真空熱処理炉の熱輻射解析

事例概要

金属やセラミックスの焼成・焼結、焼入れ・焼き戻しなどの熱処理、プリント基板やインスタントラーメンなど食品類の乾燥まで、真空熱処理炉は製造業に欠かせないものになってきました。
今回はFemap Thermalを使って、真空熱処理炉での金属焼き戻しをモデル化した熱輻射解析を実施し、ヒーターと被加熱物、断熱材の伝熱の様子を確認しました。

モデル概要図

金属熱処理は微妙な温度変化で結晶構造が変化するために、綿密な熱管理が要求されます。製品品質や歩留まり向上は、輻射による伝熱をいかに高速に精度よくシミュレーションできるかがキーポイントになります。
Femap Thermalは輻射計算にOppenheim法、形態係数計算にHemicube法を用いています。
これらの手法は光のエネルギーの反射を解く手法としてCGのレンダリングでも使われており、グラフィックスカードを使って熱輻射解析を高速に精度良く解く事が出来ます。

この事例では、真空熱処理炉での金属焼き戻しを対象とした熱輻射解析を行いました。
温度分布図を確認することで、熱輻射により600℃のヒーターから被加熱物と断熱材に、また、被加熱物側面に伝わった熱が、熱輻射によって上面から温度の低い断熱材に伝熱している様子が推測できます。
伝導流束ベクトルを確認することで、被加熱物側面から上面に向かう熱伝導（温度：高→低）の様子を明確に確認することができました。