誘導加熱

誘導加熱は、電磁誘導によって金属や半導体などの導電性材料を加熱するプロセスです。誘導器を通過する熱伝達によってコイル内に電磁場が生成され、鋼、銅、真鍮、グラファイト、金、銀、アルミニウム、または炭化物が加熱され、場合によっては溶解されます。

誘導加熱プロセスの重要な特徴は、熱が熱伝導による外部熱源ではなく、物体自体の内部で生成されることです。したがって、物体を非常に急速に加熱できます。さらに、外部との接触が不要であるため、汚染が問題となる場合には重要です。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結晶成長およびゾーン精製、および非常に高い温度を必要とする耐火金属の溶解など、多くの産業プロセスで使用されています。誘導調理台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物体を貫通し、導体内に渦電流と呼ばれる電流が発生します。渦電流は材料の抵抗を通って流れ、ジュール熱によって材料を加熱します。鉄などの強磁性体およびフェリ磁性体では、磁気ヒステリシス損失によっても熱が発生します。誘導加熱に使用される電流の周波数は、物体のサイズ、材料の種類、結合 (ワークコイルと加熱対象物の間)、および浸透の深さによって異なります。

誘導加熱は、表面硬化、溶解、ろう付けおよびはんだ付け、およびフィッティング加熱などの用途で、適用可能なアイテムを集中的に加熱できます。鉄および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、渦電流はどの導体でも発生する可能性があり、磁気ヒステリシスはどの磁性材料でも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）および気体導体（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、半導体業界ではシリコンおよびその他の半導体の加熱に広く使用されています。商用周波数（50/60 Hz）誘導加熱は、インバータが不要な ため、多くの低コストの産業用途に使用されています。

誘導炉は、誘導を利用して金属を融点まで加熱します。溶融後は、高周波磁場を使用して熱い金属を撹拌することもできます。これは、合金添加物が溶融物に完全に混合されるようにするのに役立ちます。ほとんどの誘導炉は、耐火材料の容器を囲む水冷銅リングのチューブで構成されています。誘導炉は、反射炉やキューポラよりもクリーンな金属溶解方法として、ほとんどの現代の鋳造所で使用されています。サイズは、容量1キログラムから100トンまであります。誘導炉は、動作周波数に応じて、稼働中に高周波のウィーンという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してしまう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。

同様の小規模なプロセスが誘導溶接にも使用されます。プラスチックは、強磁性セラミック（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）または金属粒子でドープされている場合、誘導溶接で溶接することもできます。

チューブの継ぎ目は、この方法で溶接できます。チューブに誘導された電流が開いた継ぎ目に沿って流れ、端を加熱して、溶接に十分な温度になります。この時点で、継ぎ目の端が押し付けられ、継ぎ目が溶接されます。RF 電流はブラシによってチューブに伝達することもできますが、結果は同じです。つまり、電流は開いた継ぎ目に沿って流れ、それを加熱します。

高速誘導印刷金属積層印刷プロセスでは、導電性ワイヤ原料とシールドガスがコイル状ノズルから供給され、原料が誘導加熱されてノズルから液体として排出され、シールドの下で拒否されて3次元金属構造が形成されます。このプロセスで誘導加熱を使用する主な利点は、強力なレーザーまたは電子ビームを使用し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製造方法と比較して、エネルギーと材料の効率が大幅に向上し、安全性が向上することです。

電磁調理器では、コンロ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。電磁調理器を使用すると、安全性、効率性（電磁調理器自体は加熱されません）、およびスピードが向上します。銅底の鍋やアルミ鍋などの非鉄鍋は一般的に適していません。熱伝導により、底に誘導された熱が中の食品に伝わります。^[1]

誘導ろう付けは、大量生産工程でよく使用されます。均一な結果が得られ、再現性も非常に高いです。誘導ろう付けが使用される産業機器の種類は多数あります。たとえば、誘導は炭化物をシャフトにろう付けするために使用されます。

誘導加熱は、食品および医薬品業界で容器のキャップシールに使用されています。ボトルまたは瓶の開口部にアルミホイルの層を置き、誘導加熱して容器に融合します。内容物を変更するにはホイルを破る必要があるため、これにより不正開封防止シールが実現します。^[2]

誘導加熱は、取り付けや組み立ての前にアイテムを加熱して膨張させるためによく使用されます。ベアリングは、商用周波数 (50/60 Hz) と、ベアリングの中心を通過する積層鋼変圧器タイプのコアを使用して、この方法で定期的に加熱されます。

誘導加熱は、金属製品の熱処理によく使用されます。最も一般的な用途は、鋼鉄部品の誘導硬化、金属部品を接合する手段としての誘導はんだ付け/ろう付け、および鋼鉄部品の領域を選択的に軟化させる 誘導焼鈍です。

誘導加熱は高電力密度を生成できるため、必要な温度に達するまでの時間が短くなります。これにより、印加磁場に非常に厳密に追従する加熱パターンを厳密に制御でき、熱による歪みや損傷を軽減できます。

この能力は、さまざまな特性を持つ部品を製造するための硬化に使用できます。最も一般的な硬化プロセスは、耐摩耗性が必要な領域の表面を局所的に硬化させ、他の部分では必要に応じて元の構造の靭性を維持することです。誘導硬化パターンの深さは、誘導周波数、電力密度、相互作用時間の選択によって制御できます。

プロセスの柔軟性の限界は、多くのアプリケーション専用のインダクタを製造する必要があることから生じます。これは非常に高価であり、小さな銅インダクタに高電流密度を整流する必要があり、特殊なエンジニアリングと「銅フィッティング」が必要になる場合があります。

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。誘導加熱により、射出および押し出しプロセスのエネルギー効率が向上します。熱は機械のバレル内で直接生成されるため、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までの範囲で、バレルが厚いほど低くなります。インバータ機器のコスト削減により、誘導加熱の人気が高まっています。誘導加熱は金型にも適用でき、金型温度がより均一になり、製品品質が向上します。^[3]

誘導加熱はバイオマスの熱分解でバイオ炭を得るのに使用されます。熱はシェーカーリアクターの壁に直接発生し、良好な混合と温度制御でバイオマスの熱分解を可能にします。^[4]

誘導加熱は、錆びたボルトを取り除くために機械工によって使用されています。熱は、錆によってねじ山の間に生じた張力を取り除くのに役立ちます。^[5]

基本的なセットアップは、低電圧で非常に高い電流と高周波の電気を供給する AC 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エア コイル内に配置され、通常は無効電力を増やすために共振タンク 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。電力の 86% が集中する浸透深さは、 として導くことができます。ここで、 はメートル単位の深さ、はオームメートル単位のワークピースの抵抗率、はワークピースの無次元相対透磁率、 はHz 単位の AC フィールドの周波数です。AC フィールドは、式 で計算できます。^[6]ワークピースの等価抵抗、したがって効率は、基準深さ にわたるワークピースの直径の関数であり、 程度まで急速に増加します。^[7] 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、 の値は基準深さによって決まります。基準深さを減少させるには、周波数を増加させる必要があります。誘導電源のコストは周波数とともに増加するため、 となる臨界周波数を達成するように電源が最適化されることがよくあります。臨界周波数以下で動作させると、ワークピースの両側からの渦電流が互いに衝突し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ると、加熱効率がさらにわずかに向上しますが、ワークピースの表面のみを熱処理する用途で使用されます。 ${\displaystyle \delta }$${\displaystyle \delta =503{\sqrt {\frac {\rho }{\mu f}}}}$${\displaystyle \delta }$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle \mu }$${\displaystyle f}$${\displaystyle {\frac {1}{T}}}$${\displaystyle a}$${\displaystyle d}$${\displaystyle a/d=4}$${\displaystyle a/d}$${\displaystyle a/d=4}$

相対的な深さは温度によって変化します。これは、抵抗率と透磁率が温度によって変化するためです。鋼の場合、相対透磁率はキュリー温度を超えると1に低下します。したがって、基準深さは、非磁性導体の場合は温度によって2～3倍、磁性鋼の場合は最大20倍変化する可能性があります。^[8]

磁性材料はヒステリシスにより誘導加熱プロセスを改善します。高透磁率(100～500) の材料は誘導加熱で加熱しやすくなります。ヒステリシス加熱はキュリー温度以下で発生し、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での高透磁率は有用です。温度差、質量、および比熱はワークピースの加熱に影響します。

誘導加熱のエネルギー伝達は、コイルとワークピース間の距離によって影響を受けます。エネルギー損失は、ワークピースから固定具への熱伝導、自然対流、および熱放射によって発生します。

誘導コイルは通常、銅管と液体冷却剤で作られています。直径、形状、巻き数は効率と磁場パターンに影響します。

炉は、リング状の溶解対象物を含む円形の炉床で構成されています。金属リングは直径が大きく、交流電源で通電される電気巻線と磁気的に連結されています。本質的には変圧器であり、加熱対象物は単巻短絡二次側を形成し、鉄心によって一次側に磁気的に結合されます。

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