DE102011018675A1

DE102011018675A1 - Vorrichtung und Verfahren zum aktiven Manipulieren einer elektrisch leitfähigen Substanz

Info

Publication number: DE102011018675A1
Application number: DE102011018675A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Minchenya Vitaly; Dr.-Ing. habil. Karcher Christian
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2012-10-18

Abstract

Mit der vorliegenden Erfindung soll eine Vorrichtung und ein Verfahren zur aktiven Manipulation der freien Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Substanz, die einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, bereitgestellt werden, mit denen es gelingt, die elektrisch leitfähige Substanz aktiv zu stabilisieren, eine bestimmte Menge einer elektrisch leitfähigen Substanz berührungsfrei aktiv zu positionieren sowie die Bewegung und die induktive Erwärmung der freien Oberfläche einer vorzugsweise schwebenden elektrisch leitfähigen Substanz aktiv zu kontrollieren.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine elektrische Leiterschleife, die mindestens eine erste und mindestens eine zweite Wicklung aufweist, die voneinander räumlich getrennt angeordnet und einen zwischen 0° und 90° einstellbaren Winkel bilden. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung gleichzeitig an die manipulierte elektrisch leitfähige Substanz und an das primäre magnetische Wechselfeld anzupassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur aktiven Manipulation einer elektrisch leitfähigen Substanz, die einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist. Dabei soll der Begriff „Manipulation” im Folgenden die Stabilisierung der freien Oberfläche einer vorzugsweise schwebenden elektrisch leitfähigen Substanz, das Positionieren einer bestimmten Menge einer vorzugsweise schwebenden elektrisch leitfähigen Substanz sowie das Kontrollieren der Bewegung und der induktiven Erwärmung einer vorzugsweise schwebenden elektrisch leitfähigen Substanz jeweils in einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld umfassen.
In der Elektroprozesstechnik und Metallurgie werden hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder zur Formung von freien Oberflächen einer elektrisch leitfähigen Substanz eingesetzt. Es ist bekannt, dass hochfrequente elektromagnetische Wechselfelder in eine elektrisch gut leitfähige Substanz, wie beispielsweise eine Flüssigmetallschmelze, aufgrund des sogenannten Skin-Effekts nicht und nur beschränkt auf die sogenannte Skintiefe eindringen können. Damit beschränken sich die Wirkungen des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds unmittelbar auf die freie Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz. Durch das elektromagnetische Wechselfeld werden sogenannte Wirbelströme induziert, die in unmittelbarer Nähe der freien Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz fließen. Nach den bekannten physikalischen Phänomenen der Magnetofluiddynamik Wechselwirken die induzierten Wirbelströme mit dem angelegten elektromagnetischen Wechselfeld und erzeugen sogenannte Lorentzkräfte in der elektrisch leitfähigen Substanz. Diese Lorentzkräfte wirken ebenfalls nur in unmittelbarer Umgebung der freien Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz. Man spricht deshalb auch von einem elektromagnetischen Druck, der vom elektromagnetischen Wechselfeld aus auf die freie Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz ausgeübt wird.
Es ist bekannt, dass dieser elektromagnetische Druck dazu eingesetzt werden kann, um die elektrisch leitfähige Substanz z. B. beim Schwebeschmelzen oder bei der physikalischen Dampfabscheidung vollständig zu levitieren, oder z. B. bei Kalttiegelverfahren eine Semi-Levitation zu erzielen oder z. B. bei der elektromagnetischen Spaltabdichtung ein Auslaufen der Flüssigmetallschmelze aus einem Behälter unter Schwerkrafteinfluss zu verhindern. Der Hintergrund all dieser Anwendungen ist, dass die elektromagnetische Krafteinkopplung berührungsfrei erfolgt und somit besonders für heiße, chemisch aggressive Metallschmelzen eingesetzt werden kann.
Es ist jedoch auch bekannt, dass solche elektromagnetisch geformten Oberflächen von elektrisch leitfähigen Substanzen verstärkt zu Instabilitäten neigen. Beispielsweise kann eine vollständig levitierte Menge einer Metallschmelze bei einem bestimmten Schwellenwert des elektromagnetischen Drucks an der freien Oberfläche durch angefachte sogenannte Maxwellkräfte in eine starke Rotationsbewegung versetzt werden. Die dadurch induzierten Zentrifugalkräfte bewirken eine starke Änderung der freien Oberfläche der levitierten Schmelzenmenge. Damit einher geht aufgrund des so genannten Skin-Effekts eine starke räumliche Änderung des angelegten elektromagnetischen Wechselfelds, wodurch der Levitationsprozess zusammenbricht. Daneben können bei einem bestimmten Schwellenwert des an der freien Oberfläche angelegten elektromagnetischen Drucks semi-levitierte Flüssigmetalltropfen zu starken Oszillationen angeregt werden, die bis zum Zerreißen der Tropfen führen. Hierdurch bricht der Semi-Levitationsprozess ebenfalls zusammen. Schließlich kann beim elektromagnetischen Spaltabdichten die ebene freie Oberfläche eines Flüssigmetalls zu Pinchinstabilitäten angeregt werden. Dabei bilden sich fingerförmige Vertiefungen an der Oberfläche aus, welche die elektromagnetische Abdichtwirkung zusammenbrechen lassen.
Aus dem Stand der Technik sind eine Reihe von Anordnungen und Verfahren bekannt, mit denen solche Instabilitäten von freien Oberflächen elektrisch leitfähiger Substanzen verhindert oder der Schwellenwert des elektromagnetischen Drucks für das Einsetzen der Instabilitäten deutlich erhöht werden soll. Dabei werden zum einen spezielle geometrische Anordnungen von elektromagnetischen Induktoren zur Erzeugung des elektromagnetischen Wechselfelds vorgeschlagen. Zum anderen werden Anordnungen vorgeschlagen, bei denen dem primären elektromagnetischen Wechselfeld weitere statische oder zeitabhängige elektromagnetische Felder überlagert werden.
In der Veröffentlichung US 5,394,432 wird zur Stabilisierung einer zu levitierenden Flüssigmetallschmelze vorgeschlagen, eine bestimmte Anzahl von Segmenten aus elektrisch leitfähigem Festkörpermaterial in der felderzeugenden Spule derart zu platzieren, dass ein Dämpfungseffekt auf Formänderungen der levitierten Flüssigmetallschmelze ausgeübt wird. Der Nachteil der Anordnung ist, dass es sich lediglich um eine passive Stabilisierungsmaßnahme handelt, bei der keinerlei aktive Kontrolle möglich ist. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei einer Veränderung des Schmelzvolumens oder bei einer Änderung der Schmelzenzusammensetzung die spezielle Form und die Anordnung der Segmente ebenfalls geändert werden müssen.
In der Offenlegungsschrift WO 01/26424 A1 wird als Stabilisierungsmaßnahme vorgeschlagen, dem hochfrequenten elektromagnetischen Primärfeld ein weiteres starkes magnetisches Gleichfeld zu überlagern, das durch einen starken Feldgradienten gekennzeichnet ist. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die Erzeugung solch starker statischer Magnetfelder mit hohem Feldgradienten sehr aufwändig und teuer ist. Außerdem gelingt durch diese Anordnung keine Stabilisierung von Oberflächeninstabilitäten, die durch geringe Anwachsraten gekennzeichnet sind.
In den Veröffentlichungen WO 2006/128532 A1 , US 5,150,272 und WO 2006/021245 wird als Stabilisierungsmaßnahme vorgeschlagen, dem hochfrequenten elektromagnetischen Primärfeld weitere elektromagnetische Wechselfelder zu überlagern, die durch in spezieller Weise angeordnete weitere elektromagnetische Induktoren erzeugt werden. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine sehr aufwändige und teure Speisespannungsquelle und elektromagnetische Schwingkreise zur Erzeugung der notwendigen elektrischen Ströme mit unterschiedlichen Frequenzen installiert werden müssen. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass eine solche Anordnung mit mehreren Speiseströmen unterschiedlicher Frequenz schwer regelbar ist und sich die Frequenzen der Speiseströme während des Levitationsprozesses nicht verändern lassen. Somit ist auch bei diesem Verfahren die Möglichkeit der aktiven Kontrolle sehr eingeschränkt.
In der Veröffentlichungsschrift WO 2006/087463 A1 wird als Stabilisierungsmaßnahme vorgeschlagen, dem hochfrequenten elektromagnetischen Primärfeld ein starkes homogenes magnetisches Gleichfeld zu überlagern. Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen in der ebenfalls aufwändigen Stromversorgung für die Erzeugung des magnetischen Gleichfelds und der Tatsache, dass durch ein homogenes Gleichfeld nur Oberflächeninstabilitäten gedämpft werden können, die in eine bestimmte bevorzugte Raumrichtung wachsen.
In der Veröffentlichung US 2,957,064 wird als Stabilisierungsmaßnahme vorgeschlagen, in die Levitationsanordnung an bestimmten Stellen passive Festkörperelemente wie Ringe, Zylinder, Scheiben oder Stäbe aus gut elektrisch leitfähigen Material einzubauen. Die Wirkweise dieser passiven Elemente besteht darin, dass in ihnen durch das hochfrequente elektromagnetische Primärfeld elektrische Wirbelströme induziert werden, die selbst ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugen. Dieses sekundäre elektromagnetische Wechselfeld kann die Wirkung des elektromagnetischen Primärfelds an diesen Stellen abschwächen oder gänzlich kompensieren. Dadurch können an diesen Stellen keine elektromagnetisch induzierten Oberflächeninstabilitäten in der levitierten Flüssigmetallschmelze angefacht werden. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es sich nur um eine passive Maßnahme handelt und dass bei einer Änderung des Volumens der zu levitierenden Schmelze die Bauform des Elements oder die Anordnung des Elements geändert werden muss.
Wie in EP 0691163 B1 beschrieben, ist außerdem ein Verfahren zum Verbinden von Metallteilen bekannt, bei dem ein magnetisches Wechselfeld die Metallteile in Dickenrichtung durchdringt, um eine Wirbelstromerwärmung durchzuführen. Dabei wird ein zweites magnetisches Wechselfeld angewendet, das in Bezug auf das erste magnetische Wechselfeld entgegengesetzt gerichtet ist. Dadurch kann in den Metallteilen eine bestimmte Temperaturverteilung realisiert werden. Die in EP 0691163 B1 beschriebene Methode kann jedoch nicht an zeitliche Formveränderung der Metallteile oder der elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten angepasst werden. Der Anwendungsbereich dieses Verfahrens ist auf die Kontrolle der Temperaturverteilung in statischen Festkörperteilen beschränkt.
Schließlich ist aus der DE 10 2009 042 972 A1 ein Verfahren zur Stabilisierung einer elektrisch leitfähigen Substanz bekannt, das durch ein Mittel zur aktiven räumlichen Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes realisiert wird, welches im Wirkungsbereich des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds angeordnet wird. Das Mittel zur aktiven räumlichen Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes ist in einer bevorzugten Ausführungsform eine elektrische Leiterschleife. Dabei werden eine oder mehrere dieser elektrischen Leiterschleifen nach einem vorgegebenen Schema in der Nähe der elektrisch leitfähige Substanz angeordnet, welche dem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt wird. Diese elektrischen Leiterschleifen zur räumlichen Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds verfügen über keine eigene Stromversorgung. Ein elektrischer Stromfluss in der elektrischen Leiterschleife wird allein durch die bekannte physikalische Erscheinung der elektromagnetischen Induktion aufgrund der Wirkung des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds hervorgerufen. Der in der elektrischen Leiterschleife induzierte elektrische Stromfluss generiert wiederum sein eigenes sekundäres elektromagnetisches Wechselfeld. Nach der bekannten Lenzschen Regel wirkt dieses sekundäre elektromagnetische Wechselfeld derart, dass es seine Ursache – das von außen aufgeprägte primäre elektromagnetische Wechselfeld – abschwächt. Die damit verbundene Änderung der räumlichen Verteilung des primären elektromagnetischen Wechselfelds bewirkt eine Änderung des elektromagnetischen Drucks, der auf die freie Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz wirkt. Die in der DE 10 2009 042 972 A1 vorgestellte Anordnung hat jedoch den Nachteil, dass der aktive Teil der Leiterschleife gleichzeitig an die elektrisch leitfähige Substanz und an das primäre magnetische Wechselfeld angepasst werden muss. Die Stärke des von der Leiterschleife generierten magnetischen Wechselfeld ist von der räumlichen Orientierung der Schleife im primären magnetischen Wechselfeld stark abhängig. Das begrenzt die Möglichkeiten der Anordnung der Leiterschleife und die resultierende Wirkung des durch sie erzeugten magnetischen Sekundärfeldes. Dadurch wird auch der resultierende Effekt der aktiven räumlichen Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes stark eingeschränkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, mit denen es auf einfache Art und Weise gelingt, die freie Oberfläche einer vorzugsweise schwebenden elektrisch leitfähigen Substanz, die einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, aktiv zu stabilisieren, eine bestimmte Menge einer elektrisch leitfähigen Substanz berührungsfrei aktiv zu positionieren sowie die Bewegung und die induktive Erwärmung der freien Oberfläche einer vorzugsweise schwebenden elektrisch leitfähigen Substanz aktiv zu kontrollieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe vorrichtungsseitig durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs und verfahrensseitig durch die Merkmale des siebten Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Patentansprüchen zwei bis sechs gekennzeichnet, während bevorzugte weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Patentansprüchen sieben bis neun angegeben sind.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden Beschreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, näher erläutert wird. Es zeigen:
1 – eine elektrische Leiterschleife mit einer ersten Wicklung im Arbeitsmodus (Kurzschlussmodus)
2 – eine elektrische Leiterschleife mit einer ersten Wicklung im Bereitschaftsmodus
3 – eine elektrische Leiterschleife mit einer ersten und einer zweiten Wicklung im Arbeitsmodus (Kurzschlussmodus)
4 – eine elektrische Leiterschleife mit einer ersten und einer zweiten Wicklung im Bereitschaftsmodus
5 – den Feldlinienverlauf um eine levitierte elektrisch leitfähige Substanz in einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld mit einer Gegenspule
6 – zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Zug- oder Druckeffekt
7 – eine Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit symmetrisch angeordneten ersten Wicklungen
8 – eine Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Resonanzmodus
9 – eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem ferromagnetischen Einsatz in der ersten Wicklung
10 – eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem ferromagnetischen Einsatz in der ersten und zweiten Wicklung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine elektrische Leiterschleife, die mindestens eine erste und mindestens eine zweite Wicklung aufweist, die voneinander räumlich getrennt angeordnet und einen zwischen 0° und 90° einstellbaren Winkel bilden. Durch diese räumliche Anordnung ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung gleichzeitig an die manipulierte elektrisch leitfähige Substanz und an das primäre magnetische Wechselfeld anzupassen, wobei außerdem die räumliche Anordnung variabel ist und eine höhere resultierende Leistung des durch die elektrische Leiterschleife erzeugten magnetischen Sekundärfeldes realisiert werden kann.
Die in den 1 und 2 dargestellten Ausführungen entsprechen den in der DE 10 2009 042 972 A1 beschriebenen Prototypen der vorliegenden Erfindung. Diese Prototypen sind in einer bevorzugten Ausführungsform elektrische Leiterschleifen (10), die mindestens eine Wicklung (12) und einen elektrischen Kontakt (11) umfassen. Sie sind vorzugsweise aus Kupfer oder Silber gefertigt. Eine oder mehrere dieser elektrischen Leiterschleifen (10) werden nach einem vorgegebenen Schema in der Nähe einer elektrisch leitfähigen Substanz, die einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, positioniert. Nach dem Schließen des elektrischen Kontaktes (11) befindet sich die Leiterschleife in einem sogenannten Kurzschlussmodus (1). Dabei wird in der Leiterschleife ein sekundäres elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, welches die Wirkung des primären hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes lokal fast vollständig kompensiert. Es entsteht ein elektromagnetisches Loch. In 2 befindet sich die elektrische Leiterschleife (10) im Bereitschaftsmodus. Der elektrische Kontakt (11) ist geöffnet. Dadurch wird der Stromfluss in der Leiterschleife unterbrochen und es findet keine merkliche Änderung der räumlichen Verteilung des primären hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes statt.
Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den 3 und 4 dargestellt. Sie umfasst neben der bereits bekannten ersten Wicklung (12) zusätzlich eine zweite Wicklung (13) und einen elektrischen Kontakt (11). Die erste und die zweite Wicklung der elektrischen Leiterschleife sind voneinander räumlich getrennt und in einen zwischen 0° und 90° einstellbaren Winkel zueinander angeordnet. Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in den Wirkungsbereich eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds gebracht, so wird in der ersten und der zweiten Wicklung ein elektrischer Stromfluss durch die bekannte physikalische Erscheinung der elektromagnetischen Induktion hervorgerufen. Dabei kann die erste Wicklung (12) der elektrischen Leiterschleife (10) jede beliebige räumliche Orientierung haben, um auf die elektrisch leitfähige Substanz zu wirken. Lediglich die zweite Wicklung (13) der Leiterschleife (10) muss auf das primäre hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld ausgerichtet oder angepasst werden. Damit sind deutlich mehr realisierbare räumliche Ausrichtungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich als mit der in der DE 10 2009 042 972 A1 beschriebenen Vorrichtung. Außerdem kann eine um ein Vielfaches höhere Endleistung des durch die elektrische Leiterschleife (10) erzeugten magnetischen Sekundärfeldes erzielt werden.
5 zeigt die Feldlinienverläufe in einer aus der DE 10 2009 042 972 A1 bekannten Vorrichtung zum Manipulieren einer levitierten elektrisch leitfähigen Substanz (14), die sich in einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld einer Levitationsspule (15) und einer Gegenspule (16) befindet, wobei die Vorrichtung im Wirkbereich des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeldes mindestens ein Mittel (12) zu räumlichen Modifikation des Felds aufweist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die elektrische Leiterschleife (10) mit ihren ersten und zweiten Wicklungen (12, 13) je nach Anwendung, Anordnung und Orientierung einen positiven (Druckkraft) oder negativen (Zugkraft) magnetischen Druck (6), sowie einen beidseitigen Druck (7) auf die freie Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz ausüben kann. Dies erweitert ebenfalls das Anwendungsspektrum im Vergleich mit dem in der DE 10 2009 042 972 A1 beschriebenen Prototypen, bei dem nur ein Zug-Effekt erzeugt werden kann. Die erfindungsgemäßen ersten und zweiten Wicklungen der elektrischen Leiterschleife können als Spulenkörper mit definierten Enden betrachtet werden. Die Möglichkeit der Ausübung eines positiven oder negativen Drucks auf die elektrisch leitfähigen Substanz wird dadurch gegeben, dass die elektrische Leitschleife (10) derart ausgeführt wird, dass zwischen den ersten und den zweiten Wicklungen der elektrischen Leiterschleife (10) vielfältige realisierbare Kombinationen der elektrischen Verbindung hergestellt werden können, sowie mehrere realisierbare Ausrichtungen der zweiten Wicklungen (13) relativ zum primären Hochfrequenzwechselfeld möglich sind. Dementsprechende Ausführungen sind anschaulich in der 6 und 7 dargestellt, wobei die Änderung der Ausrichtung der zweiten Wicklung (13) auch die Stromrichtung in der elektrischen Leitschleife (10) ändert. Dies führt im Endeffekt zu einem positiven (Druckkraft) oder negativen (Zugkraft) magnetischen Druck an der Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz.
Wie bereits erwähnt, kann die elektrische Leiterschleife (10) mit ihrer ersten und zweiten Wicklung (12, 13) je nach Anwendung in einem Arbeits- oder Bereitschaftsmodus arbeiten. Im Arbeitsmodus arbeitet sie je nach Ausführungsform im Kurzschlussmodus (siehe 1) oder im Resonanzmodus (siehe 9). Im Bereitschaftsmodus ist der elektrische Kontakt (11) geöffnet, wodurch der Stromfluss unterbrochen wird (siehe 2). Im Resonanzmodus werden durch eine geeignete Schaltungseinheit kapazitive und/oder ohmsche Widerstände in den Stromkreis der Leiterschleife zugeschaltet. Es liegt im Sinne der Erfindung, dass diese Widerstände sämtlich von außen regelbar sind. Nach den bekannten Regeln der Elektrotechnik lassen sich durch die Größenwerte dieser Widerstände sowohl die Frequenz als auch die Stromstärke des durch das primäre hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld induzierten sekundären Stroms einstellen. Dadurch ändert sich auch die Feldstärke des sekundären elektromagnetischen Felds und folglich die Wirkung des elektromagnetischen Drucks auf die freie Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Substanz, die sich im Wirkbereich der beiden elektromagnetischen Felder befindet. Erfindungsgemäß sind der kapazitive und der ohmsche Widerstand durch eine geeignete Regeleinheit schnell steuerbar, so dass eine aktive Stabilisierung der Bewegung der freien Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Substanz erzielt werden kann.
Es liegt weiterhin im Sinne der Erfindung, dass die Arbeitsmodi der elektrischen Leiterschleife (10) durch eine geeignete Steuereinheit schnell und beliebig oder nach einem vorgegebenen zeitlichen Algorithmus verändert werden können.
In den 9 und 10 sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, bei denen die ersten und/oder zweiten Wicklungen über Einsätze verfügen, die aus ferromagnetischen oder aus anderen weichmagnetischen Materialien gefertigt sind. Diese Einsätze bewirken eine Erhöhung des Stromerzeugungseffektes in der elektrischen Leiterschleife bzw. des Effektes der Modifikation des hochfrequenten elektromagnetischen Primärfeldes.
Erfindungsgemäß kann die elektrische Leiterschleife (10) mit ihren ersten und zweiten Wicklungen (12, 13) auch räumlich bewegt werden. Dadurch wird ein berührungsfreies Positionieren einer bestimmten Menge einer sich im Wirkbereich eines hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld befindlichen elektrisch leitfähigen Substanz mit einer freien Oberfläche möglich.
Es liegt weiterhin im Bereich der Erfindung, dass die zweite Wicklung (13) der Leiterschleife (10) die Energie von einer externen Quelle des Magnetfelds bezieht, wobei die Signalfrequenz ein Vielfaches der Frequenz des primären Magnetfeldes beträgt und die Signalphase bestimmt, ob ein Zugeffekt oder ein Druckeffekt auf die zu levitierten elektrisch leitfähige Substanz erzeugt wird.
Außerdem kann die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung verursachte Änderung der räumlichen Verteilung des hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfelds dessen induktive Heizwirkung auf die elektrisch leitfähige Substanz ändern. Dadurch gelingt die aktive Kontrolle der induktiven Erwärmung und der Bewegung der freien Oberfläche einer elektrisch leitfähigen Substanz, die einem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist. Beispielsweise gelingt durch eine solche Vorrichtung die aktive Stabilisierung der freien Oberfläche einer vollständig oder teilweise levitierten Flüssigmetallmenge.
Im Folgenden werden beispielhaft die Parameter zur Charakterisierung einer erfindungsgemäßen Leiterschleifenanordnung definiert. Dazu zählen:

• das geometrische Aspektverhältnis Γ zwischen dem Durchmesser d_W1 der ersten Wicklung (12) der Leiterschleife (10) und dem Durchmesser d_W2 der zweiten Wicklung (13) der Leiterschleife (10)
• das Aspektverhältnis Π zwischen dem Durchmesser d_W1 der ersten Wicklung (12) der Leiterschleife (10) und der charakteristischen Längenabmessung L der elektrisch leitfähigen Substanz
• die Frequenz des primären Magnetfeldes f_pMF sowie dessen magnetische Induktion B_RMS
• der Abstand D zwischen der elektrischen Leiterschleife (10) und der freien Oberfläche der elektrisch leitfähigen Substanz.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Frequenz des primären Magnetfeldes f_pMF = 30 kHz, die mittlere magnetische Induktion B_RMS = 50 mT, die charakteristische Längenabmessung L = 25 mm, die Aspektverhältnisse Γ < 1 und Π < 1 und der Abstand D = d_W1. Mit dieser Ausführungsform kann eine lokale Wirkung auf die elektrisch leitfähige Substanz realisiert werden. Eine globale Wirkung für diese Anordnung wird nur dann möglich, wenn die elektrisch leitfähige Substanz in ein Resonanzregime übergeht.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Frequenz des primären Magnetfeldes f_pMF = 30 kHz, die mittlere magnetische Induktion B_RMS = 50 mT, die charakteristische Längenabmessung L = 25 mm und der Abstand D = d_W1, wobei die Aspektverhältnisse Γ ≥ 1 und Π < 1 sind. Damit kann eine globale Wirkung auf die elektrisch leitfähige Substanz ausgeübt werden, da das primäre magnetische Wechselfeld das gesamte Volumen der elektrisch leitfähigen Substanz beeinflusst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist durch eine deutlich höhere Effizienz charakterisiert, da das Verhältnis η zwischen der Leistung des Generators zur Erzeugung des primären magnetischen Wechselfelds und der Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum aktiven Manipulieren der elektrisch leitfähigen Substanz Werte von η > 5000 (beispielsweise 25000 W/3 W) annimmt.
Bezugszeichenliste

10: elektrische Leiterschleife
11: elektrischer Kontakt
12: erste Wicklung
13: zweite Wicklung
14: levitierte elektrisch leitfähige Substanz
15: räumlicher Feldlinienverlauf des elektromagnetischen Wechselfeldes der Levitationsspule
16: räumlicher Feldlinienverlauf des elektromagnetischen Wechselfeldes der Gegenspule
17: weichmagnetischer Einsatz
18: weichmagnetischer Doppeleinsatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 5394432 [0006]
WO 01/26424 A1 [0007]
WO 2006/128532 A1 [0008]
US 5150272 [0008]
WO 2006/021245 [0008]
WO 2006/087463 A1 [0009]
US 2957064 [0010]
EP 0691163 B1 [0011, 0011]
DE 102009042972 A1 [0012, 0012, 0027, 0028, 0029, 0030]

Claims

Vorrichtung zum aktiven Manipulieren einer vorzugsweise schwebenden elektrisch leitfähigen Substanz (14), die einem ersten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, umfassend eine Leiterschleife (10), die aus mindestens einer ersten Wicklung (12) und einem elektrischen Kontakt (11) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (10) mindestens eine zweite Wicklung (13) aufweist, die räumlich getrennt und in einem zwischen 0° und 90° veränderbaren Winkel zur ersten Wicklung (12) der Leiterschleife (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wicklung (13) der Leiterschleife (10) gleich oder entgegengesetzt zur ersten Wicklung (12) der Leiterschleife (10) gewickelt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (10) mehrere gleich- oder entgegengesetzt gewickelte erste Wicklungen (12) und/oder zweite Wicklungen (13) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass sie regulierbare kapazitive und/oder ohmsche Widerstände umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterschleife (10) mit ihren ersten und zweiten Wicklungen (12, 13) als Wärmerohr (heat pipe) ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die ersten und/oder zweiten Wicklungen (12, 13) der Leiterschleife (10) einen weichmagnetischen Einsatz (17, 18) aufweisen.
Verfahren zum aktiven Manipulieren einer vorzugsweise schwebenden elektrisch leitfähigen Substanz (14), die einem ersten hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass durch Schließen oder öffnen des elektrischen Kontaktes (11) der Wechsel zwischen einem Arbeits- und einem Bereitschaftsmodus realisiert wird, wobei der Arbeitsmodus ein Kurzschluss- oder Resonanzkreismodus ist.
Verfahren nach Anspruch 7 mit einer Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass im Resonanzkreismodus die kapazitiven und/oder ohmschen Widerstände reguliert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine zweite Wicklung (13) der Leiterschleife (10) von einem zweiten elektromagnetischen Wechselfeld versorgt wird, wobei die Frequenz des zweiten elektromagnetischen Wechselfeldes ein Vielfaches der Frequenz des primären elektromagnetischen Wechselfeldes ist.