誘電加熱

誘電加熱は、電子加熱、無線周波数加熱、高周波加熱とも呼ばれ、無線周波数(RF) の交流電界、または電波やマイクロ波の 電磁放射によって誘電体を加熱するプロセスです。より高い周波数では、この加熱は誘電体内の 分子双極子の回転によって発生します。

分子回転は、電気双極子モーメントを持つ極性分子を含む物質で発生し、その結果、分子は電磁場内で整列します。電磁波や急速に振動する電場のように場が振動している場合、これらの分子はそれに整列することで連続的に回転します。これを双極子回転または双極子分極と呼びます。場が交互に変化すると、分子は方向を反転します。回転する分子は、電気力によって他の分子を押したり、引っ張ったり、衝突したりして、物質内の隣接する分子や原子にエネルギーを分配します。エネルギー源からサンプルへのエネルギー伝達のプロセスは、放射加熱の一種です。

温度は物質内の原子や分子の平均運動エネルギー（運動エネルギー）に関係しており、このように分子を撹拌すると物質の温度が上昇します。したがって、双極子回転は、電磁放射の形のエネルギーが物体の温度を上昇させるメカニズムです。この変換が発生するメカニズムは他にもたくさんあります。^[1]

双極子回転は、通常誘電加熱と呼ばれるメカニズムで、電子レンジで最も広く観察されており、液体の水に最も効果的に作用しますが、脂肪や糖にも（効果ははるかに低いですが）作用します。これは、脂肪や糖の分子は水分子よりも極性がはるかに低く、そのため交流電磁場によって発生する力の影響を受けにくいためです。調理以外では、この効果は一般に、固体、液体、または気体に電気双極子が含まれている限り、それらを加熱するために使用できます。

誘電加熱は、誘電損失による電気絶縁材料の加熱を伴う。材料全体の変化する電界により、分子が連続的に変化する電界に沿おうとするため、エネルギーが散逸する。この変化する電界は、自由空間を伝播する電磁波（電子レンジなど）によって引き起こされる場合もあれば、コンデンサー内の急速に変化する電界によって引き起こされる場合もある。後者の場合、自由に伝播する電磁波はなく、変化する電界はアンテナ近傍場の電気成分に類似していると見なすことができる。この場合、加熱は無線周波数（RF）周波数で容量性空洞内の電界を変化させることによって達成されるが、実際の電波は生成または吸収されない。この意味で、この効果は磁気誘導加熱の直接的な電気的類似物であり、磁気誘導加熱も近傍場効果（したがって電波は関与しない）である。^[2]

誘電加熱を起こすには 10～100 MHzの範囲の周波数 が必要ですが、より高い周波数でも同等かそれ以上の効果があり、一部の材料 (特に液体) ではより特殊なメカニズムにより、より低い周波数でも大きな加熱効果があります。たとえば、塩水などの導電性液体では、荷電イオンが電界の影響下で液体中をゆっくりと前後に「引きずられ」、その過程で液体分子に衝突して運動エネルギーを伝達し、最終的に分子振動に変換されて熱エネルギーに変換されるため、イオン抵抗によって加熱が発生します。^[要出典]

低周波での誘電加熱は、近接場効果として、電磁放射体から吸収体までの距離が ⁠ 未満であることが必要である。1/2π​⁠ ≈ ⁠1/6⁠波長の。したがって、これは接触プロセスまたは近似接触プロセスである。なぜなら、通常は加熱される材料（通常は非金属）を金属板の間に挟み、実質的に非常に大きなコンデンサの誘電体の代わりとなるからである。しかし、電圧がかかったコンデンサ内に形成される電界は、コンデンサ板とプレート間の（非導電性の）誘電体材料との電気的接触を必要としないため、コンデンサ内の誘電体を加熱するために実際の電気的接触は必要ない。低周波電界はマイクロ波よりもはるかに深く非導電性材料に浸透し、木材などの乾燥材料の奥深くにある水や生物のポケットを加熱するため、コンデンサ板の間に収まる限り、多くの非導電性食品や農産物を急速に加熱して調理するために使用できる。^[要出典]

非常に高い周波数では、電磁場の波長は加熱空洞の金属壁間の距離、または壁自体の寸法よりも短くなります。これは電子レンジの内部に当てはまります。このような場合、従来の遠距離電磁波が形成され (空洞は純粋なコンデンサとしてではなくアンテナとして機能します)、吸収されて加熱を引き起こしますが、熱沈着の双極子回転メカニズムは同じままです。ただし、マイクロ波は、イオン抵抗によって引き起こされるような、より遅い分子運動に依存する低周波場の加熱効果を引き起こすのに効率的ではありません。^{[引用が必要]}

誘電加熱は、媒体内の誘導電流によって引き起こされる導電性媒体のジュール加熱とは区別する必要があります。 ^[3]誘電加熱の場合、体積あたりの発生電力密度は次のように表されます。^{[3] [4]}

${\displaystyle Q=\omega \cdot \varepsilon _{\mathrm {r} }''\cdot \varepsilon _{0}\cdot E^{2},}$

ここで、ωは励起放射の角周波数、 ε _r ″ は吸収材料の複素比誘電率の虚数部、 ε _{0 は}自由空間の誘電率、E は電界強度です。 (周波数依存の) 比誘電率の虚数部は、誘電体が電磁場エネルギーを熱に変換する能力の尺度であり、誘電損失とも呼ばれます。 (誘電率の実数部は静電容量の通常の効果であり、非散逸無効電力をもたらします。)

材料の導電率 σが小さいか、周波数が高く、σ ≪ ωε ( ε = ε _r ″ · ε ₀ ) の場合、ジュール熱は低く、誘電加熱が電磁場から媒体へのエネルギー損失の主なメカニズムになります。

マイクロ波の周波数は、肉や生体組織などの半固体物質を含む導電性材料を透過します。基本的に、透過したマイクロ波エネルギーがすべて組織内で熱に変換されたところで透過は停止します。食品を加熱するために使用される電子レンジは、水による吸収が最適になる周波数に設定されていません。もし設定されていたら、問題の食品または液体は、その外層ですべてのマイクロ波放射を吸収し、中心は冷たく加熱されず、表面は過熱された状態になります。^[5]代わりに、選択された周波数は、エネルギーが加熱された食品のより深くまで浸透できるようにします。家庭用電子レンジの周波数は 2.45 GHz ですが、水による吸収が最適になる周波数は約 10 GHz です。 ^[6]

誘電材料を加熱するために高周波電界を使用することは、1930 年代に提案されていました。たとえば、米国特許 2,147,689 (ベル電話研究所による 1937 年の出願) には次のように記載されています。

「本発明は、誘電材料の加熱システムに関するものであり、本発明の目的は、誘電材料をその質量全体にわたって均一かつ実質的に同時に加熱することである。したがって、高電圧、高周波場にさらされたときに誘電損失が発生するため、誘電材料をその質量全体にわたって同時に加熱することが提案されている。」

この特許は、10～20メガヘルツ（波長15～30メートル）の無線周波数（RF）加熱を提案した。 ^[7]このような波長は使用される空洞よりもはるかに長く、したがって電磁波ではなく近接場効果を利用した。（市販の電子レンジは、そのわずか1％の長さの波長を使用している。）

農業では、RF誘電加熱は広くテストされており、殻付きのクルミなど、収穫後の特定の食用作物の害虫を駆除する方法としてますます使用されています。RF加熱はマイクロ波加熱の場合よりも均一に食品を加熱できるため、RF加熱は食品を迅速に処理する方法として有望です。^[8]

医学では、高周波による体組織の加熱（ジアテルミー）が筋肉治療に使用されています。^[9]高温への加熱（ハイパーサーミア療法）は、癌や腫瘍組織を殺すために使用されます。

RF 加熱は木材業界で、合板製造、フィンガージョイント、家具製造に使用される接着剤を硬化させるために使用されます。RF 加熱は木材の乾燥を早めるためにも使用できます。

マイクロ波加熱は、RF加熱とは異なり、100 MHzを超える周波数での誘電加熱のサブカテゴリであり、電磁波を小型のエミッターから発射し、空間を介してターゲットに誘導することができます。現代の電子レンジは、 RFヒーターよりもはるかに高い周波数と短い波長の電界を持つ電磁波を使用しています。一般的な家庭用電子レンジは2.45 GHzで動作しますが、915 MHzのオーブンも存在します。つまり、マイクロ波加熱で使用される波長は0.1 cmから10 cmです。^[10]これにより、非常に効率的ですが、浸透性は低い誘電加熱が実現します。^[要出典]

マイクロ波周波数ではコンデンサのようなプレートのセットを使用することができますが、マイクロ波はすでに遠距離場型電磁放射として存在しており、その吸収には RF 加熱のように小さなアンテナに近づける必要がないため、コンデンサのようなプレートのセットは必要ありません。したがって、加熱する材料 (非金属) は単に波の経路に置くだけで、容量性導電プレートを必要としない非接触プロセスで加熱が行われます。^{[引用が必要]}

マイクロ波容積加熱は、工業規模で液体、懸濁液、または固体を連続的に流して加熱する市販の方法です。マイクロ波容積加熱は、最大 42 ミリメートル (1.7 インチ) の浸透深度があり、流れる製品の全容積に均一に浸透します。これは、従来の加熱システムを使用する場合よりも 10 ～ 15 °C (18 ～ 27 °F) 低い温度で微生物の殺菌効果を高め、保存期間を延長できる商業用途に有利です。

マイクロ波容積加熱の用途には以下が含まれます。

• 殺菌
• 瞬間殺菌
• マイクロ波化学
• 殺菌
• 食品保存
• バイオ燃料生産

食品の乾燥では、誘電加熱は通常、従来の加熱と組み合わされます。これは、熱風乾燥機への供給物を予熱するために使用できます。供給物の温度を急速に上昇させ、水分を表面に移動させることにより、全体の乾燥時間を短縮できます。誘電加熱は、食品が下降速度期間に入る乾燥サイクルの途中で適用できます。これにより、乾燥速度を上げることができます。誘電加熱を熱風乾燥の終わり近くに適用すると、乾燥時間を大幅に短縮できるため、乾燥機のスループットを向上させることができます。誘電加熱は、乾燥の後の段階で使用するのが一般的です。RF加熱の主な用途の1つは、ビスケットのポストベーキングです。ビスケットを焼く目的は、適切なサイズ、形状、色、水分含有量の製品を作ることです。従来のオーブンでは、水分含有量を目的のレベルまで下げるのに、総ベーキング時間の大部分が費やされることがあります。RF加熱を適用すると、ベーキング時間を短縮できます。オーブンは適切なサイズ、形、色のビスケットを作るように設定されていますが、RF加熱はビスケットのすでに乾燥した部分を過度に加熱することなく、残りの水分を除去するために使用されます。^[11]オーブンの容量はRF加熱の使用により50％以上増加できます。RF加熱によるポストベーキングは、朝食用シリアルやシリアルベースのベビーフードにも適用されています。^[12]

食品の品質は、従来の加熱よりも電磁エネルギーを使用することで最大限に高められ、よりよく保持されます。従来の加熱では温度差が大きく、処理時間が長くなるため、食品表面の過剰処理や製品全体の品質の低下を引き起こす可能性があります。^[13]電磁エネルギーはより短時間でより高い処理温度を達成できるため、より多くの栄養価と官能特性が保持されます。^[14]

• 誘電体溶接
• 電気外科手術は、組織を直接ジュール加熱し、高周波電流を直接伝達する必要がある。
• 比吸収率
• 誘導加熱