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Perfectionnements aux fours à chauffage par induction.
On connaît déjà des fours à chauffage par induction dont le moufle est constitué par un métal ou alliage magnéti- que, et on sait qu'en choisissant convenablement le métal ou l'alliage magnétique du moufle et en réglant convenable- ment les caractéristiques du four et du courant inducteur, on peut faire en sorte que la température du moufle se maintienne, automatiquement constante.
Dans les fours de ce genre existants, l'accrois- sement de température du moufle est due en partie aux courants induits dans ce dernier par le champ inducteur (produit généralement par un solénolde parcouru par un courant alternatif de fréquence industrielle) mais pour une très grande part également aux cycles d'hystérésis.
'intensité des courants induits et les quantités
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de chaleur dégagées dans les cycles d'hystérésis sont fonction de et la perméabilité/du, coefficient d'hystérésis de la substance du moufle. L'autorégulation de température de ce genre de four est basée sur ce fait que la perméabilité et l'hystérésis de la subs- cance du. moufle diminuent fortement lorsque la température du four atteint la température de disparition du magnétisme fort de cette substance.
On a eu l'idée, conformément à la présente invention, d'utiliser la propriété des corps ferro-magnétiques de voir leur induction diminuer considérablement lorsque leur température at- teint et dépasse celle de disparition de leur magnétisme fort.
Le moufle en métal ferro-magnétique d'un four conforme à l'invention est muni à cet effet d'une enveloppe chauffante, établie en un métal conducteur non magnétique (ou dont le magné- tisme fort disparait à une température inférieure à celle que l'on se propose d'obtenir et de maintenir dans le four), et dans laquelle se développent, sous l'effet du flux d'induction alter- natif qui traverse le moufle ferro-magnétique, des courants- induits qui sont fonction de l'induction du moufle ainsi, bien entendu, que des caractéristiques électriques du circuit conducteur (ré- sistance ohmique, self-induction, capacité, etc...).
Les courants induits qui se développent ainsi dans cette enveloppe chauffante dégagent de la chaleur dans cette enveloppe qui, à son tour, échauffe le moufle du four dont la substance ferro-magnétique a été choisie de manière que les températures de commencement et de fin de la disparition de
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son ms.gY'étis '11; fort comprennent entre elles la température cons.. tante Que car désire obtenir et maintenir dans le four. Si ces courants 1:ju. .,s ooiit suffisants pour dégager une quantité de chaleur s! ¯é. ¯eure aux pertes par rayonnement et transmission du four,. 11 cempérature de ce dernier augmente.
'Tant que le moufle du four n'a pas atteint la tem- pérature ce disparition du magnétisme fort de sa substance, les courante induits dans l'enveloppe chauffante dépendent en ma- jeure pa@tie de l'induction de ce moufle. Aussi, au moment du passage du .moufle à cette température de disparition du ma- gnét@@me fort de sa substance, (et en admettant que les carac- téristiques électriques du circuit inducteur restent sensible- m@@@ constantes dans l'intervalle de températureoù se pro- duit cette disparition de magnétisme fort), les courants in- duits damp l'enveloppe chauffante diminuent considérablement avec l'induction du moufle.
Si après la disparition du ma- gnétisme fort de la substance du moufle, les courants induits circulant dans l'enveloppe chauffante sont, à ce moment, insuf- fisante pour dégager une quantité de ch&leur égale aux pertes par rayonnement et transmission du four (ce qui dépend d'un choix judicieux des caractéristiques électriques du circuit inducteur de ce dernier) la température du moufle va baisser, repasser par le point de disparition de sor magnétisme fort et, ce dernier réapparaissant, l'induction du moufle va a@gmenter, ainsi que, de ce fait, Inaction chauffante de l'enveloppe conductrice.
La température du moufle s'équilibrera donc @
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une valeur comprise entre celle du début de la transformation magnétique et celle de sa fin et telle que l'induction du noyau magnétique, à cette température, soit suffisante pour donner naissance dans l'enveloppe chauffante à des courants induits dégageant une quantité de chaleur égale aux pertes calorifiques du four. Alors 1'autorégulation du four se trouve réalisée.
Au dessin ci-joint, on a représenté schématiquement, et à titre d'exemple non limitatif, en figure 1, une forme de réalisation d'un four conforme à l'invention.
A l'intérieur d'un solênoïde 1, parcouru par un courant alternatif, se trouve un moufle 2 en métal ou alliage ferro-magnétique, de section et d'épaisseur appropriées. La substance dont est constitué le moufle est choisie de façon à ce que les températures de commencement et de fin de la dis- parition de son magnétisme fort comprennent entre elles la température constante que l'on désire obtenir et maintenir dans le four. Afin d'avoir un meilleur rendement le moufle magnétique doit présenter le moins possible de coupures à grande reluctance dans le sens transversal, c'est-à-dire perpendiculairement à la direction axiale de la bobine du solénoïde 1, alors qu'il peut sans inconvénient présenter des fentes longitudinales.
Il pourra être d'ailleurs avantageux de fermer exté- rieurement le circuit magnétique grâce à des masses métalliques 3 en fer feuilleté de préférence.
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Sur toute sa hauteur utilisable, et en contact avec lui ou dans son voisinage immédiat, le moufle est entouré d'une enveloppe chauffante 4, conductrice et non magnétique aux tem- pératures d'utilisation du moufle.
L'intervalle entre le solénoïde 1 et l'enveloppe 4 est rempli d'un calorifuge approprié 5.
Les caractéristiques du four devront être choisies de telle sorte que les quantités de chaleur dégagées dans l'en- veloppe chauffante 4 soient supérieures aux pertes par rayon- nement et transmission du four avant la température de trans- formation magnétique, et inférieures à ces mêmes pertes après la disparition complète du magnétisme fort.
On déterminera convenablement à cet effet le voltage et la fréquence du courant appliqué aux bornes du solénoïde 1, la masse et la nature du moufle magnétique 2, la nature, la résistivité et l'épaisseur de l'enveloppe conductrice 4, la nature et l'épaisseur du calorifuge.
A titre d'exemple numérique de réalisation non li- mitatif d'un four conforme à l'invention, exemple qui n'est pas'donné comme un modèle de réalisation car il est possible, par un choix meilleur des caractéristiques du four, ('1 obtenir un résultat pratique plus parfait, le four peut être constitué par un moufle 2 en ferro-cobalt renfermant environ 30 % de cobalt et 70 % de Fo. avec de faibles quantités de carbone.
L'épaisseur du moufle est de 12 m/m, le diamètre intérieur du moufle est d'environ 150 m/m. Sur une hauteur de 350 m/m, @
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celui-ci est entouré d'une chemise conductrice en nickel de 3 m/m d'épaisseur.
La température d'équilibre du moufle étant de 960 C. et la température de disparition du magnétisme fort du nickel étant voisine de 3500 C., on peut considérer que dans la région comprise entre 3500 et 960 et qui est pratiquement la région d'utilisation du four, l'enveloppe de nickel est conductrice et non magnétique.
Le circuit inducteur est constitué par une bobine composée de quatre couches de rubans de cuivre de 10 m/m de largeur et de 3 m/m d'épaisseur isolées les unes des autres par des tresses d'amiante et des feuilles de mica.
L'espace compris entre l'enroulement inducteur et l'enveloppe de nickel est rempli d'un calorifuge approprié (bourre d'amiante, magnésie, etc...).
Le circuit magnétique est fermé extérieurement par six noyaux en fer feuilleté analogues à 3.
Si on applique aux bornes du circuit inducteur un voltage constant de 130 volts, l'enveloppe de nickel et le moufle s'échauffent et la courbe d'élévation de la température (ordonnées) en fonction du temps (abscisses) est donnée par la figure 2 (courbe en traits pleins). On voit que la tempéra- ture du moufle monte rapidement et se stabilise à 960 C., l'au- torégulation étant réalisée à cette température car l'induction du moyau est alors juste suffisante pour donner naissance dans l'enveloppe de nickel à des courants induits dégageant une @
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quantité de chaleur égale aux pertes calorifiques du four.
Dans la figure 3 (courbe en traits pleins) on a également fi- guré le facteur de puissance en -indiquant en ordonnées les va- leurs du cos #, à chaque instant. On voit que celui-ci, par- tant de 0,57, croît rapidement pour rester sensiblement; cons- tant et voisin de 0,72 dans l'intervalle qui s'étend de 350 C.
(température de disparition du magnétisme fort du nickel) jus- qu'à environ 950 C., température du commencement de dispari- tion du magnétisme fort du ferro-cobalt.
On peut voir sur cet exemple de réalisation l'avan- tage du perfectionnement objet de la présente invention sur le procédé consistant à utiliser simplement comme source de cha- leur dans le moufle les phénomènes d'hystérésis et les courants induits dans le moufle ferro-magnétique.
Pour cela on a, avec le même four, cherché à réaliser le même équilibre de température (960 C.) dans le même temps, mais en supprimant l'enveloppe de nickel, le moufle n'étant chauffé que par les courants de Foucault et les cycles d'hysté- résis.
On a figuré en pointillé dans la figure 2, la courbe des variations de température en fonction du temps et dans la figure 3, les valeurs du cos aux mêmes instants.
Pour atteindre la même température d'équilibre dans le même temps, par conséquent pour avoir les mêmes quantités de chaleur dégagées dans le moufle, on a été obligé d'appliquer aux bornes du circuit inducteur un voltage de 165 volts au lieu de 150 volts.
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On en comprend facilement la raison en comparant les courbes du cos # on voit en effet que les valeurs de la cour- be en pointillé décroissent constamment depuis 0,52 et sont bien inférieures aux valeurs correspondantes de la courbe en traits pleins relatives au moufle entouré de l'enveloppe de nickel.
On peut remarquer dans la figure 2, que la courbe en pointillé est un peu au-dessus de la courbe en traits pleins, les deux courbes se rejoignant un peu avant la température d'é- quilibre ; ceci s'explique aisément si on considère que le cos # de la courbe en pointillé diminuant constamment, il faut au début fournir une puissance plus grande que dans le cas où le cos reste pratiquement constant pour arriver à la même tem- pérature pendant le même temps.
On voit donc que le procédé, objet de la présente invention est un perfectionnement sur les fours à moufle ferro- magnétiques chauffés uniquement par courants de Foucault et cycles d'hystérésis, car il permet de réaliser, même dans de petits moufles, une grosse amélioration du facteur de puis- sance,
Pour avoir une grande précision dans la régulation de la température du four, il est nécessaire de choisir des corps ferro-magnétiques dont l'induction varie rapidement en fonction de la température au voisinage du point de transformation magné- tique.
Il sera particulièrement intéressant en conséquence d'u- tiliser les corps f erro-magnétiques (certains ferro-cobalt par @
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exemple) présentant une chute très brusque d'induction au voi- sinage de la température de transformation, grâce à l'inver- sion dans leurs propriétés ferro-magnétiques et paramagnéti.- ques à cette température.
Si l'on désire avoir à l'intérieur du four une distri- bution de températures déterminée à l'avance, on peut constituer le moufle de plusieurs tronçons successifs en métaux ou alliages magnétiques présentant chacun une température différente de dis- parition du magnétisme fort, de telle sorte que, chaque tronçon du moufle ayant ainsi une température d'équilibre différence. on puisse obtenir telle répartition désirée de température le long du moufle sans être obligé de modifier le champ inducteur à ce niveau. On peut également sectionner l'enveloppe chauf- fante en tronçons de natures ou d'épaisseurs différentes ce qui, avec un moufle de même nature modifierait les conditions d'équi- libre le long de ce dernier.
Ceci est utile quand les conditions de refroidissement ou de transmission de chaleur à température constante varient le long du moufle.
De même. avec un moufle constitué de corps ferro- magnétiques différents, chaque anneau pourrait être entouré par une enveloppe chauffante de nature et d'épaisseurs dif- férentes, ce qui. permettrait d'avoir en chaque région une température et des conditions d'équilibre en rapport avec des conditions de température et de refroidissement imposées à.
14 avance le long du moufle.
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Improvements to induction heating furnaces.
Induction heating furnaces are already known in which the muffle consists of a metal or magnetic alloy, and it is known that by suitably choosing the metal or the magnetic alloy of the muffle and by suitably adjusting the characteristics of the furnace and the inducing current, it is possible to ensure that the temperature of the muffle is maintained, automatically constant.
In existing furnaces of this type, the increase in temperature of the muffle is partly due to the currents induced in the latter by the inducing field (generally produced by a solenoid carrying an alternating current of industrial frequency) but for a very a large part also in hysteresis cycles.
intensity of the induced currents and the quantities
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of heat released in hysteresis cycles are a function of and the permeability / hysteresis coefficient of the muffle substance. The temperature self-regulation of this kind of furnace is based on the fact that the permeability and the hysteresis of the substance of. muffle decrease sharply when the temperature of the furnace reaches the temperature of disappearance of the strong magnetism of this substance.
The idea was, in accordance with the present invention, to use the property of ferro-magnetic bodies of seeing their induction decrease considerably when their temperature reaches and exceeds that of disappearance of their strong magnetism.
The ferro-magnetic metal muffle of a furnace according to the invention is provided for this purpose with a heating jacket, made of a non-magnetic conductive metal (or the strong magnetism of which disappears at a temperature below that which it is proposed to obtain and maintain in the furnace), and in which develop, under the effect of the alternating induction flux which passes through the ferro-magnetic muffle, induced currents which are a function of the induction of the muffle as well, of course, as the electrical characteristics of the conductive circuit (ohmic resistance, self-induction, capacitance, etc.).
The induced currents which thus develop in this heating envelope release heat in this envelope which, in turn, heats the muffle of the furnace, the ferro-magnetic substance of which has been chosen so that the temperatures of the beginning and the end of the heating disappearance of
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his msgY'étis '11; strong include between them the constant temperature What car desires to obtain and maintain in the oven. If these currents 1: ju. ., are sufficient to release a quantity of heat! ¯é. ¯eure in radiation and transmission losses from the furnace ,. The temperature of the latter increases.
As long as the furnace muffle has not reached the temperature this disappearance of the strong magnetism of its substance, the currents induced in the heating jacket depend in major part on the induction of this muffle. Also, at the moment of the passage of the .moufle at this temperature of disappearance of the strong magnet @@ me of its substance, (and assuming that the electrical characteristics of the inductor circuit remain sensitive- m @@@ constant in the temperature interval at which this disappearance of strong magnetism occurs), the currents induced by the heating jacket decrease considerably with the induction of the muffle.
If after the disappearance of the strong magnetism of the substance of the muffle, the induced currents circulating in the heating jacket are, at this moment, insufficient to release a quantity of heat equal to the losses by radiation and transmission of the furnace (this which depends on a judicious choice of the electrical characteristics of the inductor circuit of the latter) the temperature of the muffle will drop, pass through the point of disappearance of strong magnetism and, the latter reappearing, the induction of the muffle will increase, as well as, therefore, the heating inaction of the conductive casing.
The temperature of the muffle will therefore equalize @
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a value between that of the start of the magnetic transformation and that of its end and such that the induction of the magnetic core, at this temperature, is sufficient to give rise in the heating envelope to induced currents releasing an equal quantity of heat heat losses from the oven. Then the self-regulation of the oven is achieved.
In the accompanying drawing, there is shown schematically, and by way of nonlimiting example, in Figure 1, an embodiment of an oven according to the invention.
Inside a solenoid 1, traversed by an alternating current, is a muffle 2 made of metal or ferro-magnetic alloy, of appropriate section and thickness. The substance of which the muffle is made is chosen so that the temperatures of the beginning and end of the disappearance of its strong magnetism include between them the constant temperature which it is desired to obtain and maintain in the furnace. In order to have a better efficiency, the magnetic block must have the fewest possible cuts with high reluctance in the transverse direction, that is to say perpendicular to the axial direction of the coil of solenoid 1, whereas it can without disadvantage have longitudinal slots.
It may also be advantageous to close the magnetic circuit on the outside by means of metallic masses 3 preferably made of laminated iron.
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Over its entire usable height, and in contact with it or in its immediate vicinity, the muffle is surrounded by a heating jacket 4, which is conductive and not magnetic at the temperatures in which the muffle is used.
The gap between solenoid 1 and casing 4 is filled with a suitable heat insulator 5.
The characteristics of the furnace must be chosen such that the quantities of heat released in the heating jacket 4 are greater than the losses by radiation and transmission of the furnace before the temperature of magnetic transformation, and less than these same. losses after the complete disappearance of strong magnetism.
For this purpose, the voltage and the frequency of the current applied to the terminals of the solenoid 1, the mass and the nature of the magnetic block 2, the nature, the resistivity and the thickness of the conductive casing 4, the nature and the l thickness of the insulation.
As a numerical example of a non-limiting embodiment of an oven in accordance with the invention, an example which is not given as an embodiment since it is possible, by a better choice of the characteristics of the oven, ( In order to obtain a more perfect practical result, the furnace can be constituted by a ferro-cobalt muffle 2 containing about 30% cobalt and 70% Fo. With small amounts of carbon.
The thickness of the muffle is 12 m / m, the inner diameter of the muffle is about 150 m / m. At a height of 350 m / m, @
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this is surrounded by a conductive nickel jacket 3 m / m thick.
The equilibrium temperature of the muffle being 960 C. and the disappearance temperature of the strong magnetism of nickel being close to 3500 C., it can be considered that in the region between 3500 and 960 and which is practically the region of use oven, the nickel shell is conductive and not magnetic.
The inductor circuit consists of a coil made up of four layers of copper tapes 10 m / m wide and 3 m / m thick, insulated from each other by asbestos braids and mica sheets.
The space between the inductor winding and the nickel casing is filled with an appropriate heat insulator (asbestos fluff, magnesia, etc.).
The magnetic circuit is closed externally by six laminated iron cores similar to 3.
If a constant voltage of 130 volts is applied to the terminals of the inductor circuit, the nickel casing and the muffle heat up and the temperature rise curve (ordinates) as a function of time (abscissa) is given by the figure. 2 (curve in solid lines). We see that the temperature of the muffle rises rapidly and stabilizes at 960 C., self-regulation being carried out at this temperature because the induction of the hub is then just sufficient to give rise in the nickel envelope to induced currents giving off a @
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quantity of heat equal to the heat losses of the furnace.
In FIG. 3 (curve in solid lines) we have also shown the power factor by indicating the values of cos # on the ordinate, at each instant. We see that the latter, starting from 0.57, increases rapidly to remain appreciably; constant and close to 0.72 in the interval extending from 350 C.
(temperature of disappearance of the strong magnetism of nickel) up to about 950 C., temperature of the beginning of the disappearance of the strong magnetism of ferro-cobalt.
One can see from this exemplary embodiment the advantage of the improvement which is the subject of the present invention over the process consisting in simply using as a source of heat in the muffle the phenomena of hysteresis and the currents induced in the ferro-muffle. magnetic.
For this we have, with the same oven, sought to achieve the same temperature equilibrium (960 C.) at the same time, but removing the nickel envelope, the muffle being heated only by eddy currents and cycles of hysteresis.
The dotted line in FIG. 2 shows the curve of the temperature variations as a function of time and in FIG. 3, the values of cos at the same times.
To reach the same equilibrium temperature at the same time, therefore to have the same amounts of heat released in the muffle, it was necessary to apply to the terminals of the inductor circuit a voltage of 165 volts instead of 150 volts.
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We can easily understand the reason for this by comparing the curves of cos # we see in fact that the values of the dotted curve decrease constantly from 0.52 and are much lower than the corresponding values of the curve in solid lines relating to the muffle surrounded. of the nickel casing.
We can notice in figure 2, that the dotted curve is a little above the curve in solid lines, the two curves meeting a little before the equilibrium temperature; this is easily explained if we consider that the cos # of the dotted curve decreasing constantly, it is necessary at the beginning to provide a greater power than in the case where the cos remains practically constant to arrive at the same temperature during the same time.
It can therefore be seen that the method which is the subject of the present invention is an improvement on ferro-magnetic muffle furnaces heated only by eddy currents and hysteresis cycles, since it makes it possible to achieve, even in small muffles, a big improvement. the power factor,
In order to have great precision in the regulation of the temperature of the furnace, it is necessary to choose ferro-magnetic bodies whose induction varies rapidly as a function of the temperature in the vicinity of the magnetic transformation point.
It will therefore be particularly interesting to use ferro-magnetic bodies (some ferro-cobalt by @
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example) exhibiting a very sudden drop in induction near the transformation temperature, thanks to the inversion in their ferro-magnetic and paramagnetic properties at this temperature.
If one wishes to have inside the furnace a distribution of temperatures determined in advance, one can form the muffle of several successive sections of metals or magnetic alloys each having a different temperature of disappearance of strong magnetism. , so that, each section of the muffle thus having a difference equilibrium temperature. one can obtain such desired distribution of temperature along the muffle without having to modify the inducing field at this level. The heating casing can also be sectioned into sections of different types or thicknesses which, with a muffle of the same type, would modify the conditions of equilibrium along the latter.
This is useful when the cooling or constant temperature heat transfer conditions vary along the muffle.
The same. with a muffle made up of different ferromagnetic bodies, each ring could be surrounded by a heating jacket of different nature and thicknesses, which. would make it possible to have in each region a temperature and equilibrium conditions in relation to the temperature and cooling conditions imposed on.
14 advances along the block.