CN1179874A

CN1179874A - 用于熔接的感应加热系统

Info

Publication number: CN1179874A
Application number: CN 96192814
Authority: CN
Inventors: 詹姆斯·D·金; 小哈罗德·F·多诺霍
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-03-29
Filing date: 1996-02-12
Publication date: 1998-04-22

Abstract

一种用于熔接,尤其适用于封接电信电缆和护套的感应加热系统,包括具有粘合母体和感受器的合成粘合材料,在50兆赫以上频率有磁反应的感受器以及在50兆赫以上(较佳地为75—500兆赫)频率将辐射电磁能施加到合成粘合材料的敷贴器。该敷贴器采用一种四分之一波长谐振器的形式,后者具有一个内导体和至少部分包围该内导体的一个外导体,两个导体在一个公共端短路。待加热材料设置在该两个导体之间。内导体可以包括一个谐振器管,它通过连接到同轴连接器中心导体的电容探头电容耦合到电源。不同的敷贴器(具有不同几何形状)可以采用同一个电源,或者,可以配备能移动地安装到敷贴器基体的多种加热适配器。另一种敷贴器采用许多相互电绝缘的导线,每条导线形成一个共轴的线圈,所有导线都并联连接。几条导线层叠形成多层线圈,这样,就可以减小所述敷贴器的有效阻值并增加载流容量。各别电容器可以与每一个线圈串联连接,使线圈中的电流在线圈周长上更均匀,该线圈的周长大于辐射电磁能波长的0.1。

Description

用于熔接的感应加热系统

发明背景

1.发明领域

本发明一般涉及通过加热熔接热塑材料诸如聚烯烃类材料，尤其涉及一种将电磁能量加到其中有能量感受器(susceptor)的材料上并加热该材料的方法和装置。本发明尤其适用于诸如电信业应用的聚乙烯电缆和管道的拼接。

2.现有技术描述

本发明涉及一种方法和装置，用以拼接、修复或封闭诸如用于电信的电缆和管道，包括铜芯电缆和光缆的绝缘护套。当将两个或多个电缆端头拼接在一起，例如当加长电缆、接进现有电缆或修复断裂的电缆时，会形成拼接或拼接区。不管电缆例如是架空的还是埋在地下的，通常都需要为这种拼接提供一种封套，以保护拼接抵御有害的环境影响。

采用拼接封套的一个固有问题是需要在拼接处周围完成全封闭。许多现有技术的拼接封套通过提供大批复杂组合的螺母和螺栓、夹子、垫圈和热缩(热塑)管，以及罐装的凝胶和树脂来实现封接。除了这些封套方法需要可观的装配时间以外，封套尤其是沿着封接处通常还会遭受泄漏或断裂。对于电缆护套(电缆的最外层)与封套的封接而言，该问题更为严重，甚至最轻微的缺陷也能使湿气沿着封套的内表面或护套产生移动。通常当采用热缩管时，由于这种管子至多对电缆护套提供薄弱的粘合剂粘合，故这种湿气将进入拼接区域并对其中的电气连接产生不利影响。通常对明火的要求进一步限制了热缩管在拼接封套结构中的应用，因为在许多情况下(例如电缆沟或检修井中的拼接)，由于可能存在易爆气体而非常危险。

利用特定的封套设计诸如所谓的蛤壳式设计(包括同上下封闭一半模制成整体的铰链)可以稍微减少封接处的泄漏。第4810829号美国专利披露了一种典型的封套，它被称为SLiC拼接封套(SLiC为3M公司的商标)。然而，除了在端帽或电缆护套处外，湿气仍然可能沿着封套的纵向封接移动。缺乏完全的(气密)封接也可能对增压封套特别有害。

尽管可以利用粘合剂加强这些封接，但由于封套和电缆材料(一般为聚乙烯)的表面能低，故形成的粘接相对较弱。第3143364号美国专利讨论了将任何物体粘合到聚乙烯的较大难度。另一种封接热塑聚合物诸如聚乙烯的技术是熔接。该技术通常涉及对材料加热，直至其在封接表面熔化，使其在界面处流到一起，并可以用于对接、耦接和修复套管。有4种专门的熔接方法：(1)直接加热，(2)微波加热，(3)电介质加热和(4)感应加热。这几种加热方法也可以用来活化热固和热塑(热熔化)粘合剂，以及热缩(热收缩)管。

在直接加热中，通过将加热元件直接附加到物体上使热施加到待粘合的热塑物体。流经该加热元件的电流对物体加热。电流通过直接连接到元件的电源施加，但加热并不很有效。该系统的一个优点在于不包含辐射，但仍然存在因采用硬导线电流源而产生的安全问题及其它缺点例如对材料的加热不均匀。第4095044号、4792374号和4947012号美国专利以及第WO89/05230号、WO90/06010和WO94/05485号PCT申请公开了直接加热封接电缆、管道或套管的各种例子。

微波加热中，根据所用的材料，可以通过电介质极化、磁滞加热和/或电阻加热用辐射微波能加热材料。在这些机理中，前者是通过微波信号中电磁场的电部分(“E”场)供能的，而后两种机理是通过电磁场的磁部分(“H”场)供能的。第5245151号和第5254824号美国专利披露了采用一种具有微波感受器的合成粘合材料(CBM)粘接电缆和管道。尽管第399599号欧洲专利申请讨论了采用一种频率至少为433兆赫的微波辐射，但微波加热通常涉及1～300千兆赫范围的信号。

电介质加热也是众所周知的，它要求用两块板或电极在待加热的物体周围或通过该物体产生一个变化的电位(电压)。采用电介质加热只有E场交互作用，即没有感应的涡流或磁滞损耗。加热通过电介质损耗或吸收机理产生，例如，可以通过电子在原子或分子中的扰动(包括偶极矩)而发生，如材料具有极化分子，则通过电介质极化而发生。极化分子(例如水)不必磁性反应。第54-58777号日本专利申请披露了用电介质加热连接聚烯烃管道。第1237970号加拿大专利表明电介质加热和感应加热可以结合在一起使用。

感应加热已经广泛应用于封接和粘合聚合材料。通过将磁反应感受器分散于同待拼接的热塑物体相容(易混合的)的热塑载体上，形成一种合成粘合材料。当该材料置于一个交变电磁场时，H场在磁性材料中感应加热。加热可以通过两种效应之一产生：由感应的涡流形成的电阻损耗或磁滞损耗。E场不会与磁性粒子互相作用。以下列出的美国专利是具有代表性的多种类型的感应技术，用来加热粘合剂和合成粘合材料，以连接诸如聚乙烯的热塑材料：

美国专利号

2393541

3574031

3620875

3657038

3709775

3730804

3802985

3996090

4067765

4749833

4762864

5123989

5125690

这些专利描述了多种感受器材料，包括氧化铁(铁类和含铁)、铁氧体粉(例如铁氧体钡)、其它金属和金属氧化物包括铬、锰、镍、钴、不锈钢、铝、硅、铜、银和金的合金以及碳粉(石墨)。这些材料可以涂在惰性物体上，即一种对无线电频率透射的或无反应的感受器基片，包括玻璃珠基片或云母片。该感受器可以是圆形、不规则形状或成型为纤维、线、条、丝、织物或网状。

用于这些感应加热技术的交变电磁场的频率一般为4-30兆赫范围。第‘989号专利描述了频率为1千赫那样低的感应加热。Leatherman的第‘090、‘765和‘985号专利建议频率可以从450千赫改变到5千兆赫，但没有说明在这样高的频率下如何实现有效的能量转换。Indeed，Leatherman仅仅教授了感应线圈的使用，并说明采用这样一种线圈，其最高频率应为35-50兆赫。通常认为低频电源较佳，因为其成本一般低于高频发生器；然而，采用低频通常需要比高频所需更大体积的感受器材料。因此，采用低频发生器将导致在CBM中更多地装填感受器材料，这可能减小CBM的强度并对溶接封接产生不利影响。采用低频对电信电缆作熔接更不明智，因为这些电缆具有金属成分(铜缆中的外套、光纤管道中的钢增强芯)，它们与感应能量的磁场部分耦合，由此，金属成分加热到足以对电缆或其中的导线/光纤造成损害，而且浪费能源。

由于能源可能受到限制，故对于现场拼接和维修而言，能源消耗很重要。同样，电源和敷贴器应当是便携式的、重量尽可能地轻而且坚固。常规的电源和敷贴器不能很好地适用于拼接和维修电缆和封套，它们通常很庞大和笨重，不具备合适的几何形状封接电缆。再者也没有合适的敷贴器适用于高频范围。因此，希望设计一个系统，能有效地将电磁能耦合到吸收材料，使该材料被加热和粘合，而电磁能量比常规装置所要求的为低，尤其是在高频范围。电源和敷贴器应当是便携式的(即不太庞大和笨重)，便于现场拼接和维修电信电缆。如果系统能够封接各种形状和尺寸的表面，且无需进入电缆端部便能封接电缆或封套的周围，则将是又一个优点。敷贴器的结构和操作也应符合适用的安全规则。

发明概述

本发明提供一种用于熔接电信电缆及其护套的感应加热系统，通常包括：(1)具有粘合母体和多个感受器的合成粘合材料(CBM)，所述感受器在50兆赫以上的频率处有磁反应；以及(2)在50兆赫以上频率将辐射电磁能施加到所述合成粘合材料的敷贴器装置，由此使所述感受器足以加热到熔化所述粘合母体的一部分。较佳地，所述感受器在75-500兆赫范围内有磁反应，所述敷贴器装置在75-500兆赫范围内施加辐射电磁能。更佳地，敷贴器在大约125兆赫的峰值频率施加能量。

在一个实施例中，敷贴器包括一个加长的、同轴的四分之一波长谐振器，它具有一个内导体以及至少部分包围该内导体的外导体，内导体和外导体在谐振器的一端短路，且内导体和外导体结构成使含有感受器的材料介于内导体与外导体之间。内导体可以包括设置在导电外壳(外导体)内的导电管。同轴连接器将谐振器连接到电源，通过电容探头将电磁能耦合到内部谐振器管，电容探头连接到同轴连接器的中心导体，外部管子(外壳)连接到同轴连接器的接地导体。电介质材料可以充填在电容探头与内部谐振器管之间的空间，以及内部管子与外部管子(外壳)之间的空间。

敷贴器可以从多个敷贴器中选择，每个敷贴器接收来自同一电源的电力，每个敷贴器具有不同的几何形状用以加热CBM，即用以适合不同形状的待粘合的热塑件。另外，敷贴器可以结构成包括敷贴器基体以及操作时连接到所述敷贴器基体的加热适配器，所述加热适配器从多个加热适配器中选择，每个加热适配器具有不同的几何形状用于加热所述的CBM。

在敷贴器的另一个实施例中，两个谐振器管通过一个线圈电连接，该线圈可以成型为包围待加热的物体或区域。该线圈可以由单根导电带或相互电绝缘的多条导线组成，每一导电带或导线形成具有一个共轴的线圈，每条导线在每一端电气上并联连接。几条导线可以层叠形成线圈的多个层，由此降低敷贴器的实际阻值并增大载流能力。按所选间隔分开的多个电容器也可以个别地与所述线圈的各个线圈串联连接，由此，线圈内的电流在线圈的周长上几乎是均匀的，该线圈的周长大于辐射电磁能之波长的0.1。

前述系统有效地将电磁能耦合到粘合材料，所需电磁能比常规装置所需的为低，并可以更高频率实现，避免了与低频感应加热电信电缆有关的问题。它还减小了电磁能发生器的尺寸、重量和成本，使之在主电源应用受到限制的地方更适合于便携式操作。此外，因对电磁能要求小而固有地减小操作人员所暴露的电磁场，改善了这类加热器的安全性，并同样减小了对采用相同电磁频率的其它服务的可能的干涉。本发明的其它特征包括：(1)适合有效地加热和粘合具有直线、曲线、圆形和其它结构形状的材料；(2)能够在加长的材料之间和周围进行封接，无需通向材料的端部；(3)加热区的容积受到限定和控制，形状和尺寸与待粘合的材料相符；(4)适合在电磁场的电场区域内加热有吸收性的电介质材料或在电磁场的磁场区域内加热有磁吸收性或磁阻的材料；以及(5)敷贴器设计与合适的屏蔽兼容，使加热器外部的电磁场辐射减至最小。

附图简述

本发明将通过参照附图得到更好的了解，其中：

图1是常规的双导体、四分之一波长腔体的正视图；

图2A和2B分别是根据本发明的、用作感应耦合能量的敷贴器的同轴、四分之一波长腔体的透视图；

图3A、3B、3C和3D是本发明另一实施例的四分之一波长腔体敷贴器的正面剖视图，它们具有不同形状的加热适配器；

图4A和4B分别是本发明另一实施例的四分之一波长腔体敷贴器的侧视图和顶面图，适用于封接纵向边缘；以及

图5是用于本发明另一个实施例的敷贴器的透视图。

较佳实施例描述

本发明涉及感应加热的方法和系统，尤其涉及热塑聚烯烃的熔接，它基本上包括(1)提供辐射电磁能的敷贴器，以及(2)合成粘接材料(CBM)，它具有一粘接母体和多个起磁性反应的感受器。选择该感受器有效工作于50兆赫以上的甚高频，较佳地为75-500兆赫范围。因此，敷贴器设计成在这些范围内最好在125兆赫的峰值频率有最佳的能量输出。

在一个实施例中，本发明的敷贴器适应四分之一波长谐振器的性能。如图1所示，一端为短路(一导体至另一导体的低阻抗连接)、另一端为开路的一段双导体电传输线将在四分之一波长(或它的奇数倍)，即差不多等于该传输线的有效长度的频率上谐振。在这些谐振频率上，传输线短路端的阻抗将为(接近)零，开路端的阻抗则非常高。结果，当其合适地连接到一频率对应于四分之一波长谐振频率的电磁能源时，在传输线的短路端，两导体之间的电压接近于零，导体中有极大的电流流过。朝着传输线的开路端，传输线两端的电压增高而导体中的电流则减小，这样，开路端的电流基本上为零，而两导体之间的电压则为最高。

谐振器的品质定义为“Q”，它是所存储的能量与电磁场每个周期所消耗的能量之比。开路端的电压量和短路端的电流量与以下因素成比例：(1)由电磁能源耦合到谐振器的能量P，(2)两端各自的阻抗，因而P＝E²/Z₁＝I²Z₂。其中，E为开路端的电场强度，Z₁为开路端两导体之间的电气阻抗，Z₂为短路端的有效阻抗，I为短路端的电流。这些阻抗是传输线结构和Q值的函数，后者受到以下因素的影响：导体内能量的电阻损耗、导体间绝缘介质内能量的电介质损耗、辐射所损耗的能量以及由谐振场加热的吸收材料内的能量损耗。为了有效地加热材料，这些材料中的能量损耗将是所能达到的能量总损耗的大部分。这意味着，不考虑被加热材料的影响，在其它要求所形成的限制内，谐振器的Q值将尽可能地高，被加热的材料将引起Q值的大量减小，即被加热材料从谐振器吸收的能量将达到最大。本发明的敷贴器解决了这些问题。

时变磁场内磁性材料和导电材料的加热是磁场强度(H)、磁滞损耗特性、涡流损耗特性和时变场频率的函数。从磁场到这种材料的总的能量损耗P_t为

P_t＝P_h+P_e

其中，

P_h＝磁滞损耗，瓦特，∝BfvA_BH，

P_e＝涡流损耗，瓦特，∝f²B²v，

B＝材料内磁通密度＝μH，

μ＝材料的相对导磁率，

H＝磁场强度，

f＝H场的频率，

v＝材料量，以及

A_BH＝场强为H的磁性材料的B-H曲线的面积。对于非导体磁性材料，仅有磁滞损耗使材料作为从电磁场吸收能量的结果而得到加热。由于H场与导体内流动的电流成正比，所以四分之一波谐振器中最高的H场位于传输线的短路端。对电场所作的类似分析表明，电介质加热可以在传输线的开路端达到最大。

产生H场的电流I是谐振器的Q值和特性阻抗Z₀的函数。当给定量的电磁能量耦合到谐振器时，Q值较高的谐振器产生增大的E场和H场。此外，电流是Z₀的反函数，而电压是该参数的直接函数。为了使Q值为最大，除了对被加热材料的损耗以外，每个周期的能量损耗或消耗应当为最小。为了使辐射损耗减至最小，最好采用一种封闭(屏蔽)的谐振器设计满足该目标，如图2A和2B所示，这种设计类似于同轴传输线或类似于采用波导技术的腔体谐振器。通过采用具有最大截面积的低电阻率材料以及在金属元件之间采用低阻接头或连接，使导体中的电阻损耗减至最小，也可以增大谐振器的Q值。同样，谐振器结构中使用的电介质或绝缘材料，在所选择的工作频率上应有最小的耗散因子。在谐振器的短路端形成导体以包围一定量的待加热的磁性材料，由此提供一个对此类材料实现最大加热的区域。

图2、图3和图4所示的敷贴器实施例是以一端短路、另一端开路的四分之一波长同轴谐振器为基础的。这些敷贴器的外导体10形成一个包围内导体12的保护套管。一个低阻导体(套管的延续部分)在短路端14将外导体10连接到内导体12，较佳地连续围绕短路端14，外导体10也可以包围开路端16，但不在开路端16处电连接到中心导体12。外导体/套管10的形状可以是圆形(图2A)、矩形(图2B)或其它形态。将待加热的磁吸收材料18设置在线的短路端附近的两个导体之间。可以开孔或开槽穿通短路端14附近的外导体，允许待加热的电介质反应材料插在与短路端相邻的导体之间的区域内。中心导体12可以形成半个环或其它形状，适配地包围待加热的材料，并由此让场集中于所选区域中。通过利用开路端或附近的电容探头、通过短路端或附近的感应环、或者通过中心导体直接电连接，可以将来自外部发生器的电磁能量耦合到谐振器。

四分之一波长谐振器必须具有有效的电学长度，其长是工作频率的四分之一波长。众所周知，通过合理采用容性或感性的负载，或通过在两导体之间采用一种具有高介电常数的绝缘材料，可以使物理长度大大短于有效的电学波长。高介电常数的材料减小了电磁波在谐振器内的传播速率，它与材料的介电常数的平方根成正比。例如，通过用一种相对介电常数为4的材料充填在导体之间的空间，给定频率的谐振器的物理长度(标称)可以减少到空心谐振器的一半。高介电常数的材料还减少了Z₀。这些性能在本发明中被优先用来减小物理尺寸，并相对于给定的能量增加了电流，由此产生在其中加热磁性材料的H场(还可以用来控制E场)。

图2、图3和图4的实施例较之感应线圈(多匝绕组)的优点在于，它们允许更好地控制待加热材料的量，且它们可以做成开口夹子的形式，允许在所选长度的材料外围加热薄层，而无需进入材料的端部。例如，谐振器可以方便地用来迅速夹在电缆延伸长度的周围，而不必使电缆穿过感应线圈。图3示出本发明的一个实施例，它用以夹在磁吸收材料的周围对其加热并将该材料焊接到邻接的材料。图4示出的第二个实施例用以加热长的磁吸收材料。

图3表示本发明的较佳实施例，它夹在单根电缆或多根电缆或套管(图3A、3B和3C)周围区域内的材料周围并对其加热，或者对扁平的带状材料(图3D)加热。这种材料(以下将进一步讨论)可以是一种夹层结构，内部材料在谐振器频率处是磁吸收的，外部材料或者是吸收的或者是非吸收的。可以充分地加热一或多层，使该材料或其各个部分达到熔点，使各层相互粘合在一起。许多塑料，尤其是聚乙烯塑料(如果把一层或多层做成对谐振器频率的电磁能具有磁吸收)，可以采用合适的添加物按此种方式熔合在一起。这类添加物可以是呈现磁滞损耗的粒状或细丝材料，或薄膜电阻材料，或能够修正层的体电阻率或导电性能的材料。

图3A所示的敷贴器20是一种四分之一波长的谐振器，它具有通过设置在谐振器内导体的开路端24的电容探头22耦合电磁能的装置。该实施例中，由几个元件构成内导体，包括谐振器管26、耦合接头28和低阻导体30。外导体也是由几个部件组成的，包括另一个低阻导体32以及由第一壳体34和第二壳体36组成的护套，该第一壳体34包围谐振器管26，第二壳体36包围低阻导体30和32。探头22连接到同轴电缆连接器38的中心导体。同轴电缆(未图示)从连接器38通向电磁信号源(电源)40，后者以谐振频率(以下将进一步描述)提供适量的能量。谐振器管26围绕或靠近耦合探头22形成一个耦合电容，使连接器38一头的谐振器输入阻抗具有一个所选值。一般，使该输入阻抗与同轴电缆的输入阻抗匹配，后者用以传送来自电源40的电磁(EM)能量，但该输入阻抗也可以采用不同的数值直接与邻近的发生器、放大器、振荡器或其它元件匹配。提供一种50欧姆或50欧姆以下的输入阻抗允许采用更长的同轴电缆而无明显的损耗。电连接到接头44的另一探头42还与谐振器管26形成一种电容耦合，它可以用来提供谐振器能量的样品作为输出以监视谐振能量电平，指示谐振器对电磁波信号源的正确调谐，或者，反馈到电子放大器的输入端使之处于自激振荡，当放大器的输出端连接到谐振器的输入耦合探头22时，在谐振频率上变成电磁能源。

低阻连接器30通过耦合接头28处的低阻可分离连接46可卸地安装到谐振器管26，形成中心导体至短路端48的延续。低阻导体32通过金属元件50电连接到导体30和壳体36，并进一步在延伸的界面52连接到壳体36，形成外导体一部分并传送大部分电磁谐振电流流经短路端48附近区域的导体内。32和36的相邻表面成型为最适合待加热的材料54。图3示出了用以加热圆形或扁平型材料的元件32和36的几种形状。即使该材料不能完全装满为该材料提供的所有区域，也可以对材料54进行加热。当然也可以对图3A、3B和3C所示的圆形中心区域加热，但加热速率与位于区域外围的材料不一样。外导体元件34和36在标号56处分离，中心导体的元件26和30铰接在短路端48，使30和32的分离许可将材料54设置在该区域，或允许加热器设置在待加热的材料周围然后移去。对于本领域的熟练人员来说，在参考了如此说明的结构后，采用其它的铰接和分离构造，允许加热器设置和夹在各种形式的待加热材料周围的做法将变得很显然。除了铰接作用以外，图3A所示的结构还利用单个金属元件50作为内、外导体之间的电气短路。图3B所示的结构中，跨接在30和32上的电气短路与形成谐振器外导体的套管(壳体36)电气隔离，这样较大的电磁电流就不会流经外部铰接58。此结构提供了更好的屏蔽作用并减少了加热器的电磁辐射。在图3C和3D所示的结构中，在谐振器的大电流(短路)端，成型低阻导体32使该导体与套管电气隔离，以更好地均衡来自元件30和32的电流流动以及对材料54的加热，并进一步减少套管内的电流使辐射场减至最小。图3A、3B、3C和3D所示任一谐振器实施例中的元件32和36的相邻表面(诸如在52)，都可以成型得与这些附图中任一附图所示的任何材料的几何形状，或可以适当地加热磁吸收材料的任何其它的形状相符。内导体与外导体26与34之间的电介质材料60提供了电气绝缘，在谐振器的开路端使高压击穿作用减至最小，用以减低电磁波在谐振器内的传播速率，由此可以减小所选频率的谐振器所需的物理长度，并通过减小形成谐振器的传输线元件的特性阻抗Z₀，可以在传输线的短路端增大电流流动及由此而产生的加热效果。电介质材料60可以在谐振器的整个长度上延伸，或像图3所示只覆盖一部分，并可以充填到导体之间的所有空间或仅仅一部分空间。选择电介质材料具有最小的电介质损耗，有助于维持高的谐振器Q值，并具有所要求的相对介电常数，使谐振器的物理尺寸和Z₀最佳化。通过添加电介质材料62，使耦合探头22与谐振器管26电气绝缘。电介质必须为低损耗材料，使之对谐振器Q值的不利影响减至最小，并可以采用与60相同或不同的材料。

图3进一步说明不同的加热适配器(元件30、32、36)如何可以逐一安装到一个共用的敷贴器基体(元件22、26、28、34)上。即使是提供全分离的敷贴器，也可以采用一个公用的电源40。

可以用一种连续的带状导体材料(未图示)替代元件30、32和50，形成包围待加热材料的一个环。此带状材料最好连接在46至28和64至34，以便为短路端提供电气需求以及在所需频率形成四分之一波长谐振器所必需的保持长度(电感)。可以配用一种装置调节由该导体形成的环的长度并由此控制张力。该装置简单地可以是附件46下面带内的一条狭槽、通过带的夹子或者是一种螺纹机构。

图4A和4B表示最适合加热加长材料(在谐振频率有磁反应)的四分之一波长谐振器的一种配合70。导体72将谐振器管26连接到导体30，形成一个连续的谐振器内导体。导体材料32连通到套管36形成一个连续的外导体。另一低阻元件74在两个导体元件30与32之间形成电气短路。待加热材料54设置在30和32的相邻表面之间，其中由谐振器加热器的大电磁电流产生一个最大的电磁场。待加热材料的边缘沿着壳体36的一侧插入到狭槽76，延伸到导体30与32之间的区域。套管邻接端中的狭槽允许加长材料滑入导体30和32，如图4B所示，有利于调节诸如电缆护套的纵向边缘。敷贴器延伸部分的组件(图4中元件30、32、36、72和74)可以与图4中的其它元件分离，或者也可以成为一个整体。

电源40为一种以谐振频率工作的射频电源发生器，除了用110/220V交流电以外，也可以用12V直流电工作。在50-1000兆赫范围内，选择一种谐振频率使之最适合于特定应用。最好采用一种反馈接法使电源发生器的频率锁定于谐振频率。在本实施例中，其中敷贴器的尺寸用以封闭电信电缆和护套，最佳频率为125兆赫。来自发生器的能量针对溶接的尺寸和程度最优化。除了敷贴器以外，电源也应当符合适用的规章要求以及工业标准，诸如ANSI/IEEE标准C95.1-1992，名为“有关人类暴露于射频电磁场的安全等级，3千赫至300千兆赫”。

图5示出了另一种敷贴器设计80，它还提供一种装置，以改善产生甚高频、高强度交变电磁场的效率。敷贴器80显示其降低了感应耦合元件(线圈82)中的功率损耗，由此允许对一给定量的高频能量产生更高的磁场强度，并减小了电阻损耗以及因高频电流流过而产生的线圈发热。改进的加热器线圈设计允许采用比其它方式所能采用的更高的频率，以有效地加热大直径的材料。

一般线圈中的电磁场与导体中流通的电流I成正比。线圈中的功耗等于I²R，其中，R是形成线圈的一段导体的实际阻抗。低频时该电阻为

R＝ρL/A

其中，A＝导体的截面积，

L＝导体长度，

ρ＝导体的电阻率。

直径为0.25英寸(6毫米)、长度为一英尺、截面积为0.049平方英寸(31平方毫米)的铜线，其直流和甚低频交流下的电阻将接近1.71×10^-4欧姆。导体中流经100安培电流所形成的磁场将在导体中产生1.71瓦的功率损耗。然而，众所周知，当频率较高时，趋肤效应限制了有效的导体截面积，这样，大部分电流必将在靠近导体表面的极薄的区域内流动。故增加了实际电阻以及迫使一定的电流通过导体所要求的电能。例如，在100兆赫时，铜的趋肤深度为3.5×10^-4英寸，同样0.25英寸直径、1英尺长的导体，其有效阻值增加到233倍，达到0.3988欧姆/英尺。对于100安培的电流，其功耗变成398.8瓦!这将使导体变得极热，在恶性循环中进一步增大了阻值和电能，并将导致导体表面附近的材料过热。

敷贴器80的另一种设计是采用并联的多根小直径导线，相对给定的导线总截面积有效地增加了高频下的导电截面。小直径导线的趋肤深度几乎与大直径导线的相等。但是，对小直径导线而言，其传送高频电流的实际截面积的百分比更高。例如，直径为0.25英寸的实心导线，截面积为0.049平方英寸，但当频率为100兆赫时，实际载流截面积为0.049/233，或2.1×10^-4平方英寸。一束1000根导线，每根导线为7.89×10^-3直径的多股线具有同样的总截面积，但如果导线适当地分开，实际的载流截面积在100兆赫时将达到8.69×10^-3。这是0.25英寸直径实心导线的41倍，实际阻值减少到41倍。当电流为100安培时，导线中的功耗从398.8瓦减低到9.7瓦。

由铜条或其它导体形成的线圈可以尝试沿着导体的宽度和靠近导体产生具有更大范围的、更均匀的H场。在材料的宽度区域内产生均匀的加热经常需要这样做，该材料从电磁场的H分量中吸收能量。对于宽导体带，其载流与宽度垂直，整个宽度内的电流密度不均匀，在边缘附近更强一些。这使得H场的强度在导体边缘附近更大一些，而中间区域较低。通过采用多个并联的宽度较小的导体，可以改善电流分布的均匀性，并具有前述的较低的有效阻值。这些导体实际上是并排设置的，除了电气上在端头处并联连接以外，它们是相互绝缘的，由此形成具有所需总宽度的导体层。这些层可以层叠在一起，以进一步减小有效阻值并由此增加载流容量，相对给定的电流降低其功耗。通过蚀刻敷铜板在绝缘基板的一侧或两侧上设置所需的导体图形，可以形成所述的并行导体层，形成具有所需宽度的带状导电线圈。相对用以产生电磁场的电流的频率，蚀刻的敷铜层的厚度和各个导体的宽度较佳地约大于趋肤深度的两倍，利用该带状导体形成整个或部分线圈。导体与导体的间距应设置得最小，允许相邻导体相互运载电流，而与另一导体相比，实际趋肤深度减小得最小。例如，已经用宽各为0.006英寸宽、中心间距为0.012英寸以及厚度为0.0015英寸的蚀刻的平行导体形成总宽度约为0.500至0.75英寸的带状导体。平行导体的数量为42-63范围。绝缘基板的厚度范围为0.005至0.062英寸，包括光纤、特氟隆、增强特氟隆以及尼龙材料。这一连串导体、基板材料和尺寸并非是详尽的，其它的也能用。在所需的两端或其它部位，基板每一侧面上各导体之间的通镀孔可以用来设置电连接。所有导体的两端都通过导体的较宽区域并联连接，该导体还将带状导体连接到其余的电路以及通过线圈用以提供射频能量的发生器。

对于由内管和外管组成、射频能量通过容性探头耦合的谐振器，多股线线圈可以如前所述连接到同轴射频传输线的短截面，或连接到合适的电容器形成一个调节到所需工作频率的高Q值电谐振器。可以包括合适的阻抗匹配，允许能量从射频发生器最充分地传递到谐振器，使利用现有射频能量的效率达到最高。线圈最好封闭在护套内(全部或部分)，以便将外部电磁场减至最小并使辐射能量减至最小，由此改善在线圈内或线圈附近产生高强度射频磁场的效率。通过暴露于电磁波H分量而加热的许多材料，在高频时比低频更富有吸收性。为此，希望采用尽可能高的频率来产生所需的加热速率，而射频能量则最小。然而，也希望通过使用射频场使加热沿着待加热材料的整个范围是均匀的。采用馈以射频电流的由连续导体形成的线圈，电磁场将沿着导体的长度作为波长的函数而改变。这样，在所用的射频频率，线圈的周长必须是波长的几分之一，一般为0.1波长或更小。然后，对材料最大尺寸设置一个限度，使之可以在所选的频率达到均匀的加热。例如，如果材料的加热性能要求最小频率为400兆赫(波长为0.75米)，则可以采用并仍然使导体长度保持在0.1波长以下的最大的线圈周长为0.075米(2.955英寸)，最大线圈直径为0.94英寸。这将使待均匀加热的材料的最大直径被限制在0.94英寸以内。

通过使一个或多个电容器与导体串联连接，可以克服这种局限性，并以所选的频率加热更大截面的材料，采用这种方式可以在更大波长部分的整个线圈周长上更均匀地维持电流。形成线圈的导体的长度划分为多个段，每段都为波长的几分之一(例如0.1波长或更小)。电容器设置在相邻段之间校正电流的相位，或部分与线圈导体段的有效感抗失谐。通过在各个段之间采用合适的电容量，段间的射频电流几乎保持为同相，并具有近似均匀的振幅。由此允许在所选的甚高频射频频率对相比之下具有更大截面的材料进行均匀的加热。这些电容器较佳地可以用绝缘板两侧蚀刻的导体图形形成，但也可以采用具有合适的电流容量、电压额定值、损耗电阻和稳定性的分立电容器。层叠在绝缘基板每一侧面上的导体的面积以及基板的厚度和介电常数按一阶设置如此形成的电容值象平行板电容器那样是众所周知的。至于更高精度的确定可以考虑波长效应。基板材料应当具有低的介质损耗和优良的高压击穿性能。尽管其它基板材料也可以采用，但已经发现特氟隆为基础的材料较适合于某些应用。蚀刻后的平行板电容器可以与形成线圈段的导体和同时蚀刻在双面敷铜板上的合适的图形结合在一起，形成具有所需长度的线圈带。形成电容器的线圈段和层叠部分可以具有前述平行多导体的结构，或由更宽的带组成。在本发明的范围内还可以采用其它的制造装置。敷贴器80可以采用敷贴器20所用相同的电源40。

本发明采用的合成粘合材料(CBM)包括其中具有多个磁反应感受器的粘合母体。该粘合母体可以是粘合材料(热塑材料，诸如聚乙烯)或粘合剂材料(环氧或热熔化)或它们的混合物。简单的感受器诸如可以采用铁氧体粉。较佳的的材料是1995年3月29日提交的第08/412,966号美国专利申请中描述的一种层叠的磁性粒子。这些多层薄片包括用至少一个薄膜介电层交替层叠的至少一层薄膜、结晶体、铁磁金属层，在粘合母体中的用量约为体积的0.1％至10％的范围。CBM的成分通常不是关键，而且本身不属于本发明的范围；然而，CBM必须在敷贴器频率上有反应。粘合母体或感受器也可以采用具有介质电抗的材料。最后，感受器可以是自调整的，例如居里极限。

尽管本发明是参照特定的实施例描述的，但这种描述并非意味着可以用一种限定的意义来解释。本领域的熟练人员在参阅了本发明的这些描述之后，对所述实施例作出各种变换以及对本发明的各个实施例进行变通已变得相当明白。因此，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的精神或范围的情况下还可以作出各种变换。

Claims

1.一种用于熔接的感应加热系统，其特征在于包括：

具有粘合母体和多个感受器的合成粘合材料，所述感受器在50兆赫以上的频率有磁反应；以及

在50兆赫以上频率将辐射电磁能施加到所述合成粘合材料的敷贴器装置，由此使所述感受器足以加热到熔化所述粘合母体的一部分。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述感受器在75-500兆赫范围内有反应，所述敷贴器装置在75-500兆赫范围内施加辐射电磁能。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述敷贴器装置包括四分之一波长谐振器。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于进一步包括电源，其中所述敷贴器装置从多个敷贴器中选择，多个敷贴器的每个敷贴器接收来自所述电源的电能并具有不同的几何形状用以加热所述合成粘合材料。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述敷贴器装置包括敷贴器基体以及连接到所述敷贴器基体而工作的加热适配器，所述加热适配器从多个加热适配器中选择，多个加热适配器的每一个具有不同的几何形状用于加热所述的合成粘合材料。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述敷贴器装置包括多条相互绝缘的导线，每条导线形成一个线圈，每个线圈有一个共用轴，且每条导线在电学上并联连接。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述感受器进一步在所述50兆赫以上的频率处发生电介质反应。

8.如权利要求2所述的系统，其特征在于所述敷贴器装置产生约125兆赫的最大频率。

9.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述四分之一波长谐振器是细长的同轴型，它具有内导体以及至少部分包围所述内导体的外导体，所述内、外导体电连接到所述谐振器的一端。

10.如权利要求6所述的系统，其特征在于，

所述四分之一波长谐振器包括加长的敷贴器基体，基体具有内导体和至少部分包围所述内导体的外导体；以及

所述内导体和外导体通过所述多个线圈电连接到所述敷贴器基体的一端。

11.如权利要求6所述的系统，其特征在于所述多条导线的几条导线层叠形成所述线圈的多个层。由此降低所述敷贴器的有效阻值并增加载流容量。

12.如权利要求9所述的系统，其特征在于所述敷贴器装置进一步包括用以将电磁能耦合到所述内导体的电容探头。

13.如权利要求11所述的系统，其特征在于进一步包括多个电容器，每个电容器与所述线圈的各个线圈串联连接，由此，所述线圈内的电流在线圈的周长上几乎是均匀的，该线圈的周长大于所述辐射电磁能之波长的0.1。

14.一种将辐射电磁能施加到磁反应感受器的装置，其特征在于包括：

加长的内导体；

至少部分包围所述内导体并沿其平行延伸的加长外导体，所述内导体和外导体电连接到一个公共端形成一个四分之一波长谐振器，所述内导体和外导体构成使包含感受器的材料可以介于所述内导体与外导体之间；以及

安装到所述内导体和外导体将所述导体电连接到外部电源的装置。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于：

感受器在75-500兆赫范围内有磁反应；以及

所述装置适合于辐射75-500兆赫范围内的感应能量。

16.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述连接装置包括同轴连接器、所述同轴连接器的中心导体耦合到所述内导体及所述同轴连接器的接地导体连接到所述外导体。

17.如权利要求14所述的装置，其特征在于进一步包括将电磁能耦合到所述内导体的电容探头。

18.如权利要求14所述的装置，其特征在于，所述内导体包括谐振器管，并进一步包括将电磁能耦合到所述谐振器管的电容探头。

19.如权利要求14所述的装置，其特征在于进一步包括在所述内导体处抽取谐振能量的探头装置。

20.如权利要求14所述的装置，其特征在于所述内导体和外导体通过多条相互绝缘的导线电连接到所述公共端，每条导线形成一个线圈，这些线圈有一个共用轴，所述每条导线并联地电连接。

21.一种将辐射电磁能施加到磁反应感受器的系统，其特征在于包括：

电源；以及

多个敷贴器，每个敷贴器具有感应加热感受器的装置，且每个敷贴器适于接收来自所述电源的电能，所述敷贴器的每一个进一步具有不同的几何形状，以加热含有感受器的不同形状的材料。

22.如权利要求21所述的系统，其特征在于所述敷贴器的每一个具有50欧姆或50欧姆以下的输入阻抗。

23.如权利要求21所述的系统，其特征在于所述敷贴器的每一个包括四分之一波长谐振器。

24.如权利要求21所述的系统，其特征在于所述敷贴器的每一个适合于辐射75-500兆赫范围内的感应能。

25.一种将辐射电磁能施加到磁反应感受器的系统，其特征在于包括：

电源；以及

感应加热感受器的敷贴器装置，所述敷贴器装置包括(1)敷贴器基体，具有将所述基体电连接到外部电源的装置，以及(2)连接到所述敷贴器基体而工作的加热适配器，所述加热适配器从多个加热适配器中选择，每个加热适配器具有不同的几何形状以加热含有感受器的不同形状的材料。

26.如权利要求25所述的系统，其特征在于所述敷贴器基体连同给定的一个所述加热适配器形成一个四分之一波长谐振器。

27.如权利要求25所述的系统，其特征在于所述敷贴器基体包括设置在导电外壳内的导电谐振器管。

28.如权利要求25所述的系统，其特征在于所述多个加热适配器的至少一个加热适配器包括多条相互电绝缘的导线，所述导线的每条导线形成一个线圈，所述线圈有一个共用轴，且所述导线的每条导线在电气上并联连接。

29.如权利要求27所述的系统，其特征在于所述连接装置包括同轴连接器，并进一步包括将电磁能耦合到所述谐振器管的电容探头，所述电容探头连接到所述同轴连接器的中心导体，所述外壳连接到所述同轴连接器的接地导体。

26.一种用于熔接的感应加热系统，其特征在于包括：

具有粘合母体和多个磁反应感受器的合成粘合材料；以及

将辐射电磁能施加到所述合成粘合材料的敷贴器装置，由此使所述感受器足以加热到熔化所述粘合母体的一部分，所述敷贴器装置包括多条相互电绝缘的导线，每条导线形成一个线圈，所述线圈有一个共用轴，所述每条导线在电气上并联连接。

27.如权利要求26所述的系统，其特征在于所述多条导线的几条导线层叠形成所述线圈的多个层。由此降低所述敷贴器的有效阻值并增加载流容量。

28.如权利要求26所述的系统，其特征在于进一步包括多个电容器，每个电容器与所述线圈的各个线圈串联连接，由此，所述线圈内的电流在线圈的周长上几乎是均匀的，该线圈的周长大于所述辐射电磁能之波长的0.1。

29.如权利要求26所述的系统，其特征在于所述敷贴器装置适合于辐射75-500兆赫范围内的感应能量。

30.一种熔接热塑材料的方法，其特征在于包括以下步骤：

固定在热塑材料表面附近的合成粘合材料，所述合成粘合材料包括粘合母体和多个感受器，所述感受器在50兆赫以上的频率处有磁反应；以及

将50兆赫以上频率的辐射电磁能施加到所述合成粘合材料，直至所述感受器足以加热到熔化所述合成粘合材料的一部分以及所述热塑材料的一部分。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述感受器在75-500兆赫范围内有磁反应，所述敷贴器装置施加75-500兆赫范围内的辐射电磁能。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于所述施加步骤包括采用一种敷贴器，该敷贴器包括四分之一波长谐振器，后者具有一个内导体和至少部分包围所述内导体的外导体，所述方法进一步包括将电源电容耦合到所述内导体的步骤。