Indukcyjne urządzenia grzejne.

1) Ogólna   charakterystyka   oraz   kilka   słów   o   historii   nagrzewnic   indukcyjnych…

Nagrzewanie   indukcyjne  jest   to   nagrzewanie   elektryczne   polegające   na   generacji 

ciepła   przy   przepływie   prądów   wirowych   wywołanych   zjawiskiem   indukcji 
elektromagnetycznej w elementach sprzężonych magnetycznie. 

  W   36   lat   po   sformułowaniu   przez   Faradaya   praw   indukcji,   S.   Ferranti   zaproponował 
konstrukcję   pieca   elektrycznego,   w   czym   prawa   te   okazały   się   pomocne   (1887   r.).   Idea 

Ferrantiego   polegała   na   potraktowaniu   wtórnego   uzwojenia   transformatora   jako   wsadu 
poddawanego   topieniu   po   umieszczeniu   go   w   rynnie   ceramicznej.   Uzwojenie   pierwotne 

układu tego rodzaju, czyli tzw. wzbudnik, było podzielone i umieszczone pod i nad rynną z 
metalem. Rozwiązanie Ferrantiego zostało ulepszone przez A. Colby'ego (1890 r.) oraz F. 

Kjellina   (1899   r.),   którego   często   uważa   się   za   twórcę   pierwszego   pieca   indukcyjnego 
nazywanego   piecem   Kjellina.   W   roku   1918   W.   Rohn   buduje   indukcyjny   piec   próżniowy. 

Wszystkie   te   piece   należały   do   kategorii   rdzeniowych,   tzn.   zapewniających   sprzężenie 
magnetyczne wzbudnika ze wsadem za pośrednictwem rdzenia, tak jak w transformatorach. 

Wiadomo, że efekt przenoszenia energii ze wzbudnika do wsadu zwiększa się przy wzroście 
częstotliwości,   co   umożliwia   zmniejszenie   wymiarów   rdzenia   lub   całkowitą   z   niego 

rezygnację.   Mając   to   na   uwadze,   E.   Northrup   patentuje   w   1916   r.   pierwszy   piec 
bezrdzeniowy. Jego pełną teorię opracował W. Esmarch 10 lat później. 

 Jednocześnie z pracami dotyczącymi wykorzystania zjawiska indukcji elektromagnetycznej do 
topienia, rozwijano badania nad nagrzewaniem wsadów bez zmiany ich stanu skupienia. 

Pierwsze   zastosowania   przemysłowe   z   tego   zakresu   dotyczyły   nagrzewania   w   procesie 
wytwarzania obręczy kół i są przypisywane Dewey’owi (1889 r.). W roku 1926 V.P. Wołogdin 

wprowadza   tę   technikę   do   hartowania   powierzchniowego   wsadów   prądami   wielkiej 
częstotliwości wykorzystując  zjawisko  naskórkowości.  W  roku  1932  –  stosując   patenty   F. 

Denneena  i W.  Dunna  –  rozwiązano  zagadnienie  hartowania  powierzchniowego  prądami 
średniej   częstotliwości   łożysk   wałów   korbowych.   Największy   jednak   rozwój   techniki 

nagrzewania   indukcyjnego   w   procesach   topienia,   obróbki   cieplnej   powierzchniowej, 
objętościowej  (skrośnej)  oraz  w  wielu  innych  dziedzinach  przypada  na  lata  po   II  wojnie 

światowej.   Nowymi   impulsami   w   tym   dziale   elektrotermii   stały   się   wynalazki   z   zakresu 
energoelektroniki, a zwłaszcza tyrystory i tranzystory dużej mocy stosowane  do budowy 

wysokosprawnych źródeł energii o częstotliwościach dostosowanych do wymagań procesu 
technologicznego. 

2) Piece indukcyjne:

Piece indukcyjne wykorzystują zjawisko powstawania prądów wirowych pod 

wpływem zmiennego pola magnetycznego. Podstawowy piec indukcyjny składa się z układu 
sterowania i blokady, generatora LC, zasilacza i wzbudnika (induktora). Układ sterowania i 

blokady zabezpiecza zasilacz i generator przed zwarciami oraz nadzoruje i koordynuje pracę 
pieca indukcyjnego. Generator wytwarza sygnał o dużej częstotliwości. Zasilacz zapewnia 

odpowiednie napięcie do generatora. Wzbudnik(cewka indukcyjna) jest połączony z 
generatorem i wytwarza zmienne pole magnetyczne. Przedmiot nagrzewany umieszcza się w 

wzbudniku, a wytworzone zmienne pole 
magnetyczne indukuje się w przedmiocie. 

Następnie powstają prądy wirowe, które 
nagrzewają umieszczony przedmiot. Piec 

indukcyjny działa na podobnej zasadzie co 
mikrofalówka - tzn. nagrzewa przedmiot od 

środka. Umieszczony przedmiot musi być 
wykonany z przewodnika..

Piec indukcyjny - piec elektryczny, w którym wsad nagrzewa się skutkiem przepływu 

prądów wirowych wzbudzonych przez indukcję elektromagnetyczną.

Rozróżnia się:

•

Piece indukcyjne rdzeniowe, z rdzeniem magnetycznym zasilane prądem 

przemiennym o stosunkowo małej częstotliwości,

•

Piece indukcyjne bezrdzeniowe, zasilane prądem wielkiej częstotliwości

3) Schemat domowej nagrzewnicy indukcyjnej.

        Schemat nagrzewnicy

        nagrzewnica indukcyjna (zdjęcie)

Im większe zmienne pole magnetyczne wytwarza cewka, tym bardziej przedmiot w 

niej się grzeje.  Pole wzrasta razem z natężeniem prądu płynącym przez cewkę. Aby 

wytworzyć jak najwiekszy prąd stosuje się obwód rezonansowy LC.

przed nagrzaniem

   po nagrzaniu

4)

Zasada oraz proces działania nagrzewnicy indukcyjnej na podstawie nagrzewnicy 

indukcyjnej drukarkowej:

Pod koniec drogi papieru wewnątrz drukarki laserowej musi dojść do trwałego połączenia 

z kartką cząsteczek toneru jednego lub wielu kolorów. Wykorzystuje się do tego celu wysoką 

temperaturę i niezbyt duże ciśnienie. Proces przypomina prasowanie, a funkcję żelazka pełni 
urządzenie   zwane   grzałką   (po   angielsku   bardziej   trafnie   fuserem),   chociaż   wytworzenie 

odpowiedniej   temperatury   nie   jest   jedynym   jego   zadaniem.   W   bilansie   energetycznym 
drukarki grzałka zajmuje zdecydowanie pierwsze miejsce. Pożera od kilkuset nawet do kilku 

kilowatów mocy, pobieranej nie w sposób jednostajny, ale z taką samą częstotliwością, z jaką 
drukowane są kolejne kartki. To z jej przyczyny nie można laserówek podłączać do zasilaczy 

awaryjnych, które tak wielkiej mocy zwykle nie wytrzymują. 

Wiadomo, że to wolne rozchodzenie się ciepła, a nie za mała szybkość mechanizmów 

jest  największą  przeszkodą  w  przyspieszaniu  tempa druku.   Powolne  nagrzewanie   jeszcze 
bardziej daje o sobie znać po dłuższym postoju urządzenia. Druk nie może się rozpocząć, 

dopóki zimna grzałka nie osiągnie potrzebnej temperatury. Trwa to znacznie dłużej z pierwszą 
niż z następnymi kartkami, kiedy spadek temperatury jest niewielki i może być stosunkowo 

szybko   skompensowany.   Więc   nie   tylko   liczba   stron   na   minutę,   ale   i   drugi   z   ważnych 
parametrów   drukarki   -   czas   oczekiwania   na   pierwszą   stronę   -   zależą   od   właściwości 

termicznych grzałki. 

Od   początku   stosowania   laserówek 

do spiekania toneru z papierem używano, 

tak jak w żelazku, grzałek oporowych. Tylko 
prostota budowy przemawia za tak długim 

jego   stosowaniem.   Największą  wadą  tego 
sposobu   jest   konieczność   odizolowania 

drutu   oporowego   od   obudowy   grzałki, 
przez   którą   przechodzi   ciepło   w   stronę 

papieru. A że izolatory elektryczne zwykle 
są   także   cieplne,   więc   takie   konstrukcje 

wolno się studziły i rozgrzewały. 

Aż   dziw,   że   dopiero   niedawno 

zwrócono   uwagę   na   nagrzewanie 
indukcyjne,   chociaż   w   innych   dziedzinach 

przemysłu   jest   stosowane   od   dawna.   W 
tym   sposobie   grzania   wykorzystuje   się 

szybkozmienne   pole   magnetyczne,   które 
zamienia się w ciepło bezpośrednio w tym 

elemencie, o który chodzi. Nie ma żadnych 

pośredników, nie ma transportu ciepła, dlatego nagrzewanie następuje niemal bez chwili 

zwłoki,   w   najbliższym   sąsiedztwie   kartki.   Tylko   z   grzałki   do   papieru   ciepło   wędruje   w 
konwencjonalny sposób. 

Drukarkowa grzałka indukcyjna składa się z cienkiej warstwy metalicznej, napylonej na 

powierzchni walca, który jest elementem nośnym i mechanicznie usztywnia tę warstwę, aby 

zapewnić jednorodne tworzenie koloru z cząsteczek toneru. Wewnątrz walca zamontowana 
jest cewka indukcyjna. Kiedy przez cewkę przepływa prąd wysokiej częstotliwości, wytwarza 

się pole magnetyczne, które w warstwie metalicznej, na powierzchni grzałki zamienia się w 
ciepło. Rozgrzewanie trwa dziesięciokrotnie krócej niż tradycyjną metodą. Warstwa ta jest w 

bezpośrednim sąsiedztwie cząsteczek toneru na arkuszu i oddaje im ciepło tak samo, jak 
zewnętrzna powierzchnia grzałki oporowej. Średnie zużycie energii spada o połowę, bardzo 

skraca się rozgrzewanie, więc i mniej prądu potrzeba na utrzymanie stanu drzemki. 

Cienkowarstwowe grzałki indukcyjne nie są tak sztywne, jak ich wypełnione odmiany 

oporowe,   i   dlatego   podczas   spiekania   i   ściskania   papieru   dochodzi   do   spłaszczenia 
powierzchni w pobliżu miejsca docisku. To dobrze, bo ciepło ma szerszą drogę i przechodzi 

wydajniej,   ale   i   źle,   gdyż   ustawiczne   odkształcanie   powoduje   mechaniczne   zmęczenie   i 
pękanie warstwy grzejnej. Z tego powodu skład cienkiej warstwy musi być dobrany nie tylko 

ze   względów   termicznych,   ale   i   odporności   mechanicznej   na   dość   specyficzny   rodzaj 
naprężeń.   To   się   udało,   współczesne   grzałki   wytrzymują   około   150   tysięcy   utrwaleń, 

praktycznie tyle, co pozostałe części drukarki.

Grzałka indukcyjna nie tylko szybciej się grzeje, ale i studzi. Do innego tempa zmian 

temperatury i innych pojemności cieplnych trzeba było dopasować system sterowania, gdyż 
za pomocą  dotychczasowego  bez  trudu  można  było  przegrzać  i jednocześnie  niedogrzać 

element   utrwalający.   Wystarczająco   dokładny   okazał   się   dopiero   regulator   pracujący   z 
częstotliwością kilkudziesięciu tysięcy pomiarów na sekundę. Jednocześnie dzięki niewielkiej 

bezwładności grzałki udało się zmniejszyć wahania temperatury. To pozwala na dodatkową 
oszczędność energii.