《機械》〈電熱〉[H30:問4]ジュール熱を利用した間接抵抗加熱に関する空欄穴埋問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【用語の解説】
4 【解答】

【問題】

【難易度】★★★☆☆（普通）

次の文章は，間接抵抗加熱に関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切なものを解答群の中から選べ。

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被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$ \ \fbox {　（１）　} \ $が多く用いられている。$ \ \fbox {　（１）　} \ $では$ \ \fbox {　（２）　} \ $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，$ \ \fbox {　（３）　} \ $の組合せによって被加熱物に伝えられ，被加熱物が加熱される。放射ではヒータやヒータによって加熱された炉壁から発生する電磁波(主に$ \ \fbox {　（４）　} \ $)によってエネルギーが被加熱物に伝えられる。対流ではヒータによって加熱された炉内の空気の移動によってエネルギーが被加熱物に伝えられる。対流による被加熱物への熱流束(単位時間に単位面積を横切る熱量)は被加熱物近傍の炉内空気温度と被加熱物の表面温度との温度差$ \ \fbox {　（５）　} \ $する。また，炉内で被加熱物を保持する物体と被加熱物とが接触する部位からは$ \ \fbox {　（３）　} \ $によってエネルギーが被加熱物に伝えられる。

〔問4の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　の \ 2 \ 乗に比例　　　　　&（ロ）&　赤外放射　　　　　&（ハ）&　の \ 4 \ 乗に比例 \\[ 5pt ] &（ニ）&　高調波　　　　　&（ホ）&　\mathrm {MPPT} \ 制御　　　　　&（ヘ）&　フリッカ \\[ 5pt ] &（ト）&　ガンマ線　　　　　&（チ）&　伝達　　　　　&（リ）&　電導 \\[ 5pt ] &（ヌ）&　瞬時電圧低下　　　　　&（ル）&　可視放射　　　　　&（ヲ）&　に比例 \\[ 5pt ] &（ワ）&　位相制御　　　　　&（カ）&　伝導　　　　　&（ヨ）&　\mathrm {VAV} \ 制御 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

電験としては誘導加熱や誘電加熱の方が出題されやすいため，抵抗加熱はノーマークの受験生も多かったと思います。しかしながら，サイリスタを用いた位相制御や位相制御で高調波が出やすいことは他の分野でも重要な内容となりますので，幅広く勉強された方であれば解ける問題であると思います。

1.抵抗加熱
抵抗に発生するジュール熱を利用し，熱伝導，熱対流（伝達），熱放射によって物体を加熱します。加熱したい物質に直接電流を流す方法を直接抵抗加熱，ニクロムや炭化ケイ素等に通電し，その熱により被加熱物を加熱するものを間接抵抗加熱と言います。

【用語の解説】

（ロ）赤外放射
　赤外線による熱放射のことを言います。
（ホ）$ \ \mathrm {MPPT} \ $制御
　太陽光発電システムに取り入れられている制御方式で，最大電力を取り出すための最適な電圧を制御する方式です。
（ヘ）フリッカ
　アーク炉や溶接機などの大型負荷の起動等で負荷電流の増加による電圧降下のために，電灯や蛍光灯等にちらつきを生じたりする現象です。
（ト）ガンマ線
　電磁波の一種で波長が短く物質の透過性の強い特徴があります。原子炉で発生します。
（チ）伝達
　温度が違う物体同士間で熱交換が行われることを熱伝達もしくは熱対流と言います。
（リ）電導
　電気がどれだけ流れやすいかを示す指標を電気電導度と言い，例えば工場等で使用する水の水質の良さを表す指標となります。
（ヌ）瞬時電圧低下
　送電線への落雷等により事故が発生した際，事故点を中心に瞬間的に電圧低下が発生することを言います。
（ル）可視放射
　可視光の放射で，熱ではなく目に入る光の強さのことを言います。
（ワ）位相制御
　サイリスタで交流電圧の制御角を調整して，負荷にかける平均電圧を調整する方法です。
（カ）伝導
　物体の内部を伝わる熱のことを熱伝導と言います。
（ヨ）$ \ \mathrm {VAV} \ $制御
　空調で導入されている制御で，室温と設定温度の大小により風量を調整する制御です。
　

【解答】

(1)解答：ワ
題意より，解答候補は（ホ）$ \ \mathrm {MPPT} \ $制御，（ワ）位相制御，（ヨ）$\mathrm {VAV}$制御，になると思います。サイリスタで行われているのは位相制御です。

(2)解答：ニ
題意より，解答候補は（ニ）高調波，（ヘ）フリッカ，（ヌ）瞬時電圧低下，になると思います。サイリスタの位相制御を行うと，第3調波や第5調波といった奇数次の高調波が発生します。

(3)解答：カ
題意より，解答候補は（チ）伝達，（リ）電導，（カ）伝導，になると思います。抵抗加熱は，放射，対流，伝導の組合せによって加熱します。熱伝達は熱対流と同じ意味で，電導は字が違います。

(4)解答：ロ
題意より，解答候補は（ロ）赤外放射，（ト）ガンマ線，（ル）可視放射，になると思います。このうち，熱に関係するのは赤外放射となります。

(5)解答：ヲ
題意より，解答候補は（イ）の2乗に比例，（ハ）の4乗に比例，（ヲ）に比例，になると思います。
対流による加熱物の熱流束$ \ Q \ $は，熱伝達率$ \ H \ $，被加熱物近傍の炉内空気温度と被加熱物の表面温度との温度差$ \ \Delta T \ $とすると，
\[
\begin{eqnarray}
Q &=& H\Delta T \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] の比例の関係があります。感覚的に理解できると思います。