交流(AC)周波数は、浸透深さ、加熱効率、材料相互作用に影響することで、誘導加熱において重要な役割を果たします。高い周波数（例えば10 kHz）は表面処理に理想的な浅い加熱を作り出し、低い周波数（50 Hz-1 kHz）はバルク加熱のための深い浸透を可能にします。周波数は磁場振動の速度を決定し、渦電流の発生と抵抗（ジュール）加熱に影響を与えます。最適な周波数選択は、エネルギー効率と望ましい熱プロファイルのバランスをとり、金属硬化や焼結のような産業用途において重要な要素となる。大規模な操業では、周波数を低くすることで設備コストを削減できる可能性があります。 真空炉の価格 システム選択にも影響
キーポイントの説明
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浸透深度と周波数の関係
- 皮膚効果 :より高い交流周波数（例えば3～10 kHz）は、表皮効果により渦電流を材料表面付近に集中させ、浅い加熱（深さ0.1～1 mm）を生じさせる。ケースハードニングやコーティングに最適です。
- 深部加熱 :低い周波数（50 Hz-1 kHz）は、より深い電流浸透（数センチ）を可能にし、厚い金属や鍛造の貫通加熱に適しています。
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磁場のダイナミクス
- 交流周波数は、磁場の向きが交互に変わる速さを決定する。より速い振動（高周波）は渦電流を強めるが、表面層は狭くなる。
- 低速の振動（低周波数）は、渦電流をより広範囲に発生させるが弱く、熱をより均一に分散させる。
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ジュール熱効率
- 発熱は（P = I^2R ）に従うが、（R ）は材料の抵抗である。周波数が高いほどスキン層の抵抗損失が増加し、表面加熱の効率が高まります。
- 低い周波数は単位体積あたりの抵抗損失を減少させるが、より深いエネルギー沈着で補う。
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材料に関する考察
- 導電性 :導電性の高い材料(銅など)は、抵抗率が低いため、大きな加熱を得るには非常に高い周波数(>100 kHz)を必要とする。
- 磁性材料 :強磁性金属（例：鉄）は、ヒステリシス損失が追加されるため、低い周波数でより効率的に加熱する。
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産業上のトレードオフ
- 高周波システムはコンパクトだが、バルク加熱にはコストがかかる。低周波システムは大規模プロセスに適しているが、精度に欠ける可能性がある。
- 周波数の選択は装置設計に影響する。例えば、高周波インバーターとライン周波数トランスは、全体的な 真空炉の価格 および運用コスト
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周波数帯別アプリケーション
- 高域 (10-500 kHz) :ジュエリーアニール、PCBはんだ付け。
- ミディアム (1-10 kHz) :自動車部品の硬化
- 低 (50 Hz-1 kHz) :鋼スラブ再加熱、パイプ溶接。
周波数を材料特性とプロセス目標に合わせることで、誘導加熱は、デリケートな航空宇宙部品であれ、重工業の鍛造品であれ、精密な熱制御を実現します。
総括表
| 周波数範囲 | 浸透深度 | 最適 |
|---|---|---|
| 高域 (10-500 kHz) | 0.1-1 mm | 表面処理（アニールなど） |
| ミディアム (1-10 kHz) | 1-10 mm | ケース硬化、自動車部品 |
| 低（50Hz～1kHz） | 数センチ | バルク加熱（鍛造、溶接など） |
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