DE19807099C2 - Induktive Erwärmung von Metallen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der induktiven Erwärmung von Werkstücken, insbesondere ein Formgebungs- und Spannsystem für einen flexi­ blen Induktor.

Die induktive Erwärmung von insbesondere Metallen kennt viele Anwendungen wie z. B. das Verkleben von Karosserieteilen, das Härten und Anlassen von Werkstücken. Herkömmliche Induktoren bestehen aus wassergekühlten starren Kupferrohren, die nahe dem Werkstück in Halterungen fixiert werden. Da die Erwärmung des Werkstücks exponentiell von der Entfernung zwischen Induktor und Werkstückoberfläche abhängt, muß für jede Werkstückform ein eigener Induktor erstellt werden, an welchem Korrekturen nicht oder nur schwer möglich sind.

Eine flexible Induktorvorrichtung ist aus RWE Energie "Induktive Erwärmung" (1991) bekannt. Dabei wurde zur Fixierung des Abstands von einem Turbinenläu­ fer dieser zunächst mit einer Isolierschicht versehen und um diesen ein in einem Schlauch lose verlegtes flexibles Kabel gewunden und dieses bei der Erwärmung des Läufers durch den sich in diesem ausbildenden Wirbelstrom mit Wasser gekühlt, um den Induktor gegen die trotz der Isolierung vorhandenen Wärmelei­ tung zu schützen. Der Abstand des flexiblen Kabels ist hierbei durch die auf dem Turbinenläufer aufgebrachte Isolierwicklung, die Schlauchwandstärke, die hier im Zentimeterbereich liegt und die unregelmäßige Lage des Stromleiters im Schlauch festgelegt. Mit dem bekannten System, bei dem das Erwärmungsgut die Induktorform ausbildet, ist der Abstand zwischen Stromleiter und Werkstückober­ fläche nur im Zentimeterbereich einstellbar und damit der thermische Wirkungs­ grad induktiver Erwärmung relativ gering.

Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß das zu erwärmende Werk­ stück durch die geometrische Kopplung mit dem Induktorsystem nur im Stillstand erwärmt werden kann. Dieser Umstand führt immer zu umfassenden Spulen­ systemen, deren Impedanzanpassung sich sehr umständlich gestaltet.

Außerdem variiert der Abstand des Stromleiters im Schlauch zur Werkstückober­ fläche bis zu mehr als ±1 cm über die Umfangslänge. Die Wasserkühlung erfolgt ausschließlich an der Oberfläche des Stromleiters und der verbleibende Wasser­ kanal läßt in seinem Querschnitt nur geringe Durchflußmengen zu, so daß nur geringe Stromdichten im Frequenzbereich bis maximal 4 kHz anwendbar sind.

Aus dem DE-GM 17 33 800 ist ein gekühlter Stromleiter für die induktive Erwärmung von Werkstücken bekannt, der in Anlage an die Wandung eines Schlauches fixierbar ist, ebenso offenbart die GB 2 122 057 einen (nicht flexiblen) Induktor, dessen einzelne Segmente über Halter ortsveränderlich sind.

Aus der EP 0 789 438 A2 ist ferner ein Leitungsabschnitt einer gasisolierten Leitung bekannt, der zylindersymmetrisch ausgebildet ist und einen Hochspannung führenden Stromleiter sowie ein isoliergasgefülltes Druckrohr aufweist, wobei Stromleiter und Druckrohr durch Stützisolatoren voneinander beabstandet sind, um den Stromleiter im Druckrohr zentrisch zu halten.

Die Stützisolatoren sind dabei in Nutkanälen im Stromleiter geführt, so daß die Teile zusammensteckbar sind.

Eine solche Leitung ist für die induktive Erwärmung von Metallen nicht einsetzbar. Zum einen ist das eingesetzte Isoliergas (SF₆) für eine Kühlung nicht ausreichend wärmeleitend, zum anderen fehlt den hierbei verwendeten Stromleitern die vorliegend erforderliche Flexibilität.

Eine weitere derartige gasisolierte Leitung ist aus der EP 0 774 816 A2 bekannt, die als Stützisolator eine Wendel aufweist, die den Stromleiter zentriert.

Auch diese Leitung ist weder flexibel noch für die Zwecke der induktiven Erwärmung einsetzbar.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, einen flexiblen Induktor zu schaffen, bei welchem gleichwohl die Abstände zur Werkstückoberflä­ che genau eingehalten, diese jedoch auf sehr einfache Weise variiert werden können, um hiermit auch entweder Konturen nachzubilden oder im Werkstück Temperaturprofile herstellen und auch während der Erwärmung verändern zu können sowie günstigere Kühlbedingungen für den Stromleiter zu schaffen, um bei Stromdichten bis 180 A/mm² und Frequenzen bis 200 kHz mit ein und dem­ selben Leitersystem arbeiten zu können.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem flüssigkeits- oder gasgekühlten Stromleiter für die induktive Erwärmung von Werkstücken bestehend aus einem flexiblen Leiter sowie einem, diesen mit Abstand umgebenden, elektrisch isolie­ renden Schlauch erfindungsgemäß dadurch, daß der Leiter im Schlauch frei von dessen Wandung achsparallel fixiert und über voneinander getrennte Halterungen zum Werkstück variierbar festlegbar ist.

Dadurch, daß der Leiter innerhalb des Schlauches lagefixiert ist, ergeben sich we­ sentliche Vorteile. Zum einen werden konstante Volumenverhältnisse für den Strom des flüssigen Kühlmediums geschaffen, d. h. der Wärmetransport ist über die Länge des Induktors konstant. Zum anderen läßt sich der Schlauch biegen, es können somit Konturen sehr leicht nachgebildet werden, wobei die Halterungen diesen zum Werkstück und in gewünschtem Abstand festlegen, so daß Tempera­ turvorgaben sehr genau eingehalten und auch leicht verändert werden können.

Der flexible Leiter ist vorzugsweise eine Kupferlitze, die Lagefixierung im Schlauch kann z. B. über durchbrochene, auf den Leiter geschobene Ringe oder durch in den Schlauch gesteckte und verschweißte oder verklebte Stifte bewerkstelligt werden. In besonders bevorzugter Weise besitzt der Schlauch eine innere Profi­ lierung, welche die Leitung koaxial oder auch seitlich parallel versetzt festhält.

Der Schlauch selbst kann einen runden, aber auch bedarfsweise auch einen ecki­ gen, z. B. quadratischen Querschnitt aufweisen.

Der Schlauch selbst ist vorzugsweise gewebeverstärkt, um die Wandstärke (≦ 3 mm) auch bei höheren Kühlmitteldrücken niedrig zu halten, was sich positiv auf den Abtransport der vom Werkstück rückgestrahlten Wärme auswirkt. Gleich­ zeitig wird natürlich auch durch die effektivere Kühlung der Wirkungsgrad erhöht.

Die Erfindung schlägt weiterhin vor, als Leiter eine schlauchartige Hohllitze zu verwenden, wobei hierdurch die Möglichkeit gegeben ist, auch das Innere des Leiters mit Kühlmittel zu beaufschlagen, so daß Wärme aus dem Kanal zwischen Mantelschlauch und Litze auch an das innere Kühlmedium abgeleitet werden kann, um hierdurch weiterhin den elektrischen Wirkungsgrad zu erhöhen.

Die Hohllitze weist dazu vorteilhaft in ihrem Inneren das Schlauchprofil stützende Einbauten auf, die natürlich ebenfalls flexibel sein müssen, bzw. aus separaten, voneinander unabhängigen Teilen bestehen.

Weiterhin wird vorgeschlagen, den Induktor mit Hilfe des Kühlmediums (Wasser, Gas) auszusteifen, wozu im Schlauchinneren ein Druck von etwa 3-10 bar auf­ rechterhalten wird, wobei das Kühlmittel mit einer Geschwindigkeit von beispiels­ weise etwa 2-10 m/sec strömt.

Die Festlegung des Abstandes des Induktor zum Werkstück erfolgt erfindungsge­ mäß über den Schlauch umfassende und zum Werkstück hin offene Klammern, in die der Schlauch an beliebiger Stelle eingefügt werden kann. Die Abstände zwi­ schen den Klammern sind dabei grundsätzlich frei wählbar. Die Klammern sind mit Halterungen verbunden, die lage- und längenveränderlich ausgebildet sind, um gewünschte Konturen des Werkstücks, bzw. des gewünschten zu erzeugenden Wärmeprofils gestalten zu können.

Dadurch, daß der Induktor flexibel ist, kann natürlich die eingestellte Position des Induktors auch während der Erwärmung selbst leicht verändert werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, die Lage der Klammern über eine Temperaturmessung zu steuern, um diese z. B. nach Erreichen eines Sollwertes zurückzuziehen, bei­ spielsweise um diese dadurch nach schneller Aufheizung konstant zu halten.

Dies kann auch zu einer automatischen Regelung verwendet werden, wobei den Klammern jeweils Temperaturfühler zugeordnet werden, deren Meßwert dazu dient, die Einstellung des Induktorabstandes mit Hilfe von Spindeltrieben zu regeln.

Eine besonders elegante Fixierung des stromführenden Leiters gelingt mit einer an dem Innenmantel des Schlauches anliegenden, vorzugsweise aus einem Kunststoffaden bestehenden Wendel, wobei das Kühlmedium spiralig um den Leiter geführt wird. Die Wendel kann dabei um die Litze gewickelt sein, sie kann aber auch als Innenprofil des Schlauches gefertigt oder vor der Montage des Leiters als separates Teil in den Schlauch geschoben sein.

Letztlich wird ein neuartiger Kühlmittel-Stromanschluß für eine Hohllitze aufwei­ sende Induktoren vorgeschlagen. Dieser besteht aus einem metallischen Nippel mit einem Anschlußstutzen, der eine Längsbohrung für die Kühlmittelzuleitung aufweist und an seinem Kopf eine Überwurfmutter als Verschraubung trägt. Der Stutzen besitzt an seinem freien Ende eine Ringnut, in welche die Hohllitze einge­ fügt und z. B. durch Verlöten oder Quetschen in dieser fixiert ist. Der Stroman­ schluß geschieht hierbei über die freien Metallteile des Nippels, der in seinem Inneren kühlmitteldurchflossen und somit ebenfalls vor übermäßiger Erwärmung geschützt ist.

Anhand der beiliegenden Figuren wird die vorliegende Erfindung erläutert.

Dabei zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Induktor mit zentraler Anordnung des Leiters;

Fig. 2 einen solchen mit seitlich versetztem Leiter;

Fig. 3 einen Induktor mit Hohlleiter und

Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel;

Fig. 5 ein weiteres Anwendungsbeispiel und

Fig. 6 den Anschluß eines Hohlleiters an das Kühlmedium.

Fig. 1 zeigt einen Schlauch 2 aus insbesondere gewebeverstärktem Kunststoff, in dessen Innerem koaxial der flexible Leiter 1 verlegt ist. Dieser besteht vorlie­ gend aus einer Litze, deren Durchmesser an den Verwendungszweck angepaßt ist. Die Wandstärke des Schlauches beträgt dabei etwa 1 bis 2 mm.

Der Schlauch ist in seinem Inneren mit Profilierungen 3 versehen, welche den Leiter 1 in Bezug auf die Wandung räumlich festlegen, so daß ein Versetzen des Schlauches 2 zu oder von einem Werkstück den Leiter in exakt dem selben Maße bewegt und somit präzise Einstellungen ermöglicht werden. Dabei ist darauf hin­ zuweisen, daß die Erwärmung sich exponentiell (quadratisch) zum Abstand des Leiters 1 vom Werkstück verhält, so daß relativ kleine Abstandsfehler eine relativ starke Auswirkung haben. Der Abstand der Schlauchwandung vom Werkstück beträgt typischerweise etwa 2 mm.

Im Inneren des Schlauches 2 befinden sich Kanäle 8, die von Kühlwasser durch­ flossen sind, wobei die Kanäle 8 auch miteinander kommunizieren können. Durch die Kühlung ist es möglich, bei dem vorerwähnten geringen Werkstückabstand ohne zusätzliche Isolierung Temperaturen von bis zu über 800°C zu erzeugen, ohne das Schlauchmaterial zu zerstören. Dabei wird im Schlauch eine Strö­ mungsgeschwindigkeit von etwa 15 m/sec aufrechterhalten. Da der Leiter 1 was­ serumströmt ist, kann diese Art der Werkstückerwärmung somit auch bei explosi­ onsgefährdeten Anwendungen eingesetzt werden.

Der Wasserdruck kann 3 bis 10 bar betragen, ein hoher Wasserdruck hat dabei den erwünschten Effekt, den Schlauch erheblich auszusteifen, so daß er unter Druck die Charakteristik herkömmlicher wasserdurchflossener Kupferleitungen erhält und somit sehr genau auch bei größerem Abstand der Halterungen (Fig. 3, 4) positioniert werden kann.

Fig. 2 zeigt eine Variante, bei welcher einmal der Leiter 1 (zum Werkstück hin) versetzt ist. Zum anderen befindet sich der Leiter 1 in einem Rohr 9 das Distanz­ stücke 10 aufweist. Diese können Bohrungen 11 besitzen, über welche die Kanäle 8 zur Verbesserung des Wärmetransports miteinander verbunden sind. Die Schläuche 2 können natürlich außer rund auch in beliebigen anderen Formen, wie z. B. mit quadratischen Querschnitt gestaltet sein, was jedoch eher bei niedrigen Wasserdrücken in Frage kommt.

Fig. 3 zeigt eine besonders bevorzugte Variante der vorliegenden Erfindung, bei welcher der Leiter 1 eine schlauchartige Hohllitze ist. Vorliegend ist diese durch die Profilierungen 3 zentriert und in ihrem Inneren durch ein Kreuzprofil 12 stabili­ siert, das ebenfalls Kanäle 8' für die Kühlwasserführung bildet. Da Kupfer(litze) ein guter Wärmeleiter ist und die Maschen der Litze ebenfalls geflutet werden, ist hierbei die Kühlung des Schlauches besonders gut und somit eine sehr hohe Werkstücktemperatur möglich.

Weiterhin zeigt diese Figur die Befestigungsmöglichkeit des Schlauches an belie­ bigen Stützkonstruktionen. Der Schlauch 2 liegt hierbei in einer Klammer 4, die den Schlauch 2 in einem Winkel größer als 180° umschließt und diesen somit einklemmt. Da bei Montage des Induktors kein Wasserdruck in der Leitung ansteht, ist das Einklemmen des Schlauches in die Klammern 4 sehr einfach, nach Anlegen von Wasserdruck kann der Schlauch 2 nur schwer oder nicht ohne große Krafteinwirkung gelöst werden. Die Klammer weist zum Werkstück hin gerichtet einen Öffnung 6 auf, die so bemessen ist, daß die Haltbarkeit der Klam­ mer 4 nicht durch zu hohe Temperatur beeinträchtigt wird, wobei diese natürlich auch über den Schlauch 2 gekühlt wird.

Fig. 4 zeigt einen typischen Anwendungsfall an einem gekrümmten Werkstück, wie beispielsweise bei KFZ-Anbauteilen, wie z. B. Türen oder Klappen, wo Außen- und Innenblech umlaufend oder segmentweise für das Verkleben zu erwärmen sind. Mit dem flexiblen Induktorschlauch 2 läßt sich die gekrümmte Kontur gut nachbilden, wobei der Schlauch 2 in den Klammern 4 liegt, die selbst wieder über Halterungen 7 mit Trageplatten 13 verbunden sind. Die Halterungen 7 weisen Längsverstellungen 14 auf, die Platten 13 können in der Höhe eingerichtet wer­ den. Über Temperatursensoren kann die Temperatur des Werkstücks ermittelt und der Abstand zum Werkstück 5 danach geregelt werden, um die Temperatur exakt einstellen zu können.

Fig. 5 zeigt einen Anwendungsfall, bei welchem eine Walze 19 (oder eine Hohl­ welle) unter Rotation erwärmt wird. Diese weist eine sehr unterschiedliche Mas­ senverteilung und Geometrie über die Länge auf. Der flexible Induktorschlauch 2 wird derart mit Hilfe von Klammern 4 bzw. der Halterungen 7 und der Verstellun­ gen 14 in Abstand gebracht bzw. diesbezüglich bei der Erwärmung korrigiert, daß die Abstände mit den gegenüberliegenden Massesegmenten korrelieren, so daß über die gesamte Bauteilbreite des Werkstücks ein gleicher Temperaturgradient erzielt wird.

Fig. 6 zeigt einen Anschlußnippel 18 für den Anschluß des Induktorschlauches 2 an das Kühlmittel (Flüssigkeit, Gas). Dieser besteht aus Metall (Kupfer) und weist in seinem Inneren eine Längsbohrung 21 auf, über die das Kühlmedium zugeleitet wird. An seinem Kopf 22 trägt dieser eine Überwurfmutter 20. Über den Anschlußstutzen 23 ist der Schlauch 2 geschoben und mit einer Schlauchschelle 17 gesichert.

An seinem vorderen Ende weist der Anschlußstutzen 23 eine Ringnut 16 auf, in welche die Hohllitze 24 eingefügt und gequetscht oder verlötet ist.

In ihrem Inneren ist die Hohllitze 24 durch einen Stützkörper 25 z. B. ein Kreuzprofil (12, Fig. 3) stabilisiert und an der Peripherie von einer Wendel 15 bestehend aus einem Kunststoffaden umfaßt, der als Distanzstück zum Innen­ mantel des Schlauches 2 dient. Das Kühlmedium umströmt somit die Hohllitze 24 spiralförmig, so daß dieses ständig von der dem Werkstück zugewandten Warm­ seite zur gegenüberliegenden Kaltseite geführt wird. Es wird hierdurch ein im wesentlichen wirbelfreier Durchfluß des Kühlmediums bei maximalem Querschnitt (ohne Rückstrom) erzielt.

Die elektrische Kontaktierung ist über den Nippel 18 auf einer relativ kurzen Wegstrecke realisierbar und gewährleistet eine hohe Flexibilität des Strom/Wasseranschlusses.

Bezugszeichenliste

1

Leiter

2

Schlauch

3

Profilierungen

4

Klammern

5

Werkstück

6

Öffnung

7

Halterung

8

,

8

'Kanäle

9

Rohr

10

Distanzstücke

11

Bohrungen

12

Kreuzprofil

13

Trageplatten

14

Längsverstellungen

15

Kunststoffaden

16

Ringnut

17

Schlauchschelle

18

Anschlußnippel

19

Walze oder Hohlwelle

20

Überwurfmutter

21

Längsbohrung

22

Kopf

23

Anschlußstutzen

24

Hohllitze

25

Stützkörper

Claims (14)

1. Flüssigkeits- oder gasgekühlter Stromleiter für die induktive Erwärmung von Werkstücken bestehend aus einem flexiblen Leiter (1) sowie einem diesen mit Abstand umgebenden elektrisch isolierenden Schlauch (2), dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) im Schlauch (2), frei von dessen Wan­ dung, achsparallel fixiert ist und über Halterungen (7) ortsveränderlich zum Werkstück festlegbar ist.

2. Stromleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (2) nach innen gerichtete Profilierungen (3) aufweist.

3. Stromleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch (2) ein gewebeverstärkter Kunststoffschlauch ist.

4. Stromleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (1) eine Hohllitze (3) ist.

5. Stromleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohllitze (3) in ihrem Inneren eine flexible Stütze aufweist.

6. Stromleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dieser mit Wasser unter einem Druck von 10-30 bar beaufschlagt wird.

7. Stromleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser in Klammern (4) gehalten ist, die zum zu wär­ menden Werkstück (5) hin eine Öffnung (6) aufweisen.

8. Stromleiter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Klammern (4) an längenveränderlichen Halterungen (7) befestigt sind.

9. Stromleiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß den Klammern (4) Temperaturfühler zugeordnet sind und daß der Abstand des Schlauches (2) bzw. der separaten Klammern (4) vom Werkstück in Abhängigkeit von der gemessenen Temperatur regelbar ist.

10. Stromleiter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterun­ gen (7) über Spindelantriebe verfahrbar sind.

11. Stromleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (1) von einer Wendel (15) umgeben ist, die diesen innerhalb des Schlauches (2) fixiert.

12. Stromleiter nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden über einen Anschlußstutzen (23) eines metallischen Nippels (18) gezogen sind, der in seinem Inneren eine Längsbohrung aufweist, und der Stutzen (23) an seinem freien Ende mit der Hohllitze (24) verbunden ist.

13. Stromleiter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohllitze (24) in einer Ringnut (16) des Anschlußstutzens (23) gehalten ist.

14. Stromleiter nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Nippel (18) einen Kopf (22) aufweist, gegen den eine Überwurfmutter (20) anliegt.