DE60032627T2

DE60032627T2 - Induktionshandgerät

Info

Publication number: DE60032627T2
Application number: DE60032627T
Authority: DE
Inventors: A. Edward Cincinnati RIESS; G. Adam Symmes Township MALOFSKY; M. Bernard Bloomfield MALOFSKY; P. John Kettering BARBER; L. Gary West Chester CLAYPOOLE; Carl Robert Beavercreek CRAVENS; R. David Sleepy Hollow PACHOLOK; A. Charles Cary KUECKER
Original assignee: Nexicor LLC
Current assignee: Kyocera Senco Brands Inc
Priority date: 1999-11-03
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2020-11-03
Also published as: US6509555B1; US6639198B2; DE60032627D1; US20030121909A1; EP1226742A2; US6710314B2; US20040050839A1; CA2392078C; US20030071033A1; US6849837B2; EP1226742B1; ATE349879T1; WO2001033909A2; AU1467501A; CA2392078A1; WO2001033909A3; US20030075540A1; US6639197B2

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Induktionsheizeinrichtung und zielt im Besonderen auf ein tragbares Induktionsgerät jenes Typs ab, der ein Magnetfeld in einer vorbestimmten Richtung erzeugt. Die Erfindung ist spezifisch als Induktionsheizgerät offenbart, welches Wirbelströme in Dünnfoliensuszeptoren induziert, um die Temperatur der Suszeptoren zu erhöhen, damit eine Klebeschicht auf der Suszeptorfläche geschmolzen oder weich gemacht wird, um eine Verkleidung an eine Wandplatte zu bonden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Historisch betrachtet, wirft das rasche Kleben von Materialien ohne Einsatz mechanischer Befestigungsmittel von jeher ziemliche Schwierigkeiten auf. Zu einigen der vorhandenen Problembereiche zählen: Montagezeit, Material- und Arbeitskosten, Qualität der Verbindung zwischen zusammengefügten Komponentenstrukturen, Zuverlässigkeit des Montageprozesses, die typische Notwendigkeit ziemlich diffiziler Endbehandlungsschritte, Endbenutzerfreundlichkeit (oder Mangel daran), Probleme hinsichtlich der Sicherheit der Arbeiter und die Schwierigkeit, eine gute Qualität beim Erscheinungsbild der fertiggestellten Artikel aufrechtzuerhalten.
In den 40er Jahren des 20. Jahrhunderts dominierten mechanische Befestigungsmittel die Montageindustrie, und Klebstoffe waren für die Industrie während dieses Zeitraums von geringerer Bedeutung. Von den 30er Jahren des 20. Jahrhunderts an und durch den Zweiten Weltkrieg hindurch begannen die Vereinigten Staaten und Deutschland, in Reaktion auf die wachsende Rohstoffknappheit die Kunststoff- und Klebstofftechnik zu entwickeln. In vielen Fällen, insbesondere zu Anfang, wurden Klebstoffe entweder in Kombination mit mechanischen Befestigungsmitteln verwendet oder an Stellen, an denen sich kein mechanisches Befestigungsmittel wirkungsvoll einsetzen ließ. Mit Beginn der 50er Jahre des 20. Jahrhunderts begann die Entwicklung der modernen Klebstoffindustrie. Zu einigen der heute gängigeren Klebstoffsysteme, deren Entwicklung damals erfolgte, zählen wärmehärtender Kunststoff (Epoxide), Thermoplastheißschmelzen, druckempfindliche Klebstoffe (PSA), Kontaktzemente, wasserbasierter Holzleim und Sekundenkleber (Zyanoacrylate). Hierbei handelte es sich um bahnbrechende Techniken, welche sich über die letzten 45 Jahre entwickelt haben, welche den Befestigungsmittelmarkt langsam haben wachsen lassen und welche die traditionellen mechanischen Befestigungsmittel in vielen Märkten in beachtlichem Umfang ersetzt haben.
Eine Befestigung durch Kleben ist jener durch mechanische Mittel im Allgemeinen überlegen, aber die gegenwärtige Technik erlaubt keine kosteneffiziente Vorpositionierung und schnelle Entwicklung einer starken Bindung auf Abruf in einem Schritt. Das Vorpositionieren der Komponenten vor dem Befestigen ist vor allem bei nicht automatisierten Montageschritten von großer Wichtigkeit. Holzarbeit stellt ein ausgezeichnetes Beispiel für ein solches Montagesystem dar. Kein gegenwärtiges Klebesystem gestattet das Vorpositionieren in Koppelung mit unverzüglichem Kleben. Die meisten der heutigen Klebstoffe härten langsam aus, wozu sie Minuten bis hin zu Stunden benötigen und ein Festspannen oder die direkte persönliche Aufmerksamkeit des Installierenden verlangen.
Es sollte beachtet werden, dass das ideale Klebstoffsystem ein System darstellt, bei dem der Klebstoff auf Abruf aushärtet, auf Abruf reversibel ist, eine unbegrenzte Lebensdauer besitzt, keine flüchtigen organischen Verbindungen aufweist und sich ferner sicher und einfach handhaben lässt. Gegenwärtig sind die einzigen derartigen Systeme, die vorhanden sind, die lichthärtenden Systeme, wie z.B. jene, die UV (ultraviolettes) und sichtbares Licht nutzen. UV-Systeme und Systeme mit sichtbarem Licht sind in der heutigen Welt der Klebstoffe einzigartig. Es handelt sich bei ihnen um flüssige Systeme, die erst dann härten, nachdem sie Licht ausgesetzt wurden. Optisch transparente Teile können in Sekunden oder schneller an jedes beliebige Substrat geklebt werden. Derartige Systeme haben, wo sie von Nutzen sind, so gut wie alle anderen adhäsiven oder mechanischen Befestigungssysteme ersetzt. Ein Beispiel dafür wären Kraftfahrzeugscheinwerferanordnungen, die nicht auseinandergebaut werden müssen. Zu beachten ist, dass UV-härtende Klebstoffe den Umgang mit Chemikalien einschließen und ihre Wirkung derzeit nicht reversibel ist.
Es gibt zwei Grundtypen von Klebstoffsystemen: die eine Gruppe von Systemen erlaubt zwar die Vorpositionierung der zu klebenden Teile, benötigt aber standardmäßig viel Zeit zur Aushärtung; die andere Gruppe von Systemen bietet zwar sehr kurze, fast sofortige Aushärtungszeiten, verhindert aber noch die Vorpositionierung der Teile.
Vor Beschreibung einiger der wichtigsten verfügbaren Klebstoffsysteme sollte Kenntnis von den folgenden allgemeinen Anmerkungen zur Anwendung bestehen, welche die Nützlichkeit des Klebstoffs beeinflusst.

(1) Viele Orte der Produktmontage sind häufig schmutzig und schwer sauber zu halten. Bestimmte Klebstoffsysteme sind nicht für derartige Zustände geeignet.
(2) Temperaturfluktuationen können sich an vielen Montagestellen als extrem erweisen, sei es hinsichtlich einer Anwendung im Freien oder in einem Raum. Beispielsweise kann ein neues Haus, das inmitten des Winters gebaut wird, durch Temperaturen unter –17.8 °C belastet werden. Anwendungen im Freien könnten leicht sogar niedrigeren Temperaturen ausgesetzt sein. Ein weiteres typisches Beispiel könnte die Reparatur von Kraftfahrzeugkörpern einschließen, falls sie nicht im Innern eines beheizten Gebäudes vorgenommen wird.
(3) Wo Feuchtigkeit von Bedeutung sein kann, ist es klar, dass die Feuchtigkeit in der Umgebung einer Produktionsanlage in Arizona weitaus geringer sein würde als jene in und um eine Anlage in Florida.
(4) Die Möglichkeit, viele Produktkomponenten zwecks Aushärtung von Klebstoffen direkt zu erhitzen, ist äußerst begrenzt, insbesondere weil viele Kunststoffkomponenten schmelzen können und holz- oder zellulosebasierte Arbeiten brennbar sind.

Eine Familie schnell aushärtender Klebstoffe wird „Sekundenkleber" (Zyanoacrylate) genannt. Diese Klebstoffe erlauben zwar eine äußerst schnelle adhäsive Aushärtung, können aber in keinster Weise vor dem Platzieren aufgetragen werden, da der Klebstoff bereits während der Positionierung aushärtet. Dies lässt keinen Raum für Fehler. Bei diesen Klebstoffen handelt es sich gewöhnlich um äußerst teuere Klebstoffe. Außerdem sind sie schwer zu handhaben und haben eine nur begrenzte Lebenszeit. Schließlich besteht keine Möglichkeit, die Klebeverbindung von Zyanoacrylat bzw. Sekundenkleber einfach rückgängig zu machen. Zu den Unternehmen in dieser Industrie gehören Loctite Corporation, Henkel A.G und National Starch.
Eine weitere Sekundenklebertechnik, die nicht häufig bei strukturellen Anwendungen eingesetzt wird, besteht im Gebrauch von druckempfindlichem Band. Wie Sekundenkleber gestatten derartige Produkte eine äußerst schnelle Klebeverbindung, sind aber wiederum äußerst eingeschränkt in Hinblick auf Vorpositionierung; und wie „Sekundenkleber" gewähren sie keinen Raum für Fehler. Überdies sind druckempfindliche Klebstoffe bezüglich ihrer Höchststärke Grenzen unterworfen, es sei den sie sind wärmehärtend. Im Fall eines wärmehärtenden PSA ist eine gewisse Form von Wärme- oder Feuchtigkeitsaktivierung erforderlich, die gemeinhin unpraktisch für nichtwärmeresistente Produkte ist oder dort, wo Feuchtigkeitskontrollen nicht verfügbar sind.
Die beiden letzteren obigen Wärmehärtungsverfahren sind zeitintensiv. Sogar noch bedeutsamer ist, dass druckempfindliche Klebstoffe nur in sehr engen Temperaturbereichen einsetzbar sind, typischerweise von 12.8 °C (55 °F) bis 32.3 °C (90 °F). Zudem lassen über 32.3 °C viele gängige druckempfindliche Klebstoffe in dramatischer Weise nach. Als weitere Anmerkung zu druckempfindlichen Klebstoffen gilt, dass sie nicht in der Lage sind, ohne Wärme zu fließen, um sich an unebene Oberflächen anzupassen, und falls sie Staub und anderen Teilchen ausgesetzt sind, verlieren sie sofort viel von ihrer potentiellen Klebkraft. Schließlich ist es äußerst schwer, wenn nicht in den meisten Fällen unmöglich, Teile auseinander zu bauen, an denen druckempfindliche Klebstoffe benutzt wurden. Zu den Beispielen für Unternehmen, die druckempfindliche Klebstoffe herstellen, zählen 3M und Avery Dennison, bei denen es sich um die beiden größten aus der Gruppe handelt. Hinsichtlich ihres Preises umfassen die druckempfindlichen Klebstoffe einige der günstigsten bis hin zu einigen der teuersten Klebstoffe, die heutzutage erhältlich sind.
Heißschmelzklebstoffe stellen ein weiteres Beispiel für ein augenblicklich oder schnell härtendes System dar, das die Möglichkeit zur Vorpositionierung von Teilen erheblich begrenzt. Derartige Klebstoffe werden entweder in einem großen Tank oder in einer kleinen Klebstoffpistole geschmolzen und dann als geschmolzenes Material auf die Teile gegeben. Daraufhin werden die Teile rasch zusammengefügt, und die Verbindung bildet sich mit Abkühlen des Klebstoffs. Der Kühlvorgang kann nur wenige, möglicherweise aber auch zehn oder zwanzig Sekunden in Anspruch nehmen. Wie bei den anderen Sofortklebern bleibt wenig Raum für einen Fehler, insbesondere dort, wo eine saubere und dünne Verbindungslinie erwünscht ist. Derartige Einschränkungen stellen die Gründe dafür dar, dass Heißschmelzklebstoffe am extensivsten in der Verpackungsindustrie und überdies zur Verbindung kleiner Teile oder Flächenbereiche gebraucht werden. Besonders nützlich sind sie in hochautomatisierten Produktionssystemen, wie z.B. zum Versiegeln von Müslischachteln. Ferner können solche Klebstoffe nach Zusammenfügen des Produkts nicht wieder erhitzt werden, ohne das zusammengefügte Produkt erheblich oder gänzlich zu erwärmen.
Positiv ist zu vermerken, dass Heißschmelzklebstoffe Einkomponenten-, Festzustandkomponenten ohne flüchtige organische Verbindungen sind, die eine unbegrenzte Lebensdauer besitzen und meistens aus Kontroll- und Sicherheitszwecken als Kunststoffe angesehen werden. Darüber hinaus sind die Preise für die meisten Heißschmelzklebstoffe mäßig bis niedrig, insbesondere im Vergleich zu Sekundenklebern oder den leichthärtenden Klebstoffen. Als Beispiele für einige der führenden Hersteller von Heizschmelzklebstoff sind die Henkel A.G., Jowat, National Starch, H.B. Fuller und Ato-Findley anzuführen.
Weitere Arten von Klebstoffsystemen sind jene, die vorpositionierbar sind, aber lange Härtungszeiten aufweisen. Die bekanntesten vorpositionierbaren Klebstoffe sind Epoxide.
Epoxidklebstoffe härten gewöhnlich langsam aus, meistens innerhalb von Minuten oder Stunden, ja sogar von Tagen. Bei den meisten Epoxiden handelt es sich um zweiteilige Systeme, die bei Vermischung aktiviert werden und aushärten. Die Katalysatoren befinden sich in einem oder in beiden Teilen und ihre Konzentrationen bestimmen, wie schnell der Epoxidklebstoff aushärtet. Falls genug Katalysator hinzugegeben wird, können Epoxide in der Tat zu Sofortsystemen werden, die nicht vorpositionierbar sind. Epoxide sind nicht schwer zu handhaben, erfordern jedoch besondere Vorsicht, da es der menschlichen Gesundheit zuweilen abträglich sein kann, ihnen ausgesetzt zu sein. (Verursachung von Hautreizungen und -verbrennungen).
Epoxide gehören zu den stärksten bekannten Klebstoffen, erfordern aber Wärme, damit sie ihre höchste Stärke erreichen. Ein Hauptproblem mit zweiteiligen Epoxiden besteht darin, dass die Aushärtungszeit in Abhängigkeit von der Temperatur grundlegend variieren kann. Tatsächlich härten einige Systeme bei Temperaturen über 32.2 °C so schnell, dass sie nahezu unbrauchbar sind. Bei kühleren Temperaturen, z.B. unter 15.5 °C (60 °F) können einige Systeme Tage oder länger zur Aushärtung benötigen. Es gibt auch Einkomponenten-Epoxide, die erst dann aushärten, nachdem sie Wärme ausgesetzt wurden. Einmal erhitzt, sind viele Einkomponentensysteme in der Lage, in weniger als einer Minute auszuhärten. Epoxidverbindungen lassen sich nicht einfach wieder rückgängig machen. Zu den Beispielen für führende Epoxidhersteller gehören Ciba-Geigy, Shell Chemical, die Henkel A.G. und Loctite.
Die Urethane stellen eine weitere wohlbekannte, vorpositionierbare Klebstoffgruppe dar. Ebenso wie bei den Epoxiden gibt es sowohl zweiteilige als auch einteilige Systeme. Nach den Epoxiden sind die Urethane wahrscheinlich die zweitstärkste Klasse allgemein verwendeter Klebstoffe. Zweiteilige Systeme sind am gängigsten und benötigen gewöhnlich einige Minuten bis Stunden zur Aushärtung. Derzeit sind viele einteilige Systeme erhältlich, die feuchtigkeitshärtend sind (tatsächlich bildet Feuchtigkeit den zweiten Teil). Beide Systeme sind mit dem Problem behaftet, dass eine der beiden Komponenten, ein Isocyanat, feuchtigkeitsempfindlich ist. Falls Wasser in den Klebstoff gelangt oder die Feuchtigkeit zu hoch ist, reagiert das Isocyanat mit dem Wasser, erzeugt ein Gas und ruft Schaumbildung hervor. Schlimmer noch ist, dass der Behälter explodieren kann, wenn die Feuchtigkeit ohne Wissen des Benutzers in den Behälter gelangt und der Behälter daraufhin verschlossen wird. Infolgedessen werden Zweikomponenten- und feuchtigkeitshärtende Klebstoffe gemeinhin nur von Fachpersonal oder speziell geschulten Kräften benutzt. Aufgrund ihres reaktiven Charakters und ihrer Empfindlichkeit gegenüber ihrer Umgebung verlangen die meisten Urethan-Klebstoffsysteme besonderes Misch- und Abgabegerät, das häufig gereinigt werden muss.
Der größte Vorteil der meisten Urethanklebstoffe liegt in der Verfügbarkeit bei Raumtemperatur, der Feuchtigkeitsaushärtung und den einteiligen Systemen, die eine niedrigere Gesamtanwendungsviskosität besitzen. Dies steht im Gegensatz zu einem zweiteiligen Raumtemperaturepoxid, das vermischt werden muss, oder einer Einkomponentenheißschmelze, die geschmolzen werden muss. Die Anwendungsmöglichkeiten für Urethanklebstoffe reichen von der Kraftfahrzeug-, Wasserfahrzeug- und Luftfahrzeugmontage bis hin zur Holz- und Möbelindustrie, einschließlich Schränken.
Wichtig ist die Anmerkung, dass bestimmte Klebstoffe bereits seit vielen Jahren bei Induktionsvorrichtungen eingesetzt werden. Beispielsweise werden solche Methoden für Verbindungen hoher Stärke verwendet, wobei Klebstoffe mit verhältnismäßig langer Aushärtungszeit (von fünfzehn Minuten bis hin zu mehreren Stunden) eingesetzt werden. Außerdem nutzt diese Methode im Allgemeinen hohe Drücke, um die Verbindungsherstellung zu erleichtern. Diese Methode kommt beispielsweise bei Boeing zum Einsatz, und zwar bei der Konstruktion von verbundbasierten Passagierflugzeugen. Bei den von Boeing verwendeten Klebstoffsystemen handelt es sich hauptsächlich um Epoxide. Derartige Epoxide müssen vorpositionierbar sein und ferner über einen langen Zeitraum aushärten, was durch strikte Leistungserfordernisse bedingt ist, die seitens der Regierung für Passagier- und Militärflugzeuge angeordnet sind.
Ein weiteres Unternehmen, das eine ähnliche Methode nutzt, ist Emabond, ein Tochterunternehmen von Ashland Chemical. Emabond entwickelt die gleichen Arten langhärtender Klebstoffe (Epoxide) wie Boeing, wobei Emabond allerdings Teilchen-Suszeptoren verwendet, die eine Aktivierung bei höheren Frequenzen vornehmen, welche die Abschirmung von Arbeitern zwecks deren Sicherheit erfordern. Emabondausrüstungen sind vorrangig ausgerichtet auf den Zusammenbau von Kraftfahrzeugkomponenten. Typischerweise ist ein spezielles Induktionsgerät für jede der beiden zusammenzufügenden Kraftfahrzeugkomponenten erforderlich.
Emabond nutzt eine Anzahl von Adhäsivtechniken, einschließlich Epoxiden, Urethanen und Heißschmelzklebstoffen. Die meisten der von Emabond benutzten Adhäsivsysteme werden durch Teilchensuszeptoren, nicht Foliensuszeptoren, bei höheren Frequenzen wärmeaktiviert, von denen bekannt ist, dass sie für die Gesundheit des Menschen eine Bedrohung darstellen (z.B. über 5 MHz). Darüber hinaus sind Emabondsysteme, vorrangig für die Kraftfahrzeugindustrie, teilespezifisch und entworfen, um im Allgemeinen unregelmäßige Oberflächen zu verbinden. Diese Teilchensuszeptoren ermöglichen die Verwendung von Flüssigklebstoffen, die in der Lage sind, sich mühelos an diese Unregelmäßigkeiten anzupassen.
Ein Verfahren, das Strukturen miteinander verbindet, verwendet Suszeptoren aus einem elektrisch leitfähigen Material, das durch ein alternierendes Magnetfeld Heizwirkung entfaltet, um ein Adhäsivmaterial zu aktivieren, das sich auf zumindest einer Fläche des Suszeptors befindet. Das Magnetfeld induziert im elektrisch leitfähigen Medium elektrische Ströme, bekannt als Wirbelströme. Das Ausgesetzt-Sein eines solchen elektrisch leitfähigen Mediums gegenüber einem Magnetfeld verursacht einen Temperaturanstieg (Heizen) durch den sogenannten Joule-Effekt. Der Joule-Effekt bezieht sich auf die Wärmeerzeugung infolge des Flusses von Elektronen in einem Leiter. Die elektrischen Ströme und die Wärme, die sie erzeugen, sind in einem leitfähigen Medium, wie z.B. einem Suszeptor, das einem alternierenden Magnetfeld ausgesetzt ist, nicht gleichmäßig verteilt. Die Größe der Wärme in Watt ist die Summe der Wärmekontributionen aller Wirbelstromwege innerhalb des Suszeptors, von denen jeder Wärme beisteuert, die äquivalent zum Produkt seines elektrischen Widerstands in Ohm und des Quadrats seines Elektronenstroms in Ampere ist.
In nicht ferromagnetischen Suszeptoren weisen induzierte Wirbelströme maximale Intensitäten an den Oberflächen nächst dem einfallenden alternierenden Magnetfeld auf und besitzen innerhalb des Materials verringerte Intensitäten, die als Funktion der Tiefe exponentiell abnehmen. Dieses Phänomen ist als Skin- oder Kelvin-Effekt bekannt und die Tiefe, bei welcher der Wirbelstrom auf 37% fällt, als Durchdringungstiefe. Die meisten Suszeptoren, die in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, bestehen aus einer dünnen leitfähigen Folie mit gleichmäßiger (oder absichtlich ungleichmäßiger) Dicke, bei denen für die niedrigen Frequenzen, die normalerweise benutzt werden, die Durchdringungstiefe weitaus größer ist als die Materialdicke. So sind Wirbelströme bei allen Tiefen in diesen Suszeptoren annähernd gleich, außer an jenen Stellen, wo absichtliche Variationen in der Suszeptordicke oder offener Raum über die Breite der Suszeptoren Variationen der Stromdichte hervorrufen. In derartigen Fällen werden Ströme gezwungen, in spezifischen Regionen ungleichmäßig zu sein, um in Abhängigkeit von der spezifischen Anwendung eine gleichmäßigere Wärmeerzeugung oder eine weniger gleichmäßige Wärmeerzeugung hervorzubringen.
Die Größe von Wärme, die innerhalb eines Suszeptors erzeugt wird, der aus einer leitfähigen Folie mit gleichmäßiger Dicke ist, steht zu mehreren Faktoren in Bezug. Diese Faktoren umfassen die Permeabilität, Resistivität, Größe und Form des Suszeptors und ferner die Größe, Frequenz, Ausdehnung und Form des einfallenden AC-Magnetfelds. Variationen vieler dieser Parameter bedingen sich untereinander und beeinflussen die Verteilungen und Dichten, welche die Größen und Positionen nützlicher Wärmequellen innerhalb der Suszeptoren beeinträchtigen.
Ein kanadisches Patent von Krzeszowski, CA 1,110,961 (welches US 4,123,305 ähnlich ist) offenbart ein Verfahren zum induktiven Heizen eines wärmeschmelzbaren Materials, das zwischen einem Teppich und einem Boden angeordnet ist. Ein Induktionsheizgerät wird eingesetzt, um die Temperatur eines Suszeptors mit verhältnismäßig dünner Folie zu erhöhen, der seinerseits das wärmeschmelzbare Klebematerial aktiviert, um einen Bond zu erzeugen und so den Teppich an den Boden zu kleben. Krzeszowski offenbart die Verwendung einer Folie aus dem wärmeschmelzbaren Klebematerial, die zuerst auf dem Boden platziert wird, gefolgt von dem Teppich. Weiterhin offenbart Krzeszowski den Gebrauch sowohl kontinuierlich perforierter als auch fester Aluminiumfolie als Suszeptormaterial. In einer Ausführungsform wird eine „Dampf-Barrieren"-Folie aus Aluminium (d.h. ohne Perforationen) auf eine Gipsplatte geklebt und dann wird ihre zweite Seite auf eine Platte aus expandiertem Polystyrol geklebt, wodurch eine Feuchtigkeitsbarrierenplatte geschaffen wird. Ein bei Krzeszowski offenbartes bevorzugtes Aluminiumfolienmaterial ist „ALBAL brand, Referenz 623", sei es mit oder ohne Perforationen.
Das Flugzeugunternehmen Boeing besitzt mehrere Patente auf dem Gebiet induktiv beheizter Suszeptoren. Nahezu jedes Patent preist den Wert „gleichmäßigen Heizens" des Suszeptors zwecks Bildung eines gleichmäßigen Bonds mit großer Stärke. Selbstverständlich können für Strukturen von Luftfahrzeugen Bonds mit großer Stärke entscheidend sein. Zu derartigen Patenten zählen US 3,996,402 (von Sindt), US 5,717,191 (von Cristensen), US 5,916,469 (von Scoles) und US 5,500,511 (von Hansen). Diese Patente nutzen Suszeptoren mit verschiedenen Öffnungen, und in einigen Fällen sind die Öffnungen so groß und zahlreich, dass der Suszeptor das Aussehen eines siebähnlichen Materials hat. Alle der obigen von Boeing spezifizierten Suszeptoren besitzen Dickedimensionen, die 0.0762 mm (0.003 in.) überschreiten. Derartige Einrichtungen sind nicht besonders nützlich für das „schnelle" Bonden von Substraten.
Bisherige Induktionsheizeinrichtungen leiden an der Unzulänglichkeit, nicht wirklich tragbar, d.h. leichtgewichtig, zu sein; außerdem sollen sie jene Energie liefern, die notwendig ist, um in kurzen Zeiträumen Bonds zu bilden. Es wäre wünschenswert, insbesondere für Bonding-Anwendungen mit höherer Geschwindigkeit und geringerer Stärke, eine Induktionsadhäsivaktivierungseinrichtung mit entsprechendem Suszeptordesign zu bieten, welche die Wärme im Suszeptor und den Klebstoff akkumuliert, während sie gleichzeitig erhebliche Abführungsverluste an die Substrate vermeidet, bis die Gesamtheit des Klebstoffs entweder geschmolzen ist, eine chemische Reaktion begonnen hat, in adäquater geflossen ist oder bis alle drei dieser Wirkungen aufgetreten sind.
Ein derartiges System wäre nützlich, wenn die entwickelten Bonds ebenso stark wären, wie es typischerweise für einen Anwendungsbereich erforderlich ist, der so groß ist wie möglich, und es wäre sogar von noch größerem Nutzen, wenn die Suszeptoradhäsiveinrichtung gegebenenfalls vom Design her reversibel wäre. Eine derartige Induktionsadhäsivaktivierungseinrichtung würde idealerweise über verbesserte Energieeffizienzen verfügen, welche ausreichen, um den Betrieb mit einer Batterie zu ermöglichen, sie würde leichtgewichtig sein, einen hohen Arbeitszyklus-Betrieb (> 40%) über viele Stunden am Stück unterstützen und keine Flüssigkühlung verlangen.
Mehrere Referenzen nach Stand der Technik sind im International Search Report für die vorliegende Erfindung als relevant zitiert und werden nachstehend erläutert. US-Patent Nr. 4,467,165 offenbart ein Induktionsheizgerät, von dem ein Magnetfeld ausgeht. Die Heizspulenspannung wird zwecks Erfassung ihres Nulldurchgangspunkts wahrgenommen, und die Impulsbreite des Antriebstransistors wird synchron mit dem erfassten Nulldurchgangspunkt gesteuert bzw. geregelt, um eine Leistungsausgabe zur Verfügung zu stellen, die sich über einen weiten Bereich steuern bzw. regeln lässt.
US-Patent Nr. 3,953,783 beschreibt eine Schaltung, die eine Timingschaltung und eine spannungsempfindliche Schalteinrichtung (einen Komparator) aufweist, der leitfähig gemacht wird, nachdem die Spannung der Timingschaltung-Ladeeinrichtung einen zuvor festgelegten Wert erreicht hat. Der Timer arbeitet dadurch, dass er wahrnimmt, wann die Spannung eines Ladekondensators einen Schwellenwert erreicht. Die Schaltung ist in der Lage, die Leistungspegel zu steuern bzw. zu regeln durch Einstellen der Wiederholungsrate eines SCR-Gating-Signals mit stets ausreichender Größe, ungeachtet des Wärmespulenladens und „aller denkbarer Betriebsbedingungen"; jedoch darf die Schaltung den SCR nur während „Nullpunkt"-Bedingungen, einschließlich beim Start-Up, aktivieren. Der Einsatz einer Präferenzschaltungsfreigabeeinrichtung verschafft die Fähigkeit zu einem weichen Start beim Start-Up, wobei eine Rampenverzögerungsschaltung und Nullpunkt (oder Nullspannungs)-Schalten genutzt werden, das von einem Nullpunktschaltsteuer- bzw. -regel-SCR zur Verfügung gestellt wird, der bei den richtigen Phasen während der Laufzyklen leitfähig gemacht wird, um dem Chopper-Inverter Aktivierungspotentiale zu liefern.
US-Patent Nr. 5,925,455 offenbart einen elektromagnetischen energieabsorbierenden Verbundstoff, der aus einem Bindemittel mit einer Mehrzahl mehrschichtiger Flakes besteht, die im Bindemittel dispergiert sind. Der Verbundstoff ist so entworfen, dass er auf elektromagnetische Energie in einem Frequenzbereich von 5–6000 MHz reagiert. Zwecks Zusammenfügens von Rohren kann das Bindemittel aus einem Thermoplast-Polymer bestehen, das im Bereich von 70–350 °C schmelzbar ist. Die Flakes umfassen jeweils ein oder mehrere Schichtpaare: eine dünne Folie aus einer kristallinen ferromagnetischen Metallschicht ist benachbart mit einer dünnen Folie aus einer dielektrischen Schicht. Die dielektrischen Schichten umfassen die beiden äußersten Schichten des Stapels. Die Flakes sind typischerweise willkürlich im Bindemittel verteilt, obwohl sie parallel zur Ebene des Bindemittelmaterials ausgerichtet sein könnten.
WO 93/10962 offenbart ein Suszeptordesign, das aus einer großen Anzahl dünner sphärischer Partikel besteht, die in einer thermoplastischen Matrix suspendiert sind. Diese sphärischen Partikel weisen eine einzige äußere Schicht aus leitfähigem (oder halbleitfähigem) Material auf, das eine kontinuierliche Schicht um die gesamte Kugel darstellt. Es besteht keine absichtliche Diskontinuität in dieser äußeren Schale des leitfähigen Materials. Die Dicke der äußeren Schale ist sehr gering und liegt in einer Größenordnung von 1–100 Ångström. Die Kugeln sind gleichmäßig in der Matrix beabstandet und würden so bei Aktivierung einen im Wesentlichen einheitlichen (oder „gleichmäßigen") Temperaturanstieg erfahren.
US-Patent Nr. 5,134,261 offenbart einen Verbundstoffsuszeptor, der in einem mit Hochfrequenz erhitzten Kristallwachstumsofen verwendet wird. Der Suszeptor nutzt eine Mehrzahl gestapelter elektrisch isolierender und elektrisch leitfähiger Elemente um den Tiegelbereich zur Erzeugung eines passenden Temperaturgradienten. Diese Suszeptoren werden nicht verwendet, um zwei Substrate miteinander zu bonden.
US-Patent Nr. 5,717,191 offenbart einen strukturellen Suszeptor, der eingesetzt wird, um die residuelle Zugverformung bei Thermoplastschweißstellen zu vermindern, welche durch Unterschiede beim Wärmeausdehnungskoeffizient zwischen den carbonfaserverstärkten Verbundlaminaten und der nichtverstärkten Schweißstelle entstehen. Dieser Suszeptor fügt der Schweißstelle eine Faserverstärkung hinzu (was z.B. bei Flugzeugflügeln verwendet wird). Der Suszeptor wird meist aus einer Kupferfolie mit einer Dicke zwischen 75–250 Mikron gefertigt. In dieser Erfindung kommt der strukturellen Stärke und Gleichmäßigkeit des Bonds größere Bedeutung zu als einer schnellen Bonding-Zeit.
Es wäre vorteilhaft, eine auf Induktion beruhende Klebtechnik zu bieten, die auf Verlangen nahezu sofort bonden kann und die nicht auf einen vorpositionierbaren Klebstoff abzielt, wodurch eine vereinfachte, schnellere Herstellung ermöglicht wird und die Notwendigkeit von Hochenergiesystemen wie jenen beseitigt wird, die bei hohen Frequenzen arbeiten, welche bekanntermaßen der menschlichen Gesundheit abträglich sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln der von einer Induktionsspule gelieferten Energie in den unabhängigen Ansprüchen 1 und 5 definiert. Vorrichtungen, welche diese jeweiligen Verfahren umsetzen, sind in den Ansprüchen 12 und 13 beschrieben.
Dementsprechend besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer induktiven Heizvorrichtung mit einer von einem elektrischen Strom getriebenen Arbeitsspule, bei welcher ein elektrischer Strom bei einer Leistungswandler- bzw. -konverterstufe auf eine vorbestimmte Größe erhöht wird, woraufhin die Spannungsgröße gemessen und verwendet wird, um einen „Abstandswert" zu bestimmen, der im Wesentlichen die tatsächliche Entfernung zwischen der Arbeitsspule und einem Suszeptor darstellt, dann werden basierend auf diesem Abstandswert die Strom- und die Spannungsgröße eingestellt, um die Arbeitsspule zum Emittieren eines Magnetfelds bei einem vorbestimmten gewünschten Leistungsniveau zu veranlassen, welches Wirbelströme in der elektrischen Leitung des Suszeptors induziert, um einen Temperaturanstieg zu bewirken.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine induktive Heizvorrichtung mit einer von einem elektrischen Strom getriebenen Arbeitsspule zu bieten, bei welcher sowohl eine Stromgröße als auch eine Spannungsgröße einer Leistungswandlerstufe über viele Abtastzeitintervalle abgetastet werden, und die durchschnittliche Stromgröße und die durchschnittliche Spannungsgröße werden zur Berechnung eines Leistungsniveaus benutzt, das erzeugt wird, und das Leistungsniveau wird dann entsprechend einem profilierten Energielieferungsschema eingestellt, bis eine vorbestimmte akkumulierte Energie für das profilierte Energielieferungsschema erreicht ist, was den Leistungszyklus beendet.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer aus einer streifenähnlichen Struktur mit einer Länge, Breite und Dicke bestehenden Suszeptorvorrichtung, bei welcher die Struktur zumindest eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material und zumindest eine Schicht aus einem Klebematerial proximal zu mindestens einer ihrer Außenflächen beinhaltet, wobei das elektrisch leitfähige Material einen Wirbelstrom erzeugt, wenn es einem Magnetfeld mit einer vorbestimmten Mindestintensität ausgesetzt ist, und die Schicht aus elektrisch leitfähigem Material eine Dicke im Bereich von 2.54 bis 76.2 Mikrometer (0.10 bis 3 Mil) aufweist.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer aus einer streifenähnlichen Struktur mit einer Länge, Breite und Dicke bestehenden Suszeptorvorrichtung, bei welcher die Struktur zumindest eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material und zumindest eine Schicht aus einem Klebematerial proximal zu mindestens einer ihrer Außenflächen beinhaltet, wobei das elektrisch leitfähige Material einen Wirbelstrom erzeugt, wenn es einem Magnetfeld mit einer vorbestimmten Mindestintensität ausgesetzt ist, und die zumindest eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material zumindest zwei individuelle Schichten aus elektrisch leitfähigem Material umfasst, wobei jede der elektrisch leitfähigen Schichten von der anderen durch eine Isolierschicht getrennt ist.
Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer aus einer streifenähnlichen Struktur mit einer Länge, Breite und Dicke bestehenden Suszeptorvorrichtung, bei welcher die Struktur zumindest eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material und zumindest eine Schicht aus einem Klebematerial proximal zu mindestens einer ihrer Außenflächen beinhaltet, wobei das elektrisch leitfähige Material einen Wirbelstrom erzeugt, wenn es einem Magnetfeld mit einer vorbestimmten Mindestintensität ausgesetzt ist, und die Struktur zumindest einen schmelzbaren Abschnitt enthält, der schneller schmilzt als andere Abschnitte der Struktur, wenn deren Temperatur erhöht wird.
Zusätzliche Vorteile und weitere neuartige Merkmale der Erfindung werden teils in der folgenden Beschreibung dargelegt, teils werden sie Fachleuten auf diesem Gebiet nach Prüfung des Folgenden klar oder können beim Praktizieren der Erfindung erlernt werden.
Zur Erzielung des Vorangehenden und weiterer Vorteile und auch in Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln von Energie, die von einer Arbeitsspule geliefert wird, wie folgt: Bereitstellen einer Heizvorrichtung mit einer Arbeitsspule und einer elektrischen Schaltung, die der Arbeitsspule elektrischen Strom zur Verfügung stellt; Emittieren eines Magnetfelds aus der Arbeitsspule, Erhöhen einer ersten elektrischen Charakteristik der elektrischen Schaltung auf eine vorbestimmte erste Größe und, im Wesentlichen bei der vorbestimmten ersten Größe, Bestimmen einer zweiten Größe einer zweiten elektrischen Charakteristik der elektrischen Schaltung, um einen Abstandswert zu bestimmen; und, basierend im Wesentlichen auf dem Abstandswert, Einstellen der ersten elektrischen Charakteristik und der zweiten elektrischen Charakteristik, um das Magnetfeld mit einem vorbestimmten gewünschten Leistungsniveau zu emittieren, das bei dem Abstandswert nützlich ist.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln von in einem Suszeptor dissipierter Energie, die von einer Arbeitsspule geliefert wird, wie folgt: Bereitstellen einer Heizvorrichtung mit einer Arbeitsspule und einer elektrischen Schaltung einschließlich eines Leistungswandlers; Emittieren eines Magnetfelds aus der Arbeitsspule und Lenken des Magnetfels zu einem Suszeptor hin, der einen elektrisch leitfähigen Abschnitt enthält, der Wirbelströme aufgrund des Magnetfelds erzeugt; Einstellen einer ersten elektrischen Charakteristik des Leistungswandlers auf eine erste vorbestimmte Größe, Bestimmen einer zweiten elektrischen Charakteristik des Leistungswandlers im Wesentlichen bei der ersten vorbestimmten Größe, dann Bestimmen eines Abstandswerts, der im Wesentlichen einem physischen Abstand zwischen der Arbeitsspule und dem Suszeptor entspricht; und basierend auf dem Abstandswert, automatisches Einstellen der ersten und der zweiten elektrischen Charakteristik des Leistungswandlers, um dadurch das Magnetfeld bei einem Leistungsniveau zu emittieren, das ausreicht, um eine Temperatur des elektrisch leitfähigen Abschnitts des Suszeptors zu erhöhen.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Heizvorrichtung geboten mit: einer elektronischen Schaltung einschließlich einer Leistungswandlerstufe und einer Arbeitsspule, wobei die elektronische Schaltung konfiguriert ist, um eine Stromgröße und eine Spannungsgröße an einem Eingang der Leistungswandlerstufe zu steuern bzw. zu regeln; wobei die elektronische Schaltung konfiguriert ist, um entweder die Stromgröße oder die Spannungsgröße am Eingang der Leistungswandlerstufe auf eine erste vorbestimmte Größe einzustellen und um die andere Größe zur Bestimmung eines Abstandswerts zu verwenden; und basierend auf dem Abstandswert, die elektronische Schaltung weiterhin konfiguriert ist, um die Stromgröße und die Spannungsgröße am Eingang zur Leistungswandlerstufe einzustellen, um die Arbeitsspule zu veranlassen, ein Magnetfeld bei einem vorgegebenen gewünschten Leistungsniveau auszugeben.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Heizvorrichtung geboten mit: einer Arbeitsspule und einer elektronischen Schaltung, wobei die elektronische Schaltung, nach Betätigung eines Zyklus, konfiguriert ist, um sowohl eine Stromeingangsgröße als auch eine Spannungseingangsgröße in eine Leistungswandlerstufe über eine Mehrzahl abgetasteter Zeitintervalle zu bestimmen, dann konfiguriert ist, um den Durchschnitt der Stromgröße und der Spannungsgröße zu berechnen, um ein Leistungsniveau zu berechnen, das von der Leistungswandlerstufe verbraucht wird; und die elektronische Schaltung weiterhin konfiguriert ist, um das Leistungsniveau gemäß einem profilierten Energielieferungsschema einzustellen, bis eine vorbestimmte akkumulierte Energie für das profilierte Energielieferungsschema erreicht ist, und Beenden des Heizzyklus.
In Übereinstimmung mit einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Suszeptorvorrichtung geboten mit: einer im Wesentlichen dünnen Struktur mit einer Länge, Breite und Dicke, wobei die Struktur zumindest eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material beinhaltet, wobei die Struktur zumindest eine Schicht aus einem Klebematerial proximal zu mindestens einer ihrer Außenflächen beinhaltet, und wobei die zumindest eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material eine erste Schicht aus elektrisch leitfähigem Material, eine zweite Schicht aus elektrisch leitfähigem Material und eine Schicht aus elektrisch isolierendem Material umfasst, welche dazwischen positioniert ist; und die Struktur eine Charakteristik besitzt, durch welche die zumindest eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material einen Wirbelstrom erzeugt, wenn sie einem Magnetfeld mit einer vorbestimmten Mindestintensität ausgesetzt ist.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Suszeptorvorrichtung geboten mit: einer streifenähnlichen Struktur, die eine Länge, Breite und Dicke hat und die zumindest eine Kante aufweist, wobei die Struktur zumindest eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material beinhaltet, wobei die Struktur zumindest eine Schicht aus einem Klebematerial proximal zu mindestens einer ihrer Außenflächen beinhaltet; und wobei die Struktur zumindest einen schmelzbaren Abschnitt enthält, der schneller schmilzt als andere Abschnitte der Struktur, wenn ihre Temperatur erhöht wird.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung geboten mit zumindest einer Struktur aus einem Magnetmaterial, das eine vorbestimmte Form besitzt, um zumindest zwei Magnetpole zu Zeitpunkten zu erzeugen, wenn ein Magnetfeld durch dieselbe fließt; einer elektrisch leitfähigen Windung, die um zumindest einen der Magnetpole gewickelt ist; und die Struktur ist unterteilt in zumindest zwei Abschnitte, nämlich in einen ersten Abschnitt mit einem im Wesentlichen gebogenen Ende konkaver Form und in einen zweiten Abschnitt mit einem im Wesentlichen gebogenen Ende konvexer Form, das im Wesentlichen zu dem konkaven gebogenen Ende passt.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum adhäsiven Bonden durch Induktionsheizen Folgendes: Bereitstellen einer Suszeptorstruktur mit einer Länge, Breite und Dicke, wobei die Struktur zumindest eine Schicht aus einem elektrisch leitfähigen Material beinhaltet und zumindest eine Schicht aus einem Klebematerial proximal zu mindestens einer ihrer Außenflächen beinhaltet, wobei die Struktur eine erste Charakteristik aufweist, durch welche die zumindest eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material einen Wirbelstrom erzeugt, wenn sie einem Magnetfeld mit einer vorbestimmten Mindestintensität ausgesetzt ist, und wobei die Struktur eine zweite Charakteristik aufweist, durch welche die mindestens eine Schicht aus elektrisch leitfähigem Material eine Dicke im Bereich von 0.25 Mikron (0.01 Mil) bis 76 Mikron (3 Mil) besitzt; und Aussetzen der Suszeptorstruktur einem Magnetfeld während eines Heizvorgangs für ein Zeitintervall im Bereich von einschließlich 0.05–10 Sekunden und bei einer durchschnittlichen Leistungsdichte im Bereich von einschließlich 1.55–775 Watt pro Quadratzentimeter (10–5000 Watt pro Quadrat-Inch).
Noch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleuten auf diesem Gebiet anhand der folgenden Beschreibung und Zeichnungen klar, wobei für eine bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung ein Weg erläutert und dargestellt ist, der als einer der besten zur Ausführung der Erfindung angesehen wird. Wie zu erkennen, ist die Erfindung zu anderen unterschiedlichen Ausführungsformen in der Lage, und ihre mehreren Einzelheiten können alle in verschiedenen, offensichtlichen Aspekten modifiziert werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. Dementsprechend sind die Zeichnungen und Erläuterungen von ihrem Charakter her als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die begleitenden Zeichnungen, die in die Spezifikation eingegliedert sind und einen Teil von ihr bilden, veranschaulichen mehrere Aspekte der vorliegenden Erfindung und zusammen mit der Beschreibung und den Ansprüchen dienen sie der Erläuterung von Grundsätzen der Erfindung. In den Zeichnungen ist bzw. sind:
1 eine Seitenansicht vom Außengehäuse eines handgehaltenen Induktionsheizgeräts, das in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
2 eine Seitenansicht mit teilweisem Querschnitt durch das Induktionsheizgerät aus 1.
die 3A–3B elektrische Schaltpläne von einer Verarbeitungsschaltung und Speicherschaltungselementen einer ersten Ausführungsform des Induktionsheizgeräts aus 1.
4 ein elektrischer Schaltplan eines Paars von Timern, das als alternative Steuer- bzw. Regelschaltung der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingesetzt wird.
5 ein elektrischer Schaltplan einer Schnittstellen-Unteranordnung der ersten Ausführungsform.
6 ein elektrischer Schaltplan einer Inverter-Unteranordnung der ersten Ausführungsform.
7 ein elektrischer Schaltplan einer weiteren Inverter-Unteranordnung, die ermöglicht, dass das Induktionsheizgerät von einer Batterie mit Energie versorgt wird.
8A ein Blockdiagramm der elektrischen Hauptkomponenten der ersten Ausführungsform des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung.
8B ein Blockdiagramm der elektrischen Hauptkomponenten einer zweiten Ausführungsform des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung.
9 eine diagrammatische Ansicht von Stromdichten in einem infiniten Foliensuszeptor, der in der vorliegenden Erfindung benutzt wird.
10 eine diagrammatische Ansicht der Stromdichten in einem Suszeptor mit im Verhältnis geringerer Breite, der in der vorliegenden Erfindung genutzt wird.
11 eine diagrammatische Ansicht von Stromdichten in einem Suszeptor, der im Verhältnis schmaler ist und Löcher oder Aussparungen enthält, wie in der vorliegenden Erfindung verwendet.
12 eine diagrammatische Ansicht der Seite einer Arbeitsspule, welche die Magnetfeldlinien in einen Suszeptor emittiert.
13 eine Ansicht von oben eines infiniten Foliensuszeptors, welche die annähernd relativen Kräfte auf freie Elektronen innerhalb eines Suszeptors unmittelbar über einem magnetischen Dipol und axial an diesem zentriert veranschaulicht.
14A–B elektrische Schaltpläne, die sowohl die Logik- und Speicherkomponenten als auch die Leistungs- und Schnittstellen-Komponenten einer zweiten Ausführungsform des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung zeigen.
15 ein elektrischer Schaltplan eines Hochfrequenzoszillators, der als Inverter benutzt wird, in Zusammenhang mit den elektrischen Schaltplänen aus den 14A–14B.
16 ein Blockdiagramm einer analogen Ausführungsform der Elektronik für ein Induktionsheizgerät, wie in der vorliegenden Erfindung eingesetzt.
17A–17D Flussdiagramme der wichtigsten Logikoperationen, die von der Verarbeitungsschaltung der zweiten Ausführungsform des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden.
18 eine diagrammatische Perspektivansicht eines Doppelfoliensuszeptors gemäß der vorliegenden Erfindung.
19 eine diagrammatische Perspektivansicht eines Dreifachfoliensuszeptors gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
20 eine diagrammatische Ansicht eines Suszeptors mit schmelzbaren Abschnitten gemäß der vorliegenden Erfindung.
21 eine diagrammatische Ansicht eines Suszeptors mit schmelzbaren Abschnitten und einem Stromangleichungslochmuster gemäß der vorliegenden Erfindung.
22 eine diagrammatische Seitenansicht im Aufriss eines in der vorliegenden Erfindung verwendeten Suszeptors, nachdem er an zwei Substrate gebondet worden ist.
23 eine diagrammatische Ansicht des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung mit einem Batterie-Pack, das an einem Gürtel getragen wird.
24 eine diagrammatische Ansicht des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung mit einem Batterie-Pack, das an einem Schultergurt getragen wird.
25 eine diagrammatische Ansicht des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung mit einem Batterie-Pack, das an einem Rucksack getragen wird.
26 eine diagrammatische Ansicht des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung mit einem Batterie-Pack, das an einem bandolierartigen Schultergurt getragen wird und außerdem einen AC-Adapter oder Batterielader beinhaltet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Nun wird im Einzelnen Bezug auf die vorliegende bevorzugte Ausführungsform der Erfindung genommen, von der ein Beispiel in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht ist, wobei, von den Bezeichnungen für elektrische Komponenten (z.B. C1, R1) abgesehen, die gleichen Ziffern durchgängig in allen Darstellungen die gleichen Elemente bezeichnen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ermöglicht die vorliegende Erfindung den Gebrauch von Heißschmelzklebstoffsystemen bei Holzarbeiten, da das Problem „offener Zeit" beseitigt wird. Außerdem sind das erneute Erhitzen von Klebstoff und das Auseinandernehmen von Holzarbeiten bei Verwendung der vorliegenden Erfindung möglich. Praktisch jedes beliebige Heißschmelzklebstoffsystem, das gegenwärtig bei Holzarbeiten zum Einsatz kommt, lässt sich mit der vorliegenden Erfindung benutzen. Diese beseitigt die Notwendigkeit, neue Heißschmelzklebstoffsysteme für die meisten Holzarbeitanwendungen – insbesondere für Anwendungen in Räumen – zu entwickeln. Eine Folge davon ist, dass die Möglichkeit besteht, unter vielen Zulieferern zu wählen, und Klebstoffpreise, selbst von einem ausgewählten strategischen Zulieferer sollten wettbewerbsfähig sein.
In einer alternativen Suszeptor-/Substratstruktur der vorliegenden Erfindung könnte ein Streifen aus Suszeptormaterial permanent entlang einer Oberfläche eines (ersten) Substratmaterials in der Fabrik gebondet und später für den Zusammenbau an Konstruktionsarbeitsstelle mit einem (zweiten) Substratmaterial mittels der temperaturaktivierten Klebstoffschicht des Suszeptors verwendet werden. In einem solchen System würde der Suszeptor anfangs in der Fabrik an das erste Substrat gebondet werden, z.B. unter Verwendung eines Epoxids oder vielleicht eines bei sehr hoher Temperatur schmelzenden Heißschmelzklebstoffs. Selbstverständlich besteht die Idee darin, einen Klebstoff auszuwählen, der später nicht schmilzt oder weich wird, wenn das Induktionsheizgerät an diesem Suszeptor eingesetzt wird.
An der Arbeitsstelle wird das (erste) Substratmaterial in enge physische Nähe zum (zweiten) Substrat gebracht oder tritt mit diesem in physischen Kontakt, und zwar an jener Oberfläche (oder Kante), an welcher der Suszeptor angeordnet ist. Dann wird das Induktionsheizgerät benutzt, um den temperaturaktivierten Klebstoff auf der Oberfläche des Suszeptors an das (zweite) Substrat zu bonden.
Es sollte beachtet werden, dass dieser Suszeptor alternativer Konstruktion durch eine erneute Verwendung des Induktionsheizgeräts mühelos demontiert werden könnte. Ein Vorteil bei dieser Methodologie besteht darin, dass der Suszeptor nach diesem rückgängig gemachten Zusammenfügungsvorgang lediglich an der Oberfläche des zweiten Substrats debonden würde – das erste Substrat und der Suszeptor würden sich nicht voneinander lösen.
Die vorliegende Erfindung fungiert als ein entfernt verwendbares Induktionsheizgerät, in welchem Wärme in Suszeptoren in Abständen von zumindest 7.62 cm (3 in.) von der Arbeitsspule an bevorzugten Stellen und bei kontrollierter Größe dieser Stellen entwickelt wird. Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Suszeptoren mit Abschnitten gefertigt werden können, welche schmelzbare Verbindungen aufweisen, deren Öffnungen durch Erkennen verringerten Energieverbrauchs detektierbar sind. Dies ermöglicht eine alternative Ausführungsform des Induktionsheizgeräts, um die Temperaturanstiegsrate des Suszeptors zu bestimmen, deren „Kenntnis" das Werkzeug in die Lage versetzt, die Temperatur im übrigen Teil des Suszeptors auf eine beliebige Höhe anzuheben (vorzugsweise unter seinem Schmelzpunkt), und zwar ungeachtet der Entfernung des Suszeptors vom Werkzeug.
In der vorliegenden Erfindung finden vorrangig nichtmagnetische Suszeptoren Einsatz. Wenn ein solcher Suszeptor einem alternierenden Magnetfeld ausgesetzt wird, kommt es im Suszeptor zur Erzeugung von Wirbelströmen, welche ihrerseits „abstoßende" Magnetfelder schaffen. In einem nichtmagnetischen Suszeptor mit einer Dicke in der Größenordnung von 254 Mikron (10 Mil) oder darüber ist das erzeugte Abstoßungsfeld stark genug, um nur einem kleinen Bruchteil des einfallenden Felds zu erlauben, in den Suszeptor zu dringen. In solch einem Fall ist das einfallende Magnetfeld etwas ausgedehnt, veranschaulicht durch Magnetkraftlinien, die viel schneller vom Magnetpol, von dem dieses Feld ausgeht, divergieren als beim Divergenzprofil ohne diese Abstoßungskraft (siehe 12).
Unter diesen Bedingungen addiert sich die Größe des einfallenden Magnetfelds, das übriggeblieben ist, um in einen verhältnismäßig dicken Suszeptor zu dringen, zu der Größe des durch die Wirbelströme erzeugten Abstoßungsfelds, hinterlassend ein sich daraus ergebendes Magnetfeld, das wenig Joulesche Wärme hervorbringt. Wenn jedoch dünnere Suszeptoren eingesetzt werden, sind deren Widerstände höher und die entgegenwirkenden Felder, die von ihren Wirbelströmen erzeugt werden, zwangsläufig kleiner. Werden immer dünnere Foliensuszeptoren verwendet, wird ein Punkt erreicht, bei dem I²R oder das Quadrat des Stroms, multipliziert mit dem effektiven Widerstand, ein Maximum darstellt, und die Menge Joulescher Wärme ihren Spitzenwert erreicht.
Bei Verwendung immer dünnerer Folien kann der effektive Widerstand des elektrisch leitfähigen Materials als linear ansteigend dargestellt werden und ist umgekehrt proportional zu dessen Dicke. Jedoch hat die Menge Joulescher Wärme, die durch diese dünneren Foliensuszeptoren hervorgebracht wird, einen nichtlinearen Bezug zu diesem erhöhten Widerstand. Die Joulesche Wärmerate ist annähernd eine Exponentialfunktion der Foliensuszeptordicke, da synergistisch das durch die Wirbelströme erzeugte, entgegenwirkende Magnetfeld abnimmt und gleichzeitig der Widerstand des Suszeptors zunimmt. Dieser Tatsache wird in der Literatur zum Stand der Technik keine Rechnung getragen.
Bei einigen Anwendungen der vorliegenden Erfindung werden Suszeptoren mit kontrollierten Breiten in Verbindung mit Arbeitsspulen eingesetzt, die vorbestimmte Ferritdurchmesser besitzen. Eine entsprechende Optimierung der Geometrie erzeugt das, was als „Kanteneffekt" bezeichnet werden kann. Die Wirkung kontrollierter Suszeptorbreiten zusammen mit kontrollierter Foliendicke zwecks Konzentration von Stromfluss auf der einen oder auf beiden Seiten und entlang schmalen Segmenten eines Suszeptors erzeugen kontrollierte und effizient erhitzte Bereiche mit erhöhter Temperatur oder sogenannte „Hot Spots". Die Fähigkeit, eine derartige Wärmeentwicklung bei einem Abstand von einer Spule zu konzentrieren, die andernfalls Energie an einen weiten Bereich innerhalb eines leitfähigen Mediums abgeben würde, stellt eine neue und nützliche Anwendung projizierten Induktionsheizens dar. Diese Fähigkeit ist ein zweites synergistisches Ergebnis des Zusammendrängens von Wirbelstrompfaden in ausgewählten zirkularen Bereichen und des Zusammendrängens von Strompfaden an einer oder beiden Suszeptorkanten.
Der obige Kanteneffekt ermöglicht, dass das Induktionsheizgerät der vorliegenden Erfindung einen kleineren Gesamtbereich erhitzt als sonst mit nicht optimierten Komponenten möglich. Dies sorgt für ein Erhitzen und somit für Bonding, Geschwindigkeit und Effizienz und ermöglicht die erhitzten Suszeptorbereiche entlang einer oder beiden Kanten in einem Bereich, der gerade groß genug ist, um die erforderliche Bindungsstärke zu erzielen. Das Induktionsheizgerät bestrahlt einen Bereich eines Suszeptors, der ausreichend groß ist, um die notwendige magnetische Energie abzufangen und Wirbelstromkonzentrationen entstehen zu lassen, die schnelles und effizientes Erhitzen in einem minimalen Bereich hervorbringen können, der für die spezielle Anwendung erforderlich ist.
In nichtmagnetischen Suszeptoren kommt die maximale Heizeffizienz gewöhnlich bei einheitlichen Werten hinsichtlich der Suszeptordicke in einem bevorzugten Bereich von 2.5 Mikron (0.1 Mil) bis 76 Mikron (3 Mil) zustande. Die einmalige Dicke, bei der dies für jeden Suszeptor eintritt, hängt ganz besonders von den folgenden physikalischen Parametern ab: (1) Frequenz des einfallenden Magnetfelds, (2) Geometrie oder ganz besonders Verhältnis der Suszeptorbreite zur Breite des Ferritkerns, der das einfallende Magnetfeld nährt, (3) Resistivität des Suszeptormaterials und (4) Abstand vom einfallenden Magnetfeld.
Zu den alternativen Suszeptormaterialien gehören magnetische Materialien, bei denen die magnetische Permeabilität größer ist als 1.0. Diese Permeabilität bewirkt ein natürliches Fokussieren des Magnetfelds, da sie eine Verdichtung des Magnetfelds nahe dem Suszeptor bewirkt, wie durch ein Zusammendrängen von Magnetfeld-Kraftlinien dargestellt. Dies hilft dabei, die magnetische Energie einer Arbeitsspule, die nach außen gerichtet ist, zu fokussieren mit dem dazugehörigen Vorteil, dass das abstoßende Magnetfeld und die daraus folgende Abstoßungskraft nicht vorhanden sind. Eine ähnliche Optimierung dieser Suszeptoren für das Erzeugen eines lokalisierten Erhitzens ist bei richtigem Umgang mit Suszeptorbreite und -dicke ebenso rasch erzielbar.
Bei zu bondenden Materialien, die mit Suszeptormaterial beschichtet sind, das hinsichtlich seiner Form nicht einheitlich ist, wird von der Möglichkeit Gebrauch gemacht, die Verwendung suszeptiven Materials zu minimieren und die Wirkungen der Formen zu maximieren, die bei verschiedenen Anwendungen und unterschiedlichen Arbeitsentfernungen am effizientesten für das Heizen sind. In solchen Fällen werden die suszeptiven Materialien an spezifischen Stellen entlang den zu bondenden Materialien platziert, und um die Identifizierung dieser Bereiche zu unterstützen, kann eine bedruckte Abzugsschicht an der Außenfläche angebracht werden, von wo sie sich nach Fertigstellung der Anwendung ablösen lässt und dann entsorgt werden kann. Die Abzugsschicht besitzt den zusätzlichen Vorteil, dass sie die endbearbeiteten Oberflächen vor Schmutz, Schmiere und selbst vor Verunstaltung z.B. durch Dellen und Kratzer schützt. Bei Nichtvorhandensein solcher bedruckten Abzugsschichten zur Identifizierung ermöglicht eine Variation im Gerät, welche gemessene elektrische Parameter ankündigt, dass das Gerät unter niedrigen Leistungsbedingungen als Suszeptor-Finder fungiert, so dass die normale Aktivierung des Geräts an den richtigen Stellen initiiert werden kann.
In Bezug auf eine Vielzahl von Metallen und Legierungen, welche im Frequenzbereich von etwa 50 kHz bis 150 kHz Magnetfeldern ausgesetzt sind, wurde die Feststellung gemacht, dass bei nichtmagnetischen Suszeptoren die maximale Heizeffizienz gewöhnlich bei einheitlichen Werten der Suszeptordicke innerhalb eines Bereichs von 0.25 Mikron (0.01 Mil) bis 51 Mikron (2 Mil) auftritt,
und bei Metallen und Legierungen mit einer Resistivität, die annähernd gleich jener reinen Aluminiums ist, zeigt sich die maximale Heizeffizienz insbesondere im Bereich von 0.51 Mikron (0.02 Mil) bis 25 Mikron (1 Mil) und ganz besonders im Bereich von 1.3 Mikron (0.05 Mil) bis 17.8 Mikron (0.7 Mil).
Testergebnisse haben gezeigt, dass die optimale Suszeptordicke im Allgemeinen mit Zunahme der Frequenz abnimmt. Aluminium-Suszeptoren mit variierender Dicke wurden Tests unterzogen, und es wurde herausgefunden, dass die optimale Dicke bei Verwendung eines 130 kHz HF Magnetfelds nahe 13 Mikron (0.5 Mil) liegt.
Diese optimale Dicke ist ziemlich stark, und aus einem Betrieb bei 7.6 Mikron (0.3 Mil) ergibt sich kein erheblicher Nachteil. Demgegenüber wurde herausgefunden, dass bei Verwendung eines 80 kHz Magnetfelds die optimale Suszeptordicke über 38 Mikron (1.5 Mil) liegt, und ferner wurde ermittelt, dass die optimale Dicke bei Frequenzen über 100 kHz zwischen 7.6–13 Mikron (0.3–0.5 Mil) beträgt.
Wie erwartet, steigert sich der Suszeptorbasiswiderstand mit der Frequenz. Zur Erhöhung der Effizienz könnte die Betriebsfrequenz so hoch wie möglich gewählt werden, begrenzt durch Verluste von Antriebskopf und Leistungsschwingkreis.
In einem Beispiel für Testergebnisse wurde eine Arbeitsspule verwendet, konstruiert aus einem verhältnismäßig großen „U"-Kern mit acht Windungen. Der Leistungsschwingkreis wurde bei 220 Volt RMS betrieben und lieferte 59 W pro Pol an den Suszeptor. Die Temperaturen wurden bei einer Wärmezykluszeit von 0.74 Sekunden gemessen und die Ergebnisse aufgezeichnet, wobei ein optisches Pyrometer mit einer Zeitkonstante von 5 Millisekunden zum Einsatz kam. Zu diesem Zeitpunkt belief sich die im Suszeptor deponierte Energie auf 44 Joules. Die Temperaturen überschritten 250°C nicht und übertrafen 100°C über Bereichen von etwa 2.5 cm² pro Pol.
Die Arbeitsspulenoptimierung ist in ähnlicher Weise bedeutsam für die Effizienz des Energietransfers bei Abstand. Beispielsweise besitzt ein kleiner U-Kern, wie z.B. ein Magnetics^® OR44131-UC, nicht die „Reichweite" eines Kerns, der für eine bestimmte Entfernung und Suszeptorgeometrie speziell optimiert ist. Obwohl, wie oben erwähnt, nur eine Magnetfeldquelle, oder nur ein Pol, in die Analyse von Wirbelstromerzeugung und Joulescher Wärme einbezogen wird, ist stets ein Minimum zweier solcher Pole in die Lenkung dieser einfallenden Felder involviert. In einem bevorzugten Fall beliefen sich beispielsweise die Kerndimensionen, aus denen sich die größte Energietransfereffizienz ergab, auf eine Höhe von etwa 4.445 cm (für einen U-Kern) und eine Breite von ungefähr 8.225 cm (über den beiden Schenkeln des U-Kerns), und die äußeren Dimensionen eines Kernbereichs für die Pole mit einer rechteckigen Form betrugen ungefähr 2.54 cm auf 1.27 cm. Die Ein-Inch-Dimension trat in Richtung einer besonderen Suszeptorachse auf.
Es war notwendig, dass sich dieser Querschnitt auf etwa 3 cm² (1/2 in²) belief, um Verluste im Kern auf einem akzeptablen Niveau zu halten, und die Pole hatten weit genug voneinander entfernt zu sein, um die Interaktion zwischen den Polflüssen zu begrenzen und den mit dem Suszeptor verbindenden Fluss zu maximieren. Beim Inverter, der auf einem Maximum von 300 Volt RMS lief, musste der Antriebskopf 8 Windungen der Arbeitsspule haben, um eine Leistung von 180 W zu liefern.
Berechnungen zur Gestaltung des Kerns im obigen Beispiel, nach Definieren einer Basisgruppe von Komponentenparametern, beinhalteten Folgendes:

1) Die Induktivität des Basisantriebskerns mit 1 Windung war Lo und die Induktivität mit N-Windungen betrug: L = Lo·N2 Lo wurde gemessen als: Lo = 82 nH
2) Der Basissuszeptorwiderstand war Ro und bei N-Windungen auf dem Kern nahm er auf die primäre Windung Bezug als: R = Ro·N2 Der für den Basissuszeptor gemessene Widerstand betrug: Ro = 500 μΩ
3) Der Basisantriebsstrom Io wurde anhand der benötigten Suszeptorleistungsübertragung und des Suszeptorwiderstands bestimmt als: Io = (P/Ro)½ Für den Baseline-Fall und eine Leistungsübertragung von 180 Watt galt: Io = 600 A-Turn RMS
4) Die Basisantriebsleistungsschwingkreiskapazität war Co und betrug für N Windungen: C = Co/N2 Co wurde anhand der Betriebsfrequenz ω festgelegt als: Co = 1/(ω2·Lo)Für den Basisfall belief sich ω auf 817000 rad/sec und es galt: Co = 18 μF
5) Die Basisleistungsschwingkreiskapazität betrug Vo und belief sich für N Windungen auf: V = Vo·NVo war gegeben durch: Vo = (Lo/Co)1/2·IoFür den Basisfall galt: Vo = 40 Volt RMS

Die Stromversorgung lief bei einer maximalen Leistungsschwingkreisspannung von etwa 300 Volt RMS, was ungefähr acht (8) Windungen auf dem Kern (300 V/40 V) erforderte, und es würde eine Induktivität von etwa 5.2 μH (82 nH·64) auftreten. Die Kapazität sollte sich bei einem Betrieb mit 130 kHz auf etwa 280 nF (18 μF/64) belaufen. Der Leistungsschwingkreisstrom sollte etwa 75 Ampere RMS betragen. Ungefähr 180 Watt betrug die Leistungsübertragung zum Suszeptor.
Der Kern sollte bei etwa 0.15 T (1.5 kG) arbeiten. Für Magnetics^® Material vom Typ „R" wurden bei 130 kHz Verluste von etwa 310 mW/cm³ vorausgesagt. Das Kernvolumen belief sich auf ungefähr 39 cm³, was die erwarteten Kernverluste auf etwa 12 W brachte. Der Litzendraht besaß einen Widerstand von 5 mΩ/m. Bei 75 Ampere RMS und einem Meter Draht wurden die Drahtverluste auf 28 W vorausgesagt. Die Antriebskopf-Gesamtverluste wurden auf unter 50 W vorausgesagt, und die tatsächlich gemessenen Verluste in der Testeinheit lagen sehr nahe bei 50 W.
Eine Analyse der Suszeptoroptimierung wurde vorgenommen, um ein Verständnis davon zu erlangen, wie die zu einem Suszeptor transferierte Leistung zu maximieren sein würde. Ausgehend von sehr grundlegenden physikalischen Prinzipien wurde ein Verhältnis zwischen Suszeptorleistung und den entscheidenden Problemparametern entwickelt: P ∝ σt(μ0ωm0/y)2[1/(1 + σtμ0ωy)2]
Mit

P: als der zum Suszeptor transferierten Gesamtleistung,
σ: als der elektrischen Leitfähigkeit des Suszeptors,
t: als der Dicke des Suszeptors,
μ₀: als der Permeabilität des freien Raums,
ω: als der Frequenz der Anregung,
m₀: als das magnetische Moment des Gerätepols und
y: als der Trennung zwischen dem Pol und dem Suszeptor.

Ausgehend von diesem Verhältnis wurde erwartet, dass der Ausdruck σtμ₀ωy in der zweiten Hälfte der Gleichung eine entscheidende Bedingung definierte. Die Analyse bewies, dass der entscheidende Wert für diesen Ausdruck etwa 10 betrug. Das heißt: Für σtμ₀ωy << 10 reduzierte sich das Leistungsverhältnis auf: P ∝ σt(μ0ωm0/y)2 , und für σtμ₀ωy >> 10 reduzierte es sich auf: P ∝ (m0/y)2[1/σ]
Die weitere Analyse ließ erkennen, dass für σtμ₀ωy ≈ 10 ein optimaler Suszeptorheizzustand erzielt wurde. Dieses Optimum wird verständlich durch Überprüfen der ersten Gleichung und Vermerken der Abhängigkeit der Suszeptorleistung von jedem Parameter. In der obigen Gleichung repräsentiert

σ: die elektrische Leitfähigkeit des Suszeptors. Falls die elektrische Leitfähigkeit null ist, beläuft sich auch die Leistung auf null. Diese Leistung erhöht sich mit Zunahme der Leitfähigkeit; wird die Leitfähigkeit jedoch sehr hoch, fällt die Leistung erneut auf null. Dies impliziert, dass es eine optimale Leitfähigkeit gibt, welche die Leistungsübertragung maximiert.
t: die Dicke des Suszeptors. Die Suszeptordicke zeigt die gleichen Abhängigkeiten wie die Leitfähigkeit. Deshalb besteht auch hier eine optimale Dicke, welche die Leistungsübertragung maximiert. Tatsächlich lässt sich bei weiterer Untersuchung zeigen, dass das Produkt aus Leitfähigkeit und Dicke den entscheidenden Suszeptorparameter darstellt. Für alle praktischen Zwecke sei erwähnt, dass ein Suszeptor, der nur die Hälfte der Leitfähigkeit des anderen besitzt, aber doppelt so dick ist wie dieser, genau die gleiche Energiemenge aus einem gegebenen Induktionsfeld absorbiert. Kurz gesagt, leistet er genau das Gleiche.
μ₀: die Permeabilität des freien Raums. Die Permeabilität wird im freien Raum festgelegt. Die Wirkung ferromagnetischer Suszeptoren verlangt eine andere Herangehensweise und wird nicht von dieser Analyse abgedeckt.
ω: die Frequenz der Anregung. Bei niedrigen Frequenzen (d.h. wenn σtμ₀ωy « 10) steigert sich die Leistung mit zunehmender Frequenz. Bei hohen Frequenzen wird die Leistung frequenzunabhängig. Deshalb gibt es keine optimale Frequenz, welche die Leistungsübertragung optimiert. Man könnte stets bei der höchstmöglichen Frequenz arbeiten wollen, die im Einklang mit der Oszillatorleistung, den Komponentenverlusten und der Sicherheit hinsichtlich der Magnetfeldstrahlung steht.
m₀: das magnetische Moment des Werkzeugpols. Die Leistungsübertragung erhöht sich mit der Potenzierung des Moments.
y: die Trennung zwischen dem Pol und dem Suszeptor; die Leistung verringert sich mit zunehmender Trennung.

Weiteres Tests von Aluminiumsuszeptoren ließen erkennen, dass bei bestimmten Bedingungen die optimale Dicke des Aluminiums etwa 12.5 Mikron (0.5 Mil) betrug und dass ein Bereich allgemein optimaler Dicke etwas breit ist mit geringer Variation bei der Heizeffizienz über einen Bereich von 8 μm bis 20 μm. Die Leistungsübertragung war maximal für einen Standardtrennungsabstand von ungefähr 3 mm (1/8 in.) und einen Aluminiumsuszeptor von 12.5 μm (0.0005 in.). Das Verringern der Suszeptordicke auf 7.6 μm (0.0003 in.) resultierte in einem Abfall der Leistungsübertragung von etwa 35%. Aus dem Vergrößern der Dicke auf 38 μm (0.0015 in.) ergab einen Abfall der Leistungsübertragung von ungefähr 30%.
Auch Suszeptoren aus Messing wurden Tests unterzogen, und diese wiesen eine maximale Leistungsübertragung bei einer optimalen Dicke von etwa 60 μm auf, also bei einer fast exakt fünfmal größeren Dicke als bei Aluminium. Das Produkt aus Leitfähigkeit und Dicke stellt den entscheidenden Parameter dar, und bei gegebener Frequenz und Trennung könnte jedes beliebige Suszeptormaterial optimiert werden, indem einfach die geeignete Dicke gewählt wird, um das Produkt aus Dicke und Leitfähigkeit zu optimieren. Messing mit höherer Leitfähigkeit kann eine größere Leistungsübertragung bei einer geringeren Dicke verschaffen.
Für jede Betriebsfrequenz gibt es einen optimalen Suszeptor. Das Produkt aus Dicke und Leitfähigkeit des optimalen Suszeptors variiert im umgekehrten Verhältnis zur Frequenz. Die maximale Leistungsübertragung nimmt über einen bestimmten Distanzbereich zwischen Arbeitsspule und Suszeptor annähernd linear mit der Frequenz zu.
Ein weiteres wichtiges Verhältnis stellt die Energietransfereffizienz als Funktion der Suszeptorbreite dar. Die direkte Korrelation mit der Leistungsübertragung ist schwer herzustellen, weil bei schmalen Suszeptoren weniger Material zu erhitzen ist (Suszeptor, Substrat und Klebstoff).
Ferner wurden Suszeptoren aus Stahl getestet, und die Ergebnisse für Stahl zeigen, dass sich mit seinem Einsatz eine verstärkte Leistungsübertragung erzielen ließ. Allerdings verhalten sich ferromagnetische Materialien anders als nicht ferromagnetische Materialien. Bei letzteren ist die Dicke des Suszeptors sehr gering im Verhältnis zur elektrischen Diffusionstiefe. Beispielsweise beläuft sich bei Aluminium die Diffusionstiefe bei 130 kHz auf ungefähr 400 μm, wobei es sich fast um die 40-fache Dicke des Baseline-Suszeptors handelt. Für Eisen mit einer Permeabilität von 2000 beträgt die Diffusionstiefe bei 130 kHz etwa 20 μm und ist damit etwa genauso groß wie oder etwas kleiner als die Dicke dieser Suszeptoren. Deshalb wäre zu erwarten, dass bei ferromagnetischen Materialien hinsichtlich der Diffusion Grenzen bestehen und die Leistungsübertragung praktisch nicht von der Suszeptordicke abhängen kann.
Der Prozess der Suszeptorauswahl und -optimierung lässt sich anhand des Optimierungsverhältnisses verstehen: σtμ₀ωy ≈ 10. Der Suszeptoroptimierungsparameter ist das Produkt σt. Die Leitfähigkeit und die Dicke können stets so gewählt werden, dass sie die Optimierungskriterien erfüllen und die Leistungsübertragung zum Suszeptor maximieren. Der Trennungsparameter y orientiert sich an der Anwendung und nicht an einem Parameter des Werkzeug- oder Suszeptordesigns. Bei der Betriebsfrequenz ω handelt es sich um einen Parameter für das Werkzeugdesign, und bei ihrer Auswahl wird ein Kompromiss zwischen der Suszeptorleistungsübertragung und den Werkzeugverlusten (Größe und Kosten) geschlossen. Ferromaterialien unterliegen hinsichtlich der Diffusion Grenzen, und die Leistungsübertragung wird durch einen anderen Mechanismus gesteuert bzw. geregelt.
Das Erhitzen des Suszeptors geht typischerweise nicht gleichmäßig vonstatten. Es besteht eine intensive Erhitzung entlang den Kanten des Suszeptors im Bereich des Polteils, während das Zentrum möglicherweise überhaupt nicht erhitzt wird. Einige Testergebnisse zeigen, dass das Erhitzen nicht annähernd so schnell ablief, wie in Anbetracht der vorausgesagten Leistungsübertragung zum Suszeptor und der Heizkapazität des Suszeptors vorhergesagt. Die Konzentration an der Kante schien nicht so ausgeprägt, wie erwartet. Der Grund für die beobachteten Unterschiede lag in der Wärmeleitfähigkeit, sowohl direkt in das Substrat (Klebstoff und Holz) als auch seitlich in den Suszeptor hinein.
Dem Hineinleiten in Holzsubstrate kam große Bedeutung zu, da die Kantentemperatur des Aluminiumsuszeptors, ohne Leiten zum Holz auf beiden Seiten, über 200 °C erreichen würde. Jedoch benötigen an Holz gebondete Suszeptoren viel länger zur Erhitzung und werden infolgedessen bei gleichen Magnetfeldbedingungen und Zeitintervallen nicht annähernd so heiß. Die vom Holz absorbierte Energie muss aus dem Induktionsheizgerät kommen und trägt nicht direkt zum Schmelzen von Klebstoff bei.
Die Versuche zeigten, dass ein 13 μm (0.5 Mil) „Standard"-Aluminiumsuszeptor nahezu optimal für eine Trennung von 19 mm (0.75 in.) und für einen Betrieb bei 130 kHz ist. Der Widerstand des Standardsuszeptors bei 0.75 in. ausgehend vom Ferritkern der Arbeitsspule beträgt ungefähr 110 μΩ pro Pol. Ergebnisse mit einem Klebstoff, der unter 100 °C schmilzt oder weich wird, haben gezeigt, dass das Heizsystem eine Leistungsübertragung zum Suszeptor von zwischen 50 W und 100 W pro Pol benötigt, um eine gute Bindung in 0.5 Sek. zu erzielen. Die Verwendung von Materialien mit geringerer Leitfähigkeit würde die Leistungserfordernisse nicht verringern; dickere Suszeptoren wären notwendig, um optimale Leistungsübertragungsbedingungen zu erzielen.
Weitere Variationen von Arbeitsspulen sind nützlich zum Optimieren der Schaffung entweder von oben erwähnten Hot-Spots oder von einheitlich erhitzten Bereichen eines Foliensuszeptors. Obwohl nur eine Magnetfeldquelle oder ein Pol in die obigen Erläuterungen über die Erzeugung von Wirbelstrom und Joulescher Wärme einbezogen ist, ist stets ein Minimum zweier solcher Pole in das Lenken dieser einfallenden Felder involviert. Die Pole sind im Allgemeinen beabstandet, um eine begrenzte Interaktion zwischen ihnen zu bewirken, und dies unterstützt das Vorherrschen von magnetischen Feldlinien oder Komponenten magnetischer Feldlinien mit Vektoren, die eher nahezu parallel zu den Achsen der Kerne sind. In einigen Fällen kann ein Anstieg des Verhältnisses von Komponenten, die in größerem Maße nahezu parallel zu diesen Achsen sind, zu jenen Komponenten, die in größerem Maße nahezu senkrecht zu diesen Achsen sind (d.h. jene Achsen, die in größerem Maße parallel zum Suszeptor sind) – wo sich die Effizienz der Wirbelstromerzeugung auf einem Minimum befindet – erreicht werden, indem Ferritkerne benutzt werden, welche derartige Effekte hervorbringen, wie z.B. „E"- oder „U"-Kerne, welche die Magnetquelle, die eine entgegengesetzte Polarität zu jener in der Mitte der obenerwähnten einfallenden Felder besitzt, in bestimmten Anwendungen jenseits die Grenzen der Suszeptoren projizieren. Dies erfolgt so, dass nahe jenen Bereichen, wo die Wärmeerzeugung zu maximieren ist, die Komponenten des Magnetfelds, die in größerem Maße nahezu parallel zur Achse der Ferritquelle sind, maximiert werden, um die Wirbelstrom-Maxima zu erzeugen.
Das Induktionsheizgerät der vorliegenden Erfindung ist in seinen bevorzugten Ausführungsformen so klein und leicht, dass es tragbar ist, und kann an der Arbeitsstelle als Handgerät benutzt werden, entweder mit einer Batterie als Energiequelle oder angeschlossen an eine Leitungssteckdose mit AC-Spannung. Das Werkzeug kann automatisch eine vorbestimmte Energiemenge zu einem mit Heißschmelzklebstoff beschichteten Suszeptor liefern, damit eine Bindung zwischen zwei Gegenständen erzielt wird, und zwar bei jedem beliebigen Abstand bis hin zu mindestens 19 mm bzw. 0.75 in. in weniger als einer halben Sekunde, wenn ein Klebstoff verwendet wird, der eine Schmelz- oder Erweichungstemperatur von unter 100 °C aufweist. Bei typischem Betrieb ist das Gerät dazu programmiert, in vorgenanntem Zeitraum einen Energielevel im Bereich von etwa 50–200 Joules über zwei Suszeptorbereichen zur Verfügung zu stellen, von denen jeder ungefähr 2.5 cm² misst. Klebstoffe, die zwischen 100 °C–200 °C schmelzen oder weich werden, binden typischerweise innerhalb von 1.5 Sekunden.
Bei Verwendung der bevorzugten Dünnfoliensuszeptoren der vorliegenden Erfindung liegt die Dicke solcher Aluminiumsuszeptoren (jener, bei denen der Suszeptor Aluminium als Legierung oder Schicht enthält) vorzugsweise im Bereich von (einschließlich) 2.5–51 Mikron (0.01–2 Mil), stärker bevorzugt von 0.25–19 Mikron (0.01–0.75 Mil) und besonders bevorzugt von 0.25–14 Mikron (0.01–0.55 Mil). Bei Einsatz von Suszeptoren, die aus anderen elektrisch leitfähigen Materialien gefertigt sind, befindet sich die bevorzugte Dicke im Bereich von (einschließlich) 0.25–76 Mikron (0.01–3 Mil), stärker bevorzugt von 1.3–51 Mikron (0.05–2 Mil) oder besonders bevorzugt von 0.25–25 Mikron (0.01–1 Mil).
Die obigen Suszeptoren werden durch ein alternierendes Magnetfeld erhitzt, das eine Leistungsdichte in den Suszeptoren erzeugt und für verhältnismäßig kurze Zeitintervalle angewandt wird. Die bevorzugten Werte lauten wie folgt:
Die Zeitdauer eines Heizzyklus liegt im Bereich von (einschließlich) 0.1–10 Sekunden, stärker bevorzugt von (einschließlich) 0.1–5 Sekunden oder besonders bevorzugt von (einschließlich) 0.1–2 Sekunden;
die Leistungsdichte befindet sich in einem Bereich von (einschließlich) 3.55–775 Watt pro Quadratzentimeter (10–5000 Watt pro Quadrat-Inch) des Suszeptors oder stärker bevorzugt unter 155 Watt pro Quadratzentimeter (1000 Watt pro Quadrat-Inch) oder besonders bevorzugt unter 75 Watt pro Quadratzentimeter (500 Watt pro Quadrat-Inch); und
die Betriebsfrequenz des alternierenden Magnetfelds liegt im Bereich von (einschließlich) 1 kHz–1 MHz, stärker bevorzugt von (einschließlich) 10–500 kHz oder besonders bevorzugt von (einschließlich) 10–300 kHz.
Die „Wärme"-Energie wird von der Arbeitsspule (einem elektrischen Induktor) in Form eines Magnetfelds bereitgestellt. Bei der Arbeitsspule handelt es sich buchstäblich um einen elektrisch leitfähigen Draht, der auf zwei identische Ferritstifte gewunden ist, aus denen die Zweige eines dreiteiligen U-Kerns werden. In den bevorzugten Ausführungsformen ist die Arbeitspute aus Litzendraht gemacht, der aufgrund des Skineffekts bei den Betriebs-Hochfrequenzen des Geräts sehr geringe reaktive Verluste aufweist.
Die beiden flachen Enden des Ferritkerns emittieren das AC-Magnetfeld. Wenn dieses Feld einem elektrisch leitfähigen Material (d.h. dem Suszeptor) präsentiert wird, werden freie Elektronen innerhalb des Materials in Bewegung versetzt. Diese Elektronenbewegung innerhalb des leitfähigen Mediums besitzt die Tendenz, die Elektronenbewegung in der Spule widerzuspiegeln. Der Fluss von Strom durch den elektrischen Widerstand des Suszeptors erzeugt eine Leistungsdissipation, die in der Erzeugung von Wärme resultiert.
Wenn die Temperatur des Suszeptors ansteigt, bewirkt sie das Schmelzen der Klebstoffschicht oder zumindest deren Erweichen, und der Klebstoff fließt auf die Suszeptorflächen. Am Ende des Heizzyklus kühlt der Klebstoff rasch ab aufgrund von Wärmeverlust in tieferen und kühleren Ebenen der Materialien, die gebondet werden (genannt Substrate), und eine starke, permanente Bindung wird erzeugt, die ihre Stärke beibehält, es sei denn, der Suszeptor wird später erneut mit einem ähnlichen Induktionswerkzeug erhitzt.
Die Energie, die das Magnetfeld schafft, stammt aus einer Oszillatorschaltung mit variabler Ausgangsleistung (typischerweise Inverter genannt), die bei einer Frequenz von etwa 130 kHz in der bevorzugten Ausführungsform arbeitet. Elektrische Energie für diesen Inverter wird von einem Leistungswandler mit variabler Spannung zur Verfügung gestellt, der von einem Mikroprozessor gesteuert bzw. geregelt wird. Die zum Suszeptor gelieferte Leistung wird von einem Mikroprozessor durch aktives Überwachen der Eingangsspannung und des Eingangsstroms des Leistungswandlers wahrgenommen, und zwar in einer Feedforward- bzw. Vorwärtskopplungs- bzw. Vorwärts-Zufuhr-Steuerungs- bzw. -regelkonfiguration. Durch Initiieren jedes Heizzyklus bei niedriger Leistung und schnellem linearen Anstieg der angelegten Spannung zwecks Erzielung einer bestimmten Stromgröße, die eine programmierbare Anzahl von Joules in etwa einer halben Sekunde liefert, stellt die Steuer- bzw. Regelschaltung ihre Ausgangsleistung automatisch ein, um eine konstante Energiezufuhr zu erreichen.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsform können derartige Anpassungen mit einer Rate von ungefähr 11000 pro Sekunde erfolgen, wodurch Variationen der Eingangsspannung problemlos kompensiert werden, einschließlich Etliches des AC-Ripple auf den DC-Stromschienen. Eine Nachschlagtabelle wird in einer zweiten bevorzugten Ausführungsform benutzt, um Variationen bei Schaltungsleistungsverlusten zu kompensieren und so zu ermöglichen, dass das Gerät über den gesamten Betriebsabstandsbereich präzise arbeitet. Das Gerät kann mittels eines Laptopcomputers im Außendienst programmiert werden, um unterschiedliche Energiemengen in verschiedenen Zeiträumen zu liefern, und zwar zur Erfüllung weiterer Anwendungserfordernisse (z.B. jene bei verschiedenen Typen von Suszeptoren oder Substraten oder bei Variationen bei der Umgebungstemperatur), und zu Forschungszwecken.
Die Steuer- bzw. Regelschaltung überwacht die Temperatur der Arbeitsspule und aktiviert ein Gebläse, wenn die Temperatur der Arbeitsspule eine programmierbare Höhe überschreitet. Außerdem bedient sie vier leistungsstarke LEDs, welche zur Beleuchtung der Arbeitsfläche benutzt werden, und löscht diese, wann immer sich das Gerät über ein programmierbares Zeitintervall hinaus, z.B. dreißig (30) Sekunden, im Ruhezustand befunden hat. Darüber hinaus liefert die Steuer- bzw. Regelschaltung dem Benutzer eine fühlbare Rückmeldung, indem sie merklich zu vibrieren beginnt, sobald der Heizzyklus abgeschlossen ist. Ferner speichert sie Informationen über Tausende von Aktivierungen, einschließlich des Aktivierungszeitraums, des berechneten Energieausgabeniveaus, der seit der vorigen Aktivierung verstrichenen Zeit und der Temperatur der Arbeitsspule.
Wie oben erwähnt, wird Litzendraht benutzt, um den effektiven Widerstand der Arbeitsspule zu senken und damit zu ermöglichen, dass die Arbeitsspule bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur funktioniert. Litzendraht besteht aus zahlreichen einzeln isolierten Drahtsträngen und bietet einen vergrößerten effektiven Querschnittbereich bedingt durch den Skineffekt, der sich auf die Tendenz von Strömen mit höherer Frequenz bezieht, auf den Leiteraußenflächen zu fließen. Da der Energietransfer ein wenig proportional zur Frequenz ist, wird die Betriebsfrequenz gegenüber Kernverlusten ins Gleichgewicht gebracht, um jene Frequenz zu bestimmen, welche die optimale Effizienz für die verwendeten Komponenten ergibt. Bei einigen Bonding-Anwendungen werden auch die Suszeptordimensionen kontrolliert, um die Effizienz des Geräts zu maximieren (wie oben erläutert). Der optimierte Suszeptor gestattet dem System der Erfindung unter Abstand einen kleineren Gesamtbereich zu erhitzen, als es andernfalls mit nicht optimierten Komponenten möglich wäre. Dies ermöglicht das Erzielen von Geschwindigkeit und Effizienz beim Heizen und Bonden.
Die vorliegende Erfindung bietet viele Vorteile, wie z.B. die Verkürzung von Montagezeiten, die in der Vergangenheit typischerweise Stunden in Anspruch nahmen, sich aber nun auf Minuten oder Sekunden beschränken. Zu weiteren Vorteilen zählen: Beseitigung von Open-Time-Zwängen bezüglich des Klebstoffs; Beseitigung von Sicherheitsproblemen hinsichtlich des Heißschmelzklebstoffs; Beseitigung von gefährlichen flüchtigen organischen Verbindungen; Beseitigung der Notwendigkeit erneuter Oberflächenendbehandlung; verringerte Montagekosten; verbesserte Bond-Qualität; verbesserte Prozesszuverlässigkeit; verbesserte Benutzerfreundlichkeit des Prozesses; Rückgängigmachen des Bonds; wo erwünscht; und Ermöglichung der Verwendung von Klebstoffen, um opake Materialien zu bonden, wo schnelles Aushärten und Vorpositionierung des Materials in hohem Maße erwünscht sind.
Die Klebeprodukte, die bei den Suszeptoren, die zum Einsatz mit dem Heizinduktionsgerät der vorliegenden Erfindung verfügbar sind, benutzt werden, steigern den Wert der zusammengefügten Teile für den Endbenutzer durch verbessertes Erscheinungsbild und gesteigerte Zuverlässigkeit, typischerweise bei gesenkten Kosten und größerer Bedienfreundlichkeit für den Monteur, Installateur oder Hersteller durch: Ermöglichen des Einsatzes praktisch jedes beliebigen Materials; Ermöglichen der Verwendung kostengünstiger Substrate mit qualitativ hochwertiger Endbearbeitung; Beseitigen der Notwendigkeit für mechanische Befestigungsmittel; Ermöglichen einer Vorab-Endbehandlung bei nahezu jedem beliebigen Material; und Beseitigen der Notwendigkeit einer Nachbesserung.
Die vorliegende Erfindung verbessert die Gesamtqualität und -zuverlässigkeit des Produkts auf dem Gebiet des Klebens im Vergleich zu mechanischen Befestigungsmitteln insbesondere dort, wo Klebstoffe gegenwärtig nicht zum Einsatz kommen, durch: Beseitigen der Verwendung mechanischer Befestigungsmittel; Erhöhen der spezifischen Kleb- oder Verbindungsstärke zwischen zwei Komponenten; Ermöglichen der Verwendung jedes beliebigen Materials mit Ausnahme von Metall (obgleich sich auch Metall in einigen Anwendungen verwenden lässt); und Reduzieren der Produktherstellungskosten.
Die Herstellungskosten lassen sich verringern durch: Beseitigen oder Beschleunigen von Endbearbeitungsschritten, Beseitigen oder Beschleunigen von Montageschritten, Beseitigen der Notwendigkeit einer gemeinsamen Verwendung von Klebstoff und mechanischem Befestigungsmittel, erhebliches Beschleunigen der Klebstoffaushärtungszeit, Ermöglichen einer Rückgängigmachung des Produktzusammenbaus (gegebenenfalls dort, wo ein Schaden an den Teilen minimiert werden muss), Ermöglichen der Auswahl günstigerer Materialien, Ermöglichen der sparsameren Verwendung von Klebstoff und Bereitstellen kompakteren Geräts, das weniger Raum auf dem Boden einnimmt, weniger Energie benötigt und weniger Wartung verlangt als Produktionsgerät von großen Ausmaßen.
Darüber hinaus können die Herstellungskosten gesenkt werden durch: Ermöglichen des vorherigen Auftragens von Klebstoffen, was die sonst notwendige Erfüllung der strengen staatlichen und föderativen Bestimmungen vermeiden lässt, Ermöglichen der Beseitigung von Klebstoffen, die flüchtige organische Verbindungen abgeben, Beseitigen des Umgangs mit Chemikalien und Gerüchen seitens des Endbenutzers durch vorheriges Auftragen des Klebstoffs und Verringern der Kosten für den Gesamtvorgang.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen zeigt 1 ein handgehaltenes Induktionsheizgerät, das allgemein mit Bezugsziffer 10 bezeichnet wird. Das Induktionsheizgerät 10 besteht aus bestimmten Hauptabschnitten, einschließlich eines Griffabschnitts 20, eines unteren Gehäuseabschnitts 30, eines oberen Gehäuseabschnitts 60 und eines Arbeitsspulen-„Kopf"-Abschnitts" 50.
Der Griffabschnitt 20 beinhaltet einen Auslöser bei 22 zur Fingerbedienung. Der untere Abschnitt 30 umfasst ein Netzkabelbefestigungsteil zur Aufnahme eines Netzkabels 32, das sich typischerweise an eine standardmäßige 120 Volt AC-Steckdose anschließen lässt. Der obere Abschnitt 60 enthält einige LEDs 34, die genutzt werden, um dem Benutzer/Bediener des Geräts 10 Warn- oder Statusanzeigen zur Verfügung zu stellen. Außerdem beinhaltet der obere Abschnitt 60 einige LEDs 64, um, falls notwendig, das Arbeitsstück zu beleuchten. Zusätzliche Beleuchtungs-LEDs 64 sind im unteren Abschnitt 30 enthalten, der in 2 zu sehen ist.
In einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung ist der Arbeitsspulen-„Kopf" 50 austauschbar mit anderen Köpfen verschiedener Größen und Ausgangsleistungswerte für die gleiche oder für andere Induktionsheizungsanwendungen (z.B. das Erhitzen großer Suszeptoren, die zum Kleben von Laminaten und anderen Plattenwaren genutzt werden).
Mit Blick auf 2 ist der gleiche Typ eines handgehaltenen Induktionsheizgeräts 10 erneut veranschaulicht, und zwar diesmal in teilweisem Querschnitt, damit die Möglichkeit besteht, einige der Hauptkomponenten anzusehen, die im Gehäuse enthalten sind. Beispielsweise kommuniziert der Auslöser 22 mechanisch mit einem Auslöser-Schalter 24. Wie aus einem Vergleich von 1 und 2 ersichtlich, kann die Auslöser-Struktur 22 verschiedene Größen und Formen besitzen.
Des Weiteren veranschaulicht 2 einen Feedback-Elektromagnet 26, der im Griffabschnitt 20 enthalten ist, obwohl in einigen Ausführungsformen ein „Buzzer"-Motor, der eine gegenüber der Mitte versetzte Nocken-Summer-Einrichtung antreibt, oder eine andere Vibrationseinrichtung anstelle des Feedback-Elektromagnets 26 benutzt wird.
Der hintere Griffabschnitt 20 umfasst weiterhin eine gedruckte Leiterplatte 40, welche die Spannungsregulatorabschnitte und die Verarbeitungs- und Steuer- bzw. Regelschaltung umfasst, von denen schematische Beispiele in den 3A–3B und 14A–14B zu finden sind. Die Regel- bzw. Steuerschaltung könnte, falls gewünscht, mit Leistungskomponenten kombiniert werden, aber in der veranschaulichten Ausführungsform aus 2 ist eine Inverter-Leiterplatten-Unteranordnung bei 62 als separate Komponente dargestellt, die im oberen Abschnitt 60 untergebracht ist.
Der untere Griffabschnitt 30 beinhaltet weiterhin einen Kommunikationsport 36, der ungefähr dem Kommunikationsport 116 in 3 oder einem Verbinder für einen Infrarotkommunikationsport 560 in 14 entspricht.
Eine Stromversorgungseinrichtung ist einbezogen, um 12 Volt DC zur Verfügung zu stellen, und neben dieser 12 VDC Stromversorgungseinrichtung befindet sich eine gedruckte Leiterplatte, welche mehrere parallele Kondensatoren 44 enthält. Diese Kondensatoren 44 befinden sich nahe der Arbeitsspulen-Unteranordnung 50, und bei der Arbeitsspule selbst handelt es sich um einen Leistungsinduktor aus einem U-Kern bei 54, der vorzugsweise aus Ferrit ist und der viele Windungen aus einem elektrischen Leiter bei 52 enthält, z.B. aus Litzendraht oder aus einem anderen Kupferdraht. Die Arbeitsspule und die Kondensatoren 44 schaffen eine Resonanzschaltung, die bei einer vorgegebenen Frequenz oszilliert, wenn sie angeregt wird.
Der Arbeitsspulenkopf 50 beinhaltet Ferritkernstücke in einer der bevorzugten Ausführungsformen, wie oben erwähnt. Bei einem Aufbau dieses Ferritmaterials ist der Kern 54 in drei separate Teile entlang den gekrümmten Linien 58 in 2 unterteilt. Diese Konstruktion erlaubt, dass die Arbeitsspule zusätzlicher Vibration und mechanischer Schockbelastung mit geringerer Wahrscheinlichkeit, dass es in den verhältnismäßig spröden Ferritteilen zum Bruch kommt, ausgesetzt ist, indem den drei separaten Ferritkernteilen gestattet wird, sich entlang dieser gekrümmten Linien 58 zu drehen. Diese Magnetschaltung bleibt intakt, weil kein beabsichtigter Luftspalt im Kern 54 bei diesen gekrümmten Linien 58 ist.
Während längeren Gebrauchs kann sich der Arbeitsspulenbereich ziemlich aufheizen, weshalb ein Gebläse 56 vorgesehen ist, um die Temperatur im Arbeitsspulenbereich (d.h. im austauschbaren Arbeitsspulenkopf 50) zu senken.
Das Induktionsheizgerät der vorliegenden Erfindung ist so entworfen, dass es eine Vielzahl von Arbeitsspulen aufnimmt, von denen jede für eine spezielle Anwendung eingesetzt wird. Jede Arbeitsspule enthält Resonanzkondensatoren, so dass der überwiegende Teil des Spulenstroms nicht durch die Verbinder fließt.
Bei der Energieversorgung des Induktionsheizgeräts einer weiteren alternativen Ausführungsform wird eine „Schwingdrossel" benutzt, deren Induktivitätswert mit der Variation des Spulenstroms variiert. Die Induktivität der Spule bzw. der Drossel verringert sich, weshalb sich die Energiespeicherkapazität, als vom Suszeptor gezogener Strom, erhöht. Diese Eigenschaft ermöglicht den Schalttransistoren, bei einem konstanteren Spannungspegel zu arbeiten, während der Strom zunimmt, und zwar eher als einen Anstieg der Spitzenspannung zu erfahren, während der Strom erhöht wird, wodurch verhindert wird, dass diese Transistoren übermäßige Spannungspegel erfahren. Das Mittel zur Erzielung dieser „Schwingdrossel"-Charakteristik besteht darin, den üblichen Spalt im Kern zu schaffen, der erforderlich ist, um die Sättigung bei niedrigeren Pegeln magnetischen Flusses zu bewirken.
Extradünner Litzendraht, der weniger Wärmeverlust in den elektrischen Leitern der Spule verursacht, kommt in der Arbeitsspule zur Anwendung. Ferritmaterial umfasst die Kerne der Arbeitsspulen. Gekrümmte Enden dieses Ferritmaterials (bei Bezugsziffer 58) fungieren als Verbindungsteile, gegen welche sich (zuweilen spröde) Verbindungsferritteile oder -abschnitte bewegen können, ohne hohe Torsions- und Zugkräfte zu übertragen, um ein mögliches Zerbrechen zu minimieren, während gleichzeitig weiterhin eine gute magnetische Koppelung aufrechterhalten wird.
Zu einigen der anderen wichtigen Aspekte des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung gehören wie folgt: das Werkzeug ist tragbar; es kann mit einer Batterie betrieben werden; die Energieabgabe des Geräts kann innerhalb seines Betriebsbereichs fast konstant gehalten werden; das Gerät schaltet sich ab nach Erkennen programmierbarer Fehlerzustände (einstellbarer Grenzen), z.B. Übertemperatur, zu niedrige oder zu hohe Leistung (letzteres durch Unterscheiden zwischen einem innerhalb eines Bereichs und einem außerhalb eines Bereichs liegenden Suszeptors, einschließlich keines Suszeptors und eines, der zuviel Leistung zieht); das Werkzeug lässt sich so programmieren, dass es zwecks Steuerns bzw. Regelns des Temperaturanstiegs eines Suszeptors eine profilierte Leistungskurve liefert; viele Ausgangsenergielevel können programmiert werden; das Gerät kann in einem „kontinuierlichen" (wieder-ausgelösten) Modus arbeiten und nach einstellbaren Verzögerungszeiten automatisch Energie-Bursts liefern; und Betriebsdaten können zwecks späterer Analyse gespeichert werden, einschließlich, bezüglich jedes Energiezufuhr-Bursts, der Zeit seit' dem letzten Energie-Burst, der Arbeitsspulentemperatur, des Spitzenstroms, der Höchst- und der Mindestspannung und ferner des Fehlerzustands bzw. der Fehlerzustände, falls auftretend; Anzeige von Betriebsmodi, Pegeln und Fehlerzuständen werden problemlos anhand einer Multisegment-Säulenanzeige und/oder anhand heruntergeladener Daten interpretiert.
In einem Betriebsmodus des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung ist die Leistungskurve bei einer Rate profiliert, welche die Leistungsabgabe nahe dem Beginn eines Heizvorgangs im Wesentlichen steigert, wenn das Werkzeug unter Bedingungen geringer Umgebungstemperatur betrieben wird. Wie oben erläutert, können die Temperaturfluktuationen an vielen Montagestätten extrem sein, insbesondere bei kalten Bedingungen in nördlicheren Breiten. Die profilierte Leistungsausgabe könnte einige der Auswirkungen, welche die Kälte auf den Klebstoff des Suszeptors hat, überwinden, indem „Extra"-Leistung kurz vor oder bei Beginn des Einsetzens des Heizvorgangs zur Verfügung gestellt wird, um rascher mit dem Steigern der Suszeptortemperatur zu starten im Vergleich zu einem Leistungsprofil, das sonst bei gemäßigteren Bedingungen benutzt würde. Selbstverständlich ist auch die gelieferte akkumulierte Gesamtenergie zu berücksichtigen, und es kann vorkommen, dass die gesteigerten Leistungsausgabeniveaus bei wirklich kalten Bedingungen durch den ganzen Heizvorgang hindurch etwas „erhöht" bleiben sollten.
In ähnlicher Weise könnte bei Bedingungen verhältnismäßig hoher Umgebungstemperaturen die profilierte Leistungskurve so modifiziert werden, dass die Leistungsausgabe im Wesentlichen sinkt.
Zusätzlich zu Obigem wird das Induktionsheizgerät der vorliegenden Erfindung bei mehreren Zuständen automatisch abgeschaltet, einschließlich: eines Zustands zu niedriger Leistung bei Konfrontation mit einer „Luftlast"; eines Übertemperaturzustands an der Arbeitsspule; eines Unterbrechungszustands, bei dem die Lastleistung zu gering, aber größer als der „Luftlast"-Leistungszustand ist; oder wenn das programmierte Energieniveau erreicht ist. Bei einem Modus einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Verzögerung, mit der nach einem „Luftlast"-Zustand abgeschaltet wird, 75 mSek. und ist nicht vom Benutzer einstellbar; der Unterbrechungs-Abschalt-Zustand lässt sich vom Benutzer in Schritten von einer mSek. programmieren; und das Übertemperaturlimit ist in °C programmierbar.
Bei der ersten bevorzugten Ausführungsform wird ein Mikroprozessor 114 in der elektronischen Schaltung des Induktionsheizgeräts benutzt. Ein exemplarischer Mikroprozessor mit integrierter Schaltung ist der Philips 80C550 Mikroprozessor, der ein 4K OnBoard-ROM und ein 128 Bytes RAM enthält. Um variable Werte, einschließlich der Benutzereinstellungen, in einem nichtflüchtigen Speicher zu bewahren, ist ein EEPROM-Chip vorgesehen. Der Betriebsparameterspeicher ist in einem 2K × 1 seriellen EEPROM enthalten, wie z.B. der Bank aus EEPROMs bei 140 in den 3A–3B. Solche gespeicherten Betriebsparameter beinhalten die maximale Leistungsausgabe des Geräts, die Werte für maximale Spannung und maximalen Strom, Unterlastungs- und Überlastungsstrom und Leistungsniveaus, viele Betriebsleistungsstufen, das aktuelle Leistungsniveau und weitere gängige Parameter, je nach Bedarf.
Nun bezugnehmend auf 3 (3A–3B) stellt ein elektrischer Schaltplan 100 die Steuer- bzw. Regeleinrichtungskomponente einer ersten bevorzugten Ausführungsform des Induktionsheizgeräts 10 dar. In dieser exemplarischen Schaltung wird ein Philips Mikroprozessor 114 (U9) mit Teilenummer 80C550 verwendet. Bei 140 sind mehrere serielle EEPROM-Speicherchips (U1–U8) vorgesehen, welche Betriebsdaten, falls gewünscht, und Betriebsparameter oder -grenzen speichern, von denen der Benutzer einige festlegen kann. Vorgesehen sind auch weitere Schnittstellen-Schaltungskomponenten, wie eine Quarzoszillatorschaltung 112 (Y1, C17, C18) und ein kleiner Filterkondensator (C9) über der +5 VDC Stromschiene.
Selbstverständlich könnte der Mikroprozessor 114 mit einem OnBoard-Speicher ausgestattet sein, wie z.B. einem EPROM oder EEPROM, um Betriebsparameter und möglicherweise einige angesammelte Daten zu speichern. In solch einem Mikroprozessor könnten die seriellen EEPROM-Speicherchips bei 140 aus Modellen des Heizgeräts entfernt werden, die nicht erfordern, dass historische Betriebsdaten gespeichert und später zu einem Host-Computer heruntergeladen werden.
Weitere Filterkondensatoren über der +5 Volt Schiene werden an verschiedenen Stellen auf der gedruckten Leiterplatte 40 verwendet, welche diese Schaltung enthält (z.B. C1–C8, C13, C16, C23). Die +5 Volt Schiene wird von einem Induktor L1 und den Kondensatoren C26–C27 signalkonditioniert.
Ein RS-232-Wandler 118 ist angelegt (U12, C19–C20, C21–C22, R3–R4), welcher ermöglicht, dass der Mikroprozessor 114 mit einem (in 3 nicht dargestellten) Host-Computer kommuniziert. Zusätzlich werden eine externe Überwachungstimerschaltung bei 110 (U10, U11, Q1, Q3, C10, C24–C25, R11–12, R16–18) und eine Statusindikator-LED-Reihe 130 (LED0-LED7) zur Verfügung gestellt. Ein Power-ON-LED-Indikator bei J14 ist ebenfalls vorgesehen.
Die Schaltung auf Plan 100 beinhaltet Digitaleingänge und -ausgänge, wie z.B. den RS-232-Eingangsdatenstrom und -Ausgangsdatenstrom (bei den RxD- und TxD-Pinouts auf U9 und U12) und ein Auslöserschaltersignal 134 durch R2 (gemeinsam mit R6) aus dem Bedienersteuer- bzw. -regelschalter (z.B. Schalter 24 in 2). Eine der anderen digitalen Ausgangsgrößen umfasst ein Signal, das eine Signaleinrichtung (z.B. einen Summer oder Elektromagnet) steuert bzw. regelt, um den Benutzer/Bediener des Induktionsheizgeräts 10 darauf hinzuweisen, dass das Ende des Heizzyklus erreicht ist. Die Schnittstellenkomponente für diese Funktion stellt Schaltung 120 dar, einschließlich R7, R13, Q2 und D1. Das Summerausgangsantriebssignal ist bei 122.
Die vielen LEDs der LED-Reihe 130 werden ebenfalls von weiteren digitalen Ausgangssignalen des Mikroprozessors 114 getrieben. Diese LEDs sind physisch als Säulenanzeige gruppiert.
Es sind auch bestimmte Analogeingangssignale bei 116 auf Schaltplan 100 vorhanden, einschließlich Inverterspannung, Inverterstrom und Arbeitsspulentemperatur, wobei R8–R10, C11–C12 und C15 verwendet werden. Ein analoges Eingangssignal zur Leistungseinstellung wird ebenfalls geboten, wobei R19 und C14 benutzt werden. Eine analoge Ausgangsgröße wird als PWM proportionales Signal 132 (mittels R1) zur Verfügung gestellt.
Die Steuer- bzw. Regelschaltung aus Schaltplan 100 bietet zwei Betriebsmodi, wobei der erste ein „Modus zum Programmieren und Herunterladen von Daten" ist. Das Gerät 10 ist via die RS-232-Schnittstelle 118 mit einem Host-Computer verbunden, der in der Lage ist, Betriebsparameter zum Gerät hochzuladen und den Inhalt der EEPROM-Speicherschaltung 140 aus dem Gerät herunterzuladen. In diesem Modus kann das Gerät 10 durch das RS-232-Kabel mit Energie versorgt werden.
Im zweiten Betriebsmodus, der als „normaler" Betriebsmodus bezeichnet wird, liest das Softwareprogramm nach dem Hochfahren in Betriebsparametern aus der EEPROM-Speicherschaltung 140. Falls die gelesenen Daten einen Fehler aufweisen, wird eine Gruppe festprogrammierter Defaultwerte verwendet. Außerdem werden die Prozessorregister und der Speicher initialisiert.
Nun erfolgt der Eintritt in eine Hauptbetriebsschleife, in der das Gerät kontinuierlich die Analogeingänge überwacht und einen Laufdurchschnitt bezüglich Inverterspannung und -strom aufrechterhält. Ebenfalls überwacht wird die Arbeitsspulentemperatur, und ein Fehlerzustand wird festgestellt, falls irgendein Analogeingangswert vorbestimmte Grenzen überschreitet.
Bei Betätigung des Auslöserschalters 24 startet das Gerät 10 einen Algorithmus zum „Finden eines Suszeptors"; der Inverter 250 wird mit kurzen Stromimpulsen angeregt, und eine Überwachung der Inverterspannung wird vorgenommen. Sobald sich das Gerät 10 in Arbeitsabstand von einem Suszeptor befindet, nimmt der Inverterstrom zu und zeigt an, dass das Gerät in geeigneter Weise zur Herstellung einer Bindung ausgerichtet ist. Daraufhin leuchtet die LED-Anzeige 130, um den Benutzer/Bediener auf diesen Zustand hinzuweisen.
Nun beginnt ein Heizzyklus, bei dem der Inverter bei einem vorgegebenen Level eingeschaltet wird, und seine Eingangsspannung und sein Eingangsstrom werden mathematisch vervielfacht, damit sich daraus die Eingangsleistung ergibt. Die gezogene Leistung wird im Verlauf der Zeit integriert, um ein Laufenergiemaß zur Verfügung zu stellen, das vom Inverter genutzt wird. Die Steuer- bzw. Regelsoftware korrigiert diesen Wert im Hinblick auf Inverter- und Arbeitsspulenverluste und vergleicht das korrigierte Energieniveau mit einer vorbestimmten Grenze. Wenn diese Gesamtenergiegrenze erreicht ist, wird der Inverter abgeschaltet und die LED-Hinweisanzeige und ein Summer oder eine andere taktile Signalvorrichtung ermöglichen das Hinweisen des Benutzers/Bedieners auf eine erfolgreiche Verbindung.
Das Gerät 10 kann in einem Wiederholmodus betrieben werden, in dem der Wärmezyklus mit einer programmierbaren Verzögerung zwischen den „Heat-Shots" wiederholt wird. Dies gestattet dem Benutzer/Bediener, das Gerät 10 entlang einem Verkleidungs (Trim)-Gegenstand zu bewegen und zahlreiche Verbindungen oder Bindungen herzustellen, ohne dass eine Betätigung des Auslösers für jede Verbindung/jedes Bonding erforderlich ist.
Der Hintergrund (Überwachungs)-Timer 110 wird zu Beginn jedes Bonding-Zyklus gestartet. Falls dieser Timer 110 eine Unterbrechung vornimmt, bevor die erforderliche Energie im Suszeptor akkumuliert ist, wird ein Fehlersignal erzeugt, und die LED-Anzeige 130 zeigt diesen Zustand an. Zu den weiteren Fehlerzuständen, die von dieser Steuer- bzw. Regelschaltung 100 überwacht werden, gehören der Inverterüberstrom und die Arbeitsspulenübertemperatur. Die LED-Anzeige 130 ist in der Lage, für jeden der Fehlerzustände ein einmaliges Muster zur Verfügung zu stellen.
Am Ende jedes Heizzyklus können sowohl die Peak-Inverterspannung, der Strom und die Temperatur der Arbeitsspule im EEPROM 140 gespeichert werden, als auch die Anzahl der „Schüsse" und das seit dem letzten Schuss verstrichene Zeitintervall. Diese Daten stehen zum Herunterladen auf den Host-Computer zur Verfügung (wie oben beschrieben), um die Nutzung des Geräts und die Betriebsbedingungen zu überwachen.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform werden, wie oben erwähnt, Betriebsparameter des Geräts durch eine Seriellport-Verbindung (an 116 in den 3A–3B) zu einem (nicht in 3 dargestellten) PC zugänglich. Ein anwendungsspezifisches Computerprogramm, das auf dem PC läuft, verschafft Überwachungskontroll- und Datenrückgewinnungsfunktionen. Datenaufzeichnungen können beispielsweise in sieben der 256K × 1 seriellen EEPROMs (bei 140) gespeichert werden, die bis zu 224 Kbytes nichtflüchtiger Datenspeicherung zulassen. Zu den möglichen Inhalten der Datenaufzeichnung, die in dem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden, gehören: die seit dem letzten Einsatz des Geräts verstrichene Zeit (z.B. unter Verwendung eines Rasters von 10 mSek.); die Temperatur der Arbeitsspule; die Stromspitze; die Mindest- und die Höchstspannung; und Fehlerzustände, falls aufgetreten.
In der ersten bevorzugten Ausführungsform werden zwei Betriebsmodi unterstützt, wie oben erwähnt: der kontinuierliche (erneut ausgelöste) und der einmalige. Jeder Modus kann eines von mehreren zuvor festgelegten Zufuhrschemen auswählen, bei denen es sich jeweils entweder um eine Maximalenergiezufuhr oder um eine profilierte Energiezufuhr handeln kann.
Der kontinuierliche oder wiederausgelöste Modus löst wiederholt selbst einen Energiezufuhrzyklus aus, solange der Auslöser betätigt wird. Fehlerzustände hinsichtlich Über- und Unterlastung beenden diesen Zyklus nicht, es sei denn, er darf für eine zuvor festgelegte Anzahl von Sample-Zeitintervallen fortdauern. Im Fall von Fehlern wird der Inverter 250 (siehe 6) bei minimalem Arbeitszyklus gepulst, bis eine Unterbrechung eintritt oder das Gerät einen passenden Belastungszustand wahrnimmt, in welchem Fall es fortfährt wie üblich. Der Zyklus endet sofort bei Freigabe des Auslösers. Ein Parameter ist zur Bestimmung der toten Zeit zwischen den Zyklen einbezogen.
Im Ein-Schuss-Modus wird genau ein Leistungszyklus pro Betätigung des Auslösers durchgeführt. Jeder Fehlerzustand führt zur sofortigen Beendigung des Zyklus.
Der Maximalenergiemodus diktiert das Leistungsausgabeniveau des Induktionsheizgeräts (in einem Bereich von 10% bis 100%) und die Zielenergie, die der Last (z.B. einem Suszeptor) zuzuführen ist. Eine maximal gepowerte Ausgangszeit wird ebenfalls zur Verfügung gestellt. Wenn das Gerät ausgelöst wird, prüft es sowohl den Strom als auch die Spannung während der Inverter AN ist, berechnet den Durchschnitt dieser Werte aus vielen (z.B. acht) aufeinanderfolgenden Messungen und berechnet die zur Last (Suszeptor) gelieferte Leistung. Falls diese Leistung eine Unterlastungsgrenze unterschreitet, wird ein Unterlastungsfehlerzustand registriert, und der Vorgang wird unterbrochen, bis der Auslöser freigegeben und erneut betätigt wird. Falls die Leistungs- oder Strompegel sichere Grenzen überschreiten, wird ein Überlastungsfehler registriert, und erneut wird das Gerät solange außer Betrieb gesetzt, bis dieser wieder ausgelöst wird.
Sobald das maximale Energieniveau erreicht oder übertroffen ist, wird der Zyklus beendet, wie oben erläutert. Falls die Maximalzeit erreicht wird, bevor dieses maximale Energieniveau erzielt ist, wird ein Unterbrechungsfehler ausgegeben, und der Vorgang wird angehalten. Im kontinuierlichen Operationsmodus wird nach der Unterbrechung ein neuer Zyklus automatisch gestartet.
Bei profilierter Energiezufuhr wird eine Tabelle mit (z.B. bis zu zehn) Schritten benutzt. Jeder Schritt ist als Leistung definiert, die während sukzessiven Schritten von 50 Millisekunden (oder eines anderen Zeitintervalls) zuzuführen ist, und das Leistungsniveau ist in Prozent ausgehend von der vollen Leistung definiert. Unterlastungs- und Überlastungszustände gelten, wie oben beschrieben. Während der profilierten Leistungszufuhr liefert das Gerät Leistung entsprechend dem Leistungswert eines Schritts für die spezifizierte Zeit und geht dann zum nächsten Schritt über. Ein maximales Energieniveau kann auch in einem Maximalenergiemodus zur Verfügung gestellt werden; falls dieser Parameter auf null gestellt wird, erfolgt kein Tracking der gelieferten Energie. Der Zyklus wird beendet, wenn das gesamte Leistungsprofil durchgeführt wurde. Wenn sich dieser Wert nicht auf null beläuft, wird im Fall einer Überschreitung dieses Wert die Energiezufuhr beendet.
In beiden Leistungszufuhrschemen wird die Inverterausgangsleistung in Minimalschritten von 50 mSek. (oder in einem anderen Zeitintervall) geliefert. Ein 50%-Arbeitszyklus könnte beispielsweise so aussehen: 50 mSek. AN, gefolgt von 50 mSek. AUS. Das Raster des Leistungsarbeitszyklus kann von jedem vorbestimmten Zeitintervall gebildet werden, z.B. 1 mSek. In einem bevorzugten Modus wird das tatsächliche Leistungsniveau von der AUS-Zeit bestimmt – beispielsweise kämen 50 mSek. AN und 1 mSek. AUS 50/51 % oder einem Arbeitszyklus von 98% gleich. 100%-Arbeitszyklus wird erhalten, indem die nächste 50 mSek. AN-Periode sofort im Anschluss an das Ende der gegenwärtigen Periode einsetzt.
In einem Modus der ersten bevorzugten Ausführungsform werden alle registrierten Fehlerzustände im Datenspeicher (d.h. in den EEPROMs 140) gespeichert und mit einer Aufzeichnung von Daten verbunden, bei denen sie aufgetreten sind. Für die verschiedenen Fehler werden unterschiedliche Codes verwendet; beispielsweise gibt es jeweils einen Code für Überlastung, keine Last, Unterbrechung, Übertemperatur und andere Fehlerzustände. Wenn ein Fehlerzustand registriert wird, leuchten alle acht Segmente einer OnBoard LED-Säulenanzeige (siehe 212 in 5) mit einer Rate von zwei (2) Hertz auf, während der Auslöser 22 gedrückt bleibt. Die Fehlerhinweisanzeige endet bei Freigabe des Auslösers und verhindert den anschließenden Betrieb im Allgemeinen nicht.
Eine Ausnahme zu obiger Aussage bildet jener Zustand, bei dem die Arbeitsspule eine Übertemperatur aufweist. In diesem Fall wird ein unverwechselbares LED-Muster auf der OnBoard-LED-Säulenanzeige 212 angezeigt; nämlich ein „sich jagendes" LED-Licht, das sich von der untersten Säule zur höchsten bewegt und sich wiederholt, indem es zur untersten Säule zurückkehrt, wobei eine Schrittrate von zwei (2) Hertz eingesetzt wird. Diese Art von Anzeige setzt sich fort, bis die Temperatur der Arbeitsspule auf ein sicheres Niveau sinkt. Der Betrieb des Heizgeräts 10 wird während der Übertemperaturzustände abgeschaltet.
Bei normalem Betrieb liefert die Säulenanzeige 212 keine Meldung, bis der Auslöser 22 betätigt wird. Der gewählte Betriebsmodus (potentiell eine von acht Möglichkeiten in einem bevorzugten Modus) wird durch ein Leuchten der entsprechenden LED-Säule angezeigt. Beim Ein-Schuss-Modus bleibt diese Anzeige während des Betriebszyklus an und erlischt am Ende des Zyklus, um anzuzeigen, dass dieser nun abgeschlossen ist. Beim kontinuierlichen Modus leuchtet die LED-Säule 21 am Anfang jedes Zyklus auf und erlischt am Ende jedes Zyklus.
Bei einem alternativen Schema, das sich in das Heizgerät 10 eingliedern lässt, handelt es sich um eines, bei dem die Säulenanzeige den Betriebsmodus (potentiell wie oben einer von acht) während Zeiträumen ohne Auslösung registriert und stattdessen die tatsächliche Spitzenausgangsleistung feststellt, während die Einheit in Betrieb ist. In diesem Fall wird die Spitzenbetriebsleistung auf der Säulenanzeige angegeben, wobei alle entsprechenden Säulenanzeigenelemente gleichzeitig leuchten.
Mit Blick auf 4 zeigt ein elektrischer Schaltplan 150 einen Timer-Chip vom dualen 555-Typ, der bei 152 vorgesehen ist, um in einer alternativen Ausführungsform die Steuer- bzw. Regeleinrichtung aus den 3A–3B zu ersetzen. Diese integrierte Schaltungseinrichtung (genannt „556"-Chip) enthält zwei separate Timer 160 und 162, und in 4 ist der erste Timer entlang der linken Seite der Pinouts (d.h. der Pins 1–6) veranschaulicht, während der zweite Timer entlang der rechtsseitigen Pinouts (d.h. der Pins 8–13) dargestellt ist. Die Pins 7 und 14 dienen der Stromversorgungsschiene und dem DC-Common.
Auf der Seite des ersten Timers beinhalten die Timingelemente einen einstellbaren Widerstand (oder ein Potentiometer) R1, der an eine 13 Volt Zeer-Diode D1 angeschlossen ist. Verbunden mit dem Gleitkontakt des Potentiometers R1 ist ein fester Widerstand R2, der auch mit der Ableitklemme bei Pin 1 verbunden ist. Dieser ist ebenfalls mit der Schwellenklemme bei Pin 2 verbunden, der seinerseits des Weiteren mit einem Kondensator C2 verbunden ist. Das Potentiometer R1 wird eingesetzt, um die Dauer des ersten Timers 160 und daher die Energieausgabe aus der Arbeitsspule des Heizinduktionsgeräts 10 zu variieren.
Dieser erste Timer 160 verfügt ferner über einen Reset-Pin, einen Auslöser-Pin und einen Ausgangs-Pin. Der Widerstand R7 und der Kondensator C4, gemeinsam mit den Kondensatorladewiderständen R6 und R12 stellen die Timingelemente dar, die als einfache „One-Shot"-Schaltung fungieren, welche diesen ersten Timer 160 startet, wenn der Auslöserschalter 24 aktiviert wird. Dieser Auslöserschalter auf dem Schaltplan aus 4 entspricht dem Auslöserschalter 22, den die 1 und 2 zeigen.
Die Auslösereingangsgröße des zweiten Timers 162 wird aus dem Ausgang des ersten Timers 160 zugeleitet, und zwar durch einen Widerstand R9 und einen Kondensator C6 (mit einer zweiten einfachen „One-Shot"-Schaltung, in welcher R8 ein Pull-Up-Widerstand ist). Dies startet den Betrieb des Gerätesperrtimers 162, der arbeitet, um den Timer 160 für ein zuvor festgelegtes Zeitintervall abzuschalten, um den operationellen Arbeitszyklus des Geräts zu begrenzen. Das Sperrsignal aus dem Timer 162 wird dem Timer 160 durch Diode D2 zugeführt. In Bezug auf den zweiten Timer 162 wird der Schwellenwert von der +13 VDC Schiene und durch einen Widerstand R4 festgelegt, der über einen kleinen Timingkondensator C3 verfügt.
Der Ausgangspin des zweiten Timers 162 ist angeschlossen an eine dritte einfache „One-Shot"-Schaltung, die durch einen Kondensator C5 und einen Widerstand R11 gebildet wird, um durch R10 in das Gatter eines MOSFET-Transistors Q1 zu führen. Dieser Leistungstransistor Q1 betätigt einen Elektromagnet 166 und arbeitet mit einer Diode D3, um als Treiber 164 für den Elektromagnet zu fungieren. Der Elektromagnet 166 und der MOSFET-Treiber 164 schalten im Raw-Modus 160 Volt DC, der als Mittelspannung DC Stromschiene bei 154 vorgesehen ist. Diese 160 VDC Stromschiene 154 führt durch einen Widerstand R3, wobei das Filtern von einem Kondensator C1 geleistet wird, um die 13 Volt DC Stromschiene zur Verfügung zu stellen, die von der Zener-Diode D1 gesteuert bzw. geregelt wird.
Das Ausgangssignal des zweiten Timers 162, wie oben erläutert, erzeugt eine Mindest-AUS-Zeit zwischen dem Ende eines Betriebszyklus der Arbeitsspule und dem Anfang des nächsten Betriebszyklus der Arbeitsspule. Dies beugt einer „schnellen" Wieder-Auslöseaktion vor, die sonst ein zu schnelles Ansteigen der Arbeitsspulentemperatur bewirken könnte. Die Ausgangsgröße des zweiten Timers 162 liefert überdies Impulse für den Auslöser des Elektromagnets 166.
Nun bezugnehmend auf 5 wird ein elektrischer Schaltplan 200 zur Verfügung gestellt, der eine Schnittstellen-Unteranordnung veranschaulicht. Ein 120 VAC Eingang wird benutzt und ist mit einer Leistungseingangsstufe 202 verbunden. Diese Leistungseingangsstufe 202 beinhaltet einen Abwärtstransformator, einen Brückengleichrichter, einen Filterkondensator und einen Spannungsregler 204. Die Ausgangsgröße dieses Spannungsreglers ist eine +5 Volt DC Schiene.
Eine Mikroprozessor-Unteranordnung 210 (die den 3A–3B entspricht) ist vorgesehen und beinhaltet eine Multisegment-Säulenanzeige 212, die im Allgemeinen eine Reihe von LEDs aufweist. Des Weiteren enthält die Mikroprozessor-Unteranordnung 210 zumindest zwei A/D-Wandler (Analog-Digital-Wandler), die eingesetzt werden, um DC-Spannungs- und -Strompegel zu ermitteln. Eine dieser Eingangsgrößen bei 214 repräsentiert die Eingangsspannung am Leistungsoszillator (Inverter 250), die durch einige Widerstände und einen Filterkondensator signalkonditioniert wird, bevor sie an einem der Eingänge des A/D-Wandlers in der Mikroprozessor-Unteranordnung 210 eintrifft.
Der Laststrom (des Inverters 250) passiert einen Abschnitt 220 dieser Schnittstellen-Unteranordnungsschaltung, wobei er an Punkt 230 beginnt, wie aus 5 hervorgeht. Dieser Laststrom fließt durch einen FET-Transistor bei 232 und dann durch zwei „Sensor"-Widerstände 234 und 236. Die „Sensor"-Spannung an Punkt 238 in 5 wird durch eine 2.4 V Zener-Diode zum Gatter eines 2N5060 SCR gesendet, welcher AN in einem Überstromzustand latchen kann und so das Einschalten des 2N3904 Transistors und ein anschließendes Abschalten des FET-Transistors bei 232 hervorruft, wodurch das Abschalten des Geräts bewirkt wird.
Die „Sensor"-Spannung 238 wird einer Verstärkerstufe 224 zugeführt, und die Ausgangsgröße dieser Verstärkerstufe 224 wird einem weiteren der A/D-Wandler der Mikroprozessor-Unteranordnung 210 an einem Punkt 216 in 5 zur Verfügung gestellt. Dies repräsentiert den Strom, der vom Leistungsoszillator (d.h. dem in 6 dargestellten Inverter 250) gezogen wird.
Die Mikroprozessorschaltung der Mikroprozessor-Unteranordnung 210 gibt ein Digitalsignal bei 218 aus, welches impulsbreitenmodulierte Daten umfasst, die auch „PWM-Daten" genannt werden. Dieses gepulste Signal passiert eine Transistor-Inverter/Level-Shifting/Vorspannungs-Schaltung, um das Gatter des FET-Transistors 232 zu treiben. Folglich steuert dieses PWM-Signal 218 den Arbeitszyklus des Laststroms, der sich von Punkt 230 aus durch die „Sensor"-Widerstände 234 und 236 bewegt. Ein Inverterüberlastungssignal wird an 222 zur Verfügung gestellt, wenn der oben erwähnte SCR gelatcht wird, und ein LED 240 kann bereitgestellt werden, um der Benutzerperson einen visuellen Hinweis auf einen Überlastungszustand zu geben.
Mit Blick auf 6 wird ein elektrischer Schaltplan 250 zur Verfügung gestellt, der einige der Komponenten einer Inverter-Unteranordnung für das Induktionsheizgerät 10 zeigt. Eine 120 VAC Eingangsstromversorgung wird genutzt und mittels einer Sicherungs- und Switch-Schaltung bei 252 zur Verfügung gestellt. Bei Verwendung einer beliebigen Steuer- bzw. Regelschaltung wird der Schalter 252 durch einen Überbrückungsdraht ersetzt. Ein in dieser Stromschaltung vorgesehener Wärmewiderstand 254 verfügt über einen Einschaltstrombegrenzer. Der 120 VAC wird einer Gleichrichter- und Kondensatorstufe bei 256 zur Verfügung gestellt zwecks Wandlung der Spannung von AC zu DC.
Ein Transformator 260 mit vielen Windungen ist als Rückkopplungstransformator vorgesehen. Eine der Windungen dieses Transformators 260 trägt etwas des Stroms, welcher der Arbeitsspule 264 zur Verfügung gestellt wird, obwohl das meiste des reaktiven Stroms, der durch die Arbeitsspule 264 fließt, mit den Kondensatoren 266 in 6 geteilt wird, die gewöhnlich der Kondensatorplatten-Unteranordnung 44 in 2 entsprechen. Auf diese Weise muss die Spule des Transformators 260 nicht den ganzen AC-Strom tragen, der sich durch die Arbeitsspule 264 fortbewegt.
Die Wellenform am Ausgangszweig eines Induktors 258 ähnelt einer vollwellenrektifizierten, ungefilterten Wellenform. Die Exkursionen an dieser Induktoranschlussleitung, die den Mittelabgriff des Rückkoppelungstransformators 260 versorgt, reichen von nahezu null Volt, einem Pegel, der zu jenen Zeiten erreicht wird, bei denen die FETs 268 schalten, bis zu etwa 209 Volt, einem Pegel, der erzielt wird, wenn die Peak-to-Peak-Spannung der Arbeitsspule maximal ist.
Die Drain-Anschlüsse des FET besitzen Wellenformen, die in ihrer Form jener des Ausgangszweigs des Induktors 258 gleichen, abgesehen davon, dass jeder zweite „Wellenberg" durch einen Wert von nahezu null Volt ersetzt wird, während der entsprechende FET 268 für beinahe einen vollen Halbzyklus in einen „AN"-Zustand getrieben wird.
Zu dieser Zeit liegt die Ausgangsgröße des Induktors 258 bei ihrer Spitze von 209 Volt (in einem nicht geladenen Gerät) und, wie oben erwähnt, einer der FETs 268 ist AN (d.h. er führt Strom); die eine Seite der Arbeitsspule wird dazu gezwungen, bei null Volt in Bezug auf die Schaltungsmasse zu liegen. Die andere Seite der Arbeitsspule ist dann etwa 209 Volt über dem Mittelabgriff der Primärseite des Rückkoppelungstransformators 260 oder bei etwa 418 Volt über der Masse. Dies erzeugt eine maximale Spannung von etwa 418 V Spitze über der Arbeitsspule, eine Spannung die sich zu jenem Zeitpunkt auf null verringert, zu dem die FETs 268 dazu gebracht werden, AUSzuschalten. Da jedoch der Normalbetrieb des Oszillators bewirkt, dass die Enden der Arbeitsspule sequentiell zur Masse gezogen werden, erzeugt dies einen Spannungsverdopplungseffekt an der Arbeitsspule.
Nun mit Blick auf 6 ist zu beachten, dass der Schaltplan eine Arbeitsspule 264 darstellt, die parallel mit der effizient in der Mitte abgegriffenen Primärseite des Rückkoppelungstransformators, den FET-Drain-Anschlüssen und der Bank aus Resonanzkondensatoren 266 verbunden ist, welche die hohen Strompegel für die Arbeitsspule liefert. Die Arbeitsspule besitzt zwei Enden, und für die erste Hälfte eines gegebenen abgeschnittenen Sinuskurvenzyklus wird das erste Ende durch den FET 268 geerdet, der an ihm angebracht ist, während Strom aus dem Induktor 258 den Primärseitenmittelabgriff versorgt und durch die Hälfte dieser Primärseite zum ersten Ende fließt. Während dies stattfindet, wird die andere Seite der Primärseite (von Transformator 260) durch eine selbsttransformierende Aktion der Primärseite veranlasst, auf einen Wert anzusteigen, der sich stets auf etwa das Doppelte der Spannung des Mittelabgriffs beläuft. Auf diese Weise wird das zweite Ende der Arbeitsspule 264 auf eine Peak-Spannung von etwa 418 Volt am Mittelpunkt dieses Halbzyklus gebracht.
Wie an anderer Stelle hierin beschrieben, umfasst die Kombination Spule/Kondensator eine „High-Q-Tank"-Schaltung, welche die getriebene Impedanz, vom zweiten Ende der Rückkoppelungstransformator 260-Primärseite aus betrachtet, ziemlich hoch macht. Während dieser Hälfte des Zyklus hat das zweite Ende in Bezug auf das erste Ende an Spannung zugenommen, und zwar von 0 bis auf etwa 418 Volt, und ist dann bis auf etwa null Volt gesunken. An diesem Punkt wird allerdings das zweite Ende durch den anderen FET 268 geerdet und Strom aus dem Induktor 258 (der zu diesem Zeitpunkt ein Maximum erreicht hat) beginnt, durch die andere Hälfte der Primärseite zum zweiten Ende zu fließen; durch eine ähnliche Transformatoraktion steigt die Spannung am ersten Ende (in Bezug auf das zweite Ende) von null auf 418 Volt und kehrt dann zu null zurück, um die zweite Hälfte dieses Zyklus abzuschließen.
Während der zweiten Hälfte dieses Zyklus wird das erste Ende positiv in Bezug auf das zweite Ende (oder das zweite Ende wird negativ in Bezug auf das erste Ende). Wenn die Spulenspannung mit einem Oszilloskop zur erdfreien Messung bestimmt wird, dessen Erdanschluss am ersten Ende angebracht ist, stellt die Wellenform nahezu ganz eine reine abgeschnittene Sinuskurve dar, in der die Spannungswellenform ungefähr 836 Volt Peak-to-Peak über dem Leistungsschwingkreis von Kondensatoren 266 und Arbeitsspule 264 beträgt
Der Primärseitenmittelabgriff überschreitet den DC-Eingangspegel während dieser Exkursionen. Dies wird verursacht durch die Fly-Back-Aktion des Induktors 258, während der Strom durch ihn noch kurze Zeit weiterfließt, nachdem die Spannung über ihm null erreicht hat, etwa 45° in diesen Zyklus. Dies nötigt den Ausgang des Induktors 258 dazu, positiver zu werden als sein Eingang und erhöht so die Mittelabgriffspannung sogar noch weiter, bis das Magnetfeld um den Induktor 258 vollständig zusammengebrochen ist. Der Wert des Induktors 258 wird gewöhnlich so gewählt, dass er die richtige Induktivität aufweist, um den Primärseitenmittelabgriff am 90°-Punkt im Zyklus mit dem erforderlichen Strom zu versorgen, damit die beste Spannungsspitze für den optimalen Schaltungsbetrieb hervorgebracht wird.
Ein Gebläsemotor 270 wird von der Niedrig-Spannungsseite des Transformators 260 aus durch eine Diodenschaltung 272 getrieben. Dieses Gebläse kann gegebenenfalls vorgesehen sein, um die Arbeitsspule 264 im Innern des Kopfes 50 des Induktionsheizgeräts 10 der vorliegenden Erfindung zu kühlen.
Mit Blick auf 7 wird ein elektrischer Schaltplan 280 zur Verfügung gestellt, der die Ausgangsstufe einer 50%-Arbeitszyklus-Inverterschaltung zeigt, die eingesetzt wird, um 160 Volt DC aus einer Batterieeingangsgröße zu erzeugen. Der Batteriestrom fließt durch eine Sicherung zum Mittelabgriff eines Transformators 286. Der Transformator 286 wird benutzt, um den viel größeren Spannungspegel zu erzeugen, der zur Schaffung der +160 VDC Ausgangsgröße bei 282 erforderlich ist. Auf der Seite des Transformators 286 mit hoher Spannung befindet sich sowohl eine Gruppe von Gleichrichterdioden 284 als auch eine Induktor- und Kondensatorfilterschaltung am +160 VDC-Ausgang bei 282.
Auf der Niedrig-Spannungsseite des Transformators 286 ist eine Impulsbreitenmodulatorschaltung, die von einem PWM-Steuer- bzw. Regelchip 290 gesteuert bzw. geregelt wird. Bei den Power-Switching-Transistoren handelt es sich um FET-Einrichtungen, dargestellt bei 288, zusammen mit ihren Vorspannungswiderständen und ihrem Filterkondensator. Eine LED-Hinweisanzeige 292 ist vorgesehen, welche aufleuchtet, wenn die Batteriespannung ausreichend hoch ist. In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Schaltung beträgt die Batterieausgangsspannung 16 VDC und die LED-Hinweisanzeige 292 ist solange AN, bis die Spannung der Batterie über 14 VDC bleibt.
Eine Spannungsvergleichs- und Hystereseschaltung bei 294 aktiviert und deaktiviert den PWM-Steuer- bzw. Regel-Chip 290, schaltet den Strom für LED 292 und legt außerdem die Hysterese für diese Spannungspegelangabe fest. Unter Verwendung der in 7 angegebenen Werte wird die Hysterese auf etwa 1.5 VDC festgelegt. Dies bedeutet, dass in einem Fall, in dem ein Unterspannungszustand einer Batterie erfasst wird (d.h. dass die Batteriespannung unter 14 VDC fällt), der Inverterausgang deaktiviert wird und „gesperrt" bleibt, bis die Batteriespannung später auf über 15.5 VDC ansteigt.
Die batterieversorgte Inverterschaltung liefert die +160 VDC, die für die Erfordernisse hoher Spannung der vorliegenden Ausführungsformen des Induktionsheizgeräts 10 benötigt werden, die hierin beschrieben sind. Selbstverständlich könnten andere Leistungswandlerschaltungen eingesetzt werden, um eine +160 VDC Ausgangsgröße aus einer +16 VDC Eingangsspannung zu erzeugen, und ferner ließe sich der Wert aller hierin beschriebenen Versorgungsspannungen signifikant ändern, ohne von den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bei 8 handelt es sich um ein Blockdiagramm 300 der elektrischen Hauptkomponenten der ersten Ausführungsform des Induktionsheizgeräts 10 der vorliegenden Erfindung. Beginnend bei einer Stromquelle mit 117 VAC (hierin zuweilen als 120 VAC Wechselstromquelle bezeichnet) bei 302 ist die Stromleitung mit einer Sicherung bei 304 verbunden, dann mit einem AN-AUS-Schalter bei 306 und mit einem Wärmewiderstand bei 308. Diese Leitungsspannung gelangt dann in einen Transformator 316 und außerdem in eine 160 VDC Stromversorgung 314.
Das Heinzinduktionsgerät 10 der vorliegenden Erfindung kann auch batteriebetrieben sein, und hierbei wäre keine 117 VAC (oder 120 VAC)-Quelle vorhanden. Stattdessen kommt eine Batterie 310 zum Einsatz, die Gleichstrom in eine Inverterstufe bei 312 liefert (siehe z.B. 7). Dies wird die Stromquelle für die 160 VDC Stromversorgung 314. Entweder die Batterie 310 oder der Transformator 316 stellen die Leistung für eine +5 VDC Stromversorgung 318 zur Verfügung. Diese +5 Volt Zufuhr verschafft die Leistung für eine Mikroprozessorstufe 350.
Die Ausgangsgröße der 160 VDC Stromversorgung treibt eine Oszillatorstufe 322, bei der es sich um den DC/AC-Inverter handelt. Eine einzige gedruckte Leiterplatte 320 kann sowohl den Inverter 322 als auch den Schalttransistor 324 enthalten, der äquivalent zur FET-Schaltung bei 232 in 5 ist.
Die Ausgangsgröße des Inverters 322 treibt eine Arbeitsspule und eine Gruppe von Leistungskondensatoren, die in Kombination einen mit Bezugsziffer 340 bezeichneten Leistungsschwingkreis bilden. Ein Temperatursensor bei 342 (hierin bezeichnet als RTD: Resistive Temperatur Detector ist an der Arbeitsspule vorgesehen, und die Ausgangsgröße des Temperatursensors 342 wird zu einer Pufferschaltung 344 geleitet, die wiederum eine Eingangsgröße der Mikroprozessorschaltung 350 treibt. Typischerweise würde es sich hierbei um ein Analogsignal handeln, so dass ein A/D-Wandler entweder in der Pufferschaltung 344 oder OnBoard der Mikroprozessorstufe 350 erforderlich ist.
Das Induktionsheizgerät der ersten Ausführungsform nutzt eine Multisegment-Säulenanzeige und verwendet weiterhin viele EEPROM-Speicherchips 358. Zusätzlich nutzt das Gerät dieser ersten Ausführungsform einen seriellen RS-232-Kommunikationsport bei 352, der einen RJ11-Stecker an 354 benutzt. Dies ermöglicht, dass das Induktionsheizgerät in Kommunikation mit einem entfernten Computer steht, wie z.B. einem PC bei 360 in 8A.
Mit Blick auf 8B steht ein Blockdiagramm 301 zur Verfügung, das einige der elektrischen Hauptkomponenten der zweiten Ausführungsform des handgehaltenen Induktionsheizgeräts 10 veranschaulicht. Eine AC-Stromquelle, z.B. eine 120 VAC Leitungsspannung, wird bereitgestellt, um einen Gleichrichter und eine Filterstufe bei 370 mit Strom zu versorgen. Ein DC/DC-Vorregler empfängt Gleichstrom aus dem Ausgang der Gleichrichter-/Filterstufe 370, und ein DC/AC-Inverter 374 empfängt einen gesteuerten bzw. geregelten Spannungspegel aus dem Vorregler 372. Die Ausgangsgröße des Inverters 374 wird verwendet, um einen Induktionskopf 376 zu treiben, der im Wesentlichen der gleiche ist wie die in den 1 und 2 dargestellte Kopf-Unteranordnung 50.
Der Induktionskopf 376 erzeugt ein Magnetfeld via eine Arbeitsspule (die zwar nicht in 8B dargestellt, aber Teil des Induktionskopfs ist), und dieses Magnetfeld ist zu einem Aluminiumsuszeptor 390 hin gerichtet, der zumindest eine verhältnismäßig dünne „Folien-" Schicht aus elektrisch leitfähigem Aluminium einschließt (jedoch ließe sich problemlos auch ein anderes Material für diese elektrisch leitfähige(n) „Folien"-Schicht bzw. Schichten verwenden).
Eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung 380, die einen Mikroprozessor nutzt, ist vorgesehen, um die Spannungs- und Stromparameter 382 am Eingang des Vorreglers 372 zu erfassen. Die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 380 reagiert auf die wahrgenommenen Parameter 382 und erzeugt ein impulsbreitenmoduliertes (PWM puls-width modulated) Steuer- bzw. Regelsignal 384, das von der Steuer- bzw. Regelrichtung bestimmte Eigenschaften besitzt. Weitere Methodologien außer einem impulsbreitenmodulierten Steuer- bzw. Regelsignal ließen sich anwenden, und überdies könnte die Steuer- bzw. Regeleinrichtung eine Logikzustand-Maschine anstelle eines Mikroprozessors benutzen, falls gewünscht. Ferner könnte die gesamte Schnittstellen- und Steuer- bzw. Regelschaltung gänzlich aus analogen Komponenten konstruiert werden, was eine alternative Ausführungsform darstellt, die anhand 16 erläutert wird.
Wieder bezugnehmend auf 8B empfängt die Gleichrichter-/Filterstufe 370 während des Betriebs AC-Strom aus der AC-Stromquelle 302. Der DC/DC-Vorregler 372 impulsbreitenmoduliert das DC-Stromsignal aus Stufe 370, um ein DC-„Leistungs"-Signal mit der richtigen Größe zu liefern, damit dem DC/AC-Inverter 374 ermöglicht wird, den Induktionskopf 376 mit AC-Strom mit ausreichend hoher Frequenz zu speisen, um ein Erhitzen im Dünnfolienaluminiumsuszeptor 390 zu induzieren.
In einem Modus der zweiten bevorzugten Ausführungsform arbeitet der DC/AC-Inverter 374 bei einer nahezu festen Frequenz (typischerweise im Kilohertzbereich). Die wahrgenommene Spannung und der wahrgenommene Strom bei 382, befindlich am Eingang des Vorreglers 372, wird „vorwärts" zur Steuer- bzw. Regeleinrichtung 380 geleitet, welche die wahrengenommene Spannung und den wahrgenommenen Strom nutzt, um die geeigneten Betriebsparameter des Induktionskopfs 376 zu bestimmen, und welche dem DC/DC-Vorregler 372 Steuer- bzw. Regelanweisungen oder -befehle 384 zur Verfügung stellt. Die Spannung und der Strom, die vom Vorregler 372 erzeugt werden, werden je nach Notwendigkeit variiert, um die Eingangsleistung (d.h. die Eingangsspannung und den Eingangsstrom, die bei 382 erfasst werden) auf einem im Wesentlichen konstanten Wert zu halten.
Wie im Flussdiagramm der 17A–17D beschrieben, reicht die im Wesentlichen konstante Eingangsleistung, die beim Vorregler 372 verbraucht wird, zur Erzeugung eines Magnetfelds an der Arbeitsspule (des Induktionskopfs 376) aus, um schnell kräftige Wirbelströme im Foliensuszeptor 390 zu induzieren, was einen raschen Temperaturanstieg des Suszeptors bewirkt. Die Zeitmenge, für welche die Wirbelströme durch das Magnetfeld induziert werden, wird durch Steuer- bzw. Regeleinheit 380 gesteuert bzw. geregelt, und diese Zeit ist auf ein Intervall beschränkt, das sowohl gewährleistet, dass eine „gute" Bindung durch den am Foliensuszeptor 390 angebrachten Klebstoff geschaffen wird, als auch sicherstellt, dass die Folie bis zu einem Punkt nicht überhitzt wird, an dem sie gänzlich schmilzt (oder explodiert), was möglicherweise einen Brand des Klebstoffmaterials verursachen könnte.
Ein Beispiel für eine Schaltung, konstruiert gemäß den allgemeinen Grundsätzen dieses Blockdiagramms, ist in den 14A–14B veranschaulicht, und diese Schaltung wird in größeren Einzelheiten beschrieben. Selbstverständlich können Abschnitte dieses Blockdiagramms aus 8B in signifikanter Weise modifiziert werden, ohne dass von den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Beispielsweise könnte es sich bei der Stromversorgungseinrichtung um eine Batterie handeln oder sogar um einen Solarkollektor. Demgegenüber stellen die „Feed-Forward"-Charakteristiken des Blockdiagramms unter Verwendung der Strom- und Spannungsinformationen, die bei 382 zur Verfügung gestellt werden, ein einzigartiges Design auf dem Gebiet der Induktionsheizgeräte dar, das der vorliegenden Erfindung gestattet, auf den Einsatz teurer Sensoren zu verzichten, wie z.B. auf den Stromtransformator zur Erfassung der hohen Ströme des Induktionskopfs.
Obgleich die obige Erläuterung von 8B eine „Feed-Forward"-Konfiguration zum Steuern bzw. Regeln der dem Induktionskopf 376 zugeführten Energie beschreibt, ist es selbstverständlich, dass sich auch eine „Feedback"-Konfiguration in Übereinstimmung mit einigen der anderen Grundsätze der vorliegenden Erfindung einsetzen ließe. Bei den Aspekten der „Rampensteuerung" und der „Abstandserfassung" der vorliegenden Erfindung (die nachstehend detaillierter beschrieben sind) handelt es sich um neuartige Merkmale, die mit einem Feedback-Steuer- bzw. Regelsystem kombiniert werden könnten, um den (die Arbeitsspule enthaltenden) Induktionskopf 376 effizient zu bedienen. Beispielsweise stammen in 8B die Wahrnehmungsinformationen über die Spannung und den Strom aus der Eingangsseite des Vorreglers 372, wohingegen die Steuer- bzw. Regelaktion „stromab" von diesem Punkt stattfindet (d.h. beim Steuer- bzw. Regelsignal 384), was diese zu einer „Feed-Forward"-Einrichtung macht.
Falls jedoch die Spannungs- und Stromwahrnehmungsinformationen stattdessen aus einer Stelle kommen würden, die stromab vom Steuer- bzw. Regelpunkt liegt (d.h. die Steuer- bzw. Regelaktion würde dann „stromauf" vom Wahrnehmungspunkt stattfinden), würde sich daraus eine „Feedback"-Konfiguration ergeben. Dies könnte leicht bewerkstelligt werden durch Betrachten der Spannung und des Stroms an anderen Stellen in der Schaltung, wie z.B. an der Ausgangsseite des Vorreglers 372, der Ausgangsseite des Inverters 374 oder der Ausgangsseite des Induktionskopfs 376. Ein Wort der Vorsicht sei hier angebracht; die Energieeingabe in den Vorregler 372 kann bei Verwendung einer solchen „Feedback"-Konfiguration schnell zunehmen. Und diese zunehmende Energie kann rasch destruktiv werden, falls keine Schritte zur Kontrolle des Stromeingangs am Vorregler 372 unternommen werden; zu dem Zeitpunkt, zu dem die „Feedback"-Informationen an die Steuer- bzw. Regeleinrichtung 380 geliefert sind, könnte es bereits zu spät für das Verhindern eines Überstromzustands am Vorreglereingang sein. Deshalb ist es am besten, bei Einsatz der Feedback-Konfiguration irgendeine Art von Strombegrenzungsschaltungsanordnung vorzusehen.
Bei Wirbelstrominduktionsheizanwendungen, bei denen das beheizte Teil, oder der Suszeptor, nicht im Innern der Arbeitsspule platziert werden kann, wo die Magnetfeldstärke maximal ist, ist die Energieübertragungseffizienz gemindert. In der vorliegenden Erfindung ist die Suszeptorfolie ziemlich dünn, und verhältnismäßig wenig Energie ist zur Erzeugung beachtlicher Wirbelströme notwendig, aus denen die Entwicklung hoher Temperaturen resultiert.
Das Erhitzen eines dünnen Suszeptors lässt sich in Hinblick auf die Ströme verstehen, die in ihn durch den zeitvariierenden magnetischen Fluss aus dem Polteil des Antriebskopfs induziert werden. Anhand Maxwells Gleichungen für elektromagnetische Felder ist das elektrische Feld, das durch einen zeitvariierenden magnetischen Fluss induziert wird, gegeben durch: ∫E·d| = dΦ/dt,wobei das Integral des elektrischen Felds E entlang eines beliebigen geschlossenen Pfads im Raum genommen wird und Φ den durch diesen Pfad verbundenen magnetischen Fluss darstellt. In 12 ist der durch einen einfachen zylindrischen elektromagnetischen Pol 420 erzeugte Fluss 424 veranschaulicht. Der Pol ist zylindrisch symmetrisch um die Achse des Pols. Deshalb sind die induzierten elektrischen Feldlinien 400 zylindrisch symmetrisch, wie aus 9 hervorgeht, bei der auf die Mittellinie des Polteils herabgesehen wird.
Wenn ein verhältnismäßig dünner Suszeptor 430 im Bereich nahe dem Polteil platziert wird, wie in 12 dargestellt, dringt der magnetische Fluss durch den Suszeptor, und ein elektrisches Fels wird in den Suszeptor gemäß der Maxwellschen Gleichung induziert. Das elektrische Feld bewirkt, dass zirkulierende Ströme, oder Wirbelströme, in den Suszeptor fließen. Die Stromdichte ist ein Produkt aus dem elektrischen Feld und der Resistivität des Leitermaterials. Die Stromdichte kann als Vektor in die gleiche Richtung dargestellt werden wie das elektrische Feld. Falls der Suszeptor breit in Bezug auf die Verteilung des magnetischen Flusses und senkrecht zur Achse des Polteils ist, dann sind das elektrische Feld 400 und die sich daraus ergebenden Verteilungen der Stromdichte nahezu kreisförmig, wie aus 9 ersichtlich.
In 12 wird eine zylindrische Ferritstange 420 magnetisch durch einen Wechselstrom getrieben, der durch eine um die Stange gewundene Spulenwicklung 422 fließt. Die Kombination aus Ferritstange 420 und Spule 422 umfasst die Implementierung einer „Arbeitsspule". Der Suszeptor 430 wird als infinite einheitliche Folie betrachtet, welche die in dieser Erläuterung genannten Abstände besitzt. Der Suszeptor 430 wird in dieser Darstellung hochkant gezeigt und ist vom proximalen Ende der Stange 420 mit einer Entfernung von etwa 1/8 in. (etwa 3 mm) beabstandet. Wird ein Wechselstrom durch die elektrisch leitfähige Spule 422 getrieben, wird ein Magnetfeld erzeugt, dargestellt durch die Kraft-„Linien", die allgemein durch die Kurven 424 angezeigt werden.
In 9 verbindet der durch geschlossene zirkulare Pfade nahe der Mittellinie des Polteils verbundene Fluss nur einen kleinen magnetischen Fluss, und die daraus resultierenden elektrischen Felder und Stromdichten sind niedrig und nähern sich an der Mittellinie null an. Für geschlossene Wege mit größerem Radius ist der verbundene Fluss größer, und auch die Stromdichte ist höher. Ein Maximum wird am geschlossenen Weg mit einem Radius, der annähernd gleich dem Polteilradius ist, an ungefähr jenem Punkt erreicht, an dem der Fluss beginnt, um in umgekehrter Richtung durch den Suszeptor (nahe dem Punktsymbol mit dem Kreuz in der Mitte ⨂ in 12) zurückzukehren, und ausgehend von diesem Punkt nehmen das elektrische Feld und die Stromdichte ab. Eine angenommene Verteilung des elektrischen Feldes und der Stromdichten 426 ist in 13 veranschaulicht. Die Energiedissipation im Suszeptor variiert wie die Stromdichte im Quadrat und ist proportional zur Resistivität des Suszeptormaterials. So wird der Suszeptor in einem Ring- oder „Donut"-Muster erhitzt, das die Verteilung des elektrischen Feldes widerspiegelt, das von der Flussverteilung induziert wird.
Falls der Suszeptor verhältnismäßig schmal in Bezug auf die Verteilung des magnetischen Flusses ist (siehe 10), muss der induzierte elektrische Strom ganz entlang der Kante des Suszeptors 404 zurückkehren, und die elektrischen Feldlinien 402 werden etwas verzerrt, wie aus 10 ersichtlich. Die Stromdichte entlang der Kante kann erheblich größer sein als anderorts im Suszeptor 404, und die Kante ist vorzugsweise erhitzt.
Um ein ungleiches Erhitzen zu verringern, können die ovalen Strompfade 402 modifiziert werden, damit Resistivitäten in den Suszeptorbereichen zwischen den Kanten und der Mitte vorhanden sind, die höher gemacht werden durch das Einbringen kleiner Löcher oder Öffnungen 414 (siehe 11), die entlang der Länge eines Suszeptors 412 platziert werden. Die oben genannten Boeing-Patente nutzen Öffnungen in Suszeptoren, um dieses Problem anzugehen. Die elektrischen Feldlinien 410, z.B. die Linien bei 408 oder näher an der Mitte, werden nahe der Mitte des Suszeptors nicht bedeutend beeinflusst,.
Näher an der Kante sind jedoch die Stromdichten etwas reduziert durch die größere Resistivität, die durch die Löcher 414 geschaffen wird, im Bereich, der allgemein mit Bezugsziffer 416 bezeichnet wird. Um dies zu erreichen, ist die Verringerung der Stromdichte von etwa dem dritten repräsentativen Ring 408 auswärts gewünscht. Dies erfordert bei einer Herangehensweise, dass die Löcher 414 entlang der Länge des Streifens in parallelen Linien platziert werden, jedoch nicht nahe der Kante 418, wo erhöhte Resistivität sogar noch weitere Ungleichheit beim Erhitzen über der Breite „W" des Suszeptors 412 verursachen würde.
Mit Blick auf die 14A–14B wird ein elektrisches Schaltbild 500 einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Strom mit Netzspannung aus einer 120 VAC elektrischen Steckdose fließt an den Anschlüssen E1 und E2 in eine gedruckte Leiterplatte (die in einer Strukturzeichnung nicht dargestellt ist), dann durch eine Sicherung F1 und einen strombegrenzenden Wärmewiderstand RT1 und über einen Varistor V1. Dies ist der Anfang einer Stromeingangsschaltung 510. Der AC-Strom wird von den Kondensatoren C1–C6 und einem Induktor L1 gefiltert, um Gegentaktstörungen und Gleichtaktstörungen zu entfernen. Ein Vollbrückengleichrichter BR1 richtet den gefilterten 120 VAC gleich, der erneut von einem Bulk-Kondensator C27 gefiltert wird, um einiges von dem 120 Hz Ripple zu entfernen.
Eine geregelte positive 5 VDC Stromversorgung ist bei 516 vorgesehen und besteht hauptsächlich in einem standardmäßigen linearen Spannungsreglerchip bei Q5. Seine Eingangsstromversorgung ist die +12 VDC Schiene, welche die meisten der Analogchips in der Schaltung 500 treibt. Sowohl Polaritätsschutzdioden D16 und D17 als auch ein Filterkondensator C22 an der +5 VDC Ausgangsschiene sind vorgesehen. In einer exemplarischen Konstruktion sind zusätzliche Filterkondensatoren C18–C21 über die +12 VDC Schiene an verschiedenen physikalischen Stellen auf der gedruckten Leiterplatte dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform angelegt.
Die Spannung über C27 stellt eine DC-Eingangsspannung für einen Abwärtswandler 514 dar, der von einem Schalt-MOSFET Q1, einer Freilaufdiode D1, einem Induktor L2 und einem Filterkondensator C7 gebildet wird. Der MOSFET Q7 schaltet bei annähernd 75 kHz und verfügt über einen gesteuerten bzw. geregelten Arbeitszyklus, der von 0% bis 100% variiert. Die Spannung an C7 ist gleich den MOSFET-Arbeitszykluszeiten der Spannung an C27. Ein Arbeitszyklus von 0% impliziert, dass der Schalter vollständig aus ist und sich die Ausgangsspannung an C7 auf 0V beläuft. Ein Arbeitszyklus von 100% impliziert, dass der Schalter vollständig an und die Ausgangsspannung an C7 im Idealfall gleich der Spannung an C27 ist. Bei einem 100% Arbeitszyklus liefert der Abwärtswandler etwa 160 Volt DC an den Anschlüssen E5 und E6 (an C7). Bei niedrigeren Arbeitszyklen liegt die offensichtliche Spannung, die vom Abwärtswandler 514 geliefert wird, unter 160 VDC, und diese offensichtliche Spannung ist im Wesentlichen gleich 160 Volt und bestimmt den Arbeitszyklus mit einem bestimmten Zeitintervall.
Natürlich ist die aus dem Abwärtswandler 514 ausgegebene Spannung eine variable DC-Spannung. Jedoch ist verständlich, dass eine geeignete Ausgangsgröße auch durch Verwendung anderer Schaltungstopographien zur Verfügung gestellt werden könnte, ohne von den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Wenn der MOSFET Q1 anspringt, fließt Strom aus C27 durch den Induktor L2, wodurch C7 geladen wird, und fließt außerdem durch die Last (an den Anschlüssen E5 und E6) parallel zu C7. Der Rückweg zu C27 führt durch Stromsensorwiderstände R21 und R30. Wenn sich der MOSFET Q2 abschaltet, entlädt sich die im Induktor L2 gespeicherte Energie, und ein Freilaufstrom fließt durch C7 und die parallele Last in einem zirkularen Pfad durch die Freilaufdiode D1, bis der MOSFET Q1 wieder anspringt. Dieser sich wiederholende Vorgang verschafft eine variable DC-Ausgangsspannung am Ausgang von C7 und über der Last an E5–E6 (bei denen es sich um die gleichen Verbindungspunkte handelt wie bei J3 und J6 in 15).
Der MOSFET Q1 wird gesteuert bzw. geregelt durch eine Kombination aus Analog- und Digitalschaltungsanordnung mit einem 75 kHz Taktgeber bei 522, einem Integrator 530, einem Komparator 532 und einem Hochstrom-MOSFET-Gate-Driver 534. Der 75 kHz Taktgeber umfasst einen Schmidt-Trigger (Inverter) U1A, einen Timingkondensator C14 und einen Timingwiderstand R13. Das sich ergebende Rechteckwellensignal ist durch C15, R14 und D9 modifiziert, um 75 kHz Spikes zur Verfügung zu stellen, die einen Transistor Q4 zwecks Resets des Integrators 530 auslösen, der aus einem Operationsverstärker U2A, einem Integrator-Kondensator C16, einem Integratorwiderstand R17 und den Vorspannungswiderständen R15 und R16 besteht.
Die Ausgangsgröße von U2A ist eine 75 kHz Sägezahnwellenform, die als die positive Eingangsgröße des impulsbreitenmodulierenden Komparators 532 verwendet wird, der einen Operationsverstärker U2B nutzt. Die negative Eingangsgröße zum impulsbreitenmodulierenden Komparator 532 ist ein Analogsignal zwischen 0V und SV, das von einem Mikroprozessor U3 (bei 540) erzeugt und von R18 und C17 gefiltert wird. Der Vergleich des vom Mikroprozessor erzeugten Analogsignals und der Sägezahnwellenform verschafft eine 75 kHz Rechteckwelle am Ausgang des impulsbreitenmodulierenden Komparators 532, der einen Arbeitszyklus aufweist, der proportional zum Pegel (oder der Größe) des Analogsignals ist. Dieses Rechteckwellenausgangssignal wird durch Schmidt-Trigger-Stufen U1B–U1F gepuffert, um dem Gate von MOSFET Q1 ein Hochstrom-Rechteckwellenantriebssignal zur Verfügung zu stellen.
Die DC-Spannung an C27 wird von den Widerständen R26 und R27 gestaffelt und von einem Kondensator C26 gefiltert. Eine Zener-Diode D15 begrenzt die Spannung an C26 auf 5.1 VDC im Fall eines Surge-Zustands. Die Spannung an C26 wird von einem Eingangsport am Mikroprozessor U3 wahrgenommen. Der durch den MOSFET Q1 fließende Strom fließt auch durch die Widerstände R21 und R30, während ein Widerstand R22 und die Kondensatoren C23 und C24 den Spannungsabfall an der Kombination aus R21 und R30 filtern, bevor das Hinlenken zu einem Operationsverstärker U2D erfolgt.
Eine Verstärkerstufe 520, die einen Operationsverstärker U2D und Widerstände R23 und R25 umfasst, vervielfacht die gefilterte Spannung aus dem Stromshunt um einen Gewinn von fünf. Ein Widerstand R24 und ein Kondensator C25 filtern das Stromsensorsignal erneut. Eine Zener-Diode D14 begrenzt diese Spannung im Fall eines Zustands hohen Stroms. Dann wird das Stromsensorsignal an einen Eingangsport am Mikroprozessor 540 gesendet. Der Mikroprozessor 540 (U3) erfasst den Strom und die Spannung am Eingang zum Abwärtswandler 514, um die Stromversorgung vorauszusagen und/oder zu charakterisieren und um dem impulsbreitenmodulierenden Komparator U2B bei 532 das richtige Analogsignal zur Verfügung zu stellen.
Eine unbenutzte Stufe des Quad-Op-Amp-Chips U2 ist bei U2C dargestellt. Ihr positiver Eingang ist mit dem DC-Common verbunden, und ihr negativer Eingang ist direkt mit ihrem Ausgang verbunden.
Zwei Temperatursensoreingangsgrößen werden dem Mikroprozessor 540 zur Verfügung gestellt, in dem (nicht im Schaltplan 500 gezeigte) Wärmewiderstände an Anschlüsse E7–E8 (für den ersten Wärmewiderstand) und E27–E26 (für den zweiten Wärmewiderstand) angeschlossen sind. Diese Temperaturanalogsignale sind hinsichtlich des ersten Wärmewiderstands durch R29 und C28 und hinsichtlich des zweiten Wärmewiderstands durch R41 und C39 signalkonditioniert. Der eine Wärmewiderstand überwacht die Temperatur des Kopfs 50 des Induktionsheizgeräts 10, während der andere Wärmewiderstand die Temperatur der Umgebungsluft am Gehäuse des Geräts 10 überwacht.
Die Verarbeitungsschaltung in den 14A–14B umfasst den Mikroprozessor 540 (U3) zusammen mit einem Quarzoszillator X1 und den Kondensatoren C32 und C33, welche die Taktschaltung 542 bilden. Ebenfalls in der Verarbeitungsschaltung enthalten sind verschiedene andere Schnittstellen- oder Filterwiderstände und Kondensatoren, wie z.B. R33, C31, C30, R32 und C29. Außerdem wandelt ein Filter eine digitale Ausgangsgröße aus dem Mikroprozessor 540 zu einem Analogsignal, das zum Steuern bzw. Regeln des Arbeitszyklus von MOSFET Q1 genutzt wird. Dieser Filter besteht aus den Widerständen und Kondensatoren R34, R35, C35 und C36.
Auch eine Speicherschaltung 546 ist zur Verwendung durch die Verarbeitungsschaltung vorgesehen. In dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform wird ein serielles EEPROM eingesetzt, das mit U4 bezeichnet ist. Dieser einzelne Chip weist eine ausreichende Speicherkapazität auf, um die wichtigen Variablen zu halten, derer sich das Induktionsheizgerät bedient, obwohl sich natürlich zusätzliche Speicherchips problemlos hinzufügen ließen, um, falls gewünscht, größere Mengen von Betriebsdaten zu speichern. Ein kleiner Filterkondensator C34 ist auf der +5 VDC Stromschiene am EEPROM-Chip angelegt.
Selbstverständlich könnte der Mikroprozessor 540 mit einem OnBoard Speicher, z.B. einem EPROM oder einem EEPROM, ausgerüstet werden, um Betriebsparameter und eventuell einige angesammelte Daten zu speichern. Bei solch einem Mikroprozessor ließe sich auf den seriellen EEPROM-Chip U4 in Modellen des Heizgeräts verzichten, die nicht erfordern, dass historische Betriebsdaten gespeichert und später zu einem Host-Computer heruntergeladen werden.
Ein serieller Kommunikationsport 560 ist vorgesehen, der einen seriellen Infrarot-Schnittstellen-Chip US und zugehörige passive Schnittstellenkomponenten R40, C37 und C38 umfasst. Der Einsatz dieses Typs von Infrarotkommunikationsport ermöglicht, dass ein Host-Computer (z.B. ein PC oder eine Arbeitsstation) an das Induktionsheizgerät 10 angeschlossen wird, ohne dass die Möglichkeit zum Transfer einer nicht erwünschten Spannung in den Host-Computer gegeben ist, während das Gerät 10 mit Netzspannung arbeitet.
Ein variabler Widerstand R31 (z.B. ein Potentiometer) ist für Setup-Zwecke angelegt. Der Strombetrieb der Schaltung kann durch dieses Pot R31 manuell gesteuert bzw. geregelt werden, und der Mikroprozessor muss nicht einmal in der Schaltung installiert sein, falls für Versuche oder Setup-Zwecke gewünscht. Sobald Produktionseinheiten zusammengefügt werden, lässt sich das Pot R31 im Fall von Redundanz problemlos aus der Leiterplatte nehmen.
Ein Leistungssteuer- bzw. -regelpotentiometer P1 ist vorgesehen, so dass der Benutzer die Ausgangsleistung um etwa ±20% regulieren kann, und diese Regulierung kann zwischen jedem „Schuss" des Induktionsheizgeräts vorgenommen werden, falls gewünscht. Ein FET-Transistor Q9 bei 524 ist als Sicherheitsabschalteinrichtung angelegt. Q9 kann den impulsbreitenmodulierenden Takt bei U1A deaktivieren, falls notwendig.
Der Mikroprozessor 540 steuert bzw. regelt auch vier digitale Ausgangsgrößen bei 544, 550, 552 und 554. Diese Ausgangsgrößen treiben (via einen FET-Transistor, Teilenummer IRLL014) wie folgt: (1) das Gebläse 56 (siehe 2); (2) den taktilen Feedback-Ektromagnet oder die Summereinrichtung 26 (siehe 2); (3) die LEDs bei 34 in 2, welche Status- und „Fehler"-Informationen verschaffen; und (4) die LEDs bei 64 in 2, die ein Werkstück für einen Benutzer, der in einem dunklen Raum arbeitet, beleuchten. Die Status- oder Fehler-LEDs 34 sind typischerweise in rot vorgesehen, wohingegen die Beleuchtungs-LEDs 64 bezeichnenderweise sowohl in blauer als auch in gelber Farbe bereitstehen.
Die Signalleitung bei Pin 3 des Mikroprozessors 540 trägt ein Analogsignal, das die Eingangsspannungsgröße des Abwärtswandlers 514 darstellt. Diese Informationen werden im Software-Steuer- bzw. -Regelprogramm genutzt, wie in Bezug auf die 17A–17D bei Schritt 758 erläutert. Die Signalleitung bei Pin 4 des Mikroprozessors 540 trägt ein Analogsignal, das die Eingangsstromgröße des Abwärtswandlers 514 darstellt. Diese Informationen werden im Software-Steuer- bzw. -Regelprogramm genutzt, wie in Bezug auf die 17A–17D, wiederum bei Schritt 758, erläutert.
Selbstverständlich könnten etliche der Schaltungskomponenten, die im Schaltplan 500 zu finden sind, durch eine Logikzustand-Maschine-Schaltung oder eine andere ähnliche Logikeinrichtung ersetzt werden, die gegenwärtig oder in der Zukunft erhältlich ist. Eine derartige Substitution von Komponenten oder eine Verbesserung von Logik- und Schnittstellenkomponenten ist von den Erfindern berücksichtigt. Darüber hinaus ließe sich die gesamte Schaltung mit einer Analogschaltung implementieren, wofür nachstehend ein Beispiel mit Blick auf 16 im Einzelnen erörtert wird.
Nun bezugnehmend auf 15 umfasst die Stromquellen-Parallelresonanzinverter-Leistungsoszillatorstufe eine Eingangsstrom-Glättungsdrossel L1, MOSFET-Transistoren Q1 und Q2 und einen Feedback-Transformator T1, der eine spannungsvervielfachende Funktion bietet, um die Schwingkreisspannung zu erhöhen und zudem duale invertierte MOSFET-Gate-Antriebssignale zur Verfügung zu stellen. Die MOSFETs Q1 und Q2 erfordern jeweils eine Reihen-Widerstand-Kondensator-Snubbing-Schaltung. Bezüglich Q1 beinhaltet die Snubbing-Schaltung 572 C5 und R9; bezüglich Q2 umfasst die Snubbing-Schaltung 574 C4 und R10. Selbstverständlich könnten diese „Leistungs"-Komponenten, falls gewünscht, auf eine separate gedruckte Leiterplatte (oder eine andere Struktur) aus dem „Logik-Board" montiert werden, die in den schematischen Zeichnungen aus den 14A–14B beschrieben sind, die hauptsächlich Niedrigleistungskomponenten enthalten.
Die Gate-Antriebssignale aus dem Transformator T1 des Inverterstromausgangsabschnitts 570 sind durch die Vorspannungsnetzwerke konditioniert, welche D1–D3, C1–C3, R1 und R3–R8 umfassen. Bei R8 handelt es sich um ein einstellbares Widerstandselement, z.B. um ein Potentiometer bei 580, und D3 ist eine Zener-Diode, die zur Schaffung einer Vorspannungsquelle benutzt wird.
Ein Satz Vorspannungswiderstände R11 und R12 stellt den MOSFET-Gates Extra-Vorspannung zur Verfügung, wenn die DC-Eingangsspannung für den Oszillator niedrig ist, um Unterstützung beim Starten des Oszillators zu bieten. Die DC-Eingangsgröße für den Inverter dringt durch die Anschlüsse J3 und J5 (auf diesem Board) ein. Der Schwingkreis ist zwischen den Anschlüssen J1 und J2 angeschlossen.
Die Schwingkreisschaltung besteht aus einem Hochqualitätsfaktorinduktor 590, der parallel zu einem Kondensator (oder zu Kondensatoren) 592 ist. Der Induktor 590 stellt die „Arbeitsspule", welche Energie zu dem (in dieser Zeichnung nicht dargestellten) Suszeptor transferiert. Die Werte des Induktors und des Kondensators bzw. der Kondensatoren werden in einer Konfiguration dieser zweiten bevorzugten Ausführungsform so gewählt, dass eine 130 kHz Resonanzfrequenz erzielt wird, damit Energie effizienter zum ausgewählten Suszeptor transferiert wird. In dieser Ausführungsform beträgt die Gesamtkapazität etwa 0.35 μF, und viele physikalische Kondensatoren werden parallel zueinander verwendet (siehe Kondensator-Board 44 in 2). Die Arbeitsspule 590 in diesem Schaltplan aus 15 umfasst im Wesentlichen die elektrisch leitfähigen Windungen 52 des Litzendrahts (in 2).
Selbstverständlich ließen sich die verschiedenen Komponentenwerte und -typen elektronischer Logikgatter und Analogstufen in den Schaltungen aus den 14 und 15 einsetzen, ohne von den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Wie oben dargelegt, umfasst die veranschaulichte Ausführungsform eine zweite bevorzugte Ausführungsform, und viele andere, aber ähnliche Ausführungsformen, die in ähnlicher Weise arbeiten würden, könnten konstruiert werden.
Weiterhin ist es selbstverständlich, dass es sich bei der obengenannten Betriebsfrequenz von 130 kHz um eine Betriebsfrequenz handelt, die für eine bestimmte Konstruktion der zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gewollt ist; allerdings handelt es sich hierbei lediglich um eine „Design-Frequenz", und beim Bau von Produktionseinheiten ist es schon aufgrund der Komponentenwertvariationen, wenn nicht auch aus anderen Gründen, unwahrscheinlich, dass sich deren tatsächliche Betriebsfrequenzen auf exakt 130 kHz belaufen. Überdies ist das Induktionsheizgerät der vorliegenden Erfindung in der Lage, über einen sehr breiten Frequenzbereich zu arbeiten (z.B. von unter 1 kHz bis über 1 MHz), ohne dass von den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung abgewichen wird. Es wird berücksichtigt, dass verschiedene Modelle von Suszeptoren durch ein einziges Induktionsheizgerät wirkungsvoll angeregt werden könnten, das ein Magnetfeld bei einer einzigen Ausgangsfrequenz erzeugt; jedoch wird ebenfalls berücksichtigt, dass gewisse Modelle von Suszeptoren möglicherweise besser arbeiten mit einem oder mehreren Induktionsheizgeräten, das bzw. die bei mehr als einer Frequenz arbeiten, um die Wirbelströme in den Suszeptoren zu induzieren. In diesem Fall könnte der Betriebskopf 50 (siehe 1) auf Wunsch auswechselbar gestaltet werden, um die Ausgangsfrequenz des Induktionsheizgeräts zu verändern.
Nun mit Blick auf 16 steht das Design einer analogen Steuer- bzw. Regelschaltung im Format eines Blockdiagramms zur Verfügung. Das Betätigen eines Auslösers 610 (der äquivalent mit dem Auslöser 22 in 1 ist) löst die Feuerungssequenz aus. Ein Timer 614 wird aktiviert, und eine Eingangssteuer- bzw. -regeleinrichtung 612 für einen Integrator 620 legt eine Spannung an den Eingang dieses Integrators 620. Diese Aktionen starten eine Spannungsrampe am Ausgang des Integrators 620, die einen Impulsbreitenmodulator 622 passiert, und dann weiter zur Spannungssteuerung bzw. -regelung einer (nicht in 16 dargestellten) Vorreglerschaltung mittels eines impulsbreitenmodulierenden Signals bei 624. Die (nicht in 16 veranschaulichte) Vorreglerschaltung stellt eine Eingangsspannung zur Verfügung, die vom (nicht in 16 dargestellten) Output-Inverter (Leistungsoszillator) zu verwenden ist.
Während des Rampenprozesses überwacht ein Komparator 644 ein „Stromsensor"-Signal 650 aus dem Vorreglereingang. Ein einstellbarer Widerstand (z.B. ein Potentiometer) 646 ist vorgesehen, um eine „Rampen-Stop"-Schwellenspannung festzulegen. Wenn der Spannungspegel des Stromsensorsignals 650 die Rampen-Stop-Schwellenspannung erreicht, versetzt die Ausgangsgröße des Komparators 644 den Integrator 620 in einen „Halte"-Zustand bei der gegenwärtigen Ausgangsspannung. Diese Aktion signalisiert dem Timer 614, den „Leistungsverfolgungs"-Betriebsmodus zu veranlassen durch Aktivieren eines weiteren Integrators 634 in einem gesampelten Modus.
Der Integrator 634 wird zur Integration des von einem Multi-Quadranten-Vervielfältiger 630 erzeugten Leistungssamples verwendet. Die Ausgangsgröße des Vervielfältigers 630 wird auch einem anderen Komparator 640 zugeleitet, der die Eingangssteuer- bzw. -regeleinrichtung 612 anweist, die Eingangsspannung zum Integrator 620 zu erhöhen oder zu senken. Dieser Vorgang reguliert die Leistung, die vom (nicht dargestellten) Vorregler zum (nicht veranschaulichten) Output-Inverter (Leistungsoszillator) geliefert wird, der seinerseits die dem (in 16 nicht gezeigten) Suszeptor gelieferte Leistung steuert bzw. regelt. Ein einstellbarer Widerstand (z.B. ein Potentiometer) 642 ist vorgesehen, um eine „Leistungsverfolgungslevel"-Schwellenspannung festzulegen.
Der gegenwärtige Ausgangszustand des ersten Integrators 620 ist auch auf einen nicht linearen Funktionsgenerator 632 gerichtet, der eine nicht lineare Schwellenspannung für einen dritten Komparator 636 erzeugt, der zur Beendigung des Feuerungszyklus eingesetzt wird, wenn genügend Energie zum Suszeptor geliefert worden ist. Die Ausgangsgröße des Komparators 636 deaktiviert die Eingangssteuerung bzw. -regelung 612.
In Abhängigkeit vom Ausgangspegel des ersten Integrators 620 arbeitet der Impulsbreitenmodulator 622 bei einem 100%-Arbeitszyklus oder bei einem Arbeitszyklus niedrigeren Prozentsatzes in Übereinstimmung mit einer Arbeitszyklussteuer- bzw. -regeleinrichtung 626. Die Arbeitszyklussteuer- bzw. -regeleinrichtung 626 betätigt den Impulsbreitenmodulator 622 bei einem gegebenen Arbeitszyklus in Abhängigkeit vom Ausgangspegel des ersten Integrators 620. Dies verlängert die Gesamtzeit der Leistungsanwendung für Suszeptoren, die sich in der Nähe der Arbeitsspule befinden. Zumindest ein einstellbarer Widerstand (z.B. ein Potentiometer) 628 ist angelegt, der sich zur Festlegung einer minimalen Arbeitszyklusschwellenspannung verwenden lässt und/oder der zur Festlegung einer maximalen Arbeitszyklusschwellenspannung genutzt werden kann.
Während des Gerätheizungszyklus arbeitet ein Überwachungstimerausgang im Hintergrund bei 616, und zudem ist ein Überstromdetektor 654 in Betrieb. Der Zweck dieses Überwachungstimers besteht darin, die maximale Laufzeit eines Zyklus in jenem Fall zu steuern bzw. zu regeln, dass die vorbestimmte Gesamtenergiegrenze nicht erreicht wird. Der Überstromdetektor 654 deaktiviert die Eingangssteuerung bzw. -regelung 612 in jenem Fall, dass das Stromsensorsignal 650 aus dem Vorregler eine vorgegebene Höchstgrenze überschreitet. Diese vorgegebene maximale Stromgrenze wird von einem einstellbaren Widerstand (z.B. ein Potentiometer) 652 festgelegt.
Bei den 17A–17D handelt es sich um ein Flussdiagram, das in 14 die wichtigsten Logikoperationen veranschaulicht, welche die Mikroprozessorschaltung 540 der zweiten bevorzugten Ausführungsform des Induktionsheizgeräts der vorliegenden Erfindung vornimmt. Selbstverständlich ließe sich eine Logikstatus-Maschine einsetzen, um die meisten oder alle dieser Logikoperationen anstelle einer Schaltung zur sequentiellen Verarbeitung, z.B. eines Mikroprozessors 540, durchzuführen. Die Logikstatus-Maschine könnte natürlich in einer integrierten Schaltung enthalten sein, die viele der anderen elektrischen Komponenten enthält, die für eine Schnittstellenbildung mit externen digitalen oder analogen Eingangs- und Ausgangssignalen benötigt werden.
Bei Schritt 700 wird Strom durch die Verbindung des Geräts mit einer standardmäßigen 120 VAC Steckdose oder mit einem Batterie-Pack angelegt. Das Anlegen des Stroms bewirkt, dass eine Versorgungsspannung an den Steuer- bzw. -regelmikroprozessor 540 gelegt wird, der einer Reset-Sequenz unterzogen wird (wobei eine in den Mikroprozessor eingebaute Power-on-Reset-Schaltung benutzt wird), und dann beginnt die Codeausführung, wenn der angelegte Strom innerhalb gewisser Grenzen liegt und der Oszillator gestartet ist.
Nun findet bei Schritt 702 ein Initialisierungsverfahren statt. Während dieses Vorgangs werden alle der Eingangs-/Ausgangsports definiert und initialisiert, Variablen werden zugeteilt, und verschiedene Konfigurationsparameter werden aus dem EEPROM transferiert. Dieser Prozess wird nicht wiederholt, es sei denn, der Strom wird weggenommen und dann wieder angelegt.
Nach der Initialisierung tritt das Softwareprogramm, das den Mikroprozessor steuert bzw. regelt, in eine Haupt-„Warteschleife", in der vier verschiedene Zustände überwacht werden. Bei dem ersten Zustand handelt es sich um eine Überprüfung der Betriebstemperatur des Kopfs, die in Entscheidungsschritt 704 stattfindet. In Abhängigkeit von der aktuellen Temperatur des Kopfs wird das Kühlgebläse an- oder ausgeschaltet. Die Grenzen für das An- und Ausschalten sind vom Benutzer bestimmbar und werden im EEPROM gespeichert. Falls das Ergebnis in Entscheidungsschritt 704 JA lautet, was bedeutet, dass die Temperatur des Kopfs „hoch" ist, wird in Schritt 708 das Gebläse AN-geschaltet. Andernfalls wird das Gebläse in Schritt 706 AUS-gelassen oder AUS-geschaltet. In beiden Fällen ist der logische Fluss auf einen Entscheidungsschritt 710 gerichtet.
Bei Entscheidungsschritt 710 wird der „Arbeitslicht-Timer" überprüft, um zu erfahren, ob das Licht an oder aus sein sollte. Sowohl die Aktivierungs-/Deaktivierungsfunktion als auch die Laufzeit sind vom Benutzer bestimmbar und werden im EEPROM gespeichert. Falls das Ergebnis bei Entscheidungsschritt 710 JA lautet, was bedeutet, dass der Arbeitslichttimer abgelaufen ist, wird in Schritt 714 das Arbeitslicht AUS-geschaltet. Andernfalls wird in Schritt 712 das Arbeitslicht AN-gelassen oder AN-geschaltet. In beiden Fällen ist der logische Fluss nun auf einen Entscheidungsschritt 720 gerichtet.
In Entscheidungsschritt 720 nimmt das Programm eine Überprüfung vor, um zu erfahren, ob irgendwelche Anfragen aus dem Kommunikationsport 560 vorliegen. Anfragen aus einem entfernten Computer können das Lesen von Konfigurations- oder Feuerungsdaten oder das Schreiben neuer Konfigurationsdaten auf das EEPROM 546 betreffen. Falls eine Anfrage des Kommunikationsports nach einem Dienst vorliegt, wird dieser in Schritt 722 ausgeführt; andernfalls wird der logische Fluss sofort zu Entscheidungsschritt 724 weitergeleitet.
In Entscheidungsschritt 724 überwacht das Programm den Auslöser 22, um zu erfahren, ob er vom Benutzer betätigt worden ist. Falls nicht, setzt sich das Programm zu Schritt 704 zurück, um die Temperatur des Kopfes, etc. zu überprüfen. Falls der Auslöser betätigt worden ist, geht das Programm in einen „Lauf"-Modus über, der mit einem Entscheidungsschritt 726 beginnt.
Bevor das Induktionsheizgerät 10 seine „Feuer"-Sequenz beginnt, wird die Temperatur des Kopfes gemessen und in Entscheidungsschritt 726 bestimmt, ob ein Übertemperaturzustand besteht. Falls die Temperatur des Kopfes zu hoch ist, auch wenn das Gebläse möglicherweise bereits läuft, feuert das Gerät 10 solange nicht, bis die Temperatur innerhalb die Grenzwerte gefallen ist. Hierbei kommt es in Schritt 278 zu einer Fehleranzeige, und eine der LEDs auf dem Gerät kann beleuchtet werden. Falls hingegen die Temperatur des Kopfs innerhalb des Normalbereichs liegt, wird der Logikfluss zu Schritt 730 geleitet.
In Schritt 730 liest das Programm das „Leistungsskalier-Pot" und berechnet einen Skalierfaktor und verschiedene Grenzen. Dann wird der Abwärtswandler 514, bei dem es sich auch um einen anderen Typ von Leistungswandler handeln könnte) in Schritt 732 aktiviert, und das impulsbreitenmodulierte Signal wird festgelegt, damit es eine Anfangsspannung (z.B. 30 Volt oder 50 Volt) ausgibt. Eine Rampenfunktion startet, und die „Lauf"-Lampen (LEDs) leuchten.
Während des Rampenvorgangs überwacht das Programm den vom Abwärtswandler gezogenen DC-Strom und vergleicht diesen in Entscheidungsschritt 734 mit einem Rampen-„Stopstrom". Hierbei handelt es sich um eine Grenze, die vom Benutzer definierbar und vorzugsweise im EEPROM gespeichert ist. Falls in Entscheidungsschritt 734 festgestellt wird, dass der Stopstrom erreicht worden ist, startet Schritt 736 einen logischen „Intervalltimer", wie nachstehend erläutert. In einem Modus der zweiten bevorzugten Ausführungsform ist der Rampen-Stop-Strom auf 1.7 Ampere festgelegt, und die „Rampenzeit" (d.h. das gewünschte Zeitintervall, während dessen der lineare Stromanstieg von null (0) auf 1.7 Ampere stattfindet) beläuft sich auf etwa 50 mSek.
Falls hingegen der Stop-Strom nicht erreicht worden ist, nimmt das Programm in Entscheidungsschritt 740 eine Überprüfung vor, um zu erfahren, ob der DC-Strom über oder unter den normalen Grenzen liegt. Falls sich der DC-Strom außerhalb des Normalbereichs befindet, stellt das Programm in Schritt 744 einen Fehler fest, schaltet den Abwärtswandler ab und gibt einen visuellen Hinweis (an einer oder mehreren der LEDs) aus. Überdies wird der Fehlerstatus im EEPROM auf einer Abfeuerung-um-Abfeuerung-Basis gespeichert. Wenn allerdings der DC-Strom innerhalb seiner normalen Grenzen ist, inkrementiert das Programm die Impulsbreitenmodulation in Schritt 742, was die Spannung zum Inverter erhöht. Dieser Prozess setzt sich (in einer Schleife durch die Schritte 734, 740 und 742) fort, bis der DC-Strom gleich oder größer ist als die Rampen-Stop-Grenze, zu welchem Zeitpunkt das Programm zu einem „Leistungsverfolgungs"-Modus übergeht.
Um den Leistungsverfolgungs-Modus zu starten, wird in Schritt 736 der Intervalltimer in Betrieb gesetzt, der die Gesamtlaufzeit des Feuerns begrenzt und das Intervalltiming für die Energieberechnungen bereitstellt. Dieser Intervalltimer arbeitet mit einem Intervall von 10 mSek.; der Intervalltimer kann im Verlauf eines einzigen Heizvorgangs etliche Male laufen und könnte ferner unter Verwendung eines 8-Bit-Zählers arbeiten, beispielsweise 255 Mal bevor der Zähler einen hexadezimalen Wert von FF erreicht, was eine „Gesamtzeit"-Grenze von 2.55 Sekunden liefert. In einem Entscheidungsschritt 750 wird die relative Position des Kopfes in Bezug auf den Suszeptor untersucht zwecks Feststellung, ob der Suszeptor dem Kopf ausreichend „nahe" ist. Falls sich der Suszeptor innerhalb eines spezifizierten Abstands vom Kopf befindet, setzt Schritt 752 ein Flag, das verwendet wird, um den Arbeitszyklus des angelegten Stroms zu steuern bzw. zu regeln.
In Schritt 754 fährt das Programm mit dem Überwachen des Intervalltimers fort. Während des Überwachungsvorgangs werden mehrere Samples von DC-Strom- und DC-Spannungs-Messwerten für den Abwärtswandler summiert (oder in anderer Weise akkumuliert) und in Schritt 758 gespeichert. Ebenfalls während dieses Intervalls wird der DC-Strom in Entscheidungsschritt 756 untersucht zwecks Feststellung, ob ein Überstromzustand existiert. Wenn ein Überstromzustand erfasst wird, deaktiviert das Programm den Abwärtswandler in Schritt 760, zeigt den Fehler an und speichert diesen. Falls hingegen der Strom innerhalb normaler Grenzen ist, dauern die DC-Strom- und DC-Spannungs-Summieroperationen an, bis das Zeitintervall des Timers verstrichen ist (was nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben ist). Nachdem der Intervalltimer abgelaufen ist, werden die Durchschnittswerte von DC-Strom und DC-Spannung in Schritt 762 berechnet. Diese Werte werden dann benutzt, um in Schritt 764 die gegenwärtige Leistungsaufnahme und die Gesamtenergie für diesen Betriebszyklus zu kalkulieren.
Als Nächstes werden in Entscheidungsschritt 766 das „Nahe"-Flag des Suszeptors und ein Arbeitszyklus-Flag überprüft, um zu erfahren, ob die Leistung auf ihren Mindestwert gedrosselt werden sollte. Falls dem so ist, wird der Logikfluss zu Schritt 768 gelenkt, wo die Leistung auf einen Mindestwert gesenkt wird. Falls dem nicht so ist, wird der Logikfluss zu einem Entscheidungsschritt 770 geleitet. Dieser Vollleistungs- oder Minimalleistungs-Arbeitszyklus kann eingesetzt werden, wenn sich der Suszeptor sehr nahe am Werkstück befindet, um den Heizzyklus etwas zu verlängern. Unter normalen Umständen ist ein sehr schneller Bonding-Zyklus erwünscht; allerdings ist es von Bedeutung, nicht zuzulassen, dass das Magnetfeld der Arbeitsspule den Suszeptor in einem Umfang overpowert, dass der Suszeptor buchstäblich sehr schnell schmilzt und so entweder den Klebstoff verbrennt oder eine Kristallisierung des Klebstoffs verursacht, wodurch ein schlechter Bond mit dem Werkstück gebildet wird. Eine Reduktion der Leistung und eine entsprechende Verlängerung des Heizzyklus stellen eine Methode zur Vermeidung dieser Vorkommnisse dar.
Während des Vollleistungsabschnitts des Wärmezyklus wird die „gegenwärtige Leistung" mit der „Verfolgungs-Leistung" in Entscheidungsschritt 770 verglichen. Das „Verfolgungs-Leistung"-Attribut kann vom Benutzer programmierbar gemacht und im EEPROM gespeichert werden. Korrekturen an diesem Attribut werden je nach Notwendigkeit in Schritt 772 vorgenommen, um die Leistung innerhalb der Verfolgungs-Grenzen zu halten. Die Spannung am Impulsbreitenmodulator (d.h. der Arbeitszykluswert, der im Bereich der Zählwerte 0-FF hexadezimal liegt) wird eingestellt, um die Eingangsleistung auf einem im Wesentlichen konstanten Wert zu halten, während das Heizen des Suszeptors fortgesetzt wird.
Der eingestellte Impulsbreitenmodulationswert wird verwendet, um daraus den Suszeptorabstand während des nächsten Zyklus von 10 mSek. zu entnehmen.
Ein Entscheidungsschritt 774 vergleicht die insgesamt akkumulierten Joules mit einer „Gesamt-Joules-Grenze", die in einer Nachschlagetabelle im Speicher gespeichert ist (bei dem es sich entweder um das EEPROM oder das OnBoard-EPROM innerhalb des Mikroprozessors selbst handeln könnte). Unter Verwendung der Suszeptorabstandsinformationen wird diese Nachschlagetabelle in Anspruch genommen, welche die insgesamt akkumulierten Joules und die „Gesamt-Joule-Grenze" mit dem „Suszeptorabstand" in Bezug setzt; die Menge an Joules für jeden 10-mSek.-Zyklus beruht auf dem Nachschlagetabellenwert. Die Werte aus der Nachschlagetabelle sind typischerweise empirisch hergeleitet, und die in dieser Operationsbeschreibung gebrauchte „Suszeptorabstand"-Terminologie gleicht im Wesentlichen dem aktuellen physischen Abstand zwischen einem Suszeptor und der Arbeitsspule während des Betriebs, zumindest für die geeigneten Suszeptormodelle.
Jeder Zyklus von 10-mSek bringt einen „neuen" Wert für das Verhältnis Suszeptorabstand/Gesamt-Joule-Grenze-Attribut hervor, obwohl das Ergebnis in vielen aufeinanderfolgenden Zyklen exakt den gleichen Wert aufweisen kann. Der Prozess des „Einstellens" des Ausgangsenergieniveaus (durch „Einstellen" des Stroms und/oder der Spannung an einem Punkt im Leistungswandler) könnte einfach eine Frage der Aufrechterhaltung des vorliegenden Ausgangsenergieniveaus für zumindest zwei aufeinanderfolgende Zyklen (oder, wie oben erwähnt, für „viele" aufeinanderfolgende Zyklen) sein. Demgegenüber könnte der Prozess der Ausgangsenergieniveau-„Einstellung" auch ein anderes Ausgangsenergieniveau für jeden der konsekutiven 10-mSek-Zyklen erfordern, selbst wenn vielleicht über den gesamten Heizvorgang ein bestimmter Suszeptor verwendet wird.
Wie oben angemerkt, können Einstellungen des Stroms und/oder der Spannung am Eingang des Leistungswandlers (z.B. eines Abwärtswandlers, einer Oszillatorschaltung oder eines Inverters) vorgenommen werden, während die elektrischen Charakteristiken, die wahrgenommen werden (typischerweise sowohl jene des Stroms als auch jene der Spannung), am Eingang des Leistungswandlers (in einem Feed-Forward-Modus) hergestellt werden könnten, oder diese wahrgenommenen elektrischen Charakteristiken könnten an einem stromab gelegenen Punkt des Leistungswandlers (in einem Feedback-Modus) (einschließlich am Ausgang des Leistungswandlers) oder unmittelbar an der Arbeitsspule geschaffen werden.
Selbstverständlich ließe sich eine mathematische Berechnung durchführen, anstatt eine Nachschlagetabelle zur Bestimmung des Verhältnisses von Suszeptorabstand/Gesamt-Joule-Grenzwert zu nutzen. Falls eine Berechnung als Kontrollmethodologie verwendet wird, sollte beachtet werden, dass der Ausdruck eine nichtlineare Funktion darstellt, einschließlich einer exponentiellen Komponente. Die Ausführungsform der Analogschaltung (siehe 16) nutzt ebenfalls eine ähnliche nichtlineare Funktion für diese Bestimmung.
Entscheidungsschritt 782 bestimmt, ob die „Gesamtzeit" abgelaufen ist oder nicht, wobei es sich um die Zeit nach Beginn des ersten 10-mSek.-Zyklus handelt. Falls die Gesamt-Joule-Grenze nicht erreicht worden ist, fährt das Computerprogramm mit der Verfolgung der Leistung fort, und der Heizzyklus dauert an, indem der Logikfluss zurück zu Schritt 754 geleitet wird.
Wenn allerdings die Joule-Grenze erreicht worden ist, wird der Abwärtswandler in Schritt 776 abgeschaltet, und Entscheidungsschritt 778 wartet das Ablaufen eines „Halte-Timers" ab; der Halte-Timer beginnt mit dem Timing, wenn der Strom zur Arbeitsspule in Situationen unterbrochen wird, in denen gewünscht wird, dass jede Zykluszeit identisch ist. Nachdem der Halte-Timer abgelaufen ist, wird das Lauflicht in Schritt 780 abgeschaltet, und die Feuerungs-Informationen werden im EEPROM gespeichert.
Die Wirkung der Schritte 770, 772, 774 und 776 ermöglicht, dass das Induktionsheizgerät 10 mit seiner vorbestimmten Höchstleistung läuft, wie anhand seiner Eingangsleistung am Abwärtswandler gemessen, während seine effektive Ausgangsleistung durch Variieren des Impulsbreitenmodulations-Arbeitszyklus so eingestellt wird, wie benötigt, um seine Eingangsleistung auf dem vorbestimmten Höchstniveau zu halten, bis eine Zeitdauer erreicht ist, bei der bestimmt wird, dass die insgesamt akkumulierten Joules gewährleisten, dass durch den Suszeptor ein Bond hergestellt worden ist.
In einem Entscheidungsschritt 786 wird festgestellt, ob ein „Arbeitslicht" vom Benutzer aktiviert worden ist oder nicht. Falls dies der Fall ist, springt in Schritt 788 das „Arbeitslicht" an, und der Logikfluss wird zu Entscheidungsschritt 790 geleitet, in dem bestimmt wird, ob der Elektromagnet (oder Summer) aktiviert worden ist. Falls dem so ist, wird der Elektromagnet (oder der Summer) in Schritt 792 für die vom Benutzer programmierte Zeitdauer betätigt, die zuvor im EEPROM gespeichert worden ist.
Der Benutzer ist in der Lage, eine programmierbare Zeitverzögerung auszuwählen, die benutzt wird, um ein Mindestzeitintervall zwischen Abfeuervorgängen zu steuern bzw. zu regeln. Ein Entscheidungsschritt 794 bestimmt, ob dieses Zeitintervall (zwischen den Abfeuervorgängen) bereits stattgefunden hat oder nicht. Das Zeitintervall „zwischen" den Abfeuervorgängen basiert auf dem Ende des jüngsten vorherigen Abfeuerungsvorgangs und dem Anfangsmoment (oder Start) des nächsten Abfeuervorgangs. Die Softwarelogik wartet im Wesentlichen auf das Eintreten dieses Zeitintervalls, bevor sie zum nächsten Logikvorgang übergeht.
Weiterhin kann der Benutzer einen „Bügel"-Betriebsmodus benutzen, wenn er das Induktionsheizgerät der vorliegenden Erfindung einsetzt. Dies ist von Nutzen beim Bonding zweier großer Materialplatten miteinander, wie z.B. beim Befestigen einer Resopalauflage auf einer Holzfläche für ein Möbelstück. Entscheidungsschritt 796 bestimmt, ob der Benutzer den „Bügel"-Betriebsmodus ausgewählt hat, und falls dem so ist, kehrt das Programm unverzüglich zur Hauptschleife zurück (ungeachtet dessen, ob der Auslöser 22 gegenwärtig betätigt wird).
Falls hingegen der Benutzer den Bügel-Bodus nicht ausgewählt hat, wird der Logikfluss zu einem Entscheidungsschritt 798 gelenkt, welcher bestimmt, ob der Auslöser 22 freigegeben worden ist. Falls nicht, wird in Schritt 798 die Freigabe des Auslösers abgewartet, woraufhin das Programm in Entscheidungsschritt 704 zur Hauptschleife zurückkehrt.
18 veranschaulicht einen Doppelfoliensuszeptor 800, in dem eine Isolierschicht 806 zwischen zwei verschiedenen Folienschichten 802 und 804 vorgesehen ist. Falls das Dünnfoliensuszeptorprinzip bei der Konstruktion dieses Doppelfoliensuszeptors 800 Anwendung findet, bringt das vom Induktionsheizgerät 10 der vorliegenden Erfindung erzeugte Magnetfeld Wirbelströme in beiden der Folienschichten 802 und 804 hervor. Dies lässt sich erreichen, ohne dass eine Vergrößerung des Magnetfelds erforderlich ist, was auf den ersten Blick zum Induzieren des Magnetfelds in beiden Folienschichten erforderlich scheint. Der Hauptgrund dafür, dass kein größeres Magnetfeld benötigt wird, besteht darin, dass die Folienschichten 802 und 804 beide ziemlich dünn sind und das Magnetfeld ziemlich leicht durch die nächstgelegene Folienschicht in die am weitesten entfernte Folienschicht dringt, wodurch Wirbelströme in beiden Folienschichten gleichzeitig induziert werden.
Ist ein (alternierendes) Magnetfeld mit konstanter Intensität gegeben, absorbiert der Doppelfoliensuszeptor 800 im Wesentlichen annährend doppelt soviel Energie, wie ein Einzelfoliensuszeptor mit ähnlichen Dimensionen absorbieren würde, wodurch infolge der zusätzlichen Wirbelströme, die in der entfernteren Schicht erzeugt werden, im ganzen Suszeptor ein viel schnellerer Temperaturanstieg induziert wird. Da einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung darin besteht, die Suszeptoren zu einer recht schnellen Erhitzung zu veranlassen, so dass ihre äußeren Klebeflächen rasch schmelzen oder zumindest weich werden, ist ersichtlich, dass der Doppelfoliensuszeptor 800 zur Erfüllung dieser Aufgabe beitragen kann.
19 veranschaulicht ein ähnliches Dreifachfolien-Suszeptordesign bei 810, das zwei separate Isolierschichten bei 820 und 822 beinhaltet. Parallele dünne Folienschichten 812, 814 und 816 umgeben beide dieser Isolierschichten auf deren großen Oberflächen. Beruhend auf dem bezüglich des Doppelfoliensuszeptors 800 erläuterten Prinzips gilt, dass bei ausreichend schlanken Folienschichten das durch das Induktionsheizgerät 10 der vorliegenden Erfindung erzeugte Magnetfeld in alle drei der Folienschichten 812, 814 und 816 dringt, wodurch Wirbelströme in allen drei dieser Folienschichten induziert werden. Wenn dies tatsächlich geschieht, fällt die Wachstumsrate des Temperaturanstiegs höher aus, wodurch eine der Hauptaufgaben der vorliegenden Erfindung erfüllt wird, die darin besteht zu bewirken, dass die äußere Klebeschicht entweder schnell schmilzt oder rasch weich wird, so dass sie zwei Strukturelemente prompt in einem permanenten Bond zusammenfügen kann. Selbstverständlich besteht keine theoretische Grenze hinsichtlich der Anzahl separat isolierter Folienblätter, die zusammen in einer Suszeptorstruktur mit multiplen Dicken verwendet werden können.
Wie oben in Verbindung mit Einzelschichtfoliensuszeptoren beschrieben, kann sowohl der Doppelfoliensuszeptor 800 als auch der Dreifachfoliensuszeptor 810 erneut erhitzt werden, um einer Person zu ermöglichen, die selbe Struktur, die zuvor fest zusammengebondet war, wieder aufzulösen.
20 veranschaulicht einen (Ein- oder Mehr-Folien-) Suszeptor 830, der schmelzbare Abschnitte oder „Verbindungen" einschließt, die bei den Bezugsziffern 834 dargestellt sind. Wie aus 20 hervorgeht, sind viele Löcher (Öffnungen) oder Aussparungen 832 im Suszeptor 830 angebracht. Der geringste Abstand zwischen zwei dieser Löcher oder Aussparungen 832 ist jener Abstand, der von Bezugsziffer 836 angegeben wird. Dieser Abstand könnte durchgängig durch den ganzen Suszeptor gleich sein, oder er könnte von einer Gruppe Aussparungen zur nächsten anders sein, falls gewünscht.
Wenn der Suszeptor 830 einem Magnetfeld ausgesetzt wird, weist seine Folienschicht Wirbelströme auf, die bewirken, dass die Temperatur der Folienschicht ziemlich rasch ansteigt. Falls die Temperaturzunahme einen Punkt erreicht, der nicht unbedingt erwünscht ist, könnten Abschnitte der Folie buchstäblich schmelzen und unter gewissen Umständen bewirken, das die äußeren Klebeschichten brennen. Die schmelzbaren Verbindungen (Abschnitte) schließen Bereiche bei 834 ein, so dass, falls es zu einem Schmelzen in den Folienschichten kommt, dieses wahrscheinlich in den Bereichen mit der höchsten Stromdichte auftritt. Dabei handelt es sich um die Bereiche bei 834, und die Stromdichten werden innerhalb der kurzen Abstände bei 836 und 838 maximiert.
In dem durch die kurzen Abstände 836 und 838 geschaffenen Bereich wird die maximale Stromdichte eingehalten, und so schmilzt er zuerst. Wenn dieser Schmelzvorgang stattfindet, beachtet das Induktionsheizgerät ein kurzes Intervall, bei dem ihm seine Eingansleistungsmesswerte den Eindruck vermitteln, dass es maximale oder mehr als ausreichende Energie zur Verfügung gestellt hat und dass es nun seinen Arbeitszyklus reduzieren sollte. Nach einem kurzen Zeitintervall beruhigen sich die Wirbelströme im Suszeptor 830 ebenso wie das Rück-EMF wieder, und das Induktionsheizgerät beachtet einen Eingangsleistungsmesswert, der ihm eine erneute Entscheidung ermöglicht, ob es seine Leistung auf einen Punkt steigert, der ausreicht, um die Temperaturerhöhung der Folienschicht des Suszeptors 830 fortzusetzen. Indessen wird kurz gestattet, dass die Folientemperatur abkühlt, und deshalb neigen die äußeren Klebstoffschichten nicht zum Brennen.
Selbstverständlich weist der in 20 veranschaulichte Suszeptor keine „gleichmäßige Erhitzung" auf, wenn er einem Magnetfeld ausgesetzt ist; tatsächlich tritt ziemlich genau das Entgegengesetzte ein. Dies steht in Kontrast zu den Bonding-Methodologien von Boeing, durch die „gleichmäßiges Erhitzen" stets ein wichtiges Kriterium sowohl für die strukturelle Stärke als auch für die Luftdichtheit oder Flüssigdichtheit in bestimmten Abschnitten eines Flugzeugs darstellt. Bei der vorliegenden Erfindung ist der Suszeptor 803 nutzbringender beim Bonding von Gebäudewänden, Böden, Decken, etc. (bezeichnet als „Substrate", wie nachstehend in Bezug auf 22 erläutert), und der sehr gleichmäßige Heizaspekt des Bondings ist nicht immer erforderlich, solange die notwendige Gesamtstärke erreicht wird. Die vorliegende Erfindung ist sehr nützlich bei Schaffen von Bonds mit derartiger notwendiger Gesamtstärke, und ein „gleichmäßiges Erhitzen" stellt meist kein Erfordernis dar.
21 zeigt einen weiteren Suszeptor 840, der nicht nur schmelzbare Verbindungen oder Abschnitte beinhaltet, sondern auch ein Muster aus Löchern oder Aussparungen aufweist, das die Tendenz hat, eine sogar noch gleichmäßigere Wärmeverteilung zu schaffen, indem der Versuch unternommen wird zu bewirken, dass die Stromdichte in den Innenbereichen des Suszeptors 840 durchgängig ausgeglichener ist. Der Suszeptor 840 beinhaltet zwei äußere Reihen aus Löchern oder Aussparungen bei 842. Zusätzlich sind drei „neue" Reihen derartiger Löcher oder Aussparungen bei 844 vorhanden, welche die Längsachse des Suszeptors 840 entlang nach unten verlaufen. Es sind schmelzbare Bereiche bei 846 und 848 vorhanden, welche dazu neigen, den Stromfluss des Folienabschnitts des Suszeptors 840 zu kontrollieren.
Falls, wie in Bezug auf 20 beschrieben, die Stromdichte zu rasch zunimmt, zeigen jene Bereiche der Folie, welche die höchste Stromdichte aufweisen, die Tendenz, zu schmelzen und eine offene Schaltung in eben diesen Bereichen zu erzeugen. Wenn dies geschieht, wird die Stromdichte einen plötzliche Veränderung in bestimmten Bereichen des Suszeptors 840 erfahren, und überdies eine weitere alternative Ausführungsform des vorliegenden Induktionsheizgeräts wird eine Veränderung hinsichtlich eines Attributs erfahren, welches bewirken kann, dass das vom Heizgerät ausgegebene Magnetfeld vom Heizgerät zeitweilig seine Größe verringert. Die verhindert ein Brennen der äußeren Klebeschichten, was in einer besseren Bindung der Klebematerialien resultiert.
Mit Blick auf 22 ist ein Einzelfoliensuszeptor nach seiner Verwendung zum Zusammenbonden zweier verschiedener Substratstrukturen veranschaulicht. Der Suszeptor selbst umfasst die Folienschicht 860 und zwei Klebeschichten 862 und 864. Selbstverständlich ist 22 nicht maßstabsgerecht.
Nachdem das Heizen stattgefunden hat, sind die Klebeflächen 862 und 864 jeweils an die Substrate 852 und 854 gebondet. Wie oben erläutert, wird bevorzugt, dass ein Dünnfoliensuszeptor zum Einsatz kommt, bei dem die Dicke des Suszeptors (bei 870) auf einem Maximum von 51 Mikron (2 Mil) oder eventuell sogar von 76 Mikron (3 Mil) bei bestimmten Anwendungen gehalten wird. In vielen Fällen wird die bevorzugte Dicke 870 der Suszeptorfolienschicht 860 nur 13 Mikron (1.5 Mil) betragen (oder sogar noch dünner sein).
Die richtige Aktivierung der Klebeschicht des Suszeptors erfordert, dass der Klebstoff (bei 862 und 864) eine spezifizierte Temperatur erreicht, auf dieser für eine Mindestzeit gehalten wird, dann abkühlt und so schnell wie möglich „aushärtet". Das Induktionsheizen eines dünnen metallischen Suszeptors resultiert im Ablagern von Energie im Suszeptor 860, und diese Energie wird in die Substrate 852, 854 und in den Klebstoff 862, 864 abgeführt. Die erreichte Temperatur hängt ab vom Leistungsniveau der Ablagerung, der thermischen Abführung in das Substrat und in den Klebstoff, der Heizdauer und dem Leistungszufuhrprofil.
Falls das Ablagerungsleistungsniveau hoch ist, wird die spezifizierte Temperatur in kurzer Zeit erreicht. Lediglich ein kleiner Teil der Energie wird in die Substrate 852, 854 abgeführt, und falls der Strom nach einem nur sehr kurzen Energetisierungszeitintervall abgeschaltet wird, kühlen der Suszeptor 860 und die Klebstoffe 862, 864 infolge des fortgesetzten Abführens in die (zumeist noch immer kühlen) Substrate 852, 854 rasch ab.
Falls das Leistungsniveau für ein sehr kurzes Anwendungszeitintervall zu hoch und so die Energieablagerung zu gering ist, werden die Klebstoffe 862, 864 auf inadäquate Weise aktiviert, woraus sich ein schlechter Bond ergibt.
Falls das Ablagerungsleistungsniveau gering ist, wird die spezifizierte Temperatur erst nach einer verhältnismäßig langen Anwendungszeit erreicht. Eine große Menge Energie wird in die Substrate 852, 854 abgeführt, und große Bereiche der Substrate, proximal zum Suszeptor 860, werden erhitzt. Wird die Ablagerungsleistung eingestellt, sinken langsam die Temperaturen des Suszeptors 860 und der aktivierten Klebstoffe 862, 864 aufgrund dieser großen Energiemenge, die nun in den Substraten 852, 854 gespeichert ist. Solange das Anwendungszeitintervall lang genug dauert, wird sich ein adäquater Bond zwischen dem Suszeptor 860 und den Substraten 852, 854 bilden.
Falls jedoch das Ablagerungsleistungsniveau zu hoch und die Abkühlzeit zu lang ausfällt, „härten" die Klebstoffe 862, 864 nicht prompt „aus", und die Werkstücke (d.h. die Substrate 852, 854) müssen noch lange nach Abschluss des Heizzyklus an ihrer Stelle gehalten werden. Dies stellt kein erwünschtes Resultat dar, weil sich die Montagezeit verlängert und darüber hinaus das Risiko eines vom Menschen verursachten Fehlers steigt, aus dem sich ein schlechter Zusammenbau der Werkstücke ergeben könnte.
Aufgrund der Wärmediffusionskoeffizienten ist die Wärmeübertragungsrate A aus der Folie zum Klebstoff und aus dem Klebstoff zu den Substraten von großer Wichtigkeit. Falls die Wärmediffusionskoeffizienten zu groß sind, steigt die Temperatur der Substrate nicht in ausreichendem Maße an, bevor die Suszeptorfolie (680) schmilzt, oder die Klebstoffe (862, 864) brennen oder kristallisieren. Falls hingegen das Anwendungszeitintervall zu lang ist, werden die Substrate (852, 854) zu heiß, als dass der Klebstoff rasch aushärten könnte, wie oben angemerkt.
Es besteht ein Optimum hinsichtlich des Leistungsniveaus und der Dauer, das die Klebstoffe 862, 864 adäquat aktiviert, wobei nicht der Nachteil einer langen Einspannzeit während des Abkühlens in Kauf genommen werden muss. Dieses Optimum ist abhängig von der thermischen Aktivität und der Wärmekapazität des Substrats 860 und ferner von den Aktivierungscharakteristiken der Klebstoffe 862, 864. Natürlich hängt es auch ab vom Leistungsniveau des Magnetfelds, das von der Arbeitsspule des Induktionsheizgeräts 10 erzeugt wird, vom Abstand zwischen der Arbeitsspule und dem Suszeptor 860 und vom Anwendungszeitintervall, während dessen das Magnetfeld erzeugt wird.
Bei der vorliegenden Erfindung liegen die nützlichsten Anwendungszeitintervalle in einem Bereich von 0.2 Sekunden bis über zehn (10) Sekunden. Natürlich sind zwecks raschen Zusammenbaus von Werkstücken die kürzeren Anwendungszeiten erwünscht. Um die gewünschten schnellen Montagezeiten zu erzielen, ist eine große Menge von der Arbeitsspule erzeugte magnetische Energie notwendig, die aufgrund der Wirbelströme relativ große Mengen von Wärmeenergie im Suszeptor hervorbringt. Für Dünnfoliensuszeptoren kann eine Maximalleistung von etwa 0.31 kW pro Quadratzentimeter (2 kW pro Quadrat-Inch) der Folie als Durchschnittsleistung über den gesamten Heizvorgang (d.h. während des Anwendungszeitintervalls) verwendet werden. Der Suszeptor 860 muss zweckgemäß konzipiert sein, damit er mit solch einer hohen Leistung umgehen kann, weil zuviel Leistung über ein zu langes Zeitintervall hinweg mit Sicherheit Abschnitte des Suszeptors schmelzen lässt; in der Tat könnte zuviel Leistung den Suszeptor buchstäblich zum Explodieren bringen.
Das Induktionsheizgerät der vorliegenden Erfindung verfügt über die Fähigkeit, bei Abständen von zumindest 19 mm (0.75 in.) zwischen der Arbeitsspule und dem Suszeptor 860 sehr effizient zu arbeiten. Bei diesem Abstandsbereich kann die Anwendungszeit zur Erzeugung des Magnetfelds lediglich 0.05 Sekunden betragen. Das vorliegende Induktionsheizgerät 10 lässt sich auch bei viel größeren Abständen einsetzen, falls das Anwendungszeitintervall gesteigert wird, einschließlich eines Abstands von zumindest 76 mm (3 in.). Der bevorzugte Intervallbereich der Anwendungszeiten kann 0.05 Sekunden bis 10 Sekunden betragen oder stärker bevorzugt 0.10 Sekunden bis 5 Sekunden oder ganz besonders bevorzugt 0.15 Sekunden bis 2 Sekunden.
23 veranschaulicht diagrammatisch eine Person, die das Induktionsgerät benutzt, das sich in mehr als einen Abschnitt zerlegen lässt. In 23 wird das Induktionsheizgerät im Allgemeinen durch Bezugsziffer 900 bezeichnet und verfügt über ein Batterie-Pack bei 902, das an einem Gürtel 904 um die Taille der Benutzerperson getragen wird. Mithilfe eines Stromkabels 906 wird dem Induktionsheizgerät 900 elektrische Energie aus dem Batterie-Pack 902 zugeführt. 24 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der das Induktionsheizgerät 910 jedoch mit einem Batterie-Pack 912 verwendet wird, der an einem Schultergurt 914 getragen wird, der sich quer von der rechten Schulter zur linken Hüfte schlingt. Ein Stromkabel 916 trägt die Batterieleistung aus dem Batterie-Pack 912 zum Induktionsheizgerät 910.
25 stellt wiederum ein Induktionsheizgerät 920 mit einem Batteriepack dar; in diesem Fall wird das Batterie-Pack 922 an einem Rucksack getragen, der an einem Paar Schultergurte 924 angebracht ist. Ein Batteriekabel 926 ist zwischen dem Batterie-Pack 922 und dem Heizgerät 920 vorgesehen.
Ein weiteres Beispiel für den Gebrauch des Induktionsheizgeräts ist in 26 veranschaulicht, in der sich das Heizgerät 930 entweder mit einem Batterie-Pack oder mit einer AC-Leitungsspannung einsetzen lässt. Das Batterie-Pack bei 932 verfügt über eine Bandoliervorrichtung und ein Batteriekabel 938. Als Alternative dazu werden ein Stromkabel 936 und ein Steckbatterielader oder AC-Adapter 934 gezeigt. Einzelne Batterien 940 können an der Bandoliervorrichtung bei 932 ausgetauscht werden.
Selbstverständlich können die in Bezug auf die Flussdiagramme aus den 17A–17D beschriebenen Logikoperationen unter Verwendung sequentieller Logik implementiert werden, wie z.B. mittels Mikroprozessortechnologie oder einer Logikstatus-Maschine; sie ließen sich selbst mittels paralleler Logik implementieren. Die bevorzugten Ausführungsformen nutzen einen Mikroprozessor zur Ausführung von Softwareanweisungen, die in den Speicherzellen gespeichert sind. Tatsächlich könnten der gesamte Mikroprozessor (oder die gesamte Mikrosteuer- bzw. -regeleinrichtung) und bestimmte Speicherzellen, falls gewünscht, in einem ASIC enthalten sein. Natürlich könnten andere Schaltungsanordnungen zur Implementierung dieser Logikoperationen eingesetzt werden, ohne von den Prinzipien der vorliegenden Erfindung abzuweichen, wie z.B. die in 16 beschriebene Analogschaltung.
Weiterhin ist selbstverständlich, dass die präzisen Logikoperationen, die in den Flussdiagrammen aus den 17A–17D dargestellt und oben erläutert sind, etwas modifiziert werden könnten, um ähnliche, wenn auch nicht genau die gleichen Funktionen durchzuführen, ohne von den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die genaue Beschaffenheit einiger der Entscheidungsschritte und weiterer Befehle in diesen Flussdiagrammen ist auf spezifische Ausführungsformen von Induktionsheizgeräten gerichtet, und sicher würden in vielen Fällen zwar ähnliche, aber sich doch etwas unterscheidende Schritte bei Verwendung von Heizsystemen mit anderen Größen oder Formen ergriffen, obwohl die erfinderischen Gesamtergebnisse die gleichen wären.
Die vorangehende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und der Erläuterung dargelegt. Es ist nicht beabsichtigt, erschöpfend zu sein, oder die Erfindung auf genau die offenbarte Form einzugrenzen. Offensichtliche Modifikationen oder Variationen sind im Licht der obigen Lehren möglich. Die Ausführungsform wurde gewählt und dargelegt, um die Grundsätze der Erfindung und deren praktische Anwendung in bestmöglicher Weise zu veranschaulichen, um dadurch einen Fachmann auf diesem Gebiet in die Lage zu versetzen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsformen und mit zahlreichen Modifikationen, die sich für den jeweiligen beabsichtigten Verwendungszweck eignen, so gut wie möglich zu nutzen. Es ist beabsichtigt, dass die Tragweite der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.

Claims

Verfahren zum Steuern bzw. Regeln von Energie, die durch eine Induktionsspule geliefert bzw. zur Verfügung gestellt wird, das adaptiert ist für: ein Bereitstellen einer Heizvorrichtung (10), die eine Induktionsspule (52) und eine elektrische Schaltung bzw. einen Schaltkreis (301) aufweist, welcher) einen elektrischen Strom zu der Induktionsspule zur Verfügung stellt; und ein Emittieren eines magnetischen Felds von der Induktionsspule; wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: Bereitstellen einer Heizeinrichtung bzw. eines Susceptors (390, 800), welcher) um einen Abstand von der Induktionsspule beabstandet ist, wobei der Susceptor einen elektrisch leitfähigen bzw. leitenden Abschnitt (802, 860) der bekannte Eigenschaften, enthaltend bekannte physikalische Abmessungen und einen bekannten Widerstand aufweist; Einstellen einer Spannungsgröße der elektrischen Schaltung auf eine vorbestimmte erste Größe (734), welche das magnetische Feld erzeugt bzw. generiert und einen Wirbelstrom in dem elektrisch leitfähigen Abschnitt des Susceptors induziert, wobei der Wirbelstrom eine Größe aufweist, abhängig von: (a) einer Dicke des elektrisch leitfähigen Abschnitts, (b) dem bekannten Widerstand, und (c) einer Stärke des Magnetfelds an dem Susceptor, so daß ein Rück-EMF in der Induktionsspule mittels des induzierten Wirbelstroms produziert wird, wobei das Rück-EMF elektrische Parameter der elektrischen Schaltung beeinflußt; während die Spannungsgröße im wesentlichen auf der vorbestimmten ersten Größe gehalten wird, Messen einer zweiten Größe (762) eines Stroms der elektrischen Schaltung, wobei die zweite Größe durch eine Kombination einer Impedanz der Induktionsspule die erste Größe der Spannung und das Rück-EMF beeinflußt wird; Bestimmen eines numerischen Werts (764) basierend auf der zweiten Größe des Stroms und den bekannten Eigenschaften des leitfähigen Abschnitts des Susceptors, wobei der numerische Wert für den physikalischen Abstand zwischen der Induktionsspule und dem Susceptor hinweisend bzw. indikativ ist; und basierend im wesentlichen auf dem numerischen Wert und den bekannten Eigenschaften des Leiterabschnitts des Susceptors, automatisches Einstellen (772) der Spannungsgröße, um das Magnetfeld mit bzw. bei einer vorbestimmten gewünschten Stärke für wenigstens einen Abschnitt eines Heizereignisses zu emittieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spannungsgröße an einer Eingabe (382) eines Leistungswandlers bzw. -konverters (372) der elektrischen Schaltung (301) genommen wird, wodurch die Heizvorrichtung in einer Feedforward- bzw. Vorwärtskopplungs bzw. Vorwärts-Zufuhr-Konfiguration betrieben wird; oder wobei die vorbestimmte Stärke des Magnetfelds ausreichend ist, um die Wirbelströme in dem elektrisch leitfähigen Abschnitt des Susceptors (404) zu induzieren, welcher in einem physikalischen Abstand von der Induktionsspule angeordnet wird, wodurch eine Temperatur des Susceptors erhöht wird; oder wobei die Spannungsgröße an einem ersten vorbestimmten Punkt eines Leistungswandlers (372) der elektrischen Schaltung (301) genommen wird, und weiterhin umfassend: Einstellen einer unterschiedlichen Spannungsgröße an einem zweiten vorbestimmten Punkt des Leistungswandlers, welcher stromaufwärts von dem ersten vorbestimmten Punkt ist, und Emittieren des magnetischen Felds an einer vorbestimmten Leistungsstärke, die an dem physikalischen Abstand verwendbar bzw. nützlich ist, wodurch die Heizvorrichtung in einer Feedback- bzw. Rückkopplungs-Konfiguration betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die elektrische Schaltung (301) den Leistungswandler (372), eine Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (380), eine Speicherschaltung und elektronische Interface-Komponenten beinhaltet; und wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung einen aus einem Bearbeitungs- bzw. Verarbeitungsschaltkreis oder einer Logikstatus-Maschine umfaßt, welche die Spannung steuert bzw. regelt, wie sie zu der vorbestimmten ersten Größe erhöht wird, wobei die Bearbeitungsschaltung oder die Logikstatus-Maschine dann eine Adresse entsprechend dem numerischen Wert verwendet, um eine Nachschlagtabelle zu inspizieren, welche in der Speicherschaltung vorliegt, um einen Datenwert entsprechend der zweiten Größe eines Stroms zu finden, und wodurch ein gewünschtes akkumuliertes Energieniveau bzw. Niveau einer akkumulierten Energie (764) bestimmt wird; oder wobei die elektrische Schaltung einen Leistungswandler (372), eine Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (380) und elektronische Interface-Komponenten enthält; und wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung einen aus einem Bearbeitungsschaltkreis oder einer Logikstatus-Maschine umfaßt, welche die Spannung steuert bzw. regelt, wie sie zu der ersten vorbestimmten Größe erhöht wird, wobei der Bearbeitungsschaltkreis oder die Logikstatus-Maschine dann den numerischen Wert (764) basierend auf der zweiten Größe des Stroms berechnet; oder wobei die elektrische Schaltung eine Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (600) enthält, welche eine Analogschaltung umfaßt, welche die Spannung steuert bzw. regelt, wie sie zu der ersten vorbestimmten Größe erhöht wird, wobei die Analogschaltung dann den numerischen Wert basierend auf der zweiten Größe des Stroms berechnet; oder wobei der numerische Wert einen aus einer Mehrzahl von vorbestimmten Bereichen von physikalischen Abständen repräsentiert, welche zuvor empirisch durch ein Messen der Spannungsgröße in bezug auf einen physikalischen Abstand zwischen der Induktionsspule und einen Susceptor bestimmt wurden, oder wobei der Leistungswandler einen Tiefsetzsteller bzw. Buck- bzw. Entgegewirkungs-Konverter (514) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der numerische Wert der Nachschlagtabelle mit einer gesamten akkumulierten Energiegrenze bzw. Grenze einer gesamten akkumulierten Energie (774) in bezug gesetzt wird, welche mit einem akkumulierten Energiewert (764) verglichen wird, wobei der Vergleich die Laufzeit bzw. -dauer (774, 776) der Heizvorrichtung bestimmt; oder weiterhin umfassend: ein automatisches Aussetzen eines Betriebs der Induktionsspule, wenn eine der folgenden Bedingungen auftritt: (a) ein vorbestimmtes Stromlimit wird erreicht (756, 760); (b) ein vorbestimmtes Temperaturlimit wird erreicht (726, 728); (c) die Spannungsgröße erreicht nicht die erste vorbestimmte Größe während ihrer Einstellstufe (740, 744); (d) die Spannungsgröße erreicht die erste vorbestimmte Größe zu schnell während ihrer Einstellstufe (750, 752); oder (e) ein vorbestimmtes Energielimit bzw. eine Grenze einer vorbestimmten Energie wird erreicht (774, 776); oder weiterhin umfassend: nach bzw. bei einem automatischen Aussetzen des Betriebs der Induktionsspule aktiviert wenigstens ein sichtbarer Indikator (34) und eine Tätigkeit bzw. Operation einer fühlbaren Rückkopplung (26) aktiviert; wobei vorzugsweise die Tätigkeit einer fühlbare Rückkopplung eine aus einer Motorvibration oder einer Solenoid- bzw. Elektromagnetbetätigung umfaßt.
Verfahren zum Steuern bzw. Regeln von Energie, die durch eine Induktionsspule geliefert bzw. zur Verfügung gestellt wird, das adaptiert ist für: Bereitstellen einer Heizvorrichtung (10), die eine Induktionsspule (52) und eine elektrische Schaltung bzw. einen Schaltkreis (301) aufweist, welcher) einen elektrischen Strom zu der Induktionsspule zur Verfügung stellt; und Emittieren eines Magnetfelds von der Induktionsspule; wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: Bereitstellen eines Heizers bzw. Susceptors (390, 800), welcher um einen Abstand von der Induktionsspule beabstandet ist, wobei der Susceptor einen elektrisch leitfähigen bzw. leitenden Abschnitt (802, 860) aufweist, der bekannte Eigenschaften, enthaltend bekannte physikalische Abmessungen und einen bekannten Widerstand aufweist; Einstellen einer Stromgröße des elektrischen Schaltkreises bzw. der elektrischen Schaltung auf eine vorbestimmte erste Größenordnung (734), welche das Magnetfeld generiert und einen Wirbelstrom in dem elektrisch leitfähigen Abschnitt des Susceptors induziert, wobei der Wirbelstrom eine Größe aufweist, die abhängig ist von: (a) einer Dicke des elektrisch leitfähigen Abschnitts, (b) dem bekannten Widerstand, und (c) der Stärke des Magnetfelds an dem Susceptor, so daß ein Rück-EMF in der Induktionsspule mittels des induzierten Wirbelstroms produziert wird, wobei das Rück-EMF elektrische Parameter des elektrischen Schaltkreises beeinflußt; während die Spannungsgröße im wesentlichen auf der vorbestimmten ersten Größe beibehalten wird, Messen einer zweiten Größe (762) einer Spannung der elektrischen Schaltung, wobei die zweite Größe durch eine Kombination einer Impedanz der Induktionsspule, der ersten Größe des Stroms und dem Rück-EMF beeinflußt wird; Bestimmen eines numerischen Werts (764) basierend auf der zweiten Größe der Spannung und den bekannten Eigenschaften des leitfähigen Abschnitts des Susceptors, wobei der numerische Wert für den physikalischen Abstand zwischen der Induktionsspule und dem Susceptor hinweisend ist; und basierend im wesentlichen auf dem numerischen Wert und den bekannten Eigenschaften des Leiterabschnitts des Susceptors, automatisches Einstellen (772) der Stromgröße, um das Magnetfeld mit einer vorbestimmten Stärke für wenigstens einen Bereich eines Heizereignisses zu emittieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromgröße an einer Eingabe (382) eines Leistungswandlers bzw. -konverters (372) der elektrischen Schaltung (301) genommen wird, wobei die Heizvorrichtung in einer Feedforward- bzw. Vorwärtskopplungs- bzw. Zufuhr-Konfiguration arbeitet bzw. betrieben wird; oder wobei die vorbestimmte Stärke des Magnetfelds ausreichend ist, um die Wirbelströme in dem elektrisch leitfähigen Abschnitt des Susceptors (404) zu induzieren, welcher in einem physikalischen Abstand von der Induktionsspule angeordnet ist bzw. wird, wodurch eine Temperatur des Susceptors erhöht wird; oder wobei die Stromgröße an einem ersten vorbestimmten Punkt eines Leistungswandlers (372) der elektrischen Schaltung (301) genommen wird und weiterhin umfassend: Einstellen einer unterschiedlichen Stromgröße an einem zweiten vorbestimmten Punkt des Leistungswandlers, welcher stromaufwärts von dem ersten vorbestimmten Punkt ist, und Emittieren des Magnetfelds bei einer vorbestimmten gewünschten Leistungsstärke, die an dem physikalischen Abstand verwendbar bzw. nützlich ist, wodurch die Heizvorrichtung in einer Feedback- bzw. Rückkopplungs-Konfiguration betätigt bzw. betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die elektrische Schaltung (301) einen Leistungswandler bzw. -konverter (372), eine Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (380), eine Speicherschaltung und elektronische Interface-Komponenten beinhaltet; und wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung eine aus einer Bearbeitungs- bzw. Verarbeitungsschaltung oder einer Logikstatus-Maschine umfaßt, welche den Strom steuert bzw. regelt, wie er zu der ersten vorbestimmten Größe erhöht wird, wobei die Bearbeitungsschaltung oder Logikstatus-Maschine dann eine Adresse entsprechend dem numerischen Wert verwendet, um eine Nachschlagtabelle zu inspizieren, welche in der Speicherschaltung vorliegt, um einen Datenwert entsprechend der zweiten Spannungsgröße zu finden, und wodurch ein gewünschtes akkumuliertes Energieniveau (764) bestimmt wird; oder wobei die elektrische Schaltung den Leistungswandler (372), eine Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (380) und elektronische Interface-Komponenten beinhaltet; und wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung eine aus einer Bearbeitungs- bzw. Verarbeitungsschaltung oder einer Logikstatus-Maschine umfaßt, welche den Strom steuert bzw. regelt, wie er zu der ersten vorbestimmten Größe erhöht wird, wobei die Verarbeitungsschaltung oder Logikstatus-Maschine dann den numerischen Wert (764) basierend auf der zweiten Größe der Spannung berechnet; oder wobei die elektrische Schaltung eine Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (600) beinhaltet, welche eine Analogschaltung umfaßt, die den Strom steuert bzw. regelt, wie er auf die erste vorbestimmte Größe erhöht wird, wobei die Analogschaltung dann den numerischen Wert basierend auf der zweiten Größe der Spannung berechnet; oder wobei der numerische Wert einen aus einer Mehrzahl von vorbestimmten Bereichen von physikalischen Abständen repräsentiert, welche vorab bzw. vorher empirisch durch ein Messen der Stromgröße in bezug auf einen physikalischen Abstand zwischen der Induktionsspule und einem Susceptor bestimmt wurden; oder wobei der Leistungswandler einen Buck- bzw. Entgegenwirkungs-Konverter bzw. Abwärts-Konverter (514) umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der numerische Wert der Nachschlagtabelle mit einer gesamten akkumulierten Energiegrenze (774) in bezug gesetzt wird, welche mit einem akkumulierten bzw. angesammelten Energiewert (764) verglichen wird, wobei der Vergleich die Laufzeit (774, 776) der Heizvorrichtung bestimmt; oder weiterhin umfassend: ein automatisches Aussetzen eines Betriebs der Induktionsspule, wenn eine der folgenden Bedingungen eintritt: (a) ein vorbestimmtes Stromlimit wird erreicht (756, 760); (b) eine vorbestimmte Temperaturgrenze wird erreicht (726, 728); (c) die Stromgröße erreicht nicht die erste vorbestimmte Größe während ihrer Einstellstufe (740, 744); (d) die Stromgröße erreicht die vorbestimmte erste Größe zu schnell während ihrer Einstellstufe (750, 752); oder (e) eine vorbestimmte Energiegrenze bzw. Grenze einer vorbestimmten Energie wird erreicht (774, 776); oder weiterhin umfassend: nach bzw. bei dem automatischen Aussetzen des Betriebs der Induktionsspule aktiviert wenigstens einer eines sichtbaren Indikators (34) und eine Tätigkeit bzw. Betätigung einer fühlbaren Rückkopplung (26) aktiviert; wobei vorzugsweise die Tätigkeit einer fühlbaren Rückkopplung eine einer Motorvibration oder einer Solenoidbetätigung umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 5, wobei die elektrische Schaltung einen Leistungswandler bzw. -konverter beinhaltet, und wobei die Induktionsspule das Magnetfeld zu einem Susceptor errichtet, welcher einen elektrisch leitfähigen bzw. leitenden Abschnitt beinhaltet, der Wirbelströme aufgrund des magnetischen Felds produziert; wobei das Verfahren weiterhin gekennzeichnet ist durch die Schritte: wobei der numerische Wert im wesentlichen einem physikalischen Abstand zwischen der Induktionsspule und dem Susceptor entspricht; und basierend auf dem numerischen Wert, automatisches Einstellen bzw. Regeln (772) der Spannungsgröße und Stromgröße des Leistungswandlers um dadurch das Magnetfeld an einem Leistungsniveau zu emittieren, das ausreichend ist, um eine Temperatur des elektrisch leitfähigen Abschnitts des Susceptors (404) zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Leistungsniveau automatisch in wiederholenden Heiz- bzw. Feuerungszyklen gesteuert bzw. geregelt wird (772), um eine Geschwindigkeit bzw. Rate einer Energieverteilung bzw. -dissipation in dem Susceptor auf einem wesentlich konstanten Wert während eines Zeitintervalls (754) zu halten, bei welchem das Magnetfeld emittiert wird, selbst wenn sich der physikalische Abstand während des Zeitintervalls ändert; oder wobei das Leistungsniveau automatisch in entsprechenden Heiz- bzw. Feuerungszyklen gesteuert bzw. geregelt wird (772), um eine profilierte Geschwindigkeit bzw. Rate einer Energieverteilung in dem Susceptor während eines Zeitintervalls (754) abzugeben bzw. zu liefern, an welchem das Magnetfeld emittiert wird, während automatisch ein Variieren des physikalischen Abstands während des Zeitintervalls in Betracht gezogen wird; oder wobei sich der numerische Wert auf einen Grenzwert (774) einer gesamten akkumulierten Energie bezieht, welcher mit einem akkumulierten Energiewert (764) verglichen wird, wobei der Vergleich die Laufzeit (774, 776) der Heizvorrichtung bestimmt; oder wobei die erste und zweite elektrische Charakteristik des Leistungswandlers (372) eine Eingangs- bzw. Eingabespannung und einen Eingangs- bzw. Eingabestrom (382) an dem Leistungswandler umfaßt, wodurch die Heizvorrichtung in einer Feedforward-Konfiguration betätigt wird bzw. arbeitet; oder wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt des Susceptors (404) eine im wesentlichen dünne Schicht umfaßt, die eine Dicke (870) in dem Bereich von 0,25 Mikrometer bzw. Microns (0,01 mils) bis 76 Mikrometer (3,0 mils) aufweist, und die Betriebsfrequenz des Magnetfelds in dem Bereich von 1 kHz bis 10 MHz ist; oder wobei vorzugsweise der elektrisch leitfähige Abschnitt des Susceptors eine im wesentlichen dünne Schicht umfaßt, die eine Dicke (870) in dem Bereich von 1,3 Mikrometer (0,05 mils) bis 51 Mikrometer (2,0 mils) aufweist, oder wobei noch bevorzugter der elektrische leitfähige Abschnitt des Susceptors eine im wesentlichen dünne Schicht umfaßt, die eine Dicke (870) in dem Bereich von 2,5 Mikrometer (0,1 mils) bis 18 Mikrometer (0,7 mils) aufweist; oder wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt des Susceptors eines aus einem im wesentlichen großen Blatt oder einem im wesentlichen schmalen Streifen entweder einer festen bzw. durchgehenden Konstruktion (404) oder einer Konstruktion umfaßt, die Öffnungen (412) aufweist; oder wobei der Susceptor einer Leistungsdichte von bis zu 2 kW pro Quadratzoll Fläche während eines Heizzyklus widersteht, der durch das Magnetfeld des Heizwerkzeugs induziert wird; oder wobei das Heizwerkzeug ausreichend magnetische Energie an den Susceptor anlegt bzw. aufbringt, um eine Bindung in weniger als einer halben Sekunde zu erzeugen; oder weiterhin umfassend ein Bereitstellen einer ersten Struktur (852) und einer zweiten Struktur (S54), welche miteinander durch den Susceptor (860) zu bonden bzw. verbinden sind, wobei der Susceptor wenigstens zwei Oberflächen eines durch Temperatur betätigten Klebers (862, 864) enthält, und wenn die Temperatur des elektrisch leitfähigen Abschnitts des Susceptors ausreichend erhöht wird, der Kleber erweichen und gegen die ersten und zweiten Strukturen schmelzen wird; und nachdem das Erweichen oder Schmelzen des Klebers eintritt, signifikantes Reduzieren des Leistungsniveaus, um der Temperatur des elektrisch leitfähigen Abschnitts des Susceptors zu ermöglichen abzusinken bzw. abzunehmen, und dadurch dem Kleber zu ermöglichen sich zu verfestigen, wodurch eine Bindung zwischen den ersten und zweiten Strukturen ausgebildet wird; oder weiterhin umfassend: permanentes Bonden bzw. Verbinden des Susceptors an eine erste Struktur (852) und Bereitstellen einer zweiten Struktur (854), welche mit der ersten Struktur durch den Susceptor (860) zu verbinden ist, wobei der Susceptor wenigstens eine Oberfläche aus einem temperaturbetätigten Kleber (864) beinhaltet; Anheben der Temperatur des elektrisch leitfähigen Abschnitts des Susceptors um ein Ausmaß, das ausreicht, um den Kleber zu erweichen oder gegen die zweite Struktur zu schmelzen, und nachdem das Erweichen oder Schmelzen des Klebers eintritt, signifikantes Reduzieren des Leistungsniveaus, um der Temperatur des elektrisch leitfähigen Abschnitts des Susceptors zu ermöglichen abzusinken, und dadurch dem Kleber zu ermöglichen zu verfestigen, wodurch eine Bindung bzw. Verbindung zwischen dem Susceptor und der zweiten Struktur ausgebildet wird; oder weiterhin umfassend: automatisches Anzeigen an einen Benutzer/Betätiger, wenn ein Susceptor "gefunden wurde", basierend auf einer Bestimmung, daß der physikalische Abstand innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt, wobei die automatische Anzeige eine aus einer sichtbaren (34) oder fühlbaren (26) Anzeige ist.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die profilierte Rate ein anfängliches erhöhtes Leistungsniveau in Zuständen niedriger Umgebungstemperatur umfaßt; oder wobei die Bindung entweder eine mechanische Bindung oder eine chemische Bindung ist; oder wobei der Kleber (862, 864) entweder ein thermoplastischer Kleber oder ein thermohärtender Kleber ist; oder worin die Heizvorrichtung (10) verwendet wird, um sequentiell eine Mehrzahl von Verbindungen bzw. Bindungen zwischen dem Susceptor (860) und wenigstens einer Oberfläche eines Substratblattmaterials (852, 854) auszubilden; oder wobei die Heizvorrichtung (10) verwendet wird, um sequentiell eine Mehrzahl von Bindungen in einem "Bügel"-Modus (796) einer Betätigung bzw. eines Betriebs zwischen dem Susceptor (860) und wenigstens einer Oberfläche oder einer Kante eines Substrats (852, 854) zu erzeugen; oder weiterhin umfassend: umgekehrtes Anordnen bzw. Zusammenbauen der Bindung (864) zwischen den ersten und zweiten Strukturen (852, 854), indem das Magnetfeld zu dem Susceptor (860) gerichtet wird, welcher vorab an die erste und zweite Struktur gebunden wurde, bis ein ausreichender Temperaturanstieg aufgetreten ist, um den Kleber (864) neuerlich zu schmelzen oder neuerlich zu erweichen, dann Lösen der ersten und zweiten Struktur; oder weiterhin umfassend: umkehrtes Assemblieren bzw. Zusammenbauen der Bindung (864) zwischen dem Susceptor (860) und der zweiten Struktur (854), indem das Magnetfeld zu dem Susceptor gerichtet wird, welcher vorab an beide oder ersten und zweiten Struktur gebunden wurde, bis ein ausreichender Temperaturanstieg aufgetreten ist, um den Kleber (864) neuerlich zu schmelzen oder neuerlich zu erweichen, dann Lösen des Susceptors (860) und der zweiten Struktur (854).
Heizvorrichtung (10), beinhaltend: eine elektronische Schaltung bzw. einen elektronischen Schaltkreis (301) beinhaltend eine Leistungswandlerstufe (372); und einen Heizer bzw. Susceptor (390, 800), welcher um einen Abstand von der Induktionsspule beabstandet ist, wobei der Susceptor einen elektrisch leitfähigen bzw. leitenden Abschnitt (802, 860) aufweist, der bekannte Eigenschaften aufweist, beinhaltend physikalische Abmessungen und einen bekannten Widerstand; eine Induktionsspule (376); dadurch gekennzeichnet, daß: die elektronische Schaltung konfiguriert ist, um: eine Spannungsgröße der elektronischen Schaltung auf eine vorbestimmte erste Größe (734) einzustellen, welche das Magnetfeld generiert und einen Wirbelstrom in dem elektrisch leitfähigen Abschnitt des Susceptors induziert, wobei der Wirbelstrom eine Größe aufweist, abhängig von: (a) einer Dicke des elektrisch leitfähigen Abschnitts, (b) dem bekannten Widerstand, und (c) einer Stärke des Magnetfelds an dem Susceptor, so daß ein Rück-EMF in der Induktionsspule mittels des induzierten Wirbelstroms produziert ist bzw. wird, wobei das Rück-EMF elektrische Parameter des elektrischen Schaltkreises beeinflußt bzw. beeinträchtigt; während die Spannungsgröße im wesentlichen auf der ersten vorbestimmten Größe aufrechterhalten ist, eine zweite Größe (762) eines Stroms des elektrischen Schaltkreises zu messen, wobei die zweite Größe durch eine Kombination einer Impedanz der Induktionsspule, der ersten Größe der Spannung und dem Rück-EMF beeinflußt ist; einen numerischen Wert (764) basierend auf der zweiten Größe des Stroms und den bekannten Eigenschaften des leitfähigen Abschnitts des Susceptors zu bestimmen, wobei der numerische Wert für den physikalischen Abstand zwischen Induktionsspule und dem Susceptor hinweisend ist; und basierend im wesentlichen auf dem numerischen Wert und bekannten Eigenschaften des Leiterabschnitts des Heizers, die Spannungsgröße automatisch einzustellen (772), um das Magnetfeld mit bzw. bei einer vorbestimmten gewünschten Stärke für wenigstens einen Teil eines Heizereignisses zu emittieren.
Heizvorrichtung (10), beinhaltend: einen elektronischen Schaltkreis (301), beinhaltend eine Leistungswandlerstufe (372); und einen Heizer bzw. Susceptor (390, 800), welcher um einen Abstand von der Induktionsspule beabstandet ist, wobei der Susceptor einen elektrisch leitfähigen bzw. leitenden Abschnitt (802, 860) aufweist, der bekannte Eigenschaften aufweist, beinhaltend bekannte physikalische Abmessungen und einen bekannten Widerstand; eine Induktionsspule (376); dadurch gekennzeichnet, daß: die elektronische Schaltung konfiguriert ist, um: eine Stromgröße der elektronischen Schaltung auf eine vorbestimmte erste Größe (734) einzustellen, welche das Magnetfeld generiert und einen Wirbelstrom in dem elektrisch leitfähigen Abschnitt des Susceptors induziert, wobei der Wirbelstrom eine Größe aufweist, abhängig von: (a) einer Dicke des elektrisch leitfähigen Abschnitts, (b) dem bekannten Widerstand, und (c) einer Stärke des Magnetfelds an dem Susceptor, so daß ein Rück-EMF in der Induktionsspule mittels des induzierten Wirbelstroms erzeugt wird bzw. ist, wobei das Rück-EMF elektrische Parameter der elektrischen Schaltung beeinflußt; während die Stromgröße im wesentlichen auf der vorbestimmten ersten Größe beibehalten ist, eine zweite Größe (762) einer Spannung der elektrischen Schaltung zu messen, wobei die zweite Größe durch eine Kombination einer Impedanz der Induktionsspule, der ersten Größe des Stroms und dem Rück-EMF beeinflußt ist; einen numerischen Wert (764) basierend auf der zweiten Größe der Spannung und den bekannten Eigenschaften des leitfähigen Abschnitts des Susceptors zu bestimmen, wobei der numerische Wert für den physikalischen Abstand zwischen der Induktionsspule und dem Susceptor hinweisend ist, und basierend im wesentlichen auf dem numerischen Wert und den bekannten Eigenschaften des Leiterabschnitts des Susceptors, die Stromgröße automatisch einzustellen (772), um das Magnetfeld mit bzw. bei einer vorbestimmten gewünschten Stärke für wenigstens einen Abschnitt eines Heizereignisses zu emittieren.
Heizvorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei die elektronische Schaltung (301) umfaßt: eine Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (380), eine Speicherschaltung, eine Speicherschaltung einer Schnittstellen- bzw. Interface-Schaltung, und die Leistungswandlerstufe (372); wobei die Leistungswandlerschaltung einen Strom zu der Induktionsspule und der Steuerung bzw. Regelung der Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung zur Verfügung stellt, die Interface-Schaltung die Stromgröße und die Spannungsgröße der Leistungswandlerstufe bestimmt, die Speicherschaltung Daten speichert, und die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung eine aus einer Logikstatus-Maschine oder einer sequentiellen Ver- bzw. Bearbeitungsschaltung umfaßt; oder wobei der numerische Wert auf ein gesamtes akkumuliertes Energielimit (774) bzw. eine Grenze einer gesamten akkumulierten Energie bezogen ist, welches) mit einem akkumulierten Energiewert (764) bzw. Wert einer akkumulierten Energie verglichen ist, wobei der Vergleich die Laufzeit (774, 776) der Heizvorrichtung bestimmt; oder wobei ein Leistungsniveau des Magnetfelds ausreichend ist, um Wirbelströme in einem elektrisch leitfähigen Abschnitt eines Susceptors (404) zu induzieren, welcher von der Induktionsspule beabstandet ist, wodurch eine Temperatur des Susceptors erhöht wird; oder wobei die Induktionsspule (52) von der Heizvorrichtung (10) lösbar und an dieser festlegbar ist und wobei eine Mehrzahl von unterschiedlichen Arten von Induktionsspulen mit der elektronischen Schaltung entweder alleine oder in einer Kopf-Subanordnung verwendbar ist, welche eine Mehrzahl von Induktionsspulen umfaßt, wodurch die Heizvorrichtung ein Einsteck-und-Spiel- bzw. Plug-and-Play-Werkzeug wird.
Heizvorrichtung nach Anspruch 14, wenn er von Anspruch 12 abhängig ist, wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (380) eine Adresse entsprechend dem numerischen Wert verwendet, um eine Nachschlagtabelle zu inspizieren, welche in der Speicherschaltung vorliegt, um einen Datenwert entsprechend der zweiten Größe des Stroms zu finden, um das gewünschte akkumulierte Energieniveau (774) zu bestimmen; oder wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (380) die Spannung steuert bzw. regelt, wie sie auf die erste vorbestimmte Größe (734) angehoben ist, wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung dann den numerischen Wert basierend auf der zweiten Größe (762) des Stroms berechnet; oder wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (600) eine Analogschaltung umfaßt, welche die Spannungsgröße auf die erste vorbestimmte Größe einstellt, wobei die Analogschaltung dann den numerischen Wert basierend auf der zweiten Größe des Stroms berechnet; oder wobei der numerische Wert einen aus einer Mehrzahl von vorbestimmten Bereichen von physikalischen Abständen darstellt bzw. repräsentiert, welche vorab empirisch durch ein Messen der Spannungsgröße in bezug auf einen physikalischen Abstand zwischen der Induktionsspule und einen Susceptor bestimmt wurde; oder wobei der Leistungswandler einen Buck- bzw. Entgegenwirkungs-Konverter bzw. einen Abwärtskonverter (514) umfaßt; oder wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung automatisch eine Tätigkeit bzw. einen Betrieb der Induktionsspule aussetzt, wenn eine der folgenden Bedingungen eintritt: (a) ein vorbestimmtes Stromlimit bzw. ein vorbestimmter Stromgrenzwert ist erreicht (756, 760); (b) ein vorbestimmter Temperaturgrenzwert ist erreicht (726, 728); (c) die eine der Spannungsgröße erreicht nicht die vorbestimmte Größe während einer ansteigenden bzw. Erhöhungsstufe (740, 744); (d) die eine der Spannungsgröße erreicht die vorbestimmte Größe zu schnell während der Erhöhungsstufe (750, 752); oder (e) ein vorbestimmtes Energielimit ist erreicht (774, 776); oder weiterhin umfassend: nach bzw. bei dem automatischen Aussetzen des Betriebs der Induktionsspule aktiviert wenigstens einer eines sichtbaren Indikators (34) und aktiviert eine Tätigkeit einer fühlbaren Rückkopplung (26), wobei vorzugsweise die Tätigkeit bzw. der Vorgang einer fühlbaren Rückkopplung eine aus einer Motorvibration oder einer Solenoidbetätigung umfaßt; oder wobei noch bevorzugter der numerische Wert im wesentlichen äquivalent einem physikalischen Abstand ist, um welchen der Susceptor von der Induktionsspule beabstandet ist; und am meisten bevorzugt: wobei das Leistungsniveau automatisch in wiederholenden Heiz- bzw. Feuerungszyklen gesteuert bzw. geregelt ist (772), um eine Rate bzw. Geschwindigkeit einer Energieverteilung bzw. -dissipation in dem Susceptor auf einem im wesentlichen konstanten Wert während eines Zeitintervalls (754) zu halten, bei welchem das Magnetfeld emittiert ist bzw. wird, selbst wenn sich der physikalische Abstand während des Zeitintervalls ändert; oder wobei das Leistungsniveau automatisch in wiederholten Heiz- bzw. Feuerungszyklen gesteuert bzw. geregelt ist (772), um eine profilierte Geschwindigkeit bzw. Rate einer Energieverteilung in dem Susceptor während eines Zeitintervalls (754) zu liefern bzw. abzugeben, bei welchem das Magnetfeld emittiert wird, während automatisch ein Variieren des physikalischen Abstands während des Zeitintervalls in Betracht gezogen ist; oder wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt des Susceptors (404) eine im wesentlichen dünne Schicht umfaßt, die eine Dicke (870) im Bereich von 0,25 Mikrometer bzw. Microns (0,01 mils) bis 76 Mikrometer (3,0 mils) aufweist, und die Betriebs- bzw. Betätigungsfrequenz des Magnetfelds in dem Bereich von 1 kHz bis 10 MHz ist, oder vorzugsweise wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt des Heizers eine im wesentlichen dünne Schicht umfaßt die eine Dicke (870) in dem Bereich von 1,3 Mikrometer (0,05 mils) bis 51 Mikrometer (2,0 mils) aufweist; oder noch bevorzugter; wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt des Susceptors eine im wesentlichen dünne Schicht aufweist, die eine Dicke (870) in dem Bereich von 2,5 Mikrometer (0,1 mils) bis 18 Mikrometer (0,7 mils) aufweist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 14, wenn abhängig von Anspruch 13, wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (380) eine Adresse entsprechend dem numerischen Wert verwendet, um eine Nachschlagtabelle zu inspizieren, die in der Speicherschaltung vorliegt, um einen Datenwert entsprechend der zweiten Größe der Spannung zu finden, um ein gewünschtes akkumuliertes Energieniveau (774) zu bestimmen; oder wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (380) den Strom steuert bzw. regelt, wie er auf die erste vorbestimmte Größe (734) erhöht ist, wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung dann den numerischen Wert basierend auf der zweiten Größe (762) der Spannung berechnet; oder wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung (600) eine Analogschaltung umfaßt, welche die Stromgröße auf die erste vorbestimmte Größe einstellt, wobei die Analogschaltung dann den numerischen Wert basierend auf der zweiten Größe der Spannung berechnet; oder wobei der numerische Wert einen aus einer Mehrzahl von vorbestimmten Bereichen von physikalischen Abständen repräsentiert, welche zuvor empirisch durch ein Messen der Stromgröße in bezug auf einen physikalischen Abstand zwischen der Induktionsspule und einem Susceptor bestimmt wurden; oder wobei der Leistungswandler einen Buck- bzw. Entgegenwirkungs-Konverter bzw. Abwärtswandler (514) umfaßt; oder wobei die Logik-Steuer- bzw. -Regelschaltung automatisch eine Tätigkeit bzw. einen Betrieb der Induktionsspule aussetzt, wenn eine aus den folgenden Bedingungen auftritt: (a) ein vorbestimmter Stromgrenzwert ist erreicht (756, 760); (b) ein vorbestimmter Temperaturgrenzwert ist erreicht (726, 728); (c) die eine der Spannungsgröße erreicht nicht die erste vorbestimmte Größe während einer ansteigenden bzw. Erhöhungsstufe (740, 744); (d) die eine der Spannungsgröße erreicht die erste vorbestimmte Größe zu schnell während der Erhöhungsstufe (750, 752); oder (e) ein vorbestimmter Energiegrenzwert ist erreicht (774, 776); oder weiterhin umfassend: nach dem automatischen Aussetzen der Tätigkeit der Induktionsspule, aktiviert wenigstens einer eines sichtbaren Indikators (34) und aktiviert eine Tätigkeit einer fühlbaren Rückkopplungs-Betätigung (26), wobei vorzugsweise die Tätigkeit einer fühlbaren Rückkopplung-Betätigung eine aus einer Motorvibration oder einer Solenoidbetätigung umfaßt; oder wobei noch bevorzugter der numerische Wert im wesentlichen äquivalent einem physikalischen Abstand ist, um welchen der Susceptors von der Induktionsspule beabstandet ist; und am meisten bevorzugt: wobei das Leistungsniveau automatisch in wiederholten Feuerungszyklen gesteuert bzw. geregelt ist (772), um eine Geschwindigkeit bzw. Rate einer Energieverteilung bzw. -dissipation in dem Susceptor auf einem im wesentlichen konstanten Wert während eines Zeitintervalls (754) zu halten, bei welchem das Magnetfeld emittiert wird, selbst wenn sich der physikalische Abstand während des Zeitintervalls verändert; oder wobei das Leistungsniveau automatisch in wiederholten Feuerungszyklen gesteuert bzw. geregelt ist (772), um eine profilierte Geschwindigkeit bzw. Rate einer Energieverteilung in dem Susceptor während eines Zeitintervalls (754) zu liefern, bei welchem das Magnetfeld emittiert ist bzw. wird, während automatisch ein Variieren eines physikalischen Abstands während des Zeitintervalls in Betracht gezogen bzw. berücksichtigt ist; oder wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt des Susceptors (404) eine im wesentlichen dünne Schicht umfaßt, die eine Dicke (870) in dem Bereich von 0,25 Mikrometer (0,01 mils) bis 76 Mikrometer (3,0 mils) aufweist, und die Betriebsfrequenz des Magnetfelds im Bereich von 1 kHz bis 10 MHz liegt, oder vorzugsweise: wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt des Susceptors eine im wesentlichen dünne Schicht umfaßt, die eine Dicke von (870) in dem Bereich von 1,3 Mikrometer (0,05 mils) bis 51 Mikrometer (2,0 mils) aufweist; oder noch bevorzugter; wobei der elektrisch leitfähige Abschnitt des Susceptors eine im wesentlichen dünne Schicht umfaßt, die eine Dicke (870) in dem Bereich von 2,5 Mikrometer (0,1 mils) bis 18 Mikrometer (0,7 mils) aufweist.