電気加熱14【電験3種 機械】電気ストーブの熱伝達と誘電加熱・マイクロ波加熱の穴埋め問題！平成27年度 A問題13 完全解説

今回は平成27年度 機械科目 A問題13を解説します。電気ストーブからの熱伝達（放射・対流）と、誘電加熱の原理（交番電界と同相の電流成分による発熱）に関する空所補充問題です。

電気ストーブの発熱体からの熱伝達は主に放射と対流によって行われ、放射は主に赤外放射です。誘電体を交番電界中に置くと、電界と同相の電流成分による誘電損で被加熱物自体が発熱し、この原理を利用した加熱にマイクロ波加熱があります。

平成27年度 機械科目 A問題13：問題文と選択肢

まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。

出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成27年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 A問題13

電験3種 機械科目 【電気加熱】 平成27年度 A問題13

　次の文章は，電気加熱に関する記述である．

　電気ストーブの発熱体として石英ガラス管に電熱線を封入したヒータがよく用いられている．この電気ストーブから室内への熱伝達は主に放射と（ア）によって行われる．また，このヒータからの放射は主に（イ）である．

　一方，交番電界中に被加熱物を置くことによって被加熱物を加熱することができる．一般に物質は抵抗体，誘電体，磁性体などの性質をもち，被加熱物が誘電体の場合，交番電界中に置かれた被加熱物には交番電流が流れ，被加熱物自身が発熱することによって被加熱物が加熱される．このとき，加熱に寄与するのは交番電流のうち交番電界（ウ）電流成分である．この原理に基づく加熱には（エ）がある．

　上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)，(ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ．

電気ストーブの発熱体として石英ガラス管に電熱線を封入したヒータがよく用いられている。この電気ストーブから室内への熱伝達は主に放射と（ア）によって行われる。また，このヒータからの放射は主に（イ）である。一方，交番電界中に被加熱物を置くことによって被加熱物を加熱することができる。被加熱物が誘電体の場合，交番電界中に置かれた被加熱物には交番電流が流れ，被加熱物自身が発熱することによって被加熱物が加熱される。このとき，加熱に寄与するのは交番電流のうち交番電界（ウ）電流成分である。この原理に基づく加熱には（エ）がある。上記の記述中の空白箇所(ア)，(イ)，(ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

	（ア）	（イ）	（ウ）	（エ）
(1)	対流	赤外放射	と同相の	マイクロ波加熱
(2)	対流	赤外放射	に直交する	マイクロ波加熱
(3)	対流	可視放射	に直交する	誘導加熱
(4)	伝導	赤外放射	と同相の	誘導加熱
(5)	伝導	可視放射	と同相の	誘導加熱

(ア)(イ) 電気ストーブの熱はどう届くか

ストーブの前に立つと、すぐに暖かさを感じます——空気が温まるのを待たずに届くのは放射だからです。

伝わり方	ストーブでの働き	感じ方
★放射	赤外線が直進して体に当たる	★すぐ暖かい。向いた面だけ
★対流	温まった空気が上昇し循環	★部屋全体がゆっくり暖まる
伝導	ほとんど寄与しない	—

空気は熱伝導率が非常に小さい（0.026 W/(m·K)）——伝導ではほとんど熱が運ばれません。だから(ア)は伝導ではなく対流です。

(イ)の放射は赤外放射——可視放射ではありません。ストーブは赤く光りますが、出ているエネルギーの大半は目に見えない赤外線です。

可視光として出ているのはごくわずか——もし可視光が主なら、それは照明であって暖房ではないことになります。

(ウ) なぜ「同相の電流成分」が発熱するのか

理想的なコンデンサに交流電圧を加えると、電流は90°進みます——電圧と直交しているので、電力を消費しません。

ところが実際の誘電体には損失があります——電流が90°よりわずかに手前になるのです。その「わずかなずれ」の分が電圧と同相の成分——これが電力を消費して熱になります。

電流成分	電圧との位相	電力	役割
充電電流	90°進み	0	無効分
★損失電流	★同相	★消費する	★発熱の正体

この2つの比が誘電正接 tanδ——損失電流÷充電電流です。tanδ が大きいほどよく発熱することになります。

絶縁材料としては tanδ が小さいほどよい——ところが加熱に使うなら大きいほうがよい。同じ量が、用途によって長所にも短所にもなるのがおもしろいところです。

(エ) 誘電加熱と誘導加熱を区別する

名前が似ているので混同しやすい——使うものと相手がまったく違います。

	誘電加熱	誘導加熱
使うもの	★交番電界	★交番磁界（磁束）
被加熱物	★誘電体（絶縁物）	★導体（金属）
発熱の仕組み	誘電損	渦電流によるジュール熱
周波数	数MHz〜数GHz	50 Hz〜数百kHz
例	電子レンジ、木材乾燥	IH調理器、金属の溶解・焼入れ

「誘電」は電界、「誘導」は磁界——漢字の「電」と「導（＝導体）」で覚えるとよいでしょう。

本問は「交番電界中に置く」「誘電体の場合」とあるので誘電加熱——その代表例がマイクロ波加熱です。選択肢の「誘導加熱」は電界では起きません。

マイクロ波加熱の詳細は平成26年度 A問題11（電気加熱：電子レンジのマイクロ波加熱の原理）、誘導加熱は平成24年度 A問題12（誘導加熱の原理と表皮効果）にあります。

加熱方式の全体像

電気加熱には5つの方式があります——本問に登場した2つを、全体の中に位置づけておきましょう。

方式	原理	被加熱物	例
抵抗加熱	電流のジュール熱	導体	★電気ストーブ、電気炉
アーク加熱	放電のアーク	—	アーク炉、溶接
赤外加熱	赤外線の放射	—	塗装の乾燥
★誘電加熱	交番電界の誘電損	誘電体	★電子レンジ
誘導加熱	交番磁界の渦電流	導体	IH調理器

本問の電気ストーブは抵抗加熱——電熱線に電流を流してジュール熱を発生させます。そこから室内へ届くのが放射と対流という構成です。

「発熱の方式」と「熱の伝わり方」は別の話——本問はその2つを1問で問うていることになります。

なぜ石英ガラス管なのか

電熱線を高温にするため、耐熱性の高い石英ガラスが使われます——ハロゲン電球と同じ材料です。

石英ガラスは赤外線をよく通す——だから熱がそのまま放射として外へ出られます。ふつうのガラスでは赤外線が遮られてしまうのです。

誘電加熱の長所と短所

被加熱物自身が発熱する——これが誘電加熱の最大の特徴です。

	外部加熱（オーブンなど）	★誘電加熱
熱の発生場所	表面から	★内部で同時に
速さ	遅い	★速い
均一性	表面が焦げやすい	比較的均一（ただし浸透深さの制約）
選択性	全部温まる	★水分の多い部分だけ温まる

木材の乾燥に使われるのは、この選択性のため——水分の多い内部が優先的に温まって水が抜けるのです。表面だけ乾いて割れる、ということが起きにくいことになります。

短所は装置が高価なこと——高周波電源が必要です。また、金属を含むものには使えません。

赤外加熱との違い

赤外加熱も「放射」で加熱しますが、表面が温まるだけ——内部へは熱伝導で伝わります。

誘電加熱は電磁波が内部まで入り込んで、そこで熱に変わる——同じ電磁波でも、波長が違えば振る舞いがまるで違うのです。

空欄の絞り込み手順

4つの空欄がありますが、2つ決まれば十分です。

確定させる欄	正しい値	残る選択肢
(ア)	対流	★(1)(2)(3)
(イ)	赤外放射	★(1)(2)
(ウ)	と同相の	★(1)に確定

(ア)の「対流か伝導か」は空気が相手なので対流——ここで(4)(5)が落ちます。

(イ)の「赤外か可視か」——暖房器具なのですから赤外。(3)が落ちて残り2つです。

最後の(ウ)は「直交」なら電力が0 で発熱しない——物理的に矛盾するので同相が正解。(エ)を見るまでもなく確定します。

まとめ

（ア）	対流
（イ）	赤外放射
（ウ）	と同相の
（エ）	マイクロ波加熱
答え	(1)

▼あわせて解きたい関連問題
・電子レンジのマイクロ波加熱の原理と誘電損失の穴埋め問題：【機械】平成26年度A問題11
・マイクロ波加熱の特徴と誘電損失係数の記述の正誤判定：【機械】平成22年度A問題12