DE3833255C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Ober­ begriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Es ist bekannt, Metalle oder Legierungen zwischen zwei mit vertikalem Abstand voneinander angeordneten Spulen, die gegensinnig von einem hochfrequenten Wechselstrom durchflossen werden, berührungslos zu schmelzen. Die Spulen erfüllen dabei eine doppelte Funktion: Sie dienen als Positionierspulen, um die Probe im Schmelz­ raum zu halten, und sie erzeugen durch magnetische Induktion in der Probe Wirbelströme, wodurch die Probe aufgeheizt wird. Eine Probe, die unter Schwerelosigkeit keinen weiteren zeitlich konstanten äußeren Kräften ausgesetzt ist, wird in dem Magnetfeld der beiden Spulen an dem Punkt fixiert bzw. nach kleinen mecha­ nischen Erschütterungen zu dem Punkt zurückgedrängt, an dem das kombinierte Magnetfeld der beiden Spulen am schwächsten ist. Hierbei befindet sich die Metallprobe aber in einem Bereich, in dem der Betrag der magne­ tischen Flußdichte, und damit auch die durch Wirbel­ ströme erzeugte Wärme, am geringsten ist. Der Heiz­ wirkungsgrad einer Spulenanordnung, deren Spulen gegensinnig und gleichphasig von Hochfrequenzstrom durchflossen werden und dabei ein magnetisches Quadrupol-Feld erzeugen, ist sehr gering, wogegen die Positionierkräfte relativ hoch sind.

Um außer hohen Positionierkräften auch eine starke Heizwirkung zu erhalten, ist nach DE 36 39 973 A1 zu­ sätzlich zu den das Positionierfeld erzeugenden Spulen mindestens eine den Schmelzbereich umgebende weitere Spule vorgesehen, die von Hochfrequenzstrom mit einer höheren Frequenz durchflossen ist. Diese weitere Spule dient als Heizspule zur berührungsfreien induktiven Aufheizung der Probe. Da die von dieser Spule erzeugte Magnetfeldstärke im Bereich der durch das Positionier­ feld festgehaltenen Probe am größten ist, wird die Energie des in dieser Spule fließenden Wechselstromes in der Probe in Schmelzwärme umgesetzt. Nachteilig ist jedoch, daß die beiden das Positionierfeld erzeugenden Spulen sehr dicht an der Heizspule liegen, so daß in dem Bereich zwischen Heizspule und einer Positionier­ spule eine sehr große magnetische Feldstärke herrscht. Dies bedeutet, daß die Positionierspulen durch die Heizspule nahezu ebenso stark erwärmt werden wie die Probe selbst. Diese Wärme muß weggekühlt werden und geht verloren. Andererseits schirmt die Heizspule die Felder der Positionierspulen zu einem großen Teil vor der Probe ab, was deren Kraftwirkung erheblich ver­ schlechtert, so daß ein erheblicher Teil der den Positionierspulen zugeführten Leistung ebenfalls in nutzlose Wärme umgesetzt wird.

Eine weitere Vorrichtung zum behälterlosen Schmelzen von elektrisch leitendem Material, die mit zwei beidseitig der Probe angeordneten Spulen auskommt, ist in US 26 86 864 beschrieben. Beide Spulen werden in entgegengesetzten Richtungen vom Hochfrequenzstrom durchflossen, so daß ein magnetisches Quadrupol-Feld als Levitationsfeld entsteht. Es besteht keine Möglichkeit die vom Magnetfeld auf die Probe ausgeübte Schwebekraft und die auf die Probe übertragene Heizenergie unabhängig voneinander zu steuern. Die einzige Steuer- oder Regelmöglichkeit besteht in der Veränderung der Stromstärke in den Spulen und damit der Magnetfeldstärke. Damit werden sowohl die Positionierkraft als auch die Heizleistung in der Probe verändert.

Aus DE 36 04 503 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die zum Schweben und Positionieren nur eine einzige Spule benötigt, wobei die Schwebekraft durch Variation einer zum Induktor in Reihe geschalteten Spule und die Erwärmung durch Variation der Frequenz reguliert werden kann. Damit ist es in gewissen Grenzen möglich, Positionierkraft und Heizleistung unabhängig voneinander zu verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Art zu schaffen, die sowohl ein Aufschmelzen als auch ein Positionieren der Probe mit geringer Verlustwärme und hohem Wirkungsgrad ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 an­ gegebenen Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet mit nur zwei Spulen, die gleichzeitig als Positionierspulen und als Heizspulen dienen. Wenn die hochfrequenten Wechsel­ ströme in beiden Spulen gleichphasig fließen, entsteht ein hochfrequentes magnetisches Dipol-Feld mit hoher Feldstärke und großer Wärmeerzeugung in der Probe. Wenn die Spulen gegenphasig durchflossen sind, entsteht ein magnetisches Quadrupol-Feld mit relativ geringer Feld­ stärke über hohem Feldstärkegradienten im Bereich der Probe. Durch Wahl von Phasenverschiebungen zwischen 0° und 180° können einander überlagerte Dipol- und Quadrupol-Felder erzeugt werden. Je kleiner die Phasen­ differenz ist um so größer ist der Dipol-Anteil des kombinierten Magnetfeldes und um so kleiner der Quadrupol-Anteil. Der Dipol-Anteil wirkt vorwiegend wärmeerzeugend, während der Quadrupol-Anteil vorwiegend positionierend wirkt.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die pro Zeit- und Volumeneinheit in der Probe erzeugte Wärme P proportional ist zu ²:

P = k₁; ².

Hierin ist k₁ eine positive Proportionalitätskonstante und die magnetische Flußdichte.

Die pro Volumeneinheit auf die Probe ausgeübte Kraft ist

= k₂ (- grad ²).

Diese Kraft ist also dem Gradienten der Flußdichte pro­ portional, wobei k₂ die positive Proportionalitäts­ konstante ist. Beim Dipol-Feld ist im Bereich der Probe P groß und klein und beim Quadrupol-Feld ist dort P klein und groß.

Mit den beiden getrennten Stromquellen, die in den beiden Spulen Ströme gleicher Frequenz aber variier­ barer Phasendifferenz erzeugen, können die Dipol- Anteile und die Quadrupol-Anteile in wählbarem Ver­ hältnis einander überlagert werden, wobei es im Grenz­ fall auch möglich ist, mit einem reinen Dipol-Feld (Phasendifferenz = 0) oder einem reinen Quadrupol-Feld (Phasendifferenz = 180°) zu arbeiten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich ins­ besondere zum Schmelzen und/oder Abkühlen elektrisch leitender Materialien unter verminderter Schwerkraft. Sie findet vornehmlich in Weltraumfahrzeugen zur Durchführung metallurgischer Untersuchungen Anwendung. Ein Kontakt der Probe mit Tiegelwänden u.dgl. muß ins­ besondere dann vermieden werden, wenn geschmolzene Proben tief unter die Schmelztemperatur abgekühlt werden sollen, ohne zu erstarren, da Tiegelwände Kristallisationskeime darstellen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht sowohl das Aufschmelzen der Probe als auch das stabile Positionieren der Probe beim Abkühlen. Die Vorrichtung zeichnet sich gegenüber den bekannten Vorrichtungen insbesondere durch den ver­ besserten elektrischen Wirkungsgrad aus. Dies ist bei Weltraumanwendungen von großer Bedeutung, da hier elektrische Energie nur begrenzt zur Verfügung steht.

Nach Anspruch 2 ist vorgesehen, daß beide Stromquellen von einem gemeinsamen Schwingungsgenerator gesteuert sind. Dadurch wird sichergestellt, daß beide Strom­ quellen mit derselben Frequenz arbeiten. Durch Phasen­ schieberschaltungen können die Schwingungen des Schwingungsgenerators in den Stromquellen auf einfache Weise verschoben werden. Als Phasenschieber eignen sich z.B. Allpaß-Filter.

Jede der beiden Spulen bildet mit einem entsprechenden Kondensator einen Leistungsschwingkreis. Die Frequenz des Schwingungsgenerators sollte der Resonanzfrequenz der beiden Leistungsschwingkreise entsprechen. Beide Spulen und Kondensatoren sind zweckmäßigerweise bau­ gleich ausgeführt, um sicherzustellen, daß die Resonanzfrequenzen einander möglichst gleich sind.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Spulen bei Dipol-Betrieb mit dem eingezeichneten Magnetfeld und

Fig. 3 eine Seitenansicht der Spulen bei Quadrupol- Betrieb mit eingezeichnetem Magnetfeld.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist zwei parallele Spulen L ₁ und L ₂ auf, deren Achsen zusammen­ fallen und die in axialer Richtung einen gegenseitigen Abstand haben. In dem Raum zwischen den Spulen L ₁ und L ₂ befindet sich die Probe P, die von dem Quadrupol- Anteil der Magnetfelder der Spulen im Schwebezustand gehalten wird. Der Spule L ₁ ist ein Kondensator C ₁ parallelgeschaltet und der Spule L ₂ ist ein Kondensator C ₂ parallelgeschaltet. Jede der beiden aus der Spule L ₁ und dem Kondensator C ₁ bzw. der Spule L ₂ und dem Kon­ densator C ₂ gebildeten Schwingkreise ist an eine Strom­ quelle 10 bzw. 11 angeschlossen. Die Stromquelle 10 enthält einen Phasenschieber P S ₁, dessen Ausgang einen Verstärker A ₁ steuert, und die Stromquelle 11 enthält einen Phasenschieber P S ₂, dessen Ausgang einen Ver­ stärker A ₂ steuert. Der Ausgang des Verstärkers A ₁ ist mit der Spule L ₁ und dem Kondensator C ₁ verbunden, und der Ausgang des Verstärkers A ₂ ist mit der Spule L ₂ und dem Kondensator C ₂ verbunden.

Die Wicklungen der beiden Spulen L ₁ und L ₂ bestehen aus Kupferrohr, das von einem Kühlmittel durchflossen wird. Die Verstärkungsfaktoren der Verstärker A ₁ und A ₂ sind einzeln einstellbar ebenso wie die Winkel der Phasen­ verschiebung durch die Phasenschieber P S ₁ und PS ₂.

Den beiden Phasenschiebern P S ₁ und PS ₂ wird gemeinsam das Ausgangssignal eines Schwingungsgenerators 12 zu­ geführt.

Damit die starre Frequenz- und Phasenbeziehung, die zwischen den Wechselströmen in beiden Schwingkreisen L ₁, C ₁ und L ₂, C ₂ herrschen muß, eingehalten wird, werden die beiden Stromquellen 10 und 11 von dem gemeinsamen Schwingungsgenerator 12 angesteuert, d.h. die Verstärker A ₁ und A ₂ erzeugen erzwungene Schwin­ gungen in den Leistungsschwingkreisen mit der Frequenz des Schwingungsgenerators 12. Damit die Verstärkung möglichst verlustfrei erfolgt, sollte die vom Schwingungsgenerator 12 vorgegebene Frequenz nicht oder nur wenig von der Resonanzfrequenz der Leistungs­ schwingkreise abweichen. Da diese Resonanzfrequenz jedoch auch von der Leitfähigkeit der jeweils zwischen den Spulen befindlichen Probe P abhängt, muß die Frequenz des Frequenzgenerators 12 entsprechend variierbar sein.

Durch Verstellen eines der Phasenschieber P S ₁ oder PS ₂ kann die Phasendifferenz zwischen den Schwingungen in den beiden Spulen L ₁ und L ₂ verändert werden. Fig. 2 zeigt den Fall, daß die Phasendifferenz Null ist. Dabei fließt in beiden Spulen ein gleichgroßer Wechselstrom mit gleicher Frequenz und Phasenlage, so daß beide Spulen L ₁ und L ₂ ein zeitlich oszillierendes magneti­ sches Dipol-Feld mit hoher Feldstärke im Bereich der Probe P erzeugen, das zum effizienten Heizen bzw. Schmelzen der Probe dient. Das gemäß Fig. 2 erzeugte Magnetfeld ist ein Dipol-Feld. Da die Flußdichte B im Bereich der Probe P besonders groß ist, erfolgt eine wirksame Aufheizung der Probe.

Fig. 3 zeigt den anderen Extremzustand, daß die Ströme beider Spulen L ₁ und L ₂ um 180° phasenverschoben sind.

Das Magnetfeld ist dabei ein Quadrupol-Feld mit hohem Flußdichte-Gradienten in den Randbereichen der Probe P. Daher wirkt dieses Feld positionierend auf die Probe, während nur wenig Heizleistung entsteht. Der Zustand nach Fig. 3 eignet sich insbesondere für den Fall, daß eine geschmolzene Probe berührungslos abkühlen soll.

Jede zwischen 0° und 180° liegende Phasendifferenz stellt eine Überlagerung beider Felder dar. Je kleiner die Phasendifferenz ist, um so größer ist der Dipol- Anteil des kombinierten Magnetfeldes und um so kleiner der Quadrupol-Anteil.

Claims (2)

1. Vorrichtung zum behälterlosen Schmelzen und Positionieren von elektrisch leitenden Materialien, mit einer Spulenanordnung aus zwei auf entgegengesetzten Seiten eines Schmelzbereichs angeordneten Spulen (L₁, L₂), die von Hochfrequenzströmen gleicher Frequenz durchflossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß beide Spulen (L₁, L₂) an getrennte Stromquellen (10, 11) angeschlossen sind, deren relative Phasenlagen in einem Bereich von 0° bis 180° veränderbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Stromquellen (10, 11) von einem gemeinsamen Schwingungsgenerator (12) gesteuert sind, wobei mindestens eine der Stromquellen einen Phasenschieber (PS₁, PS₂) enthält.