DE3425771A1 - Elektrischer schalter fuer eine induktionsheizeinrichtung - Google Patents

Description

Elektrischer Schalter für eine Induktionsheizeinrichtung

Die Erfindung betrifft eine Schaltervorrichtung zum Herstellen und Unterbrechen eines Kontaktes für elektrischen Strom, insbesondere Hochfrequenzströme, die beim Induktionsheizen verwendet werden.

Die Erfindung ist für eine Vakuuminduktionsschmelzvorrichtung besonders nützlich, bei welcher eine Induktionsspule einen Schmelztiegel umgibt, der Metall enthält und in einer Vakuumkammer angeordnet ist. Üblicherweise wird ein Strom mit 3000 Hz oder einer höheren Frequenz mittels hohler Kupferrohre, die in ihrer Mitte von Kühlwasser durchströmt werden, durch die Wände der Kammer geleitet.

Die Induktionsspule, die den Schmelztiegel oder eine andere Vorrichtung umgibt, ist gewöhnlich eine Wendel aus einem wassergekühlten Kupferrohr. Diese Spule ist mit den Rohren verbunden, die durch die Ofenwand kommen. Gewöhnlich müssen Vorkehrungen für eine Bewegung des Schmelztiegels innerhalb der Kammer, wie Kippen oder eine Vertikalbewegung, und zum Entfernen der Spule und ihres eingeschlossenen Schmelztiegels aus dem Ofen zur Wartung oder Ersetzung getroffen werden. Es muß daher eine Trennvorrichtung vorhanden sein, die in der Lage ist, elektrische Hochfrequenzströme zu führen, während sie das Auslaufen von Wasser vermeidet. Im allgemeinen werden normale Hydraulikschläuche, die verseilte elektrische Drähte in ihrem Innern haben, als Verbindungsglieder verwendet. Diese haben die Tendenz, groß und voluminös zu sein, aber den Vorteil, anpaßbar an Fluchtungsfehler u.dgl. zu sein. Wenn steife Verbindungs-

glieder verwendet werden, können bei herkömmlichen Rohrverbindungsteilen, wie Verschraubungen, Undichtheiten auftreten, es sei denn, die Ausrichtung stimmt. Und solche Verbindungsteile sind schon an sich unfähig, eine Bewegung der Induktionsvorrichtung in der Kammer, wenn sie unter Vakuum steht, zu erlauben.

Natürlich ist eine große Vielzahl von Schaltern und anderen trennbaren Verbindungen zum Gebrauch mit Hochströmen bekannt. Nur wenige dieser Vorrichtungen sind so konstruiert, daß sie bei Hochfrequenz-Induktionsströmen (die das Aufheizen der Teile bewirken) und auch in einem Vakuum wirksam sind.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine verbesserte Einrichtung zum Verbinden einer elektrischen Vorrichtung in einer Vakuumkammer, insbesondere zum Verbinden der Induktionsspule in einem Ofen mit den Anschlüssen von durch die Seite des Ofens gehenden Leitern zu schaffen. Außerdem soll ein Schalter geschaffen werden, der eine freie Bewegung der Vorrichtung innerhalb der Kammer bezüglich der Leiteranschlüsse erlaubt.

Diese Aufgabe ,wird mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.

Der Gegenstand der Erfindung ist somit ein Schalter, der ineinanderpassende Außen- und Innenkontakte in Becher- und Kegelform hat. Die Kontakte sind an gegenüberliegenden beweglichen Teilen des Schalters angebracht, um ihnen zu ermöglichen, als leitender Kontaktsatz ineinanderzugreifen. Jeder Kontakt hat Kanäle für den Strom eines Kühlmittels; der Kühlmittelstrompfad ist unabhängig von dem elektrischen Strompfad, so daß wenn der elektrische Strom unterbrochen wird, der Kühlmittelstrom dadurch nicht beeinflußt wird. Der Schalter hat eine elektrisch isolierte

Einrichtung zum Zusammenklemmen der beiden Teile, um einen innigen Kontakt zu erhalten. Die Kontakte sind mit Eingangs- und Ausgangsleiter verbindbar, um das Herstellen und Unterbrechen des elektrischen Strompfades zwischen ihnen zu ermöglichen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Schalters hat zwei elektrische Pole und ist in eine Hochfrequenzleitung von parallelen Kupferrohrleitern, wie sie eine einfache Induktionsheizvorrichtung kennzeichnen, geschaltet. Die Kontakte sind an isolierenden Teilstücken der ersten und zweiten Teile befestigt. Kühlwasser strömt mittels einer Kombination aus Kupferrohren und nichtleitenden hydraulischen Schläuchen zu und weg von den Kontakten. Die Einrichtung, mit der die Teile zu einem geschlossenen Schalter zusammengeklemmt werden, sind zwei parallele Hydraulikzylinder, die an dem ersten der beiden Schalterteile befestigt sind. Jeder Zylinder hat eine vorstehende Stange und einen daran befestigten drehbaren Arm, der an dem zweiten Teil angreift und ihn bei Betätigung fest gegen den ersten Teil drückt. Wenn sie freigegeben sind, drehen sich die Klemmarme so, daß der zweite Schalterteil und der daran befestigte Verbraucher oder die daran befestigte Vorrichtung körperlich aus der Nähe des ersten Teiles entfernt werden kann. Wenn der erste Teil durch die Stromeingangsleitungen oder andere Mittel fliegend abgestützt wird, ermöglicht die Elastizität in den Stützen infolge der Becher- und Kegelform jedes Kontaktsatzes eine gute Selbstausrichtung der Schalterteile. 30

Der Schalteraufbau macht ihn für die Leitung von Hochströmen aus Hochfrequenz (^ 1000 Hz)-Wechselstrom geeignet, da die elektrische Isolation und Kühlung der verschiedenen Teile eine übermäßige Erwärmung und Verschlechterung der Bauteile vermeidet. Die Trennung des Kühlmittelkanalstromes von dem elektrischen Strompfad

ermöglicht es dem Schalter, in einer kontrollierten Umgebung, wie einem Vakuum, ohne Verschlechterung der Umgebung geöffnet zu werden.

Die vorgenannten und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und den beiliegenden Zeichnungen deutlicher werden. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Induktionsheizstromversorgungseinrichtung, die einen Induktionsspulenverbraucher in einer Vakuumofenkammer mittels eines Schalters nach der Erfindung innerhalb der Kammer beschickt,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines zweipoligen Schalters nach der Erfindung, wobei die Klemme am nächsten zu dem Betrachter weggelassen ist, und

Fig. 3 eine Schnittansicht von einem Teil der in Fig. 2 gezeigten Vorrichtung.

Die Erfindung wird in bezug auf ihre Verwendung mit einem Vakuuminduktionsschmelzofen beschrieben, bei welchem die Induktionsspule und der darin enthaltene Schmelztiegel vertikal bewegt werden, nachdem das in dem Schmelztiegel enthaltene Metall geschmolzen ist. Es ist klar, daß die Erfindung auch woanders anwendbar ist, und zwar immer dann, wenn ein Hochfrequenzstrom wirksam unterbrochen werden soll. Unter einem Hochfrequenz-Induktionsstrom wird ein Wechselstrom verstanden, der eine Frequenz von 1000 Hz oder größer hat.

Eine repräsentative Anordnung, wo die Erfindung nützlich ist, ist in Fig. 1 gezeigt. Ein Stromversorger 10, wie

y-s-

z.B. ein Motor-Generatorsatz, gibt einen Hochfrequenzstrom über wassergekühlte Kupferleiter 12 ab. Die Leiter 12 gehen durch einen nichtleitenden Plansch 13, der in der Wand der Kammer 15 angeordnet ist, und enden an einem Schalter 14 gemäß der Erfindung. Der Strom geht über den Schalter zu einem anderen Satz von Leitern und dann zu dem Verbraucher 18. Typischerweise ist der Verbraucher ein Keramikschmelztiegel, der von einer geraden zylindrischen schraubenförmigen Spule 19, die aus einem Kupferrohr her- IQ gestellt ist, umgeben ist.

Genauere Ansichten der Elemente der Erfindung sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Fig. 2 zeigt den Hauptteil der Vorrichtung, während Fig. 3 ein Teilguerschnitt eines der beiden kegelförmigen Kontakte 20 ist. Die Figuren zeigen einen zweipoligen Schalter, obwohl es klar ist, daß zusätzliche Pole bei anderen Ausführungsformen mit enthalten sein können. Jeder Pol umfaßt einen Satz 20 von Kupferkontakten, nämlich einen oberen Innenkontakt 22 "--*nd einen unteren Außenkontakt 24. Der Kontakt 24 hat ein zylindrisches Unterteil und einen kegelförmigen oberen Teil 26. Der sich verjüngende konische Teil 26 wird von einem dazu passenden konischen hohlen Abschnitt 28 in dem Innenkontakt aufgenommen. Die Kontakte 24, 22 sind an einer unteren bzw. oberen Isolatorplatte 30, 32 angeschraubt. Diese Platten sind aus einem steifen Isolator, wie z.B. einem gewebeverstärkten Phenolharz, hergestellt. Die untere Isolatorplatte 30 ist auf einer steifen Aluminiumgrundplatte 34 angebracht. Die obere Isolatorplatte 32 und ihre daran angebrachten Kontakte 22 können sich von der Grundplatte und ihren daran angebrachten Kontakten 24 vertikal nach oben wegbewegen, wenn dort kein Zwang ist, wie unten beschrieben ist.

Die Stromzufuhrrohre 12 sind mit dem unteren Satz von Kontakten 24 verbunden. Analoge wassergekühlte Kupferrohre

16 verbinden die oberen Kontakte 22 elektrisch und hydraulisch mit dem Induktionsspulenverbraucher 18. Die Abstützung der Teile der Vorrichtung im Raum wird am besten dadurch erhalten, wenn sie von den Rohren 12 und fliegend abgestützt werden. D.h.,daß die Rohre 12 fest mit den Wänden der Kammer und die Rohre 16 fest mit der Verbraucherspule (die unabhängig davon auf einer beweglichen Grundplatte 21 abgestützt wird) verbunden sind. Somit sind beide Hauptteile des Schalters von Körpern fliegend abgestützt. Dies hat einen Vorteil, weil die Elastizität der tragenden Rohre dem oberen und unteren Teil des Schalters 14 eine bestimmte Nachgiebigkeit gibt, wenn sie ineinandergepaßt werden, und somit eine nicht ganz perfekte vertikale Ausrichtung gestattet. Nichtsdestoweniger ist es klar, daß bei anderen Ausführungsformen die obere und die untere Anordnung des Schalters unabhängig oder getrennt voneinander in verschiedenen mechanischen Anordnungen abgestützt werden können. Dies wird dann getan, wenn die Rohre durch andere Leiter ersetzt werden, die für die Abstützung der Teile der Anordnung nicht geeignet sind.

Der obere Teil 82 des Schalters kann durch eine Bewegung der Rohre 16, mit denen er verbunden ist, nach oben bewegt werden. Er kann vollständig aus der Nähe des unteren Teiles des Schalters entfernt werden und somit eine Bewegung des Verbrauchers in der Kammer gestatten. Wenn der obere Teil 82 wieder in die Nähe des unteren Teiles 84 des Schalters gebracht wird, um den elektrischen Kontakt herzustellen, wird der obere Teil vertikal abgesenkt, bis

^O der Innenteil der kegelförmigen Kontakte 22 die Außenkontakte 24 einkapselt. Dann wird die Vorrichtung mittels der Klemmeinrichtung zusammengeklemmt.

Die Klemmeinrichtung weist zwei identische Unteranordnungen an jedem Ende der Grundplatte 34 auf. Jeder Hydraulikzylinder 46 ist in der Grundplatte 34 angebracht, Vorzugs-

weise mit einem ihn umgebenden Isolator 48, der ihn von der Grundplatte elektrisch isoliert, um induzierte Kreisströme zu vermeiden. Am Ende der Kolbenstange 50 ist ein Klemmarm 52 angeordnet, der an der Stange axial befestigt ist, sich aber frei um die Längsachse der Kolbenstange 50 drehen kann. Der Arm liegt auf einem Isolierdistanzteil 54 auf, damit sich die Kraft der Klemme über der Mittellinie des Kontaktsatzes 20 konzentrieren kann. Wenn der Kolben 56 des Hydraulikzylinders mit dem durch die Leitung 58 eintretenden Hydraulikdruck vertikal nach unten bewegt wird, drückt die Klemme 52 den Kontaktsatz 20 mit großer Kraft zusammen. Wenn das Hydraulikfluid auf die entgegengesetzte Seite des Kolbens 56 aufgebracht wird, geht die Stange 50 nach oben, wobei sie den Druck auf den Arm 52 freigibt. An dieser Stelle kann der Arm 52 um die Stange 50 gedreht werden, um eine freie Vertikalbewegung des oberen Teiles 82 zu gestatten.

Die Rohre 12, 16 sind hohle Kupferrohre und Wasser fließt durch sie, wie durch die Pfeile in Fig. 2 angezeigt ist. Das durch die Eingangsleitung 12 zu dem Kontakt 24, 62 strömende Wasser wird durch einen nichtleitenden Gummischlauch 64 zu dem zweiten Polkontakt 24, 66 geführt, und kehrt durch die Austrittsleitung 12 zurück. In entsprechcnder Weise tritt der Wasserstrom zu den oberen Kontakten 22 mittels der nichtleitenden Schläuche 68, 70 ein und wieder aus, nachdem er durch die Induktionsspule mittels der hohlen Kupferleitungen 16 geflossen ist. Somit folgt das Wasser nicht demselben Pfad wie die Elektrizitat in dem Schalter. Und wenn der obere und der untere Teil des Schalters elektrisch voneinander getrennt sind, strömt das Wasser weiterhin durch die Spule, wie es wegen der Restwärme in dem Verbraucher gewöhnlich erwünscht ist. Andere Schlauchverbindungen können verwendet werden, und dasselbe Wasser, das durch die Rohre 12 strömt, kann durch Verbindungen, die an sich klar sind, so geleitet

werden, daß es durch die Rohre 16 strömt.

Bei der besten Ausführungsform der Erfindung sollte der Kegelwinkel der ineinanderpassenden Kontakte zwischen 25 und 35° liegen und vorzugsweise ungefähr 30° sein.

Wenn der Winkel zu steil ist, führt es zu einem Verkeilen, und es wird schwierig sein, die Kontakte zu trennen; wenn der Winkel zu spitz ist, wird keine ausreichende Grenzflächenkraft erzeugt, um eine gute elektrische Verbindung zu erhalten, und es wird zu Bogenentladungen führen.

Die vorgenannten Winkel sind nur ein Vorschlag, und andere Winkel können sich je nach Strom, den der Schalter übertragen muß, im Test als nützlich erweisen.

Im allgemeinen sind die Rohre 12, 16 isoliert, um Bogenentladungen zu verhindern. Auf ähnliche Weise sind die Kontakte des Schalters isoliert, wie in Fig. 3 gezeigt ist. (Die Isolation ist in Fig. 2 zum Zwecke der Klarheit entfernt). Die Kontakte sind vorzugsweise zylindrisch, denn dies vermindert eine Korona-Entladung, und es ist einfacher, die Isolationsstücke 72, 74, 76 als Ringe herzustellen. Vorzugsweise ist die Hülse 76 aus Gummi und leicht zu entfernen.

vor äußeren Induktionswärmefeldern, die von dem Schalter an die Umgebung abgegeben werden, kann durch Einkapseln des Schalters in einen Metallmantel geschützt werden, soweit dies durch die notwendige Bewegung der Schalterteile während des Gebrauchs erlaubt ist. Es können Wir-

^O beiströme in der Klemmvorrichtung induziert werden. Deshalb sind der Arm 52 und die Kolbenstange 50 vorzugsweise aus einem geringen magnetischen Material, wie z.B. Edelstahl der Norm AISI 304. Es kann ein übermäßiges Aufheizen des Metallzylinders 46 auftreten, und bei der

besten Ausführungsform ist eine zusätzliche Leitung 78 auf der Seite des Zylinders vorgesehen, die unter Druck

gesetzt wird, wenn die Klemmwirkung aufgebracht wird, nämlich auf der Seite, die mit der Leitung 58 in Fig. 3 zu sehen ist. Die Leitung 78 ist mit einem Druckentlastungsventil 80 verbunden, und dieses Ventil ist auf einen Druck eingestellt, der ausreichend hoch ist, um die nötige Kraft an der Kolbenstange zu liefern, welcher Druck aber geringer als der Spitzendruck ist, der von der Hydraulikkraftzuführeinrichtung an die Leitung 58 abgegeben wird. Somit gibt es einen fortwährenden Hydraulikölstrom durch die Leitungen 58, 78, wenn die Klemme 46 betätigt wird. Dieser fortwährende ölstrom hält den Kolben auf einer Temperatur innerhalb seines Betrxebsbereiches.

Im allgemeinen wird der Schalter nach der Erfindung bei Einzel- und Mehrfachpolanordnungen nützlich sein. Die Stromübertragungskapazität des Schalters wird durch die Anzahl und Größe der Kontakte bestimmt, und die kegelförmige Kontaktfläche von einem Satz wird entsprechend geändert. Um einen 3000 Hz-Strom über 100 Ampere zu übertragen, wird ein Kontaktsatz mit einem 30° Kegel aus einem Kupfer guter Leitfähigkeit, wie z.B. aus ETP-Kupfer hergestellt und eine wahre konische Kontaktfläche von ungefähr 10 cm² haben.

Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung durch die Kontakte hindurchlaufende Wasserkanäle hat, wird es klar sein, daß andere Kühlmittel einschließlich Gase verwendet werden können. Auch können die Kanäle eine andere Gestalt haben, und z.B. kleine Rohre umfassen, die um den Rand der Kontakte herumlaufen. Wenn auch die bevorzugte Ausführungsform einen Schalter zeigt, der mit hohlen Rohren verbunden ist, die sowohl Wasser als auch Elektrizität führen, liegt es im Rahmen der Erfindung, daß der Schalter auch dort verwendet wird, wo die elektri-

^° sehen Leiter in bezug auf den geführten Strom ausreichend groß sind, daß sie nicht gekühlt werden müssen.

In solchen Fällen würde das Schalterkühlmittel direkt den Kontakten durch getrennte nichtleitende Leitungen zugeführt werden.

Wie hervorgehoben, ist die Becher- und Kegelform der Kontakte eine Form, die besonders für die Erfindung geeignet ist, da sie ein gutes Vermögen haben, eine Ausrichtung zu bewirken und einen guten Oberflächenkontakt zu schaffen. Diese Form schließt aber nicht die Verwendung anderer Führungen aus, die dazu beitragen, die Kontaktsätze in die nächste Nähe zueinander zu bringen. Wenn auch ferner ein Kegel die am leichtesten herzustellende Rotationsoberfläche ist, die die Ziele der Erfindung erfüllt, wird das Wort "kegelförmig" in einem sehr allgemeinen Sinn verwendet, und andere sich selbst ausrichtende verjüngende Abschnitte sind gleichermaßen nützlich und liegen im Bereich der Erfindung.

Obgleich die Erfindung in bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform gezeigt und beschrieben worden ist, ist es für die Fachleute klar, daß verschiedene Änderungen in der Form und im Detail gemacht werden können, ohne vom Grundgedanken und Umfang der beanspruchten Erfindung abweichen zu müssen.
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Claims (10)

Elektrischer Schalter für eine Induktionsheizeinrichtung Patentansprüche

1. Schalter zum Steuern des elektrischen Stromflasses,

gekennzeichnet durch

einen ersten Teil, an den ein Kontakt angebracht ist, der einen außenkegelförmigen Abschnitt hat,

einen bezüglich des ersten Teiles beweglichen zwei-L en Teil., an dom ein KonLakL· ancjebrachL· iuL, dor einen innenkegelförmigen Abschnitt zum innigen Aufnehmen des Außenkontaktabschnittes hat, wobei die Teile so geformt sind, daß eine Bewegung des zweiten Teiles auf den ersten Teil zu ein konisches Ineinanderpassen des Innenkontaktes mit dem Außenkontakt ermöglicht, um einen Kontaktsatz zu bilden, der den elektrischen Stromfluß dahindurch gestattet,

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wobei die Kontakte Kanäle haben, die einen Kühlmittelstrom durch den Satz entlang eines Pfades vorsehen, der von demjenigen des elektrischen Stromflasses verschieden ist, wobei der Kühlmittelstrompfad während den Zeiten, wenn die Teile des Schalters auseinanderbewegt sind, erhalten bleibt, und

eine Klemmeinrichtung, die, wenn sie betätigt wird, den ersten Teil gegen den zweiten Teil drängt und die, wenn sie freigegeben wird, die Trennung der Teile und eine anschließende freie Relativbewegung der Teile in jede Richtung gestattet.

2. Schal tor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Vielzahl von Außen- und Innenkontakten und Kontaktsätzen umfaßt.

3. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmeinrichtung einen Hydraulikzylinder und eine Einrichtung zum Weiterführen des antreibenden Hydraulikfluidstromes durch den Teil des Zylinders, der unter Druck gesetzt ist, wenn die Schalterteile zusammengeklemmt sind, umfaßt.

4. Schalter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch ein Druckontlastungsvcntil, das mit dem Zylinder verbunden ist, um das Weiterführen des Ilydraulikfluidstromes zu ermöglichen.

5. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ^O daß einer der Teile auf einer elastisch verformbaren Kragstütze angebracht ist.

6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kragstütze ein hohles Kupferrohr ist, das mit einem Kontakt verbunden ist, wobei das Rohr dafür ausgebildet ist, Kühlmittel und elektrischen Strom zu dem Kontakt zu führen.

7. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eingeschlossene Winkel des konischen Abschnittes 25-35° beträgt.

8. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil eine Grundplatte und eine Vielzahl von Kontakten hat, die isolierend daran angebracht sind, um sie von der Grundplatte und voneinander zu isolieren,
der zweite Teil eine Vielzahl von Kontakten hat, die isolierend daran angebracht sind, um sie voneinander und von anderen Teilen der Vorrichtung zu isolieren, und ein
Hydraulikzylinder an der Grundplatte angebracht ist, der eine Betätigungsstange mit einem daran angebrachten Klemmarm hat, der den zweiten Teil gegen den ersten Teil drängt, wenn der Zylinder betätigt wird.

9. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen- und Innenkontakte untereinander ausgetauscht sind.

10. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation die Kontaktsätze vollständig umgibt,
wenn die Kontakte ineinandergepaßt sind.

it. Schalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Klemmarm um die Stange drehbar ist.