유전 가열
- 유전 가열
- 고주파가열의 또 다른 형태는 유전 가열로 알려진 것인데, 보통 비전도 전기적 성질을 가진 재질에 적용된다. 유전가열 과정은 유도 가열과는 다른데 더 높은 고주파가 요구된다. 금속 가열에 보통 적용되는 고주파는 유전재질에 거의 효과가 없다.
유도 가열은 전기적 전도가 되는 재질에 와전류 전달을 제공한다. 고주파 전류가 흐르는코일이 있고 코일은 1차 전달자가 되고 가열되는 제품이 2차를 형성한다. 이런 형태의 가열은 부분화된 금속제품 표면 가열에 사용된다. 가열 침투 깊이는 얇은 표면에서부터 상대적으로 깊은 지역까지 매우 다양하고주파수와 가열 시간에 의해 결정되어진다.
소위 유전 정전 가열에 있어서 가열되는 물질은 두 전극사이에 놓이는데 모든 점에서같은 거리 공간을 유지하게 된다. 에너지는 플레이트에 가해지고 매우 빠른 비율로 부하 전체를 통하여 동시에열이 발생된다.
(그림238) 유전 가열 장치는 다양한 크기로 만들어진다. 위에 보이는 장치는 200 B.t.u/min 출력비이고 50메가 사이클이상의 다양한 주파수에서 동작한다.- 유전 가열은 모든 형태의 플라스틱, 셀룰로이스섬유, 셀룰로이드에 실용적인 선-경화에 사용된다. 그것은 또한 고무, 나무, 종이, 세라믹, 코르크, 섬유류, 많은 다른 비유전 물질의 가열과 처리를 포함하고 있다.
- 열 발생. 모든물질은 한 분자로 만들어지고 서로 마찰했을 때, 어느 정도의 마찰열이 일어난다. 더욱 강한 마찰을 하면더 많은 열이 발생된다. 예를 들어 작은 철선인 경우 앞뒤로 급속히 꼬았을 때 꼬인 부분에서 열이 발생할것이다. 원인은 그 부분에서 분자 충돌에 의한 것이다.
고유 전류를 유전 물질에 가해졌을 때, 분자들은 변화되는 영역, 각 주기에서 상호간의마찰, 극성의 변화로 비조화하게 된다.
이렇게 하여 상당한 분자 마찰이 일어난다. 교류 영역에서 초당 수백 만 번의 변화가 있을 때, 분자 마찰이일어나기 때문에 매우 많은 열이 발생할 것이다. 이것은 간략히 말하는 유전 가열의 원리이다. 물질은보통 절연체라고 생각되는 것들이 유전체로서 언급이 되고 고주파 영역에서 두 전극 사이에 놓였을 때 전기적에너지를 흡수할 것이다. 만약 물질이 완전 절연체였을 때, 가열은 어렵게 되지만 거의 모든 물질은 고주파전류에 의해 가열했을 때 충분히 높은 손실 요소를 가지고 있다. 이것으로부터 로스 팩터(손실 요소)는 열발생 결과와 직접적인 관련이 있고 손실 요소가 낮을수록 적은 열 발생이 되고 손실 요소가 높을수록 더 많은열 발생이 된다.
비금속 물질은 두 전극 사이에 놓여서 가열되고 물질은 유전 콘덴서를 형성하고 따라서유전 물질에 열 발생을 일으킨다. 전력 요소는 물질의 열 발생 정도가 되기 때문에 매우 중요하다.
비전도 물질을 통하여 보통의 전류 흐름을 유도하는 데에는 전류 흐름을 위한 저항이감소될 수 없다면 불가능하다. 그렇기 때문에 전류 주파수 증가에 의해 비전도 물질의 전류 흐름이 가능해진다. 발생되는 열의 양은 전기적인 특성보다 물리적 특성에 따라 좌우된다.
유전 가열을 위한 기존의 고주파 발진기가 그림238에 묘사되어 있다. 이 장치는 3.5KW이고 10~15메가 사이클의 다양한 주파수로 동작한다. 거의 모든 나무와 플라스틱 물질에 있어서 열은 5~20메가사이클 주파수에서 안정적으로 발생한다. 더 낮은 전력 요소를 가진 다른 물질에 있어서는 20~50메가 사이클또는 100메가 사이클 이상의 높은 주파수를 가하는 것이 필요하다.
발생기의 내부 구조가 그림239에 묘사되어 있다. 장치 아랫부분은 전원 공급부이고윗부분에는 발진 회로부가 위치한다.
유전 가열을 위한 고주파 발진기는 1/2KW의 저용량에서부터 200KW까지 다양한크기로 이용될 수 있고 특별한 응용에 있어서는 이 최대 출력을 초과할 수도 있다.
유전 가열을 위한 진공관 발진기는 3요소 라디오 관에 이용될 수 있다. 두 전류원이사용된다. 하나는 관 필라멘트를 위한 것인데 보통 5~22.5-V 범위이다. 다른 것은 발진기 크기에 따라 2,000~20,000-V의 다양한 고전압 직류이다. 단상 유전 가열 회로의 간략화한 다이아 그램이 그림240에묘사되어 있다.
교류 입력 전력은 센터 탭 트랜스포머를 들어가는데 트랜스 전압은 요구에 따라 높여지며, 보통 10,000-V 정도이다. 트랜스 출력 전류는 두 개의 푸쉬-풀 발진관에 직류 전류를 공급하기 위해정류된다.
(그림239) 유전 가열 장치의 내부도. 밑부분은 전원 공급부이고, 윗부분은 발진부이다.- 발진기는 5~50 메가 사이클 주파수 또는 요구에 따라이상의 주파수 전류를 발생시킨다. 가열되는 물질은 이 전극 사이에 놓이는데 탱크 회로 코일 탭에 의해 탱크회로로 연결된다.
(그림240) 유전 가열 장치의 전형적인 회로. 선전압은 입력 트랜스포머에 의해 상승되고 발진부에 직류 전류 공급을 위해정류된다.- 가열 방법의 비교. 그림244 왼쪽에 묘사된것과 같은 핫 플레이트(전열판)를 사용할 때, 열은 외부에서 내부로 전도되고 요구되는 시간은 몇 분 정도이다. 열은 전적으로 전도에 의하는데 열원 제일 가까운 외부에서 시작되어 열전도에 의해 내부로 이동한다. 이 방법에서물질은 일정하게 가열되지 않을 것이다. 희망 온도가 225℉일 때, 외부는 이 온도를 얻게 되지만 내부는물질 특성과 가열 시간 지속에 따라 150~220℉정도 도달된다.
오른쪽에 보이는 것과 같이 얻어지는 유전 가열은 물질 그 자체에서 얻어지고 물질 내부에서외부까지 일정하게 될 것이다. 발생되는 편차는 외부로 약간의 열 흐름을 일으키는 표면에서의 전도 손실과방사에 기인한다.
전열판과 비교해서 225℉의 유전 방법은 물질의 전체를 통하여 얻어질 수 있다. 가열은일정할 것이고 온도 상승은 두께 전체를 통하여 똑같을 것이다.
플라스틱 선형성 가열. 유전 가열의 특징적인 응용 중의 하나는 몰딩 변화를 위해 요구되는것과 같이 플라스틱 선경화이다.
(그림241) 이 다이아그램은 핫-플레이트 가열과 고주파 전극 사이의 차이를 보여주고 있다. 핫-플레이트에서가열은 전적으로 전도에 의존하고 일정한 온도를 얻기 어렵다. 유전 가열에 있어서 온도 상승은가열되는 재질 전체적으로 일정하게 될 것이다.- 이것은 먼저 플라스틱 물질을 평평한 모양으로 선형성한 다음, 선경화또는 선가열 주기를 위해 정전 전극 사이에 위치시킨 후 몰드 안에 놓이고 경화된다. 이것으로부터 유전 가열은몰드에 앞서 선형성의 선가열이 되게 된다. 선형성 전체를 통하여 일정한 가열이 되기 때문에 몰딩 특성에있어 놀라운 향상을 얻을 수 있다.
선형성은 전도에 의해 가열되고 250℉까지 기존 방법에서는 선가열하는데 6분이 요구된다. 몰딩 시간은 형상을 완전히 경화하는데 6분이 요구된다. 유전 가열에 있어서는 선가열하는데 40초~1분이요구되고 가열 범위 전체적으로 일정한 온도가 발생하기 때문에 몰딩 시간은 단지 3분만이 요구될 것이다. 몰딩 시간의 감소는 유전 가열에서 향상된 흐름 특성의 결과가 된다.
유전 가열 장치의 전극을 통하는 고전압에 기인하여 작업자에 해를 입히는 것을 막기위한 주의로써 플레이트 주위에 스크린 또는 쉴드(방패막)가 제공될 필요가 있다. 그런 장치가 그림242의고주파 발진기 오른편에 보이고 있다. 밑에 쪽은 전극이 고정되고 위쪽은 플라스틱 선형성의 두께를 조정할수 있다.
(그림242) 몰딩에 사용되는 전형적인 고주파 유전 가열 장치. 발생기가 왼쪽에 보이고 오른쪽에 전극 히터가 있다.- 가열 장치 전면 문이 위쪽으로 올라갈 때, 전극은 선형상 인서트와 이동을쉽게 하기 위해 자동적으로 조금 올라간다. 또한 문 이동과 연결된 리미트 스위치는 문이 열렸을 때 회로를차단하고 문이 내려지거나 닫혔을 때 자동적으로 회로를 차단한다. 적당한 경화 시간이 주어진 선형상을 위해완성되는데 반복적인 가열로 일정함을 만드는 주기는 타이머에 의해 조정된다. 주기 시작은 전면에 보이는 푸쉬버튼에 의한다.
(그림243) 이 챠트는 오븐 가열에 의해 수행되는 플라스틱 가열을 요구하는 시간의 비교를 보여주고 있다. 유전 가열을요구한다.
(그림244) 이 설치도는 건조릉위해 합판의 준비가 요구되는 기존의 방법을 보여주고 있다. 부하가 서로 압착되어 클램프된 후 건조실로 옮겨진다.- 그림243에 보이는 챠트는 선형상이 오븐 또는유전 방법에 의해 가열될 때 두께에 따른 플라스틱 부의 온도 셋팅에 대한 비교적인 몰딩 시간을 나타내고있다. 선가열과 몰딩 시간은 플라스틱 형태와 고주파 전원에 따라 다양할 것이지만 실제적인 시간 감소가 가능하면때로는 기존 방법보다 50%이상 감소된다.
플라스틱의 유전가열은 다른 간접적 효과를 제공한다. 한가지는 비경화 부분 또는 개방접합부 형성의 변화 없이 더 두꺼운 부분이 몰드될 수 있다는 사실이다. 거기에는 또한 1/3이상몰딩 프레스 감소의 가능성이 있는데 프레스 비용과 유지 요구가 줄어든다. 마찬가지로 유용한 프레스가 더큰 몰드에 다루어질 수 있거나 주어진 크기의 프레스는 전보다 더 넓은 범위로 축적이 될 것이다.
(그림245) 유전 가열에 있어서 합판은 비교적 짧은 시간 동안 프레스 상태에서 건조될 수 있기 때문에 건조실과 저장실이필요없다. - 요구 전력. 0.4~0.5 평균 비열을 가진 플라스틱 가열에 있어서 1lb를 1분 동안에 300℉ 가열하는데 약2KW가 요구된다. 유전 가열에 사용되는 공식은 유도 가열에 적용되는 것과 비슷한데 주어진 비열 물질의 양은 주어진 온도까지가열되는데, 거기에는 B.t.u가 요구된다.
공식은 W × S + T = B.t.u
여기에서
W = 무게
S = 비열
T = 희망 온도
이 공식은 물론 전압과 주파수를 고려한 것은 아니지만 보통 유전 가열에 요구되는 적정용량을 결정하는 빠른 방법으로 제공된다.
다음과 같이 표현될 수 있는데
1KW·출력 = 3413 B.t.u/60 = 56.71 B.t.u/min
무게 2.5lb 선형상 플라스틱 제품이 250℉ 가열을 요구하고 비열이 0.4인 물질인경우
2.5 × 0.4 × 250 = 250 B.t.u
56.7 × 5 = 283.5 B.T.U/min
유용한 전력이 되고 2.5lb에 대한 가열 시간은
283.5/250 = 0.88 min
주파수, 제품두께, 손실 요소를 허용하는데 요구되는 더욱 정확한 계산은 다음 공식이 적용된다.
H = CFLE2/T
여기에서
H = 단위 양에 대한 열
C = 유전 상수
F = 주파수
L = 손실 요소
E = 전압
T = 제품 두께
(그림246) 합판에 고주파 가열을 적용하는데 사용되는 방법이다. 탐(상) 플레이트와 프레스 바닥은 접지 연결되고 핫전극은 접착된 패널 중앙에 위치한다.
(그림247) 대형 우전 가열발생기의 내부도. 합판 건조실이 사용되었다.- 물질의 비열 계수는 1lb 제품을 1℉ 증가시키는데요구되는 B.t.u 수로 표현된다. 예를 들어 0.5 비열을 가진 물질은 1lb 무게를 1℉ 증가하는데 2 B.t.u 요구된다. 물질의 비열은 물에 적용되는 1.0 표준에 기초를 하는데 1lb 물을 1℉ 증가하는데 1 B.t.u 가 요구된다.
- 나무의 고주파 가열. 유전 가열의 또 다른 특징적인 사용은 합판의 결함 또는 접착 결속을건조하기 위해 증가된 온도가 요구되는 엽상(얇은 판으로 만들어진)하는 것이다. 그림244에서는 합판 건조에사용되는 것을 묘사하고 있다. 여기에서 몇 개의 판은 프레스에 놓이고 수압에 의해 서로 압착된 다음 보이는것과 같이 모서리 주위에 밀착된 일련의 클램프에 의한 텐션으로 고정된다. 부하는 그 다음 적당한 결속을보장하기 위해 건조에 요구되는 것 이상의 10~12hr로 건조실에 전달된다.
합판에 대한 고주파 가열의 응용은 비슷한 양의 합판 건조에 단지 몇 분만이 요구된다. 그림245에서는 그런 설치도를 보이고 있다. 합판은 수력 프레스 안에 놓이고 전체적으로 200~250℉ 온도 상승에 몇 분(2~3)이 걸린 후, 합판부는 마지막 작업을 위해 준비된다. 저장 요구는 없으며 보통부하는 다른 방법에서 사용되는 고정 클램프를 적용하는데 필요한 것과 같은 시간에서 경화된다.
합판에 고주파 가열을 적용하는데 접지 리드는 플레이트 위와 그림246에 묘사된 프레스 베이스에 연결된 다음센터 전극은 합판 사이의 중간 방향으로 가해진다. 때때로 전극 연결은 단지 센터 플레이트에만 연결될지라도연속적인 플레이트가 가열에 사용된다. 이러한 플레이트는 가열 과정에 어떠한 효과를 가지지 못한다.
대형 고주파 장치의 내부구조가 그림247에 묘사되어 있다. 전압을 증가시키는데 사용되는입력 트랜스포머가 뒤쪽 오른편에 보이고 있다. 회로에 사용되는 몇 개의 관이 전면에 보이고 있고 탱크 콘덴서는맨 오른쪽에 보인다. - 유전 가열의 잇점. 고주파 유전 가열의 응용은 많은 잇점을 가지고 있다.
(그림248) 적합한 전극이 제공된 소형 유전 가열 장치. 이 발생기는 30KW 출력이고 15메가 사이클에서 동작한다.- 기본적으로 더욱 일정한 가열이 제품 전체적으로 분배되는데 열은 출력증가를 위해 매우 빠른 비율로 가해지고 일정한 가열이 편차 없이 생산될 수 있어서 손실이 감소된다. 유전가열은 구조와 조합이 다른 비금속 물질에 다양하게 적용되기 때문에 다양한 다른 잇점을 얻을 수 있다.
다음과 같은 잇점이 있는데 다른 방법으로는 얻을 수 없는 일정한 가열 결과로 더 좋은질의 생산품을 얻을 수 있다.
○ 제조 과정은 더 적은 보조 작업의 많은 다른 방법으로 수정(변경)될 수있다.
○ 빠른 가열과 건조는 플라워 공간을 줄인다. 뿐만 아니라 느린 가열 또는 건조 과정에서생기는 재고품이 감소된다. 일정 가열을 하게 됨에 따라 지연이 없다.
○ 반면 기존의 방법에서 건조 오븐 또는 용해로에서는 희망 온도까지 도달하는데상당한 시간이 걸린다.
○ 가열이 순간적으로 차단되기 때문에 과열 또는 생산품 손실을 방지할 수 있다.
○ 유전 가열은 종종 희망하는 화학적 반응을 얻는데 사용된다. - 유전 건조. 3KW 출력 고주파 장치의 또 다른 형태가 그림248에 보이고있다.
(그림249) 음식 건조를 위해 유전 발생기를 사용하여 만든 제조 장치. 다양한온도를 얻을 수 있어서 습기함유율을 1% 이내로 줄일 수 있다.- 장치의 오른쪽에 전극이 보이는데 다양한 재질의 두께에 맞게 조정할 수있다. 사용상 전극은 작업자 보호를 위해 쉴드(방패막)가 필요하다. 이 장치는 15 메가 사이클로 동작된다.
이 형태의 유전 장 치의 다양한 사용 중 하나는 음식물의 건조이다. 그림249는 이목적을 위한 테스트 설치를 보여주고 있다. 500-lb로 압축된 샘플은 진공상태의 벨 항아리 위 전극에놓인다. 건조가 되는 음식물의 형태에 따라 120~150℉ 온도가 사용되고 습기는 외부 표면이 타거나 영향받는것 없이 1% 이하로 감소될 수 있다. 처리 과정은 상대적으로 빠르고 작업 비용은 비교적 낮으며 1-lb당 100W이하이다.
매우 세부적으로 유전 가열 사용을 시도하지는 못한다. 주어진 언급들은 유도 가열과유전 가열 사이의 차이를 보여주는 것을 목적으로 하고 있다. 많은 견지에서 두 방법에 사용되는 장치는 응용은전적으로 다르고 조금 비슷할지라도 구조상 비슷하다. 유도 가열의 사용이 이 책에서의 첫 번째 목적이고 금속가열에 적합한 것이며, 반면 유전 가열은 비 전도체에 맞는 것이다. 경우에 다라 이러한 가열 방법을 선택해야하겠지만 그런 경우 각 방법은 뚜렷한 분야를 가지고 있기 때문에 선택의 경우는 드물 것이다.