《機械》〈電熱〉[R4下:問12]様々な電気加熱の加熱方法に関する論説問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★★★☆（やや難しい）

電気加熱に関する記述として，誤っているものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。

(1)　抵抗加熱は，電流によるジュール熱を利用して加熱するものである。

(2)　アーク加熱は，アーク放電によって生じる熱を利用するもので，直接加熱方式と間接加熱方式がある。

(3)　赤外加熱において，遠赤外ヒータの最大放射束の波長は，赤外電球の最大放射束の波長より長い。

(4)　誘電加熱は，交番電界中におかれた誘電体中に生じる誘電損により加熱するものである。

(5)　誘導加熱は，印加磁界中におかれた強磁性体中の渦電流によって生じるジュール熱(渦電流損)により加熱するものである。

【ワンポイント解説】

電気加熱の説明に関する問題です。
様々な加熱について扱っていて誤りも見つけにくいので，受験生にとっては厳しい問題であったかなと思います。
誘電加熱や誘導加熱は名称が似ていて異なる現象なので，特に出題されやすい印象があります。必ず違いを理解しておきましょう。

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。

2.アーク加熱
アークを黒鉛電極と被加熱物との間に発生させて加熱・溶解する方法で，アーク加熱も直接加熱方式と間接加熱方式があります。そして加える電流の種類として，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があります。
負荷変動や波形ひずみが電圧フリッカや高調波等の電源障害の発生源となる可能性があるので，対策を施す必要があります。主に鉄くずや還元鉄による電気製鋼などに使用される加熱です。

3.赤外加熱
赤外線による熱放射を利用して，加熱物を加熱する方法です。物質表面から放射される全放射パワーが絶対温度で表した表面温度の\( \ 4 \ \)乗に比例するというステファン・ボルツマンの法則に従って加熱されます。
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ます。

4.誘導加熱
交番磁界中に導電体を置くことによって，ファラデーの電磁誘導の法則により渦電流が生じ，その抵抗損（ジュール損）によって発熱します。オール電化のコンロ等はこの原理を利用しています。
交番磁束は表皮効果によって被加熱物の表面近くに集まり，渦電流も被加熱物の表面付近に集中します。その指標として誘導加熱による物体への電流浸透の深さ\( \ \delta \ \mathrm {[cm]} \ \)があり，比透磁率\( \ \mu _{\mathrm {s}} \ \)，抵抗率\( \ \rho \ \mathrm {[\mu \Omega \cdot cm]} \ \)，周波数\( \ f \ \mathrm {[Hz]} \ \)とすると，
\[
\begin{eqnarray}
\delta &=&5.03\sqrt {\frac {\rho }{\mu _{\mathrm {s}} f}} \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\] となり，周波数が低いほど物体への電流浸透の深さは深くなります。

5.誘電加熱
交番電界中に誘電体を置くことによって，誘電体に誘電損が生じ発熱します。電子レンジ（マイクロ波加熱）はこの原理を利用した電化製品の一つです。
図3に示すように，交番電界により被加熱物自体が発熱するため，予熱等も不要で被加熱物内部まで短時間で加熱することができます。また，電磁波の出力により温度調整も容易に行うことができます。