JP2019522335A - 赤外線パネル・ラジエータおよび赤外線パネル・ラジエータを生産するための方法 - Google Patents

Abstract

電気的絶縁材料から作られた基材を有する赤外線パネル・ラジエータを生産するための知られている方法であって、基材の表面に、導電性であり通電時に熱を発生する抵抗材から作られた印刷導体が施される、方法は、（ａ）基材を用意するステップと、（ｂ）印刷導体を基材の表面に施すステップとを含む。単位面積当たり高い放射強度の均一な放射線放出を特徴とする赤外線ラジエータの生産のための単純な安価な工程を考案するために、本発明では、方法ステップ（ａ）に従って、アモルファス・マトリクス構成要素および半導体材料の形態の追加の構成要素を含む複合材料から製造される基材が提供されること、および印刷導体が、方法ステップ（ｂ）に従って、印刷導体および基材が互いに恒久的に接続されるように基材の表面に適切に施される、固定された幾何学的形状を有する形態部分として提供されることを提案している。【選択図】 図２

Description

本発明は、電気的絶縁材料から作られた基材を有する赤外線パネル・ラジエータを生産するための方法に関し、基材の表面に、導電性であり通電時に熱を発生する抵抗材から作られた印刷導体が施され、この方法は、
（ａ）基材を用意するステップと、
（ｂ）印刷導体を基材の表面に施すステップとを含む。

本発明は、電気的絶縁材料から作られた基材を有する赤外線パネル・ラジエータに関し、基材の表面に、導電性であり通電時に熱を発生する抵抗材から作られた印刷導体が施されている。

本発明の範囲内の赤外線パネル・ラジエータは、２次元または３次元放射特性を示し、それらは、たとえば、プラスチック材料の重合、またはラッカーの硬化、または加熱製品（ｈｅａｔｉｎｇ ｇｏｏｄｓ）の塗料の乾燥に使用されるが、半導体または太陽光発電産業における半導体ウェハの熱処理にも使用される。

その特殊な、特に、２次元の放射特性により、本発明の赤外線放射体は、２次元または３次元設計の加熱製品の表面の一様な照射が実現可能にされるように加熱される加熱製品の表面の幾何学的形状に適合することが特に容易である。

抵抗材から作られる電気的抵抗素子が赤外線パネル・ラジエータの実際の加熱素子である、赤外線パネル・ラジエータとは対照的に、本発明による赤外線パネル・ラジエータの抵抗素子は、これ以降本明細書において「基材」と称されている、別の構成要素（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を加熱するために使用される。電気抵抗素子から基材への熱輸送は、熱伝導、対流、および／または熱放射に基づくものとしてよい。

知られている赤外線パネルをラジエータは、多くの場合、石英ガラスから作られた円筒形放射体チューブを有する複数の赤外線放射体を備える。これらのパネル・ラジエータにおいて、放射体チューブは、長手方向軸が平面内で互いに平行に延在するように適切に配置構成され、それによって、２次元ランプ配置構成が達成され、その幾何学的形状は照射される加熱製品の幾何学的形状に適合され得る。通常、コイル形の抵抗線は、放射体チューブにまったく接触しない、または本質的に接触しない放射体チューブの内側に配置される。抵抗線から放射体チューブへの熱伝達は、本質的に熱放射によって生じる。

それに加えて、加熱素子が支持体（基材）に直接施される赤外線パネル・ラジエータが知られている。基材は、異なる特別な形状を有することができ、たとえば、プレート形状、ティル形状（ｔｉｌ−ｓｈａｐｅｄ）、平面形状、チューブ形状、または多面体になるように設計され得る。これらの放射体の加熱素子は、印刷導体から支持体への熱伝達がもっぱら熱伝導によって生じるように支持体と直接接触している。

電気抵抗素子が石英ガラスから作られた基材と直接接触しているこのタイプの赤外線パネル・ラジエータは、国際公開第１９９９／０２５１５４Ａ１号から知られる。抵抗素子は、たとえば、蛇行形状を有し、フィルム、スクリーン印刷、または薄層印刷技術を用いて、基材表面上に施され、次いで、焼き付けされる。この文脈において、印刷導体は、抵抗素子から石英ガラスへの熱伝達がもっぱら熱伝導および対流によって生じるように石英ガラス基材と２次元直接接触し、これは電力効率に対してプラスの影響をもたらし得る。

石英ガラスから作られる基材は、腐食、温度、および温度サイクルに対する良好な耐性を有し、高純度のものが利用可能である。したがって、これは、赤外線放射体用の基材材料として純度および不活性度に関する厳しい要求条件を有する高温加熱工程にも適している。しかしながら、原則として、石英ガラスは、比較的低い熱伝導率を示し、断熱材としても使用される。したがって、基材壁が薄い場合、熱分配が不均一になる危険性があり、極端な場合には、電気抵抗素子の形状を反映するパターンとして基材の反対側に現れることがある。これは、印刷導体の占有密度を高くすることでのみ解消され得るが、コストが高くなる。基材壁が厚い場合、電力効率および応答時間が悪影響を受ける（このことは、急激な温度変化は可能でないことを意味するが、これらは基材の急速な加熱および冷却を必要とするからである）。

基材に施される印刷導体は、通常は、断面表面積が小さく、そのため、製造コストが高く、機械的応力への耐性が低いもののみを加工する。その結果、生産工程において欠陥のある印刷導体が基材に施され得る。欠陥のある印刷導体を基材に施すことには、大量のスクラップと高い生産コストが関連する。

これは、特に、印刷技術を用いて−−たとえば、スクリーン印刷またはインクジェット印刷を用いて−−生産される印刷導体に施され、加熱素子内に生じる可能性のある欠陥は、印刷工程が完了した後でないと、したがって基材に施した後に、検出され得る。さらに、印刷された印刷導体の生産はコスト集約的であるが、それは、印刷に使用されるインクが、多くの場合に、高い割合の貴金属、たとえば、白金、金、または銀を含有するからである。

印刷された印刷導体をプラスチック・フィルムに施すことは一般的なことである。しかしながら、プラスチック材料に施された印刷導体は、プラスチック・フィルムが通常、限られた耐温度性を備えるのみなので、狭い温度範囲でしか使用できないという点で赤外線パネル・ラジエータの生産では不利である。特に、加熱素子の抵抗素子を形成する印刷導体の場合、印刷導体フィルムを使用することは不利であることが判明している。

したがって、本発明は、単位面積当たり高い放射強度の一様な放射線放出を示す赤外線パネル・ラジエータの生産のための単純で安価な工程を考案するという目的に基づくものである。

本発明は、単位面積当たり高い放射強度を備え、特に、薄い基材壁を一様に加熱することを可能にする赤外線パネル・ラジエータを考案するという目的にも基づく。

赤外線放射体の生産のための方法を参照すると、上記の目的は、基材が、方法ステップ（ａ）に従って、アモルファス・マトリクス構成要素および半導体材料の形態の追加の構成要素を含む複合材料から製造されて提供されるという点で、および印刷導体が、方法ステップ（ｂ）に従って、印刷導体および基材が互いに恒久的に接続されるように基材の表面に適切に施される、固定された幾何学的形状を有する形態部分（ｆｏｒｍ ｐａｒｔ）として提供されるという点で上述のタイプの工程に基づき発明により達成される。

本発明の基礎となる論理的根拠は、たとえば、１５０，０００Ｗ／ｍ^２を超える放射強度などの、高い放射強度を有する赤外線パネル・ラジエータは、第１に、前記赤外線パネル・ラジエータが熱的に励起可能な材料から製造され、第２に、印刷導体が半完成品として提供される場合に特に容易に、および安価に製造することができる。

印刷導体を固定された幾何学的形状を有する事前形成された形態部分として提供することで、印刷導体の生産時に生じ得る製造誤差を早期に認識することが可能になる。特に、印刷技術を使用して製造される印刷導体とは対照的に、それらを基材と接合する方法ステップの前に機能的能力について印刷導体の形態部分をチェックすることが可能である。たとえば、それが別個の構成要素である場合に、電圧を印刷導体に印加することが容易に行える。この手段により、欠陥のある印刷導体は不合格にされ、これは、欠陥のある印刷導体を基材に接続する前に行うことができ、それにより、生産されるスクラップが少なくなり、したがって、この手段によって生産コストが低減され得る。

印刷された印刷導体とは対照的に、半完成品の形態で提供される事前形成された印刷導体は、コスト集約的な材料の使用は、たとえば、第１に、高い割合の貴金属、たとえば白金を多くの場合に含み、第２に、インクとしての適性に関する厳格な要求条件を満たす必要がある、高価な印刷インクに先んずることができるという点で別の利点に関連付けられる。

印刷導体は、様々な製造方法、たとえば、打ち抜き、レーザ切断、またはキャスティングを用いて生産され得る。好ましくは、形態部分は、熱分離手順を使用して、または打ち抜きによって、金属板から製造される。熱分離または打ち抜き手順の使用は、印刷導体の大量生産を可能にし、したがって、材料および生産のコストを低く保つことに寄与する。

様々な製造方法が使用され得るので、印刷技術では加工するのが困難であるか、または苦労する材料であっても印刷導体を形成するように加工され得る。印刷導体は、導電性であり電流が流されたときに熱を発生する抵抗材から製造されるので、印刷導体は加熱素子として働く。しかしながら、高い放射強度で２次元内で一様に放射する赤外線放射体は、印刷導体が基材に接続された後でしか得られない。本発明によれば、印刷導体は、形態部分として基材の表面に施され、基材に恒久的に接続される。この文脈において、印刷導体は、機械的手段および熱的手段の両方を用いて、または非導電層を用いて基材に接合され得る。最も単純な場合には、印刷導体は、互いに緩い接触となるように基材に接合される。

印刷導体は、基材の少なくとも一セクションを局部的に加熱できる手段によって「局部」加熱素子として働く。印刷導体は、複合材料から製造される基材の一部を加熱するように適切な寸法を有する。この文脈において、印刷導体によって加熱される基材の部分は、実際の赤外線放射放出要素である。基材と接触している印刷導体は基材表面と直接接触するので、特にコンパクトに、したがって安価に生産された赤外線パネル・ラジエータが得られる。

電気抵抗素子から支持ラックへの熱輸送は、もっぱら熱伝導によって生じるが、対流および／または熱放射に基づくものとしてもよい。

基材は、アモルファス・マトリクス構成要素、さらには半導体材料の形態の追加の構成要素を含むので、高エネルギー励起状態をとり得る基材が得られ、高放射強度での赤外線の放射は特に好ましい。複合材料の組成は、複合材料が実際の赤外線放射放出要素を形成するように適切に選択される。この文脈において、複合材料は次の構成要素を含む。
・ アモルファス・マトリクス構成要素は、重量および体積に関して複合材料の最大の割合を占める。マトリクス構成要素は、複合材料の機械的および化学的特性、たとえば、耐温度性、強度、および腐食特性について決定的である。マトリクス構成要素はアモルファスである−−好ましくはガラスからなる−−ので、基材の幾何学的形状は、結晶質材料から作られる基材に比べて、赤外線放射体を施すそれぞれの作業の既存の要求条件に容易に適合され得る。
マトリクス構成要素は、非ドープまたはドープ石英ガラスからなるものとしてよく、該当する場合には、最大１０重量％の量のＳｉＯ_２は別にして、酸化物、窒化物、または炭化物構成要素を含むことができる。
・ さらに、本発明により、半導体材料の形態の追加の構成要素が、マトリクス構成要素内に埋め込まれる。これは、アモルファス・マトリクス構成要素内に分散される固有のアモルファスまたは結晶相を形成する。

半導体は、価電子帯および伝導帯を備え、これらは最大ΔＥ≒３ｅＶまでの幅を有する禁制帯によって互いに隔てられ得る。禁制帯の幅は、たとえば、Ｇｅについては０．７２ｅＶ、Ｓｉについては１．１２ｅＶ、ＩｎＳｂについては０．２６ｅＶ、ＧａＳｂについては０．８ｅＶ、ＡｌＳｂについては１．６ｅＶ、ＣｄＳについては２．５ｅＶである。半導体の伝導率は、価電子帯から禁制帯を横切って伝導帯に何個の電子が到達するかに依存する。基本的に、ごく少数の電子が室温で禁制帯を横切り伝導帯に到達することができ、半導体は、通常、室温で低伝導率のみを有する。しかし、半導体の伝導率は、本質的にその温度に依存する。半導体材料の温度が上昇した場合、電子を価電子帯から伝導帯に上げるのに十分なエネルギーがある確率も高くなる。したがって、半導体の伝導率は、温度上昇とともに増大する。半導体材料は、温度が適切であれば良好な電気伝導率を示す。

追加の構成要素は、均一に、または分離相として特に不均一に分配される。追加の構成要素は、基材の光学的および熱的特性に対して決定的であり、より具体的に言えば、これは、７８０ｎｍから１ｍｍの波長帯である赤外線スペクトル域内で吸収を生じる。追加の構成要素は、このスペクトル域内の放射線の少なくとも一部に対してマトリクス構成要素に比べて高い吸収を示す。

マトリクス内の追加の構成要素の相領域は、光学的欠陥として作用し、たとえば、裸眼で見たときに、複合材料を層の厚さに応じて室温で黒色または黒っぽい灰色に見せる。さらに、これらの欠陥は、熱吸収効果も有する。

複合材料中に存在する追加の構成要素のタイプおよび量は、好ましくは、６００℃における複合材料中で、２μｍから８μｍの間の波長に対して少なくとも０．６の放射率εをもたらすなどのために適切なものである。

特に高い放射率は追加の構成要素が追加の構成要素相として存在し、最大平均寸法が２０μｍ未満、好ましくは３μｍ超の非球形形態を備える場合に得られる。

この文脈において、追加の構成要素相の非球形形態は、複合材料の高い機械的強度およびクラック形成の低い傾向にも寄与する。「最大寸法」という語は、顕微鏡写真で見ることができるような追加の構成要素相の絶縁領域の最長の伸長を指すものとする。上述の平均は、顕微鏡写真中のすべての最長の伸長の中央値である。

熱放射のキルヒホッフの法則によれば、熱平衡にある実際の本体部の吸収率α_λおよび放射率ε_λは、等しい。
α_λ＝ε_λ （１）

したがって、追加の構成要素は、基材材料による赤外線の放射を引き起こす。放射率ε_λは、スペクトル半球反射率Ｒ_ｇｈおよび透過率Ｔ_ｇｈが知られている場合に次のように計算できる。
ε_λ＝１−Ｒ_ｇｈ−Ｔ_ｇｈ （２）

この文脈において、「放射率」は、「スペクトル通常放射度」であると理解されるものとする。これは、「黒体境界条件」（ＢＢＣ）という名称で知られている測定原理を用いて決定され、「ＤＥＴＥＲＭＩＮＩＮＧ ＴＨＥ ＴＲＡＮＳＭＩＴＴＡＮＣＥ ＡＮＤ ＥＭＩＴＴＡＮＣＥ ＯＦ ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＡＮＤ ＳＥＭＩＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＴ ＥＬＥＶＡＴＥＤ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＳ」、Ｊ． Ｍａｎａｒａ、Ｍ． Ｋｅｌｌｅｒ、Ｄ． Ｋｒａｕｓ、Ｍ． Ａｒｄｕｉｎｉ−Ｓｃｈｕｓｔｅｒ、５ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｔｈｅｒｍａｌ−Ｓｃｉｅｎｃｅｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、Ｔｈｅ Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ （２００８年）で公開されている。

アモルファス・マトリクス構成要素は、追加の構成要素が存在しないときと比べて、複合材料中で、すなわち、追加の構成要素と組み合わせて、より高い熱放射吸収を有する。この結果、印刷導体から基材中への熱伝導率が改善され、熱の分配がより高速になり、基材の方への放射率がより高くなる。この手段により、単位面積当たりの放射強度をより高くし、薄い基材壁であっても一様な放射および均一な温度場、および／または比較的低い印刷導体占有密度を生じることが可能である。壁厚さが薄い基材は、低い熱質量を有し、高速な温度変化を可能にする。冷却は、この目的には不要である。

本発明による方法の特に好ましい実施形態において、存在する追加の構成要素のタイプおよび量は、１０００℃の温度の複合材料中で、２μｍから８μｍの間の波長に対して少なくとも０．７５の放射率εをもたらすようなものである。

したがって、複合材料は、２μｍから８μｍの間、すなわち、赤外線の波長帯の熱放射に対する高い吸収および放射強度を有する。これは、透過率が無視できるくらいに小さいとの仮定に基づき、結果として得られる反射度は、２μｍから８μｍの間の波長および１０００℃を超える温度では最大０．２５であり、６００℃を超える温度では最大０．４となるように複合材料の表面における反射を低減する。したがって、均一なまたは望ましい不均一な温度分布に寄与する反射された熱放射による再現不可能な加熱が防止される。

接合手順を用いて、好ましくは、機械的接合、接着、または溶接によって、印刷導体および基材の接続を生じさせることは都合がよいことがわかっている。

接合手順は、少なくとも２つの構成要素の恒久的接続に介在する。この文脈において、構成要素間の接続は、少なくとも個別の接合部位で形成され得る。本発明によれば、印刷導体は形態部分として存在しているが、これは固定された幾何学的形状を有することを意味する。基材は、印刷導体および基材が接合されているときに固定された幾何学的形状で、または無定形物質として存在し得る。好ましくは、基材は、また、固定された幾何学的形状で存在する。この手段によって、基材上で印刷導体を位置決めするのは特に簡単になる。

有利には、印刷導体および基材は、機械的接合、接着、はんだ付け、溶接を用いて互いに接続され得る。機械的接合に関して、圧入作業は、特に都合がよいことがわかっている。この目的のために、基材は、印刷導体の形状に対応する凹部、たとえば、印刷導体が押し込まれる溝を備えることができる。

代替的に、ガラス基材は、ガラス・ソルダーを用いて印刷導体に接続され得る。ガラス・ソルダーは、特に低い軟化温度を有することを特徴とし、それらは、ガラスへの材料の発熱接続部の形成に使用され得る。この製造手順は、金属のはんだ付けに似ているが、ガラス・ソルダー接続は、体系的に、接着接続として分類される。接着接続は、それらが特に生産することが容易であるという点で有利である。さらに、接着材の特性は、接続されるべき材料の材料特性とマッチするように調整できる。たとえば、接着剤（ガラス・ソルダー）の熱膨脹係数は、印刷導体の熱膨脹係数と基材の熱膨脹係数との間にあるように適切に選択される。

溶接された接続は、印刷導体および基材にエネルギーを導入することによって形成される。この工程では、印刷導体および基材は両方とも、少なくとも一部は溶融され、溶融された領域が冷えると互いに接続される。

本発明による方法の好ましい修正形態は、非導電層によって基材の表面に接続される印刷導体を実現する。

非導電層は、電気絶縁体として働き、印刷導体によって発生した熱を基材に輸送することができるが、熱をほとんど発生し得ない。したがって、非導電層は、基材の加熱にほとんど寄与しない。エネルギーの主要な入力は、印刷導体の幾何学的形状が、第１に、熱的に励起される基材の領域を画成し、第２に、基材への熱入力の大きさ決定するように印刷導体を用いて行われる。したがって、非導電層の層厚さの逸脱、および特に、基材上に非導電層を不均一に−−場合によっては部分的にのみ−−施すことは、基材への熱入力および基材温度分布に著しい影響を及ぼさない。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、タンタル（Ｔａ）、または耐熱鋼（ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ−ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｓｔｅｅｌ）から作られた金属板を使用して形態部分を生産することは有益であることがわかっている。

上述の材料、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、タンタル（Ｔａ）、または耐熱鋼は、たとえば、金、白金、または銀などの、貴金属に比べて安価である。さらに、上述の材料は、かなりの労力を費やした場合のみ印刷工程において加工することができるが、それらは、赤外線パネル・ラジエータの生産において半完成品として使用できる形態本体部に容易に整形され得る。さらに、これらの材料は、空気中で耐酸化性を有し、印刷導体の生産のための印刷導体を覆う追加の層（カバー層）は必ずしも必要でないという点で有利である。

しかしながら、不透明な石英ガラスから製造されるカバー層を備えることは有益であることがわかっている。このタイプのカバー層は、拡散反射体として作用し、印刷導体の保護と安定化を同時に行う。透明な石英ガラスから作られているこのタイプのカバー層の生産は、たとえば、国際公開第２００６／０２１４１６Ａ１号において説明されている。アモルファスＳｉＯ_２粒子を含む分散液から生成される。これは、印刷導体に面する基材表面に塗布され、乾燥させてグリーン層（ｇｒｅｅｎ ｌａｙｅｒ）を形成し、前記グリーン層は高温で焼結される。

有利には、形態部分は、螺旋または蛇行形状のライン・パターンを有するセクションを備える。この手段により、単一の印刷導体による基材表面の均一な被覆が実現可能になる。単一の印刷導体は、電流源に接続し、トリガするのが特に容易である。

本発明による方法の好ましい修正形態において、方法ステップ（ｂ）に従って基材の表面に印刷導体を施す前に、形態部分のその端部に導電トラックを付け、その断面表面積は、ライン・パターンの断面表面積より大きい。

好ましくは、ライン・パターンは平面内に広がる。印刷導体の電気的接触を簡素化するために、印刷導体が加熱領域に比べて電気的接触の領域において低い温度を有することが有利であることがわかっている。これを実現可能にするために、印刷導体は、印刷導体に比べてより広い断面表面積を有する導電トラックを備え得る。その断面表面積が広いことにより、導電トラックは、より低い抵抗を有し、したがって、印刷導体それ自体に比べて著しく弱く加熱される。

印刷導体および導電トラックは、単一体または複数部分として用意されたユニットを形成することができる。印刷導体および導電トラックの一体ユニットは、たとえば、金属板から打ち抜くことによって、またはレーザ切断することによって、単一工程内で製造され得る。この場合、たとえば、導電トラックは、金属板の所与の厚さにおいて印刷導体より大きい幅を有する。代替的に、追加の方法ステップで、一ユニットとして基材表面に施す前に印刷導体および導電トラックを接続することはちょうどよく実現可能である。たとえば、導電トラックおよび印刷導体は、互いに溶接可能である。

印刷導体の端部に接触要素を設けることは有益であることがわかっている。接触要素は、印刷導体の電気的接触を簡素化するように働き、それらは、好ましくはプラグ接続のプラグ要素を形成する。プラグ接続は、接触要素を電流供給源に脱着可能に接続する手段である。この手段により、印刷導体は、電気リード、特に、電流／電圧源との間を接続したり接続を断ったりすることが特に容易である。

この文脈において、導電トラックおよび印刷導体が同じ材料から製造されることは有益であることがわかっている。

導電トラックおよび印刷導体の接続は、両方の構成要素が同じ材料から、たとえば、はんだ付けによって製造される場合に特に容易に形成され得る。

赤外線パネル・ラジエータを参照すると、上記の目的は、基材がアモルファス・マトリクス構成要素および半導体材料の形態の追加の構成要素を含む複合材料から製造されるという点で、および印刷導体が、固定された幾何学的形状を有する形態部分として、印刷導体および基材が互いに恒久的に接続されるように基材の表面に適切に施されるという点で、上述のタイプの赤外線パネル・ラジエータに基づき本発明により達成される。

本発明による赤外線パネル・ラジエータは、第１に、熱を与えるための材料から作られた基材と、第２に、基材に接続されている固定された幾何学的形状を有する印刷導体とを備える。

印刷導体は、固定された幾何学的形状を有する形態部分であるので、特に高い機械的安定性を有し、それに加えて、高い精度で製造することができる。

印刷された印刷導体とは対照的に、半完成品の形態で提供される事前形成された印刷導体は、コスト集約的な材料の使用は、たとえば、第１に、高い割合の貴金属、たとえば白金を多くの場合に含み、第２に、インクとしての適性に関する厳格な要求条件を満たす必要がある、高価な印刷インクに先んずることができるという点で別の利点に関連付けられる。

印刷導体は、様々な製造方法、たとえば、打ち抜き、レーザ切断、またはキャスティングを用いて生産され得る。基材と組み合わせることで、印刷導体は、２次元で均一的に放射する赤外線放射体を形成し、これは、基材の少なくとも部分的セクションを局部的に加熱できる手段によって「局部」加熱素子として働く。印刷導体は、特殊な材料、すなわち、その後アモルファス・マトリクス構成要素および半導体材料の形態の追加の構成要素を含む複合材料から製造される基材の一部を加熱するように適切に寸法が決められる。複合材料は、実際の赤外線放射素子である。基材は、アモルファス・マトリクス構成要素、さらには半導体材料の形態の追加の構成要素を含むので、赤外線の放射に特に有利である高エネルギー励起状態をとり得る基材が得られる。複合材料の組成に関して、本発明による方法の文脈において上で提示されている説明が参照されるものとする。

本発明による赤外線パネル・ラジエータの好ましい一実施形態は、基材に施されるべき、各々個別に電気的にトリガされ得る、固定された幾何学的形状を有する複数の印刷導体を実現する。

複数の印刷導体を設けることで、赤外線パネル・ラジエータで得られる照射強度の個別のトリガおよび適合が実現可能になる。その一方で、基材の放射強度は、印刷導体の隣接するセクションの距離の好適な選択を通じて調整され得る。この文脈において、基材のセクションは、異なる照射強度で赤外線を放射するように異なる程度に合わせて加熱される。

代替的に、印刷導体は、異なる動作電圧または動作電流を通じて操作するなどのために電気的に個別に制御され得る。特に、基材の縁が、基材の中間領域に比べて弱く加熱されることが多いことは明らかであった。縁領域が、たとえば、赤外線パネル・ラジエータの中間領域より速く冷えるように周囲に関して縁領域においてより大きい温度勾配があることが１つの可能な原因となっている。それぞれの印刷導体に印加される動作電圧および／または動作電流の変動は、基材の温度分布を簡単に、素早く調整することを可能にする。

アモルファス・マトリクス構成要素を石英ガラスにし、半導体材料を元素形態で存在させることは有益であることがわかっており、それによって、半導体材料の重量分率は０．１％から５％の範囲内に収まる。

この文脈において、アモルファス・マトリクス構成要素および追加の構成要素は、６００℃未満の温度で電気的絶縁特性を有することが有益であることがわかっている。

石英ガラスは、電気的絶縁体であり、高強度であるだけでなく腐食、温度、および温度サイクルに対する良好な耐性を有し、高純度のものが利用可能である。したがって、これは１，１００℃の温度による高温加熱工程であっても考えられるマトリクス材料である。冷却は不要である。

マトリクス内の半導体相の微粒子領域は、光学的欠陥として作用し、裸眼で見たときに、基材材料を層の厚さに応じて室温で黒色または黒っぽい灰色に見せる。他方では、これらの欠陥は、複合材料の全体的熱吸収にも影響を及ぼす。これは、もっぱら、元素形態で存在する半導体の微細分布相の特性によるものであるが、つまり、一方で、価電子帯と伝導帯との間のエネルギー（バンドギャップ・エネルギー）が温度とともに減少し、他方で、活性化エネルギーが十分に高い場合に価電子帯から伝導帯に上げられ、これは吸収係数の明確な増大に関連する。伝導帯の熱的活性化占有により、この半導体材料はある波長（１，０００ｎｍなどからの）に対して室温においてある程度透明であり、高温では不透明になる。

したがって、吸収率および放射率は、複合材料の温度が上昇すると急激に増大し得る。この効果は、就中、半導体の構造（アモルファス／結晶）およびドーピングに依存する。

好ましくは、追加の構成要素は、元素ケイ素である。たとえば、純粋なケイ素は、約６００℃から放射の顕著な増大を示し、約１，０００℃から飽和に達する。

したがって、半導体材料、および特に、好ましくは使用されている元素ケイ素は、ガラス質マトリクス材料を黒色にし、室温においてそうなるが、たとえば、６００℃を超える高い温度でもそうなる。結果として、高温における高い広帯域放射に関する良好な放射特性が達成される。この文脈において、半導体材料、好ましくは、元素ケイ素は、マトリクス中に分散される独自のＳｉ相を形成する。後者は、複数の半金属または金属を含むことができ（るが、金属は最大５０ｗｔ．％まで、２０ｗｔ．％以下であり、各々追加の構成要素の重量分率に関係する）、それによって、複合材料は、開放気孔率を示さないが、せいぜい０．５％未満の密閉気孔率および少なくとも２．１９ｇ／ｃｍ^３の比密度を示す。したがって、支持体ラックに適しており、それに関して支持体ラックを製造する材料の純度またはガス気密性が本質的である。

複合材料の熱吸収は、追加の構成要素の割合に依存する。したがって、追加の構成要素の重量分率は、好ましくは、少なくとも０．１％であるべきである。他方で、追加構成要素の体積分率が高い場合、これは、マトリクスの化学的および機械的特性に悪影響を及ぼし得る。これを考慮すると、追加の構成要素の重量分率は、好ましくは０．１から５％の範囲内にある。

アモルファス・マトリクス構成要素が石英ガラスであり、好ましくは少なくとも９９．９９％のＳｉＯ_２およびせいぜい１％のクリストバライト含有率の化学的純度を有することが特に有益であることがわかっている。マトリクスのクリストバライト含有率が低い、すなわち、１％以下であることで、失透傾向が低いこと、したがって、赤外線パネル・ラジエータとして使用しているときにクラックが形成するリスクが低く、これは半導体生産工程において通常明らかである粒子が存在しないこと、純粋であること、および不活性であることに関する厳格な要求条件を満たすことが確実になる。

本発明は、例示的な実施形態および図面に基づき以下でより詳しく例示される。以下で概略図を説明する。

基材表面に施された事前形成印刷導体形態部分を有する本発明による赤外線パネル・ラジエータの第１の実施形態を示す図である。 事前形成印刷導体が形態部分の形で用意され、基材の表面に接続されている、赤外線パネル・ラジエータの生産のための本発明による工程の一実施形態を示す図である。 印刷導体によって占有されている表面がそれに施されたガラスの層を有する、本発明による赤外線パネル・ラジエータの第２の実施形態の側面図である。 印刷導体がガラス・ソルダーを用いて基材表面に接続されている、本発明による赤外線パネル・ラジエータの第３の実施形態の側面図である。 印刷導体および基材が圧入の工程による機械的手段によって互いに接続されている、本発明による赤外線パネル・ラジエータの第４の実施形態の側面図である。

図１は、全体として参照番号１００が割り当てられている、本発明による赤外線パネル・ラジエータの第１の実施形態を示している。赤外線パネル・ラジエータ１００は、プレート形状基材１０１、印刷導体１０２、および印刷導体１０２の電気的接触のための２つの導電トラック１０３ａ、１０３ｂを備える。

プレート形状基材１０１は、石英ガラスの形態のアモルファス・マトリクス構成要素を含む。元素ケイ素の相は、非球形領域の形態の前記マトリクス構成要素中に均一に分配される。プレート形状基材１０１は、１００ｍｍの長さｌ、１００ｍｍの幅ｂ、および２ｍｍの厚さを有する。

印刷導体１０２は、単一体として作られ、これは、プレート形状基材１０１上に容易に配置される平坦で面積をもった３次元形態部品を形成する。印刷導体１０２は、耐熱鋼（２．４８１６）から製造され、鋼板から打ち抜くことによって形成される。印刷導体１０２の端部の各々は、印刷導体１０２と一緒に鋼板から打ち抜かれた、導電トラック１０３ａ、１０３ｂをそれに配置構成している。本発明による赤外線放射体の代替的精緻化形態（図１に図示せず）において、導電トラック１０３ａ、１０３ｂは印刷導体１０２の端部に溶接される。溶接された導電トラックを有する赤外線パネル・ラジエータの生産工程は、図２に基づき以下でより詳しく説明されるものとする。

図１と同じ参照番号が他の図に示されている実施形態において使用されている限り、これらは、本発明による赤外線パネル・ラジエータの第１の実施形態の説明を用いて上でより詳しく例示されているように設計に関して同一であるか、または同等である構成要素および部分を示す。

図２に基づき、赤外線パネル・ラジエータ１００の生産のための本発明の方法が、例についてより詳しく示されている。

基材１０１の生産（半完成品１）
生産は、国際公開第２０１５／０６７６８８Ａ１号において説明されているように、スラリーキャスティング手順に従って行われる。アモルファス石英ガラス粒は、予め高温塩素処理手順で精製され、クリストバライト含有率が１重量％未満となることを確実にする。粒径が２５０μｍから６５０μｍの範囲内である石英ガラス粒は、脱イオン水で湿式粉砕され、７８％の固形物含有率の均一な基本スラリーが形成される。

次いで、ミリング・ビーズが基本スラリーから取り除かれ、シリコン粉末が、固形物含有率が８３重量％に達するまで加えられる。シリコン粉末は、もっぱら、Ｄ_９７値が約１０μｍであり、２μｍ未満の粒径の細粒分が予め取り除かれた狭い粒度分布を有する非球形粉末粒子を含む。

シリコン粉末を満たされたスラリーは、さらに１２時間かけて均質化される。シリコン粉末は、５％の全固形物含有量の重量分率を占める。容易に均質化できるスラリー中のＳｉＯ_２粒子は、約８μｍのＤ_５０値および約４０μｍのＤ_９０値を特徴とする粒度分布を有する。

スラリーは、市販のダイカスト機のダイでキャスティングされ、多孔質プラスチック膜を使用して脱水され、多孔質素体を形成する。素体は、矩形プレートの形状を有する。結合水を取り除くために、素体は、通気加熱炉内で５日間、約９０℃で乾燥させられる。放冷した後、こうして得られた多孔質ブランクは、板厚４ｍｍを有する、生産されるべき石英ガラス板の最終寸法に近くなるように機械的に加工される。焼結のため、ブランクは、空気の存在下で焼結炉内で１時間かけて１３９０℃の加熱温度まで加熱され、５時間の間、この温度に維持される。

こうして得られた石英ガラス板が基材１０１である。これは、２．１９５８ｇ／ｃｍ^３の密度を有するガス気密複合材料からなり、互いに分離し、サイズおよび形態がこの工程で使用されるＳｉ粉末のサイズおよび形態に本質的に対応する元素Ｓｉ相の非球形領域は、不透明石英ガラスから作られたマトリクス内に均一に分配される。最大平均寸法（中央値）は、約１μｍから１０μｍの範囲内にある。マトリクスは、裸眼には半透明から透明に見える。顕微鏡検査の後、これは開放気孔を示さず、せいぜい最大平均寸法が１０μｍ未満である密閉気孔を示し、密度に基づき計算される気孔率は、０．３７％である。複合材料は、約１，１５０℃の温度まで空気中で安定している。

印刷導体１０２の生産（半完成品２）
印刷導体１０２を生産するために、印刷導体を形成することを意図されている形態部分は、厚さ０．２ｍｍ、幅５００ｍｍ、および長さ２０００ｍｍのタンタル板から打ち抜かれる。穴開け器の形態の打ち抜き機が打ち抜きに使用され、それによって、平面状基材が対を成すもう片方として使用される。打ち抜かれた印刷導体１０２は、蛇行線
外形を有し、平面内で互いに隣り合って置かれる２つの蛇行構造を備える。図２−Ｉは、打ち抜かれた印刷導体１０２を示している。印刷導体１０２は、長さ６０ｍｍおよび幅６０ｍｍにわたって延在する。

導電トラック１０３ａ、１０３ｂへの印刷導体１０２の溶接
印刷導体１０２は、最終赤外線パネル・ラジエータ１００内に放射体のいわゆる「高温」ゾーンを形成する。「冷」ゾーンは、印刷導体１０２の電気的接触のために必要である。図２−ＩＩに示されているように、導電トラック１０３ａ、１０３ｂがこの目的のために印刷導体１０２の端部に溶接される。導電トラック１０３ａ、１０３ｂは、同一のものなどになるように形成され、これらは４０ｍｍの長さ、５ｍｍの幅、および０．４ｍｍの厚さを備える。

基材１０１に導電トラック１０３ａ、１０３ｂを備える印刷導体１０２を施すこと
図２−ＩＩＩは、基材１０１に導電トラック１０３ａ、１０３ｂを備える印刷導体１０２を施すことを示している。最初に、印刷導体１０２は、基材１０１の上側に置かれる。ガラス・ソルダーが施され、次いで軟化温度まで加熱され、それにより、液体ガラス・ソルダーは、印刷導体１０２および基材表面から離れる。ガラス・ソルダーの焼結の後、印刷導体１０２および基材１０１は、ガラス・ソルダー結合が形成されている間に、放冷される。

反射層（任意選択）を施すこと
その後、スラリー層が基材１０１の上側、およびそれに施されている印刷導体１０２に施される。スラリーは、８４重量％の固形物含有率に達するまで、約５μｍの粒径の球形粒子の形態の均一な安定した基本スラリー・アモルファスＳｉＯ_２粒に混ぜることによる上で説明されているタイプの基本ＳｉＯ_２スラリーの修正（加えられたシリコン粉末なしで）によって得られる。この混合物は、２５ｒｐｍの速度で回転する回転ミル内で１２時間かけて均質化される。こうして得られたスラリーは、８４％の固形物含有率および約２．０ｇ／ｃｍ^３の密度を有する。石英ガラス粒の粉砕の後に得られるスラリー中のＳｉＯ_２粒子は、約８μｍのＤ_５０値および約４０μｍのＤ_９０値を特徴とする粒度分布を有する。

スラリーは、アルコールで予めクリーニングされた基材１０１の上側に数秒間噴霧される。その結果、厚さ約２ｍｍの均一なスラリー層が基材１０１上に形成される。乾燥させたスラリー層は、クラックを含まず、平均厚さは２ｍｍより少し小さい。

次いで、乾燥させたスラリー層は、焼結炉内の空気中で焼結される。

図３は、全体として参照番号３００が割り当てられている、本発明による赤外線パネル・ラジエータの第２の実施形態の側面図を示している。赤外線ラジエータ３００は、プレート形状基材３０１、印刷導体３０２、およびカバー層３０３を備える。

プレート形状基材３０１は、矩形形状を有し、板厚は２．５ｍｍである。これは、石英ガラスから作られたマトリクスを有する複合材料からなる。マトリクスは、裸眼には半透明から透明に見える。顕微鏡検査の後、これは開放気孔を示さず、せいぜい最大平均寸法が１０μｍ未満である密閉気孔を示す。元素ケイ素の相は、非球形領域の形態のマトリクス中に均一に分配される。これらは、５％の重量分率を占める。ケイ素相領域の最大平均寸法（中央値）は、約１μｍから１０μｍの範囲内にある。複合材料はガス気密であり、２．１９ｇ／ｃｍ^３の密度を有し、約１１５０℃の温度まで空気中において安定している。

埋め込まれたケイ素相は、複合材料の全体的不透明性に寄与するだけでなく、複合材料の光学的および熱的特性に影響も及ぼす。前記複合材料は、高温での熱放射の高い吸収および高い放射率を示す。

室温において、複合材料の放射率は、積分球を使用して測定される。これは、スペクトル半球反射率Ｒ_ｇｈおよびスペクトル半球透過率Ｔ_ｇｈの測定を可能にし、それから通常放射率を計算することができる。高温での放射率は、追加の光学系を用いてＢＢＣサンプル・チャンバが結合され、上述のＢＢＣ測定原理を適用する、ＦＴＩＲ分光計（Ｂｒｕｋｅｒ ＩＦＳ ６６ｖフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ））を用いて２から１８μｍの波長帯において測定される。この文脈において、サンプル・チャンバは、サンプル・ホルダの前後に半球内のサーモスタット付き黒体環境、および検出器に伴ってビーム放出開口部を備える。サンプルは、別個の炉内で所定の温度に加熱され、測定のため、黒体環境が所定の温度に設定されているサンプル・チャンバのビーム経路内に移される。検出器によって検出された強度は、放射、反射、および透過部分、すなわち、サンプルそれ自体によって放射される強度、前半球からサンプル上に入射し、サンプルから反射される強度、および後半球からサンプル上に入射し、サンプルによって透過される強度からなる。個別のパラメータ、すなわち、放射度、反射度、および透過度を決定するために測定が３回実行される必要がある。

２μｍから約４μｍの波長帯の複合材料で測定された放射度は、温度の関数となっている。温度が高いほど、放射度は高くなる。６００℃では、２μｍから４μｍの波長帯の通常放射度は０．６を超える。１，０００℃では、２μｍから８μｍの波長帯全体の通常放射度は、０．７５を超える。

印刷導体３０２は、タンタル板から、レーザ・ビームで板を切断して形態部分にすることによって形成される。形態部分は、固定された幾何学的形状を有し、一体設計となっており、印刷導体３０２の隣接するセクションの距離が２ｍｍであるアルキメデスの螺旋の形状をとる。印刷導体３０２は、断面表面積が少なくとも０．０２ｍｍ^２、幅１ｍｍ、および厚さ２０μｍである。タンタル（図示せず）から作られた接点は、螺旋の両側で印刷導体に溶接される。接点は、少なくとも０．５ｍｍ^２の断面表面積を有する。接点は印刷導体よりも広い断面表面積を有するので、印刷導体３０２より低い電気抵抗を有し、したがって、通電時に印刷導体３０２より弱く加熱される。したがって、接点は、接点を用いた印刷導体３０２の電気的接触がより単純になるように温度を低下させる効果をもたらす。

印刷導体３０２は、ガラスから作られているカバー層３０３が印刷導体を備えている基材３０１の表面３０４に施されるので基材３０１にしっかり接続される。カバー層３０３は、熱膨脹係数が基材の熱膨脹係数と印刷導体の熱膨脹係数との間の範囲内にあるガラスから製造される。基材３０１の熱膨脹係数は、０．５４ １０^−６Ｋ^−１であり、印刷導体３０２の熱膨脹係数は、６．４ １０^−６Ｋ^−１であり、カバー層３０３の熱膨脹係数は、０．５４ １０^−６Ｋ^−１である。カバー層３０３は、１．８ｍｍの平均層厚さを有する。カバー層３０３は、基材３０１の加熱領域全体を覆う。これは、印刷導体３０２を完全に覆い、したがって、周囲の化学的または機械的影響から印刷導体３０２を遮蔽する。

図４は、全体として参照番号４００が割り当てられている、本発明による赤外線パネル・ラジエータの第３の実施形態の側面図を示している。赤外線パネル・ラジエータ４００は、図３の説明で説明されているタイプの基材３０１、さらには印刷導体４０２およびカバー層４０３を備える。印刷導体４０２は、ガラス・ソルダー４０７を用いて基材表面４０４に接続される。

印刷導体４０２は、印刷導体の隣接するセクションの間に１．５ｍｍの均一な距離が保たれるように基材３０１の加熱表面をしっかりと覆う蛇行形状を示す。図示されている断面において、印刷導体４０２は、断面表面積が０．０５ｍｍ^２、幅１ｍｍ、および厚さ５０μｍである。

ガラス・ソルダーは、軟化温度が低いガラスであり、これらは接着剤のグループに属す。ガラス・ソルダーの加工手順は、金属のはんだ付けに似ている。軟化温度が低いため、ガラス・ソルダーは加工温度において液体である。しかし、基剤は、加工温度では固体である。

使用されるガラス・ソルダーは、ガラス粉末と、有機結合剤とから作られたガラスペースト、たとえば、ドイツのマインツ所在のＳｃｈｏｔｔ ＡＧ社のＧ０１８−３８５番のガラス・ソルダーである。前記ガラス・ソルダーは、８．４ｐｐｍ／Ｋの熱膨脹係数α_{（２０−３００）}、３．１４ｇ／ｃｍ^３の密度、９９２℃のガラス転移温度、および１，０００℃の溶融温度を有する。

赤外線パネル・ラジエータ４００の生産時に、印刷導体は、耐熱鋼から打ち抜くことによって形態部分として最初に生産される。その後、基材３０１の表面は加熱され、ガラス・ソルダーの層が施される。印刷導体４０２は、ガラス・ソルダー層上に置かれ、ガラス・ソルダー層が軟化し、ガラス・ソルダー層が冷えたときに最初にガラス・ソルダー層と基材３０１との間に、そして第２に、ガラス・ソルダー層と印刷導体４０２との間に結合が生じるまでガラス・ソルダー層と一緒に加熱される。機械的および化学的応力から保護するため、印刷導体４０２およびガラス・ソルダー層は、最終的に、転移ガラスから作られたカバー層４０３を備え、その熱膨張係数は、ガラス・ソルダーの熱膨脹係数と印刷導体４０２の熱膨脹係数との間の範囲内にある。

図５は、印刷導体４０２および基材５０１が圧入の工程による機械的手段によって互いに接続されている、本発明による赤外線パネル・ラジエータ５００の第４の実施形態の側面図を示している。

基材５０１は、図３の基材３０１と同じ材料から製造される。これは、基材５０１の表面が印刷導体４０２の幾何学的形状に対応する溝５０２を備えるという点で図３から知られる基材３０１と異なる。基部の溝幅は１．２ｍｍであり、溝深さは０．０４ｍｍである。溝５０２の側部表面は、いくぶん斜めになっており、これは、印刷導体４０２および基材５０１を機械的手段によって接続することをしやすくする。石英ガラスから作られているカバー層５０３が、基材５０２の表面および印刷導体４０２に施される。代替的実施形態（図示せず）では、カバー層は設けられない。カバー層５０３の機能は、印刷導体４０２を化学的および機械的影響から保護することである。特に、耐熱鋼またはケイ化モリブデンから作られた印刷導体は、高い耐温度性を有し、カバー層はなくて済む。

Claims (9)

1. 電気的絶縁材料から作られた基材を有し、この基材の表面に、導電性であり通電時に熱を発生する抵抗材から作られた印刷導体が施された赤外線パネル・ラジエータを生産するための方法であって、
   （ａ）前記基材を用意するステップと、
   （ｂ）前記印刷導体を前記基材の表面に施すステップを含む方法において、
   前記基材が、方法ステップ（ａ）に従って、アモルファス・マトリクス構成要素および半導体材料の形態の追加の構成要素を含む複合材料から製造されて提供され、そして、前記印刷導体が、方法ステップ（ｂ）に従って、前記印刷導体および基材が互いに恒久的に接続されるように前記基材の前記表面に適切に施される、形態部分として提供されることを特徴とする方法。
2. 印刷導体および基材の前記接続は、接合手順を用いて、好ましくは、機械的接合、接着、または溶接によってなされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記印刷導体は、非導電層によって前記基材の前記表面に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記形態部分は、熱分離工程を使用して、または打ち抜きによって、金属板から製造されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ_２）、タンタル（Ｔａ）、または耐熱鋼から作られた被加工物が、前記形態部分を生産するために使用されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 方法ステップ（ｂ）に従って基材の表面に前記印刷導体を施す前記ステップの前に、前記形態部分のその端部に導電トラックを付け、その断面表面積は、ライン・パターンの断面表面積より大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 導電トラックおよび前記印刷導体は、同じ材料から製造されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 電気的絶縁材料から作られた基材を有する赤外線パネル・ラジエータであって、基材の表面に、導電性であり通電時に熱を発生する抵抗材から作られた印刷導体が施され、前記基材は、アモルファス・マトリクス構成要素および半導体材料の形態の追加の構成要素を含む複合材料から製造されることと、前記印刷導体は、形態部分として提供され、前記印刷導体および基材が互いに恒久的に接続されるように前記基材の前記表面に適切に施されることを特徴とする赤外線パネル・ラジエータ。
9. 各々電気的に個別にトリガされ得る、複数の印刷導体の形態部分が前記基材に施されることを特徴とする請求項８に記載の赤外線パネル・ラジエータ。
   
   

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