การเหนี่ยวนำความร้อน

ข้อมูลตำแหน่ง

กำลังโหลดแผนที่... {"minzoom":false,"maxzoom":false,"mappingservice":"leaflet","width":"auto","height":"200px","centre":false,"title":"","label":"","icon":"","lines":[],"polygons":[],"circles":[],"rectangles":[],"copycoords":false,"static":false,"zoom":1,"defzoom":14,"layers":["OpenStreetMap"],"image เลเยอร์":[],"โอเวอร์เลย์":[],"ปรับขนาดได้":false,"เต็มหน้าจอ":false,"scrollwheelzoom":true,"cluster":false,"clustermaxzoom":20,"clusterzoomonclick":true,"clustermaxradius":80,"clusterspiderfy":true,"geojson":"","clickta rget":"","imageLayers":[],"locations":[{"text":"","title":"","link":"","lat":44.2306861111111111813443130813539028167724609375,"lon":-76.48132222222221798801911063492298126220703125,"icon":""}],"imageoverlays":null} -− แผ่นพับ | © OpenStreetMap

ที่ตั้ง

คิงส์ตัน , แคนาดา

การประมวลผลวัสดุในระดับมหภาคจำนวนมากเกี่ยวข้องกับการเพิ่มอุณหภูมิ^Wของชิ้นงานด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง การทำงานกับวัสดุที่อุณหภูมิที่สูงขึ้นนี้ ซึ่งวัสดุจะมีความเหนียวมากขึ้น จึงต้องใช้พลังงานน้อยลงในการทำให้เสียรูป จากนั้นจึงทำให้ชิ้นงานเย็นลงสู่อุณหภูมิห้อง (โดยปกติ) ตัวอย่างของกระบวนการที่ปฏิบัติตามแนวคิดนี้ ได้แก่:

• การเชื่อม: การให้ความร้อนโลหะหนึ่งชิ้นจนถึงจุดหลอมเหลวและยึดติดเข้ากับโลหะชิ้นอื่นอย่างถาวร
• การอบอ่อน^W : กระบวนการอบชุบด้วยความร้อนซึ่งผลิตโครงสร้างจุลภาคเฉพาะ^Wโดยการกำจัดการเสียรูปพลาสติกในโครงสร้างจุลภาคพร้อมทั้งเพิ่มความนุ่มและความเหนียวและลดความเหนียวของชิ้นงาน^[1]
• การประกอบแบบหดตัว: การให้ความร้อนกับวัตถุชิ้นหนึ่งเพื่อขยายรูที่ส่วนอื่นจะถูกบีบเข้าไป จากนั้นส่วนผสมที่ได้จะถูกทำให้เย็นลง และส่วนที่สองจะยังคงอยู่ในส่วนโฮสต์ วิธีนี้มักใช้กับระยะห่างที่แน่นหนาหรือการยึดติดแน่นระหว่างชิ้นส่วน

การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ^W (IH) ใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าสลับเพื่อเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้าในชิ้นงานตามที่ทำนายไว้ใน กฎ ของฟาราเดย์และ กฎ ของเลนซ์กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะเพิ่มอุณหภูมิเนื่องจากความร้อนจูล^Wจากความต้านทานภายในของชิ้นงาน ซึ่งทำได้โดยใช้วิธีการให้ความร้อนหลายวิธีตามที่กล่าวถึงในเอกสารนี้

อุณหภูมิที่เข้าถึงได้ในตัวอย่างที่มีสภาพนำไฟฟ้าสามารถควบคุมได้อย่างแม่นยำด้วยตัวแปรหลายตัว รวมถึง:

• องค์ประกอบ: องค์ประกอบของวัสดุจะกำหนดคุณสมบัติทางกายภาพของตัวอย่าง เช่น ความจุความร้อน การนำความร้อน การนำไฟฟ้า ความหนาแน่น ฯลฯ
• เรขาคณิต: ขนาดของชิ้นงาน (ความยาว ความกว้าง และความสูง) รวมถึงหน้าตัดที่ซับซ้อนและความหนาของผนังชิ้นส่วนกลวงจะกำหนดอุณหภูมิที่จะเกิดขึ้น
• สนามเหนี่ยวนำ: ความถี่และความแรงของสนามสลับจะกำหนดกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในชิ้นงาน และความร้อนที่เกิดขึ้น

ทางเลือกอื่นสำหรับการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำที่มีอยู่ในปัจจุบัน ได้แก่ เตาเผาแก๊สซึ่งมีขนาดใหญ่และมีราคาแพงในการก่อสร้างและใช้งานอย่างมีประสิทธิภาพ และเหมาะสำหรับการให้ความร้อนกับชิ้นงานทั้งหมดเท่านั้น ไม่ใช่เฉพาะบริเวณเป้าหมายการประมวลผลด้วยไมโครเวฟซึ่งสามารถเจาะลึกได้ในระดับที่ลึกกว่า แต่มีอุณหภูมิและอัตราการให้ความร้อนที่ต่ำกว่าการชุบแข็งด้วยเลเซอร์ซึ่งรวมพลังงานความร้อนไว้ที่จุดใดจุดหนึ่ง (เป้าหมายมีขนาดเล็กกว่าการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ) แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่า การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำมีข้อดีคือสามารถให้ความร้อนกับเป้าหมายได้หลากหลาย (ขนาด รูปร่าง ความซับซ้อน ฯลฯ) อัตราการให้ความร้อนที่สูง และให้ผลลัพธ์ที่ทำซ้ำได้

สามารถดูวิดีโอคลิปที่ยอดเยี่ยมซึ่งแสดงการทำงานของ IH ได้ที่นี่รูปที่ 1 ยังแสดงแผนผังแบบง่ายของอุปกรณ์ที่ใช้ด้วย อุปกรณ์นี้จะอธิบายอย่างละเอียดในหัวข้อต่อไปนี้

ข้อมูลพื้นฐาน

การเหนี่ยวนำความร้อน

เครื่องทำความร้อนเหนี่ยวนำทั่วไปมีส่วนประกอบ 3 ส่วน:

• แหล่งกำเนิดไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูง: ความถี่สัญญาณทั่วไปมักจะอยู่ระหว่าง 5-30kHz สำหรับวัสดุหนาหรือการเจาะลึก ในขณะที่ 100-400kHz ใช้สำหรับชิ้นส่วนที่บางกว่าหรือการเจาะตื้น (เช่น การบำบัดพื้นผิว การชุบแข็งผิว) ^[2]
• คอยล์งาน: เรียกอีกอย่างว่าขดลวดเหนี่ยวนำ สนามแม่เหล็กจะถูกสร้างขึ้นที่จุดศูนย์กลางเมื่อกระแสไฟฟ้า AC ถูกส่งผ่านขดลวดงานตัวนำ
• ชิ้นงาน : วางไว้ตรงกลางขดลวดชิ้นงาน ชิ้นงานจะต้องสามารถนำไฟฟ้าได้ มิฉะนั้นจะไม่เกิดความร้อน

เมื่อกระแสไฟฟ้าสลับความถี่สูงผ่านขดลวดทำงานของเครื่อง จะเกิดสนามแม่เหล็กขึ้น ไหลผ่านศูนย์กลางของขดลวดทำงาน สนามแม่เหล็กนี้จะเหนี่ยวนำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านชิ้นงานที่นำไฟฟ้าได้ซึ่งจะถูกให้ความร้อน ความเรียบง่ายของขั้นตอนนี้ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้ได้หลากหลาย เช่น การอบชุบด้วยความร้อนพื้นผิว การฆ่าเชื้ออุปกรณ์ทางการแพทย์และอุปกรณ์อื่นๆ การขึ้นรูปด้วยความร้อน การบัดกรี การอบให้แห้ง การหดตัว

การเกิดความร้อน

ขดลวดงานและชิ้นงานรวมกันนั้นประกอบขึ้นเป็นหม้อแปลงไฟฟ้าแบบทั่วไป^Wกระแสน้ำวน^Wเกิดขึ้นในชิ้นงาน (ขดลวดรอง) โดยสนามแม่เหล็กจากขดลวดงาน (ขดลวดหลัก) แต่เนื่องจากชิ้นงานถูกแยกทางไฟฟ้า (กล่าวคือ เกิดไฟฟ้าลัดวงจร) กระแสเหล่านี้จึงถูกกระจายออกไปด้วยความร้อนแบบจูล ส่งผลให้อุณหภูมิเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว

โดยทั่วไปแล้ว กระแสไฟฟ้าจะถูกบังคับให้ไหลผ่านชั้นบางๆ บนพื้นผิวของชิ้นส่วน ทำให้เกิด "เอฟเฟกต์ผิว" ซึ่งเป็นสาเหตุของความร้อนที่เกิดขึ้นในชิ้นงาน^[3]เนื่องจากเส้นทางที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านนั้นถูกจำกัด (เมื่อเปรียบเทียบกับการปล่อยให้ไหลผ่านหน้าตัดทั้งหมดของชิ้นงาน) ความต้านทานจึงเพิ่มขึ้นอย่างมาก ส่งผลให้มีจูลที่ร้อนขึ้นและอุณหภูมิที่สูงขึ้น

สำหรับ วัสดุ ^ที่มีธาตุเหล็กเป็นองค์ประกอบ กระแสวนสลับจะสร้างและสลายแม่เหล็กอะตอมของเหล็กในโครงตาข่ายผลึกอย่างต่อเนื่อง การสลับที่คงที่นี้ก่อให้เกิดความร้อนในปริมาณที่ค่อนข้างมากเนื่องจากการสูญเสียแรงเสียดทานที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่สลับเหล่านี้ การให้ความร้อนด้วยกลไกนี้เรียกว่าการให้ความร้อนแบบฮิสเทอรีซิส เนื่องจากพลังงานที่สูญเสียไป (อย่างไม่สามารถย้อนกลับได้) เกิดจากการโหลดและขนถ่ายคุณสมบัติแม่เหล็กของอะตอมแต่ละอะตอม กระบวนการนี้เกิดขึ้นที่อุณหภูมิประมาณ 700ᵒC (อุณหภูมิเคอร์รี) ในเหล็ก ซึ่งหากเกินกว่านั้น เหล็กจะสูญเสียคุณสมบัติแม่เหล็กไป^[3]อุณหภูมิ A ที่สูงกว่าอุณหภูมิเคอร์รี มีเพียงกระแสวนและเอฟเฟกต์ผิวเท่านั้นที่รับผิดชอบต่อการสร้างความร้อน ดังนั้น อัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจึงช้าลงเหนืออุณหภูมิเคอร์รี เนื่องจากวิธีการสร้างความร้อนวิธีหนึ่งถูกยกเลิกไป

ควรสังเกตว่าแม้จะมีความคล้ายคลึงกันหลายประการระหว่างเครื่องทำความร้อนเหนี่ยวนำและหม้อแปลงทั่วไป แต่ความแตกต่างที่ชัดเจนระหว่างทั้งสองคือสิ่งที่ทำให้ทั้งสองทำหน้าที่ของมัน มีขั้นตอนมากมายในการออกแบบหม้อแปลงเพื่อลดความร้อนที่เกิดขึ้นในแกนซึ่งหมายถึงพลังงานไฟฟ้าที่สูญเสียไปหรือพลังงานที่สูญเปล่า ลองเปรียบเทียบกับเครื่องทำความร้อนเหนี่ยวนำซึ่งพลังงานความร้อนจะถูกใช้ในการทำความร้อนแบบจูลและแรงดันไฟฟ้าที่เหลือที่ปลายวงจรเป็นพลังงานที่สูญเปล่าโดยพื้นฐาน (กล่าวคือ ไม่กระจายเป็นความร้อน) โดยพื้นฐานแล้ว เครื่องทำความร้อนทั้งสองมีโครงสร้างที่คล้ายกัน แต่มีเป้าหมายที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง

เครื่องทำความร้อนแบบซัปเซ็ปเตอร์

ข้อกำหนดประการหนึ่งสำหรับการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำคือชิ้นงานที่จะให้ความร้อนต้องเป็นวัสดุที่นำไฟฟ้าได้ ซึ่งไม่รวมวัสดุหลายชนิด เช่น พอลิเมอร์และเซรามิกส์ เพื่อแก้ปัญหานี้ อาจเพิ่มตัวรับหรือวัตถุโลหะลงในวัตถุที่ไม่นำไฟฟ้านี้เพื่อให้เกิดความร้อนประเภทนี้ได้ ตัวอย่างเช่น อาจวางพอลิเมอร์ที่จะหลอมละลายไว้ในภาชนะโลหะ แล้วเพิ่มอุณหภูมิของภาชนะโลหะให้ถึงจุดหลอมเหลวของพอลิเมอร์ ภาชนะจะได้รับความร้อนโดยการเหนี่ยวนำในขณะที่ความร้อนจะถูกถ่ายเทไปยังพอลิเมอร์โดยการนำไฟฟ้า วัสดุตัวรับทั่วไปได้แก่ กราไฟต์ โมลิบดีนัม ซิลิกอนคาร์ไบด์ สเตนเลสสตีล ไนโอเบียม อะลูมิเนียม และวัสดุนำไฟฟ้าอื่นๆ เกือบทั้งหมด วัสดุตัวรับที่เหมาะสมจะถูกเลือกสำหรับแต่ละการใช้งาน และจะตัดสินใจตามต้นทุน ความต้องการความร้อน ความสามารถในการนำกลับมาใช้ใหม่ และปัจจัยอื่นๆ^[2]ปัจจัยสำคัญประการหนึ่งในการเลือกตัวรับคือจุดหลอมเหลวของวัสดุตัวรับต้องต่ำกว่าอุณหภูมิการประมวลผลของวัสดุงานที่จะให้ความร้อนภายใน

ส่วนประกอบไฟฟ้าและข้อควรพิจารณา

ระบบควบคุมไฟฟ้าและระบบจ่ายไฟที่เกี่ยวข้องกับเครื่องทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำอาจค่อนข้างซับซ้อนเนื่องจากข้อกำหนดในการส่งกระแสไฟฟ้าของส่วนประกอบต่างๆ วงจรเหนี่ยวนำ-ตัวเก็บประจุ (วงจร LC) หรือวงจรเรโซแนนซ์ใช้เพื่อให้แน่ใจว่าฟังก์ชันไซน์ของความถี่เฉพาะจะเชื่อมต่อกับคอยล์งาน ซึ่งจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพไฟฟ้าของอินเวอร์เตอร์ วงจรนี้สามารถเชื่อมต่อกับคอยล์เหนี่ยวนำได้ 2 วิธีดังต่อไปนี้:

• การเชื่อมต่อแบบอนุกรม:การเชื่อมต่อวงจร LC แบบอนุกรมกับคอยล์ทำงานจะสร้างสัญญาณเอาต์พุตแบบไซน์ตามต้องการที่กระแสไฟฟ้าต่ำ ซึ่งหมายความว่าต้องใช้คอยล์จำนวนมากของคอยล์ทำงานเพื่อให้ได้สนามแม่เหล็กที่แรงและกระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำและอุณหภูมิที่สูง พลังงานความร้อนจะเพิ่มขึ้นเนื่องจากลักษณะการสั่นพ้องของวงจรซึ่งเพิ่มแรงดันไฟฟ้าเมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งต้องอยู่ใกล้อินเวอร์เตอร์และคอยล์ทำงานเพื่อลดการสูญเสียในส่วนประกอบไฟฟ้าที่เหลือให้น้อยที่สุด วงจรนี้แสดงไว้ในรูปที่ 2a
• การเชื่อมต่อแบบขนาน:การเชื่อมต่อวงจร LC ขนานกับคอยล์ทำงานยังทำให้เกิดสัญญาณเอาต์พุตแบบไซน์ตามต้องการ แต่ด้วยกระแสที่สูงขึ้นสำหรับการสูญเสียปริมาณเท่ากัน (กล่าวคือ ประสิทธิภาพไฟฟ้าเท่ากัน) ในการกำหนดค่านี้ ตามที่แสดงในรูปที่ 2b ตัวเก็บประจุจะรับกระแสบางส่วนในขณะที่ปล่อยให้แรงดันไฟฟ้าตกมากเหนือตัวเหนี่ยวนำ วิธีนี้ช่วยลดกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำได้อย่างมีประสิทธิภาพในขณะที่ยังคงพลังงานเหนี่ยวนำเท่าเดิม นอกจากนี้ยังช่วยลดการสูญเสียในตัวเหนี่ยวนำได้อย่างมาก ทำให้ตัวเหนี่ยวนำและแหล่งสัญญาณอยู่ห่างกันมากขึ้น

• 

  รูปที่ 2a: วงจร LC โดยมีตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเชื่อมต่อแบบอนุกรม^[3]

• 

  รูปที่ 2b: วงจร LC พร้อมตัวเหนี่ยวนำและความจุเชื่อมต่อแบบขนาน^[3]

ระบบไฟฟ้ายังมีคุณสมบัติอื่นๆ อีกหลายประการที่ต้องปรับให้เหมาะสม ซึ่งจะต้องดำเนินการตามกฎที่ควบคุมระบบไฟฟ้า ซึ่งรวมถึง: การจับคู่อิมพีแดนซ์ของส่วนประกอบระหว่างตัวเหนี่ยวนำและคอยล์งานเพื่อกระตุ้นกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่เป็นไปได้ในชิ้นงานในขณะที่รักษากระแสไฟฟ้าต่ำ (และแรงดันไฟฟ้าสูง) ในตัวเหนี่ยวนำ การป้องกันความปลอดภัยและกระแสไหลย้อนในตัวเพื่อป้องกันอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ละเอียดอ่อนอื่นๆ วิธีการควบคุมพลังงาน องค์ประกอบการผลิตและการควบคุมไฟฟ้าทั้งหมดของระบบอยู่นอกเหนือขอบเขตของบทความนี้

การอบอ่อน

เอกสารนี้เดิมทีวางแผนไว้ว่าจะครอบคลุมถึงกระบวนการอบอ่อนด้วยการเหนี่ยวนำ โดยใช้การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำเพื่อเพิ่มอุณหภูมิของชิ้นงานให้ถึงอุณหภูมิการอบอ่อนแทนที่จะใช้วิธีการปัจจุบัน ซึ่งโดยทั่วไปคือเตาเผาที่ใช้ก๊าซเป็นเชื้อเพลิง ประโยชน์ของการใช้การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำก็คือสามารถให้ความร้อนได้ในอัตราที่สูงขึ้น และสามารถกำหนดเป้าหมายกระบวนการนี้เฉพาะที่บริเวณใดบริเวณหนึ่งของชิ้นงานได้ (เช่น อบอ่อนเฉพาะปลายด้านหนึ่งของแท่งโลหะ แทนที่จะอบทั้งแท่ง) ประโยชน์ของเตาเผาก็คือสามารถอบชิ้นงานทั้งหมดที่อุณหภูมิเดียวกันในเวลาเดียวกัน ส่งผลให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่สม่ำเสมอ แต่ต้องใช้พลังงานและเวลามากขึ้นสำหรับกระบวนการนี้ ส่วนต่อไปนี้จะสรุปเหตุผลในการอบอ่อนวัตถุโดยใช้วิธีการใดๆ และกลไกที่ใช้โดยย่อ

มีสามขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการอบอ่อน^W :

• การเพิ่มความร้อน: เพิ่มอุณหภูมิตามอัตราที่กำหนดไปยังอุณหภูมิการอบ
• การแช่: ทิ้งตัวอย่างไว้ที่อุณหภูมิการอบอ่อนจนกว่าจะได้โครงสร้างจุลภาคที่ต้องการ
• การทำให้เย็นลง: โดยทั่วไปจะกลับสู่อุณหภูมิห้อง

อัตราและระยะเวลาของแต่ละขั้นตอนสามารถเปลี่ยนแปลงได้เพื่อผลิตโครงสร้างและคุณสมบัติทางกายภาพที่แตกต่างกันอย่างมากจากตัวอย่างวัสดุเดียวกัน ตัวแปรทั้งหมด (เช่น เวลา อุณหภูมิ แรงดัน บรรยากาศ เป็นต้น) จะต้องได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวังตลอดกระบวนการเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายตามต้องการ นอกจากนี้ ไม่มีการผสมผสานตัวแปรเหล่านี้ที่ดีที่สุดเพียงตัวเดียว ตัวแปรเหล่านี้จะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการกำหนดค่าการประมวลผลเฉพาะแต่ละรายการ

อุณหภูมิที่สูงขึ้นของกระบวนการอบอ่อนจะเพิ่มการเคลื่อนที่ของอะตอมและทำให้โครงตาข่ายผลึกผ่อนคลาย^ซึ่งจะทำให้อะตอมและข้อบกพร่องแพร่กระจายผ่านโครงตาข่าย ทำให้ขนาดเกรนเพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้ความเหนียวลดลง ในขณะเดียวกันก็เพิ่มความเหนียวและความนุ่ม จำนวนข้อบกพร่องทั้งหมดลดลง ในขณะที่ข้อบกพร่องที่เหลือจะรวมกันอยู่ในรูปแบบพลังงานต่ำสุด โครงสร้างจุลภาคที่ได้จะเป็นโครงสร้างที่ง่ายต่อการทำงานจากมุมมองของการผลิต (กล่าวคือ ง่ายต่อการกลึง ปั๊ม หรือรีดเนื่องจากการสึกหรอของเครื่องมือน้อยลง ใช้พลังงานน้อยลง เป็นต้น)

การเพิ่มประสิทธิภาพ

สิ่งกีดขวาง

นักวิจัยชาวเกาหลีได้ทำการวิเคราะห์การคำนวณสามมิติของกระบวนการเชื่อมเหนี่ยวนำความถี่สูง (HFIW) ซึ่งรวมถึงการทำแผนที่กิจกรรมแม่เหล็กไฟฟ้าและการกระจายกระแสน้ำวนที่เกิดขึ้น การให้ความร้อนแบบจูล การนำความร้อน และการกระจายอุณหภูมิ^[5]การวิเคราะห์สรุปได้ว่าการรวมตัวขัดขวาง – ปลั๊กแข็งที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำที่เสียบเข้าในศูนย์กลางกลวงของเพลาที่จะเชื่อม – กระแสน้ำวนสามารถโฟกัสไปที่พื้นผิวที่ต้องการของชิ้นงาน ทำให้อุณหภูมิในพื้นที่เพิ่มขึ้น ซึ่งหมายความว่าสามารถใช้พลังงานน้อยลงเพื่อให้ได้อุณหภูมิเท่ากันหรือสามารถบรรลุอุณหภูมิที่สูงขึ้นได้โดยใช้ต้นทุนพลังงานเท่ากัน

วัสดุที่เป็นวัสดุกันซึมโดยทั่วไปคือเฟอร์ไรต์ เนื่องจากมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ ต้นทุนค่อนข้างต่ำ และหาได้ง่าย อายุการใช้งานของวัสดุกันซึมเป็นอีกประเด็นสำคัญ และสามารถนำไปใช้ซ้ำได้กี่ครั้ง หากวัสดุกันซึมสัมผัสกับโลหะหลอมเหลว (ซึ่งมักเกิดขึ้นบ่อยครั้งในแอปพลิเคชันที่อุณหภูมิสูงเหล่านี้) ค่าการนำไฟฟ้าต่ำอาจลดลง ความแข็งแรงของวัสดุกันซึมจะลดลงในทิศทางของโลหะหลอมเหลว ส่งผลให้ความหนาแน่นของกระแสวนในบริเวณนั้นและอุณหภูมิลดลง ทำให้ชิ้นงานมีตำหนิและต้องทิ้งวัสดุกันซึม เพื่อป้องกันไม่ให้วัสดุกันซึมละลาย โดยปกติแล้ววัสดุกันซึมจะทำการระบายความร้อนด้วยของเหลว โดยให้กระแสน้ำเย็นและน้ำร้อนไหลออกจากปลายท่อเดียวกัน

รูปที่ 3 แสดงการกำหนดค่าของตัวกั้นแบบทั่วไป โปรดสังเกตลูกกลิ้งที่ดันพื้นผิวที่ม้วนของท่อเข้าด้วยกันเพื่อสร้างรูปทรงกระบอกในขณะที่กระแสน้ำวนจะรวมศูนย์อยู่ที่รอยเชื่อม หรือที่หน้าที่จะมาบรรจบกันตามแนวรอยเชื่อม การเชื่อมจะเกิดขึ้นจากการรวมกันของอุณหภูมิ (เนื่องจากความร้อนจูลของกระแสน้ำวนที่รวมศูนย์ตามพื้นผิวเหล่านี้) และแรงดัน (เนื่องจากลูกกลิ้งบังคับให้รอยเชื่อมติดกัน)

การวิจัยนี้ยังให้ผลความสัมพันธ์ต่อไปนี้ระหว่างพารามิเตอร์ต่างๆ และผลกระทบต่อชิ้นงาน: ^[5]

• ความหนาแน่นของกระแสวนและอุณหภูมิพื้นผิวเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเมื่อมีการรวมตัวขัดขวาง นอกจากนี้ ตัวขัดขวางที่มีขนาดใหญ่กว่าจะส่งผลต่อความหนาแน่นของกระแสวนที่พื้นผิวของวัสดุได้มากขึ้น อย่างไรก็ตาม หากตัวขัดขวางมีขนาดใหญ่เกินไปและสัมผัสกับโลหะหลอมเหลว ก็จะต้องทิ้งไป
• การใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูงจะช่วยเพิ่มอุณหภูมิ โดยสังเกตได้จากการผลิตโลหะหลอมเหลวที่เพิ่มมากขึ้น
• เมื่อถึงอุณหภูมิที่สูงขึ้น อัตราการเคลื่อนที่ของขดลวดเหนี่ยวนำจะต่ำลงเมื่อเทียบกับชิ้นงาน
• พบว่าความหนาแน่นและอุณหภูมิของกระแสน้ำวนจะสูงสุดในท่อที่มีผนังบาง (กล่าวคือ ชิ้นงานที่มีขนาดเล็กกว่า) และมีค่าสูงสุดโดยเฉพาะที่จุดบนชิ้นงานที่อยู่ตรงกับจุดศูนย์กลางของขดลวดงาน

จากการศึกษาเชิงตัวเลข พบว่าการรวมอุปกรณ์ขัดขวางเข้ากับอุปกรณ์ HFIW จะทำให้กระแสวนสูงสุดที่เกิดขึ้นมีลำดับเท่ากับ 10 เท่าของกระแสที่เกิดขึ้นโดยไม่มีอุปกรณ์ขัดขวาง ในทำนองเดียวกัน อุณหภูมิสูงสุดที่บรรลุได้จะสูงกว่าสองเท่าของอุณหภูมิที่บรรลุได้โดยไม่มีอุปกรณ์ขัดขวาง^[5]โดยการโฟกัสกระแสวนในชิ้นงานที่ตำแหน่งที่สนใจ จะใช้พลังงานน้อยลงเพื่อให้ได้โปรไฟล์อุณหภูมิที่เท่ากัน หรือใช้พลังงานเท่ากันเพื่อให้ได้อุณหภูมิที่สูงขึ้น

เครื่องมือทดสอบ

มักเป็นที่พึงปรารถนาที่จะทดสอบผลของอินพุตหลายตัวต่อวัตถุที่ทำงานภายใต้เงื่อนไขที่ซับซ้อน ตัวอย่างเช่น การทดสอบการไหล-ความล้ามักใช้กับใบพัดกังหันที่ทำงานภายใต้อุณหภูมิสูงและมักอยู่ภายใต้ภาระทางกลสูงอันเนื่องมาจากการไล่ระดับความดัน ความเร็วเชิงมุมสูง และแรงไฮโดรไดนามิก วิธีการที่แม่นยำและทำซ้ำได้ในการส่งผลต่อความร้อนของชิ้นงานทดสอบคือการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ^[6]ความต้องการพลังงานต่ำ การหลีกเลี่ยงอุปกรณ์การนำไฟฟ้าที่ซับซ้อน และการเพิ่มประสิทธิภาพในการให้ความร้อนในบริเวณเฉพาะของใบพัดเป็นข้อดีบางประการที่มีอยู่ในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำซึ่งการทดสอบความร้อนใช้ประโยชน์ได้ อุปกรณ์ที่ไม่เกะกะนี้ติดตั้งได้ง่ายและเหลือพื้นที่ให้มองมากมายเพื่อสังเกตผลกระทบของความร้อนและแรงอื่นๆ ที่มีต่อชิ้นงานในขณะที่เกิดขึ้น (ซึ่งแตกต่างจากการทดสอบในเตาอบที่มีฉนวน เช่น)

การเหนี่ยวนำความร้อนด้วยสารกึ่งตัวนำ

ย้อนกลับไปเมื่อปี 1990 เซมิคอนดักเตอร์ได้ปฏิวัติอุตสาหกรรมการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ^[7]แทนที่สนามแม่เหล็กจะสลับกันตามระบบการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำทั่วไป (เกิดจากกระแสไฟฟ้าสลับที่ไหลผ่านขดลวดเหนี่ยวนำ) ชิ้นงานจะหมุนในสนามแม่เหล็กสถิตย์ที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟฟ้าตรงผ่านเซมิคอนดักเตอร์ที่เย็นลงเหลือประมาณ 30 K ^[7]กระแสน้ำวนจะเกิดขึ้นในชิ้นงานเมื่อสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไปตามทิศทางของชิ้นงานเท่านั้น ดังนั้น ชิ้นงานจะต้องหมุนในสนามแม่เหล็กสถิตย์เพื่อเหนี่ยวนำกระแสไฟฟ้า ข้อดีของเทคโนโลยีนี้ ได้แก่ การไล่ระดับความร้อนที่น้อยลง กระแสน้ำวนสามารถทะลุผ่านได้มากขึ้น ซึ่งทำให้ความร้อนจากพื้นผิวถึงแกนกลางมีความสม่ำเสมอมากขึ้น โปรไฟล์ความร้อนและอุณหภูมิจุดจากชิ้นงานหนึ่งไปยังอีกชิ้นงานหนึ่งที่ทำซ้ำได้มาก ความทนทานที่เพิ่มขึ้นของแหล่งสนามแม่เหล็กเนื่องจากไม่เคลื่อนที่และไม่สัมผัสกับอุณหภูมิสูงที่เกิดขึ้น ทั้งหมดนี้ในขณะที่ลดการปรับที่จำเป็นจากชิ้นงานหนึ่งไปยังอีกชิ้นงานหนึ่งและใช้พลังงานน้อยลง ข้อเสียบางประการที่เกี่ยวข้องกับเทคโนโลยีนี้คืออุณหภูมิสูงสุดที่ต่ำกว่า เนื่องจากถูกจำกัดด้วยความเร็วในการหมุนของชิ้นงาน ต้องทำการปรับสมดุลชิ้นส่วนที่หมุนให้เสร็จสมบูรณ์สำหรับชิ้นงานแต่ละชิ้น การทำงานกับชิ้นส่วนที่หมุนสองชิ้น (หรือมากกว่า) สำหรับกระบวนการต่างๆ เช่น การเชื่อมหรือการบัดกรีแข็งนั้นยากกว่า

สรุปได้ว่า การใช้สารกึ่งตัวนำสำหรับกระบวนการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานได้ถึง 80% (เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำไฟฟ้ากระแสสลับทั่วไปที่ทำได้เพียง 50%) แต่จำกัดความยืดหยุ่นในการทำงาน นอกจากนี้ ยังต้องเสียสละการประหยัดจากการลงทุนเริ่มต้นเพื่อให้ต้นทุนการดำเนินงานลดลงตลอดอายุการใช้งานของอุปกรณ์

ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นจากการเหนี่ยวนำความร้อน

ความเครียดจากความร้อนหรือช็อกจากความร้อน

นักวิจัยจากแผนกเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เชิงนวัตกรรมของสถาบันวิจัยพลังงานปรมาณูแห่งเกาหลีค้นพบว่าอัตราการให้ความร้อนและความเย็น รวมถึงขนาดทางกายภาพของชิ้นงานมีส่วนทำให้วัสดุมีความแข็งแรงในการรับน้ำหนักความร้อน เมื่ออัตราการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างพื้นผิวและส่วนรวมหรือแกนของชิ้นงานจะเพิ่มมากขึ้น ในกรณีรุนแรง (อัตราการให้ความร้อนสูงถึง 442 K/นาทีขึ้นไป) จะสังเกตเห็นรอยแตกร้าวทะลุผ่านชิ้นงานยูเรเนียมไดออกไซด์ (UO ₂ ) ได้อย่างชัดเจน เนื่องจากอัตราการให้ความร้อนที่สูงทำให้เกิดการไล่ระดับความร้อนได้มาก นอกจากนี้ ผลกระทบจากผิวหนังยังเป็นปัจจัยสำคัญที่ทำให้พื้นผิวมีอุณหภูมิสูง ซึ่งทำให้เกิดการไล่ระดับความร้อนเหล่านี้

ชั้นออกไซด์

ออกไซด์ของโลหะและชั้นออกไซด์ที่ปกคลุมตัวอย่างจำนวนมากทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้า (และแม่เหล็ก) ที่อุณหภูมิห้อง สำหรับตัวอย่างจำนวนมาก นั่นหมายความว่ากระแสไฟฟ้านั้นยากที่จะเหนี่ยวนำในชั้นผิวหนัง และการเหนี่ยวนำความร้อนต้องใช้เวลาและพลังงานจำนวนมากในการเริ่มต้น เพื่อแก้ไขปัญหานี้ ตัวอย่างอาจได้รับการอุ่นล่วงหน้าผ่านกลไกที่เรียกว่า "การหลอมกะโหลกศีรษะ" ซึ่งเกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่างชั้นออกไซด์และแหล่งอุณหภูมิสูง สนามไฟฟ้าความถี่สูงมีอยู่ภายนอกเครื่องนี้ และรับผิดชอบในการให้ความร้อนเมื่ออุณหภูมิของตัวอย่างสูงเพียงพอที่ชั้นออกไซด์จะถูกสนามแม่เหล็กความถี่สูงทะลุผ่านได้

โซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน

การวิเคราะห์บริเวณที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน (Heat Affected Zone: HAZ) หรือบริเวณที่อยู่โดยรอบบริเวณที่เพิ่มความร้อนมักจะมาพร้อมกับขั้นตอนการเชื่อม กระบวนการที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นในการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ ปัญหาที่อาจเกิดขึ้นที่เกี่ยวข้องกับ HAZ คือความไม่แน่นอนที่เกี่ยวข้องกับโครงสร้างจุลภาคที่เกิดขึ้น เนื่องจากความแม่นยำที่ทำได้ด้วยการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ จึงสามารถกำหนดเป้าหมายบริเวณเฉพาะสำหรับการเพิ่มความร้อนสำหรับการบัดกรี การเชื่อม การอบ หรือกระบวนการอื่นๆ ที่ต้องการความร้อน โครงสร้างจุลภาคที่เหลือ (ซึ่งอยู่ห่างจากบริเวณที่เพิ่มความร้อนโดยตรงในระยะห่างที่เพียงพอ) ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง แต่บริเวณที่อยู่โดยรอบบริเวณที่เพิ่มความร้อนโดยตรงจะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย และแสดงถึงความไม่แน่นอนของโครงสร้างจุลภาค ปัจจัยที่มีผลต่อขนาดและผลกระทบของ HAZ ได้แก่: ^[6]

• อัตราการรับความร้อนและความเย็น (อัตราการให้ความร้อนและความเย็นที่เร็วขึ้นทำให้ขนาดของ HAZ ลดลง)
• อุณหภูมิสูงสุดที่เข้าถึงในโซน
• ปัจจัยทางโลหะวิทยา เช่น สารเจือปนหรือธาตุโลหะผสมที่มีอยู่ก่อนแล้ว ขนาดเกรน การเปลี่ยนรูปพลาสติกของโครงสร้างจุลภาค เป็นต้น
• สมบัติทางกายภาพรวมทั้งการนำความร้อนและความจุความร้อนของโลหะ

เนื่องจากการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำจะรวมพลังงานความร้อนไปยังวัสดุที่มีปริมาณน้อยในระยะเวลาอันสั้น (โดยปกติจะอยู่ที่ระดับวินาที แต่บางครั้งอาจยาวนานถึงไม่กี่นาที) HAZ จึงมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับกระบวนการอื่นๆ ซึ่งช่วยให้ชิ้นงานสามารถบรรลุคุณสมบัติที่แตกต่างกันมากในตำแหน่งต่างๆ โดยแทบไม่มีผลกระทบต่อแต่ละภูมิภาค

การใช้พลังงานของการทำความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ

เนื่องจากเทคโนโลยีนี้มีการใช้งานที่หลากหลายและมีวัสดุและการกำหนดค่าชิ้นงานที่เป็นไปได้ จึงไม่สามารถระบุได้ว่าวิธีการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำมีประสิทธิภาพมากกว่าหรือต่ำกว่ากระบวนการอื่นในเปอร์เซ็นต์ใดเปอร์เซ็นต์หนึ่ง อย่างไรก็ตาม มีการเก็บตัวอย่างจากการใช้งานเทคโนโลยีเฉพาะเพื่อประเมินข้อดีทั่วไปในประสิทธิภาพการใช้พลังงานของการให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ ตารางต่อไปนี้แสดงอัตราการใช้พลังงานทั่วไปและประสิทธิภาพสำหรับอุปกรณ์สำหรับแต่ละเทคโนโลยี

• หมายเหตุ 1 - ประสิทธิภาพของการเชื่อม MIG แตกต่างกันอย่างมากตามการใช้งานและผู้ปฏิบัติงาน ตัวแปรอื่นๆ ที่กำหนดประสิทธิภาพ ได้แก่ เทคโนโลยีการแปลงพลังงาน (ในส่วนประกอบของเครื่องเชื่อม) อัตราการเชื่อม (การป้อน) วัสดุชิ้นงาน และอื่นๆ
• หมายเหตุ 2 - พลังงานขาออกสำหรับอุปกรณ์ DC IH นั้นไม่เพียงแต่เกี่ยวข้องกับพลังงานขาเข้าไปยังเซมิคอนดักเตอร์เท่านั้น แต่ยังเกี่ยวข้องกับความเร็วในการหมุนชิ้นงานด้วย เนื่องจากสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นนั้นเป็นแบบคงที่ กระแสไฟฟ้า (และอัตราการถ่ายเทความร้อน) จะถูกควบคุมโดยพลังงานขาเข้าไปยังแม่เหล็ก และกับความเร็วในการหมุนของชิ้นงาน

หากต้องการข้อมูลเฉพาะเพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้พลังงานที่เกี่ยวข้องกับขนาดชิ้นงานและความลึกของการให้ความร้อนที่ต้องการ โปรดคลิกที่นี่

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี

เนื่องจากต้องใช้อุปกรณ์ที่ค่อนข้างเรียบง่าย มีข้อกำหนดเกี่ยวกับคุณสมบัติของชิ้นงานเพียงเล็กน้อย และมีช่วงอุณหภูมิในการทำงานและอัตราการทำความร้อน/ทำความเย็นที่แทบจะไม่มีที่สิ้นสุด รายการการใช้งานเทคโนโลยีนี้จึงยาวมาก โดยมีรายการกระบวนการต่างๆ ดังต่อไปนี้:

• การอบอ่อน : การใช้ความร้อนเหนี่ยวนำเพื่อเพิ่มชิ้นงานให้ถึงอุณหภูมิการอบอ่อน สามารถทำได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ
• การประกอบแบบหดตัว : การใช้ความร้อนเหนี่ยวนำเพื่อทำให้ชิ้นส่วนหนึ่งอ่อนตัวลงและบังคับให้ชิ้นส่วนอีกชิ้นหนึ่งเข้าไปในรู จะทำให้ชิ้นส่วนต่างๆ ประกอบเข้าด้วยกันได้แน่นหนาและแน่นหนา
• การปิดผนึกด้วยความร้อน : การให้ความร้อนกับกาวที่อุณหภูมิต่ำที่ด้านหลังของฟอยล์ปิดผนึกในฝาขวดยาจะทำให้กาวละลายและปิดขวดได้
• การเผาผนึกเซรามิก : การวางผงเซรามิกไว้ในตัวรับเพื่อให้ความร้อนผ่านการเหนี่ยวนำเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนมวลรวมสีเขียวให้เป็นชิ้นงานเผาผนึก^[8]
• เพิ่มการส่งพลังงานเฉพาะ : ความหนาแน่นของพลังงานที่สูงขึ้นสามารถทำได้โดยใช้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำเมื่อเทียบกับเตาเผาที่ใช้แก๊สหรือการนำความร้อน ซึ่งจะช่วยปรับปรุงผลผลิตในกระบวนการต่างๆ เช่น การผลิตซิลิกอน^[9]
• การทำให้บริสุทธิ์แบบโซน : ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ซิลิกอนจะถูกทำให้บริสุทธิ์โดยการเคลื่อนย้ายส่วนของโลหะหลอมเหลวผ่านชิ้นส่วนขนาดใหญ่ ซึ่งสามารถทำได้โดยการเคลื่อนย้ายชิ้นส่วนขนาดใหญ่ผ่านขดลวดเหนี่ยวนำ

ข้อจำกัดที่แท้จริงเพียงประการเดียวในการให้ความร้อนวัสดุโดยการเหนี่ยวนำหรือไม่คือสภาพการนำไฟฟ้า ยิ่งวัสดุมีคุณสมบัติในการนำไฟฟ้ามากเท่าไร กระบวนการ IH ก็จะยิ่งมีประสิทธิภาพและประสิทธิผลมากขึ้นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม การรวมตัวรับความร้อนอาจเพิ่มศักยภาพการใช้งานให้ครอบคลุมวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ (กล่าวคือ วัสดุที่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำ) ได้

ข้อมูลการติดต่อ

โปรดเยี่ยมชมเอกสารอ้างอิงบางส่วนของฉันซึ่งมีลิงก์อยู่ด้านล่าง เพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับความร้อนเหนี่ยวนำและการใช้งาน ในระหว่างการค้นคว้า ฉันพบว่าบริษัทต่างๆ อาจเสนอบริการให้คำปรึกษาเกี่ยวกับกระบวนการเฉพาะของคุณ (เช่น การกำหนดค่าที่แนะนำ การออกแบบคอยล์ ความต้องการด้านพลังงาน ฯลฯ) เพื่อสร้างกระบวนการเหนี่ยวนำไฟฟ้า ติดต่อองค์กรดังกล่าวเพื่อขอข้อมูลเพิ่มเติม

บทความนี้อยู่ระหว่างดำเนินการ และจะได้รับการอัปเดตอย่างต่อเนื่องในขณะที่ฉันพัฒนาหัวข้อและขอบเขตเพิ่มเติม ฉันวางแผนที่จะค้นคว้าเพิ่มเติมเกี่ยวกับตัวกั้นที่ใช้ในการเชื่อมเหนี่ยวนำความถี่สูงและการใช้งานที่เป็นไปได้ในแอปพลิเคชันอื่นๆ หากคุณมีข้อมูลใดๆ เกี่ยวกับหัวข้อนี้หรือสามารถแนะนำแหล่งข้อมูลใดๆ ได้ โปรดฝากข้อความไว้ที่หน้าสนทนาของบทความนี้ ขอบคุณ และฉันหวังว่าบทความนี้จะเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับคุณและกระบวนการของคุณ

อ้างอิง

• นิเวศวิทยาโอเพ่นซอร์ส: โครงการเตาเหนี่ยวนำโอเพ่นซอร์ส

ข้อมูลหน้า

ส่วนหนึ่งของ	เมค370
คำสำคัญ	การก่อสร้าง , ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน , ความร้อน , การผลิต , พลังงาน , การเหนี่ยวนำ
ผู้เขียน	แมทธิว เออร์กฮาร์ต
ใบอนุญาต	สงวนลิขสิทธิ์ © 2018
องค์กรต่างๆ	มหาวิทยาลัยควีนส์
ภาษา	ภาษาอังกฤษ (en)
ที่เกี่ยวข้อง	0 หน้าย่อย 5 หน้า ลิงก์ที่นี่
นามแฝง	การอบเหนี่ยวนำ
ผลกระทบ	1,695 ผู้เข้าชมเพจ ( เพิ่มเติม )
สร้าง	25 ตุลาคม2551โดยMatthew Urquhart
ปรับเปลี่ยน	21 มีนาคม2024โดยKathy Nativi
อ้างเป็น	Matthew Urquhart (2008–2024). "การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ" Appropedia สืบค้นเมื่อ 14 สิงหาคม 2024
การสอบถาม API	พื้นฐาน , ความหมาย , html , ไฟล์ , เพิ่มเติม