DE2840529A1 - Mittels elektromagnetischer energie erhitzbarer gegenstand und verfahren zum erhitzen des gegenstandes - Google Patents
Mittels elektromagnetischer energie erhitzbarer gegenstand und verfahren zum erhitzen des gegenstandesInfo
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Description
DR.-ING. EUGEN MAIER DR.-ING. ECKHARD WOLF
TELEFON: (O711) 24 37 61/2 TELEGRAMME: MENTOR
7 STUTTGARTI, PISCHEKSTR. 19
DRESDNER BANK AG STUTTGART NR. 1920 534
POSTSCHECK STGT. 25200-70B
A 12 230
16. September 1978 i - dm
QUENTIN R. KRANTZ 28 Brinker Road, Barrington, Illinois 60010/USA
Mittels elektromagnetischer Energie erhitzbarer Gegenstand und Verfahren zum Erhitzen des Gegenstandes
Die Erfindung betrifft einen mittels elektromagnetischer Energie erhitzbaren Gegenstand, sowie ein Verfahren zum Erhitzen
des Gegenstandes, der aus nichtleitendem Material besteht,
jedoch eine durch Ionenimplantation leitende Oberflächenzone aufweist.
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Es ist schon vorgeschlagen worden, aufheizbare Gegenstände mit einer leitenden Oberflächenschicht zu versehen und diese
Gegenstände beispielsweise in einem Mikrowellenofen einer elektromagnetischen Strahlung auszusetzen. Solche Gegenstände
eignen sich jedoch zum Aufheizen, beispielsweise zum Aufwärmen
von Speisen, nur in ungenügender Weise, weil solche eine leiterde Oberfläche bildenden filmartigen dünnen Schichten
für elektromagnetische Strahlung unwirksame Empfänger darstellen.
Der mittels einer annehmbaren Strahlungsenergie erreichbaren Temperatur sind somit Grenzen gesetzt, die auch
nur mit einem erheblichen Aufwand erreicht werden, so daß dieses Verfahren mit großen Kosten verbunden ist. Oberflächenfilme
erleiden eine Veränderung ihrer physikalischen und elektrischen Eigenschaften, wenn sie wiederholt auf Temperaturen
in der Größenordnung von 150 C erhitzt werden und verbrennen bei Temperaturen von etwa 250 C und sind somit im Bereich von
Temperaturen, wie sie beispielsweise zum Kochen oder auch für viele andere Zwecke, benötigt werden, unbrauchbar. Auch
aus diesem weiteren Grund verschlechtert sich der Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit solcher Heizverfahren. Eine
weitere Schwierigkeit in der Verwendung solcher Oberflächenfilme bei Kochgeräten besteht darin, daß sie nur eine geringe
Widerstandsfähigkeit gegenüber wiederholtem Reinigen aufweisen. Geräte mit üblichen leitenden Oberflächen dieser Art
sind somit ganz allgemein für Heizzwecke in Mikrowellenofen
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u.dgl. nicht geignet. Für solche Zwecke sind daher im allgemeinen nur Geräte, die Ferrit-Materialien aufweisen, brauchbar.
Es wurde nun gefunden, daß Gegenstände mit einer durch implantierte
Ionen leitend gemachten Oberflächenzone, die nach der Lehre der US-PS 2 682 700 hergestellt wurden, eine hohe Temperatur
erlangen r wenn sie mit elektromagnetischer Strahlung
angeregt werden, und daher nicht mit den Schwierigkeiten behaftet sind, die bei Gegenständen auftreten, die nur mit einem
Oberflächenfilm beschichtet sind. Die US-PS 3 682 700 beschreibt ein Verfahren zum Implantieren einer leitenden Oberflächenzone
in eine nichtleitende Oberflächenschicht oder
auch ein nichtleitendes Trägermaterial, bei dem die Oberflächenschicht des Trägermaterials in seinem molekularen Gefüge
angeregt und auf sie eine Lösung aufgebracht wird, die aus
einem Träger mit Verunreinigungen des n- und p-Typs einer
Valenzstufe besteht, die je nachdem höher oder niedriger als diejenige der Valenzelektronen des Trägermaterials ist. Nach der Lehre der vorgenannten US-PS wird durch die leitende Zone ein elektrischer Strom geschickt, wobei an aus einer Silberdeckschicht bestehende Elektroden eine Spannung angelegt wird.
auch ein nichtleitendes Trägermaterial, bei dem die Oberflächenschicht des Trägermaterials in seinem molekularen Gefüge
angeregt und auf sie eine Lösung aufgebracht wird, die aus
einem Träger mit Verunreinigungen des n- und p-Typs einer
Valenzstufe besteht, die je nachdem höher oder niedriger als diejenige der Valenzelektronen des Trägermaterials ist. Nach der Lehre der vorgenannten US-PS wird durch die leitende Zone ein elektrischer Strom geschickt, wobei an aus einer Silberdeckschicht bestehende Elektroden eine Spannung angelegt wird.
Neuere Untersuchungen mit Halbleitern aus amorphem Material
haben gezeigt, daß neben den Fermi-Banden Banden vorhanden
haben gezeigt, daß neben den Fermi-Banden Banden vorhanden
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sind, in denen die den Strom leitenden Verunreinigungen beweglich sind. Demzufolge kann man sich einige der Vorteile
der nach der Lehre der vorgenannten US-PS hergestellten, eine implantierte leitende Zone aufweisenden Körper zunutze
machen, wenn man einen Aufbau wählt, der aus einem Träger mit Verunreinigungen des n- oder des p-Typs besteht. Als Träger
kann S Cl. mit nur einer η-dotierten Verunreinigung, wie z.B. einem aus der Gruppe VIa des periodischen Systems ausgewählten
Chalkogen, z.B. einem Tellurium-Salz, verwendet werden.
Ein Gegenstand der Erfindung besteht somit in dem Verfahren, einen aus nichtleitendem Material bestehenden, eine leitende
Oberflächenzone mit ionenimplantierten Verunreinigungen aufweisenden
Körper dadurch aufzuheizen, daß die leitende Oberflächenzone mit elektromagnetischer Energie angeregt wird.
Insbesondere wird der Körper einer elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise in einem Mikrowellenofen, ausgesetzt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung besteht im Aufbau eines mittels elektromagnetischer Strahlung aufheizbaren Körpers,
der eine nach der Lehre des vorgenannten US-Patentes aufbereitete leitende Oberflächenzone aufweist, die jedoch zum Zweck
des Aufheizens des Körpers nicht an eine Spannungsquelle angeschlossen zu werden braucht.
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In der Zeichnung ist ein solcher Körper in schemati scher Weise
in einem senkrechten Schnitt dargestellt.
Der die Gestalt einer Schale aufweisende, beispielsweise zum Kochen von Speisen bestimmte Körper besteht beispielsweise
aus Glas oder irgend einem anderen nichtleitenden amorphen, beispielsweise keramischen Material, dessen innere Oberfläche
11 nach der Lehre der vorgenannten US-PS elektrisch leitend gemacht wurde. Diese Schale weist jedoch im Gegensatz
zu den nach der Lehre der vorgenannten US-PS hergestellten Gegenständen keine Klemmen für den Anschluß an eine Spannungsquelle auf.
Eine quadratische Platte mit einer Kantenlänge von 355 mm
und einem Flächenwiderstand von 800 -/* erreichte in einem mit
2450 MHz betriebenen Mikrowellenofen in 7 1/2 Minuten eine Temperatur von etwa 540 C.
Die Vorgänge, die sich beim Auftreffen der elektromagnetischen
Energie auf die ionenimplantierte leitende Zone abspielen, sind nicht vollständig geklärt. Die Untersuchung einer
solchen ionenimplantierten leitenden Zone zeigt, daß die Verunreinigungen vereinzelte räumlich getrennte Verunreinigungszentren
bilden. Es kann daher angenommen werden, daß jeweils Paare von Verunreinigungszentren Dipole bilden, von
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denen eine Anzahl einen Abstand von annäherungsweise einer Viertel-Wellenlänge der eine bestimmte Frequenz aufweisenden
elektromagnetischen Strahlung aufweist. Bei einer Frequenz von 2450 MHz würde das einen Abstand von etwa 30 mm ergeben.
Die Dipole stellen die Empfänger der elektromagnetischen Strahlung dar. Die zu Schwingungen angeregten elektrostatischen
Dipole der leitenden Zone verursachen eine molekulare Reibung und damit aufgrund der Hysterese einen Energieverlust.
Dieser führt zu einer Aufheizung des Basismaterials. Insbesondere bei niedrigen Frequenzen können Wirbelströme
noch zu dem Aufheizeffekt beitragen. Die Wärmeverteilung ist
eine Funktion der elektromagnetischen Feldstärke und des Wärmeleitvermögens des Basismaterials.
Ein weiterer Faktor, der zu einer wirksamen Aufheizung noch wesentlich beitragen kann, besteht darin, daß die Oberfläche
der ionenimplantierten Zone, wie man unter dem Mikroskop feststellen kann, zackenförmig und unregelmäßig ausgebildet
ist. Die ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen werden an
diesen Stellen gestreut bzw. gebeugt und von dem Substrat aufgefangen. Nur ein geringer Teil der Energie wird reflektiert.
Darüberhinaus weist 'die ionenimplantierte leitende Zone ei-
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ne merkliche Ausdehnung in die Tiefe des Trägermaterials auf. Die elektromagnetische Strahlung dringt in die leitende Zone
ein und wird dort absorbiert. Die mittlere freie Weglänge eines Elektrons der leitenden Zone ist eine direkte Funktion
der Eindringtiefe der Strahlung. Dies trägt wesentlich zu einer wirksamen Energieabsorption, insbesondere im infraroten
Bereich bei.
Im Gegensatz hierzu ist bei einer durch einen Film aufgebrachten leitenden Oberfläche die Ankopplung und Absorption der
elektromagnetischen Energie weitgehend unwirksam. In einem entsprechenden Film können sich keine Vorgänge abspielen, die
der Bildung vin Dipolen durch Verunreinigungszentren in der ionenimplantierten leitenden Zone entsprechen. Darüberhinaus
wirkt die scharf definierte Grenzfläche zwischen dem leitenden Oberflächenfilm und dem Werkstoff des betreffenden Gegenstandes
wie ein Reflektor, so daß die auftreffende Energie
mehr zurückgeworfen als absorbiert wird.
Die Dichte der Stromfäden der ionenimplantierten Zone nimmt mit der Tiefe der leitenden Zone ab. Auf diese Weise nimmt
der Widerstand allmählich von einem niedrigen Wert an der Oberfläche zu einem hohen Wert in der Tiefe.des Trägerkörpers
zu, die größer als die maximale Eindringung der Gitter-
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Struktur der ionenimplantierten Zone ist. Demzufolge erfolgt die Wärmeausbreitung durch die leitende Zone. Auf diese Weise
wird der steile Temperaturgradient vermieden, der sich einstellt, wenn ein Gegenstand mit einem Oberflächenüberzug
mittels elektromagnetischer Strahlung erhitzt wird, so daß die Gefahr einer durch Wärmeausdehnung verursachten Rißbildung
in der Oberfläche weitgehend vermieden wird.
Die elektromagnetische Strahlung, mit der ein Gegenstand mit einer ionenimplantierten leitenden Zone erhitzt wird, kann
einen weiten Frequenzbereich aufweisen. Vorzugsweise erfolgt die Erhitzung mit einer Frequenz unterhalb des sichtbaren
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Spektrums von 10 Hz. Eine in üblichen Mikrowellenöfen ge-
Spektrums von 10 Hz. Eine in üblichen Mikrowellenöfen ge-
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bräuchliche Frequenz von 2,45 χ 10 Hz wurde als zweckmäßig befunden. Vom praktischen physikalischen Standpunkt aus betrachtet ist es schwierig, Verunreinigungs-Dipole aufzubauen,, deren Abmessungen den niedrigen Radiofrequenzen entsprechen-» Darüberhinaus gewinnen unterhalb etwa 0,5 x. 10 Hz gegenüber der elektrostatischen Hysterese die magnetische Hysterese und Wirbelströme mehr an Bedeutung, leisten jedoch einen geringeren Beitrag zum Aufheizen. Bei höheren Frequenzen wirkt sich die absorbierte Energie eher in der Erzeugung von Leuchteffekten als in der Heizwirkung aus»
bräuchliche Frequenz von 2,45 χ 10 Hz wurde als zweckmäßig befunden. Vom praktischen physikalischen Standpunkt aus betrachtet ist es schwierig, Verunreinigungs-Dipole aufzubauen,, deren Abmessungen den niedrigen Radiofrequenzen entsprechen-» Darüberhinaus gewinnen unterhalb etwa 0,5 x. 10 Hz gegenüber der elektrostatischen Hysterese die magnetische Hysterese und Wirbelströme mehr an Bedeutung, leisten jedoch einen geringeren Beitrag zum Aufheizen. Bei höheren Frequenzen wirkt sich die absorbierte Energie eher in der Erzeugung von Leuchteffekten als in der Heizwirkung aus»
Der Widerstand der leitenden Oberflächenzone wird vorteilhaft
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= 9 „
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terweise entsprechend der Art der Hitzeanwendung gewählt. Die in dem betreffenden Gegenstand sich entwickelnde Temperatur
steht in einer direkten Beziehung zu dem Maß der auf den Gegenstand auftreffenden elektromagnetischen Energie und zwar
im umgekehrten Verhältnis zu dem Widerstand der leitenden Zone. Wenn eine hohe Temperatur gewünscht ist, muß ein niedriger
Widerstand angestrebt werden. Für eine niedrige Temperatur gibt ein hoher Widerstand zufriedenstellende Ergebnisse. Bei
einem in einem Mikrowellenofen verwendeten Kochgerät konnten mit Widerständen in einem Bereich von 1 bis 9QO-JC , bezogen
auf eine quadratische Fläche, gute Ergebnisse erzielt werden; vorteilhafterweise wählt man jedoch einen Widerstand in der
Größenordnung von 800-m· .
Ein Gegenstand der vorgenannten Art eignet sich insbesondere und in wirtschaftlicher Weise für das Kochen von Speisen in
einem Mikrowellenofen. Insbesondere ist ein Gegenstand der vorgenannten Art als Kochtopf bzw. Pfanne zu gebrauchen, wobei
man festgestellt hat, daß Gerichte, wie z.B. Pizza in einem solchen Topf fertiggekocht werden können. Solche Gerichte
können, ohne in erfindungsgemäßer Weise zu verfahren, im allgemeinen
nicht in Mikrowellenofen zubereitet werden. Außer den vorgenannten Anwendungen kann der erfindungsgemäße Gegenstand
auch noch zu zahlreichen anderen Zwecken gebraucht werden.
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-4U-
Leerseite
Claims (15)
- KRANTZ A 12 230i - dm 16.9.1978Patentansprüchef l.jVerfahren zum Erhitzen eines aus nichtleitendem Material bestehenden, eine durch eine ionenimplantierte Verunreinigung des n- oder p-Typs gebildete leitende Oberflächenzone aufweisenden Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstand im Bereich der leitenden Oberflächenzone der Einwirkung einer elektromagnetischen Energie unterworfen wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstand einer elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt wird.
- 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die elektromagnetische Strahlung eine Frequenz aufweist, die in dem Gegenstand elektrostatische Hysterese-Verluste verursacht.
- 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet , daß die Frequenz der elektro-909813/0961KRANTZ - 2 - A 12i - dm 16.9.1978magnetischen Strahlung über 0,5 χ 10 Hz und-unter 1015 Hz liegt.
- 5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die elektromagnetische Strahlung im Mikrowellen-Bereich liegt.
- 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Frequenz der elektro-9 magnetischen Strahlung bei etwa 2,45 χ 10 Hz liegt.
- 7. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erhitzung eines Kochgeschirrs, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromwiderstand der leitenden Oberflächenzone in der Größenordnung von 1 bis 90qS2 , bezogen auf eine quadratische Fläche, liegt.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Gleichstromwiderstand der leitenden Oberflächenzone in der Größenordnung von 800J? liegt.
- 9. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstand der elektro-909813/0961 _ 3 _KRANTZ - 3 - A 12 230i —dm 16.9.-1978magnetischen Strahlung in einem geschlossenen Behälter ausgesetzt ist.
- 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß der geschlossene Behälter ein Mikrowellenofen ist und die Anregungsstrahlung durch die Erregerquelle des Ofens erzeugt wird.
- 11. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstand nach der Lehre der US-PS 3 682 700 hergestellt ist.
- 12. Gegenstand zur Behandlung nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand als Trägermaterial einen nichtleitenden amorphen Stoff, eine leitende Oberflächenzone und in dieser eine Verunreinigung vom n- oder p-Typ, nicht jedoch Elektroden zum Anschluß an eine Spannungsquelle, aufweist.
- 13. Gegenstand nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche einen Widerstand von 1 bis 90Qj£ , bezogen auf eine quadratische Fläche, aufweist.909813/0961KRAiITZ - 4 - A 12i - dm 16.9.1978
- 14. Gegenstand nach den Ansprüchen 12 und 13, dadurch gekennzeichnet , daß die leitende Oberfiächenzone einen Widerstand in der Größenordnung von 800 Jtaufweist.
- 15. Gegenstand nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die leitende Oberflächenzone einen Widerstand in der Größenordnung von 800.AC aufweist und sich in Verbindung mit dieser leitenden Oberflächenzone kein leitendes Material von kleinerem Widerstand befindet.909813/0961
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US83422977A | 1977-09-19 | 1977-09-19 |
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|---|---|---|---|
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| SE (1) | SE7809781L (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4273950A (en) * | 1979-05-29 | 1981-06-16 | Photowatt International, Inc. | Solar cell and fabrication thereof using microwaves |
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-
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- 1978-09-18 DE DE19782840529 patent/DE2840529A1/de not_active Withdrawn
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| SE7809781L (sv) | 1979-03-20 |
| IT7827863A0 (it) | 1978-09-19 |
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| GB2006586A (en) | 1979-05-02 |
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