WO2018054610A1

WO2018054610A1 - Infrarot-strahler

Info

Publication number: WO2018054610A1
Application number: PCT/EP2017/070670
Authority: WO
Inventors: Holger Zissing; Michael Honig; Lotta Gaab; Jürgen Weber
Original assignee: Heraeus Noblelight Gmbh
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2018-03-29
Also published as: CN109844902A; US20190206671A1; TW201814892A; EP3516680A1; KR20190052050A; CN109844902B; US10707067B2; KR102294826B1; JP6714772B2; TWI651842B; JP2019528558A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Strahler, der ein Hüllrohr aus Quarzglas aufweist, das ein Heizfilament als Infrarotstrahlung emittierendes Element umschließt, das über Stromdurchführungen mit einem elektrischen Anschluss außerhalb des Hüllrohres verbunden ist. Zur Verbesserung hinsichtlich Standzeit und Leistungsdichte wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Heizfilament eine Trägerplatte mit einer Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden Material umfasst, wobei die Oberfläche mit einer Leiterbahn aus einem bei Stromdurchfluss Wärme erzeugenden Werkstoff belegt ist.

Description

Infrarot-Strahler Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Infrarot-Strahler, der ein Hüllrohr aus Quarzglas aufweist, das ein Heizfilament als Infrarotstrahlung emittierendes Element umschließt, das über Stromdurchführungen mit einem elektrischen Anschluss außerhalb des Hüllrohres verbunden ist.

Infrarot-Strahler im Sinne der Erfindung zeigen eine zwei- oder dreidimensionale Abstrahlcharakteristik; sie werden beispielsweise zum Polymerisieren von Kunststoffen oder zum Aushärten von Lacken oder zum Trocknen von Farben auf einem Heizgut eingesetzt, aber auch zur thermischen Behandlung von Halbleiter- Scheiben in der Halbleiter- oder Photovoltaik-Industrie.

Stand der Technik

Bekannte Infrarot-Strahler weisen innerhalb des Hüllrohrs aus Glas einen wendeiförmigen Widerstandsdraht oder ein Widerstandsband als Heizleiter oder Heizfilament auf. Der Draht oder das Band haben keinen oder keinen wesent- liehen Kontakt zum Hüllrohr. Die Wärmeübertragung vom Widerstandsdraht zum Hüllrohr erfolgt im Wesentlichen durch Wärmestrahlung. Der Heizleiter, auch Heizfilament genannt, wird als von Strom durchflossener Glühfaden, Glühdraht oder Glühwendel in Glühlampen, in Infrarotstrahlern oder in Öfen eingesetzt und liegt in der Regel in lang gestreckter Form als glattes oder um seine Längsachse verdrilltes oder gewendeltes Band vor. Auf Carbonfasern basierende Heizfila- mente zeigen eine gute mechanische Stabilität bei gleichzeitig relativ hohem elektrischem Widerstand und sie lassen vergleichsweise schnelle Temperaturwechsel zu.

Bei Infrarot-Strahlern dieser Art bildet ein elektrisches Widerstandselement aus einem Widerstandsmaterial das eigentliche Infrarotstrahlung emittierende Element des Strahlers. Das Hüllrohr aus Quarzglas ist für Infrarotstrahlung im Wesentlichen durchlässig, so dass die vom Widerstandselement emittierte Strahlung ohne große Strahlungsverluste auf das Heizgut übertragen wird. Hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften liegt ein besonderes Augenmerk auf dem elektrischen Widerstand des Heizfilaments. Dieser soll einerseits auch unter Last zeitlich konstant sein, und er soll andererseits möglichst hoch sein, um auch kurze Heizfilament-Längen mit üblichen Spannungen (beispielsweise 230 V) betreiben zu können.

Bei einem bandförmigen Heizfilament ist der nominale elektrische Widerstand grundsätzlich durch den Querschnitt und insbesondere durch die Dicke des Bandes einstellbar. Der Verringerung der Banddicke sind wegen der mechanischen Festigkeit und einer vorgegebenen Mindest-Lebensdauer jedoch Grenzen gesetzt. Diese Begrenzung macht sich insbesondere dann bemerkbar, wenn das Heizfilament im Einsatz mechanisch hoch belastet wird, wie etwa bei langen Bestrahlungslängen von 1 m oder mehr.

Ein Infrarot-Strahler mit einem bandförmigen Carbon-Heizfilament ist beispielsweise aus DE 100 29 437 A1 bekannt. Das gewendelte Carbon-Band ist von der Wand des Hüllrohres aus Quarzglas beabstandet und entlang dessen zentraler Achse angeordnet. An den Enden des Carbon-Bandes sind Kontaktierungen mit Anschlussfahnen vorgesehen, die durch einen Quetschungsbereich des Hüllrohres hindurch zu äußeren elektrischen Anschlüssen geführt sind. Das Innere des Hüllrohres wird bei der Montage zur Vermeidung von Widerstandsänderungen des Heizelementes durch Oxidation evakuiert. Die Leistungsdichte des Carbon- Strahlers ist durch die große Oberfläche des gewendelten Carbon-Bandes im Vergleich zu Infrarot-Strahlern, die metallische Heizelemente aufweisen, relativ hoch. Insofern sind sie prinzipiell auch für Anwendungen geeignet, bei denen die Strahlerlängen auf weniger als einem Meter begrenzt sind. Problematisch ist allerdings, dass durch das gewendelte Band die Abstrahlcharakteristik nicht ganz homogen ist, sondern Bereiche mit höherer Leistungsdichte (sogenannte Hot- Spots) und mit geringerer Leistungsdichte (Cold-Spots) aufweist. Dies muss bei ihrem Einsatz insbesondere für Flächenstrahler berücksichtigt werden, indem durch größeren Abstand vom Bestrahlungsgut eine höhere Homogenität der Abstrahlung erzielt wird. Die Maßnahme geht jedoch auf Kosten der Effizienz des

Strahlers. Neben den Infrarot-Strahlern mit einem Carbon-Heizfilament sind auch Strahler mit sogenannten Kanthal^®-Heizelementen bekannt. Sie zeigen ein breitbandiges Infrarotspektrum und werden typischerweise bei Temperaturen von bis zu 1000°C betrieben. Die Nachteile hinsichtlich mangelnder Homogenität in der Abstrahl- Charakteristik ist ähnlich der für Strahler mit Carbon-Heizfilament geschildert.

Ein Infrarot-Heizer mit einer Kanthal-Wendel ist beispielsweise aus US 3 699 309 bekannt. Die Kanthal-Wendel befindet sich in einem Hüllrohr aus Glas und stützt sich auf einen zylindrischen Stab mit Halbrund-Querschnitt aus einem keramischen Fasermaterial (AI2O3-S1O2) ab. Durch diese Abstützung sollen„hot spots" der Kanthal-Wendel vermieden werden. Nachteilig ist dabei dass der Abstrahlbereich des Infrarot-Strahlers nicht mehr radial 360° entsprechend dem Umfang des Hüllrohrs erfolgt, sondern vermindert um den Bereich des Stützstabes, der in Kontakt mit der Kanthal-Wendel ist.

Technische Aufgabe

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Infrarot- Strahler anzugeben, der eine hohe Strahlungsleistung pro Flächeneinheit aufweist, und insbesondere der einen so hohen spezifischen Flächenwiderstand hat, dass er auch bei kurzen Bestrahlungslängen von 1 m und weniger mit einer industriell üblichen elektrischen Spannung von 230 V betrieben werden kann, und der dabei sich durch eine lange Standzeit auszeichnet.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Die oben genannte Aufgabe wird ausgehend von einem Infrarot-Strahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das

Heizfilament eine Trägerplatte mit einer Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden Material umfasst, wobei die Oberfläche mit einer Leiterbahn aus einem bei Stromdurchfluss Wärme erzeugenden Werkstoff belegt ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, einen Infrarot-Strahler in einem Hüllrohr aus Quarzglas anzugeben, bei dem eine Trägerplatte mit einer Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden Material das Heizfilament darstellt. Die Trägerplatte wird dabei entweder selbst von einem elektrisch isolierenden Material gebildet, so dass ihre gesamte Oberfläche elektrisch isolierend ist. Diese Trägerplatte wird mittels einer mindestens einseitig auf der Oberfläche der Trägerplatte aufgebrachte Leiterbahn, die bei Stromfluss Wärme erzeugt, angeregt Strahlung im infraroten Spektralbereich zu emittieren. Die optischen und

thermischen Eigenschaften der Trägerplatte ergeben eine Absorption im infraroten Spektralbereich, das ist der Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 1 mm. Somit bildet der von der Leiterbahn erwärmte Teil der Trägerplatte das eigentliche, Infrarotstrahlung emittierende Element.

Alternativ können auch nur Teilbereiche der Oberfläche elektrisch isolierend ausgebildet sein, beispielsweise durch ein elektrisch isolierendes Material, das in Form einer Oberflächenschicht auf die Trägerplatte aufgetragen ist. In diesem Fall belegt die Leiterbahn nur den elektrisch isolierten Bereich der Oberfläche bzw. der Oberflächenschicht. Auf diese Weise kann die Abstrahlcharakteristik der Trägerplatte als Infrarotstrahlung emittierendes Element lokal optimiert werden. Dadurch, dass die Leiterbahn im Verbund mit der Trägerplatte in unmittelbarem Kontakt mit dessen Oberfläche steht, wird ein besonders kompakter Infrarot- Strahler erhalten. Durch die kompakte Bauweise des Infrarotstrahlung

emittierenden Elementes, ist es möglich eine lokal gezielte Bestrahlung kleiner Flächen mit hoher Strahlungsdichte vorzunehmen. Im Gegensatz zu Infrarot-Strahlern nach dem Stand der Technik, bei denen ein elektrisches Widerstandselement aus einem Widerstandsmaterial das eigentliche Heizfilament des Strahlers bildet, dient bei erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlern das Widerstandselement, hier in Form der Leiterbahn, zur Erwärmung eines anderen Bauteils, das hier als„Substrat" oder„Trägerplatte" bezeichnet wird. Der Wärmetransport von der Leiterbahn zur Trägerplatte erfolgt in erster Linie durch

Wärmeleitung; er kann aber auch auf Konvektion und oder Wärmestrahlung beruhen.

Durch den Einbau in ein Hüllrohr ist der erfindungsgemäße Infrarot-Strahler bei seinem Einsatz von Einflüssen aus seiner Umgebung wie etwa einer oxidierenden Atmosphäre geschützt. Es ergibt sich eine hohe Strahlungsleistung bei relativ gleichmäßiger Abstrahlcharakteristik, die im Wesentlichen unabhängig von

Umwelteinflüssen ist. Darüber hinaus erleichtert die Ausführungsform mit einem Hüllrohr die Montage und gegebenenfalls auch die Wartung des Strahlers.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers besteht darin, dass der Werkstoff der Leiterbahn, die die Trägerplatte belegt, ein Nicht-Edelmetall ist.

Der Werkstoff der Leiterbahn aus einem Nicht-Edelmetall zeichnet sich durch einen hohen spezifischen, elektrischen Widerstand auf kleiner Fläche aus, was schon bei relativ geringem Stromfluss zu hohen Temperatur führt. Im Gegensatz zu Leiterbahnen mit hohen Anteilen an Edelmetallen, beispielsweise an Platin, Gold oder Silber ist der Leiterbahn-Werkstoff aus Nicht-Edelmetall wesentlich kostengünstiger, ohne dass dadurch Einbußen in seinen elektrischen Eigenschaften einhergingen.

Die Trägerplatte mit dem darauf aufgebrachten Heizleiter ist in ein Hüllrohr aus Quarzglas eingebaut, wodurch die Lebensdauer der Leiterbahn verlängert wird, indem ein korrosiver Angriff, sei es auf chemischer und/oder mechanischer Basis, der Leiterbahn durch lokale Umweltbedingungen vermieden wird. Leiterbahnen aus Nicht-Edelmetallen oder Nicht-Edelmetalllegierungen sind in Bezug auf diesen korrosiven Angriff besonders empfindlich.

Vorteilhafterweise enthält der Werkstoff der Leiterbahn eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe Wolfram (W), Molybdän (Mo), Siliziumcarbid (SiC), Molydbändisilicid (M0S12), Chromsilicid (CrsSi), Polysilizium (Si), Aluminium (AI), Tantal (Ta), Kupfer (Cu) und hochtemperaturfester Stahl. Leiterbahnwerkstoffe dieser Art weisen einen Quadratwiderstand (auch spezifischer Flächenwiderstand genannt) im Bereich von 50 bis etwa 100 Ohm/D auf. Werkstoffe dieser Gruppe erfüllen aufgrund ihrer jeweiligen elektrischen und thermischen Eigenschaften ihre Funktion zur thermischen Anregung der Trägerplatte des erfindungsgemäßen

Infrarotstrahlers und sind darüber hinaus kostengünstig herstellbar.

Es hat sich weiterhin bewährt, wenn die Trägerplatte aus mindestens zwei Materialschichten gebildet ist. Dabei kann die Trägerplatte von einer Basis- Materialschicht und einer Oberflächen-Materialschicht gebildet werden, wobei sich die beiden Materialschichten in ihrem elektrischen Widerstand voneinander unterscheiden können, oder bei gleichem elektrischem Widerstand eine unterschiedliche Strahlungsemissivität aufweisen. Hierdurch können die optischen und thermischen Eigenschaften der Trägerplatte als Infrarotstrahlung

emittierendes Element - und damit ihre Abstrahlcharakteristik auf ihren Einsatz hin optimiert werden. Diese vorteilhafte Ausführungsform ist selbstverständlich nicht auf ein Zweischichtsystem in einem Stapel übereinander liegend beschränkt. Ebenso können die Materialschichten auch benachbart oder nebeneinander angeordnet sein.

Hinsichtlich des Materials der Trägerplatte hat es sich bewährt, wenn dieses einen Komposit-Werkstoff umfasst, der von einer Matrixkomponente sowie von einer Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials gebildet wird.

Das Material der Trägerplatte ist thermisch anregbar und umfasst einen Komposit- Werkstoff, der von einer Matrixkomponente und einem Halbleitermaterial als Zusatzkomponente gebildet wird. Die optischen und thermischen Eigenschaften der Trägerplatte ergeben eine Absorption im infraroten Spektralbereich. Als Matrixkomponente kommen oxidische oder nitridische Werkstoffe in Frage, in denen als Zusatzkomponente ein Halbleitermaterial eingelagert ist.

In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Matrixkomponente Quarzglas ist und vorzugsweise eine chemische Reinheit von mindestens 99,99% S1O2 und einen Cristobalitgehalt von höchstens 1 % besitzt. Quarzglas besitzt die weiter oben bereits genannten Vorteile einer gute

Korrosions-, Temperatur- und Temperaturwechselbeständigkeit und es steht in hoher Reinheit zur Verfügung. Daher bietet es sich auch bei Hochtemperatur- Heizprozessen mit Temperaturen bis zu 1 100 °C als Substrat- oder Trägerplattenmaterial an. Eine Kühlung ist nicht erforderlich. Durch einen niedrigen Cristobalitgehalt der Matrix von 1 % oder weniger wird eine geringe Entglasungsneigung und damit eine geringe Rissbildungsgefahr beim Einsatz gewährleistet. Damit wird auch hohen Anforderungen an Partikelfreiheit, Reinheit und Inertheit genügt, wie sie häufig bei Halbleiterfertigungsprozessen bestehen. Die Wärmeabsorption des Trägerplatten-Materials hängt vom Anteil der

Zusatzkomponente ab. Der Gewichtsanteil der Zusatzkomponente sollte daher vorzugsweise mindestens 0,1 % betragen. Andererseits kann ein hoher

Volumenanteil der Zusatzkomponente die chemischen und mechanischen

Eigenschaften der Matrix beeinträchtigen. Im Hinblick darauf liegt der Gewichtsanteil der Gewichtsanteil der Zusatzkomponente bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 % und 5 %.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Infrarotstrahlers enthält die

Zusatzkomponente ein Halbleitermaterial in elementarer Form, vorzugsweise elementares Silizium.

Ein Halbleiter weist ein Valenzband und ein Leitungsband auf, die durch eine verbotene Zone mit einer Breite von bis zu ΔΕ « 3 eV voneinander getrennt sein können. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt davon ab, wie viele Elektronen die verbotene Zone überspringen und aus dem Valenzband in das Leitungsband gelangen können. Grundsätzlich können bei Raumtemperatur nur wenige

Elektronen die verbotene Zone überspringen und ins Leitungsband gelangen, so dass ein Halbleiter bei Raumtemperatur in der Regel nur eine geringe Leitfähigkeit aufweist. Das Ausmaß der Leitfähigkeit eines Halbleiters hängt aber wesentlich von dessen Temperatur ab. Steigt die Temperatur des Halbleitermaterials, steigt damit auch die Wahrscheinlichkeit, dass genügend Energie zur Verfügung steht, um ein Elektron aus dem Valenzband in das Leitungsband anzuheben. Daher nimmt bei Halbleitern die Leitfähigkeit mit steigender Temperatur zu. Halbleiter- Materialien zeigen bei ausreichend hohen Temperaturen daher eine gute elektrische Leitfähigkeit.

Die feinteiligen Bereiche der Halbleiter-Phase wirken in der Matrix einerseits als optische Störstellen und führen dazu, dass das Material der Trägerplatte - je nach Dicke - bei Raumtemperatur visuell schwarz oder grau-schwärzlich erscheint.

Andererseits haben die Störstellen auch Auswirkungen auf die Wärmeabsorption des Materials der Trägerplatte insgesamt. Dies ist im Wesentlichen auf die

Eigenschaften der fein verteilten Phasen aus dem elementar vorliegenden

Halbleiter zurückzuführen, wonach zum einen die Energie zwischen Valenzband und Leitungsband (Bandlückenenergie) mit der Temperatur abnimmt und zum anderen bei ausreichend hoher Aktivierungsenergie Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband gehoben werden, was mit einem deutlichen Anstieg des Absorptionskoeffizienten einhergeht. Die thermisch aktivierte Besetzung des Leitungsbandes führt dazu, dass das Halbleitermaterial bei Raumtemperatur für bestimmte Wellenlängen (wie etwa ab 1000 nm) in gewissem Umfang transparent sein kann und bei hohen Temperaturen undurchsichtig wird. Mit steigender Temperatur der Trägerplatte können daher Absorption und Emissionsgrad sprungartig zunehmen. Dieser Effekt hängt unter anderem von Struktur

(amorph/kristallin) und Dotierung des Halbleiters ab. Reines Silizium zeigt beispielsweise ab etwa 600 °C eine merkliche Emissionszunahme, die etwa ab etwa 1000 °C eine Sättigung erreicht. Der spektrale Emissionsgrad ε des Materials der Trägerplatte liegt bei mindestens 0,6 bei einer Temperatur von 600 °C für Wellenlängen zwischen 2 μιτι und 8 μιτι.

Laut Kirchhoff schem Strahlungsgesetz entsprechen spektraler Absorptionsgrad αλ und spektraler Emissionsgrad ελ eines realen Körpers im thermischen

Gleichgewicht einander. αλ = ελ (1)

Die Halbleiterkomponente führt somit dazu, dass der Substrat-Werkstoff

Infrarotstrahlung emittiert. Der spektrale Emissionsgrad ελ lässt sich bei bekannten gerichtet-hemisphärischen spektralen Reflexionsgrad R_gh und Transmissionsgrad Tgh wie folgt berechnen: ελ = 1-Rgh - T_gh (2)

Unter dem„spektralen Emissionsgrad" wird hierbei der„spektrale normale

Emissionsgrad" verstanden. Dieser wird anhand eines Messprinzips ermittelt, das unter der Bezeichnung„Black-Body Boundary Conditions" (BBC) bekannt ist und veröffentlicht ist in„DETERMIN ING 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).

Das Halbleitermaterial und insbesondere das vorzugsweise eingesetzte, elementare Silizium bewirken daher eine Schwarzfärbung des glasigen Matrix- Werkstoffs und zwar bei Raumtemperatur, aber auch bei erhöhter Temperatur oberhalb von beispielsweise 600 °C. Dadurch wird eine gute Abstrahlungs- charakteristik im Sinne einer breitbandigen, hohen Emission bei hohen

Temperaturen erreicht. Das Halbleitermaterial, bevorzugt das elementare Silizium, bildet dabei eine in der Matrix dispergierte, eigene Si-Phase. Diese kann mehrere Halbmetalle oder Metalle enthalten (Metalle jedoch maximal bis zu 50 Gew.-%, besser nicht mehr als 20 Gew.-%; bezogen auf den Gewichtsanteil der

Zusatzkomponente). Dabei zeigt das Trägerplatten-Material keine offene

Porosität, sondern allenfalls eine geschlossene Porosität von weniger als 0,5 % und eine spezifische Dichte von mindestens 2,19 g/cm³. Er ist daher für

Infrarotstrahler geeignet, bei denen es auf Reinheit oder Gasdichtheit der

Trägerplatte ankommt.

Für den Einsatz als Infrarotstrahlung emittierender Werkstoff für einen

Infrarotstrahler gemäß vorliegender Erfindung wird das Trägerplatten-Material mit einer Leiterbahn belegt, die bevorzugt als eingebrannte Dickfilmschicht ausgeführt ist.

Derartige Dickfilmschichten werden aus Widerstandspasten mittels Siebdruck oder aus metallhaltiger Tinte mittels Tintenstrahldruck erzeugt und anschließend bei hoher Temperatur eingebrannt.

Im Hinblick auf eine möglichst homogene Temperaturverteilung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Leiterbahn als Linienmuster ausgeführt ist, das eine

Fläche der Trägerplatte so bedeckt, dass zwischen benachbarten Leiterbahn- Abschnitten ein Zwischenraum von mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm verbleibt.

Das hohe Absorptionsvermögen des Trägerplatten-Materials ermöglicht auch bei vergleichsweise geringer Leiterbahn-Belegungsdichte der Heizfläche eine homogene Abstrahlung. Eine geringe Belegungsdichte ist dadurch

gekennzeichnet ist, dass der minimale Abstand zwischen benachbarten

Leiterbahn-Abschnitten 1 mm oder mehr, bevorzugt 2 mm oder mehr beträgt. Ein großer Abstand zwischen den Leiterbahnabschnitten vermeidet Überschläge, die insbesondere beim Betrieb mit hohen Spannungen unter Vakuum auftreten können. Die Leiterbahn verläuft beispielsweise in einem spiral- oder

mäanderförmigen Linienmuster. Um einen möglichen korrosiven Angriff auf den Werkstoff der Leiterbahn zu reduzieren, wird es bevorzugt die Trägerplatte mit der darauf aufgebrachten Leiterbahn in dem Hüllrohr unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre zu halten, die eines oder mehrere Gase aus der Reihe Stickstoff, Argon, Xenon, Krypton oder Deuterium umfasst.

Der erfindungsgemäße Infrarotstrahler ist für den Vakuumbetrieb besonders geeignet, eine die Trägerplatte umgebende Schutzgasatmosphäre im Quarzglas- Hüllrohr ist aber zur Vermeidung von oxidativen Veränderungen des Leiterbahn- Werkstoffes auch im Einzelfall ausreichend. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers ist vorgesehen, dass mehrere Leiterbahnen auf einer Trägerplatte aufgebracht sind, die jeweils individuell elektrisch ansteuerbar sind.

Das Vorsehen mehrerer Leiterbahnen ermöglicht eine individuelle Ansteuerung und eine Anpassung der mit dem Infrarot-Strahler erreichbaren

Bestrahlungsstärke. Einerseits kann durch geeignete Wahl der Abstände benachbarter Leitungsbahn-Abschnitte die Strahlungsleistung der Trägerplatte eingestellt werden. Hierbei werden Abschnitte der Trägerplatte unterschiedlich stark erwärmt, so dass diese Infrarot-Strahlung mit unterschiedlichen

Bestrahlungsstärken emittieren. Eine Variation der an den jeweiligen Leiterbahnen anliegenden Betriebsspannungen bzw. Betriebsströme ermöglicht auch eine einfache und schnelle Anpassung der Temperaturverteilung in der Trägerplatte.

Darüber hinaus besteht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung darin, dass mehrere Trägerplatten mit Leiterbahnen in einem Hüllrohr angeordnet sind, wobei die Trägerplatten jeweils individuell elektrisch ansteuerbar sind. Diese

Ausführungsform der Erfindung ermöglicht an die Geometrie des Heizgutes angepasste Strahlervarianten. So kann in einem einzigen Hüllrohr durch

aneinander Reihung von mehreren Trägerplatten beispielsweise ein

Flächenstrahler realisiert werden, der in einzelnen Teilbereichen durch individuelle Ansteuerung der Trägerplatten unterschiedliche Strahlungsintensität aufweist. Es hat sich weiterhin bewährt, wenn das Hüllrohr in Teilbereichen eine

Beschichtung aus opakem, hoch reflektivem Quarzglas aufweist. Insbesondere ist es zum Ausbilden eines Schlitzstrahlers vorteilhaft, wenn die Beschichtung auf dem Umfang des Hüllrohrs in einem Winkelabschnitt von 180° bis 330° aufgetragen ist. Eine derartige Beschichtung reflektiert die Infrarot-Strahlung des Heizfilaments und verbessert damit die Effizienz der Infrarot-Strahlung in Bezug auf das Heizgut. Die Beschichtung, auch Reflektorschicht genannt, besteht aus opakem Quarzglas und hat eine mittlere Schichtdicke um 1 ,1 mm. Sie zeichnet sich durch Rissfreiheit und eine hohe Dichte von etwa 2,15 g/cm³ aus und sie ist bis Temperaturen oberhalb von 1 100 °C thermisch beständig. Die Beschichtung bedeckt bevorzugt einen Winkelabschnitt von 330° des Umfangs des Hüllrohrs und läßt somit einen länglichen Teilbereich in Streifenform des Hüllrohrs frei und transparent für die Infrarot-Strahlung. Dieser Aufbau ermöglicht in einfacher Weise die Herstellung eines sogenannten Schlitzstrahlers.

Ausführungsbeispiele

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

Figur 1 in schematischer Darstellung den Infrarot-Strahler eingebaut in

einem Hüllrohr aus Quarzglas in einer Teilansicht,

Figur 2 einen Querschnitt durch ein Hüllrohr mit einem erfindungsgemäßen

Infrarot-Strahler, und Figur 3 ein Diagramm mit der Abstrahlcharakteristik des erfindungsgemäßen

Infrarot-Strahlers im Vergleich zu einem herkömmlichen Strahler mit Kanthal-Wendel

Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Infrarot- Strahlers, dem insgesamt die Bezugsziffer 100 zugeordnet ist, eingebaut in einem Hüllrohr 101 aus Quarzglas. Das Hüllrohr 101 hat eine Längsachse L. Figur 1 zeigt den Infrarot-Strahler 100 in einer Teilansicht mit einer Trägerplatte 102, einer Leiterbahn 103 und zwei Kontaktierungsbereichen 104a, 104b zur elektrischen Kontaktierung der Leiterbahn 103.

Auf den Kontaktierungsbereichen 104a, 104b sind dünne Drähte 105a, 105b aufgeschweißt, die zu Kontaktflächen 106a, 106b in der Quetschung 107 im

Anschluss-Sockel 108 des Hüllrohres 101 führen. Die dünnen Drähte 105a, 105b weisen auf einem Längenabschnitt von 5 mm Federdrahtwicklungen 1 15a, 1 15b auf, um eine thermische Längenausdehnung der Drähte bei hohen Betriebstemperaturen auszugleichen.

Im Anschluss-Sockel 108 sind Kontaktdrähte 109a, 109b nach außen geführt, die ebenfalls durch Anschweißen mit den Kontaktflächen 106a, 106b in der

Quetschung 107 verbunden sind.

Im Innern des Hüllrohres 101 herrscht Unterdruck (Vakuum), oder es wird mit einem Inertgas eine nicht-oxidierende Atmosphäre im Innern des Hüllrohrs geschaffen, so dass die Leiterbahnen 103 aus Nicht-Edelmetall vor Oxidation geschützt sind.

Die Trägerplatte 102 umfasst einen Komposit-Werkstoff mit einer Matrixkomponente in Form von Quarzglas. In die Matrixkomponente ist eine Phase aus elementarem Silizium in Form nicht-sphärischer Bereiche homogen verteilt. Die Matrix wirkt visuell transluzent bis transparent. Sie zeigt bei mikroskopischer Betrachtung keine offenen Poren und allenfalls geschlossene Poren mit maximalen Abmessungen von im Mittel weniger als 10 μιτι. In der Matrix ist eine Phase aus elementarem Silizium in Form nicht-sphärischer Bereiche homogen verteilt. Deren Gewichtsanteil beträgt 5 %. Die maximalen Abmessungen der Silizium-Phasenbereiche liegen im Mittel (Medianwert) im Bereich von etwa 1 μιτι bis 10 μιτι. Der Komposit-Werkstoff ist gasdicht, er hat eine Dichte von 2,19 g/cm³ und er ist an Luft bis zu einer Temperatur von etwa 1 150 °C stabil. Die

eingelagerte Silizium-Phase trägt einerseits zur Opazität des Komposit-Werkstoffs insgesamt bei und sie hat Auswirkungen auf die optischen und thermischen Eigenschaften des Komposit-Werkstoffs. Dieser zeigt bei hohen Temperaturen eine hohe Absorption von Wärmestrahlung und einen hohen Emissionsgrad. Die

Trägerplatte 102 erscheint schwarz und hat eine Länge I von 100 mm, eine Breite b von 15 mm und eine Dicke von 2 mm.

Der am Komposit-Werkstoff der Trägerplatte 102 gemessene Emissionsgrad im Wellenlängenbereich von 2 μιτι bis etwa 4 μιτι hängt von der Temperatur ab. Je höher die Temperatur ist, umso höher ist die Emission. Bei 600 °C liegt der normale Emissionsgrad im Wellenlängenbereich von 2 μιτι bis 4 μιτι oberhalb von 0,6. Bei 1 .000 °C liegt der normale Emissionsgrad im gesamten Wellenlängenbereich zwischen 2 μιτι und 8 μιτι oberhalb von 0,75.

Die Leiterbahn 103 ist mäanderförmig ausgebildet. Der Werkstoff für die

Leiterbahn 103 umfasst im Wesentlichen Nicht-Edelmetalle wie etwa Wolfram und Molybdän oder auch Polysilizium, wobei die Leiterbahn mit einem entsprechenden Layout mittels einer siebdruckfähigen Paste auf die Trägerplatte 102 aufgebracht und eingebrannt wurde.

Bei einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers umfasst die Trägerplatte 102 ein Material aus einer dunkelgrau bis schwarz erscheinenden Keramik aus Siliziumnitrid (Si3N₄) oder aus Siliziumkarbid (SiC). Bei einer Trägerplatte mit einer Basis-Materialschicht aus SiC ist an der

Oberfläche eine Oberflächenschicht aus S1O2 aufgebracht, die elektrisch isolierend ist gegenüber den metallischen Leiterbahnen.

Auch dunkelbraun oder dunkelgrau erscheinende Glaskeramik (beispielsweise NEXTREMA^®) ist als Trägerplattenmaterial geeignet; ebenso Trägerplatten aus Glaskohlenstoff, wie etwa Platten aus dem Werkstoff SIGRADUR^® .

Ein weiteres Alternativ-Material für die Trägerplatte 102 ist ein Polyinnid-Kunststoff, der auf eine Temperatur bis zu 400°C erwärmt werden kann. Gerade für

Anwendungen, bei denen eine besonders schnelle Einschaltzeit (wenige

Sekunden) erforderlich sind, ist eine Trägerplatte aus einer Polyimid-Folie mit einer geringen thermischen Masse günstig. Auch bei dieser Polyimid-Folie als Trägerplatte 102 sind Leiterbahnen 103 aus Nicht-Edelmetall aufgebracht. Durch den Einbau in ein Hüllrohr aus Quarzglas ist ein Betrieb unter nicht-oxidierender Atmosphäre möglich.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Längsachse L des Hüllrohres 101 mit dem darin angeordneten Infrarot-Strahler. Auf der Außenumfangsfläche des Hüllrohres 101 ist auf einer Länge, die der Länge der Trägerplatte 102 entspricht, eine Reflektorschicht 200 aus Quarzglas aufgebracht, die 330° des Umfangs abdeckt. Es ergibt sich ein sogenannter Schlitzstrahler mit einer schmalen, länglichen Freifläche am Hüllrohr, die die von der Trägerplatte emittierte Infrarot-

Strahlung nach außen durchlässt. Figur 3 zeigt das Leistungsspektrum eines erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers (Kurve A) im Vergleich zu einem Infrarot-Strahler mit einer Kanthal-Wendel (Kurve B). Die Trägerplatte des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers wird in diesem Fall von einem Komposit-Werkstoff aus mit einer Matrix-komponente in Form von Quarzglas und einer darin homogen verteilten Phase aus elementarem

Siliziumgebildet, wie er oben näher beschrieben ist. Das Leiterbahnmaterial ist in diesem Fall Wolfram. Die Temperatur der Leiterbahn auf der Trägerplatte dieses IR-Strahlers wird auf 1000°C eingestellt. Der Vergleichsstrahler mit einer Kanthal- Wendel wird ebenfalls bei einer Temperatur von etwa 1000°C betrieben. Es zeigt sich, dass der erfindungsgemäße Infrarot-Strahler im Wellenlängenbereich 1 .500 nm bis etwa 5.000 nm im Maximum der Kurve A eine um etwa 25 % größere Leistung hat als der Vergleichsstrahler, dargestellt mit Kurve B.

Claims

Patentansprüche

Infrarot-Strahler, der ein Hüllrohr (101 ) aus Quarzglas aufweist, das ein Heizfilament als Infrarotstrahlung emittierendes Element umschließt, das über Stromdurchführungen mit einem elektrischen Anschluss außerhalb des Hüllrohres verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das

Heizfilament eine Trägerplatte (102) mit einer Oberfläche aus einem elektrisch isolierenden Material umfasst, wobei die Oberfläche mit einer Leiterbahn (103) aus einem bei Stromdurchfluss Wärme erzeugenden Werkstoff belegt ist.

2. Infrarot-Strahler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der

Werkstoff der Leiterbahn (103) ein Nicht-Edelmetall ist.

Infrarot-Strahler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Leiterbahn (103) eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe Wolfram (W), Molybdän (Mo), Siliziumcarbid (SiC),

Molydbändisilicid (M0S12), Chromsilicid (CrsSi), Aluminium (AI), Tantal (Ta), Polysilizium (Si), Kupfer (Cu) und hochtemperaturfester Stahl enthält.

Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (102) aus mindestens zwei

Materialschichten gebildet ist.

Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (102) einen Komposit-Werkstoff umfasst, der von einer Matrixkomponente sowie von einer

Zusatzkomponente in Form eines Halbleitermaterials gebildet wird. 6. Infrarotstrahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixkomponente Quarzglas ist und vorzugsweise eine chemische Reinheit von mindestens 99,99% S1O2 und einen Cristobalitgehalt von höchstens 1 % besitzt.

7. Infrarot-Strahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die

Zusatzkomponente ein Halbleitermaterial in elementarer Form enthält, vorzugsweise elementares Silizium.

8. Infrarot-Strahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die

Zusatzkomponente in einer Art und Menge vorhanden ist, die in der Trägerplatte (102) bei einer Temperatur von 600 °C einen spektralen

Emissionsgrad ε von mindestens 0,6 für Wellenlängen zwischen 2 und 8 μιτι bewirkt.

9. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (102) eine geschlossene Porosität von weniger als 0,5 % und eine spezifische Dichte von mindestens 2,19 g/cm³ aufweist.

10. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Leiterbahnen (103) auf einer Trägerplatte (102) aufgebracht sind, die jeweils individuell elektrisch ansteuerbar sind. 1 1 . Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trägerplatten (102) mit Leiterbahnen (103) in einem Hüllrohr (101 ) angeordnet sind, wobei die Trägerplatten (102) jeweils individuell elektrisch ansteuerbar sind. 12. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (102) mit den darauf aufgebrachten Leiterbahnen (103) in dem Hüllrohr (101 ) unter Vakuum oder unter einer Schutzgasatmosphäre gehalten ist, die eines oder mehrere Gase aus der Reihe Stickstoff, Argon, Xenon, Krypton oder Deuterium umfasst.

13. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (103) als eingebrannte

Dickfilmschicht ausgeführt sind.

14. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (101 ) in Teilbereichen eine

Beschichtung (200) aus opakem, hoch reflektivem Quarzglas aufweist.

15. Infrarot-Strahler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (200) auf dem Umfang des Hüllrohrs (101 ) in einem

Winkelabschnitt von 180° bis 330° aufgetragen ist.