赤外線LEDで物は温まるのか？

赤外ＬＥＤで、照射物は間違いなく暖まります。

とは言っても、定量的に表現しないと、あまり意味のないことです。

赤外であっても、可視光線でも、紫外放射でも、照射されたものが、放射
エネルギーを吸収し、吸収エネルギーの逃げ方次第によって、温度上昇が
決まります。後ほど、定量計算した結果を追記したいと思います。

なお、先に書いたとおり、物の温度を上げるためには、赤外放射以外でも
有効ですから、白色発光のＬＥＤでも被照射物の温度を上げることは可能
です。

例えば、次のURLの赤外LEDの特性をみると、放射強度の最小値が、
　8.2 mW／sr　@ 50mA 駆動時の記載があります。
http://www.rohm.co.jp/products/opto_device/sensor/diode/sir-563st3f/

8.2 mW／srとは、放射の軸方向 1 mの距離において、1 m^2あたり8.2 mWの
放射パワーが到達するということです。距離が、0.1 mであれば、逆二乗の
法則に従い、1 m^2あたり820 mWの放射パワーが到達することを表します。

1 m^2あたり820 mWの放射パワーが、断熱材の表面に入射するような場合を
想定すると、物体の熱伝導が悪いので、熱伝導は殆ど起こらずに、入射点の
温度が上昇して、熱として対流・放射で逃げることでエネルギー収支が定ま
り、温度上昇を求めることが可能です。

温度上昇によって周囲に逃げるエネルギーは、熱伝達係数を使って見積もる
ことができます。この値は、1 m^2あたり、周囲の空気より物体の温度が
１℃高い場合、10～14 W程度の値です。1 Wの値に対応する温度上昇に換算
すると、1／10～1／14 ℃程度 ＝ 0.07 ℃～0.1 ℃程度です。

先の赤外LEDで0.1 mの距離から連続して照射した場合、1 m^2あたり820 mW
でしたから、温度上昇は、（0.07～0.1）×0.82 ＝ 0.06 ～ 0.08 ℃程度と
見積もることができます。

被照射物の温度を上げることはできるが、その値は小さく、上記のような
条件で温度上昇は 0.1℃以下・・・・・要するに、人が熱感を感じること
はなく、普通の温度計では、温度が上がったことを検出できない程度と
言う結果です。

多数のLEDを高密度に並べれて照射すれば、物体の温度を数℃上げる程度の
赤外加熱装置を作ることは可能でしょう。

前の例と同じLEDを沢山並べた場合についても試算してみましょう。
10mmピッチの正方形グリッドに多数個を並べ、すべてのLED50mAで駆動する
ことを仮定します。仕様書によると、光出力の代表値は11mWとのことです
から、被照射面の中心部付近では、10mm×10mmの面積に11mWの放射パワー
が到達するものと計算できます。
1m^2あたりに換算すると、11mW×100^2＝110Wということになります。

前の例は、1m^2あたり820mWでしたから、10mmピッチで多数個並べれば、
110W÷0.82W＝134倍ほど高い放射照度が得られる計算です。この状態に
おける温度上昇は、前記の134倍の7.7℃～11℃程度と見積もられます。

500mm×500mmの範囲に、50個×50個＝2500個のLEDを10mmピッチのグリッド
で配列して、照射距離が500mmより十分に近い場合（例えば100mm程度）
被照射物の中心付近では、十分な時間照射すれば、10℃程度温度上昇させる
ことができそうです。
ただし、被照射物は、赤外線をよく吸収するとともに、熱伝導が低い性質
を持つ（＝プラスティック）場合に当てはまります。

＞赤外線をよく吸収するとともに、熱伝導が低い性質を持つ（＝プラスティック）

プラスティックは、波長800～1000nm程度の赤外線をよく吸収するかと突っ
込まれるかもしれませんので・・・・・・
この波長帯をよく吸収する黒色塗料を塗った場合としておくことにします。

仮定条件は、十分に書き切れていないかも知れませんので、疑問点があった
ら、お問い合わせ下さるようにお願いします。

集光したらどうなるか？
集光させる手段として、半径 0.1mの半球の内側にLEDをぎっしり並べて、
すべて球の中心を向くように配置することを考えます。
半径 0.1mの半球の表面積は、2πr^2 ＝ 0.0628 m^2
この面積に285個のLEDを配置して、この半球を机の上に伏せて、球の中心
にあたる机上面の温度上昇を考えてみることにします。

具体的な配置は、次の通り
　　緯度　　数量
　　　90　　　1
　　　84　　　3
　　　78　　　7
　　　・　　 ・　
　　　・　　 ・
　　　 6　　 31　（＋
　　----------------
　　　　　　285個

照射距離は、どのLEDに対しても0.1mで一定です。
ただし、緯度90°にあるLEDを除いて、照射面に対して斜め入射の状態に
なりますから、その分を割り引いて考える必要があります。
その上で、集計すると、ざっと次のような結果です。

　　緯度　　数量　　1個あたり放射照度　　小計
　　　90　　　1　　　　　680 mW/m^2　　　680 mW/m^2
　　　84　　　3　　　　　676　　　　　　2028　　
　　　78　　　7　　　　　665　　　　　　4655
　　　・　　 ・　
　　　・　　 ・
　　　 6　　 31　　　　　 71　　　　　　2201　　　（＋
　　-----------------------------------------------
　　　　　　285個　　　　　　　　　　 102303 mW/m^2

mWの単位を、Wに読み直すと、102 W/m^2程ということです。

集光させるように配置しても、放射照度は大して増加しないという結果の
ようです。使ったLEDの放射強度半値角は、15°でしたが、もっと角度の
小さいものを選定すれば、平面波位置よりも半球状に配置した方が、
放射照度を上げられると考えられます。

お礼

2012/06/25 08:54

非常に面白い内容ありがとうございます。
もう少し、調べてみます。

質問者

赤外線ではないが

電球の光を集めて、焼肉は焼けるか？
http://www.ntv.co.jp/q/oa/20111120/02.html



赤外線ヒーター
http://oshiete.goo.ne.jp/qa/4560630.html
遠赤外線ヒーターを500Ｗ

LEDの出力は
回答1

では
たくさん集めれば温まるのかといえば

>>電球の光を集めて、焼肉は焼けるか？
のように
うまく集光できないと思われるので


焼き肉はおいしく焼けないと思う

私の書き方が悪かったのか
光でモノが温まるということは
原子が振動して温まるということです

だから
質問者のように赤外線を発するのLEDじゃ暖かくならないの？
という疑問が生じると思います

回答1のように出力が小さいので揺らす力が足りなくて温まりません


じゃあ、たくさん集まればと考えますが
単純に集めても
受光側の面積当たりの光の圧力は変わらないので
温かくはなりません
↑
赤道近くは暑く　低緯度はなぜ寒いのかとか調べてくれ


じゃあ、レンズなどで集光すれば
と考えます
こたつの電球を400w　
LEDを40mW（0.04w）
と仮定すると1万個程いります

まあ、それを一点に集めれば
おこた具合の温かさにはなるでしょうが

しかし、暖かくなるのは一点だけで
ほかはあたたかくなりません


金属なら熱伝道で時間をかければ暖かくなるかもしれないが


↑
これらを比喩して
焼き肉はおいしく焼けないと思う
と書いたんですけどね

光の波長や赤外線・遠赤外線の話をしているわけではなく
光の圧力について話してるんだけどね
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%94%BE%E5%B0%84%E5%9C%A7

LEDのチップが山ほど要る

　　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-03261/
　　照射強度：４０ｍＷ／ｓｒ

　　http://www.kyosemi.co.jp/sensor/infrared_led/ked085_p01
　　ハイパワー赤外線照明用　光出力440mW　　入力1.5 V 1000mA

書込むより検索した方が早いでしょう。

＞電球の光を集めて、焼肉は焼けるか？

これは明らかに遠赤ではない近赤
しかし加熱するものによっては、近赤の方が適する場合がある。

　　http://www.fintech.co.jp/hikaributuri.htm#4
　　遠赤外線は、ごく表面（0.1～0.2mm）の加熱。そのため接着剤の加熱に遠赤外線ヒータを使った
　　例では、、内部まではなかなか熱が伝わりません。
　　近赤外線ヒータの場合には浸透（透過）して内部からも加熱されるため、、接着剤加熱用
　　にはこの近赤外線ヒータでなくてはならないとされています。

　　近赤外線ヒータ（ランプ）から出る可視光線は加熱に寄与しない、と勘違いされている人が
　　いますが、可視光も吸収された光エネルギーは全て熱に変わります。


暖房器具など遠赤遠赤と宣伝されるから、それがあたかも万能であるかのように思い込みガチだが、ちゃんと中身を確かめるべし。

　　http://www.fintech.co.jp/hikaributuri-hosoku1.htm
　　遠赤外線加熱の嘘の宣伝について

所詮 40mWや440mWでは、殆どカスリもしないが・・・