DE2331090B2 - Rinnenofen - Google Patents

Description

rungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch einen Rinnenofen mit einem Mehrrinneninduktor gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen entsprechenden Ofen mit einem Einzelrinneninduktor,

F i g. 3 die Anordnung einer Rinne und der Scheibenspulen,

F i g. 4 eine besondere Ausbildung des Eisenkerns,

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

F i g. 5A einen Querschnitt durch einen Leiter der Scheibenspule nach F i g. 5,

F i g. 6 den Verlauf des magnetischen Streuflusses bei einem Einzelrinneninduktor,

F i g. 7 die Verbindung zwischen den Leitern zweier Lagen,

F i g. 8 eine Scheibenspulenausführung,

F i g. 9 das Kühlorgan bei einem Mehrrinneninduktor,

Fig. 10 eine alternative Ausführung des Kühlorgans gemäß F ig. 9,

F i g. 11 eine Kühlfutterausführung.

In F i g. 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 Peines Einzelrinnen-Induktors gilt:

P =

U²

X ⁺ R)

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

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

1. Erhöhung der Spannung,

2. Erhöhung des Wirkwiderstandes,

3. Verminderung des Blindwiderstandes,

4. Vergrößerung der Anzahl von Rinnen pro Induktoreinheit.

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 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 F i g. 1 ungefähr vertikal), ist eine Primärspule 19,20,21, 22 mit einer oder mehreren Wicklungsebenen angebracht. Durch das Zentrum der Scheibenspulen 19 bis 22 verläuft ein (oder mehrere) Eisenkern 18, der entweder vollständig oder im wesentlichen in sich geschlossen ist. Die Speisung der' Primärspulen ist normalerweise einphasig, kann 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 F i g. 3 wird eine Prinzipskizze eines Rinnenteils 23 mit 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 F i g. 3 kann klein sein, die »Flachheit« der Rinne groß. Hierdurch erhält man bessere Möglichkeiten bei der Wahl der Ausfütterungsdicke 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 benachbart ist, wird der Blindleistungsbedarf auf etwa die Hälfte reduziert, und der Leistungsfaktor (cos φ) 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 Penetrationsgefahr und des möglichen Fehlens eines Kühlfutters zwischen Spule und Rinne kann — wie bereits erwähnt — der Abstand a (Fig.3) zwischen Rinne und Spule herabgesetzt werden. Dadurch werden sowohl der Blindleistungsbedarf als auch der Platzbedarf vermindert.

Als optimalen Arbeitspunkt kann man cos φ = 0,7 wählen, d. h. R = X, wobei man bei gegebener

so Spannung und gegebenem Blindwiderstand die maximale Leistung erhält. Bei cos φ = 0,7 wird der Induktor am wenigsten von dem fortlaufenden Verschleiß und der Verstopfung der Rinne beeinflußt, wcs 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.

bo Das Prinzip mit zwei radialen Spulen 24 und 25 (F i g. 3) kann auch für Einfachrinneninduktoren verwendet werden. Die Rinne 31 wird in Fig.2 mit in vertikaler Richtung abgeflachtem Querschnitt und Eisenkern 32 gezeigt. Das Kühlorgan ist mit 33

b5 bezeichnet und die Ausfütterungsmasse mit 34. Durch den hohen Leistungsfaktor wird unter anderem ein kleinerer Streufluß erreicht.
Der Eisenkern 18, 32 kann in mehrere parallelge-

schaltete Kreise 35 aufgeteilt werden (siehe F i g. 4), wodurch der Streufluß und seine Wirkungen reduziert werden.

Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Scheibenspule mit zwei Lagen 36 und 37, die axial nebeneinanderliegen. 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 Kühlfutter 41 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 36 von außen nach innen und in der anderen Lage 37 von innen nach außen geführt werden können (siehe F i g. 7). Der obere Teil der F i g. 7 ist ein Schnitt längs der Linie A-A des unteren Teiles von F i g. 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 F i g. 9 angeordnet werden. Zwischen dem Kühlfutter 47 ist ein Leiter für das Kühlmedium angeordnet.

In Fig. 10 werden ähnliche Kühlorgane (Kühlfutter) 49, 50, 51 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 enventuell ganz auf das Kühlfutter verzichten.

In F i g. 8 ist eine Spule mit kühlmitteldruchflossenen, spiralgewickelten Leitern 58 um einen Eisenkern 59 gezeigt, und um die Spule und die Ausfütterung ist die übliche 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.

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 bereitgestellt 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 Teilspuie im wesentlichen parallel zu der Rinnenfläche liegt.

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

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

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Rinnenofen mit einem Ofenkörper mit Herd sowie mindestens einem unter dem Herd angeordneten Induktor mit Eisenkern, Primärwicklungen und im wesentlichen parallel zueinanderliegenden Schmelzrinnen, die unter der normalen Badfläche in den Herd münden, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärspulen (19—22) als Scheibenspulen ausgebildet sind, daß die Primärspulen (19—22) und Schmelzrinnen (13—17) in axialer Richtung des Schenkels des Eisenkerns (18, 26, 32, 59) nach Art einer Scheibenwicklung abwechselnd in zueinander parallelen Ebenen hintereinander angeordnet sind und daß zwischen den Primärspulen (19-22) und den Schmelzrinnen (13-17,23,31,46) ebenfalls in parallelen Ebenen liegende Kühlorgane (43,48,49,50,51) vorhanden sind.

2. Rinnenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ergänzung zu den scheibengewikkelten Primärspulen (19—22, 52, 53) eine von Kühlorganen (56, 57) umgebende zylindrische Primärspule (54, 55) axial im Verhältnis zu den Rinnen (46) angeordnet ist.

3. Rinnenofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mit seinem Schenkel durch das Zentrum der Primärspulen verlaufende Eisenkern (18) aus einem oder mehreren völlig oder im wesentlichen geschlossenen Teileisenkernen (35) besteht.

4. Rinnenofen nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche oder einige der Kühlorgane durch hohle vom Kühlmittel durchflossene Leiter (43) der Primärspulen gebildet werden, eventuell ergänzt durch ein separates Kühlorgan (48,49,50,51).

5. Rinnenofen nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlorgane (43,49, 50, 51) radiale Abschnitte durch den Induktor begrenzen, von denen jeder mindestens eine Rinne enthält.

6. Rinnenofen nach einem der Ansprüche 1—3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, da die Kühlorgane so geformt sind, daß sie das Eindringen von geschmolzenem Metall in die benachbarte Spule verhindern.

7. Rinnenofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Primärspulen aus mindestens zwei scheibenförmigen Leiterlagen (36,37) besteht.

8. Rinnenofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern (18, 26, 32, 59) oder die Teileisenkerne (35) gleichzeitig als Stütze für die Primärspulen ausgebildet sind.

9. Rinnenofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenkern derart aus mehreren parallelen Teileisenkernen (35) aufgebaut ist, daß der Streufluß und/oder dessen Wirkungen herabgesetzt wird/werden.

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

Die Erfindung betrifft einen Rinnenofen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

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

ίο einfache Art einen Ofen für noch größere Leistungen umbauen können.

Aus der AT-PS 45 711 ist ein Induktionsofen bekannt, bei dem der Schmelzentiegel in Form eines nach oben offenen ringförmigen horizontalen Kanals aufgebaut ist.

Es handelt sich also nicht um einen Rinnenofen, bei dem unterhalb des eigentlichen Schmelzentiegels eine Rinne angerodnet ist, welche die Sekundärwicklung des Induktors darstellt. Durch die Mitte des ringförmigen Schmelzentiegels verläuft der Eisenkern eines Transformators, und oberhalb und unterhalb des Tiegels befindet sich je eine flache in zylindrischen Lagen gewickelte Primärspüle. In der Druckschrift wird ausdrücklich gelehrt, daß eine langgestreckte zylindrische Spule eine günstigere Wirkung als flachgewickelte scheibenähnliehe Spulen haben. Die Aufteilung hat lediglich den Zweck, den ringförmigen Schmelzentiegel von oben besser zugänglich zu machen.

Die DE-TS 2 61 698 zeigt eine Fortentwicklung des Ofens gemäß der AT-PS 45 711, wobei zwei ringförmige Schmelzentiegel vorhanden sind, die beide in einer Horizontalebene liegen und sich teilweise überschneiden, so daß ein Gesamtschmelzenkanal in Gestalt einer Acht entsteht. Der Eisenkern verläuft mit seinen beiden Schenkeln durch die beiden Mitten der Acht. Jeder

J5 Teilkreis der Acht hat eine untere und obere scheibenförmige Spule, wobei die obere einen kleineren Durchmesser als die untere hat, um leichter an das Schmelzbad heranzukommen. Man erzielt bei dieser Ausbildung eine gewisse Verbesserung des Leistungsfaktors, was jedoch ausschließlich drauf beruht, daß der Eisenkern nicht mehr nach oben weit über die obere Begrenzung des Schmelzentiegels hinausragen muß, um ein Anhebc-n der oberen Spule zu ermöglichen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rinnenofen der eingangs genannten Art in der Weise weiterzuentwickeln, daß ein hoher Leistungsfaktor erzielt wird und zugleich der Bau des Ofens für eine sehr große Kapazität und Nutzleistung möglich wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Rinnenofen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, der erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen genannt.

Ein Ofen nach der Erfindung hat 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

bo den Spulen und der Rinne bzw. den Rinnen. Der magnetische Hauptfluß 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 kann hierbei verzichtet werden. Die Ofenkonstruktion gestattet einen relativ einfachen Austausch des Futters.
Anhand der in den Figuren dargestellten Ausfüh-