DE10026921A1 - Spule - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spule, insbesondere eine Induktionsspule für einen Quarzrohrofen. Diese Spule kann auch noch nach ihrer Installation verändert werden, und zwar hinsichtlich jeder Eigenschaft. Es ist z. B. möglich, den Abstand zwischen einzelnen Windungen zu vergrößern oder zu verkleinern, das Profil und den Umfang oder die elektrischen Eigenschaften einer Windung zu verändern. Der Abstand zwischen den einzelnen Windungen kann auch automatisch verändert werden, wobei vorzugsweise das Temperaturprofil eines Ofens einem Regler zugeführt wird, der die Abstände so einstellt, dass sich ein ideales Temperaturprofil einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spule nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Spulen sind zumeist spiralförmige Gebilde, bei denen die Windungen alle den gleichen Anstiegswinkel haben. Dies gilt sowohl für mechanische als auch für elektrische Spu­ len, insbesondere für Induktionsspulen.

Bei Induktionsspulen werden die beiden jeweiligen Enden der Spule an eine Wech­ selspannungsquelle gelegt. Nachteilig ist bei diesen bekannten Spulen, dass ihr gleich­ bleibender Steigungswinkel eine Anpassung an verschiedene Verhältnisse verhindert.

Bei einer bekannten Induktionsspule, die für die Erwärmung des Inhalts eines Tiegels dient, sind die Windungen am unteren Ende enger gepackt als am oberen Ende (DE 563 710 C2, DE 39 40 029 C2, DE 39 10 777 A1). Hierdurch ist es möglich, den unte­ ren Bereich stärker zu erwärmen als den oberen Bereich. Nachteilig bleibt aber auch hier, dass die Spule nachträglich nicht mehr verändert werden kann.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Spule zu schaffen, die im Nachhinein leicht bezüglich ihrer Eigenschaften, z. B. Wicklungsdichte, geändert wer­ den kann.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung betrifft somit eine Spule, insbesondere eine Induktionsspule für einen Quarzrohrofen. Diese Spule kann auch noch nach ihrer Installation verändert werden, und zwar hinsichtlich jeder Eigenschaft. Es ist z. B. möglich, den Abstand zwischen einzelnen Windungen zu vergrößern oder zu verkleinern, das Profil und den Umfang oder die elektrischen Eigenschaften einer Windung zu verändern. Der Abstand zwi­ schen den einzelnen Windungen kann auch automatisch verändert werden, wobei vor­ zugsweise das Temperaturprofil eines Ofens einem Regler zugeführt wird, der die Ab­ stände so einstellt, dass sich ein ideales Temperaturprofil einstellt.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, dass durch Lösen und Befestigen von Schrauben oder durch eine automatische Steuerung der Abstand zwischen den einzelnen Windungen einer Spule verändert werden kann. Es ist außer­ dem möglich, einzelne Spulenteile hinsichtlich ihres Durchmessers und/oder Quer­ schnitts zu verändern. Insbesondere bei der Verwendung dieser Spule als Indukti­ onsspule für Schmelzöfen und Wärmebehandlungsanlagen lassen sich erhebliche Qua­ litätssteigerungen bei den geschmolzenen bzw. erwärmten Materialien erzielen, weil eine Homogenisierung der Temperatur einer Charge erzielt wird.

Die Wärmeverteilung und die Homogenisierung der Temperatur in der Charge werden durch den Wärmeabfluss, insbesondere am Chargensupport, also am Boden, und am Chargenverschluss, also am Deckel, gestört, d. h. die Temperatur an den Chargenen­ den ist in der Regel niedriger als in der Chargenmitte. Mit der Erfindung lässt sich die­ ser Nachteil beheben. Zwar ist es auch mit einer asymmetrisch gewickelten Spule möglich, die Chargentemperatur zu homogenisieren, doch kann mit einer solchen Spule nur ein einziger Betriebspunkt abgedeckt werden, bei dem die Temperaturver­ teilung in der Charge homogenisiert ist. Dieser Betriebspunkt erfordert allerdings einen definierten Wärmeübergang in der Charge, damit sich eine gleichmäßige Temperatur­ verteilung ausbilden kann. Ändert sich der Wärmeübergang z. B. aufgrund einer geän­ derten Chargenzusammensetzung oder unterschiedlichen Wärmeleitungscharakteristi­ ken bei steigender Temperatur, dann verschiebt sich die Temperaturverteilung in der Charge, d. h. das Temperaturprofil wird über die Chargenhöhe inhomogen, sodass es zur Ausbildung von Hot Spots und kalten Stellen kommen kann. Bei einer Homogeni­ sierung der Temperatur, wie sie mit der Erfindung erzielbar ist, werden derartige Er­ scheinungen vermieden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Quarzrohrofen mit einer erfindungsgemäßen Spule;

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Spule;

Fig. 3a eine vergrößerte Detailansicht einer erfindungsgemäßen Spule mit Kühlvor­ richtung;

Fig. 3b eine Draufsicht auf die in der Fig. 3a gezeigte Vorrichtung;

Fig. 3c einen Längsschnitt durch einen Teilbereich der in der Fig. 3a gezeigten Vor­ richtung;

Fig. 4 eine Variante der erfindungsgemäßen Spule;

Fig. 5 einen Antrieb für eine Spulenwindung;

Fig. 6 eine Regeleinrichtung für die automatische Einstellung des Abstands zwi­ schen Spulenwindungen.

In der Fig. 1 ist ein Quarzrohrofen 1 dargestellt, der von einer erfindungsgemäßen Spule umgeben ist. Quarzrohröfen werden zur Wärmebehandlung von Metallen, Me­ talllegierungen und Keramiken, zum Entwachsen und Sintern von Hartmetallen, Kar­ biden und magnetischen Materialien in einem Produktionszyklus, zum Schmelzen, Entgasen und Gießen oder zur Reduktion von Metalloxiden verwendet. Derartige Öfen eignen sich somit für alle gängigen Wärmebehandlungsverfahren, bei denen die Reak­ tionsfreudigkeit des Werkstoffs eine Behandlung unter Vakuum oder Schutzgas erfor­ dern. Die Spule 2 ist mit einem Mittelfrequenzgenerator 3 verbunden, der als Strom­ versorgung für die Induktionsheizung dient. Der Anschluss des Mittelfrequenzgenera­ tors 3 erfolgt hierbei an den beiden Enden 4, 5 der Spule 2. Die Spule 2 besteht aus mehreren kreisförmigen Ringen 6-13, die offen sind, sodass sie jeweils zwei Enden 4, 14; 15, 16; 17, 18; 19, 20; 21, 22 aufweisen. Das eine Ende eines solchen Rings, z. B. das Ende 17 des Rings 8, ist dabei elektrisch mit dem einen Ende 16 eines darüber lie­ genden Rings 7 verbunden, während das andere Ende 18 dieses Rings 8 mit einem Ende 19 eines darunter liegenden Rings 9 verbunden ist. Die elektrische Verbindung wird mittels elektrisch leitender Verbindungsstücke 30 bis 33 hergestellt, die mit den jeweiligen Enden der Ringe verschraubt sind.

Bei dem modularen Aufbau der Wicklung 2 übernimmt jeder Ring 6 bis 13 die Funkti­ on einer Windung einer herkömmlichen Spule.

Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Spule kann jedoch die Spule 2 nachträglich verändert werden, indem z. B. Ringe 6 bis 13 ausgetauscht werden oder ihr jeweiliger Abstand zueinander verändert wird. Beispielsweise könnte der Ring 6 durch einen Ring mit anderen Abmessungen oder Eigenschaften - Höhe, Breite, Durchmesser, Leit­ fähigkeit - ersetzt werden. Durch den Einsatz unterschiedlich großer Verbindungsstüc­ ke 30 bis 33 können auch die Abstände der Ringe 6 bis 13 zueinander verändert wer­ den, sodass beispielsweise die Ringe im oberen und/oder unteren Bereich des Quarz­ rohrofens 1 dichter beieinander liegen als im mittleren Bereich. Indem diese Abstände verändert werden, lassen sich definierte Betriebspunkte einstellen. Es können auch Ringe hinzugefügt oder entfernt werden, wodurch sich Änderungen im Wärmeüber­ gangsverhalten einer Charge kompensieren lassen.

Das Innere des Quarzrohrofens 1 ist in der Fig. 1 nicht dargestellt, weil es für die Er­ findung nicht von Bedeutung ist. Es sei lediglich erwähnt, dass sich innerhalb eines Quarzrohrs 40 ein zylindrischer Suszeptor aus Graphit oder einem anderen Material befindet, der durch die magnetischen Wechselfelder der stromdurchflossenen Spule 2 über Wirbelstrombildung erhitzt wird und seine Wärme mittels Strahlung und/oder Konvektion an das zu erwärmende Material bzw. an die Charge weitergibt. Der Sus­ zeptor kann allerdings auch unmittelbar die Rolle eine Kokille übernehmen.

Die Enden der Ringe 6 bis 13 sind in der Fig. 1 eben dargestellt. Sie können jedoch auch als um 90° gekröpfte Enden ausgebildet werden, sodass die Verbindungsstücke 30 bis 33 um 90° gedreht sind, wenn sie die Verbindung zwischen zwei Ringteilen herstellen.

In der Fig. 2 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Spule 2 noch einmal im Detail dargestellt. Die Ringe 6 bis 13 sind, im Vergleich zur Darstellung der Fig. 1, in einer etwas anderen Anordnung gezeigt: Sie sind aus ihrer zylindrischen Anordnung in eine Ebene geklappt. Man erkennt hierbei deutlicher die Verbindungselemente 41 bis 44, welche die Verbindungsstücke 30 bis 36 mit den Ringen 6 bis 13 verbinden. Außer­ dem ist ein Spulenhaltesystem dargestellt, das vier Stangen 50, 51, 52, 53 enthält, die an ihren oberen und unteren Enden mit einem gemeinsamen Sockel 54 bzw. 55 ver­ bunden sind.

Die Verbindung zwischen den Ringen 6 bis 13 und den Stangen 50 bis 53 wird z. B. über Stifte 110 bis 117 hergestellt, die an den Ringen 6 bis 13 befestigt sind und durch Bohrungen in den Stangen 50 bis 53 gesteckt werden. Wie man aus der Darstellung der Fig. 2 erkennt, haben die einzelnen Ringe 6 bis 13 verschiedene Abstände h₁, h₂, h₃ zueinander, wobei diese Abstände nachträglich geändert werden können. Hierzu wird z. B. das Verbindungsstück 32 durch ein kürzeres Verbindungsstück ersetzt und die Stifte des Rings 8 durch andere - in der Fig. 2 nicht dargestellte - Bohrungen der Stan­ gen 50 bis 53 gesteckt.

Wegen der hohen Ströme, die durch die Ringe 6 bis 13 fließen, müssen diese Ringe 6 bis 13 gekühlt werden. Wie ein entsprechendes Kühlsystem realisiert werden könnte, ist in den Fig. 3a bis 3c dargestellt. In der Fig. 3a erkennt man die Endbereiche der Ringe 8, 9, die über das Verbindungsstück 32 miteinander verbunden sind. Die Ver­ bindung ist dabei über acht Schrauben-Mutter-Verbindungen hergestellt, von denen in der Fig. 3a nur sechs Schrauben-Mutter-Verbindungen 41 bis 43 bzw. 46 bis 48 er­ kennbar sind. Auf den Ringen 8, 9 befindet sich jeweils ein Kühlflüssigkeitsführungs­ kanal 60, 69, der mittels seitlicher Flansche 62, 63 bzw. 64, 65 mit den Ringen 8, 9 verbunden ist. Die beiden Kühlflüssigkeitsführungskanäle 60, 69 sind hierbei mittels eines Schlauchs 66 miteinander verbunden.

Die Fig. 3b zeigt die Kühlvorrichtung der Fig. 3a noch einmal in einer Ansicht von oben. Man erkennt hierbei wieder die Endbereiche der Ringe 8, 9 sowie das Verbin­ dungsstück 32. Die Flansche 62, 64 der Kühlflüssigkeitsführungskanäle 60, 69 sind ebenfalls erkennbar. Über den Schlauch 66 sind diese beiden Kanäle 60, 69 miteinan­ der gekoppelt.

In der Fig. 3c ist ein Längsschnitt durch den Ring 8 gezeigt, auf dem sich der Kühl­ flüssigkeitsführungskanal 60 befindet. Ein Teil des Verbindungsstücks 32 ist hierbei ebenfalls erkennbar.

Die Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spule, bei der kein Windungsversatz auftritt. Wie besonders deutlich aus den Fig. 2 ersichtlich, müs­ sen bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Zwischenräume x zwischen den einzelnen Ringe 6 bis 13 seitlich versetzt werden, wenn senkrechte Verbindungsteile 30 bis 36 zum Einsatz kommen. Die Öffnungen x zwischen den einzelnen Windungen wandern somit gewissermaßen von links oben nach rechts unten.

Um diesen Versatz zu vermeiden, kann eine Spule gemäß Fig. 4 verwendet werden, von der nur Teile dargestellt sind. Bei dieser Spule 70 werden die Enden der einzelnen Ringe 6 bis 11 nicht mit vertikalen, sondern mit schrägen Verbindungsstücken 71 bis 77 miteinander verbunden. Durch diese Maßnahme können die Enden der Ringe 6 bis 11 alle mit den gleichen vertikalen Linien abschließen.

Die Ringe 6 bis 11 sind hierbei wieder mit Kühlvorrichtungen versehen, die aus je­ weils einem Kühlflüssigkeitsführungskanal 80 bis 93 mit seitlichen Flanschen 94 bis 101 etc. bestehen. Die Verbindungsstücke 71 bis 77 weisen ebenfalls solche Kühlflüs­ sigkeitskanäle 200 bis 205 mit entsprechenden Flanschen 206 bis 209 etc. auf. Mit 220 bis 226 etc. sind geschnittene Enden von Kühlschläuchen bezeichnet, die ähnlich wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 3 die einzelnen Kühlkanäle miteinander verbinden.

Obgleich bei den bisherigen Darstellungen der erfindungsgemäßen Spule davon aus­ gegangen wurde, dass es sich bei den einzelnen Windungen um kreisförmige Ringe handelt, versteht es sich, dass auch jede andere Form einer offenen Schleife verwendet werden kann, beispielsweise eine ovale Form, eine rechteckige, fünfeckige oder son­ stige Form.

Die Fig. 5 zeigt, ähnlich wie die Fig. 3c, einen Ring 8 im Längsschnitt. Dieser Ring 8 wird jedoch nicht starr in einer lösbaren Stellung gehalten, sondern ist vertikal beweg­ lich, was durch den Doppelpfeil 300 angedeutet ist. Die vertikale Bewegung erfolgt hierbei mittels eines Elektromotors 301, der eine Spindelwelle 302 aufweist, welche eine Mutter 303 mit Innengewinde antreibt, die mit einem Zapfen 304 gekoppelt ist, an dessen Ende sich der Ring 8 befindet. Die Drehbewegung der Spindelwelle 302 wird hierdurch in eine Vertikalbewegung des Zapfens 304 umgesetzt. Die Zapfen 304 ragt durch den Schlitz 305 eines Gehäuses 306, das mit einer der Stangen 50 bis 53 der Fig. 2 vergleichbar ist. Der Elektromotor 301 ruht auf einem Boden 307, der mit dem Ge­ häuse 306 verbunden ist.

Der in der Fig. 5 nur als Prinzip und nur für einen Ring dargestellte Antrieb kann selbstverständlich auch für mehrere Ringe vorgesehen sein.

Um zwei benachbarte Ringe einander zu nähern oder voneinander zu entfernen, müs­ sen die Antriebe entsprechend angesteuert werden.

Werden die Temperaturverläufe über die Höhe eines Quarzrohrofens erfasst, bei­ spielsweise mittels Thermoelementen, so kann ein entsprechendes Temperaturprofil erstellt werden. Dieses Temperaturprofil kann dann mit Hilfe einer Regeleinrichtung, welche die Ringe verstellt, von einem nicht-idealen Profil in ein ideales Profil abgeän­ dert werden.

Damit lassen sich die Abstände h₁ bis h₃ gemäß Fig. 2 so einstellen, dass ein idealer Wärmezustand im Quarzrohrofen herrscht.

Die Verbindungselemente 30 bis 36 zwischen den einzelnen Ringen 6 bis 13 sind in­ dessen in der Regel starr und lassen eine vertikale Relativbewegung der Ringe nicht zu. Um die Verbindungselemente 30 bis 36 nicht mit der Hand ab- und wieder anmon­ tieren zu müssen, können statt starren Verbindungselementen auch flexible Verbin­ dungselemente verwendet werden, die hohe Ströme leiten.

In der Fig. 6 ist das Prinzip einer Regeleinrichtung dargestellt, mit welchem der Ab­ stand zwischen den einzelnen Ringen automatisch verändert werden kann, wenn flexi­ ble Verbindungselemente, beispielsweise bestehend aus Kupferkabel, als Verbin­ dungsstücke verwendet werden.

Mit 121 ist hierbei ein Ofen bezeichnet, der mit erfindungsgemäßen Ringen umgeben ist, die jedoch in der Fig. 6 nicht dargestellt sind. Über die ganze Höhe des Ofens sind Temperaturfühler 122 bis 131 vorgesehen, die über Leitungen 132 mit einer Regelein­ richtung 133 verbunden sind. In dieser Regeleinrichtung wird das von den Temperatur­ fühlern 122 bis 131 übermittelte Ist-Temperaturprofil mit einem für die jeweils aktu­ elle Charge geltenden Soll-Temperaturprofil verglichen. Entsprechend den Abwei­ chungen zwischen Ist- und Soll-Temperaturprofil werden sodann die Antriebe 134, 135, 136, welche mit den Ringen gekoppelt sind, in der Weise gesteuert, dass sich im Ofen 121 ein ideales Temperaturprofil einstellt.

Statt mit Hilfe von Thermoelementen (vgl. DE 37 16 145 A1) kann das Temperatur­ profil auch mit einer Thermokamera erfasst werden (vgl. DE 39 19 920 C2).

Claims (15)

1. Spule, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• 1. 1.1 es sind mehrere übereinander angeordnete offene Schleifen (6 bis 13) vorgesehen, die in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind;
• 2. 1.2 die offenen Schleifen (6 bis 13) weisen jeweils zwei Enden (z. B. 26, 27) auf, wo­ bei diese Enden einen Abstand (x) voneinander haben;
• 3. 1.3 das jeweils eine Ende (z. B. 27) der offenen Schleife (z. B. 9) ist über jeweils ein Verbindungsstück (33) mit einem Ende (28) einer der benachbarten offenen Schleifen (10) verbunden.

2. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück einen Abstand (z. B. h₃) zwischen zwei benachbarten Schleifen (z. B. 9, 10) her­ stellt.

3. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifen (6 bis 13) kreisförmig ausgebildet sind.

4. Spule nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifen alle den gleichen Durchmesser aufweisen.

5. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils benachbarte Schleifen (z. B. 9, 10) über ihren ganzen Umfang den gleichen Abstand (z. B. h₃) voneinander haben.

6. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück (33) senkrecht zu einer Ebene verläuft, die durch eine offene Schleife (9) gebildet ist.

7. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück (z. B. 71) schräg zu einer Ebene verläuft, die durch eine offene Schleife (z. B. 6) ge­ bildet ist.

8. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an das eine offene Ende (4) der obersten Schleife (6) und an das eine offene Ende (5) der untersten Schleife (13) jeweils eine Polarität einer Spannungsquelle angeschlossen ist.

9. Spule nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsquelle eine Wechselspannung ist, sodass die Spule (1) als Induktionsspule wirkt.

10. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Ofen umgibt.

11. Spule nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Ofen um einen Quarzrohrofen handelt

12. Spule nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen mit mehreren Wärmefühlern versehen ist, mit denen ein Wärmeprofil entlang einer vorgegebenen Koordinate einstellbar ist.

13. Spule nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche aufgrund eines erfassten Ist-Wärmeprofils und eines vorge­ gebenen Soll-Wärmeprofils den Abstand (h₁, h₂, h₃) zwischen zwei oder mehreren Schleifen (6 bis 13) verändert.

14. Spule nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung wenigstens einen Elektromotor ansteuert, der eine Schleife (6 bis 13) in vertikaler Richtung antreibt

15. Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsstück flexibel und elektrisch leitend ist.