红外加热介绍即分类详细篇

章节
红外线加热简介
红外线是什么？
红外线如何加热物质？

红外线加热简介
红外线灯管（或称红外线辐射器）加热技术在工业上之潜力是相当无穷的。此技术可以广泛地应用在加热升温、烘干与Curing制程。因为它的体积可以设计得很轻量化，所以它可以很容易被装置在既有的设备上与现有的传统烘干技术的设备融合一起或甚至取代，以达到更高的产能或效率。灯管红外线能同时适配连续型生产线或批次型生产线。XX生产制造多款功能强大且构造精致耐用之红外线模块，可供各种不同的工业制程使用。我们的设计，可以完全订制，以符合客户制程之实际需求。邦正科技所设计之整合系统可提供平稳启动之功能，并可提供选择手动或自动功率控制。

我们提供给客户对设备的选择相当多，主要是根据被加热的工件及各种现场的制程条件。譬如，某些材料吸收某种波长的红外线会比别种波长的红外线更多，因为每种材料本身的颜色、构造与化学结构都是不同的。因此，邦正科技可提供各种测试设备给有需求的客户，在既有的生产设备上进行测试，以了解客户的工件材料是适合哪一种范围的波长。
对任何有意愿使用灯管红外线的客户来说，了解红外线技术与专用术语是非常重要的，所以邦正科技特别撰写了此篇技术文件，深入浅出地让客户完全了解此项技术。当了解了此技术后并正确地使用红外线加热技术，将可以得到相当大的生产优势，譬如：产能提升、能耗降低、生产设备缩小节省空间等等。
下一章节将介绍红外线是什么，并展示使用红外线来烘干水性基底的材料。此章节也包含了实际的范例，展现了红外线设备整合于水烘干制程设备（烤漆烘干、玻璃清洗后烘干、纺织业胶类烘干、鞋业胶类烘干、喷漆烘干.....）。由此章节将可看出使用红外线的各项好处。
红外线是什么？（放射光谱–红外线发生的依据）
红外线是一种辐射能源，更精确地说，它是一种电磁波，就像X-光、紫外线、可见光、微波与无线电波一样。这些电磁波的差异就在它们的频率不同、波长不同。（频率x 波长= 光速，光速是一个常数），所以频率越高，波长越短。
任何物体只要其温度高于绝对零度（0度K或摄氏零下273度），就会发射出红外线。发射出的红外线是以连续性的频谱展现（0.8微米~1毫米），当物体本身温度上升，则发射出的红外线强度也会随之增强，大约是以温度的4次方这个比例增强。所以，如果物体的温度提升多1倍，则每单位面积发射的红外线能量能提升16倍。以红外线来加热物体，很重要的一件事是发射红外线的物体（热源）之温度要很明显地高于被加热物，如此才能保证净能量流动是流往被加热物。
物体温度提升时的另一个明显效应就是发射出的红外线之波长变短，越来越多的能量是以短波红外线形式或可见光发射出去。一般在业界，贺利氏把波长区分成三种波段：短波、中波、长波（即远红外线）。虽然如此，即使中波红外线辐射器大部分能量是以中波形式发射出去，但它同时也会发射少量的短波与长波红外线与些许的可见光，这也就是为什么它看起来是红色的原因。大部分的雷射，特别是使用于切割或表面热处理的雷射，也是一种红外线辐射器。红外雷射与红外线辐射器的差别在于：雷射在本质上是单色辐射，它的波长是单一的，譬如CO2雷射，波长是10.6微米，而且是限缩在一个非常小的横截面做加热，其功率密度非常高。

红外线产生是以连续性的频谱展现（0.8微米~1毫米），当物体本身温度上升，则发射出的红外线强度也会随之增强，大约是以温度的4次方这个比例增强。所以，如果物体的温度提升多1倍，则每单位面积发射的红外线能量能提升16倍，史提芬-波兹曼定理（Stefan-Boltzmann Law）即在阐述此现象。
为简化定义，我们把红外线区分成三种波段：
短波：波长小于2微米
中波：波长介于2~4微米
长波：波长大于4微米
*注：1 micron meter = 1 微米= 10E-6公尺，是1 mm的千分之一

另外还有一个关系式是关于温度与波长的，当辐射物体温度增加，则放射光谱图之波峰对应之波长也会越来越短，反之亦然。如下图：

此波峰对应之红外线波长，即是最大部分能量是以此波长之红外线发射出去的现象是根据维恩定理（Wien’s Law），其公式可以下式代表：

波峰对应之波长(um) = 2898 / 绝对温度
譬如，辐射器灯丝工作温度2200摄氏度，则其主要能量发射之红外线之波长= 2898/(2200+273) = 1.17 um

以上数据是以完美辐射体（黑体）之表现为依据（Planck’s Curve, 普朗克黑体辐射定律）。实务上红外线辐射器之发射率一定会小于1，所以并非完美的辐射体，因此发射之辐射会比以上资料略低。

发射率是一个代表辐射效率的指标，如果有个物体其发射率等于1.0，则它是一个完美的发射体与吸收体，也就是所谓的黑体。如果某个物体其发射率等于0，则它是一个完美的反射体，而不会吸收任何辐射热。
话题拉回到红外线辐射器，依据上述原理，变动灯丝的材质使得灯丝温度有不同的工作温度，就可以变化其主要的输出红外线能量的波长。
不同热源温度之红外线辐射器所产生在不同波长之能量比例不同，如下表：

红外线如何加热物质？（吸收光谱- 物质吸收红外线能量的依据）
当电磁波遇到物体时，只有三个可能会发生，此辐射被反射（就像镜子反射光线一样）、或此辐射穿透物体（就像光线穿透玻璃一样），或者此辐射被物体吸收。只有被吸收的部分才能够有加热的效果。

物质是以几种不同方式吸收红外线。大部分非金属物质其分子结构的某些部位能被特定波长的红外线震动，譬如含水分的物质（我们称之为羟基，即氢氧基-OH）主要可吸收波长介于2.5~3微米的红外线，也有吸收些许其他波长。物质含有CH, NH或类似的化学组合则可以吸收不少长一点的波长（大概是3.5微米以上）。硅基玻璃吸收低于3.5微米的波长，主要是其Si-O键也是吸收2.5~3微米这个波段的波长，因为其也有-OH基。金属吸收红外线则是因为电磁波与金属原子的电子结构之交感作用。
对大部分的物质而言，红外线是被分类在表面加热技术，类似烤一块吐司面包的方式。也就是红外线能量是被受热物体的表面吸收，因此，某些特性类似传导与对流的加热方式，但在某些制程需求下，却可以提供更密集的加热效果。对某些物质而言，譬如透明的塑胶，玻璃，纸张与纺织布料，红外线可提供不同程度的”穿透式加热”，辐射能量可以渗透进入物体，在一定的深度内提供瞬间的加热效果。当红外线渗透入物体后，其强度会随着进入的深度而非线性地降低（指数型降低）。之后的温度梯度就此形成，而梯度的大小则与吸收系数相关。若吸收系数小，温度梯度也低（加热慢），若吸收系数大，则温度梯度也高，大部分的能量在表面就被吸收。一个非常高的吸收系数本质上可得到良好的表面加热效果。因为物质对红外线的吸收系数会随着波长的不同而有不同，所以选择正确波长的红外线能得到更好的表面加热，甚至大体积的加热是很有可能的。

以下列出各种不同物质对红外线的吸收特性

当红外线辐射器的温度上升时，以下情形会发生：
1.越短的波长的红外线能量会大幅上升；整体的能量也是上升。
2.最大的辐射能量密度产生在较短的波长。
3.整体的红外线能量也会大幅上升（例如：若绝对温度提升一倍，整体输出能量提升16倍，即T4 的定理）

水加热与烘干制程
从以上两个章节，我们了解了红外线的放射光谱以及物质的吸收光谱，这两种特性，可以看出红外线波长在使用红外线加热时的重要。例如水的加热与烘干。以下是液态水的吸收光谱。我们简单地把此光谱与我们产品的放射光谱图重叠，X轴依照刻度对齐。由下图可以发现，比较卤素极短波灯管与中波灯管，中波灯管的放射光谱与水的吸收光谱重叠性较卤素极短波灯管为高，也就是说，使用中波灯管加热水，其能量被水吸收的效率会远大于卤素极短波。

由上图可知，A：Non-A 小于B：Non-B，使用卤素灯管加热水，有很大比率的红外线辐射能量（Non-A）不被水吸收，不被水吸收的红外线，部分转而被空气吸收使空气温度上升，部分则因为多次反射而被附近其他物质吸收，譬如零件或其他原本不需要加热的物件。

目前工业界绝大部分号称使用红外线的用户，在不了解原理的状况下都还是使用这种极短波灯管或不正确的灯管，长年下来，不仅享受不到红外线真正的优势，更不知不觉地浪费了许多能源费用，同时也不知不觉地减短了机器零件的寿命，而寿命短的极短波灯管，经常需停机更换维修，也降低了设备的利用率。随着各项能源的价格日益升高的年代，使用者确实应该选用正确的红外线辐射灯管，不仅能够节能，缩短加热烘干时间、提升产能、缩小产线面积节省厂房空间。

烘干表面有水分的工件之制程，如何处理烘出来的水蒸汽是非常重要的，因为如果水蒸汽累积在工件附近，使得附近的相对湿度越来越高，则可想而知，后续工件上的水分要突破蒸汽压被蒸发会变的越来越困难，就像雨天湿的衣服不易晾干的道理，因为湿气重。传统使用热风炉来烘干，会遇到几个问题，首先就是水蒸汽排除的问题，由于热能是藉由空气从热源带到工件表面，且热能需尽量被”封”在工件表面，此需求刚好与排除水蒸汽的方向是相反的，也就是说，一方面需把热吹过来工件，同时一方面需把水蒸汽吹离工件，这个矛盾的过程，不知浪费了多少能量。
而使用中波红外线辐射器来烘干工件上之水分，除了波长正确而易被吸收，且因为能量是以辐射方式从热源直接以光速传递到工件表面的水分，所以水蒸汽排除的动作不会影响此热量传递的效能，水蒸汽可以立即被排除，保持环境在一个湿度低的条件。另外一个附加的好处是，烘干完成后，工件的温度相对使用热风炉来说会比较低，后续需放凉的时间可以大幅缩短。（工件的温度越高，代表浪费的能量越多，因为真正需要能量的是水份，不是工件）。烘干溶剂的制程也是相同状况，能量传递与蒸汽排除是两个不同的运作方式，好处是可以大幅降低气爆的机会。