ヒーター
ヒーターは電力や燃料を熱に変換して対象物や空気・液体を昇温する装置である。電気式では通電によるジュール発熱（P=I^2R）を利用し、熱は伝導・対流・放射の経路で伝わる。抵抗体（ニクロム・FeCrAl）をセラミックや酸化マグネシウムで絶縁し金属シースに収めたシーズ型、樹脂やゴム基材に導体を印刷したフィルム型、BaTiO3系のPTCセラミックを用いて自己温度制御性をもたせた方式などが代表例である。家庭用から産業用まで幅広く、設計では必要熱量、熱抵抗網、ワット密度、材料の耐熱・耐食・絶縁、制御方式と安全規格への適合が鍵となる。
原理とエネルギー変換
電気式ヒーターは電荷の散逸により熱を得るため、入力電力がそのまま熱に変換される。放熱は固体との接触による伝導、流体を介する対流、波長域に応じた赤外による放射で構成され、目的に応じて熱経路を最適化する。設計ではQ=mcΔTにより必要熱量を算出し、環境への損失（対流・放射）を含め余裕を見込む。たとえば2 Lの水を20℃から100℃へ加熱するには約672 kJが必要で、理想的には1 kWで約11分強となるが、実機では熱損失・容器の熱容量・沸騰潜熱などを加味する。
構造と材料
汎用のシーズヒーターは発熱線（ニクロム、FeCrAl）を酸化マグネシウム粉で絶縁充填し、ステンレス（SUS304/316）などの金属シースで被覆する。カートリッジ型、バンド型、ノズル型など形状自在で、アルミナなどのセラミック基板やシリコーンラバー基材を用いた面状ヒーターも多い。PTC方式は温度上昇で抵抗が急増し自己制御性を示す一方、NTCは立上がりの突入抑制用途に適する。固定にはボルトやネジ、熱伝導改善にはグリースやTIMを用いる。
種類と用途
- 抵抗式：シーズ、カートリッジ、バンド、フィン付など。金型や配管、ダクトの加熱に広く用いる。
- PTC/セラミック：自己温度制御で局所過熱を抑え、空調・小型家電に適する。
- 赤外線（ハロゲン・カーボン）：放射主体で表面加熱・乾燥・塗膜硬化に有効。
- 面状（フィルム/ラバー）：面内で均一に加熱し、解氷・床暖・機器筐体の結露防止に用いる。
産業用途の例
射出成形のホットランナー、押出機シリンダ、3Dプリンタのホットエンド、乾燥炉・焼付炉、薬液・油槽の昇温、分析装置の恒温ブロックなどが典型である。ワーク材質や流速に応じてワット密度（W/cm^2）と温度均一性を両立させる。
家庭・オフィスの例
ファンヒーター、セラミックヒーター、オイルヒーター、電気ポット、ヘアドライヤ、衣類乾燥、座席ヒーター、デフロスタなどがある。対象の熱容量や換気条件により暖まり方や体感が変わる。
設計指標と熱設計
設計では①必要熱量（定常+立上げ）、②熱抵抗網（接触/界面・壁・流体）、③許容表面温度、④ワット密度、⑤温度分布、⑥外皮温度と断熱、⑦電気絶縁（耐電圧・絶縁抵抗）を総合最適化する。高ワット密度では局所焼損やコークス化を招きやすいため、流速確保や放熱面拡大で許容熱流束を守る。
制御と電力回路
ヒーター制御はオンオフ（サーモスタット/バイメタル）から、サーミスタ/RTD/熱電対とPIDによる比例制御まで多様である。電力制御はゼロクロスSSRの時間比例、トライアック位相制御、PWM+SSRのハイブリッドなどを選択する。位相制御は低温域の分解能に優れるが高調波やEMIに配慮が必要で、フィルタやゼロクロス方式の併用が有効である。
安全・規格
過熱防止には温度ヒューズ、手動復帰型温度リミッタ、二重冗長の検出系を備える。感電・漏電対策として接地、漏電遮断器、耐湿設計、クリープ・沿面距離の確保を行う。家電はIEC 60335系、産業用電気加熱設備はIEC 60519系、国内ではPSE（電気用品安全法）やJIS対応が想定される。試験では耐電圧、絶縁抵抗、漏れ電流、温度上昇、異常運転、可燃性・耐火性などを評価する。
信頼性と劣化要因
高温酸化や硫化、応力腐食割れ、熱疲労、繰返しサイクルによる抵抗値ドリフト、含湿による絶縁低下、汚れ堆積によるワット密度上昇が主因である。シース材の選定、表面処理、シール性向上、ソフトスタート、デリスティング（定格抑え）で寿命を延ばす。
省エネと選定指針
抵抗式ヒーターの変換効率はほぼ100%だが、空間の昇温には熱損失が大きい。対象限定のスポット加熱、断熱強化、熱再循環で実効効率を高める。空調目的にはCOP>1のヒートポンプが省エネだが、立上げ迅速性や構造簡素さは抵抗式の強みである。最終的には必要温度・応答性・環境条件・安全性・規格適合・保守性の観点で最適化することが肝要である。