DEP0048484DA - Verfahren zur dielektrischen Erwärmung - Google Patents

Description

Für verschiedene, technische Aufgaben, die durch dielektrische Erwärmung von Körpern gelöst werden, ist es wichtig, dass die Erwärmung in kurzer Zeit möglichst gleichmäßig im ganzen Körper erfolgt. Das es sich bei den zu erwärmenden Gegenständen meistens um relativ schlechte Wärmeleiter handelt, muss für eine gleiche Verschiebungsdichte an allen Stellen innerhalb des Körpers gesorgt werden, da die lokale Erwärmung durch die Verschiebungsdichte bestimmt ist. Bei Körpern, die durch parallele Ebenen begrenzt sind, ist eine solche Homogenität, abgesehen von den Randeffekten, einfach zu erreichen. Es werden die plan ausgebildeten Elektroden einfach auf diese Flächen aufgelegt. Bei Körpern, die durch krumme Flächen begrenzt sind oder auch sonst kompliziertere Formen haben, ist diese Aufgabe nicht so einfach zu lösen.

E wird beispielsweise ein zylindrischer Körper von relativ grosser axialer Ausdehnung betrachtet, der durch ein Feld senkrecht zur Achse erwärmt werden soll, vgl. Abb. 1. Werden die

Elektroden E(sub)1 und E(sub)2, wie in der Abbildung 1 gezeigt, angeordnet, so wird die Verschiebungsdichte in der Nähe der Elektrodenachse am grössten. Die Dichte wird nach den Rändern abnehmen, so dass der mittlere Teil des Körpers wesentlich stärker erwärmt wird als die Randteile. Nimmt man die Elektroden breiter, wie in Abb. 2 dargestellt, so treten lokale Erwärmungen am Rande und grosse Neigung zum Überschlagen an dieser Stelle auf. Man muss also kleinere Spannungen anwenden. Nun gilt für die in Wärme umgesetzte Leistung bekanntlich die Beziehung:

N = U(exp)2 mal C mal (Omega) mal tg(Delta)

(U-Spannung, C-Kapazität, (Omega)-Frequenz, tg(Delta)-Verlustfaktor).

Wird die Kapazität und tg(Delta) im Mittel als unveränderlich angenommen, so muss bei unveränderter Leistungsaufnahme bei Herabsetzung der Spannung die Frequenz im quadratischen Verhältnis vergrössert werden. Das bedeutet bei den hohen Frequenzen, die allgemein bei der dielektrischen Erwärmung angewandt werden müssen, eine Verschlechterung des Wirkungsgrades und eine Verteuerung der Generatoranlage.

Man könnte durch Einführung verschiedener Luftabstände zwischen den Elektroden und dem Körper einen gewissen Ausgleich in der Verschiebungsdichte anstreben. Das führt aber zu unbequemen und unübersichtlichen Elektrodenanordnungen, insbesondere bei komplizierten Körperformen.

Um diese Nachteile zu beseitigen, wird bei Verfahren zu dielektrischen Erwärmung erfindungsgemäß vorgeschlagen, den bzw. die zu erwärmenden Körper in ein temperaturbeständiges Dielektrikum einzubetten, dessen Dielektrizitätskonstante ungefähr gleich der Dielektrizitätskonstante des bzw. der zu erwärmenden Körper ist.

Der Verlustfaktor der Einbettung muss möglichst klein sein. Ausserdem muss der Einbettungsstoff die höchste zu erreichende Temperatur vertragen. Die Begrenzungsflächen können dann als parallele Ebenen, die Elektroden als Platten ausgeführt werden. Auf diese Weise wird ein homogener Verschiebungsfluss innerhalb des zu erwärmenden Körpers erreicht. Die Verlustkomponente hat praktisch keinen Einfluss auf die Verteilung des Verschiebungsflusses.

Die Abb. 3 zeigt im Schnitt eine beispielsweise Ausführung der Erfindung bei dem vorbeschriebenen zylindrischen Körper: A ist der zu erwärmende Körper, B und C ist die Einbettung, die zweiteilig etwa als Matrize ausgeführt ist, E(sub)1 und E(sub)2 sind die ebenen Elektroden. Bei ungefähr gleichen Dielektrizitätskonstanten von A, B und C ist die Verschiebungsdichte zwischen den Platten, abgesehen von der Randzone, angenähert überall gleich und die Erwärmung insbesondere des Körpers A gleichmässig. Ist das Dielektrikum richtig gewählt, so sind die zusätzlichen Verluste nur gering, so dass der Wirkungsgrad der Anordnung nicht wesentlich herabgesetzt wird. Sie können gegenüber dem Vorteil der gleichmässigen Erwärmung des Körpers in Kauf genommen werden. Ausserdem wird auch die Abkühlung des zu erwärmenden Körpers durch die Elektroden und die Aussenluft verhindert.

Es können auch Umstände auftreten, bei denen sogar eine Einbettung aus dem Stoff des zu erwärmenden Körpers selbst einen Vorteil bringt. Das wird der Fall sein, wenn man die Anordnung wesentlich vereinfachen und die Spannung heraufsetzen kann. Durch Benutzung kleinerer Frequenzen wird der Wirkungsgrad des Senders grösser, dadurch wird der zusätzliche Verlust wieder wettgemacht.

Der Vorteil des neuen Verfahrens wird besonders deutlich, wenn man es mit Körpern komplizierter Form zu tun hat. Ein Beispiel eines solchen Körpers zeigt die Abb. 4. Der Körper ist als Rotationskörper gedacht und im Querschnitt gezeichnet. Soll ein solcher Gegenstand gleichmässig nach einer der bekannten Verfahren erwärmt werden, so müßten die Elektroden E(sub)1 und E(sub)2 eine besonders komplizierte Form, wie das in der Abbildung 4 angedeutet ist, erhalten. Dabei ist aber nicht einmal die Gewähr gegeben, dass tatsächlich an allen Stellen die gleiche Temperatur erreicht wird. Durch eine Einbettung, wie sie in Abb. 5 angegeben ist, wird die Aufgabe mit praktischer Vollkommenheit gelöst.

Für die Einbettung können genügend temperaturbeständige Kunststoffe mit geringem Verlustfaktor verwendet werden, die sich relativ leicht bearbeiten lassen. Für Massenherstellung gleichartiger Gegenstände können Matrizen aus keramischen Stoffen hergestellt werden. Eine sehr genaue Anpassung an die Form des zu erwärmenden Körpers ist dabei nicht notwendig. Um das Entweichen von Dämpfen und Gasen, die sich bei der Erwärmung bilden, zu ermöglichen, können Kanäle in der Matrize eingelegt werden. Die Matrize kann dabei gegebenenfalls gleichzeitig zur Pressung des Körpers dienen.

Ändert sich die Dielektrizitätskonstante des Werkstückes während der Erwärmung, so wird man als Einbettung zweckmäßig einen Stoff wählen, dessen Dielektrizitätskonstante einen ähnlichen Temperaturverlauf hat. In diesem Fall müssen abwechselnd mehrere Matrizen verwendet werden, die jedesmal auf die Ausgangstemperatur abgekühlt werden können.

Ein anderes Verfahren zur Ausführung des Gedankens der Erfindung besteht darin, dass das Dielektrikum für die Einbettung aus einem genügend feinen Pulver hergestellt wird. Durch Mischung zwei pulverförmiger Stoffe mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten kann dann auch die gewünschte Dielektrizitätskonstante der Einbettung als Mischkörper erreicht werden. Die Abb. 6 zeigt in schematischer Darstellung teilweise im Schnitt ein Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens. In einem Trog B aus temperaturfestem Material mit kleiner Dielektrizitätskonstante befindet sich am Boden die eine Elektrode E(sub)1. Der Trog wird mit dem zu erwärmenden Gegenstand A und dem pulverförmigen Dielektrikum C ausgefüllt. Der Trog wird mit dem Deckel D geschlossen, der die zweite Elektrode E(sub)2 enthält.

Soll eine Menge kleinerer gleichartiger Gegenstände gleichmäßig erwärmt werden, so kann ein dielektrischer Ofen nach Abb. 7 benutzt werden. Ein festes Dielektrikum von geringerem Verlustfaktor ist zylinderförmig ausgehöhlt und zweiteilig ausgeführt. Die zu erwärmenden Gegenstände werden im Hohlraum dicht zusammengepackt. Die Zwischenräume können dann mit einem dielektrischen Pulver ungefähr gleicher Dielektrizitätskonstante ausgefüllt werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur dielektrischen Erwärmung, dadurch gekennzeichnet, dass der bzw. die zu erwärmenden Körper in ein temperaturbeständiges Dielektrikum gebettet werden, dessen Dielektrizitätskonstante ungefähr gleich der Dielektrizitätskonstante des bzw. der zu erwärmenden Körper ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einbettung Stoffe von möglichst kleinem Verlustfaktor gewählt werden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass Stoffe verwendet werden, deren Dielektrizitätskonstante einen ähnlichen Temperaturverlauf hat wie die Dielektrizitätskonstante des zu erwärmenden Gegenstandes.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnete, dass für die Einbettung keramische Stoffe verwendet werden.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbettung matrizenförmig ausgeführt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrize gleichzeitig zur Pressung des Körpers dient.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stoff für die Einbettung pulverförmig genommen wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einbettung aus pulverförmigen Stoffen mit verschiedener Dielektrizitätskonstante gemischt wird.