EP1688538A1

EP1688538A1 - Heizwalze

Info

Publication number: EP1688538A1
Application number: EP05111363A
Authority: EP
Inventors: Joachim Hinz; Josef Schneid; Peter Wiemer; Ulrich Rothfuss; Hans-Rolf Conrad; Frank Levi; Thomas Hermsen
Original assignee: Voith Patent GmbH; Voith Paper Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2005-11-28
Publication date: 2006-08-09
Also published as: DE102005005104A1

Abstract

Es wird eine Heizwalze (1) angegeben mit einer Umfangsfläche (2) und einer auf die Umfangsfläche (2) wirkenden induktiven Heizeinrichtung (6), die mindestens eine axial verlaufende Induktoranordnung mit mindestens einem Leiter (7) und einer Polschuhanordnung aufweist.

Man möchte mit geringem Aufwand induktiv eine hohe Heizleistung auf die Umfangsfläche übertragen können und diese in Axialrichtung steuern.

Hierzu ist vorgesehen, daß die Polschuhanordnung durch einen Stapel von Polschuhelementen (11; 11a-111) gebildet ist, die in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei mindestens einem Teil der Polschuhelemente (11; 11a-111) jeweils eine Stelleinrichtung (21, 23) zugeordnet ist, mit der der Abstand des jeweiligen Polschuhelements (11; 11a-111) von der Umfangsfläche (2) veränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizwalze mit einer Umfangsfläche und einer auf die Umfangsfläche wirkenden induktiven Heizeinrichtung, die mindestens eine axial verlaufende Induktoranordnung mit mindestens einem Leiter und einer Polschuhanordnung aufweist.
Eine derartige Heizwalze ist insbesondere zum Einsatz in einem Kalander vorgesehen. In einem Kalander wird eine Materialbahn, die durch einen Nip zwischen der Heizwalze und einer weiteren Walze geführt ist, mit Druck und mit einer erhöhten Temperatur beaufschlagt, wobei die erhöhte Temperatur durch die Heizwalze bereitgestellt wird.
Eine bekannte Möglichkeit, einer Heizwalze die benötigte Wärmemenge zuzuführen, besteht darin, ein Wärmeträgermedium durch die Heizwalze zu leiten. Hierzu sind in der Regel peripher verlaufende Heizkanäle vorgesehen, die vom Wärmeträgermedium durchströmt werden. Grenzen der Wärmezufuhr sind dabei durch das Wärmeträgermedium gesetzt. Wasser kann beispielsweise nur so weit erhitzt werden, bis es verdampft. Wenn höhere Temperaturen erforderlich sind, muß man eine andere Flüssigkeit, beispielsweise Öl, verwenden. Auch hier gibt es aber Grenzen der Wärmezufuhr, die einerseits durch die maximale Betriebstemperatur des Öls und andererseits durch die maximale Strömungsgeschwindigkeit des Öls bestimmt sind.
Man hat daher auch induktive Außenheizungen verwendet, bei denen man mit Hilfe eines zeitlich veränderbaren Magnetfeldes in der Oberfläche der Heizwalze Wirbelströme induziert. Derartige induktive Außenheizungen weisen in der Regel eine Vielzahl von in Axialrichtung der Walze nebeneinander angeordneten Spulen auf, die jeweils einen radial zur Walze gerichteten Anker umgeben. Mit diesen Spulen ist es zusätzlich möglich, die Verteilung der Wärmezufuhr in Axialrichtung zu steuern. Derartige Außenheizungen werden daher vielfach zur Profilierung verwendet. Allerdings ist eine derartige induktive Heizung relativ aufwendig.
Eine andere Art der induktiven Beheizung einer Heizwalze besteht darin, daß eine Induktoranordnung, die in der Regel durch eine Leiterschleife mit einem Hin- und einem Rückleiter gebildet ist, parallel zur Achse der Heizwalze in der Nachbarschaft der Umfangsfläche angeordnet ist. Wenn man diese Induktoranordnung mit einer Wechselspannung beaufschlagt, dann entsteht etwa in der Mitte zwischen den beiden Leitern der Induktoranordnung eine sich entsprechend ändernde maximale magnetische Induktion, die ihrerseits wiederum Wirbelströme induziert. Eine Polschuhanordnung ist vorgesehen, um den magnetischen Fluß in die Walzenoberfläche zu bündeln und dadurch den Wirkungsgrad der Heizeinrichtung möglichst groß zu machen.
Diese Art der Induktivheizung, deren Aufbau an sich einfach und kostengünstig ist, hat jedoch den Nachteil, daß die Beheizung über die axiale Länge der Heizwalze nur einheitlich gesteuert werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand induktiv eine hohe Heizleistung auf die Umfangsfläche zu übertragen und diese in Axialrichtung zu steuern.
Diese Aufgabe wird bei einer Heizwalze der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Polschuhanordnung durch einen Stapel von Polschuhelementen gebildet ist, die in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei mindestens einem Teil der Polschuhelemente jeweils eine Stelleinrichtung zugeordnet ist, mit der der Abstand des jeweiligen Polschuhelements von der Umfangsfläche veränderbar ist.
Mit dieser Ausgestaltung läßt sich die an die Umfangsfläche übertragbare Heizleistung in Axialrichtung lokal in gewissen Grenzen verändern. Die an die Umfangsfläche übertragene Heizleistung hängt u.a. von der Stärke des magnetischen Flusses oder der magnetischen Induktion ab, die an die Umfangsfläche gelangt. Dementsprechend ist diese Induktion um so stärker, je dichter sich das Polschuhelement an der Umfangsfläche befindet, d.h. je kleiner der Luftspalt ist. Durch eine stärkere Annäherung des Polschuhelements läßt sich also die Heizleistung erhöhen. Durch eine stärkere Entfernung des Polschuhelements von der Umfangsfläche läßt sich die Heizleistung vermindern. Da man nun einzelne oder sogar alle Polschuhelemente verstellen kann, ist man nicht mehr darauf beschränkt, über die axiale Länge der Heizwalze immer die gleiche Wärmemenge zu übertragen, also die entsprechende Heizleistung zu erbringen, sondern man kann diese Heizleistung in Axialrichtung verändern und zwar einfach dadurch, daß man den Abstand der einzelnen Polschuhelemente auf einen entsprechenden Wert einstellt.
Dabei ist bevorzugt, daß die Induktoranordnung in bezug auf die Umfangsfläche radial ortsfest angeordnet ist. Da über die Induktoranordnung teilweise erhebliche Ströme übertragen werden müssen, um die entsprechende Heizleistung zu erbringen, ist die ortsfeste Anordnung des Induktors günstig, weil keine beweglichen elektrischen Leitungen vorgesehen sein müssen.
Vorzugsweise sind die Polschuhelemente an einem Querträger angeordnet. Der Querträger erstreckt sich also über die axiale Länge der Heizwalze oder sogar noch darüber hinaus. Er erlaubt es, die einzelnen Polschuhelemente in bezug auf die Umfangsfläche der Walze entsprechend zu positionieren.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Polschuhelemente gegenüber dem Querträger verschwenkbar sind. Das Verschwenken ist eine relativ einfache Möglichkeit, den Abstand der Polschuhelemente von der Umfangsfläche zu verändern. Bei der Veränderung dieses Abstands kommt es nicht nur auf die Veränderung des absoluten Abstandes an. Entscheidend ist vielmehr die Höhe des magnetischen Widerstandes, mit anderen Worten die Länge der Luftspalte, die durch das Polschuhelement einerseits und die Umfangsfläche der Walze andererseits definiert werden. Bei einer Schwenkbewegung der Polschuhelemente werden diese Luftspalte zwar nicht gleichmäßig vergrößert. Der gewünschte Effekt, nämlich die Verstärkung oder Abschwächung des magnetischen Feldes in der Oberfläche der Heizwalze, tritt jedoch ein.
Bevorzugterweise sind die Polschuhelemente um eine Achse verschwenkbar, die parallel zur Achse der Heizwalze verläuft. Dies ist eine besonders einfache Ausgestaltung, die zudem relativ wenig Bauraum benötigt.
In einer alternativen Ausgestaltung sind die Polschuhelemente auf einer radial zur Umfangsfläche verlaufenden Längsführung gelagert. In diesem Fall werden die Polschuhelemente linear verlagert, wenn der Abstand zur Umfangsfläche verändert werden soll. Der Begriff "radial" ist hier nicht im mathematisch strengen Sinn zu verstehen. Die Polschuhelemente werden einfach durch eine Linearbewegung von der Umfangsfläche der Heizwalze entfernt oder an sie angenähert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Querträger relativ zur Umfangsfläche verlagerbar ist. Mit dieser Bewegung läßt sich in gewissen Grenzen die Heizleistung insgesamt verändern, die an die Umfangsfläche der Heizwalze übertragen wird. Darüber hinaus läßt sich mit dieser Ausgestaltung die Wartung eines Kalanders vereinfachen, in den die Heizwalze eingebaut wird. Wenn beispielsweise ein Walzenwechsel erforderlich ist, dann kann der Querträger in ausreichendem Maße von der Umfangsfläche der Heizwalze entfernt werden.
Vorzugsweise ist der Abstand der Polschuhelemente von der Umfangsfläche stufenlos veränderbar. Damit läßt sich auch die übertragene Heizleistung auf die Umfangsfläche in gewissen Grenzen praktisch stufenlos verändern.
Vorzugsweise weisen die Polschuhelemente einen maximalen Abstand von 10 mm zur Umfangsfläche auf. Damit erhält man einen guten Wirkungsgrad. Da die Beeinflussung der Heizleistung bei der Veränderung des Abstandes der Polschuhelemente im wesentlichen über die Veränderung des Wirkungsgrads erfolgt, wird mit dieser Maßangabe dafür Sorge getragen, daß der Wirkungsgrad nicht unter einen vertretbaren Wert absinkt.
Bevorzugterweise sind mehrere Polschuhelemente gruppenweise zusammengefaßt, wobei jede Gruppe eine für die Polschuhelemente der Gruppe gemeinsame Stelleinrichtung aufweist. Es ist in vielen Fällen nicht unbedingt erforderlich, jedes Polschuhelement für sich zu steuern. Eine derartige Möglichkeit erlaubt zwar eine sehr feinfühlige Verteilung der Wärmezufuhr in axialer Richtung der Heizwalze. Wenn man einen derartig großen Aufwand aber nicht treiben möchte, dann kann man durchaus mehrere Polschuhelemente zusammenfassen. Die Verwendung von mehreren Polschuhelementen in einer Gruppe hat den Vorteil, daß man die Zuordnung einzelner Polschuhelemente zu den jeweiligen Gruppen leicht ändern kann. Sollte sich also im Betrieb herausstellen, daß eine bestimmte Gruppenanordnung nicht günstig ist, dann läßt sich diese auf einfache Weise umstellen. Darüber hinaus verringert die Verwendung von mehreren Polschuhelementen auch in einer Gruppe die Ausbildung von Wirbelströmen in der Polschuhanordnung.
Bevorzugterweise weisen die Polschuhelemente eine axiale Erstreckung im Bereich von 50 bis 200 mm auf. Jedes Polschuhelement kann zusätzlich noch durch wesentlich dünnere Trafo-Bleche gebildet sein, die beispielsweise unter Zwischenlage von Isolierpapier aufeinandergestapelt sind. Eine Erstreckung von 50 bis 200 mm läßt aber eine ausreichend feinfühlige Wärmezufuhr-Steuerung in axialer Richtung zu.
Auch ist von Vorteil, wenn benachbarte Polschuhelemente durch eine Kunststoffschicht voneinander getrennt sind. Die Kunststoffschicht ermöglicht ein reibungsarmes Gleiten benachbarter Polschuhelemente aneinander. Darüber hinaus isoliert die Kunststoffschicht benachbarte Polschuhelemente elektrisch voneinander, um die Ausbildung von Wirbelströmen in der Polschuhanordnung zu verhindern oder zumindest zu vermindern. Die Herabsetzung der Reibung hat den Vorteil, daß die Einstellung der radialen Position der einzelnen Polschuhelemente genauer erfolgen kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:

Fig. 1: eine schematische Darstellung einer Heizwalze von oben,
Fig. 2: eine erste Ausführungsform einer Heizwalze von der Seite und
Fig. 3: eine zweite Ausführungsform einer Heizwalze von der Seite.

Eine Heizwalze 1 weist eine Umfangsfläche 2 auf, die im Betrieb, wenn sich die Walze um eine Achse 3 dreht, umläuft. Die Heizwalze 1 bildet zusammen mit einer in Fig. 2 nur schematisch dargestellten Gegenwalze 4 einen Nip 5, durch den eine nicht näher dargestellte Materialbahn, beispielsweise eine Papierbahn, geführt werden kann. Die Materialbahn wird dann im Nip 5 mit erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur beaufschlagt.
Um die Umfangsfläche 2 der Heizwalze 1 beheizen zu können, weist die Heizwalze 1 eine Heizeinrichtung 6 auf. Die Heizeinrichtung 6 weist eine Induktoranordnung mit zwei elektrischen Leitern 7, 8 auf. Jeder Leiter 7, 8 ist über die gesamte axiale Länge der Heizwalze 1 geführt. Die beiden Leiter 7, 8 sind durch eine Verbindung 9 an einer Stirnseite der Heizwalze 1 miteinander verbunden. An der anderen Stirnseite der Heizwalze 1 ist eine Versorgungseinrichtung 10 angeordnet, die mit den beiden elektrischen Leitern 7, 8 verbunden ist. Die Versorgungseinrichtung 10 stellt die elektrische Energie, die zum Beheizen der Umfangsfläche 2 der Heizwalze 1 benötigt wird, in Form von Strom und Spannung einer vorbestimmten Frequenz zur Verfügung.
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades weist die Induktoranordnung darüber hinaus eine Polschuhanordnung mit einer Vielzahl von in Axialrichtung der Heizwalze nebeneinander angeordneten Polschuhelementen 11 auf. Um die Polschuhelemente 11 in Fig. 1 unterscheidbar zu machen, sind sie zusätzlich mit kleinen Buchstaben 11a-111 gekennzeichnet.
Wie aus Fig. 2 und 3 hervorgeht, ist jedes Polschuhelement 11 im Schnitt E-förmig ausgebildet, d.h. ein Korpus 12 weist drei Arme 13, 14, 15 auf. Der äußere Arm 13 und der mittlere Arm 14 umschließen eine Ausnehmung 16, in der der Leiter 7 angeordnet ist. Der andere äußere Arm 15 und der mittlere Arm 14 umschließen eine Ausnehmung 17, in der der Leiter 8 angeordnet ist. Da die beiden Leiter 7, 8, wie durch Punkt und Kreuz angedeutet, jeweils von entgegengesetzt gerichteten Strömen durchflossen sind, ergibt sich im Bereich des Armes 14 das stärkste magnetische Feld und damit entsprechend die stärkste Wirbelstrombildung in der Umfangsfläche 2 der Heizwalze 1. Dies setzt lediglich eine elektrisch leitfähige Oberfläche der Heizwalze 1 voraus.
Die Polschuhelemente 11 sind jeweils an einem Querträger 18 angeordnet. Der Querträger 18 ist im Bereich eines Doppelpfeils 19 relativ zur Heizwalze 1 verlagerbar. Zusätzlich ist entweder jedes Polschuhelement 11 oder eine Gruppe von Polschuhelementen 11 gegenüber dem Querträger 18 verlagerbar in Richtung eines Doppelpfeiles 20. Hierzu ist eine Stelleinrichtung 21 vorgesehen, die im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 beispielsweise als pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist. Die Stelleinrichtung 21 ist mit dem Querträger 18 und dem Polschuhelement 11 verbunden. Wenn die Stelleinrichtung 21 betätigt wird, dann wird das Polschuhelement 11 um eine Achse 22, die parallel zur Achse 3 der Heizwalze 1 verläuft, verschwenkt, so daß sich hauptsächlich der Abstand des Armes 15 zur Umfangsfläche 2 der Heizwalze verändert. In etwas geringerem Maße verändert sich auch der Abstand des Armes 14 zur Umfangsfläche 2 der Heizwalze 1 und in noch geringerem Maße der Abstand des Armes 13 zur Umfangsfläche 2 der Heizwalze 1. Insgesamt verändert sich aber bei einer Schwenkbewegung des Polschuhelements 11 gegenüber der Umfangsfläche 2 der magnetische Widerstand, weil der Luftspalt, mit anderen Worten der Abstand zwischen den drei Armen 13-15 und der Umfangsfläche 2 der Heizwalze 1, verändert wird. Je größer der Luftspalt ist, desto geringer ist die an die Heizwalze 1 übertragbare Heizleistung. Je geringer der Abstand ist, desto größer ist die übertragbare Heizleistung.
Wenn man nun diesbezüglich die Fig. 1 betrachtet, stellt man fest, daß im Bereich der Polschuhelemente 11a-11d ein größeres Maß an elektrischer Leistung zum Beheizen an die Heizwalze 1 übertragen wird, als im Bereich der Polschuhelemente 11e-11g. Dort wird eine verminderte Heizleistung übertragen. Im Bereich der Polschuhelemente 11h-11j wird hingegen wieder eine stärkere Heizleistung übertragen als im Bereich der Polschuhelemente 11a-11d. Im Bereich des Polschuhelements 11k wird wiederum weniger Heizleistung übertragen und im Bereich des Polschuhelements 111 wird wieder die maximale elektrische Heizleistung an die Umfangsfläche 2 der Heizwalze 1 übertragen.
Die axiale Erstreckung der Polschuhelemente liegt im Bereich von 50 bis 200 mm. Dementsprechend läßt sich, wenn jedes der Polschuhelemente 11a-111 getrennt verstellbar ist, auch eine entsprechend feine axiale Auflösung der Heizleistung einstellen.
Man kann aber auch vorsehen, daß zwei oder mehrere Polschuhelemente 11 miteinander verbunden werden und gemeinsam durch eine einzige Stelleinrichtung verlagert werden. In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, über die axiale Länge der Heizwalze eine vorbestimmte Anzahl von Stelleinrichtungen 21 vorzusehen und jede von diesen dann über eine gemeinsame Betätigungseinrichtung auf eine Gruppe von Polschuhelementen wirken zu lassen. Eine derartige Betätigungseinrichtung kann beispielsweise durch eine Stange gebildet sein, die durch entsprechende Ösen an der Außenseite der Polschuhelemente geführt ist. Auf diese Weise läßt sich die Zuordnung von einer Stelleinrichtung zu einer Gruppe von Polschuhelementen 11 bzw. die Zuordnung von Polschuhelementen zu einer Gruppe leicht ändern.
Zweckmäßigerweise sind die einzelnen Polschuhelemente 11a-111 jeweils durch eine dünne Kunststoffschicht voneinander getrennt. Diese Kunststoffschicht unterbindet zum einen die Ausbildung von Wirbelströmen in der Polschuhanordnung, d.h. es können keine Wirbelströme von einem Polschuhelement zum anderen fließen. Zum anderen läßt sich durch eine Kunststoffschicht die Reibung zwischen benachbarten Polschuhelementen 11a-111 vermindern, so daß die Reibung das Stellverhalten oder die Positionierung der einzelnen Polschuhelemente 11a-111 nicht nennenswert beeinträchtigt.
Die Leiter 7, 8 sind gegenüber der Heizwalze 1 ortsfest angeordnet. Genauer gesagt sind sie gegenüber dem Querträger 18 ortsfest angeordnet. Wenn also die Heizwalze 1 beispielsweise ausgebaut werden soll, dann lassen sich die Leiter 7, 8 gemeinsam mit den Polschuhelementen 11 und dem Träger 18 von der Walze 1 entfernen.
Fig. 3 zeigt ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 2 werden die Polschuhelemente 11 hier nicht verschwenkt, sondern linear in Richtung des Doppelpfeiles 20 bewegt. Hierzu ist ein Linearantrieb vorgesehen, der beispielsweise einen Rotationsmotor 23 umfaßt, der auf eine Gewindespindel 24 wirkt. Der Rotationsmotor 23 kann als Schrittmotor ausgebildet sein. Die Gewindespindel steht mit einem Gewindestück 25 in Eingriff, das wiederum mit dem Korpus 12 des Polschuhelements 11 verbunden ist. Eine Linearführung 26 führt das Polschuhelement 11 gegenüber dem Querträger 18.

Claims

Heizwalze mit einer Umfangsfläche und einer auf die Umfangsfläche wirkenden induktiven Heizeinrichtung, die mindestens eine axial verlaufende Induktoranordnung mit mindestens einem Leiter und einer Polschuhanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhanordnung durch einen Stapel von Polschuhelementen (11; 11a-111) gebildet ist, die in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei mindestens einem Teil der Polschuhelemente (11; 11a-111) jeweils eine Stelleinrichtung (21, 23) zugeordnet ist, mit der der Abstand des jeweiligen Polschuhelements (11; 11a-111) von der Umfangsfläche (2) veränderbar ist.
Heizwalze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktoranordnung (7, 8) in bezug auf die Umfangsfläche (2) radial ortsfest angeordnet ist.
Heizwalze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhelemente (11; 11a-111) an einem Querträger (18) angeordnet sind.
Heizwalze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhelemente (11; 11a-111) gegenüber dem Querträger (18) verschwenkbar sind.
Heizwalze nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhelemente (11; 11a-111) um eine Achse (22) verschwenkbar sind, die parallel zur Achse (3) der Heizwalze (1) verläuft.
Heizwalze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhelemente (11; 11a-111) auf einer radial zur Umfangsfläche (2) verlaufenden Längsführung (26) gelagert sind.
Heizwalze nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Querträger (18) relativ zur Umfangsfläche (2) verlagerbar ist.
Heizwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Polschuhelemente (11; 11a-111) von der Umfangsfläche (2) stufenlos veränderbar ist.
Heizwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhelemente (11; 11a-111) einen maximalen Abstand von 10 mm zur Umfangsfläche (2) aufweisen.
Heizwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Polschuhelemente (11; 11a-111) gruppenweise zusammengefaßt sind, wobei jede Gruppe eine für die Polschuhelemente (11; 11a-111) der Gruppe gemeinsame Stelleinrichtung (21, 23) aufweist.
Heizwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Polschuhelemente (11; 11a-111) eine axiale Erstreckung im Bereich von 50 bis 200 mm aufweisen.
Heizwalze nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Polschuhelemente (11; 11a-111) durch eine Kunststoffschicht voneinander getrennt sind.