ヒーターの寿命と効率
1

ヒーターの寿命2

ヒーターの寿命は、ヒーターの使用開始から断線・短絡・地絡により発熱体としヒーターの寿命は、ヒーターの使用開始から断線・短絡・地絡が生じて、発熱ての機能を果たさなくなるまでの期間である。
体としての正常な機能を果たさなくなるまでの期間である。特に時間の経過に伴い、寿命に関しては、腐食によるシースパイプの損傷という化学的問題もあるが、ここヒーターに徐々に不可逆な変化が進行したときに限定して寿命ということもある。
ではワット密度を中心に話を進める。
寿命に関しては、腐食によるシースパイプの損傷という化学的問題もあるが、ここヒーターの寿命は、以下により大きく左右される。
ではワット密度を中心に話を進める。
ヒーターエレメントの「ワット密度」
ヒーターの寿命は、以下により大きく左右される。
ヒーターエレメ
ントの「配置」❶ ヒーターエレメ
ントの 「ワット密度」
一般的に太くて長いヒーターエレメ
ントに低いワット密度を設定すればヒーターは❷ ヒーターエレメントの 「配置」
長寿命となる。メ
ンテナンスフリーというメリットはあるが、逆に熱容量が増大して一般的に太くて長いヒーターエレメ
ントに低いワット数を設定すればヒーターは長寿
すぐ暖まらない・なかなか冷えない・メ材料費がかさむ・場所をとるなど、熱効率が悪命となる。メ
ンテナンスフリーというリットはあるが、熱容量が増大してすぐ暖まらく不便な面もある。
（ および 項参照）
ない・なかなか冷えない・材料費がかさむ・場所をとるなど、熱効率が悪く不便な
高効率高ワット密度のヒーターは、仕様上必要なことも多く実績もあるが、寿命の面もある（⑦および⑧項参照）。高ワッ
ト密度のヒーターは、仕様上必要なことも面でどうしても問題が残る。 なる。
多く実績もあるが、寿命が短く一方エレメンントの配置も大切なフトの配置も大切なファクターである。複数のヒーターエレメ
トを数回一方エレメ
ァクターである。複数のヒーターエレメン
ントを数回路に組み合わせて使用している場合、部分的に熱だまりができてヒーター内部の路に組み合わせて使用している場合、部分的に熱だまりができてヒーター内部の温度が設計値以上に上昇（過熱）し、寿命を短くすることもある。
（ （⑥項参照）
項参照）
温度が設計値以上に上昇（過熱）し、寿命を短くすることもある。
用途・・加熱温度
加熱温度・・使用場所によ
使用場所により、
ワッ
最も適したヒー用途り、ワット密度やヒーター配列など、ト密度やヒーター配列など、最も適したヒーターを選ぶことが肝要である。
ターを選ぶことが肝要である。

4ワット密度

ワット密度ρ
［W/ 2］
は、ヒーターエレメン
ント単位表面積あたりのヒーター電力
ト単位表面積あたりのヒーター電力でワット密度ρ
［W/cm］
は、ヒーターエレメ（熱ある。すなわち、ヒーターエレメ
ント表面積［ト表面積］でそのヒーター電力［W］を除した値流束）である。すなわち、
ヒーターエレメン[cm2] でそのヒーター電力[W]である。
を除した値である。
ワット密度はヒーターの寿命に関係する。ワット密度が大きくなると表面温度は高くな
ワット密度はヒーターの寿命に関係する。ワット密度が大きくなると表面温度は高くる。ヒーター内部が高温になると、発熱体であるニクロム線の断線や内部絶縁物MgOなる。ヒーター内部が高温になると、発熱線の断線や内部絶縁物Ｍ
ｇＯ（酸化マ（酸化マグネシウム）の電気的絶縁抵抗低下を招き、ヒーターの寿命は短くなる。
グネシウム）の電気的絶縁抵抗低下を招き、ヒーターの寿命は短くなる。

3許容ワット密度

ワット密度はヒーターの寿命だけでなく、加熱する温度・物質（被加熱物）のト密度はヒーターの寿命だけでなく、加熱する温度・物質（被加熱物）の種類ワッによっても最適な値を設定する必要がある。熱伝達率の高い物質には高いワット種類によっても最適な値を設定する必要がある。伝熱量が多い時には高いワット密度を設定することができるが、加熱温度・物質によっては引火・相変化・化学変密度を設定することができるが、加熱温度・物質によっては引火・相変化・化学化などが起こらないような最適なワット密度にしなければならない。当然粘性や、変化などが起こらないような最適なワット密度にしなければならない。当然粘性や、汚れの付着なども考慮する。
汚れの付着なども考慮する。
つまり被加熱物によって適用できる上限のワット密度があり、これを許容ワット密つまり被加熱物によって適用できる上限のワット密度があり、これを許容ワット密度度と呼んでいる。と呼んでいる。
たとえば水用ヒーターではρ＝8.5［W/ ］という高ワット密度で設計することもあ
被加熱物個別の許容ワット密度の表はよくある質問のページ（P.236）を参照されるが、油用ヒーターではρ＝3.5［W/ ］程度の低いワット密度で設計する。
たい。

ヒーター外径と任意のワット密度におけるヒーター電力［Ｗ］

外径φ6.5・φ9.0・φ12・φ15、ヒーターエレメントのワット密度を任意に選んだ場合のヒーター電力［W］を計算した。

表1 ヒーター外径と任意のワット密度におけるヒーター電力［Ｗ］

注記：エレメントの長さは１ｍとした。

太さ 表面積 断面積 質 量
g/m

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

ワット密度ρ
［Ｗ/ ］
3.5 4.0 4.5 5.0

6.0

7.0

8.0

10.0

φ6.5
φ9.0
φ12
φ15

204
283
377
471

306
425
566
707

408
566
754
942

510
708
943
1178

612
849
1131
1413

714
911
1320
1649

1224
1698
2262
2826

1428
1981
2639
3297

1632
2264
3016
3768

2040
2830
3770
4710

204
283
377
471

0.33
0.64
1.13
1.77

約200
約350
約600
約900

816
1132
1508
1884

918
1274
1697
2120

1020
1415
1885
2355

単位はW（ワット）5

ワット密度の目安

7ヒーターエレメン
ントの外径が太くトの外径が太くなると表面積は広くなり、同じなり、同じヒーター電力でもヒーターエレメなると表面積は広くヒーター電力でもワッ
ト密度は太さに比例して下がる。
ワット密度は外径に反比例して下がる。
腐食が問題にならなければ、メンテナンスフンテナンスフリーをねらった高寿命ヒーターとしてはしては腐食が問題にならなければ、メリーをねらった長寿命ヒーターと有効な場合もある。しかし、断面積は二乗の値で増加するので、重さ・蓄熱量・価有効な場合もある。しかし、断面積は二乗の値で増加するので、重さ・蓄熱量・格などの面では得策ではない。
価格などの面では得策ではない。

表2 被加熱物による代表的なワット密度の適用範囲

被加熱物
ワット密度 ρ ［W/ ］〜最高温度［℃］ 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0
水水
純水
薬液純水薬液
油
油
金属面
金属面
空気
ガス
真空中
真空中

～
100℃
〜100℃
～
〜 90℃
80℃

8〜 80
90℃
℃
～～
200℃
〜200℃
～
400℃
〜400℃

外径と発熱線径の選択

高ワッ
ト密度のヒーターエレメ
ントは、エレメ
ンエレメ
ト外径を細くし、絶縁物も必要最高効率高ワッ
ト密度のヒーターエレメ
ントは、ント外径を細くし、絶縁物も小限に抑えて製作する。
必要最小限に抑えて製作する。
ヒーターの外径が細いと内部の発熱線（ニクロム線）も太いものは使えないため、ヒーターの外径が細いと内部の発熱線（ニクロム線）も太いものは使えないため、特に大容量（電力）の場合は寿命が短くなる。
特に大容量（電力）の場合は寿命が短くなる。
反対に少ないヒーター電力で太い外径のエレメントとすると、既述のごとくワッ
ワット密ト密反対に少ないヒーター電力で太い外径のエレメントとすると、既述のごとく度は下がる。
度は下がる。
しかし、発熱線から被加熱物へ熱が伝わりにくくなって、ヒーターエレメ
ント内部にト内部にしかし、発熱線から被加熱物へ熱が伝わりにくくなって、ヒーターエレメン熱がこもってしまう
ここともある。ともある。
熱がこもってしまう

～
100℃
〜100℃

注1）液体加熱の場合、種類によって特殊なものがある。
注2）気体加熱の場合、風速により変更する必要がある。

資 料

6

ヒーターエレメントの外径と寿命エレメントの配置

9ヒーターのエレメン
ントは、トは、交換・補修に便利なように、同じエレメトを複数本ヒーターのエレメ交換・補修に便利なように、同じエレメントンを複数本使っ使って、加熱装置（加温槽、乾燥機など）を構成するのが一般的である。て、加熱装置（加温槽、乾燥機など）を構成するのが一般的である。
❶ 配管の途中にヒーターを入れて使用する場合
配管の途中にヒーターを入れて使用する場合流体入口より出口に近いヒーターエレメ
ヒーター
流体入口より出口に近いヒーターエレメン
ントに熱負荷が大きくトに熱負荷が大きくかかる。
かかる。ヒーター
配列の設計を誤ると、熱だま
りやエレメトの相互干渉・流体の短絡通過（ショ配列の設計を誤ると、熱だまりやエレメ
ンン
トの相互干渉・流体の短絡通過（ショーートパス）などにより、エレメンン
トの一部が極端に高温になったり、熱交換の効率トパス）などにより、エレメトの一部が極端に高温になり損傷することがある。
❷ が落ちたりする。
流れのない大気中で、熱伝導や対流で加熱する場合
流れのない大気中で、熱伝導や対流で加熱する場合
自然対流での加熱は、ヒーターの温度分布が不均一になりやすく注意が必要で自然対流での加熱は、ヒーターの熱分布が不均一になりやすく注意が必要。発ある。発熱面の端の部分は、熱が伝わりやすく一般的に低くなる。また、中央熱面の端の部分は、部分は高温になる。熱が伝わりやすく一般的に表面温度が低くなる。また、中央❸ 部分は高温になる。
温度制御をする場合
温度制御をする場合
ヒーターをいくつかの回路に分けて温度制御をする場合、配列や回路配分にヒーターをいくつかの回路に分けて温度制御をする場合、配列や回路配分によ
よっては温度分布が極端に不均一となり、ヒーターに偏った熱負荷がかかってっては熱分布が極端に不均一となり、ヒーターに偏った熱負荷がかかってヒータヒーターの寿命を縮めることがある。均一な温度分布や高効率での熱交換を考ーの寿命を縮めることがある。均一な熱分布や高効率での熱交換を考え、各エえ、各エレメントに均等に熱負荷がかかることが大切である。
レメントに均等に熱負荷がかかることが大切である。

仕様に合わせたヒーターの設計仕様による使い分け「ヒーターは消耗品」であることを前提に、メンテナンスのし易さを考慮した装置の設計をする。
あるいはヒーターエレメントをメンテナンスフリーとして、低いワット密度の長寿命なヒーターを使用する（しかしヒーターサイズが大きくなり単価も割高となる）。
ヒーターエレメントの外径（OD）
現在日本ヒーターのヒーターエレメント外径は、長年の製造実績を踏まえ標準品
ではφ12、その他準標準品としてφ9を採用している。
発熱線の種類と線径
発熱線に関しては、仕様に応じた最適なものを選択しているので、これらの選択に関しては日本ヒーターにお任せ下さい。
このように、ヒーターの設計には効率と寿命のかねあいを考えた総合的な判断が必要となる。
なお、シーズヒーターの構造や、使い方については日本ヒーターホームページもご参照下さい。
日本ヒーター Home Page URL www.nippon-heater.co.jp- -234225- -

資料