第一種電工 令和3年度午前 問14｜配電理論・配線設計

写真は IH 調理器の内部で、中央の渦巻き状のものが加熱コイル。コイルに高い周波数の交流電流を流すと、向きが変わり続ける磁界ができ、その上に置いた金属の鍋の底に渦のような電流（渦電流）が流れる。鍋そのものの電気抵抗でこの電流が熱に変わり、鍋が直接熱くなる。このように磁界で金属に電流を流して加熱する方式を誘導加熱という。正答はア。

電気加熱の方式を、機器の構造から判断する問題（正答ア）。

・誘導加熱（ア・正答）：加熱コイルにインバータでつくった高周波電流を流すと交番磁界が生じ、電磁誘導によって鍋底の金属に渦電流が流れる。この渦電流と鍋の抵抗によるジュール熱（I²R）で鍋自体が発熱する。写真の渦巻き状のコイルと、インバータ回路を冷やすファンが IH 調理器の特徴。トッププレート（天板）自体は発熱せず、熱くなるのは鍋からの伝熱による。

・誘電加熱（イ）：絶縁物に高周波の電界を加え、分子の振動による誘電損で発熱させる方式。電子レンジがこれにあたる。

・抵抗加熱（ウ）：ニクロム線などのヒータに電流を流し、ヒータに生じるジュール熱を伝えて加熱する方式。電気コンロ・電気ストーブなど。

・赤外線加熱（エ）：ハロゲンヒータなどから出る赤外線を当てて加熱する方式。

誘導加熱は「磁界で導体（金属）を加熱」、誘電加熱は「電界で絶縁物を加熱」と区別する。IH は Induction Heating（誘導加熱）の略である。

【誘導加熱の原理】ファラデーの電磁誘導の法則により、導体を貫く磁束が変化すると導体に起電力が生じる。鍋底のような板状の金属では、その起電力によって磁束を取り巻く渦状の電流（渦電流）が流れ、P＝I²R のジュール熱が発生する。変圧器にたとえると、加熱コイルが一次巻線、鍋底が1ターンの短絡された二次巻線にあたる。鉄心の渦電流損は変圧器では「減らしたい損失」だが、誘導加熱ではこれを積極的に熱として利用している。

【鍋の材質との関係】渦電流は電流の流れる深さが周波数と材料の性質で決まり（表皮効果）、鉄やステンレスのような磁性体で抵抗率の比較的大きい金属は、浅い部分に電流が集中して効率よく発熱する。アルミや銅は抵抗率が小さく磁性もないため発熱しにくく、従来の IH 調理器では使えなかった（周波数を高くして対応した機種もある）。土鍋やガラスのような絶縁物は渦電流が流れないので加熱できない。

【インバータと高周波】商用周波数（50/60Hz）のままでは十分な発熱が得られず、うなりも大きいため、IH 調理器は整流した直流をインバータで数十kHz程度の高周波に変換してコイルに流す。インバータの半導体素子の発熱を冷やすために、写真のような冷却ファンが内蔵されている。

【他の加熱方式との比較】抵抗加熱はヒータの熱を伝えるため、ヒータ自体や周囲も高温になり熱の損失が大きい。誘導加熱は鍋自体が発熱するので熱効率が高く、加熱の応答も速い。誘電加熱（電子レンジ）は食品の内部から発熱させる方式で、加熱対象が絶縁物である点が誘導加熱と正反対になる。令和元年度には電子レンジの加熱方式（誘電加熱）が出題されており、2つは組で問われやすい。

【工事上の注意】家庭用の IH 調理器は単相200Vの専用回路で使う機種が多く、専用の配線用遮断器とコンセント（または直結）で施工する。電流が大きいため、回路の電線太さと遮断器の定格を機器の仕様に合わせることが必要である。