KR20190084249A - 적외선 히터 - Google Patents
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Abstract
적외선 히터(10)는, 히터 본체(11)와, 케이싱(50)을 구비하고 있다. 히터 본체(11)는, 발열체(13)와, 발열체(13)로부터 열에너지를 입력하면 비플랑크 분포의 피크 파장을 갖는 적외선을 방사 가능한 메타 물질 구조체(30)를 구비한다. 케이싱(50)은, 히터 본체(11)가 배치되어 감압 가능한 내부 공간(53)을 갖는다. 또한, 케이싱(50)은, 메타 물질 구조체(30)로부터의 적외선을 케이싱(50)의 외부에 투과가능한 적외선 투과판(54)을 갖는다.
Description
본 발명은, 적외선 히터에 관한 것이다.
종래, 적외선 히터로서는, 여러 가지의 구조가 알려져 있다. 예컨대, 특허문헌 1에는, 지지판과, 지지판에 휘감겨진 리본형의 발열체를 구비한 면형 히터가 기재되어 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 발열체와, 적어도 표면이 도전체로 이루어지는 마이크로 캐비티가 형성된 마이크로 캐비티 형성체를 구비한 적외선 히터가 기재되어 있다. 특허문헌 2에 기재된 적외선 히터는, 발열체로부터의 에너지를 흡수한 마이크로 캐비티 형성체가 비플랑크 분포의 피크 파장을 갖는 적외선을 방사한다. 이것에 의해, 특정한 파장 영역의 적외선을 대상물에 방사할 수 있다고 하고 있다. 또, 이 마이크로 캐비티 형성체와 같이 특정한 파장 영역의 적외선을 방사하는 구조체는, 메타 물질 구조체로 불리고 있다.
그런데, 특허문헌 2와 같이 메타 물질 구조체를 이용한 적외선 히터에서는, 특정한 파장 영역 이외의 파장 영역에서의 적외선의 방사율이 비교적 낮다. 그 때문에, 메타 물질 구조체를 이용한 적외선 히터는, 예컨대 특허문헌 1과 같이 메타 물질 구조체를 이용하지 않는 통상의 적외선 히터와 비교하여, 동일한 전력을 투입한 경우에 적외선 히터 자신의 온도가 상승하기 쉽다. 그리고, 온도가 상승하기 쉬운 것으로써, 적외선 히터와 주위의 기체와의 사이에서 대류 열전달이 생기기 쉬워지고, 대류 손실이 커져 에너지 효율이 저하되기 쉽다는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 메타 물질 구조체를 이용한 적외선 히터의 에너지 효율을 보다 향상시키는 것을 주목적으로 한다.
본 발명은, 전술한 주목적을 달성하기 위해서 이하의 수단을 채용했다.
본 발명의 적외선 히터는,
발열체와, 상기 발열체로부터 열에너지를 입력하면 비플랑크 분포의 피크 파장을 갖는 적외선을 방사 가능한 메타 물질 구조체를 구비한 히터 본체와,
상기 히터 본체가 배치되어 감압 가능한 내부 공간을 갖는 케이싱으로서, 해당 메타 물질 구조체로부터의 적외선을 해당 케이싱의 외부에 투과 가능한 적외선 투과부를 갖는 케이싱
을 구비한 것이다.
이 적외선 히터는, 발열체와 메타 물질 구조체와 갖는 히터 본체가, 케이싱 내의 감압 가능한 내부 공간 내에 배치되어 있다. 그 때문에, 내부 공간을 감압 상태로 하여 이 적외선 히터를 사용함으로써, 예컨대 내부 공간이 상압인 경우와 비교하여, 히터 본체로부터 내부 공간 내로의 대류 열전달이 적어져, 대류 손실을 억제할 수 있다. 따라서, 적외선 히터의 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 여기서, 메타 물질 구조체는, 최대 피크가 플랑크 분포의 피크보다도 급경사인 방사 특성을 갖는 구조체로 해도 좋다. 또, 「플랑크 분포의 피크보다도 급경사」는, 「플랑크 분포의 피크보다도 반값폭(FWHM:full width at half maximum)이 좁은」것을 의미한다.
본 발명의 적외선 히터는, 상기 히터 본체와는 떨어져 배치되고, 상기 히터 본체측과 대상물측 중 적어도 한쪽에 적외선을 반사 가능한 적외선 반사부를 구비하고 있어도 좋다. 이렇게 하면, 히터 본체로부터 방사된 적외선의 에너지의 적어도 일부를, 반사에 의해 히터 본체와 대상물 중 적어도 한쪽에 투입할 수 있어, 에너지 효율이 보다 향상된다. 이 경우에 있어서, 상기 적외선 반사부는, 상기 케이싱 중 상기 내부 공간에 노출하는 내주면에 위치하고 있어도 좋다.
적외선 반사부를 구비한 본 발명의 적외선 히터에 있어서, 상기 케이싱은, 적외선을 투과 가능한 적외선 투과 부재로 구성되어 있고, 상기 적외선 반사부는, 상기 케이싱의 외측에 배치되어 있어도 좋다. 이렇게 해도, 히터 본체로부터 방사된 적외선의 에너지의 적어도 일부를, 반사에 의해 히터 본체와 대상물 중 적어도 한쪽에 투입할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 적외선 반사부는, 상기 케이싱의 외주면에 배치되어 있어도 좋다.
본 발명의 적외선 히터에 있어서, 상기 히터 본체는, 상기 발열체로부터 보아 상기 메타 물질 구조체와는 반대측의 표면에 배치되어 해당 메타 물질 구조체의 평균 방사율보다도 낮은 평균 방사율을 갖는 저방사층을 구비하고 있어도 좋다. 이렇게 하면, 발열체로부터 보아 메타 물질 구조체와는 반대측으로 방사되어 버리는 적외선의 에너지를 적게 할 수 있기 때문에, 에너지 효율이 보다 향상된다.
본 발명의 적외선 히터에 있어서, 상기 메타 물질 구조체는, 상기 발열체측으로부터 순서대로, 제1 도체층과, 해당 제1 도체층에 접합된 유전체층과, 각각이 상기 유전체층에 접합되어 서로 이격하여 주기적으로 배치된 복수의 개별 도체층을 갖는 제2 도체층을 구비하고 있어도 좋다.
본 발명의 적외선 히터에 있어서, 상기 메타 물질 구조체는, 적어도 표면이 도체로 이루어지고 서로 이격하여 주기적으로 배치된 복수의 마이크로 캐비티를 구비하도 있어도 좋다.
도 1은 적외선 히터(10)의 개략 단면도.
도 2는 메타 물질 구조체(30)의 부분 저면도.
도 3은 변형예의 히터 본체(11A)의 부분 단면도.
도 4는 변형예의 메타 물질 구조체(30a)의 부분 저면 사시도.
도 5는 변형예의 적외선 히터(110)의 단면도.
도 6은 변형예의 적외선 히터(110)의 단면도.
도 7은 발열체(13)로의 투입 전력과 히터 본체의 온도와의 관계를 나타내는 그래프.
도 2는 메타 물질 구조체(30)의 부분 저면도.
도 3은 변형예의 히터 본체(11A)의 부분 단면도.
도 4는 변형예의 메타 물질 구조체(30a)의 부분 저면 사시도.
도 5는 변형예의 적외선 히터(110)의 단면도.
도 6은 변형예의 적외선 히터(110)의 단면도.
도 7은 발열체(13)로의 투입 전력과 히터 본체의 온도와의 관계를 나타내는 그래프.
다음에, 본 발명의 실시형태에 관해서, 도면을 이용하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 일 실시형태인 적외선 히터(10)의 개략 단면도이다. 도 2는, 메타 물질 구조체(30)의 부분 저면도이다. 또, 본 실시형태에 있어서, 좌우 방향, 전후 방향 및 상하 방향은, 도 1, 2에 나타낸 대로이다. 적외선 히터(10)는, 히터 본체(11)와, 케이싱(50)과, 고정부(70)를 구비하고 있다. 히터 본체(11) 및 고정부(70)는, 케이싱(50)의 내부 공간(53) 내에 배치되어 있다. 이 적외선 히터(10)는, 아래쪽에 배치된 도시하지 않는 대상물을 향해서 적외선을 방사한다.
히터 본체(11)는, 케이싱(50)의 내부 공간(53) 내에 배치되어 있다. 히터 본체(11)는, 도 1의 확대도에 나타내는 바와 같이, 발열부(12)와, 발열부(12)의 아래쪽에 배치된 지지 기판(20)과, 지지 기판(20)의 아래쪽에 배치된 메타 물질 구조체(30)와, 발열부(12)의 위쪽에 배치된 저방사층(40)을 구비하고 있다.
발열부(12)는, 소위 면형 히터로서 구성되어 있고, 선형의 부재를 지그재그로 만곡시킨 발열체(13)와, 발열체(13)에 접촉하여 발열체(13)의 주위를 덮는 절연체인 보호 부재(14)를 구비하고 있다. 발열체(13)의 재질로서는, 예컨대 W, Mo, Ta, Fe-Cr-Al 합금 및 Ni-Cr 합금 등을 들 수 있다. 보호 부재(14)의 재질로서는, 예컨대 폴리이미드 등의 절연성의 수지나 세라믹스 등을 들 수 있다. 발열체(13)의 양끝에는 한 쌍의 전기 배선(15)(도 1에서는 1개만 도시)이 부착되어 있다. 전기 배선(15)은, 케이싱(50)의 상부에 부착된 실링 그랜드(67) 내를 관통하여 적외선 히터(10)의 외부에 인출되어 있다. 이 전기 배선(15)을 개재하여, 발열체(13)에 외부로부터 전력을 공급 가능하다. 또, 발열부(12)는, 절연체에 리본형의 발열체를 휘감은 구성의 면형 히터로 해도 좋다. 또, 발열부(12)는 상면에서 보아 직사각형으로 했지만, 예컨대 원형이라도 좋다.
지지 기판(20)은, 발열부(12)의 하측에 배치된 평판형의 부재이다. 지지 기판(20)은, 케이싱(50)의 내부에 배치된 고정부(70)에 의해 고정되어 있고, 발열부(12) 및 메타 물질 구조체(30)를 지지하고 있다. 지지 기판(20)의 재질로서는, 예컨대 Si 웨이퍼, 유리 등과 같이, 평활면을 유지하기 쉽고, 내열성이 높으며, 열휘어짐이 낮은 소재를 들 수 있다. 본 실시형태에서는, 지지 기판(20)은 Si 웨이퍼로 했다. 또, 지지 기판(20)은, 본 실시형태와 같이 발열부(12)의 하면에 접촉하고 있어도 좋고, 접촉하지 않고 공간을 개재하여 발열부(12)와 상하로 이격하여 배치되어 있어도 좋다. 지지 기판(20)과 발열부(12)가 접촉하고 있는 경우에는 양자는 접합되어 있어도 좋다.
메타 물질 구조체(30)는, 발열체(13) 및 지지 기판(20)의 아래쪽에 배치된 판형의 부재이다. 메타 물질 구조체(30)는, 지지 기판(20)의 하면과 필요에 따라서 직접 접합되어 있어도 좋고, 도시하지 않는 접착층을 개재하여 접합되어 있어도 좋다. 메타 물질 구조체(30)는, 발열체(13)측으로부터 아래쪽을 향하여, 제1 도체층(31)과, 유전체층(33)과, 복수의 개별 도체층(36)을 갖는 제2 도체층(35)을 이 순서로 구비하고 있다. 또, 메타 물질 구조체(30)가 갖는 각 층간은, 직접 접합되어 있어도 좋고, 접착층을 개재하여 접합되어 있어도 좋다. 메타 물질 구조체(30)는, 하면이 케이싱(50)의 적외선 투과판(54)과 대향하도록 배치되어 있다. 또, 개별 도체층(36) 및 유전체층(33)의 하면 노출부는 산화 방지층(도시하지 않고, 예컨대 알루미나로 형성됨)으로 피복되어 있어도 좋다.
제1 도체층(31)은, 지지 기판(20)으로부터 보아 발열체(13)와는 반대측(하측)에서 접합된 평판형의 부재이다. 제1 도체층(31)의 재질은 예컨대 금속 등의 도체(전기 전도체)이다. 금속의 구체예로서는, 금, 알루미늄(Al), 또는 몰리브덴(Mo) 등을 들 수 있다. 본 실시형태에서는, 제1 도체층(31)의 재질은 금으로 했다. 제1 도체층(31)은, 도시하지 않는 접착층을 개재하여 지지 기판(20)에 접합되어 있다. 접착층의 재질로서는, 예컨대 크롬(Cr), 티탄(Ti), 루테늄(Ru) 등을 들 수 있다. 또, 제1 도체층(31)과 지지 기판(20)이 직접 접합되어 있어도 좋다.
유전체층(33)은, 제1 도체층(31)으로부터 보아 발열체(13)와는 반대측(하측)에서 접합된 평판형의 부재이다. 유전체층(33)은, 제1 도체층(31)과 제2 도체층(35)과의 사이에 끼워져 있다. 유전체층(33)의 재질로서는, 예컨대, 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2) 등을 들 수 있다. 본 실시형태에서는, 유전체층(33)의 재질은 알루미나로 했다.
제2 도체층(35)은, 도체로 이루어지는 층이며, 유전체층(33)의 하면을 따른 방향(전후 좌우 방향)으로 주기 구조를 갖는다. 구체적으로는, 제2 도체층(35)은 복수의 개별 도체층(36)을 구비하고 있고, 이 개별 도체층(36)이 유전체층(33)의 하면을 따른 방향(전후 좌우 방향)으로 서로 이격하여 배치됨으로써, 주기 구조를 구성하고 있다(도 2 참조). 복수의 개별 도체층(36)은, 좌우 방향(제1 방향)으로 간격 D1씩 떨어져 서로 등간격으로 배치되어 있다. 또한, 복수의 개별 도체층(36)은, 좌우 방향에 직교하는 전후 방향(제2 방향)으로 간격 D2씩 떨어져 서로 등간격으로 배치되어 있다. 개별 도체층(36)은, 이와 같이 격자형으로 배열되어 있다. 또, 본 실시형태에서는 도 2에 나타내는 바와 같이, 사방 격자형으로 개별 도체층(36)을 배열했지만, 예컨대 개별 도체층(36)의 각각이 정삼각형의 정점에 위치하도록 육방 격자형으로 개별 도체층(36)을 배열해도 좋다. 복수의 개별 도체층(36)의 각각은, 하면에서 보아 원형을 하고 있고, 두께(h)(상하 높이)가 직경(W)보다도 작은 원주 형상을 하고 있다. 제2 도체층(35)의 주기 구조의 주기는, 가로 방향의 주기 Λ1=D1+W, 세로 방향의 주기 Λ2=D2+W이다. 본 실시형태에서는, D1=D2로 하고, 따라서 Λ1=Λ2로 했다. 제2 도체층(35)(개별 도체층(36))의 재질은, 예컨대 금속 등의 도체이며, 전술한 제1 도체층(31)과 동일한 재질을 이용할 수 있다. 제1 도체층(31) 및 제2 도체층(35) 중 적어도 한쪽이 금속이어도 좋다. 본 실시형태에서는, 제2 도체층(35)의 재질은 제1 도체층(31)과 동일한 금으로 했다.
이와 같이, 메타 물질 구조체(30)는, 제1 도체층(31)과, 주기 구조를 갖는 제2 도체층(35)(개별 도체층(36))과, 제1 도체층(31) 및 제2 도체층(35)에 끼워진 유전체층(33)을 갖고 있다. 이것에 의해, 메타 물질 구조체(30)는, 발열체(13)로부터 열에너지를 입력하면 비플랑크 분포의 피크 파장을 갖는 적외선을 방사 가능하게 되어 있다. 또, 플랑크 분포란, 가로축을 우측으로 갈수록 길어지는 파장으로 하고, 세로축을 복사 강도로 한 그래프상에 있어서, 특정한 피크를 갖는 산형의 분포이며, 피크보다도 좌측의 경사가 급하고, 피크보다도 우측의 경사가 완만한 형상을 갖는 곡선이다. 통상의 재료는 이 곡선(플랑크 방사 곡선)에 따라서 방사를 한다. 비플랑크 방사(비플랑크 분포의 피크 파장을 갖는 적외선의 방사)란, 그 방사의 최대 피크를 중심으로 한 산형의 경사가, 상기의 플랑크 방사에 비교하여 급경사인 것 같은 방사이다. 즉, 메타 물질 구조체(30)는, 최대 피크가 플랑크 분포의 피크보다도 급경사인 방사 특성을 갖는다. 또, 「플랑크 분포의 피크보다도 급경사」는, 「플랑크 분포의 피크보다도 반값폭(FWHM:full width at half maximum)이 좁은」것을 의미한다. 이것에 의해, 메타 물질 구조체(30)는, 적외선의 전체 파장 영역(0.7μm∼1000μm) 중, 특정한 파장의 적외선을 선택적으로 방사하는 특성을 갖는 메타 물질 에미터로서 기능한다. 이 특성은, 자기성 양극화(Magnetic polariton)로 설명되는 공명 현상에 의한 것으로 생각되고 있다. 또, 자기성 양극화란, 상하 2장의 도체(제1 도체층(31) 및 제2 도체층(35))에 반평행 전류가 여기되고, 그 사이의 유전체(유전체층(33)) 내에 있어서 강한 자장의 차폐 효과가 얻어지는 공명 현상인 것이다. 이것에 의해, 메타 물질 구조체(30)에서는, 제1 도체층(31) 및 개별 도체층(36)에서 국소적으로 강한 전장의 진동이 여기되는 것으로부터 이것이 적외선의 방사원이 되고, 적외선이 주위 환경(여기서는 특히 아래쪽)으로 방사된다. 또한, 이 메타 물질 구조체(30)에서는, 제1 도체층(31), 유전체층(33) 및 제2 도체층(35)의 재질이나, 개별 도체층(36)의 형상 및 주기 구조를 조정함으로써, 공명 파장을 조정할 수 있다. 이것에 의해, 메타 물질 구조체(30)의 제1 도체층(31) 및 개별 도체층(36)으로부터 방사되는 적외선은, 특정한 파장의 적외선의 방사율이 높아지는 특성을 나타낸다. 즉, 메타 물질 구조체(30)는, 반값폭이 비교적 작고 방사율이 비교적 높은 급경사인 최대 피크를 갖는 적외선을 방사하는 특성을 갖는다. 또, 본 실시형태에서는, D1=D2로 했지만, 간격 D1과 간격 D2가 상이해도 좋다. 주기 Λ1 및 주기 Λ2에 관해서도 동일하다. 또 반값폭은 주기 Λ1 및 주기 Λ2를 변경함으로써 제어할 수 있다. 메타 물질 구조체(30)는, 소정의 방사 특성에 있어서의 전술한 최대 피크가 파장 6μm 이상 7μm 이하의 범위 내에 있어도 좋고, 2.5μm 이상 3.5μm 이하의 범위 내에 있어도 좋다. 또한, 메타 물질 구조체(30)는, 최대 피크의 상승으로부터 하강까지의 파장 영역 이외의 파장 영역에서의 적외선의 방사율이 값 0.2 이하인 것이 바람직하다. 메타 물질 구조체(30)는, 최대 피크의 반값폭이 1.0μm 이하인 것이 바람직하다. 메타 물질 구조체(30)의 방사 특성은, 최대 피크를 중심으로 하여 대략 좌우 대칭 형상을 갖고 있어도 좋다. 또한, 메타 물질 구조체(30)의 최대 피크의 높이(최대 복사 강도)는, 전술한 플랑크 방사의 곡선을 상회하는 일은 없다.
또, 이러한 메타 물질 구조체(30)는, 예컨대 이하와 같이 형성할 수 있다. 우선, 지지 기판(20)의 표면(도 1에서는 하면)에 스퍼터링에 의해 접착층 및 제1 도체층(31)을 이 순서로 형성한다. 다음에, 제1 도체층(31)의 표면(도 1에서는 하면)에 ALD 법(atomic layer deposition:원자층 퇴적법)에 의해 유전체층(33)을 형성한다. 계속해서, 유전체층(33)의 표면(도 1에서는 하면)에 소정의 레지스트 패턴을 형성하고 나서 헬리콘 스퍼터링법에 의해 제2 도체층(35)의 재질로 이루어지는 층을 형성한다. 그리고, 레지스트 패턴을 제거함으로써, 제2 도체층(35)(복수의 개별 도체층(36))을 형성한다.
저방사층(40)은, 히터 본체(11)의 표면 중, 발열체(13)로부터 보아 메타 물질 구조체(30)와는 반대측의 표면(도 1에서는 상면)에 배치되어 있다. 이 저방사층(40)은, 메타 물질 구조체(30)의 평균 방사율보다도 낮은 평균 방사율을 갖는다. 여기서, 「평균 방사율」이란, 적외선의 전체 파장 영역(0.7μm∼1000μm)에 있어서의 평균의 방사율을 의미한다. 따라서, 저방사층(40)의 쪽이 메타 물질 구조체(30)보다도 방사율이 높은 파장 영역이 존재하고 있었다고 해도, 전체로서 저방사층(40)의 쪽이 방사율이 낮으면 좋다. 또한, 메타 물질 구조체(30)와 저방사층(40)과의 각각의 평균 방사율은, 각각을 동일한 온도로 했을 때의 방사율에 기초하여 도출한 값으로 한다. 저방사층(40)은, 방사율이 낮은 재질을 이용하는 것이 바람직하다. 저방사층(40)의 재질로서는, 예컨대, 금 또는 알루미늄(Al) 등을 들 수 있다. 본 실시형태에서는, 저방사층(40)은 금으로 했다. 또, 저방사층(40)은, 예컨대 보호 부재(14)의 표면(여기서는 상면) 전체에 스퍼터링 등을 이용하여 형성할 수 있다.
케이싱(50)은, 원통부(52)와, 적외선 투과판(54)(적외선 투과부의 일례)과, 협지 부재(55, 56)와, 판형 부재(57, 58)를 구비하고 있다. 원통부(52)는, 축방향이 상하 방향을 따른 부재이며 상단 및 하단이 개구하고 있다. 적외선 투과판(54)은, 원통부(52)의 하단의 개구를 막도록 배치되어 있다. 적외선 투과판(54)은, 메타 물질 구조체(30)로부터의 적외선을 케이싱(50)의 외부에 투과하는 창의 역할을 한다. 적외선 투과판(54)은, 메타 물질 구조체(30)로부터 방사되는 적외선 중 최대 피크의 상승으로부터 하강까지의 파장 영역의 적어도 일부의 파장 영역의 적외선을 투과 가능하다. 적외선 투과판(54)은, 메타 물질 구조체(30)로부터 방사되는 적외선 중 최대 피크를 포함하는 파장 영역을 적어도 투과 가능한 것이 바람직하고, 최대 피크의 반값폭 영역을 포함하는 파장 영역을 적어도 투과 가능한 것이 보다 바람직하다. 적외선 투과판(54)의 재질로서는, 예컨대 석영(파장 3.5μm 이하의 적외선을 투과), 투명 알루미나(파장 5.5μm 이하의 적외선을 투과), 형석(불화칼슘, CaF2, 파장 8μm 이하의 적외선을 투과) 등을 들 수 있다. 적외선 투과판(54)의 재질은, 예컨대 메타 물질 구조체(30)로부터의 적외선의 최대 피크에 따라서 적절하게 선택해도 좋다. 케이싱(50)은, 원통부(52), 판형 부재(57) 및 적외선 투과판(54)으로 둘러싸이는 내부 공간(53)을 갖고 있다. 협지 부재(55, 56)는, 상면에서 보아 원형인 개구를 갖는 판형 부재이며, 적외선 투과판(54)을 원통부(52)보다도 외측에서 상하로부터 협지하여 적외선 투과판(54)을 고정하고 있다. 적외선 투과판(54)과 협지 부재(55, 56)와의 사이에는 각각 예컨대 O 링 등의 밀봉 부재(63, 64)가 배치되어, 내부 공간(53) 내와 케이싱(50)의 외부와의 사이를 밀봉하고 있다. 협지 부재(55, 56)는, 볼트 등의 복수의 고정 금구(61)(도 1에서는 2개만 도시)에 의해서 상하 방향으로 서로 접근하도록 압압되어 고정되고 있다. 판형 부재(57, 58)는 상면에서 보아 원형인 판형 부재이다. 판형 부재(57)는, 원통부(52)의 상단의 개구를 막도록 배치되어 있고, 판형 부재(57)의 하면(57a)이 내부 공간(53)에 노출하고 있다. 판형 부재(58)는 상면에서 보아 원형인 개구를 갖고, 이 개구에 원통부(52)의 상단이 삽입되어 있다. 판형 부재(57, 58)의 사이에는 예컨대 O 링 등의 밀봉 부재(65)가 배치되어 있다. 판형 부재(57, 58)는, 복수의 고정 금구(62)(도 1에서는 2개만 도시)에 의해서 서로 상하 방향으로 서로 접근하도록 압압되어 고정되어 있다. 고정 금구(62)는, 예컨대 볼트 및 너트 등으로 이루어진다.
원통부(52), 협지 부재(55, 56) 및 판형 부재(57, 58)의 재질로서는, 예컨대 스테인레스강 또는 알루미늄 등을 들 수 있다. 또한, 케이싱(50) 중 내부 공간(53)을 형성하고 그리고 적외선 투과판(54) 이외의 부재(여기서는 원통부(52) 및 판형 부재(57))는, 적외선을 반사 가능한 재질인 것이 바람직하다. 또한, 케이싱(50) 중 내부 공간(53)에 노출하고 그리고 적외선 투과판(54) 이외의 부재의 면(적외선 반사부의 일례이며, 여기서는 원통 내면(52a) 및 하면(57a))은, 특히 적외선의 반사율이 높은 것이 바람직하다. 예컨대, 원통 내면(52a) 및 하면(57a)의 적외선의 반사율은, 50% 이상으로 해도 좋고, 80% 이상, 90% 이상으로 해도 좋다. 본 실시형태에서는, 원통부(52) 및 판형 부재(57)는 스테인레스강이며, 원통 내면(52a) 및 하면(57a)은 바프 연마 등의 연마에 의해 반사율이 높여져 있다. 또, 원통 내면(52a)은, 케이싱(50) 중 내부 공간(53)에 노출하는 측면(히터 본체(11)의 전후 좌우에 위치하는 면)이다. 또한, 하면(57a)은, 케이싱(50) 중 내부 공간(53)에 노출하는 천장면이며, 발열체(13)로부터 보아 메타 물질 구조체(30)와는 반대측(여기서는 위쪽)에 위치하는 면이다.
이 케이싱(50)은, 위쪽에 배관(66) 및 실링 그랜드(67)가 부착되어 있다. 배관(66)의 내부는, 원통부(52) 및 판형 부재(57)에 형성된 관통 구멍을 개재하여 내부 공간(53)과 연통하고 있다. 배관(66)에는 진공계(81) 및 도시하지 않는 진공 펌프가 접속되어 있고, 진공 펌프의 동작에 의해서 내부 공간(53)을 감압 가능하게 되어 있다. 실링 그랜드(67)의 내부를 전기 배선(15)이 삽입 관통되어 있음으로써, 내부 공간(53) 내와 외부 공간과의 사이를 밀봉하면서 발열체(13)의 전기 배선(15)이 외부에 인출되고 있다.
고정부(70)는, 히터 본체(11)를 내부 공간(53) 내에서 지지하는 부재이다. 고정부(70)는, 한 쌍의 너트(71, 72)와, 스페이서(71a, 72a)와, 가이드축(73)과, 지지판(75)과, 고정 금구(76)를 구비하고 있다. 너트(71, 72)는, 히터 본체(11)의 지지 기판(20)을 상하로부터 협지하는 한 쌍의 부재이며, 고정부(70)는 복수 쌍(예컨대 4쌍이며, 도 1에서는 2쌍만 도시)의 너트(71, 72)를 구비하고 있다. 스페이서(71a)는 너트(71)와 지지 기판(20)과의 사이에 배치되고, 스페이서(72a)는 너트(72)와 지지 기판(20)과의 사이에 배치되어 있다. 지지 기판(20)은, 스페이서(71a, 72a)를 개재하여 너트(71, 72) 및 가이드축(73)과 접하고 있다. 지지 기판(20)으로부터 너트(71, 72) 및 가이드축(73)으로의 열전도를 저감시킬 수 있기 때문에, 스페이서(71a, 72a)는 열전도율이 낮은 재질(예컨대, 세라믹스, 유리, 수지 등)을 이용하는 것이 바람직하다. 가이드축(73)은, 너트(71, 72), 스페이서(71a, 72a), 및 지지 기판(20)을 관통하여 이들을 지지하는 막대형의 부재이다. 가이드축(73)은, 너트(71, 72)와 동일한 수(본 실시형태에서는 4개이며, 도 1에서는 2개만 도시)만큼 설치되어 있다. 복수의 가이드축(73)은, 지지판(75) 및 지지판(75)을 관통하는 고정 금구(76)를 개재하여 판형 부재(57)에 부착되어 고정되어 있다. 이것에 의해, 고정부(70)는, 히터 본체(11)를 케이싱(50)으로부터 이격시킨 상태로 지지하고 있다. 또, 히터 본체(11)의 지지 기판(20)은, 상면에서 보아 발열부(12) 및 메타 물질 구조체(30)보다도 큰 부재이며, 이들보다도 수평 방향으로 밀려나고 있다. 그 때문에, 가이드축(73)은 히터 본체(11) 중 지지 기판(20)만을 관통하고 있다. 또한, 가이드축(73)은 숫나사가 형성되어 있고, 너트(71, 72)는 가이드축(73)을 따라서 상하 위치를 변경 가능하게 되어 있다. 이것에 의해, 히터 본체(11)의 상하 방향의 위치(예컨대 적외선 투과판(54)과의 거리)를 변경 가능하게 되어 있다.
이러한 적외선 히터(10)의 사용예를 이하에 설명한다. 우선, 도시하지 않는 진공 펌프를 이용하여, 내부 공간(53)을 소정의 감압 분위기로 한다. 특별히 한정하는 것은 아니지만, 내부 공간(53)은 공기 분위기 또는 불활성 가스 분위기(예컨대 질소 분위기)로 해도 좋다. 내부 공간(53)의 감압 후의 압력은, 100 Pa 이하로 한다. 또, 내부 공간(53)의 감압 후의 압력은, 0.01 Pa 이상으로 해도 좋다. 또한, 도시하지 않는 전원으로부터 전기 배선(15)을 개재하여 발열체(13)의 양끝에 전력을 공급한다. 전력의 공급은, 예컨대 발열체(13)의 온도가 미리 설정된 온도(특별히 한정하는 것은 아니지만, 여기서는 320℃로 함)가 되도록 행한다. 소정의 온도에 달한 발열체(13)로부터는, 전도·대류·방사의 전열 3형태 중 주로 전도에 의해 주위에 에너지가 전달되고, 메타 물질 구조체(30)가 가열된다. 그 결과, 메타 물질 구조체(30)는 소정 온도(여기서는 예컨대 300℃로 함)로 상승하고, 방사체가 되어, 적외선을 방사하게 된다. 이 때, 메타 물질 구조체(30)가 전술한 바와 같이 제1 도체층(31), 유전체층(33) 및 제2 도체층(35)을 가짐으로써, 히터 본체(11)는, 비플랑크 분포의 피크 파장을 갖는 적외선을 방사한다. 보다 구체적으로는, 히터 본체(11)는, 메타 물질 구조체(30)의 제1 도체층(31) 및 개별 도체층(36)으로부터, 특정한 파장 영역의 적외선을 선택적으로 방사한다. 그리고, 제1 도체층(31) 및 개별 도체층(36)으로부터 방사된 특정한 파장 영역의 적외선은, 적외선 투과판(54)을 투과하여 적외선 히터(10)의 아래쪽으로 방사된다. 이것에 의해, 적외선 히터(10)는, 적외선 투과판(54)의 아래쪽에 배치된 대상물에 대하여, 특정한 파장 영역의 적외선을 선택적으로 방사할 수 있다. 그 때문에, 예컨대 이 특정한 파장 영역의 적외선의 흡수율이 비교적 높은 대상물에 대하여, 효율좋게 적외선을 방사하여 가열 등을 행할 수 있다.
이상 상세하게 설명한 본 실시형태의 적외선 히터(10)에서는, 히터 본체(11)는 메타 물질 구조체(30)를 갖고 있기 때문에, 특정한 파장 영역 이외의 파장 영역에서의 적외선의 방사율이 비교적 낮다. 그 때문에, 적외선 히터(10)는, 예컨대 메타 물질 구조체(30)를 갖지 않고 발열체(13)로부터의 적외선을 직접 방사하는 것 같은 통상의 적외선 히터와 비교하여, 동일한 전력을 투입한 경우에 히터 본체(11)의 온도가 상승하기 쉽다. 일반적으로, 히터 본체(11)의 온도가 높을수록 히터 본체(11)와 내부 공간(53) 내의 기체와의 사이에서 대류 열전달이 생기기 쉬워지고, 히터 본체(11)로부터 케이싱(50)으로의 대류 열전달이 증가한다. 그 때문에, 메타 물질 구조체(30)를 구비한 적외선 히터(10)에서는, 일반적으로 대류 손실에 의한 에너지 효율이 저하되기 쉽다. 그러나, 본 실시형태의 적외선 히터(10)는, 내부 공간(53)을 감압 상태로 하여 사용함으로써, 내부 공간(53)이 상압인 경우와 비교하여 히터 본체(11)로부터 내부 공간(53) 내로의 대류 열전달이 적어지고, 대류 손실을 억제할 수 있다. 따라서, 메타 물질 구조체(30)를 갖는 적외선 히터(10)의 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 적외선 히터(10)는, 히터 본체(11)와는 떨어져 배치되고, 히터 본체(11)측과 대상물측 중 적어도 한쪽에 적외선을 반사 가능한 원통 내면(52a) 및 하면(57a)을 구비하고 있다. 이 원통 내면(52a) 및 하면(57a)이 적외선을 반사 가능함으로써 히터 본체(11)로부터 방사된 적외선의 에너지의 적어도 일부를, 반사에 의해 히터 본체(11)와 대상물 중 적어도 한쪽에 투입할 수 있고, 에너지 효율이 보다 향상된다.
또한, 적외선 히터(10)에 있어서, 히터 본체(11)는, 발열체(13)로부터 보아 메타 물질 구조체(30)와는 반대측의 표면(도 1의 상면)에 배치되어 메타 물질 구조체(30)의 평균 방사율보다도 낮은 평균 방사율을 갖는 저방사층(40)을 구비하고 있다. 그 때문에, 발열체(13)로부터 메타 물질 구조체(30)와는 반대측으로 방사되어 버리는 적외선의 에너지를 적게 할 수 있어, 에너지 효율이 보다 향상된다.
또한, 본 발명은 전술한 실시형태에 전혀 한정되는 일은 없고, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러 가지의 양태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.
예컨대, 전술한 실시형태에서는, 메타 물질 구조체(30)는 제1 도체층(31)과 유전체층(33)과 제2 도체층(35)을 갖고 있었지만, 이것에 한정되지 않는다. 메타 물질 구조체(30)는, 발열체(13)로부터 열에너지를 입력하면 비플랑크 분포의 피크 파장을 갖는 적외선을 방사 가능한 구조체이면 좋다. 예컨대, 메타 물질 구조체는, 복수의 마이크로 캐비티를 갖는 마이크로 캐비티 형성체로서 구성되어 있어도 좋다. 도 3은, 변형예의 히터 본체(11A)의 부분 단면도이다. 도 4는, 변형예의 메타 물질 구조체(30a)의 부분 저면 사시도이다. 히터 본체(11A)는, 메타 물질 구조체(30)를 구비하지 않는 대신에, 메타 물질 구조체(30a)를 구비하고 있다. 메타 물질 구조체(30a)는, 적어도 표면(여기서는 측면(42A) 및 저면(44A))이 도체층(35A)으로 이루어지고 전후 좌우 방향의 주기 구조를 구성하는 복수의 마이크로 캐비티(41A)를 갖고 있다. 메타 물질 구조체(30a)는, 히터 본체(11A)의 발열체(13)측으로부터 아래쪽을 향해서, 본체층(31A)과, 오목부 형성층(33A)과, 도체층(35A)을 이 순서로 구비하고 있다. 본체층(31A)은, 예컨대 유리 기판 등으로 이루어진다. 오목부 형성층(33A)은, 예컨대 수지나, 세라믹스 및 유리 등의 무기 재료 등으로 이루어지고, 본체층(31A)의 하면에 형성되어 원주형의 오목부를 형성하고 있다. 오목부 형성층(33A)은, 제2 도체층(35)과 동일한 재료라도 좋다. 도체층(35A)은, 메타 물질 구조체(30a)의 표면(하면)에 배치되어 있고, 오목부 형성층(33A)의 표면(하면 및 측면)과, 본체층(31A)의 하면(오목부 형성층(33A)이 배치되어 있지 않은 부분)을 덮고 있다. 도체층(35A)은 도체로 이루어지고, 재질로서는, 예컨대 금, 니켈 등의 금속이나 도전성 수지 등을 들 수 있다. 마이크로 캐비티(41A)는, 이 도체층(35A)의 측면(42A)(오목부 형성층(33A)의 측면을 덮는 부분)과, 저면(44A)(본체층(31A)의 하면을 덮는 부분)으로 둘러싸이고, 아래쪽으로 개구한 대략 원주 형상의 공간이다. 마이크로 캐비티(41A)는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 전후 좌우로 나란하여 복수 배치되어 있다. 또, 메타 물질 구조체(30a)의 하면이 대상물에 적외선을 방사하는 방사면(38A)으로 되어 있다. 구체적으로는, 메타 물질 구조체(30a)가 발열체(13)로부터의 에너지를 흡수하면, 저면(44A)과 측면(42A)으로 형성되는 공간 내에서의 입사파와 반사파와의 공진 작용에 의해, 방사면(38A)으로부터 아래쪽의 대상물을 향해서 특정한 파장의 적외선이 강하게 방사된다. 이것에 의해, 메타 물질 구조체(30a)는, 메타 물질 구조체(30)와 동일하게, 비플랑크 분포의 피크 파장을 갖는 적외선을 방사 가능하게 되어 있다. 또, 복수의 마이크로 캐비티(41A)의 각각의 원주의 직경 및 깊이를 조정함으로써, 메타 물질 구조체(30a)의 방사 특성을 조정할 수 있다. 또, 마이크로 캐비티(41A)는 원주에 한정하지 않고 다각 기둥 형상이라도 좋다. 마이크로 캐비티(41A)의 깊이는, 예컨대 1.5μm 이상 10μm 이하로 해도 좋다. 이러한 히터 본체(11A)를 갖는 적외선 히터(10)에 있어서도, 전술한 실시형태와 동일하게, 사용시의 내부 공간(53)이 감압 분위기인 것으로, 사용시의 히터 본체(11A)의 대류 손실이 억제되어, 에너지 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 또, 이러한 메타 물질 구조체(30a)는, 예컨대 이하와 같이 형성할 수 있다. 우선, 본체층(31A)의 하면이 되는 부분에 주지의 나노 임프린트에 의해 오목부 형성층(33A)을 형성한다. 그리고, 오목부 형성층(33A)의 표면 및 본체층(31A)의 표면을 덮도록, 예컨대 스퍼터링에 의해 도체층(35A)을 형성한다.
전술한 실시형태에서는, 히터 본체(11)는 저방사층(40)을 갖고 있었지만, 이것을 생략해도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 케이싱(50) 중 히터 본체(11)로부터의 적외선을 투과하는 것은 적외선 투과판(54) 뿐이었지만, 이것에 한정하지 않고 예컨대 케이싱(50) 전체가 적외선 투과부라도 좋다. 예컨대, 케이싱(50)을 원통형으로 하고, 케이싱(50) 전체를 적외선 투과판(54)과 동일한 적외선 투과 재료(예컨대 석영 유리)로 형성해도 좋다. 이 경우, 히터 본체(11)는 원주형으로 해도 좋다. 보다 구체적으로는, 히터 본체(11)가, 원주형의 발열부(12)와, 그 발열부(12)의 표면에 배치된 메타 물질 구조체(30)를 갖고 있어도 좋다. 또한, 이와 같이 케이싱(50) 전체가 적외선 투과 재료인 경우, 케이싱(50)의 외측의 상면 또는 상측의 내주면에 적외선 반사부로서 반사층을 형성해도 좋다. 이러한 반사층의 재질로서는, 예컨대 금이나 알루미늄 등을 들 수 있다. 또한, 케이싱(50)은 동심원형상으로 배치된 2중의 원통형의 관이라도 좋다. 이 경우, 내측의 원통형의 관의 내측에 히터 본체(11)를 배치하면 좋다. 또한, 내측의 원통형의 관과 외측의 원통형의 관과의 사이의 공간에 냉매(예컨대 공기)를 유통시켜 케이싱(50)을 냉각 가능하게 구성해도 좋다.
케이싱(50)이 적외선 투과판(54)과 동일한 적외선 투과 재료로 형성되어 있는 경우의 예를, 도 5, 6을 이용하여 설명한다. 도 5, 6은, 변형예의 적외선 히터(110)의 단면도이다. 도 5는 케이싱(150)의 축방향을 따른 단면도이며, 도 6은 케이싱(150)의 축방향에 수직한 단면도이다. 적외선 히터(110)의 구성 요소 중 적외선 히터(10)와 동일한 구성 요소에 관해서는 동일한 부호를 붙여, 상세한 설명을 생략한다. 적외선 히터(110)는, 히터 본체(111)와, 케이싱(150)과, 반사층(159)과, 열전대(185)를 구비하고 있다. 히터 본체(111)는, 케이싱(150)의 내부 공간(153) 내에 배치되어 있고, 평판형으로 형성되어 있다. 히터 본체(111)의 발열부(12)의 재질은, 여기서는 칸탈(등록 상표: 철, 크롬, 및 알루미늄을 포함하는 합금)로 했다. 히터 본체(111)는, 지지 기판(20)으로서, 발열부(12)의 상면 및 하면에 각각 배치된 지지 기판(20a, 20b)을 구비하고 있다. 지지 기판(20a, 20b)은, 여기서는 석영 유리로 했다. 히터 본체(111)는, 메타 물질 구조체(30)로서, 지지 기판(20a)의 상면 및 지지 기판(20b)의 하면에 각각 배치된 메타 물질 구조체(30a, 30b)를 구비하고 있다. 메타 물질 구조체(30a, 30b)의 각각의 구조는 도 1에 나타낸 메타 물질 구조체(30)와 동일하다. 메타 물질 구조체(30a)와 메타 물질 구조체(30b)는 상하 대칭으로 구성되어 있고, 메타 물질 구조체(30a)는 주로 위쪽으로 적외선을 방사하고, 메타 물질 구조체(30b)는 주로 아래쪽으로 적외선을 방사한다. 히터 본체(111)의 길이 방향(도 5의 좌우 방향)의 양끝의 각각에는, 발열부(12)와 도통하는 막대형 도체(115)가 부착되어 있다. 막대형 도체(115)는, 케이싱(150)의 축방향의 양끝으로부터 외부에 인출되고 있고, 이 막대형 도체(115)를 개재하여 발열체(13)에 외부로부터 전력을 공급 가능하다. 막대형 도체(115)는, 케이싱(150) 내에서 히터 본체(111)를 지지하는 역할도 한다. 막대형 도체(115)의 재질은, 여기서는 Mo로 했다. 열전대(185)는, 히터 본체(111)의 표면의 온도를 측정하는 온도 센서의 일례이며, 히터 본체(111)의 표면으로부터 케이싱(150)을 관통하여 외부에 인출되고 있다. 케이싱(150)은, 전술한 적외선 투과판(54)과 동일하게 적외선 투과 재료로 형성되어 있다. 여기서는 케이싱(150)은 석영 유리(파장 3.5μm 이하의 적외선을 투과)로 했다. 케이싱(150)은, 대략 원통형의 형상을 하고 있다. 케이싱(150)의 내측의 내부 공간(153) 내에, 히터 본체(111)가 배치되어 있다. 케이싱(150)의 축방향의 양끝은 만곡한 끝이 가는 형상을 하고 있고, 이 양끝으로부터 막대형 도체(115)가 외부에 인출되고 있다. 내부 공간(153)은, 적외선 히터(110)의 제조시에 미리 감압 분위기로 조정되어 있다. 케이싱(150) 중 내부 공간(153)으로부터 외부에 막대형 도체(115) 및 열전대(185)가 인출되는 부분은, 케이싱(150)을 용융시킨 용융부를 설치함으로써 밀봉되어 있다. 다만, 이 부분을 케이싱(150)과는 별도의 밀봉재를 이용하여 밀봉해도 좋다. 반사층(159)은, 적외선 반사부의 일례이며, 케이싱(150)의 외주면의 일부를 덮도록 배치되어 있다. 이 때문에, 반사층(159)은, 히터 본체(111)의 주위의 일부만을 덮도록 설치되어 있다. 반사층(159)은, 히터 본체(111)로부터 보아 케이싱(150)의 길이 방향에 수직한 방향(여기서는 도 5, 6의 상방향)에 배치되어 있다. 반사층(159)은, 케이싱(150)의 외측의 상면에 배치되어 있다. 여기서는, 반사층(159)은, 케이싱(150)의 외주면의 상측 절반을 모두 덮고 있는 것으로 하였다(도 6 참조). 반사층(159)은, 메타 물질 구조체(30a)와 대향하도록 배치되어 있고, 메타 물질 구조체(30a)의 적외선의 주된 방사 방향(여기서는 상방향)에 위치하고 있다. 반사층(159)의 재질로서는, 예컨대 금, 백금, 알루미늄 등을 들 수 있다. 여기서는 반사층(159)은 금으로 했다. 반사층(159)은, 케이싱(150)의 표면에 도포 건조, 스퍼터링이나 CVD, 용사라는 성막 방법을 이용하여 형성해도 좋다. 이렇게 해서 구성된 적외선 히터(110)에서는, 메타 물질 구조체(30b)로부터는 주로 아래쪽으로 적외선이 방사되고, 방사된 적외선은 케이싱(150)을 투과하여 적외선 히터(110)의 아래쪽에 배치된 대상물에 도달한다. 적외선 히터(110)에서는, 내부 공간(153)이 감압되어 있기 때문에, 전술한 실시형태와 동일하게 에너지 효율이 보다 향상된다. 또한, 메타 물질 구조체(30a)로부터는 주로 위쪽으로 적외선이 방사되고, 방사된 적외선은 반사층(159)에서 반사되어 히터 본체(111)와 대상물 중 적어도 한쪽(여기서는 주로 히터 본체(111)로 함)에 투입된다. 그 때문에, 적외선 히터(110)의 에너지 효율이 보다 향상된다. 여기서, 케이싱(150)은 전체가 적외선 투과부로서 기능하지만, 특히 반사층(159)이 배치되어 있지 않은 부분(여기서는 케이싱(150)의 하측 절반)이 적외선 투과부로서 기능하고, 이 부분으로부터 대상물에 적외선을 방사할 수 있다.
전술한 변형예의 적외선 히터(110)에서는, 반사층(159)은 케이싱(150)의 외주면에 배치되어 있었지만, 외주면에 한정하지 않고 케이싱(150)의 외측에 배치되어 있으면 좋다. 예컨대, 반사층(159)의 대신에 독립된 부재로서의 반사부를 케이싱(150)의 외측에 배치해도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 케이싱(50) 중 내부 공간(53)에 노출하고 그리고 적외선 투과판(54) 이외의 부재의 면(여기서는 원통 내면(52a) 및 하면(57a))을 모두 적외선 반사부로 했지만, 이것에 한정하지 않고 케이싱(50) 중 내부 공간(53)에 노출하는 면의 적어도 일부가 적외선 반사부라도 좋다. 또한, 적외선 반사부를 케이싱(50)과는 별도의 부재로 해도 좋다. 예컨대, 원통 내면(52a) 및 하면(57a) 중 적어도 한쪽에 적외선 반사부로서 반사층을 형성해도 좋다. 혹은, 케이싱(50)과는 독립된 부재로서, 원통 내면(52a)과 히터 본체(11)와의 사이에 적외선 반사부를 배치하거나, 하면(57a)과 히터 본체(11)와의 사이에 적외선 반사부를 배치하거나 해도 좋다. 또한, 적외선 히터(10)는 적외선 반사부를 갖지 않아도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 케이싱(50)에 부착된 배관(66)을 이용하여, 적외선 히터(10)의 사용시에 진공 펌프에 의해 내부 공간(53)을 감압 분위기로 했지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 적외선 히터(10)의 제조시에, 내부 공간(53)을 감압 분위기로 한 상태로 내부 공간(53)과 외부 공간의 사이를 밀봉해 두어도 좋다. 이 경우, 케이싱(50)에는 배관(66)이 부착되어 있지 않아도 좋다.
전술한 실시형태에서는, 고정부(70)가 히터 본체(11)를 케이싱(50)으로부터 이격시킨 상태로 지지하고 있었지만, 이것에 한정되지 않는다. 예컨대, 히터 본체(11)의 상면(예컨대 발열부(12) 중 메타 물질 구조체(30)와는 반대측의 면)이 케이싱(50)에 접촉하고 있어도 좋다. 이 경우, 히터 본체(11)는 저방사층(40)을 갖지 않아도 좋다. 다만, 히터 본체(11)와 케이싱(50)이 이격하고 있는 쪽이, 양자간의 열전도를 억제할 수 있고 에너지 효율이 보다 향상되기 때문에, 바람직하다.
실시예
이하에는, 적외선 히터를 구체적으로 제작한 예를 실시예로서 설명한다. 또, 본 발명은 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
도 1, 2에 나타낸 적외선 히터(10)를 제작했다. 다만, 히터 본체(11)는 저방사층(40)을 구비하지 않는 것으로 했다. 또, 메타 물질 구조체(30)의 재질은, 제1 도체층(31) 및 제2 도체층(35)을 금으로 하고, 유전체층(33)을 알루미나로 했다. 제1 도체층(31)의 두께(f)를 100 nm, 유전체층(33)의 두께(d)를 176.3 nm, 제2 도체층(35)(개별 도체층(36))의 두께(h)를 55 nm로 했다. 또한, 개별 도체층(36)의 직경(W)은 2.16μm로 하고, 주기 Λ1, Λ2는 모두 4.00μm로 했다. 제작된 메타 물질 구조체(30)를 구비하는 히터 본체(11)의 방사 특성은, 최대 피크의 피크 파장이 6.7μm였다. 케이싱(50)은, 내부 공간(53)의 내직경(즉 원통부(52)의 내직경)을 108 mm, 내부 공간(53)의 상하 방향의 높이를 85 mm로 했다. 적외선 투과판(54)은 두께 7 mm의 석영 유리로 했다. 적외선 투과판(54) 중 적외선을 투과 가능한 부분(협지 부재(55, 56)에 협지되어 있지 않은 부분의 면적)은, 상면에서 보아 직경 108 mm의 원형으로 했다. 원통 내면(52a) 및 하면(57a)은 #400으로 버프 연마했다. 이 적외선 히터(10)를 이용하여, 내부 공간(53)을 진공(9.1 Pa)의 상태로 했다. 다음에, 히터 본체(11)가 300℃가 될 때까지 발열체(13)에 전력을 투입하고, 300℃가 되었을 때의 투입 전력을 측정한 바, 18.3 W였다. 동일하게, 투입 전력을 바꾸어 히터 본체(11)의 온도와의 관계를 측정한 바, 259℃에서 13.5 W, 207℃에서 9.1 W였다. 또, 히터 본체(11)의 온도는, 메타 물질 구조체(30)의 표면에 열전대를 접촉시켜 측정했다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일한 적외선 히터(10)를 이용하여, 내부 공간(53)을 대기 분위기로 한 상태로, 실시예 1과 동일한 시험을 행하고 비교예 1로 했다. 비교예 1에서는, 히터 본체(11)(메타 물질 구조체(30))가 300℃일 때의 발열체(13)로의 투입 전력은 36.1 W였다. 동일하게, 투입 전력을 바꾸어 히터 본체(11)의 온도와의 관계를 측정한 바, 255℃에서 26.7 W, 208℃에서 18.7 W, 140℃에서 9.9 W였다.
[실시예 2]
히터 본체(11)가 저방사층(40)을 구비하는 점 이외에는 실시예 1과 동일한 적외선 히터(10)를 이용하여, 내부 공간(53)을 진공(9.1 Pa)의 상태로 하여, 실시예 1과 동일한 시험을 행하고, 실시예 2로 했다. 또, 저방사층(40)은, 두께 11μm의 알루미늄으로 했다. 실시예 2에서는, 히터 본체(11)(메타 물질 구조체(30))가 300℃일 때의 발열체(13)로의 투입 전력은 13.4 W였다.
도 7은, 실시예 1, 2 및 비교예 1에 관한, 발열체(13)로의 투입 전력과 히터 본체의 온도와의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 7로부터 알 수 있듯이, 투입 전력이 동일 정도인 경우에서 비교하면, 실시예 1, 2는 모두 비교예 1과 비교하여 히터 본체의 온도가 높게 되어 있었다. 또한, 히터 본체(11)를 동일한 300℃까지 상승시키는 데 필요한 투입 전력을 비교하면, 실시예 1은 비교예 1과 비교하여 투입 전력이 약 절반으로 되어 있고, 또한 실시예 2는 실시예 1과 비교하여 투입 전력이 약 3/4(비교예 1과 비교하면 약 1/3)으로 되어 있었다. 이 실시예 1, 2와 비교예 1과의 비교로부터, 동일한 메타 물질 구조체(30)를 갖는 적외선 히터(10)에 있어서, 내부 공간이 상압인 비교예 1과 비교하여, 내부 공간을 감압한 실시예 1, 2 쪽이 에너지 효율이 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 실시예 1과 실시예 2와의 비교로부터, 히터 본체(11)가 저방사층(40)을 구비하는 실시예 2 쪽이 에너지 효율이 보다 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
또, 실시예 1, 2 및 비교예 1에서는, 시험의 형편상, 히터 본체(11)의 최대피크의 피크 파장이 6.7μm인 데 대하여, 적외선 투과판(54)은 석영 유리(파장 3.5μm 이하의 적외선을 투과)를 이용하고 있다. 대상물에 효율좋게 적외선을 방사하기 위해서는, 히터 본체(11)의 최대 피크의 피크 파장을 포함하는 파장 영역의 적외선을 투과할 수 있도록, 예컨대 적외선 투과판(54)은 형석(파장 8μm 이하의 적외선을 투과) 등을 이용하는 것이 바람직하다. 또, 전술한 실시예 1, 2 및 비교예 1의 적외선 히터에 있어서 적외선 투과판(54)에 형석을 이용한 경우, 예컨대 히터 본체의 온도가 전체적으로 낮아질 가능성은 있지만, 실시예 1, 2 및 비교예 1 사이의 관계는, 상기의 도 7에 나타낸 결과와 동일해진다고 생각된다.
본 출원은, 2016년 10월 24일에 출원된 일본 특허 출원 제2016-207571호를 우선권 주장의 기초로 하고 있고, 인용에 의해 그 내용의 모두가 본 명세서에 포함된다.
산업상의 이용가능성
본 발명은, 대상물의 가열 처리, 건조 처리 또는 대상물을 화학 반응시키는 처리 등의 적외선 처리를 행할 필요가 있는 산업에 이용 가능하다.
10 : 적외선 히터
11 : 히터 본체
12 : 발열부 13 : 발열체
14 : 보호 부재 15 : 전기 배선
20, 20a, 20b : 지지 기판 30,30a, 30b : 메타 물질 구조체
31 : 제1 도체층 33 : 유전체층
35 : 제2 도체층 36 : 개별 도체층
40 : 저방사층 50 : 케이싱
52 : 원통부 52a : 원통 내면
53 : 내부 공간 54 : 적외선 투과판
55, 56 : 협지 부재 57, 58 : 판형 부재
57a : 하면 61, 62 : 고정 금구
63∼65 : 밀봉 부재 66 : 배관
67 : 실링 그랜드 70 : 고정부
71, 72 : 너트 71a, 72a : 스페이서
73 : 가이드축 75 : 지지판
76 : 고정 금구 81 : 진공계
11A : 히터 본체 30A : 메타 물질 구조체
31A : 본체층 33A : 오목부 형성층
35A : 도체층 38A : 방사면
41A : 마이크로 캐비티 42A : 측면
44A : 저면 110 : 적외선 히터
111 : 히터 본체 115 : 막대형 도체
150 : 케이싱 153 : 내부 공간
159 : 반사층 185 : 열전대
12 : 발열부 13 : 발열체
14 : 보호 부재 15 : 전기 배선
20, 20a, 20b : 지지 기판 30,30a, 30b : 메타 물질 구조체
31 : 제1 도체층 33 : 유전체층
35 : 제2 도체층 36 : 개별 도체층
40 : 저방사층 50 : 케이싱
52 : 원통부 52a : 원통 내면
53 : 내부 공간 54 : 적외선 투과판
55, 56 : 협지 부재 57, 58 : 판형 부재
57a : 하면 61, 62 : 고정 금구
63∼65 : 밀봉 부재 66 : 배관
67 : 실링 그랜드 70 : 고정부
71, 72 : 너트 71a, 72a : 스페이서
73 : 가이드축 75 : 지지판
76 : 고정 금구 81 : 진공계
11A : 히터 본체 30A : 메타 물질 구조체
31A : 본체층 33A : 오목부 형성층
35A : 도체층 38A : 방사면
41A : 마이크로 캐비티 42A : 측면
44A : 저면 110 : 적외선 히터
111 : 히터 본체 115 : 막대형 도체
150 : 케이싱 153 : 내부 공간
159 : 반사층 185 : 열전대
Claims (8)
- 적외선 히터로서,
발열체와, 상기 발열체로부터 열에너지를 입력하면 비플랑크 분포의 피크 파장을 갖는 적외선을 방사 가능한 메타 물질 구조체를 구비한 히터 본체와,
상기 히터 본체가 배치되어 감압 가능한 내부 공간을 갖는 케이싱으로서, 상기 메타 물질 구조체로부터의 적외선을 상기 케이싱의 외부에 투과 가능한 적외선 투과부를 갖는 케이싱
을 구비한, 적외선 히터. - 제1항에 있어서,
상기 히터 본체와는 떨어져 배치되고, 상기 히터 본체측과 대상물측 중 적어도 한쪽에 적외선을 반사 가능한 적외선 반사부를 구비한, 적외선 히터. - 제2항에 있어서,
상기 적외선 반사부는, 상기 케이싱 중 상기 내부 공간에 노출하는 내주면에 위치하고 있는 것인, 적외선 히터. - 제2항에 있어서,
상기 케이싱은, 적외선을 투과 가능한 적외선 투과 부재로 구성되어 있고,
상기 적외선 반사부는, 상기 케이싱의 외측에 배치되어 있는 것인, 적외선 히터. - 제4항에 있어서,
상기 적외선 반사부는, 상기 케이싱의 외주면에 배치되어 있는 것인, 적외선 히터. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 히터 본체는, 상기 발열체로부터 보아 상기 메타 물질 구조체와는 반대측의 표면에 배치되어 상기 메타 물질 구조체의 평균 방사율보다도 낮은 평균 방사율을 갖는 저방사층을 구비하는 것인, 적외선 히터. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메타 물질 구조체는, 상기 발열체측으로부터 순서대로, 제1 도체층과, 상기 제1 도체층에 접합된 유전체층과, 각각이 상기 유전체층에 접합되어 서로 이격되어 주기적으로 배치된 복수의 개별 도체층을 갖는 제2 도체층을 구비하는 것인, 적외선 히터. - 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메타 물질 구조체는, 적어도 표면이 도체로 이루어지고 서로 이격되어 주기적으로 배치된 복수의 마이크로 캐비티를 구비하는 것인, 적외선 히터.
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| JPH04137480A (ja) * | 1990-09-28 | 1992-05-12 | Toshiba Lighting & Technol Corp | 赤外線ヒータ |
| JPH0845651A (ja) * | 1994-07-27 | 1996-02-16 | Shin Etsu Chem Co Ltd | 複層セラミックヒーター |
| EP3026980B1 (en) * | 2014-11-28 | 2019-06-19 | NGK Insulators, Ltd. | Infrared heater and infrared processing device |
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2019
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| Publication number | Publication date |
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| JPWO2018079386A1 (ja) | 2019-08-08 |
| US20190246457A1 (en) | 2019-08-08 |
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