DE69118363T2

DE69118363T2 - System zur erzeugung von wärme in magnetischen wechselfeldern

Info

Publication number: DE69118363T2
Application number: DE69118363T
Authority: DE
Inventors: Thomas Mcgaffigan
Original assignee: Metcal Inc
Current assignee: Delaware Capital Formation Inc
Priority date: 1990-01-16
Filing date: 1991-01-15
Publication date: 1997-02-20
Anticipated expiration: 2011-01-16
Also published as: EP0511283A4; DE69131871T2; EP0511283B1; JP3036837B2; DE69131871D1; EP0511283A1; CA2034239C; JPH05503805A; CA2034239A1; AU7182091A; DE69118363D1; WO1991011082A1

Description

Bereich der Erfindung

Diese Erfindung betrifft Verfahren, Zusammensetzungen und Systeme zur Erzeugung von Wärme in ausgewählten Materialien, indem die Kombination aus den Naterialien und magnetischen Partikeln einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird.

Hintergrund der Erfindung

Die Verwendung von Ferritpartikeln zur Erzeugung von Wärme in magnetischen Wechselfeldern ist in der Technik bekannt. Wie in den U.S. Patenten 3.391.846 an White und 3.902.940 an Heller et al. offenbart wird, wurden Ferritpartikel zur Erzeugung von Wärme verwendet, wenn chemische Reaktionen herbeigeführt, Materialien geschmolzen, Lösemittel verdampft, Gase erzeugt oder andere Zwecke erfüllt werden sollen.
Die PCT Tnternationale Veröffentlichung WO 84/02096 (Anmeldungsnr PCT/US83/01851, entsprechend U.S. Patent 4.914.267) von Derbyshire offenbart die Verwendung von ferromagnetischen Materialien mit der gewünschten Curie-Temperatur in elektrisch leitenden Schichten zur Herbeiführung einer autoregulierten Er- warmung auf die Curie-Temperatur des Materials bei Anlegung eines Wechselstrom an die leitende Schicht aus ferromagnetischem Material. Der an die ferromagnetische Schicht angelegte Strom weist die Form einer Wechselstromquelle au:, die einen Skin-Effekt oder eine Wirbelstromerwärmung in der kontinuierlichen ferromagnetischen Schicht erzeugt. Wenn die ferromagnetische Schicht die Curie-Temperatur erreicht, sinkt die Permeabilität der Schicht und die Skin-Tiefe nimmt zu, wodurch der Strom durch den breiteren Bereich der ferromagnetischen Schicht verteilt wird, bis die Curie-Temperatur überall erreicht und die erwünschte Erwärmung erzielt ist.
US-A-4 681 996 offenbart ein Material, das aus einer Mischung aus Fern: und Granat (zwei mit Verlust behafteten Partikeln) gebildet ist, wobei diese Verbindungen verschiedene Curie-Temperaturen aufweisen und daher die gewünschte Erwärmungsrate des Materials modifizieren können.
In der gleichzeitig anhängigen Anmeldung des Autors, Seriennr 07/242.208 (PCT Internationale Veröffentlichung WO 90/03090), offenbart der Autor die Verwendung von magnetischen Partikeln in Kombination mit durch Wärme rückbildbaren Artikeln in einem magnetischen Wechselfeld zur Erzielung einer Wärmerückbildung. Während die darin offenbarten Systeme für viele Anwendungen zufriedenstellend sind, beobachtete der Autor, daß in einigen Situationen die erzielte Erwärmung nicht ganz dem Wunsch entspricht.
In einigen Anordnungen und bei einigen Anwendungen wurde beobachtet, daß, wenn die Artikel und magnetischen Partikel dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, die anfängliche Erwärmung auf den Curie- Punkt der Partikel im allgemeinen zufriedenstellend ausgelöst wird. In einigen Beispielen jedoch wird die aewünschte anhaltende Erwärmung nicht aufrechterhalten und in einigen Beispiel ist die Erwärmung über die Fläche des Artikels ungleichmäßig. In anderen Anwendungen ist die Schwankung der Erwärmung beim oder nahe dem Curie-Punkt der Partikel dahingehend nicht ganz dem Wunsch entsprechend, daß eine unerwünschte Kühlung eintritt, bevor die Partikel sich wieder auf die Curie- Temperatur erwärmen. Somit wird die erwünschte anhalende Erwärmung nicht aufrechterhalten
Angesichts der obengenannten Eigenschaften, die manchmal bei Systemen nach dem Stand der Technik vorgefunden werden ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes System zur Erwärmung mit magnetischen Partikeln in magnetischen Wechselfeldern zu schaffen. Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, ein System zu schaffen, das die gewünschte anhaltende Erwarmung in einem weiteren Bereich von Artikeln und Anordnungen von Substraten bietet. Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die unerwünschte Temperaturschwankung zu beseitigen, die manchmal bei dem früheren Systemen vorgefunden wurde.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Autor hat nun festgestellt, daß die obengenannten Aufgaben und andere Nutzen und Vorteile in Systemen erzielt werden können, welche die Erwärmung mit magnetischen Partikeln in magnetischen Wechselfeldern beinhalten, indem die Kombination von ersten Partikeln, die mit Verlust behaftete, wärmeerzeugende Partikel sind, mit zweiten Partikeln verwendet wird, die nicht mit Verlust behaftete Partikel sind, die keine Wärme erzeugen, aber eine hohe Permeabilität aufweisen und eine anhaltende Magnetkreiskopplung erzeugen und/oder aufrechterhalten können, selbst während sich die ersten mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel bei oder nahe ihrer Curie-Temperatur befinden und eine geringe oder verringerte Permeabilität aufweisen. Folglich kann die Erfindung wie folgt zusammengefaßt werdan.
In einem Aspekt ist diese Erfindung eine Zusammensetzung mit Partikeln, die Wärme erzeugen können wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, umfassend in Kombination:
i) erste Partikel, bei denen es sich um mit Verlust behaftete Erwarmungspartikel handelt und welche eine Curie-Temperatur von T&sub1; aufweisen; und
ii) zweite Partikel, bei denen es sich um nicht mit Verlust behaftete Partikel handelt, welche eine Cuie-Temperatur von T&sub2; sowie eine hohe Permeabilitat aufweisen, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung durch die ersten Partikel zur Verfügung stellen können.
In einem weiteren Aspekt ist diese Erfindung ein magnetisches Partikel, auf dem sich eine elektrisch resistive Beschichtung befindet.
In einem weiteren Aspekt ist diese Erfindung ein Verfahren, um einem Substrat Wärme zur Verfügung zu stellen, das folgendes umfaßt:
Bereitstellung eines Systems aus Partikeln in thermischem Kontakt mit dem Substrat mit ersten Partikeln, welche mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel sind, welche Wärme erzeugen können, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, und mit zweiten Partikeln, welche nicht mit Verlust behaftete Partikel mit einer hohen Permeabilität sind und eine Nagnetkreiskopplung durch die ersten Partikel zur Verfügung stellen können; und
das Substrat und System aus Partikeln wird einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt.
In einem weiteren Aspekt umfaßt diese Erfindung ein System aus Partikeln, die Wärme erzeugen, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, mit:
einer ersten Schicht aus Partikeln mit mit Verlust behafteten Erwärmungspartikeln, welche eine Curie- Temperatur von T&sub1; aufweisen; und
einer zweiten Schicht aus Partikeln mit nicht mit Verlust behafteten Partikeln, welche eine Curie-Temperatur von T&sub2; sowie eine hohe Permeabilität aufweisen, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung durch die ersten Partikel zur Verfügung stellen können.
In einem weiteren Aspekt umfaßt diese Erfindung einen Artikel zur Verwendung in einem magnetischen Wechselfeld der in Kombination folgendes aufweist:
(a) ein zur Erwärmung auf eine Temperatur T geeignetes Material, und
b) ein System aus Partikeln, die Wärme erzeugen können, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, wobei:
mindestens ein Teil der Partikel in thermischem Kontakt mit den Material steht und dadurch das Material auf mindestens eine Temperatur von T erwärmen kann, wenn der Artikel dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird; und
die Partikel erste Partikel, welche mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel mit einer Curie-Temperatur von T&sub1; oder mehr sind; und zweite Partikel aufweisen, welche nicht mit Verlust behaftete Partikel sind, welche eine Curie-Temperatur von T&sub2; sowie eine hohe Permeabilität aufweisen, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung durch die ersten Partikel zur Verfügung stellen können.
In einem bevorzugten Aspekt umfaßt diese Erfindung einen selbsterwärmenden, rückbildbaren Artikel zur Verwendung in einem magnetischen Wechselfeld, der in Kombination folgendes umfaßt:
a) eine Schicht aus durch Wärme rückbildbarem Material mit der Rückbildungstemperatur T, und
b) ein System aus Partikeln, die Wärme erzeugen können, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, wobei:
mindestens ein Teil der Partikel in thermischem Kontakt mit der Schicht aus durch Wärme rückbildbarem Material steht und dadurch das Material auf mindestens eine Temperatur von T erwärmen kann, wenn der Artikel dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird; und
das System aus Partikeln erste Partikel, welche mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel mit einer Curie-Temperatur von T oder mehr sind; und zweite Partikel aufweist, welche nicht mit Verlust behaftete Partikel sind und eine hohe Permeabilität aufweisen, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung zur Verfügung stellen können, wenn die ersten Partikel bei oder nahe ihrer Curie-Temperatur sind.
In einem weiteren Aspekt umfaßt diese Erfindung ein autoregulierendes System zum Erwärmen eines Artikels, das in Kombination folgendes umfaßt:
einen Artikel zur Verwendung in einem magnetischen Wechselfeld, umfassend ein Material in dem Artikel, das zur Erwärmung auf eine Temperatur T geeignet ist, mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel, die mit dem Material in thermischem Kontakt stehen und dadurch das Material erwärmen können, wenn der Artikel dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, und nicht mit Verlust behaftete Partikel mit einer ausreichend hohen Permeäbilität, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung durch die mit Verlust behafteten Partikel bereitstellen können;
eine Induktionsspule, die zur Erzeugung des magnetischen Feldes ausgerichtet ist; und
eine Stromversorgung, die zur Bereitstellung von Strom an die Induktionsspule als Wechselstrom mit einer Frequenz, welche zum Erwärmen der Partikel geeignet ist, ausgerichtet ist.
In einem weiteren Aspekt enthält diese Erfindung eine Anordnung, welche folgendes umfaßt:
eine Induktionsspule, die zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes ausgerichtet ist;
einen Artikel, der in dem magnetischen Wechselfeld positioniert ist, mit einem Material in dem Artikel, welches für eine Erwärmung auf eine Temperatur geeignet ist, mit Verlust behaftete Partikel, welche in thermischem Kontakt mit dem Material stehen und dadurch das Material erwärmen können, wenn der Artikel dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, und nicht mit. Verlust behaftete Partikel mit einer ausreichend hohen Permeabilität, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung durch die mit Verlust behafteten Partikel bereitstellen können; und
eine mit der Induktionsspule verbundene Stromversorgung, wobei die Stromversorgung zur Bereitstellung von Strom an die Induktionsspule als Wechselstrom mit einer Frequenz, welche zur Erwärmung der Partikel geeignet ist, ausgerichtet ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt im Querschnitt einen zu erwärmenden Artikel mit einer Schicht von Partikeln an der äußeren Oberfläche des Artikels.
Figur 2 zeigt im Querschnitt einen zu erwärmenden Artikel mit einer Schicht von ersten Partikeln an der äußeren Oberfläche des Artikels und einer zweiten Schicht von zweiten Partikeln an der inneren Oberfläche des Artikels.
Figur 3 zeigt im Querschnitt einen zu erwärmenden Artikel, in den Partikel eingebettet und in dem Artikel selbst dispergiert sind.
Figur 4 zeigt im Querschnitt ein System gemäß dieser Erfindung.
Figur 5 zeigt im Querschnitt eine Anordnung gemäß dieser Erfindung.
Figur 5a und 5b zeigen schematisch das fokussierte oder verstärkte Magnetfeld, das in dieser Erfindung verwendet wird.

Beschreibung der Erfindung

Diese Erfindung beschäftigt sich mit dem Phänomen, daß mit Verlust behaftete magnetische Partikel wie mit Verlust behaftete Ferrite, die eine bestimmte Curie-Temperatur aufweisen, Wärme erzeugen, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, und mit der Tatsache, daß die magnetische Permeabilität der Partikel und die Hystereseverluste bei einer Annäherung an die Curie-Temperatur abnehmen. Wenn die Curie-Temperatur erreicht ist, fallen die Permeabilität der Ferrittartikel und die Hystereseverluste signifikant. Dies ist ein bekannt er Mechanismus, durch den die Ferritpartikel bei der Curie-Temperatur in einem magnetischen Wechselfeld selbstreaulierend sind.
Der Autor hat jedoch auch beobachtet, daß in vielen Fällen, wenn die Curie-Temperatur erreicht ist und die magnetische Permeabilität der Ferritrartikel fällt, die Kopplung zwischen dem Magnetkreis und den Ferritpartikeln abnimmt oder in einem Ausmaß verlorengeht, daß die Kopplung nicht ausreichend wiederhergestellt werden kann, wenn ein Teil der Partikel unter die Curie-Temperatur abkühlt. In einigen Fällen wurde beobachtet, daß die Kopplung überhaupt nicht mehr wiederhergestellt werden kann, insbesondere wenn der Artikel, der die Ferritpartikel enthält, sich signifikant verändert hat, wie in der Temperatur oder in der geometrischen Anordnung in bezug auf das magnetische Wechselfeld. Die Kopplung des Kreises zwischen den Ferritpartikeln und dem magnetischen Feld wird daher in vielen Fällen in keiner Weise zufriedenstellend aufrechterhalten oder wiederhergestellt, obwohl zusätzliche Erwärmung zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses in dem zu erwärmenden Substrat oder Material erforderlich sein kann. Bei anderen Anwendungen, bei welchen die Magnetkreiskopplung mit den Partikeln wiederhergestellt wird, wenn die Partikel abkühlen, kann es zu Temperaturschwankungen kommen, wodurch die erforderliche Zeit für das gewünschte Ergebnis verlängert wird.
Der Autor folgerte, daß viele der obengenannten Probleme auftreten, weil anfangs das magnetische Feld stärker ist, da es "fokussiert" ist oder auf die Konzentration der magnetischen Partikel gerichtet ist, wenn der Artikel zunächst magnetisch gekoppelt wird, indem er in dem magnetischen Wechselfeld angeordnet wird. Sobald die Partikeln sich der Curie-Temperatur nähern oder diese erreichen und ihre magnetische Permeabilität fällt wird das magnetische Feld zunehmend aus dieser "fokussierten" Anordnung gelöst. In einigen Fällen, wenn die Partikel unter die Curie-Temperatur abkühlen und die magnetische Permeabilität wieder zunimmt, kann die Konzentration der Partikel mit einer hohen Permeabilität an irgendeinem gewünschten Punkt oder zu irgendeiner bestimmten Zeit unzureichend sein, um den Magnetkreis wieder zu koppeln, so daß die gewünschte Erwärmung der Ferritpartikel fortgesetzt und die Curie-Temperatur für die gewünschte Zeitdauer aufrechterhalten wird. Wie zuvor erwähnt, ist dies manchmal auf eine Temperaturveränderung in dem Material oder Substrat zurückzuführen, das die Partikel enthält, oder in anderen Fällen durch die Veränderung in der Geometrie des Artikels bedingt, die zum Beispiel bei durch Wärme rückbildbaren Substraten oder Artikeln auftritt, oder kann auf eine andere physikalische Veränderung zurückzuführen sein.
Zur Lösung des obengenannten Problems hat der Autor festgestellt, daß eine gleichmäßigere, anhaltende Kopplung des magnetischen Feldes mit den Ferritpartikeln aufrechterhalten werden kann, wenn eine zweite Art von Partikel in Kombination mit den stark mit Verlust behafteten Erwärmungspartikeln verwendet wird. Die zweite partikelart weist eine hohe Permeabilität auf, ist aber nicht mit Verlust behaftet und erzeugt keine signifikante Wärme, wenn sie in dem Magnetfeld in Kombination mit den stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikeln verwendet wird. Es hat sich gezeigt, daß diese zweite Art von nicht mit Verlust behafteten Partikeln mit hoher magnetischer Permeabilität die Kreiskopplung mit dem magnetischen Wechselfeld aufrechterhält, selbst während sich die stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel bei ihrer Curie- Temperatur befinden und ihre magnetische Permeabilität gering oder Eins ist. Infolgedessen liefert die Kombination von Partikein nieser Erfindung ein System, wobei die zweiten Partikel mit hoher magnetischer Permeabilität die Kopplung des magnetlichen Kreises aufrechterhalten, d .h., die fokussierte Anordnung des Magnetfeldes im gewünschten Bereich erhalten, unabhängig von dem Status der magnetischen Permeabilität der ersten, stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel. Daher ist das Magnetfeld durch die Gegenwart der zweiten Partikelart direkt durch die stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel weiterhin gekoppelt und fokussiert, wenn sich die wärmerzeugenden Partikel von ihrer Curie-Temperatur abkühlen. Da das Magnetfeld konstant auf die stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel gerichtet ist, erzeugen diese Partikel Wärme mit ihrem vollen Potential, das nur von ihrer Temperatur abhängt.
Wie aus dem Vorhergesagten ersichtlich ist, verhindert das System dieser Erfindung einen vorzeitigen Verlust der Kopplung zwischen dem Magnetfeld und den mit Verlust behafteten Erwärmungspartikeln, da die gewünschte Ausrichtung und der gewünschte Fokus des Nagnetfeldes konstant durch die nicht wärmeerzeugenden Partikel mit hoher Permeabilität aufrechterhalten wird. Dadurch kann das System dieser Erfindung eine anhaltende Erwärmung trotz großer geometrischer und/oder elektromagnetischer Veränderungen des Systems gewährleisten, die bei der Annäherung an die Curie-Temperatur und während der Formveränderung aufgrund der Wärmeruckbildung oder einer anderen Bewegung des Artikels im Magnetfeld eintreten. Wie ebenso hervorgeht, beseitigt das System dieser Erfindung die zuvor beobachteten Eigenschaften einer ungewünschten vorzeitigen Abkühlung, einer unerwünschten Temperaturschwankung und einer ungleichmäßigen Temperatur.
Das System dieser Erfindung hat sich in einem bevorzugten System als besonders zweckdienlich erwiesen welches die Kombination des obengenannten Partikelsystems und der selbsterwärmenden, durch Wärme rückbildbaren Artikel umfaßt. Seine Zweckdienlichkeit in der Anwendung bei dem durch Wärme rückbildbaren Artikel hat sich als besonders nützlich erwiesen, wenn diese Artikel ihre geometrische Form verändern und inre Position in bezug auf die Induktionsspule ändern, welche das magnetische Wechselfeld erzeugt. Das System dieser Erfindung bietet den Vorteil, daß die nicht mit Verlust behafteten, niont wärmeerzeugenden Partikel mit hoher Permeabilität den gewünschten Fokus, die Intensität und die Kopplung des Magnetfeldes durch die mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Artikel während des gesamten Bereichs der geometrischen Änderungen der durch Wärme rückbildbaren Artikel aufrechterhalten können, während die mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel sich nahe oder bei der Curie-Temperatur befinden und eine geringe magnetische Permeabilität aufweisen.
Angesichts der vorangehenden Beschreibung dieser Erfindung ist für den Fachmann offensichtlich, daß diese Erfindung in zahlreichen Ausführungsbeispielen und Anordnungen ausgeführt werden kann. Zur näheren Beschreibung und Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung wird die folgende Beschreibung der Zeichnungen und die folgende Beschreibung der besonderen und bevorzugten Ausführungsbeispiele angeführt.
Figur 1 zeigt einen Artikel 10, der in einem magnetischen Wechselfeld erwärmt werden soll, wobei die Wärme durch eine Schicht von Partikeln 11 an der äußeren Oberfläche des Artikels 10 erzeugt wird. Die Partikelschicht an der Oberfläche kann als eine Mischung aus nen zuvor beschriebenen, mit Verlust behafteten und nicht mit Verlust behafteten Partikeln aufgetragen werden oder kann als eine Schicht einer Partikelart und dann als eine Schicht der anderen Partikelart aufgetra- gen werden. Die Partikel können an der Oberfläche des Artikels durch eine Haftmittel oder Bindemittel gehalten werden. Die Partikel können an Ort und Stelle verbleiben, nachdem die erwünschte Erwärmung stattgefunnen hat, oner können zum Beispiel unter Verwendung eines wasserlöslichen Bindemittels entfernt werden, das abgewaschen werden kann, und die Partikel werden entfernt, nachdem der Artikel nach Wunsch erwärmt wurde. Es wird betont, daß, wenn in dieser Anordnung, in der die Partikel als Mischung oder in benachbarten Schichten vorhanden sinn, eine Erwärmung auf die Curie-Temperatur der mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel gewünscht ist, es wünschenswert ist, daß die Curie-Temperatur der nicht mit Verlust behafteten, nicht wärmeerzeugenden Partikel höher ist als die Curie-Temperatur der stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel. Dies ist wichtig, da, wenn die nicht mit Verlust behafteten Partikel eine Curie-Temperatur aufweisen, die geringer ist als jene der mit Verlust behafteten wärmeerzeugen den Partikel, die nicht mit Verlust behafteten Partikel magnetische Permeabilität verlieren und eine Entkopplung des Magnetkreises verursachen können, bevor die gewünschte Temperatur erreicht ist, nämlich die Curie Temperatur der ersten, mit Verlust behafteten Erwarmungspartikel. Es ist für gewöhnlich für die Durchführung der vorliegenden Erfindung wünschenswert, daß die magnetische Permeabilität der nicht mit Verlust behafteten Partikel nicht vor dem Erreichen der maximalen gewünschten autoregulierten Temperatur durch die mit Verlust behafteten wärmeerzeugenden Partikel während des Erwärmungsverfahrens abnimmt. Diese maximale Temperatur ist normalerweise die Curie-Temperatur der mit Verlust behafteten Partikel.
Die in Figur 1 dargestellte Anordnung kann auch in einem alternativen Ausführungsbeispiel verwendet werden, wobei die Curie-Temperatur der nicht mit Verlust behafteten Partikel geringer als die Curie-Temperatur der mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel ist. In diesem Ausführungsbeispiel kann das Partikelsystem zur Verwennung mit einem bestimmten Magnetfeld zu bereitet wernen, wobei die mit Verlust behafteten wärmungspartikel selbst nicht zur eine Kopplung mit dem Magnetkreis oder für eine Fokussierung des Magnetfeldes au eine ausreichende Intensitat ausreicnen, um die mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel zur Erzeugung der gewünschten Wärme zu veranlassen. Die Gegenwart der nicht mit Verlust behafteten Partikel bewirkt jedoch eine ausreichende Kopplung des Feldes mit den mit Verlust behafteten Erwarmungspartikel, um die gewünschte Erwärmung zu erzeugen. Wenn die Curie-Temperatur der nicht mit Verlust behafteten Partikel erreicht ist und ihre Permeabilität sinkt oder auf Eins geht, ist die Magnetkreiskopplung verloren und die Erwärmung endet. In diesem Ausführungsbeispiel ist das System bei der Curie-Temperatur der nicht mit Verlust behafteten Partikel selbstregulierend.
Für gewöhnlich wird zwar bevorzugt, daß die nicht mit Verlust behafteten Partikel eine Curie-Temperatur über der Curie-Temperatur der mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel aufweisen, aber der Fachmann wird erkennen, daß die nicht mit Verlust behafteten Partikel eine Curie-Temperatur unter jener der mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel aufweisen können, wie in dem vorangehenden Ausführungsbeispiel erklärt wurde. Ebenso kann dies bei jenen Anordnungen zweckdienlich sein, bei welchen die nicht mit Verlust behafteten Partikel so angeordnet sind, daß sie zur Aufrechterhaltung der magnetischen Kopplung durch die mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel wirksam sind, aber so angeordnet sind, daß sie nicht in engem thermischem Kontakt mit, oder so, daß sie thermisch isoliert von den mit Verlust behafteten, wärmeerzeugen den Partikel sind.
Figur 2 zeigt einen Artikel 21, der in einem magnetischen Wechselfeld erwärmt werden soll. Die innere Oberfläche von Artikel 21 umfaßt eine Schicht 22 aus mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikeln zur Erzeugung der gewünschten Wärme und mit der gewünschten Curie-Temperatur zur die gewünschte maximale autoregulierte Temperatur. An der äußeren Oberfläche des Artikels 21 befindet sich eine Schicht 23 aus den nicht mit Verlust behafteten Partikeln, die eine hohe Permeabilität aufweisen. Aus diesem besonderen Ausführungsbeispiel ist ersichtlich, daß aufgrund der Abkühlung des äußeren Oberflächenbereichs die nicht mit Verlust behafteten Partikel in der Schicht 23 bei einer Temperatur gehalten werden können, die deutlich geringer als die Temperatur von Artikel 21 ist und insbesondere die Temperatur der stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel in der Schicht 22 an der Innenseite des Artikels 21. In dieser besonderen Anordnung ist es unter Umständen aufgrund der Tatsache, daß die nicht mit Verlust behafteten Partikel in der Schicht 23 bei einer Temperatur unter der Curie-Temperatur der mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel in Schicht 22 gehalten werden können und dennoch die mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel auf die Curie-Temperatur erwärmt werden und sich bei dieser selbstregulieren, nicht notwendig, daß die Curie-Temperatur der nicht mit Verlust behafteten Partikel in der Schicht 23 höher als die Curie-Temperatur der mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel in der Schicht 22 ist. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt auch, daß die stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel und die nicht mit Verlust behafteten Partikel mit hoher Permeabilität nicht vermischt werden müssen, sondern sich nur in magnetischer Nähe zueinander befinden müssen, d.h., die nicht mit Verlust behafteten Partikel müssen den mit Verlust behafteten Erwärmungspartikeln nur nahe genug sein, um das Magnetfeld durch den Bereich, in dem die mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel angeordnet sind, ausgerichtet oder fokussiert zu halten.
Figur 3 zeirt ein weiteres besonderes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, wobei Artikel 30, der erwärmt werden soll, aus einem Material bestent, in dem die mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel 31 und die nicht mit Verlust behafteten Partikel 32 in dem nesamten Material, aus dem der Artikel 30 besteht, dispergiert sind. In diesem Ausführungsbeispiel sorgen die mit Verlust behafteten und nicht mit Verlust behafteten Partikel, die in dem Material gemäß dieser Erfindung dispergiert sind, für die gewünschte Erwärmung durch die mit Verlust behafteten Partikel und die anhaltende Magnetkreiskopplung durch die nicht mit Verlust behafteten Partikel. Dies ergibt ein Ausführungsbeispiel, das jederzeit wiedererwärmt werden kann, indem es dem richtigen magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wlrd. Der Fachmann erkennt, daß andere Variationen dieses Ausführungsbeispiels offensichtlich sind. Zum Beispiel können entweder nur die mit Verlust behafteten oder nur die nicht mit Verlust behafteten Partikel in dem Material dispergiert sein, aus dem der Artikel besteht, und die anderen Partikel können auf die Innere oder äußere Oberfläche des Artikels aufgetragen werden, wie in Figur 1 und 2 dargestellt. Wie zuvor erwähnt, werden, wenn ein Partikel in dem Material dispergiert ist uni das andere Partikel an einer Oberfläche des Artikels aufgetragen ist, die Partikel in eine magnetische Nähe zueinander gebracht. Wenn diese Art von Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verwendet wird, kann es besonders wünschenswert sein, daß die nicht mit Verlust behafteten Partikel in dem Material dispergiert sind und die stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel sich an einer Oberfläche des Artikels befinden, so daß die mit Verlust behafteten Partikel nach der Durchführung der gewünschten Erwärmung entfernt werden können. Auf diese Weise kann der wärmebehandelte Artikel dann zu der gewünschten Endverwendung gebracht werden, ohne Bedenken haben zu müssen, daß er unabsichtiich erwärmt wird, wenn er anschließend einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, da die mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel entfernt sinn, d.h., seine Selbsterwärmungsfähigkeit beseitigt ist.
Figur 4 zeigt ein System gemäß dieser Erfindung, wobei der durch Wärme rückbildbare Verbinder 10 von Figur 1 mit einem Löteinsatz 71 zur Rückbildung auf und Verbindung von Drähten 79 ausgebildet ist. Eine Induktionsspule 73 (die im Querschnitt dargestellt ist) ist durch Leitungen 75 mit einer Wechselstromversorgung 74 verbunden. Vorzugsweise ist die Stromversorgung eine "Konstantstrom-" Versorgung.
Der Begriff "Konstantstrom", wie hierin verwendet und in der Technik bekannt, bezeichnet nicht einen Strom, der weder zu- noch abnehmen kann, sondern einen Strom, welcher der folgenden Gleichung entspricht:
ΔI/I < -½ (ΔR'c/R'c)
wobei I der Strom und R'c der gekoppelte Widerstand ist, welcher den Widerstand der Induktionsspule selbst nicht einschließt. Die Induktionsspule, die zur Aufnahme des Verbinders 10 ausgebildet ist, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld im Bereich des Verbinders 10, so daß Partikel in der Schicht 14 den Verbinder 10 erwärmen, wodurch das Lötmetall 71 geschmolzen und mit den Drähten 79 verschmolzen wird und schließlich die Röhre des Verbinders 10 wieder auf die Substrate 77, 78 und 79 rückgebildet wird.
Figur 5 zeigt eine Anordnung gemäß dieser Erfindung und zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes zur Verwendung in dieser Erfindung. Ein geschlitzter Ringkern 81 erzeugt ein Magnetfeld in dem Bereich, der zur Aufnahme des Verbinders 10 ausgebildet ist. Eine Spule 82 ist mit einer Wechselstromversorgung 83 zur Erzeugung des gewünschten magnetischen Wechselfeldes verbunden, vorzugsweise einer Konstantstromversorgung wie oben erwähnt
Figur 5a und 5b zeigen ein Beispiel des Unterschiedes zwischen einem Magnetfeld, das durch einen magnetischen Köroer fokussiert wird, und einem Magnetfeld, das nicht fokussiert wird. Figur 5b zeigt, wie die Flußlinien eines Magnetfeldes durch einen magnetischen Körper fokussiert und ausgerichtet werden. Dies entspricht dem Ausführungsbeispiel dieser Erfindung (a), wobei die ersten, mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel sich unter ihrer Curie-Temperatur befinden, wie auch die zweiten nicht mit Verlust behafteten Partikel, und (b), wobei die ersten, mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel sich bei ihrer Curie-Temperatur befinden, aber die zweiten, nicht mit Verlust behafteten Partikel vorhanden sind und die Kopplung und Fokussierung des Magnetfeldes ständig aufrechterhalten. Fig. 6a zeigt ein Magnetfeld durch einen nichtmagnetischen Körper, das dasselbe wie ein Einfachpartikelsystem ist, das aus mit Verlust behafteten Partikeln bei ihrer Curie-Temperatur und mit geringer Permeabilität besteht.
Das Material, auf das hierin Bezug genommen wird und in den obengenannten Ausführungsbeispielen dargestellt ist, welches das für einen gewünschten Zweck zu erwärmende Material ist, können thermoplastische Materialien oder ähnliche Materialien sein, die zur Bildung einer anderen Anordnung oder Funktion fließen gelassen, geschmolzen oder verschmolzen werden sollen, sowie wärmehärtbare oder reaktionstähige Materialien, die durch eine chemische Reaktion bei der erhöhten Temperatur während des Erwärmen verändert werden, Materialien, die durch Wärme vulkanisiert, gehärtet oder vernetzt werden sollen, Materialien, die durch die Entfernung von Feuchtigkeit oder Lösemitteln getrocknet werden sollen, Materialien, aus welchen Gase beim Erwärmen entfernt oder entwickelt werden sollen, Materialien, die beim Erwärmen geschäumt werden sollen, Materialien, die ohne Schäumen getrocknet werden sollen, Materialien, die in verschiedenen Temperaturstufen erwarmt werden sollen, Verbungmaterialien, die durch Wärme gehärtet werden sollen, Materialen, die durch eine Warmebehandlung getempert werden sollen, durch Wärme rückbildbare Materialien, die beim Erwärmen eine dimensionale oder geometrische Veränderung vollziehen, wie auch andere Materialien, die beim Verwendung von Flammen, Ofen oder anderen herkommlichen Wärmequellen erwarmt werden sollen. Diese Erfindung ist besonders beim Erwärmen von durch Wärme rückbildbaren Artikeln zweckdienlich und insbesondere von jenen, die komplexe Formen aufweisen, wie Verteilerschutzgehäuse, und jenen, bei welchen die geometrische Veränderung manchmal extrem ist.
Ein besonders bevorzugtes Material oder Substrat zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung ist jene Klasse von durch Wärme rückbildbaren Materialien, die bei einer bestimmten Temperatur entweder schrumpfen oder sich ausdehnen oder die Form verändern. Durch Wärme rückbildbare Materialien sind in der Technik allgemein bekannt und werden im allgemeinen durch Erwärmen eines polymeren Materials über seine Übergangstemperatur, Verformen des Materials in eine andere Form, für gewöhnlich durch Strecken oder Dehnen des Materials, und Abkühlen des Materials in dieser Anordnung auf eine Temperatur unter seiner Übergangstemperatur hergestellt, wodurch ein Material hergestellt wird, das in seiner Dimension wärmeinstabil ist. Wenn das Material über seine Übergangstemperatur erwärmt wird, neigt das in seiner Dimension instabile Material dazu, in seine ursprüngliche Dimension oder Anordnung zurückzukehren, d.h. in seine dimensional wärmestabile Anordnung. Eine allgemeine Art der Gestaltung für durch Wärme rückbildbare, insbesondere durch Wärme schrumpfbare Materialien ist die Hülsen- und Röhrenart von Artikeln. Andere Formen von durch Wärme rückbildbaren Materialien umfassen flache Lagen, insbesondere Bänder, die durch Wärme rückbildbar sind, und flache Lagen, die zur Verwendung als Umhüllungsartikel mit einem Verschlußmittel gedacht sind und zum Ümhüllen von Substraten verwendet und dann als Hülle um das Substrat ruckgebildet oder geschrumpft werden. Zusätzlich umfassen durch Wärme rückbildbare Materialien jene Materialien, die sich beim Erwärmen auf ihre Übergangs- oder Rückbildungstemperatur ausdehnen. Gemäß dieser Erfindung ist die Ubergangs- oder Wärmerückbildungstemperatur der Materialien derart, daß die herrschende Curie-Temperatur der Partikel in dem System der vorliegenden Erfindung größer oder gleich der Rückbildungs- oder Übergangstemperatur des durch Wärme rückbildbaren Materials ist.
Der Begriff "mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel", wie hierin verwendet, bezeichnet jedes Partikel mit bestimmten Eigenschaften, die bewirken, daß die Partikel imstande sind eine ausreichende Wärme für den Zweck dieser Erfindung zu erzeugen, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld mit einer bestimmten Frequenz ausgesetzt werden. Daher liegt jedes Partikel mit diesen Eigenschaften und einer Verwendbarkeit in der vorliegenden Erfindung im Rahmen dieser Definition. Wie hierin betont wird, gab es in Verbindung mit Partikeln, die auf Magnetfelder ansprechen, eine nicht übereinstimmende und/oder verwirrende Terminologie. Ohne sich auf eine bestimmte Terminologie festzulegen, fallen die mit Verlust behafteten Erwarmungspartikel, die in dieser Erfindung zweckdienlich sind, im allgemeinen in die beiden Kategorien von Partikeln, die als ferromagnetische Partikel und ferrimagnetische Partikel bekannt sind.
Im allgemeinen werden die ferrimagnetischen Partikel, wie Ferrite, bevorzugt, da sie für gewöhnlich nicht leitende Partikel sind und da sie Wärme durch Hystereseverluste erzeugen, wie sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden. Daher erzeugen ferrimagnetische Partikel eine Erwarmung durch Hystereseverluste in dem geeigneten magnetischen Wechselfeld, im wesentlichen unabhängig davon, ob die Partikelgröße groß oder klein ist Ebenso kann durch die Zusammensetzung des Artikels aus Ferritpartikeln der Artikel seine nicht leitenden, isolierenden Eigenschaften bewahren.
Ebenso zweckdienlich in dieser Erfindung und in einigen Anwendungen bevorzugt, sinn die ferromagnetischen Partikel die für gewöhnlich elektrisch leitend sinn. Ferromagnetische Partikel erzeugen eine Erwärmung, die von Hystereseverlusten dominiert wird, wenn die Partikelgröße klein genug ist, da die Wirbelstromerwärmung mit abnehmender Partikelgröße geringer wird. Da ferromagnetische Partikel leitend sind, erzeugen jedoch größere Partikel eine signifikante Erwärmung durch Wirbelstromverluste.
Bei der Durchführung dieser Erfindung wird allgemein bevorzugt, die Erwärmung durch Hystereseverluste zu bewirken, da die Partikelgröße für eine effektive Hystereseverlusterwärmung viel kleiner sein kann als bei einer effektiven Wirbelstromerwärmung. Bei der Wirbelstromerwärmung sind die Partikel größer, so daß ein ausreichender Oberflächenbereich an jedem Partikel für effektive Wirbelstromverluste zur Verfügung steht. Bei der Hystereseverlusterwärmung ermöglicht die kleinere Partikelgröße eine gleichmäßigere Erwärmung des Artikels und verschlechtert die mechanischen Eigenschaften des Materials nicht, da die kleineren Partikel stärker dispergiert werden können als größere Partikel. Die stärker dispergierten, kleineren Partikel sorgen daher für gewöhnlich für eine wirksamere Erwärmung. Bei den nicht leitenden Partikeln werden die elektrischen und isolierenden Eigenschaften des Materials nicht verringert. Daher können die Partikel so groß oder klein wie gewünscht sein und wie es die gewünschten mechanischen und elektrischen Eigenschaften zulassen. Die Partikel größe soll jedoch mindestens die Größe eines Weissschen Bezirks aufweisen, so daß der notwendige Hysteresever- Lust bereitgestellt wird, d.h., die Partikel sind vorzugsweise so klein wie angemessen, sind aber Partikel mir mehreren Weissschen Bezirken.
In einem anderen Aspekt dieser Erfindung kann die durch die magnetischen Partikel, die in der vorliegenden Erfindung zweckdienlich sind, erzeugte Erwärmung verstärkt werden oder kann durch Beschichten der Partikel mit einer elektrisch resistiven Beschichtung bereitgestellt werden. Dies ist besonders bei den mit Verlust behafteten Erwärmungspartikeln wie Ferriten zweckdienlich, die eine Hystereseverlusterwärmung aufweisen. Solche Partikel können in ihre Erwärmungswirksamkeit deutlich mit einer solchen resistiven Beschichtung verstärkt werden, wodurch mit Verlust behaftete Partikel erhalten werden, die eine Erwärmung sowohl durch Hystereseverluste als auch durch Wirbelstromverluste erzeugen Wie der Fachmann erkennt, können Partikel, die nicht mit Verlust behaftet sind, da sie weder Hysterese- noch Wirbelstromverluste aufweisen, in mit Verlust behaftete Erwärmungsartikel zur Verwendung in dieser Erfindung umgewandelt werden, indem eine derartige resistive Beschichtung auf die Partikel aufgebracht wird. Die elektrisch resistive Beschichtung erzeugt signifikante Wirbelstromverluste, die mit der Oberflächenwirkung der beschichteten Partikel in Verbindung stehen. Wie hierin verwendet, wird "Beschichtung" im Sinne der manchmal verwendeten Bezeichnung des "Plattierens" der Partikel mit einem resistiven Material wie einem Metall verwendet. Der Begriff "elektrisch resistive" Beschichtung umfaßt jedes Material, das ausreichend elektrisch leitend ist, um Wirbelstromeffekte in einer Oberflächenschicht zu erzeugen und kann zur Erzeugung einer Erwärmung in einem bestimmten Stromfluß angeordnet sein. Daher kann das Beschichtungsmaterial Metall, leitendes Polymer, Kohlenstoff, Graphit und andere elektrisch leitende Materialien umfassen. Die Dicke der Beschichtung auf dem Partikel hängt von der Leitfähigkeit des Beschichtungsmaterials, dem Stromfluß oder Leistungspegel, dem die beschichteten Partikel ausgesetzt werden müssen, um Wirbelstromverluste und Erwärmung zu erzeugen, ab. Zum Belspiel kann bei einer bestimmten Leistung ein stärker leitendes Beschichtungsmaterial wie Kupfer als dünnere Beschichtung vorliegen mussen, um den gewünschten Systemwiderstand zur Ezrzeugung der erwunschten Erwärmung aufzuweisen, im Vergleich zu einem weniger leitennen Beschichtungsmaterial wie Eisen, das den gewünschten Systemwiderstand aufweisen kann und die gewünschte Erwärmung bei derselben Leistung erzeugen kann, wenn es als eine dickere Beschichtung vorliegt. Die Bestimmung der gewünschten Dicke ist für den Fachmann aus dem zu verwendenden Magnetfeld, der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes, dem Leistungspegel, der Partikelgröße und anderen Faktoren ersichtlich, die für gewöhnlich mit der resistiven Erwärmung und Induktionserwärmung in Zusammenhang stehen; Daher definiert, wie hierin verwendet "elektrisch resistive Beschichtung" die Beschichtung auf dem Partikel in funktioneller Hinsicht als ein geeignetes Material, das in einer geeigneten Dicke vorhanden ist, um die gewünschte Erwärmung in einem bestimmten Magnetfeld zu erzeugen. Wenn eine Beschichtung auf einem magnetischen Partikel zu dick ist um Wirbelstromverluste zu erzeugen, ist es keine elektrisch resistive Beschichtung im Rahmen dieser Erfindung, unabhängig vom Material.
Nach dem Stand der Technik ist bekannt, Metallpartikel mit Carbid zu beschichten. Zum Beispiel offenbart US-A-632 866 metallische Partikel mit einer Eisencarbidbeschichtung für magnetische Aufzeichnungsmedien wie Videobänder.
Die beschichteten magnetischen Partikel dieser Erfindung können durch jedes bekannte Verfahren zur Beschichtung von Partikeln, insbesondere zur Beschichtung von Partikeln mit Metallen, hergestellt werden. Es ist zum Beispiel bekannt, daß verschiedene Partikel wie Glas und Plastik in Großen bis zu mindestens 5 Mikron in verschiedenen Beschichtungsdicken mit Metallen wie Eisen, Nickel und Aluminium beschichtet werden können. Metallbeschichtete Partikel, die in nahezu jeder Spezifikation hergestellt werden, sinn im Handel von einer Reihe von Quellen, einschließlich der Versar Manufacturing, Inc., Chantilly, Virginia, erhältlich.
Die beschichteten magnetischen Partikel dieser Erfindung sinn als selbstregulierende Partikel ebenso wie die unbeschichteten Partikel geeignet, obwohl die Beschichtung auf dem Partikel an sich bei einer für die gewünschte Verwendung geeigneten Curie-Temperatur nicht selbstregulierend sein kann. Beschichtete, mit Verlust behaftete magnetische Partikel können gemäß dieser Erfindung verwendet werden, so daß sie bei der Curie-Temperatur des mit Verlust behafteten magnetischen Partikels an sich selbstregulierend sind. Wenn zum Beispiel die Beschichtung auf den mit Verlust behafteten Erwärmungspartikeln die Gesamtwärme verstärkt, aber nicht den Hauptteil davon liefert, reguliert das Erwärmungs system dieser Erfindung bei der Curie-Temperatur des Partikels, da die anhaltende Erwärmung von den Wirbelstromverlusten in der Beschichtung selbst nicht genug Wärme erzeugt, um einen anhaltenden Temperaturanstieg des Artikels herbeizuführen, wenn das mit Verlust behaftete Partikel selbst sich bei seiner Curie-Temperatur befindet und keine Wärme erzeugt. Wenn das beschichtete magnetische Partikel ein beschichtetes nicht mit Verlust behaftetes Partikel ist (und daher insgesamt als ein mit Verlust behaftetes Erwärmungspartikel wirkt), das seine gesamte Wärme von den Wirbelstromverlusten der resistiven Oberflächenbeschlchtung erzeugt, kann es in dem System dieser Erfindung verwendet werden, so daß es bei der Curie-Temperatur des Partikels selbst selbstreguliert. Dies ergibt sich aus dem Aspekt der vorliegenden Erfindung, wobei die Erwärmung infolge der magnetischen Partikel entsteht, die selbst nicht mit Verlust behaftet sind, eine ausreichende Permeabilität aufweisen, um das Magnetfeld nuron die Partikel und folglich die resistive Beschichtung auf den Partikeln zu fokussleren oder zu verstärken. Wenn die Wärme von der Beschichtung auf den Partikeln die nicht mit Verlust behaften artikel auf ihre Curie-Temperatur erwarmt, nimmt ihre Permeabilität ab, wodurch sie ihre Kopplung mit dem Magnetfeld verlieren. Wenn das Feld gelöst und nicht ausreichend fokussiert ist, kann die Beschichtung auf den Partikeln keine große Wärmemenge in dem Magnetfeld geringerer Intensität erzeugen, wodurch die Systemtemperatur effektiv auf ein Maximum der Curie-Temperatur der nicht mit Verlust behafteten Partikeln selbst begrenzt wird.
Es ist bekannt, daß Ferrite jeden Bereich von Curie-Temperaturen besitzen können, wenn sie mit Zink, Mangan, Kobalt, Nickel, Lithium, Eisen oder Kupfer zusammengesetzt werden, wie in zwei Veröffentlichungen offenbart ist: "The Characterlstics of Ferrite Cores wlth Low Curie Temperatur and Their Application", von Murkami, IEEE Transactions on Magnetics Juni 1965, Seite 96f, und Ferrites von Smit und Wijn, John Wiley & Son, 1959, Seite 156f. Daher ist die Wahl der mit Verlust behafteten Erwärmungspartlkel zur Erzielung der gewünschten Curie-Temperaturen für den Fachmann offensichtlich.
In der Vergangenheit gab es einen gewissen, nicht übereinstimmenden Gebrauch der Terminologie in bezug auf ferromagnetische Partikel. Vergleiche zum Beispiel die Nomenklatur, die in U.S. Patent 3.391.846 an White verwendet wird, und jener, die in Lee, Magnetism, an Introductory Survey, Dover Publications, Inc., New York, 1970, Figur 44, Seite 203, verwendet wird. Für die bevorzugte Nomenklatur wird jene von Lee gehalten und hierin vorwiegend verwendet. Siehe auch Brailsford, Magnetic Materials, Methuen & Co. Ltd., London, 1960.
Der Begriff "ferromagnetisch" wurde häufig zur generischen Bezeichnung von magnetischen Partikeln verwendet, unabhängig von ihren besonderen Eigenschaften Daher wurden ernte für gewöhnlich als "ferromagnetisch" bezeichnet oner in der allgemeinen Gruppe ferromagnetischer Materialen angeführt. Für den Zweck dieser Erfindung wird jedoch die Verwendung der Terminologie bevorzugt, die in Figur 44 auf Seite 203 von Lee, auf welche zuvor Bezug genommen wurde, angegeben ist, wobei die magnetischen Partikel in zwei Gruppen, ferromagnetische und ferrimagnetische, unterteilt sind. Die ferromagnetischen Materialien werden für gewöhnlich als elektrisch leitenden Metalle angesehen, die verschiedene magnetische Eigenschaften aufweisen. Die ferrimagnetischen Metalle werden für gewöhnlich als elektrisch nicht leitende magnetische Oxide angesehen, die auch verschiedene magnetische Eigenschaften aufweisen. Ferrite werden als elektrisch nicht leitende Materialien angesehen und gehören daher zu der Klasse der ferrimagnetischen Materialien. Sowohl ferromagnetische Materialien als auch ferrimagnetische Materialien können eine verlustarme oder nicht mit Verlust behaftete Art von Materialien sein, was bedeutet, daß sie keinen signifikanten Energieverlust aufweisen oder Wärme erzeugen, wenn sie einem elektrischen Potential oder magnetischen Feld mit einer spezifischen Frequenz ausgesetzt werden. Diese nicht mit Verlust behaftete Art von magnetischen Materialien ist jene Art, die in verschiedenen elektrischen Ausrüstungsbestandteilen verwendet wird, wie in Ferritkernen für Spulen, wo ein Energieverlust/eine Wärmeerzeugung nicht oder nur in geringem Maße erwünscht ist. Diese beiden Materialien können aber auch eine verluststarke oder mit Verlust behaftete Art von Materialien sein, was bedeutet, daß sie einen signifikanten Energieverlust und eine signifikante Wärmeerzeugung aufweisen, wenn sie einem elektrischen Potential oder magnetischen Feld mit einer bestimmten Frequenz ausgesetzt werden. Es ist diese Klasse von mit Verlust behafteten oder stark mit Verlust behafteten ferromagnetischen und ferrimagnetischen Materialien, die für die mit Verlust behafteten Erwärmungapartikeln in der vorliegenden Erfindung zweckdienlich ist.
Unabhangig von den Bezeichnungen oder der Terminologie für magnetische Partikel, müssen die magnetischen Partikel, die in der vorliegenden Erfindung als "mit Verlust behartete Erwärmungspartikel zweckdienlich sind und unter diesen Begriff fallen, nur folgende Eigenschaften aufweisen: (1) die gewunschte Curie-Temperatur für die Autoregulierung der Temperatur aufweisen, wenn sie einem entsprechenden magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, und (2) ausreichend mit Verlust behaftet sein, entweder durch Hystereseverluste, Wirbelstromverluste oder beide, um die gewünschte Wärme zu erzeugen, wenn sie dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden. Diese Partikel werden als "stark mit Verlust behaftet" bezeichnet. Die Größe der Partikel ist zwar in der vorliegenden Erfindung nicht besonders wichtig, aber es ist wünschenswert, kleinere Partikel zu verwenden, da diese gleichmäßiger in dem durch Wärme rückbildbaren Material oder Artikel dispergiert werden können, wodurch die Erwärmung wirksamer und gleichmäßiger erfolgt. Wie für den Fachmann offensichtlich ist, sollte die Größe des Partikels nicht geringer als ein Weissscher Bezirk sein, d.h., die Partikel sollten Partikel in einer Größe von mehreren Weissschen Bezirken sein.
Ebenso müssen die magnetischen Partikel, die in der vorliegenden Erfindung als "nicht mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel" zweckdienlich sind und unter diesen Begriff fallen, unabhängig von den Bezeichnungen und der Terminologie nur folgende Eigenschaften aufweisen: (1) eine ausreichend hohe magnetische Permeabilität aufweisen, um eine Kopplung mit dem zur Verwendung ausgewählten Magnetkreis herzustellen, (2) ausreichend nicht mit Verlust behaftet sein, so daß die Partikel nicht eine signifikante oder störende Wärmemenge in dem System und der besonderen Magnetfeldfrequenz und -intensitat, die zur Verwendung gewählt wurde, erzeugen und (3) eine ausreichend hohe Curie- Temperatur aufweisen, so daß die Partikel nicht signifikant in der magnetischen Permeabilität in den für den Betrieb gewunsonten Temperaturbereichen abnehmen. Diese Partikel werden als "nicht mit Verlust behaftete Partikel mit hoher Permeabilität" bezeichnet.
Es muß festgehalten werden, daß die "nicht mit Verlust behafteten Partikel" und "mit Verlust behafteten Partikel" zur Verwendung mit einem bestimmten Magnetfeld mit einer bestimmten Frequenz und Intensität definiert und zur Verwendung ausgewählt werden. Da magnetische Partikel bei bestimmten magnetischen Wechselfeldfrequenzen nicht mit Verlust behaftet sein können und bei anderen Frequenzen, einschließlich einer bestimmten Frequenz, bei welcher sie einen Höchstverlust oder eine maximale Wärmeerzeugung in ihrer besonderen Spinresonanzfrequenz aufweisen, mit Verlust behaftet sein können, ist offensichtlich, daß ein bestimmtes magnetisches Partikel als mit Verlust behaftetes Erwärmungspartikel in dem System dieser Erfindung bei einer bestimmten magnetischen Wechselfeldfrequenz verwendet werden kann und dasselbe Partikel als nicht mit Verlust behaftetes Nichterwärmungspartikel mit hoher Permeabilität in einem anderen System der vorliegenden Erfindung dienen kann, da das Partikel bei der besonderen verwendeten Frequenz des Magnetfeldes keine Wärme erzeugt, aber aufgrund seiner hohen Ausgangspermeabilität zur Kopplung mit dem Magnetkreis imstande ist. Daher ist für den Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Systeme gemäß der vorjiegenden Erfindung entworfen werden können, wie durch die verschiedenen, hierin offenbarten Ausführungsbeispiele gezeigt wird, in welchen bestimmte magnetische Partikel als nicht mit Verlust behaftete Michterwärmungsoartikel in einem bestimmten System, insbesondere bei einer bestimmten Frequenz dienen, aber dasselbe Partikel dann zu einem mit Verlust behafteten Erwarmungspartikel wird, wenn das System zum Beispiel durch Änderung des magnetischen Wechselfeldes auf eine annere Frequenz modifiziert wird und das Partikel bei dieser bestimmt Frequenz seinen Höchstverlust oder seine Höchsterwärmung aufweist. Daher können verschiedenen Modifizierungen und Ausführungsbeispiele gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Die stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel, die in dieser Erfindung zweckdienlich sind, können jedes gewünschte Partikel sein, das die gewünschte Curie-Temperatur aufweist und ausreichend mit Verlust behaftet ist, um das gewünschte Ausmaß an Erwärmung in dem magnetischen Wechselfeld zu erzeugen, das in Verbindung mit dem System dieser Erfindung verwendet werden soll. Wie für den Fachmann erkennbar ist, sind diese Partikel im allgemeinen ferromagnetische oder ferrimagnetische Partikel, die eine hohe Ausgangspermeabilltät und eine stark mit Verlust behaftete Komponente in einem bestimmten magnetischen Wechselfeld mit einer bestimmten Frequenz aufweisen. Die mit Verlust behaftete Komponente der Ferritpartikel ist im allgemeinen jener Teil der anfänglichen relativen Permeabilität, der zur Erwärmung beiträgt. Dieser Tei wird von Chen, Magnetism and Metallurgy of Soft Magnetic Materials, S. 405 (1986), und Smit et al., Adv. Elec tronlcs 6:69 (1954), als µ" bezeichnet. Je höher die µ"-Komponente bei einem bestimmten Partikel ist, desto wirksamer ist das Partikel als das mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel dieser Erfindung. Die Wärmeerzeugung von solchen Partikeln in einem magnetischen Wechselfeld steht direkt mit der mit Verlust behafteten Komponente, der Partikelgröße, Feldstärke, Frequenz des Wechselstroms, der das Feld versorgt, Dichte der vorhandenen Partikel wie auch anderen, in der Technik bekannten Faktoren in Zusammenhang. Zum Beispiel ist bekann:, daß ein bestimmtes Partikel eine maximale Erwarmung bei einer bestimmten magnetischen Wechselfeldfrequenz erzeugt die mit der Präzessionsfrequenz das Spins übereinstimmt, an welchem Punkt eine "Spin-Resonanz" eintritt, welche die maximale Erwarmung durch das Partikel erzeugt Partikel können in einem bestimmten Magnetfeld mit einer bestimmten Frequenz und Feldstärke einfach nach ihren stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Eigenschaften ausgewählt werden. Die Partikelgröße sollte größer als mindestens ein Weissscher Bezirk sein, kann aber sonst jede gewünschte Partikelgröße sein. Die geringeren Partikelgrößen sind im allgemeinen für eine effektivere Erwärmung in vielen Anwendungen bevorzugt. Die Dichte der in dem System dieser Erfindung verwendeten Partikel wird durch verschiedene Faktoren bestimmt, aber es ist im allgemeinen erwünscht, die minimale Partikeldichte zu verwenden, welche die gewünschte Erwärmung in dem Magnetfeld erzeugt, das zur Verwendung mit diesen Partikeln ausgewählt wurde.
Wie zuvor erwähnt, haben diese stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel eine Curie-Temperatur, die in dem System der vorliegenden Erfindung zweckdienlich ist, um die Partikel bei der Temperatur in dem bestimmten, für die Verwendung ausgewählten magnetischen Wechselfeld selbstregulierend zu machen. In der Technik sind verschiedene ferromagnetische und ferrimagnetische Partikel als stark mit Verlust behaftete Partikel bekannt, die unterschiedliche Curie-Temperaturen aufweisen und dementsprechend gewählt werden können. Mit Verlust behaftete Partikel verschiedener Arten können vermischt werden, um die für eine bestimmte Verwendung gewünschten Erwärmungs und Temperaturregulierungseigenschaften zu erhalten, einschließlich der Erwarmung über einen ausgewählten Bereich und für andere Zwecke.
Da die mit Verlust behafteten Partikel, die in dem Magnetfeld vorhanden sind, Wärme erzeugen und die Temperatur steigt, haben diese Partikel die Eigenschaft, eine abnenmende magnetische Permeabilität zuweisen, wenn di Curie-Temperatur der Partikel annahernd erreicht ist. Wenn die Curie-Temperatur der Partikel erreicht ist, fällt die magnetische Permeabilität im wesentlichen auf Eins und das Partikel erzeugt eine minimale Wärme, während es sich bei dieser Temperatur befindet, selbst wenn es sich in dem magnetischen Wechselfeld befindet. Wenn die Temperatur unter die Curie- Temperatur fällt, steigt die magnetische Permeabilität wieder, wodurch das Partikel wieder Wärme erzeugen kann, wenn es dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist. Seine Temperatur steigt dann wieder auf den Curie- Punkt, wo das Partikel wieder eine minimale Wärme aufgrund des Abnahme in der magnetischen Permeabilität erzeugt. Auf diese Weise sind die Partikel bei einer maximalen Temperatur, die ihrer Curie-Temperatur entspricht, selbstregulierend, vorausgesetzt, das richtige Magnetfeld wird aufrechterhalten.
Diese stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel können nach Wunsch mit einer metallischen oder anderen Beschichtung überzogen werden, um für eine zusätzliche Erwärmung aus der Wirbelstromerwärmung in dem magnetischen Wechselfeld zu sorgen.
Wie angegeben, können Partikel mit verschiedenen Curie-Temperaturen vermischt und in dem System dieser Erfindung verwendet werden. Zum Beispiel können zwei verschiedene, mit Verlust behaftete Partikel, die einen mit einer niederen und die anderen mit einer hohen Curie-Temperatur, verwendet werden, wenn eine rasche Erwärmung oder hohe Wärmezuführungsrate in den Anfangsstufen erwünscht ist. Bei den höheren Temperaturen hören die Partikel mit geringerer Curie-Temperatur auf, Wärme zu erzeugen, so daß es bei den übrigen Partikel mit höherer Curle-Temperatur heat, die Wärmeerzeugung bei einer geringeren Rate im Vergleich zur Anfangsstufe fortzusetzen, ais alle Partikel Wärme erzeugten. Das System der vorliegenden Erfindung ist besonners in einem solchen Ausführungsbeispiel zweckdienlich, da die Kopplung des Magnetkreises in der gewünschten Intensität wahrend der anfänglichen Erwärmungsstufe und in die zweite Erwärmungsstufe aufrechterhalten wird, da die Partikel mit höherer Curie-Temperatur als Kopplungspartikel wirken, um den Fokus des Magnetkreises aufrechtzuerhalten, bis sie ihre Curie-Temperatur erreichen. Wahlweise kann in einem solchen System ein drittes Partikel enthalten sein, um die magnetische Kopplung und den Fokus bei einer maximalen oder gewünschten intensität im gesamten gewünschten Erwärmungsbereich aufrechtzuerhalten. Das dritte Partikel ist ein nicht mit Verlust behaftetes, nicht wärmeerzeugendes Partikel mit hoher Permeabilität, wie hierin beschrieben.
In einem ähnlichen System mit zwei oder drei Partikeln, wie zuvor beschrieben, kann die Erwärmung durch die Eigenschaften des magnetischen Wechselfeldes kontrolliert oder abgestuft werden. Zum Beispiel können die Partikel und das Magnetfeld so gewählt werden, daß die ersten Partikel in der ersten Stufe auf ihre Curie- Temperatur erwärmt werden, aber der Erwärmungsbeitrag von den zweiten Partikeln nicht ausreichend Wärme liefert, um das System über die Curie-Temperatur der ersten Partikel ansteigen zu lassen. Falls eine weitere Erhöhung der Temperatur gewünscht ist, wird das System auf die Resonanz umgestimmt und die Feldstärke durch Erhöhung des Induktionsspulenstroms erhöht. Die Curie- Temperatur der zweiten Partikel begrenzt nun die maximale Betriebstemperatur des Systems. Es ist offensichtlich, daß mehrstufige Erwärmungssysteme somit vorgesehen werden können, in welchen jede Stufe auf die gewünschte Curie-Temperatur selbstregulierend ist.
In der Technik ist bekannt, daß ein bestimmtes, mit Verlust behaftetes Erwarmungspartikel eine maximale Wärme bei einer bestimmten Frequenz oder einem bestimmten Frequenzbereich erzeugt, d.h. bei der Frequenz, bei der µ" einen Maximalwert aufweist. Diese Eigenschaft von mit Verlust behafteten Erwärmungspartikeln ermöglicht weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung, in welchen eine stufenweise Erwarmung erzielt werden kann. So kann das Partikelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung so aufgebaut sein, daß sich das System auf eine erste Temperatur erwärmt und sich bei dieser Temperatur selbst reguliert, dann kann das System so eingestellt werden, daß sich das System auf eine zweite Temperatur erwärmt und bei dieser Temperatur selbst reguliert. Als Beispiel kann das Partikelsystem gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines ersten, mit Verlust behafteten Erwärmungspartikels mit einer Curie-Temperatur von T&sub1; zubereitet werden, das seine maximale Erwärmung bei einer magnetischen Wechselfeldfrequenz F&sub1; erzeugt, gemeinsam mit einem zweiten, mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel, das eine höhere Curie-Temperatur T&sub2; aufweist das seine maximale Erwärmung bei einer zweiten Frequenz F&sub2; erzeugt und nur wenig oder überhaupt keine Erwärmung bei der ersten Frequenz F&sub1; erzeugt. Gemäß dieser Erfindung sind die nicht mit Verlust behafteten, nicht wärmeerzeugenden Partikel enthalten, um die anhaltende Magnetkreiskopplung während des gesamten Betriebs zu gewährleisten. Beim Betreiben eines solchen Systems wird das magnetische Wechselfeld mit einer Stromversorgung erzeugt, die bei der Frequenz F&sub1; eingestellt ist, um das System auf die selbstregulierende Temperatur T&sub1; zu erwärmen. Nachdem die Temperatur T&sub1; über die gewünschte Zeitdauer aufrechterhalten wurde, wird die Stromversorgung dann so eingestellt, daß die Frequenz zu der Frequenz F&sub2; wechselt, die dann das magnetische Wechselfeld veranlaßt, Wärme von nen zweiten, mit Verlust behafteten Erwärmungspartikeln zu erzeugen, wodurch das System auf die zweite selbstregullerende Curie-Temperatur T&sub2; erwarmt wird. Diese Wirkung kann besonders ausgeprägt sein, wenn eine oner oelde der Frequenzen der Spin- Resonanzfrequenz entsprechen. Für den Fachmann sind verschiedene indere Variationen unn Anordnungen der Partikelsysteme der vorliegennen Erfindung offensichtlich.
Die nicht mit Verlust behafteten, nicht wärmeerzeugenden Partikel, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, sind ebenso in der Technik als Partikel bekannt, die eine hohe magnetische Permeabilität aufweisen, aber nicht mit Verlust behaftet sind und daher keine signifikante Wärmemenge in dem System dieser Erfindung erzeugen. Solche Partikel können ferromagnetische Partikel oder ferrimagnetische Partikel sein, welche diese Eigenschaften besitzen. Da diese Partikel keine Wärme erzeugen, ist die Curie-Temperatur der Partikel im allgemeinen kein wesentliches Kriterium bei diesen Partikeln. Wenn diese Partikel jedoch, wie zuvor angeführt, in thermischer Nähe der zuvor beschriebenen, stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikel verwendet werden, ist es notwendig, daß diese nicht mit Verlust behafteten, nicht wärmeerzeugenden Partikel eine Curie-Temperatur über der Curie-Temperatur der mit Verlust behafteten Partikel aufweisen, so daß diese nicht mit Verlust behafteten Partikel ihre magnetische Permeabilität während des gesamten Erwärmungsintervalls nicht verlieren, in dem das System dieser Erfindung verwendet wird. Die Magnetkreiskopplung gemäß dieser Erfindung wird erzielt, wenn eine ausreichende Dichte der nicht mit Verlust behafteten Partikel verwendet wird, um die gewünschte Intensität oder den Fokus des Magnetfeldes in dem gewünschten Bereich zu halten, wo sich die nich: mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel befinden.
Das Verhältnis der stark mit Verlust behafteten, wärmeerzeugenden Partikeln zu den nich: mit Verlust behafteten, nicht wärmeerzeugenden Partikel kann jedes effektive Verhältnis sein, liegt aber im allgemeinen zwischen etwa 0:1 bis 1:10, vorzugsweise von etwa 2 zu 1 und insbesondere von etwa 1 zu etwa 1. Wie zuvor gegeben, können die mit Verlust gehafteten Partikel und die nicht mit Verlust behafteten Partikel als Mischungen verwendet werden oder können als getrennte Schichten in dem System ner vorliegenden Erfindung verwendet wernen. Es ist nur wichtig, daß die mit Verlust behafteten und die nicht mit Verlust behafteten Partikel in magnetischer Nähe zueinander angeordnet sind, so daß die nicht mit Verlust behafteten Partikel die Kopplung und die Intensität des Magnetfeldes durch den Bereich, in dem die mit Verlust behafteten Partikel angeordnet sind, aufrechterhalten können. Andererseits ist es nicht notwendig, daß die mit Verlust behafteten Partikel und die nicht mit Verlust behafteten Partikel in thermischer Nähe oder in thermischem Kontakt sind, dies aber sein können, falls es passend erscheint oder gewünscht wird.
Die mit Verlust behafteten und/oder nicht mit Verlust behafteten Partikel, die bei der Durchführung dieser Erfindung zweckdienlich sind, können elektrisch leitend oder nichtleitend sein, wie für die besonderen Endgebrauchsanwendungen des Systems dieser Erfinduncg gewünscht wirn. In einigen Anwendungen ist es wunschenswert, nichtleitende Partikel zu verwenden, insbesondere wenn sie nach Beendigung der Erwärmung nich: von dem Substrat oder Artikel entfernt werden. Zum Beispiel kann es bei elektrischen Verbindern nicht wünschenswert sein, leitende Partikel in dem Verbinder oder den Isolierschichten der Verbinder zurückzulassen, in welchem Fall es wünschenswert ist, entweder nichtleitende Partikel zu verwenden oder eine Anordnung des Systems dieser Erfindung zu verwenden, die eine Entfernung der leitenden Partikel nach Beendigung der wünschten Erwärmung ermöglicht.
Das magnetische Wechselfeld, das in der vorliegenden Erfindung zweckdienlich ist, kann jedes gewunschte magnetische Wechselfeld sein, weist aber vorzugsweise eine Frequenz von mindestens etwa 10 KHz auf, das in der Technik als wirksames Magnetfeld zur Induktionserwärmung anerkannt ist.
Angesichts der vorangehenden allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung der besonderen Ausführungsbeispiele is es für den Fachmann aufgrund dieser Lehren offensichtlich, daß zahlreiche Variationen und Ausführungsbeispiele dieser Erfindung für verschiedene gewünschte Anwendungen angepaßt werden können.
Die folgenden Beispiele werden zur Veranschaulichung besonderer bevorzugter Ausführungsbeispiele des Systems der vorliegenden Erfindung angeführt. Es versteht sich, daß die vorangehende Beschreibung und die folgenden Beispiele angeführt werden, um dem Fachmann die Durchführung dieser Erfindung zu ermöglichen, und der Rahmen dieser Erfindung durch die angefügten Ansprüche definiert ist.
In dem folgenden Beispiel wurde die folgende Ausrüstung zur Testung der verschiedenen Materialien verwendet. Die Stromversorgung war ein RFG 30, erhältlich von Metcal, Inc., Menlo Park, Kalifornien, mit einer Maximalleistung von 40 Watt, die für einen extern einstellbaren Stromsollwert modifiziert war. Der Netzleistungsmesser war ein NPM-50, erhältlich von Metcal, Inc. Es wurden ein Bandschreiber, Hewlett-Packard 7004B x-y Recorder, und ein R.F. Vector Impedance Meter, Hewlett-Packard 4815A, verwendet. Die Induktionsspule bestand aus 16 Wicklungen eines 19 AWG (amerikanische Drahtlehre), HML Isolierten Drahtes mit 0,762 cm (0,300 Inch) Innendurchmesser. Die Testkapselgröße betrug 3,8 cm (1,5 Inch) Länge mal 0,762 cm (0,300 Inch) Außendurchmesser. Die Schrumpfröhre war Polyolefin mit einem 2 zu 1 Schrumpfverhältnis und einer Rückbildungstemperatur von 121ºC. Die Ferritpulver wurden von Trans-Tech, Adamstown, Maryland, erhalten. Die pulverförmigen Metalle wurden von Aremco Pronucts, Ossining, New York, erhalten.
Für eine anfängliche Charakterisierung der Ferritpulver wurden sie in einem 3,8 cm (1,3 Inch) langen Stück einer Plastikröhre mit 0,762 cm (0,300 Inch) Durchmesser eingekapselt. Diese Kapsel wurde dann in die Induktionsspule eingeführt, und diese Anordnung wurde unter Verwendung eines Hewlett-Packard R.F. Vector Impedance Meter serienresoniert. Die resistive Impedanz wurde bei verschiedenen Frequenzen von 3 bis 20 MHz aufgezeichnet. Unter Verwendung dieser Daten zeigte sich, daß sowohl TT1-414 als auch TT1-1500 bei der gewünschten 13,56 MHz Stromversorgungsbetriebsfrequenz stark mit Verlust behaftet waren. TT2-111 war andererseits von 3,2 bis 20,0 MHz nicht mit Verlust behaftet. Die entsprechenden Curie-Temperaturen der Materialien sind wie folgt:

Ferrite:

TT1-414 Tc 90ºC
TT1-1500 Tc 180ºC
TT2-111 Tc 375ºC

Pulverförmige Metalle:

Ni 351 - 50%: Nickel 50%: Eisen Tc 500ºC
Fe 307 - 99,9%: Eisen Tc 770ºC
Durch Vermischen der pulverförmigen Ferrite mit einem RTV-Silikonhaftmittel und anschließendes Preßwalzen dieser Mischung durch die Innenseite eines wärmeschrumpfbaren Polyolefinröhrenstücks wurde eine dünne Beschichtung aus Ferrit und Haftmittel an der Röhreninnenwand erhalten. Der Abstand zwischen den Preßwalzen wurde konstant gehalten, so daß alle Proben dieselbe Menge an Ferritladung enthielten. Nach dem Härten des Haftmittels wurden die verschiedenen Proben in Längen von einem Inch geschnitten und in die Induktionsspule eingesetzt. Jede Probe wurde nurch Einstellen eines einstellbaren Kondensators auf die Serienresonanz abgestimmt. Diese Anordnung wurde dann an den Ausgang des Netzleistungsmessers angeschlossen, der seinerseits an ten Ausgang der Stromversorgung angeschlossen war. Der Netzleistungsmesserausgang wurde an einen Hewlett-Packard 7004B x-y Plotter angeschlossen, so daß die Netz- Leistung in Watt gegenüber der Zeit aufgezeichnet wurde. Diese Kurve ergibt eine permanente Aufzeichnung der Gesamtenergie, die an die beladene Wärmeschrumpfröhre abgegeben wird. Die Testung bestand aus dem Einschalten der Stromversorgung und der Aufzeichnung der Netzleistung gegenüber der Zeit und der Temperatur der Röhre. Die Temperatur wurde unter Verwendung eines Alkoholthermometers gemessen, das in die Innenseite der Röhre eingesetzt wurde. Es zeigte sich, daß eine 50/50 Mischung von TT2-111 und TT1-1500 das größte Leistungs/Zeitprofil ergab, das jedoch bei der Tc von 180ºC reguliert war. Spätere Tests mit nur TT2-111 bei erhöhten Ferrit-Beladungswerten zeigten, daß es, obwohl es nicht so stark mit Verlust behaftet war wie TT1-414 oder TT1-1500, erwärmt werden konnte, aber zu heiß war, da seine Curie-Temperatur von 375ºC weit über der maximalen Temperaturgrenze der Röhre liegt, die 135ºC beträgt. Tests mit TT1-414 mit einer Curie-Temperatur von 90ºC führten zu keiner Rückbildung der Röhre, da die Vorrichtung bei 90ºC selbst regulierte, was unter der Rückbildungstemperatur von 121ºC der Röhre liegt.
Daher erwies sich die Kombination eines mit Verlust behafteten Ferrits TT1-15000 und eines nicht mit Verlust behafteten Ferrits mit hoher Permeabilität, TT2-111, als die beste Kombination.
Die Daten der resistiven Impedanz zeigen, daß es möglich ist, eine Mehrfachtemperaturvorrichtung zu erhalten.
Wenn zum Beispiel TT1-414, Tc 90ºC und TT1-1500, Tc 180ºC kombiniert werden und bei etwa 10 MHz gearbeitet wird, kann eine Vorrichtung mit zwei Selbstregulierungstemperaturen ernalten werten. Dies ist auf Tatsache zurückzuführen, daß bei dieser Frequenz der Großteil der resistivenImpedanz dem TT1-414 Material zuzuschreiben ist, wenn aber die Vorrichtung auf eine Temperatur von 90ºC erwärmt wird, die durch das TT1-414 Material bedingte Impedanz fällt und nur der Impedanzbeitrag verbleibt, der von TT1-1500 mit seiner höheren Curie-Temperatur von 180ºC geliefert wird. Daher kann nach dem Erreichen der ersten Regulierungstemperatur das System auf die Resonanz umgestimmt werden und der Strom erhöht werden, so daß das System weiter auf 180ºC, die Curie-Temperatur von TT1-1500, erwärmt. Unter Verwendung einer Stromversorgung mit variabler Frequenz kann dieser Vorgang besonders verstärkt werden. Zum Beispiel kann unter Verwendung derselben beiden Materialien, TT1-414 und TT1-1500, und bei einem Betrieb zunächst bei 10 MHz, wo nur TT1-414 mit Verlust behaftet ist, und anschließendes Erhöhen der Frequenz auf 20 MHz, wo TT1-1500 mit Verlust behaftet ist, ein höheres Koppelverhältnis erzielt werden.
Die folgende Tabelle I zeigt die resistive Impedanz für die obengenannten Materialien bei verschiedenen Frequenzen. TABELLE 1

Claims

1. Selbsterwärmender rückbildbarer Artikel zur Verwendung in einem magnetischen Wechselfeld, der in Kombination folgendes aufweist:

a) eine Schicht aus durch Wärme rückbildbarem Material mit der Rückbildungstemperatur T, und

b) ein System aus Partikeln, die Wärme erzeugen können, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, wobei:

mindestens ein Teil der Partikel in thermischem Kontakt mit der Schicht aus durch Wärme rückbildbarem Material steht und dadurch das Material auf mindestens eine Temperatur von T erwärmen kann, wenn der Artikel dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird; und

das System aus Partikeln erste Partikel, welche mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel mit einer Curie- Temperatur von T oder mehr sind; und zweite Partikel aufweist, welche nicht mit Verlust behaftete Partikel sind und eine hohe Permeabilität aufweisen, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung zur Verfügung stellen können, wenn die ersten Partikel bei oder nahe ihrer Curie-Temperatur sind

2. Artikel gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Partikel ferromagnetische Partikel aufweisen.

3. Artikel gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Partikel ferrimagnetische Partikel aufweisen.

4. Artikel gemäß Anspruch 1, bei dem die zweiten Partikel ferromagnetische oder ferrimagnetische Partikel aufweisen.

5. Artikel gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Partikel und die zweiten Partikel in Form von einer Mischung vorliegen.

6. Artikel gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Partikel oder die zweiten Partikel in dem durch Wärme rückbildbaren Material dispergiert sind.

7. Artikel gemäß Anspruch if bei dem die ersten Partikel oder die zweiten Partikel eine Schicht auf der Oberfläche des durch Wärme rückbildbaren Materials aufweisen.

8. Artikel gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Partikel und die zweiten Partikel separate Schichten auf einer Oberfläche des durch Wärme rückbildbaren Materials bilden.

9. Artikel gemäß Anspruch 1, bei dem die ersten Partikel eine Schicht auf einer Oberfläche des durch Wärme ruckbildbaren Materials und die zweiten Partikel eine Schicht auf der gegenüberliegenden Oberfläche des durch Wärme rückbildbaren Materials bilden.

10. Artikel zur Verwendung in einem magnetischen Wechselfeld, der in Kombination folgendes aufweist:

a) ein zur Erwärmung auf eine Temperatur T geeignetes Material, und

mindestens ein Teil der Partikel in thermischem Kontakt mit dem Material steht und dadurch das Material erwärmen kann, wenn der Artikel dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird; und

die Partikel erste Partikel, welche mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel mit einer Curie- Temperatur von T&sub1; sind; und zweite Partikel aufweisen, welche nicht mit Verlust behaftete Partikel sind, welche eine Curie-Temperatur von T&sub2; sowie eine hohe Permeabilität aufweisen, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung durch die ersten Partikel zur Verfügung stellen können.

11. Artikel gemäß Anspruch 10, bei dem das zur Erwärmung geeignete Material ein thermoplastisches Material ist

12. Artikel gemäß Anspruch 10, bei dem das zur Erwärmung geeignete Material bei Erwärmung chemisch reagiert.

13. Artikel gemäß Anspruch 10, bei dem das zur Erwarmung geeignete Material ein Lösemittel enthält, welches bei Erwärmung verdampft.

14. Artikel gemäß Anspruch 10 bei dem das zur Erwärmung geeignete Material bei Erwärmung ein Gas erzeugt.

15. Artikel gemäß Anspruch 10, bei dem T&sub1; und T&sub2; beide gleich oder größer T sind.

16. Artikel gemäß Anspruch 15, bei dem T&sub1; größer als T&sub2; ist.

17. Artikel gemäß Anspruch 15, bei dem T&sub2; größer als T&sub1; ist.

18. Artikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die ersten oder zweiten Partikel ferrimagnetisches Material oder Ferritmaterial enthalten.

19. Artikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die ersten oder zweiten Partikel eine elektrisch resistive Beschichtung hierauf aufweisen.

20. Artikel gemäß Anspruch 19, bei dem die Beschichtung ein Metall enthält.

21. Artikel gemäß Anspruch 19, bei dem die Beschichtung metallisch ist.

22. System aus Partikeln, die Wärme erzeugen, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, mit:

einer ersten Schicht aus Partikeln mit mit Verlust behafteten Erwärmungspartikeln, welche eine Curie- Temperatur von T&sub1; aufweisen; und

einer zweiten Schicht aus Partikeln mit nicht mit Verlust behafteten Partikeln, welche eine Curie-Temperatur von T&sub2; sowie eine hohe Permeabilität aufweisen, die sich in magnetischer Nähe zu den ersten Partikeln befinden, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung durch die ersten Partikel zur Verfügung stellen können.

23. System gemäß Anspruch 22, bei dem T&sub2; größer als T&sub1; ist.

24. System gemäß Anspruch 22, bei dem T&sub2; weniger als T&sub1; ist.

25. System gemäß Anspruch 22, bei dem die ersten Partikel ferromagnetische Partikel umfassen.

26. System gemäß Anspruch 22, bei dem die ersten Partikel ferrimagnetische Partikel umfassen.

27. System gemäß Anspruch 22, bei dem die zweiten Partikel ferromagnetische oder ferrimagnetische Partikel umfassen.

28. System gemäß einem der Ansprüche 22 bis 27, bei dem die ersten oder zweiten Partikel ferrimagnetisches Material oder Ferritmaterial aufweisen.

29. System gemäß einem der Ansprüche 22 bis 27, bei dem die ersten oder zweiten Partikel eine elektrisch resistive Beschichtung hierauf aufweisen.

30. System gemäß Anspruch 29, bei dem die Beschichtung ein Metall aufweist.

31. System gemäß Anspruch 29, bei dem die Beschichtung metallisch ist.

32. Zusammensetzung mit Partikeln, die Wärme erzeugen können, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, umfassend in Kombination:

i) erste Partikel, bei denen es sich um mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel handelt, und welche eine Curie-Temperatur von T&sub1; aufweisen; und

ii) zweite Partikel, bei denen es sich um nicht mit Verlust behaftete Partikel handelt, welche eine Curie-Temperatur von T&sub2; sowie eine hohe Permeabilität aufweisen, die sich in magnetischer Nähe zu den ersten Partikeln befinden, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung durch die ersten Partikel zur Verfügung stellen können.

33. Zusammensetzung gemäß Anspruch 32, bei der T&sub2; größer als T&sub1; ist.

34. Zusammensetzung gemäß Anspruch 32, bei dem T&sub2; weniger als T&sub1; ist.

35. Zusammensetzung gemäß Anspruch 32, bei dem die ersten Partikel ferromagnetische Partikel umfassen.

36. Zusammensetzung gemäß Anspruch 32, bei dem die ersten Partikel ferrimagnetische Partikel umfassen.

37. Zusammensetzung gemäß Anspruch 32, bei dem die zweiten Partikel ferromagnetische oder ferrimagnetische Partikel umfassen.

38. Zusammensetzung gemäß Anspruch 32, bei dem die ersten Partikel und die zweiten Partikel in Form von einer Mischung vorliegen.

39. Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 32 bis 38, bei dem die ersten oder zweiten Partikel ferrimagnetisches Material oder Ferritmaterial aufweisen.

40. Zusammensetzung gemäß einem der Ansprüche 32 bis 39, bei der die ersten oder zweiten Partikel eine elektrisch resistive Beschichtung nierauf aufweisen.

41. Zusammensetzung gemäß Anspruch 40, bei der die Beschichtung ein Metall aufweist.

42. Zusammensetzung gemäß Anspruch 40, bei der die Beschichtung metallisch ist.

43. Verfahren, um einem Substrat Wärme zur Verfügung zu stellen, das folgendes umfaßt:

Bereitstellung eines Systems aus Partikeln in thermischem Kontakt mit dem Substrat mit ersten Partikeln, welche mit Verlust behaftete Erwärmungspartikel sind, welche Wärme erzeugen können, wenn sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt werden, und mit zweiten Partikeln&sub1; welche nicht mit Verlust behaftete Partikel mit einer hohen Permeabilität sind und eine Magnetkreiskopplung durch die ersten Partikel zur Verfügung stellen können; und

das Substrat und System aus Partikeln wird einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt.

44. Verfahren gemäß Anspruch 43, bei dem die Curie-Temperatur der ersten Partikel größer als die Curie-Temperatur der zweiten Partikel ist.

45. Verfahren gemäß Anspruch 43, bei dem die Curie-Temperatur der zweiten Partikel größer als jene der ersten Parzikel ist.

46. Verfahren gemäß Anspruch 43, bei dem das magnetische Wechselfeld durch eine Induktionsspule, welche durch eine Konstantstromversorgung gespeist wird, zur Verfügung gestellt wird.

47. Verfahren gemäß Anspruch 43, bei dem mindeszens ein Teil der Partikel in einer Schicht vorgesehen sind und nach der Erwärmung anschließend entfernt werden.

48. Verfahren gemäß Anspruch 45, bei dem die anfängliche Erwärmung auf die Curie-Temperatur der ersten Partikel bei Feldfrequenz F1 erzeugt wird, bei anschließender Erwärmung auf die Curie-Temperatur der zweiten Partikel bei Feldfrequenz F&sub2;.

49. Anordnung mit:

einer Induktionsspule zur Erzeugung eines magnetischen Wechsel feldes;

einem Artikel, der in dem magnetischen Wechselfeld positioniert ist&sub1; mit einem Material in dem Artikel, welches für eine Erwärmung auf eine Temperatur T geeignet ist, mit Verlust behafteten Erwärmungspartikeln, welche in thermischem Kontakt mit dem Material stehen und dadurch das Material erwärmen können, wenn der Artikel dem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird, und nicht mit Verlust behafteten Partikeln mit einer ausreichend hohen Permeabilität, wodurch sie eine Magnetkreiskopplung durch die mit Verlust behafteten Erwärmungspartikel zur Verfügung stellen können; und

einer mit der Induktionsspule verbundenen Stromversorgung, wobei die Stromversorgung zur Bereitstellung von Strom an die Induktionsspule als Wechselstrom mit einer Frequenz, welche zur Erwärmung der Partikel geeignet ist, ausgerichtet ist.

50. Anordnung gemäß Anspruch 49, bei der die Stromversorgung eine Konstantstromversorgung umfaßt.

51. Autoregulierungssystem zur Erwärmung eines Artikels mit einer Anordnung gemäß Anspruch 49 oder 50.