DE102017112611A1

DE102017112611A1 - Infrarotstrahler und Verfahren für dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102017112611A1
Application number: DE102017112611.2A
Authority: DE
Inventors: Lotta Gaab; Thomas Piela; Christoph Sternkiker
Original assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Current assignee: Heraeus Noblelight GmbH
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2017-06-08
Publication date: 2018-12-13

Abstract

Bei einem bekannten Infrarotstrahler mit einem Träger aus einem elektrisch nicht-leitenden Trägerwerkstoff ist auf dem Träger eine Heizleiterbahn aus einem ersten Widerstandsmaterial aufgebracht. Um einen Heizprozess mit genauerer Prozesskontrolle zu ermöglichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Oberflächenbereich des Trägers einen Temperatur-Messfleck definiert, der von einer Messleiterbahn aus einem zweiten Widerstandsmaterial bedeckt ist, die mit einer elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Messstroms verbunden ist.

Description

Technischer Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotstrahler mit einem Träger aus einem elektrisch nicht leitenden Trägerwerkstoff und einer auf dem Träger aufgebrachten Heizleiterbahn aus einem ersten Widerstandsmaterial, die mit einer ersten elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Heizstroms verbunden ist.
Darüber hinaus geht es in der Erfindung um die Herstellung eines derartigen Infrarotstrahlers.
Stand der Technik
Für thermische Heizprozesse werden Infrarotstrahler mit unterschiedlichen Bauformen eingesetzt. Beispielsweise sind Infrarotstrahler bekannt, bei denen das Heizelement innerhalb eines zylinderförmigen Strahlerrohrs angeordnet ist, wobei Strahlerrohr und Heizelement voneinander beabstandet sind. Das Heizelement dieser Infrarotstrahler besteht meist aus Wolfram oder Carbon, das Strahlerrohr ist meist aus Quarzglas gefertigt. Eine Wärmeübertragung vom Heizelement auf das Strahlerrohr erfolgt bei diesen Strahlern vorrangig durch Wärmestrahlung.
Bei vorliegender Erfindung geht es aber um Infrarotstrahler mit einem flächigen Träger, auf dem ein Widerstands-Heizelement oder mehrere WiderstandsHeizelemente als Heizleiterbahn aufgebracht sind. Die Wärmeübertragung von der Heizleiterbahn auf den Träger erfolgt hierbei überwiegend durch Wärmeleitung und/oder Konvektion.
Ein Infrarotstrahler, bei dem ein metallischer Heizleiter zwischen keramischen Isolierschichten eingebettet ist, ist beispielsweise aus der DE 43 38 539 A1 bekannt. Die keramischen Isolierschichten werden bei der Herstellung als Grünfolien bereitgestellt, beispielsweise in Form von Folien aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumdioxid oder Titannitrid, und anschließend wird darauf eine Metallisierungspaste aufgebracht. Schließlich werden mehrere Folien aufeinandergestapelt, verpresst und gesintert. Um eine elektrische Kontaktierung des Heizleiters an dessen Oberfläche zu ermöglichen, sind die außenliegenden Folien mit Durchkontaktierungen (Vias) versehen, die wiederum in elektrischem Kontakt mit einer auf der Folien-Außenseite aufgebrachten Kontaktfläche stehen.
Infrarotstrahler dieser Bauart sind für Leistungsdichten um 80 kW/m² ausgelegt. Als Beispiel hierfür seien die Infrarotstrahler des Typs SHTS/100 der Firma Elstein-Werk M. Steinmetz GmbH & Co. KG genannt.
Bei Infrarotstrahlern für thermische Heizprozesse sind jedoch Leistungsdichten oberhalb von 180 kW/m² wünschenswert, um einen schnellen Heizprozess mit kurzer Bestrahlungsdauer zu gewährleisten.
Aus der DE 10 2015 119 763 A1 ist in jüngster Zeit ein Infrarot-Flächenstrahler gemäß der eingangs genannten Gattung bekannt geworden, mit dem derartig hohe Leistungsdichten erreichbar sind. Der flächig ausgebildete Träger besteht dabei aus einem Komposit-Werkstoff, bei dem eine Zusatzkomponente in Form von elementarem Silicium in eine Quarzglas-Matrix eingebettet ist. Auf dem Träger wird mittels Siebdruck eine mäanderförmig verlaufende Heizleiterbahn aus einem Platin-Werkstoff aufgebracht, und im gleichen Arbeitsgang wird die Heizleiterbahn mit einer Kontaktierungsbahn versehen, deren Leitungsquerschnitt größer ist als der der Heizleiterbahn.
Der bekannte Infrarotstrahler wird beispielsweise zur thermischen Behandlung von Heiz- oder Bestrahlungsgut bei der Halbleiterfertigung, in der Druckindustrie oder bei der Kunststoffverarbeitung eingesetzt, insbesondere zum Polymerisieren von Kunststoffen, beim Aushärten von Lacken oder beim Trocknen von Farben und in Trocknungsprozessen, wie etwa bei der Herstellung von Folien oder Garnen oder der Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen und dergleichen.
Zur Messung der Temperatur des Heiz- oder Bestrahlungsguts oder des Infrarotstrahlers selbst werden typischerweise Pyrometer oder Thermoelemente eingesetzt. Weite Verbreitung haben Temperatur-Sensoren gefunden, bei denen die Temperaturmessung auf der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Platin beruht. Dabei wird eine Messleiterbahn aus Platin in Dünnschichttechnik mäanderförmig auf einen Keramikträger aufgebracht und mit Anschlussdrähten verbunden. Zum Schutz vor Korrosion und mechanischer Beschädigung wird die Messleiterbahn mit einem Schutzüberzug versehen und gegebenenfalls zusätzlich in ein gasdicht verschließbares Glas- oder Keramikrohr eingebaut. Derartige Temperatur-Sensoren sind für den Einbau in industrielle Widerstandsthermometer oder in eine integrierte Schaltung ausgelegt und in der EN 60751 genormt.
Technische Aufgabe
Bei vielen industriellen Heizprozessen ist eine genaue Prozesskontrolle erforderlich. Der vorliegenden Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, einen flächigen Infrarotstrahler mit hoher Strahlungsleistung gemäß der eingangs genannten Gattung bereitzustellen, der mit einer neuen Funktionalität zur Verbesserung der Prozesskontrolle ausgestattet ist.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges Verfahren zur reproduzierbaren Herstellung eines derartigen neuen Infrarotstrahlers anzugeben.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Infrarotstrahlers wird diese Aufgabe ausgehend von einem Infrarotstrahler der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Oberflächenbereich des Trägers einen Temperatur-Messfleck definiert, der von einer Messleiterbahn aus einem zweiten Widerstandsmaterial bedeckt ist, die mit einer zweiten elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Messstroms verbunden ist.
Die erfindungsgemäß zusätzlich neu bereitgestellte Funktionalität des Infrarotstrahlers ist die Temperaturmessung unmittelbar auf der Oberfläche des Trägers. Zu diesem Zweck ist auf der Oberfläche mindestens ein Oberflächenbereich definiert, der als Messstelle für die Temperaturmessung dient. Diese mindestens eine Messstelle wird hier auch als „Messfleck“ bezeichnet. Am Messfleck wird die Oberflächentemperatur des Trägers gemessen, indem dort eine Messleiterbahn aus einem Messwiderstand verläuft, für den die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands bekannt ist. Als Widerstandsmaterial für den Messwiderstand eignen sich vorallem reine Metalle, deren Widerstand möglichst stark von der Temperatur abhängt und der linear mit der Temperatur skaliert. Wegen ihrer chemischen Beständigkeit sind Edelmetalle bevorzugt, und dabei insbesondere Platin, das eine besonders geringe Alterung zeigt.
Der mit der Messleiterbahn belegte Temperatur-Messfleck ist fester, integraler Bestanteil des Infrarotstrahlers und wird im Folgenden auch als „in-situ Temperatursensor“ bezeichnet, im Unterschied zum Stand der Technik mit einem separaten, externen Temperatur-Messelement.
Beim in-situ Temperatursensor ist der Messfleck genau vorgegeben und er ist klein, im Idealfall punktförmig. Er kann sich nicht verändern und es kann nichts verrutschen. So ist eine schnelle, exakte und reproduzierbare Temperaturmessung direkt am Träger des Infrarotstrahlers gewährleistet. Dadurch ist bei Heizprozessen eine genaue Prozesskontrolle in Bezug auf die Temperatur möglich.
Zur Messung der Temperatur beziehungsweise des elektrischen Widerstandes der Messleiterbahn ist diese über eine Kontaktierung elektrisch mit einer Messeinrichtung verbunden. Mittels dieser wird in der Messleiterbahn ein Messstrom oder eine den Messstrom bewirkende Messspannung angelegt, und der Spannungsabfall beziehungsweise der Stromabfall werden als elektrischer Widerstand der Leiterbahn ausgewertet, aus der sich die Temperatur am Messfleck bestimmen lässt.
Der Temperatur-Messfleck ist beispielsweise dadurch definiert, dass er mit einem Längenabschnitt der Messleiterbahn belegt ist, der sich durch einen größeren elektrischen Widerstand auszeichnet als ihr übriger Längenabschnitt. Ein größerer elektrischer Widerstand bei gleichem Widerstandmaterial wird durch einen kleineren Leitungsquerschnitt erreicht. Der Leitungsquerschnitt wird bei gleicher Leitungsdicke durch die Leiterbahn-Breite bestimmt.
Daher ist bei einer bevorzugten Ausführungsform des Infrarotstrahlers vorgesehen, dass die Messleiterbahn im Bereich des Messflecks eine Messleiterbahn-Breite B_Mess hat, die geringer ist als die Messleiterbahn-Breite außerhalb des Messflecks.
Der elektrische Widerstand im Längenabschnitt mit der Breite B_Mess wird durch die Länge dieses Längenabschnitts und durch seine Querschnittsfläche bestimmt. Je größer der Unterschied zwischen dem elektrischen Widerstand im Längenabschnitt mit der Breite B_Mess und den übrigen Messleiterbahn-Längenabschnitten ist, umso rauschärmer ist das Nutzsignal für die Temperaturmessung. Je länger der Längenabschnitt mit der Breite B_Mess im Vergleich zu den übrigen Längenabschnitten ist, umso größer ist der Unterschied im elektrischen Widerstand (bei ansonsten gleichen Parametern), allerdings unter Inkaufnahme eines größeren Messflecks und somit auf Kosten der Punktgenauigkeit der Temperaturmessung.
Im Hinblick darauf hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Messfleck eine Fläche von maximal 30 mm² hat.
Diese Fläche wird durch eine mathematisch Einhüllende um den Bereich bestimmt, der von der Messleiterbahn mit der Breite B_Mess bedeckt ist. Diese Fläche ist beispielsweise rechteckig; es ist nicht erforderlich, dass sie rund oder quadratisch ist.
Im Hinblick auf einen möglichst kleinen Messfleck hat es sich auch bewährt, wenn die Heizleiterbahn eine Heizleiterbahn-Breite B_Heiz aufweist, wobei gilt: B_Heiz> 10 × B_Mess, vorzugsweise B_Heiz > 15 × B_Mess.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers bestehen das erste Widerstandmaterial für die Heizleiterbahn und das zweite Widerstandsmaterial für die Messleiterbahn aus dem gleichen Werkstoff.
Dies hat den Vorteil, dass die Herstellung der beiden Leiterbahntypen gemeinsam erfolgen kann, beispielsweise auch in einem einzigen Arbeitsgang. So zeichnet sich beispielsweise eine besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers dadurch aus, dass die Heizleiterbahn und die Messleiterbahn mittels Siebdruck erzeugt sind.
Allerdings zeigen gegebenenfalls beide Leiterbahnen denselben materialspezifischen elektrischen Widerstand, so dass die Gefahr besteht, dass die Messleiterbahn durch Eigenerwärmung merklich zur lokalen Erwärmung des Trägers beiträgt, was die Temperaturmessung verfälschen könnte.
Dies wird dadurch vermieden, dass die Messleiterbahn unabhängig vom Heizstrom über einen eigenen, separaten Anschluss für den Messstrom verfügt, und dass ein niedriger Messstrom einstellbar ist, der vorzugsweise nicht mehr als 0,1% des Heizstroms beträgt.
In die Verlustleistung (Eigenerwärmung) der Messleiterbahn gehen die Stromstärke im Quadrat und der elektrische Widerstand linear ein. Daher wird durch ein Verhältnis der jeweiligen Stromstärken von 1:100 die Eigenerwärmung der Messleiterbahn theoretisch um den Faktor 10.000 gegenüber der der Heizleiterbahn verringert (bei gleichem Leitungsquerschnitt). In der Regel genügt beispielsweise ein Messstrom 1 mA, so dass die Verlustleistung im Bereich von Milliwatt liegt, was weder zu einer nennenswerten Eigenerwärmung noch zu großen Messfehlern führt.
Eine höhere Genauigkeit der Temperaturmessung ist mit einem erfindungsgemäßen Infrarotstrahler erreichbar, bei dem mehrere Messflecke über der Träger-Oberfläche verteilt sind, wobei jeder der Messflecke von einer Messleiterbahn aus dem zweiten Widerstandsmaterial belegt ist.
Durch mehrere Messflecke können die Temperaturen charakteristischer Oberflächenbereiche des Trägers erfasst werden, beispielsweise der Oberflächenbereich mit der zu erwartenden Maximal-Temperatur und Oberflächenbereiche mit geringerer Temperatur. So ist durch einen mittig auf der Träger-Oberfläche angeordneten Messfleck die zu erwartende Maximaltemperatur messbar. Ein am Rand des Trägers vorgesehener Messfleck gibt beispielsweise die Temperatur in der Nähe der Kontaktierung für den Heizstrom an.
Die Heizleiterbahn ist einteilig oder mehrteilig ausgeführt und als möglichst engmaschiges Linienmuster ausgeführt, wie beispielsweise als Spirale. In der Regel und bevorzugt weist sie aber einen als Mäander ausgebildeten Längenabschnitt auf, wobei der mindestens eine Messfleck zwischen Flanken des Mäanders vorgesehen ist.
Dabei kann es je nach der der zur Verfügung stehenden freien Weite des Flanken-Zwischenraums zu kurzen Abständen zwischen stromführenden und elektrisch leitenden Bahnen der Mess- und Heizleiterschichten kommen. Unabhängig davon hat es sich beim erfindungsgemäßen Infrarotstrahler bewährt, wenn mindestens die Messleiterbahn mit einer dielektrischen Glasschicht zum Schutz vor elektrischen Überschlägen bedeckt ist. Vorzugsweise sind sowohl die Messleiterbahn als auch die Heizleiterbahn mit der dielektrischen Glasschicht abgedeckt.
Der Träger des Infrarotstrahlers besteht aus einem einzigen Werkstoff oder er setzt sich aus Schichten unterschiedlicher Werkstoffe zusammen. Mindestens der die Infrarotstrahlung maßgeblich emittierende Teil des Trägers besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff, wie er in der DE 10 2015 119 763 A1 beschrieben ist. Also aus einem Komposit-Werkstoff, der ein elektrischer Isolator ist und der aus einer amorphen Matrixkomponente besteht, in die eine Zusatzkomponente (vorzugsweise ein elementares Halbleiterelement wie Silicium) eingebettet ist. Die Zusatzkomponente kann bei hinreichender Erwärmung einen energiereichen, angeregten Zustand einnehmen und Infrarotstrahlung emittieren. Sie ermöglicht damit, dass der Träger Infrarot-Strahlung emittiert. Mit einem solchen Infrarotstrahler sind hohe Leistungsdichten im Bereich von 180 kW/m² bis 265 kW/m² erzielbar.
Die Matrixkomponente kann aus undotiertem oder dotiertem Quarzglas bestehen und gegebenenfalls außer SiO₂ in einer Menge bis maximal 10 Gew.-% andere oxidische, nitridische oder carbidische Komponenten enthalten. Die darin eingelagerte Zusatzkomponente in Form eines Halbleiterelements bildet eine eigene amorphe oder kristalline Phase. Die Zusatzkomponente bewirkt eine Absorption im infraroten Spektralbereich, das ist der Wellenlängenbereich zwischen 780 nm und 1 mm. Der der Heizleiterbahn zugeordneten Bereich des Trägers („Heizbereich“) weist regelmäßig hohe Betriebstemperaturen oberhalb von 600 °C auf. Um eine elektrische Kontaktierung der Heizleiterbahn auf der Ebene des Trägers zu ermöglichen, ist grundsätzlich die Schaffung einer „kalten Zone“ hilfreich, in der die elektrische Kontaktierung angeordnet ist und die beispielsweise Temperaturen im Bereich von 250 °C bis 500 °C aufweist. Zu diesem Zweck ist beispielsweise die elektrische Kontaktierung der Heizleiterbahn als Kontaktierungs-Leiterbahn ausgebildet, deren Leitungsquerschnitt mindestens das 3-fache des Leitungsquerschnitts der Heizleiterbahn beträgt. Typischerweise liegt der Leitungsquerschnitt der Heizleiterbahn im Bereich von 0,02 mm² bis 0,06 mm². Der Leitungsquerschnitt ist dabei die in Stromflussrichtung betrachtete Querschnittsfläche durch die Leiterbahn. Bei einer schichtförmigen Heizleiterbahn mit Rechteckform ergibt sich der Leitungsquerschnitt somit durch Multiplikation von Schichtbreite und Schichtdicke. Vorzugsweise liegt die Querschnittshöhe der Heizleiterbahn im Bereich von 10 µm bis 25 µm. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn die Heizleiterbahn aus Platin, hochtemperaturfestem Stahl, Tantal, einer ferritischen FeCrAl-Legierung, einer austenitischen CrFeNi-Legierung, Siliziumcarbid, Molybdändisilicid oder einer Molybdän-Basislegierung gefertigt ist. Die vorgenannten Werkstoffe, insbesondere Siliziumcarbid (SiC), Molybdändisilicid (MoSi₂), Tantal (Ta), hochwarmfester Stahl oder eine ferritische FeCrAl-Legierung wie Kanthal^® (Kanthal^® ist eine eingetragene Marke der SANDVIK INTELLECTUAL PROPERTY AB, 811 81 Sandviken, SE) sind im Vergleich zu Edelmetallen, beispielsweise Gold, Platin oder Silber, kostengünstig; sie können als Heizleiterbahn-Formkörper bei der Herstellung des Infrarotstrahlers eingesetzt werden, beispielsweise in Form von Blechen, aus denen einfach und kostengünstig eine Leiterbahn gefertigt werden kann. Darüber hinaus haben die vorgenannten Materialien den Vorteil, dass sie an Luft oxidationsbeständig sind, sodass eine zusätzliche, die Leiterbahn bedeckende Schicht (Deckschicht) zum Schutz der Leiterbahn nicht zwingend notwendig ist.
Der Träger kann mehrschichtig ausgeführt sein und außer dem Komposit-Werkstoff auch andere Werkstoffschichten enthalten. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers ist der Träger vollständig aus dem Komposit-Werkstoff gefertigt. Die Heizleiterbahn ist dabei unmittelbar auf den Träger aufgebracht. Ein aus mehreren Werkstoffen gefertigter Träger kann beispielsweise eine Schichtstruktur aufweisen, in der zwei oder mehrere Werkstoffschichten übereinander angeordnet sein können. Alternativ ist es auch möglich, dass der Träger einen Kern aus einem ersten Werkstoff, vorzugsweise dem oben beschriebenen Komposit-Werkstoff aufweist, der mit einem Überzug aus einem zweiten Werkstoff vollständig oder teilweise überzogen ist.
Bei einer ebenso bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers ist der Komposit-Werkstoff zumindest in den mit Heizleiterbahn belegten Bereichen des Trägers mit einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff überzogen, beispielsweise mit einer Schicht aus Glas, insbesondere aus Quarzglas.
Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers wird die oben angegebene Aufgabe erfindungsgemäß ein Verfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

(a) Bereitstellen eines Trägers aus einem elektrisch nicht leitenden Trägerwerkstoff,
(b) Aufbringen einer Heizleiterbahn aus einem ersten Widerstandsmaterial auf dem Träger, und
(c) Aufbringen einer Messleiterbahn aus einem zweiten Widerstandsmaterial auf einem Oberflächenbereich des Trägers, der einen Temperatur-Messfleck definiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Ausstattung des Infrarotstrahlers mit einem „in-situ Temperatursensor“, der eine Temperaturmessung unmittelbar auf der Oberfläche des Trägers ermöglicht. Zu diesem Zweck ist auf der Träger-Oberfläche mindestens ein Oberflächenbereich definiert, der als Messstelle für die Temperaturmessung dient und der mit einer Messleiterbahn mit definiertem Messwiderstand belegt wird. Der Temperatur-Messfleck ist möglichst klein, im Idealfall punktförmig. Zu diesem Zweck wird im Bereich des Messflecks ein Längenabschnitt der Messleiterbahn erzeugt, der sich durch einen größeren elektrischen Widerstand auszeichnet als der übrige Längenabschnitt der Messleiterbahn. Ein größerer elektrischer Widerstand bei gleichem Widerstandmaterial wird durch einen kleineren Leitungsquerschnitt erreicht. Bei gleicher Leitungsdicke wird der Leitungsquerschnitt durch die Leiterbahn-Breite bestimmt.
Die mindestens eine Heizleiterbahn und die mindestens eine Messleiterbahn werden entweder unmittelbar auf der Oberfläche des Trägers aufgebracht oder mittelbar unter Einbeziehung einer oder mehrerer Zwischenlagen aus einem anderen Werkstoff als dem Widerstandsmaterial.
Für die Herstellung der Heizleiterbahn und/oder die Messleiterbahn kommen verschiedene Fertigungsmethoden in Betracht, beispielsweise unter Einsatz von 3D-Drucktechniken, durch Stanzen, Laserstrahlschneiden oder Gießen. Als besonders günstig hat es sich aber erwiesen, wenn die Heizleiterbahn oder die Messleiterbahn und bevorzugt beide Leiterbahn-Formen als eingebrannte Dickfilmschicht ausgeführt sind. Die Dickfilmschichten werden beispielsweise aus Widerstandspaste mittels Siebdruck oder aus metallhaltiger Tinte mittels Tintenstrahldruck erzeugt und anschließend bei hoher Temperatur eingebrannt.
Das Aufbringen der Heizleiterbahn und das Aufbringen der Messleiterbahn mittels Siebdruck oder Tintenstrahldruck kann anhand mehrerer aufeinanderfolgender Druckvorgänge erfolgen. In dem Fall können sich erstes und zweites Widerstandsmaterial in ihrer Zusammensetzung voneinander unterscheiden, ebenso wie die Dicken der jeweiligen Leiterbahnschichten.
Bei einer besonders einfachen und bevorzugten Verfahrensvariante umfasst das Aufbringen von Heizleiterbahn und Messleiterbahn jedoch einen einzigen gemeinsamen Arbeitsgang, wie beispielsweise einem Siebdruckvorgang, wobei gegebenenfalls das erste Widerstandmaterial und das zweite Widerstandmaterial aus demselben Werkstoff bestehen.
Als Widerstandsmaterial für den Messwiderstand eignen sich Metalle oder Metalllegierungen, bei denen der elektrische Widerstand mit der Temperatur möglichst linear skaliert. Wegen ihrer chemischen Beständigkeit sind Edelmetalle bevorzugt, und dabei insbesondere Platin, das eine besonders geringe Alterung zeigt.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt in schematischer Darstellung

1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers mit einem Träger mit darauf aufgebrachter Heizleiterbahn und in-situ Temperatursensor in Form einer einzelnen Messleiterbahn,
2 einen Ausschnitt der Messleiterbahn des Infrarotstrahlers gemäß 1 in einer Vergrößerung, und
3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers mit einem Träger mit Heizleiterbahn und in-situ Temperatursensor in Form dreier Messleiterbahnen sowie einem Schaltungskonzept.

Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers mit in-situ Temperatursensor sind auf einem Träger 1 eine mäanderförmige Heizleiterbahn 2 und eine mäanderförmige Messleiterbahn 3 aufgebracht. Heizleiterbahn 2 und Messleiterbahn 3 sind an ihren Enden jeweils mit Kontaktierungsbereichen 4, 5 für den Stromanschluss verbunden.
Der Träger 1 besteht aus einem Komposit-Werkstoff, bei dem in eine Matrix aus Quarzglas eine Phase aus elementarem Silizium in Form nicht-sphärischer Bereiche homogen verteilt ist. Der Träger hat eine Länge von 100 mm, eine Breite von 100 mm und eine Dicke von 4 mm.
Die Heizleiterbahn 2 hat einen rechteckigen Leitungsquerschnitt mit einer Querschnittshöhe von 20 µm und einer Querschnittsbreite von 4 mm. Die Kontaktierungsbereiche 4 haben ebenfalls rechteckigen Querschnitt mit einer Querschnittshöhe von 20 µm aber einer Querschnittsbreite von 8 mm. Der freie Abstand zwischen benachbarten Mäanderflanken 6 beträgt 2,8 mm.
Die Messleiterbahn 3 ist in die Freifläche 7 zwischen den beiden mittig auf dem Träger 1 angeordneten Mäanderflanken 6 der Heizleiterbahn 2 eingepasst. Sie ragt bis in die Mitte der Freifläche 7. Wie aus der Vergrößerung von 2 besser zu erkennen, hat die der mäanderförmige Längenabschnitt 8 der Messleiterbahn 3, der den eigentlichen Temperatursensor bildet, nur eine relativ kurze Länge von etwa 16 mm und eine Breite von etwa 1,6 mm. Die Hüllkurve 10 um den mäanderförmigen Längenabschnitt 8 definiert den Messfleck, der im Ausführungsbeispiel somit eine Fläche von etwa 26 mm² hat. An den mäanderförmigen Längenabschnitt 8 schließen sich Zuleitungen 9 und die erwähnten Kontaktbereiche 5 zum Anbonden von Stromanschlussdrähtren an. Die Messleiterbahn hat ebenfalls einen rechteckigen Leitungsquerschnitt mit einer Querschnittshöhe von 20 µm; die Breite der Querschnitts-Grundseite im mäanderförmigen Längenabschnitt 8 beträgt 0,2 mm, bei den Zuleitungen 9 beträgt sie 0,9 mm und in den Kontaktierungsbereichen etwa 4 mm.
Die Heizleiterbahn 2 und die Messleiterbahn 3 sind in einem Arbeitsgang erzeugt und bestehen daher aus Platin derselben Qualität. Die Abhängigkeit des Widerstandes von der Temperatur, also die Temperatur-Widerstandskurve für die Messleiterbahn 3, wird anhand einer Kalibriermessung ermittelt. Für ein vorgegebenes Design der Messleiterbahn 3 (das heißt für vorgegebene Geometrie und Zusammensetzung) ergibt sich ein reproduzierbarer temperaturabhängiger Nennwiderstand, der beim vorliegenden Ausführungsbeispiel typischerweise im Bereich zwischen 15 und 30 Ohm liegt (bei einer Temperatur von 0°C).
Bei der in 3 gezeigten Ausführungsformen des Infrarotstrahlers bezeichnen dieselben Bezugsziffern wie in den 1 und 2 baugleiche oder äquivalente Bauteile und Bestandteile. Bei dieser Ausführungsform verfügt der in-situ Temperatursensor über drei Temperatur-Messstellen, die in Form von Messleiterbahnen 31, 32, 33 mit jeweils einem einzelnen mäanderförmigem Längenabschnitt 8 über den Träger 1 wie folgt verteilt sind: Bei der Messleiterbahn 31 ist die Temperatur-Messstelle - also der mäanderförmige Längenabschnitt 8 - mittig zum Träger 1 und mittig zur Heizleiterbahn 2 angeordnet. Bei der Messleiterbahn 32 ist der mäanderförmige Längenabschnitt 8 im stromanschlussfern Bereich eines der beiden äußeren Mäanderfreiräume 7 angeordnet, und bei der Messleiterbahn 33 im stromanschlussnahen Bereich des anderen Mäanderfreiraums 7.
Im Betrieb des Infrarotstrahlers sind bei allen drei Messstellen unterschiedliche Temperaturen zu erwarten. Somit werden unterschiedliche temperaturabhängige Widerstande R(T) gemessen. Die Messung des Widerstandes erfolgt mittels einer üblichen Messelektronik, indem den Messleiterbahnen 31, 32, 33 jeweils ein konstanter Messstrom aufgeprägt und der jeweilige Spannungsabfall erfasst wird. Um den Effekt der Eigenerwärmung der Messleiterbahnen 31, 32, 33 zu verringern, wird der Messstrom so niedrig eingestellt, dass bei den konkreten Betriebsbedingungen, insbesondere bei der Betriebstemperatur, gerade noch ein rauscharmes, auswertbares Messsignal erhalten wird; er liegt in der Regel in der Größenordnung von 1 Milliampere. Im Vergleich dazu liegt der Betriebsstrom für die Heizleiterbahn 2 bei 5 bis 15 Ampere, bei einer Anschlussspannung U1 von 230 V.
Nachfolgend wird die Herstellung des erfindungsgemäßen Infrarotstrahlers anhand der 1 bis 3 beispielhaft erläutert.
Die Herstellung des Trägers erfolgt anhand eines Verfahrens, wie es in der WO 2015/067 688 A1 beschrieben ist. Dabei wird Quarzglaskörnung in deionisiertem Wasser nassgemahlen, sodass sich ein homogener Grundschlicker mit einem Feststoffgehalt von 78 % bildet. Anschließend wird ein Zuschlag in Form von Silizium-Pulver in einer Menge zugemischt, bis ein Feststoffgehalt von 83 Gew.-% erreicht ist. Das Silizium-Pulver enthält hauptsächlich nicht-sphärische Pulverteilchen mit enger Teilchengrößenverteilung, deren D₉₇-Wert bei etwa 10 µm liegt und dessen Feinanteil mit Teilchengrößen von weniger als 2 µm vorab entfernt worden ist. Die SiO₂-Teilchen im homogenisierten Schlicker zeigen eine Teilchengrößenverteilung, die durch einen D₅₀-Wert von etwa 8 µm und durch einen den D₉₀-Wert von etwa 40 µm gekennzeichnet ist. Der Gewichtsanteil des Silizium-Pulvers am gesamten Feststoffgehalt liegt bei 5 %.
Der Schlicker wird in eine Druckgussform einer kommerziellen Druckgussmaschine gegossen und über eine poröse Kunststoffmembran unter Bildung eines porösen Grünkörpers entwässert. Der Grünkörper hat die Form einer Rechteckplatte. Zum Entfernen von gebundenem Wasser wird der Grünkörper bei etwa 90 °C 5 Tage lang in einem belüfteten Ofen getrocknet.
Nach dem Abkühlen wird der erhaltene poröse Grünkörper mechanisch nahezu auf das Endmaß der herzustellenden Quarzglas-Träger-Platte mit der Plattenstärke von 4 mm bearbeitet und in einem Sinterofen unter Luft innerhalb von 1 Stunde auf eine Heiztemperatur von 1390 °C aufgeheizt und bei dieser Temperatur 5 Stunden gehalten.
Die so erhaltene Quarzglas-Träger-Platte bildet den Träger 1. Sie besteht aus einem gasdichten Komposit-Werkstoff mit einer Dichte von 2,1958 g/cm³, bei dem in einer Matrix aus opakem Quarzglas voneinander getrennte, nicht-sphärische Bereiche aus elementarer Si-Phase homogen verteilt sind, deren Größe und Morphologie weitgehend denen des eingesetzten Si-Pulvers entsprechen. Die maximalen Abmessungen liegen im Mittel (Medianwert) im Bereich von etwa 1 µm bis 10 µm. 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 µm; die auf Basis der Dichte berechnete Porosität liegt bei 0,37 %. Der Komposit-Werkstoff ist gasdicht und an Luft bis zu einer Temperatur von etwa 1.150 °C stabil. Bei hohen Temperaturen zeigt er eine ausgeprägte Absorption von Wärmestrahlung und einen hohen Emissionsgrad. Dieser hängt von der Temperatur ab. Bei 600° liegt der normale Emissionsgrad im Wellenlängenbereich von 2 µm bis 4 µm oberhalb von 0,6. Bei 1.000 °C liegt der normale Emissionsgrad im selben Wellenlängenbereich oberhalb von 0,75
Die Herstellung von Heizleiterbahn 2, Messleiterbahn 3 mitsamt den dazugehörigen Kontaktierungsbereichen 4, 5 erfolgt in einem gemeinsamen Arbeitsschritt, indem eine Platin-Widerstandspaste mittels Siebdruck auf der Oberfläche des Trägers 1 aufgebracht wird. Hierzu wird ein feinmaschiges Gewebe auf den Träger 1 aufgelegt, dessen Maschenöffnungen an den Stellen, an denen keine Platin-Widerstandspaste gedruckt werden soll, undurchlässig gemacht sind. Die Platin-Widerstandspaste besteht aus einem sinterfähigen Platinpulver in Reinstform (20 bis 80 Gew.-%), einem Lösungsmittel (20 bis 50 Gew.-%), einem Weichmacher (1 bis 10 Gew.-%) und einem Binder (1 bis 15 Gew.-%), wobei die Angaben in Klammern für die jeweilige Komponente bevorzugte Gewichtsanteile an der Gesamtmasse der Paste angeben.
Nach erfolgtem Druckvorgang und dem Entfernen des Gewebes von dem Träger 1 wird ein mit der Platin-Widerstandspaste beschichteter Träger 1 erhalten, wobei die Beschichtung die späteren Leiterbahnen 2; 3 beziehungsweise deren Kontaktierungsbereiche 4; 5 abbildet. Daraus werden durch Einbrennen bei einer Einbrenntemperatur von 1.200 °C die fertigen elektrisch leitenden Bestandteile 2; 3; 4, 5 des Infrarotstrahlers erhalten.
Die Leiterbahnen 2; 3 werden anschließend mittels einer elektrisch isolierenden Glasur abgedeckt. Die Glasur verhindert Überschläge und sie dient zum Schutz der Leiterbahnen 2, 3 vor mechanischer und korrosiver Beanspruchung. Die besteht aus einem glasartigen Werkstoff, der sich beim Erhitzen als erweichte, viskose Glasphase gleichmäßig verteilt und eine gasdichte Abschirmung bewirkt. Die Glasur wird ebenfalls als Siebdruckpaste auf der dem Träger 1 aufgetragen, dass die Leiterbahnen 2; 3 darin vollständig eingebettet sind. Die Siebdruckpaste besteht aus einem Pulver oder Pulvergemisch aus einem sinterfähigen, nicht metallischen Werkstoff (20 bis 80 Gew.-%), einem Lösungsmittel (20 bis 50 Gew.-%), einem Weichmacher (1 bis 10 Gew.-%) und einem Binder (1 bis 15 Gew.-%), wobei die Angaben in Klammern für die jeweilige Komponente bevorzugte Gewichtsanteile an der Gesamtmasse der Paste angeben. Die Auswahl der nicht metallischen Pulver-Werkstoffe und die spezifische Zusammensetzung der Siebdruckpaste richten sich nach der Einsatz-Temperatur des Infrarotstrahlers. Als Lösungsmittel wird beispielsweise Hexanol, als Weichmacher beispielsweise Phthalat und als Binder wird beispielsweise Polyvinylalkohol verwendet. Das Pulver oder Pulvergemisch kann als vorgeschmolzene Glasfritte oder als Glasphase-Rohstoffmischung eingebracht werden. Es besteht beispielsweise aus Al₂O₃, Mg-Spinell, Forsterit oder einem Gemisch dieser Stoffe mit einer spezifischen Sinteraktivität und aus einem glasbildenden Material, wie Silikatglas, insbesondere Erdalkalisilikatglas oder Wasserglas.
Die daraus erzeugte Siebdruckpaste wird in einer Dicke von 1,0 mm auf die Oberseite des Trägers 1 aufgetragen, so dass die Leiterbahnen 2; 3 darin vollständig eingebettet sind, und sie wird bei einer Sintertemperatur von 1200 °C zu der gasdichten und isolierenden Glasurschicht gesintert.
Alternativ oder ergänzend zur Glasurschicht wird auf der Oberseite des Trägers 1 und auf die darauf aufgebrachten Leiterbahnen 2; 3 eine Schlickerschicht aufgebracht. Dieser Schlicker wird durch Modifikation des SiO₂-Grundschlickers erhalten, wie oben bereits beschrieben ist. Anstelle des Zuschlags von Silizium-Pulver wird dem Grundschlicker amorphe SiO₂-Körnung in Form sphärischer Teilchen mit einer Korngröße um 5 µm zugemischt werden bis ein Feststoffgehalt von 84 Gew.-% erreicht ist. Diese Mischung wird 12 Stunden lang in einer Trommelmühle bei einer Drehzahl von 25 U/min homogenisiert. Der so erhaltene Schlicker hat einen Feststoffgehalt von 84 % und eine Dichte von etwa 2,0 g/cm³. Die nach dem Vermahlen der Quarzglaskörnung erhaltenen SiO₂-Teilchen zeigen eine Teilchengrößenverteilung, die durch einen D₅₀-Wert von etwa 8 µm und durch einen D₉₀-Wert von etwa 40 µm gekennzeichnet ist.
Der Schlicker wird einige Sekunden lang auf die Oberseite des vorab in Alkohol gereinigten Trägers 1 gesprüht. Auf dem Träger 1 bildet sich dadurch eine gleichmäßige Schlickerschicht mit einer Dicke von etwa 2 mm. Die getrocknete Schlickerschicht ist rissfrei, und sie hat eine mittlere Dicke von etwas weniger als 2 mm. Die getrocknete Schlickerschicht wird anschließend unter Luft in einem Sinterofen zu einer Deckschicht aus opakem Quarzglas gesintert. Sie dient als diffuser Reflektor und sie schützt und stabilisiert gleichzeitig die Leiterbahnen 2; 3.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4338539 A1 [0005]
DE 102015119763 A1 [0008, 0033]
WO 2015/067688 A1 [0053]

Claims

Infrarotstrahler mit einem Träger aus einem elektrisch nicht-leitenden Trägerwerkstoff und einer auf dem Träger aufgebrachten Heizleiterbahn aus einem ersten Widerstandsmaterial, die mit einer ersten elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Heizstroms verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Oberflächenbereich des Trägers einen Temperatur-Messfleck definiert, der von einer Messleiterbahn aus einem zweiten Widerstandsmaterial bedeckt ist, die mit einer zweiten elektrischen Kontaktierung für die Zufuhr eines Messstroms verbunden ist.
Infrarotstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messleiterbahn im Bereich des Messflecks eine Messleiterbahn-Breite B_Mess hat, die geringer ist als die Messleiterbahn-Breite außerhalb des Messflecks.
Infrarotstrahler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterbahn eine Heizleiterbahn-Breite B_Heiz aufweist, wobei gilt: B_Heiz> 10 × B_Mess, vorzugsweise B_Heiz > 15 × B_Mess.
Infrarotstrahler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfleck eine Fläche von maximal 30 mm² hat.
Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Widerstandsmaterial aus gleichem Werkstoff bestehen, wobei der Werkstoff vorzugsweise ein platinbasierter Werkstoff ist.
Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein niedriger Messstrom einstellbar ist, der nicht mehr als 0,1% des Heizstroms beträgt.
Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterbahn und die Messleiterbahn mittels Siebdruck erzeugt sind.
Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messflecke über der Träger-Oberfläche verteilt sind, wobei jeder der Messflecke von einer Messleiterbahn aus dem zweiten Widerstandsmaterial bedeckt ist.
Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleiterbahn einen als Mäander ausgebildeten Längenabschnitt aufweist, und dass der mindestens eine Messfleck zwischen Flanken des Mäanders vorgesehen ist.
Infrarotstrahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messleiterbahn und die Heizleiterbahn mit einer dielektrischen Glasschicht abgedeckt sind.
Verfahren zur Herstellung eines Infrarotstrahlers umfassend die folgenden Verfahrensschritte: (a) Bereitstellen eines Trägers aus einem elektrisch nicht leitenden Trägerwerkstoff, (b) Aufbringen einer Heizleiterbahn aus einem ersten Widerstandsmaterial auf dem Träger, und (c) Aufbringen einer Messleiterbahn aus einem zweiten Widerstandsmaterial auf einem Oberflächenbereich des Trägers, der einen Temperatur-Messfleck definiert
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Heizleiterbahn und das Aufbringen der Messleiterbahn mittels Siebdruck erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Widerstandmaterial und das zweite Widerstandmaterial aus demselben Werkstoff bestehen und dass das Aufbringen von Heizleiterbahn und Messleiterbahn in ein und demselben Arbeitsgang erfolgt.