誘導加熱(IH)装置の設計と開発

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誘導加熱装置導入のための検討事項

誘導加熱(IH)自体は、長年使用されいている技術でその基本原理が変わることはありません。また、単純に加熱するだけならその適用は容易なことです。
ただし理想の加熱工程を実現するのは容易なことではありません。

効率よく加熱するために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。
何度まで温度を上げるか、被加熱物(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、被加熱物(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。

高周波誘導加熱を検討するためのキーファクタ
被加熱物(ワークピース) 電源 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

アロニクスは、過去の経験と実績を踏まえ、様々な要素を考慮した最適な形での誘導加熱装置をご提案いたします。

被加熱物(ワークピース)の特性

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以下の温度で発生し、それ以上ではその効果を失います。

ヒステリシス加熱
金属が磁化され、その方向が変動するときに分子間の摩擦により発熱
キューリーポイント
磁性体がその磁気特性を失う温度。鉄の場合で通常730℃

誘導加熱電源

誘導加熱電源は加熱用コイルを介して交流電流を送ることにより、被加熱物(ワークピース)の回りに磁界を発生させます。

周波数

交流電流の周波数と、被加熱物(ワークピース)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ています。
高い周波数での加熱では加熱レートが高くなります。

周波数による浸透深さ
周波数 450kHz 1MHz 10MHz 20MHz
温度 ℃ 20 20 20 20
透磁率 1 1 1 1
抵抗率 5 5 5 5
浸透深さ 0.010″ 0.007″ 0.0022″ 0.0014″

出力

電源の出力は、加熱される被加熱物(ワークピース)での昇温スピードを決定します。
たとえば、あるろう付け(ブレージング)のプロセスが3kWで行われていれば、5kWに上げることにより、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。
icon-arrow-right 電源に関する詳細は誘導加熱電源の概要へ。

加熱用コイル

コイル形状の重要性
加熱用コイルは一般的に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電源の効率を最大限に引き出します。
コイル形状の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。

icon-arrow-right コイルに関する詳細は誘導加熱用コイルへ。

浸透の深さ

被加熱物(ワークピース)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、被加熱物(ワークピース)に流れる電流の量と、被加熱物(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、被加熱物(ワークピース)に発生する熱を増やします。

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