被添加物料的感应加热制造技术

一种用于在交变的磁场中发生热量的制品，该制品包含其间散布微粒的主体物料，所述微粒由具有高导磁率和高电导率的铁磁材料构成，所述微粒具有穿透深度和形状，该形状具有正交的第一、第二和第二维尺寸，其特征在于，其中 所述正交的第一和第二维尺寸大于微粒的穿透深度；以及 所述正交的第一和第二维尺寸至少５倍于所述正交的第三维尺寸。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及物料的高频磁场感应加热。
技术介绍
各种
需要对物料进行加热，以便实现物料从初始状态向显现具有预期特性的最终状态的转变。例如，利用热量来复原可热复原的聚合物制品(例如热装式管道和模压零件、熟化胶、熔料或熟化粘接剂)，活化起泡剂，干燥墨水，加工陶瓷，促使聚合，促使或加速催化反应或者对在其它应用领域中的零件进行热处理。在整个加热过程中的效率和效果方面考虑的一个非常重要的因素是物料的加热速度。在采用紫外线、红外线、热空气、热液体和火焰加热的方法中，以及在使用外部热源的其它实例情况下，要穿过物料中心在物料中形成均匀的热分布通常是很困难的。在物料的中心没有充分加热的情况下，由起始状态的物料转变可能会不充分或不均匀。此外，为了在物品的中心达到预期的温度，可能在表面需要施加过多的热量，因而这种过高的温度状态可能导致物料表面的恶化。此外，加热以实现到预期状态的转变所需延长的时间会降低系统的成本的有效性。在为了改进由物料的表面和其中心的热传导而采用导热填料的情况下，为了形成平滑的温度梯度，需要大量的可能有害影向主体材料性能的填料。由于外部加热存在的这些缺点，体内的或内部的加热方法是优选的，以便实现快速、均匀和有效的加热。与上面讨论的外部加热的方法相对比，各种电磁加热技术，例如微波、电介质和磁感应方式都能对例如可热复原的聚合物制品、胶、粘接剂、泡沫剂、墨水和陶瓷等各种非导电物品实现内部加热。把电磁能间接耦合到物料上并在物料体内部均匀产生热量。微波和电介质加热技术两者都主要根据在绝缘材料中通过当电偶极子力图与施加的快速交变电场排列一致所产生的“振动(rattling)”而产生热量。微波加热需要将物品显露于按照高达兆赫或千兆赫频率变化的电磁场中，在该频率范围水的偶极子产生谐振。利用微波加热的绝缘材料的表面上的水的存在可能导致物料加热不均匀。电介质加热采用的频率为从约27兆赫到很高兆赫的频率，在该频率范围内，大多数介质的电偶极子产生谐振。按这种方式加热的绝缘材料并不具有本征的温度控制作用；电偶极子的振荡持续产生热量，因此当热量过多时使物料性能恶化。磁感应加热方法采用交变磁场(例如象在感应线圈中产生的那些磁场)以便和置于线圈内部的工件相耦合。导磁或导电物料可以与施加的磁场相耦合，并借此将耦合的电磁能量转变为热能。非磁性和非导电的物料对于磁场是可穿透的。因而不能和该磁场相耦合产生热量。然而，这样一种材料可以通过在该物料内部均匀散布铁磁微粒和使该物料显露于交变的高频电磁场中，利用磁感应加热方式对其进行加热。当置于大约100千赫到大约50兆赫频率的交变电磁场中时，细小的铁磁微粒是有效的发热体。适于采用感应加热的物料包括铁磁和亚铁磁物料。在本申请中，我们采用如在1951年由R.H.Bozorth的题为“铁磁学”(BellTelephone Laboratories，Inc及D.Van Nostrand Company.Inc)的出版物中所陈述的关于铁磁和亚铁磁材料的定义，该出版物在所有方面皆可结合做为参考。亚铁磁材料或铁氧体是铁磁材料中的一族。对于铁磁性的详细分析是在1959年由Smit和Wijn在“铁氧体”(John Wiley&Son)一文中陈述的，其在所有方面皆可结合作为参考。与铁磁金属和金属合金相比，亚铁磁性材料通常具有很低的导电性。铁磁材料例如铁、镍、钴、铁合金、镍合金、钴合金、坡莫合金以及几种钢、以及亚铁磁性材料例如磁铁矿、镍锌铁氧体、锰锌铁氧体、铜锌铁氧体都适合于用作散布在非磁性和非导电的并置于高频交变磁场中的主体物料中的发热微粒。尽管导电的非磁性金属例如铜、铝和黄铜可以以微粒的形状用于产生热量，但它们比磁性材料效率较低，因而不是优选的。铁磁材料主要由于感应的涡流和磁滞损耗两者的综合而产生热量。交变的磁场在由导电材料组成的微粒中感生涡流电流。这些内部循环的电流可以在微粒内部产生热量。大部分感应的涡流电流限制在由如下公式限定的距微粒表面距离δ的范围内δ＝(2/ωσμr)1/2其中σ是以1/欧·米为单位的微粒的电导率，ω是以1/秒为单位的施加磁场的角频率，以及μr是微粒相对空气的导磁率。当微粒置于交变磁场中时，确定这一距离δ作为微粒的穿透深度。在距离δ处，该电流密度下降到表面电流密度值的1/e，或者约37％。因此，置于频率为ω的交变电磁场中的、电导率为σ和相对导磁率为μr的铁磁材料构成的微粒具有的穿透深度由以上公式确定。尺寸几倍于微粒穿透深度的导电铁磁微粒可以是有效的涡流电流发热体。通过将具有高导磁率和高电导率的微粒置于高频磁场中可以形成小的穿透深度。例如，把电导率为1.3×107/欧·米，相对导磁率为100(μr＝100×4π×10-7韦伯/安-米)的镍置于频率为5兆赫(ω＝2πf＝2π×5×106/秒)的磁场中，穿透深度则为6.2微米。因此，在距微粒表面为6.2微米的微粒的范围内，感应电流密度限定为大约37％。感应的电流密度的幅值随涡流电流回路的尺寸因而亦即随微粒的尺寸的增加而增加。由于这种微粒的穿透深度大，在较少导电的微粒中的涡流电流损耗是可忽略的。例如，将一种例如具有电导率为0.67/欧·米和相对导磁率为4000的由Ceramic Magnetics(陶质磁体)构成的铁氧体Mn-67这样的锰锌铁氧体置于5兆赫频率的磁场中，穿透深度为435微米，为了产生涡流电流损耗，需要大于约1毫米的微粒。这种大的微粒将会有害地改变主体物料的特性，因而不是所希望的。与之相似，将例如具有电导率为1.0×10-7/欧·米和相对磁导率为3000的由Ceramic Magnetics构成的CMD 5005这样的非导电的镍锌铁氧体置于5兆赫频率的磁场中，穿透深度为1.3×107微米或13米。非导电的亚铁磁体微粒例如铁氧体微粒或者全部三维尺寸小于穿透深度的导电的铁磁体微粒其发热则主要由于磁滞损耗。在微粒的每个磁畴内部的磁偶极子力图与快速交变的磁场排列一致，从而导致磁畴壁运动。假如偶极子没有与该磁场同步排列一致，该排列滞后于磁场并遵循一磁滞回线。该磁滞回线代表铁磁材料对于施加的磁场的响应特性，它的尺寸和形状取决于铁磁材料的性质和施加磁场的强度。由磁滞回线环绕的面积代表使该材料经过磁滞循环所需的力。当重复这一循环时，由于磁畴不断排列使在材料内部产生的耗能过程导致磁能变换为内部热能，使材料的温度升高。只要微粒尺寸至少等于一个磁畴，磁滞损耗就并不取决于微粒尺寸。由分散在非导电的非磁性的主体物料之中的微粒产生的热量决定于包括如下的设备和颗粒参数的几个参数设备参数线圈尺寸和几何形状线圈电流频率线圈电流大小(功率)线圈效率微粒参数导磁率电导率磁滞回线的大小和形状在主体物料中的微粒体积比几何形状尺寸与磁场的以及彼此之间的排齐对线圈的接近程度对于给定的频率、功率、线圈尺寸和几何形状，通过认真地选择微粒特性，可以使包含铁磁微粒的主体物料的加热更快。本专利技术的微粒的高效能在于它能在主体物料中微粒体积百分比低的情况下实现快速加热，从而不会对主体物料的性能产生有害影响。当磁性微粒达到或超过称为居里温度或居里点的临界温度时，它的导磁率急剧下降到接近于1的数值。然后，微粒很大程度上失去对于磁场的响应能力，发热明显下降。当微粒本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·蒙诺沃卡斯，
申请(专利权)人：雷伊化学公司，
类型：发明
国别省市：