DEP0048484DA

DEP0048484DA - Dielectric heating method

Info

Publication number: DEP0048484DA
Authority: DE
Inventors: Leo Dr.-Ing. Pungs
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Publication date: 1951-01-25

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.For various technical tasks that are solved by dielectric heating of bodies, it is important that the heating occurs as evenly as possible throughout the body in a short time. Since the objects to be heated are mostly relatively poor heat conductors, an equal displacement density must be ensured at all points within the body, since the local heating is determined by the displacement density. With bodies bounded by parallel planes, such homogeneity is easy to achieve, apart from the edge effects. The flat electrodes are simply placed on these surfaces. In the case of bodies that are limited by curved surfaces or have other complex shapes, this task is not so easy to solve.

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 dieFor example, a cylindrical body of relatively large axial extent is considered, which is to be heated by a field perpendicular to the axis, see Fig. 1. Are the

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:Electrodes E (sub) 1 and E (sub) 2 are arranged as shown in Figure 1, so the displacement density is greatest in the vicinity of the electrode axis. The density will decrease towards the edges, so that the middle part of the body is heated much more than the edge parts. If you take the electrodes wider, as shown in Fig. 2, local heating occurs at the edge and a great tendency to flash over at this point. So you have to use smaller tensions. As is well known, the following relationship applies to the power converted into heat:

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

(U-Spannung, C-Kapazität, (Omega)-Frequenz, tg(Delta)-Verlustfaktor).(U voltage, C capacity, (omega) frequency, tg (delta) loss factor).

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.If the average capacity and tg (delta) are assumed to be unchangeable, the frequency must be increased in a quadratic ratio if the power consumption remains unchanged and the voltage is reduced. At the high frequencies that generally have to be used for dielectric heating, this means a deterioration in efficiency and an increase in the cost of the generator system.

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.One could strive for a certain balance in the displacement density by introducing different air gaps between the electrodes and the body. However, this leads to uncomfortable and confusing electrode arrangements, especially with complex body shapes.

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.In order to eliminate these disadvantages, the invention proposes the method for dielectric heating or to embed the body to be heated in a temperature-resistant dielectric, the dielectric constant of which is approximately equal to the dielectric constant of the body or bodies to be heated.

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.The embedding loss factor must be as small as possible. In addition, the embedding material must be able to withstand the highest possible temperature. The boundary surfaces can then be designed as parallel planes and the electrodes as plates. In this way, a homogeneous displacement flux is achieved within the body to be heated. The loss component has practically no influence on the distribution of the displacement flux.

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.Fig. 3 shows in section an example of an embodiment of the invention with the above-described cylindrical body: A is the body to be heated, B and C is the embedding, which is designed in two parts as a die, E (sub) 1 and E (sub) 2 are the flat electrodes. With approximately the same dielectric constants of A, B and C, the displacement density between the plates, apart from the edge zone, is approximately the same everywhere and the heating, especially of body A, is uniform. If the dielectric is chosen correctly, the additional losses are only small, so that the efficiency of the arrangement is not significantly reduced. They can be accepted compared to the advantage of even heating of the body. In addition, the cooling of the body to be heated is prevented by the electrodes and the outside air.

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.Circumstances can also arise in which even embedding the material of the body to be heated itself brings an advantage. That will be the case when the arrangement can be greatly simplified and the tension increased. Using lower frequencies increases the efficiency of the transmitter, which makes up for the additional loss.

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.The advantage of the new method becomes particularly clear when dealing with bodies of complex shapes. An example of such a body is shown in Fig. 4. The body is intended as a solid of revolution and is drawn in cross section. If such an object is to be heated evenly using one of the known methods, the electrodes E (sub) 1 and E (sub) 2 would have to have a particularly complicated shape, as indicated in FIG. However, there is not even a guarantee that the same temperature will actually be reached at all points. By embedding, as shown in Fig. 5, the task is solved with practical perfection.

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.Sufficient temperature-resistant plastics with a low loss factor, which can be processed relatively easily, can be used for embedding. For the mass production of similar objects, matrices can be made from ceramic materials. A very precise adaptation to the shape of the body to be heated is not necessary. In order to allow the escape of vapors and gases that are formed during heating, channels can be inserted in the die. The die can be used to press the body at the same time.

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.If the dielectric constant of the workpiece changes during the heating process, a material whose dielectric constant has a similar temperature profile is expediently chosen as the embedding. In this case, several matrices must be used alternately, each of which can be cooled to the initial temperature.

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.Another method for carrying out the idea of the invention consists in producing the dielectric for embedding from a sufficiently fine powder. By mixing two powdery substances with different dielectric constants, the desired dielectric constant of the embedding as a mixed body can then also be achieved. Fig. 6 shows in a schematic representation, partially in section, an embodiment of this method. One electrode E (sub) 1 is located on the bottom of a trough B made of temperature-resistant material with a low dielectric constant. The trough is filled with the object A to be heated and the dielectric C in powder form. The trough is closed with the lid D containing the second electrode E (sub) 2.

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.If a number of smaller objects of the same type are to be heated evenly, a dielectric oven as shown in Fig. 7 can be used. A solid dielectric with a lower loss factor is hollowed out in a cylindrical shape and made in two parts. The objects to be heated are packed tightly together in the cavity. The gaps can then be filled with a dielectric powder with approximately the same dielectric constant.

Claims

1. A method for dielectric heating, characterized in that the body or bodies to be heated are embedded in a temperature-resistant dielectric, the dielectric constant of which is approximately equal to the dielectric constant of the body or bodies to be heated.

2. The method according to claim 1, characterized in that substances with the smallest possible loss factor are selected for embedding.

3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that substances are used whose dielectric constant has a temperature profile similar to that of the dielectric constant of the object to be heated.

4. The method according to claims 1 to 3, characterized in that ceramic materials are used for embedding.

5. The method according to claims 1 to 4, characterized in that the embedding is performed in the form of a matrix.

6. The method according to claims 1 to 5, characterized in that the die is used at the same time to press the body.

7. The method according to claims 1 to 6, characterized in that the substance for embedding is taken in powder form.

8. The method according to claims 1 to 7, characterized in that the embedding of powdery substances with different dielectric constants is mixed.