DE2021901A1

DE2021901A1 - Hochfrequenz-Induktionsheizungsanlage

Info

Publication number: DE2021901A1
Application number: DE19702021901
Authority: DE
Inventors: Bernard Gorowitz; Gebhardt Joseph John
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-05-05
Filing date: 1970-05-05
Publication date: 1970-11-19
Also published as: FR2047330A5; NL7006522A

Description

Hochfrequenz-Induktionsheizungsanlage

Die Erfindung betrifft eine kapazitiv gekoppelte Hochfrequenz-Induktionshei zungs anlage. Es ist bei Verfahren zur Beschichtung von Drähten mit kleinem Durchmesser oft erforderlich, die Drähte vor oder während des BeschichtungsVerfahrens zu erhitzen. Es wurden für die Erhitzung von Drähten mit kleinem Durchmesser eine Anzahl verschiedenster direkter und indirekter Erhitzungsverfahren vorgeschlagen. Die Verfahren zur direkten Erhitzung beinhalten im allgemeinen eine Widerstandserhitzung des Fadens, bei der dieser durch eine Folge von elektrischen Kontakten hindurchgezogen wird, die mit ihm in Berührung stehen. Die Kontakte können Quecksilberelektroden oder mechanische Vorrichtungen, wie elektrisch leitende Rollen oder Bleibügel sein. Die Verwendung von Quecksilber neigt dazu, in das Reaktionssystem Verun-

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reinigungen einzuführen und verursacht unerwünschte Temperaturschwankungen längs des Fadens. Mechanische Kontakte sind ebenfalls unzweckmäßig, da sie einen unerwünschten elektrischen Lichtbogen infolge schlechten Oberflächenkontaktes verursachen können und die Gradheit des fertigen Fadens beeinträchtigen können. Wenn außerdem eine kontinuierliche nicht-leitende Schicht aufgebracht werden soll, können Verfahren zur direkten Erhitzung nicht verwendet werden.

Bekannte Verfahren zur indirekten Beheizung umfassen: eine Beheizung durch Infrarotstrahlung, durch Elektronenstrahlung, durch Laser und durch Mikrowellen. Jedes dieser Verfahren zur Erhitzung hat jedoch einen oder mehrere der folgenden Nachteile: die Erhitzung kann nicht im Innern des Fadens konzentriert werden und dadurch ergeben sich EnergieVerluste und eine Beschichtung der umgebenden Wände. Die Drähte und das Verfahren sind übermäßig kompliziert und kostspielig und eine kontinuierliche Erhitzung über größere Längen kann nicht leicht durchgeführt werden.

Die konventionelle Hochfrequenz-Induktionserhitzung unter Verwendung von Arbeitsspulen mit kleinem Durchmesser und vielen Windungen kann nur bei Drähten verwendet werden, die einen relativ niedrigen Widerstand pro Längeneinheit besitzen (d.h. einige Ohm pro cm (pro Zoll)) und eine Dicke von einigen Zehntel Millimeter (Hundertstel Zoll). Dies bildet nicht nur eine Beschränkung für die Arten von Drähten, die verwendet werden können, sondern stellt auch unpraktische Anforderungen an die Geometrie der für die Beschichtung verwendeten Kammer. Wenn in Verbindung mit der Erhitzung durch Hochfrequenzinduktion ein Suszeptor (susceptor) verwendet wird, dann ergeben sich die gleichen Nachteile wie sie bei der Infrarotbeheizung auftreten, da viel Wärme zu unerwünschten Bereichen abgeleitet wird.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Anlage zur indirekten Beheizung zu erhalten, welche in der Lage

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ist, eine große Vielfalt von elektrisch leitfähigen Materialien zu erhitzen.

Ein weiteres Ziel besteht darin, eine Anlage zur kontinuierlichen Erhitzung zu erhalten, welche die Wärme im Innern oder auf der Oberfläche des zu erhitzenden Materials konzentriert.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine Anlage zur indirekten Beheizung, die in der Lage ist, eine vorgebbare Wärmeverteilung längs der Länge des erhitzten Materials zu erzielen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anlage zur indirekten Beheizung für die Erhitzung von sehr dünnem fadenförmigem Material zu erhalten.

Die obengenannten Aufgaben werden durch die erfindungsgemäße Anlage zur Hochfrequenz-Induktionserhitzung gelöst, die einen Hochfrequenz-Netzteil, ein Paar mit der Ausgangsspule des Netzteils verbünde/ubertragungsleitungen und ein oder mehrere Paare von Induktionsteilen enthält, die in einem Abstand von dem zu erhitzenden Material angebracht sind und dieses mindestens teilweise umfassen, um eine kapazitive Kopplung zu dem Material zu erhalten. Jede der Übertragungsleitungen ist mit einem der Teile eines Paares von Induktionsteilen verbunden, welche die allgemeine Form einer Spule aufweisen. Die im Innern des Materials erzeugte Wärmemenge ist unter anderem eine Punktion des AbStandes zwischen den Induktionsteilen, des Radius und der Dicke jedes Induktionsteiles und des Widerstands des Materials. Die erfindungsgemäße Anlage ist in der Lage, praktisch jeden beliebigen elektrisch leitfähigen Körper zu erhitzen, der einen Widerstand pro Längeneinheit von bis zu vielen Megohm pro Zentimeter (pro Zoll) besitzt.

Zur näheren Erläuterung der Erfindung dient die nachstehende Beschreibung von vorteilhaften Ausführungsformen im Zusammenhang mit den Abbildungen.

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Pig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer analogen elektrischen Schaltung.

Fig. 3 ist eine teilweise schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die in Verbindung mit einer Reaktionskammer zur kontinuierlichen Beschichtung von fadenförmigem Material verwendet wird.

Fig. 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Die Anlage 10 zur Hochfrequenz-Induktionsbeheizung umfaßt einen Hochfrequenz-Netzteil 12 mit einer Ausgangsspule 14, ein Paar von übertragungsleitungen 16, 18, die mit der Ausgangsspule 1*1 verbunden sind, eine Vielzahl von Paaren von Induktionsteilen 20, 22, 24, 26, 28. Ein Induktionsteil 20a, 22a, 2¹Ia, 26a, 28a jedes Paares von Induktionsteilen ist mit der übertragungsleitung 16 verbunden und das andere Induktionsteil 20b, 22b, 2¹Ib, 26b, 28b jedes Paares ist mit der übertragungsleitung 18 verbunden. Die Induktionsteile sind in einem Abstand von dem zu erhitzenden Körper 30 angeordnet, umschließen diesen mindestens teilweise und sind kapazitiv mit ihm gekoppelt. Jeder beliebige elektrisch leitende Körper kann verwendet werden, sogar wenn sein Widerstand pro Längeneinheit bis zu vielen Megohm pro Zentimeter (pro Zoll) beträgt.

Das erfindungsgemäße System beruht auf dem Prinzip, daß ein in einem Leiter mit dem Widerstand R induzierter Stromfluß I eine Erhitzung des Leiters entsprechend I R bewirkt.

Die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Paar von Induktionsteilen, beispielsweise das Paar 20, ist analog einer in der Fig. 2 wiedergegebenen einfachen Induktivität-Kapazität-Widerstand-Schaltung (LCR). Die Induktivität 32 entspricht der Aus-

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gangsspule 14 des Hochfrequenz-Netzteils 12, die Kondensatoren 34 und 36 entsprechen der kapazitiven Kopplung der Induktionsteile 20a und 20b mit dem leitfähigen Körper 30 und der Widerstand 38 entspricht dem Widerstand des Teils des leitfähigen Körpers 30, der sich zwischen den Spulen 20a und 20b befindet.

Für die nachstehende Analyse sei der Radius des leitfähigen Körpers 30 mit r*, der Radius der Induktionsteile 20a, 20b mit r₂, die Dicke der Induktionsteile 20a, 20b mit 1 und die Länge t des leitfähigen Körpers zwischen den Spulen 20a, 20b mit L an- " genommen. Die Spule jedes Induktionsteils und der darin angeordrefce Teil des leitfähigen Körpers kann als ein Koaxial-Kondensator aufgefaßt werden, in dem die Kapazität C proportional dem Ausdruck l/log (rp/r^) ist. Aus dieser Beziehung ist es ersichtlich, daß die kapazitiv auf den leitfähigen Körper gekoppelte Energie eine Punktion von 1, ^, r^ ist. Der Widerstand 38 ist eine Punktion von L, dem spezifischen Widerstand des leitfähigen Körpers-30 und der Dicke des leitfähigen Körpers. Wenn alle anderen Paktoren konstant gehalten werden, erhöht sich mit der Verringerung des Widerstandes 38 der Strom durch den Körper 30 und die Wärmemenge wird sich erhöhen. Der Widerstand kann auf die verschiedenste Art geändert werden. Durch ä Erhöhen der Länge L wird sich der Widerstand erhöhen. Wenn die erfindungsgemäße Anlage während eines BeschichtungsVerfahrens verwendet wird, in dem das Überzugsmaterial leitfähig ist und der beschichtete Körper als Unterlage betrachtet werden kann, und der Widerstand der Überzugsschicht geringer wird als der Widerstand der Unterlage, dann wird der Hauptteil des Stromes durch die Überzugsschicht fließen. Mit der Vergrößerung der Dicke der Überzugsschicht verringert sich der Widerstand und daher verstärkt sich die Pleizwirkung. Ebenfalls wird die erzeugte Wärmemenge erhöht, wenn r^ oder 1 vergrößert wird oder r₂ verringert wird.

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Wenn entsprechend Pig. 1 eine Vielzahl von Paaren von Induktionsteilen verwendet werden, dann kann die Heizwirkung jedes Paares so eingestellt werden, daß man jede beliebige gewünschte Temperaturverteilung längs der Länge des zu erhitzenden Körpers aufrechterhalten kann. Beispielsweise könnte der Körper auf im wesentlichen konstanter Temperatur gehalten werden oder die Temperatur könnte sich erhöhen oder verringern oder man könnte nach irgendeinem beliebigen gewünschten Programm Teile von sich erhöhender, sich verringernderoder konstanter Temperatur längs der Länge des Körpers erhalten. Dies wird am leichtesten dadurch erreicht, daß man den Abstand L zwischen den Induktionsteilen jedes Paares vorgibt. Beispielsweise wird sich in einer Anordnung entsprechend Fig. 1 die Temperatur des leitfähigen Körpers dazu neigen, sich von dem oberen zu dem unteren Teil des Körpers zu verringern, wenn er einen konstanten Widerstand längs seiner Länge besitzt, weil sich der Abstand zwischen den Induktionsteilen von dem oberen Teil zum unteren Teil der Anlage hin erhöht.

Der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Anlage wird optimiert durch Impedanzanpassung zwischen dem Heizsystem (d.h. den Übertragungsleitungen, den Induktionsteilen und dem zu erhitzenden Körper) und der Ausgangsspule. Die Impedanz des Heizsystems wird vorwiegend bestimmt durch die Zahl und die physischen Parameter der Induktionsspulen, die elektrische Charakteristik des Netzteils und die physischen Parameter des zu erhitzenden. Körpers. Wenn die richtige Impedanzanpassung nicht durch Änderung dieser Bauteile unter Beibehaltung des gewünschten Erhitzungseffektes bewirkt werden kann, dann kann die Impedanz durch Zufügung zusätzlicher Impedanzteile, wie Induktivitäten, Kapazitäten oder Widerstände, in die Schaltung geändert werden. Weiterhin werden vorzugsweise zwecks günstigstem Betrieb dia Übertragungsleitungen 16, 18 parallel zueinander und in möglichst engem Abstand voneinander angeordnet und sind so kurz wie möglich.

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Die Induktionsteile 20, 22, 24, 26, 28 werden vorzugsweise aus rohrförmigern elektrisch leitendem Material hergestellt, beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium und besitzen ebenfalls vorzugsweise Spulenform mit einer einzigen Windung oder weniger als einer Windung. Die Induktionsteile können auch im wesentlichen zylindrisch sein oder die Form einer Spule mit einer Vielzahl von Windungen besitzen, um eine größere Oberfläche zu erhalten und dadurch den Kondensatoreffekt zwischen dem Induktionsteil und dem zu erhitzenden Körper zu erhöhen. Solche Formen mit großer Oberfläche sind jedoch unerwünscht, da eine elektrische Entladung auftreten kann, wenn der zu erhitzende Körper in eine Kammer mit Unterdruck eingeschlossen ist.

Die Frequenz des Netzteiles 12 kann fest sein oder variabel sein und liegt im allgemeinen in dem Bereich von 1 - 200 MHz mit einer Ausgangsleistung, die vorzugsweise im Bereich von einigen Hundert Watt bis mehrere Hundert Kilowatt, abhängig von dem Anwendungszweck, liegt. Den größten energetischen Wirkungsgrad erhält man, wenn die Frequenz umso höher ist, je dünner das zu erhitzende Material ist. In der bevorzugten Ausführungsform wird ein Hochspannungs-Hochfrequenz-Netzteil, wie er in Verbindung mit dielektrischen Heizanlagen verwendet wird, benutzt.

In das Innere der Induktionsteile der erfindungsgemäßen Anlage können mehr als ein elektrisch leitender Körper eingegeben werden. Beispielsweise können zwei oder mehr, im allgemeinen parallel zueinander gerichtete Drähte gleichzeitig erhitzt werden.

Die erfindungsgemäße Anlage zur Erhitzung kann auch für die Erhitzung eines elektrisch leitenden Körpers beliebiger Form verwendet werden. Sie ist jedoch besonders vorteilhaft für die Erhitzung von länglichen Teilen, beispielsweise dünnen Drähten, deren Durchmesser vorzugsweise im Bereich von 2,5 bis 0,0025 mm

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(0,1 bis 0,0001 Zoll) liegt, für die verschiedensten Zwecke. Beispielsweise kann die Erhitzung angewendet werden auf das Ziehen eines Drahtes oder auf die Aufbringung eines Überzugs aus einer leitenden oder nicht-leitenden Schicht oder Schichten auf eine oder mehisre elektrisch leitende Drähte, die einen Durchmesser bis zu der Größenordnung von einigen 0,001 mm (0,001 Zoll) herunter besitzen. Mit der erfxndungsgemäßen Anlage wurden bereits Drähte mit einem Durchmesser von etwa 0,001 mm (0,0005 Zoll) erfolgreich erhitzt.

Fig. 3 zeigt eine Anlage zur Herstellung von überzügen unter Verwendung des erfindungsgemäßen Heizsystems. Das Heizsystem für die Anlage umfaßt einen Hochfrequenz-Netzteil 12, der eine Ausgangsspule 14, ein Paar von Übertragungsleitungen 40, 42 und zwei Paare von Induktionsteilen 44, 46 enthält, welche mit den übertragungsleitungen 40, 42 verbunden sind. Die Induktionsteile 44, 46 sind um einen Reaktor 48 herum angebracht, der eine Vielzahl von Einlaßöffnungen 50 und Auslaßöffnungen 52 besitzt. Der Reaktor 48- enthält Vorrichtungen, um die Durchführung von zwei kontinuierlichen Drähten 54, 56 zu gestatten. Ein Paar von Walzen 58, 60 für jeden Draht ist vorgesehen, um die Bewegung der Drähte durch den Reaktor 48 zu steuern. Diese Anlage kann vorteilhaft für viele verschiedene Verfahren verwendet werden, beispielsweise für die Herstellung eines überzugs aus Bor auf mit Kohlenstoff oder Metall beschicht/en Quarzfäden oder auf einem Kohlenstoffaden durch das Diboran-Verfahren oder die Abscheidung von Kohlenstoff auf einem als Träger dienenden Faden mit hohem Widerstand mit Hilfe der Pyrolyse von Azetylen.

Beispiele für die Trägerfäden, die durch die erfindungsgemäße Anlage beheizt werden können, sind: Wolfram oder andere Metalldrähte, mit Kohlenstoff oder Metall überzogene Glasfasern, mit Kohlenstoff oder Metall überzogene Quarzglasfasern, Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit, Bor, Borkarbid und Siliziumkarbid.

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Einige Beispiele für die in einem Reaktor entsprechend Fig. 3 möglichen Beschichtungsreaktionen sind: Bor aus Bortrichlorid und Wasserstoff, Bor aus Diboran und Hydriden, Borkarbid aus Bortrichlorid und Methan, Borkarbid aus substituierten Boranen, Siliziumkarbid aus substituierten Silanen, Wolfram und andere Metali aus ihren reduzierbaren oder thermisch zersetzbaren flüchtigen Verbindungen, Kohlenstoff aus Azetylen und Kohlenwasserstoff, Bornitrid aus B-Trichlorborazol, Bornitrid aus Bortrichlorid und Ammoniak, Aluminiumoxid aus Aluminiumchlorid, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff, Siliziumoxid aus Äthylorthosilikat oder Siliziumtetrachlorid, Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff.

Die oben aufgeführten Reaktionen werden verwendet für die Beschichtung einer elektrisch leitenden Unterlage mit einem elektrisch leitenden, teilweise leitenden oder nicht-leitenden Überzug und können unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anlage zur Erhitzung durchgeführt werden. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft in Verbindung mit einem Verfahren zum Aufbringen eines nicht-leitenden Überzuges auf einem leitenden Draht, da sie die praktischste Anlage zur Erzielung einer kontinuierlichen Erhitzung über größere Längen bei einem solchen Überzugsverfahren ist. Neben der Erhitzung von Trägermaterialien in gasförmiger Umgebung ist die erfindungsgemäße Anlage auch in der Lage, Träger in Flüssigkeiten zum Zwecke der Herstellung eines Überzugs zu erhitzen; beispielsweise Beschichtung mit Kohlenstoff durch Zersetzung von Benzin oder Toluol.

Die Erhitzungsanlage nach der Erfindung hat noch viele andere Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise im Zusammenhang mit Prüfverfahren, wo man beispielsweise Dehnungsprüfungen an einer Probe bei erhöhten Temperaturen ohne Verwendung eines Heizofens durchführen kann. Die Energie wird sehr wirksam ausgenutzt, da die Anlage* es gestattet, die Wärme in dem Probenmaterial zu konzentrieren. Weitere mögliche Anwendungen bestehen in Verbindung mit metallurgischen Verfahren zur Herstellung von

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Metalldrähten und der Aushärtung oder Wärmebehandlung von organischen Überzugsschichten oder Lackschichten auf leitenden
Drähten.

Die Erfindung liefert daher eine Erhitzungsanlage, die besonders geeignet ist für die Erhitzung von feinen Drähten und in der Lage ist, im wesentlichen jedes elektrisch leitfähige Material ohne physischen Kontakt mit dem Material·zu erhitzen.
Die Anlage erzeugt die Wärme auch einzig im Innern des zu erhitzenden Körpers und kann eine vorgegebene Temperaturverteilung längs der Länge des zu erhitzenden Körpers erzeugen. Viele Aus f ührungs formen und Ausgestaltungen der eifindungsgemäßen Anlage sind besonders geeignet zur Erhitzung von Materialien im Innern eines Reaktors, der sich auf einem Unterdruck befindet, ohne daß dabei elektrische Entladungen auftreten.

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Claims

Patentansprüche

l.yAnlage zur Induktionsheizung und zur Erhitzung^ines elektrisch leitenden Körpers, dadurch gekennzeichnet , daß sie umfaßt:

a) einen Hochfrequenz-Netzteil (12),

b) eine erste (16) und zweite (18) elektrisch mit den jeweiligen Ausgangsanschlüssen des Hochfrequenz-Netzteils (12) verbundene übertragungsleitung,

c) mindestens ein Paar von Induktionsteilen (20 - 28), wobei ein Teil (20a - 28a) jedes Paares elektrisch mit der ersten übertragungsleitung (16) und das andere Teil (20b 28b) mit der zweiten übertragungsleitung (18) verbunden sind und jedes Induktionsteil in einem Abstand von dem leitfähigen Körper (30) angebracht ist und sich mindestens teilweise um den Körper herum erstreckt und eine kapazitive Ankopplung an den Körper aufweist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i ch net , daß jedes Induktionsteil (20 - 28) Spulenform besitzt und höchstens eine einzige Windung aufweist.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß sie eine Vielzahl von Paaren (20 28) von Induktionsteilen enthält, wobei der Abstand zwischen den Induktionsteilen jedes Paares vorgegeben ist aur Einstellung einer vorbestimmten Temperaturverteilung längs der Länge des leitfähigen Körpers.
4. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der leitfähige Körper eine längliche Form hat und einen Durchmesser von weniger als 2,5 mm (0,1 Zoll) besitzt.

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5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß der leitfähige Körper einen Durchmesser im Bereich von etwa 2,5 bis 0,0025 mm (0,1 bis 0,0001 Zoll) besitzt.
6. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß im Innern der Induktionsteile eine Vielzahl von leitfähigen Körpern von fadenförmiger Gestalt angeordnet sind.
" 7· Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der leitfähige Körper aus einem elektrisch leitenden, fadenförmigen Material der Gruppe bestehend aus metallischem Draht, mit Kohlenstoff beschichtetem Glas, mit Metall beschichtetem Glas, mit Kohlenstoff beschichtetem Quarzglas, mit Metall beschichtetem Quarzglas, Kohlenstoff, Graphit, Bor, Borkarbid und Siliziumkarbid besteht.
8. Anlage nach Anspruch 1, weiterhin gekennzeichnet dadurch ,daß sie eine zwischen den Induktionsteilen und dem elektrisch leitenden Körper angebrachte

fc Reaktionskammer (48) umfaßt.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Vorrichtung zur Ausbildung eines kontinuierlichen nicht-leitenden Überzugs auf dem elektrisch leitenden Körper im Innern der Reaktionskamner enthält.
10. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Hochfrequenz-Netzteil eine Frequenz im Bereich von 1 bis 200 MHz aufweist.

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