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DE69619715T2 - Induktor - Google Patents

Induktor

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Publication number
DE69619715T2
DE69619715T2 DE69619715T DE69619715T DE69619715T2 DE 69619715 T2 DE69619715 T2 DE 69619715T2 DE 69619715 T DE69619715 T DE 69619715T DE 69619715 T DE69619715 T DE 69619715T DE 69619715 T2 DE69619715 T2 DE 69619715T2
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
inductor
current conductor
thermoplastic
inductor according
conductor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
DE69619715T
Other languages
English (en)
Other versions
DE69619715D1 (de
Inventor
Hans Selberg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tetra Laval Holdings and Finance SA
Original Assignee
Tetra Laval Holdings and Finance SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tetra Laval Holdings and Finance SA filed Critical Tetra Laval Holdings and Finance SA
Publication of DE69619715D1 publication Critical patent/DE69619715D1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE69619715T2 publication Critical patent/DE69619715T2/de
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft einen Induktor zur Verwendung beim Abdichten oder Erhitzen eines thermoplastischen oder mit einem Thermoplast überzogenen, elektrisch leitenden Verpackungsmaterials, wobei der Induktor einen Stromleiter enthält, der an eine Hochfrequenzstromquelle anzuschließen ist.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Die Induktionstechnik läßt sich vorteilhaft für das Abdichten von mit einem Thermoplast beschichtetem Verpackungsmaterial einsetzen, welches mindestens eine Metallfolienschicht, vorzugsweise eine Aluminiumfolie enthält. Bei dieser wird der oben angesprochene Induktor eingesetzt, der in der Metallfolie Wärme erzeugt, was das Thermoplast zum Schmelzen bringt. Um eine Abdichtung zu erreichen, wird der Induktor zusammen mit Gegenelement eingesetzt.
  • Die Abdichtung findet in der Weise statt, daß das Verpackungsmaterial, das als Paket vorliegt, schrittweise oder kontinuierlich zugeführt wird, abhängig von der Ausgestaltung der Vorrichtung. Während das Material unbeweglich für kurze Zeit über dem Gegenelement liegt, wird der Induktor gegen das Material gelegt und mit Energie gespeist, so daß das Thermoplast schmilzt. Durch mechanischen Druck zwischen dem Induktor und dem Gegenelement bei geschmolzenem Thermoplast wird eine Abdichtung zwischen zwei Verpackungsmaterialschichten gebildet.
  • Bei einer bisherigen Methode ist der Leiter zum Beispiel durch einen Kupfergußleiter gebildet, der in Ferrit enthaltendes Kunststoffmaterial eingegossen ist.
  • Eine kritische Eigenschaft des Induktors ist die Möglichkeit, daß der Stromleiter ungeachtet einer Hochfrequenz bei den Abdichtungsvorgängen auf einer günstigen niedrigen Arbeitstemperatur bleibt, das heißt, daß der Stromleiter kühl bleibt. Bei einem bekannten Induktor wird dies dadurch erreicht, daß der Stromleiter ein Kupferrohr ist, welches direkt mit Wasser gekühlt wird. Diese Ausgestaltung ist äußerst empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen, und die Lebensdauer ist aufgrund kollabierender Kupferrohre/Stromleiter gering.
  • Aus diesem Grund wurden bekannte Leiter gegen vergleichsweise weiche Gegenelemente gedrückt, wobei die Stromleiter gegebenenfalls mit Kanten ausgestattet wurden, um eine ausreichend große mechanische Klemmkraft zu erreichen.
  • Beim Abdichten neuer Verpackungsmaterialien, beispielsweise von mit einem Thermoplast beschichtetem Flachmaterial, ebenso wie beim Füllen von schwer zu handhabenden Produkten, beispielsweise stark viskosen Produkten, werden stärkere Induktoren benötigt, die verbesserte Möglichkeiten zur Handhabung mechanischer Lasten bieten. Diese Forderungen lassen sich mit den herkömmlichen Induktoren kaum befriedigen.
  • Die US-A-2 777 041 zeigt einen Induktor, der aus feinen Partikeln magnetischen Materials, die in nicht-leitendem Material, beispielsweise Kunststoff oder Porzellan, suspendiert sind, hergestellt ist. Das Ziel besteht darin, einen Kern zum Halten des auf den Stromleiter beschränkten magnetischen Flusses zu schaffen. Durch diesen Aufbau besitzt der Kern geringe Wärmeleitfähigkeit.
    • Die Erfindung
  • Um das oben erläuterte Problem sowie weitere Probleme zu lösen, und um einen Induktor mit verbesserten Eigenschaften und stärkerem nutzbarem Feld im Vergleich zu bekannten Induktoren zu schaffen, ist ein erfindungsgemäßer Induktor durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
  • Das Pulvermaterial besteht vorzugsweise aus Körnchen eines Eisenmaterials mit einer Oberflächenschicht aus Eisenoxid. In dem Material befindet sich auch eine geringe Menge, zum Beispiel 0,5%, eines Bindemittels auf Kunststoffbasis, beispielsweise ein Bindemittel auf Phenolbasis.
  • Im gepreßten Zustand besitzt dieses Material hervorragende mechanische Eigenschaften, hohe Permeabilität bei den verwendeten Frequenzen, geringe magnetische Ummagnetisierungsverluste, gute Wärmeleitfähigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit.
  • Der Stromleiter in dem erfindungsgemäßen Induktor erfordert keinerlei direkte Kühlung, beispielsweise mit Wasser, und dies bedeutet, daß er als homogener Stab, üblicherweise aus Kupfer gefertigt werden kann, welches per se die Fähigkeit des Induktors steigert, mechanischen Belastungen zu widerstehen. Das Kühlen erfolgt statt dessen indirekt dadurch, daß die Wärme wirksam von dem Pulvermaterial abtransportiert wird. Ist allerdings durch die besonderen Umstände eine besondere Kühlung erforderlich, so können in dem Körper des Induktors Kühlkanäle vorgesehen werden, die breiter gestaltet sind, so daß auch das Risiko eines Blockierens erhöht wird.
  • Der erfindungsgemäße Induktor hat wie gesagt die Fähigkeit, beträchtlich stärkeren Belastungen zu widerstehen als der bekannte Induktor. Dies ermöglicht die Verwendung härterer Gegenelemente, was dann erforderlich sein kann, wenn neue Verpackungsmaterialien und schwierigere Produkte zu verarbeiten sind. Die Lebensdauer erhöht sich beträchtlich.
  • Der neue Induktor gestattet die Anwendung des Stumpfschneidens. Die verbesserte mechanische Festigkeit des Induktors eröffnet neue Möglichkeiten für Materialkombinationen.
  • Das Pulvermaterial ist relativ billig, der Fertigungsprozeß (das Pulver-Pressen mit eingelegtem Stromleiter) ist überschaubar.
    • Die Zeichnung
  • Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt eine praktische Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Induktors.
    • Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Ein erfindungsgemäßer Induktor enthält in seiner einfachsten Version einen Stromleiter 1, der in einen Pulvermetallmaterial-Körper 2 eingepreßt ist, dessen Körnchen mit einer elektrisch isolierenden Oberflächenschicht versehen sind.
  • Der Stromleiter kann U-Form haben, wie es in der Zeichnung dargestellt ist, und er kann mit Kontakten 3 für den Anschluß des Stromleiters an eine Hochfrequenzstromquelle ausgestattet sein, die sich endseitig aus dem Körper 2 heraus erstrecken. Der Stromleiter 1 ragt passender Weise etwas über die Oberfläche des Körpers 2 hervor, er kann hier planar ausgebildet sein.
  • Der Stromleiter 1 ist vorzugsweise aus homogenem Kupfer hergestellt, das relativ geringe ohmsche Verluste verursacht, er kann aber auch aus jedem anderen Material mit guten elektrischen Leiteigenschaften gefertigt werden. Der Stromleiter ist vorzugsweise mit einer dünnen elektrisch leitenden Lackschicht versehen.
  • Das Material des Metallkörpers 2 wird aus einem Pulvermaterial gebildet, dessen aus einem elektrisch leitenden Eisenmaterial bestehende Körnchen auch nach dem Zusammenpressen unter hohem Druck zu einem homogenen Körper voneinander elektrisch dadurch isoliert sind, daß ihre Oberflächen mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen sind, namentlich einer Eisenoxidschicht. Das Pulvermetallmaterial enthält außerdem eine geringe Menge Bindemittel, zum Beispiel 5%. Das Bindemittel ist zum Beispiel ein solches auf Phenolbasis.
  • In seiner einfachsten Form kann der erfindungsgemäße Induktor dadurch hergestellt werden, daß der Leiter 1 in eine Form gebracht wird, die mit Metallpulver gefüllt wird, welches anschließend zu dem integrierten Induktor zusammengepreßt wird, ohne daß die elektrischen Isoliereigenschaften des Metallgranulats verlorengehen. Um die Isoliereigenschaften der Oberflächenschicht der Körnchen zu bewahren, sollte das Metallpulver in geringstmöglichem Umfang gehandhabt oder bearbeitet werden.
  • Die folgenden Anforderungen an das Metallmaterial in dem Körper 2 werden durch das hier verwendete Material gut erfüllt:
  • - gute mechanische Eigenschaften
  • - hohe Permeabilitäten bei Frequenzen ≥ 20 kHz
  • - elektrische Isolierung
  • - geringe magnetische Ummagnetisierungsverluste bei ≥ 20 kHz
  • - gute Wärmeleitfähigkeit λ ≥ 10 W/mºK
  • - Temperaturbeständigkeit ≥ 120ºC
  • - Möglichkeit, beispielsweise Kupfermaterial bei dem Formverfahren zu integrieren.
  • Das verwendete Pulvermaterial besitzt gute Wärmeleiteigenschaften bis hin zu λ 12 W/mºK, was etwa 15-mal besser ist als bei dem Material, das in derzeitigen Induktor-Ausführungsformen eingesetzt wird. Außerdem besitzt das metallische Pulvermaterial eine hohe Permeabilität von ur > 25, was mehr als das 10-fache des Werts von derzeit verwendeten Kunststoffen ist.
  • Aufgrund der indirekten Kühlung des Stromleiters wird hohe Gestaltungsfreiheit bei der Formung des Leiters erreicht.
  • - die frei wählbare Form des Stromleiters ermöglicht eine Temperatur- und Drucksteuerung.
  • - ein Stromleiter oder Stromsolenoid mit mehreren Windungen führt zu einem gesteigerten Wirkungsgrad (einer beträchtlich verbesserten Energieerzeugung).
  • - alternativ kann der Stromleiter mehradrig sein, was ebenfalls den Wirkungsgrad steigert.
  • - die hohe Permeabilität des Pulvermaterials bedeutet, das übliche metallische Material relativ nahe bei dem Stromleiter eingesetzt werden können, ohne daß nennenswerte Leistungsverluste entstehen.
  • Praktische Tests mit einem gemäß der Zeichnung aufgebauten Induktor - mit und ohne Kühlkanäle und Kühlwasser - ergaben die folgenden guten Ergebnisse:
  • - ein indirekt gekühlter Induktor mit 4 l/min Kühlwasser hält eine Dauertemperatur von etwa 28ºC,
  • - ein indirekt gekühlter Induktor mit 1 l/min Kühlwasser hält eine Dauertemperatur von etwa 29ºC,
  • - ein Induktor mit Wasserkühlung hält eine Dauertemperatur von etwa 50ºC.
  • Wie oben erwähnt, sind alternative Ausgestaltungen des Induktors möglich.
  • Beispielsweise ist es möglich, den Induktor als U-förmigen Streifen aus Metall und möglicherweise Kunststoff zu fertigen, wobei das Pulvermaterial und der Stromleiter in dem Streifen angeordnet sind. Möglicherweise können auch Kühlkanäle im Boden des Streifens vorgesehen werden.
  • Eine weitere und möglicherweise noch interessantere Ausgestaltung besteht darin, einerseits ein übliches Metallpulver (mit einer Dicke von zum Beispiel 10 mm) in eine Form zu pressen und andererseits das Pulvermetallmaterial mit den isolierenden Körnchen und den Stromleiter in eine Form zu pressen.
  • Allgemein gesprochen, sind verschiedene Materialkombinationen möglich, und das Pulvermaterial mit den isolierenden Körnchen kann eine ziemlich beschränkte Dicke haben, bedingt durch seine hervorragenden elektrischen und magnetischen Eigenschaften.
  • Der Induktor kann mit einer Kunststoffschicht oder dergleichen als Korrosionsschutz auf der Oberfläche ausgestattet sein.
  • Der erfindungsgemäße Induktor wird normalerweise zum Abdichten (oder möglicherweise für eine andere Erwärmung) von mit einem Thermoplast beschichtetem Verpackungsmaterial eingesetzt, welches eine elektrisch leitende Schicht, üblicherweise eine Metallfolie, besitzt. Das Verpackungsmaterial kann aber auch ein elektrisch leitendes Thermoplast sein.
  • Die Erfindung wurde zur Anwendung bei Verpackungsmaterial beschrieben, ist darauf jedoch nicht beschränkt.

Claims (6)

1. Induktor zur Verwendung beim Abdichten oder Erhitzen eines thermoplastischen oder mit einem Thermoplast überzogenen, elektrisch leitenden Verpackungsmaterials, umfassend einen Stromleiter (1), der an eine Hochfrequenzstromquelle anzuschließen ist, wobei der Stromleiter (1) in einen Körper (2) aus einem gepreßten Eisenpulver-Metallmaterial integriert ist, dessen Partikel vor dem Pressen mit einer elektrisch isolierenden Oberflächenschicht aus Eisenoxid ausgestattet wurden, wodurch sich eine Wärmeleitfähigkeit von λ ≥ 10 W/mºK in dem Körper (2) ergibt.
2. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulvermaterial eine geringe Menge, zum Beispiel 0,5%, eines Bindemittels enthält, das beispielsweise auf Phenol basiert.
3. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (1) durch einen U-förmigen homogenen Stab gebildet wird.
4. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (1) aus einem Solenoid mit mehreren Windungen gebildet ist.
5. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromleiter (1) mehradrig ist.
6. Induktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlkanäle, beispielsweise für Kühlwasser, in dem Pulvermaterial-Körper angeordnet sind.
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