金属の丸棒状(被加熱体)の外周に誘導コイルを配置して高周波電流(交流)を流すと、高周波磁束が発生します(フレミングの法則)。この磁束が被加熱体を貫通すると、非常に高い電流(うず電流)を誘導し、電気抵抗によって被加熱体の表面でジュール熱が発生して自己発熱します。これが誘導加熱の基本原理です。
ここで発生するうず電流は、被加熱体の表面に近ければ近いほど強くなり、逆に内部にいくにつれて指数関数的に弱くなります。これを「表皮効果」といいます。
表皮効果
表皮効果は、被加熱材料の比電気抵抗値、比透磁率および高周波装置の発振周波数に関係しており、とりわけ周波数が重要な要素となります。被加熱体表面の電流密度を1としたとき、これが36.7%まで減衰する距離を「電流の浸透深さP」と定義されます。
λ: | 被加熱体の抵抗(μΩ・cm) |
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μ: | 被加熱体の比透磁率 |
f: | 周波数(Hz) |
つまり、周波数が高いほどPは小さくなり、周波数が低いほどPが大きくなることがわかります。被加熱体表面よりの深さ(x)における電流密度とも関係し、Ixと定義されています。
Io: | 被加熱体表面の電流(A) |
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Ix: | 被加熱体表面からx(cm)の点の電流(A) |
ε: | 自然体数の底=2.7182818・・・・・・・ |
x: | 被加熱体表面からの距離(cm) |
P: | 電流浸透の深さ(cm) |
γ鉄はキューリー点以上の温度のときでp=125、μ=1とした場合、
黄銅は約800℃の場合でp=15、μ=1とし、
銅は約800℃の場合(p=5、μ=1)と常温の場合(p=1.7、μ=1)を示してある。
また、α鉄は常温の状態でp=10、μ=100として示してある。
算定条件 | 【例】 ワーク材質:ステンレス材 ワーク径:φ20 ワーク長さ:100mm 昇温温度:常温~1,000℃ 昇温速度:10sec 加熱環境:大気中 |
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計算式
4.186 | ジュール熱定数 |
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M: | ワークの重量 ・・・・・・・・・・約0.25kg |
C: | ワークの比熱 ・・・・・・・・・・0.12(cal/g℃) |
ΔΤ: | 昇温温度 ・・・・・・・・・・・・・(1,000℃-20℃=980℃) |
正味電力量(1秒間で上記ワークを昇温する電力)
実際に必要な電力
P1: | ワークへ吸収される電力量 |
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P2: | 熱の放射電力損 |
P3: | 熱対流電力損 |
P4: | 熱伝導電力損 |
P5: | フィーダーロス、CTロス |
実際の電力の算定は設計方法、経験値などにより大きく左右されますが、一般的には上記条件では正味電力量×2.5倍くらいあれば実用的かと思われます。
10secでの昇温では308÷10=30.8≒31kwの高周波出力が必要となります。