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Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen bzw. Schmelzen von Materialien auf elektrisch-induktivem Wege mit Hochfrequenzströmen.
Erfindungsgemäss wird die zur Erhitzung des Schmelzgutes oder des dasselbe umschliessenden Gefässes dienende Induktionsspule durch die hochfrequenten Eigenschwingungen eines Schwingungkreises gespeist.
Sind die zu beheizenden bzw. schmelzenden Materialien selbst elektrisch leitend, so können sie als Leiter für den sekundären Stromkreis dienen, andernfalls benützt man zweckmässigerweise als Leiter für den sekundären Stromkreis einen aus leitendem Material bestehenden Behälter für die. Materialien.
Die Wärme geht dann vom Behälter auf die Materialien durch Leitung über. Der Hochfrequenzstrom kann zweckmässig durch die intermittierende Oszillationsentladung eines oder mehrerer Kondensatoren erhalten werden.
Auf der Zeichnung sind beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. Fig. 1 und 2 sind schematische Darstellungen von zwei Ausführungsformen einer elektrischen Induktionsheizvorrichtung. Fig. 3, 3a und 4 zeigen schematisch die zur Anwendung gelangenden Schaltungen ; Fig. 5 und 6 sind hypothetische schematische Darstellungen, die zur Erläuterung des Verlaufes des elektrischen Stromes und. der hiedurch verursachten Bewegungen des flüssigen Gutes in dem Schmelzbad einer als elektrischer Ofen ausgebildeten Vorrichtung dienen ; Fig. 7 ist ein Kurvenbild, das zur Erläuterung der Energieverteilung dient, welche zwischen zwei Phasen stattfinden kann, wenn Zweiphasenstrom zur Verwendung kommt ; Fig. 8 und 9 sind ein senkrechter Schnitt bzw. eine Draufsicht eines Induktions-
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Kapazitäten und Selbstinduktionen enthalten.
Infolge der hauptsächlich im Sekundärkreis (Ileizwiderstand) vorhandenen Ohmschen Widerstände sind die Schwingungen stark gedämpft. D : e Praxis hat
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graphie ohne Draht. Es sind bereits mit 26.600 und 11.400 Perioden pro Sekunde sehr gute Resultate erzielt worden. Zur Speisung der Kondensatoren wird zweckmässig eine Wechselstromquelle benutzt.
Der Sehwingungskreis kann entweder direkt an ein Wechselstromnetz angeschlossen werden (Fig. 1) oder, wenn dessen Spannung zu niedrig sein sollte, unter Einschaltung von Transformatoren (Fig. 2 und 3).
Der zum Zuführen von Einphasenwechselstrom dienende Stromkreis in Fig. 1 wdst die Zuleitungen A, N auf. Cl bezeichnet den zu ladenden Kondensator, 0 die Spule, durch welche die beim Entladen des Kondensators erzeugten Schwingungen geleitet werden. Li, Lg und L2, L4 sind die Selbstinduktionswiderstände der zwei Hälften des Stromkreises, während G den Entladungszwischenraum bezeichnet.
Die genannten Selbstinduktionswiderstände sollen dabei den gesamten Selbstinduktionswiderstand jeder Hälfte des Stromkreises darstellen, und es sind dieselben nur getrennt gezeichnet, um die Erläuterung im nachfolgenden zu erleichtern.
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überbrückt wird, wogt die Energie in dem Schwingungsstromkreis so lange hin und her, bis sie ganz durch die erzeugten Strahlungen und die erzeugte Wärme aufgezehrt worden ist.
Die Faktoren, welche eine Vernichtung der Energie der Kondensatorentladung bewirken, sind : der dielektrische Verlust in dem Kondensator ; der 12 B-Verlust in dem Entladungszwibehenraum ; der
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umgewandelt wird) und der Strahlungsverlust, der bei der drahtlosen Telegraphie nutzbar gemacht wird.
Der Strahlungsverlust (d. h. der Verlust der z. B. bei der drahtlosen Telegraphie ausgenutzten Energie) kann im vorliegenden Falle dadurch zum Vernachlässigen klein gemacht werden, dass Frequenzen verwendet werden, die, wenn sie im Vergleich zu den in der drahtlosen Telegraphie verwendeten auch klein sind, bezüglich derjenigen in Kraftstromkreisen üblichen doch sehr hoch sind. Im vorliegenden Fille wird dieser Verlust besonders klein sein, da keine offenen Stromkreise zur Verwendung kommen.
Die dielektrischen Verluste im Kondensator sind in diesen Stromkreisen ebenfalls klein, was wiederum einen besseren Wirkungsgrad zur Folge hat und mit dem Umstand zusammenhängt, dass die
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worin p die in Form von Wärme dem Heizwiderstand abgegebene Energie und P die zugeführte Energie bezeichnet.
Es ist belanglos, ob der Widerstand ? in den Schwingungsstromkreis oder in einen Stromkreis verlegt wird, der mit demselben in induktiver Weise gekoppelt ist, d. h. beispielsweise in den Heizwider- stand, oder er kann auch gleich der Summe der Widerstände dieser Leitungen sein.
Der Hoehfrequenz-Sekundärstromkreis (der Heizwiderstand) bildet innerhalb der Masse eine einzige Windung, was eine entsprechend grössere Stromstärke in demselben zur Folge hat, da die die
Schwingungen induzierende Spule mehrere Windungen aufweist.
Die Masse des Heizwiderstandes, welche den sekundären Induktionsstromkreis bildet, kann bei- 'spielsweise durch einen Behälter, der elektrisch leitend ist, oder durch das zu erwärmende Material gebildet werden ; dieselbe kann ein grösseres Stück sein und beispielsweise die Form einer Platine, eines Knüppels, eines Barrens oder eines ähnlichen noch zu bearbeitenden Metallstückes haben. Die zu erwärmende Masse kann aber auch von dünner, unregelmässiger Form sein und beispielsweise nur einen Mantel bilden ; sie , kann ferner fest, teigartig geschmolzen oder, was für gewöhnlich der Fall ist, flüssig sein.
Bei der gezeigten Anordnung bildet die Spule 0, durch welche die Schwingungen gesandt werden, einen Teil von zwei Stromkreisen. Sie bildet nämlich einen Teil des Wechselstromkreises zum Laden des Kondensators und des primären Schwingungsstromkreises in dem Entladungsstromkreis, mit Bezug auf welchen Primärstromkreis der Heizwiderstand den sekundären Stromkreis bildet. Die Spule kann oder die Spulen können, falls mehrere vorzusehen sind, aber selbstverständlich auch in einem oder in beiden Leitungszweigen angeordnet sein, welche sich nach den Entladungszwischenräumen erstrecken, in welchem Falle sie dann unabhängig von dem Ladestromkreis wären, wie dies in Fig. 3a dargestellt ist.
Sind Ll und L2 gross (was die Energie nicht beeinflusst) und können deren Ohmsche Widerstände vernachlässigt werden, so bewirken sie keine Verminderung der in dem Schwingungsstromkreis übertragenen Energie, während sie hingegen das Potentialgefälle grösstenteils aufnehmen. Das Potentialgefälle an den Enden der Schwingungs spule 0 kann hiedurch verhältnismässig klein gehalten werden.
Dies erleichtert die Isolierung der Spule.
Bei der Umsetzung der elektrischen Energie des Kondensators in thermische Energie, welche an das zu behandelnde Material abgegeben wird, ist es bezüglich des erreichbaren günstigsten Wirkungsgrades innerhalb weiter Grenzen ohne Bedeutung, welche Frequenz in dem Induktor verwendet wird, vorausgesetzt, dass dieselbe hoch genug ist, um eine gänzlich oder selbst eine teilweise Verkettung des Primärstromkreises durch magnetisches Material mit dem Sekundär (Heizwiderstand) stromkreis überflüssig zu machen und, wie schon erwähnt, Strahlungsverluste zu verhindern. Immerhin bewirkt eine Erhöhung der Frequenz eine Erhöhung der innerhalb einer bestimmten Zeit und bei einer gegebenen Anordnung an das zu schmelzende Material abgegebenen Wärmemenge.
Bei jedem Impuls des Schwingungsstromes in dem (primären) Spulenstromkreis hat der Speisestrom das Bestreben, durch die ionisierte Luft hindurch den Entladungszwischenraum zu überbrücken.
Dies kann durch die Selbstinduktionswiderstände Lg und L4 des Speisestromkreises oder durch andere Mittel, -beispielsweise durch Ausblasen der Entladung, verhindert werden.
Da die Spannung des zugeführten Wechselstromes selten der Spannung entspricht, welche der Kondensatorladestrom besitzen sollte, so wird für gewöhnlich die in Fig. 2 gezeigte Anordnung gewählt, wo der in der Leitung A, N zugeführte Strom bei D transformiert wird und dem Kondensator der Ladestrom durch die sekundären Transformatorzweige a, n zugeführt wird. Während ein Kurzschliessen der Speiseleitung durch den Entladungszwischenraum hindurch durch Änderung des Selbstinduktionswiderstandes in dem primären Stromkreis oder durch besondere Ausblase-oder Vakuumeinrichtungen an der
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Entladestelle auch in diesem Falle verhindert werden kann, ist es zweckmässiger, einen solchen Kurzschluss durch Anpassen des Selbstinduktionswiderstandes in jenem Teil des Stromkreises zu beeinflussen, der
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In Fig. 3 ist eine einfache Schaltung eines Zweiphasenstromkreises veranschaulicht, an Hand welcher ersichtlich ist, dass der Erfindungsgegenstand auch in Verbindung mit einem Mehrphasenstrom- kreis zur Anwendung kommen kann, ohne dass eine ungleichmässige Belastung der Phasen auftritt. Die angegebenen Transformatoren sind nicht unter allen Umständen erforderlich, sondern sie können ent- behrt werden, sobald der Speisestrom die Spannung besitzt, welche erforderlich ist, um in einer Vorrichtung gemäss der Erfindung die besten Ergebnisse zu erzielen.
Der verkettete Zweiphasen-Primärstromkreis weist Leiter A und B und einen neutralen Mittelleiter N auf. Dieser Stromkreis speist die Transformatoren D und E. Die Sekundärleitungen der Transformatoren D und E sind über die Spule 0 durch die Leitungen n, n2, n3, n4 und n6 mit der einen Seite jedes Kondensators Cl bzw. C2 und durch Leitungen a, a2 bzw. b, b2 mit den gegenüberliegenden Seiten
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In Fig. Sa ; sind zwei Spulen 0 und 0'vorgesehen, die beide mit demselben sekundären Widerstands- stromkreis verkettet sein können. Diese Anordnung weist gegenüber der in Fig. 3 gezeigten den Vorteil auf, dass keine Serienentladung des Kondensators stattfinden kann, ohne dass die Entladung durch die Spulen hindurchgeht.
Da die Kondensatoren von verschiedenen Phasen gespeist werden, finden die Entladungen auch zu verschiedenen Zeitpunkten statt. Infolge dieses Umstandes ist es möglich, einen gemeinsamen Kern für die Induktanzspulen verschiedener Phasen zu verwenden oder die Sehwingungsspulen (z. B. 0 und 0' in Fig. 3a um denselben Heizwiderstand) in induktive Beziehung zueinander zu bringen, so dass zwischen den Phasen ein "Austausch von Energie" stattfindet, welche sonst, da ein ununterbrochenes Hin-und
Herschwingen von Kraftstössen durch den Entladungszwischenraum hindurch stattfinden würde, in zweckloser Weise in dem Entladungszwischenraum aufgebraucht würde. Es erhellt, dass dies auch auf andern Gebieten zulässig ist, beispielsweise in der drahtlosen Telegraphie oder Telephonie.
Wie das "Austauschen von Energie"vor sich geht, kann am besten an Hand von Fig. 3a erläutert werden, wo dasselbe sowohl während des Ladens, als auch der Entladung stattfindet. Die zwei Drossel- spulen L, La sind um einen Kern L4 gewickelt. Wenn die Spannung in der Phase A (Fig. 7), welche den
Kondensator 01 speist, einen gewissen Wert, beispielsweise p, erreicht, so beeinflusst die Induktion- wirkung der Spule L'auf die Spule L3 in einem gewissen Masse die Spannung (oder die Phase der Spannung), welche durch die Phase B und durch die Spule L3 hindurch dem Kondensator C2 verliehen wird. Der Zwischenraum G wird nun überbrückt und die sekundäre Leitung des Transformators D wird durch die durch den Entladungszwischenraum G hindurch stattfindende Entladung kurzgeschlossen.
Der Strom, welcher nun zu fliessen trachtet, magnetisiert den Kern und die dieser Magnetisierung entsprechende
Energie wird teilweise auf die Spule La übertragen, welche die Spannungserhöhung, die in dem Konden- sator hervorgerufen wird, beschleunigen oder verzögern kann. Dieselbe Wirkung tritt ein, wenn der Kondensator C2 geladen und der Zwischenraum Gl überbrückt wird. Bei jeder Anwendung dieses Ver- fahrens muss die Wirkung auf die Verringerung des Leistungsfaktors beobachtet werden. Immerhin begünstigt die Entladung durch jede der Spulen 0 und 0'das Austauschen von Energie zwischen den
Spulen, ohne dass dabei der Leistungsfaktor nachteilig beeinflusst wird.
Während des Betriebes werden die Kondensatoren mit Hilfe der Einstellvorrichtung für den Entladungszwischel1l'aum bis zu dem
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ladungszwischenraumes wogt der schwingende Strom durch die Schwingungsspule oder-spulen hindurch, welche, da sie als ein primärer Induktionsstromkreis wirken, entgegengesetzt gerichtete Ströme in dem Heizwiderstand induzieren, welcher den sekundären Induktionsstromkreis bildet. Der sekundäre Strom fliesst in Ebenen oder Schichten, welche im wesentlichen zu den in der Induktionsspule 0 fliessenden parallel sind.
Bei der sehr grossen Änderungsgeschwindigkeit des Stromflusses, die mit Hilfe der hohen Frequenz
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sehr grosse elektrische Impulse übertragen, u. zw. ohne dass es erforderlich ist, irgendeinen magnetischen Stromkreis mit dem Stromkreis des Heizwiderstandes zu verketten.
Es dürfte das das erstemal sein, dass eine wirksame elektrische Heizwirkung durch Induktion erzielt wird, ohne dass eine Verkettung mit
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durchlassenden Kernes, Gehäuses oder Widerstandes unabhängig ist und dass es nur erforderlich ist, dass das Material, auf welches einzuwirken ist, oder eine Hilfsmasse oder ein Behälter, welche bzw. welcher
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demselben auf das zu erhitzende Material stattfinden kann, elektrisch leitend ist.
Die Zeiträume, in denen dj, s Laden und Entladen der Kondensatoren stattfindet, werden in
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Spannung, dem Entladungszwischenraum und andern veränderlichen Faktoren abhängig sind. Diese Entladungen erzeugen eine rasche Folge von Wärmeimpulsen, deren Summenwirkung, falls der Heiz-
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einheit dem Heizwiderstand zugeführt wird.
Hautwirkungen bedingen, dass der Strom mehr in dem äusseren Teil des Schmelzbades als an andern
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so dass einWärmeabfluss von dem äusseren Teil des Schmelzbades nach dem inneren Teil desselben eintritt.
Dadurch wird eine günstigere Erwärmung erzielt, als es der Fall wäre, wenn die Temperaturerhöhung des Sehmelzbades in dessen Innerem grösser wäre als an dessen Oberfläche.
Der Strom, der durch einen nahe dem Umfang gelegenen Querschnitt fliesst, kann als ein in der gleichen Richtung durch eine Anzahl paralleler Leiter fliessender Strom angesehen werden, wobei diese #Leiter" das Bestreben haben, sich gerade so zusammenzuziehen, wie wenn sie parallele, im Raume auf-
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Zusammendrücken oder-pressen des Heizwiderstandes an den Stellen, wo sich derselbe frei bewegen kann. Es entsp-icht das dem sogeninnten #Pinch-Effekt". Dieser Effekt ist unmittelbar gegenüber (innerhalb)
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die induzierte Stromstärke genügend gross ist. Mögliche, aber immerhin rein mutmassliche Strömung- linien in einer senkrechten Schnittebene sind in F g. 6 gezeigt.
Die Frage, ob ein UntereinandermÏ3chen erforderlich ist, hängt so viel von der erforderlichen Heizoder Schmelzgeschwindigkeit, den vorhergehenden Wä'meverlu3ten, der Wärmeleitfähigkeit des Heizwiderstandes, der zu bearbeitenden mentez der Gestalt des Schmelzbades, dem Bereich der zulässigen Temperaturdifferenzen und andern Faktoren ab, dass die Beantwortung derselben dem den Betrieb leitenden Fachmann überlassen werden muss.
Fig. 4 zeigt einen Entladungszwisehenraum, bei dem Klemmen mit Dü, en G2 und Ga vorgesehen
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Die die Kontakte Gs und GG tragende Stange G4 kann mittels der Schraube G7 eingestellt werden, die mit einer Stütze Gg zusammenarbeitet.
Die beschriebenen Vorrichtungen arbeiten mit einem voreilenden Strom, d. h. dem sekundären Strom jedes Transformators oder dem Strom jeder primären Stromzuführungsleitung, falls keine Transformatoren vorgesehen sind, so dass eine von vorn herein negative Reaktanz vorhanden ist. Die meisten beziehbaren Ströme vorhandener Stromkreise sind nacheilend (d. h. sie sind durch eine von vorn herein
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zweckmässiger Weise mit einem derartigen Speisestromk'-eh verbunden werden kann, indem dann eine den Leistungsfaktor verbessernde Ausgleichung der Reaktanzen stattfindet.
Dadurch, dass entweder in dem primären oder sekundären Speisestromkreis einstellbare positive Selbstinduktionswiderstände vorgesehen werden, können die Selbstinduktionswiderstände vollständig ausgeglichen werden, zum Zwecke, in dem Speisestromkreis den Leistungsfaktor Eins zu erhalten. Man ist oft in der Lage, die für den Betrieb einer Vorrichtung der hier in Frage kommenden Art erforderliche Energie billiger zu erhalten, wenn eine solche Vorrichtung mit einem voreilenden Strom arbeiten kann.
Es empfiehlt sich, als Speisestrom Wechselstrom zu verwenden ; es können aber zur Aushilfe oder als Ersatz z. B. auch Ladekondensatoren zur Verwendung kommen, ohne dass dann eigentlich Wechselströme benutzt werden.
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werden.
Bei all den bis jetzt bekannt gewordenen elektrischen Induktionsöfen ist der sekundäre Induktionsstromkreis (entweder das zu behandelnde Material oder dessen Behälter, für gewöhnlich beides) durch
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Unter anderem werden durch die beschriebenen elektrischen Induktionsvorrichtungell die Vorteile erzielt, dass dieselben für jede Art und für jedes Mass von Erhitzung ununterhrochenermassen verwendet werden können. Ferner kann beim Einleiten eines Schmelzvorganges der Inhalt der Vorrichtung starr sein und das geschmolzene Material kann an Ort und Stelle erstarren geladen werden. Ferner kann die Energie bei kleinen Verlusten auf grosse Entfernungen übertragen werden. Die von aussen stattfindende Erhitzung gestattet ferner, die bestmöglichste Wärmeleitung zu erzielen, so dass eine gute Wärmeleitung stattfindet und ein Verdampfen von Bestandteilen verhindert wird, wobei gleichzeitig die Ofenform die Wärmeisolierung erleichtert.
Auch können in der Speiseleitung Frequenzen von gangbarer Grösse verwendet werden, indem infolge Hindi@xchgehens der Kondensatorentladung durch eine Funkenstrecke selbst bei einer niedrigenFrequenz in der Speiseleitung die Entladung eine sehr hohe Änderungsgeschwindigkeit bedingt, und es kann ein Leistungsfaktor erhalten werden, der nur ganz wenig von Eins abweicht.
Ferner können die Vorrichtungen an bereits vorhandene mehrphasige Starkstromleitungen von bestimmter Spannung und Frequenz angeschlossen werden, ohne dass die Phasen ungleichmässig belastet werden. Als weitere Vorteile kommen die Umstände in Betracht, dass der Wirkungsgrad in ausgeprägtem Masse mit der Grösse der Vorrichtung zunimmt, dass die Vorrichtung leicht zu beschicken ist und leicht entleert werden kann und dass sie im allgemeinen möglichst wenig Wartung erfordert.
In Fig. 10 und 11 sind andere Vorrichtungen angedeutet. Bei der in Fig. 10 gezeigten Vorrichtung ist die Kokille I nahe ihrer Mündung von einer Spule 02 umgeben, um das Metall an dieser Stelle erhitzl zu erhalten und ein Lunkern oder Saugen zu verhindern. Bei der in Fig. 11 gezeigten Vorrichtung wird die Giesspfanne K durch einen Strom erhitzt, der während des., Klärens" durch die Spule 03 fliesst.
PATENT-ANSPRUCHE :
1. Verfahren zum Erhitzen bzw. Schmelzen von Materialien auf elektrisch-induktivem Wege mit Hochfrequenzströmen, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erhitzung des Schmelzgutes oder des dasselbe umschliessenden Gefässes dienende Induktionsspule durch die hochfrequenten Eigenschwingungen eines Schwingnngskreises gespeist wird.