Высокочастотный нагреватель Советский патент 1944 года по МПК H05B6/00 C21D9/60 H03B1/02 H05B6/54 

В настоящее время индукциюнный нагрев металлов в быстроперемемпых электромагнитных нолях получил широкое промышленное применение.

Однако имеется ряд объектов , которые до сих пор не удавалось нагреть электроматнитным полем. К таким объектам относятся, например, тонкж проволоки.

Если поместить круглую проволоку в индуктор, ось которого параллельна оси провюлоки, то отношение мошности Ра. выделяющейся -в проволоке, к мощности Pi, теряемой в индукторе. В саамом лучшем случае (при высокой частоте) будет равно:

V Pi

fi к pi

где Га и ri -радиусы проволоки, и индуктора, а ,0а и р; - удельные сопротивления матернааов проволоки и иидуктора. Радиус индукт10ра практически не может быть сделан меньше нескольких миллиметров:, отсюда следует, что для проволок о диаметром меньше одного миллиметря, получается савершенно ничтожный к. п- д. нагрева.

Увеличить к.п.д. нагрева можно, направив иагревающий ток вдоль

проводника вместо того, чтобы огг циркулировал в виде замкнутых KOHTypoBi вокруг проводника..

До сих пор удавалось направить ток 1вдоль проводника- только пр-и помощи контактов-, приложенных к дву.м его точкам. тем в ряде случаев конта.ктны11 метод наIpeBai соверщенно неприменим, например, для изолированной проволоки (эмалиро&анноГг, оксидированной).

Известны нопытки осуществить бесконтактный нродольный нагрев. На: фиг. 1 прилагаемого чертежа ноказана схема нйгрева проволоки А, перематывающейся с катушки Bi на катушку Во; Di и Dj - (Ветви диполя, возбуждаемого генератором G.

Однако, нрн такой схеме «агрева значительная часть энергии будет излучаться в окружающее пространство и к. п. д. нагрева будет невысок.

Радикально рещает задачу нагрева предлагаемый высокочастотный нагреватель.

В предлагаемом нагревателе тонких проволок или лент подвод тока к проволоке осуществляется через ёмкость между электродами и нагревле.мым изделием, причём, согласно нзобретеиию, электроды и соединяющие их проводники образуют контур с распределённым постоянными, возбуждаемый на оснозной частоте «ли на га рмо«ике.

Сущность изобретения поясняется прилагаемым чертежом, на котором фиг. 1 изображает схему одноIo из известных иагревателей, фиг. 2-схему предлагаемого нагрев-ателя, фиг. 3 и 4 - два-, В-арианта конструктивного оформления нагревателя, выполненного согласно изобретению, фиг. 5 и 6 - пояснительные диаграммы, фиг. 7 - схему распределения тока, нанряжения и энергии В нагревателе и нагревяе.мом изделии, фиг. 8 и 9 - дBfa ва-риа«та схемы питания нагревателя.

Принцип предлагаемого нагревателя заключается в том, что вдоль подлежащей нагреву проволоки располагаются дв-а отрезка системы Лехера, подводяндие к проволоке .стоячую волну (фиг. 2)..

Внешнее поле такоГ си1стемы значительно слабее, чем у диполя, и поэтому потери «а излучение электромагнитной энергии будут ничтожны.

На фиг. 3 показано выполнение конденсаторвого нагревателя, дающее максимальный к. п. д. нагрева. В этой конструкции лехеро:вские системы выполнены в виде двух концентрических труб. В такой системе внешнее поле очень мало.

На фиг. 4 показана другая ко нструкция, так называемого, коробчатого тина. Эта конструкция очень проста в выполнении, таагревйемые объекты легко достугшы наблюдению; кром-е того Б: Нагревателе коробчатого типа легко одновременно нагревать несколько проволок.

Вполне очевидно, что для увеличения тока, текущего через нагреваемую проволоку, частота тока должна быть как можно большей. Для этого необходимо, чтобы нагреватель сам являлся и колеба тельным контуром, так как включение .всяких дополнительных «я.дуктивностей или ёмкостей вызовет неизбежно понил ение частоты.

На фиг. 5 показано распределение тока И напряжения в конденсаторном нагревателе, работающем на .основной волне. Нагреватель показгн развёрнутым & линию. На концах нагревателя будут пучности стоящей Волны напряжения и узлы тока. В середине нагревателя будет пучность тока и узел напряжения. В развёрнутом виде длина кон/. денсаторного нагревателя равна ,

а в сложенном виде .и/.. В дальнейшем изложении д.шна нагревателя обозначается через 1.

Можно также возбудить конденсаторный нагреватель на более высокой частоте. Нрийципиально мож21

но ПОЛУЧИТЬ волны/. -. Не(пЧ-0,5)

обходимо только, чтобы расстояние между электрода.ми конденсаторного нагревателя и обратным проводником было значительно меньше длины волны.

Бели нагреву подвергается изолированный отрезок проводника, длина которого равна длине нагревателя, то на этом проводнике будет существовать стоячая волна-. По концам будут узлы тока и пучности напряжения, в средней части провОлТ,ника - узел напряжения и пучность тока.

При нагреве длинного проводника, выходящего за пределы нагревательного устройства, электромагнитная волна будет распространяться в обе стороны по проводнику, как ЭТО показано на фиг. 7. При этом помимо стоячей волны будет существовать также бегущая волна. Однако, ввиду больших потерь в проводнике, бегущая волна быстро затухает. Поэтому излучение BI окружающее пространство- будет незначительно и на небольших расстояниях от нагревателя проволока может быть заземлена.

PaccMOiTpHM некоторые числовые ссотношения в предлагаемом нагревателе, работающем на основной волне.

Предположим, что нагреву; подвер-гается круглый проводник диаметром Обозначим через ДС емкость между проводником и электродами нагревателя, приходящуюся на единицу длины.

Длина каждого активного уча стка каждого электрода нагревателя, работающего на ocHOBHoff волне, не может быть больше /8 А. Практически длина обкладки рав:н« 0,1 /Действующее напряжение между внутренним краем пагревательного электрода и проводником обозначим через Е . Тогда напряжение между проводником и внешним краем

электрода будет Ei ,7Ei .

Омическое сопротивление проводника столь мало но сравнению с ёмкостным сопротивлением между проводником и электродом нагревателя, что не оказывает никакого влияния на силу тока. Последний поэтому можно вычислить по формуле :

Л„ Е1 АС 0,1 Aw 19 - lO-sEi )

Здесь ЛС выражено в сантиметрах. Характерно, что сила тока не зависит от частоты.

Величина АС может быть вычислена но формуле

АС :4,6 Ig А

таким ооразом Ло-4. 10-3 .- . IK При вычислении мощности, выделяющейся в проводнике, «адо рассмотреть два случая: 1.Глубина проникновения тока в материале проводника меньше его диаметра и ток течёт в: тонко.м поверхностном слое. 2.Глубина проникновения тока- в материале проводника больше его ди аметра « ток равномерно распределён по всему сечению нровоДНИка. В первом случае омическое сопротивление одного погонного сантиметра проводника будет равно 10- Q

Мощность. выделяющаяся на единицу длины, будет

-9 Ef Y г. . f

5,7 - 10

l4)

i.-l

cm

Удельная мощность, приходящаяся на единицу поверхности проводника, будет

АР, 1,8 10-S LL Jj/.r Vatri .

;,, U,.J«

у7 .лI

Подставим в эти формулы значения для .еди (о 1,7- Ю -C1U) и для железа при TeNniepaTypax выше точки Кюри (р 100 11) С1л тогда для меди

,9- 10-- IIL(6)

( ,5-10-2/ ;/.fдля железа.

Vatt| PF,,,..5J 10

(8

П f

Valt

АРк,... 1,8- 10-- т Если взять, например, частоту тока Hz Г/. - 3 111), (i; 1 см. .1 мм и 7i; 5000 Т , то для медной проволоки Vatt PC. 50 - и АРо, 1,б,, Для железно проволоки AValt АР,., 12 ., Рк..- 360 Во втором случае, когда ток равномерно распределён по проводника, мы получим следующие зависнМО-сти: Сопротивление одного погонногссантиметра AT -- . -г/Мощность, выделяющая-ся на ч диницу Д.1ИНЫ проводника, будет равна Р„ 2 -10Мощность, приходящаяся на единиЦу поверхности нроводника, i | WattA P,. 6,5- 10-6 d,., I-...:, (11) ig Л (I, Предмет п з о б р е т е н и я Высокочастотныйнагреватель тонких проволок HJH- лепт с подводом тока через ёмкость между электродами и нагреваемы.м иредметом, о т ,:i и ч а К) щ и и с я тем, что электроды и соединяющие их проводники образуют контур с распределёнными ностояпными, возбуждаемый основъой частоте или на гармонике.

Приведённые расчёты ноказывают, что нредлагаемый нагреватель спОсо бен выделять на нроволоке довольно большие мощности. При этом важно отметить, что чем меньше днамет-р проволоки, тембольшую мощность на ней можно выделить. При диаметрах же проволокн, большнх 1 ММ, даже при весьма высоких напряжешгях на электродах (до 10 kV), выделяемая мощность будет весьма мала. Поэтш у предлагаемый нагревате.1ь выгоднее всего использовать для нагрева проволок днаметрО:М, меньше 0,5 М;м.

Когда требуется нагревать одновременно несколько проволок (фи1-. 4) необходимо, чтобы расстояние С между «имн было не меньше расстояния между проволокой н электродом нагревателя. ECJHI расположить проволочки более тес.но, та ёмкостный ток, текущий па каждую проволочку, будет мал, и к. п. д. нагрева у-падёт.

На фиг. 8 и 9 показаны два ва)ианта схем включения . предлагаемого нагревателя.

В показанной па фиг. 8 однотактHoii (трёхточечной) схеме применено носледовательное питание; па нагревателе при этом -имеется напряжение от источника анодного ннтанйя.

Из соображений техшки безопасности целесообразиее пр-етмепять схему последовательпого питания. П1Ж ЭТОМ на нагревателе будет толБко напряжение высокой частоты.

Фиг. 1

ж.

- -27г V

к авторскому свидетельству № 63262

Фиг, 2

Фиг. 3

ч)

L| Г-гУ

Фиг. 4

. 5

Фиг. 7

LЯ

л J f