DE10257290A1

DE10257290A1 - Anordnung zur thermostatischen Induktionserwärmung von Stoffen

Info

Publication number: DE10257290A1
Application number: DE2002157290
Authority: DE
Inventors: Burkhard Weis
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-07
Filing date: 2002-12-07
Publication date: 2004-06-24

Abstract

Die Erfindung stellt ein neues Thermostatprinzip dar, das bei induktiver Erwärmung einer definierten Metallpaarung eine Konstanttemperatur dieser Materialpaarung und damit auch des kontaktierten Stoffes gewährleistet. Bei Verwendung von Nickelbasislegierungen können je nach chemischer Zusammensetzung Thermostattemperaturen im Bereich von -50 DEG C bis 600 DEG C realisiert werden. Das Thermostatprinzip arbeitet ohne Funkenbildung und ohne bewegte Teile und besitzt dadurch eine nahezu unbegrenzte Lebensdauer.

Description

In Industrie und Haushalt werden Stoffe technologisch notwendig und zeitlich begrenzt auf eine bestimmte Maximaltemperatur erwärmt (z.B. beim Pasteurisieren). Im Allgemeinen erfolgt die Erwärmung durch elektrische Heizelemente. Die Solltemperatur wird üblicherweise über ein Thermosstat geregelt. Dabei kommen verschiedene Thermosstate zur Anwendung, die elektronisch oder bei höheren Temperaturen mechanisch, z. B. mit Bi-Metallen arbeiten.

Das Patent bezieht sich auf ein neues Verfahren, dass auf einer bestimmten Anordnung von unterschiedlichen Werkstoffen mit differenzierten physikalischen Eigenschaften beruht und gegenüber der bisher verwendeten Thermostate folgende Nachteile kompensiert.

Übliche Thermostate besitzen eine relativ große Hysterese, was technologische Nachteile bringen kann. Andererseits entspricht die geringe Lebensdauer aufgrund bewegter Teile oft nicht den gewünschten Anforderungen. Darüber hinaus können Thermostate technisch bedingt nicht immer nahe der Wärmeübergangsgrenzfläche installiert werden. Die Solltemperatur weicht deshalb von der Thermostattemperatur ab. Thermostatschalter erzeugen beim Schaltvorgang einen Funken, was den Einsatz in explosionsgefährdeter Umgebung einschränkt.

Erfindungsgemäß soll die in Bild 1 dargestellte Anordnung zur Erwärmung und thermostatischen Regelung der Solltemperatur von Stoffen diese Nachteile aufheben. Die Induktionsspule 1 (Induktor) erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, welches in den umgebenden ferromagnetischen und elektrisch leitenden Werkstoff 2 Wirbelströme induziert. Als Folge seines relativ großen elektrischen Widerstandes und der Ummagnetisierungsverluste erwärmt sich der Werkstoff 2 bis zu seiner Curietemperatur. Bei dieser Temperatur verliert der Werkstoff seinen Ferromagnetismus. Die Wirbelströme werden nun oberhalb der Curietemperatur in Werkstoff 3 induziert. Wenn dieser Werkstoff 3 eine um ein Vielfaches höherer elektrische Leitfähigkeit besitzt als Werkstoff 2 und nicht ferromagnetisch ist, erfolgt keine weitere Erwärmung beider Werkstoffe. Der Wärmedurchgang erfolgt somit von Werkstoff 2 über Werkstoff 3 in den zu erwärmenden Stoff 4. Bei Erreichen der Curietemperatur tritt ein thermostatischer Gleichgewichtszustand ein, indem ein Teil der Wirbelströme in Werkstoff 2 und ein anderer Teil in Werkstoff 3 induziert wird. Der zu erwärmende Stoff 4 kann maximal die Curietemperatur des Werkstoffes 2 annehmen. Der Werkstoff 2 mit seiner werkstoffspezifischen Curietemperatur, die über die chemische Zusammensetzung variierbar ist, legt die zu regelnde maximale Temperatur eines beliebigen Mediums fest.
Vorzugsweise werden für Werkstoff 2 Nickelbasislegierungen (Ni > 30%, Cr < 15%, Rest Fe) oder ferromagnetische Stähle in Form von Blechen oder aufgebrachten Oberflächenschichten bzw. Überzügen verwendet. Die Solltemperatur lässt sich über die chemische Zusammensetzung der Legierungen in weiten Grenzen variieren.
So ist z.B. mit einer Nickelbasislegierung mit 55% Ni, 15% Cr und 30% Fe die Curietemperatur von 100°C realisierbar. Die Nickelbasislegierungen mit weiter abgesenktem Legierungspotenzial liegen darüber und lassen sich bis auf Temperaturen von 600°C erhöhen. Nickelbasislegierungen mit beispielsweise höherem Chromgehalt liegen unterhalb 100°C und können bis zu tiefsten Temperaturen abgesenkt werden. So können je nach Anwendungsfall Temperaturen unter Raumtemperatur, z.B. für Wasserbehälter ohne Frostschutzmittel, als auch oberhalb Raumtemperatur , z.B. für Kochtöpfe für Induktionsherde, realisiert werden.
Für Werkstoff 3 wird ein Werkstoff mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Aluminium oder Kupfer, verwendet.
Die Leistungselektronik 5 regelt die elektrische Leistung der Induktionsspule 1 so, dass bis zum Erreichen der Curietemperatur der Maximalstrom die Induktionsspule 1 durchfließt und danach ein zum Erhalt der Curietemperatur notwendiger Minimalstrom eingeregelt wird.

Claims

Anordnung zur thermostatischen Induktionserwärmung von Stoffen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Induktionsspule (1), ein ferromagnetischer Werkstoff (2) mit niedriger elektrischer Leitfähigkeit, ein nicht ferromagnetischer Werkstoff (3) mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und der zu erwärmende Stoff (4) hintereinander in dieser Reihenfolge angeordnet sind, so dass primär nur der ferromagnetische Werkstoff (2) induktiv bis zu seiner werkstoffspezifischen Curietemperatur erwärmt wird und danach ein Teil der Wirbelströme in den gut elektrisch leitenden Werkstoff (3) induziert wird, was zu keiner weiteren Erwärmung führt. Bei der Curietemperatur stellt sich ein thermostatischer Gleichgewichtszustand ein, der bewirkt, dass der zu erwärmende Stoff (4) maximal Curietemperatur annehmen kann.
Anordnung zur thermostatischen Induktionserwärmung von Stoffen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für die Erreichung des thermostatischen Gleichgewichtszustandes die Anpassung der elektrischen Induktionsleistung an die Konstruktion erforderlich ist.
Anordnung zur thermostatischen Induktionserwärmung von Stoffen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass sich der zu erwärmende Stoff (4) in einem Extrabehälter oder Ähnlichem befindet, erst die Behälterwand und danach der zu erwärmende Stoff (4) von dem nicht ferromagnetischen Werkstoff (3) erwärmt wird.
Anordnung zur thermostatischen Induktionserwärmung von Stoffen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der ferromagnetische Werkstoff (2) vorzugsweise durch ferromagnetische Bleche oder Beschichtungen bzw. Überzüge von Nickelbasislegierungen gebildet wird.
Anordnung zur thermostatischen Induktionserwärmung von Stoffen nach Anspruch 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, dass die einzustellende Maximaltemperatur des zu erwärmenden Stoffes über die chemische Zusammensetzung des ferromagnetischen Werkstoffes (2) einstellbar ist.
Anordnung zur thermostatischen Induktionserwärmung von Stoffen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Induktionsspule (1) und dem ferromagnetischen Werkstoff (2) ein begrenzter Spalt vorhanden sein kann, der von einem elektrischen Isolator ausgefüllt sein kann.
Anordnung zur thermostatischen Induktionserwärmung von Stoffen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass für den nicht ferromagnetischen Werkstoff (3) mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise Aluminium oder Kupfer Verwendung findet. Gegebenenfalls ist die hohe Leitfähigkeit auch über einen großen Querschnitt erreichbar.
Anordnung zur thermostatischen Induktionserwärmung von Stoffen nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Energiebedarf der Induktionsspule (1) nach dem Induktionszustand der beiden Werkstoffe (2) und (3) durch eine Leistungselektronik (5) geregelt wird.