ПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ С ИНДУКТОРОМ В ВИДЕ ОДНОГО ВИТКА, СОСТОЯЩЕГО ИЗ МНОЖЕСТВА ПРОВОДНИКОВ
SMELTING FURNACE WITH INDUCTOR IN FORM OF ONE COIL CONSISTING OF MANY CONDUCTORS

Область техники, к которой относится изобретение
Предметом изобретения является плавильная печь, содержащая индуктор, состоящий из множества проводников.
Уровень техники
В некоторых плавильных печах, используемых для плавки стекла и других тугоплавких материалов, тигель, вмещающий ванну расплава, окружен индуктором, состоящим из одного витка, который обеспечивает требуемый нагрев. Необходимость в такой конструкции индуктора с одним витком, т.е. с одним кольцом вокруг тигля, может возникнуть в том случае, когда на индуктор должно подаваться напряжение с очень высокой частотой, составляющей несколько сотен килогерц, с тем, чтобы ограничить величины этих частот. Однако индукторы с множеством витков, часто состоящих из одиночного проводника, также широко распространены. Индуктор с одним витком содержит один непрерывный кольцевой проводник между двумя электрическими клеммами, близко расположенными друг к другу, или, в другом варианте, содержит множество параллельных и сложенных вместе по высоте тигля проводников, каждый из которых проходит между двумя клеммами, к которым они присоединены с помощью токосъемников.
Нормальная работа печи ухудшается при определенных условиях. Некоторые продукты, которые должны быть расплавлены, являются значительно лучше проводящими при высокой температуре, чем при низкой температуре. Далее наблюдается явление, показанное на фиг.1: ток, плотность которого неоднородна и много больше в горячих областях загрузки 2 внутри тигля 3 (здесь это верхняя область), протекает через проводник 1, в котором возникают более сильные противодействующие токи. Пути токов в проводнике 1 обозначены позицией 4, а позицией 5 обозначены пути токов в загрузке 2. Таким образом, наиболее нагретой областью загрузки 2 является та область, которая, тем не менее, подвергается наибольшему нагреву. Теплопроводность загрузки 2 зачастую не дает возможность выровнять температуру, в результате чего поддерживается тепловое неравновесное состояние и оказывается невозможным достаточный нагрев наиболее холодной области. Подобная же ситуация возникает, когда индуктор содержит множество наложенных друг на друга параллельных проводников вместо одного проводника 1, который здесь показан для удобства, поскольку ток входит в проводники, по которым он течет более легко, покидая токосъемники. Эта проблема настолько серьезна, что использование индукторов с одним витком ограничено.
Целью настоящего изобретения является решение проблемы равномерного нагрева, конкретно для индукторов с одним витком, а еще конкретнее, с множеством параллельных проводников. Изобретение касается плавильной печи, содержащей тигель, индуктор, окружающий тигель и состоящий из множества параллельных проводников, имеющих протяженность витка или окружности, характеризующейся тем, что параллельные проводники проходят в виде волн одинаковой длины, и каждый содержит, по меньшей мере, одну нисходящую часть и, по меньшей мере, одну восходящую часть, при этом восходящие части расположены в первом слое, а нисходящие части расположены во втором слое, и слои располагаются по окружности вокруг тигля.
Итак, все проводники проходят на разной высоте и перед более или менее горячими и более или менее проводящими участками расплавленной загрузки, если они имеются, что уравнивает возможности прохождения тока через эти участки и, следовательно, уравнивает плотность тока в каждом из них. Это еще более явно, если все проводники проходят между двумя одинаковыми крайними высотами, ограничивающими область нагрева тигля, поскольку их средняя высота становится одинаковой.
В патенте США №1872990 описано устройство, по-видимому с одним проводником и множеством наклонных витков, служащих для получения индукционных токов и, в частности, вторичных токов в расплавленной ванне, а в патенте США №471488 описано другое устройство с одним проводником и множеством двухслойных витков, служащих для увеличения индукционной мощности. В патентах отмечено, что индукторы с одним витком имеют недостатки, и, следовательно, этот патент не относится к такому индуктору.
Простая конструкция образуется, если восходящий и нисходящий участки выполнены спиральными и собраны с проводящими прокладками, служащими для разделения слоев. Наконец, часто, когда проводники снабжены охлаждающими каналами, пересекающими также и прокладки, восходящие и нисходящие участки представляют собой трубки, которые закрыты на концах, но снабжены боковыми отверстиями вблизи концов.
Далее подробно описано настоящее изобретение со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 проиллюстрирована проблема, связанная с известными устройствами.
На фиг.2 схематически показан индуктор, развернутый в плоскости (показана только часть проводников, при этом число проводников зависит от конкретной ситуации).
На фиг.3 приведен изгиб между участками проводников с противоположным наклоном.
На фиг.4 приведен общий вид индуктора.
Итак, на фиг.1 показан тигель 3, который может быть охлаждаемым и состоит из цилиндрической боковой стенки 6 и нижнего дна 7. Проводник 1 обычно охлаждается с помощью жидкого контура, хотя и не показанного, и образует кольцо вокруг боковой стенки 6. Загрузка 2 содержит ингредиенты, загруженные в различные моменты времени, что иллюстрирует проблему, связанную с различными температурами в областях на различной высоте. Часто случается, что предварительный нагрев загрузки 2 происходит в верхнем слое 8 путем формирования в нем наиболее нагретой области. Такие индукционные печи часто применяют для остекловки некоторых материалов ядерных отходов.
В соответствии с настоящим изобретением (фиг.2 и 4) каждый из проводников имеет форму волны одинаковой длины и последовательно содержит, по меньшей мере, один нисходящий участок 9 и один восходящий участок 10, расположенные между впускным коллектором 11 для охлаждающей воды и электричества и выпускным коллектором 12. Каждый из проводников образует кольцевую петлю. Т.к. все проводники проходят преимущественно между самой верхней и самой нижней высотами и не выходят за них в целях ограничения чрезмерных электрических потерь, они в основном содержат один восходящий участок 10 или один средний участок 9, проходящий между двумя крайними высотами, и два более коротких участка другого вида, каждый из которых соединяет один конец среднего участка с одним из коллекторов 11 или 12. Высота соединения для обоих концов проводников одинакова на коллекторах 11 и 12. Распределение набора проводников таково, что имеется ось симметрии 16 на развернутой плоскости, показанной на фиг.2; поворот набора проводников вокруг этой оси 16 в горизонтальном направлении на середине высоты даст подобную схему расположения проводников. Развернутое представление показывает, что участок 9 и 10 проводников имеют спиральную форму с одинаковым шагом. В местах соединения нисходящего 9 и восходящего 10 участков с крайними высотами образуются углы. Нисходящие 9 и восходящие 10 участки соединены с помощью прокладок 3, которые также являются электропроводными, сделаны, например, из меди и наварены на проводники. Проводники и коллекторы 11 и 12 имеют охлаждающие каналы, а нисходящие участки 9 и восходящие участки 10 являются трубчатыми. Трубки заделаны на концах, и сообщение с соединителями обеспечивается через боковые отверстия 14 вблизи концов, которые открыты в каналы 15, проходящие через прокладки 13 (фиг.3). Прокладки 13 предназначены для обеспечения разделения двух проводящих слоев, при этом один слой формируется всеми нисходящими участками 9, а другой слой формируется всеми восходящими участками 10, которые по окружности проходят вокруг тигля 2 на различных расстояниях от боковой стенки 6. Благодаря этому предотвращается короткое замыкание между различными проводниками.