-
Technisches
Gebiet
-
Die
Erfindung betrifft das Gebiet des Einschmelzens bestimmter Materialien
mit hoher Schmelztemperatur, zum Beispiel Glas, refraktäre Oxide,
metallische Oxide sowie bestimmte Metalle mittels einer elektromagnetischen
Induktionserwärmungseinrichtung.
Sie betrifft insbesondere die Kalttiegel mit gekühlten Sektoren und die Direktwindungstiegel.
-
Stand der
Technik und Problemlage
-
Unter
den Verfahren zum Schmelzen und Gießen von Produkten wie Glas,
den refraktären
Oxiden, den Metallen, oder sogar zum Schwebeschmelzen dieser Stoffe
ist es üblich,
wassergekühlte
Kalttiegel zu benutzen, wobei die Erwärmung durch elektromagnetische
Induktion erfolgt, angewendet auf das ihn dem Tiegel enthaltene
Material. Zwei Beispiele von verwendeten Tiegeln sind in den 1, 2 und 3 dargestellt.
-
Die 1 zeigt
einen ersten, für
diese selben Zwecke benutzten, durch Sektoren gebildeten Tiegel.
Er besteht hauptsächlich
aus Sektoren 1, einem Boden 2, einer Induktionseinrichtung 3 mit
mehreren Windungen, und einem Kühlkreis 4.
Die Sektoren 1 sind in vertikaler Anordnung aneinandergefügt, um den
Behälter
des Tiegels zu bilden. Der Boden vervollständigt diesen Behälter. Es
sei präzisiert, dass
dieser Boden zur Entleerung der in dem Behälter geschmolzenen Materialen
geöffnet
werden kann oder eine oder mehrere Öffnungen aufweisen kann. Die
Sektoren 1 werden durch eine Umreifung 5 zusammengehalten
und befestigt. Der Kühlkreis 4 umfasst
einen Eingang 4E und einen Ausgang 4S der Kühlflüssigkeit,
die in den meisten Fällen
Wasser ist.
-
Ein
derartiger Tiegel ist meistens aber nicht immer zylindrisch. Der
Wechselstrom hat eine Stärke von
mehreren tausend Amperes mit einer Frequenz zwischen einigen zehn
Hertz und mehreren Megahertz. Die Spannung kann mehrere tausend
Volt erreichen. Der Boden des Tiegels 2 kann gekühlt sein oder
auch nicht.
-
Die 2 zeigt
einen Sektor 1 im Schnitt, mit einem Kanal 6,
einem Eingang 4E und einem Ausgang 4S für die Kühlflüssigkeit.
Man sieht, dass das Wasser über
die gesamte Höhe
des Sektors 1 zirkuliert.
-
Die 3 zeigt
einen anderen Typ einer Induktionseinrichtung, Direktwindungs-Induktionseinrichtung
genannt, gebildet durch eine einzige und zylindrische Windung, die
den Behälter
für das
zu erwärmende
Material bildet. Der Kühlkreis 7 wird
hier durch eine Spirale gebildet, welche die Induktionseinrichtung 6 umgibt.
Um den Tiegel zu schließen
und um die Schwierigkeiten zu vermeiden, die mit den elektrischen
Spannungen zwischen den beiden Anschlüssen 6A und 6B der
Induktionseinrichtung 6 verbunden sind, ist zwischen ihnen
ein kalter Finger 8 angeordnet.
-
Die
hauptsächlichen
Nachteile dieser beiden Kalttiegeltypen sind die folgenden:
- – die
Benutzung eines Kühlkreislauf
mit großen Mengen
einer Flüssigkeit
stellt im Falle eines Lecks in einem Sektor die Gefahr einer Dampfexplosion
dar, da jeder dieser Sektoren kontinuierlich und mit großem Durchsatz
versorgt wird;
- – der
Kühlkreis 4, 7 ist
relativ komplex.
-
Schließlich ist
die Wartung bzw. Reparatur im Falle eines Schadens an einem dieser
Elemente sehr schwierig.
-
Resümee der
Erfindung
-
Der
Hauptgegenstand der Erfindung ist ein Kalttiegel mit elektromagnetischer
Induktionserwärmungseinrichtung,
bestimmt zum Einschmelzen von Glas, refraktären Oxiden und Metallen. Er
umfasst hauptsächlich:
- – einen
Boden;
- – wenigstens
eine Induktionseinrichtung;
- – nebeneinander
angeordnete Sektoren; und
- – Kühleinrichtungen;
-
Nach
dem Hauptmerkmal der Erfindung werden die Sektoren durch Wärmerohre
mit elektrisch isolierten Wänden
gebildet, die den Tiegel sowie ihre eigenen Kühleinrichtungen bilden.
-
Die
dem Fachmann bekannte Technik der "Wärmerohre" wird insbesondere
beschrieben in den "Techniques
de I'Ingénieur", Artikel B9545,
Vol. BE6.
-
Bei
einer bevorzugten Realisierung hat jedes Wärmerohr einen oberen Teil,
der über
den durch die unteren Teile aller Sektoren gebildeten Behälter des Tiegels
seitlich hinausragt, um die Abführung
der Wärme
durch eine Flüssigkeits-Zwangszirkulation
zu ermöglichen,
der man den oberen Teil der Sektoren aussetzt, dabei aber den Zugang
durch den oberen Teil des Tiegels ermöglicht.
-
Die
Wärmerohre
jedes Sektors können
sich unter dem Behälter
des Tiegels verlängern,
um den Boden zu bilden. Bei einer anderen Realisierung kann der
Boden auch durch andere Wärmerohre
gebildet werden, die sich von denen unterscheiden, die den Behälter des
Tiegels bilden.
-
Zur
Befestigung der oberen Teile der jeden Sektor bildenden Wärmerohre
kann man einen elektrisch isolierenden Befestigungsreif verwenden,
der alle oberen Teile umgibt.
-
Um
die Wärmerohre
gut zu befestigen, insbesondere in ihrem unteren Teil, kann man
eine Umwicklung bzw. Umreifung vorsehen.
-
Die
Sektoren können
untereinander durch selbsthemmende Ringe zusammengehalten werden.
-
Erfindungsgemäß ist eine
zusätzliche
Induktionserwärmungseinrichtung
vorgesehen, die unter dem Boden des Tiegels angeordnet ist.
-
Schließlich sind
mehrere übereinanderliegende
Wärmerohrstufen
vorgesehen, die dann einen langen und hohen Behälter bilden und deren Induktionserwärmungseinrichtung
realisiert werden kann, indem man die Induktionseinrichtungen aller
Stufen übereinander
anordnet.
-
Bei
einer zweiten bevorzugten Realisierungsart der Erfindung ist die
Induktionseinrichtung eine einzige und direkte Windung, gebildet
durch einen bandförmigen
Reif, gekühlt
durch Wärmerohre.
-
Bei
diesen beiden Realisierungen kann der kalte Finger (oder die kalten
Finger) durch ein (oder mehrere) Wärmerohr(e) gebildet werden.
-
Der
die Direktwindung bildende Reif kann gebildet werden durch den kontinuierlichen
Zusammenbau von elektrisch nicht isolierten Wärmerohren.
-
Schließlich kann
der die Direktwindung bildende dicke Reif maschinell bearbeitet
werden für die
In-situ-Realisierung der Wärmerohre.
-
Liste der
Figuren
-
Die
Erfindung und ihre verschiedenen technischen Charakteristika werden
besser verständlich durch
die Lektüre
der Beschreibung mehrerer Realisierungsarten, die sich auf die beigefügten Figuren bezieht:
-
die
schon beschriebene 1 stellt einen Kalttiegel nach
dem Stand der Technik dar;
-
die
schon beschriebene 2 zeigt einen Sektor des in
der 1 dargestellten Kalttiegels dar;
-
die
schon beschriebene 3 stellt eine zweite Realisierungsart
der Induktionserwärmungseinrichtung
eines Kalttiegels nach dem Stand der Technik dar;
-
die 4 stellt
einen ersten Tiegel nach der Erfindung dar;
-
die 5 zeigt
einen selbsthemmenden Ring, der für den erfindungsgemäßen Tiegel
verwendet werden kann;
-
die 6 zeigt
ein Detail des selbsthemmenden Rings der 5;
-
die 7 ist
eine Draufsicht des Tiegels der 4;
-
die 8 ist
eine Draufsicht einer anderen Realisierung des Bodens des Tiegels;
-
die 9 ist
eine Frontalansicht einer zweiten Realisierung eines erfindungsgemäßen Tiegels;
-
die 10A und 10B zeigen
weitere mögliche
Realisierungen des Bodens des Tiegels der 9;
-
die 11 zeigt
eine dritte Realisierung des erfindungsgemäßen Tiegels;
-
die 12 zeigt
ein Detail einer Variante der dritten Realisierung gemäß 11;
-
die 13 zeigt
eine weitere mögliche
Realisierung des erfindungsgemäßen Tiegels;
-
die 14 zeigt
ein Beispiel zur gegenseitigen Befestigung übereinander angeordneter Tiegel; und
-
die 15 zeigt
eine Realisierung des durch Wärmerohre
gekühlten
Direktwindungstiegels mit durch ein oder mehrere Wärmerohre
gebildetem Kaltfinger.
-
Detaillierte
Beschreibung mehrerer Realisierungen der Erfindung
-
Eine
erste mögliche
Realisierung des erfindungsgemäßen Tiegels
ist in der 4 dargestellt. Die Materialien
werden hier in einem Tiegel mit Sektoren 11, deren Teil 11B der
Vielzahl der Sektoren 1 des Tiegels der 1 ähnlich ist.
-
Der
Hauptunterschied beruht auf der Tatsache, dass diese Sektoren 11 obere
Teile 11H haben, welche die unteren Teile 11B verlängern, wobei
sie einen größeren Abstand
von der Tiegelmitte haben. Derart stören diese oberen Teile 11H nicht
die Montage der komplementären
Elemente der Anlage, zum Beispiel das Füllsystem, die Wärmeisolation
und die Hauptinduktionseinrichtung 3. Tatsächlich entspricht Letztere
genau der des Tiegels nach dem Stand der Technik, dargestellt in
der 1.
-
Jeder
Sektor 11 wird durch ein Wärmerohr gebildet, vorzugsweise
aber nicht unbedingt mit zylindrischem Querschnitt, denn der kann
auch parallelflach sein. Die Wand des Wärmerohrs muss aus Kupfer oder
aus nichtrostendem Stahl oder irgendeinem anderen Produkt oder Metall
sein, das für
die vorgesehene Anwendung geeignet ist. Das Wärmeübertragungsmedium in dem einen
Sektor 11 bildenden Wärmerohr
kann Wasser oder irgendein anderes adäquates Fluid sein, zum Beispiel
Natrium, Germanium, Silber. Der obere Teil 11H jedes Sektors 11,
wo die Evakuierung der in dem Tiegel eingeschlossenen Wärme stattfindet,
ist von einer Zwangsumlaufvorrichtung eines Fluids umgeben, symbolisiert
durch einen Eingang 14E und einen Ausgang 14S,
welche mit den oberen Teilen 11H der Sektoren 11 verbunden
ist. Man benutzt – was
aber nicht die einzige mögliche
Lösung
ist – diese
Zwangsumlaufvorrichtung außerdem
dazu, die oberen Teile 11H zu befestigen mittels eines
entsprechende Löcher
aufweisenden, elektrisch isolierenden Mantels 16 aus Kompositmaterial.
Die Wand jedes Sektors wird in ihrem unteren Teil 11B,
wo die aneinandergrenzenden Sektoren 11 miteinander Kontakt
haben, elektrisch isoliert durch eine entsprechende Beschichtung.
Zum Beispiel durch eine Aluminiumoxidbeschichtung, aufgebracht durch
Plasmaspritzen oder ein PCD-Verfahren. Bezüglich der Befestigung des unteren
Teils 11B der Sektoren 11 ist bei dieser Realisierung
die gleiche Umreifung bzw. Umwicklung wie für den Tiegel der 1,
weiter oben beschrieben, vorgesehen. Mit Bezug auf die 5 kann
diese Umreifung durch einen selbsthemmenden Ring 15 ersetzt
werden, hergestellt aus elektrisch isolierendem Kompositmaterial.
Der Verschluss eines solchen selbsthemmenden Rings 15 ist
in der 6 dargestellt, wo die beiden Enden 15A und 15B durch
Haken 15C ineinander rasten.
-
Der
Tiegel der 4 besitzt einen Boden 12, der
in diesem Fall durch die Verlängerung 11F der Sektoren 11 gekühlt wird,
unterhalb ihrer unteren Teile 11B. Anzumerken ist, dass
der Boden ungekühlt sein
kann und in seiner Mitte offen, so dass Stücke von größerer Länge passieren können und
um das wiedererstarrte Produkt entleeren zu können.
-
Die 7 zeigt
die Unteransicht des Tiegels der 4, wobei
der Boden 12 fehlt. Man sieht hier die unteren Enden der
Sektoren 11, die sich vom Rand in Richtung Tiegelmitte
erstrecken. Mit dem Ziel, die gesamte Fläche des Tiegelbodens abzudecken,
haben diese verschiedenen unteren Enden 11B der Sektoren 11 unterschiedliche
Längen,
so dass sie sich wie ein Parkett ineinanderfügen und den Boden vollständig bedecken.
Außerdem
sieht man auch die oberen Teile 11H der Sektoren 11 mit den
Eingängen 14E und
den Ausgängen 14S des Kühlflüssigkeitskreises.
-
Die 8 zeigt
eine andere Konfiguration der unteren Enden 21B der Sektoren 21,
um die Kühlung
des Tiegelbodens zu gewährleisten.
Hier sieht man, dass jedes untere Ende 21B auf die Tiegelmitte ausgerichtet
ist, wobei die verschiedenen unteren Enden 21B unterschiedliche
Längen
haben, sich dabei jedoch nicht ineinanderfügen, den Boden des Tiegels
aber im Wesentlichen abdecken.
-
Wie
die 9 zeigt, kann der Boden 22 auch durch
Wärmerohre 24 gekühlt werden,
die unabhängig
sind von den Sektoren 21, indem sie in den Boden 22 eindringen.
Diese Konzeption ist u. a. vorgesehen, wenn eine zusätzliche
Induktionseinrichtung 29 unter dem Boden 22 angeordnet
wird, um eine zusätzliche
Heizung des Tiegels zu realisieren. Die unabhängigen Wärmerohre 24 haben
einen oberen Teil 24H, der dem oberen Teil 14H der
Sektoren der 4 entspricht, das heißt sich
von der Tiegelmitte entfernt, über
die Induktionseinrichtung 23 hinaus.
-
Die 10A und 10B zeigen
die unabhängigen
Wärmerohre,
die unter dem Boden des Tiegels verwendet werden können. Die
unabhängigen Wärmerohre 21A der 10A erstrecken sich beiderseits einer Symmetrieebene
des Tiegels, der zylindrisch dargestellt worden ist. Im Falle der 10B erstreckt sich jedes der Wärmerohre 21B über die gesamte
Fläche
des Bodens, aber darüber
hinaus nur auf einer Seite des Tiegels.
-
Die 11 zeigt,
dass der untere Teil des Tiegels durch unabhängige Wärmerohre 32 gebildet werden
kann, die leicht geneigt angeordnet sind, so dass sie den Boden
des Tiegels abdecken. Sie vervollständigen die Sektoren 31,
angeordnet zwischen der Induktionseinrichtung 33 und dem
Tiegel selbst, wobei die Wärme
dank eines Kühlkreises
abgeführt wird,
dessen Eingang mit 34E bezeichnet ist und der Ausgang mit 34S.
Diese Realisierung entspricht besonders gut den Kalttiegeln mit
parallellflachen Sektoren.
-
Die 12 zeigt,
dass die unabhängigen Wärmerohre 32 der 10 durch unabhängige geneigte Wärmerohre 42 ersetzt
werden können,
wobei der Kühlkreis
an diese Geometrie angepasst wird, indem die Eingänge 44E und
Ausgänge 44S nicht mehr
horizontal sind.
-
Die 13 zeigt
eine weitere Variante des erfindungsgemäßen Tiegels. Dargestellt sind
mehrere übereinander
angeordnete Tiegel, die zusammen einen Tiegel von großer Höhe also
mit vergrößerter Kapazität bilden.
Aufgrund der auskragenden Form der oberen Teile 51H der
Sektoren 51 ist es möglich, die
verschiedenen Tiegel miteinander zu verschachten. Man sieht, dass
der untere Tiegel mit unabhängigen
Wärmerohren 52 ausgerüstet ist,
analog den unabhängigen
Wärmerohren 32 der 11.
Die verschiedenen notwendigen Induktionseinrichtungen 53 entsprechen
einer einzigen, sehr viel längeren
Induktionseinrichtung.
-
Wie
die 14 zeigt, kann die Befestigung dieser verschiedenen
Tiegel aneinander mit Hilfe von auf jedes untere Ende eines zentralen
Teils des Sektors 51 gelöteten Elementen 57 realisiert
werden, die in Befestigungsstücken 56 stecken,
die am unteren Ende des unteren Teils 51B des Sektors 51 des
darüberliegenden
Tiegels befestigt sind.
-
Die
Konzeption dieses Tiegels findet auch bei einem Tiegel Anwendung,
der eine wie in der 3 dargestellte Induktionseinrichtung
mit nur einer einzigen Windung umfasst.
-
Die 15 zeigt
die Realisierung eines Tiegels mit einer Direktwindung, deren Reif 58 mit
Hilfe von Wärmerohren 59 gekühlt wird,
die an ihm befestigt sind, wobei ein oder mehrere Wärmerohre 60 den kalten
Finger bilden. Eine Ausführungsvariante
besteht darin, bei der Realisierung der Direktwindung einen dicken
Reif zu verwenden, wobei eine entsprechende maschinelle Bearbeitung
ermöglicht,
Wärmerohre
oder lediglich ihre Einfügung
in situ zu realisieren.