電気加熱の原理と方式

電気加熱とは、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して被加熱物の温度を上げる方式の総称であり、電気加熱の原理と方式は、熱が発生する場所と熱が伝わる仕組みによって分類される。燃料の燃焼によって熱を得る方式と比べると、電気加熱は熱の発生を電気的に制御しやすく、被加熱物の内部で直接熱を発生させる方式を選べる点に特徴がある。本節では、熱の発生原理を整理したうえで、抵抗加熱、誘導加熱、誘電加熱、アーク加熱などの方式を区別する。

熱の発生原理

電気加熱の基本になるのは、導体に電流が流れると抵抗によって熱が発生するジュール熱である。抵抗Rの導体に電流Iを時間tの間流したときに発生する熱量Wは、次の式で表される。

W = I²Rt

この式では、発生熱量が電流の二乗と抵抗と時間の積に比例する。電流を二倍にすると発生熱量は四倍になるのであり、電流と熱量が単純な比例関係にあるとは考えてはならない。誘導加熱や誘電加熱は、ジュール熱とは異なる原理で被加熱物の内部に熱を生じさせる方式である。

抵抗加熱と直接・間接加熱

抵抗加熱は、発熱体となる抵抗体に電流を流してジュール熱を得る方式である。抵抗加熱のうち、被加熱物そのものに電流を流して発熱させる方式を直接抵抗加熱といい、発熱体で生じた熱が被加熱物へ伝わる方式を間接抵抗加熱という。直接抵抗加熱では被加熱物の抵抗が発熱量を決めるため、被加熱物の材質や形状によって加熱の結果が変わる。間接抵抗加熱では、発熱体の温度と伝熱の仕組みによって被加熱物の温度が決まる。

抵抗加熱は、炉の構造が単純で温度の制御がしやすいため、工業用の電気炉や家庭用の電熱器に広く用いられる。ただし、熱が伝わる過程で損失が生じるため、被加熱物の内部から直接熱を発生させる方式とは区別しなければならない。