高周波誘導加熱とは？

”私たちはお客様に、高周波誘導加熱とは何か？
そして、なぜ非接触なのに速く温度が上がるのか？
ということをできるだけわかりやすくご説明したいと思っています。

ワーク・コイルに流れる交流電流が、ワークピース（被加熱体）自体に電流を誘起する磁界を作ります。
このワークピースに流れる電流がワークピース材料の抵抗により熱を発生させます。
理屈はとても簡単なことです。”
- Dr. Girish Dahake, Ameritherm's Applications Lab Manager.

高周波誘導加熱の応用と製品セレクションガイド

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高周波誘導加熱とは？

高周波誘導加熱は金属やその他の導電性のある材料の性質を変えたり、接着を含む製造プロセスにおいて急峻で一貫した再現性のある加熱ができます。
そのプロセスは、発熱させるため材料に電流を誘導させることにより行われます。
誘導加熱の原理は良く知られており、オールソリッドステートでＣＰＵ制御による優れた機能をもったアメリサーム社(Ameritherm Inc.)の電源により、その適用は極めて簡単になりました。
接合、処理、加熱、材料テストなどのためにコスト面からも優位性のある方法です。
非導電性の材料の加熱に関しては、サセプタ加熱を参照してください。

高周波誘導加熱装置の構成

高周波誘導加熱装置の基本的な構成要素は、ＡＣ電源、ワークコイル、被加工材料（加熱されるか処理される物）です。
電源はコイルに交流電流を流し、磁界を発生させます。
材料がコイルの中に置かれると、磁界は材料の中に渦電流を発生させ、コイルと材料に物理的な接触無しに、クリーンで正確な、かつ制御可能な加熱を、加熱したいその部分のみに発生させます。

周波数

交流電流の周波数と、非加熱体に貫通する熱の深さには相関関係があります。
5KHzから30KHzの低い周波数は、材料の深部にまで加熱を要求される厚い材料に適しており、100KHzから400KHzの高い周波数は、小さな部品や浅い加熱に適します。
微細な材料に対しての誘導加熱については、アメリサームでは60MHzの電源を供給することができます。
高い周波数での加熱では加熱レートが高くなります。
例えてみれば、両手をこすり合わせると暖かくなりますが、速くこすることにより速く暖かくなる事と同じです。

高周波電源

高周波電源はインダクションコイルを介して交流電流を送ることにより、ワークピースの回りに磁界を発生させます。
電源の出力は、加熱されるワークピースでの昇温スピードを決定します。
たとえば、あるブレージング（ろう付け）のプロセスが3Kwで行われていれば、5Kwにすることにより、より速くプロセスが完了します。
しかしながら、電源の出力を大きくしようとすれば、電源のサイズと重量は大きくなり、また電気施設や冷却水の能力もさらに大きいものが必要になります。
ＲＦ電源に関する詳細は製品セレクションガイドへ。

コイル形状の重要性

コイルは一般的に1/8"から3/16"径の銅チューブで作られ、通常水冷されます。
コイルのサイズと形状は、１ターンからマルチターンまで、ヘリカル、丸、角、そしてワークピースの内置きか外置きかなど、ワークピースの形状とプロセスの幅などを反映します。

優れたコイルデザインは最適な熱分布を提供し、またワークピースの挿入と取り出し易さを維持したまま誘導加熱用電源の効率を最大限に引き出します。
誘導加熱のこれらの重要性に関しては、テクニカルノートの"コイルデザインと製作"でさらに詳しく触れられています。

固有抵抗

異なる金属では電流を誘導する方法が異なります。
カーボン、スチール、タングステン、錫は比較的電気抵抗が高いので、電流に対して強い抵抗となり、結果としてこれらの金属では、アルミ、真鍮、銅などの低抵抗である金属に比べより速く加熱します。
電気抵抗は温度を上げる・・・・異なる28種類の金属の抵抗率のチャートです。

磁性体と非磁性体

磁性体は非磁性体と比べ、ヒステリシス損による効果があるので加熱しやすい材料です。
磁性体は誘導コイルの中で磁界の急峻な変化に抵抗し、結果としてその摩擦は渦電流による加熱に加えて、ヒステリシス加熱と言われる熱を発生させます。
この場合の高い抵抗を示す金属は、透磁率が高いとと言われます。
透磁率は、磁性体では100から500の間の値を示し、非磁性体の透磁率は1です。
ヒステリシス加熱はキューリーポイント（それ以上の温度では磁性体がその磁気特性を失う）以下の温度で発生し、それ以上ではその効果を失います。

浸透の深さ

被加熱体の中に誘導される電流は、そのほとんどが表面に集中し、表面から遠ざかる程急激に減少します。
よって表面は内部に比べ急激に加熱します。
熱の80%は一番外側の表皮で発生し、その表皮の厚さを"skin depth"と表現します。
"skin depth"は、電気抵抗率が低いほど、透磁率が高いほど、周波数が高いほど薄くなります。

カップリング効果

カップリングは、被加熱体（ワークピース）に流れる電流の量と、ワークピースとコイルの間の距離との関係に比例します。
密なカップリングは、電流を増大し、ワークピースに発生する熱を増やします。

高周波誘導加熱を検討するためのキーファクタ

ワークピース	電源	インダクションコイル
材料の特性	出力	直径
サイズと形状	周波数	形状
コイルの中での位置	電気容量、冷却水	巻数

出力の決定

その使い方で要求される熱エネルギー量を検討するためには幾つかの要素があります。
何度まであげるか、ワークピースの熱特性と電気的特性および質量、コイルデザインのカップリング効率、ワークピースを固定する治具への熱伝導による熱損失、更に対流や放射熱も考えなくてはなりません。

私たちのアプリケーション・ラボ・エンジニアは、これらの要素のバランスのとり方に豊富な経験があり、いつでもご相談に応じます。

アプリケーション別テクニック

アメリサーム社(Ameritherm Inc.)で豊富な経験を持つダハケ博士のノートから、誘導加熱のアプリケーション別テクニックをご紹介しています。
アプリケーションノートは、実際の現場および開発レベルでの応用について掘り下げた内容となっており、ろう付け、はんだ付け、硬化、金属とプラスチックの溶着、金属とガラス、アニーリングなど様々なアプリケーションについて多くの応用例があります。
ビデオ映像もあわせてご覧ください。
高周波誘導加熱のアプリケーションノート
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あなたのアプリケーションに高周波誘導加熱は適しているでしょうか？

私たちは常にプレシジョン高周波誘導加熱の新しい応用の評価や開発を行っております。
加熱したいパーツを送っていただければ、無償で評価し最適な機種の選定を行います。
パーツとプロセスのご説明をお送りいただき、そのプロセスで最も重要なポイントをお教えいただければ、最適なアドバイスをさせていただきます。
また、誘導加熱用電源の効率を最大限に引き出す機器の選定や生産ラインへの組み込み等、お気軽にご相談ください。

誘導加熱用電源の効率を最大限に引き出す機器の選定や生産ラインへの組込み、
詳細やご不明な点等、どうぞお気軽にご相談ください。　　　