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Niedertemperaturheizeinrichtung für induktive Erwärmung Die Erfindung
betrifft eine Niedertemperaturheizeinrichtung für induktive Erwarmung mit einem
mit dem zu erwärmenden Material in Wärmekontakt zu bringenden zylindrischen Kein,
insbesondere Hohlkein, aus elektrisch leitendem, magnetisierbarem Material.
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Es ist in der Praxis häufig notwendig, ein Material auf eine relativ
niedrige Temperatur zu erwärmen. So ist es bei Strangpressen für plastische Materialien
erforderlich, dieses Material vor dem eigentlichen Verpressen auf eine. vorbestimmte,
relativ niedrige Temperatur zu bringen. Auch während des Pressens kann eine Erwärinung,
und zwar auch mit einem vorbestimniten Temperaturverlauf entlang dem Preßstrang
notwendig werden. Neben der Widerstandserwärmung hat man für derartige Zwecke auch
bereits eine induktive Erwärmung verwendet, da die geringe Lebensdauer der Widerstandsheizelemente
häufig nachteilig ist.
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Bei der induktiven Erwärmung ist der Induktor normalerweise aus einem
Kupferleiter als Zylinderspule gewickelt und auf den zu erwärmen-den Körper, z.
B. den Preßkanal, unter Zwischenschaltung einer Isolierung aufgeschoben. Dabei erwärmt
sich die Spule beträchtlich, und zwar einmal durch die eIcktrischen Verluste im
Leiter und durch Wärmeaufnahme von dem zu erwärmenden Körper. Eine intensive Kühlung
durch Gebläse oder durch Kühlwasser ist daher unerläßlich, um die Verluste niedrig
zu halten. Die Spule besitzt einen relativ schlechten Wirkungsgrad und schlechten
Leistungsfaktor (cos 99), und außerhalb der Spule tritt ein starkes magnetisches
Wechselfeld auf, das die magnetisch leitenden Konstruktionsteile erwärmen kann,
wenn sich diese in ihrer Nähe befinden. Wenn die Konstraktionsteile nicht in einer
genügenden Entfernung von der Spule angeordnet werden können, ist es notwendig,
einen Leitungsweg für den magnetischen Fluß aus Transformatorblechen zu bilden oder
ihn durch eine Kurzschlußwindung zu unterdrücken. Die ganze Wärme, welche durch
das Kühlwasser oder die Luft abgeleitet ist, geht verloren, was sich ungünstig auf
den elektrischen Wirkungsgrad des Induktors auswirkt. Der schlechte Leistungsfaktor
muß durch den Anschluß einer entsprechenden Kapazität der Kondensatoren, welche
die induktive Blindleistung der Spule decken, erhöht werden.
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Es ist bereits eine Wirbelstromheizeinrichtung bekannt, die aus einer
Primärspule und einer Sekundärspule besteht und bei der die Sekundärspule ein mit
schraubenformigen Vertiefungen versehener Hohl zylinder ist. In diesen Vertiefungen
sind die Windungen der Primärspule isoliert eingebettet. Auf den Hohlzylinder ist
ein die Vertiefung abschließender zylindrischer Mantel fest aufgezogen. Der äußere
Mantel dient zur Aufnahme des außerhalb der Spule liegenden Teils des Magnetflusses,
also zur Verhinderung des Auftretens von merklichen Streufeldern. Abgesehen davon,
daß dieser Mantel als Kurzschlußwindung wirkt, nimmt er aus dem indukÜv zu erwärmenden
Zylinder infolge des guten Wärmekontaktes große Wärmemengen auf, die er an die Umgebung
abstrahlt. Der Wirkungsgrad ist zwar besser, als bei den offenen Induktionsspulen,
jedoch für viele Fälle wenig befriedigend.
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Es ist weiter eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Gesenkes zum Sintern
pulverförrnigen Materials unter hohem Druck bekannt, bei der die, Erwärmung mittels
hochfrequenter Wechselströme erfolgt. lEerbei ist das Gesenk sehr dünnwandig ausgebildet,
um Heizenergie einzusparen. Um den Druck beim Sintern aufnehmen zu können, ist das
dünnwandige Gesenk außen von eng anliegenden keramischen Schalen umgeben, welche
dazu dienen, die Druckkräfte aufzufangen. Die Schalen werden durch radiale Stützen
in
ihrer Lage gehalten, die sich mit - ihrem äußeren Ende an der Innenwand eines
konzentrischen Stahlrohres abstützen. Die radialen Stützen tragen konzentrische
Bohrungen zur Aufnahme der Induktionsspule. Durch einen Käfig od. dgl. kann
das, Wechsel-feld von dem äußeren Stahlrohr ferngehalten werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad solcher
Niedertemperaturheizeinrichtungen der eingangs bezeichneten Art zu verbessern und
die durch elektrische Verluste oder Abstrahlung auftretenden, Wärmeverluste möglichst
klein zu halten.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen
dem von einer Wärmeisolation umgebenen äußeren Mantel und dem zylindrischen Kein
eine dünne, elektrisch isolierende Schicht angeordnet und der äußere Mantel zur
Verineidung einer Kurzschlußwindung über seine ganze Länge aufgetrennt ist. Der
äußere Mantel ist also elektrisch von dem Zylinder isoliert und außerdem so geschlitzt,
daß eine Kurzschlußwindung nicht entsteht. Mit der neuen Anordnung kann aber weiterhin
die Warme, die durch in dem geschlitzten Mantel auftretende Wirbelstrom:ringe ebenso
wie durch die darin vorhandenen Hy#steresisverlaste entst--h4 nutzbar ge>--macht
werden, indem die dünne Isolation nur eine geringe übergangsschwelle für die Wärme
darstellt und der äußere Warmeschutzinantel ein Abstrahlen dieser Wärme in die Umgebung
verhindert. Die elektrische Energie wird also in optimaler Weise in Wärme umgesetzt,
und die ganze entstehende Wärme, wird weitgehend nutzbringend verwertet.
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Vorteilhafterweise ist die Anordnung so getroffen, daß die Nut zur
Aufnahme des Wicklungsleiters aus mehreren parallelen, in gleichen oder variablen,
Ab-
ständen über die Kernlänge verteilt angeordneten Kreisnuten besteht, die
durch kurzem zur Kemachse geneigt verlaufende Verbindungsnuten jeweils untereinander
verbunden sind. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß die entstehende Wärme nach
einem gewünschten Gefälle über die Länge des Kernes verteilt werden kann. Gleichzeitig
gestaltet sich die HersteRung der Nuten und die Einbringung des Induktors hierbei
wesentlich einfacher.
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In der Zeichnung ist die Einrichtung zur Induktionserwärmung von Körpern
gemäß der Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt.
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Die Fig. 1 und 2 stellen in Längs- und Querschnitt eine Ausführung
der Erwärmungsvorrichtung mit ,einer Spule dar, deren Windungen in die in einer
Schraubenlinie steigenden Nuten des zu erwärmenden Körpers eingebettet sind. Es
sind bezeichnet der zu erwärmende Körper mit 1, ein Kupferleiter der Spule
mit 2, eine Mikanitisolation mit 3, ein Außenmetallmantel mit 4, eine thermische
Isolation mit 5, eine auf dem Körper an-gebrachte dünne Schicht aus hitzebeständigem
Isolationsstoff mit 6 und die herausgeführten Enden der Spule mit
7 und 8.
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Die Fig, 3 stellt eine Ausführung der Vorrichtung zur Erwärmung
mit der Spule dar, deren Wicklung in Nuten eingebettet ist, welche in parallelen,
zur Achse des Körpes senkrechten Ebenen liegen und je-
weils durch einen schräg
geführten Durchstich in Verbindung stehen.
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Die Fig. 4 stellt einen Teil des Körpers mit parallelen Nuten für
die, Wickhing dar, bei welchem die Nuten in verschiedenen Teilungen bzw. Abständen
voneinander zurn Zwecke der Erzielung eines vorgeschriebenen Temperaturverlaufes
des zu erwärmenden Körpers angeordnet sind.
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Die Fig. 5 stellt einen Teil des Schnittes durch den zu erwärmenden
Körper mit dem ferromagnetisch leitenden getrennten Mantel dar. Die kleinen Kreise
mit den Punkten und Kreuzchen bedeuten die Richtungen der durch die Spule hindurchgehenden
Strome in dem zu erwärmenden Körper und dem Mantel; die Striche mit den Pfeilen
bedeuten die Richtung des magnetischen, durch die Spule induzierten Flusses.
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Die Fig. 6 stellt dasselbe dar, bei der Verwendung eines eine
Kurzschlußwindung bildenden Mantel& aus ferromagnetischem oder nichtmagnetischein
Material.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum verlustfreien Induktionserwärmung
eines Körpers auf eine niedrige, Temperatur hat folgende Vorteile: Joulesche Wärme,
die in der Wicklung, also dem Leiter der Spule, entsteht, ist nicht verloren, sie
wird restlos in den zu erwärmenden Körper durch Wärineleitung über eine geringe
Wand aus hitzebeständigem Isolierstoff abgeleitet; der elektrische Wirkungsgrad
ist 1001/0.
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Die Spule kann einfach aus einem in üblicher Weise erzeugten Leiter
von vollem #Querschnitt ver- .
fertigt werden. Es entfällt irgendeine Kühlung.
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Der Mantel, der die Spule und den Körper umhüllt, schützt den Leiter
der Spule und den Körper vor Beschädigung, verhindert das Durchdringen des magnetischen
Flusses nach außen und bildet einen einfachen Körper von Zylinderform, bei welchem
die thermische Isolation der Außen-oberfläche einfach durchgeführt werden kann.
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Der Leiter der Spule ist nicht nur vor mechanischer Beschädigung geschützt,
durch das Einbetten in einer geschlossenen Nut ist auch seine Oxydation erschwert;
es entfällt praktisch seine Instandhaltung, und ein störungsfreier Betrieb ist gesicherL
Infolge davon, daß der Leiter der Spule durch das zu erwärmende Material umhüllt
ist, ist eine sehr gute Bindung und ein guter Leistungsfaktor (cog 99) zwischen
dem Material und der Spule, welcher höher als bei den bekannten Arten der Induktiongerwärmung
ist, vorhanden. , :