KR20060052721A

KR20060052721A - 가열 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20060052721A
Application number: KR1020057025368A
Authority: KR
Inventors: 발레리 카간
Original assignee: 발레리 카간
Priority date: 2003-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-05-19
Also published as: EP1649726A2; CN1836467A; WO2005004540A2; US20060219709A1; EP1768462A2; DE602004004147T2; AU2004300525A1; US20050000959A1; WO2005004540A3; EP1649726B1; US7652231B2; US7767941B2; EP1768462A3; JP2007531200A; US7034263B2; US20080238386A1; EP1649726B8; US20100134082A1; ATE350882T1; DE602004004147D1

Abstract

본 발명은 유도 가열 또는 저항 및 유도 가열의 조합을 위한 가열 시스템 및 방법에 관한 것이다. 가열기 코일이 제품에 유도 결합되고 전류 신호가 가열기 코일로 공급된다. 가열기 코일은 제품을 유도 가열하도록 가해진 전류 신호를 기초로 하여 자속을 발생시킨다. 어떤 프로파일의 전류 펄스가 가열 요소 또는 코일에 의해 분배된 유도 가열의 속도, 세기 및/또는 파워를 향상시키는 데 및/또는 유도 가열 시스템의 수명을 향상시키거나 비용을 감소시키는 데 사용된다.

가열기 코일, 전원, 유도 가열, 자속, 고주파 고조파, 전류 펄스

Description

가열 시스템 및 방법 {HEATING SYSTEMS AND METHODS}

본 발명은 다양한 실시예에서 유도 가열 또는 저항 및 유도 가열의 조합을 이용하는 단계를 포함하며, 나아가, 가열이 국부화될(특정 영역으로 지향될) 수 있으며/있거나, 가열이 연속 또는 단속일 수 있는 가열 시스템 및 방법에 관한 것이다.

유도(맴돌이) 전류에 의해 강철 등의 강자성(높은 자기 투과성) 재료의 실린더 또는 튜브를 유도 가열하는 것이 관례이다. 맴돌이 전류는 가해진 자속에 의해 강자성 재료 내에 유도되며, 자속은 실린더 또는 튜브 주위에 배치된 1개 이상의 가열기 코일을 통한 교류의 통과에 의해 발생된다. 이러한 유도 가열의 방법은 유체, 반고체 또는 고체 재료(예컨대, 용융된 강철 또는 마그네슘 충전 및 비충전 중합체, 빌릿 및 세라믹)를 포함하는 다양한 다른 형태의 재료, 공작물 및 부하에 적용될 수 있다.

가열될 제품은 유도 전류에 의해 자체로 가열될 수 있으며/있거나, 예컨대 강자성 기판 내에 유도 발생된 열이 반도체 웨이퍼로 전달될 때 유도 가열되는 또 다른 제품 또는 기판과 (예컨대, 전도 또는 복사에 의해) 열적 연통 상태에 있을 수 있다. 이러한 관점에서, 가열 요소 또는 코일의 전기 비저항은 코일 내에 발생 되어 (전도 또는 복사에 의해) 제품으로 전달되는 저항열의 양을 증가시키기 위해 예컨대 더욱 저항성인 재료를 사용하여 변화될 수 있다. 구리의 전기 비저항의 약 6배를 갖는 니크롬 즉 니켈 크롬(NiCr) 합금은 자속 내에 놓인 제품의 유도 가열을 위한 자속 그리고 다음에 동일한 제품으로 전도 및/또는 복사에 의해 전달되는 (코일 내에) 저항열을 모두 발생시키도록 코일을 위해 사용되었다.

전통적인 유도 가열 코일은 구리로 제조되고 코일의 과열을 방지하도록 수냉된다. 또한, 공기 간극이 코일 냉각 매체에 의한 제품으로부터의 열의 제거를 피하기 위해 수냉식 코일과 가열될 제품 사이에 제공된다. 공기 간극 및 냉각 요건은 가열 시스템의 복잡성 및 비용을 증가시킨다. 또한, 이들은 장치의 강도(구조적 일체성)를 감소시키는데, 이는 압력이 가해지는 분야 예컨대 압축 주형에서 중요할 수 있다. 그러나, 냉각이 없으면, 코일은 파손(상승된 온도에서의 용융 또는 연소)에 취약하다. 전통적인 유도 가열 시스템은 더욱 높은 저항성(예컨대, NiCr) 코일을 이용하지 않는데, 이는 코일의 향상된 저항 가열이 코일 냉각을 더욱 어렵게 하여, 더욱 큰 냉각 채널 및/또는 낮은 냉각 온도를 요구하는데, 이들은 각각 큰 에너지 소비 및 비용을 초래한다. 나아가, 저항 부하가 전통적인 유도 전원에 의해 구동될 수 없다.

이들 문제점의 일부 또는 모두를 언급하는 가열 시스템 및 방법에 대한 필요성 및/또는 더욱 효율적으로 그리고 바람직하게는 낮은 비용으로 이러한 가열 시스템을 가동시키는 에너지 공급원에 대한 필요성이 계속 존재한다.

본 발명에 따른 시스템 및 방법은 다음의 실시예를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 가열 장치는 제품에 유도 결합된 가열기 코일을 포함하고 전류 신호가 가열기 코일에 공급된다. 가열기 코일은 제품을 유도 가열하도록 전류 펄스 신호를 기초로 하여 자속을 발생시킨다. 전류 신호는 바람직하게는 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스 신호이다.

고주파 고조파는 유도 가열 파워를 변화시키는 데 사용될 수 있다. 고조파는 가열기 코일의 저항 가열에 비해 유도 가열의 상대 비율을 향상시킬 수 있다. 고주파 고조파는 낮은 기본(또는 루트) 주파수의 공급 전류(예컨대, 50 내지 60 ㎐의 라인 주파수)의 사용을 가능하게 할 수 있다. 루트 및 고조파 주파수 성분 그리고 그 진폭의 조합을 기초로 하는 전류 펄스의 유효 주파수는 특정 분야에서 가열기 코일의 수명을 향상시킬 수 있고/있거나 코일의 더욱 급속한 가열을 가능하게 할 수 있다.

일 실시예에서, 가열기 코일이 제품을 포함하는 부하에 유도 결합된다. 부하는 강자성 코어 및 강자성 요크를 포함하며, 가열기 코일은 코어 및 요크 중 적어도 1개와 접촉 상태에 있으며, 코어와 요크 사이에 배치되며/배치되거나, 코어 및 요크 중 적어도 1개 내에 매립된다. 어떤 경우에, 코어는 유동 가능한 재료를 가열하도록 유동 가능한 재료를 위한 통로를 갖는다. 가열기 코일은 가열이 통로 내에 집중되도록 코어 내에 위치될 수 있다.

또 다른 실시예에서, 제품이 자속을 위해 실질적으로 폐쇄된 루프의 적어도 일부를 형성한다. 제품은 제품의 제2 부분에 비해 유도 가열이 더욱 집중되는 제1 부분을 포함한다. 제2 부분은 예컨대 제2 부분 내에 슬롯, 공기 간극 또는 적은 강자성 재료를 가짐으로써 맴돌이 전류 내에 불연속성을 유발시킬 수 있거나 맴돌이 전류의 유동을 제한할 수 있다.

또 다른 실시예에서, 가열기 코일에 전류 신호를 공급하는 전원이 제공된다. 전류는 바람직하게는 가열기 코일에 조정 가능한 고조파 에너지 내용을 갖는 전류 펄스로서 공급된다.

일 실시예에서, 가열기 코일이 가열될 유동 가능한 재료를 위한 통로를 갖는 제품 내에 적어도 부분적으로 위치되며, 제품 내에 유도 발생된 열이 통로 내의 유동 가능한 재료에 전도 및/또는 대류에 의해 분배된다. 전원은 통로 내의 유동 가능한 재료로의 유도 가열의 분배를 조정하도록 가열기 코일에 진폭 및/또는 주파수 스펙트럼(고조파의 주파수)이 변하는 전류 펄스를 분배한다. 유동 가능한 재료는 맴돌이 전류가 (제품에 추가하여 또는 제품 대신에) 재료 내에 유도되도록 자체로 강자성일 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 제품에 유도 결합된 가열기 코일을 제공하는 단계와, 가열기 코일에 전류 신호를 제공하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다. 전류 신호는 바람직하게는 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스 신호이다.

또 다른 실시예에 따르면, 이러한 방법 단계는 제품과 열적 연통 상태로 그리고 제품에 유도 결합된 가열기 코일을 제공하는 단계와, 제품의 유도 및 저항 가열 사이의 비율을 조정하도록 가열기 코일에 조정 가능한 전류 펄스 신호를 제공하는 단계를 포함한다.

다양한 실시예에 따르면, 이러한 방법 단계는 가열, 냉각 및/또는 온도 제어의 동시, 불연속, 단속 및/또는 교대 주기, 진폭, 펄스 폭 및/또는 주파수 스펙트럼에 대해 전류 펄스 신호의 에너지 내용을 조정하는 단계, 및/또는 가열될 제품으로부터 열을 인출하기 위해 냉각 기구(냉각 매체 또는 열 싱크)를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 이들 방법 단계를 달성하는 특정 구조가 개시되어 있다. 이러한 가열 시스템 및 방법의 다양한 실시예가 더욱 균일한 가열, 감소된 열 구매, 감소된 열 응력, 신뢰 가능한 고온 작업, 소형 설계, 더욱 짧은 사이클 시간 및 감소된 가열 시간 등의 1개 이상의 장점을 제공할 수 있다.

이들 및 다른 실시예는 다음의 도면 및 상세한 설명에서 설명된다.

도1a는 감싸진 가열 코일이 폐쇄된 자기 루프(화살표 참조) 그리고 코일과 코어/요크 사이에서의 향상된 자기 결합을 제공하기 위해 동축 내부 강자성 코어와 외부 강자성 요크 사이에 매립되는 유도 및 저항 가열을 모두 제공하는 가열 시스템의 일 실시예의 개략 단면도이다.

도1b는 도1a의 둘러싸인 부분 1B의 부분 확대도로써 코어 내의 홈 내에 배치된 전기 절연성 코일을 도시하고 있다.

도1c는 도1a에 도시된 것과 유사하지만 요크 내에 슬롯을 갖는 가열 시스템의 제2 실시예의 부분 파단 측면도이다.

도1d는 도1c의 선 1D-1D를 따라 취해진 단면도로써 코일 내의 전류에 대향으로 지향된 코어 내의 유도(맴돌이) 전류를 도시하고 있고 슬롯으로 인한 요크 내의 맴돌이 전류의 불연속성을 도시하고 있다.

도1e는 도1a 내지 도1d의 가열 시스템을 합체할 수 있는 다중 온도 영역을 갖는 배럴 압출기의 개략도이다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도1a 내지 도1d에 도시된 형태의 가열 시스템에 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스를 제공하는 전원의 일반 개략도이다.

도3a는 전류 펄스를 제공하기 위해 사이리스터를 사용하는 전원의 회로도이다.

도3b는 전류 펄스를 제공하기 위해 게이트-턴-오프(GTO: gate-turn-off) 사이리스터를 사용하는 전원의 회로도이다.

도3c는 전류 펄스를 제공하기 위해 일체형 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: integrated gate bipolar transistor)를 사용하는 전원의 회로도이다.

도4a는 도3a의 사이리스터에 의한 라인 주파수 전류 공급부로부터 발생된 전류 펄스를 도시하는 타이밍도이다.

도4b는 도3b의 GTO 사이리스터에 의한 라인 주파수 전류 공급부로부터 발생된 전류 펄스를 도시하는 타이밍도이다.

도4c는 도3c의 IGBT에 의한 라인 주파수 전류 공급부로부터 발생된 전류 펄스를 도시하는 타이밍도이다.

도5a는 라인 주파수 공급의 추가 위상으로부터 추가 전류 펄스를 제공하는 3-상, 3-펄스 단극성 정류자의 회로도이며, 도6a는 관련된 타이밍도이다.

도5b는 라인 주파수 공급의 추가 위상으로부터 추가 전류 펄스를 제공하는 3-상, 6-펄스 양극성 정류자의 회로도이며, 도6b는 관련된 타이밍도이다.

도5c는 라인 주파수 공급의 브리지 회로로부터 추가 전류 펄스를 제공하는 1-상, 2-펄스 단극성 맥동기의 회로도이며, 도6c는 관련된 타이밍도이다.

도5d는 라인 주파수 공급의 추가 위상으로부터 추가 전류 펄스를 제공하는 3-상, 6-펄스 단극성 맥동기의 회로도이며, 도6d는 관련된 타이밍도이다.

도5e는 라인 주파수 공급으로부터 추가 전류 펄스를 제공하는 3-상, 12-펄스 단극성 맥동기의 회로도이며, 도6e는 관련된 타이밍도이다.

도7은 사인 라인 주파수 전류 대 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스의 가열 성능을 비교하는 실험에서 사용된 가열 시스템의 사시도이며, 도7a는 도7의 선 7A-7A를 따라 취해진 확대 단면도이다.

도8은 도7의 가열 시스템으로써 수행된 실험으로부터의 기록 데이터의 온도/시간 그래프로써 사인 전류에 비교될 때 전류 펄스로써의 실질적으로 높은 속도의 가열을 도시하고 있다.

도9는 도7의 실험에서 사용된 전류 펄스의 개략 프로파일이다.

도10은 가열 장치가 퍼니스 내로 합체되는 또 다른 실시예의 개략 단면도이며, 도10a는 도10의 둘러싸인 부분 10a의 부분 확대도이다.

도11은 가열 장치가 온수기 또는 화학 반응기 내로 합체되는 또 다른 실시예의 개략 단면도이다.

도12는 가열 장치가 화학 용기 또는 반응기 상에 표면 장착되는 가열기 패치로서 합체되는 또 다른 실시예의 개략도이다.

도13은 적층형 가열 구조의 일 실시예의 개략 단면도이다.

도14는 두께 A의 내부 강자성 층을 갖는 적층형 가열 구조의 또 다른 실시예의 개략 단면도이다.

도15는 내부 강자성 층 내에 냉각 통로를 갖는 적층형 가열 구조의 또 다른 실시예의 개략 단면도이다.

도16은 가열 요소 내에 냉각 통로를 갖는 적층형 가열 구조의 또 다른 실시예의 개략 단면도이다.

도17은 내부층이 내식성 및 열 전도성 라이너를 포함하는 적층형 가열 구조의 또 다른 실시예의 개략 단면도이다.

도18은 열 분무 방법에 의해 형성된 적층형 가열 구조의 또 다른 실시예의 개략 단면도이며, 도18a는 도18의 둘러싸인 부분 18a의 부분 확대도이다.

도19는 열 분무 방법에 의해 형성된 적층형 가열 구조의 또 다른 실시예의 개략 단면도이며, 도19a는 도19의 둘러싸인 부분 19a의 부분 확대도이다.

도20은 코일형 가열기 요소를 갖는 분사 노즐 조립체의 부분 분해도이다.

도21은 도22의 선 21-21을 따라 취해진 단면도이다.

도22는 도20의 노즐 조립체의 (주형 단부에서의) 단부도이다.

도23은 상부 및 하부 사행형 전도체 패턴을 갖는 다중 온도 영역 노즐 조립체의 부분 분해도이다.

도24는 도23의 조립된 노즐의 측면도이다.

도25는 도24의 선 25-25를 따라 취해진 단면도이다.

도25a는 도25의 둘러싸인 부분 25a의 부분 확대도이다.

도26은 취입 성형 장치의 절반의 측면도이다.

도27은 취입 성형 장치의 부분 분해도이다.

도28은 도27의 장치의 가열 요소 및 인접층의 부분 개략도이다.

도29는 취입 성형 및 열 조절 방법의 타이밍도이다.

도30은 압축 주형의 개략 사시도이다.

도31은 도30의 압축 주형의 부분 분해도이다.

도32는 도30의 압축 주형의 가열 요소 및 인접층의 부분 개략도이다.

도33은 도31의 조립된 구성 요소의 개략 단면도이다.

도34는 도33의 둘러싸인 부분 34의 부분 확대도이다.

도35는 도34의 둘러싸인 부분 35의 부분 확대도이다.

도36은 압축 성형 방법의 타이밍도이다.

도37은 코어 주위에 감싸진 원통형 가열기 코일의 개략 사시도이다.

도38은 도37의 코일 및 코어의 개략 단면도이다.

도39는 판 상에 장착된 평면 나선형 코일의 개략 측면도이다.

도40은 도39의 코일 및 판의 개략 단면도이다.

도41은 판 상에 장착된 평면 루프 나선형 코일의 개략 측면도이다.

도42는 도41의 코일 및 판의 개략 단면도이다.

도43은 판 상에 장착된 평면 사행형 코일의 개략 측면도이다.

도44는 도43의 코일 및 판의 개략 단면도이다.

도45는 판 상에 장착된 평면 루프 사행형 코일의 개략 측면도이다.

도46은 도45의 코일 및 판의 개략 단면도이다.

도47은 단일 사인파를 도시하는 진폭 대 시간의 그래프이다.

도48은 도47의 사인파의 주파수 스펙트럼의 그래프이다.

도49는 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스 신호를 도시하는 진폭 대 시간의 그래프이다.

도50은 도49의 전류 펄스 신호의 주파수 스펙트럼을 도시하는 그래프이다.

도51은 가열 및 냉각 장치를 위한 제어 회로의 개략도이다.

어떤 프로파일의 전류 펄스가 가열 요소 또는 코일에 의해 분배된 유도 가열의 속도, 세기 및/또는 파워를 향상시키기 위해 및/또는 유도 가열 시스템의 수명을 향상시키거나 비용을 감소시키기 위해 여기에서 설명된 다양한 실시예에서 사용될 수 있는 것으로 판정되었다. 이것은 가열기 코일 내에서의 전류의 대응 증가를 요구하지 않으면서 선택 실시예에서 달성될 수 있다. 또한, 낮은 주파수(예컨대, 50 내지 60 ㎐)의 공급 전류의 사용을 가능하게 할 수 있고 더욱 엄격한 온도 제어 또는 감소된 사이클 시간을 생성시키도록 지향된(국부화된) 가열 및 냉각 효과를 가능하게 하는 구조적 가열 및 냉각 요소와 결합될 수 있다.

특히, 이들 전류 펄스는 유도 가열 성능을 향상시키는 급속하게 변하는 전류 프로파일을 갖는다. 전류 펄스는 예리한 모서리(큰 제1 미분 계수)를 갖는 분리된 협소한 폭의 펄스인데, 이러한 펄스는 코일 전류의 기본 또는 루트 주파수의 고조 파를 포함한다. 루트 주파수를 넘는 이들 고조파는 고주파 고조파로서 여기에서 설명되는데, 이러한 고조파는 바람직하게는 가열 코일 및/또는 가열 시스템의 경계 주파수를 넘어서 일어난다. 가열기 코일로의 이러한 펄스의 제공은 코일 내의 실효(RMS: Root Mean Square) 전류의 증가를 요구하지 않으면서 강자성 또는 다른 유도 가열 부하에 유도 분배된 파워를 상당히 증가시키는 데 사용될 수 있다. 이제, 이것은 가열기 코일의 에너지 소비 또는 냉각 요건 및/또는 수명을 감소시킬 수 있다.

단독으로 또는 여기에서 설명된 구조적 가열 및 냉각 요소와 결합되는 이들 전류 펄스의 사용에 의해 언급될 수 있는 1개의 문제점은 최대로 허용 가능한 코일 전류 또는 가열기 코일이 견딜 수 있고 여전히 유용한 수명을 제공하는 한계 전류(I_c-한계)이다. 이와 같이, 주어진 I_c-한계(RMS), 코일 권취수 N 및 전자기 연결 계수 Kc에 대해, 여기에서 언급된 1개의 문제점은 유도 가열 파워를 증가시키는 방식이다.

종래 기술에서, 해결책은 전원의 주파수를 증가시키는 것인데, 이러한 경우에 강력한 커패시터가 가열기 코일에 공급된 사인 전류의 공진 주파수를 조정하기 위해(엄격하게 제어하기 위해) "공진 변환기"로서 코일과 병렬로 제공된다. 이러한 해결책이 갖는 1개의 문제점은 전원이 저항 부하(저항 코일)와 작용하도록 적용되지 않는다는 것이다.

나아가, 표면 가열을 위한 유도 가열의 종래 기술의 사용은 침투 깊이의 엄 격한 제어를 요구하는데, 이제 이러한 제어는 주파수의 엄격한 제어를 요구한다. 결과적으로, 고조파는 가열기 코일에 공급된 전류 신호의 선호되지 않고 그에 따라 중요하지 않은(최소화된) 부분이다. 이것은 고주파 고조파의 일반적인 비선호와 일치한다. 즉, 예컨대 사인 60 ㎐의 라인 전류를 제공할 때, 전류 제공자는 그 시스템으로부터 고조파를 제거하기 위해 거대한 커패시터를 사용하는데, 이는 그 고객이 그 장비 및 컴퓨터를 방해하고 유효 주파수를 변경시키는 공급 신호 내의 고조파(노이즈)를 원하지 않기 때문이다.

대조적으로, 여기에서, 전류 펄스에는 코일 전류의 루트 주파수를 넘는 고조파가 일부러 제공된다. 이들 분리된 협소한 전류 펄스는 예리한 모서리(진폭의 변화) 그리고 펄스들 사이에서의 비교적 긴 지연을 갖는다. 이들은 각각의 사이클에서 펄스들 사이에서 비교적 큰 지연을 갖는 재단파 또는 압축파로서 보인다.

고조파는 특히 유도 가열 파워가 높도록 고조파의 진폭이 높게 유지되는 곳에서 전류 펄스 신호의 유효 주파수의 증가를 제공한다. 스펙트럼 분석기로써 관찰되면, 전류 펄스는 각각의 다중 고조파 주파수에서 다중 전류 성분을 포함한다. 전류 및 전압은 상호 교환 가능하고 동등한 것으로 여기에서 사용된 것으로 이해된다.

바람직하게는, 고조파는 코일 또는 가열 시스템의 경계 주파수를 넘으며, 전류 펄스 신호의 루트 주파수도 (루트 주파수가 전류 펄스 신호의 최대 진폭 성분을 제공할 수 있을 때) 바람직하게는 경계 주파수를 넘는다. 고조파의 진폭은 예컨대 변압기 등의 사용에 의해 향상될 수 있다. 그 용도를 설명하는 선택 분야뿐만 아 니라 전류 펄스 신호를 구성하는 시스템 및 방법에 대한 다양한 실시예가 후술된다.

이러한 접근의 1개의 장점은 종래 기술의 유도 가열 시스템의 공진 사인 고주파 전원에 비해 더욱 간단하고 덜 비싼 전원의 제공일 수 있다. 이러한 종래 기술의 시스템에서, 가열기 일과 유도 가열 코어 사이에 제공된 공기 간극이 자속에 대한 높은 자기 저항(낮은 투과성)을 구성하는데, 이러한 자기 저항은 높은 경계 주파수를 생성시킨다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 종래 기술의 시스템은 공진 회로에서 높은 주파수 및 높은 진폭의 전류 신호를 이용하는데, 이는 공기 간극의 효과를 극복하고 코어의 급속한 유도 가열을 가능하게 하는 데 필요한 것으로 여겨진다.

대조적으로, 본 발명의 선택 실시예는 예컨대 공기 간극을 제거하고 더욱 바람직하게는 기판 내에 전체적으로 또는 적어도 부분적으로 코일을 매립함으로써 그리고 자속을 위해 부분적으로 또는 실질적으로 폐쇄된 루프(코어와 더불어 루프를 폐쇄하는 강자성 요크)를 제공함으로써 코일과 기판 사이의 더욱 양호한 자기 결합을 제공하는데, 이들 중 1개 또는 모두는 시스템의 경계 주파수를 감소시키는 데 사용될 수 있다. 그러면, 이러한 경계 주파수의 감소는 시스템의 경계 주파수를 넘는 고조파 전류 펄스 내에 큰 양의 에너지를 제공하는 데 유리하게 사용될 수 있다. 이것은 코일 내의 실효(RMS) 전류를 상당히 증가시키지 않으면서 낮은 (루트) 주파수의 전류 공급부의 사용을 가능하게 할 수 있다.

원하는 전류 펄스는 낮은 라인 주파수 신호가 공급된 펄스 발생기를 포함하 는 낮은 비용의 전원에 의해 선택 실시예에서 제공된다. 라인 주파수는 전형적으로 개인용, 상업용 및 산업용 사용자를 위해 일반적으로 사용되거나 용이하게 이용 가능한 전원의 헤르츠(㎐) 수준 예컨대 50 또는 60 ㎐로서 정의된다. 사이리스터, 게이트-턴-오프(GTO) 사이리스터, 실리콘 제어 정류기(SCR: silicon controlled rectifier) 및 일체형 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 장치를 포함하는 다양한 신호 발생 또는 절환 장치가 라인 주파수 또는 직류(DC: direct current)로부터 짧은 전류 펄스를 제공하도록 펄스 발생기로서 사용될 수 있다. 펄스형 비사인 전류 신호는 공진 회로를 요구하지 않으며, 사실상, 펄스 내의 고주파 고조파가 유지되도록 공진 회로를 제공하지 않는 것이 바람직하다. 이들 고조파의 존재는 가열될 제품으로 유도 전달된 파워를 상당히 증가시킬 수 있다.

원하는 전류 펄스는 유도 및 저항 가열의 조합 또는 주된 유도 가열 중 하나를 이용하는 가열 시스템의 성능을 실질적으로 개선시킬 수 있다. 전류 펄스는 실질적으로 폐쇄된 자기 루프를 갖는 시스템에서 사용될 수 있지만, 이들은 폐쇄된 자기 루프를 갖지 않는 유도 가열기의 성능도 개선시킨다. 폐쇄된 자기 루프의 부족은 가열기 코일과 기판 사이의 공기 간극 즉 자기 루프의 어떤 부분 내의 공기 간극을 갖는 시스템에서 또는 전기 전도성이지만 비자성인 코어 또는 부하 재료를 가열하는 시스템에서 일어날 수 있다.

다음의 방정식은 이들 전류 펄스로써 선택 실시예에서 얻을 수 있는 성능의 놀라운 개선을 설명한다. 방정식 (1a)는 실린더를 형성하는 강자성 재료에서 맴돌 이 전류의 유동에 대한 예측 저항(R_e)을 계산하는 데 사용되며, 방정식 (1b)는 평탄판에 대한 비교 가능한 방정식이다. 여기에서, 실린더 또는 판은 폐쇄된 자기 루프의 일부이고 사인 전류가 경계 주파수를 넘는 주파수에서 실린더 주위에 감싸지거나 평탄판 상에 뱀(사행) 형상으로 표면 장착된 가열기 코일에 가해지는 것으로 가정된다. 실린더에 대해, 맴돌이 전류의 유동에 대한 등가 저항(R_e)은:

(1a)

여기에서,

D는 실린더의 직경이며,

L은 실린더의 길이이며,

ρ는 실린더 재료의 비저항이며,

μ는 실린더 재료의 투과도이며,

ω는 실린더 내에서의 맴돌이 전류의 각주파수이며,

그리고 판에 대해:

(1b)

여기에서,

L은 코일 전도체의 길이이며,

p는 코일 전도체의 둘레이며,

ρ는 평탄판 재료의 비저항이며,

μ는 평탄판 재료의 투과도이며,

ω는 판 내에서의 맴돌이 전류의 각주파수이며,

그리고 모든 경우(실린더 및 판)에서, ω=2πf이며, f=기본 주파수이며, 주기 T에 대해 f=1/T이다.

이와 같이, 사인 전류에 대해, 등가 맴돌이 전류 저항(R_e)은 주파수 ω의 제곱근에 따라 증가한다. 대조적으로, 등가 맴돌이 전류 저항이 여기에서 설명된 전류 펄스의 사용으로써 더욱 빠르게 증가할 수 있는 것으로 실험적으로 판정되었다. 본 발명의 범주를 제한하지 않으면, 이러한 증가된 저항은 펄스가 고주파 고조파를 포함하기 때문에 그 루트(명목 또는 기본) 주파수보다 높은 이러한 전류 펄스의 유효 주파수에 기인하는 것으로 이론화될 수 있다. 이와 같이, 전류의 높은 변화 속도를 갖는 전류 펄스를 제공함으로써, 시간에 대해, 전류 펄스는 이들 펄스가 교체하고 있는 사인 전류보다 낮은 기본 주파수에서 실제로 제공될 수 있는데, 이는 이들 전류 펄스의 급격하게 변하는 부분이 그 낮은 기본 주파수로 구성하는 것보다 높은 고주파 고조파를 제공하기 때문이다. 결과적으로, 예측된 것보다 큰 파워가 코어 또는 부하에 유도 제공된다.

원하는 전류 펄스는 고주파 고조파에서의 대부분의 펄스 에너지를 생성시키기 위해 급속한 절환을 제공하는 다양한 전자 장치에 의해 발생될 수 있다. 다상 장치의 사용은 펄스의 기본 주파수를 상승시키는 데 추가로 사용될 수 있다. 이들 태양은 다음의 다양한 실시예에서 그리고 비교 실험(도7 내지 도9를 동반하는 명세서 부분 참조)에 대해 설명된다.

이제, 이들 전류 펄스를 유리하게 이용할 수 있는 유도 가열 시스템의 다양한 실시예가 설명된다.

도1a 내지 도4D 매립된 코일, 동축 코어/요크

도1a 및 도1b 그리고 도1c 및 도1d는 가열기 코일이 유도 가열될 제품(강자성 코어 및 요크) 내에 매립되는 가열 시스템의 2개의 실시예를 각각 도시하고 있다. 이들 실시예에서, 가열기 코일, 코어 및 요크 사이에 근접한 물리(열) 접촉 및 자기 결합이 있다.

특히, 도1a는 가열될 유동 가능한 재료가 통과되는 중공 중심 통로(26)를 갖는 [중심선(29) 주위에 배치된] 대체로 원통 형상의 강자성 코어(22)를 포함하는 유도 가열 시스템(25)의 단면 부분을 도시하고 있다. 예컨대, 코어(22)는 압출 다이, 용융체 매니폴드 또는 용융체 컨베이어 또는 동적 혼합기, 또는 가소화 유닛일 수 있으며, 유동 가능한 금속은 어떤 식품, 플라스틱, 금속 등일 수 있는데, 유동 가능한 재료는 유도 가열 시스템으로부터의 열을 위한 최종 타겟이다. 실질적으로 원통형이고 동축인 외부 강자성 요크(28)가 내부 코어를 둘러싸는데, 실질적으로 직접적인 접촉(공기 간극의 실질적인 제거)이 코어의 외경부(23)와 요크의 내경부(27) 사이에 있다. 외부 요크(28)는 인접한 강자성 코어(22) 및 요크(28) 내에 실질적으로 모든 자속을 보유하기 위해 루프[자속선(19)]를 폐쇄하여, 자기 결합을 실질적으로 증가시키며, 자속에 대한 등가 저항을 감소시키며, 시스템의 경계 주파 수를 감소시킨다.

전기 절연체(36)에 의해 둘러싸인 와이어 전도체(20)를 포함하는 가열기 코일이 코어(22) 내에 매립된다. 가열기 코일(20)은 코어(22)의 외경부(23) 주위에 나선형 홈(34)으로 감싸진다. 이것은 근접한 물리 접촉을 제공하고 코일(20) 내에 저항 발생된 열이 코어(22)로 전달될 수 있게 한다.

코일(20)은 자속선(19)에 의해 도시된 바와 같이 코어(22)에 높게 자기 결합된다. 코일(20)은 구리 등의 고체 전도체로부터 또는 니켈 크롬 등의 더욱 높은 저항성 재료로부터 제조될 수 있다. 코어(22)는 자기 결합을 용이하게 하기 위해 철 등의 자기 투과성 재료 또는 다른 강자성 재료로 제조된다.

또한, 코일(20)은 코어(22) 및 요크(28)와 근접한 물리 접촉에 의해 열 결합된다. 코일(20)은 열 전도성, 전기 절연성 재료[예컨대, 층 또는 코팅(36)]에 의해 덮인다. 적절한 재료는 마그네슘 산화물 및 다양한 알루미나 산화물을 포함하며, 다른 전기 절연성 재료도 사용될 수 있다.

강자성 코어(22)를 통한 중심 중공 통로(26)가 내부벽(24)에 의해 한정된다. 가스, 액체, 고체 또는 이들의 어떤 조합일 수 있는 가열될 물질이 통로 내에 위치된다(또는 통로를 통과한다). 코어(22)에서 유도 발생된 열은 열 전도 및/또는 복사를 통해 토로(26) 내의 물질로 전달된다.

요크(28)는 철 또는 강철 등의 자기 투과성 재료 또는 다른 강자성 재료로 제조된다. 요크(28)는 가열기 코일(20)에 인접하게 그리고 가열기 코일(20)과 열적 연통 상태로 위치된다. 코어(22) 및 요크(28)는 향상된 열 전도뿐만 아니라 폐 쇄된 자기 루프를 제공하기 위해 직접 접촉 상태(공기 간극의 실질적인 제거)에 있다. 코어(22) 및 요크(28)에 대한 코일(20)의 근접한 결합은 코일(20)의 경계 주파수를 실질적으로 감소시킨다.

유사한 가열 시스템의 제2 실시예가 도1c 및 도1d에 도시되어 있다. 이러한 변형된 시스템(25')은 긴 중공 부분 또는 슬롯(30)을 갖는 변형된 요크(28') 그리고 슬롯들 사이의 긴 중실 부분 또는 리브(31)를 포함하며, 슬롯(30) 및 리브(31)는 코어/요크 중심선(29')에 실질적으로 평행하게 배치된다. 슬롯(30)은 코어(22) 주위에 감싸진 코일(20)의 루프에 대해 직각 상태로 있다. 효과적인 공기 간극인 슬롯(30)은 도1d(도1c의 선 1D-1D를 따라 취해진 단면도)에 도시된 바와 같이 요크(28') 내에 맴돌이 전류(32) 내의 불연속부 또는 제한부를 생성시킨다. 대조적으로, 코어(22) 내의 맴돌이 전류(33)를 제한하는 코어(22) 내에는 어떠한 슬롯도 없다. 이러한 배열은 요크(28')보다는 코어(22) 내의 우선적인 유도 가열을 가져오며, 이것은 가열될 최종 제품이 코어(22)의 통로(26) 내의 재료일 때 바람직하다. 이와 같이, 가열 시스템으로 분배된 파워의 큰 비율이 요크(28')보다는 가열될 제품으로 전달된다. 도1d에서, 코일(20) 내의 전류(35)는 반시계 방향으로 도시되어 있으며, 코어(22) 내의 최종 맴돌이 전류(33)는 시계 방향으로 도시되어 있다. 2개의 슬롯 사이의 각각의 리브(31) 내의 맴돌이 전류(32)는 반시계 방향으로 되어 있다.

도1e 다중 가열 영역

도1e는 전술된 형태의 유도 가열 시스템(25)을 합체하는 다중 온도 영역 배 럴 압출기(12)를 도시하고 있다. 압출기는 복수개의 가열 영역 Z1 내지 Z6을 갖는 배럴 영역(13) 그리고 추가의 가열 영역 Z7 내지 Z9를 갖는 노즐 영역(14)을 포함한다. (가열될) 유동 가능한 재료가 압출기의 일단부에서의 입구 깔대기(16)를 통해 배널 내로 진입하며, 배럴 및 노즐의 다양한 가열 영역(15)을 통해 진행한다. 영역 Z2 등의 가열 영역(15)들 중 어떤 1개 이상의 영역이 전술된 바와 같이 가열 시스템(25)을 이용할 수 있다.

도2 내지 도6 전원 및 절환 장치

도2는 도1a 내지 도1d에 도시된 것과 유사한 가열 시스템(25')에 전류 펄스를 제공하는 전원을 도시하고 있다. 펄스 발생기(40)는 대략 60 ㎐의 라인 주파수 사인 전류 신호(42)를 입력 라인(43) 상에서 수용하며, 코일(20)로의 분배를 위해 그 라인 주파수에서 또는 라인 주파수의 배수에서 전류 펄스 I_c를 출력 라인(44) 상에서 발생시킨다. 코일(20)에 가해진 전류 펄스는 코어(22)에 근접 결합되고 코어(22)[그리고 최종적으로 통로(26) 내의 재료]를 유도 가열하는 급속하게 변하는 자속을 발생시킨다. 상당한 맴돌이 전류가 슬롯(30) 때문에 요크(28') 내에 피해져서, 요크(28')는 실질적으로 유도 가열되지 않는다. 코어(22) 내에 맴돌이 전류를 집중시킴으로써, 전체의 유도 가열 효율은 상당히 개선된다.

펄스 발생기(40)는 각각 도3a 내지 도3c에 도시된 바와 같이 사이리스터(48A), GTO 사이리스터(48B) 또는 IGBT 장치(48C) 등의 1개 이상의 고속 절환 장치를 포함할 수 있다. 이들 장치는 각각 도4a 내지 도4c에 도시된 바와 같이 라인 주파수 사인 전류 신호(42)를 전류 펄스 I_c로 변환시킨다.

도3a를 참조하면, 사이리스터(48A)는 예컨대 수천 ㎾ 범위에서 높은 파워 분야를 위해 사용될 수 있다. (도3a에서 점선 박스로 도시된) 1-상 양극성 정류자(51)는 병렬 배열로 한 쌍의 대향으로 배향된 사이리스터(T1, T2)를 포함한다. 회로 구동기(50)는 공급 라인 전압이 [입력 신호(42)가 도4a의 수평축과 교차하는] 역전부에 근접할 때 T1(또는 T2)을 켜기 위해 핀(52)에 제어 신호를 제공한다. 켜지면, 사이리스터는 가해진 전압이 역전될 때만 꺼질 수 있는데, 이는 도4a에 도시된 바와 같이 짧은 시간 후에 일어난다. 입력된 60 ㎐의 라인 주파수의 주기는 대략 17 ms인 T=(1/60)초이다. 결과적으로, 협소한 전류 펄스(44A)가 라인 주파수의 2배에서 (도4a에 도시된 바와 같이) 180˚, 360˚… 근처에서 발생된다. 전류 펄스(44A)의 진폭은 출력 전압 U까지 라인 주파수 사인 전류 신호(42)를 상승시키는 변압기(54)에 의해 증가될 수 있다. 짧은 펄스(44A) 내에 제공된 RMS 전류는 전압 U₀의 라인 주파수 사인 전류 신호(42)로부터 직접적으로 RMS 전류와 대략 동등하다. (R_c 즉 가열 코일 회로의 등가 총 저항에 의해 나타낸) 가열기 코일(20)에 공급된 전류 펄스(44A)는 예리한 경사부 즉 이러한 경우에 급격하게 상승하는 선단 모서리(46) 그리고 급격하게 낙하하는 후단 모서리(47)(도4a 참조)를 포함한다. 44A와 같은 펄스의 푸리에 변환은 펄스(44A)의 대부분의 에너지가 고주파 고조파 상태에 있다는 것을 지시한다. 적절한 사이리스터(T1, T2)는 미국 캘리포니아주 엘 수젠도에 소재한 인터내셔널 렉터파이어 코포레이션으로부터 구매 가능하다. 사이리스 터를 제어하는 구동기(50)를 갖는 집적 회로 칩도 구매 가능하다.

중간 파워 수준의 분야를 위해, 수백 ㎾ 범위에서, 한 쌍의 대향으로 배향된 GTO 사이리스터(48B)(도3b 참조)가 사인 입력 신호(도3b의 회로 그리고 도4b에서의 최종 전류 펄스 참조) 내의 어떤 지점에서 전류 펄스(44B)(도4b 참조)를 제공하기 위해 (도3a의) 사이리스터(T1, T2)에 대해 대체될 수 있다. 바람직하게는, 펄스(44B)는 라인 주파수 사인 전류 신호(42)의 피크(42')에서 제공되어, 도4b에 도시된 바와 같이, 변압기로써 사인 전류 신호(42)를 상승시킬 필요성을 제거 또는 감소시킨다. 적절한 GTO는 영국 링컨에 소재한 디넥스 세미컨덕터로부터 구매 가능하다.

낮은(수십 ㎾) 그리고 중간(수백 ㎾) 파워 수준의 분야를 위해, 도3c에 도시된 바와 같은 일체형 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT) 장치(48C)가 도4c에 도시된 정사각형 파형 등의 고주파 고조파를 갖는 펄스(44C)를 제공하기 위해 (도3a의) 사이리스터(T1, T2)에 대해 대체될 수 있다. 제어 가능한 정류기(60)가 다음에 IGBT 장치(48C)로 입력되는 DC 전압 U_DC를 제공하기 위해 전압 U₀의 라인 주파수 사인 전류 신호(42)를 정류한다. 제어 회로(52)의 방향 하에서, IGBT 장치(48C)는 가열기 코일 R_c로 이송되는 정사각형 파형 펄스(44C)를 형성하기 위해 정류된 전압 U_DC로부터 전류 펄스 I_c를 발생시킨다. 적절한 IGBT 장치는 600 V의 연장 시간에 걸친 전압 그리고 140 A의 연장 시간에 걸친 전압으로써 25 ㎑에서 하드 절환을 제공하는 IRGK140U06 장치 등의 인터내셔널 렉터파이어 코포레이션으로부터 구매 가능하다. 이러한 IGBT 장치는 유도 가열을 위한 공진 사인 회로에 고주파 신호를 제공하기 위해 종전에 사용되었으며, 그러나, 종래의 공진 시스템에서, 펄스 내에서의 고주파 고조파의 장점은 얻어지지 않았다. 대조적으로, 여기에서, 보유된 그 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스는 코일(20)에 직접적으로 제공되어, 공진 회로의 어떤 사용 또는 요건을 피한다.

도3a 및 도3b 각각에서, 2개의 대향으로 배향된 절환 장치의 병렬 배열이 단상 사인 라인 전류 공급부의 각각의 주기 T에 대해 2개의 펄스를 생성시킨다. 사이리스터 또는 GTO의 더욱 복잡한 배열이 다상 공급부의 각각의 주기에 대해 큰 수의 펄스를 제공하는 데 사용될 수 있다.

1개의 예는 3-상 공급부(59)가 코일 R_c에 3개의 단극성 펄스를 제공하는 도5a에 도시된 3-상, 3-펄스 단극성 정류자(57)이다. 관련된 타이밍도에서, 도6a에 도시된 바와 같이, 3개의 전압 신호 U_A, U_B, U_C는 1개의 주기[T=(1/60) 초≒17 ms] 내에 3개의 펄스(44D)를 생성시킨다.

대체예에서, 3-상, 6-펄스 양극성 정류자(61)가 도6b에 도시된 바와 같이 1회의 주기 내에 6개의 양극성 펄스(44E)를 생성시키는 도5b의 회로 내에 도시되어 있다.

도6a 및 도6b에서, 곡선 U_A, U_B, U_C는 위상 A, B, C에서의 전압의 타이밍도를 표시한다.

추가 대체예로서, 1-상, 2-펄스 단극성 맥동기 공급부(63)가 도6c에 도시된 바와 같이 1회의 주기 내에 2개의 단극성 펄스(44F)를 생성시키는 도5c의 회로 내에 도시되어 있다.

추가 대체예로서, 3-상, 6-펄스 단극성 맥동기 공급부(65)가 도6d에 도시된 바와 같이 1회의 주기 내에 6개의 단극성 펄스(44G)를 생성시키는 도5d의 회로 내에 도시되어 있다.

도6d에서, 곡선 A, B, C는 위상 A, B, C에서의 전압과 관련되며, 곡선 AB, AC, BC, BA, CA, CB는 대응 라인 전압 AB, AC 등과 관련되며, 예컨대, 간격 1-4에서, 사이리스터 1 및 사이리스터 4가 켜지고 라인 전압 AB로부터 부하 R_c에 전류 펄스를 제공하며, 간격 1-6에서, 사이리스터 1 및 사이리스터 6이 켜지고 라인 전압 AC로부터 부하 R_c에 전류 펄스를 제공한다.

최종적으로, 3-상 공급부(67)가 도6e에 도시된 바와 같이 1회의 주기 내에 12개의 단극성 펄스(44h)를 생성시키는 도5e의 회로 내에 도시되어 있다. 도5e에서, 변압기(T1, T2)는 30˚씩 이동된 3-상 전압의 2개의 시스템을 제공하며, T1은 성형-결선으로 3상으로부터 공급되고 T2는 델타-결선으로 3상으로부터 공급된다. 도6e에서, 곡선 AB, AC, BC, BA, CA, CB는 변압기 T1로부터 공급된 라인 전압 AB, AC 등에 대응하며, 곡선 AB', AC', BC', BA', CA', CB'은 변압기 T2로부터 공급된 라인 전압 AB, AC 등에 대응한다.

도5a 내지 도5e 각각에서, Rc는 가열 코일 회로의 등가 총 저항이다.

(다상 공급부의 각각의 주기에 대한) 추가 펄스의 제공은 개별 펄스의 고주 파 고조파 성분에 의해 제공된 효과를 추가로 배가시키는 기본(루트) 주파수를 증가시킨다. 이와 같이, 급격하게 변하는 전류 펄스 자체의 고주파와 조합되는 이들 더욱 복잡한 배열에 의해 제공된 높은 기본 주파수는 상당히 향상된 유도 가열을 제공한다.

도7 내지 도9 성능 비교

60 ㎐의 사인 신호 전압에 의해 가동된 동일한 가열 시스템에 비해 여기에서 설명된 전류 펄스에 의해 가동된 조합된 유도 및 저항 가열 시스템의 개선된 성능을 설명하는 실험이 수행된다. 도7은 가열 장치를 도시하고 있다. 도8은 가열 속도의 비교이다. 도9는 이러한 예에서 사용된 전류 펄스의 형상을 도시하고 있다.

도7에 도시된 바와 같이, 가열될 제품은 1 ㎜ 두께 및 160 ㎜ 직경의 평탄한 강철 요크(71)에 의해 덮인 5 ㎜ 두께 및 160 ㎜ 직경의 평탄한 강철 디스크(코어)(70)이다(도7 및 도7a 참조). 2.92 m 길이 및 2.5 ㎜×1 ㎜의 단면을 갖는 니켈 크롬 직사각형 와이어로 형성된 가열 코일(72)이 1.17 Ω의 코일 저항을 제공한다. 코일(72)은 절연 재료(75)로 덮이고 디스크의 상부 표면(74) 내의 사행형 홈(73) 내에 매립되며, 코일 및 디스크는 폐쇄된 자기 루프를 제공하기 위해 요크(71)에 의해 덮인다. 코일(72), 디스크/코어(70) 및 요크(71)는 모두 물리 접촉 상태에 있다(어떤 공기 간극의 최소화). 도7의 구성으로부터, 전기 절연성 코일(72)이 강철 디스크(70)와 강철 요크(71) 사이에 매립된 상태에서, 경계 주파수가 단지 24 ㎐의 방정식 2(후술됨)로부터 계산된다. 대조적으로, 약 2 ㎑의 경계 주파수가 폐쇄된 자기 루프 없이[요크(71) 없이] 예측된다.

이러한 제품은 우선 60 ㎐ 사인 신호(산업용 전원)로써 가열된다. 다음에, 대기에서의 냉각 후, 제품은 도3c에 대해 도시 및 설명된 것과 유사하게 IGBT 공급원으로부터의 전류 펄스로써 가열된다.

사인 60 ㎐의 신호 전압이 코일(72)을 가로질러 가해진 상태에서, 전압이 9 V RMS로 측정되어, 이와 같이 10 A RMS의 전류를 제공한다. 코일(72) 및 디스크(70)로 분배된 파워는 117 W인 것으로 계산된다. 도8에 작도된 디스크(70)의 온도 변화의 측정 속도는 60 ㎐의 사인 전압 입력에 대해 0.27℃/초이다.

유도 가열 하에서의 전자기 과정의 분석으로부터 그리고 경계 주파수보다 높은 주파수에 대해, 가열기 코일 회로에 대한 키르히호프의 방정식은 다음과 같이 표현될 수 있다:

U_ps=I_c(R_c+K_c ²N²R_θ)+I_cjω(1-K_c ²)L_c (2)

여기에서,

U_ps는 전원의 RMS 전압이며,

ω는 경계 주파수를 넘는 전원의 주파수이며,

I_c는 가열 코일의 전류(RMS)이며,

R_e는 맴돌이 전류 등가 저항이며,

R_m은 자속 회로의 등가 자기 저항이며,

N은 가열 코일 내에서의 와이어의 권취수이며,

R_c는 가열 코일의 저항이며,

L_c는 가열 코일의 인덕턴스이며,

K_c<1은 가열 코일과 맴돌이 전류 사이의 전자기 연결 계수이며,

j=sqrt(-1)은 허수 단위이며,

여기에서, 경계 주파수 ω_b=R_mR_c=eπf_b.

60 ㎐의 사인 공급 신호에 대해, 약 1.2 Ω의 총 저항이 코일에서의 전압 및 전류로부터 측정된다. 맴돌이 전류 등가 저항 R_e는 0.1 Ω인 것으로 (방정식 1b로부터) 계산된다. 1.17 Ω의 니켈 크롬 와이어 자체의 저항에 추가하여, 코일에서 측정될 것으로 예측되는 총 저항은 1.27 Ω이다. 1.2 Ω의 실제로 측정된 저항은 이러한 예측 수치에 합리적으로 근접한다. 이들 수치로부터 파워 중 단지 약 8%가 60 ㎐의 사인 공급 신호를 사용하여 유도적으로 분배된 것을 알 수 있다. 이와 같이, 분배된 대부분의 파워는 니켈 크롬 와이어의 저항 가열에 의해 고려될 수 있다.

비교를 위해, 60 ㎐의 공급 신호가 도3c에 도시된 것과 유사한 IGBT(인터내셔널 렉터파이어 코포레이션으로부터 구매됨, IRGP450U, 500 V 및 60 A에서 정격되고 10 ㎑로 하드 스위칭됨)로부터의 전류 펄스로 교체될 때, 5 ㎑의 주파수를 갖는 전류 펄스가 제공된다. IGBT로부터의 이들 펄스(80)는 각각의 펄스에서의 4개의 높은 경사 세그먼트(81, 82, 83, 84) 그리고 펄스들 사이에서의 지연(85)을 갖는 도9에 도시된 프로파일을 갖는다. 전압은 (60 ㎐의 공급부와 함께일 때) 10 A의 동일한 전류를 제공하도록 조정되며, 그러나, IGBT에 의해 제공된 고주파 펄스를 갖는 10 A 전류를 제공하기 위해, 전압은 114 V로 증가되어야 한다. 높은 전압은 코일로 다시 변압될 때 가열된 제품 내의 높은 맴돌이 전류 등가 저항의 결과이다. 코일 내의 전력은 이제 대략 1140 W이다. 이들 전류 펄스를 이용할 때의 강철 디스크 내에서의 온도 증가 속도는 도8에 도시된 바와 같이 2.6℃/초로 측정된다.

5 ㎑의 전류 펄스에 대한 맴돌이 전류 등가 저항은 맴돌이 전류 등가 저항 R_e가 주파수의 제곱근에 따라 증가하는 것을 보여주는 방정식 1b로부터 계산된다. 60 ㎐의 라인 주파수보다 거의 100배 높은 5 ㎑ 주파수로써, 맴돌이 전류 저항은 약 10배 높거나 약 1.8 Ω인 것으로 예측된다. 실제로, 5 ㎑에서의 맴돌이 전류 등가 저항은 (10 A에 의해 114 V를 제산하고 코일 자체의 1.17 Ω 저항을 감산함으로써) 약 10 Ω인 것으로 실제로 측정된다. 실제로 측정된 훨씬 큰 등가 맴돌이 전류 저항은 맴돌이 전류 저항이 기본 주파수에서의 100배 미만의 증가로부터 예측되어 10배 증가를 훨씬 초과하여 증가된 것을 보여준다. 이와 같이, 유효 주파수 증가는 실제로 5 ㎑보다 훨씬 커졌다. 거의 6배 큰 등가 저항을 고려하기 위해, 유효 주파수 증가는 약 180 ㎑이어야 한다. 이러한 훨씬 높은 주파수는 도9에 도시된 바와 같이 각각의 펄스에서 고주파 고조파 때문에 얻어질 수 있다.

펄스의 푸리에 변환은 이들 고주파 고조파에서 높은 수준의 에너지를 보여준다. 주기 함수(전류 펄스는 주기 함수임)에 대한 푸리에 변환은 푸리에 급수를 유 도한다:

F(t)=A₀+A₁sin(ωt)+A₂sin(2ωt)+A₃sin(3ωt)+…

여기에서,

ω=2πf=기본 각주파수,

f=1/T=기본 주파수,

t=시간,

T=이러한 주기 함수의 주기,

A₀=상수,

A₁, A₂, A₃, …=제1, 제2, 제3, … 고조파의 진폭.

예컨대, 기본 주파수 ω를 갖는 단위 구형 파동 함수 F_sw(ωt)가 다음의 푸리에 급수를 갖는다:

F_sw(ωt)=4/π[sin(ωt)+1/3sin(3ωt)+1/5sin(5ωt)+1/7sin(7ωt)+…]

이러한 경우에서, R_e의 6배 증가는 펄스 에너지의 약 5/6=83%가 고주파 고조파에 있는 것을 의미한다. 이와 같이, 예측보다 훨씬 높은 맴돌이 전류 저항은 각각의 펄스 내에 이들 고주파 고조파의 존재에 의해 설명될 수 있다. 결과적으로, 파워의 훨씬 큰 부분이 저항 가열보다 유도 가열로부터 가열 제품(여기에서, 금속 디스크)으로 제공된다.

다양한 실시예에서, 고주파 고조파에서 펄스 에너지의 15% 초과 그리고 특히 적어도 50%를 제공하는 것이 바람직하다. 특정 실시예에서, 이러한 범위의 상한 즉 70%가 (예컨대, 노즐 내의 동결된 플러그의 급속한 용융을 위해, 보어를 통한 재료의 유동을 가능하게 하기 위해, 또는 압출기 배럴의 균일한 가열을 위해) 바람직할 수 있으며, 50 내지 69%의 중간 범위가 제2 우선도를 포함할 수 있으며, 25 내지 49%의 낮은 범위가 제3 선호도로서 포함할 수 있다. 작동 범위는 초기 가열로부터 정상 상태의 작동 범위까지 변할 수 있다.

비교의 기초로서, (사인 대신에 그리고 동일한 진폭을 갖는) 직사각형 파동이 고조파에서 그 에너지의 약 25%를 가지며, 반면에 (동일한 진폭을 갖는) 삼각형 파동이 약 10%를 갖는다.

유도 및 저항 가열을 모두 이용하는 것이 바람직한 여기에서 설명된 선택 실시예에서, 전원으로부터 소비되는 가열 파워는 다음의 2개의 부분을 포함한다:

a) 저항 가열의 파워

P_R=I_c ²R_c

b) 유도 가열의 파워

P_I=I_c ²K_c ²N²R_e

여기에서, I_c는 가열기 코일 내의 전류(RMS)이며, R_c는 가열기 코일의 저항이며, R_e는 등가 맴돌이 저항이며, N은 코일 권취수이며, K_c는 가열 코일과 맴돌이 전류 사이의 전자기 연결 계수이다. 여기에서 설명되는 조합된 저항/유도 실시예에서, 저 항 성분 P_R은 가열기 코일을 냉각시켜 가열 파워의 이러한 저항 성분을 잃는 종래 기술의 시스템에 비교될 때 이러한 열이 가열될 제품에 전달될 때의 전체 가열 효율에 기여한다. 가열 코일이 가열 제품 내에 매립되는 곳에서, 전자기 연결 계수는 거의 K_c=1로 증가되는데, 이는 동일한 코일 전류 하에서의 가열 파워 P_l의 유도 부분을 증가시킨다. I_c(주어진 코일에 대한 최대 허용 전류), N 및 K_c가 고정된 상태에서, 가열 파워 P_l의 유도 성분은 (방정식 1에 대해 전술된 바와 같이) 맴돌이 전류 등가 저항 R_e를 증가시킴으로써 증가된다.

임의로 입력된 전류(반드시 사인 변동은 아님) 하에서의 유도 가열의 전자기 과정의 분석은 맴돌이 전류 저항 R_e가 코일 내의 전류의 변화 속도의 함수인 것을 지시한다. 실험 데이터는 다음의 방정식으로 추정된다:

R_e~(dl_c/dt)ⁿ

여기에서, n>1, l_c는 코일 내의 전류이며, t는 시간이다. 이러한 관계식의 관점에서, 유도 가열로부터의 가열의 비율은 급격하게 변하는 부분을 갖는 전류 펄스로 높은 기본 주파수 사인 전류 공급부를 교체함으로써 코일 내의 전류를 증가시키지 않고 상당히 증가될 수 있다. 이들 펄스는 교체된 사인 전류보다 낮은 기본 주파수에서 제공될 수 있는데, 이는 전류 펄스의 급격하게 변하는 부분이 낮은 기본 주파수로 구성된 것보다 큰 고조파를 제공하기 때문이다.

선택 실시예에서, 자속을 위한 폐쇄된 루프를 보증하기 위해 공기 간극을 제거하고 기판 내에 코일을 매립하고/매립하거나 요크를 제공함으로써 제공된 더욱 양호한 결합으로써, 경계 주파수는 감소될 수 있다. 이것은 경계 주파수를 넘는 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스를 제공함으로써 유도 가열 성능의 개선을 용이하게 한다.

전술된 바와 같이, 낮은 또는 라인 주파수로써 여기된 펄스 발생기를 포함하는 유도 가열을 위한 낮은 비용의 전원이 제공될 수 있다. 사이리스터, GTO 및 IGBT 장치를 포함하는 단일 발생 장치가 라인 주파수 또는 직류로부터 짧은 전류 펄스를 제공하는 데 사용될 수 있다. 이들 전류 펄스 내에서의 고주파 고조파는 유도 가열 물체로의 파워 전달을 증가시키도록 (공진 회로가 없는 경우에) 보존된다. 또한, 가열기 코일의 냉각이 종래의 시스템에 비해 요구되지 않을 수 있다.

전술된 실험에서 사용된 것보다 높은 전류 및 전압일 수 있는 IGBT 장치가 5 ㎑보다 높은 주파수에서 운영되어, 60 ㎐ 실험에서 제공된 것과 동일한 코일 그리고 코일 내의 동일한 전류로써 가열을 위한 부하에 큰 파워를 제공할 수 있다.

도10 퍼니스

도10은 대체 가열 시스템으로서의 퍼니스(90)를 도시하고 있다. 퍼니스는 저부벽(97) 및 상향으로 펼쳐진 측벽(98)을 갖는 (강자성 코어로서의) 보울형 용기(91) 그리고 측벽의 외주 주위에 감싸진 입방체 홈 내에 매립된 코일(93)을 포함한다. 슬리브형 요크(92)가 코어 측벽(98)을 덮어, 직접 접촉 상태로, 자기 루프를 폐쇄한다. 고정되거나 제거 가능한 리드(94)가 용기(91)의 상부 개구를 덮는다. 용융되거나 선택 온도로 유지되는 것이 바람직한 재료(95)가 코어(91) 내에 담겨진다. 도10a의 상세 부분이 코어 측벽(91) 및 요크(92)와 근접한 접촉 상태로 절연층(96)에 의해 둘러싸인 코일(93)을 도시하고 있다.

도11 온수기 또는 화학 반응기

도11은 원통형 코어(101)가 그 외부 표면 내에 매립된 코일을 갖고 원통형 요크(102)가 코어를 둘러싸지만 공기 간극(107)에 의해 그로부터 분리되는 온수기 또는 화학 반응기 실시예를 도시하고 있다. 요크(102)와 직접 접촉 상태에 있는 디스크형 하부 요크(105)는 온수기/반응기의 저부 단부에 근접하며, 요크(102)와 직접 접촉 상태에 있는 디스크형 상부 요크(104)는 온수기/반응기의 상부 단부에 근접하여, 자기 루프를 폐쇄한다. 상부 및 하부 강자성 요크(104, 105)를 갖는 강자성 코어(101)와 강자성 측벽 요크(102) 사이의 근접한 물리(직접) 접촉은 폐쇄된 자기 루프의 결합을 향상시킨다. 가열될 유동 가능한 재료가 온수기/반응기 내의 중심 통로(109)를 통해 보내질 수 있다.

도12 가열기 패치

도12는 화학 용기 또는 반응기(112)가 그 상에 장착된 가열기 패치를 갖는 추가의 대체 가열 시스템(110)을 도시하고 있다. 2개의 대체 형태의 가열기 패치 즉 우측 상의 원형 디스크(114) 그리고 좌측 상의 정사각형 또는 직사각형 판(1160이 도시되어 있다. 이들 가열기 패치의 구성은 도7의 구조와 유사할 수 있다.

도13 내지 도19 적층형 가열 구조

도13은 외부층(122), 내부 강자성 층(126), 외부층과 내부층 사이에 배치된 가열 요소(124) 그리고 내부 강자성 층에 인접한 가열될 제품(128)을 포함하는 가열 장치(120)의 개략 단면도이다. 가열 요소는 내부 강자성 층 및 외부층으로부터 전기 전도체를 절연하기 위해 전기 절연체(125)로 둘러싸인다. 외부층은 강자성 또는 비강자성 재료, 전기 전도성 또는 비전도성 재료 그리고 열 절연 또는 비절연 재료를 포함하는 다양한 재료들 중 어떤 재료일 수 있다. 또한, 외부층은 전체적으로 또는 부분적으로 공기 간극일 수 있다.

도14는 외부층(132), 내부 강자성 층(136), 외부층과 내부층 사이에 배치된 [전도체(134) 및 절연 커버(135)를 갖는] 가열 요소(124) 그리고 내부 강자성 층에 인접한 가열될 제품(138)을 포함하는 대체 장치(130)를 도시하고 있다. 여기에서, 내부 강자성 층은 대략 3*의 두께 A를 갖는다. 델타(*)는 내부층(136)의 강자성 재료 내의 유도된 맴돌이 전류의 관통 깊이이다. 이러한 두께 A는 강자성 층(136)으로부터 가열될 제품/재료(138)로의 열의 양호한 전달 효율을 제공한다.

도15는 외부층(142), 내부 강자성 층(146/149) 그리고 외부층과 내부층 사이에 배치된 가열 요소[절연 커버(145)를 갖는 전도체(144)]를 포함하는 대체 장치(140)를 도시하고 있다. 재차, 가열될 제품(148)은 내부 강자성 층에 인접하게 배치된다. 여기에서, 내부층(146/149)은 냉매가 필요에 따라 내부층(146/149)의 온도를 감소시키도록 통과될 수 있는 냉각 통로(147)를 포함한다. 대체예에서, 냉각 통로는 외부층(142) 내에 위치될 수 있거나, 외부층 및 내부층 내에 모두 제공될 수 있다.

도16은 외부층(152), 내부 강자성 층(156) 그리고 외부층과 내부층 사이에 배치된 가열 요소[절연 커버(155)를 갖는 전도체(154)]를 포함하는 대체 장치(150)를 도시하고 있다. 재차, 가열될 제품(158)은 내부 강자성 층(156)에 인접하게 배치된다. 이러한 실시예에서, 가열 요소는 내부 냉각 통로(157)를 갖는 중공 직사각형의 전기 전도성 가열 요소(154)이다. 냉각 매체가 내부층(156) 및/또는 외부층(152)의 (예컨대, 단속적) 냉각을 위해 중심 냉각 통로를 통해 지나갈 수 있다.

도17은 가열 요소[전도체(164) 및 절연 커버(165)]를 각각 둘러싸는 강자성 외부층 및 강자성 내부층(162, 166)을 포함하는 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 내부층(166)은 가열될 제품(168)에 인접한 내식성 및 열 전도층(169)을 포함한다. 내부 및 외부 강자성 층(162, 166)은 유도 자기장을 위한 실질적으로 폐쇄된 자기 루프를 형성한다. 외부층(162)은 열 절연성일 수 있다.

열 분무(TS: thermal spray) 방법이 도13 내지 도17 그리고 도18 및 도19에서 설명된 다양한 구조에서 일체로 적층된 가열 요소를 제조하는 데 사용될 수 있다. 이들 일체로 적층된 구조는 가열 요소가 예컨대 용융체 채널, 취입 성형 또는 압축 성형 시스템에 가해진 압축력을 견딜 수 있는 장치의 구조 요소의 일부로 될 수 있게 한다.

도18 및 도18a는 예컨대 외부층(172)과 내부 강자성 층(176) 사이에 배치된 가열 요소를 포함하는 적층형 가열 장치를 도시하고 있다. 가열 요소는 외부 유전체 층(175A), 내부 냉각 통로(177), 전도성 코일층(174) 및 내부 유전체 층(175B)을 갖는다. 대체예에서, 냉각 통로는 가열 요소의 내부로부터 제거될 수 있거나, 가열 장치 내의 다른 위치에서 제공될 수 있다. 이러한 구조를 제조하기 위해, 채 널(171)은 내부층(176)의 외부 표면(173) 내에 형성된다. 내부 유전체 층(175B)은 채널(171) 내에 열 분무된다. 다음에, 전기 전도성 코일층(174)은 내부 유전체 층(175B)에 걸쳐 열 분무된다. 가해진 층(175B, 174)은 채널(171)의 내부를 제외한 외부 표면(173)으로부터 제거될 수 있다. 제2 유전체 층(175A)은 외부층(172)의 내부 표면 상에 열 분무될 수 있다. 다음에, 외부 및 내부 섹션은 서로 접합되어, 층(175A, 174)들 사이에 냉각 통로(177)를 남긴다.

대체 열 분무 실시예가 도19 및 도19a에 도시되어 있다. 여기에서, 장치(180)는 외부 비강자성 주형 기부(182), 외부 유전체 절연 열 분무층(185A), 가열 코일층(184), 내부 유전체 열 분무층(185B), 내부 강자성 성형 표면층(186) 그리고 내부 성형 표면에 인접하게 배치된 가열될 제품(188)을 포함한다. 가해진 자기장은 내부 강자성 성형 표면층(186) 내에 맴돌이 전류를 유도한다. 실질적으로 비강자성(예컨대, 알루미늄)인 주형 기부(182)는 내부층(186)에 비해 상당히 유도된 맴돌이 전류를 갖지 않으며, 실질적으로 더욱 차갑다. 가열 요소(184)가 꺼지면, 성형 표면층(186)의 급속한 냉각이 일어날 수 있다. 실질적으로 큰 질량의 냉각기 외부 주형 기부(182)는 실질적으로 작은 질량의 성형 표면층(186)으로부터 열을 흡인한다. 여기에서, 냉각 매체 또는 기구는 열 싱크로서 작용하는 외부 비강자성 주형 기부(182) 자체이다.

도20 내지 도22 분사 노즐

전통적인 노즐 가열 조립체에서, 저항 가열기 밴드는 분사 노즐의 외주 상에 위치된다. 다음에, 가열기 밴드 내에 저항 발생된 열은 노즐의 외부 표면으로부터 (가열될) 재료가 중심 노즐 통로를 통해 유동하는 그 내부 표면으로 열 전도되어야 한다. 이것은 비교적 불충분한 가열 방법이며, 균일한 온도 또는 급속한 가열 중 하나를 제공하기 어렵다. 노즐이 과도하게 급속하게 가열되면, 노즐 내에 구조적 파괴(예컨대, 크랙)를 일으킬 수 있는 열 구배가 생성된다. 노즐 자체는 압출기/배럴 장치의 연장부이며, 전형적으로 수톤 예컨대 클램프 톤수의 5 내지 10%의 힘이 적용된다. 이와 같이, 과도한 열 구배에 의해 유도된 작은 크랙이 성장하여 결국 파괴를 일으키기 쉽다.

또한, 종래의 설계에서, 별도의 냉각 회로는 주형이 성형된 물체의 제거를 위해 개방될 때 플라스틱 용융체의 "드룰" 또는 "스트링잉"을 방지하기 위해 분사 노즐 내에 제공된다. 이와 같이, 성형 사이클마다, 사출 주형의 가동측은 개방되고 주형 해제의 기간 동안 노즐로의 용융된 플라스틱의 유동은 중단되어야 한다. 드룰 또는 스트링잉이 (주형 및 노즐 내의) 분리된 용융체 통로로부터 일어나면, 이것은 정지 시간 및 재료의 손실을 유발시키므로 제거되어야 한다. 이러한 문제점을 제어하는 대체 방법은 비싸거나 대부분의 경우에 실용적이지 않다. 압출기의 감압 또는 노즐의 기계적 차단이 드룰을 방지하는 데 도움이 될 수 있지만, 어떤 성형 재료는 성형된 부품 내에 결함(공기 개재)을 생성시키기 때문에 감압을 허용하지 않는다. 기계적인 차단 장치는 추가 이동 구성 요소, 전기 센서, (유압 누설 및 화재의 위험성을 수반하는) 유압 호스, 구성 요소의 마모, 차단 핀의 정확한 끼움 그리고 보수를 요구하기 때문에 문제가 많다.

이와 같이, 정확한 수준으로 용융체 통로 오리피스 온도를 제어하고/제어하 거나 오리피스의 급속한 가열 및 냉각을 허용하는 것이 바람직하다. 이것은 기계적인 차단 장치에 대한 필요성을 감소 또는 제거시킬 수 있다. 나아가, 용융체의 이러한 열 제어는 드룰 또는 스트링되지 않도록 응고된 세그먼트, 부분적으로 응고된 세그먼트 또는 용융체의 점도의 증가의 형성을 가능하게 한다.

또한, 노즐의 외부 표면에 가해진 전통적인 저항 가열기 밴드에 비해 더욱 작고 에너지 효율적인 가열 장치를 제공하는 것이 바람직하다. 이들 종래의 장치로써, 가열 및 냉각이 가열 및 냉각될 원하는 영역(중심 통로)으로부터 멀리 떨어져 가해져, 열악한 열 응답 시간을 초래한다. 결과적으로, 냉각 및 가열 하드웨어는 열 비효율을 보상하도록 크기가 증가되어, 가열 및 냉각 장치를 커지게 한다. 나아가, 316℃(600℉) 등의 온도에서 저항 가열기의 수명은 매우 제한되어, 가열기가 교체될 필요가 있을 때 정지 시간을 증가시킨다.

도20 내지 도22는 분사 노즐 조립체를 위한 개선된 가열 및 냉각 시스템을 도시하고 있다. 노즐 조립체(200)는 대체로 원통형이며, 제1 또는 배럴/압출기 단부(210)로부터 제2 주형 단부(212)로 연장하는 중심 관통 통로(208)를 갖는다. 노즐은 내부 구성 요소(202) 및 동축 외부 구성 요소(204) 그리고 내부 및 외부 구성 요소 사이에 배치된 코일형 가열기 요소(206)를 포함한다. 가열 요소(206)는 내부 노즐 구성 요소(202)의 주형 단부 상에서 튜브(214)의 외부 원통형 표면(213) 주위에 감싸진 나선형 코일로서 성형된다. 튜브 및 가열 요소는 도21에 도시된 바와 같이 외부 구성 요소(204)의 내부 보어(216) 내에 끼워진다. 연속 관통 통로는 주형 단부(212)에서 외부 노즐(204)의 중심 보어(220)에 의해 형성되며, 배럴/압출기 단부(210)로 내부 노즐(202)의 길이만큼 연장하는 중심 통로(222)를 통해 계속된다.

플라스틱 용융체는 중심 통로를 통과하여, 압출기로부터, 노즐(200)을 통해, 고온 러너 시스템을 통해 그리고 주형 내로 온다. 노즐(200)로부터 주형 내로의 소정량의 플라스틱 용융체의 분사가 후속되며, 주형 내에서의 어떤 냉각 시간에 후속하여, 주형은 개방 즉 노즐로부터 분리되는데, 이 때 노즐을 통한 플라스틱 용융체의 유동은 중지되어야 한다. 본 발명의 노즐의 가열 및 냉각 요소는 사출 사이클 중 용융체 유동을 제어하는 에너지 효율적이고 비교적 간단한 기구를 가능하게 한다.

사출 사이클의 제1 부분 중, 용융된 플라스틱은 가열된 노즐 조립체의 중심 통로(208)를 통해 유동한다. 전류 펄스 신호는 교대하는 자기장을 발생시키는 가열 요소(206)에 가해진다. 이러한 자기장은 내부 노즐의 강자성 튜브(214) 내에 유도된 맴돌이 전류를 발생시켜, 내부 노즐 튜브를 가열한다. 내부 노즐 튜브 내의 열은 내부 노즐의 중심 통로(222)를 통해 유동하는 용융된 플라스틱으로 전달된다. 가열 요소(216)는 노즐 조립체의 외부 표면 상에 가해지는 종래 기술의 저항 가열 밴드에 비해 중심 통로(222)에 비교적 근접하게 위치된다.

도시된 실시예에서, 가열기 코일은 코일 내에 발생된 저항열의 양을 감소시키기 위해 비교적 큰 단면적을 갖는 니켈 크롬 합금(NiCr) 코일형 요소이다. 코일은 내부 및 외부 노즐 구성 요소(202, 204)부터 가열 요소를 전기적으로 절연하기 위해 전기 절연성 재료에 의해 덮인다. 나아가, 냉각 매체가 통과될 수 있는 통로 (230)가 내부 및 외부 노즐 구성 요소들 사이에 형성된다. 사출 성형 사이클의 제2 부분 중, 전류 펄스 신호는 강자성 내부 노즐(202) 내에 발생된 유도 가열을 감소 또는 제거시켜 통로(222) 내의 용융된 플라스틱으로 전달되는 열을 감소시키기 위해 부분적으로 또는 전체적으로 감소될 수 있다. 강자성 내부 노즐(202)을 냉각시키기 위해, 냉각 매체가 내부 노즐 튜브(214)로부터 외부로 열을 흡인하기 위해 냉각 통로(230)를 통해 지나간다. 이것은 사이클의 제2 부분 중 플라스틱 용융체의 급속한 냉각을 가능하게 한다. 다음에, 주형은 개방될 수 있고 플라스틱은 응고된 세그먼트의 형성, 부분적으로 응고된 세그먼트 또는 플라스틱의 증가된 점도의 형성으로 인해 노즐을 통해 더 이상 유동하지 않는다.

외부 노즐(204)은 외부 노즐의 유도 가열이 바람직하지 않은 경우에 강자성 재료로 형성될 필요가 없다. 대체예에서, 외부 노즐은 내부 노즐뿐만 아니라 외부 노즐을 유도 가열하는 것이 바람직한 경우에 강자성 재료로 제조될 수 있다.

이러한 노즐 설계는 사출 사이클의 또 다른 부분 중의 급속한 냉각뿐만 아니라 균일하거나 정상 상태의 가열을 달성하기 위해 급속한 가열을 가능하게 한다. 비교적 낮은 온도 분야에서, 어떤 냉각 기간 없이 구리 가열 코일(206)을 사용하는 것이 가능하다. 그러나, 높은 온도 분야 예컨대 316℃(600℉)에 대해, 구리 코일은 단기간 내에 산화되어 분해된다. 높은 온도 분야에서, 높은 온도를 견딜 수 있는 니크롬(NiCr) 코일을 사용하는 것이 바람직하다.

나아가, 이러한 실시예는 소형이고 효율적인 노즐 설계를 제공한다. 열은 가열될 재료로 전달되는 중심 통로(222)에 근접하게 발생된다. 또한, 냉각은 사출 사이클의 주형 개방(해제) 부분 중 내부 노즐 및 용융체의 급속한 냉각을 가능하게 하기 위해 내부 노즐에 근접하게 가해진다.

도23 내지 도25 다중 영역 고온 러너 노즐

도23 내지 도25는 다중 온도 영역 노즐 조립체(240) 내에 합체된 가열 장치의 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 강철 고온 러너 노즐(242)은 중심 통로(246)를 갖는 긴 원통형 부분(244)을 갖는다. 가열기 슬리브 조립체(247)는 튜브 또는 슬리브(250) 상에 배치되고 외부층(254)에 의해 덮인 가열 코일(248)을 포함한다. 전기 전도성 코일(248)은 내부 슬리브(250)의 외부 표면(252) 상에 사행형 패턴으로 제공된다. 슬리브 조립체(247)는 노즐(242)의 실린더(244) 상에서 활주한다. 내부 슬리브(250) 및 외부층(254)은 전기 전도체(248)와 강자성 강철 노즐 실린더(244) 사이에 전기 절연을 제공한다. 강자성 강철 노즐의 유도 가열에 주로 의존하는 이러한 실시예에서, (전기 전도체에 의해 발생된 저항열의 전달을 위해 요구될 때와 같이) 가열 조립체와 노즐 사이에 밀접한 물리 접촉을 갖는 것이 요구되지 않는다.

도23은 사출 성형 노즐을 위한 다중-영역 가열 조립체의 분해도를 도시하고 있다. 외부층(254)은 조립체로부터 제거된 것으로 도시되어 있지만, 실제로 가열 요소 및 내부 슬리브(250) 상에 영구적으로 부착된다. 사행형으로 된 인접한 요소들 사이의 상당히 근접한 간격을 갖는 상부 전기 전도체 패턴(256) 그리고 하부의 더욱 넓게 이격된 패턴(258)에 의해 도시된 2개의 온도 제어 영역(영역 1 및 영역 2)이 도시되어 있다. 상부 및 하부 전도성 패턴이 동일한 신호에 의해 가동되면, 상부 패턴(256)은 더욱 넓게 이격된 하부 패턴(258)보다 많은 열을 분배한다. 사행형 패턴의 사용은 다중 영역으로부터의 리드(260)의 후방 배출을 가능하게 하며, 전기 커넥터(262)가 내부 슬리부의 하부 단부에 제공된다.

도24는 노즐(242) 상에 설치된 가열기 슬리브를 갖는 조립체의 프로파일이다. 영역의 다양한 길이 및 개수가 상이한 노즐 길이를 수용하도록 실시될 수 있다. 도25 및 도25a는 내부 유전체(예컨대, 세라믹) 튜브(250)와 외부 유전체(예컨대, 세라믹) 층(254) 사이에 배치된 가열 요소(248)를 도시하는 단면도이다.

이러한 노즐 및 가열기 슬리브 조립체의 장점은 노즐을 세척하거나 다른 서비스를 하기 위해 노즐(242)로부터 가열기 슬리브 조립체(247)를 신속하게 제거할 수 있는 능력이다. 대조적으로, 종래의 가열 요소는 노즐에 대한 엄격한 공차 끼움을 요구하여, 서비스를 더욱 어렵고 시간-소비적이게 한다. 예컨대, 저항 가열 요소가 고장나서 교체될 필요가 있으면, 노즐로부터 느슨하게 들어올려져야 한다. 여기에서, 비교적 느슨하게 끼워지는 세라믹 슬리브가 내부 슬리브(250)와 노즐 실린더(244) 사이에 예컨대 최대 1/2 ㎜의 간극을 제공할 수 있으며, 여전히 노즐의 효과적인 유도 가열을 제공한다. 또한, 가열기 슬리브 조립체는 내부 세라믹 튜브(250)를 제공하고 튜브(250)의 외부 표면에 걸쳐 가열 요소(248)를 분무한 다음에 가열 요소(248) 및 튜브(250)에 걸쳐 외부 세라믹 층(254)을 형성함으로써 경제적으로 제조될 수 있다. 형성된 외부층(254)은 슬리브의 구조적 일체성의 대부분을 제공할 수 있다.

도26 내지 도29 취입 주형

도26 내지 도30은 가열 장치가 용기 취입 성형 장치(300) 내로 합체되는 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 이러한 예에서, 가열 요소는 주형의 내부 표면 상에 제공된 강자성 재료(주형 삽입체)의 얇은 필름을 급속하게 가열하기 위해 주로 유도 가열을 제공한다. 그러면, 외부 주형은 낮은 온도에서 유지될 수 있다. 이러한 얇은 강자성 성형 표면층의 급속한 가열 및 냉각은 용기의 취입 조건 및/또는 열 조절을 위한 전체 사이클 시간의 감소를 가능하게 한다.

종래의 열 상태 과정은 취입 주형 내에 플라스틱 용기를 조절하기 위해 높은 주형 온도를 이용한다. 이러한 높은 주형 온도는 과도한 수축 또는 비틀림 없이 주형으로부터의 용기의 제거를 허용하기 위해 취입된 용기의 내부 표면 상에서 공기 냉각의 사용을 요구한다. 이들 종래의 주형은 127℃(260℉) 내지 138℃(280℉)의 표면 온도를 가질 수 있으며, 외부 표면이 고온 주형과 접촉 상태에 있는 동안에 용기의 내부 표면을 냉각시키기 위해 600 psi(40 바아)의 압력에서 압축 공기의 일정한 유입 및 배출을 요구한다. 사용된 중합체에 따라, 이러한 형태의 열 처리가 증가된 수준의 결정성을 제공하는 데 사용될 수 있다.

높은 주형 온도 및 내부 공기 유출/냉각의 사용은 낮은 작동 온도의 주형에 비해 처리량을 감소시킨다. 예컨대, 88℃(190℉)의 낮은 주형 온도에서, 병 제조업자는 시간당 주형당 1400개의 용기를 생산할 수 있으며, 대조적으로, 127℃(260℉) 내지 138℃(280℉)의 높은 주형 온도에서, 이러한 개수는 시간당 1200개 이하로 감소될 수 있다. 공정 처리량의 이러한 감소는 공기 냉각에 의해 요구되는 성형 장치의 큰 비용 및 복잡성에 추가하여 상당한 비용 상의 단점이다.

도26 및 도27은 플라스틱 병(290)을 제조하는 본 출원인의 취입 성형 장치(300)의 1/2을 도시하고 있다. 도27의 분해도에서, 알루미늄 Al으로 제조된 외부 주형 부분(306)은 용기 측벽의 1/2을 형성하는 내부 성형 외형(308)을 갖는다. 사행형 홈(310)이 가열 코일(302) 및 인접한 외부 유전체 코일(312)을 수용하도록 성형되는 내부 주형 표면 내에 제공된다. 가열 코일(302)은 역시 사행형으로 제공되는 이러한 외부 유전체 코일(312)과 연속 시트로서 도시된 내부 유전체 층(314) 사이에 배치된다. 내부 유전체 층(314)의 대향측에 인접하게 [외부 주형(306)에 비해] 비교적 얇은 층의 강자성 주형 삽입체(304)가 있는데, 이는 여기에서 예컨대 NiCr로 제조되며, 연속 시트로서 형성된다. 주형 삽입체(304)는 내부 유전체 층(314)과 접촉 상태에 있는 외부 표면(318)을 갖고 취입된 측벽(292) 내에 재현될 세부 사항을 갖는 성형 외형을 내부 표면(320)으로서 갖는다. 외부 주형 기부(306)에는 홈(322) 그리고 가열 코일(302)에 전류를 공급하는 리드를 위한 전기 커넥터(324)가 제공된다.

도28은 병의 벽의 주형 표면 가열을 도시하는 개략 단면도이다. 유전체 층(312, 314)을 둘러싸는 가열 코일(302)은 외부 주형 기부(306)와 훨씬 얇은 주형 삽입체(304) 사이에 배치된 것으로 도시되어 있다. 가열기 코일(302) 내의 전류는 NiCr 주형 삽입체(304) 및 Al 주형 기부(306)를 통해 연장하는 자속(301)을 발생시킨다. Al 주형 기부(306)는 NiCr 주형 삽입체(304)에 비해 맴돌이 전류에 대해 훨씬 낮은 저항을 갖기 때문에, 주형 기부(306)는 맴돌이 전류로부터 상당한 열을 발생시키지 않는다. 대조적으로, 주형 삽입체(304)는 주형 삽입체(304)를 유도 가열 하는 상당한 맴돌이 전류를 발생시킨다. 병의 측벽(292)은 성형 공정 중 주형 삽입체(304)와 근접한 접촉 상태로 유지되므로 열은 유도 가열된 주형 삽입체(304)로부터 병의 벽(292)으로 전달된다.

도29는 이러한 취입 주형 장치의 사용에 의해 달성될 수 있는 사이클 시간의 감소를 도시하고 있다. 취입 성형 사이클(340)의 단계는 그래프의 좌측 상에 나열되어 있으며, 수평축은 초 단위의 시간이다. 점선(342)은 그래프의 우측 상에 제공된 온도 스케일(344)에 따른 병의 측벽의 온도를 나타낸다. 또한, 먼 우측 상에는 사이클의 각각의 부분에 대해 초 단위로 대략적인 표시[기간(346)]가 제공된다.

새로운 사이클의 시작에서, (병이 성형될) 가열된 성형체가 주형 내로 삽입된다(기간 0.1초). 예비 성형체는 외부 주형 기부와 대략 동일하게 약 88℃(190℉)의 온도에서 주형 내로 진입한다. 주형 삽입체는 원하는 최대 온도 즉 138℃(280℉)까지 가열되고 있다. 주형 삽입체의 유도 가열은 사이클의 1.5초 동안 계속된다. 주형은 폐쇄되며(사이클에서 t=0.1초에서), 예비 성형체의 인장 취입 성형이 개시된다(기간 0.2초). 팽창된 예비 성형체 용기는 가열된 주형 삽입체와 접촉하며, 측벽 온도는 138℃(280℉)의 주형 삽입체 온도에 도달할 때까지 계속하여 상승한다(사이클에서 약 t=0.7초에서). 압력은 열 조절의 목적을 위해 주형과 접촉 상태로 병의 측벽을 유지하기 위해 유지된다(기간 1.2초, 사이클에서 t=0.3 내지 1.5초). 열 조절의 이러한 시점에서, 유도 가열은 감소되거나 커지고 주형 삽입체의 냉각이 시작된다. 낮은 온도의 외부 주형 기부는 이제 주형 삽입체로부터 열을 흡인하며, 결과적으로 여전히 주형 삽입체와 접촉 상태에 있는 병의 벽은 온 도가 하락한다(사이클에서 t=1.5 내지 1.9초에서). 다음에, 취입 압력이 배기될 때(t=1.9초에서), 냉각된 병의 벽은 주형으로부터의 방출을 위해 수용 가능한 온도에 도달한다. 주형은 개방되고(t=2.1초에서) 용기는 방출된다(t=2.3초에서). 부품이 방출되면, 주형 삽입체의 가열이 다음의 사이클을 위해 재차 시작된다. 원하는 최대 주형 삽입체 온도가 도달되고 다음의 예비 성형체가 새로운 사이클을 시작하도록 삽입된다. 88℃(190℉) 내지 138℃(280℉)의 온도에 걸친 용기의 가열, 팽창 및 조절을 포함하는 (예비 성형체의 삽입으로부터 용기의 방출까지의) 총 사이클 시간은 약 2.4초이다.

이러한 예에서, 유도 가열은 얇은 필름의 강자성 성형 표면[즉, 주형 삽입체(304)]의 급속한 가열을 가능하게 한다. 가열 코일(302)로의 전력을 종료시킴으로써(실질적으로 감소시킴으로써), 얇은 강자성 필름은 낮은 외부 주형 온도[주형 기부(306)의 88℃(190℉)]까지 급격하게 냉각되며, 이것은 취입된 용기의 내부 공기 순환을 제거시킨다. 용기의 내부 공기 냉각에 대한 필요성을 제거시킴으로써 상당한 비용, 에너지 및 보수 절감이 있다. 취입 성형 표면의 급속한 열 사이클은 측벽 내의 예리한 부분 및/또는 용기에 대한 강한 느낌 등의 열 상태로부터 개선된 성질을 갖는 용기를 제공할 수 있다. 이것은 높은 주형 기부 온도의 느린 처리량에 대한 필요성 없이 그리고 내부 공기 냉각과 관련된 비용 없이 달성된다.

또한, 이러한 장치 및 방법은 높은 수준의 열 상태를 갖는 용기를 제조하는 데 사용된 종래 기술의 2-주형 공정에 비해 상당한 장점을 제공한다. 2-주형 공정에서, 용기는 제1 주형 내에서 취입되며, 제거되며, 열 조절 오븐에서 복사열이 적 용된 다음에, 제2 취입 주형으로 전달되고 최종의 원하는 형상으로 재취입된다. 최종의 용기는 전형적으로 매우 높은 사용 온도(예컨대, 저온 살균 분야)에 대해 사용된다. 본 발명의 유도 가열 요소 그리고 긴 사이클 시간에 걸친 성형의 사용에 의해, 요구된 높은 결정화 수준은 단일 주형 공정을 이용하여 달성될 수 있다. 이것은 비용 및 작동 비용 요건을 상당히 감소시킨다. 추가의 대체예로서, 성형 삽입체로부터의 열의 전달에 의해서뿐만 아니라 직접적으로 병의 벽을 유도 가열하기 위해 병이 취입되는 중합체에 강자성 첨가제를 합체하는 것이 가능하다.

도30 내지 도36 압축 주형

도30 내지 도36은 가열 장치가 압축 주형(400) 내로 합체되는 또 다른 실시예를 도시하고 있다. 폐쇄된 압축 주형은 도30에 도시되어 있다. 도31은 상부로부터 저부까지 직렬로 다음의 구성 요소를 포함하는 압축 주형의 다양한 부품을 도시하는 분해 단면도이다:

· 코어(402),

· 링(404),

· 주형 삽입체(406),

· 상부 유전체 층(408),

· 하부 유전체 층(412),

· 가열기 판(414),

· 냉각판(416),

· 절연 기판(418),

· 후방판(420),

조립된 구성 요소는 도33에 단면도로 도시되어 있다. 도34 및 도35는 확대 단면도이다.

도32의 개략 부분 단면도는 주형 삽입체(406) 및 가열기 판(414)의 유도 가열 그리고 가열기 판(414)의 후속 냉각을 설명하는 데 사용될 수 있다. 도32에서, (이제 상부에 도시된) 절연 기판(418)은 열 절연을 제공한다. 다음의 층은 다음의 공정에서 설명된 바와 같은 냉각 통로(422)가 단속적인 냉각을 위해 제공되는 냉각판(416)이다. 다음의 층은 강자성 가열기 판(414)이며, 그 아래에 주형 삽입체(406) 및 성형된 부품(430)이 있다. 전기 전도성 요소(410)는 가열기 판(414) 및 인접한 주형 삽입체(406) 내에 모두 맴돌이 전류를 유도하는 자속을 발생시킨다. 다음에, 주형 삽입체(406) 내에 발생된 열은 [코어(402)와 주형 삽입체(406) 사이에서 링(404) 내에서 성형되는] 인접한 제품(430)으로 전달된다. 이러한 예에서, 제품(430)은 양극성 판 또는 연료 전지이다. 많은 열이 가열기 판(414)으로 전달되지 않고 주형 삽입체(406)로부터 인접한 제품(430)으로 전달된다. 냉각판(416) 내의 냉각 채널(422)은 가열기 판(414)의 단속적인 냉각을 가능하게 한다. 대체 실시예에서, 가열기 판(414) 및 주형 삽입체(406) 중 단지 1개가 강자성이다.

도36에 설명된 하나의 방법 실시예에 따르면, 도30 내지 도35에 도시된 장치는 다음과 같이 사용될 수 있다. 이러한 방법의 단계(440)는 도36의 가장 좌측 컬럼(440) 내에 도시되어 있으며, 수평축은 초 단위의 시간이다. 점선(442)은 그래프의 우측 상의 온도 스케일(444)에 따라 가열기 판(414)의 온도를 나타낸다. 각 각의 방법 단계의 기간(446)은 그래프의 먼 우측 상에 제공된다. 이러한 성형 사이클 중, 주형 온도의 변화는 110℃(230℉) 내지 221℃(430℉)의 111℃(200℉)이다. 목적은 전체 사이클 시간을 감소시키기 위해 가장 짧은 시간 내에 가열기 판(414)을 가열 및 냉각하는 것이다.

새로운 사이클의 시작의 제1 단계에서, 주형 삽입체(406)는 221℃(430℉)의 최대 온도까지 가열된다. 사이클의 초기 30초 동안에, 가열기 판(414)의 온도는 110℃(230℉)로부터 221℃(430℉)로 증가한다. 이러한 가열 단계의 후속 부분 동안에, 성형 재료는 주형 내로 적재된다(사이클의 t=20 내지 25초에서). 주형 표면 온도가 221℃(430℉)에 도달할 때, 주형은 폐쇄되고 압출이 가해질 수 있다(사이클의 t=25 내지 30초에서). 유지 및 경화 단계(t=30 내지 70초) 동안에, 주형 온도는 221℃(430℉)에서 유지된다. 221℃(430℉)에서 40초 동안 성형된 제품을 유지한 후, 사이클의 냉각 부분이 시작된다. 냉각 매체는 주형 기부 내의 냉각 채널로 (t=70초에서) 가해지며, 열이 가열기 판(414) 그리고 결국 주형 삽입체(406) 및 성형된 제품(430)으로부터 인출된다. 가열기 판(414)의 온도는 주형이 개방될 수 있고(45초 후) 부품이 방출될(t=115초에서) 수 있을 때까지 정상 상태로 (t=70 내지 115초에서) 저하된다. 주형 삽입체의 온도는 이제 110℃(230℉)이다. 다음에, 냉각 채널은 가열기 판(414)이 110℃(230℉)의 그 낮은 온도에 있도록 냉각 유체가 (t=115 내지 120초에서) 제거되며, 동시에, 가열 요소(410)는 주형 삽입체(406)의 가열을 재시작하도록 켜진다. 이러한 마지막 단계는 약 5초가 걸린다. 전체 사이클 시간은 약 2분이다.

추가 실시예 및 대체예

가열기 코일은 교류 전류가 공급될 때 교대하는 자기장을 발생시킬 목적을 위해 (가변 수준의 비저항을 갖는) 전기 전도성인 어떤 형태의 재료 또는 요소일 수 있다. 가열기 코일은 어떤 특정 형태(예컨대, 와이어, 스트랜드, 코일, 두껍거나 얇은 필름, 펜 또는 스크린 인쇄, 열 분무, 화학 또는 물리 기상 증착, 웨이퍼 또는 기타) 또는 어떤 특정 형상으로 제한되지 않는다.

니켈 크롬 가열기 코일은 구리보다 실질적으로 더욱 저항성인 것으로 여기에서의 1개 이상의 실시예에서 설명된다. 다른 "저항성 전도체" 가열기 코일 재료는 예컨대 니켈, 텅스텐, 크롬, 알루미늄, 철, 구리 등의 합금을 포함한다.

가열될 제품은 전체적으로 또는 부분적으로 강자성이고 그 내에 맴돌이 전류를 유도하기 위해 자속을 가함으로써 자체로 유도 가열될 수 있거나 직접적으로 또는 간접적으로 유도 가열되는 또 다른 제품으로부터의 전달에 의해 열을 수용하는 어떤 물체, 기판 또는 재료(가스, 액체, 고체 또는 이들의 조합)일 수 있다. 가열기 코일에 대해 제품의 기하 형상, 치수 및/또는 물리적 위치에 대한 어떠한 제한도 없다.

유도 가열을 경험하는 제품은 단일 제품 예컨대 어떤 실시예에서 설명된 바와 같은 자성 코어로 제한되지 않으며, 다중 제품을 포함할 수 있다. 가열된 제품으로서의 코어에 추가하여 또는 그 대신에, 가열될 최종 제품은 코어 내의 유동 통로를 통과하는 (알루미늄 또는 마그네슘 등의) 전기 전도성 재료일 수 있다. 유동 통로 내의 재료는 코어로부터의 열의 유도 및/또는 전달에 의해 자체로 가열될 수 있다.

슬롯형 요크는 (코어와 더불어) 자속 루프를 폐쇄하는 제품의 일 실시예로서 설명되지만, 슬롯(필수적으로 공기 간극)이 자기장 내에 불연속부 또는 제한부를 생성시키기 때문에 유도 가열의 관점에서 덜 효율적이다. 다수의 다른 구조가 이러한 불연속부 또는 제한부를 생성시키는 데 사용될 수 있으며, 예컨대 요크의 일부는 강자성 코어보다 자기 투과성이지 않거나 실질적으로 덜 투과성인 (공기 이외의) 재료로 제조될 수 있거나, 요크는 맴돌이 전류의 유동에 대한 높은 비저항을 갖는 페라이트, 플럭스트론 또는 유사한 재료로 제조될 수 있다. 또한, 요크가 널리 사용되고 특정 구조, 형상 또는 재료에 제한되지 않는다.

가열기 코일은 제품의 표면 상에 또는 제품의 표면에 인접하게 배치된 사행형 패턴으로 형성될 수 있고 제품을 가로질러 (위치에 대해) 교대하는 방향으로 자기장을 제공할 수 있다. 가열기 코일은 3차원 제품 주위에 감싸진 원통형 패턴으로 형성될 수 있고 코일 내측에 (위치에 대해) 동일한 방향으로 자기장을 제공할 수 있다. 다양한 실시예에서, 전기 전도체는 중공 요소 또는 중실 요소일 수 있고 나선형, 사행형, 루프 나선형 또는 루프 사행형 등의 다양한 형상 및 형태를 취할 수 있다. 루프 나선형 또는 루프 사행형 요소의 1개의 장점은 모든 전기 리드가 동일한 위치에서 배출될 수 있다는 것이다. 전도성 코일은 가변 피치(코일들 사이의 거리)를 가질 수 있는데, 이는 최종 자기장 발생에 영향을 준다. 이용 가능한 공간 및 원하는 가열 파워에 따라, 형상 그리고 코일들 사이의 거리는 가열 파워 밀도를 변화시키도록 변화될 수 있다. 기본 가열기 코일 설계의 설명이 에스. 진 및 에스.엘. 세미아텐의 "코일 설계 및 조립(Coil Design and Fabrication)"(3부 논문, 히트 트리팅 출판, 1988년 6월, 8월 및 10월)에서 발견된다.

코일의 가열 출력은 주파수, 전류 그리고 가열 요소의 권취수의 함수이다. 이러한 상관 관계는 다음과 같이 설명될 수 있다:

여기에서, α는 재료 및 기하 형상의 함수이다.

I=전류

N=권취수

Ω=전원의 주파수

P_req=재료를 가열하는 데 필요한 파워

가열 및 냉각 채널 구성은 속도, 균일성 및 효율에 대한 원하는 가열 프로파일 또는 패턴을 얻도록 변동될 수 있다.

도37 내지 도46은 상이한 유도장이 상이한 구성의 가열기 코일(가열 요소)에 의해 생성되는 방식을 도시하고 있다. 예는 원통 나선형 코일(도37 및 도38 참조), 평면 나선형 코일(도39 및 도40 참조), 평면 루프 나선형 코일(도41 및 도42 참조), 평면 사행형 코일(도43 및 도44) 그리고 평면 루프 사행형 코일(도45 및 도46)의 형태로 성형된 코일을 포함한다. 단면도뿐만 아니라 사시도도 제공된다. 자속은 화살표에 의해 도시되며, 코일 전류는 I_c에 의해 도시되며, 맴돌이 전류는 I_e에 의해 도시된다.

다음의 공식은 예컨대 각각의 형상을 갖는 코일에 의해 생성된 유도 파워 P_I를 계산하는 데 사용될 수 있다.

나선형:

사행형:

루프 나선형:

여기에서,

R=강자성 부하의 맴돌이 전류 저항

j_gen=코일 내에서의 전류 밀도

d=코일의 직경

Δ1=코일들 사이의 거리

μ=강자성 부하의 자기 투과도

ρ=강자성 부하의 비저항

ω=부하 내에서의 맴돌이 전류의 각주파수

도37 및 도38은 중실 원통형 강자성 코어(504) 주위에 감싸진 원통 나선형 코일(502)을 도시하고 있다. 도38은 상부 열의 코일 요소(506)의 단면을 도시하고 있는데, 이러한 코일 요소에 대해 전류 방향 I_c는 지면 안으로 들어가, 코어의 상부 부분(510)에서 시계 방향으로 자속(508)을 발생시키는데, 이는 코어의 상부 부분에서 지면 밖으로 나오는 맴돌이 전류 I_e를 발생시킨다. 하부 세트의 코일 요소(512)에서, 전류는 지면 밖으로 나와서, 코어의 하부 부분(516)에서 시계 방향으로 자속(514)을 발생시키고 코어의 하부 부분에서 지면 안으로 들어가는 맴돌이 전류 I_e를 발생시킨다. 상부 및 하부 자기장(508, 514)은 코어(504) 내에서 서로를 보강한다.

도39 및 도40은 평탄한 강자성 제품(526)의 상부 표면(524) 상에 장착된 평면 나선형 코일(522)을 도시하고 있다. 도40은 제품의 상부 표면(524)에 인접한 코일 요소의 좌측 세트(530) 및 우측 세트(536)의 단면을 도시하고 있다. 코일 요소의 좌측 세트(530)는 지면 안으로 들어가는 전류 I_c를 가지며, 제품의 좌측 부분(534)에서 반시계 방향의 자속(532)을 발생시키며, 맴돌이 전류 I_e가 지면 밖으로 나온다. 방향은 코일 전류 I_c, 자기장(538), 제품의 우측 부분(540) 상에서의 맴돌이 전류 I_e에 대해 역전된다.

도41 및 도42는 평탄한 강자성 제품(556)의 상부 표면(552) 상에 장착된 평면 루프 나선형 코일(550)을 도시하고 있다. 루프 나선형 코일 내의 4개의 인접한 코일 섹션이 A, B, C 및 D로서 식별된다. 도42는 각각의 코일 전류 I_c의 방향, 자 기장(558) 그리고 4개의 식별된 코일 섹션의 각각에 대한 맴돌이 전류 I_e의 단면을 도시하고 있다.

도43 및 도44는 평탄한 강자성 제품(574)의 상부 표면(572) 상에 장착된 평면 사행형 코일(570)을 도시하고 있다. 사행형 코일 내의 4개의 인접한 코일 섹션이 A, B, C 및 D로서 식별된다. 도44는 각각의 코일 전류 I_c의 방향, 자기장(578) 그리고 4개의 코일 섹션의 각각에 대한 맴돌이 전류 I_e의 단면을 도시하고 있다.

도45 및 도46은 평탄한 강자성 제품(584)의 상부 표면(582) 상에 장착된 평면 루프 사행형 코일(580)을 도시하고 있다. 4개의 인접한 코일 섹션이 A, B, C 및 D로서 식별된다. 도46은 코일 전류 I_c의 방향, 자기장(588) 그리고 4개의 코일 섹션에 대한 맴돌이 전류 I_e의 단면을 도시하고 있다.

코일 내의 RMS 전류 그리고 코일에 의해 제공된 파워는 일정한 펄스 폭에서 펄스의 주기(기본 주파수)를 변화시킴으로써, 코일에 제공된 펄스의 일정한 기본 주파수에서 펄스의 폭을 변화시킴으로써 또는 이들 모두에 의해 제어될 수 있다.

기본 주파수는 펄스 반복의 빈도를 의미한다. 각각의 펄스는 다중 경사 부분 또는 급격한 모서리(고조파 부분)를 포함할 수 있지만, 각각의 펄스들 사이에는 비교적 큰 지연 기간이 있다. 기본 주파수는 1개의 이러한 지연을 포함하는 최하 주기 분할의 빈도이다.

유효 주파수는 전류 펄스 신호와 동일한 유도 가열 효과를 제공하는 순수한 사인 신호의 주파수를 의미한다.

고주파 고조파는 기본 또는 루트 주파수를 (배수 단위로) 넘는 주파수에서의 고조파를 의미한다.

스펙트럼 분석기가 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스 신호를 분석하는 데 사용될 수 있다. 비교를 통해, 도47은 진폭 A 및 주파수 ω의 단일 사인파의 파형(700)을 도시하고 있는데, 여기에서 파형은 Asin(ωt+φ₀)에 의해 표현된다. 도48은 이러한 단일 사인파(700)의 주파수 스펙트럼(710)을 도시하고 있는데, 여기에서 모든 진폭 A는 단일 주파수 ω에 의해 운반된다. 대조적으로, 도49는 고주파 고조파(720)를 갖는 전류 펄스 신호(재단파)의 예를 도시하고 있다. 도50은 재단파(720)의 스펙트럼(730)을 도시하고 있는데, 이는 코사인파 즉 진폭 a₁의 기본 주파수 ω로 시작하여 2ω 및 진폭 a₂, 3ω 및 진폭 a₃, 4ω 및 진폭 a₄ 등의 루트 주파수를 넘는 고주파 고조파의 합이다. 진폭은 주파수가 증가할 때 대체로 감소한다.

가열기 회로에서, 발생된 파워(열)의 양을 일반적으로 지시하는 2개가 주파수 및 전류이다. 전류는 다음의 방정식에 의해 보여지는 바와 같이 주파수보다 훨씬 큰 효과를 갖는다:

이와 같이, 바람직하게는, 전류는 주파수를 증가시키면서 높게 유지된다.

고주파 고조파를 갖는 전류 펄스 신호는 급격한 모서리 그리고 전압의 점프 부들 사이에 긴 정지부를 갖는 파동이다. 이것은 재단파로서 불릴 수 있다. 재단파는 고주파 고조파가 높게 유지되는 동일한 루트 주파수의 사인파의 파워의 10배를 제공할 수 있다.

요약하면, "루트 주파수"는 파동을 절단하여 여전히 주기적이게 할 수 있는 최소 배수이다. 고주파 고조파는 루트 주파수를 넘는 주파수의 파동이고 루트 주파수와 더불어 원하는 파동을 "구축"한다. 일반적으로, 파워가 높게 유지되도록 고조파 내에 큰 진폭을 발생시키는 것이 바람직하다. 그리드로부터 용이하게 이용 가능하기 때문에, 50 내지 60 ㎐의 루트 주파수를 사용하는 것이 바람직할 수 있으며, 그러면 파워 공급부는 원하는 고주파 고조파를 발생시키기 위해 그리드로부터 나오는 사인파를 "재단"할 수 있다.

고주파 고조파를 갖는 전류 펄스 신호가 기본(루트) 주파수 또는 제1 고조파 그리고 루트 주파수를 넘는 고차 고조파를 모두 포함하는 것으로 설명되었다. 이와 같이, 신호는 이러한 성분들로부터 구성되는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 구성은 물리 세계에서 루트 주파수 신호(예컨대, 사인)로 시작하여 1개 이상의 고조파 성분을 보유하기 위해 파동의 일부를 제거함으로써 펄스 신호를 구성하는 단계를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 예컨대 직사각형 펄스로부터 시작하여 직사각형 펄스의 형상을 변화시키는 단계를 포함한다.

추가로, 이전의 예(도3 내지 도6 참조)는 사인 신호의 각각의 절반-주기에서 발생된 1개의 펄스를 도시하고 있다. 그러나, 사인 신호는 대체예에서 절반-주기당 다수배로 "재단"되어, 절반-주기당 다중 펄스를 발생시킬 수 있다. 또한, 양극 성 스위치를 사용하는 대신에, 신호를 (각각의 절반-주기마다 1배 또는 다수배로) 재단하기 전에 우선 다이오드 브리지로써 사인 신호를 정류할 수 있다.

여기에서 설명된 선택 실시예는 제품을 가열하지 않으면서 예컨대 단속적으로 가열된 제품의 온도를 감소시키는 냉각 매체를 이용한다. 도51은 냉매 공급부 및 조절기(782)로부터 냉각 매체를 필요에 따라 교대로 및/또는 동시에 공급하기 위해 그리고 펄스 발생기(783)로부터 가열 요소, 냉각 통로 그리고 가열 및 냉각될 제품을 포함하는 장치(784)로 냉각 매체를 공급하기 위해 제어 회로(781)를 갖는 가열 및 냉각 장치(780)를 개략적으로 도시하고 있다.

본 발명의 다른 실시예는 여기에 개시된 본 발명의 명세서 및 실행으로부터 당업자에게 자명하다. 명세서 및 예는 단지 예시로서 고려되어야 하며, 본 발명의 범주는 다음의 청구의 범위에 의해 해석되어야 한다.

Claims

유도 가열을 위한 가열기 코일과,

제품의 유도 가열을 위한 자속을 발생시키는 가열기 코일에 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스를 제공하는 전원을 포함하는 장치.
제1항에 있어서, 고주파 고조파는 저항 부분에 비해 코일의 가열 파워의 유도 부분을 증가시키는 장치.
제2항에 있어서, 전류 펄스는 가열기 코일의 전류 한계를 초과하지 않으면서 증가된 양의 유도 가열을 생성시키는 장치.
제1항에 있어서, 전류 펄스는 동일한 루트 주파수를 갖는 사인 전류 신호에 비해 증가된 양의 유도 가열을 생성시키는 장치.
제1항에 있어서, 전류 펄스는 가열기 코일의 경계 주파수를 넘는 관련된 에너지 성분을 갖는 장치.
제1항에 있어서, 전류 펄스는 가열기 코일의 실효 전류를 증가시키지 않으면서 가열 파워의 유도 부분을 증가시키는 장치.
제1항에 있어서, 전원은 라인 주파수 사인 전류 신호를 입력으로서 수용하는 장치.
제1항에 있어서, 가열기 코일은 코일 내에 저항열을 발생시키는 전기 저항 전도체를 포함하는 장치.
제8항에 있어서, 가열기 코일은 제품과 열적 연통 상태에 있는 장치.
제1항에 있어서, 가열기 코일은 제품을 포함하는 부하에 유도 결합되는 장치.
제10항에 있어서, 부하는 강자성 기판 또는 제품을 포함하고 자속은 강자성 기판 또는 제품 내의 맴돌이 전류를 유도하는 장치.
제10항에 있어서, 부하는 자속을 위한 강자성 구성 요소의 폐쇄 또는 반폐쇄 루프를 포함하는 장치.
제12항에 있어서, 구성 요소는 실질적인 폐쇄 루프를 형성하는 강자성 코어 및 강자성 요크를 포함하는 장치.
제10항에 있어서, 부하는 강자성 코어를 포함하고 가열기 코일은 코어 내에 적어도 부분적으로 매립되는 장치.
제10항에 있어서, 부하는 강자성 코어 및 강자성 요크를 포함하고 가열기 코일은 코어와 요크 사이에 배치되거나 코어 및 요크 중 적어도 1개 내에 매립되는 장치.
제1항에 있어서, 가열 코일은 제품의 표면 상에 사행형 패턴을 형성하는 장치.
제1항에 있어서, 가열키 코일은 제품 주위에 감싸진 원통형 패턴을 형성하는 장치.
제10항에 있어서, 부하는 유동 가능한 재료를 위한 통로를 포함하는 장치.
제10항에 있어서, 부하는 형성 가능한 재료를 성형하는 성형 표면을 포함하는 장치.
제10항에 있어서, 가열기 코일은 제품의 일부의 우선 가열을 위해 부하 내에 위치되는 장치.
제1항에 있어서, 제품은 강자성 제1 부분 및 강자성 제2 부분을 포함하고 유도 가열은 제2 부분에 비해 제1 부분 내에 더욱 집중되는 장치.
제21항에 있어서, 제2 부분은 맴돌이 전류의 유동에 대한 불연속부 또는 제한부를 생성시키는 장치.
제22항에 있어서, 제2 부분은 불연속부 또는 제한부를 생성시키는 슬롯을 갖는 장치.
제품에 유도 결합된 가열기 코일을 제공하는 단계와,

제품의 유도 가열을 위한 자속을 발생시키기 위해 가열기 코일에 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
유도 가열될 제품과,

제품에 유도 결합되며, 적어도 부분적으로 제품과 접촉 상태에 있거나 제품 내에 매립되는 가열기 코일과,

자속을 발생시키도록 가열기 코일에 공급된 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스의 공급원을 포함하는 장치.
코일에 의해 생성된 유도 및 저항 파워들 사이의 비율을 조정하기 위해 가열기 코일에 조정 가능한 고조파 에너지 내용을 갖는 전류 펄스를 제공하는 가변 전원을 포함하는 장치.
가열될 유동 가능한 재료를 위한 통로를 갖는 제품에 유도 결합되며, 제품 내에서 통로 내의 유동 가능한 재료에 제품 내에 유도 발생된 열을 분배하는 가열기 코일과,

통로 내의 유동 가능한 재료로의 유도 가열의 분배를 조정하도록 가열기 코일에 조정 가능한 고조파 에너지 내용을 갖는 전류 펄스를 분배하도록 가열기 코일에 결합된 전원을 포함하는 장치.
제품에 유도 및 열 결합된 가열기 코일을 제공하는 단계와,

제품의 유도 및 저항 가열의 비율을 조정하도록 가열기 코일에 조정 가능한 고조파 에너지 내용을 갖는 전류 펄스를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
표면 부분 및 강자성 본체 부분을 갖는 제품을 가열하는 방법에 있어서,

표면 부분에 인접하게 그리고 강자성 본체 부분에 유도 결합되는 가열기 코일을 제공하는 단계와,

강자성 본체 부분을 가열하기 위해 맴돌이 전류를 유도하도록 가열기 코일에 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스를 제공하는 단계를 포함하는 방법.
유도 가열의 방법에 있어서,

전류 펄스 신호의 유도 가열 파워를 증가시키도록 루트 주파수 성분 그리고 루트 주파수를 넘는 1개 이상의 고조파 성분으로부터 전류 펄스 신호를 구성하는 단계와,

가열기 코일에 유도 결합된 제품 내에 맴돌이 전류를 유도하도록 가열기 코일에 전류 펄스 신호를 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제30항에 있어서, 전류 펄스 신호의 파워를 증가시키도록 1개 이상의 고조파 성분들 중 적어도 1개의 진폭을 증가시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
유도 가열 시스템을 가동시키는 방법에 있어서,

전류 펄스 신호의 유도 가열 파워를 증가시키도록 사인 라인 주파수 전류 신호의 루트 주파수 그리고 루트 주파수를 넘는 1개 이상의 고조파 성분으로부터 전류 펄스 신호를 구성하는 단계와,

유도 가열 시스템을 가동시키기 위해 전류 펄스 신호를 공급하는 단계를 포함하는 방법.
유도 가열의 세기를 조정하는 방법에 있어서,

루트 주파수 및 진폭을 갖는 제1 고조파 성분을 선택함으로써, 그리고 루트 주파수를 넘는 1개 이상의 고조파 성분을 선택하고 유도 가열을 위한 원하는 세기를 갖는 조합된 유효 주파수를 생성시키기 위해 제1 고조파 성분과 1개 이상의 고조파 성분을 조합함으로써 전류 펄스 신호를 구성하는 단계를 포함하는 방법.
제어식 가열의 방법에 있어서,

강자성 기판에 유도 결합된 가열기 코일을 제공하는 단계와,

강자성 기판을 가열하기 위해 맴돌이 전류를 유도하도록 가열기 코일에 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스 신호를 공급하는 단계와,

강자성 기판으로부터 가열될 제품으로 열을 전달하는 단계와,

유도 가열을 감소시키기 위해 가열기 코일에 공급된 신호를 감소시킴으로써 강자성 기판을 단속적으로 냉각시키는 단계를 포함하는 방법.
제34항에 있어서, 단속 냉각은 기판을 냉각시키기 위해 냉각 매체를 공급하는 단계 그리고 기판으로부터 열을 흡인하는 단계 중 1개 이상을 포함하는 방법.
제35항에 있어서, 냉각 매체는 기판 내에 공급되는 방법.
제35항에 있어서, 가열기 코일은 강자성 기판과 접촉 상태로 전기 절연성 커버를 갖는 전기 전도성 튜브이며, 냉각 매체는 강자성 기판을 냉각시키기 위해 튜 브의 보어 내에 공급되는 방법.
제34항에 있어서, 펄스 신호는 주로 유도 가열 파워를 발생시키는 방법.
제35항에 있어서, 발생된 파워는 10% 미만의 저항 파워를 포함하는 방법.
제34항에 있어서, 발생된 파워는 5% 미만의 저항 파워를 포함하는 방법.
제40항에 있어서, 발생된 가열 파워는 1% 미만의 저항 파워를 포함하는 방법.
제34항에 있어서, 강자성 기판은 약 3δ(여기에서, δ는 유도된 맴돌이 전류의 침투의 깊이) 이하의 층 두께를 갖는 방법.
제42항에 있어서, 기판의 층 두께는 약 3δ인 방법.
제34항에 있어서, 열 절연성인 외부층을 제공하는 단계와, 기판으로부터 제품으로 열을 전달하도록 열 전도성인 내부층을 제공하는 단계를 포함하며, 강자성 기판은 외부층과 내부층 사이에 있는 방법.
제34항에 있어서, 열 절연성이고 강자성인 외부층을 제공하는 단계와, 기판으로부터 제품으로 열을 전달하도록 열 전도성인 내부층을 제공하는 단계를 포함하며, 강자성 기판은 내부층과 외부층 사이에 있는 방법.
제34항에 있어서, 유동 통로가 강자성 기판 내에 또는 강자성 기판에 인접하게 제공되며, 가열기 코일 및 강자성 기판은 유동 통로 내의 유동 가능한 재료의 제어식 가열을 제어하는 방법.
제46항에 있어서, 강자성 기판은 노즐 또는 용융체 채널의 일부인 방법.
제46항에 있어서, 강자성 기판은 압출 성형 장치의 일부인 방법.
통로 내의 유도 가능한 재료의 온도 제어를 위한 방법에 있어서,

유동 가능한 재료를 위한 통로를 갖는 강자성 기판 그리고 강자성 기판에 유도 결합된 가열기 코일을 제공하는 단계와,

강자성 기판을 가열하여 통로 내에서의 재료의 어떤 유동 속도를 수행하기 위해 맴돌이 전류를 유도하도록 가열기 코일에 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스 신호를 가하는 단계와,

가열기 코일로의 가해진 신호를 감소시키는 단계 그리고 통로 내의 재료의 유동을 수행하기 위해 기판으로부터 열을 흡인하는 단계 중 1개 이상에 의해 강자 성 기판을 단속적으로 냉각시키는 단계를 포함하는 방법.
제49항에 있어서, 단속적인 냉각은 강자성 기판을 냉각시키기 위해 냉각 매체를 공급하는 단계를 포함하는 방법.
제50항에 있어서, 가열기 코일은 강자성 기판과 접촉 상태로 열 전도성인 커버를 가지며, 냉각 매체가 유동하는 냉각 통로를 포함하는 방법.
제어식 유도 가열 장치에 있어서,

강자성 및 열 전도성 기판과,

강자성 기판에 유도 결합된 가열기 코일과,

맴돌이 전류를 유도하여 강자성 기판을 유도 가열하기 위해 가열기 코일을 작동시키는 고주파 고조파를 갖는 전류 펄스 신호의 공급원과,

강자성 기판의 냉각을 위한 냉각 매체의 공급원과,

펄스 신호 및 냉각 매체를 단속적으로 가하는 제어 기구를 포함하는 장치.
제52항에 있어서, 외부 구성 요소를 포함하며, 가열기 코일은 외부 구성 요소와 강자성 기판 사이에 배치되는 장치.
제53항에 있어서, 외부 구성 요소는 강자성인 장치.
제53항에 있어서, 외부 구성 요소는 열 절연체인 장치.
제53항에 있어서, 냉각 매체가 유동하고 외부 구성 요소, 강자성 기판 그리고 가열기 코일을 둘러싸는 전기 절연성 커버 중 적어도 1개 내에 제공되는 냉각 통로를 포함하는 장치.
제52항에 있어서, 강자성 기판은 냉각 매체가 유동하는 냉각 통로를 포함하는 장치.
제52항에 있어서, 냉각 매체는 액체 또는 가스의 형태로 된 장치.
제52항에 있어서, 가열기 코일은 기판과 접촉 상태에 있거나 기판 내에 적어도 부분적으로 매립되는 장치.
제52항에 있어서, 전기 절연성 커버가 가열기 코일을 둘러싸는 장치.
제52항에 있어서, 가열기 코일은 a) 기판을 가로질러 교대 방향으로 자기장을 제공하는 기판의 표면 상에 또는 기판의 표면에 인접하게 배치된 사행형 패턴, 또는 b) 코일 내측에서 동일한 방향으로 자기장을 제공하는 기판 주위에 감싸진 원 통형 패턴을 형성하는 장치.
제61항에 있어서, 가열기 코일은 사행형 패턴이고 나선형, 사행형, 루프 나선형 또는 루프 사행형의 형태로 성형되는 장치.
제61항에 있어서, 가열기 코일은 원통형 패턴이고 나선형, 사행형, 루프 나선형 또는 루프 사행형의 형태로 성형되는 장치.
제52항에 있어서, 가열기 코일은 중실 또는 중공인 장치.
제64항에 있어서, 가열기 코일은 중공 튜브이고 냉각 매체는 튜브 내에 제공되는 장치.
제64항에 있어서, 중공 튜브는 유전체 절연부에 의해 덮이는 장치.
제52항에 있어서, 가열기 코일은 구리 또는 구리보다 높은 비저항을 갖는 전기 전도체를 포함하는 장치.
제67항에 있어서, 가열기 코일은 니켈 크롬 합금 또는 텅스텐 합금을 포함하는 장치.
제52항에 있어서, 가열기 코일은 압축력을 흡수하는 장치의 구조 부재의 일부인 장치.
제69항에 있어서, 가열기 코일은 유동 가능한 재료를 위한 통로 또는 노즐의 일부, 또는 형성 가능한 재료를 위한 주형의 일부인 장치.
제69항에 있어서, 장치는 노즐, 스프루 바아, 용융체 채널, 온수기, 취입 주형, 또는 압축 주형을 포함하는 장치.
제69항에 있어서, 장치는 성형 표면을 포함하는 장치.
제52항에 있어서, 가열기 코일은 열 분무층 및 얇은 필름층 중 1개 이상을 포함하는 장치.
제73항에 있어서, 층들은 적어도 1개의 전기 전도층 그리고 적어도 1개의 전기 절연층을 포함하는 장치.
제73항에 있어서, 층들은 냉각 매체를 위한 냉각 통로를 형성하는 장치.
제52항에 있어서, 펄스 신호의 파워 및/또는 주파수 스펙트럼은 상이한 구성의 가열기 코일 및 강자성 기판을 수용하도록 조정 가능한 장치.