第二圆周区段中涂覆有镜面反射器层，优选地涂覆有含金的反射器层。

为了改进镜面反射器层的质量，已经证明有效的是，由不透明石英玻璃制成的下层至少在镜面反射器层的接触区域中被提前热致密化，以便减少或避免那里的开孔孔隙率。

有利的是，第一圆周区段和第二圆周区段不重叠，并且优选地彼此互补，以便形成360度的圆周角。

在该实施方案中，由上层留下的不含含着色颜料的涂覆材料的管的侧表面的非叠合表面部分涂覆有镜面反射器层。

在具有由石英玻璃制成的覆盖层管形状的主体的红外线辐射器的实施方案的特别优选的第二变型中，覆盖层管的侧表面的至少一部分具有被定义为算术平均粗糙度R_a的表面粗糙度，其中R_a在0.5μm至5μm的范围内，并且优选地在0.8μm至3.2μm的范围内，其第一圆周区段形成对其施加有辐射转换器材料的辐射表面。

具有0.8μm的R_a值的粗糙度对应于粗糙度等级6并且通常发生在粗研磨期间，并且3.2μm的R_a值对应于粗糙度等级8，其定义了粗糙化表面。覆盖层管的侧表面优选地仅在要施加涂覆材料的地方(即，在辐射表面的区域中)被粗糙化。辐射转换器材料施加到管的侧表面的粗糙化部分。粗糙化改善了辐射转换器材料的附着力，特别是在辐射转换器材料为含着色颜料的涂覆材料(诸如，例如漆或糊状物)形式的情况下。表面的粗糙化例如以机械或化学方式进行，特别是通过研磨、喷砂或蚀刻进行。在大于5μm的高表面粗糙度R_a的情况下，辐射表面的光学质量将受到影响，而附着力促进效果方面没有显著提高。小于0.5μm的低表面粗糙度R_a不会显著地有助于附着力促进效果。

在该实施方案中，特别有利的是，反射器层施加到覆盖层管的侧表面的第二圆周区段，其中该管的侧表面的第一圆周区段和该第二圆周区段不重叠，并且优选地彼此互补以便形成360度的圆周角。

同样在该实施方案中，被留下的不含辐射转换器材料，特别是不含含着色颜料的涂覆材料的第二圆周段涂覆有反射器层。反射器层优选地包括由不透明石英玻璃制成的层和/或镜面的基于金属的反射器层，优选地含金的层。

在由不透明石英玻璃层和基于金属的层制成的反射器层中，由不透明石英玻璃制成的层形成下层，在该下层上施加基于金属的层作为上层。为了改进镜面反射器层的上层的质量，由不透明石英玻璃制成的下层至少在镜面反射器层的接触区域中被提前热致密化，以便减少或避免那里的开孔孔隙率。

在红外线辐射器的另一特别优选的变型中，模制体由在加热期间发射红外线辐射的材料以片的形式制成，其中该片具有彼此相对定位的平面侧，其中平面侧中的一个平面侧包括对其至少部分地使用有辐射转换器材料的辐射表面，并且其中由电阻材料制成并且连接到用于供应加热电流的电触点的加热导体带施加到另一平面侧。

片状红外线辐射器为通常大多具有二维发射特性的表面辐射器。在下文中，主要发射平面侧也称为前侧，并且相对的平面侧称为后侧。在根据本发明的红外线辐射器中，辐射转换器材料至少完全地或部分地(例如，至少80％、至少60％或至少40％)施加到前侧。辐射转换器材料例如是不透明石英玻璃或者含着色颜料的涂覆材料或者两种辐射转换器材料的组合，其中该不透明石英玻璃形成下层并且涂覆材料形成上层。

片材料优选地为陶瓷，特别是Al₂O₃或ZrO₂，或者其包括复合材料，特别是由元素硅或碳嵌入其中的石英玻璃制成的基质。

片表面的可能尺寸取决于材料的特性和所需的尺寸稳定性。

当温度升高时，一些片材料改变它们的颜色。这意味着它们的发射率以及因此初级辐射的峰值发射波长变得更短。由于具有辐射转换器材料的涂料，发射率在温度升高之后变化较小或者不变化。尤其是含着色颜料的涂覆材料和不透明石英玻璃即使在高达例如1,100℃的高温下也不损失或仅损失很少的发射率。

关于发射红外线辐射的部件，从上述类型的部件出发，根据本发明实现上述技术目，其中包括含着色颜料的涂覆材料的辐射转换器材料施加到辐射表面的至少一部分。

发射红外线辐射的部件充当辐射转换器。它不是有源电操作的加热元件；相反，基体通过吸收有源加热器的短波或中波红外线辐射来进行加热。短波或中波初级辐射允许相对快速的温度变化。另一方面，由于对基体的加热，部件发射在更长波长范围内的次级红外线辐射，该次级红外线辐射与加热材料的吸收特性更好地匹配。

基体例如以管、活塞、腔室、半壳、球形或椭球形段、板等形式存在。

用于吸收短波或中波初级红外线辐射的吸收表面可以不同于用于发射次级红外线辐射的辐射表面，或者这些表面可以完全或部分重合。

由于在可见光波长范围内呈现黑色的着色颜料通常也吸收(并发射)相关红外波长范围内的光，因此辐射转换器材料的含着色颜料的涂覆材料优选地包含具有黑色矿物粒子的着色颜料(诸如，例如亚铬酸铜黑尖晶石或锰铁氧体黑色颜料)，并且它不含碱。

特别是在由玻璃或石英玻璃制成的基体的情况下，不含碱是有利的，因为这防止了由于反玻璃化对基体的表面区域的改变和损坏。

特别有利的是这样的部件，其中辐射转换器材料除了含着色颜料的涂覆材料之外还包括不透明石英玻璃。

这两种辐射转换器材料在其发射率方面彼此互补，并且不透明石英玻璃尤其在由石英玻璃制成的基体的情况下能够充当用于涂覆材料的增粘剂。在此，辐射转换器材料为两种辐射转换器材料的组合，其中不透明石英玻璃形成下层，并且涂覆材料形成上层。

尽管基体和施加到其上由不透明石英玻璃制成的下层吸收短波或中波初级辐射中的一些短波或中波初级辐射，但需要一些时间使部件达到工作温度。由涂覆材料制成的附加上层使得在相关红外波长范围内的发射率增加。此外，其还引起对短波或中波初级辐射的更高吸收，并且由此能够更快地加热部件(从而更早进入工作就绪状态)。

为此，如果具有涂覆材料的上层适用于吸收从1,000nm至2,500nm的波长范围内的初级辐射的至少80％，则是有利的。上层的厚小于0.1mm，并且优选地在30μm-50μm的范围内。

定义

平均粗糙度R_a

根据EN ISO 25178确定算术平均粗糙度R_a。这是线粗糙度参数。为了确定测量值R_a，(用细针)扫描所限定的测量距离的表面区域，并且记录表面区域的高度和深度的所有差值。在计算该粗糙度曲线对测量距离的特定积分之后，将结果除以测量距离的长度。

辐射表面

有用辐射从辐射表面直接地或间接地经由反射器到达加热材料。

峰值发射波长

该峰值发射波长定义了所发射的辐射的光谱分布的最大值。

具体实施方式

下文参考示例性实施方案和附图更详细地解释本发明。详细示出了以下：

图1短波石英管辐射器的实施方案的横截面示意图，辐射转换器材料施加到外侧上的覆盖层管；

图2a基于图1所示的基本形式的短波石英管辐射器的另一实施方案的示意图；

图2b根据图2a的短波石英管辐射器的实施方案的照片；

图3至图5基于图1所示的基本形式的短波石英管辐射器的其他实施方案。

图6和图7短波石英管辐射器的其他实施方案的横截面示意图，辐射转换器材料施加到外侧上的覆盖层管；

图8片状红外线辐射器的实施方案的横截面示意图，辐射器材料施加到辐射表面；

图9 根据图7的短波石英管辐射器的径向辐射图；

图10 根据图1的短波石英管辐射器的漫射和直接透射的示意图；

并且

图11在根据图1的短波石英管辐射器如与根据图4的短波石英管辐射器相比的情况下辐照度随时间的测量结果图。

图1示意性地示出了根据本发明的红外线辐射器的第一基本变体。其为具有由石英玻璃制成的灯管1的短波红外线辐射器。灯管1在两侧封闭并且围绕钨加热长丝(未示出)，该钨加热长丝设置有电连接件并且可以加热到高达2,300℃的温度。

灯管的侧表面完全(360度)涂覆有由不透明石英玻璃制成的QRC层2，该QRC层充当辐射转换器材料。

灯管1的外侧表面上的QRC层2是根据DE 10 2004 051 846 A1所述的已知滑动方法产生的。在这里，可倾倒的含水SiO₂浆液作为浆液层施加到灯管1上，然后干燥并玻璃化该浆液层以形成QRC层2。该QRC层由多孔不透明石英玻璃组成。该QRC层具有约2.15g/cm³的密度和0.5mm至2mm范围内的平均层厚度。其表面区域是开孔的，如颜色渗透试验所示。

QRC层2将红外线辐射器的短波初级辐射转换成具有大约2,750nm的峰值发射波长的较长波次级辐射。

因此，可以操作具有与700℃至800℃处的加热应用良好匹配的发射光谱的短波红外线发射器，以及实现快速温度变化且仍然实现大于50W/cm(例如，至少120W/cm)的高电功率密度。

单位“每加热长度的电功率”(W/cm)中的电功率密度几乎100％转化为光功率(W/m²)。具有例如120W/cm的短波红外线辐射器的功率密度被转换成具有第一峰值发射波长的初级辐射，并且通过使用辐射转换器材料(诸如，例如QRC层2)，该功率密度被转换成更长波长的峰值发射波长的中波红外线辐射；例如，在距离(加热长丝)200mm处，总共大约1.2kW/m²到达检测器。

覆盖层管的整个侧表面充当辐射表面，即，红外线辐射器具有三维辐射特性。

图2至图5示出了具有附加层的图1的基本变体的变型。这些表示不是按比例的；具体地，附加层的厚度可以显示为更厚以改善可识别性。

在图2a所示的基本变体的变型中，QRC层2的一半(前侧)(180度)通过涂覆有由温度稳定的黑漆制成的漆层3而变黑。辐射表面在这里对应于涂覆有变黑漆层3的灯管侧表面。甚至在加热至800℃和更高温度期间，漆层仍保持其黑色并因此也保持其发射光谱。

漆层3通过在热涂料上喷涂或刷涂而产生。热涂料不含碱。该热涂料包含铝硅酸盐溶液(10wt％至20wt％)、作为矿物质着色颜料的亚铬酸铜黑尖晶石(25wt％至35wt％)和水(40wt％至60wt％)。合适的热涂料例如由ULFALUX Lackfabrikation GmbH公司和AremcoProducts，Inc.公司提供作为烘箱涂料，其中指出以下作为其他有机成分：二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、乙苯。

多次涂漆确保完全封闭的层。在喷涂之后，在250℃干燥热涂料，然后其变得耐触摸。通过将漆层3加热到1,200℃来实现最终状态。此类加热可以在将红外线辐射器投入运行时进行。陶瓷部件被烧结到灯管的表面上或QRC层的表面上，以产生固体物质对物质结合，使得漆层3在很大程度上耐刮擦。漆层3为大约40μm厚。制造商已经指定漆层3的发射率在800℃高于90％。

位于漆层3下面的QRC层2通常表现出开孔孔隙度并充当增粘剂。通过火焰抛光QRC层2的表面，可以防止漆渗入到多孔表面结构中，其结果是实现视觉上更具吸引力的表面结构化。通过用氧氢燃烧器加热QRC层2来进行火抛光。因此，局部产生大约1,800℃的非常高的温度，这使得能够在几秒内产生尽可能薄的玻璃膜，该玻璃膜密封多孔表面。

在操作期间，薄的黑色漆层3在几秒内加热到700℃-750℃，并且因此发射中波范围内(优选地在2,500nm至3,500nm波长范围内)的红外线辐射。以下适用：“吸收＝发射”；即，由灯管1发射并在漆层3中快速吸收的短波辐射在较低的温度下(即，在中波范围内)以高强度同样快速地释放几乎相同的能量。黑漆层3充当辐射转换器，因为它将高能量短波辐射转换成高强度的中波辐射。由于短波钨加热长丝，因此在秒范围内的快速能量供应响应时间是可能的。

图2b的照片以三维视图示出了图2a的红外线辐射器的实施方案。此外，这里可以看到在灯管1的一端引出的电连接件1a。

在图3所示的基本变体的变型中，QRC层2的一半(180度)以金层4的形式涂覆有后侧反射器层。

通过用刷子将含金的乳液(树脂酸金)施用到QRC层2的表面上而产生金层4，该表面是开孔的或已经通过热处理密封。随后通过加热焙烤乳液。焙烤期间，树脂酸金分解成金属金和树脂酸，该金属金和该树脂酸与糊状物的其他组分一样在高焙烤温度下挥发。留下的是封闭的镜面金层4，其充当反射器并且其厚度优选地在50nm至300nm的范围内，这取决于反射率要求。层越厚，反射率越高。此处，辐射表面对应于由QRC层2而非金层4涂覆的灯管侧表面的一半(180度)。

金层4降低了灯管后侧的区域中的发射率，并且实现了对辐射的非常好的反射，该辐射被向前反射到漆层3上并且在那里被吸收。该辐射量大大有助于对黑漆层3的快速加热。

在图4所示的基本变体的变型中，整个QRC层2(360度)涂覆有由热涂料制成的0.04mm厚的漆层3(参考图2解释了产生和特性)。覆盖层管的整个侧表面充当辐射表面，即，红外线辐射器具有三维辐射特性。

在图5所示的基本变体的变型中，QRC层2的表面的一半(180度)涂覆有由热涂料制成的0.04mm厚的漆层3(参考图2解释了产生和特性)，并且表面的非叠合的一半(180度)涂覆有0.1mm厚的金层4(参考图3解释了产生和特性)。此处，辐射表面对应于灯管侧表面的一半(180度)，该侧表面的一半涂覆有漆层3而不是金层4。

图6示意性地示出了根据本发明的红外线辐射器的第一基本变体。该红外线辐射器也是具有由石英玻璃制成的灯管1的短波红外线辐射器。灯管1在两侧封闭并且围绕钨加热长丝(未示出)，该钨加热长丝设置有电连接件并且可以加热到高达2,300℃的温度(在卤素辐射器的情况下加热到3,000℃)，并且主要在短波范围内发射。

具有石英管的典型红外线辐射器在其后侧具有由QRC或陶瓷制成的金反射器或漫反射器，以便经由透明石英玻璃灯管1的辐射表面使辐射能量向前进入到加热材料中。

在红外线辐射器的该实施方案中，灯管1的侧表面的一半(180度)通过涂覆有由温度稳定的黑漆制成的漆层3而变黑(参考图2解释了产生和特性)。辐射表面在这里对应于涂覆有变黑漆层3的灯管侧表面。在红外线辐射器的另一实施方案(未示出)中，灯管1的整个侧表面(360度)变黑。

在灯管的光滑侧表面上，在某些情况下，黑漆层3可能在高温下在几百小时内剥落。为了改善漆层3的附着力，灯管表面被粗糙化。粗糙化6的区域用虚线表示。

通过喷砂或研磨来机械地进行粗糙化或通过用蚀刻溶液处理来化学地进行粗糙化。在DE 197 13 014C2中描述了合适的蚀刻溶液(NH₄+HF+乙酸)及其用于粗糙化石英玻璃表面的应用。平均粗糙度深度R_a优选地在0.8μm-3.2μm的范围内；在示例性实施方案中，其为3μm。

粗糙化6不仅在漆层3和灯管表面之间形成更好的结合，而且通过在粗糙化表面处散射辐射而使中波辐射分布更均匀。所转换辐射的径向分布非常均匀地分布到石英管的前侧和半圆周上(参见根据图9的径向分布)。

黑漆层3充当辐射转换器并在700℃至750℃的范围内的温度下在中波范围内发射。耐久性测试已经表明，漆层或红外线辐射器可以在不存在视觉或功能受损的情况下实现高达10,000小时的使用寿命。

将漆层3加热到大约700℃(即，达到大约3μm处的中波发射)需要大约10s。相比之下，标准中波红外线辐射器需要大约5分钟来达到热平衡。

在根据图6的第二基本变体的图7所示的变型中，未被漆层3涂覆的灯管表面的一半(180度)具有0.1mm厚的金层4(参考图3解释了产生和特性)。在这里，辐射表面对应于灯管侧表面的一半(180度)，该侧表面的一半涂覆有漆层3而不是金层4。

图8示意性地示出了由石英玻璃和嵌入其中的元素硅的复合材料制成的平面、片状红外线辐射器8，如DE 10 2015 119 763 A1所述。加热导体带(未示出)施加到红外线表面辐射器8的片状基体9，并且在电流流动期间加热该基体，使得该基体发射红外线辐射。此类红外线辐射器8在1,000℃的温度下在2.75μm的波长处达到大约0.82的发射率。该波长表示该温度下的峰值波长。随着温度下降，复合材料失去其高发射率。为了抵消这一点，将由辐射转换器材料制成的层10施加到辐射表面。

在一个实施方案中，这是QRC层2。参考图1解释其产生和特性。另一个实施方案是漆层3。参考图3解释其产生和特性。或者，在第三实施方案中，该层为作为QRC层2的下层和作为漆层3的上层的组合。在图8中，这些可能的组合由组合附图标记2/3表示。

用由辐射转换器材料制成的层对辐射表面进行涂覆使得可以保持高发射率，而与基体9的温度无关。以这种方式，片状红外线辐射器已经很高的效率被进一步提高，因为即使在较低的温度下发射率也很高，并且因此可以以尽可能好的方式进行能量传输。

片9的板尺寸高达400×400mm²，其中厚度高达2mm。

另选地，片9由陶瓷材料组成，诸如氧化铝或氧化锆。可以通过电阻加热器对陶瓷进行热激发。漆层3施加到片9的辐射表面(参考图3解释了产生和特性)。漆层3通过辐射发射所吸收能量的大部分。陶瓷片8的温度决定了峰值发射波长。可以达到高达1,100℃的温度。对于陶瓷片，特别容易实现甚至比上述尺寸更大的尺寸以及弯曲的几何形状。

进行径向测量以确定辐射转换器材料对所发射的光功率密度(辐照度)的径向分布的影响。使用安装在可旋转载体上的红外线辐射器以常规方式进行径向测量，该可旋转载体以5度增量旋转360度。安装在25cm距离处的热电堆传感器检测由红外线辐射器发射的辐射。在图9的图中，在圆半径上，相对于测量点的圆周角位置(以度为单位)绘制标准化辐照度(相对单位)。测量曲线示出了根据图7的红外线辐射器的径向测量结果，该红外线辐射器具有在前侧(辐射表面)上的漆层3和在后侧上的镜面金层4。

在后散热器室90中，测量曲线A示出了小比例的辐射强度。这由透射的初级辐射和由于加热金层4而产生的次级辐射组成。然而，在实际的辐射场91中，测量曲线示出了高辐照度和中波辐射的均匀分布。所转换辐射的径向分布均匀地分布到石英管的前侧和半个圆周上。

在与根据图1的短波石英管辐射器的透射率相关的图10的图中，针对波长λ(以nm为单位)绘制了每个Ulbricht球确定的总透射T(以％为单位)。Ulbricht球允许测量包括漫射和直接透射的直接半球形光谱透射率。

发现在红外线辐射器已经接通之后，由于多次反射，大量的初级辐射通过透射穿过QRC层2而被发射。未透射的辐射随着时间的推移将石英玻璃套管1与QRC层2一起加热，并且因此附加地产生中波范围内的次级辐射。在几分钟之后达到热平衡，并且红外线辐射器发射由短波初级辐射和中波次级辐射组成的宽带光谱。

图11的图示出了根据图1的红外线辐射器与根据图4的红外线辐射器相比随时间的测量。在y轴上绘制了光功率P(以W/m²为单位)，而在x轴上绘制了通电时间t(以s为单位)。

辐照度随时间的测量表明，仅涂覆有QRC层2的红外线辐射器(图1)在接通之后直接产生大约50％的最大辐照度。然后需要大约4分钟直到达到全光功率。在红外线辐射器(图4)的情况下，其通过漆层3还完全变黑，辐照度上升得更慢，但是由于更高的吸收，在约3分钟之后更早地达到最大功率。最重要的是，总光功率中的一些光功率的快速可用性对于印刷工业中的应用是有利的，这是因为可以省去使用闸板系统来遮蔽纸幅抵抗尽管已经被关闭但仍然热的红外线辐射器。

在参考图8解释的本发明的片状红外线辐射器的情况下，加热导体带设置在片的板侧中的一个板侧上，所述加热导体带在电流流动的情况下生成热并且通过热传导将所述热传递到该片，从而加热该片。如果所述的没有加热导体带的片通过发射中波或短波红外线辐射的外部加热源而不是通过加热导体带来加热，则它们可以用作无源(无电流)的加热元件。具有辐射转换器材料的涂料可以具有相同的效果，如上文例如参考图8所解释。

Claims (18)

1.一种红外线辐射器，所述红外线辐射器具有模制体，所述模制体具有辐射表面，所述辐射表面发射具有第一峰值发射波长的短波或中波红外线辐射，其特征在于，将辐射转换器材料(2；3)施加到所述辐射表面的至少一部分，并且由于所述第一峰值发射波长的所述红外线辐射加热而发射具有第二峰值发射波长的红外线辐射，所述第二峰值发射波长为比所述第一峰值发射波长更长的波长。

2.根据权利要求1所述的红外线辐射器，其特征在于，所述辐射转换器材料(3)包括含着色颜料的涂覆材料。

3.根据权利要求2所述的红外线辐射器，其特征在于，所述着色颜料包含黑色矿物粒子并且不含碱。

4.根据前述权利要求中的一项所述的红外线辐射器，其特征在于，所述辐射转换器材料(2)包括不透明石英玻璃。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的红外线辐射器，其特征在于，所述模制体形成为由石英玻璃制成的覆盖层管(1)，所述覆盖层管围绕以加热线圈或加热条带形式设置有电源连接件的辐射发射器，其中所述辐射表面形成管的侧表面的至少一部分。

6.根据权利要求5所述的红外线辐射器，其特征在于，所述辐射表面在所述管的侧表面的20度与360度之间，优选地60度与200度之间并且特别优选地90度与180度之间的圆周角上延伸。

7.根据权利要求2或3和4中的一项以及根据权利要求5或6中的一项所述的红外线辐射器，其特征在于，所述辐射转换器材料(2；3)包括由所述不透明石英玻璃制成的下层(2)和由所述含着色颜料的涂覆材料制成并施加到所述下层(2)的上层(3)，并且所述覆盖层管(1)的所述侧表面的至少一部分被所述下层(2)覆盖，并且所述下层(2)的至少一个第一圆周区段被所述上层(3)涂覆。

8.根据权利要求7所述的红外线辐射器，其特征在于，镜面反射器层(4)，优选地含金反射器层(4)在第二圆周区段中施加到由所述不透明石英玻璃制成的所述下层(2)。

9.根据权利要求8所述的红外线辐射器，其特征在于，所述第一圆周区段和所述第二圆周区段不重叠，并且优选地彼此互补以形成360度的圆周角。

10.根据权利要求5或6中的一项所述的红外线辐射器，其特征在于，所述覆盖层管(1)的所述侧表面的至少一部分具有被定义为算术平均粗糙度R_a的表面粗糙度，其中R_a在0.5μm至5μm的范围内，并且优选地在0.8μm至3.2μm的范围内，其第一圆周区段形成所述辐射表面，所述辐射转换器材料施加到所述辐射表面。

11.根据权利要求10所述的红外线辐射器，其特征在于，所述反射器层(4)施加到所述覆盖层管(1)的所述侧表面的第二圆周区段，其中所述管的侧表面的所述第一圆周区段和所述第二圆周区段不重叠，并且优选地彼此互补以形成360度的圆周角。

12.根据权利要求11所述的红外线辐射器，其特征在于，所述反射器层(4)由不透明石英玻璃制成的层和/或由含金属的层，优选地含金的层形成。

13.根据权利要求1至4中的一项所述的红外线辐射器，其特征在于，所述模制体由在加热期间发射红外线辐射的材料以片(9)的形式制成，其中所述片(9)具有彼此相对定位的平面侧，所述平面侧中的一个平面侧包括对其至少部分地施加有所述辐射转换器材料(2；3)的所述辐射表面，并且其中由电阻材料制成并且连接到用于供应加热电流的电触点的加热导体带施加到另一平面侧。

14.根据权利要求13所述的红外线辐射器，其特征在于，所述片材料包括陶瓷，特别是Al₂O₃或ZrO₂，或者所述片材料包括复合材料，特别是由元素硅或碳嵌入其中的石英玻璃制成的基质。

15.一种发射红外线辐射的部件，所述部件具有由基体材料制成的基体(1；9)，所述基体具有用于吸收具有第一峰值发射波长的短波或中波初级红外线辐射的吸收表面，以及用于发射具有第二峰值发射波长的次级红外线辐射的辐射表面，所述第二峰值发射波长为比所述第一峰值发射波长更长的波长，其特征在于，将包括含着色颜料的涂覆层材料的辐射转换器材料(2；3)施加到所述辐射表面的至少一部分。

16.根据权利要求15所述的部件，其特征在于，所述着色颜料包含黑色矿物粒子并且不含碱。

17.根据权利要求15或16所述的部件，其特征在于，所述辐射转换器材料包括不透明石英玻璃。

18.根据权利要求15至17中的一项所述的部件，其特征在于，所述基体材料为石英玻璃。

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