-
Die
Erfindung betrifft eine Heizwalze mit einer Umfangsfläche und
einer auf die Umfangsfläche wirkenden
induktiven Heizeinrichtung, die mindestens eine axial verlaufende
Induktoranordnung mit mindestens einem Leiter und einer Polschuhanordnung
aufweist.
-
Eine
derartige Heizwalze ist insbesondere zum Einsatz in einem Kalander
vorgesehen. In einem Kalander wird eine Materialbahn, die durch
einen Nip zwischen der Heizwalze und einer weiteren Walze geführt ist,
mit Druck und mit einer erhöhten
Temperatur beaufschlagt, wobei die erhöhte Temperatur durch die Heizwalze
bereitgestellt wird.
-
Eine
bekannte Möglichkeit,
einer Heizwalze die benötigte
Wärmemenge
zuzuführen,
besteht darin, ein Wärmeträgermedium
durch die Heizwalze zu leiten. Hierzu sind in der Regel peripher
verlaufende Heizkanäle
vorgesehen, die vom Wärmeträgermedium
durchströmt
werden. Grenzen der Wärmezufuhr sind
dabei durch das Wärmeträgermedium
gesetzt. Wasser kann beispielsweise nur so weit erhitzt werden,
bis es verdampft. Wenn höhere
Temperaturen erforderlich sind, muß man eine andere Flüssigkeit, beispielsweise Öl, verwenden.
Auch hier gibt es aber Grenzen der Wärmezufuhr, die einerseits durch
die maximale Betriebstemperatur des Öls und andererseits durch die
maximale Strömungsgeschwindigkeit des Öls bestimmt
sind.
-
Man
hat daher auch induktive Außenheizungen
verwendet, bei denen man mit Hilfe eines zeitlich veränderbaren
Magnetfeldes in der Oberfläche
der Heizwalze Wirbelströme
induziert. Derartige induktive Außenheizungen weisen in der
Regel eine Vielzahl von in Axialrichtung der Walze nebeneinander angeordneten
Spulen auf, die jeweils einen radial zur Walze gerichteten Anker
umgeben. Mit diesen Spulen ist es zusätzlich möglich, die Verteilung der Wärmezufuhr
in Axialrichtung zu steuern. Derartige Außenheizungen werden daher vielfach
zur Profilierung verwendet. Allerdings ist eine derartige induktive
Heizung relativ aufwendig.
-
Eine
andere Art der induktiven Beheizung einer Heizwalze besteht darin,
daß eine
Induktoranordnung, die in der Regel durch eine Leiterschleife mit einem
Hin- und einem Rückleiter
gebildet ist, parallel zur Achse der Heizwalze in der Nachbarschaft
der Umfangsfläche
angeordnet ist. Wenn man diese Induktoranordnung mit einer Wechselspannung
beaufschlagt, dann entsteht etwa in der Mitte zwischen den beiden
Leitern der Induktoranordnung eine sich entsprechend ändernde
maximale magnetische Induktion, die ihrerseits wiederum Wirbelströme induziert. Eine
Polschuhanordnung ist vorgesehen, um den magnetischen Fluß in die
Walzenoberfläche
zu bündeln
und dadurch den Wirkungsgrad der Heizeinrichtung möglichst
groß zu
machen.
-
Diese
Art der Induktivheizung, deren Aufbau an sich einfach und kostengünstig ist,
hat jedoch den Nachteil, daß die
Beheizung über
die axiale Länge der
Heizwalze nur einheitlich gesteuert werden kann.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand induktiv
eine hohe Heizleistung auf die Umfangsfläche zu übertragen und diese in Axialrichtung
zu steuern.
-
Diese
Aufgabe wird bei einer Heizwalze der eingangs genannten Art dadurch
gelöst,
daß die
Polschuhanordnung durch einen Stapel von Polschuhelementen gebildet
ist, die in Axialrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei mindestens
einem Teil der Polschuhelemente jeweils eine Stelleinrichtung zugeordnet
ist, mit der der Abstand des jeweiligen Polschuhelements von der
Umfangsfläche
veränderbar
ist.
-
Mit
dieser Ausgestaltung läßt sich
die an die Umfangsfläche übertragbare
Heizleistung in Axialrichtung lokal in gewissen Grenzen verändern. Die
an die Umfangsfläche übertragene
Heizleistung hängt u.a.
von der Stärke
des magnetischen Flusses oder der magnetischen Induktion ab, die
an die Umfangsfläche
gelangt. Dementsprechend ist diese Induktion um so stärker, je
dichter sich das Polschuhelement an der Umfangsfläche befindet,
d.h. je kleiner der Luftspalt ist. Durch eine stärkere Annäherung des Polschuhelements
läßt sich
also die Heizleistung erhöhen.
Durch eine stärkere
Entfernung des Polschuhelements von der Umfangsfläche läßt sich
die Heizleistung vermindern. Da man nun einzelne oder sogar alle
Polschuhelemente verstellen kann, ist man nicht mehr darauf beschränkt, über die
axiale Länge der
Heizwalze immer die gleiche Wärmemenge
zu übertragen,
also die entsprechende Heizleistung zu erbringen, sondern man kann
diese Heizleistung in Axialrichtung verändern und zwar einfach dadurch, daß man den
Abstand der einzelnen Polschuhelemente auf einen entsprechenden
Wert einstellt.
-
Dabei
ist bevorzugt, daß die
Induktoranordnung in bezug auf die Umfangsfläche radial ortsfest angeordnet
ist. Da über
die Induktoranordnung teilweise erhebliche Ströme übertragen werden müssen, um
die entsprechende Heizleistung zu erbringen, ist die ortsfeste Anordnung
des Induktors günstig,
weil keine beweglichen elektrischen Leitungen vorgesehen sein müssen.
-
Vorzugsweise
sind die Polschuhelemente an einem Querträger angeordnet. Der Querträger erstreckt
sich also über
die axiale Länge
der Heizwalze oder sogar noch darüber hinaus. Er erlaubt es,
die einzelnen Polschuhelemente in bezug auf die Umfangsfläche der
Walze entsprechend zu positionieren.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Polschuhelemente
gegenüber
dem Querträger
verschwenkbar sind. Das Verschwenken ist eine relativ ein fache Möglichkeit,
den Abstand der Polschuhelemente von der Umfangsfläche zu verändern. Bei
der Veränderung
dieses Abstands kommt es nicht nur auf die Veränderung des absoluten Abstandes
an. Entscheidend ist vielmehr die Höhe des magnetischen Widerstandes,
mit anderen Worten die Länge
der Luftspalte, die durch das Polschuhelement einerseits und die
Umfangsfläche
der Walze andererseits definiert werden. Bei einer Schwenkbewegung der
Polschuhelemente werden diese Luftspalte zwar nicht gleichmäßig vergrößert. Der
gewünschte
Effekt, nämlich
die Verstärkung
oder Abschwächung
des magnetischen Feldes in der Oberfläche der Heizwalze, tritt jedoch
ein.
-
Bevorzugterweise
sind die Polschuhelemente um eine Achse verschwenkbar, die parallel
zur Achse der Heizwalze verläuft.
Dies ist eine besonders einfache Ausgestaltung, die zudem relativ
wenig Bauraum benötigt.
-
In
einer alternativen Ausgestaltung sind die Polschuhelemente auf einer
radial zur Umfangsfläche
verlaufenden Längsführung gelagert.
In diesem Fall werden die Polschuhelemente linear verlagert, wenn
der Abstand zur Umfangsfläche
verändert
werden soll. Der Begriff "radial" ist hier nicht im
mathematisch strengen Sinn zu verstehen. Die Polschuhelemente werden
einfach durch eine Linearbewegung von der Umfangsfläche der
Heizwalze entfernt oder an sie angenähert.
-
In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der Querträger relativ
zur Umfangsfläche
verlagerbar ist. Mit dieser Bewegung läßt sich in gewissen Grenzen
die Heizleistung insgesamt verändern,
die an die Um fangsfläche
der Heizwalze übertragen
wird. Darüber
hinaus läßt sich
mit dieser Ausgestaltung die Wartung eines Kalanders vereinfachen,
in den die Heizwalze eingebaut wird. Wenn beispielsweise ein Walzenwechsel
erforderlich ist, dann kann der Querträger in ausreichendem Maße von der Umfangsfläche der
Heizwalze entfernt werden.
-
Vorzugsweise
ist der Abstand der Polschuhelemente von der Umfangsfläche stufenlos
veränderbar.
Damit läßt sich
auch die übertragene
Heizleistung auf die Umfangsfläche
in gewissen Grenzen praktisch stufenlos verändern.
-
Vorzugsweise
weisen die Polschuhelemente einen maximalen Abstand von 10 mm zur
Umfangsfläche
auf. Damit erhält
man einen guten Wirkungsgrad. Da die Beeinflussung der Heizleistung
bei der Veränderung
des Abstandes der Polschuhelemente im wesentlichen über die
Veränderung
des Wirkungsgrads erfolgt, wird mit dieser Maßangabe dafür Sorge getragen, daß der Wirkungsgrad
nicht unter einen vertretbaren Wert absinkt.
-
Bevorzugterweise
sind mehrere Polschuhelemente gruppenweise zusammengefaßt, wobei
jede Gruppe eine für
die Polschuhelemente der Gruppe gemeinsame Stelleinrichtung aufweist.
Es ist in vielen Fällen
nicht unbedingt erforderlich, jedes Polschuhelement für sich zu
steuern. Eine derartige Möglichkeit
erlaubt zwar eine sehr feinfühlige
Verteilung der Wärmezufuhr
in axialer Richtung der Heizwalze. Wenn man einen derartig großen Aufwand
aber nicht treiben möchte,
dann kann man durchaus mehrere Polschuhelemente zusammenfassen.
Die Verwendung von mehreren Polschuhelementen in einer Gruppe hat
den Vorteil, daß man
die Zuordnung einzelner Polschuhelemente zu den jeweiligen Gruppen
leicht ändern
kann. Sollte sich also im Betrieb herausstellen, daß eine bestimmte
Gruppenanordnung nicht günstig
ist, dann läßt sich
diese auf einfache Weise umstellen. Darüber hinaus verringert die Verwendung
von mehreren Polschuhelementen auch in einer Gruppe die Ausbildung
von Wirbelströmen
in der Polschuhanordnung.
-
Bevorzugterweise
weisen die Polschuhelemente eine axiale Erstreckung im Bereich von
50 bis 200 mm auf. Jedes Polschuhelement kann zusätzlich noch
durch wesentlich dünnere
Trafo-Bleche gebildet sein, die beispielsweise unter Zwischenlage
von Isolierpapier aufeinandergestapelt sind. Eine Erstreckung von
50 bis 200 mm läßt aber
eine ausreichend feinfühlige
Wärmezufuhr-Steuerung
in axialer Richtung zu.
-
Auch
ist von Vorteil, wenn benachbarte Polschuhelemente durch eine Kunststoffschicht
voneinander getrennt sind. Die Kunststoffschicht ermöglicht ein
reibungsarmes Gleiten benachbarter Polschuhelemente aneinander.
Darüber
hinaus isoliert die Kunststoffschicht benachbarte Polschuhelemente elektrisch
voneinander, um die Ausbildung von Wirbelströmen in der Polschuhanordnung
zu verhindern oder zumindest zu vermindern. Die Herabsetzung der
Reibung hat den Vorteil, daß die
Einstellung der radialen Position der einzelnen Polschuhelemente genauer
erfolgen kann.
-
Die
Erfindung wird im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
-
1 eine
schematische Darstellung einer Heizwalze von oben,
-
2 eine
erste Ausführungsform
einer Heizwalze von der Seite und
-
3 eine
zweite Ausführungsform
einer Heizwalze von der Seite.
-
Eine
Heizwalze 1 weist eine Umfangsfläche 2 auf, die im
Betrieb, wenn sich die Walze um eine Achse 3 dreht, umläuft. Die
Heizwalze 1 bildet zusammen mit einer in
-
2 nur
schematisch dargestellten Gegenwalze 4 einen Nip 5,
durch den eine nicht näher
dargestellte Materialbahn, beispielsweise eine Papierbahn, geführt werden
kann. Die Materialbahn wird dann im Nip 5 mit erhöhtem Druck
und erhöhter
Temperatur beaufschlagt.
-
Um
die Umfangsfläche 2 der
Heizwalze 1 beheizen zu können, weist die Heizwalze 1 eine
Heizeinrichtung 6 auf. Die Heizeinrichtung 6 weist
eine Induktoranordnung mit zwei elektrischen Leitern 7, 8 auf.
Jeder Leiter 7, 8 ist über die gesamte axiale Länge der
Heizwalze 1 geführt.
Die beiden Leiter 7, 8 sind durch eine Verbindung 9 an
einer Stirnseite der Heizwalze 1 miteinander verbunden.
An der anderen Stirnseite der Heizwalze 1 ist eine Versorgungseinrichtung 10 angeordnet,
die mit den beiden elektrischen Leitern 7, 8 verbunden
ist. Die Versorgungseinrichtung 10 stellt die elektrische
Ener gie, die zum Beheizen der Umfangsfläche 2 der Heizwalze 1 benötigt wird,
in Form von Strom und Spannung einer vorbestimmten Frequenz zur
Verfügung.
-
Zur
Verbesserung des Wirkungsgrades weist die Induktoranordnung darüber hinaus
eine Polschuhanordnung mit einer Vielzahl von in Axialrichtung der
Heizwalze nebeneinander angeordneten Polschuhelementen 11 auf.
Um die Polschuhelemente 11 in 1 unterscheidbar
zu machen, sind sie zusätzlich
mit kleinen Buchstaben 11a-11l gekennzeichnet.
-
Wie
aus 2 und 3 hervorgeht, ist jedes Polschuhelement 11 im
Schnitt E-förmig
ausgebildet, d.h. ein Korpus 12 weist drei Arme 13, 14, 15 auf.
Der äußere Arm 13 und
der mittlere Arm 14 umschließen eine Ausnehmung 16,
in der der Leiter 7 angeordnet ist. Der andere äußere Arm 15 und
der mittlere Arm 14 umschließen eine Ausnehmung 17, in
der der Leiter 8 angeordnet ist. Da die beiden Leiter 7, 8,
wie durch Punkt und Kreuz angedeutet, jeweils von entgegengesetzt
gerichteten Strömen durchflossen
sind, ergibt sich im Bereich des Armes 14 das stärkste magnetische
Feld und damit entsprechend die stärkste Wirbelstrombildung in
der Umfangsfläche 2 der
Heizwalze 1. Dies setzt lediglich eine elektrisch leitfähige Oberfläche der
Heizwalze 1 voraus.
-
Die
Polschuhelemente 11 sind jeweils an einem Querträger 18 angeordnet.
Der Querträger 18 ist im
Bereich eines Doppelpfeils 19 relativ zur Heizwalze 1 verlagerbar.
Zusätzlich
ist entweder jedes Polschuhelement 11 oder eine Gruppe
von Polschuhelementen 11 gegenüber dem Querträger 18 verlagerbar
in Richtung eines Doppelpfei les 20. Hierzu ist eine Stelleinrichtung 21 vorgesehen,
die im Ausführungsbeispiel
der 2 beispielsweise als pneumatische Kolben-Zylinder-Einheit
ausgebildet ist. Die Stelleinrichtung 21 ist mit dem Querträger 18 und dem
Polschuhelement 11 verbunden. Wenn die Stelleinrichtung 21 betätigt wird,
dann wird das Polschuhelement 11 um eine Achse 22,
die parallel zur Achse 3 der Heizwalze 1 verläuft, verschwenkt,
so daß sich hauptsächlich der
Abstand des Armes 15 zur Umfangsfläche 2 der Heizwalze
verändert.
In etwas geringerem Maße
verändert
sich auch der Abstand des Armes 14 zur Umfangsfläche 2 der
Heizwalze 1 und in noch geringerem Maße der Abstand des Armes 13 zur
Umfangsfläche 2 der
Heizwalze 1. Insgesamt verändert sich aber bei einer Schwenkbewegung
des Polschuhelements 11 gegenüber der Umfangsfläche 2 der
magnetische Widerstand, weil der Luftspalt, mit anderen Worten der
Abstand zwischen den drei Armen 13-15 und der
Umfangsfläche 2 der
Heizwalze 1, verändert
wird. Je größer der
Luftspalt ist, desto geringer ist die an die Heizwalze 1 übertragbare Heizleistung.
Je geringer der Abstand ist, desto größer ist die übertragbare
Heizleistung.
-
Wenn
man nun diesbezüglich
die 1 betrachtet, stellt man fest, daß im Bereich
der Polschuhelemente 11a-11d ein größeres Maß an elektrischer Leistung
zum Beheizen an die Heizwalze 1 übertragen wird, als im Bereich
der Polschuhelemente 11e-11g. Dort wird eine verminderte
Heizleistung übertragen.
Im Bereich der Polschuhelemente 11h-11j wird hingegen
wieder eine stärkere
Heizleistung übertragen
als im Bereich der Polschuhelemente 11a-11d. Im
Bereich des Polschuhelements 11k wird wiederum weniger
Heizleistung übertragen
und im Bereich des Polschuhelements 11l wird wieder die maximale
elektrische Heizleistung an die Umfangsfläche 2 der Heizwalze 1 übertragen.
-
Die
axiale Erstreckung der Polschuhelemente liegt im Bereich von 50
bis 200 mm. Dementsprechend läßt sich,
wenn jedes der Polschuhelemente 11a-11l getrennt
verstellbar ist, auch eine entsprechend feine axiale Auflösung der
Heizleistung einstellen.
-
Man
kann aber auch vorsehen, daß zwei oder
mehrere Polschuhelemente 11 miteinander verbunden werden
und gemeinsam durch eine einzige Stelleinrichtung verlagert werden.
In diesem Fall kann es zweckmäßig sein, über die
axiale Länge
der Heizwalze eine vorbestimmte Anzahl von Stelleinrichtungen 21 vorzusehen
und jede von diesen dann über
eine gemeinsame Betätigungseinrichtung
auf eine Gruppe von Polschuhelementen wirken zu lassen. Eine derartige
Betätigungseinrichtung
kann beispielsweise durch eine Stange gebildet sein, die durch entsprechende Ösen an der
Außenseite
der Polschuhelemente geführt
ist. Auf diese Weise läßt sich
die Zuordnung von einer Stelleinrichtung zu einer Gruppe von Polschuhelementen 11 bzw.
die Zuordnung von Polschuhelementen zu einer Gruppe leicht ändern.
-
Zweckmäßigerweise
sind die einzelnen Polschuhelemente 11a-11l jeweils
durch eine dünne Kunststoffschicht
voneinander getrennt. Diese Kunststoffschicht unterbindet zum einen
die Ausbildung von Wirbelströmen
in der Polschuhanordnung, d.h. es können keine Wirbelströme von einem
Polschuhelement zum anderen fließen. Zum anderen läßt sich
durch eine Kunststoffschicht die Reibung zwi schen benachbarten Polschuhelementen 11a-11l vermindern,
so daß die
Reibung das Stellverhalten oder die Positionierung der einzelnen
Polschuhelemente 11a-11l nicht nennenswert beeinträchtigt.
-
Die
Leiter 7, 8 sind gegenüber der Heizwalze 1 ortsfest
angeordnet. Genauer gesagt sind sie gegenüber dem Querträger 18 ortsfest
angeordnet. Wenn also die Heizwalze 1 beispielsweise ausgebaut werden
soll, dann lassen sich die Leiter 7, 8 gemeinsam
mit den Polschuhelementen 11 und dem Träger 18 von der Walze 1 entfernen.
-
3 zeigt
ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel,
bei dem gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen
sind. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel
der 2 werden die Polschuhelemente 11 hier
nicht verschwenkt, sondern linear in Richtung des Doppelpfeiles 20 bewegt.
Hierzu ist ein Linearantrieb vorgesehen, der beispielsweise einen Rotationsmotor 23 umfaßt, der
auf eine Gewindespindel 24 wirkt. Der Rotationsmotor 23 kann
als Schrittmotor ausgebildet sein. Die Gewindespindel steht mit
einem Gewindestück 25 in
Eingriff, das wiederum mit dem Korpus 12 des Polschuhelements 11 verbunden
ist. Eine Linearführung 26 führt das
Polschuhelement 11 gegenüber dem Querträger 18.