電気炉とは
電気炉とは、電気的な力を利用して試供体を加熱・溶融・燃焼させるための試験用機器のことです。
ヒーター (発熱体) を内蔵し、金属やガラス、セラミック、半導体部品などを高温状態にすることが可能です。電気炉は、新素材の開発や化学的な材料の分析、燃焼試験や耐熱性試験などの目的で使用されます。
素材の特性や性能を詳細に調べられるため、多くの産業分野で重要な役割を果たしています。庫内の最高温度は製品によって異なり、一般的には1,000℃前後のものから3,000℃前後まで設定可能なタイプがあります。研究者や技術者は、目的に応じた最適な温度設定で試験を行うことが可能です。
電気炉の使用用途
電気炉は、金属やガラス、セラミック、半導体部品などを高温状態にする際に使用されています。電気炉には、高温に設定できるタイプのものや、庫内を真空に近い状態にできる真空炉と呼ばれるものがあります。真空炉は、高純度な材料の加工や薄膜の作製などに活用可能です。
また、庫内に置かれた試料を自動的に回転させることで、熱を均一に与えられるロータリーキルンというタイプも存在します。試料の出し入れも自動化されており、効率的に作業を進めることが可能です。さらに、電気炉のヒーターとして使用される発熱体は多種多様です。
鉄ニクロム線やカンタル線は、1,300℃程度までの発熱体として利用され、炭化ケイ素発熱体は1,500℃程度まで、二ケイ化モリブデンは1,800℃程度まで対応可能です。さらに、カーボン (グラファイト) は3,000℃程度までの発熱体として使用されます。
電気炉の原理
電気炉は、発熱用ヒーター、断熱材、および制御系の仕組みによって構成されています。操作部のパネルを使って、試験したい温度を設定後、電気炉の制御マイコンは目標温度に達するまで温度制御を行い、設定温度に到達したらその温度を維持します。
また、プログラム可能なタイプの電気炉では、A温度をt1時間維持した後、B温度に設定しt2時間維持するなど、複数の温度設定が可能です。庫内の温度制御のために、制御マイコンは庫内に設置された温度センサーから定期的に温度情報を取得します。
現在の温度が設定温度より低い場合、ヒーターの加熱を継続し、逆に現在の庫内温度が設定温度より高い場合、ヒーターによる加熱を停止します。一般的に、庫内の温度制御にはPID制御という方法が採用されており、温度の設定と維持が高精度で行えるため、試験の信頼性を向上させることが可能です。電気炉の原理に基づいたこの温度制御技術は、試験や研究において重要な役割を果たしています。
電気炉の種類
電気炉は主に抵抗加熱式電気炉、真空炉、インダクション加熱式電気炉、ロータリーキルン、マイクロ波加熱式電気炉の5種類があります。それぞれ異なる用途や条件に対応しており、適切な種類を選択することで効果的な加熱が可能となります。
1. 抵抗加熱式電気炉
抵抗加熱式電気炉は、鉄ニクロム線やカンタル線などの発熱体に電流を流し、その抵抗による熱を利用して試料を加熱するタイプの電気炉です。一般的には、1,000℃前後の温度まで対応可能で、金属やガラスの加熱・溶融に適しています。
2. 真空炉
真空炉は、庫内を真空に近い状態にできる電気炉です。高純度な材料の加工や薄膜の作製など、酸素や水分との反応を避ける必要がある場合に適しています。
3. インダクション加熱式電気炉
インダクション加熱式電気炉は、高周波の電流を流したコイルによって試料周囲に磁界を発生させ、試料自体に電流が流れることで発熱させる原理で動作します。金属や導電性のセラミックスの加熱に適しており、高温・短時間での加熱が可能です。
4. ロータリーキルン
ロータリーキルンは、庫内に置かれた試料を自動的に回転させることで、熱を均一に与えられる電気炉です。試料の出し入れも自動化されており、効率的に作業を進めることが可能です。セメントや窯業製品などの製造に適しています。
5. マイクロ波加熱式電気炉
マイクロ波加熱式電気炉は、マイクロ波を利用して試料を加熱するタイプの電気炉です。マイクロ波は、試料内部に浸透し、分子レベルで効果的に熱を発生させられます。そのため、外部から内部への熱伝導が不要で、従来の加熱方式に比べて効率的かつ短時間で加熱が可能です。
参考文献
https://www.motoyama.co.jp/engineer/engi101.htm
https://www.kajiyamakougei.co.jp/technology/heater.html
https://www.msl.titech.ac.jp/~hosono/facilities/Furnaces.html
https://www.rkcinst.co.jp/technical_commentary/13090/
https://www.motoyama.co.jp/engineer/engi101.htm