유도가열이란?
유도가열이란?
유도가열이란 금속체를 전자기장 유도 현상을 이용하여 가열하는 것을 말합니다.
보통 우리가 어떤 물질(피가열물)을 가열할 때는 화기가 있어야 하며 그 열기를 전달할 매질이 있어야 합니다. 혹은 열복사에 의한 가열이 가능합니다.
그러나 이러한 가열 방법은 화기 발생원에서 피가열물까지의 열 전달 과정에서 매질을 통해야 하므로 에너지 전달 효율이 낮고 오랜 가열 시간이 필요합니다.
유도 가열을 이용하면 전자기장을 금속체(피가열물)에 높은 효율로 인가시킬 수 있으므로 전기 에너지를 열 에너지로 효율 좋게 변환시킬 수 있습니다. 또한 매질을 통하지 않으므로 많은 양의 에너지를 짧은 시간에 피가열물에 투여 가능하므로 빠른 가열 시간에 큰 용량의 피가열물을 가열시킬 수 있습니다.
유도가열을 다른 표현으로 '인덕션히터' 라고 하는데 이 말은 즉시 가열 혹은 빠른 가열을 뜻합니다.
유도가열의 실체
유도가열이란 가열할 금속 자체가 발열되는 것입니다.
이것은 화석연료를 대신하고 대형화가 가능하며 가열 준비 시간을 단축하고 가열 시간을 줄여줍니다.
다시 부연하면 장비 설비가 작고, 사용이 편리며, 전력이 소재에 집적 투여되고, 가열시간은 짧습니다,
생산 공정을 잘 맞출 수 있어 자동화가 가능하며, 비릇 단위 에너지 당 전기 비용이 비싸지만 대신 높은 효율을 가지고 있습니다.
비철금속은 전열계수가 높아서 별 문제 없지만 철이나 다른 낮은 전열계수의 금속은 표면의 과열이나 용해에 주의할 필요가 있습니다.
유도 가열에서는 전열 문제가 중요한 요소입니다.
화석 연료를 사용한 가열로와 터널형 유도가열로의 비교
(1). 소재 가열시간 면에서 유도가열 시스템이 방열로보다 시간이 짧다.
그 결과 시간을 줄이므로 스케일의 양이 적다.
방열로의 경우 3-4%의 스케일이 일어나지만 유도로의 경우 0.5% 정도로 아주 적다.
스케일은 작은 조각이 되어 금형을 빨리 손상 시키는 원인이 된다. (한 회사의 산출에 의하면 금형 수명이 약 30% 증가한다고 한다.)
(2). 열 매질이 필요 없으며 빠른 가열 시간으로 소재가 깨끗하고, 산화가 적으며 탈탄이 없다.
전례적으로 고탄소강, 합금강, 고속도강, 공구강은 표면에서 5% 이상 탈탄이 발생하며 이것은 재가공 공정을 거쳐 탄소를 주입시켜야 한다.
(3). 유도가열시간이 빨라서 식사시간, 금형교환, 일시생산 중지에 의한 가열정지를 하여 에너지를 절약한다.
(4). 유도가열 설비는 방열노보다 설치공간이 적다.
(5). 주위에 화염과 방사손실이 없기 때문에 여유 공간이 생긴다.
(6). 유독가스가 발생하지 않으며 화염으로 인한 화상의 우려가 없다.
(7). 빠른 가열시간으로 국부가열이 용이하다.
(8). 소재온도의 설정이 용이하다.
가열효율
보통 방열로(방사로)의 효율은 3~15(%) 정도이지만 유도로의 경우 실제적인 효율이 50~80% 정도이며, 가열 효율은 주로 가열 코일과 피 가열물과의 전자기적 결합도와 피 가열물의 재질에 의해서 결정됩니다.
아래의 그림은 주파수에 대한 소재 재질 그리고 직경에 대한 가열효율을 표시하고 있습니다.
유도가열 장치의 구성
유도가열 장치의 구성에는 전기를 공급 받는 수전반이 있고, 입력 받은 전원을 교번 주파수로 변환 시키는 전기 제어장치인 전원반이 있습니다.
또한 피가열물을 가열 시키기 위한 가열반이 있으며, 전원반 및 가열반을 냉각 시키기 위한 냉각 장치가 필요로 합니다.
가열방식
인버터 방식
전원반은 가열반의 가열코일에 교번 전자기장을 적정한 주파수로 인가하기 위하여 전력제어장치, 발진장치(인버터), 냉각장치로 구성되어 있습니다.
전력 제어장치는 입력 상용전원을 위상제어하여 전력을 제어하거나 발진장치(인버터)의 위상각 제어를 이용하여 제어하기도 합니다.
발진장치(인버터)는 발진주파수에 따라서 적정한 발진소자를 사용합니다. 발진소자로는 보통 낮은 주파수에서는 SCR을 사용하고, 높은 주파수는 진공관을 사용합니다. 최근에는 IGBT를 이용한 소자로 낮은 주파수에서 높은 주파수까지 많이 쓰이고 있습니다.
냉각장치로는 증류수로 냉각시키는 순수 장치가 있습니다. 전기가 통전되는 전기 회로를 냉각시키기 때문에 증류수를 사용해야 하며 그렇지 않으면 전식에 의해 통전 부위가 부식되어 곤란합니다.
진공관 발진 방식
초기의 가열 장치는 MG-set (발전기)를 이용하여 적정한 주파수로 가열 코일에 인가하고 역율 커페시터를 병렬로 연결하여 사용하였습니다, 이 방식은 크기 면에서 많은 부피를 차지하고 전력 제어가 곤란했습니다.
이후 큰 용량의 진공관이 개발되면서 진공관을 이용한 발진장치가 가능해졌습니다. 보통 5kW에서 500kW까지 산업용으로 쓰이며 발진 방식은 자려동조 방식, 콜피츠 방식, 하트리 방식 등이 있습니다. 이 방식들 대부분의 발진 효율은 75(%) 정도입니다.
진공관 방식이 효율이 낮음에도 아직 애용되는 것은 발진회로가 간단하며 전기적으로 튼튼하기 때문입니다. 또한 높은 주파수에 극도의 표피효과를 이용한 조관기(파이프밀), 핀튜브용전기(피닝머신), 헤어핀 열처리, 주사바늘 열처리 등에 이 방식이 용이합니다.
진공관 방식의 전력 제어는 컨버터라고 하는 SCR위상제어부를 사용합니다. 상용 전원을 가변 직류 전원으로 변환하여 발진회로의 전원으로 보내지며 발진회로는 이 직류 전원을 다시 교류 전원으로 변환시킵니다.
SCR 발진 방식
SCR의 발진방식(인버터)은 여러 방식이 선보이고 있으며, 각 회로마다의 장단점이 있습니다.
발진기에 사용하는 SCR은 고속 단방향 스위칭 소자이며 산업용으로 100(A)에서 2000(A) 정도가 있습니다. 전기적으로는 진공관 다음으로 튼튼합니다. 인버터 발진방식에서는 SCR이 1가지(nod)만 있는 C급발진, 2가지(nod)가 있는 Half Bridge Inverter, 4가지(nod)가 있는 Full Bridge Inverter이 있습니다.
출력부(Matching)는 코일에 높은 전압과 많은 전류를 흘려야하기 때문에 정합부가 필요합니다. 정합 방식에서는 병렬 공진 방식과 직렬 공진 방식이 있으며 병렬 방식은 부하율이 낮은 경우 사용되고 직렬 방식은 부하율이 큰 경우 사용됩니다. 또한 필요한 경우 정합 트랜스도 사용하는데 정합 트랜스를 사용하면 정합에 용이하며 입력 전원과 출력 코일과의 절연에 의해 출력 코일의 누전을 막는데 효과적입니다. 그러나 비용부담이 크다는 단점이 있습니다.
IGBT 발진 방식
IGBT는 비교적 높은 주파수(SCR 방식에 비하여)용 스위칭 소자입니다. 적은 전류 용량은 병렬로 묶어서 사용됩니다. 근래에는 좀 더 큰 전류 용량(600A급)의 IGBT를 쉽게 구입할 수 있습니다. 물론 600A보다 더 큰 용량의 IGBT도 있지만 쉽게 구입하기는 힘듭니다.
IGBT는 SCR과는 다르게 역방향 다이오드(anti diode)가 필요하며 따라서 전원이 전압원으로 구성되어야 합니다. IGBT의 구성은 Full Bridge, Half Bridge, C-class 방식이 있습니다. 출력 정합부에는 병렬 공진 방식과 직렬 공진 방식이 있습니다. 모두 다 인버터 정합에 있어서 진상 혹은 지상의 한 쪽만 선택하여 제어합니다. 인버터 위상각을 이용하여 출력 제어를 할 수 있다. ZVS(zero voltage switching)나 ZCS(zero current switching)을 할 수 있기 때문에 스위칭 손실을 줄일 수 있습니다.
Full Bridge 직렬 공진 방식은 가장 기본 적인 방법이며 효율은 좀 떨어지지만 제어 회로 구성이 간단합니다. 부하율이 큰 경우 사용하며 부하율이 적을 경우에는 정합 트랜스가 필요합니다.
Full Bridge 병렬 공진 방식은 회로가 대단히 복잡하지만 효율은 좋은 편입니다. 부하율이 낮을 때 사용하면 IGBT의 전류 부담율이 줄어서 좋습니다.
C-class 병렬 공진 방식은 스위칭 소자자 1가지(nod)이므로 회로가 아주 간단합니다. 그러나 제어 회로는 좀 복잡하고 큰 용량의 설비는 곤란합니다. 회로가 간단하고 제작 비용이 저렴해서 가정용 인덕션 쿠커에 사용되고 있습니다.