PT2052581E

PT2052581E - Aparelho e método para variação cíclica da temperatura

Info

Publication number: PT2052581E
Application number: PT07836892T
Authority: PT
Inventors: Kyle B Clark; Stefan Von Buren
Original assignee: Itherm Technologies Lp
Priority date: 2006-08-16
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2010-02-17
Also published as: EP2052581B1; US20080053986A1; WO2008021420A1; US7723653B2; EP2052581A1; JP2010501107A; DE602007004629D1; ES2338491T3; ATE456922T1

Description

DESCRIÇÃO "APARELHO E MÉTODO PARA VARIAÇÃO CÍCLICA DA TEMPERATURA"

CAMPO DA INVENÇÃO

Esta invenção refere-se a um aparelho e método para o aquecimento por indução de um material situado num canal, em que um conjunto interno de aquecimento por indução é proporcionado no material no canal para produzir uma velocidade desejada de variação cíclica da temperatura do material entre estados fluente e não-fluente

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO É prática comum aquecer por indução um artigo (e. g., um cilindro sólido ou tubo oco) de um material magnetizável, tal como aço, induzindo uma corrente de Foucault no artigo. Esta corrente de Foucault é induzida por um fluxo magnético aplicado gerado pela passagem de uma corrente alterna através de uma bobina de aquecimento enrolada em redor do artigo. 0 calor gerado por indução no artigo pode, então, ser transmitido a um outro artigo, e. g., um material de metal ou polímero, fluindo através de um furo ou de um canal de um tubo de aço aquecido por indução.

Foram propostos diversos sistemas em documentos como US-A-2003/132229, DE-A-3118030 ou US-A-2003/057201 que utilizam 1 diferentes combinações de materiais, elementos estruturais de aquecimento, frequências de ressonância, etc., para estas técnicas de aquecimento. Existe uma necessidade continuada de um aparelho e método para aquecer um material num canal que proporcione um ou mais entre maior densidade de potência, controlo de temperatura mais apertado, consumo de energia reduzido, vida útil mais longa e/ou custos mais baixos de fabrico.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

De acordo com uma forma de realização da invenção, é proporcionado um método para a variação ciclica da temperatura de um material situado num canal para modificar o estado do material entre estados fluente e não-fluente. 0 método inclui etapas de proporcionar um conjunto interno de aquecimento por indução no material no canal e fornecer um sinal ao conjunto para gerar um fluxo magnético em, pelo menos, um de entre o conjunto e o material, gerando o fluxo magnético aquecimento por indução do conjunto e/ou do material. 0 sinal é ajustado para produzir uma velocidade desejada de variação ciclica da temperatura do material no canal que inclui modificar o estado do material entre estados fluente e não-fluente. 0 estado não-fluente pode ser um ou mais de um estado fisicamente rigido e semi-rigido. 0 estado fluente pode ser um ou mais de um estado semi-sólido e liquido.

Numa forma de realização, o conjunto de aquecimento inclui uma bainha exterior disposta em contacto com o material e uma bobina interior acoplada por indução à bainha. 0 sinal é 2 fornecido à bobina para gerar o fluxo magnético na bainha ou no material, ou em ambos. 0 conjunto de aquecimento pode, além disso, incluir um concentrador de fluxo para aumentar o acoplamento por indução entre a bobina e a bainha. A bobina e a bainha podem estar em comunicação térmica para permitir a transmissão de calor da bobina para a bainha.

Numa forma de realização, o canal é proporcionado num elemento exterior e a variação cíclica da temperatura inclui o arrefecimento do material por transferência de calor por condução, do material para o elemento exterior. 0 material pode ser um ou mais de um material electricamente condutor, ferromagnético, electricamente não condutor, termicamente isolante e termicamente condutor. 0 material pode ser um ou mais de um metal e um polímero. A bobina e a bainha podem ser configuradas para minimizar o aquecimento resistivo da bobina, de modo a manter a temperatura da bobina dentro dos limites de funcionamento. A bobina e a bainha podem estar em comunicação térmica permitindo a transmissão de calor da bobina para a bainha. 0 sinal pode compreender impulsos de corrente proporcionando harmónicas de alta frequência na bobina. Este sinal é particularmente útil nos sistemas que têm um coeficiente de atenuação elevado que são difíceis de controlar (por indução) com ressonância sustentada.

Em diversas formas de realização, o método pode incluir, além disso, seleccionar a(s) temperatura (s) Curie de um ou mais da bobina e da bainha para proporcionar uma desejada velocidade 3

de aquecimento por indução da bainha e/ou material. A temperatura Curie do concentrador de fluxo também pode ser seleccionada com esta finalidade.

Em outras formas de realização, o método inclui a etapa de proporcionar um ou mais materiais para a bobina, dieléctrico, bainha, e/ou concentrador de fluxo para obter uma temperatura de funcionamento desejada e/ou velocidade de aquecimento por indução do componente do conjunto e/ou material.

Numa forma de realização, o canal é proporcionado num sistema de distribuição de material em fusão, tal como um colector, incluindo um ou mais canais alimentando uma ou mais portas. Quando múltiplas portas são alimentadas, a variação cíclica da temperatura pode ser executada em paralelo e/ou em série para as múltiplas portas.

De acordo com outra forma de realização da invenção, é proporcionado um conjunto de aquecimento por indução compreendendo: • uma bobina interior; • uma bainha exterior acoplada por indução à bobina; • um material dieléctrico disposto entre a bobina e bainha; e • um condutor para fornecer um sinal à bobina para gerar um fluxo magnético para o aquecimento da bainha por indução, e 4 em que a temperatura Curie da bobina está abaixo de uma temperatura funcional do material e a temperatura Curie da bainha está acima da temperatura funcional do material. 0 conjunto pode, além disso, incluir um concentrador de fluxo; a temperatura Curie do concentrador de fluxo está também acima da temperatura de funcionamento do concentrador de fluxo.

Estas e outras caracteristicas e/ou vantagens de diversas formas de realização da invenção podem ser melhor compreendidas fazendo referência à seguinte descrição pormenorizada em conjunto com os desenhos anexos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A Fig. 1 é uma vista esquemática de um meio de aquecimento de sonda de acordo com uma forma de realização da invenção, incluindo uma vista cortada parcial que mostra a bobina indutiva interior e o isolamento dieléctrico no interior da bainha ferromagnética exterior; A Fig. 2 é uma vista parcial cortada, expandida, de uma outra forma de realização de um aquecimento de sonda de acordo com uma forma de realização da invenção, incluindo, além disso, um concentrador de fluxo disposto radialmente no interior da bobina do indutor; A Fig. 3 é uma vista em corte esquemática de um aquecimento de sonda semelhante ao mostrada na Fig. 1, disposta na extremidade da porta de um sistema de moldagem por injecção, ilustrando a utilização de um aquecimento de sonda para fundir uma obstrução formada junto à área da porta; 5 A Fig. 4 mostra um perfil de potência e temperatura (em função do tempo) para um ciclo de moldagem particular, ilustrando uma forma de realização da invenção; e A Fig. 5 é um perfil de temperatura (relativamente ao tempo) que mostra as velocidades de aquecimento dinâmicas e temperaturas do estado permanente da respectiva bobina, bainha e concentrador de fluxo de uma forma de realização do conjunto de aquecimento e as do material que está a ser aquecido.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA

De acordo com várias formas de realização da invenção, um aparelho de aquecimento por indução é utilizado para variação cíclica da temperatura de um material situado num canal. 0 material pode variar ciclicamente entre um estado não-fluente e fluente.

As Figs. 4-5 ilustram determinadas aplicações da presente invenção. Antes de discutir estas aplicações, um conjunto apropriado de aquecimento por indução e a sua utilização no aquecimento de um material situado num canal serão descritos relativamente às Figs. 1-3.

Uma primeira forma de realização de um conjunto de aquecimento por indução é ilustrada na Fig. 1, aqui referida como meio 10 de aquecimento de sonda. O aquecedor 10 tem um perfil geralmente alongado e está adaptado para ser disposto num canal (ver Fig. 3) para aquecimento de um material no canal. O conjunto de aquecimento inclui uma bainha 12 ferromagnética exterior, geralmente cilíndrica, tendo um interior 14 oco e que 6 é fechada numa extremidade 16. Dentro do interior oco da bainha existe um elemento de aquecimento ou bobina 20 de indução, proporcionada aqui como uma bobina substancialmente helicoidal que se estende ao longo de um comprimento axial da bainha. O isolamento 30 dieléctrico é proporcionado na e em redor da bobina, incluindo entre as espiras individuais da bobina, para isolar electricamente a bobina 20 da bainha 12. A bobina tem ligações eléctricas coaxiais, incluindo uma ligação 32 cilíndrica exterior ligando a uma extremidade da bobina e uma ligação 34 axial central ligando à outra extremidade da bobina e estendendo-se ao longo do eixo cilíndrico da bobina/conjunto. A Fig. 2 ilustra uma segunda forma de realização de um meio 50 de aquecimento de sonda que é semelhante à primeira forma de realização, mas inclui, além disso, um concentrador de fluxo ferromagnético para fechar o circuito magnético com a bainha exterior. Semelhante à Fig. 1, o conjunto de aquecimento da Fig. 2 inclui uma bainha 52 ferromagnética exterior, um elemento 60 de aquecimento bobinado, isolamento 70 dieléctrico e ligações eléctricas concêntricas (é mostrada a ligação 74 de retorno). O conjunto inclui, além disso, um concentrador 90 de fluxo substancialmente cilíndrico disposto concentricamente dentro da bobina 60 e estendendo-se axialmente ao longo de um comprimento do conjunto de aquecimento. Este concentrador de fluxo de elevada permeabilidade reforça o campo magnético ao formar um circuito magnético fechado com a bainha 52 exterior, aumentando, assim, o acoplamento magnético entre a bobina 60 e a bainha 52. O concentrador de fluxo tem, de um modo preferido, um circuito de corrente aberto (e. g., interrompido como mostrado) para reduzir as correntes de Foucault (e, consequentemente, o calor) gerados no concentrador de fluxo. 7 A Fig. 3 ilustra uma aplicação do conjunto de aquecimento da Fig. 1 disposto num canal 102 (uma passagem ou conduta tubular para um material fluente), estando o canal posicionado num elemento 104 exterior. O elemento 104 exterior pode ser, por exemplo, uma inserção de molde, um colector de canais quentes ou um bocal, tendo um canal 102 de fusão através do qual um material 100 fluente, tal como um metal liquido condutor, está adaptado a fluir. O canal, numa extremidade do elemento exterior, tem uma região afilada ou área 106 de porta, também referida como uma área de separação, permitindo que uma peça 110 moldada, formada na área 106 de porta e numa cavidade adjacente do molde, seja separada do material restante no canal 102 de fusão. O material fluente desloca-se através do canal na direcção da porta 106 e para dentro da cavidade do molde, onde é arrefecido até um estado sólido não-fluente e forma uma peça 110 moldada. De modo a proporcionar uma ruptura limpa na porta (de um modo preferido, nenhum gotejamento da porta), o material na área 112 do canal junto à área 106 de porta deve ser arrefecido de um estado fluente (e. g., estado liquido ou semi-sólido) até um não-fluente (e. g., estado (deformável) fisicamente rígido ou semi-rígido). O material não-fluente, que se forma e permanece na área 112 de canal junto à porta 106, é tipicamente referido como um tampão. A formação de um tampão permite, deste modo, a separação limpa do material solidificado na área 106 de porta (a peça moldada) quando o molde é aberto (e. g., um núcleo de molde é afastado do lado oposto do molde). O arrefecimento do material na área 112 do canal adjacente à região da porta pode ser realizado por condução térmica, e. g. por condução do calor para a peça 110 moldada (que está em contacto com o núcleo do molde e as paredes da cavidade mais frios); proporcionando um meio de arrefecimento adicional na, ou perto da área 106 de porta para extrair o calor do material na área 112 do canal; e/ou por quaisquer outros parâmetros de processo que reduzam a temperatura do material na área 112 do canal.

Durante um ciclo seguinte de moldagem, o tampão não-fluente deve, novamente, ser aquecido até um estado (fluente) fluido. Para tal, um conjunto de aquecimento por indução (meio 10 de aquecimento de sonda) é posicionado no material no canal 102, com a extremidade 16 fechada da bainha exterior disposta na, ou perto da, área 106 de separação. O meio 10 de aquecimento de sonda está disposto centralmente no canal 102 e é rodeado por uma largura anular relativamente estreita de área de canal aberto. Um tampão de material será formado em redor da bainha, na área 112, na extremidade da porta do canal. A fim de fundir o tampão (reduzir a sua viscosidade) de modo a que o material possa ser novamente injectado através da porta, um campo magnético (ver linhas 105) é gerado pela bobina 20 interior da sonda e é transmitido a um ou mais da bainha 52 exterior e material 100 no canal para o aquecimento por indução da bainha e/ou material, respectivamente. O tampão é, deste modo, aquecido e retorna a um estado fluido, permitindo que o material flua em redor da bainha exterior e saia através da porta 106. O meio de aquecimento de sonda de acordo com a presente invenção não está limitado aos materiais, formas ou configurações específicos dos seus componentes. Uma aplicação ou um ambiente particular determinarão que materiais, formas e configurações são apropriados.

Por exemplo, a bobina do indutor pode ser uma ou mais de entre níquel, prata, cobre e ligas de níquel/cobre. Uma bobina de níquel (ou liga com elevada percentagem de níquel) é apropriada para aplicações com temperaturas mais elevadas 9 (e. g., 500 a 1000 °C) . Uma bobina de cobre (ou liga de elevada percentagem de cobre) pode ser suficiente para aplicações de temperatura inferior (e. g.r < 500 °C). A bobina pode ser em aço inoxidável ou Inconel (uma liga de niquel). Nas várias formas de realização aqui descritas, o arrefecimento da bobina com água não é requerido nem desejável.

As ligações eléctricas que abastecem a bobina do indutor podem compreender uma ligação de abastecimento exterior cilíndrica e uma ligação de retorno interior concêntrica com a ligação de abastecimento exterior cilíndrica. As ligações podem ser de cobre, niquel, fio Litz ou outros materiais apropriados. O isolamento dieléctrico entre a bobina do indutor e a bainha ferromagnética exterior pode ser uma cerâmica, tais como um ou mais de óxido de magnésio, óxido de alumínio e mica. O dieléctrico pode ser proporcionado como um pó, folha ou um corpo moldado rodeando a bobina. A bobina pode ser moldada num núcleo dieléctrico cerâmico e uma cerâmica em pó proporcionada como uma camada dieléctrica entre a bobina e a bainha. A bobina pode ser moldada num corpo cerâmico dieléctrico e o conjunto introduzido, em seguida, na bainha. A bainha pode ser feita de um metal ferromagnético, tal como um aço da série 400 ou um aço de ferramenta. O concentrador de fluxo pode ser proporcionado como um elemento tubular disposto entre a bobina e a ligação de retorno. O concentrador de fluxo pode ser um elemento sólido, laminado 10 e/ou de ranhuras. Para aplicações de baixa temperatura, pode ser feito de um material ferromagnético electricamente não condutor, tal como ferrite. Para aplicações de temperatura mais elevada pode compreender uma liga magnética macia (e. g., cobalto). A geometria da bobina pode tomar qualquer de várias configurações, tais como em serpentina ou em espiral. A secção transversal da bobina pode ser achatada, redonda, rectangular ou meia-cana. Como utilizada aqui, a bobina não está limitada a uma determinada geometria ou configuração; uma bobina helicoidal enrolada de secção transversal achatada, como mostrado, é apenas um exemplo.

Como utilizado aqui, aquecer inclui ajustar, controlar e/ou manter a temperatura de um material num canal.

Numa forma de realização mais especifica, dada apenas a título de exemplo não limitativo, a aquecimento de sonda pode ser disposta num canal de fusão para aquecer magnésio. 0 aquecedor pode compreender uma bainha exterior em aço de ferramenta, uma bobina de níquel, um dieléctrico de óxido de alumínio e um concentrador de fluxo de cobalto. A bobina de níquel, a bainha de aço e o concentrador de fluxo de cobalto podem todos suportar a temperatura relativamente alta de fusão do magnésio. A bobina de níquel estará geralmente a funcionar acima da sua temperatura Curie (de modo a estar acima da temperatura de fusão do magnésio); isto reduzirá o aquecimento resistivo do "efeito de superfície" da bobina (e assim reduzir sobreaquecimento/destruição da bobina). A bainha de aço funcionará geralmente abaixo de sua temperatura Curie de modo a ser ferromagnética (aquecida por indução) e transferir-se-á o calor por condução para elevar a temperatura do magnésio no qual 11 está disposta (durante o aquecimento e/ou operação transiente). A bainha pode estar acima da sua temperatura Curie uma vez que o magnésio esteja fundido, e. g., enquanto o magnésio for mantido no estado de fusão (e. g.r funcionamento em estado permanente ou controlo de temperatura). A bobina será arrefecida por transmissão por condução à bainha. De um modo preferido, a temperatura Curie do concentrador de fluxo é mais elevada do que aquela da bainha, de modo a manter a permeabilidade do concentrador de fluxo, fechar o circuito magnético e aumentar o aquecimento da bainha por indução.

Uma vez mais, os materiais, tamanhos, formas e configurações específicos dos vários componentes serão seleccionados em função do material particular a ser aquecidos, o tempo de ciclo e de outros parâmetros do processo.

Em várias aplicações do método e aparelho de aquecimento por indução descrito, pode geralmente ser desejável que os vários componentes tenham as seguintes propriedades: • a bobina é electricamente condutora, pode suportar uma temperatura de funcionamento designada e é paramagnética à temperatura de funcionamento; • a bainha é ferromagnética à temperatura de funcionamento desejada, é termicamente condutora, é electricamente condutora e tem um trajecto relativamente ininterrupto para a corrente de Foucault fluir; • o material dieléctrico é electricamente isolante, termicamente condutor e, substancialmente, completamente paramagnético; 12 • o concentrador de fluxo não excede o seu ponto Curie durante o funcionamento, tem uma permeabilidade elevada, pode suportar elevadas temperaturas de funcionamento e tem um trajecto circunferencial (restrito) interrompido para a corrente de Foucault fluir; • o material está em bom contacto térmico com a bainha.

Em aplicações onde existe um acoplamento directo do campo magnético ao material, os parâmetros desejados da bainha são também parâmetros desejados do material. 0 material no canal a ser aquecido afectará também a selecção dos parâmetros dos componentes do conjunto, o sinal aplicado e as velocidades de aquecimento. Em várias formas de realização, o material pode incluir um ou mais de um metal e um polimero, e. g., um metal puro, uma liga metálica, uma mistura de metal/polimero, etc. Em outras formas de realização o conjunto/processo pode ser útil em aplicações de processamento de alimentos, e. g., onde cereais e/ou alimentação animal são extrudidos e cozinhados.

Em várias aplicações, pode ser desejável fornecer um sinal à bobina compreendendo impulsos de corrente tendo uma quantidade desejada de energia de impulso em harmónicas de alta frequência para aquecimento por indução da bainha, como descrito nas Patentes US N° 7034263 e 7034264 atribuídas a Kagan, e na Publicação de Pedido de Patente US 2006/0076338 AI de Kagan, publicada a 13 de Abril de 2006 (N° de série US 11/264780, intitulados Method and Apparatus for Providing Harmonic

Inductive Power). Os impulsos de corrente são geralmente caracterizados como impulsos discretos de banda estreita, 13 separados por atrasos relativamente longos, em que os impulsos contêm uma ou mais parcelas de variação acentuada (primeiras grandes derivadas) que proporcionam harmónicas ou uma frequência fundamental (de raiz) da corrente na bobina. De um modo preferido, cada impulso compreende, pelo menos, uma parcela de variação acentuada para fornecer, pelo menos, 50% da energia de impulso no circuito de carga em harmónicas de alta frequência. Por exemplo, a, pelo menos uma, parcela de variação acentuada pode ter uma velocidade máxima de variação, pelo menos, cinco vezes maior do que a velocidade de variação máxima de um sinal sinusoidal da mesma frequência fundamental e amplitude da corrente RMS. De um modo mais preferido, cada impulso de corrente contém, pelo menos, dois ciclos de oscilação completos antes de se amortecer até um nivel abaixo de 10% de uma amplitude de um pico máximo no impulso de corrente. Um aparelho de controlo de fonte de alimentação é descrito nas referidas patentes/pedido que inclui um dispositivo de comutação que controla um circuito de carga para entregar impulsos de corrente no circuito da carga, de modo a que, pelo menos, 50% (e, de um modo mais preferido, pelo menos 90%) da energia armazenada no circuito de carga seja entregue ao circuito da carga. Estes impulsos de corrente podem ser utilizados para aumentar a velocidade, a intensidade e/ou potência de aquecimento por indução fornecidos por um elemento de aquecimento e/ou aumentar a vida útil ou reduzir o custo em complexidade de um sistema de aquecimento por indução. São particularmente úteis para controlar uma carga relativamente altamente amortecida, e. g., tendo uma relação de amortecimento no intervalo de 0,01 a 0,2 e, mais especificamente, no intervalo de 0,05 a 0,1, onde a relação de amortecimento, indicada pela letra grega zeta, pode ser determinada medindo a amplitude de dois picos ai, a2 consecutivos de corrente na seguinte equação: 14 \ -In f =

\aU 2π

Esta relação de amortecimento, que, de modo alternativo, pode ser determinada medindo as amplitudes de dois picos de tensão consecutivos, pode ser utilizada para seleccionar uma função de sinal de corrente desejada para uma determinada carga.

Variação Cíclica de Temperatura A Fig. 4 ilustra uma forma de realização de um ciclo de moldagem por injecção que pode ser utilizado para variação cíclica da temperatura de um material tampão formado numa área da porta, tal como aquela previamente descrita relativamente à Fig. 3. A Fig. 4 é um gráfico de temperatura e potência (no eixo vertical) em função do tempo (no eixo horizontal) em que: • a parcela superior mostra a temperatura do material na área da porta do sistema colector; e • a parcela inferior mostra a potência fornecida ao conjunto de aquecimento por indução na área da porta do sistema colector.

Geralmente, uma variação na potência fornecida ao conjunto de aquecimento por indução antecipa (precede no tempo) uma variação na temperatura do material na área da porta (í. e., existe um atraso de tempo entre uma variação na potência (a causa) e a temperatura desejada do material da porta 15 (o efeito)). Por exemplo, um nível relativamente elevado de potência é fornecido entre os instantes (a) e (b) o que produz um nivelamento (uma redução na velocidade de diminuição) da temperatura do material na área da porta num instante (2) posterior. Do mesmo modo, uma redução na potência até um nível relativamente baixo entre os instantes (b) e (c), produz uma diminuição na temperatura do material da porta entre os instantes (2) e (3) . Do mesmo modo, um aumento na potência até um nível intermédio entre os instantes (c) e (d), produz um nivelamento da temperatura do material da porta entre os instantes (3) e (4). Finalmente, um aumento até um fornecimento de potência elevada entre os instantes (d) e (e), produz um aumento na temperatura do material da porta entre os instantes (4) e (5) .

Mais especificamente, o instante zero (0) representa o início de um ciclo de injecção em que magnésio líquido é alimentado a uma temperatura (1) muito elevada no intervalo de cerca de 580-620 °C, a partir de um colector, a uma cavidade de molde adjacente. No instante zero, a entrega de potência de entrada ao aquecedor de indução (na área da porta do colector) está num nível intermédio, seleccionado de modo a que o magnésio permaneça no estado fluente enquanto se move através do canal colector para dentro da cavidade do molde. Entre os instantes (0) e (2), a cavidade do molde é cheia, compactada e a peça começa a arrefecer na cavidade do molde. As paredes relativamente frescas da cavidade do molde actuam como um dissipador de calor extraindo calor do material na cavidade do molde. Ao mesmo tempo, a proximidade do colector à cavidade mais fresca do molde extrai calor da área da porta do colector, de tal modo que a temperatura do material da área da porta cai da temperatura de alimentação em fusão no instante (0) para uma 16 temperatura de separação no instante (2). A temperatura de separação está dentro de um intervalo que permite a separação da cavidade do molde do colector com uma ruptura limpa na porta, í. e., mínimo ou nenhum gotejamento estendendo-se a partir da região da porta da peça moldada. Aqui, a temperatura de separação encontra-se da extremidade inferior de um intervalo de temperatura de semi-sólido para o magnésio de 450° a 510 °C. O arrefecimento subsequente não é geralmente desejável porque pode interferir com a obtenção de uma separação limpa.

Após a abertura (separação) do molde, o material semi-sólido na área da porta à temperatura de "separação" é subsequentemente arrefecido até uma temperatura de "tampão de segurança" no instante (3) para permitir um aumento da pressão no colector para o ciclo seguinte. Isto é realizado, como previamente indicado, por uma diminuição prévia da potência fornecida ao aquecimento por indução, até um nível relativamente baixo entre os instantes (b) e (c) . Isto causa uma redução correspondente na temperatura do material da porta, entre os instantes (2) e (3), quando o material da porta cai da temperatura de separação para a temperatura de tampão de segurança.

Em seguida, a potência fornecida ao aquecimento é aumentada até um nível intermédio entre os instantes (c) e (d), causando nivelamento da temperatura do material da porta na temperatura de tampão de segurança entre os instantes (3) e (4). É desejável manter o material da porta à temperatura de tampão de segurança, sem arrefecimento subsequente, para minimizar o tempo/energia requeridos para aumentar a temperatura do material da porta durante o ciclo de injecção seguinte. 17

Antes do molde ser novamente fechado, a potência fornecida ao aquecimento é aumentada até ao nível alto entre os instantes (d) e (e), causando uma elevação (retardada no tempo) na temperatura do material da porta, desde a temperatura de tampão de segurança, de volta até uma temperatura de injecção. Então, no instante (5) há uma nova injecção de magnésio fundido a 580-620 °C a partir do colector para dentro da cavidade do molde para iniciar o ciclo de injecção seguinte. O material na área da porta no instante (5) aumenta rapidamente até à temperatura da alimentação em fusão devido à substituição pela alimentação afluente em fusão a 580-620 °C.

Assim, a Fig. 4 ilustra uma aplicação de um processo de variação cíclica da temperatura para aquecer/arrefecer um material num canal entre os estados fluente e não-fluente.

As formas de realização previamente descritas de um conjunto de aquecimento por indução podem ser utilizadas no ciclo do processo ilustrado na Fig. 4. Neste processo, o(s) ponto(s) Curie da bobina, bainha e/ou concentrador de fluxo podem ser seleccionados para conseguir uma velocidade de aquecimento dinâmica e perfil de temperatura de estado permanente desejados, tal como aqueles ilustrados na Fig. 5. De um modo preferido, as temperaturas Curie do concentrador de fluxo e da bainha não são excedidas dentro de uma escala desejada de variação cíclica da temperatura do material. Na Fig. 5, este aquecimento dinâmico ocorre, de um modo preferido, abaixo de Tbainha da bainha e abaixo de Tfc do concentrador de fluxo. Em contraste, o ponto Curie da bobina Tbobina é seleccionado para ficar bem abaixo da temperatura de fluência do material, de modo a reduzir o aquecimento da bobina devido ao efeito de superfície. 18 A Fig. 5 ilustra as respectivas velocidades de aquecimento e perfis de temperatura dos diferentes componentes do conjunto de aquecimento que variam ao longo do tempo com base nos pontos Curie dos materiais componentes. Neste exemplo, o material que está a ser aquecido no canal é paramagnético, pelo que todo o aquecimento do material resulta da condução térmica da bainha. De igual modo, as velocidades de aquecimento dos vários componentes do conjunto de aquecimento são interdependentes, visto que existe uma comunicação térmica entre a bobina, o concentrador de fluxo e a bainha.

Inicialmente, a bobina aquece mais rapidamente até alcançar a sua temperatura Curie no instante ti, ponto em que a velocidade de aquecimento da bobina é reduzida e, finalmente, excedida pela velocidade de aquecimento do concentrador de fluxo. 0 concentrador de fluxo permanece ferromagnético (abaixo da sua temperatura Tfc Curie) durante os períodos de estado dinâmico e permanente. 0 concentrador de fluxo é aquecido por indução, pelo fluxo magnético gerado na bobina, mas também por condução térmica de calor gerado na bobina. Porque o concentrador de fluxo está no centro do conjunto, e algum do calor resistivo gerado na bobina é transmitido para o exterior da bainha, a temperatura do concentrador de fluxo excede, finalmente, a da bobina. A bainha também é aquecida quer por indução, devido ao fluxo magnético gerado pela bobina, quer também por condução térmica de calor da bobina para a bainha. A bainha tem uma velocidade de aquecimento relativamente constante acima até a sua temperatura Tbainha Curie ser alcançada, no instante t2, ponto em que a sua velocidade de aquecimento se nivela (para funcionamento no estado permanente). 0 material é aquecido substancialmente por condução térmica a partir da bainha. A sua velocidade de aquecimento acompanha a da bainha, com 19 temperaturas abaixo das da bainha. O "ponto Curie" ou "temperatura Curie" de um material é uma temperatura à qual a sua permeabilidade relativa baixa de um valor elevado, e. g., maior do que cerca de 400, para 1. O ponto Curie de alguns materiais geralmente utilizados e suas ligas são indicados abaixo:

• manganésio 50 °C

• crómio 100 °C

• ferrite 200 a 400 °C

• niquel 300 a 400 °C

• aço 700 a 800 °C

• cobalto 800 a 1000 °C O "efeito de superfície" é um outro parâmetro que afecta as velocidades de aquecimento dos vários componentes. O efeito de superfície aumenta a resistência de um condutor eléctrico reduzindo a área de seccão transversal através da qual a corrente pode fluir. Geralmente, a resistência de um condutor R é dada por:

onde δ é a condutividade do material condutor, 1 é o comprimento 20 do condutor e A é uma área da secção transversal do trajecto da corrente no condutor. A profundidade δ de penetração é: 1

onde μ é a permeabilidade do material condutor, μ0 é a permeabilidade de um vácuo, fé a frequência em Hz e δ é a condutividade do material. A profundidade de penetração do fluxo de corrente diminui à medida que a frequência aumenta e/ou a permeabilidade aumenta. A maior parte da corrente (aproximadamente 63%) flui no interior da profundidade de penetração e quase toda a corrente (aproximadamente 95%) flui no interior de 35. 0 efeito de superfície ocorre em ambas as bobinas, bem como no concentrador de fluxo e bainha (onde correntes de Foucault são geradas por indução) . Nas aplicações onde o próprio material é aquecido por indução, o efeito de superfície também pode afectar a velocidade de aquecimento por indução do material. Assim, quer a temperatura Curie quer o efeito de superfície afectarão as velocidades relativas de aquecimento dos componentes do conjunto e do material.

Voltando à Fig. 5, o processo de aquecimento é iniciado aplicando um potencial de tensão da fonte através da bobina fazendo com que uma corrente crescente percorra a bobina. O fluxo da corrente na bobina gera um campo magnético em redor da bobina, proporcional à corrente através da bobina. À medida que 21 o campo magnético cresce atravessa os materiais circundantes, nomeadamente o dieléctrico, o concentrador de fluxo, a bainha e o material.

Porque a bainha e o concentrador de fluxo são ferromagnéticos, o campo magnético flui livremente através destes materiais, fazendo com que circulem nestes correntes de Foucault. As correntes de Foucault fluem num sentido circunferencial, oposto ao sentido da corrente de Foucault numa espira adjacente da bobina. Porque o concentrador de fluxo tem um circuito de corrente aberto, a corrente útil através de qualquer trajecto é relativamente reduzida. Porém, o trajecto da corrente na bainha é circunferencialmente fechado e as correntes de Foucault fluem ali livremente, aquecendo a bainha por indução. As correntes de Foucault na bainha encontram resistência ao fluxo dependendo da área da secção transversal do trajecto do fluxo e das propriedades materiais, como previamente descrito. A corrente na bobina também encontra resistência e cria calor. Quando a temperatura da bobina está abaixo do seu ponto Curie, a secção transversal eficaz é muito pequena e confinada (devido ao efeito de superfície) a uma área circunferencial exterior da bobina. Porém, quando a bobina alcança o seu ponto Curie, o efeito de superfície é extremamente reduzido e a área da secção transversal na qual a corrente flui é aumentada de modo correspondente, reduzindo, assim, a resistência e a velocidade do calor gerado na bobina. Assim, antes de alcançar o seu ponto Curie, a bobina aquece a uma maior velocidade. A temperatura do material é completamente dependente da condução térmica de calor a partir da bainha. Consequentemente, 22 a temperatura do material segue sempre com atraso a da bainha durante o aquecimento e está ligeiramente mais fria no estado permanente. A temperatura do concentrador de fluxo, assumindo correntes de Foucault é minimizada, é substancialmente dependente da condução do calor a partir da bobina para o concentrador de fluxo. Porque o concentrador de fluxo está completamente rodeado pela bobina na presente forma de realização, estará mais quente do que a bobina no funcionamento em estado permanente, se for assumido que algum calor gerado na bobina está a ser transferido para o exterior, para a bainha e o material. É preferível manter a temperatura do concentrador de fluxo abaixo do seu ponto Curie para maximizar o acoplamento por indução da bobina e bainha. Se o concentrador de fluxo alcançar o seu ponto Curie essencialmente abrirá o circuito magnético em redor da bobina e diminuirá substancialmente a corrente de Foucault na bainha, reduzindo assim a temperatura da bainha e do material. Porém, este efeito pode ser útil em determinados processos de variação cíclica de temperatura, de modo a reduzir a velocidade de aquecimento do material.

Estas e outras modificações serão prontamente evidentes para o especialista, como incluídas no âmbito das reivindicações seguintes.

Lisboa, 8 de Fevereiro de 2010 23

Claims

REIVINDICAÇÕES 1. Método para variação cíclica da temperatura de um material situado num canal para modificar o estado do material entre estados fluente e não-fluente, compreendendo o método: proporcionar um conjunto (50) interno de aquecimento por indução no material (100) no canal (102), incluindo o conjunto de aquecimento uma bainha (52) exterior disposta em contacto com o material e uma bobina (60) interior acoplada por indução à bainha, incluindo ainda o conjunto de aquecimento um concentrador (90) de fluxo para aumentar o acoplamento por indução entre a bobina (60) e a bainha (52); fornecer um sinal ao conjunto para gerar um fluxo magnético em, pelo menos, um de entre o conjunto (50) e o material (100), gerando o fluxo magnético aquecimento por indução do conjunto (50) e/ou do material (100); e ajustar o sinal para produzir uma velocidade desejada de variação cíclica da temperatura do material no canal (102), o que inclui modificar o estado do material (100) entre estados fluente e não-fluente.
2. Método da reivindicação 1, em que o estado fluente é um ou mais de um estado semi-sólido e um líquido, e 1 o estado não-fluente é um ou mais de um estado fisicamente rigido e um semi-rigido.
3. Método da reivindicação 1, em que: a bobina (60), o concentrador (90) de fluxo e a bainha (52) estão em comunicação térmica para permitir a transmissão de calor da bobina (60) para o concentrador (90) de fluxo e bainha (52) .
4. Método da reivindicação 3, em que: o concentrador (90) de fluxo e a bainha (52) funcionam, cada um, abaixo das suas temperaturas Curie respectivas; e a bobina (60) funciona acima da sua temperatura Curie.
5. Método da reivindicação 1, em que: a bobina (60) e a bainha (52) estão em comunicação térmica para permitir a transmissão de calor da bobina (60) para a bainha (52) .
6. Método da reivindicação 1, em que: o canal (102) é proporcionado num elemento exterior; e a variação cíclica da temperatura inclui o arrefecimento do material por transferência condutiva de calor, do material (100) para o elemento exterior. 2
7. Método da reivindicação 1, em que: o material (100) é um ou mais de entre um metal e um polimero.
8. Método da reivindicação 1, em que: a bobina (60) e a bainha (52) estão configuradas para minimizar o aquecimento da bobina (60) de modo a manter a temperatura da bobina dentro de um limite de funcionamento.
9. Método da reivindicação 1, em que: o sinal compreende impulsos de corrente proporcionando harmónicas de alta frequência na bobina (60).
10. Método da reivindicação 1, incluindo: seleccionar a(s) temperatura(s) Curie de uma ou mais da bobina (60) e bainha (52) para proporcionar uma velocidade desejada de aquecimento por indução da bainha (52) e/ou do material (100) .
11. Método da reivindicação 1, incluindo: seleccionar a(s) temperatura (s) Curie de um ou mais da bobina (60), bainha (52) e concentrador (90) de fluxo, para proporcionar uma velocidade desejada de aquecimento por indução da bainha(52) e/ou do material (100).
12. Método da reivindicação 1, incluindo: proporcionar um material de bobina que seja electricamente 3 condutor e paramagnético à temperatura de funcionamento da bobina; proporcionar um material da bainha que seja electricamente condutor, termicamente condutor e ferromagnético à temperatura de funcionamento da bainha; proporcionar um material do concentrador de fluxo que esteja abaixo do seu ponto Curie à temperatura de funcionamento do concentrador de fluxo; e proporcionar um material dieléctrico entre a bobina (60) e a bainha (52) que seja electricamente isolante, termicamente condutor e paramagnético à temperatura de funcionamento do dieléctrico.
13. Método da reivindicação 1, em que: o canal (102) é proporcionado num sistema de distribuição de material em fusão.
14. Método da reivindicação 13, em que: o canal (102) alimenta uma porta.
15. Método da reivindicação 13, em que: o sistema de distribuição de material em fusão inclui canais múltiplos alimentando portas múltiplas e a variação ciclica da temperatura é executada em paralelo para as portas múltiplas. 4
16. Conjunto (50) de aquecimento por indução compreendendo: uma bobina (60) interior; uma bainha (52) exterior acoplada por indução à bobina (60); um material (70) dieléctrico disposto entre a bobina (60) e a bainha (52); um condutor (72, 74) para fornecer um sinal à bobina (60) para gerar um fluxo magnético para aquecimento por indução da bainha (52); em que a temperatura Curie da bobina (60) está abaixo de uma temperatura de funcionamento da bobina (60) e a temperatura Curie da bainha (52) está acima da temperatura de funcionamento da bainha (52); e caracterizado por o conjunto incluir um concentrador (90) de fluxo e a temperatura Curie do concentrador (90) de fluxo estar acima da temperatura de funcionamento do concentrador (90) de fluxo.
17. Conjunto da reivindicação 16, em que a bobina (60) e a bainha (52) estão em comunicação térmica permitindo a transmissão de calor da bobina (60) para a bainha (52).
18. Conjunto de aquecimento por indução da reivindicação 16, em que a bobina (60), o concentrador (90) de fluxo e a bainha (52) estão em comunicação térmica, permitindo a transmissão de calor da bobina (60) para o concentrador (90) de fluxo e 5 bainha (52).
19. Conjunto de aquecimento por indução da reivindicação 16, em que o concentrador (90) de fluxo está disposto no interior da bobina (60). Lisboa, 8 de Fevereiro de 2010 6