專利名稱：加熱系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加熱系統(tǒng)和方法，在多種實(shí)施例中，其包括，利用感應(yīng)加熱或者電阻和感應(yīng)加熱的組合；而且，加熱可以是局部化的(指向特定的區(qū)域)，和/或加熱可以是連續(xù)的或間歇的。
背景技術(shù)：
普遍的實(shí)踐是，通過感應(yīng)(渦)電流，感應(yīng)加熱鐵磁(高磁導(dǎo)率)材料(諸如鋼)的圓柱或管。由所施加的磁通量在鐵磁材料中感應(yīng)了渦電流，并且通過使交變電流通過環(huán)繞圓柱或管安置的一個(gè)或多個(gè)加熱器線圈生成了該磁通量。該感應(yīng)加熱方法可以適用于多種其他類型的材料、零件和負(fù)載，包括流體、半固體或固體材料(例如，填充和未填充聚合物、鋼坯和陶瓷的熔融的鋼或鎂)。
被加熱的物體自身可由感應(yīng)電流加熱，和/或其同被感應(yīng)加熱另一物體或基板進(jìn)行熱傳遞(例如，通過傳導(dǎo)或輻射)，例如，在鐵磁基板中感應(yīng)生成的熱被轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體晶片時(shí)。在這一點(diǎn)上，例如，通過使用更高電阻的材料以增加線圈中生成的和轉(zhuǎn)移到物體(通過傳導(dǎo)或輻射)的電阻熱，可以改變加熱元件或線圈的電阻率。鎳鉻合金，即具有約為銅電阻率的6倍的電阻率的鎳鉻(NiCr)合金，已被用于線圈，以生成磁通量，用于對(duì)位于通量中的物體的感應(yīng)加熱，并且生成電阻熱(在線圈中)，其隨后通過傳導(dǎo)和/或輻射轉(zhuǎn)移到相同的物體。
傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱線圈由銅制成，并且是水冷的，以防止線圈的過熱。而且，在水冷線圈和正被加熱的物體之間提供了空氣間隙，以避免由于線圈冷卻介質(zhì)引起物體的熱排除。該空氣間隙和冷卻需要增加了加熱系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。它們還減少了裝置的強(qiáng)度(結(jié)構(gòu)完整性)，其在例如壓塑的施加壓力的應(yīng)用中，可能是關(guān)鍵的。然而，如果沒有冷卻，則線圈將失效(在升高的溫度下熔融或燃燒)。傳統(tǒng)的感應(yīng)加熱系統(tǒng)不利用較高電阻(例如，NiCr)的線圈，這是因?yàn)樵鰪?qiáng)的線圈的電阻加熱將使線圈冷卻更加困難，仍需要較大的冷卻通道和/或較低的冷卻溫度，其每一個(gè)均導(dǎo)致了較大的能耗和成本。而且，傳統(tǒng)的感應(yīng)電源不能驅(qū)動(dòng)電阻負(fù)載。
目前需要這樣的加熱系統(tǒng)和方法，其針對(duì)某些或全部的該問題，和/或需要能量源，以更加有效地，并且優(yōu)選地以較低的成本，為該加熱系統(tǒng)供電。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法包括下面的實(shí)現(xiàn)方案。
根據(jù)一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案，一種加熱裝置，包括加熱器線圈，其感應(yīng)耦合到物體，并且向該加熱器線圈提供電流信號(hào)。該加熱器線圈基于電流脈沖信號(hào)，生成磁通量，用于感應(yīng)加熱物體。該電流信號(hào)優(yōu)選地是具有高頻諧波的電流脈沖信號(hào)。
高頻諧波可用于改變感應(yīng)加熱功率。相比于電阻加熱，該諧波可以提高加熱器線圈的感應(yīng)加熱的相對(duì)比例。高頻諧波使得能夠使用較低基頻(或根頻)的供應(yīng)源電流(例如，50～60Hz的線路頻率)。電流脈沖的有效頻率，基于根頻分量和諧頻分量的組合，以及它們的幅度，可以提高特定應(yīng)用中的加熱器線圈的壽命，和/或使得能夠進(jìn)行更加迅速的線圈加熱。
在一個(gè)實(shí)施例中，加熱器線圈感應(yīng)耦合到包括物體的負(fù)載。該負(fù)載包括鐵磁芯和鐵磁軛，并且置于其間的加熱器線圈與芯和軛中的至少一個(gè)相接觸和/或嵌入在其中。在某些情況中，芯具有用于可流動(dòng)材料的通路，由此芯加熱該可流動(dòng)材料。加熱器線圈可以安置在芯中，由此加熱集中于通路中。
在另一實(shí)現(xiàn)方案中，物體形成了關(guān)于磁通量的基本閉合的回路的至少一部分。該物體包括第一部分，其中相比于該物體第二部分，感應(yīng)加熱是更加集中的。該第二部分可以通過，例如，在第二部分中具有縫、空氣間隙或較少鐵磁性的材料，引起渦電流的中斷，或者限制渦電流的流動(dòng)。
在另一實(shí)現(xiàn)方案中，電源被提供為，其向加熱器線圈提供電流信號(hào)。優(yōu)選地向加熱器線圈提供作為電流脈沖的電流，其具有可調(diào)節(jié)的諧波能含量。
在一個(gè)實(shí)施例中，加熱器線圈至少部分安置在具有用于被加熱的可流動(dòng)材料的通路的物體中，并且通過傳導(dǎo)和/或?qū)α鳎矬w中感應(yīng)生成的熱被遞送到通路中的可流動(dòng)材料。電源向加熱器線圈遞送幅度和/或頻譜(諧波頻率)變化的電流脈沖，用于調(diào)節(jié)針對(duì)通路中的可流動(dòng)材料的感應(yīng)加熱的遞送?？闪鲃?dòng)材料自身可以是鐵磁的，由此在材料中感應(yīng)了渦電流(除了物體之外或者作為物體的替換)。
根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方案，提供了一種方法，其包括以下步驟提供感應(yīng)耦合到物體的加熱器線圈，以及向加熱器線圈提供電流信號(hào)。該電流信號(hào)優(yōu)選地是具有高頻諧波的電流脈沖信號(hào)。
根據(jù)另一實(shí)現(xiàn)方案，該方法步驟包括提供加熱器線圈，其同物體進(jìn)行熱傳遞并且感應(yīng)耦合到物體，以及向加熱器線圈提供可調(diào)節(jié)的電流脈沖信號(hào)，用于調(diào)節(jié)物體的感應(yīng)和電阻加熱之間的比。
根據(jù)多種實(shí)現(xiàn)方案，該方法步驟可以包括同時(shí)的、不連續(xù)的、間歇的和/或交變周期的加熱、冷卻和/或溫度控制；通過針對(duì)幅度、脈沖寬度和/或頻譜，調(diào)節(jié)電流脈沖信號(hào)的能含量；和/或提供冷卻機(jī)制(冷卻介質(zhì)或散熱器)，以從正在加熱的物體移除熱。公開了特定的結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)這些方法步驟。該加熱系統(tǒng)和方法的多種實(shí)施例可以提供一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，諸如更均勻的加熱、減少的熱梯度、減少的熱應(yīng)力、可靠的高溫操作、緊湊的設(shè)計(jì)、更短的循環(huán)時(shí)間、以及減少的加熱時(shí)間。
在下面的附圖和詳細(xì)描述中將描述這些和其他的實(shí)現(xiàn)方案。
附圖簡(jiǎn)述

圖1A是用于提供感應(yīng)和電阻加熱這兩者的加熱系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖，其中纏繞的加熱線圈嵌入在同軸的內(nèi)部鐵磁芯和外部鐵磁軛之間，以便于提供線圈和芯/軛之間的閉合磁回路(參看箭頭)和增強(qiáng)的磁耦合；圖1B是圖1A的圓環(huán)部分1B的放大的片段視圖，示出了安置在芯中的槽中的電絕緣的線圈；圖1C是同圖1A所示相似的加熱系統(tǒng)的第二實(shí)現(xiàn)方案的部分剖開的側(cè)視圖，但是其在軛中具有縫；圖1D是沿圖1C的線1D-1D獲得的剖面圖，其示出了方向同線圈中的電流相反的芯中的感應(yīng)(渦)電流，并且示出了由于縫引起的軛中的渦電流的不連續(xù)性；圖1E是可以并入圖1A～1D的加熱系統(tǒng)的具有多個(gè)溫度區(qū)的桶擠壓機(jī)的示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案向圖1A～1D所示類型的加熱系統(tǒng)提供具有高頻諧波的電流脈沖的電源的一般性示意圖；圖3A是使用閘流管提供電流脈沖的電源的電路圖；
圖3B是使用閘門關(guān)斷(GTO)閘流管提供電流脈沖的電源的電路圖；圖3C是使用集成柵雙極型晶體管(IGBT)器件提供電流脈沖的電源的電路圖；圖4A是說明了由利用圖3A的閘流管的線路頻率電流供應(yīng)源生成的電流脈沖的時(shí)序圖；圖4B是說明了由利用圖3B的GTO閘流管的線路頻率電流供應(yīng)源生成的電流脈沖的時(shí)序圖；圖4C是說明了由利用圖3C的IGBT器件的線路頻率電流供應(yīng)源生成的電流脈沖的時(shí)序圖；圖5A是三相三脈沖單極換向器的電路圖，其由線路頻率供應(yīng)源的附加相提供了附加的電流脈沖，并且圖6A是相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖；圖5B是三相六脈沖雙極換向器的電路圖，其由線路頻率供應(yīng)源的附加相提供了附加的電流脈沖，并且圖6B是相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖；圖5C是單相雙脈沖單極脈動(dòng)器的電路圖，其由線路頻率供應(yīng)源的橋電路提供了附加的電流脈沖，并且圖6C是相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖；圖5D是三相六脈沖單極脈動(dòng)器的電路圖，其由線路頻率供應(yīng)源的附加相提供了附加的電流脈沖，并且圖6D是相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖；圖5E是三相十二脈沖單極脈動(dòng)器的電路圖，其由線路頻率供應(yīng)源的附加相提供了附加的電流脈沖，并且圖6E是相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖；圖7是用于比較正弦線路頻率電流相對(duì)于具有高頻諧波的電流脈沖的加熱性能的實(shí)驗(yàn)中使用的加熱系統(tǒng)的等距視圖，并且圖7A是沿圖7的線7A-7A獲得的放大的剖面圖；圖8是來自通過圖7的加熱系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的記錄數(shù)據(jù)的溫度/時(shí)間曲線圖，其示出了同正弦電流相比，通過電流脈沖進(jìn)行的基本上較高的加熱速率；圖9是圖7的實(shí)驗(yàn)中使用的電流脈沖的示意性分布；圖10是另一實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖，其中加熱裝置并入到爐子中，并且圖10A是圖10中的圓環(huán)部分10A的放大的片段視圖；圖11是另一實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖，其中加熱裝置并入到水加熱器或化學(xué)反應(yīng)器中；圖12是另一實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖，其中加熱裝置作為表面安裝在化學(xué)容器或化學(xué)反應(yīng)器上的加熱器修補(bǔ)件而被并入；圖13是分層加熱結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖；圖14是分層加熱結(jié)構(gòu)的另一實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖，其具有厚度為A的內(nèi)部鐵磁層；圖15是分層加熱結(jié)構(gòu)的另一實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖，其具有在內(nèi)部鐵磁層中的冷卻通路；圖16是分層加熱結(jié)構(gòu)的另一實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖，其具有在加熱元件中的冷卻通路；圖17是分層加熱結(jié)構(gòu)的另一實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖，其中內(nèi)部層包括抗腐蝕和熱傳導(dǎo)襯墊；圖18是分層加熱結(jié)構(gòu)的另一實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖，其通過熱噴涂方法形成，并且圖18A是圖18中的圓環(huán)部分18A的放大的片段視圖；圖19是分層加熱結(jié)構(gòu)的另一實(shí)現(xiàn)方案的剖面示意圖，其通過熱噴涂方法形成，并且圖19A是圖19中的圓環(huán)部分19A的放大的片段視圖；圖20是具有盤繞的加熱元件的噴射噴嘴組件的分解部件圖；圖21是沿圖22的線21-21獲得的剖面圖；圖22是圖20的噴嘴組件的端視圖(在模具端處)；圖23是多溫度區(qū)噴嘴組件的分解部件圖，其具有上和下蛇形導(dǎo)體圖案；圖24是圖23的組裝噴嘴的正視圖；圖25是沿圖24的線25-25獲得的剖面圖；圖25A是圖25中的圓環(huán)部分25A的放大的片段視圖；圖26是一半的吹塑模制裝置的正視圖；圖27是圖26的吹塑模制裝置的分解部分的圖；圖28是圖27的裝置的加熱元件和相鄰的層的示意性片段視圖；圖29是吹塑模制和熱調(diào)節(jié)方法的時(shí)序圖；圖30是壓縮模具的示意性透視圖；圖31是圖30的壓縮模具的分解部分的圖；
圖32是圖30的壓縮模具的加熱元件和相鄰的層的示意性片段視圖；圖33是圖31的組裝部件的剖面示意圖；圖34是圖33中的圓環(huán)部分34的放大的片段視圖；圖35是圖34中的圓環(huán)部分35的放大的片段視圖；圖36是壓縮模制方法的時(shí)序圖；圖37是繞芯纏繞的圓柱形加熱器線圈的示意性透視圖；圖38是圖37的線圈和芯的剖面示意圖；圖39是安裝在板上的平面螺線線圈的示意性正視圖；圖40是圖39的線圈和板的剖面示意圖；圖41是安裝在板上的平面環(huán)狀螺線線圈的示意性正視圖；圖42是圖41的線圈和板的剖面示意圖；圖43是安裝在板上的平面蛇形線圈的示意性正視圖；圖44是圖43的線圈和板的剖面示意圖；圖45是安裝在板上的平面環(huán)狀蛇形線圈的示意性正視圖；圖46是圖45的線圈和板的剖面示意圖；圖47是示出了單一的正弦波的幅度-時(shí)間曲線圖；圖48是圖47的正弦波的頻譜的曲線圖；圖49是示出了具有高頻諧波的電流脈沖信號(hào)的幅度-時(shí)間曲線圖；圖50是示出了圖49的電流脈沖信號(hào)的頻譜的曲線圖；圖51是用于加熱和冷卻裝置的控制電路的示意圖。
詳細(xì)描述已經(jīng)確定，在此處描述的多種實(shí)施例中，具有特定分布的電流脈沖可用于提高由加熱元件或線圈遞送的感應(yīng)加熱的速率、強(qiáng)度和/或功率，和/或提高感應(yīng)加熱系統(tǒng)的壽命或者減小感應(yīng)加熱系統(tǒng)的成本。在所選實(shí)施例中，可以在不需要相應(yīng)地增加加熱器中的電流的情況下，將其實(shí)現(xiàn)。還可以使得能夠使用較低頻率(例如，50～60Hz)的供應(yīng)源電流，并且可以同這樣的結(jié)構(gòu)性加熱和冷卻元件耦合，即其使得能夠?qū)崿F(xiàn)定向(局部化)加熱和冷卻效果，用于產(chǎn)生更緊密的溫度控制或者減少的循環(huán)時(shí)間。
更具體地，這些電流脈沖具有迅速變化的電流分布，其提高了感應(yīng)加熱性能。電流脈沖是具有陡峭邊緣(大的一階導(dǎo)數(shù))的離散的窄寬度的脈沖，其包括具有線圈電流的基頻或根頻的諧波。此處將高于根頻的這些諧波描述為高頻諧波，其優(yōu)選地出現(xiàn)在加熱線圈和/或加熱系統(tǒng)的邊界頻率之上。向加熱器線圈提供該脈沖可用于在不需要增加線圈中的均方根(RMS)電流的情況下，顯著地增加感應(yīng)遞送到鐵磁負(fù)載或者其他感應(yīng)加熱負(fù)載的功率。這可以接下來降低加熱器線圈的能耗或冷卻需要，和/或增加加熱器線圈的壽命。
單獨(dú)地使用或者同此處描述的結(jié)構(gòu)性加熱和冷卻元件結(jié)合使用這些電流脈沖，可能引出的一個(gè)問題是，最大容許線圈電流，或者加熱器所能夠承受的并且仍能提供有用壽命的極限電流(IC-limit)。因此，對(duì)于給定的IC-limit(RMS)，線圈匝數(shù)N和電磁連接系數(shù)Kc，這里引出的問題是，如何增加感應(yīng)加熱功率。
在現(xiàn)有技術(shù)中，解決方案是增加電源的頻率，在該情況中，提供同線圈并聯(lián)的大電容器，作為“諧振轉(zhuǎn)換器”，用于調(diào)節(jié)(緊密控制)提供給加熱器線圈的正弦電流的諧振頻率。關(guān)于該解決方案的一個(gè)問題是，該電源不適于同電阻負(fù)載(電阻線圈)一同工作。
而且，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)用于表面加熱的感應(yīng)加熱的使用，需要對(duì)穿透深度的緊密控制，其接下來需要對(duì)頻率的緊密控制。結(jié)果，諧波是不受歡迎的，并且因此是提供給加熱器線圈的電流信號(hào)的微小(最小化的)部分。這與通常不歡迎高頻諧波是一致的，例如，在提供正弦60Hz線路頻率電流時(shí)，電流的提供者使用巨大的電容器，以從他們的系統(tǒng)中除去諧波，這是因?yàn)樗麄兊目蛻粼谒峁┑男盘?hào)中不需要被稱為噪聲的諧波，其干擾他們的電氣設(shè)備和計(jì)算機(jī)，并且改變有效頻率。
這里，相反地，有意地向電流脈沖提供高于線圈電流的根頻的諧波。這些離散的窄的電流脈沖具有陡峭的邊緣(幅度變化)和脈沖之間的相對(duì)長(zhǎng)的延遲。它們呈現(xiàn)為斬波或壓縮波，且在每個(gè)循環(huán)中的脈沖之間具有相對(duì)大的延遲。
諧波提供了電流脈沖信號(hào)的有效頻率的增加，特別是在保持高的諧波幅度，由此感應(yīng)加熱功率是高的情況中。通過頻譜分析儀觀察，電流脈沖在多個(gè)諧波頻率的每一個(gè)處將包括多個(gè)電流分量。應(yīng)當(dāng)理解，如此處使用的，電流和電壓是可互換的并且是等效的。
優(yōu)選地，諧波高于線圈或加熱系統(tǒng)的邊界頻率，并且電流脈沖信號(hào)的根頻也優(yōu)選地高于該邊界頻率(由于根頻可以提供電流脈沖信號(hào)的最大幅度分量)。通過使用變壓器等，可以提高諧波的幅度。下文描述了用于設(shè)置電流脈沖信號(hào)的系統(tǒng)和方法的多種實(shí)現(xiàn)方案，以及說明其使用的所選應(yīng)用。
該方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，相比于現(xiàn)有技術(shù)的感應(yīng)加熱系統(tǒng)的諧振正弦高頻電源，提供了較簡(jiǎn)單的和成本較低的電源。在該現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)中，在加熱器線圈和感應(yīng)加熱芯之間提供的空氣間隙構(gòu)成了針對(duì)通量的高磁電阻(低磁導(dǎo)率)，其產(chǎn)生了高的邊界頻率。為了解決該問題，現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)在諧振電路中利用高頻和高幅度的電流信號(hào)，確信其對(duì)克服空氣間隙的影響是有必要的，并且其使得能夠進(jìn)行迅速的芯感應(yīng)加熱。
相反地，本發(fā)明的所選實(shí)施例，例如，通過消除空氣間隙，并且更優(yōu)選地，將線圈整個(gè)或者至少部分地嵌入在基板中，并且通過提供關(guān)于磁通量的部分閉合或基本上閉合的回路(用于閉合帶有芯的回路的鐵磁軛)，其中的一個(gè)或者兩個(gè)可用于減小系統(tǒng)的邊界頻率，從而提供了線圈和基板之間的較好的磁耦合。這樣，該邊界頻率的減小可以有利地用于提供高于系統(tǒng)邊界頻率的諧波電流脈沖中的較大的能量的量。這可以使得能夠使用較低(根)頻率的電流供應(yīng)源，和/或不需要顯著增加線圈中的均方序列(RMS)電流。
在所選實(shí)施例中，通過包括配備有低頻或線路頻率信號(hào)的脈沖發(fā)生器的較低成本的電源，提供了所需的電流脈沖。線路頻率典型地被限定為通常使用的或者對(duì)于私人、商業(yè)和工業(yè)用戶易于獲得的電源的赫茲(Hz)級(jí)，例如，50～60Hz。多種信號(hào)發(fā)生或開關(guān)器件，包括閘流管、閘門關(guān)斷(GTO)閘流管、硅控整流器(SCR)和集成柵雙極型晶體管(IGBT)器件，可以用作脈沖發(fā)生器，用于通過線路頻率或直流電流(DC)提供短的電流脈沖。該脈沖是非正弦電流信號(hào)，不需要諧振電路；事實(shí)上，所需的是，不提供諧振電路，由此保持了脈沖中的高頻諧波。這些諧波的存在可以顯著地增加感應(yīng)轉(zhuǎn)移到被加熱物體的功率。
所需的電流脈沖基本上可以改善利用感應(yīng)和電阻加熱的組合，或者主要利用感應(yīng)加熱的加熱系統(tǒng)的性能。該電流脈沖可用于具有基本上閉合的磁回路的系統(tǒng)中，但是它們也將改善不具有閉合磁回路的感應(yīng)加熱器的性能。在具有加熱器線圈和基板之間的空氣間隙、磁回路的任何部分中的空氣間隙的系統(tǒng)中，或者在用于加熱電傳導(dǎo)的且非磁芯或負(fù)載材料的系統(tǒng)中，可以沒有閉合的磁回路。
下式說明了在所選實(shí)施例中通過這些電流脈沖可獲得的令人驚異的性能改善。式(1a)用于計(jì)算針對(duì)形成圓柱的鐵磁材料中的渦電流(Re)流動(dòng)的預(yù)期電阻；式(1b)是關(guān)于平板的比較式。這里假設(shè)圓柱或板是閉合的磁回路的一部分，并且以高于邊界頻率的頻率，將正弦電流施加到加熱器線圈，該加熱器線圈繞該圓柱纏繞，或者以蛇形(蛇蚊形)形狀表面安裝在平板上。對(duì)于圓柱，針對(duì)渦電流(Re)的等效電阻是Re=πDLρμω---(1a)]]>其中
D是圓柱的直徑，L是圓柱的長(zhǎng)度，ρ是圓柱材料的電阻率，μ是圓柱材料的磁導(dǎo)率，并且ω是圓柱中的渦電流的角頻率，并且，對(duì)于板，Re=Lpρμω---(1b)]]>其中L是線圈導(dǎo)體的長(zhǎng)度，p是線圈導(dǎo)體的周長(zhǎng)，ρ是平板材料的電阻率，μ是平板材料的磁導(dǎo)率，并且ω是板中的渦電流的角頻率，并且在以上兩種情況中(圓柱和板)，其中ω＝2πf，f是基頻，并且對(duì)于周期T，f＝1/T。
這樣，對(duì)于正弦電流，等效渦電流電阻Re隨著頻率ω的平方根增加。相反地，通過實(shí)驗(yàn)確定，通過使用此處描述的電流脈沖，等效渦電流電阻可以增加得更快。在不限制本發(fā)明的范圍的前提下，可以理論化的是，由于脈沖包括高頻諧波，因此由高于其根頻(額定頻率或基頻)的該電流脈沖的有效頻率，引起了該增加的電阻。因此，通過提供具有相對(duì)于時(shí)間的高的電流變化速率的電流脈沖，實(shí)際上可以以低于這些脈沖所替換的正弦電流的基頻，提供電流脈沖，這是因?yàn)檫@些電流脈沖的陡峭變化部分提供了不僅限于補(bǔ)償其較低基頻的高頻諧波。結(jié)果，比預(yù)期更多的功率被以感應(yīng)方式提供給芯或負(fù)載。
所需的電流脈沖可以通過多種電子器件生成，其提供了迅速的開關(guān)，以產(chǎn)生高頻諧波中的大部分脈沖能量。多相設(shè)備的使用可進(jìn)一步用于提高脈沖的基頻。在下文的多種實(shí)施例中，并且通過針對(duì)比較性的實(shí)驗(yàn)(參看圖7～9的隨附文字)，描述了這些方面。
現(xiàn)將描述有利地利用了這些電流脈沖的感應(yīng)加熱系統(tǒng)的多種實(shí)現(xiàn)方案。
圖1A～1D嵌入線圈、同軸芯/軛圖1A～1B和1C～1D分別示出了加熱系統(tǒng)的兩個(gè)實(shí)施例，其中加熱線圈嵌入在被感應(yīng)加熱的物體(鐵磁芯和鐵磁軛)中。在這兩個(gè)實(shí)施例中，存在加熱器線圈、芯和軛之間的緊密物理(熱)接觸和磁耦合。
更具體地，圖1A示出了感應(yīng)加熱系統(tǒng)25的剖面部分，其包括通常為圓柱形的鐵磁芯22(繞中心線29安置)，該鐵磁芯22具有中空的中心通路26，被加熱的可流動(dòng)材料通過該通路26。例如，芯22可以是擠壓模具、熔體歧管或熔體輸送器、或者動(dòng)力混合器或塑化單元的一部分，并且可流動(dòng)材料可以是任何食物、塑料、金屬等，對(duì)于來自感應(yīng)加熱系統(tǒng)的熱而言，該可流動(dòng)材料是最終的目標(biāo)?；旧蠄A柱形且同軸的外部鐵磁軛28圍繞內(nèi)部芯，且在芯的外徑23和軛的內(nèi)徑27之間存在基本上直接的接觸(基本上消除了空氣間隙)。外部軛28閉合了回路(磁通量線19)，以便于將基本上全部的磁通量保持在相鄰的鐵磁芯22和鐵磁軛28中，由此基本上增加了磁耦合，減小了針對(duì)磁通量的等效電阻，并且降低了系統(tǒng)的邊界頻率。
包括由電絕緣體36圍繞的導(dǎo)線導(dǎo)體20的加熱器線圈嵌入在芯22中。加熱器線圈20在螺旋形槽34中繞芯22的外徑23纏繞。這提供了緊密的物理接觸，并且使得線圈20中電阻性生成的熱能夠轉(zhuǎn)移到芯22。
線圈20高度磁耦合到芯22，如磁通線19所示。線圈20可由實(shí)心導(dǎo)體制成，諸如銅，或者由更高電阻的材料制成，諸如鎳鉻。芯22由磁導(dǎo)材料制造，諸如鐵，或者由其他的鐵磁材料制造，以促進(jìn)磁耦合。
線圈20還通過同芯22和軛28的緊密物理接觸進(jìn)行熱耦合。線圈20由熱傳導(dǎo)電絕緣材料覆蓋(例如，層或涂層36)。適當(dāng)?shù)牟牧习ㄑ趸V和多種氧化鋁；也可以使用其他的電絕緣材料。
通過鐵磁芯22的中心中空通路26由內(nèi)壁24限定。被加熱的物質(zhì)可以是氣體、液體、固體或其某種組合，其被安置在(或者通過)通路26。在芯22中感應(yīng)生成的熱經(jīng)由熱傳導(dǎo)和/或輻射傳送到通路26中的材料。
軛28由磁導(dǎo)材料制成，諸如鐵或鋼，或者由其他鐵磁材料制成。軛28被安置為同加熱器線圈20相鄰，并且與之進(jìn)行熱傳遞。芯22和軛28直接接觸(基本上消除了空氣間隙)，以提供閉合的磁回路，以及增強(qiáng)的熱傳導(dǎo)。線圈20對(duì)芯22和軛28的緊密耦合基本上減小了線圈20的邊界頻率。
在圖1C～1D中示出了相似的加熱系統(tǒng)的第二實(shí)施例。該修改的系統(tǒng)25′包括修改的軛28′，其具有延長(zhǎng)的中空部分或縫30，并且在縫之間，具有延長(zhǎng)的實(shí)心部分或肋31；縫30和肋31被安置為基本上與芯/軛的中心線29′平行?？p30同繞芯22纏繞的線圈20的回路成直角?？p30，其實(shí)際上是空氣間隙，產(chǎn)生了軛28′中的渦電流32的不連續(xù)性或者限制，如圖1D所示(沿圖1C中的剖切線1D-1D獲得的剖面圖)。相反地，在芯22中不存在限制芯22中的渦電流的縫。該配置導(dǎo)致了芯22中的而非軛28′中的優(yōu)先的感應(yīng)加熱；當(dāng)被加熱的最終物體是芯22的通路26中的材料時(shí)，這是所需的。因此，遞送到加熱系統(tǒng)的功率的較大部分被傳送到被加熱的物體，而非傳送到軛28′。在圖1D中，線圈20中的電流35被示出為逆時(shí)針方向，并且芯22中的結(jié)果渦電流33被示出為順時(shí)針方向。兩個(gè)縫之間的每個(gè)肋31中的渦電流32處于逆時(shí)針方向中。
圖1E多個(gè)加熱區(qū)圖1E示出了多溫度區(qū)桶擠壓機(jī)12，其并入了前文描述類型的感應(yīng)加熱系統(tǒng)25。該擠壓機(jī)包括具有多個(gè)加熱區(qū)Z1～Z6的桶區(qū)13；以及具有附加的加熱區(qū)Z7～Z9的噴嘴區(qū)14。(被加熱的)可流動(dòng)材料通過擠壓機(jī)一端處的入口漏斗16進(jìn)入桶，并且繼續(xù)通過桶和噴嘴的多種的加熱區(qū)15。任何一個(gè)或多個(gè)加熱區(qū)15，諸如區(qū)Z2，可以利用如前文描述的加熱系統(tǒng)25。
圖2～6電源和開關(guān)器件圖2示出了用于向加熱系統(tǒng)25′提供電流脈沖的電源，該加熱系統(tǒng)25′同圖1A～1D中示出的相似。脈沖發(fā)生器40在(一個(gè)或多個(gè))輸入線路43上接收約60Hz的線路頻率正弦電流信號(hào)42，并且在輸出線路44上，以該線路頻率或者以在該線路頻率的倍頻，生成電流脈沖Ic，用于遞送到線圈20。施加到線圈20的電流脈沖生成了迅速變化的磁通量，其緊密耦合到芯22，并且其感應(yīng)加熱芯22(并且最終加熱通道26中的材料)。由于縫30，避免了軛28′中的顯著的渦電流，由此基本上未對(duì)軛28′感應(yīng)加熱。通過將渦電流集中在芯22中，顯著改善了整體感應(yīng)加熱效率。
脈沖發(fā)生器40可以包括一個(gè)或多個(gè)高速開關(guān)器件，諸如閘流管48A、GTO閘流管48B、或者IGBT器件48C，如圖3A～3C中分別示出的。這些器件將線路頻率正弦電流信號(hào)42轉(zhuǎn)換為電流脈沖Ic，如圖4A～4C中分別示出的。
參考圖3A，閘流管48A可用于高功率應(yīng)用，例如，數(shù)千瓦的范圍。單相雙極換向器51(圖3A中的虛線框所示)包括平行配置的相反取向的閘流管對(duì)T1和T2。當(dāng)電源線路電壓接近翻轉(zhuǎn)時(shí)(輸入信號(hào)42越過圖4A中的水平軸)，電路驅(qū)動(dòng)器50向引線52提供控制信號(hào)，以使T1(或T2)導(dǎo)通。一旦導(dǎo)通，閘流管僅在施加的電壓翻轉(zhuǎn)時(shí)截止，其在短時(shí)間后發(fā)生，如圖4A所示。輸入的60Hz線路頻率的周期是T＝(1/60)秒，其約為17毫秒(ms)。結(jié)果，在180、360...度附近以兩倍的線路頻率生成了窄的電流脈沖44A(如圖4A所示)。通過變壓器54可以增加電流脈沖44A的幅度，其將線路頻率正弦電流信號(hào)42的輸入電壓U0提升到輸出電壓U。短脈沖44A中提供的RMS電流近似等效于直接來自電壓為U0的線路頻率正弦電流信號(hào)42的RMS電流。提供給加熱器線圈20的電流脈沖44A(由Rc表示，即加熱線圈電路的等效總電阻)包括急劇變化的斜坡，該情況中是陡峭上升的前緣46和陡峭下降的后緣47(參看圖4A)。如44A的脈沖的傅立葉變換指出了，脈沖44A的大部分能量處于在高頻諧波中。適當(dāng)?shù)拈l流管T1和T2可獲得自International Rectifier Corp.，EI Sugendo，CA。還可獲得具有驅(qū)動(dòng)器50的集成電路芯片，用于控制閘流管。
對(duì)于中等功率水平的應(yīng)用，即數(shù)百瓦的范圍，可以使用相反取向的GTO閘流管對(duì)48B(參看圖3B)替換(圖3A的)閘流管T1和T2，用于在正弦輸入信號(hào)的任何點(diǎn)處提供電流脈沖44B(參看圖4B)(參看圖3B的電路和圖4B中的結(jié)果電流脈沖)。優(yōu)選地，在線路頻率正弦電流信號(hào)42的峰42′處提供脈沖44B，如圖4B所示，減少或消除了通過變壓器增強(qiáng)正弦電流信號(hào)42的需要。適當(dāng)?shù)腉TO可獲得自DynexSemiconductor，Lincoln，United Kingdom。
對(duì)于低的(數(shù)十瓦)和中等的(數(shù)百瓦)功率水平的應(yīng)用，可以使用如圖3C所示的集成柵雙極型晶體管(IGBT)器件48C替換(圖3A的)閘流管T1和T2，用于提供具有高頻諧波的脈沖44C，諸如圖4C所示的方波形式?？煽卣髌?0對(duì)電壓為U0的線路頻率正弦電流信號(hào)42進(jìn)行整流，以提供DC電壓UDC，其隨后被輸入到IGBT器件48C。在控制電路62的引導(dǎo)下，IGBT器件48C自所整流的電壓UDC生成了電流脈沖Ic，以形成饋送到加熱器線圈Rc的方波脈沖44C。適當(dāng)?shù)腎GBT器件可獲得自International Rectifier Corp.，諸如IRGKI140U06器件，其提供了25KHz的硬開關(guān)，具有600伏的擴(kuò)展時(shí)間電壓和140安的擴(kuò)展時(shí)間電流。該IGBT器件已在先前被用于向諧振正弦電路提供高頻信號(hào)，用于感應(yīng)加熱；然而在現(xiàn)有的諧振系統(tǒng)中，未獲得脈沖中的高頻諧波的優(yōu)點(diǎn)。相反地，這里電流脈沖連同所保持的其高頻諧波一起，被直接提供給線圈20，避免了對(duì)諧振電路的任何使用或需要。
在圖3A和3B的每一個(gè)中，兩個(gè)相反取向的開關(guān)器件的平行配置針對(duì)單相正弦線路電流供應(yīng)源的每個(gè)周期T產(chǎn)生了兩個(gè)脈沖。閘流管或GTO的更加復(fù)雜的配置可用于針對(duì)多相供應(yīng)源的每個(gè)周期提供更多數(shù)目的脈沖。
一個(gè)示例是圖5A所示的三相三脈沖單極換向器57，其中三相供應(yīng)源59向線圈Rc提供三個(gè)單極脈沖。在圖6A所示的相關(guān)聯(lián)的時(shí)序圖中，三個(gè)電壓信號(hào)UA、UB、UC在一個(gè)周期中產(chǎn)生了三個(gè)脈沖44D(T＝(1/60)sec≌17ms)。
可替換地，在圖5B的電路中示出了三相六脈沖雙極換向器61，其在一個(gè)周期中產(chǎn)生了六個(gè)雙極脈沖44E，如圖6B所示。
在圖6A～6B中，曲線UA、UB和UC表示相A、B和C中的電壓的時(shí)序圖。
如另一替換方案，在圖5C的電路中示出了單相雙脈沖單極脈動(dòng)器供應(yīng)源63，其在一個(gè)周期中產(chǎn)生了兩個(gè)單極脈沖44F，如圖6C所示。
如另一替換方案，在圖5D的電路中示出了三相六脈沖單極脈動(dòng)器供應(yīng)源65，其在一個(gè)周期中產(chǎn)生了六個(gè)單極脈沖44G，如圖6D所示。
在圖6D中，曲線A、B和C同相A、B和C中的電壓相關(guān)；曲線AB、AC、BC、BA、CA、CB同對(duì)應(yīng)的線路電壓AB、AC等相關(guān)；在間隔1-4中，閘流管1和4接通，并且從線路電壓AB向負(fù)載Rc提供電流脈沖；在間隔1-6中，閘流管1和6接通，并且從線路電壓AC向負(fù)載Rc提供電流脈沖，等等。
最終，在圖5E的電路中示出了三相供應(yīng)源67，其在一個(gè)周期中產(chǎn)生了12個(gè)單極脈沖44H，如圖6E所示。在圖5E中，變壓器T1和T2提供了移位30度的兩個(gè)三相電壓系統(tǒng)；從星形連接的3個(gè)相向T1饋電，并且由三角形連接的3個(gè)相向T2饋電。在圖6E中，曲線AB、AC、BC、BA、CA、CB對(duì)應(yīng)于從變壓器T1提供的線路電壓AB、AC等；曲線AB′、AC′、BC′、BA′、CA′、CB′對(duì)應(yīng)于從變壓器T2提供的線路電壓AB、AC等。
在圖5A～5E的每一個(gè)中，Rc是加熱線圈電路的等效總電阻。
提供(關(guān)于多相供應(yīng)源的每個(gè)周期的)附加脈沖使基頻(根頻)增加，其進(jìn)一步增加了由獨(dú)立脈沖的高頻諧波分量提供的效果。這樣，由這些更加復(fù)雜的配置提供的較高的基頻，同陡峭變化的電流脈沖自身的高頻組合，提供了顯著增強(qiáng)的感應(yīng)加熱。
圖7～9性能比較執(zhí)行了這樣的實(shí)驗(yàn)，其說明了，由此處描述的電流脈沖供電的組合感應(yīng)和電阻加熱系統(tǒng)，相比于由60赫茲的正弦信號(hào)電壓供電的相同的加熱系統(tǒng)，具有改善的性能。圖7示出了加熱裝置。圖8是加熱速率的比較結(jié)果。圖9說明了在該示例中使用的電流脈沖的形狀。
如圖7所示，被加熱的物體是具有5mm的厚度和160mm的直徑的平的鋼盤(芯)70，其由具有1mm厚度和160mm直徑的平的鋼軛71覆蓋(參看圖7和7A)。加熱線圈72，其由鎳鉻矩形導(dǎo)線形成，2.92米長(zhǎng)，并且具有2.5mm×1mm的剖面，提供了1.17ohm的線圈電阻。線圈72被覆蓋在絕緣材料75中，并且嵌入在盤的頂表面74中的蛇形槽73中；線圈和盤由軛71覆蓋，以提供閉合的磁回路。線圈72、盤/芯70和軛71，全部是緊密物理接觸(使任何空氣間隙最小化)。由圖7的設(shè)置，通過嵌入在鋼盤70和鋼軛71之間的電絕緣線圈72，由式2(下文敘述)計(jì)算的邊界頻率僅為24Hz。相反地，在沒有閉合的磁回路(沒有軛71)的情況下，將預(yù)見到約2KHz的邊界頻率。
首先通過60Hz的正弦信號(hào)(工業(yè)電源)對(duì)該物體加熱。然后，在冷卻到環(huán)境溫度之后，通過同圖3C中示出和描述的相似的來自IGBT源的電流脈沖，對(duì)物體加熱。
對(duì)于所施加的跨越線圈72的正弦60Hz信號(hào)電壓，測(cè)得了9伏的RMS電壓，由此提供了10安的RMS電流。算得遞送到線圈72和盤70的功率為117瓦。對(duì)于60Hz的正弦電壓輸入，測(cè)得的盤70的溫度變化速率，為0.27℃/sec，其在圖8中繪出。
從感應(yīng)加熱下的電磁過程分析，并且對(duì)于高于邊界頻率的頻率，關(guān)于加熱器線圈電路的基爾霍夫(Kirchoff)方程可以表述為Ups=Ic(Rc+Kc2N2Re)+Icjω(1-Kc2)Lc---(2)]]>其中Ups是電源的源的RMS電壓；ω是高于邊界頻率的電源的源的頻率；Ic是加熱線圈中的電流(RMS)；Re是渦電流等效電阻；Rm是磁通路的等效磁電阻；N是加熱線圈中的導(dǎo)線匝數(shù)；Rc是加熱線圈的電阻；Lc是加熱線圈的電感；Kc＜1是加熱線圈和渦電流之間的電磁連接的系數(shù)；j＝sqrt(-1)是虛數(shù)單位；并且其中邊界頻率Ωωb＝RmRc＝2πfb。
對(duì)于60Hz的正弦供應(yīng)源信號(hào)，從線圈處的電壓和電流測(cè)得了約1.2ohm的總電阻。(由式1)算得渦電流等效電阻Re為0.1ohm。加入鎳鉻導(dǎo)線自身的1.17ohm的電阻，在線圈處預(yù)期測(cè)得的總電阻是1.27ohm。實(shí)際測(cè)得的約1.2ohm的電阻相當(dāng)接近于該預(yù)期值。由這些數(shù)字可以看到，使用60Hz的正弦供應(yīng)源信號(hào)僅以感應(yīng)方式遞送了約8％的功率。因此，由鎳鉻導(dǎo)線的電阻加熱獲得了所遞送的大部分功率。
相比較而言，當(dāng)將60Hz的供應(yīng)源信號(hào)替換為同圖3C所示相似的來自IGBT(獲得自International Rectifier Corp.，IRGP450U，額定在500伏和60安，并且達(dá)到10KHz的硬開關(guān))的電流脈沖時(shí)，提供了具有5KHz頻率的電流脈沖。這些來自IGBT的脈沖80具有圖9所示的分布，在每個(gè)脈沖中具有四個(gè)高度傾斜節(jié)段(81、82、83、84)，以及脈沖之間的延遲85。調(diào)節(jié)電壓以提供(同60Hz供應(yīng)源)相同的10安的電流；然而，為了通過由IGBT提供的高頻脈沖提供10安的電流，電壓須增加到114伏。更高的電壓是經(jīng)過變壓回到線圈時(shí)的所加熱物體中的更高的渦電流等效電阻的結(jié)果。線圈中的電功率現(xiàn)近似為1140瓦。當(dāng)利用這些電流脈沖時(shí)，測(cè)得鋼盤中的溫度增加速率為2.6℃/sec，如圖8所示。
由式1b計(jì)算關(guān)于5KHz電流脈沖的渦電流等效電阻，其示出了渦電流等效電阻Re隨著頻率的平方根增加。對(duì)于5KHz的頻率，其比60Hz的線路頻率幾乎高出100倍，預(yù)期渦電流電阻約高出10倍，或者約為1.8ohm。實(shí)際上，實(shí)際測(cè)得的5KHz時(shí)的渦電流等效電阻為約10ohm(114伏除以10安，并且減去線圈自身的1.17ohm的電阻)。實(shí)際測(cè)得的大得多的等效渦電流電阻示出了，渦電流電阻的增加遠(yuǎn)大于從小于基頻的100倍增加所預(yù)期的10倍的增加。因此，有效頻率增加實(shí)際上必須遠(yuǎn)高于5KHz。為了獲得幾乎6倍大的等效電阻，有效頻率增加必須約為180KHz。由于每個(gè)脈沖中的高頻諧波，可以獲得該遠(yuǎn)為更高的頻率，如圖9所示。
脈沖的傅立葉變換將示出這些高頻諧波中的高的能量水平。關(guān)于周期函數(shù)(電流脈沖是周期函數(shù))的傅立葉變換得到了傅立葉序列F(t)＝A0+A1sin(ωt)+A2sin(2ωt)+A3sin(3ωt)+...
其中ω＝2πf＝基角頻率，f＝1/T＝基頻，t＝時(shí)間，T＝該周期函數(shù)的周期A0＝常數(shù)，并且A1，A2，A3，...＝一次、二次、三次...諧波的幅度。
例如，具有基頻ω的統(tǒng)一方波函數(shù)Fsw(ωt)，具有傅立葉序列Fsw(ωt)＝4/π[sin(ωt)+1/3sin(3ωt)+1/5sin(5ωt)+1/7sin(7ωt)+......]在該情況中，Re的6倍的增加意味著，約5/6＝83％的脈沖能量在高頻諧波中。因此，通過每個(gè)脈沖中的這些高頻諧波的存在，可以解釋比預(yù)期高得多的渦電流電阻。結(jié)果，由感應(yīng)加熱，而非由電阻加熱，將大得多的比例的功率提供給所加熱的物體(這里是金屬盤)。
在多種實(shí)現(xiàn)方案中，在高頻諧波中提供大于15％的，并且更具體地，至少為50％的脈沖能量，是所需的。在具體的實(shí)施例中，該范圍的較高端，至少70％，是所需的(例如，用于噴嘴中的凍結(jié)栓塞的迅速熔融；用于允許材料流過孔；或者用于擠壓機(jī)桶的均勻加熱)；50～69％的中間范圍可以包括第二優(yōu)選方案，并且25～49％的較低范圍是第三優(yōu)選方案。操作范圍可以從初始加熱變化到穩(wěn)定狀態(tài)的操作范圍。
作為比較的基礎(chǔ)，矩形波(替換正弦波，并且具有與之相同的幅度)在高頻諧波中具有其能量的25％，而三角形波(具有相同的幅度)具有約10％。
在此處描述的所選實(shí)施例中，其中所需的是，利用感應(yīng)和電阻加熱這兩者，由電源消耗的加熱功率包括兩個(gè)部分a)電阻加熱功率PR＝Ic2Rcb)感應(yīng)加熱功率PI＝Ic2Kc2N2Re其中Ic是加熱器線圈中的電流(RMS)；Rc是加熱器線圈的電阻；Re是等效渦電流電阻；N是線圈匝數(shù)；并且Kc是加熱線圈和渦電流之間的電磁連接系數(shù)。同其中冷卻加熱器線圈并且因此失去了加熱功率的該電阻分量的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)相比，在此處描述的組合電阻/感應(yīng)實(shí)現(xiàn)方案中，當(dāng)該熱被轉(zhuǎn)移到被加熱的物體時(shí)，電阻分量PR將貢獻(xiàn)于整體加熱效率。如果加熱線圈嵌入在所加熱物體中，則電磁連接系數(shù)幾乎增加到Kc＝1，其在相同的線圈電流下增加了加熱功率的感應(yīng)部分PI。對(duì)于固定的Ic(針對(duì)給定線圈的最大允許電流)、N和Kc，通過增加渦電流等效電阻Re(如前文通過式1所描述的)，增加了加熱功率的感應(yīng)分量PI。
任意輸入電流(不必是正弦變化)下的感應(yīng)加熱的電磁過程分析指出了，渦電流電阻Re是線圈中的電流變化速率的函數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明Re～(dIc/dt)n其中n＞1，Ic是線圈中的電流，并且t是時(shí)間?？紤]到該關(guān)系，在不增加線圈中的電流的情況下，通過將高基頻正弦電流供應(yīng)源替換為具有陡峭變化部分的電流脈沖，可以顯著增加來自感應(yīng)加熱的加熱比例。由于電流脈沖的陡峭變化部分提供了不僅限于補(bǔ)償較低基頻的諧波，因此這些脈沖可以提供在低于其所替換的正弦電流的基頻。
在所選實(shí)施例中，通過消除空氣間隙、將線圈嵌入在基板中、和/或提供軛以確保關(guān)于磁通量的閉合回路，提供了較好的耦合，由此可以降低邊界頻率。這有助于通過提供具有高于邊界頻率的高頻諧波的電流脈沖改善感應(yīng)加熱性能。
如上文所述，可以提供用于感應(yīng)加熱的較低成本的電源，其包括通過低頻或線路頻率激勵(lì)的脈沖發(fā)生器。信號(hào)生成器件，包括閘流管、GTO和IGBT器件，可用于自線路頻率或直流提供短的電流脈沖。保持這些電流脈沖中的高頻諧波(在沒有諧振電路的情況下)，以增加轉(zhuǎn)移到被感應(yīng)加熱物體的功率。而且，相比于現(xiàn)有系統(tǒng)，可以不需要加熱線圈的冷卻。
IGBT器件能夠承受高于所述實(shí)驗(yàn)中使用的電壓和電流，其可以在高于5KHz的頻率運(yùn)行，由此通過與60Hz實(shí)驗(yàn)中所提供的相同的線圈，以及線圈中的相同的電流，向負(fù)載提供了更高的功率用于加熱。
圖10爐子圖10說明了作為可替換的加熱系統(tǒng)的爐子90。該爐子包括碗形容器91(作為鐵磁芯)，其具有底壁97和向上張開的側(cè)壁98；和線圈93，其嵌入在繞該側(cè)壁的外周纏繞的立方槽中。套狀軛92覆蓋了芯的側(cè)壁98，與之直接接觸，閉合了磁回路。固定的或者可移除的蓋94覆蓋容器91的頂部開口。在芯91中容納材料95，其是熔融的或者另外是按照需要保持在所選的溫度。圖10A中的細(xì)節(jié)部分示出了線圈93，其由絕緣層96圍繞，同芯側(cè)壁91和軛92緊密接觸。
圖11水加熱器或化學(xué)反應(yīng)器圖11示出了水加熱器或化學(xué)反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)方案，其中圓柱形的芯101具有嵌入在其外表面中的線圈，并且圓柱形的軛102圍繞芯，但是通過空氣間隙107與之分離。同軛102直接接觸的盤形的下軛105閉合了加熱器/反應(yīng)器的底端，并且同軛102直接接觸的盤形的上軛104閉合了加熱器/反應(yīng)器的頂端，由此閉合了磁回路。鐵磁芯101同上和下鐵磁軛104、105，以及鐵磁側(cè)壁軛102之間的緊密物理(直接)接觸增強(qiáng)了閉合磁回路的耦合。被加熱的可流動(dòng)材料可以通過中心通路109送到加熱器/反應(yīng)器中。
圖12加熱器修補(bǔ)件圖12示出了另一可替換的加熱系統(tǒng)110，其中化學(xué)容器或反應(yīng)器112具有安裝于其上的加熱器修補(bǔ)件。示出了兩種可替換的加熱器修補(bǔ)件類型，右側(cè)的圓盤114和左側(cè)的方形或矩形板116。這些加熱器修補(bǔ)件的構(gòu)造同圖7的結(jié)構(gòu)相似。
圖13～19分層加熱結(jié)構(gòu)圖13是加熱裝置120的示意性剖面，其包括外部層122、內(nèi)部鐵磁層126、置于外部層和內(nèi)部層之間的加熱元件124、以及同內(nèi)部鐵磁層相鄰的被加熱的物體128。加熱元件由電絕緣體125圍繞，用于使電導(dǎo)體同內(nèi)部鐵磁層和外部層隔離。外部層可以是多種材料中的任何一種，包括鐵磁或非鐵磁材料、電傳導(dǎo)或非傳導(dǎo)材料、以及絕熱或非絕熱材料。外部層還可以完全地或部分地是空氣間隙。
圖14示出了可替換的裝置130，其包括外部層132、內(nèi)部鐵磁層136、置于外部層和內(nèi)部層之間的加熱元件(具有導(dǎo)體134和絕緣罩135)、以及同內(nèi)部鐵磁層相鄰的被加熱的物體138。這里，內(nèi)部鐵磁層具有約3*的厚度A。Δ(*)是內(nèi)部層136的鐵磁材料中的所感應(yīng)渦電流的穿透深度。該厚度A提供了將熱從鐵磁層136傳送到被加熱物體/材料138的優(yōu)選的效率。
圖15示出了可替換的裝置140，其包括外部層142、內(nèi)部鐵磁層146/149、以及置于內(nèi)部層和外部層之間的加熱元件(導(dǎo)體144連同絕緣罩145)。再次地，被加熱的物體148被安置為同內(nèi)部鐵磁層相鄰。這里內(nèi)部層146/149包括冷卻通路147，冷卻介質(zhì)可以(例如，間歇地)通過該冷卻通路147，以按照需要降低內(nèi)部層146/149的溫度。可替換地，該冷卻通路可以安置在外部層142中，或者可以在外部層和內(nèi)部層中提供它們。
圖16示出了另一可替換的裝置150，其包括外部層152、內(nèi)部鐵磁層156、以及置于內(nèi)部層和外部層之間的加熱元件(導(dǎo)體154連同絕緣罩155)。再次地，被加熱的物體158被安置為同內(nèi)部鐵磁層156相鄰。在該實(shí)施例中，加熱元件是具有內(nèi)部冷卻通路157的中空的矩形電傳導(dǎo)加熱元件154。冷卻介質(zhì)可以通過中心冷卻通路，用于(例如，間歇地)冷卻內(nèi)部層156和/或外部層152。
圖17示出了另一實(shí)現(xiàn)方案，其分別包括圍繞加熱元件(導(dǎo)體164和絕緣罩165)的鐵磁外部層和鐵磁內(nèi)部層162、166。內(nèi)部層166包括抗腐蝕和熱傳導(dǎo)層169，其同被加熱的物體168相鄰。內(nèi)鐵磁層和外鐵磁層162、166形成了關(guān)于所感應(yīng)磁場(chǎng)的基本閉合的磁回路。外部層162可以是絕熱的。
熱噴涂(TS)方法可用于制造上文在圖13～17中以及下文在圖18～19中描述的多種結(jié)構(gòu)中的集成分層加熱元件。這些集成分層結(jié)構(gòu)使得加熱元件能夠成為裝置的結(jié)構(gòu)性元件的一部分，能夠承受施加到例如，熔體通道、吹塑模制或者壓縮模制系統(tǒng)的壓縮力。
圖18～18A示出了例如，分層加熱裝置，其包括置于外部層172和內(nèi)部鐵磁層176之間的加熱元件。該加熱元件具有外電介質(zhì)層175A、內(nèi)部冷卻通路177、傳導(dǎo)線圈層174和內(nèi)部電介質(zhì)層175B?？商鎿Q地，可以從加熱元件中除去冷卻通路，或者可以在該加熱裝置的其他位置提供該冷卻通路。為了制造該結(jié)構(gòu)，在內(nèi)部層176的外表面173中形成通道171。將內(nèi)部電介質(zhì)層175B熱噴涂在通道171中。下面，將電傳導(dǎo)線圈層174熱噴涂在內(nèi)部電介質(zhì)層175B上?？梢詮某送ǖ?71中以外的外表面173中，移除所涂敷的層175B和174?？梢詫⒌诙娊橘|(zhì)層175A熱噴涂在外部層172的內(nèi)表面上。然后將外部和內(nèi)部部分連接在一起，留下層175A和174之間的冷卻通路177。
在圖19～19A中示出了可替換的熱噴涂實(shí)現(xiàn)方案。這里，裝置180包括外非鐵磁模制基座182、外電介質(zhì)絕緣熱噴涂層185A、加熱線圈層184、內(nèi)電介質(zhì)熱噴涂層185B、內(nèi)鐵磁模制表面層186、以及被安置為同內(nèi)模制表面相鄰的被加熱的物體188。所施加的磁場(chǎng)在內(nèi)鐵磁模制表面層186中感應(yīng)渦電流。相比于內(nèi)部層186，基本上非鐵磁(例如，鋁)的模制基座182將不具有顯著的所感應(yīng)的渦電流，并且將基本上是較冷的。一旦加熱元件184被關(guān)斷，可以發(fā)生模制表面層186的迅速冷卻。較冷的外模制基座182的基本上較大的質(zhì)量將熱從基本上較低質(zhì)量的模制表面層186中拉出。這里，冷卻介質(zhì)或機(jī)制是外非鐵磁模制基座182本身，其用作熱散熱器。
圖20～22噴射噴嘴在傳統(tǒng)的噴嘴加熱組件中，電阻加熱器帶被安置在噴射噴嘴的外周上。這樣，必須將加熱器帶中電阻性地生成的熱從噴嘴的外表面熱傳導(dǎo)到其內(nèi)表面，其中(被加熱的)材料流過中心噴嘴通路。這是相對(duì)低效率的加熱方法，并且難于提供均勻的溫度或迅速的加熱。如果過于迅速地加熱噴嘴，則產(chǎn)生了熱梯度，其可能導(dǎo)致噴嘴中的結(jié)構(gòu)性故障(例如，裂紋)。噴嘴本身是擠壓機(jī)/桶裝置的延伸，并且典型地經(jīng)受數(shù)噸的力，例如，夾合噸位的5～10％。因此，由過度的熱梯度引起的小的裂紋易于出現(xiàn)，并且導(dǎo)致了最終的故障。
而且，在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)中，在噴射噴嘴中提供了分離的冷卻回路，以防止在打模具打開具用于移除模制物體時(shí)塑料熔體“淌下”或“滴下”。因此，對(duì)于每個(gè)模制循環(huán)，噴射模具的可移動(dòng)側(cè)打開，并且在模具脫離的過程中，至噴嘴的熔融塑料的流動(dòng)必須停止。如果發(fā)生了來自分離的熔體通路(在模具或噴嘴中)的淌下或滴下，則其必須被移除，引起了停機(jī)時(shí)間和材料的損失。用于控制該問題的替換方法是昂貴的，或者在很多情況中是不現(xiàn)實(shí)的。擠壓機(jī)的減壓或者噴嘴的機(jī)械閉合可以有助于防止淌下，但是某些模制材料不允許減壓，這是因?yàn)槠湓谀Ｖ撇糠种挟a(chǎn)生了缺陷(空氣雜質(zhì))。機(jī)械閉合設(shè)備是有問題的，這是因?yàn)樗鼈冃枰~外的移動(dòng)部件、電傳感器、液壓管(具有伴隨的液漏和火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn))、部件的磨損、閉合銷的準(zhǔn)確配合、以及維護(hù)。
因此，所需的是將熔體通路口的溫度控制在精確的水平上，和/或允許迅速的加熱或冷卻該口。這可以減少或者消除對(duì)機(jī)械閉合設(shè)備的需要。而且，該熔體的熱控制將使得能夠形成凝固節(jié)段、部分凝固節(jié)段，或者能夠增加熔體的粘性，由此其不會(huì)淌下或滴下。
還將所需的是，同應(yīng)用于噴嘴外表面的傳統(tǒng)的電阻加熱器帶相比，提供更加緊湊和能量效率更高的加熱裝置。對(duì)于這些現(xiàn)有已知的設(shè)備，所施加的加熱和冷卻遠(yuǎn)離所需的被加熱或被冷卻的所需區(qū)域(中心通路)，由此導(dǎo)致了差的熱響應(yīng)時(shí)間。結(jié)果，加熱和冷卻硬件在尺寸上增加，以補(bǔ)償熱效率的不足，使得加熱和冷卻裝置非常龐大。而且，電阻加熱器的壽命在諸如600°F的溫度下是非常有限的，在需要更換加熱器時(shí)增加了停機(jī)時(shí)間。
圖20～22說明了用于噴射噴嘴組件的改進(jìn)的加熱和冷卻系統(tǒng)。噴嘴組件200通常是圓柱形的，具有中心穿通通路208，其從第一或桶/擠壓機(jī)端部210延伸到第二模具端部212。噴嘴包括內(nèi)部部件202和同軸外部部件204，以及置于內(nèi)部和外部部件之間的線圈加熱器元件206。加熱元件206的形狀被構(gòu)造為，在內(nèi)部噴嘴部件202的模具端部上繞管214的外圓柱表面213纏繞的螺旋線圈。管和加熱元件配合到外部部件204的內(nèi)部孔216中，如圖21所示。連續(xù)穿通通路形成在模具端部212處由外部噴嘴214的中心孔220，并且連續(xù)通過中心通路222，該中心通路222沿內(nèi)部噴嘴202的長(zhǎng)度延伸到桶/擠壓機(jī)端部210。
塑料熔體通過中心通路，其來自擠壓機(jī)，通過噴嘴200，通過熱的流道系統(tǒng)，并且進(jìn)入模具。在將預(yù)定量的塑料熔體從噴嘴200噴射到模具中之后，并且在模具中的一定的冷卻時(shí)間之后，打開模具，即，使其同噴嘴分離，此刻塑料熔體通過噴嘴的流動(dòng)必須停止。本噴嘴的加熱和冷卻元件實(shí)現(xiàn)了高的能量效率和相對(duì)簡(jiǎn)單的用于在噴射循環(huán)中控制溶體流動(dòng)的機(jī)制。
在噴射循環(huán)的第一部分中，熔融的塑料將流過所加熱的噴嘴組件的中心通路208。將電流脈沖信號(hào)施加到加熱元件206，其生成了交變磁場(chǎng)。該場(chǎng)在內(nèi)部噴嘴的鐵磁管214中生成了感應(yīng)渦電流，其加熱內(nèi)部噴嘴管。內(nèi)部噴嘴管中的熱被傳送到流過內(nèi)部噴嘴的中心通路222的熔融塑料。相比于現(xiàn)有技術(shù)的施加到噴嘴組件外表面上的電阻加熱帶，加熱元件216被安置為同中心通路222相對(duì)接近。
在所示出的實(shí)施例中，加熱器線圈是鎳鉻合金(NiCr)的線圈元件，其具有相對(duì)大的剖面，以減少線圈中生成的電阻熱。線圈由電絕緣材料覆蓋，以便于使加熱元件同內(nèi)部和外部噴嘴部件202、204電氣隔離。而且，在內(nèi)部和外部噴嘴部件之間形成了通路230，其中可以通過冷卻介質(zhì)。在噴射模制循環(huán)的第二部分中，可以部分地或全部地減少電流脈沖信號(hào)，以減少或消除在鐵磁內(nèi)部噴嘴202中生成的感應(yīng)加熱，并且由此減少傳送到通路222中的熔融塑料的熱。為了冷卻鐵磁內(nèi)部噴嘴202，冷卻介質(zhì)通過冷卻通路230，以便于從內(nèi)部噴嘴管214帶走熱。這使得能夠在該循環(huán)的第二部分中進(jìn)行塑料熔體的迅速冷卻。然后打開該模具，并且由于凝固節(jié)段、部分凝固節(jié)段的形成，或者塑料的增加的粘性，塑料不再流過噴嘴。
在不需要外部噴嘴的感應(yīng)加熱的情況下，外部噴嘴204不需要由鐵磁材料形成?？商鎿Q地，在需要感應(yīng)加熱外部噴嘴以及內(nèi)部噴嘴的情況下，外部噴嘴可由鐵磁材料制成。
該噴嘴設(shè)計(jì)使得能夠進(jìn)行迅速加熱，以實(shí)現(xiàn)均勻或穩(wěn)定狀態(tài)的加熱，并且能夠在噴射循環(huán)的另一部分中進(jìn)行迅速的冷卻。在相對(duì)低溫的應(yīng)用中，可以使用銅加熱線圈206，而沒有任何冷卻周期。然而，對(duì)于較高溫度的應(yīng)用，例如600°F，銅線圈將氧化，并且在短的時(shí)間周期中燒毀。在較高溫度的應(yīng)用中，優(yōu)選的是使用鎳鉻(NiCr)線圈，其可以承受較高的溫度。
而且，該實(shí)現(xiàn)方案提供了緊湊的和高效的噴嘴設(shè)計(jì)。所生成的熱較接近于中心通路222，其中其被傳送到被加熱的材料。而且，所施加的冷卻較接近于內(nèi)部噴嘴，使得能夠在噴射循環(huán)的模具打開(模具脫離)部分中，進(jìn)行內(nèi)部噴嘴的迅速冷卻。
圖23～25多區(qū)熱流道噴嘴圖23～25示出了并入在多溫度區(qū)噴嘴組件240中的加熱裝置的另一實(shí)施例。鋼的熱流道噴嘴242具有帶有中心通路246的伸長(zhǎng)的圓柱形部分244。加熱器套筒組件247包括加熱線圈248，其安置在管或套筒250上，并且由外部層254覆蓋。在內(nèi)部套筒250的外表面上以蛇形圖案提供電傳導(dǎo)線圈248。套筒組件247在噴嘴242的圓柱244上滑動(dòng)。內(nèi)部套筒250和外部層254提供了電導(dǎo)體248和鐵磁鋼噴嘴圓柱244之間的電絕緣。在該實(shí)施例中，其主要依賴于鐵磁鋼噴嘴的感應(yīng)加熱，不需要加熱組件和噴嘴之間的密切物理接觸(如由電導(dǎo)體生成的電阻熱的轉(zhuǎn)移所需要的)。
圖23示出了用于噴射模制噴嘴的多區(qū)加熱組件的分解圖。外部層254被示出為從該組件移除，但是實(shí)際上其永久附裝在加熱元件和內(nèi)部套筒250上。示出了兩個(gè)溫度控制區(qū)(區(qū)1和區(qū)2)，其被說明為，上面的電導(dǎo)體圖案256，其在蛇形圖案的相鄰元件之間具有相當(dāng)接近的間隔，以及下面的間隔更寬的圖案258。如果上和下傳導(dǎo)圖案由相同的信號(hào)供電，則上方圖案256將遞送比間隔較寬的下方圖案258更多的熱。蛇形圖案的使用允許引線260從多個(gè)區(qū)后面退出；在內(nèi)部套筒的下端處提供了電氣連接器262。
圖24是具有安裝在噴嘴242上的加熱器套筒的組件的外形圖?？梢詫?shí)現(xiàn)多種區(qū)的長(zhǎng)度和數(shù)目，以適應(yīng)不同的噴嘴長(zhǎng)度。圖25和25A示出了這樣的剖面圖，其示出了安置在內(nèi)部電介質(zhì)(例如，陶瓷)管250和外部電介質(zhì)(例如，陶瓷)層254之間的加熱元件248。
該噴嘴和加熱器套筒組件的優(yōu)點(diǎn)是迅速?gòu)膰娮?42中移除加熱器套筒組件247以便于清洗噴嘴或?qū)ζ溥M(jìn)行其他保養(yǎng)的能力。相反地，現(xiàn)有的加熱元件需要同噴嘴的緊密公差配合，使得保養(yǎng)是非常困難且耗時(shí)的。例如，如果電阻加熱元件故障并且需要更換，則通常必須撬松噴嘴。這里，配合相對(duì)松的陶瓷套筒可以提供，例如，在內(nèi)部套筒250和噴嘴圓柱244之間的高達(dá)半個(gè)毫米的間隙，并且仍提供噴嘴的有效感應(yīng)加熱。而且，通過提供內(nèi)部陶瓷管250，將加熱元件248噴涂在管250的外表面上，并且隨后將外部陶瓷層254澆鑄在加熱元件248和管250上，可以經(jīng)濟(jì)地制造加熱器套筒組件。澆鑄的外部層254可以提供主要的套筒的結(jié)構(gòu)完整性。
圖26～29吹塑模具圖26～29示出了另一實(shí)施例，其中加熱裝置并入到容器吹塑模制裝置300中。在該示例中，加熱元件將主要提供感應(yīng)加熱，以便于迅速加熱在模具內(nèi)表面上提供的鐵磁材料薄膜(模具插入件)。這樣，可以使外部模具保持在較低的溫度。該薄的鐵磁模制表面層的迅速加熱和冷卻使得能夠減少用于吹塑模制和/或容器熱調(diào)節(jié)的整體循環(huán)時(shí)間。
傳統(tǒng)的熱調(diào)節(jié)工藝?yán)酶叩哪＞邷囟?，以調(diào)節(jié)吹塑模具中的塑料容器。在所吹塑的容器的內(nèi)表面上，該高的模具溫度需要使用空氣冷卻，以便于允許在沒有過度收縮或變形的情況下，從模具中移除容器。這些傳統(tǒng)的模具可以具有260～280°F的表面溫度，并且需要恒定的引入和排放處于600psi(40bar)壓力下的壓縮空氣，以冷卻容器的內(nèi)表面，同時(shí)外表面同熱的模具相接觸。取決于所使用的聚合物，該類型的熱處理可用于提供增加的結(jié)晶程度。
相比于較低操作溫度的模具，使用高的模具溫度和內(nèi)部空氣沖洗/冷卻減少了生產(chǎn)量。例如，在190°F的較低模具溫度，瓶制造商能夠每小時(shí)每個(gè)模具生產(chǎn)1400個(gè)容器，在260～280°F的較高模具溫度，該數(shù)目可能減少到每小時(shí)1200個(gè)瓶或更少。除了由空氣冷卻所需要的模制裝置的較高的成本和復(fù)雜度之外，該生產(chǎn)量的減少是很大的成本不利之處。
圖26～27示出了本申請(qǐng)人的用于制造塑料瓶290的吹塑模制裝置300的一半。在圖27的分解圖中，由鋁Al制成的外部模具部分306具有內(nèi)部構(gòu)形輪廓308，用于形成一半容器側(cè)壁。在該內(nèi)部模具的表面中提供了蛇形槽310，其被構(gòu)形為容納加熱線圈302和相鄰的外部電介質(zhì)線圈312。加熱線圈302安置在同樣以蛇形圖案提供的該外部電介質(zhì)線圈312和被示為連續(xù)的片的內(nèi)部電介質(zhì)層314之間。同內(nèi)部電介質(zhì)層314的相對(duì)側(cè)相鄰的是相對(duì)薄的層(同外部模具306相比)的鐵磁模具插入件304，這里例如，其由NiCr制成，并且被形成為連續(xù)的片。模具插入件304具有同內(nèi)部電介質(zhì)層314接觸的外表面318，并且具有內(nèi)表面320，其具有同吹塑側(cè)壁292中被復(fù)制的細(xì)節(jié)相同的構(gòu)形輪廓。外部模具基座306配有槽322和用于向加熱線圈302提供電流的引線的電氣連接器324。
圖28是說明瓶壁的模具表面加熱的示意性剖面圖。具有圍繞的電介質(zhì)層312、314的加熱線圈302被示出為安置在外部模具基座306和更薄的模具插入件304之間。加熱器線圈302中的電流生成了磁通量301，其延伸通過NiCr模具插入件304以及Al模具基座306。由于Al模具基座306相比于NiCr模具插入件304，具有針對(duì)渦電流的更低的電阻，因此模具基座306將不會(huì)由渦電流生成顯著的熱。相反地，模具插入件304將生成顯著的渦電流，其感應(yīng)加熱模具插入件304。在模制工藝過程中保持瓶側(cè)壁292同模具插入件304緊密接觸，由此熱從被感應(yīng)加熱的模具插入件304轉(zhuǎn)移到瓶壁292。
圖29說明了可以通過使用該吹塑模具裝置實(shí)現(xiàn)的循環(huán)時(shí)間的減少。在曲線圖的左側(cè)列出了吹塑模制循環(huán)340的步驟；水平軸是時(shí)間，以秒(sec)為單位。虛線342根據(jù)在曲線圖右側(cè)提供的溫度刻度344，表示瓶側(cè)壁的溫度。在更右方還提供了以秒為單位的關(guān)于循環(huán)的每個(gè)部分的近似指征(持續(xù)時(shí)間346)。
在新循環(huán)開始時(shí)，加熱預(yù)制件(將由其形成瓶)插入到模具中(持續(xù)時(shí)間0.1sec)。該預(yù)制件在與外部模制基座近似相同的約190°F的溫度時(shí)進(jìn)入模具。將模具插入件加熱到所需的最大溫度，即280°F。模具插入件的感應(yīng)加熱將持續(xù)循環(huán)的1.5秒。關(guān)閉模具(在循環(huán)中的t＝0.1sec處)，并且開始預(yù)制件的拉伸吹塑模制(持續(xù)時(shí)間0.2秒)。擴(kuò)展的預(yù)制件容器同所加熱的模具插入件相接觸，并且側(cè)壁溫度繼續(xù)上升，直至其達(dá)到280°F的模具插入件溫度(在循環(huán)中的約t＝0.7sec處)。保持該壓力，以便于維持瓶側(cè)壁同模具接觸，用于熱調(diào)節(jié)的目的(持續(xù)時(shí)間1.2秒；在循環(huán)中的從t＝0.3至1.5sec)。此刻在熱調(diào)節(jié)中，減小或關(guān)斷感應(yīng)加熱，并且開始模具插入件的冷卻?，F(xiàn)在，較低溫度的外部模制基座從模具插入件中移除熱，結(jié)果，仍同模制基座相接觸的瓶壁溫度降低(在循環(huán)中從t＝1.5至1.9sec)。接下來，隨著吹塑壓力的排放(在t＝1.9sec處)，所冷卻的瓶壁達(dá)到用于從模具中排出的可接受的溫度。打模具打開具(在t＝2.1sec處)并且排出容器(在t＝2.3sec處)。一旦該部分被排出，模具插入件的加熱再次開始，用于下一個(gè)循環(huán)。達(dá)到所需的最大模具插入件溫度，并且插入下一預(yù)制件，以開始新的循環(huán)。總的循環(huán)時(shí)間(從插入預(yù)制件到排出容器)約為2.4秒，其包括在從190°F到達(dá)280°F的溫度范圍上加熱、擴(kuò)展和調(diào)節(jié)容器。
在該示例中，感應(yīng)加熱使得能夠進(jìn)行薄膜鐵磁模制表面(即模具插入件304)的迅速加熱。通過終止(或基本上減小)對(duì)加熱線圈302的供電，薄的鐵磁膜快速地冷卻到較低的外部模具溫度(模具基座306的190°F)；這消除了對(duì)吹制容器的內(nèi)部空氣流通的需要。通過消除對(duì)容器的內(nèi)部空氣冷卻的需要，節(jié)約了可觀的資金、能量和維護(hù)。通過熱調(diào)節(jié)，吹塑模制表面的迅速的熱循環(huán)可以提供具有的改善屬性的容器，諸如側(cè)壁中的較銳利的細(xì)節(jié)和/或容器的更堅(jiān)實(shí)的感覺。這是在不需要較高的模具基座溫度的較慢的生產(chǎn)量、以及不需要同內(nèi)部空氣冷卻相關(guān)聯(lián)的成本的情況下實(shí)現(xiàn)的。
該裝置和方法還可以提供優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的用于生產(chǎn)具有高的熱調(diào)節(jié)水平的容器的雙模具工藝的顯著的優(yōu)點(diǎn)。在雙模具工藝中，容器在第一模具中被吹制、被移走并且在調(diào)節(jié)爐中經(jīng)受輻射熱，并且隨后被轉(zhuǎn)移到第二吹塑模具并被重新吹制為最終的所需形狀。所得到的容器典型地用于非常高的使用溫度(例如，巴氏殺菌應(yīng)用)。通過使用本感應(yīng)加熱元件，并且在較長(zhǎng)的循環(huán)時(shí)間中模制，利用單模具工藝可以實(shí)現(xiàn)所需的高結(jié)晶度。這顯著減少了資金和操作成本需要。作為另一替換方案，可以將鐵磁添加劑并入到吹制瓶的聚合物中，以便于直接感應(yīng)加熱瓶壁，以及通過自模制插入件的熱轉(zhuǎn)移感應(yīng)加熱瓶壁。
圖30～36壓縮模具圖30～36說明了另一實(shí)施例，其中將加熱裝置并入到壓縮模具400中。在圖30中示出了關(guān)閉的壓縮模具。圖31是示出了壓縮模具的多種部分的分解剖面圖，其以從頂至底的串聯(lián)的順序包括·芯402；·環(huán)404；·模具插入件406；·上電介質(zhì)層408；·加熱元件410；·下電介質(zhì)層412；·加熱器板414；·冷卻板416；·絕緣板418；和·襯板420。
在圖33中的剖面中示出了組裝部件。圖34～35是放大的剖面圖。
圖32中的示意性局部剖面可用于描述模具插入件406和加熱器板414的感應(yīng)加熱，以及加熱器板414的隨后的冷卻。在圖32中，絕緣板418(在頂部上未示出)提供了熱絕緣。下一層是冷卻板416，其中提供了冷卻通路422，用于間歇冷卻，如下文的工藝中所描述的。下面的層是鐵磁加熱器板414，并且其下面是模具插入件406和模制部分430。電傳導(dǎo)元件410安置在加熱器板414中的槽424中。線圈410中的電流生成了磁通量，其在加熱器板414和相鄰的模具插入件406這兩者中感應(yīng)了渦電流。模具插入件406中生成的熱隨后被轉(zhuǎn)移到相鄰的物體430(其在芯402和模具插入件406之間的環(huán)404中模制)。在該示例中，物體430是雙極性的板或燃料電池。相比于轉(zhuǎn)移到加熱器板414的熱，更多的熱將從模具插入件406轉(zhuǎn)移到相鄰的物體430。冷卻板416中的冷卻通道422允許加熱器板414的間歇冷卻。在可替換的實(shí)施例中，僅有加熱器板414和模具插入件406中的一個(gè)是鐵磁的。
根據(jù)圖36中描述的一個(gè)方法實(shí)施例，可以如下使用圖30～35中示出的裝置。在圖36的最左側(cè)的列440中示出了該方法的步驟440；水平軸是以秒(sec)為單位的時(shí)間。根據(jù)曲線圖右側(cè)的溫度刻度444，虛線442表示加熱器板414的溫度。在曲線圖更右側(cè)提供了每個(gè)方法步驟的持續(xù)時(shí)間446。在該模制循環(huán)中，模具溫度的變化是200°F，從230°F變化到430°F。目的是在最短的時(shí)間內(nèi)加熱和冷卻加熱器板414，以便于減少整個(gè)循環(huán)時(shí)間。
在新的循環(huán)開始的第一步驟中，模具插入件406被加熱到430°F的最大溫度。在循環(huán)的初始的30秒中，加熱器板414的溫度從230°F增加到430°F。在該加熱步驟的后面部分中，將模制材料裝載到模具中(在循環(huán)的t＝20～25sec處)。當(dāng)模具表面溫度達(dá)到430°F的高溫時(shí)，可以關(guān)閉模具并且施加壓縮(在循環(huán)的t＝25～30sec處)。在保持和固化階段中，(t＝30～70sec)，模具溫度維持在430°F。使模制物體在430°F保持40秒之后，循環(huán)的冷卻部分開始。將冷卻介質(zhì)施加到(在t＝70sec處)模制基座中的冷卻通道，并且熱被從加熱器板414中帶出，并且因此被從模具插入件406和所模制的物體430帶出。加熱器板414的溫度穩(wěn)定下降(從t＝70至115sec)，直至可以打模具打開具(45秒后)并且排出該部分(在t＝115sec處)。模具插入件的溫度現(xiàn)為230°F。然后清除冷卻通道中的冷卻液(從t＝115～120sec)，由此加熱器板414處于其230°F的低溫；同時(shí)，加熱元件410接通，以恢復(fù)對(duì)模具插入件406的加熱。該最后的步驟耗時(shí)約5秒。整體循環(huán)時(shí)間約為2分鐘。
額外的實(shí)施例和替換方案加熱器線圈可以是任何類型的電傳導(dǎo)的材料或元件(其具有變化的電阻率水平)，用于在提供有交變電流時(shí)生成交變磁場(chǎng)。其不限于任何特定的形式(例如，導(dǎo)線、線束、線圈、厚膜或薄膜、筆印刷或絲網(wǎng)印刷、熱噴涂、化學(xué)或物理氣相淀積、晶片等)，也不限于任何特定的形狀。
此處在一個(gè)或多個(gè)實(shí)現(xiàn)方案中描述了鎳鉻加熱器線圈，其是基本上電阻率比銅高的材料。其他的“電阻導(dǎo)體”加熱器線圈材料，包括例如，鎳、鎢、鉻、鋁、鐵、銅等的合金。
正被加熱的物體可以是任何物體、基板或材料(氣體、液體、固體或其組合)，其整體或部分地是鐵磁的，并且其自身可以通過施加磁通量以在其中感應(yīng)渦電流而被感應(yīng)加熱，或者其接收來自直接或間接被感應(yīng)加熱的另一物體轉(zhuǎn)移的熱。對(duì)物體的幾何特征、尺寸和/或相對(duì)于加熱器線圈的物理位置，不存在限制。
經(jīng)歷感應(yīng)加熱的物體不限于單一的物體，例如，如某些實(shí)施例中描述的磁芯，而是可以包括多個(gè)物體。除了(或替換)作為加熱物體的芯，被加熱的最終材料可以是通過芯中的流動(dòng)通路的電傳導(dǎo)材料(諸如鋁或鎂)。流動(dòng)通路中的材料自身可以通過來自芯的感應(yīng)的熱和/或轉(zhuǎn)移的熱而被加熱。
開縫的軛被描述為物體的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方案，其(通過芯)閉合磁通量回路，但是由于縫(基本上是空氣間隙)在磁場(chǎng)中產(chǎn)生了不連續(xù)性或限制，因此在感應(yīng)加熱方面是較低效率的。許多其他的結(jié)構(gòu)可用于產(chǎn)生該不連續(xù)性或限制，例如，軛的一部分可由非磁導(dǎo)或磁導(dǎo)率基本上低于鐵磁芯的材料(除了空氣以外)制成，或者軛可由鐵氧體、fluxtron或具有針對(duì)渦電流流動(dòng)的高電阻率的相似材料制成。同樣，軛可以廣泛地并且不局限于用于特定的結(jié)構(gòu)、形狀或材料。
加熱器線圈可形成為蛇形圖案，置于物體表面上或與物體表面相鄰，并且提供在(相對(duì)于位置的)交變方向中跨越物體的磁場(chǎng)。加熱器線圈可被形成為繞三維物體纏繞的圓柱形圖案，并且在線圈內(nèi)部提供(相對(duì)于位置的)相同方向中磁場(chǎng)。在多種實(shí)施例中，電導(dǎo)體可以是中空元件或?qū)嵭脑?，并且其可以采用多種形狀和形式，諸如螺線形、蛇形、環(huán)狀螺線形或環(huán)狀蛇形。環(huán)狀螺線形或環(huán)狀蛇形元件的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，兩個(gè)電氣引線可以在相同的位置退出。傳導(dǎo)線圈可以具有可變的間距(線圈之間的距離)，其將影響結(jié)果磁場(chǎng)生成。取決于可用的空間和所需的加熱功率，線圈的形狀和線圈之間的距離可以變化，以改變加熱功率密度。在S.Zinn和S.L.Semiaten于1988年6月、8月和10月的Heat Treating中出版的3 part文獻(xiàn)“Coil Design andFabrication”中找到了基本加熱器線圈設(shè)計(jì)的描述。
線圈的加熱輸出是頻率、電流和加熱元件的匝數(shù)的函數(shù)。該相關(guān)性可被描述為 其中α是材料和幾何特征的函數(shù)。
I＝電流
N＝匝數(shù)ω＝電源頻率Preq＝所需用于加熱材料的功率可以改變加熱和冷卻通道的設(shè)置，以獲得關(guān)于速度、均勻性和效率的所需的加熱分布或者模式。
圖37～46說明了如何通過不同的加熱器線圈(加熱元件)設(shè)置產(chǎn)生不同的感應(yīng)場(chǎng)。示例包括被構(gòu)形為如下形式的線圈圓柱形螺旋線圈(圖37～38)；平面螺線線圈(圖39～40)；平面環(huán)狀螺線線圈(圖41～42)；平面蛇形線圈(圖43～44)；和平面環(huán)狀蛇形線圈(圖45～46)。提供了透視圖以及剖面圖。磁通量由箭頭示出，線圈電流由Ic示出，并且渦電流由Ie示出。
可以使用下面的公式，例如，用于計(jì)算由具有各個(gè)形狀的線圈產(chǎn)生的感應(yīng)功率PI螺線形PI=π316R2jgen2d2[dd+Δ1]μρω]]>蛇形PI=π24R2jgen2d2[dd+Δ1]μρω]]>環(huán)狀螺線形PI=π316R2jgen2d2[dd+Δ1]μρω]]>其中R＝鐵磁負(fù)載的渦電流電阻jgen＝線圈中的電流密度d＝線圈直徑Δ1＝線圈之間的距離μ＝鐵磁負(fù)載的磁導(dǎo)率ρ＝鐵磁負(fù)載的電阻率
ω＝負(fù)載中的渦電流的角頻率圖37～38說明了繞實(shí)心圓柱形鐵磁芯504纏繞的圓柱螺旋線圈502。圖38示出了線圈元件的上面的行506的剖面，其電流方向Ic指向紙張，在芯的上面部分510中生成了順時(shí)針方向的磁通量508，其在芯的上面部分中生成了離開紙張的渦電流Ie。在線圈元件的下面的組512中，電流離開紙張，在芯的下面部分516中生成了順時(shí)針方向的磁場(chǎng)514，并且生成了在芯的下面部分中進(jìn)入紙張的渦電流Ie。上面和下面的磁場(chǎng)508、514在芯504中相互增強(qiáng)。
圖39～40說明了平面螺線線圈522，其安裝在平的鐵磁物體526的上表面524上。圖40示出了同物體的上表面524相鄰的線圈元件的左側(cè)的組530和右側(cè)的組536的剖面。線圈元件的左側(cè)的組530具有進(jìn)入紙張的電流Ic，并且在物體的左側(cè)部分534中生成了逆時(shí)針的磁場(chǎng)532，具有離開紙張的渦電流Ie。對(duì)于物體右側(cè)部分540上的線圈電流Ic、磁場(chǎng)538、以及渦電流Ie，方向是相反的。
圖41～42說明了平面環(huán)狀螺線線圈550，其安裝在平的鐵磁物體556的上表面552上。環(huán)狀螺線中的四個(gè)相鄰的線圈部分被標(biāo)注為A、B、C和D。圖42以剖面的形式示出了關(guān)于四個(gè)標(biāo)注的線圈部分中每一個(gè)的各自線圈電流Ic、磁場(chǎng)558和渦電流Ie的方向。
圖43～44說明了平面蛇形線圈570，其安裝在平的鐵磁物體574的上表面572上。蛇形線圈中的四個(gè)相鄰的線圈部分被標(biāo)為A、B、C和D。圖44以剖面的形式示出了關(guān)于四個(gè)線圈部分的各自的線圈電流Ic、磁場(chǎng)578和渦電流Ie的方向。
圖45～46說明了平面環(huán)狀蛇形線圈580，其安裝在平的鐵磁物體584的上表面582上。四個(gè)相鄰的線圈部分被標(biāo)為A、B、C和D。圖46以剖面的形式示出了關(guān)于四個(gè)線圈部分的線圈電流Ic、磁場(chǎng)588和渦電流Ie的方向。
通過改變具有恒定脈沖寬度的脈沖的周期(基頻)，或者通過改變具有提供給線圈的脈沖恒定基頻的脈沖的寬度，或者執(zhí)行這兩種改變，可以控制線圈中的RMS電流和由線圈提供的功率。
基頻意味著脈沖重復(fù)的頻率。每個(gè)脈沖可以包含多個(gè)傾斜部分或者陡峭邊緣(諧波部分)，但是在每個(gè)脈沖之間具有相對(duì)較大的延遲周期?；l是包括一個(gè)該延遲的最低的周期性劃分的頻率。
有效頻率意味著提供與電流脈沖信號(hào)相同的感應(yīng)加熱效果的純正弦信號(hào)的頻率。
高頻諧波意味著高于基頻或根頻(是其倍頻)的頻率處的諧波。
可以使用頻譜分析儀分析具有高頻諧波的電流脈沖信號(hào)。作為比較，圖47示出了具有幅度A和頻率ω的單一的正弦波的波形700，其中波形由Asin(ωt+Φ0)描述。圖48示出了該單一的正弦波700的頻譜710，其中所有的幅度A由單一的頻率ω承載。相反地，圖49示出了具有高頻諧波720的電流脈沖信號(hào)的示例(還被稱為斬波)。圖50示出了斬波720的頻譜730，其是開始于具有幅度a1的根頻ω的余弦波、以及高于根頻的2ω和幅度a2、3ω和幅度a3、4ω和幅度a4等的高頻諧波的和。幅度通常隨著頻率的增加而下降。優(yōu)選地，隨著頻率的增加，幅度保持為高的。
在加熱器電路中，通常指示所生成的功率(熱)的量的兩個(gè)量是頻率和電流。如由下式所見，相比于頻率，電流具有更大的影響P=I2ω]]>因此，優(yōu)選地，在增加頻率時(shí)將電流保持為高的。
具有高頻諧波的電流脈沖信號(hào)是具有陡峭邊緣和電壓跳變之間的長(zhǎng)的停頓的波。其可被稱為斬波。斬波可以提供十倍于相同根頻的正弦波的功率，其中高頻諧波的幅度保持為高的。
總而言之，“根頻”是可以將波劃分為周期并且使該波仍是周期性的最小時(shí)間。高頻諧波是具有高于根頻的頻率的波，并且其連同根頻一起“建立了”所需的波。通常，所需的是，在諧波中生成大的幅度，由此功率保持為高的。所需的是，使用50～60Hz的根頻，這是因?yàn)槠湟子谟奢旊娋W(wǎng)獲得；然后電源可以對(duì)離開輸電網(wǎng)的正弦波進(jìn)行“斬波”，以生成所需的高頻諧波。
具有高頻諧波的的電流脈沖被描述為包括基頻(根頻)或者一次諧波、以及高于根頻的更高的諧波。因此，信號(hào)可被理解為由這些分量所構(gòu)造。該構(gòu)造應(yīng)被理解為，在物質(zhì)世界中，包括通過開始于根頻信號(hào)(例如，正弦)，以及移除波的一部分以保持一個(gè)或多個(gè)諧波分量，構(gòu)造脈沖信號(hào)。其還將包括，例如，從矩形脈沖開始，以及改變矩形脈沖的形狀。
此外，前面的示例(圖3～6)示出了在正弦信號(hào)的每個(gè)半周期中生成的一個(gè)脈沖。然而，可替換地，在每個(gè)半周期中正弦信號(hào)可被“斬波”多次，在每個(gè)半周期中生成多個(gè)脈沖。而且，作為使用雙極性開關(guān)的替換，在對(duì)信號(hào)斬波(每個(gè)半周期中一次或多次)之前，可以通過二極管橋首先對(duì)正弦信號(hào)整流。
此處描述的所選實(shí)施例利用了冷卻介質(zhì)，用于例如，間歇地降低所加熱物體的溫度，而非用于加熱物體。圖51示意性地示出了加熱和冷卻裝置780，其具有控制電路781，用于按照需要，交替地和/或同時(shí)地，將冷卻介質(zhì)自冷卻劑源和調(diào)節(jié)器782提供到裝置784，以及將電流脈沖信號(hào)自脈沖發(fā)生器783提供到裝置784，其中該裝置784包括加熱元件、冷卻通路以及被加熱和冷卻的物體。
通過考慮此處公開的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見的。說明和示例應(yīng)被視為僅是示例性的，本發(fā)明的真實(shí)范圍由隨附權(quán)利要求指出。
權(quán)利要求
1.一種裝置，包括加熱器線圈，用于感應(yīng)加熱；和電源，其向所述加熱器線圈提供具有高頻諧波的電流脈沖，其中所述加熱器線圈生成了磁通量，用于物體的感應(yīng)加熱。
2.權(quán)利要求1的裝置，其中相比于電阻部分，所述高頻諧波增加了所述線圈的加熱功率中的感應(yīng)部分。
3.權(quán)利要求2的裝置，其中所述電流脈沖在不超過所述加熱器線圈的電流限制的情況下產(chǎn)生了增加的感應(yīng)加熱的量。
4.權(quán)利要求1的裝置，其中相比于具有相同根頻的正弦電流信號(hào)，所述電流脈沖產(chǎn)生了增加的感應(yīng)加熱的量。
5.權(quán)利要求1的裝置，其中所述電流脈沖具有高于所述加熱器線圈的邊界頻率的相關(guān)能量分量。
6.權(quán)利要求1的裝置，其中所述電流脈沖在不增加所述加熱器線圈中的均方根(RMS)電流的情況下，增加了加熱功率中的感應(yīng)部分。
7.權(quán)利要求1的裝置，其中所述電源接收線路頻率正弦電流信號(hào)作為輸入。
8.權(quán)利要求1的裝置，其中所述加熱器線圈包括電氣電阻導(dǎo)體，用于在線圈中生成電阻熱。
9.權(quán)利要求8的裝置，其中所述加熱器線圈同所述物體進(jìn)行熱傳遞。
10.權(quán)利要求1的裝置，其中所述加熱器線圈感應(yīng)耦合到包括所述物體的負(fù)載。
11.權(quán)利要求10的裝置，其中所述負(fù)載包括鐵磁基板或物體，并且所述磁通量在所述鐵磁基板或物體中感應(yīng)了渦電流。
12.權(quán)利要求10的裝置，其中所述負(fù)載包括關(guān)于磁通量的鐵磁部件的閉合或半閉合的回路。
13.權(quán)利要求12的裝置，其中所述部件包括鐵磁芯和鐵磁軛，其形成了基本閉合的回路。
14.權(quán)利要求10的裝置，其中所述負(fù)載包括鐵磁芯，并且所述加熱器線圈至少部分地嵌入在所述芯中。
15.權(quán)利要求10的裝置，其中所述負(fù)載包括鐵磁芯和鐵磁軛，并且所述加熱器線圈被置于所述芯和軛之間，或者嵌入在所述芯和軛的至少一個(gè)中。
16.權(quán)利要求1的裝置，其中所述加熱線圈在所述物體表面上形成蛇形圖案。
17.權(quán)利要求1的裝置，其中所述加熱器線圈形成了繞所述物體纏繞的圓柱形圖案。
18.權(quán)利要求10的裝置，其中所述負(fù)載包括用于可流動(dòng)材料的通路。
19.權(quán)利要求10的裝置，其中所述負(fù)載包括用于模制可塑形材料的模制表面。
20.權(quán)利要求10的裝置，其中所述加熱器線圈被安置在所述負(fù)載中，用于優(yōu)先加熱所述物體的一部分。
21.權(quán)利要求1的裝置，其中所述物體包括鐵磁的第一部分和鐵磁的第二部分，并且其中相比于所述第二部分，感應(yīng)加熱更集中于所述第一部分。
22.權(quán)利要求21的裝置，其中所述第二部分產(chǎn)生了針對(duì)所述渦電流流動(dòng)的不連續(xù)性或限制。
23.權(quán)利要求22的裝置，其中所述第二部分具有縫，用于產(chǎn)生所述不連續(xù)性或限制。
24.一種方法，包括提供加熱器線圈，其感應(yīng)耦合到物體；和向所述加熱器線圈提供具有高頻諧波的電流脈沖，以生成磁通量，用于所述物體的感應(yīng)加熱。
25.一種裝置，包括被感應(yīng)加熱的物體；加熱器線圈，其感應(yīng)耦合到所述物體；所述加熱器線圈至少部分地同所述物體相接觸，或者嵌入在所述物體中；和具有高頻諧波的電流脈沖的源，其提供給所述加熱器線圈，用于生成磁通量。
26.一種裝置，包括可變電源，用于向加熱器線圈提供具有可調(diào)節(jié)的諧波能含量的電流脈沖，以便于調(diào)節(jié)由線圈產(chǎn)生的感應(yīng)加熱功率和電阻加熱功率之間的比。
27.一種裝置，包括加熱器線圈，其感應(yīng)耦合到物體；所述物體具有用于被加熱的可流動(dòng)材料的通路；其中在所述物體中，向所述通路中的所述可流動(dòng)材料遞送所述物體中感應(yīng)生成的熱；和電源，其耦合到所述加熱器線圈，用于向所述加熱器線圈遞送具有可調(diào)節(jié)的諧波能含量的電流脈沖，用于調(diào)節(jié)針對(duì)所述通路中的所述可流動(dòng)材料的感應(yīng)加熱的遞送。
28.一種方法，包括提供加熱器線圈，其感應(yīng)耦合和熱耦合到物體；和向所述加熱器線圈提供具有可調(diào)節(jié)的諧波能含量的電流脈沖，以便于調(diào)節(jié)所述物體的感應(yīng)加熱和電阻加熱的比。
29.一種加熱物體的方法，所述物體具有表面部分和鐵磁體部分，所述方法包括提供加熱器線圈，其同所述表面部分相鄰，并且感應(yīng)耦合到所述鐵磁體部分；和向所述加熱器線圈提供具有高頻諧波的電流脈沖，用于感應(yīng)渦電流，以加熱所述鐵磁體部分。
30.一種感應(yīng)加熱的方法，包括由根頻分量和高于所述根頻的一個(gè)或多個(gè)諧波分量構(gòu)造電流脈沖信號(hào)，用于增加所述電流脈沖信號(hào)的感應(yīng)加熱功率；和向加熱器線圈提供所述電流脈沖信號(hào)，用于在感應(yīng)耦合到所述加熱器線圈的物體中感應(yīng)渦電流。
31.權(quán)利要求30的方法，進(jìn)一步包括增加所述一個(gè)或多個(gè)諧波分量中的至少一個(gè)的幅度，用于所述增加電流脈沖信號(hào)的功率。
32.一種向感應(yīng)加熱系統(tǒng)供電的方法，包括由正弦線路頻率電流信號(hào)的根頻和高于所述根頻的一個(gè)或多個(gè)諧波分量構(gòu)造電流脈沖信號(hào)，用于增加所述電流脈沖信號(hào)的感應(yīng)加熱功率；和提供所述電流脈沖信號(hào)，以為所述感應(yīng)加熱系統(tǒng)供電。
33.一種調(diào)節(jié)感應(yīng)加熱的強(qiáng)度的方法，該方法包括，通過下述方法構(gòu)造電流脈沖信號(hào)選擇具有根頻和幅度的一次諧波分量；選擇高于所述根頻的一個(gè)或多個(gè)諧波分量，并且使所述一個(gè)或多個(gè)諧波分量同所述一次諧波分量組合，以產(chǎn)生具有所需強(qiáng)度的組合的有效頻率，用于感應(yīng)加熱。
34.一種受控加熱的方法，包括提供加熱器線圈，其感應(yīng)耦合到鐵磁基板；向所述加熱器線圈提供具有高頻諧波的電流脈沖信號(hào)，用于感應(yīng)渦電流，以加熱所述鐵磁基板；將所述熱從所述鐵磁基板傳送到被加熱的物體；和通過減少提供給所述加熱器線圈的所述信號(hào)，間歇地冷卻所述鐵磁基板，以減少所述感應(yīng)加熱。
35.權(quán)利要求34的方法，其中所述間歇冷卻包括下面的一個(gè)或多個(gè)提供冷卻介質(zhì)以冷卻所述基板，和從所述基板移去熱。
36.權(quán)利要求35的方法，其中所述冷卻介質(zhì)提供在所述基板中。
37.權(quán)利要求35的方法，其中所述加熱器線圈是電傳導(dǎo)的管，其具有同所述鐵磁基板相接觸的電絕緣罩，并且在所述管的孔中提供所述冷卻介質(zhì)，以冷卻所述鐵磁基板。
38.權(quán)利要求34的方法，其中所述脈沖信號(hào)主要生成了感應(yīng)加熱功率。
39.權(quán)利要求35的方法，其中所述所生成的功率包括少于10％的電阻功率。
40.權(quán)利要求34的方法，其中所述所生成的功率包括少于5％的電阻功率。
41.權(quán)利要求40的方法，其中所述所生成的功率包括少于1％的電阻功率。
42.權(quán)利要求34的方法，其中所述鐵磁基板具有不大于約3δ的層厚度，其中δ是所述感應(yīng)渦電流的穿透深度。
43.權(quán)利要求42的方法，其中所述基板的所述層厚度為約3δ。
44.權(quán)利要求34的方法，包括提供絕熱外部層；提供熱傳導(dǎo)內(nèi)部層，用于將熱從所述基板傳送到所述物體；并且其中所述鐵磁基板位于所述外部和所述內(nèi)部層之間。
45.權(quán)利要求34的方法，包括提供絕熱和鐵磁的外部層；提供熱傳導(dǎo)內(nèi)部層，用于將熱從所述基板傳送到所述物體；并且其中所述鐵磁基板位于所述外部和所述內(nèi)部層之間。
46.權(quán)利要求34的方法，其中流動(dòng)通路提供在所述鐵磁基板中，或提供在相鄰于所述鐵磁基板；并且所述加熱器線圈和鐵磁基板提供了所述流動(dòng)通路中的可流動(dòng)材料的受控加熱。
47.權(quán)利要求46的方法，其中所述鐵磁基板是噴嘴或熔體通道的一部分。
48.權(quán)利要求46的方法，其中所述鐵磁基板是壓縮模制裝置的一部分。
49.一種用于通路中的可流動(dòng)材料的溫度控制的方法，所述方法包括提供具有用于可流動(dòng)材料的通路的鐵磁基板和感應(yīng)耦合到所述鐵磁基板的加熱器線圈；向所述加熱器線圈施加具有高頻諧波的電流脈沖信號(hào)，用于感應(yīng)渦電流，以加熱所述鐵磁物體，用以影響所述通路中的所述材料的流動(dòng)速率；和通過下面方式中的一個(gè)或多個(gè)，間歇地冷卻所述鐵磁基板減少施加到所述加熱器線圈的信號(hào)，和從所述基板移動(dòng)熱，以影響所述通路中所述材料的流動(dòng)。
50.權(quán)利要求49的方法，其中所述間歇冷卻包括提供冷卻介質(zhì)，以冷卻所述鐵磁基板。
51.權(quán)利要求50的方法，其中所述加熱器線圈具有同所述鐵磁基板相接觸的熱傳導(dǎo)罩，并且包括流過所述冷卻介質(zhì)的冷卻通路。
52.一種受控感應(yīng)加熱裝置，包括鐵磁的和熱傳導(dǎo)的基板；加熱器線圈，其感應(yīng)耦合到所述鐵磁基板；具有高頻諧波的電流脈沖信號(hào)源，用于激勵(lì)所述加熱器線圈，以感應(yīng)用于感應(yīng)加熱所述鐵磁基板的渦電流；冷卻介質(zhì)源，用于所述鐵磁基板的冷卻；和控制機(jī)制，用于提供所述脈沖信號(hào)和所述冷卻介質(zhì)的間歇施加。
53.權(quán)利要求52的裝置，包括外部部件，其中所述加熱器線圈置于所述外部部件和所述鐵磁基板之間。
54.權(quán)利要求53的裝置，其中所述外部部件是鐵磁的。
55.權(quán)利要求53的裝置，其中所述外部部件是絕熱體。
56.權(quán)利要求53的裝置，包括冷卻通路，所述冷卻介質(zhì)流過該冷卻通路，其提供在所述外部部件、所述鐵磁基板和圍繞所述加熱器線圈的電絕緣罩中的至少一個(gè)中。
57.權(quán)利要求52的裝置，其中所述鐵磁基板包括冷卻通路，所述冷卻介質(zhì)流過該冷卻通路。
58.權(quán)利要求52的裝置，其中所述冷卻介質(zhì)具有液體或氣體的形式。
59.權(quán)利要求52的裝置，其中所述加熱器線圈同所述基板接觸或者至少部分地嵌入在所述基板中。
60.權(quán)利要求52的裝置，其中電絕緣罩圍繞所述加熱器線圈。
61.權(quán)利要求52的裝置，其中所述加熱器線圈形成了a)安置在所述基板表面上或者與所述基板表面相鄰的蛇形圖案，其提供了跨越所述基板的交變方向中的磁場(chǎng)；或者b)繞所述基板纏繞的圓柱形圖案，其提供了所述線圈內(nèi)部的相同方向中的磁場(chǎng)。
62.權(quán)利要求61的裝置，其中所述加熱器線圈是蛇形圖案，并且被構(gòu)形為螺線、蛇形、環(huán)狀螺線或環(huán)狀蛇形的形式。
63.權(quán)利要求61的裝置，其中所述加熱器線圈是圓柱形圖案，并且被構(gòu)形為螺旋、蛇形、環(huán)狀螺線或環(huán)狀蛇形的形式。
64.權(quán)利要求52的裝置，其中所述加熱器線圈是實(shí)心的或中空的。
65.權(quán)利要求64的裝置，其中所述加熱器線圈是中空的管，并且所述冷卻介質(zhì)提供在所述管中。
66.權(quán)利要求64的裝置，其中所述中空的管由電介質(zhì)絕緣體覆蓋。
67.權(quán)利要求52的裝置，其中所述加熱器線圈包括銅或具有高于銅的電阻率的電導(dǎo)體。
68.權(quán)利要求67的裝置，其中所述加熱器線圈包括鎳鉻合金或鎢合金。
69.權(quán)利要求52的裝置，其中所述加熱器線圈是吸收壓縮力的所述裝置的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的一部分。
70.權(quán)利要求69的裝置，其中所述加熱器線圈是用于可流動(dòng)材料的通路或噴嘴的一部分，或者是用于可塑形材料的模具的一部分。
71.權(quán)利要求69的裝置，其中所述裝置包括噴嘴；鑄道桿；熔體通道；水加熱器；吹塑模具；或者壓縮模具
72.權(quán)利要求69的裝置，其中所述裝置包括模制表面
73.權(quán)利要求52的裝置，其中所述加熱器線圈包括一個(gè)或多個(gè)熱噴涂層和薄膜層。
74.權(quán)利要求73的裝置，其中所述層包括至少一個(gè)電傳導(dǎo)層和至少一個(gè)電絕緣層。
75.權(quán)利要求73的裝置，其中所述層形成了用于所述冷卻介質(zhì)的冷卻通路。
76.權(quán)利要求52的裝置，其中所述脈沖信號(hào)的所述功率和/或頻譜是可調(diào)節(jié)的，以適應(yīng)所述加熱器線圈和鐵磁基板的不同設(shè)置。
全文摘要
用于感應(yīng)加熱或者電阻加熱和感應(yīng)加熱的組合的加熱系統(tǒng)和方法。加熱器線圈感應(yīng)耦合到物體，并且向加熱器線圈提供電流信號(hào)。加熱器線圈基于所施加的電流信號(hào)生成磁通量，用于感應(yīng)加熱物體。使用特定分布的電流脈沖提高由加熱元件或線圈遞送的感應(yīng)加熱的速率、強(qiáng)度和/或功率，和/或提高壽命或減少感應(yīng)加熱系統(tǒng)的成本。
文檔編號(hào)H05B6/06GK1836467SQ200480023519
公開日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2004年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月2日
發(fā)明者瓦列里·卡甘 申請(qǐng)人:瓦列里·卡甘