DE69107548T2

DE69107548T2 - Vorrichtung zum induktiven Erwärmen.

Info

Publication number: DE69107548T2
Application number: DE69107548T
Authority: DE
Inventors: John Tudor Griffiths
Original assignee: EA Technology Ltd
Current assignee: EA Technology Ltd
Priority date: 1990-08-13
Filing date: 1991-08-09
Publication date: 1995-06-22
Anticipated expiration: 2011-08-10
Also published as: GB9017702D0; GB2247141B; GB2247141A; DE69107548D1; EP0473313A1; US5274207A; EP0473313B1

Description

Induktionsheizvorrichtung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Induktionsheizvorrichtung, in welcher Material durch Kontakt mit einem induktiv erhitzten Heizelement erhitzt wird.
Das Dokument GB-A-2163930 (The Electricity Council), gegen welche der Oberbegriff des Anspruchs 1 abgegrenzt worden ist, offenbart eine Induktionsheizvorrichtung mit einem sich entlang einer Achse erstreckenden, einen Wechselstrom leitenden Leiter. Ein Kernmittel umgibt die Achse im wesentlichen, um den sich aus dem Wechselstrom in dem Leiter ergebenden magnetischen Fluß zu führen. Das Heizelement ist eine elektrisch leitende geschlossene Schleife, welche den magnetischen Fluß in dem Kernmittel umgibt und so durch den darin induzierten elektrischen Strom erhitzt wird.
Zwei der in der GB-A-2163930 offenbarten Ausführungsformen sind in den Figuren 1 und 2 der vorliegenden Erfindung gezeigt. In der Ausführungsform der Figur 1 bildet der Leiter 1 eine Achse, um welche ein ferromagnetischer Kern 4 vorgesehen ist. Der Kern 4 ist von einer Metallhaut umgeben, welche durch einen konzentrisch ausgerichteten inneren Zylinder 5 und einen äußeren Zylinder 7 sowie Endplatten 6 und 9 gebildet ist. Auf diese Art und Weise bildet die Haut eine geschlossene elektrisch leitende. Schleife um den Kern 4. Wechselströme, welche in dem Leiter 1 durch einen toroidal gewickelten Transformator 8 erzeugt werden, erzeugen einen alternierenden magnetischen Fluß, welcher durch den Kern 4 geführt wird. Der alternierende Fluß in dem Kern 4 induziert wiederum Ströme, welche um die oben erwähnte elektrisch leitende geschlossene Schleife fließen. Zu erhitzendes Material wird innerhalb des inneren Zylinders 5 angeordnet und wird durch die in dem Zylinder durch die induzierten Ströme erzeugte Energie erhitzt. Der die Zylinder 5 und 7 und den Kern 4 umfassende Aufbau kann in der Richtung des Pfeils A gedreht werden. Auf diese Art und Weise wird das zu erhitzende Material in und außer Kontakt mit dem Zylinder 5 gebracht, um eine gleichmäßige Übertragung der Wärme vom Zylinder auf das zu erhitzende Material zu ermöglichen.
Die Figur 2 zeigt eine Induktionsheizvorrichtung mit kontinuierlichem Fluß. Ein Motor 21 dreht einen Schraubenaufbau 22 in der Richtung des Pfeils A. Der Schraubenaufbau 22 umfaßt eine äußere Wandung 23, welche einen darin geschnittenen Spiralschlitz zur Aufnahme eines Schraubgewindes 24 aufweist. Der Aufbau 22 weist ferner eine innere Wandung 25 auf. Ein toroidaler ferromagnetischer Kern 26 ist sandwichartig zwischen der inneren und der äußeren Wandung 23, 25 angeordnet. Ein elektrisch leitender Leiter 1, welcher dem in Figur 1 gezeigten entspricht, verläuft entlang der Achse des Aufbaus 22. Wie in der Ausführungsform der Figur 1 wird in dem Kern 26 durch einen Wechselstrom in dem Leiter 1 ein magnetischer Fluß induziert. Dieser magnetische Fluß induziert wiederum elektrische Ströme, welche in den Wandungen 23, 25 und dem Schraubgewinde 24 des Aufbaus 22 fließen. Der Aufbau 22 ist innerhalb eines Gefäßes 28 mit einem Einlaß 29 und einein Auslaß 30 angeordnet, wie gezeigt. Daher berührt das bei 29 eintretende Material den Aufbau 22 und wird durch das Schraubgewinde 24 in Richtung des Auslasses 30 gedrängt, wenn der Aufbau 22 gedreht wird. Das Material wird erhitzt, während es den Aufbau 22 berührt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Induktionsheizvorrichtung vorzusehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Induktionsheizvorrichtung zum Erhitzen eines Materials vorgesehen, wobei die Induktionsheizvorrichtung umfaßt:
einen sich entlang einer Achse erstreckenden Leiter zum Leiten eines Wechselstroms;
wenigstens einen Behälter, welcher das zu erhitzende Material enthält;
wobei der wenigstens eine Behälter nahe der Achse angebracht ist und sich in der Richtung der Achse erstreckt;
ein zwischen dem wenigstens einen Behälter und der Achse angeordnetes Kernmittel, wobei das Kernmittel die Achse im wesentlichen umgibt und sich in der Richtung der Achse erstreckt, um einen sich aus dem Wechselstrom ergebenden magnetischen Fluß zu führen; und
eine elektrisch leitende geschlossene Schleife, welche das Kernmittel umgibt und durch einen durch den magnetischen Fluß in dem Kernmittel induzierten elektrischen Strom erhitzt wird, um das Material zu erhitzen;
dadurch gekennzeichnet,
daß der wenigstens eine Behälter zur Drehung um die Achse angebracht ist, und daß die elektrisch leitende geschlossene Schleife die Wandungen des wenigstens einen Behälters umfaßt, welche sich in der Richtung der Achse erstrecken und jeweils wenigstens ein Heizelement zum direkten Berühren des zu erhitzenden Materials und zum Übertragen von Wärme auf das Material bilden.
Im Gegensatz zur Ausführungsform des Stands der Technik in Figur 1 weist die Induktionsheizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Leistungsfaktor auf, da das Kernmittel näher an dem den Wechselstrom leitenden Leiter ist. Zusätzlich kann das Volumen und das Gewicht des Kernmittels aufgrund dessen Position in der Induktionsheizvorrichtung verringert werden. Ein weiterer Vorteil ist, daß die zum Drehen des Kernmittels erforderliche Energie verringert wird, wiederum aufgrund der Position des Kernmittels in der Induktionsheizvorrichtung der vorliegenden Erfindung. Ferner kann die Außenwandung der Trommel derart aufgebaut werden, daß sie zum Reinigen oder für größere Wartungsarbeiten leicht abmontiert werden kann.
Im Vergleich mit der Ausführungsform des Stands der Technik in Figur 2 wird durch die Rotation der gesamten Trommel eine Relativbewegung des Heizelements und des in der Induktionsheiz- Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zu erhitzenden Materials verursacht.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun, lediglich anhand eines Beispiels, mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in welchen;
Figuren 1 und 2 Induktionsheizvorrichtungen des Stands der Technik zeigen, wie sie vorangehend beschrieben worden sind;
Figuren 3 und 4 Querschnitte einer ersten Ausführungsform einer gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Induktionsheizvorrichtung sind;
Figuren 5 und 6 Querschnittsansichten einer zweiten Ausführungsform einer gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Induktionsheizvorrichtung sind, und
Figuren 7 und 8 Querschnittsansichten einer dritten Ausführungsform einer gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehenen Induktionsheizvorrichtung sind.
Die Figur 3 ist ein scheinatischer Querschnitt einer drehbaren Induktionsheizvorrichtung in einer Ebene, welche die Drehachse B der Induktionsheizvorrichtung umfaßt, und die Figur 4 ist ein Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Figur 3. Wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt, umfaßt die Induktionsheizvorrichtung einen sich entlang der Drehachse B der Induktionsheizvorrichtung erstreckenden Leiter 30, welche in der Lage ist, einen Wechselstrom zu leiten. Der Leiter 30, welcher typischerweise aus Kupfer hergestellt ist, und welcher laminiert sein kann, um seinen Wechselstromwiderstand zu verringern, ist mit einer Wechselstromquelle (nicht gezeigt) verbunden. Parallel zum Leiter 30 erstreckt sich eine Mehrzahl von Röhren 32, welche das zu erhitzende Material enthalten. Die Röhren 32 weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf, es ist jedoch auch ins Auge gefaßt, daß es einen Vorteil bei der Verwendung von Röhren mit nicht kreisförmigem Querschnitt geben kann. Zwischen den Röhren 32 und dem Leiter 30 ist ein ringförmiger ferromagnetischer Kern 34 vorgesehen. Der Kern 34 ist von den Röhren 32 durch eine Isolation 36 thermisch isoliert. Eine innere Hülse 38 und Endplatten 40, 42 (in Figur 4 nicht gezeigt) bilden zusammen mit den Röhren 32 eine geschlossene elektrisch leitende Schleife um den Kern 34. Die innere Hülse 38 und die Endplatten 40, 42 sind vorzugsweise aus einem Material, wie z.B. Kupfer, hergestellt, das einen relativ niederen elektrischen Widerstand aufweist, wogegen die Röhren 32 vorzugsweise aus einem Material, wie z.B. Stahl, hergestellt sind, welches die erforderliche mechanische Stärke- und Hitzeresistenzqualitäten aufweist, und welches ferner einen derartigen elektrischen Widerstand aufweist, daß der elektrische Widerstand der Röhren höher ist (vorzugsweise wesentlich höher) als der elektrische Widerstand der inneren Hülse 38 und der Endplatten 40, 42. Die äußere Grenze der Trommel 44, welche die Röhren 32, den Kern 34 und den Leiter 30 umhüllt, ist durch einen thermisch isolierenden Zylinder 46 gebildet.
Das zu erhitzende Material wird in die Röhren 32 eingeleitet. Ein Wechselstrom wird in dem Leiter 30 aufgebaut und erzeugt einen alternierenden magnetischen Fluß, welcher durch den Kern 34 geführt wird. Der alternierende magnetische Fluß induziert Ströme, welche in der elektrisch leitenden geschlossenen Schleife fließen, welche Schleife aus den Röhren 32, der inneren Hülse 38 und den Endplatten 40, 42 besteht.
Die induzierten Ströme erzeugen durch das Joule'sche Erhitzen Wärme und so dienen die Wandungen der Röhren 32 als Heizelemente zum Erhitzen des innerhalb der Röhren 32 enthaltenen Materials. Mit dem bevorzugten oben angegebenen Materialaufbau wird der Großteil der Wärme in den Röhren 32 erzeugt, welche von dem Kern 34 durch die thermische Isolation 36 getrennt sind. Auf diese Art und Weise wird die Temperatur des Kerns unter der Temperatur der Röhren 32 gehalten, und somit ist die maximale Betriebstemperatur der Heizvorrichtung nicht durch die Curie-Temperatur des Kerns 34 beschränkt.
Die gesamte Trommel 44 wird um die Achse B in einer durch den Pfeil C bezeichneten Richtung gedreht. Das zu erhitzende Material wird so in und außer Kontakt mit den Wandungen der Röhren 32 bewegt, um eine gleichmäßige Wärmeübertragung von den Röhren in das zu erhitzende Material zu ermöglichen.
Aufgrund der durch die als Heizelemente dienenden Röhren 32 erzeugten Temperaturen dehnen sich die Röhren 32 während des Betriebs der Induktionsheizvorrichtung wesentlich aus. Dementsprechend muß die Induktionsheizvorrichtung derart konstruiert sein, daß sie diese Ausdehnung zuläßt.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine modifizierte Version der Induktionsheizvorrichtung der Figuren 3 und 4. Die Figur 5 ist ein schematischer Querschnitt dieser Induktionsheizvorrichtung entlang einer die Drehachse D der Induktionsheizvorrichtung umfassenden Ebene, und die Figur 6 ist ein scheinatischer Querschnitt entlang der Linie VI-VI in Figur 5. Wie in der Ausführungsform der Figuren 3 und 4 erstreckt sich ein Leiter 50 zum Leiten eines Wechselstroms entlang der Drehachse D. Parallel zum Leiter 50 ist ein ringförmiger ferromagnetischer Kern 52 vorgesehen. Auf jeder Seite des Kerns 52 ist eine innere Hülse 54 bzw. eine äußere Hülse 56 aus elektrisch leitendem Material vorgesehen, welche an einem Ende miteinander verbunden sind. Eine Mehrzahl von Röhren, welche das zu erhitzende Material enthalten, ist vorgesehen. Die gezeigten Röhren weisen einen kreisförmigen Querschnitt auf, es ist jedoch ins Auge gefaßt, daß es bei der Verwendung von Röhren mit nicht kreisförmigen Querschnitt einen Vorteil geben kann. Die Röhren sind in zwei Gruppen 58A und 58B unterteilt, welche sich parallel zum Leiter 50 erstrecken und außerhalb des Kerns 52 angeordnet sind. Die Röhren einer Gruppe 58A sind elektrisch durch eine Endplatte 56 mit der äußeren Hülse 56 verbunden, wogegen die Röhren der anderen Gruppe 58B durch eine Endplatte 62 elektrisch mit der inneren Hülse 54 verbunden sind. Diese elektrischen Verbindungen sind an einem Ende der Induktionsheizvorrichtung ausgebildet. Am anderen Ende der Induktionsheizvorrichtung verbindet eine Endplatte 64 die Enden aller Röhren 58A, 58B elektrisch miteinander. Auf diese Art und Weise ist eine elektrisch leitende geschlossene Schleife gebildet, in welcher die Röhren der Gruppe 58A mit den Röhren der Gruppe 58B in Reihe verbunden sind. Der Gesamtwiderstand der elektrisch leitenden Schleife ist im Vergleich mit der Ausführungsform der Figuren 3 und 4, in welcher die Röhren miteinander Parallel elektrisch verbunden sind, wesentlich vergrößert, was eine bessere elektrische Leistungsfähigkeit und somit einen besseren Heizeffekt ermöglicht, ohne dem Erfordernis von Röhren mit dünnem Querschnitt (zum Erhöhen des Widerstands jeder Röhre). Ferner sind die Probleme differentieller Expansionen mit der Erhöhung der Temperatur vermieden, da die Röhren 58A, 58B, welche bezüglich der inneren und äußeren Hülsen 54, 56 aus verschiedenem Material sein können, nicht mit beiden Enden der inneren und äußeren Hülsen 54, 56 mechanisch verbunden sind. Ein Schiebeträger (nicht gezeigt) ist vorgesehen, um die Enden der inneren und äußeren Hülsen 54, 56 zu tragen, welche nicht mit den Röhren 58A, 58B verbunden sind. Die Figuren 5 und 6 zeigen ferner zwei Zylinder 66, 68, welche die Röhren 58A, 58B thermisch isolieren. Der äußere Zylinder 68 bildet eine äußere Umgrenzung der Trommel 69, welche den Leiter 50, die Röhren 58A, 58B und den Kern 52 umhüllt.
Der Betrieb der Ausführungsform der Figuren 5 und 6 ist gleich demjenigen der Ausführungsform der Figuren 3 und 4 Wie vorher erwähnt, sind die Röhren 58A in der geschlossenen elektrisch leitenden Schleife mit den Röhren 58B elektrisch in Reihe geschaltet. Die großen Pfeile in der Figur 5 zeigen die momentane Flußrichtung des in der geschlossenen elektrisch leitenden Schleife fließenden Stroms. Die gesamte Trommel 69 wird um die Achse D gedreht. Somit wird das zu erhitzende Material in und außer Kontakt mit den Wandungen der Röhren 58A, 58B gebracht, um eine gleichförmige Wärmeübertragung von den Röhren 58A, 58B, welche als Heizelemente dienen, auf das zu erhitzende Material zu ermöglichen.
Bei beiden Ausführungsformen der Induktionsheizvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können einzelne Röhren zur Wartung oder zur Reparatur leicht entfernt werden.
Die Figur 7 ist ein schematischer Querschnitt einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einer die Drehachse E der Ausführungsform umfassenden Ebene. Die Figur 8 ist ein Querschnitt der Ausführungsform der Figur 7 entlang der Linie VIII-VIII in Figur 7. Wie bei den anderen beschriebenen Ausführungsformen umfaßt die Heizvorrichtung der Figur 7 einen sich entlang der Drehachse E erstreckenden Leiter 70. Der Leiter 70 ist von einer äußeren Trommel 72 und einer inneren Trommel 74 umgeben, welche beide aus einem elektrisch leitenden Material hergestellt sind und einen Hohlraum 76 festlegen, in welchem das zu erhitzende Material angeordnet wird. Ein ringförmiger ferromagnetischer Kern 78 ist zwischen dem Leiter 70 und dem Hohlraum 76 angeordnet. Eine innere Hülse 80 und eine äußere Hülse 82 aus elektrisch leitendem Material umgeben den Kern 78 und sind am einen Ende miteinander verbunden. Am anderen Ende sind die innere Hülse 80 und die äußere Hülse 82 mit der äußeren Trommel 72 bzw. der inneren Trommel 74 elektrisch verbunden, wodurch eine geschlossene elektrisch leitende Schleife um den Kern 78 gebildet ist.
Die großen Pfeile in Figur 7 zeigen die momentane Flußrichtung des in der elektrisch leitenden geschlossenen Schleife fließenden Stroms. Wie bei den vorherigen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt ein in dem Leiter 70 fließender Wechselstrom einen alternierenden magnetischen Fluß, welcher durch den Kern 78 geführt wird. Der alternierende magnetische Fluß in dem Kern 78 induziert Ströme, welche um die elektrisch leitende geschlossene Schleife fließen, wodurch ein Joule'sches Erwärmen bewirkt wird. Der Widerstand der inneren Trommel 74 und der äußeren Trommel 72 ist vorzugsweise größer als der Widerstand der inneren Hülse 80 und der äußeren Hülse 82, so daß mehr der in der geschlossenen elektrisch leitenden Schleife als Wärme dissipierten Leistung in der inneren Trommel 74 und der äußeren Trommel 72 dissipiert wird, welche als Heizelemente zum Erhitzen des in dem Hohlraum 76 enthaltenen Materials dienen. Thermisch isolierende Zylinder 84, 86 sind benachbart der äußeren Trommel 72 und der inneren Trommel 74 vorgesehen, wie gezeigt. Der innere thermisch isolierende Zylinder 86 ermöglicht ferner, daß der Kern 78 unter seiner Curie-Temperatur gehalten wird.
Der gesamte in den Figuren 7 und 8 gezeigte Aufbau kann um die Drehachse E gedreht werden, so daß das zu erhitzende Material in und außer Kontakt mit der inneren Trommel 74 und der äußeren Trommel 72 gebracht wird, um eine gleichmäßige Wärmübertragung von den Trommeln zu dem zu erhitzenden Material zu ermöglichen. Rippenelemente 88 sind vorteilhafterweise vorgesehen und sind elektrisch mit der inneren Trommel 74 bzw. der äußeren Trommel 72 verbunden, so daß sie Teile der elektrisch leitenden geschlossenen Schleife bilden. Dieses Erwärmen der Rippenelemente 88 ist vorteilhaft, da das zu erhitzende Material mit einem großen Oberflächenbereich des Heizelements in Kontakt ist und ununterbrochen bewegt oder gemischt wird.
Modifikationen der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann offensichtlich.

Claims

1. Induktionsheizvorrichtung zum Erhitzen eines Materials, wobei die Induktionsheizvorrichtung umfaßt:

einen sich entlang einer Achse (B; D; E) erstreckenden Leiter (30; 50; 70) zum Leiten eines Wechselstroms;

wenigstens einen Behälter (32; 58A, 58B; 72, 74), welcher das zu erhitzende Material enthält;

wobei der wenigstens eine Behälter (32; 58A, 58B; 72, 74) nahe der Achse (B; D; E) angebracht ist und sich in der Richtung der Achse (B; D; E) erstreckt;

ein zwischen dem wenigstens einen Behälter (32; 58A, 58B; 72, 74) und der Achse (B; D; E) angeordnetes Kernmittel (34; 52; 78), wobei das Kernmittel (34; 52; 78) die Achse (B; D; E) im wesentlichen umgibt und sich in der Richtung der Achse (B; D; E) erstreckt, um einen sich aus dem Wechselstrom ergebenden magnetischen Fluß zu führen; und eine elektrisch leitende geschlossene Schleife (32, 38, 40, 42; 54, 56, 58A, 58B, 60, 62, 64; 72, 74, 80, 82), welche das Kernmittel (34; 52; 78) umgibt und durch einen durch den magnetischen Fluß in dem Kernmittel (34; 52; 78) induzierten elektrischen Strom erhitzt wird, um das Material zu erhitzen; dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine Behälter (32; 58A, 58B; 72, 74) zur Drehung um die Achse (B; D; E) angebracht ist, und daß die elektrisch leitende geschlossene Schleife (32, 38, 40, 42; 54, 56, 58A, 58B, 60, 62, 64; 72, 74, 80, 82) die Wandungen des wenigstens einen Behälters (32; 58A, 58B; 72, 74) umfaßt, welche sich in der Richtung der Achse (B; D; E) erstrecken und jeweils wenigstens ein Heizelement zum direkten Berühren des zu erhitzenden Materials und zum Übertragen von Wärme auf das Material bilden.

2. Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 1, worin der wenigstens eine Behälter durch eine innere Trommel (74) und eine äußere Trommel (72) gebildet ist.

3. Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 2, worin die innere Trommel (74) und die äußere Trommel (72) elektrisch in Reihe geschaltet sind.

4. Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 1, worin der wenigstens eine Behälter eine Mehrzahl von Röhren (32; 58A, 58B) umfaßt, welche sich parallel zur Achse (B; D) erstrecken.

5. Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 4, worin die Mehrzahl von Röhren (32) elektrisch parallel geschaltet ist.

6. Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 4, worin die Mehrzahl von Röhren aus einer ersten Gruppe von Röhren (58A) und einer zweiten Gruppe von Röhren (58B) gebildet ist, wobei die erste Gruppe von Röhren (58A) elektrisch in Reihe mit der zweiten Gruppe von Röhren (58B) geschaltet ist.

7. Induktionsheizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Anprüche, worin die elektrisch leitende geschlossene Schleife eine innere und eine äußere elektrisch leitende Hülse (54, 56; 80, 82) umfaßt, welche an einem Ende elektrisch miteinander verbunden sind und am anderen Ende elektrisch mit dem wenigstens einen Behälter (32; 58A, 58B; 72, 74) verbunden sind.

8. Induktionsheizvorrichtung nach Anspruch 7, worin das Kernmittel (52; 78) zwischen der inneren und der äußeren Hülse (54, 56; 80, 82) angeordnet ist.

9. Induktionsheizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Kernmittel (34; 52; 78) thermisch von dem wenigstens einen Behälter (32; 58A, 58B; 72, 74) isoliert ist.