دستیابی به دانش فنی ساخت لامپ های حرارتی مادون قرمز

دکتر سید محمد حسین سیادتی( مجری) به همراه اسماعیل گنجه( طراح) از محققان دانشکده مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی خواجه نصیر الدین طوسی موفق به کسب دانش فنی طراحی و ساخت لامپ های حرارتی مادون قرمز شدند؛ این طرح مزایای فراوانی در افزایش سرعت و تیراژ محصول در صنایع تولید لعاب و پوشش های سرامیکی دارد.

تاریخچه امواج مادون قرمز: در سال 1800 ویلیام هرشل یک نمونه نامریی از تشعشعات را کشف کرد که این نمونه دقیقا زیر بخش قرمز طیف مریی قرار داشت. او این شکل از تعشعشات را مادون قرمز نامید. واژه انگلیسی Infrared از ترکیب دو کلمهInfra به معنی فرو یا پایین و کلمه انگلیسی Red به مفهوم سرخ به وجود می آید.

وجود طول موجی بلندتر از رنگ سرخ(بلندترین طول موج در عرصه نور مریی) و بسامد کوتاه یا کوتاه تر از آن را می توان علت این نامگذاری دانست؛ امواج فرو سرخ طول موج شان فروتر یا پایین تر از دامنه موج مریی است.

امواج فرو سرخ یا به عبارتی اشعه مادون در علم فیزیک به قسمی از پرتوهای الکترو مغناطیسی اطلاق می شود که دامنه طول موج آنها از بالای نور سرخ مریی آغاز می شود و تا امواج تقریبا بین هزار میکرومتر تا 740 نانومتر(حد نور مریی) متغیر است بنابراین کوتاه تر از امواج رادیویی مرسوم طبقه بندی می شوند.

فرکانس(تواتر) امواج فرو سرخ حداکثر400 تریلون بار در ثانیه(در محدوده بسیار نزدیک به رنگ سرخ قابل دید) تا 800 بیلیون بار در ثانیه(نزدیک به محدوده پایانی پرتوهای مایکروویو) اندازه گیری می شوند.

وجود طول موجی بلندتر از رنگ سرخ (بلندترین طول موج در عرصه نور مریی) و بسامد کمتر یا کوتاهتر از آن را می توان علت این نامگذاری آنها دانست؛ امواج فرو سرخ طول موج شان پایین تر از دامنه موج مریی است. اشعه مادون قرمز یا فرو سرخ، انرژی الکترومغناطیسی است که برای چشم انسان نامریی است.

نقش امواج مادون قرمز: امواج مادون قرمز 49 درصد روشنایی زمین را تامین می کنند. تمامی اجسام در دمایی بالاتر از صفر مطلق از خود امواج مادون قرمز ساطع می کنند اما طول موج هایی می توانند اثر تابش حرارتی و نرخ گرمایش بالایی داشته باشند که محدوده  آنها 1-10µM باشد به همین علت عمده ترین منبع تابش حرارتی امواج مادون قرمز استفاده از رشته سیم تنگستنی قرار گرفته در یک محفظه بسته حبابی شکل شیشه ای( از جنس کوارتز) است که  جهت افزایش مساحت سطحی سیم، از آن به شکل فیلانمت استفاده می شود؛ لامپ های تنگستن/ هالوژن، محتوای مقداری گازهای خنثی مانند در داخل محفظه کوارتز هستند که فیلامنت تنگستن را احاطه کرده است.

معمولی ترین منبع تابش نور مریی و مادون قرمز با طول موج کوتاه لامپ فیلامنت تنگستن است.

معمولی ترین منبع تابش نور مریی و مادون قرمز با طول موج کوتاه لامپ فیلامنت تنگستن است. تکنولوژی گرمادهی با استفاده از امواج مادون قرمز، مقدار زیادی انرژی را در زمان کوتاهی به سطح جسم منتقل می کند که این عمل باعث افزایش راندمان و کاهش مصرف انرژی در فرآیندهای مهندسی سطوح مانند خشک کردن رنگ یا رطوبت خواهد شد.

برخلاف عبور گرما از طریق انتقال یا هدایت حرارتی، گرمای تابشی می تواند از محیط خلا عبور کند. عموما تمامی مایع ها و گاز ها می توانند امواج مادون قرمز را از خود عبور دهند. امروزه امواج مادون قرمز به عنوان یکی از منابع مدرن و مطمئن گرما، جای خود را در بسیاری از صنایع مختلف مانند عملیات حرارتی، خشک کردن زنگ خودرو، صنایع غذایی، پزشکی، غذایی، نفت و پتروشیمی باز کرده است.

مزایای اجرای این طرح: تهیه و کسب دانش فنی طراحی و ساخت لامپ های حرارتی مادون قرمز یکی از مزیت های بسیار مهم به حساب می آید که هم اکنون دانش فنی آن انحصار کشورهای پیشرفته است و به دلیل کاربردهای فراوان به صورتی جز محصول هایی با تکنولوژی بالا منظور می شود؛ اختراع مذکور مزایای فراوانی در افزایش سرعت و تیراژ محصول در صنایع تولید لعاب و پوشش های سرامیکی دارد؛ افزایش فوق العاده نرخ گرمایش و سرمایش و همچنین نوع حرارت تابشی در این لامپ ها یکی از مهمترین ویژگی ها و مزایای این محصول به شمار می رود.

کاربردهای صنعتی این طرح: امواج مادون قرمز کاربردهای فراوانی در بسیاری از علوم( علوم قضایی انگشت نگاری، شیمی و فیزیک) و رشته‌های مهندسی( پزشکی، هوا فضا) دارند. مثلا در زمینه های پزشکی مانند تومو گرافی، تسکین درد، اسپاسم ماهیچه، افزایش خون رسانی و بسیاری دیگر می توان از این امواج بهره جست. همچنین در علوم ستاره شناسی و نجوم، ابزارهای دید در شب و دستگاه های اندازه گیری، می‌توان از امواج مادون قرمز کمک گرفت.

در این قسمت به معرفی و توضیح اجمالی مهمترین کاربردهای این امواج در مهندسی مواد، صنایع ساخت و تولید مانند پخت، جوشکاری، لحیم کاری یا عملیات حرارتی مواد، آنالیز و شناسایی ترکیب مواد پرداخته می شود.

تابش حرارت: امروزه امواج مادون قرمز به عنوان یکی از منابع مدرن و مطمئن گرما، جای خود را در بسیاری از صنایع باز کرده است. تکنولوژی های گرمادهی با استفاده از امواج مادون قرمز به عنوان منابع تولید حرارت تابشی معروف هستند و برای اینکه بتوانند سطحی را گرم کنند باید این امواج الکترومغناطیسی با هر طول موجی جذب آنها شوند.

گرما به معنای انرژی در حال انتقال است که تغییرهای دمایی سبب جریان آن می شوند. برخلاف عبور گرما از طریق انتقال یا هدایت حرارتی، گرمای تابشی می تواند از محیط خلا عبور کند. عموما تمامی مایع ها  گازها می توانند امواج مادون قرمز را از خود عبور دهند. تابش مادون قرمز می تواند به عنوان منابع حرارتی مانند کوره عمل کنند. از سیستم گرمایشی آنها می توان در انجام فرایندهای صنعتی مانند عملیات پخت پوشش، آنیل کردن، جوشکاری و لحیم کاری سخت فلزها و سرامیک ها بهره جست. میزان بازدهی تابش مادون قرمز را می توان با تطبیق دادن طول موج سیستم تولید کننده حرارت با خواص جذب ماده به دست آورد.

لحیم کاری قطعات لانه زنبوری: در قسمت مونتاژ و اتصال دایمی بعضی از قطعه ها پیچیده مورد استفاده در صنایع هوایی لازم است تا قطعه ها پس از متصل شدن به یکدیگر، تلرانس یا دقت ابعادی خود را در چارچوب استاندارد حفظ کند. مهمترین مثال برای توصیف اینگونه قطعه ها می‌تواند ساختارهای لانه زنبوری تیتانیوم در بال هواپیماهای مسافربری یا جنگی باشد. محل اتصال این ساختارها به یکدیگر باید به گونه ای باشد تا تحت تنش های بالا دچار شکست نشود و همچنین فرایندی برای اتصال انتخاب شود تا میزان اعوجاج به کمترین مقدار خود برسد. تکنولوژی ای که در سرتاسر دنیا برای تولید این ساختارها استفاده می شود. روش لحیم کاری سخت است. یکی از مهمترین تکنیک های اتصال این قطعه ها ،استفاده از کوره های مادون قرمز هستند که به علت وجود نداشتن آنها در داخل کشور، این قطعه ها به صورت پیش ساخته و با قیمت بسیار بالا وارد کشور می‌شوند.

قالب گیری بدنه لاستیک و خشک کردن رنگ خودرو: مواد لاستیک خودرو باید در زمان کوتاهی در دمای مشخصی قرار بگیرند تا به محصول نهایی با خواص ایده آل تبدیل شوند. بهترین سیستم برای این کار تابش حرارتی امواج مادون قرمز با طول موج مشخصی است. همچنین در کارخانه‌های پیشرفته خودروسازی عملیات خشک کردن رنگ روی بدنه خودرو با استفاده از امواج مادون قرمز صورت می پذیرد. جوشکاری و لحیم کاری سخت بسیاری از قطعه های خودرو مانند محفظه فیلتر هوا، رادیاتور و باتری با استفاده از این روش صورت می پذیرد زیرا تکنولوژی اتصال توسط این امواج اعوجاج و تنش پسماند کمی( به علت گرم شدن قسمت مورد نیاز برای تشکیل اتصال) را ایجاد می کند.

پوشش دهی مواد فلزی و سرامیکی: پوشش دهی مواد فلزی باعث افزایش کارکرد و عمر قطعه ها خواهد شد. هنگامی که پوشش روی ماده ایجاد می شود، نیاز است تا دمای عملیات پوشش کاری به دقت کنترل شود. تابش حرارتی مادون قرمز از جمله سیستم هایی هستد که می توانند بدون کاهش در خواص متالوژیکی قطعه، این خاصیت را برای ما ایجاد کند. هم اکنون در صنعت کشور برای ایجاد یک پوشش( تزیینی، لعاب، آبکاری) مناسب و چسبنده بین دو ماده با خواص کاملا متفاوت، کل ماده را درون کوره های حرارتی قرار می دهند که این عمل انرژی بسیار زیادی را برای رساندن نمونه به دمای مورد نیاز مصرف می‌کند. با توجه به نحوه گرمایش کوره مادون قرمز و ایجاد اثر حرارتی پوستی، این امکان به وجود می‌آید تا با طراحی مهندسی کوره، سطوح مورد نیاز نمونه که احتیاج است تا دمای مشخصی گرم شوند، مقدار مصرف انرژی را به حداقل ممکن رساند. همچنین با اصلاح پارامترهای فرایند می توان کیفیت و ظاهر محصول ها را به طور مناسبی بهبود داد.

گزارش: فرزانه صدقی

No tags for this post.