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Vorrichtung zur Kopplung des gegenüber dem Körper symmetrischen Nutzkreises
mit einem Hochfrequenzgenerator in Systemen zurErhitzung durch dielektrische Verluste
Die Erfindung betrifft die Erwärmung durch dielektrische Verluste, d. h. die Erwärmungsart,
welche die Erwärmung von für die Elektrizität und im allgemeinen für die Wärme isolierenden,
unter dem Namen Diiel@ektrika bekannten Werkstoffen durch die Einwirkung :eines
elektrischen Feldes möglicht macht, dessen eine große Zahl von Malen je Sekunde
vorgenommene Umkehrung den Molekülen in gleichem Rhythmus Einstellungsänderungen
:erteilt.
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Die so hervorgerufenen Molekularbewegungen bewirken in jedem Punkt
des Werkstoffs eine Wärmeentwicklung, welche in gewissen Fällen so groß sein kann,
daß sie industriell benutzt werden kann.
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Diese Heizungsart ist die einzige, welche schnell ohne örtliche Erhitzung
die Temperatur großer Dicken von Schwammgummi, Holz, Textilfasern, plastischen Massen
:oder anderen Werkstoffen erhöhen kann. S@o steht z. B. in ,der Holzindustrie die
Hochfrequenzheizung in Kombination mit Pressen im Begriff, das Kleben mit Dampfpressen
zu ersetzen.
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Bei diesen letzteren erfolgt die Wärmeentwicklung durch Wärmeleitung
durch das Holz von heißen Platten der Presse .aus. In diesem Fall ist
die
Erwärmungsgeschwindigkeit durch die schlechte Wärmeleitfähigkeit des Holzes und
durch den zulässigen Temperaturunterschied begrenzt. Bei der Hochfrequenzheizung
besteht diese Beschränkung nicht, da die Wärme in dem Werkstoff selbst erzeugt wird
und die Platten der Presse kalt b leiben.
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Hieraus ergibt sich, daß diese Erwärmungsart die Ersparnis von Zeit
und somit von Arbeit. gestattet. Sie kann somit wirtschaftlich sein. Diese Einschränkung
rührt davon her, daß die durch den Dampf zugeführten Kalorien billiger sind als
die durch Hochfrequenz erzeugten.
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Die Rentabilitätsberechnung einer derartigen Anlage kann leicht angestellt
werden, da die Erwärmung durch Radiofrequenz im wesentlichen eine elektrische Heizung
ist, welche als Energiequelle das Leitungsnetz benutzt. Diese kostspielige Energie
wird meine geeignete hochfrequente Form gebracht und dann dem Werkstoff mit :einem
Gesamtwirkungsgrad in der Größenordnung von 40 % in engünstigsten Fällen zugeführt.
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Das Ergebnis dieser Berechnung ist, daß. die Hochfrequenzheizung tatsächlich
in :einer großen Zahl von Anwendungen wirtschaftlich ist, wenn die zugeführte Wärmeleistung
hinreichend groß ist. Bekanntlich ist diese dem Verlustfaktor des Werkstoffs, der
Frequenz und dem Quadrat der elektrischen Feldstärke unmittelbar proportional.
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Für einen gegebenen Werkstoff, d. h. mit erster Annäherung für einen
konstanten Verlustfaktor, welcher jedoch in Wirklichkeit im allgemeinen mit der
Frequenz zunimmt, gibt @es somit nur zwei Mittel; um die zugeführte Wärmeleistung
zu vergrößern r. Wahl hoher Werte für die elektrische Feldstärke. Man erreicht jedoch
hier schnell -eine Grenze. Diese rührt von dem Auftreten von Lichtbogen in dem Werkstoff
und bei Werkstoffen mit großer Durchschlagsfestigkeit von dem Auftreten von Gleitbogen
her. Die Möglichkeit des Auftretens von Lichtbogen in dem Werkstoff hängt wesentlich
von dem Porositätsgrad desselben ab: z. Erhöhung der Frequenz. Hier trifft man @ebenfalls
auf Grenzen. Bei sehr hohen Frequenzen, d. h. bei kurzen Wellenlängen, besteht die
Gefahr einer ungleichmäßigen Verteilung des Hochfrequenzpotentials ,auf der Oberfläche
der Heizelektrodtn infolge des Auftretens von stehenden Wellen, was Ungleichmäßigkeiten
der Heizung bewirkt.
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Hierzu ist jedoch zu bemerken, daß es Kunstgriffe gibt, welche die
Verringerung der Größe der stehenden Wellen und somit die Vergrößerung der Frequenz
gestatten.
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Aus obigem geht hervor, daß man zur Vergrößerung der in einem beliebigen
Dielektrikum entwickelten Wärmemenge zunächst die elektrische Feldstärke bis zu
einem mit der Durchschlagsfestigkeit des Werkstoffs verträglichen Grenzwert erhöhen
wird, um dann in zweiter Linie eine höhere Arbeitsfrequenz zu wählen. In der großen
Mehrzahl der Fälle wird das Problem einer genügenden Leistungszufuhr vor Erreichung
der Grenzfrequenz. gelöst. In gewissen Fällen ist es jedoch nicht möglich, dieses
Verfahren anzuwenden und mit den bekannten Mitteln einen gewissen Frequenzwert zu
überschreiten, ohne selbsttätig eine Abnahme der elektrischen Feldstärke, d.h. eine
Verringerung der zugeführten Leistung, hervorzurufen. Die Kapazität des Arbeitsschwingkreises
ist nämlich durch die zu erwärmende Belastung bestimmt, was in gewissen Fällen.
dazu zwingt, den Wert der Induktivität des Schwingkreises übermäßig zuverkleinern.
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Hieraus ergeben sich sofort Kopplungsschwierigkeiten für die Generatoren,
'bei welchen die Belastung mit dem H:auptstromresonanzkreis durch das sogenannte
Schwingkreisverfahren gekoppelt ist, welches benutzt werden muß, um einen gegenüber
dem Körper symmetrischen Belastungskreis zu erhalten.
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Die Erfindung beseitigt diese Schwierigkeiten und gestattet so die
Lösung eines Problems der Holzindustrie, welches das Kleben mit Hochfrequenz betrifft.
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Bekanntlich erfordert das Kleben mit Hochfrequenz folgende verschiedene
Arbeitsgänge: t. Die mit Klebstoff bestrichenen Werkstoffe werden bei ;geöffneter
Presse zwischen die Elektroden gebracht; 2. die Presse wird geschlossen, und die
Werkstoffe werden zusammengedrückt; die Elektroden werden unter Spannung gesetzt;
3. die Elektroden bleiben während der zur Erwärmung notwendigen Zeit unter Spannung;
q.. die Spannung wird ausgeschaltet, die Werkstoffe werden jedoch unter Druck gelassen;
der Leim erreicht seine Piolymerisierungstemperatur; 5. die fertigen Werkstoffe
werden aus der Form genommen.
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Dank der selektiven Wirkung der elektrischen Heizung in Abhängigkeit
von dem Verlustfaktor der Werkstoffe ist es möglich, eine stärkere Konzentration
der Wärme in dem Leim als in dem Holz und somit eine wirtschaftliche Ausnutzung
der Hochfrequenzenergie zu erhalten.
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Es ist selbstverständlich, daß die Benutzung von Spezialleimen .angezeigt
ist. Diese werden gegenwärtig ;mit Hilfe von Kunstharzen, wie Harnstaffformaldehyden
(formaldehydes d'uree), hergestellt, welche mit Härtemitteln verdünnt werden, welche
gestatten, nach Beliebten mehr oder weniger hohe Erhärtungstempieraturen zu erhalten.
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Man kann das Kleben auf zwei verschiedene Arten vornehmen, je nachdem
ob die Klebeebenen parallel oder senkrecht zu den Elektroden des Kondensators liegen.
Diese Verfahren werden Parallelverfahren bzw. Senkrechtverfahren genannt.
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Die mathematische Untersuchung zeigt und der Versuch bestätigt, daß
die senkrechte Anordnung unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die gegenwärtigen
Leime sehr hohe dielektrische Verluste haben, erheblich günstiger als die parallele
Anordnung ist.
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Dieses Heizverfahren ist jedoch nicht bei sehr hohen Werkstücken und
einem Kondensator, dessen eine Elektrode Körperschluß hat, wie dies im allgemeinen
der Fall ist, geeignet, da so eine Ursymmetrie in die Heizung eingeführt wird. Man
ist
daher in diesem Fall gezwungen, die Belastung mit dem Genexator magnetisch zu koppeln,
und die Symmetrie wird durch Wahl einer Kopplung durch Schwingkreisewiederhergestellt.
Diese Lösungr ist jedoch nicht völlig befriedigend, wenn die zu klebenden Oberflächen
sehr groß sind, da die Kapazität des Arbeitskondensators sehr hohe Werte erreichen
kann. Dia. das anzulegende elektrische Feld begrenzt ist, muß mit einer hohen Frequenz
gearbeitet werden, was eine sehr kleine Kopplungsinduktivität bedingt, woraus sich
eine ungenügende Energieübertragung von dem Primärkreis auf den Sekundärkreis ergibt.
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Die Erfindung gestattet die vollkommen befriedigende Lösung dieses
heiklen Kopplungsproblems. Die Erfindung betrifft daher einen Arbeitskondensator,
welcher mit wenigstens einer Windung beliebiger Form in Reihe geschaltet ist, welche
aus mechanischen Gründen meist rechteckig ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dal3
diese Windung abgeschirmt, d. h. von einer geerdeten Metallhülle umgeben ist, wobei
die Kopplung mit der Quelle der Hochfrequenzströme durch eine zweite Hülle erfolgt,
welche in elektrischer und mechanischer Hinsicht mit der Abschirmung der Windung
verbunden ist, wobei diese zweite Hülle im allgemeinen zylindrisch ist und die Windung
auf eine gewisse Länge so umgibt, daß eine verhältnismäßig feste Kopplung entsteht,
wobei eilt Punkt dieser zweiten Hülle mit dem nicht an den Körper gelegten Pol der
Hochfrequenzquelle verbunden ist.
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Die erfindungsgemäße Kopplungsform ist schematisch im Schnitt auf
Fig. i dargestellt.
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Der Arbeitsschwingkreis wird durch einen Arbeitskondensator 2 i, zwischen
dessen Platten sich die Belastung 25 befindet, und durch eine rechteckige Windung
22 gebildet. Diese ist durch eine Hülle 23 abgeschirmt, welche ;an einer beliebigen
Stelle geerdet ist.
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Die Hülle 23 steht nicht mit dem Arbeitskondensator 21 in Berührung.
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Eine Metallhülle 24 umgibt die Windung 22 über eine gewisse Länge
derart, daß eine magnetische Kopplung mit dem sekundären Schwingkreiserfolgt. Ein
Endre derselben ist mit der Hülle 23 in Berührung gebracht. Die Hülle 24 ist somit
mit der die Windung 22 abschirmenden Hülle 23 in elektrischer und mechanischer Hinsicht
verbunden.
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Die der Belastung 25 zuzuführende Hochfrequenzene:rgie wird von einer
Hoch'frequenzstromquelle geliefert, welche im allgemeinen durch den Str:omreslonanzkreis
des Oszillators des Hochfrequenzgenerators gebildet wird. Der nicht geerdete Pol
der Stromquelle ist mit einem Punkt der Hülle 24 durch den Leiter i i verbunden.
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Beispielshalber sind in Fig.2 im Schnitt zwei gekoppelte Schwingkreise
dargestellt, welche die erfindungsgemäße Vorrichtung benutzen. Der primäre Schwingkreis
ist nichts anderes als der Stromresonanzkreis des Generators, der z. B. durch einen
Kondensator 13 und eine Induktivität gebildet wird, welche aus einem Leiter 14 und
einer geerdeten Hülle 15 besteht. Die Hülle 12 und der Leiter i i stellen
die Verbindung mit dem sekundären Kreis her, welcher mit dem in Fig. i gezeigten
identisch ist. Der Leiter i i verbindet im besonderen den nicht geerdeten Pol des
Generators 13, 14, 15 mit der Hülle 24.