EP3236710A1 - Verfahren und vorrichtung zur thermischen behandlung von feststoffen - Google Patents

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EP3236710A1
EP3236710A1 EP17167431.0A EP17167431A EP3236710A1 EP 3236710 A1 EP3236710 A1 EP 3236710A1 EP 17167431 A EP17167431 A EP 17167431A EP 3236710 A1 EP3236710 A1 EP 3236710A1
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EP
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solid
electrode assembly
electrodes
electrode
temperature
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EP17167431.0A
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English (en)
French (fr)
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EP3236710B1 (de
EP3236710B8 (de
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Dr. Ulf Roland
Dr. Markus Kraus
Dr. Ulf Trommler
Dr. Frank Holzer
Christian Hoyer
Prof. Dr. Frank-Dieter Kopinke
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/46—Dielectric heating
    • H05B6/54—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/46—Dielectric heating
    • H05B6/60—Arrangements for continuous movement of material
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/46—Dielectric heating
    • H05B6/62—Apparatus for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the thermal treatment of solids.
  • the present invention relates to a method and apparatus for efficient, direct volume and temperature distribution controlled thermal treatment of solids by means of radio frequency energy. This can u. a. for a chemical-free wood protection, the drying or the decontamination of solids are used.
  • the application potential of the invention focuses on the treatment of more or less extensive sheet materials from solids that are accessible only on one side or would be accessible on both sides only with great effort. Particular preference is given to material thicknesses of up to 10 cm. Examples include parquet and other wooden floors, wall paneling and other wall coverings or screed floors. Often a need for remediation can be limited to these building structures, so that there is a need for adequate methods for the treatment of relatively thin, extensively extended solid structures that make it possible, for example, wood pests thermally combat or remove water and chemicals from these materials.
  • the present invention aims to provide a corresponding method based on direct dielectric heating using high frequency energy.
  • the device allows a non-invasive treatment, which also allows deployment options in the field of monument protection and the use of art objects.
  • the still existing technological gap, in particular with regard to an adequately realizable electrode arrangement, should be closed by the present invention.
  • the disadvantages of the prior art are overcome and a deployable device can be provided, which allows to use the RW method for the applications mentioned successfully.
  • the device according to the invention comprises a binary electrode arrangement that can be arranged on a surface of a solid, each having at least two electrically isolated electrodes (electrode structure), wherein the electrodes are preferably in a planar plane parallel to the surface of the solid to be treated.
  • the electrode structure is electrically conductively connected to a high-frequency voltage source, which is designed to apply to the electrode arrangement a high-frequency voltage with a frequency between 100 kHz and 50 MHz.
  • the device according to the invention is designed such that a high-frequency electric field is established within a structure (solid) arranged under the device.
  • the device according to the invention comprises a holding device, which is designed to allow a translatory movement of the electrode arrangement along the surface of a solid.
  • the electrodes are formed as intermeshing comb-like structures, wherein each of the structures comprises a plurality of individual electrodes (fingers) which are interconnected via a common web.
  • each of the structures comprises a plurality of individual electrodes (fingers) which are interconnected via a common web.
  • the longitudinal axes of the individual electrodes are parallel or substantially parallel to each other.
  • the longitudinal axes of the webs run parallel or substantially parallel to one another.
  • a binary electrode arrangement Under such a binary electrode arrangement is to be understood a two-part arrangement of individual electrodes to two electrode groups.
  • the electrodes of the individual groups are each electrically conductively connected to each other, but the two electrode groups of the binary electrode arrangement are electrically isolated from each other. Due to the mutual position of the individual electrodes of the electrode arrangement, a common main axis can be defined. This main axis particularly preferably extends along the longest symmetry axis of the electrode arrangement.
  • the present invention may include a binary substantially two-dimensionally-configured electrode structure electrically connected to a high-frequency generator providing a high-frequency voltage having a frequency in the range between 100 kHz and 50 MHz. Preference is given to a frequency range of 1 MHz to 30 MHz. Very particular preference is given to frequencies which are released for industrial, scientific and medical applications (ISM frequencies).
  • the electrode structure is designed such that the coupling of the electromagnetic waves into the structure to be treated takes place in such a way that, compared to conventional methods based solely on heat conduction, a more homogeneous dielectric heating can be observed, since the heating takes place directly in the volume.
  • the device further includes an electronic matching network connected between the RF generator and the electrode system to minimize or eliminate the RF power reflected from the generator.
  • An electromagnetic shield which significantly reduces the emission of electromagnetic waves from the electrode structure into the room is also part of preferred embodiments of the device according to the invention.
  • preferred implementations of this device advantageously include one or more temperature sensors and / or automatic system control devices via a computer system and / or devices for automatically moving the device over the surface to be treated and / or devices for automatic temperature control of the surface.
  • the idea of the present invention is to achieve by using the device according to the invention with only one-sided accessibility of the solid to be treated temperature profiles, which are more homogeneous compared to other methods and thus faster to achieve the targets. This usually means that even the primary energy input in most materials has a penetration depth of some Centimeters. It even succeeds in keeping the surface temperature lower than the temperature below the surface in the volume of the solid.
  • the binary electrode system is advantageously designed so that in one area of the device grounded electrode parts (so-called “cold” electrodes) and live electrode parts (so-called “hot” electrodes) alternate (interdigital structure) and thereby in the underlying material a high-frequency electromagnetic Field is generated. If the distance between the electrodes is of the same order of magnitude as the width of the electrodes, an electromagnetic field is generated whose distribution satisfies the requirements of sufficiently uniform heating particularly well.
  • a particularly preferred and structurally robust design of this binary electrode system is an interlocking comb structure (double comb structure). The electrode arrangement therefore comprises two intermeshing comb structures.
  • a comb structure is to be understood as meaning a structure in which the individual electrodes of the electrode arrangement are arranged in comb-like fashion as tines or teeth next to one another along an electrically conductive web.
  • the web can be aligned parallel to the main axis of the electrode assembly.
  • the comb structure can be formed on one or two sides, d. H. along the ridge, the individual electrodes can point along a single ridge either in only one direction or in two independent directions.
  • the two directions are within a common plane.
  • An interlocking comb structure is understood to mean any mutual arrangement of two such comb structures, in which the individual prongs of both combs are interlinked without electrical contact with one another.
  • the field strength maxima at the edges of the electrodes can be reduced by using bevelled or rounded electrodes.
  • This change significantly reduces overheating at the edges of the electrodes without significantly limiting the effect of coupling into the material.
  • the electrode assembly comprises a surface which is arrangeable on the surface of the solid, wherein the edges of the surface facing the surface of the solid are rounded or bevelled.
  • said surface may be about the surface act, which can be arranged on the surface of the solid so that a maximum large surface of the solid is covered by the electrode assembly.
  • This surface has edges with respect to adjacent surfaces of the electrode assembly, which may be rounded or bevelled.
  • an alternating electromagnetic field is generated whose field lines usually end perpendicular to the individual surfaces of the contacts.
  • a concentration of field lines usually occurs.
  • the electrodes may be perforated in order to ensure unhindered removal for the cases of drying or chemical discharge from the heated structure and thus to prevent reconstitution.
  • the electrode assembly is thus perforated at least in some areas.
  • individual electrodes of the electrode arrangement can be completely or partially perforated.
  • the perforation may preferably be circular, square, rectangular or hexagonal. Also possible are mixed forms thereof as well as a number of different sized perforation passages. In regions of high field line density, an increase in the transportability in favor of a more homogeneous field line distribution can be achieved by varying the perforation density and / or type.
  • a suitable adsorbent can be located directly at the electrodes, which can bind water or pollutants and thus support the discharge. For organic pollutants it is possible with preference to use activated charcoal beds or activated carbon fleeces, which in an advantageous embodiment are connected directly to the electrodes.
  • the electrode arrangement according to the invention can be applied to the surface of a solid for carrying out the method according to the invention and can be moved in translation along the surface of the solid to be treated.
  • This application can be done as a direct contact between the respective opposing surfaces.
  • a small distance between the respective surfaces preferably smaller than 1 mm, smaller than 2 mm, smaller than 5 mm or smaller than 10 mm.
  • a protective layer for example, from a plastic polymer such as PTFE or PE or from a textile layer such as felt, be applied.
  • the electrode assembly comprises a surface which can be arranged on the surface of the solid, wherein the surface is at least partially protected by a protective layer. It is furthermore preferred that the surfaces of the electrodes facing the surface to be treated are coated in such a way that damage to the surface during the movement during the treatment is prevented or substantially reduced.
  • the binary electrode system may preferably be completely or partially enclosed by an electromagnetic shield above the surface to be treated.
  • shielding materials for example, solid metal sheets, gauzes or metal-coated plastic films are suitable.
  • the electrode assembly is at least partially surrounded by an electrically conductive shield. It is furthermore preferred that the electrodes are surrounded by a shield consisting of an electrically conductive material such as, for example, solid sheet metal, gauze or metal-coated foil, so that an electromagnetic radiation into the space is significantly reduced or eliminated.
  • the device comprises a means for automated translational movement of the electrode assembly.
  • This means can be provided for example by a correspondingly mounted actuator platform.
  • the device has a means for translational movement of the electrode assembly with the periphery such as shielding over the treated surface.
  • the structure of the electrodes Since the highest field strengths and thus the highest heating rates occur at the edges of the binary electrode structure, it is advantageous to align the structure of the electrodes so that, in the continuous movement for the heating of a larger area as far as possible no longer positioning of an edge at one point of the to be treated substrate occurs.
  • This procedure is intended to better illustrate a parquet floor be explained in a rectangular space. To treat the entire surface, it makes sense to move a rectangularly designed treatment device parallel to two opposing walls. If the electrode structure is surrounded by a parallelepiped shield, which is moved parallel to the wall, it would be advantageous to arrange the binary electrode structure at an angle of 45 ° to the boundaries of the shield and thus to the direction of movement.
  • the electrodes are therefore arranged neither parallel nor perpendicular in relation to the preferred direction of movement, with an arrangement of the electrodes at an angle of 45 ° is preferred.
  • the electrodes of the electrode arrangement are arranged perpendicular to the main axis, wherein the length of the electrodes varies along the electrode arrangement. It is particularly preferred that the length of the electrodes varies linearly along the electrode arrangement.
  • a device is preferred that has a maximum electrode length in the center of the electrode assembly and in which the length of the electrodes adjacent thereto on either side decreases linearly towards the outer ends of the electrode assembly.
  • the shield of the electrode assembly has a square base, in which the aforementioned embodiment can be arranged with both sides sloping electrode length such that the main axis of the enclosed electrode structure extends through two opposite corner points. Such a device is preferably moved along the sides of the square shield, so that in this case an arrangement is at an angle of 45 ° to the edges of the shield.
  • the movement of the electrode assembly and the immanent heat conduction in the solid contribute to a homogenization of the temperature profile, which should be taken into account when choosing the treatment time and treatment intensity (power input density). Also a pulsed energy input with the utilization of the heat conduction in the phases without Radio wave application is a procedural option for homogenizing the temperature distributions in the solid.
  • pyrometric sensors can be integrated into the device.
  • a computer system that regulates the RF power and / or the speed of movement of the device over the structure to be treated on the basis of the measured temperature or several measured temperatures to avoid overheating of the surface and at the same time by ensuring a minimum temperature to ensure the success of the treatment.
  • the device of the present invention allows heating of the volume
  • the penetration depth of the heating can also be controlled by the design of the electrode structure. This is a great advantage for cases in which the substrate under the wood structure to be treated is unknown and heating of this part of the building structure is to be minimized.
  • the device according to the invention comprises a control device for controlling the surface temperature of the solid.
  • the regulating device may comprise a means for determining the surface temperature of the solid. This may be at least one, preferably electronic or optical, sensor that detects the surface temperature.
  • the regulating device may comprise a means for determining the surface temperature of the solid.
  • the regulating device may comprise a means for determining the electric field strength. This may be at least one sensor that detects the electric field strength.
  • the regulating device may comprise a means for evaluation and control. This may be, for example, a computer system which is designed to evaluate the measurement signals of the individual means for determining and controlling the entire apparatus.
  • the means for determining the surface temperature and / or the means or means for determining the electric field strength can be connected to the means for evaluation and control for evaluation.
  • the means for translatory movement and / or the high-frequency voltage source can be connected to the means for evaluation and control for control.
  • the means for evaluation and control can provide control and regulation of the thermal treatment of solids.
  • the RF power applied to the electrodes can be regulated as a function of the measured surface temperature.
  • the device comprises at least one means for cooling the surface of the solid, which allows cooling of the surface of the dielectrically heated solid.
  • This means for cooling the surface of the solid may also be regulated by the means for evaluation and control.
  • the means for cooling the surface may be a device for air guidance.
  • the device for air guidance may, for example, be an active system in which air is supplied to individual subregions of the electrode arrangement.
  • the supplied air can be generated locally as a flow of air from a plurality of fans or supplied by a corresponding air flow control the individual sections.
  • the airflow may preferably be generated via a single main fan.
  • the supplied air can be additionally cooled by a cooling device.
  • a perforation in the electrode structure can also be used.
  • an electronic matching network is connected in the electrically conductive connection between the electrode arrangement and the high-frequency voltage source for reducing the high-frequency power reflected back from the electrode arrangement to the high-frequency voltage source.
  • an electronic matching network a so-called matchbox, may be connected between the RF voltage source and the electrode arrangement in such a way that the RF power reflected from the generator is reduced or eliminated.
  • the presented method for the thermal treatment of solids as method steps comprises providing a binary electrode arrangement with at least two electrically isolated electrodes, wherein the electrode assembly is disposed on a surface of a solid, and applying a high frequency voltage to the electrode assembly, wherein an electric Alternating field is generated in a solid and by this alternating field heating of the solid in volume he follows.
  • a heating in the volume is achieved without an overheating of the surface takes place.
  • the method according to the invention is suitable for allowing a controlled and direct heating of the structure to be treated and reliably precluding unwanted overheating on parts of the surface and the volume.
  • the electrode assembly becomes generally translational, i. in any direction along said surface, moving. More preferably, however, a translatory movement takes place exclusively in directions which do not run parallel to edges of the electrode arrangement.
  • a translatory movement can preferably be carried out manually by a user of the device or by means of a corresponding means for translational movement of the electrode arrangement.
  • the surface temperature of the solid can be controlled by a control device, the surface temperature of the solid and adjusted as needed.
  • an at least partial cooling of the surface of the solid can take place by the control device.
  • the electrode assembly is moved along the surface of the solid manually or automatically translationally.
  • the cooling of the surface is realized via an air flow, which is guided via perforations in the electrode system.
  • water and / or pollutants are bound in a prepared substance that is suitable for receiving these substances.
  • Preferred embodiments of the process are drying agents and / or hydrophobic adsorbents such as activated carbon, for example in granular or nonwoven form.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device 100 according to the invention for the thermal treatment of solids 10.
  • the device 100 is shown lying on the surface A of the solid 10, wherein the lateral extent is usually much greater than in the Fig. 1 specified.
  • a part of the illustrated surface A of the solid 10 is in direct contact with the underside surface B of the electrode assembly 20.
  • such a direct contact between the electrode assembly 20 and the surface A of the solid 10 is not mandatory, according to the invention it is sufficient when the field line pattern emanating from the electrode arrangement 20 leads to a corresponding penetration of the solid 10.
  • the electrode assembly 20 is surrounded upwardly and toward the sides by a shield 40. This serves to focus the field line course on the volume of the solid 10 and to reduce the parasitic radiation into the environment, i. outside the solid 10, significantly reduce.
  • a holding device 42 is shown by way of example. In the present case, this serves to facilitate a manual operation of the device 100 for a user of the device 100.
  • the holding device 42 may be designed, for example, as a clamp holder, Umgriffhalterung or screw or plug holder for attaching a telescopic rod head.
  • the holding device 42 may also have a possibility for fixing the electrode arrangement 20 to a means for translational movement of the electrode arrangement 20.
  • the electrode arrangement can be moved translationally along the surface A of the solid 10.
  • a successive covering of a continuous surface A of the solid 10 is particularly preferred.
  • the corresponding movement profile can be chosen freely, however, in particular in the case of manual movement, a zig-zag profile completely covering the surface A of the solid 10 is particularly preferred in the case of the translatory movement.
  • a high-frequency electromagnetic alternating field is coupled into the volume of the solid 10. This RF field is preferably generated by a high-frequency voltage source 30. This can be connected to the electrode arrangement 20 via an electrically conductive connection.
  • an electronic matching network 50 for reducing the high-frequency power reflected back from the electrode arrangement 20 to the high-frequency voltage source 30 is connected in the electrically conductive connection between the electrode arrangement 20 and the high-frequency voltage source 30.
  • the illustrated electrode assembly 20 is two interdigitated comb structures. The teeth of the comb and the connecting crosspiece form the individual electrodes. The first web 26 and the second web 28 thereby also constitute conductive electrical connections between the individual teeth of a comb.
  • the high-frequency voltage generated by the high-frequency voltage source 30 is applied to the webs 26, 28 and is therefore also connected to the individual electrodes of the respective Comb connected.
  • a strong electromagnetic alternating field thus forms between the double combs, the field line profile generated in this case preferably penetrating deeply into the volume of the solid 10 and leading to a heating of the material.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of an exemplary inventive electrode assembly 20 according to Fig. 1 ,
  • the first comb belonging to the electrodes 22a - 22f are electrically connected to each other via the first web 26, wherein the web also acts as an electrode.
  • the electrodes 24a - 24f belonging to the second comb are connected to one another in an electrically conductive manner via the second web 28. This also acts as an electrode.
  • Both combs are electrically completely isolated from each other and have no electrically conductive connection with each other. An indirect connection is made only in the operation of the device 100 by the connection of both combs to the high-frequency power source.
  • the individual electrodes 22, 24 extend along a common main axis X of the electrode assembly 20, wherein in the illustration shown, the first web 26 and the second web 28 also extend parallel to the main axis X of the electrode assembly 20.
  • the webs 26, 28 can also be oriented in any other way to the main axis X of the electrode arrangement 20; in particular, the electrodes 22, 24 can also be electrically connected to one another without a fixed web structure.
  • a connection of the respective associated electrodes can also be made by means of individual cable connection or soldering.
  • the webs 26 and 28 lie in a plane with the electrodes 22a-22f and 24a-24f. However, it is also possible that these webs are located substantially above the plane of the electrodes 22a-22f and 24a-24f. In this case, the webs practically do not themselves act as RF electrodes with respect to the material 10 to be treated.
  • An essential feature of the present invention is the provision of a device for the most homogeneous possible thermal treatment of solids. Therefore, a corresponding degree of homogeneity and uniformity is also particularly preferred when designing an electrode arrangement 20 according to the invention.
  • the respective geometrical distances, dimensions and angles between the individual electrodes 22, 24 should be uniform.
  • the duty cycle between the width of the electrodes 22, 24 and the distance of the individual electrodes 22, 24 can be chosen freely. However, in this case too, a duty cycle which, depending on the high-frequency voltage applied to the electrode arrangement 20 and the respective electrode shape, ensures the best possible implementation of the inventive idea of the method.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the essential components of another device 100 according to the invention for the thermal treatment of solids 10 in plan view (top) and in side view (bottom).
  • an electrode assembly 20 having two intermeshing comb structures, which are two-sided executed comb structures, in which the electrodes 22, 24 are located on both sides (in the figure, above and below) of the respective webs 26, 28.
  • the electrodes 22, 24 extend along a common main axis X, wherein, in this embodiment as well, the webs 26, 28 each extend parallel to the main axis X.
  • the electrodes 22, 24 of the electrode structure 20 are arranged perpendicular to the main axis X, the length of the electrodes varying along the electrode structure.
  • the webs are arranged above the electrode structure and not in a plane therewith. In this case, they practically do not act as electrodes with respect to the structure 10 to be heated.
  • the length of the electrodes 22, 24 along the electrode structure 20 varies linearly.
  • the electrode arrangement 20 has a maximum electrode length in the middle of the electrode structure 20.
  • the length of the electrodes 22, 24 adjacent thereto on both sides decreases linearly towards the outer end of the electrode structure 20.
  • the shield 40 has a square cross-section with respect to the plan view in the exemplary embodiment shown.
  • the electrode assembly 20 is enclosed diagonally in the base of this square. As a rule, the square follows the position of the shield 40.
  • a translatory movement according to the invention of the electrode arrangement 20 shown is preferably along the sides of the square shield 40, therefore in the embodiment shown in the arrangement shown, an angle of 45 ° to the edges of the shield 40 before.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of different configurations of the cross section of the electrodes 22, 24.
  • the individual electrodes 22, 24 of the electrode assembly 20 have on its underside, ie on the surface A of the solid 10 facing surface B, each having an edge region, which by a Edges K is marked.
  • the shape of this edge region, in particular that of the edges K in contrast to a rectangular or angular configuration (left), by rounding (right) or bevel (center) to be modified.
  • the contacts 22, 24 may also be provided with a protective layer 60.
  • the protective layer 60 may, for example, the entire contact 22, 24, only individual contact points or only the surface B of Contacts 22, 24 include. The latter is illustrated for illustrative purposes in the illustrated embodiment of a contact 22, 24 with rounded edges K (right). All of these embodiments may also have a perforation that allows the removal of substances from the solid structure 10 to be treated and / or the ventilation of the surface A of the solid state structure 10.
  • FIG. 5 shows schematic representations of an application of the device according to the invention with a surface-bound binary electrode arrangement using the example of a wall to be heated. It shows Fig. 5a the shield with underneath, invisible comb structure and Fig. 5b a section through the device according to the invention with visible comb structure.
  • the result is a gap width between the electrodes of 5 mm.
  • the electrodes were beveled 5 mm at an angle of 45 ° so that there was an effective electrode gap of 15 mm on the surface, which is also decisive for the field distribution in the material.
  • the temperature distributions for a 50 mm thick wood component were determined after certain periods of dielectric energy input.
  • FIG. 6 shows temperature profiles for four different treatment regimes using the example of the solid wood. Shown are the four resulting temperature profiles after every 3 min, 6 min, 9 min and 15 min.
  • the surface temperature can be lowered from the target volume to be achieved in volume, for example, so as not to damage sensitive coatings.
  • the degree of temperature reduction can be varied by the choice of the insulating surface covering or the adjustment of the heat removal from the surface, for example by a cooling air flow.
  • the conventional heating by means of hotplate (analogous results would be achieved with the hot air and the IR treatment), however, leads to a high surface temperature, to a pronounced decrease in temperature with the depth and to a much lower heating rate in the volume. Reducing the surface temperature to protect sensitive surfaces would further reduce the already slower rate of heating of the volume.
  • a certain maximum temperature may not be exceeded, but a minimum temperature (eg the lethal temperature for pest control) must be achieved.
  • FIG. 7 shows a temperature depth profile for the four treatment regimes Fig. 6 , The four methods already mentioned are compared for a situation in which the maximum temperature is limited to 100 ° C. The time at which the limit temperature of 100 ° C was reached for the first time at one location is shown. Because the In accordance with the target temperature of 60 ° C., the penetration depths up to which this temperature was reached are also marked.
  • the penetration depths for the radio wave heating (13 mm or 17 mm, based on reaching the lethal temperature of 60 ° C) were significantly higher than that achieved in a conventional heating by means of hot plate (or analogously with the hot air or infrared method) (5 mm and 8 mm for continuous or pulsed operation).
  • the required treatment times were comparable. This means at the same time that for the same penetration depths significantly longer treatment times would be necessary for the conventional heating, if in a certain volume, the target temperature is to be consistently achieved. It should be noted that in the case described there was no movement of the device over the surface to be treated. For a mobile application, the effective dwell time of the system at the position would need to be considered.
  • structural elements made of steel were used in these orienting experiments.
  • the distance between the electrodes 22, 24 was between 20 mm and 25 mm.
  • An HF generator (operating frequency 13.56 MHz, maximum power 3 kW) and an electronic matching network (maximum HF voltage 4 kV) were used.
  • the surface temperature was measured by means of an IR camera. At a depth of 10 mm below the wood surface, fiber optic temperature sensors were positioned to provide continuous temperature sensing during RW treatment. The positions of the sensors relative to the electrode structure (marked with x) are also Fig. 8 refer to.
  • FIG. 9 shows the time course of the temperatures in 10 mm depth when using the in Fig. 8 shown inventive device and using the inventive method. These are the results of a typical heating experiment using the inventive arrangement. It could be proven that a preselected minimum temperature of 60 ° C at a depth of 10 cm in the wood panel was reached everywhere. A maximum temperature of 100 ° C was not exceeded. The surface temperatures were significantly lower, as shown by IR camera imaging. Here, an average temperature of about 75 ° C at a maximum surface temperature of 82 ° C was observed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Feststoffen. Die Vorrichtung (100) umfasst eine auf einer Oberfläche (A) eines Feststoffs (10) anordenbare binäre Elektrodenanordnung (20) mit jeweils mindestens zwei elektrisch voneinander isolierten Elektroden (22, 24). Die Elektrodenstruktur (20) ist elektrisch leitend mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle (30) verbunden sind, die dazu ausgebildet ist, an die Elektrodenanordnung (20) eine Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 50 MHz anzulegen. Die Vorrichtung (100) umfasst eine Haltevorrichtung (42), welche dazu ausgebildet ist, eine translatorische Bewegung der Elektrodenanordnung (20) entlang der Oberfläche (A) eines Feststoffs (10) zu ermöglichen. Das Verfahren ist dadurch charakterisiert, dass durch Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung an die Elektroden (22, 24) der Elektrodenanordnung (20) ein elektrisches Wechselfeld in dem Feststoff (10) erzeugt wird und durch dieses Wechselfeld eine Erwärmung des Feststoffes (10) erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Behandlung von Feststoffen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten, direkt volumenbezogenen und hinsichtlich ihrer Temperaturverteilung gesteuerten thermischen Behandlung von Feststoffen mittels Hochfrequenzenergie. Dies kann u. a. für einen chemikalienfreien Holzschutz, die Trocknung oder die Dekontamination von Feststoffen eingesetzt werden.
    • Technologischer Hintergrund der Erfindung
  • Der Ablauf vieler technischer Prozesse kann durch die Temperatur wesentlich beeinflusst werden, da eine Vielzahl von physikalischen und chemischen Parametern mehr oder weniger stark temperaturabhängig sind. Im Kontext des Bauwesens und der Bausanierung betrifft dies unter anderem die Trockenlegung von Gebäuden, den Austrag von Chemikalien aus Baustoffen oder die thermische Bekämpfung von Holzschädlingen. Im letzteren Fall ist das Erreichen einer Letaltemperatur von ca. 55 °C eine Alternative zum Einsatz von toxischen Chemikalien als Holzschutzmittel [C. Hoyer et al., Chem. Ing. Technik 86 (2014) 1187]. In Wohn- und Nutzräumen wird der Qualität der Raumluft eine zunehmende Bedeutung beigemessen. Hier ist der Einsatz von Chemikalien oft kritisch zu sehen, wodurch thermische Behandlungsmethoden an Bedeutung gewinnen.
  • Aus der Vielzahl von Problemstellungen im Bauwesen, bei der Bausanierung und in anderen Anwendungsbereichen konzentriert sich das Anwendungspotenzial der Erfindung auf die Behandlung von mehr oder weniger ausgedehnten flächigen Materialien aus Feststoffen, die nur einseitig zugänglich sind oder die nur mit großem Aufwand beidseitig zugänglich wären. Besonders bevorzugt sind dabei Materialdicken von bis zu 10 cm. Exemplarisch seien hier Parkett- und andere Holzfußböden, Wandtäfelungen und andere Wandverkleidungen oder Estrichböden genannt. Oft lässt sich ein Sanierungsbedarf auf diese Baustrukturen begrenzen, so dass ein Bedarf an adäquaten Verfahren zur Behandlung von relativ dünnen, flächig ausgedehnten Feststoffstrukturen besteht, die es ermöglichen, beispielsweise Holzschädlinge thermisch zu bekämpfen oder Wasser und Chemikalien aus diesen Materialien zu entfernen. Für eine effiziente und schonende Behandlung ist es dabei notwendig, einerseits schnell möglichst homogene Temperaturverteilungen zu erzielen und andererseits die Erwärmung genau zu kontrollieren, um Materialschädigungen durch lokale Überhitzung zu vermeiden. Für sensible Oberflächenbeschichtungen wie Lacke oder Furniere ist es oft wünschenswert, die Oberflächentemperatur niedrig, gegebenenfalls sogar niedriger als die Volumentemperatur in der Feststoffmatrix zu halten. Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein entsprechendes Verfahren auf Basis der direkten dielektrischen Erwärmung unter Nutzung von Hochfrequenz-Energie zur Verfügung zu stellen. Die Vorrichtung erlaubt eine nicht-invasive Behandlung, was besonders auch Einsatzoptionen im Bereich des Denkmalschutzes und die Anwendung an Kunstgegenständen ermöglicht.
  • Nach dem Stand der Technik gibt es eine Reihe von Verfahren, die eine Erwärmung des Materialvolumens durch Wärmeleitung von der Oberfläche her ermöglichen. Genannt seien hier das Heißluftverfahren, bei dem die Oberfläche durch einen darüberstreichenden Luftstrom erwärmt wird, die Anwendung von Heizplatten oder Heizdecken oder das Infrarotverfahren, bei dem die primäre Energieabsorption praktisch ebenfalls auf die Oberfläche beschränkt ist. Die Wärmeleitung ins Innere der zu behandelnden Struktur wird vom Parameter spezifische Wärmeleitfähigkeit bestimmt, welche gerade für trockene Materialien oft gering ist, was zu langen Erwärmungszeiten führt. Grundsätzlich ist der Wärmefluss umso stärker, desto höher der Temperaturgradient, d. h. die Temperaturänderung pro Abstand, und damit desto höher die mit den genannten Verfahren eingestellte Oberflächentemperatur ist. Der Überhitzung an der Oberfläche sind jedoch aus materialtechnischen Gründen Grenzen gesetzt, zumal eine thermische Schädigung gerade dieser Sichtflächen besonders kritisch wäre. Für ausgedehnte Flächen wie beispielsweise Parkettfußböden in repräsentativen Räumen ist für die meisten Behandlungsmethoden eine sukzessive Behandlung notwendig. Dies bedeutet, dass Behandlungseinrichtungen wie Heizplatten oder IR-Strahler nach bestimmten Zeitregimes verschoben werden müssen, um die gesamte Fläche abzudecken. Eine Heißluftbehandlung der gesamten Fläche und der Räume hat hingegen den Nachteil, dass hohe Temperaturen für oft dort vorhandene andere Gegenstände (z. B. Gemälde) schädlich sind.
  • Um die Nachteile einer inhomogenen Temperaturverteilung, einer Überhitzung der Oberfläche und einer langsamen passiven Erwärmung des Inneren über die Wärmeleitfähigkeit zu umgehen, werden seit einiger Zeit direkte Heizverfahren wie die Anwendung von Mikrowellen (MW) [ EP 1 374 676 B1 ] oder Radiowellen (RW) [ DE 20 2010 001 410 U1 ] untersucht, für die eine Wärmeerzeugung im Volumen des Feststoffes charakteristisch ist. Die Erwärmung beruht auf der Wechselwirkung der eingesetzten elektromagnetischen Wellen mit Frequenzen meist im GHz- (für MW) bzw. MHz-Bereich (für RW) mit polaren Strukturen im Feststoff. Für die Mikrowellen-Erwärmung ist bei den meisten Anwendungen die Umorientierung des Wassermoleküls, das einen elektrischen Dipol darstellt, das dominierende Wirkprinzip. Durch die Interaktion des sich umorientierenden Wassermoleküls mit seiner Umgebung, die als innere Reibung beschrieben werden kann, entsteht Wärme. Aus diesem Grund lassen sich feuchte Materialien in der Regel gut mittels MW erwärmen. Für trockene Materialien ist die Methode hingegen häufig weniger geeignet. Die Temperaturprofile sind für die MW-Erwärmung meist sehr inhomogen, wodurch lokale Überhitzungen auftreten. Dies ist einerseits auf die geringen Eindringtiefen der MW und andererseits auf Interferenzerscheinungen oder die Abstrahlungscharakteristiken der eingesetzten Hornantennen zurückzuführen. In der Konsequenz ist eine zwar im Vergleich zu den konventionellen Verfahren geringere, aber dennoch signifikante und oft kritische Überhitzung an verschiedenen Oberflächenpositionen zu konstatieren. Das RW-Verfahren nach dem beschriebenen Stand der Technik führt zwar zu wesentlich homogeneren Temperaturprofilen, die beidseitige Anordnung von Elektroden im Hinblick auf das zu erwärmende Material führt jedoch zu Einschränkungen in der Anwendbarkeit der Methode besonders bei nur einseitig zugänglichen Strukturen, wie sie eingangs beschrieben wurden. Weitere Vorteile der Anwendung von RW gegenüber MW im beschriebenen Kontext sind die höhere Flexibilität hinsichtlich der zu erwärmenden Materialien und deren Feuchtegehalten sowie die höhere energetische Effizienz durch die Einsetzbarkeit eines elektronischen Anpassnetzwerkes. Die genannten Aspekte prädestinieren die RW-Methode für den Einsatz an flächigen, nicht zu dicken Strukturen zum Zwecke des chemikalienfreien Holzschutzes, der Trocknung oder der Dekontamination, wenn es gelingt, die Energieeinkopplung in die entsprechenden Materialien bei einseitiger Zugänglichkeit zu realisieren.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur effizienten, direkt volumenbezogenen und hinsichtlich ihrer Temperaturverteilung gesteuerten thermischen Behandlung von Feststoffen mittels Hochfrequenzenergie zur Verfügung zu stellen, welche die die genannten Vorteile der Radiofrequenz-Erwärmung aufgreifen und dabei die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwinden und eine einsatzfähige Vorrichtung bereitzustellen, die es erlaubt, die RW-Methode für die genannten Anwendungsfälle erfolgreich einzusetzen. Die noch vorhandene technologische Lücke, insbesondere hinsichtlich einer adäquat realisierbaren Elektrodenanordnung, soll durch die vorliegende Erfindung geschlossen werden. Die Nachteile des Standes der Technik sollen überwunden und eine einsatzfähige Vorrichtung bereitgestellt werden, die es erlaubt, die RW-Methode für die genannten Anwendungsfälle erfolgreich einzusetzen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine auf einer Oberfläche eines Feststoffs anordenbare binäre Elektrodenanordnung mit jeweils mindestens zwei elektrisch voneinander isolierten Elektroden (Elektrodenstruktur), wobei sich die Elektroden bevorzugt in einer planaren Ebene parallel zur Oberfläche des zu behandelnden Feststoffes befinden. Die Elektrodenstruktur ist elektrisch leitend mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle verbunden, die dazu ausgebildet ist, an die Elektrodenanordnung eine Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 50 MHz anzulegen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgebildet, dass innerhalb einer unter der Vorrichtung angeordneten Struktur (Feststoff) ein hochfrequentes elektrisches Feld etabliert wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Haltevorrichtung, welche dazu ausgebildet ist, eine translatorische Bewegung der Elektrodenanordnung entlang der Oberfläche eines Feststoffs zu ermöglichen.
  • Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Elektroden als ineinandergreifende kammartige Strukturen ausgebildet sind, wobei jede der Strukturen eine Vielzahl von Einzelelektroden (Finger) aufweist, die über einen gemeinsamen Steg miteinander verbunden sind. In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Längsachsen der Einzelelektroden parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Weiter ist es bevorzugt, dass die Längsachsen der Stege parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
  • Es handelt sich um eine Vorrichtung zur effizienten thermischen Behandlung im Volumen durch eine auf der Oberfläche der zu erwärmenden Struktur angeordnete binäre Elektrodenstruktur zur Einspeisung von Hochfrequenz-Energie in vorwiegend flächig ausgedehnte Festkörper, welche mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle, die Spannungen mit einer Frequenz im Bereich zwischen 100 kHz und 50 MHz erzeugt, elektrisch leitend verbunden ist, und die ein dreidimensionales elektrisches Feld außerhalb der Elektrodenebene im zu behandelnden Festkörper erzeugt, das zu einer Erwärmung im Volumen führt. Elektroden einer Polarität können auch zu Gruppen verbunden werden, wobei dann zwischen den Einzelelektroden eine Kontaktierung erfolgt.
  • Unter einer solchen binären Elektrodenanordnung ist dabei eine zweiteilige Anordnung von einzelnen Elektroden zu zwei Elektrodengruppen zu verstehen. Die Elektroden der einzelnen Gruppen sind dabei jeweils elektrisch leitend miteinander verbunden, die beiden Elektrodengruppen der binären Elektrodenanordnung sind jedoch elektrisch voneinander isoliert. Durch die gegenseitige Lage der einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung kann eine gemeinsame Hauptachse definiert werden. Besonders bevorzugt erstreckt sich diese Hauptachse entlang der längsten Symmetrieachse der Elektrodenanordnung.
  • Die vorliegende Erfindung kann insbesondere eine binäre, im Wesentlichen zweidimensional ausgelegte Elektrodenstruktur beinhalten, die elektrisch leitend mit einem HochfrequenzGenerator, der eine hochfrequente Spannung mit einer Frequenz im Bereich zwischen 100 kHz und 50 MHz bereitstellt, verbunden ist. Bevorzugt ist dabei ein Frequenzbereich von 1 MHz bis 30 MHz. Ganz besonders bevorzugt sind Frequenzen, die für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen freigegeben sind (ISM-Frequenzen). Die Elektrodenstruktur ist so ausgelegt, dass die Einkopplung der elektromagnetischen Wellen in die zu behandelnde Struktur derart erfolgt, dass im Vergleich zu konventionellen, ausschließlich auf Wärmeleitung beruhenden Methoden eine homogenere dielektrische Erwärmung zu verzeichnen ist, da die Erwärmung direkt im Volumen erfolgt. Vorzugsweise enthält die Vorrichtung darüber hinaus ein elektronisches Anpassnetzwerk, das zwischen HF-Generator und Elektrodensystem geschaltet ist, um die zum Generator reflektierte HF-Leistung zu minimieren bzw. ganz zu eliminieren. Eine elektromagnetische Abschirmung, die die Abstrahlung von elektromagnetischen Wellen von der Elektrodenstruktur in den Raum signifikant reduziert, ist ebenfalls Bestandteil von bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Neben diesen Grundkomponenten enthalten bevorzugte Realisierungen dieser Vorrichtung vorteilhafterweise einen oder mehrere Temperatursensoren und/oder Vorrichtungen zur automatischen Anlagensteuerung über ein Computersystem und/oder Vorrichtungen zur automatischen Bewegung der Vorrichtung über die zu behandelnde Fläche und/oder Vorrichtungen zur automatischen Temperaturregulierung der Oberfläche.
  • Die Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, durch Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei nur einseitiger Zugänglichkeit des zu behandelnden Feststoffes Temperaturprofile zu erzielen, die im Vergleich zu anderen Verfahren homogener sind und somit schneller zum Erreichen der Zielvorgaben führen. Dies bedeutet in der Regel, dass bereits der primäre Energieeintrag in den meisten Materialien eine Eindringtiefe von einigen Zentimetern hat. Es gelingt sogar, die Oberflächentemperatur niedriger zu halten als die Temperatur unterhalb der Oberfläche im Volumen des Festkörpers.
  • Das binäre Elektrodensystem ist vorteilhafterweise so ausgelegt, dass sich in einem Bereich der Vorrichtung geerdete Elektrodenteile (so genannte "kalte" Elektroden) und spannungsführende Elektrodenteile (so genannte "heiße" Elektroden) abwechseln (Interdigitalstruktur) und dadurch in dem darunter liegenden Material ein hochfrequentes elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Wenn der Abstand zwischen den Elektroden in derselben Größenordnung wie die Breite der Elektroden ist, so wird ein elektromagnetisches Feld erzeugt, dessen Verteilung den Anforderungen einer hinreichend gleichmäßigen Erwärmung besonders gut genügt. Eine besonders bevorzugte und konstruktiv robuste Ausführung dieses binären Elektrodensystems stellt eine ineinander greifende Kammstruktur (Doppelkammstruktur) dar. Die Elektrodenanordnung umfasst daher zwei ineinandergreifende Kammstrukturen. Unter einer Kammstruktur ist dabei eine Struktur zu verstehen, bei der die einzelnen Elektroden der Elektrodenanordnung kammartig als Zinken oder Zähne nebeneinander entlang eines elektrisch leitenden Steges angeordnet sind. Insbesondere kann dabei der Steg parallel zur Hauptachse der Elektrodenanordnung ausgerichtet sein. Die Kammstruktur kann dabei ein- oder zweiseitig ausgebildet sein, d. h. entlang des Steges können die einzelnen Elektroden entlang eines einzelnen Steges entweder nur in eine einzige Richtung oder in zwei voneinander unabhängige Richtungen zeigen. Bevorzugt liegen bei der zweiseitigen Ausbildung des Kammes die beiden Richtungen innerhalb einer gemeinsamen Ebene. Unter einer ineinandergreifenden Kammstruktur ist jede gegenseitige Anordnung zweier solcher Kammstrukturen zu verstehen, bei der die einzelnen Zinken beider Kämme ohne elektrischen Kontakt zueinander miteinander verzahnt sind.
  • Die Feldstärkemaxima an den Kanten der Elektroden können dadurch reduziert werden, dass abgeschrägte oder abgerundete Elektroden verwendet werden. Diese Veränderung führt dazu, dass sich die Überhitzung an den Kanten der Elektroden deutlich verringert, ohne dass der Effekt einer Einkopplung in das Material signifikant eingeschränkt wird. Zum Erreichen der gewünschten Veränderung sind bereits Biegeradien bzw. Abschrägungen von einigen Millimetern ausreichend. Halbrund gegenüber der Oberfläche ausgebildete Elektroden bzw. Elektrodenteile sind hingegen weniger geeignet, da die Energieeinkopplung zu stark auf die Mitte der Elektrode (entlang der Berührungslinie) konzentriert wäre. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenanordnung daher eine Oberfläche, die auf der Oberfläche des Feststoffs anordenbar ist, wobei die der Oberfläche des Feststoffs zugewendeten Kanten der Oberfläche abgerundet oder abgeschrägt sind. Insbesondere kann es sich bei besagter Oberfläche um die Oberfläche handeln, welche auf der Oberfläche des Feststoffs so angeordnet werden kann, dass durch die Elektrodenanordnung eine maximal große Oberfläche des Feststoffs abgedeckt wird. Diese Oberfläche weist im Bezug zu angrenzenden Oberflächen der Elektrodenanordnung Kanten auf, welche abgerundet oder abgeschrägt sein können. Beim Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung an die Elektrodenanordnung wird ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt, dessen Feldlinien meist senkrecht an den einzelnen Oberflächen der Kontakte enden. An Spitzen tritt in der Regel eine Konzentration der Feldlinien ein. Durch ein Abrunden oder Abschrägen der Kanten kann eine homogenere Verteilung der Feldlinien im Festkörper erreicht werden, da so die Feldstärkemaxima an den Kanten der Elektroden verringert werden können und zugleich eine verbesserte und homogenere Durchdringung des Bereich zwischen den Kontakten erreicht werden kann. Bevorzugt ist weiterhin, dass alle der zu behandelnden Oberfläche zugewandten Kanten der Elektroden abgerundet oder abgeschrägt sind.
  • Die Elektroden können perforiert sein, um für die Fälle einer Trocknung oder eines Chemikalienaustrages aus der erwärmten Struktur einen ungehinderten Abtransport zu gewährleisten und damit eine Rekondensation zu verhindern. Vorzugsweise ist die Elektrodenanordnung also zumindest in Teilbereichen perforiert. Hierbei können einzelne Elektroden der Elektrodenanordnung ganz oder teilweise perforiert sein. Die Perforation kann bevorzugt zirkular, quadratisch, rechteckig oder sechseckig ausgeführt sein. Ebenfalls möglich sind Mischformen daraus sowie eine Anzahl unterschiedlich großer Perforationsdurchlässe. In Bereichen hoher Feldliniendichte kann durch eine Variation der Perforationsdichte und/oder -art eine Erhöhung der Transportfähigkeit zugunsten einer homogeneren Feldlinienverteilung erwirkt werden. Bei Bedarf kann sich unmittelbar an den Elektroden auch ein geeignetes Adsorptionsmittel befinden, das Wasser oder Schadstoffe binden und so den Austrag unterstützen kann. Für organische Schadstoffe können bevorzugt Aktivkohleschüttungen oder Aktivkohlevliese eingesetzt werden, die in einer vorteilhaften Ausgestaltung direkt mit den Elektroden verbunden sind.
  • Die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung kann zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die Oberfläche eines Feststoffs aufgebracht und entlang der Oberfläche des zu behandelnden Feststoffs translatorisch bewegt werden. Dieses Aufbringen kann als direkter Kontakt zwischen den jeweils einander gegenüber liegenden Oberflächen erfolgen. Ebenfalls möglich ist ein geringer Abstand zwischen den jeweiligen Oberflächen; vorzugsweise kleiner 1 mm, kleiner 2 mm, kleiner 5 mm oder kleiner 10 mm. Um bei einer translatorischen Bewegung der Elektrodenanordnung die Kontakte und die Oberfläche des zu behandelnden Materials vor Verschmutzung und/oder Beschädigung zu schützen, kann zumindest in besonders beanspruchten Bereichen eine Schutzschicht, beispielsweise aus einem Kunststoffpolymer wie PTFE oder PE oder auch aus einer textilen Schicht wie Filz, aufgebracht sein. Vorzugsweise umfasst die Elektrodenanordnung daher eine Oberfläche, die auf der Oberfläche des Feststoffs anordenbar ist, wobei die Oberfläche zumindest teilweise durch eine Schutzschicht geschützt ist. Bevorzugt ist weiterhin, dass die der zu behandelnden Oberfläche zugewandten Flächen der Elektroden derart beschichtet sind, dass eine Schädigung der Oberfläche bei der Bewegung während der Behandlung verhindert oder wesentlich vermindert wird.
  • Um die elektromagnetische Verträglichkeit der Anordnung zu gewährleisten, kann das binäre Elektrodensystem vorzugsweise von einer elektromagnetischen Abschirmung oberhalb der zu behandelnden Fläche ganz oder teilweise umschlossen sein. Als Schirmungsmaterialien sind beispielsweise massive Metallbleche, Gazen oder metallbeschichtete Kunststofffolien geeignet. Vorzugsweise ist die Elektrodenanordnung zumindest teilweise von einer elektrisch leitfähigen Abschirmung umgeben. Bevorzugt ist weiterhin, dass die Elektroden von einer Schirmung bestehend aus einem elektrisch leitfähigen Material wie beispielsweise massivem Blech, Gaze oder metallbeschichteter Folie umgeben sind, so dass eine elektromagnetische Abstrahlung in den Raum signifikant verringert bzw. eliminiert wird.
  • Neben der räumlichen Ausprägung des elektromagnetischen Feldes in dem zu erwärmenden Material ist aus verfahrenstechnischer Sicht eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche translatorische Bewegung der Elektrodenanordnung eine Möglichkeit, die Erwärmungsprofile zu homogenisieren. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende manuelle Bewegung der Vorrichtung entlang der Oberfläche des Festkörpers erfolgen. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung jedoch ein Mittel zur automatisierten translatorischen Bewegung der Elektrodenanordnung. Dieses Mittel kann beispielsweise durch eine entsprechend gelagerte Aktuatorplattform bereitgestellt werden. Durch eine entsprechende Ansteuerung bzw. Vorprogrammierung der Bewegung mindestens der Elektrodenanordnung kann eine homogene Erwärmung des Feststoffs erreicht werden. Vorzugsweise verfügt die Vorrichtung über ein Mittel zur translatorischen Bewegung der Elektrodenanordnung mit der Peripherie wie Abschirmung über die behandelte Fläche.
  • Da die höchsten Feldstärken und damit die größten Aufheizraten an den Kanten der binären Elektrodenstruktur auftreten, ist es vorteilhaft, die Struktur der Elektroden so auszurichten, dass bei der kontinuierlichen Bewegung für die Erwärmung einer größeren Fläche nach Möglichkeit keine längere Positionierung einer Kante an einer Stelle des zu behandelnden Untergrundes auftritt. Diese Verfahrensweise soll zur besseren Veranschaulichung für einen Parkettfußboden in einem rechteckigen Raum erläutert werden. Um die gesamte Fläche zu behandeln, ist es sinnvoll, eine rechteckig ausgelegte Behandlungsvorrichtung parallel zu zwei gegenüber liegenden Wänden zu bewegen. Wenn die Elektrodenstruktur von einer quaderförmigen Abschirmung umgeben ist, welche parallel zur Wand bewegt wird, so wäre es vorteilhaft, die binäre Elektrodenstruktur in einem Winkel von 45° zu den Begrenzungen der Abschirmung und damit zur Bewegungsrichtung anzuordnen. Vorzugsweise werden die Elektroden daher weder parallel noch senkrecht in Relation zur bevorzugten Bewegungsrichtung angeordnet, wobei eine Anordnung der Elektroden im Winkel von 45° bevorzugt ist.
  • Vorzugsweise sind die Elektroden der Elektrodenanordnung senkrecht zur Hauptachse angeordnet, wobei die Länge der Elektroden entlang der Elektrodenanordnung variiert. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Länge der Elektroden entlang der Elektrodenanordnung linear variiert. Insbesondere ist eine Vorrichtung bevorzugt, die eine maximale Elektrodenlänge in der Mitte der Elektrodenanordnung aufweist und bei der sich die Länge der daran beiderseits angrenzenden Elektroden zu den äußeren Enden der Elektrodenanordnung hin linear verringert. Weiterhin bevorzugt ist, dass die Abschirmung der Elektrodenanordnung eine quadratische Grundfläche aufweist, in die die vorgenannte Ausführungsform mit beidseitig abfallender Elektrodenlänge derart angeordnet werden kann, dass die Hauptachse der eingeschlossenen Elektrodenstruktur durch zwei gegenüberliegende Eckpunkte verläuft. Eine solche Vorrichtung wird bevorzugt entlang der Seiten der quadratischen Abschirmung bewegt, so dass hierbei eine Anordnung im Winkel von 45° zu den Kanten der Abschirmung vorliegt.
  • Eine solche Auslegung führt dazu, dass bei einer kontinuierlichen Bewegung der Anordnung parallel zur Wand jede Position auf der zu behandelnden Oberfläche nur kurzzeitig von einer Kante überstrichen wird. Dies wäre bei einer parallelen oder rechtwinkligen Anordnung einer Kammstruktur relativ zur Bewegungsrichtung und zum Rahmen nicht der Fall. Natürlich sind auch andere Geometrien der erfindungsgemäßen Anordnung unter Berücksichtigung der genannten Randbedingungen möglich. All diesen Anordnungen ist gemeinsam, dass durch eine im Wesentlichen zweidimensionale, flächige Elektrodenanordnung ein dreidimensionales elektrisches Feld in der zu behandelnden Struktur etabliert wird, das durch die Energieabsorption eine dielektrische Erwärmung im Volumen ermöglicht. Die Bewegung der Elektrodenanordnung und die immanente Wärmeleitung im Feststoff tragen zu einer Homogenisierung des Temperaturprofils bei, was bei der Wahl der Behandlungszeit und Behandlungsintensität (Leistungseintragsdichte) berücksichtigt werden sollte. Auch ein gepulster Energieeintrag mit der Ausnutzung der Wärmeleitung in den Phasen ohne Radiowellen-Anwendung ist eine verfahrenstechnische Option zur Homogenisierung der Temperaturverteilungen im Feststoff.
  • Für einen automatisierten und zeiteffizienten Behandlungsablauf ist die kontinuierliche Messung der Erwärmung von Vorteil. Da im Anwendungskontext das Einbringen von Sensoren in die zu behandelnde Struktur selbst in der Regel nicht möglich ist, sollte die berührungslose Messung der Oberflächentemperatur zwischen den Elektroden mittels optischer Sensoren zu Steuerung genutzt werden. Hierfür können vorzugsweise pyrometrische Sensoren in die Vorrichtung integriert werden. Besonders bevorzugt ist die zusätzliche Integration eines Computersystems, das auf der Basis der gemessenen Temperatur oder mehrerer gemessener Temperaturen die HF-Leistung und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit der Vorrichtung über die zu behandelnde Struktur regelt, um eine Überhitzung der Oberfläche zu vermeiden und gleichzeitig durch die Sicherstellung einer Mindesttemperatur den Behandlungserfolg zu gewährleisten.
  • Obwohl die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Erwärmung des Volumens ermöglicht, kann die Eindringtiefe der Erwärmung jedoch auch durch die Gestaltung der Elektrodenstruktur kontrolliert werden. Dies ist für Fälle ein großer Vorteil, bei denen der Untergrund unter der zu behandelnden Holzstruktur unbekannt ist und eine Erwärmung dieses Teils der Baustruktur minimiert werden soll.
  • Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Oberflächentemperatur des Feststoffes. Die Regelungseinrichtung kann ein Mittel zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des Festkörpers umfassen. Hierbei kann es sich um mindestens einen, vorzugsweise elektronischen oder optischen, Sensor handeln, der die Oberflächentemperatur erfasst. Die Regelungseinrichtung kann ein Mittel zur Bestimmung der Oberflächentemperatur des Festkörpers umfassen. Die Regelungseinrichtung kann ein Mittel zur Bestimmung der elektrischen Feldstärke umfassen. Hierbei kann es sich um mindestens einen Sensor handeln, der die elektrische Feldstärke erfasst. Die Regelungseinrichtung kann ein Mittel zur Auswertung und Steuerung umfassen. Hierbei kann es sich beispielsweise um ein Computersystem handeln, welches zur Auswertung der Messsignale der einzelnen Mittel zur Bestimmung und zur Steuerung der gesamten Vorrichtung ausgebildet ist. Insbesondere können zur Auswertung das oder die Mittel zur Bestimmung der Oberflächentemperatur und/oder das oder die Mittel zur Bestimmung der elektrischen Feldstärke mit dem Mittel zur Auswertung und Steuerung verbunden sein. Weiterhin können zur Steuerung das Mittel zur translatorischen Bewegung und/oder die Hochfrequenz-Spannungsquelle mit dem Mittel zur Auswertung und Steuerung verbunden sein. Durch das Mittel zur Auswertung und Steuerung können somit in Abhängigkeit von bestimmten Größen die an die Anordnung angelegte HF-Leistung und/oder das translatorische Bewegungsprofil derart angepasst werden, dass eine weitgehend homogene Bearbeitung des Feststoffs ermöglicht wird. Insofern kann das Mittel zur Auswertung und Steuerung in Kombination mit Sensoren eine Steuerung und Regelung der thermischen Behandlung von Feststoffen ermöglichen. Insbesondere kann die an die Elektroden angelegte HF-Leistung in Abhängigkeit von der gemessenen Oberflächentemperatur geregelt werden.
  • Weiterhin bevorzugt ist, dass die Vorrichtung mindestens ein Mittel zur Kühlung der Oberfläche des Feststoffs umfasst, welches eine Kühlung der Oberfläche des dielektrisch erwärmten Feststoffs ermöglicht. Diese Mittel zur Kühlung der Oberfläche des Feststoffs kann ebenfalls über das Mittel zur Auswertung und Steuerung geregelt sein. Vorzugsweise kann es sich bei dem Mittel zur Kühlung der Oberfläche um eine Einrichtung zur Luftführung handeln. Bei der Einrichtung zur Luftführung kann es sich beispielsweise um ein aktives System handeln, bei dem einzelnen Teilbereiche der Elektrodenanordnung Luft zugeführt wird. Die zugeführte Luft kann als Luftströmung von einer Vielzahl von Lüftern lokal erzeugt oder durch eine entsprechende Luftstromsteuerung den einzelnen Teilbereichen zugeführt werden. Der Luftstrom kann vorzugsweise über einen einzelnen Hauptlüfter erzeugt werden. Die zugeführte Luft kann zusätzlich über eine Kühleinrichtung gekühlt werden. Für die Führung des Luftstromes zur Kühlung kann auch eine Perforation in der Elektrodenstruktur genutzt werden.
  • Vorzugsweise ist in die elektrisch leitende Verbindung zwischen der Elektrodenanordnung und der Hochfrequenz-Spannungsquelle ein elektronisches Anpassnetzwerk zur Verringerung der von der Elektrodenanordnung zur Hochfrequenz-Spannungsquelle zurückreflektierten Hochfrequenz-Leistung geschaltet. Insbesondere kann ein elektronisches Anpassnetzwerk, eine so genannte Matchbox, zwischen HF-Spannungsquelle und Elektrodenanordnung derart geschaltet sein, dass die zum Generator reflektierte HF-Leistung verringert bzw. eliminiert wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Anwendung der vorab beschriebenen Vorrichtung und nutzt die sich daraus ergebenden Vorteile bei der thermischen Behandlung von Feststoffen. Insbesondere umfasst das vorgestellte Verfahren zur thermischen Behandlung von Feststoffen als Verfahrensschritte das Bereitstellen einer binäre Elektrodenanordnung mit mindestens zwei elektrisch voneinander isolierten Elektroden, wobei die Elektrodenanordnung auf eine Oberfläche eines Feststoffs angeordnet wird, und das Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung an die Elektrodenanordnung, wobei ein elektrisches Wechselfeld in einem Feststoff erzeugt wird und durch dieses Wechselfeld eine Erwärmung des Feststoffes im Volumen erfolgt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine Erwärmung im Volumen erreicht, ohne dass eine Überhitzung der Oberfläche stattfindet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet, eine kontrollierte und direkte Erwärmung der zu behandelnden Struktur zu ermöglichen und dabei ungewollte Überhitzungen an Teilen der Oberfläche und des Volumens sicher auszuschließen.
  • Vorzugsweise wird die Elektrodenanordnung während einer verfahrensgemäßen Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang der Oberfläche des Feststoffs allgemein translatorisch, d.h. in beliebiger Richtung entlang besagter Oberfläche, bewegt. Bevorzugter erfolgt eine translatorische Bewegung jedoch ausschließlich in Richtungen die nicht parallel zu Kanten der Elektrodenanordnung verlaufen. Eine translatorische Bewegung kann vorzugsweise manuell durch einen Benutzer der Vorrichtung oder mittels eines entsprechenden Mittels zur translatorischen Bewegung der Elektrodenanordnung erfolgen.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann durch eine Regelungseinrichtung die Oberflächentemperatur des Feststoffes kontrolliert und nach Bedarf eingestellt werden. Vorzugsweise kann dabei durch die Regelungseinrichtung eine zumindest abschnittsweise Kühlung der Oberfläche des Feststoffes erfolgen. Vorzugsweise wird die Elektrodenanordnung entlang der Oberfläche des Feststoffs manuell oder automatisiert translatorisch bewegt. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Kühlung der Oberfläche über einen Luftstrom realisiert, der über Perforationen in dem Elektrodensystem geführt wird. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden Wasser und/oder Schadstoffe in einer bereitgestellten Substanz gebunden, die für die Aufnahme dieser Substanzen geeignet ist. In bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens handelt es sich um Trockenmittel und/oder hydrophobe Adsorbenzien wie Aktivkohle beispielsweise in granularer oder Vliesform.
    • Kurzbeschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur thermischen Behandlung von flächig ausgedehnten Feststoffen;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung nach Fig. 1;
    Figur 3
    schematische Darstellungen einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur thermischen Behandlung von flächig ausgedehnten Feststoffen in Aufsicht und in Seitenansicht;
    Figur 4
    schematische Darstellungen von unterschiedlichen Ausgestaltungen des Querschnitts der Elektroden;
    Figuren 5a, 5b
    schematische Darstellungen einer Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
    Figur 6
    Temperaturprofile für vier unterschiedliche Behandlungsregimes am Beispiel des Feststoffs Holz;
    Figur 7
    ein Temperaturtiefenprofil für die vier Behandlungsregimes nach Figur 6 mit Angabe der Reichweite für das Erreichen einer Letaltemperatur von 60 °C;
    Figur 8
    schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung mit Angabe der Positionen der faseroptischen Temperatursensoren; und
    Figur 9
    den zeitlichen Verlauf der Temperaturen in 10 mm Tiefe sowie die zeitlichen Verläufe von HF-Leistung und HF-Spannung bei Verwendung der in Figur 8 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
    Detaillierte Beschreibung der Erfindung
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur thermischen Behandlung von Feststoffen 10. Die Vorrichtung 100 ist dabei aufliegend auf der Oberfläche A des Feststoffs 10 dargestellt, wobei die laterale Ausdehnung in der Regel deutlich größer ist als in der Fig. 1 angegeben. Insbesondere befindet sich hierbei ein Teil der dargestellten Oberfläche A des Feststoffs 10 in direktem Kontakt mit der unterseitigen Oberfläche B der Elektrodenanordnung 20. Ein solcher direkter Kontakt zwischen der Elektrodenanordnung 20 und der Oberfläche A des Feststoffs 10 ist jedoch nicht zwingend erforderlich, erfindungsgemäß ist es ausreichend, wenn der von der Elektrodenanordnung 20 ausgehende Feldlinienverlauf zu einer entsprechenden Durchdringung des Feststoffs 10 führt.
  • Die Elektrodenanordnung 20 ist nach oben und zu den Seiten hin von einer Abschirmung 40 umgeben. Diese dient dazu, den Feldlinienverlauf auf das Volumen des Feststoffs 10 zu fokussieren und die parasitäre Abstrahlung in die Umgebung, d.h. außerhalb des Feststoffs 10, signifikant zu reduzieren. Oberhalb der Abschirmung 40 ist beispielhaft eine Haltevorrichtung 42 dargestellt. Vorliegend dient diese dazu, einem Benutzer der Vorrichtung 100 die manuelle Handhabung der Vorrichtung 100 zu erleichtern. Die Haltevorrichtung 42 kann dabei beispielsweise als Klemmhalterung, Umgriffhalterung oder als Schraub- bzw. Steckhalterung zur Befestigung eines Teleskopstangenkopfes ausgeführt sein. Ebenfalls kann die Haltevorrichtung 42 eine Möglichkeit zur Fixierung der Elektrodenanordnung 20 an ein Mittel zur translatorischen Bewegung der Elektrodenanordnung 20 aufweisen. Mithilfe einer entsprechenden Haltevorrichtung 42 kann die Elektrodenanordnung translatorisch entlang der Oberfläche A des Feststoffs 10 bewegt werden. Insbesondere ist erfindungsgemäß eine möglichst vollständige sukzessive Abdeckung einer zusammenhängenden Oberfläche A des Feststoffs 10 besonders bevorzugt. Hierbei kann das entsprechende Bewegungsprofil frei gewählt werden, insbesondere bei manueller Bewegung ist jedoch ein vollständig die Oberfläche A des Feststoffs 10 abdeckendes Zick-Zack-Profil bei der translatorischen Bewegung besonders bevorzugt. Erfindungsgemäß wird ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld in das Volumen des Feststoffs 10 eingekoppelt. Dieses HF-Feld wird vorzugsweise durch eine Hochfrequenz-Spannungsquelle 30 erzeugt. Dies kann über eine elektrisch leitende Verbindung mit der Elektrodenanordnung 20 verbunden sein. Vorzugsweise ist in die elektrische leitende Verbindung zwischen der Elektrodenanordnung 20 und der Hochfrequenz-Spannungsquelle 30 ein elektronisches Anpassnetzwerk 50 zur Verringerung der von der Elektrodenanordnung 20 zur Hochfrequenz-Spannungsquelle 30 rückreflektierten Hochfrequenz-Leistung geschaltet. Bei der dargestellten Elektrodenanordnung 20 handelt es sich um zwei ineinander greifenden Kammstrukturen. Die Zähne des Kamms und der verbindende Quersteg bilden dabei die einzelnen Elektroden aus. Der erste Steg 26 und der zweite Steg 28 stellen dabei auch leitfähige elektrische Verbindungen zwischen den einzelnen Zähnen eines Kamms dar. Die von der Hochfrequenz-Spannungsquelle 30 erzeugte Hochfrequenzspannung liegt an den Stegen 26, 28 an und ist somit auch mit den einzelnen Elektroden des jeweiligen Kamms verbunden. Erfindungsgemäß bildet sich somit zwischen den Doppelkämmen ein starkes elektromagnetisches Wechselfeld aus, wobei der dabei erzeugte Feldlinienverlauf vorzugsweise tief in das Volumen des Feststoffs 10 eindringt und zu einer Aufheizung des Materials führt.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 20 nach Fig. 1. Hierbei wird insbesondere die miteinander verzahnte kammartige Anordnung der ersten Elektroden 22 und der zweiten Elektroden 24 als Interdigitalstruktur deutlich. Die zum ersten Kamm gehörenden Elektroden 22a - 22f sind elektrisch leitend über den ersten Steg 26 miteinander verbunden, wobei der Steg ebenfalls als Elektrode wirkt. Die zum zweiten Kamm gehörenden Elektroden 24a - 24f sind elektrisch leitend über den zweiten Steg 28 miteinander verbunden. Auch dieser wirkt gleichzeitig als Elektrode. Beide Kämme sind elektrisch vollständig gegeneinander isoliert und weisen keine elektrisch leitende Verbindung untereinander auf. Eine indirekte Verbindung erfolgt lediglich im Betrieb der Vorrichtung 100 durch den Anschluss beider Kämme an die Hochfrequenz-Spannungsquelle. Die einzelnen Elektroden 22, 24 erstrecken sich entlang einer gemeinsamen Hauptachse X der Elektrodenanordnung 20, wobei in der gezeigten Darstellung der erste Steg 26 und der zweite Steg 28 ebenfalls parallel zur Hauptachse X der Elektrodenanordnung 20 verlaufen. Die Stege 26, 28 können jedoch auch beliebig anders zur Hauptachse X der Elektrodenanordnung 20 orientiert sein, insbesondere können die Elektroden 22, 24 auch ohne eine feste Stegstruktur elektrisch miteinander verbunden sein. Beispielsweise kann eine Verbindung der jeweils zusammengehörigen Elektroden auch mittels individueller Kabelverbindung oder Lötung erfolgen. Im beispielhaft dargestellten Fall liegen die Stege 26 und 28 in einer Ebene mit den Elektroden 22a - 22f und 24a - 24f. Es ist jedoch auch möglich, dass sich diese Stege weitgehend oberhalb der Ebene der Elektroden 22a - 22f und 24a - 24f befinden. In diesem Fall wirken die Stege praktisch nicht selbst als HF-Elektroden bezüglich des zu behandelnden Materials 10.
  • Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Vorrichtung zur möglichst homogenen thermischen Behandlung von Feststoffen. Daher ist auch bei der Auslegung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung 20 ein entsprechendes Maß an Homogenität und Einheitlichkeit besonders bevorzugt. Insbesondere sollten die jeweiligen geometrischen Abstände, Maße und Winkel zwischen den einzelnen Elektroden 22, 24 einheitlich sein. In der Darstellung der Fig. 2 wird dies dadurch deutlich, dass hier zwei identische Kammstrukturen derart ineinandergreifen, dass die Elektrodenstege jeweils im gleichen Abstand parallel zueinander angeordnet sind. Insbesondere sind der linkseitige und rechtsseitige Abstand jeder einzelnen Elektrode 22, 24 zu ihren beiden nächsten Nachbarn jeweils gleich groß. Das Tastverhältnis zwischen der Breite der Elektroden 22, 24 und dem Abstand der einzelnen Elektroden 22, 24 kann frei gewählt werden. Bevorzugt ist jedoch auch hier ein Tastverhältnis, welches in Abhängigkeit der an die Elektrodenanordnung 20 angelegten Hochfrequenz-Spannung und der jeweiligen Elektrodenform eine möglichst optimale Umsetzung der erfinderischen Idee des Verfahrens sicherstellt.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung der wesentlichen Komponenten einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur thermischen Behandlung von Feststoffen 10 in Aufsicht (oben) und in Seitenansicht (unten). Dargestellt ist eine Elektrodenanordnung 20 mit zwei ineinander greifenden Kammstrukturen, wobei es sich um zweiseitig ausgeführte Kammstrukturen handelt, bei denen die Elektroden 22, 24 sich an beiden Seiten (in der Figur oberhalb und unterhalb) der jeweiligen Stege 26, 28 befinden. Die Elektroden 22, 24 erstrecken sich wie dargestellt entlang einer gemeinsamen Hauptachse X, wobei auch bei dieser Ausführungsform die Stege 26, 28 jeweils parallel zu der Hauptachse X verlaufen. Die Elektroden 22, 24 der Elektrodenstruktur 20 sind senkrecht zur Hauptachse X angeordnet, wobei die Länge der Elektroden entlang der Elektrodenstruktur variiert. Es ist hervorzuheben, dass bei der Anordnung nach Fig. 3 die Stege oberhalb der Elektrodenstruktur und nicht in einer Ebene mit dieser angeordnet sind. Sie wirken in diesem Fall praktisch nicht als Elektroden bezüglich der zu erwärmenden Struktur 10. Die Länge der Elektroden 22, 24 entlang der Elektrodenstruktur 20 variiert linear. Insbesondere weist die Elektrodenanordnung 20 eine maximale Elektrodenlänge in der Mitte der Elektrodenstruktur 20 auf. Die Länge der daran beiderseits angrenzenden Elektroden 22, 24 verringert sich zu den äußeren Ende der Elektrodenstruktur 20 hin linear. Der Aufsicht ist zu entnehmen, dass die Abschirmung 40 im gezeigten Ausführungsbeispiel einen quadratischen Querschnitt bezüglich der Draufsicht aufweist. Die Elektrodenanordnung 20 ist dabei diagonal in die Grundfläche dieses Quadrates eingefasst. Das Quadrat folgt in der Regel der Lage der Abschirmung 40. Eine erfindungsgemäße translatorische Bewegung der gezeigten Elektrodenanordnung 20 erfolgt bevorzugt entlang der Seiten der quadratischen Abschirmung 40, daher liegt in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der gezeigten Anordnung ein Winkel von 45° zu den Kanten der Abschirmung 40 vor.
  • Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung von unterschiedlichen Ausgestaltungen des Querschnitts der Elektroden 22, 24. Die einzelnen Elektroden 22, 24 der Elektrodenanordnung 20 weisen an ihrer Unterseite, d.h. an der der Oberfläche A des Feststoffs 10 zugewendeten Oberfläche B, jeweils einen Randbereich auf, welcher durch eine Kanten K gekennzeichnet ist. Zur Beeinflussung des Feldlinienverlaufs im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 kann die Form dieses Randbereichs, insbesondere die der Kanten K, im Unterscheid zu einer rechtwinkligen oder eckigen Ausgestaltung (Links), durch Abrunden (Rechts) oder Abschrägen (Mitte) modifiziert werden. Zum Schutz zumindest der Oberfläche B der Kontakte 22, 24 und/oder der Oberfläche A der zu behandelnden Struktur 10 können die Kontakte 22, 24 auch mit einer Schutzschicht 60 versehen sein. Die Schutzschicht 60 kann dabei beispielsweise den gesamten Kontakt 22, 24, lediglich einzelne Kontaktstellen oder nur die Oberfläche B der Kontakte 22, 24 umfassen. Letzteres ist zu illustrativen Zwecken bei der dargestellten Ausführungsform eines Kontaktes 22, 24 mit abgerundeten Kanten K (Rechts) dargestellt. All diese Ausführungsformen können auch eine Perforation aufweisen, die die Abführung von Substanzen von der zu behandelnden Festkörperstruktur 10 und/oder die Belüftung der Oberfläche A der Festkörperstruktur 10 gestattet.
    • Ausführungsbeispiel 1: Modellierung der räumlichen Verteilung der Energieeinkopplung in die behandelte Struktur
  • Unter den vielfältigen Variationsmöglichkeiten bei der Anwendung sei ein Beispiel veranschaulicht, bei dem parallele Elektroden bzw. Elektrodenteile mit wechselnder Polarität ("heiße", d. h. spannungsführende, und "kalte", d. h. geerdete, Elektroden) zur Erwärmung genutzt werden. Über den Elektroden ist eine Schirmung angeordnet, die sich auch über die angrenzende Oberfläche erstreckt. Die "kalten" Elektroden sind mit der geerdeten Schirmung und dem Matchboxgehäuse elektrisch leitend verbunden, während die "heißen" Elektroden spannungsführend über ein Kupferband mit dem elektronischen Anpassnetzwerk bzw. mit der Spannungsquelle zur Kontaktierung verbunden sind. Die Anordnung für eine vertikale Behandlung (beispielsweise eines Fragments einer Wandvertäfelung) ist schematisch in Fig. 5 dargestellt.
  • Figur 5 zeigt schematische Darstellungen einer Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer oberflächengebundenen binären Elektrodenanordnung am Beispiel einer zu erwärmenden Mauer. Dabei zeigt Fig. 5a die Schirmung mit darunterliegender, nicht sichtbarer Kammstruktur und Fig. 5b einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit sichtbarer Kammstruktur.
  • Legt man für eine Simulation zugrunde, dass die Elektroden eine Breite von 20 mm besitzen und der Abstand der Elektrodenmitten jeweils 25 mm beträgt, so ergibt sich eine Spaltbreite zwischen den Elektroden von 5 mm. In Richtung zur Maueroberfläche wurden die Elektroden jeweils 5 mm im Winkel von 45° abgeschrägt, so dass auf der Oberfläche ein effektiver Elektrodenabstand von 15 mm vorlag, der auch für die Feldverteilung im Material maßgebend ist. Unter Verwendung von realistischen Annahmen für die Wärmeausbreitung im Material, den Wärmeübergang zwischen Materialoberfläche und Luft sowie unter Nutzung der dielektrischen und physikalischen Parameter für das Material Holz wurden die Temperaturverteilungen für ein 50 mm dickes Holzbauteil nach bestimmten Zeiten des dielektrischen Energieeintrages ermittelt.
  • Dabei wurden vier unterschiedliche Szenarien verglichen: eine konventionelle Erwärmung mit einer Heizplatte, eine dielektrische Erwärmung unter Nutzung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mittels Radiowellen-Energie sowie die Nutzung beider Verfahren im Impulsbetrieb (1 min Heizung, 2 min Pause). In allen Fällen wurde eine Leistung von 1 kW eingesetzt.
  • Figur 6 zeigt Temperaturprofile für vier unterschiedliche Behandlungsregimes am Beispiel des Feststoffs Holz. Dargestellt sind die vier sich ergebenden Temperaturprofile nach jeweils 3 min, 6 min, 9 min und 15 min. Dabei zeigt (a) das Temperaturprofil bei einer kontinuierlichen HF-Erwärmung, (b) das Temperaturprofil bei kontinuierlicher konventioneller HF-Erwärmung, (c) das Temperaturprofil bei Radiowellen-Erwärmung im Impulsbetrieb (1 min Leistung eingeschaltet, danach jeweils 2 min Pause) und (d) das Temperaturprofil bei konventioneller Erwärmung im Impulsbetrieb (Zeiten wie vorher).
  • Es wird deutlich, dass das Maximum der Erwärmung sowie der Energieeintrag insgesamt für den Fall der Radiowellen-Methode deutlich hinein in das Volumen des Materials verschoben sind. Für eine nicht thermisch isolierte Oberfläche kann die Oberflächentemperatur gegenüber der im Volumen zu erreichenden Zieltemperatur abgesenkt werden, beispielsweise, um sensible Beschichtungen nicht zu schädigen. Der Grad der Temperaturabsenkung kann durch die Wahl der isolierenden Oberflächenbedeckung bzw. die Einstellung des Wärmeabtransports von der Oberfläche beispielsweise durch einen kühlenden Luftstrom variiert werden. Die konventionelle Erwärmung mittels Heizplatte (analoge Resultate würden mit der Heißluft- und der IR-Behandlung erzielt) führt hingegen zu einer hohen Oberflächentemperatur, zu einer ausgeprägten Temperaturabnahme mit der Tiefe und zu einer deutlich geringeren Aufheizgeschwindigkeit im Volumen. Bei einer Verringerung der Oberflächentemperatur zum Schutz sensibler Oberflächen würde sich die ohnehin schon geringere Erwärmungsgeschwindigkeit des Volumens nochmals verringern.
  • Für die praktische Anwendung ergibt sich meist die Situation, dass eine bestimmte Maximaltemperatur nicht überschritten werden darf, jedoch eine Mindesttemperatur (z. B. die Letaltemperatur für die Schädlingsbekämpfung) erreicht werden muss.
  • Figur 7 zeigt ein Temperaturtiefenprofil für die vier Behandlungsregimes nach Fig. 6. Es werden die vier bereits genannten Verfahren für eine Situation gegenübergestellt, bei der die Maximaltemperatur auf 100 °C begrenzt ist. Dargestellt ist jeweils der Zeitpunkt, zu dem erstmalig an einem Ort die Grenztemperatur von 100 °C erreicht wurde. Da die verfahrensgemäße Zieltemperatur 60 °C betrug, sind zudem die Eindringtiefen markiert, bis zu denen diese Temperatur erreicht wurde.
  • Auch hier zeigen sich wiederum die klaren Vorteile des Radiowellen-Verfahrens unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer verwendeten Leistung von 1 kW (kontinuierlich oder in den Pulsen im Impulsbetrieb). Die Eindringtiefen für die Radiowellen-Erwärmung (13 mm bzw. 17 mm, bezogen auf das Erreichen der Letaltemperatur von 60 °C) waren deutlich höher als die, die bei einer konventionellen Erwärmung mittels Heizplatte (oder analog mit dem Heißluft- oder Infrarotverfahren) erreicht wurden (5 mm und 8 mm für den kontinuierlichen bzw. den Impulsbetrieb). Die dafür benötigten Behandlungszeiten waren vergleichbar. Dies bedeutet gleichzeitig, dass für gleiche Eindringtiefen wesentlich längere Behandlungszeiten für die konventionelle Erwärmung notwendig wären, wenn in einem bestimmten Volumen die Zieltemperatur durchgängig erreicht werden soll. Es sei angemerkt, dass in dem beschriebenen Fall keine Bewegung der Vorrichtung über die zu behandelnde Oberfläche erfolgte. Bei einer mobilen Anwendung müsste die effektive Verweilzeit des Systems an der Position berücksichtigt werden.
    • Ausführungsbeispiel 2: Erwärmung einer Parkettfläche mit einer Doppelkammstruktur
  • Für Demonstrationszwecke wurde eine Holzplatte mit einer Dicke von 20 mm unter Nutzung der in Fig. 8 dargestellten Doppelkammstruktur erwärmt. Für die Elektroden 22, 24 und die Stege 26, 28 wurden bei diesen orientierenden Versuchen Konstruktionselemente aus Stahl verwendet. Der Abstand zwischen den Elektroden 22, 24 betrug zwischen 20 mm und 25 mm.
  • Es wurden ein HF-Generator (Arbeitsfrequenz 13,56 MHz, Maximalleistung 3 kW) und ein elektronisches Anpassnetzwerk (maximale HF-Spannung 4 kV) verwendet.
  • Die Oberflächentemperatur wurde mittels einer IR-Kamera vermessen. In einer Tiefe von 10 mm unter der Holzoberfläche wurden faseroptische Temperatursensoren positioniert, um während der RW-Behandlung eine kontinuierliche Temperaturerfassung zu ermöglichen. Die Positionen der Sensoren relativ zur Elektrodenstruktur (mit x markiert) sind ebenfalls Fig. 8 zu entnehmen.
  • Figur 9 zeigt den zeitlichen Verlauf der Temperaturen in 10 mm Tiefe bei Verwendung der in Fig. 8 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung und unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es sind dies Resultate eines typischen Erwärmungsversuches unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine vorgewählte Mindesttemperatur von 60 °C in einer Tiefe von 10 cm in der Holzplatte überall erreicht wurde. Eine Höchsttemperatur von 100 °C wurde nicht überschritten. Die Oberflächentemperaturen waren deutlich niedriger, wie Aufnahmen mittels IR-Kamera zeigten. Hier war eine mittlere Temperatur von ca. 75 °C bei einer maximalen Oberflächentemperatur von 82 °C zu konstatieren.
  • Es ist davon auszugehen, dass durch eine Optimierung der Elektrodenstruktur und durch spezielle Versuchsregimes (vgl. Ausführungsbeispiel 1) eine noch bessere Homogenität der Temperaturverteilung erzielt werden kann.
  • Die speziellen Versuchsregimes repräsentieren das erfindungsgemäße Verfahren, das durch seine Flexibilität eine erfolgreiche Behandlung sehr unterschiedlicher Praxissituationen erlaubt.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Feststoff
    20
    Elektrodenanordnung
    22a, 22b,
    erste Elektroden
    24a, 24b,
    zweite Elektroden
    26
    erster Steg
    28
    zweiter Steg
    30
    Hochfrequenz-Spannungsquelle
    40
    Abschirmung
    42
    Haltevorrichtung
    50
    Anpassnetzwerk
    60
    Schutzschicht
    A
    Oberfläche des Feststoffs 10
    B
    Oberflächen der Elektrodenanordnung 20
    K
    Kanten der Elektroden 22, 24
    X
    Hauptachse der Elektrodenanordnung 20

Claims (15)

  1. Vorrichtung (100) zur thermischen Behandlung von Feststoffen (10), umfassend eine auf einer Oberfläche (A) eines Feststoffs (10) anordenbare binäre Elektrodenanordnung (20) mit jeweils mindestens zwei elektrisch voneinander isolierten Elektroden (22, 24), wobei die Elektrodenanordnung (20) zwei ineinandergreifende Kammstrukturen umfasst, und die Elektrodenanordnung (20) elektrisch leitend mit einer Hochfrequenz-Spannungsquelle (30) verbunden sind, die dazu ausgebildet ist, an die Elektrodenanordnung (20) eine Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 50 MHz anzulegen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Haltevorrichtung (42) vorgesehen ist, dazu ausgebildet, eine translatorische Bewegung der Elektrodenanordnung (20) entlang der Oberfläche (A) eines Feststoffs (10) zu ermöglichen.
  2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung (100) eine Oberfläche (B) umfasst, die auf der Oberfläche (A) des Feststoffs (10) anordenbar ist, wobei die der Oberfläche (A) des Feststoffs (10) zugewendeten Kanten (K) der Oberfläche (B) abgerundet oder abgeschrägt sind und/oder die Oberfläche (B) zumindest teilweise durch eine Schutzschicht (60) geschützt ist.
  3. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenanordnung (20) zumindest in Teilbereichen perforiert ist und/oder zumindest teilweise von einer elektrisch leitfähigen Abschirmung (26) umgeben ist.
  4. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede der Kammstrukturen einen Steg (26, 28) umfasst, über den die jeweiligen Elektroden (22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f, 24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f) der Elektrodenanordnung (20) miteinander elektrisch verbunden sind, wobei die Stege (26, 28) parallel zu einer Hauptachse (X) der Elektrodenanordnung (20) verlaufen und wobei die Elektroden (22, 22a, 22b, 22c, 22d, 22e, 22f, 24, 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f) senkrecht zur Hauptachse (X) angeordnet sind und die Länge der Elektroden (22, 24) entlang der Elektrodenanordnung (20) variiert.
  5. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend ein Mittel zur translatorischen Bewegung der Elektrodenanordnung (20).
  6. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend eine Regelungseinrichtung zur Regelung der Oberflächentemperatur des Feststoffes (10).
  7. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) ein Adsorptionsmittel zur Aufnahme der aus dem Feststoff austretenden Stoffe aufweist.
  8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei das Adsorptionsmittel mindestens eine der Elektroden (22, 24) direkt berührt.
  9. Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektrodenanordnung (20) mindestens eine Perforation aufweist, die ausgebildet ist, einen Luftstrom zur Kühlung zu führen.
  10. Verfahren zur thermischen Behandlung von Feststoffen (10), folgende Verfahrensschritte umfassend:
    - Bereitstellen einer Vorrichtung (100) zur thermischen Behandlung von Feststoffen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Elektrodenanordnung (20) auf eine Oberfläche (A) eines Feststoffs (10) angeordnet wird, und
    - Anlegen einer Hochfrequenz-Spannung mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 50 MHz an die Elektrodenanordnung (20), wobei ein elektrisches Wechselfeld in dem Feststoff (10) erzeugt wird und durch dieses Wechselfeld eine Erwärmung des Feststoffes (10) erfolgt.
  11. Verfahren nach Anspruch10, wobei durch eine Regelungseinrichtung (70) die Oberflächentemperatur und/oder die Volumentemperatur des Feststoffes (10) geregelt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei durch die Regelungseinrichtung (70) mittels mindestens eines Mittels zur Kühlung der Oberfläche (A) des Feststoffs (10) eine zumindest abschnittsweise Kühlung der Oberfläche (A) des Feststoffes (10) erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, wobei die Elektrodenanordnung (20) entlang der Oberfläche (A) des Feststoffs (10) allgemein translatorisch bewegt wird oder die translatorische Bewegung nicht parallel zu Kanten der Elektrodenanordnung (20) erfolgt.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13, wobei die aus der behandelten Struktur des Feststoffs (10) austretenden Stoffe an einem Adsorbermaterial gebunden werden.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, wobei eine Kühlung der Oberfläche des Feststoffs über einen Luftstrom erfolgt, wobei der Luftstrom vorzugsweise über Perforationen in den Elektroden (22, 24) der Elektrodenanordnung (20) geführt wird.
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