DE4026598C1 - - Google Patents
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- H05B6/145—Heated rollers
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Description
Die Erfindung betrifft eine induktionsbeheizte Galette nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
Induktionsbeheizte Galetten werden auch als Streckenrollenaggregate, Streck
walzen od. dgl. bezeichnet und beispielsweise in der Chemiefaserherstellung,
der Folienherstellung und der Papierherstellung verwendet (vgl. beispiels
weise EP-A 03 49 829). Für Galetten der in Rede stehenden Art ist wesentlich,
daß die Außenfläche des zylindrischen Galettenmantels auf einer relativ hohen
Temperatur liegt, um Streck- und Schrumpfvorgänge in mit dem Galettenmantel
in Berührung kommenden Materialien zu ermöglichen.
Die Beheizung des kreiszylindrischen Galettenmantels, der sich ja im Betrieb
mit hoher Drehzahl um seine Längsachse dreht, erfolgt mittels einer im Inne
ren des Galettenmantels stationär angeordneten Heizeinrichtung. Die Heizein
richtung kann die Erwärmung des Galettenmantels durch Wärmestrahlung, Wärme
konvektion oder durch Induktionsvorgänge bewirken. Als besonders wirksam hat
sich eine induktive Heizeinrichtung erwiesen, mit einer solchen induktiven
Heizeinrichtung befaßt sich auch die vorliegende Erfindung.
Bei einer induktionsbeheizten Galette, also einer Galette mit einer indukti
ven Heizeinrichtung, wird der magnetische Fluß, der von den stationären Pri
märwicklungen auf dem Kern der Heizeinrichtung erzeugt wird, in dem Galetten
mantel im Rückschlußmantel aus ferromagnetischem Material, meist aus Eisen,
geschlossen. Im Kurzschlußring bzw. in den Kurzschlußringen werden Spannun
gen induziert, die zu entsprechenden Strömen führen, durch die dann die Kurz
schlußringe und damit der Galettenmantel insgesamt erwärmt werden.
Durch unterschiedliche Wärmeabfuhr vom Galettenmantel, aber auch durch Unter
schiede im Inneren des Galettenmantels, unterschiedliche lokale Wirkungsgrade
usw. ergeben sich Temperaturunterschiede auf der Außenseite des Galettenman
tels über dessen Breite. Diese sollen möglichst gering sein, man spricht von
einem guten Temperaturprofil, das es einzuhalten gilt. Dazu hat man bei in
duktionsbeheizten Galetten mit nur einer Primärwicklung Dampf-/Flüssigkeitssysteme
eingesetzt, die aber auf Temperaturen bis ca. 500 K in ihrem Einsatzbereich
begrenzt sind, schnell altern und verschleißtechnisch nicht optimal sind.
Mit aktiven Pumpen arbeitende Umlaufsysteme können im betriebsmäßig schnell
rotierenden Galettenmantel nicht eingesetzt werden, wie ohne weiteres auf
der Hand liegt.
Um auch bei Temperaturen von 600 bis 750 K, die bei Herstellung moderner
Industrie-Kunstfasern erforderlich sind, ein gutes Temperaturprofil zu reali
sieren, hat man die eingangs erläuterte Aufteilung der Primärwicklung in
der Heizeinrichtung auf mehrere einzelne Primärwicklungen, meist zwei oder
drei Primärwicklungen, realisiert. Damit gewinnt man eine erhebliche Ver
besserung des Temperaturprofils, da die Arbeitsbreite des Galettenmantels in
einzelne Abschnitte aufgeteilt ist, die jeweils für sich ausgeregelt werden
können. Die Arbeitstemperatur ist nicht durch das Dampf-/Flüssigkeitssystem
begrenzt, erheblich höhere Umfangsgeschwindigkeiten der Galette sind möglich.
Auch bei der zuvor erläuterten induktionsbeheizten Galette mit mehreren in
axialer Richtung hintereinander angeordneten Primärwicklungen, von der die
Erfindung ausgeht (DE-A 35 27 271), ist das Temperaturprofil mit einer Tem
peratur-Bandbreite von 3 bis 4 K für manche Anwendungsfälle noch nicht opti
mal, so daß der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, eine Möglichkeit anzu
geben, dieses Temperaturprofil nochmals zu verbessern.
Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einer Galette mit den Merkmalen des
Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von
Anspruch 1 gelöst. Flüssigmetalle sind nach technischer Definition Metalle
mit niedrigem Schmelzpunkt etwa um oder unter 600 K. Im Hochtemperaturbereich,
wo andere Flüssigkeiten aus Temperaturgründen versagen, werden sie als Wärme
träger eingesetzt.
Bei dem vorliegenden Anwendungsfall wirkt das Flüssigmaterial zunächst wie
ein Kurzschlußring, d. h. durch induzierte Spannungen werden bereichsweise
Ringströme im FlüssigmetaIl erzeugt, die dessen Aufheizung bewirken. Außerdem
aber wirkt das Flüssigmetall als Wärmeträgermedium das dem Temperaturaus
gleich über die Arbeitsbreite des Galettenmantels dient. Dazu muß aber das
Flüssigmetall umlaufend gefördert werden. Das gelingt nun erfindungsgemäß
dadurch, daß durch die besondere Speisung der Primärwicklungen diese hin
sichtlich des Flüssigmetalls als eine Art Linearantrieb wirken. Dadurch, daß
die im Flüssigmetall induzierten elektrischen Ströme bereichsweise, nämlich
an beiden Enden des Galettenmantels und zwischen jeweils zwei Primärwicklun
gen bzw. Kurzschlußringen, den magnetischen Fluß kreuzen, werden Längskräfte,
also axial gerichtete Kräfte in dem Flüssigmetall erzeugt. Die durch das
wandernde Feld im Flüssigmetall erzeugte, axial gerichtete Gesamtkraft führt
dazu, daß das Flüssigmetall in den Ringkanälen und Querkanälen im Kreislauf
gefördert wird, ohne daß ein Pumpsystem erforderlich ist.
Im Grundsatz sollte man bei drei Primärwicklungen diese jeweils 120°-phasen
verschoben speisen, grundsätzlich sind natürlich auch andere Phasenwinkel bei
einer anderen Zahl von Primärwicklungen denkbar. Man kann sich auch vorstel
len, mehrere Gruppen von jeweils drei Primärwicklungen axial hintereinander
anzuordnen, das ist eine Frage der Größe der Galette bzw. der Arbeitsbreite
des Galettenmantels.
Mit dem erfindungsgemäßen Flüssigmetall-Umlaufsystem im Galettenmantel kann
das Temperaturprofil auch bei einer beachtlichen Arbeitsbreite des Galetten
mantels auf 1 bis 2 K oder auf noch geringere Werte heruntergedrückt werden.
Durch die Gestaltung des Strömungskanals für das Flüssigmetall läßt sich die
Wärmetransportcharakteristik in weiten Grenzen beeinflussen. Besondere Auf
merksamkeit muß dabei den Engstellen im Bereich der Zwischenringe gewidmet
werden, da hier einander widersprechende Forderungen nach einem möglichst
schmalen Spalt für einen optimierten magnetischen Fluß und einem möglichst
großen Strömungsquerschnitt für das Flüssigmetall aufeinandertreffen.
Insgesamt ist es natürlich so, daß der von den Ringkanälen und Querkanälen
gebildete Aufnahmeraum für das Flüssigmetall allseits hermetisch dicht sein
sollte, damit sich möglichst wenig Verluste ergeben.
Als Flüssigmetall haben sich Natrium, Kalium oder ein Natrium-/Kalium-Ge
misch als besonders zweckmäßig erwiesen, aber auch andere Flüssigmetalle oder
Mischungen mit Flüssigmetallcharakter lassen sich je nach Anwendungsfall
einsetzen.
Im Stand der Technik bestehen die Kurzschlußringe aus einem elektrisch gut
leitenden Material, beispielsweise aus Kupfer. Das ist im Stand der Technik
auch erforderlich, weil die komplette Wärme für den Galettenmantel in den
Kurzschlußringen erzeugt werden muß. Entsprechende Kurzschlußringe aus elek
trisch gut leitendem Material könnten auch bei der erfindungsgemäßen Galette
eingesetzt werden. Hier kommt aber hinzu, daß das Flüssigmetall selbst ein
elektrisch gut leitendes Material ist, so daß das Flüssigmetall in den Be
reichen der Primärwicklungen selbst wie jeweils ein Kurzschlußring wirkt.
Dadurch erfolgt eine Wärmeerzeugung im Flüssigmetall selbst durch die dort
induzierten Ströme. Folglich kann man bei der erfindungsgemäßen Konstruktion
wegen der Verwendung des Flüssigmetalls die Kurzschlußringe auch aus einem
elektrisch mäßig leitenden Material, beispielsweise aus Messing oder austeni
tischem Stahl herstellen. Der Vorteil bei elektrisch mäßig leitendem Mate
rial oder gar elektrisch schlecht leitendem Material für die Kurzschlußringe
besteht darin, daß die Wärme dann überwiegend unmittelbar im Flüssigmetall
erzeugt wird. Wärmeverluste beim Übergang fest/flüssig, wie bei der Wärmeüber
tragung von den Kurzschlußringen auf das Flüssigmetall nicht vermeidbar,
werden so vermieden bzw. quantitativ verringert.
Konstruktiv bestehen noch weitere vorteilhafte Möglichkeiten, wozu auf die
Ansprüche 4 und 5 verwiesen werden kann.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbei
spiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 in schematischer Darstellung, teilweise aufgeschnitten, den grund
sätzlichen Aufbau einer induktionsbeheizten Galette,
Fig. 2 in vergrößerter Darstellung, ausschnittweise, teilweise geschnit
ten, eine erfindungsgemäße induktionsbeheizte Galette.
Fig. 1 zeigt zunächst bei einer induktionsbeheizten Galette eine feststehen
de, kreiszylindrische Heizeinrichtung 1 und einen die Heizeinrichtung 1
koaxial umgebenden und gegenüber der Heizeinrichtung 1 um die gemeinsame
Längsachse drehbaren, kreiszylindrischen Galettenmantel 2. Auf der Außenflä
che des Galettenmantels 2 ist ein ebener Arbeitsbereich mit einer bestimmten
Arbeitsbreite zu erkennen, über den im Betrieb die entsprechenden Materia
lien laufen.
Die Heizeinrichtung 1 ist an einem stationären Träger 3 angebracht, koaxial
im Inneren der Heizeinrichtung 1 befindet sich eine Antriebswelle 4. Diese
ragt an der Stirnseite aus der Heizeinrichtung 1 heraus und umfaßt dort die
Heizeinrichtung 1 mit einer Stirnwand 5. An die Stirnwand 5 schließt dann
der Galettenmantel 2 an, der also die Heizeinrichtung 1 von der Stirnwand 5
her topfartig umgibt. Die Antriebswelle 4 ist im Antriebsaggregat 6 drehbar
gelagert, wobei hier angedeutet ist, daß das Antriebsaggregat 6 einen inte
grierten Antriebsmotor 7 aufweist, was aber hier weiterer Erläuterungen nicht
bedarf.
Fig. 1 macht deutlich, daß die Heizeinrichtung 1 einen hier und nach bevorzug
ter Lehre aus Lamellenblechen bestehenden Kern 8 mit zwei in axialer Richtung
hintereinander angeordneten, zur Mantelfläche hin offenen Aufnahmen 9 aufweist.
In gleichartiger Bauweise sind auch Kerne 8 mit drei Aufnahmen 9 in axialer
Richtung hintereinander angeordnet bekannt. Man erkennt, daß in jeder Aufnah
me 9 eine Primärwicklung 10 der also induktiv arbeitenden Heizeinrichtung 1
angeordnet ist.
In Fig. 1 ist zunächst zu erkennen, daß der Galettenmantel 2 einen Rückschluß
mantel 11 für den magnetischen Fluß aufweist, der in den Bereichen zwischen
jeweils zwei Aufnahmen 9 bis an den Innenumfang des Galettenmantels 2 heran
reicht. Dieser Rückschlußmantel 11 wird regelmäßig aus Eisen oder Stahl beste
hen, jedenfalls aus einem magnetisch aktiven, insbesondere ferromagnetischen
Material. Er dient zum Schließen des Kreises für den magnetischen Fluß, wobei
dieser nur die Spalte zwischen Innenumfang des Galettenmantels 2 und Außen
umfang des Kerns 8 zu überbrücken hat.
Der Galettenmantel 2 weist ferner koaxial innerhalb des Rückschlußmantels 11
je Primärwicklung 10 als Sekundärwicklung einen Kurzschlußring 12 aus elek
trisch leitendem, aber magnetisch inaktivem Material auf. Das ist in Fig. 1
nur angedeutet, indem an den entsprechenden Stellen am Innenumfang des Galet
tenmantels 2 eine dickere Strichstärke gewählt worden ist. Je Primärwicklung 10
können auch mehrere Kurzschlußringe vorgesehen sein. Wichtig ist jeweils,
daß die Kurzschlußringe 12 vom magnetischen Fluß in Kern 8 und Rückschluß
mantel 11 umschlossen sind, so daß darin Spannungen induziert und dadurch
Ringströme verursacht werden. Als besonders zweckmäßiges Material für die
Kurzschlußringe 12 hat sich im Stand der Technik Kupfer erwiesen, aber auch
andere diamagnetische oder paramagnetische Materialien lassen sich hier in
bekannter Weise einsetzen.
Fig. 1 zeigt schließlich noch angedeutet einen Temperaturfühler 13 im Galet
tenmantel 2, ggf. können auch mehrere Temperaturfühler 13 vorgesehen sein.
Nur angedeutet ist, daß vom Temperaturfühler 13 aus eine berührungslose Meß
wertübertragung auf stationäre Teile der Anordnung erfolgt.
Fig. 2 zeigt zunächst soweit wie erforderlich die gleichen Bezugszeichen wie
Fig. 1. Wesentlich ist aber nun, daß die an den inneren Umfang des Galetten
mantels 2 heranreichenden Bereiche des Rückschlußmantels 11 von gesonderten
Zwischenringen 14 aus magnetisch aktivem Material gebildet sind, die am
vorderen und am hinteren Ende der Kurzschlußringe 12 und zwischen den Kurz
schlußringen 12 angeordnet sind, und daß die Innenflächen der Kurzschlußrin
ge 12 und der Zwischenringe 14 gemeinsam den Innenumfang des Galettenmantels 2
bilden, daß der Galettenmantel 2 koaxial außerhalb des Rückschlußmantels 11
noch einen Außenmantel 15 aufweist, daß zwischen dem Außenmantel 15 und dem
Rückschlußmantel 11 sowie zwischen dem Rückschlußmantel 11 und den Kurzschluß
ringen 12 bzw. Zwischenringen 14 offene Ringkanäle 16, 17 gebildet sind, daß
die Ringkanäle 16, 17 an den beiden Enden über Querkanäle 18 miteinander ver
bunden sind, daß die Ringkanäle 16, 17 und die Querkanäle 18 mit einem elek
trisch gut leitenden, magnetisch inaktiven Flüssigmetall gefüllt sind und daß
die Primärwicklungen 10 der Heizeinrichtung 1 so phasenversetzt gespeist
werden daß sich ein in axialer Richtung wanderndes Feld ergibt. Das Flüssig
metall, das die Ringkanäle 16, 17 und Querkanäle 18 füllt, ist hier in
Fig. 2 nicht gesondert eingezeichnet, da sonst die Übersichtlichkeit beein
trächtigt würde. Wesentlich zum Verständnis ist es festzustellen, daß die
Ringkanäle 16, 17 und die Querkanäle 18 von Flüssigmetall gefüllt sind.
Werden die Primärwicklungen 10 der Heizeinrichtung 1 entsprechend phasenver
schoben gespeist, so ergibt sich dann der Umlaufeffekt für das Flüssigmetall,
der im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert worden ist. Dadurch ergibt
sich dann das hervorragende Temperaturprofil dieser induktionsbeheizten
Galette.
Wie eingangs schon erläutert worden ist, kommen als Flüssigmetalle Natrium,
Kalium, Gemische von Natrium und Kalium oder sonstige Flüssigmetalle mit ent
sprechenden elektrischen und thermischen Eigenschaften in Frage.
Im allgemeinen Teil der Beschreibung ist erläutert worden, daß das Flüssig
metall in den Bereichen der Primärwicklungen nun selbst jeweils als Kurz
schlußring wirkt, so daß nun die Wärme zum Teil oder überwiegend unmittelbar
im Flüssigmetall erzeugt wird. Daher ist es möglich, für die Kurzschlußrin
ge 12 weniger gut elektrisch leitendes Material zu verwenden, beispielsweise
Messing oder einen austenitischen Stahl. Wenn man so das Entstehen von Ring
strömen in den eigentlichen Kurzschlußringen 12 durch Widerstandserhöhung in
den Kurzschlußringen behindert, erzielt man die Wärmeentwicklung überwiegend
im Flüssigmetall. Die Wärme kann vom Flüssigmetall, das ja im Kreislauf
strömt, leicht und mit hohem Wirkungsgrad an den Außenmantel 15 gebracht
werden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zwischenringe 14 wie die
Kurzschlußringe 12 als echte Ringe ausgeführt, die zu einem Innenmantel mit
einander verbunden sind. Alternativ dazu wäre es aber auch möglich, daß die
Zwischenringe 14 am Rückschlußmantel 11 ausgeformt sind und daß der Ring
kanal 17 jedenfalls im Bereich der Zwischenringe 14 durch eine Mehrzahl ring
förmig verteilt angeordneter, axial verlaufender Kanäle gebildet ist.
In Fig. 2 erkennt man im übrigen, daß der Temperaturfühler 13 in den Quer
kanal 18 nahe der Stirnwand 5 ragt, so daß er von Flüssigmetall umströmt
ist und einen realistischen Temperaturwert mißt, der einen sicheren Rück
schluß auf die Temperatur an der Außenfläche des Galettenmantels 2 im Ar
beitsbereich über die volle Arbeitsbreite erlaubt.
Claims (5)
1. Induktionsbeheizte Galette mit einer feststehenden, kreiszylindrischen
Heizeinrichtung (1) und einem die Heizeinrichtung (1) koaxial umgebenden
und gegenüber der Heizeinrichtung (1) um die gemeinsame Längsachse drehba
ren, kreiszylindrischen Galettenmantel (2), wobei die Heizeinrichtung (1)
einen vorzugsweise aus Lamellenblechen bestehenden Kern (8) mit drei (oder
mehr) in axialer Richtung hintereinander angeordneten, zur Mantelfläche hin
offenen Aufnahmen (9) aufweist und in jeder Aufnahme (9) eine Primärwick
lung (10) angeordnet ist, wobei der Galettenmantel (2) einen Rückschlußman
tel (11) für den magnetischen Fluß aufweist, der in den Bereichen zwischen
jeweils zwei Aufnahmen (9) bis an den Innenumfang des Galettenmantels (2)
heranreicht, und wobei der Galettenmantel (2) ferner koaxial innerhalb des
Rückschlußmantels (11) je Primärwicklung (10) eine Sekundärwicklung, insbe
sondere einen Kurzschlußring (12) (oder mehrere Kurzschlußringe) aus elek
trisch leitendem, aber magnetisch inaktivem Material aufweist, dadurch ge
kennzeichnet, daß die an den Innenumfang des Galettenmantels (2) heranrei
chenden Bereiche des Rückschlußmantels (11) von gesonderten Zwischenrin
gen (14) aus magnetisch aktivem Material gebildet sind, die am vorderen und
am hinteren Ende der Kurzschlußringe (12) und zwischen den Kurzschlußrin
gen (12) angeordnet sind und daß die Innenflächen der Kurzschlußringe (12)
und der Zwischenringe (14) gemeinsam den Innenumfang des Galettenmantels (2)
bilden, daß der Galettenmantel (2) koaxial außerhalb des Rückschlußman
tels (11) noch einen Außenmantel (15) aufweist, daß zwischen dem Rückschluß
mantel (11) und dem Außenmantel (15) sowie zwischen dem Rückschlußmantel (11)
und den Kurzschlußringen (12) bzw. Zwischenringen (14) offene Ringkanäle (16,
17) gebildet sind, daß die Ringkanäle (16, 17) an den beiden Enden über
Querkanäle (18) miteinander verbunden sind, daß die Ringkanäle (16, 17) und
Querkanäle (18) mit einem elektrisch gut leitenden, magnetisch inaktiven
Flüssigmetall gefüllt sind und daß die Primärwicklungen (10) der Heizein
richtung (1) so phasenversetzt gespeist werden, daß sich ein in axialer
Richtung wanderndes Feld ergibt.
2. Galette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall Na
trium, Kalium oder ein Natrium-/Kalium-Gemisch ist.
3. Galette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurz
schlußringe (12) aus einem elektrisch mäßig leitenden Material, insbesondere
aus Messing oder austenitischem Stahl, ggf. auch aus elektrisch schlecht lei
tendem Material bestehen.
4. Galette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zwischenringe (14) am Rückschlußmantel (11) ausgeformt sind und daß der Ring
kanal (17) jedenfalls im Bereich der Zwischenringe (14) durch eine Mehrzahl
ringförmig verteilt angeordneter, axial verlaufender Kanäle gebildet ist.
5. Galette nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in
einen Ringkanal (16, 17) oder Querkanal (18), insbesondere von der Stirn
wand (5) her, ein Temperaturfühler (13) hineinragt.
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