工業用粉体塗装焼付炉のサイジング：生産技術者のための手引き

量産向けに産業用粉体塗装炉を仕様決めすることは、4つの決定を順に下していく作業であり、それぞれが次を制約します。すなわち、内容積、熱源、気流パターン、そして焼付け時間の枠です。最初の1つを誤れば、どれだけバーナーを調整しても直せません。本ガイドは、お客様向けに商業用・産業用の炉のスコープを決める際に私たちが用いている実務リファレンスです。ジョブショップ向けのバッチ炉から、自動ラインのコンベア式硬化トンネルまでを対象とします。

始める前に。本稿は特に量産グレードの産業用炉に関するものです。趣味の再塗装向けのDIY炉はまったく別のカテゴリーであり、デューティサイクル、法規制への適合、工程の再現性を考慮して設計されておらず、本稿の対象外です。販売用の部品を塗装するなら、産業用設備が必要です。

ステップ1：内容積を部品の外形寸法に合わせる

あらゆる炉の仕様は、ただ1つの物理的な問いから始まります。焼付ける必要のある最大の部品の外形寸法に、吊り下げ、コンベアフック、気流のためのクリアランスを加えると、どれくらいになるか。容積の設定はそこから連鎖していきます。

バッチ炉の実務上の計算式は次のとおりです。

内容積＝部品の外形寸法 × 1.4（気流＋クリアランス）＋コンベア／ラックの容積

2 m × 1 m × 1 m（2 m³）の部品外形寸法には、内寸でおよそ3.0〜3.5 m³以上の炉が必要です。部品の2 m³に、気流、ラック、熱の循環のための1.0 m³を加えたものです。これを小さくしすぎると壁際に低温部ができ、大きくしすぎると空の容積を加熱してエネルギーを浪費します。

コンベア式の硬化炉では、計算は異なります。

炉の長さ＝（ライン速度 × 焼付け時間）＋移行余裕（1.5〜2 m）

2 m/minで稼働し焼付け時間20分のラインには、内部が41.5メートルの長さの炉が必要です（硬化40 m＋入出口1.5 m）。焼付け時間を10分に縮めると、炉は21.5 mに縮みます。これこそが低温硬化型の粉体薬剤が経済的に大きな変化をもたらしうる理由です。一般的なライン速度では、焼付け時間を1分削るごとに炉が2メートル短くなります。

ステップ2：熱源：電気、ガス、ハイブリッド

熱源の選定は、炉容積、エネルギーコスト、法規制環境から連鎖して決まります。当社のガスと電気の焼付炉ガイドが運転コストの計算を詳しく扱っています。要点は次のとおりです。

電気炉

内容積およそ20 m³以下で勝ります。設置がよりすっきりしており、燃焼用空気も煙道もガストレインも不要です。燃焼副生成物が部品に触れることもありません（一部の食品接触用・医療機器用の粉体で重要です）。初期投資は小型では安く、大型では高くなります。中型電気炉のピーク加熱負荷は30〜80 kW、大型量産炉では100〜250 kWで稼働します。

ガス焚き炉

内容積およそ20 m³超で勝り、40 m³超では決定的に勝ります。大半の市場でm³あたりの運転コストが低くなります（電気が異常に安いか、ガスが異常に高い場合を除く）。モジュレーティングバーナー設計では暖機がより速くなります。現地のガス供給、煙道の配管、燃焼規制への適合が必要です。

赤外線ブースター＋対流のハイブリッド

高スループットのライン（3 m/min以上）や、対流だけでは硬化が遅い低質量の部品には、炉入口の赤外線予熱ゾーンが数秒で粉体をゲル化温度まで上げ、その後対流が硬化を仕上げます。炉の初期投資を10〜20%押し上げますが、焼付け時間を30〜50%削減します。建築用アルミ形材や薄板金には正しい答えです。

ステップ3：気流パターン

空気を加熱しても、その空気が部品に届かなければ意味がありません。気流の設計が、正しく仕様を定めた熱源が正しく硬化した部品につながるかどうかを決めます。

商業用の炉では3つの気流パターンが主流です。

水平循環

片側の壁の高い位置にある給気ダクトから部品に水平に空気を吹き付け、反対側で戻します。形状が均一な部品、単純な形状、部品が一定の向きで現れるコンベアシステムに適しています。建築用アルミ形材の炉では標準的な構成です。

垂直トップダウン

天井のプレナムから給気し、床面で排気します。垂直方向の寸法が大きい部品、たとえば背の高いラック、吊り下げた組立品、構造用鋼材に最適です。調整は難しいものの、複雑な垂直スタックでも非常に均一な硬化が得られます。

混合／ゾーン別

マルチゾーン炉は、ゾーンごとに異なる気流パターンを用います。硬化ゾーンでは水平循環、昇温ゾーンでは垂直、入口では乱流混合といった具合です。複雑さとCapExが増すため、単一パターンの硬化では仕様を満たせないTier 3のラインでのみ使われます。

30 m³以下の大半の量産炉では、0.8〜1.5 m/sの風速での水平循環が正しい初期設定です。これより高い風速はファン動力を多く消費しますが硬化への意味ある効果はなく、低い風速は角部に低温部を残します。

ステップ4：焼付け時間の枠

粉体メーカーは硬化スケジュールを「部品温度・時間」の組として公表します。「200 °C PMTで20分」とは部品の金属温度200°Cで20分という意味であり、設定温度200°Cの炉内で20分という意味ではありません。この区別が重要なのは、重い部品は温度まで上がるのに10〜15分かかるため、設定温度200°Cで20分の炉サイクルでも、PMTでの硬化は5分しか得られないことがあるからです。

したがって、量産の硬化サイクルには3つの段階があります。

1. 昇温：部品が常温で炉に入り、硬化温度まで上がる。所要時間は部品の熱質量と炉の気流に左右される。一般的に5〜15分。
2. 硬化保持：部品がPMTで指定温度以上にあり、指定された時間それを保つ。一般的に10〜20分。
3. 降温または冷却：低ひずみが求められる用途では、制御された冷却がサイクルタイムを5〜15分延ばすが、薄いアルミニウムの反りを防ぐ。

コンベア式ラインでは、炉の長さがフルサイクルの時間を確保します。バッチ炉では、作業者がフルサイクルに安全余裕を加えた時間だけ扉を閉じたままにします。いずれにせよ、炉は生産で最も加熱に時間のかかる部品に合わせてサイズを定めなければならず、最も速い部品に合わせてはいけません。

よくあるサイズ設定の誤り

1. 3年後の生産ではなく現在の生産に合わせてサイズを定める。 炉は固定化しやすい資本です。この1台を15年以上稼働させることになります。生産が年20%伸びているなら、初日ではなく3年先のスループットに合わせてサイズを定めましょう。
2. ガス炉でコールドスタート回復のための加熱能力を小さくしすぎる。 定常状態の加熱負荷はピークの40〜60%です。バーナーは定常状態ではなくピークに合わせてサイズを定めないと、月曜朝のコールドスタートに3時間かかります。
3. 複数の粉体を扱う生産に単一ゾーンの炉を使う。 高光沢ポリエステルとTGIC建築用粉体を同じ炉に通すなら、2つの別々のサイクルを回すか、独立した温度設定を持つ2ゾーン炉を設置しましょう。硬化曲線を混ぜると、両方の仕上がり品質が低下します。
4. 40 m³超のガス炉で熱回収を省略する。 排気循環や空気対空気の熱交換器は運転コストを15〜30%削減します。回収期間は欧州のガス価格で18〜36か月、GCCでは30〜60か月です。

次のステップ

産業用または商業用の粉体塗装炉を仕様決めしていて、実際の生産計算（スループット目標、部品の外形寸法、硬化スケジュール、現地のエネルギーコスト）に裏打ちされたサイズ設定が欲しいなら、最も速い道は生産データをお送りいただくことです。炉の構成とCapEx/OpExモデルを1営業日以内にお返しします。

PowCEQは、完全な自動粉体塗装ラインの一部として、また単体のバッチ式または連続式の硬化システムとして、炉設備を供給しています。さらに詳しい技術的な情報については、ガスと電気の経済性と前処理のサイズ設定に関するガイドをご覧ください。