CN108927918A - 调整感应加热基座平衡温度的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于感应加热工件的系统，其可以包含感应线圈、至少一个基座面板和耦合的电流控制器。所述感应线圈可以经配置用于引导交流电流和响应所述交流电流生成磁场。所述基座面板可以经配置具有与其定位的工件。所述基座面板可以由具有居里温度的铁磁性合金而形成，并且该铁磁性合金响应所述磁场感应地可加热达到所述居里温度的平衡温度。所述电流控制器可以耦合所述感应线圈，并且可以经配置用来以引起所述基座面板的至少一个加热参数的变化的方式调整所述交流电流。

Description

调整感应加热基座平衡温度的系统和方法
本申请是分案申请，原申请为申请号是201210495607.2，申请日是2012年11月28日，发明名称是“调整感应加热基座平衡温度的系统和方法”的PCT申请。
技术领域
本公开一般涉及复合材料，更具体地涉及热塑性制品的加热，该加热在这种制品的形成期间。
背景技术
复合材料制品的形成典型地需要加热预制件同时在所述预制件强化过程中施加压缩力。当加热所述预制件的时候，通常可取的是保持所述预制件在升高的温度下和在相对较窄的温度范围内与所述材料系统或所述预制件的树脂组合物一致，因此所希望的机械性能将会在最终制品中实现。当形成热塑性制品的时候，可以有必要加热所述预制件高于所述热塑性树脂的融化温度，以至于所述树脂可以在强化过程中在整个所述预制件范围流动。
为了在所述热塑性制品中实现所希望的机械性能，也可以有必要通过使所述预制件的温度从所述融化温度减少到第二、较低温度从而热循环所述预制件，并且对于预定的时间周期使所述预制件保持在第二温度。通过对于预定的时间周期保持所述预制件在第二温度，所希望的结晶度水平可以在所述热塑性制品中实现，这样可以影响所述最终制品的机械性能。所述最终热塑性制品的机械性能也可以受所述预制件在热循环过程中加热和/或冷却的比率的影响。
用于形成复合材料的常规技术包含使用高压处理器和常规工具以便强化所述预制件和形成所希望的形状的所述预制件。遗憾地，高压处理器和工具典型地具有相对较大的热质量，这样导致大量的时间用于使所述预制件初始加热到所述熔点。另外，高压处理器和工具的相对较大的热质量导致大量的时间用于在热循环过程中所述制品的冷却。而且，高压处理器和工具的相对较大的热质量减少了保持所述制品在所希望的温度的能力，该能力用于指定的时间周期以便在最终制品中实现最佳的机械性能。
有关使用高压处理器和常规工具的额外缺点包括以均匀分布的方式难以施加热量到所述预制件，由于所述高压处理器和工具的相对较大的热质量。而且，高压处理器和工具的相对较大的热质量导致相对较长的时间周期以便允许所述预制件冷却到用于安全操作的温度。另外，高压处理器在初始加热所述高压处理器内部和所述工具的过程中消耗相对较大数量的电力。
可以看出，在加热预制件的系统和方法的技术领域中存在着需求，该系统和方法提供所述预制件加热到所述温度的高水平的可控性。另外，在相对较短的时间周期中和在控制的方式中促进加热和冷却预制件的系统和方法的技术领域中存在着需求，因此所述最终制品的机械性能可以最优化。而且，在加热预制件的系统和方法的技术领域中存在着需求，该系统和方法导致在整个预制件的范围热量的均匀分布。优选地，这种系统和方法可以以高能效和低成本的方式而操作。
发明内容
上述指出的有关以高水平的温度可控性加热预制件的需求通过本公开特别提出，本公开提供了感应地加热工件的系统。根据本发明的一个方面，提供了可以包含感应线圈、至少一个基座面板和电流控制器的系统。所述感应线圈可以经配置引导交流电流和响应所述交流电流生成磁场。所述基座面板可以经配置具有与其定位的工件。所述基座面板可以由具有居里温度的铁磁性合金而形成，并且该铁磁性合金响应所述磁场感应地可加热达到所述居里温度的平衡温度。所述电流控制器可以耦合所述感应线圈，并且可以经配置用来以引起所述基座面板的至少一个加热参数的变化的方式调整所述交流电流。
有利地，所述电流控制器经配置用来以引起所述基座面板的平衡温度的变化的方式调整所述交流电流的频率。优选地，所述电流控制器经配置用来以引起所述基座面板的平衡温度改变约5到15华氏温度的方式调整所述交流电流的频率。有利地，所述电流控制器经配置用来以引起所述基座面板的平衡温度的变化的方式调整所述交流电流的电流强度。有利地，所述电流控制器经配置用来以引起所述基座面板的加热比率的变化的方式调整所述交流电流的频率。有利地，所述电流控制器经配置用来以引起所述基座面板的加热比率的变化的方式调整所述交流电流的电流强度。有利地，所述交流电流具有从约1kHz到300kHz的频率范围。有利地，所述交流电流具有在约10安培和10000安培之间的电流强度。有利地，所述感应线圈包括穿过多个叠片扩展的多个上部和下部线圈部件。有利地，所述感应线圈包括上部线圈部件和下部线圈部件，并且当工件在一对所述基座面板之间夹住的时候上部和下部硬模线圈部件相互电力地耦合以便形成感应线圈。有利地，所述系统进一步包括冷却系统用于冷却所述基座面板。有利地，所述系统进一步包括压力机用于向所述工件施加压缩力。
根据本发明的一个方面提供了工件的感应加热的方法，其包含施加交流电流到具有至少一个基座面板的感应线圈的步骤，该基座面板与感应线圈邻接安装，其中所述基座面板可以由具有居里温度的铁磁性合金而形成。所述方法可以进一步包含生成磁场和响应所述磁场感应加热所述基座面板到接近所述居里温度的平衡温度。所述方法也可以包含调整所述交流电流的至少一个电流参数和响应调整所述电流参数而改变所述基座面板的所述平衡温度。
有利地，调整至少一个电流参数的步骤包括调整所述交流电流的频率和改变所述基座面板的平衡温度。优选地，调整所述电流的步骤包括以引起所述基座面板的平衡温度改变约5到15华氏温度的方式调整所述交流电流的频率。有利地，调整至少一个电流参数的步骤包括调整所述交流电流的电流强度和改变所述基座面板的平衡温度。有利地，调整至少一个电流参数的步骤包括调整所述交流电流的频率和改变所述基座面板的加热比率。有利地，调整至少一个电流参数的步骤包括调整所述交流电流的电流强度和改变所述基座面板的加热比率。有利地，所述方法进一步包括向所述工件施加压缩力的步骤。有利地，所述方法进一步包括主动冷却所述基座面板的步骤。在进一步的实施例中公开感应加热工件的方法，其可以包含施加交流电流到感应线圈，该感应线圈具有与其邻接安装的基座面板。所述基座面板可以由具有居里夫人温度的铁磁性合金而形成。所述方法可以进一步包含沿着所述基座面板响应所述交流电流生成磁场和响应所述磁场感应加热所述基座面板到接近所述居里温度的平衡温度。所述方法可以额外的包含在与所述基座面板的热力接触传导加热所述工件和在低于所述居里温度的平衡温度稳定所述基座面板的温度。所述方法可以额外地包含调整所述交流电流的至少一个电流参数和响应调整所述交流电流的电流参数而改变所述基座面板的至少一个加热特性。
已讨论的所述特征、功能和有利条件能够在本公开的不同实施例中独立实现或者还可以结合其他实施例，其进一步的具体实施方案能够参考以下描述和以下图形而看出。
附图说明
本发明的这些和其他特征参考所述图形将会变得更加明白，其中在整个范围相似的号码表示相似的部件，并且其中：
图1示出在所述工件的感应加热期间用于施加压缩力到工件的压力机的实施例的透视图；
图2示出安装在所述压力机中的下部硬模和具有由所述下部硬模支撑的基座面板以及经配置用于接收所述工件以便其感应加热的实施例的透视图；
图3示出处在打开位置的上部和下部硬模和具有由其安装的相应的上部和下部基座面板的实施例的侧视示意图，并且进一步示出在实施例中用于感应加热所述上部和下部基座面板的上部和下部线圈部件；
图4示出处在关闭位置的具有在所述基座面板之间夹住工件的所述上部和下部硬模的实施例的侧视示意图，并且示出所述上部和下部线圈部件和在所述感应线圈中的电流流量引起在所述基座面板中的感应电流流量；
图5示出沿着图4的边线5截取的所述上部和下部硬模的截面图，并且示出响应在所述感应线圈中的所述电流流量而生成的磁场，并且其中所述磁场的磁通线经定向垂直于在所述感应线圈中的所述电流流量的方向；
图6示出所述上部和下部基座面板沿着图5中的边线6截取的部分的放大的横截面图，并且示出感应电流流进所述基座面板的方向。
图7示出在磁性状态的基座面板的截面示意图，并且示出邻接所述基座面板的表面的感应电流流量的集聚；
图8示出响应在图7所示的磁性状态中的所述基座面板电流密度的相对电流密度的图例；
图9示出电流密度相对于用于在图7所示的所述磁性状态的所述基座面板的基座厚度的曲线图，并且示出相对较高的所述电流密度数值和与其邻接的所述基座面板表面的集聚以及离开所述基座面板的表面向内移动的所述电流密度的指数下降；
图10示出在非磁性状态的基座面板的截面示意图，并且示出离开所述基座面板的表面向内移动的电流密度的实际上均匀下降；
图11示出响应在图10所示的非磁性状态中的所述基座面板电流密度的相对电流密度的图例；
图12示出电流密度相对于用于在图10所示的所述磁性状态的所述基座面板的基座厚度的曲线图，并且示出减少的所述电流密度数值和在离开所述基座面板表面向内移动的所述电流密度中的实际上的均匀下降；
图13示出导磁系数相对于铁磁性合金材料的温度的标绘图，并且示出随着温度达到所述居里温度所述导磁系数的指数式衰减，和进一步示出代表用于改变所述平衡温度的所述线圈的电流参数调整的低温和高温平衡温度测点；
图14示出通过在不同频率和/或电流强度施加交流电流的感应线圈而感应加热的铁磁性材料的三个不同温度曲线的标绘图，并且示出其在所述平衡温度和所述铁磁性合金的所述加热率上的效果；
图15示出在基座面板上的多个不同位置温度曲线的标绘图，并且示出由于感应加热在不同位置的温度均匀性以及进一步示出通过主动冷却所述基座面板的热循环能力；
图16示出形成所述基座面板的各种铁磁性合金的几个铁磁性合金的示意图；和
图17示出感应加热工件和调整一个或更多所述工件的加热参数的方法的流程图，该方法通过改变一个或更多所述交流电流的电流参数，比如施加到所述感应线圈的所述交流电流的频率和/或电流强度。
具体实施方式
现在参考附图，其中所述附图仅作为说明本公开的优选的和不同的实施例的目的，图1示出可以用来在所述工件150的感应加热期间施加压缩力14到工件150(图3)的压力机12的实施例。所述压力机12可以用于实施使所述工件150形成制品154(图4)。所述工件150的加热可以通过使用一个或更多基座面板比如上部和下部基座面板50、52而执行，该基座面板可以可操作地耦合到所述压力机12。例如，所述上部和/或下部基座面板50、52可以分别安装到所述压力机12的上部和下部硬模24、26。
所述上部和/或下部基座面板50、52可以由具有居里温度的导电的铁磁性合金66材料形成，该居里温度由所述铁磁性合金66的组成物决定。在这方面，形成所述上部和/或下部基座面板50、52的所述铁磁性合金66可以基于所述工件150可以加热到的所希望的温度选择。例如，可以选择具有居里温度的所述铁磁性合金66组成物，该居里温度导致在所述上部和/或下部基座面板50、52中的平衡温度的，该基座面板50、52近似地匹配或响应所述工件150的所希望的温度比如所述工件150的处理温度。所述处理温度可以包括在热塑性预制件156中的所述树脂158(图4)的熔化温度或玻璃化转变温度。然而，所希望的温度也可以包括用于热固性工件150固化给定的基质材料的固化温度。所希望的温度也可以包括用于热处理金属工件150的所希望的热处理温度，或者关联处理工件的其他温度。
在图1中，所述上部和/或下部基座面板50、52可以形成感应加热系统72的部件。所述上部和/或下部基座面板50、52可以响应交流电流86(图4)的流量经由一个或更多感应线圈76而感应加热到平衡温度。所述感应线圈76可以经安装邻接所述上部和下部硬模24、26。所述一个或更多感应线圈76响应交流电流86的流量经由所述感应线圈76可以生成磁场90(图5)。所述磁场90可以磁性地耦合所述上部和/或下部基座面板50、52并且引起所述基座面板50、52感应加热到可以达到居里温度的所述平衡温度。在这方面，随着所述基座面板50、52的温度达到所述居里温度，所述铁磁性合金66的磁性开始衰减，这可以导致所述基座面板50、52的感应加热的减少。已经到达平衡温度的所述基座面板50、52的部件会变得无磁性以至于在所述基座面板50、52的这样的部分的感应电流94的流量自动缩减到足够稳定或保持所述基座面板50、52的所述平衡温度的水平。如此，所述工件150可以充分地均匀加热。
有利地，所述系统10和于此公开的方法也可以包含用于调整所述交流电流86(图4)的频率的方式，其作为微调、改变、调整或转变所述平衡温度和/或所述上部和/或下部基座面板50、52的所述加热比率的方式。另外，所述系统10和方法可以提供用于调整所述交流电流86的所幅度或电流强度(A)的方式，其作为微调、改变、调整或转变所述平衡温度或所述上部和/或下部基座面板50、52的加热比率的方式。例如，所述系统10可以提供增加所述频率和/或所述交流电流86的电流强度的方式，以便引起所述上部和/或下部基座面板50、52的所述平衡温度的增加。如此，所述基座面板的温度可以在某一温度范围调整到更紧密匹配所述工件150的所希望的温度。
有利地，通过控制所述交流电流的频率和/或电流强度，所述平衡温度和所述基座面板的加热比率可以充分地匹配到所希望的温度和所述工件的加热比率，而不需要配制新铁磁性合金66组成物和不需要获得具有稍微高于居里温度的不同铁磁性合金66。在这方面，所述系统10和于此公开的方法提供调整所述平衡温度和所述基座面板的加热比率的方式，以及消除有关创造新铁磁性合金66比如经由粉末冶金术或寻找难以发现的铁磁性合金66的所述时间和花费的方式。如此，于此公开的所述系统10提供了低成本和省时间的方式，其通过为所述基座面板使用现有的铁磁性合金66而微调或充分获取所述工件150的所希望的温度。例如，市场上可买到的铁磁性合金66可以用来形成所述基座面板，其中所述基座面板66导致近似地匹配所希望的温度的平衡温度，用于加热、制模、成形、压缩、强化、固化、定形或其他工件150的处理。于此公开的所述系统10可以提供用于微调或更紧密匹配复合工件150的所希望的温度或处理温度的方式，或提供用于金属工件150的给定的热处理工艺比如退火工艺而微调所述温度的方式。
参考图1，该图示出可以包含上部和下部工具16、18的所述压力机12的实施例。所述上部和下部硬模24、26可以分别安装到所述上部和下部工具16、18。所述上部工具16和/或所述下部工具18可以安装到一个或更多杆柱20用于所述上部和/或下部硬模在关闭和打开位置30、28之间的相互朝向和背离的滑动移动。电流强度工件150可以定位在所述上部和下部基座面板50、52之间在所述打开的位置，其后所述上部和/或下部硬模24、26可以相向移动以便在所述上部和下部基座面板50、52之间夹住所述工件150比如用于强化复合工件150。
所述感应线圈76和所述基座面板可以形成感应加热系统72的部件，该系统可以包含在所述压力机12中。所述感应加热系统72可以包含用于供应交流电流86(图4)到所述一个或更多感应线圈76的电源74，该感应线圈可以经由或许在所述上部和/或下部硬模24、26的叠片34中形成的断流器或贯穿件44扩展。如前所述和如下所更具体地描述，经由所述感应线圈76的所述交流电流86的流量可以在所述上部和/或下部基座面板50、52周围生成磁场90(图5)。所述磁场可以引起所述基座面板的感应加热直到平衡温度。有利地，所述感应加热系统72可以包含可以耦合到所述感应线圈76的电流控制器88，其用于控制所述交流电流86的一个或更多电流参数。例如，所述电流控制器88可以经配置用来调整所述交流电流86的所述频率，以便引起所述基座面板的至少一个加热参数的改变。在上述提出的实施例中，所述电流控制器88可以经配置用来调整所述交流电流86的频率，以便引起所述基座面板的平衡温度的转变。所述电流控制器88也可以经配置用来调整所述交流电流86的频率，以便改变所述基座面板的加热比率，这反过来可以引起所述工件150的加热比率的改变。所述电流控制器88也可以经配置用来调整所述交流电流86的电流强度，以便引起所述基座面板的平衡温度的转变或者所述基座面板的加热比率的改变，如下所更具体地描述。
在图1中，所述感应加热系统72可以包含冷却系统100用于主动冷却所述基座面板。然而，所述冷却系统100可以可选地配置以便通过被动方式(未示出)冷却所述基座面板。在实施例中，所述冷却系统100可以包含冷却剂源，由其冷却剂可以通过一个或更多冷却剂导管102的方式确定到所述上部和下部硬模24、26的路线。所述冷却剂可以经提供是液体和/或气体形式。冷却剂管线104可以经由所述上部和/或下部硬模24、26扩展，以至所述冷却剂比如冷却气体106为了冷却所述基座面板可以以所述基座面板的背部表面56、60为目标。如此，所述工件150的温度可以以相当迅速和可控的方式减少并且对于所希望的时间周期保持在减少的温度，其可以促进所述工件150的机械和物理性能的最佳化。
参考图2，该图示出用于支撑所述下部基座面板的下部硬模26的实施例。于此描述的所述下部硬模26和所述下部基座面板52可以经配置充分地类似于图1所示的所述上部硬模24和上部基座面板50，以至于所述下部硬模26和下部基座面板52的以下描述可以适用于所述上部硬模24和上部基座面板。在图2所示的实施例中，所述下部硬模可以包括相互间隔安排的多个相对较薄的金属板或叠片34，以便在所述叠片34之间限定一系列的间隙或间隔38。一个或更多下部线圈部件82可以经由所述叠片34中形成的贯穿件44扩展。
所述叠片34可以经定向一般地垂直于所述一个或更多感应线圈76，并且可以经定向沿着由所述压力机12施加的一般地平行于压缩力14(图4)的方向。由于所述叠片34与所述压缩力14的定向的校正，所述叠片34可以有效地使所述压缩力14传输到所述基座面板50、52。有利地，所述叠片34之间的所述间隔38可以使电磁能量的干涉最小化，该电磁能量由所述磁场90(图5)发出，该磁场由所述交流电流86(图4)流经所述感应线圈7而6引起，其中感应线圈7由上部和下部线圈部件82当相互电力地连接的时候而共同限定。如此，在所述叠片34之间的所述间隔38可以导致所述磁场90根本上耦合所述下部基座面板52而最小耦合所述叠片34。
所述下部硬模26的所述叠片34可以限定模具表面46，其可以包含轮廓，该轮廓经定形补充由工件150形成的且由所述下部基座面板加热的制品154(图4)的最终形状。所述下部基座面板52可以具有与所述模具表面54相对的背部表面60。所述下部硬模26的所述叠片34可以经定形补充所述下部基座面板的背部表面。所述叠片34可以通过任一方式比如通过点固焊接联接到所述下部基座面板52。所述叠片34可以由相对较薄的(例如，0.100到0.50英尺厚)材料形成，该材料可以是提供的各种不同合金的任一个的一般地非磁性材料比如奥氏体不锈钢。所述叠片34也可以由陶瓷材料或者其它一般地非磁性材料形成。所述叠片34也可以由具有相对较低水平的导热性的材料形成，以便使在所述下部基座面板上的所述叠片34的热惯性作用最小化。然而，所述叠片34可以由任一材料形成，包含但不限于磁性材料或非磁性材料并且包含具有相对较低水平的热惯性或相对较高水平的热惯性的材料。
在图2中，经由所述下部硬模26扩展的多个下部线圈部件82可以通过相应的多个经由所述上部硬模24(图1)扩展的上部线圈部件78(图1)以数量匹配。所述下部线圈部件82可以电力地连接所述上部线圈部件78(图3)当所述上部和下部硬模24、26处在关闭位置30(图4)和所述一个或更多感应线圈76电路是通路的时候。在实施例中，所述上部和下部线圈部件78、82的连接可以形成卷绕式感应线圈76，其中在所述下部线圈部件78、82之一的一个末端的所述终接器84电力地连接上部线圈部件78，其不同于在所述下部线圈部件82的另一端的所述终接器84连接的所述上部线圈部件78。当所述系统10从如图4所示的所述末端查看的时候，所述相互连通的上部和下部线圈部件78、82的卷绕配置可以具有矩形的形状。然而，所述感应线圈76的所述卷绕配置可以具有除了依靠所述上部和下部线圈部件78、82的形状和配置的矩形形状以外的形状。所述感应线圈76可以经配置用来由其传导所述交流电流86(图4)和响应所述交流电流86而生成所述磁场90(图5)。通过所述上部和下部线圈部件78、82的相互连接而形成的所述一个或更多感应线圈76的安排，可以导致越过所述上部和下部基座面板50、52的长度和宽度充分均匀的感应加热。
图2示出所述主动冷却系统100的实施例，其包含定位在所述一个或更多感应线圈76上方的多个冷却剂管线104。如前所述，所述冷却剂管线104可以运送冷却介质用于冷却所述上部和/或下部基座面板50、52(图1)。在实施例中，所述冷却管线104可以运送气体106用于所述上部和/或下部基座面板50、52的强制通风冷却。例如，所述冷却气体106可以指向所述下部基座面板52的所述背部面板60用于减少所述下部基座面板52的温度。所述上部基座面板50可以以与所述下部基座面板52同样的方式主动冷却。在实施例中，所述冷却剂管线104可以由一般地非磁性的材料比如聚合材料比如聚醚醚酮(PEEK)形成。然而，所述冷却剂管线104可以由包括磁性材料的各种不同材料的任一种而形成。
参考图3，该图示出在打开位置28的所述上部和下部硬模24、26，其具有定位在所述上部和下部基座面板50、52之间的所述工件150，该上部和下部基座面板50、52在聚拢所述上部和下部硬模24、26以前于其间夹住所诉工件150。所述工件150可以以多种形状、尺寸、配置和材料提供。例如，所述工件150可以作为预制件152提供，其用于复合制品(未示出)比如在所述上部和下部基座面板50、52之间将会加热和强化的热塑性预制件156。所诉预制件152可以以近似于所述制品154的最终形状提供，该制品将会由所述预制件152形成。所述上部和下部基座面板50、52的所述模具表面54、58也可以经定形或勾画轮廓用于补充所述制品154的最终形状，所述预制件152也由其形成。
所述上部和下部基座面板50、52可以由具有居里温度的铁磁性合金66形成，该居里温度与关联工件150的处理的所希望的温度一致。例如，所述铁磁性合金66可以经选择具有近似于热塑性预制件156的处理温度的居里温度。在这方面，所述上部和下部基座面板50、52可以由具有居里温度的铁磁性合金66形成，该居里温度近似于所述热塑性预制件156的熔化温度或玻璃化转变温度。然而，如前所述，于此公开的所述系统10可以经实施用于形成包括多钟不同材料的任一个的工件，该材料包含由热固性材料和或金属工件形成的复合预制件，其可以使用于此公开的所述系统10和方法而加热处理。
所述上部和下部基座面板50、52可以以相对较小的厚度提供，以便响应由所述交流电流86(图4)流经所述感应线圈76生成的所述磁场90(图5)而加强所述基座面板50、52的感应加热。例如，每个所述上部和下部基座面板50、52的可以具有在大约0.50到0.25英寸范围内的厚度。在实施例中，所述上部和下部基座面板50、52可以每个以大约0.100到0.150英寸的厚度提供。然而，所述上部和下部基座面板50、52可以没有限制地以任一厚度形成，。在实施例中，所述上部和下部基座面板50、52可以由一块铁磁性合金66材料或铁磁性合金66板材通过机械加工所述模具表面54、58和/或背部面板56、60的轮廓形状而形成。然而，所述上部和下部基座面板50、52可以由金属薄板形成，该金属薄板可以通过弯曲所述金属薄板到所希望的轮廓或通过使用其他多种自动或手工的形成过程的任一种而形成。
参考图4，该图示出在关闭位置30的所述上部和下部硬模24、26，其中具有夹住的所述工件150。压缩力14可以由所述压力机12施加，以便定形或强化所述工件150。使所述上部和下部硬模24、26移动到所述关闭位置30引起所述上部和下部线圈部件82的所述终结器80、84关闭所述感应线圈的电路。交流电流86可以通过电源74提供到所述感应线圈76，以至于电流流经所述感应线圈76。经由所述感应线圈76的交流电流86的电流导致感应电流94(图4)流进所述上部和下部基座面板50、52并且生成磁场90(图5)，其引起所述上部和下部基座面板50、52的感应加热和由于所述工件150与所述上部和下部基座面板50、52的热力接触的所述工件150的传导加热。
参考图5，该图示出所述上部和下部硬模24、26和图6的具有于其间夹住所述工件150的所述上部和下部基座面板50、52的剖面图，并且示出通过所述交流电流86流经所述感应线圈76生成的所述磁场90。所述磁场90通过经定向一般地垂直于图4示出的流经所述感应线圈76的交流电流的方向的多个磁通线92示出。当温度低于所述居里温度的时候，所述磁场90可以磁性地耦合所述上部和下部基座面板50、52的铁磁性合金66。形成所述上部和下部硬模24、26的所述相对较薄的、以定距离间隔的叠片34的安排可以使与所述磁场90的干涉最小化，该磁场90由所述交流电流86流经所述感应线圈76而生成。
应该注意的是图1和2-5示出的所述一个或更多感应线圈76的安排不必解释成为所述感应线圈76限制可选的安排。在这方面，图1和4示出感应线圈76通过相互连通所述上部和下部线圈部件而形成，以便形成卷绕式感应线圈76，其中在所述下部线圈部件78、82之一的末端的所述终接件84电力地连接到上部线圈部件78，该上部线圈部件78不同于如前所述的在所述下部线圈部件82另一端的所述终接件84连接的所述上部线圈部件78。所述感应线圈76的所述卷绕安排有利地导致所述磁场90(图5)的形成，该磁场90具有经定向一般地类似于其在图5中所示出的磁通线92(图5)。另外，所述感应线圈76的这种安排进一步有利地导致沿着所述基座面板50、52的外部表面的所述感应电流94(图5)密度的集聚，比如当所述基座面板50、52的所述铁磁性合金66(图6)处在磁性状态(图9)的时候沿着所述模具表面54、58(图6)和所述背部表面56、60(图6)。
然而，于此公开的所述系统10可以包含感应线圈76的多种可选的安排的任一种，并且不限于如图1和4所示和如前所述的卷绕式感应线圈76。在多种实施例(未示出)的任一种中，一个或更多感应线圈76可以经安排以便使与所述基座面板50、52(图5)的所述铁磁性合金66(图5)的磁性耦合最大化，并且导致磁场90(图5)，其当所述基座面板50、52处在磁性状态(图9)的时候引起所述感应电流94(图6)密度集聚在邻接所述基座面板50、52的外部表面。进一步在这方面，所述基座面板50,52的所述铁磁性合金66可以经选择以便使感应电流94流量的电流抵消最大化，该感应电流94流量是在所述基座面板50、52的范围在所述铁磁性合金66的磁性的衰减期间当所述基座面板50、52的温度达到所述居里温度的时候。所述铁磁性合金66也可以经选择以便提供与所述磁场90的最大磁性耦合和最大电流密度(图9)用于给定频率或所述交流电流86的频率范围。
参考图6，该图示出所述上部和下部基座面板50、52的部件的局部剖视图，并且示出于其间夹住的所述工件150。能够看出感应电流94(图4)流量在每个所述上部和下部基座面板50、52的范围循环，其响应由交流电流86(图4)的流量经由所述感应线圈76(图4)而生成的所述磁场90(图5)。所述工件150(例如，预制件152)在与所述上部和下部基座面板50、52的所述模具表面54、58的热力接触中。所述上部和下部基座面板50、52的加热作为经由所述感应线圈76的交流电流86的流量的结果引起所述工件150的感应加热。在所述基座面板50、52中的感应电流94的流量可以邻接所述基座面板50、52的所述外部表面一般地集聚，比如沿着所述模具表面54、58和所述背部表面56、60当所述基座面板50、52的所述铁磁性合金处在磁性状态的时候，这时所述温度低于所述铁磁性合金66的所述居里温度。
参考图7-9，在图7中示出基座面板200的部件示意图，其中感应电流94(图4)流量以所述基座面板200处在磁性状态206在低于所述居里温度的温度而测量。图7示出沿着所述基座面板200的所述外部表面204的感应电流94流量的集聚。图8示出指示总电流密度212的图例，其与经由图7所示的所述基座面板200剖面的不同位置一致。由图7能够看出，所述基座面板200具有邻接所述外部表面204的相对较高的电流密度218和在所述基座面板200的内部的相对较低的电流密度220。图9是总电流密度212相对于基座厚度214的曲线图，其用于在图7中以示意图示出的所述基座面板200。图9以曲线图示出集聚在所述基座面板200的所述外部表面204的所述相对较高的电流密度218，和电流密度的所述指数式衰减210，其在所述磁性状态206中离开所述基座面板200的所述外部表面204向内移动。在图9中，在所述外部表面204的所述电流密度经示出为约3.8x107安培/平方米。
参考图10-12，该图示出与图7所示的基座面板200同样的部件示意图。然而，图10中示出的所述基座面板200处在非磁性状态208，其可以发生在时间周期以后，该时间周期是当所述基座面板200经历感应加热和所述基座面板200的温度达到或接近形成所述基座面板的所述铁磁性合金66的所述居里温度200的时候。由于发生在接近或处在所述居里温度的磁性材料中的电流抵消(未示出)，图10示出沿着所述基座面板200的所述外部表面204(例如，模线表面、背部表面)的作为结果的低电流密度220，其相对于所述基座面板200的所述外部表面204处在图9所示的所述磁性状态的所述高电流密度218集聚。
图11示出指示总电流密度212的图例，其与经由图10所示的所述基座面板200剖面的不同位置一致。图12示出总电流密度212相对于基座厚度214的曲线图，其用于在图10中以示意图示出的所述基座面板200。图12以曲线图示出沿着所述基座面板200的所述外部表面204在非磁性状态208的约5.0x106安培/平方米的电流密度减少的量值，其相对于用于图9所示的处在磁性状态的所述基座面板200的约3.8x107安培/平方米的所述较高量值的电流密度。在这方面，用于在图12中所示的所述非磁性状态208所述基座面板200的所述电流密度几乎是低于用于图9所示的在磁性状态的基座面板200的所述电流密度量值的正常状态。图12也示出离开所述基座面板200的所述外部表面204向内移动的所述电流密度的充分均匀或线性的下降，其与用于图9所示的磁性状态所述基座面板200电流密度的所述指数式下降相反。
图13示出导磁性230相对于铁磁性合金材料的温度232的标绘图，并且示出当温度232由其达到所述铁磁性合金的所述居里温度236的时候，代表由铁磁性合金形成的基座面板(未示出)的所述导磁性230的指数式衰减234曲线。图13进一步示出在所述曲线上的低平衡温度238测点和在所述曲线上的高平衡温度240测点。在所述曲线上的所述低平衡温度238测点与所述基座面板的相对较高的导磁性一致，其与流经感应线圈(未示出)的所述交流电流(未示出)的较低的频率一致。在所述曲线上的所述高平衡温度240测点与所述基座面板的相对较低的导磁性一致，其需要流经所述感应线圈的交流电流的较高的频率。正如参考图7的曲线图所描述的，当所述基座面板200处在磁性状态的时候，所述电流密度沿着所述基座面板的外部表面集聚。随着所述交流电流的频率的增加，所述电流的更大部分沿着所述基座面板的外部表面集聚，其增加了在所述基座面板用于增加所述感应电流流量的密度是可用的横截面区域的数量。如此，对于给定的基座厚度，以增加所述频率为目的调整所述交流电流导致基座面板平衡温度的增加。
有利地，于此公开的所述系统10提供了用于调整所述交流电流86(图4)频率的方式，比如通过使用图1和4所示的电流控制器88。在实施例中，所述交流电流86可以供应频率范围从约1kHz到300kHz的一个或更多感应线圈76(图4)。例如，所述交流电流86可以经提供处在约2kHz到20kHz的频率范围。在约10安培和10000安培之间的范围的所述交流电流86的电流强度可以提供到所述感应线圈76，虽然所述交流电流86可以提供比10安培更小或比10000安培更大的电流强度。所述交流电流86也可以提供在约10伏特和300伏特之间的范围的电压，虽然所述交流电流86可以提供比10伏特更小或比300伏特更大的电压。
在实施例中，所述电流控制器88(图4)可以耦合所述感应线圈76(图4)，并且可以经配置用来以引起所述基座面板的一个或更多加热参数变化的方式而调整所述交流电流86(图4)。例如，所述电流控制器88可以经配置用来调整所述交流电流86以便引起所述基座面板50、52(图4)的平衡温度的改变或转变。所述电流控制器88可以经配置用于调整在所述基座面板的初始加热期间向所述感应线圈76提供的所述交流电流86的频率，和/或，所述电流控制器88可以经配置用于在所述基座面板的初始平衡温度获得的时候调整所述交流电流86的频率，以便增加或减少所述基座面板的平衡温度。
在实施例中，所述电流控制器88(图4)可以经配置用于调整所述交流电流86的频率，以便实现所述平衡温度从初始温度在约5和15华氏温度(F)之间的改变或转变，虽然所述电流控制器88可以经配置用于调整所述交流电流86的频率从而引起所述平衡温度小于5度F或大于15度F的转变。在实施例中，所述电流控制器88可以调整所述交流电流86的频率从而引起所述平衡温度从所述基座面板50、52(图4)的初始平衡温度到约加或减7度华氏温度的转变，虽然所述电流控制器88可以经配置用于引起所述基座面板50、52的所述平衡温度的更大的转变(即，大于加或减7度F)。所述平衡温度的转变的量值可以基于所述交流电流86的频率的改变的量值。
在实施例中，所述交流电流86的频率的增加或减少到系数2或更大可以导致相应的在约5和15度华氏温度之间的所述平衡温度的增加或减少。例如，所述交流电流86的频率从约10kHz增加到20kHz可以导致在约5和15度华氏温度之间的平衡温度的增加。同样地，所述交流电流86的频率从约10kHz减少到20kHz可以导致在约5和15度华氏温度之间的平衡温度的减少。在另一个示例中，所述交流电流86的频率从约20kHz增加到40kHz可以导致在约5和15度华氏温度之间的平衡温度的增加。在这方面，所述交流电流86频率的所述增加或减少的数值，其用于实现所述基座面板50、52的所述平衡温度的所希望的增加或减少，是基于在所述初始平衡温度的所述交流电流86频率。在给定的平衡温度的所述交流电流86的相对较高的频率可以需要频率的相应较大的增加或减少，以便实行所述基座面板50、52的所述平衡温度的给定的增加或减少。
所述平衡温度的转变的数值也可以由形成所述基座面板50、52的所述铁磁性合金66的组成物所决定。例如，所述铁磁性合金66(图4)的某些组成物可以为给定的频率变化的范围的提供相对较大范围的平衡温度，其相较于可以由从属于所述交流电流86的频率变化的同样范围的使用不同铁磁性合金66组合物的平衡温度的范围所导致。
所述电流控制器88(图1)也可以经配置用于调整所述交流电流86(图4)的电流强度，以便引起所述基座面板50、52的一个或更多加热参数的改变。例如，所述电流控制器88可以经配置用于调整所述电流强度以便改变或转变所述基座面板50、52的平衡温度，比如引起所述基座面板50、52的平衡温度的增加或减少。例如，所述电流控制器88可以经配置用于调整所述交流电流86的电流强度至少约10安培或更大，并且引起在约5到15度华氏温度之间的所述平衡温度的所述转变，虽然所述电流控制器88可以经配置用于调整所述电流强度，以便引起少于5度F或大于15度F的所述平衡温度的转变。所述电流控制器88也可以经配置用于调整所述交流电流86的电流强度，以便改变所述基座面板50、52的加热比率。
参考图14，该图示出同样的镍钢铁磁性合金(未示出)基座材料的三个不同热剖面256、258、260的标绘图，该铁磁性合金通过施加到不同频率和/或不同电流强度的感应线圈(未示出)的交流电流(未示出)而感应加热。所述第一热剖面256是施加10kHz20安培(A)交流电流的结果。所述第二热剖面258是施加10kHz40安培交流电流到由所述第一热剖面256所表示的同样镍钢铁磁性合金66的结果。如图14所示，所述电流强度从在第一热剖面256中20安培到在第二热剖面258中40安培的增加导致增加从所述第一热剖面256的所述相对较低的第一加热比率270到所述第二热剖面258的相对较高的第二加热比率270。另外，所述交流电流的电流强度从所述第一热剖面256到所述第二热剖面258的增加导致从所述第一热剖面256的所述第一平衡温度262到所述第二热剖面258的更高的第二平衡温度264的增加。
图14也示出在平衡温度上频率的改变效果相对于在平衡温度上电流强度的改变效果的差异。例如，所述第三热剖面260的较高的第三平衡温度266是施加20000Hz(20kHz)频率的30安培较低电流强度的结果，相对于第二热剖面258的较低的10kHz频率的40安培的更高的电流强度，其表明至少对于图14所示出的所述镍钢铁磁性合金(未示出)组合物，频率在影响所述平衡温度的改变中可以是决定性的(例如，相对于电流强度)。应该明白的是，图14所示的所述热剖面256、258、260不是解释成为了调整施加到基座的交流电流(未示出)的所述频率或电流强度而限制可选的范围。在这方面，于此公开的所述系统10可以以所述交流电流频率变化的任一范围和所述交流电流电流强度变化的任一范围而实施。
参考图15，该图示出安装在基座面板(未示出)不同位置的多个热电偶(未示出)实际类似的热剖面280的标绘图，以便示出温度温度均匀性，其由于铁磁性合金(未示出)的使用，和示出使用于此公开的所述系统10(图1)的热循环。有利地，通过所述铁磁性合金材料可以有利地提供跨过基座面板的长度和宽度的温度均匀性，其中已经获得平衡温度的所述基座面板的部件可以变得非磁性，以至于在所述基座面板该部件的感应电流的流量自动缩减到足够稳定在所述平衡温度的部件的温度的水平。低于所述平衡温度的基座面板的部件保持在引起所述基座面板的该部件持续局部的加热的磁性状态直到该部件也获得所述平衡温度。
在图15中，能够看出每个所述热剖面280从初始温度282以实际上同样的加热比率增加，并且在第一时间周期288内获得实际上同样的第一平衡温度284。图15进一步示出在第二时间周期290期间所述第一平衡温度284的所述实际上的维持，其后到所述感应线圈(未示出)的交流电流(未示出)的流量可以停止。主动冷却(未示出)接着可以提供到所述基座面板(未示出)以便在第三时间周期292期间使所述第一平衡温度284减少到第二平衡温度286。例如，冷却系统(未示出)可以引导冷却气体(未示出)到所诉基座面板(未示出)上，以便使所述基座面板的温度减少到所述第二平衡温度286，其以可控制的方式使用所述工件(未示出)中的剩余热量和/或所述基座面板中的剩余热量。如此，可以使用所述主动冷却系统100以便控制所述工件和所述基座面板的温度减少的比率。如前所述，控制工件比如热塑性预制件的加热和冷却比率的能力可以促进所述最终制品的所述机械和/或物理性能最优化。
图16示出所述铁磁性合金66成分铁、钴和镍的示意图290，并且其可以经选择按照相对于彼此或相对于其他合金的各种不同比例中的任一种，以便实现基座面板(未示出)的所希望的加热特性。如此，不同合金的结合可以经选择用于在基座面板或所希望的平衡温度的范围中提供所希望的平衡温度，该平衡温度在基座面板中通过调整流经感应线圈(未示出)的交流电流(未示出)的一个或更多电流参数可以是可得到的。如前所述，这种电流参数可以包含流经所述感应线圈的所述交流电流的频率和电流强度。所述电流参数可以经调整用于在所述基座面板的一个或更多加热参数中实行改变。例如，所述电流参数可以经调整用于实行所述平衡温度的增加或减少或所述基座面板的所述加热比率的增加或减少。进一步说，可以选择不同合金的结合用于提供可以转变所述平衡温度的更大或更小的范围，或可以调整所述加热比率的更大或更小的范围，该调整通过改变所述交流电流的所述频率到给定的数量或通过改变所述交流电流的所述电流强度到给定的数量。
参考图17，该图示出感应加热工件150(图4)的方法300的流程图。有利地，所述方法包含通过变更一个或更多所述交流电流86(图4)的电流参数而调整一个或更多工件150的加热参数。例如，所述方法可以包含调整施加到感应线圈76(图4)的交流电流的频率和/或电流强度，以便引起基座面板(图4)的平衡温度的转变和/或以便引起所述基座面板的所述加热比率的改变。
在图17所示的所述方法300的步骤302中，交流电流86(图4)可以施加到一个或更多感应线圈76(图4)。一个或更多基座面板50、52(图4)可以邻接所述感应线圈76而安装。所述基座面板50、52可以由具有居里温度的铁磁性合金66(图4)而形成。所述居里温度可以响应与所述基座面板50、52接触的工件150(图4)的所希望的温度。在实施例中，所述工件150可以夹在至少两个具有模具表面54、58的基座面板50、52中间，该模具表面可以经配置补充由所述工件150形成的制品的最终形状。
图17所示的所述方法300的步骤304可以包括沿着所述基座面板50、52(图4)响应施加所述交流电流86(图4)到所述感应线圈76而生成磁场90(图5)。例如，图4示出施加电流86流经所述感应线圈76(图4)，其通过当所述上部和下部硬模24、26(图4)处在关闭位置30(图4)的时候所述上部和下部线圈部件78、82(图4)电力连接而形成。
图17所示的所述方法300的步骤306可以包括感应加热所述基座面板50、52(图4)至达到所述居里温度的平衡温度。所述基座面板50、52可以响应如图5所示生成的所述磁场90(图5)而加热。所述基座面板50、52可以磁性地耦合导致所述基座面板50、52的感应加热的所述磁场90。
图17所示的所述方法300的步骤308可以包括感应加热所述工件150(图4)，其可以热力地连接基座面板50、52(图4)。所述工件150与所述基座面板50、52的热力接触由于传导的热量从所述基座面板50、52转移到所述工件150而可以引起所述工件150温度的增加。所述基座面板50、52(图4)的温度可以使低于所述居里温度的平衡温度稳定。在这方面，所述基座面板50、52的所述感应加热可以随着所述基座面板50、52的温度达到所述居里温度和所述铁磁性合金66(图4)的所述磁性(例如，导磁性)开始衰减而减少。所述磁性的衰减可以导致所述基座面板50、52的所述感应加热的减少。所述基座面板50、52的温度可以稳定随着感应电流94(图4)的流量在所述基座面板50、52中自动缩减到足够维持所述基座面板50、52在平衡温度的水平。
图17所示的所述方法300的步骤310可以包括调整所述交流电流86(图4)的至少一个电流参数。例如，所述电流参数可以包括所述交流电流86的频率或所述交流电流86的电流强度。所述交流电流86的频率可以在整个预定义的范围增加或减少。所述电流强度也可以在整个预定义的范围增加或减少。
图17所示的所述方法300的步骤312可以包括响应调整一个或更多所述交流电流86(图4)的电流参数而改变至少一个所述基座面板的加热特性。例如，所述加热参数可以包括所述基座面板的所述平衡温度，其可以通过改变或调整所述交流电流86的频率或电流强度而转变。所述加热参数也可以包括所述加热比率，在该比率加热所述基座面板并且该比率可以通过分别增加或减少所述交流电流86的电流强度而增加或减少。
图17所示的所述方法300的步骤314可以包括响应调整所述基座面板50、52(图4)的加热特性而变更所述工件150(图4)的加热。例如，所述工件150的温度可以通过增加所述交流电流86(图4)的频率和/或电流强度而增加。所述工件150的加热比率也可以通过改变所述交流电流86(图4)的频率或电流强度而改变。例如，所述工件150的加热比率可以通过增加所述交流电流86的频率和/或通过增加其电流强度而增加。相反地，所述工件150的加热比率可以通过减少所述交流电流86的频率和/或通过减少所述交流电流86的电流强度而减少。
感应加热所述工件150(图4)的方法也可以包含选择铁磁性合金66(图4)，由其可以形成所述基座面板50、52(图4)并且其与所述工件150(图4)可以加热的所述温度范围相符合。在这方面，所述方法可以包含选择铁磁性合金66具有与所述工件150的所希望的处理温度一致的居里温度。所述铁磁性合金66可以经选择具有居里温度，以至于所述基座面板50、52的所述平衡温度处在整个所述工件150的所希望的温度的预定义的范围。
例如，铁磁性合金66可以选择提供导致所述基座面板50、52(图4)的平衡温度的居里温度，其处在相等于或高于热塑性预制件156(图4)的热塑性树脂158(图4)的熔化温度或玻璃化转变温度。所述交流电流86(图4)也可以经选择以便允许微调所述基座面板50、52的所述平衡温度，其通过调整所述交流电流86的频率或电流强度，以至于所述预制件152的温度可以按照需要增加或减少，从而在热塑性预制件156中获得热塑性树脂158的所希望的粘性水平，以便促进所述树脂158在整个所述预制件152的纤维材料(未示出)由其强化的过程中的充分均匀分布。
本发明的额外的修改和改进对于本领域的一般技术人员可以是显而易见的。因此，本公开于此描述和示出的部件特别的结合仅倾向于表示本公开的某种实施例，并且不倾向于充当在本公开的精神和范围内的可选的实施例或装置的限制。

Claims (9)

1.一种用于感应加热工件(150)的系统(72)，包括：
感应线圈(76)，其经配置用于引导交流电流(86)并响应所述交流电流(86)而生成磁场；
至少一个基座面板(50)，其经配置以便具有与其定位的工件(150)，所述基座面板(50)由具有居里温度的铁磁性合金(66)形成并且对于响应所述磁场(90)达到所述居里温度的平衡温度是感应地可加热的；和
电流控制器(88)，其耦合所述感应线圈(76)，并且经配置用来以引起所述基座面板(50)的至少一个加热参数的改变的方式调整所述交流电流(86)；
其中，所述感应线圈(76)包括多个上部线圈部件(78)和多个下部线圈部件(82)；所述上部和下部线圈部件(78、82)相互电力地耦合，以便当工件(150)在一对所述基座面板(50、52)之间夹住的时候形成感应线圈(76)；
其中，所述多个上部线圈部件和所述多个下部线圈部件(78、82)的多个相互连接形成一个卷绕式感应线圈(76)。
2.根据权利要求1所述的系统(72)，其中：
所述电流控制器(88)经配置以引起所述基座面板(50)的平衡温度的改变和所述基座面板(50)的加热比率的改变的一个或两者都改变的方式来调整所述交流电流(86)的频率。
3.根据权利要求1所述的系统(72)，其中：
所述电流控制器(88)经配置以引起所述基座面板(50)的平衡温度的改变和所述基座面板(50)的加热比率的改变的一个或两者都改变的方式来调整所述交流电流(86)的电流强度。
4.根据权利要求1所述的系统(72)，其中：
所述交流电流(86)具有从约1kHz到300kHz的频率范围；并且所述交流电流(86)具有在约10安培和10000安培之间的电流强度。
5.根据权利要求1所述的系统(72)，其中进一步包括：
冷却系统(100)用于冷却所述基座面板(50)；和
压力机(12)用于施加压缩力(14)到所述工件(150)。
6.一种感应加热的方法，包括以下步骤：
施加交流电流(86)到具有向其邻接安装的至少一个基座面板(50)的感应线圈(76)，所述基座面板(50)由具有居里温度的导电的铁磁性合金(66)形成；
生成磁场(90)；
响应所述磁场(90)感应加热所述基座面板(50)至达到所述居里温度的平衡温度；
调整所述交流电流(86)的至少一个电流参数；以及
响应调整所述电流参数而转变所述基座面板(50)的平衡温度；
其中，所述感应线圈(76)包括多个上部线圈部件(78)和多个下部线圈部件(82)；并且所述上部和下部线圈部件(78、82)相互电力地耦合，以便当工件(150)在一对所述基座面板(50、52)之间夹住的时候形成感应线圈(76)；
其中，所述多个上部线圈部件和所述多个下部线圈部件(78、82)的多个相互连接形成一个卷绕式感应线圈(76)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中进一步包括以引起所述基座面板(50)的平衡温度转变约5到15华氏温度的方式调整所述交流电流(86)的频率。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述调整至少一个电流参数的步骤包括：
调整所述交流电流(86)的频率和所述交流电流(86)的电流强度中的一个或两个；和
所述基座面板(50)的平衡温度的转变和改变所述基座面板(50)的加热比率中的一个或两个。
9.根据权利要求6所述的方法，其中进一步包括以下步骤：
施加压缩力(14)到工件(150)；和
主动冷却所述基座面板(50)。
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