电磁感应加热技术在包装工程中的应用

杜锦才等 电磁感应加热技术在包装工程中的应用 电磁感应加热技术在包装工程中的应用 杜锦才 ，王晓平 (1．浙江大学，杭州 310027；2．浙江广厦建设职业技术学院，东阳322100) 摘要：阐述包装工程中电磁感应加热技术应用现状，介绍感应加热技术的原理和特点。结合 实 际工程情况，说明感应加热技术在包装工程中所具有的适用性和广泛性以及在某些特定场合的优越 性 。 关键词：包装工程；电磁感应加热；高频／超音频 中图分类号：O441．3；TB48 文献标识码：A 文章编号：1001—3563(2005)05—0021—03 Applications of electromagnetic induction heating technology in packaging engineering DU fin-cai ，WANG Xiao-ping (1．Zhejiang University，Hangzhou 3 1 0027，China； 2．Guangsha college of applied construction technology，Dongyang 322100，China) Abstract：This paper expatiates on the status quo of the applications of electromagnetic induction heat— ing technology in packaging engineering，and introduces the principle and characteristics of the applications of electromagnetic induction heating technology．It was indicated through linking practical projects that the applications of electromagnetic induction heating technology have more applicability and superiority in packa— ging engineering． Key words：packaging engineering；electromagnetic induction heating；high frequency／supersound fre— quency 随着我国经济建设的快速发展，以及生活水平不断提高， 人们对包装业的需求也越来越大，质量要求也越来越高，无论 是工业包装还是民用商业包装。包装工业逐渐成为我国国民 经济中一大新兴产业 J。伴随而来的将是包装技术和工艺的 不断变革和进步。电磁感应加热技术自上世纪7O年代在我国 得到应用实践以来，逐渐在各行各业得到了广泛应用，特别是 在冶金、机械、电力、铁道、交通和国防工业等部门得到比较多 的应用，并日趋成熟 J，但在包装行业的应用相对比较滞后。 直到上世纪末，才见到与包装工程密切相关的一些行业如药 品、食品、化妆品和农药等行业，在瓶装方面有少数相关应 用 j。而国外，早在上世纪6O年代就已经开始研究将电磁感 应加热技术应用于包装工业。上世纪8O年代初，英国GLAXO 公司首先发表铝箔感应封口技术并通过美国ENERCOM(艾乐 康)公司提供的设备成功走向市场 J。随着上世纪后期，超大 规模集成电路和电力电子器件的迅猛发展，感应加热技术在我 国工业中的应用越来越广泛，单机功率也越来越大(目前单机 功率已达到 3000kW)，应用频带也越来越宽(从工频到超音 频)。从电磁感应技术的角度而言，已基本能满足包装行业的 各种使用场合。对于包装行业而言，更多的是要接受并应用这 种新技术，在工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 方面做科学地设计和改造。由于电磁感 应加热与其他一般加热方式相比有其独特的固有特性，相信感 应加热技术在包装领域将有着更为广泛的应用前景。 1 电磁感应加热技术原理及特点 所谓 电磁感应加热技术 ，就是以电磁感应为机理(即交 变的电流产生交变的磁场、交变的磁场又感生交变的电势的原 理)，对某些特定材料或工件进行非接触式加热的一种技术。 通俗地讲，也就是利用感应器导电线圈(一般为通水铜管)内 交变的电流在感应器内(或周围)产生交变的磁场，对置于感 应器内(或周围)的金属部件所实施的涡流加热技术 J。其原 理见图 l。 它所加热的对象，一般是导电的金属材料，因此它的加热 具有良好的选择性。正是由于它的这种选择性，在一些特殊场 合，有着其他加热方式不可替代的优越性。目前在包装工程中 收稿 日期 ：2005-05-30 作者简介：杜锦才(1964一)，男，浙江东阳人，硕士，浙江大学高级工程师，主要从事自动控制系统、电力电子技术及工程力学 信号测试等方向的研究工作。 21 维普资讯 http://www.cqvip.com 包装工程 PACKAGING ENGINEERING V01．26 No．5 2005．10 所应用的电磁感应瓶封技术也正是利用了它的这种选择性。 当然，除了选择性，电磁感应加热技术还有其他一系列特点。 例如，在包装工程应用中，表现为操作简单，高效节能，非接触 式，有良好的防伪性、密封性、均匀性、产品稳定性等 。 图 1 电磁感应加热原理示意图 Fig．1 Sketch drawing of electromagnetic induction heating principle 电磁感应加热电路原理框图，见图2。 三相工频交流 脉动直流 平稳直流 单相高频交流 图2 电磁感应加热电路原理系统框图 Fig．2 Circuitry principle frame of the electromagnetic induction heating 图2中，三相工频交流电源经过整流装置(一般由可控硅 或 IGBT组成)转变为脉动的直流电，又经滤波装置将脉动的 直流电变为平稳的直流电，再经过逆变装置把平稳的直流电转 变为单相高频的交流电。该单相高频交流电经负载变压器阻 抗匹配后以相同的频率向感应器输出。高频大电流 型的感应 工作电流。感应器和补偿电容联合作为逆变装置的电路负载。 感应器属于感性负载，且它的品质因数很高，功率因数很 低(一般小于0．2)。为了减轻逆变装置功率负担，在感应器负 载回路里并联或串联负载补偿电容，以提高逆变装置负载的功 率因数。 由于感应器的工作电流很大且频率很高，在设计和应用 时，必须考虑电磁感应的三个基本效应，即集肤效应、邻近效应 和圆环效应 。 所谓 集肤效应”——当变化的电流在导体中流动时，它 周围的磁场也随着变化。这变化的磁场也要在导体中产生感 应电流，因而影响导体中电流的分布，使电流趋向导体表面。 也就是说，愈靠近导体的表面，电流的密度就越大。频率越高， 集肤效应就越明显。因此，在高频状态下，常采用中空导线，或 用若干股并列的细导线作为输出馈线。 “邻近效应 ——就是导体的邻近还有其他载有变化电流 的导体时，每一导体中的电流将要重新分布，和孤立时不一样， 其分布是不均匀的。不均匀的程度，则视导体的形状、尺寸、相 22 对位置以及交变电流的频率而定m]。 圆环效应 ——是指环形导体的电流分布有集中于内表 面的趋势，而且其程度也受频率的影响。频率越高，圆环效应 就越明显。 2 电磁感应加热技术在包装工程中的应用 由于电磁感应技术具有高效节能、稳定性好、加热均匀、有 选择性等特点，它有着其他加热方式不可替代的一面。因此。 它能在很多场合有出色的表现。由于电磁感应加热技术应用 于包装工程中，在国内尚属于起步阶段，有很多工艺问题有待 我们包装工作者去不断研究和探索。目前，国内包装工程领 域，电磁感应加热技术应用相对较多的是“瓶封 方面。 电磁感应封口是一种非接触的加热方式。它的整个系统 由高频发生装置、工作感应器、冷却水循环系统以及其他配套 装置(如流水线传送装置等)组成。被包装瓶子(或容器)的瓶 盖内衬，由纸板、蜡层、铝箔、黏合剂(聚合物)等组成，见图3。 纸板吸收蜡 铝泊分离 聚合物冷却 将铝泊沾附 在容器口上 图3 附有铝箔内封材料的瓶盖 Fig．3 A bottle lid with aluminum foil in it 在封盖以前，先将模切后的内封衬材料置于瓶盖内，然后 捻紧瓶盖。待封口的瓶子(或容器)，通过流水线传输带输送 到感应器(一个导电的感应圈)的下方。感应器所产生的强变 化磁场穿越瓶盖内衬时，会使金属的铝箔产生密度足够大的涡 流，并使之得到迅速升温。受电磁感应而得到加热的铝箔将使 其上的蜡层融化，蜡层随即被纸板吸收，铝箔也因此得以从纸 板中分离出来。与此同时，铝箔将其下面的黏合剂融化。等容 器离开感应加热器后，又会迅速降温，从而使金属铝箔均匀牢 固等黏附在容器上，从而达到良好的密封效果。封盖的过程见 图 4。 输出馈线 图4 高频电磁感应加热封口示意图 Fig．4 Sketch map of the seal with high frequency electromagnetic induction heating 维普资讯 http://www.cqvip.com 杜锦才等 电磁感应加热技术在包装工程中的应用 4 结 语 这里需要特别指出的是，整个瓶子(或容器)内，除了内封 中铝箔是金属夕 ，其他不应该有金属成份。也就是说，瓶子 当前在我国 ，与包装工程紧密相关的行业如制药、食品、化 (或容器)的材料不能是金属的，它可以是金属除夕 的其他任 妆品 、生物、化学等的迅猛发展，包装技术和工艺也必须与相关 何合适材料，如玻璃、陶瓷、塑料等材料。特别是瓶盖，假如它 产业的发展相适应 。 电磁感应加热技术在我国的机械、冶金、 是金属盖子，就会对其内部的铝箔产生磁屏蔽作用。那样的 军工等领域应用相对比较广泛 ，技术和工艺也日趋成熟。而对 话，被加热的不是铝箔而将是夕 面的盖子了。 于我国的包装行业应用还不是很广 ，可以认为是刚刚起步 ，有 在 瓶封 的场合，电磁感应也被俗称为 密封头 。通常， 待我们进一步研究探索并利用 。 在感应器(通有冷却水的导电体)的夕 层套有绝缘保护套。目 采用电磁感应加热技术进行产品包装是产品保证质量 、提 前常用的密封头有两种，分别是扁平型密封头和隧道型密封 高档次的重要标志 ，也是产品防伪的重要手段之一。电磁感应 头。隧道型密封头能将电磁感应集中在瓶盖周边和上方，产生 技术应用于包装工程 ，还可以给消费者在产品纯度和完美性上 一 个更为均匀的电磁场，从而可获得更为牢固的密封效果；而 提供信心 ，并能为制造商提供产品的质量信誉。 扁平密封头，则能把电磁引向更广阔的范围，可使更大范围的 面积得到受热而密封，特别适合于尺码较大的瓶口或其他容 器。 由于电磁感应加热所具有的一些特点，它在包装工程的其 什乜方面也将有着广阔的应用前景。 3 技术要点分析与说明 术上有以下一些特点： I)电磁感应加热是利用电磁感应原理对特定的材料(如 铝箔)进行局部加热。其特点是局部高能量密度、快速和非接 触式； 常要求是非金属材料。当然，视情况不同，也可以是金属材料。 这样的组合符合电磁感应加热的选择性原理； 参考文献： 4)由于是非接触式加热，比较适合药品、食品、饮料、化妆 [I] 白冰，药品包装行业发展态势[J]，包装T程，2004(4)：124—126 品、化学品等卫生要求比较高的各种场合； [2] 杨思俊，等．晶闸管中频电源基本知识[M]．杭州：浙江科学技术 5)由于具有操作简便，加热的稳定性、均匀性好、加热速 出版社,1989 度快等特点，特别适合流水作业的场合； [。] 王创社，等，一种高频电磁感应加热封口机电源[J]·电力电子技 6)由于是感应加热而非传导性加热，电热转换的效率比 术,1998( )：95一 较高： 詈 一⋯⋯⋯ ⋯ 4 ； 1姗)：14-⋯15 7)由于电磁感应封口的品质和效果很好，它同时也是一 |J2 二 ⋯⋯ ⋯一 一⋯ ⋯ ⋯ 种容易被消费者接受的防伪方法。在美国，曾通过包装杂志对 [6] J。ffrey Boehmk。． I d tion 印 一 。ali g tech 0J。gy． cFI．1997；4 消费者进行调查，结果其中有63％的回复者认为容器内封口 ，．n、 是一种非常好的防伪包装 。 [7] 黄礼镇 ，电磁场原理[M]，北京：人民教育出版社，1980 23 维普资讯 http://www.cqvip.com