Induktionsheizspule für Unterdrucköfen In Induktionsöfen zum Schmelzen und (liessen von Metallen in verdünnter Atmo sphäre ist es bekanntlich sehr schwierig, Über- sehläge zwischen der Induktionsheizspule und sonstigen in der Nähe befindlichen Geräte teilen zu vermeiden.
Während beim Betrieb solcher Öfen unter normalem Atmosphären druck die Isolationsfähigkeit. der Luft. oder anderer Glase ausreicht, um Überschläge zwi schen Geräteteilen verschiedener Spannung zii verhindern, bilden sich bei Unterdruck leicht elektrische Gasentladungen aus., die nicht nur den Betrieb des Ofens stören, son- < lerii überdies zur Zerstörung oder Beschä.di- gung, von Geräteteilen führen können, insbe sondere dann, wenn die Gasentladung die Forin eines Lichtbogens annimmt.
-Man hat zur Beseitigung dieses Übelstan <B>des</B> vorgeschlagen, die Windungen der IIeiz- spiile finit, einer festen Isolation zu überziehen oder in isolierende, pulverförmige Massen ein zubetten.
.ledoeh befriedigt. eine solche Lösung nicht. Abgesehen davon, dass durch eine stärkere Isolation der Abstand zwischen den Heizwin- < hinnen der Spule und dem zu erhitzenden Gut vergrössert und dadurch die Energieüber- traT-ung becintHeht.igt wird, hat eine feste Isolation den Nachteil, da.ss sie wegen der schwankenden Temperaturbeanspruchungen innerhalb kurzer Zeit rissig wird.
Es können aber schon kleinste Risse in der Isolation zum Ausäangspunkt von Glimmentladungen wer- den, die sich alsbald zu Bogenentladtuigen entwickeln und dann die Isolation zerstören.
Die Einbettung der Induktionsspule in pulverförmige Massen, welche, um wirksam gegen Gasentladungen zu schützen, sehr ge ringe Korngrössen erfordert, hat den Nach teil, dass sie in der praktischen Handhabung sehr umständlich ist. Pulverförmige Massen nehmen auch bekanntlich grosse Gasmengen auf, die sie nachher bei Unterdruck wieder abgeben und so die Evakuierung sehr er- scltweren.Weiters neigen die pulverförmigen Massen bei den hohen Temperaturen leicht zum Zusammensintern, wobei Schrumpfung eintritt und sich Risse bilden, die bevorzugte Übersehlagsw ege ergeben.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, Isolationsschichten zu verwenden, die so dünn sind, dass sie durch die wassergekühlten Win dungen der Spule, an denen sie anliegen, einer genügenden Kühlung unterliegen, so dass die Entstehung eines Temperaturgradienten, der Risse in der Isolation verursachen könnte, vermieden wird. Bei den heute gebräuchlichen Isolationsmaterialien ist es zu diesem Zweck erfahrungsgemäss erforderlich, dass die Dicke dieser Isolationsschicht nicht grösser als<B>3</B> mm ist.
Vorzuziehen wären von diesem Standpunkt aus sogar wesentlich geringere Isolations- sehichtdicken, nämlich 1 mm oder noch besser nur 1/1o mm, wobei die untere Grenze durch die elektrische Isolationsfähigkeit und die ab zuisolierende elektrische Spannung - mei- stens nicht höher als 250 Volt - gegeben ist. Will man aber so dünne Isolationen verwen den, dann zeigt sich, dass sie mechanisch zu empfindlich sind und daher den Anforderun gen eines rauhen Giessereibetriebes nicht ent sprechen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die i'berwindimg dieser Schwierigkeiten.
Die erfindungsgemässe Ind'uktionsheizspule für Unterdrucköfen, deren Leiter mit einer Schicht aus einem elektrisch isolierenden Ma terial überzogen ist, ist, dadurch gekennzeich net, dass die elektrisch isolierende Schicht zusätzlich und mindestens zum Teil mit einem metallischen Schutzbelag bedeckt. ist, dessen Dicke die Eindringtiefe der Betriebsfrequenz- wirbelströme infolge des Skineffektes nicht übersteigt. Als besonders geeignet für diese Schutzbeläge haben sich Metallbänder erwie sen, mit denen die Spulenisolationsschicht um wickelt wird.
Hierbei wird die Dicke dieser Bänder kleiner als die Eindringtiefe der Hoehfrequenzwirbelströme infolge des Skin- effektes bemessen, die durch das elektromagne- tische Feld, der Spule in den metallischen Schutzbändern hervorgerufen werden.
Da. Metalle eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzen, bewirken säe nicht nur mechanischen Schutz der Isolationssehi#nt, sondern dienen zugleich auch der Wärmeableitung und der gleichmässigeren Temperaturverteilung auf der Isolationsoberfläche, wodurch die Gefahr der Rissebildung in der dünnen Isolation noch weitergehend verringert wird. Da die Isolation dank des Schutzbelages dünner gewählt wer den kann, wird sie durch das gekühlte Spulen rohr, an dein sie anliegt, in ihrer ganzen Dicke genügend gekühlt.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungs gegenstandes wird an Hand beigefügter Fi guren näher erläutert.
Fig.1 zeigt die Gesamtanordnung einer Induktionsheizspule mit dem darin befind lichen -Schmelztiegel, so wie sie allgemein üb lich ist. 1 bezeichnet den Schmelztiegel, 2 die Induktionsheizspule, die meist aus wasserge kühltem Kupferrohr hergestellt. wird'. Der In- duktionsheizstrom und die Kühlflüssigkeit werden an den Anschlüssen 3 und 4 der Spule zu- und abgeführt.
Fig. 9- zeigt einen vergrösserten Querschnitt senkrecht durch das Spulenrohr. Hier bezeich net 5 ein Kupferrohr von ungefähr recht eckigem Querschnitt, mit einer ungefähren Höhe von 30 mm und einer Breite von 15 mm. Das Rohr wird vom Kühlwasser 6 durchströmt. Auf der Aussenseite des Rohres ist eine dünne elektrische Isolation 7 aufgebracht.
Im Beispielsfalle wird diese dadurch herge stellt, dass das Kupferrohr zuerst mit einer sehr dünnen Lage von Glasseide von etwa 1/1o mm Dicke umsponnen wird und diese Lage anschliessend mit einem isolierenden Kunst harz imprägniert wird, so dass eine zusammen- hängende, elektrisch hochwertige isolierende Schicht gebildet wird. Die Aussenseite der Isolation 7 ist zum mechanischen Schutz mit dünnem Kupferband S von etwa 5 mm Breite und 0,1 mm Stärke umwickelt.
Das Spulenfeld induziert in den von der Spule isolierten metallischen Schutzbelägen eine elektrische Spannung ( Randspannung infolge der zeitlichen Änderung des von einem metallischen Leiter umfassten magnetischen Feldes), und damit diese an keiner Stelle des Schutzbelages zu hohe Werte annimmt, wird letzterer zweckmässigerweise nicht als ein elektrisch zusammenhängendes Ganzes ausge führt, sondern an mehreren Stellen entlang der Spulenwindungen durch eine Trennfuge unterbrochen, wodurch die Gesamtspannung in mehrere Teilspannungen- aufgeteilt wird.
Zum Beispiel wird der Schutzbelag gemäss Fig.3 etwa in einzelne Ringe 9, welche das isolierte Rohr der Spulenwindungen umfan gen, unterteilt, oder es wird ein schmales Me tallband wendelförmig auf das isolierte Spu- lenrohr aufgewickelt, wobei sich die einzelnen Windungen der Wendel auch überlappen dürfen. Jedoch wird das aufgewickelte Band an einzelnen Stellen elektrisch unterbrochen und so die Ausbildung grösserer induzierter Randspannungen vermieden. Es entstehen somit wiederum getrennte Stücke der Schutz beläge entsprechend den einzelnen Ringen 9, in Fig. 3.
Die Unterbrechungsstellen des ringförmig oder als Wendel aufgebrachten dünnen Metall bandes können zum mechanischen Schutz der in der Trennfuge freiliegenden Isolations schicht nochmals durch eine Metallfolie über deckt werden, welche isoliert auf die Trenn furie aufgeklebt werden muss, um die elek trische Unterbrechung zu wahren. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 4 zeigt in vergrösserter Darstellung einen Längsschnitt durch das Rohr der Spulenwindung.
Es bedeutet 10 das Rohr, 11 das das Rohr durchströmende Kühl wasser, 1? die dünne elektrische Isolations- sehieht, 13. den Schutzbelag aus dünner Me tallfolie und 11 die Trennfuge zwischen den einzelnen Abschnitten des Schutzbelages. Über die Trennfuge 14 ist eine dünne Isolations- sehieht 15, etwa wiederum aus Glasseide, auf- gebracht, und über der Isolation 15 ist noch mals ein dünner, ringförmiger Streifen 16 aus Metallfolie aufgeklebt. Die Ringe und. Streifen können mittels desselben Kunsthar zes, das auch der Verfestigung und Vervoll ständigung der Isolation 7 (Fig. 2) dient, aufgeklebt sein.
Es ist auch möglich, bei der Herstellung der Spule zuerst s mt'liche Beläge ohne Verwendung eines Kunstharzes oder Klebstoffes aufzubringen und nachträglich das Ganze vorzugsweise im Vakuum zu im prägnieren. Dadurch werden alle etwa noch vorhandenen kleinen Hohlräume v erlässlich mit, dem elektrisch isolierenden Imprägnie- rungsmittel ausgefüllt.. Als Imprägnierungs- mittel eignen sich besonders Silikonlaeke,
da diese bei etwaigen noch vorkommenden elek trischen Überschlägen nicht verkohlen, son dern auf Grund ihres Siliciumgehaltes Quarz (SiO.,) an den ÜTberschlagstellen ergeben, so dass die Isolationseigenschaften an der betref fenden Stelle nicht. gefährdet werden.
Aber auch andere hitzebeständige Lacke sind brauchbar. Die Temperaturbeanspru- ehung, der die Isolation im Einzelfall unter worfen ist, hängt von der Dicke der Isola tionssehiehten ab und von der Wärmeleit fähigkeit., welche dafür massgebend ist, inwie weit die dünne Schicht von den gekühlten Spulenrohren her selbst gekühlt werden kann. Weiter hängt die Temperaturbeanspruchung ab von der Wirksamkeit der Kühlung, also der Menge und der Temperatur des Kühlmittels, welches die Spule pro Zeiteinheit durchströmt.
Schliesslich wird die 'Temperaturbeanspru chung natürlich auch durch die Beschaffen heit des .Schmelztiegels und die Temperatur der darin befindlichen Schmelze wesentlich bestimmt. Die Erfahrung zeigt, dass eine Tem peraturbeständigkeit bis zu Temperaturen von \?-50 C genügt.
Die beschriebenen Induktionsheizspulen vertragen eine verhältnismässig rauhe Behand lung, und die Isolation bleibt dicht und auch bei längerem Gebrauch frei von Sprüngen, die zu Ausgangspunkten von Gasentladungen werden können.
Es wurde beobachtet, dass auch dann, wenn sich nach langem Gebrauch kleine Risse in der Isolierung zwischen der Kupferfolie und der Oberfläche des Rohres bilden, diese Risse nicht zu Gasentladungen Anlass geben, wie es der Fall ist, wenn diese Risse nicht mit einem solchen Schutzbelag aus Kupferfolie überdeckt sind. Der Grund für diese uner wartete Erscheinung liegt vermutlich darin, dass wegen des geringen Abstandes zwischen Schutzbelag und Oberfläche des Rohres 5 eine Gasentladung sich nicht ausbilden kann, weil in dem kleinen Zwischenraum zu wenig ioni- sierbare Gasmoleküle zur Verfügung stehen.
Fehlt jedoch die 'Schutzbelegung, dann stehen längere Entladungswege zu benachbarten Ge räteteilen zur Verfügung und die Wahrschein lichkeit, dass ein Elektron oder ein Ion aus einem gelegentlichen kurzen Entladungsstrom stoss weitere Moleküle ionisiert und eine selb ständige Entladung möglich macht, ist gross.
Es ist offensichtlich, dass für die Schutz bedeckung nicht nur Kupferfolie verwendet werden kann, sondern ebenso gut andere Me talle, zum Beispiel Aluminium. Der Schutz belag kann auch auf andere Weise als durch Aufwickeln, Aufkleben und dergleichen auf gebracht werden, zum Beispiel indem auf das noch nicht zur Spule geformte isolierte Rohr ein sehr dünnes Aluminiumrohr aufgezogen und anschliessend die Spule geformt wird.
Zwecks Verminderung von ZVirbelstroni- verlusten ist. es möglich, an jenen Stellen, die dem magnetischen .Streufeld der Spule beson ders ausgesetzt sind, das sind insbesondere die Enden der Spulen, den Schutzüberzug aus elektrisch besonders gut leitendem Metall herzustellen. Als Materialien für diesen Zweck kommen insbesondere Kupfer, Silber und Ahi- minium in Frage.
Im Falle, dass mit hohen Frequenzen ge arbeitet wird, kann es unter Umständen zweck mässig sein, den 'Schutzbelag im mittleren Teil der Spule aus einem elektrisch schlechter lei tenden Metall als an den Enden der Spule herzustellen.