発熱体はなぜ壊れるのか？故障の主な要因と予防法

発熱体の破損は、熱的、機械的、化学的要因の組み合わせによるものです。加熱と冷却の繰り返しによる膨張と収縮が機械的ストレスを引き起こし、時間の経過とともに摩耗や破損につながる。不均一な加熱やシールドによりホットスポットが形成され、局所的な損傷が加速されます。酸化や断続的な運転は、保護酸化膜に亀裂や剥離を生じさせ、金属をさらなる劣化にさらす。また、高温は合金の粒成長を引き起こし、合金を脆くします。さらに、環境ガスやヒュームによる汚染や腐食もエレメントを弱くします。これらの要因が相まって、最終的な発熱体の故障につながります。

キーポイントの説明

熱膨張と熱収縮
- 発熱体は加熱されると膨張し、冷却されると収縮する。この膨張と収縮の繰り返しが、材料に機械的ストレスを与える。
- 時間の経過とともに、この応力はマイクロクラックと構造的弱体化をもたらし、最終的にはエレメントの破損を引き起こす。
- このプロセスは、オーブンや炉の中など、加熱と冷却を頻繁に繰り返すエレメントで特に顕著です。
ホットスポットの形成
- ホットスポットは、不均一な熱分布やサポートによる遮蔽が原因で、発熱体の特定の部分が他の部分よりも著しく高温になることで発生します。
- このような局所的な高温は、影響を受けた部分の酸化や材料の劣化を促進します。
- ホットスポットは熱暴走の原因にもなり、ホットスポット内の温度が制御不能に上昇し、急速な故障につながります。
酸化と間欠運転
- 発熱体は多くの場合、さらなる酸化を防ぐ保護酸化膜で覆われている。
- 加熱と冷却を頻繁に繰り返すと、この酸化層が割れて剥がれ落ち、新しい金属が酸化にさらされる。
- 保護層が失われると材料の劣化が加速され、素子が破損しやすくなる。
粒成長による脆化
- 高温になると、発熱体材料の結晶構造が変化し、粒成長が起こります。
- 鉄を含む合金では、この結果、割れやすい脆い大きな結晶粒が形成されます。
- 脆化は元素の機械的強度を低下させ、応力下で破損しやすくする。
汚染と腐食
- ガスやヒュームのある環境で使用される発熱体は、汚染に悩まされることがあります。
- 汚染物質はエレメント材料と反応し、乾燥腐食を引き起こし、構造を弱めます。
- 腐食はピットやクラックの形成にもつながり、エレメントの完全性をさらに損ないます。
過熱
- 過電流や冷却不足により発熱体が過熱すると、材料が急速に劣化します。
- 過熱は酸化、粒成長、ホットスポットの形成を促進し、これらすべてが故障の原因となります。
- 極端な場合、過熱はエレメントの溶融や完全な焼損を引き起こす可能性があります。

これらの重要な要因を理解することで、機器や消耗品の購入者は、これらの故障メカニズムを最小限に抑える材料や設計の発熱体の選択について、十分な情報に基づいた決定を下すことができ、運転寿命の延長とメンテナンスコストの削減を確実にすることができます。

総括表

要因	説明
熱膨張	加熱と冷却を繰り返すと応力が発生し、亀裂や弱点につながる。
ホットスポット	不均一な加熱は局所的な損傷を生み、酸化と故障を加速させる。
酸化	頻繁なサイクルにより保護酸化膜に亀裂が入り、金属が劣化にさらされる。
結晶粒の成長	高温により結晶粒が脆くなり、機械的強度が低下する。
汚染と腐食	環境ガスやヒュームは、腐食によってエレメントを弱めます。
過熱	過度の熱は酸化、粒成長、ホットスポットを促進し、急速な故障につながります。