DE2160035C3

DE2160035C3 - Induktionsspule zum hochfrequenten induktiven Erwärmen und Verbinden von Werkstücken und Stoffen

Info

Publication number: DE2160035C3
Application number: DE2160035A
Authority: DE
Inventors: Hans 8520 Erlangen Schaefer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-12-03
Filing date: 1971-12-03
Publication date: 1974-08-08
Also published as: DE2160035B2; NL7216128A; IT971265B; FR2162207B1; CH541270A; FR2162207A1; JPS4865542A; US3748422A; BE792151A; DE2160035A1; LU66583A1; GB1415187A; AT312762B

Description

3SS

iegt. Für bestimmte Anwen-

ist.

t.

4. Induktionsspule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der außerhalb der Manschette (12, 13) verlaufenden Windungen (7a) im Bereich der Manschette (12, 13) gekröpft in einem größeren Abstand zu den Werkstücken und Stoffen angeordnet ist.

5. Induktionsspule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (12,13) aus Kupfer, Messing oder Aluminium besteht.

6. Induktionsspule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Manschette (12,13) elektrisch und thermisch leitend verbundene Windung (6, 6a) mit der Manschette (12, 13) verlötet ist.

7. Induktionsspule nach einem der Ansprüche bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (12, 13) als Rohrhülse mit ovalem Querschnitt ausgebildet ist.

8. Induktionsspule nach einem der Ansprüche bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (12,13) aus zwei schalenförmigert Hälften besteht, welche lösbar miteinander verbunden sind.

9. Induktionsspule nach einem der Ansprüche bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Innenraum der Manschette (12,13) mit einem Isolierstoff (17) ausgefüllt ist.

10. Induktionsspule nach einem der Ansprüehe 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie mitsamt den Manschetten (12, 13) in einem Rahmen aus Kunststoff eingebettet ist.

α sas

, mit auf den Rand der zu ver-

CKoS^hbe._g. werden. Bei

diesen Du chlaufverfahren wird die Metallfolie unter

Zwischenschaltung einer thermoplastischen Schicht

Säen Behälterrand aufgelegt. Dabe, kann zum Her-

0 05 mm, verwendet werden. .

Die Behälter können auf einem mit gleichförmiger Geschwindigkeit bewegten Förderband dicht an dicht

Sehen und es sind bereits Durchlaufgeschwindigke..-en von 45 m/min erreicht worden. Dieses Verfahren hat eine erhebliche Bedeutung für die Erzeugung und Verpackung von Massenprodukten, z.B. in HersteluTnSbctrieben für Lebens- und Genußmittel ,„ der

6, chemischen, pharmazeutischen und kosmetischen In-

duslTie also in all den Gewerbezweigen, in denen ein

Eceen Feuchtigkeit, Sauerstoff oder andere Gase

empfindliches körniges, pastenförm.ges oder flussiges

äußere Einwirkung für längere Lagerfä-Sln gewhüt« wird.

«r induktiven Innenbe-

en.sau 664 bekannt. Bei diesem

Srnrntw aber^{weder 8uf eine} besondere 3Sischaffenen Verbindung noch auf fiSL*« der aufgebrachten Kunst-

Versiegeln

Behälter sollte daher so auegebildet sein, daß (Je 8^ Nachteile weitgebend vermieden werden, da durch ihren magnetischen Wirkttn^racb Werkstück eine im wesentlichen afissltig gle induktive Erwärmung erfährt.

In dem bereits eingangs W »High-frequency Inducfon Heating »fg. ehe Induktionsspule der eingangs V*****«.y»

entsprechen, nachgezogenι ausgebildet ist,^^

AIASAgHC

ifSSlan demjenigen Teil der Folie AAISA

diejenige der übrigen Sputenab

kungsbereich bewegt werden, und wo beim BewegLgsvorgang eine Verbindung ,m Bereich der Emlauf- und der Auslaufzone der Induktionsspule insetzen soll. Beispielsweise ,st be, einem langestreckten, rechteckigen Metallband,, das zwecks rah-

^«rss^aaiaim äg der Magnetfeldstärke erzie-

besteht

^Tt _daß sie ihre ferromagnetische S paramagnetisch und damit ν· &_bcsondere Ferrite

durchflossenen Induktionsspule durch deren magne-Ssches Wechselfeld bewegt wird, an den beden kuren Bandseiten eine wesentlich stärkere Erwärmung als an den beiden Längsseiten zu erwarten. Das thermoplastische Material bzw. das Zinn wird also im Bereich der schmalen Bandseiten verdampten oder verbrennen, während die Erwärmung an den beiden Längsseiten des Metallbandes zu e.ner ausreichend haftfdhigen Randschicht fuhrt

Die genannte Schwierigkeit beruht darauf, daß ^e

Magneffeldstärke einer Induktionsspule in der Nahe ihres inneren Randes ein ausgeprägtes Max,mum be-

sitzt, daß im Augenblick des Eintretensund des Au ,retens des induktiv zu erwarmenoen Korpers η die Einlaufzone bzw. aus der Auslaufzone der stromdurchflossenen Induktionsspule jewe.ls nur ein kle,-ner Teil des Werkstückes dem maximalen Randfeld

ausgesetzt ist,daß dadurch in dieser.Teilen des Werk, stückes jeweils ein am Rande fließender R'ngstrom

_eJ^^t· ^^na _eb<f _n scheibe, die z. B. spule mi einer ™nnen g ^ ^ verbinden.

^_e 1^^^?SSoberiläche am betreffen-Die Scheibe very _{wird errdcht d ß}

den^Wmdung ^tej'_u ^ _{Ie fließende} strom am bederdurchdie induK J . Stromdichte aufsagter ™naung«e _wf_ndu*_ptei|en. Der mit dem - ^^ „ _indu^_tiv gekoppelte Teil

Werkstückes, z. B. einer Klinge, wad daher we-We kstι^ Werkstückteil, welches

_anderen Windungsteils ausge- ^ _{p g}

_der Oberfläche oder^Verringe_{macht die} Erfindung keinen Ge-

braue η. _a^ _zugrunde bei der

^™_nJ_ten ^B _InduktionSspule die feldschwaemganp &" ^ _{auszubilderi)daß sie} gegen mc-

cheno ;n λ _thcrmiscne Einwirkungen Widerstands-

eine

3fiiS£Ä

«eiche Enlkoppelung zu »rre.chon^ Ic Λ ΜΕ^«£J _{d Mnsc}hetle aus Metall voi -

ist, daß nur ein verschwindender Rest des von dem umschlossenen Windungsabschnitt herrührenden Magnetfeldes nach außen dringt, und daß jede Manschette mit einer Windung elektrisch und thermisch leitend verbunden ist.

Die Anordnung kann dabei so getroffen sein, daß die Manschette mit einer der außen verlaufenden Windungen elektrisch und thermisch leitend verbunden ist. Sie kann aber auch so vorgenommen sein, daß die Manschette mit einer Windung, die in ihrem Innern verläuft, elektrisch und thermisch leitend verbunden ist.

In beiden Anordnungen übernimmt die Manschette neben der Funktion einer Schutzhülse die Funktion einer nach außen wirkenden magnetischen Abschirmung für die in ihrem Innern verlaufenden strom -durchflossenen Windungen. Die Windungen im Innenraum der Manschette bewirken einen magnetischen Wechselfluß, der im wesentlichen innerhalb der Manschette fließt und kaum nach außen austritt. Lediglich die mit der Manschette z. B. durch Löten elektrisch leitend verbundene Windung trägt außer den gegebenenfalls noch vorhandenen weiteren, außerhalb der Manschette vertaufenden Windungen zum magnetischen Wechselfeld an der Einlauf- oder Auslaufzone der Induktionsspule bei. Doch ist dieser magnetisch wirksame Beitrag der betreffenden Windung nicht durch den gesamten, sondern nur durch einen Bruchteil des durch die betreffende Windung und über die Manschette fließenden Stroms gegeben.

Soll das magnetische Wechselfeld en der Einlaufund an der Auslaufzone weiter verringert werden, so kann mindestens eine der außerhalb der Manschette verlaufenden Windungen im Bereich der Manschette gekröpft in einem größeren Abstand zu den Werkstücken und Stoffen angeordnet, und zwar von den bewegten Gegenständen fortgebogen sein. Durch das Biegen von Hand ist eine gewisse Einstellung des Magnetfeldes an der Einlauf- und Austauf zone möglich.

Wie bereits ausgeführt, besteht jede der verwendeten Manschetten aus einem Metall. Kupfer, Messing pnd Aluminium sind geeignete Metalle, da sie eine gute elektrische Leitfähigkeit besitzen. Ferromagnetische Werkstücke, z.B. Stahl, Nickel und Eisen, schirmen das im Innern der Manschette erzeugte magnetische Wechselfeld zwar ebenfalls nach außen gut ab; sie besitzen ater einen relativ hohen ohmschen Widerstand, so daß die Manschette bei Verwendung solcher Werkstoffe stark aufgeheizt wird. Bei zu starker Aufhetzung der Manschette kann die normalerweise vorhandene Isotation der Spulenwindungen schmelzen. Das verwendete Metall muß also dann sehr niederohmig sein, damit eine unzulässig hohe Aufwärmung der Manschette verhindert wird.

Auch bei Verwendung der als Manschettenmaterial genannten relativ rriederohmigen Metalle ist eine Erwärmung der Manschetten durch induzierte Ströme nicht zu verhindern. Die thermisch gut leitende Verbindung zwischen der besagten, von dem durchströmenden Kühlmittel gekühlten Windung und der Manschette sorgt gleichzeitig für eine Ableitung der durch Induktion erzeugten Wärme. Die Manschette wird also, was als besonderer Vorteil angesehen wird, durch das Kühlmittel in der besagten Windung mitgekShlt. Eine besondere Kühlung der Manschette erübrigt sich daher.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Weiteren Unteransprüchen.

Es sei hervorgehoben, daß die beschriebenen und dargestellten Induktionsspulen mit Schwächung des magnetischen Wechselfeldes an zwei sich gegenüberliegenden Abschnitten nicht nur zum Versiegeln von Behältern herangezogen werden können. Sie können vielmehr überall dort eingesetzt werden, wo in ein magnetisches Wechselfeld eingeführte Werkstücke und Stoffe allseitig gleichmäßig induktiv erwärmt werden sollen.

ίο Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbetspielen näher erläutert. Für gleiche und gleichartige Teile werden dabei dieselben Bezugszeichen verwendet. Es zeigt

Fig. 1 einen Blick auf eine aus zwei Windungen

«5 bestehende Induktionsspule mit zwei Manschetten, Fig. 2 einen Schnitt entlang der in Fig. 1 eingezeichneten Linie H-II in vergrößerter Darstellung, Fig. 1 einen Schnitt entsprechend Fig. 2 durch eine Manschette und eine aus drei Windungen beste-

M hende Induktionsspule,

Fig. 4 einen Schnitt entsprechend Fig. 2 durch eine Manschette und eine aus fünf Windungen bestehende Induktionsspule, und

Fig. S einen Schnitt entsprechend Fig. 2 durch

•S eine rechteckige Manschette und eine aus zehn Windungen bestehende Induktionsspule.

In Fig. 1 ist eine räumlich feststehende Induktionsspule 2 zum Versiegeln von Behältern mit Dekkeln3 dargestellt. Die Behälter, z.B. Becher aus

So Kunststoff, sind mit einem verbreiterten Rand versehen, der mit dem Rand des aufgelegten Deckels 3 abschließt. Die in der Aufsicht nicht sichtbare Innenwand 4 jedes Behälters ist ebenso wie die Außenwand S gestrichelt eingezeichnet. Der obere Teil jedes

Deckels 3 besteht z. B. aus Pappe, der mittlere Teil aus Aluminium und der untere Teil, der auf dem Behälterrand aufliegt, aus einer dünnen thermoplastischen Schicht. Die Behälter werden mit aufgelegtem Deckel 3 mit gleichförmiger Geschwindigkeit geradli-

nig in Richtung der eingezeichneten Pfeile unter der Induktionsspule 2 entlangbewegt. Die Durchlaufebene liegt also in einigem. Abstand unter der Spulenebene.

Die Induktionsspule 2 ist aus einem elektrisch gut

♦5 leitenden Metallrohr, z. B. aus Kupferrohr, gebogen. Sie besteht aus zwei Windungen 6 und 7, welche im wesentlichen in derselben Ebene 8 nebei/>,inandei angeordnet sind. Die beiden Windungen 6 und 7 können auch übereinander verlaufen. Die Spulenebene ί

ist in Laufrichtung def Behälter langgestreckt ausgebildet, und die Induktionsspule 2 besitzt in der Aufsicht eine annähernd rechteckige Gestalt. Sie kam aber auch oval oder kreisrund ausgebildet sein. Ihn Gesalt und Bemessung richtet sich bei vorgegebene!

Hochfrequenzleistung in erster Linie nach der Form Dimensionierung und Bewegungsgeschwindigkeit dei induktiv zu erwärmenden Deckel 3 und Behälter Werden die Behälter mit aufgelegtem Deckel 3 z. B auf einem (nicht gezeigten) Drehteller unter der In

duktionsspule 2 vorbeigedreht, so wird man der Spu Ienebene8 zweckmäßigerweise eine nierenförmig Gestalt geben. Versuche haben ergeben, daß die In nenbreite der Induktionsspule 2 bei einer optimale Energieübertragung etwas griSBer sein sollte als de

6s Durchreesser der Deckel 3.

Die Windungen 6 und 7 können außen mit eine Isolierschicht 9 überzogen sein. Zwecks Kühlung wir die Induktionsspule 2 mit einem Kühlmittel 10, z.1

»ifMil

SSS? fÄg

spule 2

Metall. Sie «~™eckcn mc g

ΪΤΓΎΐ,™ l! und13 bcs eht μdrei Teilen, der Mansche «^{cn 12} ™^™^J¹^" Ac an Schwc ß- oder L"tnantc irisch leitend verbunden sinu. In Fi g. 2 ist die in Fi g. !

gczeichntrc Manschelic:12 D.C andere Manscheuc 13

F 2

abgeführt wird. Eine Anordnung gc-

SBSsSSSi^

^ _{djc Ma tfcldstarke an dcr Ein}i_auf.

t μdrei Teilen, zone in bezug auf die Feldstärke im Bereich derinnc- ^,"einander clck- *5 rcn Längsseiten der Induktionsspule wesentlich starmncm herabgesetzt ist als bei einer Anordnung gemäß

'fn Fi g. 4 ist entsprechend der Schnittlinie H-II von Fi g. 1 der Querschnitt einer Manschette 12 und einer t, d Idkil dr

gcz ^^ΰ^Κ^ή Fi g. 1 der Querschnitt einer Manschette 12 und ei

D.C andere Manscheuc 13 zcjt cmcngeicnarg t, Windungen bestehenden Induktionsspule dar-

Aufbau Wie aus Fg. 2 hcrvo geht ,si diem _b Windung 6 ist über eine Lötstelle

12 l tlige Rojrhul« ™« ^ann»J^c™° ^ di

Aufbau g t ,si d

schc.tc 12 als einteilige Rojrhul« ™« ^ann»J^c™° ovalem Querschnitt zwei schalenförmig^ mitcinander verbunden sind. &

fuhrt, daß be.de Windungen6-«nd J £

Manschette 12 verlaufen. ^D* *j^ung? sUrc^hm

durchgc uhr.. ^wahrc _I ^nd _I^^e ₁₁ ^W;ⁿÄ_t ⁶ _ris"_ch ^t _u„_d ,herschcttc 12 an einer Lötstelle 15 cjeklnsch und tner

misch leitend ^^"^Li^ Äi natürlich auch

³⁵

Windungen bestehenden Indukp

_b Windung 6 ist über eine Lötstelle ^ _{mit dcr Manschcltc} 12 verbunden, während die drei Windungen 7 ohne elektrischen Kontakt durch _Manschef_{|c 12} hindurchführen. Der freie Innen_der Manschette 12 ist mit einem elektrischen _snlierstoff 17. z. B. mit einem Kunststoff, ausgefüllt, Windungen 7 Halt gibt. Außerhalb der Manschelte 12 ist die fünfte Windung Ία frei angeordnet. _magnctische Wechselfeld an der Einlaufzonc wird Äwei 40 bei dieser Anordnung betragsmäßig durch den von ImTbrigen der Windung 6 über die Manschette 12 und durch den

^F ^f^{äußcre Windung 7fl fließenden strom}

In den vorangehend beschriebenen F i g. 2 bis 4 wa-

ίΤΑΪβ

und zum Schutz gegen ^^^SefSn Tn den vorangehend beschriebenen F i g milsamt den Manschetten,12 und «cn»w^enn e. _Windungcn ⁶ _von _mnaem Querschnitt gezeigt wor-

Rahmcn oder in cmc Platte aus Kunststoff emgcgos ^ ^ ^ _{seIbstverständ|ich aucn eine andere} sen sein. . _Bcnä|_tcr d d

Rechts neben der MaÄ»^ f*T mit einem aufgelegten dreiteihgen Deck*_i eng zeichnet welcher ti..em^J AbjjndmMamchette 12 in Richtung des Pfwlesl6 endparallel zur ap ebene 8 in das zentrale Magnetfeld der induKUons

spule 2 hineinbewegt wird^ ^_Γν53Πΐε Feld-

Be.fehlenderMansche^^^ stärke des magnetischen Wechsetfcldes^ dem^a

halter und Deckel 3 an J^/'j'^^^S tionsspule 2 a«göetzl Betrag des Stromes Windungen 6 und 7

wctehcr Nach

pp

Bruchteil d'f⁵⁶⁵ B^T³Sf ,M die der Strom der W.ndung 7dwch*«

12

gilt fur die

chcndes gilt fur die Manschette ^m JJg" _ inneren L^ngsseitendCTlnduktion^le^w^ag,

gen der doppelte Betrag des *Ι^™^Γ~™_{η die}

inneren L^ng^^

gen der doppelte Betrag des *Ι^™^Γ _{η die}

SS äÄils^rgtSc^ eine induzierte Ströme m der Man-Querschnittsform gewählt werden; dieser wird dann dei Querschnitt der Manschetten zweckmäßigerweise angepaßt. In Fi g. 5 ist eine an der Einlaufzone angeordnete Manschette 12 von rechteckigem Querschnitt dargestellt. Die Induktionsspule mit insgesamt zehr Windungen selbst ist aus einem rechteckigen Rohr ge wickelt. Die Manschette 12 umschließt die acht Windungen 6 und 7, wovon wiederum die Windung 6 übei

eine Lötstelle 15 in den Innenraum der Mansche»« 12 eingelötet ist. Außerhalb der Manschette 12 ver laufen die beiden nebeneinanderliegenden Windun gen la. Sie sind im Bereich der Manschette 12 senk recht zur Spulenebene 8 versetzt angeordnet. Di

Versetzung erfolgte derart, daß der Kopplungsab stand zu den bewegten Behältern und Deckeln ver größen wurde. Ihr Beitrag zur wirksamen magneti sehen Feldstärke an den Versiegelungsstellen ist dahe geringer, als wenn sie in der Spulenebene angeordnt wäicn. Der Kopplungsabstand läßt sich durch Biege von Hand einstellen. Zur wirksamen Feldstärke träj lediglich der hochfrequente Strom in den Windui gen 6 und la bei.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409632/1;

Claims

2 160

Patentansprüche:

\. Induktionsspule zum hochfrequenten induktiven Erwärmen und Verbinden von Werkstücken ,und Stoffen, insbesondere zum induktiven Versiegeln von Behältern mit einer Folie, die mit kontinuierlichem Vorschub im wesentlichen parallel zur Ebene der Induktionsspule an dieser vorbeifährbar sind, weiche aus zwei oder mehr Wtndungen eines elektrisch leitenden Rohres, das mit einem durchströmenden Kühlmittel kühlbar ist, besteht und an zwei einander gegenüberliegenden Abschnitten, an denen die zu erwärmenden Werkstücke und Stoffe in das magnetische Feld der Induktionsspule eintreten bzw. dieses verlassen, feldschwächend ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem der beiden Abschnitte mindestens eine Windung (6, 7) von einer Manschette (12, 13) aus Metall vollständig umschlossen ist, deren Wandstärke so gewählt ist, daß nur ein verschwindender Rest des von dem umschlossenen Windungsabschnitt herrührenden Magnetfeldes nach außen dringt, und daß jede Manschette (12, 13) mit einer Windung (6, 6a) elektrisch und thermisch leitend verbunden ist.
2. Induktionsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (12,13) mit einer der außen verlaufenden Windungen (6a) elektrisch und thermisch leitend verbunden ist.
3. Induktionsspule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Manschette (12, 13) mit einer Windung (6), welche in ihr *m Innern verläuft, elektrisch und thermisch leitend verbunden iüssässss

Kunststoff eingebettet tot

■1

Utas

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