感應加熱

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斯特林放射性同位素發生器英語Stirling radioisotope generator的零件在測試時用電感加熱

感應加熱是一種利用電磁感應來加熱電導體(一般是金屬)的方式,會在金屬中產生渦電流,因電阻而讓金屬加熱。感應加熱器包括會通過高頻交流電電磁鐵,其中,若物體有較大的磁導率,也可能會因為磁滯現象的損失而產生熱。使用的交流頻率依欲加熱物品的尺寸金屬種類,加熱線圈和欲加熱物品的耦合程度以及滲透深度來決定。

許多加熱的方式是在金屬外部加熱,透過熱傳導方式傳導到金屬中,但感應加熱不同,其熱源在金屬內部。金屬可以迅速的加熱。而且感應加熱也不需要接觸熱源,適用於一些需考慮污染的場合。感應加熱常用在許多工業製程中,例如冶金學中的熱處理,半導體製程中的柴可拉斯基法區域熔煉,也可以用在要很高溫才能熔化的難熔金屬。若是食物的包裝或是容器可以感應加熱,也可以用此方式加熱食物,這即為電磁爐的原理。

應用[編輯]

用感應加熱加熱一個25 mm的金屬棒,頻率450 kHz,功率 15 kW

感應加熱可以針對工件加熱特定部份,可以應用在表面硬化、熔化、硬焊軟釺焊,以及加熱物件來和其他物件配合。鐵和因為其鐵磁性的特性,對感應加熱有最佳的反應,不過任何金屬都會因為感應加熱產生渦電流,而磁性材料則會產生磁滯現象。感應加熱已被用來加熱液態的導體(例如熔融的金屬)及電漿的導體(例如感應電漿技術英語Induction plasma technology)。感應加熱也可以用來加熱石墨坩堝(其中放置其他材料),廣泛的在半導體產業中加熱矽或是其他半導體材料。電網頻率 (50/60 Hz) 感應加熱不需要逆變器產生其他頻率的交流電,常用在許多低成本的工業應用中。

感應電爐[編輯]

感應電爐英語induction furnace用感應的方式來熔化金屬。在熔化後,高頻的磁場也可以攪動金屬,若是製作合金時可以確保加入的金屬和原金屬充份混合。大部份的感應電爐包括一個水冷的銅環,外層包著一層耐熱材料。感應電爐比反射爐英語reverberatory furnace高爐要環保,在熔化金屬時,已經取代這二種生產方式,成為現代工廠常用的清潔生產方式。可加熱金屬的量從一公斤到數百公噸不等。在運行時,感應電爐多半會有高頻率的嗡嗡聲,依其工作頻率而變。可以處理的金屬包括貴金屬。因為感應電爐是清潔的非接觸製程,可以用在真空或是在惰性氣體的環境中。有些特殊的鋼或是合金在空氣中加熱會氧化,這類合金或鋼就可以用真空電爐來生產。

感應電焊[編輯]

感應電焊英語induction welding是和感應電爐類似,但規模較小的加工方法。若塑膠中加入了鐵磁性的顆粒(材料中磁滯的特性在感應時生熱)或金屬顆粒,也可以用感應電焊來加熱粘接。

管件的縫隙也可以用此方式焊接。在縫隙附近引入的電流加熱材料,最後產生可以焊接的高溫。此時縫隙兩側的材料會受力互相接近,焊接縫隙。電流也可以用電刷傳導到管件中,但結果是一樣的,縫隙附件的材料加熱而焊接。

電磁爐[編輯]

電磁爐中,感應線圈加熱鍋具中鐵製底部,若是用銅、鋁或其他非鐵材料的鍋具,能量轉換效率不夠,不適合配合電磁爐使用。電磁爐加熱時,鍋具底部的熱會由熱傳導方式傳導到食物中。電磁爐的好處有效率、安全性及速度。電磁爐有固定式的,也有移動式的。

感應硬焊[編輯]

感應硬焊英語Induction brazing一般會用在高產量的生產製程中,可以產生一致性的結果,而且有高度可重覆性。

感應密封[編輯]

感應密封英語Induction sealing用在食品及製藥業中,在瓶子或罐子的開口處放了一片鋁箔,用感應的方式加熱,使其和容器密合。這就形成一個防止更改內容物的密封,因為更改內容物需要破壞鋁箔[1]

加熱配合[編輯]

感應加熱也可以用在組裝時,將某一零件加熱,以便和其他零件組合(感應加熱配合英語Induction shrink fitting)。軸承一般是用此方式,以電網頻率 (50/60 Hz) 加熱,感應時有一個材料為疊層鋼的變壓器型芯穿過軸承中心。

熱處理[編輯]

感應加熱常用在金屬件的熱處理,最見的應用是鋼件的感應硬化英語induction hardening,為了結合金屬件所做的硬焊軟釺焊,以及鋼件中要軟化部位的退火

感應加熱可以產生高的功率密度,可以在短的接觸時間內達到要求的溫度,可以調整磁場來精準調整要加熱的部份,減少熱變形及損壞。

上述的熱處理可以用來作局部硬化,產生有不同性質的零件。常見的硬化應用是產生一塊局部硬化耐蝕的區域,但又可以保持其他部份的韌性。可以調整感應頻率、功率密度及接觸時間來調整感應硬化的深度。

此製程在靈活性上有受限,因此在一些應用中需要製作特別的電感器,一般都很貴,而且需要在小的銅線電感中產生大的電流密度,需要特殊的工程技術及copper-fitting。

塑膠加工[編輯]

感應加熱用在塑膠的射出機中,感應加熱提高射出及擠出製程的能源效率。熱直接在機器內部產生,減少暖機時間以及能量消耗。感應線圈可以放在隔熱層的外部,因此可以在較低溫下工作,延長壽命。工作頻率一般由30 kHz到5 kHz之間,若機器越薄,工作頻率越低。感應加熱也可以用在模具中,提供更平均的模具溫度,產品的品質也可以提高[2]

細節[編輯]

感應加熱用的電源一般是低電壓電流交流電。要加熱的工件放在由交流電驅動的電磁線圈英語Electromagnetic coil中,一般會配合電容器,設置為LC電路以產生虛功率,交流磁場產生了工件中的渦電流

各應用的頻率範圍
頻率(kHz) 工件形式
5–30 薄工件
100–400 小的工件或是穿透深度較淺
480 微工件

磁性材料因為其磁滯現象,會加強其加熱的效果。高相對磁導率(100–500)的材料也比較容易加熱,磁滯發生在居里溫度以下,此時材料仍維持原有的磁性質。工件在低於居里溫度時的高磁導率相當的有用。溫度差、比熱及質量都會影響工件的加熱。

感應加熱的能量轉換會受到線圈及工件之間距離的影響。能量的損耗包括有工作到夾具之間的熱傳導熱對流熱輻射

感應線圈一般是用銅管製成,而且是用水冷冷卻,直徑、形式及繞線圈數影響效率及磁場造型。

參考資料[編輯]

  1. ^ Valery Rudnev Handbook of Induction HeatingCRC Press, 2003 ISBN 0824708482 page 92
  2. ^ Dong-Hwi Sohn, Hyeju Eom and Keun Park, Application of high-frequency induction heating to high-quality injection molding, in Plastics Engineering Annual Technical Conference Proceedings ANTEC 2010, Society of Plastics Engineers, 2010
  • Brown, George Harold, Cyril N. Hoyler, and Rudolph A. Bierwirth, Theory and application of radio-frequency heating. New York, D. Van Nostrand Company, Inc., 1947. LCCN 47003544
  • Hartshorn, Leslie, Radio-frequency heating. London, G. Allen & Unwin, 1949. LCCN 50002705
  • Langton, L. L., Radio-frequency heating equipment, with particular reference to the theory and design of self-excited power oscillators. London, Pitman, 1949. LCCN 50001900
  • Shields, John Potter, Abc's of radio-frequency heating. 1st ed., Indianapolis, H. W. Sams, 1969. LCCN 76098943
  • Sovie, Ronald J., and George R. Seikel, Radio-frequency induction heating of low-pressure plasmas. Washington, D.C. : National Aeronautics and Space Administration ; Springfield, Va.: Clearinghouse for Federal Scientific and Technical Information, October 1967. NASA technical note. D-4206; Prepared at Lewis Research Center.