発熱体: 包括的なガイド

導入

この記事では、発熱体について詳しく説明します。. 以下の側面を掘り下げることで、, 読者は徹底的な理解を得るでしょう:

発熱体は、ジュール加熱として知られるプロセスによって電気エネルギーを熱に変換する注目すべき材料または装置です。. 導体に電流が流れるとき, 電子または電荷キャリアが導体の原子またはイオンと衝突します。. これらの原子レベルの衝突により摩擦が発生します。, それが熱として現れる. この熱生成はジュール第一法則によって定量化されます。 (またはジュールレンツの法則), または ² のいずれかで表されます. ここ, 発生する熱の量は電流に依存します, 電圧, そして導体の抵抗. 抵抗は発熱体の設計において極めて重要な役割を果たします.

ジュール発熱は、あらゆる導電性材料でさまざまな程度に発生します。, 超電導体を除く. 電気抵抗の低い材料は、電荷キャリアがより自由に流れるため、熱の発生が少なくなる傾向があります。. 対照的に, 抵抗が高いものはより多くの熱を発生します. 超伝導体は、熱を発生させずに電流を流すことができます。. 通常, 導体から発生する熱はエネルギー損失とみなされます, 銅損として知られる電気機器の不要な発熱のようなもの, 有益な仕事に貢献しないもの.

電気発熱体は電気エネルギーを熱に変換する効率が高い, ほぼ 100% 供給されたエネルギーが熱エネルギーに変換される. また、光や放射線の形でエネルギーを放出することもあります。. しかし, この理想的な効率は主に抵抗に関係します. 材料固有の静電容量とインダクタンスにより、わずかな損失が発生する可能性があります, 電気エネルギーをそれぞれ電界と磁界に変換します。. さらに, システム全体の効率は、プロセス流体またはヒーター自体から外部環境への熱放散によって影響を受ける可能性があります。. したがって, 発生した熱を最適に利用するために, 十分に断熱された暖房システムが不可欠です.

2: 発熱体を定義するプロパティ

ほぼすべての導体は、電流が流れると熱を発生します。, ただし、すべてが発熱体としての使用に適しているわけではありません. 理想的な発熱体の材料は、電気特性の特定の混合物を備えている必要があります。, 機械的, および化学的性質.

抵抗率: 熱を発生させるには, 発熱体には適切な電気抵抗が必要です. しかし, 絶縁体になるほど高すぎてはいけません. 電気抵抗は、抵抗率に導体の長さを乗算し、導体の断面積で割った値として計算されます。. 特定の断面に対して, 導体を短くする必要がある場合は、抵抗率の高い材料が使用されます。.

耐酸化性: 一般に、熱は金属とセラミックの両方の酸化を促進します。. 酸化により発熱体が消耗する可能性があります, 容量の減少または構造の損傷, それにより寿命が制限される. 金属発熱体用, 酸化物形成剤との合金化により、酸化に抵抗する不動態層の形成に役立ちます. セラミック発熱体には通常、SiO₂ や Al₂O₃ などの保護酸化抵抗スケールが付いています。. 一部の発熱体の種類, グラファイトなどの, 酸化環境での使用には適しておらず、通常は真空炉や H2 などの非酸化性雰囲気ガスを使用する炉で使用されます。, N₂, アル, あるいは彼, 加熱室の空気が排気されている場所.

抵抗の温度係数: 材料の抵抗率は温度によって変化します. ほとんどの導体では, 気温が上がるにつれて, 抵抗も同様です. この現象は、特定の材料に対してより顕著な影響を及ぼします。. より高い抵抗温度係数は、熱感知用途でよく利用されます。. 発熱用, 通常は低い値が好ましいです. しかし, 場合によっては、抵抗の変化を正確に予測できる場合もあります, 抵抗の急激な増加は、より多くの電力を供給するのに有利になる可能性があります. 抵抗率の変化を考慮して, 制御またはフィードバックシステムが採用されている.

機械的性質: 硬い発熱体は高温で使用すると変形する可能性があります. 材料が溶融または再結晶相に近づくと、, 室温の状態に比べて弱くなり、変形しやすくなります。. 優れた発熱体は、高温でも形状を維持できます。. さらに, 延性は望ましい機械的特性です, 特に金属発熱体の場合. 引張強度を損なうことなく、材料をワイヤーに引き抜いて形状を形成することができます。.

融点: 酸化が著しく進む温度以外にも, 材料の融点によっても動作温度が制限されます. セラミックは一般に金属ヒーターよりも融点が高くなります。.

主要な発熱体メーカーおよび企業には、Backer Hotwatt が含まれます, 株式会社, ウラネット™, ハイヒートインダストリーズ, 株式会社, トゥットコ・ファーナム, そして国家的要素, 株式会社. (会社名の上にマウスを置くと、プレビューが表示されます。)

3: 発熱体に使用される材料

前に説明した材料特性により、選択がいくつかの主要な材料に絞り込まれます。.

ニッケルクロム (Ni-Cr) 合金: 発熱体として最も一般的に使用される材料の一つ, ニッケルクロム合金はその延性で高く評価されています, 高い抵抗率, 高温でも酸化に対する耐性. 通常は次のもので構成されます 80% ニッケルと 20% クロム (ただし、他の組成が異なるメーカーから入手可能である場合もあります), これらの合金は、多くの場合、発熱体として使用するためにワイヤーに成形されます。, 熱線フォームカッターなど. 最大加熱温度は約 100℃ に達します。 1,100 1,200℃まで.

鉄-クロム-アルミニウム (鉄-クロム-アルミニウム) 合金: Kanthal という商標でよく知られています。, フェライト系鉄クロムアルミニウム合金は通常、次のものから構成されます。 20 に 24% クロム, 4 に 6% アルミニウム, 残りは鉄で構成されています. これらの合金は、ニッケルクロム合金と比較して柔軟性があり、密度が低いため好まれています。. より高い温度を達成できる, 周りに手を伸ばす 1,300 1,400℃まで. 鉄はニッケルに比べて価格変動が低いため、価格が安くなる傾向がありますが、, ニッケルクロム合金と比較して、高温での強度が低下します。. 粉末冶金によって強化することができます, 合金インゴットが粉末に粉砕される場所, 金型に圧縮される, 制御された雰囲気で焼結またはホットプレスします. 機械的特性を向上させるために分散質が添加されます, 高温での強度と靭性の向上.

二ケイ化モリブデン (MoSi₂): 耐火サーメット (セラミックと金属の複合材料), 二ケイ化モリブデンは主に発熱体の材料として使用されます。. 融点が高く、耐食性に優れているため、高温炉に最適です。. MoSi₂ 発熱体は、エネルギーを大量に消費するさまざまな方法で製造されています, メカニカルアロイングを含む, 燃焼合成, ショック合成, および熱間静水圧プレス. 最高 1,900°C の温度に達する可能性があります. しかし, 周囲温度での靭性が低く、高温クリープを受けやすいなどの欠点があります。. 室温で, MoSi₂ は脆いため、慎重な取り扱いが必要です. 脆性-延性転移温度約1,000℃で靱性が大幅に向上, ただし、クリープ速度が高いと、高温で変形が発生する可能性があります. 最も一般的な MoSi₂ 素子の設計は 2 シャンクヘアピンタイプです, 多くの場合、炉の屋根から吊り下げられ、炉の壁の周りに配置されます。. 他の構成も利用可能であり、多くの場合、セラミック絶縁形成材と組み合わせて、単一パッケージで機械的サポートと断熱性の両方を提供します。.

炭化ケイ素 (SiC): 炭化ケイ素発熱体は、2,100℃以上の温度でSiC粒子を再結晶化または反応結合させることによって生成されるセラミックから作られています。. これらの要素は通常多孔質です (8-25%) 炉の雰囲気が材料を通して相互作用できるようにする. 時間とともに, 発熱体は徐々に酸化する可能性があります, これは、として知られるプロセスで電気抵抗を増加させます。 “エージング。” 安定した出力を維持するには, 可変電圧電源は、素子の劣化に応じて電圧を段階的に上昇させるためによく使用されます。. この老化プロセスにより、最終的に発熱体の寿命と性能が制限されます。. 炭化ケイ素は、いくつかの重要な特性により高温用途に最適です。. 液相がありません, つまり、高温でのクリープによるたわみや変形がありません, 炉内に内部サポートは必要ありません. SiCは約2,700℃で直接昇華します。, 極端な条件に適したものにする. さらに, ほとんどのプロセス流体に対して化学的に不活性です, 剛性が高い, 熱膨張係数が低い. 炭化ケイ素ヒーターは約 100 ℃の温度を達成できます。 1,600 1,700℃まで.

黒鉛: 黒鉛, 炭素から構成される六角形の原子構造を持つ鉱物, 熱と電気の両方の優れた伝導体です. 2,000℃を超える温度で発熱することがあります。. 高温時, 電気抵抗が大幅に増加します. また、熱衝撃にもよく耐え、急速な加熱と冷却のサイクルでも脆くなることなく弾力性を保ちます。. しかし, グラファイトには顕著な欠点があります: 500℃くらいで酸化しやすい, 長時間暴露すると材料の劣化につながる. その結果, グラファイト発熱体は主に真空炉で使用されます, 溶融金属と発熱体自体の酸化を防ぐために、酸素やその他のガスが加熱室から除去されます。.

モリブデン, タングステン, とタンタル: タングステンやモリブデンなどの高融点金属は、発熱体として使用するとグラファイトと同様の特性を示します。. これらの金属の中には, タングステンは最高温度で動作できますが、最も高価でもあります。. モリブデン, コストが低く、より一般的に使用されている, まだグラファイトより高価です. グラファイトのように, これらの金属は酸素との親和性が高いため、真空条件で使用する必要があります。, 水素, そして窒素. これらは次の温度で酸化し始めます。 300 500℃まで.

正の熱係数 (PTC) 材料: 典型的な PTC 材料にはゴムやセラミックが含まれます. PTC ゴムは通常、ポリジメチルシロキサンから作られます (PDMS) カーボンナノ粒子を注入. PTC ヒーターは、温度の上昇に伴う電気抵抗の増加を通じて電流の流れを調整する能力によって区別されます。. この特性により、安全で衣類などの用途に適しています。. 最初は, ヒーターは最大電力を消費し、その抵抗率により加熱されます。. 気温が上がるにつれて, 材料の抵抗が大きくなる, 最終的には絶縁体として機能する. この自己調整は、外部フィードバックループを必要とせずに行われます。.

4: 発熱体の種類

加熱システムには発熱体だけが含まれるわけではありません. 終了も含まれます, リード, 絶縁, パッキング, シース, そしてシール. ヒーターには、特定のアプリケーションのニーズを満たすためにさまざまな形式と構成があります.

エアプロセスヒーター: 名前が示すように, これらのヒーターは流れる空気を加熱するために使用されます. 加熱されたチューブまたはパイプで構成されています, 一方の端は冷気を導入し、もう一方の端は熱気の出口になっています。. 発熱体のコイル, セラミックと非導電性ガスケットで絶縁, パイプの壁に沿って配置されます. 通常、高流量で使用されます。, 熱収縮などの低圧用途, ラミネート加工, 接着剤の活性化または硬化, 乾燥, ベーキング, 等.

カートリッジヒーター: このタイプでは, 抵抗線はセラミックコアの周りに巻かれています, 通常は圧縮された酸化マグネシウムで作られています. 抵抗線コイルがカートリッジの長さに沿って 3 ～ 5 回通過する長方形の構成も利用できます。. 熱伝達を最大限に高めるために、抵抗線または発熱体を外装材の壁の近くに配置します。. シースは通常、内部を保護するためにステンレス鋼などの耐腐食性の材料で作られています。. リードは通常柔軟です, 両方の終端がカートリッジの一端にある. カートリッジヒーターは金型の加熱に使用されます。, 流体加熱 (浸漬ヒーター), そして表面加熱.

管状ヒーター: チューブラーヒーターの内部構造はカートリッジヒーターの内部構造と類似しています。. 主な違いは、リード端子がチューブの反対側にあることです。. 管状構造全体は、加熱される空間または表面に必要な熱分布に合わせてさまざまな形に曲げることができます。. また、効果的な熱伝達を助けるためにシース表面に機械的に接着されたフィンを備えていることもあります。. 管状ヒーターはカートリッジヒーターと同様に多用途であり、同様の用途に使用されます。.

バンドヒーター: 円筒状の金属表面やパイプなどの容器に巻き付けるように設計されています。, バレル, ドラム, 押出機, 等, バンドヒーターにはボルト留めのロックタブが付いており、コンテナの表面にしっかりと固定されます。. バンド内で, ヒーターは細い抵抗線またはリボンで、通常は雲母層で絶縁されています。. 外装はステンレス鋼または真鍮でできています. バンドヒーターの利点は、容器内の流体を間接的に加熱できることです。, ヒーターがプロセス流体からの化学的攻撃を受けるのを防ぎ、オイルや潤滑剤のサービスに使用する際の発火の可能性も防ぎます。.

ストリップヒーター: これらのヒーターは平らで長方形の形状をしており、加熱される表面にボルトで固定されています。. 内部構造はバンドヒーターに似ています, でも断熱材は, マイカ以外にも, 酸化マグネシウムやグラスファイバーなどのセラミックスでもよい. 通常、金型の表面加熱に使用されます。, 金型, プレートの, タンク, ダクト, 等. フィン付き表面を備えているため、空気または流体の加熱にも使用できます。. フィン付きストリップヒーターはオーブンやスペースヒーターで見られます。.

エッチング箔ヒーター: 薄膜ヒーターとも呼ばれます, エッチングされたフォイルヒーターは、抵抗加熱材料がエッチングされ、フォイル上に接着されています。, 通常はアルミニウム製. さらなる柔軟性と引き裂き耐性が必要な場合, 基材には耐熱性合成ゴムや熱可塑性ポリウレタンも使用できます。 (TPU). 発熱体の間隔が狭い, 光化学エッチングの利点, 小さな形状でもより大きな熱密度で均一な熱分布を可能にします。. その用途は従来のワイヤーヒーターと比較してより専門的であり、通常は医療機器で見られます。, 電子機器と計器類, 航空宇宙, そして衣類. 片面は接着層で裏打ちされており、取り付けが簡単です.

セラミックヒーター: 高融点セラミックスを使用したヒーターです。, 高い熱安定性, 高温強度, 相対的な化学的不活性度が高い, そして熱容量が小さい. 絶縁材として使用されるセラミックスとは異なりますのでご注意ください。. 優れた熱伝導特性により、, 発熱体からの熱を伝導し分配するために使用されます。. 注目すべきセラミックヒーターは窒化ケイ素と窒化アルミニウムです. グロープラグや点火器に見られるような急速加熱によく使用されます。. しかし, 急速な高温加熱と冷却サイクルにさらされた場合, 熱応力による疲労により材料に亀裂が発生しやすい. 特殊なタイプのセラミックヒーターはPTCセラミックです。, 消費電力を自己調整して赤熱状態になるのを防ぐことができます.

セラミックファイバーヒーター: このタイプのヒーターでは, セラミックファイバーは、システムの損失を防ぐために加熱される表面に熱を集中させるための絶縁体として使用されます。. セラミックファイバーパッドの片面に抵抗線を巻いてあります。, この面が加熱される表面に接着されます, 最高1,200℃まで達する可能性があります.

5: ヒーターを選択する際に考慮すべき要素

発熱体は一般に同じ原理で動作しますが、, 性能と耐用年数はいくつかの要因に影響されます。. ヒーターの主な仕様には電力またはワット数が含まれます, 最高動作温度, プロセス流体の種類, シース材質, と電源 (電圧と周波数). さらに, パフォーマンスを最適化するには、流体の流れや温度制御などの要素も考慮する必要があります.

ワット密度: ワット密度は、単位面積あたりの発熱体によって供給される熱です。. ヒーターの耐用年数を最大限に活用するには、特定の用途に適切なワット密度を選択する必要があります。. 特定のワット数に対して, 高密度ヒーターと低密度ヒーターはどちらも同じ量の熱を、異なる温度で供給します。. 高密度要素ははるかに高い温度に達する可能性があります, 早期の焼損やエレメントの故障につながる可能性があります。. 発熱体を選ぶときは, 特定の用途に対してメーカーが推奨するワット密度を確認することが重要です.

温度: 目標動作温度はワット密度に直接影響します。. これら 2 つの要素の間にバランスがなければなりません. プロセスヒーターの設計において, 温度はシステムに必要なプロセスパラメータであるため、通常は最初に決定されます。.

電源: 発熱体は利用可能な電源で動作できる必要があります. 定格電圧を確認してください, 通常は 120V または 240V です. 目標ワット数を選択する場合, 生成されたアンペア数を確認する. 電源回路ブレーカーのトリップ点や電源ケーブルの定格を超えないよう注意してください。.

流体の流れ: 直感的に, 停滞した流体は、流れる流体よりも制御された温度で加熱されやすい. 空気やその他の気体は密度が低いため、一般に熱をすぐに吸収しません。. これに対処するには, 広い表面積を持つヒーターが必要です. フィン付き表面と長いワイヤコイル (低密度発熱体) エアヒーターの一般的な機能です.

温度センサーの位置: 従来のヒーターには温度センサーとコントローラーが付属していました. ほとんどのアプリケーションでは, センシングデバイスはプロセス流体の温度のみを測定します. しかし, これは通常、実際の発熱体の温度を表すものではありません。. ヒーターおよび感温装置を取り付ける前に, ヒーターユニットの設置場所が適切かどうかを確認することが重要です。. センサーが遠すぎる場合, 熱放散と低い熱伝達率により、反射温度ははるかに低くなる可能性があります. これにより、発熱体が焼損する可能性のある非常に高い温度が発生する可能性があります。.

腐食: 腐食はプロセス流体または外部環境に起因する可能性があります. 外装材が発熱体を保護, リード, 化学攻撃から保護します. したがって, シースは耐腐食性を備えながら、高温でも強度を維持できなければなりません。. 広く使用されているシース材料はステンレス鋼です, 真鍮, 銅, モネル、インコロイなどの特殊合金. さらに, シースの完全性と端子シールは用途に十分である必要があります. 要求の厳しいアプリケーション向け, 気密シールは、プロセス流体から完全に保護するための最良のオプションです.

結論

発熱体は、ジュール加熱の原理によって電気エネルギーを熱または熱エネルギーに変換する材料または装置です。. 発熱体の重要な特性には、十分な抵抗率が含まれます。, 高い耐酸化性, 低温抵抗係数, 高い靭性, そして融点が高い. 広く使用されている発熱体はニッケルクロム合金です, 鉄・クロム・アルミニウム合金, 二ケイ化モリブデン, および炭化ケイ素, 次に、一般に酸化速度の高いグラファイトやその他の高融点金属が続きます。. 発熱体以外にも, ヒーターには終端が含まれています, リード, 絶縁, パッキング, シース, そしてシール. これらのヒーターには、特定の用途に合わせてさまざまな形式と構成があります。. 一般的なヒーターの注文仕様には、電力またはワット数が含まれます。, 最高動作温度, プロセス流体の種類, シース材質, と電源 (電圧と周波数).