TWI478633B - 感應式加熱管狀或實心零件的方法和裝置 - Google Patents

Description

感應式加熱管狀或實心零件的方法和裝置

本發明是有關於管狀或實心零件的感應式加熱作用，用以施行特別是由熱塑性或熱固性基質複合材料所組成之管狀零件的變形或塑造作用。

感應式加熱法的技術已被大量使用於傳統式複合零件之塑造中，特別是因為感應式加熱法的能源轉換效率大於傳統式加熱機構的能源轉換效率，且特別是因為該感應式加熱法所提供之高效率、精確度和再現性。目前特別是考量以塑造方法來製作複合材料管件時，管件的加熱作用是無法得到令人滿意之感應技術所帶來的優點。舉例而言，一種包含一具有感應器之管狀、鋁質管體的習知裝置，其中由以上這些感應器所感應得到之電流來驅動該管體的加熱作用。此種裝置的缺點是其採用”大規模方式”來加熱該管體。此項結果表示出由於在鋁質管體內之熱量擴散作用是需要時間，造成加熱時間拉長。除了生產力降低以外，加熱時間拉長的結果伴隨著相對應的較高能量消耗和等比例增加之冷卻時間。此種以上所描述之裝置亦具有其所使用材料表現出相對於感應式加熱作用之效率不佳的缺點。

本發明之目的是提供一種簡單、低成本的方法和裝置， 用以藉由感應方法來有效率地加熱管狀或實心零件，特別是用於以複合材料來塑造管件。本發明是依據下列觀察結果，最有效率的塑造裝置是提供表面形式之加熱作用，亦即是驅動模型之塑造表面的局部加熱作用。因此，採用大規模方式來加熱模型所產生的能量損失得以被避免發生。

因此，本發明是有關一種用於加熱一管狀或實心零件的裝置，其包含：一被設計用來包含零件之金屬管體；一被安置於管體內和被設計用來與零件相接觸之電氣傳導內層；圍繞著管體用以產生一磁場之感應機構；包含機構之裝置使得磁場能夠藉由該感應機構經過管體而產生，因此，在內層中直接感應得到電流，且導致在介於內層與待加熱零件中間之介面部位的附近產生局部加熱作用。

因此，經由本發明，感應得到的電流和加熱作用是被局限於內層，直接是在待加熱管件的附近，且並非是在管體的厚度內產生。於是，依照本發明之裝置所具有的優點是局部加熱塑造區域，直接是在介於塑造區域與材料中間之介面部位的附近，且並非是在塑造管體的厚度內，此項結果表示出主要的耗能節省狀況。此種裝置亦具有簡單和製造成本低的優點。

在一項實施例中，包含機構之裝置使得在管體內的磁場穿透深度是大於管體的厚度。

在一項實施例中，磁場的穿透深度是由下列公式來決定，δ=50×(ρ/(F×μr))^1/2 ，其中ρ為組成管體之非磁性材料的電阻係數，μr為材料的相對導磁係數和F為在感應機構內流動的電流頻率。

在一項實施例中，內層被安置於管體的內部表面上。

在一項實施例中，包含機構之裝置使得磁場的穿透深度是小於管體和內層的厚度總合，使得電流無法被感應產生於內層與待加熱零件之間的介面部位。

在一項實施例中，內層被配置於管體的內部表面上。

在一項實施例中，磁場是於內層與管體之間的介面部位產生感應電流。

在一項實施例中，內層被安置於一內部圓筒核心的外部表面上，該核心是以同軸之方式被安置於管體內。

在一項實施例中，裝置包含一被安置於管體之內部表面上的第二內層。

在一項實施例中，管體包含二彼此相互移動之元件，用以開啟該管體。

在一項實施例中，當管體被關閉時，該二元件是被電氣隔離。

在一項實施例中，內層包含一磁性化合物，較佳地具有高相對導磁係數和電阻係數。

在一項實施例中，管體包含一非磁性化合物，較佳地具有高電阻係數。

在一項實施例中，管體包含一磁性化合物，較佳地具 有高相對導磁係數和電阻係數。

在一項實施例中，管體於其面朝向感應機構之外部表面上包含一由非磁性材料所組成的層，該非磁性材料較佳地具有高導電係數。

在一項實施例中，內層的厚度是小於1毫米。

在一項實施例中，裝置具有內部壓力機構，用以驅動加熱管直接被安置成抵住該管體。

本發明亦是有關一種採用以上所界定之一裝置來製造出由複合材料組成之零件的方法。

圖1表示出依照本發明之裝置10。在該應用實例中，該裝置被設計用來塑造出由複合材料所組成之圓筒零件。裝置或模型10具有一由感應器機構14所圍繞之管體12。管體12是由一非磁性材料所組成，在該應用實例中係為不銹鋼。管體12的內部表面是以一磁性材料之內層16作為襯裡，例如是一鎳基合金或是一具有例如是鎳、鉻、鈦之元素的合金。該內層16構成一塑造區域和一加熱區域，該二區域被設計用來與待加熱零件和/或待塑造零件相接觸。當以頻率為F之交流電I₁ 提供予感應器機構14時。該裝置被構形用以使得磁場能夠於磁性內層16中產生感應電流I₂ 。

圖2表示出沿著模型10之徑向平面的一半剖面圖，此時該模型是被用來加熱一管狀零件或管件18。此厚度為e₃ 之待加熱零件是被安置於管體12的內部。管件18例如是由一熱塑性介質或熱固性介質複合材料所製成。感應器機構14的迴圈14₁ 、14₂ 、14₃ 、14₄ 、14₅ 被安置於管體12之外部表面附近，以上這些迴圈是被容許冷卻流體流過之內部冷卻溝槽15所穿過。為了要在內層16中感應得到電流，由感應器機構所產生之磁場於厚度e₂ 層的數值必須不是零。換言之，由圍繞著管體12之感應器迴圈所生成的磁場必須是穿過厚度為e₁ 之管體12。磁場的穿透深度是由一已知的表皮厚度來界定。

在管體12內之表皮厚度δ是以大約之方式而由下列公式來決定：δ=50×(ρ/(F×μr))^1/2 ，其中ρ為組成管體12之非磁性材料的電阻係數(單位是微歐姆釐米)，μr為材料的相對導磁係數和F為感應電流的頻率(單位是赫玆)。對於一非磁性材料而言，μr=1，則以上公式變成δ=50×(ρ/F)^1/2 。因此，已知表皮厚度是與組成管體12之非磁性材料的電阻係數成比例。舉例而言，一電阻係數為300微歐姆釐米、頻率F等於300赫玆之非磁性材料，其所得到的表皮厚度δ則為50毫米。選擇非磁性材料所具有之高電阻係數，有助於磁場得到所需的穿透狀況。關於此點，選擇不銹鋼的結果係組成介於電阻係數與機械抵抗性之間的一項適宜妥協方案，在一裝置可以施行塑造加工之過程中，管體12必須要承受主要的應力。然而，管體12可以是由具有高電阻係數之任何非磁性材料所製成，例如是一具有例如是鎳和銅之合金元素的錳基合金。

一旦管體12的電阻係數為已知，感應電流I₁ 的頻率F為選擇用以得到大於厚度e₁ 之表皮厚度。較佳地，產生符合此種狀況之最高頻率係將被選擇。事實上，由感應式加熱作用所感應得到之焦耳能量是與成比例。因此，頻率較高時，產生的能量就愈大。依據應用方式和組成該裝置之材料，加工製程將是在從100赫玆到若干千赫玆之頻率範圍內，用以得到幾十毫米的表皮厚度。因此，磁場穿過管體12和到達內層16，於該內層16中產生感應電流I₂ (2被稱為渦電流)。接著，在以上感應電流I₂ 之作動下，內層16是被焦耳作用來加熱，使得在非常短的時間內，將管件18加熱，且到達所需溫度。

因此，本發明之用於將感應式加熱作用直接安置在模型/材料介面部位附近的目標即可達到。事宜上，感應電流是局限於厚度為e₂ 的內層16中，該厚度e₂ 是小於1毫米，且相較於模型10的厚度，厚度e₂ 是非常小，因此得到表面加熱作用。另外一方面，由於管體12是以一非磁性材料所製成，該管體則將承受到非常小的感應式加熱作用。

本發明之一項優點是其產生表面加熱作用，同時，受益於來自用於裝置管體12之金屬構造的優點。事實上，採用製造出管體12之金屬來提供機械抵抗性(針對應力和疲勞)和熱性質(低膨脹性、用於冷卻之有效率熱傳導作用等)，以上性質預期是可以從一模型管體中得到。採用一種對於磁場環境並無任何作用的材料(例如是陶瓷)則將無法提供以上品質的益處。

在一種較佳的變化形式中，磁場的穿透深度使得在內層16中之感應電流是產生於在內層16與管體12中間的介面部位。因此，內層16之與待加熱管件相接觸的表面則不會有任何感應電流穿過。換言之，表皮厚度δ是大於e₁ ，但是小於(e₁ +e₂ )。於是，介於內層16與管體12之間的介面部位是藉由感應作用來加熱，所生成的熱量接著是藉由傳導作用而被傳送朝向介於內層16與零件18中間之介面部位。舉例而言，一電阻係數為10微歐姆釐米和相對導磁係數為500，且頻率F為300赫玆的鎳質內層，其在磁場內所得到之穿透深度則大約是0.41毫米。接著，提供足夠的厚度予內層，例如是至少0.5毫米的厚度，用以確保與零件相接觸之表面不會有任何感應電流穿過。由於並無電流被感應產生於在內層16與待加熱零件之間的介面部位，此項變化形式所具有的優點是依照本發明來得到表面加熱作用，同時，產生電氣傳導零件(例如是由碳纖維所製成)之加熱作用。

將磁性材料之內層1固定至模型管體的動作是採用不同方式來施行，例如是藉由鎖附一金屬片或是藉由材料的沈積作用，例如是電漿或是電解沈積。用於該內層16之磁性材料是一種磁性化合物，其具有居禮溫度，連同高於銅的電阻係數。舉例而言，該磁性化合物可以是一鎳、鉻和/或鈦基的鋼合金。由於能夠藉由感應作用來提供更加有效率的加熱結果，該內層16的主要電阻係數係為一項優點。然而，組成該內層之材料的導磁係數亦會影響到感應 式加熱作用之效率(參考以上所提及之公式)。

在一項變化形式中，模型10包含被安置於管件18之內部的內部壓力機構20(參考圖2)，且於塑造操作之過程中，將管件18的外部表面作動而應用至管體12。以上這些壓力機構20例如是一伸縮氣囊形式裝置(以金屬或矽製成)或是一圓筒金屬零件，可以是管狀或是實心，設計用來隨著溫度的增加而膨脹，該膨脹結果則是足以將管件18安置成直接抵住內部表面16。在另一應用實例中，亦可採用某些合金的形狀記憶功能，使得由此種材料所製成之零件能夠依照溫度(更特別是介於外界環境溫度與塑造溫度之間的溫度值)而具有不同形狀。此種零件例如是一纏繞於其上之金屬薄板。

圖3表示出該裝置的變化形式，其中內層16被安置於一金屬核心22上。在此種構形中，裝置使得由感應器所產生之磁場能夠穿過管體12和管件18，到達核心22。換言之，在模型10內之磁場的穿透深度是大於e₁ 。事實上，倘若表皮厚度是大於e₁ ，由於磁場將穿過待加熱零件18，該磁場則直接到達內層16。由於其不具有電氣傳導性，該零件18對於磁場環境則是並無任何作用。因此，在先前變化形式之應用實例中，磁場在內層16中感應得到渦電流，該內層16是被安置於核心22的外部表面上。在此項變化形式中，管件18的加熱作用是藉由其內部表面之作動而得到。在該應用實例中，核心22所具有的磁性材料是類似於組成內層16之材料，以上二材料元素接著組成 單一元素，因而簡化該核心22的製造方式。

在圖式未表示出來之一變化形式中，裝置10具有二磁性內層，其中第一層是被安置於管體12的內部表面上(如圖2之所示)，且第二層是被安置於核心的外部表面上(如圖3之所示)。在此種構形中，感應機構被加以施行，使得磁場的穿透深度能夠大於(e₁ +e₂ )，導致磁場穿過管體12、第一內層和待加熱零件(對於磁場環境並無任何作用)，到達第二內層，於是，在該第二內層中產生感應電流。此種構形是被用來得到管狀零件的雙重加熱作用，同時係發生在其內部表面或外部表面上。

事實上，管體12是一開口元件，使得零件成品能夠被排出。在此種應用實例中，管體12是由二個彼此可以相互移動之元件121、122所組成(參考圖4或圖5)，該二元件並組成管件。管體12更還具有冷卻溝槽，該冷卻溝槽被安置於管體12的厚度中，且具有一與該管體12之對稱軸保持平行的方向。以上溝槽容許一冷卻流體流過，用以於零件變形之後，將零件冷卻。

在如圖4所示之變化形式中，管體於其一徑向平面上包括一電動制動器，用以將該管體分隔成為二電氣隔離元件121和122，例如是藉由以一隔離材料所製成之一層123的作動。在此種構形中，介於該二元件121與122之間的電氣隔離作用是擔任一空氣間隙之角色，由感應器所產生之磁場則是於該空氣間隙內流動。因此，磁場函蓋著每一個元件121和122，於該二元件之內部表面和外部表面上 產生感應電流I₃ 和I₄ 。此種構形的優點是能夠除去磁場在元件121和122內之穿透深度的影響。事實上，不論以上二元件的厚度為何，感應電流是於以上該二元件之內部表面上流動。模型10具有一被安置於管體12內的磁性內層16，用以確保感應電流能夠穿過該磁性內層16。模型10具有一包含內層16之內部核心，該內層將直接承受到在模型10內流動之磁場的作用，且於元件121和122之內部表面上流動的電流亦將於核心22之表面上、內層16中感應得到電流。

如同以上所描述之內容，圖4之構形的優點是其可以除去電磁表皮厚度之作用。於是，提供更大的自由度來選擇將供應至感應器機構14內之電流頻率。當所有的參數已被設定，已知增加電磁場的頻率將可改善加熱作用之效率。此項結果將更進一步減少表皮厚度。因此，有利之處是提供一由磁性材料所製成的管體12，例如是一種與組成內層16之材料相類似的材料，且採用一由非磁性材料(例如是銅)所製成之外層124、125來裝配至每一個一半管體。如同電氣隔離層121和122，在此項應用實例中的非磁性層124和125是藉由相同的隔離層123來加以隔離。此種裝置在理想上是以高頻率(例如是介於10到100千赫玆之間)來施行。事實上，電磁場的頻率將被加以選擇，使得表面厚度小於非磁性外層的厚度(將會是大於1毫米)。因此，由於非磁性外層124、125組成一電磁遮蔽層，該電磁場是無法穿透至管體12之外部表面。此外， 由於電磁遮蔽層是非磁性和具有低電阻係數，該電磁遮蔽層則承受到非常小的感應式加熱作用。相較之下，如同以上更進一步描述之內容，由於電流I₃ 、1₄ 是在管體12之內部表面上流動，該管體12係由一非磁性材料所製成，該管體12將針對感應式加熱作用產生激烈反應，因此，產生相當大幅度的加熱作用，依序於核心22內產生電流。因此，針對管狀零件18而得到雙重加熱作用，同時發生在其內部表面和外部表面上。為了要防止在管狀零件內發生任何熱量損失，介於每一個元件121、122與隔離層123之間提供有一非磁性遮蔽層。

在圖5中所示之一項變化形式亦提供用於一由磁性材料所製成的管體，該管體具有二電氣隔離部份121和122，且具有一非磁性遮蔽層124和125，但是並未具有一內部核心。除了磁性內層16是位於元件121和122之內部表面上以外，其工作原理是與圖4之應用實例相同。因此，內層16是由感應電流I₃ 和I₄ 直接穿過，於是，其局部被加熱。事實上，由於內層16是以相同的磁性材料所製成，該內層16則與管體之內部表面並無明顯差異。為了要防止發生任何能量損失，如圖5之所示，非磁性層124和125亦將分隔出該隔離層123之元件121和122。倘若有需要，以上該二遮蔽層將往上延伸到達內層16的高度。此種裝置可以特別被應用至實心零件的加熱和塑造作用。

本發明之裝置是特別適合用於由複合材料(例如是熱塑性或熱固性基質複合材料)所製成之管件或圓柱體零件 的塑造。該裝置可以被用來大幅度減少一零件變形加工所需的週期時間。事實上，感應器的能量是直接注入內層16。由於裝置10並未採用”大規模方式”來加熱，內層16的非常小厚度使得與待加熱/變形零件相接觸之表面能夠快速到達所需溫度。為了要將零件加熱到一已知溫度值，相較於一傳統裝置之應用實例，其中本發明僅有較少的能量被排出和短時間內即可完成加工製程。於是，由於較少的熱量被消散，所需的冷卻時間亦被減少到相同程度，因此，提供額外的益處予週期時間，且冷卻機構可以被安置於管體12的厚度內，僅可能地接近內層。最後，因為用於感應產生器所需的電容較小，較少的能量需求代表著能量來源之經濟性。

用於排出製造完成零件之機械式機構(圖式中未表示出來)亦被規劃。為了要簡化零件的定位和移動，開口感應器亦被提供。以上這些開口感應器是由例如是二部份所組成，該二部份是個別被固定連接至管體12之每一個一半管體121、122，當管體12被關閉時，以上二部份則是電氣相連通。

該製造方法是以下列方式來施行：一將材料或是管狀零件之材料安置於管體的內部；一將塑造區域加熱和經由內部壓力機構來加壓一段已知時間；一施行模型管體之冷卻作用，用以冷卻零件；一排出/移出零件；

10‧‧‧裝置/模型

12‧‧‧金屬管體/管體

14‧‧‧感應機構/感應器機構

14₁ ‧‧‧迴圈

14₂ ‧‧‧迴圈

14₃ ‧‧‧迴圈

14₄ ‧‧‧迴圈

14₅ ‧‧‧迴圈

15‧‧‧內部冷卻溝槽

16‧‧‧內層/內部表面

18‧‧‧管狀零件/管件

20‧‧‧內部壓力機構

22‧‧‧金屬核心/內部圓筒核心

121‧‧‧元件/電氣隔離部份/一半管體部位

122‧‧‧元件/電氣隔離部份/一半管體部位

123‧‧‧層/隔離層

124‧‧‧非磁性層/外層/非磁性遮蔽層

125‧‧‧非磁性層/外層/非磁性遮蔽層

e₁ ‧‧‧厚度

e₂ ‧‧‧厚度

e₃ ‧‧‧厚度

I₁ ‧‧‧交流電/感應電流

I₂ ‧‧‧感應電流

I₃ ‧‧‧感應電流

I₄ ‧‧‧感應電流

藉由參考隨附圖式之徹底描述內容，本發明之其他特色和優點從以上描述內容中明顯得知，圖式中：圖1表示出從一與裝置之對稱軸保持垂直的平面看過去，依照本發明之裝置的剖面圖；圖2表示出沿著裝置徑向平面所取之圖1所示裝置的一半剖面圖；圖3表示出如圖2所示之裝置的特定實施例；圖4表示出如圖1所示之裝置的另一實施例；圖5表示出依照本發明之裝置的另一實施例。

10‧‧‧裝置/模型

12‧‧‧金屬管體/管體

14‧‧‧感應機構/感應器機構

16‧‧‧內層/內部表面

18‧‧‧管狀零件/管件

I₁ ‧‧‧交流電/感應電流

I₂ ‧‧‧感應電流

Claims (12)

1. 一種用於加熱一管狀或實心零件(18)的裝置(10)，其包含：一管體(12)，其係以金屬導電材料製成且具有厚度(e₁ )，且被設計用來包含零件(18)；一電氣傳導內層(16)，其構成該零件的塑造區域，由磁性材料製成，具有厚度(e₂ )，且被安置於管體(12)內和被設計用來與零件(18)相接觸；圍繞著管體用以產生一磁場之感應機構(14)；該裝置(10)包含機構，使得藉由該感應機構所產生的磁場通過管體(12)，因此使得在管體(12)內的磁場的穿透深度是大於管體的厚度(e₁ )，因此，在內層(16)中感應得到電流，且導致在介於內層與待加熱零件中間之介面部位的附近產生局部加熱作用。
2. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該管體是由非磁性材料製成且其中磁場的穿透深度是由下列公式來決定，δ=50×(ρ/(F×μr))^1/2 ，其中ρ為組成管體(12)之非磁性材料的電阻係數，μr為材料的相對導磁係數和F為在感應機構內流動的電流頻率。
3. 如申請專利範圍第1項之裝置，包含機構使得磁場的穿透深度是小於管體(12)和內層(16)的厚度總合(e₁ +e₂ )，使得電流無法被感應產生於內層與待加熱零件(18)之間的介面部位。
4. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中內層(16)被安 置於一內部圓筒核心(22)的外部表面上，該核心是以同軸之方式被安置於管體(12)內。
5. 如申請專利範圍第4項之裝置，裝置包含一被安置於管體(12)之內部表面上的第二內層。
6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中管體(12)包含二元件(121，122)，其可相對於彼此移動，用以開啟該管體(12)。
7. 如申請專利範圍第6項之裝置，其中當管體(12)被關閉時，該二元件(121，122)是被電氣隔離。
8. 如申請專利範圍第2項之裝置，其中該管體(12)是由非磁性不銹鋼材料製成。
9. 如申請專利範圍第3項之裝置，其中該管體(12)以構成內層(16)的磁性材料加襯。
10. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中管體(12)由磁性材料製成，並且於其面朝向感應機構之外部表面上包含一由非磁性導電材料所組成的層(124，125)。
11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項之裝置，其中內層(16)的厚度(e₁ )是小於1毫米。
12. 如申請專利範圍第1至10項中任一項之裝置，包含內部壓力機構，用以使一加熱管直接被安置成抵住該管體。