CN103108422A - 使用串并联电路中感应线圈的感应加热 - Google Patents

Abstract

本发明的名称是使用串并联电路中感应线圈的感应加热。通过多个自调节的具有感受器的并联连接在一起且与AC电源串联连接的感应线圈电路感应加热部件。每个电路包括调谐电路以在AC电源的频率处谐振的调谐电容器。

Description

使用串并联电路中感应线圈的感应加热

技术领域

本公开内容一般地涉及感应加热技术，并且更具体地涉及使用以相对低的电压供以能量的具有智能感受器的多个感应加热线圈感应加热相对大的面积的方法和装置。

背景技术

感应加热可以用在很多工业过程中以提高部件或结构的温度。例如，在复合材料领域中，感应加热可用于固化由复合材料比如纤维增强的聚合物树脂形成的结构的一个或多个部分。为了实现加热过程中的热均匀性(thermal uniformity)，感应加热系统可以使用与感受器磁耦合的感应线圈以将电能转化为热能。感受器有时被称作“智能(smart)”感受器，因为形成感受器的材料被特定地选择以便当被感应加热时产生最高的恒定温度。在感受器材料的居里点达到该平衡恒定温度。居里点是材料的铁磁性相和非磁性相之间存在转变的温度。一旦达到居里温度，感受器成为非磁性的并且大大降低其加热速率。该内装的恒温控制提供避免过度加热的方法并且允许精确的温度控制。感受器可以以各种物理形式，包括但不限于放置在感应线圈周围的套筒或螺旋包裹物(spiral warp)、板(plate)或分散在周围基体内的磁性微粒。

可以使用利用上述类型智能感受器的感应加热系统，例如，作为加热毯以固化小面积的复合材料，比如用于修补飞行器蒙皮的复合材料补片。然而，当需要加热相对大面积的部件或结构时，这种感应加热技术可能不实用。例如，为了覆盖较大的部件面积，多个感应加热线圈可以串联连接在一起。在大面积上方将线圈串联连接在一些应用中可能具有劣势，包括由于线圈对电源提供的累积电阻而需要使用相对高的驱动电压。同样，串联连接的线圈可能更难控制，产生部件热逸散和/或不均匀加热的可能性。

因此，需要一种感应加热装置，其使用多个自平衡感应线圈电路提供均匀、受控的大表面积的加热。还需要一种感应加热方法和装置，其使用相对低的电压驱动覆盖相对大表面积的具有智能感受器的多个感应线圈。

发明内容

公开的实施方式提供了使用多个感应线圈电路感应加热相对大表面积的方法和装置，所述多个感应线圈电路是自平衡的以提供均匀可控的加热。感应线圈电路彼此并联连接，并且与AC电源串联连接，该AC电源以相对低的电压驱动电路，并允许更容易的系统调谐(tuning)。通过用使电路在AC电源的驱动频率处谐振所需的电容调谐电路而避免由感应线圈电路之间的不平衡造成的热逸散。内在地调节对每个感应线圈电路施加的交流电，以便对那些感受器低于其居里温度的电路施加更多能量，并对已经达到其居里温度的电路施加较少的能量。这使得感应加热装置能够内在地调节电流以在所需的处理温度快速达到均匀温度。此外，使用串并联感应线圈电路消除了对感应加热应用的电压支配的(voltage-dictated)尺寸限制，同时迫使热会聚(thermal convergence)遍及整个被加热的面积。

根据一个公开的实施方式，感应加热方法包括选择至少两个感应线圈电路，每个包括感应线圈和具有居里温度的感受器。该方法进一步包括将电路彼此并联连接并且与AC电源串联连接。该方法还包括当电路中的感受器基本达到其居里温度时，将功率从一个感应线圈电路分流(shunting)到其它电路。该方法进一步包括当功率从已经达到其居里温度的电路被分流时，使由AC电源施加至其它感应线圈电路的功率重新平衡。功率的重新平衡可以通过保持输送至其它电路的功率基本恒定来完成。从已经达到其居里温度的电路分流功率可以包括将电路解谐(detuning)。该方法可以进一步包括使用电容器调谐每个电路以在AC电源的频率处谐振。

根据另一个公开的方法，加热部件包括提供多个感应线圈加热电路，其中每个电路包括感应加热线圈和与线圈磁耦合且具有预选的居里点的感受器。该方法进一步包括将加热电路彼此并联电连接，并且将加热线圈邻近被加热的部件放置。该方法还包括将AC电源与并联连接的加热电路串联连接，并且使用AC电源对电路提供交流电。该方法进一步包括调谐每个加热电路的谐振频率以基本消除电路的感性电抗。该调谐可以通过使用电容器来完成。

根据仍另一个实施方式，感应加热装置包括AC电源、以及一组感应线圈电路，每个感应线圈电路包括具有预选的居里温度的感受器。感应线圈电路彼此并联电连接，并且与AC电源串联电连接。每个感应线圈电路被调谐至AC电源的谐振频率。

特征、功能和优势可以单独地在本公开内容的各个实施方式中实现，或可在其它实施方式中结合，其中参考下面的描述和附图可见进一步的细节。

附图说明

被认为是有利的实施方式的特点的新特征在所附权利要求中阐述。然而，当结合附图阅读时参照下面的本公开内容的有利实施方式的详述将最好地理解有利的实施方式，以及其优选的使用方式、进一步的目标和优势，其中：

图1是使用多个感应线圈电路加热部件的感应加热装置的透视图的图解。

图2是沿图1中的线2-2得到的截面图。

图3是图2中标为“图3”的区域的图解。

图4是感应加热装置的电路方框图的图解。

图5是使用多个感应线圈电路的感应加热方法的流程图的图解。

图6是感应加热装置的等效电路图的图解。

图7是感应加热装置的详细示意图的图解。

图8是显示当以预选电压驱动时覆盖各种表面积所需线圈数量的图表的图解。

发明详述

首先参照图1，感应加热装置20包括多个部分20a、20b、20c，每个与被加热的部件25的相应区域相接触。在图解的实例中，部件25包括由装置20产生的热固化的层压复合材料。然而，复合层压部件25仅是例证性的大范围的部件、结构和表面，其温度可使用加热装置20来提高。装置20的每个部分20a-20c包括一个或多个相应的单独的感应加热线圈22a、22b、22c。在图解的实例中，单独的线圈22a-22c分别覆盖大体上矩形的部分20a、20b、20c，然而被单独的线圈22a-22c覆盖的部分20a、20b、20c可以具有任何形状，并且可以彼此相邻或可以不彼此相邻，这取决于部件25被加热的区域。在示例性的实施方式中，线圈22a、22b、22c以蛇形样式布置，然而其它布局几何形状(layout geometry)也是可能的，这取决于应用。虽然在图1所示的实例中使用了三个线圈，但也可以使用少至两个或多于三个线圈22。

现在也参照图2和3，感应加热装置20包括填充合适的基体材料34—比如但不限于硅氧烷—的外罩36，其是导热性的，以利于后面讨论的感受器套筒40产生的热传热到与部件25相接触的装置20的表面。基体材料34可以是或可以不是柔性的和/或弹性的以允许加热装置20贴合部件25上的轮廓(未显示)。罩36可以包括由任何合适的材料，包括但不限于硅氧烷、橡胶、聚氨酯，或为罩36提供尺寸稳定性的其它材料形成的上下面板(facesheet)38a、38b，其可以具有或可以不具有一定程度的柔性。

每个感应加热线圈22a、22b、22c包括被同心的感受器套筒40围绕的导体，本文有时也被称作感受器40，其通过流经相关联的线圈22a、22b、22c的交变电流被感应加热。感应加热的感受器套筒40可以由具有高磁导率的材料形成，并且用于将热传热至基体34，基体34又将热传导至部件25。感受器套筒40可以是沿相关联线圈22a-22c的部分或全部长度连续或不连续的，并且由具有预选的居里温度的磁性材料形成，该居里温度对应于被加热的部件25期望的温度。感受器套筒40包括围绕其相关联的线圈22a-22c但与其相关联的线圈22a-22c电绝缘的刚性圆筒或编织材料。

如图3中清晰可见，交变电流流动通过线圈22产生围绕线圈22a-22c的交变磁场44。磁场44被形成感受器套筒40的磁性材料吸收，使得感受器套筒40被感应加热。磁场44导致由于感受器套筒40暴露于磁场96在感受器套筒40中产生的涡电流46，导致感受器套筒40的电阻加热(resistive heating)。达到居里温度之后，感受器套筒40变成非磁性的，在该点磁场44不再集中于感受器套筒40中。感应的涡电流46以及相关的套筒40的电阻加热减少到足以将感受器套筒40的温度保持在居里温度的水平。

如之前所述，感受器套筒40可以由任意各种磁性材料形成，比如具有期望范围中的居里温度的合金，在复合材料固化应用中，该期望范围在使得部件25固化的温度范围内。可以形成感受器套筒40的合金包括但不限于铜、镍、铁、钴的合金以及金属氧化物，金属氧化物包括但不限于磁铁矿、磁赤铁矿以及各种其它氧化物和金属。

虽然以套筒40形式的感受器已经结合上面讨论的图解的实施方式进行了描述，但感应加热装置20也可以使用其它类型的智能感受器40。例如，如2011年6月16日公开的美国专利申请20110139769中公开的，智能感受器40可以包括嵌入基体34中的铁磁性或超顺磁性(super paramagnetic)材料的微粒(未显示)，该申请通过引用并入本文。AC电流流动通过导体22产生铁磁性微粒的磁滞加热。嵌入的铁磁性微粒的这种磁滞加热又通过热传导加热基体34。当嵌入的微粒是超顺磁性时，基体34通过对应于与微粒大小或直径有关的居里温度范围的超顺磁性颗粒的松弛加热(relaxation heating)来进行加热。其它类型的感受器可以是可能的，包括但不限于板，和放置在感应线圈22a-22b周围的螺旋包裹物(未显示)。

现参照图4，每个感应加热线圈22a、22b、22c与其相关联的感受器(例如，感受器套筒40)一起形成相应的感应线圈电路24a、24b、24c。根据公开的实施方式，感应线圈电路24a-24c以彼此并联的关系电连接，并且与以交流电驱动感应线圈电路24a-24c的AC电源26串联连接。如之前所述，在图解的实施方式中，示出三个感应线圈电路24a、24b、24c彼此并联连接，然而，其它实施方式可以使用多于三个和少至两个电路24。AC电源26可配置为便携式或固定的电源26，并且配置用于以适合于应用的频率和电压提供交流电。例如但不限于，施加的AC电流的频率范围可以从大约1kHz至300kHz，但为了使材料比如部件25中的石墨复合材料的不期望的感应加热最小化，优选地超过20kHz。

感应加热装置20可以包括一个或多个传感器28，其可以包括热传感器，比如热电偶，用于监测装置20上的位置处的热。可选地，传感器28可以包括电压传感器或其它与电源26连接的装置以指示施加到感应线圈电路24a-24c的电压。可以包括程序化计算机或PLC(可编程逻辑控制器)的控制器30与电源26和传感器28连接，并且是可操作的以在预定范围调节施加的交流电，以便使装置20适应广泛多样的具有不同加热要求的结构。随着一个或多个感应线圈电路24a-24c达到其居里温度并停止吸收电流，控制器30可以进一步用于重新平衡提供到这些电路的交流电。

当传感器28是热传感器比如热电偶时，来自热电偶的数据可提供至控制器30以便监测电源26和/或调节提供的交流电的大小和频率。如将在后面更详细讨论的，内在地调节对线圈22a-22c的每一个施加的交流电，以便对感受器40低于居里点的线圈22施加更多能量而对感受器40超过居里点的线圈22施加较少的能量。功率被分流到智能感受器40仍为磁性并且未达到其居里点的线圈。基本上，感应线圈电路24a-24c是自平衡的以在被加热的部件25上提供更均匀的温度分布。

图5图解说明了结合智能感受器使用多个感应线圈的感应加热方法的步骤。开始于步骤52，选取数个感应线圈22a-22c，其足以共同覆盖待加热部件25的期望的区域。在步骤54，感应线圈22a-22c放置在彼此并联连接并且与对每个感应线圈电路24a-24c输送交流电的AC电源26串联连接的电路24a-24c中。在步骤56，每个感应线圈电路24a-24c在与交流电的频率相应的谐振频率下调谐和驱动。在步骤58，当感应线圈电路24a-24c中的感受器40达到其居里温度时，该感应线圈电路24a-24c不调谐(即，不共振)并且功率从该具体的电路分流至剩余的电路24a-24c。在步骤60，通过AC电源26供应至加热装置20的功率被重新平衡以对在其居里温度以下操作的那些感应线圈电路24a-24c提供基本相等量的功率。

图6是对应于图4中的串并联电路布置的等效电路，其中每个感应线圈电路24a-24c可以表示为相应的彼此并联连接并且与AC电压源Voc串联连接的阻抗Z1、Z2和Z3。从图6可以理解，由于感应加热装置20被分成单独的由阻抗Z1、Z2和Z3表示的并联连接的线圈22a-22c，驱动加热装置20所需的电压依据单独的线圈22的数量降低。在62处所示的串联电路包括固有电阻Rs，并且每个阻抗Z1-Z3包括电阻、感应电抗和电容电抗元件，如将在下面讨论。当一个感应线圈电路24——例如由阻抗Z2表示的感应线圈电路24b——中的感受器40到达其居里点时，则相关的感受器40的磁导率显著减小，引起阻抗Z2的电阻和感应电抗分量的相应降低。基本上，由于线圈22b并未完全耦合进入相关的感受器40，所以电路24b中的线圈22b变得主要是非磁性的并且吸收比其它线圈22a、22c少得多的功率，并且输送至线圈22b的功率下降。假设电阻降低大约90%或更多，并且电感减少大约50%，感应线圈电路24b将吸收非常少的功率，而其它两个电路24a、24c将吸收大约一半的输入功率。为了保持良好的匹配，因此输入电路62可以被重新调谐。

图7图解说明了由图6中的阻抗Z1、Z2、Z3分别表示的每个感应线圈电路24a-24c的另外的细节。每个电路24a-24c包括RLC电路。每个电路24a-24c中的R表示除与其相关的感受器40连接的电阻之外的感应线圈22的电阻。电路24a-24c的电感L由线圈22的构造控制，包括其布局几何形状、线圈22的匝数和相关感受器40的磁性特性。大多数的电阻R可以是电路24a-24c中感受器40的电阻。电路24a-24c的电容C是调谐电路24a-24c以在施加的交流电频率处谐振的调谐电容器的电容。选择调谐电容器C的具体值以便其产生基本相等的容抗并且消除电路24a-24c的感应电抗。这种调谐将电路24a-24c的相关阻抗Z1-Z3最小化并且产生通过电路的最大电流。调谐电容器C可以是分立的电容器装置或者可以是感应线圈电路24a-24c的总体设计中固有的分布电容。

驱动每个电路24a-24c所需的电压取决于电路的阻抗Z1、Z2、Z3，和根据欧姆定律计算的驱动相关线圈22(L)所需的电流量。因此，应当选择电源电压输出Voc以提供所需的驱动电压。在一些实施方式中，当电源电压输出Voc与以期望水平的电流驱动电路24a-24c所需的电压不匹配时，变压器64可用于分别将输出电压Voc转换至所需的电压水平。

如之前提及的，感应线圈电路24a-24c是自平衡的。激励智能感受器40的线圈22的输入阻抗Z具有相对大的电抗，其必须与窄带、调谐的AC电源Voc相匹配。随着感受器40加热，电感L和电阻R都明显地改变，需要实时调节AC电源Voc。在居里温度附近，电感L和电阻R都急剧地降低。如果两个或多个感应线圈电路适当地如之前所述的彼此并联连接并且与AC电源Voc串联连接，利用该急剧的阻抗降低以将功率从已经充分加热的居里状态感受器40分流是可能的。调谐电容器C调谐线圈22以匹配电源输入电阻，并且消除感应电抗，而变压器(未显示)可用于缩小(scale)剩余电阻以匹配电源输入。

当一个感应线圈电路24a-24c中的智能感受器40达到其居里温度并且成为非磁性时，由于电感的改变并且基本上阻碍电流流经空载的(非磁性线圈)电路24a-24c，则相关联的感应线圈电路24a-24c不以共振驱动频率调谐。这里应当注意，虽然电阻显著降低，这通常导致较高的电流通过已经达到其居里温度的电路，但电容器C的值并未明显改变这一事实使得电路22a-22c解谐，其基本上防止电流到电路22a-22c。

图8是显示当多个感应线圈22彼此并联放置并且与施加的电压68串联放置时，施加的电压68与被加热区域70之间关系的图表。图8的图表中所示的实例针对250kHz的驱动频率。从曲线66可见，在给定水平的施加电压68下，部件25的较大区域70可以通过使用加热电路——其被分成较大数量的彼此并联连接并且与施加的电压68串联连接的线圈——进行加热。

已经出于说明和描述的目的呈现了不同的有利实施方式的描述，并且该描述非意欲是穷尽性的或限制于公开形式的实施方式。许多修改和变化对于本领域普通技术人员而言将是显而易见的。而且，不同的有利实施方式相比于其它有利的实施方式可以提供不同的优势。选择和描述选取的实施方式或多个实施方式以便最好的解释实施方式的原理、实际应用，并使其他本领域普通技术人员能够理解具有适用于所考虑具体用途的各种修改的各种实施方式的公开内容。

Claims (15)

1.一种感应加热方法，其包括：

选择至少两个感应线圈电路，每个包括具有居里温度的感受器；

将所述感应线圈电路彼此并联连接并且与AC电源串联连接；并且

当一个所述感应线圈电路的所述感受器基本达到其居里温度时，将功率从所述一个电路分流到其它感应线圈电路。

2.权利要求1所述的方法，进一步包括：

当功率从已经达到其居里温度的电路被分流时，将所述AC电源施加至所述其它感应线圈电路的功率重新平衡。

3.权利要求1所述的方法，其中将所述功率从已经达到其居里温度的感应线圈电路分流包括将所述电路解谐。

4.权利要求3所述的方法，进一步包括：

将每个所述感应线圈电路的谐振频率调谐以匹配所述AC电源的频率。

5.权利要求3所述的方法，进一步包括：

将每个所述感应线圈电路调谐以基本匹配所述AC电源的输入电阻并且消除所述电路的感应电抗。

6.权利要求5所述的方法，其中所述调谐包括使用变压器缩小已经达到其居里点的一个所述感应线圈电路的电阻以基本匹配所述AC电源的电阻。

7.加热部件的方法，其包括：

提供多个感应线圈加热电路，每个所述电路包括感应加热线圈和感受器，其中所述感受器与所述线圈磁耦合并且具有预选的居里点；

将所述电路彼此并联电连接；

将所述感应加热线圈邻近所述部件放置；

将AC电源与该并联连接的电路串联连接；

使用所述AC电源对所述电路提供交流电；并且

将每个所述电路的谐振频率调谐以基本消除所述电路的感应电抗。

8.权利要求7所述的方法，其中使用具有基本消除所述电路的感应电抗的值的电容器进行所述调谐。

9.权利要求7所述的方法，其中使用变压器进行所述调谐以缩小每个所述电路的电阻以匹配所述AC电源。

10.权利要求7所述的方法，进一步包括：

当至少一个所述电路中的所述感受器达到其居里温度时，将所述AC电源施加到电路装置的功率重新平衡。

11.感应加热装置，其包括：

AC电源；以及

一组感应线圈电路，每个包括感应加热线圈和具有预选居里温度的感受器；

其中所述感应线圈彼此并联连接且与所述AC电源串联连接。

12.权利要求11所述的感应加热装置，其中每个所述感应线圈电路被调谐以匹配所述AC电源的输入电阻。

13.权利要求11所述的感应加热装置，其中每个所述感应线圈电路被调谐以在所述AC电源提供的电流的频率处谐振。

14.权利要求11所述的感应加热装置，其中每个所述感应线圈电路包括电容器，当所述感受器低于其居里温度时，所述电容器为所述电路提供基本等于所述电路的感应电抗的电容电抗值。

15.权利要求13所述的感应加热装置，进一步包括：

控制器，其用于当一个或多个所述感受器达到其居里温度时，控制所述电源以重新分配供应到所述感应线圈电路的功率。

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