DE1565415C - Induktionsheizeinrichtung, insbesondere für Kunststoffverarbeitungseinrichtungen - Google Patents

Description

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.

Es ist bekannt (deutsche Auslegeschrift 1076 841), durch eine Induktionsheizeinrichtung den Strangpreßzylinder von KunststofivForm- 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.

Im Induktionsofenbau ist es ferner bekannt (deutsche Auslegeschrift 1128 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.

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.

Bei Induktionsheizeinrichtungen für Erdölleitungsrohre, bei denen die das Rohr umgebende Induktionsspule von einem metallischen Druckrohr umgeben ist, ist es ferner bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 028 710), 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.

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.

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 Oberflächen eloxiert ist und dessen einzelne Windungen durch die zwischen benachbarten Windungen befindlichen eloxierten 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 gleichzeitig sehr dünne Isolation, so daß verhältnismäßig viele Windungen auf engem Raum untergebracht

ίο 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.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Teilansicht des Gehäuses eines Schneckenextruders und einer darauf angebrachten Induktionsheizeinrichtung gemäß der Erfindung,

F i g. 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 F i g. 1,

Fig. 4 eine perspektivische Teilansicht eines elek-Irischen 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.

In der Zeichnung, die bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigt, ist in F i g. 1 ein Teilstück 10 des Gehäuses eines Schneckenextruders dargestellt. Dieser Extruder kann von der Bauweise sein, die in der USA.-Patentschrift 2 944 286 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.

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 Einrichtungen 12 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.

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.

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.

Die elektrischen Induktionsheizspulen 25 der. Ausführungsbeispiele nach den F i g. 1 und 2 bestehen aus einem durchgehenden Streifen aus flacher Aluminiumfolie 26 (F i g. 4), die auf beiden Seiten und entlang ihrer Kanten oxydiert ist, beispielsweise durch Floxieren. Diese Folie ist in Form von Windüngen 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. 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.

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 Durchlaßspanriung der eloxierten Schicht hängt von der Dicke der Schicht ab, und es hat sich herausgestellt, daß verhältnis-, mäßig 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 Oxid- oder eloxierten Schichten auf Aluminium genauer linear verläuft mit der Filmdicke und sich von weniger als 100 Volt bis zu mehr als 300VoIt verändern kann, werden durch die Art und Weise, in der die Wicklungen der Spule 25 gewickelt werden, zwei solcher Schichten eines eloxierten Films zwischen 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.

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 Übereinstimmung von Rissen od. dgl. an einander benachbarten Windungen unwahrscheinlich gemacht und damit auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird.

Die Verwendung von eloxierter Aluminiumfolie hat sich in Induktionsheizeinrichtungen als besonders vorteilhaft erwiesen, weil der Schmelzpunkt von Aluminium etwa 660° 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 2000° C. 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.

Vorzugsweise hat die Folie 26 eine Breite, die der Breite der Spulenform entspricht. Bei dem in F i g. 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.

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 0,0254 mm 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.

Ein weiterer Vorteil der Anordnung nach der Erfindung 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 Verfugung 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 Vergleich zu den üblichen Induktionsheizspulen. .

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 Kurz-Schlusses 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 30, diese Spule umgebend, verwendet.

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.

Die Fig.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.

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 Magnetflußrückführung 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.

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.

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. 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 F i g. 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.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   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, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (25) aus einem durchgehenden Leiter aus eloxiertem Aluminium besteht, der Leiter ein Streifen aus Aluminiumfolie (26) ist, der auf beiden Oberflächen eloxiert ist und dessen einzelne Windungen durch die zwischen benachbarten Windungen befindlichen eloxierten Filme elektrisch gegeneinander isoliert sind, und eine

   Magnetflußführung (30) in Form einer Mehrzahl von Windungen aus Stahlblech vorgesehen ist, die um die Spule herum aufgewickelt sind und deren Breite im wesentlichen der Breite der Spule entspricht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen