赤外線加熱装置の利用例と金属加工での活用法

赤外線加熱装置の利用例と金属加工での活用

赤外線加熱装置を「塗装乾燥専用の装置」だと思っていると、年間コストが30%以上余計にかかる可能性があります。

赤外線加熱装置の仕組みと金属加工に向いている理由

赤外線加熱装置は、電磁波の一種である赤外線を対象物に照射し、表面から内部へ熱を伝える加熱方式です。可視光よりも波長が長い近赤外線（波長0.75〜2.5μm）や中赤外線（2.5〜25μm）を使い、金属の表面分子を直接振動させて発熱を促します。

熱風炉や誘導加熱と違い、空気を介さず対象物そのものにエネルギーを届けるのが最大の特徴です。つまり加熱ロスが少ないということですね。

一般的な熱風循環炉では、投入した電力のうち実際に金属加工品の加熱に使われるエネルギー効率は40〜60%程度とされています。一方、近赤外線ヒーターを用いた装置では70〜85%の効率が報告されており、同じ加熱量を得るのに必要な電力が大幅に少なくて済みます。

この差は面積が小さい工程ではわずかに見えますが、量産ラインで年間8,000時間稼働させると、電力コスト換算で年間50万〜200万円の差につながることがあります。省エネが条件です。

また、赤外線加熱は昇温速度が速い点も金属加工現場で評価されています。鋼材表面を300℃まで昇温するのに、熱風炉では15〜20分かかるところ、近赤外線装置では3〜5分で到達できるケースが報告されています。これは使えそうです。

金属加工では、加熱時間の短縮がそのままタクトタイム削減につながります。1個あたり10分の短縮が、月産3,000個のラインでは月500時間の削減を生み出すほどのインパクトがあります。

赤外線加熱装置の利用例①：焼き入れ・焼きなましへの応用

焼き入れは金属の硬さと耐摩耗性を高めるために欠かせない工程です。従来のガス炉や塩浴炉を使った全体加熱に対し、赤外線加熱装置を用いた局所加熱は「必要な部位だけを必要な温度に加熱する」という精密制御を可能にします。

たとえば、自動車部品のカムシャフト表面焼き入れでは、近赤外線ランプを約10mm程度の距離（はがきの短辺ほど）まで近づけて照射し、表面温度を800〜900℃まで急速に昇温させる手法が採用されています。この方法では、加熱深さをわずか0.5〜1.5mmに制御できるため、部品の変形リスクが従来比で約40%低減するという報告があります。

変形リスクの低減が原則です。焼き入れ変形は後加工コストに直結するため、この差は品質管理コストの削減にも波及します。

焼きなましへの応用も見逃せません。溶接後の残留応力を除去するポスト溶接熱処理（PWHT）に赤外線加熱を用いると、加熱範囲を溶接部の前後200mm程度に限定しながら均一な温度分布を実現できます。これによって、構造物全体を炉に入れる必要がなくなり、大型構造物や配管の現場施工にも対応できるようになります。

意外ですね。「大型構造物には炉が必要」という常識が、赤外線加熱装置の採用で覆されているわけです。

日本工業炉協会や各メーカーの技術資料によると、局所赤外線加熱によるPWHTは、ガスバーナー加熱と比較してエネルギー消費量を最大35%削減しながら、温度均一性±15℃以内を維持できるとされています。

日本産業規格（JIS）のデータベース：熱処理関連のJIS規格（JIS G 0557など）で、焼き入れ・焼きなましの温度条件を確認できます。

赤外線加熱装置の利用例②：溶接前処理・予熱工程での活用

溶接前の予熱は、低温割れ（水素割れ）を防ぐために高張力鋼や厚板を扱う現場では必須の工程です。これは必須です。

一般的なガスバーナーによる予熱は、作業者の技量によって温度のばらつきが生じやすく、予熱不足による溶接割れが品質クレームの大きな原因となっています。国内の製造業における溶接不良のうち、予熱管理の不備が原因とされるケースは全体の約25%を占めるというデータもあります。

赤外線加熱装置を予熱に使うと、温度センサーとPID制御を組み合わせることで、設定温度±10℃以内の精度で予熱管理ができます。ガスバーナーでは±50℃程度のばらつきが珍しくないため、これは大幅な改善です。

精度が上がれば、クレームリスクも下がります。たとえば、板厚25mmのHT780高張力鋼を溶接する場合、予熱温度100℃以上が推奨されていますが、温度不足のまま溶接を進めると、後から割れが発生して全溶接部の再施工という最悪のシナリオも起こり得ます。再施工コストは、1箇所あたり数万〜数十万円に及ぶことがあります。

また、赤外線ヒーターパネルは柔軟な形状に対応できるセラミックヒーター型や、ラバーヒーター型が存在し、曲面や複雑な形状の配管・容器溶接部にも巻き付けて使用できます。現場の形状を選ばない点は、ガスバーナーに対する明確な優位性です。

赤外線加熱装置の利用例③：プレス・曲げ加工補助としての温間成形支援

金属の温間成形は、常温では割れや春戻りが起きやすい高強度鋼やアルミニウム合金を扱う現場で注目されている技術です。材料を150〜400℃程度に加熱してから成形することで、変形抵抗を下げ、スプリングバック量を大幅に減らすことができます。

どういうことでしょうか？たとえば、引張強さ980MPa級の高張力鋼板では、常温プレス時のスプリングバック量が5〜8mm程度になることがありますが、250℃まで赤外線加熱してから成形すると1〜2mm程度まで抑えられるという事例が報告されています。

この差は、後加工の修正工数削減に直結します。スプリングバック修正に1個あたり5分かかっていた工程が不要になれば、月産2,000個のラインで月167時間の工数が浮く計算になります。

赤外線加熱はプレス機の近傍に設置でき、加熱後すぐに成形できる点が強みです。炉で加熱してから移送する方式では、移送中に温度が下がってしまい、最適成形温度を維持しにくいという問題がありました。つまり「即時加熱・即時成形」が実現できるということですね。

アルミニウム合金（A6061など）では、200〜250℃での温間成形でクラック発生率を常温比で約60%削減できるという研究データもあります。軽量化ニーズが高まる自動車・航空関連部品の加工では、この技術の重要性がさらに高まっています。

J-STAGE（日本塑性加工学会誌）：温間成形・プレス加工に関する学術論文が多数掲載されており、材料別の加熱効果データを参照できます。

赤外線加熱装置の利用例④：塗装・コーティング乾燥・硬化工程の最適化

金属加工品の塗装乾燥は、赤外線加熱装置の代表的な利用例です。しかし多くの現場では「とにかく高温で長く加熱すれば確実」という思い込みから、過剰な加熱を行いオーバーキュアによる塗膜劣化を招いているケースがあります。これは厳しいところですね。

塗料メーカーの技術データによると、エポキシ系粉体塗装の最適硬化条件は「180℃×20分」ですが、220℃×30分で焼成するとクロスカット密着試験の結果が基準値を下回るケースがあります。赤外線加熱装置を用いた精密温度制御が、この問題を回避するための有効な手段となっています。

近赤外線（NIR）ヒーターは昇温速度が極めて速く、常温から180℃への到達時間が90秒以下というシステムも市販されています。熱風炉では10〜15分かかるのに対して、大幅な時間短縮です。

省エネ効果も数字として出ています。ある自動車部品メーカーの事例では、熱風炉からNIR加熱システムに切り替えた結果、乾燥工程の消費電力を従来比42%削減し、年間電力コストを約180万円削減したと報告されています。

コーティング用途では、フッ素樹脂コーティングやセラミックコーティングの焼成にも赤外線加熱が使われます。特に局所的な部位だけをコーティング処理したい場合、炉全体を加熱するより赤外線ヒーターで部分照射する方が、処理時間・コスト両面で有利です。これは使えそうです。

赤外線加熱装置の利用例⑤：現場担当者が見落としがちな「応力除去・矯正」への応用

これは検索上位では取り上げられることの少ない、赤外線加熱装置の応用領域です。金属部品の機械加工後や溶接後には、残留応力によって経時的な変形（歪み）が生じることがあります。精密加工部品では、この変形が数十μm単位でも不良につながるため、残留応力の除去は品質管理上の重要課題です。

残留応力は見えません。しかし確実に存在し、放置すれば後から変形として現れます。

従来は全体を炉に入れてストレスリリーフアニール（応力除去焼きなまし）を行うのが一般的でしたが、赤外線加熱装置を使った局所加熱では、変形させたくない部分をマスキングしながら応力集中部位だけを選択的に加熱処理できます。

鋼材の応力除去焼きなましは一般的に550〜650℃で1〜2時間保持が基本ですが、赤外線パネルヒーターを部品に密着または近接配置することで、炉を使わず現場でこの処理を行った事例があります。設備費だけで比較すると、工業炉の導入コスト（300万〜1,000万円以上）に対し、赤外線加熱ユニットは50万〜200万円程度から導入できます。

また、薄板金属部品の溶接歪み矯正に、赤外線加熱による「線状加熱法」を応用するケースもあります。加熱位置・速度を精密にコントロールすることで、1〜3mm程度の歪みを修正できるという現場報告があります。ガスバーナーによる線状加熱では職人の熟練が必要でしたが、赤外線装置による自動制御化で技術の平準化が進んでいます。

つまり「職人技が必要だった工程を自動化できる」ということですね。これは人材不足が深刻な中小製造業にとって、大きなメリットになります。

J-STAGE（溶接学会誌）：溶接残留応力・歪み矯正に関する研究論文が掲載されており、加熱条件と変形量の関係データを確認できます。

赤外線加熱装置の導入コストと省エネ効果：費用対効果の考え方

赤外線加熱装置の導入を検討する際、多くの現場担当者がまず気にするのが初期投資額です。装置の規模や用途によって幅がありますが、小型の局所加熱ユニット（出力1〜5kW）であれば10万〜50万円、ラインに組み込む中型システム（出力10〜50kW）で100万〜400万円、大型の量産ライン対応システムでは500万円以上になることもあります。

高いと感じるかもしれません。しかし費用対効果の計算が肝心です。

省エネ効果の試算では、熱風炉との比較で電力コスト30〜45%削減というケースが複数報告されています。仮に現在の熱処理工程の電力コストが月30万円かかっているとすれば、月9万〜13万5,000円の削減になります。100万円の装置投資であれば、8〜12ヶ月で回収できる計算です。

さらに、加熱時間の短縮によるタクトタイム改善、品質不良低減による手直しコスト削減、作業環境温度の改善による生産性向上なども、費用対効果に含めて考える必要があります。これらを合算すると、投資回収期間はさらに短くなることがほとんどです。

導入前の確認事項として、①現在の加熱工程の電力消費量と稼働時間、②加熱対象物の材質・形状・サイズ、③要求される温度精度と均一性、④設置スペースと電源容量の4点を整理しておくと、メーカーへの問い合わせがスムーズになります。

省エネ診断のサービスを提供している赤外線加熱装置メーカーも複数存在しており、現在の工程データを提供すれば具体的な削減効果のシミュレーションを無料で実施してもらえるケースがあります。まずシミュレーションを依頼するのが、判断の最初のステップとして有効です。

経済産業省 資源エネルギー庁「省エネ法・省エネ診断」：工場・事業場向けの省エネ診断制度や補助金情報が掲載されており、赤外線加熱導入時の補助金活用検討に役立ちます。