ES2338491T3 - Aparato y metodo para ciclo de temperatura. - Google Patents
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Abstract
Un método de ciclo de temperatura de un material situado en un canal para modificar el estado del material entre estados fluido y no fluido, incluyendo el método: proporcionar un conjunto de calentamiento inductivo interno (50) en el material (100) en el canal (102), incluyendo el conjunto de calentamiento una envuelta exterior (52) dispuesta en contacto con el material y una bobina interior (60) acoplada inductivamente a la envuelta, incluyendo además el conjunto de calentamiento un concentrador de flujo (90) para aumentar el acoplamiento inductivo entre la bobina (60) y la envuelta (52); suministrar una señal al conjunto para generar un flujo magnético en al menos uno del conjunto (50) y el material (100), generando el flujo magnético calentamiento inductivo del conjunto (50) y/o el material (100); y ajustar la señal para producir una tasa deseada de ciclo de temperatura del material en el canal (102) que incluye modificar el estado del material (100) entre estados fluido y no fluido.
Description
Aparato y método para ciclo de temperatura.
Esta invención se refiere a un aparato y método
para calentamiento inductivo de un material situado en un canal,
donde un conjunto de calentamiento inductivo interno está dispuesto
en el material en el canal para producir una tasa deseada de ciclo
de temperatura del material entre estados fluido y no fluido.
Es práctica común calentar inductivamente un
articulo (por ejemplo, un cilindro macizo o tubo hueco) de un
material magnetizable, tal como acero, induciendo una corriente
transitoria en el artículo. Esta corriente transitoria es inducida
por un flujo magnético aplicado generado por el paso de una
corriente alterna a través de una bobina calefactora enrollada
alrededor del artículo. El calor generado inductivamente en el
artículo se puede transmitir después a otro artículo, por ejemplo,
un metal o material polimérico que fluye a través de un agujero o
canal de un tubo de acero calentado inductivamente.
Se han propuesto varios sistemas en documentos
como US-A-2003/132 229,
DE-A-3 118 030 o
US-A-2003/057201 que utilizan
combinaciones diferentes de materiales, elementos calentadores
estructurales, frecuencias resonantes, etc, para dichas técnicas de
calentamiento. Se necesita un aparato y método para calentar un
material en un canal que proporcione uno o varios de densidad de
potencia más alta, control más estricto de la temperatura, reducido
consumo de potencia, duración operativa más larga, y/o costos de
fabricación más bajos.
Según una realización de la invención, se
facilita un método para ciclar la temperatura de un material situado
en un canal para modificar el estado del material entre estados
fluido y no fluido. El método incluye los pasos de disponer un
conjunto de calentamiento inductivo interno en el material en el
canal, y suministrar una señal al conjunto para generar un flujo
magnético en al menos uno del conjunto y el material, generando el
flujo magnético calentamiento inductivo del conjunto y/o el
material. La señal es ajustada para producir una tasa deseada de
ciclo de temperatura del material en el canal que incluye modificar
el estado del material entre estados fluido y no fluido.
El estado no fluido puede ser uno o varios de un
estado físicamente rígido y otro semirrígido. El estado fluido puede
ser uno o varios de un estado semisólido y otro líquido.
En una realización, el conjunto de calentamiento
incluye una envuelta exterior dispuesta en contacto con el material
y una bobina interior acoplada inductivamente a la envuelta. La
señal es suministrada a la bobina para generar el flujo magnético
en uno o ambos de la envuelta y el material. El conjunto de
calentamiento también puede incluir un concentrador de flujo para
aumentar el acoplamiento inductivo entre la bobina y la envuelta.
La bobina y envuelta pueden estar en comunicación térmica para
permitir la transmisión de calor de la bobina a la envuelta.
En una realización, el canal está dispuesto en
un elemento exterior, y el ciclo de temperatura incluye el
enfriamiento del material por transferencia conductiva de calor del
material al elemento exterior.
El material puede ser uno o varios de un
material eléctricamente conductor, ferromagnético, eléctricamente no
conductor, térmicamente aislante y conductor térmico. El material
puede ser uno o varios de un metal y un polímero.
La bobina y envuelta pueden estar configuradas
para minimizar el calentamiento resistivo de la bobina, con el fin
de mantener la temperatura de la bobina dentro de límites
operativos. La bobina y la envuelta pueden estar en comunicación
térmica permitiendo la transmisión de calor de la bobina a la
envuelta.
La señal puede incluir pulsos de corriente que
proporcionan armónicos de alta frecuencia en la bobina. Esta señal
es especialmente útil en sistemas que tienen un coeficiente de
amortiguamiento alto que son difíciles de mover (inductivamente) con
resonancia sostenida.
En varias realizaciones, el método puede incluir
además seleccionar la(s) temperatura(s) Curie de uno o
varios de la bobina y la envuelta para proporcionar una tasa
deseada de calentamiento inductivo de la envuelta y/o el material.
La temperatura Curie del concentrador de flujo también se puede
seleccionar para esta finalidad.
En otras realizaciones, el método incluye el
paso de proporcionar uno o varios materiales para la bobina,
dieléctrico, envuelta, y/o concentrador de flujo con el fin de
lograr una temperatura operativa deseada y/o una tasa de
calentamiento inductivo del componente y/o material del
conjunto.
En una realización, el canal está dispuesto en
un sistema de distribución de masa fundida, tal como un colector,
incluyendo uno o varios canales que alimentan una o varias puertas.
Donde se alimentan múltiples puertas, el ciclo de temperatura puede
ser realizado en paralelo y/o en serie para las múltiples
puertas.
Según otra realización de la invención, se
facilita un conjunto de calentamiento inductivo incluyendo:
- \text{*}
- una bobina interior;
- \text{*}
- una envuelta exterior acoplada inductivamente a la bobina;
- \text{*}
- un material dieléctrico dispuesto entre la bobina y envuelta; y
- \text{*}
- un conductor para suministrar una señal a la bobina con el fin de generar un flujo magnético para calentamiento inductivo de la envuelta, y
donde la temperatura Curie de la bobina está por
debajo de una temperatura operativa del material y la temperatura
Curie de la envuelta es superior a la temperatura operativa del
material. El conjunto puede incluir además un concentrador de
flujo; la temperatura Curie del concentrador de flujo también es
superior a la temperatura operativa del concentrador de flujo.
\vskip1.000000\baselineskip
Estas y otras características y/o ventajas de
varias realizaciones de la invención se pueden entender mejor con
referencia a la descripción detallada siguiente en unión con los
dibujos acompañantes.
La figura 1 es una vista esquemática de un
calentador de sonda según una realización de la invención,
incluyendo una vista parcial cortada que representa la bobina
inductiva interior y el aislamiento dieléctrico dentro de la
envuelta ferromagnética exterior.
La figura 2 es una vista parcial cortada
ampliada de otra realización de un calentador de sonda según una
realización de la invención, incluyendo además un concentrador de
flujo dispuesto radialmente dentro de la bobina inductora.
La figura 3 es una vista esquemática en sección
transversal de un calentador de sonda similar al representado en la
figura 1, dispuesto en el extremo de puerta de un sistema de moldeo
por inyección, que ilustra el uso de un calentador de sonda para
fundir un tapón formado junto a la zona de puerta.
La figura 4 representa un perfil de potencia y
temperatura (en el tiempo) durante un ciclo de moldeo particular,
que ilustra una realización de la invención.
Y la figura 5 es un perfil de temperatura (con
respecto al tiempo) que representa las tasas de calentamiento
dinámicas y temperaturas de estado de régimen de la bobina, envuelta
y concentrador de flujo respectivos de una realización del conjunto
calentador, y la del material calentado.
Según varias realizaciones de la invención, se
usa un aparato de calentamiento inductivo para el ciclo de
temperatura de un material situado en un canal. El material se puede
ciclar entre un estado no fluido y otro fluido.
Las figuras 4-5 ilustran algunas
aplicaciones de la presente invención. Antes de explicar estas
aplicaciones, se describirá con respecto a las figuras
1-3 un conjunto de calentamiento inductivo adecuado
y su uso al calentar un material situado en un canal.
En la figura 1 se ilustra una primera
realización de un conjunto de calentamiento inductivo, aquí
denominado un calentador de sonda 10. El calentador 10 tiene un
perfil generalmente alargado y está adaptado para disponerse en un
canal (véase la figura 3) para calentar un material en el canal. El
conjunto de calentamiento incluye una envuelta ferromagnética
exterior generalmente cilíndrica 12 que tiene un interior hueco 14 y
que está cerrada en un extremo 16. Dentro del interior hueco de la
envuelta hay un elemento de calentamiento o bobina inductora 20,
aquí prevista como una bobina sustancialmente helicoidal que se
extiende a lo largo de una longitud axial de la envuelta. Un
aislamiento dieléctrico 30 está dispuesto en y alrededor de la
bobina, incluyendo entre las vueltas individuales de la bobina,
para aislar eléctricamente la bobina 20 de la envuelta 12. La
bobina tiene cables coaxiales de potencia, incluyendo un cable
cilíndrico exterior 32 que conecta con un extremo de la bobina, y
un cable axial central 34 que conecta con el otro extremo de la
bobina y que se extiende a lo largo del eje cilíndrico de la
bobina/conjunto.
La figura 2 ilustra una segunda realización de
una sonda calefactora 50 que es similar a la primera realización,
pero que incluye además un concentrador de flujo ferromagnético para
cerrar el bucle magnético con la envuelta exterior. Al igual que la
figura 1, el conjunto de calentamiento de la figura 2 incluye una
envuelta ferromagnética exterior 52, un elemento calefactor
enrollado en espiral 60, aislamiento dieléctrico 70, y cables
concéntricos de potencia (se representa el cable de retorno 74). El
conjunto incluye además un concentrador de flujo sustancialmente
cilíndrico 90 concéntricamente dispuesto dentro de la bobina 60 y
que se extiende axialmente a lo largo de una longitud del conjunto
de calentamiento. Este concentrador de flujo de alta permeabilidad
mejora el campo magnético formando un bucle magnético cerrado con la
envuelta exterior 52, incrementando así el acoplamiento magnético
entre la bobina 60 y la envuelta 52. El concentrador de flujo tiene
preferiblemente un bucle de corriente abierto (por ejemplo, ranurado
como se representa) para reducir las corrientes transitorias (y por
ello el calor) generado en el concentrador
de flujo.
de flujo.
La figura 3 ilustra una aplicación del conjunto
de calentamiento de la figura 1 dispuesto en un canal 102 (un paso
tubular o conducto para un material fluido), estando situado el
canal en un elemento exterior 104. El elemento exterior 104 puede
ser, por ejemplo, un inserto de molde, un colector de canal caliente
o una boquilla, que tiene un canal de fusión 102 a través del que
puede fluir un material fluido 100, tal como un metal líquido
conductor. El canal en un extremo del elemento exterior tiene una
región ahusada o zona de puerta 106, también denominada una zona de
separación, que permite separar una pieza moldeada 110, formada en
la zona de puerta 106 y en una cavidad de molde adyacente, del
material que queda en el canal de fusión 102. El material fluido
avanza a través del canal hacia la puerta 106 y a la cavidad de
molde, donde es enfriado a un estado sólido no fluido y forma una
pieza moldeada 110. Con el fin de proporcionar una rotura limpia en
la puerta (preferiblemente sin babeo de la puerta), el material en
la zona de canal 112 adyacente a la zona de puerta 106 debe ser
enfriado desde un estado fluido (por ejemplo, estado líquido o
semisólido) a un estado no fluido (por ejemplo, estado físicamente
rígido o semirrígido (deformable) ) . El material no fluido que se
forma y permanece en la zona de canal 112 adyacente a la puerta 106,
se denomina típicamente un tapón. La formación de un tapón permite
así la separación limpia del material solidificado en la zona de
puerta 106 (la pieza moldeada) cuando el molde se abre (por
ejemplo, se aleja un núcleo de molde del lado opuesto del molde).
El enfriamiento del material en la zona de canal 112 junto a la
región de puerta se puede llevar a cabo por conducción térmica, por
ejemplo por conducción de calor hacia la pieza moldeada 110 (que
está en contacto con el núcleo de molde más frío y las paredes de
la cavidad); proporcionando un medio de enfriamiento adicional en o
cerca de la zona de puerta 106 para alejar el calor del material en
zona de canal 112; y/o por cualesquiera otro(s)
parámetro(s) de proceso que reduce(n) la temperatura
del material en la zona de canal 112.
Durante un ciclo de moldeo siguiente, el tapón
no fluido se debe calentar de nuevo a un estado fluido (que puede
fluir). Para ello, se coloca un conjunto de calentamiento inductivo
(calentador de sonda 10) en el material en el canal 102, con el
extremo cerrado 16 de la envuelta exterior dispuesto en o cerca de
la zona de separación 106. El calentador de sonda 10 se dispone en
el centro en el canal 102 y está rodeado por una anchura anular
relativamente estrecha de zona de canal abierta. Se formará un
tapón de material alrededor de la envuelta en la zona 112 en el
extremo de puerta del canal. Con el fin de fundir el tapón (reducir
su viscosidad) de modo que el material pueda ser inyectado de nuevo
a través de la puerta, la bobina interior 20 de la sonda genera un
campo magnético (véanse las líneas 105) que es transmitido a uno o
varios de la envuelta exterior 52 y el material 100 en el canal para
calentamiento inductivo de la envuelta y/o material
respectivamente. El tapón se calienta así y vuelve a un estado
fluido, permitiendo que el material fluya alrededor de la envuelta
exterior y salga a través de la puerta 106.
El calentador de sonda según la presente
invención no se limita a materiales específicos, formas o
configuraciones de sus componentes. Una aplicación o entorno
particular determinará qué materiales, formas y configuraciones son
adecuados.
Por ejemplo, la bobina inductora puede ser de
uno varios de níquel, plata, cobre y aleaciones de níquel/cobre.
Una bobina de níquel (o aleación de alto porcentaje de níquel) es
adecuada para aplicaciones de temperatura más alta (por ejemplo,
500 a 1.000ºC), una bobina de cobre (o aleación de alto porcentaje
de cobre) puede ser suficiente para aplicaciones de temperatura más
baja (por ejemplo, <500ºC). La bobina puede ser de acero
inoxidable o Inconel (una aleación de níquel). En las varias
realizaciones aquí descritas, no se necesita ni es deseable la
refrigeración por agua de la bobina.
Los cables de potencia que alimentan la bobina
inductora pueden incluir un cable de suministro cilíndrico exterior
y un cable de retorno interior concéntrico con el cable de
suministro cilíndrico exterior. Los cables pueden ser de cobre,
níquel, alambre Litz u otros materiales adecuados.
El aislamiento dieléctrico entre la bobina
inductora y la envuelta ferromagnética exterior puede ser una
cerámica tal como uno o varios de óxido de magnesio, alúmina, y
mica. El dieléctrico se puede proporcionar como un polvo, hoja o un
cuerpo fundido rodeando la bobina.
La bobina se puede fundir en un núcleo
dieléctrico cerámico, y una cerámica en polvo dispuesta como una
capa dieléctrica entre la bobina y la envuelta.
La bobina se puede fundir en un cuerpo cerámico
dieléctrico y el conjunto se inserta posteriormente en la
envuelta.
La envuelta se puede hacer de un metal
ferromagnético, tal como un acero serie 400 o un acero para
herramientas.
El concentrador de flujo se puede facilitar como
un elemento tubular dispuesto entre la bobina y el cable de
retorno. El concentrador de flujo puede ser un elemento sólido,
laminado y/o ranurado. Para aplicaciones de baja temperatura, se
puede hacer de un material ferromagnético no conductor eléctrico,
tal como ferrita. Para aplicaciones de temperatura más alta puede
incluir una aleación magnética blanda (por ejemplo, cobalto).
La geometría de la bobina puede tomar algunas de
varias configuraciones, tales como en serpentín o helicoidales. La
sección transversal de la bobina puede ser plana, redonda,
rectangular o medio redonda. En el sentido en que se usa aquí, la
bobina no se limita a una geometría o configuración particular; una
bobina enrollada en espiral de sección transversal plana como la
representada es solamente un ejemplo.
En el sentido en que se usa aquí, calentar
incluye ajustar, controlar y/o mantener la temperatura de un
material en un canal.
En una realización más específica, dada a modo
de ejemplo solamente y que no pretende ser limitativa, el calentador
de sonda se puede disponer en un canal de fusión para calentar
magnesio. El calentador puede incluir una envuelta exterior de
acero para herramientas, una bobina de níquel, un dieléctrico de
alúmina, y un concentrador de flujo de cobalto. La bobina de níquel,
la envuelta de acero y el concentrador de flujo de cobalto pueden
resistir la temperatura relativamente alta de la fusión de magnesio.
La bobina de níquel operará normalmente por encima de su temperatura
Curie (de manera que sea superior a la temperatura de fusión del
magnesio); esto reducirá el calentamiento resistivo de "efecto
piel" de la bobina (y así reducirá el recalentamiento/quemado de
la bobina). La envuelta de acero operará generalmente por debajo de
su temperatura Curie de manera que sea ferromagnética (se caliente
inductivamente), y transferirá calor por conducción para elevar la
temperatura del magnesio en el que se dispone (durante el
calentamiento y/o la operación transitoria). La envuelta puede
estar por encima de su temperatura Curie una vez que el magnesio se
haya fundido, por ejemplo, mientras el magnesio se mantiene en el
estado fundido (por ejemplo, operación de estado de régimen o
control de temperatura). La bobina se enfriará por transmisión
conductiva a la envuelta. Preferiblemente la temperatura Curie del
concentrador de flujo es más alta que la de la envuelta, con el fin
de mantener la permeabilidad del concentrador de flujo, cerrar el
bucle magnético, y mejorar el calentamiento inductivo de la
envuelta.
De nuevo, los materiales específicos, tamaños,
formas y configuraciones de los varios componentes se seleccionarán
dependiendo del material particular a calentar, el tiempo de ciclo,
y otros parámetros del proceso.
En varias aplicaciones del método y aparato de
calentamiento inductivo descritos, puede ser deseable en general que
los varios componentes tengan las propiedades siguientes:
- \text{*}
- La bobina es eléctricamente conductora, puede resistir una temperatura operativa designada, y es paramagnética a la temperatura operativa;
- \text{*}
- La envuelta es ferromagnética a la temperatura operativa deseada, es térmicamente conductora, es eléctricamente conductora, y tiene un recorrido relativamente ininterrumpido para que fluya la corriente transitoria;
- \text{*}
- El material dieléctrico es eléctricamente aislante, térmicamente conductor, y paramagnético de forma sustancialmente completa;
- \text{*}
- El concentrador de flujo no excede de su punto Curie durante la operación, tiene una permeabilidad alta, puede resistir altas temperaturas operativas, y tiene un recorrido circunferencial interrumpido (restringido) para que fluya la corriente transitoria;
- \text{*}
- El material está en buen contacto térmico con la envuelta.
\vskip1.000000\baselineskip
En aplicaciones donde hay acoplamiento directo
del campo magnético al material, los parámetros deseados de la
envuelta también son parámetros deseados del material.
El material del canal a calentar también
afectará a la selección de los parámetros de los componentes de
montaje, la señal aplicada y las tasas de calentamiento. En varias
realizaciones, el material puede incluir uno o varios de un metal y
un polímero, por ejemplo, un metal puro, una aleación metálica, una
mezcla de metal/polímero, etc. En otras realizaciones el
conjunto/proceso puede ser útil en aplicaciones de procesado de
alimentos, por ejemplo, donde se extrusionan y cuecen cereales y/o
pienso para animales.
En varias aplicaciones puede ser deseable
suministrar una señal a la bobina incluyendo pulsos de corriente
que tienen una cantidad deseada de energía de pulso en armónicos de
alta frecuencia para calentamiento inductivo de la envuelta, como
se describe en las Patentes de Estados Unidos números 7.034.263 y
7.034.264, de Kagan, y en la solicitud de Patente de Estados Unidos
publicación número 2006/0076338 A1, de Kagan, publicada el 13 de
Abril de 2006 (número de serie US 11/264.780, titulada Método y
aparato para proporcionar potencia inductiva armónica). Los pulsos
de corriente se caracterizan generalmente como pulsos discretos de
anchura estrecha, separados por retardos relativamente largos,
donde los pulsos contienen una o más porciones muy variables
(primeras derivadas grandes) que proporcionan armónicos de una
frecuencia fundamental (o raíz) de la corriente en la bobina.
Preferiblemente, cada pulso incluye al menos una porción muy
variable para administrar al menos 50% de la energía de pulsos en
el circuito de carga en armónicos de alta frecuencia. Por ejemplo,
la al menos única porción muy variable puede tener una tasa máxima
de cambio de al menos cinco veces la tasa máxima de cambio de una
señal sinusoidal de la misma frecuencia fundamental y amplitud de
corriente RMS. Más preferiblemente, cada pulso de corriente
contiene al menos dos ciclos completos de oscilación antes de
amortiguarse a un nivel por debajo de 10% de una amplitud de un pico
máximo en el pulso de corriente. En las patentes/solicitud
referenciadas se describe un aparato de control de suministro de
potencia que incluye un dispositivo de conmutación que controla un
circuito de carga para distribuir pulsos de corriente en el
circuito de carga de modo que al menos 50% (y más preferiblemente al
menos 90%) de la energía almacenada en el circuito de carga sea
distribuido al circuito de carga. Tales pulsos de corriente pueden
ser usados para mejorar la tasa, intensidad y/o potencia del
calentamiento inductivo distribuido por un elemento de
calentamiento y/o mejorar la duración o reducir el costo de la
complejidad de un sistema de calentamiento inductivo. Son
especialmente útiles al mover una carga amortiguada relativamente
alta, por ejemplo, que tiene una relación de amortiguamiento en el
rango de 0,01 a 0,2, y más específicamente en el rango de 0,05 a
0,1, donde la relación de amortiguamiento, denotada por la letra
griega zeta, se puede determinar midiendo la amplitud de dos picos
de corriente alternativos a_{1}, a_{2} en la ecuación
siguiente:
Esta relación de amortiguamiento, que se puede
determinar alternativamente midiendo las amplitudes de dos picos de
voltaje consecutivos, puede ser usada para seleccionar una función
de señal de corriente deseada para una carga concreta.
\vskip1.000000\baselineskip
La figura 4 ilustra una realización de un ciclo
de moldeo por inyección que puede ser usado para el ciclo de
temperatura de un material obturador formado en una zona de puerta
tal como la previamente descrita con respecto a la figura 3. La
figura 4 es un gráfico de temperatura y potencia (en el eje
vertical) en función del tiempo (en el eje horizontal) donde:
- \text{*}
- La porción superior representa la temperatura del material en la zona de puerta del sistema colector; y
- \text{*}
- La porción inferior representa la potencia introducida en el conjunto de calentamiento inductivo en la zona de puerta del sistema colector.
\vskip1.000000\baselineskip
Generalmente, un cambio en la potencia
suministrada al conjunto calentador inductivo anticipa (da lugar en
el tiempo a) un cambio en la temperatura del material en la zona de
puerta (es decir, hay un retardo de tiempo entre un cambio de
potencia (la causa) y la temperatura deseada del material de puerta
(el efecto)). Por ejemplo, entre los tiempos (a) y (b) se
distribuye un nivel de potencia relativamente alto que produce una
nivelación (una reducción de la tasa de disminución) de la
temperatura del material en la zona de puerta en un tiempo
posterior (2). Igualmente, una reducción de la potencia a un nivel
relativamente bajo entre los tiempos (b) y (c) produce una
disminución de la temperatura del material de puerta entre los
tiempos (2) y (3). Igualmente, un aumento de la potencia a un nivel
intermedio entre los tiempos (c) y (d) produce una nivelación de la
temperatura del material de puerta entre los tiempos (3) y (4).
Finalmente, un aumento a un suministro de potencia alto entre los
tiempos (d) y (e) produce un aumento en la temperatura del material
de puerta entre los tiempos (4) y (5).
Más específicamente, el tiempo cero (0)
representa el inicio de un ciclo de inyección en el que se alimenta
magnesio líquido a una temperatura muy alta (1) en el rango de
aproximadamente 580-620ºC desde un colector a una
cavidad de molde adyacente. En el tiempo cero, el suministro de
potencia de entrada al calentador inductivo (en la zona de puerta
del colector) está a un nivel intermedio, seleccionado de modo que
el magnesio permanezca en el estado fluido cuando avance a través
del canal del colector a la cavidad de molde. Entre el tiempo (0) y
(2), la cavidad de molde se llena, empaqueta y la pieza comienza a
enfriarse en la cavidad de molde. Las paredes relativamente frías
de la cavidad de molde actúan como un colector de calor que quita
calor del material en la cavidad de molde. Al mismo tiempo, la
estrecha proximidad del colector a la cavidad de molde más fría
aleja calor de la zona de puerta del colector de tal manera que la
temperatura del material en la zona de puerta caiga de la
temperatura de alimentación de masa fundida en el tiempo (0) a una
temperatura de separación en el tiempo (2). La temperatura de
separación está dentro de un rango que permite la separación de la
cavidad de molde del colector con una rotura limpia en la puerta, es
decir, mínimo o nulo babeo que se extiende desde la región de
puerta de la pieza moldeada. Aquí, la temperatura de separación es
hacia el extremo inferior de un rango de temperatura semisólida
para el magnesio de 450º a 510ºC. Generalmente no es deseable un
enfriamiento adicional puesto que puede interferir con la obtención
de una separación limpia.
Después de la apertura (separación) del molde,
el material semisólido en la zona de puerta a la temperatura de
"separación" se enfría más a una temperatura de "obturación
segura" en el tiempo (3) para permitir una acumulación de
presión en el colector durante el ciclo siguiente. Esto se lleva a
cabo, como se ha indicado previamente, disminuyendo previamente el
suministro de potencia al calentador inductivo a un nivel
relativamente bajo entre los tiempos (b) y (c). Esto produce una
reducción correspondiente de la temperatura del material de puerta,
entre los tiempos (2) y (3), cuando el material de puerta cae de la
temperatura de separación a la temperatura de obturación segura.
A continuación, la potencia suministrada al
calentador se incrementa a un nivel intermedio entre los tiempos
(c) y (d), produciendo una nivelación de la temperatura del material
de puerta a la temperatura de obturación segura entre los tiempos
(3) y (4). Es deseable mantener el material de puerta a la
temperatura de obturación segura, sin enfriamiento adicional, con
el fin de minimizar el tiempo/energía requeridos para aumentar la
temperatura del material de puerta durante el ciclo de inyección
siguiente.
Antes de cerrar de nuevo el molde, la potencia
suministrada al calentador se incrementa al nivel alto entre los
tiempos (d) y (e), produciendo un aumento (tiempo retardado) de la
temperatura del material de puerta desde la temperatura de
obturación segura a una temperatura de inyección. Entonces, en el
tiempo (5) hay una inyección de una nueva alimentación de magnesio
fundido a 580-620ºC del colector a la cavidad de
molde para comenzar el ciclo de inyección siguiente. El material en
la zona de puerta en el tiempo (5) aumenta rápidamente a la
temperatura de alimentación de masa fundida debido a la sustitución
por la alimentación de masa fundida entrante a
580-620ºC.
Así, la figura 4 ilustra una aplicación de un
proceso de ciclo de temperatura para calentar/enfriar un material en
un canal entre los estados fluido y no fluido.
Las realizaciones previamente descritas de un
conjunto de calentamiento inductivo pueden ser usadas en el ciclo
de proceso ilustrado en la figura 4. En tal proceso, el(los)
punto(s) Curie de la bobina, envuelta y/o concentrador de
flujo se puede(n) seleccionar para lograr una tasa de
calentamiento dinámico deseada y un perfil de temperatura de estado
de régimen, tal como los ilustrados en la figura 5. Preferiblemente,
las temperaturas Curie del concentrador de flujo y envuelta no se
superan dentro de un rango deseado de ciclo de temperatura del
material. En la figura 5, tal calentamiento dinámico tiene lugar
preferiblemente por debajo de T_{envuelta} de la envuelta, y por
debajo de T_{fc} del concentrador de flujo. En contraposición, el
punto Curie de la bobina T_{bobina} se selecciona de manera que
esté por debajo de la temperatura de fluido del material con el fin
de reducir el calentamiento efecto piel de la bobina.
La figura 5 ilustra las respectivas tasas de
calentamiento y perfiles de temperatura de los diferentes
componentes del conjunto calentador que cambian con el tiempo en
base a los puntos Curie de los materiales componentes. En este
ejemplo, el material en el canal que se calienta es paramagnético,
de modo que todo el calentamiento del material resulta de
conducción térmica de la envuelta. Además, las tasas de
calentamiento de los varios componentes del conjunto calentador son
interdependientes, puesto que hay comunicación térmica entre la
bobina, el concentrador de flujo y la envuelta.
Inicialmente, la bobina se calienta muy
rápidamente hasta que llega a su temperatura Curie en el tiempo
t_{1}, punto en el que la tasa de calentamiento de la bobina se
reduce y en último término es superada por la tasa de calentamiento
del concentrador de flujo. El concentrador de flujo permanece
ferromagnético (por debajo de su temperatura Curie T_{fc} durante
los períodos dinámico y de estado de régimen. El concentrador de
flujo se calienta inductivamente, por el flujo magnético generado en
la bobina, pero también por conducción térmica del calor generado
en la bobina. Dado que el concentrador de flujo está en el centro
del conjunto, y parte del calor resistivo generado en la bobina es
transmitido hacia fuera a la envuelta, la temperatura del
concentrador de flujo excede en último término de la de la bobina.
La envuelta también se calienta inductivamente, debido al flujo
magnético generado por la bobina, y también por conducción térmica
del calor de la bobina a la envuelta. La envuelta tiene una tasa de
calentamiento relativamente constante hasta que se alcanza su
temperatura Curie T_{envuelta}, en el tiempo t_{2}, punto en el
que su tasa de calentamiento se nivela (para operación de estado de
régimen) . El material se calienta sustancialmente por conducción
térmica de la envuelta. Su tasa de calentamiento sigue a la de la
envuelta, con temperaturas por debajo de las de la envuelta.
El "punto Curie" o la "temperatura
Curie" de un material es la temperatura a la que su permeabilidad
relativa cambia de un valor alto, por ejemplo, superior a
aproximadamente 400, a 1. A continuación se expone el punto Curie de
algunos materiales de uso común y sus aleaciones:
- \text{*}
- Manganeso 50ºC
- \text{*}
- Cromo 100ºC
- \text{*}
- Ferrita 200 a 400ºC
- \text{*}
- Níquel 300 a 400ºC
- \text{*}
- Acero 700 a 800ºC
- \text{*}
- Cobalto 800 a 1000ºC
\vskip1.000000\baselineskip
El "efecto piel" es otro parámetro que
afecta a las tasas de calentamiento de los varios componentes. El
efecto piel incrementa la resistencia de un conductor eléctrico
reduciendo el área en sección transversal a través de la que puede
fluir corriente. Generalmente, la resistencia de un conductor R
viene dada por:
\newpage
donde \sigma es la conductividad
del material conductor, l es la longitud del conductor y A es el
área en sección del recorrido de corriente en el conductor. La
profundidad de penetración \delta
es:
donde \mu es la permeabilidad del
material conductor, \mu_{0} es la permeabilidad de un vacío, f
es la frecuencia en Hz y \sigma es la conductividad del material.
La profundidad de penetración del flujo de corriente disminuye a
medida que aumenta la frecuencia y/o la permeabilidad. La mayor
parte de la corriente (aproximadamente 63%) fluye dentro de la
profundidad de penetración y casi toda la corriente (aproximadamente
95%) fluye dentro de
3\delta.
\vskip1.000000\baselineskip
El efecto piel tiene lugar en la bobina, así
como en el concentrador de flujo y la envuelta (donde se generan
corrientes transitorias inductivamente). En aplicaciones donde el
material propiamente dicho es calentado inductivamente, el efecto
piel también puede afectar a la tasa de calentamiento inductivo del
material. Así, la temperatura Curie y el efecto piel afectarán a
las tasas de calentamiento relativas de los componentes de montaje y
el material.
Volviendo a la figura 5, el proceso de
calentamiento se inicia aplicando un potencial de fuente de voltaje
a través de la bobina haciendo que fluya más corriente a través de
la bobina. El flujo de corriente en la bobina genera un campo
magnético alrededor de la bobina, proporcional a la corriente a
través de la bobina. Cuando aumenta el campo magnético, interseca
los materiales circundantes, a saber el dieléctrico, el concentrador
de flujo, la envuelta y el material.
Dado que la envuelta y el concentrador de flujo
son ferromagnéticos, el campo magnético fluye libremente a través
de estos materiales, haciendo que en él fluyan corrientes
transitorias. Las corrientes transitorias fluyen en una dirección
circunferencial, contraria a la dirección de la corriente
transitoria en una vuelta de bobina adyacente. Dado que el
concentrador de flujo tiene un bucle de corriente abierto, la
corriente neta a través de cualquier recorrido es relativamente
baja. Sin embargo, el recorrido de corriente en la envuelta se
cierra circunferencialmente y en él fluyen libremente corrientes
transitorias, calentando inductivamente la envuelta. Las corrientes
transitorias en la envuelta encuentran resistencia al flujo
dependiendo del área en sección transversal del recorrido de flujo
y las propiedades del material, como se ha descrito previamente.
La corriente en la bobina también encuentra
resistencia y crea calor. Cuando la temperatura de la bobina está
por debajo de su punto Curie, la sección transversal efectiva es muy
pequeña y se limita (debido al efecto piel) a una zona
circunferencial exterior de la bobina. Sin embargo, cuando la bobina
llega a su punto Curie, el efecto piel se reduce en gran medida y
el área en sección transversal en la que fluye corriente se
incrementa correspondientemente, reduciendo así la resistencia y la
tasa de calor generado en la bobina. Así, antes de llegar a su punto
Curie, la bobina se calienta a una tasa más rápida.
La temperatura del material es completamente
dependiente de la conducción térmica de calor de la envuelta. Por lo
tanto, la temperatura del material siempre retarda la envuelta
durante el calentamiento y es ligeramente más fría en estado
constante.
La temperatura del concentrador de flujo,
suponiendo que las corrientes transitorias se minimicen, es
sustancialmente dependiente de la conducción de calor de la bobina
al concentrador de flujo. Dado que el concentrador de flujo está
completamente rodeado por la bobina en la presente realización,
estará más caliente que la bobina en operación de estado de
régimen, si suponemos que cierto calor generado en la bobina es
transferido hacia fuera a la envuelta y el material. Es preferible
mantener la temperatura del concentrador de flujo por debajo de su
punto Curie para maximizar el acoplamiento inductivo de la bobina y
la envuelta. Si el concentrador de flujo llega a su punto Curie,
abrirá esencialmente el bucle magnético alrededor de la bobina y
disminuirá sustancialmente la corriente transitoria en la envuelta,
reduciendo así la temperatura de la envuelta y el material. Sin
embargo, este efecto puede ser útil en ciertos procesos de ciclo de
temperatura con el fin de reducir la tasa de calentamiento del
material.
Será fácilmente evidente a los expertos que
estas y otras modificaciones quedan incluidas dentro del alcance de
las reivindicaciones siguientes.
Claims (19)
1. Un método de ciclo de temperatura de un
material situado en un canal para modificar el estado del material
entre estados fluido y no fluido, incluyendo el método:
proporcionar un conjunto de calentamiento
inductivo interno (50) en el material (100) en el canal (102),
incluyendo el conjunto de calentamiento una envuelta exterior (52)
dispuesta en contacto con el material y una bobina interior (60)
acoplada inductivamente a la envuelta, incluyendo además el conjunto
de calentamiento un concentrador de flujo (90) para aumentar el
acoplamiento inductivo entre la bobina (60) y la envuelta (52);
suministrar una señal al conjunto para generar
un flujo magnético en al menos uno del conjunto (50) y el material
(100), generando el flujo magnético calentamiento inductivo del
conjunto (50) y/o el material (100); y
ajustar la señal para producir una tasa deseada
de ciclo de temperatura del material en el canal (102) que incluye
modificar el estado del material (100) entre estados fluido y no
fluido.
\vskip1.000000\baselineskip
2. El método de la reivindicación 1, donde
el estado fluido es uno o varios de un estado
semisólido y otro líquido, y
el estado no fluido es uno o varios de un estado
físicamente rígido y otro semirrígido.
\vskip1.000000\baselineskip
3. El método de la reivindicación 1, donde:
la bobina (60), el concentrador de flujo (90) y
la envuelta (52) están en comunicación térmica para permitir la
transmisión de calor de la bobina (60) al concentrador de flujo (90)
y la envuelta (52).
\vskip1.000000\baselineskip
4. El método de la reivindicación 3, donde:
el concentrador de flujo (90) y la envuelta (52)
operan por debajo de su respectivas temperaturas Curie; y
la bobina (60) opera por encima de su
temperatura Curie.
\vskip1.000000\baselineskip
5. El método de la reivindicación 1, donde:
la bobina (60) y la envuelta (52) están en
comunicación térmica para permitir la transmisión de calor de la
bobina (60) a la envuelta (52).
\vskip1.000000\baselineskip
6. El método de la reivindicación 1, donde:
el canal (102) está dispuesto en un elemento
exterior; y
el ciclo de temperatura incluye el enfriamiento
del material por transferencia conductiva de calor del material
(100) al elemento exterior.
\vskip1.000000\baselineskip
7. El método de la reivindicación 1, donde:
el material (100) es uno o varios de un metal y
un polímero.
\vskip1.000000\baselineskip
8. El método de la reivindicación 1, donde:
la bobina (60) y la envuelta (52) están
configuradas para minimizar el calentamiento de la bobina (60) con
el fin de mantener la temperatura de la bobina dentro de un límite
operativo.
\vskip1.000000\baselineskip
9. El método de la reivindicación 1, donde:
la señal incluye pulsos de corriente que
proporcionan armónicos de alta frecuencia en la bobina (60).
\vskip1.000000\baselineskip
10. El método de la reivindicación 1,
incluyendo:
seleccionar la(s) temperatura(s)
Curie de una o varias de la bobina (60) y la envuelta (52) para
proporcionar una tasa deseada de calentamiento inductivo de la
envuelta (52) y/o el material (100).
\vskip1.000000\baselineskip
11. El método de la reivindicación 1,
incluyendo:
seleccionar la(s) temperatura(s)
Curie de uno o varios de la bobina (60), la envuelta (52) y el
concentrador de flujo (90) para proporcionar una tasa deseada de
calentamiento inductivo de la envuelta (52) y/o el material
(100).
\vskip1.000000\baselineskip
12. El método de la reivindicación 1,
incluyendo:
proporcionar un material de bobina que es
eléctricamente conductor y paramagnético a la temperatura operativa
de la bobina;
proporcionar un material de envuelta que es
eléctricamente conductor, térmicamente conductor, y ferromagnético a
la temperatura operativa de la envuelta;
proporcionar un material de concentrador de
flujo que está por debajo de su punto Curie a la temperatura
operativa del concentrador de flujo; y
proporcionar entre la bobina (60) y la envuelta
(52) un material dieléctrico que es eléctricamente aislante,
térmicamente conductor y paramagnético a la temperatura operativa
del dieléctrico.
\vskip1.000000\baselineskip
13. El método de la reivindicación 1, donde:
el canal (102) está dispuesto en un sistema de
distribución de masa fundida.
\vskip1.000000\baselineskip
14. El método de la reivindicación 13, donde: el
canal (102) alimenta una puerta.
15. El método de la reivindicación 13,
donde:
el sistema de distribución de masa fundida
incluye múltiples canales que alimentan múltiples puertas, y el
ciclo de temperatura se realiza en paralelo para las múltiples
puertas.
\vskip1.000000\baselineskip
16. Un conjunto de calentamiento inductivo (50)
incluyendo:
una bobina interior (60);
una envuelta exterior (52) acoplada
inductivamente a la bobina (60);
un material dieléctrico (70) dispuesto entre la
bobina (60) y la envuelta (52);
un conductor (72, 74) para suministrar una señal
a la bobina (60) para generar un flujo magnético para calentamiento
inductivo de la envuelta (52);
donde la temperatura Curie de la bobina (60)
está por debajo de una temperatura operativa de la bobina (60) y la
temperatura Curie de la envuelta (52) está por encima de la
temperatura operativa de la envuelta (52); y caracterizado
porque
el conjunto incluye un concentrador de flujo
(90), y la temperatura Curie del concentrador de flujo (90) es
superior a la temperatura operativa del concentrador de flujo
(90).
\vskip1.000000\baselineskip
17. El conjunto de la reivindicación 16, donde
la bobina (60) y la envuelta (52) están en comunicación térmica que
permite la transmisión de calor de la bobina (60) a la envuelta
(52).
18. El conjunto de calentamiento inductivo de la
reivindicación 16, donde la bobina (60), el concentrador de flujo
(90) y la envuelta (52) están en comunicación térmica, que permite
la transmisión de calor de la bobina (60) al concentrador de flujo
(90) y la envuelta (52).
19. El conjunto de calentamiento inductivo de la
reivindicación 16, donde el concentrador de flujo (90) está
dispuesto dentro de la bobina (60).
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