FI72023C

FI72023C - Foerfarande och anordning foer alstring av termisk energi och vibrationsenergi.

Info

Publication number: FI72023C
Application number: FI852101A
Authority: FI
Inventors: Kari Kirjavainen
Original assignee: Nokia Oy Ab
Priority date: 1985-05-27
Filing date: 1985-05-27
Publication date: 1987-03-09
Also published as: FI72023B; US4739210A; FI852101A0; EP0203564A1

Description

1 72023

Menetelmä ja laite lämpö- ja värähtelyenergian tuottamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä ja laite lämpö- ja 5 värähtelyenergian synnyttämiseksi samanaikaisesti- Menetelmässä lämpö tuotetaan edullisesti induktiivisen kuumennuksen avulla ja värähtelyt synnytetään edullisesti ainakin pietsosähköisten elementtien avulla.

Tunnetussa induktiokuumennusmenetelmässä sijoitetaan 10 kuumennettava kappale vaihtovirtakelan sisään, jolloin se lämpenee siinä itsessään syntyvien pyörrevirtojen vaikutuksesta. Induktiokuumennuksen piiriin luetaan myös laite, jossa kuumennettava kohde muodostaa muuntajan oikosuljetun toisiopiirin.

15 Induktiokuumennus toteutetaan yleensä induktiivisen ja kapasitiivisen elementin sarjakytkennän muodostamalla resonanssipiirillä, jossa induktiivista elementtiä (kelaa) käytetään itse kuumennukseen ja kapasitiivinen elementti (kondensaattori) vaikuttaa ainoastaan värähtelypiirin re-20 sonanssitaajuuteen. Teholähteinä induktiokuumentimissa käytetään esimerkiksi puolijohteilla toteutettuja invert-tereitä.

Keksinnön mukaisesti on nyt havaittu, että induktio-kuumennukseen käytetyn sarjaresonanssipiirin kapasitiivi-25 nen elementti voidaan toteuttaa pietsosähköisenä, jolloin piirillä voidaan kuumennuksen yhteydessä synnyttää mekaanisia värähtelyjä. Yksinkertaisemmassa muodossaan keksinnön mukainen laite koostuu siis kuumennuskelan ja pietsosäh-köisen kondensaattorin sarjakvtkennästä, jota toisesta 30 päästä ohjataan esim. invertterillä, ja jonka toinen pää on maadoitettu.

Aikaisemmin on induktiivisen ja kapasitiivisen komponentin sarjakytkennän muodostamaa resonanssipiiriä, jossa kapasitiivinen komponentti on pietsosähköinen, käytet-35 ty jossain määrin värähtelyjen synnyttämiseen. Vaikeute-tällaisen piirin yhteydessä on kuitenkin ollut se, että 2 72023 pietsosähköisen komponentin resonanssialue on hyvin kapea, jolloin ohjaustaajuuden sovittaminen tähän kapeaan taa-juuspiikkiin on ollut hyvin hankalaa. Tästä syystä ei myöskään etukäteen ole oletettavissa, että induktiokuumen-5 nukseen käytetyn sarjaresonanssipiirin (LC-piirin) kapasi-tiivinen komponentti voitaisiin toteuttaa pietsosähköise-nä. Nyt on kuitenkin havaittu, että kuumennuksen aiheuttamat lisähäviöt saavat aikaan resonanssialueen laajenemisen, jolloin piirin ohjaus helpottuu huomattavasti, koska 10 ohjaustaajuuden sovittaminen on helpompaa.

Käytännön kokeissa on resonanssialueen todettu laajenevan noin kymmenkertaiseksi leveydeltään. Resonanssipiirin ohjauksen helpottumisen myötä voidaan värähtelyä tehostaa käyttämällä kuumennuskelassa magnetostriktiivistä sydäntä, 15 jonka värähtely tehostaa pietsosähköisen elementin vaikutusta. Keksinnön eräässä sovellutusmuodossa on kapasitii-viseen pietsosähköiseen elementtiin yhdistetty magneto-striktiivisiä ominaisuuksia, jolloin kela voidaan käämiä kapasitiivisen elementin ympärille. Keksinnön mukaiselle 20 menetelmälle ja laitteelle ovat siten tunnusomaisia patenttivaatimusten 1, 3, 4 ja 5 tunnusmerkkiosissa kuvatut piirteet.

Keksinnön mukaisella ratkaisulla aikaansaadaan yksinkertaisen laitteiston avulla kuumennuksen yhteydessä 25 myös värähtelyenergiaa, ja sillä onkin havaittu olevan useita edullisia sovellutuskohteita. Laitetta voidaan käyttää esimerkiksi kaapelien vulkanointi- ja esilämmitys-laitteena. Tällöin suoritetaan metallijohtimien esiläm-mitys induktiokuumennuksella sarjaresonanssipiirin kelan 30 avulla ja eristemateriaalin vulkanointi käyttäen hyväksi piirin kapasitiivisen elementin värähtelyä. Toinen edullinen keksinnön mukaisen laitteen ja menetelmän sovellutuskohde on kaapelien yhdistetty veto- ja hehkutuslaite, jossa johdin hehkutetaan induktiouunissa ja värähtelyn 35 avulla pienennetään vetokivien aiheuttamaa kitkaa. Kolmas havaittu edullinen sovellutuskohde on extruusiolaite,

II

3 72023 jossa materiaali voidaan kuumentaa siten, että kelojen aiheuttamilla pyörrevirroilla kuumennetaan extruusiolait-teen metalliosia ja resonanssipiirin pietsosähköisillä komponenteilla ja mahdollisesti kelan magnetostriktiivisel-5 lä sydämellä synnytetään värähtelyä, joka absorboituu ex-truusiomateriaaliin. Nämä yhdessä aikaansaavat materiaalin kuumenemisen ja plastisoitumisen.

Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin viitaten oheiseen piirustukseen, jossa 10 kuviot 1a ja 1b esittävät keksinnön mukaista ratkai sua sovellettuna kaapelien esilämmitykseen ja vulkanoin-tiin, kuvio 2 esittää keksinnön mukaista ratkaisua sovellettuna kaapelien veto- ja hehkutuslaitteeseen, ja 15 kuvio 3 esittää ratkaisua, jossa kapasitiivinen ele mentti on sekä pietsosähköinen että magnetostraktiivinen.

Kuvioissa ei eri osia ole esitetty samassa mittakaavassa toistensa suhteen vaan niiden suhteellisia kokoja on muutettu havainnollisuuden parantamiseksi. Kuviossa 20 1a resonanssipiiri muodostuu kuumennuskelan L ja pietso-sähköisen elementin C sarjakvtkennästä. Kuviossa C muodostuu usean rinnakkaisen komponentin , C2 jne. summasta. Pietsosähköisten kondensaattorikomponenttien kuviossa 1a näkymätön vastinelektrodi on maadoitettu. On 25 ymmärrettävä, että piirissä voi olla esimerkiksi useita sarjaan kytkettyjä keloja ja rinnakkain kytkettyjä kapa-sitiivisiä komponentteja, oleellista on kuitenkin se, että piiri muodostaa sarjaan kytketyn LC-piirin. Kuviossa kela L on käämitty ferriittisydämen 1 ympärille, joka on kiin-30 nitetty teflonputkeen 2, jossa kulkee paljas metallijohdin 3. LC-piiriä ohjataan invertterikytkennällä I, joka koostuu verkkojännitteen tasasuuntausosasta RE, kytkiminä toimivista FET-transistoreista S1 ja S2 sekä oskillaattorista OSK ja transistorien S1 ja S2 ohjauspiiristä D. Oskil-35 laattorin ja ohjauspiirin D avulla ohjataan kytkiminä toimivat transistorit ja S2 vuorotellen auki ja kiinni.

4 72023

Kytkentätaajuus on tyypillisesti n. 400 kHz. Kulkiessaan putkessa 2 nuolen suuntaan johdin 3 lämpenee kelan L siinä aiheuttamien pyörrevirtojen vaikutuksesta. Esilämmitet-ty paljas metallijohdin 3 syötetään tämän jälkeen extruu-5 siolaitteeseen EXT, jossa se päällystetään eristemateriaalilla, joka edelleen vulkanoidaan sylinterimäisessä vul-kanointinutkessa 4. Johdin kulkee pitkin vulkanointiput-ken 4 keskiakselia, ja putkeen on sen ympyränmuotoisen kehän koko pituudelle järjestetty LC-piirin kapasitiiviset 10 komponentit, joista kuviossa 1a on esitetty C1 -C^· Piet-sosähköisten komponenttien värähtely fokusoidaan johtimen 3 eristeeseen vulkanointiputkessa 4 väliaineena olevan nesteen välityksellä. Kuviossa 1b on tarkemmin esitetty yhden pietsosähköisen komponentin sijoitus teräksiseen 15 vulkanointiputkeen 4. Putken sisäpinnalla on ikkuna 5, jonka kautta värähtely siirtyy putken väliaineeseen M. Pietsosähköinen komponetti koostuu kuvion esimerkissä kahdesta päällekkäisestä pietsokeraamisesta renkaasta, joiden välielektrodille 6 tuodaan jännite. Vastinelektro-20 dit 7 on alumiinirenkaiden AI kautta kytketty maadoitettuun teräsputkeen 4. Ylempi alumiinirengas Ai on kierre-kiinnityksellä kiinnitetty putkeen 4. Akustisen impedanssin sovitus pietsokeraamisista elementeistä nestemäiseen väliaineeseen M on toteutettu peräkkäisillä alumiini-, 25 magnesium- ja kevlar-kerroksilla.

Kuviossa 2 on esitetty toinen edullinen keksinnön käyttökohde kaapelien veto- ja hehkutuslaitteessa. Johdin 8 kulkee kuviossa nuolella merkittyyn suuntaan, ja se vedetään kivitelineessä 9 poikkipinnaltaan halutunkokoiseksi. Joh-30 dinmateriaali kovettuu kivitelineessä ja se pehmennetään uudestaan induktiouunissa 10. Kivitelineeseen 9 on kiinnitetty pietsokeraamiset elementit 11, joiden toinen elektrodi on kytketty kelaan ja toinen maadoitettu, jolloin siis elementit 11 muodostuvat sarjaresonanssipiirin yhdes-35 sä induktiouunin kelojen kanssa. Piiriä ohjaava invertte-ri, joka on kytketty kelan toiseen napaan, on kuviossa

II

5 72023 esitetty yksinkertaisuuden vuoksi pelkästään kytkimien ja avulla. Invertterin ohjaustaajuus on tyypillisesti noin 500 kHz. Pietsosähköisten elementtien 11 värähtelyn avulla pienennetään vetokivien aiheuttamaa kitkaa, 5 käytännössä saavutettava kitkan pienentyminen on 30 - 50 %.

Kuten aikaisemmin mainittiin, voidaan keksinnön mukaisesti tarvittaessa ja sovellutuskohteesta riippuen pietsosähköisten komponenttien värähtelyä tehostaa käyttämällä kuumennuskelassa magnetostriktiivistä sydäntä. Ku-10 viossa 3 on esitetty keksinnön mukaisen laitteen eräs edullinen suoritusmuoto, jossa kapasitiivinen elementti CQ on pietsokeraamismagnetostriktiivistä materiaalia, ja kuumennuskela Lq on käämitty sen ympärille. Kapasitiivi- sen elementin C ylä- ja alapinnoilla on metallielektrodit o 15 12, jolloin yläpinnan elektrodiin 12 on kytketty ohjaava invertteri, jota kuvataan kytkimillä ja Sg, ja alapinnan elektrodiin on kytketty kelan LQ toinen pää. Kela on kierretty kapasitiivisen elementin CQ ympärille, ja kelan Lq toinen pää on maadoitettu, jolloin kela Lq ja kapasi-20 tiivinen elementti CQ muodostavat sarjaresonanssipiirin.

Kuvion mukaisella ratkaisulla tehostetaan värähtelyä käyttämällä kelan magneettikenttää hyväksi myös värähtelyjen synnyttämisessä. Lisäksi laite saadaan pieneen kokoon, koska elementit voidaan sijoittaa päällekkäin.

25 Vaikka keksintöä on edellä selostettu oheisiin esi merkkeihin viitaten, on selvää, ettei keksintöä ole haluttu rajoittaa niihin vaan sitä voidaan muunnella oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims

1. Menetelmä lämpö- ja värähtelyenergian tuottamiseksi samanaikaisesti, jossa menetelmässä lämpö kehitetään 5 induktiokuumennuksen avulla ja värähtelyt synnytetään ainakin pietsosähköisen elementin avulla, tunnettu siitä, että sekä värähtelyenergiaa että lämpöenergiaa tuotetaan samalla induktiivisen ja kapasitiivisen elementin sarjakytkennän muodostamalla resonanssipiirillä (L, C).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että värähtelyjä synnytetään myös induktiivisen elementin (L) magnetostriktiivisen sydämen avulla.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, 15 tunnettu siitä, että sarjaresonanssipiiriä (L, C) ohjataan invertterillä (I).

4. Laite lämpö- ja värähtelyenergian tuottamiseksi samanaikaisesti, joka laite käsittää induktiokuumennuk-seen käytettävän induktiivisen elementin (L) ja kapasi- 20 tiivisen elementin (C) sarjakytkennän muodostaman värähtelypiirin, tunnettu siitä, että kapasitiivinen elementti (C) on pietsosähköinen.

5. Laite lämpö- ja värähtelyenergian tuottamiseksi samanaikaisesti, joka laite käsittää induktiokuumennukseen 25 käytettävän induktiokelan (L) ja kapasitiivisen elementin (C) sarjakytkennän muodostanan värähtelypiirin, tunnettu siitä, että kapasitiivinen elementti (L) on pietsosähköinen ja että induktiokelan (L) sydän on magnetos triktiivinen.

6. Laite lämpö- ja värähtelyenergian tuottamiseksi samanaikaisesti, joka laite käsittää induktiokuumennukseen käytettävän induktiokelan (LQ) ja kapasitiivisen elementin (CQ) sarjakytkennän muodostaman värähtelypiirin, tunnettu siitä, että kapasitiivinen elementti (CQ) 35 on pietsokeraamismagnetostriktiivistä materiaalia ja että induktiokela (Lq) on käämitty sen ympärille. 7 72023

6 72023

7. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukainen laite, tunnettu siitä, että kapasitiivinen elementti (C) koostuu useasta rinnan kytketystä komponentista (C^, , C3...>.

8. Patenttivaatimuksen 4 mukaisen laitteen käyttö kaapelien esilämmitys- ja vulkanointilaitteena siten, että induktiivisen elementin (L) avulla esilämmitetään paljas metallijohdin (3) ja kapasitiivisen elementin (C) avulla vulkanoidaan johtimen (3) eriste.

9. Patenttivaatimuksen 4 mukaisen laitteen käyttö kaapelien veto- ja hehkutuslaitteessa siten, että pietso-sähköisen elementin (11) avulla pienennetään vetokivien aiheuttamaa kitkaa ja induktiivisella elementillä pehmennetään kivitelineessä (9) kovettunut johdin (8).

10. Patenttivaatimuksen 4 tai 5 mukaisen laitteen käyttö extruusiolaitteessa siten, että induktiokelalla (L) kuumennetaan extruusiolaitteen metalliosat ja laitteen värähtelevillä komponenteilla kuumennetaan extruusiomate-riaalia. 8 72023