유도가열

2. 원리

도선에 교류 전류를 흘리면, 그 주위에는 방향과 강도가 시간에 따라 변하는 자기장이 발생한다. 이 자기장 안에 금속과 같은 도체를 놓으면 전자기 유도 현상에 의해 와전류(eddy current)라는 소용돌이 형태의 전류가 도체 내부에 유도된다. 도체는 고유한 전기 저항을 가지고 있으므로, 와전류가 흐르면 줄 열(Joule heat)이 발생한다. 이 줄 열(발열량 = 전류² × 저항)에 의해 도체가 가열되는 것이 유도가열의 기본 원리이다.^[6] 효율적인 가열을 위해 자기장을 발생시키는 도선은 일반적으로 코일 형태로 만들어 사용한다.

유도가열 시스템은 기본적으로 낮은 전압과 매우 높은 전류 및 고주파를 공급하는 AC 전원 장치, 가열할 대상 물체(공작물), 그리고 공작물을 내부에 배치하는 공기 코일로 구성된다. 코일은 종종 공진 탱크 커패시터와 결합되어 반응 전력을 증가시킨다. 교류 자기장이 공작물에 와전류를 유도하여 가열하는 것이다.

유도되는 와전류의 주파수는 전류가 공작물 내로 침투하는 깊이(침투 깊이, skin depth)를 결정한다. 침투 깊이가 얕을수록 전류는 표면 근처에 집중된다. 단단한 원통형 막대의 경우, 유도 전류는 표면에서 내부로 들어갈수록 지수적으로 감소한다. 전체 전력의 약 86%가 집중되는 침투 깊이 $\backslash delta$(미터 단위)는 다음 식으로 계산할 수 있다:

$\backslash delta\; =\; 503\; \backslash sqrt\{\backslash frac\{\backslash rho\}\{\backslash mu\; f\}\}$

여기서 $\backslash rho$는 공작물의 저항률(옴-미터), $\backslash mu$는 공작물의 상대 자기 투자율(무차원), $f$는 AC 자기장의 주파수(Hz)이다.^[6] 공작물의 등가 저항과 가열 효율은 침투 깊이 $d$에 대한 공작물 직경 $a$의 비율($a/d$)에 따라 달라지는데, 이 비율이 약 4가 될 때까지 효율이 급격히 증가한다.^[7] 따라서 특정 공작물 직경($a$)에 대해 최적의 효율을 얻기 위한 임계 주파수($a/d=4$를 만족하는 주파수)가 존재하며, 전원 공급 장치는 종종 이 주파수에 맞춰 설계된다. 임계 주파수보다 낮은 주파수를 사용하면 공작물 양쪽에서 발생한 와전류가 서로 간섭하여 상쇄되므로 가열 효율이 떨어진다. 임계 주파수보다 높은 주파수를 사용해도 효율 증가는 미미하지만, 공작물 표면만 빠르게 가열하거나 열처리하는 데 사용될 수 있다.

침투 깊이는 온도에 따라서도 변하는데, 이는 재료의 저항률과 투자율이 온도에 따라 변하기 때문이다. 예를 들어, 강철의 경우 큐리 온도 이상으로 가열되면 강자성을 잃고 상대 투자율이 1로 급격히 떨어진다. 이 때문에 침투 깊이는 온도에 따라 비자성 도체는 2~3배, 자성 강철은 큐리 온도 이하에서 최대 20배까지 달라질 수 있다.^[8]

자성 재료는 자기 히스테리시스 효과 때문에 유도가열 효율을 높이는 데 기여한다. 투자율이 높은 재료(상대 투자율 100–500)는 유도 전류가 더 잘 생성되어 가열하기 쉽다. 히스테리시스 가열은 재료가 자기적 특성을 유지하는 큐리 온도 이하에서만 발생하며, 이 온도 범위에서 높은 투자율은 유도가열에 유리하다. 공작물의 온도 변화, 질량, 비열 등도 전체 가열 과정에 영향을 미친다.

유도가열 시 에너지 전달 효율은 코일과 공작물 사이의 거리에도 영향을 받는다. 거리가 가까울수록 효율이 높다. 가열된 공작물에서 발생하는 에너지 손실은 주로 주변 고정구나 다른 물체로의 열전도, 공기 중으로의 자연 대류, 그리고 열 복사를 통해 일어난다.

유도 코일은 일반적으로 열을 효과적으로 제거하기 위해 속이 빈 구리 튜빙으로 만들고 내부에 냉각수를 흘려 액체 냉각 방식으로 사용한다. 코일의 직경, 모양, 감은 횟수 등은 생성되는 자기장의 패턴과 가열 효율에 직접적인 영향을 미친다.

일반적인 유도가열 장치에서는 코일 중앙에 가열할 금속 물체를 놓는 경우가 많지만, IH(Induction Heating) 조리기와 같은 일부 응용에서는 구조적인 이유로 코일 위에 금속 용기를 올려놓는 방식을 사용한다. 유도가열 현상은 조리 기구 외에도 변압기의 철심 등에서 의도치 않게 발생할 경우 에너지 손실(히스테리시스 손실)의 원인이 되기도 한다.