誘導加熱：知りたいけれど、聞きづらかったことすべて（2018年2月）

今月の質問：拡散接合の前に、複合金属材料を誘導加熱で加熱する予定です。過度な騒音について懸念すべき点はありますか？また、特定の周波数帯では他の周波数帯よりも騒音が大きくなるという経験はありますか？もしそうであれば、騒音レベルを抑えるための対策はありますか？

回答：誘導加熱の用途の大部分において、産業騒音は顕著なレベルには達しません。したがって、いくつかの例外はありますが、過度な騒音を懸念する理由はありません。一般的に、周波数が低いほどコイル電流が大きくなり、その結果、電磁力やコイル巻線の振動が増大します。 したがって、商用周波数（60 Hz）を使用するシステムは、3 kHzや30 kHzのシステムに比べて、より大きな産業騒音が発生すると予想するのが妥当です。さらに、出力（kW）が大きいシステムほど、騒音も大きくなる可能性が高いです。したがって、他のすべての条件が同じであると仮定すれば、500 kWのシステムは100 kWのシステムよりも大きな騒音を発生させる可能性があります。

可聴騒音について論じる際には、産業騒音が人間に与える影響に関わる2つの主な要因、すなわち「音量」と「不快感・不快度」を念頭に置く必要があります。例えば、低周波の可聴騒音（50～60 Hzなど）は音量が大きい場合がありますが、高周波（1 kHzなど）で音量の小さい騒音に比べ、人間の耳にはそれほど不快に感じられない可能性があります。

誘導加熱の際に発生するノイズの主な原因は、以下の4つです。

• 電源から発生するノイズ。市場には数多くの電源が販売されている。誘導加熱の場合、単一モジュール型インバータを用いた出力と周波数の組み合わせは、商用周波数から数百kHzまで多岐にわたり、800kHz台の周波数であっても出力は1000kWを超える。半導体技術に基づく最新の電源は、その設計上の特徴により、ほぼ無音で動作する。したがって、電源に起因するノイズは通常、問題とはならない。
• 銅コイルの巻線の振動によって発生する騒音。誘導コイルの製作における主な手法は、開放巻線方式と耐火材被覆方式の2つに分類される[参考文献1]。開放巻線方式は、故障時の修理が容易である一方、振動や騒音を排除または最小限に抑えるために、スタッドや適切な固定具を用いてコイルの巻線を確実に固定する必要がある。 鋳込み用耐火物（例えば、特殊グレードのセメントなど）を用いた被覆コイルは、耐久性と長寿命を実現し、コイルの銅巻線の振動を排除または大幅に低減します。適切に設計された誘導コイルでは、問題となるレベルの騒音は発生しません。
• ワークの振動や共振音波（増幅効果）によって発生する騒音。ワークがいくつかの可動部品で構成されている場合、それらが振動して騒音を発生させる可能性があります。この可能性を評価するには、当該ワークの具体的な形状を確認する必要があります。 特定の拡散接合用途では、個々の構成部品の振動の可能性を最小限に抑えるために圧力を加えることができます。中空の被加工物を誘導加熱する場合（例えば、比較的肉厚の薄いパイプやチューブの誘導加熱）、特定の周波数と十分に高い電力密度が組み合わさると、可聴限界を超える相当な大きさの共振音波が発生する可能性があります。このような場合、可聴騒音も周波数の選定に大きな影響を与える主要な要因となり得ます。 各チューブには固有の構造共振周波数（SRF）があり、これは直径、肉厚、材質、長さ、その他の要因によって決まります。誘導コイルの加熱周波数がチューブ固有の共振周波数に十分に近くなると、振幅の大きな振動や過度の可聴騒音が発生する可能性があります。 言い換えれば、ラジオ受信機が電磁波を可聴音に変換するのと同様に、特定の周波数を取り扱う際に、管やパイプが増幅器として機能してしまうような、ある種の類似したメカニズムが生じることがあります。異なる（より高い、あるいはより低い）周波数を選択することで騒音を低減できるかどうかの判断は、特定の管状ワークピースの構造的自己共振周波数（SRF）と、誘導加熱装置の印加周波数の組み合わせによって決まります。 したがって、このような場合、ハンマーでワークピースを叩いてそのSRFを測定し、測定信号の周波数と振幅を検出できる何らかの可聴受信機を用いて共振による可聴騒音を測定することが有益です。その結果、許容できない騒音を生じさせる周波数と比較して、特定の周波数が騒音レベルを改善するかどうかを判断する際、より適切な決定を下すことができます。 例えば、あるワークピースの SRF が 300 Hz の場合、選択した周波数が SRF から離れるほど、発生する騒音は低くなります。 この場合、1 kHzと比較して6 kHzの方が、明らかに低い騒音しか発生しません。対照的に、SRFが5 kHzの場合、6 kHzを使用すると500 Hzと比較して騒音が悪化します。金属材料を加熱する際には、保護雰囲気や低騒音雰囲気を使用することがよくあります。したがって、誘導加熱システムを気密チャンバーやエンクロージャー内に設置すれば、騒音レベルを大幅に低減することができます。

• 電源ケーブル、バスバー、および固定具の振動によって発生する騒音。固定具、電源ケーブル、およびバスバーの設計が不適切である可能性は極めて低い。ただし、懸念事項がある場合は、誘導加熱の専門家に相談すれば解決できる。

これらの点に関するさらなる議論については、参考文献1を参照のこと。

ヴァレリー・ルドネフ博士（FASM）
科学・技術担当ディレクター
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com

参考文献

1. V. Rudnev、D. Loveless、R. Cook著、『誘導加熱ハンドブック』第2版、CRC Press、2017年。