TWI662858B - 紅外線面板輻射器 - Google Patents

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Abstract

已知紅外線面板輻射器包括具有加熱表面及具有印刷導體之載體，該印刷導體由當電流流動通過其且被施加至該載體之印刷導體佔據表面時可產生熱的導電電阻器材料製成，藉此該印刷導體包括第一印刷導體區段用於第一每單位面積之功率之產生及第二印刷導體區段用於不同於該第一每單位面積之功率的第二每單位面積之功率之產生。在此基礎上，為設計一種具有經設計以以最高可行均勻照射強度發射輻射的高照射功率之紅外線面板輻射器，本發明提出該載體含有複合材料，該複合材料包括非晶基質組分及呈半導體材料之形式之額外組分，且該第一印刷導體區段及該第二印刷導體區段成串聯電路且藉由其等的佔據密度及/或藉由其等的導體截面而彼此不同。

Description

紅外線面板輻射器
本發明係關於一種紅外線面板輻射器，其包括具有加熱表面及具有印刷導體之載體，該印刷導體由當電流流動通過其且被施加至該載體之印刷導體佔據表面時產生熱的導電電阻器材料製成，藉此該印刷導體包括第一印刷導體區段用於第一每單位面積之功率之產生及第二印刷導體區段用於不同於該第一每單位面積之功率的第二每單位面積之功率之產生。 本發明之範疇中之紅外線面板輻射器展示具有面板狀二維或三維發射特性之加熱表面；其等面板狀發射特性使其等容易適應待加熱之加熱商品之表面的幾何形狀，使得三維加熱商品之二維或表面之均勻照射係可行的。 根據本發明之紅外線面板輻射器特別用於加熱製程，例如用於在半導體或光伏產業中、在印刷產業中或在塑膠加工中之半導體晶圓之熱處理。根據本發明之紅外線面板輻射器(例如)用於塑膠材料之聚合，用於塗漆之固化或用於塗料之乾燥。而且，其等可用於大量乾燥製程中，例如在膜或紗線之生產中，用於模型、樣本、原型、工具或成品(積層製造)之製造。另一重要應用領域係可撓性印刷電子裝置之生產，特定言之，在捲帶式程序(R2R程序)中，其中乾燥製程及燒結製程直接循序進行。先前技術 通常使用紅外線面板輻射器用於加熱商品之熱處理。已知紅外線面板輻射器可在設計上不同。例如，已知紅外線面板輻射器，其中具有圓柱體狀發射器管之多個紅外線發射器經適當地配置於發射器模組中，使得發射器管之縱向軸在平面中彼此平行延伸。而且，已知上文所提及類型之紅外線面板輻射器，其中電阻器加熱元件直接施加於面板狀載體之表面。 上文所描述之兩個設計藉由其等熱量之傳輸之模式而不同。然而，在前者情況下，自係配置於發射器管中之加熱元件至發射器管的熱量傳輸主要藉由熱輻射發生，加熱元件在後者情況下與面板狀載體直接接觸，使得自加熱元件至載體之熱量傳輸主要藉由熱傳導及對流發生。 具有施加於載體之加熱元件之紅外線面板輻射器展示良好功率效率。若施加電壓至此等紅外線面板輻射器之電阻器加熱元件，則該紅外線面板輻射器在其整個長度上方藉由基本上恆定電力操作。 然而，顯而易見的是，使用恆定電力之加熱元件之操作可與溫度差相關聯，特定言之，在載體之加熱表面上的非均勻溫度分佈。尤其在載體周邊處，接著通常(例如)在載體之中間區域中量測低溫。一個根本原因係歸因於相較於中間區域對流之較高能量損失可能會發生在載體之周邊處。此係與低溫(特定言之在載體之周邊處)，且相對於整個載體，與非均勻溫度分佈相關聯。 因此，已知載體之周邊區域及中間區域需要加熱兩個不同度數以便獲得盡可能均勻之載體溫度，且與其一起，盡可能均勻之實際加熱表面之輻射發射。 已知具有面板狀載體之紅外線面板輻射器，其中印刷導體包括多個印刷導體區段，其等成並聯電路。使其等成並聯電路將有助於包括最低可行整體電阻之印刷導體，使得其可以在高電流且且連同以高功率操作。為周邊效應之補償，印刷導體區段以不同的每單位面積之功率操作，藉此印刷導體區段通常通過印刷技術(例如藉由絲網印刷或噴墨印刷)之使用產生。通常，此等輻射器具有印刷導體區段，其可以與載體之周邊相關聯之更高的每單位面積之功率操作。此有利之處在於，周邊區中之對流相關溫度損失可藉由係指派至此區域之印刷導體區段之更高的每單位面積之功率補償。 自DE 10 2014 108 356 A1已知紅外線面板輻射器，其中電阻器結構施加於載體。電阻器結構包括內部印刷導體且與其成並聯電路，及外部印刷導體，其等在其等電阻上不同。此類型之電阻器結構使用該效應：具有低電阻之印刷導體更有助於加熱功率。此係抵消在周邊處之所謂「冷點」及/或功率下降之形成的方式。 使加熱電阻器成並聯電路之有利之處在於，此等包括特別低整體電阻。在給定恆定操作電壓處，低整體電阻係與高操作電流相關聯且允許紅外線面板輻射器以高功率操作。然而，提供成並聯電路之加熱電阻器對印刷導體設計具有影響，即印刷導體區段之配置及幾何形狀。特定言之，所要溫度分佈可能界定並聯部分電路之電阻及平行接面與主電路之位置。因此，歸因於並聯電路之接面之給定位置，不再可自由地選擇印刷導體設計。而且，較高印刷導體佔據密度可在平行接面處產生，其繼而對載體上(特定言之加熱表面)之溫度分佈有影響。本發明之技術目標 因此，本發明之目的係設計具有高照射功率之紅外線面板輻射器，其經設計用於以盡可能均勻之照射功率的輻射之發射。
根據本發明，基於前述類型之紅外線面板輻射器解決上文指定目的，其中該載體含有複合材料，該複合材料包括非晶基質組分及呈半導體材料之形式之額外組分，且其中該第一印刷導體區段及該第二印刷導體區段成串聯電路且藉由其等的佔據密度及/或藉由其等的導體截面而彼此不同。 本發明係基於發現可獲得具有高輻射強度及特別均勻輻射發射之紅外線面板輻射器，若在一方面，該紅外線面板輻射器由具高發射率之複合材料製成且若在另一方面，該印刷導體設計可由成串聯電路之多個印刷導體區段適於該複合材料，其中該等印刷導體區段藉由其等的佔據密度及/或藉由其等的導體截面而彼此不同。此適應性獲得的係該加熱表面以均勻照射強度發射IR輻射，或換言之，一旦施加電壓至該印刷導體，則獲得該加熱表面上之基本均勻溫度分佈。 據此，根據本發明之紅外線面板輻射器從兩個態樣不同於習知紅外線面板輻射器，即，在一方面，由特定複合材料製成之該載體之化學組成或該載體之至少一部分，及在另一方面，藉由經特別適應該複合材料之組成的該印刷導體設計。 歸因於該載體具有非晶基質組分及呈半導體材料之形式之額外組分，獲得可呈基於熱激發之富有能量激發態之載體。特定言之，該載體之物理性質受額外組分影響。顯而易見的是，添加半導體材料允許獲得適於以高照射強度之紅外線輻射之發射的載體。同時，該複合材料展示溫度相依導熱性，其亦基於該半導體材料之添加。 在此內文中，該複合材料包括以下組分： 根據重量及體積，非晶基質組分占該複合材料之最大分率。該基質組分決定該複合材料之機械及化學性質，例如，耐溫性、強度及其腐蝕性質。由於該基質組分係非晶的-其較佳由玻璃組成-所以該載體之幾何形狀可比由晶體材料製成之載體更容易適應紅外線面板輻射器之特定應用之現有要求。 該基質組分可由未摻雜或摻雜石英玻璃組成，且若可應用，則可含有除SiO2 外之以重量計最大10%之量之氧化、氮化或碳化組分。為防止由該載體材料引起之任何污染風險，其中該非晶基質組分係石英玻璃且較佳具有至少99.99% SiO2 之化學純度及不超過1%之方石英內容物的該紅外線面板輻射器之實施例已證明特別有利。 而且，根據本發明，呈半導體材料之形式之額外組分經嵌入於該基質組分中。其形成固有非晶或晶體相，其經散佈於該非晶基質組分中。其有助於高發射率，使得獲得用於以高輻射功率之紅外線輻射之發射的合適載體。 根據本發明之施加於該紅外線面板輻射器中之印刷導體佔據表面之該印刷導體直接用於另一組分(即該載體)之加熱。該印刷導體充當「局部」加熱元件，藉由其該載體之至少部分面積可局部加熱；其經適當定尺寸，使得其加熱由該複合材料製成之該載體之部分，其形成該載體之實際紅外線輻射發射元件。由於經連接至該載體之該印刷導體係與該載體之該印刷導體佔據表面直接接觸，所以獲得特別緊湊紅外線面板輻射器。 該等印刷導體區段之該印刷導體設計及電路可適應該可熱激發複合材料之物理性質。 其中該印刷導體係實際加熱元件之習知紅外線面板輻射器之加熱功率遵循歐姆定律且取決於該印刷導體之總電阻；此等之加熱功率可藉由選擇該印刷導體之整體電阻值盡可能低而增加。為此原因，該等印刷導體區段之成並聯電路之使用已證明特別有利，因為其允許獲得小於最小個別電阻之總電阻。 相較之下，根據本發明之該紅外線面板輻射器展示材料相關吸收範圍，其中該載體之熱激發係可行的。由於每單位面積之功率取決於該吸收範圍，所以其並非係期望之最低可行總電阻-不同於習知紅外線面板輻射器-而是顯而易見的是若該等印刷導體之每單位面積之功率值及連同於此，其等總電阻適應材料相關吸收範圍，則可獲得最佳有效加熱功率。 為獲得最佳照射強度，需要該載體之充分熱激發。此係若該印刷導體及其區段適當成電路使得用於該載體之熱激發之充分能量係可用的而達成。更多能量之輸入僅有助於輻射強度之有限增加程度且通常與較低能量效率相關聯。 針對該載體之激發所需之能量可藉由使印刷導體區段成串聯電路而容易且廉價地獲得。而且，提及該載體之可熱激發複合材料，使印刷導體區段成串聯電路係與額外優點相關聯，即以特別有利電流-電壓比之激發係可行的。使印刷導體電阻器成串聯電路使操作電壓在100伏特至400伏特之範圍中可行。同時，該等印刷導體區段可以較低操作電流操作，藉由其可增加根據本發明之該紅外線面板輻射器之使用壽命。 且最後，歸因於根據本發明之成串聯電路之印刷導體區段，該印刷導體設計可靈活地適於各自應用。特定言之，與其中各印刷導體區段形成部分電路的印刷導體區段之成並聯電路相反，不需要部分電路接面，該等部分電路接面的位置可由待獲得之總電阻預定，其可阻礙自由設計該印刷設計之能力。該印刷設計可自由選擇使得加熱表面具特別均勻照射強度，使得加熱商品之特別均勻熱處理係可行的。 為補償非均勻溫度分佈，特定言之為補償對流相關周邊效應，根據本發明之該紅外線面板輻射器之該印刷導體包括多個區段，其等在可使用其等獲得之每單位面積之功率上不同，即，至少一個第一印刷導體區段及一個第二印刷導體區段，藉此該第一印刷導體區段及該第二印刷導體區段之佔據密度及/或導體截面彼此適當匹配，使得在施加電壓至該印刷導體之後獲得該加熱表面上之基本均勻溫度分佈。 可藉由改變佔據密度或藉由改變各自印刷導體區段之導體截面或藉由兩者而調整該第一印刷導體區段及該第二印刷導體區段之每單位面積之各自功率。 在此內文中，每單位面積之功率經定義為相對於由該印刷導體佔據之載體表面面積之該印刷導體之電連接負載。在此內文中，該載體表面面積應被理解為由包絡線繞該印刷導體圍封之表面面積，藉此在其等之間無距離之鄰近印刷導體區段之包絡線延伸於該等鄰近印刷導體之間的中間且不將可存在之電流饋電線列入考慮。據此，該載體表面面積反映係指派至印刷導體區段之個別表面區域。在印刷導體區段中之每單位面積之功率係該印刷導體之較高佔據密度且該印刷導體之較低導體截面。 該印刷導體截面係在電流流動之方向上觀看之通過該印刷導體之截面面積。在矩形層狀印刷導體之情況下，該導體截面且因此藉由該層之寬度與該層之厚度之乘積獲得。 該佔據密度係載體區段如何緊密由印刷導體佔據的量測。該佔據密度係將由該印刷導體佔據之表面面積(作為至印刷導體佔據面積上之投影)相對於該載體表面面積之表面面積之比以百分比單位給出。在此內文中，該載體表面面積包括由該印刷導體佔據之該印刷導體佔據面積之表面及不由該印刷導體佔據之該印刷導體佔據面積之「自由」表面面積兩者。 由於該印刷導體包括此類型之多個印刷導體區段，所以在其等每單位面積之功率上不同之加熱區之形成係可行的。該等加熱區可經適當配置，使得該加熱表面之溫度損失經補償，使得獲得具均勻照射強度之加熱表面。明確言之，可補償周邊效應，例如，具較高的每單位面積之功率之印刷導體區段係指派至該印刷導體佔據面積之周邊區。 此類型之紅外線面板輻射器包括加熱表面，其經設計用於獲得高於200 kW/m2 ，較佳在200 kW/m2 至250 kW/m2 之範圍中的照射強度。 在根據本發明之該紅外線面板輻射器之較佳精細化中，整個載體由該複合材料製成，藉此該複合材料係電絕緣體。 該載體可設計成多層且可含有由除該複合材料外之其他材料製成之區域。然而，對該紅外線面板輻射器之操作而言，重要的是，該載體表面由電絕緣材料製成，至少在該印刷導體佔據表面之區域中。此確保該紅外線面板輻射器之操作具很少干擾，特定言之，防止鄰近印刷導體區段之間的閃燃及短路。由於該複合材料係電絕緣體，所以可直接施加該印刷導體至該複合材料且因此至該載體。 由多個材料製成之載體可包括(例如)多層結構，其中材料之兩個或兩個以上的層可彼此上下配置。替代地，恰好可行的是，該載體包括由第一材料製成之核心，較佳該複合材料，其由由第二材料製成之塗層塗覆。該核心之所有或部分可由該第二材料塗覆。較佳地，該核心完全由該第二材料塗覆。 在根據本發明之該紅外線面板輻射器之較佳細化中，該複合材料由由電絕緣材料製成之層塗覆，至少在該印刷導體佔據表面之區域中。 該載體由其製成之該複合材料在紅外線範圍中展示良好發射率。除該複合材料之發射率外，該複合材料之其他物理性質，特定言之其導電性，對其作為紅外線面板輻射器之載體的適用性而言係重要的。該複合材料之物理性質主要由用以組成該複合材料之組分決定。據此，取決於該化學組成，該複合材料可為電絕緣體或包括某些導電性。針對上文指定之原因，導電複合材料可不直接具有印刷導體，因為此可能會在該紅外線面板輻射器之操作期間產生短路。為能夠製造無關導電複合材料之載體，已證明有利的是使用由電絕緣材料製成之層初始地塗覆該複合材料。該複合材料之所有或部分可由電絕緣材料塗覆。在任何情況下，已使該印刷導體指派至其之該載體之至少該區域-即該印刷導體佔據表面-應由由電絕緣材料製成之層塗覆，例如由由玻璃製成(特定言之由石英玻璃製成)之層。 根據本發明之該紅外線面板輻射器之進一步較佳細化提供額外組分之重量分率為1%至5%的範圍中，較佳在1.5%至3.5%之範圍中。 該複合材料之熱吸收取決於該額外組分之分率。該額外組分之重量分率應因此較佳至少1%。在另一方面，該額外組分之體積分率係高可對該基質之化學及機械性質具有不良影響。將此列入考慮，該額外組分之重量分率較佳在1%至5%之範圍中，更佳在1.5%至3.5%之範圍中。 已證明有利的是，提供呈燒印厚膜層之形式之印刷導體或作為成形部件將其適當施加至該載體之表面，使得該印刷導體及該載體彼此永久連接。 印刷導體可通過各種製造方法生產，例如通過印刷技術之使用，同樣藉由衝切、雷射切割或鑄造。 已證明特別有利的是，提供該印刷導體作為燒印厚膜層。該等厚膜層(例如)由藉由絲網印刷之電阻器膏或由藉由噴墨印刷之含金屬墨水產生，且隨後在高溫處燒印。替代地，成形部件可恰好由使用熱分離程序之金屬片製成，例如藉由雷射切割或藉由衝切。熱分離程序或衝切程序之使用允許印刷導體大量製造且因此有助於保持材料及生產成本低。 熱分離及衝切程序之使用允許均勻材料，其等難以或費勁藉由印刷技術處理以經處理以形成印刷導體。由於該印刷導體由導電之電阻器材料製成且當電流流動通過其時產生熱，所以該印刷導體充當加熱元件。然而，僅在該印刷導體連接至該載體之後獲得發射面板狀及同樣以高輻射功率之紅外線面板輻射器。為此目的，例如該印刷導體作為成形部件施加於該載體之表面且永久地連接至該載體。在此內文中，該印刷導體可藉由機械及熱方式及由非導電層兩者接合至該載體。在最簡單情況下，該印刷導體以彼此鬆散接觸而接合至該載體。 而且，熱分離或衝切程序之使用允許可在該印刷導體待早期偵測之生產期間發生的製造誤差。特定言之，相較於通過印刷技術之使用製造印刷導體，可在接合其等至該載體之製程步驟之前針對其等功能能力核查該等印刷導體成形部件。例如，若相同係單獨組分，則容易施加電壓至該印刷導體。藉由此方式，可拒絕錯誤印刷導體且此可在連接該錯誤印刷導體至該載體之前完成，使得產生較少碎片且可因此藉由此方式降低生產成本。 已證明有利的是，由鉑、耐高溫鋼鐵、鉭、鐵素FeCrAl合金、奧氏體CrFeNi合金、碳化矽、二矽化鉬或鉬基合金製造該印刷導體。 前述材料，特定言之碳化矽、二矽化鉬(MoSi2 )、鉭(Ta)、耐高溫鋼鐵或鐵素FeCrAl合金(諸如Kanthal® (Kanthal係SANDVIK INTELLECTUAL PROPERTY AB, 811 81, Sandviken, SE註冊商標))相較於貴金屬(例如金、鉑或銀)而言係不貴的；其等容易形成至印刷導體形狀主體中，其可在該紅外線面板輻射器之生產中可用作半成本商品。特定言之，其等可用作金屬片，該印刷導體可容易且廉價由其製造。而且，前述材料有利之處在於其等在空氣中抗氧化，使得覆蓋該印刷導體用於保護蓋印刷導體之額外層(覆蓋層)非強制。 各印刷導體區段之加熱功率取決於電阻器材料之特定電阻、該印刷導體區段之長度以及該導體截面。該印刷導體區段之加熱功率可藉由調整該長度及該導體截面而容易並快速調整。 在此內文中：該印刷導體區段之該導體截面越大，其電阻越低且在恆定供應電壓處其每單位面積之功率越低。在恆定供應電壓之總電阻及電流由成串聯電路之電阻器之總和導致。更高的每單位面積之功率可由使用相同截面之導體之更高佔據密度或藉由增加電流密度或藉由更薄導體截面產生。 因此，特別有利的是，該第一印刷導體區段之印刷導體之導體截面在0.01平方毫米至0.03平方毫米之範圍中且該第二印刷導體區段之該印刷導體之導體截面在0.025平方毫米與0.5平方毫米之間。 顯而易見的是，若該第一印刷導體區段及該第二印刷導體區段之導體截面面積彼此至少25%不同，則可獲得相對於照射強度之非均勻之補償的良好結果，其等通常使用紅外線面板輻射器觀察。較佳地，該第一印刷導體區段與該第二印刷導體區段之間的導體截面之差係在30%至70%之範圍中。小於0.01平方毫米之導體截面可難以應用且其等機械黏著性係差的。超過0.5毫米之導體截面導致相當低電阻且因此使相對較高操作電流用於加熱成為必要。 0.01平方毫米至0.5平方毫米之範圍中的導體截面由特別有利電壓/電流比特性化；其等可行，特定言之，使用在在1安培至4.5安培電流處的100伏特至400伏特之範圍中的電壓操作。 可藉由該印刷導體之合適形狀選擇而改變該印刷導體之長度。關於溫度分佈盡可能均勻，已證明有利提供該印刷導體作為覆蓋該載體之表面之線圖案，使得至少1毫米，較佳至少2毫米之介於中間空間保持在印刷導體之鄰近區段之間。 有利的是，該印刷導體經提供為具25%至85%之範圍中的佔據密度的線圖案。 在小於25%之低佔據密度處，該印刷導體可在該加熱表面之側突出作為溫度分佈曲線中的非均勻。增加該佔據密度至大於85%不獲得每單位面積之功率之顯著增加。該第一印刷導體區段及該第二印刷導體區段可具有相同或不同佔據密度。該佔據密度可用於每單位面積之功率之調整。在此內文中，每單位面積之功率之調整可藉由該佔據密度之合適選擇及藉由該等導體截面之合適選擇而發生。若其導體截面係低或若該印刷導體區段具有高佔據密度，則獲得具更高每單位面積之功率的印刷導體區段。若該等印刷導體區段藉由其等導體截面及其等佔據密度兩者不同，則可非常準確地調整該第一印刷導體區段及該第二印刷導體區段之每單位面積之功率。 較佳地，該第一印刷導體區段之該佔據密度係最大75%且該第二印刷導體區段之該佔據密度係在最大85%之範圍中。可容易及廉價生產(例如藉由印刷)該第一印刷導體區段及該第二印刷導體區段之前述佔據密度。 根據本發明之該紅外線面板輻射器之較佳細化提供該印刷導體以包括多個第一印刷導體區段及多個第二印刷導體區段，藉此第一印刷導體區段及第二印刷導體區段循序交替。 提供多個循序印刷導體區段允許照射強度之特別靈活調整，及因此在該加熱表面上之溫度分佈，使得可防止所謂「冷點 」或「熱點 」之形成。由於該多個印刷導體區段成串聯電路，所以事實上可實施任何印刷導體設計。 特別有利的是在該第一印刷導體區段與該第二印刷導體區段之間配置第三印刷導體區段用於每單位面積之功率之梯度之產生。 印刷導體區段對應於以恆定的每單位面積之功率加熱之加熱表面之部分。該第一印刷導體區段及該第二印刷導體區段可直接相鄰或可彼此成距離。該第一印刷導體區段與該第二印刷導體區段之間的逐漸轉變有助於實現盡可能均勻之照射功率及在加熱表面上之均勻溫度分佈。為此目的，第三印刷導體區段可配置於該第一印刷導體區段與該第二印刷導體區段之間且可經適當設計，使得其產生每單位面積之功率之梯度。此提供自該第一印刷導體區段之第一每單位面積之功率至該第二印刷導體區段之第二每單位面積之功率的連續轉變。在最簡單情況下，該第三印刷導體區段經適當設計，使得該第三印刷導體區段中之每單位面積之功率自該第一每單位面積之功率轉變至該第二每單位面積之功率。 根據本發明之該紅外線面板輻射器之較佳細分提供該印刷導體佔據表面包括周邊區域及中間區域，藉此該第一印刷導體區段包括高於該第二印刷導體區段之每單位面積之功率，且係指派至該周邊區域，且該第二印刷導體區段係指派至該中間區域。 顯而易見的是，紅外線面板輻射器之該周邊區域通常具有低於該中間區域之溫度。此現象之一個原因係該周邊區域歸因於其空間配置比該中間區域可更易於熱消散。因此，已證明有利的是將可補償熱消散之具更高的每單位面積之功率的印刷導體區段指派，特定言之至該周邊區域。此可(例如)藉由包括更高佔據密度或更低導體截面之外區而實現。 額外組分對該載體之光學及熱性質具有決定性；更明確言之，其影響該紅外線光譜範圍中之吸收，其係在780奈米與1毫米之間的波長範圍。額外組分展示針對在此光譜範圍中之輻射之至少部分的高於基質組分之吸收的吸收。 在基質中之額外組分之相面積充當光學缺陷，且致使(例如)複合材料在室溫下通過眼睛呈現黑色或灰色帶黑色，其取決於該層之厚度。而且，該等缺陷亦具有熱吸收效應。 存在於該複合材料中之額外組分之類型及量較佳適當到如此程度以致針對2微米與8微米之間的波長以在該複合材料中以600°C之溫度的至少0.6之發射率e。在根據本發明之該紅外線面板輻射器之特別較佳實施例中，額外組分之類型及量到如此程度以致針對2微米與8微米之間的波長在該基板材料中以1000°C之溫度，至少0.75之發射率e。 據此，該面積材料針對2微米與8微米之間(即，在紅外線輻射之波長範圍中)的熱輻射具有高吸收及發射功率。此減小在載體表面處之反射，使得在該傳輸為可忽視地小的前提下，針對在2微米與8微米之間的波長之所得反射度及高於1000°C之溫度係最大0.25且在高於600°C之溫度處係最大0.4。因此防止由反射熱輻射之非可再生加熱，其有助於均勻或所要非均勻溫度分佈。 若額外組分作為額外組分相而存在且包括具小於20微米但較佳大於3微米之最大平均尺寸之非球面形態，則可獲得特別高發射率。 在此內文中，額外組分相之非球面形態亦有助於具有高機械強度及對形成裂縫具低傾向的該複合材料。術語「最大尺寸」應係指額外組分相作為在縮影照片中可見之隔離區之最長延伸。上文所提及之方式係在縮影照片中所有最長延伸之中值。 根據熱輻射之基爾霍夫定律(Kirchhoff‘s law)，在熱平衡中之實體之吸收率及發射率係相等的。(1) 據此，額外組分導致由該載體材料之紅外線輻射之發射。若光譜半球反射比及透射比已知，則發射率可如下計算：(2) 在此內文中，「發射率」應理解為「光譜正交發射度」。其由名為「Black-Body Boundary Conditions」(BBC)已知之量測原理判定，且公佈於「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) 中。 相較於當額外組分缺乏時，非晶基質組分在該複合材料中(即與額外組分組合)具有更高熱輻射吸收。此導致自該印刷導體至該載體中之經改良導熱性，更快速熱分佈及朝向載體之更高發射速率。藉由此方式，可提供更高的每單位面積之輻射功率且產生均勻發射及均勻溫度場(即使針對薄載體壁)及/或相當低印刷導體佔據密度。具低壁厚度之載體具有低熱質量且允許快速溫度改變。為此目的不需要冷卻。
圖 1 展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第一實施例之俯視圖，其整體具有係指派至其之元件符號100。紅外線面板輻射器100適於使用於裝置中用於可撓印刷電子裝置(未展示)之生產。其包括面板狀基板(此係本發明之範疇中之載體) 101、應用於基板101之印刷導體102、以及用於印刷導體102之電接觸之兩個印刷導體103a、103b。 面板狀基板101由具99.99%之化學純度及0.25%之方石英內容物之石英玻璃製成，已添加以總質量之5%之量的元素矽至其。元素矽相呈非球形區域之形式均勻地分佈於石英玻璃中。Si相面積(中值)之最大平均尺寸係在近似1微米至10微米之範圍中。面板狀基板101具有2.19 g/cm3 之密度，且其具有100毫米之長度L、100毫米之寬度B及2毫米之厚度。面板狀基板101通過眼睛呈現黑色。 嵌入式Si相不僅有助於基板101之整體不透明，而且對基板101之光學及熱性質有影響。該基板展示熱輻射之高吸收及在高溫處之高發射率。 在室溫下，使用積分球量測該複合材料之發射率。此允許正交發射率可自其計算之光譜半球形反射比及光譜半球透射比之量測。高溫處之發射率在自2微米至18微米之波長範圍中藉由BBC樣本腔由額外光學系統耦合至其之FTIR分光儀(Bruker IFS 66v傅立葉交換紅外(FTIR))應用上文所提及BBC量測原理量測。在此內文中，該樣本腔在該樣本固持器前方及後方具有呈半球形的恆溫槽黑體環境，且具有具偵測器之出光束開口。在單獨熔爐中加熱該樣本至預定溫度，且用於量測被轉移至經設定至預定溫度的具黑體環境之樣本腔之光束路徑中。由該偵測器偵測之強度由發射、反射及透射部分組成，即由樣本自身發射之強度、入射於該樣本上之來自前半球且由該樣本反射之強度、及入射於該樣本上之來自後半球且由該樣本傳輸之強度。三個量測需要經執行以判定個別參數，即發射度、反射度及透射度。 在基板101上量測之在2微米至近似4微米之波長範圍中之發射度係溫度之函數。溫度越高，發射越高。在600°C處，在2微米至4微米之波長範圍中之正交發射度係高於0.6。在1000°C處，在2微米至8微米之整個波長範圍中之正交發射度係高於0.75。 印刷導體102自鉑電阻器膏藉由應用該膏至面板狀基板101之印刷導體佔據表面104且隨後將其燒印而產生。印刷導體102具有彎曲曲線且包括兩個印刷導體區段105、106，藉此第一印刷導體區段105係指派至基板101之周邊區域且第二印刷導體區段106係指派至基板101之中間區域。為能夠抵消基板101之對流相關非均勻溫度分佈，係指派至周邊區域之印刷導體區段105比係指派至中間區域之印刷導體區段106以更高佔據密度用於基板101。印刷導體區段105之佔據密度係80%且印刷導體區段106之佔據密度係40%，中間區域中之鄰近印刷導體之距離b係4.2毫米，周邊區域中之鄰近印刷導體之距離a係0.7毫米。 印刷導體區段105、106由0.028平方毫米之橫截面面積、2.8毫米之寬度及10微米之厚度特性化。 在如圖1中用於經展示於其他圖中之實施例中之相同元件符號範圍內，此等表示在設計上相同或上文由圖1之描述更詳細繪示而相等之組件及部分。圖 2 展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第二實施例，其整體具有係指派至其之元件符號200。紅外線面板輻射器200包括面板狀基板101、應用於基板101之印刷導體202以及兩個印刷導體103a、103b。 紅外線面板輻射器200本質上由印刷導體設計而不同於自圖1已知之紅外線面板輻射器100。關於基板101，應參考圖1之描述。 印刷導體202自鉑電阻器膏藉由應用該膏至面板狀基板101之頂部側204且隨後將其燒印而產生。印刷導體202具有彎曲曲線且包括兩個印刷導體區段205、206，藉此第一印刷導體區段205係指派至基板101之周邊區域且第二印刷導體區段206係指派至基板101之中間區域。為能夠抵消基板101上之對流相關非均勻溫度分佈，係指派至周邊區域之印刷導體區段205包括高於係指派至中間區域之印刷導體區段206之電阻。印刷導體區段205具有0.02平方毫米之橫截面面積及0.02毫米之寬度及10微米之厚度。印刷導體區段206具有0.028平方毫米之橫截面面積及2.8毫米之寬度及10微米之厚度。 中間區域中之鄰近印刷導體之距離b係4.18毫米，而周邊區域中之鄰近印刷導體之距離a係4.98毫米。然而，印刷導體寬度(及因此導體截面)在中間區域206中比在周邊區域205中更大，使得區段205、206不具有均勻印刷導體佔據密度。佔據密度在中間區域206中係40%且在周邊區域中係28.8%，相對於由透視印刷導體佔據之載體表面面積，其由使用灰背景展示之表面區域205a (針對周邊區域205之載體表面面積)及206a (針對中間區域206之載體表面面積)表示。圖 3A 展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第三實施例，其整體具有係指派至其之元件符號300。紅外線面板輻射器300包括通過圖1更加詳細描述之類型之基板101。在其端上具有印刷導體303a、303b之印刷導體302應用於基板101。印刷導體302經設計用於溫度梯度之產生。 為此目的，經應用於基板101之表面304之印刷導體302經適當設計，使得鄰近印刷導體之距離x0 至x22 在箭頭310之方向上連續下降，使得佔據密度如所見在箭頭310之方向上增加。第一印刷導體端區段321中之佔據密度係40%且其在第二印刷導體端區段322上連續增加達91%。 藉由絲網印刷產生印刷導體302，如下文基於圖5之例示性實施例更詳細繪示。箭頭310之方向上所見之印刷導體302具有彎曲曲線。印刷導體302具有0.02平方毫米之橫截面面積及0.1毫米之寬度及20微米之厚度。 紅外線面板輻射器300可用於經設計用於捲帶式程序(R2R程序)中之可撓性印刷電子裝置之生產的裝置(未展示)中。在此裝置中，紅外線面板輻射器300經適當配置，使得運輸方向(自卷至卷)對應於箭頭310之方向。因此，在照射開始處提供低功率，根據需要，例如用於乾燥該等印刷電子裝置。由於紅外線面板輻射器300之佔據密度在運輸方向上增加，所以在其運輸期間使用穩定增加照射功率照射加熱商品，直至其在照射製程結束時被暴露至高功率為止，根據需要，例如用於該等印刷電子裝置之燒結。該照射功率在該照射製程開始處係50 kW/m2 且連續增加，在結束時達到150 kW/m2 。 此梯度亦反映於紅外線面板輻射器300之加熱表面上的溫度分佈中。圖 3B 展示紅外線面板輻射器300之加熱表面上之溫度分佈之圖表400。加熱表面之溫度在箭頭310之方向上依據佔據密度而連續增加，且如此做從紅外線面板輻射器300之左域中之近似550°C之平均溫度開始達到紅外線面板輻射器300之右域中之760°C之溫度。圖 4 展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第四實施例，其整體具有係指派至其之元件符號500。紅外線面板輻射器500包括印刷導體502由絲網印刷而應用至其之面板狀基板101，如下文所描述之圖5之例示性實施例中所繪示。 關於基板101，應參考圖1之描述。與來自圖1之基板100脫離，其具有200毫米之長度l、100毫米之寬度b及2毫米之厚度。 印刷導體502包括成串聯電路之五個印刷導體區段，其等由參考字母A至E指示。印刷導體區段B、D在設計上相同；其等具有0.01平方毫米之橫截面面積及0.05毫米之寬度及20微米之厚度。印刷導體區段A、E亦在設計上相同且具有0.02平方毫米之橫截面面積及0.1毫米之寬度及20微米之厚度。印刷導體區段C具有相同於區段A、E之印刷導體寬度及導體截面，且僅在其長度上與區段A、E不同。區段B具有相同於區段D之印刷導體佔據密度。但此等區段中之印刷導體寬度僅為其他區段A、E及C之印刷導體寬度之一半。因此，區段B及D中之印刷導體佔據密度僅為其他區段中之50%。圖 5 展示根據本發明之紅外線面板輻射器600之實施例，具基板603、具應用於基板603之五個印刷導體區段之印刷導體601及覆蓋印刷導體601之覆蓋層602。 基板603由相同於圖1中之面板狀基板101之材料製成。應參考圖1之上下文中所提供之相關解釋。基板603由其製成之複合材料係電絕緣體。其由呈石英玻璃之形式的基質組分組成。元素矽之相均勻地分佈於呈非球形區域之形式的基質中，其占5%之重量分率。矽相面積(中值)之最大平均尺寸係在近似1微米至10微米之範圍中。該複合材料係氣密的，其具有2.19 g/cm³之密度且其在空氣中穩定達近似1150°C之溫度。該複合材料展示高溫下之熱輻射之高吸收及高發射率。此係溫度之函數。在600°C處，在2微米至4微米之波長範圍中的正交發射度係高於0.6。在1000°C處，在相同波長範圍中之正交發射度係高於0.75。 印刷導體601由藉由絲網印刷而應用於基板603且隨後燒印之鉑膏生產。由石英玻璃製成之薄覆蓋層602應用於印刷導體601。由SiO2 製成之該覆蓋層藉由絲網印刷使用薄膜程序應用且具有20微米至50微米之平均層厚度。該層無裂縫及孔以便保護鉑免受腐蝕作用。 在如圖5中用於圖6及圖7中所展示之實施例中之相同元件符號範圍內，此等表示在設計上相同或如上文由圖5之描述更詳細繪示相等之組件及部分。圖 6 展示根據本發明之紅外線面板輻射器700之另一實施例。紅外線面板輻射器700藉由其基板組成而不同於來自圖5之紅外線面板輻射器600。基板705由呈層之形式彼此連接之兩個材料製成。平均層704由具高發射率(即SiC)之導電材料組成。歸因於其導電性，印刷導體601不可直接放置於層704上。為此原因，層704由層703覆蓋於其頂側及底側上，各由石英玻璃製成。層703在其等層厚度上不同。圖 7 展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第七實施例，其整體具有係指派至其之元件符號800。紅外線面板輻射器800包括基板805，其由相同於來自圖6之基板705之材料組成。材料704形成基板核心，其由材料703之層圍繞。
100‧‧‧紅外線面板輻射器
101‧‧‧面板狀基板
102‧‧‧印刷導體
103a‧‧‧印刷導體
103b‧‧‧印刷導體
104‧‧‧印刷導體佔據表面
105‧‧‧印刷導體區段
106‧‧‧印刷導體區段
200‧‧‧紅外線面板輻射器
202‧‧‧印刷導體
204‧‧‧頂部側
205‧‧‧第一印刷導體區段/周邊區域
205a‧‧‧表面區域
206‧‧‧第二印刷導體區段/中間區域
206a‧‧‧表面區域
300‧‧‧紅外線面板輻射器
302‧‧‧印刷導體
303a‧‧‧印刷導體
303b‧‧‧印刷導體
304‧‧‧表面
310‧‧‧箭頭
321‧‧‧第一印刷導體端區段
322‧‧‧第二印刷導體端區段
400‧‧‧圖表
500‧‧‧紅外線面板輻射器
502‧‧‧印刷導體
600‧‧‧紅外線面板輻射器
601‧‧‧印刷導體
602‧‧‧覆蓋層
603‧‧‧基板
700‧‧‧紅外線面板輻射器
703‧‧‧層
704‧‧‧層
705‧‧‧基板
800‧‧‧紅外線面板輻射器
805‧‧‧基板
基於例示性實施例及圖在下文更詳細繪示本發明。在示意圖中，圖 1 展示根據本發明之具印刷導體之紅外線面板輻射器之第一實施例，該印刷導體包括在周邊區域中比在中間區域中更高之佔據密度；圖 2 展示根據本發明之具印刷導體之紅外線面板輻射器之第二實施例，該印刷導體包括在周邊區域中比在中間區域中更低之導體截面；圖 3 展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第三實施例，以及展示在由印刷導體佔據之此紅外線面板輻射器之側上之基板之溫度分佈的熱影像；圖 4 展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第四實施例，其中具交替高電阻及低電阻之印刷導體區段成串聯電路；圖 5 展示根據本發明之具備由單一材料製成之載體之紅外線面板輻射器之第五實施例；圖 6 展示根據本發明之具備具有三層材料之載體之紅外線面板輻射器之第六實施例；及圖 7 展示根據本發明之紅外線面板輻射器之第七實施例，其中載體包括夾套載體核心。

Claims (11)

  1. 一種紅外線面板輻射器，其包括具有加熱表面及具有印刷導體之載體，該印刷導體由當電流流動通過其且施加至該載體之印刷導體佔據表面時可產生熱的導電電阻器材料製成，藉此該印刷導體包括第一印刷導體區段用於第一每單位面積之功率之產生及第二印刷導體區段用於不同於該第一每單位面積之功率的第二每單位面積之功率之產生，其特徵在於該載體含有複合材料，該複合材料包括非晶基質組分及呈半導體材料之形式之額外組分，該額外組分係經嵌入於該基質組分中，且其中該第一印刷導體區段及該第二印刷導體區段成串聯電路且藉由其等的佔據密度及/或藉由其等的導體截面而彼此不同。
  2. 如請求項1之紅外線面板輻射器，其中該載體整個地由該複合材料製成，藉此該複合材料係電絕緣體。
  3. 如請求項1之紅外線面板輻射器，其中該複合材料至少在該印刷導體佔據表面之區域中由電絕緣材料製成之層塗覆。
  4. 如請求項1至3中任一項之紅外線面板輻射器，其中該額外組分之重量分率係在1%至5%之範圍中。
  5. 如請求項1至3中任一項之紅外線面板輻射器，其中該印刷導體呈燒印厚膜層之形式提供或作為成形部件適當施加於該載體之該表面，使得該印刷導體及該載體彼此永久連接。
  6. 如請求項1至3中任一項之紅外線面板輻射器，其中該印刷導體經提供為具25%至85%之範圍之佔據密度的線圖案。
  7. 如請求項1至3中任一項之紅外線面板輻射器，其中在該第一印刷導體區段中之該印刷導體具有在0.01平方毫米至0.03平方毫米之範圍中的導體截面，且在該第二印刷導體區段中之該印刷導體具有在0.025平方毫米至0.5平方毫米之範圍中的導體截面。
  8. 如請求項1至3中任一項之紅外線面板輻射器，其中該印刷導體包括多個第一印刷導體區段及多個第二印刷導體區段，藉此第一印刷導體區段及第二印刷導體區段循序交替。
  9. 如請求項1至3中任一項之紅外線面板輻射器，其中用於該每單位面積之功率之梯度之產生的第三印刷導體區段係配置於該第一印刷導體區段與該第二印刷導體區段之間。
  10. 如請求項1至3中任一項之紅外線面板輻射器，其中該印刷導體佔據表面包括周邊區域及中間區域，藉此該第一印刷導體區段包括比該第二印刷導體區段還高之每單位面積之功率且係指派至該周邊區域，且該第二印刷導體區段係指派至該中間區域。
  11. 如請求項1至3中任一項之紅外線面板輻射器，其中該加熱表面具有在200kW/m2至250kW/m2之範圍中的照射功率。
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