JP2022161627A - 赤外線放射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 吸収波長領域の異なる材料に合わせて、赤外線放射部を作製、設備への付け替えを実施することなく、複数の材料の吸収波長領域の赤外線を射出する赤外線放射装置を提供する。
【解決手段】 赤外線放射部２の放射面９に対する赤外線２０の放射角度αによって、放射される赤外線の波長領域が変化する赤外線放射部を利用し、赤外線放射部の放射面の角度を制御できる構造にし、その球心３ａに赤外線を射出する第１出射部７を設け、内壁を反射層４で覆った半球状の筐体３で囲い、特定の波長領域の赤外線を筐体から射出する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、特定の波長領域のみの赤外線を被加熱物に照射して加熱する赤外線放射装置に関するものである。

従来、特定の波長領域に吸収特性を有する被加熱物を加熱する加熱装置として、特定の波長領域の赤外線を放射する赤外線放射装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図４は特許文献１の概略構成図である。特許文献１で開示されている構成は、以下のような構成である。

赤外線放射装置１０１は、内壁を反射層１０３で構成された円筒状の外管１０４の内部空間に、特定の波長領域の赤外線を放射する特性を有する放射部１０２が配置されている。外管１０４には、外管１０４内の放射部１０２から放射された赤外線を外管１０４外に射出するための出射部１０５が設置されている。出射部１０５は、赤外線を透過する材料で構成されており、出射部１０５の外周面のうち、外管１０４内側に位置する入射面１０５ａから入射した赤外線を、出射部１０５の入射面１０５ａと反対側に位置する出射面１０５ｂから射出する。出射部１０５では、入射面１０５ａと出射面１０５ｂと以外の外周面において、赤外線を内側に全反射させることで、入射面１０５ａから入射した赤外線を出射面１０５ｂまで導く。よって、放射部１０２から放射された特定の波長領域の赤外線は、直接出射部１０５の入射面１０５ａに到達するか、あるいは外管１０４内の反射層１０３で反射され、出射部１０５の入射面１０５ａに到達すると、出射部１０５によって、出射面１０５ｂまで導かれ、外部の出射面１０５ｂ近傍に局在的に赤外線を射出する。

特開２０２０-１７４３３号公報

しかしながら、前記特許文献１の構成では、赤外線放射装置から射出する赤外線の波長領域を変更できないため、吸収波長領域が異なる材料に合わせて、個別に赤外線放射装置の作製、及び、加熱設備への付け替えが必要であり、コストと作業者の負担とが増加する、という問題がある。

本発明は、このような点を鑑み、射出する赤外線の波長領域が変化する赤外線放射装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の１つの態様にかかる赤外線放射装置は、
赤外線を射出する赤外線放射装置であって、
放射される前記赤外線の放射方向とその放射面とのなす角度によって、放射される前記赤外線の波長領域が変化する前記放射面を有する放射部と、
内壁面が反射層で構成された半球状の形状を有し、その球心の位置に配置されて前記赤外線を射出する第１出射部を有し、前記放射部の前記放射面を前記第１出射部に向けた状態で前記放射部を筐体空間内に配置する筐体と、
前記筐体の前記第１出射部に対する前記放射部の前記放射面の前記角度を調整する角度調整部とを備える。

以上のように、本発明の前記態様の赤外線放射装置によれば、放射部の放射面の角度を角度調整部で調整することで、複数の材料の吸収波長領域に対応できるため、吸収波長領域が異なる材料に対応するための赤外線放射装置の製作コストと加熱設備への付け替えの作業者の負担とを削減することができる。

本発明の第１実施形態における赤外線放射装置を側面から見た概略構成図 本発明の第１実施形態における赤外線放射装置を正面から見た概略構成図 放射面における放射角度αを説明するための、本発明の第１実施形態における赤外線放射装置を側面から見た概略構成の部分拡大図 放射面における放射角度１０°で放射される赤外線の放射率スペクトルを示す図 放射角度によって放射される赤外線の波長領域が変化する放射面における放射率スペクトルと放射角度の関係を示す図 本発明の第２実施形態における赤外線放射装置の概略構成図 従来の赤外線放射装置の概略構成図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、本発明の第１実施形態における赤外線放射装置１を側面と正面から見た概略構成図である。

赤外線放射装置１は、筐体３と、放射部２と、角度調整部５とを少なくとも備えて、赤外線２０を射出する。赤外線放射装置１は、さらに、出力制御部１０と、角度調整制御部６とを備えている。

筐体３は、内壁面が鏡面などの反射層４で覆われている半球状の形状をしており、半球状の筐体空間３ｄ内のその球心３ａと頂点３ｂとを結ぶ線３ｃ上の位置に、円形平板状の放射部２を配置している。反射層４は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、又は、鏡面研磨したＳＵＳ等の金属によって形成される。
放射部２は、出力制御部１０によって供給された電力によって加熱され、その表面から赤外線２０を放射する。

筐体３は、その球心３ａの位置に、中心軸が線３ｃ沿いとなるように、赤外線２０を透過する円形平板状の第１出射部７を備えている。放射部２の放射面９を第１出射部７に向けた状態で、放射部２を筐体３の筐体空間３ｄ内に配置している。第一出射部７は、ＣａＦ_２、ＢａＦ_２、ＭｇＦ_２、又は、ＳｉＯ_２等の紫外から１０μｍ前後に至る赤外領域において、透過性の高い材料によって形成される。よって、放射部２から放射され第１出射部７に到達した赤外線２０は、第１出射部７から前記線３ｃの延長線沿いに筐体３外へ射出され、被加熱物としてのワーク８に照射される。放射部２の第１出射部７側に面している表面は、詳細は後述するが、特定の波長領域の赤外線２０を放射し、さらにその赤外線２０の放射方向と放射面９とのなす角度αによって、放射される赤外線２０の波長領域が変化する放射面９を有している。放射部２における放射面９以外の表面は、任意の材料で構成されているが、放射率の低い材料で構成されていることが望ましい。放射率の低い材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｗ、又は、Ｍｏ等の金属が用いられる。
放射部２は、赤外線２０の放射方向と放射面９とのなす角度α、すなわち、第１出射部７の入射面７ａに平行な面に対する赤外線２０の放射面９の角度αを調整できるように角度調整部５が接続されている。角度調整部５を制御する角度調整制御部６によって、第１出射部７の入射面７ａに平行な面に対して放射面９が平行なときの角度αを０°としたときに、例えば、－８０°～８０°の間の任意の角度に放射面９の角度αを調整することができる。放射面９の角度αが、８０°～９０°（ただし、８０°は除く。）又は－８０°～－９０°（ただし、－８０°は除く。）のとき、放射される赤外線２０における波長領域の変化が、数％以下と小さい。このため、放射面９の角度αが－８０°～８０°までの範囲であれば、放射面９の角度における波長領域の変化特性を十分に活用することができる。
角度調整部５の一例としては、２本のＳＵＳ製のロッドが用いられる。放射部２の裏面において、放射部２の中点を通る、放射部２の回転軸に垂直な線上における放射部２の両端部の位置に、放射面９に対してロッドが垂直になるように、２本のロッドの端部をそれぞれ取り付ける。角度αを変化させるときは、２本のロッドのうちの一方のロッドを出射部７方向に、他方のロッドを出射部７と反対側の方向に、同時に等距離だけ動かすことにより、角度αを任意に調整することができる。
角度調整制御部６の一例としては、放射部２と同じ大きさのプレートを、放射部２と平行になるように、２本のロッド（角度調整部５）の放射部２と反対側の端部にそれぞれ取り付ける。そして、プレートの角度を、角度αと同じ回転方向に変更できるように、プレートに回転機構を設ける。放射部２とプレートとは、２本のロッドである角度調整部５で接続されているため、プレートの角度を任意に調整することで、放射部２の角度αも同じように調整することができる。
放射部２の直径の長さは、角度調整部５によって放射部２の角度αを変化させたときに、筐体３と干渉しない長さに設定される。第１出射部７の直径の長さは、放射部２を第１出射部７の入射面７ａに平行な面に対して、角度αの絶対値が最大となる角度だけ傾けたとき、すなわち、本第１実施形態では±８０°傾けたときの第１出射部７の入射面７ａに平行な面に対する射影となる楕円の短径の長さ以下に設定される。

本第１実施形態では、一例として放射部２と第１出射部７とのそれぞれの形状は円形状にしているが、正方形状、又は直方形状でも構わない。そのときの放射部２の各辺の長さは、角度調整部５によって放射部２の角度αを変化させたときに、筐体３と干渉しない長さに設定される。第１出射部７の各辺の長さは、円形状のときと同様に、放射部２を第１出射部７の入射面７ａに平行な面に対して、角度αの絶対値が最大となる角度だけ傾けたとき、すなわち、本第１実施形態では±８０°傾けたときの第１出射部７の入射面７ａに平行な面に対する射影部分のそれぞれに対応する辺の長さ以下に設定される。

なお、角度調整部５により、放射部２を調整できる最大の角度αは、放射面９から放射される赤外線２０の特性又は放射部２の大きさ等を鑑みて設定される。

ここで、特定の波長領域の赤外線２０を放射する放射部２の詳細について記述する。一般的な赤外線放射体から放射される赤外線２０の波長分布は、プランクの法則に従い、絶対温度によって一意的に決まる完全黒体の熱輻射スペクトルと、金属又は誘電体などで構成される赤外線放射体の発熱部の材料が持つ固有の放射率スペクトルとの積によって決まる。完全黒体の熱輻射スペクトルはブロードな波長分布を示し、材料が持つ放射率スペクトルも、材料によっては特定の波長に偏りのある分布を示すものの、特定の材料を構成する分子が持つ官能基の吸収波長と同程度の狭帯域なピークを持つような波長分布の赤外線を放射することは難しかった。しかし、近年、発熱部の表面構造を微細加工し、放射率スペクトルを制御する研究が盛んに行われている。放射率制御に用いられている構造としては、金属と誘電体との２層の薄膜層の上に金属の孔又は突起を２次元平面状に周期的に配列した構造、又は、金属層の上に屈折率の異なる２種類の誘電体を交互に積層した積層構造などがある。このように、赤外線放射体の発熱部の表面の微細構造を設計することによって、任意の波長において狭帯域にピークを持つ波長分布の赤外線２０を放射することが可能となる。

さらに、上記のような特定の波長領域の赤外線２０を放射するように、表面に微細構造を施した放射面９における放射角度αによって、放射する赤外線２０の波長領域が変化する特性を有する微細構造がある。

図２Ａは、金属層の上に２種類の誘電体を交互に複数層積層したある多層構造体について、多層構造体の放射面９に垂直な方向から１０°傾いた方向に放射される赤外線をシミュレーションで解析した、
放射率スペクトルのグラフである。波長３．３μｍ付近に高い放射率を示すピークがあり、特定の波長領域の赤外線を放射する特性を示していることがわかる。多層構造体の金属層としては、Ａｕ、Ａｇ，Ｃｕ，Ｗ，又は、Ｍｏ等の金属によって形成され、膜厚は１００～５００ｎｍ程度に設定される。多層構造体の２種類の誘電体としては、Ｓｉ，Ｇｅ、ＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、又は、ＳｉＣ等から選択され、それぞれの膜厚は、１００ｎｍ程度から数μｍの間に設定される。

また、図２Ｂは、同じ多層構造体において、横軸を放射される赤外線の波長、縦軸を赤外線の放射角度α、赤外線の放射率を明暗で表したコンター図である。

図２Ｂを見てわかる通り、放射面９に対する放射角度αが０°から９０°まで変化するにつれて、放射面９から出射部７の方向へ放射する赤外線２０の波長領域である、図２Ａで示されている放射率のピークの位置が長波長側から短波長側に推移している。
このように、放射角度αによって赤外線の波長領域が変化する放射面９を有する放射部２において、第１出射部７の入射面７ａの平面に対する放射面９の角度αを角度調整部５で調整することで、任意の波長領域の赤外線２０を第１出射部７から射出することができる。

放射部２から放射され、第１出射部７から射出されず、反射層４で反射された赤外線は、筐体３内で多重反射し、放射部２に再び吸収されることで、筐体３内に一定程度閉じ込めることができるため、赤外線の利用効率を向上することができる。

前記第１実施形態によれば、放射部２の放射面９の角度αを角度調整制御部６の制御の下に角度調整部５で調整することで、複数の材料の吸収波長領域に対応できるため、吸収波長領域が異なる材料に対応するための赤外線放射装置の製作コストと加熱設備への付け替えの作業者の負担とを削減することができる。
図３は、本発明の第２実施形態における赤外線放射装置１の構成図である。

第２実施形態では、第１実施形態の赤外線放射装置１に対して、内壁面が鏡面などの反射層１２で構成され、半球状の筐体３の平面３ｅに対して、面対称に配置されている半球状の反射部材１１をさらに備えている。

反射部材１１は、線３ｃの延長線上の第１出射部７に対向する位置に、筐体３の第１出射部７の入射面７ａと平行な入射面１３ａを有しかつ赤外線を通過させる第２出射部１３を有している。放射部２から放射され、第１出射部７を通過し、第２出射部１３に到達した赤外線を、第２出射部１３を透過して反射部材１１外へ射出する。第２出射部１３は、出射部７を通過した赤外線を透過する材料で構成されているか、又は、入射面としての入射口を持ちかつ貫通して開口している。

第２実施形態によれば、第１実施形態の作用効果に加えて、以下の作用効果を奏することができる。すなわち、放射部２の放射面９から放射され、第１出射部７を通過した赤外線の一部は、第２出射部１３に到達し、第２出射部１３から射出されワーク８に照射される。第１出射部７の線３ｃ沿いではなく、線３ｃに対して傾斜して入り、第１出射部７を通過したが第２出射部１３の方向に向かわない赤外線は、反射部材１１の反射層１２で反射され、反射部材１１内あるいは筐体３内で多重反射し、一部を放射部２で吸収させることで、一定程度閉じ込めることができる。このように、放射面９と第１出射部７と第２出射部１３とを結んだ方向に沿う角度で放射された赤外線を、第２出射部１３の下方に局所的に照射することができる。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明の前記態様にかかる赤外線放射装置は、様々な吸収波長領域を有する材料に合わせた波長の赤外線を放射して被加熱物を加熱できるため、低コスト且つ高効率で所望の熱処理を実施できる。そのため、本発明の前記態様にかかる赤外線放射装置は、高効率な加熱装置として、工業製品又は家電製品の製造工程又は各種電子部品の製造工程における乾燥炉、焼成炉、キュア炉、又はリフロー炉などの各種熱処理を行う熱処理装置に適用できる。

１ 赤外線放射装置
２ 放射部
３ 筐体
３ａ 球心
３ｂ 頂点
３ｃ 球心と頂点とを結ぶ線
３ｄ 筐体空間
３ｅ 平面
４ 反射層
５ 角度調整部
６ 角度調整制御部
７ 第１出射部
７ａ 入射面
８ ワーク
９ 放射面
１０ 出力制御部
１１ 反射部材
１２ 反射層
１３ 第２出射部
１３ａ 入射面
２０ 赤外線
１０１ 赤外線放射装置
１０２ 放射部
１０３ 反射層
１０４ 外管
１０５ 出射部
１０５ａ 入射面
１０５ｂ 出射面
α 出射部の入射面に対する放射面のなす角度

Claims (2)

1. 赤外線を射出する赤外線放射装置であって、
   放射される前記赤外線の放射方向とその放射面とのなす角度によって、放射される前記赤外線の波長領域が変化する前記放射面を有する放射部と、
   内壁面が反射層で構成された半球状の形状を有し、その球心の位置に配置されて前記赤外線を射出する第１出射部を有し、前記放射部の前記放射面を前記第１出射部に向けた状態で前記放射部を筐体空間内に配置する筐体と、
   前記筐体の前記第１出射部に対する前記放射部の前記放射面の前記角度を調整する角度調整部とを備える赤外線放射装置。
2. 内壁面を反射層で構成され、半球状の前記筐体における平面に対して面対称に配置した半球状の反射部材をさらに設け、前記反射部材における前記第１出射部と対向する位置に、前記筐体の前記第１出射部の入射面と平行な入射面を有する第２出射部を備える、請求項１に記載の赤外線放射装置。

Images