| 著者 | 作成日 | VERSION | 書類番号 |
|---|---|---|---|
| ピーター・マーシャル博士 | ２０２9年２月2017日 | V６０ | CC11 – 00107 |
概要
このホワイトペーパーでは、Ceramicxの石英カセットヒーターを保護し、赤外線の透過を最大限に高めるための最良のガラスの調査について詳しく説明します。 さまざまなメガネが用意されています。 ただし、これらは組成が異なるため、異なる特性透過スペクトルを持ちます。 要素の発光スペクトルをガラスの透過スペクトルに合わせることにより、加熱プロセスのエネルギー効率に最適な組み合わせを特定できます。
方法
2.1マテリアル
それぞれ厚さ3mmの712種類の石英ガラスを調達しました。 最初のガラスはCeramicx標準保護Robax®ガラスでした。 SchottガラスのNextremaTMシリーズ（材料3-724および3-XNUMX）からさらにXNUMXつのガラスを入手しました。 さらにXNUMXつのグラスは別のサードパーティから調達されました。 これらは透明で、わずかに灰色の色調で、白く不透明な色またはつや消しの外観でした。
各ガラスは、500W、230V HQE要素の前面に直接取り付けられました（寸法：123.5 x 62.5mm）。 加熱コイルは、使用可能な6石英ガラス管の7内に配置され、中央管は加熱されないままでした。 HQEヒーター上のその場での各5メガネの画像を図1に示します
712つのSchottガラス（NextremaTM 3-724、NextremaTM 3-XNUMX、およびRobax）のデータシート®）は、図2に示されている赤外線透過スペクトルを示しています。 これは、NextremaTM 712-3が可視スペクトルの放射線をほとんどまたはまったく透過せず、材料の暗い色と一致することを示していますが、NextremaTM 724-3（図2Error！® 眼鏡。 より長い波長では、NextremaTM 724-3材料が透過する放射線の割合はRobaxよりも高くなります® ガラス。
HQE 500Wヒーターには、スペクトルに示されているように、2 –4.2μmの波長帯にピークスペクトルパワー密度（放射）があります（エラー！参照元が見つかりません）。 したがって、この領域で最大の透過率を持つガラスは、実験で最大の熱流束を示すことが予想されます。 これは、長波長よりもエネルギーの高い低波長で特に重要です。
2.2メソッド
ヒーターはハーシェルプラットフォーム内に取り付けられ、通電されました。 電圧は、出力が500±1 Wになるように調整されました。テストを開始する前に、ヒーターを10分間加熱しました。 各ヒーターは、精度を高めるために3回テストされました。
2.3ハーシェル
Ceramicx Herschel熱流束ロボットが全熱流束（W.cm-2）センサーに入射します。 ヒーターはハーシェルに取り付けて、3D赤外線熱流束マッピングルーチンを使用して分析できます。 この自動化システムでは、赤外線センサーを使用します。赤外線センサーは、テスト対象のヒーターエミッターの前にある所定の座標グリッドシステムの周囲にロボットで誘導されます。 センサーの最大熱流束レベルは2.3 W.cmです-2 0.4-10マイクロメートル帯のIRを測定します。 座標系は、加熱エミッタの前にある500mmの立方格子です（図3を参照）。 ロボットは、X方向とZ方向に曲がりくねった経路に沿って25mm刻みでセンサーを動かし、加熱エミッターはY方向に沿って100mm刻みで増分するスライドキャリッジに取り付けられます。
マシンからの結果は、ヒーターからの放射熱流束として返される総エネルギー消費の割合に変換できます。 これは、放射熱流束がヒーターから発散するにつれて、ヒーターからの距離が増加するにつれて減少します。
結果
テストの結果は、それぞれガラスとセラミックックスのHQE加熱素子の透過スペクトルと発光スペクトルとともに解釈する必要があるいくつかの興味深いデータを示しています。 すべての等高線図は同じカラースケールを使用して作成され、視覚的な比較が可能になっています。
3.1 ネクストリーマTM 712-3
この濃い色のガラスは、可視スペクトルで放射透過をほとんどまたはまったく表示しません（図2）。 ただし、より長い波長では、より透明になります。 透過率は、約10〜2.8μmの波長帯で<3.2％に低下しますが、40〜3.5μmの帯域領域では≥4.2％に回復します。
結果は、100mmで、0.6 W.cmのピーク電力密度があることを示しています-2、図4に示すように。 これは、予想されるピーク熱流束が要素の中心から来て、要素の中心からの距離とともに同心円状に減少することを示しています。
ヒーターからのすべての距離について同様のプロットを作成できます。 ただし、要素の中心からの熱流束が減少する一般的な傾向は同じです。
同様に、セクション2.3に示されているように、要素からの距離が（y軸に沿って）増加するにつれて、記録される放射熱流束のパーセンテージは減少します。 この減少の大きさを図5に示します
3.2 ネクストリーマTM 724-3
透明なNextremaTMガラス（724-3）は、712-3ガラスよりもわずかに高い熱流束出力を示します。 これは主に、よりエネルギッシュな可視および近赤外領域（90 <λ<0.5μm）での透明度（約2.8％）が優れているためです。 石英元素の発光スペクトルと組み合わせると、より良い一致が見られます。これは、マップに記録されたより高い熱流束によって確認されます（図6）。
ヒーターからの距離の関数として検出されるエネルギーの減少は、5-712保護ガラスを使用した同じ要素の図3に示されているものと非常に似ています。
3.3ロバックス®
ロバックス® ガラスは、図7に示すように、適用された一般的なスケールから外れた要素の中心点で明らかに高い熱流束を示します。 この場合、ピーク放射熱流束は0.80 W.cmです-2。 中心での熱流束が高いことは、光源温度が高いために透過率が高いことを示しています（IR波長が短い）。
このわずかに優れた性能の理由は、一次帯域（0.4 <λ<2.8μm）でのIR透過の増加です。 Robax®ガラスの場合、透過率の低下はわずかに長い波長で発生し、ヒーターからの出力が増加します。 二次帯域（3.2 <λ<4.2μm）での透過帯域幅の減少と狭まりは、これらの波長が短波長ほどエネルギーがないため、同じ影響を及ぼしません。 100 mmで記録された総熱流束は、予想どおり、ガラスの透過特性が向上しているため、セクション3.1および3.2で調べたガラスよりもわずかに高くなっています。 これを下の図8に示します。
3.4フロストガラス
すりガラス保護ヒーターの熱流束マップを図9に示します。 これは、ヒーターからのエネルギー放出のパターンが上記で詳述したものと似ていることを示しています。 検出された熱流束の大きさはネクストレマの熱流束よりも高いTM 保護されているが、Robaxよりも低い® ガラス。 この資料では透過スペクトルが利用できないため、この背後にある理由について洞察を与えることはできません。
エミッターと熱流束センサー間の距離が長くなると、検出された熱流束は低下します。 100mmで検出される熱流束の割合は、Robaxの熱流束よりも低い® 図7に示されているがNextremaよりも高いガラスTM 眼鏡。
3.5透明ガラス
透明ガラスの熱流束マップを図11に示します。 これは、セクション3.4で調べたつや消しガラス材料とほとんど識別できない違いを示しており、アクティブな波長帯域領域（2-4.2μm）でのガラスの透過スペクトルの変化はほとんどありません。
全熱流束は、すりガラスの熱流束に比べてわずかに上昇します。 しかし、それはまだRobaxのそれを下回っています® ガラス。 透過スペクトルデータがなければ、この観測について説明することはできません。
表1は、3つの実施されたテストで要素について記録された平均最大熱流束と、要素表面から100および200mmで記録された平均熱流束パーセンテージを示しています。 これは、2つのNextremaTM フロストグラスのパフォーマンスは低下しましたが、Robaxを分離することはほとんどありません® と透明なメガネ。
熱流束マッピング中に測定現象が発生します。これにより、最初の読み取り値は基準値であり、ゼロと指定され、記録された各値はこれに対して測定されます。 したがって、短い間隔では、熱流束は負の値として記録され、等高線図の色の付いていない領域が生じます。
生データを正規化すると、表2に示すように、Robax®および透明ガラスが実際に放射線を透過するのに最も効率的なガラスであることがわかります。
透明ガラスのスペクトルデータがない場合、これとRobax®の違いが発生する理由と、可視/近赤外（0.5 –2.8μm）の透明度レベルであるかどうかについて明確な理由を示すことはできません。または中波領域（≥3μm）。
Robaxについて記録された最大熱流束が注目に値します® 透明ガラスよりも高いです。 これは、温度の関数としての赤外線透過性の変化を示している可能性があります。® 要素の中央部分に見られる高温でより透明になります。
まとめ
上記の実験の結果は、Robax® 現在、Ceramicxがヒーターを保護するために使用しているガラスは、石英カセットヒーターに最適なIR透過特性の1つを備えています。 これは、このガラスの透過スペクトルがヒーターのアクティブな波長帯で最大になるためです。
最適な加熱のために、保護ガラスの透過スペクトルは、保護しているヒーターの発光スペクトルと一致している必要があります。 この場合、ガラスは1〜3.2μmの波長帯で可能な限り透明である必要があります。
この実験の結果には、要素の電力密度と他のさまざまな要因が影響することに注意してください。 要素の単位面積あたりの電力が変化すると、結果が変化します。 さらに、この実験で示された結果は、プラテンタイプの構成を代表するものではありません。
1 1000W FQEと500W HQEの出力密度は同じであるため、放出特性は類似しています
免責事項
プロセスで使用する赤外線エミッタのタイプを決定する前に、これらのテスト結果を慎重に検討する必要があります。 他社が繰り返しテストを行っても、同じ結果が得られない場合があります。 結果を変える可能性のあるセットアップ条件と変数を達成する際にエラーが発生する可能性があります。使用するエミッターのブランド、エミッターの効率、供給される電力、テストされる材料から使用されるエミッターまでの距離、環境。 温度が測定される場所も異なる場合があるため、結果に影響します。
