CN1784086A - Cfc辐射发热器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种I R辐射发热器，至少一种平面碳加热元件(1)安装于对IR辐射为透明或者部分透明的机壳中。其中至少一种碳加热元件(1)是一个被排列成一个平面，安装在两个板(2，3)之间的CFC网，其中至少一个板是透明或者部分透明。
Description
技术领域
本发明涉及一种IR辐射发热器，其机壳中至少具有一个二维(平面的)碳灯丝，安装于一个对IR辐射透明或者部分透明的机壳中。
背景技术
欧洲专利EP 0 881 858发明了这样一种IR辐射发热器，在一个圆形的电子管中安装了单条灯丝；德国专利DE 44 38 871和DE 44 19 285中描述的IR辐射发热器被安装了数条碳灯丝，它们互相连接。这里使用的碳原料由并排的碳纤维组成，它们由树脂连接起来。在被安装在发热器上之前，这些结构先被碳化和石墨化。
欧洲专利EP 0 881 858中描述的发热器不适合于均匀的平面辐射。
德国专利DE 44 38 871和DE 44 19 285涉及同等灯丝的应用，但是是以达到二维平面(2D)辐射为目标的。
然而，上述文献中的碳灯丝不能被安装在任意的二维加热元件中，因为该原料只能作一个延伸的固定宽度排列。在德国专利DE 44 38 871中描述的排列可以实现这种构造，但是既不能实现均匀的辐射强度，也不能实现弯曲或圆的形状、或者是三维形状的结构。
即使是在德国专利DE 44 38 871，图5a中的排列也显示出相当大的温度变化，从而位于边缘谱带的每长度单位辐射的能量依赖于不同纤维的不同长度。
多个窄谱带的排列，就像在德国专利DE 44 19 285中提及的，需要多个复杂且昂贵的接点把相互联系的各个独立谱带连接起来。
然而，这种碳谱带在二维模式中不能被任意的排列，因为这些频带仅仅允许很小的并行排列的偏差。碳谱带可以任意地形成与二维结构垂直。然而，这种排列缺乏辐射表面的二维特征。
另一方面，本发明也涉及CFC材料在辐射发热器中的应用。
日本专利JP 7-161725描述了从平面材料中切割加热样本，其中用到了碳化硅(SiC)。SiC加热元件被安装在一个石英玻璃制成的开放机壳中，上面放置了一个石墨盘(图1，附图标记8)以供加热处理。石墨盘被SiC发热器加热，再加热了原料。由SiC或石墨制成的加热元件是脆且刚性的，它们非常容易破碎。加热元件通过螺丝钉形成被强力的电接触，这样热膨胀对加热元件又增加了一个破碎的风险。为了保证这种加热元件的足够的机械力，它们必须被造得非常大。由于低电阻的存在，在低电压的操作中会有大电流通过。这需要复杂的动力格栅供电电路，而电子供电线路能够被引入一种强真空的石英体也存在困难。由于这个原因，这里的石英玻璃机壳同样也是一个开放的形状。
欧洲专利EP 0 899 777 B1描述了一种碳加热装置，其具有一个由纵向延伸和互相交织的碳纤维束制成的加热装置部分，就像一个带或一个金属丝的形状。这些交织的碳光纤束显然不是石墨转变成的CFC。因此，这些纤维束具有很好的柔韧性，避免了脆裂的风险。这些金属丝状或带状的加热装置元件具有高电阻，所以这些加热装置可以在常压下工作。由于带中的纤维数量极少，甚至在最大输出时仍然只有很少量安培的电流流动，因此这样的一个单位的全部电流输出产生的能量相当小，只有30kW/m2。
加热装置元件安装在第一个石英板上铣过的通路上。然后第二个石英板覆盖在第一个石英板上并与之连接，加热装置被第二个石英板密封。所述连接通过放置一块重达10公斤的重物和一个加热过程来实现，其中全部的装置被加热到1450℃，保持3小时。
两部分石英的连接结果不是表现为一种连续的焊接，经过了长时间的操作，由于机械和热力的负荷，间隙又会重现。
根据美国专利US 6,584,279 B2，通过编成麻花状的碳纤维，得到了一种电量输出为28kW/m2的IR发热器。
在制动技术领域，也用到了由CFC材料或注入硅的CFC材料制成的碳纤维一加固碳(CFC)盘。
发明内容
本发明的目的是提供一种IR发热器，其可以使用于典型的动力力格栅电压，同时它具有高输出和长寿命，在加工各种可能需要的形状构造中允许极大程度的适应性。
根据本发明，令人惊讶的发现，在碳发热器中使用了形状复杂的、从CFC薄片上切割下来的灯丝后，表面可以产生超过30kW/m2，甚至超过100kW/m2的输出量。更令人吃惊的是，当这些灯丝放置在机壳内，IR发热器主要从顶部开始发热。所述机壳由放置在底部的不透明的石英玻璃和放置在顶部的透明的石英玻璃组成，除表面外，石英玻璃经过了喷砂或磨砂处理。热的石英玻璃在自己的远程红外线范围5μm以上发热，在这个波长的辐射输出与表面或使用的石英材料无关。然而，只有少量的辐射显现在本发明的装置的底部。
通过选择合适的具有特殊高电阻的CFC材料，就能获得一个适合的特殊电阻。比如通过使用由多个短纤维部分产生的细线，然后交织成一张网。
在注入并被转化成CFC后，这样的网也保持了柔韧性和抗裂性。从CFC片上切割下来的具有复杂形状的灯丝也同样具有柔韧性和抗裂性。
原料的厚度很小，优选＜1mm和特别优选＜0.3mm，因而灯丝电阻能达到在常压下(208V，230V，400V，480V)操作。IR发热器的典型电流通路允许25安培电流，这样每根灯丝可实现相当可观输出。
根据本发明，令人惊讶的是，由CFC网制成的平面辐射发热器可以达到超过30kW/m2的输出，甚至超过100kW/m2。输出为8-12kW的发热器可以制造。如果平面碳样式安装在一个不透明和另一个透明的两个表面之间，平面发热器能够从一个侧面发热。使用几个CFC网时，本发明同样可以实施。
通过这种途径，提供的加热技术达到了超洁净应用的高标准，诸如那些半导体产业所要求的。
在本发明的优选实施例中，平面石英玻璃元件被互相焊接从而形成一个机壳。这种机壳可以由高纯净材料制作，例如石英玻璃。CFC加热灯丝可以被安装在机壳内的支架上，支架的形状优选接触面小的，理想化的是小成一条线。合适的支架包括，例如，由石英玻璃、氧化铝或者其他非导电性、高熔点的材料制成的棒，最好制作成可放置灯丝的锋利的边缘的形状。
优选的辐射发热器的输出量为大于30kW/m2，特别的为50-250kW/m2，辐射发热器的服务寿命在5000-10000小时。
另一个优选实施例由超过200kW/m2输出量的辐射发热器组成，甚至是超过250kW/m2，然而是短服务寿命的。
特别优选的应用领域为输出为100-200kW/m2的，长服务寿命的辐射发热器。
表面发热器的优选形状，能够被倍数尤其是被数量级整除的二维空间比三维空间更有效。已经证实抽空或用惰性气体填充机壳内部是有效的。
灯丝的电接触优选由钼制成的夹子实现，其中由合适的碳材料制成的在灯丝和夹子当中的附加层提供了一种近乎完美的电和机械的接触。
优选的CFC样式是圆盘形的，曲形的，螺旋形的，欧米加形的，折叠欧米加形的或有凹入的圆形。经激光或水枪小心地处理材料，CFC样式可以按照必要的精度要求，被干净利索地从CFC片上切割下来。
附图说明
本发明的附图通过下列附图说明来说明。
图1a是加热元件1的平面图。
图1b是加热元件1的透视图。
图2a是底盘2的平面图。
图2b是底盘2的透视图。
图3a是盖板3的平面图。
图3b是盖板3的侧视图。
图4是底盘2，固定好供电线的电接点26以及固定好的泵喷嘴27的透视图。
图5是装置的从底面的全局透视图。
具体实施方式
图1a或1b的加热元件是从CFC片材料上切割下来的。
图2a或2b的底盘2由不透明的石英玻璃制成。在它的表面上有接点片22用以加热带1，焊接在盖板上的隔片23，用来固定加热带1定位插脚21。周边提供了用于焊接到盖板上的边缘24。此外，还提供了2个钻孔25用作电接触点。
图3a和3b是由石英玻璃制成的盖板3，沉孔31用来把盖板焊接到底盘2上的隔片23。
在图4中，底盘2装配有固定了供电线的电接点26和固定好的泵喷嘴27。
在图5中，也连接有供电线28和插座29。
图5的辐射发热器有一个CFC加热元件(图1a和1b)，这满足了在弯曲的模式中加热整个表面的需要。在灯丝1末端的下面，两个用于接收电接触点26和电流通路的石英管与由石英玻璃(OM-100根据贺利氏公司2002年的小册子)制成的底盘2(图2a/2b)相接触。正面3是一个透明的石英玻璃面板3。圆盘2和3是密封的，形成了一个不透气的空间，该空间真空管排空用作供电线。在这个结构中，碳带1可以加热到大约1300℃，产生200kW/m2的输出。
在图2a和2b的简单结构中，不透明盘制作成了底盘2，隔片23被安装在上面。底盘2被一个内部的和一个外部的环形物24固定住。CFC样式1松散地铺设在接点片22上，而一个透明的石英玻璃盘3与环一起形成了一个封条。
在图2中，电流通路被安装在圆形辐射单位的外部，需要与该盘形或玻璃盘2，3和环的环形有一个偏移。
在这个结构中，碳带1可以加热到大约1300℃，产生200kW/m2的输出量。
对于极端高纯度应用，CFC模式1使用激光从CFC表面切割下来，隔片23，环和石英玻璃盘2，3由极端高纯度石英玻璃组成。因此，除了金属电流供电线和用于连接网端和电流通路的钼保持夹子，高纯度石英玻璃只用于发热器机壳，高纯度碳被用作辐射源1。
制备实施例
一块有足够厚度的不透明石英玻璃盘2被切割成底盘2所需要的形状，凹入处被打磨。通过这样的方法，边缘24和隔片23保持了它们原来的高度，灯丝接点片22位于较低的高度。最后，开口被钻孔。用于电接触和电流通路的真空管被放置在里面。如果需要，边缘可以打磨光滑。
石英玻璃管安装在钻孔中，每一个管中都安装了电流通路。另外，制作真空和引入惰性气体的喷嘴27也被安装在这些管中。
顶部的盖板3由纯石英玻璃切割打磨而来。特别地，为稍后焊接该盘到不透明盘2的隔片23的凹槽31也成形了。
加热元件1是用水枪从CFC片材料中切割而得，然后在一个反应器里镀上一层高温碳。
电流通路在弯曲端面中产生。在电流通路内部的末端安装着一个钼钉。钉上附有接受加热元件的夹子。
电流通路焊接在电流通路管上，这样接受灯丝的夹子早已安装在灯丝的后平面上。然后碳带被安置在底部，带末端通过钼片夹子以夹的方式和电流通路连接。这里，为了机械保护和改善电接触性能，额外镀上了少量的石墨层。
盖板3放置后，内部充满了氩气，这样在焊接的过程中，水蒸气或氧气不能氧化碳或钼。
于是这两个石英元件2和3互相焊接上了。这样，由于在盖板的边缘和凹槽31使用了额外的石英玻璃，焊缝被连接上了。该焊缝位于在盖板隔片23的对面。在焊接完成之后，盖板上的凹槽处被完全填满，同时底盘和盖板的边缘也被填满，这样再也没有任何缝隙。
然后整个装置在真空或惰性气体填充下被回火。保护气体直接流入装置，在整个回火过程中，整个装置充满了保护气体。
回火之后，表面被打磨，抛光，磨亮，或喷沙，然后用酸清洗。该程序之后，顶部就完全平坦了。
发热器的内部也被抽成真空或者被惰性气体填充。发热器准备好了。
电接触点附着在外部。
Claims (8)
1.一种IR辐射发热器，至少一种平面碳加热元件(1)安装于对IR辐射为透明或者部分透明的机壳中，其特征在于，其中至少一种碳加热元件(1)是一个被排列成一个平面，安装在两个板(2，3)之间的CFC网，其中至少一个板是透明或者部分透明。
2.如权利要求1所述的IR辐射发热器，其特征在于，底盘(2)对IR辐射产生反射。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，产生反射的底盘(2)具有不透明的石英玻璃。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的石英玻璃具有大于90％的漫反射率，优选大于95％。
5.如权利要求3或4所述的装置，其特征在于，不透明的石英玻璃制成的底盘(2)是熔接或粘结或焊接到透明的盖板(3)上的。
6.如权利要求1～5中任一项所述的IR辐射发热器，其特征在于，机壳在至少被因数5整除，尤其被1到2的数量级整除的二维空间中比在三维空间中更有效。
7.制造IR辐射发热器的方法，其中所述的IR辐射发热器至少包含一种平面碳发热元件(1)，其被安装在一个透明或者部分透明的机壳中，其特征在于，平面碳发热元件(1)是从平面CFC材料上切割下来。
8.制造IR辐射发热器的方法，其中所述的IR辐射发热器至少包含一种平面碳发热元件(1)，其特征在于，平面碳发热元件(1)被安装在一个透明(3)和一个不透明(2)的表面之间。
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