DE9015040U1 - Induction coil - Google Patents
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Description
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Die Erfindung betrifft eine Induktionsspule für eine induktive Heizung, die aus einer Rohrwendel aus unmagnetischem Material besteht und Rnschlüsse für die Durchleitung eines Induktorstroms durch die Rohrwand und eines Kühlmittelstroms durch das Rohr selbst aufweist.The invention relates to an induction coil for an inductive heater, which consists of a tubular coil made of non-magnetic material and has connections for the passage of an inductor current through the tube wall and a coolant flow through the tube itself.
Derartige Induktionsspulen sind seit vielen Jahren in der Technik bekannt und werden beispielsweise zur sukzessiven Erwärmung der Biegezone bei Stahlrohren auf Rohrbiegemaschinen benutzt. Durch die Induktionsspule wird ein Wechselstrom höherer Frequenz geschickt, der seinerseits in einem von der Induktionsspule umgegebenen Rohrstück Ströme induziert, die in der Rohrwand zu einer starken Widerstandserwärmung führen. Um den elektrischen Widerstand der Induktionsspule möglichst gering zu halten, ist diese regelmäßig aus Kupfer hergestellt. Da trotz des geringen elektrischen Widerstandes wegen der großen Stromstärken in der Induktionsspule (Induktorstrom) sich auch die Induktionsspule erwärmt, was zu einer unerwünschten Widerstandserhöhung führt, sind diese Induktionsspulen in der Regel als Rohrwendeln ausgebildet, so daß sie von innen mittels eines durchgeleiteten Kühlmittels gekühlt werden können.Such induction coils have been known in technology for many years and are used, for example, to gradually heat the bending zone of steel pipes on pipe bending machines. A high frequency alternating current is sent through the induction coil, which in turn induces currents in a section of pipe surrounded by the induction coil, which lead to strong resistance heating in the pipe wall. In order to keep the electrical resistance of the induction coil as low as possible, it is usually made of copper. Since, despite the low electrical resistance, the high current in the induction coil (inductor current) also heats up the induction coil, which leads to an undesirable increase in resistance, these induction coils are usually designed as pipe coils so that they can be cooled from the inside by means of a coolant passed through them.
Kupfer hat nicht nur den Vorteil, daß es eine hervorragende elektrische Leitfähigkeit besitzt, sondern es hat auch sehr guteCopper not only has the advantage of having excellent electrical conductivity, but it also has very good Wärmeleiteigenschaften, so daG die Kühlung sehr effektiv gemacht werden kann. Ein Nachteil von Kupfer besteht allerdings in den vergleichsweise schlechten mechanischen Festigkeitseigenschaften, fius diesem Grunde sind die bekannten als Kupferrohrwendel ausgebildeten Induktionsspulen für besondere Einsatzfälle mit extremen mechanischen Beanspruchungen völlig ungeeignet. 5o werden beispielsweise für Forschungszwecke Rnwendungen von induktiven Heizungen gefordert, bei denen die Induktionsspule einem RuGendruck von 1000 bar standhalten muß. Die bekannten Kupferrohrwendeln würden unter einer derartigen mechanischen Belastung augenblicklich kollabieren.Heat conduction properties, so that cooling can be made very effective. However, one disadvantage of copper is its comparatively poor mechanical strength properties, which is why the well-known induction coils designed as copper tube coils are completely unsuitable for special applications with extreme mechanical stress. For example, for research purposes, applications of inductive heating are required in which the induction coil must withstand a back pressure of 1000 bar. The well-known copper tube coils would collapse immediately under such mechanical stress.
Es ist zwar im Prinzip möglich, dieses Festigkeitsproblem dadurch zu umgehen, daß man auch das Kühlmittel unter einen hohen Druck setzt, um die Rohrwendel von innen zu stützen. Eine solche Lösung scheidet jedoch deswegen aus, weil für den Fall einer Unterbrechung in der Druckversorgung des Kühlmittels die zu vermeidende Störung doch eintreten würde. Um Personengefährdungen und auch Beschädigungen von Rnlagenteilen möglichst ausschließen zu können, wird daher gefordert, daß die Induktionsspule in jedem Fall dem vorgegebenen Rußendruck standhalten können muß, also nicht einbeulen darf.In principle, it is possible to avoid this strength problem by placing the coolant under high pressure in order to support the coiled tube from the inside. However, such a solution is not possible because if there is an interruption in the pressure supply of the coolant, the problem that is to be avoided would still occur. In order to be able to exclude as far as possible danger to persons and damage to system components, it is therefore required that the induction coil must be able to withstand the specified soot pressure in all cases, i.e. must not dent.
Diese Forderung kann für sich genommen auch noch durch ein Kupferrohr erfüllt werden, wenn man die Wanddicke nur ausreichend groß wählt. Bei einer Rohrwendel mit einem Rohraußendurchmesser von z.B. 50 mm bedeutet dies jedoch, daß die Wanddicke für einen RuGendruck von 1000 bar etwa 22 mm betragen muß. Das aber heißt nichts anderes, als daß der Innendurchmesser des Rohres nur noch 6 mm beträgt und somit die erforderliche Wärmeabfuhr durch das Kühlmittel nicht mehr gewährleistet werden kann.This requirement can also be met by a copper pipe, provided the wall thickness is chosen to be sufficiently large. However, for a coiled pipe with an external pipe diameter of 50 mm, for example, this means that the wall thickness must be around 22 mm for a pressure of 1000 bar. This simply means that the internal diameter of the pipe is only 6 mm and the required heat dissipation by the coolant can therefore no longer be guaranteed.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Induktionsspule der eingangs genannten Ort dahingehend zu verbessern, daß die finforderungen an die elektrischen und kühltechnischen Eigenschaften bei gleichzeitiger Gewährleistung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit gegenüber sehr hohem Rußendruck erfüllt werden.The object of the invention is therefore to improve an induction coil of the type mentioned above in such a way that the requirements for the electrical and cooling properties are met while at the same time ensuring sufficient mechanical strength against very high soot pressure.
Gelöst wird diese Rufgabe bei einer gattungsgemäßen Induktionsspule mit den kennzeichnenden Merkmalen des Rnspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen dieser Induktionsspule finden sich in den Unteransprüchen 2 bis 9.This task is solved with a generic induction coil with the characterizing features of claim 1. Advantageous further developments of this induction coil can be found in subclaims 2 to 9.
Der Grundgedanke der erfindungsgemäßen Lösung ist darin zu sehen, daß die Rohrwendel der Induktionsspule nicht me+ir aus einem einheitlichen Werkstoff besteht, sondern daß zwei oder mehr Schichten aus verschiedenen Werkstoffen die Wand der Rohrwendel bilden. Dabei ist vorgesehen, daß zwischen den Schichten gleichsam eine Funktionsteilung erfolgt. Die Rußenschicht hat in erster Linie die Erfüllung der elektrischen flnforderungen zu sichern, muß also eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, während die Innenschicht die mechanischen Belastungen weitgehend, vorzugsweise sogar völlig allein tragen können soll. Dabei ist die Belastung durch einen extrem hohen flußendruck als kritischster Fall anzusehen. Beide Schichten zusammen und gegebenenfalls auch eine etwa vorhandene Zwischenschicht müssen noch ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen, damit die Kühlung in der erforderlichen Intensität erfolgen kann.The basic idea of the solution according to the invention is that the coiled tube of the induction coil no longer consists of a uniform material, but that two or more layers of different materials form the wall of the coiled tube. It is intended that there is a division of functions between the layers. The soot layer must primarily ensure that the electrical requirements are met, and must therefore have good electrical conductivity, while the inner layer should be able to bear the mechanical loads largely, preferably even completely, on its own. The load caused by extremely high flow pressure is to be seen as the most critical case. Both layers together and, if necessary, any intermediate layer must also have sufficient thermal conductivity so that cooling can take place with the required intensity.
gebildet mit (alle Werteangaben bei Raumtemperatur) einer Streckgrenzeformed with (all values at room temperature) a yield strength
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von mindestens 200 N/mm , vorzugsweise mindestens 500 N/mm . Ihreof at least 200 N/mm , preferably at least 500 N/mm . Your
Da das Material unmagnetisch sein muG, kommen hierfür insbesondere austenitische Stähle, die im Vergleich zu einem Kupferrohr bei gleicher Festigkeit und gleichem Rußendurchmesser eine erheblich kleinere Wanddicke erfordern, in Frage. Durch die kleinere Wanddicke wird nicht nur der Innendurchmesser und damit die Wärmeaustauschfläche zum Kühlmittel und der Kühlmittelstrom selbst gröBer, sondern der WärmeflieQweg in der Wand wird verkürzt und dadurch der Nachteil der schlechteren Wärmeleitfähigkeit der austenitischen Stähle wesentlich abgemildert. In manchen Fällen kann als Werkstoff für die Innenschicht auch eine hochfeste Rlurniniumlegierung verwendet werden, deren Wärmeleitfähigkeit bei relativ hoher mechanischer Festigkeit deutlich besser als bei Stahl ist.Since the material must be non-magnetic, austenitic steels are particularly suitable for this purpose, as they require a considerably smaller wall thickness compared to a copper pipe with the same strength and the same diameter of the soot. The smaller wall thickness not only increases the inner diameter and thus the heat exchange surface to the coolant and the coolant flow itself, but also shortens the heat flow path in the wall, thereby significantly reducing the disadvantage of the poorer thermal conductivity of austenitic steels. In some cases, a high-strength aluminum alloy can also be used as the material for the inner layer, the thermal conductivity of which is significantly better than that of steel, while having a relatively high mechanical strength.
2 Mindestleitfähigkeit von 30 m/Ohm &khgr; mm , vorzugsweise von etwa2 Minimum conductivity of 30 m/Ohm &khgr; mm , preferably of about
60 m/Ohm &khgr; mm , vorgesehen, wobei die Wärmeleitfähigkeit mindestens 200 W/m &khgr; K, vorzugsweise mindestens 350 W/m &khgr; K, betragen soll. In erster Linie bieten sich daher Kupfer und Kupferlegierungen als Werkstoff für die Rußenschicht an. flllerdings kann in manchen Fällen auch Rluminium oder eine Rluminiumlegierung ausreichend sein. Kupferwerkstoffe sind den Rluminiumwerkstoffen jedoch sowohl hinsichtlich der elektrischen als auch der thermischen Leitfähigkeit überlegen. Noch bessere Eigenschaften in dieser Beziehung hat Silber, das aber allein aus Kostengründen weniger empfehlenswert ist.60 m/Ohm &khgr; mm, whereby the thermal conductivity should be at least 200 W/m &khgr; K, preferably at least 350 W/m &khgr; K. Copper and copper alloys are therefore primarily suitable as materials for the soot layer. However, in some cases, aluminium or a aluminium alloy may also be sufficient. Copper materials are, however, superior to aluminium materials in terms of both electrical and thermal conductivity. Silver has even better properties in this respect, but is less recommended for cost reasons alone.
Um den Wärmefluß zwischen der Rußen- und Innenschicht der Rohrwendel zu verbessern, ist es im Falle getrennter Schichten (ineinandergestecktes Innen- und Rußenrohr) zweckmäßig, die Rußenschicht auf die Innenschicht aufzuschrumpfen und so einen möglichst großflächigen engen Kontakt sicherzustellen.In order to improve the heat flow between the soot layer and the inner layer of the coiled tube, in the case of separate layers (inner and soot tubes inserted into one another) it is advisable to shrink the soot layer onto the inner layer and thus ensure as close contact as possible over the largest possible area.
Es ist aber auch denkbar, eine möglichst dünne Zwischenschicht aus einem metallischen Lot oder einer Wärmeleitpaste zwischen beiden Schichten zu diesem Zweck einzufügen. Im Hinblick auf den Wärmefluß im Übergangsbereich zwischen Innen- und Rußenschicht ist es am günstigsten, wenn eine unmittelbare metallische Verbindung vorliegt. Rus diesem Grunde bietet es sich an, die Rußenschicht durch Galvanisieren, RuftragsschweiOen, Plasma- oder Flammspritzen oder Walzplattieren auf die Innenschicht aufzutragen. Insbesondere das Galvanisieren hat den Vorteil, daß eine RuOenschichtauftragung auf die bereits fertig gebogene Rohrwendel erfolgen kann, so daß keine Schichtbeschädigungen (RiQbildungen) durch das Biegen des Rohres zur Rohrwendel zu befürchten sind, flllerdings ist das Galvanisieren zur Erzeugung ausreichend dicker ,■ Schichten sehr aufwendig.However, it is also conceivable to insert an intermediate layer of a metallic solder or a thermal paste as thin as possible between the two layers for this purpose. With regard to the heat flow in the transition area between the inner and the carbon black layer, it is best if there is a direct metallic connection. For this reason, it is advisable to apply the carbon black layer to the inner layer by galvanizing, welding, plasma or flame spraying or roll cladding. Galvanizing in particular has the advantage that a carbon black layer can be applied to the already bent coiled pipe, so that there is no risk of layer damage (cracks) caused by bending the pipe into the coiled pipe. However, galvanizing is very complex to produce sufficiently thick layers.
Im Hinblick auf die Ruslegung der Schichtdicken ist die oben beschriebene Funktionsteilung zu berücksichtigen. Die Innenschicht kann zur Erhöhung der Sicherheit auf alleiniges Lasttragen ausgelegt sein. RLlerdings kann, insbesondere wenn ein inniger Verbund zwischen Innen- und flußenschicht vorliegt, auch die Tragfähigkeit der flußenschicht mit berücksichtigt werden. Die Innenschicht sollte jedenfalls einen möglichst großen Teil der zu erwartenden mechanischen Belastung tragen können, vorzugsweise mindestens 80 %.When determining the thickness of the layers, the division of functions described above must be taken into account. To increase safety, the inner layer can be designed to carry the load alone. However, the load-bearing capacity of the outer layer can also be taken into account, particularly if there is a close bond between the inner and outer layers. The inner layer should in any case be able to bear as large a proportion of the expected mechanical load as possible, preferably at least 80%.
Die Dicke der Rußenschicht richtet sich in erster Linie nach den elektrischen Erfordernissen. Wegen der im Vergleich zur Innenschicht deutlich höneren elektrischen Leitfähigkeit des fiußenschichtwerkstoffs, sollte dessen Schichtdicke sich an der zu erwartenden Eindringtiefe des Induktorstroms (abhängig von der Stromfrequenz) richten. Besonders vorteilhaft ist es, wenn nahezu der gesamte Induktorstrom (z.B. mindestens 90 %) in der flußenschicht fließt, da wegen des vergleichsweise geringen elektrischen Widerstandes dann weniger Verlustleistung entsteht, die in Form von Wärme über das Kühlmittel nach außen aozuführen ist. 6The thickness of the soot layer depends primarily on the electrical requirements. Because the electrical conductivity of the outer layer material is significantly higher than that of the inner layer, its layer thickness should be based on the expected penetration depth of the inductor current (depending on the current frequency). It is particularly advantageous if almost the entire inductor current (e.g. at least 90%) flows in the outer layer, because the comparatively low electrical resistance means that less power is lost, which has to be dissipated to the outside in the form of heat via the coolant. 6
Bus aem Vergleich der Figuren 1 und 2, die jweils einen Querschnitt durch das Rohr einer Induktionsspule darstellen, wird der Unterschied der erfindungsgemäßen Lösung zum bisherigen Stand der Technik erkennbar. Während Figur 1 ein aus einem einheitlichen Werkstoff 1 (z.B. Cu) gebildetes Rohr zeigt, das aus Festigkeitsgründen eine extreme Wanddicke und nur eine kleine lichte Weite aufweist, ist das Rohr in Figur 2 aus den oeiden Schichten 1 und 2 zusammengesetzt. Die relativ dünne äußere Schicht 1 ist beispielsweise wie das Rohr in Figur 1 aus Cu gebildet, während die innere Schicht 2 aus einem Material mit deutlich höherer Festigkeit (z.B. austenitischer Stahl) besteht. Bei gleicher mechanischer Festigkeit und gleichem Rußendurchmesser kann die Wanddicke insgesamt erheblich dünner gehalten werden, so daß die lichte Weite des Rohres entsprechend größer ist.By comparing Figures 1 and 2, each of which shows a cross section through the tube of an induction coil, the difference between the solution according to the invention and the previous state of the art becomes apparent. While Figure 1 shows a tube made of a uniform material 1 (e.g. Cu) which, for reasons of strength, has an extremely thick wall and only a small inside diameter, the tube in Figure 2 is composed of two layers 1 and 2. The relatively thin outer layer 1 is made of Cu, for example, like the tube in Figure 1, while the inner layer 2 is made of a material with significantly higher strength (e.g. austenitic steel). With the same mechanical strength and the same carbon diameter, the wall thickness can be kept considerably thinner overall, so that the inside diameter of the tube is correspondingly larger.
Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Lösung wird deutlich, wenn man eine für die Beanspruchung durch einen Rußendruck von beispielsweise 1000 bar geeignete Rohrwendel (Rohraußendurchmesser 50 mm) mit der Werkstoff kombination Kupfer/Stahl mit dem eingangs beschriebenen Beispiel vergleicht. Die Herstellung einer entsprechenden Rohrwendel erfolgte durch Biegen eines durch Flammspritzen mit Kupfer plattierten 5tahlrohres aus Werkstoff 1.4910. Folgende Rbmessungen lagen vor:The effectiveness of the solution according to the invention becomes clear when one compares a coiled pipe (outer pipe diameter 50 mm) suitable for the stress caused by a soot pressure of, for example, 1000 bar with the material combination copper/steel with the example described at the beginning. The corresponding coiled pipe was produced by bending a steel pipe made of material 1.4910 that had been plated with copper by flame spraying. The following dimensions were available:
Dicke der Rußenschicht (Kupfer) 1 mm Dicke der Innenschicht (Stahl) 9 mmThickness of the soot layer (copper) 1 mm Thickness of the inner layer (steel) 9 mm
Der Innendurchmesser oes Rohres der Rohrwendel betrug bei dem gegebenen Rohrwandaufoau noch 30 mm gegenüber nur 6 mm bei einem reinen Kupferrohr. Das bedeutet, daß für die Durchleitung eines Kühlmittels im erfindungsgemäßen Fall eine 5mal größere Oberfläche für den Wärmeübergang zum Kühlmittel zur Verfügung stand und der Künlmittelstrom Dei gleicher Föraergescnwindigkeit sogar 23mal so groß war wie im Vergleichs fall .The inner diameter of the tube of the coiled pipe was 30 mm with the given tube wall structure, compared to just 6 mm for a pure copper pipe. This means that in the case according to the invention, a surface area five times larger was available for the heat transfer to the coolant and the coolant flow was even 23 times as large as in the comparison case at the same conveying speed.
Claims (8)
Priority Applications (1)
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| DE9015040U DE9015040U1 (en) | 1990-10-29 | 1990-10-29 | Induction coil |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9015040U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP3030044A1 (en) * | 2014-12-04 | 2016-06-08 | BSH Hausgeräte GmbH | Hotplate device |
| EP3553797B1 (en) * | 2018-04-13 | 2022-04-20 | Institute for Plasma Research | A method of manufacturing radio frequency (rf) coil multi-driver rf based ion source |
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- 1990-10-29 DE DE9015040U patent/DE9015040U1/en not_active Expired - Lifetime
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