産業分野において、ものを加熱する工程はほとんど全ての現場にあるのではないでしょうか。
スケールアップを計画するときや、抜本的な時間短縮・省エネルギーを検討する際には、加熱方法から見直すということも少なくないと思います。
今回は、電気加熱について全体的に理解したい人向けに記事をまとめました。
電気加熱とは
電気加熱は熱エネルギーを伝えるのに、電気を使う、酸素を使わない加熱手法と定義できます。
供給された電気エネルギーを、次の項目で紹介するいくつかの方法で熱に変換します。一般的な火力発電所の発電効率は４０％程度とされているので、重油やガスを燃焼するのと比べると、包括的なエネルギー効率は低いと言えます。
一方で、燃料に比べて輸送がしやすく、どこにでも素早く供給できることから小回りが効く加熱方法でもあります。
加熱効率の比較についてはこちらの記事をご覧ください。
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電気加熱のメリット
電気加熱のメリットは一般的に、次のように言われています。
- 数千℃レベルの高温を作りやすい
- 温度制御、調整が比較的容易
- 部分加熱、選択加熱が可能
- 局部加熱、急速加熱が可能
- 燃焼による排ガスなどが出ない
しかし、次項の７種類を読んで頂くと分かるように、一概には言えません。また、加熱の用途や加熱対象物の種類によっても、選択できる方式は限られてきます。
電気加熱の種類
ここからは電気加熱の種類について、原理とともに説明していきます。
抵抗加熱
ものに電流を流した時に発生する抵抗熱（ジュール熱）を利用します。これは光る電灯が熱くなる現象と同じで、加熱用途では発生した熱を利用します。家庭でも、ヒーターやポットなど多く用いられています。
他の手法と比較していただきたいのですが、使用する電気エネルギーと発生する熱エネルギーがほぼ同じ（可視光等への損失あり）で、かつ加熱器本体が高温になります。
アーク加熱
溶接現場で使われるような高温で、閃光を伴う加熱方法です。アーク放電を利用することに由来します。
電極（黒鉛）に高電圧をかけて、電極間に大きな電位差を生じることで、大気中の気体が電離し、高温が生じます。そのため原理的には気体の抵抗加熱とも言えます。
使用する電気エネルギーと発生する熱エネルギーがほぼ同じ（可視光等への損失あり）で、かつ加熱器（ここでは電極）が高温になります。
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誘導加熱
電磁誘導によって発生する電流による抵抗熱を利用します。金属コイル内に金属などの誘電体が入った構造で、電流を流した時に発生する磁場による誘導電流で、抵抗熱を発生させるという方式です。
IH調理器などに用いられています。
使用する電気エネルギーと発生する熱エネルギーがほぼ同じで、加熱器本体は高温にならないものもあります（コイル本体のジュール熱や、被加熱物からの伝熱で熱くなるのですが、温度制御の対象ではありません）。
誘電加熱（マイクロ波）
電極間にある絶縁体に交流の高周波電圧を加えると、内部の電子の向きが交互に入れ替わり、摩擦による熱が生じた熱を利用します。
電磁波の中で、特定の周波数（300MHz〜30GHz）を用いるものをマイクロ波加熱と呼び、いわゆる電子レンジもこれに該当します。
使用する電気エネルギーと発生する熱エネルギーがほぼ同じで、加熱器本体ではなく加熱対象の内部から発熱します。余分な放熱が抑えられ、加熱効率が高いと言えます。被加熱物に金属が含まれると放電を起こす場合があり、加熱の際には注意が必要です。
赤外加熱
電磁波の中でも赤外線を発生させる加熱方法です。赤外線は吸収されやすい（熱を与えやすい）電磁波で、用途によって近赤外・遠赤外線といった波長の異なる赤外領域光が用いられています。
ハロゲンヒーターや食品加熱用途にも用いられています。
使用する電気エネルギーと発生する熱エネルギーがほぼ同じですが、赤外放射として使えるのは６〜９割（波長によって異なる）だそうです。加熱器本体が熱くなりますが、温度制御の対象ではありません。
レーザー加熱
レーザー光が被加熱物の表面に吸収され、熱に変換されることで加熱する手法です。
レーザーとは、特定の周波数のことではなく、波長が一定方向で位相が揃った状態の電磁波を意味する言葉です。
英語ではLight Amplification by Stimulated Emission of Radiation（直訳すると、放射の誘導放出による光増幅）と言い、略してLASERです。
産業分野の加熱にはCO2やYAG（イットリウム・アルミニウム・ガーネットの略）などがレーザーとして用いられますが、どちらも可視光より波長が長く、目に見えません。
「温める」というよりは、「焼き切る」など加工用途として多く用いられ、医療用メスにも使われています。
使用する電気エネルギーに対するエネルギー変換効率は数％、高いものでも30%程度です。加熱器本体は熱くなりますが、温度制御の対象ではありません。
ヒートポンプ加熱
低いところから高いところに熱を移動させる「ポンプ」として、エアコンなどに用いられている方式です。産業分野でも給湯や空気加熱の用途で使われています。過去の記事に詳しく解説していますのでご覧ください。
仕組みとしては、電気を使ってポンプを動かし、熱媒を循環させ膨張・圧縮を繰り返すことで、大気や排熱源などから熱エネルギーを奪い被加熱物に与えます。
一般には高温は苦手な装置ですが、170℃程度まで対応した製品もあるようです。
使用する電気エネルギーに対して、数倍（3〜6程度が一般的な範囲でしょうか）の熱エネルギーを得ることができます。また加熱器本体（熱媒）が熱くなります。エネルギー効率は高いですが、万能ではありません。
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まとめ
- 電気加熱は電気を使い、酸素を使わない加熱手法。
- 電気加熱は温度範囲、操作性において利点が大きい。
- 多くの加熱方式があり、目的・用途によって適切な方法を選択する。
実際に新しく加熱方式を検討する際には、加熱設備のタイプから考え直すこともあると思います。
また現場のユーティリティや、初期投資額、メンテナンス費も含めた検討が必要になるでしょう。上記を参考になさってください。
