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.
Induction heating coil for vacuum furnaces In induction furnaces for melting and (leaving metals in a thinned atmosphere, it is known to be very difficult to avoid overlap between the induction heating coil and other nearby devices.
During the operation of such ovens under normal atmospheric pressure, the insulation capacity. the air. or other glass is sufficient to prevent flashovers between device parts of different voltages, electrical gas discharges easily develop under negative pressure, which not only disturb the operation of the furnace, but also destroy or damage parts of the device lead, especially when the gas discharge assumes the shape of an electric arc.
To eliminate this evil, it has been proposed to cover the turns of the heating coil finite, solid insulation or to embed it in insulating, powdery masses.
.ledoeh satisfied. no such solution. Apart from the fact that a stronger insulation increases the distance between the heating coils of the coil and the material to be heated, thereby reducing the energy transfer, a solid insulation has the disadvantage that it is fluctuating temperature loads cracks within a short time.
Even the smallest cracks in the insulation can become the starting point for glow discharges, which soon develop into arc discharges and then destroy the insulation.
Embedding the induction coil in powdery masses, which requires very small grain sizes in order to provide effective protection against gas discharges, has the disadvantage that it is very cumbersome to use in practice. It is well known that powdery masses absorb large amounts of gas, which they then release again at negative pressure and thus make evacuation very difficult. Furthermore, powdery masses tend to sinter together at the high temperatures, with shrinkage and cracks forming, the preferred overflow path surrender.
It has also already been proposed to use insulation layers that are so thin that they are subject to sufficient cooling by the water-cooled windings of the coil against which they are applied, so that the development of a temperature gradient which could cause cracks in the insulation , is avoided. With the insulation materials used today, experience shows that for this purpose it is necessary that the thickness of this insulation layer is not greater than <B> 3 </B> mm.
From this point of view, even significantly lower insulation layer thicknesses would be preferable, namely 1 mm or even better only 1/10 mm, the lower limit being given by the electrical insulation capacity and the electrical voltage to be insulated - usually not higher than 250 volts is. But if you want to use such thin insulation, it turns out that it is mechanically too sensitive and therefore does not meet the requirements of a harsh foundry.
The aim of the present invention is to overcome these difficulties.
The induction heating coil according to the invention for vacuum ovens, the conductor of which is covered with a layer of an electrically insulating material, is characterized in that the electrically insulating layer is additionally and at least partially covered with a metallic protective coating. is whose thickness does not exceed the penetration depth of the operating frequency eddy currents due to the skin effect. Metal strips with which the coil insulation layer is wrapped have proven to be particularly suitable for these protective coverings.
The thickness of these strips is smaller than the penetration depth of the high frequency eddy currents due to the skin effect, which are caused by the electromagnetic field of the coil in the metallic protective strips.
There. Metals have good thermal conductivity and not only provide mechanical protection for the insulation layer, but also serve to dissipate heat and ensure a more even temperature distribution on the insulation surface, which further reduces the risk of cracks forming in the thin insulation. Since the insulation can be selected thinner thanks to the protective coating, it is sufficiently cooled in its entire thickness by the cooled coil tube on which it rests.
An embodiment of the subject invention is explained in more detail with reference to attached Fi gures.
Fig.1 shows the overall arrangement of an induction heating coil with the melting crucible located therein, as it is generally customary. 1 denotes the crucible, 2 the induction heating coil, which is usually made of water-cooled copper pipe. becomes'. The induction heating current and the cooling liquid are supplied and discharged at connections 3 and 4 of the coil.
9 shows an enlarged cross-section perpendicularly through the coil tube. Here, 5 denotes a copper tube of approximately rectangular cross-section, with an approximate height of 30 mm and a width of 15 mm. The cooling water 6 flows through the pipe. Thin electrical insulation 7 is applied to the outside of the pipe.
In the example, this is produced by first wrapping a very thin layer of glass fiber about 1/10 mm thick around the copper pipe and then impregnating this layer with an insulating synthetic resin, so that a coherent, electrically high-quality insulating Layer is formed. For mechanical protection, the outside of the insulation 7 is wrapped with thin copper tape S approximately 5 mm wide and 0.1 mm thick.
The coil field induces an electrical voltage in the metallic protective coverings isolated from the coil (edge voltage due to the temporal change in the magnetic field encompassed by a metallic conductor), and so that this does not assume too high values at any point on the protective cover, the latter is expediently not considered electrical connected whole, but interrupted at several points along the coil windings by a parting line, whereby the total voltage is divided into several partial voltages.
For example, the protective covering according to FIG. 3 is divided into individual rings 9, which encompass the insulated tube of the coil windings, or a narrow metal strip is wound onto the insulated coil tube in a helical manner, the individual windings of the coil also being wound may overlap. However, the wound tape is electrically interrupted at individual points, thus avoiding the formation of larger induced edge stresses. This again results in separate pieces of the protective coverings corresponding to the individual rings 9 in FIG. 3.
The interruption points of the thin metal band applied in the form of a ring or helix can be covered again by a metal foil for mechanical protection of the insulation layer exposed in the joint, which must be glued to the separating furie in order to maintain the electrical interruption. This is shown in FIG. 4. Fig. 4 shows an enlarged view of a longitudinal section through the tube of the coil winding.
It means 10 the pipe, 11 the cooling water flowing through the pipe, 1? the thin electrical insulation sees, 13. the protective covering made of thin metal foil and 11 the parting line between the individual sections of the protective covering. A thin insulation layer 15, for example made of glass fiber again, is applied over the separating joint 14, and a thin, ring-shaped strip 16 of metal foil is glued on over the insulation 15. The rings and. Strips can be glued on by means of the same Kunsthar zes, which also serves to solidify and complete the insulation 7 (Fig. 2).
It is also possible, when producing the coil, to first apply all of the coverings without using a synthetic resin or adhesive and to subsequently impregnate the whole thing, preferably in a vacuum. This means that any small cavities that may still be present are filled with the electrically insulating impregnation agent. Silicone sheets are particularly suitable as impregnation agents,
as these do not char in the event of any electrical flashovers, but rather, due to their silicon content, result in quartz (SiO.) at the flashover points, so that the insulation properties at the point concerned are not. be endangered.
But other heat-resistant paints can also be used. The temperature stress to which the insulation is subjected in individual cases depends on the thickness of the insulation layer and on the thermal conductivity, which is decisive for the extent to which the thin layer can be cooled by the cooled coil tubes themselves. The temperature load also depends on the effectiveness of the cooling, i.e. the amount and temperature of the coolant which flows through the coil per unit of time.
Finally, the temperature stress is of course also essentially determined by the nature of the crucible and the temperature of the melt located therein. Experience shows that temperature resistance up to temperatures of \? - 50 C is sufficient.
The induction heating coils described can withstand a relatively rough treatment, and the insulation remains tight and free of cracks, which can become starting points for gas discharges, even with prolonged use.
It has been observed that even if small cracks form in the insulation between the copper foil and the surface of the pipe after long use, these cracks do not give rise to gas discharges, as is the case if these cracks are not covered with such a protective coating are covered with copper foil. The reason for this unexpected phenomenon is presumably that due to the small distance between the protective covering and the surface of the tube 5, a gas discharge cannot develop because there are too few ionizable gas molecules available in the small space.
However, if the protective assignment is missing, then longer discharge paths to neighboring parts of the device are available and the probability that an electron or ion from an occasional short discharge current will ionize other molecules and make an independent discharge possible is high.
It is obvious that not only copper foil can be used for the protective covering, but also other metals, for example aluminum. The protective covering can also be applied in other ways than by winding, gluing and the like, for example by pulling a very thin aluminum tube onto the insulated tube that has not yet been formed into a coil and then forming the coil.
The purpose of reducing ZVirbelstronic losses is. It is possible at those points that are particularly exposed to the magnetic .Streufeld of the coil, in particular the ends of the coils, to produce the protective coating from metal that is particularly good electrical conductor. Particularly suitable materials for this purpose are copper, silver and aluminum.
In the event that work is carried out with high frequencies, it may be useful under certain circumstances to produce the protective covering in the middle part of the coil from a metal that is less electrically conductive than at the ends of the coil.