工業生産において炭素繊維加熱管を用いて湿潤材料を乾燥させる場合、赤外線散乱は考慮されるか？

工業生産では、湿った材料を加熱・乾燥させるために電気加熱が一般的に使用されている。主な乾燥の原理には次のようなものがある：1つ目は、材料を高い周囲温度で加熱して乾燥させる方法、2つ目はマイクロ波を使って材料を加熱・乾燥させる方法、3つ目は赤外線による加熱、4つ目は低温脱水乾燥である。これらのプロセスは手法こそ異なるが、その目的は同じである。すなわち、湿った材料から水分を排出し、乾燥した製品を得ることで、保管・輸送コストと保管期間を削減することである。

今日は、炭素繊維加熱管を乾燥に使用する際に、材料の微細構造と赤外線の反射・散乱への影響を考慮する必要があるかどうかを簡単に説明しよう。

液体や固体による放射線の散乱強度は、熱力学的温度に正比例し、材料の密度の影響を受け、一般的に密度が高いほど大きくなります。さらに、液体の表面張力にも関係し、表面張力が低下すると増加する。水は最も高い表面張力係数を持つため、他の液体と比べて放射線散乱が少ない。

中波から長波の赤外線がデンプン顆粒や植物細胞と相互作用すると、複雑な振動が励起される。したがって、粒子の振動は一定ではなく、粒子の放射線散乱には反射、屈折、二次放射の複合効果が含まれる。

分子レベルでの散乱現象は、一般に、密度勾配、水分勾配、温度勾配、異方性、構造的不均一性を持つ領域など、材料が不均質な場所で発生する。材料内の不規則な孔や毛細管は、毛細管液面の端部とともに、放射線の散乱や放射方向の変化を引き起こす可能性がある。したがって、炭素繊維加熱管の赤外線放射の加熱効果を研究する際には、これらの散乱効果が放射に影響を与えるかどうかを考慮する必要がある。

植物材料の細孔壁や細胞膜はコロイド粒子で構成されており、これが材料中の散乱中心となって多重散乱を引き起こす。厚さ1μm以下の素材でも、2回以上の多重散乱が起こり、放射エネルギーを吸収する。その結果、材料の特性と放射熱伝達は密接に関係している。

木材、茶、果物などの物質は、波長20μm付近の赤外線に対して高い吸収帯を示す多孔質コロイド構造を持っている。この高い吸収は、多孔質コロイド構造のすべての成分が赤外線を吸収するためである。したがって、炭素繊維加熱管を使用してこれらの材料を加熱または乾燥する場合、材料の吸収ピーク波長を一致させることが不可欠である。

水分を含む材料は、特に特定のスペクトル帯域において、赤外線に対する反射率が低い。これは特に水分を含む木材の表層で顕著であり、反射率の低下につながる。これらのスペクトル帯域で含水率が増加すると、赤外線放射エネルギーの吸収率も増加する。