JP6842467B2 - 赤外線エミッタ - Google Patents

Description

本発明は、赤外線エミッタ、特に、導電性でありかつ電流が流れると熱を発生させる抵抗材で作られた印刷導体と接触する表面を備える電気絶縁材で作られている基板を有する、パネル赤外線エミッタに関する。

赤外線エミッタは、電流が流れると熱を発生させる抵抗材で作られている電気抵抗素子を備える場合が多い。特定の実施形態において、電気抵抗素子自体は、赤外線エミッタの実際の加熱素子を形成する。本発明の対象である他の実施形態において、抵抗材で作られているワイヤ、ウェブ、又は層などの抵抗素子は、他の構成要素（以下、「基板」と呼ぶこととする）を加熱する働きをする。電気抵抗素子から基板への熱輸送は、熱伝達、熱対流及び／又は熱放射に基づくことができる。

赤外線エミッタは、赤外線放射に関して点状又は線状の発光特性を示し、又は空間的な赤外線エミッタとして二次元又は三次元発光特性を示し、これは、加熱される加熱物品表面の幾何学的形状に適合し、二次元又は三次元表面の均一照射を可能にする。

パネル赤外線エミッタに管状の赤外線ランプを用いることは一般的であり、コイル形の抵抗ワイヤは、石英ガラスで作られている被覆管体で取り囲まれているが、管体からの距離を維持しかつ基本的に管体に接触しない。独国公開第１０ ２０１１ ０１２ ３６３号から公知のパネルＩＲエミッタにおいて、多数の個別の赤外線ランプは、三次元ランプ配列に組み合わされ、この幾何学的形状は、加熱物品の形状に適合する。これに関連して、赤外線ランプは、拡散反射体として機能する不透明石英ガラスで作られているマス（ｍａｓｓ）に組み込まれている。反射石英ガラスのマス及びパネルＩＲランプ構成の集合は、組立体を形成し、石英ガラスは、各ランプ管を互いに固定するための結合マス並びに反射体の両方として機能する。

このパネルＩＲエミッタの実施形態において、電流が流れる抵抗ワイヤから石英ガラスのランプ管への伝熱並びに加熱物品への伝熱は、実質的に専ら放射によって進み、対流及び熱伝導は小さな役割を果たすだけである。

これに関連する１つの基本的な事項は、利用可能な放射出力をできるだけ効率的に（高い出力効率で）、同時に高い均一性で加熱物品の方へ放出するための方法である。加熱物品とパネルエミッタの個々の赤外線ランプとの間の距離は、この関連において重要な役割を果たす。経験則では、均一照射に必要な最小距離は、個々の赤外線ランプの中心距離の約１．５倍に対応することになっている。従って、個々の赤外線ランプの間の近い距離及びパネルエミッタと加熱物品との間の遠い距離は、均一放射に好都合である。前者の選択肢（ランプ−ランプ−エミッタの短い距離）は、物理的及び技術的制限を受けることになり、パネルエミッタに関するより高い製造コストを伴う。後者の選択肢（赤外線エミッタ−加熱物品の遠い距離）は、このプロセスで使用される照射出力の低い効率、及び加熱面の比較できるほどの単位面積あたりの低い放射出力につながる。

伝達効率の程度に関する特定の改良は、国際公開第１９９９／０２５１５４号から公知のパネル赤外線エミッタの実施形態からもたらされ、ここでは、空間的、平面的、管状、又は多面体の石英ガラスから作られている基板が使用され、基板は、電気抵抗素子と直接かつ連続的に接触する。例えば、抵抗素子は、蛇行形状を有し、フイルム、スクリーン印刷、又は薄層印刷技術を用いて基板加熱面に施工されてから焼き付けられる。

米国特許第５，６４３，４８３号からウェハ用の加熱設備が公知で有り、基板は、矩形プレートであり、合成的に生産された石英ガラスから成る。ウェハから見て外方に向く基板プレートの下面は、サンドブラストで仕上げられ、二重らせん形の印刷導体が白金−銀ペーストのスクリーン印刷を用いて粗面に施工される。

２つの後者の実施形態において、加熱素子は、周囲の被覆管を加熱しないが、印刷導体の形態の直接的かつ空間的に延在する接触部分によって石英ガラス基板を直接加熱するので、加熱素子と基板との間の伝熱は主として熱伝導及び対流で進み、このことは出力効率へのプラス効果をもたらし得る。

石英ガラスは、良好な耐腐食性、耐温度性、耐温度サイクルを示し、高純度で利用することができる。従って、石英ガラスは、パネル赤外線エミッタ用の基板材料としての純度及び不活性に関する厳しい必要条件をもつ高温加熱プロセスにも適している。しかしながら、実際のところ、石英ガラスは、比較できるほどに低い熱伝導性をもち、一般には断熱材として使われこともある。従って、基板の壁が薄い場合、不均一な熱分布のリスクがあり、極端な場合、これは電気抵抗素子の形状を反映するパターンとして基板の反対側に現れる可能性がある。これは、印刷導体の高い占有密度によってのみ防止することができるが、費用がかかる。基板の壁が厚い場合、出力効率及び応答時間が悪化する（これは基板の迅速な加熱及び冷却が必要な場合に迅速な温度変化が不可能であることを意味する）。

応答時間に関する特定の改善は、例えば欧州公開第１ １８５ １４４号で公知のように、窒化アルミニウムセラミックスで作られている二次元基板を有する別のパネル赤外線エミッタによってもたらされる。その理由は窒化アルミニウム（ＡｌＮ）がセラミック材料に関して少なくとも１８０Ｗｍ^−１Ｋ^−１の非常に高い熱伝導率を示すからであるが、高温で水を含む環境に敏感である。さらに、物質は脆弱であり、一方で加熱面の多次元の幾何学的形状に適合するのが難しく、これが欠点であり、材料は、例えば、セラミック及び不導電材料、窒化ホウ素、又は酸化アルミニウムなどの加熱素子用の他の公知の結晶性基板材料と一緒に使用される。

独国公開第１０ ２０１１ ０１２ ３６３号 国際公開第１９９９／０２５１５４号 米国特許第５，６４３，４８３号 欧州公開第１ １８５ １４４号

本発明は、加熱面の幾何学的形状に容易に適合することができ、基板の壁が薄い場合でも均一な加熱を可能にする、単位面積あたりの放射出力が高い、赤外線エミッタ、詳細にはパネル赤外線エミッタを提供する目的に基づく。

本発明によれば、この目的は、前述のタイプの赤外線エミッタに基づいて満たされ、基板材料は、赤外線放射のスペクトル域を吸収する追加成分が埋め込まれたアモルファスマトリックス成分を含む。本発明による赤外線エミッタにおいて、基板は、ＩＲ放射線を放出する実際の要素である。基板材料は以下の成分を含有する。

・マトリックス成分は、重量及び容積に関して基板材料の大部分を占める成分。マトリックス成分は、基板の機械的及び化学的特性、例えば耐温度性、強度、及び浸食特性を決定する。マトリックス成分は、例えばガラス又はプラスチックから成るアモルファスなので、基板の幾何学的形状は、赤外線エミッタの特定用途を通して、結晶材料よりも容易に必要条件に適合させることができる。

・追加成分は、マトリックス成分内に均一に又は特異的に非均一に分配される。追加成分は、基板の光学的及び熱的特性を決定付け、正確には、７８０ｎｍから１ｍｍの範囲の波長の赤外線スペクトル域における吸収をもたらす。追加成分は、このスペクトル域における少なくとも一部の放射線についてマトリックス成分よりも高い吸収を示す。

マトリックス内の追加成分相の領域は光学的欠陥となり、例えば、複合材料が、層の厚さ次第で室温において目視で黒又は黒っぽく見えるようにすることができる。さらに、欠陥は、熱吸収効果も有する。

キルヒホッフの熱放射の法則によれば、熱平衡状態での実体の吸収率α_λ及び放射率ε_λは等しく、
α_λ＝ε_λ （１）
である。

従って、追加成分は、基板材料による赤外線放射の放出をもたらす。放射率ε_λは、分光半球反射率Ｒ_ｇｈ及び透過率Ｔ_ｇｈが既知場合、以下のように計算することができる。
ε_λ＝１−Ｒ_ｇｈ−Ｔ_ｇｈ （２）

これに関連して、「放射率」は、「スペクトル垂直放出率」として理解されるものとする。同じことが、「Ｂｌａｃｋ−Ｂｏｄｙ Ｂｏｕｎｄａｒｙ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ」（ＢＢＣ）から公知であり、Ｊ． Ｍａｎａｒａ， Ｍ． Ｋｅｌｌｅｒ， Ｄ． Ｋｒａｕｓ， Ｍ． Ａｒｄｕｉｎｉ−Ｓｃｈｕｓｔｅｒ著「ＤＥＴＥＲＭＩＮＩＮＧ ＴＨＥ ＴＲＡＮＳＭＩＴＴＡＮＣＥ ＡＮＤ ＥＭＩＴＴＡＮＣＥ ＯＦ ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＡＮＤ ＳＥＭＩＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＴ ＥＬＥＶＡＴＥＤ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥＳ」第５回欧州熱科学会議、オランダ（２００８年）で発表された測定原理によって決定される。

追加成分を含む基板材料は、追加成分がない場合よりも熱放射のより高い吸収をもたらす。これにより、流路から基板への改善された熱伝導性、より迅速な熱分散、及び加熱物品へのより高い放射率がもたらされる。このようにして、薄い基板壁及び／又は比較的に低い印刷導体占有密度であっても、単位面積あたりより大きな照射パワーを提供すること、並びに均一な放射及び均一な温度場を発生させることを実現できる。薄い基板は、熱質量が小さく、迅速な温度変化を可能にする。これには冷却は必要ない。

基板はアモルファス材料から成るので、特定の用途に適するよう容易に形作ることができる。例えば、基板は、プレート、リング、中実円筒、又は中空円筒としてデザインすることができるが、炉壁又は反応炉の一部とすることもできる。

追加成分は、マトリックス成分に埋め込まれる。これはアモルファスマトリックス成分内に分散する固有のアモルファス又は結晶相を形成する。

基板材料の中に含まれる追加成分の種類及び量は、好ましくは、６００℃の基板材料において２から８μｍの間の波長に関して少なくとも０．６の放射率εをもたらすのに適する。

本発明の赤外線エミッタの特定の好ましい実施形態において、基板材料の中に含まれる追加成分の種類及び量は、１０００℃の基板材料において、２から８μｍの間の波長に関して少なくとも０．７５の放射率εをもたらす。

従って、基板材料は、２μｍから８μｍの間すなわち赤外線放射の波長帯の熱放射に関して高い吸収性及び放射パワーを有する。これは基板表面による反射を低減するので、伝達が無視できるほど小さいと仮定すると、２から８μｍの波長に関する結果として得られる反射率は、１０００℃以上の温度で最大０．２５であり、６００℃以上の温度で最大０．４である。従って、反射熱放射による再現不可能な加熱が回避され、このことは均一な又は所望の不均一な温度分布に貢献する。

マトリックスは、非ドープ又はドープ石英ガラスから成ることができ、該当する場合、ＳｉＯ_２以外に最大１０重量％の量の酸化物、窒化物、又は炭化物の成分を含有することができる。基板材料に起因する汚染のリスクを回避するために、アモルファスマトリックス成分が石英ガラスであり、好ましくは少なくとも９９．９９％のＳｉＯ_２の化学的純度並びに１％未満のクリストバライト含有量を有する赤外線エミッタの実施形態は、特に好都合であることが分かっている。石英ガラスは、良好な耐腐食性、耐温度性、及び耐温度サイクルという前述の利点を有し、常に高純度で利用可能である。従って、これは１１００℃を超える温度での高温加熱プロセスであっても有力な基板材料である。冷却は必要ない。

マトリックスのクリストバライト含有量は低く、すなわち１％以下であり、失透傾向が低く、結果的に使用時のクラック形成のリスクが低いことを保証する。その結果、しばしば半導体製造プロセスで示される、粒子欠損、純度、及び不活性に関する厳しい必要条件でも満たされる。

基板材料の熱吸収は、追加成分の分率に左右される。従って、追加成分の重量分率は、好ましくは少なくとも０．１％であることが必要である。他方で、追加成分の体積分率が大きい場合、マトリックスの化学的及び機械的特性に悪影響を与える可能性がある。この点を考慮して、追加成分の重量分率は、０．１から５％の範囲である。

追加成分が追加成分相として存在しかつ２０μｍ未満であるが好ましくは３μｍより大きな最大平均寸法の非球状形態をもつ場合、非常に高い放射率を実現することができる。

これに関連して、追加成分相の非球状形態は、基板材料の高い機械的強度及び低いクラック形成傾向にも貢献する。用語「最大寸法」は、顕微鏡で見ることができる追加成分相の隔離領域の最大伸長部を意味するものとする。前述の平均は、顕微鏡写真の全ての最大伸長部の中央値である。

赤外線エミッタの好ましい実施形態において、追加成分は、元素形態の半導体材料、好ましくは元素形態のケイ素を含有する。マトリックス中の半導体相の微粒子領域は、光学的欠陥としての役割を果たし、基板材料を、例えば層の厚さに応じて、室温において目視で黒色又は黒っぽい灰色に見えるようにさせる。他方で、この欠陥は、基板材料の全体的な熱吸収に影響を与える。これは、主として微細に分散配置された半導体（元素形態で存在する）の相の特性に起因し、これにより、一方で、価電子帯と伝導帯との間のエネルギ（バンドギャップエネルギ）が温度と共に低下し、他方で、活性化エネルギが十分に大きい場合には電子は価電子帯から伝導帯に持ち上げられ、これは吸収係数の明らかな増大を伴う。熱的に活性化された伝導帯の占有により、半導体材料は、ある波長（例えば１０００ｎｍから）では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。従って、基板材料の温度が上昇すると吸収及び放射率が突然上昇する可能性がある。この作用は、特に半導体材料の構造（アモルファス／結晶性）及びドーピングに左右される。例えば、純粋なケイ素は、約６００℃から放射の著しい増加を示し、約１０００℃から飽和状態に達する。

従って、半導体材料、詳細には好適に用いられる元素形態のケイ素は、ガラス質マトリックス材料を黒色にする効果があり、室温でしかし例えば６００℃の高温でも黒色にする。その結果、高温で高ブロードバンドの放射の観点から良好な照射特性が得られる。これに関連して、半導体材料、好ましくは元素形態のケイ素は、マトリックス中に分散した別個のＳｉ相を形成する。この相は、複数の半金属又は金属を含有することができる（金属は、追加成分の重量分率に対して最大でも５０重量％、好ましくは２０重量％未満である）。これに関連して、基板材料は、開放気孔率を示さないが、密閉気孔率は０．５％未満であり、少なくとも２．１９ｇ／ｃｍ^３の比重を有する。従って、基板材料の純度又は気密性が重要である赤外線エミッタによく適している。

石英ガラスで作られかつケイ素相が埋め込まれたマトリックスを含む複合材料で作られている構成要素が知られている。国際公開第２０１５０６７６８８号によれば、これは、例えば、酸化又はアニーリングプロセス、エピキタシー又は化学的気相蒸着で使用するための反応炉、取り付け具、又はウェハ保持具を製作するために使用される。本発明による赤外線エミッタの赤外線放射放出材料として使用するために、基板は、好ましくは、焼き付け薄膜層の形態で提供される印刷導体で構成される。

この薄膜層は、例えば、スクリーン印刷を利用して抵抗ペーストから生成されるか、又はインクジェット印刷を利用して金属含有インクから生成され、その後、高温で焼き付けられる。

可能な限り均一な温度分布に関して、印刷導体を基板の表面をカバーするラインパターンで提供することが好都合であることが分かっており、印刷導体の隣接セクションの間に少なくとも１ｍｍ、好ましくは少なくとも２ｍｍの隙間が残るようになっている。

基板材料の高い吸収能力は、加熱面の印刷導体占有密度が比較できるほど低い場合であっても均一な放射を可能にする。低い占有密度は、印刷導体の隣接セクションの間の最小距離が１ｍｍ又はそれ以上、好ましくは２ｍｍ又はそれ以上であることで特徴付けられる。印刷導体の各セクションの間の大きな距離は、特に真空中の高圧での作動で生じ得るフラッシュオーバーを防ぐ。従って、本発明による赤外線エミッタは、特に真空動作に上手く適合する。印刷導体は、例えば、らせん形又は蛇行ラインパターンで延在する。

本発明による赤外線エミッタの特に好都合な実施形態は、基板が印刷導体に向かい合う表面を有し、この表面の少なくとも一部が多孔性石英ガラスで作られているカバー層で構成され、印刷導体が少なくとも部分的にカバー層内に埋め込まれている点で特徴付けられる。

これに関連して、不透明石英ガラスで作られているカバー層は、拡散反射体として機能すると同時に印刷導体を保護及び固定する。不透明石英ガラスで作られているタイプのカバー層の作用及び製作は公知であり、例えば、国際公開第２００６／０２１４１６号に記載されている。これは、アモルファスＳｉＯ_２粒子を含有する分散液から生成される。これを印刷導体に向かい合う基板表面に塗布して乾燥させてグリーン層を形成し、このグリーン層を高温で焼結させる。グリーン層の焼結及び印刷導体の焼き付けは、好ましくは１度の同じ加熱プロセスで進めることが好ましい。

赤外線エミッタの他の好ましい実施形態において、印刷導体は、不透明石英ガラスで作られているカバー層の代わりに又はこれを補うグレーズ層などの電気絶縁性の気密性層でカバーされる。この層は、外部に対して印刷導体を電気的にシールドし、印刷導体を機械的応力及び腐食から保護するように機能する。

また、本発明による赤外線エミッタは、特に、放出された放射線の高い空間的均一性によって特徴付けられる。従って、すでに平らな放射面から近い距離でほぼ等しい放射強度が測定される。従って、パネル赤外線エミッタの好ましい実施形態において、基板は、印刷導体から外方に面して赤外線放射を放出する平らな放射面を備え、赤外線放射は、 放射面から１０ｍｍの距離である照射強度を生じ、互いに５ｍｍの距離に位置付けられた１０の測定部位で測定された照射強度の偏差は、任意の測定部位における照射強度の最大値から＋／−５％未満である。
照射強度の測定は、国際規格ＩＥＣ ６２７９８ （２０１４）の方法を用いて行う。

本発明は、以下に例示的な実施形態及び添付図面に基づいて詳細に示される。

反射体層を有する本発明による赤外線エミッタの実施形態の概略的な側面図を示す。 介在層として反射体層を有する多層赤外線エミッタの実施形態の概略図を示す。 本発明による多層赤外線エミッタの他の実施形態の側面図を示す。 図１による上側から見た蛇行印刷導体で構成されたタイル形赤外線エミッタの概略的な平面図を示す。 平面図におけるタイルの下面上の赤外線エミッタの視覚的に知覚可能な輝きの光学イメージを示す。 電気絶縁性及び気密性グレーズ層の中に埋め込まれた印刷導体を有する本発明によるタイル形赤外線エミッタの実施形態を示す。 本発明によるパネル赤外線エミッタ（ｂ）と従来技術によるパネル赤外線エミッタ（ａ）による放射の均一性及び強度の比較を示す。 本発明による測定試料上に衝突するパネル赤外線エミッタの赤外線放射の照射プロフィールを例示する図を示す。 個別のカーボンエミッタランプ管で構成されている従来技術による測定試料上に衝突するパネル赤外線エミッタの赤外線放射の照射プロフィールを例示する図を示す。 個別のツインチューブ式エミッタで構成されている従来技術による測定試料上に衝突するパネル赤外線エミッタの赤外線放射の照射プロフィールを例示する図を示す。

図１は、本発明による多層パネル赤外線エミッタ１の第１の実施形態の概略図を示す。この赤外線エミッタは、プレート状基板２、印刷導体３、及び反射体層４を備える。

プレート状基板２は、矩形であり、プレートの厚さは２．５ｍｍである。これは石英ガラスで作られているマトリックスを備えた複合材料で構成される。マトリックスの視覚上の効果は、半透明〜透明である。顕微鏡検査では、マトリックスは開気孔を呈示せず、最大限でも１０μｍ未満の最大平均寸法の密閉気孔を呈示する。元素形態のケイ素相が、非球状エリアの形でマトリックス内に均一に分散される。これらは重量分率５％を占める。Ｓｉ相エリアの最大平均寸法（中央値）は、約１から１０μｍの範囲である。複合材料は気密性であり、密度は２．１９ｇ／ｃｍ^３であり、空気中で最大約１２００℃の温度まで安定している。

埋め込まれたＳｉ相は、複合材料の全体の不透明性に寄与するだけでなく、複合材料の光学的特性及び熱特性に影響を与える。この複合材料は、熱放射の高吸収性及び高温での高放射率を示す。

室温において、基板２用の複合材料の放射率は積分球を用いて測定する。これにより、分光半球反射率Ｒ_ｇｈ及び分光半球透過率Ｔ_ｇｈの測定が可能になり、垂直放射率を計算することができる。高温での放射率は、ＦＴＩＲ分光計 （Ｂｒｕｋｅｒ ＩＦＳ ６６ｖ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｉｎｆｒａｒｅｄ（ＦＴＩＲ））を用いて２から１８μｍの範囲の波長で測定するが、この分光計に対して、追加の光学系を用いてＢＢＣ試料チャンバが接続され、前述のＢＢＣ測定原理を適用する。これに関連して、試料チャンバは、試料ホルダーの前後の半球内に温度制御された黒体環境と、検出器を有するビーム出口開口とを備える。試料は、別の加熱炉内で所定の温度に加熱され、測定のために、所定の温度に設定された黒体環境の試料チャンバのビーム経路に移送される。検出器で検出される強度は、放射、反射、及び透過成分、すなわち試料自体が放出する強度、前方半球から試料への入射でありかつ試料が反射した強度、及び後方半球からの試料の入射でありかつ試料が透過した強度から成る。個々のパラメータ、すなわち放射率、反射率、及び透過率を決定するために３回の測定を行う必要がある。

複合材料上で測定した２から約４μｍの範囲の波長での反射率は、温度の関数である。温度が高いほど反射率は高い。６００℃において、２から４μｍの波長範囲での垂直反射率は約０．６である。１０００℃において、２から８μｍの全波長範囲での垂直反射率は約０．７５である。

印刷導体３は、基板２の上面５上のプラチナ抵抗ペーストから生成される。両端は、はんだ付けされた電気エネルギを供給するためのケーブル又はクランプ４６を有する（図４参照）。印刷導体３は、蛇行プロフィールを示し（図４参照）、印刷導体の隣接する各セクションの間に２ｍｍの均一な間隔が残るように基板２の加熱面をしっかりとカバーする。図示の断面において、印刷導体３は、幅１ｍｍで厚さ２０μｍの矩形プロフィールを有する。厚さが薄いので、赤外線エミッタにおける高価な印刷導体材料が占める材料割合は、その性能に比べて低い。印刷導体３が基板２の上面５に直接接触するので、基板２への最大の伝熱が得られる。反対側の底面６は、赤外線エミッタを使用するために熱放射用の放射面として機能する。放射方向は方向矢印７で示されている。

反射体層４は、不透明な石英ガラスから成り、平均層厚さは約１．７ｍｍである。これは、亀裂のない約２．１５ｇ／ｃｍ３の高密度を特徴とし、１１００℃を超える温度まで熱的に安定している。反射層４は、基板２の全加熱エリアをカバーし、さらに印刷導体３を完全にカバーするので、これを環境からの化学的又は機械的影響から保護する。

図１と同じ参照番号が他の図面に示される実施形態に使用される限り、これらは本発明による赤外線エミッタの第１の実施形態の説明を用いて上記により詳細に例示されたものとデザインが同一であるか又は均等である構成要素及び部品を示す。

図６に示すタイル形赤外線エミッタ６１の実施形態において、印刷導体３は、基板２の上面５の上に位置しており、放射面（底面６）の反対側にある。この印刷導体は、薄膜状の電気絶縁層６４によってカバーされる。絶縁層６４は、外部から印刷導体２を電気的に遮蔽して、印刷導体２を機械的及び腐食的応力から保護する役割を果たす。これは軟化した粘性ガラス相として加熱状態で上面５の上に均等に分配され、気密性の遮蔽をもたらすガラス様の材料から成る。比較的低い軟化温度及び対応する広い温度範囲にわたる塑性変形能力を有するガラス相の軟化挙動によって、基板２と絶縁層６４との間の異なる熱膨張係数に起因する圧縮応力は、実質的に阻止される。

絶縁層６４を生成するために、印刷導体３が完全に埋め込まれるようにスクリーン印刷ペーストを基板の上面５に対して適切に施工する。スクリーン印刷ペーストは、高純度のＳｉＯ_２粉体（２０から８０重量％）、溶剤（２０から５０重量％）、及び結合剤（１から１５重量％）から成り、括弧内の数字はそれぞれの成分に関するペーストの全質量の好ましい重量分率を指定する。例えば、ヘキサノールは溶剤として使用され、例えば、フタル酸塩は可塑剤として使用され、例えば、ポリビニルアルコールは結合剤として使用される。

スクリーン印刷ペーストは、粉体原料混合物と添加結合剤を含む蒸留水の１：１混合物（割合）から生成される。次に、このペーストの厚さ１００μｍの層を印刷導体２が完全に埋め込まれるように基板２の上面に印刷し、これを焼結させて気密性の絶縁層６４を形成する。しかしながら、印刷導体２及び絶縁層６４の焼結は、単一の作業ステップで適切に進めることができる。

図２のパネル赤外線エミッタの実施形態において、実質的に同一構成の２つの基板本体２、２２を準備して、サンドイッチのようなやり方で反射体層４及び御印刷導体３；２３を埋め込む。パネル赤外線エミッタのこの実施形態は、２つの放射面（６；２６）を備える場合に熱の両側放射のためにデザインされる。方向矢印７、７’は放射方向を示す。

図３の赤外線エミッタ３１の実施形態では多層基板３２が使用される。この基板は、図１に示されるような複合材料で作られている基部本体３３及び非ドープ石英ガラスで作られている薄いカバー層３４で構成され、カバー層は基部本体３３の表面を完全にカバーする。石英ガラスで作られているカバー層２４は、厚さ０．５ｍｍであり、印刷導体３が施工される基板の上面３５を形成する。この実施形態は、図１の実施形態に比べて、印刷導体３を複合材料よりも滑らかなカバー層の表面に施工できる点で好都合である。

本発明による赤外線エミッタの他の実施形態において、図面には示されていないが、図１に示すような複合材料で作られている基部本体で構成される多層基板が提供され、多層基板の放射面は、完全に非ドープ石英ガラスで作られている薄いカバー層で構成される。この実施形態は、図１の実施形態に比べて、複合材料が照射される物品の周りの環境から完全に遮蔽される点で好都合であり、その結果、複合材料から加熱物品への不純物の流出、並びに環境からの複合材料に対する腐食攻撃が防止される。

図４は、ケイ素含有石英ガラスで作られているタイル形基板２の上面５の平面図を示す。図４には基板の上面の印刷導体３の蛇行プロフィール及び電力供給端子３６の両方が示されている。印刷導体の各セクションの間に２ｍｍの比較的大きな間隙が存在する。この例示的な実施形態において、電気的接触は、各端子４６を介して両側で行われる。勿論、片側だけの接触も可能である。

印刷導体３の占有面は、基板２の加熱面４７を定める。加熱面４７の内側において、図５の石英ガラス基板２の可視的に認識可能な光（ｇｌｏｗ）から明らかなように、基板の底面上で約１０００℃の最大温度が実質的に均一に確立される。

パネル赤外線エミッタ１を製作する方法は、以下に例示的により詳細に示すものとする。

基板２の製作
製作には国際公開第２０１５０６７６８８号に記載のスラリーキャスティング法を利用する。高温塩素化処理でアモルファス石英ガラス粒子を予め清浄化し、クリストバライト含有量が１重量％未満であることを確認する。粒径が２５０μｍから６５０μｍの範囲の石英ガラス粒子を、純水で湿式粉砕して、７８％の固形分の均一なベーススラリーを形成する。

次に、粉砕ビーズをベーススラリーから除去し、８３重量％の固形分になるまでケイ素粉体を加える。ケイ素粉体は、主として狭い粒径分布の非球状粉体粒子を含み、Ｄ９７値は約１０μｍであり、粒径の２μｍ未満の細粒分を予め除去した。

ケイ素粉体で満たされたスラリーをさらに１２時間均質化する。ケイ素粉体は、全固形分の重量分率の５％を占める。完成した均質化スラリー内のＳｉＯ_２粒子は、約８μｍのＤ_５０値及び約４０μｍのＤ_９０値で特徴付けられる粒径分布を有する。

スラリーは、市販のダイキャスティングマシンのダイにキャスティングし、多孔性プラスチック膜を利用して脱水して多孔性グリンボディを形成する。グリンボディは、矩形プレートの形状を有する。結合水を除去するために、グリンボディを通気炉内で５日間約９０℃の温度で乾燥させる。冷却後、得られた多孔性素材を製作される石英ガラスプレートのほぼ最終寸法（プレート厚２．５ｍｍ）になるように機械的に加工する。焼結のために、素材を燃焼炉内で空気の存在下で１時間のうちに１３９０℃の加熱温度まで加熱し、この温度を５時間維持する。

得られた石英ガラスプレート（２）は、密度２．１９５８ｇ／ｃｍ^３の気密性複合材料から成り、元素Ｓｉ相の非球状領域は、不透明石英ガラスから作られているマトリックス内に均一に分散し、この領域は相互に分離し、サイズ及び形態は本質的にプロセスで使用したＳｉ粉体のものに対応する。最大平均寸法（中央値）は、約１から１０μｍの範囲である。マトリックスの視覚的効果は、半透明〜透明である。顕微鏡検査では、マトリックスは開気孔を呈示せず、最大限でも１０μｍ未満の最大平均寸法の密閉気孔を呈示する。気孔率は０．３７％の密度に基づいて計算した。複合材料は空気中で最大約１２００℃の温度まで安定している。

印刷導体３及び反射体層４の用途
石英ガラスプレート（２）は、平均表面粗さＲａが約１μｍになるように表面を研磨する。蛇行形状の印刷導体３を、スクリーン印刷法を用いて研磨した上面５に施工する。この目的のために市販のプラチナ含有抵抗ペーストが使用される。

印刷導体３を乾燥させた後、スラリー層を石英ガラスプレート（２）の上面５に施工する。このスラリーは、８４重量％の固形分になるまで約５μｍの粒径の球状粒子の形態の均一の安定したベーススラリーアモルファスＳｉＯ２粒を混ぜることで、前述の種類のベースＳｉＯ２スラリーの改質によって得られる（ケイ素粉体を加えることなく）。この混合物は、２５ｒｐｍの回転速度の回転ミル内で１２時間、均質化する。得られたスラリーは８４％の固形分及び約２．０ｇ／ｃｍ^３の密度を有する。石英ガラス粒子を粉砕して得られたスラリー中のＳｉＯ_２粒子は、約８μｍのＤ_５０値及び約４０μｍのＤ_９０値で特徴付けられる粒径分布を有する。

予めアルコールで洗浄した石英ガラスプレート（２）をこのスラリーに数秒間浸漬する。その結果、石英ガラスプレート（２）上には厚さ約２ｍｍの均一なスラリー層が形成される。底面６を拭いた後、スラリー層を最初に室温で約５時間、その後ＩＲエミッタを用いて空気中で乾燥させる。乾燥したスラリー層は亀裂がなく、２ｍｍにわずかに満たない平均厚さを有する。

その後、乾燥した印刷導体及び乾燥したスラリー層は、焼結炉内で空気中で焼き付け及び／又は焼結される。加熱プロフィールは、１２００℃の加熱温度を有する。例示的実施形態において保持時間は２時間である。その後、印刷導体は焼き付けられスリッカー層（ｓｌｉｃｋｅｒ ｌａｙｅｒ）は不透明であるが、視覚的に隙間がなくほとんど気泡がない。

本発明による赤外線エミッタは、熱放射のための高い放射率、供給電力の有効利用、及び幾何学的デザインの柔軟性によって特徴付けされる。これは、非常に高い電力密度（＞２００ｋＷ／ｍ^２）及び基板までの短い距離（＜５ｍｍ）において高い処理速度（＞１００ｍ／ｓ）を実現するために、例えば、印刷業界で平面赤外線エミッタとして利用することができる。他の用途は３Ｄプリンティング分野であり、印刷された金属粉体は、高い面積出力（ｈｉｇｈ ａｒｅａ ｏｕｔｐｕｔ）と約１０００℃のエミッタ温度の結果として緻密である。

図７の図（ａ）及び（ｂ）は、関連する相違点と同様に、複数の個別のエミッタで構成されたパネル赤外線エミッタ（図（ａ））と本発明によるタイル形パネル赤外線エミッタ（図（ｂ））との、照射均一性及び／又は照射強度と、エミッタと加熱物品の間の距離との間の関係を模式的に示す。均一性「Ｈ」及び／又は加熱物品上に作用する放射強度「Ｉ」は、相対単位で、エミッタと加熱物品との間の距離「Ａ」（同様に相対単位での）に対して図（ａ）及び（ｂ）の縦座標にプロットされる。図（ａ）のパネルエミッタ７０は、隣同士に配列され、その被覆管が３つの円で示されている複数のカーボン放射ヒータで表されている。本発明による赤外線エミッタは、図（ｂ）に矩形タイル７で示されている。タイル形赤外線エミッタ７１及びカーボン式エミッタの構成７０は、この関連において同じ電気接続負荷を有する。

距離Ａに対する均一性Ｈのプロフィールは、破線曲線Ｈで示されており、強度プロフィールＩは、連続曲線Ｉで示されている。従って、照射強度Ｉは、一般的なパネルエミッタ７０及び本発明のパネル赤外線エミッタ７１において距離Ａに関してほぼ同程度に増加するが、照射均一性は、本発明のパネル赤外線エミッタ７１では距離Ａにほとんど無関係であり、一方で一般的なパネル赤外線エミッタでは短い距離では均一性が低い。

灰色網掛け領域は、概略的に照射物品上の許容できる照射均一性が明らかな「動作領域」を定める。従って、この均一性は一般的なパネル赤外線エミッタ７０では或る距離を維持することで達成されることが明らかであるが、これは照射強度の著しい損失を伴う。対照的に、本発明による赤外線エミッタ７１は、放射の強度が高い短い距離であっても十分高い均一性を可能にする。従って、本発明による赤外線エミッタ７１は、個別のカーボン式エミッタで作られているパネルエミッタ７０に比べて著しく高い効率を特徴とする。

放出される放射線の空間的均一性は、ＩＥＣ ６２７９８（２０１４）に従って試験する。このために、パネル赤外線エミッタを試験装置に設置して可動テーブル上に取り付ける。光パワーを赤外線エミッタの放射面から１０ｍｍの所定の動作距離で熱電検出器を用いて検出する。照射強度は、５ｍｍ刻みで複数の測定点で求める。放射強度は、試料の中央付近の１０の測定点で測定された最大値からの変化が±５％未満の場合に十分に均一であると定義する。このタイプの測定は、以下「軸方向測定」とも呼ばれる。

図８から１０は、異なるタイプのパネル赤外線エミッタの軸方向測定の結果を示す。いずれの場合も、正規化された光パワーＬ（％）がｙ軸にプロットされ、中心線からの横方向距離Ａがｘ軸にプロットされ、中心線は、軸原点を通過し、パネルエミッタの横寸法に関連するか（図８）、又は個別のエミッタの空間的配置の横寸法に関連する（図９、１０）。

図８は、本発明によるパネル赤外線エミッタ、例えば図７のパネル赤外線エミッタ７１の場合の、動作距離１０ｍｍでの光パワーの横方向プロフィールを示す。横方向プロフィールは、中心線の周りの広い領域にわたってほぼ１００％で同程度に均一である。これは、中心線の周りに１０より多い測定点を有する動作領域において光パワーが最大値（１００％）の９５％以下に低下しないことから明らかである。

対照的に、図９は、図７のパネル赤外線エミッタ７０のような個別のカーボン式エミッタで構成されるパネル赤外線エミッタの場合を示し、標準的な動作距離１０ｍｍにおける光パワーＬのプロフィール（曲線Ａ）は不均一である。許容できる均一性を有する光パワーの横方向プロフィール（曲線Ｂ）は動作距離４０ｍｍでしか得られない。しかしながら、加熱物品の表面で得ることができる光パワーは最大パワーの５０％未満である。

図１０に示すように、同じ結果がいわゆるツインチューブ式エミッタの空間的配置でデザインされているパネル赤外線エミッタ上の軸方向測定で得られる。市販のツインチューブ式エミッタは、加熱フィラメントを収容するための、互いに平行に延びかつ互いに空間的に離間した導管を備える。上記のように、動作距離１０ｍｍにおいて光パワーＬの不均一プロフィール（曲線Ｃ）が明らかであり、許容できる均一性を有する光パワーの横方向プロフィール（曲線Ｄ）は動作距離６０ｍｍでしか得られない。しかしながら、加熱物品の表面で得ることができる光パワーは最大パワーの３０％未満である。

１ 赤外線エミッタ
２ プレート状基板
３ 印刷導体
４ 反射体層
５ 上面
６ 底面

Claims (15)

1. 導電性でありかつ電流が流れると熱を発生させる抵抗材で作られている印刷導体（３）に接触する上面（５）を含む、電気絶縁材で作られている基板（２；３２）を備える赤外線エミッタであって、
   前記基板の材料は、赤外線放射のスペクトル域を吸収する追加成分が埋め込まれている、石英ガラスであるアモルファスマトリックス成分を含み、
   前記基板（２；３２）は、前記印刷導体（３）に面している上面（５）を備え、前記上面（５）の少なくとも一部には、多孔性石英ガラスで作られているカバー層（４）が構成され、前記印刷導体（３）は、少なくとも部分的に、前記カバー層（４）の中に埋め込まれている、赤外線エミッタ。
2. 前記追加成分の種類及び量は、温度６００℃の前記基板材料において、２から８μｍの間の波長に関して少なくとも０．６の放射率εをもたらすように存在する、請求項１に記載の赤外線エミッタ。
3. 前記追加成分の種類及び量は、温度１０００℃の前記基板材料において、２から８μｍの間の波長に関して少なくとも０．７５の放射率εをもたらすように存在する、請求項１に記載の赤外線エミッタ。
4. 前記石英ガラスは、少なくとも９９．９９％ＳｉＯ_２の化学的純度及び最大１％のクリストバライト含有量を有する、請求項１に記載の赤外線エミッタ。
5. 前記追加成分の重量分率は、０．１から５％の範囲である、請求項１から４のいずれかに記載の赤外線エミッタ。
6. 前記追加成分は、別々の追加成分相として存在し、最大平均寸法が２０μｍ未満である非球状組織を含む、請求項１から５のいずれかに記載の赤外線エミッタ。
7. 前記追加成分は、別々の追加成分相として存在し、最大平均寸法が３μｍよりも大きく２０μｍ未満である非球状組織を含む、請求項６に記載の赤外線エミッタ。
8. 前記追加成分は、元素形態の半導体材料を含有する、請求項１から７のいずれかに記載の赤外線エミッタ。
9. 前記追加成分は、元素形態のケイ素を含有する、請求項８に記載の赤外線エミッタ。
10. 前記基板材料は、０．５％未満の密閉気孔率を呈示し、少なくとも２．１９ｇ／ｃｍ^３の固有の密度を有する、請求項１から９のいずれかに記載の赤外線エミッタ。
11. 前記印刷導体（３）は、焼き付けたカバーフイルム層として設けられる、請求項１から１０のいずれかに記載の赤外線エミッタ。
12. 前記印刷導体（３）は、前記基板（２；３２）の表面をカバーする線パターンとして設けられ、少なくとも１ｍｍの介在スペースが印刷導体の隣接セクションの間に残っている、請求項１から１１のいずれかに記載の赤外線エミッタ。
13. 前記印刷導体（３）は、前記基板（２；３２）の表面をカバーする線パターンとして設けられ、少なくとも２ｍｍの介在スペースが印刷導体の隣接セクションの間に残っている、請求項１２に記載の赤外線エミッタ。
14. 前記印刷導体（３）は、電気絶縁性の気密性層によってカバーされる、請求項１から１３のいずれかに記載の赤外線エミッタ。
15. パネル赤外線エミッタとして設計され、前記基板（２）は、前記印刷導体（３）から見て外方に向き、赤外線放射を放出する平らな放射面（６）を備え、これによって赤外線放射は、放射面（６）から１０ ｍｍの距離において所定の照射強度を発生させ、互いに５ｍｍ離間した１０の測定点で測定して、いずれの測定点においても前記照射強度の最大値から±１０％を超えて逸脱しない、請求項１から１４のいずれかに記載の赤外線エミッタ。

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