赤外線：暖房の法則

赤外線加熱の基本法則

IR加熱が進化すると、熱伝達の仕組みを支える基礎科学も進化しますが、3つの主要な法則が適用されます。

ステファン・ボルツマンの法則： 特定の温度でIRソースから放射される合計電力を与えます。
プランクの法則： 特定の温度で100％の放射線を放出する黒体光源からの放射線のスペクトル分布を提供します。
ウィーンの法則： これは、プランクの法則に従って、黒体から放射される放射のスペクトル分布が最大点になる波長を予測します。

ステファン・ボルツマンの法則

シュテファン・ボルツマンの法則は、主に赤外線放射率に関連しています。オブジェクトの表面積温度に基づいて、黒体係数とともにIRソースからの電力放射を計算します。完全な黒体の係数は1で、他の材料ではその係数が異なります（下の表を参照）。通常の材料の放射率を考慮すると、シュテファン・ボルツマンの法則は次のようになります。

熱放射のキルヒホッフの法則の定義内で、熱放射を放出および吸収する任意の物体の場合、放射率はその吸収率に等しくなります。つまり、放射率は、サーフェスが吸収する量と放出する量を決定するのに役立ちます。

さまざまな表面の放射率の表

アルミニウム研磨0.09	ブラスポリッシュ0.03	ブロンズポリッシュ0.10
カーボン（キャンドルスート）0.95	セラミック（ガラス磁器）0.92	クロム研磨0.10
コンクリート0.85	銅磨き0.02	銅酸化0.65
ガラス溶融石英0.75	鉄磨き0.21	錆びた鉄0.65
プラスチック製の不透明な0.95	シルバーポリッシュ0.05	ステンレスポリッシュ0.16
ステンレス鋼酸化0.83	水0.96

この法則を使用すると、T1とT2の2つの放出面間の正味の熱伝達を計算できるようになります。両方が放射しているため、正味の電力伝達は両方の放射電力出力の差になります。

プランクの法則

プランクの法則は、一定の温度で熱平衡にある黒体から放出される電磁放射を説明しています。 1900年に提案したドイツの物理学者マックスプランクにちなんで名付けられました。

さまざまなヒーター（エミッター）温度に対してプロットすると、プランクの法則は次のように予測します。

赤外線加熱エネルギーが生成される周波数の範囲
特定の波長の放射パワー

以下の「プランクの法則に関する説明」を参照してください。

ウィーンの変位法

ウィーンの法則は、プランクの法則の続編であり、黒体から放射される放射のスペクトル分布が最大点になる波長を予測します。

完全な黒体は、何も反射せず、純粋な熱放射を放出する表面です。完全な黒体のパワーと波長のグラフは、黒体スペクトルと呼ばれます（下図を参照）。 Planckの分布の各温度曲線の最大点を接続して接続すると、赤い点線が形成されることに注意してください。

温度が上昇すると、熱放射によって波長が短くなり、エネルギーの高い光が生成されます。以下のグラフから、電球が特定の量のエネルギーをどのように生成し、可視スペクトルのごく一部しか生成していないかを確認できます。温度が上昇し、ピーク波長が短くなると、放射エネルギー量が増加します。

また、グラフは、20°Cの曲線が可視スペクトルに達していないため、室温の岩石が「光らない」ことを示しています。オブジェクトが熱くなると、可視光を発し始めます。 600°Cでは、オブジェクトはくすんだ赤色に輝きます。 1,000°Cでは、色は黄橙色で、1,500°Cでは白に変わります。

他のXNUMXつの科学法則は、赤外線放射熱の実際の適用を通知します– 逆二乗法 & ランバートのコサインの法則.

逆二乗法

逆二乗の法則は、IR光源とそのオブジェクトの間の放射エネルギーの関係を定義します。つまり、単位面積あたりの強度は、その距離のXNUMX乗に反比例して変化します。ただし、実際には、逆二乗の法則は、加熱されたプラテンやオーブンシステムなどの大きな平行な表面に関係する場合は効果が低くなります。

ランバートのコサインの法則

ランベルトの余弦則により、放射線がターゲットの体に直接適用されないが、角度が設定されている場合のIR強度の計算が可能になります。この法則は、主に比較的長い距離を放射する小さな光源に適用されます。

工業用加熱で使用される赤外線エミッタは、一般に、0.75〜10μmの範囲の使用可能なピーク発光波長を持っています。この範囲内には、長波、中波、短波の3つの下位区分があります。

遠赤外線（FIR）としても知られる長波エミッターは、3-10μmの範囲にピーク放射範囲があります。この範囲は、一般に、中実または中空構造の高放射セラミック体に埋め込まれた高温抵抗合金コイルで構成されるセラミック要素を指します。セラミックエミッタは、平面または曲面（トラフスタイル）のいずれかの放射面を備えた、多くの業界標準サイズで製造されています。

表面温度が高い発光源を使用すると、ピーク発光波長が短くなります。クォーツカセットスタイルのエミッターは、セラミックと同等の業界標準サイズで入手でき、磨かれたアルミメッキスチールハウジングに組み込まれた一連の半透明の石英チューブで構成されています。これらのエミッターは、より高い前面温度で動作し、長波から中波の範囲で放射できます。

中波範囲の短い方の端にあるのは、星形のタングステンコイルを含む密閉された直線状の透明な石英管で構成される石英タングステンエミッターです。タングステンコイルは、低熱慣性で高速応答時間を提供します。

短波石英ハロゲン範囲は、丸いタングステンコイルが使用され、石英管にハロゲンガスが充填されていることを除いて、高速中波タングステンエミッターの構成と類似しています。コイルの温度が高くなると、白色光が生成され、短波範囲にピーク発光波長が生じます。