高周波誘導加熱技術(電磁誘導)

SUBJECT

高周波誘導加熱の原理

POINT

磁界に晒された金属は発熱する

物体の加熱方法は「外部加熱」と「内部加熱」との2つに分類されます。
ここで取り上げる「高周波誘導加熱」は、内部から熱を発生させる「内部加熱」のひとつです。

まず、物体の加熱方法について触れます。
物体の加熱方法は「外部加熱」と「内部加熱」とに分類されます。

外部加熱は、対象物に外部熱源から熱を加える方法で、「伝導/対流/放射」の3つの原理に分類されます。

一方、内部加熱は、対象物自身が発熱体となり、内部から熱を発生させる方法で、「高周波誘電加熱」と「高周波誘導加熱」の2つに分類されます。

これらの加熱方法を家電に例えて、
外部加熱=トースター
内部加熱(高周波誘電加熱)=電子レンジ
内部加熱(高周波誘導加熱)=電磁調理器(IHクッキングヒーター)
をイメージするとわかりやすいかもしれません。

高周波誘導加熱とは?

「高周波誘導加熱」とは、高周波電流を流すことにより発生する磁界を利用して導電体を加熱する方式のことを言います。単に「誘導加熱」と呼ばれることも多くあります。

コイルに高周波電流を流すと、その周りに磁束線(高周波磁束)が発生します。コイルの中、あるいはその周囲に導電体を置くと、「うず電流損失」と「ヒステリシス損失」の2つの作用によって導電体自身が発熱します。

高周波誘導加熱は、この2つの原理(現象)の両方、もしくは片方が作用して導電体を加熱することであり、材料の導電性と磁性の2つが重要な要素となります。

周波誘導加熱の原理その1:うず電流損失

磁界に導電体(金属)を入れると、その導電体に電気が流れます。この電流を「うず電流」と呼びます。うず電流が任意の抵抗をもつ導電体中を流れると電力損失が起こり、その導電体内にジュール熱が発生し、温度が上昇します。この現象を「うず電流損失」といいます。

うず電流損失は、電気が流れることによって発生する損失ですから、電流を流さない材質の場合、基本的に発生しません。したがって、対象は金属やカーボンなどの導電体になります。

COLUMNもっと詳しく!

なぜ「うず電流」と呼ばれるの?

導電体の内部を交番磁束が貫通すると導電体に誘導起電力が発生し、導電体の「インピーダンス」に逆比例した電流が流れます。その場合、導電体が均質・等方性であるとすると、磁束によって生じる電流は磁束と直角な各平面状ですべて円形となるため、「うず電流」と呼ばれます。

なお、インピーダンスとは交流電流の流れを妨げる要素のことで、抵抗とほとんど同じです。抵抗を拡張した考え方がインピーダンスであると理解してください。

高周波誘導加熱の原理その2:ヒステリシス損失

ヒステリシス(Hysteresis)とは、「変化を与える側の変化状態が元に戻っても、変化を与えられた側は元の状態に戻らず、別の変化を示す特性」を指します。つまり、磁場等の変化を0から増加させた時と減少させた時では、異なる経路を描きます。この経路はループ型を描きますので、ヒステリシスループ(ヒステリシス曲線)と呼ばれます。

ヒステリシスを示す物性を周期的に変化させると,ヒステリシス曲線が囲む面積に相当するエネルギーの損失(ヒステリシス損失)が起こります。

ここでは「磁性を持った物質(以後、磁性体と表記)には磁界変化による損失(発熱)がある」とご理解いただければ十分です。

COLUMNもっと詳しく!

ヒステリシス損失とヒステリシスループ

ヒステリシス損失とは、ヒステリシスループで囲まれた面積を指します。磁性体に磁界を印加したときの特性として「B-H曲線」があります。B-H曲線は、ある磁界Hを掛けたときの磁束密度Bを表したものです。

コイルに交流電流を流した場合、交番磁束(時間と共に大きさと方向が変化を繰り返す磁界)が発生しますが、磁性体の特性によって、磁束密度Bはヒステリシスループを描きます。

ヒステリシス損失は磁気的な損失であるため、ワークが金属であるか導電性があるかには関係なく、いわゆる「磁石にくっつくかどうか」によって、この作用のあるなしを判定するのが最も単純な方法です。

例えば銅、アルミ、真ちゅう、半田などにはこの作用はなく、鉄、フェライト、ステンレスの一部に作用が現れますが、その大きさはワークの磁気特性に左右されます。具体的には図に示したB-H曲線(ヒステリシスカーブ)の作る面積が広いほど損失が大きくなります。

また、ヒステリシスループの回る回数にも比例するため、周波数に比例して損失が大きくなります。そのため、トランスのコア材質としては発熱を抑えるためにヒステリシスループの面積の狭いほうが有利ですが、誘導加熱では面積の大きい特性を持ったワークの方が発熱しやすく、有利となります。

高周波誘導加熱の加熱効率と表皮効果

補足として、高周波誘導加熱の加熱効率と表皮効果について触れておきます。

加熱効率はコイル電流・コイル巻数の二乗に比例し、周波数・有効透磁率・固有抵抗の平方根に比例します。従って周波数が高いほど加熱効率は高くなり物体表面への電流の集中化傾向が著しくなり、逆に高周波の浸透性は低下し、表面加熱だけとなり内部加熱温度は不均一となります。

この様に高周波電流が表面層に集中的に流れ、内部に行くにつれて減少する性質のことを「表皮効果」と呼ばれています。誘導コイルと被発熱体との距離は磁束密度に影響を与えるため、出来るだけ近くにもっていく必要があります。

SUBJECT

加熱可能な材質

POINT

発熱効率は導電体の特性によって変わる

前述の通り、高周波誘導加熱(電磁誘導加熱)にて加熱可能な材質は導電体です。
また、加熱効率を考慮すると磁性のある導電体が最も適しています。

高周波誘導加熱(電磁誘導加熱)にて加熱可能な材質は「導電体」であり、加熱効率を考慮すると「磁性のある導電体」が最も適しています。

代表例としては、鉄・アルミ・銅・SUS・真鍮および磁性粉入り接着剤、磁性シートなどがあります。

金・銀なども導電体ですが、電気的抵抗があまりにも小さいため、うず電流損失によるジュール熱の発生が少なく、高周波誘導加熱が難しい材質となります。

SUBJECT

高周波誘導加熱の応用

POINT

応用方式は2種類に分けられる

高周波誘導加熱の応用方式は「直接加熱方式」と「間接加熱方式」の2種類あります。
以下、その違いを説明します。

2つの加熱方式

導電体の加熱自体を目的とした「直接加熱方式」と、導電体を加熱し、その輻射熱や熱伝達を利用して樹脂の溶着などを行う「間接加熱方式」です。

例えば、焼嵌め・焼鈍・焼入・ろう付けなどは「直接加熱方式」となり、誘導加熱した熱板にて行う樹脂溶着は「間接加熱方式」となります。加熱したナットを樹脂に挿入するナットインサートは間接加熱方式に近い工法となります。

誘導加熱では、ガスや火などで外部より加熱する必要がないためバーナーなどと違い、火災の危険性や作業場の空気を汚すことを少なくすることができます。

直接加熱方式と間接加熱方式の違いをイラストにしました。鍋を温めているのは「直接加熱」で、中の水が温まるのは「間接加熱」です。

SUBJECT

電磁誘導ウェルダーとは

POINT

高周波誘導加熱によって非接触で金属を加熱する装置

電磁誘導ウェルダーは高周波誘導加熱の原理を応用し、「直接加熱」や「間接加熱」を行うための装置です。
高周波誘導加熱装置とも呼ばれています。

電磁誘導ウェルダーの基本構成は以下の通りです。

  • 「発振器」
    高周波電力の発生および制御を担います。トランジスタ式や電子管式などがあります。高周波発振器の出力は、被加工物の形状・材質・加工量などにより選定します。
  • 「マッチングボックス」
    加熱コイルと周波数の整合を行う回路です。
  • 「加熱コイル」
    磁束を発生させるためのツールです。周波電流を流すと、コイルの周りに磁束線(高周波磁束)が発生します。コイルの形状や大きさによって、磁束の方向や密度が変わります

さらに、プレス機構等の装置と受冶具にて構成されます。

COLUMNもっと詳しく!

加熱コイルのポイント

「加熱コイル」は主に銅パイプを使用して製作します。
加熱コイルには非常に大きな高周波電流が流れて発熱しますので、その発熱を防ぐためパイプ内に冷水を通して冷却します(低出力機では空冷とする場合もあります)。

加熱コイルは、被加工物のすぐ傍を取り巻くようにし、接合部分に最大の発熱効果が得られるようにするため、加熱コイルと被加工物との隙間は出来るだけ少なくします。

加熱コイルや被加工物を固定する「治具」には、高周波誘導加熱の影響が発生しない非金属材料が用いられます。材料としてはベークライト・シリコーン・エポキシ等が使用されています。

電磁誘導ウェルダーの特長を簡単にまとめます。

  • カートリッジヒーターと比較して加熱効率が良く、省エネルギーである。
  • 非接触にて加熱可能なため、消耗品が極めて少ない
  • 鋼材(熱板)プレートを加熱して大型成形品などの非接触熱板装置にも使用可能
  • 溶着やナットインサート、焼き嵌め、被覆剥がしなど用途が多彩

SUBJECT

電磁誘導ウェルダーの利用例

POINT

非接触かつ瞬時に加熱可能で用途が多彩

電磁誘導ウェルダーは幅広い業界・分野で利用されています。ここではその代表例を紹介します。

「自動車」

  • 金属のナット・カラーを加熱し、樹脂部品に圧入
  • 回転軸やギアへの焼入・焼嵌め
  • ワイヤーハーネス・ホース類のはんだ付け
  • ロータなどのコーティング剤や塗料の乾燥

「医療」

  • 注射針や縫い針の強度向上のための焼入
  • 医療用カテーテルの先端加工(フレア加工)
  • カテーテルチューブの突合せ溶着

「刃物」

  • 刃物の焼き入れや応力除去の焼鈍し(アニール)

「電機・電子」

  • モーターコアの焼嵌め・焼鈍し(アニール)
  • スピーカーなどのパンチングネットの加熱インサート
  • 線材の被覆剥がし

「食品」

  • 瓶詰インスタントコーヒーやマヨネーズの封止(アルミラミネートフィルムの加熱)

SUBJECT

法的規制

POINT

当社製品でご不明な点はお問合せください

電波管理局への申請は、装置の利用者が行うことになりますが、申請先や必要書類等に関してご不明点がありましたら、お気軽にお問い合わせください。

無線設備、通信設備以外の設備であって10kHz以上の高周波電流を利用して高周波エネルギーを発生させて、50Wを超える高周波出力を使用する設備は、原則として総務大臣の設置許可を受ける必要があります(電波法第100条)。

電波管理局への申請は装置の利用者が行うことになりますが、申請先や必要書類等に関してご不明点がありましたら当社にお問い合わせください。