고주파 가열: 유도가열과 유전가열

정의와 구분

고주파 가열은 전기를 직접 에너지원으로 쓰는 방식이다.

유도가열은 금속 같은 도체를, 유전가열은 목재·플라스틱 같은 비금속 유전체를 가열한다.

두 방식은 가열 대상도 열이 생기는 원리도 다르다.

유도가열의 원리

유도가열은 코일에 고주파 전류를 흘려 그 자계 안의 금속에 전류를 만든다.

금속 안에 생긴 와전류가 저항을 지나며 줄열을 낸다.

강자성체는 히스테리시스 손실이 더해져 함께 발열한다.

고주파에서는 표피효과로 전류가 표면층에 집중되어 빠르게 가열된다.

유전가열의 원리

유전가열은 고주파 교번 전계 속에서 유전체를 가열한다.

유전체 내부의 분극이 주기적으로 바뀌며 유전손실이 생긴다.

발열 밀도는 각주파수, 전계 세기의 제곱, 손실 계수에 비례한다.

손실 탄젠트가 클수록 전계 에너지가 열로 바뀌는 비율이 커진다.

두 방식의 비교

두 방식은 대상, 원리, 주파수, 구성이 모두 달라 바꿔 쓰면 틀린다.

유도가열은 금속의 와전류손과 히스테리시스손, 유전가열은 비금속의 유전손을 쓴다.

주파수는 유도가열이 60Hz~1MHz 정도, 유전가열은 고주파 대역을 쓴다.

구성은 유도가열이 가열코일과 고주파 인버터, 유전가열은 전극과 RF 발진기다.

고주파 전원 구성

정류기가 상용 교류를 직류로 바꾼다.

이어서 고주파 인버터가 직류를 고주파 교류로 바꾼다.

출력된 고주파 교류가 가열 코일에 흐른다.

코일의 교번 자속이 피가열물에 와전류를 만들어 가열한다.

표피 깊이 계산

표피 깊이 δ는 비저항, 비투자율, 주파수로 정해진다.

탄소강을 10kHz로 가열하면 표피 깊이는 약 0.16mm다.

같은 재료를 100kHz로 바꾸면 깊이는 1/√10 배, 약 0.05mm가 된다.

주파수가 높을수록 표면층만 가열되는 것을 확인할 수 있다.

정리

유도가열은 금속의 와전류손과 히스테리시스손으로 가열한다.

유전가열은 비금속의 유전손으로 가열한다.

주파수는 피가열물의 크기와 재질에 맞춰 고른다.