「1日に試せる条件が少なく、開発がなかなか進まない...」とお悩みではありませんか？
研究開発や試作の現場では、温度や加熱時間などの条件を繰り返し変更しながら、最適な加工条件を探す必要がありますが、ヒーターの昇温・降温に時間がかかると、試験そのものよりも待ち時間が長くなることがあります。
本記事では、加熱試験の回数を左右する要因や、ヒーターの応答性が重要な理由を解説します。研究開発に適した卓上加熱炉の特徴も紹介しますので、試作設備の選定にお役立てください。
研究開発用の加熱装置を選ぶ際、最高使用温度やヒーター容量を重視する方は多いのではないでしょうか。もちろん、必要な温度まで加熱できることは重要です。しかし、試作や研究開発では、温度条件をどれだけ素早く変更できるかも確認しておきたいポイントです。
例えば、樹脂の硬化条件を調べる際、300℃、350℃、400℃と設定温度を変更しながら評価する場合があります。このとき、ヒーターの温度変更に毎回30分かかる設備と、数分で変更できる設備では、1日に実施できる試験回数に差が生まれます。
量産工程では一定条件で連続運転することが多い一方、研究開発では条件変更を繰り返すのが一般的です。そのため、最高温度だけでなく、昇温・降温の応答性も設備選定の重要な指標となります。
研究開発や試作の加熱試験では、実際にワークを加熱する時間以外にも、さまざまな待ち時間が発生します。主な待ち時間は、次の3つです。
| 待ち時間の種類 | 内容 |
| 昇温待ち | ヒーターや炉内が設定温度に到達するまでの時間。熱容量が大きい設備では、試験開始時や設定温度を引き上げる際に時間がかかる。 |
| 降温待ち | 高温条件から低温条件へ変更する際、ヒーターや炉内の温度が下がるまでの時間。設備の熱容量が大きいと、設定温度を下げてもすぐに追従しない場合がある。 |
| 次条件への切り替え待ち | 試験片の交換や測定器の準備、温度条件の再設定などに必要な時間。 |
こうした待ち時間は、1回あたりでは短くても、試験回数が増えるほど積み重なります。例えば、1回の試験で20分の待ち時間が発生する場合、10回の試験では合計200分になります。
加熱試験の効率を高めるには、加熱時間だけでなく、こうした待ち時間を含めて見直すことが重要です。
研究開発における試験効率を確認するには、1回の試験に必要な時間を整理するとわかりやすくなります。基本的な計算式は、次のとおりです。
| 1日の試験回数＝実働時間÷1条件あたりの所要時間 |
1条件あたりの所要時間には、以下を含めます。
例えば、実働時間を8時間（480分）として、以下の2つの条件を比較してみましょう。
| 項目 | 設備A | 設備B |
| 加熱時間 | 20分 | 20分 |
| 温度変更・安定待ち | 30分 | 5分 |
| ワーク交換・測定 | 10分 | 10分 |
| 合計 | 60分 | 35分 |
| 1日の試験回数 | 8回 | 13回 |
この例では、設備Bの方が1日に5回多くの試験が可能です。
もちろん、実際の試験回数はワークの種類や測定内容によって異なります。それでも、温度変更の待ち時間を短縮することが、開発スピードの向上につながることがわかります。
加熱試験の設定温度を400℃から350℃へ変更するケースを考えてみましょう。
一般的に、ヒーターや炉体の熱容量が大きいほど、内部に蓄えられる熱量も大きくなります。そのため、設定温度を400℃から350℃へ下げても、ヒーターや炉壁に残った熱によって温度がなかなか下がらず、次の試験を開始するまでに待ち時間が発生することがあります。
一方、熱容量が小さく応答性の高いヒーターは、出力を下げた際にヒーター自体の温度が比較的素早く低下するため、次の温度条件へ移行しやすいのが特徴です。
ただし、ヒーターの温度が下がっても、炉内や治具、ワークの温度が同じ速さで下がるとは限りません。実際の試験では、ヒーターの応答速度だけでなく、炉内やワークが次の試験に必要な温度条件に達するまでの時間も確認することが大切です。
セラミックヒーターは、耐熱性や放射特性に優れ、さまざまな工業用加熱装置で採用されている熱源です。
一般的なセラミックヒーターの中には、発熱体やセラミック本体の熱容量が大きく、昇温・降温に時間がかかるタイプがあります。このタイプの場合、高温から低温へ設定を変更する際は、本体に蓄えられた熱が放出されるまで待機が必要です。
一定温度で長時間運転する工程では問題にならなくても、頻繁に条件変更を行う研究開発では、こうした応答性が試験効率に影響します。
ただし、すべてのセラミックヒーターの応答性が低いわけではありません。製品の構造や熱容量、温度制御方式によって特性は異なります。
TPR商事の「QUTクイックウルトラサーモ」は、薄い帯状の金属を発熱体に採用した即熱式の遠赤外線ヒーターです。QUTは、最速約15秒でヒーター温度が約500℃に到達する優れた応答性を特徴としています。
研究開発における主なメリットは、次の4つです。
| メリット | 概要 |
|---|---|
| 急昇温 | 電源投入後、ヒーターが素早く昇温するため、試験開始までの待機時間を短縮しやすい |
| 急降温 | 出力を下げた際の温度応答が速く、高温条件から低温条件への切り替えに適している |
| 必要な時だけON | 立ち上がりが速いため、試験のタイミングに合わせた運転を検討できる |
| 条件変更に追従しやすい | 温度設定を頻繁に変更する用途でも、柔軟な運転が期待できる |
以下の記事では、QUTシリーズについて詳細を解説していますので、ぜひご覧ください。
研究開発では、大型の量産設備を導入する前に、小型の加熱炉で条件出しを行う方法があります。
TPR商事の卓上加熱炉「STHシリーズ」は、即熱式遠赤外線ヒーターQUT60を採用した小型のコンベア式加熱炉であり、主な特徴は、以下のとおりです。
| 特徴 | 詳細・概要 |
|---|---|
| 省スペース設計 | 研究室や限られた実験スペースへの設置を検討しやすい |
| 3ゾーンの温度制御 | 各ゾーンの設定を変更し、目的に応じた加熱条件を検討できる |
| 搬送速度の変更 | コンベアの速度を調整し、加熱時間を変えた試験ができる |
| 温度プロファイルの確認 | 量産設備の導入前に、ワークの温度変化を測定・評価できる |
例えば、入口側のヒーター温度を高めに設定し、その後のゾーンで温度を調整するといった試験も可能です。
以下の記事では、TPR商事の卓上加熱炉について詳しく説明していますので、ぜひご覧ください。
研究開発用の加熱装置を選ぶ際は、最高使用温度やヒーター容量だけでなく、試験の効率や品質に関わる性能も確認することが重要です。
特に確認しておきたいのが、次の5つの性能です。
| 性能 | 確認するポイント |
| 昇温速度 | ヒーターが設定温度に到達するまでの時間と、ワーク自体が目標温度に達するまでの時間 |
| 降温速度 | 高温から低温へ条件変更する際の応答速度と、次の試験を開始できるまでの待ち時間 |
| 温度分布 | ワーク全体の加熱均一性と、測定位置による温度差の大きさ |
| 設定変更のしやすさ | 温度や搬送速度などの設定変更に必要な操作や手間 |
| 温度プロファイルの再現性 | 同じ条件で繰り返し試験した際の温度変化の一貫性と再現精度 |
これらの性能は、試験回数を増やすだけでなく、研究開発における評価精度にも関わります。
加熱装置を選定する際は、昇温・降温の速さとともに、温度制御の安定性や再現性も含めて総合的に判断しましょう。
卓上加熱炉は、大学の研究室や企業の研究開発部門、新規事業部など、さまざまな試作・評価用途で活用されています。
| 対象 | 想定される加熱試験 |
| 樹脂 | 軟化・成形前加熱、熱処理条件の検討 |
| 接着剤 | 硬化温度・硬化時間の評価 |
| 電子部品 | 封止材の硬化、熱処理条件の検討 |
| 基板 | 乾燥、樹脂硬化、加熱条件の評価 |
| 各種材料 | 熱による物性変化や耐熱性の評価 |
このように、卓上加熱炉はさまざまな材料や部品の加熱条件を検討する際に活用できます。
特に研究開発では、温度や加熱時間を変えながら繰り返し試験を行うため、条件変更のしやすさが重要です。量産設備の導入前に小規模な試験で適切な加熱条件を確認することで、設備選定の精度を高め、開発段階での手戻りを減らすことにもつながります。
研究開発用の加熱装置は、初期費用だけで選ばないことが重要です。安価な装置でも、温度変更に時間がかかれば試験回数が減り、開発期間が長くなる可能性があります。
また、将来的に量産設備へ展開する予定がある場合は、試作段階から量産時の加熱方式を意識しておくことも大切です。
例えば、量産時にコンベア式の遠赤外線加熱炉を使用する予定であれば、試作段階でも同様の方式で条件出しを行うことで、量産設備への展開を検討しやすくなります。
さらに、必要な温度レンジだけでなく、温度分布、搬送速度、ワーク寸法なども事前に確認しましょう。
TPR商事では、研究開発や試作用途に対応した卓上加熱炉をご提案しています。実際の条件出しは、次のような流れで進めます。
TPR商事では、下火ヒーターを備えた卓上加熱炉「STH-14Q」のデモ機をご用意しています。製品の詳細については、以下の商品ページをご覧ください。
研究開発では、1日に何条件の試験を実施できるかが、開発スピードに影響します。そのため、加熱装置を選ぶ際は価格や最高温度だけでなく、昇温・降温速度や設定変更のしやすさにも注目しましょう。
TPR商事のQUTクイックウルトラサーモを搭載した卓上加熱炉は、頻繁な条件変更が求められる研究開発や試作工程で、待ち時間を減らすための選択肢となります。卓上加熱炉について詳細が知りたい方は、お気軽にお問い合わせください。
