การทำความร้อนด้วยความถี่สูงคืออะไร? หลักการ ประเภท และการใช้งานที่สำคัญ

ภาพรวมของระบบทำความร้อนความถี่สูง (HF Heating)

การให้ความร้อนด้วยไดอิเล็กทริก—หรือที่เรียกอีกอย่างว่า การให้ความร้อนด้วยคลื่นความถี่วิทยุ หรือการให้ความร้อนด้วยความถี่สูง—คือกระบวนการให้ความร้อนแก่วัสดุไดอิเล็กทริกโดยใช้สนามไฟฟ้าสลับความถี่วิทยุ (RF) คลื่นวิทยุ หรือรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าไมโครเวฟ ที่ความถี่สูง ความร้อนจะเกิดขึ้นจากการเคลื่อนที่แบบหมุนของโมเลกุลไดโพลภายในวัสดุไดอิเล็กทริก

การให้ความร้อนด้วยคลื่นความถี่สูงใช้พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้า (คลื่นวิทยุหรือไมโครเวฟ) เพื่อให้ความร้อนแก่วัสดุโดยการสร้างสนามแม่เหล็กหรือสนามไฟฟ้าสลับกัน ซึ่งก่อให้เกิดความร้อนโดยตรงภายในชิ้นงาน เนื่องจากไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับแหล่งความร้อน วิธีนี้จึงให้ประสิทธิภาพทางความร้อนที่รวดเร็ว แม่นยำ มีประสิทธิภาพ และควบคุมได้ การให้ความร้อนด้วยคลื่นความถี่สูงโดยทั่วไปประกอบด้วยกลไกหลักสองอย่าง ได้แก่ การให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำสำหรับโลหะที่เป็นตัวนำ (ผลของกระแสไหลวน) และการให้ความร้อนแบบไดอิเล็กทริกสำหรับวัสดุที่เป็นฉนวน (แรงเสียดทานระดับโมเลกุล)

1.0ประเภทและหลักการทำงานของระบบทำความร้อนแกนกลาง

1.1การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำ: เหมาะสำหรับวัสดุโลหะ

การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำเป็นวิธีการแบบไม่สัมผัส โดยใช้หลักการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้โลหะเกิดความร้อนภายใน กลไกพื้นฐานของมันขึ้นอยู่กับส่วนประกอบของการสูญเสียสองส่วน:

การสูญเสียเนื่องจากกระแสไหลวน: กระแสสลับความถี่สูงที่ไหลผ่านขดลวดเหนี่ยวนำจะสร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว เมื่อวางชิ้นงานโลหะ (เช่น ท่อหรือชิ้นส่วนที่ผ่านการกลึง) ไว้ภายในสนามแม่เหล็กนี้ กระแสไฟฟ้าวนรอบที่รุนแรง—กระแสไหลวน—จะถูกเหนี่ยวนำขึ้นภายในโลหะ คล้ายกับขดลวดทุติยภูมิของหม้อแปลงไฟฟ้า กระแสเหล่านี้จะสร้างความร้อนจูล ทำให้เกิดความร้อนอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ ตัวอย่างเช่น เครื่องปิดผนึกปลายท่อใช้หลักการนี้ในการให้ความร้อนและหลอมปลายท่อเพื่อการปิดผนึกที่สะอาดปราศจากสิ่งปนเปื้อนภายใน

การสูญเสียฮิสเทอรีซิสปรากฏการณ์เหล่านี้เกิดขึ้นเฉพาะในโลหะเฟอร์โรแมกเนติก เช่น เหล็กและเหล็กกล้าบางชนิด เมื่อสนามแม่เหล็กสลับไปมาทำให้วัสดุเกิดการเป็นแม่เหล็กและสูญเสียความเป็นแม่เหล็กซ้ำๆ การจัดเรียงตัวใหม่ของโดเมนแม่เหล็กจะสร้างความร้อนเพิ่มเติม เมื่ออุณหภูมิของโลหะสูงเกินประมาณ 700°C (จุดคิวรี) คุณสมบัติทางแม่เหล็กจะหายไป การสูญเสียฮิสเทอรีซิสจะหยุดลง และความร้อนจะดำเนินต่อไปโดยอาศัยผลของกระแสไหลวนเพียงอย่างเดียว

นอกจากนี้ การให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำยังได้รับอิทธิพลจากปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์ ซึ่งกระแสไฟฟ้าความถี่สูงจะกระจุกตัวอยู่ในชั้นผิวบางๆ ของโลหะ ทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้นและช่วยเพิ่มความร้อนที่ผิว การปรับความถี่ช่วยให้ผู้ใช้งานสามารถควบคุมความลึกของการแทรกซึมความร้อนสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การชุบแข็งผิว การให้ความร้อนสม่ำเสมอ หรือการปิดผนึกปลายท่อ

1.2การให้ความร้อนด้วยไฟฟ้า: เหมาะสำหรับวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ

การให้ความร้อนด้วยไดอิเล็กทริก หรือที่รู้จักกันในชื่อการให้ความร้อนด้วยคลื่นวิทยุ หรือการให้ความร้อนด้วยอิเล็กทรอนิกส์ ใช้สนามไฟฟ้าสลับคลื่นวิทยุหรือรังสีไมโครเวฟในการให้ความร้อนแก่วัสดุไดอิเล็กทริก กลไกหลักคือการหมุนของไดโพล:

การหมุนไดโพลโมเลกุลภายใต้สนามไฟฟ้าความถี่สูง โมเลกุลที่มีขั้วภายในวัสดุต่างๆ เช่น พลาสติก ผลิตภัณฑ์อาหาร ไม้ และสิ่งทอ จะพยายามจัดเรียงตัวให้สอดคล้องกับสนามไฟฟ้าสลับ การหมุนอย่างรวดเร็วและแรงเสียดทานภายในทำให้เกิดความร้อนจำนวนมาก ส่งผลให้เกิดความร้อนทั่วทั้งปริมาตร (ความร้อนที่เกิดขึ้นทั่วทั้งวัสดุ แทนที่จะเกิดขึ้นจากพื้นผิวเข้าสู่ภายใน)

ปัจจัยที่ก่อให้เกิดความร้อน: ประสิทธิภาพการให้ความร้อนขึ้นอยู่กับค่าสัมประสิทธิ์การสูญเสียทางไฟฟ้า ความถี่ และความเข้มของสนามไฟฟ้า เนื่องจากความร้อนเกิดขึ้นภายในวัสดุ ประสิทธิภาพจึงสูงกว่าอย่างมากเมื่อเทียบกับการให้ความร้อนแบบนำความร้อนหรือแบบพาความร้อน

2.0ลักษณะสำคัญของการทำความร้อนด้วยความถี่สูง

2.1การทำความร้อนแบบไม่สัมผัส

ความร้อนถูกสร้างขึ้นภายในโดยไม่ต้องสัมผัสโดยตรงกับเปลวไฟหรือองค์ประกอบความร้อน จึงป้องกันการปนเปื้อนหรือความเสียหายต่อพื้นผิว ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับอุปกรณ์ต่างๆ เช่น เครื่องปิดผนึกปลายท่อ ในกรณีที่ต้องการการปิดผนึกที่เรียบร้อย

2.2ประสิทธิภาพสูงและทำความร้อนได้อย่างรวดเร็ว

พลังงานจะส่งผลกระทบโดยตรงต่อวัสดุเป้าหมายโดยมีการสูญเสียน้อยที่สุด ทำให้เกิดการเพิ่มอุณหภูมิได้เร็วกว่าการนำความร้อน การพาความร้อน หรือการให้ความร้อนด้วยอินฟราเรดอย่างมาก ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตสำหรับงานต่างๆ เช่น การปิดผนึกท่อหรือการชุบแข็งโลหะ

2.3ความแม่นยำและการควบคุม

การปรับความถี่ช่วยให้สามารถควบคุมการแทรกซึมของความร้อนได้ (เช่น ปรากฏการณ์ผิวในระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ) ซึ่งช่วยให้สามารถให้ความร้อนเฉพาะพื้นผิวหรือแกนกลางได้ ระบบปิดผนึกปลายท่อสามารถควบคุมบริเวณหลอมเหลวได้อย่างแม่นยำ ช่วยลดการเสียรูปของท่อ

2.4ใช้งานได้หลากหลาย

เหมาะสำหรับทั้งโลหะ (การให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำ) และวัสดุที่ไม่ใช่โลหะที่เป็นฉนวนไฟฟ้า เช่น พลาสติก อาหาร และสิ่งทอ (การให้ความร้อนแบบไดอิเล็กทริก)

2.5เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

เนื่องจากมีการทำความร้อนเฉพาะชิ้นงานเท่านั้น จึงลดการสิ้นเปลืองพลังงานให้น้อยที่สุด และไม่มีการปล่อยมลพิษ

3.0ความแตกต่างทางเทคนิคระหว่างการให้ความร้อนด้วยคลื่นวิทยุ (RF) และการให้ความร้อนด้วยคลื่นไมโครเวฟ (เฉพาะการให้ความร้อนด้วยไดอิเล็กทริก)

ช่วงความถี่ในการทำงานสำหรับการให้ความร้อนด้วยไดอิเล็กทริกครอบคลุมตั้งแต่ 5 เมกะเฮิร์ตซ์ถึง 5 กิกะเฮิร์ตซ์ การให้ความร้อนด้วยคลื่นวิทยุ (RF) โดยทั่วไปหมายถึงความถี่ต่ำกว่า 100 เมกะเฮิร์ตซ์ (โดยทั่วไปคือ 13.56 เมกะเฮิร์ตซ์และ 27.12 เมกะเฮิร์ตซ์) ในขณะที่การให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟทำงานในช่วงความถี่ 500 เมกะเฮิร์ตซ์ถึง 5 กิกะเฮิร์ตซ์ (โดยทั่วไปคือ 900 เมกะเฮิร์ตซ์และ 2.45 กิกะเฮิร์ตซ์) ทั้งสองแบบอยู่ในย่านความถี่ ISM ที่กำหนดไว้เพื่อป้องกันการรบกวนระบบสื่อสาร ความแตกต่างหลักมีดังนี้:

4.0โครงสร้างอุปกรณ์และพารามิเตอร์กระบวนการ

4.1ส่วนประกอบของระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูง

โดยทั่วไป ระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำความถี่สูงจะประกอบด้วยหน่วยหลักสามหน่วย:

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความถี่สูง: ผลิตพลังงานไฟฟ้าความถี่สูงตามที่ต้องการ

เครือข่ายการจับคู่: ช่วยให้การถ่ายโอนพลังงานมีประสิทธิภาพและการจับคู่ความต้านทานระหว่างเครื่องกำเนิดไฟฟ้าและขดลวดเหนี่ยวนำเป็นไปอย่างเหมาะสม

ขดลวดเหนี่ยวนำ: โดยทั่วไปมักผลิตโดยใช้ลวดลิทซ์เพื่อลดการสูญเสียที่ความถี่สูง โครงสร้างนี้มีความยืดหยุ่นสูงสำหรับการบูรณาการเข้ากับสายการผลิตอัตโนมัติ

สำหรับ เครื่องปิดปลายท่อขดลวดได้รับการออกแบบตามขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางและวัสดุของท่อ เพื่อให้สนามแม่เหล็กโฟกัสไปที่ปลายท่อ ทำให้สามารถให้ความร้อนได้อย่างแม่นยำและเฉพาะจุด

ระบบเหล่านี้มีขนาดกะทัดรัด น้ำหนักเบา ไม่ต้องอุ่นเครื่องล่วงหน้า และให้ประสิทธิภาพการทำความร้อนได้ทันที ทำให้เหมาะสำหรับสภาพแวดล้อมระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม

4.2พารามิเตอร์กระบวนการที่สำคัญ

การใช้งานชิ้นส่วนพลาสติกแทรก: เมื่อใช้ความร้อนเหนี่ยวนำความถี่สูงในการฝังชิ้นส่วนโลหะ (เช่น น็อตหรือสลักเกลียว) ลงในชิ้นส่วนพลาสติก ต้องพิจารณาพารามิเตอร์ต่อไปนี้:

• การออกแบบเส้นผ่านศูนย์กลางรู: รูที่เว้นไว้ในชิ้นส่วนพลาสติกควรมีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของชิ้นส่วนโลหะประมาณ 0.3–0.6 มิลลิเมตร เพื่อให้มีระยะเผื่อสำหรับการหลอมรวม
• โครงสร้างเสริม: ควรมีการออกแบบให้มีตัวนำเกลียวและช่องระบายของเหลวหลอมเหลว
• ขั้นตอนการปฏิบัติงาน: ชิ้นส่วนโลหะจะถูกให้ความร้อนด้วยระบบเหนี่ยวนำและกดลงในรูที่เตรียมไว้ทันทีโดยใช้เครื่องเจาะ จากนั้นจึงระบายความร้อนด้วยอากาศอย่างเป็นระบบ

การใช้งานสำหรับการปิดผนึกปลายท่อ: เครื่องปิดปลายท่อ ต้องปรับความถี่ให้เหมาะสมกับวัสดุของท่อ ท่อที่เป็นแม่เหล็กจะได้รับประโยชน์จากทั้งความร้อนจากฮิสเทอรีซิสและกระแสไหลวน ในขณะที่วัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็ก เช่น อะลูมิเนียม จำเป็นต้องใช้ความถี่สูงกว่าเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของปรากฏการณ์สกินเอฟเฟกต์

ระยะเวลาในการให้ความร้อนต้องควบคุมให้อยู่ในระดับมิลลิวินาที เพื่อป้องกันการหลอมละลายมากเกินไปหรือการปิดผนึกที่ไม่สมบูรณ์ ระบบบางระบบมีโมดูลระบายความร้อนด้วยอากาศเพื่อช่วยในการขึ้นรูปและทำให้แข็งตัวอย่างรวดเร็ว

5.0สาขาการประยุกต์ใช้หลัก

5.1การใช้งานระบบทำความร้อนแบบเหนี่ยวนำ

• การแปรรูปโลหะ: การชุบแข็ง การเชื่อมประสาน การบัดกรี การอบอ่อนชิ้นส่วนยานยนต์และอากาศยาน การหลอมโลหะ การชุบแข็งผิวของเฟือง ใบเลื่อย และเพลาขับ การชุบแข็งชิ้นส่วนกระสุน การปิดผนึกปลายท่อสำหรับท่อโลหะ เช่น ท่อไฮดรอลิกและท่อเครื่องมือแพทย์
• การผนึกและการทำให้บริสุทธิ์: การปิดผนึกขวดบรรจุยาและเครื่องดื่มด้วยแผ่นฟอยล์อะลูมิเนียมเพื่อป้องกันการแกะ; การไล่แก๊สออกจากสารดูดซับในหลอดสุญญากาศ หลอดรังสีแคโทด และหลอดไฟปล่อยประจุแก๊ส
• การประมวลผลเฉพาะทาง: การกลั่นแบบโซนสำหรับการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ การให้ความร้อนแบบปลอดเชื้อและการฆ่าเชื้อด้วยความร้อนของเครื่องมือแพทย์
• การใช้งานในชีวิตประจำวัน: เตาแม่เหล็กไฟฟ้าและหม้อหุงข้าวอัจฉริยะ

5.2การใช้งานระบบทำความร้อนด้วยไดอิเล็กทริก

• อุตสาหกรรมอาหาร: การอบแห้ง การอบ การละลายน้ำแข็ง และการปรุงอาหาร
• พลาสติกและสิ่งทอ: กระบวนการเชื่อม การอบแห้ง การเกิดพอลิเมอร์ และการฝังชิ้นส่วนโลหะ (น็อต สลักเกลียว) ลงในชิ้นส่วนพลาสติก
• ช่องข้อมูลเพิ่มเติม: การอบแห้งกระดาษ การวัลคาไนซ์ยางและการอุ่นก่อนขึ้นรูป การอบแห้งด้วยไมโครเวฟในกระบวนการผลิตยา (โดยเฉพาะสารประกอบที่มีมูลค่าสูงและไวต่อความร้อน) และการซ่อมแซมเนื้อเยื่อเพื่อการรักษาทางการแพทย์

6.0บทสรุป

เทคโนโลยีการให้ความร้อนความถี่สูงใช้ประโยชน์จากข้อได้เปรียบพื้นฐานของการสร้างความร้อนภายใน ซึ่งสนับสนุนทั้งการให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำและการให้ความร้อนแบบไดอิเล็กทริก เพื่อตอบสนองความต้องการในการแปรรูปโลหะและอโลหะที่หลากหลาย คุณลักษณะที่ไม่ต้องสัมผัส มีประสิทธิภาพ และควบคุมได้อย่างแม่นยำ ช่วยเอาชนะปัญหาทั่วไปที่เกี่ยวข้องกับวิธีการให้ความร้อนแบบดั้งเดิม รวมถึงการปนเปื้อน ประสิทธิภาพต่ำ และการควบคุมอุณหภูมิที่ไม่เสถียร

ด้วยความเข้ากันได้ดีกับสายการผลิตอัตโนมัติ การให้ความร้อนด้วยความถี่สูงจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมยานยนต์ อาหาร ยา และอิเล็กทรอนิกส์ ไม่ว่าจะเป็นการเพิ่มความแข็งของพื้นผิวชิ้นส่วนโลหะ การฝังชิ้นส่วนลงในผลิตภัณฑ์พลาสติก หรือการอบแห้งวัตถุดิบอาหารอย่างรวดเร็ว การให้ความร้อนด้วยความถี่สูงได้กลายเป็นเทคโนโลยีหลักที่ขาดไม่ได้ในการผลิตสมัยใหม่ เนื่องจากสามารถปรับความถี่ได้อย่างยืดหยุ่น ควบคุมความลึกของการให้ความร้อนได้ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม

7.0คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

7.1การให้ความร้อนด้วยความถี่สูงจำกัดเฉพาะโลหะหรือไม่?

ไม่ การให้ความร้อนด้วยความถี่สูงนั้นรวมถึงการให้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำสำหรับโลหะ และการให้ความร้อนแบบไดอิเล็กทริกสำหรับวัสดุที่ไม่ใช่โลหะ การให้ความร้อนแบบไดอิเล็กทริกนั้นใช้กับพลาสติก ผลิตภัณฑ์อาหาร สิ่งทอ ไม้ และวัสดุไดอิเล็กทริกอื่นๆ ผ่านกลไกการหมุนของไดโพล

7.2โลหะที่ไม่ใช่แม่เหล็ก (เช่น อลูมิเนียมหรือทองแดง) สามารถให้ความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยใช้ความร้อนแบบเหนี่ยวนำได้หรือไม่?

ใช่แล้ว แม้ว่าโลหะที่ไม่ใช่แม่เหล็กจะไม่ก่อให้เกิดการสูญเสียฮิสเทรีซิส แต่ก็ยังสามารถให้ความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการสูญเสียกระแสไหลวน การเพิ่มความถี่ในการทำงานจะช่วยเสริมผลของกระแสไฟฟ้าที่ผิวโลหะ ทำให้ประสิทธิภาพการให้ความร้อนดีขึ้น

7.3ควรเลือกใช้ระบบทำความร้อนด้วยคลื่นวิทยุและคลื่นไมโครเวฟอย่างไร?

การเลือกใช้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุและข้อกำหนดในการผลิต ความร้อนจากคลื่นวิทยุ (RF) ให้การทะลุทะลวงที่ลึกกว่าและเหมาะสำหรับชิ้นงานขนาดใหญ่หรือชิ้นงานที่มีความกว้างมาก (เช่น การอบแห้งกระดาษขนาดใหญ่) ความร้อนจากไมโครเวฟให้การทะลุทะลวงที่ตื้นกว่าและเหมาะสำหรับกระบวนการผลิตต่อเนื่องขนาดกลาง (เช่น การให้ความร้อนอาหารอย่างรวดเร็ว การอบแห้งแบบสุญญากาศสำหรับอุตสาหกรรมยา)

7.4มีการกำหนดช่วงความถี่มาตรฐานสำหรับการให้ความร้อนด้วยความถี่สูงหรือไม่?

การให้ความร้อนด้วยไดอิเล็กทริกโดยทั่วไปมีช่วงความถี่ตั้งแต่ 5 เมกะเฮิร์ตซ์ถึง 5 กิกะเฮิร์ตซ์ โดยที่คลื่นวิทยุ (RF) โดยทั่วไปหมายถึงความถี่ต่ำกว่า 100 เมกะเฮิร์ตซ์ และการให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟมีช่วงความถี่ตั้งแต่ 500 เมกะเฮิร์ตซ์ถึง 5 กิกะเฮิร์ตซ์ การใช้งานในอุตสาหกรรมต้องปฏิบัติตามแถบความถี่ ISM ที่กำหนดไว้ เช่น 13.56 เมกะเฮิร์ตซ์ หรือ 2.45 กิกะเฮิร์ตซ์ เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนระบบสื่อสาร

7.5เหตุใดรูที่สงวนไว้สำหรับการใช้งานชิ้นส่วนพลาสติกจึงต้องมีขนาดเล็กกว่าชิ้นส่วนโลหะ 0.3–0.6 มม.

ช่องว่างนี้ช่วยให้เกิดการหลอมรวม เมื่อชิ้นส่วนโลหะที่ร้อนถูกกดเข้าไปในรูพลาสติก ความแตกต่างของขนาดเล็กน้อยจะช่วยให้เกิดการหลอมรวมที่เหมาะสม การยึดติดที่แน่นหนา และความแข็งแรงเชิงกล รวมถึงประสิทธิภาพการปิดผนึกที่ดีขึ้น

7.6ระบบทำความร้อนความถี่สูงมีประสิทธิภาพการใช้พลังงานดีกว่าระบบทำความร้อนแบบดั้งเดิมได้อย่างไร?

ความร้อนถูกสร้างขึ้นโดยตรงภายในวัสดุ ทำให้ไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนแก่อากาศโดยรอบหรือพื้นผิวอุปกรณ์ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียความร้อนระหว่างการถ่ายโอน นอกจากนี้ อัตราการให้ความร้อนที่รวดเร็วมากยังช่วยลดรอบการผลิต ลดการใช้พลังงานโดยรวมลง

 

อ้างอิง

https://en.wikipedia.org/wiki/Dielectric_heating

https://www.thermopedia.com/de/content/850/

https://www.canroon.com/Industry-Insights/Understanding-High-Frequency-Induction-Heaters-and-Their-Working-Principles

https://avioweld.com/highfrequency/