TWI454184B

TWI454184B - 供電感方式加熱電導工件的方法與裝置

Info

Publication number: TWI454184B
Application number: TW097124459A
Authority: TW
Inventors: Patrick Ziegler
Original assignee: Soudronic Ag
Priority date: 2007-09-21
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2014-09-21
Also published as: TW200926903A; PT2040512E; EP2040512B1; US9055616B2; ES2347723T3; ATE477701T1; EP2040512A3; US20090078697A1; EP2040512A2; DE502008001112D1

Description

供電感方式加熱電導工件的方法與裝置

【參照相關申請案】

本申請案主張申請日為2007年9月21日之瑞士專利申請案第1472/07號的優先權，其揭示內容以參照方式引入。

本發明係關於以電感方式加熱電導工件的一方法與一裝置，依據該些獨立項的前言，該工件是被做成一封閉環的形狀。關於一被形成封閉環的工件，可以瞭解的是該名詞可以表示任何環繞一開口的工件，例如，一環形的工件，或一橢圓，矩形，或正方形的工件環繞一開口，其開口同樣地可以是橢圓的，矩形的，或正方形的形狀。該工件可以是有一完全環繞的開口之一封口蓋(cover blank)，例如可以被用來做成具有一撕下(tear－off)或拉下(pull－off)箔的蓋子。

一種用來製造具有箔的蓋子的方法和裝置，被揭露在專利申請書WO 2006/042426 A1中。該已知的裝置有一輸送裝置(conveyor device)和數個處理站以及一測試站。該輸送裝置傳遞封口蓋至該個別的處理站以及至該測試站。在一第一處理站中，一封口蓋被產生成具有一完全環繞的開口，藉由一壓印步驟在此範圍內一開口被壓印在一碟子上。在下一個處理站中，該封口蓋的該內部邊緣被往下拉。在接下來的處理站中，一具有蓋口(flap)的箔被放置在該封口蓋的環繞開口上，以及藉由熱封固定在該空白上。在此所使用的箔其底側提供有一層的塑膠材料，以及是由一寬的箔網所壓印下來。該箔被放在該環繞開口上，可以被當成是一中間的凹處，以及在熱的效應下被壓至該環繞開口的邊緣，藉由該塑膠層的融化與後續的冷卻，使得該箔被緊密的連接至該封口蓋。提供一外加的處理站用以冷卻。在一進一步的處理站中，該箔被提供有一凸出花紋(embossing)，以及該封口蓋的內部邊緣位在該箔的下方是珠狀的。最後，該完成的蓋子要接受測試站的測試，其包含測試該箔附著至該蓋子密合緊度的測試。

如專利申請案WO 2006/053457 A2中所描述，該箔可以被密封或黏附至該蓋環，在此範圍內如同在一第1步驟中該密封或黏附是被部分的完成，以及在一第2步驟中被完成，藉由該第2步驟介於該箔和該封口蓋間的連接被完全地加強。該密封或黏附是藉由熱效應來發生。該部分的密封或黏附的產生是由於該密封或黏附的發生只在預先決定的部分區域，以及/或因為不足的熱效應沒有被完全地產生。在該第1步驟中以及/或在該第2步驟中用於該密封或黏附的溫度，較佳為約在攝氏200度。

依據電感式加熱的原理，已知的方法是藉由一電感在一電導工件中產生熱，該電感通常包含一具有兩隻腳的U型磁心，每一隻腳上會有一電導線圈連接至一電路源。攜帶該些線圈之該些U型磁心的腳代表該些磁極。該電感藉此形成一開磁路。加熱一工件，該些磁極要很靠近待加熱工件的外表面。藉由施加一交流電產生一磁變場(magnetically alternating field)，在該磁變場影響下在該工件的外表面上產生高頻率渦流電流，使得以渦流耗損(eddy current loses)(也稱為，集膚效應)形式的熱被產生。這是例如被用來加熱一容器壁(參照美國專利5,690,851 A)。對應的電感器也例如在美國專利5,101,086 A和7,022,951 B1中揭露。一工件的該壁越薄，該交流電流源的頻率要更大，藉由該產生的可變磁場頻率，使得在該工件上產生的渦流是接近一足夠大的電阻值，因此藉由該渦流耗損產生足夠的熱。

由美國專利4,740,663 A中，一電感式加熱單元已知是藉由：電能可以被感應至使用於一容器的一蓋子的一金屬箔載體的該金屬周邊，使得該蓋子被加熱以及與該容器的熱連接。該電感式加熱單元有一磁心，其具有2個相對的U型區段，每一區段內安排有一線圈。該蓋子被夾至該磁心的一側的該相對的腳，然而與該磁心的另一側形成一空氣隙。這提供每一該相對的腳形成一磁極之一封閉的磁路。在該磁心的一側的該些腳之間的蓋子藉由渦電流，以及磁反轉損失可獲得一部分加熱。連結該磁核心一側之一磁極的兩腳彼此的蓋子，其可說是造成介於磁路之兩磁極間的磁場之短路。用來電感式加熱之該些已知的裝置為人所知的電感器，其被供予高頻的能量以及通常對每一工件，需要具有適當耐受性的適當大小的電感器。另外不同的材料通常需要不同型態的電感器，例如，在由鋁所做成的工件與在由鋼合金所做成的工件做比較的例子，該材料特別強烈影響該耦合。假如該電感器被用在具有一輸送帶的一裝置上，在一電感器靠近一工件的效應下可發生已知的電感效應在該輸送帶的典型金屬導軌，因而該金屬軌道同樣會被加熱。

本發明的目標是提供一方法和裝置用以電感式加熱，藉由該方法和裝置不同材料與不同的尺寸和大小之一封閉環形的電導工件可以被均勻的加熱。

藉由一封閉環形的電導工件，也就是一工件具有一完全環繞的開口，也就是一個開口被一邊緣所完全的環繞，例如環形的工件，或工件具有橢圓，矩形或正方形的環繞開口，其開口同樣地可以是圓的，橢圓的，矩形的或方形的。該些工件，例如是封口蓋，用以提供一箔製造蓋子，特別是一撕下或拉下的箔，也就是一箔具有一個蓋口以供撕下或拉下，以該前面所描述的箔藉由密封或黏附被施加至該封口蓋。

藉由具有申請專利範圍第1項的特徵之以電感式加熱的一裝置，以及藉由具有申請專利範圍第10項的特徵之一方法，以電感式加熱之該目標可達成。用以電感式加熱的本發明該裝置，也可以被稱為是一電感器。

用以電感式加熱的本發明的該裝置，包含一具有兩腳的U型磁心，以及至少一電導線圈被安排在該U型磁心的至少一腳上，該線圈可連接至一交流電流源，以及線圈特別地環繞該腳。提供一磁軛以區別本發明的該裝置，該磁軛與該U型磁心的該些腳其中之一的至少一獨立端分隔，使得具有至少一空氣隙的一封閉磁路得以形成。至少一空氣隙的高度，以及較佳為兩空氣隙的高度可被選取使得一電導工件可以非接觸地穿越該空氣隙。U型磁心一詞可以被了解也包含一C型磁心。一磁心可以特別地是一亞鐵鹽(ferrite)磁心。

依據本發明該裝置的一較佳實施例，至少一電導線圈被安排在該U型磁心的每一腳上，該些磁心被以相反的方向纏繞，以及可被連接至一交流電流源。此外，該磁軛與該U型磁心的兩腳的該獨立端分隔，因此形成具有兩空氣隙的一封閉磁路。

至少該腳的該些表面或該些剖面表面被安排為至少有一空氣隙，藉由該空氣隙該電導工件為可插入式，該些表面或該些剖面較佳地被形成以適合穿越該電導工件的該環繞開口。在此方法中，該電導工件可以被安置在該空氣隙中，其全部的邊緣自該空氣隙延伸出來，也就是環繞該空氣隙。依此方法安置的該工件是位在該空氣隙的外側，即位在一高磁場強度區域之外以電感式加熱，。

本發明的該方法被特徵描述為藉由使用本發明的一裝置，一封閉環形的電導工件可以被移入該空氣隙中而不會接觸到該裝置，因此該工件環繞該空氣隙，以及在該工件中的一封閉開口至少部分地位在該空氣隙中，以及本發明的該裝置的該些線圈被提供一交流電流，也就是連接至一交流電流源。本發明方法的該些描述步驟，不可以被認為代表任何特別的時間順序，因此在該工件被插入該空氣隙之前，例如該線圈可以先被提供一交流電流。

在一生產操作中，本發明的該裝置是更好地被連續操作，因此本發明的該線圈是被持續地被施予交流電流。在此方法中，本發明的該裝置的一強的操縱以及一暫態延遲可以被避免。該工件或其邊緣，在插入至該空氣隙的期間，是至少部分地受到出現在該空氣隙中的可變磁場的影響，然而只有一相對很小的作用時間而可以忽略。

本發明的該方法以及本發明的該裝置，可以被有利地用於平的工件的加熱，一平的工件可以被認為是一薄的工件。本發明的該方法和該裝置，是有利地適合用於插入一工件，其在距離該空氣隙一寬的距離情形下環繞該空氣隙。

該交流電流源也可以被稱為是一發電機。較佳為使用一低頻且因而經濟的交流電流源。此外，使用低頻的好處在於該線圈損失可以很小，以及可以使用長導體。因為可以使用一低頻的工作頻率，因此並非依據集膚效應本發明的該方法與裝置實質上是可行的。

本發明的該裝置是操作在較佳為介於18－40赫茲之間的一相對低的頻率，因而可在與該交流電有一很遠距離，例如在一20公尺的距離，在不用一變壓器的情形下安置與驅動該裝置。

假如該線圈被連接至一交流電流源，有一伴隨該磁路的該磁場強度的變化，其中該磁路是由該U型磁心與該磁軛與該線圈所形成，該線圈導致在該磁通密度中的變化。因為該磁通密度的變化，在該工件中依下列的感應定律感應一感應電動勢，該電動勢本質上與該工件的大小無關，特別是從一環形工件的該直徑：

其中Uind是該感應電動勢，Φmagn是該磁通量，t是時間，B是該磁通量，A是被該磁場所穿過得該表面以及被該工件所環繞，A被當成是一定值，以及f是被當成是一變數之該表面。假設該磁通量Φmagn隨著時間t而變。在該方程式中，該繞數(winding number)或該線軸(spools)的繞數，已經被磁通量考慮進去或包含在該磁通量之中。

亦可以被認為是阻抗(impedance)或交流電阻之該環形電導工件的大於0之該電阻導致可感應一電動勢。在一環形工件的案例中，該電阻也可以被稱為是環形阻抗。該電阻具有，在該工件中有一電流，產生一致(uniform)，或同質的(homogeneous)加溫(warming)或加熱(heating)該工件。本發明的該裝置與本發明的該方法產生的優點，是在該工件中產生的熱本質上不需要藉由該工件外表面的集膚效應或藉由磁反轉(magnetic reversal)損失。

藉由本發明的該裝置與方法，環繞該空氣隙的不同尺寸或大小的工件可本質上不受該裝置或該空氣隙與該工件之間間隔的影響，當該工件環繞該空氣隙時可被均勻地加熱，。本發明的一相同的裝置可以被用在不同尺寸的工件。本發明的該裝置與本發明該裝置所產生的可變磁場的幾何尺寸，只要該工件環繞該空氣隙下並不需要配合一工件。

本發明的該裝置可以，例如，被用在加熱一具有完全環繞開口的封口蓋，特別是在提供一箔用以製作蓋子的一系統中。這樣一系統典型具有一輸送/運送系統，或一導引系統以供該些封口蓋的傳遞與導引，以及不同的處理站以供該些蓋環(cover ring)的處理(參閱WO 2006/042426 A1，如先前所描述的)，以及被實施在一生產線系統。

因此，本發明的該方法可以被用在加熱具有一完全環繞開口的一封口蓋，特別是在製造具有箔之蓋子的一系統中。因為本發明的該裝置本質上是不受該工件形狀和大小的影響，不論該環繞開口的尺寸與大小，本發明的該裝置可以被做成足夠的寬度而使得不會衝突到用以製作提供箔之蓋子的一系統之該輸送裝置以及/或該處理站。藉由本發明的該裝置，形成具有兩空氣隙的一封閉磁路，產生該磁場本質上的封閉導引，最小化擾亂發散，以及該輸送裝置受到非常微弱磁場的影響，因此該輸送裝置的加熱可以被避免或忽略。

在製作具有箔的蓋子的案例中，藉由本發明的裝置與本發明的方法，經由一預熱用以密封或黏附一箔，以有利地加熱一封口蓋。在該預熱之後，接著將一箔施加至該工件，因此該工件的該環繞開口是由該箔所包圍，藉由該密封或黏附，而較佳為一預密封(presealing)/預黏附(preadhesion)步驟，以及在該步驟之後接著一主要的密封/黏附步驟(參閱WO 2006/053457 A2)。藉由電感式加熱的預熱，例如，具有一完全環繞開口的環形或方形工件，以及是由鋼合金或鋁所做成，在用以製作具有箔的蓋子的一系統中，其包含一輸送裝置，在數百毫秒中可以被非接觸均勻的加熱至攝氏80度。接著該預密封/預黏附步驟之後為該密封/黏附或該主要密封/黏附，可以較佳地發生在大約攝氏200度。藉由該電感式預熱，該隨後主要密封黏附的品質可以被提高，以及依據該箔的主要材料，因為該額外的預熱導致一有效的能量轉移導致該生產率可以被提高。可以推薦的是，在用以製作具有箔蓋子的此一系統中，或具有該發明裝置與該發明方法的案例中，該工件的鄰近邊緣是絕緣的，以及一絕緣的輸送裝置，例如，以塑膠製作輸送裝置的該些輸送帶。

第1和2圖顯示一本發明的裝置1，被例如環形之一電導工件2插入。當然該工件2可以有其他的形狀，例如一矩形具有一完全的環繞開口。

該裝置1有一U型的磁心3。在U型的意義中可以被瞭解的是，該磁心3也可以是一C型的磁心。該磁心3可以是由材料N87所做成。較佳為該磁心3可以是由該材料N87所做成。在該磁心3的每一腳4是一線圈5，該兩個線圈5是以相反的方向纏繞。在第1圖中描述該纏繞方式，藉由在該線圈5中打叉和點狀的符號，一線圈5的該點狀符號表示電流由該觀看平面朝觀看者的方向流出，以及該打叉的符號表示電流朝向該觀看平面流入。

每一線圈5是由一高頻的纜線所形成，其具有一事先給定個別的線股(strands)，至少是500線股，以及特別地較佳為1000線股。每一線圈5較佳為14繞(convolutions)。

該裝置1進一步有一磁軛6(未示於第2圖中)，被安排以在該U型磁心3的該腳4的該未被特別指出的獨立端的一空間形成一空氣隙7。該空氣隙7的該高度的選擇，使得該工件2可以從一空氣隙7移開而被置於介於該磁心3和磁軛6的該垂直方向上。該空氣隙7較佳的高度為6.5毫米。本發明的該裝置1因此形成具有兩個空氣隙7的一封閉磁路。

該磁軛6較佳為I型的。然而可以是U型的，也可包含C型的實現(implementation)。在該無描述的U型實現中，該磁軛6的該腳的該獨立端分別被安排與該磁心3的該腳4的該獨立端相對站立，以形成該空氣隙7。特別地，如果只提供一單一空氣隙7，該磁軛6也可以被做成是L型的。

該磁心3和線圈5較佳為被鍍上一電絕緣密封材料以物理上地和化學上地保護該磁心3和線圈5。該被使用的密封材料是特別為熱傳導性的，其較佳地具有一最少熱傳導係數0.6W/(m－K)。

為了提高效率，該磁心3可以被冷卻，特別是水冷卻(未示於此)。

當該線圈5被連接至一在此沒有顯示的交流電流源或發電機，一可變磁場8在本發明的該裝置1中產生。被纏繞一線圈5之每一該些腳4，代表一磁路的磁極，該個別磁極的極性是隨著該交流電的極性而改變。在第1圖中，該可變磁場是由磁場線8所表示。在靠近該空氣隙7存在高密度磁場9區域。

該工件2被移動或搬運以及安置穿越一空氣隙7，使得該完全封閉開口10至少有部分位在該空氣隙7中，以及使得該工件2本身環繞該空氣隙7，也就是該工件本身位在該空氣隙7外側。因此，該工件的一區域11位在該裝置1的外側，然而該工件在該水平方向的另一區域12，位在具有該環繞線圈5的該些腳4所形成的該些磁極之間，然而在該垂直方向，該工件位在介於該磁心3和該磁軛6之間之該空氣隙7中。該另一區域12，因此位在介於該磁心3該兩個磁極之間的一低磁場強度區域。該工件2因此環繞傳導在該磁心3和該磁軛6中的該可變磁場，以及藉由如前面所描述的該可變磁場，在該工件2中感應一電壓實質上不受該工件2的該環繞開口10的尺寸大小的影響。

因此，介於該磁心3的該些磁極之間的該磁場強度要儘可能的減低，以及使得該空氣隙7的外側至多只有小量的擾亂發散產生，該空氣隙7的高度要做成儘可能的小，特別是在一6.5毫米的高度。因此，本發明的該裝置特別適合用於平的工件2，也就是具有一很小垂直尺寸的工件2。至於一平的工件2也就是表示一薄的工件。

該發明裝置1以及該工件2，基本上對應至一具有很大空氣隙的變壓器，以該裝置1代表該主要繞組(winding)，以及該工件2代表該變壓器的一短路第二繞組。

用以供應該線圈5的該交流電流源或發電機，較佳地產生一低頻的電流，特別是頻率範圍在18－40千赫，使得該交流電流源或發電機可以有一切換震盪電路。由該交流電流源或發電機所產生的電流有一10－25安培的均方根值(有效值)。假如沒有工件2在該裝置10中，使得該裝置10是在一閒置的狀態中，將會有降低該裝置1之共振頻率的結果，該裝置1較佳為被有一些電容的一交流電流源所連接，使得構成該裝置1的系統，以及該在此沒有說明的交流電流源將會自動地成為沒有負載。

依據本發明的該裝置的另一沒有說明的實施例，一另外的第二U型磁心可以被提供緊鄰於該第一U型磁心3，該線圈5是在該第一U型磁心3的該些腳4之上，該線圈5也可以被安排在該第二U型磁心的該些腳之上。亦即在該實施例中該線圈5環繞兩個U型磁心的該些腳。該另外或第二U型磁心較佳為與該第一U型磁心有相同的尺寸，該第一U型磁心被提供在如第1和2圖中所描述的該發明裝置的該第一實施例。該另外或第二U型磁心同樣地結合一I型或U型磁軛，該第二磁軛被安排緊鄰如第1和2圖中所描述的該發明裝置的該實施例的該第一磁軛6，因此相較於該發明裝置1的情形只有一磁心3與只有一磁軛6，可提供給空氣隙一較大的剖面。當然該第一磁軛6可以被做成很寬，延伸超過該兩個磁心，以及與該兩個磁心形成空氣隙。

本發明裝置的未被顯示的該實施例，其中具有很大直徑的工件，以及/或具有很小特定電阻值的材料或包含該些材料所做成的工件可以被加熱。在該案例中可以被瞭解的是該工件每一個有一完整的環繞開口，其可以被做成至少部分位在另一實施例的該些空氣隙之一中，以及該工件將會環繞該空氣隙。在該案例的該實施例中兩個磁心被相鄰的放置以及被相同的兩個線圈所纏繞，與第1和2圖中所描述的本發明的該第一實施例相比較可用的加熱功率增加。該些線圈所需要的繞數可以因此以一因子而減少取代第1和2圖中的該第一實施例的14繞，該第二實施例的每一線圈可以是9或10繞。藉由減少該所需要的圈數(turns)/繞數(convolutions)，銅損耗(copper loss)的大小是以一有利的方向減少(線圈通常是由銅所組成)，以及該磁心的負載可以藉由飽和效應可被很顯著的降低，使得本發明的裝置呈現一低熱損。因為該磁心中的較低損失，該裝置可以被操作在一較高磁場強度的可變磁場中。

本發明的較佳的實施例已經描述在本申請書中，可以很清楚的瞭解到本發明並不侷限於該些實施例中，以及本發明可以以其他的方法實現而依然會在下列請求項的範圍內。

1‧‧‧裝置

2‧‧‧電導工件

3‧‧‧U型磁心

4‧‧‧腳

5‧‧‧線圈

6‧‧‧磁軛

7‧‧‧空氣隙

8‧‧‧可變磁場

9‧‧‧高密度磁場

10‧‧‧封閉開口

11‧‧‧區域

12‧‧‧另一區域

本發明的進一步有利的實施，可由附屬項以及特別地由下列的圖式描述的例示實施例明顯得知。該些圖式為：第1圖顯示依據本發明的一工件的一裝置示意性的剖面圖，以及第2圖顯示在第1圖中說明的該發明裝置的一剖面圖，以及在該工件的位置。

在該些圖示中，該些相同的參照標號表示該相同的結構，以及相似的功能，以及相似的操作元件。