DE102016107550A1 - Process and apparatus for thermal treatment of solids - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Feststoffen.
Die Vorrichtung (100) umfasst eine auf einer Oberfläche (A) eines Feststoffs (10) anordenbare binäre Elektrodenanordnung (20) mit jeweils mindestens zwei elektrisch voneinander getrennten Elektroden (22, 24). Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur (20) elektrisch leitend mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle (30) verbunden sind, die dazu ausgebildet ist, an die Elektrodenanordnung (20) eine Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 50 MHz anzulegen. Das Verfahren ist dadurch charakterisiert, dass durch Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung an die Elektroden (22, 24) der Elektrodenanordnung (20) ein elektrisches Wechselfeld in dem Feststoff (10) erzeugt wird und durch dieses Wechselfeld eine Erwärmung des Feststoffes (10) erfolgt.The invention relates to an apparatus and a method for the thermal treatment of solids.
The device (100) comprises a binary electrode arrangement (20) which can be arranged on a surface (A) of a solid (10) and has at least two electrodes (22, 24) which are electrically separated from each other. The device is characterized in that the electrode structure (20) is electrically conductively connected to a high-frequency voltage source (30) which is adapted to apply to the electrode assembly (20) a high-frequency voltage having a frequency between 100 kHz and 50 MHz , The method is characterized in that by applying a high-frequency voltage to the electrodes (22, 24) of the electrode assembly (20) an alternating electric field in the solid (10) is generated and by this alternating field heating of the solid (10).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Feststoffen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten, direkt volumenbezogenen und hinsichtlich ihrer Temperaturverteilung gesteuerten thermischen Behandlung von Feststoffen mittels Hochfrequenzenergie. Dies kann u. a. für einen chemikalienfreien Holzschutz, die Trocknung oder die Dekontamination von Feststoffen eingesetzt werden.The invention relates to a method and a device for the thermal treatment of solids. In particular, the present invention relates to a method and apparatus for efficient, direct volume and temperature distribution controlled thermal treatment of solids by means of radio frequency energy. This can u. a. for a chemical-free wood protection, the drying or the decontamination of solids are used.
Technologischer Hintergrund der ErfindungTechnological background of the invention
Der Ablauf vieler technischer Prozesse kann durch die Temperatur wesentlich beeinflusst werden, da eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Parametern mehr oder weniger stark temperaturabhängig sind. Im Kontext des Bauwesens und der Bausanierung betrifft dies unter anderem die Trockenlegung von Gebäuden, den Austrag von Chemikalien aus Baustoffen oder die thermische Bekämpfung von Holzschädlingen. Im letzteren Fall ist das Erreichen einer Letaltemperatur von ca. 55 °C eine Alternative zum Einsatz von toxischen Chemikalien als Holzschutzmittel [
Aus der Vielzahl von Problemstellungen im Bauwesen, bei der Bausanierung und in anderen Anwendungsbereichen konzentriert sich das Anwendungspotenzial der Erfindung auf die Behandlung von mehr oder weniger ausgedehnten flächigen Materialien aus Feststoffen, die nur einseitig zugänglich sind oder die nur mit großem Aufwand beidseitig zugänglich wären. Besonders bevorzugt sind dabei Materialdicken von bis zu 10 cm. Exemplarisch seien hier Parkett- und andere Holzfußböden, Wandtäfelungen und andere Wandverkleidungen oder Estrichböden genannt. Oft lässt sich ein Sanierungsbedarf auf diese Baustrukturen begrenzen, so dass ein Bedarf an adäquaten Verfahren zur Behandlung von relativ dünnen, flächig ausgedehnten Feststoffstrukturen besteht, die es ermöglichen, beispielsweise Holzschädlinge thermisch zu bekämpfen oder Wasser und Chemikalien aus diesen Materialien zu entfernen. Für eine effiziente und schonende Behandlung ist es dabei notwendig, einerseits schnell möglichst homogene Temperaturverteilungen zu erzielen und andererseits die Erwärmung genau zu kontrollieren, um Materialschädigungen durch lokale Überhitzung zu vermeiden. Für sensible Oberflächenbeschichtungen wie Lacke oder Furniere ist es oft wünschenswert, die Oberflächentemperatur niedrig, gegebenenfalls sogar niedriger als die Volumentemperatur in der Feststoffmatrix zu halten. Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein entsprechendes Verfahren auf Basis der direkten dielektrischen Erwärmung unter Nutzung von Hochfrequenz-Energie zur Verfügung zu stellen. Die Vorrichtung erlaubt eine nicht-invasive Behandlung, was besonders auch Einsatzoptionen im Bereich des Denkmalschutzes und die Anwendung an Kunstgegenständen ermöglicht. From the variety of problems in the construction industry, in building renovation and in other applications, the application potential of the invention focuses on the treatment of more or less extensive sheet materials from solids that are accessible only on one side or would be accessible on both sides only with great effort. Particular preference is given to material thicknesses of up to 10 cm. Examples include parquet and other wooden floors, wall paneling and other wall coverings or screed floors. Often a need for remediation can be limited to these building structures, so there is a need for adequate methods of treating relatively thin, expanded, solid structures that allow, for example, to thermally control wood pests or to remove water and chemicals from these materials. For an efficient and gentle treatment it is necessary on the one hand to achieve as fast as possible homogeneous temperature distributions and on the other hand to control the heating precisely in order to avoid material damage by local overheating. For sensitive surface coatings such as paints or veneers, it is often desirable to keep the surface temperature low, possibly even lower than the bulk temperature in the solid matrix. The present invention aims to provide a corresponding method based on direct dielectric heating using high frequency energy. The device allows a non-invasive treatment, which also allows deployment options in the field of monument protection and the use of art objects.
Nach dem Stand der Technik gibt es eine Reihe von Verfahren, die eine Erwärmung des Materialvolumens durch Wärmeleitung von der Oberfläche her ermöglichen. Genannt seien hier das Heißluftverfahren, bei dem die Oberfläche durch einen darüberstreichenden Luftstrom erwärmt wird, die Anwendung von Heizplatten oder Heizdecken oder das Infrarotverfahren, bei dem die primäre Energieabsorption praktisch ebenfalls auf die Oberfläche beschränkt ist. Die Wärmeleitung ins Innere der zu behandelnden Struktur wird vom Parameter spezifische Wärmeleitfähigkeit bestimmt, welche gerade für trockene Materialien oft gering ist, was zu langen Erwärmungszeiten führt. Grundsätzlich ist der Wärmefluss umso stärker, desto höher der Temperaturgradient, d. h. die Temperaturänderung pro Abstand, und damit desto höher die mit den genannten Verfahren eingestellte Oberflächentemperatur ist. Der Überhitzung an der Oberfläche sind jedoch aus materialtechnischen Gründen Grenzen gesetzt, zumal eine thermische Schädigung gerade dieser Sichtflächen besonders kritisch wäre. Für ausgedehnte Flächen wie beispielsweise Parkettfußböden in repräsentativen Räumen ist für die meisten Behandlungsmethoden eine sukzessive Behandlung notwendig. Dies bedeutet, dass Behandlungseinrichtungen wie Heizplatten oder IR-Strahler nach bestimmten Zeitregimes verschoben werden müssen, um die gesamte Fläche abzudecken. Eine Heißluftbehandlung der gesamten Fläche und der Räume hat hingegen den Nachteil, dass hohe Temperaturen für oft dort vorhandene andere Gegenstände (z. B. Gemälde) schädlich sind.In the prior art, there are a number of methods that allow heating of the volume of material by heat conduction from the surface. Mentioned here are the hot air process in which the surface is heated by a sweeping air stream, the use of hot plates or electric blankets or the infrared process, in which the primary energy absorption is practically also limited to the surface. The heat conduction into the structure to be treated is determined by the parameter specific thermal conductivity, which is often low, especially for dry materials, which leads to long heating times. Basically, the heat flow is stronger, the higher the temperature gradient, d. H. the temperature change per distance, and hence the higher the surface temperature set by the above methods. Overheating on the surface, however, are limited by material reasons, especially since thermal damage to these visible surfaces would be particularly critical. For extensive areas such as parquet floors in prestigious rooms, a gradual treatment is necessary for most treatment methods. This means that treatment equipment such as hotplates or IR emitters must be moved according to specific time regimes to cover the entire area. A hot air treatment of the entire surface and the rooms, however, has the disadvantage that high temperatures are often harmful for often existing there other objects (eg paintings).
Um die Nachteile einer inhomogenen Temperaturverteilung, einer Überhitzung der Oberfläche und einer langsamen passiven Erwärmung des Inneren über die Wärmeleitfähigkeit zu umgehen, werden seit einiger Zeit direkte Heizverfahren wie die Anwendung von Mikrowellen (MW) [
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten, direkt volumenbezogenen und hinsichtlich ihrer Temperaturverteilung gesteuerten thermischen Behandlung von Feststoffen mittels Hochfrequenzenergie zur Verfügung zu stellen, welche die die genannten Vorteile der Radiofrequenz-Erwärmung aufgreifen und dabei die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwinden und eine einsatzfähige Vorrichtung bereitzustellen, die es erlaubt, die RW-Methode für die genannten Anwendungsfälle erfolgreich einzusetzen. Die noch vorhandene technologische Lücke, insbesondere hinsichtlich einer adäquat realisierbaren Elektrodenanordnung, soll durch die vorliegende Erfindung geschlossen werden. Die Nachteile des Standes der Technik sollen überwunden und eine einsatzfähige Vorrichtung bereitgestellt werden, die es erlaubt, die RW-Methode für die genannten Anwendungsfälle erfolgreich einzusetzen.It is therefore an object of the present invention to provide a method and a device for the efficient, directly volume-related and with regard to their temperature distribution controlled thermal treatment of solids by means of high-frequency energy, which take up the said advantages of the radio-frequency heating and thereby the disadvantages described overcome the prior art and provide a deployable device that allows to use the RW method for the applications mentioned successfully. The still existing technological gap, in particular with regard to an adequately realizable electrode arrangement, should be closed by the present invention. The disadvantages of the prior art should be overcome and an operational device should be provided which allows the RW method to be used successfully for the mentioned applications.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.These objects are achieved by the independent claims. Preferred embodiments of the invention are contained in the subclaims.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine auf einer Oberfläche eines Feststoffs anordenbare binäre Elektrodenanordnung mit jeweils mindestens zwei elektrisch voneinander isolierten Elektroden (Elektrodenstruktur), wobei sich die Elektroden bevorzugt in einer planaren Ebene parallel zur Oberfläche des zu behandelnden Feststoffes befinden. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenstruktur elektrisch leitend mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle verbunden ist, die dazu ausgebildet ist, an die Elektrodenanordnung eine Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 50 MHz anzulegen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgebildet, dass innerhalb einer unter der Vorrichtung angeordneten Struktur (Feststoff) ein hochfrequentes elektrisches Feld etabliert wird. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Elektroden als ineinandergreifende kammartige Strukturen ausgebildet sind, wobei jede der Elektroden eine Vielzahl von Einzelelektroden (Finger) aufweist, die über einen gemeinsamen Steg miteinander verbunden sind. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Längsachsen der Einzelelektroden parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Weiter ist es bevorzugt, dass die Längsachsen der Stege parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.The device according to the invention comprises a binary electrode arrangement that can be arranged on a surface of a solid, each having at least two electrically isolated electrodes (electrode structure), wherein the electrodes are preferably in a planar plane parallel to the surface of the solid to be treated. The device is characterized in that the electrode structure is electrically conductively connected to a high-frequency voltage source which is designed to apply to the electrode arrangement a high-frequency voltage having a frequency between 100 kHz and 50 MHz. The device according to the invention is designed such that a high-frequency electric field is established within a structure (solid) arranged under the device. Furthermore, it is preferred that the electrodes are formed as intermeshing comb-like structures, wherein each of the electrodes has a plurality of individual electrodes (fingers) which are interconnected via a common web. In this case, it is preferable that the longitudinal axes of the individual electrodes are parallel or substantially parallel to each other. Furthermore, it is preferred that the longitudinal axes of the webs run parallel or substantially parallel to one another.
Es handelt sich um eine Vorrichtung zur effizienten thermischen Behandlung im Volumen durch eine auf der Oberfläche der zu erwärmenden Struktur angeordnete binäre Elektrodenstruktur zur Einspeisung von Hochfrequenz-Energie in vorwiegend flächig ausgedehnte Festkörper, welche mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle, die Spannungen mit einer Frequenz im Bereich zwischen 100 kHz und 50 MHz erzeugt, elektrisch leitend verbunden ist, und die ein dreidimensionales elektrisches Feld außerhalb der Elektrodenebene im zu behandelnden Festkörper erzeugt, das zu einer Erwärmung im Volumen führt. Elektroden einer Polarität können auch zu Gruppen verbunden werden, wobei dann zwischen den Einzelelektroden eine Kontaktierung erfolgt.It is a device for efficient thermal treatment in volume by a arranged on the surface of the structure to be heated binary electrode structure for feeding high-frequency energy in a predominantly flat extended solids, which with a high-frequency power source, the voltages with a frequency in the range generated between 100 kHz and 50 MHz, is electrically connected, and generates a three-dimensional electric field outside the electrode plane in the solid to be treated, which leads to a heating in the volume. Electrodes of one polarity can also be connected in groups, in which case a contacting takes place between the individual electrodes.
Unter einer solchen binären Elektrodenanordnung ist dabei eine zweiteilige Anordnung von einzelnen Elektroden zu zwei Elektrodengruppen zu verstehen. Die Elektroden der einzelnen Gruppen sind dabei jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden, die beiden Elektrodengruppen der binären Elektrodenanordnung sind jedoch elektrisch voneinander isoliert. Durch die gegenseitige Lage der einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung kann eine gemeinsame Hauptachse definiert werden. Besonders bevorzugt erstreckt sich diese Hauptachse entlang der längsten Symmetrieachse der Elektrodenanordnung.Under such a binary electrode arrangement is to be understood a two-part arrangement of individual electrodes to two electrode groups. The electrodes of the individual groups are each electrically conductively connected to each other, but the two electrode groups of the binary electrode arrangement are electrically isolated from each other. Due to the mutual position of the individual electrodes of the electrode arrangement, a common main axis can be defined. This main axis particularly preferably extends along the longest symmetry axis of the electrode arrangement.
Die vorliegende Erfindung kann insbesondere eine binäre, im Wesentlichen zweidimensional ausgelegte Elektrodenstruktur beinhalten, die elektrisch leitend mit einem Hochfrequenz-Generator, der eine hochfrequente Spannung mit einer Frequenz im Bereich zwischen 100 kHz und 50 MHz bereitstellt, verbunden ist. Bevorzugt ist dabei ein Frequenzbereich von 1 MHz bis 30 MHz. Ganz besonders bevorzugt sind Frequenzen, die für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen freigegeben sind (ISM-Frequenzen). Die Elektrodenstruktur ist so ausgelegt, dass die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in die zu behandelnde Struktur derart erfolgt, dass im Vergleich zu konventionellen, ausschließlich auf Wärmeleitung beruhenden Methoden eine homogenere dielektrische Erwärmung zu verzeichnen ist, da die Erwärmung direkt im Volumen erfolgt. Vorzugsweise enthält die Vorrichtung darüber hinaus ein elektronisches Anpassnetzwerk, das zwischen HF-Generator und Elektrodensystem geschaltet ist, um die zum Generator reflektierte HF-Leistung zu minimieren bzw. ganz zu eliminieren. Eine elektromagnetische Abschirmung, die die Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen von der Elektrodenstruktur in den Raum signifikant reduziert, ist ebenfalls Bestandteil von bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Neben diesen Grundkomponenten enthalten bevorzugte Realisierungen dieser Vorrichtung vorteilhafterweise einen oder mehrere Temperatursensoren und/oder Vorrichtungen zur automatischen Anlagensteuerung über ein Computersystem und/oder Vorrichtungen zur automatischen Bewegung der Vorrichtung über die zu behandelnde Fläche und/oder Vorrichtungen zur automatischen Temperaturregulierung der Oberfläche. In particular, the present invention may include a binary substantially two-dimensional electrode structure electrically connected to a high frequency generator providing a high frequency voltage having a frequency in the range between 100 kHz and 50 MHz. Preference is given to a frequency range of 1 MHz to 30 MHz. Very particular preference is given to frequencies which are released for industrial, scientific and medical applications (ISM frequencies). The electrode structure is designed such that the coupling of the electromagnetic waves into the structure to be treated takes place in such a way that, compared to conventional methods based solely on heat conduction, a more homogeneous dielectric heating can be observed, since the heating takes place directly in the volume. Preferably, the device further includes an electronic matching network connected between the RF generator and the electrode system to minimize or eliminate the RF power reflected from the generator. An electromagnetic shield which significantly reduces the emission of electromagnetic waves from the electrode structure into the room is also part of preferred embodiments of the device according to the invention. In addition to these basic components, preferred implementations of this device advantageously include one or more temperature sensors and / or automatic system control devices via a computer system and / or devices for automatically moving the device over the surface to be treated and / or devices for automatic temperature control of the surface.
Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei nur einseitiger Zugänglichkeit des zu behandelnden Feststoffes Temperaturprofile zu erzielen, die im Vergleich zu anderen Verfahren homogener sind und somit schneller zum Erreichen der Zielvorgaben führen. Dies bedeutet in der Regel, dass bereits der primäre Energieeintrag in den meisten Materialien eine Eindringtiefe von einigen Zentimetern hat. Es gelingt sogar, die Oberflächentemperatur niedriger zu halten als die Temperatur unterhalb der Oberfläche im Volumen des Festkörpers.The idea of the present invention is to achieve by using the device according to the invention with only one-sided accessibility of the solid to be treated temperature profiles, which are more homogeneous compared to other methods and thus faster to achieve the targets. This usually means that even the primary energy input in most materials has a penetration depth of a few centimeters. It even succeeds in keeping the surface temperature lower than the temperature below the surface in the volume of the solid.
Das binäre Elektrodensystem ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass sich in einem Bereich der Vorrichtung geerdete Elektrodenteile (so genannte „kalte“ Elektroden) und spannungsführende Elektrodenteile (so genannte „heiße“ Elektroden) abwechseln (Interdigitalstruktur) und dadurch in dem darunter liegenden Material ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Wenn der Abstand zwischen den Elektroden in derselben Größenordnung wie die Breite der Elektroden ist, so wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, dessen Verteilung den Anforderungen einer hinreichend gleichmäßigen Erwärmung besonders gut genügt. Eine besonders bevorzugte und konstruktiv robuste Ausführung dieses binären Elektrodensystems stellt eine ineinander greifende Kammstruktur (Doppelkammstruktur) dar. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenanordnung daher zwei ineinandergreifende Kammstrukturen. Unter einer Kammstruktur ist dabei eine Struktur zu verstehen, bei der die einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung kammartig als Zinken oder Zähne nebeneinander entlang eines elektrisch leitenden Steges angeordnet sind. Insbesondere kann dabei der Steg parallel zur Hauptachse der Elektrodenanordnung ausgerichtet sein. Die Kammstruktur kann dabei ein- oder zweiseitig ausgebildet sein, d. h. entlang des Steges können die einzelnen Elektroden entlang eines einzelnen Steges entweder nur in eine einzige Richtung oder in zwei voneinander unabhängige Richtungen zeigen. Bevorzugt liegen bei der zweiseitigen Ausbildung des Kammes die beiden Richtungen innerhalb einer gemeinsamen Ebene. Unter einer ineinandergreifenden Kammstruktur ist jede gegenseitige Anordnung zweier solcher Kammstrukturen zu verstehen, bei der die einzelnen Zinken beider Kämme ohne elektrischen Kontakt zueinander miteinander verzahnt sind.The binary electrode system is advantageously designed so that in one area of the device grounded electrode parts (so-called "cold" electrodes) and live electrode parts (so-called "hot" electrodes) alternate (interdigital structure) and thereby in the underlying material a high-frequency electromagnetic Field is generated. If the distance between the electrodes is of the same order of magnitude as the width of the electrodes, an electromagnetic field is generated whose distribution satisfies the requirements of sufficiently uniform heating particularly well. A particularly preferred and structurally robust design of this binary electrode system is an interdigitated comb structure (double comb structure). The electrode arrangement therefore preferably comprises two intermeshing comb structures. In this case, a comb structure is to be understood as meaning a structure in which the individual electrodes of the electrode arrangement are arranged in comb-like fashion as tines or teeth next to one another along an electrically conductive web. In particular, the web can be aligned parallel to the main axis of the electrode assembly. The comb structure can be formed on one or two sides, d. H. along the ridge, the individual electrodes can point along a single ridge either in only one direction or in two independent directions. Preferably, in the two-sided formation of the comb, the two directions are within a common plane. An interlocking comb structure is understood to mean any mutual arrangement of two such comb structures, in which the individual prongs of both combs are interlinked without electrical contact with one another.
Die Feldstärkemaxima an den Kanten der Elektroden können dadurch reduziert werden, dass abgeschrägte oder abgerundete Elektroden verwendet werden. Diese Veränderung führt dazu, dass sich die Überhitzung an den Kanten der Elektroden deutlich verringert, ohne dass der Effekt einer Einkopplung in das Material signifikant eingeschränkt wird. Zum Erreichen der gewünschten Veränderung sind bereits Biegeradien bzw. Abschrägungen von einigen Millimetern ausreichend. Halbrund gegenüber der Oberfläche ausgebildete Elektroden bzw. Elektrodenteile sind hingegen weniger geeignet, da die Energieeinkopplung zu stark auf die Mitte der Elektrode (entlang der Berührungslinie) konzentriert wäre. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenanordnung daher eine Oberfläche, die auf der Oberfläche des Feststoffs anordenbar ist, wobei die der Oberfläche des Feststoffs zugewendeten Kanten der Oberfläche abgerundet oder abgeschrägt sind. Insbesondere kann es sich bei besagter Oberfläche um die Oberfläche handeln, welche auf der Oberfläche des Feststoffs so angeordnet werden kann, dass durch die Elektrodenanordnung eine maximal große Oberfläche des Feststoffs abgedeckt wird. Diese Oberfläche weist im Bezug zu angrenzenden Oberflächen der Elektrodenanordnung Kanten auf, welche abgerundet oder abgeschrägt sein können. Beim Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung an die Elektrodenanordnung wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, dessen Feldlinien meist senkrecht an den einzelnen Oberflächen der Kontakte enden. An Spitzen tritt in der Regel eine Konzentration der Feldlinien ein. Durch ein Abrunden oder Abschrägen der Kanten kann eine homogenere Verteilung der Feldlinien im Festkörper erreicht werden, da so die Feldstärkemaxima an den Kanten der Elektroden verringert werden können und zugleich eine verbesserte und homogenere Durchdringung des Bereich zwischen den Kontakten erreicht werden kann. Bevorzugt ist weiterhin, dass alle der zu behandelnden Oberfläche zugewandten Kanten der Elektroden abgerundet oder abgeschrägt sind.The field strength maxima at the edges of the electrodes can be reduced by using bevelled or rounded electrodes. This change significantly reduces overheating at the edges of the electrodes without significantly limiting the effect of coupling into the material. To achieve the desired change already bending radii or bevels of a few millimeters are sufficient. On the other hand, half-round electrodes or electrode parts formed opposite the surface are less suitable since the energy injection would be concentrated too much on the center of the electrode (along the contact line). Preferably, therefore, the electrode assembly comprises a surface which is arrangeable on the surface of the solid, wherein the edges of the surface facing the surface of the solid are rounded or bevelled. In particular, said surface can be the surface which can be arranged on the surface of the solid in such a way that a maximum large surface area of the solid is covered by the electrode arrangement. This surface has edges with respect to adjacent surfaces of the electrode assembly, which may be rounded or bevelled. When a high-frequency voltage is applied to the electrode arrangement, an alternating electromagnetic field is generated whose field lines usually end perpendicular to the individual surfaces of the contacts. At tips, a concentration of field lines usually occurs one. By rounding off or chamfering the edges, a more homogeneous distribution of the field lines in the solid can be achieved, since in this way the field strength maxima at the edges of the electrodes can be reduced and at the same time an improved and more homogeneous penetration of the area between the contacts can be achieved. It is furthermore preferred that all edges of the electrodes facing the surface to be treated are rounded off or bevelled.
Die Elektroden können perforiert sein, um für die Fälle einer Trocknung oder eines Chemikalienaustrages aus der erwärmten Struktur einen ungehinderten Abtransport zu gewährleisten und damit eine Rekondensation zu verhindern. Vorzugsweise ist die Elektrodenanordnung also zumindest in Teilbereichen perforiert. Hierbei können einzelne Elektroden der Elektrodenanordnung ganz oder teilweise perforiert sein. Die Perforation kann bevorzugt zirkular, quadratisch, rechteckig oder sechseckig ausgeführt sein. Ebenfalls möglich sind Mischformen daraus sowie eine Anzahl unterschiedlich großer Perforationsdurchlässe. In Bereichen hoher Feldliniendichte kann durch eine Variation der Perforationsdichte und/oder -art eine Erhöhung der Transportfähigkeit zugunsten einer homogeneren Feldlinienverteilung erwirkt werden. Bei Bedarf kann sich unmittelbar an den Elektroden auch ein geeignetes Adsorptionsmittel befinden, das Wasser oder Schadstoffe binden und so den Austrag unterstützen kann. Für organische Schadstoffe können bevorzugt Aktivkohleschüttungen oder Aktivkohlevliese eingesetzt werden, die in einer vorteilhaften Ausgestaltung direkt mit den Elektroden verbunden sind.The electrodes may be perforated in order to ensure unhindered removal for the cases of drying or chemical discharge from the heated structure and thus to prevent reconstitution. Preferably, the electrode assembly is thus perforated at least in some areas. In this case, individual electrodes of the electrode arrangement can be completely or partially perforated. The perforation may preferably be circular, square, rectangular or hexagonal. Also possible are mixed forms thereof as well as a number of different sized perforation passages. In regions of high field line density, an increase in the transportability in favor of a more homogeneous field line distribution can be achieved by varying the perforation density and / or type. If necessary, a suitable adsorbent can be located directly at the electrodes, which can bind water or pollutants and thus support the discharge. For organic pollutants it is possible with preference to use activated charcoal beds or activated carbon fleeces, which in an advantageous embodiment are connected directly to the electrodes.
Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung kann zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Oberfläche eines Feststoffs aufgebracht und entlang der Oberfläche des zu behandelnden Feststoffs translatorisch bewegt werden. Dieses Aufbringen kann als direkter Kontakt zwischen den jeweils einander gegenüber liegenden Oberflächen erfolgen. Ebenfalls möglich ist ein geringer Abstand zwischen den jeweiligen Oberflächen; vorzugsweise kleiner 1 mm, kleiner 2 mm, kleiner 5 mm oder kleiner 10 mm. Um bei einer translatorischen Bewegung der Elektrodenanordnung die Kontakte und die Oberfläche des zu behandelnden Materials vor Verschmutzung und/oder Beschädigung zu schützen, kann zumindest in besonders beanspruchten Bereichen eine Schutzschicht, beispielsweise aus einem Kunststoffpolymer wie PTFE oder PE oder auch aus einer textilen Schicht wie Filz, aufgebracht sein. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenanordnung daher eine Oberfläche, die auf der Oberfläche des Feststoffs anordenbar ist, wobei die Oberfläche zumindest teilweise durch eine Schutzschicht geschützt ist. Bevorzugt ist weiterhin, dass die der zu behandelnden Oberfläche zugewandten Flächen der Elektroden derart beschichtet sind, dass eine Schädigung der Oberfläche bei der Bewegung während der Behandlung verhindert oder wesentlich vermindert wird.The electrode arrangement according to the invention can be applied to the surface of a solid for carrying out the method according to the invention and can be moved in translation along the surface of the solid to be treated. This application can be done as a direct contact between the respective opposing surfaces. Also possible is a small distance between the respective surfaces; preferably smaller than 1 mm, smaller than 2 mm, smaller than 5 mm or smaller than 10 mm. In order to protect the contacts and the surface of the material to be treated from contamination and / or damage in a translational movement of the electrode assembly, at least in particularly stressed areas, a protective layer, for example of a plastic polymer such as PTFE or PE or of a textile layer such as felt be applied. Preferably, therefore, the electrode assembly comprises a surface which can be arranged on the surface of the solid, wherein the surface is at least partially protected by a protective layer. It is furthermore preferred that the surfaces of the electrodes facing the surface to be treated are coated in such a way that damage to the surface during the movement during the treatment is prevented or substantially reduced.
Um die elektromagnetische Verträglichkeit der Anordnung zu gewährleisten, kann das binäre Elektrodensystem vorzugsweise von einer elektromagnetischen Abschirmung oberhalb der zu behandelnden Fläche ganz oder teilweise umschlossen sein. Als Schirmungsmaterialien sind beispielsweise massive Metallbleche, Gazen oder metallbeschichtete Kunststofffolien geeignet. Vorzugsweise ist die Elektrodenanordnung zumindest teilweise von einer elektrisch leitfähigen Abschirmung umgeben. Bevorzugt ist weiterhin, dass die Elektroden von einer Schirmung bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise massivem Blech, Gaze oder metallbeschichteter Folie umgeben sind, so dass eine elektromagnetische Abstrahlung in den Raum signifikant verringert bzw. eliminiert wird.In order to ensure the electromagnetic compatibility of the arrangement, the binary electrode system may preferably be completely or partially enclosed by an electromagnetic shield above the surface to be treated. As shielding materials, for example, solid metal sheets, gauzes or metal-coated plastic films are suitable. Preferably, the electrode assembly is at least partially surrounded by an electrically conductive shield. It is furthermore preferred that the electrodes are surrounded by a shield consisting of an electrically conductive material such as, for example, solid sheet metal, gauze or metal-coated foil, so that an electromagnetic radiation into the space is significantly reduced or eliminated.
Neben der räumlichen Ausprägung des elektromagnetischen Feldes in dem zu erwärmenden Material ist aus verfahrenstechnischer Sicht eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche translatorische Bewegung der Elektrodenanordnung eine Möglichkeit, die Erwärmungsprofile zu homogenisieren. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende manuelle Bewegung der Vorrichtung entlang der Oberfläche des Festkörpers erfolgen. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung jedoch ein Mittel zur automatisierten translatorischen Bewegung der Elektrodenanordnung. Dieses Mittel kann beispielsweise durch eine entsprechend gelagerte Aktuatorplattform bereitgestellt werden. Durch eine entsprechende Ansteuerung bzw. Vorprogrammierung der Bewegung mindestens der Elektrodenanordnung kann eine homogene Erwärmung des Feststoffs erreicht werden. Vorzugsweise verfügt die Vorrichtung über ein Mittel zur translatorischen Bewegung der Elektrodenanordnung mit der Peripherie wie Abschirmung über die behandelte Fläche.In addition to the spatial expression of the electromagnetic field in the material to be heated from a procedural point of view is a continuous or quasi-continuous translational movement of the electrode assembly a way to homogenize the heating profiles. This can be done for example by a corresponding manual movement of the device along the surface of the solid. Preferably, however, the device comprises a means for automated translational movement of the electrode assembly. This means can be provided for example by a correspondingly mounted actuator platform. By a corresponding activation or pre-programming of the movement of at least the electrode arrangement, a homogeneous heating of the solid can be achieved. Preferably, the device has a means for translational movement of the electrode assembly with the periphery such as shielding over the treated surface.
Da die höchsten Feldstärken und damit die größten Aufheizraten an den Kanten der binären Elektrodenstruktur auftreten, ist es vorteilhaft, die Struktur der Elektroden so auszurichten, dass bei der kontinuierlichen Bewegung für die Erwärmung einer größeren Fläche nach Möglichkeit keine längere Positionierung einer Kante an einer Stelle des zu behandelnden Untergrundes auftritt. Diese Verfahrensweise soll zur besseren Veranschaulichung für einen Parkettfußboden in einem rechteckigen Raum erläutert werden. Um die gesamte Fläche zu behandeln, ist es sinnvoll, eine rechteckig ausgelegte Behandlungsvorrichtung parallel zu zwei gegenüber liegenden Wänden zu bewegen. Wenn die Elektrodenstruktur von einer quaderförmigen Abschirmung umgeben ist, welche parallel zur Wand bewegt wird, so wäre es vorteilhaft, die binäre Elektrodenstruktur in einem Winkel von 45° zu den Begrenzungen der Abschirmung und damit zur Bewegungsrichtung anzuordnen. Vorzugsweise werden die Elektroden daher weder parallel noch senkrecht in Relation zur bevorzugten Bewegungsrichtung angeordnet, wobei eine Anordnung der Elektroden im Winkel von 45° bevorzugt ist.Since the highest field strengths and thus the highest heating rates occur at the edges of the binary electrode structure, it is advantageous to align the structure of the electrodes so that, in the continuous movement for the heating of a larger area as far as possible no longer positioning of an edge at one point of the to be treated substrate occurs. This procedure will be explained for a better illustration of a parquet floor in a rectangular space. To treat the entire surface, it makes sense to move a rectangularly designed treatment device parallel to two opposing walls. If the electrode structure is surrounded by a parallelepiped shield, which is moved parallel to the wall, it would be advantageous to use the binary electrode structure in FIG an angle of 45 ° to the boundaries of the shield and thus to arrange the direction of movement. Preferably, the electrodes are therefore arranged neither parallel nor perpendicular in relation to the preferred direction of movement, with an arrangement of the electrodes at an angle of 45 ° is preferred.
Vorzugsweise sind die Elektroden der Elektrodenanordnung senkrecht zur Hauptachse angeordnet, wobei die Länge der Elektroden entlang der Elektrodenanordnung variiert. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Länge der Elektroden entlang der Elektrodenanordnung linear variiert. Insbesondere ist eine Vorrichtung bevorzugt, die eine maximale Elektrodenlänge in der Mitte der Elektrodenanordnung aufweist und bei der sich die Länge der daran beiderseits angrenzenden Elektroden zu den äußeren Enden der Elektrodenanordnung hin linear verringert. Weiterhin bevorzugt ist, dass die Abschirmung der Elektrodenanordnung eine quadratische Grundfläche aufweist, in die die vorgenannte Ausführungsform mit beidseitig abfallender Elektrodenlänge derart angeordnet werden kann, dass die Hauptachse der eingeschlossenen Elektrodenstruktur durch zwei gegenüberliegende Eckpunkte verläuft. Eine solche Vorrichtung wird bevorzugt entlang der Seiten der quadratischen Abschirmung bewegt, so dass hierbei eine Anordnung im Winkel von 45° zu den Kanten der Abschirmung vorliegt.Preferably, the electrodes of the electrode arrangement are arranged perpendicular to the main axis, wherein the length of the electrodes varies along the electrode arrangement. It is particularly preferred that the length of the electrodes varies linearly along the electrode arrangement. In particular, a device is preferred that has a maximum electrode length in the center of the electrode assembly and in which the length of the electrodes adjacent thereto on either side decreases linearly towards the outer ends of the electrode assembly. Furthermore, it is preferred that the shield of the electrode assembly has a square base, in which the aforementioned embodiment can be arranged with both sides sloping electrode length such that the main axis of the enclosed electrode structure extends through two opposite corner points. Such a device is preferably moved along the sides of the square shield, so that in this case an arrangement is at an angle of 45 ° to the edges of the shield.
Eine solche Auslegung führt dazu, dass bei einer kontinuierlichen Bewegung der Anordnung parallel zur Wand jede Position auf der zu behandelnden Oberfläche nur kurzzeitig von einer Kante überstrichen wird. Dies wäre bei einer parallelen oder rechtwinkligen Anordnung einer Kammstruktur relativ zur Bewegungsrichtung und zum Rahmen nicht der Fall. Natürlich sind auch andere Geometrien der erfindungsgemäßen Anordnung unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen möglich. All diesen Anordnungen ist gemeinsam, dass durch eine im Wesentlichen zweidimensionale, flächige Elektrodenanordnung ein dreidimensionales elektrisches Feld in der zu behandelnden Struktur etabliert wird, das durch die Energieabsorption eine dielektrische Erwärmung im Volumen ermöglicht. Die Bewegung der Elektrodenanordnung und die immanente Wärmeleitung im Feststoff tragen zu einer Homogenisierung des Temperaturprofils bei, was bei der Wahl der Behandlungszeit und Behandlungsintensität (Leistungseintragsdichte) berücksichtigt werden sollte. Auch ein gepulster Energieeintrag mit der Ausnutzung der Wärmeleitung in den Phasen ohne Radiowellen-Anwendung ist eine verfahrenstechnische Option zur Homogenisierung der Temperaturverteilungen im Feststoff.Such a design results in that, with a continuous movement of the arrangement parallel to the wall, each position on the surface to be treated is swept over by an edge only for a short time. This would not be the case with a parallel or rectangular arrangement of a comb structure relative to the direction of movement and to the frame. Of course, other geometries of the arrangement according to the invention are possible taking into account the mentioned boundary conditions. All of these arrangements have in common that a three-dimensional electric field is established in the structure to be treated by means of a substantially two-dimensional, planar electrode arrangement, which enables dielectric heating in the volume as a result of the energy absorption. The movement of the electrode assembly and the immanent heat conduction in the solid contribute to a homogenization of the temperature profile, which should be taken into account when choosing the treatment time and treatment intensity (power input density). A pulsed energy input with the use of heat conduction in the phases without radio wave application is a procedural option for homogenizing the temperature distributions in the solid.
Für einen automatisierten und zeiteffizienten Behandlungsablauf ist die kontinuierliche Messung der Erwärmung von Vorteil. Da im Anwendungskontext das Einbringen von Sensoren in die zu behandelnde Struktur selbst in der Regel nicht möglich ist, sollte die berührungslose Messung der Oberflächentemperatur zwischen den Elektroden mittels optischer Sensoren zu Steuerung genutzt werden. Hierfür können vorzugsweise pyrometrische Sensoren in die Vorrichtung integriert werden. Besonders bevorzugt ist die zusätzliche Integration eines Computersystems, das auf der Basis der gemessenen Temperatur oder mehrerer gemessener Temperaturen die HF-Leistung und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit der Vorrichtung über die zu behandelnde Struktur regelt, um eine Überhitzung der Oberfläche zu vermeiden und gleichzeitig durch die Sicherstellung einer Mindesttemperatur den Behandlungserfolg zu gewährleisten. For an automated and time-efficient treatment process, continuous measurement of heating is an advantage. Since in the context of application, the introduction of sensors in the structure to be treated itself is usually not possible, the non-contact measurement of the surface temperature between the electrodes should be used by means of optical sensors for control. For this purpose, preferably pyrometric sensors can be integrated into the device. Particularly preferred is the additional integration of a computer system that regulates the RF power and / or the speed of movement of the device over the structure to be treated on the basis of the measured temperature or several measured temperatures to avoid overheating of the surface and at the same time by ensuring a minimum temperature to ensure the success of the treatment.
Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Erwärmung des Volumens ermöglicht, kann die Eindringtiefe der Erwärmung jedoch auch durch die Gestaltung der Elektrodenstruktur kontrolliert werden. Dies ist für Fälle ein großer Vorteil, bei denen der Untergrund unter der zu behandelnden Holzstruktur unbekannt ist und eine Erwärmung dieses Teils der Baustruktur minimiert werden soll.However, although the device of the present invention allows heating of the volume, the penetration depth of the heating can also be controlled by the design of the electrode structure. This is a great advantage for cases in which the substrate under the wood structure to be treated is unknown and heating of this part of the building structure is to be minimized.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Oberflächentemperatur des Feststoffes. Die Regelungseinrichtung kann ein Mittel zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des Festkörpers umfassen. Hierbei kann es sich um mindestens einen, vorzugsweise elektronischen oder optischen, Sensor handeln, der die Oberflächentemperatur erfasst. Die Regelungseinrichtung kann ein Mittel zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des Festkörpers umfassen. Die Regelungseinrichtung kann ein Mittel zur Bestimmung der elektrischen Feldstärke umfassen. Hierbei kann es sich um mindestens einen Sensor handeln, der die elektrische Feldstärke erfasst. Die Regelungseinrichtung kann ein Mittel zur Auswertung und Steuerung umfassen. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Computersystem handeln, welches zur Auswertung der Messsignale der einzelnen Mittel zur Bestimmung und zur Steuerung der gesamten Vorrichtung ausgebildet ist. Insbesondere können zur Auswertung das oder die Mittel zur Bestimmung der Oberflächentemperatur und/oder das oder die Mittel zur Bestimmung der elektrischen Feldstärke mit dem Mittel zur Auswertung und Steuerung verbunden sein. Weiterhin können zur Steuerung das Mittel zur translatorischen Bewegung und/oder die Hochfrequenz-Spannungsquelle mit dem Mittel zur Auswertung und Steuerung verbunden sein. Durch das Mittel zur Auswertung und Steuerung können somit in Abhängigkeit von bestimmten Größen die an die Anordnung angelegte HF-Leistung und/oder das translatorische Bewegungsprofil derart angepasst werden, dass eine weitgehend homogene Bearbeitung des Feststoffs ermöglicht wird. Insofern kann das Mittel zur Auswertung und Steuerung in Kombination mit Sensoren eine Steuerung und Regelung der thermischen Behandlung von Feststoffen ermöglichen. Insbesondere kann die an die Elektroden angelegte HF-Leistung in Abhängigkeit von der gemessenen Oberflächentemperatur geregelt werden.Preferably, the device according to the invention comprises a control device for controlling the surface temperature of the solid. The regulating device may comprise a means for determining the surface temperature of the solid. This may be at least one, preferably electronic or optical, sensor that detects the surface temperature. The regulating device may comprise a means for determining the surface temperature of the solid. The regulating device may comprise a means for determining the electric field strength. This may be at least one sensor that detects the electric field strength. The regulating device may comprise a means for evaluation and control. This may be, for example, a computer system which is designed to evaluate the measurement signals of the individual means for determining and controlling the entire apparatus. In particular, the means for determining the surface temperature and / or the means or means for determining the electric field strength can be connected to the means for evaluation and control for evaluation. Furthermore, the means for translatory movement and / or the high-frequency voltage source can be connected to the means for evaluation and control for control. As a result of the means for evaluation and control, the RF power applied to the arrangement and / or the translational motion profile can thus be adjusted in dependence on certain variables such that a largely homogeneous processing of the solid is made possible. In this respect, the means for evaluation and control in combination with sensors can provide control and regulation of the thermal treatment of solids. In particular, the RF power applied to the electrodes can be regulated as a function of the measured surface temperature.
Weiterhin bevorzugt ist, dass die Vorrichtung mindestens ein Mittel zur Kühlung der Oberfläche des Feststoffs umfasst, welches eine Kühlung der Oberfläche des dielektrisch erwärmten Feststoffs ermöglicht. Diese Mittel zur Kühlung der Oberfläche des Feststoffs kann ebenfalls über das Mittel zur Auswertung und Steuerung geregelt sein. Vorzugsweise kann es sich bei dem Mittel zur Kühlung der Oberfläche um eine Einrichtung zur Luftführung handeln. Bei der Einrichtung zur Luftführung kann es sich beispielsweise um ein aktives System handeln, bei dem einzelnen Teilbereiche der Elektrodenanordnung Luft zugeführt wird. Die zugeführte Luft kann als Luftströmung von einer Vielzahl von Lüftern lokal erzeugt oder durch eine entsprechende Luftstromsteuerung den einzelnen Teilbereichen zugeführt werden. Der Luftstrom kann vorzugsweise über einen einzelnen Hauptlüfter erzeugt werden. Die zugeführte Luft kann zusätzlich über eine Kühleinrichtung gekühlt werden. Für die Führung des Luftstromes zur Kühlung kann auch eine Perforation in der Elektrodenstruktur genutzt werden. It is further preferred that the device comprises at least one means for cooling the surface of the solid, which allows cooling of the surface of the dielectrically heated solid. This means for cooling the surface of the solid may also be regulated by the means for evaluation and control. Preferably, the means for cooling the surface may be a device for air guidance. The device for air guidance may, for example, be an active system in which air is supplied to individual subregions of the electrode arrangement. The supplied air can be generated locally as a flow of air from a plurality of fans or supplied by a corresponding air flow control the individual sections. The airflow may preferably be generated via a single main fan. The supplied air can be additionally cooled by a cooling device. For the guidance of the air flow for cooling, a perforation in the electrode structure can also be used.
Vorzugsweise ist in die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Elektrodenanordnung und der Hochfrequenz-Spannungsquelle ein elektronisches Anpassnetzwerk zur Verringerung der von der Elektrodenanordnung zur Hochfrequenz-Spannungsquelle zurückreflektierten Hochfrequenz-Leistung geschaltet. Insbesondere kann ein elektronisches Anpassnetzwerk, eine so genannte Matchbox, zwischen HF-Spannungsquelle und Elektrodenanordnung derart geschaltet sein, dass die zum Generator reflektierte HF-Leistung verringert bzw. eliminiert wird.Preferably, an electronic matching network is connected in the electrically conductive connection between the electrode arrangement and the high-frequency voltage source for reducing the high-frequency power reflected back from the electrode arrangement to the high-frequency voltage source. In particular, an electronic matching network, a so-called matchbox, may be connected between the RF voltage source and the electrode arrangement in such a way that the RF power reflected from the generator is reduced or eliminated.
Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Anwendung der vorab beschriebenen Vorrichtung und nutzt die sich daraus ergebenden Vorteile bei der thermischen Behandlung von Feststoffen. Insbesondere umfasst das vorgestellte Verfahren zur thermischen Behandlung von Feststoffen als Verfahrensschritte das Bereitstellen einer binäre Elektrodenanordnung mit mindestens zwei elektrisch voneinander isolierten Elektroden, wobei die Elektrodenanordnung auf eine Oberfläche eines Feststoffs angeordnet wird, und das Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung an die Elektrodenanordnung, wobei ein elektrisches Wechselfeld in einem Feststoff erzeugt wird und durch dieses Wechselfeld eine Erwärmung des Feststoffes im Volumen erfolgt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Erwärmung im Volumen erreicht, ohne dass eine Überhitzung der Oberfläche stattfindet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, eine kontrollierte und direkte Erwärmung der zu behandelnden Struktur zu ermöglichen und dabei ungewollte Überhitzungen an Teilen der Oberfläche und des Volumens sicher auszuschließen.The method of the invention is based on the application of the device described above and exploits the resulting advantages in the thermal treatment of solids. In particular, the presented method for the thermal treatment of solids as method steps comprises providing a binary electrode arrangement with at least two electrically isolated electrodes, wherein the electrode assembly is disposed on a surface of a solid, and applying a high frequency voltage to the electrode assembly, wherein an electric Alternating field is generated in a solid and is carried out by this alternating field, a heating of the solid in volume. In an advantageous embodiment of the method, a heating in the volume is achieved without an overheating of the surface takes place. The method according to the invention is suitable for allowing a controlled and direct heating of the structure to be treated and reliably precluding unwanted overheating on parts of the surface and the volume.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann durch eine Regelungseinrichtung die Oberflächentemperatur des Feststoffes kontrolliert und nach Bedarf eingestellt werden. Vorzugsweise kann dabei durch die Regelungseinrichtung eine zumindest abschnittsweise Kühlung der Oberfläche des Feststoffes erfolgen. Vorzugsweise wird die Elektrodenanordnung entlang der Oberfläche des Feststoffs manuell oder automatisiert translatorisch bewegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Kühlung der Oberfläche über einen Luftstrom realisiert, der über Perforationen in dem Elektrodensystem geführt wird. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden Wasser und/oder Schadstoffe in einer bereitgestellten Substanz gebunden, die für die Aufnahme dieser Substanzen geeignet ist. In bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens handelt es sich um Trockenmittel und/oder hydrophobe Adsorbenzien wie Aktivkohle beispielsweise in granularer oder Vliesform. In the method according to the invention can be controlled by a control device, the surface temperature of the solid and adjusted as needed. Preferably, an at least partial cooling of the surface of the solid can take place by the control device. Preferably, the electrode assembly is moved along the surface of the solid manually or automatically translationally. In a preferred embodiment of the method, the cooling of the surface is realized via an air flow, which is guided via perforations in the electrode system. In a further preferred embodiment of the method, water and / or pollutants are bound in a prepared substance that is suitable for receiving these substances. Preferred embodiments of the process are drying agents and / or hydrophobic adsorbents such as activated carbon, for example in granular or nonwoven form.
Kurzbeschreibung der FigurenBrief description of the figures
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur möglichst homogenen thermischen Behandlung von Feststoffen. Daher ist auch bei der Auslegung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung
Ausführungsbeispiel 1:Embodiment 1
Modellierung der räumlichen Verteilung der Energieeinkopplung in die behandelte StrukturModeling the spatial distribution of the energy input into the treated structure
Unter den vielfältigen Variationsmöglichkeiten bei der Anwendung sei ein Beispiel veranschaulicht, bei dem parallele Elektroden bzw. Elektrodenteile mit wechselnder Polarität („heiße“, d. h. spannungsführende, und „kalte“, d. h. geerdete, Elektroden) zur Erwärmung genutzt werden. Über den Elektroden ist eine Schirmung angeordnet, die sich auch über die angrenzende Oberfläche erstreckt. Die „kalten“ Elektroden sind mit der geerdeten Schirmung und dem Matchboxgehäuse elektrisch leitend verbunden, während die „heißen“ Elektroden spannungsführend über ein Kupferband mit dem elektronischen Anpassnetzwerk bzw. mit der Spannungsquelle zur Kontaktierung verbunden sind. Die Anordnung für eine vertikale Behandlung (beispielsweise eines Fragments einer Wandvertäfelung) ist schematisch in
Legt man für eine Simulation zugrunde, dass die Elektroden eine Breite von 20 mm besitzen und der Abstand der Elektrodenmitten jeweils 25 mm beträgt, so ergibt sich eine Spaltbreite zwischen den Elektroden von 5 mm. In Richtung zur Maueroberfläche wurden die Elektroden jeweils 5 mm im Winkel von 45° abgeschrägt, so dass auf der Oberfläche ein effektiver Elektrodenabstand von 15 mm vorlag, der auch für die Feldverteilung im Material maßgebend ist. Unter Verwendung von realistischen Annahmen für die Wärmeausbreitung im Material, den Wärmeübergang zwischen Materialoberfläche und Luft sowie unter Nutzung der dielektrischen und physikalischen Parameter für das Material Holz wurden die Temperaturverteilungen für ein 50 mm dickes Holzbauteil nach bestimmten Zeiten des dielektrischen Energieeintrages ermittelt.If one assumes for a simulation that the electrodes have a width of 20 mm and the distance between the electrode centers is 25 mm in each case, the result is a gap width between the electrodes of 5 mm. In the direction of the wall surface, the electrodes were beveled 5 mm at an angle of 45 ° so that there was an effective electrode gap of 15 mm on the surface, which is also decisive for the field distribution in the material. Utilizing realistic assumptions of material thermal propagation, heat transfer between material surface and air, and using the dielectric and physical parameters for the wood material, the temperature distributions for a 50 mm thick wood component were determined after certain periods of dielectric energy input.
Dabei wurden vier unterschiedliche Szenarien verglichen: eine konventionelle Erwärmung mit einer Heizplatte, eine dielektrische Erwärmung unter Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels Radiowellen-Energie sowie die Nutzung beider Verfahren im Impulsbetrieb (1 min Heizung, 2 min Pause). In allen Fällen wurde eine Leistung von 1 kW eingesetzt.Four different scenarios were compared: a conventional heating with a hot plate, a dielectric heating using the device according to the invention by means of radio-wave energy and the use of both methods in pulsed mode (1 min heating, 2 min break). In all cases, a power of 1 kW was used.
Es wird deutlich, dass das Maximum der Erwärmung sowie der Energieeintrag insgesamt für den Fall der Radiowellen-Methode deutlich hinein in das Volumen des Materials verschoben sind. Für eine nicht thermisch isolierte Oberfläche kann die Oberflächentemperatur gegenüber der im Volumen zu erreichenden Zieltemperatur abgesenkt werden, beispielsweise, um sensible Beschichtungen nicht zu schädigen. Der Grad der Temperaturabsenkung kann durch die Wahl der isolierenden Oberflächenbedeckung bzw. die Einstellung des Wärmeabtransports von der Oberfläche beispielsweise durch einen kühlenden Luftstrom variiert werden. Die konventionelle Erwärmung mittels Heizplatte (analoge Resultate würden mit der Heißluft- und der IR-Behandlung erzielt) führt hingegen zu einer hohen Oberflächentemperatur, zu einer ausgeprägten Temperaturabnahme mit der Tiefe und zu einer deutlich geringeren Aufheizgeschwindigkeit im Volumen. Bei einer Verringerung der Oberflächentemperatur zum Schutz sensibler Oberflächen würde sich die ohnehin schon geringere Erwärmungsgeschwindigkeit des Volumens nochmals verringern.It becomes clear that in the case of the radio-wave method, the maximum of warming as well as the total energy input are shifted significantly into the volume of the material. For a non-thermally insulated surface, the surface temperature can be lowered from the target volume to be achieved in volume, for example, so as not to damage sensitive coatings. The degree of temperature reduction can be varied by the choice of the insulating surface covering or the adjustment of the heat removal from the surface, for example by a cooling air flow. The conventional heating by means of hotplate (analogous results would be achieved with the hot air and the IR treatment), however, leads to a high surface temperature, to a pronounced decrease in temperature with the depth and to a much lower heating rate in the volume. Reducing the surface temperature to protect sensitive surfaces would further reduce the already slower rate of heating of the volume.
Für die praktische Anwendung ergibt sich meist die Situation, dass eine bestimmte Maximaltemperatur nicht überschritten werden darf, jedoch eine Mindesttemperatur (z. B. die Letaltemperatur für die Schädlingsbekämpfung) erreicht werden muss.For practical application, the situation usually arises that a certain maximum temperature may not be exceeded, but a minimum temperature (eg the lethal temperature for pest control) must be achieved.
Auch hier zeigen sich wiederum die klaren Vorteile des Radiowellen-Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer verwendeten Leistung von 1 kW (kontinuierlich oder in den Pulsen im Impulsbetrieb). Die Eindringtiefen für die Radiowellen-Erwärmung (13 mm bzw. 17 mm, bezogen auf das Erreichen der Letaltemperatur von 60 °C) waren deutlich höher als die, die bei einer konventionellen Erwärmung mittels Heizplatte (oder analog mit dem Heißluft- oder Infrarotverfahren) erreicht wurden (5 mm und 8 mm für den kontinuierlichen bzw. den Impulsbetrieb). Die dafür benötigten Behandlungszeiten waren vergleichbar. Dies bedeutet gleichzeitig, dass für gleiche Eindringtiefen wesentlich längere Behandlungszeiten für die konventionelle Erwärmung notwendig wären, wenn in einem bestimmten Volumen die Zieltemperatur durchgängig erreicht werden soll. Es sei angemerkt, dass in dem beschriebenen Fall keine Bewegung der Vorrichtung über die zu behandelnde Oberfläche erfolgte. Bei einer mobilen Anwendung müsste die effektive Verweilzeit des Systems an der Position berücksichtigt werden.Once again, the clear advantages of the radio wave method using the device according to the invention and the method according to the invention at a power of 1 kW used (continuously or in the pulses in pulsed operation) again show. The penetration depths for the radio wave heating (13 mm or 17 mm, based on reaching the lethal temperature of 60 ° C) were significantly higher than that achieved in a conventional heating by means of hot plate (or analogously with the hot air or infrared method) (5 mm and 8 mm for continuous or pulsed operation). The required treatment times were comparable. This means at the same time that for the same penetration depths significantly longer treatment times would be necessary for the conventional heating, if in a certain volume, the target temperature is to be consistently achieved. It should be noted that in the described case no movement of the device over the surface to be treated. For a mobile application, the effective dwell time of the system at the position would need to be considered.
Ausführungsbeispiel 2:Embodiment 2:
Erwärmung einer Parkettfläche mit einer DoppelkammstrukturHeating a parquet surface with a double comb structure
Für Demonstrationszwecke wurde eine Holzplatte mit einer Dicke von 20 mm unter Nutzung der in
Es wurden ein HF-Generator (Arbeitsfrequenz 13,56 MHz, Maximalleistung 3 kW) und ein elektronisches Anpassnetzwerk (maximale HF-Spannung 4 kV) verwendet.An HF generator (operating frequency 13.56 MHz, maximum power 3 kW) and an electronic matching network (
Die Oberflächentemperatur wurde mittels einer IR-Kamera vermessen. In einer Tiefe von 10 mm unter der Holzoberfläche wurden faseroptische Temperatursensoren positioniert, um während der RW-Behandlung eine kontinuierliche Temperaturerfassung zu ermöglichen. Die Positionen der Sensoren relativ zur Elektrodenstruktur (mit x markiert) sind ebenfalls
Es ist davon auszugehen, dass durch eine Optimierung der Elektrodenstruktur und durch spezielle Versuchsregimes (vgl. Ausführungsbeispiel 1) eine noch bessere Homogenität der Temperaturverteilung erzielt werden kann. It can be assumed that an even better homogeneity of the temperature distribution can be achieved by optimizing the electrode structure and by means of special experimental regimes (see Example 1).
Die speziellen Versuchsregimes repräsentieren das erfindungsgemäße Verfahren, das durch seine Flexibilität eine erfolgreiche Behandlung sehr unterschiedlicher Praxissituationen erlaubt.The special experimental regimes represent the process according to the invention which, by virtue of its flexibility, allows a successful treatment of very different practical situations.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Feststoff solid fuel
- 2020
- Elektrodenanordnung electrode assembly
- 22a, 22b, ...22a, 22b, ...
- erste Elektroden first electrodes
- 24a, 24b, ...24a, 24b, ...
- zweite Elektroden second electrodes
- 2626
- erster Steg first jetty
- 2828
- zweiter Steg second bridge
- 3030
- Hochfrequenz-Spannungsquelle High-frequency voltage source
- 4040
- Abschirmung shielding
- 4242
- Haltevorrichtung holder
- 5050
- Anpassnetzwerk matching
- 6060
- Schutzschicht protective layer
- AA
-
Oberfläche des Feststoffs
10 Surface of the solid10 - BB
-
Oberflächen der Elektrodenanordnung
20 Surfaces of theelectrode assembly 20 - KK
-
Kanten der Elektroden
22 ,24 Edges of theelectrodes 22 .24 - XX
-
Hauptachse der Elektrodenanordnung
20 Main axis of theelectrode assembly 20
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1374676 B1 [0005] EP 1374676 B1 [0005]
- DE 202010001410 U1 [0005] DE 202010001410 U1 [0005]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- C. Hoyer et al., Chem. Ing. Technik 86 (2014) 1187 [0002] C. Hoyer et al., Chem. Ing. Technique 86 (2014) 1187 [0002]
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