感应加热

利用电磁感应来加热电导体

感应加热是一种利用电磁感应来加热电导体(一般是金属)的方式,会在金属中产生涡电流,因电阻而让金属加热。感应加热器包括会通过高频交流电电磁铁,其中,若物体有较大的磁导率,也可能会因为磁滞现象的损失而产生热。使用的交流频率依欲加热物品的尺寸金属种类,加热线圈和欲加热物品的耦合程度以及渗透深度来决定。

斯特林放射性同位素发生器英语Stirling radioisotope generator的零件在测试时用电感加热

许多加热的方式是在金属外部加热,透过热传导方式传导到金属中,但感应加热不同,其热源在金属内部。金属可以迅速的加热。而且感应加热也不需要接触热源,适用于一些需考虑污染的场合。感应加热常用在许多工业制程中,例如冶金学中的热处理,半导体制程中的柴可拉斯基法区域熔炼,也可以用在要很高温才能熔化的难熔金属。若是食物的包装或是容器可以感应加热,也可以用此方式加热食物,这即为电磁炉的原理。

应用

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用感应加热加热一个25 mm的金属棒,频率450 kHz,功率 15 kW

感应加热可以针对工件加热特定部分,可以应用在表面硬化、熔化、硬焊软钎焊,以及加热物件来和其他物件配合。铁和因为其铁磁性的特性,对感应加热有最佳的反应,不过任何金属都会因为感应加热产生涡电流,而磁性材料则会产生磁滞现象。感应加热已被用来加热液态的导体(例如熔融的金属)及等离子的导体(例如感应等离子技术英语Induction plasma technology)。感应加热也可以用来加热石墨坩埚(其中放置其他材料),广泛的在半导体产业中加热硅或是其他半导体材料。电网频率 (50/60 Hz) 感应加热不需要逆变器产生其他频率的交流电,常用在许多低成本的工业应用中。

感应电炉

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感应电炉英语induction furnace用感应的方式来熔化金属。在熔化后,高频的磁场也可以搅动金属,若是制作合金时可以确保加入的金属和原金属充份混合。大部分的感应电炉包括一个水冷的铜环,外层包着一层耐热材料。感应电炉比反射炉英语reverberatory furnace高炉要环保,在熔化金属时,已经取代这二种生产方式,成为现代工厂常用的清洁生产方式。可加热金属的量从一公斤到数百公吨不等。在运行时,感应电炉多半会有高频率的嗡嗡声,依其工作频率而变。可以处理的金属包括贵金属。因为感应电炉是清洁的非接触制程,可以用在真空或是在惰性气体的环境中。有些特殊的钢或是合金在空气中加热会氧化,这类合金或钢就可以用真空电炉来生产。

感应电焊

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感应电焊英语induction welding是和感应电炉类似,但规模较小的加工方法。若塑胶中加入了铁磁性的颗粒(材料中磁滞的特性在感应时生热)或金属颗粒,也可以用感应电焊来加热粘接。

管件的缝隙也可以用此方式焊接。在缝隙附近引入的电流加热材料,最后产生可以焊接的高温。此时缝隙两侧的材料会受力互相接近,焊接缝隙。电流也可以用电刷传导到管件中,但结果是一样的,缝隙附件的材料加热而焊接。

电磁炉

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电磁炉中,感应线圈加热锅具中铁制底部,若是用铜、铝或其他非铁材料的锅具,能量转换效率不够,不适合配合电磁炉使用。电磁炉加热时,锅具底部的热会由热传导方式传导到食物中。电磁炉的好处有效率、安全性及速度。电磁炉有固定式的,也有移动式的。

感应硬焊

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感应硬焊英语Induction brazing一般会用在高产量的生产制程中,可以产生一致性的结果,而且有高度可重复性。

感应密封

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感应密封英语Induction sealing用在食品及制药业中,在瓶子或罐子的开口处放了一片铝箔,用感应的方式加热,使其和容器密合。这就形成一个防止更改内容物的密封,因为更改内容物需要破坏铝箔[1]

加热配合

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感应加热也可以用在组装时,将某一零件加热,以便和其他零件组合(感应加热配合英语Induction shrink fitting)。轴承一般是用此方式,以电网频率 (50/60 Hz) 加热,感应时有一个材料为叠层钢的变压器型芯穿过轴承中心。

热处理

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感应加热常用在金属件的热处理,最见的应用是钢件的感应硬化英语induction hardening,为了结合金属件所做的硬焊软钎焊,以及钢件中要软化部位的退火

感应加热可以产生高的功率密度,可以在短的接触时间内达到要求的温度,可以调整磁场来精准调整要加热的部分,减少热变形及损坏。

上述的热处理可以用来作局部硬化,产生有不同性质的零件。常见的硬化应用是产生一块局部硬化耐蚀的区域,但又可以保持其他部分的韧性。可以调整感应频率、功率密度及接触时间来调整感应硬化的深度。

此制程在灵活性上有受限,因此在一些应用中需要制作特别的电感器,一般都很贵,而且需要在小的铜线电感中产生大的电流密度,需要特殊的工程技术及copper-fitting。

塑胶加工

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感应加热用在塑胶的射出机中,感应加热提高射出及挤出制程的能源效率。热直接在机器内部产生,减少暖机时间以及能量消耗。感应线圈可以放在隔热层的外部,因此可以在较低温下工作,延长寿命。工作频率一般由30 kHz到5 kHz之间,若机器越薄,工作频率越低。感应加热也可以用在模具中,提供更平均的模具温度,产品的品质也可以提高[2]

细节

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感应加热用的电源一般是低电压电流交流电。要加热的工件放在由交流电驱动的电磁线圈英语Electromagnetic coil中,一般会配合电容器,设置为LC电路以产生虚功率,交流磁场产生了工件中的涡电流

各应用的频率范围
频率(kHz) 工件形式
5–30 薄工件
100–400 小的工件或是穿透深度较浅
480 微工件

磁性材料因为其磁滞现象,会加强其加热的效果。高相对磁导率(100–500)的材料也比较容易加热,磁滞发生在居里温度以下,此时材料仍维持原有的磁性质。工件在低于居里温度时的高磁导率相当的有用。温度差、比热及质量都会影响工件的加热。

感应加热的能量转换会受到线圈及工件之间距离的影响。能量的损耗包括有工作到夹具之间的热传导热对流热辐射

感应线圈一般是用铜管制成,而且是用水冷冷却,直径、形式及绕线圈数影响效率及磁场造型。

参考资料

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  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.