DE2331090A1 - Rinnenofen - Google Patents

Description

Patentanwälte

DFpl.-lng. Helmut Miseling S3 Gieeeen 18.6.1973

. . _o ., Bismarcketraeee 43

Dipl.-Ing. Richard Schlee Telefon: (0β4ΐ) 71Ο19

Dr.-lng. Joachim Boecker Boe/Sn 11.639

Allmänna Svenska Elektriska Aktiebolaget, Yästeras /Schweden

Rinnenofen

Die Erfindung betrifft einen Rinnenofen mit einem Ofenkörper mit Herd sowie mindestens einem unter dem Herd angeordneten Induktor mit einer oder mehreren Schmelzrinnen, die unter der normalen Badfläche in den Herd münden, sowie Primärspule.

Bei solchen Rinnenofen ist es wichtig, daß die Erwärmung der Konstruktionsteile durch Wirbelströme weitgehend vermieden wird. Ferner soll der Bedarf an Blindleistung möglichst klein gehalten werden, so daß der Leistungsfaktor verbessert wird. Ferner soll, bezogen auf die Größe des Induktors, seine Nutzleistung möglichst groß sein, und ferner will man auf einfache Art einen Ofen für noch größere Leistungen umbauen können.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rinnenofen der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß die ebengenannten Eigenschaften in möglichst guter Ausbildung vorhanden sind.

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Zur Lösung dieser Aufgabe wird, ein Rinnenofen der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen, der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens zwei Primärspulen als Scheibenspulen mit rficklungsflachen ausgeführt sind, die' im wesentlichen parallel zu der Fläche der Rinne oder Rinnen angeordnet sind und die auf jeder Seite mindestens einer Rinne liegen.

Ein solcher Ofen hat nur einen niedrigen Blindleistungsbedarf, oftmals nur etwa die Hälfte im Vergleich zu den herkömmlichen öfen. Der Streufluß im Verhältnis zu den herkömmlichen Öfen ist kleiner, und man erhält eine bessere Induktive Kopplung zwischen den Spulen und der Rinne bzw. den Rinnen. Der magnetische Hauptfiuß wird klein, so daß ein relativ kleiner Eisenkern verwendet werden kann. Der Platzbedarf ist gering, und der Ofen läßt sich leicht für andere Leistungen umbauen. Auf die konventionelle Technik kanrjnierbei verzichtet werden. Die Ofenkonstruktion gestattet einen relativ einfachen Austausch des Futters.

Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Rinnenofen mit einem Mehrrinneninduktor gemäß der Erfindung,

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Fig. 2 einen entsprechenden Ofen mit einem Einzelrinneninduktor ,

Fig. 3 die Anordnung einer Rinne und der Scheibenspulen, Fig. ^ eine besondere Ausbildung des Eisenkerns,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Scheibenspule mit zwei Lagen,

Fig. 5A einen Querschnitt durch einen Leiter der Scheibenspule nach Flg. 5,.

Fig. 6 den Verlauf des magnetischen Streuflueses bei einem Einzelrinneninduktor,

Fig. 7 die Verbindung zwischen den Leitern zweier Lagen,

Fig. 8 eine Scheibenspulenausführung, Fig.9 das KUhiorgan bei einem Mdrrinneninduktor, Fig. 10 eine alternative Ausführung des Kühlorgans

gemäß Fig. 9,

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Fig. 11 eine Kühlfutterausführung.

In Fig. 1 wird ein Rinnenofen mit Herd 11 und ein an diesem lose oder fest angebrachte Induktor 12 gezeigt. Statt eines Induktors können auch mehrere Induktoren an dem Herd angeschlossen sein. Unter Rinnenofen wird im folgenden ein Induktionsofen verstanden, der mit einer oder mehreren Primärspulen ausgerüstet ist und bei dem die in den Rinnen vorhandene Schmelze als Sekundärwicklung wirkt, in die Spannungen induziert werden, deren elektrischen Ströme die Schmelze erwärmen.

Für die Leistung P eines Einzelrinnen-Induktors gilt:

P= U²

χ (| ♦ g)

wobei U - Spannung, R = Wirkwiderstand und X = Blindwiderstand.

Um die Leistung (bei cosT<C 0,7) zu steigern, sind vier Maßnahmen möglich:

1. Erhöhung der Spannung

2. Erhöhung des Virkwiderstandee

3. Verminderung des BlindwidersteJades

4. Vergrößerung der Anze.nl von Rinnen pro Induktoreinheit.

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Eine Spannungserhöhung führt zu einer Vergrößerung des Streuflusses, was zu erhöhten Wirbelstromverlusten in den Konstruktionsteilen führt.

Eine Erhöhung des Wirkwiderstandes führt zu einer Temperatursteigerung in der Rinne. Die Temperaturfestigkeit des keramischen Ausfütterungsmaterials setzt der Erhöhung des Wirkwiderstandes eine obere Grenze.

Durch die Erfindung wird ein Weg gewiesen, den Blindwiderstand

zu verkleinern, und dies wird erreicht, indem man die induktive Kopplung

VfJSXXVBKg verbessert, den Abstand zwischen Rinne und Spule verkleinert, die Rinne quer zur Rinnenfläche "platter" macht usw. Die Festigkeit des keramischen Ausfütterungsmaterials, Platzbedarf usw., sind Faktoren, die die Größe des Blindwiderstandes nach unten begrenzen.

Zwischen jeder Rinne 13, 14, 15, 16, 17 (Fig. 1), die unter dem normalen Niveau für die Schmelzenoberfläche im Herd 11 liegt und deren Mündung am Boden des Herdes im Induktor liegt (die Rinnenfläche wird in Fig. 1 ungefähr vertikal), ist eine Primärspule 19, 20, 21, 22 mit einer oder mehreren Wicklungsebenen angebracht. Durch das Zentrum der Scheibenspulen 19 bis 22 t verläuft ein (oder mehrere) Bisenkern 18, der entweder vollständig oder im wesentlichen in sich geschlossen ist. Die Speisung der Primärspulen ist normalerweise einphasig, kann

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jedoch auch mehrphasig sein. Die Frequenz beträgt 50-60 Hz (Netzfrequenz). Die Spule oder die Spulen können zur Hauptsache mit der gleichen Windungsspannung arbeiten, wie sie bei den herkömmlichen Rinnenofen vorkommen. Der Eisenkern kann klein gehalten werden, und die Probleme mit den Wirbelströmen werden gering.

In Fig. 3 wird eine Prinzipskizze eines Rinnenteils 23 mii> zwei Scheibenspulen 24, 25, eine an jeder Seite der Rinne, gezeigt. Durch diese Anordnung kann die Rinne mit einer geringen Breite (senkrecht zu den Ebenen der Scheibenspulen 24, 25) im Verhältnis zur Höhe ausgeführt werden, was in Verbindung mit der Spulenform eine gute induktive Kopplung zwischen Spule und Rinne ergibt. Der Abstand a in Fig. 3 kann klein sein, die "Flachheit" der Rinne groß. Hierdurch erhält man bessere Möglichkeiten bei der Wahl der Ausfüttwigerungsdicke und der Wahl der Querschnittsform für die Rinne.

Fig.6 zeigt ein Bild des magnetischen Flusses bei einem Zweispulenofen. Zwischen den Spulen 24 und 25 liegt der Rinnenquerschnitt 23. Der Eisenkern ist mit 26 bezeichnet. Der Verlauf des magnetischen Flusses wird durch kleine Pfeile angedeutet, und man kann feststellen, daß die Feldstärke gegenüber den konventionellen Konstruktionen nur etwa halb so groß ist. Dadurch, daß die Spule zwei Rinnenseiten statt einer be-

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nachbart ist, wird der Blindleistungsbedarf auf etwa die Hälfte reduziert, und der Leistungsfaktor (cos/) kann erhöht werden, beispielsweise auf ca. 0,7. Die Leistung pro Rinne nimmt bei unveränderter Spannung zu. Durch die Anordnung der Spulen können mehrere Rinnen 27, 28 um den gleichen Eisenkern

26 herum angeordnet werden. Die Kühlung zwischen den Rinnen kann durch ein Kühlorgan und/oder gekühlte Spulen durchgeführt werden, wie unten näher erläutert wird. Dank der durch die Anordnung der Spulen herabgesetzten Penetistionsgefahr und dfts möglichaiFehlens eines Kühlfutters zwischen Spule und Rinne kann - wie bereits erwähnt - der Abstand XXVSX a (Fig. J5) zwischen Rinne und Spule herabgesetzt werden. Dadurch werden sowohl der Blindleistungsbedarf als auch der Platzbedarf vermindert.

Als optimalen Arbeitspunkt kann man cos / = 0,7 wählen, d.h. R = X, wobei man bei gege^ier Spannung und gegebenem Blindwiderstand die maximale Leistung erhält. Bei cos V⁵ = 0,7 wird der Induktor am wenigsten von dem fortlaufenden Verschleiß und der Verstopfung der Rinne beeinflußt, was zu einer Verlängerung der möglichen Betriebszeit des Induktors führt. Dadurch, daß die Rinne mit einer abgeflachten Seite gegenüber der Spule ausgeführt werden kann, kann auch die gesamte Flachheit der Rinne ohne Gefahr einer Penetration der Schmelze vergrößert werden. Die Blindleistung wird niedriger.

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Das Prinzip mit zwei radialen Spulen 29 und 30 (Fig. ^) kann auch für Einfachrinneninduktoren verwendet werden. Die Rinne 31 wird in Fig. 2 mit bIkh in vertikaler Richtung abgeflachtem Querschnitt und Eisenkern 32 gezeigt. Das Kühlorgan ist mit 33 bezeichnet und die Ausfütterungsmasse mit 34. Durch den hohen Leistungsfaktor wird unter anderem ein kleinerer Streufluß erreicht.

Der Eisenkern 18, 32 kann in mehrere parallelgeschaitete Kreise 35 aufgeteilt werden (siehe Fig. 4), wodurch der Streufluß und seine Wirkungen reduziert werden.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Scheibenspule mit zwei Lagen 36 und 37, die axial nebeneinander liegen. Die Anschlußklemmen für den Strom sind mit 38 und 39 bezeichnet. Zwischen den Lagen ist eine Lagenisolation 40 vorhanden, und zwischen der Spule und dem Eisenkern 18 ist ein Kühlfiutter .und eine Zwischenlage 42 angeordnet. Der Leiterquerschnitt mit dem Kühlwasserkanal 43 ist in Fig. 5A genauer dargestellt.

Die beiden inneren Spulenwindungen sind zusammengelötet und mit einem Durchbruch für das Wasser versehen, so daß Strom und Wasser in der einen Lage 44 von außen nach innen und in der anderen Lage 45 von innen nach außen geführt werden können, (siehe Fig. 7). Der obere Teil der Fig. 7 ist ein Schnitt längs

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der Linie A-A des unteren Teiles von Fig. 7. Die Spulen können in Reihe oder parallel zueinander geschaltet werden.

Die Kühlung kann auf verschiedene Weise vorgenommen werden. Z.B. kann das Kühlorgan mit dem Kühlfutter 47 ohne Spule zwischen den Rinnen 46 gemäß Fig. 9 angeordnet werden. Zwischen dem Kühlfutter 47 ist ein Leiter für das Kühlmedium angeordnet.

In Fig. 10 werden ähnliche Kühlorgane (Kühlfutter) 49, 50, gezeigt, die neben den Spulen 52 und 53 zwischen den Rinnen angeordnet sind.

Die Kühlorgane sind häufig mit einer solchen Ausdehnung angeordnet, daß sie ihre jeweilige Rinnenfläche (bei Mehrrinnenöfen) begrenzen.

Die Rinnenofen können auch mit den üblichen zylindrischen Primärspulen 54, 55 (Fig. 9 und 10) mit oder ohne Kühlorgan 56, 57 komplettiert werden.

Die Kühlfutter 47 werden z.B. aus Kupferblech mit innenseitigen Kühlschlingen 48 hergestellt, welche zusammen ein Kühlorgan bilden. Das Futter kann zusammengeklemmt und vorm Abreißen des Induktors entfernt werden. Bei gekühltem Eisenkern kann man eventuell ganz auf das Kühlfutter verzichten.

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In Fig. 8 ist eine Spule mit kühlmitte XdiK?chflossenen, spiral.-gewickelten Leitern 58 um einen Eisenkern 59 gezeigt, und um die Spule und die Ausfütterung ist die übJ iche Ausfütterungsmasse angeordnet.

Fig. 11 zeigt die Ausbildung eines Kühlorgans, bei dem die notwendige Kühlung der Ausfütterungsmasse zwischen den Rinnen erhöht ist.

Beim Gießen werden die Spulen mit dem Kühlfutter (wenn ein solches an den Spulen vorhanden ist) und dann durch die Wicklungsenden 38, 39 in ihrer Lage fixiert,

Beim Abreißen werden zunächst der Kern und das Kühlfutter entfernt. Danach wird der Induktor hin- und hergeschwenkt. Wenn die Ausfütterungsmasse aus dem Induktor herausfällt, folgen die Spulen mit und können danach leicht von der Masse getrennt werden.

Das Kühlorgan wird so ausgebildet, daß es das Eindringen von geschmolzenem Metall in die angrenzende Spule verhindert. Der Eisenkern oder die Eisenkerne werden so ausgebildet, daß sie gleichzeitig als Stütze für die Scheibenspulen und andere Teile des Induktors dienen.

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Die Scheibenspulen werden so ausgebildet, daß sie ganz oder teilweise, eventuell zusammen mit dem Kühlorgan, die Ausfütterung des Induktors stützen.

In gewissen Fällen■können die Kühlorgane die Spulen als stützendes Organ zwischen den Rinnen ersetzen, und durch die Kühlwirkung, mit oder ohne angrenzende Spule, kann die Leistungsentnahme aus dem Induktor erhöht werden. Die Kühlwirkung kann auch ganz oder teilweise durch die kühlmittelgekühlten Leiter der Spulen breitgestellt werden.

Zu den "Scheibenspulen" im vorliegenden Sinne kann auch eine "Teilspule" in Scheibenform gehören, die zusammen mit anderen Teilspulen eine Primärspule bildet, welche im Querschnitt eine V-Form oder vierkantige U-Form haben, aus zwei parallel angeordneten, elektrisch zusammengeschalteten Teilspulen bestehen kann usw. Entscheidend ist, daß mindestens eine Teilspule im wesentlichen parallel zu der R±nenfläche liegt.

Zu den Teilspulen gehört ferner eine zum Teil in ebener' Scheibenform geformte Primärspule, bei der die Teilspule parallel zu der Rinnenflache liegt.

Auch normale, separate Scheibenspulen können zu einem Primärspulensystee mit V-geformtem Querschnitt gehören U- (rund oder vierkantig) Form, mehrere parallele usw.

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Die Scheibenspulen oder andere Teilscheibenspulen können auch zusammen mit anderen nicht in Scheibenform ausgebildeten Spulen zu den Primärspulen gehören.

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Claims (12)

Patentansprüche;

1. Rinnenofen mit einem Ofenkörper mit Herd sowie mindestens einem unter dem Herd angeordneten Induktor mit einer oder mehreren Schmelzrinnen, die unter der normalen Badfläche in den Herd münden, sowie Primärspule, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Primärspulen (19-22) als Scheibenspulen mit Wicklungsflächen ausgeführt sind, die im wesentlichen parallel zu der Fläche der Rinne oder Rinnen (13-17) angeordnet sind und die auf jeder Seite mindestens einer Rinne liegen.

2. Rinnenofen mit zwei oder mehreren Schmelzrinnen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den benachbarten Rinnen mindestens je eine scheibengewickelte Primärspule angeordnet ist.

3. Rinnenofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben einer oder mehreren Scheibenspulen, eventuell an beiden Seiten derselben, ebene Kühlorgane angeordnet sind oder daß zwischen zwei Rinnen, zwischen denen keine Scheibenspule vorhanden ist, ein ebenes Kühlorgan angeordnet ist.

4. Rinnenofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Komplement zu den scheibengewickelten

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Primär spulen eine eventuell von Eühlci'ganen umgebene zylindrische Primärwpule axial im Verhältnis zu den Rinnen angeordnet ist.

5. Rinnenofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Zentrum der Scheibenspulen ein oder mehrere völlig oder im wesentlichen geschlossene Eisenkerne gezogen sind.

6. Rinnenofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine eier Priuaärspulen hohle vom Kühlmittel durchflossene Leiter hat, eventuell ergänzt durch ein separates Kühlorgan.

7. Rinnenofen nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlorgan radiale Abschnitte durch den Induktor begrenzt, von denen jeder mindestens eine R±ne enthält.

8. Rinnenofen nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlorgane so geformt sind, daß sie das Eindringen von geschmolzenem Metall in die angrenzende Spule verhindern.

9. Rinnenofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Primärspulen mit mindestens zwei scheibenförmigen Leiterlagen versehen ist.

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10. Rinnenofen nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern oder die Eisenkerne gleichzeitig als Stütze für die Scheibenspulen ausgebildet sind.

11. Rinnenofen nach .Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern derart aus mehreren parallelen Zweigen aufgebaut ist, daß der Streufluß und/oder dessen Wirkungen herabgesetzt werden.

12. Rinnenofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenspulen so ausgebildet sind, daß sie ganz oder teilweise, eventuell zusammen mit den Kühlorganen, das Futter im Induktor stützen.

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