<Desc/Clms Page number 1>
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
BREVET D'INVENTION PROCEDE ET APPAREIL DE CHAUFFAGE ET DE REFROIDISSEMENT BRUSQUE.
La présente invention est relative à un appareil de @hauffage et de refroidissement brusque combinés et à son mode d'emploi. L'invention comprend l'utilisation d'un courant alternatif pour le chauffage à la fois par induction et par condua- tion, et dépend en partie de l'attraction réciproque ou de l'effet d'agrégation de courants de signe instantanément contraire.
L'invention a principalement pour but d'assurer le chauffage, à une faible profondeur, de la surface d'un palier, coussinet, rail, ou autre objet, et le refroidissement extrêmement rapide de la partie chauffée pour dissiper la chaleur avant que les parties intérieures puissent être chauffées à un degré dangereux.
L'invention a également pour but :
1 ) d'assurer la trempe de la surface d'un objet métallique.
2 ) de tremper la surface d'usure d'un rail d'acier sans nuire à la ténacité du restant du rail.
3 )de produire une surface d'appui intéreure. ou exté- rieure trempée.
<Desc/Clms Page number 3>
4 ) de réaliser un équipement@combinant le mécanisme permettant d'assurer le chauffage extrêmement rapide et le refroidissement extrêmement rapiae d'une pièce à traiter.
5 ) de prévoir un moyen assurant un chauffage localisé extrêmement rapide et un refroidissement également extrêmement rapide, afin d'empêcher que la chaleur se propage à d'autres zones par conduction thermique.
6 ) de réaliser un procédé de découpage de grandes pla- ques de verre au glaces et pour brûler, séparer ou découper d'autres matières d'une manière analogue.
7 } de réaliser un appareil de chauffage comportant des tuyères à l'aide desquelles de l'eau ou un agent de refroidissement artificiel peut être projeté sur une pièce à traiter pendant ou immédiatement après une opération de chauffage sans enlever ledit appareil de chauffage, et par le mécanisme de ce dernier.
D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description donnée ci-après.
L'invention est décrite ci-après à l'aide du dessin annexé, donné à titre d'exemple, et dans lequel :
La fig. 1 est une vue en coupe d'un four à induction à foyer ou anneau du type décrit dans le brevet aux Etats Unis n 1,378,187, mais pourvu de tuyères destinées à être utilisées pour refroidir brusquement ou étonner une charge ou pièce à traiter suivant la présente invention.
La fig. 2 est une vue de côté de l'équipement représenté fig. 1.
La fig. 3 est une vue en coupe transversale montrant comment on refroidit brusquement une surface d'appui intérieure en utilisant le principe par induction directe plutôt que le principe par induction à foyer ou anneau.
Les figs. 4a et 4b sont respectivement une élévation
<Desc/Clms Page number 4>
schématique et une coupe transversale schématique combinées d'un dispositif de chauffage et de refroidissement brusque, utilisé pour tremper la surface d'un rail d'acier; la fig. 4b est une vue des éléments ae chauffage de 4a suivant la ligne A - A et en regardant dans le sens des flèches ; tandis que la fig. 4c montre en coupe transversale comment, le dessus et le côté d'usure du rail pourraient être traités si on le désire.
Les figs. 5a, 5b, et 5c sont des vues schématiques montrant l'attraction réciproque ou agrégation de courants alternatifs dans des conducteurs adjacents.
La fig. 6 montre l'invention appliquée au découpage de grandes plaques de verre ou glaces.
La fig. 7 est une vue en coupe transversale d'une spire d'enroulement, montrant un procédé par lequel an peut refroidir l'enroulement inducteur ou de chauffage indépendamment de l'agent de refroidissement.
La théorie du chauffage localisé par courants alternatifs est bien établie. Steinmetz a montré comment la profondeur de pénétration du courant dans des conducteurs varie avec la fréquence. Northrup a montré comment le chauffage est rendu possible par l'utilisation de hautes fréquences, et il a également contribue à démontrer que des courants traversant des aonducteurs adjacents tendent à s'attirer mutuellement au à s'a- gréger lorsqu'ils sont induits ou de signe contraire, et à affluer sur les cotés opposés du conducteur lorsqu'ils sont du meme signe.
.Le brevet aux Etats Unis n 1,378,187, au nom de Northrup, page 2, lignes 73 à 130, page 3, ligne 1 à 23, page 5 lignes 15 à 23, et figs. 6 à 9 et 12, décrit clairement ce phénomène; les brevets aux Etats Unis n s 1,286,394, 1,900,842, 1,900,843 et les demandes de brevets aux Etats Unis déposées sous les n s 144,793, 490,513, 636,306, ainsi que d'autres demandes, également au nom de Northrup,
décrivent des modifications et des applications de cette caractéristique. Le' profes-
<Desc/Clms Page number 5>
seur Bennet de l'Université de Wisconsin a poursuivi ces tra- vaux et a écrit un article remarquable qui a paru dans le numém du mois d'août 1932 du JOURNAL OF THE A.I.E.E. Certaines parties de cet article seront données dans la présente demande en vue de décrire la présente invention.
Dans le chauffage de rouleaux, billettes, tiges et tu- bes de faible diamètre et autres pièces plus ou moins sembla- bles, il a été jugé désirable d'utiliser une fréquence assez haute. Dans certains cas, il est désirable de limiter le chauf- fage aux parties extérieures de la pièce à traiter, de façon que ces parties puissent être brusquement refroidies ou éton- nées et trempées sans nuire à la ténacité de la partie centra- le. Ceci est le cas dans la demande de brevet aux Etats Unis déposée sous le n 298,101, qui est relative à un procédé de trempe de rouleaux. Dans d'autres cas, une haute fréquence a été nécessaire, afin de limiter la profondeur de pénétration dans une pièce de faible diamètre, et de déterminer ainsi un chauffage suffisant pour porter la pièce à la température dé- sirée.
Cette façon d'opérer est décrite dans les demandes de brevets aux Etats Unis déposées sous les n s 144,793 et 490,513, qui sont relatives à un appareil pour le chauffage de tiges et de tubes de faible diamètre.
Dans les demandes de brevets mentionnées ci-dessus, on a tenu compte de la conduction superficielle et de l'attrac- tion mutuelle au agrégation des courants, mais en dehors d'une efficacité plus grande due à l'effet d'attraction ou d'agréga- tion, aucun progrès n'a été réalisé au sujet de cet effet, qui, apparemment, n'aurait pu être obtenu en augmentant simplement la fréquence. Antérieurement à la présente invention, on n'a jamais décrit un dispositif de refroidissement particulière- combiné ment rapide/avec les moyens de chauffage.
Dans la présente invention, il est nécessaire de chauf-
<Desc/Clms Page number 6>
fer localement une pièce à traiter avec la plus grande rapidité, et ensuite, avant que la chaleur ait eu le temps de se propager dans toute la pièce par induction thermique, de re- fraidir brusquement, complètement et d'une manière adéquate la part.ie chauffée. A cet effet, il faut tenir compte de différentes conditions:dans la plupart des cas la fréquence doit être haute ; la source de courant doit être puissante ; on doit tenir compte de l'effet d'agrégation et l'utiliser, et le refroidissement brusque doit être effectué' efficacement.
Dans certains cas, un courant alternatif de fréquence normale peut être efficacement utilisé pour la mise en oeuvre de l'invention, mais on préfère employer un courant de haute. fréquence. On dispose actuellement de sources de courant de grande puissance pour des fréquences allant jusqu'à 4800 oycles, et on a trouvé, que des résultats très avantageux dans la pratique peuvent être obtenus autour de ces limites. Une fréquence de 1000 cycles est communément, utilisée pour des installations de chauffage par induction.
Avec cette fréquende, la profondeur de pénétration dans un arbre en acier n'est pas grande, et si le courant de chauffage est induit ou si on le fait passer à travers la pièce à trait.er, en lui faisant parcourir un conducteur de retour très voisin du conducteur d'amenée, l'effet d'agrégation limite encore davantage les profondeurs de pénétration. Si l'énergie est alors appliquée à une vitesse très rapide, le chauffage se produira presque entièrement à la surface et très peu de chaleur se propagera à l'intérieur par induction thermique, Si la pièce à traiter est encombrante ou si elle présente des irrégularités ou une forme compliquée, les avantages résultant du chauffage superficiel rapide seront perdus, à moins qu'on ne dispose de moyens permettant de refr'oidir la dite pièce aussi rapidement qu'elle est chauffée.
Afin d'éviter toute perte de temps occa-
<Desc/Clms Page number 7>
sionnée par les opérations de démontage ou de manipulation, l'invention a pour but, entre autres, de refroidir brusquement la dit.e pièce sur place à l'aide d'un agent de refroidissement que l'on fait passer directement à travers le conducteur ou enroulement de chauffage, et à une pression appropriée. Etant donné que les inducteurs ou conducteurs de chauffage sont très voisins: de la pièce que l'on chauffe, l'emploi de tuyères exté rieures est rendu plus au mains impossible, et du fait que l'on perdrait du temps à enlever les dites pièces pour permettre d'effectuer les opérations usuelles de refroidissement, le procédé décrit constitue un progrès très net et très utile dans la technique.
Lorsqu'on fait passer un courant alternatif dans un conducteur, on crée un champ électromagnétique qui, par effet inducteur, induit un courant dans les conducteurs électriques voisins. Ce courant induit passe dans un sens opposé à celui du courant principal. Il a été démontré que cet effet inducteur est la cause des effets superficiels et de bord. Dans un conducteur unique, le champ, dû aux éléments superficiels, induit des courants de sens opposé aans les éléments intérieurs et ce courant de sens inverse tend à repousser le courant normal, empêchant tout écoulement sauf à la surface. De même, lorsqu'un conducteur induit un courant dans un conducteur adjacent, le point d'induction la plus grande est le point du conducteur le plus rapproché du conducteur inducteur.
Les courants induits dans cette partie du conducteur incuisent en outre des courants de sens opposé dans le côté opposé du même conducteur, de sorte que le courant est ainsi agrégé et s'écou. le sur le coté voisin du conducteur inducteur. Par conséquent, si un enroulement est placé autour d'une charge ou pièce à chauffer, l'action inductrice obligera un courant à s'écouler à la surface de la dite pièce et, h. son tour, le courant in-
<Desc/Clms Page number 8>
ducteur sera agrégé ou sera attiré sur le côté de l'enroulement inducteur adjacent à la pièce à traiter.
Si l'enroulement n'est pas placé autour d'une pièce à traiter, le passage du courant dans les spires aajacentes s'effectuera dans le même sens et, en négligeant l'effet du côté opposé de l'enroulement, le courant sera repoussé sur les côtés adjacents de l'enroulement et aura tendance à affluer ou à s'agréger sur les côtés libres de l'enroulement proprement dit.
L'effet d'attraction ou d'agrégation est représenté dans les figs. 5a, 5b et 5c. Dans la fig. 5a, le courant passant dans l'inducteur "a" induit un courant dans la charge ou. pièce "b". Le courant passant dans "b" est de sens opposé à celui passant dans "a" et, par conséquent, une attraction ou agrégation se produit tendant à augmenter le. couplage entre les courants dans "a" et "b", comme représenté. Dans la fig.
5b, le même résultat est obtenu, mais ici le courant dans "b" est en série et de sens opposé à celui passant dans "a", l'induction mutuelle tendant simplement à augmenter le' dit effet.
Dans la fig. 5c, les courants dans "a" et 'eu-le sont en série et de même sens, il en résulte que le courant est repoussé dans chaque conducteur sur le côté opposé du conducteur. L'induction tend ici à diminuer le courant dans les cotas adjacents des conducteurs.
Dans les exemples représentés, les conducteurs sont disposés concentriquement, mais le même effet se manifeste, et est prononcé, si les conducteurs sont rectilignes et parallèles, où si un conducteur est constitué par une plaque et l'autre forme des zigzags transversalement à cette plaque dans un plan parallèle à celle-ci.
Dans une forme de réalisatian de l'invention, repré- sentée figs. 1 et 2, il.est fait usage d'un appareil partiaulièrement applicable à la trempe de paliers, tels que. des pa-
<Desc/Clms Page number 9>
liers d'arbres vilebrequins, et autres objets analogues. Un enroulement inducteur à foyer ou anneau 1 est excité par un enroulement inducteur primaire 2 qui, à son tour, est excité par un courant alternatif provenant d'une source appropriée 3.
Deux condensateurs "c" sont utilisés pour corriger le facteur de puissance sur les génératrices. Un isolement (non représenté) est généralement prévu entre l'enroulement inducteur principal et l'enroulement inducteur à foyer au anneau. Cet isolement peut être constitué par du mica, de la micanite, de la fibre, ou matière analogue, sous forme de feuilles. A la fois le primaire et la partie entourant le primaire de l'inducteur à foyer ou anneau sont refroidis artificiellement, généralement à l'aide d'eau amenée par des tubes constituant les enroulements. Dans le cas d'inducteurs à foyer au anneau, il est généralement possible de connecter toutes les spires de l'inducteur a. foyer au anneau en parallèle, et de mettre à la terre les spires ainsi connectées, comme indiqué en 4.
La partie de l'inducteur à foyer au anneau entourant la pièce à traiter peut être refroidie artificiellement ou non, à volonté. Dans la vue schématique représentée, un refroidissement artificiel continu n'est pas prévu.
La partie de l'inducteur à foyer ou anneau entourant la charge ou pièce à traiter, est divisée en trois parties, et ceci est nécessaire lorsque la dite pièce présente des extrémités ou parties encombrantes qui ne passeront pas à travers un enroulement du modèle usuel. Les dites parties sont disposées de façon qu'elles puissent être séparées pour la mise en place ou 1'enlèvement ce la pièce à traiter. Dans les figures, des parties 5 sont boulonnées eu soudées à la partie principale de l'inducteur à foyer ou anneau, tandis que la partie 6 peut être enlevée pour la mise en place d'une pièce à traiter 7.
Les parties 5 et 6 sont des pièces creuses venues
<Desc/Clms Page number 10>
de fonderie et usinées et elles présentent des tubulures ou ajutages 8 pour l'admission d'un agent de refroidissement, ainsi que des orifices 9, percés à des endroits convenables dans la paroi intérieure des dites parties 5 et 6, pour assurer la projection de l'agent de refroidissement contre la charge ou pièce à traiter. Ordinairement, l'agent de refroidissement ne peut ainsi être projeté contre la pièce. à traiter mais cet agent, qui provient d'une source à haute pression 10, est réglé par une soupape ou robinet 11, de façon que le refni
EMI10.1
di8ucment brusque puiaae Lltr2 uffectuM à un moment détermina par rapport au chauffage.
L'ordre des opérations est le suivant; la partie 6 est séparée des parties 5 pour permettre l'introduction d'une pièce ou charge à traiter 7. Les dites parties sont alors rassemblées et maintenues en contact: électrique: pendant que le système reçoit du courant. Le courant est graduellement augmenté à l'aide de l'inducteur à foyer ou anneau et est centralisé dans la charge 7. La fréquence étant suffisamment élevée et l'énergie appliquée étant importante, la charge 7 se trouve très fortement chauffée à sa périphérie avant que l'intérieur de la dite charge ait eu le temps de devenir chaude.
La soupape ou robinet 11 est alors ouvert et des jets du flui de de refroidissement sont projetés sur la surface chaude de la charge. La dite suri'ace est ainsi durcie ou trempée et la chaleur est dissipée avant qu'elle ait eu le temps d'être conduite jusqu'aux parties intérieures de la charge. Dans un mode de réalisation où il s'agissait de traiter un palier ayant un diamètre d'environ 75 millimètres, la surface. a été chauffée à plus de 900 C. en moins de 5 secondes, et; cette surface a été étonnée en l à 2 secondes, et complètement refroidie en une durée un peu plus longue.
Il est éviaent que pour séparer ou détacher les parties de l'appareil et refroidir la charge ou pièce à traiter par les moyens communément employés
<Desc/Clms Page number 11>
jusqu'ici, il faudrait beaucoup plus de temps et qu'une grande partie des avantages résultant du traitement serait perdue. D'autre part, si le refroidissement est trop rapide, la vitesse peut être réglée en modifiant la dimension ou grosseur des jets, la pression de l'agent de refroidissement, la durée du chauffage ou au refroidissement, ou la fréquence.
La profondeur de trempe peut être réglée dans de larges limites.
L'inducteur à foyer ou anneau n'est pas essentiel à la mise en oeuvre de l'invention, ainsi qu'il est montré plus loin en référence , la fig. 3, mais il présente certains avantages sur le procédé d'induction directe pour certains usages. En utilisant un inducteur à foyer ou anneau, un courant intense peut être procuit dans un petit enroulement de chauffage à spire unique, et cetenroulement peut être mis à la terre, de sorte qu'on n'a pas à prévoir un isolement sur l'extrémité active. Le dispositif de chauffage à spire unique est très simplifié et peut être détaché ou enlevé et manipulé plus facilement. L'énergie peut être concentrée à un degré très élevé pour assurer un travail rapide.
La fig. 3 représente une disposition qui, L'une manière générale, est l'équivalent de celle montrée fig. 2.
Dans la fig. 3, l'enroulement inducteur de chauffage 2 est directement excité par une source de courant alternatif 3, et il est prévu des condensateurs usuels "c" pour la correction du facteur de puissance. La charge 7 est représentée comme étant constituée par un palier ou paroi de cylindre, dont l'intérieur doit être traité eu trempé. Un courant alternatif à haute tension est utilisé pour porter la surface intérieure de la.charge à une température élevée, et une soupape ou robinet 11 est alors ouvert pour permettre à un fluide de refroidissement de passer à haute pression à tra-
<Desc/Clms Page number 12>
vers des orifices ménagés dans les côtés de l'enroulement, afin d'effectuer l'opération de refroidissement nécessaire.
Le procédé décrit n'est pas limité aux exemples reprê- sentés et l'un ou l'autre des deux dispositifs montrés dans le dessin est applicable au chauffage intérieur ou extérieur, et peut être utilisé pour de nombreuses autres applications d'une nature analogue, ou d'une nature semblable, à d'autres applications qui vont être décrites. Dans tous les cas mention nés ici, le dispositif de chauffage peut être refroidi arti- ficiellement si on le désire, indépendamment du refroidisse- ment assuré d'une manière intermittente par l'agent de refroi- dissement. L'utilisation d'un moyen destiné à assurer un re- froidissement continu est évidente lorsque la période de chauffage est prolongée, par exemple pour le chauffage à une profondeur plus grande, ou pour le chauffage de pièces de di- mensions plus importantes.
Un mode de refroidissement indépen- dant de l'inducteur est représenté fig. 7.
Dans un appareil pour tremper la surface d'un rail ou objet analogue, le courant est de préférence appliqué par con- duction, bien que le principe devant servir de règle soit le même que pour les procédés par induation précédemment mention- nés. On peut faire passer le courant à travers le rail 12 (fig. 4) et un conducteur 13, ce courant provenant directe- ment d'une source d'énergie 3, en série avec un inducteur pri- maire 2, ou comme représenté ici, en série avec un enroule- ment secondaire 1 , le courant passant dans le conducteur 13 induit un courant passant dans le sens opposé, dans le rail 12 et qui s'ajoute au courant empruntant le rail comme conduc- teur retour et augmente ainsi ce dernier courant.
Le courant que l'on fait ainsi passer afflue à la partie du rail la plus rapprochée du conducteur d'amenée de courant, déterminant ain- si le chauffage localisé de cette partie du rail. Le conduc-
<Desc/Clms Page number 13>
teur d'amenée de courant 15 est creux et présente des tubulu- res au ajutages d, ainsi que àes orifices 9, comme dans les appareils de chauffage précédemment décrits, afin de projeter un fluide de refroidissement, à travers les dits orifices 9, sur la partie chauffée du rail. Des soupapes au robinets (non représentés) sont utilisés dans les exemples précédemment dé- crits.
La disposition représentée figs. 4a et 4b conviendrait pour le chauffage de la surface supérieure d'un rail, mais s'il @ s'agissait de traiter également le bord d'usure, le conducteur serait quelque peu modifié, comme représenté en 13' dans la fig. 4c.
Un dispositif de chauffage des rails, du type repré- senté, a été construit et a fonctionné en donnant d'excellents résultats. En utilisant une source de courant d'une fréquence de 2000 cycles, le dessus du rail a été chauffé au rouge vif à u9ne profondeur égale à une petite fraction d'un centimètre et le reste du rail n'a, en principe, pas été chauffé. Lors- que le sens du courant dans le conducteur a été rendu identi- que à celui du courant passant dans le rail, l'effet de répul- sion a eu pour effet de chauffer localement la partie du rail éloignée du conducteur. Dans les deux cas, l'effet d'agréga- tion a été très prononcé.
D'autres applications de ce dispositif de chauffage et de refroidissement brusque peuvent recevoir un grand nom- bre d'autres utilisations. Dans la fige 6, un dispositif ana- logue d'une manière générale au dispositif de chauffage des rails, est utilisé pour le découpage de grandes plaques de verre ou glaces. Comme représenté dans cette figure, la glace passe sous un conducteur 13" et au-dessus d'un autre conduc- teur 12'. Le conducteur 12' présente un bord qui vient en con- tact avec la surface de la glace et se trouve directement en regard du conducteur 13". Lorsque le courant passe, l'effet d'agrégation chauffe le Cord du conducteur 12', en contact avec la glace.
Un agent de refroidissement est alors envoyé,
<Desc/Clms Page number 14>
à travers un petit conduit 14, ménagé dans le bord chauffé au près de celui-ci, et est projeté sur la glace, déterminant ainsi le découpage de cette dernière suivant une ligne nette qui suit le bord du conducteur 12'.
Les personnes au courant de la technique comprendront que de nombreuses modifications, non mentionnées dans la des- aription, rentrent dans le cadre de la présente invention.
<Desc / Clms Page number 1>
EMI1.1
<Desc / Clms Page number 2>
PATENT OF INVENTION PROCESS AND APPARATUS FOR Sudden heating and cooling.
The present invention relates to a combined sudden heating and cooling apparatus and its instructions for use. The invention involves the use of an alternating current for both induction and conduction heating, and depends in part on the mutual attraction or aggregation effect of currents of instantaneously opposite sign.
The main object of the invention is to ensure the heating, to a shallow depth, of the surface of a bearing, bushing, rail, or other object, and the extremely rapid cooling of the heated part to dissipate the heat before the interior parts can be heated to a dangerous degree.
The invention also aims:
1) ensure the hardening of the surface of a metal object.
2) to quench the wear surface of a steel rail without affecting the toughness of the remainder of the rail.
3) to produce an interior bearing surface. or hardened exterior.
<Desc / Clms Page number 3>
4) to produce equipment @ combining the mechanism for ensuring extremely rapid heating and extremely rapid cooling of a part to be treated.
5) to provide a means ensuring extremely rapid localized heating and also extremely rapid cooling, in order to prevent heat from propagating to other areas by thermal conduction.
6) to carry out a process for cutting large slabs of ice-glass and for burning, separating or cutting other materials in a similar manner.
7} to produce a heating device comprising nozzles with the aid of which water or an artificial cooling agent can be projected onto a part to be treated during or immediately after a heating operation without removing said heating device, and by the mechanism of the latter.
Other features and advantages of the invention will emerge from the description given below.
The invention is described below with the aid of the appended drawing, given by way of example, and in which:
Fig. 1 is a sectional view of a hearth or ring induction furnace of the type disclosed in United States Patent No. 1,378,187, but provided with nozzles for use in abruptly cooling or surprising a load or workpiece according to the present invention. invention.
Fig. 2 is a side view of the equipment shown in FIG. 1.
Fig. 3 is a cross-sectional view showing how an interior bearing surface is suddenly cooled using the direct induction principle rather than the hearth or ring induction principle.
Figs. 4a and 4b are respectively an elevation
<Desc / Clms Page number 4>
combined schematic and schematic cross section of a sudden heating and cooling device, used for quenching the surface of a steel rail; fig. 4b is a view of the heating elements of 4a taken along line A - A and looking in the direction of the arrows; while fig. 4c shows in cross section how the top and the wear side of the rail could be treated if desired.
Figs. 5a, 5b, and 5c are schematic views showing the mutual attraction or aggregation of alternating currents in adjacent conductors.
Fig. 6 shows the invention applied to the cutting of large glass plates or mirrors.
Fig. 7 is a cross-sectional view of a winding coil, showing a method by which an inductor or heating winding can be cooled independently of the cooling medium.
The theory of localized heating by alternating currents is well established. Steinmetz showed how the depth of penetration of current into conductors varies with frequency. Northrup has shown how heating is made possible by the use of high frequencies, and he also helped to demonstrate that currents flowing through adjacent conductors tend to attract each other to aggregate when induced or of opposite sign, and to flock to the opposite sides of the conductor when they are of the same sign.
Northrup U.S. Patent No. 1,378,187, page 2, lines 73-130, page 3, line 1-23, page 5, lines 15-23, and figs. 6 to 9 and 12, clearly describes this phenomenon; U.S. Patent Nos. 1,286,394, 1,900,842, 1,900,843 and U.S. Patent Applications filed under Nos. 144,793, 490,513, 636,306, as well as other applications, also in the name of Northrup,
describe modifications and applications of this feature. The 'prof-
<Desc / Clms Page number 5>
Sister Bennet of the University of Wisconsin continued this work and wrote a remarkable article which appeared in the August 1932 issue of the JOURNAL OF THE A.I.E.E. Parts of this article will be given in the present application for the purpose of describing the present invention.
In heating small diameter rollers, billets, rods and tubes and other more or less similar parts, it has been found desirable to use a fairly high frequency. In some cases it is desirable to limit the heating to the outer parts of the workpiece, so that these parts can be abruptly cooled or stunned and quenched without adversely affecting the toughness of the core. This is the case in the United States patent application filed under No. 298.101, which relates to a roll quenching process. In other cases, a high frequency has been necessary, in order to limit the depth of penetration into a part of small diameter, and thus to determine sufficient heating to bring the part to the desired temperature.
This way of operating is described in patent applications in the United States filed under Nos. 144,793 and 490,513, which relate to an apparatus for heating rods and tubes of small diameter.
In the patent applications mentioned above, account has been taken of surface conduction and mutual attraction at the aggregation of currents, but apart from a greater efficiency due to the effect of attraction or d Aggregation, no progress has been made on this effect, which, apparently, could not have been achieved by simply increasing the frequency. Prior to the present invention, no particularly rapid cooling device / with the heating means has been described.
In the present invention, it is necessary to heat
<Desc / Clms Page number 6>
locally iron a part to be treated with the greatest rapidity, and then, before the heat has had time to propagate throughout the part by thermal induction, to cool the part abruptly, completely and adequately. ie heated. To this end, different conditions must be taken into account: in most cases the frequency must be high; the current source must be powerful; the aggregation effect should be taken into account and utilized, and the sudden cooling should be effected effectively.
In some cases, an alternating current of normal frequency can be effectively used for the practice of the invention, but it is preferred to employ a high current. frequency. High power current sources are currently available for frequencies up to 4800 oycles, and it has been found that very advantageous results in practice can be obtained around these limits. A frequency of 1000 cycles is commonly used for induction heating installations.
With this frequency, the depth of penetration into a steel shaft is not great, and if the heating current is induced or if it is passed through the workpiece, by making it travel a return conductor Very close to the supply conductor, the aggregation effect further limits the penetration depths. If the energy is then applied at a very fast rate, the heating will occur almost entirely at the surface and very little heat will be propagated inside by thermal induction, If the part to be treated is bulky or has irregularities or complicated form, the advantages resulting from rapid surface heating will be lost, unless means are available to allow said part to be cooled as quickly as it is heated.
In order to avoid any loss of time,
<Desc / Clms Page number 7>
selected by disassembly or handling operations, the invention aims, among other things, to suddenly cool the said part on site using a cooling agent which is passed directly through the conductor or heating coil, and at an appropriate pressure. Since the inductors or heating conductors are very close to the room being heated, the use of external nozzles is made more impossible by hand, and because time would be lost in removing the said parts to enable the usual cooling operations to be carried out, the method described constitutes a very clear and very useful advance in the art.
When an alternating current is passed through a conductor, an electromagnetic field is created which, by an inductive effect, induces a current in neighboring electrical conductors. This induced current passes in a direction opposite to that of the main current. This inducing effect has been shown to be the cause of the surface and edge effects. In a single conductor, the field, due to the surface elements, induces currents of opposite direction in the interior elements and this current of opposite direction tends to push back the normal current, preventing any flow except at the surface. Likewise, when a conductor induces a current in an adjacent conductor, the greatest induction point is the point of the conductor closest to the inductor conductor.
The currents induced in this part of the conductor further induce opposite direction currents in the opposite side of the same conductor, so that the current is thus aggregated and flowing. the on the side next to the inductor conductor. Therefore, if a winding is placed around a load or part to be heated, the inducing action will cause a current to flow to the surface of said part and, h. in turn, the current
<Desc / Clms Page number 8>
conductor will aggregate or be attracted to the side of the field winding adjacent to the workpiece.
If the winding is not placed around a part to be treated, the passage of the current in the adjacent turns will take place in the same direction and, neglecting the effect of the opposite side of the winding, the current will be pushed back onto adjacent sides of the coil and will tend to flow in or aggregate on the free sides of the coil itself.
The effect of attraction or aggregation is shown in figs. 5a, 5b and 5c. In fig. 5a, the current flowing in the inductor "a" induces a current in the load or. room "b". The current flowing through "b" is in the opposite direction to that flowing through "a" and, therefore, an attraction or aggregation occurs tending to increase the. coupling between the currents in "a" and "b", as shown. In fig.
5b, the same result is obtained, but here the current in "b" is in series and in the opposite direction to that passing in "a", the mutual induction simply tending to increase the said effect.
In fig. 5c, the currents in "a" and 'eu-le are in series and in the same direction, it follows that the current is repelled in each conductor on the opposite side of the conductor. Induction here tends to decrease the current in the adjacent sides of the conductors.
In the examples shown, the conductors are arranged concentrically, but the same effect is manifested, and is pronounced, if the conductors are rectilinear and parallel, or if one conductor is constituted by a plate and the other forms zigzags transversely to this plate in a plane parallel to it.
In one embodiment of the invention, shown in figs. 1 and 2, use is made of an apparatus particularly applicable to the hardening of bearings, such as. pa-
<Desc / Clms Page number 9>
crankshaft binders, and the like. A focus or ring inductor winding 1 is energized by a primary inductor winding 2 which, in turn, is energized by an alternating current from a suitable source 3.
Two "c" capacitors are used to correct the power factor on the generators. Insulation (not shown) is generally provided between the main field winding and the ring focus field winding. This insulation can be constituted by mica, micanite, fiber, or the like, in the form of sheets. Both the primary and the part surrounding the primary of the hearth or ring inductor are artificially cooled, generally with the aid of water supplied by tubes constituting the windings. In the case of ring-focused inductors, it is generally possible to connect all the turns of inductor a. focus to the ring in parallel, and to earth the turns thus connected, as indicated in 4.
The part of the inductor with a focus on the ring surrounding the part to be treated can be cooled artificially or not, at will. In the schematic view shown, continuous artificial cooling is not provided.
The part of the inductor with a focus or ring surrounding the load or part to be treated is divided into three parts, and this is necessary when said part has bulky ends or parts which will not pass through a winding of the usual model. Said parts are arranged so that they can be separated for the installation or removal of the workpiece. In the figures, parts 5 are bolted or welded to the main part of the hearth or ring inductor, while part 6 can be removed for the installation of a workpiece 7.
Parts 5 and 6 are hollow parts come
<Desc / Clms Page number 10>
foundry and machined and they have pipes or nozzles 8 for the admission of a cooling agent, as well as orifices 9, drilled at suitable places in the inner wall of said parts 5 and 6, to ensure the projection of the cooling agent against the load or part to be treated. Usually, the coolant cannot be sprayed against the workpiece. to be treated but this agent, which comes from a high pressure source 10, is regulated by a valve or tap 11, so that the refni
EMI10.1
sudden di8ucment puiaae Lltr2 uffectuM at a time determined in relation to the heating.
The order of operations is as follows; part 6 is separated from parts 5 to allow the introduction of a part or load to be treated 7. Said parts are then brought together and kept in contact: electrical: while the system receives current. The current is gradually increased using the focus or ring inductor and is centralized in the load 7. The frequency being high enough and the energy applied being high, the load 7 is very strongly heated at its front periphery. that the interior of said load has had time to get hot.
The valve or tap 11 is then opened and jets of the cooling fluid are projected onto the hot surface of the load. Said surface is thus hardened or tempered and the heat is dissipated before it has had time to be conducted to the interior parts of the load. In one embodiment where it was a question of treating a bearing having a diameter of approximately 75 millimeters, the surface. was heated to over 900 ° C in less than 5 seconds, and; this surface was astonished in 1 to 2 seconds, and completely cooled in a somewhat longer time.
It is obvious that to separate or detach the parts of the device and cool the load or part to be treated by the means commonly used
<Desc / Clms Page number 11>
so far it would take much longer and much of the benefit from the treatment would be lost. On the other hand, if the cooling is too fast, the speed can be adjusted by changing the size or size of the jets, the pressure of the coolant, the duration of heating or cooling, or the frequency.
The hardening depth can be set within wide limits.
The focal point or ring inductor is not essential to the implementation of the invention, as is shown below with reference, FIG. 3, but it has certain advantages over the direct induction process for certain uses. By using a hearth or ring inductor, high current can be provided in a small single turn heating winding, and this winding can be earthed, so that there is no need for insulation on the coil. active end. The single coil heater is greatly simplified and can be detached or removed and handled more easily. Energy can be concentrated to a very high degree to ensure fast work.
Fig. 3 shows an arrangement which, in general, is the equivalent of that shown in FIG. 2.
In fig. 3, the heating inductor winding 2 is directly energized by an alternating current source 3, and customary capacitors "c" are provided for the correction of the power factor. The load 7 is shown as being constituted by a bearing or cylinder wall, the interior of which must be treated by quenching. High voltage alternating current is used to bring the inner surface of the load to a high temperature, and a valve or tap 11 is then opened to allow a high pressure coolant to pass through.
<Desc / Clms Page number 12>
to openings in the sides of the winding, in order to carry out the necessary cooling operation.
The method described is not limited to the examples shown and either of the two devices shown in the drawing is applicable to indoor or outdoor heating, and can be used for many other applications of a similar nature. , or of a similar nature, to other applications which will be described. In all cases mentioned herein, the heater may be artificially cooled if desired, independent of the cooling provided intermittently by the coolant. The use of a means for providing continuous cooling is evident when the heating period is extended, for example for heating to a greater depth, or for heating rooms of larger dimensions.
A cooling mode independent of the inductor is shown in fig. 7.
In an apparatus for quenching the surface of a rail or the like, the current is preferably applied by conduction, although the principle to be used as a rule is the same as for the previously mentioned inductance methods. The current can be passed through the rail 12 (fig. 4) and a conductor 13, this current coming directly from a power source 3, in series with a primary inductor 2, or as shown here. , in series with a secondary winding 1, the current flowing in the conductor 13 induces a current flowing in the opposite direction, in the rail 12 and which is added to the current flowing through the rail as a return conductor and thus increases this last stream.
The current thus passed flows to the part of the rail closest to the current lead conductor, thus determining the localized heating of this part of the rail. The driver
<Desc / Clms Page number 13>
current feeder 15 is hollow and has tubes at nozzles d, as well as at orifices 9, as in the previously described heaters, in order to project a cooling fluid, through said orifices 9, on the heated part of the rail. Valves on taps (not shown) are used in the examples previously described.
The arrangement shown in figs. 4a and 4b would be suitable for heating the upper surface of a rail, but if it were to treat the wear edge as well, the conductor would be somewhat modified, as shown at 13 'in fig. 4c.
A rail heater of the type shown has been constructed and has operated with excellent results. Using a current source with a frequency of 2000 cycles, the top of the rail was heated bright red to a depth equal to a small fraction of a centimeter and the rest of the rail was, in principle, not heated. When the direction of the current in the conductor has been made identical to that of the current flowing through the rail, the repulsion effect has had the effect of locally heating the part of the rail remote from the conductor. In both cases, the aggregation effect was very pronounced.
Other applications of this sudden heating and cooling device can receive a large number of other uses. In Fig. 6, a device generally analogous to the rail heating device is used for cutting large plates of glass or mirrors. As shown in this figure, the ice passes under one conductor 13 "and over another conductor 12 '. The conductor 12' has an edge which contacts the surface of the ice and is located. directly opposite the 13 "conductor. When the current passes, the aggregation effect heats the Cord of the conductor 12 ', in contact with the ice.
A cooling agent is then sent,
<Desc / Clms Page number 14>
through a small duct 14, formed in the heated edge close to it, and is projected onto the ice, thus determining the cutting of the latter along a clear line which follows the edge of the conductor 12 '.
Those skilled in the art will understand that numerous modifications, not mentioned in the description, are within the scope of the present invention.