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DISPOSITIF ET APPAREIL DE CHAUFFAGE PAR INDUCTION.
La possibilité de chauffer des récipients en acier par chauffage par induction à basse fréquence (le récipient constituant le circuit secon- daire dans lequel passent les courants induits) est bien connu depuis de nom- breuses années et il existe plusieurs cas de mise en pratique de ce système, en particulier dans l'industrie chimique.
Ce mode de chauffage présente toutefois divers inconvénients qui ont empêché son usage étendu, dont le principal est le très bas facteur de puissance (de l'ordre de 0,3) et le bas rendement du chauffage.
La présente invention a pour but de réduire ou de vaincre en gran- de partie ces inconvénients et de prévoir un chauffage par induction à basse fréquence avec un facteur de puissance plus élevé et un plus haut rendement de transfert de chaleur que cela n'a été possible jusqu'.à présent.
D'une part, l'invention prévoit un dispositif de chauffage par induction à basse fréquence dans lequel les courants induits s'écoulent dans une mince coquille ou enveloppe métallique entourant (ou pouvant, dans cer= tains cas constituer) le récipient.
D'un autre côté, l'invention prévoit un récipient entouré d'une coquille ou enveloppe conductrice dont l'épaisseur et les propriétés physi- ques sont choisies de manière à obtenir substantiellement un rendement ma- ximum de transfert de chaleur et un facteur de puissance maximum lorsque le récipient est chauffé par induction à une fréquence déterminée.
L'épaisseur de la coquille est choisie de manière à produire pour le métal et la dimension utilisés, le meilleur compromis entre facteur de puissance élevé et haut rendement d'échange de chaleur. Ces desiderata ne sont pas atteints par la même valeur de la résistance de la coquille (c'est-à-dire par la même épaisseur) de sorte qu'un compromis est néces- saire. Ceci apparaîtra clairement en considérant le cas d'un anneau conduc- teur placé 'dans un champ magnétique provenant d'un solénoïde parcouru par
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un courant alternatif de valeur constante. La chaleur engendrée dans l'an- neau est proportionnelle E2 x R où E est la f.e.m. produite dans
R2 + R2 l'anneau qui reste constante, x la réactance de l'anneau également constante et R la résistance.
Si on fait varier R de zéro à l'infini on peut aisément démontrer que cette expression présente une valeur maximum lorsque R = X et cela constitue la condition optimum pour le chauffage par induction de l'anneau. Le facteur de puissance du circuit consistant en le solénoïde et l'anneau à l'intérieur,atteint toutefois son maximum lorsque R est très petit par rapport à X.
Le cas de cet anneau conducteur est typique de toutes les char- ges de chauffage par induction, l'anneau consistant en général en la mince enveloppe de courant circulant à la périphérie de la charge. La résistance et la réactance de cette enveloppe (qui dépendent des dimensions et proprié- tés physiques de la matière qui, à leur tour, sont choisies ou fixées par le constructeur pour des raisons relatives à la force de résistance et à la capacité du récipient) ne tombent pas normalement au pouvoir du construc- teur, sauf pour autant qu'il puisse varier la fréquence. En pratique, il est habituellement si pas toujours, le cas que cette réactance et cette résistance de ladite enveloppe sont très éloignées des valeurs optimum tel- les que définies ci-dessus.
Cela est en particulier le cas avec des récipients circulaires en acier dans lesquels les propriétés magnétiques de l'acier ont pour résul- tat un rapport de réactance à résistance fortement différent de ces condi- tions optimum.
En prévoyant une gaine ou enveloppe extérieure en matériau non magnétique autour du récipient, on peut réaliser des conditions, par un choix adéquat des épaisseur et propriétés physiques de la gaine qui donnent nais- sance à un circuit équivalent ayant un rapport résistance-réactance de n'im- porte quelle valeur désirée entre des limites relativement larges. Il est ainsi possible d'assurer que ce rapport sera celui fournissant la combinai- son la plus désirable de facteur de puissance et de rendement pour les cir- constances particulières d'emploi de l'appareillage.
L'épaisseur de la "peau" conductrice sur le récipient pour cette combinaison optimum n'est pas susceptible d'être dérivée d'une théorie pré- cise. Cela résulte de ce que le calcul mathématique est extrêmement compli- qué et seulement capable de fournir une solution simple dans le cas d'une sphère exacte ou autre forme géométrique de base d'un solide. Actuellement, on travaille suivant une formule empirique : t x d = C dans laquelle t est l'épaisseur de l'enveloppe ou coquille, d le diamètre et C une valeur à déduire d'après une série d'expériences sur des récipients de diverses dimensions. Jusqu'au point où l'on est arrivé à présent, il semble que C est approximativement constant pour des récipients cylindriques ayant un rapport constant de diamètre/longueur, la valeur de cette constante étant d'environ 0.12, t et d étant mesurés en pouces.
Certaines considérations pratiques détermineront la nature de la gaine. Elle doit, naturellement, pouvoir être portée à la température de fonctionnement 'de l'appareillage sans dommages et il est désirable que son coefficient de dilatation thermique ne soit pas trop différent de celui du récipient lui-même. De plus, la résistivité de la matière doit être telle que l'épaisseur de la gaine requise tombe dans des limites pratiques.
La condition fournissant le facteur de puissance optimum est telle que l'épaisseur de la gaine requise diminue au fur et à mesure de l'augmentation du diamètre du récipient et cela s'applique également à la condition de rendement maximum.
Les dimensions exactes de la gaine seront également différentes pour des récipients de différentes formes. La manière dont ces valeurs
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varieront d'après la grandeur et forme du récipient est plutôt compliquée mais une indication de l'épaisseur à utiliser dans n'importe quel cas par- ticulier est donnée en considérant le cas d'un récipient cylindrique com- plètement non-magnétique de diamètre d2 longueur 12 et épaisseur t2 en ma- tière homogène ayant une résistivité de P2 Dans un tel cas, le rapport entre la puissance requise et la puissance emmagasinée est : 1/2 K sin 2Ó2 dans lequel K est
1 - K2 sin 2Ó2 le coefficient de couplage du circuit et tan 2Ó2 est le rapport de la réactance à la résistance du secondaire (c'est-à-dire la coquille).
La condi- tion optimum du secondaire est celle qui fournit la plus grande quantité de chaleur utile pour une puissance requise donnée K V A. On peut démontrer que cela se produit quand Ó2 = 60
On peut également démontrer que tan Ó2 = 2Ò2d 2ft2 x Ó 2 P2 dans lequel f est la fréquence à utiliser et Ó 2 est un coefficient dépen- dant de la géométrie du dispositif et qui peut être évalué d'après la for- mule 0( = 1
1 + d2
212 De là, on peut calculer l'épaisseur t2 d'un récipient non-magnétique pré- sentant ce rapport optimum.
Si on applique la gaine à un récipient en acier, la question est plus complexe, mais on peut se,faire, de cette manière, une idée de l'ordre de grandeur de l'épaisseur requise.
Le matériau conducteur utilisé pour la gaine peut être n'impor- te quel matériau conducteur convenable tel que du cuivre, bronze, acier inoxydable ou nickel et dans' certain cas une gaine de matière magnétique peut être requise pour donner les meilleurs effets.
La coquille ou gaine peut être appliquée de n'importe quelle manière convenable ,et peut être appliquée de manière à couvrir complètement la paroi du récipient ou par bandes séparées. Elle peut adhérer de manière serrée au récipient ou en être espacée par une mince couche isolante (par exemple de l'air) de sorte qu'un vrai contact entre le récipient et la co- quille n'est pas essentiel.
Avec des récipients de grand diamètre, l'épaisseur de métal à appliquer est petite et il est possible de l'appliquer par galvanoplastie ou. pulvérisation de métal.
Quelques réalisations de l'invention seront décrites avec quel- ques détails à titre d'exemple et en se référant au dessin annexé qui il- lustre schématiquement une forme de réalisation de l'invention.
Suivant un exemple, le récipient 1 est en acier et d'un diamè- tre de 7 1/2 pouces. Lorsqu'on le chauffe dans un four représenté schéma- tiquement par un solénoïde 2 alimenté en courant alternatif d'une fréquence de 50 cycles par seconde, le facteur de puissance est d'environ 0. 3 et le rendement d'environ 60%. Ce récipient fut revêtu de bandes de feuilles de cuivre 3 d'une largeur -d'environ 1 1/2 pouce, disposées l'une à côté de l'autre,autour de la circonférence du pot. On intercale une isolation ther- mique 4 entre le récipient et le solénoïde. On a alors trouvé qu'un rende- ment maximum d'environ 75% était obtenu lorsque l'épaisseur du cuivre était d'approximativement de 10 millièmres de pouce et le facteur de puissance était alors considérablement plus élevé (de l'ordre de 0. 7).
Des facteurs de puissance plus élevés furent même obtenus en augmentant cette épaisseur à 30 millièmes de pouce. On a utilisé la fréquence de 50 cycles par secon- de et on a obtenu une température de 370 C dans le récipient..
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Dans un autre exemple, le récipient était constitué en acier doux et d'un diamètre de 3'2". Lorsque entouré d'un solénoïde de 4' de diamètre x 4' de longueur consistant en une couche simple de fil de cuivre de calibre 10, enroulé de manière serrée, le facteur de puissance avec la couverture de cuivre fut de 0.48 et le rendement de 73%. Avec une "peau" de cuivre de 0.003" d'épaisseur, le facteur de puissance était de 0.65 et le rendement de 80%.
On comprendra que l'invention n'est pas limitée aux détails de la réalisation décrite à titre d'exemple, qui peut être modifiée sans s'é- carter des idées larges qui sont à leur base. Dans certains cas, lorsque la matière et les dimensions sont telles que l'épaisseur requise pour les ren- dements et facteurs de puissance optimum a pour résultat un récipient'de force adéquate, aucune gaine supplémentaire ne sera requise à condition' que le récipient soit construit de l'épaisseur exacte pour donner les con- ditions optimum.
REVENDICATIONS.
1. Procédé de chauffage par induction à basse fréquence, d'un récipient, qui consiste à induire des courants de chauffage dans une mince coquille en métal entourant le récipient.
2. Récipient pour matériaux à chauffer par induction à basse fréquence entouré d'une coquille ou gaine dont l'épaisseur et les proprié- tés physiques sont telles que l'on obtient substantiellement le rendement maximum de transfert de chaleur et le facteur de puissance maximum, lorsque l'on chauffe le récipient par induction, à une fréquence déterminée.
3. Dans un four à induction à basse fréquence, un récipient, une coquille ou gaine conductrice entourant le récipient et portant les cou- rants induits, les dimensions et propriétés physiques de la coquille étant telles que l'on obtient le meilleur compromis entre haut facteur de puis- sance et haut rendement de transfert de chaleur.
4.-Récipient devant être chauffé dans un four à induction à basse fréquence, avec une coquille enveloppante dans laquelle passent les courants induits, l'épaisseur de cette coquille étant située entre l'épais- seur qui donnerait le rendement macimum de transfert de chaleur et celle qui donnerait le plus haut facteur de puissance à la fréquence devant être utilisée par quoi l'on obtient un compromis entre ces maxima.
5. Un récipient à chauffer dans un four à induction à basse fréquence, muni d'une coquille ou gaine enveloppante dans laquelle les cou- rants induits s'écoulent,l'épaisseur t de la gaine étant déduite de la for- mule t x d = C, dans laquelle d est le diamètre du récipient et C est une constante empirique dont la valeur est d'environ 0:12 lorsque t et d sont exprimés en pouces.
6. Un récipient suivant l'une ou l'autre des revendications 2 à 5,dans lequel la gaine comporte plusieurs bandes.
7. Un récipient suivant l'une ou l'autre des revendications 2 à 6, dans lequel la gaine est pulvérisée ou appliquée par galvanoplastie sur le récipient.
8. Un récipient suivant l'une ou l'autre des revendications 2 à 6 dans lequel la coquille est séparée' du récipient par un vide isolant.
9. Un récipient suivant l'une ou l'autre des revendications 2 à 6 dans lequel la coquille ou gaine constitue le récipient.
10. Un récipient tel que décrit et avec référence aux dessins annexés.
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INDUCTION HEATING DEVICE AND APPLIANCE.
The possibility of heating steel vessels by induction heating at low frequency (the vessel constituting the secondary circuit in which the induced currents pass) has been well known for many years and there are several cases in which this has been put into practice. this system, especially in the chemical industry.
However, this heating method has various drawbacks which have prevented its extensive use, the main one being the very low power factor (of the order of 0.3) and the low heating efficiency.
The object of the present invention is to reduce or largely overcome these drawbacks and to provide low frequency induction heating with a higher power factor and a higher heat transfer efficiency than has been achieved. possible until now.
On the one hand, the invention provides a low-frequency induction heating device in which the induced currents flow in a thin metal shell or envelope surrounding (or being able, in certain cases to constitute) the receptacle.
On the other hand, the invention provides a container surrounded by a conductive shell or envelope, the thickness and physical properties of which are chosen so as to obtain substantially a maximum heat transfer efficiency and a factor of. maximum power when the container is heated by induction at a determined frequency.
The thickness of the shell is chosen so as to produce, for the metal and the size used, the best compromise between high power factor and high heat exchange efficiency. These desiderata are not achieved by the same value of the strength of the shell (ie by the same thickness) so that a compromise is necessary. This will appear clearly by considering the case of a conducting ring placed in a magnetic field coming from a solenoid traversed by
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an alternating current of constant value. The heat generated in the ring is proportional E2 x R where E is the f.e.m. produced in
R2 + R2 the ring which remains constant, x the reactance of the ring also constant and R the resistance.
If we vary R from zero to infinity, we can easily demonstrate that this expression has a maximum value when R = X and this constitutes the optimum condition for the induction heating of the ring. The power factor of the circuit consisting of the solenoid and the ring inside, however, reaches its maximum when R is very small compared to X.
The case of this conductive ring is typical of all induction heating loads, the ring generally consisting of the thin envelope of current flowing around the periphery of the load. The resistance and reactance of this envelope (which depend on the dimensions and physical properties of the material which, in turn, are chosen or fixed by the manufacturer for reasons relating to the resistance force and the capacity of the vessel) do not normally fall within the power of the manufacturer, except in so far as he can vary the frequency. In practice, it is usually, if not always, the case that this reactance and this resistance of said envelope are very far from the optimum values as defined above.
This is particularly the case with circular steel vessels in which the magnetic properties of the steel result in a reactance-to-resistance ratio significantly different from these optimum conditions.
By providing an outer sheath or envelope of non-magnetic material around the receptacle, conditions can be achieved by an adequate choice of the thickness and physical properties of the sheath which give rise to an equivalent circuit having a resistance-to-reactance ratio of n It matters what value you want between relatively wide limits. It is thus possible to ensure that this ratio will be that providing the most desirable combination of power factor and efficiency for the particular circumstances of use of the apparatus.
The thickness of the conductive "skin" on the container for this optimum combination is not likely to be derived from precise theory. This results from the fact that the mathematical calculation is extremely complicated and only able to provide a simple solution in the case of an exact sphere or other basic geometric shape of a solid. Currently, we work according to an empirical formula: t x d = C in which t is the thickness of the envelope or shell, d the diameter and C a value to be deduced from a series of experiments on vessels of various dimensions. Up to the point where we have now arrived, it seems that C is approximately constant for cylindrical vessels having a constant diameter / length ratio, the value of this constant being about 0.12, t and d being measured in inches.
Certain practical considerations will determine the nature of the sheath. It must, of course, be capable of being brought up to the operating temperature of the apparatus without damage and it is desirable that its coefficient of thermal expansion not be too different from that of the container itself. In addition, the resistivity of the material should be such that the required cladding thickness falls within practical limits.
The condition providing the optimum power factor is such that the required sheath thickness decreases as the diameter of the container increases and this also applies to the maximum efficiency condition.
The exact dimensions of the sleeve will also be different for containers of different shapes. The way these values
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will vary according to the size and shape of the container is rather complicated but an indication of the thickness to be used in any particular case is given considering the case of a completely non-magnetic cylindrical container of diameter. d2 length 12 and thickness t2 in homogeneous material having a resistivity of P2 In such a case, the ratio between the required power and the stored power is: 1/2 K sin 2Ó2 in which K is
1 - K2 sin 2Ó2 the coupling coefficient of the circuit and tan 2Ó2 is the ratio of the reactance to the resistance of the secondary (that is to say the shell).
The optimum condition of the secondary is that which provides the greatest quantity of useful heat for a given required power K V A. It can be shown that this occurs when Ó2 = 60
It can also be shown that tan Ó2 = 2Ò2d 2ft2 x Ó 2 P2 in which f is the frequency to be used and Ó 2 is a coefficient depending on the geometry of the device and which can be evaluated according to the formula 0 ( = 1
1 + d2
212 From this, one can calculate the thickness t2 of a non-magnetic container with this optimum ratio.
If we apply the sheath to a steel container, the question is more complex, but we can, in this way, get an idea of the order of magnitude of the thickness required.
The conductive material used for the sheath may be any suitable conductive material such as copper, bronze, stainless steel or nickel and in some cases a sheath of magnetic material may be required to give the best effects.
The shell or sheath can be applied in any suitable manner, and can be applied so as to completely cover the wall of the container or in separate strips. It may adhere tightly to the container or be spaced therefrom by a thin insulating layer (eg air) so that true contact between the container and the shell is not essential.
With large diameter containers, the metal thickness to be applied is small and it is possible to apply it by electroplating or. metal spraying.
Some embodiments of the invention will be described in some detail by way of example and with reference to the accompanying drawing which schematically illustrates one embodiment of the invention.
In one example, container 1 is steel and has a diameter of 7 1/2 inches. When heated in an oven schematically represented by a solenoid 2 supplied with alternating current with a frequency of 50 cycles per second, the power factor is about 0.3 and the efficiency about 60%. This vessel was lined with strips of copper foil 3 about 1 1/2 inches wide, arranged side by side around the circumference of the pot. A thermal insulation 4 is interposed between the receptacle and the solenoid. It was then found that a maximum efficiency of about 75% was obtained when the thickness of the copper was approximately 10 thousandths of an inch and the power factor was then considerably higher (on the order of 0 . 7).
Higher power factors were even obtained by increasing this thickness to 30 thousandths of an inch. The frequency of 50 cycles per second was used and a temperature of 370 C in the vessel was obtained.
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In another example, the container was made of mild steel and 3'2 "in diameter. When surrounded by a 4 'diameter x 4' long solenoid consisting of a single layer of gauge copper wire. 10, tightly wound, the power factor with the copper blanket was 0.48, and the efficiency 73%. With a copper "skin" of 0.003 "thick, the power factor was 0.65 and the efficiency by 80%.
It will be understood that the invention is not limited to the details of the embodiment described by way of example, which can be modified without departing from the broad ideas which are at their basis. In some cases where the material and dimensions are such that the thickness required for optimum performance and power factors will result in a container of adequate strength, no additional sheathing will be required provided the container is. constructed of the exact thickness to give optimum conditions.
CLAIMS.
1. A method of low-frequency induction heating of a vessel, which involves inducing heating currents in a thin metal shell surrounding the vessel.
2. Container for materials to be heated by low frequency induction surrounded by a shell or sheath, the thickness and physical properties of which are such as to obtain substantially the maximum heat transfer efficiency and the maximum power factor. , when the container is heated by induction, at a determined frequency.
3. In a low frequency induction furnace, a receptacle, a shell or conductive sheath surrounding the receptacle and carrying the induced currents, the dimensions and physical properties of the shell being such that the best compromise between high power factor and high heat transfer efficiency.
4.-Receptacle to be heated in a low-frequency induction furnace, with an enveloping shell in which the induced currents pass, the thickness of this shell being located between the thickness which would give the macimum heat transfer efficiency and the one which would give the highest power factor at the frequency to be used whereby a compromise between these maxima is obtained.
5. A vessel to be heated in a low frequency induction furnace, fitted with a shell or enveloping sheath in which the induced currents flow, the thickness t of the sheath being deduced from the formula txd = C, where d is the diameter of the container and C is an empirical constant whose value is approximately 0:12 when t and d are expressed in inches.
6. A container according to any one of claims 2 to 5, wherein the sheath comprises several bands.
7. A container according to any of claims 2 to 6, wherein the sheath is sprayed or electroplated onto the container.
8. A container according to any of claims 2 to 6 in which the shell is separated from the container by an insulating vacuum.
9. A container according to any of claims 2 to 6 wherein the shell or sheath constitutes the container.
10. A container as described and with reference to the accompanying drawings.
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