DE69603325T2

DE69603325T2 - Behälter-Beschichtung und Vorbereitungsmethode mit konzentrierter Induktionsheizung unter Benutzung eines dünnlaminierten Kerns

Info

Publication number: DE69603325T2
Application number: DE69603325T
Authority: DE
Inventors: Hassan Iravani; David L. Sluka; Robert A. Sprenger
Original assignee: Nordson Corp
Current assignee: Nordson Corp
Priority date: 1995-04-20
Filing date: 1996-04-17
Publication date: 1999-12-16
Anticipated expiration: 2016-04-18
Also published as: JP3810471B2; JPH0917559A; DE69603325D1; EP0749267A3; US5847370A; EP0749267B1; EP0749267A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen von metallischen Gegenständen, und insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum induktiven Erwärmen der Seitennähte von Dosen zum Aushärten und für andere Zwecke.
Bei der Herstellung von bestimmten Arten von Metalldosen wird ein auf die Größe zugeschnittenes Blechteil zu einem Zylinder gerollt. Die Verbindung zwischen den zwei sich nun berührenden Rändern des Bleches wird geschweißt, was eine Schweißnaht oder Seitennaht erzeugt. Die Innenfläche des Bleches kommt vorbeschichtet vom Hersteller, der Schweißprozeß brennt jedoch die Beschichtung in der Nähe der Seitennaht ab. Die Innenseitennahtbeschichtung muß deshalb nach dem Schweißprozeß wieder aufgebracht werden, um die Inhalte der Dose vor dem geschweißten Metall zu schützen.
Das US-Patent Nr. 3,526,027 von Manuel, das durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist, lehrt, daß ein Streifen von Pulverbeschichtungsmaterial auf die Innenschweißnaht aufgebracht werden kann, und der schmale Nahtbereich kann erwärmt werden, um das Schmelzen und Härten des Pulvers zu bewirken. Das Patent schlägt vor, daß entweder Bandgasbrenner oder Radio- oder Hochfrequenzinduktionsspulen für diesen Zweck verwendet werden können, gibt jedoch keine Konstruktion für derartige Spulen an. Andere ähnliche, nicht spezifische Lehren der induktiven Erwärmung von Dosenseitennähten für verschiedene Anwendungen sind im US-Patent Nr. 4,783,233 (1988) von Yasumuro und US-Patent Nr. 4,759,946 (1988) von Ribnitz dargelegt, die beide durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind. Siehe auch PCT-Veröffentlichungs-Nr. WO 93/24242 (9. Dezember 1993) und US-Patent Nr. 3,794,802 von Mohr, die ebenfalls durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind.
Das Erwärmen von Dosenseitennähten durch magnetische Induktion ist jedoch schwierig, teilweise wegen der Blechkonstruktion der Dosen. Das induktive Erwärmen bei hohen Frequenzen erzeugt Probleme des nicht gleichmäßigen Erwärmens, wobei verschiedene Teile des Blechwerkstückes auf sehr unterschiedliche Temperaturen erwärmt werden, abhängig von der Nähe zur Spule und anderen Faktoren. Demzufolge kann leicht ein lokalisiertes Überhitzen auftreten, sogar bevor andere Teile der Seitennaht auf eine gewünschte Temperatur erwärmt sind.
Ein anderes Problem mit konventionellen Verfahren zur induktiven Erwärmung besteht insbesondere bei höheren Frequenzen darin, daß hohe Stromdichten an den Außenflächen der Heizinduktoren und an den Außenflächen der Leiter, die zum und vom Heizinduktor führen, übermäßiges Erwärmen bewirken und Wasserkühlung erfordern. Tatsächlich werden diese Leiter normalerweise unter Anwendung eines Kupferrohres mit Wasserströmung durch die Mitte aufgebaut. Wasserkühlsysteme können teuer und groß sein und können die Kosten, Größe und Wartung, die für das induktive Heizsystem erforderlich sind, wesentlich erhöhen.
In dem zuvor aufgenommenen US-Patent Nr. 4,783,233 von Yasumuro wird die Seitennaht durch eine eingängige Heizspule induktiv erwärmt. Solch eine Spule kann in einer Dosenfertigungsstraße Probleme erzeugen, da sie ungewollte Heizströme in magnetischen Seitenführungen des Werkstückfördersystems induzieren kann. Aber schmalere Spulen, die so ausgebildet und dimensioniert sind, daß in die Fördervorrichtung induzierte Ströme minimiert werden, können nicht in der Lage sein, schnell genug ausreichend Energie in dem Werkstück zu bündeln. Dieses Problem wird verschärft, wenn die Spule ein Kupferrohr ist, das dick und schwierig auf enge Bereiche zu beschränken ist.
Das Erwärmen anderer Arten von Metallgegenständen durch Hochfrequenzinduktion ist zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,339,645 von Miller; US-Patent Nr. 4,481.397 von Maurice; US-Patent Nr. 4,296,294 von Beckert; US-Patent Nr. 4,849,598 von Nozaki; US-Patent Nr. 5,313,037 von Hansen; und US-Patent Nr. 5,101,086 von Dion gelehrt, die alle durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind. Obwohl einige der in diesen Referenzen offenbarten Systeme für das Erwärmen von Dosenseitennähten anwendbar sein können, sind sie nicht optimal. Insbesondere können sie zum Beispiel sehr groß und voluminös sein, Wasserkühlung erfordern, sie können infolge unnötiger Vergeudung von Magnetflußenergie unwirtschaftlich sein und sie können zum Konzentrieren der Flußenergie in ausreichend schmalen Bereichen eines Werkstückes, wie zum Beispiel einer Dosenseitennaht, nicht anwendbar sein.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Demzufolge ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Erwärmen von Dosenseitennähten vorzusehen, die einige oder alle der obigen Nachteile überwindet.
Grob dargelegt, wird erfindungsgemäß die Seitennaht einer Dose induktiv erwärmt, indem sie durch ein schwingendes Magnetfeld mittlerer Frequenz geführt wird, das durch eine um einen Kern gewickelte, nicht flüssigkeitsgekühlte Induktionsspule erzeugt wird. Der Kern ist so geformt und ausgerichtet, daß er zwei ungleichnamige magnetische Pole besitzt, die den Magnetfluß in einer konzentrierten Art und Weise von der Spule in die Seitennähte von Dosen führen, die sich entlang der Durchlaufstrecke bewegen.
Die Anwendung einer Induktionsheizung mittlerer Frequenz (hierin als 500 Hz bis 50 kHz definiert) ist bei der Dosenherstellung und Dosenendbearbeitung wünschenswert, weil die Tiefe, in der die Ströme in dem Werkstück induziert werden, die Vorrichtung für verschiedene Dosengrößen und -formen und Wanddicken (innerhalb von Grenzen) und einer Vielzahl unterschiedlicher Fertigungsstraßengeschwindigkeiten sehr tolerant macht. Bei solchen Frequenzen und den notwendigen Leistungspegeln würden jedoch normale massive Ferritkerne nicht gut funktionieren. Solche Kerne würden selbst Wirbelströme aufbauen und die sich ergebende Wärme könnte diese auseinanderbrechen. Auf der anderen Seite ist es wegen der Forderung, die Wärme in einer sehr kurzen Zeit auf einen sehr kleinen Raum zu leiten,
schwierig, zum Schmelzen und Härten der Pulverbeschichtung auf einer Seitennaht scheiben- oder spiralförmige Spulen anzuwenden.
Auf dem Gebiet der Transformatoren ist es bekannt, jeglichen Stromfluß in einem Transformatorkern durch Konstruktion des Kernes mit einer Vielzahl einzeln isolierter, aneinanderliegender Lamellierungen zu begrenzen. Siehe zum Beispiel Lowdon "Practical Transformer Design Handbook", 2. Ausgabe (TAB Books, 1989), das durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist. Induktive Erwärmung mit Schichtmagnetflußkonzentrationen wurde außerdem in Anwendungen zum Anlassen von Stahl verwendet, obwohl dieses im allgemeinen Anwendungen mit sehr hohen Temperaturen sind (der Stahl ist rot- oder weißglühend), wie beim Anlassen der Oberfläche von Maschinen, Kurbelwellen und den Zähnen an Zahnrädern. Solche Blechkerne, wie sie hierin beschrieben worden sind, wurden jedoch nicht zur induktiven Erwärmung für das Schmelzen und Härten von Pulverbeschichtung auf einer Seitennaht angewandt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind die Induktionsheizungskerne unter Anwendung einzelner Lamellen aus Hochfrequenzkernmaterial aufgebaut, die jeweils eine Dicke von weniger als ungefähr 0,15 mm (0,006 inches) haben. In einer Ausführungsform sind die Lamellen zwischen ungefähr 0,05 mm (0,002 inches) und ungefähr 0,15 mm (0,006 inches) dick. Die Lamellen sind voneinander einzeln isoliert und miteinander verbunden, so daß sie einen U- oder E-förmigen Kern bilden, der den Magnetfluß zum Werkstück führt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist die Induktionsspule statt aus Kupferrohr unter Anwendung einer Form von Litzendraht aufgebaut und die Spule wird luftgekühlt statt wassergekühlt. Es werden Frequenzen von bis zu ungefähr 20 kHz in einer nicht wassergekühlten Umgebung angewandt.
In einer Ausführungsform hat der Kern mehrere Polstücke, die jeweils zur Durchlaufstrecke einer Dosenreihe, die in Längsrichtung durch die Vorrichtung befördert wird, gerichtet sind. Die Induktionsspule ist so um den Kern gewickelt, daß aufeinanderfolgende Polstücke entlang der Durchlaufstrecke abwechselnd ungleichnamige magnetische Polaritäten haben.
Die Induktionsheizvorrichtung kann in einer Dosenfertigungsstraße stromabwärts einer Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung angeordnet sein, um die Seitennahtbeschichtung zu härten. Die Induktionsheizvorrichtung kann auch verwendet werden, um zur Unterstützung eines konventionellen (z. B. Gas-)Ofens eine Temperaturerhöhung vorzusehen, der stromaufwärts oder stromabwärts der Induktionsheizungsvorrichtung angeordnet sein kann. In einer Ausführungsform wird die Induktionsheizvorrichtung in einem Vorhärtungsschritt verwendet, stromabwärts von der Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung und stromaufwärts von einem Aushärtungsofen, jedoch ausreichend dicht an der Seitennahtinnenbeschichtungauftragsvorrichtung angeordnet, um die Beschichtung ausreichend zu erwärmen, und sie vor Ort so zu erhärten, daß sie nicht von der Naht und auf den Förderer fällt, bevor sie den Aushärtungsofen erreicht. Solch ein Vorhärtungsschritt bringt mindestens zwei Vorteile. Erstens, da die Fertigungsstraßengeschwindigkeiten erhöht wurden und sich die Beschichtungen mit den Jahren verändert haben, können bestehende Öfen eine Mindestaushärtung vorsehen. Die Aushär tungsqualität kann durch vorheriges Vorwärmen der Dosen vor (oder anschließendes Nachwärmen der Dosen nach) einem bestehenden Ofen verbessert werden. Zweitens müssen die Dosen, in denen die Pulverbeschichtungen vor der weiteren Bearbeitung erhärten, vor dem Eintreten in den Aushärtungsofen nicht so vorsichtig behandelt werden. Nochmals, wenn die Dose bereits teilweise auf die gewünschte Temperatur erwärmt ist, können höhere Fertigungsstraßengeschwindigkeiten unter Nutzung bestehender Öfen angewandt werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Erfindung wird nun in Bezug auf besondere Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 einen Teil einer Dosenfertigungsstraße zeigt;
Fig. 2 eine Vorderansicht des Induktionsheizsystems in Fig. 1 ist;
Fig. 3 eine Draufsicht entlang der Linien 3-3' der Fig. 2 ist;
Fig. 4 eine Unteransicht entlang der Linien 4-4' der Fig. 2 ist;
Fig. 5 eine Seitenansicht entlang der Linien 5-5' der Fig. 2 ist;
Fig. 6 eine Vorderansicht, teilweise symbolisch, des Magnetflußverdichters und der Induktionssspule in Fig. 5 ist;
Fig. 7 eine Unteransicht der Vorrichtung aus Fig. 6 entlang der Linien 7-7' der Fig. 6 ist;
Fig. 8 eine Ansicht einer in den Kernen der Fig. 6 und 7 verwendeten Lamelle ist;
Fig. 9 eine Seitenansicht entlang der Linien 9-9' der Lamelle aus Fig. 8 ist;
Fig. 10 eine Unteransicht entlang der Linien 10-10' der Lamelle der Fig. 8 ist; und
Fig. 11 ein Detail eines Teiles des in den Fig. 5, 6 und 7 gezeigten Spulendrahtes ist;
Fig. 12 eine Vorderansicht des Induktionsheizsystems der Fig. 1 ist, die die Luftströmung zeigt; und
Fig. 13 eine Draufsicht einer Dose ist, die den Wirbelstromfluß zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG

Fig. 1 zeigt einen Teil einer Dosenfertigungsstraße. Vor dem in Fig. 1 dargestellten Teil werden Blechdosenzuschnitte um einen Dorn herum (nicht gezeigt) in einen Zylinder geformt. Dabei werden die Ränder des Zuschnittes aneinandergefügt und geschweißt. Die so geschweißten Dosenkörper werden in eine Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung 102 gebracht, in der ein flüssiges oder pulverförmiges Beschichtungsmaterial auf die Innenseite des Dosenkörpers entlang der Seitennaht aufgebracht wird. In einer Ausführungsform ist das Beschichtungsmaterial ein Lack und um die Lösungsmittel oder das Wasser zum Aushärten oder Trocknen einer Lackbeschichtung auf der Innenseite der Seitennaht auszutreiben, wird Wärme angewandt. In einer anderen Ausführungsform ist das Beschichtungsmaterial ein Pulver, das, wenn es erwärmt wird, schmilzt und aushärtet, um eine widerstandsfähige Beschichtung auf der Innenseite der Seitennaht zu bilden. Ein Beispiel für eine geeignete Innenbeschichtungsauftragsvorrichtung für Dosenseitennähte ist in dem US-Patent Nr. 4,749,593 von Weiss dargestellt, das durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
Aus der Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung 102 austretende Dosenkörper 10 werden durch einen Förderer 104 aufgenommen, bevor nennenswerte Wärme auf das Beschichtungsmaterial auf der Naht aufgebracht wird. Obwohl in Fig. 1 nur ein Dosenkörper 10 gezeigt ist, wird verständlich sein, daß in einem kontinuierlichen Dosenherstellungsverfahren nacheinander eine Vielzahl Dosen aus der Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung austritt. Diese Dosenkörper sind in Längsrichtung ausgerichtet (d. h., die Mittelachse des Dosenkörperzylinders ist im wesentlichen parallel zur Bewegungsrichtung des Dosenkörpers) und stoßen mit den Enden aneinander oder fast aneinander. Die Seitennaht, wie sie in Fig. 1 als 12 dargestellt ist, ist an jedem Dosenkörper 10 in Längsrichtung ausgerichtet und ist innerhalb der Dose auf der Oberseite des Dosenkörpers in der 12-Uhr- Position angeordnet.
Der Förderer 104 kann ein Förderband oder irgendein anderer Transportmechanismus sein, wie zum Beispiel ein Linearmotor, Kettenförderer, Schiebevorrichtung, Ziehvorrichtung, Schwerkraftrutsche usw.. Der Ausdruck "Förderer", wie er hierin verwendet wird, umfaßt auch eine Kombination von zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Förderern.
Der Förderer 104 befördert den Dosenkörper 10 von der Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung in ein Induktionsheizsystem 106, das in der in Fig. 1 dargestellten Fertigungsstraße als eine Vorhärtungsstation arbeitet. Nach dem Induktionsvorhärtungssystem 106 befördert der Förderer 104 die Dosen 10 in einen Aushärtungsofen 108, der ein konventioneller Gasofen sein kann. Der Förderer 104 trägt die Dosen 10 dann zur weiteren Bearbeitung (nicht gezeigt). So wie die Bezeichnungen hier verwendet werden, wird die Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung 102als "stromabwärts" von dem Induktionsvorhärtungssystem 106 angeordnet betrachtet, weil die Dosenkörper 10 von der Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung 102 zum Induktionsvorhärtungssystem 106 laufen. Gleichermaßen wird der Aushärtungsofen 108 als "stromabwärts" von dem Induktionsvorhärtungssystem 106 liegend betrachtet, da die Dosen von dem Induktionsvorhärtungssystem 106 zum Aushärtungsofen 108 laufen.
In dem Fall, daß die Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung ein Pulver auf die Innenseitennaht der Dosenkörper 10 aufträgt, ist es wünschenswert, das Induktionsvorhärtungssystem 106 nahe am Ausgang der Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung 102 anzuordnen. Ansonsten werden einige der Pulverpartikel von der Naht und auf den Förderer 104 fallen, weil die Pulverbeschichtung auf der Naht nur elektrostatisch und in geringem Maß durch die Wärme der Schweißnaht gehalten wird. Mit der Zeit kann sich dieses Pulver ansammeln und wird ein Wartungsproblem. Das Induktionsvorhärtungssystem 106 kann dieses Problem vermeiden, indem es in ausreichender Nähe zu der Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung 102 angeordnet ist, um das Pulverbeschichtungsmaterial teilweise zu härten, bevor mehr als ein unwesentlicher Teil lose herabfällt. Zum Beispiel bei einer Fertigungsstraßengeschwindigkeit von 80 Metern pro Minute kann das Induktionsvorhärtungssystem 106 innerhalb von 30,48 cm 11 foot) von der Pulversprüheinrichtung in der Seitennahtinnenbeschichtungsauftragsvorrichtung 102 angeordnet sein.
In einer anderen Ausführungsform könnte die Seitennahtheizvorrichtung stromaufwärts von der Sprühdüse befestigt sein. Dies würde die ausreichende Erwärmung der Dose erlauben, so daß das Pulver klebrig genug werden würde, um an der Dose haften zu bleiben.
Unabhängig davon, ob das Induktionsheizsystem 106 für solche Vorwärmzwecke benutzt wird oder nicht, sieht es vor dem letzten Aushärtungsofen 108 eine Temperaturerhöhung vor. Dieses lockert die Erfordernisse an den Aushärtungsofen 108, so daß er kürzer sein oder weniger Energie verbrauchen kann. Zu diesem Zweck kann das Induktionsheizsystem 106 entweder stromaufwärts oder stromabwärts vom Aushärtungsofen 108 an der Durchlaufstrecke der Dosen 10 angeordnet sein.
Das Induktionsheizsystem 106 kann auch als ein kompletter Aushärtungsofen verwendet werden, wenn er lang genug ausgebildet ist, um die Temperatur der Seitennähte auf eine ausreichend hohe Temperatur für eine ausreichend lange Zeitdauer zu erhöhen. Mit einer geeigneten Reihe von Induktionsspulen, die eine geeignete Strommenge führen, kann eine fünf Meter lange Induktionsheizeinrichtung 106 einen 15,24 Meter (50 foot) langen konventionellen Gasofen (bei einer geeigneten Fertigungsstraßengeschwindigkeit) zum Härten der Seitennähte ersetzen.
Fig. 2 ist eine Vorderansicht eines Induktionsheizsystems 106, so wie es in der Fertigungsstraße von Fig. 1 verwendet werden kann. Fig. 3 ist eine Draufsicht entlang der Linien 3-3'; Fig. 4 ist eine Unteransicht entlang der Linien 4-4'; und Fig. 5 ist eine Seitenansicht entlang der Linien 5-5' in Fig. 2. Bezug nehmend auf Fig. 2 umfaßt die Vorrichtung ein Gehäuse 202, das durch Streben 204 in einem Abstand über dem Förderer 104 gehalten wird. Das Gehäuse 202 nimmt die Kondensatoren (nicht gezeigt) des Schwingkreises für die Induktionsheizspulen auf; die Kondensatoren sollten so dicht wie möglich an den Induktionsheizspulen sein, um die Länge der erforderlichen Hochstromleiter zu minimieren.
Auf der Oberseite des Gehäuses 202 befindet sich an einem Ende des Gehäuses 202 ein Zwangsbelüftungseinlaß 206 und am anderen Ende des Gehäuses ein Zwangsbelüftungsauslaß 208. Die Luft wird durch ein symbolisch als 216 in Fig. 2 gezeigtes Gebläse in den Lufteinlaß 206 gedrückt. Wie in Fig. 3 zu sehen ist, ist der Auslaß 208 aus Gründen, die weiter unten offensichtlich werden, größtenteils abgedeckt. Wendet man sich Fig. 2 zu, sitzt der Förderer 104 auf einem Tisch 210, der die Dosen 10 über die durch den Pfeil 212 angezeigte Durchlaufstrecke befördert. Die Dosen können auf dem Förderer durch Permanentmagnete gehalten werden, die unterhalb des Bandes angeordnet sind. An der Unterseite des Gehäuses 202 befestigt und gerade über den Seitennähten der Dosen hängend, wenn sie durch die Vorrichtung transportiert werden, ist ein Gehäuse 214, das einen Magnetflußverdichter mit daran gewickelten Induktionsspulen aufnimmt.
Der Aufbau des Gehäuses 214 ist am besten in Fig. 5 zu sehen. Wie zu erkennen ist, ist der Verdichter 502 über den größten Teil der Länge der Induktionsheizungseinheit 106 in Längsrichtung zwischen zwei vertikalen Wänden 504 und 506 aus nichtmagnetischem und elektrisch nichtleitfähigem Material angeordnet. Unterhalb des Verdichters 502 und sich ebenfalls in der Länge des Verdichters erstreckend ist ein dünnes, nichtmagnetisches und elektrisch nichtleitfähiges Blech 508 angeordnet, das zum Beispiel aus für 220ºC ausgelegtem Glasfaserschichtstoff sein kann. Zwei L-Klammern 510 und 512 sind an beiden Seiten des Bleches 508 befestigt. Die durch das Blech 508 und die L-Klammern 510 und 512 gebildete Konstruktion ist unterhalb der unteren Ränder der Wände 504 und 506 etwas beabstandet, um für einen Teil der Kühlluft vom Lufteinlaß 206 einen Konvektionspfad vorzusehen. Das heißt, etwas von der in den Einlaß 206 gedrückten Kühlluft wandert hinunter in das Gehäuse 214, wo es um den Verdichter 502 und die Induktionsheizspulen 514 herum zirkuliert, bevor es durch die durch die Wand 504 und die L-Klammer 510 auf einer Seite und die Wand 506 und L-Klammer 512 auf der anderen Seite gebildeten Prallflächen austritt. Es ist nicht notwendig, daß die hierin beschriebene Vorrichtung flüssigkeitsgekühlt wird.
Die Luftströmung durch die Vorrichtung ist allgemein in Fig. 12 gezeigt. Wie zu sehen ist, tritt die Luft durch den Einlaß 206 ein. Ein Teil der Luft verbleibt vollständig in dem Gehäuse 202, durchquert es in Längsrichtung und tritt durch den Auslaß 208 aus. Diese Luftströmung hilft, die Kondensatoren in dem Gehäuse 202 zu kühlen. Die teilweise Abdeckung am Auslaß 208 (siehe Fig. 3) begrenzt den Teil der Luftströmung, der durch den Auslaß 208 austritt, drückt jedoch etwas von dem Luftstrom in das Gehäuse 214 hinunter. Die Luft strömt zwischen den Pfosten des Verdichters 502 hindurch, wobei sie sowohl die Kerne als auch die Spulen kühlt. In einer anderen Ausführungsform könnte die Luft in Längsrichtung am Verdichter entlang von einem Ende zum anderen gedrückt werden, dieses würde jedoch den Kühlwirkungsgrad zum Auslaßende des Verdichters hin verringern, weil die Luft bereits dicht am Einlaßende erwärmt wurde.
Das Gehäuse 214 einschließlich des Abdeckbleches 508 sorgt auch für den Schutz der Bedienperson vor den schwingenden Strömen mittlerer Frequenz in der Spule 514. Das Abdeckblech 508 wird dünn gehalten, um den Spalt zwischen den unteren Flächen des Verdichters 502 und den Dosenseitennähten 12 zu minimieren. In einer Ausführungsform ist dieser Spalt nur 2 bis 7 Millimeter hoch. Solch ein Abdeckblech ist jedoch für die erfolgreiche Arbeitsweise des Systems nicht notwendig. Es ist zu beachten, daß in einem Induktionsheizsystem wie 106, der Spalt in Teilen der Durchgangsstrecke absichtlich breiter und in anderen Teilen der Durchgangsstrecke schmaler gemacht werden kann, um die Magnetflußverbindung in die Dosenseitennaht an verschiedenen Punkten der Durchgangsstrecke zu reduzieren bzw. zu erhöhen.
Fig. 6 ist eine Vorderansicht, teilweise symbolisch, des Magnetflußverdichters 502 und der Induktionsspule 514 in Fig. 5. Fig. 7 ist eine Unteransicht der Vorrichtung aus Fig. 6 entlang der Linien 7-7' der Fig. 6. Bezug nehmend auf Fig. 6 ist zu sehen, daß der Magnetflußverdichter 502 mehrere U-förmige Kerne 602 enthält, die aneinanderliegend angeordnet sind, um eine sich in Längsrichtung der Durchgangsstrecke der Dosen 10 erstreckende Reihe zu bilden. In einer anderen Ausführungsform kann der Verdichter aus E-förmigen Kernen gemacht sein, die aneinanderliegend in der gleichen Art und Weise angeordnet sind. In noch einer anderen Ausführungsform kann der Verdichter eine einstückige Einheit sein. Weil zwei oder mehrere Kerne aneinanderliegend angeordnet sind (und umwickelt, um die hierin beschriebenen Zwecke zu erfüllen), funktionieren sie in der gleichen Art und Weise wie ein einzelner Kern, der die gleiche Gesamtform hat, der Begriff "Kern", wie er hierin verwendet wird, kann einen aus mehreren Teilen betreffen, wobei jeder von ihnen hierin auch als "Kerne" bezeichnet wird.
Die U-förmigen Kerne 602 sind jeweils unter Verwendung einer Vielzahl einzeln elektrisch isolierter Lamellen 802 aufgebaut, von denen eine in Fig. 8 dargestellt ist. Eine Seitenansicht entlang der Linien 9-9' der Fig. 8 ist in Fig. 9 gezeigt, und in Fig. 10 ist eine Unteransicht entlang der Linien 10&supmin;¹&sup0;' der Fig. 8 gezeigt. Anders als die relativ dicken Lamellen, die zum Bilden von 60-Hz-Transformatorkernen verwendet werden, sind die Lamellen 802 extrem dünn, vorzugsweise weniger als 0,15 Millimeter (0,006 inches) dick (in einer zur Seite in Fig. 8 senkrechten Richtung). Um Schwingkreisströme und Selbsterwärmung zu unterbinden, ist es um so besser, je dünner die Lamellen 802 sind. Infolge praktischer Beschränkungen, die durch die kommerzielle Verfügbarkeit von Standardlamellen gesetzt sind, wird jedoch ein Dickenbereich von ungefähr 0,05 Millimeter bis ungefähr 0,15 Millimeter (ungefähr 0,002 bis ungefähr 0,006 inches) bevorzugt. Die Lamellen sind vorzugsweise aus Siliziumstahl mit magnetischer Vorzugsrichtung, wobei die Körner so ausgerichtet sind, daß sie die magnetischen Feldlinien am besten in der Ebene der Lamelle (der Ebene der Seite in Fig. 8) führen. Es können stattdessen jedoch auch andere Materialarten verwendet werden, wie zum Beispiel eine Nickel-Eisen-Legierung. In einer Ausführungsform können diese Lamellen aus dem von der Magnetic Metals Corporation, Camden, New Jersey, erhältlichen Teil Nr. DU37 hergestellt sein. Jene Lamellen sind normalerweise zur Anwendung in Hochfrequenztransformatoren gemacht und werden in einer U-Form vertrieben, die längere Schenkel als jene in den Zeichnungen gezeigten haben. Sie sind außerdem für ein weiteres, über den offenen Enden der Lamellen befestigtes Teil, nachdem die Spulen um die Ständer gewickelt sind, bestimmt, um die Stromschleife zu vervollständigen. Das Teil wird jedoch für die Anwendung in der vorliegenden Ausführungsform durch Wegwerfen des letzteren Teiles und etwas Kürzen der Streben der U-Form modifiziert, um die in den Fig. 8, 9 und 10 dargestellten Formen zu erhalten. Die Lamellen sind mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung vorbeschichtet.
Nochmals Bezug nehmend auf Fig. 6 werden die Lamellen 802 mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung geliefert. Eine große Anzahl dieser Lamellen, in der Größenordnung von 200 von ihnen, werden nebeneinander in zueinander zeigender Art und Weise befestigt, um einen Kern zu bilden, der eine Breite von ungefähr 25,4 mm (1 inch) hat (gemessen in einer zur Seite in Fig. 6 senkrechten Richtung). Dieses ist eine ausreichende Breite, um eine große Vielzahl unterschiedlicher Arten von Dosen 10 zu behandeln, selbst jene mit relativ breiten Seitennähten. Die Lamellen können mittels Gewindestangen aus rostfreiem Stahl durch Bohrungen 804 und 806 in den Lamellen miteinander verbunden werden (siehe Fig. 8).
Die U-förmigen Lamellenkerne werden mit den Enden aneinander in einer Reihe angeordnet, wie es in Fig. 6 gezeigt ist, um den Magnetflußverdichter 502 zu bilden. Sie sind mit Spulendraht 514 in abwechselnden gegenläufigen Richtungen umwickelt, um aufeinanderfolgende Polstücke 604 mit ungleichnamigen magnetischen Polen zu polen. (Alternativ können nur alternierende der Polstücke 604 Spulenwicklungen erhalten, die alle in die gleiche Richtung gewickelt sind.) Dieses erzeugt Magnetflußschleifen, die, für eine gegebene Richtung des Stromflusses durch die Spulenwindungen, in eine Richtung aus jedem zweiten Polstück heraus und in jedes der dazwischenliegenden Polstücke hinein fließen. Der Magnetfluß für eine gegebene Stromrichtung ist als Pfeile 606 in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Die Stromquelle 608 ist eine Wechselstromquelle, so daß die Magnetfeldlinien 606 ihre Richtung mit der Frequenz der Stromquelle 608 umkehren.
In Fig. 6 ist am besten zu sehen, daß die Magnetfeldlinien 606 die Wand der Dosenkörper 10 in einer Art und Weise passieren, daß sie in der und um die Seitennaht 12 herum konzentriert sind. Die Magnetfeldlinien 606 werden hierin als im wesentlichen longitudinal bezeichnet, weil sie für den größten Teil zur Längsausdehnung der Dose 10 longitudinal ausgerichtet sind. Wie in Fig. 7 dargestellt ist, sind die Feldlinien 606 wegen des Wölbungseffektes auf die Feldlinien, der aus der endlichen Breite der Kerne 602 resultiert, nicht genau parallel zur Mittelachse der Dose 10. Nichtsdestotrotz werden sie hierin als im wesentlichen longitudinal angesehen.
Fig. 13 ist eine Draufsicht auf den Dosenkörper 10, der mit der Seitennaht 12 in der 12-Uhr-Position auf seiner Seite liegt. Stromschleifen 1302 zeigen symbolisch die in dem Dosenkörper 10 induzierten Stromschleifen, wenn er unter den Spulen und dem Magnetflußverdichter 502 hindurchläuft. Es ist allgemein bekannt, daß in dem Werkstück induzierte Wirbelströme im wesentlichen spiegelbildlich zur Form der Spulenwindungen sind. Somit folgen die in dem Dosenkörper 10 induzierten Wirbelströme, weil die Spulen als eine Reihe relativ kleiner Stromschleifen ausgebildet sind, unter denen die Dose in Längsrichtung hindurchläuft, einem gleichermaßen geformten, jedoch entgegengesetzt gerichteten Pfad, wie es in Fig. 13 angegeben ist.
Es ist zu sehen, daß die induktive Erwärmung der Seitennaht hauptsächlich in Erwärmungszonen 1304 erfolgt, wo Wirbelströme die Seitennaht 12 kreuzen. Diese querliegenden Erwärmungszonen sind gleichzeitig in großer Anzahl vorhanden. Obwohl etwas Erwärmung der Seitennaht durch die Wärmeleitung aus dem Erwärmungseffekt der Wirbelströme in längsgerichteten Teilen der Wirbelstromschleifen 1302 resultiert und etwas Erwärmung der Seitennaht 12 aus Wirbelströmen im Dosenkörper 10 resultiert, deren spiegelbildliche Ströme in den Teilen des Spulendrahtes sind, die den Strom von einem Polstück des Verdichters zum nächsten führen, wird die große Mehrheit der Erwärmung der Seitennaht 12 infolge von Wirbelströmen erzeugt, die die Seitennaht in Bereichen 1304 kreuzen. Diese querliegenden Erwärmungsbereiche erstrecken sich in Längsrichtung über die Länge des Dosenkörpers 10, wenn die Dose in Längsrichtung unter dem Verdichter 502 transportiert wird. Darüber hinaus wird die Seitennaht 12, da der Verdichter 502 im Vergleich zur Länge der Dose 10 länger ist, viele solcher Durchläufe von erwärmten Streifen erfahren, wenn die Dose die Länge des Verdichters durchquert.
Dieses führt zum gleichmäßigen Erwärmen, was effektiv für das Schmelzen oder Trocknen einer Beschichtung ist.
Die Spulen S14 werden unter Anwendung einer Art von Drahtbündel gewickelt, das ähnlich dem Litzendraht ist. Insbesondere werden eine große Anzahl von einzelnen lackierten (elektrisch isolierten) dünnen Drahtsträngen zusammengedreht (zum Beispiel 100), um ein erstes gedrehtes Bündel zu bilden. Zum Beispiel bilden 100 Stränge aus 30er Draht nach B&S-Drahtlehre (US-Normlehre für Drähte) das erste zusammengedrehte Bündel. Solch ein erstes Bündel ist in Fig. 1 l dargestellt. Durch Anwendung einer großen Anzahl einzeln isolierter Stränge im Gegensatz zu einem schwereren Draht oder Kupferrohr ist der Drahtdurchmesser eines einzelnen Stranges klein im Vergleich mit seiner Skintiefe. Somit wird der Draht selbst nicht in großem Ausmaß induktiv erwärmt. Außerdem ist die erreichbare Stromdichte bei mittleren Frequenzen viel größer, weil der allgemein bekannte Skineffekt den Stromfluß nicht mehr in den Außenumfang des Bündels verdrängen kann. Durch das Erreichen einer größeren Stromdichte bei mittlerer Frequenz kann die Gesamtdicke des Wickeldrahtes dünner gemacht werden, wodurch eine größere Anzahl von Windungen auf einem kleineren Raum ermöglicht wird. Eine größere Anzahl von Windungen induziert einen stärkeren Wirbelstromfluß in dem Werkstück für einen gegebenen Gesamtstromfluß in den Spulenwindungen, und die Fähigkeit, jene Windungen auf einem kleineren Raum unterzubringen, bedeutet, daß sie dichter am Werkstück angeordnet werden können und dadurch die Verbindung verbessern.
Einige dieser ersten Bündel, zum Beispiel vier, werden wiederum zusammengedreht, um das in den Fig. 5, 6 und 7 dargestellte Drahtbündel zu bilden. Anders als Standardlitzendraht jedoch dreht der in der vorliegenden Ausführungsform verwendete Draht die vier ersten Bündel in der gleichen Drehrichtung zusammen wie die Richtung, in der die einzeln isolierten Stränge zusammengedreht sind, um das erste Bündel zu bilden. Hiermit wird auf einige der Stromdichtevorteile des Standardlitzendrahtes verzichtet, aber es führt zu einem dichteren Bündel. Solch ein dichteres Bündel kann dann dichter und vielleicht mit mehr Windungen um die Polstücke der Kerne 602 gewickelt werden. Standardlitzendraht kann jedoch auch gut funktionieren.
Wie in Fig. 6 gezeigt ist, sind die Spulen um die Polstücke des Verdichters 502 mit ungefähr zwei und einer halben Windung pro Polstück gewickelt. Die Windungen sind durch einen Spulenkörper körperlich von den Kernen beabstandet, um das Beschädigen der elektrischen Isolierung des Spulendrahtes durch Zerkratzen zu verhindern. Der Spulenkörper ist elektrisch nicht leitfähig und sollte temperaturbeständig bis zu ungefähr 220ºC sein.
Die Stromquelle 608 ist eine Wechselstromquelle mit Stromausgängen, die an die gegenüberliegenden Enden des Spulendrahtes 514 angeschlossen sind. Die Frequenz der Stromschwingung ist im wesentlichen die gleiche wie die Resonanzfrequenz der Spulen in Kombination mit den Schwingkreiskondensatoren in dem Gehäuse 202 (Fig. 2), die in der Größenordnung von 8 kHz liegt. Es können auch andere Frequenzen, wie zum Beispiel 15 kHz, verwendet werden, wenn geeignete Schwingkreiskondensatoren verwendet werden. Im allgemeinen wird ein Frequenzbereich zwischen ungefähr 3 kHz und ungefähr 20 kHz bevorzugt bei gegebener Dosenseitennahtwanddicke in der Größenordnung von ungefähr 0,25 Millimeter (0,01 inches). So niedrige Frequenzen wie 800 Hz würden auch funktionieren, angenommen, geeignete Kondensatoren könnten gefunden oder hergestellt werden. Im allgemeinen erlauben mittlere Frequenzen (ungefähr 500 Hz bis ungefähr 50 kHz) tiefe Erwärmung und eine weite Toleranz von Werkstückgrößenänderungen und Arten von leitfähigem Material, während die Erwärmung auf einen engen Bereich des Werkstückes konzentriert wird. Vorzugsweise bestimmt die Stromquelle 608, wenn sie zuerst aktiviert wird, bei gegebener Schwingkreiskapazität und Induktivität automatisch, jedoch konventionell die Frequenz, die die Energieübertragung in das Werkstück optimiert.
Der Ausgangsstrom der Stromquelle 608 sollte relativ kontinuierlich mit geringem Oberwellenanteil sein. Geringer Oberwellenanteil reduziert den Skineffekt für die Leitungsdrähte zu den Schwingkreiskondensatoren und -spulen und erlaubt dadurch die Anwendung kleinerer Drahtleiter. Außerdem sollten die Schwingkreiskondensatoren so nahe wie möglich an den Spulen selbst sein. Der Speisestromkreis 608 muß selbst nicht auf verschiedene Arten und Maße der Dosen 10 oder Seitennähte 12 angepaßt werden, weil die Kerne 602 breit genug sind, um die Seitennähte einer großen Vielzahl unterschiedlicher Arten von Dosen abzudecken.
Schließlich ist es wünschenswert, daß der Ausgang der Stromquelle 608 während der Aktivierung und Deaktivierung stufenlos einstellbar ist statt nur durch ein Niederfrequenzspiel. Dieses ist deshalb, weil Spielimpulse das Vibrieren der Dosen bewirken können und dadurch unerwünschtes Schütteln etwas von der Innenseitennahtpulverbeschichtung löst. Demzufolge wird die Aktivierung und Deaktivierung der Stromquelle 608 entweder durch allmähliches Erhöhen bzw. Verringern der Gleichspannung zur Stromquelle 608 oder durch allmähliches Verändern der Schwingungsfrequenz zur bzw. weg von der Resonanzfrequenz des Schwingkreises ausgeführt. Eine noch andere Alternative für die Aktivierung und Deaktivierung der Stromquelle 608 kann durch Pulsbreitenmodulation einer dem Schwingkreis zugeführten Spannung mit konstanter Amplitude ausgeführt werden, die mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises arbeitet. Je enger die Impulsweite ist, um so mehr seiner Energie wird in den Oberschwingungen höherer Frequenzen und je weniger in der Grundschwingung auf der Schwingkreisresonanzfrequenz lokalisiert sein. Da der Schwingkreis nicht auf die Oberschwingungen höherer Frequenz reagiert, kann die Aktivierung durch allmähliches Verbreitern der Impulse ausgeführt werden, bis die meiste oder gesamte Energie in der Grundschwingung lokalisiert ist, und die Deaktivierung kann durch allmähliches Verengen der Impulse ausgeführt werden, um den Anteil der Energie zu reduzieren, der in der Grundschwingungsfrequenz lokalisiert ist.
Ein Induktionsheizsystem, wie es oben beschrieben ist, kann zum Vorhärten, Nachhärten oder Aushärten der Seitennahtinnenbeschichtungen von Dosenkörpern in Fertigungsstraßen mit Geschwindigkeitsbereichen von 40 Metern pro Minute oder weniger bis zu 1200 Metern pro Minute oder mehr angewandt werden. Solche verschiedenen Fertigungsstraßengeschwindigkeiten können neben anderen Faktoren durch Einstellen des Zwischenraumes zwischen dem Verdichter 602 und den Dosen, die Energiepegel der Stromquelle 608, die Anzahl der Wicklungen der Induktionsspule, die Frequenz der Magnetflußumkehr und die Länge der Einheit entlang der Durchlaufstrecke der Dosen ausgeglichen werden.
Demzufolge wurde ein sehr kompaktes, schmales und gebündeltes Induktionsheizsystem beschrieben. Die längsgerichtete Anordnung von Induktionsbündelungskernen bündelt die Energie direkt dort, wo sie gebraucht wird, in der Seitennaht von Dosenwerkstücken. Somit wird weniger Energie gebraucht, als sie mit weniger gebündelten Spulen benötigt würde. Leitende Teile der Vorrichtung können auch dichter an der Spule sein, während übermäßiges Erhitzen vermieden wird. Die vorgegebenen Vorteile der induktiven Erwärmung mit mittlerer Frequenz werden beibehalten, obwohl Energie in der Seitennaht konzentriert wird. In einem sehr kleinen Zeitraum können sehr hohe Metalltemperaturzuwächse erreicht werden (zum Beispiel ein Zuwachs von mindestens 80ºC in einer Sekunde).
Die vorhergehende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurde für die Zwecke der Illustration und Beschreibung gege ben. Sie soll nicht erschöpfend sein oder die Erfindung auf die offenbarten präzisen Formen beschränken. Offensichtlich sind für den Praktiker auf diesem Gebiet viele Modifikationen und Variationen ersichtlich. Zum Beispiel sind Frequenzen, die in dem erlaubten Bereich variieren, möglich. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu beschreiben und dadurch andere Fachleute auf dem Gebiet zu bewegen, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen und mit verschiedenen Modifikationen zu verstehen, wie sie für die beabsichtigte, spezielle Anwendung geeignet sind. Der Schutzumfang der Erfindung soll durch die folgenden Ansprüche und ihre Äquivalente definiert sein.

Claims

1. Vorrichtung zur induktiven Erwärmung eines elektrisch leitfähigen Bereiches eines Werkstückes, umfassend eine Stromquelle mit einem zwischen ungefähr 500 Hz und ungefähr 50 kHz schwingenden Strom, eine zum Leiten des Ausgangsstromes der Stromquelle angeschlossene, nicht flüssigkeitsgekühlte Induktionsspule und einen axial durch die Induktionsspule hindurchgehenden Kern, wobei der Kern so angeordnet und ausgerichtet ist, daß schwingende magnetische Feldlinien durch den Werkstückbereich hindurchgehen, der Kern mehrere aneinanderliegende plattenartige Lamellen umfaßt, die jeweils von ihren aneinanderliegenden Lamellen elektrisch isoliert sind und jede kleiner oder gleich ungefähr 0,15 mm (.006 inches) dick ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei der die Induktionsspule aus mehreren einzeln isolierten, elektrisch leitfähigen Strängen besteht, die zusammengedreht sind.

3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, bei der die mehreren elektrisch leitfähigen Stränge in einer ersten Drehrichtung zusammengedreht sind, um ein erstes Bündel zu bilden, und die Induktionsspule mehrere, in die erste Drehrichtung zusammengedrehte erste Bündel umfaßt.

4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei der der Kern erste und zweite ungleichnamige Polstücke besitzt, wobei sowohl das erste als auch zweite ungleichnamige Polstück zum Werkstückbereich gerichtet ist.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, bei der der Kern U-förmig mit zwei parallelen Armen ausgebildet ist, wobei die ersten und zweiten Polstücke Enden der beiden parallelen Arme sind.

6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, bei dem die Spule gegenläufig um beide parallele Arme gewickelt ist.

7. Heizvorrichtung für Dosenseitennähte, umfassend eine Fördereinrichtung zum Befördern einer Dose mit einer entlang der Durchlaufstrecke längs ausgerichteten Seitennaht, einen Magnetflußverdichter mit mehreren Polstücken, die jeweils zur Durchlaufstrecke gerichtet sind, wobei die Polstücke entlang der Durchlaufstrecke in einer Reihe angeordnet sind, und eine Induktionsspule zum Leiten eines Schwingstromes, wobei die Induktionsspule so um den Verdichter gewunden ist, daß aufeinanderfolgende Polstücke entlang der Durchlaufstrecke abwechselnd ungleichnamige magnetische Polaritäten haben und daß eine Vielzahl von Wirbelstromschleifen gleichzeitig in der Dose und kreuzenden Seitennaht erzeugt werden.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, bei der die Induktionsspule eine Vielzahl einzeln isolierter, elektrisch leitfähiger Stränge umfaßt, die zusammengedreht sind, und die Induktionsspule nicht flüssigkeitsgekühlt wird, außerdem umfassend eine Stromquelle, die zum Bereitstellen des Schwingstromes angeschlossen ist, wobei der Strom zwischen ungefähr 3 kHz und ungefähr 20 kHz schwingt.

9. System zum Beschichten und Aushärten einer Beschichtung auf einer Seitennaht einer Dose; wobei die Dose aus einem Zuschnitt mittels einer Dosenformmaschine in einen Zylinder geformt wird, die aneinanderstoßenden Ränder des Zuschnittes geschweißt werden, um innerhalb des Zylinders eine Seitennaht zu bilden, die Seitennaht innerhalb des Zylinders die genannte Seitennaht der Dose ist, das System eine Auftragsvorrichtung zum Aufbringen einer Beschichtung auf die Seitennaht der Dose, eine nahe der Auftragseinrichtung angeordnete Induktionsheizeinrichtung zum Erwärmen der Seitennaht der Dose, eine Fördereinrichtung zum Transportieren der Dose von der Auftragseinrichtung durch die Induktionsheizeinrichtung und ein Luftkühlsystem umfaßt, wobei das Luftkühlsystem Wärme von der Induktionsheizeinrichtung entfernt.

10. System gemäß Anspruch 9, bei dem die Fördereinrichtung die Dose durch die Induktionsheizeinrichtung entlang einer Durchlaufstrecke transportiert und die Induktionsheizeinrichtung einen Magnetflußverdichter mit mehreren Polstücken, die jeweils zur Durchlaufstrecke gerichtet sind, wobei die Polstücke entlang der Durchlaufstrecke in einer Reihe angeordnet sind, eine Stromquelle mit einem Schwingausgangsstrom und eine Induktionsspule umfaßt, die zum Leiten des Ausgangsstromes der Stromquelle angeschlossen und so um den Verdichter gewunden ist, daß aufeinanderfolgende Polstücke entlang der Durchlaufstrecke abwechselnd ungleichnamige magnetische Polaritäten haben.