ฮีตเตอร์อินฟราเรด Infrared Heater
อินฟราเรด คืออะไร?
อินฟราเรด เป็นรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดหนึ่ง ซึ่งมีความยาวคลื่น 0.7 ไมโครเมตร ถึง 80 ไมโครเมตร โดยในธรรมชาติเราจะคุ้นเคยหรือสัมผัสกับอินฟราเรดอยู่เสมอ ๆ เช่น ในแสงแดดหรือแสงอาทิตย์จะมีอินฟราเรดรวมอยู่ด้วย ทำให้เรารู้สึกร้อน อินฟราเรดที่ส่งออกมาจากดวงอาทิตย์นั้นไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลาง หรือตัวพาความร้อนจึงสามารถผ่านมาสู่โลกได้ด้วยวิธีการแผ่รังสี
อินฟราเรด มีประโยขน์อย่างไร?
ตั้งแต่โบราณกาล มนุษย์รู้จักใช้ประโยชน์จากอินฟราเรดอยู่แล้ว เช่น ใช้ในการถนอมอาหารก็คืออาหารตากแห้งใช้แสงอาทิตย์ซึ่งก็อาศัยอินฟราเรดนั่นเอง, ใช้ตากผ้าให้แห้ง, ใช้ไล่ความชื้น, ให้ความอบอุ่น อินฟราเรดเป็นพลังงานบริสุทธิ์ไม่ก่อให้เกิดมลพิษ
เราจะนำอินฟราเรดมาใช้ และควบคุมอย่างไร
การใช้อินฟราเรดจากแสงอาทิตย์ตามธรรมชาตินั้น เราไม่สามารถที่จะควบคุมได้ ยิ่งถ้าเป็นฤดูฝนมีเมฆมากปริมาณอินฟราเรดก็จะน้อยจนไม่สามารถนำมาใช้งานตามวัตถุประสงค์ ทำอย่างไรจึงจะควบคุมอินฟราเรดได้ จริงๆแล้วเราอาจเรียกอินฟราเรดด้วยภาษาง่ายๆ ต่อความเข้าใจว่าคลื่นความร้อนก็คงจะผิดเพี้ยนไปไม่มาก สิ่งแวดล้อมรอบตัวเราทุกชนิดจะมีอินฟราเรดหรือคลื่นความร้อนออกมาทั้งสิ้น ถ้าเราจะต้องการทำแหล่งกำเนิดอินฟราเรด หรือแหล่งกำเนิดความร้อน เราก็คงจะนึกถึงฮีตเตอร์ ซึ่งก็จะมีลวดความร้อนเป็นหัวใจหลายคนคงจะสงสัยแล้วว่าฮีตเตอร์มีอยู่เยอะแยะมากมายทั้งคาร์ทริดจ์ฮีตเตอร์, ฮีตเตอร์ต้มน้ำ, ฮีตเตอร์แท่ง ทำไมไม่เรียกว่าอินฟราเรดฮีตเตอร์ ทั้ง ๆ ที่เป็นแหล่งกำเนิดความร้อนเหมือนกัน คำตอบก็คือฮีตเตอร์เหล่านี้ต้องอาศัยตัวกลางในการพาความร้อนออกจากผิวตัวฮีตเตอร์ มิฉะนั้นตัวฮีตเตอร์จะหลอมและเสียในที่สุด แต่ถ้าเราใช้วัสดุอื่นที่สามารถทนความร้อนได้สูง จนไม่จำเป็นต้องอาศัยตัวกลางพาความร้อนออกไปจากพื้นผิวตัวฮีตเตอร์ นั่นก็คือ อินฟราเรดฮีตเตอร์ ซึ่งวัสดุที่ว่านี้ก็คือเซรามิก กล่าวโดยสรุปได้ว่า อินฟราเรดฮีตเตอร์จะมีขดลวดความร้อนฝังอยู่ในเนื้อเซรามิก โดยขดลวดความร้อนจะทำให้เกิดความร้อนและถ่ายเทความร้อนไปสู่เซรามิก เมื่อเซรามิกร้อนจะเกิดอินฟราเรดขึ้น จะเห็นได้ว่าคุณภาพของอินฟราเรดฮีตเตอร์จะขึ้นอยู่กับคุณสุมบัติของเซรามิกซึ่งเป็นความลับของแต่ละยี้ห้อที่จะผสมสารอะไรลงไปเพื่อให้เซรามิกมีคุณสมบัติกำเนิดอินฟราเรดได้ดีมีความยาวคลื่นเหมาะสม
แนะนำฮีตเตอร์อินฟราเรด
ฮีตเตอร์อินฟราเรด เป็นตัวกำเนิดแสงอินฟราเรด ซึ่งเป็นแสงที่มีคลื่นยาวที่ไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยตามนุษย์ ซึ่งรังสีคลื่นยาวนี้จะทำให้โมเลกุลของวัตถุที่ได้รับรังสีนี้เข้าไปเกิดอาการสั่น ซึ่งก่อให้เกิดความร้อนขึ้น ซึ่งหลักนี้จะมีประสิทธิภาพมากเมื่อนำไปประยุกต์ใช้กับวัตถุที่มีโครงสร้างโมเลกุลขนาดใหญ่ หรือวัตถุที่มีโมเลกุลเกาะเรียงกันเป็นแถวยาว เช่น สี, กาว, อาหาร, พลาสติก, แลกเกอร์
คุณลักษณะเด่นของฮีตเตอร์อินฟราเรด
- เป็นการส่งผ่านความร้อนแบบแผ่รังสี (แบบเดียวกับที่ดวงอาทิตย์ส่งความร้อนมายังโลก) จึงมีประสิทธิภาพสูง ความสูญเสียต่ำ (ประหยัดไฟ 30-50 %)
- สามารถให้ความร้อนกับวัตถุได้ถึงเนื้อใน จึงทำให้ประหยัดเวลาได้ถึง 1 ถึง 10 เท่า (การให้ความร้อนแบบการนำและการพาจะทำให้วัตถุร้อนเฉพาะที่ผิว แล้วค่อย ๆ ซึมเข้าไปเนื้อในจึงใช้เวลามาก)
- ให้ความปลอดภัยสูง เพราะไม่มีเปลวไฟและไฟไม่รั่ว
- ขนาดเล็กกว่าการให้ความร้อนแบบทั่วๆไป ทำให้ประหยัดเนื้อที่
ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการทำความร้อน
การให้ความร้อนจะมีอยู่ 3 วิธีหลัก ๆ คือ การพาความร้อน, การนำความร้อน และการแผ่รังสีความร้อน
การพาความร้อน
คือ การให้ความร้อนแก่ตัวกลาง (โดยมากเป็นของไหลเช่น อากาศหรือน้ำ) จากนั้นก็พาตัวกลางที่ถูกทำให้ร้อนเคลื่อนที่ไปสู่วัตถุเป้าหมาย ข้อเสียของวิธีนี้คือความร้อนของวัตถุเป้าหมายจะขึ้นช้า (ซึ่งหมายถึงจะต้องพึ่งระบบหมุนเวียนตัวกลาง เช่น พัดลมหรือใบพัดกวนของเหลว ในกรณีที่ตัวกลางเป็นของเหลว) และจะมีความสูญเสียความร้อนมาก อย่างไรก็ดีวิธีนี้ก็ยังคงเป็นที่นิยมที่สุด เนื่องจากเป็นระบบที่ง่ายแก่ความเข้าใจ สามารถหาแหล่งความร้อนได้ง่าย เช่น น้ำมัน, ก๊าซ, หรือฮีตเตอร์ทั่วๆไป
การนำความร้อน
จะคล้ายกับการพาความร้อน แต่จะใช้ตัวกลางที่มีการนำความร้อนได้ดี ซึ่งมักจะเป็นโลหะความร้อน จะถูกนำจากปลายข้างหนึ่งของตัวกลางไปสู่ปลายอีกข้าง โดยที่ตัวกลางเองจะไม่เคลื่อนที่ (การพาความร้อนนั้นตัวกลางจะเคลื่อนที่จากแหล่งความร้อนไปสู่วัตถุเป้าหมาย)
การแผ่รังสีความร้อน
จะเป็นการแผ่แสงที่มีคลื่นยาวไปยังวัตถุเป้าหมาย ซึ่งแสงคลื่นยาวจะทำให้โมเลกุลของวัตถุเป้าหมายสั่น ซึ่งส่งผลให้เกิดความร้อนขึ้น วิธีการนี้จะเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดถ้าเลือกวัตถุเป้าหมายที่เหมาะสม เนื่องจากพลังงานความร้อนประเภทนี้จะอยู่ในรูปคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งจะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสง มายังวัตถุ (แบบเดียวกับการที่ดวงอาทิตย์ส่งความร้อนมายังโลก)
พฤติกรรมของแสง
แสงจะประกอบด้วยสเปกตรัมต่างๆ (แสงที่มีความยาวคลื่นต่างๆ) ดังแสดงในรูป ช่วงสเปกตรัมที่ทำให้เกิดความร้อนได้ดี คือ ช่วงอินฟราเรด
เมื่อรังสี (แสง) ตกกระทบวัตถุ จะมีพฤติกรรมของแสง จำแนก ได้ 3 ส่วน คือ
- สะท้อนกลับ
- ทะลุวัตถุ
- ถูกดูดกลืนในวัตถุ
แสงที่มีความยาวคลื่นสั้นมาก เช่น X-Ray, R-Ray จะมีอำนาจทะลุทะลวงสูง จึงสามารถวิ่งทะลุวัตถุไปได้ เราจึงมักจะใช้ประโยชน์จากพฤติกรรมนี้ในการตรวจหาวัตถุในร่างกาย (เอ็กซเรย์) หรือการตรวจหาวัตถุในหีบห่อ
แสงที่มีคลื่นความยาวระดับกลาง เช่น แสงอัลตร้าไวโอเลต, แสงที่ตามองเห็นจะมีความสามารถในการทะลุทะลวงต่ำ ในขณะเดียวกันตัวมันเองก็จะถูกดูดกลืนได้น้อย มันจึงถูกสะท้อนกลับ และนั่นคือปรากฏการณ์ที่ทำให้เรามองเห็นสิ่งต่างๆ
แสงที่มีความยาวคลื่นยาว เช่น อินฟราเรดจะเป็นแสงที่ถูกดูดกลืนโดยวัตถุต่างๆ ได้ดี เพราะว่าความถี่ของคลื่นจะใกล้เคียงกับความถี่ในการสั่นของโมเลกุล (ความจริงแล้ว คือการเปลี่ยนระดับชั้นของอิเล็กตรอนอิสระในโมเลกุล แต่เพื่อให้เข้าใจง่ายขึ้น จึงเปรียบเทียบเป็นการสั่นของโมเลกุล) ซึ่งจะส่งผลให้โมเลกุลมีการสั่นอย่างรุนแรง ซึ่งก่อให้เกิดความร้อนขึ้น
รังสีอินฟราเรดกับการให้ความร้อน
หน่วยที่เล็กที่สุดของวัตถุ คือโมเลกุล (ซึ่งโมเลกุลจะประกอบด้วยอะตอมของธาตุต่างๆ) การที่วัตถุสามารถอยู่รวมกันเป็นกลุ่มก้อนดังที่เราเห็น สืบเนื่องจากโมเลกุลเหล่านั้น มีแรงยึดเหนี่ยวระหว่างกัน ซึ่งสามารถแสดงให้เห็นได้ดังรูป อะตอมของวัตถุไฮโมเลกุล (โมเลกุลเกาะกันเป็นสายยาว เช่น สี, พลาสติก, ยาง เป็นต้น) จะยึดเกาะกันคล้ายสปริงจะมีการสั่นอยู่บ้าง เมื่อวัตถุไฮโมเลกุลได้รับรังสีอินฟราเรด (ซึ่งมีความถี่ของคลื่นใกล้เคียงกับการสั่นของโมเลกุล) เข้าไปจะส่งผลให้โมเลกุลต่างๆ มีการสั่นที่รุนแรงขึ้น (สืบเนื่องจากอิเล็กตรอนอิสระมีพลังงานมากขึ้น) จึงส่งผลให้เกิดความร้อนขึ้นที่ตัววัตถุ
ทำไมฮีตเตอร์อินฟราเรดจึงช่วยประหยัดไฟ?
จากสเปกตรัมของแสงและพฤติกรรมของแสงที่ได้กล่าวมาแล้ว เราจะพบว่าช่วงรังสีที่เหมาะสมที่จะมาใช้ในการทำความร้อนกับวัตถุก็คือ ช่วงรังสีคลื่นยาว คลื่นความยาวช่วงอื่นๆ จะถือเป็นความสูญเสีย (เนื่องจากวิ่งทะลุตัววัตถุหรือถูกสะท้อนกลับ) ดังนั้นฮีตเตอร์อินฟราเรดที่มีประสิทธิภาพจะต้องมีความสามารถในการแปลงพลังงานไฟฟ้าให้อยู่ในรูปของอินฟราเรดคลื่นยาวให้มากที่สุด (ช่วง 3-10 μm)
องค์ประกอบสำคัญที่ต้องพิจารณา คือ แหล่งกำเนิดคลื่นอินฟราเรดและตัววัตถุเป้าหมาย ในขณะที่วิธีอื่น (การพาและการนำความร้อน) จะเน้นที่ตัวกลาง
การดูดซับรังสีของวัตถุจะเป็นตัวกำหนดว่าวัตถุนั้นเหมาะที่จะให้ความร้อนด้วยคลื่นรังสีหรือไม่ สมมุติว่าฮีตเตอร์ตัวหนึ่งเปล่งรังสีออกมาในช่วง 3-10 μm ซึ่งเป็นช่วงที่วัตถุโดยทั่วๆไป สามารถซับรังสีในช่วงนี้ได้ดี เมื่อนำไปให้ความร้อนกับวัตถุ เราจะพบว่าวัตถุมีความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วมาก ในขณะเดียวกัน พลังงานไฟฟ้าที่ใช้ก็ไม่มาก ในขณะที่ฮีตเตอร์อีกตัวหนึ่งกินกำลังไฟฟ้าเท่าๆกัน แต่ให้รังสีออกมาในช่วงกว้างกว่า เช่น 1-1000 μm เมื่อนำไปให้ความร้อนกับวัตถุชนิดเดียวกันกับฮีตเตอร์ตัวแรก เราจะพบว่าวัตถุจะดูดซับรังสีได้เพียงบางส่วนเท่านั้น (3-10 μm) นั่นคือ จะมีช่วงรังสีอื่นสูญเปล่ามากซึ่งส่งผลให้วัตถุร้อนช้า ในขณะเดียวกัน ก็สิ้นเปลืองกว่าในการใช้งานที่อุณหภูมิเท่าๆกัน
ฮีตเตอร์อินฟราเรดที่ดีจะต้องเป็นแหล่งกำเนิดรังสีซึ่งมีคลื่นความยาวในช่วง 3-10 μm ซึ่งเป็นช่วงที่วัตถุเกือบทุกประเภท สามารถดูดซับคลื่นรังสีได้ดี ดังนั้น ฮีตเตอร์อินฟราเรดจึงไม่เหมาะกับการทำความร้อน วัตถุที่มีลักษณะสะท้อนแสงได้ดี หรือวัตถุโปร่งแสง เช่น โลหะมันวาว, กระจกใส เป็นต้น
