赤外線を使ってガラスの均一加熱を実現する
実験用のガラス器具が突然割れてしまったことはありませんか？おそらく、微細な傷や急激な温度変化が原因でしょう。そうなると、ビーカーはたちまち千片になってしまいます。これは内部応力が原因です。ガラスを急激に、または不均等に冷却すると、材料内部に張力が生じてしまうのです。それはまるで時限爆弾のようなものです。
このような状況を防ぐために、私たちは0.1℃以内の精度で温度を維持できる赤外線加熱を利用します。
なぜ0.1℃という精度が重要なのか？
ガラスには「最適な加熱温度」と呼ばれる特定の温度があります。この温度では応力が解消されますが、ガラス自体は溶けたり変形したりしません。ホウケイ酸ガラスの場合、その範囲は非常に狭いのです。
もし加熱器の温度が2度や5度でも変動してしまうと、問題になります。温度が高すぎるとガラスが変形してしまい、逆に低すぎると応力が残ったままになります。
安定した加熱を実現するために、高密度の赤外線センサーとPIDコントローラーを組み合わせています。これにより、ガラスの表面が中心部より先に高温になるといった「熱衝撃」を防げます。
熱の扱い方
赤外線の利点は、ガラスに直接熱が当たるという点です。オーブン内の空気全体を加熱する必要がないため、反応の遅れもほとんどありません。
しかし、問題点もあります。それは「ホットスポット」です。
これを解決するために、特殊な放射率コーティングが施されたセンサーを使用します。これにより、熱が容器全体に均等に分布します。不均一な加熱は起こりません。
また、迅速に反応するサーミスタを使用することも大切です。センサーの反応が遅ければ、加熱器がどれだけ精密であっても意味がありません。コントローラーは数秒前の状態に反応してしまい、現在の状態には反応しなくなります。
トレードオフ
このような精密な制御を実現するためには、安定した電力供給が不可欠です。
電圧の急変によってセンサーが不安定になります。目に見えないかもしれませんが、ガラスは温度の変動を感じ取ります。これを防ぐためには、安定した電源が必要です。
確かに、それによって制御装置のサイズが大きくなりますが、ガラス器具が初回の滅菌処理で壊れないようにするには、これが唯一の方法です。