專利名稱：用于物體溫度控制的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于控制物體的溫度例如對(duì)物體進(jìn)行加熱的方法和裝置。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種借助于組合由加熱器產(chǎn)生的感應(yīng)加熱和電阻加熱來(lái)改善加熱性能的方法和裝置。
背景技術(shù)：
參見圖1，其中示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的一種典型的電阻加熱器電路10。電源12可以對(duì)加熱器線圈14提供直流電壓或一般線路頻率的交流電壓，所述加熱器線圈纏繞在與被加熱的物品20很接近的周圍。一般地說(shuō)，加熱器線圈14由電阻元件構(gòu)成，提供有絕緣層18以便避免短路。通常還使整個(gè)加熱器線圈被包裝在保護(hù)罩16中，從而形成一個(gè)模塊加熱部件?，F(xiàn)有技術(shù)具有許多對(duì)材料施加熱量，以及使被加熱物品20的溫度升高到一個(gè)預(yù)定值的方法的例子。這些例子的大部分集中于電阻或歐姆熱量發(fā)生器的使用上，所述熱量發(fā)生器與被加熱的物品呈機(jī)械耦合和熱耦合。
電阻加熱器是目前最常使用的方法。電阻熱量借助于當(dāng)電流流過(guò)導(dǎo)線時(shí)發(fā)生的歐姆或電阻損失被產(chǎn)生。然后在電阻型加熱器的線圈中產(chǎn)生的熱量必須通過(guò)傳導(dǎo)或輻射被傳遞到工件上。電阻加熱器的使用和結(jié)構(gòu)是熟知的，并且在大多數(shù)情況下比感應(yīng)加熱器容易使用且成本低。大多數(shù)電阻加熱器由螺旋纏繞的線圈構(gòu)成，所述線圈被繞在一個(gè)形體上，或被制成彎曲的環(huán)形元件。
使用電阻型加熱器的一種典型的發(fā)明可以參見Juliano等人的美國(guó)專利5973296，其中提出了一種厚膜加熱器裝置，其通過(guò)被印刷在圓柱形基體的表面上的電阻軌跡中的歐姆損失產(chǎn)生熱量。由歐姆損失產(chǎn)生的熱量被傳遞給噴嘴中的熔融的塑料，以便使塑料處于自由流動(dòng)狀態(tài)。雖然電阻型加熱器的成本相當(dāng)?shù)停瞧渚哂幸恍┐蟮娜秉c(diǎn)。緊密的容差配合、熱斑、線圈的氧化以及較慢的溫度上升時(shí)間只是缺點(diǎn)中的幾個(gè)。對(duì)于這種加熱方法，最大的加熱功率不會(huì)超過(guò)PR(max)＝(IR(max))2×Rc，其中IR(max)是電阻絲可以通過(guò)的最大電流，Rc是線圈的電阻。此外，加熱一個(gè)特定物品所需的最小時(shí)間由tR(min)＝(cMΔT)/PR(max)控制，其中c是特定物品的比熱，M是特定物品的質(zhì)量，ΔT是所需的溫度的改變。對(duì)于電阻加熱，在加熱器線圈的總的能量損失基本上等于0，因?yàn)閬?lái)自電源的進(jìn)入線圈的所有能量都被轉(zhuǎn)換成熱能，因此PR(losses)＝0。
參見圖2，其中示出了按照現(xiàn)有技術(shù)的一種典型的感應(yīng)加熱電路30。可變頻率的交流電源32和調(diào)諧電容器34并聯(lián)連接。調(diào)諧電容器用于補(bǔ)償負(fù)載中的無(wú)功損失，并把任何的這種損失減到最小。感應(yīng)加熱器線圈36一般由空心銅管制成，具有被提供在其外表面上的電絕緣涂層18，以及在管內(nèi)流動(dòng)的冷卻流體39。冷卻流體39和冷卻系統(tǒng)38連通，用于從感應(yīng)加熱器線圈36中除去熱量。加熱器線圈36一般不和要被加熱的物品20接觸。當(dāng)電流通過(guò)線圈36時(shí)，便產(chǎn)生磁力線，如箭頭40a，40b所示。
感應(yīng)加熱是一種利用交流電功率電氣加熱導(dǎo)電材料的方法。交流電功率被施加到例如由銅制成的導(dǎo)電線圈上，從而產(chǎn)生交變磁場(chǎng)。這個(gè)交變磁場(chǎng)在和線圈緊密耦合的工件中感應(yīng)交變電壓和電流。這些交變電流產(chǎn)生電阻損失，借以加熱工件。因此，感應(yīng)加熱的一個(gè)重要特征是，不需在加熱元件和工件之間的直接接觸便能把熱量傳遞給導(dǎo)電材料。
如果交流電流流過(guò)一個(gè)線圈，便產(chǎn)生一個(gè)隨電流的數(shù)量而改變的磁場(chǎng)。如果把導(dǎo)電負(fù)載置于線圈內(nèi)部，將在負(fù)載內(nèi)部感應(yīng)渦流。所述渦流將沿著和線圈中的電流相反的方向流動(dòng)。在負(fù)載中的這些感應(yīng)電流沿著和由線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相反的方向產(chǎn)生磁場(chǎng)，并阻止所述磁場(chǎng)穿過(guò)負(fù)載的中心。因此渦流被集中在負(fù)載的表面上，并朝向中心被急劇地減少。如圖3A所示，感應(yīng)加熱器線圈36被纏繞在圓柱形的加熱物體20上。電流密度Jx如圖中的曲線41所示。作為這個(gè)現(xiàn)象的結(jié)果，幾乎所有的電流都被在圓柱形加熱物體20的區(qū)域22內(nèi)產(chǎn)生，在加熱物體的中心包含的材料24未被用于發(fā)熱。這個(gè)現(xiàn)象通常被稱為“集膚效應(yīng)”。
在這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，負(fù)載中的電流密度下降到其最大值的37％時(shí)的深度被稱為穿透深度(δ)。作為一種簡(jiǎn)化的假設(shè)，負(fù)載中的所有電流都可以安全地假設(shè)為處于所述穿透深度內(nèi)。這個(gè)簡(jiǎn)化的假設(shè)在計(jì)算負(fù)載中的電流通路的電阻時(shí)是有用的。因?yàn)樨?fù)載對(duì)電流具有固有的電阻，因而將在負(fù)載中產(chǎn)生熱量。產(chǎn)生的熱量Q是電阻R和渦流I的平方以及時(shí)間t的乘積的函數(shù)，Q＝I2Rt。
穿透深度是感應(yīng)加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中的最重要的因素之一。計(jì)算穿透深度δ的一般公式是δ=ρ/πμμvf]]>其中μv＝真空的導(dǎo)磁率μ＝負(fù)載的相對(duì)導(dǎo)磁率ρ＝負(fù)載的電阻率f＝交流電流的頻率因而，穿透深度是3個(gè)變量的函數(shù)，其中的兩個(gè)和負(fù)載相關(guān)。這些變量是負(fù)載的電阻率ρ，負(fù)載的相對(duì)導(dǎo)磁率μ，線圈中的交流電流的頻率f。真空的導(dǎo)磁率是常數(shù)，等于4π×10-7(Wb/Am)。
計(jì)算穿透深度的主要原因是要確定在給定尺寸的負(fù)載內(nèi)部能夠流過(guò)多大的電流。因?yàn)楫a(chǎn)生的熱量和渦流的平方有關(guān)，必然要使負(fù)載通過(guò)盡可能大的電流。
在現(xiàn)有技術(shù)中，感應(yīng)加熱線圈幾乎都是用空心銅管制成的，其中流動(dòng)著冷卻水。感應(yīng)線圈，和電阻加熱器一樣，具有某種程度的電阻發(fā)熱。這種現(xiàn)象是不希望的，因?yàn)殡S著熱量在線圈內(nèi)的積累，其影響線圈的全部物理性能，并直接影響加熱器的效率。此外，隨著線圈中熱量的增加，線圈材料的氧化增加，這嚴(yán)重地限制了線圈的壽命。這便是現(xiàn)有技術(shù)一直使用流體傳輸介質(zhì)從感應(yīng)線圈中帶走熱量的原因。按照現(xiàn)有技術(shù)，這個(gè)未被使用的熱量是浪費(fèi)的熱能，其降低了感應(yīng)加熱器的總效率。此外，對(duì)系統(tǒng)附加有源冷卻介質(zhì)例如流動(dòng)的水，大大增加了系統(tǒng)的成本，并降低了可靠性。因此，找到一種能夠利用在感應(yīng)線圈中產(chǎn)生的電阻熱的方法是有利的，這將減少整個(gè)加熱器的復(fù)雜性并提高系統(tǒng)的效率。
按照現(xiàn)有技術(shù)，使用多種涂層保護(hù)線圈免受加熱的工件的高溫的影響，并提供電氣絕緣。這些涂層包括膠粘劑、玻璃纖維和陶瓷。
感應(yīng)加熱的電源按照提供給線圈的電流的頻率分類。這些系統(tǒng)可被分為線路頻率系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)交流系統(tǒng)、固態(tài)系統(tǒng)和射頻系統(tǒng)。線路頻率系統(tǒng)在50或60赫茲下操作，這是可以從電網(wǎng)得到的。這是成本最低的系統(tǒng)，因?yàn)榫哂写蟮拇┩干疃?，一般用于加熱大的鋼坯。?duì)于這種系統(tǒng)，不需要進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換是其主要的經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)。因此，有利的是設(shè)計(jì)一種能夠有效地使用線路頻率的感應(yīng)加熱系統(tǒng)，借以降低系統(tǒng)的總成本。
Ross等人的美國(guó)專利5799720披露了一種感應(yīng)加熱的噴嘴組件，用于傳送熔融的金屬。這種噴嘴是一種盒狀的結(jié)構(gòu)，在盒子的壁和感應(yīng)線圈之間具有絕緣。在盒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)流動(dòng)的熔融金屬通過(guò)感應(yīng)線圈被間接地加熱。
Shibata等人的美國(guó)專利4726751披露了一種熱澆口塑料注入系統(tǒng)，其具有管狀噴嘴，在噴嘴的外部周圍，纏繞著感應(yīng)加熱繞組。所述繞組和相互串聯(lián)連接的高頻電源相連。管狀噴嘴本身借助于感應(yīng)線圈加熱，其接著把熱量傳遞給熔融的塑料。
Aarseth的美國(guó)專利5979506披露了一種用于加熱油管道的方法和系統(tǒng)，其中利用沿著管道的周圍設(shè)置的加熱器電纜。所述加熱器電纜能夠產(chǎn)生電阻熱和感應(yīng)熱，所述熱量被傳遞給管道壁，借以傳遞給管道中的材料。這種沿軸向提供電導(dǎo)體主要用于歐姆加熱，其作為依賴于長(zhǎng)的導(dǎo)體(＞10km)的固有電阻的電阻器。Aarseth聲稱可以利用0-500赫茲的不同頻率的電源實(shí)現(xiàn)某種感應(yīng)加熱。
Iguchi的美國(guó)專利5061835披露了一種由低頻電磁加熱器構(gòu)成的裝置，其中利用具有短路的次級(jí)線圈側(cè)的低壓變壓器。所披露的主要內(nèi)容是，初級(jí)線圈、磁鐵心的布置以及具有規(guī)定的電阻的次級(jí)線圈容量的具體設(shè)計(jì)。該專利描述了一種低溫加熱器，其中在初級(jí)線圈周圍設(shè)置有常規(guī)的樹脂模制化合物，并充滿鐵心和二次縮孔之間的空間。
Burke的美國(guó)專利4874916披露了一種感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)，具有多層繞組，設(shè)置有變壓器裝置和磁心，用于均衡貫穿操作窗口的每個(gè)繞組中的電流。特殊構(gòu)造的線圈由各個(gè)導(dǎo)線束制成，并以這種方式被設(shè)置，使得每個(gè)導(dǎo)線束在相同程度上占據(jù)所有可能的徑向位置。
然而，需要一種改進(jìn)的利用由加熱線圈產(chǎn)生的感應(yīng)熱和電阻熱的加熱方法的加熱器，并需要一種用于減少或消除漏磁通并把線圈設(shè)置在加熱設(shè)備內(nèi)部以便最佳利用其中產(chǎn)生的熱量的方法。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于，提供一種利用由加熱器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)熱能和電阻熱能的改進(jìn)的加熱器設(shè)備。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種通過(guò)把加熱器線圈設(shè)置在可以最大程度地利用由加熱器線圈產(chǎn)生的感應(yīng)熱和電阻熱的最佳位置，從而改善加熱器的效率的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種對(duì)于給定的物品具有較快的加熱時(shí)間的加熱器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種不需要感應(yīng)加熱器線圈的內(nèi)部冷卻的利用感應(yīng)加熱的加熱器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種用于加熱的方法，其使得加熱器線圈的設(shè)計(jì)和給定的電源匹配，從而提供特定的應(yīng)用所需的熱能。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種用于加熱的方法，其使得在同一個(gè)線圈內(nèi)由感應(yīng)或電阻產(chǎn)生的熱能夠根據(jù)特定的應(yīng)用而改變。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種感應(yīng)加熱方法，其能夠大大減少或消除由加熱器線圈產(chǎn)生的電磁噪聲。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種具有精確的溫度控制的加熱器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種加熱方法，其幾乎把來(lái)自電源的100％的能量交付給被加熱的物品，從而不需要調(diào)諧電容器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種加熱方法，其中因?yàn)槭褂秒娮杓訜岷透袘?yīng)加熱，通過(guò)線圈的相同的電流提供較高的加熱效率。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種加熱方法，其中不需要感應(yīng)線圈的冷卻。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種加熱方法，其改善在被加熱的物品內(nèi)的溫度分布，因此減少熱梯度。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種加熱裝置，其改善線圈和被加熱的物品的熱傳遞。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種加熱方法，其使用具有可由過(guò)程控制器控制的可變頻率的電源，并且其不依賴于感應(yīng)線圈的諧振頻率要求，而是可以改變的，以便調(diào)節(jié)線圈的熱量輸出。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種具有可變的電阻與/或感應(yīng)加熱輸出的小型的加熱器，以便大大減小現(xiàn)有技術(shù)的電阻加熱器的體積。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種用于多個(gè)被加熱區(qū)的加熱裝置，其中感應(yīng)產(chǎn)生的能量可以以復(fù)用的方式被使用(一次使用一個(gè)，以便避免在兩個(gè)線圈之間的感應(yīng)線圈干擾)。同時(shí)在同一個(gè)線圈中電阻產(chǎn)生的能量可被使用，以便維持溫度設(shè)置點(diǎn)，同時(shí)把感應(yīng)加熱減少到適合于線圈同時(shí)操作的程度。這可以通過(guò)利用可變頻率的電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中施加的電流的頻率可被降低，以便減少在同一個(gè)被加熱物體中的感應(yīng)耦合。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于，提供一種加熱方法，其中由于幾乎沒(méi)有漏電感，把加熱器線圈和被加熱物品之間的感應(yīng)耦合改善到幾乎100％。
為此，本發(fā)明提供一種加熱方法和加熱設(shè)備，其中利用被嵌在導(dǎo)電的與/或鐵磁基體內(nèi)的專門改制的感應(yīng)加熱器線圈。在基體中的放置基于加熱器設(shè)計(jì)的解析的分析，因而得到提供最大程度利用產(chǎn)生的熱量的最佳位置。在基體內(nèi)的加熱器線圈產(chǎn)生電阻加熱和感應(yīng)加熱，這些熱量將被引向要被加熱的物品或介質(zhì)。


圖1是本領(lǐng)域中已知的電阻加熱的簡(jiǎn)化的示意圖；圖2是本領(lǐng)域中已知的感應(yīng)加熱的簡(jiǎn)化的示意圖；圖3是按照本發(fā)明的加熱元件的局部示意圖；圖3A是感應(yīng)型加熱器線圈的導(dǎo)體中的“集膚效應(yīng)”的圖示；圖3B是按照本發(fā)明的加熱元件的截面圖；圖3C是按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的放大的截面圖，表示在本發(fā)明的每個(gè)元件中的電流密度分布；圖4是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的軸測(cè)局部截面圖；圖4A是圖4所示的實(shí)施例的截面圖；圖5是用于比較電阻加熱、感應(yīng)加熱和按照本發(fā)明的加熱方法的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的表。
具體實(shí)施例方式
參見圖3，其中一般地示出了本發(fā)明的示例的實(shí)施例41的簡(jiǎn)化的示意圖。電源42對(duì)加熱器線圈44提供交流電流，加熱器線圈被纏繞在物體20a和20b上，并和物體連接。在優(yōu)選實(shí)施例中，不作為限制，線圈44被置于在22a和22b之間形成的槽46內(nèi)，其形成一個(gè)閉合的磁結(jié)構(gòu)。當(dāng)把交流電流施加于線圈44時(shí)，便產(chǎn)生磁力線，如箭頭40a，40b所示。應(yīng)當(dāng)注意，在圍繞物體的整個(gè)周邊產(chǎn)生許多磁力線，只示出兩個(gè)磁力線40a，40b是為了簡(jiǎn)化。這些磁力線在物體20a，20b內(nèi)產(chǎn)生渦流，所述渦流按照上述的集膚效應(yīng)原理產(chǎn)生熱量。在優(yōu)選實(shí)施例中，物體20a，20b可被優(yōu)選地設(shè)計(jì)，使得產(chǎn)生的磁力線最多，從而產(chǎn)生盡可能多的熱量。此外，線圈44和物體20a，20b呈熱連接，從而在線圈44中產(chǎn)生的任何電阻熱被傳導(dǎo)到所述物體中。
現(xiàn)在參見圖3B，3C，其中一般地示出了本發(fā)明的另一個(gè)示例的優(yōu)選實(shí)施例47。雖然這里討論和表示的是圓柱體，應(yīng)當(dāng)理解，在本申請(qǐng)中使用術(shù)語(yǔ)“圓柱”或者“管子”決不是把本發(fā)明限制于圓柱或管子；這里旨在用這些術(shù)語(yǔ)包括任何截面形狀。此外，雖然所示的電路布置都使用和電源的直接連接或歐姆連接，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明沒(méi)有這樣的限制，因?yàn)楸景l(fā)明的應(yīng)用范圍也包括其中通過(guò)電感或電容使電源和加熱元件電氣耦連的情況。
加熱器線圈52圍繞磁心48呈螺旋形纏繞。在優(yōu)選實(shí)施例中，加熱器線圈52由固態(tài)金屬材料制成，如銅或其它非磁的導(dǎo)電和導(dǎo)熱的材料。另外，線圈也可以由高電阻的高溫合金制成。使用低電阻的導(dǎo)體將增加感應(yīng)功率的比例，這在某些加熱應(yīng)用中是有用的?？捎糜诘碗娮杈€圈的一種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)是利茲線。利茲線結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)用于把由于集膚效應(yīng)而在固態(tài)導(dǎo)體中引起的功率損失減到最小。集膚效應(yīng)是高頻電流在導(dǎo)體的表面集中的一種趨勢(shì)。利茲線結(jié)構(gòu)借助于增加表面的量而不增加導(dǎo)體的尺寸來(lái)抵消這種效應(yīng)。利茲線由數(shù)千根銅線構(gòu)成，每股線的直徑為.001英寸的數(shù)量級(jí)，并在每股的周圍具有電絕緣，使得每股作為一個(gè)獨(dú)立的導(dǎo)體。
磁心48的內(nèi)壁限定一個(gè)通路58，用于傳送要被加熱的流體材料或固體材料。在優(yōu)選實(shí)施例中，只作為例子，流體材料可以是氣體，水，熔融塑料，熔融金屬或任何其它材料。在加熱器線圈52的周圍設(shè)置有磁軛50，并和加熱器線圈52呈熱連接。在優(yōu)選實(shí)施例中，磁軛50也最好(但是不限于)由鐵磁材料制成。線圈52可被置于在磁心48和磁軛50之間提供的槽54內(nèi)。磁心48和磁軛50最好和加熱器線圈52呈熱連接。為了增加加熱器線圈52和磁心或磁軛之間的熱傳遞可以至少在磁心或磁軛內(nèi)提供合適的螺旋槽，以便進(jìn)一步固定加熱器線圈52并增加其中的接觸面積。所述增加接觸面積將增加從加熱器線圈52向磁心或磁軛的熱傳導(dǎo)。
合適頻率的交流電源(未示出)和線圈50串聯(lián)連接，以便使電流通過(guò)線圈。在優(yōu)選實(shí)施例中，選擇電流源的頻率使得和加熱器的物理設(shè)計(jì)相匹配。另外，電流源的頻率可以是固定的，最好大約是50-60Hz。以便減少加熱系統(tǒng)的成本，并且磁心48與/或磁軛50以及加熱器線圈52的物理尺寸可以被修改，以便形成對(duì)于給定的頻率是最有效的加熱器。
通過(guò)加熱器線圈52施加的交流電流將使加熱器線圈52產(chǎn)生感應(yīng)熱量和電阻熱量，并通過(guò)產(chǎn)生渦流在磁心48和磁軛50中產(chǎn)生熱量，如前所述。選擇磁心48的直徑和壁厚，使得實(shí)現(xiàn)盡可能高的加熱器效率，并確定效率最高時(shí)的線圈直徑。根據(jù)下面說(shuō)明的方法，加熱器線圈的直徑根據(jù)各種物理性能和給定加熱器設(shè)計(jì)的性能參數(shù)進(jìn)行選擇。
參見圖3C，其中示出了加熱器線圈52的放大的截面圖，具有各個(gè)元件中的電流密度的圖形表示。來(lái)自交流電源的高頻交流電流沿著加熱器線圈52的主軸或長(zhǎng)度通過(guò)加熱器線圈。所述電流的作用是沿著加熱器線圈106的截面產(chǎn)生如圖3C所示的電流密度分布曲線。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以清楚地看出，曲線58，60和56分別表示在每個(gè)元件內(nèi)的集膚效應(yīng)。對(duì)于線圈52，線圈具有軌跡60所示的在導(dǎo)體截面中的電流密度，其在導(dǎo)體的外邊沿最大，朝向?qū)w的中心按照指數(shù)曲線減少。
因?yàn)楸景l(fā)明把加熱器線圈52置于磁心48和磁軛50之間，在這些元件中也發(fā)生集膚效應(yīng)現(xiàn)象。圖3C表示在磁軛和磁心的橫截面積內(nèi)的電流密度分布曲線。如上所述，為了所有的實(shí)用的目的，所有的感應(yīng)電流都被包含在沿著每個(gè)元件的表面深度等于3δ的區(qū)域。曲線56表示在磁心48內(nèi)感應(yīng)的電流密度。在離開線圈中心的距離3δ處，基本上100％的電流被包含在磁心內(nèi)，用于產(chǎn)生熱量。不過(guò)曲線58表示在磁軛50中的電流密度，其中由陰影區(qū)域62表示的電流部分未被包含在磁軛內(nèi)，因而不產(chǎn)生熱量。這個(gè)失去的產(chǎn)生熱能的機(jī)會(huì)降低了整個(gè)加熱器的效率。
對(duì)于這種加熱方法，可以分析和改變加熱器設(shè)計(jì)的各種參數(shù)，以便生產(chǎn)高效率的加熱器。這些參數(shù)包括Icoil＝加熱器線圈電流n＝加熱器線圈的匝數(shù)
d＝線圈直徑R0＝加熱器線圈半徑l＝線圈長(zhǎng)度ρcoil＝加熱器線圈的電阻率ccoil＝加熱器線圈的比熱γcoil＝線圈的密度hy＝外部管子的厚度Dh＝熔化的通道直徑μsubstrate＝基體的導(dǎo)磁率csubstrate＝基體的比熱γsubstrate＝基體的比密度f(wàn)＝交流電流的頻率ΔT＝溫升線圈的電阻率(ρcoil)和線圈的物理尺寸(n，d，R0，l)是產(chǎn)生線圈中的電阻熱能的主要貢獻(xiàn)者。以前，現(xiàn)有技術(shù)認(rèn)為，產(chǎn)生的這種熱量是不能利用的，因而使用許多方法減少這個(gè)能量。首先使用利茲線減少電阻發(fā)熱，其次，利用合適的冷卻劑冷卻線圈。結(jié)果，不能使加熱器在最大效率下工作。
據(jù)此，本發(fā)明利用感應(yīng)線圈中的所有能量，利用這些能量進(jìn)行工藝加熱。為了有效地把線圈的所有能量傳送給所述的工藝加熱，我們根據(jù)工藝加熱要求、機(jī)械結(jié)構(gòu)要求和加熱速度的分析，選擇感應(yīng)線圈的材料和感應(yīng)線圈在基體內(nèi)的最佳位置。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，例如如圖3B所示，線圈52的材料可以是鎳鉻合金，其具有6倍于銅的電阻。利用這個(gè)增加的電阻，和現(xiàn)有技術(shù)中使用銅線圈相比，可以產(chǎn)生6倍之多的熱量。在純感應(yīng)加熱系統(tǒng)中，通常使用的高頻感應(yīng)加熱設(shè)備在增加的加熱器電阻下將不能工作。目前已知的電源在最小線圈電阻下操作，其支持加熱設(shè)備的諧振狀態(tài)。一般地說(shuō)，按照現(xiàn)有技術(shù)，線圈電阻的增加將大大降低加熱系統(tǒng)的效率。
線圈52必須和磁心、磁軛電氣絕緣。因此，必須在線圈52的周圍提供用來(lái)提供高的絕緣涂層53的材料。線圈絕緣53還必須是好的熱導(dǎo)體，以便能夠?qū)崿F(xiàn)從線圈52向磁軛、磁心的熱傳遞。具有好的絕緣性能和好的導(dǎo)熱率的材料是容易得到的。最后，線圈52必須被放置使得和被加熱的磁心和磁軛緊密接觸。具有好的導(dǎo)熱率的絕緣材料在市場(chǎng)上是可以得到的，這些材料呈固態(tài)形式和粉末形式并作為封裝化合物。使用什么形式的絕緣材料根據(jù)具體的應(yīng)用而定。
由以下的關(guān)系給出在磁軛和磁心內(nèi)安裝的線圈52產(chǎn)生的總的有用能量Pcombo＝Q(resistive)+Q(inductive)Pcombo＝Ic2Rc+Iec2Rec其中Q＝熱能Pcombo＝由感應(yīng)加熱和電阻加熱的組合產(chǎn)生的能量的比例Ic＝加熱線圈中的總電流Rc＝電感線圈電阻Iec＝在被加熱的物品中的總的等效渦流Rec＝在被加熱的物品中的等效渦流電阻上面公式的第二部分由于通過(guò)線圈的電流和在磁心和磁軛中的感應(yīng)渦流引起的感應(yīng)貢獻(xiàn)。因?yàn)榫€圈52被置于磁心48和磁軛50之間，沒(méi)有耦合損失，因此能夠達(dá)到最大的能量傳遞。由能量公式可以看出，和純電阻加熱方法或純感應(yīng)加熱方法相比，相同的線圈電流能夠提供更多的加熱功率。因而，對(duì)于相同的功率值，和純電阻加熱相比，加熱器線圈的溫度可以大大降低。在現(xiàn)代的感應(yīng)加熱中，在感應(yīng)線圈中作為歐姆損失而產(chǎn)生的所有的能量通過(guò)冷卻被除去，如前所述。
在對(duì)結(jié)構(gòu)部件加熱的情況下，減少部件內(nèi)部的熱梯度是重要的。電阻加熱和感應(yīng)加熱產(chǎn)生熱梯度，而對(duì)相同的功率比的兩種加熱方法的組合則大大減小熱梯度。雖然電阻加熱元件可以達(dá)到1600度F，但是在某個(gè)時(shí)間內(nèi)，被加熱的物體可能不會(huì)開始把熱量傳遞給表面以下的層。這個(gè)熱滯后在材料表面引起大的溫度梯度。由于動(dòng)態(tài)的熱梯度，在被加熱物品的表面具有大的張力應(yīng)力。類似地，感應(yīng)加熱只以高的速率在被加熱物品的薄的表面層內(nèi)產(chǎn)生熱量。這些不利的效果可以通過(guò)按照本發(fā)明把兩種單獨(dú)的加熱源組合在一起來(lái)減小，這又導(dǎo)致拉平溫度梯度，因此減小局部的應(yīng)力值。
現(xiàn)在參見圖4和4A，其中一般地示出了本發(fā)明的另一個(gè)示例的實(shí)施例100。應(yīng)當(dāng)注意，本圖表示用于注入模制金屬例如鎂的一個(gè)典型的裝置，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員利用極少的努力便可以容易地想出用于注入模制材料例如塑料的許多其它裝置。
被加熱的噴嘴100由細(xì)長(zhǎng)的外部元件102構(gòu)成，其具有在其中形成的用于流通流體的通路104。流體可以是熔化的金屬，例如鎂、塑料或其它類似流體。在優(yōu)選實(shí)施例中，在外部元件102的近端，提供有螺紋103，其和形成在噴嘴頭108上的螺紋連接。噴嘴頭108被剛性地固定在102上，內(nèi)部元件116被插入噴嘴頭108和外部元件102之間。通路104連續(xù)地通過(guò)內(nèi)部元件116，用于把流體送到出口110。在內(nèi)部元件116和外部元件102之間，提供有環(huán)形間隙107，用于插入加熱器線圈106。在這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，錐體112被提供在噴嘴頭108和內(nèi)部元件116之間，用于確保良好的機(jī)械連接。電導(dǎo)體118和120分別通過(guò)槽114和115插入，用于連接加熱器線圈106。加熱器線圈106最好具有電絕緣涂層，如上所述。
如這些圖所示，利用這個(gè)方案，加熱器線圈106被夾在鐵磁內(nèi)部元件116和鐵磁外部元件102之間，這圍繞線圈形成一個(gè)閉合的磁路。最好是，加熱器線圈106在物理上和內(nèi)部元件116以及外部元件102接觸，以便增加從線圈的熱傳導(dǎo)。不過(guò)，在加熱器線圈106和內(nèi)部元件以及外部元件之間具有微小的間隙仍能正確地工作。
在優(yōu)選實(shí)施例中，交流電流通過(guò)加熱器線圈106流動(dòng)，借以在外部元件102、內(nèi)部元件116和噴嘴頭108中產(chǎn)生感應(yīng)熱量。流過(guò)線圈106的電流也在線圈本身產(chǎn)生電阻熱量，其也被傳遞給內(nèi)部元件和外部元件。在這種布置中，具有很小的或者沒(méi)有熱能被損失或浪費(fèi)，而是被引導(dǎo)到要被加熱的物品上。
參見圖5，其中示出了用于比較上面討論的每種加熱方法的各種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的表。由該表讀者可以快速地理解和使用按照本發(fā)明的加熱方法相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。按照本發(fā)明，能夠產(chǎn)生更多的熱能，具有小的能量損失，不需使用輔助的冷卻，不需使用諧振濾波器。結(jié)果，加熱一個(gè)給定物品的時(shí)間被減小，并且根據(jù)加熱器線圈的設(shè)計(jì)，可以用更加可控的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種用于加熱物品的方法，包括以下步驟以和所述物品熱連接和磁連接的方式提供電導(dǎo)體，對(duì)所述電導(dǎo)體提供功率，從而在所述物品中產(chǎn)生感應(yīng)熱量，以及向所述物品傳遞由所述電導(dǎo)體產(chǎn)生的電阻熱。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述電導(dǎo)體的周圍提供磁軛的步驟，以便圍繞所述物品形成閉合磁路。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述磁軛由鐵磁材料制成。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述磁軛的壁厚基本上等于或大于穿透深度。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電導(dǎo)體由具有相當(dāng)高的電阻的材料制成。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述材料是NiCr。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電導(dǎo)體由加熱器線圈構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述物品中提供用于插入所述電導(dǎo)體的槽的步驟。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述物品由鐵磁材料制成。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括在所述物體內(nèi)在基本上等于或大于穿透深度設(shè)置所述電導(dǎo)體的步驟。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電導(dǎo)體由半導(dǎo)體材料制成。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其中以感應(yīng)方式進(jìn)行對(duì)所述電導(dǎo)體施加電流的步驟。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電導(dǎo)體和所述物品電氣絕緣。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電導(dǎo)體中的所述電阻熱量以一個(gè)足夠高的速率傳遞給所述物品，使得不需使用輔助的冷卻裝置。
15.一種用于加熱可流動(dòng)的材料的裝置，包括一個(gè)具有形成一個(gè)通道的延長(zhǎng)的外部元件，用于流通所述可流動(dòng)的材料；噴嘴頭，其被剛性地固定到所述外部元件上，以及內(nèi)部元件，其被插入所述噴嘴頭和所述外部元件之間；所述通路通過(guò)所述內(nèi)部元件延伸，用于使所述可流動(dòng)的材料向出口流動(dòng)；在所述內(nèi)部元件和所述外部元件之間提供一個(gè)環(huán)形間隙，用于插入加熱器線圈，所述加熱器線圈和所述內(nèi)部元件以及所述外部元件呈磁連接和熱連接；和所述加熱器線圈呈電連接的電導(dǎo)體，用于對(duì)所述線圈施加電功率。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述可流動(dòng)的材料是金屬。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述金屬是鎂合金。
18.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述金屬處于觸變狀態(tài)。
19.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述可流動(dòng)的材料是塑料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于物品溫度控制的方法和裝置，其中利用由加熱線圈產(chǎn)生的電阻熱量和感應(yīng)熱量。
文檔編號(hào)H05B6/02GK1596558SQ02812995
公開日2005年3月16日 申請(qǐng)日期2002年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月26日
發(fā)明者詹姆斯·皮拉夫季奇, 斯特凡·馮布倫, 瓦列里·G·卡根 申請(qǐng)人:赫斯基注射器成型系統(tǒng)有限公司