感应加热

感应加热是一種利用電磁感應來加熱電導體（一般是金屬）的方式，會在金屬中產生渦電流，因電阻而讓金屬加熱。感应加热器包括會通過高頻交流電的電磁鐵，其中，若物體有較大的磁导率，也可能會因為磁滯現象的損失而產生熱。使用的交流頻率依欲加熱物品的尺寸金屬種類，加熱線圈和欲加熱物品的耦合程度以及滲透深度來決定。 許多加熱的方式是在金屬外部加熱，透過熱傳導方式傳導到金屬中，但感應加热不同，其熱源在金屬內部。金屬可以迅速的加熱。而且感应加热也不需要接觸熱源，適用於一些需考慮污染的場合。感應加熱常用在許多工業製程中，例如冶金学中的熱處理，半导体製程中的柴可拉斯基法及區域熔煉，也可以用在要很高溫才能熔化的難熔金屬。若是食物的包裝或是容器可以感应加热，也可以用此方式加熱食物，這即為電磁爐的原理。 感应加热可以針對工件加熱特定部份，可以應用在表面硬化、熔化、硬焊、軟釺焊，以及加熱物件來和其他物件配合。鐵和鋼因為其鐵磁性的特性，對感应加热有最佳的反應，不過任何金屬都會因為感应加热產生渦電流，而磁性材料則會產生磁滯現象。感应加热已被用來加熱液態的導體（例如熔融的金屬）及電漿的導體（例如感應電漿技術（英语：Induction plasma technology））。感应加热也可以用來加熱石墨坩堝（其中放置其他材料），廣泛的在半導體產業中加熱矽或是其他半導體材料。電網頻率 (50/60 Hz) 感应加热不需要逆變器產生其他頻率的交流電，常用在許多低成本的工業應用中。 感應電爐（英语：induction furnace）用感應的方式來熔化金屬。在熔化後，高頻的磁場也可以攪動金屬，若是製作合金時可以確保加入的金屬和原金屬充份混合。大部份的感應電爐包括一個水冷的銅環，外層包著一層耐熱材料。感應電爐比反射爐（英语：reverberatory furnace）及高爐要環保，在熔化金屬時，已經取代這二種生產方式，成為現代工廠常用的清潔生產方式。可加熱金屬的量從一公斤到數百公噸不等。在運行時，感應電爐多半會有高頻率的嗡嗡聲，依其工作頻率而變。可以處理的金屬包括鐵及鋼、銅、鋁及貴金屬。因為感應電爐是清潔的非接觸製程，可以用在真空或是在惰性氣體的環境中。有些特殊的鋼或是合金在空氣中加熱會氧化，這類合金或鋼就可以用真空電爐來生產。 感應電焊（英语：induction welding）是和感應電爐類似，但規模較小的加工方法。若塑膠中加入了鐵磁性的顆粒（材料中磁滯的特性在感應時生熱）或金屬顆粒，也可以用感應電焊來加熱粘接。 管件的縫隙也可以用此方式焊接。在縫隙附近引入的電流加熱材料，最後產生可以焊接的高溫。此時縫隙兩側的材料會受力互相接近，焊接縫隙。電流也可以用電刷傳導到管件中，但結果是一樣的，縫隙附件的材料加熱而焊接。 在電磁爐中，感應線圈加熱鍋具中鐵製底部，若是用銅、鋁或其他非鐵材料的鍋具，能量轉換效率不夠，不適合配合電磁爐使用。電磁爐加熱時，鍋具底部的熱會由熱傳導方式傳導到食物中。電磁爐的好處有效率、安全性及速度。電磁爐有固定式的，也有移動式的。 感應硬焊（英语：Induction brazing）一般會用在高產量的生產製程中，可以產生一致性的結果，而且有高度可重覆性。 感應密封（英语：Induction sealing）用在食品及製藥業中，在瓶子或罐子的開口處放了一片鋁箔，用感應的方式加熱，使其和容器密合。這就形成一個防止更改內容物的密封，因為更改內容物需要破壞鋁箔。 感應加熱也可以用在組裝時，將某一零件加熱，以便和其他零件組合（感應加熱配合（英语：Induction shrink fitting））。軸承一般是用此方式，以電網頻率 (50/60 Hz) 加熱，感應時有一個材料為叠层钢的变压器型芯穿过轴承中心。 感應加熱常用在金屬件的熱處理，最見的應用是鋼件的感應硬化（英语：induction hardening），為了結合金屬件所做的硬焊及軟釺焊，以及鋼件中要軟化部位的退火。 感應加熱可以產生高的功率密度，可以在短的接觸時間內達到要求的溫度，可以調整磁場來精準調整要加熱的部份，減少熱變形及損壞。 上述的熱處理可以用來作局部硬化，產生有不同性質的零件。常見的硬化應用是產生一塊局部硬化耐蝕的區域，但又可以保持其他部份的韌性。可以調整感應頻率、功率密度及接觸時間來調整感應硬化的深度。 此製程在靈活性上有受限，因此在一些應用中需要製作特別的電感器，一般都很貴，而且需要在小的銅線電感中產生大的電流密度，需要特殊的工程技術及copper-fitting。 感應加熱用在塑膠的射出機中，感應加熱提高射出及擠出製程的能源效率。熱直接在機器內部產生，減少暖機時間以及能量消耗。感應線圈可以放在隔熱層的外部，因此可以在較低溫下工作，延長壽命。工作頻率一般由30 kHz到5 kHz之間，若機器越薄，工作頻率越低。感應加熱也可以用在模具中，提供更平均的模具溫度，產品的品質也可以提高。 感应加热用的電源一般是低電壓大電流的交流電。要加熱的工件放在由交流電驅動的電磁線圈（英语：Electromagnetic coil）中，一般會配合電容器，設置為LC电路以產生虛功率，交流磁場產生了工件中的渦電流。 磁性材料因為其磁滞现象，會加強其加熱的效果。高相對磁导率（100–500）的材料也比較容易加熱，磁滯發生在居里溫度以下，此時材料仍維持原有的磁性質。工件在低於居里溫度時的高磁导率相當的有用。溫度差、比熱及質量都會影響工件的加熱。 感應加熱的能量轉換會受到線圈及工件之間距離的影響。能量的損耗包括有工作到夾具之間的熱傳導、熱對流及熱輻射。 感應線圈一般是用銅管製成，而且是用水冷冷卻，直徑、形式及繞線圈數影響效率及磁場造型。 Valery Rudnev Handbook of Induction HeatingCRC Press, 2003 ISBN 0824708482 page 92 Dong-Hwi Sohn, Hyeju Eom and Keun Park, Application of high-frequency induction heating to high-quality injection molding, in Plastics Engineering Annual Technical Conference Proceedings ANTEC 2010, Society of Plastics Engineers, 2010 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.