유도 가열: 알고 싶었지만 묻기 어려웠던 모든 것 (2018년 2월)

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이달의 질문:확산 접합을 진행하기 전에 유도 가열을 통해 복합 금속 재료를 가열할 계획입니다. 과도한 소음과 관련하여 우려할 점이 있을까요? 특정 주파수 대역에서 소음이 더 심하다는 사실을 확인하신 적이 있나요? 만약 그렇다면, 소음 수준을 억제할 수 있는 해결책이 있나요?

답변:대부분의 유도 가열 응용 분야에서산업 소음은 눈에 띄는 수준에 이르지 않습니다. 따라서 몇 가지 예외를 제외하면 과도한 소음에 대해 우려할 이유는 없습니다. 주파수가 낮을수록 일반적으로 코일 전류가 증가하여 전자기력과 코일 권선 진동이 커집니다. 따라서 주파수(60 Hz)를 사용하는 시스템은 3 kHz 또는 30 kHz를 사용하는 시스템에 비해 더 큰 규모의 산업 소음이 발생할 것으로 예상하는 것이 합리적입니다. 또한, kW 용량이 더 큰 시스템일수록 소음도 더 클 가능성이 높습니다. 따라서 다른 모든 요인이 동일하다고 가정할 때, 500 kW 시스템은 100 kW 시스템보다 더 큰 소음을 발생시킬 수 있습니다.

가청 소음을 논의할 때, 산업 소음이 인간에게 미치는 영향에 영향을 주는 두 가지 주요 요인, 즉 ‘크기’와 ‘불쾌감/불편함 수준’을 염두에 두어야 합니다. 예를 들어, 저주파 가청 소음(예: 50~60 Hz)은 크기가 더 클 수 있지만, 높은 주파수(예: 1 kHz)에서 발생하는 크기가 더 작은 소음에 비해 인간의 귀에 그다지 불쾌하게 들리지 않을 수도 있습니다.

다음은 유도 가열 과정에서 소음이 발생하는 네 가지 주요 원인입니다:

  • 전원 공급 장치에서 발생하는 소음.시중에는 다양한전원 공급 장치가 판매되고 있습니다. 유도 가열의 경우, 단일 모듈 인버터를 사용하는 전력 및 주파수 조합은 상용 주파수부터 수백 kHz에 이르기까지 다양하며, 800 kHz 대역의 주파수에서도 1000 kW를 초과하는 전력 수준을 나타냅니다. 반도체 기술을 기반으로 한 최신 전원 공급 장치의 설계 특성 덕분에 작동 시 소음이 거의 발생하지 않습니다. 따라서 전원 공급 장치에서 비롯된 소음은 일반적으로 문제가 되지 않습니다.
  • 구리 코일 권선의 진동으로 인해 발생하는 소음.유도 코일을 제작하는 두 가지 주요 방식은 개방형 권선 방식과 내화재로 피복된 방식으로 분류할 수 있다 [참고문헌 1]. 개방형 권선 방식은 고장 발생 시 수리가 더 편리하지만, 진동과 소음을 제거하거나 최소화하기 위해 스터드와 적절한 고정 장치를 사용하여 코일 권선을 단단히 고정해야 한다. 주조용 내화물(예: 특수 등급의 시멘트)을 사용하여 코일을 내화물로 감싼 방식은 내구성과 수명을 연장해 주며, 코일 구리 권선의 진동을 제거하거나 대폭 줄여줍니다. 적절하게 설계된 유도 코일은 문제가 될 만한 소음 수준을 나타내지 않습니다.
  • 공작물의 진동이나 공명 음파(증폭 효과)로 인해 발생하는 소음.공작물이 여러 개의 분리된 부품으로 구성되어 있는 경우, 해당 부품들이 진동하여 소음을 발생시킬 수 있습니다. 이러한 가능성을 평가하려면 공작물의 구체적인 형상을 검토해야 합니다. 특정 확산 접합 공정에서는 개별 구성 요소의 진동 가능성을 최소화하기 위해 압력을 가할 수 있습니다. 중공 공작물을 유도 가열할 때(예: 상대적으로 벽이 얇은 파이프나 튜브의 유도 가열), 특정 주파수가 충분히 높은 전력 밀도와 결합되면 가청 한계를 초과하는 상당한 크기의 공진 음파가 방출될 수 있습니다. 이러한 경우, 가청 소음 또한 주파수 선택에 큰 영향을 미치는 주요 요인이 될 수 있습니다. 각 튜브는 직경, 벽 두께, 재질, 길이 및 기타 요인에 따라 결정되는 고유한 구조적 공진 주파수(SRF)를 가지고 있습니다. 유도 코일의 가열 주파수가 튜브의 고유 공진 주파수에 충분히 근접할 경우, 큰 진폭의 진동과 과도한 가청 소음이 발생할 수 있습니다. 다시 말해, 라디오 수신기가 전자기파를 가청음으로 변환하는 것과 다소 유사한 메커니즘이 작용하여, 특정 주파수를 다룰 때 튜브나 파이프가 증폭기 역할을 하게 될 수 있습니다. 다른(더 높거나 낮은) 주파수를 선택함으로써 소음을 줄일 수 있는지 여부는 특정 관형 가공물의 구조적 고유 공진 주파수(SRF)와 유도 가열기의 적용 주파수의 조합에 따라 결정됩니다. 따라서 이러한 경우, 망치로 공작물을 가볍게 두드려 공작물의 SRF를 측정하고, 측정된 신호의 주파수와 진폭을 감지할 수 있는 청각 수신기를 사용하여 공진 소음을 측정하는 것이 유용합니다. 그 결과, 허용할 수 없는 소음을 발생시키는 주파수에 비해 특정 주파수가 소음 수준을 개선할지 여부를 판단하는 데 있어 보다 합리적인 결정을 내릴 수 있습니다. 예를 들어, 특정 공작물의 SRF가 300 Hz인 경우, 선택한 주파수가 SRF에서 멀어질수록 발생하는 소음은 더 낮아집니다. 이 경우, 1 kHz에 비해 6 kHz를 사용하면 소음이 눈에 띄게 줄어듭니다. 반대로, SRF가 5 kHz인 경우 6 kHz를 사용하면 500 Hz에 비해 소음이 더 심해집니다. 금속 재료를 가열할 때 보호 또는 저감 분위기를 사용하는 경우가 많습니다. 따라서 유도 가열 시스템을 기밀 챔버/인클로저 내부에 설치하면 소음 수준을 상당히 낮출 수 있습니다.
  • 전원 케이블, 버스바 및 고정 장치의 진동으로 인해 발생하는 소음입니다.고정 장치, 전원 케이블 및 버스바의 설계가 잘못될 가능성은 매우 낮습니다. 그러나 우려되는 사항이 있다면 유도 가열 전문가에게 문의하시면 해결하실 수 있습니다.

이러한 점들에 대한 더 자세한 논의는 참고문헌 1에서 확인할 수 있다.

발레리 루드네프 박사, FASM
과학기술 부문 이사
Inductoheat Inc
www.inductoheat.com

참고 문헌

  1. V. Rudnev, D. Loveless, R. Cook, 『유도 가열 핸드북』, 제2판, CRC Press, 2017.
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