DE3639973C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum behälterlosen Schmelzen und Erstarren von Metallen oder Legierungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In einer metallischen Probe, welche sich in einem äußeren hochfrequenten Magnetfeld B befindet, werden Wirbelströme erzeugt, die zum Aufheizen der Probe führen. Die pro Zeiteinheit in der Probe erzeugte Wärme P ist proportional zu B:

P ≈ ².

Hierbei ist B die magnetische Flußdichte.

Andererseits werden durch das Magnetfeld auch Kräfte verursacht, welche die Probe in Richtung abnehmender Flußdichte drängen. Diese Kraft F ist proportional:

≈ -grad ².

Zur stabilen berührungsfreien Positionierung der Probe ist es bekannt, ein magnetisches "Quadrupolfeld" zu benutzen, das durch mindestens ein Paar gegensinnig stromdurchflossener Ringspulen erzeugt wird. Diese Ringspulen sind auf entgegengesetzten Seiten des Schmelzbereichs angeordnet. Eine Metallkugel (Probe), die unter Schwerelosigkeit keinen weiteren zeitlich konstanten äußeren Kräften ausgesetzt ist, wird in dem Magnetfeld der beiden Spulen an dem Punkt fixiert bzw. nach kleinen mechanischen Erschütterungen zu dem Punkt zurückgedrängt, an dem das kombinierte Magnetfeld der beiden Spulen am schwächsten ist. Hierbei befindet sich die Metallprobe aber in einem Bereich, in dem der Betrag der Flußdichte, und damit auch die durch Wirbelströme erzeugte Wärme, am geringsten ist. Die bekannte Vorrichtung ermöglicht zwar eine stabile Positionierung der Probe im Schmelzbereich, jedoch ist ihre Heizleistung sehr gering. Der Heizwirkungsgrad einer solchen Spulenanordnung liegt nur bei etwa 2%. Die Vorrichtung wird vornehmlich im Weltraum unter Bedingungen der Schwerelosigkeit eingesetzt, wo nur begrenzte Energie, z. B. aus Batterien oder Solarzellen, zur Verfügung steht. Das Aufschmelzen einer Probe belastet daher die Energiequelle erheblich. Außerdem ist die zum Schmelzen benötigte Zeit sehr lang.

Eine Vorrichtung zum behälterlosen Schmelzen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 ist bekannt aus der Zeitschrift "Metallkunde" Bd. 65 (1974), Heft 11, S. 691-696. Diese bekannte Vorrichtung hat zwei unterschiedliche Spulenanordnungen zum elektromagnetischen Positionieren und zum induktiven Heizen einer Metallprobe und ist zur Verwendung unter den auf der Erde herrschenden Schwerkraftverhältnissen bestimmt. Unterhalb des Probenaufnahmeraums befindet sich eine aus zwei Spulen bestehende erste Spulenanordnung, deren eine Spule mit Mittelfrequenz (MF) betrieben wird und deren andere Spule mit Hochfrequenz (HF) betrieben wird. Oberhalb des Probenaufnahmeraums befindet sich eine zweite Spulenanordnung, die ebenfalls aus einer MF-Spule und einer HF-Spule besteht. Beide Spulenanordnungen dienen sowohl zur Levitation als auch zur Heizung der Probe. Die Kraftmaxima der verschiedenen Spulen liegen an denselben Stellen. Beide Spulenarten, HF-Spulen und MF-Spulen, haben grundsätzlich dieselben Funktionen: Sie dienen sowohl zum Levitieren als auch zum Heizen. Diese beiden Funktionen sind unter erdgebundenen Verhältnissen nicht voneinander zu trennen, weil die zu schmelzende Probe infolge der Schwerkraft nicht in der Zone der geringsten Feldstärke verbleibt, sondern in einen Bereich erhöhter Feldstärke absinkt. Bei der bekannten Vorrichtung erzeugt jede der Spulenanordnungen ein magnetisches Quadrupolfeld mit hohem Feldstärkegradienten zur Positionierung und gleichzeitig mit hoher Feldstärke zur Erzielung einer großen Heizleistung. Während unter erdgebundenen Verhältnissen praktisch unbegrenzte Energie zur Verfügung steht, spielt bei Anwendungen im schwerelosen Raum, also bei Weltraumanwendungen, der Energiebedarf eine große Rolle, weil nur sehr begrenzte Energiequellen zur Verfügung stehen.

Aus DE-PS 11 47 714 ist eine Vorrichtung zur Halterung und zum Transport elektrisch leitender, freischwebender Metallkörper bekannt, bei der der Metallkörper in einem Käfig aus langgestreckten Leitern enthalten ist. Eine induktive Heizspule, die den Leiterkäfig umgibt, erzeugt ein magnetisches Dipolfeld. Hierbei ist die Anordnung der Heizspule in Längsrichtung der Levitationsvorrichtung unkritisch, denn wenn die Heizspule in Längsrichtung bewegt wird, ändert sich nicht der Ort ihrer maximalen Flußdichte in Bezug auf die Flußdichteverteilung der Levitationsvorrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, die ein Levitieren und Heizen von festen und flüssigen Metallproben derart erlaubt, daß beide Vorgänge weitgehend unabhängig voneinander ausgeführt werden können, und die für den Einsatz unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit und begrenzter Energieverfügbarkeit in der Raumfahrt einsetzbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Nach der Erfindung ist außer der im wesentlichen zur Positionierung dienenden Spulenanordnung mindestens eine weitere Spule vorgesehen, die den Schmelzbereich umgibt und ihre größte Flußdichte im Schmelzbereich erzeugt, so daß die Energie dieser weiteren Spule mit hohem Wirkungsgrad in Schmelzwärme umgesetzt wird.

Die Unterschiedlichkeit der Frequenzen der jeweils von der Heiz- und Positionierspule erzeugten Magnetfelder gewährleistet, daß sich die beiden überlagerten Felder an einzelnen Punkten des Schmelzbereiches nicht teilweise gegenseitig aufheben. Damit es weiterhin in dem Gesamtmagnetfeld nicht zu niederfrequenten Schwebungen kommt, welche die Probe unter Umständen zu mechanischen Schwingungen um ihre Gleichgewichtslage anregen können, müssen die Erregerfrequenzen von Heiz- und Positionierspule weit genug auseinanderliegen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht unter Schwerelosigkeit eine weitgehende Trennung von Heizung und Positionierung der Probe dadurch, daß nur eine Spule ein magnetisches Quadrupolfeld erzeugt, die andere jedoch ein Dipolfeld. Das Quadrupolfeld wird durch die beiden gegensinnig stromdurchflossenen ersten Spulen erzeugt. Die hohen Gradienten dieses Feldes drängen die Metallprobe an den Ort geringster magnetischer Feldstärke, wo sie nur noch unwesentlich aufgeheizt wird, und halten sie dort fest. Das durch die weitere Spule erzeugte magnetische Dipolfeld besitzt am Ort der Probe hingegen eine hohe Feldstärke, aber nur schwache Gradienten. Dies bewirkt, daß nur geringe Kräfte von diesem Magnetfeld auf die Probe ausgeübt werden, aber ein hoher Anteil der an den Spulen zugeführten elektrischen Energie in Wärme der Probe umgesetzt wird. Durch die Ausbrauchung der Heizspule wird erreicht, daß das von dieser Spule erzeugte Dipolfeld am Ort der Probe weitgehend homogen ist, also nur schwache Gradienten besitzt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß Heizung und Positionierung der Probe unabhängig voneinander geregelt werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist ein Experimentiervorrichtung, die dazu dient, das Erstarrungsverhalten aufgeschmolzener metallischer Legierungen unter dem Gesichtspunkt reduzierter Keimbildung durch behälterloses Prozessieren der Schmelze, unter Schwerelosigkeit, zu untersuchen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann beim Schmelzen von Messingkugeln mit einem Durchmesser von etwa 1 cm ein Wirkungsgrad von ca. 30% bis 40% erreicht werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung,

Fig. 2 eine Darstellung des zur Positionierung der Probe dienenden Magnetfeldes bei der Vorrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum behälterlosen Schmelzen und Erstarren von Metallen oder Legierungen, insbesondere unter Schwerelosigkeit. Sie ist Bestandteil einer insbesondere im Weltraum einzusetzenden Experimentiervorrichtung zur Untersuchung z. B. der Keimbildung in unterkühlten Schmelzen, speziell unter dem Gesichtspunkt reduzierter heterogener Keimbildung durch Ausschaltung tiegelwandinduzierter Keimbildung.

Gemäß Fig. 1 ist eine kugelförmige Probe 10 aus Metall oder einer Metallegierung im Schmelzbereich 11 frei schwebend berührungsfrei angeordnet. Auf entgegengesetzten Seiten der Probe 10 sind zwei parallele Spulen 12, 13 angeordnet, deren gemeinsame Achse durch den Mittelpunkt des Schmelzbereichs 11 hindurchgeht. Die Spulen 12, 13 sind bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kreisförmige Ringspulen mit jeweils nur einer einzigen Wicklung. Beide Spulen sind elektrisch in Reihe geschaltet und an eine gemeinsame Hochfrequenz-Stromquelle 14 angeschlossen, die durch die Spulen einen Hochfrequenzstrom der Frequenz f₁ hindurchschickt. Die Spulen 12, 13 könnten auch parallel an die Hochfrequenz-Stromquelle 14 angeschlossen sein. Wichtig ist, daß die Spulen 12, 13 gegensinnig stromdurchflossen sind. Dies wird bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 dadurch erreicht, daß die in Reihe geschalteten Spulen 12, 13 gegensinnig gewickelt sind. Wenn in der Spule 12 der Strom in Richtung des Pfeiles 15 fließt, also bei Betrachtung von oben im Gegenuhrzeigersinn, fließt derselbe Strom in der Spule 13 in Gegenrichtung, also bei Betrachtung aus derselben Richtung, im Uhrzeigersinn.

Die bisher beschriebene Spulenanordnung aus den Spulen 12 und 13 erzeugt das in Fig. 2 dargestellte Magnetfeld, das natürlich ein Wechselfeld ist, jedoch stets im Schmelzbereich, in dem sich die Probe 10 befindet, die geringste Flußdichte hat, so daß die Probe 10 in diesem Bereich stabilisiert wird.

Gemäß Fig. 1 ist um den Schmelzbereich 11 die weitere Spule 17 herumgelegt. Die Ebene der Spule 17 verläuft also in der Mitte der Ebenen der Spulen 12 und 13 und parallel zu diesen. Die Spule 17 umgibt den Äquator der Probe 10, ohne die Probe zu berühren. Die aus einer Windung bestehende ringförmige Spule 17 ist an die Hochfrequenz-Stromquelle 18 angeschlossen, die eine Frequenz f₂ erzeugt. Die Frequenz f₂ sollte zur Erzielung einer großen Heizleistung höher sein als die Frequenz f₁. Beide Frequenzen müssen einen solchen Abstand voneinander haben, daß sie keine niederfrequenten Schwebungen bilden können.

Während die Spulen 12 und 13 die Probe 10 positionieren und im Schmelzbereich 11 stabilisieren, dient die Spule 17 ausschließlich als Heizspule. Die Stromstärken der beiden Spulensysteme können unabhängig voneinander gesteuert oder geregelt werden.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem jede der drei Spulen 12, 13 und 17 aus mehreren Windungen besteht. Die Spulen 12 und 13 sind in Reihe geschaltet, jedoch gegensinnig gewickelt, so daß sie gegensinnig von demselben Strom durchflossen werden. Die Wickelrichtungen sind durch den Punkt 19 und das Kreuz 20 angedeutet. Die einzelnen Windungen sind in der dargestellten Weise untereinander verbunden, wobei jeweils Windungen, die in derselben Lage dargestellt sind, spiralförmig übereinandergewickelt sind.

Die Spulen 12 und 13 bestehen jeweils aus drei koaxialen Lagen, wobei die aus einer einzigen Lage bestehende Spule 17 mit ihren äußeren Windungen 17 a in einen Hohlraum der inneren Lage jeder Spule 12, 13 eindringt. Die beiden Enden der Spule 17 überlappen sich also mit den Spulen 12 und 13. Die Spule 17 hat in der Mitte ihrer Länge den größten Durchmesser, so daß hier eine ringförmige Ausbauchung gebildet wird, deren Durchmesser zu den Enden hin abnimmt. Dadurch wird erreicht, daß alle Spulenwindungen der Spule 17 annähernd den gleichen Abstand vom Umfang der Probe 10 haben.

Die Spulen 12, 13 und 17 bestehen bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Kupfer-Hohlrohren, die von einem Kühlmedium durchströmt werden.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum behälterlosen Schmelzen von Metallen oder Legierungen im schwerelosen Raum, mit einer Spulenanordnung aus mindestens zwei auf entgegengesetzten Seiten eines Schmelzbereichs (11) angeordneten ersten Spulen (12, 13), die gegensinnig und gleichphasig von Hochfrequenzstrom einer ersten Frequenz (f₁) durchflossen sind, und mit einer den Schmelzbereich (11) umgegebenden weiteren Spule (17), die von Hochfrequenzstrom einer von der ersten Frequenz (f₁) unterschiedlichen zweiten Frequenz (f₂) durchflossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die einzige weitere Spule (17) so angeordnet ist, daß sie ihre größte Flußdichte in dem Bereich erzeugt, in dem die von den ersten Spulen (12, 13) erzeugte Flußdichte am geringsten ist und daß die weitere Spule (17) um den Schmelzbereich (11) herum eine Ausbauchung aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Spulen (12, 13) und die weitere Spule (17) sich teilweise überlappen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Spulen (12, 13) mehrlagig ausgeführt sind und daß die weitere Spule (17) mit mindestens einer Windung (17 a) in einen Hohlraum der inneren Lage jeder ersten Spule (12, 13) hineinragt.