Title Author(s) Citation Issue Date 遠赤外線の加熱特性（第３報） : 熱移動解析韓, 忠洙; 夏賀, 元康; 伊藤, 和彦北海道大学農学部邦文紀要, 17(2): 137-150 1990-08-31 DOI Doc URL http://hdl.handle.net/2115/12125 Right Type bulletin Additional Information File Information 17(2)_p137-150.pdf Instructions for use Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers : HUSCAP 北大農邦文紀要 1 7 ( 2 ): 137~150 ， 1 9 9 0 遠赤外線の加熱特性 ( 第 3 報〉一一熱移動解析韓忠沫・夏賀元康・伊藤和彦 (北海道大学農学部農畜産加工機械学教室〉 (平成 2年 5月 3 1日受理) StudiesontheHeatingCharacteristicsof FarInfraredRays CPart 3 ) A n a l y s i so fHeatT r a n s f e r ChungSuHAN，MotoyasuNATSUGAandKazuhikoITOH a c u l t yo fA g r i c u l t u r e， ( L a b o r a t o r yo fA g r i c u l t u r a lP r o c e s sE n g i n e e r i n g，F HokkaidoU n i v e r s i t y，S a p p o r o，] a p a n ) 1.緒言 Thermocouple 遠赤外線による伝熱が対流伝達および近，中赤外十1 5 線による放射伝熱よりも優れているとする理由に，遠赤外線が被加熱体の内部深くに直接浸透し，内部において熱エネルギに交換されることが上げられている。しかし，この考え方に対し遠赤外線の物体内部への浸透は，表面からごく浅い部分に限られているとする説もあり，現在は定説がないは)。前報 3， 4) ま " ' ' 一一一 Temperaturer e c o r d e r でに，遠赤外線の加熱特性として材料の色と吸収熱量の関係および遠赤外線加熱による色素の分解度について述べた。本報では，遠赤外線の熱移動状態を可視化する方法として，常温下でデンプンの糊液がヨード反応で青紫色を呈し， 6 0 ' C以上の温度に加熱すると透明になる性質を利用し，これを数値化し 5) さらに材料内 F i g .1 . S chematic diagram f o r t e m p e r a t u r e m e a s u r i n ga p p a r a t u s 部の温度変化を測定して遠赤外線放射体から放射されるエネルギの伝熱過程を理論的に究明することを図に示すように，スチロール角型ケース ( 215X 目的とした。 5 5x1 5 5x3 3mm)にアグリル板(厚 1 3 6x2 8m m，1 1 1 . 実験方法さ 1mm)を用いて 4本の柱を製作しこれをケース A . 実験装置および供試材料の中央部分に取り付けた。この柱の上に銅・コンスタンタン熱電対 C c t0 . 2 1.実験装置熱移動距離測定に用いた実験装置および熱源は前 mm)を貼り被加熱物表面と表面から 2 ，4 ，6m mの報 4) で、述べたものと同じである。 F i g . 1に被加熱物深さの温度を測定した。温度変化は自動温度記録計 CEKO，SOLACI I I ) を用いて測定した。内部の温度測定部分の概略図を示す。 1 3 7 1 3 8 北海道大学農学部邦文紀要第 1 7巻第 2号遠赤外線の熱移動状態を可視化するための実験に 2 . 供試材料供試材料はデンプンと寒天を用いた。試料の墨色 E 試料の調整法 U 試薬としてヨウ素とヨウ化カリウムを用いた。 B . F北福市﹃ E 斗十一土，一十一は上記の 4本の柱を取り付けていない角型ケースを用いた。試料の調整はまず可溶性デンプン 5 0gに蒸留水 750mlを加え，弱火で溶かして糊化した。その後，寒天 20gを蒸留水 750mlに溶かしたものを加えた。混合液の温度が室温まで‘下がった後，ヨード液 4 0 ml(ヨウ素:0.2%. ヨウ化カリウム:2.0%)を入 C o l o r e dp a r t T r a n s p a r e n tp a r t れながらよく混ぜると青紫色に発色する。この液をスチロール角型ケースに注ぎ，室温まで冷却して固めた。これを試料として下記の条件で加熱した。 C . 実験条件加熱方法として面状遠赤外線放射体，棒状遠赤外線放射体および近赤外線ランプによる放射加熱法とオーブンを用いた熱風加熱法を採用した。遠赤外線放射体への供給電圧は 100V. 加熱時聞は 2 0分とし，近赤外線ランプの加熱時聞は 8分とした。熱風協協mム~努加熱は 1 0 0 ' Cで 4 0分間行った。実験条件を Table1に示した。 b D . 熱移動距離の測定方法加熱が終了した後，試料を直ちに水道水によって F i g .2 . M巴a s u r i n g methods o fh e a tt r a n s f e rd i s . t a n c e 冷やし次のように測定を行った。 Fig.2aに加熱された試料のスライス方法を示し T こ。試料に対してそれぞれ 12mm間隔で 1 0箇所，近赤外線ランプの場合は 1 0等分した試料に対して 1 0 Fig.2aに示すように遠赤外線放射体により加熱 m m間隔で 1 2箇所において試料の透明になった部された試料の場合は透明になった部分の中心から左分の深さをノギスで測った。実験は同一条件で 2回右をそれぞれ 10mmずつ 1 0等分した。反復した。 Fig.2bは 1 0等分した試料の熱移動距離の測定方 I I I . 熱移動の解析法法を示した。図のように，薄い刃物で透明になった部分を分離する。遠赤外線放射体で加熱した場合は 1 0等分した遠赤外線放射体を用いて被加熱物を加熱する際，放射体から放射されるエネルギが被加熱物体の表面から内部へ移動するメカニズムを理論解析する。 T a b l e1 . E x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s Heats o u r c e Fig.3は遠赤外線放射体と被加熱物の間との熱移 H e a t i n g S e r v i c e D 巴 i s t a n c v o l t a g e ( V ) (mm) t i m e ( m i n ) Fari n f r a r e d p a n e lh e a t e r Fari n f r a r e d t u b u l a rh e a t e r l OO 7 5 2 0 l OO 7 5 2 0 I n f r a r e dlamp 1 0 0 1 0 0 8 Heateda i r lWC 4 0 動のメカニズムを示したものである。 A . 遠赤外線放射体の熱損失熱が移動するには伝導，対流，放射三つの伝熱方式がある。遠赤外線放射体へ供給されたエネルギは全て放射エネルギに変換されて被加熱物に伝達されるのではなく，周囲の雰囲気の条件により放射体の各表面からの対流による損失もある 6， 7刻。 1 3 9 韓・夏賀・伊藤:遠赤外線の加熱特性(第 3報〕 Nu h c A k L o s so fn a t u r a lc o n v e c t i o n Q c v 熱伝導率 [一] [W/m2oK] 2 [m ] [W/moK] 対流伝熱量 [W] ヌセルト数対流熱伝達係数伝熱面積制調 ω ω るものを求めた。空気物性値は次の式を利用して求めた 10)。 )X μ=1 .7 5 8X10-6X380/(380+ tA [ C 2 7 3+t A ) / 2 7 3 ]1.5 )にり ω ω M W﹀ω 岡山一切口ω判伺︻口。円相吋い。a 、同 H。。 m。ロ。5 υ ω ﹀口。u ロパE ωい、同 CL-。ω 上式に用いた空気物性値は平均境膜温度的に対す )XP/760 ρ=0.13186X2 7 3 /( 2 7 3+t A . . . . . . . . . . ・・・ ( 7 ) ν=μ/ρ...・・ . . . . . ・・・・ . . . . . ・・・・..……… ( 8 ) H H H H H H H . . … . . . ・・..………… ( 9 ) tA=(to-t1 ) / 2 ……...・・ H H a=k/Cp・7・ 1 0 ) . . . . . . . . . . … ・ … ・・・・・ … … ・・・・ … ・・・・・・ …( F ig .3 . H e a tt r a n s f e rp r o c e s s i n gb e t w e e nf a ri n f r a . r e dh e a t e ra n ds a m p 1 e . ここで粘性係数放射エネルギの被加熱物の内部への熱移動を分析 ρ 密度するためには，まず放射体の熱損失を求め，正味放 P 射エネルギを計算する必要がある。本実験は常温の実験室で行ったので，自然対流に hkG μ よる熱損失が生じる。そこで理論式によってこれを r 求め，正味放射エネルギ量を算出した。自然対流の過程は次の三つの無次元数の関係で表す日， 8， 9 ) ことができる。 Gr=gβ1 3 ( To-T1) /ν ・・ . . . . . ・・ . . . . . ・・ . . …( 1 ) Pr=ν/a… . . . ・・ . . . . . ・・ . . . . . ・・ . . . . . ・・ . . . . . ・・ . . ( 2 ) H H H H H H H H N u = h c l / k . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .・・・・( 3 ) この三つの式を用いて対流熱伝達係数を見いだ 2 [kgos/m ] 2 [ k g o s/m4 ] 圧力 [mmHg] 平均境膜温度 [ O c ] 熱伝導度定圧比熱 [W/moK] 口/kgoK] 空気の比重量 3 [kg/m ] 式( 4 )の Nuの計算は面状遠赤外線放射体の場合，放射体が直方体であるため各面に適応する式が違い，また無次元数 GrXPrの値により境界層の流体の流れが層流と乱流に区別され，求める式も異なる6， 7 . 8 . 9， 1 1， 1 2 )。 F i g . 3に示す A面のように水平平板(遠赤外線放し，対流伝熱量を求めた。射体〉が下向きの場合， GrXPr の値が 3XI05~3x 式( 3 )は hc=Nuk / l…...・・ . . . . . ・・ . . . . . ・・ . . . . . ・・ . . … ( 4 ) 1 010範囲であれば層流となる。本装置の場合，A面における GrxPr値が 4 .226X107であるため層流とで整理できる。従って対流伝熱量は次式で表される。判断した。適応する式は次のとおりである。 H H H H Q c v = h c A C t o t l )… . . . ・・ . . … … . . . ・・ . . . . . ・・ . . ( 5 ) H H H gβfTT Gr ν Pr a Nu=O.27CGrxP r ) 1 1 4・・……-・・………………・( 1 1 ) グラスホフ数 B面のように水平平板が上向きの場合， GrxPr の値が 105~2X 1 07範囲であれば層流となる。 B面重力加速度の GrXPrの値が 5 .704X107であり，乱流と判断しここで? [一] [ m / s e c2] l /K] 平均体積膨張係数 [ m ] 放射体の平均長さ [ ， ] t o :[ o CJ 放射体の表面温度 [K : [ K ， ] t [ o C ] 周囲空気温度 1 2 [m/ s ] 動粘性係数プラントル数 [一] 2 / s ] 空気の温度伝導率 [m た。適応する式は次のとおりである。 Nu=0.14CGrXP r )1I3 …・・………………...・・ ( 1 2 ) H 04 C面と D面は垂直平板で、あり， GrXPrの値が 1 ~109 範囲であれば層流となる。 C ， D面の GrXPr の値がそれぞれ 3 . 0 9 1X1 05 ，3 . 3 6 8X1 05であるため層流と判断した。適応する式は次のとおりである。 Nu=O.59CGrXP r ) 1 1 4・・………………………・(1) 3 1 4 0 北海道大学農学部邦文紀要第従って遠赤外線放射体の 6面から自然対流によっ 1 7巻第 2号 Hs て損う熱量は Nuと式 ( 4 )，( 5 )を用いて求められる。全被加熱物の表面温度における飽和絶対湿 [ k g / k g ' ] [ k g / k g ' ] 度 Ha 空気中の絶対湿度 c vは体の対流損失熱量 Q QCV=qA十 qB+2qc+2q n… ・・ … . . . . . . . ・・・・ . . ( 1唱 H H H ここで物質伝達率は熱伝達係数を求める際と同じ方法で、求めた。ただし，プラントル数の代わりにシュとなる。ここで、 Q c v 放射体の全体対流損失熱量 [W] q A :F i g . 3のA面からの対流損失熱量 [W] q B :F i g . 3のB面からの対流損失熱量 [W] 2q c:F i g . 3の C面およびこれに対面する面か [ W ] らの対流損失熱量 2q n:F i g . 3のD面およびこれに対面する面か [W] らの対流損失熱量 B . 正味放射エネルギの理論解析ミット数，ヌセルト数の代わりにシャーウット数を 1 6， 1 7 )。それぞれ利用し，物質伝達率を求めた 6削 5， Sc=l ノ/ D . . .・・・・ . . … … … . . . ・・..…………… ( 1 7 ) S h = a n l/D. ・・・・ . . … . . . ・・ . . . . . ・・ . . . . . ・・ . . ( 1 8 ) H H H H H H H H H H [一] [一] S c S h シュミット数 D 空気中における水蒸気の拡散係数シャーウット数 [ m ' / s e c J ここで拡散係数 Dは正味放射エネルギとは被加熱物体の温度上昇に利用されたエネルギすなわち，顕熱と定義する。従って，正味放射エネルギは入力エネルギから前述した対流伝熱損失量および被加熱物表面からの損失と被加熱物の表面水分蒸発に必要な蒸発潜熱量を除いた熱量である。被加熱物の表面に到達した放射エネルギは吸収，透過され，一部は空気中へ反射される。なお，遠赤外線の透過力は弱く，従って透過は無視することとした。 D=DoCT/ 2 7 3 ) m O . 0 3 3 / P ). ・・・・ . . . . . ・ . ・. ( 1 9 ) H H H H として求められる。ここで D o :O ' C大気圧下で空気中における水蒸気の [ 0 . 2 2 0X 1 0 4 m '/ s ] 拡散係数 T 境界層の絶対温度 [ K ] m :0 " H， Oの場合 1 . 7 5，他の気体では 2 . 0 圧力 [ k g / c m ' J P シャーウット数は自然対流の場合， ScxGr~2x 1 07 であれば S h=0. 1 6 C S cXG r ) 1 1 3 .・・・・ … ・・・・ … ・・ . . . . . . . . . . ・・ … ・( 2 0 ) 1 . 被加熱物表面からの蒸発潜熱損失であり，式 1 (副との関係から整理すると物質伝達率は正味交換放射エネルギ(以下，交換エネルギで、示次式から求めることができる。す〉のうち，一部は被加熱物の表面から水分を蒸発させる時使われる。実験試料は水分が 96%であり，自由水と仮定し，・ . . … … . . . ・・ . . … … ・( 1 5 ) H H ただし，蒸発速度 L 被加熱物の表面温度における蒸発潜熱表面からの水分蒸発に必要な潜熱量 [W] [ k g / s e c ] m [ k J / k g ] Am 被加熱物の表面積蒸発速度 wは次の式で表せる。 w=a n/CHs-H a )X3 6 0 0・・・ . . . . . ・・・・ . . …( 1 6 ) H H H H H ただし， I H 2 . 被加熱物表面からの対流熱損失損失熱量の計算は前述した放射体の上向き面の損失熱量計算と同じ式を用いた。被加熱物表面からの時間 θにおける対流損失熱量は次式から求められる。 q v w 偽 H 従って ( 1 5 )，( 1 6 )，( 21)式により蒸発潜熱が求められる。蒸発潜熱量と水分蒸発速度との関係は次の式で表わ 3， 1 4 ) 。せる 1 。 =0.28wLA . .… . . . . . ・ m. 1 a n = 0 . 1 6 C S cX G r ) 13 D/l… . . . ・・ . . . . . ・・ . . … … 白 1 ) :物質伝達率境膜層の温度における比重量 [ m / s e c ] 3 [kg/m] Qk=h A m [ t m ( 8 )一t l J… … . . . ・・ . . … . . . ・・ . . . . ( 2 2 ) c H H ここで、 t m C θ ) :時問。における被加熱物の表面温度 [ ' C ] [ ' C ] h c 対流熱伝達係数 [ W / m '・ ' C ] Am 被加熱物面積 [ m ' J Qk 被加熱物表面からの対流損失熱量 [WJ 3 . 放射体と被加熱物との交換エネルギ t 1 周囲空気温度放射体と被加熱物との聞の交換エネルギは次式により求めることができる 8 ， 1 8， 1 9， ' 0， ' 1 )。 1 4 1 韓・夏賀・伊藤:遠赤外線の加熱特性(第 3報〕 8 )J … ' " ・・..……側 QR=Feσ[AoToCAmTm4( 供給して加熱する場合を考える。被加熱物の表面かただし，ら深さ xにおける温度分布は時間の関数として表 H e=l/[ ( 1 ε /。 ) +C1/em)一1]….......…・…・…… ( 2 4 ) され，まず一定温度で加熱される場合，温度分布 t ここで、 (x， θ) に対する熱伝導微分方程式は QR [WJ ルギ F 遠赤外線放射体と被加熱物との形態係数 [一] 白。 2T 1oT o x2 αδ0 遠赤外線放射体と被加熱物との交換エネ .放射体の放射率 [一] 22mo である 8，初期条件と境界条件は ;(x)=t;-tl と定義すると T=tー t l， T θ =0;0 三五 X~玉 L σ :ステファン・ボルツマンの定数 Ao 放射体の表面積 . . . . ( 21 ) 2 [ 5 . 6 7X 1 0 -8W /m . k 勺 [m2] で、 . . . . . ・・ . . . ・・ .. ( 2 8 ) T=T ， (x) … H H . . . ・・ . . . . ・・ . . . . . ・・ . ， … ・0 的 x=O;8>0で T=O… . . . . . ・・ . . . . . ・・ . . …( 3 0 ) x=L;θ>0で'T=O ・・・ H H H H H H H である。 To 放射体の表面温度 [ K ] e m 被加熱物の放射率 [一] ここで被加熱物の表面積 [ mJ t ; 被加熱物の初期の表面温度 [ ' c ] t l 一定加熱温度 [ ' c J t こ経時変化 θによる被加熱物の深さ xi Am 2 Tm(8):時問。における被加熱物の表面温度 [ k ] [ ' c J おける温度形態係数 Fは次式により求めた 15)。 F=2/πXY{ Jn[c1+X2 )c1十 Y2 ) / ( 1+X2 +y2)J同十 2 x行平子 tan-1(X/';1+y )+Y . ;1+ X2 t a n -1 (Y/、庁工玄2)_Xt a n -1 X-Yt a n -1 Y } . . . .・・ . . .. ( 25 ) x [mm] 被加熱物の深さ θ :被加熱物の加熱時間 [ s e c ] 7 )の解を求めるため変数分離法 ( S e p a r a t i o no f 式( H ここで、一] X=a/b，Y=c/b a 放射体の長さ [mJ b 放射体と被加熱物との距離 [mJ c 放射体の幅 [mJ v a r i a b l e smethod) を利用し，熱伝導微分方程式の解を次のように仮定する。 T=XYここで X=X(x)，Y=Y(θ〉 . . . . . ・・ . . … …( 3) T(x， 8)=X(x)Y(8) … 1 ' " ・・ H 従って，被加熱物へ伝達される真の正味放射エネこの仮定は境界条件を満足する解が存在する時だ 31)を微分するとけ成り立つ。式 ( θ 2T ~;" oT ~~ ; 一一 =XY : -=Xy， ox o8 “ ルギ(顕熱)は遠赤外線放射体と被加熱物との交換 v エネルギ QRから被加熱物表面からの蒸発潜熱 q および被加熱物表面からの対流損失熱量 Qkを除いたもので次式に示す。 QTR=QR-qv-Qk… . . ，・・ . . … … . . . ・・・・ . . 一位。 H H H H ここで Q T R 初加熱物へ伝達される放射エネルギの中での顕熱 [ W ] C . 試料内部の熱エネルギの移動解析遠赤外線放射エネルギによって被加熱物が加熱される場合，エネルギは表面から内部へ移動し，内部 H 21)へ代入するとこれを式 ( XY=YX・1 / α になり，両辺を整理すると X Y XαY となる。ここで左辺は Xのみの関数であり，右辺は θのみの関数になる。すなわち Xと Oが独立変数であるため両辺は独立的で、あり，これは両辺が任意の常数 A 2 と同じであることを意味する。従って上式は X Y _1 2 . XαY の温度が経時的に変化するため非定常の熱伝達としとなり，次のように 2つの線形微分方程式が得られて解析を行った。る。温度が t ，で維持されている場合，急に表面を一定温・ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ・・. 12X=0・ ( 3 2 ) X -， . . . . . ・・・・ . . . . . ・・ . . . . . ・・ 12y=O・・・ 3 3 ) Yー α，・( 度で加熱する場合，または急に表面へ一定な熱量を 3 2 )，( 3 3 )の解 X，Y を求めると T=XYは時間 θに式( まず被加熱試料を半無限個体と仮定し，初期表面 H H H H H H H 1 4 2 北海道大学農学部邦文紀要第 1 7巻第 2号対して式( 2 8 )を満足する。る。一般解は Y=e-θ λ' aである。 T=XYであり，式すなわち倒， ( 3 3 )の一般解を代入すると T(O，θ)=X(O)・ Y(θ)=0 T =(Acost l x +Bs i nt l x ) e θAa . . .・・..………側 T(L， θ)=X(L)・ Y(B)=O となり，式聞の解になる。式闘は境界条件式 ( 2 9 )によっ 2 H Y三 Oなら T=Oであり，従ってこれは無意味であ 3 0 )によってて T=Oになり， A=Oである。そして式 ( る。 T=Oになり， θ 2 である。 T =(Bs i nt lL)e→A'aα ' t l Y辛 Oなら X(O)=0，X(L)=0… … … . . . ・・ .. ( 3 4 ) H T三 Oであるため B宇 Oの条件を選択する必要があになる。 3 3 )の解は，1'の符号によって変わる。従って式問， ( 正確な解を求めるためには境界条件を用いて可能な解をすべて求めた後適当な解を選ぶ。解を求める方法は l t2の符号によって次のように三つの方法がある。 2 l=0の場合 ①t 式聞は X=Oとなり，積分すると X=a，X=aX +bとなり，式。4 )のX(O)=Oにより b=O， a=Oとなる。従って X三 Oであるため T=Oは無用解である。 2 ②t l>0の場合式。) 2はそのまま X-tl2 X=0となり，この 2階斉次微分方程式の一般解は次の特性方程式により求めら x2t l2=0の根は x=: t t Iであり，基本系は X1= eAX，X1= e -AX となる。従って一般解は X+Be-A Xであり，ここに式倒を代入する X=AeA と A=-Bになるため X三 Oが得られる o しかし境界条件が満足できなし、。 ③t l2<0の場合式闘は X+tl2 X=0となり，一般解を求めるための特性方程式で直すと X A'as T =~ B( A)e-8 i nt l xとなり，この式はにB(tl)e-8A sintlxdtl T= + t l=0であり，根は x=: tt l iであり， 2 基本系はとなる。そして式仰は初期条件である式側 (T=Ti (x)， θ=0) により T i (か l~oB(仇削'a sint l xd t l E u l e r公式により X， ! X2 は次のように表される。 X1=cost l x + s i nt l x，X2 =COSt l x s i nt l x 従って一般解は X=Acost l x +Bs i nt l xである。 3 4 )の条件により X(O)=Aであり， X(L)= Bs i nt l 式( i nl tL=Oまたは Lである。また条件 X(L)=Oは s 1 : 0T おs i nl tx dxで置換できる。従って式(酬は i( のように示すことができる。山主。 Ti(土) [ 1 : 0e 削 ' a叫まず Aに対する積分を行い，整理すると局りこ。 T (幻[e T = 1/2 十げ/48α- i e-(x+x)'/48 α ，J d土・ H ・・ . . . . . ・・ . . … … ・ … . . . ・・ . . …( 3 8 ) H H H ここでト平2 =(士平 x)2/4B α 土= 21 五百万: tx，d土=2f ( i t id7 } 土=0の場合平=平 x / 2f ( i t i 士=∞の場合7}=∞ この条件を式 ( 3 8 )へ代入すると日=U T 巴 T〆 /而 ι ι L λ ν d E 〆百E ムん / レ . ; 百 ( レ二与 } 一 e [ 山丈 l に〆什2仔尻 B尚 d7 断 X/ H z 庁 7 [ [ 山 l 丈に : : ; ; 乙 ; 〉乙eFf 吋， dl となり， T 引 i =巴 T ; 〆 / / ， f 戸パ一→ 4ηH 甲 r I"x/2/a百 T/Ti=2，(7r1 ) 0 1 e . 'd7 }l=erf(X) ・・( 3 9 ) となる。 2 式闘も t l<0の場合 Y+α， l t2 y=0となり， dY/dθ=一副 2yと整理でき士s i nt lxdt l ] d土 tl=nπ/Lであり，式。4 )を満足する式( 3 2 )の解を得られる。聞 o u r i e rs i n級数であり， B( A )=2/ 7 r この式は F であり， X1=eλぺ X2=eλi Xとなる。側 ' a T= れる。 2 i nt lL=O結局 tlL=nπ である。これをる。従って s 級数解で表すとここで T=t-tl，Ti(x)=ti一t 1 であり， 1 4 3 韓・夏賀・伊藤.遠赤外線の加熱特性(第 3幸匠〉 X=x/2f(i8である. e r f ( X )は誤差関数で数表8) か赤外線加熱による被加熱物の深さ x における温度ら求めることができる。が推測可能である。すなわち，一定な加熱温度 t l (本実験では熱風温 I V . 実験結果および考察度〉で初期表面温度 tiである被加熱物を加熱するとき時間の変化による表面からの距離 xにおける温 A . 遠赤外線面状放射体の加熱による熱移動距離度変化 tは側式を整理するとの可視化 t(x， θ )=erf(X)x( ti一t )+t1・・・ -( 4 0 ) . . . . . ・・ 1 H H H なお，均一な温度分布の被加熱物に対して急に表面へ一定な熱流速を供給して加熱する場合を考え F i g . 4に面状遠赤外線放射体を用いて加熱時聞を 2 0分間とした場合の試料内部への熱移動状態を示す。る。前述したように被加熱物の表面からの距離 x に本図に示すように，試料両端の部分である Y方向よる温度分布を時間の関数として表される。式仰のの 1 ， 2 ，9 ，1 0の位置より中央部分である Y方向の熱伝導微分方程式に対して被加熱物を一定な熱流速 4， 5， 6の位置において 6 0 ' C以上の温度を示す部で加熱するとき，初期条件と境界層の条件は分(加熱されて透明になった部分)が深くなった。 θ=0; 0三五 x三五 Lで t =ti(x). . . . . . . . . . . . ・・・ …・・4 ( 1 ) θ孟o ;X=Oで QTR=- k ( J t /Jx) … . . . ・・ . . . . ω ) 被加熱物を 2 0分加熱した場合，放射体中心部に対 H H となる。この条件により式仰の解を求めると一定な応する試料中央部分の 6 0 ' C以上を示す部分は 3.0~4.5mm であった。一方放射体の両端に対応す表面熱流速で初期表面温度しである被加熱物を加る試料両端の部分における 6 0 ' C以上を示す部分は熱する時深さ x における温度変化 tは 1. 5~3.0 t(x， θ)-t ; m mであった。以上のように，ヨード・デンプン反応を利用して =2QTRf ( i 8 7 7 rXexp[-(x引 a8)]/k1A-QTR土 × [ l e r f ( 土/ 2f(i8)]/klA … . . . ・・ . . . . . ・・・・ . . 附遠赤外線の放射エネルギの伝達される過程を可視化ここで被加熱物の各部分の熱移動距離に差が生じたことに H QTR H H H 被加熱物へ伝達される放射エネルギの中での顕熱量 k1 被加熱物の熱伝導率 σ :被加熱物の温度伝導率正 :被加熱物の任意の深さおよび数値化することができた。そして，加熱した対しては次のことが考えられる。遠赤外線放射体の [W] 2 ・ [W/m K] 表面温度分布は中央部分と端の部分との温度差が 2 物との聞の交換エネルギに影響を及ぼすためであ [m/ s e c ] [mJ θ :被加熱物の加熱時間 [ s e c ] はそして k1 A ndersenの式を利用し， αは次式を 70~100'C ぐらいあり，この温度差が放射体と被加熱る。放射体の温度むらに関しては遠赤外線放射体の製 tlmm 制4 叫} 利用して求めた 2 lOmm""，-20mm k1=MKw十 ( α 1 恥心 4 )Ksx0. 5 7 7 9 "， … . . . … . 日 . . . … . 日. . い . …. … . 口 . . ( 住4 的 α=k1/ C Y ♂ P. M 被加熱物の全量を 1としたときの含水率 [小数表示] 2 [W/m . K ] 2 [W/m . K ] Kw 水の熱伝導率 Ks 固形物の熱伝導率 Cp 被加熱物の比熱 Y 被加熱物の比重量 e(6 ω 詰喜 ~4 匂 [ J/kg.K] [kg/m3] ち Cp は S i e b e lの式を利用して求めた 24)。 Cp=0.008M十 0 . 2 0 0・ … … . . ，・・……'"・・・ … ・血砂 H M 湿量基準含水率 H [%] 以上の結果，式 4 (伽ミら熱風加熱による被加熱物の深さ x における温度が推測可能であり，式仰)から遠 9¥ 斗/<p 1 0T . F ig .4 . V i s i b i l i t yo fs a m p l eb yf a ri n f r a r e dh e a t . i n g .C P a n e lh e a t e r ，H e a t i n gt i m e2 0m i n . ) 1 4 4 北海道大学農学部邦文紀要第 1 7巻第 2号 EA " ロ U 喜 1 .4 てコ同 ‘ ω ω :Hz h ω " ' 出し日ノー¥ J J " y _ . S C / i r o L'. ? L Y : t i o n ・ 8 9 Jo F ig .5 . V i s i b i l i t yo fs a m p l e byf a ri n f r a r e dh e a t - F ig .6 . V i s i b i l i t yo fs a m p l ebyf a ri n f r a r e dh e a t . e a t i n g t i m e 2 0 i n g .C T u b u l a r h e a t e r，H i n g .C I n f r a r e dlamp，H e a t i n gt i m e8m i n . ) m i n . ) 造過程の問題であり，用途により適切な放射体を選んで使わなければならなし、。しかし，熱の伝達速度が従来の熱風よりは速いため乾燥時聞が短縮できることが考えられる。り大きかった。試料内部への熱移動状態は前述した面状および棒状遠赤外線放射体の場合と同様な傾向を示した。被加熱物を 8分加熱した場合，放射体中心部に対 F i g . 5に棒状遠赤外線放射体を用いて加熱時聞を 0 ' C以上を示す部分は応する試料中央部分の 6 2 0分間とした場合の試料内部への熱移動状態を示 2.9~5.9mm であった。一方，ランプの周りに対応した。する試料両端の部分は 0.0~4.5mm であった。本図より，試料内部への熱移動状態は面状遠赤外線放射体の場合と同じ傾向を示した。被加熱物を 2 0分加熱した場合，試料両端の 6 0 ' C 面状と棒状放射体に比べて加熱時聞が短いにも関わらず試料の中央部分の熱移動距離が深い原因として，近赤外線ランプの形状は中心部だけ発熱する以上の温度を示す距離は面状放射体に比べて差が大フィラメント(色温度 2 4 0 0K)があり，フィラメンきく 0.0~3.2mm であった。これに比べて放射体のトに対応する試料中央部分は交換エネルキeが多く，中央部に対応する加熱部分は 2.0~5.5mm であっ従って被加熱物の温度上昇が速くなるためである。た。このように中央部分と両端との熱移動距離の差なお，両端の部分の場合，フィラメントから放射すが大きい原因は，棒状遠赤外線放射体の中央部分とるエネルギの被加熱物に当たる角度が直角より小さ両端の部分との表面温度差のため交換エネルギの差いほど交換エネルギは少なくなるため熱移動距離がが大きく，さらに棒状放射体ゆ 1 4 . 2 )の場合，幅 1 2 5 浅かったと考えられる。 m mの反射板によって後方への放射エネルギを反射前述したように，近赤外線の加熱の特徴としてはして加熱する部分が多く，放射エネルギを被加熱物加熱できる面積は狭いが，高エネルギ源として短いへ直接交換する面積が狭いためで、ある。時聞に深い所まで加熱できることと言えよう。ただ面状および棒状遠赤外線放射体は各々の加熱特性し，中央部分だけ深く加熱する短所がある。従って，を持っているが，被加熱物を均一に加熱するために初期水分が高い農産物および食品を乾燥する際，熱は面状放射体が望ましいと考えられる。源として好ましくないと考えられる。 F i g . 6は近赤外線ランプを用いて加熱時聞を 8分間とした場合の試料内部への熱移動状態を示した。一方，熱風 1 0 0 ' Cによって被加熱物を 2 0分間加熱した場合，被加熱物の 2， 4， 6mmの位置の温度本図にしめすように，試料の周りの部分と中央のはそれぞれ 4 0 . 9，4 0 . 0，3 9 .6 ' Cであり， 4 0分間加熱部分との熱移動距離の差が面状および棒状放射体よした場合，それぞれ 4 8 . 6，4 8 . 0，4 8 . 4 ' Cまでしか上 1 4 5 韓・夏賀・伊藤遠赤外線の加熱特性(第 3報〉昇しなかった。従って，試料の温度が 6 0 ' C以上にならない場合は完全に透明にならないので熱移動距離も小さかったと判断される。放射面以外の面からの損失は完全に防止することはでぎないが，断熱材を利用してある程度防ぐことを数字で表すことができなかった。以上の結果から，被加熱商に伝達される熱量が最も大きな熱源は近赤外線ランプであるが，中央部分に放射エネノレギが集中して加熱むらが大きくなり，ができると考えられる。 c . 正味放射エネルギの計算 1 . 被加熱物表面での蒸発潜熱量と境界層における物性値熱風加熱は伝熱速度が遅い。伝熱速度，加熱むらなどを考えると面状遠赤外線 Table3は被加熱物と空気層の間との境界層にお放射体を熱原として利用するのが望ましいと判断さける物性値と被加熱物表面からの水分蒸発に必要なれる。蒸発潜熱量，拡散係数，物質伝達率および蒸発速度 B . 遠赤外線放射体からの自然対流の熱損失と無を示したものである。表に示すように，経時変化にともない拡散係数，次元数 Table2に面状遠赤外線放射体の放射面 (A面)と物質伝達率は大きくなり，さらに必要な蒸発潜熱量それ以外の面 (B， C， D面)について前述した理も大きくなり，蒸発速度も速くなる傾向が認められ論式により，対流伝達係数を求めるための無次元数た。これは遠赤外線放射体による被加熱物の加熱時聞および対流熱損失の計算値を示した。表に示すように，遠赤外線放射面である A面からの自然対流熱損失は 45.7Wで一番大きく，次が放が長くなると，被加熱物の表面温度が上昇し，境界層の温度も上昇する。従って，境界層の温度が高く射面の反対側の水平面である B面で 23.3Wであなると表面からの蒸発する水分の拡散係数と物質伝り，次が放射体の横の垂直面の D， C面でそれぞれ達率も大きくなり，空気層との蒸気圧差も大きく 1 4 . 9，4.8W の熱損失があった。ただし，横の垂直なったため表面からの水分の蒸発速度も速くなった面はそれぞれ両面が存在するためその値の 2倍になと考えられる。そして，表面からの水分蒸発に必要な蒸発潜熱はる。この場合の遠赤外線放射体への入力エネルギは前述した(15 ) 式に示すように被加熱物の蒸発速度に比 415Wであり，放射体の 6面から自然対流によって例して増加し，そのうえ予熱期間中の放射エネノレギ損失する熱量は 1 0 8 . 4W であった。従って，全体のは顕熱として利用されるが，経時変化とともに被加入力エネルギの 26%が自然対流により損失する。熱物の表面の水分の蒸発潜熱として利用されるため今回の実験で熱損失に最も大きな影響を及ぼした大きくなったと考えられる。 3 57 ' Cと 362.5cm'である A面が熱損失が最も大き 2 . 被加熱物表面からの対流鮒員失計算 Table4は被加熱物の表面温度による無次元数のかった。遠赤外線放射面の反対側の水平面である B 変化と遠赤外線放射体と被加熱物との交換エネルギ面の面積は放射面とほぼ同じであるが，表面温度がのうち自然対流損失量を計算したものである。因子は，放射面の温度と表面積であり，それぞれ約1 0 2 ' Cで放射面より低いため周囲温度との差が小さく，熱損失が小きかったと判断される。水平面に比べて垂直面の面積は 1/2.5~1/8 に相当し，熱損失表に示すように，被加熱物の表面温度が上昇するほど損失熱量が増加する傾向を示した。 )式に示すように周囲の空気層と被加この原因は(22 T a b l e2 . Ca1 cu l a t e dv a l u e so fh e a tl o s sandd i m e n s i o n l e s sv a r i a b l e sf o rv a r i o u ss u r f a c e s o ff a ri n f r a r e dh e a t e r Geometry Gr Pr Nu h c K) (W/m2・ ( Q W c v 〕 Heater t e m p . ( ' C ) Lowers u r f a c e(A) Uppers u r f a c e (B) (C) V e r t i c a l 6.171E+07 8.107E+07 4.820E+05 4403E+05 0 . 6 8 5 0 . 7 0 4 0 . 6 9 9 0 . 7 0 2 2 1 . 7 7 4 5 3 . 8 8 0 1 4 . 2 1 6 1 3 . 9 1 2 3 . 8 4 1 6 . 4 4 7 1 0 . 2 1 5 9 . 7 4 6 4 5 . 7 5 1 2 3 . 3 6 7 1 4 . 9 0 7 4 . 8 1 0 3 5 7 1 0 2 1 3 0 1 1 0 V e r t i c a l (D) 目北海道大学農学部邦文紀要第 1 7巻第 2号 1 4 6 T a b l e3 . C a l c u l a t e dv a l u e so ft h el a t e n th e a to ft h ee v a p o r a t i o nfroma g a rs u r f a c eand . p r o p e r t i e so fboundaryl a y er 目目 Qv W -a ょっ・・目・・・・・・・- 企 T a b l e4 . C a l c u l a t e dv a l u e so fc o n v e c t i o nh e a tl o s sandd i m e n s i o n l e s sv a r i a b l e so fa g a r s u r f a c e 門， t n 同d n，a OKUFhdnxUAHυa宮 A vnxuphda宮 A 内 udnudnHVA4Hs τ i F U にd F b o u o o A b Q J 0 0 4 a t i ヴt o u ワ臼 nyzυ 目d a 4 ι υ 7 ' A りつ d a 佐官 inhuFhdnhu'iqL A314 44 白V 7 a A U d A H V A H v n J 4 14 ウSAHVAHV 1 4 1よ市 i ' i t - u q ' uム qワ uqdqdA 佳戸U 4 . 4 8 4 4 . 6 3 6 4 . 7 1 3 4 . 8 1 9 4 . 8 8 7 4 . 9 9 3 5 . 1 1 3 5 . 2 0 4 5 . 2 8 1 5 . 3 5 9 5 . 4 0 7 5 . 4 9 1 5 . 5 3 2 5 . 5 7 1 5 . 6 1 0 5 . 6 4 0 5 . 6 8 4 5 . 7 2 4 5 . 8 6 3 5 . 9 5 2 6 . 0 1 0 6目1 0 5 S A T ι U F O告 S の百円 i 2 9 . 2 9 5 3 0 . 2 0 5 3 0 . 6 6 1 3 1 . 2 7 7 3 1 . 6 7 2 3 2 . 2 7 5 3 2 . 9 4 8 3 3 . 4 5 3 3 3 . 8 7 3 3 4 . 2 9 1 3 4 . 5 4 8 3 4 . 9 9 0 3 5 . 1 9 9 3 5 . 4 0 2 3 5 . 5 9 8 3 5 . 7 5 1 3 5 . 9 7 2 3 6 . 1 6 8 3 6 . 8 4 2 3 7 . 2 5 8 3 7 . 5 2 1 3 7 . 9 4 8 戸、υFhd 0 . 7 0 9 0 . 7 0 9 0 . 7 0 9 0 . 7 0 9 0 . 7 0 9 0 . 7 0 8 0 . 7 0 8 0 . 7 0 8 0 . 7 0 8 0 . 7 0 8 0 . 7 0 8 0 . 7 0 7 。目7 0 7 0 . 7 0 7 0 . 7 0 7 。ー7 0 7 0 . 7 0 7 0 . 7 0 7 0 . 7 0 6 0 . 7 0 6 0 . 7 0 6 0 . 7 0 5 つd O B n υ 8.570E+06 9.688E+06 1 .029E+07 1 .114E+07 1 .172E+07 1 .264E+07 1 .373E十 0 7 1 .460E+07 1 .535E+07 1 .613E+07 1 .662E+07 1 .749E+07 1 .7 9 1E+07 1 .833E+07 1目875E+07 1 .907E+07 1 .955E+07 1 .999E+07 2.153E+07 2.253E+07 2.318E+07 2.427E+07 “ ヮ。， .，， qJ 4 2 . 0 0 4 4 . 0 0 4 5 . 1 0 4 6 . 7 0 4 7 . 8 0 4 9 . 6 0 5 1 . 8 0 5 3 . 6 0 5 5 . 2 0 5 6 . 9 0 5 8 . 0 0 6 0 . 0 0 .0 0 61 6 2 . 0 0 6 3 . 0 0 6 3 . 8 0 6 5 . 0 0 6 6 . 1 0 7 0 . 2 0 7 3 . 0 0 7 4 . 9 0 7 8 . 2 0 旬つ， .. 、 “ ， qLq'U9 川官 “ っiu h c CW/m'・ K) 7aqdRυ 田・・・・，目- 例 i 守 Nu U 巧t 1ムハ U F h u z J ι u n J Q d c O ウ a 1よ Q d n b Q d 白ワ unhuod1Aphu Fhdnhuphu ワ6 n x u n u J 0・ UAHUA Hυ 内L 。ハリハリハリハ U n u n U A り ' i ' i I の4 っ胃1 1 よ唱ー，咽， a 円i ι u p o p o n d ウa 7・ヴ t 巧i n t 7 ・ 7e ウt 7 ・ 7・ HVAH HV AHVAHVAHVAHVAHVAHVAHVAHVAHVAHVAHV H ハリハリハ +++十++十十+++++ +十 EEEEEEEEEEEEEEE 白ハヨ O B a qu 巳d n i n υ q o 0 6 8 a τ q d ハヨ oEaa20 ・民υ り巧i Q d 唱i p h U 0 6 ム 7 qdFhuoo'iAυιUA ooqJ7 Aυ ハリ n u t - - i t - - i q L q d n J a 生 d生れつ -“ ----------且U Q d q d 1 ム ? ム 1 ム 1 4 1 A 1 ム I L I A - ム 1 ム 1A 唱1 HυAHUnHunHUAHUAHUAHU ハ HVAHUAHUA川 υnHUnHυAHυAHU ハ・・・・・・・目・・・ MOnMonkUAXunxunxuoxunxU 0バunxunNUnxonMOnxunxU ハ HUAHUAHUAHUAHリ AHυAHunHUAHunHUAHVAHυAHUAHVAHυ ハ vnhu ￡u a u p n u ￡U phυphUβhunhunhupnvnhυnhunhUF内にdFhdFhdFhdFhdFhdFhdFhdphdFhdFhdFhdFhdF同 υFhd HVAHυnHUAHUAHυ υAHυ nHVAHυnHUnHり nHvnHυAHυAHυ ハ川ハ円円一一一一一一一一一一一一一一一巧 j 円 t 唱i n り ιυ 4doon4ιuηru i q J 4 4 Aせに d F U F O R b o O A U - - 9 ウt η t 々t i n i 巧d ウa 巧4 0 0 0 0 0 0 i 巧t R υ n d d n δ 。υ t i q ' u ni 。百円ワ'円 EEEEEEEEEEEEEEE phuphunhunhvnhυphUβhunhUρhuphupUnhvpnυnhunhU A Hり nHυAHVAHvnHUAHunHUAHVAHVAHVAHUAHυAHVAHUAHV “ ヮ 1111 11111111111 一一一一一一一一一一一一一一一 n i ' i F h u o o q L F U ワa q d T よ A後 7・ ι υ q d ウt z o りハ HU14 F h d p o n h υ ι u n i 7 a n i 7 nNUORunxunudA n吋d A吋dvA吋dnvuAudn吋dnwunwunuJA叫dAWdAWUAHUAHUnHU ・ EEEEEEEEEEEEEEE 川 nHunHυnHυAHυ AHVAHυAHυAHVAHυAHUAU 川 AHυAHUAHunυ ・・・・・目・・ 1・1・1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 R U 4坐 A - 8 4 q J q δ q J q d η δ q δ のL o b - ム Tムハり 1 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 11 1 1 1 ---------- ・ -----・・目， ti 唱i n r u q d a A 2 a q“ 戸、 υ 戸川υ ι U F O η t n H A υ aA2aA官 a n宝 a A官 S A宝 an-Aan-Aamy A宅 a のりハ UFhdnυ ハυ ハリハ U A υ n u n υ p h d n υ n υ E J A υ ハリ 05Fhuη4qru 円i q 7 1 ム句 tηLnzδ7aphvqd Pr ( 品〕 Gr 内、 υ q J q J q J q J q d q d q o q a q d q t u q t u ﹃u q δ q J HUnHυAHVAHUnHVAHunHυnHunHUAHU AHυnHunHVAHVAHυ --一一一一ハ一一一一一一一一一 EEEEEEEEEEEEEEE ・・・， aA宅 Q d A U 4A 巧d q d ι u a 告 PO ウt 7 44 q u ι υ Q u u U 司i G υ F h υ A υ ' i q d n υ η δ n w d F h d 唱i p o n J 0 ・り A Uつd A A F D 7 n J 4佳戸、υphU 円i n t O B n y q d ハ ..... 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F c t 2 2 7 1 1 4 7 〕韓・夏賀・伊藤:遠赤外線の加熱特性(第 3報熱物の表面温度との差が損失熱量に影響を及ぼすた温が上昇するため，交換エネノレギの内 90%以上が被めである。すなわち，被加熱物の表面温度が上昇す加熱物の温度上昇に使われ，顕熱が増加する。しかることにより周囲の空気温度と差が大きくなるためし，被加熱物の温度が上昇することにより顕熱は減である。少し，交換エネルギが蒸発潜熱として使われる分が 3 . 放射体と被加熱物との交換エネルギと顕熱増える。 Table5に遠赤外線放射体と被加熱物の表面温度 D . 測定温度と理論計算温度との比較 F i g .7a，b，cに遠赤外線放射体によって被加熱物変化にともなう交換エネルギと被加熱物の加熱に使を加熱した時，表から 2， 4， 6mm深さの温度変われた顕熱の計算値を示した。表に示すように，交換エネルギは被加熱物の表面化の測定値と理論値の比較を示す。温度の上昇によって大きな減少は認められなかった本図に示すように，各深さにおける温度の測定値が，顕熱として使われる放射エネルギは経時変化お 4 3 )を用いた理論値とはほぼ一致することが認めと式( よび表面温度の上昇により大きく減少した。られた。放射体から被加熱物への交換エネノレギはそして，前述した F ig.4の熱移動距離測定値によ W であり，これが顕熱および潜熱にれば加熱して 2 0分経過したとき熱移動距離が中央 96.25~93.93 使われ，被加熱物の表面からの自然対流損失分も含まれる。 8 0 2 3 )，( 2 4 )，凶式を用いて計算した。交換エネルギは( . . . 被加熱物を加熱すると予熱期間として被加熱物の品 @ - AU e ・0 0 o 0 ー oCalculatedvalues(2mm) • E x p e r i m e n t a lv a l u e s(2mm) 2 0 0 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 . 2 0 0 H e a t i n gt i m e( s e c ) F ig .7 a . Comparison o fe x p e r i m e n t a l and c a l c u l a t e dv a l u e s by f a r i n f r a r e d h e a t i n g . C t h i c k n e s s2mm) 8 0 60 岳 - A A A a A 4 色 4 トムC a l c u l a t e dv a l u e s( 4 r n r n ) -A -品目 9 l .0 5 8 9 . 7 0 8 8 . 9 5 8 7 . 9 9 8 7 . 1 7 8 5 . 5 3 8 3 . 6 1 8 l .6 6 7 9 . 6 1 7 8 . 1 7 7 6 . 0 2 7 3 . 3 0 7 1 . 8 6 7 0 . 3 5 6 8 . 7 6 6 8 . 4 1 6 5 . 3 9 6 3 . 5 4 5 5 . 4 5 4 8 . 5 1 4 5 . 4 9 3 4 . 3 0 ﹂E o sq 9 6 . 2 6 9 6 . 1 3 9 6 . 0 6 9 5 . 9 5 9 5 . 8 7 9 5 . 7 5 9 5 . 5 9 9 5 . 4 6 9 5 . 3 5 9 5 . 2 2 4 9 5 .l 9 4 . 9 9 9 4 . 9 1 9 4 . 8 3 9 4 . 7 5 9 4 . 6 9 9 4 . 6 0 9 4 . 5 1 9 4 . 1 7 9 3 . 9 3 9 3 . 7 7 7 9 34 (ULEEEaEω ト 3 1 5 . 0 0 3 1 7 . 0 0 3 1 8 . 1 0 3 1 9 . 7 0 3 2 0 . 8 0 3 2 2 . 6 0 3 2 4 . 8 0 3 2 6 . 6 0 3 2 8 . 2 0 3 2 9 . 9 0 .0 0 3 3l 3 3 3 . 0 0 3 3 4 . 0 0 3 3 5 . 0 0 3 3 6 . 0 0 3 3 6 . 8 0 3 3 8 . 0 0 3 3 9 . 1 0 3 4 3 . 2 0 3 4 6 . 0 0 3 4 7 . 9 0 3 5l . 20 A U τ 6 3 0 . 0 0 AU N e th e a t g a rs u r f a c e G r o s sh e a t H e a t e r A x c h a n g e C W ) e m p . C C ) e x c h a n g e C W ) e t e m p . C K ) f 。 .l F e ( U )EEEωaEωlF ・ a d i e n th e a t exchange between T a b l e5 . R f a ri n f r a r e dh e a t e randa g a rs u r f a c e 60 • E x p e r i m e n t a lv a l u e s(4mm) 2 0 0 3 0 0 6 0 0 9 0 0 1 ， 20 0 H e a t i n gt i m e( s e c ) F i g .7 b . Comparison o fe x p e r i m e n t a l and c a l c u l a t e d v a l u e s by f a r i n f r a r e d h e a t i n g . C t h i c k n e s s4mm) 1 4 8 第北海道大学農学部邦文紀要 8 0 1 7巻第 2号 5 0 e D “ 伺 h E 9 nv ・﹁E 6 0 0 3 0 0 9 0 0 9 qJ ロCalculatedvalues(6mm) • E x p e r i m e n t a lv a l u e s(6mm) 向M 2 0 0 -ロ- ロ e 4 0 υ n 白 4 0 血 " ' ト目白 E 白凸・ ω60 h (U )EEEωaEωlF 巳J 2 0 1， 2 日 • oCalcu!atedva!ues(2mm) • E x p e r i m e n t a lv a l u e s(2mm) 6 0 0 0 H e a t i n gt i m e( s e c ) omparison o fe x p e r i m e n t a l and c a l c u . F ig .7 c . C l a t e dv a l u e s by f a r i n f r a r e dh e a t i n g， C t h i c k n 巴部 6mm) @ 1， 2 0 0 5 0 6 0 ' C以上であることを意味する。 Fig，7より加熱時 - u 4 0 A ω 』 A ロ儒このように両者が等しい値を示すことから放射体と被加熱物との聞は放射伝達過程として解釈でき A 』邑よって加熱すると L、う解釈より被加熱物の表面から。。の非定常熱伝導として解釈するのが望ましいと考え E x p e r i m e n t a lv a l u e s(4mm) 1， 2 0 0 6 0 0 ， 18 0 0 F ig .8 b . Comparison o fe x p e r i m e n t a l and c a l c u . l a t e dv a l u e s by h e a t e da i r .C t h i c k n e s s4 mm) 温度の測定置 2 ，4mmの場合，非定常熱伝導式( 3 9 ) 5 0 を用いて被加熱物の内部温度の計算値は測定値の温 - 度と一致することが認められた。測定位置 6mmの遠赤外線加熱と熱風加熱との温度上昇を比較してみると，遠赤外線加熱の場合の加熱 8分後深さ 6 m mの位置が 5 0 ' Cぐらいまで上昇するが，熱風加熱の場合 4 0分ぐらいで等しい温度になった。このように遠赤外線加熱が熱風加熱より被加熱物の内部温度ロロ白日日ロCalcu!atedva!ues(6mm) • E x p e r i m e n t a lv a l u e s(6mm) 目からも熱が伝導され，下の面から近い 6mmの位置にも影響を及ぼすためで、ある。 - - ロ凸ト戸風加熱の場合被加熱物の全方面から加熱し，下の面・ 8 0 0s e c以後 4mmと 6 じになる。このように加熱 1 m mの位置の測定値の温度が等しくなる原因は，熱 )EEEEEω (U 後からの測定値の温度が 4mmの位置の測定値と同 00 4 3 場合も，ほぼ一致しているが，加熱時間 1 8 0 0s e c以 4 0 0 2， H e a t i n gt i m e( s e c ) られる。化の測定値と理論値を比較したものである。 C a l c u ! a t e dv a ! u e s(4mm) ・ト畠岳畠 F i g .8a，b，cは 1 0 0 ' Cの熱風によって被加熱物を企 3 3 0 る。しかし，電磁波のように被加熱物の分子振動に加熱した時，表面から 2 ，4 ，6mmの深さの温度変且 A 間2 0分の被加熱物の深さが 4mmの位置で測定値していることが分かった。 2， 4 0 0 F i g .8 a . Comparison o fe x p e r i m e n t a l and c a l c u . l a t e dv a l u e s by h e a t e da i r .C t h i c k n e s s2 mm) の部分の場合 4mm前後であり，この位置の温度および理論値が 6 1 ' C前後を示しており，両者が一致， 18 0 0 H e a t i n gt i m e( s e c ) 2 0 0 6 0 0 1， 2 0 0 ， 18 0 0 2， 4 0 0 ' H e a t i n gt i m e( s e c ) F i g .8 c . Comparison o fe x p e r i m e n t a l and c a l c u . l a t e dv a l u e s by h e a t e da ir .C t h i c k n e s s6 mm) 1 4 9 韓・夏賀・伊藤:遠赤外線の加熱特性(第 3報) を速く上昇させた。これは両者のエネルギの伝熱過率的であると考えられる。程が異なると同時に被加熱物へ伝達される熱量にも伝熱速度，加熱むらなどを考えると面状遠赤差があるためとも言える。しかし，熱風加熱を利用外線放射体を熱源として利用するのが望ましいして遠赤外線加熱と同じエネルキ'量を被加熱物へ伝と判断される。熱するためには，相当な燃料あるいは電力量が必要であろう。従って，熱風を利用するよりは遠赤外線の方が省エネルギ的な熱源として十分価値があり，効率的であると判断される。 V .要約遠赤外線加熱における浸透深度の測定方法や評価方法および遠赤外線放射体からの放射エネルギの伝熱過程の理論解析がまだ確立されていなし、。そこで，本研究では遠赤外線放射体からの放射エネルギの伝熱過程を理論的に究明し，ヨード・デンプン反応を応用して遠赤外線の熱移動状態を可視化および数値化することを目的とした。また，対照区として熱風加熱実験区を設けた。以下にその結果を示す。 1 . 遠赤外線の放射エネルギの伝熱過程を寒天およびヨードとデンプン反応を用いて可視化および数値化することができた。しかし， 1 0 0 . Cの熱風加熱の場合，被加熱物が 6 0 . C以上にならず，ヨード・デンプン反応による伝熱過程の可視化および数値化はできなかった。 2 . 非定常熱伝導式闘は水分が含まれている被加熱物を使う際，被加熱物の表面からの蒸発潜熱および対流損失を考慮する必要がある。 3 . 測定温度と理論計算温度がほぼ一致したため，遠赤外線による加熱特性は物質の中まで浸透して分子振動により内部を加熱するのではなく，大部分は被加熱物の表面からの伝導による加熱過程であると判断される。 4 . 被加熱面に伝達される熱量が最も大きい熱源は近赤外線ランプであるが，中央部分に伝達される熱量が集中して加熱むらが大きかった。そして，熱風加熱の場合，伝熱速度が遅いため加熱時間すなわち乾燥時聞が長くなる。 5 . 遠赤外線加熱が熱風加熱より被加熱物の内部温度が速く上昇するため省エネルギ的である。遠赤外線加熱による被加熱物表面へ放射されるエネルギは近赤外線ランプより少ないが，むらがすくないため加熱および乾燥の熱源として効引用文献 1.伊藤和彦:遠赤外線の農産物への利用.農産物流通技術研究会第 5 9回: 1 21 .1 9 8 8 2 . 肥後温子・電子レンジ・マイクロ波食品利用ハンドブック. 日本工業新聞社: 2 2 3 2 .1 9 8 7 3 . 韓忠、旅，伊藤和彦:遠赤外線の加熱特性(第 l報〕受熱板の色調と吸収熱量について.北大農邦文紀， 1 6 :2 5 6 2 6 2 .1 9 8 9 4 . 韓忠沫，伊藤和彦:遠赤外線の加熱特性(第 2報〕色素の分解度.北大農邦文紀， 1 6 :2 7 7 2 8 1 .1 9 8 9 5 . 中沢文子:電子レンジによる食品の加熱と温度分布.食品加工技術， 7 ( 2 ) :2 8 3 4 .1 9 8 7 3 31 .1 9 7 8 6 . 日本機械学会編:伝熱工学資料. 1 7 .F .A . HOLLAND著，若林嘉一郎訳:伝熱工学.培風館: 2 4 1 8 6 .1 9 7 4 .P. HOLMAN: Heat Transfer . McGRAW 8 .J HlLL: 1 3 1 2 7 0 .1 9 8 6 9 . 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VEDAT S 8 0 4 2 3 .1 9 6 6 A d d i s o n w e s l e yp u b l i s h i n gc O . :1 2 4 . NURIN，MOHSENIN，林弘通訳:食品の熱物性. 光琳 :1 1 9 3 .1 9 8 5 Summary T h i si n v e s t i g a t i o nwasc a r r i e do u tt ot h e o r e t i c a l l y f i n do u th e a tt r a n s f e rphenomenafromaf a ri n f r a . r e ds o u r c et oah e a t e ds a m p l e . To v i s u a l i z e and numerate h e a t e dd e p t h by f a r o d o s t a r c hr e a c t i o nwasa p p l i e d . i n f r a r e dr a d i a t i o n，i Ther e s u l t swerea sf o l l o w s: ( 1 ) I t was p o s s i b l et ov i s u a l i z e and numerate t h eh e a t e dd e p t ho ff a ri n f r a r e dr a d i a t i o nbyu s i n g i o d o s t a r c hr e a c t i o n . twasr e q u i r e dt oc o n s i d e rb o t hl a t e n th e a t ( 2 ) I o fv a p o r i z a t i o nfroms a m p l es u r f a c eandh e a tl o s s byc o n v e c t i o ni nt h eu s eo fu n s t e a d y s t a t ec o n d u c . 3 )f o rwets a m p l e s . t i o ne q u a t i o n( e q u a t i o n4 ( 3 ) Wec o n c l u d e dt h a tt h ei n s i d eo ft h es a m p l e s wasn o th e a t e dbyp e n e t r a t i n gf a ri n f r a r e dr a y sb u t byh e a tc o n d u c t i o nfromt h esamples u r f a c e . ( 4 ) As t h es a m p l e s were h e a t e df a s t e r by f a r twase s t i . i n f r a r e dr a d i a t i o nt h a nbya i rh e a t i n g，i matedt h a tf a ri n f r a r e dr a y sd r y i n gwasane n e r g y s a v i n gm e t h o d . The amount o fh e a tt r a n s m i t t e d byf a ri n f r a r e dr a d i a t i o nt osamples u r f a c ewasl e s s u tt h eh e a t t h a nt h a to fi n f r a r e d lamp h e a t i n g，b d i s t r i b u t i o no ft h ef o r m e rwasmore u n i f o r mt h a n twase s t i m a t e dt h a tf a ri n f r a . t h a to ft h el a t t e r . I r e dr a y swasmoree 任巴c t i v ea sad r y i n gh e a ts o u r c e . ( 5 ) I n f r a r e d lamp was t h el a r g e s th e a ts o u r c e u ti ta l s o t h a tt r a n f e r r e dh e a tt osamples u r f a c e，b had t h el a r g e s tu n u n i f o r m i t yo fh e a t i n gb e c a u s ei t c o n c e n t r a t e di t sh e a t on t h ec e n t e ro ft h eh e a t e d s u r f a c e . F a r i n f r a r e dr a d i a t i o ni sd e s i r a b l ef o rd r y i n ga g r i . c u l t u r a lp r o d u c t s . I n f r a r e d lamp was t h el a r g e s t h e a ts o u r c et h a tt r a n s f e r r e dh e a tt os a m p l es u r f a c e， b u ti ta l s ohadt h el a r g e s tu n u n i f o r m i t yf o rh e a t i n g . A i rh e a t i n g method n e e d sal o n g e rh e a t i n g and d r y i n gt i m eb e c a u s eo fi t sp o o rt r a n s m i t t i n gr a t e .