DE4026598C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine induktionsbeheizte Galette nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Induktionsbeheizte Galetten werden auch als Streckenrollenaggregate, Streck­ walzen od. dgl. bezeichnet und beispielsweise in der Chemiefaserherstellung, der Folienherstellung und der Papierherstellung verwendet (vgl. beispiels­ weise EP-A 03 49 829). Für Galetten der in Rede stehenden Art ist wesentlich, daß die Außenfläche des zylindrischen Galettenmantels auf einer relativ hohen Temperatur liegt, um Streck- und Schrumpfvorgänge in mit dem Galettenmantel in Berührung kommenden Materialien zu ermöglichen.

Die Beheizung des kreiszylindrischen Galettenmantels, der sich ja im Betrieb mit hoher Drehzahl um seine Längsachse dreht, erfolgt mittels einer im Inne­ ren des Galettenmantels stationär angeordneten Heizeinrichtung. Die Heizein­ richtung kann die Erwärmung des Galettenmantels durch Wärmestrahlung, Wärme­ konvektion oder durch Induktionsvorgänge bewirken. Als besonders wirksam hat sich eine induktive Heizeinrichtung erwiesen, mit einer solchen induktiven Heizeinrichtung befaßt sich auch die vorliegende Erfindung.

Bei einer induktionsbeheizten Galette, also einer Galette mit einer indukti­ ven Heizeinrichtung, wird der magnetische Fluß, der von den stationären Pri­ märwicklungen auf dem Kern der Heizeinrichtung erzeugt wird, in dem Galetten­ mantel im Rückschlußmantel aus ferromagnetischem Material, meist aus Eisen, geschlossen. Im Kurzschlußring bzw. in den Kurzschlußringen werden Spannun­ gen induziert, die zu entsprechenden Strömen führen, durch die dann die Kurz­ schlußringe und damit der Galettenmantel insgesamt erwärmt werden.

Durch unterschiedliche Wärmeabfuhr vom Galettenmantel, aber auch durch Unter­ schiede im Inneren des Galettenmantels, unterschiedliche lokale Wirkungsgrade usw. ergeben sich Temperaturunterschiede auf der Außenseite des Galettenman­ tels über dessen Breite. Diese sollen möglichst gering sein, man spricht von einem guten Temperaturprofil, das es einzuhalten gilt. Dazu hat man bei in­ duktionsbeheizten Galetten mit nur einer Primärwicklung Dampf-/Flüssigkeitssysteme eingesetzt, die aber auf Temperaturen bis ca. 500 K in ihrem Einsatzbereich begrenzt sind, schnell altern und verschleißtechnisch nicht optimal sind. Mit aktiven Pumpen arbeitende Umlaufsysteme können im betriebsmäßig schnell rotierenden Galettenmantel nicht eingesetzt werden, wie ohne weiteres auf der Hand liegt.

Um auch bei Temperaturen von 600 bis 750 K, die bei Herstellung moderner Industrie-Kunstfasern erforderlich sind, ein gutes Temperaturprofil zu reali­ sieren, hat man die eingangs erläuterte Aufteilung der Primärwicklung in der Heizeinrichtung auf mehrere einzelne Primärwicklungen, meist zwei oder drei Primärwicklungen, realisiert. Damit gewinnt man eine erhebliche Ver­ besserung des Temperaturprofils, da die Arbeitsbreite des Galettenmantels in einzelne Abschnitte aufgeteilt ist, die jeweils für sich ausgeregelt werden können. Die Arbeitstemperatur ist nicht durch das Dampf-/Flüssigkeitssystem begrenzt, erheblich höhere Umfangsgeschwindigkeiten der Galette sind möglich.

Auch bei der zuvor erläuterten induktionsbeheizten Galette mit mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten Primärwicklungen, von der die Erfindung ausgeht (DE-A 35 27 271), ist das Temperaturprofil mit einer Tem­ peratur-Bandbreite von 3 bis 4 K für manche Anwendungsfälle noch nicht opti­ mal, so daß der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, eine Möglichkeit anzu­ geben, dieses Temperaturprofil nochmals zu verbessern.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einer Galette mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Flüssigmetalle sind nach technischer Definition Metalle mit niedrigem Schmelzpunkt etwa um oder unter 600 K. Im Hochtemperaturbereich, wo andere Flüssigkeiten aus Temperaturgründen versagen, werden sie als Wärme­ träger eingesetzt.

Bei dem vorliegenden Anwendungsfall wirkt das Flüssigmaterial zunächst wie ein Kurzschlußring, d. h. durch induzierte Spannungen werden bereichsweise Ringströme im FlüssigmetaIl erzeugt, die dessen Aufheizung bewirken. Außerdem aber wirkt das Flüssigmetall als Wärmeträgermedium das dem Temperaturaus­ gleich über die Arbeitsbreite des Galettenmantels dient. Dazu muß aber das Flüssigmetall umlaufend gefördert werden. Das gelingt nun erfindungsgemäß dadurch, daß durch die besondere Speisung der Primärwicklungen diese hin­ sichtlich des Flüssigmetalls als eine Art Linearantrieb wirken. Dadurch, daß die im Flüssigmetall induzierten elektrischen Ströme bereichsweise, nämlich an beiden Enden des Galettenmantels und zwischen jeweils zwei Primärwicklun­ gen bzw. Kurzschlußringen, den magnetischen Fluß kreuzen, werden Längskräfte, also axial gerichtete Kräfte in dem Flüssigmetall erzeugt. Die durch das wandernde Feld im Flüssigmetall erzeugte, axial gerichtete Gesamtkraft führt dazu, daß das Flüssigmetall in den Ringkanälen und Querkanälen im Kreislauf gefördert wird, ohne daß ein Pumpsystem erforderlich ist.

Im Grundsatz sollte man bei drei Primärwicklungen diese jeweils 120°-phasen­ verschoben speisen, grundsätzlich sind natürlich auch andere Phasenwinkel bei einer anderen Zahl von Primärwicklungen denkbar. Man kann sich auch vorstel­ len, mehrere Gruppen von jeweils drei Primärwicklungen axial hintereinander anzuordnen, das ist eine Frage der Größe der Galette bzw. der Arbeitsbreite des Galettenmantels.

Mit dem erfindungsgemäßen Flüssigmetall-Umlaufsystem im Galettenmantel kann das Temperaturprofil auch bei einer beachtlichen Arbeitsbreite des Galetten­ mantels auf 1 bis 2 K oder auf noch geringere Werte heruntergedrückt werden. Durch die Gestaltung des Strömungskanals für das Flüssigmetall läßt sich die Wärmetransportcharakteristik in weiten Grenzen beeinflussen. Besondere Auf­ merksamkeit muß dabei den Engstellen im Bereich der Zwischenringe gewidmet werden, da hier einander widersprechende Forderungen nach einem möglichst schmalen Spalt für einen optimierten magnetischen Fluß und einem möglichst großen Strömungsquerschnitt für das Flüssigmetall aufeinandertreffen.

Insgesamt ist es natürlich so, daß der von den Ringkanälen und Querkanälen gebildete Aufnahmeraum für das Flüssigmetall allseits hermetisch dicht sein sollte, damit sich möglichst wenig Verluste ergeben.

Als Flüssigmetall haben sich Natrium, Kalium oder ein Natrium-/Kalium-Ge­ misch als besonders zweckmäßig erwiesen, aber auch andere Flüssigmetalle oder Mischungen mit Flüssigmetallcharakter lassen sich je nach Anwendungsfall einsetzen.

Im Stand der Technik bestehen die Kurzschlußringe aus einem elektrisch gut leitenden Material, beispielsweise aus Kupfer. Das ist im Stand der Technik auch erforderlich, weil die komplette Wärme für den Galettenmantel in den Kurzschlußringen erzeugt werden muß. Entsprechende Kurzschlußringe aus elek­ trisch gut leitendem Material könnten auch bei der erfindungsgemäßen Galette eingesetzt werden. Hier kommt aber hinzu, daß das Flüssigmetall selbst ein elektrisch gut leitendes Material ist, so daß das Flüssigmetall in den Be­ reichen der Primärwicklungen selbst wie jeweils ein Kurzschlußring wirkt. Dadurch erfolgt eine Wärmeerzeugung im Flüssigmetall selbst durch die dort induzierten Ströme. Folglich kann man bei der erfindungsgemäßen Konstruktion wegen der Verwendung des Flüssigmetalls die Kurzschlußringe auch aus einem elektrisch mäßig leitenden Material, beispielsweise aus Messing oder austeni­ tischem Stahl herstellen. Der Vorteil bei elektrisch mäßig leitendem Mate­ rial oder gar elektrisch schlecht leitendem Material für die Kurzschlußringe besteht darin, daß die Wärme dann überwiegend unmittelbar im Flüssigmetall erzeugt wird. Wärmeverluste beim Übergang fest/flüssig, wie bei der Wärmeüber­ tragung von den Kurzschlußringen auf das Flüssigmetall nicht vermeidbar, werden so vermieden bzw. quantitativ verringert.

Konstruktiv bestehen noch weitere vorteilhafte Möglichkeiten, wozu auf die Ansprüche 4 und 5 verwiesen werden kann.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbei­ spiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung, teilweise aufgeschnitten, den grund­ sätzlichen Aufbau einer induktionsbeheizten Galette,

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung, ausschnittweise, teilweise geschnit­ ten, eine erfindungsgemäße induktionsbeheizte Galette.

Fig. 1 zeigt zunächst bei einer induktionsbeheizten Galette eine feststehen­ de, kreiszylindrische Heizeinrichtung 1 und einen die Heizeinrichtung 1 koaxial umgebenden und gegenüber der Heizeinrichtung 1 um die gemeinsame Längsachse drehbaren, kreiszylindrischen Galettenmantel 2. Auf der Außenflä­ che des Galettenmantels 2 ist ein ebener Arbeitsbereich mit einer bestimmten Arbeitsbreite zu erkennen, über den im Betrieb die entsprechenden Materia­ lien laufen.

Die Heizeinrichtung 1 ist an einem stationären Träger 3 angebracht, koaxial im Inneren der Heizeinrichtung 1 befindet sich eine Antriebswelle 4. Diese ragt an der Stirnseite aus der Heizeinrichtung 1 heraus und umfaßt dort die Heizeinrichtung 1 mit einer Stirnwand 5. An die Stirnwand 5 schließt dann der Galettenmantel 2 an, der also die Heizeinrichtung 1 von der Stirnwand 5 her topfartig umgibt. Die Antriebswelle 4 ist im Antriebsaggregat 6 drehbar gelagert, wobei hier angedeutet ist, daß das Antriebsaggregat 6 einen inte­ grierten Antriebsmotor 7 aufweist, was aber hier weiterer Erläuterungen nicht bedarf.

Fig. 1 macht deutlich, daß die Heizeinrichtung 1 einen hier und nach bevorzug­ ter Lehre aus Lamellenblechen bestehenden Kern 8 mit zwei in axialer Richtung hintereinander angeordneten, zur Mantelfläche hin offenen Aufnahmen 9 aufweist. In gleichartiger Bauweise sind auch Kerne 8 mit drei Aufnahmen 9 in axialer Richtung hintereinander angeordnet bekannt. Man erkennt, daß in jeder Aufnah­ me 9 eine Primärwicklung 10 der also induktiv arbeitenden Heizeinrichtung 1 angeordnet ist.

In Fig. 1 ist zunächst zu erkennen, daß der Galettenmantel 2 einen Rückschluß­ mantel 11 für den magnetischen Fluß aufweist, der in den Bereichen zwischen jeweils zwei Aufnahmen 9 bis an den Innenumfang des Galettenmantels 2 heran­ reicht. Dieser Rückschlußmantel 11 wird regelmäßig aus Eisen oder Stahl beste­ hen, jedenfalls aus einem magnetisch aktiven, insbesondere ferromagnetischen Material. Er dient zum Schließen des Kreises für den magnetischen Fluß, wobei dieser nur die Spalte zwischen Innenumfang des Galettenmantels 2 und Außen­ umfang des Kerns 8 zu überbrücken hat.

Der Galettenmantel 2 weist ferner koaxial innerhalb des Rückschlußmantels 11 je Primärwicklung 10 als Sekundärwicklung einen Kurzschlußring 12 aus elek­ trisch leitendem, aber magnetisch inaktivem Material auf. Das ist in Fig. 1 nur angedeutet, indem an den entsprechenden Stellen am Innenumfang des Galet­ tenmantels 2 eine dickere Strichstärke gewählt worden ist. Je Primärwicklung 10 können auch mehrere Kurzschlußringe vorgesehen sein. Wichtig ist jeweils, daß die Kurzschlußringe 12 vom magnetischen Fluß in Kern 8 und Rückschluß­ mantel 11 umschlossen sind, so daß darin Spannungen induziert und dadurch Ringströme verursacht werden. Als besonders zweckmäßiges Material für die Kurzschlußringe 12 hat sich im Stand der Technik Kupfer erwiesen, aber auch andere diamagnetische oder paramagnetische Materialien lassen sich hier in bekannter Weise einsetzen.

Fig. 1 zeigt schließlich noch angedeutet einen Temperaturfühler 13 im Galet­ tenmantel 2, ggf. können auch mehrere Temperaturfühler 13 vorgesehen sein. Nur angedeutet ist, daß vom Temperaturfühler 13 aus eine berührungslose Meß­ wertübertragung auf stationäre Teile der Anordnung erfolgt.

Fig. 2 zeigt zunächst soweit wie erforderlich die gleichen Bezugszeichen wie Fig. 1. Wesentlich ist aber nun, daß die an den inneren Umfang des Galetten­ mantels 2 heranreichenden Bereiche des Rückschlußmantels 11 von gesonderten Zwischenringen 14 aus magnetisch aktivem Material gebildet sind, die am vorderen und am hinteren Ende der Kurzschlußringe 12 und zwischen den Kurz­ schlußringen 12 angeordnet sind, und daß die Innenflächen der Kurzschlußrin­ ge 12 und der Zwischenringe 14 gemeinsam den Innenumfang des Galettenmantels 2 bilden, daß der Galettenmantel 2 koaxial außerhalb des Rückschlußmantels 11 noch einen Außenmantel 15 aufweist, daß zwischen dem Außenmantel 15 und dem Rückschlußmantel 11 sowie zwischen dem Rückschlußmantel 11 und den Kurzschluß­ ringen 12 bzw. Zwischenringen 14 offene Ringkanäle 16, 17 gebildet sind, daß die Ringkanäle 16, 17 an den beiden Enden über Querkanäle 18 miteinander ver­ bunden sind, daß die Ringkanäle 16, 17 und die Querkanäle 18 mit einem elek­ trisch gut leitenden, magnetisch inaktiven Flüssigmetall gefüllt sind und daß die Primärwicklungen 10 der Heizeinrichtung 1 so phasenversetzt gespeist werden daß sich ein in axialer Richtung wanderndes Feld ergibt. Das Flüssig­ metall, das die Ringkanäle 16, 17 und Querkanäle 18 füllt, ist hier in Fig. 2 nicht gesondert eingezeichnet, da sonst die Übersichtlichkeit beein­ trächtigt würde. Wesentlich zum Verständnis ist es festzustellen, daß die Ringkanäle 16, 17 und die Querkanäle 18 von Flüssigmetall gefüllt sind. Werden die Primärwicklungen 10 der Heizeinrichtung 1 entsprechend phasenver­ schoben gespeist, so ergibt sich dann der Umlaufeffekt für das Flüssigmetall, der im allgemeinen Teil der Beschreibung erläutert worden ist. Dadurch ergibt sich dann das hervorragende Temperaturprofil dieser induktionsbeheizten Galette.

Wie eingangs schon erläutert worden ist, kommen als Flüssigmetalle Natrium, Kalium, Gemische von Natrium und Kalium oder sonstige Flüssigmetalle mit ent­ sprechenden elektrischen und thermischen Eigenschaften in Frage.

Im allgemeinen Teil der Beschreibung ist erläutert worden, daß das Flüssig­ metall in den Bereichen der Primärwicklungen nun selbst jeweils als Kurz­ schlußring wirkt, so daß nun die Wärme zum Teil oder überwiegend unmittelbar im Flüssigmetall erzeugt wird. Daher ist es möglich, für die Kurzschlußrin­ ge 12 weniger gut elektrisch leitendes Material zu verwenden, beispielsweise Messing oder einen austenitischen Stahl. Wenn man so das Entstehen von Ring­ strömen in den eigentlichen Kurzschlußringen 12 durch Widerstandserhöhung in den Kurzschlußringen behindert, erzielt man die Wärmeentwicklung überwiegend im Flüssigmetall. Die Wärme kann vom Flüssigmetall, das ja im Kreislauf strömt, leicht und mit hohem Wirkungsgrad an den Außenmantel 15 gebracht werden.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zwischenringe 14 wie die Kurzschlußringe 12 als echte Ringe ausgeführt, die zu einem Innenmantel mit­ einander verbunden sind. Alternativ dazu wäre es aber auch möglich, daß die Zwischenringe 14 am Rückschlußmantel 11 ausgeformt sind und daß der Ring­ kanal 17 jedenfalls im Bereich der Zwischenringe 14 durch eine Mehrzahl ring­ förmig verteilt angeordneter, axial verlaufender Kanäle gebildet ist.

In Fig. 2 erkennt man im übrigen, daß der Temperaturfühler 13 in den Quer­ kanal 18 nahe der Stirnwand 5 ragt, so daß er von Flüssigmetall umströmt ist und einen realistischen Temperaturwert mißt, der einen sicheren Rück­ schluß auf die Temperatur an der Außenfläche des Galettenmantels 2 im Ar­ beitsbereich über die volle Arbeitsbreite erlaubt.

Claims (5)

1. Induktionsbeheizte Galette mit einer feststehenden, kreiszylindrischen Heizeinrichtung (1) und einem die Heizeinrichtung (1) koaxial umgebenden und gegenüber der Heizeinrichtung (1) um die gemeinsame Längsachse drehba­ ren, kreiszylindrischen Galettenmantel (2), wobei die Heizeinrichtung (1) einen vorzugsweise aus Lamellenblechen bestehenden Kern (8) mit drei (oder mehr) in axialer Richtung hintereinander angeordneten, zur Mantelfläche hin offenen Aufnahmen (9) aufweist und in jeder Aufnahme (9) eine Primärwick­ lung (10) angeordnet ist, wobei der Galettenmantel (2) einen Rückschlußman­ tel (11) für den magnetischen Fluß aufweist, der in den Bereichen zwischen jeweils zwei Aufnahmen (9) bis an den Innenumfang des Galettenmantels (2) heranreicht, und wobei der Galettenmantel (2) ferner koaxial innerhalb des Rückschlußmantels (11) je Primärwicklung (10) eine Sekundärwicklung, insbe­ sondere einen Kurzschlußring (12) (oder mehrere Kurzschlußringe) aus elek­ trisch leitendem, aber magnetisch inaktivem Material aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die an den Innenumfang des Galettenmantels (2) heranrei­ chenden Bereiche des Rückschlußmantels (11) von gesonderten Zwischenrin­ gen (14) aus magnetisch aktivem Material gebildet sind, die am vorderen und am hinteren Ende der Kurzschlußringe (12) und zwischen den Kurzschlußrin­ gen (12) angeordnet sind und daß die Innenflächen der Kurzschlußringe (12) und der Zwischenringe (14) gemeinsam den Innenumfang des Galettenmantels (2) bilden, daß der Galettenmantel (2) koaxial außerhalb des Rückschlußman­ tels (11) noch einen Außenmantel (15) aufweist, daß zwischen dem Rückschluß­ mantel (11) und dem Außenmantel (15) sowie zwischen dem Rückschlußmantel (11) und den Kurzschlußringen (12) bzw. Zwischenringen (14) offene Ringkanäle (16, 17) gebildet sind, daß die Ringkanäle (16, 17) an den beiden Enden über Querkanäle (18) miteinander verbunden sind, daß die Ringkanäle (16, 17) und Querkanäle (18) mit einem elektrisch gut leitenden, magnetisch inaktiven Flüssigmetall gefüllt sind und daß die Primärwicklungen (10) der Heizein­ richtung (1) so phasenversetzt gespeist werden, daß sich ein in axialer Richtung wanderndes Feld ergibt.

2. Galette nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Flüssigmetall Na­ trium, Kalium oder ein Natrium-/Kalium-Gemisch ist.

3. Galette nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurz­ schlußringe (12) aus einem elektrisch mäßig leitenden Material, insbesondere aus Messing oder austenitischem Stahl, ggf. auch aus elektrisch schlecht lei­ tendem Material bestehen.

4. Galette nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenringe (14) am Rückschlußmantel (11) ausgeformt sind und daß der Ring­ kanal (17) jedenfalls im Bereich der Zwischenringe (14) durch eine Mehrzahl ringförmig verteilt angeordneter, axial verlaufender Kanäle gebildet ist.

5. Galette nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Ringkanal (16, 17) oder Querkanal (18), insbesondere von der Stirn­ wand (5) her, ein Temperaturfühler (13) hineinragt.