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EP3516680A1 - Infrared radiating element - Google Patents

Infrared radiating element

Info

Publication number
EP3516680A1
EP3516680A1 EP17758460.4A EP17758460A EP3516680A1 EP 3516680 A1 EP3516680 A1 EP 3516680A1 EP 17758460 A EP17758460 A EP 17758460A EP 3516680 A1 EP3516680 A1 EP 3516680A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
infrared
infrared radiator
radiator according
cladding tube
carrier plate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17758460.4A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Holger Zissing
Michael Honig
Lotta Gaab
Jürgen Weber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Heraeus Noblelight GmbH
Original Assignee
Heraeus Noblelight GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heraeus Noblelight GmbH filed Critical Heraeus Noblelight GmbH
Publication of EP3516680A1 publication Critical patent/EP3516680A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/02—Incandescent bodies
    • H01K1/04—Incandescent bodies characterised by the material thereof
    • H01K1/10—Bodies of metal or carbon combined with other substance
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/02—Incandescent bodies
    • H01K1/14—Incandescent bodies characterised by the shape
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/18—Mountings or supports for the incandescent body
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K1/00—Details
    • H01K1/18—Mountings or supports for the incandescent body
    • H01K1/20—Mountings or supports for the incandescent body characterised by the material thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01K—ELECTRIC INCANDESCENT LAMPS
    • H01K3/00—Apparatus or processes adapted to the manufacture, installing, removal, or maintenance of incandescent lamps or parts thereof
    • H01K3/02—Manufacture of incandescent bodies
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00—Ohmic-resistance heating
    • H05B3/0033—Heating devices using lamps
    • H05B3/0038—Heating devices using lamps for industrial applications

Definitions

  • the invention relates to an infrared radiator having a cladding tube made of quartz glass, which surrounds a Bankfilament as infrared radiation emitting element which is connected via current feedthroughs with an electrical connection outside the cladding tube.
  • Infrared emitters in the sense of the invention show a two- or three-dimensional emission characteristic; They are used for example for polymerizing plastics or for curing paints or for drying paints on a heating material, but also for the thermal treatment of semiconductor wafers in the semiconductor or photovoltaic industry.
  • Known infrared emitters have within the cladding tube made of glass a helical resistance wire or a resistance band as a heating conductor or heating filament.
  • the wire or ribbon has no or no substantial contact with the cladding tube.
  • the heat transfer from the resistance wire to the cladding tube is essentially by thermal radiation.
  • the heating conductor also called Bankfilament, is used as a current flowing through filament, filament or incandescent filament in incandescent lamps, in infrared radiators or in ovens and is usually in elongated form as a smooth or twisted around its longitudinal axis or coiled band.
  • Carbon filament-based heating filaments show good mechanical stability combined with relatively high electrical resistance and allow comparatively rapid temperature changes.
  • an electrical resistance element of a resistance material forms the actual infrared radiation emitting element of the emitter.
  • the cladding tube of quartz glass is substantially transparent to infrared radiation, so that the radiation emitted by the resistance element radiation is transmitted to the material to be heated without large radiation losses.
  • the electrical resistance of the heating filament particular attention is paid to the electrical resistance of the heating filament. On the one hand, this should be constant over time, even under load, and on the other hand, it should be as high as possible in order to be able to operate short filament lengths with standard voltages (for example 230 V).
  • the nominal electrical resistance is basically adjustable by the cross section and in particular by the thickness of the band.
  • the reduction of the strip thickness are limited because of the mechanical strength and a predetermined minimum life. This limitation is particularly noticeable when the heating filament is subjected to high mechanical load during use, such as with long irradiation lengths of 1 m or more.
  • An infrared radiator with a band-shaped carbon Walkerfilament is known for example from DE 100 29 437 A1.
  • the coiled carbon ribbon is spaced from the wall of the cladding tube of quartz glass and disposed along the central axis thereof.
  • At the ends of the carbon tape contacts are provided with terminal lugs, which are passed through a pinch region of the cladding tube to external electrical connections.
  • the interior of the cladding tube is evacuated during assembly to avoid changes in resistance of the heating element by oxidation.
  • the power density of the carbon emitter is relatively high due to the large surface area of the coiled carbon tape as compared to infrared emitters having metallic heating elements. In this respect, they are in principle also suitable for applications in which the radiator lengths are limited to less than one meter.
  • the coiled band the radiation characteristic is not quite homogeneous, but has areas with higher power density (so-called hot spots) and with lower power density (cold spots). This must be taken into account in their use, in particular for surface radiators, as a higher homogeneity of the radiation is achieved by greater distance from the irradiation.
  • the measure comes at the expense of the efficiency of the
  • An infrared heater with a Kanthal helix is known, for example, from US Pat. No. 3,699,309.
  • the Kanthal helix is located in a cladding made of glass and is based on a cylindrical rod with a semicircular cross section made of a ceramic fiber material (AI2O3-S1O2).
  • This support is intended to avoid "hot spots" of the Kanthal helix, with the disadvantage that the radiation area of the infrared radiator is no longer radially 360 ° corresponding to the circumference of the cladding tube, but reduced by the area of the support rod that is in contact with the Kanthal-Wendel is.
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide an infrared emitter, which has a high radiation power per unit area, and in particular has such a high surface resistivity, that even with short irradiation lengths of 1 m and less with a standard industrial electrical voltage of 230 V, and which is characterized by a long service life.
  • Heating filament comprises a support plate having a surface made of an electrically insulating material, wherein the surface is covered with a conductor track from a heat flow generating material at the material.
  • the present invention is based on the idea of specifying an infrared radiator in a cladding tube made of quartz glass, in which a carrier plate having a surface made of an electrically insulating material represents the heating filament.
  • the carrier plate is either itself by an electrically insulating Material formed so that their entire surface is electrically insulating.
  • This carrier plate is excited by means of a at least one side applied to the surface of the carrier plate trace, which generates heat during current flow, excited radiation in the infrared spectral range to emit.
  • thermal properties of the support plate give an absorption in the infrared spectral range, which is the wavelength range between 780 nm and 1 mm.
  • the heated part of the carrier plate of the conductor plate forms the actual, infrared radiation emitting element.
  • only subregions of the surface may be formed electrically insulating, for example, by an electrically insulating material which is applied in the form of a surface layer on the support plate.
  • the conductor track occupies only the electrically insulated area of the surface or of the surface layer.
  • the radiation characteristic of the carrier plate can be locally optimized as an infrared radiation emitting element. Due to the fact that the printed conductor in combination with the carrier plate is in direct contact with its surface, a particularly compact infrared emitter is obtained. Due to the compact design of the infrared radiation
  • the resistance element here in the form of the conductor, for heating another component, the here is referred to as a "substrate” or “carrier plate".
  • substrate or carrier plate
  • Heat transfer but it can also be based on convection and or heat radiation.
  • the embodiment facilitates with a Cladding tube, the installation and, if necessary, the maintenance of the spotlight.
  • a preferred embodiment of the infrared radiator according to the invention is that the material of the conductor track, which occupies the carrier plate, is a non-noble metal.
  • the material of the conductor track of a non-precious metal is characterized by a high specific electrical resistance in a small area, which leads to high temperature even at relatively low current flow.
  • the conductor material made of non-precious metal is considerably less expensive, without sacrificing its electrical properties.
  • the carrier plate with the heat conductor applied thereon is incorporated in a cladding tube made of quartz glass, whereby the life of the conductor is extended by a corrosive attack, be it on a chemical and / or mechanical basis, the conductor is avoided by local environmental conditions.
  • Conductors made of non-precious metals or non-precious metal alloys are particularly sensitive to this corrosive attack.
  • the material of the conductor track contains one or more elements from the group consisting of tungsten (W), molybdenum (Mo), silicon carbide (SiC), molyd ribbon silicide (M0S12), chromium silicide (CrsSi), polysilicon (Si), aluminum (AI), tantalum ( Ta), copper (Cu) and high temperature resistant steel.
  • Conductor materials of this type have a square resistance (also called the sheet resistivity) in the range of 50 to about 100 ohms / D. Due to their respective electrical and thermal properties, materials of this group fulfill their function for thermal excitation of the carrier plate of the invention
  • Infrared radiator and are also inexpensive to produce.
  • the carrier plate is formed from at least two layers of material.
  • the support plate may be formed by a base material layer and a surface material layer, wherein the two material layers may differ from each other in their electrical resistance, or with the same electrical resistance have different radiation emissivity. This allows the optical and thermal properties of the carrier plate as infrared radiation
  • this advantageous embodiment is not limited to a two-layer system in a stack one above the other.
  • the material layers can also be arranged adjacent or next to one another.
  • the material of the carrier plate it has proven useful if this comprises a composite material which is formed by a matrix component and by an additional component in the form of a semiconductor material.
  • the material of the carrier plate is thermally excitable and comprises a composite material, which is formed by a matrix component and a semiconductor material as an additional component.
  • the optical and thermal properties of the carrier plate result in absorption in the infrared spectral range.
  • Suitable matrix components are oxidic or nitridic materials in which a semiconductor material is incorporated as an additional component.
  • the matrix component is quartz glass and preferably has a chemical purity of at least 99.99% S1O2 and a cristobalite content of at most 1%. Quartz glass has the advantages already mentioned above of a good
  • a low cristobalite content of the matrix of 1% or less ensures a low devitrification tendency and thus a low risk of cracking during use. This also high demands on particle freedom, purity and inertness is sufficient, as they often exist in semiconductor manufacturing processes.
  • the heat absorption of the carrier plate material depends on the proportion of
  • the weight fraction of the additional component should therefore preferably at least 0.1%.
  • a high weight fraction of the additional component should therefore preferably at least 0.1%.
  • the weight fraction of the weight fraction of the additional component is preferably in the range between 0.1% and 5%.
  • Additional component a semiconductor material in elemental form, preferably elemental silicon.
  • a semiconductor has a valence band and a conduction band which may be separated by a forbidden zone of width up to ⁇ ⁇ 3 eV.
  • the conductivity of a semiconductor depends on how many electrons can pass the forbidden zone and enter the conduction band from the valence band. Basically, only a few can be at room temperature
  • Electrons skip the forbidden zone and enter the conduction band, so that a semiconductor usually has only a low conductivity at room temperature.
  • the degree of conductivity of a semiconductor depends substantially on its temperature. As the temperature of the semiconductor material increases, so does the likelihood that sufficient energy will be available to lift an electron from the valence band into the conduction band. Therefore, in semiconductors, the conductivity increases with increasing temperature. Semiconductor materials therefore exhibit good electrical conductivity at sufficiently high temperatures.
  • the finely divided areas of the semiconductor phase act on the one hand in the matrix as optical defects and cause the material of the support plate - depending on the thickness - at room temperature visually black or gray-blackish.
  • the impurities also affect the overall heat absorption of the material of the carrier plate. This is essentially due to the
  • the spectral emissivity ⁇ of the material of the carrier plate is at least 0.6 at a temperature of 600 ° C for wavelengths between 2 ⁇ and 8 ⁇ .
  • the spectral absorption coefficient ⁇ and the spectral emissivity ⁇ of a real body correspond to the thermal one
  • the semiconductor component thus results in that the substrate material
  • the semiconductor material and in particular the preferably used, elemental silicon therefore cause a blackening of the glassy matrix material, namely at room temperature, but also at elevated temperature above, for example, 600 ° C. This results in a good emission characteristic in the sense of a broadband, high emission at high
  • the semiconductor material preferably the elemental silicon, forms a self-dispersed Si phase dispersed in the matrix.
  • This may contain a plurality of semimetals or metals (metals, however, up to a maximum of 50% by weight, better still not more than 20% by weight, based on the proportion by weight of
  • the carrier plate material shows no open
  • Carrier plate arrives.
  • the carrier plate material is coated with a conductor, which is preferably designed as a baked thick-film layer.
  • Such thick film layers are produced from resistance pastes by means of screen printing or metal-containing ink by means of inkjet printing and then baked at high temperature.
  • the high absorption capacity of the carrier plate material allows a homogenous radiation even with comparatively low conductor track occupancy density of the heating surface. A low occupancy is thereby
  • Track sections 1 mm or more, preferably 2 mm or more. A large distance between the conductor sections avoids flashovers, which can occur especially when operating at high voltages under vacuum.
  • the conductor runs, for example, in a spiral or
  • the carrier plate with the conductor track deposited thereon in the cladding tube under vacuum or under a protective gas atmosphere containing one or more gases from the series nitrogen, argon, xenon, krypton or deuterium.
  • the infrared radiator according to the invention is particularly suitable for vacuum operation, but a protective gas atmosphere surrounding the carrier plate in the quartz glass cladding tube is sufficient in individual cases to avoid oxidative changes of the conductor track material.
  • a plurality of conductor tracks are applied to a carrier plate, which are each individually electrically controlled.
  • the radiation power of the carrier plate can be adjusted by a suitable choice of the distances between adjacent conductor track sections. In this case, portions of the support plate are heated to different degrees, so that these infrared radiation with different
  • Emit irradiances Emit irradiances.
  • a variation of the voltage applied to the respective tracks or operating voltages also allows a simple and quick adjustment of the temperature distribution in the carrier plate.
  • an advantageous embodiment of the invention is that a plurality of carrier plates are arranged with conductor tracks in a cladding tube, wherein the carrier plates are each electrically controlled individually.
  • Embodiment of the invention allows adapted to the geometry of the heater radiator variants. So can in a single cladding tube through
  • Coating of opaque, highly reflective quartz glass has.
  • Such a coating reflects the infrared radiation of Schufilaments and thus improves the efficiency of the infrared radiation with respect to the Schugut.
  • the coating also called reflector layer, consists of opaque quartz glass and has a mean layer thickness of 1, 1 mm. It is characterized by crack-free and high density of about 2.15 g / cm 3 and it is thermally stable to temperatures above 1 100 ° C.
  • the coating preferably covers an angle section of 330 ° of the circumference of the cladding tube and thus leaves an elongated portion in strip form of the cladding tube free and transparent to the infrared radiation.
  • Figure 1 shows a schematic representation of the infrared emitter installed in
  • Figure 2 shows a cross section through a cladding tube with an inventive
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an infrared emitter according to the invention, to which the reference numeral 100 is assigned in total, installed in a cladding tube 101 made of quartz glass.
  • the cladding tube 101 has a longitudinal axis L.
  • FIG. 1 shows the infrared radiator 100 in a partial view with a carrier plate 102, a conductor track 103 and two contacting regions 104a, 104b for electrical contacting of the conductor track 103.
  • the thin wires 105a, 105b have on a length of 5 mm length of spring wire windings 15a, 15b, to compensate for a thermal expansion of the wires at high operating temperatures.
  • connection socket 108 contact wires 109a, 109b are led outwards, which are likewise welded together with the contact surfaces 106a, 106b in the
  • Pinching 107 are connected.
  • a negative pressure vacuum
  • inert gas a non-oxidizing atmosphere in the interior of the cladding tube, so that the tracks 103 are protected from oxidation of non-noble metal.
  • the carrier plate 102 comprises a composite material with a matrix component in the form of quartz glass.
  • a phase of elemental silicon in the form of non-spherical regions is homogeneously distributed.
  • the matrix is visually translucent to transparent. It shows under microscopic observation no open pores and possibly closed pores with maximum dimensions of on average less than 10 ⁇ .
  • a phase of elemental silicon in the form of non-spherical regions is homogeneously distributed. Their weight content is 5%.
  • the maximum dimensions of the silicon phase regions are on average (median value) in the range of about 1 ⁇ to 10 ⁇ .
  • the composite material is gas-tight, has a density of 2.19 g / cm 3 and is stable in air up to a temperature of about 1150 ° C.
  • embedded silicon phase contributes to the overall opacity of the composite material and has an impact on the optical and thermal properties of the composite material. This shows at high temperatures a high absorption of heat radiation and a high emissivity.
  • Carrier plate 102 appears black and has a length l of 100 mm, a width b of 15 mm and a thickness of 2 mm.
  • the measured on the composite material of the support plate 102 emissivity in the wavelength range of 2 ⁇ to about 4 ⁇ depends on the temperature. The higher the temperature, the higher the emission. At 600 ° C, the normal emissivity in the wavelength range from 2 ⁇ to 4 ⁇ above 0.6. At 1 .000 ° C, the normal emissivity in the entire wavelength range between 2 ⁇ and 8 ⁇ is above 0.75.
  • the conductor 103 is meander-shaped.
  • Conductor 103 comprises substantially non-noble metals such as tungsten and molybdenum or polysilicon, wherein the conductor has been applied with a corresponding layout by means of a screen-printable paste on the support plate 102 and baked.
  • the support plate 102 comprises a material of a dark gray to black appearing ceramic of silicon nitride (Si3N 4 ) or silicon carbide (SiC).
  • Si3N 4 silicon nitride
  • SiC silicon carbide
  • dark brown or dark gray appearing glass ceramic (for example, NEXTREMA ® ) is suitable as a carrier plate material; also carrier plates made of glassy carbon, such as plates made of the material SIGRADUR ® .
  • Another alternative material for the backing plate 102 is a polyimide plastic that can be heated to a temperature up to 400 ° C. Especially for
  • a carrier plate of a polyimide film having a low thermal mass is favorable. Also in this polyimide film as a support plate 102 conductor tracks 103 are applied from non-noble metal. The installation in a cladding made of quartz glass, a operation under non-oxidizing atmosphere is possible.
  • FIG. 2 shows a cross section perpendicular to the longitudinal axis L of the cladding tube 101 with the infrared radiator arranged therein.
  • a reflector layer 200 of quartz glass applied covering 330 ° of the circumference. The result is a so-called slot radiator with a narrow, elongated open space on the cladding tube, which transmits the infrared radiation emitted by the carrier plate.
  • FIG. 3 shows the power spectrum of an infrared emitter according to the invention (curve A) in comparison to an infrared emitter with a Kanthal helix (curve B).
  • the support plate of the infrared radiator according to the invention is in this case of a composite material with a matrix component in the form of quartz glass and a homogeneously distributed phase of elemental
  • the conductor material in this case is tungsten.
  • the temperature of the trace on the carrier plate of this IR radiator is set to 1000 ° C.
  • the comparison radiator with a Kanthal coil is also operated at a temperature of about 1000 ° C. It turns out that the infrared emitter according to the invention in the wavelength range from 1 .500 nm to about 5,000 nm at the maximum of the curve A has an approximately 25% greater power than the comparative emitter, shown with curve B.

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Abstract

The invention relates to an infrared radiating element which has a casing tube consisting of silica glass, said tube encompassing a heating element that acts as an infrared-radiation emitting element, the heating element being connected to an electrical connection outside the casing tube via current feed-throughs. To improve the infrared radiating element in terms of service life and power density, according to the invention the heating element comprises a support plate having a surface consisting of an electrically insulating material, the surface being provided with a conductor path consisting of a material that generates heat during the passage of current.

Description

Infrarot-Strahler Beschreibung  Infrared emitter Description
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. The invention relates to an infrared radiator having a cladding tube made of quartz glass, which surrounds a Heizfilament as infrared radiation emitting element which is connected via current feedthroughs with an electrical connection outside the cladding tube.
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. Infrared emitters in the sense of the invention show a two- or three-dimensional emission characteristic; They are used for example for polymerizing plastics or for curing paints or for drying paints on a heating material, but also for the thermal treatment of semiconductor wafers in the semiconductor or photovoltaic industry.
Stand der Technik State of the art
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. Known infrared emitters have within the cladding tube made of glass a helical resistance wire or a resistance band as a heating conductor or heating filament. The wire or ribbon has no or no substantial contact with the cladding tube. The heat transfer from the resistance wire to the cladding tube is essentially by thermal radiation. The heating conductor, also called Heizfilament, is used as a current flowing through filament, filament or incandescent filament in incandescent lamps, in infrared radiators or in ovens and is usually in elongated form as a smooth or twisted around its longitudinal axis or coiled band. Carbon filament-based heating filaments show good mechanical stability combined with relatively high electrical resistance and allow comparatively rapid temperature changes.
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. In infrared emitters of this type, an electrical resistance element of a resistance material forms the actual infrared radiation emitting element of the emitter. The cladding tube of quartz glass is substantially transparent to infrared radiation, so that the radiation emitted by the resistance element radiation is transmitted to the material to be heated without large radiation losses. With regard to the electrical properties, particular attention is paid to the electrical resistance of the heating filament. On the one hand, this should be constant over time, even under load, and on the other hand, it should be as high as possible in order to be able to operate short filament lengths with standard voltages (for example 230 V).
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. In the case of a band-shaped heating filament, the nominal electrical resistance is basically adjustable by the cross section and in particular by the thickness of the band. The reduction of the strip thickness, however, are limited because of the mechanical strength and a predetermined minimum life. This limitation is particularly noticeable when the heating filament is subjected to high mechanical load during use, such as with long irradiation lengths of 1 m or more.
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 desAn infrared radiator with a band-shaped carbon Heizfilament is known for example from DE 100 29 437 A1. The coiled carbon ribbon is spaced from the wall of the cladding tube of quartz glass and disposed along the central axis thereof. At the ends of the carbon tape contacts are provided with terminal lugs, which are passed through a pinch region of the cladding tube to external electrical connections. The interior of the cladding tube is evacuated during assembly to avoid changes in resistance of the heating element by oxidation. The power density of the carbon emitter is relatively high due to the large surface area of the coiled carbon tape as compared to infrared emitters having metallic heating elements. In this respect, they are in principle also suitable for applications in which the radiator lengths are limited to less than one meter. The problem, however, is that the coiled band, the radiation characteristic is not quite homogeneous, but has areas with higher power density (so-called hot spots) and with lower power density (cold spots). This must be taken into account in their use, in particular for surface radiators, as a higher homogeneity of the radiation is achieved by greater distance from the irradiation. The measure, however, comes at the expense of the efficiency of the
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. Radiator. In addition to the infrared radiators with a carbon heating filament also spotlights with so-called Kanthal ® heating elements are known. They show a broadband infrared spectrum and are typically operated at temperatures of up to 1000 ° C. The disadvantages with regard to lack of homogeneity in the emission characteristic are similar to those for radiators with carbon heating filament.
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. An infrared heater with a Kanthal helix is known, for example, from US Pat. No. 3,699,309. The Kanthal helix is located in a cladding made of glass and is based on a cylindrical rod with a semicircular cross section made of a ceramic fiber material (AI2O3-S1O2). This support is intended to avoid "hot spots" of the Kanthal helix, with the disadvantage that the radiation area of the infrared radiator is no longer radially 360 ° corresponding to the circumference of the cladding tube, but reduced by the area of the support rod that is in contact with the Kanthal-Wendel is.
Technische Aufgabe Technical task
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. The present invention is therefore an object of the invention to provide an infrared emitter, which has a high radiation power per unit area, and in particular has such a high surface resistivity, that even with short irradiation lengths of 1 m and less with a standard industrial electrical voltage of 230 V, and which is characterized by a long service life.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung General description of the invention
Die oben genannte Aufgabe wird ausgehend von einem Infrarot-Strahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das  The above object is achieved on the basis of an infrared emitter of the type mentioned in the present invention that the
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. Heating filament comprises a support plate having a surface made of an electrically insulating material, wherein the surface is covered with a conductor track from a heat flow generating material at the material.
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 The present invention is based on the idea of specifying an infrared radiator in a cladding tube made of quartz glass, in which a carrier plate having a surface made of an electrically insulating material represents the heating filament. The carrier plate is either itself by an electrically insulating Material formed so that their entire surface is electrically insulating. This carrier plate is excited by means of a at least one side applied to the surface of the carrier plate trace, which generates heat during current flow, excited radiation in the infrared spectral range to emit. The optical and
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. thermal properties of the support plate give an absorption in the infrared spectral range, which is the wavelength range between 780 nm and 1 mm. Thus, the heated part of the carrier plate of the conductor plate forms the actual, infrared radiation emitting 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 Alternatively, only subregions of the surface may be formed electrically insulating, for example, by an electrically insulating material which is applied in the form of a surface layer on the support plate. In this case, the conductor track occupies only the electrically insulated area of the surface or of the surface layer. In this way, the radiation characteristic of the carrier plate can be locally optimized as an infrared radiation emitting element. Due to the fact that the printed conductor in combination with the carrier plate is in direct contact with its surface, a particularly compact infrared emitter is obtained. Due to the compact design of the infrared radiation
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 durchemitting element, it is possible to make a locally targeted irradiation of small areas with high radiation density. In contrast to infrared emitters according to the prior art, in which an electrical resistance element of a resistance material forms the actual heating filament of the radiator, in infrared emitters according to the invention, the resistance element, here in the form of the conductor, for heating another component, the here is referred to as a "substrate" or "carrier plate". The heat transfer from the conductor to the carrier plate takes place primarily by
Wärmeleitung; er kann aber auch auf Konvektion und oder Wärmestrahlung beruhen. Heat transfer; but it can also be based on convection and or heat radiation.
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 By installing in a cladding tube of the infrared emitter according to the invention is protected in its use of influences from its environment, such as an oxidizing atmosphere. This results in a high radiation power with a relatively uniform emission characteristic, which is essentially independent of
Umwelteinflüssen ist. Darüber hinaus erleichtert die Ausführungsform mit einem Hüllrohr die Montage und gegebenenfalls auch die Wartung des Strahlers. Environmental influences is. In addition, the embodiment facilitates with a Cladding tube, the installation and, if necessary, the maintenance of the spotlight.
Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarot-Strahlers besteht darin, dass der Werkstoff der Leiterbahn, die die Trägerplatte belegt, ein Nicht-Edelmetall ist. A preferred embodiment of the infrared radiator according to the invention is that the material of the conductor track, which occupies the carrier plate, is a non-noble metal.
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. The material of the conductor track of a non-precious metal is characterized by a high specific electrical resistance in a small area, which leads to high temperature even at relatively low current flow. In contrast to printed conductors with high proportions of precious metals, for example on platinum, gold or silver, the conductor material made of non-precious metal is considerably less expensive, without sacrificing its electrical properties.
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. The carrier plate with the heat conductor applied thereon is incorporated in a cladding tube made of quartz glass, whereby the life of the conductor is extended by a corrosive attack, be it on a chemical and / or mechanical basis, the conductor is avoided by local environmental conditions. Conductors made of non-precious metals or non-precious metal alloys are particularly sensitive to this corrosive attack.
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 erfindungsgemäßenAdvantageously, the material of the conductor track contains one or more elements from the group consisting of tungsten (W), molybdenum (Mo), silicon carbide (SiC), molyd ribbon silicide (M0S12), chromium silicide (CrsSi), polysilicon (Si), aluminum (AI), tantalum ( Ta), copper (Cu) and high temperature resistant steel. Conductor materials of this type have a square resistance (also called the sheet resistivity) in the range of 50 to about 100 ohms / D. Due to their respective electrical and thermal properties, materials of this group fulfill their function for thermal excitation of the carrier plate of the invention
Infrarotstrahlers und sind darüber hinaus kostengünstig herstellbar. Infrared radiator and are also inexpensive to produce.
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 It has also proven useful if the carrier plate is formed from at least two layers of material. In this case, the support plate may be formed by a base material layer and a surface material layer, wherein the two material layers may differ from each other in their electrical resistance, or with the same electrical resistance have different radiation emissivity. This allows the optical and thermal properties of the carrier plate as infrared radiation
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. emissive element - and thus their emission characteristics are optimized for their use. Of course, this advantageous embodiment is not limited to a two-layer system in a stack one above the other. Likewise, the material layers can also be arranged adjacent or next to one another.
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. With regard to the material of the carrier plate, it has proven useful if this comprises a composite material which is formed by a matrix component and by an additional component in the form of a semiconductor material.
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. The material of the carrier plate is thermally excitable and comprises a composite material, which is formed by a matrix component and a semiconductor material as an additional component. The optical and thermal properties of the carrier plate result in absorption in the infrared spectral range. Suitable matrix components are oxidic or nitridic materials in which a semiconductor material is incorporated as an additional component.
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 In this context, it is advantageous if the matrix component is quartz glass and preferably has a chemical purity of at least 99.99% S1O2 and a cristobalite content of at most 1%. Quartz glass has the advantages already mentioned above of a good
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  Corrosion, temperature and thermal shock resistance and it is available in high purity. Therefore, it is also suitable for high-temperature heating processes with temperatures up to 1 100 ° C as a substrate or carrier plate material. Cooling is not required. A low cristobalite content of the matrix of 1% or less ensures a low devitrification tendency and thus a low risk of cracking during use. This also high demands on particle freedom, purity and inertness is sufficient, as they often exist in semiconductor manufacturing processes. The heat absorption of the carrier plate material depends on the proportion of
Zusatzkomponente ab. Der Gewichtsanteil der Zusatzkomponente sollte daher vorzugsweise mindestens 0,1 % betragen. Andererseits kann ein hoher Additional component. The weight fraction of the additional component should therefore preferably at least 0.1%. On the other hand, a high
Volumenanteil der Zusatzkomponente die chemischen und mechanischen Volume fraction of the additional component the chemical and mechanical
Eigenschaften der Matrix beeinträchtigen. Im Hinblick darauf liegt der Gewichtsanteil der Gewichtsanteil der Zusatzkomponente bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 % und 5 %. Affect properties of the matrix. In view of this, the weight fraction of the weight fraction of the additional component is preferably in the range between 0.1% and 5%.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Infrarotstrahlers enthält die In a preferred embodiment of the infrared radiator contains the
Zusatzkomponente ein Halbleitermaterial in elementarer Form, vorzugsweise elementares Silizium. Additional component a semiconductor material in elemental form, preferably elemental silicon.
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 A semiconductor has a valence band and a conduction band which may be separated by a forbidden zone of width up to ΔΕ << 3 eV. The conductivity of a semiconductor depends on how many electrons can pass the forbidden zone and enter the conduction band from the valence band. Basically, only a few can be at room temperature
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. Electrons skip the forbidden zone and enter the conduction band, so that a semiconductor usually has only a low conductivity at room temperature. However, the degree of conductivity of a semiconductor depends substantially on its temperature. As the temperature of the semiconductor material increases, so does the likelihood that sufficient energy will be available to lift an electron from the valence band into the conduction band. Therefore, in semiconductors, the conductivity increases with increasing temperature. Semiconductor materials therefore exhibit good electrical conductivity at sufficiently high temperatures.
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.The finely divided areas of the semiconductor phase act on the one hand in the matrix as optical defects and cause the material of the support plate - depending on the thickness - at room temperature visually black or gray-blackish.
Andererseits haben die Störstellen auch Auswirkungen auf die Wärmeabsorption des Materials der Trägerplatte insgesamt. Dies ist im Wesentlichen auf die On the other hand, the impurities also affect the overall heat absorption of the material of the carrier plate. This is essentially due to the
Eigenschaften der fein verteilten Phasen aus dem elementar vorliegenden Properties of finely distributed phases from the elementary present
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 Due to the fact that the energy between the valence band and conduction band (bandgap energy) decreases with the temperature on the one hand and electrons are lifted from the valence band in the conduction band at sufficiently high activation energy, with a significant increase in the Absorption coefficient is accompanied. The thermally activated occupation of the conduction band results in the semiconductor material being able to be somewhat transparent at room temperature for certain wavelengths (such as from 1000 nm) and becoming opaque at high temperatures. With increasing temperature of the carrier plate, therefore, absorption and emissivity may increase suddenly. This effect depends among other things on structure
(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. (amorphous / crystalline) and doping of the semiconductor from. Pure silicon shows, for example, from about 600 ° C, a significant increase in emissions, which reaches about from about 1000 ° C saturation. The spectral emissivity ε of the material of the carrier plate is at least 0.6 at a temperature of 600 ° C for wavelengths between 2 μιτι and 8 μιτι.
Laut Kirchhoff schem Strahlungsgesetz entsprechen spektraler Absorptionsgrad αλ und spektraler Emissionsgrad ελ eines realen Körpers im thermischen According to Kirchhoff's law of radiation, the spectral absorption coefficient αλ and the spectral emissivity ελ of a real body correspond to the thermal one
Gleichgewicht einander. αλ = ελ (1) Balance each other. αλ = ελ (1)
Die Halbleiterkomponente führt somit dazu, dass der Substrat-Werkstoff The semiconductor component thus results in that the substrate material
Infrarotstrahlung emittiert. Der spektrale Emissionsgrad ελ lässt sich bei bekannten gerichtet-hemisphärischen spektralen Reflexionsgrad Rgh und Transmissionsgrad Tgh wie folgt berechnen: ελ = 1-Rgh - Tgh (2) Emitted infrared radiation. The spectral emissivity ελ can be calculated with known directional-hemispherical spectral reflectance R g h and transmittance Tgh as follows: ελ = 1-Rgh-T gh (2)
Unter dem„spektralen Emissionsgrad" wird hierbei der„spektrale normale Under the "spectral emissivity" here is the "spectral normal
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 ELEVATEDThis is determined using a measurement principle known as Black-Body Boundary Conditions (BBC), published in DETERMIN ING THE TRANSMISSION 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). 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 The semiconductor material and in particular the preferably used, elemental silicon therefore cause a blackening of the glassy matrix material, namely at room temperature, but also at elevated temperature above, for example, 600 ° C. This results in a good emission characteristic in the sense of a broadband, high emission at high
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 Temperatures reached. The semiconductor material, preferably the elemental silicon, forms a self-dispersed Si phase dispersed in the matrix. This may contain a plurality of semimetals or metals (metals, however, up to a maximum of 50% by weight, better still not more than 20% by weight, based on the proportion by weight of
Zusatzkomponente). Dabei zeigt das Trägerplatten-Material keine offene Additional component). The carrier plate material shows no open
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 Porosity, but at most a closed porosity of less than 0.5% and a specific gravity of at least 2.19 g / cm 3 . He is therefore for
Infrarotstrahler geeignet, bei denen es auf Reinheit oder Gasdichtheit der Infrared radiators suitable for purity or gas tightness of the
Trägerplatte ankommt.  Carrier plate arrives.
Für den Einsatz als Infrarotstrahlung emittierender Werkstoff für einen For use as an infrared emitting material for a
Infrarotstrahler gemäß vorliegender Erfindung wird das Trägerplatten-Material mit einer Leiterbahn belegt, die bevorzugt als eingebrannte Dickfilmschicht ausgeführt ist. Infrared radiator according to the present invention, the carrier plate material is coated with a conductor, which is preferably designed as a baked thick-film layer.
Derartige Dickfilmschichten werden aus Widerstandspasten mittels Siebdruck oder aus metallhaltiger Tinte mittels Tintenstrahldruck erzeugt und anschließend bei hoher Temperatur eingebrannt. Such thick film layers are produced from resistance pastes by means of screen printing or metal-containing ink by means of inkjet printing and then baked at high temperature.
Im Hinblick auf eine möglichst homogene Temperaturverteilung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Leiterbahn als Linienmuster ausgeführt ist, das eineWith regard to a very homogeneous temperature distribution, it has proven to be advantageous if the conductor is designed as a line pattern, the one
Fläche der Trägerplatte so bedeckt, dass zwischen benachbarten Leiterbahn- Abschnitten ein Zwischenraum von mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm verbleibt. Covered surface of the support plate so that between adjacent conductor track sections a gap of at least 1 mm, preferably at least 2 mm remains.
Das hohe Absorptionsvermögen des Trägerplatten-Materials ermöglicht auch bei vergleichsweise geringer Leiterbahn-Belegungsdichte der Heizfläche eine homogene Abstrahlung. Eine geringe Belegungsdichte ist dadurch The high absorption capacity of the carrier plate material allows a homogenous radiation even with comparatively low conductor track occupancy density of the heating surface. A low occupancy is thereby
gekennzeichnet ist, dass der minimale Abstand zwischen benachbarten is characterized in that the minimum distance between adjacent
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 Track sections 1 mm or more, preferably 2 mm or more. A large distance between the conductor sections avoids flashovers, which can occur especially when operating at high voltages under vacuum. The conductor runs, for example, in a spiral or
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. meandering line pattern. In order to reduce a possible corrosive attack on the material of the conductor track, it is preferred to keep the carrier plate with the conductor track deposited thereon in the cladding tube under vacuum or under a protective gas atmosphere containing one or more gases from the series nitrogen, argon, xenon, krypton or deuterium.
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. The infrared radiator according to the invention is particularly suitable for vacuum operation, but a protective gas atmosphere surrounding the carrier plate in the quartz glass cladding tube is sufficient in individual cases to avoid oxidative changes of the conductor track material. In a preferred embodiment of the infrared radiator according to the invention it is provided that a plurality of conductor tracks are applied to a carrier plate, which are each individually electrically controlled.
Das Vorsehen mehrerer Leiterbahnen ermöglicht eine individuelle Ansteuerung und eine Anpassung der mit dem Infrarot-Strahler erreichbaren The provision of multiple tracks allows individual control and adaptation of the achievable with the infrared emitter
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 Irradiance. On the one hand, the radiation power of the carrier plate can be adjusted by a suitable choice of the distances between adjacent conductor track sections. In this case, portions of the support plate are heated to different degrees, so that these infrared radiation with different
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. Emit irradiances. A variation of the voltage applied to the respective tracks or operating voltages also allows a simple and quick adjustment of the temperature distribution in the carrier plate.
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 In addition, an advantageous embodiment of the invention is that a plurality of carrier plates are arranged with conductor tracks in a cladding tube, wherein the carrier plates are each electrically controlled individually. These
Ausführungsform der Erfindung ermöglicht an die Geometrie des Heizgutes angepasste Strahlervarianten. So kann in einem einzigen Hüllrohr durch Embodiment of the invention allows adapted to the geometry of the heater radiator variants. So can in a single cladding tube through
aneinander Reihung von mehreren Trägerplatten beispielsweise ein juxtaposition of several carrier plates, for example one
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 Surface radiators are realized, which has different radiation intensity in individual sub-areas by individual control of the carrier plates. It has also proven useful when the cladding in sub-areas a
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. Coating of opaque, highly reflective quartz glass has. In particular, it is advantageous for forming a slot radiator when the coating on the circumference of the cladding tube is applied in an angular section of 180 ° to 330 °. Such a coating reflects the infrared radiation of Heizfilaments and thus improves the efficiency of the infrared radiation with respect to the Heizgut. The coating, also called reflector layer, consists of opaque quartz glass and has a mean layer thickness of 1, 1 mm. It is characterized by crack-free and high density of about 2.15 g / cm 3 and it is thermally stable to temperatures above 1 100 ° C. The coating preferably covers an angle section of 330 ° of the circumference of the cladding tube and thus leaves an elongated portion in strip form of the cladding tube free and transparent to the infrared radiation. This structure makes it possible to produce a so-called slot radiator in a simple manner.
Ausführungsbeispiele embodiments
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt In the following the invention will be explained in more detail with reference to an embodiment. It shows
Figur 1 in schematischer Darstellung den Infrarot-Strahler eingebaut in Figure 1 shows a schematic representation of the infrared emitter installed in
einem Hüllrohr aus Quarzglas in einer Teilansicht,  a cladding of quartz glass in a partial view,
Figur 2 einen Querschnitt durch ein Hüllrohr mit einem erfindungsgemäßen Figure 2 shows a cross section through a cladding tube with an inventive
Infrarot-Strahler, und Figur 3 ein Diagramm mit der Abstrahlcharakteristik des erfindungsgemäßen  Infrared radiator, and Figure 3 is a diagram with the radiation characteristic of the invention
Infrarot-Strahlers im Vergleich zu einem herkömmlichen Strahler mit Kanthal-Wendel  Infrared emitter compared to a conventional emitter with Kanthal helix
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.  Figure 1 shows a first embodiment of an infrared emitter according to the invention, to which the reference numeral 100 is assigned in total, installed in a cladding tube 101 made of quartz glass. The cladding tube 101 has a longitudinal axis L. FIG. 1 shows the infrared radiator 100 in a partial view with a carrier plate 102, a conductor track 103 and two contacting regions 104a, 104b for electrical contacting of the conductor track 103.
Auf den Kontaktierungsbereichen 104a, 104b sind dünne Drähte 105a, 105b aufgeschweißt, die zu Kontaktflächen 106a, 106b in der Quetschung 107 imOn the contacting areas 104a, 104b are thin wires 105a, 105b welded to the contact surfaces 106a, 106b in the pinch 107 in
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. Lead socket 108 of the cladding tube 101. The thin wires 105a, 105b have on a length of 5 mm length of spring wire windings 15a, 15b, to compensate for a thermal expansion of the wires at high operating temperatures.
Im Anschluss-Sockel 108 sind Kontaktdrähte 109a, 109b nach außen geführt, die ebenfalls durch Anschweißen mit den Kontaktflächen 106a, 106b in der In the connection socket 108, contact wires 109a, 109b are led outwards, which are likewise welded together with the contact surfaces 106a, 106b in the
Quetschung 107 verbunden sind. Pinching 107 are connected.
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. In the interior of the cladding tube 101 there is a negative pressure (vacuum), or it is created with an inert gas, a non-oxidizing atmosphere in the interior of the cladding tube, so that the tracks 103 are protected from oxidation of non-noble metal.
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 The carrier plate 102 comprises a composite material with a matrix component in the form of quartz glass. In the matrix component, a phase of elemental silicon in the form of non-spherical regions is homogeneously distributed. The matrix is visually translucent to transparent. It shows under microscopic observation no open pores and possibly closed pores with maximum dimensions of on average less than 10 μιτι. In the matrix, a phase of elemental silicon in the form of non-spherical regions is homogeneously distributed. Their weight content is 5%. The maximum dimensions of the silicon phase regions are on average (median value) in the range of about 1 μιτι to 10 μιτι. The composite material is gas-tight, has a density of 2.19 g / cm 3 and is stable in air up to a temperature of about 1150 ° C. The
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. Dieembedded silicon phase contributes to the overall opacity of the composite material and has an impact on the optical and thermal properties of the composite material. This shows at high temperatures a high absorption of heat radiation and a high emissivity. The
Trägerplatte 102 erscheint schwarz und hat eine Länge I von 100 mm, eine Breite b von 15 mm und eine Dicke von 2 mm. Carrier plate 102 appears black and has a length l of 100 mm, a width b of 15 mm and a thickness of 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. The measured on the composite material of the support plate 102 emissivity in the wavelength range of 2 μιτι to about 4 μιτι depends on the temperature. The higher the temperature, the higher the emission. At 600 ° C, the normal emissivity in the wavelength range from 2 μιτι to 4 μιτι above 0.6. At 1 .000 ° C, the normal emissivity in the entire wavelength range between 2 μιτι and 8 μιτι is above 0.75.
Die Leiterbahn 103 ist mäanderförmig ausgebildet. Der Werkstoff für die The conductor 103 is meander-shaped. The material for the
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. Conductor 103 comprises substantially non-noble metals such as tungsten and molybdenum or polysilicon, wherein the conductor has been applied with a corresponding layout by means of a screen-printable paste on the support plate 102 and baked.
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 In an alternative embodiment of the infrared radiator according to the invention, the support plate 102 comprises a material of a dark gray to black appearing ceramic of silicon nitride (Si3N 4 ) or silicon carbide (SiC). In a carrier plate with a base material layer of SiC is at the
Oberfläche eine Oberflächenschicht aus S1O2 aufgebracht, die elektrisch isolierend ist gegenüber den metallischen Leiterbahnen. Surface applied to a surface layer of S1O2, which is electrically insulating against the metallic interconnects.
Auch dunkelbraun oder dunkelgrau erscheinende Glaskeramik (beispielsweise NEXTREMA®) ist als Trägerplattenmaterial geeignet; ebenso Trägerplatten aus Glaskohlenstoff, wie etwa Platten aus dem Werkstoff SIGRADUR® . Also dark brown or dark gray appearing glass ceramic (for example, NEXTREMA ® ) is suitable as a carrier plate material; also carrier plates made of glassy carbon, such as plates made of the material 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 Another alternative material for the backing plate 102 is a polyimide plastic that can be heated to a temperature up to 400 ° C. Especially for
Anwendungen, bei denen eine besonders schnelle Einschaltzeit (wenige Applications where a very fast turn-on time (few
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. Seconds), a carrier plate of a polyimide film having a low thermal mass is favorable. Also in this polyimide film as a support plate 102 conductor tracks 103 are applied from non-noble metal. The installation in a cladding made of quartz glass, a operation under non-oxidizing atmosphere is possible.
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-FIG. 2 shows a cross section perpendicular to the longitudinal axis L of the cladding tube 101 with the infrared radiator arranged therein. On the outer peripheral surface of the cladding tube 101 is on a length corresponding to the length of the support plate 102, a reflector layer 200 of quartz glass applied covering 330 ° of the circumference. The result is a so-called slot radiator with a narrow, elongated open space on the cladding tube, which transmits the infrared radiation emitted by the carrier plate.
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 Radiation passes to the outside. FIG. 3 shows the power spectrum of an infrared emitter according to the invention (curve A) in comparison to an infrared emitter with a Kanthal helix (curve B). The support plate of the infrared radiator according to the invention is in this case of a composite material with a matrix component in the form of quartz glass and a homogeneously distributed phase of elemental
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.  Silicon formed as described in more detail above. The conductor material in this case is tungsten. The temperature of the trace on the carrier plate of this IR radiator is set to 1000 ° C. The comparison radiator with a Kanthal coil is also operated at a temperature of about 1000 ° C. It turns out that the infrared emitter according to the invention in the wavelength range from 1 .500 nm to about 5,000 nm at the maximum of the curve A has an approximately 25% greater power than the comparative emitter, shown with curve B.

Claims

Patentansprüche claims
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 Infrared radiator having a cladding tube (101) made of quartz glass, which surrounds a heating filament as an infrared radiation emitting element which is connected via current feedthroughs with an electrical connection outside of the cladding tube, characterized in that the
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.  Heating filament comprises a support plate (102) having a surface made of an electrically insulating material, wherein the surface is covered with a conductor track (103) made of a current-flow-generating material.
2. Infrarot-Strahler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der 2. Infrared radiator according to claim 1, characterized in that the
Werkstoff der Leiterbahn (103) ein Nicht-Edelmetall ist.  Material of the conductor track (103) is a non-precious metal.
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), Infrared radiator according to claim 1 or 2, characterized in that the material of the conductor track (103) of one or more elements from the group tungsten (W), molybdenum (Mo), silicon carbide (SiC),
Molydbändisilicid (M0S12), Chromsilicid (CrsSi), Aluminium (AI), Tantal (Ta), Polysilizium (Si), Kupfer (Cu) und hochtemperaturfester Stahl enthält.  Molydbändisilicide (M0S12), chromium silicide (CrsSi), aluminum (AI), tantalum (Ta), polysilicon (Si), copper (Cu) and high temperature resistant steel.
Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (102) aus mindestens zwei Infrared radiator according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier plate (102) consists of at least two
Materialschichten gebildet ist.  Material layers is formed.
Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplatte (102) einen Komposit-Werkstoff umfasst, der von einer Matrixkomponente sowie von einer Infrared radiator according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier plate (102) comprises a composite material, which consists of a matrix component and of a
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. Additional component is formed in the form of a semiconductor material. 6. Infrared radiator according to claim 5, characterized in that the matrix component is quartz glass and preferably has a chemical purity of at least 99.99% S1O2 and a cristobalite content of at most 1%.
7. Infrarot-Strahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die 7. Infrared radiator according to claim 5, characterized in that the
Zusatzkomponente ein Halbleitermaterial in elementarer Form enthält, vorzugsweise elementares Silizium.  Additional component contains a semiconductor material in elemental form, preferably elemental silicon.
8. Infrarot-Strahler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die 8. Infrared radiator according to claim 5, characterized in that the
Zusatzkomponente in einer Art und Menge vorhanden ist, die in der Trägerplatte (102) bei einer Temperatur von 600 °C einen spektralen Additional component in a kind and amount is present in the support plate (102) at a temperature of 600 ° C a spectral
Emissionsgrad ε von mindestens 0,6 für Wellenlängen zwischen 2 und 8 μιτι bewirkt. Emissivity ε of at least 0.6 for wavelengths between 2 and 8 μιτι causes.
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. 9. Infrared radiator according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier plate (102) has a closed porosity of less than 0.5% and a specific gravity of at least 2.19 g / cm 3 .
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. 10. Infrared emitter according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of conductor tracks (103) on a support plate (102) are applied, which are each individually electrically actuated. 1 1. Infrared radiator according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of carrier plates (102) are arranged with conductor tracks (103) in a cladding tube (101), wherein the carrier plates (102) are each individually electrically actuated. 12. Infrared radiator according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier plate (102) with the thereon printed conductors (103) in the cladding tube (101) is held under vacuum or under an inert gas atmosphere, the one or more gases from the Series includes nitrogen, argon, xenon, krypton or deuterium.
13. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterbahnen (103) als eingebrannte 13. Infrared emitter according to one of the preceding claims, characterized in that the conductor tracks (103) as baked
Dickfilmschicht ausgeführt sind.  Thick film layer are executed.
14. Infrarot-Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Hüllrohr (101 ) in Teilbereichen eine 14. Infrared emitter according to one of the preceding claims, characterized in that the cladding tube (101) in partial areas a
Beschichtung (200) aus opakem, hoch reflektivem Quarzglas aufweist.  Coating (200) made of opaque, highly reflective quartz glass.
15. Infrarot-Strahler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (200) auf dem Umfang des Hüllrohrs (101 ) in einem 15. Infrared radiator according to claim 14, characterized in that the coating (200) on the circumference of the cladding tube (101) in one
Winkelabschnitt von 180° bis 330° aufgetragen ist.  Angular section is applied from 180 ° to 330 °.
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