電気加熱

電気的現象によって発生する熱による加熱を電気加熱（electric heating）と呼ぶ*1。

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電気加熱
- 直接電気加熱（direct electric heating）
- 間接電気加熱（indirect electric heating）
抵抗加熱（resistance heating）
- 直接抵抗加熱（direct resistance heating）
- 間接抵抗加熱（indirect resistance heating）
赤外加熱（infrared heating）
アーク加熱（arc heating）
誘導加熱（induction heating）
- 電流浸透深さ
- 間接誘導加熱（indirect induction heating）
誘電加熱（dielectric heating）
プラズマ加熱
ヒートポンプ（heat pump）
- COP （成績係数）
伝熱
まとめ
参考文献
更新履歴

直接電気加熱（direct electric heating）

直接電気加熱は，被加熱物に電流を通すことによって発生する熱による加熱である。

間接電気加熱（indirect electric heating）

間接電気加熱は，電気的現象によって発生した熱を被加熱物を移行させる加熱である。

抵抗加熱（resistance heating）

抵抗加熱は，電源に直接つながれた導電体中に発生するジュール熱による直接または間接電気加熱である。

抵抗加熱は，電気加熱のうち最も広く使われている。

抵抗加熱は抵抗体に電流を流すことにより生じるジュール熱を利用する。

このとき，抵抗体が達する温度はジュール熱により生じる熱と抵抗体から放散する熱が等しくなる温度である。この状態を熱平衡という。

直接抵抗加熱（direct resistance heating）

直接抵抗加熱は，被加熱物に直接電流を通すことによって加熱を行うことをいう。

直接通電加熱ともいう。

間接抵抗加熱（indirect resistance heating）

間接抵抗加熱は，発熱体に電流を通じ，発生する熱によって被加熱物を加熱することをいう。

ニクロムや炭化けい素などで作られたヒータに通電し，発生するジュール熱を利用して非加熱物を間接的に加熱する方式は間接抵抗加熱と呼ばれ，工業分野の電気加熱において最も多く利用されている加熱法である。

この方式の加熱炉では，炉内のヒータに供給する電力を調整して，炉内温度を制御している。この温度制御には，サイリスタを用いた位相制御が多く用いられている。

位相制御では高調波が発生するので，このための対策が必要であるが，制御応答は速い。

ヒータで発生したジュール熱は，放射，対流，伝導の組合せによって被加熱物に伝えられ，被加熱物が加熱される。

放射ではヒータやヒータによって加熱された炉壁から発生する電磁波（主に赤外放射）によってエネルギーが被加熱物に伝えられる。

対流ではヒータによって加熱された炉内の空気の移動によってエネルギーが被加熱物に伝えられる。

対流による被加熱物への熱流束（単位時間に単位面積を横切る熱量）は被加熱物近傍の炉内空気温度と被加熱物の表面温度との温度差に比例する。

また，炉内で被加熱物を保持する物体と被加熱物とが接触する部位からは伝導によってエネルギーが被加熱物に伝えられる。

赤外加熱（infrared heating）

赤外加熱は，エネルギーが赤外放射によって伝達される加熱をいう。

赤外加熱の用途

赤外加熱は，塗装や印刷の乾燥のほか，食品，電子部品，半導体などの製造工程においても用いられている。

これらの物質は赤外放射の波長領域において多くの吸収帯をもつ。

これらの表面に照射された赤外放射は，内部に浸透する過程で吸収されて熱に変わり，物質自体が発熱する。

一般に，赤外加熱の加熱対象は赤外放射をよく吸収するがゆえに，赤外放射の浸透深さはせいぜい 10 ～ 100 μm のオーダーである。

この領域で発生した熱は，その後，伝導や対流によって内部に伝わり，加熱が進む。

赤外放射源

赤外加熱に用いられる赤外放射源は，電熱線によって加熱されたセラミックスや，通電によって高温になったフィラメントなどである。

放射源であるこれらの物質表面の単位面積から放射される分光放射パワー（波長成分ごとの放射パワー）は，分光放射率とプランクの放射則とで決まる。

なお，黒体の分光放射パワーの特性は，例えば黒体表面の温度が 900 K の場合，以下のグラフのようになる。

分光放射率が波長及び温度に関係なく一定とすれば，物質表面から放射される全放射パワーは絶対温度で表した表面温度の 4 乗に比例する。

これはステファン・ボルツマンの法則と呼ばれている。

また，分光放射パワーが最大となる波長は黒体表面の絶対温度に反比例する。

これはウィーンの変位則と呼ばれている。

一方，被加熱物の表面に照射された赤外放射の一部は表面で反射されるが，残りは非加熱物内部に浸透し，浸透する過程で被加熱物に吸収され，被加熱物自体が発熱して加熱される。被加熱物の吸収係数が大きいほど赤外放射は被加熱物の表層で吸収される。

通常，遠赤外加熱の熱源として利用される物質は，摂氏数百度の温度で，被加熱物のもつ幾つかの大きな熱振動の領域である数 μm ～数十 μm の波長の遠赤外放射を発生する。

赤外放射（infrared radiation）

赤外放射は，波長が可視放射の長波長限界（ほぼ 800 nm）とマイクロ波の限界（ほぼ 1 mm）との間にある放射である。

アーク加熱（arc heating）

アーク加熱は，主としてアークによって発生する熱によって被加熱物を加熱する，直接または間接電気加熱である。

製鋼用アーク炉はアーク加熱の代表的な例であり，商用周波数の三相交流をそのまま用いる交流アーク炉と直流に整流して用いる直流アーク炉とがある。

両者共に電圧は数百ボルト程度，電流は数千アンペアから数万アンペア以上のアークを黒鉛電極と被加熱物である鉄くずや還元鉄との間に発生させて過熱・溶解する。

大容量の電気負荷であるため，その負荷変動や波形ひずみがフリッカや高調波などの電源障害の発生源となるので，対策が必要な場合がある。

アーク放電

アーク放電において，放電電極間の距離（アーク長）を一定とすると，アーク放電路（アーク陽光柱）の電圧（アーク電圧）は，電流が小さい領域では，電流が増えるにつれて低下する特性をもつ。

さらに電流が増えて大電流の領域になると，アーク電圧は，電流に依存せず，ほぼ一定となる。

この領域では，アーク電圧はアーク長にほぼ比例する。

製鋼用アーク炉

このような大電流アークを用いた代表的な電炉として，鉄鋼スクラップを溶融する製鋼用アーク炉がある。

電極には黒鉛を用い，被加熱物の鉄鋼スクラップが通電経路の一部となっている。電極は可動式でアーク長を調整する。

アーク長とアーク電流を制御することで，鉄鋼スクラップへの投入熱量を制御している。

アーク加熱のフリッカ低減対策

アーク炉の引出母線の短絡容量を増加する
直列コンデンサを接続してみかけの短絡容量を増加する
専用線からアーク炉へ供給する
同期調相機と緩衝リアクトルにより無効電力変動を吸収する
炉用直列リアクトルを挿入して，アーク炉電流の変動を抑制する
TCR（Thyristor-Controlled Reactor）方式などの SVC（静止形無効電力補償）を用いる

electrical-engineer.hatenablog.jp

交流アーク炉では，炉用変圧器二次側の電極までの三相回路のリアクタンスが不平衡であるとアーク電圧に高低を生じ，局所的に高温となって炉壁を損傷するため，各相導体の三角配列などによってアーク電圧の不平衡を解消する必要がある。

一方，直流アーク炉では，直流母線に流れる電流が作る磁場によってアーク偏向が発生することで，被溶解物の不均一溶解や炉内にホットスポットを生成する原因となり，母線の配置には工夫が必要となる。

両者を電源系統に与える影響で比較すると，アーク発生から消滅までの入力の有効－無効電力特性などから直流アーク炉の方が影響が少なく，同一定格容量の場合，弱小電源系統への接続が比較的容易である。

直接アーク加熱（direct arc heating）

直接アーク加熱は，アーク電流が被加熱物を流れるアーク加熱をいう。

間接アーク加熱（indirect arc heating）

間接アーク加熱は，アーク電流が被加熱物を流れないアーク加熱をいう。

誘導加熱（induction heating）

誘導加熱は，電磁誘導作用で発生する誘導電流による直接または間接電気加熱である。

誘導加熱は，導電性の被加熱物を交番磁界中に置くことで生じる渦電流損によって被加熱物自体が発熱し，加熱される方式である。

金属の溶解のほか，金属表面の焼入れなどに用いられている。

渦電流損として発生する熱量は，交番磁束の大きさの 2 乗に比例する。

このほか，交番磁束の周波数，被加熱物の透磁率及び導電率にも依存する。

また，印加する交番磁界の周波数を高くすると，発熱は被加熱物の表面近傍に集中するようになる。

この現象は表皮効果によるものであり，その指標として浸透深さがある。

浸透深さは，透磁率と導電率の積の平方根に反比例する。

また，抵抗率が低いほど浸透深さは浅い。

浸透深さが浅くなると，被加熱物の表面に近い部位がより強く加熱され，表面加熱に近い様相を呈する。

したがって，被加熱物を適正に加熱するためには，加熱されるべき部位と達成すべき昇温温度に応じた交番磁束の周波数と大きさの選択が重要である。

電流浸透深さ

誘導加熱の被加熱物に生じる渦電流の密度は，表面から内部に向かい指数関数的に減少し，表面の $\displaystyle \frac{1}{e}$（$e$ : 自然対数の底）の値になる位置を電流振動深さと呼ぶ。

間接誘導加熱（indirect induction heating）

間接誘導加熱は，媒介物を誘導加熱し，その発熱を利用して被加熱物を加熱することをいう。

誘電加熱（dielectric heating）

誘電加熱は，被加熱物である誘電体を交番電界中に置くことによって誘電体自身が発熱する現象を利用した加熱法である。

この発熱は誘電体損と呼ばれている。

誘電体に電界が印加されると，誘電体内に誘電分極を生じる。交番電界の場合には，電解の交番に伴って，誘電分極の方向も変化する。

交番電界の周波数を上げていくと，交番電界の時間変化に誘電分極が追いつかなくなり，遅れが生じ始める。

この遅れによって誘電体損が生じ，その熱によって誘電体自身の温度が上昇する。

誘電体の電気的等価回路

誘電体の電気的等価回路は抵抗 $R$ と静電容量 $C$ の並列回路で表される。

$R$ 及び $C$ を流れる電流をそれぞれ $I_R$，$I_C$ とすると $\tan{\delta} = $ $\displaystyle \frac{I_R}{I_C}$ と表され，$\tan{\delta}$ は誘電正接と呼ばれる。

また，誘電体の比誘電率を $\varepsilon_\text{r}$ とすると，$\varepsilon_\text{r} \tan{\delta}$ は誘電体の損失係数と呼ばれ，誘電加熱の容易さを判断する目安となる。

誘電損失係数の大きさは印加する交番磁界の周波数に大きく依存する。

実際の誘電加熱では，放送などの無線業務の障害となるのを避けるため，使用可能な周波数帯が ISM 周波数帯として定められている。

この周波数帯においては，誘電体損を生じる誘電分極は誘電体を構成する荷電体のうち電気双極子によるものである。

また，一般に，被加熱物である誘電体は温度上昇によってインピーダンスが変化するので，誘電加熱装置から被加熱物に電力を効率よく供給するために，高周波発振回路と被加熱物との間に整合回路が挿入されている。

誘電加熱の被加熱物

一般に，被加熱物が絶縁体の場合，直流電界を印加しても電流が流れず，加熱されない。

しかし，被加熱物中の電子，イオン，電気双極子のような荷電体おいては，印加される直流電界によって誘電分極を生じる。

電界が交番電界の場合には，電界の往復的な変化に応じて，誘電分極も往復的に連続して発生する。

誘電加熱で発熱に要する単位体積当たりの電力は，印加する電界の強さ $E$ [V/m] の 2 乗及び印加する周波数 $f$ [Hz]，被加熱物の比誘電率 $\epsilon_\text{r}$，誘電正接 $\tan\delta$ に比例する。

$\epsilon_\text{r}\cdot \tan\delta$ を誘電損失係数と呼び，誘電加熱の容易さを判断する目安となる。

この値が 0.01 程度以下の物質については誘電加熱が困難である。

なお，実際の適用では，通信設備への電波妨害や生体への影響等の考慮が必要で，周波数は電波法で ISM （Industrial Scientific Medical）周波数として，使用できる数値が決められている。

誘電損失係数の差を利用して，例えば木材の接着には接着部分のみの加熱や，包装材が誘電率の小さいものであれば，内部の食品のみの加熱など，加熱部分の選択を行うことができる。

外部からの加熱による昇温のように，被加熱物自体の熱伝導に依存せず被加熱物を内部から加熱するので，急速で均一な加熱を行うことが可能である。

電磁波による誘電加熱

電磁波による誘電加熱の原理は次のとおりである。

被加熱物である誘電体に電磁波の高周波電界が加えられると誘電体内の分子は分極を生じる。

この状態を生じる荷電体の移動が電界の時間的変化に追随できなくなると，変位電流が電界に対して遅れを生じて電力損失が発生する。

この現象が誘電損による熱の発生であり，電磁波の誘電体内の浸透深さは周波数に反比例する。

電磁波による誘電加熱は，周波数帯によって次の2種類に大別される。

その一つは 1 ～ 100 [MHz] 程度の周波数帯を使用する高周波加熱であり，他の一つは 300 [MHz] ～ 30 [GHz] 程度の周波数帯を使用するマイクロ波加熱である。

マイクロ波加熱（microwave heating）

マイクロ波加熱は，300 MHz ～ 300 GHz の範囲の電磁波の作用で，誘電体を主として分子運動とイオン伝導によって熱を発生させて加熱することをいう。

特に周波数の高いマイクロ波加熱では，電磁波と浸透深さで加熱範囲が制限され，その浸透深さは波長に比例し，比誘電率の平方根と誘電正接との積に反比例する。

また，純粋の場合には，誘電加熱の領域である数十 MHz 以下では誘電損による加熱は極めて効率が低いが，塩分などのイオン源を含むと導電率が増加し有効に加熱される。

マイクロ波を利用する電子レンジ

マイクロ波を利用する電子レンジは誘電加熱の代表的な例の一つである。

電子レンジでは，被加熱物を構成する荷電体のうち，電気双極子による発熱によって加熱される。

プラズマ加熱

大気圧程度の気体を数千 °C ～数万 °C のプラズマにするには，気体を電離し，更に継続的にエネルギーを供給することが必要である。

工業的に使用するプラズマ加熱装置では，一般的には直流電源で点弧されるアークプラズマトーチが採用されている。

アークプラズマトーチは，通常，気体を噴出するようにしたノズルとその内部に設けられた電極から構成され，この電極を陰極とする。

アークプラズマトーチの構造には，加熱物を対極とする移行形とノズルそのものに対極を配置した非移行形とがある。

アークプラズマトーチで発生したアークプラズマの外周に冷ガスを吹き付けることによって，アークを強制的に拘束し，高温のプラズマ流を得る。

不活性高温雰囲気が必要な場合はアルゴンやヘリウムのような作動ガスが用いられる。

また，アークプラズマを発生させることなく無電極で高温のプラズマを得る方法として，石英管などの内部に作動ガスを流し，周囲に設けた誘導コイルに高周波電流を流す方法もある。

この方法では，基本的に電極が不要なので，電極からの不純物の混入の心配がなく，クリーンなプラズマを得ることができる。

ヒートポンプ（heat pump）

ヒートポンプは，熱媒体の相変化を利用し，電気機械的エネルギーによって低温側からくみ上げた熱を高温側で利用する目的で使用される装置である。

エアコン，冷凍機，給湯器などにヒートポンプが広く用いられている。

ヒートポンプは，低温側の熱交換器と高温側の熱交換器との間に冷媒を循環させることで，低温側の熱を高温側へくみ上げている。

まず，低温側の熱交換器において，冷媒が低温側から熱を吸収して蒸発する。

その後，冷媒は圧縮機によって高温，高圧となり，高温側の熱交換器に送られる。そこで冷媒は高温側に熱を放出して凝縮する。

続いて，冷媒は膨張弁を通ることによって低温，低圧となって再び低温側の熱交換器に送られる。

このような熱サイクルの基本サイクルは逆カルノーサイクル*2と呼ばれる。

COP （成績係数）

ヒートポンプの性能を示す指標の一つとして COP （成績係数）がある。

低温側の熱交換器で吸収した熱量を $Q_\text{L}$ [J]，ヒートポンプを動かすために使ったエネルギーを $W$ [J] として，熱損失などを無視すると，低温側の熱を高温側へくみ上げるときの COP は $1 + Q_\text{L}/W$ で与えられる。

また，近年，冷媒には，オゾン層破壊の心配がない HFC（ハイドロフルオロカーボン）が使われるようになっている。

しかし，地球温暖化係数が高いことが課題である。

伝熱

伝熱とは熱の移動をさし，次の 3 とおりの，熱伝導，対流熱伝達，放射伝熱の形態がある。

熱伝導

熱伝導とは物質内で熱のみが移動することをいう。

対流熱伝達

対流熱伝達とは固体と流体の間の熱の移動や，流体の移動などの物理現象をともなった熱の移動を表す。

放射伝熱

放射伝熱では，熱源から電磁波としてエネルギーが放出され対象物に吸収されて熱が移動する。熱源の表面から放出されるエネルギーは，物質の温度の 4 乗にほぼ比例する。

まとめ

電気加熱について，加熱方式，加熱原理からみた電気の主たる役割，被加熱物の加熱の様相を整理すると，次表となる。

電気加熱
加熱方式	加熱原理からみた電気の主たる役割	被加熱物の加熱の様相
直接抵抗加熱	被加熱物への通電	通電電流によって発生するジュール熱による発熱
赤外加熱	熱放射の発生	放射の吸収による発熱
誘導加熱	交番磁界の発生	渦電流によって発生するジュール熱による発熱
誘電加熱	交番電界の発生	誘電損による発熱
ヒートポンプ加熱	電動機による圧縮機の駆動	凝縮器からの熱の吸収