(57)【要約】  公知の赤外線放射器は、支持体と、この支持体に取り付けられた、導電性の抵抗材料から成るヒータコンダクタ導体路と、このヒータコンダクタ導体路の電気コンタクトと、を含む。これを基礎として、高い放射効率を有する赤外線放射器を規定するために、赤外線放射器のヒータコンダクタ導体路に、構造が単純でありかつ低コストの電気コンタクトが設けられる。本発明によれば、非晶質のマトリクス成分と半導体材料の形態の付加成分とを含む複合材料を含む支持体と、コンタクト導体路として支持体に取り付けられるコンタクトと、を設け、コンタクト導体路の導体断面積をヒータコンダクタ導体路の導体断面積の少なくとも３倍とすることが提案される。
2019533287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、前記支持体に取り付けられた、導電性の抵抗材料から成るヒータコンダクタ導体路と、前記ヒータコンダクタ導体路の電気コンタクトと、を含む赤外線放射器において、
前記支持体は、非晶質のマトリクス成分と半導体材料の形態の付加成分とを含む複合材料を含み、
前記コンタクトは、コンタクト導体路として前記支持体に取り付けられており、
前記コンタクト導体路の導体断面積は、前記ヒータコンダクタ導体路の導体断面積の少なくとも３倍である、
ことを特徴とする赤外線放射器。
【請求項２】
前記ヒータコンダクタ導体路および前記コンタクト導体路は、物質間結合により相互に接続されている、
請求項１記載の赤外線放射器。
【請求項３】
前記ヒータコンダクタ導体路および前記コンタクト導体路は、同じ材料から形成されている、
請求項１または２記載の赤外線放射器。
【請求項４】
前記コンタクト導体路は、前記ヒータコンダクタ導体路に直接に接続されている、
請求項１から３までのいずれか１項記載の赤外線放射器。
【請求項５】
前記ヒータコンダクタ導体路と前記コンタクト導体路との間に、移行部導体路が配置されており、
前記移行部導体路の導体断面積は、前記ヒータコンダクタ導体路の導体断面に基づいて、前記コンタクト導体路の導体断面積に達するまで、連続的にまたは複数の段階で増大している、
請求項１から３までのいずれか１項記載の赤外線放射器。
【請求項６】
前記コンタクト導体路の導体断面積は、０．０６ｍｍ２から０．２ｍｍ２の範囲にあり、前記ヒータコンダクタ導体路の導体断面積は、０．０２ｍｍ２から０．０６ｍｍ２の範囲にある、
請求項１から５までのいずれか１項記載の赤外線放射器。
【請求項７】
前記ヒータコンダクタ導体路の断面高さおよび前記コンタクト導体路の断面高さは、１０μｍから２５μｍの範囲にある、
請求項１から６までのいずれか１項記載の赤外線放射器。
【請求項８】
前記支持体の全体は、前記複合材料から形成されている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の赤外線放射器。
【請求項９】
前記支持体は、前記複合材料から形成された第１の材料領域と、化学組成の点で前記第１の材料領域とは異なる第２の材料領域と、を有しており、
前記ヒータコンダクタ導体路は、前記第１の材料領域に取り付けられており、前記コンタクト導体路は、前記第２の材料領域に取り付けられている、
請求項１から７までのいずれか１項記載の赤外線放射器。
【請求項１０】
前記赤外線放射器は、１８０ｋＷ／ｍ２超のエネルギ密度に達するように、好ましくは１８０ｋＷ／ｍ２から２６５ｋＷ／ｍ２の範囲のエネルギ密度に達するように、構成されている、
請求項１から９までのいずれか１項記載の赤外線放射器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、支持体と、この支持体に取り付けられた、導電性の抵抗材料から成るヒータコンダクタ導体路と、このヒータコンダクタ導体路の電気コンタクトと、を含む赤外線放射器に関する。
【０００２】
本発明による赤外線放射器は、３次元の支持体を有し、この支持体は、ヒータコンダクタ導体路の形態で支持体に取り付けられた抵抗加熱要素により加熱可能である。ここで、ヒータコンダクタ導体路は、支持体に直接に接触するので、ヒータコンダクタ導体路から支持体への熱移動は、主に熱伝導および／または熱対流によって生じる。
【０００３】
本発明の赤外線放射器は、その設計によって良好な性能効率を有し、特に高温加熱プロセス、例えば半導体産業もしくは光電池産業における半導体ウェハの熱処理のため、印刷産業またはプラスチック加工において使用される。例えば、本発明による赤外線放射器は、プラスチックの重合の事例、レジストの硬化の事例または塗料の乾燥の事例で使用されている。これらはさらに複数の乾燥プロセス、例えば膜もしくは糸の製造、またはモデル、サンプル、プロトタイプ、ツールもしくは最終製品の製造（付加製造）において利用可能である。
【背景技術】
【０００４】
種々の設計から成る赤外線放射器が高温加熱プロセスに使用されている。例えば、赤外線放射器は、加熱要素が円筒形の放射管内に配置される事例において知られており、ここで、放射管と加熱要素とは相互に離間されている。こうした赤外線放射器の加熱要素は、大抵の場合タングステンまたは炭素から形成されており、放射管は大抵の場合溶融シリカから形成されている。こうした放射器の場合、加熱要素から放射管への熱移動は、主に熱放射によって行われる。
【０００５】
さらに、赤外線放射器は、金属のヒータコンダクタが支持体に取り付けられるかまたは支持体層に埋め込まれる事例においても知られている。こうした赤外線放射器の場合、ヒータコンダクタは、電圧をヒータコンダクタに印加することにより加熱され、ここで、導体によって形成される熱が、支持体へ移動する。ヒータコンダクタが支持体に直接に接触しているため、熱移動は主に熱伝導および熱対流によって行われる。支持体に取り付けられたヒータコンダクタを含む赤外線放射器は、良好な性能効率を有すると判明している。
【０００６】
金属のヒータコンダクタがセラミックの絶縁層間に埋め込まれる事例の赤外線放射器は、例えば独国特許出願公開第４３３８５３９号明細書（ＤＥ４３３８５３９Ａ１）から公知である。製造時に、セラミック絶縁層は、例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウム、二酸化ケイ素または窒化チタンの膜の形態のグリーンフィルムとして用意され、続いてその上にメタライゼーションペーストが適用される。最後に、複数の膜が相互に積層され、プレスおよび焼結される。ヒータコンダクタの表面にこのヒータコンダクタの電気コンタクトを設けるために、外側の膜にはスルーコンタクト（ビア）が設けられ、このスルーコンタクトがさらに膜の外側に取り付けられたコンタクト面に電気的に接触する。
【０００７】
ただし、こうした赤外線放射器は、その電気的接続が外側コンタクトおよびスルーコンタクトを介して大規模に行う場合にしか可能とならないという欠点を有している。こうした外側コンタクトおよびスルーコンタクトは、複雑な設定を有し、また製造が大規模となる。
【０００８】
さらに、当該設計の赤外線放射器は、通常、約８０ｋＷ／ｍ２のエネルギ密度に対して設計されているのみである。エルシュタインヴェルク・エム・シュタインメッツ・ゲーエムベーハーウントコーカーゲー（Elstein-Werk M.Steinmetz GmbH & Co.KG）によるSHTS/100型の赤外線放射器が、支持体の電気的接続を提供するための導体路の設けられた支持体に個別要素が取り付けられる当該事例の例として挙げられる。
【０００９】
赤外線放射器が高温加熱プロセスに使用される場合、基本的には、高いエネルギ密度、好ましくは１８０ｋＷ／ｍ２超の高いエネルギ密度を有する放射器が所望される。一方では、高いエネルギ密度を有する赤外線放射器は、迅速な加熱プロセスを提供するので、加熱すべき製品が放射を必要とする放射時間に大きく影響する。他方では、加熱すべき製品の放射に使用される赤外線放射器の数は、高いエネルギ密度を有する赤外線放射器の使用時に、放射結果への影響なしに低減可能である。基本的には、赤外線放射器の数の低減はメンテナンス労力の低減に結びつき、製造コストの低減をもたらす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
つまり、本発明は、高い放射効率を有する赤外線放射器を規定し、当該赤外線放射器のヒータコンダクタ導体路に、単純かつ低コストの構造の電気コンタクトを設けるという技術的課題を基礎とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した形式の赤外線放射器を基礎として、上述した課題は、本発明にしたがい、支持体が、非晶質のマトリクス成分と半導体材料の形態の付加成分とを含む複合材料を含み、コンタクトが、コンタクト導体路として支持体に取り付けられており、コンタクト導体路の導体断面積が、ヒータコンダクタ導体路の導体断面積の少なくとも３倍であることにより、解決される。
【００１２】
本発明による赤外線放射器は、通常の赤外線放射器と２つの様相において異なっている。すなわち、一方では、支持体の少なくとも一部の化学組成の点で、他方では、支持体に取り付けられ、これにより赤外線放射器のコンパクト化に寄与する電気コンタクトの形式の点で異なっている。
【００１３】
ここで、本発明は、支持体が高い放射率を有する熱励起可能な材料から形成されている場合、特に高いエネルギ密度を有する赤外線放射器を取得可能であるという知識を基礎としている。したがって、本発明によれば、支持体は、少なくとも部分的に、非晶質のマトリクス成分に加えて半導体材料の形態の付加成分を含む複合材料から形成されている。こうした支持体の場合、支持体の物理特性も当該付加成分によって決定される。支持体では（これが充分に加熱された場合）半導体材料の添加によるエネルギリッチな励起状態を想定可能であり、半導体材料の添加によって、高いエネルギ密度を有する赤外放射が放出されることが判明している。こうした材料は、材料の熱励起ひいては高い放射放出量を取得するために少なくとも達成されるべき励起温度によって特徴づけられている。こうした赤外線放射器により、１８０ｋＷ／ｍ２超のエネルギ密度、好ましくは１８０ｋＷ／ｍ２から２６５ｋＷ／ｍ２の範囲のエネルギ密度を達成可能である。
【００１４】
ここで、複合材料は次の成分を含む：
・非晶質のマトリクス成分は、重量および体積に関して、複合材料の最大割合を占める。これにより、複合材料の機械的および化学的特性の大部分、例えば、複合材料の熱抵抗、安定性および腐食特性が決定される。（好ましくはガラスから成る）マトリクス成分が非晶質であることにより、支持体の幾何学形状は、結晶質材料から成る支持体に比べ、本発明による赤外線放射器の特定の使用事例における要求に、より容易に適応化可能である；
マトリクス成分は、非ドープのまたはドープされた溶融シリカから形成でき、場合により、最大１０重量％までの量のＳｉＯ２に加え、他の酸化物、窒化物もしくは炭化物の成分を含んでよい。ただし、非晶質のマトリクス成分が溶融シリカであって、好ましくは少なくとも９９．９９％のＳｉＯ２の化学的純度と最大１％のクリストバライト含有量とを有する事例の、赤外線放射器の実施形態は、支持体材料に由来する汚染の危険を回避するために特に有意であると判明している；
・本発明によれば、さらに、マトリクス成分に埋め込まれる半導体材料の形態の付加成分の用意が行われる。付加成分は、非晶質のマトリクス成分内へ分散される、付加成分の非晶質または結晶質の相を形成する。これは高い放射率に寄与し、これにより高い放射効率およびエネルギ密度を有する赤外放射の放出に適した支持体が得られる；
付加成分は、支持体の光学特性および熱特性の大部分を決定し、より正確には、赤外スペクトル範囲、すなわち７８０ｎｍから１ｍｍの波長範囲での吸収に作用する。付加成分は、当該スペクトル範囲での放射の少なくとも一部に対し、マトリクス成分の吸収率よりも高い吸収率を示す；
付加成分の相範囲は、マトリクスにおける光学欠陥として作用し、例えば複合材料が（層厚さに依存して）室温で視覚的に黒色もしくは暗灰色に見えうるという結果をもたらす。欠陥そのものも熱吸収効果を有する。
【００１５】
本発明による赤外線放射器の事例では、支持体に取り付けられる導体路が、支持体の加熱に直接に用いられる。導体路は、支持体の少なくとも一部の領域を局所的に加熱できる「ローカル」の加熱要素として作用し、複合材料から成る支持体の少なくとも一部を加熱するように構成される。ここで、複合材料から成る支持体の一部は、赤外放射を放出する作用要素を形成する。ヒータコンダクタ導体路は、電気コンタクトに接続される。以下では、「電気コンタクト」なる語は、介在によって赤外線放射器を回路に接続可能にする素子を表すものとする。電気コンタクトは、自身を介して、好ましくは取り外し可能に、例えばプラグイン接続、ねじ込み接続またはクランプ接続によって回路に接続することができる。
【００１６】
複合材料から成る支持体の一部を動作条件のもとで励起温度まで加熱しなければならないことにより、支持体およびヒータコンダクタ導体路の双方は、通常、ヒータコンダクタ導体路に割り当てられた支持体の領域（加熱範囲）で６００℃超の動作温度を有する。したがって、赤外線放射器の、特にヒータコンダクタ導体路の電気コンタクトを支持体のレベルに設けるには、電気コンタクトを配置する「冷間」領域の形成が基本的に不可欠である。ここで、「冷間」領域が２５０℃から５００℃の範囲の温度を有すると好ましいことが判明している。
【００１７】
複合材料と本発明による電気コンタクトの実施形態との双方が、支持体上にこうした領域を取得することに寄与する。
【００１８】
これは、複合材料が励起温度に達した後、さらなる温度上昇によっても支持体の放射放出が大きくは増大しえないことが理由となっている。よって、良好なエネルギ効率を得るために、支持体は、励起温度まで、または動作条件のもとこの励起温度を僅かに上回るまで、好ましくは励起温度の１倍から１．１倍の範囲の温度まで、加熱されると好ましいことが判明している。その結果、支持体では、本発明による、好ましくは１８０ｋＷ／ｍ２超の高い放射効率を有する赤外線放射器の動作時にも、励起温度までまたはこれを過度に超えない温度までの加熱しか必要ない。これは、高い放射効率を有する動作時にも、支持体上に生じる温度差が狭い範囲内に入るからであり、このため、励起温度を大きく超える、特に励起温度の１．１倍を超える特に高い動作温度の温度補償は必要ない。
【００１９】
さらに、本発明による赤外線放射器の電気コンタクトは、当該電気コンタクトによって、コンタクト温度にいたるまでの温度低下も可能となるように構成される。よって、電気コンタクトはコンタクト導体路として実現され、その導体断面積はヒータコンダクタ導体路の導体断面積の少なくとも３倍である。
【００２０】
以下では、断面積または導体断面積なる語は、電流の流れ方向に対して垂直に延在する導体路の断面積を表す。オームの法則によれば、ヒータ導体路の熱出力およびコンタクト導体路の熱出力は、ヒータ導体路またはコンタクト導体路の電気抵抗に依存する。各導体路の電気抵抗は、とりわけ、各導体路材料の比抵抗、導体路の全長および導体路の断面積に依存する。コンタクト導体路の熱出力は、コンタクト導体路の全抵抗を低減することで低減可能である。このことは、本発明によれば、コンタクト導体路がヒータコンダクタ導体路よりも大きな断面積を有することによって達成される。その結果、コンタクト導体路は、ヒータコンダクタ導体路よりも低い抵抗とこれに関連する低い熱出力とを有する。
【００２１】
コンタクト導体路が支持体に直接に取り付けられることにより、支持体表面のうちヒータコンダクタ導体路によって被覆される部分とは異なるコンタクト領域が、支持体表面上に形成される。当該表面は、導体路占有面とも称される。特に、コンタクト導体路の熱出力が小さいため、支持体はコンタクト領域において低い温度を有する。コンタクト領域の温度が導体路占有面までの距離の増大につれて低下することは一般に該当するが、コンタクト領域の温度はコンタクト導体路の断面積にも大きく依存する。よって、コンタクト導体路の導体断面積が半導体導体路の導体断面積の少なくとも３倍である場合、低温のコンタクト領域が取得可能となることが判明している。コンタクト導体路の導体断面積がヒータコンダクタ導体路の導体断面積の少なくとも６倍である場合、温度低下についての特に良好な結果が得られる。特に好ましくは、コンタクト導体路の導体断面積は、ヒータコンダクタ導体路の導体断面積の６倍から１０倍の範囲にある。
【００２２】
本発明による赤外線放射器は、印刷技術、例えばスクリーン印刷またはインクジェット印刷を用いてヒータコンダクタ導体路を支持体の表面に取り付けることにより、簡単かつ低コストに製造可能である。コンタクト導体路もヒータコンダクタ導体路も支持体に取り付けられるため、双方の導体路を１つの動作ステップで取り付け可能である。ここで、コンタクト導体路およびヒータコンダクタ導体路が一平面に配置されると好ましいことが判明している。したがって、支持体は、好ましくは、ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路によって被覆される平坦な表面を有する。
【００２３】
本発明による赤外線放射器の好ましい実施形態の事例では、ヒータコンダクタ導体路とコンタクト導体路とが、物質間結合により相互に接続される。
【００２４】
物質間結合の場合、接続対、つまりここではヒータコンダクタ導体路とコンタクト導体路とが、原子間力または分子間力によって相互に保持される。よって、取り外し不能な接続のグループに属する物質間結合は、高い機械的安定性および持続性を特徴としている。物質間結合は、例えばはんだ付け、溶接、またはヒータコンダクタ導体路とコンタクト導体路との接着によって得られる。また、物質間結合は、ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路が例えばメタライゼーションペーストの形態で支持体に適用され、メタライゼーションペーストが設けられた支持体が続いて焼結される場合にも生じる。
【００２５】
ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路が同じ材料から形成されると好ましいことが判明している。
【００２６】
ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路は、同じまたは化学的に異なるメタライゼーションペーストから形成可能である。例えば、インクジェット印刷により、化学的に異なるメタライゼーションペーストの簡単な適用が提供される。なぜなら、化学組成の異なるメタライゼーションペーストの適用は、上述したインクジェット印刷の場合、１つの動作ステップで行うことができるからである。
【００２７】
ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路の機械的および化学的抵抗は、とりわけ、上述した各導体路を形成する材料に依存する。良好な化学的および機械的抵抗を有する導体路の接続は、ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路が同じ材料から形成される場合に得られる。
【００２８】
好ましくは、コンタクト導体路は、直接にヒータコンダクタ導体路に接続される。
【００２９】
本発明によれば、ヒータコンダクタ導体路とコンタクト導体路とは、その断面積において異なっている。よって、ヒータコンダクタ導体路に直接に続くコンタクト導体路は、ヒータコンダクタ導体路の断面からコンタクト導体路の断面への直接の不規則な移行に関連している。こうした直接の移行は、或る程度のスペース要求に関連する移行領域を設けなくてよいという利点を有する。ヒータコンダクタ導体路からコンタクト導体路への直接の移行は、さらに、支持体が可能なかぎり小さな温度遷移領域、すなわちヒータコンダクタ導体路が設けられた「加熱領域」からコンタクト導体路が設けられた「コンタクト領域」への温度遷移領域を提供することに寄与する。可能なかぎりコンパクトな移行領域およびこれに関連するコンパクトなコンタクト領域は、このようにして形成可能である。
【００３０】
本発明による赤外線放射器の同様に好ましい実施形態の事例では、移行部導体路の用意が行われ、その導体断面積は、ヒータコンダクタ導体路の導体断面積に基づいて、連続的にもしくは複数の段階で、ヒータコンダクタ導体路とコンタクト導体路との間に配置されるコンタクト導体路の導体断面積が達成されるまで増大する。
【００３１】
ヒータコンダクタ導体路からコンタクト導体路への移行の形式は、当該移行領域の温度プロフィルに大きな影響を有する。ヒータコンダクタ導体路に比べ、コンタクト導体路は、自身を回路に簡単に接続可能にするための「冷間」領域を形成している。よって、特に「冷間」領域の縁領域、つまりヒータコンダクタ導体路からコンタクト導体路への移行領域に、通常、温度勾配が生じる。ここで、高温から低温への迅速な移行は、支持体が高い熱応力に曝されるという欠点を有する。支持体の化学組成に依存して、特に望ましくない材料応力が支持体内に生じ、支持体にダメージを与えることがある。よって、支持体の化学的特性に応じて、移行領域に平坦な温度勾配を形成することが所望されうる。このことは、例えば、ヒータコンダクタ導体路の断面積を連続的にまたは段階的にコンタクト導体路の断面積へ移行させることによって行うことができる。ヒータコンダクタ導体路の断面積から出発して連続的に増加する断面積を有する移行部導体路の場合、平坦かつ大部分連続した温度勾配に関連して連続的に増大する遷移抵抗が、構造に起因して生じる。さらに、移行部導体路の断面積は、ヒータコンダクタ導体路の断面積から出発して、段階的に、つまり複数の段において、増大させることもできる。この場合、移行部導体路の遷移抵抗の簡単かつ迅速な適応化は、当該段の断面積および段の長さを変化させることによって可能であり、これにより、遷移抵抗を適切に選択して、所望の温度プロフィルを形成することができる。
【００３２】
コンタクト導体路の断面積が０．０６ｍｍ２から０．２ｍｍ２の範囲にあり、ヒータコンダクタ導体路の断面積が０．０２ｍｍ２から０．０６ｍｍ２の範囲にあると特に好ましいことが判明している。
【００３３】
導体断面積とも称される導体路の断面積は、電流の流れ方向で見た導体路を通る断面の面積である。よって、長方形形状を有する層状導体路の場合、導体断面積は、層幅と層厚さとの乗算から得られる。
【００３４】
ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路の断面高さは、好ましくは１０μｍから２５μｍの範囲にある。
【００３５】
導体路の断面積または導体路の断面は、それぞれ、断面底辺および断面高さによって記述可能である。断面底辺は、断面のうち導体路が支持体に接する辺である。断面高さは、当該底辺に対して垂直に測定される、断面の最大寸法である。長方形状の断面を有する層状の導体路の場合、断面は断面底辺と断面高さとの乗算から得られる。
【００３６】
よって、断面高さは基本的には導体路の電気抵抗および支持体上の温度分布に影響するが、導体路の電気抵抗は、別のパラメータ、特に導体路断面積および断面底辺にも依存する。ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路の双方が上で規定した範囲の高さを有する場合、これらは僅かな高さの差しか有さないため、本発明によって設けられる、ヒータコンダクタ導体路とコンタクト導体路との断面積の差は、逆に言えば、必然的に、相互に異なる各導体路の断面底辺から生じることになる。当該文脈において、ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路の各断面高さが一致する場合、特に好ましいことが判明している。各導体路の断面高さの一致は、特に双方の導体路が１つの動作ステップで形成される場合に達成される。
【００３７】
１０μｍから２５μｍの範囲の断面高さを有する導体路は、簡単かつ低コストに製造可能であり、特に、例えばスクリーン印刷またはインクジェット印刷を用いて１つの動作ステップで支持体に取り付け可能である。５μｍ未満の断面高さしか有さない導体路は小さな機械的安定性しか有さず、また一定の品質で大規模にしか製造できない。２５μｍ超の断面高さを有する導体路は、１つの動作ステップでは大規模にしか支持体上に取り付けられない。
【００３８】
支持体の全体が複合材料から形成されていると有意であると判明している。
【００３９】
単一の材料、ここでは複合材料から成る支持体は、特に簡単かつ低コストに形成可能である。このことはさらに、支持体表面の大きな面部分がヒータコンダクタ導体路によって占有可能となるという利点を有し、これにより、特にコンパクトかつ高効率の赤外線放射器が得られる。
【００４０】
本発明による赤外線放射器の好ましい実施形態の事例では、支持体は、その全体が、電気絶縁体である複合材料から形成される。
【００４１】
支持体は複数の層として実現可能であり、複合材料に加えて、他の材料領域も含んでいてよい。ただし、赤外線放射器の動作のためには、支持体表面が、少なくとも導体路の設けられる領域において電気絶縁材料から形成されることが好ましいと判明している。こうして、赤外線放射器の低干渉動作が保証され、特に隣接する導体路セクション間でのフラッシュオーバおよび短絡が防止される。支持体が完全に複合材料から形成される場合には、導体路は直接に支持体に取り付け可能である。
【００４２】
複数の材料から成る支持体は、例えば、２つ以上の材料層を上下に配置可能な層構造を有することができる。代替手段として、支持体が第１の材料、好ましくは複合材料のコアを有し、このコアが第２の材料のコーティングによって被覆される構成も可能である。コアは第２の材料によって完全にまたは部分的に被覆可能である。当該コアは、好ましくは第２の材料によって部分的に被覆される。
【００４３】
本発明による赤外線放射器の同様に好ましい実施形態の事例では、複合材料は、支持体のうち少なくとも導体路によって占有される領域で、電気絶縁材料の層によって被覆される。
【００４４】
支持体は、導体路によって占有される少なくとも２つの領域、すなわちヒータコンダクタ導体路が割り当てられる第１の領域と、コンタクト導体路が配置される第２の領域と、を有する。支持体はさらに、別の領域、例えば付加的なヒータコンダクタまたはコンタクト導体路を有することができる。
【００４５】
支持体を形成する複合材料は、赤外領域において良好な放射率を示す。本発明による赤外線放射器での使用については、複合材料の別の物理特性、特にその導電率がさらに重要である。複合材料は、動作条件のもとにある電気絶縁体であるか、または主に複合材料の化学組成に依存する所定の導電率を有するかのいずれかである。ただし、導電性の複合材料に直接に導体路を設けることはできない。なぜなら例えば赤外線放射器の動作中、短絡が生じうるからである。にもかかわらず導電性の複合材料から成る支持体を製造できるようにするには、上述した支持体が初期的に電気絶縁材料の層で被覆されることが好ましいと判明している。
【００４６】
複合材料は電気絶縁材料によって完全にまたは部分的に被覆可能である。いずれの場合にも、少なくとも支持体のうち導体路が割り当てられる領域は、電気絶縁材料の層、例えばガラス層、特に溶融シリカ層によって被覆しなければならない。
【００４７】
本発明による赤外線放射器の同様に好ましい別の実施形態の事例では、支持体が、複合材料から成る第１の材料領域と、化学組成の点で第１の材料領域とは異なる第２の材料領域と、を有するように、用意が行われる。ここで、ヒータコンダクタ導体路は第１の材料領域に取り付けられ、コンタクト導体路は第２の材料領域に取り付けられる。
【００４８】
コンタクト導体路の領域での良好な温度低下をともなう、赤外線放射器の電気的接続にとって特に好ましい温度分布は、支持体が化学組成の点で異なる複数の材料領域から成る場合に得られる。ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路は、特に、種々の材料に取り付け可能であり、ここで、各材料は、一方で特に高い放射効率が得られ、他方でコンタクト導体路の領域での良好な温度低下が得られるように選択される。
【００４９】
ここで、第１の材料領域が複合材料から形成され、ヒータコンダクタ導体路によって占有されると有意であると判明している。ヒータコンダクタ導体路は、好ましくは第１の材料領域のみに取り付けられる。複合材料の高い放射率により、複合材料から成る第１の材料領域へのヒータコンダクタ導体路の取り付けが、特に高い放射効率を有する赤外線放射器を提供する。
【００５０】
コンタクト導体路が第２の材料領域に取り付けられることにより、支持体の第２の材料領域を（複合材料に比べて）低い放射率を有する材料から形成可能である。第２の材料領域は、その放射率が低いため、低い熱展開に結びつき、よって、コンタクト導体路の断面積の拡大に加え、支持体のコンタクト領域での特に効果的な温度低下に寄与する。コンタクト導体路は、好ましくは第２の材料領域のみに取り付けられる。
【００５１】
本発明による赤外線放射器のさらに好ましい実施形態の事例では、付加成分の重量割合が１％から５％の範囲、好ましくは１．５％から３．５％の範囲となるように、用意が行われる。
【００５２】
複合材料の熱吸収は、付加成分の割合に依存する。よって、付加成分の重量割合は、好ましくは少なくとも１％であるべきである。他方、付加成分の大きな体積割合は、マトリクスの化学的および機械的特性に影響しうる。これを考慮して、付加成分の重量割合は好ましくは１％から５％までの範囲、好ましくは１．５％から３．５％の範囲とされる。
【００５３】
ヒータコンダクタ導体路および／またはコンタクト導体路がバーンイン厚膜層として実現される場合、または各導体路および支持体が持続的に相互に接続されるよう、これらが成形部材として支持体の表面に取り付けられる場合、好ましいと判明している。
【００５４】
ヒータコンダクタ導体路またはコンタクト導体路の製造は、それぞれ、種々の製造方法により、例えば印刷技術を用いて行うことができるが、打ち抜き加工、レーザービーム切削または鋳込成形によっても行うことができる。ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路は、別個の部品として製造することもできるし、または１つの動作ステップにおいて１つの部品として製造することもできる。
【００５５】
ヒータコンダクタ導体路および／またはコンタクト導体路がバーンイン厚膜層として実現されると特に好ましいことが判明している。こうした厚膜層は、スクリーン印刷を用いて例えばレジスタペーストから形成されるか、またはインクジェット印刷により金属を含有するインクから形成され、続いて高温でバーンインされる。
【００５６】
代替手段として、ヒータコンダクタ導体路およびコンタクト導体路は、熱分離法を用いて、例えばレーザービーム切削もしくは打ち抜き加工により、金属板の成形部材としても製造可能である。熱分離法または打ち抜き法の使用は、導体路の大量製造を可能とし、これにより材料および製造のコストを低く保つことに寄与する。
【００５７】
ヒータコンダクタ導体路が白金、高温耐性を有する鋼、タンタル、フェライトＦｅＣｒＡｌ合金、オーステナイトＣｒＦｅＮｉ合金、炭化ケイ素、ケイ化モリブデンまたはモリブデンベース合金から形成されると好ましいことが判明している。
【００５８】
上述した材料、特に炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ２）、タンタル（Ｔａ）、高耐熱性の鋼材、またはフェライトＦｅＣｒＡｌ合金、例えばKanthal（登録商標）（Kanthalは、サンドビック・インテレクチュアル・プロパティー・アクティエボラーグ（SANDVIK INTELLECTUAL PROPERTY AB）、81181、サンドビケン、スウェーデン国、の登録商標である）は、貴金属、例えば金、白金または銀と比較して低コストであり、赤外線放射器の製造時に中間製品として使用できる導体路成形体に容易に形状変換可能である。これらは特に金属板として入手可能であり、この金属板から簡単かつ低コストに導体路を形成可能である。上述した材料は、さらに、空気中での酸化耐性を有するので、導体路の保護のためにこれを被覆する付加的な層（カバー層）を必ずしも要しないという利点も有する。
【００５９】
複合材料中、付加成分は、好ましくは６００℃の温度での２μｍから８μｍの波長に対する複合材料の少なくとも０．６のスペクトル放射率εに作用する形式および量で存在する。本発明による赤外線放射器の特に好ましい実施形態の事例では、付加成分が、１０００℃の温度での２μｍから８μｍの波長に対する複合材料の少なくとも０．７５のスペクトル放射率εに作用する形式および量で存在する。
【００６０】
したがって、複合材料は、２μｍから８μｍの熱放射、つまり赤外放射の波長範囲に対する高い吸収率および放射率を有する。このことにより、支持体表面での反射が低減されるので、透過率が無視できるほど小さいと仮定すれば、２μｍから８μｍの波長に対する反射率は、１０００℃を超える温度で最大０．２５となり、６００℃の温度では最大０．４となる。反射した熱放射によって生じる再生不可能な熱は回避され、このことは、均一な温度分布もしくは所望の不均一性しか有さない温度分布に寄与する。
【００６１】
付加成分が付加成分の相として存在し、平均で２０μｍ未満、ただし好ましくは３μｍ超の最大寸法の非球面モルフォロジを有する場合、特に高い放射率を得ることができる。
【００６２】
ここで、付加成分の相の非球面モルフォロジは、また、高い機械的安定性と、複合材料の亀裂発生傾向を低くすることと、に寄与する。「最大寸法」の情報は、研削において認識可能な、付加成分の相を含む絶縁領域の最長寸法をいう。研削パターンにおける全ての最長寸法の中央値が、上述した平均値を形成する。
【００６３】
熱放射についてのキルヒホッフの法則により、作用体のスペクトル吸収係数αλとスペクトル放射率ελとは、熱平衡において相互に対応し、
αλ＝ελ      （１）
である。
【００６４】
よって、付加成分により、基板材料が赤外放射を放出する結果が生じる。指向性の半球状のスペクトル反射率Ｒｇｈおよび透過率Ｔｇｈが既知である場合、スペクトル放射率ελは、
ελ＝１−Ｒｇｈ−Ｔｇｈ      （２）
のように計算可能である。
【００６５】
ここで「スペクトル放射率」とは、「スペクトル垂直放射率」であると理解されたい。後者は、J.Manara, M.Keller, D.Kraus, M.Arduini-Schuster, "DETERMINING THE TRANSMITTANCE AND EMITTANCE OF TRANSPARENT AND SEMITRANSPARENT MATERIALS AT ELEVATED TEMPERATURES", 5th European Thermal-Sciences Conference, The Netherlands (2008)に開示されている「黒体境界条件」（Black-Body Boundary Conditions, BBC）の名称で公知の測定方式により求められる。
【００６６】
したがって、複合材料では、付加成分に関連して、非晶質のマトリクス成分が、付加成分を有さない場合よりも高い熱放射吸収率を有する。これにより、導体路から基板への熱伝導が改善され、熱分散が迅速となり、基板での高い放射率が得られる。よって、ユニット面積当たりの高い放射効率を提供することができ、基板の壁厚さが薄い場合かつ／または導体路占有密度が比較的小さい場合、均一な放射および均一な温度のフィールドを形成することができる。小さな壁厚さを有する基板は、小さな熱量を有し、迅速な温度変化を提供する。ここでの冷却は必要ない。
【００６７】
本発明を、例示的な実施形態および図を用いて以下に詳細に説明する。各概略図には次のことが示されている。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】複合材料から成る支持体とこの支持体に取り付けられたコンタクト導体路とを含む、本発明による赤外線放射器の第１の実施形態を示す図である。
【図２】動作条件における、図１による赤外線放射器のサーモグラフィ記録を示す図である。
【図３Ａ】方法ステップＩ〜ＩＩＩを含む、本発明による赤外線放射器の製造方法の第１の部分を示す図である。
【図３Ｂ】方法ステップＩＩＩ〜Ｖを含む、本発明による赤外線放射器の製造方法の第２の部分を示す図である。
【図４】支持体が化学組成の異なる２つの材料領域を有する場合の、本発明による赤外線放射器の第２の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６９】
図１には、全体として参照番号１００が付された、本発明による赤外線放射器の第１の実施形態が示されている。赤外線放射器１００は、１５０ｋＷ／ｍ２のエネルギ密度に達するように構成されており、プレート状の支持体１０１と、この支持体１０１に取り付けられたヒータコンダクタ導体路１０２と、を有する。ヒータコンダクタ導体路１０２は、その一端に、いずれの場合にも、コンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂの形態の電気コンタクトを備えている。
【００７０】
支持体１０１の全体は、溶融シリカの形態の非晶質のマトリクス成分を含み、かつマトリクス内にケイ素の元素の相が非球面領域の形態で均質に分散された複合材料から、形成されている。
【００７１】
支持体は、１００ｍｍの長さｌ、１００ｍｍの幅ｂおよび２ｍｍの厚さを有する。
【００７２】
ヒータコンダクタ導体路１０２およびコンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂは、白金から成っており、白金ペーストの形態で、スクリーン印刷を用いた１つの動作ステップにより支持体１０１に取り付けられ、続いてバーンインされる。ヒータコンダクタ導体路１０２およびコンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂが１つの動作ステップで取り付けられることにより、これらは物質間結合によって相互に接続される。
【００７３】
コンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂは、ヒータコンダクタ導体路１０２の端部に直接に接続されている。ヒータコンダクタ導体路１０２は、２０μｍの断面高さおよび１ｍｍの断面底辺を有する長方形断面を有する。コンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂは同一に実現され、それぞれ、２０μｍの断面高さおよび３ｍｍの断面底辺を有する長方形断面を有する。コンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂの断面積は、いずれの場合にも０．０６ｍｍ２である。ヒータコンダクタ導体路１０２の断面積は０．０２ｍｍ２である。したがって、コンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂの断面積は、ヒータコンダクタ導体路１０２の断面積の３倍である。
【００７４】
図１と同じ参照番号が他の図に示されている実施形態の事例に使用されている場合、これらは、本発明による赤外線放射器の第１の実施形態の説明に即して詳細に上述したものと構造的に同一または等価の要素および部材を表す。
【００７５】
図２には、動作条件のもとでの、図１で説明した赤外線放射器１００のサーモグラフィ記録が示されている。当該記録は、型式INFRATEC VARIOCAM HR HEADのサーモグラフィカメラを用いて行われており、支持体の温度分布を示している。ヒータコンダクタ導体路１０２の加熱領域２０１は約１０００℃の平均温度に達している。これに対して、コンタクト領域２０２の温度は３００℃を下回っている。
【００７６】
図３Ａ，図３Ｂに即して、赤外線放射器１００の製造方法を例示的に説明する。
【００７７】
方法ステップＩ‐グリーンボディ（中間製品１）を製造する
製造は、国際公開第２０１５／０６７６８８号（ＷＯ２０１５／０６７６８８Ａ１）に記載されているように、スリップキャスト法を用いて行われる。まず、非晶質の溶融シリカ粗粒がホットクロリネーション法で精製され、ここで、クリストバライト含有量が１重量％を下回ることが保証される。２５０μｍから６５０μｍの範囲の粒径を有する溶融シリカ粗粒は、脱イオン水によって湿式粉砕され、これにより、７８％の固体含有量を有する均質なベーススリップが形成される。
【００７８】
続いて、ボールミルがベーススリップから除去され、８３重量％の固体含有量が達成されるまでの量で、ケイ素粉末の形態の添加物が添加される。ケイ素粉末は、主に、狭い粒径分布と、約１０μｍのＤ９７値と、２μｍ未満の粒径が予め除去された精細部分と、を有する非球面粉末粒子を含む。
【００７９】
ケイ素粉末が充填されたスリップは、さらに１２時間均質化される。固体含有量全体のうちケイ素粉末の重量割合は５％である。完全に均質化されたスリップ中のＳｉＯ２粒子は、約８μｍのＤ５０値と約４０μｍのＤ９０値とによって特徴づけられる粒径分布を示す。
【００８０】
当該スリップは市販の鋳込成形機の型へ投入され、多孔性のプラスチック膜を介して水が除去されて、多孔性グリーンボディ１１０が形成される。グリーンボディ１１０は、長方形プレートの形状を有する。結合水を除去するために、グリーンボディは５日間にわたって約９０℃の換気炉内で乾燥される。
【００８１】
方法ステップＩＩ‐グリーンボディを寸法に適合するようにカットする
冷却後、得られた多孔性グリーンボディ１１０は、プレート厚さ４ｍｍを有する、製造すべき溶融シリカ支持体プレートの最終寸法に仮想的に適合するように、機械的に処理される。上述した支持体プレートは、以下ではブランクとも称される。当該ブランクを焼結するために、支持体プレートは、焼結炉において、通風状態で、１時間以内に１３９０℃の加熱温度まで加熱され、この温度で５時間にわたって保持される。
【００８２】
当該方式で得られる溶融シリカ製の支持体プレートが、支持体１０１を形成する。支持体プレートは、２．１５９８ｇ／ｃｍ３の密度を有するガス密の複合材料から成り、この場合、相互に分離され、使用されるＳｉ粉末の寸法およびモルフォロジに大部分一致する寸法およびモルフォロジを有するＳｉの元素の相の非球面領域が、不透明の溶融シリカのマトリクス内に均質に分散されている。平均（中央値）では、最大寸法は約１μｍから１０μｍの範囲にある。マトリクスは、視覚的には半透明から透明である。顕微鏡検査によっても、開放孔は全く見えず、せいぜい平均１０μｍ未満の最大寸法を有する閉じた孔のみであり、密度に基づいて計算される気孔率は、０．３７％である。空気中の複合材料は、約１１５０℃の温度まで安定である。
【００８３】
方法ステップＩＩＩ‐スクリーン印刷を用いて、ヒータコンダクタ導体路１０２およびコンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂを取り付ける
ヒータコンダクタ導体路１０２およびコンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂは、スクリーン印刷を用いて、白金レジスタペーストの形態で、支持体１０１の表面に取り付けられる。このために、白金レジスタペーストが印刷されない位置で不透過となるように形成されたメッシュ開口を有する細密メッシュ状の織物１１１が支持体１０１上に配置される。当該位置は、図３Ａ‐ＩＩＩの黒色の表面として示されている。
【００８４】
方法ステップＩＶ‐織物１１１を除去する
印刷プロセスが行われ、織物１１１が支持体１０１から除去された後、白金レジスタペーストで被覆された支持体３００が得られ、その上に、後のヒータコンダクタ導体路１０２のブランク形状３０２および後のコンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂのブランク形状３０３ａ，３０３ｂが取り付けられている。
【００８５】
方法ステップＶ‐導体路をバーンインする
ヒータコンダクタ導体路１０２およびコンタクト導体路１０３ａ，１０３ｂが、１２００℃のバーンイン温度でのバーンインにより得られる。
【００８６】
反射層を取り付ける（任意）
以下に説明する方法ステップは任意のものであるので、図３Ａ，図３Ｂには示されていない。スリップ層は、支持体１０１の上面とその上の導体路１０２，１０３ａ，１０３ｂとに取り付けられる。当該スリップは、ＳｉＯ２ベーススリップの修正によって、上述したように（ケイ素粉末の添加なしに）、約５μｍの粒径を有する球面粒子の形態の非晶質のＳｉＯ２粗粒が、８４重量％の固体含有量に達するまで均質かつ安定なベーススリップに添加されることにより、得られる。当該混合は、１２時間にわたって、ドラムミルにおいて２５Ｕ／ｍｉｎの速度で均質化される。このようにして得られるスリップは、８４％の固体含有量を有し、約２．０ｇ／ｃｍ３の密度を有する。溶融シリカ粗粒の研削後に得られたスリップ中のＳｉＯ２粒子は、約８μｍのＤ５０値と、約４０μｍのＤ９０値と、によって表される粒径分布を示す。
【００８７】
スリップは、数秒間にわたり、最初にアルコールで浄化された基板１０１の上面に散布される。よって、約２ｍｍの厚さを有する均等なスリップ層が基板１０１上に形成される。乾燥されたスリップ層は、亀裂なく、２ｍｍを僅かに下回る平均厚さを有する。
【００８８】
乾燥されたスリップ層は、続いて、通風状態の焼結炉内で焼結される。
【００８９】
図４には、斜視図で本発明による赤外線放射器の第２の実施形態が示されており、赤外線放射器に全体として参照番号４００が付されている。赤外線放射器４００は、プレート状の支持体４０１を有しており、ヒータコンダクタ導体路４０２、２つのコンタクト導体路４０３ａ，４０３ｂ、および２つの移行部導体路４０４ａ，４０４ｂを含む。赤外線放射器４００は、任意に、図３Ａ，図３Ｂに即して説明したように、（図示されていない）カバー層を有してよい。
【００９０】
プレート状の支持体４０１は、２．５ｍｍのプレート厚さを有する長方形形状を有する。ヒータコンダクタ導体路４０２，移行部導体路４０４ａ，４０４ｂおよびコンタクト導体路４０３ａ，４０３ｂは、支持体４０１の表面に取り付けられている。ヒータコンダクタ導体路４０２は、０．０２ｍｍの断面高さおよび２ｍｍの断面底辺による０．０４ｍｍ２の断面積を有する長方形断面を有する。ヒータコンダクタ導体路４０２の両端では、コンタクト導体路４０３ａ，４０３ｂへの移行部の前方に、初期的に、移行部導体路４０４ａ，４０４ｂが接続されている。移行部導体路４０４ａ，４０４ｂは、同一に実現されており、それぞれ０．０２ｍｍの断面高さと、ヒータコンダクタ側の２ｍｍから出発してコンタクト導体路側の６ｍｍまで増大する、連続して増大する断面底辺と、を有する。コンタクト導体路４０３ａ，４０３ｂは同一に実現され、０．０２ｍｍの断面高さおよび１０ｍｍの断面底辺による０．２ｍｍ２の断面積を有する長方形断面を有する。
【００９１】
支持体４０１は、破線４０７，４０８に沿って相互に溶接もしくは接着された２つの材料Ａ，Ｂから形成されている。材料領域Ａは、非ドープの合成溶融シリカから成る。これにより、コンタクト導体路４０３ａ，４０３ｂの領域において、良好な温度低下が提供される。材料領域Ｂは、溶融シリカの形態のマトリクス成分を含む複合材料から成る。非球面領域の形態の、重量割合２．５％のケイ素の元素の相が、マトリクスに均質に分散されている。平均（中央値）で、ケイ素の相の領域の最大寸法は、約１μｍから１０μｍの範囲にある。複合材料はガス密であり、密度２．１９ｇ／ｃｍ３を有し、約１１５０℃の温度まで空気中で安定である。高温では、複合材料は熱放射の高い吸収率および高い放射率を示す。高い放射率は温度に依存する。６００℃では、２μｍから４μｍの波長範囲の垂直放射率は０．６超である。１０００℃では、同じ波長範囲の垂直放射率は０．７５超である。
【図１】
2019533287.tif 000003
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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2019533287.tif 000009
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