برای درک مفهوم پلاسمای جفت شده القایی ابتدا باید درباره مفاهیم مغناطیس و القای الکترومغناطیس ، گرمایش القایی و همچنین پلاسما آشنا شوید.

برای خواندن درباره مغناطیس و الکترومغناطیس کلیک کنید

گرمایش القایی (INDUCTION HEATING)

برای ورود به مفهوم گرمایش القایی باید ابتدا با سه مفهوم آشنا شویم:

1.جریان گردابی

جریان گردابی با جریان فوکو که به نام جریان ادی نیز شناخته میشود حلقه هایی از جریان الکتریکی است که داخل هادی ایجاد میشود فرض کنیم یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان داریم اگر این میدان را به یک هادی اعمال کنیم طبق قانون القای فارادی یک جریان متغیر با زمان در داخل هادی ایجاد میشود. این پدیده جریان ادی یا جریان گردابی نام دارد

2.اثر سطحی

در میدانهایی که تغییرات سریعی دارند میدان مغناطیسی به طور کامل به داخل ماده وارد نمیشود این پدیده اثر سطحی نام دارد هرچه فرکانس میدان مغناطیسی بیشتر باشد جریانهای گردابی نیز بزرگتر خواهد بود

3.حلقه هیسترزیس

با تغییر دانم جهت جریان مغناطیس کنندگی سیم پیچ از جهت مثبت به صنفی مانند آنچه در تغذیه AC اتفاق می افتد. یک منحنی حلقه مانند برای پسماند مغناطیسی در هسته سیم پیچ ایجاد میشود. طی ایجاد پسماند مغناطیسی گرما تلف میشود که با مساحت حلقه هیسترزیس مغناطیسی متناسب است. از آنجایی که در ترانسفورماتورهای AC جهت جریان دائما تغییر می کند تلفات هیسترزیس همواره وجود دارد این موضوع یکی از چالشهای این تجهیزات است اما در گرمایش القایی یکی از موارد موثر در طراحی به حساب می آید.

 پلاسمای جفت شده القایی

شکل 1 : گرمایش القایی

گرمایش القایی از جمله فناوریهایی است که مزایای فراوانی دارد از جمله بازده بالا گرمایش سریع تمیزی و کنترل دقیق به دلیل همین نقاط مثبت این فناوری به انتخاب اول در کاربردهای صنعتی خانگی و پزشکی تبدیل شده است.

در اغلب روشهای گرمایش یک مشعل مستقیما قطعه فلزی را داغ می کند. اما با استفاده از گرمایش القایی به دلیل جریانهای الکتریکی گردابی داخل قلی گرما به قطعه القا میشود رمایش القایی به مشخصات خاص انرژی در فرکانس رادیویی بستگی دارد. فرکانس رادیویی قسمتی از طیف الکترو مغناطیسی است که از نظر فرکانسی پایین تر از امواج فروسرخ و مایکروویو قرار دارد.

از آنجا گرما توسط امواج الکترومغناطیسی منتقل میشود، جسم مورد نظر تماس مستقیمی با منبع گرما ندارد. سلف یا القاگر نیز در این حالت گرم نمیشود.همچنین آلودگی در جسم ایجاد نمیشود.هنگامی که تنظیمات مناسب باشد این فرآیند قابل تکرار و کنترل شدنی است.

شکل 2

برای درک اساس عملکرد گرمایش القایی دانش مناسبی از الکتریسیته کافی است. هنگامی یک جریان الکتریکی متناوب به سیمین اولیه یک ترانسفورماتور اعمال شود یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان تولید میشود. بر اساس قانون فارادی اگر سیم پیچ نانویه ترانسفورماتور در میدان مغناطیسی قرار گیرد یک جریان الکتریکی در آن القا می شود
در یک سیستم ساده گرمایش القایی مسیح تقدیه از یک جریان متناوب به سلک یا الفاگر (معمولا از جس میں ارسال میکنند.

ماده ای که میخواهیم دمای آن را افزایش دهیم معمولا داخل این سیم پیچ قرار داده میشود سلف یا الفاکره مانند سیم پیچ اولیه یک ترانسفورماتور عمل میکند و ماده هدف مانند سیم پیچ نانویه ترانسفورماتور خواهد بود. با این تفاوت که اتصال کوتاه شده است. هنگامی که یک قطعه فلزی داخل الفاگر قرار گیرد جریانهای گردانی در حال چرخش در قطعه القا می شود.

شکل 3 : مراحل گرمایش القایی

پدیده دیگری که میتواند در قطعات مغناطیسی ایجاد گرما ، کند تلفات هیسترزیس است . هنگام عبور قطعات مغناطیسی از ، الفاکر در داخل قطعه مغناطیسی اصطکاک به وجود می آید . مواد مغناطیسی به طور طبیعی در برابر تغییرات سریع میدان مغناطیسی القاگر از خود مقاومت الکتریکی نشان میدهند این مقاومت الکتریکی یک اصطکاک داخلی ایجاد میکند که به گرما تبدیل میشود .

بنابراین در فرآیند گرمایش ماده هیچ اتصالی بین الفاكر و قطعه وجود ندارد . همچنین هیچ گاز قابل اشتعالی نیز تولید نمیشود ماده را میتوان در محیطی عایق از منبع تغذیه حرارت داد . از این فرایند گرمایش میتوان در شرایط محیطی مختلف مثل داخل آب جو گازی پوشانده شده با مواد عایق یا حتی در خلا نیز استفاده کرد.

 

عوامل مهم در طراحی گرمایش القایی

1.مشخصات ماده هدف

اول اینکه گرمایش القایی تنها برای رساناهایی مانند فلزات مثل ، مس طلا ، آلومینیوم و مانند آنها عملی است برای حرارت دادن به مواد پلاستیکی یا دیگر مواد غیر رسانا ابتدا باید یک ماده رسانا را گرم کرد . سپس این گرما باید به مواد پلاستیکی انتقال یابد.

 

2.مغناطیسی یا غیر مغناطیسی

گرمایش مواد مغناطیسی ساده تر است در مواد مغناطیسی علاوه بر گرمای القا شده به واسطه جریانهای گردابی تلفات هیسترزیس نیز تولید کننده گرما است این اثر در دمای بالاتر از نقطه کوری رخ نمیدهد دمای کوری دمایی است که در آن مواد مغناطیسی خاصیت مغناطیسی خود را از دست میدهند . مقاومت نسبی مواد مغناطیسی بر حسب ضریب نفوذپذیری یا تراوایی از عدد ۱۰۰ تا ۵۰۰ محاسبه میشود . در حالی که نفوذپذیری مواد غیر مغناطیسی برابر یک است . در مواد مغناطیسی این عدد میتواند به ۵۰۰ هم برسد.

 

3.ضخیم یا نازک بودن ماده

هدف در رساناها حدود ۸۵ گرمایش در نتیجه اثر پوستی ماده است . هر چه از سطح ماده دورتر شویم شدت گرمایش کم میشود پس میتوان گفت قطعات کوچک یا نازک عموما سریعتر از قطعات بزرگ و ضخیم گرم میشوند .

تحقیقات نشان داده است که بین فرکانس جریان متناوب و عمق نفوذ گرمایش رابطه وجود دارد . بدین صورت که هرچه فرکانس بیشتر باشد عمق نفوذ گرمایش کمتر است . فرکانسهای بین ۱۰۰ تا ۴۰۰ کیلوهرتز انرژی گرمایی بیشتری تولید میکنند برای آنکه در عمق ماده به صورت موثر گرمایش داشته باشیم لازم است چرخه گرمایش زمان بیشتر اما فرکانس کمتر بین ۵ تا ۳۰ کیلوهرتز داشته باشد.

اثر پوستی روی یک صفحه فلزی از جنس مس در شکل زیر نشان داده شده است

شکل 4 : اثر پوستی روی یک صفحه فلزی از جنس مس

4.مقاومت

اگر از یک فرآیند گرمایش القایی یکسان برای گرم کردن دو قطعه فولاد و مس با اندازه های یکسان استفاده کنیم نتایج کاملا متفاوت خواهد بود زیرا فولاد مثل کربن و قلع و تنگستن مقاومت الکتریکی بالایی دارد این فلزات در برابر عبور جریان به شدت مقاومت میکنند بنابراین گرما به سرعت زیاد میشود .

فلزهایی با مقاومت کم مثل مس برنج و آلومینیوم به مدت زمان بیشتری برای گرم شدن نیاز دارند . مقاومت با افزایش دما زیاد میشود پس یک قطعه فولادی داغ نسبت به یک قطعه سرد در شرایط گرمایش القایی بیشتر گرم میشود.

 

5.طراحی سیم پیچ القاگر

همانطور که میدانیم عنصر گرمایش در سیستمهای گرمایش ، القایی سیم پیچ است . جریان متناوب داخل سیم پیچ یک میدان مغناطیسی متغیر با زمان ایجاد میکند این میدان متغیر با زمان دلیل پدیده گرمایش القایی است بنابراین طراحی سیم پیچ در سیستمهای گرمایش القایی از اهمیت ویژه ای برخوردار است طراحی درست سیم پیچ به توزیع گرمای مناسب در ماده هدف منجر میشود . همچنین بازده منبع تغذیه گرمایش القایی به این طراحی وابسته است در این ، طراحی باید شکل هدف القا تیز در نظر گرفته شود .

 

6.ظرفیت منبع تغذیه

اندازه منبع تغذیه مورد نیاز برای گرمایش یک قطعه خاص به راحتی قابل محاسبه است . با توجه به طراحی ابتدا باید میزان انرژی انتقالی به ماده هدف تعیین شود این انرژی به جرم ماده هدف ، ظرفیت گرمایی ویژه ماده و افزایش دمای مورد نیاز وابسته است . گرمای تلف شده به دلیل هدایت انتقال گرما و تشعشع حرارتی نیز باید در نظر گرفته شود .

 

7.مقدار تغییر دمای مورد نیاز

در نهایت بازده گرمایش القایی برای یک کاربرد خاص به مقدار تغییر دمای مورد نیاز وابسته است . به عنوان یک قاعده سرانگشتی میتوان گفت که برای رسیدن به تغییرات دمایی بزرگتر به منبع تغذیه بزرگتری نیاز داریم.

مزایای گرمایش القایی

1. گرمایش سریع

2. گرمایش قابل کنترل

3. فرآیند صنعتی بهبود یافته

4. تمیزی و امنیت

کاربردهای گرمایش القایی

1.کاربرد های صنعتی

2.کاربرد های خانگی

3.کاربرد های پزشکی

قسمت های مختلف سیستم گرمایش اجزای مغناطیسی الگوریتم کنترل و مدولاسیون

الکترونیک قدرت

صنعتی ·         بازده بالا

·         شکل متغیر

·         توزیع گرمای بهبود یافته

·         الگوریتم کنترل دما در چند ثانیه

·         توان منبع تغذیه و اهداف القای قابل تغییر

·         مدیریت همزمان چند هدف القا

·         کنترل دما

·         توان بالا

·         قابلیت اطمینان بهبود یافته

·         فرکانس کاری پایین

خانگی ·         بازده بالا

·         قابلیت گرمایش مواد غیر مغناطیسی

·         سطوح آشپزی انعطاف پذیر

 

·         کنترل هارمونیک و ضریب توان

·         توان منبع تغذیه و اهداف القای قابل تغییر

·         مدیریت همزمان چند هدف القا

·         کنترل دما

·         قیمت پایین

·         بازده بالا

·         خنک کنندگی محدود

·         فرکانس عملکرد متوسط

 

پزشکی ·         گرمایش محلی

·         میدان مغناطیسی کنترل شده

·         سیالات فرومغناطیسی

·         کنترل دقیق دما توان

·         انتخابگر فرکانس

·         توان پایین

·         فرکانس عملکرد بالا

 

پلاسما چیست ؟

ما در سیاره ای زندگی میکنیم که در لایه ای از گاز قرار گرفته است این گاز ترکیبی از اکسیژن و نیتروژن محسوب می.شود اگر از سطح زمین فاصله بگیریم شرایط جوی بسیار متفاوت خواهد بود در فاصله ای حدود ۸۰ کیلومتر بالاتر از جو زمین ترکیب اصلی اتمسفر به صورت مخلوطی از بارهای مثبت و منفی است.

در حقیقت در این فاصله از زمین ساختار جو به صورت یونیزه در آمده ساختار یونیزه به ترکیبی اشاره دارد که در آن ذرات باردار ، مثبت منفی و خنثی به صورت مخلوط کنار هم قرار گرفته باشند به این حالت از ماده « پلاسما ( Plasma ) گفته میشود . معمولا پلاسما را به عنوان حالت چهارم ماده میشناسند . بسیاری از ستاره شناسان معتقدند پس از انفجار بزرگ یا بیگ بنگ در ابتدا این حالت از ماده تشکیل شده است .

 

نحوه ایجاد پلاسما

به منظور ایجاد حالتِ پلاسما بایستی به اتم های یک ماده انرژی تزریق شود . این انرژی میتواند به شکلهای مختلفی از جمله گرمایی الکتریکی یا نور باشد . اگر انرژی وارد شده به ماده به اندازه کافی زیاد نباشد پلاسما به حالت خنثی اولیه باز خواهد گشت . اگر به ارتفاع بیشتری برویم بخش بسیاری از اتمسفر را ترکیبات یونی تشکیل میدهند . جالب است بدانید که ۹۹ درصد از مواد تشکیل دهنده کیهان به صورت پلاسما است .

 

انواع مختلف پلاسما

1.پلاسمای مصنوعی: نمایشگرهای پلاسما ، لامپ فلوئورسنت ، پلاسمای استفاده شده در لایه نشانی ، لیزر پلاسما

2.پلاسمای زمینی : رعد و برق ، شفق قطبی ، لایه یونوسفر ، شعله های بسیار داغ

3.پلاسمای ستاره ای : ستاره ها ، طوفانهای خورشیدی ، سحابی بین ستاره ای ، فضای بین سیاره ها و ستاره ها و کهکشانها

 پلاسمای جفت شده القایی

شکل 5: انواع مختلف پلاسما

ویژگیهای پلاسما

پلاسما پر انرژی ترین شکل ماده محسوب میشود ساختار پلاسما از ذرات متحرک مثبت منفی و خنثی تشکیل شده البته این حالت بسیار مشابه به حالت گازی است . مهمترین تفاوتهای میان این دو شکل از ماده به ترتیب زیر هستند:

1. پلاسما دارای هدایت الکتریکی بسیار بالایی است

2.پلاسما به میدانهای الکتریکی و مغناطیسی نسبت به میدان گرانشی حساس تر است

3. حرکت ذرات باردار در پلاسما منجر به تولید میدان مغناطیسی و الکتریکی میشود

4. به دلیل بی نظمی شدید و سطح انرژی بالا در پلاسما ، این حالت تابش الکترومغناطیسی مختص به خود را ایجاد میکند به منظور نگه داشتن انرژی بالا در پلاسما تزریق پیوسته انرژی به ماده بایستی برقرار باشد.

پلاسمای مصنوعی

پلاسمای گرمایی یا پلاسمای داغ در قوسهای الکتریکی جرقه ها یا شعله ها ایجاد میشوند . در این نوع از پلاسما یونهای داغ مثبت و منفی با انرژی بالا در حرکتند . این نوع از پلاسماها در لیزرهای قطع کننده کاربرد دارند دمای کاری این لیزرها بین ۵۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ درجه سانتی گراد است .

پلاسمای سرد یا غیر گرمایی پلاسمایی است که به نسبت کمتر یونیزه شده باشد . در این پلاسما الکترونها در دمای بالا و یونهای مثبت و خنثی در دمای پایین قرار دارند . زمانی که یک لامپ فلوئورسنت در دمای اتاق روشن میشود پلاسمایی سرد در لامپ شکل میگیرد در پلاسمای داغ الکترونها و یونها انرژی تقریباً یکسانی دارند یعنی دمای مساوی .

اصطلاح پلاسمای سرد به شرایطی اطلاق میشود که الکترونها انرژی بسیار بالاتری نسبت به یونها دارند . هر دو پلاسمای سرد و گرم را میتوان در آزمایشگاه با استفاده از منبع تغذیه مناسب تولید کرد .

 

پلاسمای جفت شده القایی چیست ؟

پلاسمای جفت شده القایی ( ICP ) یا پلاسمای جفت شده با ترانسفورماتور ( TCP ) نوعی منبع پلاسما است که در آن انرژی توسط جریانهای الکتریکی که توسط القای الکترومغناطیسی تولید میشود یعنی توسط میدانهای مغناطیسی متغیر با زمان تامین می شود .

پ ن: از روشهای دیگر بدست آوردن پلاسما ایجاد قوس دو الکترود مثبت و منفی است.

 

کروی کردن پودر فلز با تکنولوژی پلاسما جفت شده القایی

عملیات حرارتی ذرات پودر به اصطلاح کروی شدن با استفاده از فناوری پلاسمای جفت شده القایی ( ICP ) با موفقیت برای بهبود کیفیت پودر به طور قابل توجهی استفاده میشود در این فرایند فلز پودر شده با استفاده از تکنولوژی پلاسما القایی به پورد فلز با کیفیت بالا شکل کروی ، جریان ، پذیری بالا چگالی بالا و خلوص بیشتر تبدیل میشود.

 پلاسمای جفت شده القایی پودر فلز

شکل 6

چرا پودر کروی ؟

رشد روزافزون استفاده صنعتی از فن آوریهای تولید افزایشی منجر به افزایش تقاضا برای مواد پودری فلزی و سرامیکی با کیفیت بالا میشود که باید الزامات کیفی دقیق مانند خلوص شیمیایی چگالی بسته بندی و روان پذیری را برآورده کند . در شکل زیر نمونه هایی از سه روش تولید پودر را مشاهده میکنید.

 پلاسمای جفت شده القایی

شکل 7

 پلاسمای جفت شده القاییشکل 8
عکسهای ( a ) ( b ) نمونه های از اتمیزه کردن گازی
عکسهای ( d ) ( e ) نمونه های از اتمیزه کردن چرخشی
عکسهای ( g ) ( h ) نمونه های از اتمیزه کردن با استفاده از پلاسما

نتیجه گیری

بله با یک پودر اتمیزه با پلاسمای جفت شده القایی، پلاسما کروبیت بسیار بالا جریان پذیری بسیار خوب و پودر بسیار خوبی دارید پودرهای سایر فناوریها مانند اتمایزرهای گاز ممکن است کیفیت بالایی نداشته باشند . با این حال برای برخی از فناوریهای متالورژی پودر پودرهای اتمیزه شده با گاز به اندازه کافی خوب هستند اما سایر کاربردها مناسب نیستند . اساساً هرچه عملکرد مورد نیاز برای پودر بیشتر باشد . داشتن پودر اتمیزه پلاسما اهمیت بیشتری خواهد داشت .

همچنین میتوانید درباره ی متالورژی پودر که کاربرد پودر فلز است بخوانید

 

 

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *