DE102009042972A1

DE102009042972A1 - Device for manipulating levitated electrically conductive substance in high frequency electromagnetic alternating field, has modification unit provided for spatial modification in effective area of electromagnetic alternating field

Info

Publication number: DE102009042972A1
Application number: DE200910042972
Authority: DE
Inventors: Vitaly Dr.-Ing. Minchenya; Christian Dr.-Ing. habil. Karcher
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2011-03-24

Abstract

The device has a modification unit (31) provided for spatial modification in an effective area of a high frequency electromagnetic alternating field. The unit for spatial modification of the high frequency electromagnetic alternating field is designed as an electrical conductor loop, which has no independent current supply. The unit for spatial modification of the high frequency electromagnetic alternating field exhibits adjustable capacitive and/or ohmic resistors. The electrical conductor loop works depending upon application in working or standby modes. An independent claim is also included for a method for manipulating a levitated electrically conductive substance.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur aktiven Manipulation einer levitierten elektrisch leitfähigen Substanz, die einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist. Dabei soll der Begriff „Manipulation” im Folgenden die Stabilisierung der freien Oberfläche einer levitierten elektrisch leitfähigen Substanz, das Positionieren einer bestimmten Menge einer levitierten elektrisch leitfähigen Substanz sowie das Kontrollieren der Bewegung und der induktiven Erwärmung einer levitierten elektrisch leitfähigen Substanz jeweils in einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld umfassen.The invention relates to a device and a method for the active manipulation of a levitated electrically conductive substance which is exposed to a high-frequency alternating electromagnetic field. In the following, the term "manipulation" is intended to stabilize the free surface of a levitated electrically conductive substance, to position a certain amount of a levitated electrically conductive substance and to control the movement and inductive heating of a levitated, electrically conductive substance in a high-frequency electromagnetic alternating field include.

In der Elektroprozesstechnik und Metallurgie werden hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder zur Formung von freien Oberflächen einer elektrisch leitfähigen Substanz eingesetzt. Es ist bekannt, dass hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder in eine elektrisch gut leitfähige Substanz, wie beispielsweise eine Flüssigmetallschmelze, aufgrund des sogenannten Skin-Effekts nicht und nur beschränkt auf die sogenannte Skintiefe eindringen können. Damit beschränken sich die Wirkungen des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds unmittelbar auf die freie Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz. Durch das elektromagnetische Wechselfeld werden sogenannte Wirbelströme induziert, die in unmittelbarer Nähe der freien Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz fließen. Nach den bekannten physikalischen Phänomenen der Magnetofluiddynamik wechselwirken die induzierten Wirbelströme mit dem angelegten elektromagnetischen Wechselfeld und erzeugen sogenannte Lorentzkräfte in der elektrisch leitfähigen Substanz. Diese Lorentzkräfte wirken ebenfalls nur in unmittelbarer Umgebung der freien Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz. Man spricht deshalb auch von einem elektromagnetischen Druck, der vom elektromagnetischen Wechselfeld aus auf die freie Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz ausgeübt wird.In electrical process engineering and metallurgy, high-frequency electromagnetic alternating fields are used for shaping the free surfaces of an electrically conductive substance. It is known that high-frequency electromagnetic alternating fields in an electrically highly conductive substance, such as a liquid metal melt, due to the so-called skin effect can not and only limited to the so-called skin depth penetrate. Thus, the effects of the high-frequency alternating electromagnetic field are limited directly to the free surface of the electrically conductive substance. The alternating electromagnetic field induces so-called eddy currents, which flow in the immediate vicinity of the free surface of the electrically conductive substance. After the known physical phenomena of magnetic fluid dynamics, the induced eddy currents interact with the applied alternating electromagnetic field and generate so-called Lorentz forces in the electrically conductive substance. These Lorentz forces also act only in the immediate vicinity of the free surface of the electrically conductive substance. Therefore, one speaks of an electromagnetic pressure exerted by the alternating electromagnetic field on the free surface of the electrically conductive substance.

Es ist bekannt, dass dieser elektromagnetische Druck dazu eingesetzt werden kann, um die elektrisch leitfähige Substanz z. B. beim Schwebeschmelzen oder bei der physikalischen Dampfabscheidung vollständig zu levitieren, oder z. B. bei Kalttiegelverfahren eine Semi-Levitation zu erzielen oder z. B. bei der elektromagnetischen Spaltabdichtung ein Auslaufen der Flüssigmetallschmelze aus einem Behälter unter Schwerkrafteinfluss zu verhindern. Der Hintergrund all dieser Anwendungen ist, dass die elektromagnetische Krafteinkopplung berührungsfrei erfolgt und somit besonders für heiße, chemisch aggressive Metallschmelzen eingesetzt werden kann.It is known that this electromagnetic pressure can be used to the electrically conductive substance z. B. levitation melting or in the physical vapor deposition completely levitate, or z. B. in cold crucible method to achieve a semi-levitation or z. B. in the electromagnetic gap seal to prevent leakage of the liquid metal melt from a container under the influence of gravity. The background of all these applications is that the electromagnetic force coupling takes place without contact and can thus be used especially for hot, chemically aggressive molten metals.

Es ist jedoch auch bekannt, dass solche elektromagnetisch geformte Oberflächen von elektrisch leitfähigen Substanzen verstärkt zu Instabilitäten neigen. Beispielsweise kann eine vollständig levitierte Menge einer Metallschmelze durch bei einem bestimmten Schwellenwert des elektromagnetischen Drucks an der freien Oberfläche angefachte sogenannte Maxwellkräfte in eine starke Rotationsbewegung versetzt werden. Die dadurch induzierten Zentrifugalkräfte bewirken eine starke Änderung der freien Oberfläche der levitierten Schmelzenmenge. Damit einher geht aufgrund des so genannten Skin-Effekts eine starke räumliche Änderung des angelegten elektromagnetischen Wechselfelds, wodurch der Levitationsprozess zusammenbricht. Daneben können bei einem bestimmten Schwellenwert des an der freien Oberfläche angelegten elektromagnetischen Drucks semi-levitierte Flüssigmetalltropfen zu starken Oszillationen angeregt werden, die bis zum Zerreißen der Tropfen führen. Hierdurch bricht der Semi-Levitationsprozess ebenfalls zusammen. Schließlich kann beim elektromagnetischen Spaltabdichten die ebene freie Oberfläche eines Flüssigmetalls zu Pinchinstabilitäten angeregt werden. Dabei bilden sich fingerförmige Vertiefungen an der Oberfläche aus, welche die elektromagnetische Abdichtwirkung zusammenbrechen lassen.However, it is also known that such electromagnetically shaped surfaces of electrically conductive substances tend increasingly to instabilities. For example, a fully levitated amount of a molten metal can be set into a strong rotational movement by so-called Maxwell forces, which are fanned at a certain threshold value of the electromagnetic pressure at the free surface. The centrifugal forces induced thereby cause a large change in the free surface of the levitated amount of melt. This is due to the so-called skin effect, a strong spatial change of the applied electromagnetic alternating field, whereby the levitation process collapses. In addition, at a certain threshold of electromagnetic pressure applied to the free surface, semi-levitated liquid metal droplets can be excited to strong oscillations leading to rupture of the droplets. This also breaks down the semi-levitation process. Finally, in electromagnetic gap sealing, the planar free surface of a liquid metal can be excited to pinch instabilities. In the process, finger-shaped depressions form on the surface, which cause the electromagnetic sealing effect to collapse.

Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Anordnungen und Verfahren bekannt, mit denen solche Instabilitäten von freien Oberflächen elektrisch leitfähiger Substanzen aktiv verhindert oder der Schwellenwert des elektromagnetischen Drucks für das Einsetzen der Instabilitäten aktiv deutlich erhöht werden soll. Dabei werden zum einen spezielle geometrische Anordnungen von elektromagnetischen Induktoren zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfelds vorgeschlagen. Zum anderen werden Anordnungen vorgeschlagen, bei denen dem primären elektromagnetischen Wechselfeld weitere statische oder zeitabhängige elektromagnetische Felder überlagert werden.From the prior art, a number of arrangements and methods are known, with which such instabilities of free surfaces of electrically conductive substances actively prevented or the threshold value of the electromagnetic pressure for the onset of instabilities should be actively increased significantly. In this case, on the one hand, special geometric arrangements of electromagnetic inductors for generating the electromagnetic alternating field are proposed. On the other hand, arrangements are proposed in which the primary electromagnetic alternating field is superimposed by further static or time-dependent electromagnetic fields.

In der Patentschrift US 5,394,432 wird zur Stabilisierung einer zu levitierenden Flüssigmetallschmelze vorgeschlagen, eine bestimmte Anzahl von Segmenten aus elektrisch leitfähigem Festkörpermaterial in der felderzeugenden Spule derart zu platzieren, dass ein Dämpfungseffekt auf Formänderungen der levitierten Flüssigmetallschmelze ausgeübt wird. Der Nachteil der Anordnung ist, dass es sich lediglich um eine passive Stabilisierungsmaßnahme handelt, bei der keinerlei aktive Kontrolle möglich ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei einer Veränderung des Schmelzvolumens oder bei einer Änderung der Schmelzenzusammensetzung die spezielle Form und die Anordnung der Segmente ebenfalls geändert werden müssen.In the patent US 5,394,432 For stabilizing a liquid metal melt to be levitated, it is proposed to place a certain number of segments of electrically conductive solid material in the field-generating coil such that a damping effect is exerted on changes in shape of the levitated liquid metal melt. The disadvantage of the arrangement is that it is only a passive stabilization measure in which no active control is possible. Another disadvantage is that if the melt volume is changed or the composition of the melt changes, the specific shape and arrangement of the segments must also be changed.

In der Patentschrift WO 01/26424 A1 wird als Stabilisierungsmaßnahme vorgeschlagen, dem hochfrequenten elektromagnetischen Primärfeld ein weiteres starkes magnetisches Gleichfeld zu überlagern, das durch einen starken Feldgradienten gekennzeichnet ist. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Erzeugung solch starker statischer Magnetfelder mit hohem Feldgradienten sehr aufwändig und teuer ist. Außerdem gelingt durch diese Anordnung keine Stabilisierung von Oberflächeninstabilitäten, die durch geringe Anwachsraten gekennzeichnet sind. In the patent WO 01/26424 A1 is proposed as a stabilization measure to superimpose the high-frequency electromagnetic primary field another strong magnetic constant field, which is characterized by a strong field gradient. The disadvantage of this method is that the generation of such strong static magnetic fields with high field gradients is very complicated and expensive. In addition, this arrangement does not stabilize surface instabilities, which are characterized by low growth rates.

In den Patentschriften WO 2006/128532 A1 , US 5,150,272 und WO 2006/021245 wird als Stabilisierungsmaßnahme vorgeschlagen, dem hochfrequenten elektromagnetischen Primärfeld weitere elektromagnetische Wechselfelder zu überlagern, die durch in spezieller Weise angeordnete weitere elektromagnetische Induktoren erzeugt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine sehr aufwändige und teuere Speisespannungsquelle und elektromagnetische Schwingkreise zur Erzeugung der notwendigen elektrischen Ströme mit unterschiedlichen Frequenzen installiert werden müssen. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine solche Anordnung mit mehreren Speiseströmen unterschiedlicher Frequenz schwer regelbar ist und sich die Frequenzen der Speiseströme während des Levitationsprozesses nicht verändern lassen. Somit ist auch bei diesem Verfahren die Möglichkeit der aktiven Kontrolle sehr eingeschränkt.In the patents WO 2006/128532 A1 . US 5,150,272 and WO 2006/021245 is proposed as a stabilization measure to superimpose the high-frequency primary electromagnetic field more electromagnetic alternating fields, which are generated by specially arranged in further electromagnetic inductors. The disadvantage of this method is that a very complex and expensive supply voltage source and electromagnetic resonant circuits for generating the necessary electrical currents with different frequencies must be installed. Another disadvantage of this method is that such an arrangement with multiple feed streams of different frequencies is difficult to control and the frequencies of the feed streams can not be changed during the levitation process. Thus, even with this method, the possibility of active control is very limited.

In der Patentschrift WO 2006/087463 A1 wird als Stabilisierungsmaßnahme vorgeschlagen, dem hochfrequenten elektromagnetischen Primärfeld ein starkes homogenes magnetisches Gleichfeld zu überlagern. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen in der ebenfalls aufwändigen Stromversorgung für die Erzeugung des magnetischen Gleichfelds und der Tatsache, dass durch ein homogenes Gleichfeld nur Oberflächeninstabilitäten gedämpft werden können, die in eine bestimmte bevorzugte Raumrichtung wachsen.In the patent WO 2006/087463 A1 is proposed as a stabilization measure to superimpose the high frequency electromagnetic primary field, a strong homogeneous DC magnetic field. The disadvantages of this method consist in the equally complex power supply for the generation of the DC magnetic field and the fact that can be damped by a homogeneous DC field only surface instabilities that grow in a particular preferred spatial direction.

In der Patentschrift US 2,957,064 wird als Stabilisierungsmaßnahme vorgeschlagen, in die Levitationsanordnung an bestimmten Stellen passive Festkörperelemente wie Ringe, Zylinder, Scheiben oder Stäbe aus gut elektrisch leitfähigen Material einzubauen. Die Wirkweise dieser passiven Elemente besteht darin, dass in ihnen durch das hochfrequente elektromagnetische Primärfeld elektrische Wirbelströme induziert werden, die selbst ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen. Dieses sekundäre elektromagnetische Wechselfeld kann die Wirkung des elektromagnetischen Primärfelds an diesen Stellen abschwächen oder gänzlich kompensieren. Dadurch können an diesen Stellen keine elektromagnetisch induzierten Oberflächeninstabilitäten in der levitierten Flüssigmetallschmelze angefacht werden. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es sich nur um eine passive Maßnahme handelt und dass bei einer Änderung des Volumens der zu levitierenden Schmelze die Bauform des Elements oder die Anordnung des Elements geändert werden muss.In the patent US 2,957,064 is proposed as a stabilization measure to incorporate passive solid state elements such as rings, cylinders, disks or rods of good electrically conductive material in the levitation at certain points. The mode of action of these passive elements is that in them by the high-frequency electromagnetic primary field electrical eddy currents are induced, which themselves generate an electromagnetic alternating field. This secondary alternating electromagnetic field can attenuate or completely compensate for the effect of the primary electromagnetic field at these locations. As a result, no electromagnetically induced surface instabilities in the levitated liquid metal melt can be fanned at these points. The disadvantage of this method is that it is only a passive measure and that when changing the volume of the melt to be levitated, the design of the element or the arrangement of the element must be changed.

Wie in EP 0691163B1 beschrieben, ist daneben ein Verfahren zum Verbinden von Metallteilen bekannt, bei dem ein magnetisches Wechselfeld sich durch die Metallteile in Richtung von deren Dicke erstreckt, um eine Wirbelstromerwärmung durchzuführen. Dabei wird ein anderes magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in Bezug auf das erste magnetische Wechselfeld entgegengesetzt gerichtet ist. Dadurch kann in den Metallteilen eine bestimmte Temperaturverteilung erzielt werden. Die in EP 0691163B1 beschriebene Methode hat jedoch keine Adaptivität im Bezug auf zeitliche Formveränderung der Metallteile oder elektrisch leitfähiger Flüssigkeiten. Der Anwendungsbereich dieses Verfahrens ist auf die Kontrolle der Temperaturverteilung in den statischen Festkörperteilen beschränkt.As in EP 0691163B1 In addition, there is known a method for joining metal parts, in which an alternating magnetic field extends through the metal parts in the direction of the thickness thereof to perform eddy current heating. In this case, another alternating magnetic field is generated, which is directed opposite to the first alternating magnetic field. As a result, a certain temperature distribution can be achieved in the metal parts. In the EP 0691163B1 However, the method described has no adaptivity with respect to temporal change in shape of the metal parts or electrically conductive liquids. The scope of this method is limited to the control of the temperature distribution in the static solid parts.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Manipulieren einer levitierten elektrisch leitfähigen Substanz, die sich in einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld befindet, bereitzustellen, so dass die freie Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz aktiv stabilisiert, eine bestimmte Menge der elektrisch leitfähigen Substanz berührungsfrei positioniert sowie die Bewegung. und die induktive Erwärmung der freien Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz aktiv kontrolliert werden kann.The object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and to provide an apparatus and a method for manipulating a levitated electrically conductive substance, which is located in a high-frequency alternating electromagnetic field, so that the free surface of the electrically conductive substance actively stabilized, a certain amount of electrically conductive substance positioned contactless as well as the movement. and the inductive heating of the free surface of the electrically conductive substance can be actively controlled.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch die Merkmale des ersten Patentanspruches und verfahrensseitig durch die Merkmale des vierten Patentanspruches gelöst. Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Patentansprüche 2 und 3 gekennzeichnet, während bevorzugte weitere Ausgestaltungen des Verfahrens in den Patentansprüchen 5 und 6 angegeben sind.According to the invention, this object is achieved on the device side by the features of the first claim and on the method side by the features of the fourth claim. Preferred further embodiments of the device according to the invention are characterized in the claims 2 and 3, while preferred further embodiments of the method in the claims 5 and 6 are given.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen dieselben Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, näher erläutert wird. Es zeigt:Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description part, in which the invention with reference to the accompanying drawings, in which the same reference numerals designate like parts, is explained in more detail. It shows:

1 – eine elektrische Leiterschleife im Arbeitsmodus (Kurzschlussmodus) 1 - an electrical conductor loop in working mode (short circuit mode)

2 – eine elektrische Leiterschleife im Bereitschaftsmodus 2 - An electrical conductor loop in standby mode

3 – eine elektrische Leiterschleife im Arbeitsmodus (Resonanzkreismodus) 3 - an electrical conductor loop in working mode (resonant circuit mode)

4 – Vorrichtung zur elektromagnetischen Levitation ohne Mittel zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes 4 - Device for electromagnetic levitation without means for modifying the high-frequency alternating electromagnetic field

5 – Vorrichtung zur elektromagnetischen Levitation mit einem Mittel zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes 5 - Device for electromagnetic levitation with a means for modifying the high-frequency alternating electromagnetic field

Erfindungsgemäß wird die vorliegende Aufgabe durch ein Mittel zur aktiven räumlichen Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes gelöst, welches im Wirkungsbereich des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds angeordnet wird. Wie in 1 dargestellt, ist dieses Mittel zur aktiven räumlichen Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes in einer bevorzugten Ausführungsform eine elektrische Leiterschleife (12). Dabei werden eine oder mehrere dieser elektrischen Leiterschleifen (12) nach einem vorgegebenen Schema in der Nähe der elektrisch leitfähige Substanz angeordnet, welche dem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird.According to the invention, the present object is achieved by a means for active spatial modification of the high-frequency alternating electromagnetic field, which is arranged in the effective range of the high-frequency electromagnetic alternating field. As in 1 is shown, this means for active spatial modification of the high-frequency alternating electromagnetic field in a preferred embodiment, an electrical conductor loop ( 12 ). One or more of these electrical conductor loops ( 12 ) according to a predetermined pattern in the vicinity of the electrically conductive substance which is exposed to the high-frequency electromagnetic alternating field.

Diese elektrischen Leiterschleifen (12) zur räumlichen Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds sind dadurch gekennzeichnet, dass sie keine eigene Stromversorgung aufweisen. Ein elektrischer Stromfluss in der elektrischen Leiterschleife (12) wird allein durch die bekannte physikalische Erscheinung der elektromagnetischen Induktion aufgrund der Wirkung des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds hervorgerufen. Der in der elektrischen Leiterschleife (12) induzierte elektrische Stromfluss generiert wiederum sein eigenes sekundäres elektromagnetisches Wechselfeld. Wach der bekannten Lenzschen Regel wirkt dieses sekundäre elektromagnetische Wechselfeld derart, dass es seine Ursache – das von außen aufgeprägte primäre elektromagnetische Wechselfeld – abschwächt. Die damit verbundene Änderung der räumlichen Verteilung des primären elektromagnetischen Wechselfelds bewirkt eine Änderung des elektromagnetischen Drucks, der auf die freie Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz wirkt (siehe 4 und 5).These electrical conductor loops ( 12 ) for the spatial modification of the high-frequency alternating electromagnetic field are characterized in that they do not have their own power supply. An electric current flow in the electrical conductor loop ( 12 ) is caused solely by the well-known physical phenomenon of electromagnetic induction due to the effect of the high-frequency alternating electromagnetic field. The in the electrical conductor loop ( 12 ) induced electrical current flow in turn generates its own secondary alternating electromagnetic field. Wake up the well-known Lenz's rule, this secondary electromagnetic alternating field acts such that it attenuates its cause - the impressed from the outside primary electromagnetic alternating field. The associated change in the spatial distribution of the primary alternating electromagnetic field causes a change in the electromagnetic pressure acting on the free surface of the electrically conductive substance (see 4 and 5 ).

Es liegt im Sinne der Erfindung, dass die elektrische Leiterschleife (12) je nach Anwendung in einem Arbeits- oder Bereitschaftsmodus arbeiten kann. Im Arbeitsmodus arbeitet das Mittel zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds je nach Ausführungsform im Kurzschluss-Modus (siehe 1) oder im Resonanzkreis-Modus (siehe 3). Im Bereitschaftsmodus sind die Kontakte des Mittels zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds geöffnet, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird (siehe 2).It is within the meaning of the invention that the electrical conductor loop ( 12 ) can work in a work or standby mode depending on the application. In working mode, the means for modifying the high-frequency alternating electromagnetic field, depending on the embodiment operates in short-circuit mode (see 1 ) or in resonant circuit mode (see 3 ). In standby mode, the contacts of the high-frequency electromagnetic alternating field modification means are opened, interrupting the flow of current (see 2 ).

Im Resonanzkreis-Modus werden durch eine geeignete Schaltungseinheit kapazitive und/oder ohmsche Widerstände in den Stromkreis des Mittels eingeschaltet. Es liegt im Sinne der Erfindung, dass diese Widerstände sämtlich von außen regelbar sind. Es liegt weiterhin im Sinne der Erfindung, dass die Arbeitsmodi des Mittels zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds durch eine geeignete Steuereinheit schnell und beliebig oder nach einem vorgegebenen Algorithmus verändert werden können. Es liegt ebenso im Sinne der Erfindung, dass die Leiterschleife räumlich bewegt werden kann und somit ein berührungsfreies Positionieren einer bestimmten Menge einer elektrisch leitfähigen Substanz mit freier Oberfläche möglich ist, die sich im Wirkbereich eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld befindet. Es liegt des Weiteren im Sinn der Erfindung, dass mit der durch das aktive Mittel zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds verursachten Änderung der räumlichen Verteilung des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds dessen induktive Heizwirkung auf die elektrisch leitfähige Substanz geändert wird. Dadurch gelingt die aktive Kontrolle der induktiven Erwärmung und der Bewegung der freien Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz, die einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist. Beispielsweise gelingt durch ein solches Mittel die aktive Stabilisierung der freien Oberfläche einer vollständig levitierten oder teilweise levitierten Flüssigmetallmenge.In the resonant circuit mode capacitive and / or ohmic resistors are switched into the circuit of the means by a suitable circuit unit. It is within the meaning of the invention that these resistors are all controllable from the outside. It is also within the meaning of the invention that the working modes of the means for modifying the high-frequency electromagnetic alternating field by a suitable control unit can be changed quickly and arbitrarily or according to a predetermined algorithm. It is also within the meaning of the invention that the conductor loop can be moved spatially and thus a contact-free positioning of a certain amount of an electrically conductive substance with a free surface is possible, which is in the effective range of a high-frequency alternating electromagnetic field. It is also within the meaning of the invention that with the caused by the active means for modifying the high-frequency alternating electromagnetic field change in the spatial distribution of the high-frequency alternating electromagnetic field whose inductive heating effect is changed to the electrically conductive substance. This allows the active control of the inductive heating and the movement of the free surface of the electrically conductive substance which is exposed to a high-frequency electromagnetic alternating field. By way of example, active stabilization of the free surface of a completely levitated or partially levitated amount of liquid metal is achieved by such an agent.

Es wird darauf hingewiesen, dass die vorstehenden Ausführungen derart zu verstehen sind, dass sie die Wirkungsweise des Mittels zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds beispielhaft erklären.It should be noted that the above explanations are to be understood as exemplifying the operation of the means for modifying the high-frequency alternating electromagnetic field.

In 1 ist das erfindungsgemäße aktive Mittel zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds als eine elektrische Leiterschleife (12) dargestellt, die aus Kupfer oder Silber gefertigt ist und deren Enden im Kurzschluss-Modus geschlossen sind (11). In diesem Modus wird durch die elektrische Leiterschleife (12) ein sekundäres elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, dass die Wirkung des primären hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds lokal fast vallständig kompensiert. Es entsteht ein lokales elektromagnetisches Loch.In 1 is the active agent for modifying the high-frequency electromagnetic alternating field according to the invention as an electrical conductor loop ( 12 ), which is made of copper or silver and whose ends are closed in short-circuit mode ( 11 ). In this mode, the electrical conductor loop ( 12 ) generates a secondary alternating electromagnetic field that compensates for the effect of the primary high-frequency electromagnetic alternating field locally almost completely. The result is a local electromagnetic hole.

Nach 2 kann das erfindungsgemäße aktive Mittel zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds im Bereitschafts-Modus, also mit geöffneten Enden, betrieben werden. Dadurch wird der Stromfluss unterbrochen und es findet keine merkliche Änderung der räumlichen Verteilung des primären hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds statt.To 2 For example, the active agent according to the invention for modifying the high-frequency alternating electromagnetic field can be operated in standby mode, ie with open ends. As a result, the flow of current is interrupted and there is no noticeable change in the spatial Distribution of the primary high-frequency electromagnetic alternating field instead.

In 3 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen aktiven Mittels zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds gezeigt. Es besteht aus einer geschlossenen Leiterschleife, in deren Stromkreis ein kapazitiver Widerstand und/oder ein ohmscher Widerstand integriert sind. In dieser Ausführungsform arbeitet das erfindungsgemäße Mittel zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds im Resonanzkreis-Modus. Nach den bekannten Regeln der Elektrotechnik lassen sich durch die Größe dieser Widerstände sowohl die Frequenz als auch die Stromstärke des durch das primäre hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld induzierten sekundären Stroms einstellen. Dadurch ändern sich auch die Frequenz und die Feldstärke des sekundären elektromagnetischen Felds und damit die Wirkung des elektromagnetischen Drucks auf die freie Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Substanz, die sich im Wirkbereich der beiden elektromagnetischen Felder befindet. Erfindungsgemäß sind der kapazitive wie auch der ohmsche Widerstand durch eine geeignete Regeleinheit schnell steuerbar, so dass eine aktive Stabilisierung der Bewegung der freien Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Substanz erzielt wird.In 3 a further embodiment of an active agent for the modification of the high-frequency alternating electromagnetic field according to the invention is shown. It consists of a closed conductor loop in whose circuit a capacitive resistor and / or an ohmic resistor are integrated. In this embodiment, the inventive means for modifying the high-frequency alternating electromagnetic field operates in the resonant circuit mode. According to the known rules of electrical engineering can be adjusted by the size of these resistors, both the frequency and the current of the induced by the primary high-frequency electromagnetic alternating field secondary current. As a result, the frequency and the field strength of the secondary electromagnetic field and thus the effect of the electromagnetic pressure on the free surface of an electrically conductive substance, which is located in the effective range of the two electromagnetic fields. According to the invention, the capacitive as well as the ohmic resistance by a suitable control unit can be controlled quickly, so that an active stabilization of the movement of the free surface of an electrically conductive substance is achieved.

4 zeigt das bekannte Verfahren der elektromagnetischen Levitation. Durch die Wirkung einer in geeigneter Weise angeordneten Levitationsspule (25) und einer Gegenspule (24), welche beide von einem hochfrequenten elektrischen Wechselstrom durchflossen werden, wird eine bestimmte Menge einer elektrisch leitfähigen Substanz (22) im schmelzflüssigem Zustand in Schwebe gehalten. Es wird ein primäres elektromagnetisches Wechselfeld mit räumlichen Feldlinienverlauf (23) und (21) erzeugt. 4 shows the known method of electromagnetic levitation. By the action of a suitably arranged levitation coil ( 25 ) and a counter-coil ( 24 ), which are both traversed by a high-frequency alternating electrical current, a certain amount of an electrically conductive substance ( 22 ) held in suspension in the molten state. It becomes a primary electromagnetic alternating field with spatial field line course ( 23 ) and ( 21 ) generated.

5 zeigt die Wirkung eines aktiven Mittels zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds (31), dass im Wirkbereich des primären hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds angeordnet ist. Durch das Mittel zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds (31) ändert sich der räumliche Feldlinienverlauf (21) und (23) des primären Wechselfelds. Inder Nähe des aktiven Mittels zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds (31) entsteht ein elektromagnetisches Loch (30). Dadurch ändert sich auch die Form der freien Oberfläche der elektrisch leitfähigen im schmelzflüssigen Zustand levitierten Substanz (22), die sich im Wirkbereich des primären elektromagnetischen Wechselfelds befindet. 5 shows the effect of an active agent for the modification of the high-frequency electromagnetic alternating field ( 31 ), which is arranged in the effective range of the primary high-frequency electromagnetic alternating field. By the means for modifying the high-frequency alternating electromagnetic field ( 31 ) changes the spatial field line course ( 21 ) and ( 23 ) of the primary alternating field. In the vicinity of the active agent for modification of the high-frequency electromagnetic alternating field ( 31 ) creates an electromagnetic hole ( 30 ). As a result, the shape of the free surface of the electrically conductive substance levitated in the molten state also changes ( 22 ), which is in the effective range of the primary alternating electromagnetic field.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1111: Kontakte des Mittels zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen WechselfeldsContacts of the means for modifying the high-frequency alternating electromagnetic field
1212: elektrische Leiterschleifeelectrical conductor loop
2121: räumlicher Feldlinienverlauf des elektromagnetischen Wechselfeldes der Gegenspulespatial field line course of the electromagnetic alternating field of the counter coil
2222: levitierte elektrisch leitfähige Substanzlevitated electrically conductive substance
2323: räumlicher Feldlinienverlauf des elektromagnetischen Wechselfeldes der LevitationsspuleSpatial field line course of the electromagnetic alternating field of the levitation coil
2424: Gegenspuleagainst coil
2525: Levitationsspulelevitation
3131: aktives Mittel zur Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldsactive means for modifying the high-frequency alternating electromagnetic field
3232: elektromagnetisches Lochelectromagnetic hole

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 5394432 [0006]
WO 01/26424 A1 [0007]
WO 2006/128532 A1 [0008]
US 5150272 [0008]
WO 2006/021245 [0008]
WO 2006/087463 A1 [0009]
US 2957064 [0010]
EP 0691163 B1 [0011, 0011]

Claims

Device for manipulating a levitated electrically conductive substance ( 22 ), which are located in a high-frequency alternating electromagnetic field of a levitation coil ( 25 ) and a counter-coil ( 24 ) is characterized in that it has at least one means for its spatial modification in the effective range of the high-frequency electromagnetic alternating field ( 31 ) having.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the means for spatial modification of the high-frequency electromagnetic alternating field ( 31 ) an electrical conductor loop ( 12 ), which has no independent power supply.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the means for spatial modification ( 31 ) of the high-frequency alternating electromagnetic field has adjustable capacitive and / or ohmic resistances.

Method for manipulating a levitated electrically conductive substance ( 22 ), which is located in a device according to one of claims 1 to 3, characterized in that by opening or closing the contacts ( 11 ) of the means for spatial modification of the high-frequency electromagnetic alternating field ( 31 ), a standby or working mode is realized, wherein the working mode is a short circuit or resonant circuit mode.

Method according to claim 4, characterized in that in the resonant circuit mode the manipulation of the levitated electrically conductive substance ( 22 ) is adjustable by changing the capacitive and / or ohmic resistances.

Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that the means for the spatial modification of the high-frequency alternating electromagnetic field ( 31 ) can be positioned at different locations in the high-frequency alternating electromagnetic field.