ハロゲンスポットヒーターやハロゲンラインヒーターの基本原理や詳細な解説
                             
 
      光 加 熱 の 解 説 書
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1. 光加熱の概要
2. 光加熱装置の選択
3. 適切な御使用方法について
4. 安全上の注意事項(重要)
5. 集光径(幅)について
6. ハロゲンランプの特性
7. 点集光型 光加熱ヒータ (ハロゲンスポットヒータ) HSH型 製品紹介
8. ライン集光型 光加熱ヒータ (ハロゲンラインヒータ) LHW型,LHA型,
NIL型 製品紹介
9. 空洞加熱法の提案 (高効率,高温均一加熱)
10. 各種物質の光吸収率 物性データ



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 1.光加熱の概要                

当社の光加熱はハロゲンランプの光を凹面鏡で集光し高温を得るものです。

集光形態により、点集光型と線(ライン)集光型に分類しています。        

ハロゲンランプの光の波長域は約1μmをピークとする0.4〜2.5μm域(可視光〜近赤外線域)です。 

ハロゲンランプ方式を他の光加熱方式と比べた場合、以下の特徴があります。

1 比較項目 ハロゲン
ランプ
遠赤外ヒータ レーザー キセノン
ランプ
放射への変換効率

◎約90% ○約70% △〜○
高密度照射(高温加熱)

◎約1400℃ △約400℃ ◎ほぼ無制限 ◎約1800℃
起動時間が短い

◎パルス可 ◎パルス可
コストが低い

サイズが小さい

遠距離から照射できる

金属加熱

× ◎波長選択
非金属加熱

◎〜△ 差が大 ◎波長選択 ◎〜△
ガラスごしの加熱

× ◎波長選択
クリーンな加熱

半透明体の浸透加熱

× ◎波長選択
安全性

                                       

上記を総括すると、ハロゲンランプを使った光加熱の特徴は

(1)放射エネルギーへの変換効率が非常に高い

(2)ヒータ自身の温度立ち上がりが極めて早い(約1秒間)             

(3)低コスト(イニシャル,ランニングとも)
                    
(4)高温まで加熱できる(1000℃以上) 

(5)ガラス越しの加熱が可能


以上が特筆すべき項目です。上記以外にも下記の様な特徴があります。


(6)金属に対する吸収率が遠赤外ヒータよりも良い。非金属に対してはよくない物も
   ある(差が大きい)。  参考データ  各種物質の放射率(吸収率)

(7)半透明体(皮膚や塗料や接着剤など)は比較的内部まで入り込み、内部からも加
      熱される。

(8)石英ガラス製なので塵やガス類の発生がなく、クリーンルームでの使用にも適し
   ている。(ただしリード線や端部処理なども「クリーンルーム仕様」にする必要
   がありますので、一般的なハロゲンヒータではダメな場合もあります。) 

(9)人体その他に対して比較的安全な加熱装置です。ただしガラス製高圧ランプです
      ので、それなりの取扱注意は必要。レーザーは、特に可視光レーザーや近赤外線
      レーザーの場合、失明リスクがある。 キセノンランプはハロゲンランプの5倍以
      上に達するような高圧封入ランプなので破裂のリスクが高く、さらに紫外線が非
      常に強い。また起動時に数万ボルトに達するような高電圧を使用する。
                                                                                         


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 2.光加熱装置の選択

点集光型(スポットヒータ)

ポイントで加熱したいとか円形の範囲を加熱したい場合は「点集光型(スポットヒータ)」を選択してください。点集光型はミラーカーブをコントロールすることにより、ご希望の配光分布に設計することが比較的容易です。ただしご要望内容によっては不可能な場合もありますので、ご相談ください。

一点に集光させる場合でも円形範囲を加熱する場合でも、照射距離(ミラー開口端から照射物までの距離)は短い方が有利です→光エネルギーのロスが少なくなり、点集光型の場合は集光径が小さくなり、より高温が得られます。

点集光型(スポットヒータ)はNC旋盤で作れますので、特注品でも比較的安くつくれます。それでも標準品に比べると1.5倍〜2倍程度の価格にはなりますが。


線集光型(ラインヒータ)

線状に加熱したい、又は幅を持った帯状に加熱したい場合は「線集光型(ラインヒータ)」を選択してください。線集光型はミラーカーブによりコントロールできるのは集光の幅方向だけであり、長さ方向はミラーではコントロールできません。

長さ方向で均一な加熱長さが必要であれば、ラインヒータはその必要な均一加熱長さよりも十分に長くする必要があります。ランプの発光パターンをコントロールすることにより均一な加熱幅を広げることは可能ですが、設計も製作も難しい作業になります。この場合でも照射距離が短いほど均一な加熱ができる範囲が増えますので、短距離照射ほど有利です。距離が非常に長くなると、中心からズレる角度により、ほぼ(COSθ)^2で減衰する照射強度となります。

コンベア上のものを均一に加熱したい場合などは、全体を加熱するラインヒータと、端部のみを加熱するラインヒータを採用するのも良い方法です。全体を加熱するラインヒータだけでは一般的に端の方が温度が低くなりますので、端部のみを加熱するラインヒータの出力を調整しながら、コンベア上全体が均一な温度になるように調節します。

標準の線集光型ミラーはアルミの押出型材を使用しています。標準以外の特注ミラーはフライス盤での加工となり、高価な物になります。


アルミミラーと金メッキミラー

点集光型も線集光型もヒータ本体はアルミで作ります。そのアルミを研磨して鏡面にしたのがアルミ鏡です。下図のようにアルミ鏡はハロゲンランプの放射光に対する反射率が90%弱なので、後記する金メッキミラーより反射率で劣ります。また長期間使用すると酸化により反射率が若干低下してきます。

しかしアルミ鏡の場合はユーザーサイドで簡単に再研磨ができるというメリットもあります。

金メッキ鏡はハロゲンランプの放射エネルギーを効率よく反射する、という目的では最も優れたミラーです。ただし加熱対象から蒸発する物質などで汚れた場合、汚れの種類によっては金メッキを剥がす事があります。この場合、金メッキは修復できませんので、再メッキとなり、100cm^2あたり1万円程度(時価)の費用がかかります。そのため金メッキ鏡の場合は汚さないように最大限の注意をしてください。汚さないかぎり、金メッキミラーは長期間の使用に耐えます。反射率の低下も非常に少ないです。

ミラーを汚さない工夫としては、ミラーと加熱対象物との間にガラス窓を設ける事です。このガラス窓は汚れたら簡単に清掃できるようにしておく必要があります。ガラス材質ですが、石英ガラスが適しています。ただし石英は高価ですので代替品としてパイレックスガラス(商品名。他の同等品としてはテンパックスなど)でも多くの場合は使えます。

当社のスポットヒータで窓ガラスが標準装備される品種では小径のSH-35は石英ガラスを使い、HSH-60はパイレックス又はテンパックスを使っています。HSH120やHSH-160はオプションとなりますが、石英ガラスを使用しています。

上記以外の方法としてはミラー内に清浄なエアー等を吹き込み、ミラー内部をプラス圧力にしておくという方法も有効です。ただしこの場合もガラス窓でミラー内をある程度密閉構造にしておかないと効果がありませんので窓ガラス方式の補助的な手段となります。





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 3.適切な御使用方法について

概要

ハロゲンランプを使った光加熱装置は基本的にはハロゲンランプそのものですので、使用方法も注意事項もハロゲンランプ及びそれの装着器具に対するものと同じです。一般のハロゲンランプ照明器具と同じで電圧のコントロールのみで簡単に0〜100%の調光ができます。

ただ器具のサイズの割には出力(電力)が大きいので、冷却の問題が発生します。大出力の光加熱装置では水冷又は強制空冷を採用しています。


突入電流に対する対策

ハロゲンランプはいきなり高い電圧を加えると初期に5倍以上に達するような突入電流が流れ、ハロゲンランプに悪影響を与えます。この影響は電流値の大きなランプほど顕著になります。10A以上のランプの場合は必ず!、それ以下の電流値のランプの場合でもできるだけ1秒間以上のソフトスタート付電源を御使用ください。
  ⇒突入電流の実測データ

電源によってはこの突入電流によりブレーカが働き、通電出来ない場合もあります。直流電源の保護回路で時々見かける「フの字型特性」による過電流保護を行っている機種はハロゲンランプ用電源としては使えません。「垂下特性」による保護であれば大丈夫です。ただし正確には電源メーカーに問い合わせてください。

大電力のハロゲンランプ(300w以上)はほとんど交流電源を使いますので、供給電力のコントロールは位相制御(サイリスタ制御)で行うのが普通です。サイリスタ制御器はソフトスタート機能を組み込む事も容易なので、簡便な機種以外には標準で付属している場合が多いです。


寿命を縮めないための注意事項

定格電圧を超える電圧はできるだけ加えないでください。断線や黒化,破裂などの原因になります。必要加熱条件を満足する範囲で出来るだけ低い電圧で御使用いただくのがランプ寿命の点で非常に有利になります。 →10%の電圧低下で寿命は約3倍になります。

電源は交流が安全です。ただし24v程度以下の品種は直流でもかまいません。交流で使用される場合ですが、定格電圧よりも高い電圧から位相制御(サイリスタ制御)で適切な電圧を得ようとするのは危険です。この場合、実効値が定格電圧以下でも瞬間的には高い電圧が加わるので、ランプ内で絶縁破壊を起こし、断線や破裂をする場合があります。

電源に定格電圧の交流を使い、それを位相制御(サイリスタ制御)で電圧を下げる方向にコントロールするのが正しい使い方です。

本体及びハロゲンランプにはできるだけ振動や衝撃を加えないようにして下さい。衝撃が強い場合はその場でガラスが割れたりフィラメントが断線します。しかしこれらの異常が明確には見られなくてもフィラメントにダメージが残っている場合があり、寿命の低下につながります。
                                         
点集光型は点灯方向の制限はありません。しかし線集光型は基本的には水平で御使用ください。これはこのヒータに使うハロゲンランプの構造的特徴によります。しかし垂直点灯に対応したハロゲンランプを設計製作することも可能ですので、ご相談ください。


ヒーターの冷却について

冷却水が必要な機種では、ランプ電力1kw当たり0.5 L/min.以上の冷却水を流して下さい。2kwのヒータの場合は1 L/min.以上です。この時の水温上昇は約10℃になります。できれば最低流量の2倍程度流してください。また水が止まった場合にはランプの電源も切れるようなインターロックを付ける事が望ましいです。

水冷タイプは200kPa(約2kgf/cm^2)程度以下の水圧で使われる事を想定して設計,製作しております。もし300kPaをこえるような水圧で使われる場合にはご相談ください。     

多くの光加熱装置はミラー部で発生する熱エネルギーは供給電力の約1/3です。つまり供給電力の約1/3を放熱してやらねばならず、小電力のヒータならば自然冷却でも可能なのですが、大電力でコンパクトな装置となると水冷又は強制空冷が必要になります。

冷却水として地下水を使われている場合などで、外気温より水温がかなり低い場合には結露が問題になります。結露かひどい場合には漏電の危険があったり、またミラーの反射率にも影響する場合があります。このような場合には長い銅管を通すなどして外気温との差を少なくした上でヒーターに供給するとか、通電していないときには冷却水も停止し、通電中も流れる量を必要最低限にする、などの対策を講じてください。

冷却水の水質によっては冷却水路に異物が蓄積します。アルミの腐食が起こり、そのアルミ化合物が蓄積することもあります。適時清掃して水の通りを良く保ってください。


その他

ランプ交換の際はランプを汚さないようにご注意ください。もし汚れた場合はアルコールを含ませた布などできれいに拭き取ってください。そしてミラー本体側のランプ装着部もきれいに拭いてください。この部分が汚れているとランプ装着時にランプを汚すおそれがあります。

反射鏡面はこの加熱装置の最も重要で、最もメンテナンスを要するところです。「光加熱装置の選択」項でも触れましたが被加熱物から蒸発や燃焼などで発生する煙などがミラー面に付着すると大幅に性能が低下します。このような加熱対象物を加熱する場合には保護ガラスを光加熱装置の前面に設置し、これを適時清掃,交換してください。ミラー内空間に清浄な空気を吹き込み、内部をプラス圧にしておけば煙の進入をより完璧に防げます。

ランプ交換は簡単な操作で再現性よく高精度に取り付けることができるような設計にしております。ただし加熱装置本体部などを分解されますと簡単には復元できない場合があります。通常ならば本体部の分解などは必要ないはずですので、このような事は避けてください。どうしても必要な時にはご相談ください。



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 4.安全上の注意事項 →人体等に対する危険を回避するため必ず守って下さい

本体,ランプ部等は通電中,及び通電直後には非常な高温になっていますので、火傷や火災等の原因にならないよう十分注意してください。また集光部近くの空間も非常な高温となりますので、同様な注意が必要です。      

ハロゲンランプの様な高圧封入のガラス製電球は破裂する危険がゼロではありません。破裂すると高温(600℃以上)の石英ガラスが飛散しますので非常に危険です。

この危険を回避するためには、もし破裂しても火災や人体等への危険が無いように設計された器具,条件下で御使用いただくとともに、電源ラインには適切な速断FUSEを挿入してください。

破裂は多くの場合、フィラメントが断線した後にランプ内部でアーク放電が起こり、それによる高温で内部圧力が上昇して破裂します。又は前記アーク放電による大電流でモリブデン箔が焼け切れ、そのときに石英ガラスが割れてランプ破裂に至ります。従ってランプの破裂はフィラメント断線時にアーク放電が起きる高電圧のランプで起こりやすいと言えます。低電圧ランプ(24v以下)では破裂は少ないです。ただしゼロではありませんので、やはり細心の注意をしてください。  
                                          
ハロゲンランプの光にはその特性上、微量ながら人体に有害な紫外線も含まれます(太陽光の1/10程度)ので長時間、高照度での人体等への照射は注意が必要です。また紫外線硬化樹脂の加熱用途などでは紫外線カットフィルターが必要な場合もあります。

紫外線でなくても強い光は目に有害です。点灯中のランプのフィラメントやスポットヒータの集光部を見る場合には濃いサングラスなどで眼を保護してください。

光加熱装置(HSH,LHW等)は濡らさないで下さい。また安全の為に本体をアースしてください。

ランプ交換の際は電源がOFFになっていることを必ず確認してください。



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 5.集光径(幅)について

集光型光加熱ヒータで照射径を最も絞ったところでの集光径は下記の様な関係になります。

1.集光径は開口径にほぼ逆比例して変化します。
  ミラー開口径が大きいほど小さく絞り込め、高温が得られる。

2.集光径は焦点距離(照射距離)にほぼ比例して変化します。
  焦点距離が短いほど小さく絞り込め、高温が得られる。

3.集光径は光源サイズにほぼ比例します。
  ランプのフィラメント径はほぼ電力の平方根に比例です。
  光源が大きい(電力が大きい)ほど照射径も大きくなります。
  つまり電力の大きいハロゲンランプを使えば照射径が大きくなり、パワー密度は変化しない。

下図はこの関係により実用的な計算方法を示すものです。学術的には不正確な方法です。



上記は光エネルギーを絞って小さな高温スポットを得たい場合の計算です。ここでの焦点径というのは、ほぼ中心部と同じ温度になる範囲と考えてください。焦点径にはいろいろな定義があり、中心部の1/2の照射強度になる範囲、ということであれば上記計算結果の2倍以上の焦点径となります。またfが極端に短い場合も成り立ちません。

短焦点(焦点距離が開口径の半分程度)のミラーの場合、大まかには光源サイズと同程度の焦点スポット径になると思ってください。





ある程度広い範囲を加熱したい場合には焦点位置から前後にずらせて使用する方法もあります。専用設計,製作する事もできますが、コスト,納期の問題で、できれば焦点位置からずらせて使用できないかを試みるべきでしょう。以下は照射距離を変化させた場合の照射径,照射パターンの変化を示したものです。


  f=15の機種を10oの距離で照射

  ほぼ均等な分布で照射径が大きく
  なっている


  f=15の機種を15oの距離で照射

  焦点位置なので光束が最も絞られ
  た状態。最高温度が得られる


  f=15の機種を20oの距離で照射

  照射径が大きくなっているが中央
  部がやや強い

 

  f=15の機種を30oの距離で照射

  照射径が大きくなり、ほぼ均等な照
  射




上記は点集光型(スポットヒータ)の場合でしたが、線集光型(ラインヒータ)でも同様です→下の写真参照

焦点位置からどちら方向にずれても集光幅が広がるのは同じですが、長さ方向の配光は距離が離れるほど一方的に長くなっていきます(距離が十分に離れると、ほぼ距離に比例して増加)。



  f=20の機種を12oの距離で照射

  中心部が少し暗いが照射幅がかな
  り広くなっている


  f=20の機種を14oの距離で照射

  ほぼ均等な分布で照射幅が広くな
  っている


  f=20の機種を20oの距離で照射

  焦点位置なので最も細く集光してい
  る


  f=20の機種を30oの距離で照射

  ほぼ均等な分布で照射幅が広くな
  っている





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 6.ハロゲンランプの特性

ハロゲンランプは電圧を変化させると各種の特性が変化します。最も大きく変化するのは寿命であり、電圧を10%下げると寿命は約3倍になります。

ランプ寿命はフィラメントの温度(色温度)でほぼ決定されます。3000Kで約1000時間であり、3200Kで200〜300時間となります。温度が3000Kより大幅に低い時の寿命は計算上極端に長くなりますが、フィラメントの計算寿命が長くなっても各種の要因でランプとしての寿命は計算通りにはなりません。一応の目安として2600Kで5000時間、2200Kで2万時間程度の値が採用されています。

ランプの寿命を制限するものはフィラメント温度だけではありません。シール部温度が高い場合にはこれがランプ寿命を決定する要因になります(下図参照)。ランプ寿命が2000時間程度の場合、シール部温度が350℃以下であれば、この部分の耐熱が寿命を制限する要因にはなりません。350℃以上の場合、2000時間以内でシール部が破損して使用不能となります。

     電圧の変化における諸特性変動特性表
 電圧
 (%)
電力(%) 光束(%) 効率(%) 色温度(%)
  100   100   100   100   100
   95    92     84     93     98 
   90    85    70    86    96
   80    70    47    72    93
   70    57    30    59    88
   60    45    18    47    84
   50    33    10    36    78
  105   108   118   107   102
  110   116   138   115   103
  115   125   161   123   105
  120   133   186   131   107




















  
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