DE3836239A1 - Vorrichtung zum behaelterlosen positionieren und schmelzen von elektrisch leitenden materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff 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 Schmelzraum 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 mechanischen 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 magnetischen Flußdichte, und damit auch die durch Wirbelströme erzeugte Wärme, am geringsten ist. Der Heizwirkungsgrad 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 zusätzlich zu den das Positionierfeld erzeugenden Spulen mindestens eine den Schmelzbereich umgebende weitere Spule vorgesehen, die vom 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 Positionierfeld 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 Positionierspule 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 verschlechtert, so daß ein erheblicher Teil der den Positionierspulen zugeführten Leistung in nutzlose Wärme umgesetzt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen 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 angegebenen Merkmalen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet mit nur zwei Spulen, die sowohl zum Positionieren als auch zum Heizen und Schmelzen der Probe verwendet werden und die in jedem Fall in Reihe geschaltet sind. Beide Spulen sind gemeinsamer Bestandteil von zwei verschiedenen Schwingkreisen unterschiedlicher Resonanzfrequenz, wobei der Strom des ersten Schwingkreises die beiden Spulen in gleicher Richtung durchfließt, während der Strom des zweiten Schwingkreises sie in entgegengesetzter Richtung durchfließt. Beide Ströme können einander in den Spulen überlagern. Beide Schwingkreise haben die beiden Spulen gemeinsam, unterscheiden sich aber durch ihre Kondensatoren. Der erste Schwingkreis bildet einen Heizschwingkreis, und der zweite einen Positionierschwingkreis. Mit dem hochfrequenten Wechselstrom des Heizschwingkreises wird in den Spulen ein hochfrequentes magnetisches Dipolfeld erzeugt, das im Bereich der Probe eine hohe Feldstärke besitzt und damit eine hohe Wärmeerzeugung in der Probe liefert. Mit dem hochfrequenten Wechselstrom des Positionierschwingkreises entsteht in den Spulen ein hochfrequentes magnetisches Quadrupol-Feld mit geringer Feldstärke aber hohem Feldstärkegradienten im Bereich der Probe, das damit eine große Kraft auf die Probe ausübt bei nur geringer Wärmeerzeugung in ihr. Um niederfrequente Schwebungen der beiden überlagerten Magnet­ felder zu vermeiden, sollen die Resonanzfrequenzen beider Schwingkreise hinreichend weit auseinanderliegen. Die Anordnung und Kapazität der Schwingkreiskondensatoren ist nun so gewählt, daß sich beide Schwingkreisströme entweder gar nicht oder nur bis zu einem gewünschten Maße gegenseitig beeinflussen. Damit lassen sich die Stromstärken in beiden Schwingkreisen getrennt voneinander von unterschiedlichen Verstärkereinrichtungen steuern, so daß der Benutzer die Heizleistung und die Positionierkraft jeweils unabhängig voneinander einstellen kann.

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

Hierin ist k₁ ein positive Proportionalitätskonstante und die magnetische Flußdichte.

Die pro Volumeneinheit auf die Probe ausgeübte Kraft ist

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

Mit den beiden getrennten Schwingkreisen, die Ströme unterschiedlicher Frequenzen erzeugen, können die magnetischen Dipol- und Quadrupol-Anteile in wählbarem Verhältnis einander überlagert werden, wobei es im Grenzfall auch möglich ist, mit einem reinen Dipol-Feld oder einem reinen Quadrupol-Feld zu arbeiten, wenn jeweils einer der Schwingkreise stillgesetzt ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere 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 insbesondere 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 als auch das stabile Positionieren der Probe beim Abkühlen. Die Vorrichtung zeichnet sich gegenüber den bekannten Vorrichtungen insbesondere durch den verbesserten elektrischen Wirkungsgrad aus. Dies ist bei Weltraumanwendungen von großer Bedeutung, da hier elektrische Energie nur begrenzt zur Verfügung steht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

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

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der elektrischen Schaltung 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 L₁ und L₂ auf, deren Achsen zusammenfallen und die in axialer Richtung einen gegenseitigen Abstand haben. Zwischen den Spulen befindet sich entlang der Achse der Schmelzbereich, in dem die Probe P angeordnet ist, die von den Magnetfeldern der Spulen im Schwebezustand gehalten und gegen seitliches Auswandern positioniert wird. Die Spulen L₁ und L₂, die aus Gründen der Einfachheit mit nur einer Windung dargestellt sind, können auch mehrere Windungen aufweisen. Die Spulen sind als Rohre ausgebildet und von einem Kühlmittel durchflossen.

Das erste Ende 1 der einen Spule L₁ ist über einen ersten Kondensator C _{H 1} mit dem zweiten Ende 2 der anderen Spule L₂ verbunden. Ferner ist das zweite Ende 2 der einen Spule L₁ über einen weiteren ersten Kondensator C _{H 2} mit dem ersten Ende 1 der anderen Spule L₂ verbunden. Die beiden Spulen bilden somit mit den ersten Kondensatoren C _{H 1} und C _{H 2} einen geschlossenen Stromkreis in Form eines Schwingkreises. Dieser Stromkreis ist der Heizstromkreis. Ein in dem genannten Schwingkreis fließender Wechselstrom hat in den beiden Spulen L₁ und L₃ die gleiche Richtung, wodurch das in Fig. 2 dargestellte Dipol-Feld zum Aufheizen der Probe P entsteht.

Das erste Ende 1 der einen Spule L₁ ist ferner über den zweiten Kondensator C _{P 1} mit dem ersten Ende 1 der anderen Spule L₂ verbunden, und das zweite Ende 2 der einen Spule L₁ ist über einen weitern zweiten Kondensator C _{P 2} mit dem zweiten Ende 2 der anderen Spule L₂ verbunden. Die Spulen L₁ und L₂ bilden mit den zweiten Kondensatoren C _{P 1} und C _{P 2} einen weiteren Schwingkreis, in dem die Spulen von dem Wechselstrom dieses Stromkreises in entgegengesetzter Richtung durchflossen werden. Dadurch entsteht das in Fig. 3 dargestellte Quadrupol-Feld zum Positionieren der Probe P.

Damit das magnetische Quadrupol-Feld die Probe P unter Schwerelosigkeit in der Mitte zwischen den Spulen positioniert, sollten beide Spulen möglichst gleiche Induktivität und einen möglichst gleichen elektrischen Widerstand haben. Dies bedeutet, daß beide Spulen baugleich sein sollten.

Zum Ausgleich der Energieverluste im Heizstromkreis ist der erste Kondensator C _{H 1} an die beiden Klemmen eines Heizverstärkers HV₁ angeschlossen, und der erste Kondensator C _{H 2} ist an die beiden Klemmen eines weiteren Heizverstärkers HV₂ angeschlossen. Beide Heizverstärker HV₁ und HV₂ sind Wechselstromverstärker, die gemeinsam über ein Rückkopplungsglied von der Schwingung im Heizstromkreis angesteuert werden.

In gleicher Weise ist der zweite Kondensator C _{P 1} mit den beiden Klemmen eines Positionierverstärkers PV₁ verbunden, und der zweite Kondensator C _{P 2} ist mit den beiden Klemmen eines Positionierverstärkers PV₂ verbunden. Die Positionierverstärker PV₁ und PV₂ dienen zum Ausgleich der Verluste im Positionierschwingkreis, und werden ebenfalls gemeinsam über ein Rückkopplungsglied von der Schwingung im Positionierstromkreis angesteuert.

Um eine gegenseitige Beeinflussung der Ströme der beiden Schwingkreise zu verhindern und die unabhängige Regelung dieser Schwingkreise zu ermöglichen bzw. um die wechselseitige Beeinflussung der beiden Schwingkreise bewußt zu steuern, sollte eine der folgenden Bedingungen erfüllt sein:

• 1. C _{H 1} = C _{H 2}, C _{P 1} ≠ C _{P 2}, wobei einer der beiden Kondensatoren C _{P 1} oder C _{P 2} auch kurzgeschlossen sein kann;
• 2. C _{P 1} = C _{P 2}, C _{H 1} ≠ C _{H 2}, wobei einer der beiden Kondensatoren C _{H 1} oder C _{H 2} auch kurzgeschlossen sein kann;
• 3. C _{H 1} = C _{H 2}, C _{P 1} = C _{P 2} .

Diese Bedingungen bedeuten andererseits, daß C _{H 1}= C _{H 2} und/oder C _{P 1} = C _{P 2} erfüllt sein sollte. Insbesondere in dem oben aufgeführten dritten Fall ist die Unabhängigkeit der beiden Schwingkreisströme unmittelbar einsichtig. Oszilliert in dem aus den beiden baugleichen Spulen L₁ und L₂ und den ersten Kondensatoren C _{H 1} und C _{H 2} gebildeten Heizschwingkreis ein Strom, dann herrscht aufgrund der Gleichheit der Kapazitäten dieser beiden Kondensatoren an dem zweiten Ende 2 der einen Spule L₁ zu jedem Zeitpunkt die gleiche Spannung wie an dem zweiten Ende 2 der zweiten Spule L₂ und an dem ersten Ende 1 der einen Spule L₁ herrscht die gleiche Spannung wie an dem ersten Ende 1 der anderen Spule L₂. Es fließt also kein Wechselstrom durch die zum Positionierschwingkreis gehörenden zweiten Kondensatoren C _{P 1} und C _{P 2}. Gleiches gilt auch für den aus den beiden Spulen und den zweiten Kondensatoren C _{P 1} und C _{P 2} gebildeten Positionierschwingkreis. Die Ströme der beiden Schwingkreise oszillieren also mit ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Das hat zur Folge, daß die Stärke des magnetischen Positionierfeldes und des magnetischen Heizfeldes unabhängig voneinander eingestellt und geregelt werden können. Um niederfrequente Schwebungen der beiden überlagerten Positionier- und Heizmagnetfelder zu vermeiden, die die Probe zu mechanischen Schwingungen anregen können, sollten die Resonanzfrequenzen beider Schwingkreise jedoch hinreichend weit auseinanderliegen.

Claims (8)

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 gemeinsam von Hochfrequenzströmen durchflossen sind, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Spulen (L₂, L₂) mit mindestens einem ersten Kondensator (C _{H 1}, C _{H 2}) zu einem ersten Schwingkreis derart verbunden sind, daß sie in diesem Schwingkreis gleichsinnig durchflossen sind,
daß die beiden Spulen (L₁, L₂) mit mindestens einem zweiten Kondensator (C _{P 1}, C _{P 2}) zu einem zweiten Schwingkreis derart verbunden sind, daß sie in diesem Schwingkreis gegensinnig durchflossen sind,
und daß jeder der beiden Schwingkreise an eine Verstärkereinrichtung (HV₁, HV₂; PV₁, PV₂) zum Ergänzen der Schwingkreisverluste angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erstes Ende (1) der einen Spule (L₁) mit einem zweiten Ende (2) der anderen Spule (L₂) durch einen ersten Kondensator (C _{H 1}) verbunden ist,
und daß ein zweites Ende (2) der einen Spule (L₁) mit einem ersten Ende (1) der anderen Spule (L₂) durch einen weiteren ersten Kondensator (C _{H 2}) verbunden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein erstes Ende (1) der einen Spule (L₁) mit einem ersten Ende (1) der anderen Spule (L₂) durch einen zweiten Kondensator (C _{P 1}) verbunden ist,
und daß ein zweites Ende (2) der einen Spule (L₁) mit einem zweiten Ende (2) der anderen Spule (L₂) durch einen weiteren zweiten Kondensator (C _{H 2}) verbunden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder erste Kondensator (C _{H 1}, C _{H 2}) an beide Ausgangsklemmen eines zugehörigen ersten Verstärkers (HV₁, HV₂) angeschlossen ist
und daß beide erste Verstärker (HV₁, HV₂) gemeinsam angesteuert sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß jeder zweite Kondensator (C _{P 1}, C _{P 2}) an beide Ausgänge eines zugehörigen zweiten Verstärkers (PV₁, PV₂) angeschlossen ist
und daß beide zweiten Verstärker (PV₁, PV₂) gemeinsam angesteuert sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden ersten Kondensatoren (C _{H 1}, C _{H 2}) gleiche Kapazitäten haben.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden zweiten Kondensatoren (C _{P 1}, C _{P 2}) gleiche Kapazitäten haben.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß beide Spulen (L₁, L₂) baugleich sind.