คลังความรู้ (Knowledge Hub)
หลักการทำงานเครื่องอินดักชั่นส์ฮีตเตอร์
หลักการทำงานของเครื่องอินดักชั่นฮีตเตอร์ (Induction Heater) หรือเครื่องให้ความร้อนด้วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า อาศัยหลักการสร้างความร้อนขึ้น ภายใน ตัวชิ้นงานที่เป็นโลหะโดยตรง โดยที่ชิ้นงานไม่จำเป็นต้องสัมผัสกับตัวทำความร้อนและไม่มีการใช้เปลวไฟ
การทำงานจะอาศัยหลักการทางฟิสิกส์ 2 อย่างร่วมกัน คือ การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (Electromagnetic Induction) และ ความร้อนจากความต้านทาน (Joule Heating)
กระบวนการทำงานแบบเป็นขั้นตอนมีดังนี้ครับ:
สร้างสนามแม่เหล็กที่เปลี่ยนแปลง: ตัวเครื่องจะจ่ายกระแสไฟฟ้าสลับความถี่สูง (High-frequency Alternating Current) เข้าไปในขดลวดทองแดง (Induction Coil) ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กที่มีการเปลี่ยนแปลงทิศทางและความเข้มข้นอย่างรวดเร็วรอบๆ ขดลวด
เหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้า: เมื่อนำชิ้นงานที่เป็นโลหะ (หรือวัสดุที่นำไฟฟ้าได้) เข้าไปวางในบริเวณสนามแม่เหล็กนี้ สนามแม่เหล็กจะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลวนอยู่ภายในเนื้อของชิ้นงานโลหะ เรียกว่า กระแสไหลวน (Eddy Current)
เปลี่ยนกระแสไฟฟ้าเป็นความร้อน: โลหะทุกชนิดมีค่าความต้านทานไฟฟ้า (Electrical Resistance) ในตัวเอง เมื่อกระแสไหลวนปริมาณมากพยายามไหลผ่านเนื้อโลหะที่มีความต้านทาน จึงเกิดการสูญเสียพลังงานและเปลี่ยนรูปกลายเป็นความร้อนขึ้นมาจากภายในเนื้อโลหะอย่างรวดเร็ว
ความร้อนจากการเสียดสีของโมเลกุล (เฉพาะวัสดุแม่เหล็ก): หากชิ้นงานเป็นเหล็กหรือวัสดุที่มีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก จะมีความร้อนอีกส่วนหนึ่งเกิดจากการที่โมเลกุลภายในเนื้อเหล็กพยายามจัดเรียงตัวตามทิศทางของสนามแม่เหล็กที่สลับไปมาอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดการเสียดสีภายในและกลายเป็นความร้อน (Hysteresis Loss)
ข้อดีของหลักการนี้:
ทำความร้อนได้รวดเร็วมาก: เพราะความร้อนเกิดขึ้นที่ตัวชิ้นงานโดยตรง ไม่ต้องรอการถ่ายเทความร้อนจากอากาศหรือขดลวด
ควบคุมได้แม่นยำ: สามารถกำหนดตำแหน่งที่ต้องการให้ร้อน และควบคุมอุณหภูมิได้ง่ายจากการปรับความถี่และกำลังไฟ
ปลอดภัยและสะอาด: ไม่มีเปลวไฟ ไม่มีควัน และตัวขดลวดทองแดงเองก็ไม่ได้ร้อนจัด (มักจะมีการหล่อเย็นด้วยน้ำอยู่ภายใน)
ความถี่ (Frequency)
ในระบบอินดักชั่นฮีตเตอร์ จะมีปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า “Skin Effect” (ปรากฏการณ์ที่กระแสไฟฟ้ามักจะไหลอออยู่บริเวณผิวหน้าของตัวนำ) ซึ่งอธิบายง่ายๆ คือ ยิ่งความถี่ของกระแสไฟฟ้าสูงขึ้นเท่าไหร่ กระแสไหลวน (Eddy Current) และความร้อนก็จะยิ่งกระจุกตัวอยู่แค่บริเวณผิวหน้าของโลหะเท่านั้น
เราสามารถแบ่งช่วงความถี่และการนำไปใช้งานได้เป็น 3 ระดับหลักๆ ดังนี้ครับ:
- เครื่องความถี่สูง (High Frequency: 100 kHz – 500 kHz หรือมากกว่า)
- ลักษณะการเกิดความร้อน: ความร้อนจะเกิดขึ้นและกระจุกตัวอยู่ เฉพาะผิวหน้า ของชิ้นงาน (ซึมลึกตื้นมาก มักไม่เกิน 1-2 มิลลิเมตร)
- เหมาะสำหรับ: * ชิ้นงานที่มีขนาดเล็ก หรือมีความบางมาก เช่น เส้นลวด ท่อขนาดเล็ก
- งานที่ต้องการชุบแข็งเฉพาะผิวโลหะ (Surface Hardening) เพื่อให้ผิวหน้าแข็งแรงแต่แกนกลางยังคงความเหนียวไว้
- งานเชื่อมประสาน (Brazing) ชิ้นส่วนเล็กๆ ที่ต้องการความร้อนเร็วและจบงานไว
- เครื่องความถี่ระดับกลาง (Medium Frequency: 1 kHz – 50 kHz)
- ลักษณะการเกิดความร้อน: ความร้อนจะเริ่มซึมลึกลงไปในเนื้อโลหะได้มากขึ้น (ประมาณ 2-10 มิลลิเมตร ขึ้นอยู่กับชนิดวัสดุ)
- เหมาะสำหรับ:
- การชุบแข็งชิ้นงานที่ต้องการความลึกของชั้นความแข็งมากขึ้น เช่น แกนเพลาขนาดกลาง เฟืองขับ
- การหลอมโลหะในเตาหลอมขนาดเล็กถึงขนาดกลาง
- การให้ความร้อนชิ้นส่วนทั่วไปก่อนนำไปสวมอัด (Shrink Fitting)
- เครื่องความถี่ต่ำ (Low Frequency: 50 Hz – 1 kHz)
- ลักษณะการเกิดความร้อน: กระแสไฟฟ้าสามารถทะลุทะลวงเข้าไปได้ลึกมาก ทำให้เกิดความร้อนกระจายตัว ทะลุถึงแกนกลาง ของชิ้นงาน
- เหมาะสำหรับ:
- ชิ้นงานที่มีขนาดใหญ่และหนามาก
- งานให้ความร้อนก่อนการตีขึ้นรูป (Forging) ที่ต้องการให้เหล็กทั้งแท่งร้อนแดงและอ่อนตัวเท่ากันตั้งแต่ผิวนอกจนถึงแกนใน
- เตาหลอมโลหะขนาดใหญ่ในโรงงานอุตสาหกรรมหนัก
กำลังไฟ (วัตต์) หรือปริมาณวัตต์ (Watt / Kilowatt - kW)
ก็คือตัวกำหนด “ความเร็ว” และ “ปริมาณความร้อน” ที่เครื่องสามารถสร้างได้
เปรียบเทียบให้เห็นภาพง่ายๆ การทำงานของกำลังไฟก็เหมือนความแรงของไฟเตาแก๊สครับ ยิ่งเตาไฟแรง ชิ้นงานก็ยิ่งร้อนไว หรือสามารถทำความร้อนให้กับชิ้นงานขนาดใหญ่ๆ ได้ในเวลาที่สั้นลง
ปัจจัยหลักที่ใช้กำหนดกำลังไฟ (kW) ของเครื่อง
การจะเลือกว่าต้องใช้เครื่องอินดักชั่นขนาด 15 kW, 50 kW หรือระดับ 100 kW ขึ้นไป จะพิจารณาจาก 4 ตัวแปรหลักนี้ครับ:
- น้ำหนักและมวลของชิ้นงาน (Mass & Volume): ยิ่งชิ้นงานมีขนาดใหญ่หรือหนามากเท่าไหร่ ก็ยิ่งต้องการพลังงานมหาศาลเพื่อดึงอุณหภูมิให้สูงขึ้น หากใช้เครื่องที่กำลังไฟต่ำเกินไปกับชิ้นงานใหญ่ ความร้อนที่เกิดขึ้นอาจจะสูญเสียออกสู่อากาศรอบๆ เร็วกว่าความร้อนที่เครื่องเติมเข้าไป ทำให้ชิ้นงานไม่ร้อนถึงระดับที่ต้องการสักที
- อุณหภูมิเป้าหมาย (Target Temperature): งานแต่ละประเภทต้องการอุณหภูมิไม่เท่ากันครับ เช่น งานบัดกรีหรือเชื่อมทองแดง (Brazing) ที่ใช้อุณหภูมิประมาณ 600-800 องศาเซลเซียส ย่อมใช้กำลังไฟน้อยกว่างานหลอมเหล็ก (Melting) ที่ต้องอัดความร้อนทะลุ 1,500 องศาเซลเซียส
- เวลาที่ต้องการ (Heating Time): ข้อนี้สำคัญมากในสายการผลิตอุตสาหกรรมครับ หากโรงงานต้องการให้แท่งเหล็กร้อนแดงพร้อมตีขึ้นรูป (Forging) ภายในเวลาแค่ 5 วินาที ก็ต้องใช้เครื่องที่กำลังไฟสูงจัดๆ เข้าสู้ แต่ถ้าระบบงานสามารถรอให้ค่อยๆ ร้อนได้ในเวลา 1 นาที ก็สามารถใช้เครื่องที่กำลังไฟลดลงมา ซึ่งจะช่วยประหยัดงบประมาณค่าตัวเครื่องไปได้มหาศาล
- ชนิดของวัสดุ (Material Properties): วัสดุที่เป็นแม่เหล็กอย่าง “เหล็กกล้า” จะตอบสนองและดูดซับพลังงานจากสนามแม่เหล็กได้ดีมาก จึงใช้กำลังไฟไม่สูงนัก แต่ถ้าชิ้นงานคือ “ทองแดง” หรือ “อลูมิเนียม” ซึ่งไม่เป็นแม่เหล็กและยังนำไฟฟ้าได้ดีเยี่ยม ความต้านทานในเนื้อวัสดุจะต่ำมาก ทำให้เกิดความร้อนได้ยาก คุณอาจต้องเผื่อกำลังไฟของเครื่องให้สูงขึ้นอีก 2-3 เท่า เพื่อให้ได้ความร้อนที่เท่ากับการเผาเหล็ก
ขดลวดเหนี่ยวนำ (Induction Coil)
หลักการสำคัญที่สุดของการออกแบบขดลวดคือ “สนามแม่เหล็กจะมีความเข้มข้นที่สุดในบริเวณที่อยู่ใกล้กับขดลวดมากที่สุด” ดังนั้น ถ้าเราต้องการให้ชิ้นงานร้อนตรงไหน และมีรูปร่างแบบไหน ขดลวดก็จะต้องถูกดัดให้มีรูปทรงล้อไปกับชิ้นงานบริเวณนั้น
วัสดุที่ใช้ทำขดลวดจะเป็น ท่อทองแดงกลวง (ไม่ใช่สายไฟเส้นทึบ) เพื่อให้สามารถปล่อยน้ำเย็นไหลวนเข้าไปหล่อเย็น (Water Cooling) ตลอดเวลาที่เครื่องทำงาน ป้องกันไม่ให้ตัวขดลวดหลอมละลายจากกระแสไฟฟ้าที่สูงมากและจากความร้อนที่แผ่ออกมาจากชิ้นงาน
รูปแบบของขดลวดที่นิยมใช้ในอุตสาหกรรม มีดังนี้:
1. ขดลวดทรงเกลียว / ทรงกระบอก (Helical Coil / Solenoid Coil)
ลักษณะ: เป็นการนำท่อทองแดงมาดัดพันเป็นวงกลมซ้อนกันหลายๆ รอบ คล้ายสปริง เป็นรูปทรงมาตรฐานที่เห็นได้บ่อยที่สุด
การใช้งาน: เหมาะสำหรับชิ้นงานทรงกระบอก ยาวๆ เช่น เพลา ท่อเหล็ก แกนโช้ค หรือการอุ่นเหล็กแท่ง (Billet) ก่อนนำไปตีขึ้นรูป ความร้อนจะโอบรัดรอบชิ้นงานได้อย่างสม่ำเสมอ
2. ขดลวดทรงจานแบน (Pancake Coil)
ลักษณะ: ขดลวดจะถูกดัดให้ขดวนอยู่ในแนวระนาบเดียวกัน คล้ายๆ กับยากันยุงแบบขด หรือแพนเค้ก
การใช้งาน: ใช้สำหรับให้ความร้อนกับชิ้นงานที่มี พื้นผิวเรียบแบน หรือต้องการให้ความร้อนเฉพาะผิวด้านหน้าฝั่งเดียว เช่น แผ่นโลหะ ปลายใบมีด หรือการให้ความร้อนกระทะในเตาแม่เหล็กไฟฟ้าตามบ้านเรานี่แหละครับ
3. ขดลวดสำหรับให้ความร้อนด้านใน (Internal / Bore Coil)
ลักษณะ: ขดลวดจะถูกออกแบบให้มีขนาดเล็กพอที่จะสอดเข้าไป ด้านใน ของชิ้นงานที่มีรูเจาะตรงกลาง
การใช้งาน: ใช้ชุบแข็งหรือให้ความร้อนผิวด้านในของกระบอกสูบ รูเพลา หรือข้อต่อท่อด้านใน ซึ่งเป็นบริเวณที่ขดลวดแบบพันด้านนอกส่งสนามแม่เหล็กเข้าไปไม่ถึง
4. ขดลวดแบบกิ๊บดำ / แบบตัวยู (Hairpin / U-Shape Coil)
ลักษณะ: เป็นขดลวดที่เดินท่อขนานกัน หรือดัดโค้งแคบๆ คล้ายกิ๊บติดผม
การใช้งาน: ใช้สำหรับงานที่ต้องการจำกัดความร้อนให้อยู่ในพื้นที่ แคบมากๆ และเฉพาะเจาะจง เช่น การเชื่อมประสาน (Brazing) รอยต่อของท่อแอร์ หรือจุดฟันเฟืองเล็กๆ
- 080-431-9966
- prachara@proinduct.co.th