エレクトロヒートの豆知識

　エレクトロヒートとは、電気エネルギーを直接または間接的に熱エネルギーに変換して物体等の加熱・冷却に利用することです。電気エネルギーの利用形態および熱の伝わり方の利用方法でその特長が異なります。

　従来、加熱には、石油、石炭、LPG、都市ガスなど化石燃料を直接、燃焼して利用する方法や、ボイラで製造される蒸気を利用する方法が一般的でした。しかし、近年、産業における高温加熱や、業務・商業・家庭といった民生部門の給湯・暖房それに厨房の熱源として電気が利用されるようになってきました。電気加熱の種類には、抵抗加熱、アーク・プラズマ加熱、誘導加熱、誘電加熱、赤外・遠赤外加熱、電子ビーム加熱、レーザ加熱などがあります。また、ヒートポンプを使った加熱・冷凍技術の発達も著しく、それを含めた電気加熱を総称して“エレクトロヒート”と呼ぶようになりました。 

エレクトロヒートの特徴

 　産業に使われている熱消費量のほとんどは化石燃料によって供給されています。化石燃料への高い依存は空気汚染だけでなく地球温暖化の原因となっており、政府が掲げる低炭素社会の構築を目指していくためには脱化石燃料が大きな課題となっています。

　電気による加熱（エレクトロヒート）は、通電による発熱や活性する電界を利用していて加熱に際して酸素を必要としていていないことから、作業環境の改善だけでなく二酸化炭素の排出量を少なくします。その優れた特性によって省エネルギーだけでなく生産システムの高度化や高品質製品といった産業のイノベーションにも貢献しています。

①    高効率加：加熱材の被加熱部分を直接、加熱し、不必要なエネルギー消費が軽減できるため加  熱効率が高い。

②    局所加熱：高周波焼き入れのように、処理に必要な表層部分だけを加熱できるなど、必要個所を必要温度で加熱することができる。

③    急速加熱：被加熱部分を短時間で加熱でき、製品の生産性を高めることができる。

④    雰囲気加熱：不活性ガスや真空中での加熱が可能で、加熱材の酸化防止と、品質や歩留まりの向上が図れる。

⑤    高温加熱：金属の溶解・焼結、炭素の黒鉛化など高温加熱に優れている。

⑥    制御性：簡単かつ素早い温度制御、容易な起動停止といった優れた制御性をもち、高い品質を維持できる。

⑦    コンパクトな炉熱容量：炉体と蓄熱量を小さくでき、エネルギー消費の抑制と熱応答性に優れている。

⑧    現場の作業環境：燃焼炉と比較して、周囲への排熱や水蒸気が少なく、また汚染物質を放出しないために、クリーンな職場環境が維持できる。

エレクトロヒートの歴史

出典：エレクトロヒートハンドブック（オーム社）　　　

（1）抵抗加熱
抵抗加熱の利用は、1815年の英国における鉄道線加熱実験に始まり、1990年代のニクロム線開発を契機に実用化が進みました。その後、発熱体材料や制御等の技術開発の進展とともに適用範囲も大きく広がりました。また、熱処理、熱加工におけるソフトウェアや新たな電源等の開発も盛んになり、近年は基盤産業から先端産業までの幅広い業種において様々な工程で応用されています。

（2）誘導加熱
誘導加熱は、1831年に英国のマイケル・ファラディが電磁誘導現象を発見したことに始まります。当初は金属の鋳造に使用されていましたが、1885年にスウェーデンにおいて薄型低周波炉が開発されると応用範囲も広がっていきました。わが国での応用は、1960年代に入って自動車産業が急速に発展するのに伴い、ダクタイル鋳鉄が容易に製造できる低周波炉の溶解設備として普及が進みました。1968年に省エネルギー等の面に優れたサイリスタ式高周波炉が開発され、1970年代には省エネルギーだけでなく生産性向上に優れた高周波炉の時代となり、鋳鍛造など素形材の発展に大きく貢献することになりました。近年、さらに技術開発が進み、100～200℃程度の比較的低温の加熱加工である塗装乾燥工程などにも誘導加熱装置が実用化されています。

（3）誘電加熱（高周波誘導・マイクロ波）
誘電加熱は、1920年代にマイクロ波発信装置であるマグネトロンが開発され、1940年代になると米国で商用マイクロ波オーブンが販売されました。わが国でも1960年代になって家庭用の電子レンジが販売されました。その後、1970年代になるとマイクロ波技術はゴム加硫装置や有機化学、化学合成などの工業分野へと広く適用されるようになりました。

（4）赤外・遠赤外加熱
赤外・遠赤外加熱は、放射熱伝達を応用した技術で、その原理は1900年にドイツ人のマックス・プランクにより発明された「放射関するプランクの法則」によるものです。当初、放射源に赤外電球を使って実用化が進み、1938年には米国のフォード社が自動車の塗装乾燥工程に適用しました。1950年代後半になると、遠赤外ヒータが開発され、高分子材料や食品などの遠赤外放射領域において高い吸収力がある製品の加熱にも適用されるようになりました。現在では、さまざまな赤外・遠赤外ヒータが商品化され、家庭用暖房器具、電気機械、食品加工などの分野に幅広く活用されています。

（５）アーク・プラズマ加熱
1807年に英国においてアーク放電が成功して以来、アーク技術はアーク灯やアーク溶接などの技術として、わが国を始め各国で開発が進みました。1899年にはフランスのポール・エルーによって実用化されたアーク炉は電気炉製鋼技術の発展に重要な役割を果たし、その後、その原理を用いてさまざまな溶接・溶射法が開発されました。1980年代の後半に直流アーク炉がわが国で実用化され、その技術は世界各国に直流アーク炉を普及していくのに貢献しました。
プラズマ加熱は、1939年に米国でプラズマ溶射法が発明されて以来、その高温特性を生かして材料の切断や溶接などに活用されるようになりました。近年では、都市ごみの焼却灰や廃棄物の溶融処理などにも活用されています。

（６）ヒートポンプ
ヒートポンプの原理は、1824年にフランスのサディー・カルノーによって発明されました。当初、冷熱を製造する技術である冷凍機や冷蔵庫として発達しました。冷凍機の技術は、1834年に米国で実用化され、その後、産業だけでなく業務や家庭分野においてもさまざまな冷凍庫や冷蔵庫が開発されました。1950年代には、空調へのヒートポンプ利用も進み、わが国でも業務用や家庭用のクーラが普及し始めました。
さらに1970年代になると、冷暖房兼用のエアコンが登場し、ヒートポンプで製造される低温（冷房用）と高温（暖房用）の熱を利用できるようになりました。2001年にはわが国で自然冷媒の二酸化炭素を使った給湯用ヒートポンプ（エコキュート）が製品化され、90℃の熱を供給することが可能になりました。その後、エコキュートは、ホテル、病院、飲食店などの業務用分野にも広く普及しています。高温化への技術進歩は著しく、最近では160℃以上の蒸気を発生できる産業用ヒートポンプの開発も進んでいます。