DE1540778A1

DE1540778A1 - Verfahren und Vorrichtung zur dielektrischen Hochfrequenz-Erhitzung

Info

Publication number: DE1540778A1
Application number: DE19641540778
Authority: DE
Inventors: Chajim Gros
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1963-11-30
Filing date: 1964-11-28
Publication date: 1970-02-26
Also published as: US3330932A; GB1042920A

Description

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Chajim Gros, 39 Alexandra Road, London, N.W. 8 (England)

Verfahren und Vorrichtung zur dielektrischen Hochfrequenz-Erhitzung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dielektrischen Hochfrequenz-Erhitzung bzw. Erwärmung.

Eine der bei der Durchführung derartiger Verfahren auftretenden Schwierigkeiten besteht darin, daß es bei Vergrößerung der Fläche des zu erhitzenden dielektrischen Materials normalerweise gleichzeitig auch notwendig ist, auch die Fläche derjenigen Elektroden zu vergrößern, zwischen die das dielektrische Material eingebracht ist; eine weitere Voraussetzung ist hierzu auch die Erhöhung der den Elektroden zugeführten Energie, um u.a. die Erzeugung stehender Wellen zu vermeiden und die Frequenz der Energiequelle herabzusetzen. Dies hat wiederum eine Zunahme der Spannungsbeanspruchung im dielektrischen Material zur Folge, wenn eine zufriedenstellende Erwärmung erreicht werden soll, womit sich naturgemäß auch die Gefahr eines Versagens bzw. Durchschlages der elektrischen isolierung zwischen den Elektroden erhöht.

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Die Erfindung sieht nunmehr ein Verfahren und eine Vorrichtung vor, bei dem die Gefahr eines elektrischen Durcnschlages der zwischen den Elektroden vorgesehenen Isolierung weitgehend herabgesetzt ist und bei dem gleichzeitig eine höhere Frequenzquelle eingesetzt werden kanir, als andernfalls möglich wäre. Die Angabe "Hochfrequenz" beschränkt sich im Zusammenhang mit der Erfindung nicht nur auf ein Frequenzband, sondern kann beispielsweise auch Frequenzen im Höchst- und Ultrahochfrequenzband einschließen.

Die Angabe "dielektrische Erhitzung oder Beheizung" steht in diesem Zusammenhang für all diejenigen Beheizungsarten, bei denen Wärme dadurch erzeugt wird, daß ein dielektrischer Werkstoff in ein Wechselstromfeld eingebracht wird.

Nach der Erfindung ist bei einem dielektrischen Hochfrequenz-Heizverfahren, bei dem eine entsprechende Hochfrequenzenergie von einer Energiequelle her zwei Elektroden in der Weise zugeführt wird, daß zwischen den Elektroden ein elektrisches Hochfrequenzfeld entsteht, vorgesehen, daß zwischen die Elektroden ein dielektrisches Material eingeführt wird, wobei die Anordnung derart getroffen ist, daß eine der Elektroden in bezug auf die Hochfrequenzenergie elektrische derart in eine Vielzahl von Einzelabschnitten unterteilt ist, daß die von der Energiequelle her zugeleitete Energie in den einzelnen Abschnitten des Materials deren Veite nach entsprechend in Wärme umgesetzt wird.

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Die Erfindung sieht weiter eine Vorrichtung zur dielektrischen Hochfrequenz-Erhitzung vor, welche zwei Elektroden aufweist, von denen die eine derart angeordnet ist, daß sie eine dielektrische Platte gegen die andere Elektrode andrückt und es sind Mittel vorgesehen, mit deren Hilfe eine Relativbewegung zwischen dem dielektrischen Material und den Elektroden herbeigeführt werden kann. Desweiteren umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Hochfrequenzenergiequelle und die entsprechenden elektrischen Verbindungen zwischen der Energiequelle und den Elektroden. Die Anordnung ist dabei derart getroffen, daß im Betrieb eine der Elektroden in bezug auf die von der Energiequelle zugeleitete Hochfrequenzenergie elektrisch in eine Vielzahl von Einzelabschnitten unterteilt wird, so daß die von der Stromquelle her kommende Energie jeweils entsprechend der Breite dieser Abschnitte nach in Wärme umgesetzt wird.

Die Erfindung sei nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine Draufsicht auf eine Anordnung von walzenförmigen Elektroden,

Figur 2 eine schematische Seitenansicht der in Figur 1 gezeigten Elektroden,

Figuren 3,4,5 und 7 schematische Seitenansichten von walzenförmigen Elektroden aufweisenden Anordnungen sowie deren elektrische Schaltung; und

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Figur 6 eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung mit Walzenelektroden und deren elektrische Schaltung.

Die Figuren 1 und 2 zeigen jeweils eine erste Elektrode, die aus einer Metallwalze 1 besteht, auf deren Oberfläche ein erhabenes Muster 2 angebracht ist. Bogenförmig um die Walze 1 ist eine aus drei aus Metall bestehenden Druckwalzen 3*4 und 5 gebildete zweite Elektrode angeordnet. Diese Druckwalzen sind jeweils auf den aus einem isolierten Werkstoff bestehenden Achsen 6,7 und 8 gehalten.. Die Achsen besitzen dabei einen kleineren Durchmesser als die Druckwalzen, so daß, wenn eine aus einem isolierten Werkstoff bestehende Platte zwischen der Walze 1 einerseits und den Walzen 3*4 und 5 andererseits hindurchgeführt wird, diese Platte von den einzelnen Druckwalzen jeweils nur zu eimern Drittel ihrer Breite gegen das erhabene Muster 2 angepreßt wird. Im Betrieb ist die die eine Elektrode einer dielektrischen Heizvorrichtung bildende Walze 1 an eine Klemme einer Hochfrequenz-Heizenergiequelle angeschlossen. Die andere Klemme der Energiequelle dagegen ist mit einer der Druckwalzen, beispielsweise mit der Druckwalze 3 verbunden. Die Zuleitung von der Energiequelle her erfolgt dabei durch den üblichen Walzenkontakt und ist in den Zeichnungen nicht im einzelnen dargestellt. Eine .zweite Energiequelle ist zwischen die Walze 1 und die Walze 4 und

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eine dritte Energiequelle zwischen die Walze 1 und die Walze 5 eingeschaltet. Bei den Energiequellen kann es sich jeweils um vollständig voneinander unabhängige Generatoren oder aber um getrennte Sekundärwicklungen an der Ausgangsseite eines einzigen Generators handeln.

Zur Betätigung wird ein thermoplastisches dielektrisches Material zwischen die Walzen 3,4»5 einerseits und die angetriebene Walze 1 eingeführt. Von den Energiequellen wird den Elektroden die Energie mit einer Frequenz zugeführt, welche der durch das dielektrische Material gegebenen Last entspricht und das dielektrische Material wird dadurch derart aufgeheizt, daß das durch die Walze 1 in das Material eingedrückte oder erhabene Muster auch noch nach dem Abkühlen in dem Material verbleibt.

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist die zweite Elektrode in bezug auf die Hochfrequenzenergie in eine Vielzahl von durch die Walzen 3,4 und 5 gebildete Teile elektrisch unterteilt, so daß Wärme in dem dielektrischen Material jeweils in Abschnitten entwickelt wird, welche der Breite der einzelnen Abschnitte der zweiten Elektrode entsprechen.

Bei den Elektroden braucht es sich nicht unbedingt um Walzen zu handeln, sondern sie können vielmehr auch in Form flacher Platten ausgebildet sein.. In dem Fall, in dem

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das aufzudruckende Muster beispielsweise aus über die Länge des Materials verlaufenden geraden Linien besteht, können die erhabenen Teile auch durch Räder oder Rollen gebildet sein und die Zuführung des Materials kann dann in beliebiger anderer Weise erfolgen.

Naturgemäß kann die Anordnung auch derart getroffen sein, daß die die erste Elektrode bildende große V<alze glatt ausgebildet ist und daß sich da3 erhabene Muster auf der Oberfläche der die zweite Elektrode bildenden einzelnen Bauelemente befindet und diese Bauelemente dann entsprechend zusammengeschaltet sind.

Bei dem dielektrischen thermoplastischen Material kann es sich sowohl um eine einfache aus einem entsprechenden Material bestehende Platte, als auch um einen Schichtstoff handeln, welcher beispielsweise aus einer zwischen zwei Kunststoffplatten eingebrachten aufgeschäumten Kunststoffschicht besteht. Im letzteren Fall kann das Muster und der Abstand zwischen den einzelnen Walzen derart gewählt werden, daß die beiden äußeren Abdeckplatten und die dazwischen befindliche Kunststoffschaumschicht gemäß dem auf der Oberfläche der Walze 1 vorgesehenen erhabenen Muster miteinander verschweißt werden.

Dadurch, daß die Länge der einzelnen Druckwalzen zwischen etwa 33 und 50 cm gewählt und als Energiequelle jeweils

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ein gesonderter Generator mit einer Leistung von 1 Kilowatt und Frequenzen zwischen 50 und 150 Megaherz verwendet wird, kann jeweils genau den einzelnen Lasten Rechnung getragen werden, welche zwischen den Druckwalzen und der Walze 1 durch den Kunststoff, beispielsweise Polyester, Polyamide oder Acetate, vorliegen und daß Werkstoffe in einer Gesamtbreite von etwa 100 bis 150 cm verschweißt v/erden können.

Die Möglichkeit der Verwendung höherer Frequenzen läßt sich daraus erkennen, daß für eine Schweißnaht besonderer Breite, beispielsweise mit einer Breite von 3,175 mm eine Frequenz von 70 Megaherz pro Sekunde über eine Lange von etwa 50 cm verwendet werden kann. Für die Länge von etwa 100 cm dagegen kann bei gleicher Nahtbreite eine Frequenz von 3o Kegaherz pro Sekunde, und bei einer Länge von etwa 125 cm eine Frequenz von 20 Megaherz pro Sekunde erforderlich sein. Die Verwendung niedrigerer Frequenzen macht sich insofern nachteilig bemerkbar, als dabei die dem Material zugeführte Energie zur Erzielung der gleichen Heizwirkung erhöht werden muß. Es wird also die Spannung zwischen den Schweißelektroden erhöht und es nimmt somit, insbesondere bei dünnen Materialien die Gefahr zu, daß ein elektrischer Durchschlag durch das Material erfolgt.

Die Druckwalzen können naturgemäß auch in Form von auf ihre entsprechenden Achsen aufgezogenen Hülsen ausgebildet

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sein und die Anordnung kann weiter auch in der Weise getroffen sein, daß die Hülsen auf ihren Achsen verstellbar sind*

Zur Ausschaltung von Interferenzerscheinungen ist weiterhin eine Ausgestaltung in der Weise möglich, daß jede der einzelnen Stromquellen eine unterschiedliche Frequenz besitzt.

Die Figur 3 zeigt eine Anordnung mit einer ersten aus einer Walze 10 bestehenden Elektrode, auf deren Oberfläche ein erhabenes Muster aufgebracht ist; desweiteren sind in dieser Ausführungsform zwei eine zweite Elektrode bildende Druckwalzen 11 und 12 vorgesehen. Die Walzen 11 und 12 sind in Umfangsrichtung der Aalze 10 gegeneinander versetzt, erstrecken sich jedoch so weit über die Walze 10, daß sie der Breite einer mit Einprägungen 2 versehenen Kunststoffbahn entsprechen. Zwischen den Walzen 11 und 10 einerseits und 12 und 10 andererseits sind entsprechend Hochfrequenzenergiequellen 13 und 14 eingeschaltet. Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist ähnlich derjenigen gemäß den Figuren 1 und 2. Wird eine Kunststoffbahn oder eine Kunststoffplatte infolge des auf die Walze 10 übertragenen Antriebes zwischen der Walze 10 und den Druckwalzen hindurchgeführt, so wird das Material mit entsprechenden Prägungen versehen bzw. wird, falle es sich um ein Schichtmaterial handelt, in zwei Abschnitten gemäß dem erhabenen Muster miteinander verschweißt,

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wobei die beiden Abschnitte sich jeweils über einen Teil der Breite der Bahn erstrecken und den beiden Bauteilen der zweiten Elektrode entsprechen.

Die Figur 4 zeigt eine Anordnung, in welcher eine erste Elektrode durch eine Walze 15 und eine zweite Elektrode durch eine Druckwalze 16 gebildet ist, welche an verschiedenen Stellen an Hochfrequenz-Energiequellen 17 bzw. 18 angeschlossen ist„ Die anderen Klemmen der Energier quellen sind mit der Walze 15 verbunden. Die Verbindung ist dabei derart gewählt, daß infolge der gegebenen Lasten die Walze 16 in bezug auf die Energiequellen jeweils in zwei Abschnitte unterteilt wird. Es wird dabei die von der einen Energiequelle abgeleitete Energie in dem zwischen die Walzen eingeführten Kunststoffmaterial an dem einen dieser Abschnitte entsprechenden Stellen verteilt, während die von der anderen Energiequelle abgenommene Energie zur Erhitzung derjenigen Materialbereiche eingesetzt wird, welche dem anderen Abschnitt entsprechen.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Vorkehrungen der Art zu treffen, daß nur eine einzige Energiequelle verwendet wird, und daß entsprechende Ableitungen jeweils in Abständen über die Länge der Walze 16 mit dieser verbunden werden, so daß die Walze in bezug auf die Hochfrequenzquelle elektrisch in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt

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wird. Diese Abschnitte können jeweils an eine Energiequelle weitaus höherer Frequenz angeschlossen sein, als dies in dem Fall möglich wäre, in dein die Elektrode lediglich durch eine einzige Walze gebildet ist, deren Länge der Gesamtlänge der einzelnen Abschnitte entspräche; in jedem dieser einzelnen übschnitte wird in dem Material Wärme in Abhängigkeit von demjenigen elektrischen Feld erzeugt, das sich über einen Teil der Breite gemäß den entsprechenden Abschnitten erstreckt

Die Figur 5 zeigt eine Anordnung von Walzen 20,21 und 22, welche etwa derjenigen gemäß Figur } entspricht. Die Zuführungen von der Energiequelle 23 sind hierbei jedoch derart angeordnet, daß die von der Energiequelle her kommende Energie zu der durch die ζ v/i sch en den Walzen hindurchgeführte Kunststoffbahn gebilleten Last in zv/ei Teile geteilt wird. Die unterhalb der Elektrode 21 verteilte Energie dient dabei zur Aufheizung eines Teiles der Breite des Materials und die unterhalb ier Elektrode 22 verteilte Energie beheizt einen weiteren Anteil der Breite des Kunststoffmaterials.

Die Figur 6 zeigt vier zusammengesetzte Walzen mit den Elektrodenabschnitten 25,26,27 und 28 und den aus Isoliermaterial bestehenden Abschnitten 29,30,31 und 32. Die Walzen sind geradlinig nebeneinander angeordnet und auf der Oberfläche der Elektrodenabschnitte 25 und 27 ist

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ein erhabenes Muster ausgebildet. Die Elektrodenabschnitte 25 und 28 sind an eine Iiochfrequenzenergiequelle 33 angeschicüson und im Betrieb sind diese Walzen derart miteinander verbunden, daß eine Kunststoffbahn in einer Richtung zwischen den Elektroden 25 und 26 und in der Gegenrichtung zwischen den Elektroden 26 und 27 sowie wiederum in der ursprünglichen Richtung zwischen den Elektroden 27 und 26 hindurchgeführt werden kann.

Die Elektroden bilden dabei die Platten einer Anzahl von in Reihe zueinander geschalteten Kondensatoren und die Kunststoffbahn bildet das Dielektrikum des Kondensators. ■'nie ersichtlich sind beide Elektroden 26 und 27 in zwei Abschnitte unterteilt. Der eine Abschnitt der Elektrode 2b wirkt mit der Elektrode 25, und der andere Abschnitt mit der Elektrode 27 zusammen. Der weitere Abschnitt der Elektrode 27 dagegen wirkt wiederum mit der Elektrode 28 zusammen. Es sind somit die beiden Elektroden 26 und 27 jeweils in zwei Abschnitte unterteilt, se daß die Energie in dem Kunststoffmaterial jeweils nur über einen Teil der Katerialbreite entsprechend den einzelnen Abschnitten in Wärme umgesetzt wird.

Bei Betrachtung der Figur 7 wird deutlich, daß eine erste durch die Vialzen 35 und 36 gebildete Elektrode in zwei Abschnitte unterteilt ist. Die Walzen 35 und 36 sind miteinander verbunden und sind auf ihrer Oberfläche mit einem erhabenen Muster versehen. Die Druckwalze 37 bildet

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die zweite Elektrode der Anordnung. Die von der Energiequelle 39 abgeleitete Hochfrequenzenergie wird durch die Mittelzapfstelle 40 zwischen der Energiequelle und der Walze 32 und die Endanschlüsse 41 und 42 zwischen der Energiequelle und den Walzen 35 und 36 in zwei Teile geteilt. Auf diese Weise wird erreicht, daß auch die in dem zwischen den Elektroden hindurchgeführten dielektrischen Kunststoffmaterial entwickelte Energie in zwei Teile geteilt wird, wobei ein Teil gemäß der Unterteilung der ersten Elektrode jeweils nur über einen Teil der Breite der Kunststoffbahn reicht.

Es hat sich gezeigt, daß bei Zuhilfenahme des erfindungsgemäfien Verfahrens und der Vorrichtung eine bessere Regelung der über die Breite einer zu bearbeitenden Werkstoffbahn erzeugten Wärme erzielt werden kann, als dies bisher der Fall war, und daß infolge des Einsatzes höherer Frequenzen durch stehende Wellen oder andere Gründe verursachte Schwierigkeiten weitgehend ausgeschaltet werden.

Die Erfindung wurde vorstehend zwar unter Bezugnahme auf Präge- und Schweißvorgänge, beschrieben, jedoch ist sie keinesfalls auf diese Verwendungszwecke beschränkt und läßt sich ohne weiteres auch für andere Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise zum Trocknen von Werkstoffen während eines Produktionsverganges einsetzen.

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Zur Erzielung eines maximalen Wirkungsgrades müssen naturgemäß die für die jeweiligen Abschnitte der Elektrode und deren entsprechende Materialabschnitte gegebene Belastungsbedingungen genau auf die Energiequelle und entsprechende Frequenz abgestimmt werden, so daß die Heizwirkung entsprechend gesteuert werden kann.

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Claims

Patentansprüche:

1.Verfahren zur dielektrischen Hochfrequenzbeheizung, bei dem eine Hochfrequenzenergie von einer entsprechenden Energiequelle zwei Elektroden in der Weise zugeführt v/ira, iaß zwischen den Elektroden ein elektrisches Hochfrequenzfeld aufgebaut wird, und bei dem ein dielektri3chec Material zwischen den Elektroden hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden in bezug auf die Hochfrequenzenergie elektrisch in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt wird, so daß die von der Energiequelle her zugeführte Energie in dem Material jeweils über uen Elektrodenabschnitten der Breite nach entsprechende Abschnitte in Wärme umgewandelt wird.

2.Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Elektrode gegeneinander elektrisch isoliert sind.

3.Verfahren nach Ansoruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte der Elektrode in bezug auf einen Gleichstrom elektrisch miteinander verbunden sind.

4.Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die eine Elektrode derart angeordnet ist, daß sie eine dielektrische Platte oder Bahn an die andere Elektrode anpreßt und Kittel

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zur Herbeiführung einer Relativbewegung zwischen dem Material und Jen Elektroden vorgesehen sind und mit einer Hochfrequenz· energiequelle und elektrischen Verbindungen zwischen der Energiequelle und den Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daf; im Betrieb eine der Elektroden in bezug auf die von der Energiequelle her zugeleitete Hochfrequenzenergie elektrisch in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt ist, so daß die von der Energiequelle her zugeleitete Energie in dem Material über die Breite desselben jeweils diesen Abschnitten entsprechend in Wärme umgesetzt wird.

5, Vorrichtung nach Anspruch L, dadurch gekennzeichnet, daß die Überfläche einer der Elektroden erhaben ausgebildete Bereiche aufweist.

ο. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektroden in Form einer Metallwalze ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze auf einer Achse sitzt und die Walzenstellung entlang der Achslänge verstellbar ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dai; die Anzahl dieser Abschnitte und deren Anordnung in bezug auf die Breite des zu bearbeitenden Materials derart gewählt ist, daß eine Erhitzung über die £· et-G .ate Breit? dce Γ/⁴ trials stattfindet«

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