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Die Erfindung betrifft eine Induktionsheizeinrichtung, insbesondere
für Kunststoffverarbeitungseinrichtungen, wie z. B. Extruder, mit einer elektrischen
Spule, die aus einer Mehrzahl von aufeinanderliegenden Windungen gebildet ist und
einen Teil der induktiv zu beheizenden Einrichtung umgibt, wobei die Spule gegenüber
dieser Einrichtung elektrisch isoliert ist.
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Es ist bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 076 841), durch eine Induktionsheizeinrichtung
den Strangpreßzylinder von Kunststoff-Form- oder -strangpreßmaschinen zu beheizen.
Die Induktionsspule dieser bekannten Einrichtung besteht aus mehreren aufeinanderliegenden
Windungen aus Aluminiumdraht, der durch Glasfasern und Siliconharz abgedeckt ist,
wodurch jedoch die höchstzulässige Arbeitstemperatur der Spule bzw. der Induktionsheizeinrichtung
relativ beschränkt ist.
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Im Induktionsofenbau ist es ferner bekannt (deutsche Auslegeschrift
1 128 580), Induktionsspulen aus Aluminium mit einer Isolationsschicht aus Oxiden
oder anderen Verbindungen des Leiterwerkstoffes Aluminium zu verwenden, die eine
hochwärmefeste elektrische Isolierung bildet. Im Induktionsofenbau konnte sich jedoch
Aluminium wegen bestimmter Eigenschaften als Leiterwerkstoff für die Induktionsspulen
nicht durchsetzen. Da außerdem solche Isolationsschichten aus Oxiden bei herkömmlichen
Leiterquerschnitten und kleineren Spulendurchmessern leicht zur Rissebildung neigen
und damit Kurzschlußgefahr ergeben, ist eine Übertragung dieser Isolierungsart auch
auf entsprechend geringer wärmebelastete Induktionsheizeinrichtungen mit relativ
kleinen Durchmessern nicht ohne weiteres möglich.
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Es ist auch bereits bekannt (deutsches Gebrauchsmuster 1 896 198),
Induktionsspulen zum Erwärmen stabförmiger Werkstücke aus einem bandförmigen Aluminiumleiter
herzustellen, um auf Grund des rechteckigen flachen Leiterquerschnittes eine hohe
Kühlwirkung zu erzielen. Die Wärmebelastbarkeit solcher Induktionsspulen ist jedoch
auch hier durch die herkömmliche Isolation zwischen den Spulenwindungen begrenzt.
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Bei Induktionsheizeinrichtungen für Erdölleitungsrohre, bei denen
die das Rohr umgebende Induktionsspule von einem metallischen Druckrohr umgeben
ist, ist es ferner bekannt (deutsche Auslegeschrift 1028710), zwischen der Induktionsspule
und dem Druckrohr eine magnetische Abschirmung in Form von offenen, übereinandergelegten
Dynamoblechen vorzusehen. Diese Abschirmung hat den Zweck, eine Ablenkung des Induktionsstromes
auf das äußere Druckrohr und damit eine unerwünschte Aufheizung desselben zu verhindern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Induktionsheizeinrichtung
zu schaffen, deren Induktionsspule relativ hohen Temperaturen standhält, nahe an
dem zu beheizenden Körper angebracht werden kann, einen hohen Leistungsfaktor aufweist
und wenig Platz beansprucht.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Kombination bekannter
Merkmale gelöst. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Spule aus einem
durchgehenden Leiter aus eloxiertem Aluminium besteht, der Leiter ein Streifen aus
Aluminiumfolie ist, der auf beiden Oberfiächen eloxiert ist und dessen einzelne
Windungen durch die zwischen benachbarten Windungen befindlichen eloxier-
ten Filme
elektrisch gegeneinander isoliert sind, und eine Magnetflußführung in Form einer
Mehrzahl von Windungen aus Stahlblech vorgesehen sind, die um die Spule herum aufgewickelt
sind und deren Breite im wesentlichen der Breite der Spule entspricht. Die zwischen
benachbarten Windungen befindlichen eloxierten Filme bilden eine hochwärmefeste
und gleichheftig sehr dünne Isolation, so daß verhältnismäßig viele Windungen auf
engem Raum untergebracht werden können und ein entsprechend hoher Leistungsfaktor
erreicht wird. Auf Grund der hochwärmefesten Isolation kann die Spule auch nahe
an der zu beheizenden Einrichtung oder sogar in dieser eingebettet angeordnet werden.
Ferner ist die erfindungsgemäße Spule widerstandsfest gegenüber Stoßbeanspruchung,
und ihre elektrische Isolation besitzt eine hohe Durchschlagfestigkeit. Eine Wärmeisolation
der Spule ist nicht erforderlich, und außerdem ist sie relativ preiswert herzustellen.
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Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnungen von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 eine teilweise geschnittene Teilansicht des Gehäuses
eines Schneckenextruders und einer darauf angebrachten Induktionsheizeinrichtung
gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt durch das Gehäuse und
die Induktionsheizeinrichtung nach Fig. 1, F i g. 3 einen Querschnitt durch das
Gehäuse und die Induktionsheizeinrichtung nach Fig. 1 unter Weglassung der Schnecke,
und zwar entlang der Linie 3-3 der Fig. 1, F i g. 4 eine perspektivische Teilansicht
eines elektrischen Anschlusses an einer Folie, F i g. 5 eine perspektivische Ansicht
einer aus einer Folie gewickelten Induktionsheizspule und der elektrischen Anschlußleitungen,
Fig. 6 in Form eines Teilschnittes ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung
mit einer eingebetteten Spule zur Beheizung des Reduzierabschnittes eines Kunststoffextruders.
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In der Zeichnung, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
zeigt, ist in F i g. 1 ein Teilstück 10 des Gehäuses eines Schneckenextruders dargestellt.
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Dieser Extruder kann von der Bauweise sein, die in der USA.-Patentschrift
2944286 auf den Namen Kullgren und andere dargestellt und beschrieben ist. Das Gehäuse
10, das aus magnetisierbarem Werkstoff, wie z. B. Stahl, besteht, kann als das Gehäuse
eines Kunststoffextruders oder einer Kunststoffverarbeitungseinrichtung betrachtet
werden, die zu erhitzen und auf einer erhöhten Temperatur zu halten ist.
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Auf dem Gehäuse 10 ist eine insgesamt mit 12 bezeichnete Induktionsheizeinrichtung
gemäß der Erfindung angebracht. Es ist selbstverständlich, daß auf der gesamten
Länge des Gehäuses 10 eine Mehrzahl solcher Einrichtungenl2 vorgesehen werden kann,
die alle einzeln gesteuert werden, um die gewünschte Temperatur und/oder den gewünschten
Temperaturgradienten auf der gesamten Länge des Gehäuses 10 einzuhalten.
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Die Induktionsheizeinrichtung 12 weist vorzugsweise zur Kühlung des
Gehäuses zwecks Abführung überschüssiger Hitze aus dem Gehäuse eine Kühlkammer 15
auf. Die Kammer 15 besteht aus rostfreiem Stahlblech, das das Gehäuse umgibt und
in
axialer Richtung gleich lang ist wie die Einrichtung 12; an diese
Kammer ist eine Wassereinlaßleitung 16 und eine Auslaßleitung 17 angeschlossen,
die beide mit dem die Kammer 15 darstellenden Hohlraum verbunden sind. Die axialen
Enden der Kammer 15 werden durch nach innen gebogene Lippen 18 gebildet, wie Fig.2
zeigt, und diese Lippen sind an die Außenfläche des Gehäuses 10 angeschweißt. Die
Kühlkammer 15 kann so ausgebildet sein, wie dies in der USA.-Patentschrift 3 129
459 auf den Namen Kullgren dargestellt und beschrieben ist; in dieser Patentschrift
ist die Kühlkammer mit der Bezugsziffer 60 bezeichnet.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 ist eine Spulenform
20 derart angeordnet, daß sie zumindest einen Teil des zu beheizenden Körpers oder
Gehäuses umgibt; sie umgibt, wie dargestellt, das Gehäuse 10 im Bereich der Kammer
15. Diese Form 20 ist unmittelbar auf der Außenfläche der Kühlkammer 15 gelagert
und kann einen mittigen, im wesentlichen zylindrischen Abschnitt 21 und nach außen
gebogene Enden 22 zur Aufnahme einer elektrischen Spule in diesen Enden aufweisen.
Die Spulenform 20 kann aus jedem geeigneten, elektrisch isolierenden, hochtemperaturbeständigen
Werkstoff hergestellt werden, wie z. B. aus Keramikmaterial oder aus zementgebundenem
Asbestmaterial, wie es z. B. von der Firma Johns-Manville, New York, unter dem Handelsnamen
»Transite« vertrieben wird. Die abgebogenen Enden 22 der Spulenform werden bevorzugt,
sind aber für das richtige Arbeiten der Induktionsheizeinrichtung nicht unbedingt
erforderlich. Die Spulenform kann statt dessen auch die Form eines Abschnitts eines
zylindrischen Rohrs haben.
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Die elektrischen Induktionsheizspulen 25 der Ausführungsbeispiele
nach den Fig. 1 und 2 bestehen aus einem durchgehenden Streifen aus flacher Aluminiumfolie
26 (Fig. 4), die auf beiden Seiten und entlang ihrer Kanten oxydiert ist, beispielsweise
durch Floxieren. Diese Folie ist in Form von Windungen auf die Spulenform 20 aufgewickelt,
wobei eine innere Windung direkt auf oder in nächster Nähe dieser Form liegt, während
die darauffolgenden äußeren Windungen direkt aufeinanderliegen, bis die gewünschte
Anzahl von Windungen hergestellt ist.
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Die Windungen der Spule, die direkt aufeinanderliegen, sind voneinander
elektrisch isoliert durch die eloxierten Filme oder Oxidschichten aus Aluminium
auf dem Folienmantel, aus dem die Spule hergestellt ist.
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Die eloxierte Aluminiumfolie hat vorzugsweise einen dichten eloxierten
Film, der beide Seiten und die Kanten bedeckt und die Poren verschließt. Die Oxide
oder der eloxierte Schutzfilm können durch jedes geeignete elektrolytische oder
chemische Verfahren erzeugt werden. Die Durchlaßspannung der eloxierten Schicht
hängt von der Dicke der Schicht ab, und es hat sich herausgestellt, daß verhältnismäßig
dünne Schichten eines Eloxierfilms einen ausreichenden Schutz bilden, um einen elektrischen
Kurzschluß von Lage zu Lage zu verhindern. Obgleich sich gezeigt hat, daß die Durchschlagspannung
von Oxiden oder eloxierten Schichten auf Aluminium genauer linear verläuft mit der
Filmdicke und sich von weniger als 100 Volt bis zu mehr als 300 Volt verändern kann,
werden durch die Art und Weise, in der die Wicklungen der Spule 25 gewickelt werden,
zwei solcher Schichten eines eloxierten Films zwi-
schen einander benachbarten leitenden
Windungen erzeugt, und zwar auch infolge der Tatsache, daß die Aluminiumfolie auf
beiden Seiten eloxiert ist. Auf diese Weise wird die Durchschlagspannung praktisch
verdoppelt.
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Da die Spule in Form von Windungen gewickelt wird, haben aufeinanderfolgende,
einander benachbarte Windungen fast das gleiche Potential, so daß jegliche Tendenz
zu einem Durchschlag auf ein Geringstmaß herabgesetzt wird. Beispielsweise besteht,
wenn 200 Windungen aus Aluminiumfolie in Verbindung mit einer Wechselstromquelle
von 440 Volt verwendet werden, nur eine Nennwertspannungsverteilung von 2,2 Volt
pro Windung innerhalb der gesamten Spule. Wenn also infolge der Verbiegung der Folie
Risse in dem eloxierten Überzug auftreten sollten, insbesondere dann, wenn die Spule
25 auf einen kleinen Radius gewickelt wird, so haben derartige Risse einen geringen
oder überhaupt keinen störenden Effekt auf das Arbeiten der Spule infolge der Tatsache,
daß dort ein Luftspalt zwischen den benachbarten Windungen verbleibt, und weiter
infolge der Tatsache, daß wegen der vorzugsweise beiderseitigen Eloxierung der Folie
eine genaue Ubereinstimmung von Rissen od. dgl. an einander benachbarten Windungen
unwahrscheinlich gemacht und damit auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird.
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Die Verwendung von eloxierter Aluminiumfolie hat sich in Induktionsheizeinrichtungen
als besonders vorteilhaft erwiesen, weil der Schmelzpunkt von Aluminium etwa 660C
C beträgt, und dieser liegt beträchtlich oberhalb der praktischen Temperaturgrenzen
für Kunststoffmaterial. Die durch anodische Elektrolyse erzeugte Aluminiumoxidschicht
hat einen wesentlich höheren Schmelzpunkt von etwa 20000 C.
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Es ist auch bekannt, daß die Dielektrizitätskonstante einer eloxierten
Schicht, die zwischen 7 und 12 liegt, bei hohen Temperaturen nicht geringer wird,
sondern sogar noch eine mit der Temperatur ansteigende Tendenz zeigt. Die Tatsache,
daß die Durchschlagspannung mit der Temperatur etwas abnehmen kann, hat sich nicht
als nachteilig erwiesen.
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Vorzugsweise hat die Folie 26 eine Breite, die der Breite der Spulenform
entspricht. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt die Einrichtung
12 zwei Formen 20, auf deren jede eine Spule 25 aufgewickelt ist. Die Breite des
Folienmaterials der Spule 25 stimmt somit vorzugsweise mit der Breite der Spulenform
überein, obwohl es auch im Bereich der Erfindung liegt, schmälere Folien zu verwenden,
die sowohl schraubenförmig als auch in Form einzelner Windungen um die Spulenform
aufgewickelt werden, um die gewünschte Anzahl von Windungen zu erzeugen.
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Die Dicke der Folie hängt ausschließlich von der Querschnittsfläche
ab, die entsprechend der üblichen elektrischen Berechnung für den Leiter erforderlich
ist. Beispielsweise kann Aluminiumfolie verwendet werden, die 0,0254mm und darunter
dick ist. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dicke oder schwerere Folien zu
verwenden, deren Dicke mehr als 0,178 mm beträgt. Wenn jedoch eine solche einzelne
Folie sich als zu dick oder zu steif erweist, um leicht aufgewickelt werden zu können,
so können die Windungen zwei oder mehr dünnere Folien aufweisen, die parallel zueinander
gewickelt sind, um einen einzigen wirksamen Leiter zu bilden. Dies ist analog dem
Vorgang des »In Hand«-Wickelns von
zwei oder mehreren Strängen eines
üblichen Kupferleiters.
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Ein weiterer Vorteil der Anordnung nach der Erwindung liegt darin,
daß, weil jede Windung der Spule auf die Oberseite der vorangehenden Windung gewickelt
wird, die Niederspannungs- und die Hochspannungswindungen elektrisch konzentrisch
und ausgeglichen sind. Infolgedessen entsteht keine induzierte Axialkraft, die die
Spule beeinflußt, wie dies bei aus Draht gewickelten Spulen der Fall ist. Auch wird
infolge der sehr dünnen Isolation, die in der Größenordnung von Mikron liegen kann,
ein sehr hoher Raumausnutzungsfaktor erreicht. Dies bedeutet, daß der für die Spule
zur Verfügung stehende Raum in einem hohen Maße durch leitendes Material ausgefüllt
wird, verglichen mit dem Gesamtraum. Es hat sich auch herausgestellt, daß die aus
einer streifenförmigen Folie gewickelte Spule einen besseren Leistungsfaktor hat
im VergIeich zu den üblichen nduktionsheizspulen.
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Durch die Erfindung wird ferner eine Magnetflußführung 30 vorgesehen,
die die Induktionsspule umgibt. Die Führung 30 besteht aus einer Mehrzahl von Windungen
aus geeignetem magnetischem Eisenblechmaterial, wie z. B. Transformatorstahl. Die
Windungen der Magnetflußführung 30 sind in ähnlicher Weise wie bei der Spule 25
gewickelt, wobei eine innere Windung direkt auf oder in Nähe der Außenfläche der
Spule 25 gehalten ist, während die darauffolgenden Windungen direkt aufeinandergewickelt
sind. Es kann in manchen Fällen zu bevorzugen sein, eine dünne Schicht aus Isoliermaterial
zwischen die Magnetflußführung 30 und die Außenfläche der Spule 25 einzusetzen oder
dort aufzuwickeln, um die Möglichkeit eines elektrischen Durchschlages oder Kurzschlusses
infolge der Tatsache, daß die volle Netzspannung zwischen diesen Elementen auftreten
kann, zu verhindern. Geeignete Werkstoffe zu diesem Zweck sind mit Silicon imprägniertes
Glasfaserband und bogenförmiger Glimmer. Die die Magnetflußführung bildenden gewickelten
Windungen können geteilt sein, beispielsweise dadurch, daß diese Führung in Längsrichtung
des Gehäuses aufgeschnitten ist, wie dies in F i g. 3 bei 31 gezeigt ist, um die
Wirbelstromverluste herabzusetzen. Vorzugsweise wird für jede Spule 25 eine solche
Führung 3G, diese Spule umgebend, verwendet.
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Bei der dargestellten Anordnung ist die Magnetflußführung 30 gewickelt
und in nächster Nähe der Spule 25 vorgesehen, die ihrerseits in nächster Nähe des
zu erhitzenden Gehäuses 10 gehalten ist. Die gesamte Konstruktion ist von hoher
Wirksamkeit und bedingt nur niedrige Herstellungskosten. Die Induktionsheizspule
25 arbeitet bei fast derselben Temperatur wie das Gehäuse 10, wobei die obere Temperaturgrenze
lediglich durch den Schmelzpunkt des Aluminiums oder anderer Bestandteile der Einrichtung
bestimmt ist.
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Die F i g. 4 und 5 zeigen typische elektrische Anschlüsse für die
Enden der Folie 26, die zum Anlegen der Netzspannung an der Spule dienen. Jeder
elektrische Anschluß kann aus einem streifenförmigen Verbinder 36 bestehen, der
auf einem der Enden der Folie 26 befestigt ist, und zwar angekripft und unter Druck
an der Folie angeschweißt, so daß sowohl eine dauerhafte mechanische Verbindung
als auch eine elektrische Verbindung durch den eloxierten Überzug hindurch entsteht.
Ein Leitungskabel 37
kann von einem Ende des Streifens 36 ausgehen. In F i g. 5 sind
die Streifen 36 an jedem Ende der Folie rechtwinklig zur Mittellinie der Spule abgebogen,
so daß dann die Anschlußleitungen 37 radial von der Spule nach außen verlaufen.
Keramikisolierperlen 38 können zur wirksamen elektrischen Isolation auf die Anschlußleitungen
37 aufgeschoben sein.
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Die elektrischen Heizeinrichtungen nach der Erfindung können auch
verwendet werden mit in einer geeigneten Aussparung, die zu diesem Zweck in dem
zu beheizenden Extrudergehäuse vorgesehen ist, untergebrachter Spule. Das Gehäuse
des Extruders selbst kann in diesem Fall die MagnetRußrückführung für die Spule
bilden. Ein Beispiel für diese Anordnung ist in F i g. 6 dargestellt, die einen
Gehäusereduzierabschnitt 50 zeigt, der die übliche Brechplatte 51 trägt, der die
Kunststoffschmelze am Ende des Gehäuses 10 oder eines beliebigen anderen ähnlichen
Extrudergehäuses zugeführt wird. Das Gehäuse 50 hat eine ringförmige äußere Vertiefung
55, die eine ringförmig aus einer Folie aufgewickelte Spule 56 aufnimmt. Die Spule
56 besteht aus einem durchgehenden Streifen aus Aluminiumfolie und ist, wie weiter
oben in Verbindung mit der Spule 25 beschrieben, hergestellt.
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Die Spule 56 ist als direkt in der Vertiefung 55 ohne Verwendung
einer Hilfsspulenform, die in der Form 20 gemäß den F i g. 1 bis 3 entspricht, liegend
dargestellt. Jedoch ist die Spule 56 vorzugsweise mit einem elektrischen Isoliermaterial
umwickelt, wie z. B. dem mit Silicon imprägnierten Glasband 58.
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Die Einrichtungen zur Bildung eines Rückflußweges können, wie in
Fig. 6 dargestellt, ein einstückiges Teil des Extrudergehäuses sein, und bei dieser
Darstellung ist ein Ring 60 vorgesehen, der im Querschnitt L-förmig ist und, die
Spule 56 umgebend, mittels Schrauben 61 am Gehäuse 50 befestigt ist.
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Nach dem Zusammenbau ist die Spule 56 in das zu erhitzende Gehäuse
eingebettet und umgibt zumindest einen Teil dieses Gehäuses. Die Heizeinrichtungen,
wie sie in F i g. 6 dargestellt sind, können dazu verwendet werden, in dem Gehäuse
50 Temperaturen in derjenigen Größenordnung zu erzeugen, die auch in dem Gehäuse
10 nach den Fig. 1 bis 3 erzeugt werden können, und zwar ohne Zerstörung der Spule
oder der dazwischen durch die eloxierten Schichten der einzelnen Windungen aus Aluminiumfolie
erzeugten elektrischen Isolation.