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Induktionsofen.
Es sind bereits Induktionsöfen bekannt, deren Muffel oder Wärmekammer aus einem magnetischen Metall oder einer solchen Legierung besteht ; bekannt ist auch, dass durch geeignete Wahl des magnetischen Metalls oder der Legierung und durch zweckmässige Einstellung der Bestimmtingsgrössen des Ofens und des induzierenden Stromes die Temperatur der Muffel selbsttätig auf gleicher Höhe gehalten werden kann.
Bei den bekannten Öfen dieser Art, bei denen das Wechselfeld durch eine von Wechselstrom technischer Frequenz durchflossene Spule erzeugt wird, erfolgt der Temperaturanstieg der Muffel teils infolge der in ihr durch das Wechselfeld induzierten Ströme, zu einem grossen Teil aber auch durch Hysteresiswirkung. Die Stärke der induzierten Ströme und die durch Hysteresiswirkung erzeugte Wärmemenge sind von der Permeabilität und vom Hysteresisfaktor des Muffelmaterials abhängig. Die selbsttätige Regelung dieser Art von Öfen beruht darauf, dass die Permeabilität und die Hysteresiswirkung des Muffelmaterials stark abnehmen, wenn die Ofentemperatnr jenen Wert erreicht, bei dem die Magnetisierung dieses Materials verschwindet.
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Magnetismus verschwindet.
Zu diesem Zweck wird die aus ferromagnetisehem Material bestehende Muffel eines Ofens gemäss der Erfindung mit einem Heizmantel umgeben, der aus einem Metall besteht, das leitend, aber nichtmagnetisch ist oder dessen Magnetismus bei einer unter der Betriebstemperatur des Ofens liegenden Temperatur verschwindet. In diesem Mantel entstehen unter dem Einfluss des die ferromagnetische Muffel durchsetzenden Wechselkraftflusses Induktionsströme, die sowohl von der Induktion der Muffel als auch von den elektrischen Bestimmungsgrössen des leitenden Kreises (Ohmseher Widerstand, Selbstinduktion, Kapazität usw.) abhängig sind.
Die derart in dem Mantel induzierten Ströme machen in diesem Wärme frei, die ihrerseits die Ofenmuffel heizt, deren ferromagnetisches Material derart gewählt ist, dass die dem Beginn und dem Ende des Versehe indens des Magnetismus entsprechenden Temperaturen die gewünschte konstante Betriebstemperatur des Ofens einschliessen. Wenn die induzierten Ströme stark genug sind, um mehr Wärme irei zu machen als durch Strahlung und durch Übertragung auf den Ofen abgegeben wird, wird die Ofentemperatur ansteigen.
Solange die Ofenmuffel noch nicht die Temperatur erreicht hat, bei der der Magnetismus ihres Materials verschwindet, sind die in dem Heizmantel induzierten Ströme in der Hauptsache von der Induktion in der Muffel abhängig. Wenn nun die Temperatur der Muffel den Wert, bei dem der Magnetsmus ihres Materials verschwindet, überschreitet, so werden die Induktion der Muffel und damit die in dem Heizmantel induzierten Ströme wesentlich abnehmen, unter der Annahme, dass die elektrischen Bestimmungsgrössen des induzierenden Stromkreises in dem Temperaturbereich, in dem der Magnetismus verschwindet, im wesentlichen gleichbleiben.
Wenn dann nach Verschwinden des Magnetismus in dem Muffelmaterial die in dem Heizmantel kreisenden Induktionsströme zu schwach sind, um soviel Wärme entwickeln zu können, als den Strahlungs- und Übergangsverlusten des Ofens entspricht (was von einer sorgfältigen Wahl der elektrischen Bestimmungsgrössen des induzierenden Stromkreises des Ofens abhängt), wird die Muffeltemperatur sinken und durch die Temperatur, bei welcher der Magnetismus verschwindet.
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auch die Heizwirkung des leitenden Mantels steigen wird.
Die Temperatur der Muffel wird daher eine
Gleichgewichtslage einnehmen, die zwischen der Temperatur am Beginn der magnetischen Umwandlung und der am Ende derselben liegt und einen derartigen Wert hat, dass die Induktion des magnetischen Kernes bei dieser Temperatur ausreicht, in dem Heizmantel Induktionsstrome entstehen zu lassen, die eine den Wärmeverlusten des Ofens gleiche Wärmemenge freigeben. Es ist dann die selbsttätige Regelung des Ofens verwirklieht.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform des Ofens nach der Erfindung in Fig. 1 schematisch dargestellt ; Fig. 2 ist ein Diagramm des Temperaturanstieges und Fig. 3 eine Darstellung des Leistungsfaktors.
Wie Fig. 1 zeigt, ist im Innern eines von Wechselstrom durchilossenen Solenoides eine Huffei aus einem ferromagnetisehen Metall oder einer solchen Legierung angeordnet, deren Querschnitt und Dicke entsprechend gewählt sind. Das Material der Muffel ist derart gewählt, dass die Temperaturen, bei denen das Versehwinden des Magnetismus beginnt bzw. endet, die konstante Betriebstemperatur einschliessen, die in dem Ofen aufrechterhalten werden soll.
Zur Erzielung eines guten Wirkungsgrades soll die magnetische Muffel sowenig als möglich querverlaufende, d. h. senkrecht zur Achse der Solenoidspule 1 gerichtete Einschnitte aufweisen ; längsgerichtete Spalten sind jedoch ohne Nachteil zulässig, weil der Kraftfluss in der Aehsenriehtung der Muffel verläuft. Es kann auch von Vorteil sein, den äusseren magnetischen Kreis durch Metallmassen 3 zu schliessen, die vorzugsweise aus geblättertem Eisen bestehen.
Die Muffel ist längs ihrer gesamten nutzbaren Länge von dem Heizmantel -1 umgeben, der mit ihr in Berührung steht oder ihr unmittelbar benachbart ist und aus einem stromleitenden Material besteht. das bei der Arbeitstemperatur des Ofens nicht magnetisch ist. Der Zwischenraum zwischen dem Solenoid 1 und dem Mantel 4 ist mit geeignetem Wärmeschutzmaterial 5 ausgefüllt. Die Bestimmungsgrössen des Ofens müssen derart gewählt werden, dass die in dem Heizmantel 4 freiwerdende Wärmemenge die
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peratur übertrifft und nach vollständigem Verschwinden des Magnetismus geringer ist als diese Verluste.
Zu diesem Zweck werden die Spannung und Periodenzahl des an den Klemmen des Solenoides 1 zugeführten Stromes, die Masse und Beschaffenheit der magnetischen Muffel 2, die Beschaffenheit, der Widerstand und die Dicke der leitenden Hülle 4 und die Art und Dicke des Wärmesehutzes in entsprechender Weise gewählt.
Im nachfolgenden wird ein zahlenmässiges Beispiel eines Ofens gemäss der Erfindung angegeben.
Es sei angenommen, dass der Ofen durch eine Muffel. 2 gebildet wird, die aus Ferrokobalt mit etwa 30% Kobalt und 70% Eisen mit geringen Mengen von Kohlenstoff besteht. Die Dicke der Muffel beträgt 12 mm, ihr innerer Durchmesser etwa 150 mm und ihre Höhe 350 mm ; sie ist von einem leitenden Mantel aus Nickel von 3'mm. Dicke umgeben. Die Gleichgewichtstemperatur der Muffel ist 9600 C und die Temperatur, bei der der Magnetismus des Nickels verschwindet, liegt in der Nähe von 350 C. Man kann annehmen, dass im Bereich zwischen 3500 und 9600 C, in dem der Ofen praktisch verwendet wird, der Niekelmantel leitend, aber unmagnetiseh ist.
Der induzierende Stromkreis wird durch eine Spule gebildet, die aus vier Lagen von Kupferbändern von 10 mm Breite und 3 mm Dicke besteht, die gegeneinander durch Asbest- schnüre und Glimmerblätter isoliert sind. Der Raum zwischen der induzierenden Wicklung und der Niekelhülle ist mit geeignetem Wärmesehutzmaterial (Asbestwolle, Magnesia od. dgl.) ausgefüllt. Der magnetische Kreis ist aussen durch sechs Kerne aus geblättertem Eisen, wie bei 3 dargestellt, geschlossen.
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erwärmen sich die Nickelschicht und die Muffel. In Fig. 2 bedeuten die Ordinaten die Temperatur in Celsiusgraden und die Abszissen die Zeit in Minuten. Es ist ersichtlich, dass die Muffeltemperatur rasch ansteigt und bei 960 C stehenbleibt.
Bei dieser Temperatur erfolgt Selbstregelung, da die Induktion des Kernes dann gerade hinreicht, um im Nickelmantel Induktionsströme soleher Stärke zu erzeugen, dass die durch diese erzeugte Wärme den Wärmeverlusten des Ofens gleichkommt. In Fig. 3 ist ferner in voller Linie der Leistungsfaktor cos ? als Funktion der Zeit auf der Ordinatenachse angegeben. Es ist ersichtlich, dass dieser, von 0-57 ausgehend, rasch ansteigt, um dann im Bereich von 350 bis 950 C bei etwa 0'72 im wesentlichen gleichzubleiben. Diese Temperaturen entsprechen dem Verschwinden des Magnetismus im Nickel bzw. dem Beginn des Verschwinden des Magnetismus des Ferrokobalts. Aus diesem Ausführungsbeispiel ist der Vorteil ersichtlich, der durch die Erfindung erzielt wird.
Anschliessend wurde auch bei demselben Ofen versucht, das gleiche Temperaturgleichgewicht (bei 960 C) innerhalb derselben Zeit zu erreichen, v. enn der Niekelmantel weggelassen wurde. Die Muffel erwärmt sich dann infolge der Wirbelströme und der Hysteresis. In den Fig. 2 und 3 sind die Kurven der Temperaturänderungen bzw. von cos T als Funktionen der Zeit im selben Augenblick gestrichelt eingezeichnet. Um die gleiche Gleichgewichtstemperatur in der gleichen Zeit wie früher zu erzielen und um daher gleiche Wärmemengen in der Muffel freizugeben, war es notwendig, eine Spannung von 165 Volt anstatt 130 Volt an die Klemmen des induzierenden Stromkreises anzulegen.
Die Ursache hiefür ergibt sieh sofort aus den Kurven für cos m. Es ist ersichtlich, dass die gestrichelt gezeichnete Kurve von 0'52 stetig absinkt und ihre Werte immer kleiner sind als die entsprechenden Werte der voll ausgezogenen
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die gestrichelte Kurve ein wenig oberhalb der voll ausgezogenen verläuft und dass die beiden Kurven etwas vor Erreichen der Gleichgewichtstemperatur zusammentreffen, was sich leicht erklären lässt, wenn man
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Muffel, die ausschliesslich durch Wirbelströme und Hysteresiswirkung geheizt werden, darstellt, da sie, selbst bei kleinen Muffeln, eine bedeutende Verbesserung des Leistungsfaktors gestattet.
Um eine grosse Genauigkeit der Regulierung der Ofentemperatur zu erzielen, ist es erforderlich, ferromagnetische Körper zu wählen, deren Induktion in der Nähe des magnetischen Umwandlungspunktes rasch als Funktion der Temperatur veränderlich ist. Es ist daher von besonderer Bedeutung, ferromagnetische Körper (z. B. gewisse Ferrokobaltlegierungen) zu verwenden, die einen raschen Abfall der Induktion in der Nähe der Umwandlungstemperatur aufweisen, da sich ihre ferromagnetischen und paramagnetischen Eigenschaften bei dieser Temperatur umwandeln.
Wenn man wünscht, dass im Innern des Ofens eine im voraus bestimmte Temperaturverteilung herrschen soll, kann man die Muffel aus mehreren aneinandergreihten Abschnitten aus magnetischem Metall oder solchen Legierungen zusammensetzen, in denen der Magnetismus bei verschiedenen Temperaturen verschwindet, so dass man, da jeder Abschnitt eine andere Gleichgewichtstemperatur aufweist, ohne das induzierende Feld auf dieses Mass ändern zu müssen, die gewünschte Temperaturverteilung längs der Muffel erzielen kann. Man kann auch den Heizmantel in Abschnitte verschiedener Art oder verschiedener Dicke unterteilen, wodurch bei einer Muffel von gleichbleibenden Eigenschaften die Gleichgewichtsbedingungen längs derselben geändert werden.
Dies ist auch von Vorteil, wenn, bei konstanter Temperatur, die Abkühlungs-oder Wärmeubergangsverhältnisse längs der Muffel verschieden sind.
Es kann auch in ähnlicher Weise bei einer aus verschiedenen ferromagnetischen Körpern zusammengesetzten Muffel jeder Ring von einem Heizmantel verschiedener Art und verschiedener Dicke umgeben sein, so dass in jeder Zone die Temperatur und die Gleichgewichtsbedingungen in ein Verhältnis mit den im voraus bestimmten Temperatur-und Abkiihlungsverhältnissen längs der Muffel gebracht werden können.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Induktionsofen mit einer aus magnetischem Metall oder einer solchen Legierung bestehenden Muffel zur Erhitzung auf eine selbsttätig konstant erhaltene Temperatur, die zwischen den Temperaturen des Beginnes und Endes des Verschwinden des Magnetismus liegt, dadurch gekennzeichnet, dass diese Muffel im Innern eines Heizmantels angeordnet ist, der aus einem Metall oder andern leitenden Körper besteht, welcher bei der Betriebstemperatur des Ofens nicht magnetisch ist, so dass die in ihm unter dem Einfluss des die Muffel durchsetzenden Wechselkraftflusses entstehenden Induktionsströme in dem Mantel Wärme erzeugen, welche die Muffel bis zu der Temperatur ihrer magnetischen Umwandlung erhitzt und auf der letztgenannten Temperatur hält, wenn die Bestimmungsgrössen des Ofens derart gewählt worden sind,
dass die in dem Heizmantel erzeugte Wärmemenge grösser bzw. kleiner ist als die Abkühlung-und Übertragungsverluste des Ofens vor bzw. nach dem vollständigen Verschwinden des Magnetismus des Muffelmaterials.