JP2023548025A - 赤外線放射器及び赤外線放射構成要素 - Google Patents

Abstract

公知の赤外線放射器は成形体を有しており、この成形体は、第１のピーク放射波長を有する短波又は中波の赤外線を放射する放射面を有している。そこから出発して、最大で約２７５０ｎｍを備える吸収特性に十分に一致させられた放射スペクトルを備え、更に、高い電力密度で動作させることができ、それにより、例えば、インクの乾燥、プラスチックの接合又はガラスの曲げなどの工業用途におけるウォーミングアップ時間を短縮することができる赤外線放射器を提供するために、本発明によれば、放射変換材料が、放射面の少なくとも一部に適用されており、第１のピーク放射波長の赤外線による加熱の結果、第１のピーク放射波長よりも長い波長の第２のピーク放射波長を有する赤外線を放射する。【選択図】図５

Description

本発明は第１のピーク放射波長を有する短波又は中波の赤外線を放射する放射面を有する成形体を備えた赤外線放射器に関する。

本発明は更に、第１のピーク放射波長を有する短波又は中波の一次赤外線を吸収するための吸収面と、第１のピーク放射波長よりも長い波長である第２のピーク放射波長を有する二次赤外線を放射するための放射面とを有する、基体材料から成る基体を備えた、赤外線を放射する構成要素に関する。

短波、中波及び長波の赤外線放射器は、加熱材料を加熱するために多種多様な工業的製造プロセスにおいて使用されている。ＩＥＣ ６２７９８：２０１４（ｐ．１１、表１）によれば、波長範囲は、ＩＲ－Ａ＝７８０～１，４００ｎｍ（１，８００～３，４５０℃の温度に対応する）、ＩＲ－Ｂ＝１，４００～３，０００ｎｍ（６９０℃～１，８００℃の温度に対応する）、ＩＲ－Ｃ＝３，０００ｎｍ～１ｍｍ（６９０℃未満の温度に対応する）に区別される。

長波赤外線放射器の作動放射は、一般に、加熱材料によって特に良好かつ迅速に吸収され、その結果、加熱が高い効率で行われる。しかしながら、加熱及び冷却挙動は遅く、その結果、急速な温度変化は達成され得ない。

中波赤外線放射器（略してＭＷＩＲ放射器）は、約１，４００ｎｍ～３，０００ｎｍの波長範囲の広帯域赤外線スペクトルを示し、典型的には１，１００℃までの温度範囲で動作する。中波放射線は、加熱材料の上層で既に吸収され、主にその表面を加熱する。中波赤外線放射器は、典型的には、温度安定性のガラス、金属又はセラミックから成る開放された被覆管を有しており、この被覆管は、酸化安定性の抵抗材料から成る加熱フィラメントを取り囲んでいる。中波放射器の１つの欠点は、約１５Ｗ／ｃｍのそれらの制限された電力密度、並びにそれらの熱慣性及び関連する遅い反応である。

７８０ｎｍ～１，４００ｎｍの放射波長を有する短波放射線は、固体材料中に深く浸透し、均一な加熱を保証する。短波赤外線放射器（略してＳＷＩＲ放射器）では、炭素又はタングステン製の加熱フィラメントが、不活性ガスで満たされた放射器管内に螺旋状又は帯状に埋め込まれており、この放射器管は、通常、石英ガラス製である。加熱フィラメントは、放射器管の一方の端部又は両方の端部を介して挿入される電気接続部に接続されている。加熱フィラメント自体は、低い熱質量を有し、したがって１～２秒の範囲の速い反応時間を有する。ＳＷＩＲ放射器の１つの特徴は、加熱フィラメント１センチメートル当たり最大１２０ワットの高い光学パワー密度である（以下、Ｗ／ｃｍと略す）。ＳＷＩＲ放射器は、特に、粉末コーティング、接着剤を加熱するために、又は急速予熱のために使用される。

例えば、米国特許第１０２０１３１０４５７７（Ｂ３）号は、金属含有インクを乾燥及び焼結するための短波赤外線放射器の使用を開示している。

独国実用新案第２９９０５３８５（Ｕ１）号には、半透明及び／又は透明なガラス及び／又はガラスセラミックを赤外線によって均一に加熱するための装置が記載されている。１，５００°Ｋより高い色温度を有する加熱材料によって吸収されない短波一次赤外線の５０％を超える部分は、反射体又は拡散体によって反射又は散乱され、間接加熱に寄与する。

独国特許第４２０２９４４（Ｃ２）号には、加熱材料を急速に加熱するための複数の赤外線放射器から成る面放射器が記載されており、これは２，５００ｎｍよりも上で高い吸収を示す。セラミックファイバから成るいわゆる放射変換器は、面放射器によって放射される一次放射線の主伝搬方向に配置される。放射変換器は、二次放射器として機能し、面放射器の中波又は短波ＩＲ放射線によって励起されて、加熱材料の光吸収とより強く重なるより長い波長範囲の二次放射線を放射する。これは、良好な効率で迅速な温度変化を可能にする。

独国特許出願公開第１０２０１５１１９７６３（Ａ１）号は、抵抗材料から成る導電路と基板が接触しているタイル状の赤外線面放射器を開示している。基板材料は好ましくは石英ガラスであり、その中に赤外線を吸収する追加構成要素が微細に分散された形で埋め込まれている。追加構成要素は、好ましくは元素状シリコンである。

技術的目的
２，７００ｎｍ付近の中波ピーク放射波長に対応する約７００℃の温度を有する熱放射は、多くのプラスチック、ガラス、とりわけ水によって特に良好に吸収され、熱に直接変換される。この波長範囲の中波赤外線は、印刷産業における乾燥用途に特によく適しており、なぜなら、他の方法の場合では慣習的である様々な印刷インクの乾燥における色選択性が回避されるからである。

最近になって、この波長範囲のＩＲ放射線はまた、異なるプラスチックの約２，７００ｎｍの波長範囲での溶接時又は加熱、接合時における色選択性も回避することが実証された。特に、異なる色のプラスチックの加熱速度は実質的に同一である。

更に、熱的に支持された接合又は成形の場合を例とするガラスの加熱は、高い放射率を有する赤外線放射器を用いて迅速かつ均一に行うことができる。

原理的には、ＳＷＩＲ及びＭＷＩＲ放射器の両方がこれらの用途に適している。赤外線放射器の電気的接続電力が高いほど、赤外線放射器は目標温度により速く到達する。電気接続電力を増大させることは、赤外線放射器によって放射される光学パワー密度を増大させるが、これはまた、放射された放射線のピーク放射波長の短波スペクトル範囲の方向へのシフトをもたらし得る。

しかしながら、ピーク放射波長は、加熱材料、例えば、印刷インク、プラスチック、又はガラスの吸収特性に一致することが、すなわち、例えば、約２，７５０ｎｍであることが望ましい。従来の市販の赤外線放射器は、それに一致した放射スペクトルを有するものの（ＭＷＩＲ放射器）、低い電気接続容量を有し、比較的大きな放射面を必要とし、したがって、十分に大きな光学放射パワーのために高い熱容量を必要とし、この高い熱容量自体は、赤外線放射器のための比較的長い加熱及び冷却時間をもたらし、したがって、乾燥システムの緩慢さ（inertness）をもたらす。又は、赤外線放射器は、高い電気接続容量及び低い緩慢さを有するものの（ＳＷＩＲ放射器）、その放射スペクトルは、加熱材料の吸収特性に最適に一致してはいない。

本発明の目的は、中間波長範囲に吸収特性を有する加熱材料に良好に一致した放射スペクトルを有し、高い電力密度（例えば、５０Ｗ／ｃｍを超える）で動作させることもでき、それによって、例えば、インクの乾燥、プラスチックの接合、又はガラスの曲げなどの工業用途におけるウォーミングアップ時間を短縮することができる赤外線放射器を提供することである。

また、本発明の目的は、赤外線を放射する受動構成要素を明示することであり、その構成要素の放射スペクトルは、中間波長範囲の吸収特性を有する加熱材料に良好に一致している。

赤外線放射器に関して、この目的は、放射変換材料が放射面の少なくとも一部に適用され、第１のピーク放射波長の赤外線による加熱の結果として、第１のピーク放射波長よりも長い波長である第２のピーク放射波長を有する赤外線を放射するという、冒頭で述べたタイプの赤外線放射器から出発する本発明によって達成される。

典型的な赤外線放射器本体は、円筒形状、例えば管状、又はタイル形状を有する。管状赤外線放射器は、例えば、Ｕ字形状又はリング形状に伸張又は湾曲されていてよい。プレート形状本体は、互いに反対側に配置された２つのプレート面を有し、これらは、平坦であっても湾曲していてもよい。

放射面は、加熱材料に面する面であり、赤外線放射器本体の一体部分である。

赤外線放射器は、電気的接続を有し、例えば、石英ガラスマトリックスに埋め込まれた、加熱コイル、加熱テープ、又は元素状シリコンなどの、赤外線を放射するエミッタの熱励起によって、第１のピーク放射波長を有する中波又は好ましくは短波赤外線を発生させる。短波エミッタは、中波エミッタよりもいくらか速い反応時間を有するが、中波エミッタはより安価である。

第１のピーク放射波長の短波又は中波の赤外線（以下では「一次放射線」とも呼ばれる）は、赤外線放射器の放射面から出射され、そこに堆積された放射変換材料によって吸収され、次いで放射変換材料が加熱され、より長い波長の赤外線を放射する。そのピーク放射波長（以下、「二次放射線」とも呼ばれる）は、好ましくは２，２００～３，１００ｎｍの範囲、特に好ましくは２，４００～３，０００ｎｍの範囲、非常に特に好ましくは２，６００～２，８００ｎｍの範囲である。以下、２，７００ｎｍ付近の波長範囲を「関連」波長範囲ともいう。放射変換材料によって拡散透過又は直接透過される一次放射線の部分は、可能な限り小さく、好ましくは放射される一次放射線の２０％未満、特に好ましくは１０％未満である。

第１の好ましい実施形態では、放射変換材料は、着色顔料又はその前駆物質を含有するコーティング材料である。コーティング材料は、例えば、ペースト又はラッカーである。着色顔料は熱的に安定であり、例えば堆積表面上に焼き付けることによって、固定される。着色顔料は、焼成中又は焼成前に、前駆物質の熱分解又は化学反応によって形成することもできる。

着色顔料は、少なくとも約２，７５０ｎｍの関連波長範囲において、０．８以上、好ましくは少なくとも０．９の放射率で赤外線を放射する。この放射率は、この波長範囲において高い吸収を有する加熱材料に特に一致している。用途及び加熱材料に応じて、例えば２，０００～８，０００ｎｍ、特に２，０００～４，７００ｎｍのより広い波長範囲においてさえ、放射比が例えば０．７５以上、好ましくは少なくとも０．８の高い放射率を有する着色顔料も有利であり得る。

可視波長範囲において黒色に見える着色顔料は、一般に、関連する赤外波長範囲の光も吸収（及び放射）する。着色顔料が、例えば銅クロマイト黒色スピネル又はマンガンフェライト黒色顔料などの黒色鉱物粒子を含有し、かつアルカリを含まない場合に有効であることが判明した。コーティング材料中にアルカリ性が存在しないことは、ガラス、特に石英ガラスから成る放射面が、加熱されたときにコーティング材料と接触しても失透しない、すなわち結晶化せず、その光学的品質を失わないという利点を有する。

第２の好ましい実施形態では、放射変換材料は、少なくとも部分的に不透明な石英ガラスを含む。

このような少なくとも部分的に不透明な石英ガラスは、独国特許出願公開第１０２００４０５１８４６（Ａ１）号に記載されており、「ＱＲＣ」（石英反射コーティング）という名称で知られるようになった。これまでは、主として拡散反射性反射体層を製造するための材料として使用されてきた。ＱＲＣ反射体層は、スリップ法によって製造され、スリップ法では、非晶質ＳｉＯ_２粒子を含有する、高充填の、注入可能な、水性ＳｉＯ_２スラリーが製造される。これは、スラリー層として基板上に適用され、次いでスラリー層は乾燥され、ガラス質にされて、およそ不透明な石英ガラス層を形成する。

本発明の好ましい実施形態では、成形体は、石英ガラス製の被覆管として形成され、被覆管は、加熱コイル又は加熱テープの形態の、電力接続部を備えた放射線エミッタを取り囲み、放射面は、管の側面の少なくとも一部を形成している。

被覆管は、例えば円形、楕円形又は多角形の断面を有している、又はいわゆるツイン管放射器として設計されて、横向きの８の字形の断面を有している。被覆管の外壁は、例えば平滑である、又は粗面化されている。特に、短波赤外線放射器は、両側が閉じられたピストン形状の被覆管を有し、電源は、一端又は両端において引き出されている。

被覆管は、一般に管の側面に配置された放射面を有する。被覆管材料は、例えば石英ガラスであり、赤外線、特に２，２００～３，１００ｎｍの波長範囲の赤外線に対して比較的低い固有放射率を有する。放射変換材料でコーティングすることによって、放射面は、この波長範囲において、例えば８０％を超える、好ましくは９０％を超えるより高い放射率に関して変更される。

放射面によって放射された赤外線は、少なくとも部分的に放射変換材料に到達し、そこから直接又は間接的に（反射体を介して）加熱材料に到達する。放射面は、例えば、管の側面の２０～３６０度、好ましくは６０～２００度、特に好ましくは９０～１８０度の円周角にわたって延びている。

放射変換材料が適用される放射面の部分は、最大１００％であってよいが、特に好ましくは、放射変換材料が適用される表面は、被覆管の側面の２０～３６０度、好ましくは６０～２００度、特に好ましくは９０～１８０度の円周角にわたって延びている。

石英ガラスから成る被覆管の形状の本体を有する赤外線放射器の実施形態の特に好ましい第１の変形例では、放射変換材料は、不透明石英ガラスから成る下層と、着色顔料含有コーティング材料から成りかつ下層に適用された上層とを備え、被覆管の側面の少なくとも一部、好ましくは被覆管の側面全体が下層によって覆われ、上層が下層の少なくとも第１の円周部分に適用されている。

不透明な石英ガラスから成る下層は、一方では、それ自体が放射変換材料として機能し、他方では、コーティング材料から成る上層の接着性の改善に寄与する。

石英ガラス被覆管及びその上に適用された不透明石英ガラスから成る下層は、短波又は中波の一次放射線の一部を吸収するが、赤外線放射器を動作温度にするのにある程度の時間がかかる。コーティング材料から成る追加の上層は、関連する波長範囲における放射率の増大を引き起こす。更に、それはまた、短波又は中波の一次放射線のより高い吸収を引き起こし、それによって赤外線放射器のより速い加熱（したがってより早い動作準備）を可能にする。更に、供給された電気エネルギーのより大きな部分が関連する波長範囲の赤外線に変換されるので、赤外線放射器のエネルギー効率が向上する。

この目的のために、コーティング材料による上層が、１，０００～２，５００ｎｍの波長範囲の一次放射線の少なくとも８０％を吸収するのに適していると有利である。上層の厚さは０．１ｍｍ未満であり、好ましくは、３０～５０μｍの範囲である。

不透明な石英ガラスから成る下層は、一方では、短波又は中波の一次放射線に対して一定の透過性を示し、他方では、一次放射線に対して拡散反射体として作用することもできる。透過される部分を減少させるために、不透明石英ガラスから成る下層は、有利には、鏡面反射体層によって、好ましくは金含有反射体層によって、第２の円周部分においてコーティングされている。

鏡面反射体層の品質を改善するために、不透明石英ガラスから成る下層が、少なくとも鏡面反射体層の接触領域において、そこでの開放多孔性を低減又は回避するために、事前に熱的に高密度化される場合、効果的であることが証明されている。

有利には、第１の円周部分と第２の円周部分とは重なり合わず、好ましくは互いに補完し合って３６０度の円周角を形成している。

この実施形態では、上層によって残され着色顔料含有コーティング材料を含まない管の側面の非合同（non－congruent）表面部分は、鏡面反射体層でコーティングされている。

石英ガラスから成る被覆管の形状の本体を有する赤外線放射器の実施形態の特に好ましい第２の変形例では、被覆管の側面の少なくとも一部は、算術平均粗さＲ_ａとして定義される表面粗さを有し、Ｒ_ａは０．５～５μｍの範囲内、好ましくは０．８～３．２μｍの範囲内であり、その第１の円周部分は、放射変換材料が適用された放射面を形成している。

０．８μｍのＲ_ａ値を有する粗さは、粗さクラス６に対応し、典型的には粗削り中に生じ、３．２μｍのＲ_ａ値は、粗面を規定する粗さクラス８に対応する。被覆管の側面は、好ましくは、コーティング材料が適用される所だけ、すなわち放射面の領域だけが粗面化されている。放射変換材料は、管の側面の粗面化された部分に適用される。粗面化は、特に、例えばラッカー又はペーストなどの着色顔料含有コーティング材料の形態の放射変換材料の場合に、放射変換材料の付着を改善する。表面の粗面化は、例えば、機械的又は化学的に、特に研削、サンドブラスト、又はエッチングによって行われる。５μｍを超える高い表面粗さＲ_ａの場合、放射面の光学的品質は、接着促進効果が著しく増大することなく、損なわれる。０．５μｍ未満の低い表面粗さＲ_ａは、接着促進効果に大きく寄与しない。

この実施形態では、反射体層が被覆管の側面の第２の円周部分に適用される場合、特に有利であり、管の側面の第１の円周部分と第２の円周部分とが重なり合わず、好ましくは互いに補完し合って３６０度の円周角を形成している。

この実施形態においても、放射変換材料、特に着色顔料含有コーティング材料を含まないままである第２の円周部分が、反射体層でコーティングされる。反射体層は、好ましくは、不透明石英ガラスから成る層及び／又は鏡面反射性の金属系反射体層、好ましくは金含有層を含む。

不透明石英ガラス層及び金属系層から成る反射体層では、不透明石英ガラスから成る層が下層を形成し、その上に金属系層が上層として適用される。鏡面反射体層から成る上層の品質を改善するために、不透明石英ガラスから成る下層は、少なくとも鏡面反射体層の接触領域において、そこでの開放多孔性を低減又は回避するために、予め熱的に高密度化される。

赤外線放射器の別の特に好ましい変形例では、成形体は、タイルの形態で、加熱中に赤外線を放射する材料から成り、タイルは、互いに反対側に配置された平坦面を有し、平坦面のうちの一方は、放射変換材料が少なくとも部分的に適用された放射面を含み、抵抗材料から成りかつ加熱電流の供給のための電気接点に接続された加熱導体トラックが、他方の平坦面に適用される。

タイル形状の赤外線放射器は、一般的に大部分が二次元放射特性を有する面放射器である。以下では、主に放射する平坦面を前側とも呼び、反対側の平坦面を後側とも呼ぶ。本発明による赤外線放射器では、放射変換材料は、少なくとも前側に完全に又は部分的に、例えば少なくとも８０％、少なくとも６０％又は少なくとも４０％だけ適用されている。放射変換材料は、例えば、不透明石英ガラス若しくは着色顔料含有コーティング材料、又は２つの放射変換材料の組み合わせであり、不透明石英ガラスが下層を形成し、コーティング材料が上層を形成する。

タイル材料は、好ましくはセラミック、特にＡｌ_２Ｏ_３又はＺｒＯ_２である、又は元素状シリコン又は炭素が埋め込まれた複合材料、特に石英ガラスから成るマトリックスを含む。

タイル表面の可能なサイズは、材料の特性及び必要とされる寸法安定性に依存する。

いくつかのタイル材料は、温度が上昇するとその色を変化させる。これは、それらの放射率、したがって一次放射線のピーク放射波長がより短くなることを意味する。放射変換材料でコーティングすることにより、放射率は温度上昇後にあまり変化しない、又は変化しない。特に、着色顔料含有コーティング材料及び不透明石英ガラスは、例えば最大１，１００℃の高温においてさえも、それらの放射率を失わない、又はほんのわずかしか失わない。

赤外線を放射する構成要素に関して、上述したタイプの構成要素から出発して、上述した技術的目的は、着色顔料含有コーティング材料を含む放射変換材料が放射面の少なくとも一部に適用されるという本発明によって達成される。

赤外線を放射する構成要素は、放射変換器として作用する。それは、能動的な電気的に動作する加熱素子ではなく、代わりに、基体は、能動ヒータの短波又は中波赤外線の吸収によって加熱される。短波又は中波の一次放射線は、比較的急速な温度変化を可能にする。他方では、基体の加熱の結果として、構成要素は、より長い波長範囲の二次赤外線を放射し、これは、加熱材料の吸収特性により良く一致している。

基体は、例えば、管、ピストン、チャンバ、ハーフシェル、球形又は楕円形セグメント、プレートなどの形態で存在する。

短波又は中波の一次赤外線を吸収するための吸収面は、二次赤外線を放射するための放射面と異なっていてもよいし、これらの面が完全に又は部分的に一致していてもよい。

可視波長範囲で黒色に見える着色顔料は、一般に、関連する赤外波長範囲の光も吸収（及び放射）するので、放射変換材料の着色顔料含有コーティング材料は、好ましくは、例えば銅クロマイト黒色スピネル又はマンガンフェライト黒色顔料などの黒色鉱物粒子を有する着色顔料を含有し、アルカリを含まない。

アルカリを含まないことは、ガラス又は石英ガラスから成る基体の場合に特に有利であり、なぜなら、これにより、失透による基体の表面積の変化及び損傷が防止されるからである。

着色顔料含有コーティング材料に加えて、放射変換材料が不透明石英ガラスを含む構成要素が特に有利である。

２つの放射変換材料は、それらの放射率において互いに補完し合い、不透明な石英ガラスは、特に石英ガラスから成る基体の場合、コーティング材料のための接着促進剤として作用することができる。ここで、放射変換材料は、２つの放射変換材料の組み合わせであり、不透明石英ガラスが下層を形成し、コーティング材料が上層を形成する。

基体及びその上に適用された不透明な石英ガラスから成る下層は、短波又は中波の一次放射線の一部を吸収するが、構成要素を動作温度にするのにある程度の時間がかかる。コーティング材料から成る追加の上層は、関連する赤外線波長範囲における放射率の増大を引き起こす。更に、それはまた、短波又は中波の一次放射線のより高い吸収を引き起こし、それによって構成要素のより速い加熱（したがってより早い動作準備）を可能にする。

この目的のために、コーティング材料による上層が、１，０００～２，５００ｎｍの波長範囲の一次放射線の少なくとも８０％を吸収するのに適していると有利である。上層の厚さは、０．１ｍｍ未満であり、好ましくは３０～５０μｍの範囲である。

定義
平均粗さＲ_ａ
算術平均粗さＲ_ａは、ＥＮ ＩＳＯ ２５１７８に従って決定される。これがラインラフネスパラメータである。測定値Ｒ_ａを決定するために、規定された測定距離の表面領域が（細い針で）走査され、表面領域の高さ及び深さのすべての差が記録される。測定距離に対するこの粗さプロファイルの特定の積分を計算した後、結果を測定距離の長さで割る。

放射面
放射面から、有効放射は、直接又は反射体を介して間接的に加熱材料に到達する。

ピーク放射波長
それは、放射された放射線のスペクトル分布の最大値を規定する。

以下の実施例及び図面を参照して本発明をより詳細に説明する。以下に詳細に示す。

被覆管の外側に放射変換材料が適用されている、短波石英管放射器の実施形態の概略断面図である。 図１に示す基本形態に基づく短波石英管放射器の更なる実施形態の概略図である。 図２ａによる短波石英管放射器の実施形態の写真である。 図１に示される基本形態に基づく短波石英管放射器の更なる実施形態である。 図１に示される基本形態に基づく短波石英管放射器の更なる実施形態である。 図１に示される基本形態に基づく短波石英管放射器の更なる実施形態である。 被覆管の外側に放射変換材料が適用されている、短波石英管放射器の更なる実施形態の概略断面図である。 被覆管の外側に放射変換材料が適用されている、短波石英管放射器の更なる実施形態の概略断面図である。 放射変換材料が放射面に適用されているタイル状赤外線放射器の実施形態の概略断面図である。 図７による短波石英管放射器の半径方向放射の図である。 図１による短波石英管放射器の拡散透過及び直接透過の図である。 図４による短波石英管放射器と比較した、図１による短波石英管放射器の場合の放射照度の経時的な測定結果を示す図である。

図１は、本発明による赤外線放射器の第１の基本的な変形例を概略的に示す。これは石英ガラスから成るランプ管１を備えた短波赤外線放射器である。ランプ管１は、両側が閉じられており、タングステン加熱ワイヤ（図示せず）を取り囲んでおり、タングステン加熱ワイヤは、電気接続部を備えており、２，３００℃までの温度に加熱することができる。

ランプ管の側面は、放射変換材料として作用する不透明石英ガラスから成るＱＲＣ層２で完全に（３６０度）コーティングされている。

ランプ管１の外部側面上のＱＲＣ層２は、独国特許出願公開第１０２００４０５１８４６（Ａ１）号に記載された公知のスリップ法に従って製造される。ここで、注入可能な水性ＳｉＯ_２スラリーが、ランプ管１上にスラリー層として適用され、次いで、スラリー層は乾燥され、ガラス化されてＱＲＣ層２を形成する。それは多孔質不透明石英ガラスから成る。それは約２．１５ｇ／ｃｍ^３の密度及び０．５～２ｍｍの範囲の平均層厚さを有する。その表面領域は、色浸透試験によって示されるように、開放孔が存在する状態である。

ＱＲＣ層２は、赤外線放射器の短波一次放射線を、約２，７５０ｎｍのピーク放射波長を有するより長波の二次放射線に変換する。

その結果、７００～８００℃での加熱用途に良好に適合する放射スペクトルを有する短波赤外線放射器を動作させ、急速な温度変化を可能にし、それにもかかわらず５０Ｗ／ｃｍを超える、例えば少なくとも１２０Ｗ／ｃｍの高い電力密度を達成することが可能である。

「加熱された長さ当たりの電力」（Ｗ／ｃｍ）の単位の電力密度は、光学パワー（Ｗ／ｍ^２）にほぼ１００％変換される。例えば１２０Ｗ／ｃｍの短波赤外線放射器の電力密度は、第１のピーク放射波長を有する一次放射線に変換され、例えばＱＲＣ層２などの放射変換材料を使用することによって、より長い波長のピーク放射波長を有する中波赤外線に変換され、例えば、（加熱フィラメントから）２００ｍｍの距離では、合計で約１．２ｋＷ／ｍ^２が検出器に到達する。

被覆管の全側面は放射面として作用し、すなわち赤外線放射器は３次元放射特性を有する。

図２～５は、追加の層を有する図１の基本的な変形例の改変を示す。図は縮尺通りではなく、特に、追加の層の厚さは、認識性を改善するためにより厚く示され得る。

図２ａに示される基本的な変形例の改変において、ＱＲＣ層２の（前側）半分（１８０度）は、温度安定性黒色ラッカーから成るラッカー層３でコーティングされることによって黒色化されている。放射面は、ここでは、黒色化ラッカー層３でコーティングされたランプ管の側面に対応する。ラッカー層は、８００℃以上に加熱する間でさえ、その黒色を保持し、したがって、その放射スペクトルも維持する。

ラッカー層３は、耐熱塗料をスプレー又はブラッシングすることによって形成される。耐熱塗料はアルカリを含まない。耐熱塗料は、アルミノケイ酸塩溶液（１０～２０質量％）、鉱物着色顔料としての銅クロマイト黒色スピネル（２５～３５質量％）、及び水（４０～６０質量％）を含有する。適切な耐熱塗料は、例えば、ＵＬＦＡＬＵＸ Ｌａｃｋｆａｂｒｉｋａｔｉｏｎ ＧｍｂＨ社及びＡｒｅｍｃｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ．社によってオーブン塗料として提供されており、更なる有機成分として、キシレン、エチルアセテート、ブチルアセテート、エチルベンゼンが示される。

多重塗装は、完全に閉じた層を確実にする。噴霧後、耐熱塗料は２５０℃で乾燥させられ、その時点で耐タッチ性である。最終状態は、ラッカー層３を１，２００℃に加熱することによって達成される。このような加熱は、赤外線放射器を作動させるときに行うことができる。セラミック成分がランプ管の表面又はＱＲＣ層の表面に焼結されて固体物質間結合を形成するので、ラッカー層３は十分に耐スクラッチ性である。ラッカー層３の厚さは約４０μｍである。製造業者は、ラッカー層３の放射率が８００℃で９０％を超えると明記している。

ラッカー層３の下にあるＱＲＣ層２は、一般的に開放多孔性を示し、接着促進剤として作用する。ＱＲＣ層２の表面を火炎研磨することによって、ラッカーが多孔質表面構造に浸透することを防止することができ、その結果、視覚的により魅力的な表面構造化が達成される。火炎研磨は、酸水素バーナーでＱＲＣ層２を加熱することによって行われる。結果として、約１，８００℃の非常に高い温度が局所的に生成され、これは、数秒以内に可能な限り薄いガラス膜の生成を可能にし、それは多孔質表面を封止する。

動作中、薄い黒色ラッカー層３は、数秒以内に７００～７５０℃まで加熱され、したがって中波範囲（好ましくは２，５００～３，５００ｎｍの波長範囲）の赤外線を放射する。「吸収＝放射」が当てはまり、すなわち、ランプ管１によって放射され、ラッカー層３に急速に吸収される短波放射線は、同じように急速であるが、より低い温度で（すなわち、中波範囲で）、高い強度を有する実質的に同一のエネルギーを放出する。黒色ラッカー層３は、高エネルギー短波放射線を高強度の中波放射線に変換するという点で放射変換器として作用する。短波タングステン加熱フィラメントの結果として、秒範囲の迅速なエネルギー供給応答時間が可能である。

図２ｂの写真は、立体的に見た図２ａの赤外線放射器の実施形態を示す。更に、ここでは、ランプ管１の一端から引き出された電気接続部１ａを見ることができる。

図３に示される基本的な変形例の改変において、ＱＲＣ層２の半分（１８０度）は、金層４の形態の後側反射体層でコーティングされている。

金層４は、ブラシを用いて金含有エマルジョン（金レジネート）をＱＲＣ層２の表面上に適用することによって製造され、ＱＲＣ層２は、開放孔が存在する状態である、又は熱処理によって封止されている。続いて、エマルジョンが加熱により焼成される。焼成中に、金レジネートは金属金及び樹脂酸に分解し、樹脂酸はペーストの他の成分と同様に、高い焼成温度によって揮発させられる。残っているのは、反射体として作用する閉じた鏡面金層４であり、その厚さは、反射率要件に応じて、好ましくは５０～３００ｎｍの範囲である。層が厚いほど、反射率は高くなる。ここで、放射面は、ＱＲＣ層２によってコーティングされているが金層４によってはコーティングされていないランプ管の側面の半分（１８０度）に対応する。

金層４は、ランプ管の後側の領域における放射率を減少させ、放射の非常に良好な反射をもたらし、放射はラッカー層３に向かって前方に反射され、そこで吸収される。この放射量は、黒色ラッカー層３の急速な加熱にかなり寄与する。

図４に示される基本的な変形例の改変において、ＱＲＣ層２の全体（３６０度）は、耐熱塗料から成る０．０４ｍｍ厚のラッカー層３でコーティングされる（製造及び特性は図２を参照して説明される）。被覆管の全側面は放射面として作用し、すなわち赤外線放射器は３次元放射特性を有する。

図５に示される基本的な変形例の改変において、ＱＲＣ層２の表面の半分（１８０度）は、耐熱塗料から成る０．０４ｍｍ厚のラッカー層３でコーティングされ（製造及び特性は図２を参照して説明される）、表面の非合同半分（１８０度）は、０．１ｍｍ厚の金層４でコーティングされる（製造及び特性は図３を参照して説明される）。ここで、放射面は、ラッカー層３によってコーティングされているが金層４によってコーティングされていないランプ管の側面の半分（１８０度）に対応する。

図６は、本発明による赤外線放射器の第１の基本的な変形例を概略的に示す。これも石英ガラスから成るランプ管１を有する短波赤外線放射器である。ランプ管１は、両側が閉じられており、タングステン加熱ワイヤ（図示せず）を取り囲んでおり、タングステン加熱ワイヤは、電気接続部を備えており、２，３００℃までの温度に加熱することができ（ハロゲン放射器の場合には最大３，０００℃）、主に短波範囲で放射する。

石英管を備えた典型的な赤外線放射器は、放射エネルギーを透明な石英ガラスランプ管１の放射面を介して加熱材料内へ送るために、後側において、金反射体、又はＱＲＣ若しくはセラミックから成る拡散反射体を有する。

赤外線放射器のこの実施形態では、ランプ管１の側面の半分（１８０度）が、温度安定性黒色ラッカーから成るラッカー層３でコーティングされることによって黒色化されている（製造及び特性は、図２を参照して説明される）。放射面は、ここでは、黒色化ラッカー層３でコーティングされたランプ管の側面に対応する。赤外線放射器の別の実施形態（図示せず）では、ランプ管１の側面全体（３６０度）が黒色化されている。

ランプ管の滑らかな側面上で、黒色ラッカー層３は、ある環境下では、数百時間にわたる高温で剥がれ落ちることがある。ラッカー層３の接着を改善するために、ランプ管の表面は粗面化される。粗面化の領域６は破線で示されている。

粗面化は、サンドブラスト又は研削によって機械的に、又はエッチング溶液による処理によって化学的に行われる。石英ガラス表面を粗面化するための適切なエッチング溶液（ＮＨ_４＋ＨＦ＋酢酸）及びその適用は、独国特許第１９７１３０１４（Ｃ２）号に記載されている。平均粗さ深さＲ_ａは、好ましくは０．８～３．２μｍの範囲であり、例示的な実施形態では、３μｍである。

粗面化６は、ラッカー層３とランプ管の表面との間のより良好な結合をもたらすだけでなく、粗面化された表面において放射線を散乱させることによって中波放射線の更により均一な分布ももたらす。変換された放射線の半径方向分布は、石英管の前面及び周囲の半分にわたって非常に均一に分布させられている（図９による半径方向分布を参照）。

黒色ラッカー層３は、放射変換器として作用し、７００～７５０℃の範囲の温度において中波範囲で放射する。耐久性試験は、ラッカー層又は赤外線放射器が、視覚的又は機能的な障害を起こすことなく、最大１０，０００時間の耐用年数を達成することができることを示した。

ラッカー層３の約７００℃への加熱、すなわち、約３μｍでの中波放射までの加熱は、約１０秒かかる。比較すると、標準的な中波赤外線放射器は、熱平衡に達するのに約５分を要する。

図６による第２の基本的な変形例の図７に示された改変では、ラッカー層３によってコーティングされていないランプ管の表面の半分（１８０度）は、０．１ｍｍ厚の金層４を有する（製造及び特性は、図３を参照して説明される）。ここで、放射面は、ラッカー層３によってコーティングされているが金層４によってコーティングされていないランプ管の側面の半分（１８０度）に対応する。

図８は、独国特許出願公開第１０２０１５１１９７６３（Ａ１）号に記載されているように、石英ガラスとその中に埋め込まれた元素状シリコンとの複合材料から成る平面タイル状赤外線放射器８を概略的に示す。赤外線面放射器８のタイル状の基体９には、加熱導体トラック（図示せず）が適用されており、この加熱導体トラックは、通電時に基体を加熱するので、基体は赤外線を放射する。このような赤外線放射器８は、１，０００℃の温度において２．７５μｍの波長で約０．８２の放射率に達する。この波長は、この温度におけるピーク波長を表す。複合材料は、温度が低下するにつれてその高い放射率を失う。これに対抗するために、放射変換材料から成る層１０が放射面に適用されている。

一実施形態では、これはＱＲＣ層２である。その製造及び特性は、図１を参照して説明される。別の実施形態はラッカー層３である。その製造及び特性は、図３を参照して説明される。あるいは、第３の実施形態では、ＱＲＣ層２である下層と、ラッカー層３である上層との組み合わせである。図８において、これらの可能な組み合わせは、組み合わされた参照番号２／３によって表されている。

放射面を放射変換材料から成る層でコーティングすることにより、基体９の温度に関係なく高い放射率を維持することができる。このようにして、タイル状赤外線放射器の既に高い効率が更に高められる。なぜなら、放射率は、より低い温度においても高く、したがって、エネルギー伝送を可能な限り最良の方法で実行することができるからである。

タイル９は、最大４００×４００ｍｍ^２のプレートサイズを有し、最大２ｍｍの厚さを有する。

あるいは、タイル９は、酸化アルミニウム又は酸化ジルコニウムなどのセラミック材料から成る。セラミックの熱励起は、抵抗加熱器によって可能になる。ラッカー層３は、タイル９の放射面に適用される（製造及び特性は、図３を参照して説明される）。ラッカー層３は、吸収されたエネルギーの大部分を放射線によって放射する。セラミックタイル８の温度は、ピーク放射波長を決定する。最大１，１００℃の温度に達することができる。セラミックタイルでは、上述したものよりも更に大きな寸法、並びに湾曲した幾何学形状を実現することが特に容易である。

放射変換材料が放射された光学パワー密度（放射照度）の半径方向分布に対して有する効果を決定するために、半径方向測定が行われた。半径方向測定は、５度の増分で３６０度回転する回転可能な支持体上に取り付けられた赤外線放射器を用いて通常の方法で行われる。２５ｃｍの距離に取り付けられたサーモパイルセンサは、赤外線放射器によって放射された放射線を検出する。図９の図では、円半径上に、正規化された放射照度（相対単位）が、測定点の円周方向角度位置（度単位）に対してプロットされている。測定曲線は、前側（放射面）にラッカー層３を有し、後側に鏡面金層４を有する図７による赤外線放射器についての半径方向測定の結果を示す。

後方放射器チャンバ９０では、測定曲線Ａは、照射強度の小さな割合を示す。これは、透過された一次放射線と、金層４の加熱に起因する二次放射線とから成る。しかしながら、実際の照射野９１では、測定曲線は、中波放射線の高い放射照度及び均一な分布を示す。変換された放射線の半径方向分布は、石英管の前面及び周囲の半分にわたって均一に分布される。

図１による短波石英管放射器の透過率に関する図１０では、ウルブリヒト球当たりで決定された全透過率Ｔ（％単位）が波長λ（ｎｍ単位）に対してプロットされている。ウルブリヒト球は、拡散透過及び直接透過を含む直接半球分光透過率の測定を可能にする。

赤外線放射器が起動された後、著しい量の一次放射線が、多重反射に起因してＱＲＣ層２を透過することによって放射されることが分かる。透過されない放射線は、ＱＲＣ層２と共に石英ガラスケーシング管１を時間の経過と共に加熱し、それによって付加的に中波範囲の二次放射線を発生させる。数分後に熱平衡に達し、赤外線放射器は短波一次放射線と中波二次放射線とから成る広帯域スペクトルを放射する。

図１１の図は、図４による赤外線放射器と比較した、図１による赤外線放射器の経時的な測定を示す。ｘ軸上にプロットされたパワーオン時間ｔ（秒単位）に対して、光学パワーＰ（Ｗ／ｍ^２単位）がｙ軸上にプロットされている。

放射照度の経時的な測定は、ＱＲＣ層２のみでコーティングされた赤外線放射器（図１）が、起動された直後に最大放射照度の約５０％を発生させることを示す。次いで、全光学パワーに達するまで約４分かかる。ラッカー層３によって更に完全に黒色化された赤外線放射器（図４）の場合、放射照度はよりゆっくりと上昇するが、より高い吸収に起因して、より早く、約３分後に最大パワーに達する。とりわけ、全光学パワーの一部の迅速な利用可能性は、印刷産業における用途にとって有利であり、なぜならば、オフにされているにもかかわらず依然として高温の赤外線放射器に対して紙ウェブを保護するためのシャッターシステムの使用を省くことができるからである。

図８を参照して説明される本発明のタイル状赤外線放射器の場合、加熱導体トラックがタイルのプレート側のうちの１つに設けられており、この加熱導体トラックは、電流が流れた場合に熱を発生し、熱伝導によってこの熱をタイルに送達し、それによってタイルを加熱する。タイルが、加熱導体トラックの代わりに、中波又は短波赤外線を放射する外部加熱源によって加熱される場合、加熱導体トラックのない記載のタイルは、受動的（電流フリー）加熱素子として使用することができる。放射変換材料を有するコーティングは、例えば図８を参照して上述したのと同じ効果を有することができる。

Claims (18)

1. 第１のピーク放射波長を有する短波又は中波の赤外線を放射する放射面を有する成形体を備えた赤外線放射器であって、放射変換材料（２；３）が、前記放射面の少なくとも一部に適用されており、前記第１のピーク放射波長の前記赤外線による加熱の結果として、前記第１のピーク放射波長よりも長い波長である第２のピーク放射波長を有する赤外線を放射することを特徴とする、赤外線放射器。
2. 前記放射変換材料（３）が、着色顔料含有コーティング材料を含むことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線放射器。
3. 前記着色顔料が、黒色鉱物粒子を含有し、アルカリを含まないことを特徴とする、請求項２に記載の赤外線放射器。
4. 前記放射変換材料（２）が、不透明石英ガラスを含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の赤外線放射器。
5. 前記成形体が、石英ガラスから成る被覆管（１）として形成されており、前記被覆管は、加熱コイル又は加熱テープの形態の、電力接続部を備えた放射線エミッタを取り囲んでおり、前記放射面が、前記管の側面の少なくとも一部を形成することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の赤外線放射器。
6. 前記放射面が、前記管の側面の２０～３６０度、好ましく６０～２００度、特に好ましくは９０～１８０度の円周角にわたって延びていることを特徴とする、請求項５に記載の赤外線放射器。
7. 前記放射変換材料（２；３）が、前記不透明石英ガラスから成る下層（２）と、前記着色顔料含有コーティング材料から成りかつ前記下層（２）に適用された上層（３）とを含むこと、及び前記被覆管（１）の前記側面の少なくとも一部が、前記下層（２）によって覆われており、前記下層（２）の少なくとも１つの第１の円周部分が、前記上層（３）によってコーティングされていることを特徴とする、請求項２又は３及び４のうちのいずれか一項、並びに請求項５又は６に記載の赤外線放射器。
8. 鏡面反射体層（４）、好ましくは金含有反射体層（４）が、第２の円周部分において、前記不透明石英ガラスから成る前記下層（２）に適用されていることを特徴とする、請求項７に記載の赤外線放射器。
9. 前記第１の円周部分と前記第２の円周部分とが重なり合わず、好ましくは互いに補完し合って３６０度の円周角を形成していることを特徴とする、請求項８に記載の赤外線放射器。
10. 前記被覆管（１）の前記側面の少なくとも一部が、算術平均粗さＲ_ａとして定義される表面粗さを有し、Ｒ_ａが、０．５～５μｍの範囲内、好ましくは０．８～３．２μｍの範囲内であり、前記側面の第１の円周部分が、前記放射変換材料が適用された前記放射面を形成していることを特徴とする、請求項５又は６に記載の赤外線放射器。
11. 前記被覆管（１）の前記側面の第２の円周部分に反射体層（４）が適用されており、前記管の側面の前記第１の円周部分と前記第２の円周部分とが重なり合わず、好ましくは互いに補完し合って３６０度の円周角を形成していることを特徴とする、請求項１０に記載の赤外線放射器。
12. 前記反射体層（４）が、不透明石英ガラスから成る層及び／又は金属含有層、好ましくは金含有層によって形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の赤外線放射器。
13. 前記成形体が、タイル（９）の形態で、加熱中に赤外線を放射する材料から成り、前記タイル（９）は、互いに反対側に配置された平坦面を有し、前記平坦面のうちの一方は、前記放射変換材料（２；３）が少なくとも部分的に適用された前記放射面を含み、抵抗材料から成りかつ加熱電流の供給のための電気接点に接続された加熱導体トラックが、前記他方の平坦面に適用されていることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の赤外線放射器。
14. 前記タイル材料が、セラミック、特にＡｌ_２Ｏ_３又はＺｒＯ_２を含むこと、又は前記タイル材料が、元素状シリコン又は炭素が埋め込まれた複合材料、特に石英ガラスから成るマトリックスを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の赤外線放射器。
15. 第１のピーク放射波長を有する短波又は中波の一次赤外線を吸収するための吸収面と、前記第１のピーク放射波長よりも長い波長である第２のピーク放射波長を有する二次赤外線を放射するための放射面とを有する、基体材料から成る基体（１；９）を備える、赤外線を放射する構成要素であって、着色顔料含有コーティング材料を含む放射変換材料（２；３）が、前記放射面の少なくとも一部に適用されていることを特徴とする、構成要素。
16. 前記着色顔料が、黒色鉱物粒子を含有し、アルカリを含まないことを特徴とする、請求項１５に記載の構成要素。
17. 前記放射変換材料が、不透明石英ガラスを含むことを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の構成要素。
18. 前記基体材料が、石英ガラスであることを特徴とする、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の構成要素。