TW201831041A - 紅外線加熱器 - Google Patents

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TW201831041A
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青木道郎
近藤良夫
戶谷剛
櫻井篤
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日商日本碍子股份有限公司
國立大學法人北海道大學
國立大學法人新潟大學
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Abstract

紅外線加熱器10包括加熱器本體11及外殼50。加熱器本體11包括發熱體13、從發熱體13輸入熱能時可放射峰值波長為非普朗克分布之紅外線的金屬材料構造體30。外殼50配置有加熱器本體11且具有可減壓之內部空間53。又，外殼50具有可將來自金屬材料構造體30之紅外線穿透至外殼50之外部的紅外線穿透板54。

Description

紅外線加熱器
本發明是關於紅外線加熱器。
過去，作為紅外線加熱器，已知有各種構造。例如，在專利文獻1中，記載一種包括支持板及捲繞於支持板上之緞帶狀發熱體的面狀加熱器。又，在專利文獻2中，記載一種紅外線加熱器，其包括發熱體及構造上有至少表面由導電體構成之微腔被形成的微腔形成體。在專利文獻2所記載之紅外線加熱器上，已吸收來自發熱體之能量的微腔形成體放射峰值波長為非普朗克分布的紅外線。藉此，可對對象物放射特定波長範圍的紅外線。此外，如同此微腔形成體能放射特定波長範圍之紅外線的構造體，被稱為金屬材料構造體。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2006-261095號公報
[專利文獻2]日本特開2015-198063號公報
然而，如專利文獻2所示，在使用金屬材料構造體 的紅外線加熱器中，特定波長範圍以外的波長範圍的紅外線的放射率較低。因此，使用金屬材料構造體的紅外線加熱器相較於專利文獻1中不使用金屬材料構造體的普通紅外線加熱器，當投入相同電力時，紅外線加熱器本身的溫度容易上升。另外，由於溫度容易上升，紅外線加熱器與周圍氣體之間變得容易產生對流熱傳導，於是有對流損失變大而導致能量效率容易下降的問題。
本發明為為了解決此種課題的發明，以更進一步提高使用金屬材料構造體的紅外線加熱器的能量效率為主要目的。
本發明為達成上述之主要目的，採取以下的手段。
本發明之紅外線加熱器包括：加熱器本體，包括發熱體、從上述發熱體輸入熱能時可放射峰值波長為非普朗克分布之紅外線的金屬材料構造體；及外殼，一種配置有上述加熱器本體且具有可減壓之內部空間的外殼，具有可使來自該金屬材料構造體之紅外線穿透該外殼之外部的紅外線穿透部。
在此紅外線加熱器中，具有發熱體及金屬材料構造體的加熱器本體配置於外殼內的可減壓的內部空間內。因此，藉由使內部空間為減壓狀態來使用此紅外線加熱器，相較於內部空間為常壓的情況，從加熱器本體到內部空間內的對流熱傳導會變少，可抑制對流損失。於是，可更進一步提高紅外線加熱器的能量效率。在此，金屬材料構造體可為放射特性比 最大峰值為普朗克分布之峰值還陡峭的構造體。此外，「比普朗克分布之峰值陡峭」意味著「半峰全寬(FWHM：full width at half maximum)比普朗克分布之峰值窄」。
本發明之紅外線加熱器可包括紅外線反射部，其與上述加熱器本體分離配置，可對上述加熱器本體那側與對象物那側中至少其中一側反射紅外線。藉此，已從加熱器本體放射出的紅外線的能量的至少一部分可藉由反射投入加熱器本體與對象物中至少其中一方，於是能量效率更進一步提高。在此情況下，上述紅外線反射部可位於在上述外殼中之上述內部空間露出的內周面。
在包括紅外線反射部的本發明之紅外線加熱器中，上述外殼可由可穿透紅外線的紅外線穿透元件所構成，上述紅外線反射部可配設於上述外殼的外側。即使如此，已從加熱器本體放射出的紅外線的能量的至少一部分可藉由反射投入加熱器本體與對象物中至少其中一方。在此情況下，上述紅外線反射部可配設於上述外殼的外周面。
在本發明之紅外線加熱器中，上述加熱器本體可包括低放射層，從上述發熱體來看，其配置於與上述金屬材料構造體相反的那側的表面，具有平均放射率比該金屬材料構造體的平均放射率。藉此，可使被放射到從發熱體來看與金屬材料構造體相反之那側的紅外線的能量變少，所以，能量效率得以更進一步提高。
在本發明之紅外線加熱器中，上述金屬材料構造體可包括第二導體層，其從上述發熱體那側依序具有第一導體 層、接合至該第一導體層的介電質層、分別接合至上述介電質層且以相互間隔之方式作周期性配置的複數個個別導體層。
在本發明之紅外線加熱器中，上述金屬材料構造體可包括複數個微腔，其至少表面由導體形成，以相互間隔之方式作周期性配置。
10‧‧‧紅外線加熱器
11‧‧‧加熱器本體
12‧‧‧發熱部
13‧‧‧發熱體
14‧‧‧保護元件
15‧‧‧電力配線
20,20a,20b‧‧‧支持基板
30,30a,30b‧‧‧金屬材料構造體
31‧‧‧第一導體層
33‧‧‧介電質層
35‧‧‧第二導體層
36‧‧‧個別導體層
40‧‧‧低放射層
50‧‧‧外殼
52‧‧‧圓筒部
52a‧‧‧圓筒內面
53‧‧‧內部空間
54‧‧‧紅外線穿透板
55,56‧‧‧挾持元件
57,58‧‧‧板狀元件
57a‧‧‧下面
61,62‧‧‧固定金屬配件
63~65‧‧‧封止元件
66‧‧‧配管
67‧‧‧密封壓蓋
70‧‧‧固定部
71,72‧‧‧螺帽
71a,72a‧‧‧間隔器
73‧‧‧導引軸
75‧‧‧支持板
76‧‧‧固定金屬配件
81‧‧‧真空計
11A‧‧‧加熱器本體
30A‧‧‧金屬材料構造體
31A‧‧‧本體層
33A‧‧‧凹部形成層
35A‧‧‧導體層
38A‧‧‧放射面
41A‧‧‧微腔
42A‧‧‧側面
44A‧‧‧底面
110‧‧‧紅外線加熱器
111‧‧‧加熱器本體
115‧‧‧棒狀導體
150‧‧‧外殼
153‧‧‧內部空間
159‧‧‧反射層
185‧‧‧熱電偶
第1圖為紅外線加熱器10的概略剖面圖。
第2圖為金屬材料構造體30的部分底視圖。
第3圖為變形例之加熱器本體11A的部分剖面圖。
第4圖為變形例之金屬材料構造體30A的部分底視立體圖。
第5圖為變形例之紅外線加熱器110的剖面圖。
第6圖為變形例之紅外線加熱器110的剖面圖。
第7圖為圖表，表示對發熱體13之投入電力與加熱體本體之溫度之間的關係。
接著，在本發明的實施型態中，使用圖面進行說明。第1圖為作為本發明其中一實施型態之紅外線加熱器10的概略剖面圖。第2圖為金屬材料構造體30的部分底面圖。此外，在本實施型態中，左右方向、前後方向及上下方向如第1圖及第2圖所示。紅外線加熱器10包括加熱器本體11、外殼50及固定部70。加熱器本體11及固定部70配置於外殼50的內部空間53內。此紅外線加熱器10朝向配置於下方但未圖 示出的對象物放射紅外線。
加熱器本體11配置於外殼50的內部空間53內。加熱器本體11如第1圖的放大圖所示，包括發熱部12、配置於發熱部12下方的支持基板20、配置於支持基板20下方的金屬材料構造體30、配置於發熱部12上方的低放射層40。
發熱部12是作為所謂的面狀加熱器來構成，包括使線狀元件呈鋸齒狀彎曲的發熱體13、與發熱體13接觸並覆蓋發熱體13周圍來作為絕緣體的保護元件14。作為發熱體13的材質，可採用例如鎢、鉬、鉭、鐵鉻鋁合金及鎳鉻合金等。作為保護元件14的材質，可採用例如聚酰亞胺等絕緣性樹脂、陶瓷等。在發熱體13的兩端，安裝有一對電力配線15(在第1圖中僅圖示出1條)。電力配線15貫通安裝於外殼50上部之密封壓蓋67的內部，在紅外線加熱器10的外部被拉出。透過此電力配線15，可從外部對發熱體13供給電力。此外，發熱部12可以是在絕緣體上捲繞緞帶狀的發熱體所構成之面狀加熱器。此外，發熱部12從上方看為矩形，其也可為圓形。
支持基板20為配置於發熱部12下側的平板狀元件。支持基板20藉由配置於外殼50內部的固定部70來固定，支持發熱部12及金屬材料構造體30。作為支持基板20的材質，可為矽晶圓、玻璃等容易維持平滑面、耐熱性高、熱翹曲低的材料。在本實施型態中，支持基板20作為矽晶圓。此外，支持基板20可如本實施型態，與發熱部12的下面接觸，亦可不接觸，透過空間與發熱部12上下間隔而配設。在支持基板20與發熱部12接觸的情況下，兩者可接合。
金屬材料構造體30為配設於發熱體13及支持基板20下方的板狀元件。金屬材料構造體30可根據需要與支持基板20的下面直接接合，亦可透過未圖示出的接著層接合。金屬材料構造體30從發熱體13那側朝向下方，依序包括第一導體層31、介電質層33具有複數個個別導體層36的第二導體層35。此外，金屬材料構造體30所具有的各層之間可直接接合，亦可透過接著層接合。金屬材料構造體30使下面與外殼50的紅外線穿透板54相向而配置。此外，個別導體層36及介電質層33的下面露出部可使用氧化防止層(未圖示，其可由三氧化二鋁形成)來覆蓋。
第一導體層31為從支持基板20來看與發熱體13的相反側(下側)接合的平板狀元件。第一導體層31的材質可為金屬等導體(電力傳導體)。作為金屬的具體例，可採用金、鋁、鉬等。在本實施型態中，第一導體層31的材質為金。第一導體層31透過未圖示出的接著層接合至支持基板20。作為接著層的材質，可採用鉻、鈦、釕等。此外，第一導體層31與支持基板20可直接接合。
介電質層33為從第一導體層31來看接合至發熱體13的相反側(下側)的平板狀元件。介電質層33被夾在第一導體層31與第二導體層35之間。作為介電質層33的材質，可採用三氧化二鋁、二氧化矽等。在本實施型態中，介電質層33的材質為三氧化二鋁。
第二導體層35為導體所構成的層，在沿著介電質層33下面的方向(其後左右方向)上具有周期構造。具體而言， 第二導體層35包括複數個個別導體層36，此個別導體層36在沿著介電質層33下面的方向(前後左右方向)上相互間隔而配置，藉此，構成周期構造(參照第2圖)。複數個個別導體層36在左右方向(第一方向)上分別相互以等間隔D1來配設。又，複數個個別導體層36在與左右方向垂直的前後方向(第二方向)上分別相互以等間隔D2來配設。個別導體層36以此方式配列成格子狀。此外，在本實施型態中，如第2圖所示，個別導體層36配列成四方格子狀，但也可使這些個別導體層36位於正三角形的頂點，將個別導體層36配列成六方格子狀。複數個個別導體層36的每一層從下面看為圓形，其為厚度h(上下高度)比直徑W小的圓柱狀。關於第二導體層35的周期構造的周期，水平方向的周期為Λ1=D1+W，垂直方向的周期為Λ2=D2+W。在本實施型態中，設定D1=D2，於是，Λ1=Λ2。第二導體層35(個別導體層36)的材質可為金屬等導體，可使用與上述第一導體層31相同的材質。第一導體層31及第二導體層35中至少其中一方可為金屬。在本實施型態中，第二導體層35的材質為與第一導體層31相同的金。
如此，金屬材料構造體30具有第一導體層31、具有周期構造的第二導體層35(個別導體層36)、夾在第一導體層31及第二導體層35之間的介電質層33。藉此，金屬材料構造體30在從發熱體13輸入熱能時可放射峰值波長為非普朗克分布的紅外線。此外，所謂普朗克分布，是在一種將橫軸設定為越向右就越長之波長、將縱軸設定為輻射強度的圖表上，表現出具有特定峰值的山形分布，同時，它也是一種曲線，其具有 峰值左側之傾斜較陡、峰值右側之傾斜較平緩的形狀。一般的材料根據此曲線(普朗克放射曲線)來進行放射。所謂非普朗克放射(具有非普朗克分布之峰值波長的紅外線的放射)，是指以該放射之最大峰值為中心的山形傾斜比上述之普朗克放射陡峭的放射。換言之，金屬材料構造體30具有最大峰值比普朗克分布之峰值陡峭的放射特性。此外，「比普朗克分布之峰值陡峭」的意思是，「半峰全寬(FWHM：full width at half maximum)比普朗克分布之峰值窄」。藉此，金屬材料構造體30可作為金屬材料放射器來運作，其中，金屬材料放射器具有的特性為，可在紅外線的整個波長範圍(0.7μm~1000μm)中選擇性地放射特定波長的紅外線。此特性被看作是可使用磁偏振子(Magnetic polariton)來說明的共振現象所導致。此外，所謂磁偏振子，是指一種共振現象，其中，在上下2片的導體(第一導體層31及第二導體層35)之間激發反平行電流，得到將強大的磁場關進其間之介電質(介電質層33)內的效果。藉此，在金屬材料構造體30上，於第一導體層31及個別導體層36局部性地激起強大電場的振動，於是此變成紅外線的放射來源，紅外線被放射至周圍環境(在此尤其是下方)。又，在此金屬材料構造體30上，藉由調整第一導體層31、介電質層33及第二導體層35的材質、個別導體層36的形狀及周期構造，可調整共振波長。藉此，從金屬材料構造體30之第一導體層31及個別導體層36所放射出來的紅外線表現出特定波長之紅外線之放射率變高的特性。換言之，金屬材料構造體30具有的特性為，可放射出最大峰值之半峰全寬較小、放射率較為高陡的紅外線。此 外，在本實施型態中，雖設定D1=D2，間隔D1與間隔D2亦可不同。關於周期Λ1及周期Λ2的情況，也是一樣。此外，半峰全寬可藉由變更周期Λ1及周期Λ2來控制。在金屬材料構造體30上，既定放射特性中之上述最大峰值可在波長6μm以上、7μm以下的範圍內，亦可在2.5μm以上、3.5μm以下的範圍內。又，在金屬材料構造體30上，最大峰值從初升到初降的波長範圍以外的波長範圍中之紅外線的放射率的值宜在0.2以下。在金屬材料構造體30上，最大峰值的半峰全寬宜在1.0μm以下。金屬材料構造體30的放射特性可具有以最大峰值為中心約略左右對稱的形狀。又，金屬材料構造體30的最大峰值的高度(最大幅射強度)不會超越上述普朗克放射的曲線。
此外，此種金屬材料構造體30可用以下的方式來形成。首先，在支持基板20的表面(在第1圖中為下面)藉由濺鍍技術依序形成接著層及第一導體層31。接著，在第一導體層31的表面(在第1圖中為下面)藉由ALD技術(atomic layer deposition：原子層沉積技術)形成介電質層33。然後，在介電質層33的表面(在第1圖中為下面)形成既定的光阻圖案，再藉由螺旋濺鍍技術形成由第二導體層35之材質所構成的層。接著，藉由去除光阻圖案，形成第二導體層35(複數個個別導體層36)。
低放射層40配置於加熱器本體11之表面中從發熱體13來看為金屬材料構造體30的相反側的表面(在第1圖中為上面)上。此低放射層40具有低於金屬材料構造體30之 平均放射率的平均放射率。在此，「平均放射率」的意思為紅外線之總波長範圍(0.7μm~1000μm)中的平均之放射率。於是，低放射層40即使存在於放射率高於金屬材料構造體30的波長範圍，整體而言，低放射層40的放射率可以較低。又，金屬材料構造體30與低放射層40的平均放射率分別是根據各別在相同溫度時之放射率所導出的值。低放射層40宜採用放射率低的材質。作為低放射層40的材質，可採用金或鋁(Al)等。在本實施型態中，低放射層40為金所構成。此外，低放射層40可使用濺鍍技術形成於保護元件14的整個表面(在此為上面)上。
外殼50包括圓筒部52、紅外線穿透板54(紅外線穿透部之一例)、挾持元件55,56、板狀元件57,58。圓筒部52為軸方向沿著上下方向的元件，其在上端及下端開口。紅外線穿透板54被配置為塞住圓筒部52的下端的開口。紅外線穿透板54的功能如同一窗口，其使來自金屬材料構造體30的紅外線穿透至外殼50的外部。紅外線穿透板54可穿透從金屬材料構造體30所放射之紅外線中從最大峰值之初升到初降的波長範圍之至少一部分的波長範圍的紅外線。紅外線穿透板54宜至少可穿透從金屬材料構造體30所放射之紅外線中包含最大峰值的波長範圍，若至少能穿透包含最大峰值之半峰全寬範圍的波長範圍則更好。作為紅外線穿透板54的材質，可採用石英(穿透波長3.5μm以下的紅外線)、透明三氧化二鋁(穿透波長5.5μm以下的紅外線)、螢石(氟化鈣，CaF2，穿透波長8μm以下的紅外線)等。紅外線穿透板54的材質宜根據來自金屬材 料構造體30的紅外線的最大峰值來作適宜選擇。外殼50具有以圓筒部52、板狀元件57及紅外線穿透板54圍起的內部空間53。挾持元件55,56為從上面來看具有圓形開口的板狀元件，於比圓筒部52更外側的地方從上下挾持紅外線穿透板54以固定紅外線穿透板54。在紅外線穿透板54與挾持元件55,56之間分別配設有O環之類的封止元件63,64，用來在內部空間53內與外殼50的外部之間產生封止作用。挾持元件55,56藉由螺釘等複數個固定金屬配件61(在第1圖中僅圖示出2個)沿著上下方向相互靠近，以此方式被按壓固定。板狀元件57,58為從上面看為圓形的板狀元件。板狀元件57被配置成塞住圓筒部52的上端的開口，板狀元件57的下面57a在內部空間53露出。板狀元件58從上面看具有圓形的開口，此開口有圓筒部52的上端插入。在板狀元件57,58之間配設有O環之類的封止元件65。板狀元件57,58藉由複數個固定金屬配件62(在第1圖中僅圖示出2個)相互沿著上下方向相互靠近，以此方式被按壓固定。固定金屬配件62可由螺釘及螺帽等構成。
作為圓筒部52、挾持元件55,56及板狀元件57,58的材質，可採用不鏽鋼或鋁等。又，在外殼50之中形成內部空間53且為紅外線穿透板54以外的元件(在此為圓筒部52及板狀元件57)宜為可反射紅外線的材質。再者，在外殼50之中於內部空間53露出且為紅外線穿透板54以外的元件的面(紅外線反射部之一例，在此為圓筒內面52a及下面57a)的紅外線的反射率尤其宜高。例如，圓筒內面52a及下面57a的紅外線的反射率可在50%以上，亦可在80%以上、90%以上。在本實 施型態中，圓筒部52及板狀元件57為不鏽鋼，圓筒內面52a及下面57a藉由刷輪研磨等研磨技術使反射率提高。此外，圓筒內面52a為外殼50之中於內部空間53露出的側面(位於加熱器本體11之前後左右的面)。又，下面57a為外殼50之中於內部空間53露出的頂面，其為從發熱體13來看位於金屬材料構造體30之相反側(在此為上方)的面。
此外殼50於上方安裝有配管66及密封壓蓋67。配管66的內部透過形成於圓筒部52及板狀元件57的貫通孔與內部空間53連通。配管66有真空計81及未圖示出的真空泵浦連接，可藉由真空泵浦的動作對內部空間53減壓。藉由在密封壓蓋67的內部插通電力配線15，對內部空間53內與外部空間之間產生封止作用，並且將發熱體13的電力配線15拉至外部。
固定部70為在內部空間53內支持加熱器本體11的元件。固定部70包括一對螺帽71,72、間隔器71a,72a、導引軸73、支持板75、固定金屬配件76。螺帽71,72為從上下挾持加熱器本體11之支持基板20的一對元件，固定部70包括複數對(例如4對，在第1圖中僅圖示出2對)螺帽71,72。間隔器71a配設於螺帽71與支持基板20之間，間隔器72a配設於螺帽72與支持基板20之間。支持基板20透過間隔器71a,72a與螺帽71,72及導引軸73相接。可從支持基板20減少對螺帽71,72及導引軸73的熱傳導，所以，間隔器71,72a宜採用熱傳導率低的材質(例如陶瓷、玻璃、樹脂等)。導引軸73為貫通螺帽71,72、間隔器71a,72a及支持基板20並支持這 些元件的棒狀元件。導引軸73的設置數目僅與螺帽71,27相同(在本實施型態中為4根，在第1圖中僅圖示出2根)。複數個導引軸73透過貫通支持板75及支持板75的固定金屬配件76安裝固定於板狀元件57上。藉此，固定部70在與外殼50分離的狀態下支持加熱器本體11。此外，加熱器本體11的支持基板20從上面看為比發熱部12及金屬材料構造體30大的元件，其相對於那些元件沿著水平方向突出。因此，導引軸73在加熱器本體11之中僅貫通支持基板20。又，導引軸73上有公螺釘形成，螺帽71,72可沿著導引軸73變更上下位置。藉此，可變更加熱器本體11的上下方向的位置(例如與紅外線穿透板54之間的距離)。
以下將說明如此構成的紅外線加熱器10的使用例。首先，使用未圖示出的真空泵浦，使內部空間53變成既定的減壓環境氣體。雖無特別限定，但內部空間53宜為大氣環境氣體或惰性氣體環境氣體(例如氮氣環境氣體)。內部空間53減壓後的壓力為100Pa以下。此外，內部空間53減壓後的壓力宜為0.01Pa以上。又，從未圖示出的電源透過電力配線15對發熱體13的兩端供給電力。關於電力的供給，可將發熱體13的溫度變成預先設定的溫度(雖沒有特別限定，但在此設為320℃)來進行。從達到既定溫度的發熱體13，在傳導、對流、放射這3種傳熱型態中主要藉由傳導來傳達能量，使金屬材料構造體30被加熱。結果，金屬材料構造體30上升至既定溫度(在此設為300℃)，變成放射體，放射出紅外線。此時，金屬材料構造體30如上所述，具有第一導體層31、介電質層 33及第二導體層35，藉此，加熱器本體11放射具有非普朗克分布之峰值波長的紅外線。更具體地說，加熱器本體11從金屬材料構造體30的第一導體層31及個別導體層36，選擇性地放射特定波長範圍的紅外線。另外，從第一導體層31及個別導體層36所放射出的特定波長範圍的紅外線透過紅外線穿透板54放射至紅外線加熱器10的下方。藉此，紅外線加熱器10可對配置於紅外線穿透板54下方的對象物選擇性地放射特定波長範圍的紅外線。因此，可對對此特定波長範圍之紅外線之吸收率較高的對象物，效率良好地放射紅外線來進行加熱等。
在以上詳述過的本實施型態之紅外線加熱器10中，加熱器本體11具有金屬材料構造體30，所以，特定波長範圍以外的波長範圍中的紅外線的放射率較低。因此，紅外線加熱器10相較於不具有金屬材料構造體30而直接放射來自發熱體13之紅外線的一般紅外線加熱器，當投入相同電力時，加熱器本體11的溫度容易上升。一般而言，加熱器本體11的溫度越高，加熱體本體11與內部空間53內的氣體之間容易產生對流熱傳導，從加熱器本體11到外殼50的對流熱傳導增加。因此，在包括金屬材料構造體30的紅外線加熱器10中，一般容易因對流損失而導致能量效率下降。不過，本實施型態之紅外線加熱器10藉由將內部空間53變成減壓狀態來使用，相較於內部空間53為常壓的情況，從加熱器本體11到內部空間53內的對流熱傳導變少，可抑制對流損失。於是，可更進一步提高具有金屬材料構造體30的紅外線加熱器10的能量效率。
又，紅外線加熱器10與加熱器本體11分離配置，在加熱器本體11那側與對象物那側中至少其中一側包括可反射紅外線的圓筒內面52a及下面57a。此圓筒內面52a及下面57a可反射紅外線，藉此，從加熱器本體11放射出的紅外線的能量的至少一部分可藉由反射來投入加熱器本體11與對象物中至少其中一者，更進一步提高能量效率。
再者，在紅外線加熱器10中，加熱器本體11包括低放射層40，該低放射層40具有平均放射率低於從發熱體13來看配置於金屬材料構造體30之相反側之表面(第1圖的上面)的金屬材料構造體30的平均放射率。因此，可減少從發熱體13放射至金屬材料構造體30之相反側的紅外線的能量，更進一步提高能量效率。
此外，本發明不對上述實施型態作任何限定，只要屬於本發明之技術範圍，理當可以各種型態實施本發明。
例如，在上述實施型態中，金屬材料構造體30具有第一導體層31、介電質層33及第二導體層35，但本發明不受此限制。金屬材料構造體30在構造上可為，從發熱體13輸入熱能時，放射具有非普朗克分布之峰值波長的紅外線。例如，例如，金屬材料構造體在構造上可為具有複數個微腔的微腔形成體。第3圖為變形例之加熱器本體11A的部分剖面圖。第4圖為變形例之金屬材料構造體30A的部分底視立體圖。加熱器本體11A不包括金屬材料構造體30，而是包括金屬材料構造體30A。在金屬材料構造體30A上，至少表面(在此為側面42A及底面44A)由導體層35A所構成，具有複數個微腔 41A，微腔41A構成前後左右方向的周期構造。金屬材料構造體30A從加熱器本體11A的發熱體13那側朝向下方，依序包括本體層31A、凹部形成層33A、導體層35A。本體層31A可由玻璃基板等來構成。凹部形成層33A可由樹脂、陶瓷及玻璃等無機材料來構成，其形成於本體層31A的下面，並形成圓柱狀的凹部。凹部形成層33A可採用與第二導體層35相同的材料。導體層35A配設於金屬材料構造體30A的表面(下面)，覆蓋凹部形成層33A的表面(下面及側面)、本體層31A的下面(未配設凹部形成層33A的部分)。導體層35A由導體構成，作為材質，可採用金、鎳等金屬、導電性樹脂等。微腔41A被此導體層35A的側面42A(覆蓋凹部形成層33A之側面的部分)、底面44A(覆蓋本體層31A之下面的部分)包圍，為開口於下方的約略圓柱狀空間。微腔41A如第4圖所示，於前後左右排列配設成複數個。此外，金屬材料構造體30A的下面作為對對象物放射紅外線的放射面38A。具體而言，當金屬材料構造體30A吸收來自發熱體13的能量時，藉由在底面44A與側面42A形成的空間內的入射波與反射波的共振作用，從放射面38A朝向下方的對象物強烈放射特定波長的紅外線。藉此，金屬材料構造體30A和金屬材料構造體30一樣，可放射具有非普朗分布之峰值波長的紅外線。此外，藉由調整複數個微腔41A的各個圓柱的直徑及深度，可調整金屬材料構造體30A的放射特性。此外，微腔41A不限於圓柱狀，可為多角柱狀。微腔41A的深度可為1.5μm以上、10μm以下。在具有此種加熱器本體11A的紅外線加熱器10上，與上述實施型態相同，使用時藉由使 內部空間53為減壓環境氣體，使得使用時的加熱器本體11A的對流損失得到抑制，於是可更進一步提高能量效率。此外，此種金屬材料構造體30A可用以下的方式來形成。首先，在作為本體層31A之下面的部分藉由一般習知的奈米壓印技術形成凹部形成層33A。然後，覆蓋凹部形成層33A的表面及本體層31A的表面，如此藉由濺鍍技術形成導體層35A。
在上述實施型態中，加熱器本體11具有低放射層40，但在此可省略。
在上述實施型態中，於外殼50之中穿透來自加熱器本體11的紅外線的只有紅外線穿透板54，但在此不受此限制，例如整個外殼50可為紅外線穿透部。例如，可使外殼50的形狀為圓筒狀，使用與紅外線穿透板54相同的紅外線穿透材料(例如石英玻璃)形成整個外殼50。在此情況下，加熱器本體11可為圓柱狀。更具體地說，加熱器本體11可具有圓柱狀的發熱部12、配置於該發熱部12表面的金屬材料構造體30。又，在整個外殼50以此方式採用紅外線穿透材料的情況下，可在外殼50的外側的上面或上側的內周面形成反射層，作為紅外線反射部。作為此種反射層的材質，可採用金、鋁等。又，外殼50可為配置成同心圓狀的2重圓筒管。在此情況下，可在內側的圓筒管的內側配置加熱器本體11。又，可使冷媒(例如空氣)在內側的圓筒管與外側的圓筒管之間的空間流通，成為可冷卻外殼50的構造。
外殼50採用與紅外線穿透板54相同的紅外線穿透材料來形成的例子已使用第5圖及第6圖說明。第5圖及第 6圖為變形例之紅外線加熱器110的剖面圖。第5圖為沿著外殼150之軸方向的剖面圖，第6圖為與外殼150之軸方向垂直的剖面圖。對於紅外線加熱器110的構成元素中與紅外線加熱器10相同的構成要素，附加相同符號，省略詳細說明。紅外線加熱器110包括加熱器本體111、外殼150、反射層159、熱電偶185。加熱器本體111配置於外殼150的內部空間153內，形成平板狀。加熱器本體111的發熱部12的材質在此採用KANTHAL(註冊商標：包含鐵、鉻及鋁的合金)。加熱器本體111在支持基板20方面，包括分別配設於發熱部12之上面及下面的支持基板20a,20b。支持基板20a,20b的材質在此採用石英玻璃。加熱器本體111在金屬材料構造體30方面，包括分別配設於支持基板20a之上面及支持基板20b之下面的金屬材料構造體30a,30b。金屬材料構造體30a,30b的各別構造與第1圖所示的金屬材料構造體30相同。金屬材料構造體30a與金屬材料構造體30b為上下對稱的構造，金屬材料構造體30a主要在上方放射紅外線，金屬材料構造體30b主要在下方放射紅外線。在加熱器本體111的縱向(第5圖的左右方向)的兩端，分別安裝有與發熱部12導通的棒狀導體115。棒狀導體115從外殼150的軸方向的兩端被拉出至外部，可透過此棒狀導體115從外部對發熱體13供給電力。棒狀導體115有在外殼150內支持加熱器本體111的功能。棒狀導體115的材質在此採用鉬。熱電偶185為用來測定加熱器本體111之表面溫度的溫度感測器的其中一例，從加熱器本體111的表面貫通外殼150再被拉出至外部。外殼150採用與上述之紅外線穿透板54 相同的紅外線穿透材料來形成。在此外殼150的材質採用石英玻璃(穿透波長3.5μm以下的紅外線)。外殼150為約略圓筒狀。在外殼150的內側的內部空間153內，配置有加熱器本體111。外殼150的軸方向的兩端形成彎曲且先端變細的形狀，從此兩端將棒狀導體115拉出至外部。內部空間153在製造紅外線加熱器110時預先被調整成減壓環境氣體。在外殼150之中從內部空間153將棒狀導體115及熱電偶185拉出至外部的部分藉由設置用來使外殼150熔融的熔融部來封止。不過，此部分可使用與外殼150不同的封止材料來封止。反射層159為紅外線反射部的其中一例，覆蓋外殼150的外周面的一部分來配置。因此，反射層159僅覆蓋加熱器本體111的周圍的一部分來設置。反射層159從加熱器本體111來看是沿著外殼150的縱向亦即垂直方向上(在此為第5圖及第6圖上方向)。反射層159配設於外殼150的外側的上面。在此，反射層159完全覆蓋外殼150的外周面的上側的一半(參照第6圖)。反射層159與金屬材料構造體30a相向而配置，位於金屬材料構造體30a的紅外線的主要放射方向(在此為上方向)。作為反射層159的材質，可採用金、鉑、鋁等。在此，反射層159的材質採用金。反射層159可在外殼150的表面使用被稱為塗佈乾燥、濺鍍、CVD、熱噴塗的成膜技術來形成。藉由如此構成的紅外線加熱器110，從金屬材料構造體30b主要於下方放射紅外線，所放射出的紅外線穿透外殼150，到達配置於紅外線加熱器110下方的對象物上。藉由紅外線加熱器110，內部空間153被減壓，所以與上述實施型態相同，更進一步提高能量效率。又，從金 屬材料構造體30a主要於上方放射紅外線，所放射出的紅外線被反射層159反射，投入加熱器本體111與對象物中至少其中一者(在此主要是加熱器本體111)。因此，紅外線加熱器110的能量效率更進一步提高。在此，整個外殼150作為紅外線穿透部來運作，尤其是不配設有反射層159的部分(在此為外殼150的下半部)作為紅外線穿透部來運作，從此部分可對對象物放射紅外線。
在上述變形例之紅外線加熱器110中，反射層159配設於外殼150的外周面，但本發明不限於外周面，亦可配設於外殼150的外側。例如，可將反射部這個與反射層159獨立的元件配置於外殼150的外側。
在上述實施型態中，外殼50之中於內部空間53露出且為紅外線穿透板54以外的元件的面(在此為圓筒內面52a及下面57a)皆作為紅外線反射部，但本發明不受此限，構造上亦可為，外殼之中50於內部空間53露出的面的至少一部份為紅外線反射部。又，紅外線反射部可為與外殼50不同的元件。例如，可在圓筒內面52a及下面57a中至少一者上形成反射層，作為紅外線反射部。或者，作為與外殼50獨立的元件，可於圓筒內面52a與加熱器本體11之間配置紅外線反射部，於下面57a與加熱器本體11之間配置紅外線反射部。又，紅外線加熱器10可不具有紅外線反射部。
在上述實施型態中，使用安裝於外殼50上的配管66，在使用紅外線加熱器10時藉由真空泵浦使內部空間53變成減壓環境氣體，但本發明不受此限。例如，可製造紅外線加 熱器10時，於內部空間53為減壓環境氣體的狀態下在內部空間53與外部空間之間進行封止作用。在此情況下，可不對外殼50安裝配管66。
在上述實施型態中，固定部70在與外殼50分離的狀態下支持加熱器本體11，但本發明不受此限。例如，加熱器本體11的上面(例如發熱部12之中與金屬材料構造體30相反的那側的面)可與外殼50接觸。在此情況下，加熱器本體11可不具有低放射層40。不過，加熱器本體11與外殼50分離時比較能抑制兩者之間的熱傳導，使能量效率更進一步提高，所以較為適宜。
【實施例】
以下將以具體製作紅外線加熱器的例子作為實施例來進行說明。此外，本發明不受以下的實施例限定。
[第1實施例]
已製作好第1圖及第2圖所示的紅外線加熱器10。不過，加熱器本體11不包括低放射層40。此外，金屬材料構造體30的材質在第一導體層31及第二導體層35採用金，在介電質層33採用三氧化二鋁。第一導體層31的厚度f設為100nm，介電質層33的厚度d設為176.3nm，第二導體層35(個別導體層36)的厚度h設為55nm。又，個別導體層36的外徑W設為2.16μm，周期Λ1,Λ2皆設為4.00μm。包括已製作好之金屬材料構造體30的加熱器本體11的放射特性的最大峰值之峰值波長為6.7μm。在外殼50中，內部空間53的內徑(亦即圓筒部52的內徑)設為108mm，內部空間53在上下方向的高度設為 85mm。紅外線穿透板54的材質採用厚度7mm的石英玻璃。紅外線穿透板54中可穿透紅外線的部分(不被挾持元件55,56挾持的部分的面積)從上面看，設為108mm的圓形。圓筒內面52a及下面57a採用#400的刷輪來進行刷輪研磨。使用此紅外線加熱器10，使內部空間53為真空(9.1Pa)的狀態。接著，當加熱器本體11到達300℃時，對發熱體13投入電力，測定300℃時的投入電力之後，發現為18.3W。同樣地，改變投入電力再測定其與加熱器本體11之溫度的關係，發現在259℃時為13.5W，在207℃時為9.1W。此外，加熱器本體11的溫度是使熱電偶與金屬材料構造體30的表面接觸來測定的。
[第1比較例]
使用與第1實施例相同的紅外線加熱器10，使內部空間53的環境氣體為大氣，在此狀態下，進行與第1實施型態相同的試驗，作為第1比較例。在第1比較例中，加熱器本體11(金屬材料構造體30)為300℃時對發熱體13投入的電力為36.1W。同樣地，改變投入電力再測定與加熱器本體11之溫度的關係，會發現在255°時為26.7W，在208℃時為18.7W，在140℃時為9.9W。
[第2比較例]
加熱器本體11除了包括低放射層40這一點以外，使用與第1實施例相同的紅外線加熱器10，使內部空間53為真空(9.1Pa)的狀態，進行與第1實施例相同的試驗，作為第2實施例。此外，低放射層40的材質採用厚度11μm的鋁。在第2實施例中，加熱器本體11(金屬材料構造體30)在300℃時對發 熱體13投入的電力為13.4W。
第7圖為圖表，其針對第1實施例、第2實施例及第1比較例，表示出對發熱體13投入的電力與加熱器本體的溫度之間的關係。從第7圖可知，在投入電力為同程度時進行比較時，第1實施例與第2實施例相較於第1比較例，加熱器本體的溫度較高。又，若比較使加熱器本體11皆上升至300℃所需要投入的電力，第1實施例相較於第1比較例，投入電力約為一半，再者，第2實施例相較於第1實施例，投入電力約為3/4(與第1比較例相比，約為1/3)。從第1實施例、第2實施例及第1比較例的比較可確認，在具有相同之金屬材料構造體30的紅外線加熱器10中，與內部空間為常壓的第1比較例相比，對內部空間減壓的第1實施例及第2實施例能使能量效率提高。又，從第1實施例及第2實施例的比較可確認，加熱器本體11包括低放射層40的第2實施例能使能量效率進一步提高。
此外，在第1實施例、第2實施例及第1比較例中，為了試驗上的方便，加熱器本體11的最大峰值的峰值波長為6.7μm，相對於此，紅外線穿透板54的材質採用石英玻璃(穿透波長3.5μm以下的紅外線)。為了對對象物效率良好地放射紅外線，為了穿透含有加熱器本體11之最大峰值之峰值波長的波長範圍的紅外線，紅外線穿透板54宜採用螢石(穿透波長8μm以下的紅外線)等。此外，在上述第1實施例、第2實施例及第1比較例的紅外線加熱器中，當紅外線穿透板54採用螢石時，存在加熱器本體的溫度整體變低的可能性，但可 將第1實施例、第2實施例及第1比較例之間的關係看成與上述第7圖所示的結果相同。
本申請以2016年10月24日所申請的日本專利申 請第2016-207571號為優先權主張的基礎，藉由引用，所有該內容皆包含在本說明書中。
【產業可利性】
本發明可應用於需要對對象物進行加熱處理、乾燥處理或使對象物產生化學反應之處理等紅外線處理的產業。

Claims (8)

  1. 一種紅外線加熱器，包括：加熱器本體，包括發熱體、從上述發熱體輸入熱能時可放射峰值波長為非普朗克分布之紅外線的金屬材料構造體；及外殼，一種配置有上述加熱器本體且具有可減壓之內部空間的外殼，具有可使來自該金屬材料構造體之紅外線穿透該外殼之外部的紅外線穿透部。
  2. 一種紅外線加熱器，其為如申請專利範圍第1項之紅外線加熱器，包括紅外線反射部，其與上述加熱器本體分離配置，可對上述加熱器本體那側與對象物那側中至少其中一側反射紅外線。
  3. 如申請專利範圍第2項之紅外線加熱器，其中，上述紅外線反射部位於在上述外殼中之上述內部空間露出的內周面。
  4. 如申請專利範圍第2項之紅外線加熱器，其中，上述外殼由可穿透紅外線的紅外線穿透元件所構成，上述紅外線反射部配設於上述外殼的外側。
  5. 如申請專利範圍第4項之紅外線加熱器，其中，上述紅外線反射部配設於上述外殼的外周面。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之紅外線加熱器，其中，上述加熱器本體包括低放射層，從上述發熱體來看，其配置於與上述金屬材料構造體相反的那側的表面，具有 平均放射率比該金屬材料構造體的平均放射率。
  7. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之紅外線加熱器，其中，上述金屬材料構造體包括第二導體層，其從上述發熱體那側依序具有第一導體層、接合至該第一導體層的介電質層、分別接合至上述介電質層且以相互間隔之方式作周期性配置的複數個個別導體層。
  8. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之紅外線加熱器，其中，上述金屬材料構造體包括複數個微腔，其至少表面由導體形成，以相互間隔之方式作周期性配置。
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