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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Induktionsheizung und insbesondere
auf eine Induktionsheizvorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der
Temperaturverteilung in einem elektrisch leitenden Material während Erwärmung. Ein
nichtelektrisch leitendes Material kann mit einer geregelten Temperaturverteilung
erwärmt
werden, indem es in die Nähe
des elektrisch leitenden Materials platziert wird.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Induktionsheizung
tritt in elektrisch leitendem Material auf, wenn derartiges Material
in ein zeitvariantes Magnetfeld platziert wird, das durch einen Wechselstrom
(WS) generiert wird, der in eine Induktionsheizspule fließt. Im Material
induzierte Wirbelströme
schaffen eine Wärmequelle
im Material selbst.
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Induktionsheizung
lässt sich
außerdem
zum Erwärmen
oder Schmelzen nichtelektrisch leitender Materialien, wie beispielsweise
nichtelektrisch leitender Fasern auf Silikonbasis verwenden. Da
signifikante Wirbelströme
nicht in nichtelektrisch leitenden Materialien induziert werden
können,
lassen sie sich durch Induktion nicht direkt Erwärmen oder Schmelzen. Jedoch
kann das nichtelektrisch leitende Material in ein elektrisch leitendes
Gehäuse
platziert werden, das als ein Suszeptor definiert ist. Ein Suszeptortyp
ist ein Zylinder, durch den das nichtelektrisch leitende Material
hindurchgeleitet werden kann. Auf eine Art und Weise, die einer
Induktionsspule ähnlich
ist, die um die hochtemperaturbeständige Schmelzrinne eines Induktionsofens
platziert ist, kann eine Induktionsspule um einen Suszeptor herum
platziert werden, sodass das von der Spule generierte elektromagnetische
Feld durch den Suszeptor hindurchgehen wird. Im Gegensatz zu einer
hochtempertaturbeständigen
Schmelzrinne ist der Suszeptor elektrisch leitend. Ein typisches
Material für
einen Suszeptor ist Grafit, das sowohl elektrisch leitend ist als
auch sehr hohen Temperaturen widerstehen kann. Da der Suszeptor
elektrisch leitend ist, kann eine Induktionsspule signifikante Wirbelströme im Suszeptor
induzieren. Die Wirbelströme
werden den Suszeptor, durch Wärmeleitung
oder Strahlung, erwärmen
und der Suszeptor kann verwendet werden, ein elektrisch nichtleitendes
Werkstück
zu erwärmen, das
in diesen oder in dessen Nähe
platziert wird.
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Bei
vielen industriellen Anwendungen von Induktionsheizung nichtelektrisch
leitender Materialien, wie künstlichen
Materialien und Silikon, wird häufig erwünscht eine
vorbestimmte und geregelte Temperaturverteilung entlang der Länge des
Suszeptors bereitzustellen, um die Wärmeübertragung auf das darin befindliche
elektrisch nichtleitende Werkstück
zu regeln. Dies lässt
sich durch die Lieferung verschiedener Dichten von Induktionsleistung
an Mehrfachabschnitte des Suszeptors entlang seiner Länge erzielen.
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Der
Suszeptor kann entlang seiner Länge
mit Mehrfachinduktionsspulen umgeben werden. Jede Spule, die ein
Längssegment
des Suszeptors umgibt, könnte
an eine separate Hochfrequenz- Wechselstromquelle
angeschlossen werden, die auf einen vorbestimmten Ausgangspegel
eingestellt ist. Der Suszeptor würde
durch Induktion auf eine Längstemperaturverteilung
erwärmt
werden, die durch die Strommenge bestimmt wird, die von jeder Stromquelle
an jede Spule geliefert wird. Ein Nachteil dieser Vorgehensweise
ist, dass sich Segmente des Suszeptors, die sich zwischen benachbarten
Spulen befinden, aufgrund des additiven Induktionsheizungseffekts
der zwei benachbarten Spulen, überhitzen
können.
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Folglich
ist die Fähigkeit
die Temperaturverteilung durch diese Segmente des Suszeptors zu
regeln, begrenzt.
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Als
andere Möglichkeit
könnten
die Mehrfachspulen, über
ein gesteuertes Schaltsystem, an eine einzelne Hochfrequenz-Wechselstromquelle
für verschiedene
Zeitintervalle angeschlossen werden. Da, bei Verwendung einer einzelnen
Stromversorgung, hohe elektrische Potenziale zwischen den Enden
zweier benachbarter Spulen vorliegen können, wird es vielleicht nicht
möglich
sein die Enden der Spulen ausreichend nahe aneinander zu positionieren,
um unzureichende Erwärmung
im Segment des Suszeptors zwischen den Enden der Spule, ohne die erhöhte Gefahr
von Lichtbogenbildung zwischen benachbarten Spulenenden zu vermeiden.
Folglich begrenzt dieser Weg ebenso die Fähigkeit, die Temperaturverteilung
durch diese Segmente des Suszeptors zu regeln.
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Die
US-A-4506131 (Rowan Henry M et al) beschreibt eine Induktionsheizvorrichtung
zur Erzeugung einer geregelten Temperaturverteilung in einem Metallwerkstück, die
eine Stromquelle und eine Mehrfachinduktionsspule in Reihe geschaltet
und diskret entlang des Werkstücks
verteilt umfasst.
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Es
besteht eine Notwendigkeit für
eine Heizvorrichtung mit einer Induktionsspule, in der die Windungen
von benachbarten Spulenabschnitten erlauben, dass Induktionsleistung
auf eine geregelte Art zu vorbestimmten Abschnitten entlang der
Länge des Suszeptor
und, folglich, zu einem Werkstück,
das im oder nahe dem Suszeptor platziert ist, einschließlich Segmenten
zwischen Spulenabschnitten geliefert werden kann und somit kalte
Stellen oder Wärmestaustellen
eliminieren und eine erwünschte
vorgewählte
Temperaturverteilung entlang der Länge des Suszeptors zulassen.
Dies wird gestatten ein nichtelektrisch leitendes Werkstück in den
Suszeptor zu platzieren, das mit der vorgewählten Temperaturverteilung
durch Wärmeleituug
und Strahlung erwärmt werden
soll.
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Die
vorliegende Erfindung erfüllt
diese Notwendigkeit.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
ihren breiten Gesichtspunkten ist die vorliegende Erfindung eine
Induktionsheizvorrichtung zum Erzeugen einer geregelten Temperaturverteilung
in einem elektrisch leitenden Material oder Suszeptor. Die Vorrichtung
umfasst eine Stromquelle (die typisch einen Gleichrichter und einen
Umrichter umfasst) und eine Induktionsspule, die um die Länge des
Suszeptors mit Mehrfachspulenabschnitten angeordnet ist. Benachbarte
Mehrfachspulenabschnitte sind zueinander gegengewickelt und angeschlossen, ein
Spulenpaar zu bilden. Die Vorrichtung umfasst weiter einen Schaltkreis,
um Strom von der Stromquelle zwischen den Spulenpaaren zu schalten.
Ein Regelkreis regelt die Leistungsdauer von der Stromquelle zu
jedem der Spulenpaare. Die Spulenabschnitte können variierender Länge sein
und eine variable Zahl von Windungen pro Längeneinheit haben. Der Schaltkreis
kann Paare von antiparallelen Siliziumgleichrichtern (SCRs) einschließen, die
zwischen der Stromquelle und den Endanschlüssen jedes Spulenpaars angeschlossen
sind. Die Anwendung variierenden Stroms zu jedem Spulenpaar induziert
variierende Pegel von Wirbelströmen
im Suszeptor, was bewirkt, dass Abschnitte des Suszeptors, die von
verschiedenen Spulenpaaren umgeben sind, auf verschiedene Temperaturen
erwärmt
werden, wie es vom Regelschaltkreis bestimmt wird. Folglich wird eine
geregelte Temperaturverteilung über
die Länge des
Suszeptors erzielt. Ein nichtelektrisch leitendes Material, das
nahe dem Suszeptor platziert wird, wird durch Wärmeleitung und Strahlung auf
geregelte Weise erwärmt.
Der Regelkreis kann außerdem
die Ausgangsleistung der Stromquelle justieren, um eine konstante
Ausgangsleistung beizubehalten, wenn der Schaltkreis zwischen den
Spulenabschnitten geschaltet wird. Der Regelkreis kann Abtasten
eines vorbestimmten Leistungssollwerts für jeden Spulenabschnitt auf
voreingestellte Durchschnittsleistung einschließen, die an jeden Spulenabschnitt
zu liefern ist. Der Regelkreis kann außerdem Abtasten der Temperatur
des Suszeptors entlang seiner Längspunkte
einschließen,
um die Leistungsabgabe an alle Spulenabschnitte zu justieren, damit
die erwünschte Temperaturverteilung
im Suszeptor erzielt wird.
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Diese
und andere Gesichtspunkte der Erfindung werden anhand der folgenden
Beschreibung und der angehängten
Ansprüche
offenkundig sein.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Zur
Illustration der Erfindung ist in den Zeichnungen eine gegenwärtig bevorzugte
Ausführungsform
gezeigt; es soll aber klargestellt sein, dass diese Erfindung nicht
auf die gezeigten präzisen
Anordnungen und Zweckdienlichkeiten begrenzt ist.
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Die 1 ist
ein Diagramm einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einer Mehrfachinduktionsspule mit
gegengewickelten Spulenabschnitten und Schaltkreisen für jeden
Spulenabschnitt.
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Die 2 ist
eine bildliche Darstellung einer typischen geregelten Temperaturverteilung,
die unter Einsatz der vorliegenden Erfindung in einem elektrisch
leitenden Material erzielt wurde.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Obgleich
die Erfindung im Zusammenhang mit einer bevorzugten Ausführungsform
beschrieben werden wird, soll klargestellt sein, dass es nicht beabsichtigt
ist, die Erfindung auf jene Ausführungsform
zu beschränken.
Im Gegenteil ist beabsichtigt alle Alternativen, Modifikationen
und Äquivalente
abzudecken, wie diese im Gedanken und Umfang der Erfindung inbegriffen
sein können,
wie sie durch die angehängten
Ansprüche
definiert ist.
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Die 1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung mit einer Mehrfachinduktionsspule 120 mit
Spulenabschnitten 121 bis 126. Die Spulenabschnitte 121, 123 und 125 sind
zu den Spulenabschnitten 122, 124 und 126 gegengewickelt.
In der Konfiguration, die in der 1 gezeigt
ist, sind die Spulenabschnitte 121, 123 und 125 in
einer Aufwärtsrichtung
gewickelt gezeigt und die Spulenabschnitte 122, 124 und 126 sind
in einer Abwärtsrichtung
gewickelt gezeigt.
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Die
Anschlüsse
der Spulenabschnitte sind wie in der 1 gezeigt.
Benachbarte Paare gegengewickelter Spulenabschnitte, nämlich, 121 und 122, 123 und 124 sowie 125 und 126 bilden
ein Spulenpaar. Jedes Spulenpaar hat seine zwei inneren Anschlüsse an einen
der drei Schaltkreise angeschlossen und seine zwei äußeren Anschlüsse an die Stromquelle 20 angeschlossen.
Für das
Spulenpaar 121 und 122 sind die Anschlüsse 111 und 114 zum Beispiel
an die Stromquelle 20 angeschlossen und die Anschlüsse 112 und 113 sind
an den Schaltkreis 36 angeschlossen. Die Stromquelle 20 ist
außerdem an
die drei Schaltkreise 36, 37 und 38 angeschlossen.
Jeder Schaltkreis kann zwei Sätze
antiparalleler Siliziumgleichrichter umfassen, die an die zwei inneren
Anschlüsse
jedes Spulenpaars angeschlossen sind. Zum Beispiel ist für das Spulenpaar 121 uand 122 der
Anschluss 112 an das Paar antiparalleler Siliziumgleichrichter 36a angeschlossen
und der Anschluss 113 ist an das Paar antiparalleler Siliziumgleichrichter 36b angeschlossen.
Diese Anordnung stellt gleiches Potenzial zwischen benachbarten
Spulenpaaren sicher, was gestattet die Spulenenden in jedem Spulenpaar
in nächste
Nähe zu
den Spulenenden des benachbarten Spulenpaars, ohne Gefahr von Lichtbogenbildung
zwischen Windungen, zu bringen. Der Regelkreis 50 regelt
den Arbeitszyklus des von der Stromquelle 20 bereitgestellten
Stroms zu jedem der Spulenabschnitte. In dieser Ausführungsform
der Erfindung wird jedem Spulenpaar geregelte Leistung von der Stromquelle 20 über einen der
Schaltkreise 36, 37 oder 38 bereitgestellt.
Gegenwickeln der Spulenpaare kann eine parabolische Temperaturverteilung
im Segment des Suszeptors bereitstellen, um den das Spulenpaar gewickelt
ist. Folglich lässt
sich, durch Anwendung von Leistung über einen längeren Zeitraum (oder längeren Arbeitszyklus)
für ein
oder mehrere der Paare von Spulenabschnitten, eine höhere Erwärmung eines
Segments des Suszeptors erzielen. Zum Beispiel kann, durch Anwendung
von Leistung für
einen längeren Arbeitszyklus
auf das Spulenpaar, das durch die Spulenabschnitte 123 und 124 in
der 1 definiert ist, die in der 2 gezeigte
Temperaturverteilung 72 mit erhöhter Erwärmung in der mittigen Länge des
Suszeptors erzielt werden. Beim selben Arbeitszyklen von Leistung über gleiche
Zeiträume,
die jedem der drei Spulenabschnittspaare zugeführt wird, lässt sich die einheitliche Temperaturverteilung 70 erzielen. Zahlreiche
Typen von Temperaturverteilungen lassen sich durch Selektieren des
Leistungszyklus und der Reihenfolge, in der die Leistung auf die
hierin beschriebenen Spulenabschnittspaare angewandt wird, produzieren.
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Durch
Platzieren eines nichtelektrisch leitenden Materials nahe dem Suszeptor 60 mit
einer geregelten Temperaturverteilung kann das Material auf eine
geregelte Weise erwärmt
werden.
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Obwohl
in den offenbarten Ausführungsformen
in der 1 der Erfindung zum Zweck der bildlichen Darstellung
sechs Spulenabschnitte gezeigt sind, kann eine beliebige Zahl von
Spulenabschnitten verwendet werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
Die Spulenabschnitte könnten
in allen Ausführungsformen
der Erfindung verschiedene Längen
haben und jeder Spulenabschnitt könnte eine variable Zahl von
Windungen pro Längeneinheit
aufweisen, um eine spezielle Temperaturverteilung im Suszeptor 60 zu
erzielen. Die Auswahl von Spulenlänge, Zahl von Windungen pro
Längeneinheit
und andere Merkmale der Spulenabschnitte beruhen auf Faktoren, welche
die Größe und Form
des zu erwärmenden
Suszeptors, den erwünschten
Suszeptor-Temperaturverteilungstyp und den Schaltkreistyp einschließen aber
nicht darauf beschränkt
sind. Die Dauer der Leistung, die von der Stromquelle 20 über den
Schaltkreis 30 jeder einzelnen der drei Spulenabschnitte
bereitgestellt wird, wird von der Regeleinheit 50 geregelt.
Durch Variieren der Dauer (des Arbeitszyklus) zu jedem der drei
Spulenabschnitte auf eine vorbestimmte Weise kann die Temperaturverteilung 70 mit
einheitlicher Längserwärmung, die
Temperaturverteilung 71 mit erhöhter Erwärmung an einem Ende oder die
Temperaturverteilung 72 mit erhöhter Erwärmung des Mittelabschnitts,
wie in der 2 gezeigt, im Suszeptor 60 durch
Induktion von Wirbelströmen
im Suszeptor erzielt werden. Die Temperaturverteilungen 70, 71 and 72 sind
typische Verteilungsprofile für
alle Ausführungsformen
der Erfindung, die durch Anwendung der vorliegenden Erfindung erzielt
werden können.
Durch richtiges Variieren der Leistungsdauer zu jedem der Spulenabschnitte
lassen sich verschiedene Temperaturverteilungsprofile erzielen,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Ein
Typ der Stromquelle 20 zur Lieferung des Hochfrequenz-Wechselstroms
in allen Ausführungsformen
der Erfindung ist eine Halbleiterstromversorgung, die elektronische
Hochleistungs-Thyristorbauelemente
wie Siliziumgleichrichter (SCRs) verwendet. Ein Blockdiagramm einer
typischen Stromquelle, die mit Induktionsheizvorrichtungen verwendet
wird und ein Umrichterschaltkreis, der in der Stromquelle verwendet
wird, ist in den 1 und 2 des US Pat.
No. 5165049 beschreiben und dargestellt. Dieses Patent ist hierin
durch Bezugnahme in seiner Ganzheit einbezogen. Obwohl die Stromquelle
im Bezugspatent mit einem Induktionsofen (Schmelzgut) verwendet
wird, wird ein durchschnittlicher Fachmann ihre Verwendung mit einem
Suszeptor 60 anstatt eines Induktionsofens erkennen bzw.
zu schätzen
wissen. Die in der 1 des Bezugspatents gezeigte
RLC-Schaltung repräsentiert
einen Spulenabschnitt oder Last in der vorliegenden Erfindung.
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Ein
geeigneter Schaltkreis 30 zum Schalten von Leistung zu
jedem der sechs Spulenabschnitte 121 bis 126 in
der 1 ist Schaltung, die Siliziumgleichrichter für elektronisches
Schalten von Leistung von der Stromquelle 20 zwischen Spulenabschnitten
umfasst.
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Der
Schaltkreis 50 kann in allen Ausführungsformen der Erfindung
benutzt werden, um Kommutation der im Umrichter der Stromquelle 20 verwendeten
Siliziumgleichrichter zu justieren, damit eine konstante Umrichterleistungsabgabe
beibehalten wird, wenn sich die Lastimpedanz (Spulenabschnitte 121 bis 126),
aufgrund von Schalten zwischen den Spulenabschnitten durch die Schaltkreise 36 bis 38, ändert. Ein
spezieller Schaltkreistyp, der verwendet werden kann, ist im US-Patent
Nr. 5523631 beschrieben, das hierin durch Bezugnahme in seiner Ganzheit
einbezogen ist. Im Bezugspatent wird der Ausgangsleistungspegel
des Umrichters geregelt, wenn unter einer Anzahl induktiver Lasten
geschaltet wird. In der vorliegenden Erfindung repräsentieren
die Spulenabschnitte 121 bis 126 die geschalteten
induktiven Lasten. Das Potenziometer für Leistungseinstellung, das
mit jeder geschalteten induktiven Last im Bezugspatent assoziiert
ist, kann verwendet werden einen erwünschten durchschnittlichen
Leistungspegel einzustellen, der durch die Dauer der Leistungsanwendung
auf jeden der Spulenabschnitte definiert ist. Im Bezugspatent offenbarte
zusätzliche
Regelmerkmale, einschließlich
Mitteln zum Justieren der Ausgangsleistung der Stromquelle (Umrichter)
zu jedem Spulenabschnitt, die auf der Überschreitung oder Unterschreitung
des Leistungswerts beruhen, der dem Spulenabschnitt während des
vorherigen Schaltzyklus bereitgestellt wird, treffen ebenso auf
den Regelkreis 50 und auf die Stromquelle 20 der
vorliegenden Erfindung zu.
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Ein
oder mehrere Temperatursensoren, wie Thermoelemente, können im
oder nahe dem Suszeptor 60 bereitgestellt werden. Die Sensoren
können
zur Bereitstellung von Rückkopplungssignalen für den Regelkreis 50 verwendet
werden, um die Ausgangsleistung der Stromquelle 20 und
der Anschlussdauer der Quelle an jeden Spulenabschnitt durch Umschaltschaltkreise
zu justieren, sodass die Temperaturverteilung entlang der Länge des
Suszeptors 60 streng geregelt werden kann.
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine flexible und anpassungsfähige Induktionsheizvorrichtung
zur Regelung von Temperaturverteilung bereit. Außerdem reduzieren der Schaltkreis
der Erfindung und die Konstruktion der Mehrfachinduktionsspule außerordentlich
die Komplexität
und Kosten der Stromquelle, während
sie größere Effizienz
und Produktivität
bereitstellen. Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden Fachleuten anhand der vorhergehenden Spezifikation offenkundig
sein.
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Die
vorliegende Erfindung könnte
in anderen spezifischen Formen verkörpert sein, ohne vom Erfindungsgedanken
oder wesentlichen Attributen davon abzuweichen. Folglich sollte
eher auf die angehängten
Ansprüche
als auf die vorhergehende Spezifikation als den Umfang der Erfindung
anzeigend Bezug genommen werden.