적외선 가열기

적외선 히터나 열전등은 전자파 방사선을 통해 온도가 낮은 신체에 에너지를 전달하는 고온을 가진 신체를 말한다. 발광체의 온도에 따라 적외선 복사 정점의 파장은 750nm에서 1mm까지 다양하다. 에너지 전달을 위해 두 신체 사이의 접촉이나 매체가 필요하지 않다. 적외선 히터는 진공이나 대기에서 작동할 수 있다.

적외선 히터의 한 가지 분류는 적외선 방출의 파장 대역에 의해 이루어진다.

• 750nm에서 1.4μm 사이의 범위에서 단파 또는 근적외선 방출기는 여전히 가시광선이 방출되기 때문에 밝은 이름으로도 불린다.
• 1.4μm에서 3μm 사이의 범위에 대한 중간 적외선;
• 3μm 이상의 모든 것에 대해 원적외선 또는 어두운 방출체.

역사

독일계 영국인 천문학자 윌리엄 허셜 경은 1800년에 적외선을 발견한 공로를 인정받고 있다. 그는 분광계라는 기구를 만들어 다른 파장에서 복사력의 크기를 측정했다. 이 악기는 세 조각으로 만들어졌다. 첫 번째는 햇빛을 받아 색상을 테이블로 직접 내리고 분산시키기 위한 프리즘이었고, 두 번째는 한 가지 색상으로만 통과할 수 있을 만큼 넓은 슬릿을 가진 작은 판지판지 판지판지 판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지판지, 마지막으로 수은 허셜은 그의 실험을 통해 적색 빛이 광 스펙트럼에서 가장 높은 온도 변화를 가지고 있다는 것을 발견했지만, 적외선 가열은 제2차 세계 대전 전까지는 일반적으로 사용되지 않았다. 제2차 세계 대전 동안 적외선 난방은 더욱 널리 사용되고 인정받게 되었다. 주요 용도는 금속 마감 분야, 특히 군용 장비의 페인트와 라커의 경화 및 건조 분야였다. 램프 전구 뱅크는 매우 성공적으로 사용되었다. 오늘날 기준으로는 전력 강도가 매우 낮지만, 이 기술은 당시의 연료 대류 오븐보다 훨씬 더 빠른 건조 시간을 제공했다. 제2차 세계 대전 후 적외선 가열 기술의 채택은 계속되었지만 훨씬 더 느리게 이루어졌다. 1950년대 중반 자동차 산업은 페인트 경화를 위한 적외선 기능에 관심을 보이기 시작했고 많은 생산 라인 적외선 터널이 사용되기 시작했다. ^[1][2][3]

요소들

전기 적외선 히터에 사용되는 가장 일반적인 필라멘트 재료는 텅스텐 와이어로, 더 많은 표면적을 제공하기 위해 코일 처리된다. 텅스텐의 저온 대체품으로는 탄소, 즉 철, 크롬, 알루미늄(상표와 상표명 칸탈)의 합금이 있다. 탄소 필라멘트는 생산하기에 더 변덕스러운 반면, FeCrAl 필라멘트를 기반으로 하는 비교 가능한 중파 히터보다 훨씬 더 빨리 가열된다.

빛이 바람직하지 않거나 난방기에 필요하지 않을 경우 세라믹 적외선 난방기가 선호된다. 8m(26ft)의 코일 합금 저항 와이어를 포함하고 있어 히터 표면 전체에 걸쳐 균일한 열을 방출하며 세라믹은 방사선의 90% 흡수성이다. 흡수·배출은 각 체내에서 동일한 물리적 원인에 기초하기 때문에 적외선 히터의 재료로 세라믹이 이상적으로 적합하다.

산업용 적외선 히터는 적외선 방사선을 반사해 제품을 향해 가열되도록 하는 석영관 금코팅을 사용하기도 한다. 결과적으로, 제품에 충돌하는 적외선 방사선은 사실상 두 배가 된다. 금은 산화 저항성과 약 ^[4]95%의 매우 높은 적외선 반사율 때문에 사용된다.

종류들

적외선 히터는 일반적으로 여러 개의 히터를 결합하여 더 큰 가열 영역을 달성하기 위해 적외선 모듈(또는 방출 뱅크)에 사용된다.

적외선 히터는 보통 그들이 방출하는 파장에 의해 분류된다.

근적외선(NIR) 또는 단파 적외선 히터는 1,800 °C(3,270 °F) 이상의 높은 필라멘트 온도에서 작동하며, 전장에 배열하면 수백 kW/m의² 높은 전력 밀도에 도달한다. 그들의 피크 파장은 물의 흡수 스펙트럼에 훨씬 못 미쳐 많은 건조 애플리케이션에 적합하지 않다. 그것들은 깊은 침투가 필요한 실리카의 난방에 잘 적합하다.

중파(MWIR)와 탄소 적외선 히터는 약 1,000°C(1,830°F)의 필라멘트 온도에서 작동한다. 최대 전력 밀도는 60 kW/m²(5.6 kW/sq ft) (중파) 및 150 kW/m² (14 kW/sq ft) (탄소)에 이른다.

원적외선 방출기(FIR)는 일반적으로 저온 원적외선 사우나에 사용된다. 이것들은 적외선 사우나 시장의 더 높고 더 비싼 범위에 불과하다. 원적외선 방출기는 근적외선, 중적외선, 열, 빛을 방출하는 탄소, 석영 또는 고와트 세라믹 방출기를 사용하는 대신, 원적외선 방출기는 여전히 원적외선 방사선을 방출하면서 차갑게 유지되는 저와트 세라믹 플레이트를 사용한다.

온도와 피크 파장의 관계는 빈의 변위법으로 표현된다.

금속선원소

금속 와이어 가열 소자는 1920년대에 처음 등장했다. 이 원소들은 크롬으로 만들어진 철사로 이루어져 있다. 크롬은 니켈과 크롬으로 만들어지며 니크롬으로도 알려져 있다. 그 후 이 철사는 나선형으로 감겨져 도자기의 몸체에 감겨졌다. 고온으로 가열하면 산화크롬 보호층을 형성하여 전선이 연소하거나 부식되지 않도록 보호하며 소자가 빛을 발하게 한다.^[5]

히트 램프

열전구(heat lamp)는 열을 발생시키는 주된 목적으로 사용되는 백열 전구다. 램프가 방출하는 흑체 방사선의 스펙트럼은 더 많은 적외선을 생성하기 위해 이동한다. 많은 히트 램프에는 가시광선 방출량을 최소화하기 위한 빨간색 필터가 포함되어 있다. 열전등은 종종 내부 반사경을 포함한다.

온열등은 보통 샤워기와 욕실에서 보온용 거품을 내고 음식을 먹기 전에 따뜻하게 유지하기 위해 식당들의 음식 준비 구역에서 사용된다. 그들은 또한 동물 사육에도 흔히 사용된다. 가금류에 사용되는 불빛은 흔히 부호등이라고 불린다. 어린 새들 외에도, 열등의 혜택을 받을 수 있는 다른 종류의 동물들에는 파충류, 양서류, 곤충, 거미류, 그리고 몇몇 포유류의 새끼들이 있다.

히트 램프에 사용되는 소켓은 플라스틱 소켓이 램프에서 발생하는 많은 양의 폐열에 노출될 때, 특히 "베이스 업" 위치에서 작동할 때 녹거나 연소할 수 있기 때문에 일반적으로 세라믹이다. 램프의 장막이나 후드는 일반적으로 금속이다. 전구의 뜨거운 표면에 닿지 않도록 장막 앞쪽에 와이어 가드가 있을 수 있다.

일반 가정용 백열등도 열등으로 사용할 수 있지만, 적색과 청색 전구는 브루드 램프와 파충류 램프에 사용하기 위해 판매되고 있다. 250와트 히트 램프는 보통 중간 나사 베이스가 있는 "R40"(5" 반사경 램프) 폼 팩터에 포장되어 있다.

히트 램프는 다른 치료법이 비효율적이거나 비실용적일 때 건조한 열을 제공하는 치료법으로 사용될 수 있다.^[6]

세라믹 적외선 열 시스템

세라믹 적외선 가열 소자는 장파 적외선이 필요한 다양한 산업 공정에서 사용된다. 그들의 유용한 파장 범위는 2-10 μm이다. 그들은 종종 동물/애완동물 건강관리 분야에서도 사용된다. 세라믹 적외선 히터(에미터)는 세 가지 기본 방출면으로 제조된다. 수조(콘카브), 플랫, 전구 또는 Edison 나사 소자는 E27 세라믹 램프 홀더를 통해 정상적으로 설치하기 위한 것이다.

원적외선

이 가열 기술은 일부 값비싼 적외선 사우나에서 사용된다. 그것은 또한 우주 난방기에서도 발견된다. 이 가열기는 장파 적외선을 방출하는 저와트 밀도 세라믹 방출기(보통 상당히 큰 패널)를 사용한다. 난방 요소가 비교적 낮은 온도에 있기 때문에 원적외선 히터는 먼지, 먼지, 포름알데히드, 페인트 코팅에서 나오는 유독 가스 등의 배출과 냄새를 주지 않는다.^{[citation needed]} 이것은 유럽에서 심각한 알레르기와 다중의 화학적 민감성을 가진 사람들 사이에서 이러한 종류의 우주 난방을 매우 인기 있게 만들었다.^{[citation needed]} 원적외선 기술은 실내 공기를 직접 가열하지 않기 때문에 사용 가능한 표면의 노출을 극대화한 후 온기를 다시 흡수하여 고른 둥근 주변 온기를 제공하는 것이 중요하다. 이것은 복사난방이라고 알려져 있다.^{[citation needed]}

쿼츠 히트 램프

할로겐 램프는 소량의 할로겐 가스(브로민 또는 요오드)와 결합된 고도로 가압된 비활성 기체로 채워진 백열등이며, 이는 필라멘트의 수명을 연장한다( 참조). 할로겐 램프#할로겐 사이클). 이것은 다른 백열등보다 할로겐 램프의 수명이 훨씬 길다. 고압과 온도 할로겐 램프가 생산하기 때문에 상대적으로 작고 표준 유리보다 용해점이 높아 쿼츠 유리로 만든다. 할로겐 램프의 일반적인 용도는 테이블 상판 히터다.^[7][8]

쿼츠 적외선 가열 소자는 중파 적외선 에너지를 방출하며, 특히 급속한 히터 대응이 요구되는 시스템에 효과적이다. 쿼츠 전구의 관형 적외선은 1.5~8μm의 파장으로 적외선 방사선을 생성한다. 밀폐된 필라멘트는 약 2,500 K(2,230 °C; 4,040 °F)에서 작동하여 개방된 와이어 코일 선원에 비해 파장 방사선이 더 짧다. 1950년대에 General Electric에서 개발된 이 램프는 인치당 약 100와트(4W/mm)를 생산하며, 평방피트당 500와트(5,400W/m²)의 방사용으로 결합할 수 있다.^{[citation needed]} 더 높은 전력 밀도를 달성하기 위해 할로겐 램프를 사용했다. 쿼츠 적외선 램프는 고도로 광택이 뛰어난 반사체에 사용되어 균일하고 농축된 패턴의 방사선을 직접 방출한다.

석영열등은 식품 가공, 화학 가공, 페인트 건조, 냉동 재료 해동 등에 사용된다. 그것들은 또한 추운 지역, 인큐베이터 및 기타 난방, 건조 및 베이킹 용도로도 사용될 수 있다. 우주 재진입 차량 개발 중 쿼츠 적외선 램프의 뱅크는 최대 28 kW/sq ft(300 kW/m²)의 전력 밀도에서 열 차폐 물질을 시험하기 위해 사용되었다.^[9]

대부분의 일반적인 설계는 사틴 밀키 화이트 쿼츠 유리 튜브 또는 전기 저항 요소가 있는 클리어 쿼츠(일반적으로 텅스텐 와이어) 또는 철-크롬-알루미늄 합금의 얇은 코일로 구성된다. 대기 중 공기를 제거하고 질소나 아르곤과 같은 불활성 기체로 채워진 후 밀봉한다. 쿼츠 할로겐 램프에서는 소량의 할로겐 가스가 첨가되어 히터 작동 수명을 연장한다.

운용 온도에서 방출되는 복사 에너지의 대부분은 얇은 석영관을 통해 전달되지만, 그 에너지의 일부는 실리카 석영 유리관에 의해 흡수되어 관 벽의 온도가 증가하게 되고, 이는 실리콘-산소 결합이 먼 적외선을 방출하게 한다.^{[citation needed]} 쿼츠 유리 가열 소자는 원래 조명 적용을 위해 설계되었지만, 램프가 방출 에너지의 5% 미만의 최대 출력에 있을 때는 가시 스펙트럼에 있다.^[10]

쿼츠텅스텐

석영 텅스텐 적외선 히터는 최대 1,500 °C(2,730 °F)와 2,600 °C(4,710 °F)의 작동 온도에 이르는 중파 에너지를 방출한다. 몇 초 안에 작동 온도에 도달한다. 피크 파장 방출량은 약 1.6μm(중파 적외선) 및 1μm(단파 적외선)이다.

카본히터

탄소 히터는 장파, 중파, 단파 원적외선 열을 생성할 수 있는 탄소 섬유 가열 소자를 사용한다. 난방을 위해 정확하게 지정할 필요가 있다.^{[citation needed]}

가스 연소

적외선 복사기에는 두 가지 기본적인 유형이 있다.

• 발광 또는 고강도
• 복사관 가열기

산업용 및 상업용 건물 공간 난방에 사용되는 복사관 가스 연소식 히터는 천연가스나 프로판을 연소시켜 강철 방출관을 가열한다. 제어 밸브를 통과하는 가스는 컵 버너나 벤투리를 통해 흐른다. 연소 제품 가스는 방출 튜브를 가열한다. 튜브가 가열될 때 튜브에서 나오는 복사 에너지가 바닥과 다른 물체들을 강타하여 그것들을 따뜻하게 한다. 이러한 형태의 난방은 정비 창고처럼 갑자기 많은 양의 찬 공기가 유입되어도 온기를 유지한다. 그러나 그들은 차가운 가뭄과 싸울 수 없다.

적외선 히터의 효율은 히터가 소비하는 총 에너지의 정격으로서, 적외선 에너지의 발생량과 비교된다. 이 과정을 통해 발생하는 대류 열은 항상 어느 정도 존재하지만, 히터를 가로질러 공기 운동을 도입하면 적외선 변환 효율이 감소할 것이다. 새로운 무세척 반사체로 복사관은 약 60%의 하향 복사 효율을 가진다. (다른 40%는 복구할 수 없는 위쪽의 복사 및 대류 손실과 연도 손실로 구성된다.)

건강 효과

고강도의 단파 적외선 방사선은 전구나 소자를 만질 때의 위험 외에도 피부가 너무 오래 노출되거나 히터가 피사체에 너무 가까이 위치하면 간접 열화상을 일으킬 수 있다. 장기간에 걸쳐 대량의 적외선 방사선(유리 블로어, 아크 용접기 등)에 피폭된 개인은 수성 유머의 홍채와 불투명성이 저하될 수 있으므로 노출을 완화해야 한다.^[11]

효율성

전기로 가열된 적외선 히터는 입력의 최대 86%를 복사 에너지로 방출한다.^[12] 거의 모든 전기 에너지 입력은 필라멘트의 적외선 복사열로 변환되어 반사체에 의해 목표물로 향한다. 일부 열 에너지는 전도 또는 대류에 의해 가열 소자에서 제거되며, 이는 가열된 공간에서 모든 전기 에너지를 원하는 일부 설계의 경우 전혀 손실되지 않을 수도 있고, 복사 열 전달만을 원하거나 생산적인 상황에서 손실이라고 간주될 수도 있다.

실용적 용도의 경우 적외선 히터의 효율은 가열되는 물질의 방출된 파장과 흡수 스펙트럼을 일치시키는 것에 달려 있다. 예를 들어, 물의 흡수 스펙트럼은 약 3μm로 최고점을 가진다. 이는 중파나 탄소 적외선 히터의 방출이 NIR이나 단파 적외선 방사보다 물과 수성 코팅에 훨씬 잘 흡수된다는 것을 의미한다. PVC나 폴리에틸렌과 같은 많은 플라스틱도 마찬가지다. 그들의 최고 흡수량은 3.5 μm이다. 반면 일부 금속은 단파 범위에서만 흡수되며 중·원적외선에서는 강한 반사성을 보인다. 이를 통해 가열 공정에서 에너지 효율을 위해 적외선 히터 유형을 신중하게 선택할 수 있다.^{[citation needed]}

세라믹 소자는 300~700°C(570~1290°F)의 온도에서 작동하여 2~10μm 범위에서 적외선 파장을 생성한다. 대부분의 플라스틱과 다른 많은 재료들은 이 범위에서 적외선을 가장 잘 흡수하므로 세라믹 히터가 이 작업에 가장 적합하다.^{[13][citation needed]}

적용들

IR 히터는 다음을 포함한 다양한 난방 요건을 충족할 수 있다.

• 극도로 높은 온도, 주로 방출기의 최대 온도에 의해 제한됨
• 빠른 응답 시간(1-2초)
• 온도 구배, 특히 높은 열 입력이 있는 재료 웹의 경우
• 전도성 및 대류 가열 방식에 따른 집중 가열 영역
• 비접촉식, 따라서 전도성 또는 대류 가열방법이 제품을 방해하지 않음

따라서 IR 히터는 다음을 포함한 여러 목적으로 적용된다.

• 난방 시스템
• 코팅 양생
• 스페이스 히터
• 플라스틱 수축
• 성형 전 플라스틱 가열
• 플라스틱 용접
• 유리 & 금속 열처리
• 요리
• 동물원이나 동물병원에서 젖을 빨고 있는 동물이나 포획된 동물을 따뜻하게 하는 것

참조

추가 읽기

• 데스무크, 예스반트 V: 산업 난방, 원칙, 기술, 재료, 응용 및 설계. Taylor와 Francis, Boca Raton, Fl.: 2005.
• 시겔, 로버트와 하웰, 존 R: 열 복사 열 전달. 3월 3일. 필라델피아의 테일러와 프랜시스