高周波加熱の世界へ ようこそ
物質にエネルギーを与えると加熱して温度が上がります。
これは次の式で算出します。
W = 4.186 ✕ 重量(g) ✕ 比熱(cal) ✕ ⊿ 温度(℃) / 加熱時間(秒) ..... 式１
本当はJ（ジュール）で算出すべきですが、あとで電気量に置き換えるので仕事量(W)で算出します。
⊿ 温度(デルタ温度)は温度差で初期温度と目標温度の差の事です。
つまり ⊿ 温度 （℃）＝ 目標温度 （℃）ー 初期温度（℃）
次に比熱ですがこれは物質の特性で軟鉄の場合は0.12cal/gです。
（表：１主要金属物理定数表参照）
試しに鉄1kgを20℃から100℃に10秒で加熱したい場合を式１に当てはめてみます。
W = 4.186 ✕ 1000g ✕ 0.12 ✕ 80℃ / 10（秒） = 4.01856kW
約4kWのエネルギーを10秒与えると20℃の鉄1kgが100℃になる計算結果です。
iPhone用のアプリ”intelli-Calc”を使うと一度この式を入力すれば 式の要素を変更して
ワット数と温度から時間を逆算したり ワット数と時間から温度を逆算など 要素を変えつつ試算する場合に便利です。
次にアルミニウムの加熱ではどうでしょうか
同じ重量で同じ目標温度の場合
W = 4.186 ✕ 1000g ✕ 0.214 ✕ 80℃ / 10 = 7.166432kW
7kW強のエネルギーが必要です。
比重の比が3倍位有るので質量（体積）は3倍位に成っています。
移動している物体を加熱する計算は？
加熱したい被加熱物がフィルム状の物や長尺の物を加熱するケースの計算ですが
例として鉄板帯板の加熱を考えてみます。
帯板の幅を150mm、厚さ1mmの鉄板（軟鉄）とします。
加熱コイルはトンネル構造で全長を1000mm、帯板の移動速度を20m/minとします。
加熱温度目標は出口100℃、初期温度（入口）は20℃で考えてみます。
これを式１にあてはめるのですが考え方は
コイルと同じ長さの帯板を通過時間相当の時間で加熱すると置き換えます。
まず軟鋼の比重は9.8なのでこれから質量を求めます。
15cm ✕ 0.1cm ✕ 100cm ✕ 9.8 = 1470g
移動時間は速度が毎秒333mmなので1000mmなら3秒です。
これを式１に当てはめます。
W = 4.186 ✕ 1470g ✕ 0.12 ✕ 80℃ / 3 = 19.69kW
20kWのエネルギーを与えれば加熱できそうです。
火で炙ったり表面を擦ったりすると温度が上がりますが与えたエネルギー量は結果論に成ってしまいます。これでは効率が悪く管理も大変です。
電気を使っての加熱は高速で管理しやすい特徴が有ります。
鉄とアルミニウムの必要エネルギーを算出したのでこれを電気に置き換えます。
電気による仕事量の計算式は
W = I^2 ✕ r .... 式２
つまり電力（W）は電流の二乗✕抵抗値 で求められます。
さて、電気を流すにあたり形状を定義する必要が有りますが計算しやすいように...
鉄は断面積1cm2で長さを10cmにすると約1kgに成ります。
アルミは同じ断面積なら29cmで約1kgです。
次に形状から抵抗値を算出します。
鉄の場合1cm当たり20μΩなので全長10cmなら200μΩです。
アルミニウムは1cm当たり2.27μΩなので29cmなら65.83μΩになります。
これを先に式１で求めたエネルギー量を式２に当てはめます。
鉄：4kW = I^2 ✕ 200μΩ なので 4472Aの電流を流すと10秒で100℃になります。
アルミ：7kW = I^2 ✕ 65.83μΩ なので 10312Aの電流が必要です。
（…intelli-Calcがあるとこういった計算に便利です！）
そうなると電源電圧は何ボルトに成るのか？
V(V) = I(A) ✕ R(Ω)なので0.67Vに成ります。つまり 0.67V 10312Aの電源！
しかしこれでは電源として構造が成り立ちません。
そこで、交流を電源として考えます。交流ならトランスを用いれば巻数比で電圧と電流の比を操作することが出来るからです。
また加熱原理の項で”表皮効果”を説明しましたがこの物理現象により交流を流すと
電流の流れる範囲を狭くすることから遥かに大きな抵抗を得ることが出来ます。
変化量は形状に依存しますが上記の例の場合、鉄は周波数が10kHz程で表面の0.1mmほどまでに狭くなるので抵抗値が100倍くらいに大きくなり上記の計算では450Aの電流で同じエネルギーを与えることが出来る様になります。
溶かす（溶解）場合は？
強磁性体金属を加熱するとキュリー点と言う特性が変異する温度が有ります。
鉄の場合ですと770℃付近で抵抗値が急激に小さくなり同じ電流を流しても
元の計算通りにエネルギーが入らなくなります。
温度/時間のグラフで見ると昇温傾斜が770℃を堺に角度が小さく成ります。
更に物質を個体から液体に変異させる場合融解熱と言う熱エネルギーが必要です。鉄は1600℃付近で溶解しますがその時融解熱271kJ/kgが別に必要になるので溶解が始まると昇温が停滞します。
エネルギーを電気で与える
物質特性と目標温度から熱量の計算
表皮効果（浸透深さ）
by wikipedia
IH Coil
Unit
加熱規模を考える 先ずは熱量計算
鋼板加熱システムの概要図（平面図）
コンベア搬送
鋼板入り口側
鋼板出口側
intelli-Calc
iPhone & iPad
Application
溶解昇温グラフ
公式や数式を入力すると式を解析して逆算、穴埋め計算するアプリです。
答えから式の構成要素を逆算するので電力の計算式を入力して式の要素を変更して求めたい要素を”???”にして再計算すると求めたい要素を逆算します。
例えば電力と加熱時間を決めて加熱物の重量を逆算したり時間を空白にして電力と重量から時間を逆算などパラメータの調整計算に便利です。
加熱コイル部
高周波電源部
出口搬送部
入口搬送部
