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空洞加熱法で比較的広範囲を加熱したい場合

空洞加熱法で比較的広範囲を加熱したい場合

大きなワークの、比較的大きな面積を加熱したい場合には、上図のように、断熱材とワーク自身で空洞を構成します。

ワークの光吸収率が悪くても、これなら良好な加熱ができます。 窓から投入された光エネルギーはワークにあたってその一部が吸収されます。 反射し易い材料ならば、一度照射した光エネルギーの大部分を反射してしまうが、この空洞加熱の場合には反射された光エネルギーも逃げ出すことができず、内部で何度も反射を繰り返す内にほとんど吸収されてしまいます。

繰り返しの反射や壁面吸収の再放射などにより、内部はかなり均一に加熱されます。

広い面積の加熱=放物面鏡による平行光での加熱,と単純に考えず、集光型ヒータと空洞吸収体の組み合わせが多くの事例でベストなのです。

従来方式による光加熱方法(開放照射)と、その比較

従来方式による光加熱方法(開放照射)と、その比較

放物面鏡を使用して、広範囲に照射加熱することは一応可能です。 
しかし、加熱対象物に吸収されず反射された光エネルギーは無駄に飛散し、エネルギーロスになるとともに外部の作業環境を悪化させます。(まぶしい、暑い)
さらに、加熱対象物が高温になると、加熱対象物からの熱放射はすぐに逃げてしまい、保温性はよくありません。

つまり、開放照射方式は熱効率が非常に悪く、高温加熱は難しいのです。

開放照射方式でも耐火断熱材で覆って空洞に近いものを形成する事は可能です。 
しかし、窓が大きくなってしまい、窓からの放射も大きくなるので空洞加熱の効果はありません。
さらに、放物面鏡が浅くなるために、ランプの光を受け止める割合は少なくなります。
つまり、光の利用率が低くなり、熱効率が悪い。 この欠点の改善のために放物面鏡ではなく集光型のミラーを使い、集光後にふたたび広がったところで加熱することも行われます。次項実験の「枠無し」加熱がこれに相当します。

空洞加熱法による比較的広範囲の加熱の実証試験

以下は空洞加熱法による比較的広範囲の加熱の実証試験データです。

この場合、窓のサイズをいくらにするかが重要です。 小さいとランプの光の一部を遮ることになり、被加熱物体の温度上昇速度が遅くなる傾向があります。 一般的な集光型ミラーの場合、焦点位置では光源サイズの4~5倍程度まで光の広がりがあるので、窓も4~5倍程度ないと100%近くの光を通過させることはできません。 しかし周辺部のパワーは少ないので、実験的には光源サイズの4倍程度が適切です。

今回の実験のヒーターはHPH-60/24v-280wを使用しました。 HPH-60/24v-280wの光源(フィラメント)サイズは約φ6なので、窓サイズとしてφ25を採用しました。 φ25は一般に言う「集光径」よりもかなり大きいですが、窓を通過できない光を無くして理想的に加熱する為です。 なお、最終的な到達温度は、窓サイズが「集光径」程度の方が明らかに高くなります。 しかし、立上がり時間が遅いと実用上不利です。

実験結果は予想通り空洞加熱法による効果が大きく表れています。 通常の加熱法では約670℃のところが、空洞加熱法(枠有)では約920℃まで加熱できました。 温度の立上がりも早く温度分布ムラも小さくなりました。

枠無し(通常の開放照射)と同じ程度に加熱するには、空洞加熱法によれば約53%の供給電力で済み、-47%の省電力(ほとんど半分)です。

空洞加熱法による比較的広範囲の加熱の実証試験1

空洞加熱法による比較的広範囲の加熱の実証試験2

上図は枠有16v(143w)の時に枠無の24v(269w)と同等の到達温度になる事を示しています。そして、立上がりは遅くなります。 しかし、立上がり時には24vを加え、途中から16v運転になるように制御すれば、立上がりは早く、昇温後は枠無しの場合の半分近くの消費電力で同等の加熱ができます。

空洞加熱法による比較的広範囲の加熱の実証試験3

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