ＩＴ調理器は何故アルミ鍋を暖めないか？

Question

電磁調理器では、渦電流によるジュール熱により発熱する。その為に使用する鍋は鉄である必要があると、どの本にも書かれています。発熱がヒステリシス損によるものであるのなら、それは納得できます。
　鍋で発生する電圧はレンツの法則？で、鍋の材質に関係無く一定ではないのですか？だとすればジュール熱は材質の抵抗値Ｒの減少よりも、電流Ｉの２乗の増加の影響を大きく受けて、ＦｅよりＡｌ，Ｃｕの方が多くなる気がするのですが、誰も納得できる説明をしてくれません。何方か教えてもらえませんか。

ymmasayan · Accepted Answer

電磁調理器(ＩＨ)の発熱は渦電流損です。
基台にはコイルしかありません。
このコイルの出す磁力線を受け止めて、渦電流を発生させます。

鉄は磁性があるので磁力線を強めます。抵抗が大きいので渦電流の効率は低いです。
でも結局発熱は大きいです。

一方、銅やアルミは磁力線を強める事が出来ず、渦電流の効率が高くても発熱は少ないです。

と言う事で結局、鉄鍋しか出来なかったのです。

今では技術開発が進み、No.1さんの言われるようにアルミ鍋や銅鍋もＯＫになっています。
その技術を参考ＵＲＬに示しておきますが、電気系の者でも難解な内容です。
感じだけつかんでください。

参考URL：http://www.business-i.jp/sentan/jusyou/2003/pana/

abyssinian · Answer

SiやGeは常温では導電率が小さいけど、結晶引き上げとかの溶融してる状態は誘導加熱でしょう。

　電磁調理器の質問ってどうやら、アルミ鍋でも少しは熱くなるはずなのに、まったくなのは何故ってことですか？
それなら、何も乗ってないときは、10kHzとかの強い磁気は出してないんです。代わりに測定するためのパルスを間欠的に出して、渦電流の電磁誘導でコイルに返ってくる電圧波形を測定してます。それが、記憶されてる鉄やステンレスの波形と同じときだけ、連続的に強い磁気を出す。そして、連続加熱中も測定は続けられていて、鍋が取り去られた、ズレたりして、波形が範囲から外れれば、直ちにまた測定待ち状態に切り替わる。
　以上、また先輩からのコピペなんだけど。電熱器と違って、何も乗ってないとき10kHzとかの強い磁界が出っぱなしじゃないってことです。それでは危険すぎるからでしょう。指輪とか腕時計とか包丁とか。

abyssinian · Answer

>誰も納得できる説明をしてくれません。

　これって、何十年も昔からある超古い技術です。
誘導加熱溶融とか高周波焼き入れとか、それなりの民間工場で普通にやられてるし、非鉄なら半導体のチョクラルスキー法、これは教科書にも載ってるし学生実験で単結晶を作る定番です。
　納得するには、表皮効果の理解しかないでしょう。これは、たいていの電磁気学の本には、問題や例題として載ってます。つまりそんなにむずいレベルじゃないってことです。
　業界通な先輩が言うには、これではないけども、「家電業界は、他分野では既にある技術なのに、言及も謝辞も無く、まるで新発明のように宣伝する」と辛口です。
このアルミ鍋対応が出遅れたのは、技術とは別次元の問題、パブ記事には絶対に書かれないけど、想定外の使用をされたときの対策（法的とか）に年月が費やされたとか、避けられない特許が切れるのを待ってたとか、あったのではと。
確かに、パブ記事に書かれてる「新」技術って、矩形波の3次高調波のLC共振とか、撚り線のコイルとかは電子工学では基本的なことですよね。

pon_1955 · Answer

鉄とアルミニウムでは透磁率に差がるので、同じ磁場の強さに対しては、鉄の方が磁束を通しやすいからだと思います。渦電流は磁束の単位時間あたりの変化量に比例して発生するので、鉄の方が磁束が多い分だけ加熱されやすいのでしょう。
　アルミ鍋や銅鍋でも少しではあっても磁束が通っている分だけ加熱されていると思います。

circuit_breaker · Answer

定電圧源で駆動された渦電流のようなモデルをイメージされているようですが、一定電力の駆動も可能でしょうし、目先を変えて、電磁調理器の「効率」に着目してみるのも一案かと思います。

電磁調理器内の巻線を一次側、鍋に流れる電流の経路を二次側巻線に見立て、トランスをイメージして下さい。ただしこのトランスは二次側が短絡されています（鍋底自体が二次巻線）。説明が簡単になるよう、現実とは異なりますが巻数比を一対一とし、一次側を流れる電流値と二次側を流れる電流値は同じだとします。巻線には抵抗がありますので一次側でも二次側でも損失が生じます。同一抵抗率、同一太さなら両巻線の発熱量は同じです。電磁調理器内巻線の発熱量が鍋の発熱量を下回る為にはどのような条件が必要か想像できると思います。一次巻線は銅でしょうから二次巻線の抵抗率はそれ以上の物、例えば鉄やステンレスであって欲しいのです。では不幸にして二次巻線がアルミや銅の場合にはどのように対処すれば良いのか。二次巻線が細ければ良い事がおわかりでしょう。つまり鍋底が薄ければ良いと想像されます。しかし現実は薄くない。この解決策は、no.3さんが示されたURL：
http://www.business-i.jp/sentan/jusyou/2003/pana/
の図３の近辺に書かれています。表皮効果の利用です。周波数が高くなるに従い電流は導体表面に集中するという性質があります。その実効的深さを表皮厚と言います。使用周波数を上げる事で、電気的には表皮厚程度に鍋底が薄くなった恩恵が受けられると言うことです。このようにして二次側の抵抗、発熱量が一次に比べて高く維持できるようです。（注意：一次側巻線は細い線を素線とした撚り線で表皮効果の影響を受けず断面積が有効に利用出来ているという条件付きです。）なお、磁性は表皮厚を薄くするように寄与するので、周波数が低かった時代は、表皮効果による渦電流損の捻出の点でも、ヒステリシス損とならんで、鉄が好まれた可能性がありそうですね。

ところで実物は巻数比が一対一ではないでしょう。二次側鍋底は１ターンと言う解釈で良いでしょうが、一次側は複数ターンありそうですね。その場合も考えてみて下さい。おもしろい事に発熱量比は巻線の全体積比に反比例、抵抗率比に比例するという風に普遍化できそうです。ここで全体積というのは各々、概ね調理器内蔵巻線ブロックの体積（ただし表皮効果考慮の有効断面積に基づく）であり、また表皮厚を考慮した鍋底体積です。なお、一次巻回数については、どのような電圧/電流で駆動したいかという回路素子の都合で決定される筈です。

さて上では抵抗が高い方が良いと言う一方的議論をしましたが、単調にそうならない事は明らかです。極限としての絶縁体は渦電流加熱出来ませんから。一次側に電流が流れる（励磁電流）だけで、二次に電流が流れない局面もあると言うことです。そのような条件下に現実があれば、おっしゃるように低い抵抗率が好まれる事になります。例えば世の中の鍋底が現実よりずっと薄かったとしたらそうなるでしょう。抵抗体としての鍋には種々の条件によって定まる最適な材料抵抗率があり、効率は当然放物線を描きます。付け加えるに巻線の損失だけでなく実際には駆動回路の損失も考慮の対象でしょう。しかしいずれにせよ、アルミや銅に対する実情は鍋の抵抗が低すぎる領域に位置しており、その方向からの視点で解説が記されている場合が多いので「抵抗率が大きい方が好ましい」となっているのでしょう。

（私なりに考察してみましたが、電磁調理器の中身は覗いた事がありません。誤りが無いと良いですが。）

moto21 · Answer

言われてみると不思議ですね。
昔モータの設計で磁気関連には少し経験があるので
分かる範囲で・・・

鉄とアルミなどの金属との一番の差は、
磁気を集める力である透磁率が異なります。
（１０００倍ぐらいです）その為、同じ磁力を
電磁調理器を出しても中に通る磁束が１０００倍
近く異なります。イメージではＵ字型磁石に鉄を近づ
けた時とアルミを近づけた時の力の差がその感じです。
これが最初に鉄系のなべに対応した電磁調理器がでた
理由だと思います。ただ最近鉄以外のなべでもＯＫ
なのがでているので、これは渦電流だけが効いて
いると思います。（鉄系はヒステリシス損も効いて
入ると思います）

先ほどは鉄の透磁率は１０００倍と書きましたが
あくまで目安で５００ぐらいか１０００以上のも
あり材料で決まります。また磁束を１０００倍
通すとも書きましたがこれも厳密には磁気回路
の設計で単純には決まらない場合があります。
以上参考になれば・・

doc_sunday · Answer

電磁調理器は数千から数万Hzの変動磁場を利用しておりますので、常磁性体でないと残留磁場の影響が無く発熱しないと思います。
ですのでご質問のようにヒステリシス損だと考えて良いのではないでしょうか。
なお物理学の内、電磁気学は一番苦手なので間違っていたら笑って済ませてください。(汗)
<(_ _)>

o24hi · Answer

こんにちは。

　化学の専門的な知識をお持ちのようですね。私にはちょっと理解できませんんでした。ということで、直接のお応えではなく、超現実的なお応えになりますが……

　この質問は、過去の問題です。今のＩＴ調理器はアルミ鍋も含めて、どんな金属でも使えるように改良されましたので。残るは土鍋ですが、さすがにこれは無利でしょうね。

ＩＴ調理器は何故アルミ鍋を暖めないか？

電磁調理器(ＩＨ)の発熱は渦電流損です。

SiやGeは常温では導電率が小さいけど、結晶引き上げとかの溶融してる状態は誘導加熱でしょう。

>誰も納得できる説明をしてくれません。

鉄とアルミニウムでは透磁率に差がるので、同じ磁場の強さに対しては、鉄の方が磁束を通しやすいからだと思います。

定電圧源で駆動された渦電流のようなモデルをイメージされているようですが、一定電力の駆動も可能でしょうし、目先を変えて、電磁調理器の「効率」に着目してみるのも一案かと思います。

言われてみると不思議ですね。

電磁調理器は数千から数万Hzの変動磁場を利用しておりますので、常磁性体でないと残留磁場の影響が無く発熱しないと思います。

この回答への補足

こんにちは。

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　SiやGeは常温では導電率が小さいけど、結晶引き上げとかの溶融してる状態は誘導加熱でしょう。

　鉄とアルミニウムでは透磁率に差がるので、同じ磁場の強さに対しては、鉄の方が磁束を通しやすいからだと思います。

　こんにちは。