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Induktor zum elektroinduktiven Erhitzen elektrisch leitender Werkstücke
Es ist bekannt, metallische oder sonstige elektrisch leitende Werkstücke elektroinduktiv
zu erhitzen. Es werden hierfür Induktoren verwendet, die ein- oder mehrwindig ausgeführt
die Form von Spulen aufweisen, die das Werkstück umfassen oder auch als sog. Leiterschleifen
sich über der Werkstückoberfläche schließen. Mit Hilfe solcher Induktoren werden
die Werkstücke vornehmlich zum Zweck des Wärmebehandelns oder auch im Hinblick auf
eine nachfolgende Warmformgebung erhitzt. So können die Werkstücke beispielsweise
ausschließlich an der Oberfläche erwärmt und abgeschreckt werden, so daß eine gehärtete
Oberflächenschicht entsteht. Es ist aber auch miivlirh cii- (lllrl-h-Ph#n(I
7.11 erwärmen belsnlelswelse um sie zu entspannen, anzulassen od. dgl. Beim
Erhitzen zum Zweck des Warmformgebens findet meist ebenfalls ein Erhitzen bis in
den Kern hinein statt. Es haben sich verschiedene Verfahrensarten herausgebildet,
bei welchen entweder Werkstück und Heizleitereinrichtung ruhen oder aber zwischen
Heizeinrichtung und Werkstück eine Relativbewegung stattfindet. Die Relativbewegung
kann gegebenenfalls auch eine mehrfache sein, indem beispielsweise bei einem Rundkörper
eine Relativbewegung in Achsrichtung und eine solche in Umfangsrichtung stattfindet.
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Das Verfahren hat sich in seinen einzelnen Abwandlungen für verschiedene
Zwecke in der Praxis bewährt, und das Ziel der Erfindung ist es, die aufgewendete
elektrische
Energie besser auszunutzen als bisher und eine bessere Temperaturregulierung zu
erreichen. Die Heizleiter des Induktors erwärmen sich je nach den gegebenen Verhältnissen
mehr oder minder stark und es ist daher üblich, die Heizleiter hohl auszuführen
und sie mit einem geeigneten Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder Preßluft, zu
kühlen. Die durch den Induktorstrom im Heizleiter erzeugte Joulsche Wärme wird nutzlos
vernichtet. Der Anteil dieser vernichteten Energie am Gesamtenergieaufwand ist beträchtlich,
und zwar mehr als 5000, wenn die elektrische Leitfähigkeit des Glühgutes und des
Heizleiters gleich ist. Wenn beispielsweise ein Kupfezkörper erwärmt werden soll,
so wäre im Induktor etwa die Hälfte der eingeführten Energie in Form von Wärme durch
das Kühlmittel, das die Heizleiter durchströmt, abzuführen. Beim Erwärmen von Werkstoffen
mit geringerer elektrischer Leitfähigkeit als Kupfer sind die Verhältnisse in dieser
Beziehung günstiger, jedoch müssen auch hier erhebliche Wärmemengen im Kühlmittel
vernichtet werden.
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Der Induktor gemäß der Erfindung soll gestatten, die in den Heizleitern
in Wärme umgewandelte elektrische Energie teilweise zum Aufheizen des Werkstückes
auszunutzen. Zu diesem Zweck wird der Heizleiter oder, falls mehrere vorhanden sind,
jeder einzelne dieser Heizleiter in einen äußeren gekühlten und einen inneren ungekühlten
Ast aufgeteilt. Die beiden Äste werden parallel geschaltet. Der innere ungekühlte
Leiter nimmt einen Teil des gesamten Heizleiterstromes auf, dessen Höhe sich nach
seinem Querschnitt, Ohmschen und induktiven Widerstand im Verhältnis zum gekühlten
Heizleiterast einstellt. Durch richtiges Bemessen kann erreicht werden, daß der
ungekühlte Heizleiter gerade die Temperatur annimmt, die das zu erhitzende Gut erhalten
soll. Es tritt also zwischen Glühgut und Heizleiter kein Wärmeverlust auf, der bei
gekühlten Heizleitern in Anbetracht des geringen Abstandes von i bis 2 mm ganz erheblich
ist. Es tritt zwar auch bei dem erfindungsgemäßen Heizleiter ein Wärmeverlust zwischen
dem gekühlten und dem nichtgekühlten Heizleiterast auf. Jedoch besteht der wesentliche
Unterschied darin, daß dieser Wärmeverlust aus dem Primärstrom des Heizleiters gedeckt
wird, dessen Joulsche Wärme ohnehin verlorengehen würde; und er braucht nicht mehr
aus dem Sekundärstrom im Glühgut gedeckt werden, in das die Energie erst durch die
Induktionswirkung hereingepumpt werden muß. Der innere ungekühlte Leiter erwärmt
sich sehr stark und beteiligt sich auf diese Weise auch mit strahlender Wärme an
der Heizwirkung des Induktors, ohne daß im Vergleich zu einem üblichen Induktor
die Induktionswirkung beeinträchtigt wird. Die äußere gekühlte Spule sorgt dafür,
daß die Wechselwirkung zwischen der im einen Heizleiterast erzeugten Joulschen Wärme
und der durch die Induktionsströme erzeugten Wärme nicht zu untragbaren Temperaturen
für das Heizgerät führen. Der heiße Heizleiter, der das Werkstück umgibt, verhindert
ein Abstrahlen der Wärme des aufzuheizenden Körpers nach außen und es wird auf diese
Weise eine sehr viel wirksamere Temperatursteigerung im Werkstück erzielt als mit
den bekannten Induktoren bisher möglich war. Die Temperaturerhöhung wird ferner
besonders rasch herbeigeführt, was beispielsweise wichtig ist für das elektroinduktive
Oberflächenhärten, bei welchem es darauf ankommt, daß nur eine möglichst schmale
Schicht auf Temperatur gebracht wird.
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Der innere und äußere Ast der Heizleiter gemäß der Erfindung können
aus dem gleichen Werkstoff hergestellt sein, wenn die gewünschte Temperatur des
Glühgutes weit unter dem Schmelzpunkt liegen und der Werkstoff nicht oxydieren würde.
Meist ist es jedoch erforderlich, einen oxydationsbeständigen Werkstoff zu benutzen,
wie Chrom-Nickel-Legierungen oder Platin. In manchen Fällen, bei Verwendung von
reduzierender oder neutraler Atmosphäre, können mit besonderem Vorteil Wolfram,
Molybdän oder ähnliche Metalle verwendet werden. Wird als ungekühlter Heizleiterast
ein Werkstoff mit einem hohen Temperaturkoeffizienten verwendet, so ergibt sich
zusätzlich eine selbsttätige Temperaturregelung. Der im Heizleiter fließende Strom
verteilt sich nämlich in den beiden Ästen gemäß den verschiedenen Ohmschen und induktiven
Widerständen. In dem äußeren gekühlten kupfernen Ast ist der Ohmsche Widerstand
kleiner, jedoch der induktive Widerstand größer als in dem ungekühlten Ast. Wächst
nun im Laufe des Erhitzens der Olimsche Widerstand des inneren Astes, so wird der
Strom mehr auf den äußeren gekühlten Ast gedrängt. Dadurch wird aber die Kopplung
zu dem Glühgut geringer und damit die übertragen heizende Wirkung verringert.
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Ein Induktor gemäß der Erfindung kann auch dazu ausgenutzt werden,
besonders hohe Temperaturen zu erzeugen, beispielsweise wenn es gilt, hochtemperaturbeständige
Werkstoffe zu behandeln. In diesem Fall wird der innere Leiterast aus hochtemperaturbeständigem
WerkstoffhergestelltwiebeispielsweiseWolframmetall oder auch aus einer Eisen-Chrom-Nickel-Legierung,
wie sie für Widerstandsdrähte üblich sind. An Stelle von Wolfram kann auch beispielsweise
Molybdän oder Tantal treten und an Stelle einer Eisen-Chrom-Nickel-Legierung können
auch Leiter aus anderen Legierungen benutzt werden, wie sie aus der Technik der
Widerstandsdrahtherstellung bekannt sind.
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Die angestrebte Wirkung einerseits, die Abstrahlung des zu erwärmenden
Körpers nach außen zu verhindern und außerdem die im Heizleiter erzeugte Joulsche
Wärme zur Temperatursteigerung auszunutzen, kann dadurch unterstützt werden, daß
zwischen dem inneren ungekühlten und dem äußeren gekühlten Leiterast eine Wärmeisolationsschicht
eingeschaltet wird.
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In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise
dargestellt, und zwar jeweils in einem axialen Längsschnitt und in einem Querschnitt.
Der Induktor i, 2 umgibt den aufzuheizenden Körper 3 spulenförmig. Der äußere Heizleiter
i des Induktors besteht aus einem Hohlkupferrohr, das von einer Kühlflüssigkeit
durchströmt wird. Der innere Leiter 2 i ist ungekühlt. Die Parallelschaltung der
beiden Leiter i und 2 wird erreicht, indem sie beide bei q. unter Zwischenschalten
einer Isolation 6 zusammengeklemmt werden. In manchen Fällen ist es zweckmäßig,
zwischen den beiden Leiterästen eine Isolation 5 anzubringen, i die die Heizcharakteristik
im Sinne einer Steigerung
der Heizwirkung beeinflußt und den äußeren
Leiter schützt.
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Es kann der Fall eintreten, daß eine gewisse Schirmwirkung des inneren
Leiters 2 als störend empfunden wird. Dieser Schirmwirkung kann begegnet werden,
indem am gekühlten Leiter i ein vorspringender Flansch oder Bund vorgesehen wird,
der in unmittelbarer enger Kopplung zum Werkstück steht. In Abb. 2, die, was die
Teile i bis 4 und 6 anlangt, der Abb. i entspricht, sind solche Flansche oder Bunde
bei 7a bzw. 76 angedeutet. Einen Flansch nach Art des bei 7a angedeuteten wird vorgesehen,
wenn es darauf ankommt, äußerst rasch die gewünschte Temperatur zu erreichen. Bei
76 ist der Flansch oder Bund in der Mitte angeordnet. Der äußere Leiter 2 ist in
zwei getrennte Äste unterteilt und durch den Zwischenraum ragt der Bund 76 hindurch.
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Zwar wird im allgemeinen auch der innere Leiter 2 aus Metall hergestellt
werden, grundsätzlich ist aber auch die Verwendung von Kohle, Graphit oder Siliziumkarbid
als Werkstoff für diesen möglich und kann gelegentlich Vorteile bringen.
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Induktoren der gekennzeichneten Art können für sämtliche Wärmebehandlungen
an metallischen oder auch nichtmetallischen, jedoch elektrisch leitenden Werkstücken
verwendet werden. Dabei können die Verfahren angewendet werden, die sich in Verbindung
mit dem elektroinduktiven Erhitzen auf dem Induktionswege entwickelt haben. Desgleichen
auch die Induktionsformen, die hierzu verwendet werden, die lediglich im Sinne der
Erfindung abgewandelt werden müssen. Das gilt sowohl für Spulen als auch für Leiterschleifen.