การให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด

ELECTRIC INFRARED HEATING

รังสีอินฟราเรดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นยาวกว่าแสงที่มองเห็นได้ โดยอยู่ในช่วง 0.76 μm-1000 μm ความยาวคลื่นในช่วงนี้จะแบ่งย่อยลงไปอีกตามตารางที่ 1 แต่ในอุตสาหกรรมจะใช้ในช่วงตั้งแต่ความยาวคลื่นสั้นจนถึงประมาณ 25 μm

ช่วงความยาวคลื่นในย่านต่าง ๆ

Sources : en.wikipedia.org : Light, (2015)

ตารางที่ 1 ช่วงความยาวคลื่นของรังสีอินฟราเรด

รังสีอินฟราเรดแทบจะไม่ทำให้เกิดปฏิกิริยา Photochemistry เมื่อถูกดูดกลืนโดยวัตถุ แต่พลังงานของรังสีจะกลายเป็นความร้อนเกือบทั้งหมด ดังนั้น ในแง่ของการถ่ายเทความร้อนจึงถือว่าเป็นปรากฏการณ์แผ่รังสีความร้อน

การให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด เป็นการใช้ประโยชน์จากความร้อนที่เกิดขึ้นจากการดูดกลืนพลังงาน (Dielectric Absorption) ของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในช่วงอินฟราเรดที่ตกกระทบวัตถุ ไดอิเล็กทริก ในช่วงความถี่ดังกล่าว จะเกิดการดูดกลืนพลังงานในการ Resonance ระหว่างความถี่ของ คลื่นตกกระทบกับการสั่นเฉพาะตัวของอะตอมที่ประกอบเป็นวัตถุ ดังนั้น วัตถุแต่ละชนิดจึงมีสเปกตรัมการดูดกลืนแสงเฉพาะตัวต่อความถี่ (ความยาวคลื่น) หนึ่งๆ

เนื่องจากรังสีอินฟราเรดมีช่วงความถี่เชิงแสงที่มีค่าสูง พลังงานของคลื่นตกกระทบเกือบทั้งหมดจึงถูกดูดกลืนโดยชั้นพื้นผิว และลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อลึกเข้าไปในเนื้อวัตถุ แนวโน้มนี้จะปรากฏเด่นชัดในกรณีของรังสีอินฟราเรดใกล้ซึ่งมีความยาวคลื่นสั้น และความหนาแน่นพลังงานก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

จากคำอธิบายข้างต้น สามารถสรุปคุณสมบัติของการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรดได้ดังต่อไปนี้

(1) พลังงานความร้อนจะถ่ายเทให้วัตถุโดยตรงด้วยการแผ่รังสีโดยไม่ต้องใช้ตัวกลางถ่ายเทความร้อน จึงมีความร้อนสูญเสียต่ำ และสามารถให้ความร้อนอย่างรวดเร็ว ในทางกลับกัน จะมีจุดอ่อนที่ให้ความร้อนส่วนที่เป็นเงาของวัตถุได้ยาก

(2) ความจุความร้อนของแหล่งกำเนิดรังสีและอุปกรณ์ให้ความร้อนมีค่าน้อยและ เป็นการให้ความร้อนด้วยการแผ่รังสี ดังนั้น จึงมีการตอบสนองต่อการควบคุมอุณหภูมิที่ดี สามารถควบคุมอุณหภูมิได้สะดวก เหมาะสมกับการควบคุมอัตโนมัติ

(3)   รังสีอินฟราเรดมีช่วงความถี่เชิงแสงที่มีค่าสูง ดังนั้น จึงเหมาะกับการให้ความร้อนบริเวณพื้นผิวของวัตถุไดอิเล็กทริก

(4)   วัตถุชนิดต่างๆ จะมีคุณลักษณะเฉพาะตัวในการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่ตกกระทบ ดังนั้น จึงต้องเลือกใช้แหล่งกำเนิดรังสีที่มีคุณลักษณะเหมาะกับคุณลักษณะดังกล่าวของวัตถุเพื่อให้เกิดประสิทธิผลดี

แหล่งกำเนิดรังสีอินฟราเรดที่ใช้กันมากได้แก่ หลอดรังสีอินฟราเรด และฮีตเตอร์แบบ Quartz Tube หลอดรังสีอินฟราเรดมีอุณหภูมิสีของไส้หลอดประมาณ 2000-2500K ซึ่งมีค่าต่ำกว่า   หลอดสำหรับให้แสงสว่างทั่วไป ช่วงความยาวคลื่นของรังสีที่แผ่ออกมามีค่าประมาณ 0.8-2.5 μm จึงใช้เป็นแหล่งกำเนิดรังสีอินฟราเรดใกล้เป็นหลัก (รูปที่ 1) โดยทั่วไปแก้วและควอตซ์จะไม่ยอมให้คลื่นที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 4 μm ขึ้นไปทะลุผ่าน ดังนั้น กรณีที่ต้องการความยาวคลื่นยาวกว่านั้น จะใช้ Heating Element พวก Nichrome หรือแทนทาลัมในสภาพเปลือย ในกรณีนี้อุณหภูมิสีจะมีค่าประมาณ 700-1000K ช่วงความยาวคลื่นมีค่าประมาณ 2-10 μm

รูปที่ 1 หลอดรังสีอินฟราเรดกับฮีตเตอร์รังสีอินฟราเรด

รูปที่ 2 ตัวอย่างคุณลักษณะการดูดกลืนแสงในช่วงรังสีอินฟราเรดของโพลิเมอร์

Sources: www.shimadzu.com, (2015)

จากคุณลักษณะข้างต้น ในงานอุตสาหกรรมจึงใช้วิธีหลอดรังสีอินฟราเรด (ใช้รังสีอินฟราเรดใกล้เป็นหลัก) ในการอบสีตั้งแต่อดีตมาแล้ว

อย่างไรก็ตาม ในจำนวนวัตถุดิบที่เป็นเป้าหมายการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด มีวัตถุดิบจำนวนมากที่มีคุณลักษณะการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดไกลได้ดี เช่น สารประกอบไฮโพลิเมอร์ ได้แก่ เรซินสังเคราะห์ พลาสติก เส้นใยสังเคราะห์ ฯลฯ หรือพวกอาหาร เป็นต้น จึงมีการให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรดไกลเพิ่มมากขึ้น (รูปที่ 2)

ตัวอย่างแหล่งกำเนิดความร้อนนี้ ได้แก่ ฮีตเตอร์รังสีอินฟราเรดไกลชนิดต่างๆ ซึ่งใช้ออกไซด์ของโลหะ (เซรามิก) ที่มีคุณลักษณะดูดกลืนแสงในช่วงรังสีอินฟราเรดไกลได้ดีเป็นพื้นผิวแผ่รังสี

การประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด

การให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด จะใช้หลอดรังสีอินฟราเรดหรือฮีตเตอร์แบบ Quartz Tube เดี่ยว หรือใช้ Infrared Bank ซึ่งประกอบด้วยยูนิตข้างต้นใช้ร่วมกัน ใช้ในการอบสีรถยนต์ ฯลฯ หรือใช้ในการอบแห้งผงสารอินทรีย์ ยา เป็นต้น

รูปการอบสีรถยนต์ด้วยความร้อนจากรังสีอินฟราเรด

Sources: adlheater.com, (2015)

หลังจากนั้นมีการค้นพบว่าสารประกอบไฮโพลิเมอร์ เช่น เรซินสังเคราะห์ พลาสติก เส้นใยสังเคราะห์ ฯลฯ หรือพวกอาหาร ส่วนใหญ่แล้วจะมีคุณลักษณะดูดกลืนคลื่นแสงในช่วงรังสีอินฟราเรดไกลได้ดี ประจวบกับมีการพัฒนาแหล่งกำเนิดรังสีอินฟราเรดไกลขึ้น จึงมีการประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรดไกลกันอย่างแพร่หลาย วัตถุประสงค์การใช้งานนอกจากการอบสีต่างๆ ยังใช้ทำกรรมวิธีความร้อนของพลาสติก อบแห้งหมึกพิมพ์ อบ Paste ในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ อบแห้งสีย้อม อบแห้ง-อบอาหาร หรือประยุกต์ใช้ในการปรับอากาศร้อนและเวชกรรม เป็นต้น

การประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยแสงเลเซอร์

แสงเลเซอร์มีหลายชนิดตั้งแต่ในช่วงอินฟราเรดจนถึงอัลตราไวโอเลต แต่ในการแปรรูปด้วยความร้อน โดยทั่วไป จะใช้แสงเลเซอร์ CO₂ อินฟราเรด (ความยาวคลื่น 10.6 μm) และแสงเลเซอร์ YAG (ความยาวคลื่น 1.06 μm) วัตถุประสงค์การใช้งาน ได้แก่ การเจาะรูและตัดด้วยความเที่ยงตรงสูงโดยอาศัยพลังงานความหนาแน่นสูงอันเป็นคุณสมบัติของแสงเลเซอร์ การแปรรูปละเอียดของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ การกำจัดวัตถุที่พื้นผิว (เช่น Marking เป็นต้น) และยังมีการเชื่อม การปรับสภาพพื้นผิวโดยใช้ความหนาแน่นพลังงานที่ต่ำลงมาอีกด้วย

การประยุกต์ใช้การให้ความร้อนด้วยลำแสงอิเล็กตรอน

มีความหนาแน่นพลังงานสูง (10⁷-10⁸ W/cm²) สามารถควบคุมตำแหน่งที่จะให้ความร้อนได้อย่างเที่ยงตรง จึงใช้ในการหลอมและ Vapor Coating โลหะที่มีจุดหลอมเหลวสูง การเชื่อมชิ้นส่วนรถยนต์ด้วยความเร็วสูงและการบิดตัวต่ำ การทำ Surface Quenching ของโลหะ การแปรรูปละเอียดของโลหะและเซรามิก เป็นต้น

รูปกระบวนการเชื่อมด้วยความร้อนจากรังสีอินฟราเรด

Sources: www.assemblymag.com ,(2015)

ที่มา : คู่มือการฝึกอบรมผู้รับผิดชอบด้านพลังงานอาวุโส, กรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน

การให้ความร้อนด้วยรังสีอินฟราเรด

ELECTRIC INFRARED HEATING