-
Erfindungsgebiet
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein induktive Heizeinrichtungen,
und die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine induktive
Heizeinrichtung mit einer induktiven Kopplungsbaugruppe und ein
Verfahren zum Beheizen eines Zielsubstrats.
-
Allgemeiner Stand der Technik
-
Induktionsheizgeräte werden
als eine Möglichkeit
zum Erhitzen eines Werkstücks
auf thermisch schnelle Weise verwendet. Beispielsweise werden in der
Automobilindustrie Induktionsheizgeräte verwendet, um das Härten von
thermisch reagierenden Bondingmaterialien zu beschleunigen, die
zwischen Baugruppenkomponenten (Werkstücken) positioniert sind. Insbesondere
ist ein nützliches
Induktionsheizgerät
ein „Punktschweißgerät", wo eine erhitzte
Arbeitsoberfläche
Wärme an
einen kleinen Bereich (z.B. einen Fleck) liefert. Ein weiteres nützliches
Induktionsheizgerät
ist ein „Pancake
Heater", der in
der Lage ist, einen großen,
oftmals kreisförmigen
Bereich induktiv zu erhitzen. Weil Induktionsheizgeräte wenig
Widerstandsheizverluste erfahren, sind Induktionsheizgeräte effizienter
als widerstandsbeheizte Elemente. Infolgedessen liefern Induktionsheizeinrichtungen
eine schnelle thermische Antwort, was besonders für Montagestraßen mit
hoher Produktionsrate wünschenswert
ist.
-
Die
bekannten Induktionsheizeinrichtungen weisen jedoch eine Heizoberfläche auf,
die über
ein „festverdrahtetes" Kabel an eine Stromversorgung angebracht
ist. Beispielsweise weisen die Induktionsheizeinrichtungen nach
dem Stand der Technik eine Stromversorgung mit einer Primärspule und
eine von der Primärspule
getrennte Sekundärspule, üblicherweise
in der Nähe
einer Heizoberfläche
positioniert, auf. Ein Kabel mit einem Induktionsspulenkern erstreckt
sich zwischen der Primärspule
und der Sekundärspule.
In dieser Hinsicht ist das Kabel elektrisch und permanent festverdrahtet
zwischen der Primärspule
und der Sekundärspule.
-
Bei
Verwendung wird ein hochfrequenter Wechselstrom (AC) von der Stromversorgung
an die Primärspule
geliefert, wodurch ein Magnetfeld um die Primärspule herum erzeugt wird.
Das Magnetfeld wird entlang des Induktionsspulenkerns zu der Sekundärspule transferiert,
die mit der Arbeitsoberfläche
verbunden ist. Das Vorliegen des Magnetfeldes induziert in der Sekundärspule und
der Arbeitsoberfläche
eine Spannung. Infolgedessen beeinflußt eine etwaige Änderung
bei dem der Primärspule
gelieferten hochfrequenten AC den Strom und die Spannung in der
Sekundärspule über eine
als gegenseitige Induktanz bekannte Eigenschaft. Diese gegenseitige Induktanz,
wie sie üblicherweise
in elektrischen Transformatoren verwendet wird, basiert auf ferromagnetischen
Eigenschaften des Eiseninduktionsspulenkerns, um die AC-Spannungen
und -Ströme
in der Sekundärspule
effizient anzuheben oder abzusenken. Die festverdrahtete Verbindung
zwischen der Stromversorgung und der Arbeitsoberfläche über das
Kabel ist zwar effektiv, begrenzt aber die Nützlichkeit der Induktionsheizeinrichtung.
Beispielsweise muß,
wenn die Arbeitsoberfläche
durch Benutzung abgenutzt wird, ein vollständiges System aus Stromversorgung,
Primär- und Sekundärspule,
Kabel und Induktionsspulenkern ausgetauscht werden, obwohl die anderen
Komponenten möglicherweise
nicht abgenutzt sind.
-
Zusätzlich zu
der begrenzten Nützlichkeit von
festverdrahteten Kabeln kann der Induktionsspulenkern eine Quelle
für Leistungsverlust
sein. Der typische Induktionsspulenkern ist von zylindrischer Gestalt
und ist durch Magnetfeldverluste durch die Oberfläche des
Kerns gekennzeichnet. Infolgedessen geht ein Teil des Magnetfeldes
auf natürliche Weise
in den freien Raum um den Induktionsspulenkern herum verloren. Dieser
Teil des Magnetfeldes, der von dem Induktionsspulenkern verloren
geht, hat das Potential, in Metallobjekten unerwünschte Ströme zu induzieren, was ein Problem
für Gesundheit und
Sicherheit sein kann.
-
Die
Induktionsheizgeräte
nach dem Stand der Technik basieren auf der Festverdrahtung des Kabels
zwischen der Stromversorgung und der Arbeitsoberfläche. Dies
macht das Austauschen kompletter Systeme erforderlich, wenn eine
Komponente abgenutzt wird, reduziert die Effizienz von schnellen und
flexiblen Montagestraßen,
die gegenwärtig
in der Automobilindustrie verwendet werden. Außerdem gestatten die Induktionsspulenkerne
nach dem Stand der Technik, daß ein
Teil des Magnetfeldes in die Umgebung verloren geht, und er steht
somit zum Induzieren einer Spannung in den Sekundärspulen
nicht zur Verfügung.
Folglich streut ein Teil des Magnetfeldes von dem Induktionsspulenkern
und hat das Potential, in anderen Objekten als dem Werkstück unerwünschte Ströme zu induzieren.
-
Kurze Darstellung der Erfindung
-
Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt eine induktive Heizeinrichtung
bereit mit einer Stromversorgung, einer induktiven Kopplungsbaugruppe
und einem Induktionsspulenkern. Die Stromversorgung weist eine Primärspule auf.
Die induktive Kopplungsbaugruppe weist eine induktive Kopplungshülse auf,
die an ein erstes Ende einer Kabelbaugruppe gekoppelt ist, wo die
induktive Kopplungshülse
eine darin positionierte Sekundärspule aufweist.
In dieser Hinsicht ist die induktive Kopplungsbaugruppe konfiguriert,
die Kabelbaugruppe durch induktives Koppeln des Induktionsspulenkerns zwischen
der Primärspule
und der Sekundärspule entfernbar
an die Stromversorgung zu koppeln.
-
Bei
einem Aspekt ist die induktive Heizeinrichtung mit einem induktiv
erhitzten Arbeitskopf versehen, der austauschbar mit einem zweiten
Ende der Kabelbaugruppe verbunden ist.
-
Der
Induktionsspulenkern kann an der Stromversorgung angebracht werden
und sich von der Primärspule
aus erstrecken. Bei einem weiteren Aspekt ist der Induktionsspulenkern
an der Kopplungshülse
angebracht und erstreckt sich von der Sekundärspule aus.
-
Bei
einem Aspekt weist der Induktionsspulenkern einen ersten Abschnitt
und einen zweiten Abschnitt auf. Der erste Abschnitt und der zweite
Abschnitt des Induktionsspulenkerns sind konfiguriert, trennbar
aneinander gekoppelt zu werden. Bei einem Aspekt befindet sich der
erste Abschnitt des Induktionsspulenkerns an der Stromversorgung,
und der zweite Abschnitt des Induktionsspulenkerns befindet sich
an der Kopplungshülse
innerhalb der Sekundärspule.
-
Bei
einem Aspekt koppeln der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt
des Induktionsspulenkerns, um einen zylindrisch geformten Induktionsspulenkern
zu bilden. Bei einem weiteren Aspekt koppeln der erste Abschnitt
und der zweite Abschnitt des Induktionsspulenkerns, um einen toroidförmigen Induktionsspulenkern
zu bilden.
-
Die
induktive Heizeinrichtung kann auch einen Verriegelungsmechanismus
aufweisen, der konfiguriert ist, die Kabelbaugruppe an die Stromversorgung
zu koppeln. Bei einem Aspekt weist der Verriegelungsmechanismus
ein mit der Stromversorgung verbundenes erstes Verriegelungsglied
und ein mit der induktiven Kopplungshülse verbundenes zweites Verriegelungsglied
derart auf, daß das
Koppeln des ersten Verriegelungsglieds an das zweite Verriegelungsglied
eine trennbare Verriegelungsverbindung bildet.
-
Bei
einem weiteren Aspekt ist das erste Verriegelungsglied als Teil
des Gehäuses
der Stromversorgung ausgebildet.
-
Bei
einem bevorzugten Aspekt ist der Verriegelungsmechanismus ein Twist-and-Lock-Verbinder.
-
Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum induktiven Erhitzen
eines Zielsubstrats bereit. Das Verfahren beinhaltet das Bereitstellen
einer Stromversorgung einschließlich
einer Primärspule
und einem ersten Abschnitt des Induktionsspulenkerns. Das Verfahren beinhaltet
zusätzlich
das Koppeln einer am ersten Ende einer Kabelbaugruppe positionierten
Hülse und einschließlich einer
Sekundärspule
und einem zweiten Abschnitt des Induktionsspulenkerns an die Stromversorgung
derart, daß der
erste und zweite Abschnitt des Induktionsspulenkerns induktiv koppeln.
Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Aktivieren der Stromversorgung,
um einen an einem zweiten Ende der Kabelbaugruppe angebrachten Arbeitskopf
induktiv zu erhitzen.
-
Bei
einem Aspekt beinhaltet der Schritt des Koppelns der am ersten Ende
der Kabelbaugruppe positionierten Hülse an die Stromversorgung
das entfernbare Verriegeln des ersten Endes der Kabelbaugruppe an
die Stromversorgung. Bei einem weiteren Aspekt beinhaltet der Schritt
des Koppelns der Hülse an
die Stromversorgung das entfernbare Verriegeln des ersten Endes
der Kabelbaugruppe an die Stromversorgung durch Manipulieren eines Twist-and-Lock-Verbinders.
-
Bei
einem Aspekt beinhaltet der Schritt des Koppelns der Kabelbaugruppe
an die Stromversorgung das Zusammenstecken des ersten und zweiten Abschnitts
des Induktionsspulenkerns, um einen toroidförmigen Induktionsspulenkern
zu bilden.
-
Bei
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist eine induktive Heizeinrichtung
eine Stromversorgung, einen Arbeitskopf und eine induktive Kopplungsbaugruppe
auf, konfiguriert, um die Stromversorgung entfernbar an den Arbeitskopf
zu koppeln, wobei die induktive Kopplungsbaugruppe eine Primärspule,
eine Sekundärspule
und einen Induktionsspulenkern aufweist. In dieser Hinsicht ist
die Stromversorgung elektrisch an die Primärspule gekoppelt, die Sekundärspule ist
elektrisch an den Arbeitskopf gekoppelt, und die Primär- und Sekundärspulen
sind konfiguriert, durch den Induktionsspulenkern magnetisch gekoppelt
zu werden, wenn die induktive Kopplungsbaugruppe gekoppelt wird.
-
Bei
einem Aspekt ist der Induktionsspulenkern innerhalb der Primärspule angebracht
und erstreckt sich von dort aus.
-
Bei
einem weiteren Aspekt ist der Induktionsspulenkern innerhalb der
Sekundärspule
angebracht und erstreckt sich von dort aus.
-
Bei
einem weiteren Aspekt weist der Induktionsspulenkern einen ersten
Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt
und der zweite Abschnitt konfiguriert sind, trennbar gekoppelt zu
werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform koppeln der erste
Abschnitt und der zweite Abschnitt des Induktionsspulenkerns, um
einen toroidförmigen
Induktionsspulenkern zu bilden.
-
Bei
noch einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung weist eine induktive Heizeinrichtung eine
Stromversorgung einschließlich
einer Primärspule,
einer Kabelbaugruppe und einem Induktionsspulenkern auf. Die Kabelbaugruppe
weist ein an eine Sekundärspule
gekoppeltes erstes Ende und ein an einen Arbeitskopf gekoppeltes
zweites Ende auf. Ein Mittel zum entfernbaren Koppeln der Kabelbaugruppe
an die Stromversorgung ist derart vorgesehen, daß der Induktionsspulenkern
zwischen der Primärspule
und der Sekundärspule
koppelt.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
beliegenden Zeichnungen sind aufgenommen, um ein weiteres Verständnis der
vorliegenden Erfindung zu vermitteln, und sind in diese Spezifikation
integriert und stellen einen Teil dieser dar. Die Zeichnungen veranschaulichen
die Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung
der Erläuterung
der Prinzipien der Erfindung. Weitere Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung und viele der beabsichtigten Vorteile der vorliegenden
Erfindung ergeben sich ohne weiteres, wenn sie unter Bezugnahme
auf die folgende ausführliche
Beschreibung besser verstanden werden. Die Elemente der Zeichnungen
sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu.
Gleiche Referenzzahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
-
1 ist
eine Perspektivansicht einer induktiven Heizeinrichtung gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
-
2 ist
eine Perspektivansicht einer Heizeinrichtungsbaugruppe gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
3 ist
eine Perspektivansicht einer Heizeinrichtungsbaugruppe gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
4 ist
eine Perspektivansicht einer induktiven Heizeinrichtung mit trennbar
koppelbaren Induktionsspulenkernen gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
5 ist
eine Perspektivansicht eines trennbar koppelbaren Induktionsspulenkerns
gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
6 ist
eine Perspektivansicht eines trennbar koppelbaren toroidförmigen Induktionsspulenkerns
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
7 ist
eine Perspektivansicht einer induktiven Kopplungshülse, mit
einem Verriegelungsmechanismus versehen, gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
-
8 ist
eine Perspektivansicht einer alternativen induktiven Heizeinrichtung
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
-
Ausführliche Beschreibung
-
Eine
induktive Heizeinrichtung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist allgemein bei 20 in 1 dargestellt.
Die induktive Heizeinrichtung 20 weist eine Stromversorgung 22 und eine
Kabelbaugruppe 24 auf. Die Kabelbaugruppe 24 weist
ein erstes Ende 26 und ein zweites Ende 28 auf.
Eine induktive Kopplungsbaugruppe 30 ist an das erste Ende 26 der
Kabelbaugruppe 24 gekoppelt und ist konfiguriert, die Kabelbaugruppe 24 entfernbar
mit der Stromversorgung 22 zu koppeln. Eine Primärspule 32 ist
an der Stromversorgung 22 positioniert und elektrisch mit
ihr verbunden. Die induktive Kopplungsbaugruppe 30 ist
konfiguriert, die Kabelbaugruppe 24 über eine induktive Kopplungshülse 34 entfernbar
an die Stromversorgung 22 zu koppeln. Dazu weist die induktive
Kopplungsbaugruppe 30 eine Sekundärspule 36 auf, derart
neben dem ersten Ende 26 der Kabelbaugruppe 24 positioniert,
daß die Primärspule 32 und
die Sekundärspule 36 um
einen Induktionsspulenkern 38 ausgerichtet sind, wenn die induktive
Kopplungsbaugruppe 30 an die Stromversorgung 22 gekoppelt
ist. Während
des Betriebs ist ein Arbeitskopf 40 an das zweite Ende 28 der
Kabelbaugruppe 24 derart gekoppelt, daß der Arbeitskopf wie unten
beschrieben über
gegenseitige Induktanz induktiv erhitzt wird.
-
Die
induktive Heizeinrichtung 20 liefert eine kontaktfreie
Stromversorgung an den erhitzten Arbeitskopf 40 und somit
ein relevantes Zielsubstrat. Bei dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
liefert die Stromversorgung 22 einen Wechselstrom an die
Primärspule 32.
Dieser Wechselstrom in der Primärspule 32 erzeugt
ein Magnetfeld in dem Induktionsspulenkern 38, der eine
Spannung in der Sekundärspule 36 induziert.
Infolgedessen liefert die Stromversorgung 22 einen Wechselstrom
(AC) an die Primärspule 32,
der eine Spannung in der Sekundärspule 36 derart
induziert, daß Strom
an den Arbeitskopf 40 auf kontaktfreie elektromagnetische Weise
geliefert wird.
-
Die
Stromversorgung 22 ist eine Hochfrequenzstromversorgung
mit bevorzugt einer Ausgangsfrequenz über 1 Kilohertz. Bei einer
Ausführungsform
weist die Stromversorgung 22 eine Ausgangsfrequenz von
zwischen 10 Kilohertz und 400 Kilohertz auf und kann mehr als 100
Ampere Wechselstrom bei einem AC-Netzspannungspegel von 120 Volt
liefern. Andere Konfigurationen von Wechselstrom und -spannung sind
jedoch möglich.
Wenn der Fachmann auf dem Gebiet des Elektrowesens diese Offenbarung
liest und versteht, erkennt er andere geeignete Strom- und Spannungskonfigurationen
für die
Stromversorgung 22.
-
Die
Primärspule 32 und
die Sekundärspule 36 weisen
mehrere Umwicklungen oder Wicklungen aus leitendem Draht auf. Die
Anzahl an Drahtwicklungen um die Sekundärspule 36 in Relation
zu der Anzahl Drahtwick lungen um die Primärspule 32 ist als ein
Windungsverhältnis
bekannt. Gegenseitige Induktanz induziert eine Spannung in der Sekundärspule 36,
die der Spannung der Primärspule 32 um einen
Anteil gleich dem Windungsverhältnis
entspricht. Insbesondere ist die in der Sekundärspule induzierte Spannung
gleich der Spannung in der Primärspule
multipliziert mit dem Windungsverhältnis. Infolgedessen kann die
gewünschte
Spannung in der Sekundärspule
als Funktion der Spannung in der Primärspule 32 und des
Windungsverhältnisses
gesteuert werden. Bei Lektüre
dieser Offenbarung erkennt der Fachmann auf dem Elektrowesen geeignete Wahlmöglichkeiten
für das
Windungsverhältnis,
die zu der gewünschten
induzierten Spannung und dem gewünschten
induzierten Strom in der Sekundärspule 36 führen.
-
Eine
induktive Heizeinrichtung einschließlich einer induktiven Kopplungsbaugruppe 50 gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist bei 42 in 2 dargestellt.
Die induktive Kopplungsbaugruppe 50 weist eine Hülse 54 auf,
die die Sekundärspule 56 umgibt,
und ist an einem ersten Ende 57 einer Kabelbaugruppe 58 positioniert.
Die induktive Kopplungsbaugruppe 50 ist konfiguriert, über einen Verriegelungsmechanismus 60 mit
der Stromversorgung 22 zu koppeln. Die Primärspule 32 ist
innerhalb der Stromversorgung 22 zusammen mit einem Induktionsspulenkern 59 positioniert,
der mit der Primärspule 32 assoziiert
ist und sich von dieser aus erstreckt. Wie in 2 dargestellt,
erstreckt sich der Induktionsspulenkern 59 auch einen Abstand über die Stromversorgung 22 hinaus
derart, daß die
induktive Kopplungsbaugruppe 50 den Induktionsspulenkern 59 umgibt,
wenn die induktive Kopplungsbaugruppe 50 an die Stromversorgung 22 koppelt.
Folglich kann die Kabelbaugruppe 58 (einschließlich der
induktiven Kopplungsbaugruppe 50) austauschbar mit der Stromversorgung 22 verbunden
werden. Insbesondere gestattet die induktive Kopplungsbaugruppe 50 einen
schnellen und zweckmäßigen Austausch
der Kabelbaugruppe 58 (und eines etwaigen, an der Kabelbaugruppe 58 angebrachten
Arbeitskopfs) beim Optimieren der Nützlichkeit der induktiven Heizeinrichtung 42.
Insbesondere ermöglicht
die induktive Kopplungsbaugruppe 50 in Kombination mit
der Kabelbaugruppe 58 eine schnelle Auswechslung entweder
einer abgenutzten Kabelbaugruppe 58 oder die Auswechslung
sowohl der Kabelbaugruppe 58 als auch des Arbeitskopfs 40.
-
Eine
induktive Heizeinrichtung gemäß einer weiteren
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist allgemein bei 64 in 3 dargestellt.
Die induktive Heizeinrichtung 64 weist eine Stromversorgung 22 und
eine austauschbare Kabelbaugruppe 72 auf. Eine induktive
Kopplungsbaugruppe 70 ist an einem ersten Ende 73 der
austauschbaren Kabelbaugruppe 72 angebracht und weist eine
induktive Kopplungshülse 74 auf,
die sich über
eine Sekundärspule 76 hinaus
erstreckt und einen Induktionsspulenkern 78 umgibt. Auf
diese Weise ist die induktive Kopplungsbaugruppe 70 konfiguriert,
die Kabelbaugruppe 72 entfernbar an die Stromversorgung 22 zu
koppeln. Der Induktionsspulenkern 78 erstreckt sich über die Sekundärspule 76 hinaus
und ist konfiguriert zur Ineingriffnahme mit der Primärspule 32 der
Stromversorgung 22, wenn die induktive Kopplungshülse 74 über einen
Verriegelungsmechanismus 80 entfernbar an die Stromversorgung 22 gekoppelt
ist. Folglich kann die austauschbare Kabelbaugruppe 72 durch die
Manipulation der induktiven Kopplungsbaugruppe 70 schnell
und zweckmäßig ausgewechselt
werden. 2 zeigt den sich über die
Primärspule 32 von
der Stromversorgung 22 aus hinaus erstreckenden Induktionsspulenkern 59,
wohingegen 3 den sich über die Sekundärspule 76 der
induktiven Kopplungsbaugruppe 70 hinaus erstreckenden Induktionsspulenkern 78 darstellt.
Jedenfalls ist die Kabelbaugruppe 58 oder 72 konfiguriert,
entfernbar und induktiv mit der Stromversorgung 22 gekoppelt
zu werden. Ein Vorzug der in 2 oder 3 dargestellten
Ausführungsformen
besteht darin, daß die
Stromverbindung an der Stromversorgung 22 derart aufrechterhalten
wird, daß sich
die Hochspannung der Stromversorgung von den Arbeitsköpfen 40 weg
befindet.
-
Eine
mit einem trennbar koppelbaren Induktionsspulenkern gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung versehene induktive Heinzeinrichtung
ist allgemein bei 100 in 4 dargestellt. Die
induktive Heizeinrichtung 100 weist eine Stromversorgung 102 und
eine Kabelbaugruppe 104 mit einem ersten Kabelende 105 auf.
Eine induktive Kopplungsbaugruppe 106 ist an das erste
Kabelende 105 gekoppelt und ist konfiguriert, die Kabelbaugruppe 104 entfernbar
an der Stromversorgung 102 zu sichern. Wenn die induktive
Kopplungsbaugruppe 106 die Stromversorgung 102 koppelt,
wird außerdem
ein erster Abschnitt 107 eines trennbaren Induktionsspulenkerns 108 mit
einem zweiten Abschnitt 109 des Induktionsspulenkerns 108 zusammengesteckt
und damit induktiv gekoppelt. Eine Primärspule 110 ist innerhalb
der Stromversorgung 102 derart positioniert, daß der erste
Abschnitt 107 des Induktionsspulenkerns 108 innerhalb
der Primärspule 110 positioniert ist.
Die induktive Kopplungsbaugruppe 106 weist eine Hülse 112 auf,
die über
eine Sekundärspule 114 vorsteht
und diese umgibt, die um den zweiten Abschnitt 109 des
Induktionsspulenkerns 108 gewickelt ist. Folglich weist
die induktive Kopplungsbaugruppe 106 die Sekundärspule 114 und
den zweiten Abschnitt 109 des Induktionsspulenkerns 108 auf
und ist konfiguriert, derart an die Stromversorgung 102 zu koppeln,
daß der
erste Abschnitt 107 und der zweite Abschnitt 109 des
trennbaren Induktionsspulenkerns 108 induktiv koppeln.
Außerdem
ist ein Verriegelungselement 118 an einem vorderen Abschnitt
der Hülse 112 vorgesehen,
um die induktive Kopplungsbaugruppe 106 (und somit die Kabelbaugruppe 104) entfernbar
an der Stromversorgung 102 zu sichern. Infolgedessen kann
die Kabelbaugruppe 104 von der Stromversorgung 102 getrennt
werden und läßt sich leicht
damit austauschen. Mit austauschbaren Kabelbaugruppen 104 erhält man erhöhte Flexibilität bei der
Auswahl von Arbeitsköpfen 40,
und sie gestatten auch den Austausch der Kabelbaugruppe 104 (und des
Arbeitskopfs 40) in solchen Fällen, wo die Komponenten durch
Verwendung abgenutzt werden. 4 veranschaulicht
deshalb eine bevorzugte Ausführungsform
von Abschnitten 107 und 109 des trennbaren und
induktiv koppelbaren Induktionsspulenkerns 108, die den
Austausch von Kabelbaugruppen 104 mit der induktiven Heizeinrichtung 100 erleichtern.
-
Der
trennbare Induktionsspulenkern 108 erhöht die Effizienz gegenseitiger
Induktanz und die Flexibilität
der in 4 gezeigten induktiven Heizeinrichtung 100.
Die Funktion des trennbaren Induktionsspulenkerns 108 ist
besser in 5 dargestellt. 5 veranschaulicht
den ersten Abstand 107 und den zweiten Abstand 109 des
Induktionsspulenkerns 108 unmittelbar vor dem induktiven
Koppeln. Insbesondere weist der erste Abschnitt 107 eine
Primärspule 110 mit
mehreren Wicklungen um das äußere des
trennbaren Induktionsspulenkerns 108 auf. Analog weist
der zweite Abschnitt 109 die Sekundärspule 114 mit mehreren
Wicklungen um einen äußeren Abschnitt
davon auf. Bei einem Ausführungsbeispiel weist
der erste Abschnitt 107 des trennbaren Induktionsspulenkerns 108 eine
Innenoberfläche 122 auf, die
konfiguriert ist, mit einer Außenoberfläche 124 des
zweiten Abschnitts 109 des trennbaren Induktionsspulenkerns 108 zusammengesteckt
zu werden. Wenn die beiden trennbaren Abschnitte 107 und 109 des
Induktionsspulenkerns 108 zur Ausbildung einer Verbindung
zusammengebracht werden, nimmt die Innenoberfläche 122 die Außenoberfläche 124 auf und
koppelt induktiv damit unter Ausbildung eines kontinuierlichen,
aber trennbaren Induktionsspulenkerns 108. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform bildet
der trennbare Induktionsspulenkern 108 einen Zylinder,
wie in 5 gezeigt. Die Innenoberfläche 122 und die Außenoberfläche 124 stellen
eine geeignete Steckoberflächenverbindung
dar. Zu einer anderen geeigneten Geometrie für die Oberflächen 122 und 124 zählen unter
anderem rechteckig, trapezförmig,
konkav/konvex, mit Gewinde versehen, Stift und Schlitz oder beliebige
zueinander interaktive geometrische Oberflächen. Bei der Lektüre dieser
Offenbarung erkennt der Fachmann auf dem Gebiet der gegenseitigen
Induktanz ohne weiteres, daß zum
induktiven Koppeln der trennbaren Induktionsspulenkernabschnitte 107 und 109 andere
geeignete Koppeloberflächen
verwendet werden könnten.
-
Trennbare
Induktionsspulenkernabschnitte, die unter Ausbildung eines Toroids
koppeln, sind bei 130 in 6 gezeigt.
Der trennbare toroidförmige
Induktionsspulenkern 130 weist einen ersten Abschnitt 132 und
einen zweiten Abschnitt 134 auf. Wie in 6 dargestellt,
sind der erste Abschnitt 132 und der zweite Abschnitt 134 unmittelbar
vor der induktiven Kopplung gezeigt. Der erste Abschnitt 132 des Induktionsspulenkerns 130 weist
eine Primärspule 136 mit
mehreren Wicklungen um eine äußere Oberfläche davon
auf. Analog weist der zweite Abschnitt 134 des Induktionsspulenkerns 130 eine
Sekundärspule 138 mit
mehreren Wicklungen um einen äußeren Abschnitt
davon auf. Zur Erleichterung der induktiven Kopplung der trennbaren
Induktionsspulenkernabschnitte 132 und 134 ist
ein Paar geeigneter Steckschnittstellen vorgesehen. Beispielsweise
ist der erste Abschnitt 132 des Induktionsspulenkerns 130 mit einer
Innenoberfläche 140 versehen,
die konfiguriert ist, eine Außenoberfläche 142 des
zweiten Abschnitts 134 des Induktionsspulenkerns 130 aufzunehmen
und damit zu koppeln. Analog ist eine zweite Innenoberfläche 140' konfiguriert,
eine zweite Außenoberfläche 142' aufzunehmen
und damit zu koppeln. Beim Koppeln nehmen die Innenoberflächen 140 und 140' die Außenoberflächen 142 und 142' auf, und die
ersten und zweiten Abschnitte 132 und 134 des
trennbar koppelbaren Induktionsspulenkerns 130 bilden einen
Toroid (d.h. eine Doughnut). Es sei angemerkt, daß zu anderer
geeigneter Geometrie für
Oberfläche 140 und 142 und 140' und 142' unter anderem
rechteckige, trapezförmige,
konkave/konvexe, mit einem Gewinde versehene, Stift- und Schlitz-
oder beliebige zueinander interaktive geometrische Oberflächen zählen. Bei
der Lektüre
dieser Offenbarung erkennt der Fachmann auf dem Gebiet der gegenseitigen
Induktanz ohne weiteres, daß zum
induktiven Koppeln der trennbaren Induktionsspulenkernabschnitte 132 und 134 andere
geeignete Koppeloberflächen
verwendet werden könnten.
-
Wie
in 6 dargestellt, definiert der Toroid eine kontinuierlich
geschlossene Oberfläche
(d.h. kein anfangendes oder Endsegment), die in der Lage ist, das
Magnetfeld der induktiven Heizeinrichtung 100 einzuschließen (4).
Infolgedessen ist der toroidförmige
Induktionsspulenkern 130 in der Lage, die Magnetfeldlinien
einzuschließen
und somit analog zu einem geschlossenen Stromkreis, so daß keine
Magnetfeldlinien an das umgebende Umfeld verloren gehen. Dies ist
vorteilhaft, wenn die induktive Heizeinrichtung 100 einen
Starkstrom und eine Hochspannung derart verwendet, daß Streuabschnitte
des Magnetfeldes in einem benachbarten stromleitenden Objekt, das
nicht das Zielsubstrat ist, eine Sekundärspannung induzieren könnten. Folglich
ist der toroidförmige
Induktionsspulenkern 130 sowohl eine effizientere gegenseitige
Induktionsspule als auch eine stärker
gesteuerte induktive Heizeinrichtung 100.
-
Die
induktiven Heizeinrichtungen, beispielsweise die induktive Heizeinrichtung 100,
basiert auf ferromagnetischen Eigenschaften eines eisenbasierten
Induktionsspulenkerns, um die Wechselstromspannungen in der Sekundärspule,
beispielsweise den Sekundärspulen 114 oder 138,
effizient anzuheben oder abzusenken. Die ferromagnetischen Eigenschaften
von Induktionsspulenkernen sind dem Fachmann auf dem Gebiet der
induktiven Heizeinrichtungen wohlbekannt. Zu geeigneten Materialien für die trennbaren
Induktionsspulenkerne, beispielsweise trennbaren Induktionsspulenkerne 108 und 130,
zählen
Eisenlegierungen, die Metalloxide umfassen ausgewählt aus
der Gruppe bestehend aus Eisentrioxiden, Oxiden von Mangan, Oxiden
von Nickel und Oxiden von Zink.
-
Wie
oben beschrieben erhält
man durch die erfindungsgemäßen induktiven
Heizeinrichtungen der verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung eine leichte und zweckmäßige Auswechslung sowohl von
Arbeitskopfbaugruppen und/oder Kabelbaugruppen. In Förderung
dieses nützlichen
und neuartigen Merkmals wird ein Verriegelungsmechanismus vorgesehen,
der konfiguriert ist, die Kabelbaugruppe an die Stromversorgung
zu koppeln, wie in 7 besser dargestellt. Die induktive
Kopplungsbaugruppe 106 ist mit einer Hülse 112 versehen,
die ein Verriegelungselement 118 aufweist. Das Verriegelungselement 118 ist
konfiguriert, die Kabelbaugruppe 104 an die Stromversorgung 102 zu
koppeln durch Anpassen an und Verriegeln mit einem komplimentären Verriegelungsschlitz 150. Der
komplimentäre
Verriegelungsschlitz 150, der sich an der Stromversorgung 102 befindet,
weist mindestens eine Aufnahmenut 152 auf, die sich zum
Aufnehmen des vorstehenden Verriegelungselements 118 eignet.
Dementsprechend kombinieren das Verriegelungselement 118 in
Kombination mit dem komplimentären
Verriegelungsschlitz 150 und der Aufnahmenut 152 unter
Ausbildung eines Verriegelungsmechanismus 154. Der Verriegelungsmechanismus 154 ermöglicht die
entfernbare sichere Anbringung der Kabelbaugruppe 104 an
der Stromversorgung 102. Außerdem koppelt der Verriegelungsmechanismus 154 die
Kabelbaugruppe 104 (über
die induktive Kopplungsbaugruppe 106) derart an die Stromversorgung 102,
daß der
erste Abschnitt 107 des Induktionsspulenkerns und der zweite
Abschnitt 109 des Induktionsspulenkerns induktiv gekoppelt
werden. Man beachte, daß der
Verriegelungsmechanismus 154 an dem nicht gezeigten zweiten
Ende der Kabelbaugruppe 104 zum Anbringen und Entfernen
des nicht gezeigten Arbeitskopfs positioniert sein könnte. Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Verriegelungsmechanismus 154 ein Twist-and-Lock-Verbinder. Zu weiteren
Ausführungsformen
von Verriegelungsmechanismen zählen
unter anderem federbeaufschlagte Klemmen, Clips, Riegel, Gewindehülsen, die
sich in die Stromversorgung 102 schneiden oder schrauben,
oder beliebige der verschiedenen geeigneten Mittel zum sicheren
Kuppeln der Kabelbaugruppe 104 an der Stromversorgung 102.
-
Die
oben beschriebenen Induktionsheizeinrichtungen liefern Energie auf
kontaktfreie Weise an den austauschbaren Arbeitskopf 40.
Der austauschbare Arbeitskopf 40 liefert eine erhitzte
Oberfläche, die
zum schnellen Erhitzen eines Werkstücks verwendet werden kann.
Beispielsweise kann der austauschbare Arbeitskopf 40 verwendet
werden, um das Härten
von thermisch reagierenden Bondingmaterialien zu beschleunigen,
die zwischen Kraftfahrzeugkarosserieblechen positioniert sind. In
dieser Hinsicht kann der Arbeitskopf 40 konfiguriert sein,
ein Punktschweißgerät zu sein
(ein kleiner Bereich wird erhitzt), ein Pancake-Heizgerät (ein großer Bereich wird
erhitzt), ein flexibles und umgestaltbares Kabel (ein nicht linearer
Bereich wird erhitzt) oder eine beliebige Oberfläche, die als ein Zielsubstrat
ausgewählt
ist, wo schnelles thermisches Erhitzen erwünscht ist. Nachdem der Fachmann
auf dem Gebiet der Induktionsheizeinrichtungen diese Offenbarung gelesen
und verstanden hat, erkennt er, daß der Arbeitskopf 40 adaptiert
werden kann, eine Vielzahl von Gestalten und Größen anzunehmen, sowohl von
anpaßbarem
als auch starrem Stil.
-
Die
Ausführungsformen
der in 1–7 dargestellten
induktiven Heizeinrichtung lokalisieren vorzugsweise die Hochspannung
und den Starkstrom der Heizeinrichtung in der Nähe der Stromversorgungseinheit
(22 oder 102). Bei einer alternativen Ausführungsform
ist die Kabelbaugruppe starr derart an der Stromversorgung angebracht,
daß die
Hochspannung und der Starkstrom aus der Stromversorgung heraus an
einer abgesetzten Position an den Arbeitskopf gekoppelt wird, wie
allgemein bei 160 in 8 dargestellt.
In 8 ist eine Stromversorgung 162 vorgesehen
mit einer starr an einem ersten Kabelende 166 angeschlossenen
Kabelbaugruppe 164. Ein zweites Kabelende 168 erstreckt
sich von der Stromversorgung weg und ist mit einer induktiven Kopplungsbaugruppe 170 ausgestattet,
die konfiguriert ist, die Kabelbaugruppe 164 entfernbar
und induktiv an einen austauschbaren Arbeitskopf 172 mit einem
flexiblen Schaft 174 einschließlich einer Sekundärspule 176 zu
koppeln. Auf diese Weise weist der austauschbare Arbeitskopf 172 den
flexiblen Schaft 174 und die Sekundärspule 176 auf und
bildet eine auswechselbare Baugruppe, die einen schnellen Austausch
des Arbeitskopfs 172 anbietet. Die induktive Kopplungsbaugruppe 170 weist
eine am zweiten Kabelende 168 positionierte Primärspule 178,
eine induktive Kopplungshülse 180 und
einen Induktionsspulenkern 182 auf. Wie in 8 dargestellt,
ist die induktive Kopplungsbaugruppe 170 konfiguriert,
die Kabelbaugruppe 164 entfernbar und induktiv an den flexiblen
Schaft 174 des auswechselbaren Arbeitskopfs 172 zu
koppeln. Demnach ist die Hochspannung und der Starkstrom von der
Stromversorgung 162 nach außen zu dem Gebiet erweitert, wo
sich die induktive Kopplungsbaugruppe 170 und der Arbeitskopf 172 befinden.
-
8 veranschaulicht,
daß sich
die Primärspule 178 an
dem zweiten Kabelende 168 befindet und die Sekundärspule 176 innerhalb
des mit dem austauschbaren Arbeitskopf 172 assoziierten
flexiblen Schaftes 174 positioniert ist. Bei einer Ausführungsform
kann der Induktionsspulenkern 182 an dem zweiten Kabelende 168 angebracht
sein und sich von der Primärspule 178 aus
auf eine Weise erstrecken, die ähnlich
dem sich über
die Primärspule 32 in 2 hinaus
erstreckenden Induktionsspulenkern 59 ist. Alternativ kann
der Induktionsspulenkern 182 an dem flexiblen Schaft 174 angebracht
sein und sich über
die Sekundärspule 176 auf
eine Weise erstrecken, die ähnlich
dem Induktionsspulenkern 78, der sich über die Sekundärspule 76 hinaus
in 3 erstreckt ist. Außerdem kann die induktive Kopplungsbaugruppe 170 mit
trennbaren Induktionsspulenkernen versehen sein. Wenn trennbare
Induktionsspulenkerne verwendet werden, werden die Induktionsspulenkerne
einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweisen, wobei
der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt auf eine Weise ähnlich 4 trennbar
gekoppelt werden können.
Beispielsweise kann sich bei einer Ausführungsform der erste Abschnitt
des Induktionsspulenkerns am zweiten Ende der Kabelbaugruppe innerhalb
der Primärspule
befinden und der zweite Abschnitt des Induktionsspulenkerns an dem
austauschbaren Arbeitskopf innerhalb der Sekundärspule befinden. Der erste
und zweite Abschnitt des trennbaren Induktionsspulenkerns werden
zusammengesteckt, wenn die induktive Kopplungsbaugruppe 170 gesichert
wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
werden der erste Abschnitt des trennbaren Induktionsspulenkerns
und der zweite Abschnitt des trennbaren Induktionsspulenkerns zusammengesteckt,
um einen Toroid auf eine Weise ähnlich
der in 6 dargestellten zu bilden. Bei einer weiteren
Ausführungsform
ist ein Verriegelungsmechanismus vorgesehen, um die Kabelbaugruppe
an dem austauschbaren Arbeitskopf zu sichern. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform
ist der Verriegelungsmechanismus ein Twist-and-Lock-Verbinder ähnlich dem
in 7 gezeigten Verriegelungsmechanismus 154.
-
Zahlreiche
Charakteristiken und Vorteile der Erfindung sind in der vorausgegangenen
Beschreibung dargelegt worden. Es versteht sich natürlich, daß diese
Offenbarung nur illustrativ ist. Hinsichtlich Details, insbesondere
in Fragen von Gestalt, Größe und Anordnung
von Teilen, können Änderungen
vorgenommen werden, ohne über
den Schutzbereich der Erfindung hinauszugehen. Der Erfindungsschutzbereich
wird durch die Sprache definiert, in der die folgenden Ansprüche ausgedrückt sind.