DE19807099A1 - Induktive Erwärmung von Metallen - Google Patents
Induktive Erwärmung von MetallenInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft einen flüssigkeits- oder gasgekühlten Stromleiter für die induktive Erwärmung von Werkstücken, bestehend aus einem flexiblen Leiter sowie einem, diesen mit Abstand umgebenden, elektrisch isolierenden Schlauch, wobei der Leiter im Schlauch, frei von dessen Wandung, achsparallel fixiert und über voneinander getrennte Halterungen zum Werkstück ortsveränderlich festlegbar ist.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der induktiven Erwärmung von
Werkstücken, insbesondere ein Formgebungs- und Spannsystem für einen flexi
blen Induktor.
Die induktive Erwärmung von insbesondere Metallen kennt viele Anwendungen
wie z. B. das Verkleben von Karosserieteilen, das Härten und Anlassen von
Werkstücken. Herkömmliche Induktoren bestehen aus wassergekühlten starren
Kupferrohren, die nahe dem Werkstück in Halterungen fixiert werden. Da die
Erwärmung des Werkstücks exponentiell von der Entfernung zwischen Induktor
und Werkstückoberfläche abhängt, muß für jede Werkstückform ein eigener
Induktor erstellt werden, an welchem Korrekturen nicht oder nur schwer möglich
sind.
Eine flexible Induktorvorrichtung ist aus RWE Energie "Induktive Erwärmung"
(1991) bekannt. Dabei wurde zur Fixierung des Abstands von einem Turbinenläu
fer dieser zunächst mit einer Isolierschicht versehen und um diesen ein in einem
Schlauch lose verlegtes flexibles Kabel gewunden und dieses bei der Erwärmung
des Läufers durch den sich in diesem ausbildenden Wirbelstrom mit Wasser
gekühlt, um den Induktor gegen die trotz der Isolierung vorhandenen Wärmelei
tung zu schützen. Der Abstand des flexiblen Kabels ist hierbei durch die auf dem
Turbinenläufer aufgebrachte Isolierwicklung, die Schlauchwandstärke, die hier im
Zentimeterbereich liegt und die unregelmäßige Lage des Stromleiters im Schlauch
festgelegt. Mit dem bekannten System, bei dem das Erwärmungsgut die
Induktorform ausbildet, ist der Abstand zwischen Stromleiter und Werkstückober
fläche nur im Zentimeterbereich einstellbar und damit der thermische Wirkungs
grad induktiver Erwärmung relativ gering.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß das zu erwärmende Werk
stück durch die geometrische Kopplung mit dem Induktorsystem nur im Stillstand
erwärmt werden kann. Dieser Umstand führt immer zu umfassenden Spulen
systemen, deren Impedanzanpassung sich sehr umständlich gestaltet.
Außerdem variiert der Abstand des Stromleiters im Schlauch zur Werkstückober
fläche bis zu mehr als ± 1 cm über die Umfangslänge. Die Wasserkühlung erfolgt
ausschließlich an der Oberfläche des Stromleiters und der verbleibende Wasser
kanal läßt in seinem Querschnitt nur geringe Durchflußmengen zu, so daß nur
geringe Stromdichten im Frequenzbereich bis maximal 4 kHz anwendbar sind.
Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen flexiblen
Induktor zu schaffen, bei welchem gleichwohl die Abstände zur Werkstückoberflä
che genau eingehalten, diese jedoch auf sehr einfache Weise variiert werden
können, um hiermit auch entweder Konturen nachzubilden oder im Werkstück
Temperaturprofile herstellen und auch während der Erwärmung verändern zu
können sowie günstigere Kühlbedingungen für den Stromleiter zu schaffen, um
bei Stromdichten bis 180 A/mm2 und Frequenzen bis 200 kHz mit ein und dem
selben Leitersystem arbeiten zu können.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem flüssigkeits- oder gasgekühlten
Stromleiter für die induktive Erwärmung von Werkstücken bestehend aus einem
flexiblen Leiter sowie einem, diesen mit Abstand umgebenden, elektrisch isolie
renden Schlauch erfindungsgemäß dadurch, daß der Leiter im Schlauch frei von
dessen Wandung achsparallel fixiert und über voneinander getrennte Halterungen
zum Werkstück variierbar festlegbar ist.
Dadurch, daß der Leiter innerhalb des Schlauches lagefixiert ist, ergeben sich we
sentliche Vorteile. Zum einen werden konstante Volumenverhältnisse für den
Strom des flüssigen Kühlmediums geschaffen, d. h. der Wärmetransport ist über
die Länge des Induktors konstant. Zum anderen läßt sich der Schlauch biegen, es
können somit Konturen sehr leicht nachgebildet werden, wobei die Halterungen
diesen zum Werkstück und in gewünschtem Abstand festlegen, so daß Tempera
turvorgaben sehr genau eingehalten und auch leicht verändert werden können.
Der flexible Leiter ist vorzugsweise eine Kupferlitze, die Lagefixierung im Schlauch
kann z. B. über durchbrochene, auf den Leiter geschobene Ringe oder durch in
den Schlauch gesteckte und verschweißte oder verklebte Stifte bewerkstelligt
werden. In besonders bevorzugter Weise besitzt der Schlauch eine innere Profi
lierung, welche die Leitung koaxial oder auch seitlich parallel versetzt festhält.
Der Schlauch selbst kann einen runden, aber auch bedarfsweise auch einen ecki
gen, z. B. quadratischen Querschnitt aufweisen.
Der Schlauch selbst ist vorzugsweise gewebeverstärkt, um die Wandstärke
(≦ 3 mm) auch bei höheren Kühlmitteldrücken niedrig zu halten, was sich positiv
auf den Abtransport der vom Werkstück rückgestrahlten Wärme auswirkt. Gleich
zeitig wird natürlich auch durch die effektivere Kühlung der Wirkungsgrad erhöht.
Die Erfindung schlägt weiterhin vor, als Leiter eine schlauchartige Hohllitze zu
verwenden, wobei hierdurch die Möglichkeit gegeben ist, auch das Innere des
Leiters mit Kühlmittel zu beaufschlagen, so daß Wärme aus dem Kanal zwischen
Mantelschlauch und Litze auch an das innere Kühlmedium abgeleitet werden
kann, um hierdurch weiterhin den elektrischen Wirkungsgrad zu erhöhen.
Die Hohllitze weist dazu vorteilhaft in ihrem Inneren das Schlauchprofil stützende
Einbauten auf, die natürlich ebenfalls flexibel sein müssen, bzw. aus separaten,
voneinander unabhängigen Teilen bestehen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, den Induktor mit Hilfe des Kühlmediums (Wasser,
Gas) auszusteifen, wozu im Schlauchinneren ein Druck von etwa 3-10 bar auf
rechterhalten wird, wobei das Kühlmittel mit einer Geschwindigkeit von beispiels
weise etwa 2-10 m/sec strömt.
Die Festlegung des Abstandes des Induktor zum Werkstück erfolgt erfindungsge
mäß über den Schlauch umfassende und zum Werkstück hin offene Klammern, in
die der Schlauch an beliebiger Stelle eingefügt werden kann. Die Abstände zwi
schen den Klammern sind dabei grundsätzlich frei wählbar. Die Klammern sind mit
Halterungen verbunden, die lage- und längenveränderlich ausgebildet sind, um
gewünschte Konturen des Werkstücks, bzw. des gewünschten zu erzeugenden
Wärmeprofils gestalten zu können.
Dadurch, daß der Induktor flexibel ist, kann natürlich die eingestellte Position des
Induktors auch während der Erwärmung selbst leicht verändert werden. Dies
eröffnet die Möglichkeit, die Lage der Klammern über eine Temperaturmessung
zu steuern, um diese z. B. nach Erreichen eines Sollwertes zurückzuziehen, bei
spielsweise um diese dadurch nach schneller Aufheizung konstant zu halten.
Dies kann auch zu einer automatischen Regelung verwendet werden, wobei den
Klammern jeweils Temperaturfühler zugeordnet werden, deren Meßwert dazu
dient, die Einstellung des Induktorabstandes mit Hilfe von Spindeltrieben zu
regeln.
Eine besonders elegante Fixierung des stromführenden Leiters gelingt mit einer
an dem Innenmantel des Schlauches anliegenden, vorzugsweise aus einem
Kunststoffaden bestehenden Wendel, wobei das Kühlmedium spiralig um den
Leiter geführt wird. Die Wendel kann dabei um die Litze gewickelt sein, sie kann
aber auch als Innenprofil des Schlauches gefertigt oder vor der Montage des
Leiters als separates Teil in den Schlauch geschoben sein.
Letztlich wird ein neuartiger Kühlmittel-Stromanschluß für eine Hohllitze aufwei
sende Induktoren vorgeschlagen. Dieser besteht aus einem metallischen Nippel
mit einem Anschlußstutzen, der eine Längsbohrung für die Kühlmittelzuleitung
aufweist und an seinem Kopf eine Überwurfmutter als Verschraubung trägt. Der
Stutzen besitzt an seinem freien Ende eine Ringnut, in welche die Hohllitze einge
fügt und z. B. durch Verlöten oder Quetschen in dieser fixiert ist. Der Stroman
schluß geschieht hierbei über die freien Metallteile des Nippels, der in seinem
Inneren kühlmitteldurchflossen und somit ebenfalls vor übermäßiger Erwärmung
geschützt ist.
Anhand der beiliegenden Figuren wird die vorliegende Erfindung erläutert.
Dabei zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Induktor mit zentraler Anordnung des
Leiters;
Fig. 2 einen solchen mit seitlich versetztem Leiter;
Fig. 3 einen Induktor mit Hohlleiter und
Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel;
Fig. 5 ein weiteres Anwendungsbeispiel und
Fig. 6 den Anschluß eines Hohlleiters an das Kühlmedium.
Fig. 1 zeigt einen Schlauch 2 aus insbesondere gewebeverstärktem Kunststoff,
in dessen Innerem koaxial der flexible Leiter 1 verlegt ist. Dieser besteht vorlie
gend aus einer Litze, deren Durchmesser an den Verwendungszweck angepaßt
ist. Die Wandstärke des Schlauches beträgt dabei etwa 1 bis 2 mm.
Der Schlauch ist in seinem Inneren mit Profilierungen 3 versehen, welche den
Leiter 1 in Bezug auf die Wandung räumlich festlegen, so daß ein Versetzen des
Schlauches 2 zu oder von einem Werkstück den Leiter in exakt dem selben Maße
bewegt und somit präzise Einstellungen ermöglicht werden. Dabei ist darauf hin
zuweisen, daß die Erwärmung sich exponentiell (quadratisch) zum Abstand des
Leiters 1 vom Werkstück verhält, so daß relativ kleine Abstandsfehler eine relativ
starke Auswirkung haben. Der Abstand der Schlauchwandung vom Werkstück
beträgt typischerweise etwa 2 mm.
Im Inneren des Schlauches 2 befinden sich Kanäle 8, die von Kühlwasser durch
flossen sind, wobei die Kanäle 8 auch miteinander kommunizieren können. Durch
die Kühlung ist es möglich, bei dem vorerwähnten geringen Werkstückabstand
ohne zusätzliche Isolierung Temperaturen von bis zu über 800°C zu erzeugen,
ohne das Schlauchmaterial zu zerstören. Dabei wird im Schlauch eine Strö
mungsgeschwindigkeit von etwa 15 m/sec aufrechterhalten. Da der Leiter 1 was
serumströmt ist, kann diese Art der Werkstückerwärmung somit auch bei explosi
onsgefährdeten Anwendungen eingesetzt werden.
Der Wasserdruck kann 3 bis 10 bar betragen, ein hoher Wasserdruck hat dabei
den erwünschten Effekt, den Schlauch erheblich auszusteifen, so daß er unter
Druck die Charakteristik herkömmlicher wasserdurchflossener Kupferleitungen
erhält und somit sehr genau auch bei größerem Abstand der Halterungen (Fig. 3,
4) positioniert werden kann.
Fig. 2 zeigt eine Variante, bei welcher einmal der Leiter 1 (zum Werkstück hin)
versetzt ist. Zum anderen befindet sich der Leiter 1 in einem Rohr 9 das Distanz
stücke 10 aufweist. Diese können Bohrungen 11 besitzen, über welche die Kanäle
8 zur Verbesserung des Wärmetransports miteinander verbunden sind. Die
Schläuche 2 können natürlich außer rund auch in beliebigen anderen Formen, wie
z. B. mit quadratischen Querschnitt gestaltet sein, was jedoch eher bei niedrigen
Wasserdrücken in Frage kommt.
Fig. 3 zeigt eine besonders bevorzugte Variante der vorliegenden Erfindung, bei
welcher der Leiter 1 eine schlauchartige Hohllitze ist. Vorliegend ist diese durch
die Profilierungen 3 zentriert und in ihrem Inneren durch ein Kreuzprofil 12 stabili
siert, das ebenfalls Kanäle 8' für die Kühlwasserführung bildet. Da Kupfer(litze) ein
guter Wärmeleiter ist und die Maschen der Litze ebenfalls geflutet werden, ist
hierbei die Kühlung des Schlauches besonders gut und somit eine sehr hohe
Werkstücktemperatur möglich.
Weiterhin zeigt diese Figur die Befestigungsmöglichkeit des Schlauches an belie
bigen Stützkonstruktionen. Der Schlauch 2 liegt hierbei in einer Klammer 4, die
den Schlauch 2 in einem Winkel größer als 180° umschließt und diesen somit
einklemmt. Da bei Montage des Induktors kein Wasserdruck in der Leitung
ansteht, ist das Einklemmen des Schlauches in die Klammern 4 sehr einfach
nach Anlegen von Wasserdruck kann der Schlauch 2 nur schwer oder nicht ohne
große Krafteinwirkung gelöst werden. Die Klammer weist zum Werkstück hin
gerichtet einen Öffnung 6 auf, die so bemessen ist, daß die Haltbarkeit der Klam
mer 4 nicht durch zu hohe Temperatur beeinträchtigt wird, wobei diese natürlich
auch über den Schlauch 2 gekühlt wird.
Fig. 4 zeigt einen typischen Anwendungsfall an einem gekrümmten Werkstück,
wie beispielsweise bei KFZ-Anbauteilen, wie z. B. Türen oder Klappen, wo Außen- und
Innenblech um laufend oder segmentweise für das Verkleben zu erwärmen
sind. Mit dem flexiblen Induktorschlauch 2 läßt sich die gekrümmte Kontur gut
nachbilden, wobei der Schlauch 2 in den Klammern 4 liegt, die selbst wieder über
Halterungen 7 mit Trageplatten 13 verbunden sind. Die Halterungen 7 weisen
Längsverstellungen 14 auf, die Platten 13 können in der Höhe eingerichtet wer
den. Über Temperatursensoren kann die Temperatur des Werkstücks ermittelt
und der Abstand zum Werkstück 5 danach geregelt werden, dm die Temperatur
exakt einstellen zu können.
Fig. 5 zeigt einen Anwendungsfall, bei welchem eine Walze 19 (oder eine Hohl
welle) unter Rotation erwärmt wird. Diese weist eine sehr unterschiedliche Mas
senverteilung und Geometrie über die Länge auf. Der flexible Induktorschlauch 2
wird derart mit Hilfe von Klammern 4 bzw. der Halterungen 7 und der Verstellun
gen 14 in Abstand gebracht bzw. diesbezüglich bei der Erwärmung korrigiert, daß
die Abstände mit den gegenüberliegenden Massesegmenten korrelieren, so daß
über die gesamte Bauteilbreite des Werkstücks ein gleicher Temperaturgradient
erzielt wird.
Fig. 6 zeigt einen Anschlußnippel 18 für den Anschluß des Induktorschlauches 2
an das Kühlmittel (Flüssigkeit, Gas). Dieser besteht aus Metall (Kupfer) und weis t
in seinem Inneren eine Längsbohrung 21 auf, über die das Kühlmedium zugeleitet
wird. An seinem Kopf 22 trägt dieser eine Überwurfmutter 20. Über den
Anschlußstutzen 23 ist der Schlauch 2 geschoben und mit einer Schlauchschelle
17 gesichert.
An seinem vorderen Ende weist der Anschlußstutzen 23 eine Ringnut 16 auf, in
welche die Hohllitze 24 eingefügt und gequetscht oder verlötet ist.
In ihrem Inneren ist die Hohllitze 24 durch einen Stützkörper 25 z. B. ein
Kreuzprofil (12, Fig. 3) stabilisiert und an der Peripherie von einer Wendel 15
bestehend aus einem Kunststoffaden umfaßt, der als Distanzstück zum Innen
mantel des Schlauches 2 dient. Das Kühlmedium umströmt somit die Hohllitze 24
spiralförmig, so daß dieses ständig von der dem Werkstück zugewandten Warm
seite zur gegenüberliegenden Kaltseite geführt wird. Es wird hierdurch ein im
wesentlichen wirbelfreier Durchfluß des Kühlmediums bei maximalem Querschnitt
(ohne Rückstrom) erzielt.
Die elektrische Kontaktierung ist über den Nippel 18 auf einer relativ kurzen
Wegstrecke realisierbar und gewährleistet eine hohe Flexibilität des
Strom/Wasseranschlusses.
1
Leiter
2
Schlauch
3
Profilierungen
4
Klammern
5
Werkstück
6
Öffnung
7
Halterung
8
,
8
' Kanäle
9
Rohr
10
Distanzstücke
11
Bohrungen
12
Kreuzprofil
13
Trageplatten
14
Längsverstellungen
15
Kunststoffaden
16
Ringnut
17
Schlauchschelle
18
Anschlußnippel
19
Walze oder Hohlwelle
20
Überwurfmutter
21
Längsbohrung
22
Kopf
23
Anschlußstutzen
24
Hohllitze
25
Stützkörper
Claims (14)
1. Flüssigkeits- oder gasgekühlter Stromleiter für die induktive Erwärmung von
Werkstücken bestehend aus einem flexiblen Leiter (1) sowie einem diesen
mit Abstand umgebenden elektrisch isolierenden Schlauch (2), dadurch
gekennzeichnet, daß der Leiter (1) im Schlauch (2), frei von dessen Wan
dung, achsparallel fixiert ist und über Halterungen (7) ortsveränderlich zum
Werkstück festlegbar ist.
2. Stromleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch
(2) nach innen gerichtete Profilierungen (3) aufweist.
3. Stromleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schlauch (2) ein gewebeverstärkter Kunststoffschlauch ist.
4. Stromleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Stromleiter (1) eine Hohllitze (3) ist.
5. Stromleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohllitze
(3) in ihrem Inneren eine flexible Stütze aufweist.
6. Stromleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß dieser mit Wasser unter einem Druck von 10-30 bar
beaufschlagt wird.
7. Stromleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß dieser in Klammern (4) gehalten ist, die zum zu wär
menden Werkstück (5) hin eine Öffnung (6) aufweisen.
8. Stromleiter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Klammern (4) an längenveränderlichen Halterungen (7) befestigt sind.
9. Stromleiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß den Klammern
(4) Temperaturfühler zugeordnet sind und daß der Abstand des Schlauches
(2) bzw. der separaten Klammern (4) vom Werkstück in Abhängigkeit von
der gemessenen Temperatur regelbar ist.
10. Stromleiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterun
gen (7) über Spindelantriebe verfahrbar sind.
11. Stromleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß der Leiter (1) von einer Wendel (15) umgeben ist, die
diesen innerhalb des Schlauches (2) fixiert.
12. Stromleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die Enden über einen Anschlußstutzen (2 3) eines
metallischen Nippels (18) gezogen sind, der in seinem Inneren eine
Längsbohrung aufweist, und der Stutzen (23) an seinem freien Ende mit der
Hohllitze (24) verbunden ist.
13. Stromleiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohllitze
(24) in einer Ringnut (16) des Anschlußstutzens (23) gehalten ist.
14. Stromleiter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der
Nippel (18) einen Kopf (22) aufweist, gegen den eine Überwurfmutter (20)
anliegt.
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