DE102004058077A1

DE102004058077A1 - CFC-Heizstrahler

Info

Publication number: DE102004058077A1
Application number: DE102004058077A
Authority: DE
Inventors: Sven Dr. Linow; Stefan Fuchs; Siegfried Grob
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2006-06-08
Also published as: JP2006164974A; CN1784086A; ATE390030T1; US8655160B2; EP1667489A2; EP1667489A3; US20060115244A1; EP1667489B1; DE502005003294D1; KR20060061242A; CN1784086B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen IR-Heizstrahler mit mindestens einem flächigen Carbon-Heizelement (1) in einem für IR-Strahlung transparenten oder zumindest teilweise transparenten Gehäuse, wobei mindestens ein Carbonheizelement (1) eine flächig angeordnete CFC-Bahn ist und zwischen Platten (2, 3) angeordnet ist, von denen mindestens eine transparent oder teilweise transparent ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen IR-Heizstrahler mit mindestens einem flächigen Filament aus Carbon, in einem für IR-Strahlung transparenten oder zumindest teilweise transparenten Gehäuse.
Ein derartiger IR-Strahler wird nach EP 0 881 858 mit einem einzigen in einem runden Rohr angeordneten Filament und in den DE 44 38 871 und DE 44 19 285 mit mehreren nebeneinander angeordneten Filamenten aus Carbon realisiert. Die hierbei verwendeten Carbon-Materialien bestehen aus parallel angeordneten Carbon Fasern, die mittels Resin verbunden sind. Diese Strukturen werden vor dem Einbau in den Strahler grafitisiert.
Der in der EP 0 881 858 offenbarte Strahler ist für eine gleichmäßige flächenhafte Bestrahlung ungeeignet.
Die DE 44 38 871 und DE 44 19 285 beziehen sich auf die Verwendung vergleichbarer Filamente, jedoch mit dem Ziel eine flächenhafte (2D) Abstrahlung zu erreichen.
Die dort offenbarten Carbon-Filamente lassen sich allerdings nicht zu beliebigen flächenhaften Heizelementen zusammensetzen, da das Material nur gestreckt und mit gleichbleibender Breite angeordnet werden kann. Damit lassen sich zwar die in der DE 44 38 871 gezeigten Anordnungen verwirklichen, diese ergeben jedoch weder gleichmäßige Abstrahlintensitäten, noch können so gebogene oder runde Formen verwirklicht werden, oder gar in 3D geformte Strukturen.
Gerade die in der DE 44 38 871 , 5a gezeigte Anordnung wird in den am Rand befindlichen Bändern aufgrund der unterschiedlichen Länge der unterschiedlichen Fasern eine erhebliche Variation der Temperatur und damit der abgestrahlten Leistung je Längeneinheit zeigen.
Anordnungen mit einer Vielzahl von schmalen Bändern, wie in der DE 44 19 285 benötigen eine Vielzahl von aufwändigen und teuren Kontaktierungen der einzelnen Bänder untereinander.
Solche Carbonbänder lassen sich allerdings nicht in beliebigen flächenhaften Mustern anordnen, weil die Bänder nur geringe Abweichungen von einer parallelen Anordnung zulassen. Bänder lassen sich zwar senkrecht zu ihrer flächigen Ausgestaltung beliebig gestalten. Derartigen Anordnungen fehlt jedoch der flächenhafte Charakter einer Abstrahlungsoberfläche.
Die vorliegende Erfindung betrifft andererseits auch die Verwendung von CFC-Material für Heizstrahler.
JP 7-161725 beschreibt das Ausschneiden eines Heizmusters aus planarem Material, wobei Siliziumcarbid (SiC) verwendet wird. Hierbei befindet sich das SiC-Heizelement in einem offenen Gehäuse aus Quarzglas, auf das auf der für Wärmebehandlung genutzten Seite eine Grafitscheibe (siehe Bild 1, Nr. (8)) aufgelegt ist. Die Grafitscheibe wird über den SiC-Heizer aufgeheizt und wärmt dann sekundär das Gut. Solche Heizelemente aus SiC oder Grafit sind spröde und starr, so dass sie sehr bruchempfindlich reagieren. Das Heizelement ist zudem mittels Schrauben starr elektrisch kontaktiert, so dass hier aufgrund der Wärmeausdehnung eine zusätzliche Bruchgefahr entsteht. Um eine ausreichende mechanische Festigkeit solcher Heizelemente zu gewährleisten, müssen diese massiv ausgeführt werden. Aufgrund des dann vorliegenden geringen elektrischen Widerstandes werden im Betrieb bei geringen Spannungen sehr hohe Ströme fließen. Dies erfordert aufwändige Netzteile und die elektrischen Zuleitungen sind nur sehr schwierig in einen vakuumdichten Quarzkörper zu führen. Aus diesem Grunde ist hier auch das Quarzglasgehäuse offen gestaltet.
Die EP 0 899 777 B1 beschreibt eine Kohlenstoffheizeinrichtung mit einem Heizeinrichtungsglied aus in Längsrichtung gestreckten, miteinander verwebten Kohlenstofffaserbündeln, wie einer Bandform oder Drahtform. Diese verwebten Kohlenstofffaserbündel sind ausdrücklich nicht mittels Grafit in ein CFC überführt. Diese Bündel bleiben so sehr flexibel und die Gefahr des Sprödbruchs wird so vermieden. Die beschriebenen draht- oder bandförmigen Heizeinrichtungsglieder weisen einen hohen elektrischen Widerstand aus, so dass die Heizeinrichtung für den Betrieb an gängigen Spannungen ausgelegt werden kann. Aufgrund der sehr geringen Anzahl an Fasern im Band, fließt jedoch auch bei maximaler Leistung nur ein recht geringer Strom von wenigen Ampere, so dass insgesamt die Leistung einer solchen Einheit mit 30 kW m² eher gering ausfällt.
Das Heizeinrichtungsglied wird in Kanäle eingelegt, die in eine erste Quarzplatte gefräst wurden. Anschließend wird die Heizeinrichtung mittels eines zweiten Quarzteils verschlossen, dass auf das erste aufgelegt wird und mit diesem verbunden. Die Verbindung erfolgt durch Auflegen eines Gewichtes von 10 kg und einem Heißprozess, bei dem die gesamte Einrichtung für 3 h auf 1450°C erwärmt wird.
Die so entstehende Verbindung der beiden Quarzteile ist keine durchgehende Schweißung und kann aufgrund von mechanischen und thermischen Belastungen nach längerem Betrieb auseinander klaffen.
Nach US 6,584,279 B2 ist ein IR-Strahler mit einer Leistung von bis zu 28 kW/m² mit geflochtenen Kohlenstofffasern erhältlich.
In der Bremstechnik werden Carbon Fiber reinforced Carbon (CFC)-Scheiben aus CFC Material oder Si imprägniertem CFC angewendet.
Ziel der Erfindung ist es einen IR Strahler zu entwickeln, der bei üblichen Netzsspannungen betrieben werden kann, zugleich hohe Leistung und Lebensdauer aufweist und eine hohe Flexibilität in den Ausgestaltungsmöglichkeiten im Bezug auf die benötigten Formen des Prozesses erlaubt.
Erfindungsgemäß wurde überraschend festgestellt, dass bei Verwendung von komplex geformten Filamenten für Carbon-Strahler, die aus CFC Bahnen ausgeschnitten wurden, Flächenleistungen von über 30 kW/m², insbesondere über 100 kW/m² herstellbar sind. Weiter wurde überraschend festgestellt, dass wenn diese Filamente in Gehäuse eingebracht werden, die unterseitig aus opakem Quarzglas und auf der Oberseite aus klarem, höchstens an der Oberfläche gesandstrahlten oder gefrosteten Quarzglas bestehen, IR-Strahlung primär nur aus der Oberseite abstrahlt. Zwar strahlt das heiße Quarzglas selber im Bereich des langwelligen Infraroten oberhalb von 5 μm und die abgestrahlte Leistung ist in diesem Wellenlängenbereich unabhängig von dem verwendeten Quarzmaterial oder der Oberfläche. Auf der Unterseite der erfindungsgemäßen Vorrichtung tritt jedoch nur dieser sekundäre Anteil der Strahlung auf.
Bei Wahl des geeigneten CFC Materials hohen spezifischen elektrischen Widerstandes, wie er sich z.B. bei Verwendung eines Garnes ergibt, dass aus einer Vielzahl von kurzen Faserabschnitten hergestellt wurde und anschließend zu einer Stoffbahn verwebt wurde, kann ein geeigneter spezifischer elektrischer Widerstand eingestellt werden.
Solche Bahnen bleiben auch nach Imprägnierung und Umwandlung in ein CFC flexibel und reißfest. Auch aus CFC-Bögen geschnittene Filamente komplexer Form bleiben flexibel und reißfest.
Da die Stärke des Materials gering ist, bevorzugt < 1 mm und besonders bevorzugt < 0,3 mm, erreicht man auch einen elektrischen Widerstand der Filamente, der den Betrieb bei üblichen Betriebsspannungen (208V, 230V, 400V, 480V) ermöglicht. Übliche Stromdurchführungen für IR Strahler erlauben ca. 25 A, so dass erhebliche Leistungen je Filament verwirklicht werden können.
Erfindungsgemäß wurde überraschend festgestellt, dass in flachen Heizstrahlern mit Mustern aus einer CFC-Bahn Leistungen von über 30 kW/m² insbesondere über 100 kW erzielbar sind und Strahler mit einer Leistung von 8–12 KW herstellbar sind und das flächige Strahler einseitig abstrahlen, wenn ein flächiges Carbonmuster zwischen zwei Flächen angeordnet ist, von denen eine opak und die andere klar ist. Die Erfindung ist auch mit mehreren CFC-Bahnen realisierbar.
Damit wird eine Erwärmungstechnik bereitgestellt, die für Reinstanwendungen, wie sie in der Halbleiterindustrie gefordert werden, höchster Standard ist.
In bevorzugten Ausführungen der Erfindung werden flächige Quarzglaselemente des Gehäuses miteinander zu einem Gehäuse verschweißt. Das Gehäuse kann aus einem hochreinen Material gefertigt werden, wie z.B. Quarzglas. Das CFC-Heizfilament kann im Gehäuse auf Halterungen angeordnet sein, wobei die Form der Halterungen vorzugsweise so gewählt wird, dass die Auflagefläche gering gehalten ist, Idealerweise auf eine Linie beschränkt. Als Halterungen eignen sich beispielsweise Stäbe aus Quarzglas, Aluminiumoxyd oder einem anderen nichtleitenden Material hohen Schmelzpunktes, die Idealerweise als Körper mit einer scharten Kante ausgestattet sind, auf der das Filament aufliegt.
Vorzugsweise beträgt die Leistung des Heizstrahlers mehr als 30 kW/m², insbesondere 50 bis 250 kW/m² für Heizstrahler mit einer Lebensdauer von 5.000 bis 10.000 Stunden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform besteht in Heizstrahlern mit einer Leistung von über 200 kW/m², insbesondere über 250 kW/m² für kurzlebigere Strahler.
Das besonders bevorzugte Anwendungsgebiet sind langlebige Heizstrahler mit einer Leistung zwischen 100 bis 200 kW/m².
In der bevorzugten Form eines Flächenstrahlers sind zwei Raumdimensionen um ein vielfaches, vorzugsweise um eine Größenordnung größer ausgeprägt als die dritte Dimension. Es hat sich bewährt, das Gehäuse zu evakuieren oder mit Edelgas zu füllen.
Die elektrische Kontaktierung des Filamentes erfolgt vorzugsweise über Klammern aus Molybdän, wobei zusätzliche Lagen aus geeigneten Carbon-Materialien zwischen dem Filament und der Klammer für eine ideale elektrische und mechanische Kontaktierung sorgen.
Bevorzugte CFC-Muster sind scheibenförmig, mäanderförmig, schneckenförmig, haben die Form eines Omega, bzw. eines in sich gefalteten Omega oder sind kreisförmig mit einer Aussparung. Das CFC-Muster lässt sich mit der benötigten Genauigkeit und bei schonender Behandlung des Materials mit besonderer Reinheit mit einem Laser oder Wasserstrahl aus einem CFC- Bogen ausschneiden.
Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die Abbildungen veranschaulicht.
1a zeigt eine Draufsicht auf ein Heizelement 1.
1b zeigt eine perspektivische Ansicht eines Heizelementes 1.
2a zeigt eine Draufsicht auf eine Bodenplatte 2.
2b zeigt eine perspektivische Ansicht der Bodenplatte 2.
3a zeigt eine Draufsicht auf eine Abdeckplatte 3.
3b zeigt eine Seitenansicht der Abdeckplatte 3.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Bodenplatte 2 mit den montierten Zuführungen der elektrischen Kontakte 26 und den montierten Pumpstützen 27.
5 zeigt eine perspektivische Gesamtansicht der Vorrichtung von unten.
Ein Heizelement nach 1a oder 1b wird aus einem Bogen aus CFC-Material ausgeschnitten.
Die Bodenplatte 2 nach 2a oder 2b wird aus opakem Quarzglas hergestellt. In ihrer Fläche befinden sich Auflagestege 22 für das Heizband 1, Abstandshalter 23, die mit der Abdeckplatte verschweißt werden und Haltestifte 21 zum Fixieren des Heizbandes 1. Außen ist umlaufend ein Rand 24 zum Verschweißen mit der Abdeckplatte vorgesehen. Weiter sind zwei Bohrungen 25 für die elektrischen Kontakte vorgesehen.
3a und 3b zeigen eine Abdeckplatte 3 aus Quarzglas mit eingesenkten Öffnungen 31 zum Verschweißen der Abdeckplatte mit den Abstandshaltern 23 der Bodenplatte 2.
In 4 ist die Bodenplatte 2 mit montierten Zuführungen der elektrischen Kontakte 26 und den montierten Pumpstutzen 27 ausgestattet.
In 5 sind zusätzlich die elektrischen Zuleitungen 28 und Sockel 29 angebracht.
Der Heizstrahler nach 5 weist ein CFC-Heizelement 1 (1a und 1b) auf, das mäandernd die gesamte zu beheizende Fläche ausfüllt. Unterhalb der Enden des Filamentes (1) setzen an der Bodenplatte 2 (2a/2b) aus opakem Quarzglas (OM-100 gemäß Heraeus-Broschüre aus dem Jahr 2002) zwei Rohre aus Quarzglas zur Aufnahme der elektrischen Kontakte 26 und der Stromdurchführungen an. Die Vorderseite 3 ist eine klare Quarzglasscheibe 3. Die Scheiben 2 und 3 sind zu einem dichten Raum verschlossen, der über die Rohre für die Stromzuleitungen evakuiert ist. In dieser Ausführung kann das Carbonband 1 bei einer Leistung von 200 kW/m² auf etwa 1300°C erhitzt werden.
In einer einfachen Ausführung nach 2a und 2b ist die opake Scheibe als Bodenplatte 2 ausgebildet, auf der Abstandshalter 23 angeordnet sind. Die Bodenplatte 2 wird von einem in neren und äußeren Ring 24 begrenzt. Das CFC-Muster 1 liegt lose auf den Abstandshaltern 23 und eine klare Quarzglasplatte 3 schließt mit den Ringen ab.
In 2 befinden sich die Stromdurchführungen außerhalb der kreisförmigen Abstrahlungseinheit und bedingen für die Glasplatten 2, 3 und Ringe eine Abweichung von der Scheiben- bzw. Ringform.
In dieser Ausführung kann das Carbonband 1 bei einer Leistung von 200 kW/m² auf etwa 1300°C erhitzt werden.
Für höchst reine Anwendungen wird das CFC-Muster 1 aus einer CFC-Fläche mit einem Laser ausgeschnitten, bestehen die Abstandshalter 23 sowie die Ringe und die Quarzglasplatten 2, 3 aus höchst reinem Quarzglas, so dass neben den metallischen Stromzuführungen und den die Bahnenden mit den Stromdurchführungen verbindenden Molybdänhalteklammern lediglich hochreines Quarzglas als Strahlergehäuse und hochreiner Kohlenstoff als Strahlungsquelle 1 zur Anwendung kommen.
Herstellungsbeispiel
Eine opake Quarzglasplatte 2 ausreichender Dicke wird in eine die benötigte Form für die Unterseite 2 geschnitten, anschließend werden die Einsenkungen ausgefräst und geschliffen. Hierbei bleiben der Rand 24 und die Abstandshalter 23 auf ursprünglicher Höhe und die Auflagestege 22 für das Filament auf niedrigerer Höhe stehen. Zuletzt werden die Durchbrüche, an denen die Rohre für die elektrische Kontaktierung und die Stromdurchführung angesetzt werden, gebohrt. Kanten werden gegebenenfalls geglättet oder feuerpoliert.
Anschließend werden an den Bohrungen Rohre aus Quarzglas angesetzt, in denen je eine Stromdurchführung angeordnet wird. An diesen Rohren befinden sich zusätzlich Stutzen 27 für das Anlegen von Vakuum und zum Einleiten von Spülgas.
Die Abdeckplatte 3 für die Oberseite wird aus reinem Quarzglas geschnitten und geschliffen. Insbesondere werden Aussparungen zum späteren Verschweißen der Platte mit den Auflagestegen der opaken Platte 2 eingebracht.
Das Heizelement 1 wird aus einem CFC-Bogenmaterial mittels Wasserstrahl geschnitten und anschließend in einem Reaktor mit Pyrokohlenstoff beschichtet.
Stromdurchführungen werden in Form von Quetschungen gefertigt. An dem inneren Ende der Stromdurchführung befindet sich ein Molybdänstift. An diesem wird die Klemme für die Aufnahme des Heizelementes 1 angebracht.
Die Stromdurchführung wird mit dem Rohr der Stromdurchführung verschweißt, so dass die Klemmen für die Aufnahme des Filamentes sich bereits in der späteren Ebene des Filaments befinden. Anschließend wird das Band in die Unterseite eingelegt und die Bandenden werden durch das Blech der Molybdän-Halteklammer klemmend mit der Stromdurchführung verbunden. Dabei werden zum mechanischen Schutz und zur Verbesserung der elektrischen Kontaktierung zusätzlich Grafitplättchen untergelegt.
Die Abdeckplatte 3 wird aufgelegt und der so entstehende Innenraum wird mit Argon gespült, so dass während des Schweißprozesses kein Wasserdampf oder Sauerstoff das Carbon oder das Molybdän oxydieren kann.
Dann werden die beiden Quarzelemente 2, 3 miteinander verschweißt. Hierbei wird die Schweißung durch Aufbringen von zusätzlichem Quarzglas entlang der Kante und an den Aussparungen in der Deckplatte, die den Auflagestegen für die Deckplatte gegenüberliegen verbunden. Nach Ablauf der Schweißung sind die Aussparungen in der Deckplatte vollständig aufgefüllt und auch die Kanten zwischen Ober und Unterplatte sind soweit ausgefüllt, dass keine Rücksprünge mehr vorliegen.
Anschließend wird der Körper unter Vakuum oder unter Schutzgas getempert. Das Schutzgas wird direkt in den Körper geleitet und spült diesen während des gesamten Tempervorganges.
Nach dem Tempern wird die Oberfläche geschliffen, poliert, gelappt oder gesandstrahlt und abschließend mittels Säure gereinigt. Nach diesem Vorgang liegt eine absolut ebene Oberseite vor.
Der Innenraum des Strahlers wird entweder evakuiert oder mit einem Schutzgas gefüllt und der Strahler abgezogen.
Die elektrischen Kontakte werden außen angebracht.

Claims

IR-Heizstrahler mit mindestens einem flächigen Carbon-Heizelement (1) in einem für IR-Strahlung transparenten oder zumindest teilweise transparenten Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Carbonheizelement (1) eine flächig angeordnete CFC-Bahn ist, und zwischen Platten (2, 3) angeordnet ist von denen mindestens eine transparent oder teilweise transparent ist.
IR-Strahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Platte (2) für IR-Strahlung reflektierend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Platte (2) opakes Quarzglas aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das opake Quarzglas eine diffuse Reflektion von mehr als 90%, bevorzugt über 95% aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bodenplatte (2) aus opakem Quarzglas mit einer transparenten Deckplatte (3) verschweißt oder verklebt oder verlötet ist.
IR-Heizstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse in zwei Dimensionen mindestens um den Faktor 5, insbesondere um 1 bis 2 Größenordnungen größer ausgeprägt ist, als in der dritten Dimension.
Verfahren zur Herstellung eines IR-Heizstrahlers mit mindestens einem flächigen Carbonelement (1), das in einem transparenten oder teilweisen transparenten Gehäuse angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbonheizelement (1) aus einem flächigen CFC-Material ausgeschnitten wird.
Verfahren zur Herstellung eines IR-Heizstrahlers mit mindestens einem flächigen Carbonelement (1), dadurch gekennzeichnet, dass das flächige Carbonelement (1) zwischen einer klaren (3) und einer opaken (2) Fläche angeordnet wird.