空洞加熱法の原理について

空洞加熱法は集光型ポイントヒーターやラインヒーターを用いて、ピンスポットから比較的広い範囲まで高効率で高温度に均一加熱できる方法です。

お勧めの用途

  • 比較的広い範囲を高効率で光加熱したい
  • 加熱対象物の光吸収が悪く、加熱困難なとき
  • 最高温に加熱したい場合
  • 加熱に要する消費電力を抑えたいとき

空洞加熱法の原理について
空洞加熱法の原理について

ハロゲンランプを使用した集光加熱は、従来の概念では加熱対象物に光を集中させて加熱する、というだけの事でした。
ただ光を照射するだけでは、光吸収率の低い材料や受光面積の小さい材料は熱効率が低いままでした。
この様な不具合を改善するために、空洞吸収体を利用する加熱方法、空洞加熱法を提案いたします。

黒体(熱エネルギー100%吸収体)のモデルとして、空洞放射体がでてきますが、これと同じものです。
空洞に設けた小さな窓は非常に光の吸収率が高い、という性質を利用します。

上図の様な空洞体の窓は光の吸収率が非常に高く、たとえ内部壁面が高反射率の鏡面や白色壁面でも高い吸収率となります。
そのため空胴体の壁面の反射率又は断熱性能さえ良ければ、この空胴体の内部温度は理論上ハロゲンポイントヒータの加熱上限である約1500℃に達し、しかも内部温度は均一になります。

つまり空洞吸収体の利用は、光吸収率の悪い加熱対象物や、比較的大きな物体の加熱や、分散分布した加熱対象物などを高効率で高温度に均一加熱できる方法です。
尚、空洞吸収体は図のような球体や円筒状に限る必要はありません。4角形でも任意の形状でもできます。

空洞の内壁は金メッキの様な高反射率の鏡面が一つの理想形です。 しかし高度な鏡面は維持が難しく、加熱対象物から煙などが発生する場合は特に困難であす。 また高温に耐えない場合もあります。
その点、セラミック系の白色拡散反射面(シリカボードなど)は断熱作用により高温になると自浄作用で高反射率を保つため、メンテナンスフリーに近くなります。 また 反射面でなくても断熱性能さえよければ、素材は選びません。 (温度が上がると壁面から再放射されるため、高反射率と結果的に同じです)。

例えば、空洞吸収体を製作する方法として、ステンレスの薄板を使い周囲を断熱板で覆う方法もあります。
この場合、壁面の温度上昇時間が必要なので、加熱対象物の温度上昇時間も多少長くなります。
タイムロスは立上がりだけで、連続作業では炉内が昇温しているので、タイムロスは無くなります。 
空洞吸収体は、加熱対象物を出し入れできる2つ割り型の構造にもできます。

照射窓に石英ガラスを使えば内部を非酸化性雰囲気にできるので、非酸化加熱加工が可能になります。
あるいは逆に特殊なガス中で何らかの化学反応をさせることもできます。 
真空にすることも難しくありません。

石英窓が小さくて済む、ということは大きなコストメリットがあります。
照射窓にはコストの低い石英管を使うと、石英管ならばφ10程度のものは1mあたり百円以下なので、汚れたら使い捨て、ということも可能になります。

この加熱方法を使えば簡単な構造で高温電気炉も製作できます。
特にクリーンさが要求される電気炉には好都合です。 
炉内に発熱体が存在しないので、内部が汚れません。

より黒体に近づけるためには、空洞の内表面積に対して窓の面積割合が小さいほど有利です。
工業用加熱分野に応用するには、黒体(100%)である必要はありません。
黒体に近いものを作るとなると、吸収率が100%近くなくてはなりませんが、工業用加熱であれば99%でも95%でも、90%でも十分な吸収率です。
従ってこの場合の窓の割合は内表面積の5%以下であれば実用上十分です。場合によってはそれ以上の面積でもそれなりの効果は期待できます。

内壁面が高反射率の鏡面であったとしても、反射率が100%でないかぎり、光が内部で繰り返し反射されている内に吸収されて熱に変わります。 
そのため、内壁面は加熱対象物とほぼ同じ温度まで上昇します。

この加熱法の基本的原理は「エネルギー保存則」「ステファンボルツマン放射」に基づいています。

窓から投入されたエネルギーは空胴体の断熱性能が理想的であれば、窓以外からは逃げる事ができないので内部にエネルギーが蓄積していきます。
つまり温度がどんどん上昇していきますが、無限に上昇していくわけではありません。

空洞の窓からはステファンボルツマン放射が起きます。
この放射エネルギーとヒーターからの入射エネルギーがバランスした所で一定の温度におちつきます。
ハロゲンポイントヒーターのパワー密度は100w/cm^2を超えます。
相当するステファンボルツマン放射は1800℃以上です。
従って理論上は空洞加熱法により1800℃以上に加熱できることになりますが、現実には「理想的な断熱材」というものはなく、いくらかの熱は逃げるので数百℃下回る温度にしかなりません。

ハロゲンポイントヒーター製品一覧

ハロゲンラインヒーター製品情報

お問い合わせ