TW201817278A - 紅外線輻射器 - Google Patents

Abstract

已知的紅外線輻射器具有支撐件、施加至該支撐件之導電電阻材料之加熱導體之導體路徑、以及該加熱導體之導體路徑之電接觸。為了指定紅外線輻射器具有高輻射效率，且基於此該紅外線輻射器之該加熱導體之導體路徑提供有結構上簡單且具成本效益之電接觸，根據本發明提出該支撐件包括複合材料，該複合材料包含非晶形基質組分以及呈半導體材料形式之額外組分，且該接觸係施加至該支撐件作為接觸導體路徑，其中該接觸導體路徑之橫斷面係該加熱導體之導體路徑之橫斷面之至少3倍。

Description

紅外線輻射器

本發明係關於紅外線輻射器，其具有支撐件、施加至該支撐件之具有導電電阻材料之加熱導體導體路徑、以及該加熱導體導體路徑之電接觸。 就本發明而言之紅外線輻射器具有三維支撐件，其可藉助施加至支撐件之呈加熱導體導體路徑形式之電阻器加熱元件加熱。加熱導體之導體路徑藉此直接接觸支撐件，以使自加熱導體導體路徑至支撐件之熱傳遞主要係藉由熱傳導及/或傳送發生。 本發明之紅外線輻射器由於其設計而具有良好性能效率且具體而言用於熱加熱過程，例如用於半導體或光伏打工業、印刷工業或塑膠處理中半導體盤之熱處理。舉例而言，本發明之紅外線輻射器用於塑膠聚合之情形下、用於清漆硬化之情形下或用於塗料乾燥之情形下。此外，其可用於多種乾燥過程，例如用於產生膜或紗線或製造模具、試樣、原型、工具或終產物( 積層製造 ) 之情形下。

包含不同設計之紅外線輻射器用於熱加熱過程中。舉例而言，紅外線輻射器係已知的，在該情形下，加熱元件配置在圓柱狀發射體管內，其中發射體管及加熱元件彼此間隔開。該等紅外線輻射器之加熱元件主要由鎢或碳組成，發射體管主要由熔融矽石製得。在該等輻射器之情形下，自加熱元件至發射體管之熱傳遞主要係藉助熱輻射發生。 此外，紅外線輻射器係已知的，在該情形下，金屬加熱導體施加至支撐件或包埋於支撐層中。在該等紅外線輻射器之情形下，藉由向加熱導體施加電壓對加熱導體進行加熱，其中由導體生成之熱傳遞至支撐件。由於加熱導體與支撐件之直接接觸，熱傳遞主要係藉由熱傳導及傳送發生。結果發現，包含施加至支撐件之加熱導體之紅外線輻射器具有良好性能效率。 自(例如) DE 43 38 539 A1已知在金屬加熱導體包埋於陶瓷絕緣層之間之情形下的紅外線輻射器。因應產生，陶瓷絕緣層係以生膜形式、例如以氧化鋁、氮化鋁、氧化鋯、二氧化矽或氮化鈦之膜形式提供，且隨後向其上施加金屬化糊劑。最後，將複數個膜堆疊在彼此之頂部上，壓製並燒結。為了在其表面上提供加熱導體之電接觸，外部膜提供有導通觸點(導通體)，其又與施加至膜外面之接觸表面電接觸。 然而，該等紅外線輻射器具有如下缺點：其電接觸只能經由外部觸點及導通觸點而係廣泛可能的。其具有複雜設置且其產生係廣泛的。 此外，此設計之紅外線輻射器常規地設計用於約80 kW/m² 之功率密度。Elstein-Werk M. Steinmetz GmbH & Co. KG之SHTS/100型紅外線輻射器係作為此之實例而提及，在該情形下，單獨組件附接至支撐件，該支撐件提供有導體路徑以提供支撐件之電接觸。 若紅外線輻射器用於熱加熱過程，則具有較佳高於180 kW/m² 之高功率密度之輻射器原則上係合意的。一方面，具有高功率密度之紅外線輻射器提供快速加熱過程且因此對欲加熱之產品需要輻照之輻照時間具有顯著影響。另一方面，用於輻照欲加熱之產品之紅外線輻射器的數目可因應具有高功率密度之紅外線輻射器之使用而降低，此並不影響輻照結果。原則上，紅外線輻射器之較小數目與較低維持努力相關且導致較低生產成本。技術目標 因此，本發明係基於指定紅外線輻射器具有高輻射效率之技術目標，該紅外線輻射器之加熱導體導體路徑提供有簡單且具成本效益之構築之電接觸。

基於上文提及之種類之紅外線輻射器，上文提及之目標係根據本發明解決，其中支撐件包括包含非晶形基質組分以及呈半導體材料形式之額外組分的複合材料，且將接觸施加至支撐件作為接觸導體路徑，其中接觸導體路徑之導體橫斷面係加熱導體導體路徑之導體橫斷面之至少3倍。 本發明之紅外線輻射器與常見紅外線輻射器之不同在於兩個態樣，即一方面支撐件之至少一部分之化學組成，且另一方面，施加至支撐件且以此方式促成緊湊紅外線輻射器之電接觸之類型。 因此，本發明係基於以下知識：在支撐件係由具有高發射率之熱激發材料製得時，可獲得包含尤其高之功率密度之紅外線輻射器。根據本發明，支撐件因此至少部分係由複合材料製成，除非晶形基質組分外，該複合材料亦包括呈半導體材料形式之額外組分。在該支撐件之情形下，其物理性質亦由額外組分決定。結果是，在充分加熱之條件下，支撐件可藉由添加半導體材料假定富能量激發態，其中其藉由添加半導體材料發射具有高功率密度之紅外線輻射。該材料係由為了獲得材料之熱激發及因此高輻射發射需要至少達成的激發溫度表徵。可利用該紅外線輻射器達成高於180 kW/m² 之功率密度、較佳介於180 kW/m² 與265 kW/m² 之間之範圍內之功率密度。 因此，複合材料包含以下組分： ● 關於重量及體積，非晶形基質組分佔複合材料之最大部分。其顯著決定複合材料之機械及化學性質；例如其耐溫性、穩定性及腐蝕性質。由於基質組分係非晶形(其較佳由玻璃組成)之事實，故與結晶材料之支撐件相比，支撐件之幾何形狀可更易於適於在具體使用本發明之紅外表面輻射器之情形下之需求。 基質組分可由未經摻雜或經摻雜熔融矽石組成，且除高達最大10重量%之量之SiO₂ 外，若適當，可包括其他氧化、氮化或碳化組分。然而，在非晶形基質組分係熔融矽石且較佳具有至少99.99 % SiO₂ 及最大1%之白矽石含量之化學純度的情形下，紅外線輻射器之實施例尤其自身經證明以避免來自支撐件材料之污染之風險。 ● 根據本發明，此外提供呈欲包埋於基質組分中之半導體材料形式之額外組分。其形成分散至非晶形基質組分中之其自身非晶形或結晶相。其促成高發射率，以便獲得支撐件，該支撐件適於發射具有高輻射效率及功率密度之紅外線輻射。 額外組分顯著決定支撐件之光學及熱性質；更精確而言，其實現紅外線光譜範圍內、即波長範圍介於780 nm與1 mm之間之吸收。對於此光譜範圍內之輻射之至少一部分，額外組分顯示高於基質組分之吸收之吸收。 額外組分之相範圍起基質中之光學缺陷之作用，且具有如下結果：例如，端視層厚度而定，複合材料可在室溫下在視覺上呈現黑色或灰黑色。缺陷自身亦具有吸熱效應。 在本發明之紅外線輻射器之情形下，施加至支撐件之導體路徑直接用於加熱支撐件。導體路徑用作「局部」加熱元件，藉助其，可局部加熱支撐件之至少部分區域；其經定尺寸以使其加熱由複合材料製得之支撐件之至少一部分。由複合材料製得之支撐件之部分藉此形成發射紅外線輻射之實際元件。加熱導體導體路徑連接至電接觸。在下文中，術語「電接觸」鑑別組件，經由其，紅外線輻射器可連接至電路。電接觸可較佳經由電接觸、例如經由插入、螺絲或夾緊連接可拆卸地連接至電路。 由於由複合材料製得之支撐件之一部分需要在操作條件下經加熱以激發溫度，支撐件及加熱導體導體路徑二者皆常規地在支撐件中分配至加熱導體導體路徑之區域(「加熱範圍」)中具有高於600℃之操作溫度。為在支撐件位準上提供紅外線輻射器、具體而言加熱導體導體路徑之電接觸，因此原則上需要產生其中配置電接觸之「冷」區。當「冷」區具有介於250℃與500℃之間之範圍內之溫度時，此結果為有利的。 根據本發明之複合材料及電接觸之實施例二者皆促使在支撐件上獲得該區。 此乃因結果是，在複合材料達到激發溫度後，支撐件之輻射發射不可經由進一步溫度增加而顯著增加。為獲得良好功率效率，因此結果是，在操作條件下將支撐件加熱至激發溫度或稍微高於其、較佳加熱至介於激發溫度之1倍與1.1倍之間之範圍內之溫度時係有利的。因此，即使因應具有高輻射效率、較佳高於180 kW/m² 之本發明之紅外線輻射器的操作，支撐件亦僅需要加熱至激發溫度且並不過度高於其。此係為什麼即使因應具有高輻射效率之操作，支撐件上出現之溫度差亦在窄範圍內，且尤其高之操作溫度(其遠超過激發溫度)、具體而言激發溫度之1.1倍以上之操作溫度的溫度補償係不必要的。 此外，本發明之紅外線輻射器之電接觸經設計，使得藉助電接觸可甚至使溫度降低至接觸溫度。電接觸由此體現為接觸導體路徑，其之導體橫斷面係加熱導體導體路徑之導體橫斷面之至少3倍。 在下文中，術語橫斷面或導體橫斷面鑑別導體路徑之垂直於電流流動方向伸展的橫斷表面。根據歐姆定律，加熱導體路徑以及接觸導體路徑之熱功率隨著加熱導體路徑或接觸導體路徑之電阻變化。各別導體路徑之電阻尤其隨著各別導體路徑材料之比電阻、導體路徑之總長度及導體路徑之橫斷面變化。接觸導體路徑之熱功率可因接觸導體路徑之總電阻降低而降低。根據本發明，此因接觸導體路徑之橫斷面大於加熱導體導體路徑而發生。因此，接觸導體路徑具有較加熱導體導體路徑低之電阻及與其相關之低之熱功率。 由於接觸導體路徑直接施加至支撐件之事實，在支撐件表面上產生不同於支撐件之經加熱導體導體路徑覆蓋之表面部分的接觸區域。此表面亦鑑別為導體路徑佔據表面。具體而言由於接觸導體路徑之較小熱功率，支撐件在接觸區域中具有較低溫度。即使通常情況下接觸區域中之溫度隨著與導體路徑佔據表面之距離增加而降低，接觸區域中之溫度亦隨著接觸導體路徑之橫斷面顯著變化。因此結果是，在接觸導體路徑之導體橫斷面係半導體導體路徑之導體橫斷面之至少3倍時，可獲得低溫之接觸區域。在接觸導體路徑之導體橫斷面係加熱導體導體路徑之導體橫斷面之至少6倍時，獲得關於溫度降低之尤佳之結果。尤佳地，接觸導體路徑之導體橫斷面介於加熱導體導體路徑之導體橫斷面之6倍與10倍之間之範圍內。 本發明之紅外線輻射器可以簡單且具成本效益之方式產生，其中藉由使用印刷技術(例如藉助網版印刷或噴墨印刷)將加熱導體導體路徑施加至支撐件表面。由於接觸導體路徑以及加熱導體導體路徑施加至支撐件之事實，兩個導體路徑可在單一操作步驟中施加。結果是，在接觸導體路徑及加熱導體導體路徑位於一個平面中時，由此係有利的。支撐件由此較佳具有平坦表面，其經加熱導體導體路徑及接觸導體路徑覆蓋。 在本發明之紅外線輻射器之較佳實施例的情形下，加熱導體導體路徑及接觸導體路徑利用物質-物質接合彼此連接。 在物質-物質接合之情形下，連接配偶體(此處由此為加熱導體導體路徑及接觸導體路徑)藉由原子或分子力保持在一起。物質-物質接合屬不可拆卸連接之群且因此特徵在於高機械穩定性及耐久性。藉由(例如)加熱導體導體路徑與接觸導體路徑之焊接、熔接或黏著獲得物質-物質接合。在加熱導體導體路徑及接觸導體路徑以(例如)金屬化糊劑形式施加至支撐件時及在隨後燒結提供有金屬化糊劑之支撐件時，亦產生物質-物質接合。 結果是，在加熱導體導體路徑及接觸導體路徑由相同材料製得時係有利的。 加熱導體之導體路徑及接觸導體路徑可由相同或化學上不同之金屬化糊劑製得。舉例而言，噴墨印刷提供化學上不同之金屬化糊劑之簡單施加，此乃因在該噴墨印刷之情形下，不同化學組成之金屬化糊劑之施加可在一個操作步驟中發生。 加熱導體之導體路徑及接觸導體路徑之耐機械性及耐化學性尤其隨著製備上文提及之導體路徑之材料變化。在加熱導體之導體路徑以及接觸導體路徑係由相同材料製得時，獲得具有良好耐化學性及耐機械性之導體路徑之連接。 較佳地，接觸導體路徑直接連接至加熱導體導體路徑。 根據本發明，加熱導體之導體路徑及接觸導體路徑之橫斷面不同。因此，直接沿循加熱導體之導體路徑之接觸導體路徑與自加熱導體導體路徑橫斷面至接觸導體路徑橫斷面之直接、不穩定之過渡相關聯。該直接過渡具有如下優點：不存在過渡區，其與某一空間需求相關聯。自加熱導體之導體路徑至接觸導體路徑之直接過渡另外促成如下事實：支撐件提供自提供有加熱導體之導體路徑之「加熱區域」至提供有接觸導體路徑之「接觸區域」之儘可能小之溫度過渡區域。以此種方式可製得儘可能緊湊之過渡區及與其相關聯之緊湊接觸區域。 在本發明之紅外線輻射器之同樣較佳實施例的情形下，提供配置在加熱導體導體路徑與接觸導體路徑之間之過渡導體路徑，基於加熱導體導體路徑之導體橫斷面，該過渡導體路徑之導體橫斷面連續或以複數個級增加，直至達到接觸導體路徑之導體橫斷面為止。 加熱導體之導體路徑與接觸導體路徑之間之過渡類型對此過渡區域中之溫度特性具有顯著影響。與加熱導體之導體路徑相比，接觸導體路徑形成「冷」區，其中接觸導體路徑與電路可簡單連接。因此，具體而言在「冷」區之邊緣區域中、因此在加熱導體導體路徑至接觸導體路徑之過渡區域中常規地產生溫度梯度。因此，高溫至低溫之快速過渡具有支撐件經受高熱應力之缺點。端視支撐件之化學組成而定，具體而言，支撐件中可出現不期望之材料應力，其可損害該支撐件。端視支撐件之化學特性而定，因此可期望在過渡區域中產生較平坦之溫度梯度。此可(例如)因加熱導體之導體路徑之橫斷面連續或分級過渡至接觸導體路徑之橫斷面而發生。在橫斷面連續增加之過渡導體路徑的情形下，以加熱導體之導體路徑之橫斷面開始，由於此結構而產生連續增加之過渡電阻，其與較平坦之在很大程度連續之溫度梯度相關。此外，過渡導體路徑之橫斷面亦可分級增加，以加熱導體之導體路徑之橫斷面開始，由此以複數個級增加。在此情形下，可藉助級橫斷面及級長度之變化簡單快速地調整過渡導體路徑之過渡電阻，以使可藉由適宜地選擇過渡電阻產生期望溫度特性。 結果是，在接觸導體路徑之橫斷面介於0.06 mm² 與0.2 mm² 之間之範圍內，且加熱導體導體路徑之橫斷面介於0.02 mm² 與0.06 mm² 之間之範圍內時，係尤其有利的。 導體路徑之橫斷面(亦稱作導體橫斷面)係在電流流動方向上觀察之穿過導體路徑之橫斷表面。在具有矩形形狀之層狀導體路徑之情形下，導體橫斷面因此由層寬度及層厚度之乘積產生。 加熱導體之導體路徑及接觸導體路徑之橫斷面高度較佳介於10 µm與25 µm之間之範圍內。 導體路徑之橫斷面或其橫斷表面分別可由橫斷面底邊及橫斷面高度來闡述。橫斷面底邊係橫斷面之邊，導體路徑利用其與支撐件接合。橫斷面高度係垂直於底邊量測之橫斷面之最大延伸。在具有矩形橫斷面之層狀導體路徑之情形下，橫斷表面由橫斷面底邊與橫斷面高度之乘積產生。 即使橫斷面高度原則上對導體路徑之電阻及因此對支撐件上之溫度分佈具有影響，導體路徑之電阻亦取決於其他參數，具體而言橫斷表面及其橫斷面底邊。若加熱導體之導體路徑及接觸導體路徑二者皆具有上文指定範圍內之高度，則其僅具有稍微高度差，以使加熱導體之導體路徑與接觸導體路徑之間根據本發明提供之橫斷面差必須相反地自彼此不同之各別導體路徑之橫斷面底產生。結果是在加熱導體之導體路徑及接觸導體路徑之橫斷面高度一致時，在此背景下係尤其有利的。具體而言在兩個導體路徑係在一個操作步驟中製得時，導體路徑之一致橫斷面高度。 可容易且具成本效益地製造具有介於10 µm與25 µm之間之範圍內之橫斷面高度之導體路徑；其可具體而言在單一操作步驟中、例如藉助網版印刷或噴墨印刷施加至支撐件。具有小於5 µm之橫斷面高度之導體路徑僅具有小的機械穩定性且可另外僅以恆定品質廣泛地製造。具有超過25 µm之橫斷面高度之導體路徑可僅在一個操作步驟中廣泛施加至支撐件上。 在支撐件完全由複合材料製得時已證明其價值。 由單一材料、此處為複合材料製得之支撐件可尤其容易且具成本效益地製得。此外，其具有如下優點：支撐件表面之大的表面部分可由加熱導體導體路徑佔據，以使獲得尤其緊湊、高度有效之紅外線輻射器。 在本發明之紅外線輻射器之較佳實施例的情形下，支撐件完全由複合材料製得，其中複合材料係電絕緣體。 支撐件可體現於複數個層中，且除複合材料外，亦可包括其他材料區域。然而，結果是，在支撐件表面由電絕緣材料製得時，至少在提供有導體路徑之區域中，對於紅外線輻射器之操作係有利的。由此確保紅外線輻射器之低干擾操作，具體而言防止毗鄰導體路徑部分之間之擊穿及短路。若支撐件完全由複合材料製得，則導體路徑可直接施加至支撐件。 由複數種材料製得之支撐件可(例如)具有層結構，其中兩個或更多個材料層可配置在彼此頂部上。作為替代，支撐件亦可具有第一材料、較佳複合材料之核心，其經第二材料之塗層塗佈。核心可經第二材料完全或部分塗佈。核心較佳經第二材料部分塗佈。 在本發明之紅外線輻射器之同樣較佳實施例的情形下，至少在支撐件之由導體路徑佔據之區域中，複合材料經電絕緣材料之層塗佈。 支撐件具有至少兩個由導體路徑佔據之區域，即分配有加熱導體之導體路徑之第一區域及接觸導體路徑位於之第二區域。此外，支撐件可具有其他區域，例如額外加熱導體或接觸導體路徑。 製得支撐件之複合材料在紅外線範圍內展示良好發射率。對於在本發明之紅外線輻射器中之使用而言，複合材料之其他物理性質係進而言之重要的，具體而言其電導率。複合材料在操作條件下是否是電絕緣體或是否具有某一電導率主要取決於複合材料之化學組成。然而，導電複合材料不可直接提供有導體路徑，此乃因例如在紅外線輻射器操作期間可發生短路。然而，為了能夠產生導電複合材料之支撐件，結果是，在該支撐件最初經電絕緣材料之層塗佈時係有利的。 複合材料可經電絕緣材料完全或部分塗佈。無論如何，至少分配有導體路徑之支撐件之區域應經電絕緣材料之層、例如經玻璃、具體而言熔融矽石之層塗佈。 在本發明之紅外線輻射器之又一同樣較佳實施例的情形下，提供支撐件以具有由複合材料製得之第一材料區域及其化學組成不同於第一材料區域之第二材料區域，其中加熱導體之導體路徑施加至第一材料區域且接觸導體路徑施加至第二材料區域。 在支撐件包含複數個化學組成不同之材料區域時，獲得在接觸導體路徑之區域中具有良好溫度下降之溫度分佈，此對於紅外線輻射器之電接觸係尤其有利的。加熱導體之導體路徑及接觸導體路徑可具體而言施加至不同材料，其中以使得一方面獲得尤其高之輻射效率且另一方面在接觸導體路徑之區域中獲得良好溫度下降之方式選擇材料。 在第一材料區域由複合材料製得且由加熱導體之導體路徑佔據時，其由此自身證明。加熱導體之導體路徑較佳僅施加至第一材料區域。由於複合材料之高發射率，加熱導體導體路徑至由複合材料製得之第一材料區域之分配提供具有尤其高之輻射效率之紅外線輻射器。 由於接觸導體路徑附接至第二材料區域之事實，支撐件之第二材料區域可由與複合材料相比具有較低發射率之材料製得。第二材料區域由於其較小發射率而與較低生熱相關聯，且因此除放大接觸導體路徑之橫斷面外，亦促進支撐件之接觸區域中尤其有效之溫度降低。接觸導體路徑較佳僅施加至第二材料區域。 在本發明之紅外線輻射器之又一較佳實施例之情形下，提供額外組分之重量%介於1%與5%之間之範圍內、較佳介於1.5%與3.5%之範圍內。 複合材料之熱吸收隨著額外組分之百分比變化。因此，額外組分之重量%應較佳為至少1%。另一方面，額外組分之高的體積%之可影響基質之化學及機械性質。就此而言，額外組分之重量%較佳介於1%與5%之間之範圍內、較佳介於1.5%與3.5%之間之範圍內。 結果是，在加熱導體之導體路徑及/或接觸導體路徑體現為燒入(burned-in)厚膜層時或在其作為經模製部件施加至支撐件之表面以使導體路徑及支撐件永久彼此連接時係有利的。 加熱導體之導體路徑或接觸導體路徑之產生分別可藉由不同產生方法(例如使用印刷技術，以及藉由衝壓、雷射束切割或澆鑄)而發生。加熱導體之導體路徑及接觸導體路徑可在一個操作步驟中作為單獨組分或作為單一組分產生。 結果是，在加熱導體之導體路徑及/或接觸導體路徑體現為燒入厚膜層時係尤其有利的。該等厚膜層可(例如)由電阻糊劑藉助網版印刷產生或由含有金屬之墨藉助噴墨印刷產生且隨後在高溫下燒入。 作為替代，加熱導體導體路徑及接觸導體路徑亦可使用熱分離方法、例如藉由雷射束切割或藉由衝壓來產生為金屬板之經模製部件。熱分離或衝壓方法之使用可產生大量導體路徑且因此促成保持材料及生產成本較低。 結果是，在加熱導體導體路徑由鉑、耐高溫鋼、鉭、肥粒鐵型FeCrAl合金、奧氏體(austenitic) CrFeNi合金、碳化矽、矽化鉬或鉬基合金製得時係有利的。 與貴金屬(例如金、鉑或銀)相比，上文提及之材料、具體而言碳化矽(SiC)、矽化鉬(MoSi₂ )、鉭(Ta)、高度耐熱鋼或肥粒鐵型FeCrAl合金(例如Kanthal® (Kanthal®係注冊商標SANDVIK INTELLECTUAL PROPERTY AB, 811 81 Sandviken, SE))係具成本效益的；其可易於形成導體路徑模製體，該模製體可因應紅外線輻射器之產生用作半成品。其具體而言用作金屬板，可以簡單且具成本效益之方式自其形成導體路徑。此外，上文提及之材料具有如下優點：其在空氣中抗氧化，以使完全無需覆蓋導體路徑之額外層(覆蓋層)來保護導體路徑。 在複合材料中，額外組分較佳係以一定類型及量存在，其實現於600℃之溫度及介於2 μm與8 μm之間之波長下複合材料中至少0.6之光譜發射率ε。在本發明之紅外線輻射器之尤佳實施例的情形下，額外組分係以一定類型及量存在，其實現於1,000℃之溫度及介於2 μm與8 μm之間之波長下複合材料中至少0.75之光譜發射率ε。 因此，複合材料對於介於2 μm與8 μm之間之熱輻射、由此在紅外線輻射之波長範圍內具有高吸收率及發射率。此降低支撐件表面之反射，以使於高於1,000℃之溫度下對於介於2 μm與8 μm之間之波長之反射率最大係0.25且於600℃之溫度下最大係0.4，假定可忽略之小的透射。由此避免由反射熱輻射引起之不可複現之加熱，此促成均勻或期望地不均勻之溫度分佈。 在額外組分係作為額外組分相存在時及在其具有平均最大尺寸小於20 μm、但較佳超過3 μm之非球形形態時，可獲得尤其高之發射率。 額外組分相之非球形形態藉此亦促成高機械穩定性及複合材料形成裂縫之小的趨勢。資訊「最大尺寸」係指具有可在研磨中識別之額外組分相之絕緣區域的最長延伸。研磨圖案中所有最長延伸之中值形成上文提及之平均值。 根據熱輻射之Kirchhoff定律，熱平衡中實際體之光譜吸收係數α_λ 及光譜發射率ε_λ 彼此對應。因此，額外組分具有基板材料發射紅外線輻射之結果。在已知定向半球形光譜反射率R_gh 及透射率T_gh 之情形下，光譜發射率ε_λ 可如下計算： 「光譜發射率」因此應理解為「光譜正向發射率」。後者係藉助量測原理來測定，該量測原理係以名稱「黑體邊界條件(Black-Body Boundary Conditions，BBC)」已知且係於以下中公開：「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)。 在複合材料中，因此結合額外組分，非晶形基質組分具有較無額外組分之情形高之熱輻射吸收。此產生自導體路徑至基板中之改良之熱傳導，產生較快熱分佈及基板上之較高輻射率。因此，在薄基板壁厚度之情形下及/或在比較小之導體路徑佔據密度情形下，可提供每單位面積之較高輻射效率且亦產生均勻輻射及均勻溫度場。包含小的壁厚度之基板具有小的熱物質且提供快速溫度變化。此無需冷卻。

圖 1 顯示分配有整體參考編號100之本發明之紅外線輻射器之第一實施例。紅外線輻射器100經設計以達到150 kW/m² 之功率密度且具有板形支撐件101及施加至支撐件101之加熱導體之導體路徑102。加熱導體之導體路徑102在每一情形下在其末端上皆提供有呈接觸導體路徑103a、103b形式之電接觸。 支撐件101完全由複合材料製得，該複合材料包含呈熔融矽石形式之非晶形基質組分，其中呈非球形區域形式之元素矽之相均勻分佈。 支撐件具有100 mm之長度l、100 mm之寬度b及2 mm之厚度。 加熱導體之導體路徑102及接觸導體路徑103a、103b由鉑組成；其在一個操作步驟中藉助網版印刷以鉑糊劑形式施加至支撐件101且隨後燒入。由於加熱導體之導體路徑102及接觸導體路徑103a、103b在一個操作步驟中施加之事實，其藉助物質-物質接合彼此連接。 接觸導體路徑103a、103b直接連接至加熱導體之導體路徑102之末端。加熱導體之導體路徑102具有包含20 μm之橫斷面高度及1 mm之橫斷面底邊之矩形橫斷面。接觸導體路徑103a、103b相同地體現，其各自具有包含20 μm之橫斷面高度及3 mm之橫斷面底邊之矩形橫斷面。接觸導體路徑103a、103b之橫斷表面在每一情形下皆係0.6 mm² 。加熱導體之導體路徑102之橫斷表面係0.02 mm² 。因此，接觸導體路徑103a、103b之橫斷面係加熱導體導體路徑102之橫斷面之3倍。 假設在其他圖中所示之實施例之情形下使用如圖1中之相同參考編號，其鑑別結構上相同或等效之組件及部分，如同上文藉助本發明之紅外線輻射器之第一實施例之說明更詳細對其進行解釋一般。圖 2 顯示在操作條件下圖1中所述之紅外線輻射器100之溫度記錄圖記錄。記錄係INFRATEC VARIOCAM HR HEAD型使用溫度記錄照相機進行；其顯示支撐件之溫度分佈。在加熱導體之導體路徑102之加熱區域201中達成約1,000℃之平均溫度。與此相比，接觸區域202中之溫度低於300℃。 藉助圖 3A 及 3B 以實例性方式解釋產生紅外線輻射器100之方法。方法步驟 I - 生坯體 ( 半成品 1) 之產生 該產生係藉助如WO 2015/067 688 A1中所述之粉漿澆鑄方法發生。首先，以熱氯化方法純化非晶形熔融矽石粗砂，藉此確保白矽石含量低於1重量%。將粒度介於250 μm與650 μm之間之範圍內之熔融矽石粗砂與去離子水一起濕磨，以便形成包含78%之固體含量之均勻基質粉漿。 隨後自基質粉漿移出研磨球並添加一定量之呈矽粉末形式之添加物，直至達到83重量%之固體含量。矽粉末主要含有包含窄的粒徑分佈之非球形粉末粒子，其之D₉₇ 值係約10 μm且已預先移除粒徑小於2 μm之微細部分。 將填充有矽粉末之粉漿再均質化12小時。矽粉末佔總固體含量之重量%係5%。完全均質化粉漿中之SiO₂ 粒子顯示特徵在於D₅₀ 值係約8 μm且D₉₀ 值係約40 μm之粒徑分佈。 將粉漿澆鑄至市售澆鑄機之模具中並經由多孔塑膠膜藉由形成多孔生坯體110移除水。生坯體110具有矩形板之形狀。為了移除結合之水，於約90℃下在通風爐中將生坯體乾燥5天。方法步驟 II – 將生坯體切割至一定大小 在冷卻後，將所得多孔生坯體110幾乎機械地處理至欲產生之熔融矽石支撐件板之最終尺寸，其包含4 mm之板厚度。該支撐件板在下文鑑別為毛坯。為了燒結毛坯，將毛坯在1小時內在空氣下在燒結爐中加熱至1390℃之加熱溫度並於此溫度下保持5小時。 以此方式獲得之熔融矽石支撐件板形成支撐件101。其由包含2.1598 g/cm³ 之密度之氣密複合材料組成，在該情形下，彼此分開且大小及形態在很大程度上對應於所用Si粉末之彼等之元素Si相之非球形區域均勻分佈於不透明熔融矽石之基質中。平均(中值)之最大尺寸介於約1 μm與10 μm之間之範圍內。基質變為幾乎半透明至透明。藉由顯微檢查，其不顯示包含平均小於10 μm之最大尺寸之任何空的孔及至多閉合孔；基於密度計算之孔隙度係0.37%。複合材料在空氣中在高達約1,150℃之溫度下穩定。方法步驟 III – 藉助網版印刷施加加熱導體導體路徑 102 及接觸導體路徑 103a 、 103b 藉助網版印刷以鉑電阻糊劑形式將加熱導體之導體路徑102及接觸導體路徑103a、103b施加至支撐件101之表面。出於此目的，將細篩孔織物111放置於支撐件101上，使得其網孔開口在不印刷鉑電阻糊劑之位置不可滲透。該等位置在圖3A-III中圖解說明為黑色表面。方法步驟 IV – 移除織物 111 在發生印刷過程後及在自支撐件101移除織物111後，獲得經鉑電阻糊劑塗佈之支撐件300，向其上施加稍後加熱導體之導體路徑102之毛坯形狀302及稍後接觸導體路徑103a、103b之毛坯形狀303a、303b。方法步驟 V – 在導體路徑中燒入 藉由於1,200℃之燒入溫度下燒入獲得加熱導體之導體路徑102及接觸導體路徑103a、103b。施加反射器層 ( 可選 ) 下述方法步驟係可選的且因此在圖3A及3B中未進行圖解說明。將粉漿層施加至支撐件101之頂部側並在上面施加導體路徑102、103a、103b。藉由如上文已經闡述(不添加矽粉末)改良SiO₂ 基質粉漿獲得此粉漿，其中將呈包含約5 μm之粒度之球形粒子形式之非晶形SiO₂ 粗砂添加至均勻、穩定基質粉漿中，直至達到84重量%之固體含量。將此混合物在圓筒中以25 U/min之速度均質化12小時。以此方式獲得之粉漿具有84%之固體含量及約2.0 g/cm³ 之密度。在熔融矽石粗砂研磨後獲得之粉漿中之SiO₂ 粒子展示粒徑分佈，其係藉由約8 μm之D₅₀ 值及約40 μm之D₉₀ 值鑑別。 將粉漿噴霧至基板101之頂部側上，首先將其在醇中純化幾秒。由此在基板101上形成包含約2 mm之厚度之均勻粉漿層。乾燥之粉漿層無裂縫且其具有稍微小於2 mm之平均厚度。 隨後將乾燥之粉漿層在空氣下在燒結爐中燒結。 在透視說明中，圖 4 顯示分配有整體參考編號400之本發明之紅外線輻射器之第二實施例。紅外線輻射器400具有板形支撐件401、加熱導體之導體路徑402、兩個接觸導體路徑403a、403b以及兩個過渡導體路徑404a、404b。紅外線輻射器400可視情況提供有覆蓋層(未圖解說明)，如圖3A及3B之說明中所述。 板形支撐件401具有包含2.5 mm之板厚度之矩形形狀。將加熱導體路徑402、過渡導體路徑404a、404b及接觸導體路徑403a、403b施加至支撐件401之表面。加熱導體之導體路徑402具有包含0.04 mm² 之橫斷表面(其中橫斷面高度為0.02 mm且橫斷面底邊為2 mm)之矩形橫斷面。過渡導體路徑404a、404b最初連接於加熱導體之導體路徑402之兩端上，之後其過渡至接觸導體路徑403a、403b。過渡導體路徑404a、404b相同地體現，其具有0.02 mm之橫斷面高度及連續增加之橫斷面底邊，其在加熱導體側上以2 mm開始，在接觸導體路徑側上增加直至6 mm。接觸導體路徑403a、403b相同地體現，其具有包含0.2 mm² 之橫斷表面(其中橫斷面高度為0.02 mm且橫斷面底邊為10 mm)之矩形橫斷面。 支撐件401由兩種材料A、B製得，其沿著虛線407、408彼此熔接或膠黏。材料區域A由未經摻雜之合成熔融矽石組成。經由此在接觸導體路徑403a、403b之區域中提供良好溫度降低。材料區域B由包含呈熔融矽石形式之基質組分之複合材料組成。呈非球形區域形式之元素矽(其之重量%係2.5%)之相均勻分佈於基質中。矽相區域之平均(中值)最大尺寸介於約1 μm與10 μm之間之範圍內。複合材料係氣密的，其具有2.19 g/cm³ 之密度且其在空氣中在高達約1,150℃之溫度下穩定。於高溫下，複合材料顯示熱輻射之高吸收及高發射率。後者取決於溫度。於600℃下，介於2 μm與4 μm之間之波長範圍內之正向發射率高於0.6。於1,000℃下，相同波長範圍內之正向發射率高於0.75。

100‧‧‧紅外線輻射器

101‧‧‧支撐件

102‧‧‧加熱導體之導體路徑

103a‧‧‧接觸導體路徑

103b‧‧‧接觸導體路徑

201‧‧‧加熱區域

202‧‧‧接觸區域

110‧‧‧生坯體

111‧‧‧織物

300‧‧‧支撐件

302‧‧‧毛坯形狀

303a‧‧‧毛坯形狀

303b‧‧‧毛坯形狀

400‧‧‧紅外線輻射器

401‧‧‧板形支撐件

402‧‧‧加熱導體之導體路徑

403a‧‧‧接觸導體路徑

403b‧‧‧接觸導體路徑

404a‧‧‧過渡導體路徑

404b‧‧‧過渡導體路徑

407‧‧‧虛線

408‧‧‧虛線

A‧‧‧材料

B‧‧‧材料

l‧‧‧長度

b‧‧‧寬度

下文將藉助實例性實施例及圖更詳細地解釋本發明。在示意性說明中圖 1 顯示本發明之紅外線輻射器之第一實施例，其包含複合材料之支撐件及施加至支撐件之接觸導體路徑，圖 2 顯示在操作條件下圖1之紅外線輻射器之溫度記錄圖記錄，圖 3A 顯示具有方法步驟I至III之產生本發明之紅外線輻射器之方法的第一部分，圖 3B 顯示具有方法步驟III至V之產生本發明之紅外線輻射器之方法的第二部分，及圖 4 顯示本發明之紅外線輻射器之第二實施例，在該情形下，支撐件包含兩個化學組成不同之材料區域。

Claims (10)

1. 一種紅外線輻射器，其具有支撐件、施加至該支撐件之導電電阻材料之加熱導體之導體路徑、以及該加熱導體之導體路徑之電接觸，其特徵在於該支撐件包括複合材料，該複合材料包含非晶形基質組分以及呈半導體材料形式之額外組分，且該接觸施加至該支撐件作為接觸導體路徑，其中該接觸導體路徑之導體橫斷面係該加熱導體之導體路徑之導體橫斷面之至少3倍。
2. 如請求項1之紅外線輻射器，其中該加熱導體之導體路徑及接觸導體路徑利用物質-物質接合彼此連接。
3. 如請求項1之紅外線輻射器，其中該加熱導體之導體路徑及該接觸導體路徑係由相同材料製得。
4. 如請求項1之紅外線輻射器，其中該接觸導體路徑直接連接至該加熱導體之導體路徑。
5. 如請求項1之紅外線輻射器，其中過渡導體路徑配置於加熱導體之導體路徑與接觸導體路徑之間，基於該加熱導體之導體路徑之導體橫斷面，該過渡導體路徑之導體橫斷面連續或以複數個級增加，直至達到該接觸導體路徑之導體橫斷面為止。
6. 如請求項1至5中任一項之紅外線輻射器，其中該接觸導體路徑之導體橫斷面介於0.06 mm² 與0.2 mm² 之間之範圍內，且該加熱導體之導體路徑之導體橫斷面介於0.02 mm² 與0.6 mm² 之間之範圍內。
7. 如請求項1至5中任一項之紅外線輻射器，其中該加熱導體之導體路徑及該接觸導體路徑之橫斷面高度介於10 µm與25 µm之間之範圍內。
8. 如請求項1至5中任一項之紅外線輻射器，其中該支撐件完全由該複合材料製得。
9. 如請求項1至5中任一項之紅外線輻射器，其中該支撐件具有由該複合材料製得之第一材料區域及化學組成不同於該第一材料區域之第二材料區域，其中該加熱導體之導體路徑施加至該第一材料區域且該接觸導體路徑施加至該第二材料區域。
10. 如請求項1至5中任一項之紅外線輻射器，其中其經設計以達到高於180 kW/m² 之功率密度、較佳達到介於180 kW/m² 與265 kW/m² 之間之範圍內之功率密度。