DE69828949T2

DE69828949T2 - Vorrichtung zur Erwärmung und/oder Messung dielektrischer Materialien

Info

Publication number: DE69828949T2
Application number: DE69828949T
Authority: DE
Inventors: Lars Ekemar
Original assignee: ANTRAD SYSTEMS AB; ANTRAD SYSTEMS GNESTA AB
Current assignee: ANTRAD SYSTEMS AB; ANTRAD SYSTEMS GNESTA AB
Priority date: 1997-08-22
Filing date: 1998-08-18
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2018-08-19
Also published as: EP0934681A1; SE9703033D0; US6191402B1; SE510484C2; ES2237844T3; SE9703033L; AU8893298A; WO1999013688A1; EP0934681B1; JP2001507858A; DE69828949D1

Description

Der Bedarf an homogener Erwärmung von Materialien, die aus organischen oder einer Mischung aus organischen und anorganischen Stoffen bestehen, ist groß.
Die Materialien können aus festen, flüssigen sowie einer Mischung aus festen und flüssigen Bestandteilen bestehen. Der Bedarf deckt das Erwärmen von sowohl großen als auch kleinen Volumina ab. Als Beispiele sind zu nennen die Vorbereitung von Nahrungsmitteln in der Lebensmittelindustrie, das Kochen von Nahrungsmitteln in Restaurants und Haushalten, die Sterilisation von Innereien, das Faulen von Holzfasern und die Zersetzung, Trocknung und Sterilisation von Schlamm.
In einigen Anwendungsbereichen ist eine schnelle Erwärmung ohne die Bildung von heißen Flecken oder Flächen notwendig. Ein Beispiel für den Anwendungsbereich ist das Erwärmen von kaltem Blut in Verbindung mit Bluttransfusionen bei der medizinischen Versorgung.
Bei industriellen Prozessen wie dem Trocknen von Holz ist es notwendig, die Veränderungen der dielektrischen Eigenschaften zu messen und zu nutzen.
Bestehende Heiztechniken wie das Erwärmen mit Mikrowellen, das Erwärmen mit herkömmlicher Wärmestrahlung und Wärmekonvektion haben gemeinsam, dass die Wärmeabsorbierung in einer Ladung sich durch geringe oder gar keine Eindringtiefe auszeichnet. Das Erwärmen der inneren Teile einer Ladung erfolgt durch Wärmeleitung von den Wärme absorbierenden Oberflächen. In den meisten üblichen dielektrischen Materialien findet die Wärmeleitung langsam statt. Deshalb benötigen große Volumina von organischen Materialien eine lange Zeit, um eine homogene Wärmeverteilung zu erhalten.
Es ist außerdem bereits bekannt, dass dielektrische Materialien durch oszillierende elektrische Felder mit hoher Frequenz, die zwischen einem Paar/Paaren von Elektroden generiert werden, erwärmt werden können. Diese Technologie hat den Nachteil, dass sie nicht flexibel bezüglich der Unterschiede der Ladungsgeometrie und Ladungszusammensetzung ist.
Es ist auch bekannt, dass es möglich ist, eine dielektrische Ladung durch Emission von elektromagnetischer Strahlung von einer Antenne zu einen Hohlraum mit Wandungen aus elektrisch leitenden Materialien, zu erwärmen.
Das Erwärmen mit Mikrowellen in einem Resonanzhohlraum ist eine seit vielen Jahren angewandte Technik. Ein Resonanzhohlraum hat den Vorteil, dass eine gleichmäßige Verteilung der Mikrowellen möglich ist.
Ein Resonanzhohlraum eines Mikrowellenherds setzt voraus, dass bestimmte physikalische Bedingungen erfüllt werden wie:

a. Unendliche Leitfähigkeit der Wandungen. Bei Frequenzen über 900 MHz (Mikrowellenfrequenzen) sind die Ströme in einer Hohlraumwandung auf die Oberfläche konzentriert. Eine Annäherung entsprechend der Maxwellschen Gleichungen für die unendliche Leitfähigkeit von Wandungen führt zu einem vernachlässigbaren Fehler. Mit sinkender Frequenz steigt die Eindringtiefe an. Bei Frequenzen unter 300 MHz ist die Eindringtiefe so groß, dass nach bekanntem Stand der Technik ein Resonanzhohlraum nicht als möglich erachtet wird.
b. Die Form des Hohlraums. Neben der Anforderung, dass die Wandungen annähernd unendliche Leitfähigkeit haben müssen, muss der Hohlraum für die Resonanz benötigte Abmessungen haben. Zum Beispiel muss mindestens eine Seite eines rechteckigen Hohlraums mindestens die Länge einer halben Wellenlänge haben.

Es ist möglich, eine homogene Verteilung von Mikrowellen in einem Hohlraum zu erreichen. Mikrowellen haben jedoch eine unbedeutende Eindringtiefe. Deshalb ist das Ergebnis bei vielen Anwendungsbereichen, besonders wenn die Ladung dick ist, eine oberflächliche und heterogene Erwärmung.
Das Erwärmen in einem Resonanzhohlraum bei Frequenzen unter 300 MHz hat theoretisch bedeutende Vorteile für viele Anwendungsbereiche, um eine schnelle und homogene Erwärmung von großen Ladungen dielektrischer Materialien zu erreichen. Aufgrund der oben genannten Gründe wurde das Herstellen eines solchen Hohlraums als unmöglich angesehen.
Diese Erfindung ermöglicht einen Resonanzhohlraum bei Frequenzen unter 300 MHz, unabhängig davon, ob der Hohlraum klein und kompakt oder groß und aufnahmefähig ist.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass in der Ladung, die in einem Hohlraum mit sehr kleinen Abmessungen im Verhältnis zur Wellenlänge im Vakuum bei verwendeter Wellenlänge platziert ist, ein pulsierendes elektromagnetisches Nahfeld generiert wird. Ein Nahfeld ist definiert als ein Feld, das in einem Abstand zur Antenne entsteht, der unter der Wellenlänge liegt.
Für sowohl kleine als auch große Ladungen wird eine homogene Erwärmung mit hoher Effizienz erzielt. Dies gilt, wenn die längste Seite des Hohlraums begrenzt so ist, dass der Abstand zwischen zwei Punkten im Hohlraum bei jeder angelegten Frequenz geringer ist als eine halbe Wellenlänge im Vakuum.
Die Erwärmung verläuft besonders günstig, wenn der Platz im Hohlraum begrenzt ist. Die Kubikwurzel des Hohlraumvolumens entspricht bei jeder angelegten Frequenz maximal 25% der Wellenlänge im Vakuum, übersteigt möglichst nicht 20% der Wellenlänge im Vakuum und übersteigt am besten nicht 15% der Wellenlänge im Vakuum.
1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung entsprechend der Erfindung.
Zwischen der Antenne (2) und der Hohlraumwandungen (1) besteht ein Phasenunterschied. Die Höhe des Phasenunterschieds zwischen der Antenne und dem Hohlraum hängt von der Wahl der Referenzpunkte bei der Antenne und beim Hohlraum ab. Der Phasenunterschied liegt zwischen einigen wenigen Grad und 180 Grad. Messungen zeigen eine sehr gute Wärmeverteilung in der Ladung (3).
Durchgeführte Computersimulationen weisen auf eine sehr kompliziert Feldverteilung hin.
Die elektrischen und magnetischen Feldlinien stimmen nicht mit den gültigen Feldlinien für Mikrowellenherde und traditionelle dielektrische Erwärmung überein.
Die Antenne/Antennen im Hohlraum generiert/generieren gemeinsam mit den Hohlraumwandungen pulsierende elektrische und magnetische Felder in der Ladung. Die Ladung wird mit sehr großer Homogenität und hoher Effizienz erwärmt. Eine Wärmekonzentration auf sogenannte heiße Flecken oder auf die Ladungsoberfläche findet nicht statt. Kennzeichnend für die Erfindung ist daher eine einzigartige Wechselwirkung zwischen Antenne, Hohlraumwandungen und der im Hohlraum befindlichen Ladung. Diese Wechselwirkung ermöglicht einen schnellen Erwärmungsprozess.
Die Erfindung ist außerdem dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum, die Ladung, die Antenne, die Anpassung und der Frequenzgenerator eine resonante Einheit bilden.
Die Antenne, die Hohlraumwandungen und die Anpassungshülle von keiner Ladung bis zur vollen Ladung im Hohlraum bilden eine elektrische Baulänge die bei der angelegten Frequenz/den angelegten Frequenzen einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen einer halben Wellenlänge im Vakuum entspricht.
Die günstigen Bedingungen bleiben bestehen, wenn die Abweichung von einem Vielfachen von einer halben Wellenlänge nicht über +/–15% einer halben Wellenlänge und möglichst nicht über +/–10% einer halben Wellenlänge und am besten nicht über +/–7% einer halben Wellenlänge liegen.
Die Leistung der Antenne verbessert sich, wenn die Antennenfläche, die zur Ladung zeigt, mit einer oder mehreren Schichten eines nicht leitenden Materials wie Glas, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Keramik, Teflon, Kapton usw. abgedeckt wird. Eine Schicht kann auf viele verschiedene Arten hergestellt werden. Sie kann ein Oxidfilm, ein lose aufgetragenes Pulver oder eine lose aufliegende Platte sein. Die Schicht kann die Antenne berühren und darf auch an ihr haften. Eine Schicht kann auch durch Luft oder ein Vakuum von der Antenne getrennt sein. Die elektrische/physische Dicke einer Schicht/der Schichten darf bei angelegter Frequenz nicht über 3% der Wellenlänge und sollte möglichst nicht über 2% der Wellenlänge und am besten nicht über 1,5% der Wellenlänge liegen.
Die einzigartige Wechselwirkung zwischen Antenne, Hohlraum und der Ladung im Hohlraum macht die Erfindung außerdem sehr nützlich, um Parameter für die Regelung von Prozessen mit dielektrischen Materialien wie der Trocknung von Holz zu ermöglichen. Der Prozess kann durch Erwärmung mit bestehender Technologie durchgeführt werden.
Die Erfindung ermöglicht die homogene Erwärmung von dielektrischen Materialien ohne Überhitzung an heißen Flecken oder Oberflächenbereichen. Sie ist deshalb nützlich für anspruchsvolle Anwendungen wie die Erwärmung von kaltem Blut für Transfusionen bei der medizinischen Versorgung.
Eine Vorrichtung entsprechend der Erfindung erzeugt Wärme in einer Ladung, wenn eine elektromagnetische Strahlung im Frequenzbereich 50 kHz–299 MHz, möglichst im Frequenzbereich 100 kHz–299 MHz, noch besser im Frequenzbereich 300 kHz–299 MHz und am besten im Frequenzbereich 1 MHz–299 MHz angelegt wird.
1 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung entsprechend der Erfindung.
Eine Vorrichtung entsprechend der Erfindung hat einen Hohlraum (1) mit elektrisch leitenden Wandungen und mindestens eine Antenne innerhalb des Hohlraums. Die Antenne ist verbunden mit einem (4) von zwei Ausgängen eines Frequenzgenerators (Sender), der Hohlraum ist mit dem anderen Ausgang (5) verbunden.
Der Frequenzgenerator (6) speist über Anpassungseinheiten (7) einen Strom an die Antenne und den Hohlraum, dessen Frequenz für Antenne, Hohlraumwandungen, Anpassungseinheiten und Ladung (3) angepasst ist. Im Hohlraum erzeugt das elektromagnetische Feld Wärme in der Ladung (3), die im Lastraum des Hohlraums platziert ist. Die Ladung besteht aus mindestens einem Material mit einem dielektrischen und/oder magnetischen Verlustfaktor.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass einer der Ausgänge des Frequenzgeneratosr durch eine oder mehrere Verbindungen mit dem Hohlraum verbunden ist. Es ist von Vorteil, wenn der Anschluss(8)/die Anschlüsse der Hohlraumwandungen so platziert ist/sind, dass sich die Tangensebene der mittleren Antennenfläche, die zum Lastraum zeigt, zwischen dem Lastraum und dem Anschluss (9) des Hohlraums befindet.
Wenn nur eine Verbindung zur Hohlraumwandung verwendet wird, ist es von Vorteil, wenn sich der Anschluss (5) zur Hohlraumwandung nahe der Senkrechten (N) durch den Mittelpunkt der kombinierten Flächen der Antennen (T) befindet.
Der Schnittpunkt/die Schnittpunkte befindet/befinden sich an dem Punkt, wo die Senkrechte die Hohlraumwandung schneidet.
Der Abstand (a) entlang der Hohlraumseite/-seiten ist der Abstand zwischen der Verbindung (5)/den Verbindungen und dem Schnittpunkt/den Schnittpunkten. Der Abstand (a) darf bei angelegter Frequenz nicht über 15% der entsprechenden Wellenlänge im Vakuum und sollte nicht über 12% der entsprechenden Wellenlänge im Vakuum und am besten nicht über 10% der entsprechenden Wellenlänge im Vakuum liegen.
Die Effizienz wird erhöht, wenn die Fläche der Antennenebene(n), die zum Lastraum des Hohlraums zeigt, um 45% und möglichst um 40%, besser um 36% und am besten um 30% unter der sich ergebenden Querschnittsebene des Hohlraums gehalten wird.
Es ist außerdem von Vorteil, wenn die Fläche der Antennenebene(n), die zum Lastraum des Hohlraums zeigt, keine scharfen Ecken hat. Tangentiale Ecken zur Fläche der Antennenebene müssen deshalb einen Radius von über 2%, möglichst über 3% und am besten über 4% des größten Abstands der entsprechenden Querschnittsfläche des Hohlraums haben.
Es ist besonders von Vorteil, wenn die Fläche der Antennenebene(n), die zum Lastraum des Hohlraums zeigen, kreisförmig, oval oder ein Polygon mit mehr als 6 Seiten ist.
Der Lastraum befindet sich auf der entgegengesetzten Seite des Antennenanschlusses zum Frequenzgenerator. Der Lastraum ist von der Fläche der Antennenebene(n) und den Hohlraumwandungen umschlossen. Um eine günstige Feldverteilung in der Ladung zu erreichen, muss der größte Abstand des Lastraums zwischen Antenne und Hohlraumwandungen bei angelegter Frequenz unter 30% der Wellenlänge im Vakuum liegen.
In einer wie in 1 konstruierten Vorrichtung wurde ein Test durchgeführt. Es wurden 1500 Gramm Roastbeef im Hohlraum der Vorrichtung platziert. Über zwei Zeiträume von 15 Minuten wurde ein HF-Signal von 136 MHz mit einer Leistung von 500 Watt angelegt. Zu Beginn betrug die Fleischtemperatur 4°C. Nach 15 bzw. 30 Minuten hatte sich die durchschnittliche Fleischtemperatur auf 30 bzw. 70°C erhöht. Ein Querschnitt des Roastbeefs zeigte von der Oberfläche bis zur Mitte eine gleichmäßig rote Farbe.
Es wurden auch Fleischstücke von 100 Gramm bis zu mehereren Kilogramm verwendet.
Die Erfindung eignet sich außerdem perfekt, um die chemischen Veränderungen in einer Ladung über die Veränderungen der Resonanzverhältnisse zu messen.
Ein Beispiel ist das Trocknen von Holz. Wenn Holz trocknet, ändern sich die dielektrischen Eigenschaften. Das System ist für einen absolut resonanten Kreis angepasst. Wenn der Feuchtigkeitsgehalt im Holz sinkt, verändern sich die Resonanzbedingungen, und es tauchen Stehwellen im System auf.
Indem das Stehwellenverhältnis (das Verhältnis zwischen der vom Generator ausgesandten Leistung und der vom System reflektierten Leistung) gemessen wird, kann beispielsweise die Feuchtigkeit des Holzes gemessen werden.
Die Zusammensetzung kann auch durch Messungen der Veränderungen der Impedanzverhältnisse bestimmt werden. Ein Beispiel dafür ist, dass der Wellenwiderstand mit sinkender Feuchtigkeit des Holzes ebenfalls sinkt.

Claims

Vorrichtung zur Erwärmung und/oder Messung dielektrischer Materialien mit Hilfe elektromagnetischer Strahlung im Frequenzbereich 1 MHz bis 299 MHz mit einer oder mehreren Antennen, die in einem Hohlraum so platziert sind, dass die Antenne bzw. die Antennen gemeinsam mit den Hohlraumwandungen, die den Laderaum einschließen, ein elektrisches und/oder magnetisches Nahfeld in einer Ladung erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kubikwurzel des Hohlraumvolumens bei der angelegten Frequenz maximal 25% der Wellenlänge entspricht.
Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum, die Ladung, die Antenne und die dazu passenden Elemente gemeinsam mit dem Frequenzgenerator einen Resonanzkörper bilden.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Baulänge von Antenne, Hohlraum und den dazu passenden Einheiten sowohl ohne als auch mit voller oder Teilladung bei der angelegten Frequenz bzw. den angelegten Frequenzen der halben Wellenlänge oder einem Vielfachen der halben Wellenlänge entspricht.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung von einem Vielfachen der halben Wellenlänge ±15% eines Vielfachen nicht übersteigt.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum so eingegrenzt ist, dass der Abstand zwischen einem Mittelpunkt in dem durch die kombinierten Flächen der Antennen gebildeten Hohlraum und einem anderen Punkt in dem Hohlraum bei jeder angelegten Frequenz kleiner ist als deren halbe Wellenlänge im Vakuum.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenfläche, die zum Lastraum zeigt, mit einer oder mehreren Beschichtungen oder Folien eines elektrisch nicht leitfähigen Materials überzogen ist, wobei die elektrische und physikalische Dicke einer Schicht bei der angelegten Frequenz bzw. den angelegten Frequenzen 3% von deren Wellenlänge im Vakuum nicht überschreiten darf.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine der abgehenden Verbindungen des Frequenzgenerators durch ein oder mehrere Verbindungen mit dem Hohlraum verbunden ist.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangensebene der mittleren Antennenfläche, die zum Lastraum zeigt, zwischen dem Lastraum und den Anschlusspunkten bzw. dem Anschlusspunkt (8) des Hohlraumes liegt.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) an der Seite bzw. den Seiten des Hohlraums zwischen dem Anschlusspunkt bzw. den Anschlusspunkten (5) und dem Schnittpunkt (s) bei der angelegten Frequenz einen Wert von 20% der entsprechenden Wellenlänge im Vakuum nicht überschreitet.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Antennenebenen, die zum Lastraum des Hohlraums zeigen, nicht mehr als 45% der betreffenden Querschnittfläche des Hohlraumes beträgt.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche der Antennenebenen, die zum Lastraum des Hohlraums zeigen, eine runde, ovale oder polygone Form mit mehr als fünf Seiten besitzt.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die zur Fläche der Antennenebenen tangentialen Ecken einen Radius besitzen, der mindestens 2% des größten Abstands der entsprechenden Querschnittfläche des Hohlraums entspricht.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehende Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen Parameter durch Messung der Änderungen des Stehwellenverhältnisses gemessen werden.
Vorrichtung entsprechend den vorhergehenden Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die geänderte Zusammensetzung durch Messung der Änderungen der Impedanzverhältnisse ermittelt wird.