EP0495780B1 - Spulenkörper für die induktive beheizung von walzen - Google Patents

Spulenkörper für die induktive beheizung von walzen Download PDF

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EP0495780B1
EP0495780B1 EP90910553A EP90910553A EP0495780B1 EP 0495780 B1 EP0495780 B1 EP 0495780B1 EP 90910553 A EP90910553 A EP 90910553A EP 90910553 A EP90910553 A EP 90910553A EP 0495780 B1 EP0495780 B1 EP 0495780B1
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EP
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front surface
coil
roller
chamber
coil former
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English (en)
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Bernhard Brendel
Werner Borkenhagen
Bernhard Funger
Stefan Krebs
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Eduard Kuesters Maschinenfabrik GmbH and Co KG
Original Assignee
Eduard Kuesters Maschinenfabrik GmbH and Co KG
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/14—Tools, e.g. nozzles, rollers, calenders
    • H05B6/145—Heated rollers
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02—Induction heating
    • H05B6/36—Coil arrangements
    • H05B6/42—Cooling of coils

Definitions

  • the invention relates to a coil former of the type corresponding to the preamble of claim 1.
  • Such a coil former is known from EP-A2-00 59 421.
  • the inductive heating of rollers serves to increase the temperature of the roller surface in order to be able to carry out the pressure treatment of the web material treated by the roller at a higher temperature, for example to be able to calender a paper web at a higher temperature.
  • a large number of bobbins of the type in question are arranged side by side along the roller surface, which raise the temperature level as a whole, but can also be controlled separately in order to set a specific temperature profile, be it because of the paper web requires a temperature increase at a certain point, be it to increase the roller diameter and thus the line pressure at the relevant point by means of a local temperature increase.
  • the coil formers are only shown schematically in EP-A2-00 59 421. In practice, they consist of a plastic block, the front of which is geometrically adapted to the circumference of the roller, ie is partially cylindrical. Tight Below the partially cylindrical front surface, the actual coil is embedded in the plastic block, which consists of a strand with many individual wires, which has an approximately rectangular cross section. The strand is wound into a spiral, the cross section standing upright. The spiral extends in a partially cylindrical area in the plastic block. It faces the roller surface without contact at a short distance.
  • This coil is loaded at a medium frequency, for example in the range from 15 to 18 kHz. Because of this relatively high frequency, the coil wire must be configured as a strand with individual enamel-insulated wires. The coil is connected to an oscillating circuit, the voltage of which is approximately 800 volts.
  • the invention has for its object to make a generic bobbin suitable for higher working temperatures.
  • the radius of the partially cylindrical concave front surface of the plastic carrier is adapted to the circumference of the roll and is intended for attachment close to the circumference of the roll.
  • the cooling chamber has the effect that the temperature of the front surface of the plastic carrier can be kept so low that no destruction takes place and the higher temperatures on the roller surface are endured for long periods of time. Trials have shown that it has worked properly for forty-two hours.
  • the fluid cooling medium not only has the function of dissipating heat from the area of the front surface of the plastic carrier, but at the same time keeps the radiation emanating from the roller surface away from this front surface.
  • the heat output to be dissipated is about 100 watts for a commercially available coil body of normal size, which can be achieved by means of a fluid cooling medium even without large throughput.
  • Cooling per se is known in connection with induction coils.
  • DE-C2-34 38 375 shows that an inductive conductor for heating a roller surface has cooling water flowing through it.
  • the known embodiment is only a conductor loop made of a solid copper tube.
  • the invention relates to a higher power concentration, which requires higher frequencies and higher numbers of turns and in which a direct flow through the individual conductor is no longer possible.
  • a so-called godet is written in US-A-40 05 302, i.e. a rotating heated small drum for stretching yarns, which is heated inductively from the inside.
  • a cylindrical cooling chamber through which a cooling medium can flow is formed radially outside the coil surrounding the bearing journal.
  • cooling chamber can be designed according to claim 2.
  • the boundary surface of the cover facing the roller circumference is designed to be highly heat reflecting (claim 3).
  • the heat flow radiated by the roller only partially absorbed by the cooling element.
  • the reflection of the cooling element can not be increased by metallization or by attaching metallic mirror elements, because these are subject to the induction effect and would also be heated. Rather, it is necessary to achieve the highest possible reflectivity, ie the highest possible ratio of the incident to the reflected amount of radiation, by increasing the degree of whiteness and gloss.
  • the coil body designated 100 as a whole in Fig. 1 comprises a plastic carrier 1 in the form of a cuboid block with a partially cylindrical front surface 2 which is adapted to the outer circumference 3 of a rotating roller 4, i.e. is coaxial.
  • the revolving roller 4 is shown as a hollow roller made of steel, which is traversed lengthways by a crosshead, not shown, and which is supported by hydraulic support devices from the inside on the non-rotatable crosshead.
  • an induction coil 5 which is shown only in its outline in FIG. 1, the axis of which is perpendicular to the roller surface and which runs spirally in a partially cylindrical region 6 that is coaxial with the front surface 2 and the roller circumference 3.
  • the coil wire 7 is formed by a strand 8 with a large number of individual wires 9 which are insulated from one another.
  • the cross section of the coil wire 7 is rectangular, the length of the rectangle being a multiple of the width.
  • Fig. 3 stands the coil wire is upright, ie with the longer cross-sectional rectangular sides perpendicular to the circumference of the roller 3.
  • the "plan" of the coil 5 can be seen in FIG. 2 and is indicated by the course of the center line 10 of the coil wire 7.
  • the coil wire 7 runs with its center line 10 from the supply line 11 along a rectangular (adapted to the cross section of the plastic carrier 1) spiral path from the supply line 11 to the return line 12 and thus forms a spiral coil with six turns in the exemplary embodiment.
  • the coil 5 is cast into the material of the plastic carrier 1.
  • the front surface 2 of the plastic carrier 1 faces the roller circumference 3 at a short distance.
  • the area of the plastic carrier 1 located in the vicinity of the front surface 2 experiences considerable temperature stress, which also leads to destruction there because of the different materials of the coil 5 and the plastic carrier 1, when particularly high powers are required.
  • a flat cooling element designated as a whole with 20 and completely covering the front surface 2, which is designed as a cooling chamber 13 through which cooling water 14 flows.
  • the cooling chamber 13 is delimited by a web 15 which surrounds the front surface 2 and on which a cover 16 in the form of a thin plastic sheet, for example 1 mm thick, is tightly applied, so that the cooling chamber 13 is closed except for the inlet 17 and the outlet 18 .
  • the circumferential web 15 has a constant height of, for example, 3 mm
  • the cover 16 itself assumes a shape adapted to the roller circumference 3 and is opposite the roller circumference 3 in operation with the smallest possible distance.
  • the height of the chamber 13 should be as low as possible be so that the coil 5 can be moved as close as possible to the roller circumference 3 despite the presence of the cooling element 20, which accommodates the efficiency of the inductive heating by the coil 5.
  • the surface of the sheet-shaped cover 16 of the cooling chamber 13 facing the roller periphery 3 is white and glossy in order to reflect as large a portion of the heat radiated from the roller periphery 3 as possible.

Abstract

Eine induktive Spule (5) zur Beheizung einer umlaufenden Walze (4) ist in einen Kunststoff-Träger (1) eingebettet. Zur Kühlung des Kunststoff-Trägers (1) im Bereich der Spule (5) ist auf der dem Walzenumfang (3) zugewandten Vorderfläche (2) des Kunststoff-Trägers (1) ein Kühlelement (20) in Gestalt einer von einem fluiden Kühlmedium durchströmbaren flachen Kühlkammer (13) vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Spulenkörper der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechenden Art.
  • Ein solcher Spulenkörper ist aus der EP-A2-00 59 421 bekannt. Die induktive Beheizung von Walzen dient dazu, die Temperatur der Walzenoberfläche zu erhöhen, um die Druckbehandlung des von der Walze behandelten Bahnmaterials bei höherer Temperatur durchführen zu können, beispielsweise eine Papierbahn bei höherer Temperatur kalandrieren zu können. Es sind zu diesem Zweck längs der Walzenoberfläche dicht nebeneinander eine ganze Anzahl von Spulenkörpern der in Rede stehenden Art Seite an Seite angeordnet, die das Temperaturniveau insgesamt anheben, aber auch separat angesteuert werden können, um ein bestimmtes Temperaturprofil einzustellen, sei es, weil die Papierbahn an einer bestimmten Stelle eine Temperaturerhöhung verlangt, sei es, um durch eine lokale Temperaturerhöhung den Walzendurchmesser und damit den Liniendruck an der betreffenden Stelle zu erhöhen.
  • Die Spulenkörper sind in der EP-A2-00 59 421 nur schematisch dargestellt. Sie bestehen in der Praxis aus einem Kunststoffblock, dessen Vorderseite dem Umfang der Walze geometrisch angepaßt, d.h. teilzylindrisch ist. Dicht unterhalb der teilzylindrischen Vorderfläche ist in den Kunststoffblock die eigentliche Spule eingebettet, die aus einer Litze mit vielen Einzeldrähten besteht, die einen etwa rechteckigen Querschnitt hat. Die Litze ist zu einer Spirale gewickelt, wobei der Querschnitt hochkant steht. Die Spirale erstreckt sich in einem teilzylindrischen Bereich in dem Kunststoffblock. Sie steht der Walzenoberfläche berührungsfrei mit geringem Abstand gegenüber.
  • Die Beschickung dieser Spule erfolgt mit Mittelfrequenz beispielsweise im Bereich von 15 bis 18 kHz. Wegen dieser relativ hohen Frequenz ist die Ausbildung des Spulendrahts als Litze mit einzelnen lackisolierten Drähten erforderlich. Die Spule ist an einen Schwingkreis angeschlossen, dessen Spannung etwa 800 Volt beträgt.
  • Mit Spulen dieser Art wurden bisher Temperaturen an der Oberfläche der meist aus Stahl bestehenden Walzen im Bereich von etwa 160° C gefahren. Die Bestrebungen gehen neuerdings aber dahin, die Temperatur an der Oberfläche der Walze auf etwa 250° C zu erhöhen.
  • Um solche Temperaturen zu erzeugen, bedarf es natürlich einer Erhöhung der Leistung der Induktionsspule. Die in den Kunststoffkörper eingebetteten Spulendrähte erfahren dabei eine starke Temperaturerhöhung, und zwar einerseits durch induktive Effekte, andererseits aber durch Reflexion von der relativ heißen Walzenoberfläche. Es hat sich gezeigt, daß die herkömmlichen Spulenkörper der geschilderten Art der angestrebten Leistungssteigerung nicht standhalten und die Vorderfläche des Kunststoffkörpers nach einiger Betriebsdauer abplatzt. In vielen Fällen war nach sechs Stunden ein solcher Spulenkörper unbrauchbar.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Spulenkörper für höhere Arbeitstemperaturen geeignet zu machen.
  • Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 wiedergegebene Erfindung gelöst.
  • Die teilzyindrische konkave Vorderfläche des Kunststoffträgers ist in ihrem Radius dem Walzenumfang angepaßt und zur Anbringung dicht vor dem Walzenumfang bestimmt. Die Kühlkammer bewirkt dabei, daß die Vorderfläche des Kunststoff-Trägers in ihrer Temperatur so niedrig gehalten werden kann, daß keine Zerstörung stattfindet und die höheren Temperaturen an der Walzenoberfläche über lange Zeiträume ertragen werden. Versuche haben einen einwandfreien Betrieb über zweiundvierzig Stunden ergeben. Das fluide Kühlmedium hat nicht nur die Funktion, Wärme aus dem Bereich der Vorderfläche des Kusntstoff-Trägers abzuführen, sondern hält gleichzeitig die von der Walzenoberfläche ausgehende Strahlung von dieser Vorderfläche ab. Die abzuführende Wärmeleistung beträgt bei einem handelsüblichen Spulenkörper normaler Größe etwa 100 Watt, was durch ein fluides Kühlmedium auch ohne großen Durchsatz bewerkstelligt werden kann.
  • Kühlung an sich ist im Zusammenhang mit Induktionsspulen bekannt. Aus der DE-C2-34 38 375 geht hervor, einen induktiven Leiter zur Beheizung einer Walzenoberfläche von Kühlwasser durchströmen zu lassen. Es handelt sich bei der bekannten Ausführungsform jedoch nur um eine Leiterschleife aus einem massiven Kupferrohr. Bei der Erfindung geht es jedoch um eine höhere Leistungskonzentration, die höhere Frequenzen und höhere Windungszahlen erforderlich macht und bei der eine direkte Durchströmung des einzelnen Leiters nicht mehr realisierbar ist.
  • In der US-A-40 05 302 ist eine sogenannte Galette schrieben, d.h. eine umlaufende beheizte kleine Trommel zur Streckung von Garnen, die von innen induktiv beheizt ist. Radial außerhalb der den Lagerzapfen umgebenden Spule ist innerhalb der Trommel eine zylindrische, von einem Kühlmedium durchströmbare Kühlkammer gebildet.
  • Im einzelnen kann die Kühlkammer gemäß Anspruch 2 ausgebildet sein.
  • Eine wichtige Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, daß die dem Walzenumfang zugewandte Begrenzungsfläche der Abdeckung stark wärmereflektierend auszubilden (Anspruch 3). Auf diese Weise wird der von der Walze abgestrahlte Wärmestrom nur teilweise von dem Kühlelement absorbiert. Die Reflexionserhöhung des Kühlelements kann nicht durch Metallisierung oder Anbringung metallischer Spiegelelemente geschehen, weil diese der Induktionswirkung unterliegen und mitaufgeheizt würden. Es ist vielmehr erforderlich, durch Erhöhung des Weißgrades und des Glanzes ein möglichst hohes Reflexionsvermögen, d.h. ein möglichst hohes Verhältnis der einfallenden zur reflektierten Strahlungsmenge herbeizuführen.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
    • Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines an einer Walzenoberfläche angeordneten Spulenkörpers, teilweise im Schnitt;
    • Fig. 2 zeigt eine Ansicht gemäß Fig. 1 von links nach der Linie II-II in Fig. 1;
    • Fig. 3 zeigt einen Teilquerschnitt nach der Linie III-III in Fig. 2.
  • Der in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Spulenkörper umfaßt einen Kunststoff-Träger 1 in Gestalt eines quaderförmigen Blocks mit einer teilzylindrischen Vorderfläche 2, die dem Außenumfang 3 einer umlaufenden Walze 4 angepaßt, d.h. koaxial ausgebildet ist. Die umlaufende Walze 4 ist als Hohlwalze aus Stahl dargestellt, die von einem nicht wiedergegebenen Querhaupt der Länge nach durchgriffen und mittels hydraulischer Stützeinrichtungen von innen an dem undrehbaren Querhaupt abgestützt ist.
  • Dicht unterhalb der Vorderfläche 2 ist eine in Fig. 1 nur in ihren Umrissen dargestellte Induktionsspule 5 vorgesehen, deren Achse senkrecht auf der Walzenoberfläche steht und die spiralig in einem teilzylindrischen, zur Vorderfläche 2 bzw. zum Walzenumfang 3 koaxialen Bereich 6 verläuft. Der Spulendraht 7 ist durch eine Litze 8 mit sehr vielen gegeneinander lackisolierten Einzeldrähten 9 gebildet. Der Querschnitt des Spulendrahtes 7 ist rechteckig, wobei die Länge des Rechtecks aus einem Mehrfachen der Breite besteht. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, steht der Spulendraht hochkant, d.h. mit den längeren Querschnitts-Rechteckseiten senkrecht zum Walzenumfang 3.
  • Der "Grundriß" der Spule 5 ist aus Fig. 2 ersichtlich und durch den Verlauf der Mittellinie 10 des Spulendrahtes 7 angedeutet. Der Spulendraht 7 verläuft mit seiner Mittellinie 10 von der Zuleitung 11 entlang eines rechteckig (dem Querschnitt des Kunststoff-Trägers 1 angepaßten) -spiraligen Weges von der Zuleitung 11 bis zur Rückleitung 12 und bildet somit in dem Ausführungsbeispiel eine spiralige Spule mit sechs Windungen.
  • Die Spule 5 ist in das Material des Kunststoff-Trägers 1 eingegossen. Die Vorderfläche 2 des Kunststoff-Trägers 1 steht dem Walzenumfang 3 mit geringem Abstand gegenüber. Der in der Nähe der Vorderfläche 2 gelegene Bereich des Kunststoff-Trägers 1 erfährt eine erhebliche Temperaturbeanspruchung, die auch wegen der unterschiedlichen Materialien der Spule 5 und des Kunststoff-Trägers 1 dort zu Zerstörungen führt, wenn besonders hohe Leistungen gefragt sind.
  • Aus diesem Grund ist vor der Vorderfläche 2 ein als Ganzes mit 20 bezeichnetes flächiges, die Vorderfläche 2 ganz überdeckendes Kühlelement vorgesehen, welches als Kühlkammer 13 ausgebildet ist, die von Kühlwasser 14 durchströmt wird. Die Kühlkammer 13 wird durch einen die Vorderfläche 2 geschlossen umrandenden Steg 15 begrenzt, auf den eine Abdeckung 16 in Gestalt eines dünnen Kunststoffblattes von beispielsweise 1 mm Stärke dicht aufgebracht ist, so daß die Kühlkammer 13 bis auf den Zulauf 17 und den Ablauf 18 geschlossen ist. Da der umlaufende Steg 15 ringsum eine gleichbleibende Höhe von beispielsweise 3 mm aufweist, nimmt die Abdeckung 16 von selbst eine dem Walzenumfang 3 angepaßte Gestalt an und steht dem Walzenumfang 3 im Betrieb mit möglichst geringem Abstand gegenüber. Die Höhe der Kammer 13 sollte möglichst gering sein, damit die Spule 5 trotz des Vorhandenseins des Kühlelements 20 möglichst dicht an den Walzenumfang 3 herangerückt werden kann, was dem Wirkungsgrad der induktiven Beheizung durch die Spule 5 entgegenkommt.
  • Die dem Walzenumfang 3 zugewandte Oberfläche der blattförmigen Abdeckung 16 der Kühlkammer 13 ist weiß und glänzend ausgeführt, um einen möglichst großen Anteil der von dem Walzenumfang 3 abgestrahlten Wärme zu reflektieren.

Claims (3)

  1. Spulenkörper (100) einer induktiven Heizeinrichtung der Oberfläche einer umlaufenden Walze (4) aus elektrisch leitendem Material zur Druck- und Temperaturbehandlung von Bahnen aus Papier und dergleichen,
       mit einem Kunststoff-Träger (1), der eine teilzylindrische, im Radius dem Walzenumfang angepaßte und zur Anbringung dicht vor dem Walzenumfang bestimmte konkave Vorderfläche (2) aufweist,
       und mit einer dicht hinter der Vorderfläche in den Kunststoff-Träger (1) eingebetteten Spule (5),
       dadurch gekennzeichnet,
       daß vor der Vorderfläche (2) eine in radialer Richtung nur eine geringe Erstreckung aufweisende flache, die Vorderfläche (2) überdeckende, mit der Vorderfläche (2) in flächiger wärmeleitender Verbindung stehende,Anschlüsse (17,18) für ein fluides Kühlmedium (14) aufweisende und von diesem durchströmbare Kühlkammer (13) vorgesehen ist.
  2. Spulenkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkammer (13) ringsum von einem geschlossenen Steg (15) gleichbleibender Höhe umrandet und von einer mit dem Steg (15) dicht verbundenen dünnwandigen, teilzylindrischen, zu der Vorderfläche (2) koaxialen Abdeckung (16) aus Kunststoff überdeckt ist.
  3. Spulenkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Walzenumfang (3) zugewandte Begrenzungsfläche (19) der Abdeckung (16) stark wärmereflektierend ausgebildet ist.
EP90910553A 1989-10-13 1990-07-24 Spulenkörper für die induktive beheizung von walzen Expired - Lifetime EP0495780B1 (de)

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DE (2) DE3934208C2 (de)
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