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誘導加熱とは、電磁誘導によって電気伝導性のある材料、すなわち金属や半導体を加熱するプロセスであり、コイル内に電磁場を生成する誘導器を介して熱が伝達され、鋼鉄、銅、真鍮、黒鉛、金、銀、アルミニウム、炭化物などを加熱し、場合によっては溶融させる。
誘導加熱プロセスの重要な特徴は、熱が外部の熱源からの熱伝導ではなく、対象物自体の内部で発生することです。そのため、対象物を非常に速く加熱できます。さらに、外部との接触が不要なため、汚染が問題となる場合にも重要です。誘導加熱は、冶金における熱処理、半導体産業で使用されるチョクラルスキー法による結晶成長やゾーン精製、非常に高い温度を必要とする耐火金属の溶解など、多くの工業プロセスで使用されています。また、誘導調理器にも使用されています。
誘導加熱器は、電磁石と、電磁石に高周波交流電流（AC）を流す電子発振器で構成されています。急速に変化する磁場が対象物に浸透し、導体内部に渦電流と呼ばれる電流を発生させます。渦電流は対象物の抵抗を流れ、ジュール熱によって加熱します。鉄などの強磁性体やフェリ磁性体では、磁気ヒステリシス損失によっても熱が発生します。誘導加熱に用いられる電流の周波数は、対象物の大きさ、材質、コイルと加熱対象物との結合度、および浸透深さによって決まります。
誘導加熱は、表面硬化、溶解、ろう付け、はんだ付け、加熱適合などの用途において、対象物をピンポイントで加熱することを可能にします。鉄とその合金は強磁性体であるため、誘導加熱に最もよく反応します。ただし、渦電流はあらゆる導体で発生する可能性があり、磁気ヒステリシスはあらゆる磁性材料で発生する可能性があります。誘導加熱は、液体導体（溶融金属など）や気体導体（ガスプラズマなど、誘導プラズマ技術を参照）の加熱にも使用されています。誘導加熱は、グラファイトるつぼ（他の材料を含む）の加熱によく使用され、半導体産業ではシリコンやその他の半導体の加熱に広く使用されています。インバータが不要なため、多くの低コスト産業用途では商用周波数（50/60 Hz）誘導加熱が使用されています。
誘導炉は、誘導加熱によって金属を融点まで加熱します。溶融後、高周波磁場を用いて高温の金属を攪拌することができ、合金添加物が溶融物に完全に混ざるようにするのに役立ちます。ほとんどの誘導炉は、耐火材の容器を囲む水冷式の銅リングの管で構成されています。誘導炉は、反射炉やキュポラよりもクリーンな金属溶解方法として、現代のほとんどの鋳造工場で使用されています。容量は1キログラムから100トンまで様々です。誘導炉は、運転周波数に応じて、運転中に高音の唸り音やハム音を発することがよくあります。溶解される金属には、鉄鋼、銅、アルミニウム、貴金属などがあります。クリーンで非接触のプロセスであるため、真空または不活性雰囲気で使用できます。真空炉は、空気中で加熱すると酸化する特殊鋼やその他の合金を製造するために誘導加熱を使用します。
誘導溶接には、これと似た小規模なプロセスが用いられる。プラスチックも、強磁性セラミックス（粒子の磁気ヒステリシスによって必要な熱が供給される）または金属粒子を添加すれば、誘導溶接によって溶接することができる。
管の継ぎ目は、この方法で溶接できます。管内に誘起された電流が開いた継ぎ目に沿って流れ、端を加熱して溶接に適した温度まで上昇させます。この時点で継ぎ目の端を押し合わせると、継ぎ目が溶接されます。高周波電流はブラシを介して管に供給することもできますが、結果は同じです。電流が開いた継ぎ目に沿って流れ、加熱されます。
ラピッド誘導印刷（RIP）と呼ばれる金属積層造形プロセスでは、導電性ワイヤ原料とシールドガスがコイル状ノズルを通して供給され、原料は誘導加熱を受けて液体としてノズルから噴射され、シールド下で溶融して三次元金属構造を形成します。このプロセスにおける誘導加熱の主な利点は、強力なレーザーや電子ビームを用いて材料に熱を加える選択的レーザー焼結などの他の積層造形方法と比較して、エネルギー効率と材料効率が大幅に向上し、安全性も高まることです。
IH調理では、調理台内部の誘導コイルが磁気誘導によって調理器具の鉄底を加熱します。IH調理器を使用すると、安全性、効率性（IH調理台自体は加熱されない）、およびスピードが得られます。銅底の鍋やアルミニウム製の鍋などの非鉄金属の鍋は、一般的に適していません。熱伝導によって、底で発生した熱が内部の食品に伝わります。[ 1 ]
誘導ろう付けは、大量生産においてよく用いられます。均一な仕上がりが得られ、再現性も非常に高いのが特徴です。誘導ろう付けは、様々な産業機器に利用されています。例えば、超硬合金をシャフトにろう付けする際にも誘導ろう付けが用いられます。
食品および医薬品業界では、容器のキャップシールに誘導加熱が使用されています。アルミホイルの層をボトルや瓶の開口部に置き、誘導加熱によって容器に溶着させます。これにより、内容物を変更するにはホイルを破る必要があるため、改ざん防止シールが実現します。[ 1 ]
誘導加熱は、部品を加熱して膨張させた後、取り付けや組み立てを行う際によく用いられます。ベアリングは、商用周波数（50/ 60Hz）と、ベアリングの中心を貫通する積層鋼製の変圧器型コアを用いて、この方法で加熱されるのが一般的です。
誘導加熱は、金属製品の熱処理によく用いられます。最も一般的な用途としては、鋼部品の誘導焼入れ、金属部品の接合手段としての誘導ろう付け／はんだ付け、そして鋼部品の一部を選択的に軟化させるための誘導焼鈍などが挙げられます。
誘導加熱は高出力密度を実現できるため、短時間で所望の温度に到達できます。これにより、加熱パターンを厳密に制御でき、印加された磁場に非常に近いパターンが得られるため、熱による歪みや損傷を軽減できます。
この技術は、様々な特性を持つ部品を製造するための焼入れ処理に利用できます。最も一般的な焼入れプロセスは、耐摩耗性が必要な領域を局所的に表面硬化させ、他の部分では必要な元の構造の靭性を維持することです。誘導加熱による焼入れパターンの深さは、誘導周波数、電力密度、および相互作用時間の選択によって制御できます。
このプロセスの柔軟性には限界があり、それは多くの用途向けに専用のインダクタを製造する必要があることに起因します。これは非常に高価であり、小型の銅製インダクタに高電流密度を集中させる必要があり、特殊なエンジニアリングと「銅の取り付け」技術が求められる場合があります。
誘導加熱はプラスチック射出成形機で使用されています。誘導加熱は射出および押出成形プロセスのエネルギー効率を向上させます。機械のバレル内で直接熱が発生するため、ウォームアップ時間とエネルギー消費が削減されます。誘導コイルは断熱材の外側に配置できるため、低温で動作し、長寿命です。使用される周波数は30kHzから 5kHzまでで 、バレルが厚くなるにつれて低下します。インバーター機器のコスト低下により、誘導加熱はますます普及しています。誘導加熱は金型にも適用でき、金型温度の均一性を高め、製品の品質を向上させます。[ 2 ]
バイオマスの熱分解でバイオ炭を得るには誘導加熱が用いられる。熱はシェーカー反応器の壁に直接伝わり、良好な混合と温度制御でバイオマスの熱分解を可能にする。[ 3 ]
誘導加熱は、機械工が錆びたボルトを取り外す際に使用されます。熱によって、ねじ山間の錆びによる張力が除去されます。[ 4 ]
基本的な構成は、低電圧ながら非常に高い電流と高周波の電力を供給する交流電源です。加熱するワークピースは、電源によって駆動される空芯コイル内に配置され、通常は無効電力を増加させるために共振タンクコンデンサと組み合わせて使用されます。交流磁場によってワークピース内に渦電流が発生します。
誘導電流の周波数は、誘導渦電流がワークピースに浸透する深さを決定します。最も単純なケースである中実の丸棒の場合、誘導電流は表面から指数関数的に減少します。浸透深さ電力の86%が集中する場所では、次のように導出できます。、 どこ深さはメートル単位です。は、ワークピースの抵抗率（オームメートル）です。は加工物の無次元相対透磁率であり、は交流電界の周波数（Hz）です。交流電界は次の式を用いて計算できます。[ 5 ]工作物の等価抵抗、ひいては効率は、工作物の直径の関数である。基準深度を超えて約まで急速に増加[ 6 ]ワークピースの直径はアプリケーションによって固定されているため、は基準深度によって決まります。基準深度を小さくするには周波数を上げる必要があります。誘導電源のコストは周波数とともに増加するため、電源は多くの場合、臨界周波数で次のようになるように最適化されます。臨界周波数より低い周波数で動作させると、ワークピースの両側から発生する渦電流が互いに干渉し合って打ち消し合うため、加熱効率が低下します。臨界周波数を超えて周波数を上げても、加熱効率の向上はごくわずかですが、ワークピースの表面のみを熱処理する用途では用いられます。
相対深度は、抵抗率と透磁率が温度によって変化するため、温度によって変化します。鋼の場合、相対透磁率はキュリー温度以上で1まで低下します。したがって、基準深度は、非磁性導体では温度によって2～3倍、磁性鋼では最大20倍変化する可能性があります。[ 7 ]
磁性材料はヒステリシス効果により誘導加熱プロセスを改善します。透磁率の高い材料（100～500）は誘導加熱で加熱されやすくなります。ヒステリシス加熱はキュリー温度以下で発生し、この温度では材料は磁気特性を保持します。ワークピースのキュリー温度以下の高い透磁率は有効です。温度差、質量、比熱はワークピースの加熱に影響を与えます。
誘導加熱におけるエネルギー伝達は、コイルとワークピース間の距離によって影響を受ける。エネルギー損失は、ワークピースから治具への熱伝導、自然対流、および熱放射によって発生する。
誘導コイルは通常、銅管と冷却液で構成されている。直径、形状、巻数によって効率と磁場パターンが左右される。
この炉は、溶融対象物をリング状に収容する円形の炉床から構成されている。金属リングは直径が大きく、交流電源によって励磁される電気巻線と磁気的に連結されている。これは基本的に変圧器であり、加熱対象物は単巻短絡二次巻線を形成し、鉄心によって一次巻線と磁気的に結合されている。
