赤外線の加熱原理とは
~赤外線の加熱原理と加熱に影響する重要なファクター~

産業における加熱プロセスは、装置のボタンをONにし、正確なタイミング、ターゲットとする場所に的確に光エネルギーを入力することが求められます。近年、赤外線加熱プロセスへのご要望として以下のようなご質問があります。

  • ガラスや金属の成形のために数秒で高温加熱処理をしたいが、赤外線で700℃や900℃の高温加熱は可能か
  • 難しい形状をしたプラスチックのバリ取りをしたいが、赤外線ヒーターをそのような特殊形状に合わせることは可能か
  • 熱可塑性プラスチックの成型前に、または金型を予備加熱したいが、赤外線で行うことは可能か

実は優れた赤外線システムを用いれば様々な加熱プロセスが可能です。まずは赤外線の加熱原理と赤外線の加熱原理と加熱に影響する重要なファクターを理解することが大切です。

赤外線の加熱原理

赤外線の加熱原理

赤外線は輻射加熱です。

図のように、加熱対象物に照射された赤外線の光は、反射・吸収・透過に分かれ、吸収された赤外線は原子・分子を振動させて摩擦熱が発生します。これが赤外線加熱の原理です。ヒーターへの入力エネルギーは、ほぼすべて熱エネルギーになります。

しかし、そのすべてが加熱に寄与するのではなく、6つのファクターが実際の加熱に影響します。これらのファクターを理解しておくことが赤外線ヒーターを選定・導入する際に重要になります。

1. 光源温度のファクター

赤外線の加熱原理_光源温度のファクター

赤外線加熱では、光源絶対温度(T1)と対象物絶対温度(T2)は有効エネルギーに対し左式の関係があります。

目的温度が高いプロセスでは光源温度が特に重要になります。

2. 照射効率のファクター

赤外線の加熱原理_照射効率のファクター

ヒーターから対象物に輻射される一次照射率が、加熱効率に対し大きな影響をもつファクターです。ヘレウスのヒーターは独自の金反射膜をヒーターに装着し、照射率95%を達成しています。反射板を必要とする他社製品と比べると20%以上効率がアップします。

3. 赤外線吸収率と透過率のファクター

赤外線の加熱原理‗赤外線吸収率と透過率のファクター

対象物質特有の赤外線吸収率と透過率が、加熱に対する大きなファクターとなります。一般的には、ヒーターの出力波長特性と対象物の吸収波長特性が一致することで、高効率な加熱が可能です。しかし、厚みのある対象物の均一加熱や、塗装、コート、接着剤などの乾燥などでは、基材全体を同時に加熱していく必要があり、赤外線透過率も重要な意味を持ってきます。

4~6. ヒーターの対流損失、立上がり、熱損失のファクター

赤外線の加熱原理‗ヒーターの対流損失、立上がり、熱損失のファクター

4. ヒーターの対流損失のファクター

ヒーターから外気に奪われる熱が対流損失です。発熱体が直接外気と接する構造では外気の影響を大きく受けます。ヘレウスのヒーターは石英ガラスの中に光源フィラメントを保持し、対流損失を極めて小さく抑えています。

5. 立ち上がり性能のファクター

立ち上がり時間の速いヒーターは、予熱・待機状態などエネルギーの無駄を防げます。特にタクト・プロセスなどの場合では大幅な省エネが可能です。また、緊急停止にも対応しやすくなります。

6. 被加熱物からの大気への熱損失のファクター

加熱中の対象物に対する外気による冷えも十分に考慮する必要があります。外気が均一に対象物を冷却するのは希で、影響が小さい中心部と影響が大きい端部との温度差が問題になります。そのため設備構造、ヒーターの選定、配置を考慮する必要があります。

赤外線加熱・乾燥プロセスの特徴

  • 赤外線ヒーターは非接触で熱を加熱対象物に透過します。このためクリーンで高い照射効率を得ることができます。
  • 応答時間が短く、制御性に優れています。このため、プロセス速度の向上と省エネルギー化が可能になります。
  • 赤外線ヒーターは加熱対象物の赤外線吸収波長、電圧、出力と形状に精密に合わせることができます。

輻射する赤外線エネルギーを効率よく目的物に直接照射できるため、高効率な産業プロセスが可能になります。プロセス時間の短縮化、省エネルギー化を実現します。

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