[发明专利]用于物体温度控制的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于控制物体的温度例如对物体进行加热的方法和装 置。更具体地说，本发明涉及一种借助于组合由加热器产生的感应加热和电 阻加热来改善加热性能的方法和装置。

背景技术

参见图1，其中示出了按照现有技术的一种典型的电阻加热器电路10。 电源12可以对加热器线圈14提供直流电压或一般线路频率的交流电压，所 述加热器线圈缠绕在与被加热的物品20很接近的周围。一般地说，加热器线 圈14由电阻元件构成，提供有绝缘层18以便避免短路。通常还使整个加热 器线圈被包装在保护罩16中，从而形成一个模块加热部件。现有技术具有许 多对材料施加热量，以及使被加热物品20的温度升高到一个预定值的方法的 例子。这些例子的大部分集中于电阻或欧姆热量发生器的使用上，所述热量 发生器与被加热的物品呈机械耦合和热耦合。

电阻加热器是目前最常使用的方法。电阻热量借助于当电流流过导线时 发生的欧姆或电阻损失被产生。然后在电阻型加热器的线圈中产生的热量必 须通过传导或辐射被传递到工件上。电阻加热器的使用和结构是熟知的，并 且在大多数情况下比感应加热器容易使用且成本低。大多数电阻加热器由螺 旋缠绕的线圈构成，所述线圈被绕在一个形体上，或被制成弯曲的环形元件。

使用电阻型加热器的一种典型的发明可以参见Juliano等人的美国专利 5973296，其中提出了一种厚膜加热器装置，其通过被印刷在圆柱形基体的表 面上的电阻轨迹中的欧姆损失产生热量。由欧姆损失产生的热量被传递给喷 嘴中的熔融的塑料，以便使塑料处于自由流动状态。虽然电阻型加热器的成 本相当低，但是其具有一些大的缺点。紧密的容差配合、热斑、线圈的氧化 以及较慢的温度上升时间只是缺点中的几个。对于这种加热方法，最大的加 热功率不会超过P_R(max)＝(I_R(max))²×R_c，其中I_R(max)是电阻丝可以通过的最大电 流，R_c是线圈的电阻。此外，加热一个特定物品所需的最小时间由t_R(min)＝(cM ΔT)/P_R(max)控制，其中c是特定物品的比热，M是特定物品的质量，ΔT是所 需的温度的改变。对于电阻加热，在加热器线圈的总的能量损失基本上等于 0，因为来自电源的进入线圈的所有能量都被转换成热能，因此P_R(losses)＝0。

参见图2，其中示出了按照现有技术的一种典型的感应加热电路30。可 变频率的交流电源32和调谐电容器34并联连接。调谐电容器用于补偿负载 中的无功损失，并把任何的这种损失减到最小。感应加热器线圈36一般由空 心铜管制成，具有被提供在其外表面上的电绝缘涂层18，以及在管内流动的 冷却流体39。冷却流体39和冷却系统38连通，用于从感应加热器线圈36 中除去热量。加热器线圈36一般不和要被加热的物品20接触。当电流通过 线圈36时，便产生磁力线，如箭头40a，40b所示。

感应加热是一种利用交流电功率电气加热导电材料的方法。交流电功率 被施加到例如由铜制成的导电线圈上，从而产生交变磁场。这个交变磁场在 和线圈紧密耦合的工件中感应交变电压和电流。这些交变电流产生电阻损失， 借以加热工件。因此，感应加热的一个重要特征是，不需在加热元件和工件 之间的直接接触便能把热量传递给导电材料。

如果交流电流流过一个线圈，便产生一个随电流的数量而改变的磁场。 如果把导电负载置于线圈内部，将在负载内部感应涡流。所述涡流将沿着和 线圈中的电流相反的方向流动。在负载中的这些感应电流沿着和由线圈产生 的磁场相反的方向产生磁场，并阻止所述磁场穿过负载的中心。因此涡流被 集中在负载的表面上，并朝向中心被急剧地减少。如图3A所示，感应加热器 线圈36被缠绕在圆柱形的加热物体20上。电流密度Jx如图中的曲线41所 示。作为这个现象的结果，几乎所有的电流都被在圆柱形加热物体20的区域 22内产生，在加热物体的中心包含的材料24未被用于发热。这个现象通常 被称为“集肤效应”。