DE7035886U - Geraet zur induktionsheizung eines nichtmetallischen materials. - Google Patents

Description

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25. September 1970 William C. Heller Jr.

1840 North Farwell Avenue, Milwaukee, Wisconsin 53202/USA

Gerät zur Induktionsheizung eines nichtmetallischen Materials

Diese Neuerung betrifft Induktionsheizgeräte und Induktionsheiz«» verfahren und insbesondere ein Gerät mit hervorragendem Betriebswirkungsgrad.

Induktionsheizung ist ein thermisches Verfahren, in welchem in seinen bekannten Formen elektrische Energie in Form eines Hochfrequenzmagnetfeldes hoher Intensität an eine metallische Substanz angelegt wird. Das Feld induziert Wirbelströme oder Hystereseverluste, welche die Erzeugung von Wärme in der Substanz selbst veranlassen. Dieses Verfahren ist seit einer Anzahl von Jahren zum Schmelzen und Wärmebehandeln von Metallen im allgemeinen Gebrauch.

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Induktionsheizung kann auch bei der thermischen Verarbeitung von nichtmetallischen Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Kunststoffe, indem induktiv heizbare Substanzen, wie zum Beispiel bestimmte Metall-oder Metalloxydteile oder Partikel an Stellen in das Material eingebracht werden, wo Wärme erwünscht ist und dann die zusammengesetzte Struktur in ein magnetisches Wechselfeld gebracht wird. Wenn es zum Beispiel erwünscht ist, zwei Folien aus Kunststoff, wie Polyäthylen zu verbinden, werden feine Metall- oder Metalloxydpartikel oder ein Metallsieb an Stellen zwischen die Folien gelegt, an denen sie verbunden werden sollen. Wenn ein Magnetfeld an die Folien angelegt wird, werden die Partikel oder das Sieb erhitzt, erweichen den Kunststoff und erlauben den zwei Folien sich zu vereinigen. Die metallischen Partikel oder die Metallteile werden im allgemeinen "Suszeptor" genannt, um ihre Fähigkeit anzuzeigen, durch ein Magnetfeld erhitzt zu werden.

Das obige Verfahren der thermischen Verarbeitung unterscheidet sich von dielektrischer thermischer Verarbeitung, bei welcher eine nichtmetallische Substanz selbst durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld erhitzt wird. Dielektriche thermische Verarbeitung umfaßt Erwägungen, die hier nicht zur Sache gehören.

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^» — » \Jt. -.^- »xv. uti i.ii-i HUOt-HtII HlVJUrLlUJllOUVllCXllUlUllg Ulli·· fassen die Tatsache, daß Wärme in dem Material selbst an der Stelle erzeugt wird, wo sie verwendet werden soll und dadurch äußerst günstige Temperaturverteilungen vorsieht und die genaic nd vorteilhafte Steuerung der Temperatur erlaubt. U^. außerdem Wärme nicht von einer äußeren Quelle durch das Material an die gewünschte Stelle fließer muß, ist eine beträchtliche Erhöhung der Ge~ schwindigkeit der thermischen Verarbeitung erreichbar. Die genaue Temperatursteuerung und die verkürzten Heizzeiten verhindern das Entstehen thermischer Schäden während der Verarbeitung, wie beispielsweise Verkohlen, Werfen oder Verziehen.

Um die obigen Vorteile in einem kommerziell und technisch durchführbarem Verfahren, wie beispielsweise das Schweissen von Kunststoffen zu erreichen, ist es nötig, ein Induktionsheizgerät vorzusehen, das in der Lage ist, eine niagne«· tische Kraft oder ein magnetisches Feld der höchstmöglichen Intensität und der höchstmöglichen Frequenz herzustellen, um die größte Wärmemenge durch Induktionsverluste zu erzeugen. Die verwendete -Ausrüstung um ein solches Feld zu erzeugen, enthält im allgemeinen eine felderzeugende Vorrichtung (z.B. eine "Arbeitsspule"), die an eine Hochfrequenz, stromquelle gekoppelt ist. Die Erreichung beider oben erwähnter Kriterien hängt in einem großen Ausmaß von der Reduzierung der Induktivität dieses Gerätes auf den niedrigstmöglichen Betrag ab.

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Eine übermäßig große Induktivität in dem Gerät begrenzt die Größe des durch das Gerät fließenden Hc.chfrequenzstromes und somit die Intensität des dadurch erzeugten Magnetfeldes. Obwohl eine größere angelegte Spannung verwendet werden kann, um den Stromfluß zu erhöhen, ergibt dies einen unwirtschaftlichen Betrieb, der das Feld erzeugenden Vorrichtung. Die Größe der das Feld erzeugenden Vorrichtung kann auch vermindert werden, um die Induktivität zu senken, jedoch häufig nur auf Kosten einer Abnahme der Verarbeitungsgeschwindigkeit oder Verarbeitungskapazität der Ausrüstung.

Ferner ist es allgemein erwünscht, das Gerät in Parallelresonanz mit der Stromquelle zu betreiben, da der Strom— fluß bei einer solchen Frequenz ein Maximum beträgt. Die Resonanzfrequenz ist bestimmt durch die Formelf

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Ein niedriger Betrag der Induktivität erlaubt der Resonanzfrequenz des Gerätes hoch genug zu sein, um Induktionsverluste der erforderlichen Größe zu erzeugen. Zum Beispiel ist eine Resonanzfrequenz von 4 MHz bei der thermisehen Verarbeitung nichtmetallischer Materialien erforderlieh. Das liegt bedeutend über den Frequenzen, die für metallurgische Verwendungen erforderlich sind, welche im allgemeinen in dem Bereich von 3 kHz - 450 kHz liegen.

Es ist auch erwünscht, das Magnetfeld des Gerätes auszurichten und zu bündeln, um so viel wie möglich davon in dem thermisch zu verarbeitenden Material zu konzentrieren

oder einzuschließen. Fluß, der nicht so verwendet wird, leistet keine nützliche Funktion und erhöht die Induktivität des Gerätes unnötig, wenn er nicht ausgeglichen oder reduziert wird.

Eine Aufgabe dieser Neuerung besteht deshalb darin, ein Induktionsheizgerät mit minimaler Induktivität vorzusehen, welches diese Eigenschaften der niedrigen Induktivität dazu verwendet, ein eingegrenztes Hochfrequenz-Magnet-* feld zu erzeugen, das zur leistungsfähigen Induktionsheizung geeignet ist.

Eine andere Aufgabe dieser Neuerung besteht darin, ein Induktionsheizgerät mit niedriger Induktivität vorzusehen, w elches ein eingegrenztes Hochfrequenz-Magnetfeld erzeugt, ohne eine große angelegte Spannung zu erfordern.

Eine weitere Aufgabe dieser Neuerung besteht darin, ein Induktionsheizgerät vorzusehen, welches die Eigenschaften seiner niedrigen Induktivität beibehält, selbst wenn es physisch groß ist.

Eine weiter Aufgabe der Neuerung besteht darin, ein Induktionsheizgerät vorzusehen, welches ein äußeres eingegrenztes Magnetfeld erzeugt, wo ein solches Feld be -

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nötigt ist, um eine nützliche thermische Verarbeitungsfunktion auszuführen und dadurch die niedrigv induktivität des Gerätes aufrechtzuerhalten, während eine leistungsfähige Induktionsheizung vorgesehen ist.

Eine weitere Aufgabe dieser Neuerung besteht darin, ein Induktionsheizgerät vorzusehen, welches einfach im Aufbau und in der Herstellung ist, und dadurch einen im -wesentlichen störungsfreien Betrieb über beträchtliche Zeiträume aus-" führt.

Eine zusätzliche Aufgabe der vorliegenden Neuerung besteht darin, ein verbessertes Gerät zur induktiven Heizung nichtmetallischer Materialien vorzusehen, das die obigen Merkmale aufweist, eine genaue Temperatursteuerung bei hohen Bearbeitungsgeschwindigkeiten ohne das Risiko der thermischen Beschädigung des Materials zu erreichen, wobei ein solches Gerät insbesondere zur Verwendung beim Schweißen oder Vereinigen nichtmetallischer Materialien geeignet ist.

■ Die vorliegende Neuerung schafft ein Induktionsheizgerät niedri

ger Induktivität durch Anordnen der stromführenden, flußerzeugenden Teile desselben in einer teilweisen koaxialen Relation. Ein stromführender Zentralteil ist auf einem Teil seines Umfanges von einem den Strom zurückführenden Außenteil umgeben. Stromfluß durch den inneren Leiter erzeugt ein umgebendes Magnetfeld. Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung durch den Rückkehrleiter erzeugt ein umgebendes

Mcjnetfeld von entgegengesetzter Polarität, welches dazu neigt, einen großen Teil des äußeren Magnetfeldes des Gerätes aufzuheben, welcher sonst eine größere Induktivität hervorrufen würde. Wo d^e zwei stromführenden Teile nicht koaxial sind, ist das äußere Magnetfeld nicht aufgehoben, woraus sich ein eingegrenztes Magnetfeld ergibt, welches für thermische Induktionsbearbeitungen verwendet werden kann, wie beispielsweise das Erhitzen eines Suszeptors, der zwischen benachbarte Teile eines nichtmetallischen Materials gelegt ist.

Die Neuerung wird an Hand einer bevorzugten ..Ausführungsform im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen ausführlich beschriebe.

Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines vollständig koaxialen stromführenden Leiters;

Figur 2 eine Schnittansicht eines Induktionsheizgerätes der vorliegenden Erfindung; und

Figur 3 eine Perspektivansicht des Induktionsheizgerätes, die die Arbeitsweise des Verfahrens der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.

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Da ein Verstehen der Prinzipien von Koaxialleitern für eine richtige Beurte. ung des Gerätes der vorliegenden Erfindung notwendig ist, wird anfänglich auf Fig. 1 verwiesen, die einen Koaxialleiter 4 darstellt, der einen stromführenden Zentral·» teil 6 und einen zylindrischen, stromführenden Außenteil 8 von der Dicke aufweist. Ein ringförmiger Raum 10 besteht zwischen dem Zentralteil 6 und dem Außenteil 8. Für Zwecke der Analyse wird von dem Zentralteil 6 angenommen, daß er Strom in die Ebene der Zeichnung hineinführt, wie durch das herkömmliche Symbol angedeutet, das den Schwanz des Strom" pfeiles zeigt, während der Außenteil 8 C-r» Strom aus der Papierebene heraus in Richtung des Bttrachters zurückbringt, wie durch das herkömmliche Symbol dargestellt, das die Spitze des Strompfeiles zeigt. Nach den elektromagnetischen Prinzipien er. eugt der Stromfluß durch den Teil 6 ein Magnetfeld 12, das jenen Teil auf die durch den Pfeil angedeutete Art umgibt. Der rückkehrende Strom in dem Außenteil 8 erzeugt wegen der Aufhebung durch das Magnetfeld 12 kein Magnetfeld. Die verschiedenen, weitgehend festgestellten Vorteile von Koaxialleitern ergeben sich aus der Tatsache, daß im wesentlichen außerhalb derselben kein Magentfeld existiert.

Obwohl der vollständige Koaxialleiter 4 die in einem Induktionsheizgerät gewünschten Eigenschaften der niedrigen Induktivität aufweist, ist er vollständig ungeeignet für einen solchen Zweck, weil rund um die Außenseite des Außen teils 8 :m wesentlichen kein Magnetfeld beisteht.

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Figur 2 stellt ein Induktionsheizgerät 15 gemäß der vor liegende π Erfindung dar, das die oben erwähnten Prinzipien des Koaxialleiters verwendet, um seine Induktivität zu reduzieren, während ein umgrenztes, äußeres Magentfeld vorgesehen wird, das für thermische Induktionsverarbeitung geeignet ist

Das Gerät enthält einen stromführenden Zentralteil 16 und einen den Strom zurückführenden Außenteil 18. Der Außenteil 18 um-

J gibt den Zentralteil 16 nur teilweise. Zum Beispiel erstreckt sich

der Außenteil 18 um den Zentralteil 16 über ungefähr eine Hälfte deb Umfanges des Letzteren. Sowohl der Zentralteil 16 als auch der Außenieii 18 sind aus einem guten, elektrischen und thermischen Leiter hergestellt, wie beispielsweise Kupfer und enthalten Kühlkanäle 20, durch welche ein flüssiges Kühlmittel umläuft. Die stromführenden Teile des Gerätes 15 werden durch Konvektion oder wenn gewünscht durch Leitung gekühlt.

Ein Raum 36 zwischen dem Zentralteil 16 und dem Außenteil 18 ist offen gelassen, um den Umlauf von Kühlluft dahindurch zu er- ( lauben oder ist mit einer nichtmagnetischen elektrisch isolieren

den Substanz gefüllt, um den Induktionsheizgerät 15 Starrheit und strukturelle Festigkeit zu verleihen.

Die Teile 16 und 18 sind auf einer Seite elektrisch mit einer Hochfrequenzquelle 22 verbunden, wie in Figur 3 dargestellt, und sind a if der anderen Seite durch einen Leiter 21 miteinander verbunden. Die Hochfrequenzquelle 22 führt den Teilen 16 und 18 hochfrequenten Wechselstrom zu. Zum Beispiel kann die Ausgangsfrequenz der Hochfrequenzquelle 22 4 IvIHz betragen, Eine !Xühlmittelver-

sorgung 24 ist mit den Kühlkanälen 20 verbunden, um ein Kühlmittel durch die Teile 16 und 18 laufen zu lassen.

Im Betrieb sorgt die Hochfrequenzquelle 22 für einen hochfrequenten Strom durch die Teile 16 und 18. Für Zwecke der Analyse ist dieser Stromfluß momentan in Figur 2 dargestellt und fließt im Mittelteil 16 in die Papierebene hinein und kehrt durch den Teil 18 aus der Papier ebene wieder zurück. Von dem Stromfluß durch den Zentralteil 16 wird ein Magnetfeld 32 erzeugt, dessen Richtung durch die Pfeile dargestellt ist. Gleichermaßen wird von dem Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung durch den Außenteil 18 ein entgegengesetzt gerichtetes Magnetfled 34 erzeugt, welches in diesem Fall eine äußere Komponente aufweist. Weil das meiste der äußeren Komponente des Magnetfeldes 34 des Außenteiles 18 durch die entgegengesetzte Richtung der zwei Magnetfelder 32 und 34 ausgeglichen ist, ist die Induktivität des Gerätes 1 5 klein.

Das Magnetfeld um den äußeren Umfang des Teiles 16 ist jedoch nicht so eliminiert und bleibt um deninteren Umfang des Teiles 16 begrenzt, um eine ansprechende Substanz induktiv zu heizen, die in das Feld gelegt ist.

Wenn der Strom von der hochfrequenzquelle 22 umkehrt, kehrt auch die Richtung der Magnetfelder 32 und 34 um. Der Teil des Magnetfeldes 32 um den unteren Umfang des Zentral-

teiles Hi kehrt in seiner Polarität um, um weiterhin ein Hochfrequenz- Magnetfeld vorzusehen, das für die ther«. mische Induktionsbearbeitung nötig ist.

Figur 2 und 3 zeigen die Verwendung des oben beschriebenen Heizgerätes 15 in dem ^- ahren der vorliegenden Erfindung, um Kunststoffolien 26 und 28 mittels einer Schicht von Eisenoxydpartikeln 30 zu verbinden, die in der Lage sind durch das von dem Gerät erzeugte Magnetfeld induktiv geheizt zu werden. Die Folien 26 und 28 sind überlappt angeordnet, wobei sich die Eisenoxydpartikel 30 zwischen den überlappten Teilen befinden. Die Folien werden dann neben dem unteren Umfang des Zentralteiles 16 und innerhalb des Magnetfeldes angebracht, das dieses Umfar.gssegment von Teil 16 umgibt. Das Magnetfeld 32 heizt die Partikel 30 induktiv, um die überlappten Kanten der Kunststoffolien 26 und 28 zu erweichen und eine Verbindung zwischen ihnen zu bilden. Wenn die Kunststofffolien ausreichend erweicht sind, wird die Hochfrequenzquelle 22 abgeschaltet, um dem Kühlmittel in den Kanälen 20 zu erlauben, die Schweißung zu verfestigen.

Obwohl die vorliegende Neuerung mit dem Zentralteil 16 und dem umgebenden .Außenteil 18 von kreisförmiger Ausbildung dargestellt und beschrieben worden ist, soll die Erfindung nicht allein auf Elemente dieser Form begrenzt verstanden worden. Die stromführenden Teile können dreieckig, rechteckig oder von einer anderen gewünschten Form sein.

Schutzansprüche

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Claims (1)

1. - 12 -

   H Ilo2 - 15/Fr.

   18.1.1971

   Amtl. A.Z.: G 7o 35 886.ο 7lc2

   Anmelder: W. C. Heller Jr., Milwaukee, Wise.

   Schutzansprüche

   1. Induktionsheizung, insbesondere zum Verschweißen thermoplastischer Materialien mit Hilfe eines SuSceptors,dadurch gekennzeich net, daß ein langgestreckter Stromleiter (16) vorgesehen ist, der unter Abstand von einer den Stromleiter (16) teilweise umgebenden Platte (18) aus leitendem Material umgeben ist (Figur 2, 3).

   2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (16) zylindrisch ist und die Platte (18) längs eines Querschnittes senkrecht zu den Achsen des Stromleiters und der Platte halbkreisförmig ist.

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   3. Gerät nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (18) den Stromleiter (16) an einer Hälfte der Umfangsfläche umgibt und in einem gleichmäßigen Abstand davon angeordnet ist.

   & 4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch

   gekennzeichnet, daß der Stromleiter (16) und die Platte (18) aus Kupfer hcrges-ellt sind.

   5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der STromleiter (16) und die Platte (18) Kühlkanäle (2o) enthalten.