感应加热

斯特林放射性同位素发电机的零件在测试时用电感加热
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的电磁铁，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。
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及区域熔炼，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**
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份，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。铁和钢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）及电浆的导体（例如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矽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**
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。大部份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reverberatory furnace及高炉要环保，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铁及钢、铜、铝及贵金属。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**
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**
在电磁炉中，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**
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**
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。

**加热配合**
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（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**
感应加热常用在金属件的热处理，最见的应用是钢件的induction hardening，为了结合金属件所做的硬焊及软钎焊，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份，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份的韧性。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**
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。

**细节**
感应加热用的电源一般是低电压大电流的交流电。要加热的工件放在由交流电驱动的电磁线圈中，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。
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、热对流及热辐射。
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**
 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.