CN117643173A - 具有施加至由金属制成的反射器层的发射层的红外线辐射器以及该发射层的用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种具有辐射器成型体的已知红外线辐射器，该辐射器成型体具有由金属制成并且施加至该辐射器成型体的反射器层。由此开始，为了具体说明一种能够轻松且经济高效并且此外在尽可能长的时间内以大电功率密度运行的红外线辐射器，提出了将发射层施加至该反射器层，该发射层在0.78μm至5μm的波长范围内的发射率比该反射器层在相同波长和温度下的发射率大至少10倍。
Description
背景技术
本发明涉及一种具有辐射器成型体的红外线辐射器，该辐射器成型体具有由金属制成并施加至该辐射器成型体的反射器层。
此外，本发明涉及在0.78μm至5μm的波长范围内具有处于0.81至0.99范围内的发射率的发射层的用途。
本发明的含义内的红外线辐射器被设计成发射红外光谱范围内的辐射。这些红外线辐射器具有辐射器成型体，并且可根据它们的主要发射波长将其划分为短波、中波和长波红外线辐射器。短波红外线辐射器的主要发射波长在0.78μm至1.4μm范围内(＝IR-A，额定温度1,800℃-3,450℃，根据IEC 62798:2014，第4节，通过光谱发射对红外线辐射器进行分类，表1)，中波红外线辐射器的主要发射波长在1.4μm以上至3μm的波长范围内(＝IR-B，690℃-1,800℃)，并且长波红外线辐射器的主要发射波长在3μm以上至1mm的范围内(＝IR-C，<690℃)。
已知的红外线辐射器的典型辐射器成型体具有圆柱形形状，例如管状、板状或片状。管状红外线辐射器可以被拉长或弯曲成例如U形或环形。板状或片状辐射器成型体具有两个相对的侧面，这些侧面可以是平坦的或弯曲的。
已知的红外线辐射器还包括辐射发射器，例如布置在辐射器管内的加热带，或者加热线圈，或者例如施加至板状辐射器成型体或结合在其中的电阻元件。辐射器成型体通常由石英玻璃或陶瓷制成。辐射器成型体用于保护辐射发射器免受例如机械应力或化学应力的影响，并且可有助于红外线辐射的发射和辐射的分布。呈辐射器管形式的辐射器成型体可以是开放的或封闭的。在封闭情况下，其通常填充有惰性气体，以便保护辐射发射器免受氧化。
由金属(例如，由金、银或铝)制成的反射器层被施加至辐射器成型体并且部分地覆盖辐射器成型体的表面。此外，辐射器成型体具有用于发射红外线辐射的辐射表面。辐射表面和反射器层彼此不重叠；它们规则地布置在辐射器成型体的相对侧上。
现有技术
红外线辐射器用于在多种工业制造过程中对加热材料进行加热。通常希望以尽可能大的电功率密度运行红外线辐射器。
由于在大多数情况下，红外线辐射器不应在所有空间方向上均匀地发射辐射，因此反射器经常与已知的红外线辐射器相关联。这使得辐射发射在某些空间方向上减少，而在其他空间方向上增加。这可以通过外部单独的反射器来实现。然而，具有施加至辐射器成型体的反射器层的红外线辐射器具有特别紧凑的设计。例如，从DE 10 2013 104 577 B3已知的短波红外线辐射器，其具有施加至辐射器管的金反射器。
由金属、特别是由金制成的镜面反射器层在反射红外线辐射方面表现出优异的特性；此外，其特征还在于良好的机械和化学稳定性。然而，金属层的有限热稳定性证明是不利的。当红外线辐射器要以大电功率密度运行并且反射器层此外被施加至已经有高温负载的辐射器成型体时，这尤其适用。为避免对由金制成的反射器层的损坏，因此通常需要在高于800℃的运行温度下冷却反射器层，如在DE 40 22 100 C1中所述。然而，这种冷却伴随着较大的空间需求。此外，空气或水冷却的缺点是会产生湍流，这会损害对加热材料的加热。
在现有技术中，因此使用由其他材料制成的层来代替由金属制成的反射器层，例如由不透明石英玻璃制成的反射器层，如在DE 10 2006 062 166 A1中所提出的。然而，与由金属制成的定向反射层相比，由不透明石英玻璃制成的层充当漫反射器。在漫反射器的情况下，由于多次反射可能会发生辐射损失，这会损害红外线辐射器的辐射效率。此外，由金属制成的镜面反射层的特征在于较小的层厚度。
技术目标
在具有由金属制成并且施加至辐射器成型体的反射器层的已知红外线辐射器中，该反射器层表现出有限的热稳定性。反射器层温度取决于制造反射器层的金属，红外线辐射器必须从该反射器层温度充分冷却。在反射器层由金制成的情况下，反射器层温度超过800℃时需要冷却，在反射器层由银制成的情况下，反射器层温度超过700℃时需要冷却，以及在反射器层由铝制成的情况下，反射器层温度为400℃时需要冷却。因此，根据管的规格，具有高电功率密度(例如，对于直径为23mm×11mm的双管，电功率密度超过2×40＝80W/cm，或者对于直径为10mm的圆管，电功率密度为40W/cm)的已知红外线辐射器的运行仅在大范围冷却的情况下是可能的。
然而，对于许多工业应用，希望能够以尽可能低的成本采用尽可能高的电功率密度运行红外线辐射器。因此，本发明的目的是具体说明一种红外线辐射器，该红外线辐射器能够轻松且经济高效地运行，此外还可以在尽可能长的时段内以大的电功率密度运行。
此外，本发明的目的是具体说明一种发射层的新用途，该发射层在0.78μm至5μm的波长范围内的发射率处于0.81至0.99的范围内。
具体实施方式
在红外线辐射器方面，根据本发明，该目的是从开头所述类型的红外线辐射器开始实现的，即，将发射层施加至反射器层，该发射层在0.78μm至5μm的波长范围内的发射率比反射器层在相同波长和温度下的发射率大至少10倍。
在具有由金属制成的镜面反射的反射器层的已知红外线辐射器中，红外线辐射器在合理的时间段内(具有或不具有附加的冷却)可实现的最大运行电功率密度是有限的。其原因是由金属制成的反射器层的热稳定性有限，该层可通过从某一温度(取决于相应金属)蒸发金属粒子而表现出分解现象。本发明基于此想法：通过增加反射器层的能量辐射，即通过用发射层覆盖反射器层，来抵消金属粒子的蒸发。这是基于以下考虑：
如果辐射撞击到主体上，则允许其穿透、反射或吸收。以下适用：
(公式1)
(公式2)
(公式3)
以及
(公式4)α+ρ+T＝1
在0.78μm至5μm的红外波长范围内，由金属制成的反射器层通常具有高反射率以及低吸收率和透射率。例如，在上述波长范围内，由金制成的反射器层通常表现出大于0.95的反射率以及总体上小于0.05的吸收率和透射率。在温度平衡时，吸收率α对应于发射率ε。反射器层因此具有相对低的发射率ε。然而，发射率ε对辐射器成型体和红外线辐射器整体的温度具有显著影响。这是因为主体的发射率ε越大，其每单位时间可再次释放到其周围环境的能量越多，这会影响其(运行)温度。如果反射器层如根据本发明所建议涂覆有发射层(该发射层的发射率ε大于反射器层的发射率ε)，则红外线辐射器的辐射总体增加，因此红外线辐射器的表面发生被动冷却。反射器层和发射层一起形成具有良好辐射的层复合结构，该层复合结构整体具有比单独的反射器层更高的总发射率。反射器层是层复合结构朝向辐射器成型体的下部内层。发射层形成上部外层。发射层相对于反射器层具有增强发射的效果。因此，可实现以下中的任一者：
-向红外线辐射器提供更大的电功率直到达到相同的温度，或者
-降低红外线辐射器的温度，使得可以减少原本所需的冷却。这尤其在空气或水冷却的情况下具有减少对流的优点，此对流可能对辐照过程具有不利影响。
反射器层位于辐射器成型体与发射层之间。由于发射层是封闭的并且覆盖反射器层，因此它防止或减少了粒子从反射器层的蒸发并且因此有助于延长辐射器的使用寿命。
对于被动冷却，如果发射层在0.78μm至5μm波长范围内的发射率ε比反射器层在相同波长和温度下的发射率ε大至少10倍、优选地至少25倍、特别优选地至少40倍，则会获得良好的结果。
0.78μm至5μm的波长范围包括短波、中波和长波红外线辐射器的主要发射波长。因此，当在红外线辐射器的反射器层上使用发射层时，在低于0.78μm和高于5μm的波长范围内的因子偏差最多是次要的。优选地，反射器层涂覆有黑色发射层，因为黑色发射层在宽波长范围内通常表现出良好的发射率ε。
原则上，以下情况适用：发射层的发射率ε越大，用其涂覆的反射器层的辐射越大，并且发射层的被动冷却效果越好。
已经证明，特别有利的是发射层的发射率ε在0.78μm至5μm的波长范围内处于0.81至0.99的范围内。这种发射层具有高发射率ε。基于由金制成的发射率ε为0.02的常规反射器层，这对应于因子大于40。基于由铝制成的发射率ε为0.05的常规反射器层，这对应于因子为16。基于由银制成的发射率ε为0.03的常规反射器层，这对应于因子为27。这种发射层特别适用于施加至辐射器成型体的反射器层的被动冷却。然而，发射层的发射率ε有利地至少为0.85。
发射层有利地包含无机着色颜料。
发射层优选地由包含着色颜料或其先驱物质的涂覆材料制成。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。
着色颜料在宽波长范围内发射红外线辐射，例如从2,000nm至8,000nm，特别是从2,000nm至4,700nm，其中发射率ε为0.81或更高，或者在窄波长范围内发射红外线辐射，例如约2,750nm，其中发射率ε为0.81或更高、优选地为至少0.9。
在本文中，已证明有利的是着色颜料包含黑色矿物粒子并且不含碱。
优选地，发射层是陶瓷基座上的黑色漆层。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表面不会反玻璃化，即，在与涂覆材料接触加热时，不会结晶并因此失去其光学质量。
如果发射层包含不透明石英玻璃，则已证明是成功的。
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，并且随后通过形成或多或少的不透明石英玻璃层来干燥并玻璃化该浆液层。
在除了含着色颜料的涂覆材料之外还包含不透明石英玻璃的发射层的情况下，含着色颜料的涂覆材料和不透明石英玻璃在它们的发射率方面互相补充，并且不透明石英玻璃可以充当涂覆材料的附着力促进剂，特别是在基座主体由石英玻璃制成的情况下。优选地，不透明石英玻璃形成发射层的下层，并且含着色颜料的涂覆材料形成发射层的上层。
由不透明石英玻璃制成的下层一方面本身可以充当反射器，另一方面有助于提高由涂覆材料制成的上层的附着力。此外，下层也吸收红外线辐射的一部分并且还会再次发射辐射。
另一方面，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ε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(从而更早进入运行就绪状态)。
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。
如果发射层的层厚度在1μm至200μm的范围内、优选地在30μm至100μm的范围内，则证明是成功的。
在层厚度小于1μm的情况下，会损失发射层的被动冷却效果。超过200μm的层厚度仅可通过在层上重复施加来产生。同时，随着发射层的厚度增加，当发射层暴露于运行期间的温度差时，发射层剥离的风险增加。这相应地适用于由涂覆材料制成的上层，其厚度优选地小于0.1mm，并且优选地在1μm至50μm的范围内。
有利地，发射层至少耐热至1,000℃、优选地至少耐热至1,200℃。已经发现，发射层的良好耐热性伴随着反射器层以及因此红外线辐射器的更长的使用寿命。
根据管的规格，红外线辐射器有利地被设计成在标准条件下在未冷却状态下生成高达80W/cm的电功率密度：例如，在直径为23mm×11mm的双管的情况下生成高达80W/cm的电功率密度，以及在直径为10mm的圆管的情况下生成高达40W/cm的电功率密度。
在本发明的一个优选实施方案中，辐射器成型体是由石英玻璃制成的辐射器管。
辐射器管优选地包围辐射发射器，该辐射发射器设有呈加热线圈或加热带形式的电源连接件。辐射器管例如具有圆形、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。辐射器管的外壁例如是光滑的或者是粗糙的。短波红外线辐射器尤其具有在两侧上封闭的活塞状辐射器管，其中电源在一端处或两端处引出。
辐射器管材料例如是石英玻璃，并且对于红外线辐射(特别是在约2,200nm至3,100nm的波长范围内)具有相对低的固有发射率。辐射器管具有通常位于辐射器管的侧表面上的辐射表面。反射器层与辐射表面相对。通过用发射层完全涂覆反射器层，反射器层被改造成具有更高的发射率。
例如，辐射表面、反射器层和发射层各自覆盖辐射器管侧表面的部分区域，其中辐射表面不与反射器层的区域或者与发射层的区域重叠。有利的是，辐射表面、反射器层的区域以及与反射器区域重叠的发射层的区域相互补充，使得它们覆盖整个侧表面。
在本发明的一个优选实施方案中，发射层覆盖反射器层的至少80％。然而，优选地，发射层完全覆盖反射器层。在这种情况下，如果发射层的尺寸被确定为使得其在所有侧面上突出超过反射器层，则已经证明是成功的。这确保了反射器层完全受到发射层的保护，即使在发射层相对于反射器层发生无意的(例如，与生产相关)最小位移的情况下也是如此。这提高了反射器层的热稳定性。
当使用辐射器管时，已经证明有利的是，辐射表面和反射器层区域以及发射层的区域各自均具有平行于辐射器管纵向轴线延伸的直侧和在辐射器管横截面平面中延伸的弯曲侧，其中直侧分别在辐射器管的整个长度之上或其一部分之上延伸。弯曲侧可通过作为中心点的辐射器管纵向轴线的位置，通过横截面中的中心角和辐射器管的外半径来描述。优选地，反射器区域在0度至270度的范围内的中心角之上、特别优选地在0度至180度的范围内的中心角之上延伸。已经证明有利的是，发射层的弯曲侧比反射器层的弯曲侧大5％，其中发射层相对于反射器层被布置成使得发射层在两侧上均与反射器层重叠。
然而，由发射层覆盖的区域优选地在0度与275度之间、特别优选地在0度与195度之间的中心角之上延伸。
在具有由石英玻璃制成的辐射器管形状的辐射器成型体的红外线辐射器的一个实施方案的特别优选的第二变型中，辐射器管的侧表面的至少一部分具有被定义为算术平均粗糙度Ra的表面粗糙度，其中Ra在0.5μm至5μm的范围内，优选地在0.8μm至3.2μm的范围内，其第一圆周区段被辐射器层覆盖。
具有0.8μm的Ra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Ra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反射器层或发射层的地方被粗糙化。粗糙化改善了反射器层和发射层的附着力，特别是在发射层呈含着色颜料的涂覆材料(诸如漆或糊状物)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Ra的情况下，辐射表面的光学质量会受到影响，而附着力促进效果方面没有显著提高。在小于0.5μm的低表面粗糙度Ra的情况下，不会产生显著有助于附着力促进的效果。
在红外线辐射器的另一个特别优选的变型中，片形式的辐射器成型体由在加热时发射红外线辐射的材料形成，其中片具有相对的平面侧，其中一个第一平面侧由反射器层和发射层覆盖，并且另一个第二平面侧限定辐射表面。第二平面侧优选地施加有电接触件，用于将加热电流供应至与其连接并由电阻材料制成的加热导体轨道。
片状红外线辐射器为通常主要具有二维辐射特性的表面辐射器。片材料优选地为陶瓷，特别是Al2O3或ZrO2，或者其包含复合材料，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。特别地，含颜料的涂覆材料和不透明石英玻璃即使在高达例如1,100℃的高温下也不会有任何损失或仅损失很少的发射率。
最后，提出了将开头所述类型的发射层用于被动冷却由金属制成并且施加至红外线辐射器的辐射器成型体的反射器层。
定义
发射率ε
由于其温度，每个主体都发射热射线。发射率ε表示主体与黑体相比释放多少辐射量。根据基尔霍夫辐射定律，源自任意主体的辐射功率等于相同温度的黑体的辐射功率乘以任意主体的发射率。以下适用：
P＝ε·Ps；其中0≤ε≤1
其中：P为任意主体的辐射功率，
Ps为相同温度下黑体的辐射功率，并且
ε为任意主体的发射率。
发射率ε按以下确定：
用积分球测量室温下的发射率。该积分球允许测量定向半球形光谱反射率Rgh和定向半球形光谱透射率Tgh，由此计算正常光谱发射率。例如，可以使用Perkin Elmer Lambda950光栅光谱仪测量0.78μm至2.5μm波长范围内的反射率和透射率。例如，在1.4μm至18μm的波长范围内，可以使用Bruker IFS 66v傅立叶变换红外(FTIR)光谱仪。
通过FTIR光谱仪(例如，使用Bruker IFS 66v傅立叶变换红外光谱仪(FTIR))在0.7μm至5μm的波长范围内进行较高温度下的发射率测量，黑体边界条件(BBC)样品室通过附加光学单元与该光谱仪耦合。在样品架前后的半室中，样品室具有温度可控的黑体环境和带检测器的光束输出开口。将样品在单独的烘箱中加热至预定温度，并在黑体环境设置为预定温度的情况下将其引入样品室的光束路径中进行测量。由检测器检测到的强度由发射分量、反射分量和透射分量组成，即由样品本身发射的强度、从前半室落到样品上并被样品反射的强度以及从后半室落到样品上并被样品透射的强度。为了确定发射率、反射率和透射率的各个变量，必须进行三次测量。
电功率密度
电功率密度的测量单位为“每加热长度的电功率”(W/cm)；其几乎100％转化为光功率(W/m2)。
标准条件
应用温度298.15K(25℃，77℉)和绝对压力100kPa(14.504psi，0.986atm)作为标准条件(SATP条件)。
总辐照度E
术语“总辐照度”(也称为：光功率)表示垂直入射到入射表面的辐射功率的比率。其测量单位为W/m2。
平均粗糙度Ra
根据EN ISO 25178确定算术平均粗糙度Ra。这是线粗糙度参数。为了确定测量值Ra，(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。
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为具有由金制成的反射器层和施加至其的发射层的红外线辐射器的实施方案的横截面和示意图，
图2a为具有双管的红外线辐射器的实施方案的照片，在双管上施加了由金制成的反射器层和发射层，
图2b为图2a的红外线辐射器的示意性透视图，
图3为示出了不同温度(25℃、200℃、600℃、800℃、900℃和1000℃)下发射层的发射率ε与波长λ的函数关系的图表，
图4为温度-时间图表，其中绘出了根据本发明的涂覆有黑漆的红外线辐射器的反射器侧上的温度曲线和传统红外线辐射器的反射器侧上的温度曲线，
图5为温度-时间图表，其中绘出了根据本发明的涂覆有黑漆的红外线辐射器的辐射出射侧上的温度曲线和传统红外线辐射器的辐射出射侧上的温度曲线，
图6为辐照度-时间图表，其中绘出了根据本发明的涂覆有黑漆的红外线辐射器的辐照度曲线和传统红外线辐射器的辐照度曲线，并且
图7、图8为具有平面、板状辐射器成型体的红外线辐射器的第二实施方案。
图1示意性地示出了根据本发明的红外线辐射器的横截面，该辐射器整体被指定为附图标记1。该表示未按比例绘制；具体地，分量和层的厚度可显示为更厚以改善可识别性。
红外线辐射器1具有由石英玻璃制成的辐射器管2。辐射器管2为圆筒形，其长度为80mm、宽度为23mm并且高度为11mm。辐射器管2在两端封闭；它包围钨加热长丝(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。
辐射器管2的侧表面为被涂覆有由金制成的反射器层3的半管状(180°)。在替代构型中，反射器层3由铝或银组成。反射器层3具有0.2μm的层厚度和0.02的发射率；其降低了在镀金区域中的发射率并且引起入射辐射的极佳反射，使得由加热丝发射的辐射基本上在未设置反射器层3的侧表面的方向上辐射。
此外，反射器层3还在陶瓷基座上涂覆有由黑色高温漆制成的发射层4，使得反射器在视觉上不再呈现金色而是黑色。
在具有由金制成、但也由银或铝制成的反射器层3的光滑辐射器管侧表面上，在某些情况下，发射层4可能在高温下在几百小时内剥落。为了改善漆层3与反射器层3的附着，在施加反射器层之前使辐射器管表面粗糙化。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Ra优选地在5μm至50μm的范围内；在示例性实施方案中，其为25μm。
当加热至800℃和更高温度时，发射层4仍保持其黑色并因此也保持其发射光谱；耐热温度高达1,200℃。发射层4的发射率为0.9。发射层4的厚度大约为40μm。辐射器管2的未涂覆侧表面形成红外线辐射器1的实际辐射表面5。
在反射器层温度高于600℃时，可能已经发生金从反射器层3蒸发。在红外线辐射器1中，施加至反射器层3的发射层4在以2×40W/cm的电功率密度运行期间加热高达780℃。“吸收＝发射”适用，使得发射层4再次以高强度快速地释放所吸收的辐射。因此，发射层4在红外线辐射器1运行期间被动地通过辐射冷却反射器层3；其因此阻止金粒子从反射器层3蒸发并且用作蒸发屏障和保护漆。发射层4不仅提高了红外线辐射器1的使用寿命，而且在具有更高电功率密度的红外线辐射器1的运行期间辐射功率也保持稳定，因此，红外线辐射器1可以有利地特别用于温度敏感工艺。
由金制备反射器层3
反射器层3是使用刷子通过将含金乳剂(树脂酸金)施加至辐射器管2的表面而制成的。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。
发射层4的制备
发射层4通过在热涂料上喷涂或刷涂制备。热涂料不含碱。该热涂料包含铝硅酸盐溶液(10重量％至20重量％)、作为矿物质着色颜料的亚铬酸铜黑尖晶石(25重量％至35重量％)和水(40重量％至60重量％)。合适的热涂料例如由ULFALUX Lackfabrikation GmbH公司(例如，-Thermobeschichtung 1590ST)和Aremco Products，Inc.公司商业提供作为烘箱涂料，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。
重复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，产生固体物质对物质结合，使得发射层4在很大程度上耐刮擦。
图2a的照片示出了根据本发明的红外线辐射器的另一个实施方案，该实施方案整体被指定为附图标记21。红外线辐射器21具有由两个彼此相邻布置的石英管制成的双管形式的辐射器管22。石英管各自的宽度为23mm，高度为11mm，长度为200mm；它们在其纵向轴线方向上熔合在一起并一起形成部件。双管结构能够实现高辐射密度和良好的机械稳定性。双管的两个石英管各自包围钨加热丝(未示出)。辐射器管22在其两个管端25a、25b处封闭。加热带以这种方式串联连接(未示出)，使得用于加热带的电接触件的电连接件26a、26b经由在辐射器管端25b中的一者处的卷曲部而从辐射器管22引出。相对的辐射器管端25a被熔合。
将金层(不可见)施加至辐射器管22并且涂覆有发射层24。金层的发射率在780nm至5μm的波长范围内为0.02。发射层24的发射率为0.85。
图2b以简化的透视图示意性地示出了图2a的红外线辐射器21的结构。在图2b的实施方案中使用与图2a中相同的附图标记的情况下，它们表示结构上相同或等效的部件和部分，如上文参考图2a的描述更详细地解释的。
为了进行更好的说明，在图2b中省略了辐射器管端25a的熔合和辐射器管端25b的卷曲部，而是示出了在图2a中不可见的金层23以及碳加热带28a、28b及其电接触件。
碳加热带28a、28b串联连接。它们的电接触经由电连接件26a、26b实现，这些电连接件各自导电地连接至碳加热带28a、28b中的一者。为了能够在电连接件26a、26b的区域中压接辐射器管23，电连接件26a、26b各自设有薄厚度、优选地由钼制成的金属板。碳加热带28a、28b经由连接元件27彼此导电连接。
金层23的层厚度为0.1μm至0.2μm。它覆盖辐射器管22的侧表面的大约50％。发射层24被施加至金层。发射层24完全覆盖金层；它覆盖辐射器管22的侧表面的大约55％。发射层是黑色热分散涂料的涂料层，其组成如下：
在施加和干燥之后，在大约1,200℃的温度下将涂料层烧入并烧结成层厚度为40μm的黑色发射漆层(漆层和热涂料的制造和特性参照图1进行说明)。图3示出了图表，其中示出了不同温度(25℃、200℃、600℃、800℃、900℃和1000℃)下该发射层的发射率ε与波长λ的函数关系。对于25℃的温度示出了两条曲线，其中曲线(a)反映了加热漆层之前的发射曲线，并且曲线(b)反映了将漆层加热到1,000℃并随后冷却之后的发射曲线。
在波长λ为0.7μm至5μm、甚至高达14μm的波长范围内，发射层在上述温度下始终显示出在0.85至0.98范围内的发射率ε。因此，在上述范围内的温度变化伴随着发射率的微小变化。由于它们良好的温度稳定性，同时发射率变化较小以及同时对金属层(特别是由金、银或铝制成的金属层)的良好附着特性，前述黑色发射层适用于在红外线辐射器的辐射器管上使用。
图4的温度-时间图表一方面示出了在具有金反射器的传统红外线辐射器中在反射器侧上检测到的温度曲线，另一方面示出了在具有涂覆的金反射器的根据本发明的红外线辐射器中在反射器侧上检测到的温度曲线。
使用具有基本相同结构的两个红外线辐射器来检测温度曲线。图2A和图2B中描述的红外线辐射器21用作根据本发明的红外线辐射器；具有由金制成的反射器层23但没有发射层24的结构相同的红外线辐射器用作传统的红外线辐射器。
使用高温计以无接触方式检测温度，从在室温下在时间t＝0分钟时打开相关的红外线辐射器开始。不到5分钟后，两个红外线辐射器均达到恒定的运行温度。
曲线轮廓401是用不带发射层的传统红外线辐射器记录的。在温度平衡时，运行温度Tss≈857℃。
曲线轮廓402是用根据本发明的红外线辐射器21记录的。在温度平衡时，运行温度Tss≈752℃。因此，根据本发明的红外线辐射器21的运行温度保持低于传统红外线辐射器的运行温度的90％的值(T90，sdT＝771℃)，其在图表中以辅助线403示出。根据本发明提供的发射层24表现出良好的辐射发射；其充当反射器的被动冷却。出于比较的目的，辅助线404示出了根据本发明的红外线辐射器21的运行温度的90％的值(T90，Inv＝677℃)。曲线轮廓402与辅助线404的交点也比曲线401与辅助线403的交点更快地到达。这表明，根据本发明的红外线辐射器21也比传统的红外线辐射器更快地达到其温度平衡。
图5在另一温度-时间图表中示出了在具有金反射器的传统红外线辐射器的情况下和在根据本发明的具有涂覆金反射器的红外线辐射器的情况下，在与反射器侧相对的辐射出射侧上的温度曲线。使用与已经参照图4描述的相同的测量装置进行测量。
曲线轮廓501反映了传统红外线辐射器辐射出射侧上的温度；曲线轮廓502反映了根据本发明的红外线辐射器21的辐射出射侧上的温度。与反射器侧上的温度曲线(参见图4)相比，在温度平衡时，在辐射出射侧上实现了更低的运行温度。这是因为辐射出射侧表现出高透射率并且因此较少的辐射被吸收。此处的最大值为TSS，SdT≈807℃和TSS，Inv≈736℃。对于其余部分，在辐射出射侧上也表现出与反射器层23上的发射层24相同的效果，即通过被动冷却降低红外线辐射器温度。
因为具有由金制成的反射器层的红外线辐射器的发光度在所有侧面上并不相同，并且只有辐射出射区域中的发光度似乎相关，因此在90°至270°半室(即，在辐射出射侧上)中的积分总辐照度与工作时间的关系如图6的图表所示。为此目的，如上参照图2A和图2B详细描述的红外线辐射器21和不带发射层24的结构相同的红外线辐射器在100V的额定电压UNenn下运行2,250小时，并且在每种情况下测定积分总辐照度。曲线轮廓601是针对具有发射层24的红外线辐射器21获得的；曲线轮廓602是利用传统红外线辐射器获得的。在此发现，在传统红外线辐射器中的积分总辐照度比在金反射器层覆盖有发射层的红外线辐射器中的积分总辐照度降低得更快且更强烈。发射层因此伴随着红外线辐射器的使用寿命延长。耐久性测试已经表明，漆层或红外线辐射器可以在无视觉或功能受损的情况下实现高达10,000小时的运行时间。
图7示出了根据本发明的红外线辐射器的第二实施方案的侧视图，图8示出了根据本发明的红外线辐射器的第二实施方案的截面图，该红外线辐射器整体被指定为附图标记71。红外线辐射器71具有板状辐射器成型体72，其包括由石英玻璃制成的基质72a、施加至基质72a的导体轨道72c以及覆盖层72b。
板状辐射器成型体72具有板厚度为2.5mm的矩形形状。它由石英玻璃制成的基质72a组成。基质72a具有视觉上半透明至透明的效果。当采用显微观察时，其不显示开孔，并且至多显示最大尺寸平均小于10μm的闭孔。
导体轨道72c由钽制成。导体轨道72c具有至少0.02mm2的横截面积，其宽度为1mm并且厚度为20μm。在导体轨道的两端处，由钽制成的接触部72d被焊接至导体轨道72c。接触部72d具有至少0.5mm2的横截面积。因为接触部具有比导体轨道更大的横截面，所以它们具有比导体轨道72c更小的电阻；因此，在电流流过的情况下，它们被加热的程度比导体轨道72c更弱。因此，接触部导致温度降低，从而简化了导体轨道72c经由接触部72d的电接触件。
导体轨道72c与基质72a的导体轨道固定连接，其方式是，将由玻璃制成的覆盖层72b施加至基质72a的设有导体轨道72c的表面。覆盖层72b由玻璃制造，该玻璃的热膨胀系数在基质72a的热膨胀系数和导体轨道72c的热膨胀系数之间的范围内。覆盖层72b的平均层厚度为1.8mm。覆盖层72b覆盖辐射器成型体72的整个加热区域。它完全覆盖导体轨道72c并且由此屏蔽导体轨道72c免受来自环境的化学或机械影响。
将由金制成的层厚度为60μm的反射器层73施加至覆盖层72b。反射器层73涂覆有层厚度为100μm的发射层74；其由与图1的实施方案的描述中提到的相同的热涂料组成。
红外线辐射器71的辐射表面由附图标记75表示。
Claims (11)
1.一种红外线辐射器(1；21；71)，所述红外线辐射器具有辐射器成型体，所述辐射器成型体具有由金属制成并且施加至所述辐射器成型体的反射器层(3；23；73)，其特征在于，将发射层(4；24；74)施加至所述反射器层(3；23；73)，所述发射层在0.78μm至5μm的波长范围内的发射率比所述反射器层(3；23；73)在相同波长和温度下的发射率大至少10倍。
2.根据权利要求1所述的红外线辐射器(1；21；71)，其特征在于，所述发射层(4；24；74)在0.78μm至5μm的所述波长范围内具有处于0.81至0.99范围内的发射率。
3.根据权利要求1或2中的一项所述的红外线辐射器(1；21；71)，其特征在于，所述发射层(4；24；74)包含无机着色颜料。
4.根据权利要求3所述的红外线辐射器(1；21；71)，其特征在于，所述着色颜料包含黑色矿物粒子并且不含碱。
5.根据前述权利要求中的一项所述的红外线辐射器(1；21；71)，其特征在于，所述发射层(4；24；74)具有在1μm至200μm范围内的层厚度。
6.根据前述权利要求中的一项所述的红外线辐射器(1；21；71)，其特征在于，所述发射层(4；24；74)至少耐热至1,000℃，优选地至少耐热至1,200℃。
7.根据前述权利要求中的一项所述的红外线辐射器(1；21；71)，其特征在于，所述发射层(4；24；74)覆盖所述反射器层(3；23；73)的至少80％。
8.根据前述权利要求中的一项所述的红外线辐射器(1；21；71)，其特征在于，所述红外线辐射器被设计成在标准条件下在未冷却状态下生成高达120W/cm的电功率密度。
9.根据前述权利要求中的一项所述的红外线辐射器(1；21；71)，其特征在于，所述辐射器成型体是由石英玻璃制成的辐射器管。
10.根据前述权利要求中的一项所述的红外线辐射器(1；21；71)，其特征在于，由金、银或铝制成的反射器层(3；23；73)被施加至所述辐射器成型体。
11.一种发射层(4；24；74)用于被动冷却由金属制成并且被施加至红外线辐射器(1；21；71)的辐射器成型体的反射器层(3；23；73)的用途，所述发射层在0.78μm至5μm的所述波长范围内具有处于0.81至0.99范围内的发射率。
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