抵抗加熱ヒータの設計方法について

質問

kougakubuです。
抵抗加熱ヒーターの設計方法に関する質問です。所望の温度に対するヒーターの必要熱量(電力)と表面積を計算により求めました。
使おうとしている抵抗発熱体は棒状のセラミックスでカタログより一本当たりの電力と発熱表面積は決まっています。この発熱体一本のワット数が大きいため、計算で求めたワット数にあわそうとすると必要表面積を満たせなくなってしまい困っています。
おそらく、発熱体を所望の温度にまで加熱するにはカタログ値にあるような電力まで上げないと温度は上がらない思われます。ですので、本数だけ多くして表面積を稼ぐことは出来ないのかと思っています。
発熱体の表面積が固定のとき、その設計しようとしているヒーター自身の表面積を稼ぐことはできないのでしょうか？
アドバイスでも何でも結構ですのでご存知の方おられましたらコメント下さい。勝手なのですが、急いでおります。よろしくお願いします。

回答No.4

newton100

＃１です。

ヒータ自体は専門ではないですが、セラミックヒーターでモリブデンを加熱するのでしょうか？　
モリブデンの融点は、２６００℃ほどですので、普通は高温度の用のヒート-として使われると思います。

従って、方式、用途、設備の都合が合っているかどうかわかりませんが、モリブデン自身に大電流を流してヒーターする方が効率が良いと思います（過電流にはもろいので注意が必要ですが）。

私がやったことがあるのは、真空中で高温のヒータを使う用途だと、何かを蒸着（スパッタリング）して、センサーを作ったりなどはやった経験があります。その時温度制御をしました。モリブデンは高価なので使ったことはありません。

回答No.3

GTAC

真空中の熱伝達ですから対流でなく輻射によるものになります。輻射の場合、対象物の等価表面積とヒータの表面積、ヒーターの表面の放射率、ヒーターの温度、加熱対象物の放射率（熱吸収率）により伝達エネルギーが計算されます。その計算結果の結論としてヒーター側がある面積要るということなのでしょうか？
輻射の場合は表面積で稼げない場合（実務上はそれが大半）はヒーターの表面温度を上げて赤熱（白熱）させることで放射エネルギーを増やします。

実用上で難しいのはヒーターならびに加熱対象の放射率です。これがわからないとヒータの設計はできません。
また等価的に表面積を稼ぐ方法として反射鏡をつけて集中させることも行われます。

赤熱させることでヒーター自身の材料（ニッケルクロム）が蒸散することもあります。こういった場合はマイクロ波誘導加熱やレーザー光などによる加熱を行います。

放射率は実用上は実験的に求めます。
「表面積が決まっている何ｋWのヒーター」というのは対流の加熱用のものではないでしょうか？

http://www.nichinetu.co.jp/seihin/sanki/enseki-heater.htm

参考URL：

http://www.nippon-heater.co.jp/material/surfacecolor/surfacecolor.html

回答No.2

GTAC

加熱の対象がわかりませんので補足をお願いします。
一般に抵抗加熱では発熱体＝＞空気＝＞被加熱物という経路で熱伝達されます。
表面積うんぬんは発熱体の表面積が十分に無いと空気に熱が伝えられないために規定しています。一般には一定温度（炉内の温度）で炉内容積が十分に広く自然対流のみで加熱するような条件になっているはずです。（詳しくはメーカーへの問い合わせが必須）
この条件を守らないとヒーター自体が過熱して断線します。また使用条件（雰囲気ガス、温度など）でヒーターの使用能力は変わります。

実験的に他の用途に転用するのであれば、ヒートシンク（アルミ製のフィン）を取り付けて伝熱面積を稼ぐとか、ファンで空気を吹きかけて強制対流させて時間あたりの抜熱量を稼ぐとか、冷媒を用いて熱を取り去れば能力をアップすすことができます。
こういった場合はヒーターの表面温度を監視して一定温度以上にならないように保護装置をつけます。

参考URL：

http://www5f.biglobe.ne.jp/~takagiss/index.html

補足

補足が遅くなり申し訳ございません。加熱の対象は高融点金属であるモリブデン板を考えております。加熱雰囲気は真空下です。

回答No.1

newton100

ご説明の日本語が判りにくいのですが、ヒーターで何かを加熱して温度を一定に制御する必要があるのでしょうか？

それでヒータが沢山必要になる計算になってしまうので、良い考えが無いかでしょうか？

何をどのような構造で加熱するのか判らないのですが、・・

ヒーターを加熱物に近づけたりなど熱抵抗を下げる構造が必要です（空気の熱抵抗は非常に大きいです）。

それから恒温に保つためのものでしたら、温度制御をする必要がありますね。市販の温度制御装置を使うのも手ですね。私がやった時は、パソコンを使って、PID制御をしました（限界感度法でパラメータを決めました）。

もう少し具体的な内容が判れば、更にアドバイス出来ると思います。アドバイスももらえると思います。

補足

わかり難い文面で申し訳御座いません。あせっていました^^;
プレートヒーターの設計を行っております。熱源にセラミックスの棒状発熱体用います。その熱源でプレートを1000℃程度まで加熱するというヒーター構成です。この構成でプレートを1000℃まで加熱するのに必要な棒状発熱体の電力(kW)と発熱部の表面積計算により求めました。ちなみに、プレートと棒状発熱体間は非接触で輻射加熱。雰囲気は真空です。これらを考慮した熱計算で求めました。
計算の結果、例えば棒状発熱体の必要電力計算値は10(kW)で、その時の同じく棒状発熱体の発熱部表面積はＳ(m2)とします。
そして、棒状発熱体はカタログ値から１本６(kW)で直径φＤ(mm)とします。すると、１本６(kW)なので結局×２本の棒状発熱体で必要とする電力は十分賄ってしまうことになります。しかし、計算で求めた発熱部表面積Ｓは、この２本分だけの表面積(D×2)では全然足りません。かといって、この表面積に必要な本数を入れると、電力が大きくなりすぎるのでは・・・・と疑問に思っています。感覚的にはいくら本数を増やしても、必要な温度まで上げると1本当たりの電力は、全て不可されるので意味がないものと思います。

＞温度を一定に制御する必要があるのでしょうか？
そのとおりです。おっしゃられてるPIDなどの制御方法については、まだ手を付けれていません。まだ初動段階ですので。
＞何をどのような構造で加熱するのか・・
セラミックスの発熱体を抵抗加熱(1000℃程度)して、輻射で 少し離れた前方においた高融点金属製プレートを加熱するというモデルです。雰囲気は真空です。