真空中で使用する板状のヒーターを設計することになったのですが、ヒーターに供給する電力とヒーター温度との関係について、計算方法を教えていただけないでしょうか。
また、参考書などはどのような分野のものを見たらよいのでしょうか。

A 回答 (2件)

基本的に電圧=抵抗×電流で、電圧×電流=抵抗×電流の2乗が発熱量になると思います。


あとは、ヒータを構成するものの熱容量と発熱体の分布(配置)、
熱の逃げ先が決まれば温度分布がわかると思います。

たとえば、熱がぜんぜん逃げていかないのであれば、
700℃ぐらいからヒータがちょっと赤っぽくみえてきて、
1000℃くらいから赤色が薄れはじめて
ちょっと白っぽくなってくるのではないでしょうか?

熱と温度の関係を簡易に計算する方法としては、
熱を電流、物の熱容量を電気容量C、物の熱伝導率を電気伝導率1/Rと考えて
CR回路を構成して計算する方法があります(定常状態ではしたがって抵抗のみの回路、
分布定数的な回路であれば普通の熱伝導方程式になります)。
この方法は電子部品の設計などでたまに使われていると思います
(でも、最近はシュミレータが発達したのでシュミレータに掛けちゃう場合が多いんでしょうね)。

問題の場合、真空中ということなので、unyoさんがいわれているように
輻射でにげる熱が主だとおもいますが、そういうヒーターなのでしょうか?
そうすると、ランプ状のヒーターで加熱するほうが効率がいいと思います。
そうなると反射板の設計などが重要になってくるのではないでしょうか?
逆に、接触させて加熱する場合には、接触のさせ方(電気でいうと接触抵抗)や
その接触させるもの、接触させたものからの輻射を考える必要があると思います。
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この回答へのお礼

ご親切な回答とアドバイスありがとうございます。
是非、参考とさせていただきます。

お礼日時:2001/02/14 11:25

電力で供給されるエネルギーと、逃げる熱のエネルギーが釣り合う温度で安定します。


熱の逃げ道としては、輻射熱、熱伝導があります。
輻射熱は、ステファンボルツマンの式から求めるのですが、ヒーターの面の状態と向かい合う面の状態、温度が影響します。
ヒーターの支えや、導線を伝わって逃げる熱量を、各部品の熱伝導率から求めます。
真空と言っても、真空度が低いと、残っている気体分子による熱伝導もありますので、ご注意下さい。
熱伝導で真空度を測るピラニゲージについて調べると参考になると思います。
http://www.nucleng.kyoto-u.ac.jp/PEOPLE/IKUJI/ed …

この回答への補足

ご回答ありがとうございます。たいへん参考になりました。
ステファンボルツマンの式については、今のところ知識がないので勉強してみます。断熱工学とかの参考書でよろしいですよね。
ど素人なもので、もう少しお伺いしたいのですが、供給するエネルギー(電力)とヒーター本体の発熱温度とはどのような関係になるのでしょうか。
つまり、抵抗体に電流を流しても全てが熱エネルギーに変わるわけではないと思います。「電流密度」「電力密度」などがキーワードになるとも聞いたことがあるのですが、調べがつきません。
このあたりに関わる係数とか、関係式などを教えていただければ幸いです。

補足日時:2001/02/09 17:56
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よろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

>パターンそのものもインダクタやコンデンサ成分となるので、
この理解は不十分です。
全てのパターンを伝送線路として考える必要が有ります。
伝送線路はそれぞれの特性インピーダンスを持ち、ミスマッチの状態では周波数によりインダクタやキャパシタのように見えます。また、インピーダンス変換の機能を持ちます。

高周波回路設計に必要な測定器としては、ネットワークアナライザ、スペクトラムアナライザ、信号発生器等です。
さらにあれば良いものは、可変アッテネータ、固定アッテネータ、パワーメータ等です。
GHz帯のオシロスコープも有用です。
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1か月のレンタル料はおよそ購入価格の1/10です。
初めて使うのであれば、使い方に慣れる時間も考える必要が有ります。
電波の送受信を伴う場合にはシールドルームも必要になります。

GHz帯の高周波回路設計を行うにはネットワークアナライザの使用が必須です。
ネットワークアナライザの測定結果はSパラメータで表示されるので、Sパラメータの理解が欠かせません。
Sパラメータを理解するには最初にスミスチャートを勉強してください。

>回路規模はアンプと減衰器と分配器が1つずつあるような規模のものです。
アンプと減衰器と分配器がそれぞれモジュール化されていて50Ωの伝送線路で接続すれば良いのであればそれほど難しくは有りません。
(だからと言って、誰でもできるとは限りませんが)
回路が複雑になる(例えば、フィルタ回路を含む)場合には電磁界(2.5次元解析)シミュレータの使用が有効です。
(というか、使わないと何回もやりなおしになる可能性が高い。使いこなすにはセンスも必要)
http://www.geocities.jp/rfpagejp/emsim.html

下記サイトが参考になるでしょう。
http://www1.sphere.ne.jp/i-lab/ilab/
http://www.geocities.jp/rfpagejp/rfpage.html

測定器の予算が不十分な場合は、外部の業者に設計を依頼するのが吉です。
というか、社内に質問できる人がいないのであればその方が良いです。

>パターンそのものもインダクタやコンデンサ成分となるので、
この理解は不十分です。
全てのパターンを伝送線路として考える必要が有ります。
伝送線路はそれぞれの特性インピーダンスを持ち、ミスマッチの状態では周波数によりインダクタやキャパシタのように見えます。また、インピーダンス変換の機能を持ちます。

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期待しています。
参考まで

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