专利名称：加热系统和方法
技术领域：
本发明涉及加热系统和方法，在多种实施例中，其包括，利用感应加热或者电阻和感应加热的组合；而且，加热可以是局部化的(指向特定的区域)，和/或加热可以是连续的或间歇的。
背景技术：
普遍的实践是，通过感应(涡)电流，感应加热铁磁(高磁导率)材料(诸如钢)的圆柱或管。由所施加的磁通量在铁磁材料中感应了涡电流，并且通过使交变电流通过环绕圆柱或管安置的一个或多个加热器线圈生成了该磁通量。该感应加热方法可以适用于多种其他类型的材料、零件和负载，包括流体、半固体或固体材料(例如，填充和未填充聚合物、钢坯和陶瓷的熔融的钢或镁)。
被加热的物体自身可由感应电流加热，和/或其同被感应加热另一物体或基板进行热传递(例如，通过传导或辐射)，例如，在铁磁基板中感应生成的热被转移到半导体晶片时。在这一点上，例如，通过使用更高电阻的材料以增加线圈中生成的和转移到物体(通过传导或辐射)的电阻热，可以改变加热元件或线圈的电阻率。镍铬合金，即具有约为铜电阻率的6倍的电阻率的镍铬(NiCr)合金，已被用于线圈，以生成磁通量，用于对位于通量中的物体的感应加热，并且生成电阻热(在线圈中)，其随后通过传导和/或辐射转移到相同的物体。
传统的感应加热线圈由铜制成，并且是水冷的，以防止线圈的过热。而且，在水冷线圈和正被加热的物体之间提供了空气间隙，以避免由于线圈冷却介质引起物体的热排除。该空气间隙和冷却需要增加了加热系统的复杂度和成本。它们还减少了装置的强度(结构完整性)，其在例如压塑的施加压力的应用中，可能是关键的。然而，如果没有冷却，则线圈将失效(在升高的温度下熔融或燃烧)。传统的感应加热系统不利用较高电阻(例如，NiCr)的线圈，这是因为增强的线圈的电阻加热将使线圈冷却更加困难，仍需要较大的冷却通道和/或较低的冷却温度，其每一个均导致了较大的能耗和成本。而且，传统的感应电源不能驱动电阻负载。
目前需要这样的加热系统和方法，其针对某些或全部的该问题，和/或需要能量源，以更加有效地，并且优选地以较低的成本，为该加热系统供电。
发明内容
根据本发明的系统和方法包括下面的实现方案。
根据一个实现方案，一种加热装置，包括加热器线圈，其感应耦合到物体，并且向该加热器线圈提供电流信号。该加热器线圈基于电流脉冲信号，生成磁通量，用于感应加热物体。该电流信号优选地是具有高频谐波的电流脉冲信号。
高频谐波可用于改变感应加热功率。相比于电阻加热，该谐波可以提高加热器线圈的感应加热的相对比例。高频谐波使得能够使用较低基频(或根频)的供应源电流(例如，50～60Hz的线路频率)。电流脉冲的有效频率，基于根频分量和谐频分量的组合，以及它们的幅度，可以提高特定应用中的加热器线圈的寿命，和/或使得能够进行更加迅速的线圈加热。
在一个实施例中，加热器线圈感应耦合到包括物体的负载。该负载包括铁磁芯和铁磁轭，并且置于其间的加热器线圈与芯和轭中的至少一个相接触和/或嵌入在其中。在某些情况中，芯具有用于可流动材料的通路，由此芯加热该可流动材料。加热器线圈可以安置在芯中，由此加热集中于通路中。
在另一实现方案中，物体形成了关于磁通量的基本闭合的回路的至少一部分。该物体包括第一部分，其中相比于该物体第二部分，感应加热是更加集中的。该第二部分可以通过，例如，在第二部分中具有缝、空气间隙或较少铁磁性的材料，引起涡电流的中断，或者限制涡电流的流动。
在另一实现方案中，电源被提供为，其向加热器线圈提供电流信号。优选地向加热器线圈提供作为电流脉冲的电流，其具有可调节的谐波能含量。
在一个实施例中，加热器线圈至少部分安置在具有用于被加热的可流动材料的通路的物体中，并且通过传导和/或对流，物体中感应生成的热被递送到通路中的可流动材料。电源向加热器线圈递送幅度和/或频谱(谐波频率)变化的电流脉冲，用于调节针对通路中的可流动材料的感应加热的递送。可流动材料自身可以是铁磁的，由此在材料中感应了涡电流(除了物体之外或者作为物体的替换)。
根据另一实现方案，提供了一种方法，其包括以下步骤提供感应耦合到物体的加热器线圈，以及向加热器线圈提供电流信号。该电流信号优选地是具有高频谐波的电流脉冲信号。
根据另一实现方案，该方法步骤包括提供加热器线圈，其同物体进行热传递并且感应耦合到物体，以及向加热器线圈提供可调节的电流脉冲信号，用于调节物体的感应和电阻加热之间的比。
根据多种实现方案，该方法步骤可以包括同时的、不连续的、间歇的和/或交变周期的加热、冷却和/或温度控制；通过针对幅度、脉冲宽度和/或频谱，调节电流脉冲信号的能含量；和/或提供冷却机制(冷却介质或散热器)，以从正在加热的物体移除热。公开了特定的结构，用于实现这些方法步骤。该加热系统和方法的多种实施例可以提供一个或多个优点，诸如更均匀的加热、减少的热梯度、减少的热应力、可靠的高温操作、紧凑的设计、更短的循环时间、以及减少的加热时间。
在下面的附图和详细描述中将描述这些和其他的实现方案。
附图简述
图1A是用于提供感应和电阻加热这两者的加热系统的一个实现方案的剖面示意图，其中缠绕的加热线圈嵌入在同轴的内部铁磁芯和外部铁磁轭之间，以便于提供线圈和芯/轭之间的闭合磁回路(参看箭头)和增强的磁耦合；图1B是图1A的圆环部分1B的放大的片段视图，示出了安置在芯中的槽中的电绝缘的线圈；图1C是同图1A所示相似的加热系统的第二实现方案的部分剖开的侧视图，但是其在轭中具有缝；图1D是沿图1C的线1D-1D获得的剖面图，其示出了方向同线圈中的电流相反的芯中的感应(涡)电流，并且示出了由于缝引起的轭中的涡电流的不连续性；图1E是可以并入图1A～1D的加热系统的具有多个温度区的桶挤压机的示意图；图2是根据本发明的一个实现方案向图1A～1D所示类型的加热系统提供具有高频谐波的电流脉冲的电源的一般性示意图；图3A是使用闸流管提供电流脉冲的电源的电路图；
图3B是使用闸门关断(GTO)闸流管提供电流脉冲的电源的电路图；图3C是使用集成栅双极型晶体管(IGBT)器件提供电流脉冲的电源的电路图；图4A是说明了由利用图3A的闸流管的线路频率电流供应源生成的电流脉冲的时序图；图4B是说明了由利用图3B的GTO闸流管的线路频率电流供应源生成的电流脉冲的时序图；图4C是说明了由利用图3C的IGBT器件的线路频率电流供应源生成的电流脉冲的时序图；图5A是三相三脉冲单极换向器的电路图，其由线路频率供应源的附加相提供了附加的电流脉冲，并且图6A是相关联的时序图；图5B是三相六脉冲双极换向器的电路图，其由线路频率供应源的附加相提供了附加的电流脉冲，并且图6B是相关联的时序图；图5C是单相双脉冲单极脉动器的电路图，其由线路频率供应源的桥电路提供了附加的电流脉冲，并且图6C是相关联的时序图；图5D是三相六脉冲单极脉动器的电路图，其由线路频率供应源的附加相提供了附加的电流脉冲，并且图6D是相关联的时序图；图5E是三相十二脉冲单极脉动器的电路图，其由线路频率供应源的附加相提供了附加的电流脉冲，并且图6E是相关联的时序图；图7是用于比较正弦线路频率电流相对于具有高频谐波的电流脉冲的加热性能的实验中使用的加热系统的等距视图，并且图7A是沿图7的线7A-7A获得的放大的剖面图；图8是来自通过图7的加热系统进行的实验的记录数据的温度/时间曲线图，其示出了同正弦电流相比，通过电流脉冲进行的基本上较高的加热速率；图9是图7的实验中使用的电流脉冲的示意性分布；图10是另一实现方案的剖面示意图，其中加热装置并入到炉子中，并且图10A是图10中的圆环部分10A的放大的片段视图；图11是另一实现方案的剖面示意图，其中加热装置并入到水加热器或化学反应器中；图12是另一实现方案的剖面示意图，其中加热装置作为表面安装在化学容器或化学反应器上的加热器修补件而被并入；图13是分层加热结构的一个实现方案的剖面示意图；图14是分层加热结构的另一实现方案的剖面示意图，其具有厚度为A的内部铁磁层；图15是分层加热结构的另一实现方案的剖面示意图，其具有在内部铁磁层中的冷却通路；图16是分层加热结构的另一实现方案的剖面示意图，其具有在加热元件中的冷却通路；图17是分层加热结构的另一实现方案的剖面示意图，其中内部层包括抗腐蚀和热传导衬垫；图18是分层加热结构的另一实现方案的剖面示意图，其通过热喷涂方法形成，并且图18A是图18中的圆环部分18A的放大的片段视图；图19是分层加热结构的另一实现方案的剖面示意图，其通过热喷涂方法形成，并且图19A是图19中的圆环部分19A的放大的片段视图；图20是具有盘绕的加热元件的喷射喷嘴组件的分解部件图；图21是沿图22的线21-21获得的剖面图；图22是图20的喷嘴组件的端视图(在模具端处)；图23是多温度区喷嘴组件的分解部件图，其具有上和下蛇形导体图案；图24是图23的组装喷嘴的正视图；图25是沿图24的线25-25获得的剖面图；图25A是图25中的圆环部分25A的放大的片段视图；图26是一半的吹塑模制装置的正视图；图27是图26的吹塑模制装置的分解部分的图；图28是图27的装置的加热元件和相邻的层的示意性片段视图；图29是吹塑模制和热调节方法的时序图；图30是压缩模具的示意性透视图；图31是图30的压缩模具的分解部分的图；
图32是图30的压缩模具的加热元件和相邻的层的示意性片段视图；图33是图31的组装部件的剖面示意图；图34是图33中的圆环部分34的放大的片段视图；图35是图34中的圆环部分35的放大的片段视图；图36是压缩模制方法的时序图；图37是绕芯缠绕的圆柱形加热器线圈的示意性透视图；图38是图37的线圈和芯的剖面示意图；图39是安装在板上的平面螺线线圈的示意性正视图；图40是图39的线圈和板的剖面示意图；图41是安装在板上的平面环状螺线线圈的示意性正视图；图42是图41的线圈和板的剖面示意图；图43是安装在板上的平面蛇形线圈的示意性正视图；图44是图43的线圈和板的剖面示意图；图45是安装在板上的平面环状蛇形线圈的示意性正视图；图46是图45的线圈和板的剖面示意图；图47是示出了单一的正弦波的幅度-时间曲线图；图48是图47的正弦波的频谱的曲线图；图49是示出了具有高频谐波的电流脉冲信号的幅度-时间曲线图；图50是示出了图49的电流脉冲信号的频谱的曲线图；图51是用于加热和冷却装置的控制电路的示意图。
详细描述已经确定，在此处描述的多种实施例中，具有特定分布的电流脉冲可用于提高由加热元件或线圈递送的感应加热的速率、强度和/或功率，和/或提高感应加热系统的寿命或者减小感应加热系统的成本。在所选实施例中，可以在不需要相应地增加加热器中的电流的情况下，将其实现。还可以使得能够使用较低频率(例如，50～60Hz)的供应源电流，并且可以同这样的结构性加热和冷却元件耦合，即其使得能够实现定向(局部化)加热和冷却效果，用于产生更紧密的温度控制或者减少的循环时间。
更具体地，这些电流脉冲具有迅速变化的电流分布，其提高了感应加热性能。电流脉冲是具有陡峭边缘(大的一阶导数)的离散的窄宽度的脉冲，其包括具有线圈电流的基频或根频的谐波。此处将高于根频的这些谐波描述为高频谐波，其优选地出现在加热线圈和/或加热系统的边界频率之上。向加热器线圈提供该脉冲可用于在不需要增加线圈中的均方根(RMS)电流的情况下，显著地增加感应递送到铁磁负载或者其他感应加热负载的功率。这可以接下来降低加热器线圈的能耗或冷却需要，和/或增加加热器线圈的寿命。
单独地使用或者同此处描述的结构性加热和冷却元件结合使用这些电流脉冲，可能引出的一个问题是，最大容许线圈电流，或者加热器所能够承受的并且仍能提供有用寿命的极限电流(IC-limit)。因此，对于给定的IC-limit(RMS)，线圈匝数N和电磁连接系数Kc，这里引出的问题是，如何增加感应加热功率。
在现有技术中，解决方案是增加电源的频率，在该情况中，提供同线圈并联的大电容器，作为“谐振转换器”，用于调节(紧密控制)提供给加热器线圈的正弦电流的谐振频率。关于该解决方案的一个问题是，该电源不适于同电阻负载(电阻线圈)一同工作。
而且，现有技术对用于表面加热的感应加热的使用，需要对穿透深度的紧密控制，其接下来需要对频率的紧密控制。结果，谐波是不受欢迎的，并且因此是提供给加热器线圈的电流信号的微小(最小化的)部分。这与通常不欢迎高频谐波是一致的，例如，在提供正弦60Hz线路频率电流时，电流的提供者使用巨大的电容器，以从他们的系统中除去谐波，这是因为他们的客户在所提供的信号中不需要被称为噪声的谐波，其干扰他们的电气设备和计算机，并且改变有效频率。
这里，相反地，有意地向电流脉冲提供高于线圈电流的根频的谐波。这些离散的窄的电流脉冲具有陡峭的边缘(幅度变化)和脉冲之间的相对长的延迟。它们呈现为斩波或压缩波，且在每个循环中的脉冲之间具有相对大的延迟。
谐波提供了电流脉冲信号的有效频率的增加，特别是在保持高的谐波幅度，由此感应加热功率是高的情况中。通过频谱分析仪观察，电流脉冲在多个谐波频率的每一个处将包括多个电流分量。应当理解，如此处使用的，电流和电压是可互换的并且是等效的。
优选地，谐波高于线圈或加热系统的边界频率，并且电流脉冲信号的根频也优选地高于该边界频率(由于根频可以提供电流脉冲信号的最大幅度分量)。通过使用变压器等，可以提高谐波的幅度。下文描述了用于设置电流脉冲信号的系统和方法的多种实现方案，以及说明其使用的所选应用。
该方法的一个优点是，相比于现有技术的感应加热系统的谐振正弦高频电源，提供了较简单的和成本较低的电源。在该现有技术的系统中，在加热器线圈和感应加热芯之间提供的空气间隙构成了针对通量的高磁电阻(低磁导率)，其产生了高的边界频率。为了解决该问题，现有技术的系统在谐振电路中利用高频和高幅度的电流信号，确信其对克服空气间隙的影响是有必要的，并且其使得能够进行迅速的芯感应加热。
相反地，本发明的所选实施例，例如，通过消除空气间隙，并且更优选地，将线圈整个或者至少部分地嵌入在基板中，并且通过提供关于磁通量的部分闭合或基本上闭合的回路(用于闭合带有芯的回路的铁磁轭)，其中的一个或者两个可用于减小系统的边界频率，从而提供了线圈和基板之间的较好的磁耦合。这样，该边界频率的减小可以有利地用于提供高于系统边界频率的谐波电流脉冲中的较大的能量的量。这可以使得能够使用较低(根)频率的电流供应源，和/或不需要显著增加线圈中的均方序列(RMS)电流。
在所选实施例中，通过包括配备有低频或线路频率信号的脉冲发生器的较低成本的电源，提供了所需的电流脉冲。线路频率典型地被限定为通常使用的或者对于私人、商业和工业用户易于获得的电源的赫兹(Hz)级，例如，50～60Hz。多种信号发生或开关器件，包括闸流管、闸门关断(GTO)闸流管、硅控整流器(SCR)和集成栅双极型晶体管(IGBT)器件，可以用作脉冲发生器，用于通过线路频率或直流电流(DC)提供短的电流脉冲。该脉冲是非正弦电流信号，不需要谐振电路；事实上，所需的是，不提供谐振电路，由此保持了脉冲中的高频谐波。这些谐波的存在可以显著地增加感应转移到被加热物体的功率。
所需的电流脉冲基本上可以改善利用感应和电阻加热的组合，或者主要利用感应加热的加热系统的性能。该电流脉冲可用于具有基本上闭合的磁回路的系统中，但是它们也将改善不具有闭合磁回路的感应加热器的性能。在具有加热器线圈和基板之间的空气间隙、磁回路的任何部分中的空气间隙的系统中，或者在用于加热电传导的且非磁芯或负载材料的系统中，可以没有闭合的磁回路。
下式说明了在所选实施例中通过这些电流脉冲可获得的令人惊异的性能改善。式(1a)用于计算针对形成圆柱的铁磁材料中的涡电流(Re)流动的预期电阻；式(1b)是关于平板的比较式。这里假设圆柱或板是闭合的磁回路的一部分，并且以高于边界频率的频率，将正弦电流施加到加热器线圈，该加热器线圈绕该圆柱缠绕，或者以蛇形(蛇蚊形)形状表面安装在平板上。对于圆柱，针对涡电流(Re)的等效电阻是Re=πDLρμω---(1a)]]>其中
D是圆柱的直径，L是圆柱的长度，ρ是圆柱材料的电阻率，μ是圆柱材料的磁导率，并且ω是圆柱中的涡电流的角频率，并且，对于板，Re=Lpρμω---(1b)]]>其中L是线圈导体的长度，p是线圈导体的周长，ρ是平板材料的电阻率，μ是平板材料的磁导率，并且ω是板中的涡电流的角频率，并且在以上两种情况中(圆柱和板)，其中ω＝2πf，f是基频，并且对于周期T，f＝1/T。
这样，对于正弦电流，等效涡电流电阻Re随着频率ω的平方根增加。相反地，通过实验确定，通过使用此处描述的电流脉冲，等效涡电流电阻可以增加得更快。在不限制本发明的范围的前提下，可以理论化的是，由于脉冲包括高频谐波，因此由高于其根频(额定频率或基频)的该电流脉冲的有效频率，引起了该增加的电阻。因此，通过提供具有相对于时间的高的电流变化速率的电流脉冲，实际上可以以低于这些脉冲所替换的正弦电流的基频，提供电流脉冲，这是因为这些电流脉冲的陡峭变化部分提供了不仅限于补偿其较低基频的高频谐波。结果，比预期更多的功率被以感应方式提供给芯或负载。
所需的电流脉冲可以通过多种电子器件生成，其提供了迅速的开关，以产生高频谐波中的大部分脉冲能量。多相设备的使用可进一步用于提高脉冲的基频。在下文的多种实施例中，并且通过针对比较性的实验(参看图7～9的随附文字)，描述了这些方面。
现将描述有利地利用了这些电流脉冲的感应加热系统的多种实现方案。
图1A～1D嵌入线圈、同轴芯/轭图1A～1B和1C～1D分别示出了加热系统的两个实施例，其中加热线圈嵌入在被感应加热的物体(铁磁芯和铁磁轭)中。在这两个实施例中，存在加热器线圈、芯和轭之间的紧密物理(热)接触和磁耦合。
更具体地，图1A示出了感应加热系统25的剖面部分，其包括通常为圆柱形的铁磁芯22(绕中心线29安置)，该铁磁芯22具有中空的中心通路26，被加热的可流动材料通过该通路26。例如，芯22可以是挤压模具、熔体歧管或熔体输送器、或者动力混合器或塑化单元的一部分，并且可流动材料可以是任何食物、塑料、金属等，对于来自感应加热系统的热而言，该可流动材料是最终的目标。基本上圆柱形且同轴的外部铁磁轭28围绕内部芯，且在芯的外径23和轭的内径27之间存在基本上直接的接触(基本上消除了空气间隙)。外部轭28闭合了回路(磁通量线19)，以便于将基本上全部的磁通量保持在相邻的铁磁芯22和铁磁轭28中，由此基本上增加了磁耦合，减小了针对磁通量的等效电阻，并且降低了系统的边界频率。
包括由电绝缘体36围绕的导线导体20的加热器线圈嵌入在芯22中。加热器线圈20在螺旋形槽34中绕芯22的外径23缠绕。这提供了紧密的物理接触，并且使得线圈20中电阻性生成的热能够转移到芯22。
线圈20高度磁耦合到芯22，如磁通线19所示。线圈20可由实心导体制成，诸如铜，或者由更高电阻的材料制成，诸如镍铬。芯22由磁导材料制造，诸如铁，或者由其他的铁磁材料制造，以促进磁耦合。
线圈20还通过同芯22和轭28的紧密物理接触进行热耦合。线圈20由热传导电绝缘材料覆盖(例如，层或涂层36)。适当的材料包括氧化镁和多种氧化铝；也可以使用其他的电绝缘材料。
通过铁磁芯22的中心中空通路26由内壁24限定。被加热的物质可以是气体、液体、固体或其某种组合，其被安置在(或者通过)通路26。在芯22中感应生成的热经由热传导和/或辐射传送到通路26中的材料。
轭28由磁导材料制成，诸如铁或钢，或者由其他铁磁材料制成。轭28被安置为同加热器线圈20相邻，并且与之进行热传递。芯22和轭28直接接触(基本上消除了空气间隙)，以提供闭合的磁回路，以及增强的热传导。线圈20对芯22和轭28的紧密耦合基本上减小了线圈20的边界频率。
在图1C～1D中示出了相似的加热系统的第二实施例。该修改的系统25′包括修改的轭28′，其具有延长的中空部分或缝30，并且在缝之间，具有延长的实心部分或肋31；缝30和肋31被安置为基本上与芯/轭的中心线29′平行。缝30同绕芯22缠绕的线圈20的回路成直角。缝30，其实际上是空气间隙，产生了轭28′中的涡电流32的不连续性或者限制，如图1D所示(沿图1C中的剖切线1D-1D获得的剖面图)。相反地，在芯22中不存在限制芯22中的涡电流的缝。该配置导致了芯22中的而非轭28′中的优先的感应加热；当被加热的最终物体是芯22的通路26中的材料时，这是所需的。因此，递送到加热系统的功率的较大部分被传送到被加热的物体，而非传送到轭28′。在图1D中，线圈20中的电流35被示出为逆时针方向，并且芯22中的结果涡电流33被示出为顺时针方向。两个缝之间的每个肋31中的涡电流32处于逆时针方向中。
图1E多个加热区图1E示出了多温度区桶挤压机12，其并入了前文描述类型的感应加热系统25。该挤压机包括具有多个加热区Z1～Z6的桶区13；以及具有附加的加热区Z7～Z9的喷嘴区14。(被加热的)可流动材料通过挤压机一端处的入口漏斗16进入桶，并且继续通过桶和喷嘴的多种的加热区15。任何一个或多个加热区15，诸如区Z2，可以利用如前文描述的加热系统25。
图2～6电源和开关器件图2示出了用于向加热系统25′提供电流脉冲的电源，该加热系统25′同图1A～1D中示出的相似。脉冲发生器40在(一个或多个)输入线路43上接收约60Hz的线路频率正弦电流信号42，并且在输出线路44上，以该线路频率或者以在该线路频率的倍频，生成电流脉冲Ic，用于递送到线圈20。施加到线圈20的电流脉冲生成了迅速变化的磁通量，其紧密耦合到芯22，并且其感应加热芯22(并且最终加热通道26中的材料)。由于缝30，避免了轭28′中的显著的涡电流，由此基本上未对轭28′感应加热。通过将涡电流集中在芯22中，显著改善了整体感应加热效率。
脉冲发生器40可以包括一个或多个高速开关器件，诸如闸流管48A、GTO闸流管48B、或者IGBT器件48C，如图3A～3C中分别示出的。这些器件将线路频率正弦电流信号42转换为电流脉冲Ic，如图4A～4C中分别示出的。
参考图3A，闸流管48A可用于高功率应用，例如，数千瓦的范围。单相双极换向器51(图3A中的虚线框所示)包括平行配置的相反取向的闸流管对T1和T2。当电源线路电压接近翻转时(输入信号42越过图4A中的水平轴)，电路驱动器50向引线52提供控制信号，以使T1(或T2)导通。一旦导通，闸流管仅在施加的电压翻转时截止，其在短时间后发生，如图4A所示。输入的60Hz线路频率的周期是T＝(1/60)秒，其约为17毫秒(ms)。结果，在180、360...度附近以两倍的线路频率生成了窄的电流脉冲44A(如图4A所示)。通过变压器54可以增加电流脉冲44A的幅度，其将线路频率正弦电流信号42的输入电压U0提升到输出电压U。短脉冲44A中提供的RMS电流近似等效于直接来自电压为U0的线路频率正弦电流信号42的RMS电流。提供给加热器线圈20的电流脉冲44A(由Rc表示，即加热线圈电路的等效总电阻)包括急剧变化的斜坡，该情况中是陡峭上升的前缘46和陡峭下降的后缘47(参看图4A)。如44A的脉冲的傅立叶变换指出了，脉冲44A的大部分能量处于在高频谐波中。适当的闸流管T1和T2可获得自International Rectifier Corp.，EI Sugendo，CA。还可获得具有驱动器50的集成电路芯片，用于控制闸流管。
对于中等功率水平的应用，即数百瓦的范围，可以使用相反取向的GTO闸流管对48B(参看图3B)替换(图3A的)闸流管T1和T2，用于在正弦输入信号的任何点处提供电流脉冲44B(参看图4B)(参看图3B的电路和图4B中的结果电流脉冲)。优选地，在线路频率正弦电流信号42的峰42′处提供脉冲44B，如图4B所示，减少或消除了通过变压器增强正弦电流信号42的需要。适当的GTO可获得自DynexSemiconductor，Lincoln，United Kingdom。
对于低的(数十瓦)和中等的(数百瓦)功率水平的应用，可以使用如图3C所示的集成栅双极型晶体管(IGBT)器件48C替换(图3A的)闸流管T1和T2，用于提供具有高频谐波的脉冲44C，诸如图4C所示的方波形式。可控整流器60对电压为U0的线路频率正弦电流信号42进行整流，以提供DC电压UDC，其随后被输入到IGBT器件48C。在控制电路62的引导下，IGBT器件48C自所整流的电压UDC生成了电流脉冲Ic，以形成馈送到加热器线圈Rc的方波脉冲44C。适当的IGBT器件可获得自International Rectifier Corp.，诸如IRGKI140U06器件，其提供了25KHz的硬开关，具有600伏的扩展时间电压和140安的扩展时间电流。该IGBT器件已在先前被用于向谐振正弦电路提供高频信号，用于感应加热；然而在现有的谐振系统中，未获得脉冲中的高频谐波的优点。相反地，这里电流脉冲连同所保持的其高频谐波一起，被直接提供给线圈20，避免了对谐振电路的任何使用或需要。
在图3A和3B的每一个中，两个相反取向的开关器件的平行配置针对单相正弦线路电流供应源的每个周期T产生了两个脉冲。闸流管或GTO的更加复杂的配置可用于针对多相供应源的每个周期提供更多数目的脉冲。
一个示例是图5A所示的三相三脉冲单极换向器57，其中三相供应源59向线圈Rc提供三个单极脉冲。在图6A所示的相关联的时序图中，三个电压信号UA、UB、UC在一个周期中产生了三个脉冲44D(T＝(1/60)sec≌17ms)。
可替换地，在图5B的电路中示出了三相六脉冲双极换向器61，其在一个周期中产生了六个双极脉冲44E，如图6B所示。
在图6A～6B中，曲线UA、UB和UC表示相A、B和C中的电压的时序图。
如另一替换方案，在图5C的电路中示出了单相双脉冲单极脉动器供应源63，其在一个周期中产生了两个单极脉冲44F，如图6C所示。
如另一替换方案，在图5D的电路中示出了三相六脉冲单极脉动器供应源65，其在一个周期中产生了六个单极脉冲44G，如图6D所示。
在图6D中，曲线A、B和C同相A、B和C中的电压相关；曲线AB、AC、BC、BA、CA、CB同对应的线路电压AB、AC等相关；在间隔1-4中，闸流管1和4接通，并且从线路电压AB向负载Rc提供电流脉冲；在间隔1-6中，闸流管1和6接通，并且从线路电压AC向负载Rc提供电流脉冲，等等。
最终，在图5E的电路中示出了三相供应源67，其在一个周期中产生了12个单极脉冲44H，如图6E所示。在图5E中，变压器T1和T2提供了移位30度的两个三相电压系统；从星形连接的3个相向T1馈电，并且由三角形连接的3个相向T2馈电。在图6E中，曲线AB、AC、BC、BA、CA、CB对应于从变压器T1提供的线路电压AB、AC等；曲线AB′、AC′、BC′、BA′、CA′、CB′对应于从变压器T2提供的线路电压AB、AC等。
在图5A～5E的每一个中，Rc是加热线圈电路的等效总电阻。
提供(关于多相供应源的每个周期的)附加脉冲使基频(根频)增加，其进一步增加了由独立脉冲的高频谐波分量提供的效果。这样，由这些更加复杂的配置提供的较高的基频，同陡峭变化的电流脉冲自身的高频组合，提供了显著增强的感应加热。
图7～9性能比较执行了这样的实验，其说明了，由此处描述的电流脉冲供电的组合感应和电阻加热系统，相比于由60赫兹的正弦信号电压供电的相同的加热系统，具有改善的性能。图7示出了加热装置。图8是加热速率的比较结果。图9说明了在该示例中使用的电流脉冲的形状。
如图7所示，被加热的物体是具有5mm的厚度和160mm的直径的平的钢盘(芯)70，其由具有1mm厚度和160mm直径的平的钢轭71覆盖(参看图7和7A)。加热线圈72，其由镍铬矩形导线形成，2.92米长，并且具有2.5mm×1mm的剖面，提供了1.17ohm的线圈电阻。线圈72被覆盖在绝缘材料75中，并且嵌入在盘的顶表面74中的蛇形槽73中；线圈和盘由轭71覆盖，以提供闭合的磁回路。线圈72、盘/芯70和轭71，全部是紧密物理接触(使任何空气间隙最小化)。由图7的设置，通过嵌入在钢盘70和钢轭71之间的电绝缘线圈72，由式2(下文叙述)计算的边界频率仅为24Hz。相反地，在没有闭合的磁回路(没有轭71)的情况下，将预见到约2KHz的边界频率。
首先通过60Hz的正弦信号(工业电源)对该物体加热。然后，在冷却到环境温度之后，通过同图3C中示出和描述的相似的来自IGBT源的电流脉冲，对物体加热。
对于所施加的跨越线圈72的正弦60Hz信号电压，测得了9伏的RMS电压，由此提供了10安的RMS电流。算得递送到线圈72和盘70的功率为117瓦。对于60Hz的正弦电压输入，测得的盘70的温度变化速率，为0.27℃/sec，其在图8中绘出。
从感应加热下的电磁过程分析，并且对于高于边界频率的频率，关于加热器线圈电路的基尔霍夫(Kirchoff)方程可以表述为Ups=Ic(Rc+Kc2N2Re)+Icjω(1-Kc2)Lc---(2)]]>其中Ups是电源的源的RMS电压；ω是高于边界频率的电源的源的频率；Ic是加热线圈中的电流(RMS)；Re是涡电流等效电阻；Rm是磁通路的等效磁电阻；N是加热线圈中的导线匝数；Rc是加热线圈的电阻；Lc是加热线圈的电感；Kc＜1是加热线圈和涡电流之间的电磁连接的系数；j＝sqrt(-1)是虚数单位；并且其中边界频率Ωωb＝RmRc＝2πfb。
对于60Hz的正弦供应源信号，从线圈处的电压和电流测得了约1.2ohm的总电阻。(由式1)算得涡电流等效电阻Re为0.1ohm。加入镍铬导线自身的1.17ohm的电阻，在线圈处预期测得的总电阻是1.27ohm。实际测得的约1.2ohm的电阻相当接近于该预期值。由这些数字可以看到，使用60Hz的正弦供应源信号仅以感应方式递送了约8％的功率。因此，由镍铬导线的电阻加热获得了所递送的大部分功率。
相比较而言，当将60Hz的供应源信号替换为同图3C所示相似的来自IGBT(获得自International Rectifier Corp.，IRGP450U，额定在500伏和60安，并且达到10KHz的硬开关)的电流脉冲时，提供了具有5KHz频率的电流脉冲。这些来自IGBT的脉冲80具有图9所示的分布，在每个脉冲中具有四个高度倾斜节段(81、82、83、84)，以及脉冲之间的延迟85。调节电压以提供(同60Hz供应源)相同的10安的电流；然而，为了通过由IGBT提供的高频脉冲提供10安的电流，电压须增加到114伏。更高的电压是经过变压回到线圈时的所加热物体中的更高的涡电流等效电阻的结果。线圈中的电功率现近似为1140瓦。当利用这些电流脉冲时，测得钢盘中的温度增加速率为2.6℃/sec，如图8所示。
由式1b计算关于5KHz电流脉冲的涡电流等效电阻，其示出了涡电流等效电阻Re随着频率的平方根增加。对于5KHz的频率，其比60Hz的线路频率几乎高出100倍，预期涡电流电阻约高出10倍，或者约为1.8ohm。实际上，实际测得的5KHz时的涡电流等效电阻为约10ohm(114伏除以10安，并且减去线圈自身的1.17ohm的电阻)。实际测得的大得多的等效涡电流电阻示出了，涡电流电阻的增加远大于从小于基频的100倍增加所预期的10倍的增加。因此，有效频率增加实际上必须远高于5KHz。为了获得几乎6倍大的等效电阻，有效频率增加必须约为180KHz。由于每个脉冲中的高频谐波，可以获得该远为更高的频率，如图9所示。
脉冲的傅立叶变换将示出这些高频谐波中的高的能量水平。关于周期函数(电流脉冲是周期函数)的傅立叶变换得到了傅立叶序列F(t)＝A0+A1sin(ωt)+A2sin(2ωt)+A3sin(3ωt)+...
其中ω＝2πf＝基角频率，f＝1/T＝基频，t＝时间，T＝该周期函数的周期A0＝常数，并且A1，A2，A3，...＝一次、二次、三次...谐波的幅度。
例如，具有基频ω的统一方波函数Fsw(ωt)，具有傅立叶序列Fsw(ωt)＝4/π[sin(ωt)+1/3sin(3ωt)+1/5sin(5ωt)+1/7sin(7ωt)+......]在该情况中，Re的6倍的增加意味着，约5/6＝83％的脉冲能量在高频谐波中。因此，通过每个脉冲中的这些高频谐波的存在，可以解释比预期高得多的涡电流电阻。结果，由感应加热，而非由电阻加热，将大得多的比例的功率提供给所加热的物体(这里是金属盘)。
在多种实现方案中，在高频谐波中提供大于15％的，并且更具体地，至少为50％的脉冲能量，是所需的。在具体的实施例中，该范围的较高端，至少70％，是所需的(例如，用于喷嘴中的冻结栓塞的迅速熔融；用于允许材料流过孔；或者用于挤压机桶的均匀加热)；50～69％的中间范围可以包括第二优选方案，并且25～49％的较低范围是第三优选方案。操作范围可以从初始加热变化到稳定状态的操作范围。
作为比较的基础，矩形波(替换正弦波，并且具有与之相同的幅度)在高频谐波中具有其能量的25％，而三角形波(具有相同的幅度)具有约10％。
在此处描述的所选实施例中，其中所需的是，利用感应和电阻加热这两者，由电源消耗的加热功率包括两个部分a)电阻加热功率PR＝Ic2Rcb)感应加热功率PI＝Ic2Kc2N2Re其中Ic是加热器线圈中的电流(RMS)；Rc是加热器线圈的电阻；Re是等效涡电流电阻；N是线圈匝数；并且Kc是加热线圈和涡电流之间的电磁连接系数。同其中冷却加热器线圈并且因此失去了加热功率的该电阻分量的现有技术系统相比，在此处描述的组合电阻/感应实现方案中，当该热被转移到被加热的物体时，电阻分量PR将贡献于整体加热效率。如果加热线圈嵌入在所加热物体中，则电磁连接系数几乎增加到Kc＝1，其在相同的线圈电流下增加了加热功率的感应部分PI。对于固定的Ic(针对给定线圈的最大允许电流)、N和Kc，通过增加涡电流等效电阻Re(如前文通过式1所描述的)，增加了加热功率的感应分量PI。
任意输入电流(不必是正弦变化)下的感应加热的电磁过程分析指出了，涡电流电阻Re是线圈中的电流变化速率的函数。实验数据表明Re～(dIc/dt)n其中n＞1，Ic是线圈中的电流，并且t是时间。考虑到该关系，在不增加线圈中的电流的情况下，通过将高基频正弦电流供应源替换为具有陡峭变化部分的电流脉冲，可以显著增加来自感应加热的加热比例。由于电流脉冲的陡峭变化部分提供了不仅限于补偿较低基频的谐波，因此这些脉冲可以提供在低于其所替换的正弦电流的基频。
在所选实施例中，通过消除空气间隙、将线圈嵌入在基板中、和/或提供轭以确保关于磁通量的闭合回路，提供了较好的耦合，由此可以降低边界频率。这有助于通过提供具有高于边界频率的高频谐波的电流脉冲改善感应加热性能。
如上文所述，可以提供用于感应加热的较低成本的电源，其包括通过低频或线路频率激励的脉冲发生器。信号生成器件，包括闸流管、GTO和IGBT器件，可用于自线路频率或直流提供短的电流脉冲。保持这些电流脉冲中的高频谐波(在没有谐振电路的情况下)，以增加转移到被感应加热物体的功率。而且，相比于现有系统，可以不需要加热线圈的冷却。
IGBT器件能够承受高于所述实验中使用的电压和电流，其可以在高于5KHz的频率运行，由此通过与60Hz实验中所提供的相同的线圈，以及线圈中的相同的电流，向负载提供了更高的功率用于加热。
图10炉子图10说明了作为可替换的加热系统的炉子90。该炉子包括碗形容器91(作为铁磁芯)，其具有底壁97和向上张开的侧壁98；和线圈93，其嵌入在绕该侧壁的外周缠绕的立方槽中。套状轭92覆盖了芯的侧壁98，与之直接接触，闭合了磁回路。固定的或者可移除的盖94覆盖容器91的顶部开口。在芯91中容纳材料95，其是熔融的或者另外是按照需要保持在所选的温度。图10A中的细节部分示出了线圈93，其由绝缘层96围绕，同芯侧壁91和轭92紧密接触。
图11水加热器或化学反应器图11示出了水加热器或化学反应器实现方案，其中圆柱形的芯101具有嵌入在其外表面中的线圈，并且圆柱形的轭102围绕芯，但是通过空气间隙107与之分离。同轭102直接接触的盘形的下轭105闭合了加热器/反应器的底端，并且同轭102直接接触的盘形的上轭104闭合了加热器/反应器的顶端，由此闭合了磁回路。铁磁芯101同上和下铁磁轭104、105，以及铁磁侧壁轭102之间的紧密物理(直接)接触增强了闭合磁回路的耦合。被加热的可流动材料可以通过中心通路109送到加热器/反应器中。
图12加热器修补件图12示出了另一可替换的加热系统110，其中化学容器或反应器112具有安装于其上的加热器修补件。示出了两种可替换的加热器修补件类型，右侧的圆盘114和左侧的方形或矩形板116。这些加热器修补件的构造同图7的结构相似。
图13～19分层加热结构图13是加热装置120的示意性剖面，其包括外部层122、内部铁磁层126、置于外部层和内部层之间的加热元件124、以及同内部铁磁层相邻的被加热的物体128。加热元件由电绝缘体125围绕，用于使电导体同内部铁磁层和外部层隔离。外部层可以是多种材料中的任何一种，包括铁磁或非铁磁材料、电传导或非传导材料、以及绝热或非绝热材料。外部层还可以完全地或部分地是空气间隙。
图14示出了可替换的装置130，其包括外部层132、内部铁磁层136、置于外部层和内部层之间的加热元件(具有导体134和绝缘罩135)、以及同内部铁磁层相邻的被加热的物体138。这里，内部铁磁层具有约3*的厚度A。Δ(*)是内部层136的铁磁材料中的所感应涡电流的穿透深度。该厚度A提供了将热从铁磁层136传送到被加热物体/材料138的优选的效率。
图15示出了可替换的装置140，其包括外部层142、内部铁磁层146/149、以及置于内部层和外部层之间的加热元件(导体144连同绝缘罩145)。再次地，被加热的物体148被安置为同内部铁磁层相邻。这里内部层146/149包括冷却通路147，冷却介质可以(例如，间歇地)通过该冷却通路147，以按照需要降低内部层146/149的温度。可替换地，该冷却通路可以安置在外部层142中，或者可以在外部层和内部层中提供它们。
图16示出了另一可替换的装置150，其包括外部层152、内部铁磁层156、以及置于内部层和外部层之间的加热元件(导体154连同绝缘罩155)。再次地，被加热的物体158被安置为同内部铁磁层156相邻。在该实施例中，加热元件是具有内部冷却通路157的中空的矩形电传导加热元件154。冷却介质可以通过中心冷却通路，用于(例如，间歇地)冷却内部层156和/或外部层152。
图17示出了另一实现方案，其分别包括围绕加热元件(导体164和绝缘罩165)的铁磁外部层和铁磁内部层162、166。内部层166包括抗腐蚀和热传导层169，其同被加热的物体168相邻。内铁磁层和外铁磁层162、166形成了关于所感应磁场的基本闭合的磁回路。外部层162可以是绝热的。
热喷涂(TS)方法可用于制造上文在图13～17中以及下文在图18～19中描述的多种结构中的集成分层加热元件。这些集成分层结构使得加热元件能够成为装置的结构性元件的一部分，能够承受施加到例如，熔体通道、吹塑模制或者压缩模制系统的压缩力。
图18～18A示出了例如，分层加热装置，其包括置于外部层172和内部铁磁层176之间的加热元件。该加热元件具有外电介质层175A、内部冷却通路177、传导线圈层174和内部电介质层175B。可替换地，可以从加热元件中除去冷却通路，或者可以在该加热装置的其他位置提供该冷却通路。为了制造该结构，在内部层176的外表面173中形成通道171。将内部电介质层175B热喷涂在通道171中。下面，将电传导线圈层174热喷涂在内部电介质层175B上。可以从除了通道171中以外的外表面173中，移除所涂敷的层175B和174。可以将第二电介质层175A热喷涂在外部层172的内表面上。然后将外部和内部部分连接在一起，留下层175A和174之间的冷却通路177。
在图19～19A中示出了可替换的热喷涂实现方案。这里，装置180包括外非铁磁模制基座182、外电介质绝缘热喷涂层185A、加热线圈层184、内电介质热喷涂层185B、内铁磁模制表面层186、以及被安置为同内模制表面相邻的被加热的物体188。所施加的磁场在内铁磁模制表面层186中感应涡电流。相比于内部层186，基本上非铁磁(例如，铝)的模制基座182将不具有显著的所感应的涡电流，并且将基本上是较冷的。一旦加热元件184被关断，可以发生模制表面层186的迅速冷却。较冷的外模制基座182的基本上较大的质量将热从基本上较低质量的模制表面层186中拉出。这里，冷却介质或机制是外非铁磁模制基座182本身，其用作热散热器。
图20～22喷射喷嘴在传统的喷嘴加热组件中，电阻加热器带被安置在喷射喷嘴的外周上。这样，必须将加热器带中电阻性地生成的热从喷嘴的外表面热传导到其内表面，其中(被加热的)材料流过中心喷嘴通路。这是相对低效率的加热方法，并且难于提供均匀的温度或迅速的加热。如果过于迅速地加热喷嘴，则产生了热梯度，其可能导致喷嘴中的结构性故障(例如，裂纹)。喷嘴本身是挤压机/桶装置的延伸，并且典型地经受数吨的力，例如，夹合吨位的5～10％。因此，由过度的热梯度引起的小的裂纹易于出现，并且导致了最终的故障。
而且，在现有技术的设计中，在喷射喷嘴中提供了分离的冷却回路，以防止在打模具打开具用于移除模制物体时塑料熔体“淌下”或“滴下”。因此，对于每个模制循环，喷射模具的可移动侧打开，并且在模具脱离的过程中，至喷嘴的熔融塑料的流动必须停止。如果发生了来自分离的熔体通路(在模具或喷嘴中)的淌下或滴下，则其必须被移除，引起了停机时间和材料的损失。用于控制该问题的替换方法是昂贵的，或者在很多情况中是不现实的。挤压机的减压或者喷嘴的机械闭合可以有助于防止淌下，但是某些模制材料不允许减压，这是因为其在模制部分中产生了缺陷(空气杂质)。机械闭合设备是有问题的，这是因为它们需要额外的移动部件、电传感器、液压管(具有伴随的液漏和火灾的风险)、部件的磨损、闭合销的准确配合、以及维护。
因此，所需的是将熔体通路口的温度控制在精确的水平上，和/或允许迅速的加热或冷却该口。这可以减少或者消除对机械闭合设备的需要。而且，该熔体的热控制将使得能够形成凝固节段、部分凝固节段，或者能够增加熔体的粘性，由此其不会淌下或滴下。
还将所需的是，同应用于喷嘴外表面的传统的电阻加热器带相比，提供更加紧凑和能量效率更高的加热装置。对于这些现有已知的设备，所施加的加热和冷却远离所需的被加热或被冷却的所需区域(中心通路)，由此导致了差的热响应时间。结果，加热和冷却硬件在尺寸上增加，以补偿热效率的不足，使得加热和冷却装置非常庞大。而且，电阻加热器的寿命在诸如600°F的温度下是非常有限的，在需要更换加热器时增加了停机时间。
图20～22说明了用于喷射喷嘴组件的改进的加热和冷却系统。喷嘴组件200通常是圆柱形的，具有中心穿通通路208，其从第一或桶/挤压机端部210延伸到第二模具端部212。喷嘴包括内部部件202和同轴外部部件204，以及置于内部和外部部件之间的线圈加热器元件206。加热元件206的形状被构造为，在内部喷嘴部件202的模具端部上绕管214的外圆柱表面213缠绕的螺旋线圈。管和加热元件配合到外部部件204的内部孔216中，如图21所示。连续穿通通路形成在模具端部212处由外部喷嘴214的中心孔220，并且连续通过中心通路222，该中心通路222沿内部喷嘴202的长度延伸到桶/挤压机端部210。
塑料熔体通过中心通路，其来自挤压机，通过喷嘴200，通过热的流道系统，并且进入模具。在将预定量的塑料熔体从喷嘴200喷射到模具中之后，并且在模具中的一定的冷却时间之后，打开模具，即，使其同喷嘴分离，此刻塑料熔体通过喷嘴的流动必须停止。本喷嘴的加热和冷却元件实现了高的能量效率和相对简单的用于在喷射循环中控制溶体流动的机制。
在喷射循环的第一部分中，熔融的塑料将流过所加热的喷嘴组件的中心通路208。将电流脉冲信号施加到加热元件206，其生成了交变磁场。该场在内部喷嘴的铁磁管214中生成了感应涡电流，其加热内部喷嘴管。内部喷嘴管中的热被传送到流过内部喷嘴的中心通路222的熔融塑料。相比于现有技术的施加到喷嘴组件外表面上的电阻加热带，加热元件216被安置为同中心通路222相对接近。
在所示出的实施例中，加热器线圈是镍铬合金(NiCr)的线圈元件，其具有相对大的剖面，以减少线圈中生成的电阻热。线圈由电绝缘材料覆盖，以便于使加热元件同内部和外部喷嘴部件202、204电气隔离。而且，在内部和外部喷嘴部件之间形成了通路230，其中可以通过冷却介质。在喷射模制循环的第二部分中，可以部分地或全部地减少电流脉冲信号，以减少或消除在铁磁内部喷嘴202中生成的感应加热，并且由此减少传送到通路222中的熔融塑料的热。为了冷却铁磁内部喷嘴202，冷却介质通过冷却通路230，以便于从内部喷嘴管214带走热。这使得能够在该循环的第二部分中进行塑料熔体的迅速冷却。然后打开该模具，并且由于凝固节段、部分凝固节段的形成，或者塑料的增加的粘性，塑料不再流过喷嘴。
在不需要外部喷嘴的感应加热的情况下，外部喷嘴204不需要由铁磁材料形成。可替换地，在需要感应加热外部喷嘴以及内部喷嘴的情况下，外部喷嘴可由铁磁材料制成。
该喷嘴设计使得能够进行迅速加热，以实现均匀或稳定状态的加热，并且能够在喷射循环的另一部分中进行迅速的冷却。在相对低温的应用中，可以使用铜加热线圈206，而没有任何冷却周期。然而，对于较高温度的应用，例如600°F，铜线圈将氧化，并且在短的时间周期中烧毁。在较高温度的应用中，优选的是使用镍铬(NiCr)线圈，其可以承受较高的温度。
而且，该实现方案提供了紧凑的和高效的喷嘴设计。所生成的热较接近于中心通路222，其中其被传送到被加热的材料。而且，所施加的冷却较接近于内部喷嘴，使得能够在喷射循环的模具打开(模具脱离)部分中，进行内部喷嘴的迅速冷却。
图23～25多区热流道喷嘴图23～25示出了并入在多温度区喷嘴组件240中的加热装置的另一实施例。钢的热流道喷嘴242具有带有中心通路246的伸长的圆柱形部分244。加热器套筒组件247包括加热线圈248，其安置在管或套筒250上，并且由外部层254覆盖。在内部套筒250的外表面上以蛇形图案提供电传导线圈248。套筒组件247在喷嘴242的圆柱244上滑动。内部套筒250和外部层254提供了电导体248和铁磁钢喷嘴圆柱244之间的电绝缘。在该实施例中，其主要依赖于铁磁钢喷嘴的感应加热，不需要加热组件和喷嘴之间的密切物理接触(如由电导体生成的电阻热的转移所需要的)。
图23示出了用于喷射模制喷嘴的多区加热组件的分解图。外部层254被示出为从该组件移除，但是实际上其永久附装在加热元件和内部套筒250上。示出了两个温度控制区(区1和区2)，其被说明为，上面的电导体图案256，其在蛇形图案的相邻元件之间具有相当接近的间隔，以及下面的间隔更宽的图案258。如果上和下传导图案由相同的信号供电，则上方图案256将递送比间隔较宽的下方图案258更多的热。蛇形图案的使用允许引线260从多个区后面退出；在内部套筒的下端处提供了电气连接器262。
图24是具有安装在喷嘴242上的加热器套筒的组件的外形图。可以实现多种区的长度和数目，以适应不同的喷嘴长度。图25和25A示出了这样的剖面图，其示出了安置在内部电介质(例如，陶瓷)管250和外部电介质(例如，陶瓷)层254之间的加热元件248。
该喷嘴和加热器套筒组件的优点是迅速从喷嘴242中移除加热器套筒组件247以便于清洗喷嘴或对其进行其他保养的能力。相反地，现有的加热元件需要同喷嘴的紧密公差配合，使得保养是非常困难且耗时的。例如，如果电阻加热元件故障并且需要更换，则通常必须撬松喷嘴。这里，配合相对松的陶瓷套筒可以提供，例如，在内部套筒250和喷嘴圆柱244之间的高达半个毫米的间隙，并且仍提供喷嘴的有效感应加热。而且，通过提供内部陶瓷管250，将加热元件248喷涂在管250的外表面上，并且随后将外部陶瓷层254浇铸在加热元件248和管250上，可以经济地制造加热器套筒组件。浇铸的外部层254可以提供主要的套筒的结构完整性。
图26～29吹塑模具图26～29示出了另一实施例，其中加热装置并入到容器吹塑模制装置300中。在该示例中，加热元件将主要提供感应加热，以便于迅速加热在模具内表面上提供的铁磁材料薄膜(模具插入件)。这样，可以使外部模具保持在较低的温度。该薄的铁磁模制表面层的迅速加热和冷却使得能够减少用于吹塑模制和/或容器热调节的整体循环时间。
传统的热调节工艺利用高的模具温度，以调节吹塑模具中的塑料容器。在所吹塑的容器的内表面上，该高的模具温度需要使用空气冷却，以便于允许在没有过度收缩或变形的情况下，从模具中移除容器。这些传统的模具可以具有260～280°F的表面温度，并且需要恒定的引入和排放处于600psi(40bar)压力下的压缩空气，以冷却容器的内表面，同时外表面同热的模具相接触。取决于所使用的聚合物，该类型的热处理可用于提供增加的结晶程度。
相比于较低操作温度的模具，使用高的模具温度和内部空气冲洗/冷却减少了生产量。例如，在190°F的较低模具温度，瓶制造商能够每小时每个模具生产1400个容器，在260～280°F的较高模具温度，该数目可能减少到每小时1200个瓶或更少。除了由空气冷却所需要的模制装置的较高的成本和复杂度之外，该生产量的减少是很大的成本不利之处。
图26～27示出了本申请人的用于制造塑料瓶290的吹塑模制装置300的一半。在图27的分解图中，由铝Al制成的外部模具部分306具有内部构形轮廓308，用于形成一半容器侧壁。在该内部模具的表面中提供了蛇形槽310，其被构形为容纳加热线圈302和相邻的外部电介质线圈312。加热线圈302安置在同样以蛇形图案提供的该外部电介质线圈312和被示为连续的片的内部电介质层314之间。同内部电介质层314的相对侧相邻的是相对薄的层(同外部模具306相比)的铁磁模具插入件304，这里例如，其由NiCr制成，并且被形成为连续的片。模具插入件304具有同内部电介质层314接触的外表面318，并且具有内表面320，其具有同吹塑侧壁292中被复制的细节相同的构形轮廓。外部模具基座306配有槽322和用于向加热线圈302提供电流的引线的电气连接器324。
图28是说明瓶壁的模具表面加热的示意性剖面图。具有围绕的电介质层312、314的加热线圈302被示出为安置在外部模具基座306和更薄的模具插入件304之间。加热器线圈302中的电流生成了磁通量301，其延伸通过NiCr模具插入件304以及Al模具基座306。由于Al模具基座306相比于NiCr模具插入件304，具有针对涡电流的更低的电阻，因此模具基座306将不会由涡电流生成显著的热。相反地，模具插入件304将生成显著的涡电流，其感应加热模具插入件304。在模制工艺过程中保持瓶侧壁292同模具插入件304紧密接触，由此热从被感应加热的模具插入件304转移到瓶壁292。
图29说明了可以通过使用该吹塑模具装置实现的循环时间的减少。在曲线图的左侧列出了吹塑模制循环340的步骤；水平轴是时间，以秒(sec)为单位。虚线342根据在曲线图右侧提供的温度刻度344，表示瓶侧壁的温度。在更右方还提供了以秒为单位的关于循环的每个部分的近似指征(持续时间346)。
在新循环开始时，加热预制件(将由其形成瓶)插入到模具中(持续时间0.1sec)。该预制件在与外部模制基座近似相同的约190°F的温度时进入模具。将模具插入件加热到所需的最大温度，即280°F。模具插入件的感应加热将持续循环的1.5秒。关闭模具(在循环中的t＝0.1sec处)，并且开始预制件的拉伸吹塑模制(持续时间0.2秒)。扩展的预制件容器同所加热的模具插入件相接触，并且侧壁温度继续上升，直至其达到280°F的模具插入件温度(在循环中的约t＝0.7sec处)。保持该压力，以便于维持瓶侧壁同模具接触，用于热调节的目的(持续时间1.2秒；在循环中的从t＝0.3至1.5sec)。此刻在热调节中，减小或关断感应加热，并且开始模具插入件的冷却。现在，较低温度的外部模制基座从模具插入件中移除热，结果，仍同模制基座相接触的瓶壁温度降低(在循环中从t＝1.5至1.9sec)。接下来，随着吹塑压力的排放(在t＝1.9sec处)，所冷却的瓶壁达到用于从模具中排出的可接受的温度。打模具打开具(在t＝2.1sec处)并且排出容器(在t＝2.3sec处)。一旦该部分被排出，模具插入件的加热再次开始，用于下一个循环。达到所需的最大模具插入件温度，并且插入下一预制件，以开始新的循环。总的循环时间(从插入预制件到排出容器)约为2.4秒，其包括在从190°F到达280°F的温度范围上加热、扩展和调节容器。
在该示例中，感应加热使得能够进行薄膜铁磁模制表面(即模具插入件304)的迅速加热。通过终止(或基本上减小)对加热线圈302的供电，薄的铁磁膜快速地冷却到较低的外部模具温度(模具基座306的190°F)；这消除了对吹制容器的内部空气流通的需要。通过消除对容器的内部空气冷却的需要，节约了可观的资金、能量和维护。通过热调节，吹塑模制表面的迅速的热循环可以提供具有的改善属性的容器，诸如侧壁中的较锐利的细节和/或容器的更坚实的感觉。这是在不需要较高的模具基座温度的较慢的生产量、以及不需要同内部空气冷却相关联的成本的情况下实现的。
该装置和方法还可以提供优于现有技术的用于生产具有高的热调节水平的容器的双模具工艺的显著的优点。在双模具工艺中，容器在第一模具中被吹制、被移走并且在调节炉中经受辐射热，并且随后被转移到第二吹塑模具并被重新吹制为最终的所需形状。所得到的容器典型地用于非常高的使用温度(例如，巴氏杀菌应用)。通过使用本感应加热元件，并且在较长的循环时间中模制，利用单模具工艺可以实现所需的高结晶度。这显著减少了资金和操作成本需要。作为另一替换方案，可以将铁磁添加剂并入到吹制瓶的聚合物中，以便于直接感应加热瓶壁，以及通过自模制插入件的热转移感应加热瓶壁。
图30～36压缩模具图30～36说明了另一实施例，其中将加热装置并入到压缩模具400中。在图30中示出了关闭的压缩模具。图31是示出了压缩模具的多种部分的分解剖面图，其以从顶至底的串联的顺序包括·芯402；·环404；·模具插入件406；·上电介质层408；·加热元件410；·下电介质层412；·加热器板414；·冷却板416；·绝缘板418；和·衬板420。
在图33中的剖面中示出了组装部件。图34～35是放大的剖面图。
图32中的示意性局部剖面可用于描述模具插入件406和加热器板414的感应加热，以及加热器板414的随后的冷却。在图32中，绝缘板418(在顶部上未示出)提供了热绝缘。下一层是冷却板416，其中提供了冷却通路422，用于间歇冷却，如下文的工艺中所描述的。下面的层是铁磁加热器板414，并且其下面是模具插入件406和模制部分430。电传导元件410安置在加热器板414中的槽424中。线圈410中的电流生成了磁通量，其在加热器板414和相邻的模具插入件406这两者中感应了涡电流。模具插入件406中生成的热随后被转移到相邻的物体430(其在芯402和模具插入件406之间的环404中模制)。在该示例中，物体430是双极性的板或燃料电池。相比于转移到加热器板414的热，更多的热将从模具插入件406转移到相邻的物体430。冷却板416中的冷却通道422允许加热器板414的间歇冷却。在可替换的实施例中，仅有加热器板414和模具插入件406中的一个是铁磁的。
根据图36中描述的一个方法实施例，可以如下使用图30～35中示出的装置。在图36的最左侧的列440中示出了该方法的步骤440；水平轴是以秒(sec)为单位的时间。根据曲线图右侧的温度刻度444，虚线442表示加热器板414的温度。在曲线图更右侧提供了每个方法步骤的持续时间446。在该模制循环中，模具温度的变化是200°F，从230°F变化到430°F。目的是在最短的时间内加热和冷却加热器板414，以便于减少整个循环时间。
在新的循环开始的第一步骤中，模具插入件406被加热到430°F的最大温度。在循环的初始的30秒中，加热器板414的温度从230°F增加到430°F。在该加热步骤的后面部分中，将模制材料装载到模具中(在循环的t＝20～25sec处)。当模具表面温度达到430°F的高温时，可以关闭模具并且施加压缩(在循环的t＝25～30sec处)。在保持和固化阶段中，(t＝30～70sec)，模具温度维持在430°F。使模制物体在430°F保持40秒之后，循环的冷却部分开始。将冷却介质施加到(在t＝70sec处)模制基座中的冷却通道，并且热被从加热器板414中带出，并且因此被从模具插入件406和所模制的物体430带出。加热器板414的温度稳定下降(从t＝70至115sec)，直至可以打模具打开具(45秒后)并且排出该部分(在t＝115sec处)。模具插入件的温度现为230°F。然后清除冷却通道中的冷却液(从t＝115～120sec)，由此加热器板414处于其230°F的低温；同时，加热元件410接通，以恢复对模具插入件406的加热。该最后的步骤耗时约5秒。整体循环时间约为2分钟。
额外的实施例和替换方案加热器线圈可以是任何类型的电传导的材料或元件(其具有变化的电阻率水平)，用于在提供有交变电流时生成交变磁场。其不限于任何特定的形式(例如，导线、线束、线圈、厚膜或薄膜、笔印刷或丝网印刷、热喷涂、化学或物理气相淀积、晶片等)，也不限于任何特定的形状。
此处在一个或多个实现方案中描述了镍铬加热器线圈，其是基本上电阻率比铜高的材料。其他的“电阻导体”加热器线圈材料，包括例如，镍、钨、铬、铝、铁、铜等的合金。
正被加热的物体可以是任何物体、基板或材料(气体、液体、固体或其组合)，其整体或部分地是铁磁的，并且其自身可以通过施加磁通量以在其中感应涡电流而被感应加热，或者其接收来自直接或间接被感应加热的另一物体转移的热。对物体的几何特征、尺寸和/或相对于加热器线圈的物理位置，不存在限制。
经历感应加热的物体不限于单一的物体，例如，如某些实施例中描述的磁芯，而是可以包括多个物体。除了(或替换)作为加热物体的芯，被加热的最终材料可以是通过芯中的流动通路的电传导材料(诸如铝或镁)。流动通路中的材料自身可以通过来自芯的感应的热和/或转移的热而被加热。
开缝的轭被描述为物体的一个实现方案，其(通过芯)闭合磁通量回路，但是由于缝(基本上是空气间隙)在磁场中产生了不连续性或限制，因此在感应加热方面是较低效率的。许多其他的结构可用于产生该不连续性或限制，例如，轭的一部分可由非磁导或磁导率基本上低于铁磁芯的材料(除了空气以外)制成，或者轭可由铁氧体、fluxtron或具有针对涡电流流动的高电阻率的相似材料制成。同样，轭可以广泛地并且不局限于用于特定的结构、形状或材料。
加热器线圈可形成为蛇形图案，置于物体表面上或与物体表面相邻，并且提供在(相对于位置的)交变方向中跨越物体的磁场。加热器线圈可被形成为绕三维物体缠绕的圆柱形图案，并且在线圈内部提供(相对于位置的)相同方向中磁场。在多种实施例中，电导体可以是中空元件或实心元件，并且其可以采用多种形状和形式，诸如螺线形、蛇形、环状螺线形或环状蛇形。环状螺线形或环状蛇形元件的一个优点在于，两个电气引线可以在相同的位置退出。传导线圈可以具有可变的间距(线圈之间的距离)，其将影响结果磁场生成。取决于可用的空间和所需的加热功率，线圈的形状和线圈之间的距离可以变化，以改变加热功率密度。在S.Zinn和S.L.Semiaten于1988年6月、8月和10月的Heat Treating中出版的3 part文献“Coil Design andFabrication”中找到了基本加热器线圈设计的描述。
线圈的加热输出是频率、电流和加热元件的匝数的函数。该相关性可被描述为 其中α是材料和几何特征的函数。
I＝电流
N＝匝数ω＝电源频率Preq＝所需用于加热材料的功率可以改变加热和冷却通道的设置，以获得关于速度、均匀性和效率的所需的加热分布或者模式。
图37～46说明了如何通过不同的加热器线圈(加热元件)设置产生不同的感应场。示例包括被构形为如下形式的线圈圆柱形螺旋线圈(图37～38)；平面螺线线圈(图39～40)；平面环状螺线线圈(图41～42)；平面蛇形线圈(图43～44)；和平面环状蛇形线圈(图45～46)。提供了透视图以及剖面图。磁通量由箭头示出，线圈电流由Ic示出，并且涡电流由Ie示出。
可以使用下面的公式，例如，用于计算由具有各个形状的线圈产生的感应功率PI螺线形PI=π316R2jgen2d2[dd+Δ1]μρω]]>蛇形PI=π24R2jgen2d2[dd+Δ1]μρω]]>环状螺线形PI=π316R2jgen2d2[dd+Δ1]μρω]]>其中R＝铁磁负载的涡电流电阻jgen＝线圈中的电流密度d＝线圈直径Δ1＝线圈之间的距离μ＝铁磁负载的磁导率ρ＝铁磁负载的电阻率
ω＝负载中的涡电流的角频率图37～38说明了绕实心圆柱形铁磁芯504缠绕的圆柱螺旋线圈502。图38示出了线圈元件的上面的行506的剖面，其电流方向Ic指向纸张，在芯的上面部分510中生成了顺时针方向的磁通量508，其在芯的上面部分中生成了离开纸张的涡电流Ie。在线圈元件的下面的组512中，电流离开纸张，在芯的下面部分516中生成了顺时针方向的磁场514，并且生成了在芯的下面部分中进入纸张的涡电流Ie。上面和下面的磁场508、514在芯504中相互增强。
图39～40说明了平面螺线线圈522，其安装在平的铁磁物体526的上表面524上。图40示出了同物体的上表面524相邻的线圈元件的左侧的组530和右侧的组536的剖面。线圈元件的左侧的组530具有进入纸张的电流Ic，并且在物体的左侧部分534中生成了逆时针的磁场532，具有离开纸张的涡电流Ie。对于物体右侧部分540上的线圈电流Ic、磁场538、以及涡电流Ie，方向是相反的。
图41～42说明了平面环状螺线线圈550，其安装在平的铁磁物体556的上表面552上。环状螺线中的四个相邻的线圈部分被标注为A、B、C和D。图42以剖面的形式示出了关于四个标注的线圈部分中每一个的各自线圈电流Ic、磁场558和涡电流Ie的方向。
图43～44说明了平面蛇形线圈570，其安装在平的铁磁物体574的上表面572上。蛇形线圈中的四个相邻的线圈部分被标为A、B、C和D。图44以剖面的形式示出了关于四个线圈部分的各自的线圈电流Ic、磁场578和涡电流Ie的方向。
图45～46说明了平面环状蛇形线圈580，其安装在平的铁磁物体584的上表面582上。四个相邻的线圈部分被标为A、B、C和D。图46以剖面的形式示出了关于四个线圈部分的线圈电流Ic、磁场588和涡电流Ie的方向。
通过改变具有恒定脉冲宽度的脉冲的周期(基频)，或者通过改变具有提供给线圈的脉冲恒定基频的脉冲的宽度，或者执行这两种改变，可以控制线圈中的RMS电流和由线圈提供的功率。
基频意味着脉冲重复的频率。每个脉冲可以包含多个倾斜部分或者陡峭边缘(谐波部分)，但是在每个脉冲之间具有相对较大的延迟周期。基频是包括一个该延迟的最低的周期性划分的频率。
有效频率意味着提供与电流脉冲信号相同的感应加热效果的纯正弦信号的频率。
高频谐波意味着高于基频或根频(是其倍频)的频率处的谐波。
可以使用频谱分析仪分析具有高频谐波的电流脉冲信号。作为比较，图47示出了具有幅度A和频率ω的单一的正弦波的波形700，其中波形由Asin(ωt+Φ0)描述。图48示出了该单一的正弦波700的频谱710，其中所有的幅度A由单一的频率ω承载。相反地，图49示出了具有高频谐波720的电流脉冲信号的示例(还被称为斩波)。图50示出了斩波720的频谱730，其是开始于具有幅度a1的根频ω的余弦波、以及高于根频的2ω和幅度a2、3ω和幅度a3、4ω和幅度a4等的高频谐波的和。幅度通常随着频率的增加而下降。优选地，随着频率的增加，幅度保持为高的。
在加热器电路中，通常指示所生成的功率(热)的量的两个量是频率和电流。如由下式所见，相比于频率，电流具有更大的影响P=I2ω]]>因此，优选地，在增加频率时将电流保持为高的。
具有高频谐波的电流脉冲信号是具有陡峭边缘和电压跳变之间的长的停顿的波。其可被称为斩波。斩波可以提供十倍于相同根频的正弦波的功率，其中高频谐波的幅度保持为高的。
总而言之，“根频”是可以将波划分为周期并且使该波仍是周期性的最小时间。高频谐波是具有高于根频的频率的波，并且其连同根频一起“建立了”所需的波。通常，所需的是，在谐波中生成大的幅度，由此功率保持为高的。所需的是，使用50～60Hz的根频，这是因为其易于由输电网获得；然后电源可以对离开输电网的正弦波进行“斩波”，以生成所需的高频谐波。
具有高频谐波的的电流脉冲被描述为包括基频(根频)或者一次谐波、以及高于根频的更高的谐波。因此，信号可被理解为由这些分量所构造。该构造应被理解为，在物质世界中，包括通过开始于根频信号(例如，正弦)，以及移除波的一部分以保持一个或多个谐波分量，构造脉冲信号。其还将包括，例如，从矩形脉冲开始，以及改变矩形脉冲的形状。
此外，前面的示例(图3～6)示出了在正弦信号的每个半周期中生成的一个脉冲。然而，可替换地，在每个半周期中正弦信号可被“斩波”多次，在每个半周期中生成多个脉冲。而且，作为使用双极性开关的替换，在对信号斩波(每个半周期中一次或多次)之前，可以通过二极管桥首先对正弦信号整流。
此处描述的所选实施例利用了冷却介质，用于例如，间歇地降低所加热物体的温度，而非用于加热物体。图51示意性地示出了加热和冷却装置780，其具有控制电路781，用于按照需要，交替地和/或同时地，将冷却介质自冷却剂源和调节器782提供到装置784，以及将电流脉冲信号自脉冲发生器783提供到装置784，其中该装置784包括加热元件、冷却通路以及被加热和冷却的物体。
通过考虑此处公开的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域的技术人员将是显而易见的。说明和示例应被视为仅是示例性的，本发明的真实范围由随附权利要求指出。
权利要求
1.一种装置，包括加热器线圈，用于感应加热；和电源，其向所述加热器线圈提供具有高频谐波的电流脉冲，其中所述加热器线圈生成了磁通量，用于物体的感应加热。
2.权利要求1的装置，其中相比于电阻部分，所述高频谐波增加了所述线圈的加热功率中的感应部分。
3.权利要求2的装置，其中所述电流脉冲在不超过所述加热器线圈的电流限制的情况下产生了增加的感应加热的量。
4.权利要求1的装置，其中相比于具有相同根频的正弦电流信号，所述电流脉冲产生了增加的感应加热的量。
5.权利要求1的装置，其中所述电流脉冲具有高于所述加热器线圈的边界频率的相关能量分量。
6.权利要求1的装置，其中所述电流脉冲在不增加所述加热器线圈中的均方根(RMS)电流的情况下，增加了加热功率中的感应部分。
7.权利要求1的装置，其中所述电源接收线路频率正弦电流信号作为输入。
8.权利要求1的装置，其中所述加热器线圈包括电气电阻导体，用于在线圈中生成电阻热。
9.权利要求8的装置，其中所述加热器线圈同所述物体进行热传递。
10.权利要求1的装置，其中所述加热器线圈感应耦合到包括所述物体的负载。
11.权利要求10的装置，其中所述负载包括铁磁基板或物体，并且所述磁通量在所述铁磁基板或物体中感应了涡电流。
12.权利要求10的装置，其中所述负载包括关于磁通量的铁磁部件的闭合或半闭合的回路。
13.权利要求12的装置，其中所述部件包括铁磁芯和铁磁轭，其形成了基本闭合的回路。
14.权利要求10的装置，其中所述负载包括铁磁芯，并且所述加热器线圈至少部分地嵌入在所述芯中。
15.权利要求10的装置，其中所述负载包括铁磁芯和铁磁轭，并且所述加热器线圈被置于所述芯和轭之间，或者嵌入在所述芯和轭的至少一个中。
16.权利要求1的装置，其中所述加热线圈在所述物体表面上形成蛇形图案。
17.权利要求1的装置，其中所述加热器线圈形成了绕所述物体缠绕的圆柱形图案。
18.权利要求10的装置，其中所述负载包括用于可流动材料的通路。
19.权利要求10的装置，其中所述负载包括用于模制可塑形材料的模制表面。
20.权利要求10的装置，其中所述加热器线圈被安置在所述负载中，用于优先加热所述物体的一部分。
21.权利要求1的装置，其中所述物体包括铁磁的第一部分和铁磁的第二部分，并且其中相比于所述第二部分，感应加热更集中于所述第一部分。
22.权利要求21的装置，其中所述第二部分产生了针对所述涡电流流动的不连续性或限制。
23.权利要求22的装置，其中所述第二部分具有缝，用于产生所述不连续性或限制。
24.一种方法，包括提供加热器线圈，其感应耦合到物体；和向所述加热器线圈提供具有高频谐波的电流脉冲，以生成磁通量，用于所述物体的感应加热。
25.一种装置，包括被感应加热的物体；加热器线圈，其感应耦合到所述物体；所述加热器线圈至少部分地同所述物体相接触，或者嵌入在所述物体中；和具有高频谐波的电流脉冲的源，其提供给所述加热器线圈，用于生成磁通量。
26.一种装置，包括可变电源，用于向加热器线圈提供具有可调节的谐波能含量的电流脉冲，以便于调节由线圈产生的感应加热功率和电阻加热功率之间的比。
27.一种装置，包括加热器线圈，其感应耦合到物体；所述物体具有用于被加热的可流动材料的通路；其中在所述物体中，向所述通路中的所述可流动材料递送所述物体中感应生成的热；和电源，其耦合到所述加热器线圈，用于向所述加热器线圈递送具有可调节的谐波能含量的电流脉冲，用于调节针对所述通路中的所述可流动材料的感应加热的递送。
28.一种方法，包括提供加热器线圈，其感应耦合和热耦合到物体；和向所述加热器线圈提供具有可调节的谐波能含量的电流脉冲，以便于调节所述物体的感应加热和电阻加热的比。
29.一种加热物体的方法，所述物体具有表面部分和铁磁体部分，所述方法包括提供加热器线圈，其同所述表面部分相邻，并且感应耦合到所述铁磁体部分；和向所述加热器线圈提供具有高频谐波的电流脉冲，用于感应涡电流，以加热所述铁磁体部分。
30.一种感应加热的方法，包括由根频分量和高于所述根频的一个或多个谐波分量构造电流脉冲信号，用于增加所述电流脉冲信号的感应加热功率；和向加热器线圈提供所述电流脉冲信号，用于在感应耦合到所述加热器线圈的物体中感应涡电流。
31.权利要求30的方法，进一步包括增加所述一个或多个谐波分量中的至少一个的幅度，用于所述增加电流脉冲信号的功率。
32.一种向感应加热系统供电的方法，包括由正弦线路频率电流信号的根频和高于所述根频的一个或多个谐波分量构造电流脉冲信号，用于增加所述电流脉冲信号的感应加热功率；和提供所述电流脉冲信号，以为所述感应加热系统供电。
33.一种调节感应加热的强度的方法，该方法包括，通过下述方法构造电流脉冲信号选择具有根频和幅度的一次谐波分量；选择高于所述根频的一个或多个谐波分量，并且使所述一个或多个谐波分量同所述一次谐波分量组合，以产生具有所需强度的组合的有效频率，用于感应加热。
34.一种受控加热的方法，包括提供加热器线圈，其感应耦合到铁磁基板；向所述加热器线圈提供具有高频谐波的电流脉冲信号，用于感应涡电流，以加热所述铁磁基板；将所述热从所述铁磁基板传送到被加热的物体；和通过减少提供给所述加热器线圈的所述信号，间歇地冷却所述铁磁基板，以减少所述感应加热。
35.权利要求34的方法，其中所述间歇冷却包括下面的一个或多个提供冷却介质以冷却所述基板，和从所述基板移去热。
36.权利要求35的方法，其中所述冷却介质提供在所述基板中。
37.权利要求35的方法，其中所述加热器线圈是电传导的管，其具有同所述铁磁基板相接触的电绝缘罩，并且在所述管的孔中提供所述冷却介质，以冷却所述铁磁基板。
38.权利要求34的方法，其中所述脉冲信号主要生成了感应加热功率。
39.权利要求35的方法，其中所述所生成的功率包括少于10％的电阻功率。
40.权利要求34的方法，其中所述所生成的功率包括少于5％的电阻功率。
41.权利要求40的方法，其中所述所生成的功率包括少于1％的电阻功率。
42.权利要求34的方法，其中所述铁磁基板具有不大于约3δ的层厚度，其中δ是所述感应涡电流的穿透深度。
43.权利要求42的方法，其中所述基板的所述层厚度为约3δ。
44.权利要求34的方法，包括提供绝热外部层；提供热传导内部层，用于将热从所述基板传送到所述物体；并且其中所述铁磁基板位于所述外部和所述内部层之间。
45.权利要求34的方法，包括提供绝热和铁磁的外部层；提供热传导内部层，用于将热从所述基板传送到所述物体；并且其中所述铁磁基板位于所述外部和所述内部层之间。
46.权利要求34的方法，其中流动通路提供在所述铁磁基板中，或提供在相邻于所述铁磁基板；并且所述加热器线圈和铁磁基板提供了所述流动通路中的可流动材料的受控加热。
47.权利要求46的方法，其中所述铁磁基板是喷嘴或熔体通道的一部分。
48.权利要求46的方法，其中所述铁磁基板是压缩模制装置的一部分。
49.一种用于通路中的可流动材料的温度控制的方法，所述方法包括提供具有用于可流动材料的通路的铁磁基板和感应耦合到所述铁磁基板的加热器线圈；向所述加热器线圈施加具有高频谐波的电流脉冲信号，用于感应涡电流，以加热所述铁磁物体，用以影响所述通路中的所述材料的流动速率；和通过下面方式中的一个或多个，间歇地冷却所述铁磁基板减少施加到所述加热器线圈的信号，和从所述基板移动热，以影响所述通路中所述材料的流动。
50.权利要求49的方法，其中所述间歇冷却包括提供冷却介质，以冷却所述铁磁基板。
51.权利要求50的方法，其中所述加热器线圈具有同所述铁磁基板相接触的热传导罩，并且包括流过所述冷却介质的冷却通路。
52.一种受控感应加热装置，包括铁磁的和热传导的基板；加热器线圈，其感应耦合到所述铁磁基板；具有高频谐波的电流脉冲信号源，用于激励所述加热器线圈，以感应用于感应加热所述铁磁基板的涡电流；冷却介质源，用于所述铁磁基板的冷却；和控制机制，用于提供所述脉冲信号和所述冷却介质的间歇施加。
53.权利要求52的装置，包括外部部件，其中所述加热器线圈置于所述外部部件和所述铁磁基板之间。
54.权利要求53的装置，其中所述外部部件是铁磁的。
55.权利要求53的装置，其中所述外部部件是绝热体。
56.权利要求53的装置，包括冷却通路，所述冷却介质流过该冷却通路，其提供在所述外部部件、所述铁磁基板和围绕所述加热器线圈的电绝缘罩中的至少一个中。
57.权利要求52的装置，其中所述铁磁基板包括冷却通路，所述冷却介质流过该冷却通路。
58.权利要求52的装置，其中所述冷却介质具有液体或气体的形式。
59.权利要求52的装置，其中所述加热器线圈同所述基板接触或者至少部分地嵌入在所述基板中。
60.权利要求52的装置，其中电绝缘罩围绕所述加热器线圈。
61.权利要求52的装置，其中所述加热器线圈形成了a)安置在所述基板表面上或者与所述基板表面相邻的蛇形图案，其提供了跨越所述基板的交变方向中的磁场；或者b)绕所述基板缠绕的圆柱形图案，其提供了所述线圈内部的相同方向中的磁场。
62.权利要求61的装置，其中所述加热器线圈是蛇形图案，并且被构形为螺线、蛇形、环状螺线或环状蛇形的形式。
63.权利要求61的装置，其中所述加热器线圈是圆柱形图案，并且被构形为螺旋、蛇形、环状螺线或环状蛇形的形式。
64.权利要求52的装置，其中所述加热器线圈是实心的或中空的。
65.权利要求64的装置，其中所述加热器线圈是中空的管，并且所述冷却介质提供在所述管中。
66.权利要求64的装置，其中所述中空的管由电介质绝缘体覆盖。
67.权利要求52的装置，其中所述加热器线圈包括铜或具有高于铜的电阻率的电导体。
68.权利要求67的装置，其中所述加热器线圈包括镍铬合金或钨合金。
69.权利要求52的装置，其中所述加热器线圈是吸收压缩力的所述装置的结构构件的一部分。
70.权利要求69的装置，其中所述加热器线圈是用于可流动材料的通路或喷嘴的一部分，或者是用于可塑形材料的模具的一部分。
71.权利要求69的装置，其中所述装置包括喷嘴；铸道杆；熔体通道；水加热器；吹塑模具；或者压缩模具
72.权利要求69的装置，其中所述装置包括模制表面
73.权利要求52的装置，其中所述加热器线圈包括一个或多个热喷涂层和薄膜层。
74.权利要求73的装置，其中所述层包括至少一个电传导层和至少一个电绝缘层。
75.权利要求73的装置，其中所述层形成了用于所述冷却介质的冷却通路。
76.权利要求52的装置，其中所述脉冲信号的所述功率和/或频谱是可调节的，以适应所述加热器线圈和铁磁基板的不同设置。
全文摘要
用于感应加热或者电阻加热和感应加热的组合的加热系统和方法。加热器线圈感应耦合到物体，并且向加热器线圈提供电流信号。加热器线圈基于所施加的电流信号生成磁通量，用于感应加热物体。使用特定分布的电流脉冲提高由加热元件或线圈递送的感应加热的速率、强度和/或功率，和/或提高寿命或减少感应加热系统的成本。
文档编号H05B6/06GK1836467SQ200480023519
公开日2006年9月20日 申请日期2004年7月2日 优先权日2003年7月2日
发明者瓦列里·卡甘 申请人:瓦列里·卡甘