고주파 담금질
2.4 필요한 에너지의 산정 가열에 필요한 전력량을 정확히 계산하는 것은 매우 어렵다.
그 값을 산출한다고 해도 가정이나 계수를 사용하기 때문에 반드시 일치하는 것은 아니다.
실험이나 시작품으로 얻는 데이터를 기본적으로 하는 것이 가장 좋다.
경험적으로 피가 열물이 흡수하는 전력량(소요 가열 전력량) P의 산정에서 다음과 같은 방법이 있다.
여기서 비열은 온도에 따라 다르므로 임의 온도에서 값으로 계산하는 것은 잘못이며 비열 곡선의 평균값을 구해서 비열로 한다.
철강에서 퀀틴의 경우는 0.14 정도로 하는 것이 좋다.
중량은 전체 값이 아니라 쿠엔칭 깊이까지의 중량이다.
또 이 밖에 방사, 대류, 열전도 손실 등이 있기 때문에 전체 소요전력은 이들의 합계치가 된다.
또 피가 열물의 가열 면적과 전력 밀도로 산출하는 방법도 있다.
쿠엔칭에는 일발 쿠엔칭(코일과 피가 열물이 상대적으로 고정되어 가열 후 냉각)과 이동 쿠엔칭이 있는데, 아래에 나타내는 값을 전력 산출의 기준으로 하고 있다.
- 일반 쿠엔칭의 경우: 0.5~2kWcm2 – 이동 쿠엔칭의 경우: 2kWcm2 이상의 전력량은 가열에 필요한 열량이지, 가열장치의 소요출력이 아니다.
이 때문에 출력을 결정하기 위해서는 이 열량에 가열장치에서 가열부까지의 전송부(고주파트랜스, 가열코일, 전송배선 등)의 손실을 계산하고, 다시 가열코일과 혈가열부의 결합능률을 고려해야 한다.
고주파 발생 장치의 소요 출력과 실제로 피가 열물에 공급되는 전력과의 비를 전송 효율이라 하며, 외면 퀀칭에서 90%, 내면 퀀칭이나 단면 퀀칭에서 극히 뒤떨어지며, 60% 또는 그 이하이다.
동시에 기기의 신뢰성(효율)과 공장(또는 고주파기기)에 입력되는 전력의 전압변동 등도 별도로 돌파 고려할 필요가 있다.
2.5 고주파 가열의 특성 – 고효율과 급속가열(a) 고주파 가열은 자기장을 이용하여 피가 열물의 필요한 부분에 에너지를 집중시키고 그 부분에서 열을 발생시키기 때문에 에너지를 매우 효율적으로 전달할 수 있다.
또 일반 가열로와 같이 노벽 재료의 열손실 없이 에너지 전달 과정에서의 손실을 최소화할 수 있어 뛰어난 에너지 절감 효과가 있다.
(피가열물의 가열부분)(b) 고주파 가열은 작용자계를 강하게 함으로써 고밀도의 에너지를 쉽게 전달할 수 있어 급속가열이 가능하다.
(가열 속도)
3.고주파가열장치일본공업규격(JIS B6912)에는 고주파쿠엔칭 및 템퍼링에 사용하는 가열장치로 전동발전기식, 진공관식, 트리마이스트or식, 트랜지스터식의 4종류가 있는데 현재 공업적인 가열용 전원으로 사용되는 것은 다음의 3종류이다.
3.1진공관식 발진장치 진공관식 발진장치는 무선통신기를 공업적으로 응용해 발전해 왔다.
대전력 송신기의 발달은 대전력을 필요로 하는 유도 가열 장치를 발전시켜, 반도체 소자가 발달한 현재에도 30 kHz 이상의 고주파수를 필요로 하는 표면 퀀칭이나, 강관의 용접 등에 많이 활용되고 있다.
진공관은 부하부 등의 이상에 대한 보호가 용이하고 열악한 환경에서 사용해도 고장에 강한 설비이다.
그러나 에너지 변환효율이 약 60%70%로 낮고 진공관 수명이 짧으며(약 100시간) 회로에 수십kV의 고전압이 필요한 등 단점이 있다.
최근 몇 년간 에너지 절약 및 유지관리 문제로 새롭게 설치되는 기기로서의 진공관식 발진기 대신 트랜지스터가 채용되고 있지만 열악한 환경과 물 등을 사용하는 지역이나 발진 주파수와 1MHz를 넘는 유도 가열설비에는 현재 반도체 소자보다 진공관식이 널리 이용되고 있다.
3.2 Thyristor Inter 고주파대용 inverter 소자로서의 thyristor는 주파수가 10kHz 이하이고 대출력 용도로 쓰이며 깊은 경화층의 퀀칭, 균일 가열용 템퍼링, 단조 가열용 등으로 널리 쓰이고 있다.
3.3 트랜지스터 Inter 현재 트랜지스터의 전력 소자를 사용한 발진 장치에는 이하의 것이 있다.
(a) 전계효과 트랜지스터(약칭 MOSFET) 스위칭속도가 매우 빠르고, 높은 주파수를 필요로 하는 inverter 발진기에 적용되고 있다.
현재는 구동 주파수가 30kHz 이상인 가열 장치에 사용되고 있다.
(b) 정전 유도형 트랜지스터(약칭 SIT) SIT를 사용한 인버터는 MOSFET에 비해 surge전압.전류에 대한 저항성이 우수함. 이들 특징을 살린 인버터의 구동주파수는 20kHz~1MHz까지 가능하다.
(c) 절연 gate형 Bipolar 트랜지스터(약칭 IGBT) IGBT를 사용한 inverter의 구동주파수는 50kHz까지이며, 출력은 1MW급까지 제품화되어 있다.
이상, 고주파 가열 장치의 종류와 그 특성(그림 4 참조)에 대해 설명했지만, 향후의 동향을 보면 구동 주파수는 높아지고, 출력은 대출력화할 것으로 생각된다.
가까운 장래에 트랜지스터의 전성시대가 될 것으로 생각되지만, 주파수 10kHz 이하로 출력이 MW급을 넘을 경우에는 사이리스타 인버터가 앞으로도 더욱 크게 이용될 것으로 생각된다.
한편, 고주파 가열 설비와 관련된 환경 문제에는 벤더 고객이 함께 진지하게 임해야 하며, 거기에는 이하와 같은 문제를 들 수 있다.
(a) 누전파 (전파장애) : 전자기기나 통신장애 (b) 고주파 : 제어기기, 통신기기 등의 오독작, 과열, 이상음 발생
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자료출처 : 호시히데오, 정인상 * 전기흥업, 도쿄도 기술어드바이저 * 경북대학교 공과대학
