赤外線ヒーター

赤外線ヒーターまたはヒートランプは、電磁放射を通じてより冷たい物体にエネルギーを伝達する高温放射体を備えた加熱器具です。放射体の温度に応じて、赤外線放射のピークの波長は750  nm～ 1 mm。エネルギー伝達には、エミッターと冷却対象物の間に接触や媒体は必要ありません。赤外線ヒーターは真空または大気中で動作できます。

赤外線ヒーターは、赤外線放射の波長帯によって分類されます。

• 短波または近赤外線の範囲750  nmから1.4  μm ; これらのエミッターは、可視光がいくらか放射されるため、「明るい」とも呼ばれます。
• 中赤外線の範囲1.4μmと3μm ;
• 上記のすべてに対応する遠赤外線または暗黒放射体3μmです。

ドイツ系イギリス人の天文学者 ウィリアム・ハーシェル卿は、1800年に赤外線を発見したとされています。彼は、異なる波長における放射パワーの大きさを測定する分光計と呼ばれる機器を製作しました。この機器は3つの部品からできていました。1つ目は太陽光を捉えて色をテーブルの上に導き拡散させるプリズム、2つ目は1色だけが通過できる幅のスリットが入ったボール紙の小さな板、そして最後に3つの水銀入りガラス温度計です。ハーシェルは実験を通じて、赤色光が光スペクトルの中で最も温度変化が大きいことを発見しましたが、赤外線加熱は第二次世界大戦まで一般的には使用されませんでした。第二次世界大戦中、赤外線加熱はより広く使用され、認識されるようになりました。主な用途は金属仕上げ分野で、特に軍事装備の塗料やラッカーの硬化と乾燥でした。多数の電球が非常に効果的に使用されました。今日の基準からすると電力強度は非常に低いものでしたが、この技術は当時の燃料対流オーブンよりもはるかに速い乾燥時間を提供しました。第二次世界大戦後も赤外線加熱技術の採用は続きましたが、はるかにゆっくりとしたペースでした。1950年代半ばには、自動車業界が塗装硬化のための赤外線の可能性に興味を示し始め、多くの生産ラインの赤外線トンネルが使用されるようになりました。^{[1] [2] [3]}

電気赤外線ヒーターに使用される最も一般的なフィラメント材料は、表面積を増やすためにコイル状に巻かれたタングステン線です。低温でタングステンの代替となるのは、カーボン、または鉄、クロム、アルミニウムの合金(商標およびブランド名はKanthal ) です。カーボン フィラメントは製造が難しくなりますが、FeCrAl フィラメントをベースにした同等の中波ヒーターよりもはるかに速く加熱されます。

ヒーターに光が不要または不要な場合は、セラミック赤外線放射ヒーターが適しています。8 メートル (26 フィート) のコイル状合金抵抗線が含まれ、ヒーターの表面全体に均一な熱を放射します。セラミックは放射の 90% を吸収します。吸収と放射は各物体で同じ物理的原因に基づいているため、セラミックは赤外線ヒーターの材料として最適です。

工業用赤外線ヒーターでは、赤外線を反射して加熱対象物に向ける石英管に金コーティングを施すことがあります。その結果、製品に当たる赤外線は実質的に2倍になります。金が使用されるのは、その耐酸化性と約95%という非常に高い赤外線反射率のためです。 ^[4]

赤外線ヒーターは、より広い加熱領域を実現するために複数のヒーターを組み合わせた赤外線モジュール (またはエミッター バンク) でよく使用されます。

赤外線ヒーターは通常、放射する波長によって分類されます。

近赤外線 (NIR) または短波赤外線ヒーターは、1,800  °C (3,270  °F ) を超える高温フィラメントで動作し、フィールドに配置すると数百 kW/m ²の高電力密度に達します。ピーク波長は水の吸収スペクトルよりはるかに低いため、多くの乾燥用途には適していません。深部浸透が必要なシリカの加熱に適しています。

中波 (MWIR) および炭素赤外線ヒーターは、約 1,000 °C (1,830 °F) のフィラメント温度で動作します。最大電力密度は、 中波では 60 kW / m ² (5.6 kW/平方フィート)、炭素では 150 kW/m ² (14 kW/平方フィート) に達します。

遠赤外線エミッター (FIR) は、通常、いわゆる低温遠赤外線サウナで使用されます。これらは、赤外線サウナ市場の中でもより高級で高価な範囲を占めるだけです。近赤外線、中赤外線、熱、光を放射するカーボン、石英、または高ワットのセラミックエミッターを使用する代わりに、遠赤外線エミッターは、低温のまま遠赤外線を放射する低ワットのセラミックプレートを使用します。

温度とピーク波長の関係はウィーンの変位法則によって表されます。

金属線加熱素子は1920年代に初めて登場しました。これらの素子はクロメル製の線で構成されています。クロメルはニッケルとクロムから作られ、ニクロムとしても知られています。この線はらせん状に巻かれ、セラミック本体に巻き付けられます。高温に加熱されると、クロム酸化物の保護層が形成され、線が燃焼や腐食から保護され、素子が光ります。^[5]

ヒートランプは、熱を発生させることを主な目的として使用される白熱電球です。ランプから放射される黒体放射のスペクトルは、より多くの赤外線を生成するようにシフトされます。多くのヒートランプには、放射される可視光の量を最小限に抑えるための赤色フィルターが含まれています。ヒートランプには、多くの場合、内部反射板が含まれています。

ヒートランプは、シャワーや浴室で入浴者を温めたり、レストランの調理場で料理を出す前に温かいままにしたりするためによく使用されます。また、畜産業でもよく使用されます。家禽用のライトは、しばしば育雛ランプと呼ばれます。幼鳥の他に、ヒートランプの恩恵を受けることができる動物には、爬虫類、両生類、昆虫、クモ形類、および一部の哺乳類の幼鳥が含まれます。

ヒートランプに使用されるソケットは通常セラミック製です。これは、特に「ベースアップ」の位置で動作している場合、ランプから発生する大量の廃熱にさらされると、プラスチック製のソケットが溶けたり燃えたりする可能性があるためです。ランプのシュラウドまたはフードは、通常金属製です。電球の熱い表面に触れないように、シュラウドの前面にワイヤー ガードが付いている場合があります。

一般的な家庭用の白色白熱電球もヒートランプとして使用できますが、赤と青の電球は、子育て用ランプや爬虫類用ランプ用に販売されています。250ワットのヒートランプは、通常、中間ねじ口金付きの「R40」(5 インチ反射ランプ) フォーム ファクタでパッケージ化されています。

ヒートランプは、他の治療法が効果的でない、または実用的でない場合に、乾いた熱を与えるための医療治療として使用することができます。^[6]

セラミック赤外線加熱素子は、長波赤外線放射が必要なさまざまな工業プロセスで使用されています。その有効波長範囲は 2～10 μm です。動物/ペットのヘルスケアの分野でもよく使用されています。セラミック赤外線ヒーター (エミッター) は、トラフ (凹面)、フラット、および E27 セラミック ランプ ホルダーによる通常の設置用の電球またはエジソン スクリュー素子の 3 つの基本的なエミッター面を使用して製造されています。

この加熱技術は、一部の高価な赤外線サウナで使用されています。また、エネルギー効率の高いスペースヒーターにも使用されています。これらは通常、壁や天井に設置されるかなり大きなフラットパネルです^[7]または床に組み込まれています^[8] 。これらのヒーターは、カーボンファイバー技術に基づく低ワット密度のセラミックエミッターを使用して長波赤外線を放射します。より効率的な設計では、ナノテクノロジーと統合されたカーボンファイバーの組み合わせであるカーボンクリスタルを使用して、カーボンをナノメートル形状に変換します。^[9]加熱要素が比較的低温であるため、遠赤外線ヒーターは、ほこり、汚れ、ホルムアルデヒド、塗装コーティングからの有毒ガスなどからの放出物や臭いを発しません^[10] 。そのため、このタイプのスペース暖房は、ヨーロッパで重度のアレルギーや多重化学物質過敏症の人々に非常に人気があります^[11]。遠赤外線技術は部屋の空気を直接加熱しないため、利用可能な表面の露出を最大限にして、暖かさを再放射して、周囲全体を均一に暖めることが重要です。これは放射加熱として知られています^{[12] 。}

ハロゲンランプは、高圧の不活性ガスと少量の ハロゲンガス（臭素またはヨウ素）を混合した白熱ランプです。これにより、フィラメントの寿命が長くなります（ハロゲンランプ#ハロゲンサイクルを参照）。これにより、ハロゲンランプは他の白熱ランプよりもはるかに長寿命になります。ハロゲンランプは高圧と高温を発生するため、比較的小型で、標準的なガラスよりも融点が高い石英ガラスで作られています。ハロゲンランプの一般的な用途は、卓上ヒーターです。^{[13] [14]}

石英赤外線加熱素子^[15]は中波赤外線エネルギーを放射し、迅速なヒーター応答が求められるシステムで特に効果的である。石英バルブ内の管状赤外線ランプは、1.5～8μmの波長の赤外線を放射する。密閉されたフィラメントは約2,500 K（2,230 °C、4,040 °F）で動作し、オープンワイヤコイル光源よりも短波長の放射を多く発生する。1950年代にゼネラル・エレクトリック社で開発されたこれらのランプは、約100ワット/インチ（4 W/mm）を放射し、組み合わせることで500ワット/平方フィート（5,400 W/m ²）を放射することができる。^[要出典]さらに高い電力密度を実現するために、ハロゲンランプが使用された。石英赤外線ランプは、均一で集中したパターンで放射を向けるために、高度に研磨された反射鏡で使用されている。

石英ヒートランプは、食品加工、化学処理、塗料乾燥、凍結物の解凍に使用されています。また、寒冷地やインキュベーターでの快適な暖房、その他の加熱、乾燥、ベーキングの用途にも使用できます。宇宙再突入機の開発中、石英赤外線ランプの列は、28kW/平方フィート（300kW/m2）もの高出力密度で熱シールド材料をテストするために使用されました^。 [ ^16] 2000年に、ゼネラルエレクトリックは、英国の赤外線暖房メーカーTansunと共同で、最初の石英防水ランプを発売しました。^[17]

最も一般的な設計は、サテンのような乳白色の石英ガラス管または透明な石英に、通常はタングステン線または鉄・クロム・アルミニウム合金の薄いコイルなどの電気抵抗要素を取り付けたものから構成されます。大気中の空気を除去し、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを充填してから密封します。石英ハロゲンランプでは、ヒーターの動作寿命を延ばすために 少量のハロゲンガスが追加されます。

動作温度で放出される放射エネルギーの大部分は薄い石英管を通して伝達されますが、そのエネルギーの一部はシリカ石英ガラス管に吸収され、管壁の温度が上昇します。これにより、シリコンと酸素の結合により遠赤外線が放射されます。^[要出典]石英ガラスの加熱要素はもともと照明用に設計されましたが、ランプが最大出力のとき、放出されるエネルギーの5%未満が可視スペクトル内にあります。^[18]

石英タングステン赤外線ヒーターは中波エネルギーを放射し、動作温度は最大 1,500 °C (2,730 °F) (中波) および 2,600 °C (4,710 °F) (短波) に達します。数秒以内に動作温度に達します。ピーク波長放射は約 1.6 μm (中波赤外線) および 1 μm (短波赤外線) です。

カーボンヒーターは、長波、中波、短波の遠赤外線熱を発生できるカーボンファイバー加熱要素を使用します。加熱する空間に合わせて正確に指定する必要があります。^[要出典]

赤外線ヒーターには基本的に 2 つのタイプがあります。

• 明るいまたは高輝度
• ラジアントチューブヒーター

工業用および商業用の建物の暖房に使用される放射管式ガス燃焼ヒーターは、天然ガスまたはプロパンを燃焼させて鋼鉄製の放射管を加熱します。制御バルブを通過したガスは、カップバーナーまたはベンチュリー管を流れます。燃焼生成ガスが放射管を加熱します。放射管が加熱されると、放射管からの放射エネルギーが床や周囲の物体に当たり、それらを暖めます。この暖房方式は、整備工場などで大量の冷気が突然吹き込まれた場合でも暖かさを保ちます。ただし、冷たい通風には対抗できません。

赤外線ヒーターの効率は、ヒーターが消費する総エネルギーと生成される赤外線エネルギーの量を比較した値です。プロセスを通じて常にいくらかの対流熱が発生しますが、ヒーター全体に空気の流れが生じると、赤外線変換効率が低下します。新品で汚れのない反射板の場合、放射管の下向き放射効率は約 60% です。(残りの 40% は、回復不可能な上向き放射損失と対流損失、および煙道損失です。)

高温の電球や器具に触れる危険性に加え、高強度の短波赤外線は、皮膚に長時間さらされたり、ヒーターが対象者に近すぎると間接的な熱傷を引き起こす可能性があります。長期間にわたって大量の赤外線にさらされた人（ガラス吹き工やアーク溶接工など）は、虹彩の脱色や房水の混濁を起こす可能性があるため、曝露は適度に抑える必要があります。^[19]

電気加熱式赤外線ヒーターは、入力の最大86%を放射エネルギーとして放射します。^[20]入力された電気エネルギーのほぼすべてがフィラメント内で赤外線放射熱に変換され、反射板によってターゲットに向けられます。一部の熱エネルギーは伝導または対流によって加熱要素から除去されますが、加熱された空間ですべての電気エネルギーが必要な設計ではまったく損失にならない場合があります。または、放射熱伝達のみが望ましいか生産的である状況では、損失と見なされる場合があります。

実際の用途では、赤外線ヒーターの効率は、放射波長と加熱する物質の吸収スペクトルの一致に依存します。たとえば、水の吸収スペクトルは、約3 μm。これは、中波または炭素赤外線ヒーターからの放射が、NIRまたは短波赤外線放射よりも水および水性コーティングによってはるかによく吸収されることを意味します。同じことは、PVCやポリエチレンなどの多くのプラスチックにも当てはまります。それらの吸収のピークは3.5μm。一方、一部の金属は短波長域のみを吸収し、中赤外線と遠赤外線で強い反射率を示します。このため、加熱プロセスにおけるエネルギー効率を高めるには、適切な赤外線ヒータータイプを慎重に選択することが重要になります。 ^[21]

セラミック素子は300～700℃（570～1,290℉）の温度で動作し、2～10μmの範囲。ほとんどのプラスチックや他の多くの材料はこの範囲の赤外線を最もよく吸収するため、セラミックヒーターがこの作業に最適です。^{[22] [要出典]}

IR ヒーターは、次のようなさまざまな加熱要件を満たすことができます。

• 非常に高い温度。エミッターの最高温度によって大きく制限される。
• 応答時間は1～2秒程度と速い
• 温度勾配、特に高熱入力の材料ウェブ上
• 伝導加熱法や対流加熱法に比べて加熱面積が集中している
• 非接触なので、伝導加熱や対流加熱のように製品を乱すことはありません。

したがって、IR ヒーターは次のような多くの目的に適用されます。

• 暖房システム
• コーティングの硬化
• スペースヒーター
• プラスチックの収縮
• 成形前のプラスチック加熱
• プラスチック溶接
• ガラスと金属の熱処理
• 料理
• 動物園や獣医クリニックで乳児や飼育動物を温める

• セラミックヒーター

• Deshmukh, Yeshvant V.:工業用暖房の原理、技術、材料、用途、設計。Taylor and Francis、フロリダ州ボカラトン、2005 年。
• Siegel, Robert および Howell, John R.: Thermal Radiation Heat Transfer。第 3 版。Taylor and Francis、フィラデルフィア。