DE69321644T2

DE69321644T2 - Verbesserungen für Heizgeräte

Info

Publication number: DE69321644T2
Application number: DE69321644T
Authority: DE
Inventors: Frank A. Pleasanton California 94588 Doljack
Original assignee: Uponor Aldyl Co Inc
Current assignee: Uponor Aldyl Co Inc
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1993-04-08
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2013-04-09
Also published as: CA2093886A1; CA2093886C; EP0566316A2; JPH068333A; US5349165A; EP0566316B1; EP0566316A3; DE69321644D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Heizgerät-Systeme, wie sie beim Schmelzverbinden von Kunststoffmaterialien verwendet werden und noch spezieller auf eine tragbare Transformator- Verbindungsstück-Kopplungs-Vorrichtung im Zusammenwirken mit einem Heizgerät, das in Kunststoff-Kopplungen eingebettet ist, wobei die Vorrichtung mit Heizgeräten verschiedener Größe und Konstruktion betrieben werden kann.
Klemmschalen-Konstruktionen für das Verschmelzen von Rohren sind im Fachgebiet gut bekannt und werden in verschiedenen Dokumenten offenbart, wie zum Beispiel in WO 80/02124, worin sich überlappende Rohre ein im Überlappungsbereich angeordnetes ferromagnetisches Material haben, das durch ein Magnetfeld erregt wird, das in eine Klemmschale mit einer Spule darin eingeleitet wird.
US-Patent Nr. 4, 914, 267 offenbart ein Klemmschalen-Heizgerät für das Schmelzen von Lötmittel, um eine Lötverbindung zwischen Drähten herzustellen.
Es gibt zahlreiche Typen von Klemmschalen-Spulen oder von Klemmschalen-Heizgeräten, von denen jedoch jeder Typ auf eine spezifische Einrichtung zugeschnitten ist, auf ein Rohr mit einer vorgegebenen Abmessung oder auf einen anderen Gegenstand mit vorgegebener Struktur oder mit vorgegebenen Abmessungen. Daher muß es für jede Größe oder für jede Form der zu erhitzenden oder zu schmelzenden Struktur eine Klemmschale geben. Das ist eine kostspielige Verfahrensweise, die dazu noch unhandlich wird, wenn die Rohre oder andere Strukturen groß werden.
Ein weiteres Problem ist, daß es schwierig ist, Klemmschalen- Heizgeräte mit enger Passung und einem geringen Q zu realisieren, so daß die früheren Vorrichtungen relativ uneffektiv sowie die Spannungen hoch waren und in jedem Falle ein reihenresonanter Kondensator erforderlich war. Das Ergebnis von alledem ist, daß die Klemmschale unhandlich und kostspielig ist sowie hohe Spannungen erzeugt, die mit großer Sorgfalt gehandhabt werden müssen.
Eine Solenoidspule mit enger Passung kann geringere Q-Werte zur Verfügung stellen, als die Klemmschalen-Vorrichtungen. Sie erfordert jedoch sowohl mechanische als auch elektrische Verbindungen und hohe Spannungen, da die Kopplungskoeffizienten nicht größer als 0,6 sind.
Die derzeitigen Verfahrensweisen für das Schmelzverbinden sehen keine gemeinsamen Elemente für Rohre, Sattel, T-Stücke oder Ausbesserungsstücke vor, so daß für jedes ein Spezialwerkzeug erforderlich ist.
Die Erfindung versucht, ein einziges Werkzeug zur Verfügung zu stellen, das einen weiten Bereich von Heizgeräten sowohl hinsichtlich der Größe, Form und Leistung aufnehmen kann.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Werkzeug-Anordnung für das Schmelzverbinden von Kunststoffrohren oder für ähnliche Anwendungen zur Verfügung zu stellen, die eine geringe elektromagnetische Strahlung hat.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Heizgerät-System zur Verfügung gestellt, mit einem Kopplungsbauteil, um eine Verschmelzung von Bauteilen miteinander zu bewirken, einem temperaturselbstregelnden Wirbelstrom-Heizgerät, das mit dem Kopplungsbauteil integriert ist und eine geregelte Temperatur hat, um das Bauteil auf Schmelztemperatur, aber unter eine Temperatur zu erhitzen, bei der das Kopplungsbauteil beschädigt wird, wobei das Heizgerät eine Metallanordnung enthält, die bei Hochfrequenz-Betrieb im wesentlichen eine Widerstandserhitzung mittels Skin-Effekt bewirkt, einem Transformator mit einem weichmagnetischen Kern sowie mit einer Primär- und Sekundär- Wicklung, die an dem Kern angeordnet sind, einer Einrichtung, mittels derer die Sekundär-Wicklung mit der Heizgerät-Anordnung gekoppelt ist, wobei, die Heizgerät-Anordnung allein ein Q von zwischen 0,5 und 5 und die Sekundär-Wicklung eine solche Reaktanz hat, daß das Verhältnis von deren Reaktanz zu dem Widerstand der Heizgerät-Anordnung zwischen 1 und 20 beträgt, und einem Werkzeug, das zumindest den Transformatorkern und die Primär-Wicklung und eine Einrichtung zum Verbinden der Primär- Wicklung mit einer Hochfrequenz-Stromquelle einschließt.
Das Heizgerät-System umfaßt vorzugsweise das Heizgerät, das bifilare Wicklungen hat. Die Primär-Wicklung ist vorzugsweise permanent auf deren Kern aufgewickelt. Vorzugsweise hat die Heizgerät-Anordnung eine Außenfläche aus ferromagnetischem Material und das ferromagnetische Material sieht einen großen Widerstand gegen das Durchströmen von Hochfrequenz-Strom vor, um eine Wirbelstromerhitzung zu bewirken.
In ihrer bevorzugten Ausführung stellt die vorliegende Erfindung ein transportables Werkzeug zur Verfügung, das mit Heizgeräten vieler unterschiedlicher Größen, Formen, Leistungsanforderungen und Schmelzverbindungen verbunden werden kann. Wichtige Merkmale einer solchen Vorrichtung sind, daß sie transformatorgekoppelt mit den Heizgeräten sein kann, die in die Kopplungen eingebettet sind, daß sie vorzugsweise bei Spannungen unter 100 Volt betrieben werden sollte und vorzugsweise in der Lage sein sollte, Heizgeräte mit sehr unterschiedlichen Leistungsanforderungen aufzunehmen, zum Beispiel von 500 Watt bis 1800 Watt, wobei diese Werte jedoch nicht als einschränkend anzusehen sind.
Der Ausdruck "ferromagnetisch", wie er hierin verwendet wird, wird zum Zwecke der Einfachheit verwendet und schließt ferromagnetische, ferrimagnetische und ähnliche Materialien ein, die bei ihren effektiven Curie-Temperaturen einen deutlichen Abfall der magnetischen Permeabilität ausschließen. Dieser letztere Ausdruck bezieht sich auf die Tatsache, daß eine wesentliche Verringerung der Erhitzungswirkung bei Temperaturen unterhalb der echten Curie-Temperatur auftritt. Die effektive Curie-Temperatur kann so geringfügig wie zum Beispiel 1º oder so beträchtlich, wie zum Beispiel 100º unterhalb der echten Curie-Temperatur liegen, jenachdem welches ferromagnetische Material verwendet wird.
Um die Aufgaben der vorliegenden Erfindung zu lösen, kann ein ferromagnetischer oder ein ferromagnetisch beschichteter Draht mit rundem Querschnitt verwendet werden. Ein Heizgerät, das einen solchen Draht verwendet, kann ein inneres Q von zwischen 0,5 und 5,0 aufweisen. Wenn eine bifilare Wicklung verwendet wird, können innere Q's von zwischen 0,5 und 1,2 erreicht werden. Wenn ein Heizgerät mit schraubenförmig gewendelter Wicklung verwendet wird, kann Q bis zu 10 betragen.
Der Sekundär-Transformator in der bevorzugten Ausführung der Erfindung kann permanent mit dem Heizgerät verbunden und permanent in die Anordnung (normalerweise eine Kunststoffanordnung) eingebettet sein. Die Sekundärwicklung sollte die Zugänglichkeit zu dem Kern des Transformators sichern und daher hat die Anordnung das Erscheinungsbild eines Kaffeebechers, bei dem der Handgriff die Sekundär-Wicklung einschließt.
Die Sekundärwicklung des Transformators ist so gewählt, daß das Verhältnis ihrer Reaktanz zu dem Widerstand des Heizgerätes Q, zwischen 1 und 20 beträgt. Auf diese Weise werden die Ziele der vorliegenden Erfindung erfüllt. Die bevorzugten Merkmale der Erfindung, die die Gesamtleistung des Grundsystems verbessern, sind die Verwendung eines weichmagnetischen Kerns für den Transformator, die Verwendung bifilarer Wicklungen und die Anordnung der Primär- und der Sekundär-Wicklung auf dem gleichen Schenkel des Kerns, um einen Kopplungsfaktor von zumindest 0,95 zu erzielen.
Die vorher definierte Vorrichtung macht die Verwendung von äußeren elektrischen Anschlüssen überflüssig und schließt somit die Probleme, die mit der Herstellung eines ordnungsgemäßen Kontaktes verbunden sind, Korrosion, Funkenbildung und ähnliches aus. Es können jedoch Installationen vorhanden sein, bei denen ein Zugang zu einer mit dem Heizgerät integrierten Sekundär-Wicklung körperlich nicht möglich ist. In einem solchen Fall kann die Sekundär-Wicklung mit der Primär-Wicklung und dem Kern integriert sein und die Leitungen von der Sekundär-Wicklung können an Kontakte angeschlossen werden, die mit den Zuleitungen des Heizgerätes verbunden sind.
Unabhängig von der Anordnung der Sekundär-Wicklung des Transformators, wie sie vorher angeführt wurde, wird stark bevorzugt, daß sie am gleichen Schenkel des Kerns wie die Primär-Wicklung angeordnet ist, um den erforderlichen Kopplungskoeffizienten zu erreichen.
Die Heizgerät-Wicklungen können eine Anzahl von querverbundenen, parallelen Drähten, um den Widerstand zu verringern und eine Art Rückleitungs-Einrichtung (bifilare Wicklung) umfassen, um zumindest teilweise die erzeugten äußeren Magnetfelder aufzuheben und dadurch die elektromagnetischen Störungen (EMI) in hohem Maße zu reduzieren. Es sind viele Variationen dieses Grundmusters möglich, bei denen der Widerstand des Heizgerätes verringert ist, da die Anzahl der Drähte in jeder parallelen Drahtgruppe vergrößert ist. Das so verwendete Heizgerät kann von dem Typ sein, der in der ebenfalls schwebenden US-Patentanmeldung, Serien-Nr. 07/657 996, angemeldet von Ross u. a. am 20. Februar 1991 für ein "System und Verfahren für das Verbinden von Kunststoff-Materialien", offenbart ist.
Diese Heizgeräte sind in der bevorzugten Ausführung der Erfindung dauerhaft mit der Sekundär-Wicklung eines Transformators verbunden und dauerhaft in eines der Kunststoff-Bauteile eingebettet, die mit zumindest einem anderen solchen Bauteil zu verschmelzen sind. Die eingebettete Anordnung ist jedoch so ausge führt, daß der Kern des Transformators in einer Ausführung der Erfindung einen Teil des tragbaren Werkzeuges bildet und der, die Primär-Wicklung tragend, durch die Windungen der Sekundär- Wicklung durchgeführt werden kann, um die erforderlichen Verbindungen herzustellen, um die eingebetteten Bauteile des Systems mit den Außenbauteilen zu koppeln, wodurch sich der Ausdruck "Verbindungs-Kopplung" erklärt. In einer zweiten Ausführung der Anordnung, bei der die Sekundär-Wicklung dauerhaft mit dem Heizgerät verbunden ist, ist eine kurze Länge des Transformatorkerns in die Sekundär-Wicklung in der Heizgerät-Anordnung eingeschlossen, der Hauptkörper des Kerns hat einen Spalt, der eng anliegend die kurze Länge des Kerns aufnimmt, die der Sekundär-Wicklung zugeordnet ist. Wegen körperlicher Beschränkungen kann die Sekundär-Wicklung auch ein dauerhafter Bestandteil des Werkzeuges sein und in das Heizgerät eingesteckt werden.
Das bevorzugte Tranformatorkernmaterial ist ein verlustarmes Ferritmaterial, um die Verluste zu verringern, die sich aus dem sehr hohen spezifischen elektrischen Widerstand eines solchen Materials ergeben.
Die vorher beschriebene Anordnung des Heizgerätes und des Transformators, wobei der letztere vorzugsweise einen Spalt in seinem Magnetkern aufweist, um eine Sättigung des Kerns zu verhindern, führt zu einem System mit einem geringen Q, geringer Induktivität und geringem Widerstand und, da solche geringen Spannungen verwendet werden dürfen, zu einer Leistungsbereitstellung von 1800 Watt oder mehr. Es sollte bemerkt werden, daß ein geringes Q erfordert, daß die induktive Reaktanz des Systems gering und der Widerstand hoch sein müssen. Daher muß zwischen diesen beiden Faktoren eine Kompromißlösung gefunden werden.
Nachfolgend werden ausführlicher, in Form eines Beispiels und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, Einrichtungen beschrieben, die die Erfindung zur Wirkung bringen. Die Zeichnungen zeigen in
Fig. 1 ein Transformator-Belastungs-Basisstromkreis, der für die Analysis des Heizgerätesystems der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 eine grafische Darstellung der Q des Heizgerät-Systems der Erfindung als Funktion der Induktivität der Sekundär-Wicklung, der Induktivität des Heizgerätes, des Kopplungsfaktors zwischen der Primär- und der Sekundär-Wicklung und des Belastungswiderstandes;
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Wirkung der Skin-Effekt- Größen eines massiven Leiters auf das innere Q eines runden Drahtes;
Fig. 4 eine Darstellung eines zu verwendenden Kerns mit einer um einen Schenkel davon gewickelten Primär-Wicklung;
Fig. 5 eine Form einer bifilaren Heizgerät-Wicklung;
Fig. 6 eine zweite Form einer bifilaren Heizgerät-Wicklung;
Fig. 7 eine bifilare Vogelkäfig-Heizgerät-Wicklung;
Fig. 8a und 8b eine noch andere Form einer bifilaren Heizgerät- Wicklung;
Fig. 9 drei Diagramme für Induktivität, Widerstand und Q der Heizgerät-Wicklung als eine Funktion der Einspeisungsfrequenz;
Fig. 10 eine experimentelle Kern-Wicklungs-Ausführung;
Fig. 11 die Ergebnisse der Prüfung der Ausführung von Fig. 10;
Fig. 12a und 12b eine Kern-Ausführung, die das Einsetzen eines Schenkels des Kerns in eine dauerhaft mit der Heizgerät-Wicklung verbundene Sekundär-Wicklung ermöglicht;
Fig. 13 eine andere Ausführung für das Koppeln der Sekundär- Wicklung des verwendeten Transformators mit dem Kern des Transformators;
Fig. 14 eine Vogelkäfig-Heizgerät-Transformator-Verbindungs- Ausführung; und
Fig. 15a, 15b und 15c drei verschiedene Heizgerät-Ausführungen, die geprüft wurden, um die Daten für die Tabelle 4 zu erhalten.
Bezugnehmend auf Fig. 1 der beigefügten Zeichnungen wird eine Analysis durchgeführt, um die Methode für das Realisieren eines Stromkreises mit ganz geringem Q aufzuzeigen.
Eine Analysis des Stromkreises ergibt die folgende Ausgangsgleichung (1):
Darin ist R&sub3; der Widerstand des Heizgerätes, M ist die wechselseitige Induktivität der Anordnung, L&sub1; und L&sub2; sind die Induktivitäten der Primär- und der Sekundär-Wicklung des Transformators und L&sub3; ist die Induktivität des Heizgerätes. Es wird gezeigt, wie Q sehr niedrig und L&sub1; niedrig genug gestaltet werden kann, daß die Erregungsspannung niedrig, unter 100 V, gehalten werden kann.
Aus der Gleichung (1) wird die Gleichung (2) entwickelt.
Darin ist Q das Q des gesamten Stromkreises, Q&sub2; = ωL&sub2;/R&sub3; und Q&sub3; = ωL&sub3;/R&sub3; und K = M/ L&sub1;,L. Die Gleichung 2 kann auf
Q = 1 + 2/Q&sub2; (3)
reduziert werden, wobei angenommen wird, daß sowohl K als auch Q&sub3; Werte von 1 oder sehr dicht bei 1 haben. Der Faktor K ist der Kopplungsfaktor, der von 0,95 bis virtuell 1 betragen kann. Für einen Wert von Q&sub2; = 2, Q&sub3; = 1,2 und K = 0,95 wird das Q des Systems 2,72.
Eine grafische Darstellung des Q-Wertes gegenüber Q&sub2; bei Q&sub3; = 1,2 ist in Fig. 2 für verschiedene Werte von K gezeigt. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß, wenn Q&sub2; zwischen 2 und 10 festgelegt ist, Q geringer als 3 ist, was einen annehmbaren Wert darstellt.
Der Wert von Q&sub3;, des Q des Heizgerätes, wird teilweise durch das zugehörige innere Q eines runden Drahtes, aus dem das Heizgerät hergestellt ist, bestimmt. Dieser Faktor ist in dem Diagramm von Fig. 3 dargestellt, in dem die untere Kurve ωL&sub1;/Rhf ist. Es ist zu bemerken, daß das innere Q des Drahtes 0,5 bei einem Radius/Eindringtiefen-Verhältnis von 1 für einen selbstregulierenden runden Wirbelstrom-Draht ist. Bei einem Verhältnis von 5 wird Q zu einer Konstanten 1. Das Q des Heizgerätes wird durch sein äußeres Q erhöht und in der Analysis, die verwendet wurde, die Diagramme von Fig. 2 zu entwickeln, wurde ein Q&sub3; = 1,2 angenommen.
Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß bei einem Maximalwert von Q von etwa 3, das Verhältnis von XL&sub2;/R&sub3;, d. h. Q&sub2;, einen Wert von 1 bis 20 haben kann, der dieses praktische Maximum erzeugt.
Es wird nun Bezug auf die Auslegung des Systems genommen. Eine geringe Spannung in dem transportablen Werkzeug kann erreicht werden, da ein niedriges Q zusammen mit der vollständigen Freiheit der Auslegung der induktiven Reaktanz XL1 das Erreichen dieses Ergebnisses gestattet. Q&sub2; ist unter anderem eine Funktion der Auslegung der Sekundär-Wicklung, Q&sub3; liegt zwischen 1 und 3 und der Widerstand r&sub3; wird so gering wie möglich gemacht. Es gibt jedoch in der Auslegung dieses Elementes Begrenzungen, wie nachfolgend ersichtlich ist. Wie bereits vorher festgestellt, sind die leicht zu kontrollierenden Faktoren Q&sub2; und XL1. Diese vorher angeführte Feststellung wird in Gleichung (4) wie folgt zusammengefaßt:
Daraus wurde die Gleichung (1) abgeleitet. Wie unmittelbar vorher angeführt, sind Q&sub2; und XL1 die leicht zu kontrollierenden Parameter und diese werden jetzt behandelt (5).
V1RMS = Phr&sub1;(1+Q²)
Darin ist Ph die in dem Heizgerät erzeugte Leistung.
Es wird nun Bezug auf Fig. 4 genommen, die eine Ausführung der Primär-Wicklung und des ferritischen Kerns zeigt, die bei der Auslegung der Systemparameter vorteilhaft ist.
Es kann aufgezeigt werden, daß für die in Fig. 4 dargestellte Anordnung (6)
ist. Darin ist N die Anzahl der Windungen der Primär-Wicklung, A ist die Querschnittsfläche des ferritischen Kerns, L ist die Induktivität der Primärwicklung und Bmax ist die maximale magnetische Flußdichte in dem Kern, wobei der Kern über einen linearen Bereich unterhalb der Sättigung arbeitet. Um ohne Sättigung zu erzeugen die maximal erforderliche Stromstärke zu erzielen, ist es oft erforderlich, einen Luftspalt in dem Kern vorzusehen. Ein solcher Spalt ist in Fig. 4 als "1 Spalt" bezeichnet. In der obigen Gleichung ist L als
anzunehmen.
Der Faktor u&sub0; = 4π · 10&supmin;&sup7; MKS-Einheiten. Bmax und u werden durch den gewählten Kern bestimmt.
Es wird nun Bezug auf Tabelle 1 genommen, die die Zielwerte für drei Heizgerät-Leistungen enthält, wobei das System bei 300 kHz betrieben wird. Diese Tabelle nimmt ein Q&sub3; = 1,2, ein Q&sub2; von etwa 5, L = 1,35 Mikro-Henry und K = 0,95 an. Bei der Berechnung zur Erzeugung dieser Tabelle wird angenommen, daß Bmax = 0,2 Tesla und u = 3000 ist. Das verwendete Material ist Ferrit, geliefert von TDK und bezeichnet mit H7C4. Die verbrauchte Leistung pro Volumeneinheit bei 0,2 Tesla und 300 kHz beträgt 2,5 Watt/cm³ im Kern. Tabelle 1
Es ist zu bemerken, daß die rms-Spannung (Effektivspannung) bei maximaler Leistung deutlich unter 80 Volt liegt, ein Bezugspegel, der durch die Elektro-Verschmelzungstechnik vorgegeben wird.
Bezugnehmend auf Gleichung (6) kann Imax zumindest das 1,4-fache von Irms betragen, NA wird mit 742,5 mm² angenommen und unter Verwendung verschiedener Kombinationen von l, lgap, A und NB wird die Tabelle 2 erzeugt. Tabelle 2
Es ist ersichtlich, daß bei den Faktoren, die wie oben angeführt gewählt wurden, die Faktoren, die durch die Struktur Imax, Vmax und L gestattet sind, deutlich über denen liegen, die erforderlich sind, um die gewünschte Wattleistung zu erzeugen, die vorher in der Tabelle 1 angegeben ist. Der geprüfte Kern hatte eine Seitenlänge von nicht mehr als 3 1/2 Zoll (381 mm) bei einem Querschnitt von 1/2 · 1/2 Zoll (127 · 127 mm). Die verbrauchte Gesamtleistung würde bei Betrieb mit maximaler Stromstärke 113 Watt betragen, die nicht benötigt werden würden. Die Maximalwerte, die erforderlich sind, um die erforderlichen Leistungen zu erreichen, sind Imax = 78,6 A, Vmax = 62,5 V und L = 1,33 Mikro- Henry.
Die vorher angeführte Berechnung zeigt, daß ein relativ kleines Anwendungs-Werkzeug selbst bei großen Kopplungen von hoher Leistung arbeiten kann.
Die endgültigen Auslegungskriterien werden durch das Heizgerät an sich bestimmt.
Um die äußere Magnetfluß-Strahlung zu minimieren, können bifilare Wicklungen verwendet werden. Um einen niedrigen Widerstandswert zu erreichen, besteht jeder Schenkel der Heizgerät-Wicklung aus mehreren parallelen Drähten. Um zu verhindern, daß sich der Strom nur in einem der Drähte konzentriert, sind Kreuzungsbauteile entlang der Länge der parallelen Drähte angeordnet. Diese Drähte verstärken auch die Festigkeit der Anordnung.
Es wird nun für eine Erläuterung einer bifilaren Wicklung gemäß der vorliegenden Erfindung Bezug auf Fig. 5 der beigefügten Zeichnungen genommen. Die Wicklung umfaßt einen ersten Abschnitt 2, bestehend aus drei parallelen Drähten 4, 6 und 8, die durch Quer-Drähte miteinander verbunden sind, die alle mit der Bezugszahl 10 gekennzeichnet sind. Ein zweiter Abschnitt 12 vervollständigt zusammen mit dem Abschnitt 2 die bifilare Wicklung. Der Abschnitt 12 weist ebenfalls drei Längen von parallelen Drähten auf, die mit 14, 16 und 18 gekennzeichnet sind, mit Quer-Drähten, die alle mit der Bezugszahl 20 gekennzeichnet sind. Der erste und zweite Abschnitt 10 und 20 ist durch drei mit der Zahl 22 bezeichnete Drähte quer-verbunden.
Die bifilare Dreidraht-System sichert einen geringen Widerstand, eine geringe Induktivität und eine geringe Magnetstrahlung. Ein Schema mit einem sogar noch geringerem Widerstand ist in Fig. 6 dargestellt. Es verwendet sechs Drähte in jedem Abschnitt. Die Wicklungen 24 oder die Schenkel 26, 28 usw. der Wicklung sind spiralförmig gewendelt und, wie in Fig. 4, ist jedes Schenkelpaar der Wicklung an einem Ende zusammen kurzgeschlossen. Die Querdrähte können durch regelmäßiges Kreuzen eines der Drähte in einem Schenkel über die anderen und ihr Punktschweißen an die anderen ersetzt werden, um im wesentlichen die gleiche Betriebsweise wie bei der Verwendung von Quer-Drähten zu erreichen.
Es wird jetzt Bezug auf Fig. 7 genommen. Zwei Vogelkäfig-Heizgeräte 30 und 32 des allgemeinen Typs, wie er in der vorher angeführten Patentanmeldung von Ross u. a. offenbart wurde, können an einem Ende jedes Heizgerätes durch Drähte 32 verbunden werden, um die beiden Abschnitte der bifilaren Wicklung zu erzeugen. Diese beiden Vogelkäfige können das zu erhitzende Bauteil umschließen und dabei einen sehr geringen Widerstand und einen bifilaren Effekt erzeugen.
Die bifilare Basis-Eindraht-Wicklung ist in Fig. 8a und 8b dargestellt und besteht aus einem Draht oder Schenkel 36 und einen Rückleitungsdraht 38. Diese Abbildungen sind dargestellt, um die Diagramme von Fig. 9 zu analysieren.
Die drei Diagramme von Fig. 9 vergleichen die Leistung der bifilaren Wicklungen von Fig. 5 und Fig. 8b als Funktion der Frequenz, wobei jedes Heizgerät fünf Fuß (1, 524 m) lang ist. Aus diesen Diagrammen ist leicht zu erkennen, daß die Induktivität und der Widerstand der Dreidraht-Heizgeräte durchweg geringer sind, als die für das Eindraht-Heizgerät. Das Q des Drei-Draht- Heizgerätes ist größer als das des Eindraht-Heizgerätes, wobei jedoch die Differenz selbst bei 300 kHz nur das 1,27-fache der des Eindraht-Heizgerätes beträgt. Der Widerstand und die Induktivität des Eindraht-Heizgerätes betragen andererseits etwa das Zwei- bis Dreifache der Werte des Dreidraht-Heizgerätes.
Die vorher angeführten Gleichungen haben im Grunde genommen ein System gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung definiert. Es wird nun Bezug auf Fig. 10 der beigefügten Zeichnungen genommen. Die rechteckigen weich-ferritischen Blöcke 40, 42, 44 und 46 wurden zusammengefügt, um einen spaltlosen Kern zu bilden. Jeder Block hat die Abmessungen 2 1/8 · 13/16 · 11/32 Zoll (54 · 20,6 · 8,73 mm). Die Primär-Wicklung 48 hatte zwei Windungen und die Sekundär-Wicklung 50 drei Windungen. Die Sekundär- Wicklung wurde an das Dreidraht-Heizgerät von Fig. 5 angeschlossen. Die Messungen wurden unter Verwendung einer digitalen Meßbrücke bei 100 kHz ausgeführt. Die Messungen ergaben L&sub1; = 5,27 Mikro-Henry und L&sub2; = 11,9 Mikro-Henry. Der separat gemessene Kopplungskoeffizient betrug 0,96, wobei die Wicklungen auf dem gleichen Schenkel und aneinander angrenzend angebracht waren. Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Prüfung mit ohne einen 4-Ohm- Kohlewiderstand in Reihe mit dem Heizgerät geschaltet. Tabelle 3
Bezugnehmend auf Fig. 11 zeigt eine grafische Darstellung von experimentellen Daten, die denen der berechneten Daten in Fig. 2 entsprechen, eine sehr enge Korrelation der beiden Diagramme. Von Bedeutung ist die Tatsache, daß die Ziele der Erfindung selbst bei dem Roh-Modell von Fig. 10 erreicht sind.
Es gibt einen Kompromiß zwischen dem Q des Systems und dem Widerstand des Systems bei der Bestimmung, welcher Parameter den größten Einfluß auf die Eingangsspannung hat. Eine Überprüfung der Gleichung (5) zeigt, daß der Systemwiderstand einen geringeren Einfluß auf die Eingangsspannung hat als O, da dieser letztere Ausdruck im Quadrat steht. Somit ist es bei der Auslegung des Heizgerätes der vorliegenden Erfindung vorzuziehen, das Q zu minimieren, selbst wenn das bedeutet, daß der Systemwiderstand erhöht wird.
In einer anderen Ausführung, als in Fig. 12a und 12b der beigefügten Zeichnungen dargestellt, bildet die Sekundär-Wicklung einen Bestandteil der dauerhaften Installation und der Kern ist aufklappbar, um zu ermöglichen, daß er in die Sekundär-Wicklung eingesetzt werden kann. In Fig. 12b bildet der Kern ein im allgemeinen U-förmiges Bauteil 66 mit einem kurzen Schenkel 68, der durch die Sekundär-Spule 70 verläuft, einem Basisschenkel 72 und einem langen Schenkel 74, der im allgemeinen parallel zum Schenkel 68 verläuft. Ein Schenkel 76, der im allgemeinen parallel zum Schenkel 72 verläuft und die Form eines "L" aufweist, ist mit Hilfe des Gelenkes 75 schwenkbar an der Unterseite des Schenkels 74 angebracht.
Zwischen dem Teil 80 des Schenkels 76, der parallel zu dem Schenkel 74 und dem Ende des Schenkels 68 verläuft, ist ein Spalt 78 ausgebildet. Eine Primär-Wicklung ist vorzugsweise auf dem Schenkel 74 oder 72 angeordnet, um eine engere Kopplung mit der Spule 70 zu erzeugen. Die Spule 70 ist so dargestellt, daß sie zwei Windungen aufweist. Sie kann jedoch auch weniger, wie zum Beispiel eine Windung oder in einigen, unüblichen Fällen, drei Windungen aufweisen.
Wenn es gewünscht wird, den Kern 66 in die Sekundär-Wicklung 70 einzusetzen, wird der Schenkel 76 nach unten gedreht, wie es in Fig. 12a dargestellt ist, so daß der Schenkel 68 leicht in die Spule 70 eingesetzt werden kann. Nachdem der Schenkel 68 eingesetzt ist, wird der Schenkel 76 in die in Fig. 12b dargestellte Position zurückgedreht. Für den Schenkel 76 ist ein Arretier- Mechanismus (nicht gezeigt) vorgesehen und die Passung der Schenkel 74 und 76 muß mit sehr geringen Toleranzen erfolgen, um alles das zu erreichen, was mit dieser Anordnung erreichbar ist.
Bezugnehmend auf Fig. 13 ist dort eine andere Ausführung gezeigt, um zu ermöglichen, daß eine dauerhaft mit dem Heizgerät verbundene Sekundär-Wicklung des Transformators in den Kern eingesetzt werden kann. Speziell ist ein Teil 80 des Kerns 82 dauerhaft mit der Sekundär-Wicklung 84 verbunden. Der Kern 82 hat einen Spalt 85 in dem Schenkel 86, der die Primär-Wicklung 88 trägt. Der Spalt 85 ist so breit wie das Kernteil 80, so daß das Teil 80 enganliegend zwischen den beiden Seiten des Kerns aufgenommen werden kann, die den Spalt definieren. Wenn ein Spalt in dem Kern gewünscht wird, kann ein Bereich 90 des Kernteils 80 paramagnetisch sein und somit den gewünschten Spalt definieren. Wenn kein Spalt gewünscht wird, ist das gesamte Kernteil 80 ferromagnetisch oder ferrimagnetisch.
Ein Vorteil der Konstruktion des Transformators von Fig. 13 ist im Gegensatz zu der des Transformators von Fig. 12, daß in Fig. 13 der Schenkel, auf den die Sekundär-Wicklung aufgewickelt ist, nicht geradlinig zu sein braucht. Der Kern der Vorrichtung von Fig. 13 kann kreisförmig, dreieckig oder von einer anderen geometrischen Form sein, wenn nur der Abschnitt des Kerns, auf den die Sekundär-Wicklung aufgewickelt ist, enganliegend in den Rest des Kerns unmittelbar angrenzend zur Primärwicklung aufgenommen wird. Es sollte bemerkt werden, daß der Kern von Fig. 12 ebenfalls gekrümmt sein könnte. Eine solche Konfiguration würde jedoch nicht so geeignet sein, wie Kerne mit geraden Schenkeln.
Nun auf Fig. 14 der beigefügten Zeichnungen bezugnehmend wird ein Heizgerät 51, das zwei Vogelkäfige 52 und 54 aufweist, die so angeordnet sind, daß sie eine bifilare Einrichtung bilden, durch eine Sekundär-Wicklung 56 des Transformators 58 erregt, der einen weich-ferritischen Kern 60 des Typs aufweist, der in Fig. 10 oder 12b dargestellt ist. Die Vogelkäfige sind ausgeführt, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, jedoch zu Zylindern geformt, wie in Fig. 14 dargestellt. In dieser speziellen Ausführung bildet die Sekundär-Wicklung 56 einen Teil des transportablen Werkzeuges und ist in bekannter Weise mit den Klemmen 62 und 64 des Heizgerätes verbunden.
Fig. 15a, b und c zeigen drei verschiedene Heizgerät-Ausführungen, wie in den Zeichnungen angeführt ist. Sie sind für die verschiedenen, nachfolgend in Tabelle 4 enthaltenen Parameter geprüft. Die Prüfungen wurden bei einer geringen Leistung von 350 kHz mit einer Zwei-Windungs-Primär-Wicklung und Sekundär- Wicklungen mit einer Windung und mit zwei Windungen durchgeführt. Ein reihenresonanter Kondensator wurde dann in Reihe im Primär-Wicklungs-Stromkreis angeschlossen, um das Q des Stromkreises zu verringern. Die Heizgeräte wurden dann im Freien bei einer hohen Leistung betrieben und alle drei arbeiteten beim Starten bei etwa 2500 Watt vom Ausgang, was etwa 2000 Watt am Verbindungssystem ausmacht. Ein Gleichgewicht wurde bei etwa 1500 Watt am Ausgang erreicht. Bei Betreiben in einer Kunststoffhülse würde die Wattleistung 1800 Watt betragen. Tabelle 40
Es ist zu bemerken, daß die Primär-Eingangsspannung, die für ein 1800-Watt-Heizgerät berechnet ist, von 200 Volt bis zu 310 Volt reicht. Wenn eine Primär-Wicklung mit einer Windung verwendet worden wäre, würde das Windungsverhältnis um einen Faktor von 4 verringert worden und jede der berechneten Spannungen würde halbiert werden, wobei 100 V in zwei der Einheiten mit einer Vorrichtung, die in der Auslegung nicht optimiert war, erzielt werden würden. Somit haben sich die Theorien, denen die vorliegende Erfindung unterliegt, bestätigt.
Es können zum Beispiel auch Heizgerät-Drähte mit anderen als runden Querschnitten verwendet werden.

Claims

1. Heizgerät-System, mit:

einem Kopplungsbauteil, um eine Verschmelzung von Bauteilen miteinander zu bewirken,

einem temperaturselbstregelnden Wirbelstrom-Heizgerät, das mit dem Kopplungsbauteil integriert und eine geregelte Temperatur hat, um das Bauteil auf Schmelztemperatur aber unter eine Temperatur zu erhitzen, bei der das Kopplungsbauteil beschädigt wird,

wobei das Heizgerät eine Metallanordnung enthält, die bei Hochfrequenz-Betrieb im wesentlichen eine Widerstandserhitzung mittels Skin-Effekt bewirkt,

dadurch gekennzeichnet, daß das System außerdem einen Transformator (M) mit einem weichmagnetischen Kern (40, 42, 44, 46; 66; 80, 82, 86) sowie eine Primär- (88; 48) und eine Sekundär-Wicklung (84; 56; 69/70), die an dem Kern angeordnet sind,

eine Einrichtung, um die Primär-Wicklung an einer Hochfrequenz-Stromquelle anzuschließen,

wobei der Transformator-Kern und die Primär-Wicklung ein Werkzeug bilden, und

eine Einrichtung (62, 64) aufweist, mittels derer die Sekundär-Wicklung mit der Heizgerät-Anordnung gekoppelt ist,

wobei die Heizgerät-Anordnung allein ein Q von zwischen 0,5 und 5 und die Sekundär-Wicklung eine Reaktanz hat, so daß das Verhältnis von deren Reaktanz zu dem Widerstand der Heizgerät-Anordnung zwischen 1 und 20 beträgt.

2. Heizgerät-System nach Anspruch 1, bei dem das Heizgerät eine bifilare Wicklung (2, 12; 30, 32; 52, 54) ist.

3. Heizgerät-System nach Anspruch 2, bei dem die bifilare Wicklung aufweist:

zumindest zwei Paare (2, 12; 30, 32; 52, 54) von einer Anzahl von im wesentlichen parallelen verlaufenden Drähten (4, 6, 8, 14, 16, 18), die an beabstandeten Punkten (10, 20) entlang ihrer Pfade miteinander verbunden sind,

wobei die Paare miteinander verbunden sind (22), um bifilare Wicklungen zu bilden.

4. Heizgerät-System nach Anspruch 3, bei dem die Verbindung der parallelen Drähte aufweist: eine Anzahl einzelner Verbindungsbauteile (10, 20), die mit jedem der parallelen Drähte verbunden sind.

5. Heizgerät-System nach Anspruch 3, bei dem: eine Verbindung von parallelen Drähten vorgesehen ist, indem einer der parallelen Drähte an beabstandeten Punkten entlang der parallelen Drähte den anderen der parallelen Drähte kreuzt.

6. Heizgerät-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem:

die Sekundär-Wicklung permanent mit dem Heizgerät verbunden ist, und

die Sekundär-Wicklung an dem Kern angeordnet ist, wenn das Heizgerät gespeist wird.

7. Heizgerät-System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem: die Sekundär-Wicklung wahlweise eng mit der Primär- Wicklung gekoppelt werden kann.

8. Heizgerät-System nach Anspruch 7, bei dem

die Sekundär-Wicklung an einer kurzen Länge (80) des Kerns dauerhaft aufgewickelt ist, der von dem Rest (82) des Kerns getrennt werden kann,

wobei die kurze Länge des Kerns eng anliegend in einem Schenkel (86) des Kerns aufgenommen werden kann, an dem die Primär-Wicklung aufgewickelt ist.

9. Heizgerät-System nach Anspruch 7, bei dem

der Transformator-Kern eine im wesentlichen rechteckige Anordnung hat, wobei ein Schenkel (76) gelenkig am Rest (74) des Kerns angebracht ist,

wobei der eine Schenkel von einem benachbarten Schenkel (68) wegbewegbar ist, so daß der benachbarte Schenkel in die Sekundär-Wicklung (69/70) eingesetzt und der eine Schenkel in eine Position zurückbewegt werden kann, um den magnetischen Pfad durch den Kern zu vervollständigen.

10. Heizgerät-System nach Anspruch 9, bei dem die Primär-Wicklung an einem anderen benachbarten Schenkel (74) angeordnet ist.

11. Heizgerät-System nach Anspruch 9, mit einer Einrichtung (78, 90), um die Sättigung des Kerns zu minimieren.

12. Heizgerät-System nach Anspruch 11, bei dem die Einrichtung ein Spalt zwischen dem bewegbaren und dem benachbarten Schenkel ist.

13. Heizgerät-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Q des Heizgerät-Systemes durch die folgende Gleichung bestimmt ist

wobei Q&sub2; das Q der Sekundär-Wicklung, Q&sub3; das Q des Heizgeräts und K der Kopplungsfaktor zwischen Primär- und Sekundär- Wicklungen ist.

14. Heizgerät-System nach Anspruch 1, bei dem die Primär- und die Sekundär-Wicklung an dem gleichen Schenkel des Transformator-Kerns angeordnet sind.

15. Heizgerät-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Primär-Wicklung dauerhaft an dem Kern aufgewickelt ist.

16. Heizgerät-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Primär-Wicklung eine Einwindungs-Wicklung ist.

17. Heizgerät-System nach Anspruch 15, bei dem der Kern und die Primär-Wicklung ein tragbares Bauteil bilden.

18. Heizgerät-System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem

die Heizgerät-Anordnung eine Außenfläche aus ferromagnetischem Material hat, und

das ferromagnetische Material einen großen Widerstand gegen das Durchströmen von Hochfrequenz-Strom vorsieht, um eine Wirbelstromerhitzung zu bewirken.