고주파 유도 가열이란?
가열 coil에 둘러싸인 피가열물에 고주파 전류를 흘리면 전류가 유도되고, 이에 따라 발생되는 열에 의해 직접 가열되는 것입니다.
고주파 유도 가열은 무공해, 에너지 절약을 기본으로 하는 전기 가열의 한 방법으로 에너지 절약과 환경보호, 품질의 균일화, 3D 기피 현상으로 자동화가 요구되는 현대 사회에 제품 손상 및 주변 오염이 전혀 없이 제품에 단시간 국부적으로 열을 가할 수 있다. 이러한 유도 가열 방식은 대부분의 금속체에 적용할 수 있다.
유도 가열의 특징
유도가열은 피가열물을 직접 가열하므로 기타 열반사, 열전도 등의 가열법에 비교하면 열효율이 매우 좋다. 가열전력 및 시간을 일정하게 유지함으로써 항상 균일하게 가열이 가능하며 굴곡은 극히 적다. 가열 온도의 제어는 가열 전원 조정으로 간단하게 조절이 가능하고, 가열물에 대해 신속, 균일한 제어가 가능하다.
유도 가열의 장점
- 극히 얕은 소입 깊이도 얻을 수 있으므로 정밀 처리가 가능하다.
- 비접촉 가열로 가열금속에 상처를 주지 않으며 국부선택 및 표면만 급속 가열이 가능하다.
- 반도체 스위칭 회로에 의한 효율이 높아 전력절감 효과가 크다.
- 진공가열 등 분위기 제어가 용이하고 고전압에 의한 감전사고가 없다.
- 기존 생산라인에 부설이 용이하다.
- 제품의 변형과 스케일이 없는 고품질을 보장한다.
- 연기나 그을음에 대한 오염과 소음이 없어 쾌적한 작업환경을 유지한다.
- 작업준비 시간이 극히 짧아 생산성 향상이 있다.
- 시간제어, 출력제어, 온도제어가 간편하여 자동화에 적합하다.
- 안전하고, 소모성 부품이 없으며 수명이 반영구적이라 A/S가 용이하다.
- 다양한 출력과 폭넓은 주파수를 선택할 수 있다.
- 설치 면적을 최소화할 수 있다.
- 초보자도 쉽게 조작이 가능하다.
유도 가열기의 장비 형태
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주 드라이브 제어 소자 및 방식에 의한 분류
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불꽃거리 발전기 장치
불꽃거리 발전기는 고주파 전류를 발생하는 가장 초기의 방법 중에 하나다.
이러한 형태의 장비는 5~50KW 정도이며 출력 주파수는 25,000~250,000KHz에서 운전된다.
또한 크기가 고정적이지 않고 입력 전력비에 따라 대략 50% 정도의 효율을 가지고 있어서 다른 장비의 50%에서 25%정도의 효율과 비교가 된다. 정확한 효율을 얻기 위해서는 연속적인 불꽃거리가 알맞아야 되며 준비기간 동안에 전력소비는 모터발전기에 비해 낮다.
현재는 거의 사용되지 않는다.
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모터 발전기 장치
모터 발전기는 2,000~9,600 C.P.S 저주파에서 열을 발생하며 5~500KW의 출력에서 유용할 수 있다.
이러한 장비의 거의 모든 주파수에서 깊은 통과 깊이의 가열이 일어난다.
따라서 이러한 장비들은 깊은 단조를 요구하거나, 봉 전체를 가열하는 단조 등에서 매우 폭넓게 사용하고 있다. 작동할 때 모터 발전기는 연속해서 3,600RPM에서 보통 운전된다.
현재는 사용 예가 드물다.
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DC 전원방식
DC 전원을 이용하여 금속을 유도가열하는 새로운 방법이다.
예를 들면 DC 모터나 발전기에서 아마튜어 대신에 실린더 형상의 금속을 넣고 자장 내에서 회전시키면 전자력이 발생한다. 여기에서 발생된 전류는 회전하는 금속 내에서 축 방향으로 흐르게 되며 발열원이 된다.
이러한 전압은 금속 코어를 정지시켜 놓고 양극을 회전시켜도 발생시킬 수 있다. 특수한 용도에 국한해 사용된다.
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진공관 (Vacuum Tube)
진공관은 히터를 가열하여 열전자를 발생, 제어하는 관으로서 수명은 2,000~5,000시간 정도이며 예열이 필요하고 시간이 지남에 따라 성능 저하가 일어난다.
수 KHz에서 수십 MHz까지 주파수 사용 범위가 넓다.
① 수명저하의 원인 : 진공도 저하, 절연 저항 파괴, 2차 전자 방출, 음극의 열화 등이다.
② 수명 종료의 원인 : 히터 단선, 기계적 파손, 양극 손실 초과로 용융, 그릿드 파손 등이며 진공관은 고전압을 인가하여 사용하므로 위험하며 발진기의 덩치가 커지고 사용 방법에 여러가지 제약(냉각방법, 고정방법 등)이 많으며 가격이 비싸고 효율이 낮다.
③ 수 KW에서 수백 KW까지 용량 범위가 다양하다.
④ 특수한 용도 이외에는 사용이 차츰 줄어들고 있다.
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SCR (Sillicon Controlled Rectifier)
일명 다이리스터(Thyristor)라 불리며 실리콘 반도체 소자이다.
① 고전압 대전류의 제어가 용이하다.
② 수명은 반영구적이고 신뢰성이 높다.
③ 소형 경량이다.
④ 게이트 신호가 소멸해도 ON 상태를 유지할 수 있다.
⑤ 주파수 특성은 좋지 않으나 대전류 제어가 비교적 쉬우므로 수백 Hz에서 10KHz 대의 주파수 영역에 적합한 소자이다.
⑥ 비교적 대용량에 많이 사용된다.
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IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Power MOS FET의 고속 Switching 성능과 Bipolar Transistor의 고전압, 대전류 처리 능력을 함께 가진 소자이다.
① 전압제어 소자이므로 저전력으로 드라이브가 가능하며 고속 제어가 가능하다.
② 수명은 반영구적이며 대전력의 고주파화가 가능하다.
③ 수 KHz에서 수십 KHz 영역에 적합한 소자이다.
④ 중,대용량에 적합한 소자로서 사용이 확대되고 있다.
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FET (Field Effect Transistor)
① IGBT와 같은 전압제어 소자이므로 Gate Drive를 IGBT와 병용 할 수 있다.
② 고주파 특성은 IGBT보다 좋으나 대전압 대전류의 소자가 IGBT 만큼 준비되어 있지 못하다.
③ 수십 KHz에서 수백KHz 영역에 적합한 소자이다.
④ 소용량에 사용이 많다.
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장비 제조 형태에 의한 분류
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C/T BOX 장착에 의한 분류
① C/T BOX 내장형 : 본체 내부에 C/T BOX가 장착된 형태이며 본체와 가열체의 위치가 가깝고 위치 변동이 필요 없는 경우 적합한 방식이다. 설치가 간단하고 외관이 간소하다.
② C/T BOX 외장형 : 본체 외부에 C/T BOX가 장착되어 가열체에 가깝게 Work Coil의 위치 변경을 쉽게 할 수 있으며 Work Coil을 짧게 하여도 되므로 효율을 높일 수 있는 구조이다.
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냉각 방식에 의한 분류
① 수냉식 : 본체 및 Work Coil을 물로 냉각시키는 방식이다.
② 공냉식 : 본체는 공기로 Work Coil은 물로 냉각시키는 방식이다. 본체를 공기로 냉각시키므로 물로 인한 스케일등의 트러블을 줄일 수 있다.
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출력제어 방식에 의한 분류
① 초퍼 제어 방식 : 출력을 단속적으로 ON/OFF하여 출력을 제어하는 방식으로 응답속도가 빠르고 제어 성능이 뛰어나다. 5KW 이하의 전력에 적합하다.
② 위상 제어 방식 : AC를 사이리스터(Thyristor)로 위상을 제어하여 출력을 제어하는 방식으로 응답이 늦고 소음이 있으며 부피가 크다. 5KW 이상의 전력에 적합하다.
고주파 가열기의 선택 방법
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고주파 가열의 용도 선택
열처리, 용융, 접합, 삽입, 예열, 실험 등
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가열체의 이동, 고정, 회전 방법
코일의 크기, 방향, 위치 등
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고주파 유도가열기의 장비형태
- 드라이브 소자 및 제어방식
- C/T BOX 내장, 외장
- 냉각방식
- 출력 제어 방식
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유도가열기의 설치 장소의 조건
- 입력전압, 전류
- 온도조건, 환기상태
- 냉각기 및 본체 설치 장소
- 본체와 가열 코일과의 거리
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고주파 가열기의 용량 및 주파수 산정
- 가열 재료의 종류
- 가열 재료의 크기
- 가열 재료의 무게
- 가열 재료의 외형
- 가열 재료의 가열 시간
- 가열 재료의 온도, 상승 속도
- 가열 재료의 침투 깊이
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가열기 제작 전 주문사항
- 기기 정지시 미치는 영향
- 기기 가동시 다른 전자 기기에 미치는 영향
- 가열 대상의 특징 및 유의사항
- 외부 온도제어 방법 및 출력 조절 방법
- 에러 발생시 처리 순서
고주파 유도가열기는 업체마다 가격, 용량, 주파수, 기계크기, 내구성 특징 등이 다른 제품이 많으므로 목적과 필요에 맞는 이상적인 제품을 선정하여야 한다. 또, 기계의 안착위치, 전력사정, 냉각수 처리 등의 점검도 잊지 말아야 한다.
