Verfahren zum Erhitzen bezw. Schmelzen von Materialien auf elektrisch-induktivem Wege und Vorrichtung zur Ausführung dieses Yerfahrens. Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfah ren zum Erhitzen bezw. Schmelzen von Ma terialien auf elektrisch-induktivem Wege und besteht darin, dass ein primärer, freischwin gender Induktionsstrom;
das heisst ein solcher Strom, dessen Periode durch die Kapazität und die Selbstinduktion des Stromkreises bestimmt ist, von solch hoher Frequenz ver wendet wird, dass die erzielte Änderungsge schwindigkeit des Kraftlinienfeldes eine Kop pelung des primären Stromkreises mit dem sekundär induzierten Heizstromkreise durch ferro-magnetisches Material überflüssig macht, ferner dadurch, dass die Amplitude des durch eineu Heizwiderstand belasteten, sekundär induzierten Stromes aufrecht erhalten wird.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet eine Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens, welche in einem primären Strom kreis eine Induktionsspule und einen Kon densator enthält, zum Zweck, einen Hoeh- frequenzstrom zu erzeugen.
Die Amplitude der Schwingungen des primären HochfrequenAstromes kann dadurch aufrecht erhalten werden, dass so viel Energie zugeführt wird, als gerade verbraucht wird.
Bei der Vorrichtung zum Ausführen des neuen Verfahrens, welche in einem primären Induktionsstromkreis eine Induktionsspule und einen Kondensator enthält, ist dieser Induk tionsstromkreis zweckmässigerweise angenähert auf die Frequenz des Speisestromkreises ab gestimmt.
Beiliegende Zeichnung betrifft spezielle bei spielsweise Ausfübrungsformen der Erfindung. Fig. I und 2 sind schematische Darstel lungen, welche spezielle Schaltungen betreffen, und Fig. 3 und 4 sind hypothetiscbe, schema tische Darstellungen, die zur Erläuterung des Verlaufes des elektrischen Stromes und der Bewegungen in dem Schmelzbade einer als elektrischer Ofen ausgebildeten Vorrichtung gemäss der Erfindung dienen; Fig. 5 ist eine teilweise geschnittene An sicht eines Induktionsofens.
Es ist bekannt, dass bei .Überwiegen des Selbstinduktionswiderstandes über die Kapa- zität des Stromkreises einer zur Erzeugung von Wärme durch elektrische Induktion dienenden Vorrichtung, resp. Ofenlage, der Leistungsfaktor der Anlage beträchtlich ver schlechtert wird, so dass die Anlage für viel grössere Stromstärken als der effektiv in nutz barer Wärme im Ofen umgesetzten Energie entsprechen würde, gebaut werden muss. Auch wird hierbei. Wärme an solchen Stellen des Stromkreises erzeugt; wo sie nicht nur un nötig, sondern direkt schädlich .ist.
Dieser ITbelstand kann durch Einschaltung von Kondensatoren in den Stromkreis der Ofenspulen vermieden werden.
Lrrr jedoch hierbei eine Energieverschwen dung zu vermeiden, muss der Stromkreis, durch den die Entladungen geleitet werden, mit dem Speisestromkreis möglichst genau abgestimmt sein, indem man im Entlade- stromkreis einen Selbstinduktionswiderstand und eine Kapazität passender Grösse vorsieht. 'eine Schwingungen bleiben dann in ihrer Amplitude stets aufrecht erhalten, und es findet eine gleichmässige und ununterbrochene Energieübertragung statt.
Die einzigen Stellen in dem Schwingungs stromkreis der Vorrichtung, an denen Wärme erzeugt wird, sind jene, an welchen ein in induktiver Weise gekoppelter, sekundärer Stromkreis, beispielsweise ein fester, flüssiger oder plastischer Körper aus leitendem Material, oder ein Behälter für letzteres, der einen sekundärem Widerstandsstromkreis bildet, vor handen ist.
Da aber an den übrigen Stellen des Stromkreises, vorausgesetzt dass die Leitungen richtig dimensioniert sind, keine oder nur sehr geringe ohmsche Verluste entstehen, kann der Schwingungsstrom auf eine beträcht liche Entfernung von der Stelle, wo die Kon densatoren aufgestellt sind, mit nur kleinen Wärmeverlusten übertragen und an dieser entfernten Stelle fast vollständig in Wärme umgewandelt werden.
Da die vom Kondensator erhältliche Leistung nur von der in ihm aufgespeicherten Energie ('/a C # V2) und der Zahl abhängig ist, wie oft der Kondensator in der Zeitein- heit auf die erforderliche Spannung geladen und entladen wird, so haben der Selbstinduk- tionswiderstand des' primären Stromkreises, der spezifische elektrische Leitungswiderstand des den sekundären gekoppelten Stromkreis bildenden Metalls oder des Heizwiderstandes und die-Innigkeit der Kopplung keinen Ein fluss auf die erzeugte Energie und, theoretisch, keinen Einfluss auf die dem Heizwiderstand abgegebene Energie.
Bei der in Fig. 1 schematisch gezeigten Ausführungsform, gemäss der Erfindung, ist nun der primäre Induktionsstromkreis auf den Hochfrequenz-Speisestromkreis abgestimmt, oder doch nahezu abgestimmt, das heisst, der Selbstinduktionswiderstand und die Kapazität sind so gewählt, dass die natürliche Periode dieses primären Stromkreises im wesentlichen derjenigen des Speisestromkreises entspricht.
Der Speisestrom befindet sieh nahezu in Phase mit seiner Spannung, und es wird der Vorteil der Kondensatorwirkung erhalten, ohne dass es erforderlich ist, Entladungszwischen räume oder Funkenstrecken zu benutzen. Es wird hier eine ununterbrochene Reihe von Schwingungen erhalten, von denen jede von voller Amplitude ist. Die den Speisestrom liefernde Hochfrequenz-Weehselstromquelle ist zum Beispiel als Wechselstromdynamo H ausgebildet, die einen Strom von hoher Span nung liefert und zur Erzeugung der von der selben abgegebenen Leistung nur einen kleinen Speisestrom erfordert.
Der Strom wird von den Stellen p, p1 nach dem Schwingungs stromkreis geführt, in dessen einem Zweig der einstellbare Kondensator C von der Kapa zität C angeordnet ist, während in einem zweiten Zweig dieses Stromkreises ein Selbst induktionswiderstand L7 vorgesehen ist. Die ohmschen Widerstände der genannten zwei Stromkreiszweige sind durch r und R' darge stellt. I bezeichnet den Strom in dem Ge- neratorstromkreis, während I, und Il die Stromstärke in den Leitungszweigen bezeich nen.
Die elektromotorischen Kräfte in dem Generatorstromkreis und in den verschiedenen Teilen des Induktanzstromkreises sind mit E, Er und Ei, und der äquivalente Widerstand eines Teils des Induktionsstromkreises mit Xi bezeichnet.
Zur Erzeugung des Selbstinduktionswider- standes L7 dient eine Induktionsspule, die als Ofenspule, das heisst um ein als Schmelz ofen dienendes Gefäss angeordnet ist. Bei der gezeigten Schaltung fliessen verhältnis mässig starke Ströme durch den Stromkreis des Kondensators und der Induktorspule, so dass, wie bekannt, die Stromstärken in den zwei Leitungszweigen viel grösser sind, als die Stromstärke im Speisestromkreis, da sich diesen ein starker wattloser Strom hinzuad diert.
Es ist ersichtlich, dass die Ströme in den Leitungszweigen nicht in Phase mit der Spannung des Speisestromkreises sind, indem der eine der elektrorriotorischen Kraft vor- und der andere ihr nacheilt.
Bei der gezeigten Ausführungsform ist von der möglichen Anbringung einer Funken strecke abgesehen, da es fraglich ist, ob die durch eine Funkenstrecke erzielbaren Vorteile nicht wieder durch die darin auftretenden Verluste aufgehoben werden.
Aus dem in Fig. 2 gezeichneten Vektor diagramm ergibt sich anhand bekannter Be ziehungen zwischen elektromotorischer Kraft, Strom und deren Phasenbeziehung der beiden respektiven Stromkreise,-dass im vorliegenden Falle die Verwendung einer hohen elektro motorischen Kraft sehr zweckmässig ist, da es möglich ist, dem Speisestrom einen sehr kleinen Wert zu geben, dass ferner bei zu nehmender induktiver Koppelung zwischen dem Heizwiderstand und dessen Spule mehr Arbeit durch erhöhte Wärmeabgabe geleistet und hierdurch auch der Generator veranlasst wird, mehr Leistung abzugeben.
Ein Vorteil, welcher durch die Anwendung von grossen elektromotorischen Kräften und einer kleinen Stromstärke erzielt wird, besteht darin, dass in einem solchen Falle billige Dynamokonstruktionen zur Anwendung kom men können, und dass nur kleine Übertra gungsverluste in Kauf, genommen werden müssen, falls der Strom auf eine bedeutende Entfernung .zu übertragen ist. Infolge der angenäherten Abstimmung des primären Induktionskreises auf die Frequenz des Speisestromes werden die Schwingungen, welche von der Xondensatorentladung her rühren, trotz der Dämpfung, welcher sie während ihrer Schwingung im primären In duktionskreis wegen der Energieübertragung auf den Heizwiderstand unterworfen sind, immer wieder in gleicher Grösse erzeugt.
Auf diese Weise wird die volle maximale Ampli tude und Stärke dieser Schwingungen im primären Induktionskreis aufrecht erhalten.
Da während der Ladung des Kondensa- tors keine Unterbrechung der Schwingungen stattfindet, wird die Energie bei der beschrie benen Vorrichtung gemäss der Erfindung während der ganzen Zeit mit maximaler In tensität übertragen, was zum Beispiel bei den Vorrichtungen, wo gedämpfte Schwingungen zur Anwendung kommen, nur während des Entladezeitraumes der Fall ist, der nur einen Bruchteil des zum Laden und Entladen die nenden ganzen Zeitraumes bildet.
Bei der beschriebenen Vorrichtung ist es daher möglich, bei gleicher Energiezuführung die erforderlichen Abmessungen oder das er forderliche Gewicht des Kondensators im Vergleich zu den Vorrichtungen, wo gedämpfte. Schwingungen zur Anwendung kommen, auf ungefähr ein Fünftel zu reduzieren, indem bei der neuen Vorrichtung bei einer bestimm ten Grösse des Kondensators eine viel grössere Energieaufnahme stattfindet. Bei der be schriebenen Vorrichtung kann ferner die zu geführte Energie eine hohe Spannung besitzen, die dem Stromkreis ohne oder unter Zwischen schaltung von Transformatoren zugeführt werden kann, so dass ein starker Stromfluss ohne nennenswerte Verminderung der Span nung erhalten wird.
Zur genauen Abstimmung des Induktions stromkreises wird zweckmässigerweise eine der zwei massgebenden Grössen, die Kapazität oder der zu Selbstinduktion der Induktions spule hinzukommende Selbstinduktionswider- stand des dieselbe enthaltenden Stromkreises einstellbar vorgesehen.
Die Art und Weise, wie die Anpassung einer derartigen Vorrichtung an einen Mehr phasenbetrieb zu erfolgen hat, ohne dass die Phasen des Netzes ungleich belastet werden, ist auf der Hand liegend; so dass es sich erübrigt, eine solche Anpassungsart besonders darzustellen und zu beschreiben. - Da wo ein besonderer Generator gewünscht wird, kann er zweckmässig durch einen Mehr#phasen-Asy n- chronmotor betätigt werden, wobei dann eine beliebige Speisung der einzelnen Phasen durch den Generator möglich ist, ohne dass die Phasen des Netzes ungleich belastet werden.
Bei Anwendung des vorliegenden Verfah rens und der Vorrichtung zum Heizen bezw. Schmelzen einer Metallmasse oder eines andern leitenden Materials spielen Unregelmässigkeiten in der Form der Charge gar keine Rolle und selbst eine örtliche Wärmezuführung an be stimmten Stellen derselben ist möglich. Die als Ofen ausgebildete Schmelzvorrichtung kann ohne Schmelztiegel ausgeführt sein oder einen solchen aufweisen, und der Schmelz tiegel kann nach Bedarf leitend sein oder nicht. In einem leitenden Tiegel kann jedes beliebige, auch nicht leitende Material behan delt werden.
Speziell für Tiegelöfen bietet die Erfindung den Vorteil, dass keine Beimengung von magnetisch leitendem Material zum Einsatz erforderlich ist, so dass dessen Zusammen setzung nicht gestört wird.
Beim Heizen mit Vakuum können bei der Konstruktion des Tiegels die Bedingungen; welche für die Aufrechterhaltung des Vakuums zu erfüllen sind, vollauf berücksichtigt werden, da eine passende Umhüllungsspule an jedem Tiegel angebracht werden kann.
Die Erfindung soll nun auch noch an hand des in Fig. 5 gezeigten elektrischen Induktions-Tiegelofens erläutert werden. Bei diesem Ofen umgibt eine Spule 0 einen Be hälter 12, der mit einem luftdichten -Deckel 13 versehen ist, durch den eine nach einem Vakuum führende Röhre 14 hindurchgeht. Innerhalb des Behälters 12 ist ein Tiegel 11 angeordnet, der auf eine Isoliermasse 15 auf gesetzt ist, damit er, .bezw. sein Inhalt 16 auf die erforderliche Höhe zu der Spule zu liegen kommt. Der Heizwiderstand kann durch 15- oder<B>16</B> gebildet werden.
Der durch die Spule 0 fliessende Schwin- gungsstrom, .von dem die Amplitude der Schwingungen aufrecht erhalten wird, indu ziert,. ganz gleichgültig wie er erzeugt worden ist, im Heizwiderstand einen Stromfluss in Ebenen, die zu den Ebenen der Spule 0 parallel sind. Der Skin-Effekt bewirkt, dar) der induzierte Strom etwas mehr in dem äusseren .
Teil, als an andern Stellen des Heizwiderstandes konzentriert wird, was zur Folge hat, dass der Aussenumfang, schneller erwärmt wird, . als der innere Teil, so dass ein Wärmefluss von dem äussern Teil des Heizwiderstandes nach. dem innern Teil des selben eintritt. Ein Joulescher Effekt, das heisst das Bestreben der stärker erhitzten Heizwiderstandteile, in die Höhe zu steigen, tritt auf, wenn der Heizwiderstand flüssig ist.
In .Fig. 3 deuten die Pfeile die Richtung der Stromlinien in der Spule, durch welche die Schwingungen hindurchgehen, und im Heizwiderstand an.
-Die Stroindiclite ln einem geschmolzenen öder flüssigen Heizwiderstand kam) so gross gemacht werden, daf, der Strom in derselben Weise wirkt, wie wenn parallele Stromlinien durch düirne Leiter fliessen würden, die sich in der Luft frei bewegen können und dabei zusammengezogen werden.
Eine entsprechende Zusammenziehung in einem flüssigen Leiter, eine Erscheinung, die "Pirich-Effekt" genannt wird, kann dazu verwendet werden, um eine wirksame Rührwirkung zu erhalten, die sich von dem stärker erwärmten äussern Teil des Schmelzbades in radialer Richtung nach einwärts geltend macht. Eine solche Wirkung wird allerdings durch das in die Höhe ' stei gende, stärker erwärmte Metall etwas abge schwächt, so dass ungefähr die in Fig. 4 gezeigten Strömungslinien erhalten werden.
Der Rührwirkung kommt nicht dieselbe Be deutung zu wie der L mwandlung von Energie in Wärme, welche für Heizwiderstand vor sich. zu. gehen hat, da ohnehin eine gute Leitung der Wärme vom Aussenumfang nach innen stattfindet, was namentlich dann der Fall ist, wenn der Tiegelinhalt den Heiz widerstand bildet.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung erfordert einen Generator, der eine anormale Frequenz besitzt und etwas teurer ist als ein solcher normaler Frequenz. Hingegen können infolge der günstigen, in vorstehendem dargelegten Eigenarten des zur Verwendung gelangenden Stromes die Auslagen für die Kondensatoren ganz erheblich vermindert werden.
Infolge der erzielten Einfachheit und der völligen Unabhängigkeit von Unregelmässig keiten in der Form und abgesonderten Teilen des Heizwiderstandes werden so grosse Vor teile erzielt, dass nahezu in idealer Weise arbeitende Öfen erhalten werden, was nament lich mit Bezug auf zum Schmelzen, Raffinieren oder Erwärmen von Materialien dienende Tiegel zutrifft.
Dein Tiegel kann eine solche Form ge geben werden, dass er leicht gefüllt und ent leert werden kann. Ferner kann der Tiegel inhalt abgekühlt und wieder erwärmt werden, ohne dass der Tiegel zerschlagen werden muss.
Durch die kompakte Form der den Heiz widerstand darstellenden, behandelten Masse werden in weitgehendem Masse die Wärme verluste vermindert, die Masse wird einheit lich erwärmt und ist bezüglich der Erwärmung weniger von der Zirkulation abhängig, als in andern Öfen mit Erhitzung auf elektrisch induktivem Wege, bei denen das Bad eine sehr ausgedehnte und unregelmässige Form hat.
Es kann dafür gesorgt werden, dass der Leistungsfaktor im wesentlichen gleich eins ist und der Wirkungsgrad nimmt in ausge prägtem Masse mit der Grösse der Vorrich tung zu. Im Speisestromkreis wird dadurch ein Leistungsfaktor eins erhalten, dass der Strom in diesem Stromkreis in Phase mit seiner elektromotorischen Kraft gebracht wird, und es ist der Strom in dem die Kapazität und die Ofeninduktionsspule aufweisenden Stromkreis zu jeder Zeit im wesentlichen gleich gross, während der vom Generator ge- lieferte Strom entsprechend der vom Heiz- widerstand aufgenommenen Energie wechselt.
Bei auftretenden Änderungen in der absor bierten Energie ändert sich die Phasenver schiebung zwischen den Strömen, welche durch die Induktorspule und den Kondensator gehen, wie das aus dem Vektordiagramm ersichtlich ist, und zwar nimmt dieselbe mit zunehmender Energieaufnahme ab.