デジタル印刷における赤外線乾燥技術の動向

エクセリタスノーブルライトは長年赤外線ヒーターを取り扱っており、印刷業界でも乾燥プロセスに古くから実績があるが、最近のデジタル印刷の開発には目を見張るものがある。印刷業界全体が不況の中、デジタル印刷だけが伸びていっているのではないだろうか。安価・大量印刷の時代から、少量・高付加でオン・デマンドの印刷へと時代の要求が変わってきているのが背景にあるものと思われる。

デジタル印刷には多くの種類があるが、今回は水性インクジェットに対象を絞って赤外線技術について説明させていただく。

熱風乾燥との相違を考えたい。熱風との大きな違いは、光がコート膜の中に入るという点にある。基本的に熱風は表面にしか作用しない。その熱の伝わり方は表面からの熱伝導となる。そのため、どうしてもコート表層から乾燥が始まるので皮張りなどの問題を抱えやすく、おのずと急速乾燥に限界がある。

それに対し赤外線乾燥の場合、赤外線がコート内部まで透過するのでコート全体を同時に加熱・乾燥することができる。もちろん熱伝導のファクターもあるが、熱風と比べると断然加熱速度に優れている。また、空気という媒体を使用せずにエネルギーを目的物に与えられるので、熱風特有のゴミ問題も極端に改善できるメリットがある。

もう1つの特長は、熱風より小さなスペースに大きなエネルギーを投入できることである。理論式から少し考えてみたい。

熱風炉の場合 対流熱伝達：ｑｃ＝ｈｃ・（Ｔ₁−Ｔ₂） 式1

赤外線の場合 放射熱伝達：ｑｒ＝ε・δ・（Ｔ₁⁴−Ｔ₂⁴） 式2

ｑ :エネルギー密度（熱流速）（W/m²）

ｈｃ：強制対流熱伝達率（W/m²・Ｋ）

ε :放射率

δ :ステファン・ボルツマン定数

Ｔ₁ :熱風温度、放射源温度（Ｋ）

Ｔ₂ :ワーク温度(Ｋ)

理論的な話しは終わりにして、実ラインでのインクジェット乾燥での赤外線ヒーターの導入に話を進めていく。インクジェットと一口に言っても、様々なアプリケーションがあるようだ。機材も紙だけではなく、繊維、電子部品、ガラスなど、その可能性は広がっているように思える。残念ながら全てを対象に説明はできないので、今回は紙ベースの一般的な水性インクジェットを対象に絞って説明させていただく。

赤外線ヒーターは有効的な手段ではあるが、風なしには乾燥プロセスは成り立たない。赤外線ヒータープロセスでも「風」が大切なポイントとなる。機能性フィルムのコーティングでは、コート面に風を出来るだけ当てたくないという困難な要求もある。しかし、紙ベースの水性インクジェットでは風を嫌うことは少ない。赤外線プロセスであっても、蒸発水分を取り除く・運び去る役目は乾燥風に負っている。風を多く入れれば、乾燥速度が上がる傾向にあることは間違いない。一つの実験結果を紹介しよう。同赤外線プロセス条件で風の量を振った場合の実験である。

ここでの風は室温の風である。大量に入れれば、乾燥炉の内部温度や紙面温度が下がる傾向があるが、それでも乾燥効率は上がっていくのである。乾燥効率を高めようと、熱を乾燥炉に閉じ込める構造は逆効果になる場合があるので要注意である。

それでは、風量を増やすのではなく風を温風に変えるとどうだろうか。これは良く取られる手段で、温風の温度を上げれば乾燥が早くなるはずである。同じく実験結果を示す。

風の温度を上げていけば速度はアップしていく。しかし、温風を発生させるためには追加の熱エネルギーが必要となる。一般的には同じ速度アップを得るためには、風量を上げる方が省エネとなると思われる。

さらに風の入れ方、対象物への当て方でも乾燥効率が変わってくると報告されている。欧州の印刷機メーカでは各社独自のエアーノズルを開発していると聞いている。

また、入れた風を抜くことも忘れてはならない点である。インクジェット印刷機では乾燥用に入れた風がそのまま作業室・装置内に放出されて良いはずがない。排気ダクトを含めた形でコンパクトな設計が求められている。

赤外線ヒーターと対象物をどの程度の距離にするのが妥当か。遠く離せばヒーターから照射された赤外線エネルギーは拡散していき弱くなる。近ければ効率が上がることは確かであるが、接触の危険性が増す。安全性やメンテナンス性などを含めて判断すべきであろうが、実ラインでは照射距離は50mmが一般的である。

フィルム関連のコーティング乾燥プロセスなどではシート幅も大きくまた乾燥ゾーンも長いので、照射距離の違いの影響はそれほど感じられないが、インクジェット印刷では対象サイズが小さいく必然的に赤外線モジュールサイズも小さいため、照射距離のファクターが形態係数的に大きくなる。ドイツの実験結果でも100mmと50mmの距離の違いで10~20%の効率の違いがみられている。