DE10156915A1

DE10156915A1 - Vorrichtung zum homogenen Erwärmen von Substraten oder Oberflächen und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10156915A1
Application number: DE10156915A
Authority: DE
Inventors: Joerg Eckert; Robert Heinrich; Karl Hoefler
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2001-11-21
Filing date: 2001-11-21
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2021-11-22
Also published as: DE10156915B4; US20030095796A1

Abstract

Zum homogenen Erwärmen von Substraten oder Oberflächen von metallischen, mineralischen, organischen oder nichtmetallischen Werkstoffen bzw. Werkstoffträgern ist eine IR-Strahlenquelle aus wenigstens einem langgestreckten rohrförmigen Strahler vorgesehen, wobei elektrische Anschlüsse zur Versorgung des Strahlers sich im Kaltbereich eines Strahlergehäuses befinden; als IR-Strahlenquelle ist ein wenigstens zweiseitig gesockelter IR-Strahler (7, 8, 9, 10, 11, 12) ausgebildet, der sich mit seinem strahlenden Teil in einer zur Abstrahlrichtung geöffneten Leuchten-Kammer (1) mit reflektierender Oberfläche befindet, während die Anschlussenden des Strahlers zum Schutz gegen Erwärmung sich jeweils in gegenüber der Leuchten-Kammer (1) abgeschlossenen Seitenkammern (4, 5) befinden; die IR-Strahlenquelle weist vorteilhafterweise mehrere IR-Strahler auf, die in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum homogenen Erwärmen von Substraten oder Oberflächen von Werkstoffen oder Werkstoffträgern mit einer IR-Strahlenquelle mit wenigstens einem langgestreckten rohrförmigen Strahler und mit einem elektrische Anschlüsse zur Versorgung des Strahlers aufweisenden Strahlergehäuse, sowie mit Mitteln zur Erzeugung von indirekt auf die Substrate oder Oberflächen einwirkender IR-Strahlung, wobei der Anteil von indirekt auf die Substrate oder Oberflächen einwirkender Strahlung einen wesentlichen Anteil der Gesamtstrahlungsleistung bildet, sowie die Verwendung der Vorrichtung.
Zu den behandelten Werkstoffen (auch Beschichtungen) oder Werkstoffträgern gehören metallische, mineralische, nichtmetallische, organische und anorganische Stoffe.
Die indirekt auf die Substrate oder Oberflächen einwirkende Strahlung ergibt sich aus reflektierter Strahlung - beispielsweise durch Reflexion an einer Goldschicht - und Sekundärstrahlung aufgrund vorheriger Absorption von Primärstrahlung, wie sie beispielsweise aus der EP 0 554 538 B1 bekannt ist; bei der Sekundärstrahlung wird IR-Strahlung mit einem Wellenlängenbereich emittiert, der gegenüber dem der Primärstrahlung verschoben ist.
Ein solcher Anteil der indirekt auf die Substrate oder Oberfläche einwirkenden Strahlung an der Gesamtstrahlungsleistung wird als "wesentlicher Anteil" bezeichnet, wenn er wenigstens im Bereich von 25 bis 50% der Gesamtstrahlungsleistung liegt.
Aus der DE 199 38 808 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum homogenen Erwärmen von semitransparenten und/oder transparenten Gläsern und/oder Glaskeramiken in einem Temperaturbereich von 20°C bis 3000°C, insbesondere im Bereich von 700°C bis 1705°C, bekannt, wobei die Erwärmung durch einen Anteil direkt auf die Gläser und/oder Glaskeramik einwirkenden der Infrarot-Strahlung sowie einen Anteil indirekt auf die Gläser und/oder Glaskeramik einwirkender Infrarot-Strahlung erreicht wird, wobei der Anteil der direkt auf das Glas und/oder die Glaskeramiken einwirkende Strahlung nicht mehr als 50% der Gesamtstrahlungsleistung beträgt. In einer Vorrichtung zum homogenen Erwärmen von semitransparenten und/oder transparenten Gläsern und/oder Glaskeramiken sind Infrarot-Strahlenquellen zur Emission kurzwelliger Strahlung vorgesehen, wobei Mittel zur Erzeugung von indirekt auf die Gläser und/oder Glaskeramiken einwirkende Infrarot-Strahlung derart angeordnet und beschaffen sind, dass der Anteil der indirekt auf das Glas und/oder die Glaskeramik einwirkenden Strahlung mittels Reflexion und Streuung mit mehr als 50% einen wesentlichen Anteil der Gesamtstrahlungsleistung bildet. Die Vorrichtung umfasst eine Vielzahl von IR-Strahlern, die unterhalb eines Reflektors angeordnet sind. Durch den Reflektor wird erreicht, dass das zu erwärmende Glas bzw. die Glaskeramik von der Oberseite her erhitzt wird. Die von den IR- Strahlern abgegebene IR-Strahlung durchdringt die in diesem Wellenlängenbereich weitgehend transparenten Glasmaterialien bzw. die Glaskeramik und trifft auf eine Trägerplatte aus stark reflektierendem bzw. stark streuendem Material. Dabei befinden sich die Heizeinrichtung und das Glühgut in einem mit IR-Strahlen bestückten IR-Strahlungshohlraum; dies setzt voraus, dass die Quarzglasstrahler selbst genügend temperaturbeständig sind oder gekühlt werden. Das Quarzglasrohr ist bis etwa 1100°C einsetzbar. Bevorzugt werden dabei Quarzglasrohre eingesetzt, die erheblich länger als die eigentliche Heizwendel ausgebildet sind, so dass die Anschlüsse im Kaltbereich liegen und somit nicht überhitzt werden können.
Weiterhin ist aus der DE 26 37 338 C3 ein kühlbares Infrarotstrahlerelement aus Quarzglas oder Quarzgut mit einem in einem Hüllrohr angeordneten elektrischen Heizleiter als Spannungsquelle bekannt, das ein von einem Kühlmittel durchströmtes Kühlrohr und einen Reflektor aufweist, wobei mindestens 10 höchstens aber 90% der Wandfläche des Heizleiterhüllrohres gleichzeitig als Wandfläche des Kühlrohres dienen. Der Reflektor wird durch eine Reflexionsschicht gebildet wird, die auf einer Oberfläche des Kühlrohres aufgebracht ist. Als Reflexionsschicht wird vorzugsweise eine Goldschicht eingesetzt. Dabei ist ein Ende des Kühlrohres verschlossen und sein Innenraum durch einen Raumteiler unterteilt, wobei die Stutzen für die Kühlmittelzufuhr und Abfuhr an einem Ende des Strahlerelements angeordnet sind. Am entgegengesetzten Ende des Strahlerelements sind die elektrischen Anschlüsse für den Heizleiter angeordnet. Bei dem bekannten Infrarotstrahlerelement ist nicht nur eine intensive Kühlung des Heizleiterhüllrohres auch bei hoher Eigenstrahlung der Infrarotstrahlerelementumgebung sichergestellt, sondern es wird auch eine Abdampfung der Reflexionsschicht mit Sicherheit vermieden. Die Ausbildung von Infrarotstrahlerelementen erlaubt Energiekonzentrationen bis zu 400 kW/m², wodurch es möglich ist, metallische Werkstoffe und Werkstücke in wenigen Minuten - also schockartig - bis auf ca. 1000°C zu erwärmen.
Weiterhin ist aus der DD 257 200 A1 eine Infrarothochleistungsstrahlungsquelle bekannt, die einen langgestreckten Glühstrahler in einem Hüllrohr aufweist, welches in einem Mantelrohr untergebracht ist. Das Hüllrohr besitzt mehrere streifenförmige Zylindersegmente als Reflexionsflächen, wie auch das Mantelrohr von einer Reflexionsfläche teilweise umschlungen ist. Zwischen dem Hüllrohr und dem Mantelrohr befindet sich ein Kühl- und Filtermedium. Das Hüllrohr ist zum Mantelrohr in der Ebene der Abstrahlungsrichtung der Strahlenquelle um 3 bis 15% versetzt angeordnet.
Um eine maximale Strahlungsleistung in Vorwärtsrichtung auf kleinstem Bereich zu erzielen, sind drei Zylindersegmente als Reflexionsflächen auf dem Hüllrohr angeordnet und diese sind so groß gewählt, dass der Abstand zwischen zwei Reflexionsflächen gleich der Breite einer Reflexionsfläche ist und dabei eine Reflexionsfläche symmetrisch zur Reflexionsfläche auf dem Hüllrohr zu ihm parallel verlaufend angeordnet ist. Die Temperatur des Mantelrohres und damit aller von außen berührbaren Oberflächen bleibt niedrig, so dass eine thermische Verletzungsgefahr ausgeschlossen erscheint.
Darüber hinaus ist es auch möglich, ähnlich wie bei der aus der eingangs genannten DE 26 37 338 C3 genannten Ausführungsform jeweils an einer Seite die elektrischen Anschlüsse vorzunehmen, welche gekühlt werden und auf der gegenüberliegenden Seite die zur Wasserzufuhr bzw. -abfuhr vorgesehenen Anschlüsse einzusetzen. Hier muss dann allerdings das Ende mit jeweils zwei elektrischen Anschlüssen eine besonders hohe thermische Leistung aufnehmen, so dass die Kühlungsintensität verbessert werden muss, bzw. eine Konvektionskühlung durch eine Zwangskühlung ersetzt werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Halterung von Hochleistungsinfrarotstrahlern zu schaffen, die eine sehr hohe Energiedichte von ca. 1000 kW/m² mit hoher Effizienz abstrahlen; dabei sollen Temperaturen im Bereich von 800 bis 3000°C erzielt werden. Da im Bereich der Einschmelzung der Strahler aufgrund der Metalldrahtdurchführung nur eine Temperatur von ca. 250°C möglich ist, soll ein Infrarotstrahlergehäuse entwickelt werden, dessen Hauptbereich die mittleren Strahlerbereiche für hohe Strahlerleistung umfasst, während davon abgeteilte Bereiche als Kaltbereiche zur Aufnahme der Anschlussenden vorgesehen sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die IR-Strahlenquelle zumindest als ein zweiseitig gesockelter IR-Strahler ausgebildet ist, der sich mit seinem strahlenden Teil in einer zur Abstrahlrichtung geöffneten Leuchtenkammer mit reflektierender Oberfläche befindet, während die Anschluss-Enden sich in jeweils gegenüber der Leuchtenkammer abgeteilten Seitenkammern (im Kaltbereich des Strahlergehäuses) befinden.
Als vorteilhaft erweist es sich, dass die gesamte Effizienz der Vorrichtung erhöht wird, während gleichzeitig die temperaturempfindlichen Anschlussenden der Strahler gegen Überhitzung geschützt sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Kühlung der Anschlussbereiche sowohl durch Zwangskonvektion als auch durch natürliche Konvektion möglich ist.
Bei natürlicher Konvektion tritt praktisch keine Beeinträchtigung der Strahlerleistung ein; weiterhin wird auch ein eventueller Fremdlufteinfluss auf das Substrat vermieden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes gemäß Anspruch 1 sind in den Ansprüchen 2 bis 10 sowie dessen Verwendung ist in Anspruch 11 angegeben.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die LR-Strahlenquelle wenigstens einen IR-Strahler auf, der in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung angeordnet ist. Die beiden Seitenkammern stehen in Luftverbindung mit einem Gaskanal zur Durchströmung der Seitenkammern mit Kühlluft.
Die Luftverbindung zu den Seitenkammern ist jedoch auch für eine natürliche Konvektion geeignet, so dass auch ohne Zwangskonvektion ein Kaltbereich für die elektrischen Anschlüsse der IR-Strahler gebildet wird.
Weiterhin ist wenigstens ein IR-Strahler als Doppelrohrstrahler mit zwei zueinander parallel angeordneten und verbundenen Rohren in einer Ebene parallel zur Abstrahlrichtung ausgebildet, der auf der dem Strahlenaustritt abgewandten Innenseite seines Rohres einen Teilreflektor aufweist, wobei das Rohr zur Durchströmung an jedem seiner Enden mit wenigstens einem Kühlwasseranschluss versehen ist; in der Praxis sind mehrere - beispielsweise sechs - Infrarot- Strahler in einer Ebene angeordnet, die jeweils als Doppel-Rohrstrahler mit Wasserkühlung ausgebildet sind.
Die Enden der Strahler werden jeweils formschlüssig von einer Seitenwand des Kanals gehalten, wobei die elektrischen Anschlüsse jeweils durch die Seitenwand vom eigentlichen Strahlungsfeld der IR-Strahler abgetrennt sind.
Die Leuchtenkammern und die Seitenkammern weisen jeweils Wände aus Keramik und/oder keramischem Werkstoff mit einer Temperaturbeständigkeit von mehr als 1000°C auf, wobei vorzugsweise Aluminiumoxid und/oder Siliziumoxid eingesetzt werden. Die Reflexion der Strahlung bzw. die Emission der gewandelten Strahlung (Sekundärstrahlung) wird vorzugsweise durch Keramik und/oder keramischem Werkstoff hervorgerufen, wobei als Keramik vorzugsweise Aluminiumoxid und Siliziumoxid und als keramischer Werkstoff vorzugsweise geschäumtes Aluminiumoxid eingesetzt wird.
Das Spektrum der ausgegebenen Infrarot-Strahlung liegt im Wellenlängenbereich oberhalb von 0,8 µm, vorzugsweise bei 0,9 bis 1,5 µm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird vorzugsweise zur Behandlung von Substraten oder Oberflächen mittels IR-Strahlung verwendet.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer perspektivischen Darstellung die Vorrichtung mit ihren drei gegenseitig abgeschlossenen Kammern, von denen in der mittleren Leuchtenkammer sich die jeweiligen Strahlungsbereiche der Doppelrohrstrahler befinden, während in den die Leuchtenkammer seitlich begrenzenden thermisch isolierten Kammern jeweils die Anschlussenden der zweiseitig gesockelten Strahler erkennbar sind, welche ihrerseits mit einer elektrischen Versorgungsleitung verbunden sind.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Bestrahlungsvorrichtung, welche auf einen Behandlungstisch mit Bestrahlungsobjekt, beispielsweise Keramiksubstrat, gerichtet ist.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist ein Gehäuse mit drei Kammern auf, von denen eine große mittlere Leucht-Kammer 1 zur IR-Abstrahlung vorgesehen ist, die jeweils durch Seitenwände 2, 3 von Seitenkammern 4, 5 räumlich und thermisch abgeteilt ist. In der Ebene der frontalen Öffnung von Kammer 1 sind die Hauptstrahlungsbereiche von insgesamt sechs langgestreckten IR-Doppelrohr-Strahlern 7, 8, 9, 10, 11, 12 gezeigt, wobei die jeweiligen Anschlussenden 7', 8', 9', 10', 11', 12' bzw. die axial gegenüberliegenden Anschlussenden 7", 8", 9", 10", 11", 12" durch die jeweiligen Trennwände 2 und 3 formschlüssig geführt sind. Jedes der Anschlussenden ist seinerseits mit einem Anschlussleiter 13, 14, 15, 16, 17, 18 verbunden, wobei entsprechende Anschlüsse auch auf der hier nicht sichtbaren Anschlussebene in Seitenkammer 5 bzw. Klemmkästen 32 vorgesehen sind.
Aufgrund der Doppelrohrkonstruktion der IR-Strahler weisen die Anschlussenden zusätzlich die Möglichkeit einer Zufuhr von Kühlwasser auf, wobei die Wasser-Anschlussleiter 13', 14', 15', 16', 17', 18' aus flexiblem Rohr ausgebildet sind, so dass Kühlwasser zugeführt wird und entlang der koaxial ausgebildeten ringförmigen Zwischenräume der Strahler 7, 8, 9, 10, 11, 12 geführt werden kann.
In der Praxis wird die Zwangsbelüftung der beiden seitlichen Kammern 4, 5 durch den hier schematisch dargestellten Ventilator 31 zur Kühlung der Anschlussenden erreicht, es ist jedoch auch möglich, die natürliche Konvektion innerhalb der Seitenkammern 4 und 5 zur Wärmeabfuhr anzuwenden. Die Wasserzufuhr erfolgt beispielsweise über ein hier symbolisch dargestelltes Anschlussende 21.
Die Strahler 7, 8, 9, 10, 11, 12 weisen auf ihrer dem Strahlenaustritt aus Kammer 1 abgekehrten Seite jeweils einen Reflektor auf; der Reflektor besteht vorzugsweise aus einer dünnen Goldschicht besteht, welche infolge des durchströmenden Kühlwassers keinerlei Beschädigung durch Erwärmung erleidet.
Im Querschnitt gemäß Fig. 2 ist eine komplette Bestrahlungsvorrichtung 22 erkennbar, deren Oberteil 23 die erfindungsgemäße Strahlungsvorrichtung 24 so hält, dass die Strahlenaustrittsöffnung der Kammer 1 nach unten gerichtet ist.
Im Querschnitt sind die mittleren Bereiche der schematisch dargestellten Strahler 7, 8, 9, 10, 11, 12 erkennbar, wobei nunmehr die Strahlenaustrittsöffnung von Kammer 1 horizontal verläuft, so dass der Strahlenaustritt auf ein Substrat 26, welches von einem Träger bzw. von einer Halterung 27 getragen wird, gerichtet ist.
Anhand Fig. 2 ist erkennbar, dass sich alle Strahler 7, 8, 9, 10, 11, 12 in einer Ebene befinden, wobei es zur Optimierung der Bestrahlung des Substrats 26 möglich ist, den Abstand zum Substrat durch Verstellung von Substratträger bzw. Halterung 27 zu variieren, so dass eine optimale Entfernung eingestellt werden kann. Es ist jedoch auch möglich, die Strahler in einer anderen Form - beispielsweise in radialer Form - anzuordnen, so dass die Strahlenaustrittsfläche die Form eines Hohlzylinders bzw. Hohlzylinder-Segments, aufweist. Das die Strahler enthaltende Gehäuse 34 besteht vorzugsweise aus wärmeisolierender Keramik, einem keramischem Werkstoff bzw. temperaturbeständigem Werkstoff, während die Außenumhüllung und somit das Außengehäuse aus metallischem Werkstoff oder temperaturbeständigem Werkstoff mit einer Temperaturbeständigkeit von bis ca. 200°C bestehen kann.

Claims

1. Vorrichtung zum homogenen Erwärmen von Substraten oder Oberflächen von Werkstoffen oder Werkstoffträgern mit einer IR-Strahlenquelle mit wenigstens einem langgestreckten rohrförmigen Strahler und mit einem elektrische Anschlüsse zur Versorgung des Strahlers aufweisenden Strahlergehäuse, sowie mit Mitteln zur Erzeugung von indirekt auf die Substrate oder Oberflächen einwirkender IR-Strahlung, wobei der Anteil von indirekt auf die Substrate oder Oberflächen einwirkender Strahlung einen wesentlichen Anteil der Gesamtstrahlungsleistung bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Strahlenquelle als ein wenigstens zweiseitig gesockelter IR-Strahler (7, 8, 9, 10, 11, 12) ausgebildet ist, der sich mit seinem strahlenden Teil in einer zur Abstrahlrichtung geöffneten Leuchtenkammer (1) mit reflektierender Oberfläche befindet, während die Anschlussenden des Strahlers sich jeweils in gegenüber der Leuchtenkammer (1) abgeschlossenen Seitenkammern (4, 5) befinden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Strahlenquelle wenigstens zwei IR-Strahler aufweist, die in einer Ebene senkrecht zur Abstrahlrichtung angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Gaskanal zur Durchströmung der Seitenkammern (4, 5) mit Kühlluft vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein IR-Strahler als Doppelrohrstrahler mit zwei zueinander parallel angeordneten und miteinander verbundenen Rohren eingesetzt ist, wobei das auf der der Abstrahlrichtung abgewandten Seite angeordnete Rohr zur Durchströmung mit einem Kühlwasser-Kreislauf verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die IR-Strahler (7, 8, 9, 10, 11, 12) aus jeweils zwei in einer Ebene parallel zur Abstrahlrichtung angeordneten Rohren aus Quarzglas bestehen, von denen ein erstes als IR-Strahler ausgebildet ist, während das zweite ein Kühlmittel enthält, wobei das mit Kühlmittel versehene Rohr einen Teilreflektor für IR-Strahlung aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leuchtenkammer (1) und Seitenkammern (4, 5) Wände aus Keramik und/oder aus keramischem, wärmeisolierenden Werkstoff mit einer Temperaturbeständigkeit 1000°C aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Keramik Aluminiumoxid eingesetzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als keramischer, wärmeisolierender Werkstoff SiO₂ oder Al₂O₃-Keramiken eingesetzt werden.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden der IR-Strahler (7, 8, 9, 10, 11, 12) jeweils formschlüssig von einer Seitenwand zwischen Leuchtenkammer und Seitenkammer gehalten werden.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spektralbereich der IR-Strahlung eine Wellenlänge oberhalb 0,8 µm aufweist.

11. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in einer Bestrahlungsvorrichtung (22) zur Behandlung von Substraten (26) mittels IR-Strahlung.