高周波加熱装置とは
高周波加熱装置とは、誘導加熱という原理を利用した熱供給装置の一種で、そのエネルギー源に高周波発振器を用いるもののことです。
一般に、金属を対象とした直接加熱システムですが、その金属を介して他の材質のものを加熱することも可能です。
高周波加熱装置の使用用途
高周波加熱装置は金属冶金など、加熱処理をする必要がある場面で導入されており、従来の加熱システムであるガス炉や電気炉に比べて小型化が可能なため、省スペースが求められる場面にも適しています。
また、金属自身に電流を流して加熱するという方式から、スケールなどの副産物の生成がほとんどないため、半導体製造施設などクリーンルーム環境下における加熱装置としての相性も抜群です。
加熱の原理上金属を加熱し溶解するまで高温にする場合でも、高周波加熱装置を用いることで均一に加熱することが可能です。
高周波加熱装置の原理
加熱したい物体を取り巻くような形にコイルが巻かれており、そのコイルに交流電源を高周波発振器を介して接続します。そのコイルの内部へ加熱したい金属を挿入すると、金属表面には渦電流が発生し、その電流によって発生するジュール熱により金属が温められます。
原理上、直接加熱することができるのは金属に限られますが、溶融しない程度に金属を加熱しその金属を水と接触させることで間接的に水を温めることも可能です。もちろん水でなく、他の個体物質でも問題ありません。
また、高周波発振器の入力値を調整することで、入熱を比較的容易にコントロールできる上、金属を溶融した場合は、溶融金属自体にも渦電流は流れ続け、自己攪拌力も働くといった特長もあります。
高周波加熱装置の選び方
金属をクリーンな環境で加熱したいというニーズがある場合、高周波加熱装置の導入を検討することをおすすめします。その際に、入熱用のコイルの形状が被加熱物質のサイズと見合うかを確認することが重要です。コイル内部に被加熱金属が入らない場合、当然ですが加熱することができません。
また、どの程度の速度で加熱したいかによって高周波電源の出力を確認しておく必要があります。金属の表面に流れる渦電流のジュール熱を利用した加熱装置のため、最大出力電力が低いと、加熱するのにそれ相応の時間がかかることになります。
高周波誘導加熱のその他情報
1. 高周波誘導加熱のメリット
高周波誘導加熱の特徴は、電磁誘導を利用した抵抗加熱により被加熱物の内部から発熱させることで加熱することです。この特徴を生かしたメリットは下記の5つです。
均一加熱
被加熱物自体の電気抵抗を利用した加熱なので、内部全体が一様に発熱し均一に加熱できます。このため、熱伝導率が悪い材料や熱容量の大きい製品の様に、外部加熱では均一になるまでに長い時間を必要とする場合に大きなメリットがあります。
急速加熱
発信機制御により瞬間的に高周波は与えることができ、さらに内部発熱であるため被加熱物の急速加熱が可能です。外部加熱では均熱までに時間が掛かることと比較すると、生産性に優れた加熱方式になります。
選択加熱</br /> 被加熱物が数種類から構成される複合部材であっても、そのうち電気抵抗率の高い材料を使用した部分のみを選択的に加熱できます。
雰囲気選択と高いエネルギー効率</br /> 燃焼による外部加熱の様に発熱体や雰囲気、炉内構造物が加熱されず、被熱処理物のみが自己発熱するため、大気はもちろん真空や減圧、加圧雰囲気など幅広い雰囲気選択が可能です。また被加熱物のみを対象とした無駄のない加熱になるため、高いエネルギー効率を実現できることも大きなメリットの一つです。
2. 高周波誘導加熱のデメリット
高周波誘導加熱には4つのデメリットがあります。
設備投資が高価
高周波誘導加熱はエネルギー効率が良くランニングコストは安く済みますが、高周波電源が高価であることや、電磁波漏れ対策設備などにより初期の設備投資費用が高価になるデメリットがあります。
形状選択性が低い
均一かつ要求通りの温度に加熱するためには、被加熱物の電界を均一にする必要があるため、円柱などの対称性の高いものであれば問題がありませんが、角材や歯車のような複雑な形状の物は均一に加熱することが困難です。
局所加熱
角部などが局所加熱され過加熱状態になり、必要な特性を付与することができず、最悪の場合は処理中に溶融するなどのトラブルの原因になることがもあります。
個別・部分加熱
高周波誘導加熱は任意形状のコイルにより被熱処理材の全体、もしくは一部分のみを加熱する方式なので、基本的には一個流し処理になります。このため、外部加熱のようなバッチ式の大量同時処理ができないため、製品や生産の状況によっては生産性ダウンになるデメリットもあります。
3. 高周波加熱装置の届出
高周波加熱装置はその名の通り、高周波電源を使用しています。電波法によって10kHz以上の高周波電源を使用する工業加熱装置には、原則として設置許可が必要です。設置許可は導入前に必要になるので計画的に行いましょう。メーカーによっては申請を代行する場合もあるので、購入先の選定時に確認しておくことをおすすめします。
参考文献
http://www.vinita.co.jp/institute/radiofrequency/010070.html
https://i-mecs.com/highfrequency-etc/index30.html