EP3610699A1 - Verfahren und vorrichtungen zur kontaktlosen direkten erwärmung von flüssigkeiten und feststoffen - Google Patents

Verfahren und vorrichtungen zur kontaktlosen direkten erwärmung von flüssigkeiten und feststoffen

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Publication number
EP3610699A1
EP3610699A1 EP18717582.3A EP18717582A EP3610699A1 EP 3610699 A1 EP3610699 A1 EP 3610699A1 EP 18717582 A EP18717582 A EP 18717582A EP 3610699 A1 EP3610699 A1 EP 3610699A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
energy
electromagnetic
electromagnetic energy
unit
generator
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18717582.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Max DIETZ
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Drei Lilien Pvg & Co KG GmbH
Original Assignee
Drei Lilien Pvg & Co KG GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Drei Lilien Pvg & Co KG GmbH filed Critical Drei Lilien Pvg & Co KG GmbH
Publication of EP3610699A1 publication Critical patent/EP3610699A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02Induction heating
    • H05B6/10Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/105Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications using a susceptor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/14Inductive couplings
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02Induction heating
    • H05B6/06Control, e.g. of temperature, of power
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02Induction heating
    • H05B6/10Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/12Cooking devices
    • H05B6/1209Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them
    • H05B6/1236Cooking devices induction cooking plates or the like and devices to be used in combination with them adapted to induce current in a coil to supply power to a device and electrical heating devices powered in this way
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02Induction heating
    • H05B6/36Coil arrangements
    • H05B6/365Coil arrangements using supplementary conductive or ferromagnetic pieces

Definitions

  • the heating or heating of liquids in a container can be done by an external source of energy in the form of an open flame or by an external electric-powered heat source.
  • an external source of energy in the form of an open flame or by an external electric-powered heat source.
  • the container which contains a liquid and / or a solid, has sufficient heat resistance, which usually requires a metallic container wall.
  • an electric heat generator can be introduced into the container to be heated, for.
  • the heater In the form of an electrical resistance heater.
  • the disadvantage here is that the heater must be connected inside the container with a line for power supply. With only temporarily required energy input, this may be impractical, z. B. because the container can not be properly closed by this. So it is impractical, z. As a soup or a hot drink, such as a coffee to keep warm with an immersion heater or keep it tempered.
  • hot drinks such as coffee or tea
  • containers for single use which consist of plastics or cellulosic materials.
  • a disadvantage of this transport form of hot drinks is that such drinks are initially too hot for immediate consumption, then for one, depending on the isolation of the container, short phase have an optimal consumption temperature and then, especially at smaller residual amount very quickly comes to a cooling , whereby such cooled drinks are associated with an unacceptable taste experience.
  • hot drinks have to be drunk relatively quickly and completely in the temperature range acceptable for consumption, or a residual amount which has undergone unacceptable cooling is discarded.
  • the hot drink or a liquid for consumption that is already in a disposable unit remain therein but can still be kept warm or heated therein without requiring immersion of an external electric heat source. It is therefore the object of the following technical teaching and technical drawings to provide a method and devices with which by an electromagnetic energy source liquids and / or solids to be melted and / or solid in any containers contactlessly heated and / or tempered and / or mixed so that the use of special containers is not required.
  • Indirect heating / tempering takes place by heating / tempering a container in which the liquid is located, by means of an externally located energy source, and by means of convection transferring the thermal energy to the liquid.
  • the amount of energy required for this is always and usually much greater than the amount of energy needed to heat / temper the liquid, as part of the energy is not transferred.
  • Another disadvantage is that when using a device that has a certain area of Heated container, it can come at very different amounts of liquid to be heated to the same temperature, at the interface between the heated container and the liquid to overheat, which can be recognized, for example, a formation of boiling bubbles.
  • an adjustable surface temperature of the container used for heating / tempering can not be achieved by means of indirect heating / tempering processes for different amounts of liquid or different containers or heating powers.
  • a direct heating / tempering takes place by introducing a device for heating / temperature control into the liquid contained in a container and to be heated / tempered and connected to an external energy source.
  • a device for heating / temperature control into the liquid contained in a container and to be heated / tempered and connected to an external energy source.
  • the available according to the prior art devices such.
  • As an immersion heater, which are based on the principle of an electrical resistance heater, are not suitable to prevent local overheating of liquids and usually have only a small surface area.
  • the need for a cable connection is a limitation for many applications.
  • the material to be heated is within the electromagnetic field of an AC coil, ie the workpiece or areas of the workpiece are within a closed or semi-open coil or at least in some areas in the immediate vicinity of an open coil with round, semi-circular or even flattened shape.
  • Due to the short range of the alternating electromagnetic field are applications in which an electromagnetic energy field for heating metallic or non-metallic compounds that adsorb electro-magnetic energy in the near field, ie within a few millimeters outside of the electromagnetic coil and where there are no Connection to portions of the coils are, or is not enclosed by the electromagnetic coil in parts, significantly less efficient.
  • the object of this invention to provide a method and apparatus with which an adjustable and controllable heating of Energyaufêtissen that are not in direct contact with an EM energy generator and outside a coil that generates an electromagnetic energy field, and are Thus, near and / or far field of an electromagnetic field energy can be done.
  • the near field is preferably less than 5 mm, more preferably less than 4 mm and more preferably less than 3 mm away from the energy generator, while the far field is preferably at a distance to the energy generator of more than 10 cm, more preferably more than 4 cm and more preferably more than 5.1mm.
  • EM electromagnetic
  • EM energy absorbers objects or compounds which can adsorb the applied electromagnetic energy and which are subsequently referred to as EM energy absorbers are heated / heated by the adsorption of the electromagnetic energy, which is passed through at least one separation layer to one or more energy generator (s). Electromagnetic energy (EM energy source) are separated and have only one or more points of entry to one or more EM energy provider (s) / have. Furthermore, the heating and temperature control of energy absorbers according to the invention can take place up to a contactless distance of at least 4 cm, more preferably of at least 6 cm and more preferably of at least 10 cm.
  • Preferred is a method in which the EM energy field of the near and far field of the energy emitter, which causes a measurable heating of an energy absorber, is in a range between 3 mm and 10 cm above the energy delivery surface of an EM energy generator.
  • a method for the direct and contactless induction current heating of liquids and / or fusible solids and / or solids which is characterized by an EM energy generator unit and an EM energy absorber element, which is contactless in a liquid or a fusible solid in a container made of glass, ceramic, a plastic or cellulosic materials, which is located in the electromagnetic near and / or far field of the energy generator unit is located.
  • An advantage of the method is that a heating / tempering directly in a liquid or directly on a solid and thus can be done directly.
  • Preferred is a method for direct and contactless heating / temperature control of liquids and / or solids.
  • Ferritic materials consist of a cubic-body-centered lattice structure of pure iron and its mixed crystals. Workpieces made of ferritic material, referred to below as ferrite or ferrite body, are obtained by a sintering process. They have paramagnetic and / or ferromagnetic properties. Due to the very good adsorption of electromagnetic energy, they are used to shield electrical lines, which can reduce or eliminate emission of an electromagnetic energy field. Surprisingly, it has been found that ferrites are particularly suitable for generating and concentrating an electromagnetic energy field, whereby a directed delivery of the focused energy field in a near and far field of one is possible.
  • Preference is given to a method in which a generation and bundling of an electromagnetic energy field takes place with a ferrite, and an emission of the bundled energy field takes place in a near and far field.
  • the concentrated electromagnetic energy field is capable of inductively heating adsorption materials.
  • Preference is given to a method in which a ferrite for generating and bundling an electromagnetic energy field and emission of the bundled energy field is used and in which an inductive heating of an energy absorber takes place through the concentrated electromagnetic energy field into a near and far field.
  • Preferred is a method in which a ferrite is used as a coil core for the generation and emission of an electromagnetic energy field for inductive heating of an EM energy absorber in a near and far field of the EM energy generator.
  • the use of an EM energy generator is a preferred process element.
  • EM energy generator consisting of a ferrite and an electrical conductor, also referred to as RF induction coil.
  • films and / or thin slices of adsorbent materials which are connected via a thermally conductive bonding layer, which does not lead to the adsorption of electromagnetic energy, with a suitable material for heat release, creating an adsorption-free gap space, for an energy-efficient process execution are particularly well suited.
  • the use of films and discs of adsorbent material is an essential process element.
  • the invention is therefore based on various process elements, which lead to the embodiment of the invention and to particularly advantageous embodiments of the invention.
  • the method elements according to the invention, inventive materials / components, and inventive arrangements of the materials / components and the integrative function / function control of the materials / components are therefore based on various process elements, which lead to the embodiment of the invention and to particularly advantageous embodiments of the invention.
  • Another aspect of the invention, or another method element relates to the arrangement of the components of the energy generator unit and the Energyberger choirelements.
  • the method may be practiced without physical contact between the EM energy generator unit, which is outside of a liquid medium, and an EM energy pickup element that is in a liquid medium.
  • Induction current heating unit includes the 2 main process elements, or main components: 1. EM energy generator unit and 2. EM Energyberger fielement. In the following, they are singularized, but one or both of the main components or other components may also be present in 2 or more times in an induction current heating unit.
  • an EM energy absorber element is effected by an electromagnetic energy field which is provided by an EM energy generator unit.
  • an EM energy generator unit In the simplest embodiment, the latter consists of a conductor of electromagnetic energy (core) and a coil wound therefrom of an electrically conductive material / wire (coil). In the following, this arrangement is also referred to as RF coil. Such an arrangement can both generate and adsorb electromagnetic energy.
  • an arrangement of a core and a coil according to the present invention with which an electromagnetic energy field is generated and emitted will be called an EM energy generator, and such an arrangement with which an electromagnetic energy field is adsorbed and converted into an electric energy will be described HF induction coil referred to or induction current generator, if in addition electronic components for generating a DC voltage present, or are connected thereto.
  • the required for heating / heating of the energy absorber electromagnetic energy field is produced by the RF coil of the EM energy generator is supplied with a high-frequency electrical AC voltage, d. H. is coupled in an RF voltage resonant circuit and closes it.
  • the resulting magnetic field of the RF coil generates an eddy current in / at the core, which bundles and directs the electromagnetic energy field and thus becomes the electro-magnetic conductor.
  • the electromagnetic energy field required for energy transmission arises at the pole ends of the electromagnetic conductor.
  • the core material that can be used for an EM energy generator can in principle be any element or compound that allows conductivity of electro-magnetic energy. Preference is given to materials that allow the induction of an eddy current and thereby have a low heating of the material (power loss).
  • the compounds may consist of or include the following elements, such as silver, copper, gold, iron, aluminum, brass, chromium, stainless steel, lead, tungsten, tin, zinc, gadolinium or indium. It has been found that ferritic material can be used in a very advantageous manner as the conductor of an electromagnetic energy field. In a preferred embodiment, ferrites are used as the core material.
  • ferrites with additives such as manganese-zinc ferrites (Mn a Zn (i_ a ) Fe 2 0 4 ) or nickel-zinc ferrites (Ni a Zn (i_ a ) Fe 2 0 4 ).
  • the core can in principle have any shape. Preferred is a straight rod shape. More preferred is a U-shape of a rod, tube or molding. Further particularly preferred are molded parts with an E-shape or so-called shell cores. Most preferred is an arrangement of shell cores with protrusions consisting of ducts or webs or cylindrical or polygonal, with different diameters, and which can be provided with the same or each with a different coil. In a particularly preferred embodiment, such an arrangement is achieved by ferrite moldings. Particular preference is given to ferrites which have at least one base and one projection.
  • Preference is given to coil cores which have a layer-like or shell-like arrangement. Preference is given to EM energy generators which have a plurality of core coils.
  • the electrical conductor of the coil is preferably made of a material which has a high electrical conductivity, at the same time low resistance in the passage of a high-frequency alternating current.
  • the metals are preferably silver, copper, aluminum or compounds with these metals. Particularly preferred is copper.
  • the electrical conductor can be made as a wire or tape or foil. There is no electrical contact between the core and the coil.
  • the electrical conductor is sheathed with a preferably thin insulating layer. Particularly preferred is a jacket with an insulating varnish.
  • the insulated wires are grouped into bundles which may be in parallel arrangement or intertwined. Such materials are also known as HF stranded wire.
  • the coil may consist of a wrap of the electrical conductor or of a plurality of convolutions arranged one above the other.
  • the material thickness of the conductor and the Umwindungsress depend on the application and are to be aligned to the strength of the required electro-magnetic energy field.
  • the conductor is connected to both ends of the RF alternator.
  • Preferred is the use of an EM energy generator having a core of a ferrite and a coil of an RF strand.
  • One aspect of the invention relates to the improvement of the energy efficiency of an inductive heating / heating process possible by a preferred method embodiment.
  • a higher thermal energy input into one of the EM energy sensor elements according to the invention using identical setting parameters of a high-frequency current generator with a method embodiment according to the invention than is possible with a device and a method according to the prior art.
  • the spatial arrangement of the elements / components of the EM energy generator is of great importance.
  • the high energy transfer performance was carried out via the end surface plane of the one or the plurality of strip (s) / web (s) / ring (s), which in the case of a shell or the presence of a base on the opposite side of the shell bottom or the base plane is / are located, as far as an arrangement of the EM energy absorber existed that a possible surface parallel alignment to the end surface plane, which is also the EM energy release level, was present.
  • the energy transfer performance could thereby be increased by at least 100% compared to a test setup with the same electrical conductor and an identically shaped winding and orientation of this winding, but without using a ferritic material, using the identical settings of the energy generator unit . It was then found that the transmittable amount of energy disproportionately compared to one identical arrangement of an electrical conductor, but without the use of a ferritic component, can be increased by the electrical conductor describes more than one turn around one or more of the strips / webs / rings and / or portions of a shell, provided that they are made of a ferritic material consist.
  • the spatial orientation of the one or more RF coil (s), which in a ferrite body, such as a shell core, has no effect on the amount of energy that can be emitted in the energy delivery range of the EM energy generator. It has then also been found that even when using fewer such turns of one or more electrical conductors, no further increase in the amount of transmissible electromagnetic energy can be achieved. Therefore, the required length of the electric conductor required for carrying out the inventive process execution can be reduced to a minimum while improving the transmission of electromagnetic energy, which is particularly converted into heat energy.
  • Preference is given to a method in which an electrical conductor with ⁇ than 20 turns is placed around at least one strip / web / ring and / or a shell portion of a shell core, or a base of the ferrites of the EM energy generator.
  • Such coils consist of a flat and spirally arranged winding of a multifilament copper wire strand with a wire cross-sectional diameter between 2.5 and 5 mm 2 .
  • the wire cross-section diameter of such coils was greater than that of the electrical conductor in the EM energy sources.
  • the EM energy generator according to the invention had a significantly smaller diameter, which accounted for only 1/3 of the surface of the energy absorber.
  • the EM energy generator according to the invention consisted of ferrite pot cores, which had an E-type or as a closed shell core with one or more herein projections in the form of one / more strips / webs (s) or rings (n) were present.
  • the internal power dissipation can be determined be determined by a determination of the flowing current of the HF voltage transmitter is recorded during an unloaded operation of an RF resonant circuit with an electrical conductor.
  • the extent of internal power dissipation depends on numerous factors, such as the geometry of the electrical conductor or the excitation frequency of the resonant circuit and must be determined individually. It has also been found that the internal power dissipation can also change during transmission of an electromagnetic energy field with respect to the internal power loss that exists without transmission of an electromagnetic energy amount.
  • Preferred is a method in which the internal power dissipation is not increased or decreased during transmission of electromagnetic energy by an EM energy generator.
  • Preferred is a method in which the energy efficiency is increased in an inductive heating.
  • Preferred is a method for reducing the internal loss line of an electrical RF resonant circuit.
  • bundling of the electromagnetic energy field is achieved with an EM energy generator produced according to the invention, wherein the radiation plane is parallel to the plane of completion of a / a bar / web / ring of the ferrite, in which at least one wrap of an electrical conductor is executed is, or is located parallel to the surface of the opposite side of a shell core.
  • a bundling of the electromagnetic energy field can be achieved, in particular, if a ferrite body / ferrite component, comprising a base and a projection projecting therefrom, whose lateral boundary is an angle of 45 to 135 ° to the base describes exists.
  • a projection hereinabove, a protrusion originating from the level of the base of the ferrite body / ferrite member is referred to. This can have any geometry.
  • a base may have any geometry, such as a disk or a block.
  • Preferred is a flat embodiment in the sense of a plate or disc. This may have any surface geometry, preferably a round or square-cornered design.
  • the base can also be made in the surface geometry that is to correspond to the geometry of the desired electromagnetic energy field in an individual application. It has been found that when an RF coil describes at least one turn around the base or protrusion, the beneficial effect of focusing the emitted electromagnetic energy field occurs and the collimated electromagnetic energy field is emitted from the region of the protrusion.
  • bundling can also be produced in particular by the fact that a ferrite / ferrite component consists of a base and at least 2 protrusions, which depart from the same side of the base at an angle between 45 and 135 ° from the base, and at least a portion of the base or outgoing cantilever is / are enclosed at least once by the RF coil. It has been found that the bundling of an electromagnetic energy field can be further increased if the base of a ferritic body / component is designed in the form of a shell.
  • an improvement in the bundling of the electromagnetic energy field could be documented by one or more protrusions (s) emerging from the base at an angle of 45 to 135 degrees from a base and located within a half shell or a solid shell.
  • the protrusions referred to herein are preferably ledges or ridges or rings or other shaped protrusions extending from the base.
  • an increase in a bundled electromagnetic energy transfer power has been found when an RF coil was placed around one or more of the cantilever (s). It has been found that there is a concentration of the electromagnetic energy emitted in the portion of the ferrite body / ferrite member bounded by the projections within which the base and / or one of the projections is wound around a coil at least once.
  • the radiation plane of the electromagnetic energy field is located on the opposite side to the base.
  • the electromagnetic energy field is located outside of the ferritic component.
  • the top of the highest outgoing from the base highest projection represents thereby the beginning of the near field of the EM energy generator.
  • an EM energy generator consisting of a ferrite, wherein at least one / a bar / web / ring, in the sense of a projection / extension, which is preferably arranged perpendicular to a base, and at least one (e) further (r ) Strip / web / ring, preferably with a vertical arrangement, is connected to the base / are.
  • it is a U-shape. More preferred is an E-type.
  • Further preferred is a partially closed shell design. Even more preferred are half shells with an enclosing, with respect to the base vertical boundary within which at least one / a bar / web / ring is arranged.
  • the emerging at the radiating surface electromagnetic energy field describes, for example, a rectangular to oval exit surface in a U- or E-design and a round exit surface in a round shell core.
  • the outer vertical boundary of the base can have any geometry, which is for example round or square. It is preferred that on the basis of 2 or more strips / webs / rings, which are arranged in the same manner as described above, are present.
  • coil core shells with a closed, ie not interrupted by a recess base and a closed shell edge or in which the base, partially open and / or the shell edge is partially open, in which a bundling of electromagnetic energy, which is located through a within the coil core RF coil is generated, and preferably> 75%, more preferably> 80%, more preferably> 85%, more preferably> 90%, more preferably> 95% and even more preferably> 98% of the generated electromagnetic energy field from the radiating surface enters a near and / or far field.
  • Preferred is a method in which an electromagnetic energy field is focused and emitted into a near / far field and is adsorbed by an EM energy absorber in the bundled form in the near / far field and converted into a thermal energy.
  • Preferred is a process embodiment in which the EM energy absorber is in a liquid medium.
  • a device is preferred in which an electromagnetic energy field is focused and emitted into the near / far field and is adsorbed by an EM energy absorber in the bundled form in the near / far field of the EM energy generator and converted into thermal energy.
  • the EM energy generator consists of only one coil. This can have only one turn in the simplest case.
  • the EM energy delivery region is located predominantly in the region of the coil, so that in this case a container or a part of a container in which the energy absorption element is located is enclosed by the coil.
  • an energy generator is used which consists of a core and an RF coil as described above.
  • the RF coil continues over the energy delivery surface of the core or becomes another RF coil arranged above the energy delivery surface of the core. In this case, it is advantageous if the container or part of the container in which the energy receiving element is located, the energy delivery range is approximated and is simultaneously enclosed by the RF coil.
  • an EM energy generator unit also referred to below as the EM energy delivery unit, which in the simplest case is composed of an EM energy transmitter, an HF alternating voltage generator and a voltage transmitter, together with the electrical connection.
  • the EM energy generator unit includes a high frequency (RF) AC generator of the prior art.
  • the AC frequency should be adjustable between 10 kHz and 5 MHz.
  • alternating frequency ranges are between 10 and 1,000 kHz, more preferably between 50 and 750 kHz, and most preferably between 80 and 450 kHz.
  • the EM energy generator unit also includes a voltage generator / power supply for providing the electrical voltage of the HF alternator.
  • the power supply and the HF alternator are electrically connected to each other, there are also connections to a module for measurement and control technology, about which the setting parameters, such as voltage and maximum possible current flow (A) / power consumption (W) can be set.
  • the power consumption can be between 1 W and 10 kW, preferably between 10 W and 4000 W, more preferably between 20 W and 1000 W and more preferably between 30 W and 500 W.
  • the voltage and current to be applied depend on the strength of the electromagnetic field to be induced and are to be determined for the individual application and specification of the EM energy generator.
  • the energy generator unit contains a device for receiving and transforming radio signals, referred to hereinafter as RF radio receivers, which are preferably located in the radio frequency range (RF).
  • the RF radio receiver unit may be composed of an RF radio antenna and an associated RF radio receiver of the prior art.
  • the terms RF radio receiver and RF radio receiver unit are also used synonymously herein.
  • the object of this radio receiver unit is to convert the temperature readings sent via the radio transmitter of the EM energy pickup element, but also other measured values, into a digital or analog signal and to use it for a measuring and control technique that takes place in the module for measurement and control technology close.
  • the signal output is connected to the measuring and control module described below.
  • an EM energy delivery unit which includes a device for receiving RF radio signals for transmitting the measured with the EM Energyaufdorfelement temperatures and / or other measured values.
  • the EM energy generator unit comprises a measurement and control technology.
  • this has the task to control the amount of energy that is emitted from the RF voltage generator to the RF AC generator and / or from this to the EM energy generator.
  • this can be used to ensure and monitor an adjustment of the temperature to be achieved with the EM energy absorber in the liquid or solid to be heated. This object is achieved by using a module for measurement and control technology from the prior art.
  • the module for measurement and control technology is preferably connected electrically between the RF voltage generator and the HF AC generator.
  • the measurement and adjustment parameters are transmitted via an electrical connection to a display unit, in the form of a digital or analog signal.
  • display units are known in the art and z. B. in the form of an LED display available.
  • the display unit may be mounted on the outside of the energy transmitter unit or in the course of the power supply or to an external operating voltage generator.
  • the temperature to be reached or kept constant or the temperature range can be adjusted by the module for measuring and control technology and the temperature setting can be made by this automated.
  • modules are known in the art.
  • the visual display unit is provided with a digital or manual control. The task of this control is to be able to make setpoint settings of different parameters.
  • the control is electrically connected to the module for measurement and control technology. Examples of such controls are known to those skilled in the art. Which parameters can be set depends on which components were included in the EM energy receiving element as well as in the EM energy delivery unit.
  • the temperature of the liquid / solid in which the EM energy absorption element is located and / or at least the temperature of the EM energy absorption element and / or at least the rotational frequency of the energy absorber. It is particularly advantageous if additional parameters for a processor-controlled regulation of the energy output of the energy generator can be set. Thus, it may be advantageous to limit the temperature which is to be present in the interior or on an outer surface of the EM energy absorbing element or to limit it to minimum and maximum values and / or to set a defined temperature. It is also advantageous to determine the increase in the temperature of the liquid / article to be heated with the EM energy sensor, as well as the temperature to be reached or maintained.
  • a control of the rotational speed of the EM energy absorption element is particularly advantageous.
  • conditions or time and function sequence protocols dependent on the setting parameters can be predetermined and controlled by an integrative control technique.
  • the control parameters are the duration of the energy output, protocols for the temperature profile, minimum and maximum temperature values.
  • Preference is given to an EM energy delivery unit with a measurement and control technology that adjusts the EM energy release in a feedback-controlled manner.
  • the control unit consisting of the measuring and control module and the control element and the display unit, then regulates the power supply for the EM energy generator in dependence of predetermined or adjustable temperature ranges.
  • the EM energy output of the EM energy generator can be regulated so that preset temperature values that are to be present at the EM energy receiver and / or the heat transfer body and / or the surrounding liquid can be set (desired temperature).
  • an EM energy delivery unit which has a measurement and control technology for the automated adjustment of the EM energy release and for adjusting the temperature of the liquid to be heated / heated and / or a solid.
  • the EM energy delivery unit includes a magnetic rotation device for generating a movable magnetic field.
  • the object of the movable magnetic field is to magnetically bond magnetic or magnetizable regions of the EM energy-receiving element and the EM energy receiving element, for. B. in the form of a rotation to move.
  • this is accomplished by a mechanical magnetic rotation device in which one or more magnets or magnetizable regions are mechanically circularly moved.
  • permanent magnets or induction magnets can be used.
  • the poles should be located just under the bearing surface for the receptacle housing the energy absorbing element.
  • the magnets or magnetizable regions are placed to be used for the movement of the EM energy absorption element around the EM energy generator. If a permanent magnet is used, it can be used in a C-shape with the center of the axis of rotation at the geometric center of the EM energy delivery area and the pole ends directed against the bearing surface of that area.
  • the EM energy delivery range herein is meant the range that is above the range of the EM energy donor that is effectively usable for electro-magnetic energy delivery.
  • the pole ends frame the EM energy generator and the center piece, which may also consist of a non-magnet, is located below the energy generator.
  • the magnetic device which is rotatably mounted on a bearing at the center of the axle, is then rotated by means of an electrical drive unit using techniques known from the prior art.
  • the electric drive is connected via a cable system with the control unit and a DC generator. This is where the power supply and the controller take place.
  • the magnetic rotation of the energy absorbing element is effected by an electromagnetic rotating device in which a movable electromagnetic field is produced by electromagnets.
  • an electromagnetic rotating device in which a movable electromagnetic field is produced by electromagnets.
  • electromagnets Such can be achieved by a geometric arrangement of electromagnets, which are driven in alternating sequence.
  • Such devices are known in the art and preferably have at least 3, more preferably at least 4, and more preferably at least 5 magnetic coils whose pole pieces have a concentric arrangement around the EM energy generator.
  • the solenoids are equipped with a control unit located inside or outside the EM Energy delivery unit can be located, connected by a cable plant. On the one hand, this control unit supplies direct current for the magnet coils and, on the other hand, ensures a consecutive actuation of the magnet coils.
  • the pole shoes are preferably aligned towards the EM energy delivery region of the energy delivery unit. It is preferred that the pole pieces be placed outside the EM energy delivery area, around the EM energy generator, under the support surface for a container.
  • passage openings for receiving previously-mentioned pole shoes, which are placed therein and terminate with the surface of the EM energy generator are located in the EM energy transmitter. These passage openings are arranged so that hereby a rotating magnetic field is made possible.
  • the rotational frequency of the energy absorber / energy absorption element can be adjusted with the control unit.
  • An adjustment preferably takes place via a digital display and preferably with the same display with which the temperature is also controlled and monitored.
  • Setting parameters here are, for example, the revolution frequency, protocols for revolution frequency patterns, including the minimum and maximum frequencies or the duration of the operation.
  • a movable magnetic field generated by an EM energy generator unit for rotation of one or more EM Energyberger choirelement (s).
  • a direct-current power source is used to supply energy to the electromagnetic energy generator unit. It may be z. B. to a power source in a motor vehicle or an electronic device such. A computer. Suitable electrical connections are known to the person skilled in the art.
  • the power supply terminal of the energy generator is designed in the form of a standardized plug-in contact, so that either a power supply terminal that connects to a DC voltage source, as well as a power supply terminal that allows connection to an AC power source can be made.
  • a DC voltage known from the prior art direct current generator which may be located directly on the connector or in the course of the conductor cable.
  • the housing of the energy transmitter unit consists of a plastic which is known from the prior art. Examples of these are acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) or polymethyl methacrylate (PMMA). Housing can be produced by known casting and molding techniques.
  • ABS acrylonitrile-butadiene-styrene
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the outer casing shape is cylindrical.
  • the diameter is preferably 0.2 mm, more preferably 1.0 mm and more preferably 1.5 mm smaller than the diameter of a cup or Be Zelleraufillons, which is in a motor vehicle of any make and any car brand or of a truck.
  • the energy transmitter unit can be placed in beverage holder depressions so that it can not slip.
  • Containers for holding liquids such as paper cups for hot drinks, often have, for Purpose of spacing the vessel bottom to rest a circumferential edge extraction in the extension of its outer shell, hereinafter referred to as Bodenabstandshalter.
  • the housing of the EM energy generator unit is shaped such that it protrudes wholly or partly into the depression formed by such a bottom spacer so that there is direct contact between the upper boundary of the housing of the EM energy delivery unit and the container bottom , This reduces a loss of inductive energy.
  • the stability of the erected container is increased.
  • an EM energy delivery unit having an outer shape that allows for direct contact therebetween and a vessel bottom on which the EM energy acceptor element is located.
  • EM energy delivery units which have a topside shape that corresponds to an inverse mold imprint of disposable cups and containers.
  • the EM energy delivery unit may have any shape and dimension determined by the location of use and the energy delivery capacity.
  • a flat shape configured in a round or square geometry is preferred. Rectangular geometries are advantageous in particular when a plurality of EM energy delivery units are integrated in a common housing in order to simultaneously and / or independently heat and, if necessary, move EM energy absorption elements.
  • the contact surface to be heated container to choose as big as the container itself is.
  • the construction height of the EM energy delivery unit is to be limited to the requirements, preferably to a height of ⁇ 10 cm, more preferably ⁇ 8 cm and more preferably ⁇ 3 cm. This can be achieved by arranging several EM energy donors or EM energy donor systems next to each other. In these cases, one or more EM energy absorption element (s) can be inserted into the container to be heated.
  • the bearing surface of the EM energy dispensing unit is large enough to accommodate one or more commercial cooking pots.
  • the housing should ensure sufficient stability, eg. B. by the use of a metallic floor and border area and the use of a ceramic plate for the container installation.
  • This device is particularly suitable for containers made of cellulose, plastic, ceramic or glass.
  • the use of the induction current heating unit for heating and / or tempering hot beverages and ready meals is preferred.
  • the EM energy absorber element according to the invention preferably consists of at least 2 of the following components which are to be arranged in a preferred arrangement:
  • one or more of the components can also be contained / arranged several times. More preferred are EM energy acceptor elements containing at least 3 of the aforementioned components, more preferred are EM energy acceptor elements that are at least 4 of the aforementioned components, and most preferred are EM energy acceptor elements that contain all of the aforementioned components.
  • the EM energy absorber refers to an area / section in which adsorption of electromagnetic energy, an applied electromagnetic energy field, occurs and this is converted into thermal energy.
  • the applied electromagnetic energy field herein is the energy field provided by one of the EM delivery units of the present invention. Since electromagnetic energy fields that have arisen due to a different excitation, physically different, which is suitable for adsorption of an applied electromagnetic field and its conversion into a thermal energy material that allows an optimum of adsorption and conversion to determine under the given process conditions.
  • the pure substances and combinations which are suitable in principle include silver, copper, gold, iron, magnetized iron, aluminum, brass, chromium, stainless steel, lead, tungsten, tin, zinc, nickel, gadolinium, indium, cobalt, chromium, vanadium, molybdenum or other elements or compounds without being limited thereto. Furthermore, admixtures can be contained which do not adsorb electromagnetic energy.
  • the aforementioned compounds can be used in various aggregate forms. These can be present in the form of very small particles, granules in free or complexed form, but also be joined together by sintering, pressing or fusion methods to form compact structures.
  • magnetic-wave adsorbing particles they can be introduced into any matrix.
  • Such a z. B. be liquid, such as an oil, or in particulate form. More preferred is a complexation that makes intimate contact with the non-magnetic wave adsorbing compounds to ensure good heat transfer. This can be z. B. by introducing the magnetic wave adsorbing compounds in a solution with organic monomers and subsequent initialization of a polymerization reaction.
  • an EM energy absorber according to the invention can be used for a highly advantageous embodiment of the method.
  • the preferred near / far field is in a liquid medium.
  • the preferred transfer surface ⁇ 5cm 2, more preferably ⁇ 3cm 3, more preferably ⁇ 1cm. 2 It has been found that the arrangement and use of an inventive EM energy absorber consisting of one or more films or thin disks is outstandingly suitable for the adsorption of the bundled electromagnetic energy field.
  • the adsorption materials which are preferred for the method embodiment have an outstanding thermal conductivity in one of the configurations or arrangement forms according to the invention.
  • films of natural graphite by far the highest lateral thermal conductivity which is preferably> 100 W / (mK), more preferably 150 W / (mK), more preferably> 200 W / (mK).
  • the lateral heat conductivity of a tinplate is considerably lower.
  • the films / sheets according to the invention, which are used for adsorption and conversion of an electromagnetic energy field are arranged in such a way that optimum adsorption of the electromagnetic energy field as well as conversion into thermal energy and optimal lateral heat conduction takes place.
  • an aluminum foil or a tinplate is preferably combined with a graphite foil or graphite plate.
  • the thermal conductivity capacity achievable with graphite foils or graphite plates is excellent for rapidly conducting and releasing the thermal energy generated at / with the EM energy absorber to all areas of a heat transfer body that are at a significant spatial distance to the EM energy absorber or to the location of the adsorption of the electromagnetic energy and conversion into thermal energy can be located.
  • the spatial distance referred to herein is preferably> 1 cm, more preferably> 3 cm, more preferably> 5 cm, even more preferably> 10 cm and even more preferably> 15 cm.
  • thermocamera In further investigations it could be documented by means of a thermocamera that nonetheless an adsorption of the electromagnetic energy takes place only on a small area, a surface heating of EM energy absorbers consisting in particular of foils (aluminum, tinplate or graphite) takes place. Such films allowed for rapid lateral heat transfer and were heated in a liquid medium as a whole workpiece, although the energy transfer was limited to a range that made up about 30% of the total area of the films.
  • the EM energy absorber is produced from one or more films / disks of one or more adsorption materials which allow adsorption of electromagnetic energy.
  • EM energy receivers consist of one or more films / disks of one or more adsorption materials which enable adsorption of electromagnetic energy.
  • the preferred adsorbent materials include aluminum, tinplate, and graphite, which are in the form of a film or disk.
  • the graphite sheets may be high density or lightweight natural graphite or synthetic film and composite materials.
  • the preferred graphite content is> 50% by weight, more preferably> 60% by weight, more preferably> 70% by weight, more preferably> 80% by weight, more preferably> 90% by weight and even more preferably> 95% by weight.
  • Aluminum foils / slices may be rolled or cast aluminum or an aluminum alloy.
  • the preferred aluminum content is> 50% by weight, more preferably> 60% by weight, more preferably> 70% by weight, more preferably> 80% by weight, more preferably> 90% by weight and even more preferably> 95% by weight.
  • the preferred tinplates which are herein subsumed under the term "slices", have low ferromagnetism and are in the form of an alloy in which the alloy preferably consists of tin, chromium or chromium oxide or zinc at a variable ratio is an alloy with a layer thickness of> ⁇ , more preferably of> 3 ⁇ and more preferably of> 5 ⁇ .
  • the preferred films herein have a thickness and a composite structure that allows for easy and kinkless formability of such films.
  • the preferred material thicknesses are in a range between 20 ⁇ and 2.5 mm, more preferably between 50 ⁇ and 1mm, more preferably between ⁇ and 500 ⁇ .
  • the preferred and preferred discs herein are rigid unlike the slides herein. Nonetheless, the discs can be easily bent without kinking using prior art methods, so that different geometries can be produced.
  • the preferred material thicknesses are in a range between 250 ⁇ and 4 mm, more preferably between 500 ⁇ and 3mm, more preferably between 800 ⁇ and 1.5mm.
  • the number of foils / disks of which an EM energy absorber is composed or can be combined is freely selectable and depends on the conditions of use.
  • an EM energy delivery unit and an EM energy absorption element can be designed so that the EM energy absorption, which takes place for heat generation, takes place only at one or more points of the energy absorption level and other functional elements / functional units are present in the area of this level / area.
  • the surface referred to herein as an EM energy receiving surface is the surface of the EM energy receiving element facing the EM discharge surface of the EM delivery device in the process implementation.
  • the proportion of the surface of the EM energy absorber > 20%, more preferably> 40%, more preferably> 60%, further preferably> 80% of the total area of the EM energy absorption surface of an EM energy absorption element.
  • This embodiment is particularly advantageous when the EM energy absorbing element is to be heated quickly and to a high temperature (eg> 60 ° C).
  • a high temperature eg> 60 ° C
  • no area proportion of the EM energy absorber is selected, which is advantageous, for example, when the EM energy delivery unit only has a correspondingly small area in which a delivery of electromagnetic energy takes place.
  • the area fraction of the EM energy absorber is ⁇ 50%, more preferably ⁇ 40%, more preferably ⁇ 30%, more preferably ⁇ 20% and even more preferably ⁇ 10% as the total area of the EM energy absorption surface of an EM - Energy absorption element.
  • uniform heating of even a large-volume energy absorber or portions thereof, which are located in the far field of the electromagnetic energy field of the EM energy generator, achieved by in areas of the EM energy absorber located in the electromagnetic near field of EM - are energy generator, the magnetic wave adsorbing compounds consist of complexes of magnetizable compounds that have lower electromagnetic ad- pass properties, as the compounds that are located in the electromagnetic far field.
  • Such elements and compounds are known in the art. Examples of these are zinc, nickel, cobalt or gadolinium. Examples of compounds that limit the power loss and thus the heating temperature, z. B. in ferrites lead, for example, Zn x Fe 3 . x 0 4, Nii_ x Zn x Fe 2 0 4 or Coi. x Zn x Fe 2 0 4 .
  • the spatial arrangement / orientation which allows such uniform heating, is complied with. If the EM Energyetz termeelement is placed manually, it may be sufficient to identify the side of the EM energy absorption plane / surface or a portion of this. If self-alignment is desired after incorporation of the EM energy absorbing element into a liquid, the self-alignment of the energy absorbing unit can be effected by having regions of different mass weights and / or different densities in one type of energy absorber, resulting in a descent of the EM Energyauf fielements in a liquid, it comes to a sel nst alignment, which causes this preferably comes up with the side of the EM energy absorption level on a support.
  • z As a compression of the magnetic wave adsorbing compounds used or a surcharge of Low mass compounds (eg, polymer compounds or air) are made. Different geometries of the EM energy absorption unit can accelerate the self-alignment (eg hemispherical shape in conjunction with a flat bottom).
  • Low mass compounds eg, polymer compounds or air
  • EM energy receivers or EM energy absorber elements made of different magnetic wave adsorbing compounds and / or compositions or containing gates with different magnetic wave adsorbing compounds.
  • EM energy receivers or EM energy absorber elements made of different magnetic wave adsorbing compounds and / or compositions or containing portions with different magnetic wave adsorbing compounds resulting in uniform adsorption of the electro-magnetic energy of an EM energy absorber , which are located in the near and / or far field of an electromagnetic energy field leads.
  • the EM energy absorber is connected to components which allow a rapid dissipation of heat.
  • These, hereinafter called heat transfer body may also consist of magnetic-wave adsorbing compounds or non-magnetizable substances.
  • these heat transfer bodies are connected in a heat-conducting manner to the EM energy absorber at at least one point.
  • Suitable materials are known in the art and include elements as well as compounds which have a thermal conductivity preferably of 50 W (nr K), more preferably of 100 (nr K), and more preferably of 150 W (nr K).
  • the design of the largest possible surface of the heat transfer body is advantageous in order to increase the amount of heat released, but also the heat transfer surface of the energy absorbing element.
  • the amount of heat released per unit time can be increased by preferably 100%, more preferably by 300% and more preferably by 600% in relation to a heat release which can be ensured solely by the EM energy absorber.
  • an EM energy absorber element in which an EM energy absorber is connected in a heat-conducting manner to a heat transfer body and the resulting heat is conducted away or passed on through the heat transfer body.
  • a mass of the EM energy absorbing element is between 1g and 1,500g, more preferably between 10g and 300g, and more preferably between 20g and 150g.
  • the heat transfer body can in principle have any external shape. But are preferred forms or geometries with which the largest possible outer surface is achieved. Preferred dimensions of the heat transfer body of 1 x 1 x 0.5 cm to 50 x 50 x 50 cm.
  • the shape and dimensions of the EM energy absorbing element should be adapted to the particular application. Preferred are conical or disc shapes. For other applications, bar shapes may be more suitable, especially if additional mixing of the liquids is desired. However, star or lattice forms are also preferred.
  • Another preferred embodiment of the energy absorber is the production of aggregates, for example in the form of interconnected lamellae, which can then be manufactured in a 3-dimensional arrangement, for example as a cubic or other geometric shape.
  • the fins may themselves be suitable for inductive energy absorption or consist of a good heat-conducting material to increase the energy delivery surface.
  • the EM energy absorbing surface should be adapted to the respective application and EM energy delivery device. Preferably used are top / contact surfaces between 1cm 2 and 1.000cm 2, more preferably between 5 cm 2 and 500 cm 2 and more preferably between 15cm and 300cm 2. 2 Smaller and larger areas are also applicable in special cases.
  • the heat transfer body contains tubes or other cavities communicating with each other on at least two sides.
  • gap formation / gap formation occurs between an EM energy absorber and a workpiece, such as a workpiece.
  • a heat transfer body which is preferably filled with a heat transfer material, so that a gap / gap space between an EM energy absorber and a workpiece / heat transfer body is made, preferably> ⁇ , more preferably> 150 ⁇ , more preferably> 200 ⁇ , more preferably> 250 ⁇ , more preferably> 300 ⁇ and even more preferably> 400 ⁇ amounts, It has been shown that such a sufficient space to allow an unrestricted absorption of the electromagnetic energy and its conversion into thermal energy through said film / disc.
  • thermal conductivity materials which produce a preferably full-surface heat-conductive composite between an inventive EM energy absorber and a heat transfer body and thereby a gap between the two bonding surfaces of preferably> ⁇ , more preferably> 150 ⁇ , more preferably> 200 ⁇ , more preferably> 250 ⁇ , on preferably> 300 ⁇ and even more preferably> 400 ⁇ cause and do not require adsorption of electromagnetic energy of an applied electromagnetic energy field.
  • an arrangement of the EM energy absorber and a heat transfer body in the form of a composite by a gap space between them produced and with a material that is suitable for heat conduction, but no adsorption of an adjacent EM energy field conditionally, preferably over the entire surface is filled thermally conductive.
  • Preferred is a device in which there is a gap between the EM energy absorber and a heat-emitting body of the EM Energyaufêtelements in which there is a heat-conducting material with / through which no adsorption of the applied electromagnetic energy field.
  • the term "sufficiently rapid heat conduction" means, in particular, that when the EM energy absorbing member is used in a liquid medium, there is no difference in the surface temperature between the EM energy absorber and the heat transfer body of> 30 ° C, more preferably> 20 ° C and more preferably> 10 ° C comes.
  • heat conduction materials of the prior art are materials which preferably permanently produce a planar connection between the surface of the EM energy absorber facing the heat-emitting body and a surface of the heat-emitting body and in this case have a low heat transfer coefficient of preferably> 50 W / (m 2 -K), more preferably of > 80 W / (m 2 -K), more preferably> 150 W / (m 2 -K) and more preferably> 250 W / (m 2 -K).
  • the region of the electromagnetic energy absorption plane of the EM energy absorber can be formed in a very advantageous manner into various geometries without restricting the electromagnetic transmission power.
  • an aluminum foil can be combined in a meandering manner and arranged in the region of the EM receiving plane so that one of the two sides, where the envelope of the meandering shape is present, is in this area, while the opposite side is located in clear spatial distance. It turned out that individual webs, the same or another adsorption material, which are directly connected to a film or disc of the adsorbent, not or only to a small extent hinder the adsorption of an electromagnetic energy field. Thus, further advantageous geometries of an EM energy absorber can be configured.
  • a high transmission power of electromagnetic energy and its conversion into a thermal energy could be documented for a design of the films or disks as a pipe, with a square to round cross-sectional geometry. It has also been found that pressed or sintered graphite also makes possible, as a workpiece up to a layer thickness of 10 mm, an advantageous adsorption of electromagnetic energy. An energy-efficient transmission performance was especially for non-planar geometries of a graphite material such. B. a massive rod with a diameter of ⁇ 15mm, documented. In such an arrangement, or space expansion can be made of a material / workpiece seamlessly in one embodiment, the EM-Energieauf commentary and the heat transfer body. Preference is given to an EM energy absorption element, in which the EM energy absorber and the heat transfer body consist without transition of an adsorption material.
  • the EM energy absorber consists of an electrically leifinden and / or magnetic wave adsorbing compounds.
  • the energy absorbers are manufactured in such a way that they have a different composition and / or arrangement of the magnetic-wave-adsorbing compounds and / or the Curie point in different sections.
  • an EM energy sensor element converts an applied electromagnetic energy field into an electrical current.
  • an RF induction current generator is provided for this purpose which is located in the energy receiving element. The electric current that is provided by the RF induction current generator is preferably generated inductively by an externally applied electromagnetic energy field.
  • Devices for an inductive power supply are known from the prior art, preferably coils are used for this, as they are also described herein.
  • an RF induction current generator is preferably provided, consisting of a ferromagnetic core and a wound thereon consists of electrical conductor.
  • the HF induction current generator or the core and the coil are / is supported in such a way that they can be freely rotated in the three spatial dimensions with respect to the EM energy absorption element.
  • the storage takes place so that a self-alignment of the ferromagnetic core of the HF induction current generator can take place, which results in that the longitudinal axis of the core is aligned perpendicular to the gravity field.
  • This allows for an uninterruptible power supply when placing the EM Energyaufêtelements above an EM energy dissipation unit, of which an electromagnetic energy field for generating an induction current is provided in the RF induction current generator.
  • an or is located in or on the EM energy absorber unit a plurality of coils for generating an electromagnetic energy field used to generate an induction current in the RF induction current generator.
  • the current available from adsorbed electromagnetic energy in the EM energy absorbing element is utilized to provide further highly advantageous functionalities.
  • Such functional elements comprise, in particular, EM energy absorption units, which consist in particular of a coil and are suitable for adsorption and / or the emission of electromagnetic energy. Further preferred are functional elements which are electromagnetizable, e.g. a coil with a ferromagnetic core and / or a permanent magnet. Further preferred functional elements are, for example, sensors that can detect / quantify, for example, a temperature, a movement or a pressure.
  • the system components are identified by a controller. It can u. a. it is determined which EM energy absorption element of the EM energy delivery surface rests, in which distance and / or which spatial position it is located to the EM energy delivery surface. This is particularly advantageous when the surface (s) of the EM energy generator and / or the EM energy absorber only a (small) proportion of the total energy delivery surface and / or the surface of the EM Energyberger choirelements at which the energy absorption takes place ( s). This can u. a. be ensured that an electromagnetic energy output, which is provided for heat generation in the EM energy absorption element, only takes place when a suitable for the EM energy delivery unit, possibly approved, EM energy absorption element has been detected.
  • the transferable information about the spatial position and the model of the energy absorption element used can also be used for a selection of the system presets, eg. B. the initial maximum power of the RF voltage generator, are used.
  • the one or more functional units are shielded from the electromagnetic energy field used to generate heat or a malfunction is prevented by providing spatial decoupling from the EM energy absorber and / or the heat transfer body.
  • a radio frequency range eg, 12.5 MHz
  • the functional unit of the EM energy absorption element was placed over this area, provided that the EM energy absorber in this area a recess and the RF transmitter contained therein had no contact with the EM energy absorber.
  • Preferred is a method in which interference-free RF signal transmission occurs between an RF signal transmission unit of an EM energy generator unit and an EM energy receiving element located in a liquid medium, and simultaneously with and immediately adjacent to / adjacent to the electromagnetic radiation field the RF signal transmission takes place, an electromagnetic energy field, which is suitable for heat generation and / or power generation is applied.
  • a device is preferred in which the temperature of a surface of the electromagnetic energy receiving element and / or of the surrounding medium is determined by at least one functional unit of the electromagnetic energy receiving element and is transmitted without interference and continuously by means of a radio signal from the electromagnetic energy receiving element to a radio signal receiver of the electromagnetic energy generator unit and herewith a control the electromagnetic energy transfer performance of the electromagnetic energy generator unit is made.
  • there is a spatial delimitation of the EM energy absorber and / or the heat transfer body by the functional element is partially or completely surrounded by a ferritic material and is connected thereto with the EM energy generator unit without a further contact point.
  • the EM energy absorption element contains a functional unit, by means of which an inductive generation of an electrical current takes place.
  • Power generation may be accomplished by adsorbing the electromagnetic energy that is concurrent with generating the thermal energy delivered by an EM energy delivery unit.
  • the power generation can be carried out with the method as described herein.
  • the transmitter / receivers for a signal transmission are located spatially away from one or more coil (s), which provides the current for the functional elements of an electromagnetic energy field (s). In this case, the transmitter (s) may be located anywhere in the energy delivery element.
  • an inventive provision of the inventive integrative function / function control is to be ensured.
  • the method implementation is preferably carried out by, takes place by a transfer of parameters / data between the EM energy generator unit and the EM Energyaufrichelement, a control of system parameters, such as the maximum power output of the RF voltage generator or the power output of the electromagnetic Energy, according to the setting specifications that can be made to the control module of the EM energy generator unit, such as the temperature of the liquid to be reached or the maximum surface temperature of the EM energy absorbing element.
  • the range of electromagnetic wave radiation in an aqueous medium can be extended by increasing the electromagnetic field strength. Since the use of radio frequency electromagnetic transmitters is strictly regulated globally, and only certain frequency ranges may be used for designated applications, as well as for the various uses / applications of Radio Frequency Magnetic (RF), maximum allowable ranges / levels in the atmosphere, ie the air emitted, must not be exceeded, the increase of an electromagnetic field strength is limited for this application. It has been found that an RF transmitter, positioned in an aqueous medium and connected to an internal or external electrical voltage source, can achieve electromagnetic field strengths that interfere with RF magnetic waves in an RF external to the aqueous medium - Enable receiver antenna.
  • RF Radio Frequency Magnetic
  • the required field strength and thus required voltage conditioning on the transmitter antenna varies depending on the position of the transmitter in the aqueous medium and the orientation of the transmitting and receiving antenna to each other. Therefore, it is desirable to provide, firstly, an RF transmitter in an aqueous medium that achieves a high field strength of RF magnetic waves that can be received outside of an aqueous medium from which they are sent, without the allowable maximums for to exceed the emission of RF magnetic waves and, secondly, to provide an RF receiver antenna outside the aqueous medium which will transmit the RF transmit signal at a random position of the RF transmitter in the aqueous medium to the RF receiver and without interference with a RF transmitter electromagnetic energy field applied to heat an EM energy receiving element at which the RF transmitter is located.
  • Preferred is a device for the controlled and contactless and direct heating and / or temperature control of liquids and / or solids, which is characterized by, a) an electromagnetic energy generator unit comprising at least one high-frequency voltage generator, at least one high-frequency alternator, at least one electromagnetic energy output comprising at least one coil of an electrical conductor and at least one ferrite, and at least one functional unit comprising at least one electromagnetic receiver, at least one control and / or control unit and / or at least one manget or electromagnet-based drive device,
  • the at least one ferrite consists of at least one base and at least one projection and wherein the at least one electrical conductor surrounds at least a portion of the base and / or the at least one projection at least once, with formation of a coil surrounds and wherein the electrical conductor in at least one Resonant circuit is coupled with a resonant circuit frequency between 10 Hz and 1 MHz of at least one high-frequency AC generator, generating an electromagnetic energy field in the coil, which is bundled by the at least one ferrite and the electromagnetic energy field is emitted in a power delivery area, which is opposite to the Base, and in the case of the presence of more than one projection, located opposite the base and in an area between the projections;
  • an electromagnetic Energyaufdorfelement comprising at least one electromagnetic Energyaufwhiusing and at least one heat transfer body and at least one functional unit comprising at least one temperature measuring device, a high-frequency transmitter, a high-frequency induction coil, a magnet, a magnetizable material and / or a magnetizable coil and / or a sensor for determining physical conditions, in particular temperature, pressure, speed,
  • the electromagnetic Energyaufdorfelement is located in the electromagnetic near and / or far field of the electromagnetic Energyabgebers the electromagnetic energy generator unit and the planes of the electromagnetic energy delivery area and the electromagnetic Energyaufniess are aligned surface parallel.
  • the RF signal strength which is preferably determined / determined by an RF receiver or if there is an electronic control of an RF receiver unit, is forwarded to a controller and the intensity (field strength ) of the electromagnetic energy field emitted by the energy delivery unit to generate an electric current in the EM energy receiving element.
  • the intensity (field strength ) of the electromagnetic energy field emitted by the energy delivery unit is forwarded to a controller and the intensity (field strength ) of the electromagnetic energy field emitted by the energy delivery unit to generate an electric current in the EM energy receiving element.
  • a method may be provided whereby the operation of an RF transmitter located in a liquid medium may be performed with sufficient RF signal field strength without the need for power storage or wired connection. In an extremely advantageous manner, this can be used to control the heating and / or temperature control of liquids or fusible solids.
  • Preferred is a method of controlling the maximum power consumption of the high frequency AC generator of the EM energy generator unit, wherein the pulse or electrical voltage obtainable by the RF receiver is the actual value of a signal level or signal strength of the radio signal the radio transmission unit of the EM energy absorption unit, which is determined outside of the liquid medium or the solid by the radio receiver unit, and the control by means of an adjustment for the setpoint range of the signal level and / or the signal strength of the radio signal, outside the liquid medium or outside of the solid is measured by the control unit is made.
  • Preference is given to a method in which the transmission of the measured data by means of electromagnetic radiation in the radio frequency range and in which the signal strength electromagnetic radiation or a signal level of the electromagnetic radiation of the radio transmitter, which is emitted from the liquid or liquefiable solid, held in a predetermined range of signal intensity is set by adjusting the signal strength measured by the radio receiver and / or the signal level measured by the radio receiver by controlling the amount of energy generated and delivered by one or more energy sources.
  • the same electromagnetic energy field may be used by the EM energy delivery unit for generating heat energy and electrical current in the EM energy acceptor element, as long as the EM energy absorber and the RF induction current generator are optimized for the applied electromagnetic energy field. This is particularly true when a sufficient voltage supply by the RF induction current generator at an electromagnetic energy field strength, which does not lead to generation of heat in the EM energy absorber, can still be guaranteed, so that a process control can still be done if no other thermal energy input should take place.
  • At least 2 electromagnetic energy fields are provided by the EM energy delivery unit, with which, on the one hand, a generation of heat energy and, on the other hand, an electrical voltage in an EM energy absorption element are performed.
  • these are electromagnetic energy fields that emerge from a different excitation frequency of a resonant circuit of an electrical voltage and thereby in one varying extent of adsorption materials of the EM energy absorber, as described herein and the electrical conductor of the RF induction current generator adsorbed or converted into heat or electric current.
  • the provision of 2 or more electromagnetic energy fields by the same EM energy generator are provided by the EM energy delivery unit, with which, on the one hand, a generation of heat energy and, on the other hand, an electrical voltage in an EM energy absorption element are performed.
  • these are electromagnetic energy fields that emerge from a different excitation frequency of a resonant circuit of an electrical voltage and thereby in one varying extent of adsorption materials of the EM energy absorber, as described herein and the electrical conductor of the
  • this can be achieved, for example, by winding, in addition to the one electrical conductor, at least once around the strip (s) / land (s) / ing (e) of a ferritic material or at half - or full shells of a ferritic material, the electrical conductor parts of this shell wraps around at least once, another electrical conductor is arranged parallel to this or in another arrangement at least once around the bar (s) / bridge ( e) / ring (s) of a ferritic material is wound or in half or full shells of a ferritic material parts of this shell, from which troublen electrical conductor is wound at least once.
  • the various electrical conductors are connected to different HF alternators.
  • the installation of an RF alternating voltage to the 2 or more electrical conductors can be done at the same time, overlap or time offset / alternating.
  • the identical electrical conductor is used for the generation of the two or more electromagnetic energy fields. This can preferably be done by connecting the electrical conductor in phases with the oscillating circuits of FIG. 2 or other HF alternators, so that in time sequence the 2 or more electromagnetic energy fields can be generated with the one electrical conductor.
  • one or more electromagnetic energy fields are generated by one or more other EM energy generators.
  • an identical arrangement of the elements / components or a different configuration can be selected. It has been shown that with an arrangement according to the invention of the components / elements, interference-free and uninterrupted RF signal-controlled operation of an induction current heating / tempering unit according to the invention can take place, in which an EM energy absorber element in a liquid medium, such as water or melted chocolate, in the near and far field of an EM energy provider is possible.
  • Preferred is a method in which at least 2 different electromagnetic energy fields are provided at the same time and / or alternately.
  • Preferred is a method in which at least two electromagnetic energy fields are provided by the EM energy delivery unit, which is obtained by an identical or different frequency of the electrical oscillation circuit, which flows through the one coil or the plurality of coils and in which the electromagnetic energy fields are superimposed and / or over spatially separated areas and the at least two electromagnetic energy fields in the EM energy absorption unit are converted into heat and electrical energy.
  • a device is preferred in which the device provides the EM energy generator unit with at least two different EM energy fields at the same time and / or alternately.
  • the RF induction current generator is located in another region of the EM energy receiving element, if outside the aqueous one Medium is an EM energy generator, which provides an electromagnetic energy field, by means of the RF induction current generator, an electric current can be generated.
  • This RF induction current generator is one of the functional units described herein and is preferably in the region of the EM energy absorption level of the EM energy absorption element.
  • a device is preferred in the device in which interference-free high-frequency signal transmission is effected between a high-frequency signal transmission unit of an EM energy absorption element which is located in a liquid medium and an EM energy generator unit, and at the same time and immediately adjacent to / adjacent to the EM Energy field, with which the high-frequency signal transmission takes place, an EM energy field, which is suitable for heat generation, is created.
  • an electromagnetic energy field transmission was performed in which a copper wire coil with 25 planar windings as energy source and an aluminum cone with a diameter of 5cm and a height of 3cm as energy absorbers at a distance of 10mm parallel to the surface in a water-filled glass were arranged.
  • an electromagnetic field energy delivery with a corresponding arrangement of an EM energy generator, which consisted of an EM energy generator, which was in the form of a ferrite E core with 4 turns of a thin copper wire, and the electrical conductor with was coupled to an RF voltage resonant circuits, and an EM-Energieauf philosophicals, consisting of an aluminum foil with a material thickness of 300 ⁇ , which was connected by means of a ceramic heat transfer foil with a thickness of 200 ⁇ , the entire surface with an identical aluminum cone was used.
  • an electromagnetic energy transmission with a maximum output line of the RF voltage generator between 5 and 5,000 W was carried out.
  • an inventive arrangement of the elements / components of an EM energy generator and an EM energy absorber is present and an electromagnetic energy transfer at a maximum possible output power of an RF voltage generator of preferably ⁇ 3,000W, more preferably ⁇ 2,500W, more preferably ⁇ 2,000W, more preferably ⁇ 1,500W, more preferably ⁇ 1,000W, further preferably 800W, more preferably ⁇ 600W, further preferably ⁇ 400W, more preferably ⁇ 200W and even more preferably ⁇ 100W.
  • Preference is given to a method in which an energy-efficient transmission of electromagnetic energy takes place and in which the maximum possible energy transmission power does not exceed 3,000W.
  • the frequency of the RF resonant circuit which enables optimum transmission and conversion of the electromagnetic energy into thermal energy for an inventive arrangement of the elements of the EM energy absorber unit can be examined very easily by a test method. It should first be determined in which power range per unit area between the EM energy generator and the EM energy absorption element, the energy transfer is to take place.
  • the selection and configuration of einsetzbarer EM energy generator since, for example, in a too small cross-section of the electrical conductor of the RF coil, or the arrangement in a coil core, with a high amount of energy (eg> 3A / h), it to a Heating of the conductor and / or the coil core during power transmission occurs.
  • the EM energy delivery unit which is preferably ⁇ 90 ° C, more preferably> 80 ° C, more preferably ⁇ 70 ° C, more preferably ⁇ 60 ° C and even more preferably 40 ° C is so that a forced ventilation / cooling is not required.
  • the suitable film / disc for adsorption of the electromagnetic energy foils which preferably have a thickness between 100 to 2,000 ⁇ , more preferably between 200 and ⁇ . ⁇ and more preferably between 300 and 500 ⁇ have and preferably one of the materials comprising aluminum, tinplate or graphite, are used, individually or in any combination, for the investigation.
  • these individually or in any combination of different material thicknesses and materials are superimposed gap space and over the entire surface of the EM energy generator of the EM energy delivery unit at a defined distance, preferably between 0.5mm and 10 cm, more preferably between 1mm and 8cm, more preferred between 1.5mm and 5cm and even more preferably between 2mm and 3cm, placed surface parallel.
  • a defined distance preferably between 0.5mm and 10 cm, more preferably between 1mm and 8cm, more preferred between 1.5mm and 5cm and even more preferably between 2mm and 3cm, placed surface parallel.
  • air or a Solid / liquid that is not suitable for receiving the applied electromagnetic energy such as glass or wood or water.
  • the electrical voltage and the maximum power of the RF voltage transmitter then an investment of an electromagnetic energy field with an EM energy generator unit according to the invention for a period that allows detection of the surface temperature of the films.
  • the speed of a temperature increase and the maximum temperature of the film / film structure investigated are determined. Further, the difference is calculated from the power consumption
  • one or more EM energy generators in the region of the EM energy delivery field are preferably arranged parallel to the surface, in addition to the at least one EM energy generator according to the invention for transmitting electromagnetic energy.
  • This EM energy generator can / have a design according to the invention or a design from the prior art. They can be operated with the same or another alternating frequency of an HF resonant circuit. Preferably, this provides electromagnetic energy that is converted into electrical energy in the energy receiving element.
  • the electromagnetic energy field is also used to induce ferromagnetism.
  • collimation of the electromagnetic energy with a minimum length of electrical conductor, can be achieved which enables point-like transmission of the energy field.
  • This point energy field can be transferred to a very high degree of efficiency by the use of a film capable of adsorbing the electromagnetic energy and converted into thermal energy and transferred to a large delivery surface in a compound fabrication with a heat-conducting / dispensing body.
  • This arrangement makes it possible in a particularly advantageous manner for the region of the EM energy absorption element, which preferably faces the EM energy generator unit, to be parallel to the surface, next to one or more sections for receiving electromagnetic energy in which a conversion into thermal energy takes place, may include one or more further portions having a different functionality.
  • one or more regions are present in which an adsorption of electromagnetic energy takes place, which is converted into electrical energy.
  • there is a region for adsorbing electromagnetic energy wherein the electromagnetic energy is converted into a magnetic energy field.
  • the various regions that can be used for a different conversion of the adsorbed electromagnetic energy can be present in any number and arrangement next to each other.
  • the electromagnetic energy field, which is adsorbed in the various areas and converted into another form of energy, from the same source of the electromagnetic energy field of the EM- Originate from the energy transmitter unit or the EM energy transmitter unit has two or more sections / areas in which electromagnetic energy is generated and directed to the EM energy receiving element / will be delivered.
  • the two or more electromagnetic energy fields can be generated by the identical or different RF frequency ranges of the / RF oscillatory circuits (s) of the energy generator unit, which are delivered simultaneously or overlapping or at different time intervals.
  • transmission of electromagnetic energy in the near and far field of an EM energy generator to an EM energy sensor located in a liquid medium can be carried out and converted into thermal energy, thereby achieving high energy efficiency in a low power range.
  • an EM energy absorber which consists of one or more films and / or slices, preferably consisting of aluminum, tinplate or graphite, individually or in combination exist a composite, and in which there is a gap between the EM energy absorber and the heat transfer body and / or distance, which contains a suitable material for heat transfer, which performs no adsorption of the applied electromagnetic energy field.
  • solids or solids are heated and / or tempered with the induction current heating unit.
  • induction current heating unit Surprisingly, it has been shown that a uniform and precise heating of solids by the use of suitable EM energy absorption elements can be achieved. It has thus been possible to show that by controlling the temperature of foodstuffs by supporting and / or supporting a planar EM energy absorbing element, it is possible to avoid undesirable effects which occur in prior art heating processes and to ensure even and product-warming of solids or solids Solid bodies takes place.
  • the fusible solids herein may be liquefied when heated to 100 ° C.
  • a foodstuff to be heated is placed in layers between individual EM energy absorption elements or in an association of a plurality of consecutively arranged EM energy receivers of an EM energy absorption element.
  • workpieces can also be processed and / or processed by the method.
  • a workpiece is to be thermally treated to place it on, under or between one or more EM energy absorbing elements.
  • a pressure is exerted which ensures a close contact between the / the EM energy absorption element (s).
  • these methods can be particularly advantageous z.
  • B. be used for a melting of a coating or for a thermal bonding of materials.
  • Applicability is limited only if the workpiece itself has adsorption of the applied electro-magnetic energy field.
  • EM energy absorption elements which have a flat shape.
  • the surface may also have a grid shape or have differently configured interruptions.
  • the EM energy absorption element has a plurality of temperature sensors distributed over the entire surface. As a result, local overheating can be avoided.
  • heat transfer bodies are preferred which have a high thermal conductivity have, such as copper, silver or graphite.
  • graphites with a high electrical conductivity are particularly preferred.
  • the electronic components / functional units such as an RF induction coil, an RF induction current generator, an F-type radio transmitter and an RF antenna, may be located within or attached to a planar EM energy absorbing element.
  • planar or otherwise shaped EM energy receiving elements have only one or more internal temperature probes but no external temperature sensor.
  • EM energy absorption elements which are used for heating and / or temperature of solids which are liquefied when heated to 100 ° C or solids have a flat shape.
  • the EM energy absorber is shaped or arranged so that the magnetic wave adsorbing compounds are predominantly in the near field of the energy generator by within the EM energy absorber or the EM Energyier termelements in the region of the bottom, or the Support surface, which is located above the EM energy delivery range of the EM energy generator, whereby the majority of the mass of the magnetic wave adsorbing compounds a distance to the support surface of the container preferably ⁇ 5 cm and more preferably ⁇ 2 cm, and most preferably of ⁇ 1cm.
  • a predominant mass fraction of magnetic-wave-adsorbing compounds can also be located in the far field of the electromagnetic energy field of the energy generator, for. B.
  • the majority of the magnetic wave adsorbing compounds in these applications is> 5 cm and more preferably> 8 cm above the energy delivery surface of the EM energy generator in a container.
  • the surface of the EM Energyaufrichelements is coated with a different material.
  • the coating material should be adapted to the respective application.
  • a metallic surface alloy may be suitable, as this achieves a rapid release of heat energy.
  • chromium, nickel, molybdenum, titanium, niobium, tungsten, vanadium, cobalt more preferred are alloys that exhibit greater inertness, such as.
  • Tin-nickel, molybdenum-chromium Further preferred alloys of noble metals, such as silver, gold or platinum.
  • ceramic coating paints, eg of polyacrylic as well as enamels.
  • Particularly preferred are coatings that can be applied over the entire surface in very thin layers (one or a few atomic / molecular layers), for. By methods such as ALD or CVD. This can z. As silicon and carbon are applied particularly advantageous. Silicon in amorphous form is further preferred.
  • the surfaces of the EM energy absorber and the heat transfer body may be coated in the same or different ways. Preference is given to heat transfer bodies or EM energy absorber elements which are surface-coated.
  • reaction-promoting elements or compounds can also be applied to the surface of an EM energy-absorbing element or the surfaces consist of a reaction-promoting compound.
  • This embodiment is particularly advantageous since many reactions which are caused by reaction-promoting compounds (such as catalysts or enzymes) have a temperature dependence and possibly a temperature optimum. Surprisingly, it has been shown that the effectiveness of such compounds is increased by an application according to the invention. Thus, it could be shown that in the presence of a comparable amount of a catalyst suspended in a reaction liquid or immobilized on the surface of a heat transfer body, reaction was faster and more effective when tempering the surface of an EM energy absorbing member Reaction promotion optimum temperature is set, in comparison to an indirect heating of the suspension, despite reaching the same final temperature of the reaction medium.
  • the reaction promoting elements or compounds may be part of an inorganic or organic coating or matrix and / or be physically or chemically bonded to the surface.
  • the reaction promoting compounds can be immobilized on the surfaces of the EM energy absorbing member by various known methods.
  • the connection of one or more compounds to the surface of an EM energy absorber element can be chemical, physico-chemical or purely physical.
  • the reaction-promoting compounds may be elements such as rhodium, platinum, silver, tungsten, iodine, bromine, iron, palladium or sasarium and / or compounds such as Hopcalite, V 2 0 5 , CuO / Cr 2 0 3 , ZnO / Cr 2 0 3 or CuO / ZnO, platinum / rhodium or a-iron / Al 2 0 3 , uam act.
  • the reaction-promoting compounds may be inorganic, organic or a combination thereof. Combinations are z. Example, if on an inorganic base material such as silicon, zirconium, titanium or gold, organic compounds are chemically, physico-chemically or physically bound.
  • zeolites or silica gels as inorganic base material.
  • Organic compounds having catalytic or biological activity are known to those skilled in the art, as examples thereof called compounds derived from amino acids, Chinaalkaloiden, or tartaric acid, such as Taddole.
  • the reaction-promoting compounds are enzymes or coenzymes. Therefore, applications for promoting the reaction of biological reactions or processes are particularly preferred, especially since a very accurate adjustment of the surface temperature can be made with an EM energy absorbing element.
  • the reactive / reaction promoting compounds are adsorbed or adhered to the surface of an EM energy acceptor element and can be released from the surface during the reaction process. This is particularly advantageous when an entry of these compounds in a reaction mixture can be done better under heating.
  • air and / or gases are also heated by an induction current heating unit. This is particularly advantageous if in the air / gas phase, a chemical reaction is to take place, which takes place by contact with a surface of a Indutechnischsstromerhitzungsaku, which was provided with a reaction promoting compound, upon heating of the Energyaufsmellings.
  • Preferred are an EM energy generator unit and an EM energy absorber element for contactless induction current heating of air and / or gases.
  • reactive surfaces can be provided which can be heated to the degree, so that a reaction taking place at a specific temperature can be brought about thereby.
  • the reaction is carried out with one of the above-described coated EM Energyaufêtieri by the surface target temperature is set to the control unit on the value of the temperature optimum of the reaction to be delivered.
  • the temperature of the surface of the energy absorber can also be adjusted to a temperature which differs slightly or significantly from the temperature which causes an optimal reaction promotion. This is particularly advantageous in reactions that are to proceed successively, as desired in many biological or biochemical processes.
  • an EM energy generator unit and an EM energy absorber element for contactless and direct induction current heating of chemical and / or biological reaction mixtures. Preference is given to the use of an EM energy generator unit and an EM energy sensor element for the reaction control in a chemical and / or biological reaction mixture.
  • an EM energy absorbing element becomes a thermocatalyst. It is also advantageous that thermally induced reactions can be controlled very accurately with the Indu Erasmussstromerhitzungsö, the reaction can be terminated by exposing a further EM energy output of the EM energy generator almost immediately, if the EM Energyier choir consists of a compound that a has high electrical and / or thermal conductivity and at the same time a low mass.
  • the abovementioned embodiments are also advantageous and practicable because such a thermocatalyst can be removed very easily and in one piece from a reaction mixture after the reaction has taken place. Also, the purification of the catalytic surfaces of the energy receiving element for its reuse can be much simpler than with the presence of suspended reaction promoting compounds, thereby imparting further practicality to the process.
  • heat transfer bodies or EM energy acceptor elements with surface coatings that are chemically inert.
  • Preferred is the use of an EM energy acceptor or EM energy acceptor element having a surface or surface coating which has a reactive / reaction promoting effect on a reaction mixture.
  • an induction current heating unit as a laboratory heater and / or as a laboratory mixer is preferred.
  • thermocatalyst Preference is given to the use of an EM energy absorption element as a thermocatalyst. Preference is given to the use of a thermocatalyst for initiating, stabilizing and / or improving a biological, chemical and / or bio-chemical reaction.
  • the surfaces of the EM Energyaufrichelements be coated with a coating of organic or inorganic compounds.
  • This coating may be partial (eg, to improve lubricity) or complete (eg, to protect the energy absorber material from aggressive substances).
  • organic film-forming compounds can be used. Again, the choice of material depends on the application. However, compounds which are themselves not toxic or from which no toxic compounds can escape are preferred. As another requirement, these compounds are required to be heat resistant. Therefore, preferred are also inorganic compounds, such as alloys, particularly preferred are metallic alloys, e.g. made of cobalt-chrome.
  • the inorganic or organic compound should be substantially chemically inert and in particular should not be decomposed by acids or alkalis.
  • enamels, PTFE, PEEK Particularly preferred are materials which have a high thermal conductivity and / or require a very low material application.
  • ultrathin temperature- and chemical-resistant coatings or seals are used, which at the same time have a low heat resistance.
  • These include coating processes with carbon or carbon compounds, such.
  • As a carbon coating which is applied by CVD method (diamond-like-carbon).
  • CVD method diamond-like-carbon
  • coatings of silicon carbide, aluminum nitrite, platinum, gold or silver are also preferred.
  • EM energy absorbers which consist of an element or compounds which / have a high thermal conductivity and / or are coated with such an element / compound.
  • the temperature of the EM energy absorption element is adjustable via a feedback control. This refers to both the temperature of the surface of any point of the EM energy receiving element and the temperature present within the EM energy absorbing element.
  • a temperature sensor is located directly on or in the EM energy receiver, whereby the temperature of the EM energy absorber can be recorded without delay.
  • Suitable temperature probes, z. B. in the form of a wire which is applied to the EM energy absorber are known in the prior art, those skilled in methods for delay-free transmission of solid-state temperatures are known.
  • the EM energy absorbing element includes a plurality of temperature sensors. The temperature measurement on the surface of the heat transfer body is preferred. Furthermore, this preferably includes the EM energy absorbing element one or more temperature measuring devices for determining the temperature of the surrounding medium.
  • an EM energy acceptor element containing at least one device for determining the temperature of the liquid or solid in which it is located.
  • a temperature sensor available from the prior art is mounted on the surface of the energy receiving element.
  • the sensor region is not directly on the surface of the EM energy absorber, but has a distance to this, which measures at least 1 mm, more preferably at least 2 mm and more preferably at least 3 mm. It may be advantageous to carry out a thermal shield of the heat transfer body.
  • the sensor can be held by the wire connections of the sensor or by its own support, which can be made of any heat-stable material, which can be firmly connected to the heat transfer body.
  • the coating of the sensor and the electrical connection of the temperature sensor by a coating, as listed herein.
  • Particularly advantageous are coatings which have a high thermal conductivity, such as. B. diamond-like-carbon or silicon carbide.
  • an EM energy absorber element with an integrated device for temperature detection of the EM Energyauf fielements and / or the surrounding medium.
  • the measurement signal (s), the measured temperature value can be supplied to the control unit by an additional input to the EM energy generator unit and used integratively to control the EM energy output.
  • the temperature of the medium is measured only by a separate measuring device and the EM energy receiving element does not have a temperature probe.
  • the regulation of the energy release quantity takes place on the basis of the measurement / control method described above.
  • This can be advantageous in particular when the EM energy absorption element may only be very small and is therefore used only as a heat transfer body.
  • EM energy absorption elements which are only available via an HF induction current generator and one or more internal and / or one or more have external temperature probes. The selection and arrangement of the temperature probes depends on the application.
  • the temperature sensor (s) is / are connected to a radio transmitter.
  • the temperature sensor (s) is / are connected in one embodiment to an RF induction current generator (s.o.) for the power supply.
  • the F-radio transmitter is connected to the RF induction current generator for the power supply.
  • the heating / heating method according to the invention in the electromagnetic near field and / or far field of an EM energy generator takes place in a particularly advantageous embodiment by controlling the energy output of the EM energy generator to a defined temperature of the liquid to be tempered, a fusible solid and / or a To adjust solid state.
  • the temperature values which occur in or on the surface of the energy absorber and the temperature values present in the surrounding medium are determined by means of temperature sensors and the determined values are transmitted to a control unit by radio transmission, which preferably takes place in the radio frequency range (see below).
  • a direct inductive heating / heating process in which the values of the temperature probe measurement of the EM energy receiving element are continuously transmitted by means of a radio transmission to an external receiver unit.
  • the method according to the invention makes it possible for the first time to provide a contactless direct heating and tempering method of liquids, fusible solids and / or solids in vessels located in the near and / or far field of an electromagnetic field of an EM energy generator.
  • the tempering method for stationary or mobile use is applicable, without the need to use special containers for this purpose, provided that the material from which they consist does not adsorb electromagnetic energy.
  • the temperature sensor (s) are / are connected to a radio transmitter unit.
  • the radio transmission unit preferably consists of a radio antenna and an RF radio transmitter, which are connected to each other. Such structures are known in the art. Any other type of wireless signaling is also a preferred embodiment.
  • the RF radio antenna may preferably be applied to the outside of the energy absorbing element.
  • the operating current of this radio transmitter unit is provided by an inductive power generation unit, as described above, to which it is electrically connected.
  • the energy supply for the electrical supply of electrical or electronic components of the EM energy absorption element takes place by a Battery or a rechargeable battery, which is (s) mounted in a socket in or on the energy absorbing element / are.
  • the power receiving element may not include an RF induction coil or RF induction current generator. Preference is given to EM energy absorption elements which contain a radio transmission unit for signal transmission.
  • the electronic components are preferably introduced into one or more cavities of the EM energy absorber element, which is preferably located in the center of the EM energy absorber element.
  • a cavity is not covered from one side by a magnetic wave adsorbing structure of the EM energy absorber.
  • the 2-side electronic components are not covered by a magnetic wave adsorbing structure. This has the advantage that the electromagnetic energy field required to generate the induction current is not weakened or only slightly attenuated by overlapping structures.
  • the cavity for receiving the RF induction coil at a position of the EM Energyauf termeelements is that ensures the greatest possible spatial approximation to the near field of EM energy delivery area, preferably by a self-alignment of the EM energy absorption element after the Insertion in a liquid container.
  • This object is achieved in particular in EM energy absorption elements which are to be used for agitation of liquids for rotation, characterized in that the cavity is preferably in or along the axis of rotation of the energy absorber.
  • EM energy absorption elements which have / have one or more cavities for receiving electronic components.
  • the electronic components are introduced into a cavity of the EM energy absorption element, which are located in the far field or outside the electromagnetic energy field.
  • the RF induction coil only the RF induction coil
  • permanent magnetic or magnetizable regions are located in and / or on the EM energy absorption element.
  • z As a bar magnet or an iron part of the prior art.
  • At least two magnetic or magnetizable regions are provided which are positioned in / on the energy receiving element such that the magnetic or magnetizable regions extend as far as possible to the surface of the EM energy absorbing element or protrude above it and the axis forming two of these sections together , the center of gravity and / or the axis of rotation of the energy absorber passes through the center.
  • the EM Energyberger choirelement consists of a permanent magnet.
  • one or more magnets are located in the lower (pad-facing) region of the EM energy absorbing element and are here superimposed on the energy absorption element or embedded in a depression.
  • the pole regions of a rod-shaped energy absorption element are made of a magnetic or magnetizable material. These devices allow rotation of the EM energy absorbing element by an external moving magnetic field. This is particularly advantageous if the EM energy absorption element is also to be used for mixing the medium in which it is located. It is also advantageous that by combining a heating of the surfaces of the EM energy absorption element with a movement of these in a medium, a significantly better convection of the introduced heat energy can be achieved than is the case with an indirect heating with a heating / stirring mixer.
  • EM energy absorber elements which consist of a magnetic or magnetizable material or have areas containing magnetic or magnetizable materials.
  • a liquid, a solid to be melted, and / or a solid can be heated and / or tempered and at the same time mixed without contact (without a line-supported power supply) and without external heating.
  • a method for Indutationsstromerhitzung of liquids and / or fusible solids which is characterized by an EM energy generator unit and an EM Energyier situatedelement, wherein the EM Energyauf fieelement contactless in the electromagnetic near and / or far field of the EM energy generator of EM-energy transmitter unit is located and in which, in addition to a heating and / or tempering at the same time a thorough mixing of the liquid, a fusible solid and / or a solid is carried out by the EM Energyauf fieelement.
  • Preference is given to a device in which the EM Energyaufêtelement in addition to a heating / tempering also performs a mixing of a liquid in a container.
  • a device is installed with which a magnetic field can be inductively produced.
  • a magnetic coil instead of permanent magnets, a magnetic coil, the z. B. of a copper wire and a core of iron or other magnetizable substance or compound, will be used, which on a rotational axis of the Energyaufêtelements be positioned in the same manner as described above.
  • the power supply for generating an induction current is thereby ensured by an electrical connection to an RF induction current generator, as described herein.
  • the EM energy absorption element contains additional components in addition to or instead of the described components.
  • the EM energy receiving element includes an electronic component for detecting a centrifugal acceleration.
  • the power supply via the above-described components and advantageously the measurement signal is transmitted with a radio transmitter as described herein to the EM energy generator unit.
  • a radio transmitter as described herein to the EM energy generator unit.
  • An EM energy sensor element which contains a device for detecting rotational frequency and in which these measured values are transmitted via a radio signal to the EM energy generator unit is preferred.
  • Other components can be installed, such. b. for the determination of the pH or the pressure.
  • Such measuring elements are very advantageous, for example, in chemical processes which are to take place in a closed container.
  • the task of non-contact heating a liquid or a solid, located in a non-metallic container with an electromagnetic energy absorber is carried out with the previously described embodiments by placing the container, with the EM energy-absorbing element located therein, in close proximity to an EM sensor. Energy transmitter is placed on the EM energy delivery area and the power is turned on.
  • the heating / tempering process according to the invention with an induction current heating unit is particularly advantageous in the case of heating and / or tempering tasks of liquid ketene and solids which are present in different containers, since the degree of heating does not depend on the type, shape or size of the installation surface or the container material. It could thus be shown that the same amount of liquid, which was in different containers, was heated at different rates with an indirect heating method, whereas an induction heating unit according to the invention always resulted in a similar heating behavior.
  • Preferred is a method for contactless inductive direct heating / heating of liquids, fusible solids and / or solids, which are located in non-metallic containers.
  • Preferred is a device in which the EM Energyaufrichelement is in a / a liquid / solid, which / is present in a container which consists of a material that does not or only slightly adsorbs the applied EM energy field.
  • a faster heating of liquids compared to conventional heating systems is made possible, in particular, by the use of laminar or stacked (3-dimesional) EM-engieme.
  • Such EM-Engergieability avatar have installed in a container and electrically operated heaters the advantage that they can be easily removed and cleaned after an application. This also facilitates the cleaning of the container.
  • the EM energy absorbing elements can be sealed with a large number of surface coating materials, so that depending on the application, coatings can be selected, the z. B. prevent adhesion of components of the liquid or solids to be heated. On the other hand can be produced in previously unknown degree and simplicity heated surfaces that can be used to z. B. to selectively effect biological and chemical reactions and / or to accelerate or to keep constant.
  • Preference is given to a method in which overheating-free heating and / or temperature control of liquids or liquefiable solids is ensured.
  • an EM energy absorber or a plurality of EM energy receivers as described herein, with one or more inner and / or outer temperature sensors whose measurement signal is passed to a control unit for the EM energy generator, e.g. As with a radio transmission system as described herein, represents a particularly preferred embodiment, since it is thereby possible to regulate the EM energy supply and thus the heating of the energy absorber and thereby (1) the heating conditions of the liquid / article, in which the EM energy absorber element is to control and (2) to control the surface temperature of the EM energy absorber element. In a particularly advantageous manner, this can be used to ensure contactless direct heating or temperature control of liquids according to adjustable criteria.
  • the EM energy absorbing element can be heated to a freely selectable and controllable temperature, depending on the set by feedback of the temperature signals electromagnetic energy field.
  • the heating / temperature of the surrounding medium in a temperature range between 10 ° and 350 ° C, more preferably between 25 ° and 100 ° C and more preferably temperatures between 40 ° and 85 ° C.
  • temperatures at the surface of the energy absorbing element which can be limited to maximum values between 25 ° and 450 ° C, more preferred are maximum values between 30 ° and 180 ° C and particularly preferred are maximum values between 37 ° and 99 ° C.
  • the electromagnetic energy emitter comprises at least one coil, which is made of at least one electrically conductive wire or an electrically conductive foil, in particular which is in the form of an at least simple circular arrangement, which is wound around at least one component of a ferrite at least once, and
  • the at least one wire or the at least one film is connected to a high-frequency AC generator and the at least one wire or the at least one film is coupled to an electrical current of an electrical resonant circuit or by coupling with the at least one electrical resonant circuit of a high-frequency AC generator an alternating current is applied, wherein the alternating electrical current takes a frequency between 10 Hz and 1 MHz, and
  • a ferrite body has at least one base and at least one projection, and the at least one wire or sheet at least partially wraps around at least part of the base and / or the projection and the energy delivery area faces the base, and in the event of more than a projection, opposite the base and located in an area between the projections;
  • the at least one energy absorber is configured for the absorption or adsorption of the electromagnetic energy and generation of thermal energy, in the form of at least one film and / or disc, which consists of a metal and / or carbon, and wherein the absorption or adsorption of the electromagnetic energy and conversion into electrical energy by a high-frequency induction coil takes place, and
  • the at least one electronic Functional unit comprises in particular a temperature measuring device and a radio transmitter for transmitting measurement data by means of electromagnetic waves
  • FIG. 5b Control of the maximum power consumption of the at least one high-frequency AC generator of the energy transmitter unit on the basis of a nominal / actual value calculation by the control and control unit, using the measured data transmitted in step 4 as the actual value and a setpoint value at a control unit the energy transmitter unit is adjustable,
  • an EM energy generator a device which consists of one or more core / cores of a magnetic wave-conducting material and / which is surrounded by an electrical conductor / in which / by an electrical voltage resonant circuit, the electrical Conductor traverses, an electromagnetic energy field is induced.
  • the electrical conductor is electrically isolated from the core.
  • an EM energy absorber herein is meant a device consisting of a composite of one or more magnetic wave adsorbing material (s) that adsorbs and converts an electromagnetic energy field into heat energy.
  • a radio transmitter is understood herein to mean an electronic device which converts an electrical pulse or voltage value into a radio signal and emits it.
  • radio receiver herein is meant an electronic device which converts a radio signal into an electrical pulse or voltage value and forwards it as an electrical signal.
  • an induction current heating unit a device comprising an EM energy generator unit and an EM Energyaufêtelement.
  • the liquids listed herein are all liquid media, this includes water, oils, solvents, suspensions, dispersions and emulsions.
  • the solids listed herein are preferably fusible solids, which is why the terms are also used interchangeably, which are compounds / mixtures which have a liquid state of aggregation at temperatures up to 100 ° C and at room temperature or in a cooled state have solid state of aggregation. As examples of this his listed: fats, waxes, resins, bitumen.
  • solid any mass that does not behave like a liquid or fusible solid defined herein and that has a solid state of aggregation.
  • examples include foods such as meat, lanyards, foils, wood, metals, plastics, glass.
  • contactless heating and / or tempering is understood to mean any form of wireless or non-conductive contact transmission of energy. In this case, contactless means that there is no line-connected connection to the medium to be heated.
  • the contactless heating and / or tempering also refers to a direct heating and / or temperature, which is present when the heat energy input takes place within the medium to be heated / tempered.
  • the term contactless is thus also used herein for a heat energy input, which does not occur by an indirect / external heat source.
  • reactive / reaction promoting compound means any element or compound of elements whose presence results in other elements and / or compounds being physically and / or chemically altered to an extent that would not be the case in their absence. Examples of applications of such reactions are substance syntheses or catalysis, addition reactions, reductions, oxidations, structural transformations but also activations, passivation or degradation of biological substances. Examples of the reactive / promoting compounds herein are, for example, catalysts, enzymes, coenzymes, cofactors, ligands.
  • reaction mixture a plurality of one or more elements / compounds which physically / chemically interact / react under suitable conditions. These reactants may have any state of aggregation and be in a solid, liquid or gaseous medium and in a vacuum or be themselves the medium.
  • electro-magnetic near field and far field is meant herein, the area in which decoupling / adsorption of electromagnetic waves emitted by an EM energy generator is through a substance / compound. For the determination of the area in which the adsorption takes place, the distance between the emission level of the EM energy generator and the location / level at / in which an adsorption of the electromagnetic energy is decisive.
  • magnetic-wave-adsorbing compounds is understood herein to mean elements and / or compounds of elements which adsorb electromagnetic waves in the form of an eddy-current loss line or of magnetization losses and which are heat up by this.
  • the process is known as inductive heating.
  • the physical process is also referred to herein as adsorption.
  • all elements or compounds which are suitable for the adsorption of electromagnetic energy can be used to produce an EM energy absorber according to the invention.
  • EM energy receivers which have a thermal conductivity of preferably> 100 W / (m-K), more preferably 150 W / (m-K), more preferably> 200 W / (m-K). More preferred are EM energy absorbers, which had both a high electrical conductivity, as well as high thermal conductivity.
  • graphite formed by rolling, pressing, sintering or other methods is particularly preferred.
  • an expanded graphite mold In this case, graphites are preferred with a high thermal conductivity.
  • graphite foils Particularly preferred are graphite foils. Further preferred are graphite foils of expanded and subsequently pressed graphite.
  • thin films ⁇ 1.0 mm which have an electrical conductivity of> 80 '10 6 S / m.
  • the related elements / compounds are brought into the desired form by established methods.
  • This can be z. B. in the form of a melt-casting process, sintering or pressing.
  • a layered structure is also possible.
  • components can be embedded in the material of the EM energy absorber such. B. a permanent magnet.
  • the elements or compounds suitable for adsorbing the electromagnetic energy may be continuously, e.g. B. in the form of a melt or a sintering or discontinuous, z. B. in the form of granules, particles or particles of any size and shape, which are interrupted by other substances or compounds.
  • the EM energy generator consists of a coil and a coil core, which emit electromagnetic energy in the applications according to the invention and thus represent an EM energy generator.
  • the coil consists of an electrical conductor.
  • all elements or connections which are suitable for conducting an electrical energy can be used. This includes the following pure substances: silver, copper, gold, iron, aluminum, chromium, stainless steel, tungsten, tin, zinc, gadolinium, indium, graphite.
  • the coil core is preferably made of a material that can cause a conversion of an electromagnetic energy field.
  • Umraum means that the Vektorgram the emanating from a coil electromagnetic field lines is changed by the suitable material for forming a material.
  • ferrites particularly suitable for this purpose are ferrites, wherein ferrites with additives, such as manganese-zinc ferrites (Mn a Zn (i. A) Fe 2 0 4) or nickel-zinc ferrites (Ni a Zn (i. A) Fe 2 0 4 ) are preferred.
  • complexes and compounds of several of these elements are also preferred. Also included are compounds for. B. with oxygen, sulfur, phosphorus.
  • the related elements / compounds are brought into the desired form by established methods. This can be z. B. in the form of a melt-casting process, sintering or pressing. A layered structure is also possible. uses
  • the devices according to the invention can be used for all heating or tempering tasks of liquids or fusible solids, as defined herein, in containers. This is especially true if this indirect heating, or contact with a fireplace / heat source is not possible or not wanted. Further, in applications where a direct heating is desired and / or where a contact with a connecting cable or a temperature measuring device should not take place. Particularly advantageous is a device according to the invention in the heating and / or temperature of hot drinks, such as coffee or coffee drinks, tea, but also soups, des shimmerern of food, such as sauces or vegetables. It is particularly advantageous that in addition to the heating and a metered mixing of the liquids can be made.
  • Such applications can be used for the preparation of food, eg for frying. Heating and tempering of aqueous media or oils can also be used in industrial processes. Particularly advantageous applications also exist the heating of fusible solids or highly viscous substances, which become liquid at a temperature increase. If an EM energy absorbing element with a large surface area is introduced into such a solid mass, a faster heating of the mass can thereby be effected, than with an indirect heating which takes place via a container surface. Such an application is particularly suitable for temperature-sensitive foods, such as butter or cocoa mass.
  • the energy input is introduced directly and within a liquid.
  • EM energy donor elements which are coated with reaction-promoting compounds, it is possible to control temperature-sensitive reactions in reaction mixtures very precisely.
  • the EM Energy donor elements which are coated with reaction-promoting compounds, it is possible to control temperature-sensitive reactions in reaction mixtures very precisely.
  • the EM Energy donor elements which are coated with reaction-promoting compounds, it is possible to control temperature-sensitive reactions in reaction mixtures very precisely.
  • the EM Energy donor elements which are coated with reaction-promoting compounds, it is possible to control temperature-sensitive reactions in reaction mixtures very precisely.
  • the EM Energy donor elements which are coated with reaction-promoting compounds, it is possible to control temperature-sensitive reactions in reaction mixtures very precisely.
  • the EM Energy donor elements which are coated with reaction-promoting compounds, it is possible to control temperature-sensitive reactions in reaction mixtures very precisely.
  • the EM Energy donor elements which are coated with reaction-promoting compounds, it is possible to control temperature-sensitive reactions in reaction mixtures very precisely.
  • the EM Energy donor elements which are coated with
  • temperature ranges suitable for the various applications can vary considerably.
  • temperature ranges between 15 ° C and 45 ° C are preferred, more preferably between 20 ° and 40 ° C, and most preferably between 25 ° and 37 ° C.
  • the preferred temperature ranges are between 40 ° and 100 ° C, more preferably between 50 ° and 85 ° C, and most preferably between 60 ° and 75 ° C.
  • non-aqueous media such as.
  • oils or ionic liquids it may be necessary to set temperatures preferably between 80 ° and 350 ° C, more preferably between 90 ° and 200 ° C, and most preferably between 99 ° and 150 ° C.
  • Further advantageous embodiments include:
  • Cellulosic materials is / are located.
  • a Energybergerrichelement consisting of an energy absorber and at least one temperature measuring device and / or a radio transmitter and / or an RF induction coil and / or an RF induction current generator and / or a
  • Magnets / magnetizable material and associated compounds Magnets / magnetizable material and associated compounds.
  • An energy delivery unit comprising an energy generator and an HF alternator and at least one radio receiver and / or a measuring and control module and / or a control element and the associated connections.
  • Energy absorption element has a reactive / reaction promoting surface coating.
  • FIG. 1A EM energy generator unit according to Example 1.
  • Figure 1B EM energy absorber unit according to Example 1.
  • Figure 2 Graphical representation of the temperature profile in containers of the experiment in Ex. 2.
  • Figure 3 A and B Components of the EM energy transmitter unit according to Example 3.
  • Figure 4 A View of the EM energy absorber element according to Example 4.
  • Figure 4 B Enlarged view of a component in Figure 4 A.
  • Figures 5 A and 5 B Cross-section and top view of the EM energy supplier in accordance with Example 5.
  • Figures 5 C - E EM energy absorber unit according to Example 5.
  • Figure 6A View of the EM energy absorber element according to Example 6.
  • Figure 6B View of the EM energy delivery unit according to example 6.
  • Figure 7A View of the cylindrical EM energy delivery unit according to Example 7.
  • Figure 7B View and top view of the EM energy absorber unit according to Example 7.
  • Figure 8A Cross-sectional view of the EM energy absorbing element according to Example 8.
  • Figure 8B Graphical representation of the temperature curve of the experiment according to Ex. 9.
  • Figure 8C Graphical representation of the conversion rate of the alcohol in the experiment according to Ex. 9.
  • Figure 1A An oblique view of the EM energy delivery unit according to Example 1.
  • 100a Core of the EM energy provider
  • 100b EM energy generator
  • 101 HF alternator
  • 102 DC generator
  • 103 measuring and control module
  • 104 display unit
  • 105 RF radio receiver unit
  • 106 connection cable (not shown in this perspective)
  • 107 EM energy delivery area
  • 108 control
  • 109 mechanical magnetic rotary device (109) (the holding and driving device is located below the energy generator and is therefore not shown).
  • Figure 1B EM-Energieaufwhimatiä according to Example 1, lateral oblique view.
  • 110 EM energy absorber whose 2 halves are connected by a shaft (124). This creates a free space called excavation 1 (119).
  • the HF induction coil (111) is freely rotating attached and laterally 2 brass rings (123) are firmly mounted. At 111 two strips of copper sheet are mounted, which is shaped so that the free ends on both sides contact the 123. The discs are connected to the ends of the spool.
  • the connection cables extend through a notch (127) of 110 into the excavation 2 (120).
  • the mounted here HF induction current generator (112) From this goes from a connecting cable and extends in 127 to the excavation 3 (121) and is here connected to the RF radio transmitter (113). From 113, the RF radio antenna (114) goes off and goes to 127.
  • An internal temperature sensor (116) departs from 113 and runs in a bore (later potted) to below the surface of 110.
  • An external temperature sensor (115) Degends from 114 and passes through a bore on the outer surface of one of the permanent magnets (118), which are glued on both sides 110 laterally. The probe end is located in a central recess of the bonded PEEK molding (125).
  • Figure 2 Graphical representation of the temperature profile which was registered in the containers a) - e) according to Example 2, in a test with a Laborrrockerloomplatte (2A) and with an induction current heating unit (2B).
  • Figure 3 A and B Components of the EM energy transmitter unit from Example 3.
  • Figure 3D shows the excavation 313 in the top view, with the components mounted: 314: HF induction current generator; 315: RF induction coil with attached contact sheets; 316: bracket of 315, on the shaft are each mounted a brass ring with electrical connection; an RF radio transmitter with antenna (117), as well as connection connections.
  • Figure 3E Graphical representation of the temperature setpoints and the measured temperature values from Example 3, for heating with a hotplate and the induction current heating unit.
  • Figure 4 A) Lateral oblique view of the EM energy absorber element according to Example 4.
  • FIG. 400 EM energy absorber in the form of tubes; 401: Frame construction for enclosing the EM energy absorber and receiving the electronic components in one of the connecting regions (401a), in which the compound only in the form of two outer webs erflogt, the resulting excavation was finally sealed watertight by a stainless steel sheet.
  • Figure 4B shows an enlargement of 401a. Shown are the wall surfaces of the excavation with the mounted thereon electronic components: 402: RF radio transmitter; 403: HF alternator; 404: RF induction coil; 405: conductor plate and brass sleeve. The connection connections are not shown.
  • FIG. 5 A and B show a cross-section and the top view of the EM energy emitter according to Example 5, which consists of a ferrite molding (500) with a base plate, rectangular shaped webs and a shell core sheath.
  • the lands are provided with coils (501) of insulated copper wire connected via side outlets to the HF (501a) AC generator.
  • Circular are 6 electromagnetic coils (502) having upwardly directed pole pieces mounted on supports of the molding, 4 inside and 2 outside the core shell shell.
  • the electronic components RF alternator, RF radio receiver unit, DC generator, control unit and their electrical connections are not shown.
  • FIGS 5 C - E EM energy absorber unit according to example 5.
  • 5C cross section with lateral view
  • 5D top view
  • 5E partial enlargement of one of the 3 discs of the EM energy absorber.
  • 510 Two tips of outer temperature probes projecting beyond the outer edge of the uppermost disk (the terminal extends within the disk and enters the middle mounting fixture in the housing (511) which is mounted on top with the fixture).
  • the housing contains the components not shown here: HF induction coil, HF induction current generator, RF radio transmitter, RF antenna.
  • One internal temperature sensor is inserted under the top graphite plate and is connected to the RF radio transmitter (not shown).
  • the 3 panes each consisted of 10 graphite plates (512) bordered on the free edge with a C-shaped copper sheet (513). The plates were additionally held together by the holders (514). At the bottom were attached to 514 permanent magnets (515).
  • Figure 6A Side oblique view of the EM energy absorber element according to Example 6.
  • 600 Base plate of the ferrite molding; 601: curved bridges; 602: central, here approximately represented, middle web; 603: permanent magnets fixed on the underside; 604: the components: RF induction coil, RF induction current generator and RF radio transmitter are located in the center at the bottom of the base plate in a removable housing.
  • FIG. 6B Side oblique view of the EM energy delivery unit according to Example 6.
  • 610 Part of the housing bottom plate, with the thereon EM energy generator (nickel-zinc-ferrite molding) consisting of a base plate (611a), 8 cores (611b) and a Kernschalenwand (611c), which is centrally located below the mold bottom plate.
  • the pivot bearing of the right-angled webs which in turn are supports for the end-mounted bar magnets (612) (the drive device and the components: RF alternator, RF radio receiver and control unit and their connections are not shown)
  • the RF coil is shown by way of example only on a core (613).
  • Figure 7A Cross-sectional view of the cylindrical EM energy delivery unit according to Example 7.
  • 700 HF alternator; 701: core of the energy provider; 702: Annular recess of the container base footprint for receiving the ring magnet. 703: ring magnet; 704: RF radio receiver; 705: RF induction coil of the EM energy generator; 706: installation surface for a bottom spacer of a vessel; 707: Installation surface for the bottom of the vessel.
  • Figure 7B Lateral oblique view and top view of the EM-Energieau fashionü according to Example 7.
  • 710 base plate of the EM energy absorber (casting)
  • 711 star-like cone shape of the energy absorber.
  • the components: RF induction coil, RF power generator, RF radio transmitter and the electrical connections are located in an excavation in the center of the bottom plate with bottom opening (not shown).
  • 712 The internal temperature probe is located in a superficial recess of the base plate, which extends radially to the outer edge and was then potted with tin.
  • 713 The outer temperature probe is located at the top of the cone and is connected to a cable that passes through the heat transfer body for excavation.
  • FIG. 8A Cross-sectional view of the EM energy absorbing element according to Example 8.
  • 800 Energy absorber, 801 exemplary representation of the internal temperature probes embedded in the surfaces of an aluminum coating and located on all 3 levels.
  • 802 ring magnet;
  • 803 RF radio transmitter with connections;
  • 804 RF induction coil;
  • 805 HF induction current generator;
  • 806 external temperature sensor.
  • the induction current heating unit consists of an EM energy delivery unit ( Figure 1A) and an EM energy absorption element ( Figure 1B).
  • the energy delivery unit consists of the following components: the EM energy generator (100), consisting of the core (100a) and the coil (100b), the HF alternator (101), a DC generator (102), the measurement and control module (103 ), the display unit (104), the RF radio receiver unit (105), and the connection cables (106) to the control element (108) and the mechanically driven magnetic rotary device (109).
  • the EM energy receiving element consists of the following components: the EM energy receiver (110), the RF induction coil (111), the RF induction current generator (112), the RF radio transmitter (113), the RF antenna (114), the Outside temperature sensor (115), the surface temperature sensor (116), the connecting cables (117) and the permanent magnet (118).
  • the EM energy receiving element further includes an excavation 1 (119), an excavation 2 (120) and an excavation 3 (121). Also included are sliding contact plates (122), contact sleeves (123), a shaft (124) and PEEK fittings (125).
  • the EM energy absorber consists of a graphite block (SGL, Germany) in which 3 excavations were milled. At each end of the graphite block, a permanent magnet was attached in each case.
  • the RF induction coil In the central excavation (119) is the RF induction coil, with the steel core suspended by a shaft (material: PEEK) traversing it, so that the core always aligns perpendicular to the plane of the support of the Energyaufrichelements.
  • PEEK material
  • Both sides of the core brass sleeves are attached, which are connected with connecting cables.
  • the field coil consists of several layers of an insulated copper wire, whose ends are each connected to a sliding contact plate. The sliding contact plates abut the brass contact sleeves.
  • connection cables are embedded in a superficial notch of the power receiver and connected to the RF induction current generator mounted in the excavation 2. From this runs an electrical connection cable through the surface notch to the excavation 3 and is here connected to the radio transmitter which is mounted therein. The radio transmitter is connected to the electrical connections of the two temperature probes.
  • the sensor wires were inserted into shallow indentations of the energy absorber.
  • the sensor area of the surface sensor was brought into contact with the graphite block in the notch by liquid tin.
  • the outer temperature sensor runs in the sensor area through a molded piece of PEEK, which has been glued to one of the permanent magnets and has a central exit point for the sensor wire.
  • the core of the EM energy transmitter consists of a manganese-zinc ferrite (BFM8) with a frequency range of ⁇ 500kHz and a power loss of 400KW / m 3 at 100kHz and 100mT (Blinzinger, Germany).
  • the coil consists of a litz wire (Elektrisola, Germany; diameter 0.25 mm, 3.7 mm 2 cross-sectional area, simple enveloped) which is placed in 2 layers each having 5 turns around the core.
  • the RF cable is connected to the HF alternator (Cobes, Germany, 100W, 550kHz).
  • a 2-channel F-radio receiver (Vellemann, Germany) with integrated antenna is connected to the measuring and control module (DMT, Germany).
  • a DC generator which is connected to a primary AC power source, provides the working current for the aforementioned electronic components.
  • the measurement and control module is connected to the HF alternator and the control unit.
  • the EM energy generator unit is surrounded by a molded housing made of polypropylene, in which the control unit is integrated.
  • Below the EM energy transmitter is a web (material: PEEK), which projects laterally beyond the energy generator and is mounted centrally on a shaft, which allows unbalance-free rotation of the web.
  • a web material: PEEK
  • the EM energy absorber element was placed in a beaker filled with 200 ml of water.
  • the beaker was placed on the energy delivery area of the EM energy generator unit and set a target temperature at the outer temperature sensor of 80 ° C on the control. Further, a revolution frequency of 100 rpm was preselected at the control unit and the power output was started.
  • a temperature measuring probe connected to a temperature measuring device for continuous temperature recording (Greisinger, Germany). A continuous increase in temperature up to 80.2 ° C was registered. After reaching the maximum, the temperature of the liquid remained constant at 80.1 ° C over the measurement period of 30 minutes, with a fluctuation range of ⁇ 0.2 ° C.
  • the rotational frequency of the energy absorbing element was 100 rpm.
  • the containers were a) a Erlenmeyer flask made of glass (floor area 5.9 cm 2 ), b) a laboratory flask made of borosilicate glass, which had a corrugated surface (floor area 5.8 cm 2 ), c) a plastic laboratory flask (floor area 5 , 8 cm 2 ), d) a crystallizing dish (bottom area 5.0 cm 2 ) and e) a bottle made of polyethylene (floor area 5.8 cm 2 ).
  • a stirring rod 50 mm was inserted. Both devices had a rotation frequency of 100 rpm.
  • the EM energy absorption element consisted of a round tinplate (area 3 cm 2 , material thickness 300 ⁇ ) by means of a bathleitfolie (Kerafol, WLF 86/50, 225 ⁇ material thickness) over the entire surface with an aluminum cone, the design of Example 7 (surface about 5 cm 2 ) corresponded, was thermally conductively connected.
  • the EM energy absorber had a central recess in which the functional units: HF induction current generator and RF radio transmitter were inserted and connected to the aluminum cone. Through the cone ran a temperature sensor, which was connected to the HF induction current generator and the RF radio transmitter and in which the measuring range towered over the conical surface. The rest of the construction and the components corresponded to / from Example 1.
  • the EM energy delivery unit was constructed according to Example 1, the maximum power output was 200 watts.
  • the temperature of the liquids to be heated in the containers was determined 2 cm below the liquid level with a temperature probe and recorded the temperature profile continuously. The final temperature was determined after 40 minutes. Furthermore, the heating of the containers was observed with an infrared camera.
  • the internal temperature sensor wire was led through the energy absorber to the top and connected here in a groove with the graphite by liquid tin.
  • the external temperature sensors were mounted with a 3 mm spacer in the area of the orbital edge and the top.
  • the EM energy absorber was graphite and had a mass of 18 g. All components of the EM energy absorption element were coated with a 20 ⁇ thick layer of PTFE.
  • the induction current heating unit further consisted of an EM energy delivery unit consisting of the following components: an RF radio receiver unit, 6 annularly arranged electromagnets whose pole shoes were flattened and arranged in a circle equidistant from each other around the coil core and a vertical orientation to the footprint had.
  • the EM energy source consisted of a nickel-zinc ferrite fitting.
  • the remainder of the construction of the energy donor unit corresponded to that of Example 1.
  • Test Part A In each of 2 Erlenmeyer flasks (capacity 200 ml), 50 ml of a solution of horseradish peroxygenase (12.5 kU) containing 0.1 mmol / l sodium citrate were added.
  • the solutions were overcoated with inert gas. There was a heating, in which a temperature of 65 ° C should be reached and maintained over the duration of 24 hours.
  • a flask was heated with a laboratory hot plate controlled by an external temperature sensor superficially immersed in the suspension to be heated. Further, a stirring magnet was inserted in the piston, which was rotated continuously at 100 rpm. The second flask was heated with an EM energy absorber.
  • the following settings were made on the control unit: setpoint temperature of the external temperature sensor 65 ° C, maximum temperature of the internal temperature sensor 67 ° C, rotation frequency of the energy absorption element 100 rpm.
  • the temperature of the solution was determined continuously with a temperature probe. From the registered values, the limit and mean values were determined. The experiments were repeated 3 times with both methods.
  • Experimental part A Using a laboratory hot plate or induction current heating unit, the temperature was maintained at 65.1 ° C and 65.0 ° C, respectively. The standard deviation was 3.2% and 0.8 ° C, respectively. The maximum temperature values per hour were 68.7 ° C and 66.2 ° C, respectively. The enzyme activity in the reference sample was reduced by 17%. The enzyme activities of the solution heated with the hot plate or induction current heating unit were reduced by 60% and 21% from baseline, respectively.
  • the energy absorber was composed of 2 x 12 parallel tubes of stainless steel, each 1cm in diameter and 15cm in length, joined by a stainless steel frame ( Figure 4).
  • the glass container was placed on the energy delivery area of the energy delivery unit, which consisted of the components according to Example 1.
  • the EM energy generator was of its design similar to that of Example 5, but in contrast had a larger floor area and a greater height. Further, the coil was arranged with 20 turns and in 5 layers around the cores.
  • the HF alternator had a maximum power consumption of 4kW.
  • the components of the EM energy transmitter unit were connected to an external control unit.
  • the control unit had a digital display and control panel.
  • the target temperature, the minimum and maximum temperatures that should be present at the internal and external temperature sensor were set.
  • a target temperature of the medium of 190 ° C was set. 250 ° C and 185 ° C were set on the control unit as maximum and minimum temperatures of the energy absorber. The experiments were finished after 15 minutes. The temperatures of the frying oils were measured continuously 2 cm below the liquid level. Furthermore, the operating energy of the systems was determined during the heating phases.
  • the target temperature of the frying oil was reached faster by 47 seconds (A) or by 58 (B)) and by 135 (C)) seconds with the induction current heater than with conventional fryers.
  • the temperature variations after reaching the target temperature were ⁇ 1.8% for the induction current heating unit and ⁇ 11.3% for the fryers, for A) ⁇ 16.8% and for C) ⁇ 14.3%.
  • the energy consumption for the induction current heater which was determined over the duration of the test, was significantly lower than that of the fryers (- 22% compared to A), - 28% compared to B) and - 34% compared to C)).
  • the power receiving element (Figure 5C - E) of the induction current heating unit consisted of the following components: an internal and 2 external temperature sensors, an RF radio transmitter, an RF induction coil, an HF induction current generator, 4 permanent magnets, and terminal connections.
  • the Energyberger reviewing consisted of 3 each 10mm thick discs with a diameter of 10 cm.
  • the discs consisted of 10 1mm thick graphite plates (SGL, Germany, electrical resistance 18 ⁇ / ⁇ , thermal conductivity 200 W / (m 'k)), which were bordered by an outer circumferential ring and held together by the holding devices.
  • the outer surface of the EM energy absorber was calculated to be 54cm 2 .
  • the disks were arranged parallel to each other and connected at a distance of 10 mm at 5 points to each other by a continuous holding device.
  • the radio transmitter with the terminals for the temperature sensors, was located in a housing which was mounted on the surface in the middle of an outer disk of the energy absorbing element.
  • the following electronic components were mounted and interconnected: RF induction coil, RF induction current generator, RF radio transmitter, RF antenna.
  • the locations of the external temperature sensors are shown in Figure 5C.
  • the Energy Delivery unit consisted of the components: EM energy generator, RF alternator, RF radio receiver unit, electromagnetic rotary device according to example 3, DC generator, control unit and electrical connections.
  • the EM energy sink unit consisted of a ferrite block formed by a 3-D mill ( Figures 5A and B).
  • the control unit were 2 controllers for the set temperature of the medium and the maximum temperature of the EM energy absorber.
  • the HF alternator had a maximum power consumption of 1000 W.
  • the energy is supplied by a 220V DC generator.
  • a target temperature of the medium of 55 ° C and a maximum temperature of the EM Energyauf fielements of 60 ° C were set.
  • Cocoa butter mass which had been refrigerated for storage and which was a solid mass should be liquefied.
  • 1 kg of the mass was placed in a metal container with a surface of 180 cm 2 and in a plastic container with a flat bottom.
  • the metal container was placed to the rim in a water bath constantly at a temperature of 60 ° C. immersed.
  • the energy absorbing element was placed in the plastic container so that it was located immediately above the EM energy delivery area of the EM energy delivery unit and then placed over the cocoa butter mass.
  • the stirrer was turned on after 1 minute and set at a revolution frequency of 40 rpm.
  • the time required for the cocoa butter to melt completely was determined. Further, the final temperature of the molten butter was measured. The experiments were repeated 3 times and the mean value calculated from the determined values.
  • the EM energy receiving element of an induction heater had the following components: an EM energy receiver, an internal and an external temperature probe, an RF induction coil, an RF induction current generator and a radio transmitter, 6 permanent magnets and connection connections.
  • the EM energy absorber consisted of an aluminum molded part with a round bottom plate of 1 mm thickness with perpendicularly departing comma-like curved bars, which were arranged around a star-shaped middle bar ( Figure 6A). On the underside of the bottom plate, the magnets were mounted circular and in the center was a removable housing for receiving the other system components.
  • the outer temperature probe was mounted on top of the bottom plate.
  • the EM energy transmitter unit consisted of an EM energy generator, a mechanical magnetic rotation device according to Example 1, an HF alternator (400 W max.), An RF radio receiver and a control unit together with terminals.
  • the EM energy source consisted of a nickel-zinc-ferrite molding ( Figure 6B). For the coils (5 turns in 2 layers each) an HF strand was used. For applications with more than one liter of media, several of the square EM energy transmitter elements were juxtaposed. In this case, the same number of EM energy absorption elements were inserted into the container.
  • the rotational frequency of the rotating device, the target temperature of the medium and the minimum and maximum temperatures of the EM-Energieetzillon be set.
  • one or more EM energy absorption element was placed in the containers and then filled with the sauces.
  • the filled trays were placed directly on the energy delivery area of the EM energy generator unit, as the target temperature of the medium, a temperature of 85 ° C for experiments 1 and 2 and 65 ° C for experiment 3 was set.
  • a revolution frequency of 30 rpm was set.
  • a water temperature of 90 ° C was set for experiments 1 and 2 and of 70 ° C for experiment C.
  • each 3 liters of a freshly prepared hunter sauce (experiment) and a custard (experiment 2) and 500ml of a hollandaise sauce (experiment 3) were filled into ceramic dishes of the same shape.
  • One dish each was heated with the water bath and with the induction current heater.
  • the sauces had a temperature of 90 ° C (experiments 1 and 2), or 70 ° C (experiment 3).
  • the sauces were then tempered without coverage for 3 hours by both methods.
  • the temperature of the sauces which was present in the middle of the containers, was determined continuously with a temperature probe. Subsequently, the formation of a skin formation as well as an adhesion of solids to the shells was determined.
  • the temperature of the sauces was kept constant in a range between 82 ° and 87 ° C. in experiments 1 and 2 over the experimental period.
  • the temperature for water bath heating was lower than for induction current heating, 55 ° C. 68 ° C.
  • the sauces which had been kept warm in a water bath, a skin had formed, as well as varying degrees of firm adhesion in the area of the liquid levels on the container walls.
  • the sauces that had been tempered with the induction current heating unit neither skin formation nor noticeable adhesion to the container occurred.
  • each 200ml of coffee (1), latte macchiato (2) and 150ml cappuccino (3) were filled in cups, as they are commonly used for the sale of entrainment drinks and were made of coated paper with a 1cm high bottom spacer (Trendsky premium coffee mug).
  • the EM energy transmitter unit consisted of an EM energy transmitter, an HF power generator (max 60W) and an F radio receiver as well as the electrical connections.
  • the energy generator housing was cylindrically shaped ( Figure 7A). The upper edge area was lowered by 1 cm from the central top.
  • the central upper side had a circular recess 8 mm wide in the edge area for receiving an annular magnet.
  • the magnet could be easily attracted by a metallic object and could be removed with it.
  • the EM energy absorbing member located at the bottom of the beverage cup was, after placing the cup on the casing, attracted to the magnet therein, thereby fixing the EM energy absorbing member to the cup bottom. When removing the cup of the magnet was lifted with and remained fixed to the bottom of the cup. When tilting or turning the cup, there was no slippage of the EM energy absorbing element or the magnet on the cup bottom. The EM energy absorbing element could be solved by removing the round magnet from the bottom of the cup and recover by dumping.
  • the EM energy transmitter unit was connected by a cable to an external control unit.
  • the control unit was electrically connected to a power take-off for a car fire igniter.
  • the EM energy absorbing element consisted of a conical stainless steel fitting with star-shaped extensions as shown in Figure 7B and had a base diameter of 4 cm and a height of 3 cm. The surface was determined to be 4.6 cm 2 .
  • the base plate was heat-conductively bonded to a heat-conductive sheet. The latter were then heat-conductively connected to a 150 ⁇ thick aluminum foil.
  • an RF induction coil, an RF power generator, a radio transmitter and the electrical connections were installed in a recess in the lower central area. Further, on one side surface, the internal and external temperature probes were electrically connected to the radio transmitter.
  • a maximum temperature of 80 ° C was set for the internal temperature sensor and a target temperature of 60 ° C for the external temperature sensor.
  • the temperature of the hot beverage was continuously measured by a 2 cm deep immersion temperature probe.
  • the investigations were carried out with (A) and without (B) an energy absorbing element on capped cups under the same conditions at 22 ° C outside temperature.
  • the beakers containing the freshly prepared drinks were placed on the energy delivery unit for 1 hour.
  • a tasting was carried out by 3 trained persons, wherein over the duration of 40 minutes, at a distance of 3 minutes a sip was drunk. The taste experience was noted. Further, at the end, the temperature of the residual amount of the beverage was measured.
  • Experiment 1 The temperature of the beverages in the unheated cups dropped rapidly and after 60 minutes was in a temperature range between 28 ° and 36 ° C.
  • Experiment 2 During the tasting, a taste evaluation of the drink was only possible after cooling to 60 ° - 65 ° C and thus only after 12 minutes. The taste experience was rated as consistently good over unheated drinks over a 15 minute period. After that, there was a progressive deterioration of the taste experience, which was related to the beverage cooling.
  • the taste experience of the beverages tempered with the induction current heating unit remained consistently good until the end of the experiment, with no difference in the evaluation of the well-felted taste result of the unheated hot beverage.
  • the final temperature was between 23 ° C and 27 ° C for the unheated drinks and between 57 ° C and 60 ° C for those who had been tempered with induction current heating.
  • the EM energy generator unit corresponded to that of Example 5, but had no stirring device. Two forms of planar induction current heating units were used.
  • the EM energy absorber consisted of 2 graphite foils, each of which was placed around a glass rod (5 mm in diameter) and which were guided above this winding through the bottom region of a copper fitting, in which case the foils were fixed.
  • the fitting had a U-shape with side surfaces of 10 x 10cm each of a 4mm thick sheet. Between the side surfaces there was a distance of 1.5cm.
  • the graphite foils were thermally conductively connected to the side surfaces.
  • RF induction coil In the area of the bottom plate of the molded part was a closable excavation for receiving the following components: RF induction coil, RF induction current generator, RF radio transmitter and RF antenna. Between the graphite foils and the copper sheet, three temperature sensors were arranged on both sides over the entire surface and connected to the radio transmitter. The EM energy absorbing element was sealed with a thin PTFE layer.
  • the heated with heat lamp meat cheese had a top temperature of 62 ° C and 52 ° C below.
  • the surface of the top was brownish with a firmer consistency, the corners were slightly bent upwards.
  • the tempered with the induction current heater meat cheese had a temperature of 60 ° C on both sides. Both sides were the same in color and consistency as a freshly cut piece. During the tasting, it was not possible to differentiate the meat cheese tempered with the induction heating from a fresh slice, while the meat cheese tempered by the heat radiator had a markedly different taste.
  • Cyclohexane can be oxidized by the catalyst cobalt acetate in the presence of tert-butyl hydroperoxide to the corresponding alcohol and ketone.
  • the cobalt acetate complex was synthesized by a known method (Nowotny M, Pedersen LN, Hanefeld U, Mashmeyer T. Increasing the Ketone Selectivity often Cobalt-Catalyzed Radical Chain Oxidation of Cyclohexane, 2002, Chem Eur J) to mesoporous material (MCM-41 ) covalently bound.
  • MCM-41 mesoporous material
  • the EM energy absorber consisted of the following components: EM energy absorber ( Figure 8), RF induction coil, RF induction current generator, RF radio transmitter, RF antenna, and 3 internal temperature sensors mounted in a circle on each level of the discs and enclosed in the full aluminum alloy.
  • EM energy absorber Figure 8
  • RF induction coil As a reaction promoting compound, 250 mg of the powdered MCM-41 cobalt acetate complexes were applied to and immobilized on the entire surface of the energy acceptor on a fresh thin film of an epoxy resin adhesive. After curing of the adhesive, detachable residues of the powder were removed in an ultrasonic bath. The dried surfaces had a homogeneous white coating.
  • the EM energy generator unit corresponded to that of Example 1.
  • the maximum temperature of the surfaces of the EM energy releasing member was set at 96 ° C.
  • the stirrer was set at both devices to a rotation frequency of 50U / min. set. The experiment was ended after 1 hour. At intervals of 10 minutes, the temperature of the reaction liquid was measured and taken samples for analysis. The conversion rate was determined by the concentration of the resulting alcohol.
  • an EM energy generator unit For the investigation, an EM energy generator unit according to Example 1 was used. There were arrangements of films and discs of different adsorption materials. There were films of aluminum (AF), expanded graphite (eGF) and copper (KF) in the material thicknesses: 50, 100 and 200 ⁇ , and discs of a tinplate (WB) and a pure steel sheet (SB) in the material thicknesses 100 and 200 ⁇ , and plates of non-expanded graphite (nGP) with a material thickness of 150 ⁇ used, which were individually and in combination with each other and examined in the different thicknesses. The films / discs were placed on top of each other in a combination. In each case round formats with a diameter of 5cm were used.
  • AF aluminum
  • eGF expanded graphite
  • KF copper
  • WB tinplate
  • SB pure steel sheet
  • nGP non-expanded graphite
  • Foils were made of aluminum (AF), expanded graphite (eGF) and slices of tinplate
  • the EM energy generator unit and the experimental arrangement according to Example 11 were used / executed.
  • the measurements were carried out at a distance between the EM energy delivery surface of the EM energy donor and the surface, the films / disk arranged as EM energy absorber, of 8 mm (Al) and 20 mm (A2) (compare Experiment 11). It The current intensity of the RF resonant circuit was measured and recorded. Heating of the EM energy absorbers and the workpieces was recorded with an infrared camera.
  • a copper wire with a cross-sectional area (QF) of 0.1 xxmm 2 (KD1) and 0.5 mm 2 (KD2) of a multifilamentary copper wire strand with a QF of 2.5 mm 2 (KL) was used as the electrical conductor.
  • QF cross-sectional area
  • KD1 and KD2 0.5 mm 2
  • KD2 multifilamentary copper wire strand with a QF of 2.5 mm 2
  • KL 2.5 mm 2
  • Wire lengths of 25cm (LI), 50cm (L2) and 100cm (L3) were used, and the wire ends closed the resonant circuit of an HF alternator (55kHz resonant circuit frequency).
  • the maximum possible energy transfer performance was limited to 100W (PI) and 500W (P2) by setting the RF voltage transmitter accordingly.
  • the wires were placed in a different arrangement on a solid wooden board, or arranged by plastic clamping devices in a defined geometry / spatial orientation: AI) arcuate-planar with maximum possible removal of the wire parts with each other, A2) as in AI) but in a range circular, A3) as A2) but 2 circular winding of the wire, which were superimposed.
  • AI arcuate-planar with maximum possible removal of the wire parts with each other, A2) as in AI) but in a range circular, A3) as A2) but 2 circular winding of the wire, which were superimposed.
  • the experiments were repeated with a cylindrical piece of 1 cm diameter and 10 mm length placed in a wire section located at A2 and A3 within the coil (s), consisting of: iron (E), glass (G. ), sintered ferrite (F), the experimental procedure was correspondingly marked.
  • an EM energy absorber consisting of a tinplate, in a tenacity of 10mm over a portion of the wire in AI) and over the winding (A2 and A3)) or over the region of the inserted cylinder piece by means of a mounting device was arranged.
  • the current intensity of the RF resonant circuit was measured and recorded.
  • the current flow (ampere) present in the resonant circuit without transmission of an electromagnetic energy field to an EM energy absorber has been termed internal power dissipation (IVL). Heating of the wire or cylinder piece was detected with an infrared camera.
  • an IVL was between 0.22 and 0.44A.
  • the IVL increased significantly to 0.45 to 1.3A.
  • the IVL continued to rise and led with all wires to a significant warming, so that the attempt had to be prematurely terminated at P2 with the wires KD2 and KL.
  • the addition of a glass cylinder had no effect on the IVL
  • the current was not less than 2.5A. Due to the heating to> 80 ° C of the wire and / or the iron cylinder, the experiments were terminated prematurely.
  • ferrite mold bodies were used, which had an E-shape and either in open form (Fl) or in closed form (F2), i. in the form of a half shell with a central ring, templates.
  • An EM energy absorber consisting of a composite of an aluminum foil and a graphite foil approximated the ferrite mold bodies from all sides: from the side, to the side of the base plate and to the open side opposite to the base, at a distance from each other 10mm.
  • the IVL was in all arrangements in a range between 50 to 200mA.
  • the current increased to 3.3 to 5A and the EM energy absorber became instantaneously hot.
  • the EM energy absorber With an approach of the EM energy absorber from one side, there was an increase in the current intensity up to a maximum of 1.2A at F2) with F2), there was only a minimal increase, which was a maximum of 0.6 A.
  • F2 When approaching the side of the base plate, there was no increase in F2) and minimal increase in Fl).
  • the EM energy absorber was virtually not heated in these experiments.
  • EM energy transmitter unit comprising: a power supply, 2 RF voltage generators + HF alternators, an RF receiver, a control module.
  • the EM energy generator consisted of a ferrite-shaped piece in the form of a half-shell (diameter 5 cm), which had centrally an annular projection with a diameter of 1.5 cm. The projection and the edge of the shell had a height above the base plate of 10mm. Between the shell edge and the ring an insulated copper wire strand with 5 turns was inserted. A field coil was placed in the space bounded by the annular projection. The terminals of the coil wires to the RF alternators were passed through passages in the base plate.
  • the field coil was coupled into a 180kHz resonant circuit and the copper wire strand into a 50kHz resonant circuit.
  • the received signal from the RF radio receiver was sent to the control module to which it was connected.
  • the control module was connected via a control line to the RF voltage generators.
  • the EM energy absorber element comprised the following components: an EM energy absorber, an RF induction coil, a temperature sensing wire, an RF transmitter.
  • the EM energy absorber consisted of a graphite foil (diameter 5cm), which had a circular recess (15mm) centrally. Furthermore, there was a recess in an edge region.
  • the foil was bonded to an aluminum cone by means of a ceramic heat conducting foil. In the area of the central section of the film, the cone had a recess into which the RF induction coil was inserted and fixed. There was an electrical connection with the temperature measuring wire and the RF radio transmitter.
  • the RF radio transmitter was mounted on a ferrite plate, which was directly connected to the cone in the area at the edge of the EM energy absorber.
  • the EM transducer element was placed in a glass such that the cone base rested on the container bottom.
  • the glass was laterally connected to a device which allowed for free height adjustment against the EM delivery area of the EM energy delivery unit above which it was located. There were tests at a distance between 1 and 10cm. At a distance of 50 cm, the field strength of electromagnetic waves emitted from the glass was determined in the radio-frequency range.
  • the electrical operation of the RF transmitter in the EM Energyier termed could be guaranteed without interference and interruption in all positions and during the heating of the EM-Energieaufdozenss, which was evident in a continuously updated temperature measurement, the on a display of the control / regulating module was visible and was obtained by the RF radio signal transmission to the RF radio receiver of the EM Energy Sampling Unit. From the power consumption of the RF voltage generator of the coil resonant circuit it was seen that with increasing distance of the EM Energyauf fielements of EM energy delivery unit, an automatically performed by the control / regulating module increase in the transmission power was made. Based on the measured temperature values, an adaptive control of the power consumption of the resonant circuit of the EM energy emitter could be controlled. Outside the water-filled glass, no permissible signal strength / signal level of electromagnetic wave radiation in the radio-frequency range was exceeded during all experimental conditions.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontrollierten und kontaktlosen und direkten Erwärmung und/oder Temperierung von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen, gekennzeichnet durch, - eine elektromagnetische Energiegebereinheit, umfassend mindestens einen Hochfrequenz-Spannungsgeber, mindestens einen Hochfrequenz-Wechselstromgenerator, mindestens einen elektromagnetischen Energieabgeber, bestehend aus mindestens einer Spule eines elektrischen Leiters und mindestens einem Ferrit, sowie mindestens eine Funktionseinheit, umfassend mindestens einen elektromagnetischen Empfänger, mindestens eine Regel- und Steuereinheit und/oder mindestens eine manget- oder elektromagnet-basierte Antriebsvorrichtung, wobei der mindestens eine Ferrit aus einer Basis und mindestens einer Auskragung besteht und wobei der elektrische Leiter zumindest einen Teil der Basis und/oder der mindestens eine Auskragung mindestens einmal unter Ausbildung einer Spule umwindet und wobei der elektrische Leiter in mindestens einen Schwingkreis mit einer Schwingkreisfrequenz zwischen 10 Hz und 1 MHz des mindestens einen Hochfrequenz-Wechselstromgenerators eingekoppelt ist, unter Erzeugung eines elektromagnetischen Energiefeldes im Bereich der Spule, welches durch den mindestens einen Ferritgebündelt und das elektromagnetische Energiefeld in einem Energieabgabebereich emittiert wird, der sich gegenüber der Basis, sowie im Falle des Vorhandenseins von mehr als einer Auskragung, gegenüber der Basis und in einem Bereich zwischen den Auskragungen befindet; und - ein elektromagnetisches Energieaufnehmerelement, umfassend mindestens einen elektromagnetischen Energieaufnehmer und mindestens einen Wärmeübertragungskörper und mindestens eine Funktionseinheit, umfassend mindestens eine Temperaturmessvorrichtung, einen Hochfrequenz-Sender, eine Hochfrequenz-Induktionsspule, einen Magneten, ein magnetisierbares Material und/oder eine magnetisierbare Spule und/oder einen Sensor zur Bestimmung physikalischer Zustände, insbesondere von Temperatur, Druck, Geschwindigkeit, und wobei sich das elektromagnetische Energieaufnehmerelement im elektromagnetischen Nah- und/oder Fernfeld des elektromagnetischen Energieabgebers der elektromagnetischen Energiegebereinheit befindet und die Ebenen des elektromagnetischen Energieabgabebereichs und des elektromagnetischen Energieaufnehmers flächenparallel ausgerichtet sind.

Description

Verfahren und Vorrichtungen zur kontaktlosen direkten Erwärmung
von Flüssigkeiten und Feststoffen
Hintergrund
Die Erwärmung oder Beheizung von Flüssigkeiten in einem Behältnis kann durch eine externe Energiequelle in Form von offenem Feuer oder durch eine externe elektrische betriebene Wärmequelle erfolgen. Dies erfordert, dass das Behältnis, welches eine Flüssigkeit und/oder einen Feststoff beinhaltet, über eine ausreichende Hitzebeständigkeit verfügt, wozu in der Regel eine metallische Behälterwand erforderlich ist. Alternativ kann auch ein elektrischer Wärmeerzeuger in das zu beheizende Behältnis eingebracht werden, z. B. in Form eines elektrischen Widerstands- erwärmers. Nachteilig ist hierbei, dass die Heizvorrichtung im Inneren des Behältnisses mit einer Leitung zur Energiezufuhr verbunden werden muss. Bei einem nur zeitweilig erforderlichen Energieeintrag kann dies unpraktisch sein, z. B. weil sich das Behältnis hierdurch nicht richtig verschließen lässt. So ist es impraktikabel, z. B. eine Suppe oder ein Heißgetränk, wie einen Kaffee, mit einem Tauchsieder zu erwärmen oder temperiert zu halten.
Bei den vorgenannten Beheizungsarten ist ferner nachteilig, dass im Bereich des Wärmeenergieeintrags zumeist eine Undefinierte Temperatur besteht, die oft zu einer lokalen Überhitzung führt, die die Flüssigkeit oder in ihr enthaltene Bestandteile schädigt. So kommt es ohne die zusätzliche Einrichtung einer Flüssigkeitsdurchmischung zu einer lokalen Überwärmung im Bereich des Energieeintrages, die zu den unerwünschten Veränderungen an Inhaltsstoffen der Flüssigkeiten führen kann, z. B. einer Denaturierung von Proteinen.
Es ist daher wünschenswert, eine Beheizungs- und Temperierungsvorrichtungen für Flüssigkeiten und/oder schmelzbare Feststoffe und/oder Festkörper in Behältnissen zu haben, bei der die Erwärmung unmittelbar und damit direkt und kontaktlos in der Flüssigkeit erfolgt und bei der es nicht notwendig ist, eine Energieleiterverbindung nach Außen herstellen zu müssen, sodass einerseits das Behältnis geschlossen werden und andererseits ein beliebiges Behältnis verwandt werden kann. Weiterhin wünschenswert ist ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung, mit dem/der neben der vorgenannten Erwärmung auch gleichzeitig eine Durchmischung der Flüssigkeit und/oder des zu schmelzenden Feststoffs möglich ist. Eine solches Verfahren oder eine Vorrichtung hierfür existieren bisher nicht. Unbefriedigend sind auch Verfahren nach dem Stand der Technik zur Erwärmung und Temperierung von Feststoffen bzw. Festkörpern. Hier steht eine breite Auswahl an Verfahren zur Verfügung, wie einer Beheizung mittels einer Wärmestrahlungsquelle, Heißluft oder Kontakt mit einer erhitzten Unterlage. Gemeinsam ist diesen Verfahren, dass durch sie keine gleichmäßige Erwärmung des Feststoffes erfolgt und diese stark von der Positionierung des zu erwärmenden Feststoffs abhängt. Ferner treten unerwünschte Effekte auf. So kommt es z.B. bei Lebensmitteln, die als Festkörper vorliegen, sehr rasch zu einem Austrocknen und Konsistenzänderungen des Feststoffs. Bei allen Verfahren kommt es leicht zu lokalen Überhitzungseffekten.
Mittels elektromagnetischer Energie ist es möglich, metallische und einige nicht-metallische Verbindungen zu erhitzen. Dieses physikalische Prinzip kann dazu benutzt werden, Kochtöpfe und Pfannen, die aus Metall sind, zu erhitzen, um somit Speisen zu garen. Aus dem Stand der Technik sind hierzu Vorrichtungen bekannt, bei denen das Erwärmungsprinzip darin besteht, den zu erwärmenden metallischen oder nicht-metallischen Gegenstand in das elektromagnetische Feld einzubringen. Die elektromagnetische Induktionsenergie kann allerdings auch dazu genutzt werden, einen metallischen Gegenstand, der sich in unmittelbarer Nähe der Induktionsplatte befindet, zu erwärmen. Nach diesem Prinzip funktionieren Induktionskochplatten. Nachteilig hieran ist, dass für diese Anwendung speziell geeignete metallische Behältnisse erforderlich sind. Während die Verwendung derartiger metallischer Behälter in Form von Töpfen und Pfannen bei der Zubereitung von Speisen aufgrund ihrer Robustheit sehr geeignet sind, ist die Abhängigkeit des Erwärmungsprinzips von einem metallischen Behältnis bei anderen Anwendungen wiederum nachteilig. Dies trifft z. B. für die Erwärmung oder Warmhaltung von kleinen Flüssigkeitsmengen zu, die für den mobilen Verzehr zubereitet werden. Hierunter fallen insbesondere Heißgetränke, wie Kaffee oder Tee, welche zum Transport in Behältnisse zur Einmalverwendung, die aus Kunststoffen oder Cellulosematerialien bestehen, abgefüllt werden. Nachteilig an dieser Transportform von Heißgetränken ist, dass derartige Getränke zunächst zu heiß für den unmittelbaren Verzehr sind, dann für eine, je nach Isolierung des Behältnisses, kurze Phase eine optimale Verzehrtemperatur aufweisen und es dann, insbesondere bei kleinerer Restmenge sehr rasch zu einer Abkühlung kommt, wodurch derartig abgekühlte Getränke mit einem nicht mehr akzeptablen Geschmackserlebnis verbunden sind. Dies führt dazu, dass insbesondere Heißgetränke in dem zum Verzehr akzeptablen Temperaturbereich relativ rasch und vollständig getrunken werden müssen oder eine Restmenge, die eine nicht mehr akzeptable Abkühlung erfahren hat, verworfen wird. Diese Problematik könnte zur Entwicklungen von Vorrichtungen führen, bei denen Behältnisse, die in ihrer Form und Funktion für den mobilen Transport geeignet sind mit einem metallischen Bereich ausgestattet werden, über den, mittels elektromagnetischer Induktion, eine Erwärmung dieses Bereiches sowie der im Behältnis befindlichen Flüssigkeit erfolgt. Nachteilig wäre hierbei, dass diese Behältnisse, insbesondere aufgrund ihres materiellen Wertes, nicht als Einmalartikel vorzusehen wären. Heißgetränke oder andere Flüssigkeiten, wie Suppen, die an Verkaufsstellen erworben werden können, werden für den mobilen Transport in Einmalgebrauchsbehältnissen ausgegeben. Diese können zwar in Behältnisse zur induktiven Erwärmung umgefüllt werden, dies wäre aber unpraktisch, da es zum einen zu einem Verschütten der Flüssigkeit kommen kann, zum andern das Volumen der Gefäße nicht übereinstimmen kann und des weiteren charakteristische Getränkemerkmale (z. B. bei einem Cafe Latte Macchiato) durch das Umfüllen verloren gehen können. Daher ist es wünschenswert, wenn das Heißgetränk oder eine zum Verzehr vorgesehene Flüssigkeit, die bereits in einer Einmalgebrauchseinheit befindlich sind, in dieser verbleiben aber gleichwohl in dieser warm gehalten oder erhitzt werden können, ohne dass ein Eintauchen einer externen elektrischen Wärmequelle erforderlich ist. Es ist daher die Aufgabe der nachfolgenden technischen Lehre und technischen Zeichnungen, ein Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen durch eine elektromagnetische Energiequelle Flüssigkeiten und/oder zu schmelzende Feststoffe und/oder Festkörper in beliebigen Behältnissen kontaktlos erhitzt und/oder temperiert und/oder gemischt werden können, sodass die Verwendung spezieller Behältnisse nicht erforderlich ist.
Beschreibung
Es können 2 Formen zur Erwärmung und Temperierung von Flüssigkeiten unterschieden werden: Direkte und Indirekte. Eine indirekte Erwärmung/Temperierung erfolgt, indem ein Behältnis, in dem sich die Flüssigkeit befindet, durch eine extern gelegene Energiequelle erwärmt/temperiert wird und mittels Konvektion die thermische Energie auf die Flüssigkeit übertragen wird. Die hierfür erforderliche Energiemenge ist immer und zumeist deutlich größer, als die Energiemenge, die zur Erwärmung/Temperierung der Flüssigkeit benötigt wird, da ein Teil der Energie nicht übertragen wird. Weiterhin nachteilig ist, dass bei Verwendung einer Vorrichtung, die eine bestimmte Fläche des Behältnisses erwärmt, es bei stark unterschiedlichen Flüssigkeitsmengen, die auf die gleiche Temperatur erhitzt werden sollen, an der Grenzfläche zwischen dem erhitzten Behältnis und der Flüssigkeit zu einer Überhitzung kommen kann, was beispielsweise an einer Bildung von Siedebläschen erkannt werden kann. Somit lässt sich mittels indirekter Erwärmungs-/Temperierungs- verfahren für verschiedene Flüssigkeitsmengen oder verschiedene Behältnisse oder Erhitzungsleistungen eine einstellbare Oberflächentemperatur des zur Erwärmung/Temperierung eingesetzten Behältnisses nicht bewerkstelligen.
Eine direkte Erwärmung/Temperierung erfolgt, indem eine Vorrichtung zur Erwärmung/ Temperierung in die in einem Behältnis befindliche und zu erwärmende/temperierende Flüssigkeit eingebracht und mit einer externen Energiequelle verbunden wird. Die nach dem Stand der Technik hierfür verfügbaren Vorrichtungen, wie z. B. ein Tauchsieder, die auf dem Prinzip eines elektrischen Widerstandserwärmers basieren, sind nicht geeignet, um eine lokale Überhitzung von Flüssigkeiten zu vermeiden und weisen in der Regel nur eine kleine Oberfläche auf. Ferner stellt die Notwendigkeit eines Kabelanschlusses für viele Anwendungen eine Limitation dar.
Das Prinzip einer induktiven Erhitzung von Metallen und einigen Nichtmetallen durch ein elektromagnetisches Energiefeld, ist im Stand der Technik in vielen Ausführungsformen bekannt. Dabei wird durch einen Stromfluss, der durch einen elektrischen Leiter erfolgt, ein Magnetfeld in Form von Feldlinien erzeugt, die senkrecht zu Stromflussrichtung ausgerichtet sind. Bei einer Anordnung des elektrischen Leiters um eine Achse kommt es zu einer Überlappung der elektromagnetischen Feldlinien. Dies führt in Verbindungen, die in der Lage sind elektro-magnetische Feldlinien zu adsorbieren, zu einem elektro-magnetischen Wirbelstrom, wodurch es bei elektrisch leitfähigen und magnetisierbaren Verbindungen zu wiederkehrenden Ausrichtungsvorgängen kommt, die hierdurch in eine thermische Energieform übergehen. Es besteht ein hoher Energieeffizienzgrad der Wärmeerzeugung, da keine thermische Energie bei dem Erwärmungsvorgang verloren geht.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Metalle und Metallverbindungen, die elektromagnetische Energie adsorbieren können, hierzu geeignet sind. Nach dem Stand der Technik werden hierzu Kupfer- und Eisenverbindungen verwandt. Der Erwärmungsgrad bei einer induktiven Erhitzung wird nach dem Stand der Technik nicht gemessen. Dies ist unvorteilhaft, da es bei einer Anwendung, bei der ein Gefäß zur Erwärmung z.B. einer Flüssigkeit eingesetzt wird, zu einer lokalen Überhitzung im Kontaktbereich des induktiv erhitzten Materials und der Flüssigkeit kommen kann. Eine elektromagnetische Induktion wird in vielen Industriebereichen zum Erhitzen, Härten, Glühen, Schweißen oder Löten, u.a.m. von Metallstücken verwandt. Hierbei befindet sich der zu erhitzende Werkstoff innerhalb des elektromagnetischen Felds einer Wechselstromspule, d. h. das Werkstück oder Bereiche des Werkstücks befinden sich innerhalb einer geschlossenen oder halboffenen Spule oder zumindest in Teilbereichen in unmittelbarer Nähe einer offenen Spule mit runder, halbrunder oder auch abgeflachter Form. Aufgrund der geringen Reichweite des elektromagnetischen Wechselfeldes sind Anwendungen, bei denen ein elektromagnetisches Energiefeld zur Erhitzung von metallischen oder nicht-metallischen Verbindungen, die im Nahfeld-Bereich elektro-magnetischen Energie adsorbieren, also innerhalb weniger Millimetern außerhalb der elektromagnetischen Spule liegen und bei denen es keine Verbindung zu Anteilen der Spulen gibt, bzw. von der elektromagnetischen Spule auch nicht in Teilen umschlossen wird, deutlich wenig effizient. Aus dem Stand der Technik ist kein Verfahren oder eine Vorrichtung bekannt, mit dem/der eine energieeffiziente direkte Erwärmung/Temperierung von Flüssigkeiten mittels einer induktiven Erwärmung unter kontinuierlicher Kontrolle der Temperatur des zu erwärmenden Mediums und der Temperatur, die an der Grenzfläche zwischen dem induktiv erwärmten Körper und dem Medium vorliegt, erfolgt und bei dem sich der induktiv zu erwärmende Körper im Nah- oder Fernfeld einer Induktionsspule befindet. Insbesondere ist dabei kein Verfahren oder eine Vorrichtung bekannt, bei dem dies kontaktlos, d. h. ohne Notwendigkeit eines leitungsbasierten Kontakts mit dem zu erwärmenden/temperierenden Medium, erfolgen kann. Insbesondere ist dabei kein Verfahren oder eine Vorrichtung bekannt, bei dem dies kontaktlos erfolgt und gleichzeitig eine Durchmischung des zu erwärmenden/temperierenden Mediums, unter Steigerung der Konvektion der eingetragenen thermischen Energie, erfolgen kann.
Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass es möglich und praktikabel ist, Flüssigkeiten, schmelzbare Feststoffe und/oder Festkörper im elektromagnetischen Nah- und/oder Fernfeld eines elektromagnetischen Energiegebers direkt und kontrollierbar zu erhitzen und zu temperieren durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Induktionsstromerhitzungseinheit.
Es ist daher die Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, mit denen eine einstellbare und kontrollierbare Erwärmung von Energieaufnehmerelementen, die nicht in einem direkten Kontakt mit eine EM-Energiegebers sind und sich außerhalb einer Spule, die eine elektromagnetische Energiefeld erzeugt, befinden und somit Nah- und/oder Fernfeld eines elektromagnetischen Energiefeldes befinden, erfolgen können. Das Nahfeld ist vorzugsweise weniger als 5mm, mehr bevorzugt weniger als 4 mm und weiter bevorzugt weniger als 3mm vom Energiegeber entfernt, während das Fernfeld vorzugsweise einem Abstand zum Energiegeber von mehr als 10 cm, mehr bevorzugt von mehr als 4cm und weiter bevorzugt von mehr als 5,1mm aufweist. Für den Begriff„elektromagnetisch" wird in der Folge auch das Kürzel„EM" verwandt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Gegenstände oder Verbindungen, die die angelegte elektromagnetische Energie adsorbieren können und die in der Folge EM-Energieaufnehmer genannt werden, durch die Adsorption der elektromagnetischen Energie erwärmt/erhitzt, die durch mindestens eine Trennschicht zu einem oder mehreren Energiegeber(n) elektromagnetischer Energie (EM-Energiegeber) getrennt sind und die lediglich ein oder mehrere Annährungsstellen zu einem oder mehrerer EM-Energiegeber(n) aufweist/aufweisen. Weiterhin kann die erfindungsgemäße Erhitzung und Temperierung von Energieaufnehmern bis zu einem kontaktlosen Abstand von mindestens 4cm, mehr bevorzugt von mindesten 6cm und weiter bevorzugt von mindestens 10cm erfolgen.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem das EM-Energiefeld des Nah- und Fernfelds des Energieabgebers, das eine messbare Erwärmung eines Energieaufnehmers bewirkt, sich in einem Bereich zwischen 3 mm und 10 cm oberhalb der Energieabgabefläche eines EM-Energiegebers befindet.
Bevorzugt sind Verfahren und Vorrichtungen zur direkten und kontaktlosen Induktionsstromerhitzung und/oder Induktionsstromtemperierung von Flüssigkeiten und/oder schmelzbaren Feststoffen und /oder Festkörpern, die gekennzeichnet sind durch,
a) mindestens eine EM-Energiegebereinheit und b) mindestens ein EM-Energieaufnehmerelement, das sich kontaktlos im elektromagnetischen Nah- und/oder Fernfeld der EM-Energiegebereinheit befindet.
Weiterhin bevorzugt ist ein Verfahren zur direkten und kontaktlosen Induktionsstromerhitzung von Flüssigkeiten und/oder schmelzbaren Feststoffen und /oder Festkörpern, das gekennzeichnet ist, durch eine EM-Energiegebereinheit und ein EM-Energieaufnehmerelement, das sich kontaktlos in einer Flüssigkeit oder einem schmelzbaren Feststoff in einem Behältnis aus Glas, Keramik, einem Kunststoff oder Cellulosematerialien, welches sich im elektromagnetischen Nah- und/oder Fernfeld der Energiegebereinheit liegt, befindet.
Vorteilhaft an dem Verfahren ist, dass eine Erwärmung/Temperierung unmittelbar in einer Flüssigkeit oder unmittelbar an einem Feststoff und somit direkt erfolgen kann. Im Unterschied zu Verfahren aus dem Stand der Technik ist aber kein leitungs-basierter Anschluss, z. B. für eine Energieversorgung, erforderlich, sodass das Verfahren kontaktlos erfolgen kann.
Bevorzugt ist ein Verfahren zur direkten und kontaktlosen Erwärmung/Temperierung von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen.
Es wurde gefunden, dass sich die energetische und ökonomischen Effizienz einer Induktionsstromerhitzung und/oder Induktionsstromtemperierung von Flüssigkeiten und/oder schmelzbaren Feststoffen und /oder Festkörpern, durch verschiedene Verfahrenselemente in erheblich steigern lässt oder die Anwendbarkeit überhaupt erst ermöglicht.
Ferritische Materialien bestehen aus einer kubisch-raumzentrierten Gitterstruktur eines reinen Eisens und seiner Mischkristalle. Werkstücke aus ferritischen Material, im Folgenden Ferrit oder Ferritkörper genannt, werden durch einen Sinterungsprozess erhalten. Sie weisen paramagnetische und/oder ferromagnetische Eigenschaften auf. Aufgrund der sehr guten Adsorption von elektromagnetischer Energie werden sie zur Abschirmung von elektrischen Leitungen verwendet, wodurch eine Emission eines elektromagnetischen Energiefeldes reduziert oder unterbunden werden kann. Überraschenderweise wurde gefunden, dass Ferrite besonders geeignet sind, um ein elektromagnetisches Energiefeld zu erzeugen und zu bündeln, wodurch eine gerichtete Abgabe des gebündelten Energiefeldes in einem Nah- und Fernfeld einer möglich ist.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem eine Erzeugung und Bündelung eines elektromagnetischen Energiefels mit einem Ferrit erfolgt, sowie eine Emission des gebündelten Energiefelds in ein Nah- und Fernfeld erfolgt.
Es wurde gefunden, dass in einer geeigneten Anordnung das gebündelte elektromagnetische Energiefeld geeignet ist, Adsorptionsmaterialien induktiv zu erhitzen.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem ein Ferrit zur Erzeugung und Bündelung eines elektromagnetischen Energiefels sowie Emission des gebündelten Energiefelds verwandt wird und bei dem durch das gebündelte elektromagnetische Energiefeld in einen Nah- und Fernfeld eine induktive Erwärmung eines Energieaufnehmers erfolgt.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass durch die Verwendung eines Ferrits als Spulenkern für die Erzeugung und Emission eines elektromagnetischen Energiefelds, das eine induktive Erwärmung eines EM-Energieaufnehmers in einem Nah- und Fernfeld eines EM-Energiegebers ermöglicht, die Länge und der Querschnitt eines elektrischen Leiters, der in Form einer Spule angeordnet wird, sich erheblich gegenüber einer Konfiguration eines elektrischen Leiters, die aus dem Stand der Technik für eine induktive Erhitzung verwandt wird, verringern lassen. Ferner wurde gefunden, dass sich hierdurch die Energieeffizienz des Verfahrens weiter verbessern lässt.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem ein Ferrit als Spulenkern für die Erzeugung und Emission eines elektromagnetischen Energiefelds für eine induktive Erwärmung eines EM-Energieaufnehmers in einem Nah- und Fernfeld des EM-Energiegebers verwandt wird. Die Verwendung eines EM- Energiegebers ist ein bevorzugtes Verfahrenselement.
Im Folgenden wird EM-Energiegeber, bestehend aus einem Ferrit und einem elektrischen Leiter, auch als HF-Induktionsspule bezeichnet.
Ferner wurde überraschenderweise gefunden, dass sich weitere vorteilhafte Effekte aus der Anordnung des Materials bzw. der Komponenten, mit denen eine bevorzugte Adsorption der elektromagnetischen Energie, die in einem Nah- und Fernfeld eines EM-Energiegebers angelegt ist, sowie eine Umwandlung in thermische Energie, ermöglicht werden kann.
Es wurde gefunden, dass sich Folien und/oder dünne Scheiben von Adsorptionsmaterialien, die über eine wärmeleitende Verbindungsschicht, die nicht zur Adsorption der elektromagnetischen Energie führt, mit einem für die Wärmeabgabe geeigneten Material verbunden sind, wodurch ein adsorptionsfreier Spaltraum entsteht, für eine energieeffiziente Verfahrensausführung besonders gut geeignet sind.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem eine Adsorption elektromagnetischer Energie sowie deren Umwandlung in thermische Energie in einem Nah- und Fernfeld eine EM-Energiegebers durch Folien und/oder dünne Scheiben von Adsorptionsmaterialien erfolgt, die mittels einem wärmeleitenden, aber nicht elektromagnetische Energie adsorbierenden Material mit einem Wärmeübertragungskörper verbunden sind. Die Verwendung von Folien und Scheiben aus Adsorptionsmaterial sind ein wesentliches Verfahrenselement.
Die Erfindung basiert daher auf verschiedenen Verfahrenselementen, die zur Ausgestaltung der Erfindung und zu besonders vorteilhaften Ausgestaltungformen der Erfindung führen. Dabei umfassen die erfindungsgemäßen Verfahrenselemente, erfindungsgemäße Materialien/ Komponenten, sowie erfindungsgemäße Anordnungen der Materialien/Komponenten sowie die integrative Funktion/Funktionssteuerung der Materialien/Komponenten.
Ein anderer Aspekt der Erfindung, bzw. ein anderes Verfahrenselement betrifft die Anordnung der Komponenten der Energiegebereinheit und des Energieaufnehmerelements.
Durch eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten zur induktiven Erwärmung können bisher nicht bekannte Effekte in der Umsetzung eines elektromagnetischen Energiefeldes und einer dazugehörigen Steuerung erzielt werden. Hierdurch lassen sich mehrere Funktionalitäten nebeneinander oder gleichzeitig sowie eine Verbesserung der Energieeffizienz erreichen. Darüber hinaus kann das Verfahren ohne einen physikalischen Kontakt zwischen der EM-Energiegebereinheit, welche sich außerhalb eines flüssigen Mediums befindet und einem EM-Energieaufnehmerelement, das sich in einem flüssigen Medium befindet, durchgeführt werden.
Detaillierte Beschreibung
Das erfindungsgemäße Verfahren und die hiermit ausgestaltbaren Vorrichtungen zur direkten und kontaktlosen Induktionsstromerhitzung und/oder Induktionsstromtemperierung von Flüssigkeiten und/oder schmelzbaren Feststoffen und /oder Festkörpern, die im Folgenden als Induktionsstromerhitzungseinheit bezeichnet werden, umfassen die 2 Hauptverfahrenselemente, bzw. Hauptkomponenten: 1. EM-Energiegebereinheit und 2. EM-Energieaufnehmerelement. Im Folgenden werden diese im Singular aufgeführt, eine oder beide der Hauptkomponenten oder anderer Komponenten können aber auch in 2- oder mehr-facher Ausführung in einer Induktionsstromerhitzungseinheit vorliegen.
Die erfindungsgemäße direkte Erwärmung/Erhitzung eines EM-Energieaufnehmerelements erfolgt durch ein elektromagnetisches Energiefeld, das durch eine EM-Energiegebereinheit bereitgestellt wird. In der einfachsten Ausführungsform besteht die letztere aus einem Leiter von elektro- magnetischer Energie (Kern) und einer hierum gewickelten Spule aus einem elektrisch leitfähigen Material/Draht (Spule). Im Folgenden wird diese Anordnung auch als HF-Spule bezeichnet. Eine solche Anordnung kann sowohl elektromagnetische Energie generieren als auch adsorbieren. Daher wird zur Klarheit im Folgenden eine erfindungsgemäße Anordnung aus einem Kern und einer Spule, mit der ein elektromagnetisches Energiefeld erzeugt und emittiert wird, EM-Energiegeber genannt und eine solche Anordnung, mit der ein elektromagnetisches Energiefeld adsorbiert und in eine elektrische Energie umgewandelt wird, als HF-Induktionsspule bezeichnet bzw. Induktionsstromgenerator, wenn zusätzlich elektronische Bauteile zur Erzeugung einer Gleichspannung vorliegen, bzw. hiermit verbunden sind. Das zur Erwärmung/Erhitzung des Energieaufnehmers erforderliche elektromagnetische Energiefeld wird hergestellt, indem die HF- Spule des EM-Energiegebers mit einer elektrischen Hochfrequenz-Wechselstromspannung beaufschlagt wird, d. h. in einen HF-Spannungsschwingkreis gekoppelt wird bzw. diesen schließt. Das hierdurch entstehende Magnetfeld der HF-Spule erzeugt einen Wirbelstrom in/an dem Kern, der das elektromagnetische Energiefeld bündelt und leitet und somit zum elektro-magnetischen Leiter wird. An den Polenden des elektromagnetischen Leiters entsteht hierdurch das zur Energieübertragung erforderliche elektro-magnetische Energiefeld.
Das Kernmaterial, das für einen EM-Energiegeber verwandt werden kann, kann prinzipiell aus jedem Element oder Verbindung bestehen, das/die eine Leitfähigkeit elektro-magnetischer Energie ermöglicht. Bevorzugt werden Materialien, die die Induktion eines Wirbelstroms ermöglichen und dabei eine geringe Erwärmung des Materials (Verlustleistung) aufweisen. Die Verbindungen können dabei aus den folgenden Elementen bestehen oder diese enthalten, wie z.B. Silber, Kupfer, Gold, Eisen, Aluminium, Messing, Chrom, Edelstahl, Blei, Wolfram, Zinn, Zink, Gadolinium oder Indium. Es wurde gefunden, dass ferritisches Material in überaus vorteilhafter Weise sich als Leiter eines elektromagnetischen Energiefeldes einsetzen lässt. In einer bevorzugten Ausführungsform werden als Kernmaterial Ferrite verwandt. Weiterhin bevorzugt werden Ferrite mit Zuschlägen, wie z.B. Mangan-Zink-Ferrite (MnaZn(i_a)Fe204) oder Nickel-Zink-Ferrite (NiaZn(i_a)Fe204). Der Kern kann prinzipiell jede Form haben. Bevorzugt wird eine gerade Stabform. Mehr bevorzugt wird eine U-Form eines Stabes, eines Rohrs oder eines Formteils. Ferner besonders bevorzugt sind Formteile mit einer E-Form oder sogenannte Schalenkerne. Am meisten bevorzugt wird eine Anordnung von Schalenkerne mit Auskragungen, die aus Leiten oder Stegen bestehen oder zylindrisch oder mehrkantig sind, mit unterschiedlichen Durchmessern, und die mit der gleichen oder jeweils mit einer unterschiedlichen Spule versehen werden können. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine solche Anordnung durch Ferritformteile erreicht. Besonders bevorzugt sind Ferrite, die zumindest eine Basis und eine Auskragung aufwiesen.
Bevorzugt sind Spulenkerne, die eine schichtartige oder schalenartige Anordnung haben. Bevorzugt sind EM-Energiegeber, die mehrere Kernspulen aufweisen.
Bevorzugt sind EM-Energiegeber deren Kernmaterial ein Ferrit ist.
Der elektrische Leiter der Spule besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine hohe elektrische Leitfähigkeit, bei gleichzeitig geringem Widerstand bei der Durchleitung eines hochfrequenten Wechselstroms, hat. Bevorzugt werden die Metalle Silber, Kupfer, Aluminium oder Verbindungen mit diesen Metallen. Besonders bevorzugt ist Kupfer. Der elektrische Leiter kann als Draht oder Band oder Folie gefertigt sein. Zwischen dem Kern und der Spule besteht kein elektrischer Kontakt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der elektrische Leiter mit einer vorzugsweise dünnen Isolationsschicht ummantelt. Besonders bevorzugt ist eine Ummantelung mit einem Isolationslack. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die isolierten Drähte in Bündeln zusammengefasst, die in paralleler Anordnung vorliegen oder verflochten sein können. Derartige Materialien sind auch als HF-Litze bekannt.
Die Spule kann aus einer Umwindung des elektrischen Leiters oder aus einer Mehrzahl von übereinander angeordneten Umwindungen bestehen. Die Materialstärke des Leiters und die Umwindungszahl richten sich nach der Anwendung und sind auf die Stärke des erforderlichen elektro-magnetischen Energiefeldes auszurichten. Zur Anwendung wird der Leiter mit beiden Enden an den HF-Wechselstromgenerator angeschlossen.
Bevorzugt ist die Verwendung eines EM-Energiegebers, der einen Kern aus einem Ferrit und eine Spule aus einer HF-Litze hat.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft die durch eine bevorzugte Verfahrensausführung mögliche Verbesserung der Energieeffizienz eines induktiven Erwärmungs-/Erhitzungsverfahrens. So zeigte sich zum einen, dass ein höherer thermischer Energieeintrag in eines der erfindungsgemäßen EM- Energieaufnehmerelemente bei Verwendung identischer Einstellungsparameter eines Hochfrequenzstromgebers mit einer erfindungsgemäßen Verfahrensausführung erfolgt, als dies mit einer Vorrichtung und einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik, möglich ist. Es wurde gefunden, dass die räumliche Anordnung der Elemente/Komponenten des EM-Energiegebers dabei von großer Bedeutung ist.
So wurde festgestellt, dass bei Verwendung eines Spulenkerns eine hohe Übertragungsleistung elektromagnetischer Energie erreicht wurde, wenn dieser aus einem ferritischen Material ist und wenn ein(e) oder mehrere Leiste(n)/Steg(e)/ ing(e), um die/den zumindest ein elektrischer Leiter 1- mal gewunden war oder bei Halb- oder Vollschalen eines ferritischen Materials, Teile einer Schale bzw. der Basis mit mindestens einer Windung eines elektrischen Leiters umgeben waren. Die hohe Energieübertragungsleistung erfolgte dabei über die Abschlussflächenebene der/des einen oder des/der mehreren Leiste(n)/Steg(e)/Ring(e), die im Falle einer Schale bzw. dem Vorliegen einer Basis auf der entgegengesetzten Seite des Schalenbodens bzw. der Basisebene befindlich ist/sind, sofern eine Anordnung des EM-Energieaufnehmers bestand, die eine möglichst flächenparallel Ausrichtung zur Abschlussflächenebene, die gleichzeitig die EM-Energieabgabeebene darstellt, vorlag. Ferner konnte gezeigt werden, dass die Energieübertragungsleistung sich hierdurch um mindestens 100 % steigern ließ, gegenüber einem Versuchsaufbau mit dem gleichen elektrischen Leiter und bei einer identisch geformten Windung und Ausrichtung dieser Windung, aber ohne Verwendung eines ferritischen Materials, unter Anwendung der identischen Einstellungen der Energiegebereinheit. Es wurde dann gefunden, dass die übertragbare Energiemenge überproportional gegenüber einer identischen Anordnung eines elektrischen Leiters, aber ohne Verwendung eines ferritisches Bauteils, gesteigert werden kann, indem der elektrische Leiter mehr als eine Windung um einen oder mehrere der Leisten/Stege/Ringe beschreibt und/oder um Anteile einer Schale, sofern diese aus einem ferritischen Material bestehen. Es wurde weiter gefunden, dass die räumliche Orientierung der einen oder mehreren HF-Spule(n), die in einem Ferritkörper, wie z.B. einem Schalenkern, keinen Einfluss auf die Energiemenge, die im Energieabgabereich des EM-Energiegebers emittiert werden kann, hat. Es wurde dann auch gefunden, dass bereits bei Verwendung weniger derartiger Windungen eines oder mehrerer elektrischer Leiter, keine weitere Steigerung der übertragbaren elektromagnetischen Energiemenge erzielt werden kann. Daher kann die erforderliche Länge des elektrischen Leiters, die zur Durchführung der erfinderischen Verfahrensausführung erforderlich ist, auf ein Minimum reduziert werden, unter Verbesserung der Übertragung von elektromagnetischer Energie, die insbesondere in Wärmeenergie umgewandelt wird. Es hat sich gezeigt, dass es bei den meisten Anwendungen ausreicht, wenn vorzugsweise < 20, weiter bevorzugt < 15, weiter bevorzugt < 12, weiter bevorzugt < 10, weiter bevorzugt < 8 und noch weiter bevorzugt < 6 Windungen eines elektrischen Leiters um mindestens eine(n) Leiste/Steg/Ring und/oder einen Schalenanteil eines Schalenkerns der Spule gelegt sind.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem ein elektrischer Leiter mit < als 20 Windungen um mindestens eine(n) Leiste/Steg/Ring und/oder einen Schalenanteil eines Schalenkerns, bzw. einer Basis des Ferriten des EM-Energiegebers gelegt ist.
Es wurden verschiedene Anordnungen von EM-Energiegebern im Vergleich zu Spulen, die für Induktionskochfelder nach dem Stand der Technik Verwendung finden, untersucht. Derartige Spulen bestehen aus einer flächig und spiralig angeordneten Wicklung einer multifilamentären Kupferdrahtlitze mit einem Drahtquerschnittsdurchmesser zwischen 2,5 und 5 mm2. Der Drahtquerschnittsdurchmesser derartiger Spulen war dabei größer, als der des elektrischen Leiters in den EM-Energiegebern. Die erfindungsgemäßen EM-Energiegeber hatten einen deutlich kleineren Durchmesser, der nur bis 1/3 der Fläche des Energieaufnehmers ausmachte. Die erfindungsgemäßen EM-Energiegeber bestanden aus Ferrit-Schalenkernen, die eine E-Bauform hatten oder als geschlossener Schalenkern mit einem oder mehreren hierin befindlichen Auskragungen in Form von einer/einem oder mehrerer Leisten/ Stege(n) bzw. Ringe(n) vorlagen. Es wurden Versuche mit 1 bis 4 Wicklungen eines Kupferdrahtes mit einem Querschnitt zwischen 0,1 und 1,2 mm2, die um einen zentralen, senkrecht zur Basis ausgerichteten Steg oder Ring angeordnet waren, durchgeführt. Dabei wurde der erfindungsgemäße EM-Energiegeber flächenparallel zum EM-Energieaufnehmer ausgerichtet, wobei der Umfang EM-Energiegebers vollständig von einem Teil des EM- Energieaufnehmers überdeckt wurde. Die Abstände zwischen den EM-Energiegebern und dem EM- Energieaufnehmer wurden variiert. Es zeigte sich, dass bei einer derartigen Anordnung, bei der die Länge des elektrischen Leiters 70% geringer und die Querschnittsfläche des Kupferdrahts > 50% geringer waren, als die, die in der konventionellen Spule vorlagen sowie die Energieübertragungsfläche 25% der einer konventionellen Spule entsprach, eine höhere elektromagnetische Energiemenge, die in Wärmeenergie umgewandelt wurde, übertragen wurde.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass es auch in einem lastfreien HF-Stromschwingkreis einer elektrischen Spannung der über einen elektrischen Leiter geschlossen wird, es hierbei zu einem Energieverlust kommt, der auch als „interne Verlustleistung" bezeichnet wird. Die interne Verlustleistung kann ermittelt werden, durch eine Bestimmung des fließenden Stroms, der von dem HF-Spannungsgeber während eines lastfreien Betriebs eines HF-Schwingkreises mit einem elektrischen Leiter aufgenommen wird. Das Ausmaß einer internen Verlustleistung hängt von zahlreichen Einflussgrößen, wie der Geometrie des elektrischen Leiters oder der Anregungsfrequenz des Schwingkreises ab und muss individuell ermittelt werden. Es wurde ferner gefunden, dass sich die interne Verlustleistung auch während einer Übertragung eines elektromagnetischen Energiefeldes gegenüber der internen Verlustleistung, die ohne eine Übertagung einer elektromagnetischen Energiemenge besteht, verändern kann. Dies wurde deutlich bei Untersuchungen zur Berechnung des Gesamtenergieverbrauchs, der für die Erwärmung einer Flüssigkeit durch induktive Erwärmungsvorrichtungen aufgewandt worden war. Aus der berechneten Differenz des kalkulierten Energiebedarfs, der für die erfolgt Erwärmung einer Flüssigkeit erforderlich war und der tatsächlich benötigten Energiemenge, die durch die Energiegebereinheit verbraucht worden war, wurde unter Berücksichtigung der jeweiligen internen Verlustleistung, die ohne eine Übertragung einer elektromagnetischen Energie vorlag und bestimmt wurde, erkenntlich, dass der Anteil der Energie, die verbraucht, aber nicht an einen Energienehmer übertragen und in thermische Energie umgewandelt wird, bei einer Verfahrensausführung nach dem Stand der Technik deutlich größer wurde, während dies nicht der Fall war, bei einer Übertragung von elektromagnetischer Energie, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgte. In einer Verfahrensausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde gefunden, dass der Anteil der internen Verlustleitung sich sogar während einer Übertragung von elektromagnetischer Energie reduziert. Insofern kann durch eine erfindungsgemäße Übertragung von elektromagnetischer Energie, bei einem gleichen Energieverbrauch der EM-Energiegebereinheit im Vergleich zu einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik, ein größerer Energieanteil übertragen und in eine thermische Energieform umgewandelt werden.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem sich die interne Verlustleistung während einer Übertragung von elektromagnetischer Energie durch einen EM-Energiegeber nicht erhöht oder vermindert wird.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Energieeffizienz bei einer induktiven Erwärmung gesteigert wird.
Bevorzugt ist ein Verfahren zur Reduktion der internen Verlustleitung eines elektrischen HF- Schwingkreises.
Korrespondierend zu einer Erhöhung der internen Verlustleistung, die während einer Übertragung von elektromagnetischer Energie, kam es bei diesen Induktionsstromvorrichtungen aus dem Stand der Technik zu einer Erwärmung der Spule, respektive des Spulendrahtes, die auch deutlich stärker war, als ein Temperaturanstieg, der bei einer Übertragung elektromagnetischer Energie, unter Verwendung eines erfindungsgemäßen EM-Energiegebers auftrat.
Es wurde ferner gefunden, dass mit einem erfindungsgemäß hergestellten EM-Energiegeber eine Bündelung des elektromagnetischen Energiefeldes erreicht wird, wobei die Abstrahlungsebene flächenparallel zur Abschlussebene einer/eines Leiste/Stegs/Ringes des Ferrit, bei dem mindestens ein Umwindung eines elektrischen Leiters ausgeführt ist, befindlich ist, bzw. flächenparallel zu der der Basis gegenüberliegenden Seite eines Schalenkerns lokalisiert ist. Es konnte festgestellt werden, dass mehr als 90% der durch dem EM-Energiegeber erzeugten elektromagnetischen Energie von der Abstrahlungsebene ausgeht, bzw. emittiert wird und im Nah- und im Fernfeld des EM-Energiegebers durch einen Energieaufnehmer adsorbiert und in thermische Energie umgewandelt werden kann. Eine Bündelung des elektromagnetischen Energiefeldes kann insbesondere dann erreicht werden, wenn ein Ferritkörper/Ferritbauteil, aus einer Basis und einer hiervon entspringenden Auskragung, deren seitliche Begrenzung einen Winkel von 45 bis 135° zur Basis beschreibt, besteht. Als Auskragung wird hierin eine Erhebung, die aus dem Niveau der Basis des Ferritkörpers/Ferritbauteils herausgeht/entspringt bezeichnet. Diese kann eine beliebige Geometrie aufweisen. Bevorzugt sind geometrische Formen im Sinne einer(s) Leiste/Stegs/Rings. Die erfindungsgemäße Auskragung hat dabei vorzugsweise eine minimale Höhe über dem Niveau der Basis von 1mm und vorzugsweise eine maximale Höhe von 10cm. Eine Basis kann eine beliebige Geometrie aufweisen, so kann es sich beispielsweise um eine Scheibe oder einen Block handeln. Bevorzugt ist eine flache Ausführungsform im Sinne einer Platte oder Scheibe. Diese kann eine beliebige Flächegeometrie aufweisen, bevorzugt ist eine runde oder 4-eckige Ausführung. Vorteilhafterweise kann die Basis auch in der Flächengeometrie angefertigt werden, die der Geometrie des gewünschten elektromagnetischen Energiefelds in einer individuellen Anwendung entsprechen soll. Es zeigte sich, dass wenn eine HF- Spule mindestens eine Umwindung um die Basis oder die Auskragung beschreibt, der vorteilhafte Effekt einer Bündelung des emittierten elektromagnetischen Energiefelds eintritt und das gebündelte elektromagnetische Energiefeld aus dem Bereich der Auskragung emittiert wird.
Es wurde gefunden, dass sich eine Bündelung auch insbesondere dadurch herstellen lässt, indem ein Ferritkörper/Ferritbauteil aus einer Basis und mindestens 2 Auskragungen, die von der gleichen Seite der Basis in einem Winkel zwischen 45 und 135° von der Basis abgehen, besteht und mindestens ein Anteil der Basis oder einer abgehenden Auskragung mindestens einmal von der HF-Spule umschlossen wird/werden. Es wurde gefunden, dass die Bündelung eines elektromagnetischen Energiefeldes weiter gesteigert werden kann, wenn die Basis eines ferritischen Körpers/Bauteils in Form einer Schale ausgebildet ist. Ferner konnte eine Verbesserung der Bündelung des elektromagnetischen Energiefeldes durch eine oder mehrere Auskragung(en), die von der Basis in einem Winkel von 45 bis 135° von einer Basis abgehen und sich innerhalb einer Halbschale oder Vollschale befinden, dokumentiert werden. Bei den hierin gemeinten Auskragungen handelt es sich vorzugsweise um Leisten oder Stegen oder Ringe oder anders geformte Erhebungen, die von der Basis abgehen. Insbesondere wurde eine Erhöhung einer gebündelten Übertragungsleistung elektromagnetischer Energie gefunden, wenn eine HF-Spule um eine oder mehrere der Auskragung(en) angeordnet waren. Es wurde gefunden, dass eine Bündelung der elektromagnetischen Energie erfolgt, die in dem Abschnitt des Ferritkörpers/Ferritbauteils emittiert wird, der von den Auskragungen begrenzt wird, innerhalb derer die Basis und/oder eine der Auskragungen von einer Spule mindestens einmal umwunden wird. Bei einer derartigen Anordnung befindet sich die Abstrahlungsebene des elektromagnetischen Energiefelds auf der zur Basis gegenüberliegenden Seite. Das elektromagnetische Energiefeld befindet sich dabei außerhalb des ferritischen Bauteils.
Die Spitze der von der Basis abgehenden höchsten Auskragung stellt dabei den Anfang des Nahfelds des EM-Energiegebers dar.
Daher ist ein EM-Energiegeber bevorzugt, bestehend aus einem Ferrit, bei dem mindestens eine/ein Leiste/Steg/Ring, im Sinne einer Auskragung/Ausziehung, welche vorzugsweise senkrecht auf einer Basis, angeordnet ist und zumindest ein(e) weitere(r) Leiste/Steg/Ring, vorzugsweise mit senkrechter Anordnung, mit der Basis verbunden ist/sind. Im einfachsten Fall handelt es sich um eine U-Bauform. Mehr bevorzugt ist eine E-Bauform. Weiter bevorzugt ist eine teilweise geschlossene Schalenbauform. Noch weiter bevorzugt sind Halbschalen mit einer umschließenden, gegenüber der Basis vertikalen Begrenzung, innerhalb der zumindest eine/ein Leiste/Steg/Ring angeordnet ist. Die Fläche, die sich zwischen den äußeren vertikalen Begrenzungen einer Basis des Ferrits und an der zur Basis gegenüberliegenden Seite befindet, ist dabei die Abstrahlungsfläche. Das an der Abstrahlungsfläche austretende elektromagnetische Energiefeld beschreibt dabei beispielsweise eine rechteckige bis ovalere Austrittsfläche bei einer U- oder E-Bauform und eine runde Austrittsfläche bei einem runden Schalenkern. Die äußere vertikale Begrenzung der Basis kann dabei eine beliebige Geometrie aufweisen, welche beispielsweise rund oder quadratisch ist. Bevorzugt ist, dass auf der Basis 2 oder mehr Leisten/Stege/Ringe, die in gleicher Weise wie zuvor beschrieben angeordnet sind, vorliegen. Bevorzugt sind Spulenkernschalen mit einer geschlossenen, d.h. nicht durch eine Aussparung unterbrochenen Basis und einem geschlossenen Schalenrand oder bei denen die Basis, teilweise offen und/oder der Schalenrand teilweise offen ist, bei denen eine Bündelung der elektromagnetischen Energie, die durch einen innerhalb der Spulenkernschale befindlichen HF-Spule erzeugt wird, erfolgt und bevorzugt > 75%, weiter bevorzugt > 80%, weiter bevorzugt > 85%, weiter bevorzugt > 90%, weiter bevorzugt > 95% und noch weiter bevorzugt > 98% des erzeugten elektromagnetischen Energiefeldes aus der Abstrahlungsfläche in ein Nah- und/oder Fernfeld eintritt. Bevorzugt sind Spulenschalenkerne zur Bündelung eines elektromagnetischen Energiefeldes und dessen Bereitstellung in einem Nah- und/oder Fernfeld, des EM-Energiegebers.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem mittels eines ferritischen Spulenschalenkerns eine Bündelung eines elektromagnetische Energiefeldes, welches mittels eines elektrischen HF-Schwingkreises erzeugt wird, erfolgt und > 75% der Energieleistung des elektromagnetischen Energiefeldes von der Austrittsfläche der Spulenkernschale abgegeben wird.
Hieraus ergeben sich überaus vorteilhafte Effekte für die Verfahrensausführung und die Energieeffizienz des Verfahrens. Hierdurch können sehr kleine und kompakte EM-Energiegeber für die Verfahrensdurchführung bereitgestellt werden. Durch die Bündelung des elektro-magnetischen Energiefeldes kann die Länge des elektrischen Leiters weiter verkürzt werden, wodurch die interne Verlustleistung weiter reduziert werden kann. Es lassen sich Geometrien des abgestrahlten elektromagnetischen Energiefels einrichten, die optimal an eine Bauform einer EM- Energiegebereinheit und/oder einer EM-Energieaufnehmereinheit angepasst, bzw. hierauf abgestimmt werden können. Insbesondere ist es hierdurch möglich, die elektromagnetische Energiemenge auf einer sehr geringen Fläche zu übertragen.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem ein elektromagnetisches Energiefeld gebündelt und in ein Nah- /Fernfeld abgegeben wird und von einem EM-Energieaufnehmer in der gebündelten Form im Nah- /Fernfeld adsorbiert und in eine thermische Energie umgewandelt wird. Bevorzugt ist eine Verfahrensausführung, bei der der EM-Energieaufnehmer sich in einem flüssigen Medium befindet. Bevorzugt ist eine Vorrichtung, bei der ein elektromagnetisches Energiefeld gebündelt und in das Nah-/Fernfeld abgestrahlt wird und von einem EM-Energieaufnehmer in der gebündelten Form im Nah-/Fernfeld des EM-Energiegebers adsorbiert und in eine thermische Energie umgewandelt wird.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht der EM-Energiegeber nur aus einer Spule. Diese kann im einfachsten Fall nur eine Windung aufweisen. Bei dieser Ausführungsform befindet sich der EM-Energieabgabebereich überwiegend im Bereich der Spule, sodass für diesen Fall ein Behältnis oder ein Teil eines Behältnisses, in dem sich das Energieaufnahmeelement befindet, von der Spule umschlossen wird. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird ein Energiegeber verwandt, der aus einem Kern und einer HF-Spule, wie zuvor beschrieben, besteht. Darüber hinaus setzt sich die HF-Spule über die Energieabgabefläche des Kerns fort oder eine weitere HF-Spule wird oberhalb der Energieabgabefläche des Kerns angeordnet. Für diesen Fall ist es vorteilhaft, wenn das Behältnis oder ein Teil des Behältnisses in dem sich das Energieaufnahmeelement befindet, dem Energieabgabebereich angenähert ist und gleichzeitig von der HF-Spule umschlossen wird.
Die vorbeschriebenen Ausführungsformen des Energiegebers sind Bestandteil einer EM- Energiegebereinheit, im Folgeneden auch EM-Energieabgabeeinheit genannt, die sich im einfachsten Fall aus einem EM-Energiegeber, einem HF-Wechselspannungsgeber sowie einem Spannungsgeber, nebst der elektrischen Verbindung, zusammensetzt.
Die EM-Energiegebereinheit enthält einen Hochfrequenz(HF)-Wechselstromgenerator aus dem Stand der Technik. Die Wechselfrequenz sollte auf Werte zwischen 10 kHz und 5MHz einstellbar sein. Bevorzugt sind Wechselfrequenzbereiche zwischen 10 und 1.000kHz, mehr bevorzugt zwischen 50 und 750kHz und am meisten bevorzugt zwischen 80 und 450kHz.
Die EM-Energiegebereinheit enthält ferner einen Spannungsgeber/Netzteil für die Bereitstellung der elektrischen Spannung des HF-Wechselstromgenerators. Das Netzteil und der HF- Wechselstromgenerator sind miteinander elektrisch verbunden, ferner bestehen Anschlüsse zu einem Modul zur Mess- und Regeltechnik, worüber sich die Einstellungsparameter, wie Spannung und maximal möglicher Stromfluss (A) /Leistungsaufnahme (W) einstellen lassen. Die Leistungsaufnahme kann zwischen 1 W und 10kW betragen, bevorzugt ist eine Leistungsaufnahme zwischen 10W und 4.000W, mehr bevorzugt zwischen 20W und 1.000W und weiter bevorzugt zwischen 30W und 500W. Die anzulegende Spannung und Stromstärke richten sich nach der Stärke des zu induzierenden elektro-magnetischen Energiefelds und sind für die individuelle Anwendung und Spezifikation des EM-Energiegebers zu ermitteln.
Als Spannungsgeber kann ein aus dem Stand der Technik bekannter Gleichstromgenerator, mit dem aus einer primären Wechselstromquelle ein Gleichstrom mit definierter Spannung und Stromstärke umgeformt wird, genommen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Energiegebereinheit eine Vorrichtung zum Empfang und Umformung von Funksignalen, im Folgenden RF-Funkempfänger genannt, die vorzugsweise im Radiofrequenzbereich (RF) liegen. Die RF-Funkempfängereinheit kann aus einer RF- Funkantenne und einem hiermit verbundenen RF-Funkempfänger aus dem Stand der Technik zusammengesetzt sein. Die Bezeichnungen RF-Funkempfänger und RF-Funkempfängereinheit werden hierin auch synonym verwandt. Aufgabe dieser Funkempfangseinheit ist es, die über den Funksender des EM-Energieaufnehmerelements gesendeten Temperaturmesswerte, aber genauso gut auch andere Messwerte, in ein digitales oder analoges Signal umzuwandeln und für eine Mess- und Regeltechnik, die im Modul zur Mess- und Regeltechnik erfolgt, verwendbar zu machen. Der Signalausgang ist mit dem im Folgenden beschriebenen Mess- und Regelmodul verbunden.
Bevorzugt ist eine EM-Energieabgabeeinheit, die eine Vorrichtung zum Empfang von RF-Funksignalen zur Übertragung der mit dem EM-Energieaufnehmerelement gemessenen Temperaturen und/oder anderer Messwerte enthält.
Bevorzugt ist die Verwendung der über ein RF-Funksignal des EM-Energieaufnahmeelements übertragenen Temperaturmesswerte und/oder anderer Messwerte für eine Regeltechnik der EM- Energiegebereinheit. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform umfasst die EM-Energiegebereinheit eine Mess- und Regeltechnik. In einer bevorzugten Ausführungsform hat diese zur Aufgabe, die Energiemenge, die vom HF-Spannungsgeber an den HF-Wechselstromgenerator und /oder von diesem an den EM- Energiegeber abgegeben wird, zu steuern. Vorzugsweise kann hierdurch eine Einstellung der mit dem EM-Energieaufnehmer zu erreichenden Temperatur in der zu erwärmenden Flüssigkeit oder des Feststoffes gewährleistet und überwacht werden. Diese Aufgabe wird gelöst, indem ein Modul zur Mess- und Regeltechnik aus dem Stand der Technik verwandt wird. Vorzugsweise ist hierzu das Modul zur Mess- und Regeltechnik elektrisch zwischen den HF-Spannungsgeber und dem HF- Wechselstromgenerator geschaltet. In einer Ausführungsform wird/werden die durch einen oder mehrere Temperatursensor(en) des EM-Energieaufnehmerelements gemessene(n) Temperatur(en), z. B. der Flüssigkeit oder des zu schmelzenden Feststoffs oder des EM-Energieaufnehmers, welche beispielsweise per RFID zur Funkempfängereinheit übertragen wurde(n), an das Modul zur Mess- und Regeltechnik geleitet. Die Mess- und Einstellungsparameter werden über einen elektrischen Anschluss an eine Anzeigeeinheit, in Form eines digitalen oder analogen Signals übermittelt. Derartige Anzeigeeinheiten sind dem Fachmann bekannt und z. B. in Form eines LED-Displays erhältlich. Die Anzeigeeinheit kann an der Außenseite der Energiegebereinheit angebracht sein oder sich im Verlauf der Stromzufuhr oder an einem externen Betriebsspannungsgeber befinden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die zu erreichende oder konstant zu haltende Temperatur bzw. der Temperaturbereich durch das Modul zur Mess- und Regeltechnik eingestellt und die Temperatureinstellung durch dieses automatisiert vorgenommen werden. Derartige Module sind aus dem Stand der Technik bekannt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Anzeigeeinheit mit einem digitalen oder manuellen Steuerelement versehen. Aufgabe dieses Steuerelements ist es, Sollwerteeinstellungen von verschiedenen Parametern vornehmen zu können. Das Steuerelement ist mit dem Modul zur Mess- und Regeltechnik elektrisch verbunden. Beispiele für derartige Steuerelemente sind dem Fachmann bekannt. Welche Parameter eingestellt werden können, hängt davon ab, welche Komponenten in dem EM- Energieaufnahmeelement sowie in der EM-Energieabgabeeinheit aufgenommen wurden. In einer bevorzugten Ausführungsform sind regelbar mindestens die Temperatur der Flüssigkeit/des Feststoffs, in dem sich das EM-Energieaufnahmeelement befindet und/oder mindestens die Temperatur des EM-Energieaufnahmeelements und/oder mindestens die Umdrehungsfrequenz des Energieaufnehmers. Besonders vorteilhaft ist es, wenn zusätzliche Parameter für eine prozessorgesteuerte Regelung der Energieabgabe des Energiegebers eingestellt werden können. So kann es vorteilhaft sein, die Temperatur die im Inneren oder an einer Außenfläche des EM- Energieaufnehmerelement vorliegen sollen oder dürfen auf Minimal- und Maximalwerte zu begrenzen und/oder eine definierte Temperatur festzulegen. Weiterhin vorteilhaft ist es, den Anstieg der Temperatur der mit dem EM-Energieaufnehmer zu erwärmenden Flüssigkeit/Gegenstand festzulegen, ebenso wie die zu erreichende oder zu haltende Temperatur. Weiterhin besonders vorteilhaft ist eine Regelung der Rotationsgeschwindigkeit des EM-Energieaufnahmeelements. In besonderem Maße vorteilhaft ist dabei, wenn zwischen den Einstellungsparametern abhängige Bedingungen oder Zeit- und Funktionsablaufprotokolle durch eine integrative Regeltechnik vorgegeben und gesteuert werden können. Beispiele für die Regelparameter sind die Dauer der Energieabgabe, Protokolle für den Temperaturverlauf, minimale und maximale Temperaturwerte. Bevorzugt ist eine EM-Energieabgabeeinheit mit einer Mess- und Regeltechnik, die rückkopplungsgesteuert die EM-Energieabgabe einstellt. Die Steuereinheit, bestehend aus dem Mess- und Regelmodul sowie dem Steuerelement und der Anzeigeeinheit, regelt dann die Energiezufuhr für den EM-Energiegeber in Abhängigkeit vorgegebener bzw. einstellbarer Temperaturwertebereiche. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann die EM-Energieabgabe des EM-Energiegebers so geregelt werden, dass voreingestellte Temperaturwerte, die am EM-Energieaufnehmer und/oder dem Wärmeübertragungskörper und/oder der umgebenden Flüssigkeit vorliegen sollen, eingestellt werden können (Solltemperatur).
Bevorzugt ist eine EM-Energieabgabeeinheit, die über eine Mess- und Regeltechnik zur automatisierten Einstellung der EM-Energieabgabe und zur Einstellung der Temperatur der zu erwärmenden/erhitzenden Flüssigkeit und/oder eines Feststoffs verfügt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform enthält die EM-Energieabgabeeinheit eine magnetische Rotationsvorrichtung zur Erzeugung eines beweglichen Magnetfeldes. Aufgabe des beweglichen Magnetfeldes ist es, magnetische oder magnetisierbare Bereiche des EM- Energieaufnehmerelements magnetisch zu binden und das EM-Energieaufnahmelelment, z. B. in Form einer Rotation, zu bewegen. In einer Ausführungsart wird dies bewerkstelligt durch eine mechanische magnetische Rotationsvorrichtung, bei der ein oder mehrere Magnete oder magnetisierbare Bereiche mechanisch kreisförmig bewegt werden. Hierzu können Permanentmagnete oder Induktionsmagnete verwandt werden. Die Pole bzw. Polschuhe sollten dicht unter der Auflagefläche für das Behältnis, in dem sich das Energieaufnahmeelement befindet, gelegen sein. Da eine Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Energiegeber und der Behältnisauflagefläche zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektromagnetischen Energieübertragung führt, ist es vorteilhaft, die für die Bewegung des EM-Engergieaufnahme- elements zu verwendenden Magnete oder magnetisierbaren Bereiche um den EM-Energiegeber herum zu platzieren. Sofern ein Permanentmagnet verwandt wird, kann dieser in einer C-Form benutzt werden, indem die Mitte der Drehachse sich am geometrischen Mittelpunkt des EM- Energieabgabebereichs befindet und die Polenden gegen die Auflagefläche dieses Bereichs gerichtet sind. Als EM-Energieabgabebereich wird hierin der Bereich bezeichnet, der sich über dem effektiv zur elektro-magnetischen Energieabgabe verwendbaren Bereiches des EM-Energiegebers befindet. In einer Ausführungsform rahmen die Polenden den EM-Energiegeber ein und das Mittelstück, das auch aus einem Nichtmagneten bestehen kann, befindet sich unterhalb des Energiegebers. Die Magnetvorrichtung, die am Achsenmittelpunkt auf einem Lager rotierbar gelagert ist, wird dann über Techniken aus dem Stand der Technik, durch eine elektrische Antriebseinheit zur Rotation gebracht. Der elektrische Antrieb ist über ein Kabelwerk mit der Steuereinheit und einem Gleichstromgenerator verbunden. Hierüber erfolgen die Stromversorgung und die Steuerung.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die magnetische Rotation des Energieaufnahmeelements durch eine elektromagnetische Rotationsvorrichtung, bei der ein bewegliches elektromagnetisches Feld durch Elektromagneten hergestellt wird. Ein solches kann durch eine geometrische Anordnung von Elektromagneten, die in wechselnder Abfolge angesteuert werden, erreicht werden. Solche Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und haben vorzugsweise mindestens 3, mehr bevorzugt mindestens 4 und weiter bevorzugt mindestens 5 Magnetspulen, deren Polschuhe eine konzentrische Anordnung um den EM-Energiegeber herum aufweisen. Die Magnetspulen sind mit einer Steuereinheit, die sich innerhalb oder außerhalb der EM- Energieabgabeeinheit befinden kann, durch ein Kabelwerk verbunden. Diese Steuereinheit liefert zum einen Gleichstrom für die Magnetspulen und gewährleitet zum anderen eine konsekutive Ansteuerung der Magnetspulen. Dabei werden vorzugsweise Rechteckimpulse an die Magnetspulen abgegeben. In den beschriebenen Ausführungsformen werden die Polschuhe vorzugsweise zur Ebene des EM-Energieabgabebereichs der Energieabgabeeinheit hin ausgerichtet. Bevorzugt ist, dass die Polschuhe außerhalb des EM-Energieabgabebereichs, um den EM-Energiegeber herum, unter der Auflagefläche für ein Behältnis platziert werden. In einer weiter bevorzugten Ausführungsart befinden sich im EM-Energiegeber Durchtrittsöffnungen zur Aufnahme vorbesagter Polschuhe, die hierin platziert werden und mit der Oberfläche des EM-Energiegebers abschließen. Diese Durchtrittsöffnungen sind so angeordnet, dass hiermit ein rotierendes Magnetfeld ermöglicht wird.
In einer weiterhin besonders vorteilhaften Ausführungsform kann mit der Steuereinheit die Rotationsfrequenz des Energieaufnehmers/ Energieaufnahmeelements eingestellt werden. Eine Einstellung erfolgt vorzugsweise über ein digitales Display und vorzugsweise mit dem gleichen Display, mit dem auch die Steuerung und Überwachung der Temperatur erfolgt. Einstellparameter sind hierbei beispielsweise die Umdrehungsfrequenz, Protokolle für Umdrehungsfrequenzmuster, incl. Minimal- und Maximalfrequenzen oder die Dauer des Betriebes.
Bevorzugt sind EM-Energieabgabeeinheiten, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung eines mechanisch oder elektronisch bewegten Magnetfeldes.
Bevorzugt ist die Verwendung eines beweglichen Magnetfeldes, erzeugt durch eine EM- Energiegebereinheit, zur Rotation eines oder mehrerer EM-Energieaufnehmerelement(e).
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird zur Energieversorgung der EM- Energiegebereinheit eine Gleichstromquelle verwandt. Dabei kann es sich z. B. um eine Stromquelle in einem Kraftfahrzeug oder an einem elektronischen Gerät, wie z. B. einem Computer, handeln. Geeignete elektrische Verbindungen sind dem Fachmann bekannt.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist der Stromversorgungsanschluss des Energiegebers in Form eines standardisierten Steckkontakts ausgeführt, sodass wahlweise ein Stromversorgungsanschluss, der eine Verbindung mit einer Gleichspannungsquelle herstellt, als auch ein Stromversorgungsanschluss, der eine Verbindung zu einer Wechselstromquelle ermöglicht, vorgenommen werden kann. Bei einem Anschluss an eine Wechselstromquelle wird über einen aus dem Stand der Technik bekannten Gleichstromgenerator, der sich unmittelbar an der Steckverbindung oder im Verlauf des Leiterkabels befinden kann, zu einer Gleichspannung gerichtet.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Gehäuse der Energiegebereinheit aus einem Kunststoff, der aus dem Stand der Technik bekannt ist. Beispiele hierfür sind Acrylnitril-Butadien- Styrol (ABS) oder Polymethylmethacrylat (PMMA). Gehäuse lassen sich nach bekannten Guss- und Formtechniken herstellen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die äußere Gehäuseform zylindrisch. Dabei ist der Durchmesser um vorzugsweise 0,2 mm, mehr bevorzugt um 1,0 mm und weiter bevorzugt um 1,5 mm kleiner, als der Durchmesser eines Becher- oder Behälteraufnehmers, welcher sich in einem Kraftfahrzeug eines beliebigen Fabrikats und einer beliebigen Automobilmarke oder eines Lastkraftwagens befindet. Hierdurch kann in besonders vorteilhafter Weise die Energiegebereinheit in Getränkehalterungsvertiefungen verrutschungssicher platziert werden.
Behälter zur Aufnahme von Flüssigkeiten, z.B. Pappbecher für Heißgetränke, haben häufig, zum Zwecke einer Abstandshaltung des Gefäßbodens zur Auflage eine umlaufende Kantenausziehung in der Verlängerung ihrer äußeren Hülle, im Folgenden Bodenabstandshalter genannt. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist das Gehäuse der EM-Energiegebereinheit so geformt, dass es ganz oder mit einem Teil in die durch einen solchen Bodenabstandshalter ausgebildete Vertiefung vorsteht, sodass ein unmittelbarer Kontakt zwischen der oberen Begrenzung des Gehäuses der EM- Energieabgabeeinheit und dem Behälterboden stattfindet. Hierdurch wird ein Verlust an induktiver Energie vermindert. Zusätzlich wird auch die Standsicherheit des aufgestellten Behältnisses erhöht. Bevorzugt ist eine EM-Energieabgabeeinheit, mit einer äußeren Form, die einen unmittelbaren Kontakt zwischen dieser und einem Gefäßboden, auf dem sich das EM-Energienaufehmerelement befindet, ermöglicht. Weiterhin bevorzugt werden EM-Energieabgabeeinheiten, die eine Form der Oberseite aufweisen, die einem inversen Formabdruck von Bechern und Behältnissen zum Einmalgebrauch entspricht.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die EM-Energieabgabeinheit eine beliebige Form und Dimension haben, die im Wesentlichen durch den Einsatzort und die Energieabgabekapazität bestimmt werden. Bei Verwendung der Induktionsstromerhitzungseinheit zum Erwärmen und Temperieren von Flüssigkeiten in analytischen, biologischen oder chemischen Laboratorien ist eine flache Form, die in runder oder quadratischer Geometrie ausgestaltet ist, bevorzugt. Rechteckige Geometrien sind insbesondere dann vorteilhaft, wenn mehrere EM-Energieabgabeeinheiten in einem gemeinsamen Gehäuse integriert vorliegen, um gleichzeitig und/oder unabhängig voneinander EM-Energieaufnahmeelemente zu erwärmen und ggf. zu bewegen. Bei anderen vorteilhaften Anwendungen, wie der Erhitzung und Temperierung von Vorratsgefäßen oder Frittierbehältnissen, bei denen eine große Energiemenge von der Energieabgabeeinheit bereitgestellt werden muss und/oder die Verwendung großer Formen des Energieaufnahmeelements zu verwenden sind, kann es erforderlich sein, die Kontaktfläche zum zu beheizenden Behältnis so groß zu wählen, wie das Behältnis selbst ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dabei die Aufbauhöhe der EM-Energieabgabeeinheit an die Erfordernisse zu begrenzen, vorzugsweise auf eine Bauhöhe von < 10cm, mehr bevorzugt auf < 8cm und weiter bevorzugt auf < 3cm. Dies kann dadurch erreicht werden, indem mehrere EM-Energiegeber oder EM-Energiegebersysteme nebeneinander angeordnet sind. In diesen Fällen können ein oder mehrere EM-Energieaufnahmeelement(e) in das zu beheizende Behältnis eingelegt werden. Bei einer Verwendung für die mobile Zubereitung von Speisen ist es vorteilhaft, wenn die Auflagefläche der EM-Energieaabgabeeinheit groß genug ist, um einen oder mehrere handelsübliche Kochtöpfe aufzunehmen. Das Gehäuse sollte eine ausreichende Stabilität gewährleisten, z. B. durch die Verwendung eines metallischen Boden- und Umrandungsbereichs und der Verwendung einer Ceranplatte für die Behältnisaufstellung. Diese Vorrichtung ist besonders geeignet für Behältnisse aus Cellulose, Kunststoff, Keramik oder aus Glas. Bevorzugt wird die Verwendung der Induktionsstromerhitzungseinheit zur Erwärmung und/oder Temperierung von Heißgetränken und Fertiggerichten.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem sich keine der Oberflächen der EM-Energieabgabeeinheit und des EM-Energieaufnahmeelementes berühren und sich das EM-Energieaufnahmeelement in einer zu erwärmenden und/oder temperierenden Flüssigkeit und/oder Feststoffs befindet, die/der in einem Behältnis vorliegt, das das elektromagnetische Energiefeld der Energiegebereinheit nicht adsorbiert. Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Erwärmung und/oder Temperierung von Heißgetränken und Fertiggerichten in Behältnisse aus Cellulose, Kunststoff, Keramik oder aus Glas einer Induktionsstromerhitzungseinheit erfolgt. Das erfindungsgemäße EM-Energieaufnehmerelement besteht vorzugsweise aus mindestens 2 der folgenden Komponenten, die in einer bevorzugten Anordnung anzuordnen sind:
- EM-Energieaufnehmer
- Wärmeübertragungskörper
- HF-Induktionsstromgenerator
- F-Funksender
- Funktionselement/Funktionseinheit
Dabei können eine oder mehrere der Komponenten auch mehrfach enthalten/angeordnet sein. Mehr bevorzugt sind EM-Energieaufnehmerelements, die mindestens 3 der vorgenannten Komponenten enthalten, weiter bevorzugt sind EM-Energieaufnehmerelemente, die mindestens 4 der vorgenannten Komponenten und am meisten bevorzugt sind EM-Energieaufnehmerelemente, die alle der vorgenannten Komponenten enthalten.
Der hierin gemeinte EM-Energieaufnehmer bezieht sich auf einen Bereich/Abschnitt, in dem eine Adsorption von elektromagnetischer Energie, eines anliegenden elektromagnetischen Energiefeldes, erfolgt und diese in eine thermische Energie umgewandelt wird. Das hierin gemeinte anliegende elektromagnetische Energiefeld, ist das Energiefeld, das von einer der erfindungsgemäßen EM- Abgabeeinheit bereitgestellt wird. Da sich elektromagnetische Energiefelder, die durch eine unterschiedliche Anregung entstanden sind, physikalisch unterscheiden, ist das zur Adsorption eines anliegenden elektromagnetischen Energiefeldes und dessen Wandlung in eine thermische Energie geeignete Material, das ein Optimum der Adsorption und Umwandlung ermöglich, unter den gegebenen Verfahrensbedingungen zu ermitteln.
Die dabei prinzipiell geeigneten Reinsubstanzen sowie Kombinationen, umfassen Silber, Kupfer, Gold, Eisen, magnetisiertes Eisen, Aluminium, Messing, Chrom, Edelstahl, Blei, Wolfram, Zinn, Zink, Nickel, Gadolinium, Indium, Kobalt, Chrom, Vanadium, Molybdän oder andere Elemente oder Verbindungen, ohne sich hierauf zu beschränken. Ferner können Beimischungen enthalten sein, die keine elektromagnetische Energie adsorbieren.
Die vorgenannten Verbindungen können in verschiedenen Aggregatformen eingesetzt werden. Diese können in Form kleinster Partikel, Granula in freier oder komplexierter Form vorliegen, aber auch durch Sinter-, Press- oder Verschmelzungsverfahren zu kompakten Gebilden zusammengefügt sein. Bei der Verwendung von Magnetwellen-adsorbierenden Partikeln, können diese in eine beliebige Matrix eingebracht werden. Eine solche kann z. B. flüssig sein, wie beispielsweise ein Öl, oder in partikulärer Form vorliegen. Mehr bevorzugt ist eine Komplexierung, die einen engen Kontakt mit den nicht Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen herstellt, um einen guten Wärmetransport zu gewährleisten. Dies kann z. B. durch die Einbringung der Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen in eine Lösung mit organischen Monomeren und anschließender Initialisierung einer Polymerisationsreaktion erfolgen.
Überraschenderweise wurde in weiteren Untersuchungen gefunden, dass eine Adsorption der elektromagnetischen Energie, die durch eine erfindungsgemäße Anordnung der Materialien/ Komponenten des EM-Energiegebers als elektromagnetisches Energiefeld erzeugt wurde, durch Folien oder dünne Scheiben von Adsorptionsmaterialien des EM-Energieaufnehmers möglich ist und hierdurch sich diese erwärmen. Dies war insbesondere für Folien oder dünne Scheiben bestehend aus Aluminium, Graphit und Weißblech der Fall.
Wie im Folgenden dargelegt, kann diese Eigenschaft eines erfindungsgemäßen EM- Energieaufnehmers für eine überaus vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens verwandt werden. Wie bereits dargelegt, konnte gezeigt werden, dass, durch die erfindungsgemäße Anordnung der Elemente/Komponenten, mittels Bündelung eines elektromagnetischen Energiefeldes eine Übertragung elektromagnetischer Energie in ein Nah-/Fernfeld gewährleistet werden kann, welche auf einer sehr geringen Fläche erfolgt. Das bevorzugte Nah-/Fernfeld befindet sich dabei in einem flüssigen Medium. In einer Ausführungsform ist die bevorzugte Übertragungsfläche < 5cm2, weiter bevorzugt < 3cm3, weiter bevorzugt < 1cm2. Es wurde gefunden, dass die Anordnung und Verwendung eines erfindungsgemäßen EM-Energieaufnehmers, bestehend aus einer oder mehrerer Folien oder dünne Scheiben hervorragend geeignet ist für die Adsorption des gebündelten elektromagnetischen Energiefeldes. Die für die Verfahrensausführung bevorzugten Adsorptionsmaterialien weisen in einer der erfindungsgemäßen Konfigurationen, bzw. Anordnungsformen eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit auf. Dabei weisen Folien aus Naturgraphit die mit Abstand höchste laterale Wärmeleitfähigkeit auf, die vorzugsweise > 100 W/(m-K), weiter bevorzugt 150 W/(m-K), weiter bevorzugt > 200 W/(m-K) beträgt. Dagegen ist die laterale Wärmeleifähigkeit eines Weißblechs erheblich geringer. In einer bevorzugten Ausführungsart werden die erfindungsgemäßen Folien/Scheiben, die zur Adsorption und Wandlung eines elektromagnetischen Energiefelds verwandt werden, so angeordnet, dass eine optimale Adsorption des elektromagnetischen Energiefels sowie Wandlung in thermische Energie und eine optimale laterale Wärmeleitung erfolgt. Vorzugsweise werden hierzu eine Aluminiumfolie oder ein Weißblech mit einer Graphitfolie oder Graphitplatte kombiniert. Dabei ist bevorzugt, die Graphitfolie/-platte auf der dem Wärmelabgebekörper zugewandten Seite zu positionieren, bzw. mit dem wärmeleitenden Verbundmaterial, das eine Spaltbildung zu dem Wärmeabgabekörper herstellt, und hiermit wärmeleitend zu verbinden.
Bevorzugt ist ein EM-Energieaufnahmeelement, bei dem mindestens eine Folie/Scheibe bestehend aus Aluminium oder Weißblech mit mindestens einer Folie/Scheibe bestehend aus Graphit kombiniert/verbunden werden.
Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass mit der verfahrensgemäßen Anordnung sich weitere überaus vorteilhafte Effekte ergeben. So wurde gefunden, dass sich die mit Graphitfolien oder Graphitplatten erzielbare Wärmeleitfähigkeitskapazität hervorragend dazu eignet, die Wärmeenergie, die an/mit dem EM-Energieaufnehmer erzeugt wird, rasch in alle Bereiche eines Wärmeübertragungskörper zu leiten und dort abzugeben, die sich in einer deutlichen räumlichen Distanz zum EM-Energieaufnehmer bzw. zum Ort der Adsorption der elektromagnetischen Energie und Umwandlung in thermische Energie befinden können. Die hierin gemeinte räumliche Distanz beträgt bevorzugt > 1cm, weiter bevorzugt > 3cm, weiter bevorzugt > 5cm, noch weiter bevorzugt > 10cm und noch weiter bevorzugt > 15cm. Es wurde gefunden, dass sich insbesondere dünne und damit sehr flexible Graphitfolien sehr gut eignen, um die erzeugte Wärme an vom Erzeugungs- /Entstehungsort der Wärmeenergie entfernte Bereiche zu leiten und hier an ein umgebendes Medium abzugeben. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass wenn eine flexible Graphitfolie mit einer Wärmeleitgeschwindigkeit von 125 W/(m-K) und einer Fläche von 20cm, die in einem Wasserbehälter eingelegt war und die in einem Abschnitt von 1,5cm2 erfindungsgemäß erwärmt wurde, eine rasche Erwärmung des Wassers erfolgte, wobei Stromstärken von 3 - 5 A des Stromflusses innerhalb des HF-Schwingkreises gemessen wurden. Zu einer lokalen Überhitzung, insbesondere im Bereich der Umwandlung der elektromagnetischen Energie in Wärmeenergie, kam es dabei nicht, was auch daran erkenntlich war, dass es hier zu keiner Bildung von Siedeblasen kam. In weiteren Untersuchungen konnte mittels einer Thermokamera dokumentiert werden, dass gleichwohl einer nur auf einer geringen Fläche erfolgenden Adsorption der elektromagnetischen Energie, eine flächige Erwärmung von EM-Energieaufnehmern, die insbesondere aus Folien (Aluminium, Weißblech oder Graphit) bestehen, erfolgt. Derartige Folien ermöglichten eine rasche laterale Wärmeübertragung und wurden in einem flüssigen Medium als gesamtes Werkstück erhitzt, obwohl die Energieübertragung auf einem Bereich beschränkt war, der ca. 30 % der Gesamtfläche der Folien ausmachte.
Es wurde gefunden, dass abhängig von der Anregungsfrequenz des HF-Wechselstromschwingkreises und der Magnetenergiefeldstärke, es bei den zur Adsorption der elektromagnetischen Energie geeigneten Materialien, zu einem unterschiedlichen Adsorptionsverhalten kam. So konnte für jedes der geeigneten Adsorptionsmaterialien ein Optimum der Adsorption dargestellt werden, welches erkenntlich wurde durch Erreichen der höchsten Leistungsabgabe des HF-Spannungsgebers. Dieses variierte für unterschiedliche Materialstärken der untersuchten Adsorptionsmaterialien sowie für unterschiedliche Untersuchungsbedingungen. Ferner konnte gezeigt werden, dass bei einigen der Materialien (z.B. Aluminium oder Graphit) ein Optimum durch die Übereinanderlagerung einzelner dünner Folien erreicht wird, wodurch eine höhere Adsorptionsleistung erreicht wurde, als durch eine Folie/Scheibe, die eine Materialstärke aufwies, die der Summe der Materialstärken der einzelnen Folien/Scheiben entsprach. Somit ist es möglich, durch eine Übereinanderlagerung von 2 oder mehr Folien und/oder Scheiben der gleichen oder einer unterschiedlichen Materialstärke oder unterschiedlicher Adsorptionsmaterialien, den Effizienzgrad einer Übertragung elektromagnetischer Energie zu erhöhen. Insbesondere kann durch eine erfindungsgemäße Anordnung der Adsorptionsmaterialien der Effizienzgrad bei der Adsorption der elektromagnetischen Energie und Umwandlung der elektromagnetischen Energie in eine Wärmeenergie gesteigert werden.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem der EM-Energieaufnehmer aus einer oder mehreren Folien/Scheiben aus einem oder mehreren Adsorptionsmaterialien, die eine Adsorption elektro- magnetischer Energie ermöglichen, hergestellt wird.
Bevorzugt ist eine Vorrichtung, bei der EM- Energieaufnehmer aus einer oder mehreren Folien/Scheiben aus einem oder mehreren Adsorptionsmaterialien, die eine Adsorption elektromagnetischer Energie ermöglichen, besteht.
Überraschenderweise zeigte sich, dass durch Materialien, bzw. Materialbauteilen, die aus dem Stand der Technik bekannter Maßen sehr gute Adsorptionseigenschaften für elektromagnetische Energiefelder aufweisen, bei einer erfindungsgemäßen Versuchsanordnung nur einen geringen Anteil der elektromagnetischen Energiemenge adsorbieren, die durch eine erfindungsgemäße Anordnung der Adsorptionsmaterialien gewährleistet werden kann. Es konnte insbesondere gezeigt werden, dass bei einer erfindungsgemäßen Anordnung eines EM-Energiegebers und eines EM- Energieaufnehmers nicht oder nur schwach ferromagnetische Adsorptionsmaterialen deutlich besser für die Adsorption von elektromagnetischer Energie geeignet sind, als dies der Fall ist mit einem ferromagnetischen Adsorptionsmaterial. So konnte gezeigt werden, dass es bei einer geringen Leistungsabgabe des Spannungsgebers bei einem Ferritblech sowie Folien aus mu-Metall zu keiner Adsorption elektromagnetischer Energie kam und diese dabei auch nicht erwärmt wurden. Bei einer höheren maximalen Energieabgabe des Spannungsgebers, ebenso wie bei der Verwendung eines Eisenblechs, erfolgte nur eine geringe Adsorption der elektromagnetischen Energie, die um 350 bis 680% geringer war, als die, die mit einer oder mehrerer Folien/Scheiben aus Aluminium oder Graphit, bei einer insgesamt identischen Materialstärke zu den ferromagnetischen Materialien, erreicht wurde.
Die bevorzugten Adsorptionsmaterialien umfassen Aluminium, Weißblech und Graphit, welche in Form einer Folie oder einer Scheibe vorliegen. Bei den Graphit-Folien/Platten kann es sich um hochdichtes oder leichtes Material aus Naturgraphit oder um synthetische Folien sowie Verbundmaterial handeln. Der bevorzugte Graphitanteil beträgt > 50 Gew%, weiter bevorzugt > 60 Gew%, weiter bevorzugt > 70 Gew%, weiter bevorzugt > 80 Gew%, weiter bevorzugt > 90Gew% und noch weiter bevorzugt > 95Gew%. Bei Aluminium-Folien/Scheiben kann es sich um gewalztes oder gegossenes Aluminium oder eine Aluminiumlegierung handeln. Der bevorzugte Aluminiumanteil beträgt > 50 Gew%, weiter bevorzugt > 60 Gew%, weiter bevorzugt > 70 Gew%, weiter bevorzugt > 80 Gew%, weiter bevorzugt > 90Gew% und noch weiter bevorzugt > 95Gew%. Die bevorzugten Weißbleche, die hierin unter den Begriff „Scheiben" subsummiert werden, weisen eine geringen Ferromagnetismus auf und liegen in Form einer Legierung vor, bei der die Legierung vorzugsweise aus Zinn, Chrom, bzw. Chromoxid oder Zink zu einem variablen Anteilsverhältnis besteht. Bevorzugt ist eine Legierung mit einer Schichtdicke von > Ιμιη, weiter bevorzugt von > 3μιτι und weiter bevorzugt von > 5μιτι.
Die hierin gemeinten bevorzugten Folien weisen eine Dicke und Verbundstruktur auf, die eine leichte und knicklose Formbarkeit derartiger Folien ermöglicht. Die bevorzugten Materialstärken liegen in einem Bereich zwischen 20μιτι und 2,5 mm, mehr bevorzugt zwischen 50μιτι und 1mm, weiter bevorzugt zwischen ΙΟΟμιτι und 500μιτι. Die hierin gemeinten und bevorzugten Scheiben sind im Unterschied zu den hierin gemeinten Folien biegesteif. Die Scheiben lassen sich gleichwohl mit Verfahren aus dem Stand der Technik leicht knickfrei umformen, sodass verschiedene Geometrien hergestellt werden können. Die bevorzugten Materialstärken liegen in einem Bereich zwischen 250 μιτι und 4 mm, mehr bevorzugt zwischen 500μιτι und 3mm, weiter bevorzugt zwischen 800μιτι und 1,5mm.
Die Anzahl der Folien/Scheiben aus der ein EM-Energieaufnehmer besteht bzw. zusammengesetzt werden kann, ist frei wählbar und richtet sich nach den Anwendungsbedingungen.
Die erfindungsgemäßen Adsorptionsmaterialen ermöglichen durch eine erfindungsgemäße Anordnung weitere vorteilhafte Effekte. So können eine EM-Energieabgabeeinheit und ein EM- Energieaufnahmeelement so gestaltet werden, dass die EM-Energieaufnahme, die zur Wärmeerzeugung erfolgt, nur an einer oder mehreren Stellen der Energieaufnahmeebene erfolgt und im Bereich dieser Ebene/Fläche auch andere Funktionselemente/Funktionseinheiten vorliegen. Um eine möglichst hohe und homogene Wärmeübertragung auf den gesamten Wärmeübertragungskörper zu gewährleisten, ist es allerdings vorteilhaft, den EM-Energieaufnehmer in der Fläche so groß zu dimensionieren, dass der größtmögliche Anteil der EM- Energieaufnahmefläche des EM-Energieaufnehmerelements aus dem EM-Energieaufnehmer besteht und bei der es nicht zu einer Einschränkung der Funktionalität der Funktionselemente, die in der Energieaufnahmefläche angeordnet sind, kommt. Die hierin als EM-Energieaufnahmefläche bezeichnete Fläche, ist die Fläche des EM-Energieaufnehmerelements, die der EM-Abgabefläche der EM-Abgabeeinheit bei der Verfahrensdurchführung zugewandt ist. Vorzugsweise beträgt der Anteil der Fläche des EM-Energieaufnehmers > 20 %, mehr bevorzugt > 40%, mehr bevorzugt > 60%, weiter bevorzugt > 80% der Gesamtfläche der EM-Energieaufnahmefläche eines EM-Energieaufnahmeelementes. Diese Ausführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das EM- Energieaufnahmeelement schnell und auf eine hohe Temperatur (z.B. > 60°C) erhitzt werden soll. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird ein möglichst keiner Flächenanteil des EM- Energieaufnehmers gewählt, was z.B. dann vorteilhaft ist, wenn das EM-Energieabgabeeinheit nur über eine entsprechend kleine Fläche, in der einer Abgabe elektromagnetischer Energie erfolgt, verfügt. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist daher der Flächenanteil des EM- Energieaufnehmers < 50%, mehr bevorzugt < 40%, mehr bevorzugt < 30%, weiter bevorzugt < 20% und noch weiter bevorzugt < 10% als die Gesamtfläche der EM-Energieaufnahmefläche eines EM- Energieaufnahmeelementes.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem ein elektromagnetisches Energiefeld durch Aufnahme/Adsorption eines oder mehrerer EM-Energieaufnehmers/EM-Energieaufnehmern erfolgt, deren der summierte Flächenanteil über den dies erfolgt < 50%, mehr bevorzugt < 40%, mehr bevorzugt < 30%, weiter bevorzugt < 20% und noch weiter bevorzugt < 10% von der Gesamtfläche der EM-Energieaufnahmefläche eines EM-Energieaufnahmeelementes beträgt.
Dies ist insbesondere vorteilhaft bei Verfahrensausführungen, bei denen weitere Funktionselemente im Bereich der Energieaufnahmeseite befindlich sind, insbesondere, wenn diese in Teilen oder ganz die anliegende elektromagnetische Energie adsorbieren oder hierdurch die Funktion gestört werden kann. Dies trifft beispielsweise für sehr dünn gestaltete Permanentmagnete zu, die durch eine Adsorption elektromagnetischer Energie erhitzt werden können und hierdurch der Magnetismus verloren geht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird eine gleichmäßige Erwärmung auch eines großvolumigen Energieaufnehmers oder von Anteilen eines solchen, der sich im Fernfeld des elektromagnetischen Energiefeldes des EM-Energiegebers befinden, dadurch erreicht, indem in Bereichen des EM-Energieaufnehmers, die sich im elektromagnetischen Nahfeld des EM- Energiegebers befinden, die Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen aus Komplexen magnetisierbarer Verbindungen bestehen, die geringere elektro-magnetische Adsporptions- eigenschaften aufweisen, als die Verbindungen, die im elektromagnetischen Fernfeld befindlich sind. Derartige Elemente und Verbindungen sind dem Fachmann bekannt. Beispiele hierfür sind Zink, Nickel, Kobalt oder Gadolinium. Beispiele für Verbindungen, die zu einer Begrenzung der Verlustleistung und damit der Erwärmungstemperatur, z. B. in Ferriten, führen, sind beispielsweise ZnxFe3.x04, Nii_xZnxFe204 oder Coi.xZnxFe204.
Hierzu ist es allerdings erforderlich, dass die räumliche Anordnung/Ausrichtung, die eine derartige gleichmäßige Erwärmung ermöglicht, eingehalten wird. Sofern das EM-Energieaufnehmerelement manuell platziert wird, kann es ausreichend sein, die Seite der EM-Energieaufnahmeebene/-fläche oder eines Abschnittes dieser, kenntlich zu machen. Sofern eine Selbstausrichtung nach einem Einlassen des EM-Energieaufnehmerelements in eine Flüssigkeit gewünscht ist, kann die Selbstausrichtung der Energieaufnahmeeinheit dadurch bewirkt werden, indem in einer Bauart der Energieaufnehmer Bereiche mit unterschiedlichen Massengewichten und/oder unterschiedlichen Dichten aufweist, was dazu führt, dass bei einem Absinken des EM-Energieaufnehmerelements in einer Flüssigkeit, es zu einer Sel bstausrichtung kommt, die dazu führt, dass dieses bevorzugt mit der Seite der EM-Energieaufnahmeebene auf eine Auflage aufkommt. Hierzu kann z. B. eine Verdichtung der eingesetzten Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen oder aber ein Zuschlag von Verbindungen mit einem geringen Massengewicht (z. B. Polymerverbindungen oder Luft) erfolgen. Verschiedene Geometrien der EM-Energieaufnahmeeinheit können die Selbstausrichtung beschleunigen (z. B. Halbkugelform in Verbindung mit einem Flachboden).
Bevorzugt ist eine Vorrichtung, bei der ein EM-Energieaufnahmeelement eine Selbstausrichtung in einer Flüssigkeit infolge der seiner Geometrie und/oder seines Masseschwerpunktes vollzieht oder bei dem eine manuelle Positionierung des elektromagnetischen Energieaufnahmeelements durch eine sensorbasierte Positionserkennung des elektromagnetischen Energieaufnahmeelements gesteuert wird, wodurch eine flächenparallele Ausrichtung des elektromagnetischen Energieabgabebereiches und des elektromagnetischen Energieaufnehmers erfolgt.
Bevorzugt sind EM-Energieaufnehmerelemente, die eine Selbstausrichtung im elektromagnetischen Energiefeld vollziehen, wodurch eine räumliche Annährung der Seite der EM-Energieaufnahmeebene zu einer EM-Energiegebereinheit erreicht wird.
Bevorzugt sind EM-Energieaufnehmer oder EM-Energieaufnehmerelemente, die aus unterschiedlichen Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen und/oder Zusammensetzungen hergestellt sind oder Anschnitte mit unterschiedlichen Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen enthalten.
Bevorzugt ist die Verwendung von EM-Energieaufnehmern oder EM-Energieaufnehmerelementen, die aus unterschiedlichen Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen und/oder Zusammensetzungen hergestellt sind oder Abschnitte mit unterschiedlichen Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen enthalten, die zu einer gleichmäßigen Adsorption der elektro-magnetischen Energie eines EM-Energieaufnehmers, der sich im Nah- und/oder im Fernfeld eines elektromagnetischen Energiefelds befinden, führt.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist der EM-Energieaufnehmer mit Bauteilen verbunden, die eine rasche Ableitung von Wärme ermöglichen. Diese, im Folgenden Wärmeübertragungskörper genannt, können ebenfalls aus Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen oder nicht magnetisierbaren Stoffen bestehen. Zum Zweck der Wärmeabgabe sind diese Wärmeübertragungskörper an mindestens einer Stelle mit dem EM-Energieaufnehmer wärmeleitend verbunden. Geeignete Materialien sind aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen Elemente sowie Verbindungen, die eine Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise von 50 W(nr K), mehr bevorzugt von 100 (nr K) und weiter bevorzugt von 150 W(nr K) auf weisen. Als Beispiele für Elemente seinen genannt Aluminium, Kupfer, Gold, Silber, sowie Kohlenstoff in Form von Graphiten. Vorteilhaft ist die Gestaltung einer möglichst großen Oberfläche der Wärmeübertragungskörper, um die Wärmeabgabemenge, aber auch die Wärmeabgabefläche des Energieaufnahmeelements zu erhöhen. Hierdurch kann die Wärmeabgabemenge pro Zeiteinheit um vorzugsweise 100%, mehr bevorzugt um 300% und weiter bevorzugt um 600% gegenüber einer Wärmeabgabe, die alleine durch den EM-Energieaufnehmer gewährleistet werden kann, gesteigert werden.
Bevorzugt ist ein EM-Energieaufnehmerelement, bei dem ein EM-Energieaufnehmer wärmeleitend mit einem Wärmeübertragungskörper verbunden ist und die entstehende Wärme durch den Wärmeübertragungskörper abgeleitet bzw. weitergeleitet wird.
Hierdurch können auch Bereiche eines EM-Energieaufnehmerelements erwärmt oder erhitzt werden, die sich außerhalb des Fernbereiches des angelegten elektromagnetischen Energiefeldes befinden. Die zu wählende Masse des Wärmeübertragungskörpers, respektive eines EM-Energieaufnehmerelements, ist von der jeweiligen Anwendung abhängig sowie vom Leistungsbereich des eingesetzten EM-Energiegebers. Bevorzugt wird eine Masse des EM-Energieaufnehmerelements zwischen lg und 1.500g, mehr bevorzugt zwischen 10g und 300g und weiter bevorzugt zwischen 20g und 150g. Der Wärmeübertragungskörper kann prinzipiell jede äußere Form haben. Bevorzugt sind aber Formen bzw. Geometrien, mit denen eine möglichst große Außenfläche erreicht wird. Bevorzugt sind Dimensionen der Wärmeübertragungskörper von 1 x 1 x 0,5 cm bis 50 x 50 x 50 cm. Ferner sollten die Form und Dimensionen des EM-Energieaufnehmerelements auf die jeweilige Anwendung angepasst sein. Bevorzugt sind Kegel- oder Scheibenformen. Für andere Anwendungen können Stabformen geeigneter sein, insbesondere, wenn hiermit zusätzliche eine Mischung der Flüssigkeiten erfolgen soll. Bevorzugt sind aber auch Stern- oder Gitterformen. Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Energieaufnehmers ist die Herstellung von Aggregaten, z.B. in Form von miteinander verbundenen Lamellen, welche dann in einer 3-dimensionalen Anordnung, z.B. als kubische oder andere geometrische Form, gefertigt werden können. Die Lamellen können selbst zur induktiven Energieaufnahme geeignet sein oder aus einem gut wärmeleitenden Material zur Vergrößerung der Energieabgabefläche bestehen. Die EM-Energieaufnahmefläche ist auf die jeweilige Anwendung und EM-Energieabgabevorrichtung anzupassen. Bevorzugt werden dabei Ober- /Kontaktflächen zwischen 1cm2 und 1.000cm2, mehr bevorzugt zwischen 5 cm2 und 500cm2 und weiter bevorzugt zwischen 15cm2 und 300cm2. Kleinere und größere Flächen sind in besonderen Fällen aber auch anwendbar.
Bevorzugt sind EM-Energieaufnehmerelemente, die eine große äußere Oberfläche aufweisen und in Form von Gittern, Scheiben oder Schichten, zwei oder dreidimensional geometrisch angeordnet sind. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der Wärmeübertragungskörper Röhren oder andere Kavitäten, die an mindestens 2 Seiten miteinander kommunizieren. Hierdurch kann z. B. eine Flüssigkeit durch den Wärmeübertragungskörper hindurchlaufen. Diese Ausführungsform ist auch deshalb vorteilhaft, weil zum einen hierdurch die Erwärmungsoberfläche erhöht wird und zum anderen ein Medium, das einen solchen porösen Wärmeübertragungskörper durchquert, erhitzt werden kann.
Bevorzugt sind Wärmeübertragungskörper mit einer porösen Bauform.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass wenn eine spaltraumfreie Verbindung eines erfindungsgemäßen Adsorptionsmaterials mit einem Material vorliegt, das zur Wärmeübertragung geeignet ist, das aber aus einem Metall oder einem Material besteht, das eine Adsorption der angelegten elektromagnetischer Energie bedingt, die zuvor beschriebenen vorteilhaften Effekte einer hohen Energieübertragungsleistung durch Folien oder Scheiben des Adsorptionsmaterials verloren gehen. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass es bei einer Aluminiumfolie mit einer Materialstärke von 250μιτι, bei der eine Energieübertragung elektromagnetischer Energie von 3 A/h, bei 75W Energieoutput des HF-Spannungsgebers, unter Verwendung einer erfindungsgemäßen HF- Spulen- und Aufbaukonstruktion, und die eine rasche Erhitzung der Folie auf > 200°C bewirkte, es zu einem Rückgang der Energieübertragungsleistung auf 0,8 A/h, bei ansonsten identischen Untersuchungsbedingungen, kam, wenn die Folie vollflächig auf ein Aluminium-/Kupfer- oder Eisenwerkstück mit einer Materialstärke von 10mm aufgebracht wurde. Verblüffender Weise kam es zu keinem Rückgang der Energieübertragungsleistung, wenn ein Spaltraum zwischen einem der vorgenannten Werkstücke und der Folie belassen wurde. Ein solcher Rückgang der Übertragungsleistung elektromagnetischer Energie trat auch nicht ein, wenn eine zur Adsorption geeignete Folie oder Scheibe spaltraumfrei mit einem Material verbunden wurde, das keine Adsorption von elektromagnetischer Energie mit den anliegenden Magnetfeldeigenschaften bedingt, wie dies beispielsweise bei keramischen Folien, die zu einer Wärmeübertragung funktionalisiert wurden, oder Pasten der Fall ist.
Es wurde dann gefunden, dass die Einrichtung eines Abstands/Spaltraums, zwischen einer zur Adsorption der angelegten elektromagnetischer Energie geeigneten Folie/Scheibe und einem Werkstück, das bei einem unmittelbaren Kontakt mit einer solchen Folie/Scheibe eine Unterbindung der Adsorption bewirkt, dazu führt, dass eine uneingeschränkte EM-Energieübertagung auf die Folie/Scheibe wiederhergestellt wird. Ferner wurde gefunden, dass Wärmeleitmaterialien, die selbst nicht das angelegte elektromagnetische Energiefeld adsorbieren und einen Spaltraum zwischen einer zur Adsorption geeigneten Folie/Scheibe und dem vorgenannten Werkstück ausfüllten, ebenfalls die Adsorption des elektromagnetischen Energiefelds dieser Folien/Scheibe nicht beeinträchtigen. Daher erfolgt in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Abstandsbildung/Spaltraumbildung zwischen einem EM-Energieaufnehmer und einem Werkstück, wie z.B. einem Wärmeübertragungskörper, die vorzugsweise mit einem wärmeübertragenden Material ausgefüllt ist, sodass ein Abstand/Spaltraum zwischen einem EM-Energieaufnehmer und einem Werkstück/ Wärmeübertragungskörper hergestellt wird, der vorzugsweise > ΙΟΟμιτι, weiter bevorzugt > 150μιτι, weiter bevorzugt > 200μιτι, weiter bevorzugt > 250μιτι, weiter bevorzugt > 300μιτι und noch weiter bevorzugt > 400μιτι beträgt, Es konnte gezeigt werden, dass ein solcher Abstand ausreicht, um eine uneingeschränkte Aufnahme der elektromagnetischen Energie und deren Umwandlung in thermische Energie durch die besagte Folie/Scheibe zu ermöglichen. Ein Aluminium-/Kupfer- oder Eisenwerkstück mit einer Materialstärke von 10mm, das auf diese Weise mit der Folie/Scheibe verbunden war, hatte dann keinen Effekt mehr auf die Adsorptionsleistung des EM-Energienehmers. Bevorzugt sind daher Wärmeleitfähigkeitsmaterialien, die einen bevorzugt vollflächigen wärmeleitenden Verbund zwischen einem erfindungsgemäßen EM-Energieaufnehmer und einem Wärmeübertragungskörper herstellen und dabei einen Spaltraum zwischen den beiden Verbindungsflächen von vorzugsweise > ΙΟΟμιτι, weiter bevorzugt > 150μιτι, weiter bevorzugt > 200μιτι, weiter bevorzugt > 250μιτι, weiter bevorzugt > 300μιτι und noch weiter bevorzugt > 400μιτι bewirken und keine Adsorption von elektromagnetischer Energie eines anliegenden elektromagnetischen Energiefeldes bedingen. Somit erfolgt in einer bevorzugten Verfahrensausführung eine Anordnung des EM-Energieaufnehmers und eines Wärmeübertragungskörper in Form eines Verbunds, indem ein Spaltraum zwischen diesen hergestellt und mit einem Material, das für eine Wärmeleitung geeignet ist, aber keine Adsorption eines anliegenden EM-Energiefeldes bedingt, vorzugsweise vollflächig wärmeleitend ausgefüllt wird.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem zwischen dem Adsorptionsmaterial elektromagnetischer Energie und einem Wärmeabgabekörper ein Spaltraum vorliegt, in dem sich kein Material befindet, mit dem oder durch das eine Adsorption des anliegenden elektromagnetischen Energiefeldes erfolgt. Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem eine wärmeleitende Verbindung zwischen einem EM- Energieaufnehmer oder mehreren EM-Energieaufnehmern und einem Wärmeabgabekörper oder mehreren Wärmeabgabekörpern durch ein wärmeleitendes Material erfolgt, bei dem keine Adsorption des angelegten EM-Energiefelds stattfindet und dieses Material eine Spaltbildung und/oder einem Abstand zwischen dem einem EM-Energieaufnehmer oder mehreren EM- Energieaufnehmern und dem einem Wärmeabgabekörper oder mehreren Wärmeabgabekörpern bedingt.
Bevorzugt ist eine Vorrichtung, bei der zwischen dem EM-Energieaufnehmer und einem Wärmeabgabekörper des EM-Energieaufnehmerelements ein Spaltraum vorliegt, in dem sich ein wärmeleitendes Material befindet, mit dem/durch das keine Adsorption des anliegenden elektromagnetischen Energiefeldes erfolgt.
Es konnte gezeigt werden, dass es bei den erfindungsgemäß angeordneten Folien/Scheiben möglich ist, eine Wärmeübertragung über einem Spaltraum mit einer ausreichend raschen Wärmeleitung durch geeignete Materialien zur Wärmeleitung zu bewerkstelligen, die keine Adsorption der elektromagnetischen Energie bewirken, und wobei es zu einem Aufstau von Wärme im Bereich des EM-Energieaufnehmers und/oder des Wärmeleitfähigkeitsmaterials kommt, der zu einer lokalen Überhitzung führt. In diesem Zusammenhang bedeutet der Ausdruck „ausreichend rasche Wärmeleitung „ insbesondere, dass bei einer Anwendung des EM-Energieaufnahmeelements in einem flüssigen Medium, es zu keiner Differenz der Oberflächentemperatur zwischen dem EM- Energieaufnehmer und dem Wärmeübertragungskörper von > 30°C, mehr bevorzugt > 20°C und weiter bevorzugt von > 10°C kommt. Dies kann auf sehr vorteilhafte Weise durch Wärmeleitfähigkeitsmaterialien aus dem Stand der Technik gewährleistet werden. Hierzu besonders geeignet sind Materialien, die vorzugsweise dauerhaft eine flächige Verbindung zwischen der, dem Wärmeabgabekörper zugewandten Oberfläche des EM-Energieaufnehmers und einer Oberfläche des Wärmeabgabekörpers herstellen und hierbei einen geringer Wärmedurchgangskoeffizienten von vorzugsweise > 50 W/(m2-K), weiter bevorzugt von > 80 W/(m2-K), weiter bevorzugt > 150 W/(m2-K) und weiter bevorzugt > 250 W/(m2-K) aufweisen.
Überraschenderweise lag, gegenüber einem Werkstück des gleichen Materials mit einer Materialstärke von 1cm, auch dann eine erheblich höhere Adsorption von elektromagnetischer Energie, die in Wärmeenergie umgewandelt werden konnte, bei Folien oder Scheiben vor, wenn diese nicht flächenparallel zu dem EM-Energiegeber ausgerichtet werden. Es konnte sogar durch eine spiralförmige Anordnung einer Scheibe, deren Längsachse parallel zur Senkrechten der EM- Energieabgabefläche verlief, eine Übertragung elektromagnetischer Energie erzielt werden, die 40 - 60% der Energiemenge entsprach, die durch die flächenparallele Ausrichtung der planebenen Scheibe übertragen wurde. Hierdurch ergeben sich weitere vorteilhafte Ausgestaltungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Verfahrensausführung. So konnte gezeigt werden, dass der Bereich der Aufnahmeebene der elektromagnetischen Energie des EM-Energieaufnehmers in sehr vorteilhafter Weise zu verschiedenen Geometrien ausgebildet werden kann, ohne, dass es zu einer Einschränkung der elektromagnetischen Übertragungsleistung kommt. Dabei kann beispielsweise eine Aluminiumfolie meanderförmig zusammengelegt werden und im Bereich der EM-Aufnahmeebene so angeordnet werden, dass eine der beiden Seiten, an denen der Umschlag der Meanderform vorliegt, sich in diesem Bereich befindet, während die gegenüberliegende Seite sich in deutlicher räumlicher Distanz befindet. Dabei stellte sich heraus, dass einzelne Stege, des gleichen oder eines anderen Adsorptionsmaterials, die unmittelbar mit einer Folie oder Scheibe des Adsorptionsmaterials verbunden sind, nicht oder nur zu einem geringen Anteil die Adsorption eines elektromagnetischen Energiefeldes behindern. Somit lassen sich weitere vorteilhafte Geometrien eines EM- Energieaufnehmers ausgestalten. So konnte beispielsweise eine hohe Übertragungsleistung elektromagnetischer Energie und deren Umwandlung in eine thermische Energie dokumentiert werden, für eine Ausgestaltung der Folien oder Scheiben als Rohr, mit einer quadratischen bis runden Querschnittsgeometrie. Es wurde ferner gefunden, dass gepresstes oder gesintertes Graphit auch als Werkstück bis zu einer Schichtdicke von 10mm eine vorteilhafte Adsorption von elektromagnetischer Energie ermöglicht. Eine energieeffiziente Übertragungsleistung konnte insbesondere für nicht flächige Geometrien eines Graphitmaterials, wie z. B. eine massive Stange mit einem Durchmesser von < 15mm, dokumentiert werden. Bei einer solchen Anordnung, bzw. Raumausdehnung kann in einer Ausführungsart der EM-Energieaufnehmer und der Wärmeübertragungskörper übergangslos aus einem Werkstoff/Werkstück gefertigt sein. Bevorzugt ist ein EM-Energieaufnahmeelement, bei dem der EM-Energieaufnehmer und der Wärmeübertragungskörper übergangslos aus einem Adsorptionsmaterial bestehen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung besteht der EM-Energieaufnehmer aus einer elektrisch leifähigen und/ oder Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Energieaufnehmer so gefertigt, dass sie in verschiedenen Abschnitten eine unterschiedliche Zusammensetzung und/oder Anordnung der Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen und/oder des Curie-Punktes aufweisen.
Diese Abstufung kann kontinuierlich oder in Stufen, z.B. in Form verschiedener Ebenen erfolgen. Bei einer geeigneten Auswahl der Verbindungen sowie ihrer Massenverhältnisse und des Abstands zum Energiegeber sowie der elektromagnetischen Schwingungsfrequenz und der Feldstärke, kann eine gleichmäßige Erwärmung eines solchen Energieaufnehmers gewährleistet werden. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt in einem EM-Energieaufnehmerelement eine Umwandlung eines anliegenden elektromagnetischen Energiefeldes in einen elektrischen Strom. In einer bevorzugten Ausführungsart wird zu diesem Zweck ein HF-Induktionsstromgenerator bereitgestellt, der sich in dem Energieaufnahmeelement befindet. Der elektrische Strom der von dem HF-Induktionsstromgenerator bereitgestellt wird, wird dabei vorzugsweise induktiv durch ein extern angelegtes elektromagnetisches Energiefeld erzeugt. Vorrichtungen für eine induktive Spannungsversorgung sind aus dem Stand der Technik bekannt, vorzugsweise werden hierzu Spulen verwandt, wie sie auch hierin beschrieben sind. Die Induktion einer elektrischen Spannung durch elektromagnetisches Feld in einem wässrigen Medium unterliegt dabei den gleichen Limitationen, wie sie hierin beschrieben für die Adsorption von elektromagnetischen Energiefeldern und deren Umwandlung in thermische Energie vorliegen und aus dem Stand der Technik bekannt sind. Um eine unterbrechungsfreie und ausreichende Spannungsversorgung für ein oder mehrere in einem HF- Energiegeberelement vorliegende(s) Funktionseinheit(en) zu gewährleisten und dies auf einem kleinstmöglichen Raum vorzunehmen, wird vorzugsweise ein HF-Induktionsstromgenerator bereitgestellt, der aus einem ferromagnetischen Kern und einem hierum gewundenen elektrischen Leiter besteht. In einer bevorzugten Ausführungsform ist/sind der HF-Induktionsstromgenerator oder der Kern und die Spule so gelagert, dass dieser/diese in den 3 Raumdimensionen gegenüber dem EM-Energieaufnahmeelement frei rotiert werden kann/können. Bevorzugt ist ferner, dass die Lagerung so erfolgt, dass eine Selbstausrichtung des ferromagnetischen Kerns des HF- Induktionsstromgenerators erfolgen kann, die dazu führt, dass die Längsachse des Kerns senkrecht zum Schwerkraftfeld ausgerichtet ist. Dies ermöglicht bei einer Platzierung des EM- Energieaufnehmerelements oberhalb einer EM-Energieabgebereinheit, von der ein elektromagnetisches Energiefeld zur Erzeugung eines Induktionsstroms in dem HF-Induktionsstromgenerator bereitgestellt wird, dass eine unterbrechungsfreie Spannungsversorgung erfolgt. In einer bevorzugten Verfahrensausführung befindet sich in oder an der EM-Energieabgebereinheit eine oder mehrere Spule(n) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Energiefelds, das zur Erzeugung eines Induktionsstroms in dem HF-Induktionsstromgenerator verwandt wird.
In einer bevorzugten Ausführung wird der Strom, der durch adsorbierte elektromagnetische Energie im EM-Energieaufnahmeelement erhältlich wird, genutzt, um weitere überaus vorteilhafte Funktionalitäten zu gewährleisten.
Derartige Funktionselemente umfassen insbesondere EM-Energieaufnahmeeinheiten, die insbesondere aus einer Spule bestehen und zur Adsorption und/oder zur Abgabe von elektromagnetischer Energie geeignet sind. Ferner bevorzugt sind Funktionselemente, die elektromagnetisierbar sind, wie z.B. eine Spule mit einem ferromagnetischen Kern und/oder ein Permanentmagnet. Weitere bevorzugte Funktionselemente sind beispielsweise Sensoren, die beispielsweise eine Temperatur, eine Bewegung oder einen Druck erkennen/quantifizieren können.
In einer bevorzugten Ausführungsart erfolgt eine Identifizierung der Systemkomponenten durch einen Kontroller. Dabei kann u. a. ermittelt werden, welches EM-Energieaufnahmeelement der EM- Energieabgabefläche aufliegt, in welchem Abstand und/oder welcher räumlichen Position es sich zur EM-Energieabgabefläche befindet. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Fläche(n) des EM-Energiegebers und/oder des EM-Energieaufnehmers nur einen (kleinen) Anteil der gesamten Energieabgabefläche und/oder der Fläche des EM-Energieaufnehmerelements, an der die Energieaufnahme erfolgt, ausmacht(en). Hierdurch kann u. a. gewährleistet werden, dass eine elektromagnetische Energieabgabe, die zur Wärmeerzeugung in dem EM-Energieaufnahmeelement vorgesehen ist, nur dann erfolgt, wenn ein für die EM-Energieabgabeeinheit geeignetes, ggf. zugelassenes, EM-Energieaufnahmeelement erkannt worden ist. Es kann hierdurch aber auch eine Fehlbedienung, z.B. durch eine falsche Positionierung/Ausrichtung des EM- Energieaufnahmeelements, verhindert werden oder der Bediener dazu aufgefordert werden, eine Neuausrichtung vorzunehmen. Die übertragbaren Informationen über die Raumposition und das verwendete Modell des Energieaufnahmeelementes können auch für eine Auswahl der Systemvoreinstellungen, z. B. der initialen maximalen Leistung des HF-Spannungsgebers, verwandt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsart wird die eine oder die mehreren Funktionseinheiten von dem elektromagnetischen Energiefeld, das zur Erzeugung von Wärme verwandt wird, abgeschirmt, bzw. wird eine Funktionsstörung unterbunden, indem eine räumliche Entkoppelung von dem EM- Energieaufnehmer und/oder dem Wärmeübertragungskörper vorgenommen wird. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass es zu keiner Interferenz/Störung der Übertragung einer elektromagnetischen Signalübertragung in einem Radiofrequenzbereich (z.B. 12,5 MHz) zwischen einem EM-Energieaufnahmeelement und einer EM-Energiegebereinheit kam, wenn die Signalübertragung innerhalb einer Aussparung des HF-Spulenkerns, respektive innerhalb einer(s) Leiste/Stegs/Ringes vorlagt, in der der Sender/Empfänger für die Signalübermittlung eingebracht war, kam und die Funktionseinheit des EM-Energieaufnahmeelements über diesen Bereich platziert wurde, sofern der EM-Energieaufnehmer in diesem Bereich eine Aussparung aufwies und der hierin befindliche RF-Sender keinen Kontakt mit dem EM-Energieaufnehmer hatte. Sofern ein Kontakt zwischen diesen bestand oder sich die Bereiche überlappend war eine Signalübermittlung nicht mehr möglich. Somit wurde gefunden, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung von Elementen/Komponenten der EM-Induktionsstromerhitzungseinheit, das parallele Betreiben von 2 oder mehr elektromagnetischen Energiefeldern störungsfrei möglich ist, wobei sich das mindestens eine weitere elektromagnetische Energiefeld innerhalb oder direkt angrenzend an eines der anderen elektromagnetischen Energiefelder befindet. Besonders verblüffend war dabei, dass ein störungsfreier Betrieb einer F-Signalübertragung, die in bzw. aus einem wässrigen Medium zwischen einem EM-Energieaufnahmeelement und einer EM-Energieabgabereinheit erfolgt, möglich ist, bei gleichzeitiger Anlage eines elektromagnetischen Energiefeldes, das zur Erzeugung von Wärme geeignet ist und in unmittelbar angrenzend vorliegt.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem eine störungsfreie RF-Signalübertragung zwischen einer RF- Signalübertragungseinheit einer EM-Energiegebereinheit und einem EM-Energieaufnahmeelement, das sich in einem flüssigen Medium befindet, erfolgt und wobei gleichzeitig und unmittelbar angrenzend/umgrenzend an das elektromagnetische Strahlungsfeld, mit dem die RF- Signalübertragung erfolgt, ein elektromagnetisches Energiefeld, das zur Wärmeerzeugung und/oder Stromerzeugung geeignet ist, angelegt ist.
Bevorzugt ist eine Vorrichtung bei der die Temperatur einer Oberfläche des elektromagnetischen Energieaufnahmelelements und/oder des umgebenden Mediums durch mindestens eine Funktionseinheit des elektromagnetischen Energieaufnahmelelements bestimmt und mittels eines Funksignals von dem elektromagnetischen Energieaufnahmelelement an einen Funksignalempfänger der elektromagnetischen Energiegebereinheit störungsfrei und kontinuierlich übermittelt wird und hiermit eine Regelung der elektromagnetischen Energieübertragungsleistung der elektromagnetischen Energiegebereinheit vorgenommen wird.
In einer anderen Ausführungsart erfolgt eine räumliche Abgrenzung von dem EM-Energieaufnehmer und/oder dem Wärmeübertragungskörper, indem das Funktionselement partiell oder ganz von einem ferritischen Material umgeben wird und hierüber mit der EM-Energiegebereinheit ohne eine weitere Kontaktstelle verbunden ist.
In einer weiteren bevorzugten Verfahrenssauführung enthält das EM-Energieaufnehmerelement eine Funktionseinheit, durch die eine induktive Erzeugung eines elektrischen Stroms erfolgt. Die Stromerzeugung kann durch eine Adsorption der elektromagnetischen Energie erfolgen, die gleichzeitig zur Erzeugung der Wärmeenergie, die von einer EM-Energieabgabereinheit abgegeben wird. Die Stromerzeugung kann dabei mit den Verfahren wie hierin beschrieben erfolgen. Der oder die Sender/Empfänger für eine Signalübermittlung befinden sich dabei räumlich entfernt von einer oder mehrerer Spule(n), die den Strom für die Funktionselemente aus einem elektromagnetischen Energiefeld bereitstellt(en). In diesem Fall kann der oder die Sender/Empfänger sich an einer beliebigen Stelle des Energieabgabeelements befinden. Für eine erfindungsgemäße Verfahrensdurchführung, ist eine erfindungsgemäße Bereitstellung der erfindungsgemäßen integrativen Funktion/Funktionssteuerung zu gewährleisten. Integrativ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass eine, vorzugsweise durch einen Kontroller vollzogene, Einstellung von Systemparametern erfolgt, die auf Basis von Sollwertvorgaben eine automatisch Soll-Ist- Wertadjustierung vornimmt, unter Verwendung von Ist-Werten, die erhalten werden, durch eine verzögerungsfreie Übertragung der an dem EM-Energieaufnehmerelement vorliegenden Ist-Werte. Die Verfahrensdurchführung erfolgt dabei vorzugsweise, indem, durch eine Übertragung von Parametern/Daten zwischen der EM-Energiegebereinheit und dem EM-Energieaufnehmerelement, eine Steuerung von Systemparametern stattfindet, wie beispielsweise der maximalen Leistungsabgabe des HF-Spannungsgebers oder der Leistungsabgabe der elektromagnetischen Energie, gemäß den Einstellungsvorgaben, die an dem Steuerungsmodul der EM-Energiegebereinheit vorgenommen werden können, wie z.B. der zu erreichenden Temperatur der Flüssigkeit oder der maximalen Oberflächentemperatur des EM-Energieaufnahmeelements. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass die Reichweite von elektromagnetischen Wellen in einem wässrigen Medium erheblich geringer ist, als in Luft oder einem Gas. Insbesondere eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung, die im Megahertz-Bereich liegt, hat in Wasser nur eine Reichweite von wenigen Millimetern. Eine Reichweite von elektromagnetischen Wellen, die einen Frequenzbereich im Kilohertz-Bereich aufweisen, haben in einem wässrigen Medium eine Reichweite von < 1cm. Daher ist es auch die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und Vorrichtung bereitzustellen, mit dem eine Übermittlung von Daten/Messwerten von dem EM- Energieaufnahmeelement zu/an die EM-Energiegebereinheit bewerkstelligt werden kann.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass sich die Reichweite einer elektromagnetischen Wellenstrahlung in einem wässrigen Medium durch eine Vergrößerung der elektromagnetischen Feldstärke verlängern lässt. Da die Verwendung von elektromagnetischen Sendevorrichtungen im Radiofrequenzbereich global streng reguliert ist und nur bestimmte Frequenzbereiche für ausgewiesene Anwendungsbereiche verwandt werden dürfen, sowie für die verschiedenen Anwendungen/Einsatzbereich von Radiofrequenz-Magnetwellen (RF) maximal zulässige Reichweiten/Pegel, die in der Atmosphäre, d. h. in der Luft emittiert werden, nicht überschritten werden dürfen, ist die Erhöhung einer elektromagnetischen Feldstärke für diesen Anwendungsbereich beschränkt. Es wurde gefunden, dass sich durch einen RF-Sender, der in einem wässrigen Medium positioniert ist und mit einer internen oder externen elektrischen Spannungsquelle verbunden ist, elektromagnetischen Feldstärken erreichen lassen, die eine Einkopplung der RF-Magnetwellen in einer außerhalb des wässrigen Mediums befindliche RF- Empfängerantenne ermöglichen. Die hierfür benötigte Feldstärke und damit erforderliche Spannungsanlage an der Überträgerantenne variiert je nach Position des Senders im wässrigen Medium und der Ausrichtung der Sende- und Empfangsantenne zueinander. Daher ist es wünschenswert, zum einen eine RF-Sendevorrichtung in einem wässrigen Medium bereitzustellen, mit der eine hohe Feldstärke von RF-Magnetwellen erreicht wird, die außerhalb eines wässrigen Mediums, aus dem sie gesendet werden, empfangen werden können, ohne die zulässigen Höchstwerte für die Emission von RF-Magnetwellen zu überschreiten und zum anderen eine RF- Empfängerantenne außerhalb des wässrigen Mediums bereitstellen, die das RF-Sendesignal störungsfrei, bei einer beliebigen Position des RF-Senders in dem wässrigen Medium zu dem RF- Empfänger und ohne Interferenz mit einem elektromagnetischen Energiefeld, das zur Erwärmung eines EM-Energieaufnahmelelementes, an/in dem sich der RF-Sender befindet, angelegt ist, zu empfangen. Die Verwendung eines sogenannten„aktiven" RF-ID-Senders ist dabei problematisch, da für die anzulegende Versorgungsspannung der RF-Sendeantenne ein in Relation zur Größe der erfindungsgemäßen EM-Energieaufnahmeelemente großer Energiespeicher verwendet werden muss und ein solcher sich im Fall einer Auswechselbarkeit nur schwer elektrisch von den flüssigen Medien, in denen die EM-Energieaufnehmerelemente befinden, isolieren lassen und da es zum anderen eine Funktionsbeeinträchtigung durch eine Erwärmung derartiger Energiespeicher während einer Anwendung kommen kann. Überraschenderweise kann durch die erfindungsgemäßen Elemente/Komponenten sowie die erfindungsgemäße Anordnung der Elemente/Komponenten die Aufgabe in sehr vorteilhafter Weise gelöst werden. Bevorzugt ist eine Vorrichtung zur kontrollierten und kontaktlosen und direkten Erwärmung und/oder Temperierung von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen, die gekennzeichnet ist durch, a) eine elektromagnetische Energiegebereinheit, umfassend mindestens einen Hochfrequenz- Spannungsgeber, mindestens einen Hochfrequenz-Wechselstromgenerator, mindestens einen elektromagnetischen Energieabgeber, bestehend aus mindestens einer Spule eines elektrischen Leiters und mindestens einem Ferrit, sowie mindestens eine Funktionseinheit, umfassend mindestens einen elektromagnetischen Empfänger, mindestens eine Regel- und Steuereinheit und/oder mindestens eine manget- oder elektromagnet-basierte Antriebsvorrichtung,
wobei der mindestens eine Ferrit aus mindestens einer Basis und mindestens einer Auskragung besteht und wobei der mindestens eine elektrische Leiter zumindest einen Teil der Basis und/oder der mindestens eine Auskragung mindestens einmal umwindet, unter Ausbildung einer Spule umwindet und wobei der elektrische Leiter in mindestens einen Schwingkreis mit einer Schwingkreisfrequenz zwischen 10 Hz und 1 MHz des mindestens einen Hochfrequenz- Wechselstromgenerators eingekoppelt ist, unter Erzeugung eines elektromagnetischen Energiefeldes im Bereich der Spule, welches durch den mindestens einen Ferrit gebündelt und das elektromagnetische Energiefeld in einem Energieabgabebereich emittiert wird, der sich gegenüber der Basis, sowie im Falle des Vorhandenseins von mehr als einer Auskragung, gegenüber der Basis und in einem Bereich zwischen den Auskragungen befindet;
und
b) ein elektromagnetisches Energieaufnehmerelement, umfassend mindestens einen elektromagnetischen Energieaufnehmer und mindestens einen Wärmeübertragungskörper und mindestens einer Funktionseinheit, umfassend mindestens eine Temperaturmessvorrichtung, einen Hochfrequenz-Sender, einer Hochfrequenz-Induktionsspule, einen Magneten, ein magnetisierbares Material und/oder eine magnetisierbare Spule und/oder einen Sensor zur Bestimmung physikalischer Zustände, insbesondere von Temperatur, Druck, Geschwindigkeit,
und wobei
sich das elektromagnetische Energieaufnehmerelement im elektromagnetischen Nah- und/oder Fernfeld des elektromagnetischen Energieabgebers der elektromagnetischen Energiegebereinheit befindet und die Ebenen des elektromagnetischen Energieabgabebereichs und des elektromagnetischen Energieaufnehmers flächenparallel ausgerichtet sind.
Einer der hieraus resultierenden vorteilhaften Effekte wird dadurch erzielt, indem eine rückkopplungsgesteuerte Regelung der Feldstärke von RF-Magnetwellen, die zur Aufrechterhaltung einer/eines unterbrechungsfreien Sendung und Empfangs eines oder mehrerer RF-Sendesignal(e) notwendig ist, erfolgt. In einer bevorzugten Verfahrensausführung wird die RF-Signalstärke, die vorzugsweise von einem RF-Empfänger oder sofern eine elektronisch Steuerung vorliegt einer RF- Empfängereinheit bestimmt/ermittelt wird, an einen Kontroller weitergeleitet und gemäß einer Soll- Ist-Wertvorgabe durch diesen die Intensität (Feldstärke) des elektromagnetischen Energiefelds, welches von der Energieabgabeeinheit zur Erzeugung eines elektrischen Stroms in dem EM- Energeiaufnahmeelement abgegeben wird, geregelt. Hierdurch kann neben einer/eines unterbrechungsfreien Sendung und Empfangs von RF-Signalen auch eine Emittierung von RF-Signalen in die Atmosphäre in einer nicht zulässigen Signalstärke, durch eine Herunterregelung der Erzeugung der elektrischen Spannung in der EM-Energieaufnehmereinheit oder durch eine Ansteuerung des RF- Signalgebers in dem EM-Energieaufnehmerelement, unterbunden werden. Somit kann mit einer erfindungsgemäßen Ausführung ein Verfahren bereitgestellt werden, durch das der Betrieb eines RF-Senders, der sich in einem flüssigen Medium befindet, ohne Notwendigkeit einer Versorgung mit einem Energiespeicher oder eines kabelgebundenen Anschlusses, mit einer ausreichenden RF-Signalfeldstärke vorgenommen werden kann. In überaus vorteilhafter Weise, kann hierdurch eine Steuerung der Erwärmung und/oder Temperierung von Flüssigkeiten oder schmelzbaren Feststoffen vorgenommen werden.
Bevorzugt ist eine Verfahren und Vorrichtungen, bei dem durch eine Funktionseinheit oder mehrere Funktionseinheiten des EM-Energieaufnehmerelements eine Messung der tatsächlich in dem umgebenden Medium vorliegenden Temperatur erfolgt, welche durch ein Funksignal an die EM- Energiegeberreinheit übermittelt wird und hier eine automatische Regelung der Energieabgabe der elektromagnetischen Energie des EM- Energiegebers anhand einer Soll/Ist-Wertbestimmung erfolgt, die eine einstellbare gradgenaue Erwärmung/Temperierung von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen gewährleistet.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem eine Regelung der maximalen Leistungsaufnahme des Hochfrequenz-Wechselstromgenerators der EM-Energiegebereinheit erfolgt, wobei der Impuls oder die elektrische Spannung, der/die durch den RF-Empfänger erhältlich ist, den Istwert eines Signalpegels oder einer Signalstärke des Funksignals der Funksendeeinheit der EM- Energieaufnahmeeinheit repräsentiert, der/die außerhalb des flüssigen Medium oder des Feststoffs durch die Funkempfängereinheit bestimmt wird, und die Regelung anhand eines Abgleichs für den Sollwertebereich des Signalpegels und/oder der Signalstärke des Funksignals, das außerhalb des flüssigen Medium oder außerhalb des Feststoffs messbar ist, durch die Kontrolleinheit vorgenommen wird.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Übertragung der Messdaten mittels elektromagnetischer Strahlung im Radiofrequenzbereich erfolgt und bei dem die Signalstärke elektromagnetischen Strahlung oder ein Signalpegel der elektromagnetischen Strahlung des Funksenders, die aus der Flüssigkeit oder verflüssigbaren Feststoffs emittiert wird, in einem vorgegebenen Bereich einer Signalintensität gehalten wird, indem die durch den Funkempfänger gemessene Signalstärke und/oder der durch den Funkempfänger gemessene /Signalpegel durch eine Regelung der Energiemenge, die durch einen oder mehrere Energiegeber erzeugt und abgegeben wird, eingestellt wird.
Prinzipiell kann das gleiche elektromagnetische Energiefeld der EM-Energieabgabeeinheit für eine Erzeugung von Wärmeenergie und eines elektrischen Stroms in dem EM-Energieaufehmerelement verwandt werden, sofern der EM-Energieaufnehmer und den HF-Induktionsstromgenerator für das angelegte elektromagnetische Energiefeld optimiert sind. Dies trifft insbesondere zu, wenn eine ausreichende Spannungsversorgung durch den HF-Induktionsstromgenerator bei einer elektromagnetischen Energiefeldstärke, die zu keiner Erzeugung von Wärme im Bereich des EM- Energieaufnehmers führt, noch gewährleistet werden kann, sodass eine Prozesskontrolle auch noch dann erfolgen kann, wenn kein weiterer thermischer Energieeintrag stattfinden soll. Sofern dies nicht gewährleistet werden kann, werden in einer bevorzugten Verfahrensausführung mindestens 2 elektromagnetische Energiefelder von der EM-Energieabgabeeinheit bereitgestellt, mit denen zum einen eine Erzeugung von Wärmeenergie und zum anderen einer Erzeugung einer elektrischen Spannung in einem EM-Energieaufnahmeelement vollzogen werden. Vorzugsweise handelt es sich dabei um elektromagnetische Energiefelder, die aus einer unterschiedlichen Anregungsfrequenz eines Schwingkreises einer elektrischen Spannung hervorgehen und hierdurch in einem unterschiedlichen Ausmaß von Adsorptionsmaterialien des EM-Energieaufnehmers, wie hierin beschrieben und dem elektrischen Leiter des HF-Induktionsstromgenerators adsorbiert bzw. in Wärme oder elektrischen Strom umgewandelt werden. In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Bereitstellung von 2 oder weiterer elektromagnetischer Energiefelder durch die gleichen EM-Energiegeber. Es wurde gefunden, dass dies beispielsweise dadurch erreicht werden kann, indem neben dem einen elektrischen Leiter, der mindestens 1-mal um die/den Leiste(n)/Steg(e)/ ing(e) eines ferritischen Materials gewunden ist oder bei Halb- oder Vollschalen eines ferritischen Materials, der elektrische Leiter Teile dieser Schale mindestens 1-mal umwindet, ein weiterer elektrischer Leiter angeordnete wird, der parallel zu diesem oder in einer anderen Anordnung mindestens 1-mal um die/den Leiste(n)/Steg(e)/Ring(e) eines ferritischen Materials gewunden ist oder bei Halb- oder Vollschalen eines ferritischen Materials Teile dieser Schale, von dem weitern elektrischen Leiter mindestens 1-mal umwunden wird. Dabei sind die verschiedenen elektrischen Leiter mit unterschiedlichen HF-Wechselstromgeneratoren verbunden. Die Anlage einer HF- Wechselspannung an die 2 oder weiterer elektrischen Leiter kann dabei zeitgleich, überlappen oder zeitversetzt/alternierend erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Verfahrensausführung wird der identische elektrische Leiter für die Erzeugung der 2 oder weiterer elektromagnetischen(r) Energiefelder verwandt. Dies kann vorzugsweise bewerkstelligt werden, indem der elektrische Leiter mit den Schwingkreisen von 2 oder weiterer HF-Wechselstromgeneratoren phasenweise verbunden wird, sodass in zeitlicher Abfolge die 2 oder weitere elektromagnetische Energiefelder mit dem einen elektrischen Leiter erzeugt werden können.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden ein oder mehr elektromagnetische Energiefelder durch einen oder mehrere weitere EM-Energiegeber erzeugt. Dabei kann eine identische Anordnung der Elemente/Komponenten oder eine andere Konfiguration gewählt werden. Es konnte gezeigt werden, dass mit einer erfindungsgemäßen Anordnung der Komponenten/Elemente ein störungs- und unterbrechungsfreier RF-Signal-gesteuerter Betrieb einer erfindungsgemäßen lnduktionsstrom-Erhitzungs-/Temperierungseinheit erfolgen kann, bei dem ein EM-Energieaufnehmerelement in eine flüssigen Medium, wie Wasser oder geschmolzene Schokolade, im Nah- sowie Fernfeld eines EM-Energiegebers möglich ist.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem mindestens 2 unterschiedliche elektromagnetische Energiefelder zeitgleich und/oder alternierend bereitgestellt werden.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem mindestens zwei elektromagnetische Energiefelder von der EM- Energieabgabeeinheit bereitstellt werden, die durch eine identische oder abweichende Frequenz des elektrischen Schwingungskreises, welcher die eine Spule oder die mehreren Spulen durchfließt, erhalten wird und bei dem die elektromagnetischen Energiefelder sich überlagern und/oder über räumlich getrennte Bereiche abgegeben werden und die mindestens zwei elektromagnetischen Energiefelder in der EM-Energieaufnahmeeinheit in Wärme und in elektrische Energie umgewandelt werden.
Bevorzugt ist eine Vorrichtung, bei der Vorrichtung die EM-Energiegebereinheit mindestens zwei unterschiedliche EM- Energiefelder zeitgleich und/oder alternierend bereitstellt.
In einer anderen bevorzugten Verfahrensausführung befindet sich der HF-Induktionsstromgenerator in einem anderen Bereich des EM-Energieaufnehmerelements, sofern außerhalb des wässrigen Mediums sich ein EM-Energiegeber befindet, der ein elektromagnetisches Energiefeld bereitstellt, durch das mittels des HF-Induktionsstromgenerators ein elektrischer Strom erzeugt werden kann. Dieser HF-Induktionsstromgenerator ist eine der hierin beschriebenen Funktionseinheiten und befindet sich vorzugsweise im Bereich der EM-Energieaufnahmeebene des EM- Energieaufnahmeelements.
Bevorzugt ist eine Vorrichtung, bei der Vorrichtung eine störungsfreie Hochfrequenz- Signalübertragung, zwischen einer Hochfrequenz-Signalübertragungseinheit eines EM- Energieaufnahmeelements, das sich in einem flüssigen Medium befindet und einer EM- Energiegebereinheit, erfolgt und wobei gleichzeitig und unmittelbar angrenzend/umgrenzend an das EM-Energiefeld, mit dem die Hochfrequenz-Signalübertragung erfolgt, ein EM- Energiefeld, das zur Wärmeerzeugung geeignet ist, angelegt ist.
Somit kann durch eine erfindungsgemäße Anordnung von Komponenten/Materialien einer EM- Energiegebereinheit und eines EM-Energieaufnehmerelements eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich effizientere Induktionsstromerwärmung mit einer verbesserten Energieeffizienz bereitstellen.
Ferner lassen sich durch eine erfindungsgemäße Anordnung der Komponenten/Materialien sehr leichte und kompakte EM-Energieaufnehmerelemente herstellen.
Es zeigte sich, dass mit der erfindungsgemäßen Anordnung eines erfindungsgemäßen EM- Energiegebers und einem erfindungsgemäßen EM-Energieaufnehmer, eine wesentlich höhere Übertragung einer elektromagnetischen Energie im Nah- und im Fernfeld möglich ist, als dies mit einer Spule aus dem Stand der Technik erreicht werden kann.
Überraschenderweise sind die vorbeschriebenen energieeffizienten Effekte, die bei einer erfindungsgemäßen Anordnung der Komponenten/Elemente gefunden wurden, insbesondere dann realisierbar, wenn eine geringe Energieleitung durch ein elektromagnetisches Energiefeld übertragen werden soll. So wurde beispielsweise in einer Versuchsdurchführung, eine elektromagnetische Energiefeldübertragung durchgeführt, bei der eine Kupferdrahtspule mit 25 planar angeordneten Wicklungen als Energiegeber und einem Aluminiumkegel mit einem Durchmesser von 5cm und einer Höhe von 3cm als Energieaufnehmer in einem Abstand von 10mm flächenparallel in einem mit Wasser gefüllten Glas angeordnet waren. Unter den gleichen Versuchsbedingungen und Einstellungen erfolgte eine elektromagnetische Energiefeldabgabe, bei einer entsprechenden Anordnung eines EM-Energiegebers, der bestand aus einem EM-Energiegeber, welcher in Form eines Ferrit-E-Kern mit 4 Umwindungen eines dünnen Kupferdrahts vorlag, und der elektrische Leiter mit einem HF-Spannungsschwingkreise gekoppelt wurde, sowie eines EM-Energieaufnehmers, bestehend aus einer Aluminiumfolie mit einer Materialstärke von 300μιτι, die mittels einer keramischen Wärmeübertragungsfolie mit einer Materialstärke von 200μιτι, vollflächig mit einem identischen Aluminiumkegel verbunden war, verwandt wurde. Bei einer Schwingkreisfrequenz von 55kHz erfolgte eine elektromagnetische Energieübertragung mit einer maximalen Ausgangsleitung des HF-Spannungsgebers zwischen 5 und 5.000W. Es wurde festgestellt, dass die Übertragungsleistung bei einer Anordnung zur induktiven Erwärmung aus dem Stand der Technik fast linear mit der Ausgangsleistung korrelierte. Dabei war die übertragbare Energiemenge in einem niedrigen Spannungsbereich erheblich niedriger, als die Energiemenge, die bei der gegebenen durch den HF-Spannungsgeber bereitgestellten Ausgangsleitung hätte übertragen werden können. Im Gegensatz hierzu kam es bei einer erfindungsgemäßen Anordnung der Elemente/Komponenten des EM-Energiegebers und des EM-Energieaufnehmers, bereits bei einer geringen Spannung/maximalen Ausgangsleistung des Spannungsgebers zu einer maximal möglichen Energieübertragungsleistung. Die Differenz der erfolgten Energieübertragung der beiden Versuchsanordnungen, die beispielsweise durch die Bestimmung der Stromstärke (Ampere) des Schwingkreises ermittelt wurde, war bei einer geringen maximalen Ausgangsleistung (5 bis 500W) am größten und betrug zwischen 280 und 850%. Es kam zu einem Angleich der effektiven Energieübertragung, wenn eine hohe maximale Ausgangsleistung des HF-Spannungsgebers in einem Bereich zwischen 3.000 und 5.000W angelegt war. Daher ist ein Verfahren bevorzugt, bei dem eine erfindungsgemäße Anordnung der Elemente/Komponenten eines EM-Energiegebers und eines EM-Energieaufnehmers vorliegt und eine elektromagnetische Energieübertragung bei einer maximal möglichen Ausgangsleistung eines HF- Spannungsgebers von vorzugsweise < 3.000W, mehr bevorzugt < 2.500W, weiter bevorzugt < 2.000W, weiter bevorzugt <1.500W, weiter bevorzugt <1.000W, weiter bevorzugt 800W, weiter bevorzugt < 600W, weiter bevorzugt < 400W, weiter bevorzugt < 200W und noch weiter bevorzugt < 100W erfolgt. Es wurde ermittelt, dass diese Gesetzmäßigkeit, bzw. dieser Unterschied in der maximal übertragbaren Energiemenge auch bei unterschiedlichen Frequenzbereichen des HF- Schwingkreises vorlag. Besonders bevorzugt ist eine erfindungsgemäße energieeffiziente Übertragung von elektromagnetischer Energie bei einer Anregungsfrequenz des HF-Schwingkreises zwischen 10 und 500kHz.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem eine energieeffiziente Übertragung von elektromagnetischer Energie erfolgt und bei dem die maximal mögliche Energieübertragungsleistung 3.000W nicht übersteigt.
Die Frequenz des HF-Schwingkreises, die eine optimale Übertragung und Umwandlung der elektromagnetischen Energie in thermische Energie für eine erfindungsgemäße Anordnung der Elemente der EM-Energieaufnehmereinheit ermöglicht, kann sehr einfach mit einem Testverfahren untersucht werden. Dabei ist zunächst festzulegen, in welchem Leistungsbereich pro Flächeneinheit zwischen dem EM-Energiegeber und dem EM-Energieaufnahmeelement die Energieübertragung erfolgen soll. Hiernach richtet sich die Auswahl und Konfiguration einsetztbarer EM-Energiegeber, da beispielsweise bei einem zu geringen Querschnitt des elektrischen Leiters der HF-Spule, bzw. die Anordnung in einem Spulenkern, bei einer hohen Energiemenge (z.B. > 3A/h), es zu einer Erhitzung des Leiter und/oder des Spulenkerns bei der Energieübertragung kommt. Bei einer erfindungsgemäßen Anordnung kommt es zu keiner oder nur geringen Temperaturerhöhung der EM- Energieabgabeeinheit, die vorzugsweise < 90°C, weiter bevorzugt > 80°C, weiter bevorzugt < 70°C, weiter bevorzugt < 60°C und noch weiter bevorzugt 40°C beträgt, sodass eine Zwangsbelüftung/Kühlung nicht erforderlich ist. Sofern keine einschränkende Materialvorgabe vorliegt, können zur Findung der/des geeigneten Folie/Scheibe zur Adsorption der elektromagnetischen Energie Folien, die vorzugsweise eine Dicke zwischen 100 bis 2.000μιτι, weiter bevorzugt zwischen 200 und Ι.ΟΟΟμιτι und weiter bevorzugt zwischen 300 und 500μιτι aufweisen und vorzugsweise aus einem der Materialien, umfassend Aluminium, Weißblech oder Graphit, bestehen, einzeln oder in beliebiger Kombination, für die Untersuchung verwandt werden. Hierzu werden diese einzeln oder in beliebiger Kombination verschiedener Materialstärken und Materialien spaltraumfrei übereinander gelegt und vollflächig über dem EM-Energiegeber der EM-Energieabgabeeinheit in einem definierten Abstand, der vorzugsweise zwischen 0,5mm und 10 cm, weiter bevorzugt zwischen 1mm und 8cm, weiter bevorzugt zwischen 1,5mm und 5cm und noch weiter bevorzugt zwischen 2mm und 3cm beträgt, flächenparallel platziert. In dem Abstandsbereich kann sich Luft oder ein Festkörper/eine Flüssigkeit der/die nicht zur Aufnahme der angelegten elektromagnetischen Energie geeignet ist (wie Glas oder Holz oder Wasser) befinden. Unter den gleichen Einstellungsbedingungen für die HF-Wechselfrequenz, der elektrischen Spannung und der maximale Leistung des HF- Spannungsgebers erfolgt dann eine Anlage eines elektromagnetischen Energiefeldes mit einer erfindungsgemäßen EM-Energiegebereinheit für einen Zeitraum, der eine Erfassung der Oberflächentemperatur der Folien erlaubt. Es wird die Geschwindigkeit einer Temperaturerhöhung und die Maximaltemperatur der/des untersuchten Folie/Folienaufbaus ermittelt. Ferner wird die Differenz aus dem Energieverbrauch der EM-Energieabgabeeinheit, der zum Zeitpunkt vor und nach einer Übertragung elektromagnetischer Energie und während einer solchen Übertragung stattgefunden hat, berechnet.
Ein weiterer besonderer vorteilhafter Effekt der sich aus der erfindungsgemäßen Anordnung der Elemente ergibt, betrifft die Möglichkeit, verschiedene elektromagnetische Energiefelder gleichzeitig/parallel/sequentiell anzulegen und elektromagnetische Energie zu übertragen. So wird/werden in einer Ausführungsform eine oder mehrere EM-Energiegeber im Bereich des EM- Energieabgabefeldes (siehe Abbildung 1) vorzugsweise flächenparallel angeordnet, neben dem mindestens einen erfindungsgemäßen EM-Energiegeber zur Übertragung elektromagnetischer Energie. Diese(r) EM-Energiegeber kann/können eine erfindungsgemäße Bauform oder eine Bauform aus dem Stand der Technik aufweisen. Sie können mit der gleichen oder einer anderen Wechselfrequenz eines HF-Schwingkreises betrieben werden. Bevorzugt wird hierdurch elektromagnetische Energie bereitgestellt, die in elektrische Energie in dem Energieaufnahmeelement umgewandelt wird. Vorzugsweise wird das elektromagnetische Energiefeld auch dazu verwandt einen Ferromagnetismus zu induzieren. Somit kann unter Verwendung eines bevorzugt ferritischen Spulenkerns eine Bündelung der elektromagnetischen Energie, bei einer minimalen Länge eines elektrischen Leiters, erreicht werden, die eine punktförmige Übertragung des Energiefeldes ermöglicht. Dieses punktförmige Energiefeld kann durch die Verwendung einer zur Adsorption der elektromagnetischen Energie geeigneten Folie mit einem sehr hohen Effizienzgrad übertragen und in thermische Energie umgewandelt werden und bei einer Verbundherstellung mit einem Wärme-Leit-/Abgabekörper auf eine große Abgabefläche übertragen werden. Dies Anordnung ermöglich in besonders vorteilhafter Weise, dass der Bereich des EM-Energieaufnahmeelements, der der EM-Energiegebereinheit vorzugsweisen flächenparallel zugewandt ist, neben einem oder mehreren Abschnitt(en) zur Aufnahme elektromagnetischer Energie, in dem/denen eine Umwandlung in thermische Energie erfolgt, einen oder mehrere weitere Abschnitt(e) aufweisen kann, der/die eine andere Funktionalität aufweist/aufweisen. In einer bevorzugten Verfahrensanordnung liegt/liegen ein oder mehrere Bereich(e) vor, in dem/denen eine Adsorption von elektromagnetischer Energie erfolgt, die in elektrische Energie umgewandelt wird. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform liegt ein Bereich zur Adsorption von elektromagnetischer Energie vor, wobei die elektromagnetische Energie in ein magnetisches Energiefeld gewandelt wird. Die verschiedenen Bereiche, die zu einer unterschiedlichen Umwandlung der adsorbierten elektromagnetischen Energie verwandt werden können, können in beliebiger Anzahl und Anordnung nebeneinander vorliegen. Dabei kann das elektromagnetische Energiefeld, das in den verschiedenen Bereichen adsorbiert und in eine andere Energieform gewandelt wird, aus der gleichen Quelle des elektromagnetischen Energiefeldes der EM- Energiegebereinheit entstammen oder die EM-Energiegebereinheit verfügt über zwei oder mehr Abschnitte/Bereiche, in denen elektromagnetische Energie erzeugt und gerichtet auf das EM- Energieaufnahmeelement abgegeben wird/werden. Dabei können die 2 oder mehr elektromagnetischen Energiefelder, durch die identische oder verschiedene HF-Frequenzbereiche des/der HF-Schwingungskreise(s) der Energiegebereinheit erzeugt werden, welche gleichzeitig oder zu überlappenden oder in unterschiedenen Zeitintervallen abgegeben werden.
Somit kann in besonders vorteilhafter Weise eine Übertragung elektromagnetischer Energie im Nah- und Fernfeld eines EM-Energiegebers an einen in einem flüssigen Medium befindlichen EM- Energieaufnehmer erfolgen und in diesem zu thermischer Energie gewandelt werden, unter Erlangung einer hohen Energieeffizienz in einem niedrigen Leistungsbereich.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem die Energieeffizienz insbesondere dadurch erreicht wird, indem eine Verfahrensdurchführung unter Verwendung eines EM-Energieaufnehmers erfolgt, der aus einer oder mehrerer Folien und/oder Scheiben, vorzugsweise bestehend aus Aluminium, Weißblech oder Graphit, die einzeln oder kombiniert in einem Verbund vorliegen, besteht und bei dem zwischen dem EM-Energieaufnehmer und dem Wärmeübertragungskörper ein Spaltraum und/oder Abstand besteht, der ein zur Wärmeübertragung geeignetes Material enthält, das keine Adsorption des angelegten elektromagnetischen Energiefelds vollzieht.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden mit der Induktionsstromerhitzungseinheit Feststoffe oder Festkörper erhitzt und/oder temperiert. Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass eine gleichmäßige und gradgenaue Erwärmung von Feststoffen durch die Verwendung geeigneter EM-Energieaufnahmeelemente erreicht werden kann. So konnte gezeigt werden, dass durch eine Temperierung von Lebensmitteln durch eine Unter- und/oder Auflage eines flächigen EM- Energieaufnahmeelements unerwünschte Effekte, die sich bei Heizverfahren aus dem Stand der Technik einstellen, vermieden werden können und eine gleichmäßige und produktschonende Durchwärmung von Feststoffen oder Festkörpern erfolgt. Die hierin gemeinten schmelzbaren Feststoffe können bei einer Erwärmung bis 100°C verflüssigt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn z.B. ein Lebensmittel, das zu erwärmen ist, in Lagen zwischen einzelne EM- Energieaufnahmeelemente oder in einen Verband von mehreren konsekutiv und mit einem Abstand voneinander angeordneten EM-Energieaufnehmern eines EM-Energieaufnahmeelements eingelegt werden. Andererseits können auch Werkstücke mit dem Verfahren be- und/oder verarbeitet werden. So ist es besonders vorteilhaft, wenn ein Werkstück thermisch behandelt werden soll, dieses auf, unter oder zwischen ein oder mehrere EM-Energieaufnahmeelemente zu platzieren. Vorzugsweise wird dabei ein Druck ausgeübt der einen engen Kontakt zwischen dem/den EM- Energieaufnahmeelement(en) gewährleistet. So kann diese Verfahren besonders vorteilhaft z. B. für ein Aufschmelzen einer Beschichtung oder zu einem thermischen Verkleben von Materialien benutzt werden. Die Anwendbarkeit wird nur dann eingeschränkt, wenn das Werkstück selber eine Adsorption des angelegten elektro-magnetischen Energiefelds gedingt. Für die vorgenannten Anwendungen eignen sich besonders EM-Energieaufnahmeelemente, die eine flächige Form aufweisen. Die Fläche kann dabei auch eine Gitterform haben oder anders konfigurierte Unterbrechungen aufweisen. Für diese Anwendungen ist es besonders vorteilhaft, wenn das EM- Energieaufnahmeelement mehrere und über die gesamte Fläche verteilt Temperatursensoren aufweist. Hierdurch können lokale Überhitzungen vermieden werden. Gerade für flächige Anwendungen sind Wärmeübertragungskörper bevorzugt, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wie z.B. Kupfer, Silber oder Graphit. Besonders bevorzugt sind Graphite mit einer hohen elektrischen Leitfähigkeit. Die elektronischen Bauelemente/Funktionseinheiten, wie eine HF- Induktionsspule, ein HF-Induktionsstromgenerator, ein F-Funksender sowie einer RF-Antenne, können sich innerhalb eines flächigen EM-Energieaufnahmeelements befinden oder sind an diesem befestigt. In einer Ausführungsform haben flächige oder anders geformte EM- Energieaufnahmeelemente nur ein oder mehrere interne Temperatursonde(n) aber keinen äußeren Temperatursensor.
Bevorzugt werden EM-Energieaufnahmeelemente, die zur Erwärmung und/oder Temperierung von Feststoffen, die bei einer Erwärmung bis 100°C verflüssigt werden oder Festkörpern eine flächige Form haben.
In einer Ausführungsart ist der EM-Energieaufnehmer so geformt oder angeordnet, dass sich die Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen zum überwiegenden Anteil im Nahfeld des Energiegebers befinden, indem sie innerhalb des EM-Energieaufnehmers bzw. des EM- Energieaufnehmerelements im Bereich der Unterseite, bzw. der Auflagefläche, die sich über dem EM-Energieabgabebereich des EM-Energiegebers befindet, angeordnet sind, wodurch der überwiegende Anteil der Masse der Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen einen Abstand zur Auflagefläche des Behältnisse bevorzugt von < 5cm und mehr bevorzugt < 2 cm und am meisten bevorzugt von < 1cm aufweist. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann sich ein überwiegender Masseanteil Magnetwellen-adsorbierender Verbindungen allerdings auch im Fernfeld des elektromagnetischen Energiefeldes des Energiegebers befinden, z. B. bei großvolumigen EM- Energieaufnehmern oder bei EM-Energieaufnehmern für schmalbasige Behältnisse. Dies kann auch insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn eine hohe elektromagnetische Energiemenge durch den EM-Energieaufnehmer aufgenommen werden kann und gleichzeitig ein hoher Erwärmungsgrad erfolgen soll. Der überwiegende Massenanteil der Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen befindet sich bei diesen Anwendungen > 5cm und mehr bevorzugt > 8cm oberhalb der Energieabgabefläche des EM-Energiegebers in einem Behältnis.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die Oberfläche des EM- Energieaufnehmerelements mit einem anderen Material beschichtet. Das Beschichtungsmaterial sollte auf die jeweilige Applikation angepasst sein. So kann für eine Anwendung in einer wässrigen Lösung, die einem pH-Wertebereich zwischen 5 und 12 aufweist, eine metallische Oberflächenlegierung geeignet sein, da hiermit eine rasche Abgabe der Wärmeenergie erreicht wird. Bevorzugt sind dabei Legierungen auf der Basis von Nickel, z.B. Inconel, Zink, z.B. Titan-Zink, Kupfer, z.B. Rotguss oder Messing, Gallium, Silber, Gold, Aluminium oder Legierungen enthaltend z. B. Chrom, Nickel, Molybdän, Titan, Niob, Wolfram, Vanadium, Kobalt, weiter bevorzugt sind Legierungen, die eine größere Inertheit ausweisen, wie z. B. Zinn-Nickel, Molybdän-Chrom. Weiter bevorzugt sind Legierungen aus Edelmetallen, wie Silber, Gold oder Platin. Weiterhin bevorzugt sind auch keramische Beschichtung, Lacke, z.B. aus Polyacryl sowie Emaillierungen. Besonders bevorzugt sind Beschichtungen, die sich in sehr dünnen Schichten (ein oder wenige Atom-/Moleküllagen stark) vollflächig aufbringen lassen, z. B. durch Verfahren wie dem ALD oder CVD. Hiermit können z. B. Silizium und Kohlenstoff besonders vorteilhaft aufgebracht werden. Silizium in amorpher Form ist weiterhin bevorzugt. Die Oberflächen des EM-Energieaufnehmers und des Wärmeübertragungskörpern können in gleicher oder unterschiedlicher Weise beschichtet werden. Bevorzugt sind Wärmeübertragungskörper oder EM-Energieaufnehmerelemente die oberflächenbeschichtet sind.
In einer weiteren Ausführung können auf die Oberfläche eines EM-Energieaufnehmerelements auch reaktionsfördernde Elemente oder Verbindungen aufgebracht werden oder die Oberflächen aus einer reaktionsfördernden Verbindung bestehen. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da viele Reaktionen, die durch reaktionsfördernde Verbindungen (wie Katalysatoren oder Enzyme) bewirkt werden, eine Temperaturabhängigkeit und ggf. ein Temperaturoptimum aufweisen. Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass die Effektivität derartiger Verbindungen durch eine erfindungsgemäße Anwendung erhöht wird. So konnte gezeigt werden, dass in Anwesenheit einer vergleichbaren Menge eines Katalysator, der in einer Reaktionsflüssigkeit suspendiert vorlag oder an der Oberfläche eines Wärmeübertragungskörpers immobilisiert vorlag, es schneller und effektiver zu einer Reaktion kam, wenn eine Temperierung der Oberfläche eines EM- Energieaufnehmerelements auf die zur Reaktionsförderung optimale Temperatur eingestellt wird, im Vergleich zu einer indirekten Erhitzung der Suspension, trotz des Erreichens der gleichen Endtemperatur des Reaktionsmediums. Die reaktionsfördernden Elemente oder Verbindungen können Bestandteil einer anorganischen oder organischen Beschichtung oder Matrix sein und/oder auf der Oberfläche physikalisch oder chemisch gebunden sein. Die reaktionsfördernden Verbindungen können durch verschiedene bekannte Verfahren auf den Oberflächen des EM- Energieaufnahmeelements immobilisiert werden. Die Anbindung einer oder mehrerer Verbindungen an die Oberfläche eines EM-Energieaufnehmerelements kann dabei chemisch, physiko-chemisch oder rein physikalisch sein. Bei den reaktionsfördernden Verbindungen kann es sich um Elemente, wie z.B. Rhodium, Platin, Silber, Wolfram, Jod, Brom, Eisen, Palladium oder Sasarium und/oder Verbindungen, wie z.B. Hopcalite, V205, CuO/Cr203, ZnO/Cr203 oder CuO/ZnO, Platin/Rhodium oder a-Eisen/AI203, u.a.m. handeln. Dabei können die reaktionsfördernden Verbindungen anorganisch, organisch oder eine Kombination hiervon sein. Kombinationen liegen z. B. dann vor, wenn auf einem anorganischen Grundmaterial, wie z.B. Silicium, Zirkonium, Titan oder Gold, organische Verbindungen chemisch, physiko-chemisch oder physikalisch gebunden sind. Besonders bevorzugt sind Zeolithe oder Silikagele als anorganisches Grundmaterial. Organische Verbindungen mit katalytischer oder biologischer Aktivität sind dem Fachmann bekannt, als Beispiele seinen genannt Verbindungen, die sich von Aminosäuren, Chinaalkaloiden, oder Weinsäure ableiten, wie Taddole. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die reaktionsfördernden Verbindungen Enzyme oder Coenzyme. Daher sind Anwendungen zur Reaktionsförderung von biologischen Reaktionen oder Prozessen besonders bevorzugt, insbesondere, da eine sehr genaue Einstellung der Oberflächentemperatur mit einem EM-Energieaufnehmerelement vorgenommen werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform werden die reaktiven/reaktionsfördernden Verbindungen auf der Oberfläche eines EM-Energieaufnehmerelements adsorbiert oder adhäriert und können während des Reaktionsprozesses von der Oberfläche losgelöst werden. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein Eintrag dieser Verbindungen in ein Reaktionsgemisch unter Erhitzung besser erfolgen kann. In einer speziellen Anwendungsform werden auch Luft und/oder Gase durch eine Induktionsstromerhitzungseinheit erhitzt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn in der Luft/Gas-Phase eine chemische Reaktion erfolgen soll, die durch einen Kontakt mit einer Oberfläche einer Induktionsstromerhitzungseinheit, die mit einer reaktionsfördernden Verbindung versehenen wurde, bei einer Erwärmung des Energieaufnehmers erfolgt. Bevorzugt sind eine EM-Energiegebereinheit und ein EM-Energieaufnehmerelement zur kontaktlosen Induktionsstromerhitzung von Luft und/oder Gasen.
Durch die vorbeschriebenen Anwendungsformen können somit reaktive Oberflächen bereitgestellt werden, die sich gradgenau erhitzen lassen, sodass eine bei einer bestimmten Temperatur erfolgende Reaktion hierdurch herbeigeführt werden kann. Vorzugsweise erfolgt die Durchführung einer Reaktionsförderung mit einem der vorbeschriebenen beschichteten EM-Energieaufnehmerelemente, indem die Oberflächen-Solltemperatur an der Steuereinheit auf den Wert des Temperaturoptimums der zu fördernden Reaktion eingestellt wird. Vorteilhaft ist überdies, dass zum Zwecke einer Begrenzung einer Reaktion und/oder zur Konstanthaltung einer Reaktion, die Temperatur der Oberfläche des Energieaufnehmers auch auf eine Temperatur eingestellt werden kann, die sich leicht oder deutlich von der Temperatur unterscheidet, die eine optimale Reaktionsförderung bewirkt. Dies ist insbesondere bei Reaktionen vorteilhaft, die sukzessiv ablaufen sollen, wie das bei vielen biologischen oder biochemischen Abläufen gewünscht ist.
Bevorzugt sind eine EM-Energiegebereinheit und ein EM-Energieaufnehmerelement zur kontaktlosen und direkten Induktionsstromerhitzung von chemischen und/oder biologischen Reaktionsgemischen. Bevorzugt ist die Verwendung einer EM-Energiegebereinheit und eines EM-Energieaufnehmerelements zur Reaktionssteuerung in einem chemischen und/oder biologischen Reaktionsgemisch.
Durch die vorbeschriebenen Ausführungsformen wird ein EM-Energieaufnehmerelement zu einem Thermokatalysator. Vorteilhaft ist darüber hinaus, dass sich thermisch induzierte Reaktionen mit der Induktionsstromerhitzungseinheit sehr genau steuern lassen, so kann die Reaktion durch Aussetzen einer weiteren EM-Energieabgabe des EM-Energiegebers praktisch unmittelbar beendet werden, sofern der EM-Energieaufnehmer aus einer Verbindung besteht, die eine hohe elektrische und/oder thermische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine geringe Masse aufweist. Die vorgenannten Ausführungsformen sind auch deshalb vorteilhaft und praktikabel, weil sich ein derartiger Thermokatalysator nach erfolgter Reaktion sehr leicht und in einem Stück aus einem Reaktionsgemisch entfernen lässt. Auch die Reinigung der katalytischen Oberflächen des Energieaufnahmeelements für dessen Wiederverwendung, kann sehr viel einfacher erfolgen, als bei suspendiert vorliegenden reaktionsfördernden Verbindungen, wodurch das Verfahren weitere Praktikabilität erhält.
Bevorzugt sind Wärmeübertragungskörper oder EM-Energieaufnehmerelemente, die Oberflächenbeschichtungen mit einer reaktiven und/oder reaktionsfördernden Wirkung aufweisen. Bevorzugt ist die Verwendung eines EM-Energieaufnehmers oder EM-Energieaufnehmerelementes zur Reaktionsförderung physikalischer, physiko-chemischer und/oder chemischer Prozesse.
Weiter bevorzugt sind Wärmeübertragungskörper oder EM-Energieaufnehmerelemente mit Oberflächenbeschichtungen, die chemisch inert sind.
Bevorzugt ist die Verwendung eines EM-Energieaufnehmers oder EM-Energieaufnehmerelements mit einer Oberfläche oder Oberflächenbeschichtung, die eine reaktive/reaktionsfördernde Wirkung auf ein Reaktionsgemisch hat.
Bevorzugt wird die Verwendung einer Induktionsstromerhitzungseinheit als Laborerhitzer und/oder als Labormischer.
Bevorzugt wird die Verwendung eines EM-Energieaufnahmeelements als Thermokatalysator. Bevorzugt ist die Verwendung eines Thermokatalysators zur Initiierung, Konstanthaltung und/oder Verbesserung einer biologischen, chemischen und/oder bio-chemischen Reaktion.
In einer weiteren Ausführungsform werden die Oberflächen des EM-Energieaufnehmerelements mit einer Beschichtung aus organischen oder anorganischen Verbindungen überzogen. Dieser Überzug kann partiell (z. B. zur Verbesserung der Gleitfähigkeit) oder vollständig (z. B. zum Schutz des Energieaufnehmermaterials vor aggressiven Substanzen) sein. Prinzipiell können alle aus dem Stand der Technik bekannten organischen filmbildenden Verbindungen verwandt werden. Auch hier hängt die Auswahl des Materials von der jeweiligen Anwendung ab. Bevorzugt sind allerdings Verbindungen, die selbst nicht toxisch sind oder aus denen keine toxischen Verbindungen entweichen können. Als weitere Anforderung ist es erforderlich, dass diese Verbindungen hitzebeständig sind. Bevorzugt sind daher auch anorganische Verbindungen, wie zum Beispiel Legierungen, besonders bevorzugt sind metallische Legierungen, z.B. aus Kobalt-Chrom. Weiterhin bevorzugt sind Verbindungen, die eine hohe Schlag- und Zugfestigkeit aufweisen, sowie sich in einer dünnen Schicht flächig und geschlossen auftragen lassen. Dabei sind besonders bevorzugt Verbindungen, die ein hohes Elastizitätsmodul aufweisen, um bei einer thermisch bedingten Ausdehnung des EM-Energieaufnehmers nicht zu zerreißen. Ferner sollte die anorganische oder organische Verbindung weitgehend chemisch inert sein und insbesondere nicht durch Säuren oder Laugen zersetzt werden. Bevorzugt sind Emaillierungen, PTFE, PEEK. Besonders bevorzugt sind hierbei Materialien, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und/oder einen sehr geringen Materialauftrag benötigen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden ultradünne temperatur- und chemikalienresistente Beschichtungen, bzw. Versiegelungen verwandt, die gleichzeitig einen geringen Wärmewiderstand haben. Hierzu zählen Beschichtungsverfahren mit Kohlenstoff oder Kohlenstoffverbindungen, wie z. B. eine Carbonbeschichtung, die mittels CVD-Verfahren aufgebracht wird (Diamond-like-carbon). Ferner bevorzugt sind Beschichtungen aus Siliziumcarbit, Aluminiumnitrit, Platin, Gold oder Silber.
Bevorzugt sind Wärmeübertragungskörper oder EM-Energieaufnehmerelemente, mit dünnen Oberflächenbeschichtungen, die mittels eines Gasphasenabscheidungsverfahrens hergestellt sind. Bevorzugt sind EM-Energieaufnehmer, die aus einem Element oder Verbindungen besteht/bestehen, das/die eine hohe elektrische Leitfähigkeit hat/haben und/oder mit einem solchen Element/ Verbindung beschichtet sind.
Bevorzugt sind EM-Energieaufnehmer, die aus einem Element oder Verbindungen besteht/bestehen, das/die eine hohe Wärmeleitfähigkeit hat/haben und/oder mit einem solchen Element/Verbindung beschichtet sind.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, ist die Temperatur des EM- Energieaufnahmeelements über eine Feed-back-Steuerung adjustierbar. Dies bezieht sich sowohl auf die Temperatur der Oberfläche einer beliebigen Stelle des EM-Energieaufnehmerelements als auch die Temperatur, die innerhalb des EM-Energieaufnehmerelements vorliegt.
Bevorzugt sind Vorrichtungen zur Bestimmung der Temperatur im Energieaufnahmeelement oder an dessen Oberfläche mittels eines oder mehrerer Temperatursensors(en).
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein Temperatursensor unmittelbar an oder in dem EM-Energieaufnehmer, wodurch die Temperatur des EM-Energieaufnehmers verzögerungsfrei erfasst werden kann. Hierzu kann es erforderlich sein, eine spaltlose Verbindung des Sensors mit dem EM-Energieaufnehmer herzustellen. Geeignete Temperatursonden, z. B. in Form eines Drahtes, der auf den EM-Energieaufnehmer aufgebracht wird, sind aus dem Stand der Technik bekannt, dem Fachmann sind Methoden zur verzögerungsfreien Übertragung von Festkörpertemperaturen bekannt. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das EM- Energieaufnehmerelement mehrere Temperatursensoren. Bevorzugt ist die Temperaturmessung an der Oberfläche des Wärmeübertragungskörpers. Ferner enthält das das EM-Energieaufnehmerelement vorzugsweise einen oder mehrere Temperaturmessvorrichtungen zur Bestimmung der Temperatur des umgebenden Mediums.
Bevorzugt ist ein EM-Energieaufnehmerelement, das mindestens eine Vorrichtungen zur Bestimmung der Temperatur der Flüssigkeit oder des Feststoffs in der/dem es sich befindet, enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform, erfolgt eine Bestimmung der Temperatur des zu erwärmenden Mediums und/oder des EM-Energieaufnehmers mittels einer oder mehrerer Temperatursonde(n), die in dem EM-Energieaufnahmeelement integriert ist/sind. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein aus dem Stand der Technik verfügbarer Temperatursensor an der Oberfläche des Energieaufnahmeelements montiert. Vorzugsweise befindet sich der Sensorbereich nicht direkt auf der Oberfläche des EM-Energieaufnehmers, sondern hat einen Abstand zu dieser, der mindestens 1 mm, mehr bevorzugt mindestens 2 mm und weiter bevorzugt mindestens 3 mm bemisst. Es kann dabei vorteilhaft sein, eine thermische Abschirmung von dem Wärmeübertragungskörper vorzunehmen. Hierzu können Materialien, die im Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden. Der Sensor kann gehalten werden durch die Drahtverbindungen des Sensors oder durch eine eigene Halterung, die aus einem beliebigen hitzestabilen Material beschaffen sein kann, welches sich fest mit dem Wärmeübertragungskörper verbinden lässt. Vorteilhaft ist der Überzug des Sensors sowie der elektrischen Verbindung des Temperatursensors durch eine Beschichtung, wie hierin aufgeführt. Besonders vorteilhaft sind dabei Beschichtungen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wie z. B. Diamond-like-carbon oder Siliziumcarbit.
Bevorzugt ist ein EM-Energieaufnehmerelement mit einer integrierten Vorrichtung zur Temperaturerfassung des EM-Energieaufnehmerelements und/oder des umgebenden Mediums. In einer Ausführungsform erfolgt eine Messung der Temperatur des zu erwärmenden Mediums durch eine oder mehrere von dem EM-Energieaufnahmeelement unabhängigen Temperatur- messvorrichtung(en). Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn große Volumina im Verhältnis zur Oberfläche des EM-Energieaufnahmeelements beheizt/temperiert werden sollen. In diesem Fall kann durch einen zusätzlichen Eingang an der EM-Energiegebereinheit das/die Messsignal(e) der gemessene Temperaturwert der Steuereinheit zugeleitet werden und integrativ zur Steuerung der EM- Energieabgabe verwandt werden. In einer anderen Ausführungsform wird die Temperatur des Mediums nur durch eine separate Messvorrichtung gemessen und das EM-Energieaufnahmeelement verfügt nicht über eine Temperatursonde. In diesem Fall erfolgt die Regulation der Energieabgabemenge anhand des zuvor beschriebenen Mess-/Regelverfahrens. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn das EM-Energieaufnahmeelement nur sehr klein sein darf und daher nur als Wärmeübertragungskörper verwandt wird. Es sind aber auch andere Konstellationen vorteilhaft. So sind bevorzugt auch EM-Energieaufnahmeelemente, die nur über einen HF-Induktionsstromgenerator sowie einer oder mehrerer interner und/oder ein oder mehrerer äußerer Temperatursonden verfügen. Die Auswahl und Anordnung der Temperatursonden richtet sich nach der Anwendung.
In einer Ausführungsform wird/werden der/die Temperatursensor(en) mit einem Funksender verbunden. Der/die Temperatursensor(en) wird/werden in einer Ausführungsform mit einem HF- Induktionsstrom-Generator (s.o.) für die Stromversorgung verbunden. In einer weiteren Ausführungsform wird der F-Funksender mit dem HF-Induktionsstromgenerator für die Stromversorgung verbunden. Durch die Kombination dieser Ausführungsformen können die elektronischen Bauelemente des EM-Energieaufnehmerelements elektrisch betrieben und Temperaturmesswerte als RF-Funksignal übermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Erwärmungs-/Erhitzungsverfahren im elektromagnetischen Nah- und/oder Fernfeld eines EM-Energiegebers erfolgt in einer besonders vorteilhafter Ausführungsform durch eine Steuerung der Energieleistung des EM-Energiegebers, um eine definierte Temperatur der zu temperierenden Flüssigkeit, eines schmelzbaren Feststoffs und/oder eines Festkörpers einstellen zu können. Hierzu werden die Temperaturwerte, die im oder an der Oberfläche des Energieaufnehmers entstehen sowie die Temperaturwerte, die in dem umgebenden Medium vorliegen, mittels Temperatursensoren bestimmt und die ermittelten Werte durch eine Funkübertragung, die vorzugsweise im Radiofrequenzbereich erfolgt, (s. u.) an eine Steuereinheit übermittelt. Bevorzugt ist ein direktes induktives Erwärmungs-/Erhitzungsverfahren, bei dem die Werte der Temperatursondenmessung des EM-Energieaufnahmeelements kontinuierlich mittels einer Funkübertragung an eine externe Empfängereinheit übermittelt werden.
Weiterhin bevorzugt ist ein Verfahren zur Steuerung der elektromagnetischen Energiemenge für die Erwärmung eines EM-Energieaufnahmeelements anhand der durch das EM-Energieaufnahme- element übermittelten Temperaturwerte.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht erstmalig, ein kontaktloses direktes Erhitzungs- und Temperierungsverfahren von Flüssigkeiten, schmelzbaren Feststoffen und/oder Festkörpern in Gefäßen, die sich im Nah- und/oder Fernfeld eines elektro-magnetischen Energiefelds eines EM- Energiegebers befinden, bereitzustellen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform, ist das Temperierungsverfahren für den stationären oder den mobilen Einsatz anwendbar, ohne Notwendigkeit, hierfür spezielle Behältnisse benutzen zu müssen, sofern das Material aus denen sie bestehen keine elektromagnetische Energie adsorbiert. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist/sind der/die Temperatursensor(en) mit einer Funksendeeinheit verbunden. Die Funksendeeinheit besteht vorzugsweise aus einer Funkantenne und einem RF-Funksender, die miteinander verbunden sind. Derartige Aufbauten sind dem Fachmann bekannt. Jede andere Art der drahtlosen Signalübermittlung ist auch eine bevorzugte Ausführungsform. Die RF-Funkantenne kann vorzugsweise an der Außenseite des Energieaufnehmerelements aufgebracht sein.
In einer bevorzugten Ausführungsart wird der Betriebsstrom dieser Funksendeeinheit durch eine Einheit zur induktiven Stromerzeugung, wie zuvor beschrieben, bereitgestellt, mit dem sie elektrisch verbunden ist. In einer Ausführungsform erfolgt die Energiebereitstellung für die elektrische Versorgung elektrischer oder elektronischer Bauteile des EM-Energieaufnahmeelements durch eine Batterie oder einen Akku, welche(s) in einer Fassung in oder an dem Energieaufnahmeelement angebracht ist/sind. In diesem Fall kann das Energieaufnahmeelement keine HF-Induktionsspule oder HF-Induktionsstromgenerator enthalten. Bevorzugt sind EM-Energieaufnahmeelemente, die zur Signalübermittlung eine Funksendeeinheit enthalten.
Die elektronischen Bauelemente (HF-Induktionsspule, HF-Induktionsstromgenerator, Funksendeeinheit sowie deren Verbindungen) werden vorzugsweise in eine oder mehrere Kavität(en) des das EM-Energieaufnehmerelements eingebracht, welche sich vorzugsweise im Zentrum des das EM- Energieaufnehmerelements befindet/befinden. Vorzugsweise wird eine solche Kavität nicht von einer Seite durch eine Magnetwellen-adsorbierenden Struktur des EM-Energieaufnehmers bedeckt. Mehr bevorzugt ist, dass die elektronischen Bauelemente von 2 Seiten nicht durch eine Magnetwellen-adsorbierende Struktur bedeckt werden. Dies hat den Vorteil, dass das zur Erzeugung des Induktionsstroms erforderliche elektromagnetische Energiefeld nicht oder nur gering durch überlagernde Strukturen abgeschwächt wird. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn sich die Kavität für die Aufnahme der HF-Induktionsspule an einer Stelle des das EM-Energieaufnehmerelements befindet, die eine größtmögliche räumliche Annäherung an das Nahfeld des EM-Energieabgabebereichs gewährleistet, vorzugsweise durch eine Selbstausrichtung des EM-Energieaufnahmeelements nach dessen Einbringen in einen Flüssigkeitsbehälter. Diese Aufgabe wird insbesondere bei EM- Energieaufnahmeelementen, die für eine Agitation von Flüssigkeiten zur Rotation eingesetzt werden sollen, dadurch gelöst, indem sich die Kavität vorzugsweise in bzw. entlang der Drehachse des Energieaufnehmers befindet. Sollte eine kugelartige oder kubische Ausführungsform des Energieaufnehmers mehr als eine Drehachse aufweisen, ist es vorteilhaft, die Kavität für die elektronischen Bauelemente in den Bereich des Gravitationszentrums des EM-Energieaufnehmers zu legen und die angrenzenden Magnetwellen-adsorbierenden Bauteile des Energieaufnehmers nur über Halterungsbrücken zu verbinden, sodass bei einer beliebigen Drehachse eine unmittelbare Übertragung des elektromagnetischen Energiefelds zur induktiven Stromerzeugung ermöglicht wird. Bevorzugt sind EM-Energieaufnahmeelemente, die eine oder mehrere Kavität(en) zur Aufnahme von elektronischen Bauteilen aufweist/aufweisen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsart sind die elektronischen Bauteile in eine Kavität des EM-Energieaufnahmeelements eingebracht, die sich im Fernfeld oder außerhalb des elektromagnetischen Energiefelds befinden. In diesem Fall ist nur die HF-Induktionsspule
im Nah- oder Fernfeld des elektromagnetischen Feldes platziert.
In einer weiter bevorzugten Ausführungsform befinden sich in und/oder an dem EM- Energieaufnahmeelement permanent magnetische oder magnetisierbare Bereiche. Hierzu kann z. B. ein Stabmagnet oder ein Eisenteil aus dem Stand der Technik verwandt werden.
Vorzugsweise werden mindestens 2 magnetische oder magnetisierbare Bereich bereitgestellt, die so in/an dem Energieaufnahmeelement positioniert werden, dass die magnetischen oder magnetisierbaren Bereiche möglichst weit an die Oberfläche des EM-Energieaufnahmeelements reichen oder diese überragen und dass die Achse, die zwei dieser Abschnitte miteinander bilden, den Masseschwerpunkt und/oder die Rotationsachse des Energieaufnehmers mittig durchquert. In der einfachsten und bevorzugten Ausführungsform, besteht das das EM-Energieaufnehmerelement aus einem permanenten Magneten. In einer anderen Ausführungsform befinden sich ein oder mehrere Magnet(e) im unteren (auflagewärts gerichteten) Bereich des EM-Energieaufnehmerelements und sind hier dem Energieaufnahmeelement aufgelagert oder in einer Vertiefung eingelagert. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die Polbereiche eines stabförmigen Energieaufnehmerelements aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material. Diese Vorrichtungen ermöglichen eine Rotation des EM-Energieaufnahmeelements durch ein externes bewegliches Magnetfeld. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das EM-Energieaufnahmeelement auch zur Mischung des Mediums, in dem es sich befindet, eingesetzt werden soll. Weiterhin vorteilhaft ist, dass durch die Kombination einer Erwärmung der Oberflächen des EM-Energieaufnahmeelements mit einer Bewegung dieser in einem Medium, eine deutlich bessere Konvektion der eingebrachten Wärmeenergie erzielt werden kann, als dies mit einer indirekten Beheizung mit einem Heiz/Rührmischer der Fall ist.
Bevorzugt sind EM-Energieaufnehmerelemente, die aus einem magnetischen oder magnetisierbaren Material bestehen oder Bereiche aufwiesen, die magnetische oder magnetisierbare Materialien enthalten.
Mit dem Verfahren kann erstmalig kontaktlos (ohne eine leitungsgestützte Energieversorgung) und ohne eine äußere Erwärmung eine Flüssigkeit, ein zu schmelzender Feststoff und/oder ein Festkörper erhitzt und/oder temperiert und gleichzeitig durchmischt werden.
Bevorzugt ist daher ein Verfahren zur Induktionsstromerhitzung von Flüssigkeiten und/oder schmelzbaren Feststoffen, das gekennzeichnet ist, durch eine EM-Energiegebereinheit und ein EM-Energieaufnehmerelement, wobei sich das EM-Energieaufnehmerelement kontaktlos im elektromagnetischen Nah- und/oder Fernfeld des EM-Energiegebers der EM-Energiegebereinheit befindet und bei dem, neben einer Erhitzung und/oder Temperierung auch gleichzeitig eine Durchmischung der Flüssigkeit, eines schmelzbaren Feststoffs und/oder eines Festkörpers durch das EM-Energieaufnehmerelement erfolgt.
Bevorzugt ist einen Vorrichtung, bei der das EM-Energieaufnehmerelement neben einer Erwärmung/Temperierung auch eine Durchmischung einer in einem Behältnis befindlichen Flüssigkeit vollzieht.
Bevorzugt ist eine Vorrichtung, bei der neben der Erhitzung und/oder Temperierung gleichzeitig eine Durchmischung der Flüssigkeit und/oder des schmelzbaren Feststoffs erfolgt, wobei eine manget- oder elektromagnet-basierte Antriebsvorrichtung der EM-Energieabgabeeinheit rotiert bzw. elektronisch angesteuert wird, wodurch ein bewegtes Magnetfeld im EM-Energieabgabebereich erzeugt wird, das mit mindestens einem magnetischen oder magnetisierbaren Bereich des EM- Energieaufnehmerelements magnetisch gekoppelt wird und wodurch eine Bewegung des EM- Energieaufnehmerelements ausgeführt wird.
In einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform wird, anstatt oder neben den permanenten Magneten eine Vorrichtung eingebaut, mit der induktiv ein Magnetfeld hergestellt werden kann. Hierzu können Techniken verwandt werden, die dem Fachmann bekannt sind. So kann in einer Ausführungsform, anstatt permanenter Magnete eine Magnetspule, die z. B. aus einem Kupferdraht und einen Kern aus Eisen oder einer anderen magnetisierbaren Substanz oder Verbindung besteht, verwenden werden, die auf einer Rotationsachse des Energieaufnehmerelements in gleicher Weise wie zuvor beschrieben positioniert werden. Die Energieversorgung zur Erzeugung eines Induktionsstroms wird dabei durch eine elektrische Verbindung mit einem HF-Induktionsstromgenerator, wie hierin beschrieben, gewährleistet. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform enthält das EM- Energieaufnahmeelement neben oder anstatt der beschriebenen Bauelemente weitere Bauteile. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält das EM-Energieaufnahmeelement ein elektronisches Bauteil zur Erfassung einer Zentrifugalbeschleunigung. Vorzugsweise erfolgt die Energieversorgung über die vorbeschriebenen Bauteile und vorteilhafterweise wird das Messsignal mit einem wie hierin beschriebenen Funksender zur EM-Energiegebereinheit übertragen. In besonders vorteilhafter Weise kann so unmittelbar ermittelt werden, mit welcher Frequenz das EM-Energieaufnahmeelement rotiert. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das EM-Energieaufnahmeelement in dem Behältnis oder Medium, in dem es sich befindet, nicht von außen gesehen werden kann.
Bevorzugt ist ein EM-Energieaufnehmerelement, das eine Vorrichtung zur Erfassung Rotationsfrequenz enthält und bei dem diese Messwerte über ein Funksignal zur EM- Energiegeberheinheit übermittelt werden.
Weitere Bauelemente können eingebaut werden, wie z. b. für die Bestimmung des pH oder des Drucks. Derartige Messelemente sind beispielsweise bei chemischen Prozessen, die in einem geschlossenen Behältnis erfolgen sollen, sehr vorteilhaft.
Die Aufgabe, eine Flüssigkeit oder einen Feststoff, befindlich in einem nicht-metallischen Behältnis mit einem elektromagnetischen Energieaufnehmer kontaktlos zu erwärmen, erfolgt mit den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, indem das Behältnis, mit dem hierin befindlichen EM- Energieaufnehmerelement, in räumliche Nähe zu einer EM-Energiegebereinheit auf dem EM- Energieabgabebereich platziert wird und die Stromversorgung eingeschaltet wird.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Erhitzungs-/Temperierungsverfahren mit einer Induktionsstromerhitzungseinheit bei Erwärmungs- und/oder Temperierungsaufgaben von Flüssigketen und Feststoffen, die in unterschiedlichen Behältnissen vorliegen, da der Erwärmungsgrad nicht von der Art, Form oder Größe der Aufstellfläche oder dem Behältnismaterial abhängt. So konnte gezeigt werden, dass die gleiche Flüssigkeitsmenge, die sich in verschiedenen Behältnissen befand, mit einem indirekten Beheizungsverfahren unterschiedlich schnell erwärmt wurde, während es mit einer erfindungsgemäßen Induktionsstromerhitzungseinheit immer zu einem gleichartigen Erwärmungsverhalten kam.
Bevorzugt ist ein Verfahren zur kontaktlosen induktiven direkten Erwärmung/Erhitzung von Flüssigkeiten, schmelzbaren Feststoffen und/oder Festkörpern, die sich in nicht metallischen Behältnissen befinden.
Bevorzugt ist eine Vorrichtung bei der sich das EM-Energieaufnehmerelement in einer/einem Flüssigkeit/Feststoff befindet, die/der in einem Behältnis vorliegt, welches aus einem Material besteht, das das anliegende EM-Energiefeld nicht oder nur gering adsorbiert.
Mit der erfindungsgemäßen Induktionsstromerhitzungseinheit und der hierin offenbarten Vielzahl von Ausführungsformen ergeben sich unerwartet vorteilhafte Effekte bei der Erwärmung und Temperierung von Flüssigkeiten, schmelzbaren Feststoffen sowie Festkörpern. So konnte gezeigt werden, dass gegenüber Verfahren aus dem Stand der Technik zur Erwärmung von Flüssigkeiten, eine schnellere und gleichmäßigere Erwärmung von Flüssigkeiten und schmelzbaren Feststoffen erfolgt. Ferner ist es durch die kontaktlose Bestimmung der Temperatur des EM- Energieaufnehmerelements sowie der umgebenden Flüssigkeit möglich, eine punktgenaue Temperatureinstellung zu gewährleisten, ohne dass hierfür eine externe Temperatursonde in das zu temperierende Medium eingebracht werden muss. Ferner kann mit dem erfindungsgemäßen Erwärmungssystem eine lokale Überhitzung des zu erwärmenden Mediums sicher verhindert werden, bei einer vergleichbaren oder rascheren Erwärmungsgeschwindigkeit gegenüber extern gelegener Wärmequellen. Eine schnellere Aufheizung von Flüssigkeiten gegenüber herkömmlichen Erhitzungssystemen wird insbesondere ermöglicht durch die Verwendung laminarer oder gestapelter (3-dimesionaler) EM-Engieaufnahmeelemente. Derartige EM-Engergieaufnahmeelemente haben gegenüber in einem Behältnis eingebauten und elektrisch betriebenen Heizvorrichtungen den Vorteil, dass sie sich nach einer Anwendung leicht entfernen und reinigen lassen. Dies erleichtert auch die Reinigung des Behältnisses. Darüber hinaus lassen sich die EM-Energieaufnahmeelemente mit einer großen Anzahl von Oberflächenbeschichtungsmaterialien versiegeln, sodass je nach Anwendung, Beschichtungen ausgewählt werden können, die z. B. eine Anhaftung von Bestandteilen der zu beheizenden Flüssigkeit oder Feststoffen verhindern. Andererseits lassen sich in bisher nicht bekanntem Maß und Einfachheit beheizte Oberflächen herstellen, die dazu genutzt werden können, um z. B. biologische oder chemische Reaktionen gezielt zu bewirken und/oder zu beschleunigen oder konstant zu halten. Weiterhin sind im Stand der Technik Vorrichtungen, mit denen über eine induktive Energieübertragung gleichzeitig eine Flüssigkeit oder ein Feststoff beheizt und gemischt werden können, nicht bekannt. Aus dieser Kombination ergeben sich weitere vorteilhafte Effekte. So konnte gezeigt werden, dass es bei der Temperierung von Lebensmitteln zu einer Bewahrung von Geschmackseigenschaften kam sowie zu keinerlei Änderungen von deren Konsistenz, was nicht der Fall war bei Temperierungen, die mit Verfahren aus dem Stand der Technik erfolgten. Ein weiterer bedeutender Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ergibt sich auch daraus, dass mit den erfindungsgemäßen Induktionsstromerhitzungseinheiten eine zuverlässige Erhitzung und Temperierung von Flüssigkeiten und/ oder Feststoffen möglich ist, die unabhängig ist, von der Beschaffenheit sowie den Dimensionen der Auflageflächen der Behältnisse, in denen sie sich befinden. Des Weiteren sind aus dem Stand der Technik bisher keine kontaktlosen Beheizungsvorrichtungen für Behältnisse, die aus Cellulosematerialien oder Kunstoffen bestehen, bekannt. Die hierin offenbarten und überaus vorteilhaften Effekte bei der Erwärmung und Temperierung von Flüssigkeiten und Feststoffen werden in besonderem Maß durch die Kombination eines induktiven Energiegebers und Energieaufnehmers, eines induktiven Energiewandlers sowie einer Temperatursensorik und eines telemetrischen Signalübertragungssystems des EM- Energieaufnehmerelements, eines magnetischen Rotationsantriebs sowie einer kontaktlosen Kontrolle und Steuerung, nebst Regeltechnik, möglich.
Überraschenderweise konnte ferner gezeigt werden, dass das Verfahren der direkten Induktionsstromerhitzung einen geringeren Energieverbrauch aufweist, als herkömmliche Erhitzungsoder Temperierungsverfahren. So konnte beispielsweise gezeigt werden, dass eine Erhitzung eines Mediums mit einer erfindungsgemäßen Induktionsstromerhitzungseinheit mit einem erheblich geringeren Energieverbrauch, bei Erreichung der gleichen Temperatur, möglich war, als dies bei einer indirekten Beheizung der Fall war.
Bevorzugt wird ein Induktionsstromerhitzungselement, zur kontaktlosen und direkten gradgenauen Erwärmung/Temperierung von Flüssigkeiten/Feststoffen, die in beliebigen nicht-metallischen Behältnissen vorliegen, bei dem eine kontinuierliche Bestimmung der tatsächlich vorliegenden Temperatur des zu erwärmenden/temperierenden Mediums und Ist-Temperaturgesteuerte automatischer Regelung der EM-Energieabgabe, erfolgt, bei gleichzeitiger Durchmischung der/des zu beheizenden Flüssigkeit/Feststoffs durch eine Agitation des EM-Energieaufnahmeelements.
Bevorzugt ist ein Verfahren, bei dem eine überhitzungsfreie Erwärmung und/oder Temperierung von Flüssigkeiten oder verflüssigbaren Feststoffen gewährleistet wird.
Die Kombination eines EM-Energieaufnehmers oder einer Mehrzahl an EM-Energieaufnehmern, wie hierin beschrieben, mit einem oder mehreren inneren und/oder äußeren Temperatursensoren, dessen/deren Messsignal an eine Steuerungseinheit für den EM-Energiegeber weiterleitet(en) wird, z. B. mit einem Funkübertragungssystem, wie hierin beschrieben, stellt eine besonders bevorzugte Ausführungsform dar, da es hierdurch möglich wird, die EM-Energiezufuhr und damit die Erwärmung des Energieaufnehmers zu regulieren und hierdurch (1) die Erwärmungsbedingungen der Flüssigkeit/des Gegenstands, in denen sich das EM-Energieaufnehmerelement befindet, zu steuern und (2) die Oberflächentemperatur des EM-Energieaufnehmerelements zu kontrollieren. In besonders vorteilhafter Weise kann hierdurch kontaktlos eine direkte Erwärmung oder Temperierung von Flüssigkeiten nach einstellbaren Kriterien gewährleistet werden. Ferner vorteilhaft ist, dass eine Erhitzung der Kontaktfläche zur Flüssigkeit oder einem Gegenstand so eingestellt wird, dass unerwünschte thermische Reaktionen ausbleiben und/ oder gewünschte thermische Reaktionen herbeigeführt werden sowie eine Überhitzung des EM-Energieaufnehmerelements verhindert werden kann. Ferner kann das EM-Energieaufnehmerelement auf eine frei wählbare und kontrollierbare Temperatur erwärmt werden, in Abhängigkeit von dem durch Rückkopplung der Temperatursignale eingestellten elektromagnetischen Energiefeld. Bevorzugt wird die Erwärmungen/Temperierung des umgebenden Mediums in einem Temperaturbereich zwischen 10° und 350 °C, mehr bevorzugt zwischen 25° und 100°C und besonders bevorzugt sind Temperaturen zwischen 40° und 85°C. Weiterhin bevorzugt sind Temperaturen an der Oberfläche des Energieaufnahmeelements, die auf Maximalwerte zwischen 25° und 450°C begrenzt werden können, mehr bevorzugt sind Maximalwerte zwischen 30° und 180°C und besonders bevorzugt sind Maximalwerte zwischen 37° und 99°C.
Bevorzugt wird daher ein Verfahren und Vorrichtungen zur kontaktlosen induktiven Erhitzung und/oder Temperierung von Flüssigkeiten und/oder schmelzbaren Feststoffen unter Verwendung mindestens eines EM-Energieaufnehmerelements, bestehend aus einem EM-Energieaufnehmer und mindestens einer Temperaturmessvorrichtung und/oder einem Funksender und/oder einer HF- Induktionsspule und/oder einem HF-Induktionsstromgenerator und/oder eines Magneten/ magnetisierbaren Materials und den zugehörigen Verbindungen sowie mindestens einer EM- Energieabgabeeinheit, bestehend aus mindestens einem EM-Energiegeber und einem HF- Wechselstromgenerator und einem Funkempfänger und/oder einem Mess-und Regelmodul und/oder einem Bedienungselement und den zugehörigen Anschlüssen.
Somit kann ein Verfahren zur kontrollierten und energieeffizienten und direkten Erwärmung und/oder Temperierung von Flüssigkeiten und/oder verflüssigbaren Feststoffen bereitgestellt werden, welches durch die hierin beschriebenen Vorrichtungen ausführbar ist und das die folgenden Schritte aufweist:
1. Erzeugung von mindestens einem gebündelten und gerichteten elektromagnetischen Energiefeld und Abgabe des elektromagnetischen Energiefelds in einen elektromagnetischen Energieabgabebereich, das bereitgestellt wird durch einen elektromagnetischen Energieabgeber einer elektromagnetischen Energieabgabeeinheit, wobei der elektromagnetische Energieabgeber mindestens eine Spule umfasst, die aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Draht oder einer elektrisch leitfähigen Folie ausgeführt ist, insbesondere welche in Form einer mindestens einfachen kreisförmigen Anordnung vorliegt, die um mindestens ein Bauelement eines Ferritkörpers mindestens einmal gewunden ist, und
wobei der mindestens eine Draht oder die mindestens eine Folie mit einem Hochfrequenz- Wechselstromgenerator verbunden ist und der mindestens eine Draht oder die mindestens eine Folie mit einem elektrischen Strom eines elektrischen Schwingkreises gekoppelt ist oder durch Kopplung mit dem mindestens einen elektrischen Schwingkreis eines Hochfrequenz- Wechselstromgenerators mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird, wobei der elektrische Wechselstrom eine Frequenz zwischen 10 Hz und 1 MHz vollzieht, und
wobei ein Ferritköper mindestens eine Basis und mindestens eine Auskragung aufweist und der mindestens eine Draht oder die mindestens eine Folie zumindest einen Teil der Basis und/oder der Auskragung mindestens einmal umwindet und sich der Energieabgabebereich gegenüber der Basis, sowie im Falle des Vorhandenseins von mehr als einer Auskragung, gegenüber der Basis und in einem Bereich zwischen den Auskragungen befindet;
2 Anordnen und ausrichten eines elektromagnetischen Energieaufnehmerelements, bestehend aus mindestens einem elektromagnetischen Engergieaufnehmer und einem Wärmeübertragungskörper sowie mindestens einem Funktionselement, umfassend eine Temperaturmessvorrichtung, einen HF-Induktionsstromgenerator und einen Funksender, in einem flüssigen Medium oder schmelzbaren Feststoff, wobei
eine Anordnung des Energieaufnehmerelements in dem Nah- oder Fernfeldbereich des elektromagnetischen Energiefelds des elektromagnetischen Energiegebers erfolgt und wobei die elektromagnetische Energieaufnahmeebene oder der elektromagnetische Energieaufnehmer des Energieaufnehmerelements flächenparallel zur Fläche des elektromagnetischen Abstrahlungsbereiches oder des elektromagnetischen Energieabgabebereiches, insbesondere horizontal zur Ausbreitungsrichtung des elektromagnetischen Energiefeldes verläuft, das von dem Energieabgeber abgegeben wird,
3-la. Aufnahme oder Adsorption des mindestens einen elektromagnetischen Energiefeldes durch mindestens einen Energieaufnehmer des Energieaufnahmeelements, wobei eine Wandlung der elektromagnetischen Energie in thermische und/oder elektrische Energie erfolgt, und
wobei der mindestens eine Energieaufnehmer für die Aufnahme oder Adsorption der elektromagnetischen Energie und Erzeugung von thermischer Energie, in Form mindestens einer Folie und/oder Scheibe ausgestaltet ist, welche aus einem Metall und/oder Kohlenstoff besteht, und wobei die Aufnahme oder Adsorption der elektromagnetischen Energie und Wandlung in elektrische Energie durch eine Hochfrequenz-Induktionsspule erfolgt, und
3-1 b Übertragung der in dem mindestens einen Energieaufnehmer bereitgestellten thermischen Energie auf einen Wärmeabgabekörper, wobei die Übertragung durch eine wärmeleitende Verbindung erfolgt, und Abgabe der thermischen Energie an das umgebende Medium, und
3-1 la wobei die Aufnahme und Adsorption des elektromagnetischen Energiefelds durch eine Hochfrequenz-Induktionsspule des HF-Induktionsstromgenerators des Energieaufnahmeelements erfolgt und die adsorbierte elektromagnetische Energie durch den HF-Induktionsstromgenerator in einen elektrischen Gleichstrom gewandelt wird und
3-11 Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung für mindestens eine elektronische Funktionseinheit des Energieaufnahmeelements, wobei die mindestens eine elektronische Funktionseinheit insbesondere eine Temperaturmessvorrichtung und einen Funksender zur Übertragung von Messdaten mittels elektromagnetischer Wellen umfasst,
3-111 Kontinuierliche Bestimmung von mindestens einer Temperatur des das Energieaufnahmeelement umgebenden Mediums/Feststoffsund Übertragen der Messdaten an einen Funksender,
4 Übertragung der Messdaten von mindestens einer der Funktionseinheiten des Energieaufnehmerelements auf mindestens eine Funkempfängereinheit der Energieabgabeeinheit, wobei insbesondere die Messdaten einer Temperaturbestimmung übertragen werden,
5a Empfang des Funksignals des Funksenders durch den Funkempfänger und Wandlung der Funksignale in eine elektrische Spannung oder Impuls und übertragen der Spannung/des Impulses an eine Kontroll- und Steuereinheit der Energiegebereinheit,
5b Regelung der maximalen Leistungsaufnahme des mindestens einen Hochfrequenz- Wechselstromgenerators der Energiegebereinheit anhand einer Soll-/lstwert-Berechnung durch die Kontroll- und Steuereinheit, unter Verwendung der in Schritt 4 übertragenen Messdaten als Ist-Wert und eines Soll-Wertes, der an einer Steuereinheit der Energiegebereinheit einstellbar ist,
6 Erwärmen/Temperieren des umgebenden Mediums durch das EM- Energieaufnehmerelement in Schritt 3-1 b bis auf eine Temperatur gemäß der Soll-Vorgabe in Schritt 5b und/oder Konstanthaltung der Solltemperatur in dem umgebenden Medium/Feststoff. Definitionen:
Als EM-Energiegeber wird hierin eine Vorrichtung verstanden, die aus einem oder mehreren Kern/Kernen aus einem Magnetwellen-leitenden Material besteht und der/die von einem elektrischen Leiter umgeben ist/sind und bei dem/denen durch einen elektrischen Spannungsschwingkreis, der den elektrischen Leiter durchquert, ein elektromagnetisches Energiefeld induziert wird. Der elektrische Leiter ist dabei elektrisch von dem Kern isoliert.
Als EM-Energieaufnehmer wird hierin eine Vorrichtung verstanden, die aus einem Verbund eines oder mehrerer magnetwellen-adsorbierenden(r) Materials/Materialien besteht, der ein elektromagnetisches Energiefeld adsorbiert und in Wärmeenergie umwandelt.
Als Funksender wird hierin eine elektronische Vorrichtung verstanden, die einen elektrischen Impuls oder Spannungswert in ein Funksignal umwandet und dieses emittiert.
Als Funkempfänger wird hierin eine elektronische Vorrichtung verstanden, die ein Funksignal in einen elektrischen Impuls oder Spannungswert umwandet und diesen als elektrisches Signal weiterleitet.
Als Induktionsstromerhitzungseinheit wird hierin verstanden, eine Vorrichtung, die eine EM- Energiegebereinheit und ein EM-Energieaufnehmerelement umfasst.
Bei den hierin aufgeführten Flüssigkeiten handelt es sich um alle flüssigen Medien, dies schießt Wasser, Öle, Lösungsmittel, Suspensionen, Dispersionen und Emulsionen ein. Bei den hierin aufgeführten Feststoffen handelt es sich vorzugsweise um schmelzbaren Feststoffe, weshalb die Begriffe auch synonym verwendet werden, wobei es sich hierbei um Verbindungen/Gemische handelt, die bei Temperaturen bis 100°C einen flüssigen Aggregatzustand haben und bei Raumtemperatur oder in gekühlten Zustand einen festen Aggregatzustand aufweisen. Als Beispiele hierzu seinen aufgeführt: Fette, Wachse, Harze, Bitumen.
Als Festkörper wird hierin definiert, jede Masse, die sich nicht wie eine hierin definierte Flüssigkeit oder schmelzbarer Feststoff verhält und einen festen Aggregatzustand hat. Als Beispiele hierfür seien aufgeführt Lebensmittel wie Fleisch, Verbindungsmittel, Folien, Holz, Metalle, Kunststoffe, Glas.
Unter dem Begriff kontaktlose Erhitzung und/oder Temperierung wird verstanden, jede Form einer drahtlosen bzw. nicht über eine leitende Kontaktstelle erfolgenden Übertragung von Energie. Dabei bedeutet kontaktlos, dass kein leitungsgebundener Anschluss zu dem zu erwärmenden Medium besteht. Die kontaktlose Erhitzung und/oder Temperierung bezieht sich dabei auch auf eine direkte Erhitzung und/oder Temperierung, die dann vorliegt, wenn der Wärmeenergieeintrag innerhalb des zu erhitzenden/temperierenden Mediums erfolgt.
Der Begriff kontaktlos wird hierin somit auch verwendet für eine Wärmeenergiezufuhr, die nicht durch eine indirekte/äußere Wärmequelle erfolgt. Unter dem Begriff reaktive/reaktionsfördernde Verbindung wird hierin verstanden, jedes Element und jede Verbindung aus Elementen, dessen/deren Anwesenheit dazu führt, dass andere Elemente und/oder Verbindungen in einem Maß physikalisch und/oder chemisch verändert werden, wie dies nicht der Fall wäre bei deren Abwesenheit. Anwendungsbeispiele solcher Reaktionen sind Stoffsynthesen oder -katalysen, Additionsreaktionen, Reduktionen, Oxidationen, Struktur- Umwandlungen aber auch Aktivierungen, Passivierung oder Degradationen von biologischen Stoffen. Beispiele für die hierin gemeinten reaktiven/reaktionsfördernden Verbindungen sind beispielsweise Katalysatoren, Enzyme, Co-enzyme, Co-Faktoren, Liganden.
Unter dem Begriff Reaktionsgemisch wird hierin verstanden, eine Pluralität eines oder mehrerer Elemente/Verbindungen, die unter geeigneten Bedingungen miteinander physikalisch und/oder chemisch interagieren/reagieren. Diese Reaktanden können einen beliebigen Aggregatzustand haben und in einem festen, flüssigen oder gasförmigen Medium sowie in einem Vakuum vorliegen oder selbst das Medium sein. Unter den Begriffen elektro-magnetisches Nah- bzw. Fernfeld wird hierin verstanden, der Bereich, in dem eine Entkopplung/ Adsorption elektro-magnetischer Wellen, die von einem EM-Energiegeber emittiert werden, durch einen Stoff/Verbindung erfolgt. Für die Ermittlung des Bereiches, in dem die Adsorption erfolgt, ist die Distanz zwischen der Abgabeebene des EM-Energiegebers und der Stelle/Ebene an/in der eine Adsorption der elektromagnetischen Energie, maßgeblich.
Unter dem Begriff Magnetwellen-adsorbierenden Verbindungen werden hierin verstanden, Elemente und/oder Verbindungen von Elementen, die elektromagnetische Wellen in Form einer Wirbelstrom-Verlustleitung oder von Ummagnetisierungsverlusten adsorbieren und die sich hierdurch erwärmen. Der Vorgang ist als induktives Erwärmen bekannt. Der physikalische Vorgang wird hierin auch als Adsorption bezeichnet.
Materialien
EM-Energieaufnehmer
Prinzipiell können alle Elemente oder Verbindungen, die zur Adsorption elektromagnetischer Energie geeignet sind, zur Herstellung eines erfindungsgemäßen EM-Energieaufnehmers verwandt werden. Dies schließt die folgenden Reinsubstanzen und Verbindungen ein: Silber, Kupfer, Gold, Eisen, magnetisiertes Eisen, Aluminium, Messing, Chrom, Edelstahl, Blei, Wolfram, Zinn, Zink, Gadolinium, Indium sowie Kohlenstoff, insbesondere in Form von Graphiten.
Eingeschlossen sind Komplexe und Verbindungen aus mehreren dieser Elemente. Ferner eingeschlossen sind Verbindungen u. a. mit Sauerstoff, Schwefel, Phosphor.
Bevorzugt sind Energieaufnehmer, die eine elektrische Leitfähigkeit von vorzugsweise von 106 bis 150 ' 106 S/m, mehr bevorzugt von 30 ' 106 bis 150 ' 106 S/m und weiter bevorzugt zwischen 60 ' 106 bis 150 · 106 S/m aufweisen.
Bevorzugt sind EM-Energieaufnehmer, die eine Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise > 100 W/(m-K), weiter bevorzugt 150 W/(m-K), weiter bevorzugt > 200 W/(m-K) beträgt aufweisen. Weiter bevorzugt sind EM-Energieaufnehmer, die sowohl eine hohe elektrische Leitfähigkeit, als auch hohe Wärmeleitfähigkeit aufwiesen.
Bevorzugt ist Graphit, das durch Walzen, Pressen, Sintern oder andere Verfahren geformt ist. Besonders bevorzugt ist eine expandierte Graphitform. Dabei sind Graphite mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit bevorzugt. Bevorzugt sind insbesondere Graphitfolien. Weiter bevorzugt sind Graphitfolien aus expandiertem und anschließend gepresstem Graphit. Hierbei bevorzugt sind dünne Folien (< 1,0mm), die eine elektrische Leitfähigkeit von >80 ' 106 S/m aufweisen.
Die aufgeführten Elemente oder Verbindungen/Komplexe können einzeln oder miteinander kombiniert verwendet werden. Weiterhin sind Zuschläge und/oder die Einbringung von Bindemitteln möglich.
Die verwandten Elemente/Verbindungen werden in die gewünschte Form durch etablierte Verfahren gebracht. Dies kann z. B. in Form eines Schmelzgussverfahrens, einer Sinterung oder einer Pressung erfolgen. Auch ein schichtartiger Aufbau ist möglich. Ferner können in das Material des EM- Energieaufnehmers Komponenten eingelassen werden, wie z. B. ein permanenter Magnet.
Die zur Adsorption der elektromagnetischen Energie geeigneten Elemente oder Verbindungen können kontinuierlich, z. B. in Form einer Schmelze oder einer Sinterung oder diskontinuierlich zusammengefügt sein, z. B. in Form von Granulaten, Teilchen oder Partikeln beliebiger Größe und Form, die durch andere Substanzen oder Verbindungen unterbrochen werden.
Bevorzugt werden Elemente sowie Verbindungen, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit haben, wie z. B. Graphite, Kupfer, Eisen, Silber und Aluminium.
Bevorzugt werden auch Elemente sowie Verbindungen, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit haben, wie z. B. Graphite, Kupfer und Aluminium.
Besonders bevorzugt sind Elemente oder Verbindungen, die sowohl eine hohe elektrische als auch Wärme-Leitfähigkeit aufweisen. Hierbei bevorzugt sind Graphite, die expandiert und anschließend zu Folien verpresst wurden.
EM-Energiegeber In der bevorzugten Verfahrensausführung besteht der EM-Energiegeber aus einer Spule und einem Spulenkern, die bei den erfindungsgemäßen Anwendungen eine elektromagnetische Energie emittieren und somit einen EM-Energiegeber darstellen.
Die Spule besteht aus einem elektrischen Leiter. Prinzipiell können alle Elemente oder Verbindungen, die zur Durchleitung einer elektrischen Energie geeignet sind, verwandt werden. Dies schließt die folgenden Reinsubstanzen ein: Silber, Kupfer, Gold, Eisen, Aluminium, Chrom, Edelstahl, Wolfram, Zinn, Zink, Gadolinium, Indium, Graphit.
Der Spulenkern besteht vorzugsweise aus einem Material, das eine Umrichtung eines elektromagnetischen Energiefelds bewirken kann. Umrichtung bedeutet dabei, dass das Vektorgram der von einer Spule ausgehenden elektromagnetischen Feldlinien durch das zu einer Umformung geeignete Material verändert wird. Besonders geeignet hierzu sind Ferrite, wobei Ferrite mit Zuschlägen, wie z.B. Mangan-Zink-Ferrite (MnaZn(i.a)Fe204) oder Nickel-Zink-Ferrite (NiaZn(i.a)Fe204) bevorzugt sind.
Bevorzugt sind auch Komplexe und Verbindungen aus mehreren dieser Elemente. Ferner eingeschlossen sind Verbindungen z. B. mit Sauerstoff, Schwefel, Phosphor.
Die verwandten Elemente/Verbindungen werden in die gewünschte Form durch etablierte Verfahren gebracht. Dies kann z. B. in Form eines Schmelzgussverfahrens, einer Sinterung oder einer Pressung erfolgen. Auch ein schichtartiger Aufbau ist möglich. Verwendungen
Prinzipiell können die erfindungsgemäßen Vorrichtungen für alle Erwärmungs- oder Temperieraufgaben von Flüssigkeiten oder schmelzbaren Feststoffen, wie hierin definiert, in Behältnissen verwandt werden. Dies trifft insbesondere zu, wenn hierfür eine indirekte Beheizung, bzw. ein Kontakt mit einer Feuerstelle/Wärmequelle nicht möglich oder nicht gewollt ist. Ferner bei Anwendungen, bei denen eine direkte Beheizung gewünscht ist und/oder bei denen ein Kontakt mit einer Anschlussleitung oder einer Temperaturmessvorrichtung nicht erfolgen soll. Als besonders vorteilhaft erweist sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Erwärmung und/oder Temperierung von Heißgetränken, wie Kaffee bzw. Kaffeegetränken, Tee, aber auch Suppen, desweitern von Speisen, wie Soßen oder Gemüsen. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass neben der Erwärmung auch eine dosierbare Durchmischung der Flüssigkeiten vorgenommen werden kann. Weiterhin vorteilhat ist, dass es bei Verwendung eines hierfür geeigneten EM- Energieaufnahmeelements, nicht zu lokalen Überwärmungen kommt, die zu einer Beeinträchtigung des Geschmacks und/oder der Konsistenz der beheizten Flüssigkeit führt. Derartig positive Effekte werden auch bei der Erwärmung/Temperierung von Festkörpern gefunden, so kommt es beispielswiese bei Lebensmitteln weder zu einem„Austrocknen" noch zu Konsistenzänderungen, bei Verwendung eines geeigneten Energieaufnehmers. Ein „Anbrennen" oder eine Anhaftung von Speisen oder sonstigen Inhaltsstoffen, die infolge einer lokalen Überwärmung stattfindet, kann vollständig vermieden werden. Ferner kann eine Konstanthaltung der vorgewählten Temperatur in einem Medium gewährleistet werden. Besonders geeignet ist das Verfahren auch zur Erwärmung und Temperierung von Flüssigkeitsreservoirs, wie sie beispielsweise zum Warmalten von Speisen eingesetzt werden. Weiterhin vorteilhaft ist die Erhitzung von Ölen oder Fetten. Derartige Anwendungen können für die Zubereitung von Speisen, z.B. zum Frittieren, verwandt werden. Erhitzungen und Temperierungen von wässrigen Medien oder Ölen können aber auch bei technischen Prozessen eingesetzt werden. Besonders vorteilhafte Anwendungen bestehen auch bei der Erwärmung von schmelzbaren Feststoffen oder hoch viskosen Stoffen, die bei einer Temperaturerhöhung flüssig werden. Wenn ein EM-Energieaufnehmerelement mit einer großen Oberfläche in eine derartige Festmasse eingebracht wird, kann hierdurch eine raschere Erwärmung der Masse erfolgen, als bei einer indirekten Beheizung, die über eine Behältnisoberfläche erfolgt. Eine solche Anwendung eignet sich besonders bei temperatursensiblen Lebensmitteln, wie Butter oder Kakaomasse.
Besonders vorteilhaft sind aber auch Anwendungen in biologischen oder chemischen Laboren. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass der Energieeintrag unmittelbar und innerhalb einer Flüssigkeit eingebracht wird. Insbesondere lassen sich durch EM-Energiegeberelemente, die mit reaktionsfördernden Verbindungen beschichtet sind, sehr genau temperatur-sensitive Reaktionen in Reaktionsgemischen steuern. Bei Verwendung einer Ausführungsform, bei der das EM- Energieaufnehmeelement über die zusätzliche Funktion einer Durchmischung durch eine magnetokinetische Agitation des EM-Energieaufnehmerelements verfügt, kann in überaus vorteilhafter Weise die Wärmeenergie rascher in das Medium eingetragen werden ohne eine lokale Überhitzung der zu erwärmenden oder zu temperierenden Flüssigkeit, die zuverlässig vermieden werden kann. In besonders vorteilhafter Weise erfolgt eine Vermeidung einer lokalen Überhitzung, indem das EM- Energieaufnahmeelement über einen äußeren und/oder inneren Temperatursensor verfügt. Hierdurch kann die Oberflächentemperatur des EM-Energieaufnehmers so begrenzt werden, dass temperaturlabile Verbindungen oder lebende Zellen nicht thermisch geschädigt werden.
Der Temperaturbereich, der für die verschiedenen Anwendungen geeignet ist, kann erheblich variieren. So sind zur Erwärmung von Flüssigkeiten mit hitzelabilen Verbindungen sowie von Zellsuspensionen Temperaturbereiche zwischen 15°C und 45°C bevorzugt, mehr bevorzugt zwischen 20° und 40°C und besonders bevorzugt zwischen 25° und 37°C. Bei Heißgetränken wiederum liegen die bevorzugten Temperaturbereiche zwischen 40° und 100°C, mehr bevorzugt zwischen 50° und 85°C und am meisten bevorzugt zwischen 60° und 75°C. Bei nicht wässrigen Medien, wie z. B. Ölen oder ionischen Flüssigkeiten, kann es erforderlich sein, Temperaturen einzustellen, die vorzugsweise zwischen 80° und 350°C liegen, mehr bevorzugt zwischen 90° und 200°C und am meisten bevorzugt zwischen 99° und 150°C. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen umfassen:
1. Ein Verfahren zur Induktionsstromerhitzung und/oder Induktionsstromtemperierung von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen, gekennzeichnet durch,
a) eine Energiegebereinheit und
b) ein Energieaufnehmerelement, das sich kontaktlos im elektromagnetischen Nah- und/oder Fernfeld der Energiegebereinheit befindet.
2. Vorrichtungen zur kontaktlosen Erwärmung von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen,
gekennzeichnet durch,
a) eine Energiegebereinheit und
b) ein Energieaufnehmerelement, das sich im elektromagnetischen Nah- und/oder Fernfeld der Energiegebereinheit befindet.
3. Eines der vorgenannten Verfahren oder Vorrichtungen, bei dem sich die Flüssigkeit und/oder ein Feststoff in einem Behältnis aus Glas, Keramik, einem Kunststoff oder
Cellulosematerialien befindet/befinden. Eines der vorgenannten Verfahren oder Vorrichtungen, bei dem neben der Erhitzung und/oder Temperierung gleichzeitig eine Durchmischung der Flüssigkeit und/oder des schmelzbaren Feststoffs erfolgt.
Ein Energieaufnehmerelement, bestehend aus einem Energieaufnehmer und mindestens einer Temperaturmessvorrichtung und/oder einem Funksender und/oder einer HF- Induktionsspule und/oder einem HF-Induktionsstromgenerator und/oder eines
Magneten/magnetisierbaren Materials sowie zugehörigen Verbindungen.
Eine Energieabgabeeinheit, bestehend aus einem Energiegeber und einem HF- Wechselstromgenerator und mindestens einem Funkempfänger und/oder einem Mess-und Regelmodul und/oder einem Steuerelement sowie den zugehörigen Anschlüssen.
Eines der vorgenannten Verfahren oder Vorrichtungen, bei dem die Steuerung der elektromagnetischen Energiemenge zur Erwärmung des Energieaufnahmeelements anhand der durch das Energieaufnahmeelement übermittelten Temperaturwerte erfolgt.
Eines der vorgenannten Verfahren oder Vorrichtungen, bei dem das
Energieaufnahmeelement eine reaktive/reaktionsfördernde Oberflächenbeschichtung hat. Eine Anwendung eines der vorgenannten Vorrichtungen, bei der eine/eines zu beheizende(n) Flüssigkeit/Feststoffs, in einem beliebigen nicht-metallischen Behältnissen, mit einem Induktionsstromerhitzungselement kontaktlos und gradgenau erwärmt/erhitzt wird, unter Messung der hierin tatsächlich vorliegenden Temperatur und automatischer Regelung der Energieabgabe, mit oder ohne gleichzeitige(r) Durchmischung durch eine Agitation des Energieaufnahmeelements.
Abbildungsverzeichnis:
Abbildung 1A. EM-Energiegebereinheit gemäß Beispiel 1.
Abbildung 1B: EM-Energieaufnehmereinheit gemäß Beispiel 1.
Abbildung 2: Graphisch Darstellung des Temperaturverlaufs in Behältnissen des Versuchs in Bsp. 2.
Abbildung 3 A und B: Bauteile der EM-Energiegebereinheit gemäß Beispiel 3.
Abbildung 4 A: Ansicht des EM-Energieaufnehmerelements gemäß Beispiel 4.
Abbildung 4 B: Ausschnittsvergrößerung eines Bauteils in Abbildung 4 A.
Abbildungen 5 A und 5 B: Querschnitt und Aufsicht des EM-Energieabgebers gemäß Beispiel 5.
Abbildungen 5 C - E: EM-Energieaufnehmereinheit gemäß Beispiel 5.
Abbildung 6A: Ansicht des EM-Energieaufnehmerelements gemäß Beispiel 6.
Abbildung 6B: Ansicht der EM-Energieabgabeeinheit gemäß Beispiel 6.
Abbildung 7A: Ansicht der zylindrischen EM-Energieabgabeeinheit gemäß Beispiel 7.
Abbildung 7B: Ansicht und Aufsicht der EM-Energieaufnehmereinheit gemäß Beispiel 7.
Abbildung 8A: Querschnittansicht des EM-Energieaufnahmeelements gemäß Beispiel 8
Abbildung 8B: Graphisch Darstellung des Temperaturverlaufs des Versuchs gemäß Bsp. 9.
Abbildung 8C: Graphisch Darstellung der Konversionsrate des Alkohols in dem Versuch gemäß Bsp. 9.
Abbildung 9: Tabelle 1: Ergebnisse der einzelnen (VI) und kombinierten Verwendung von Folien und
Scheiben, sowie von massiven Werkstücken (10mm) dieser Materialien, bei der Versuchsanordnung
AI - S3. Die interne Verlustleistung betrug bei dieser Verfahrensanordnung 0,3 A. Die maximale
Energieaufnahme des HF-Spannungsgebers war auf 4,5 A begrenzt. Abbildungsbeschreibungen:
Abbildung 1A: Schrägansicht der EM-Energieabgabereinheit gemäß Beispiel 1. 100a: Kern des EM- Energiegebers; 100b: EM-Energiegeber; 101: HF- Wechselstromgenerator; 102: Gleichstromgenerator; 103: Mess- und Regelmodul; 104: Anzeigeeinheit; 105: RF- Funkempfängereinheit; 106: Verbindungskabel (in dieser Perspektive nicht dargestellt); 107: EM- Energieabgabebereich; 108: Steuerelement; 109: mechanische magnetische Rotationsvorrichtung (109) (die Halte- und Antriebsvorrichtung befindet sich unterhalb des Energiegebers und ist daher nicht dargestellt). Abbildung 1B: EM-Energieaufnehmereinheit gemäß Beispiel 1, seitliche Schrägansicht. 110: EM- Energieaufnehmer dessen 2 Hälften durch eine Welle (124) miteinander verbunden sind. Hierdurch entsteht ein Freiraum, der Exkavation 1 (119) benannt wird. Auf der Welle ist die HF-Induktionsspule (111) frei drehend aufgesteckt und seitlich sind 2 Messingringe (123) fest montiert. An 111 sind 2 Streifen aus Kupferblech montiert, welches so geformt ist, dass die freien Enden beidseits die 123 kontaktieren. Die Scheiben sind mit den Enden der Spule verbunden. Die Verbindungskabel verlaufen durch eine Einkerbung (127) von 110 in die Exkavation 2 (120). Hier besteht ein Anschluss mit dem hier montierten HF-Induktionsstromgenerator (112). Von diesem geht ein Verbindungskabel ab und verläuft in 127 zur Exkavation 3 (121) und ist hier mit dem RF-Funksender (113) verbunden. Von 113 geht die RF-Funkantenne (114) ab und verläuft in 127. Ein interner Temperatursensor (116) geht von 113 ab und verläuft in einer Bohrung (später mit Zinn vergossen) bis unter die Oberfläche von 110. Ein äußerer Temperatursensor (115) geht von 114 ab und verläuft durch eine Bohrung an die Außenfläche eines der Dauermagneten (118), die beidseits 110 lateral aufgeklebt sind. Das Sondenende befindet sich in einer zentralen Vertiefung des auf 118 geklebten PEEK-Formteils (125). Abbildung 2: Graphisch Darstellung des Temperaturverlaufs der in den Behältnissen a) - e) gemäß Beispiel 2 registriert wurde, bei einem Versuch mit einer Laborrührerheizplatte (2A) und mit einer Induktionsstromerhitzungseinheit (2B).
Abbildung 3 A und B: Bauteile der EM-Energiegebereinheit aus Beispiel 3. A) Aufsicht; B) Querschnitt. 300a: Ferritkern des EM-Energiegebers; 300b: Spule des EM-Energiegebers (in A graphisch nicht dargestellt); 301: Elektromagnete, mit Polschuhen und Halterung; 302: Verbindungskabel. Abbildung 3 C: EM-Energieaufnehmerelement gemäß Beispiel 3: 310: EM-Energieaufnehmer (Graphitpressling); 311a: oberer und 311b seitlicher hervorstehender äußerer Temperatursensor, 312: Magnet (1 von 4), an der Unterseite des EM-Energieaufnehmers montiert; 313: Exkavation im Zentrum des unterseitigen Plateaubereiches des EM-Energieaufnehmers. Abbildung 3D zeigt die Exkavation 313 in der Aufsicht von unten, mit den montierten Bauelementen: 314: HF- Induktionsstromgenerator; 315: HF-Induktionsspule mit angebrachten Kontaktblechen; 316: Halterung von 315, auf der Welle sind jeweils ein Messingring mit elektrischer Verbindung angebracht; ein RF-Funksender mit Antenne (117), sowie Anschlussverbindungen. Abbildung 3E: Graphische Darstellung der Temperatursollwerte sowie die gemessenen Temperaturwerte aus Beispiel 3, bei einer Beheizung mit einer Heizplatte und der Induktionsstromerhitzungseinheit. Abbildung 4: A) Seitliche Schrägansicht des EM-Energieaufnehmerelements gemäß Beispiel 4. 400: EM-Energieaufnehmer in Form von Röhren; 401: Rahmenkonstruktion zur Einfassung des EM- Energieaufnehmers und Aufnahme der elektronischen Bauteile in einem der Verbindungsbereiche (401a), in dem die Verbindung nur in Form von 2 äußere Stegen erflogt, die hierdurch entstehende Exkavation wurde abschließend durch ein Edelstahlblech wasserdicht verschlossen. Abbildung 4B zeigt eine Ausschnittsvergrößerung von 401a. Dargestellt sind die Wandflächen der Exkavation mit den hieran montierten elektronischen Bauteilen: 402: RF-Funksender; 403: HF- Wechselstromgenerator; 404: HF-Induktionsspule; 405: Leiterblech und Messinghülse. Die Anschlussverbindungen sind nicht dargestellt.
Abbildungen 5: A und B zeigen einen Querschnitt und die Aufsicht des EM-Energieabgebers gemäß Beispiel 5, der aus einem Ferrit-Formstück (500) mit einer Basisplatte, rechteckig geformten Stegen und einer Schalenkernhülle besteht. Die Stege sind mit Spulen (501) eines isolierten Kupferdrahts versehen, der über seitliche Auslässe mit dem HF (501a)-Wechselstromgenerator verbunden ist. Kreisförmig sind 6 Elektromagnetspulen (502), die nach oben gerichtete Polschuhe haben, auf Auflagern des Formstücks montiert, 4 innerhalb und 2 außerhalb der Kernschalenhülle. Die elektronischen Bauteile HF- Wechselstromgenerator, RF- Funkempfängereinheit, Gleichstromgenerator, Steuereinheit sowie deren elektrischen Anschlüsse, sind nicht dargestellt.
Abbildungen 5 C - E: EM-Energieaufnehmereinheit gemäß Beispiel 5. 5C: Querschnitt mit seitlicher Ansicht, 5D: Aufsicht, 5E: Teilvergrößerung einer der 3 Scheiben des EM-Energieaufnehmers. 510: Zwei, die Außenkante der obersten Scheibe überragende, Spitzen der äußeren Temperatursonden (der Anschluss verläuft innerhalb der Scheibe und gelangt in der mittleren Halterungsvorrichtung in das Gehäuse (511), das auf der Oberseite mit der Halterung befestigt ist). In dem Gehäuse befinden sich die hier nicht abgebildeten Bauteile: HF-Induktionsspule, HF-Induktionsstromgenerator, RF- Funksender, RF-Antenne. Je ein interner Temperatursensor ist unter der obersten Graphitplatte eingelegt und ist mit dem RF-Funksender verbunden (nicht dargestellt). Die 3 Scheiben bestanden aus je 10 Graphitplatten (512), die am freien Rand mit einem C-förmigen Kupferblech (513) eingefasst wurden. Die Platten wurden zusätzlich durch die Haltevorrichtungen (514) zusammen gehalten. An der Unterseite waren an 514 Dauermagnete (515) befestigt.
Abbildung 6A: seitliche Schrägansicht des EM-Energieaufnehmerelements gemäß Beispiel 6. 600: Basisplatte des Ferritformteils; 601: gebogene Stege; 602: zentraler, hier rund dargestellter, mittlerer Steg; 603: Dauermagnete, die unterseitig befestigt sind; 604: die Bauelemente: HF-Induktionsspule, HF-Induktionsstromgenerator und RF-Funksender befinden sich im Zentrum an der Unterseite der Basisplatte in einem abnehmbaren Gehäuse.
Abbildung 6B: seitliche Schrägansicht der EM-Energieabgabeeinheit gemäß Beispiel 6. 610: Teilabschnitt der Gehäusebodenplatte, mit dem hierauf befindlichen EM-Energiegeber (Nickel-Zink- Ferrit-Formteil) bestehend aus einer Basisplatte (611a), 8 Kernen (611b) und einer Kernschalenwand (611c), der unterhalb der Formstückbodenplatte zentral aufgelagert ist. In diesem Auflager befindet sich das Drehlager der rechtwinklig angeordneten Stege, die wiederum Auflager für die an den Enden montierten Stabmagnete (612) sind (die Antriebsvorrichtung sowie die Bauteile: HF- Wechselstromgenerator, RF-Funkempfänger und Steuereinheit sowie deren Anschlüssen, sind nicht dargestellt). Die HF-Spule ist nur exemplarisch an einem Kern dargestellt (613). Abbildung 7A: Schnittbildansicht der zylindrischen EM-Energieabgabeeinheit gemäß Beispiel 7. 700: HF-Wechselstromgenerator; 701: Kern des Energiegebers; 702: Ringförmige Vertiefung der Behältnisbodenaufstellfläche zur Aufnahme des Ringmagneten. 703: Ringmagnet; 704: RF- Funkempfänger; 705: HF-Induktionsspule des EM-Energiegebers; 706: Aufstellfläche für einen Bodenabstandshalter eines Gefäßes; 707: Aufstellfläche für den Gefäßboden.
Abbildung 7B: Seitliche Schrägansicht und Aufsicht der EM-Energieaunehmereinheit gemäß Beispiel 7. 710: Basisplatte des EM-Energieaufnehmers (Gussformstück), 711: sternartige Kegelform des Energieaufnehmers. Die Bauteile: HF-Induktionsspule, HF-Stromgenerator, RF-Funksender sowie die elektrischen Verbindungen befinden sich in einer Exkavation im Zentrum der Bodenplatte mit bodenseitiger Öffnung (nicht dargestellt). 712: Die interne Temperatursonde befindet sich in einer oberflächlichen Vertiefung der Basisplatte, die radial bis zur Außenkante verläuft und anschließend mit Zinn vergossen wurde. 713: Die äußere Temperatursonde befindet sich an der Spitze des Kegels und ist mit einem Kabel verbunden, das durch den Wärmeübertragungskörper zur Exkavation verläuft.
Abbildung 8A: Querschnittansicht des EM-Energieaufnahmeelements gemäß Beispiel 8. 800 Energieaufnehmer, 801: exemplarische Darstellung der internen Temperatursonden, die an der Oberflächen in eine Aluminiumbeschichtung eingelassen sind und sich auf alle 3 Ebenen befinden. 802: Ringmagnet; 803: RF-Funksender mit Anschlüssen; 804: HF-Induktionsspule; 805: HF- Induktionsstromgenerator; 806: äußerer Temperatursensor.
Beispiele
Beispiel 1
Induktionsstromerhitzungseinheit
A) Konstruktion: Die Induktionsstromerhitzungseinheit besteht aus einer EM-Energieabgabeeinheit (Abbildung 1A) und einem EM-Energieaufnahmeelement (Abbildung 1B).
Die Energieabgabeeinheit besteht aus folgenden Komponenten: dem EM-Energiegeber (100), bestehend aus dem Kern (100a) und der Spule (100b), dem HF-Wechselstromgenerator (101), einem Gleichstromgenerator (102), dem Mess- und Regelmodul (103), der Anzeigeeinheit (104), dem RF- Funkempfängereinheit (105) und den Verbindungskabeln (106) dem Steuerelement (108) und der mechanisch betriebenen magnetischen Rotationsvorrichtung (109).
Das EM-Energieaufnahmeelement besteht aus folgenden Komponenten: dem EM-Energieaufnehmer (110), der HF-Induktionsspule (111), dem HF-Induktionsstromgenerator (112), dem RF-Funksender (113), der RF-Antenne (114), dem äußeren Temperatursensor (115), dem Oberflächentemperatur- sensor (116), den Verbindungskabeln (117) und den Dauermagneten (118). Das EM- Energieaufnahmeelement enthält ferner eine Exkavation 1 (119), eine Exkavation 2 (120) und eine Exkavation 3 (121). Ferner enthalten sind Schleifkontaktbleche (122), Kontakthülsen (123), eine Welle (124) sowie PEEK-Formstücke (125).
Der EM-Energieaufnehmer besteht aus einem Graphitblock (SGL, Deutschland) in den 3 Exkavationen gefräst wurden. An beiden Enden des Graphitblocks wurde jeweils ein Dauermagnet aufgeklebt. In der zentralen Exkavation (119) befindet die HF-Induktionsspule, wobei der Stahlkern durch eine Welle (Material: PEEK), die diesen durchquert, frei schwingend aufgehangen ist, so dass sich der Kern immer senkrecht zur Ebene des Auflagers des Energieaufnehmerelements ausrichtet. Auf der Welle sind beidseitig vom Kern Messinghülsen aufgesteckt, die mit Verbindungskabeln verbunden sind. Die Feldspule besteht aus mehreren Lagen eines isolierten Kupferdrahts, dessen Enden mit je einem Schleifkontaktblech verbunden sind. Die Schleifkontaktbleche liegen den Messingkontakthülsen an. Die Verbindungskabel sind in eine oberflächliche Einkerbung des Energienehmers eingelassen und mit dem HF-Induktionsstromgenerator verbunden, der in der Exkavation 2 montiert ist. Von diesem verläuft ein elektrisches Verbindungskabel durch die oberflächliche Einkerbung zur Exkavation 3 und ist hier mit dem Funksender verbunden, der hierin montiert ist. Mit dem Funksender sind die elektrischen Anschlüsse der beiden Temperatursonden verbunden. Die Sensordrähte wurden in oberflächliche Einkerbungen des Energieaufnehmers eingelegt. Der Sensorbereich des Oberflächen- sensors wurde in der Einkerbung durch flüssiges Zinn mit dem Graphitblock in Kontakt gebracht. Der äußere Temperatursensor verläuft im Sensorbereich durch ein Formstück aus PEEK, das auf einen der Dauermagneten aufgeklebt wurde und eine zentrale Austrittsstelle für den Sensordraht hat. Im Bereich dieser Austrittsstelle besteht eine Vertiefung des Formstückes, in die der Sensorbereich hineinragt. Diese Vertiefung wurde anschließend mit flüssigem Zinn ausgefüllt. Die Exkavationen 2 und 3 sowie die oberflächlichen Einkerbungen wurden abschließend mit Kunstharz ausgegossen. Die Exkavation 2 wurde mit einer Hülse aus PEEK verschlossen. Das gesamte Energieaufnehmerelement wurde anschließend mit einer 50μιτι dicken vollflächigen Beschichtung aus PTFE versehen.
Der Kern des EM-Energiegebers besteht aus einem Mangan-Zink-Ferrit (BFM8) mit einem Frequenzbereich von < 500kHz und einer Verlustleistung von 400KW/m3 bei 100kHz und lOOmT (Blinzinger, Deutschland). Die Spule besteht aus einer HF-Litze (Elektrisola, Deutschland; Durchmesser 0,25mm, Querschnittsfläche 3,7mm2, einfach umhüllt), die in 2 Lagen mit je 5 Windungen um den Kern gelegt ist. Die HF-Litze ist verbunden mit dem HF-Wechselstromgenerator (Cobes, Deutschland; 100W, 550kHz). Ein 2-Kanal- F-Funkempfänger (Vellemann, Deutschland) mit integrierter Antenne ist mit dem Mess- und Regelmodul (DMT, Deutschland) verbunden. Ein Gleichstromgenerator, der mit einer primären Wechselstromquelle verbunden wird, liefert den Arbeitsstrom für die vorgenannten elektronischen Bauteile. Das Mess- und Regelmodul ist mit dem HF-Wechselstromgenerator und der Steuereinheit verbunden. Die EM-Energiegebereinheit ist von einem geformten Gehäuse aus Polypropylen umgeben, in die die Steuereinheit integriert ist. Unterhalb des EM-Energiegebers befindet sich ein Steg (Material: PEEK), der seitlich den Energiegeber überragt und mittig auf einer Welle gelagert ist, die eine unwuchtfreie Rotation des Stegs erlaub. An den Außenkanten des Stegs sind Dauermagnete befestigt, die mit der Oberkante des Energiegebers abschließen.
B) Funktion: Das EM-Energieaufnehmerelement wurde in ein Becherglas, das mit 200ml Wasser gefüllt war, eingelegt. Das Becherglas wurde auf den Energieabgabebereich der EM- Energiegebereinheit gestellt und am Steuerelement eine Solltemperatur am äußeren Temperatursensor von 80°C eingestellt. Ferner wurde eine Umdrehungsfrequenz von 100 U/min an der Steuereinheit vorgewählt und die Energieabgabe gestartet. In die Flüssigkeit war eine Temperaturmesssonde eingetaucht, die mit einem Temperaturmessgerät zur kontinuierlichen Temperaturaufzeichnung (Greisinger, Deutschland) verbunden war. Es wurde ein kontinuierlicher Temperaturanstieg bis maximal 80,2°C registriert. Nach Erreichen des Maximums blieb die Temperatur der Flüssigkeit bei 80,1°C über den Messzeitraum von 30 Minuten konstant, mit einer Schwankungsbreite von ± 0,2°C. Die Rotationsfrequenz des Energieaufnahmeelements betrug 100 U/min. Beispiel 2
Untersuchung zur Effektivität der Induktionsstromerhitzungseinheit in unterschiedlichen Behältnissen im Vergleich zu einer externen Wärmequelle.
Die Erhitzungsleistung einer Laborheizplatte mit einem Magnetrührer (1) (Basicmagmix 002, Fröbel, Deutschland) wurde im Vergleich zu einer Induktionsstromerhitzungseinheit (2) bei unterschiedlichen Behältnissen untersucht. Beide Vorrichtungen wurden auf eine Solltemperatur von 60°C eingestellt. Es wurden verschiedene Behältnisse mit jeweils 200ml Wasser, das eine Ausgangstemperatur von 25°C hatte, befüllt. Bei den Behältnissen handelte es sich um a) einen Erlenmeyerkolben aus Glas (Bodenfläche 5,9 cm2), b) eine Laborflasche aus Borosilikatglas, die eine geriffelte Standfläche hatte (Bodenfläche 5,8 cm2), c) eine Kunststofflaborflasche (Bodenfläche 5,8 cm2), d) eine Kristallisierschale (Bodenfläche 5,0 cm2) und e) eine Flasche aus Polyethylen (Bodenfläche 5,8 cm2). Bei den Versuchen mit der Laborheizplatte wurde ein Rührstab (50 mm) eingelegt. Bei beiden Geräten wurde eine Rotationsfrequenz von 100 U/min eingestellt.
Das EM-Energieaufnahmeelement bestand aus einem runden Weißblech (Fläche 3cm2, Materialstärke 300μιτι) das mittels einer Wärmeleitfolie (Kerafol, WLF 86/50, Materialstärke 225μιτι) vollflächig mit einem Aluminiumkegel, der der Bauform gemäß Beispiel 7 (Oberfläche ca. 5 cm2) entsprach, wärmeleitend verbunden war. Der EM-Energieaufnehmer hatte eine zentrale Aussparung in der die Funktionseinheiten: HF-Induktionsstromgenerator und RF-Funksender eingefügt und mit dem Aluminiumkegel verbunden waren. Durch den Kegel verlief ein Temperatursensor, der mit dem HF-Induktionsstromgenerator und dem RF-Funksender verbunden war und bei dem der Messbereich die Kegeloberfläche überragte. Der übrige Aufbau und die Bauelemente entsprachen dem/denen aus Beispiel 1. Die EM-Energieabgabeeinheit war gemäß Beispiel 1 aufgebaut, die maximale Energieabgabeleistung betrug 200 Watt.
Die Temperatur der zu erwärmenden Flüssigkeiten in den Behältnissen wurde 2 cm unterhalb der Flüssigkeitsspiegel mit einer Temperatursonde bestimmt und der Temperaturverlauf kontinuierlich registriert. Die Endtemperatur wurde nach 40 Minuten bestimmt. Ferner wurde mit einer Infrarotkamera die Erwärmung der Behältnisse beobachtet.
Ergebnisse (zusammengefasst in Abbildung 2A und 2B):
Der Temperaturanstieg bei Erhitzung mit einem Laborheizrührer war bei den verwandten Behältnissen, bei einem gleichem Flüssigkeitsvolumen und einer vergleichbaren Bodenfläche sowie identisch eingestellter Temperaturvorgabe, stark unterschiedlich in den verschiedenen Behältnissen. Mittels der Wärmedetektion konnte als ursächlich hierfür festgestellt werden, dass der Erwärmungsgrad bei den Glasgefäßen abhängig war von der Größe der direkten Kontaktfläche zwischen den Glasböden und der Heizplatte. Bei dem Kunststoffgefäß lag eine flächige aber etwas geringere Erwärmung vor. Die erreichte Endtemperatur variierte ebenfalls deutlich. Im Gegensatz hierzu erfolgte mit der Induktionsstromerhitzungseinheit, die eine vergleichbare erhitzbare Oberfläche hatte, die Erhitzung des gleichen Flüssigkeitsvolumens in den verschiedenen Behältnissen mit einem praktisch identischen Zeitverlauf. Die voreingestellte Solltemperatur wurde nach ihrem Erreichen mit der Induktionsstromerhitzungseinheit konstant gehalten.
Beispiel 3
Untersuchung zum Erwärmungsverhalten und der Temperaturkontrolle einer Induktionsstrom- erhitzungseinheit sowie deren Effekte auf thermolabile Verbindungen. Enzyme sind, wie auch andere Proteine, nur bis zu einer kritischen Temperatur in ihrer räumlichen Struktur stabil. Wird eine kritische Temperatur überschritten, so verlieren die Enzyme ihre enzymatische Aktivität. Es sollte untersucht werden, ob es bei Verwendung einer konventionellen Erhitzung und einer Erhitzung durch eine Induktionsstromerhitzungseinheit zu unterschiedlichen Effekten auf eine Thermodegeneration von Proteinen kommt.
Für den Versuch wurde der folgende Versuchsaufbau gewählt: 1) Eine Laborheizplatte mit Magnetrührvorrichtung und einem externen Temperatursensor zur Steuerung der Heizleistung (HP20D, Witeg, Deutschland). 2) Eine Induktionsstromerhitzungseinheit (Abbildung 3), die aus den folgenden Komponenten bestand: Einem EM-Energieaufnahmeelement, dessen Energieaufnehmer die Form einer abgeflachten Kugel hatte. Die äußere Oberfläche wurde mit 2,6 cm2 berechnet. In dem ME-Energieaufnahmeelement befanden sich die folgenden vorbeschriebenen Einbaukomponenten: ein EM-Energieaufnehmer, eine HF-Induktionsspule, ein Funksender, ein interner und 2 äußerer Temperatursensor, ein HF-Induktionsstromgenerator sowie Anschlussverbindungen (vgl. Beispiel 1). Die Bauteile befanden sich in einer unterseitig gelegenen zentralen Exkavation, die mit einem Deckel verschlossen wurde. An der Unterseite waren 2 Permanentmagnete so montiert, dass sie die Auflagefläche erreichten. Der interne Temperatursensordraht wurde durch den Energieaufnehmer zur Oberseite geführt und hier in einer Rinne mit dem Graphit durch flüssiges Zinn verbunden. Die äußeren Temperatursensoren waren mit einem Anstandshalter von 3 mm im Bereich des Orbitalrands und der Oberseite angebracht. Der EM-Energieaufnehmer bestand aus Graphit und hatte eine Masse von 18 g. Sämtliche Komponenten des EM-Energieaufnahmeelements waren mit einer 20μιτι dicken Schicht aus PTFE überzogen. Die Induktionsstromerhitzungseinheit bestand ferner aus einer EM-Energieabgabeeinheit, die aus den folgenden Komponenten bestand: einer RF-Funk- empfängereinheit, 6 ringförmig angeordneten Elektromagneten, deren Polschuhe abgeflacht waren und kreisförmig mit gleichem Abstand voneinander um den Spulenkern angeordnet waren und eine senkrechte Ausrichtung zur Aufstellfläche hatten. Der EM-Energiegeber bestand aus einem Nickel- Zink-Ferritformstück. Der übrige Aufbau der Energiegebereinheit entsprach dem aus Beispiel 1. Versuchsteil A: In 2 Erlenmeyerkolben (Fassungsvolumen 200ml) wurden jeweils 50ml einer Lösung von Meerrettich-Peroxygenase (12,5kU) gegeben, die 0,lmol/l Natriumeitrat enthielt. Die Lösungen wurden mit Schutzgas überschichtet. Es erfolgte eine Erwärmung, bei der eine Temperatur von 65°C erreicht und über die Dauer von 24 Stunden gehalten werden sollte. Ein Kolben wurde mit einer Laborheizplatte erwärmt, die durch einen externen Temperatursensor, der in die zu erwärmende Suspension oberflächlich eingetauchte, gesteuert. Ferner wurde ein Rührmagnet in den Kolben eingelegt, der kontinuierlich mit 100 U/min rotiert wurde. Der zweite Kolben wurde mit einem EM- Energieaufnahmeelement erwärmt. Es wurden folgende Einstellungen an der Steuereinheit vorgenommen: Solltemperatur des äußeren Temperatursensors 65°C, Maximaltemperatur des internen Temperatursensors 67°C, Umdrehungsfrequenz des Energieaufnahmeelements 100 U/min. Bei beiden Versuchen wurde kontinuierlich mit einer Temperatursonde die Temperatur der Lösung bestimmt. Aus den registrierten Werten wurden die Grenz- und die Mittelwerte bestimmt. Die Versuche wurden mit beiden Verfahren 3-mal wiederholt.
Zum Untersuchungsende wurden Proben zur Analyse der Enzymaktivität [Gallati H, Brodbeck H, Peroxydase aus Meerrettich: Kinetische Studien zur Optimierung der Aktivitätsbestimmung mit den Substraten H202 und o-Phenyldiamin; J.Clin. Chem.Cin. Biochemie, 1982] entnommen. Die Messungen wurden bei 22°C unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Der enzymatische Aktivitätsgrad wurde in Relation zur enzymatischen Aktivität der Ausgangslösung gesetzt. Ferner wurde die Enzymaktivität einer Referenzprobe, die unter Schutzgas bei 22°C gelagert wurde, nach 24 Stunden bestimmt.
Versuchsteil B: Mit dem gleichen Versuchsaufbau sollte der Temperaturverlauf bei verschiedenen Temperierungsprotokollen untersucht werden. Hierzu sollte in 3 Stufen ein wässriges Medium auf 40°, 60° und 80°C erhitzt werden, wobei das festgelegte Temperaturniveau jeweils 5 Minuten gehalten werden sollte. Im Anschluss sollte eine Abkühlung der Flüssigkeit in 2 Stufen auf 70°C und 50°C erfolgen, wobei auch hier die Temperatur auf der jeweiligen Stufe 5 Minuten gehalten werden sollte.
Ergebnisse: (Ergebnisse des Versuchsteils B sind in Abbildung 3E zusammengefasst)
Versuchsteil A. Bei Verwendung einer Laborheizplatte oder des Induktionsstromerhitzungseinheit wurde die Temperatur im Mittel bei 65,1°C bzw. 65,0 °C gehalten. Die Standartabweichung lag bei 3,2% bzw. 0,8°C. Die pro Stunde gemessenen Temperaturmaximalwerte lagen im Mittel bei 68,7°C bzw. 66,2°C. Die Enzymaktivität in der Referenzprobe war um 17% gemindert. Die Enzymaktivitäten der Lösung, die mit der Heizplatte oder der Induktionsstromerhitzungseinheit erhitzt wurden, waren um 60% bzw. 21% gegenüber dem Ausgangswert gemindert.
Versuchsteil B. Mit der Induktionsstromerhitzungseinheit konnte eine deutlich raschere Erwärmung der Flüssigkeiten erreicht werden, als mit der Laborheizplatte mit einer externen Temperatursteuerung. Ferner war hiermit eine deutlich genauere Einstellung der Flüssigkeitstemperatur möglich. Die Abkühlphase verlief deutlich schneller bei Verwendung der Induktionsstromerhitzungs- einheit, als bei Verwendung einer Laborheizplatte, bei der es zu keiner Plateaubildung kam.
Beispiel 4
Untersuchung zur Verwendung einer Induktionsstromerhitzungseinheit für eine
Hochtemperaturanwendung bei Ölen und Fetten.
Die Geschwindigkeit der Erhitzung von Frittieröl wurde mit einer Induktionsstromerhitzungseinheit im Vergleich mit 3 konventionellen Fritteusen untersucht. Hierzu wurden jeweils 4 Liter eines Frittieröls in die Fritteusen A) ("SNACK I", Bartscher, Deutschland, B) (D0452FR, Domo, Deutschland), C) (00-00146, Neumärker, Deutschland) und in einen ähnlich geformten Glasbehälter gegeben. In den Glasbehälter wurde ein EM-Energieaufnahmeelement gegeben, das die folgenden Bauteile enthielt: EM-Energieaufnehmer, äußerer und interner Temperatursensor, HF-Induktionsspule, HF- Induktionsstromgenerator und einem RF-Funksender sowie Anschlussverbindungen (Abbildung 4: 401a). Der Energieaufnehmer setzte sich zusammen aus 2-mal 12 parallel angeordneten Rohren aus Edelstahl, mit einem Durchmesser von je 1cm und einer Länge von 15cm, die durch einen Rahmen aus Edelstahl zusammengefasst wurden (Abbildung 4). Der Glasbehälter wurde auf den Energieabgabebereich der Energiegebereinheit gestellt, die aus den Komponenten gemäß Beispiel 1 bestand. Der EM-Energiegeber war von seiner Bauart gleich mit dem aus Beispiel 5, hatte aber im Unterschied hierzu eine größere Bodenfläche und eine größere Höhe. Ferner war die Spule mit 20 Windungen und in 5 Lagen um die Kerne angeordnet. Der HF- Wechselstromgenerator hatte eine maximale Leistungsaufnahme von 4kW. Die Komponenten der EM-Energiegebereinheit waren mit einer externen Steuereinheit verbunden. Die Steuerungseinheit verfügte über ein digitales Anzeige und Bedienungsfeld. Eingestellt wurden die Solltemperatur, die Minimal- und Maximaltemperaturen, die an dem internen und äußeren Temperatursensors vorliegen sollten. Für alle Geräte wurde eine Solltemperatur des Mediums von 190°C eingestellt. An der Steuereinheit wurden als Maximal- und Minimaltemperaturen des Energieaufnehmers 250°C bzw. 185°C eingestellt. Die Versuche wurden nach 15 Minuten beendet. Die Temperaturen der Frittieröle wurden 2 cm unterhalb des Flüssigkeitsspiegels kontinuierlich gemessen. Ferner wurde die Betriebsenergie der Systeme während der Heizphasen ermittelt.
Ergebnisse: Die Zieltemperatur des Frittieröls wurde mit dem Induktionsstromerhitzer um 47 Sekunden (A)) bzw. um 58 (B)) und um 135 (C)) Sekunden schneller erreicht, als mit den konventionellen Fritteusen. Die Temperaturschwankungen nach Erreichen der Zieltemperatur betrugen für die Induktionsstromerhitzungseinheit ± 1,8% und für die Fritteusen bei A) ± 11,3%, bei B) ±16,8% und bei C) ±14,3%.
Der Energieverbrauch für den Induktionsstromerhitzers der über die Versuchsdauer ermittelt wurde, war gegenüber dem der Fritteusen deutlich geringer (- 22% gegenüber A), - 28% gegenüber B) und - 34% gegenüber C)).
Beispiel 5
Untersuchung zur Verwendung einer Induktionsstromerhitzungseinheit zur Erwärmung von schmelzbaren Feststoffen.
Das Energieaufnahmeelement (Abbildung 5C - E) der Induktionsstromerhitzungseinheit bestand aus den folgenden Komponenten: einem internen und 2 äußeren Temperatursensoren, einem RF- Funksender, einer HF-Induktionsspule, einem HF- Induktionsstromgenerator sowie 4 Dauermagneten sowie Anschlussverbindungen. Der Energieaufnehmer bestand aus 3 jeweils 10mm dicken Scheiben mit einem Durchmesser von 10 cm. Die Scheiben bestanden aus 10 1mm dicken Graphitplatten (SGL, Deutschland, elektrischer Widerstand 18μΟΙιιτι/ιτι, Wärmeleitfähigkeit 200 W/(m ' k)), die durch einen außen umlaufenden Ring eingefasst sowie durch die Haltevorrichtungen zusammengehalten wurden. Die äußere Oberfläche des EM-Energieaufnehmers wurde mit 54cm2 berechnet. Die Scheiben waren parallel zueinander angeordnet und in einem Abstand von 10mm an 5 Punkten miteinander durch eine durchgehende Haltevorrichtung verbunden. Der Funksender, mit den Anschlüssen für die Temperatursensoren, befand sich in einem Gehäuse, das auf der Oberfläche in der Mitte einer äußeren Scheibe des Energieaufnahmeelements montiert war. In dem Gehäuse waren die folgenden elektronischen Bauteile montiert und miteinander verbunden: HF- Induktionsspule, HF-Induktionsstromgenerator, RF-Funksender, RF-Antenne. Die Lokalisationen der äußeren Temperatursensoren sind in der Abbildung 5C dargestellt. Das Energieaufnehmerelement war vollflächig mit einer ΙΟμιτι dicken PTFE-Beschichtung versehen. Die EM-Energieabgabeeinheit bestand aus den Komponenten: EM-Energiegeber, HF- Wechselstromgenerator, RF- Funkempfängereinheit, elektro-magnetische Rotationsvorrichtung gemäß Beispiel 3, Gleichstromgenerator, Steuereinheit und elektrischen Anschlüssen. Die EM-Energieabgebereinheit bestand aus einem Ferritblock, der mittels einer 3-D-Fräse geformt wurde (Abbildung 5A und B). In der Steuereinheit befanden sich 2 Regler für die Solltemperatur des Mediums und der Maximaltemperatur des EM-Energieaufnehmers. Der HF-Wechselstromgenerator hatte eine maximale Leistungsaufnahme von 1000 W. Die Energieeinspeisung erfolgt über einen 220V Gleichstromgenerator. An der Steuereinheit wurden eine Solltemperatur des Mediums von 55°C und eine Maximaltemperatur des EM-Energieaufnehmerelements von 60°C eingestellt.
Kakaobuttermasse, die zum Zweck der Lagerung gekühlt worden war und als feste Masse vorlag, sollte verflüssigt werden. Hierzu wurde 1 kg der Masse in ein Metallbehältnis mit einer Oberfläche von 180cm2 eingebracht sowie in ein Kunststoffbehältnis mit einem Flachboden. Das Metallbehältnis wurde bis zum Rand in ein Wasserbad, das konstant mit einer Temperatur von 60°C vorlag, eingetaucht. In den Kunststoffbehälter wurde das Energieaufnehmerelement so platziert, dass es unmittelbar über dem EM-Energieabgabebereich der EM-Energieabgabeeinheit befindlich war und dann die Kakaobuttermasse hierüber gelegt. Die Rührvorrichtung wurde nach 1 Minute eingeschaltet und auf eine Umdrehungsfrequenz von 40U/min eingestellt.
Es wurde die Zeit bestimmt, die benötigt wurde, bis die Kakaobutter vollständig geschmolzen war. Ferner wurde die Endtemperatur der geschmolzenen Butter gemessen. Die Versuche wurden 3-mal wiederholt und aus den bestimmten Werten der Mittelwert errechnet.
Ergebnisse: Die konventionelle Schmelze in einem Wasserbad war nach 36 ± 3 Minuten abgeschlossen, bei der induktiven Erwärmung war dies nach 16 ± 2 Minuten der Fall. Die Endtemperatur bei der Wärmebadschmelze lag bei 52 ± 0,6°C und bei der Induktionsstromerwärmung bei 58 ± 0,2°C. Die Induktionsstromerhitzung, die innerhalb einer schmelzbaren Feststoffmasse erfolgt, ermöglicht eine schnellere Erwärmung, als dies über die Erwärmung eines Behältnisses der Fall ist. Die verflüssigte Masse zeigte keine Hinweise auf eine temporäre Überhitzung. Beispiel e
Untersuchung zur Temperierung und der Konsistenz von flüssigen Speisen.
Das EM-Energeiaufnahmeelement eines Induktionserhitzers hatte folgende Komponenten: einen EM-Energieaufnehmer, eine interne und eine äußere Temperatursonde, eine HF-Induktionsspule, einen HF-Induktionsstromgenerator und einen Funksender, 6 Permanentmagneten sowie Anschlussverbindungen. Der EM-Energieaufnehmer bestand aus einem Aluminiumformteil mit einer runden Bodenplatte einer Materialstärke von 1mm mit hiervon senkrecht abgehenden kommaartig gebogenen Stegen, die um einen sternartig geformten mittleren Steg angeordnet waren (Abbildung 6A). An der Unterseite der Bodenplatte waren die Magnete kreisförmig montiert und im Zentrum war ein abnehmbares Gehäuse zur Aufnahme der übrigen Systemkomponenten. Die äußere Temperatursonde war an der Oberseite der Bodenplatte montiert.
Die EM-Energiegebereinheit bestand aus einem EM-Energiegeber, einer mechanischen magnetischen Rotationsvorrichtung gemäß Beispiel 1, einem HF- Wechselstromgenerator (max. 400 W), einem RF- Funkempfänger und einer Steuereinheit nebst Anschlüssen. Der EM-Energiegeber bestand aus einem Nickel-Zink-Ferrit-Formteil (Abbildung 6B). Für die Spulen (jeweils 5 Windungen in 2 Lagen) wurde eine HF-Litze verwandt. Für Anwendungen bei mehr als einem Liter eines Mediums, wurden mehrere der quadratischen EM-Energiegeberelemente nebeneinander angeordnet. In diesem Fall wurden gleich viele EM-Energieaufnahmeelemente in das Behältnis eingelegt. An der Steuereinheit ließen sich die Umdrehungsfrequenz der Rotationsvorrichtung, die Solltemperatur des Mediums sowie die Minimal- und Maximaltemperaturen der EM-Energieaufnehmereinheit einstellen.
Für die Untersuchungen wurde(n) ein bzw. mehrere EM-Energieaufnahmeelement(e) in die Behältnisse gelegt und diese dann mit den Soßen gefüllt. Die gefüllten Schalen wurden unmittelbar auf den Energieabgabebereich der EM-Energiegebereinheit gestellt, als Solltemperatur des Mediums wurde eine Temperatur von 85°C für die Versuche 1 und 2 sowie von 65°C für den Versuch 3 eingestellt. An der Energiegebereinheit wurde eine Umdrehungsfrequenz von 30U/min eingestellt. Für die konventionelle Warmhaltung wurde ein Wasserbad verwandt, das durch eine temperaturgesteuerte Beheizung auf einem konstanten Temperaturniveau gehalten wurde. Es wurde eine Wassertemperatur von 90°C für die Versuche 1 und 2 sowie von 70°C für den Versuch C eingestellt. Zur Untersuchung der Temperierungseigenschaften bei verschiedenen Soßen sowie deren Konsistenzveränderungen während einer Warmhaltung, wurden jeweils 3 Liter einer frisch zubereiteten Jägersoße (Versuchl) und einer Vanillesoße (Versuch 2) sowie 500ml einer Soße Hollandaise (Versuch 3) in keramische Schalen gleicher Formgestalt eingefüllt. Je eine Schale wurde mit dem Wasserbad und mit dem Induktionsstromerhitzer beheizt. Die Soßen hatten bei der Einfüllung eine Temperatur von 90°C (Versuche 1 und 2), bzw. 70°C (Versuch3).
Die Soßen wurden dann ohne eine Abdeckung über 3 Stunden mit beiden Verfahren temperiert. Dabei wurde die Temperatur der Soßen, die in der Mitte der Behältnisse vorlag, mit einer Temperatursonde kontinuierlich bestimmt. Im Anschluss wurde die Formation einer Hautbildung sowie einer Anhaftung von Feststoffen an den Schalen bestimmt.
Ergebnisse:
Mit beiden Temperierungsverfahren wurde die Temperatur der Soßen in einem Bereich zwischen 82° und 87°C bei den Versuchen 1 und 2 über den Versuchszeitraum konstant gehalten. Bei Versuch 3 war die Temperatur bei der Wasserbadbeheizung geringer als bei der Induktionsstromerhitzung, 55°C vs. 68°C. Bei den Soßen, die im Wasserbad warmgehalten worden waren, hatte sich eine Haut, sowie in unterschiedlicher Stärke eine feste Anhaftung im Bereich der Flüssigkeitsspiegel an den Behältniswänden gebildet. Bei den Soßen, die mit der Induktionsstromerhitzungseinheit temperiert worden waren, kam es weder zu einer Hautbildung noch zu einer erkennbaren Anhaftung am Behältnis.
Beispiel 7
Untersuchungen zur Temperierung von Heißgetränken in Einmalgeschirr.
Die Temperierbarkeit von Kaffeeheißgetränken mittels einer Induktionsstromerhitzungseinheit wurde hinsichtlich ihrer Praktikabilität und ihres Einflusses auf den Geschmack untersucht. Hierzu wurden je 200ml Kaffee (1), Latte macchiato (2) sowie 150ml Cappuccino (3) in Becher gefüllt, wie sie üblicherweise zum Verkauf von Mitnahmegetränken verwendet werden und die aus beschichtetem Hartpapier mit einem 1cm hohen Bodenabstandshalter (Trendsky Premium Kaffeebecher) waren. Die EM-Energiegebereinheit bestand aus einem EM-Energiegeber, einem HF-Stromgenerator (max. 60W) und einem F-Funkempfänger sowie der elektrischen Verbindungen. Das Gehäuse des Energiegebers war zylindrisch geformt (Abbildung 7A). Der obere Randbereich war gegenüber der zentralen Oberseite um 1 cm abgesenkt. Die zentrale Oberseite hatte zirkulär im Randbereich eine 8mm breite Vertiefung zur Aufnahme eines ringförmigen Magneten. Der Magnet ließ sich durch einen metallischen Gegenstand leicht anziehen und konnte damit herauslöst werden. Das sich am Boden des Getränkebechers befindliche EM-Energieaufnahmeelement wurde, nach Aufstellen des Bechers auf das Gehäuse, von dem hierin befindlichen Magneten angezogen, wodurch das EM- Energieaufnahmeelement am Becherboden fixiert wurde. Beim Abnehmen des Bechers wurde der Magnet mit abgehoben und blieb an der Unterseite des Bechers fixiert. Bei einem Kippen oder Umdrehen des Bechers kam es nicht zu einem Verrutschen des EM-Energieaufnahmeelements oder des Magneten am Becherboden. Das EM-Energieaufnahmeelement ließ sich durch das Entfernen des Rundmagneten vom Becherboden lösen und durch Ausschütten bergen. Die EM-Energiegebereinheit war durch ein Kabel mit einer externen Steuereinheit verbunden. In dieser befanden sich ein Mess- und Regelmodul sowie ein Bedien- und Anzeigenfeld. Einstellbar waren die Solltemperatur am äußeren Temperatursensor und die maximale Oberflächentemperatur, die am internen Temperatursensor gemessen wurde. Die Steuereinheit war elektrisch mit einem Stromaufnehmer für Autofeueranzünder verbunden.
Das EM-Energieaufnahmeelement bestand aus einem kegelförmigen Edelstahl-Formstück mit sternförmigen Ausziehungen gemäß Abbildung 7B und hatte einen Basisdurchmesser von 4 cm sowie eine Höhe von 3cm. Die Oberfläche wurde mit 4,6 cm2 bestimmt. Die Basisplatte wurde mit einer Wärmeleitfähigkeitsfolie wärmeleitend verbunden. Letztere wurden dann mit einer 150μιτι dicken Aluminiumfolie wärmeleitend verbunden. In einer Aussparung im unteren zentralen Bereich waren eine HF-Induktionsspule, ein HF-Stromgenerator, ein Funksender sowie die elektrischen Verbindungen eingebaut. Ferner waren an einer Seitenfläche die interne und äußere Temperatursonde angebracht, die elektrisch mit dem Funksender verbunden waren.
An der Steuereinheit wurde für den internen Temperatursensor eine Maximaltemperatur von 80° C und für den äußeren Temperatursensor eine Solltemperatur von 60°C eingestellt. Die Temperatur des Heißgetränks wurde durch eine 2cm tief eintauchende Temperatursonde kontinuierlich gemessen. Die Untersuchungen erfolgten mit (A) und ohne (B) ein Energieaufnahmeelement an mit einem Deckel verschlossenen Bechern unter gleichen Bedingungen bei 22°C Außentemperatur. Im ersten Versuch wurden die Becher mit den frisch zubereiteten Getränken über 1 Stunde auf die Energieabgabeeinheit gestellt. Bei Versuch 2 erfolgte eine Verkostung durch 3 geschulte Personen, wobei über die Dauer von 40 Minuten, im Abstand von 3 Minuten ein Schluck abgetrunken wurde. Das Geschmackerlebnis wurde jeweils notiert. Ferner wurde am Ende die Temperatur der Restmenge des Getränks gemessen.
Ergebnisse:
Versuch 1: Die Temperatur der Getränke in den nicht beheizten Bechern sank rasch ab und lag nach 60 Minuten in einem Temperaturbereich zwischen 28° und 36°C. Die Temperatur in den durch den Induktionsstromerhitzer beheizten Bechern sank zunächst in gleicher Weise bis auf 57°C ab. Hiernach schwankte die Temperatur zwischen 58° und 61°C über den gesamten Untersuchungszeitraum. Versuch 2: Bei der Verkostung war eine Geschmacksbewertung des Getränks erst nach Abkühlung auf 60°- 65°C und somit erst nach 12 Minuten möglich. Das Geschmackserlebnis wurde bei den nicht beheizten Getränken über einen Zeitraum von 15 Minuten als gleichbleibend gut bewertet. Hiernach kam es zu einer progressiven Verschlechterung des Geschmackserlebnisses, die mit der Getränkeabkühlung zusammenhing. Im Gegensatz hierzu blieb das Geschmackserlebnis bei den Getränken, die mit der Induktionsstromerhitzungseinheit temperiert wurden, bis zum Versuchsende gleichbleibend gut, wobei kein Unterschied in der Bewertung zu dem als gut empfundenen Geschmacksergebnis des nicht beheizten Heißgetränks bestand. Die Endtemperatur betrug zwischen 23°C und 27°C bei den nicht beheizten Getränken und zwischen 57°C und 60°C bei denen, die mit einer Induktionsstromerhitzung temperiert worden waren.
Zum Versuchsende wurden die Becher ausgegossen, dabei blieb das EM-Energieaufnehmerelement durch den außen befindlichen Rundmagneten an seiner Position am Becherboden. Durch Ablösen des außen am Becherboden befindlichen Magneten konnte das EM-Energieaufnehmerelement gelöst und separat entfernt werden. Mit einem Zellstofftuch konnte eine vollständige und rückstandsfreie Reinigung des EM-Energieaufnahmeelements erreicht werden. Beispiel 8
Untersuchung zu thermischen Effekten bei der Temperierung von festen Nahrungsmitteln.
Die EM-Energiegebereinheit entsprach der aus Beispiel 5, hatte aber keine Rührvorrichtung. Es wurden 2 Formen flächiger Induktionsstromerhitzungseinheiten verwandt. Der EM- Energieaufnehmer bestand aus 2 Graphitfolien, die jeweils um einen Glasstab (5mm Durchmesser) gelegt waren und die oberhalb dieser Umwindung durch den Bodenbereich eines Kupferformstücks geführt waren, wobei hier eine Fixierung der Folien vorlag. Das Formstück hatte eine U-Form mit Seitenflächen von jeweils 10 x 10cm eines 4mm dicken Blechs. Zwischen den Seitenflächen bestand ein Abstand von 1,5cm. Die Graphitfolien wurden wärmeleitend mit den Seitenflächen verbunden. Im Bereich der Bodenplatte des Formteils befand sich eine verschließbare Exkavation zur Aufnahme der folgenden Komponenten: HF-Induktionsspule, HF-Induktionsstromgenerator, RF-Funksender und RF-Antenne. Zwischen den Graphitfolien und dem Kupferblech waren beidseits 3 Temperatorsensoren über die ganze Oberfläche angeordnet und mit dem Funksender verbunden. Das EM- Energieaufnahmeelement wurde mit einer dünnen PTFE-Schicht versiegelt.
In jeweils 3 Untersuchungen wurde eine ca. 1cm dicke Scheibe eines Fleischkäses in das Formteil zwischen die beiden Seitenflächen eingelegt. Das EM-Energieaufnehmerelement wurde in ein verschließbares Glasbehältnis gestellt und dieses auf der EM-Energieabgabefläche, der EM- Energieabgabeeinheit platziert. Es wurde eine Solltemperatur der Oberflächen von 60°C eingestellt. In einer Referenzuntersuchung erfolgte eine Warmhaltung des Fleischkäses mittels einer hierfür geeigneten Wärmelampe. Die Wärmelampe wurde so adjustiert, dass im Bereich des Fleischkäses eine Temperatur von ca. 60°C erreicht wurde. Der Versuch wurde nach einer Stunde beendet. Bewertet wurden bei beiden Versuchen die optischen, physikalischen und sensorischen Eigenschaften sowie die Temperaturen des temperierten Gutes.
Ergebnisse:
Der mit Wärmelampe temperierte Fleischkäse hatte oberseitig eine Temperatur von 62°C und unterseitig von 52°C. Die Oberfläche der Oberseite war bräunlich verändert mit festerer Konsistenz, die Ecken waren leicht nach oben gebogen. Der mit dem Induktionsstromerhitzer temperierte Fleischkäse hatte beidseits eine Temperatur von 60°C. Beide Seiten waren in der Farbe und Konsistenz nicht unterschiedlich zu einem frisch abgeschnittenen Stück. Bei der Verkostung konnte der mit der Induktionserwärmung temperierte Fleischkäse geschmacklich nicht von einer frischen Scheibe unterschieden werden, während der mittels Wärmestrahler temperierte Fleischkäse geschmacklich deutlich verändert war.
Beispiel 9
Untersuchung zur katalvtischen Aktivität von Energieaufnehmern mit Beschichtung reaktionsfördernder Verbindungen.
Cyclohexan kann durch den Katalysator Cobaltacetat in Anwesenheit von tert-butyl-Hydroperoxid zu dem entsprechenden Alkohol und Keton oxidiert werden. Der Cobaltacetat-Komplex wurde nach einem bekannten Verfahren (Nowotny M, Pedersen LN, Hanefeld U, Mashmeyer T. Increasing the Ketone Selectivity oft he Cobalt-Catalyzed Radical Chain Oxidation of Cyclohexan. 2002, Chem Eur J) an mesoporöses Material (MCM-41) kovalent gebunden. Die vorgenannte Druckschrift offenbart ein Temperaturoptimum der katalytischen Reaktion bei 69°C.
Das EM-Energieaufnahmeelement bestand aus den folgenden Komponenten: EM-Energieaufnehmer (Abbildung 8), HF-Induktionsspule, HF-Induktionsstromgenerator, RF-Funksender, RF-Antenne sowie 3 internen Temperatursensoren, die kreisförmig auf jeder Ebene der Scheiben montiert und in die vollflächige Aluminiumlegierung eingeschlossen wurden. Als reaktionsfördernde Verbindung wurden 250mg der gepulverte MCM-41-Cobaltacetat-Komplexe auf der gesamten Oberfläche des Energieaufnehmer auf einen frischen dünnen Film eines Epoxidharzklebers aufgebracht und hierdurch immobilisiert. Nach Aushärtung des Adhäsionsmittels wurden ablösbare Reste des Pulvers in einem Ultraschallbad entfernt. Die getrockneten Oberflächen hatten einen homogenen weißen Belag. Die EM-Energiegebereinheit entsprach der aus Beispiel 1. Für die Versuche wurde in jeweils einen Erlenmeyer-Kolben 100ml Cyclohexan reinst, gefüllt. Bei Versuch 1 wurde die Äquivalenzmenge des Katalysators, die als Schicht auf die Oberfläche des EM-Energieaufnahmeelements aufgebracht worden war, in gepulverter Form hinzugegeben, bei Versuch 2 wurde das beschichtete Energieaufnahmeelement eingesetzt. In beide Gefäße wurde die gleiche Menge von tert-butyl- Hydroperoxid hinzugegeben. Bei Versuch 1 wurde ein Magnetrührstab eingelegt und das Gefäß auf einen Labor-Heizrührer, der über eine im Reaktionsmedium befindliche Temperatursonde gesteuert wurde, gestellt. Die zu erreichende Solltemperatur des Reaktionsgemisches wurde bei dem Heizrührer sowie der Induktionsstromerhitzungseinheit auf 69°C eingestellt. Ferner wurde die Maximaltemperatur der Oberflächen des EM-Energieabgeberelements auf 96 °C eingestellt. Die Rührvorrichtung wurde bei beiden Geräten auf eine Rotationsfrequenz von 50U/min. eingestellt. Der Versuch wurde nach 1 Stunde beendet. Im Abstand von 10 Minuten wurden die Temperatur der Reaktionsflüssigkeit gemessen und Proben zur Analytik entnommen. Es wurde die Konversionsrate anhand der Konzentration des entstandenen Alkohols ermittelt.
Ergebnisse (graphisch in Abbildung 8B und C dargestellt):
Der Temperaturanstieg des Reaktionsgemisches erfolgte bei Versuch 2 verzögert gegenüber dem des Versuches 1. Im Gegensatz hierzu verlief die katalytische Reaktion bei Versuch 2 deutlich rascher ab, als bei Versuch 1 und erfolgte bereits mit dem Beginn der Energieeintragung mit einer hohen Konversionsrate. Es bestand in Versuch 2 eine lineare Konversionsrate.
Bespiel 10
Untersuchung zur Effizienz der Wärmeerzeugung durch ein elektromagnetisches Energiefeld von EM- Energieaufnehmern.
Für die Untersuchung wurde eine EM-Energiegebereinheit gemäß Beispiel 1 verwandt. Es erfolgten Anordnungen von Folien und Scheiben verschiedener Adsorptionsmaterialien. Es wurden Folien aus Aluminium (AF), expandiertem Graphit (eGF) und Kupfer (KF) in den Materialstärken: 50, 100 und 200μιτι, sowie Scheiben eines Weißblechs (WB) und eines reinen Stahlblechs (SB) in den Materialstärken 100 und 200μιτι, sowie Platten aus nicht-expandiertem Graphit (nGP) mit einer Materialstärke von 150μιτι verwandt, die jeweils einzeln und in Kombination untereinander und in den verschiedenen Materialstärken untersucht wurden. Dabei wurden die Folien/Scheiben bei einer Kombination übereinander gelegt. Es wurden jeweils Rundformate mit einem Durchmesser von 5cm verwandt. Ferner erfolgten die gleichen Versuche mit einem Werkstück aus Aluminium (AW), Kupfer (KW) und Stahl (SW) mit dem gleichen Durchmesser und einer Materialstärke von 10mm. Zur Versuchsdurchführung wurden die einzelnen oder übereinander geschichteten Folien/Scheiben in ein Glasgefäß auf dem flachen Gefäßboden gelegt. In die Gefäße wurde bei allen Versuchen eine gleiche Wassermenge mit einer Temperatur von 18°C gefüllt. In das Wasser tauchte eine Temperaturmess-sonde einer Temperaturmessvorrichtung ein. Der Erwärmungsvorgang wurde ferner mit einer Infrarotkamera monitoriert. Es erfolgten 2 Versuchsserien, bei einem unterschiedlichen Abstand zwischen der EM-Energieabgabefläche des EM-Energiegebers und der Fläche der als EM-Energienehmer angeordneten Folien/Scheiben, der 8mm (AI) oder 20mm (A2) betrug. Dieser Abstand wurde durch eine Styroporplatte, die sich zwischen dem EM-Energiegeber und dem Gefäß befand, gewährleistet. Es erfolgte jeweils ein Ausgangsversuch mit dem Adsorptionsmaterial (VI). Sodann wurden die unterschiedlichen Adsorptionsmaterialien miteinander kombiniert. Während der Versuchsdurchführung wurden die Leistungsaufnahme des HF- Spannungsgebers und die Stromstärke des HF-Schwingkreises gemessen und aufgezeichnet. In den Versuchsdurchführungen wurde die maximale Leistungsabgabe des HF-Spannungsgebers auf 25 W (Sl), 50 W (S2), 100W (S3), 500 W (S4) und 1.000W (S5) eingestellt. Die Energieabgabe erfolgte jeweils über 30 Sekunden bei AI und über 2 Minuten bei A2.
Ergebnisse (numerische Ergebnisse exemplarisch in Tabelle 1)
Mit den untersuchten Folien AF und eGF wurde bei allen Materialstärken eine hohe Adsorption der elektromagnetischen Energie erreicht, deren Maximum in Sl und S2 bei einer Materialstärke von 200μιτι bei AF und ΙΟΟμιτι bei eGF lag. Bei einer Überlagerung mit weiteren Folienlagen ging die Energieübertragungsleistung zurück. Durch eine kombinierten Schichtaufbau zwischen AF und eGF konnte eine Steigerung der Energieübertragungsleistung insbesondere bei S3 -S5 erreicht werden. WB zeigte ein ähnliches Adsorptionsverhalten, das Maximum der Adsorption lag bei einer höheren Materialstärke vor. Platten aus nGP führten insbesondere bei einen Kombination mit AF und WB zu einer Erhöhung der Energieübertragungsleistung. Bei den gleichen Versuchen, die mit KF erfolgten, bestand keine (Sl und S2) oder nur eine sehr geringe Energieübertragungsleistung. Eine Energieübertragungsleistung von mehr als 0,5 A konnte mit AW, KW oder SW nur bei S5 in der Versuchsanordnung AI erreicht werden, bei allen anderen Versuchsdurchführungen kam es zu keiner (Sl - S3) oder nur minimalen Energieübertragungsleistung. Bei der Versuchsdurchführung A2 konnte durch die Werkstücke keine messbare Energieübertragung erreicht werden. Die Analyse der Infrarotkamera zeigte, dass es, korrespondierend zur Energieübertragungsleistung der EM- Energieaufnehmer, zu einer unmittelbaren Erwärmung der Folien AF und eGF kam, die früher, als die von WB oder nGP erfolgte. Dies traf für alle Messungen, bei denen eine Energieübertragung erfolgte, zu. Dagegen war eine Erwärmung nur verzögert bei KF und keine Erwärmung bei den untersuchten Werkstücken detektierbar.
Beispiel 11
Untersuchung zum Adsorptionsverhalten von Folien und Scheiben des Adsorptionsmaterials.
Es wurden Folien aus Aluminium (AF), expandiertem Graphit (eGF) und Scheiben eines Weißblechs
(WB) in den Materialstärken 100 und 200μιτι verwendet, die jeweils als Rundformate vorlagen, mit einem Durchmesser von 5cm. Ferner wurden Werkstücke mit dem gleichen Durchmesser aus Aluminium (AW) und Stahl (SW) mit einer Materialstärke von 10mm untersucht. Für die Versuche wurden die Folien/Scheibe einzeln (Serie 0) und in Verbindung mit einem der Werkstücke verwandt. Für die Kombination erfolgte in Serie 1 eine unmittelbare adhäsive Fixierung der Folien/Scheibe auf dem Werkstück, sodass ein dazwischen befindlicher Spaltraum < 50μιτι betrug, in Serie 2 -5 erfolgte eine Fixierung mittels einer Wärmeleitfähigkeitsfolie, mit einer Materialstärke von ΙΟΟμιτι in Serie 2, 250μιτι in Serie 3, 500μιτι in Serie 4 und 750μιτι in Serie 5. Es wurden die EM-Energiegebereinheit und die Versuchsanordnung gemäß Beispiel 11 verwandt/ausgeführt. Die Messungen erfolgten in einem Abstand zwischen der EM-Energieabgabefläche des EM-Energiegebers und der Fläche, der als EM- Energienehmer angeordneten Folien/Scheibe, von 8mm (AI) und 20mm (A2) (vgl. Versuch 11). Es wurde die Stromstärke des HF-Schwingkreises gemessen und aufgezeichnet. Eine Erwärmung der EM-Energieaufnehmer sowie der Werkstücke wurde mit einer Infrarotkamera erfasst.
Ergebnisse:
Bei alleiniger Verwendung der EM-Energieaufnehmer (Serie 0) bestand eine hohe Übertragungsleitung elektromagnetischer Energie mit einer Stromstärke von > 3A. Sie wurden dabei instantan heiß. Dagegen kam es in Serie 1 zu keiner oder nur minimale Übertragung elektromagnetischer Energie, mit einer Energieübertragungsleistung von < 1A. In der Serie 2 wurde eine Energieübertragungsleistung erreicht, die zwischen 55 und 80%, der elektromagnetischen Energieübertragungsleitung der Serie 0 entsprach. In den Serien 3 - 5 lag eine Energieübertragungsleitung vor, die der der Serie 0 entsprach. Es wurden sowohl die EM-Energieaufnehmer sowie konsekutiv die über einem Spaltraum wärmeleitend verbundenen Werkstücke erwärmt. Die alleinige Verwendung der Wärmeleitfolien in der gleichen Versuchsanordnung bewirkte keine Übertragung elektromagnetischer Energie.
Beispiel 12
Untersuchung zur Bündelung eines elektromagnetischen Energiefelds.
Für die Herstellung einer Spule wurde als elektrischer Leiter ein Kupferdraht mit einer Querschnittsfläche (QF) von 0,1 xxmm2 (KD1) sowie 0,5 mm2 (KD2) einer multifilamentären Kupferdrahtlitze mit einer QF von 2,5 mm2 (KL), die jeweils vollflächig mit einem Lack oder Kunststoffüberzug elektrisch isoliert waren, verwandt. Es wurden Drahtlängen von 25cm (LI), 50cm (L2) und 100cm (L3) verwandt und mit den Drahtenden der Schwingkreis eines HF- Wechselstromgenerators (Schwingkreisfrequenz von 55kHz) geschlossen. Dabei war die maximal mögliche Energieübertragungsleistung durch eine entsprechende Einstellung des HF-Spannungsgeber auf 100W (PI) und 500W (P2) begrenzt.
Die Drähte wurden in unterschiedlicher Anordnung auf eine massive Holzplatte gelegt, bzw. durch Kunststoffklemmvorrichtungen in einer definierten Geometrie/räumlichen Ausrichtung angeordnet: AI) bogenförmig-planar mit maximal möglicher Entfernung der Drahtanteile untereinander, A2) wie bei AI) aber in einem Bereich kreisförmig, A3) wie A2) aber 2 kreisförmige Windung des Drahtes, die übereinander gelegt waren. Die Versuche wurden wiederholt, wobei in einem Drahtabschnitt, der bei A2 und A3 innerhalb der Windung(en) lag, ein Zylinderstück mit einem Durchmesser von 1cm und einer Länge von 10mm angelegt wurde, der bestand aus: Eisen (E), Glas (G), gesinterter Ferrit (F), die Versuchsdurchführung wurde entsprechen gekennzeichnet. In einer Versuchswiederholung wurde ein EM-Energieaufnehmer, bestehend aus einem Weißblech, in einem Anstand von 10mm über einen Abschnitt des Drahtes bei AI) und über die Windung (A2 und A3)) bzw. über den Bereich des eingelegten Zylinderstücks mittels eine Halterungsvorrichtung angeordnet. Es wurde die Stromstärke des HF-Schwingkreises gemessen und aufgezeichnet. Der Stromfluss (Ampere), der in dem Schwingkreis ohne eine Übertragung eines elektromagnetischen Energiefeldes auf einen EM- Energieaufnehmer vorlag, wurde als interne Verlustleistung (IVL) bezeichnet. Eine Erwärmung des Drahts oder eines Zylinderstücks wurde mit einer Infrarotkamera erfasst.
Ergebnisse:
Bei der Anordnung AI bestand ein IVL zwischen 0,22 und 0,44A. Bei Anordnung A2) kam es zu einem deutlichen Anstieg der IVL auf 0,45 bis 1,3A. Bei der Anordnung A3) stieg die IVL weiter an und führte bei allen Drähten zu einer deutlichen Erwärmung, sodass der Versuch vorzeitig abgebrochen werden musste bei P2 mit den Drähten KD2 und KL. Die Anlagerung eines Glaszylinders hatte keinen Einfluss auf die IVL Bei Verwendung eines Eisenzylinders kam es zu einem erheblichen Anstieg der IVL, die Stromstärke betrug nicht unter 2,5A. Aufgrund der Erwärmung auf > 80°C des Drahtes und/oder des Eisenzylinders wurden die Versuche vorzeitig beendet. Bei Annäherung des Ferritzylinders kam es zu einer deutlichen Reduktion der IVL -35 bis -65% bei AI) und zwischen -75 bis -260% bei A2) und A3). Bei keinem der Versuche hiermit kam es zu einer Erwärmung des Drahts bzw. des Ferriten über 50°C. Die Versuchsdurchführung mit einem EM-Energieaufnehmer zeigte, dass bei der Anordnung AI) eine minimale Übertragung elektromagnetischer Energie erfolgte, erkenntlich durch eine Zunahme der Stromstärke um 15 bis 28%. Die Energieübertragungsleistung war bei der Anordnung A2) moderat höher (+ 20 bis 65%) und wurde durch die Anordnung A3) nur gering weiter erhöht (+ 24 bis 75% gegenüber AI)). Die Anlagerung eines Glaszylinders hatte keinen Einfluss auf dieses Ergebnis. Versuche mit einem Eisenzylinder wurden aufgrund der hohen IVL nicht durchgeführt. Bei Verwendung eines Ferritzylinders kam es bei der Anordnung AI) zu einem Anstieg der Stromstärke um 72 bis 125%, und bei der Anordnung A2) um + 255 bis 340% und der Anordnung A3) um 420 bis 735%. Es kam bei keinem der Versuche zu einer Erwärmung des Drahts oder des Ferriten über 55°C. Dagegen kam es zu einer unmittelbaren Erwärmung/Erhitzung des EM-Energieaufnehmers auf Temperaturen von > 100°C. Beispiel 13
Untersuchungen zur Bündelung und Abstrahlung eines elektromagnetischen Energiefelds.
Für die Untersuchung wurden Ferritformguss-Körper verwandt, die eine E-Bauform hatten und entweder in offener Form (Fl) oder in geschlossener Form (F2), d.h. in Form einer Halbschale mit einem zentralen Ring, vorlagen. Es wurde ein isolierter Kupferdraht mit einer (Ul), zwei (U2) und drei (U3) Umwindung um die Basisplatte von Fl oder entsprechend um den zentralen Ring von F2 gelegt und mit den Drahtenden ein Schwingkreis wie in Bsp. 12 geschlossen. Es wurde ein EM- Energieaufnehmer, der aus einem Verbund aus einer Aluminiumfolie und einer Graphitfolie bestand, den Ferritformguss-Körpern von allen Seiten angenähert: von seitlich, an die Seite der Basisplatte und an der offenen, der Basis gegenüberliegenden Seite, jeweils im Abstand von 10mm. Während der Versuchsdurchführung wurde die Stromstärke des HF-Schwingkreises gemessen und wie in Beispiel 12 die interne Verlustleistung IVL ermittelt und für die Abschätzung des übertragenen elektromagnetischen Energiefeldes auf einen EM-Energieaufnehmer verwandt. Eine Erwärmung des Drahts oder eines Ferriten bzw. des EM-Energieaufnehmers wurde mit einer Infrarotkamera erfasst. Ergebnisse:
Die IVL lag bei allen Anordnungen in einem Bereich zwischen 50 bis 200mA. Bei einer Annäherung des EM-Energieaufnehmers an die der Basisplatte gegenüberliegenden Seite kam es zu einem Anstieg der Stromstärke auf 3,3 bis 5A, der EM-Energieaufnehmer wurde instantan heiß. Bei einer Annäherung des EM-Energieaufnehmers von einer Seite kam es bei Fl) zu einem Anstieg der Stromstärke bis maximal 1,2A bei F2) kam es nur zu einem minimalen Anstieg, der maximal 0,6 A betrug. Bei einer Annäherung an die Seite der Basisplatte kam es bei F2) zu keinem und bei Fl) zu einem minimalen Anstieg. Der EM-Energieaufnehmer wurde bei diesen Versuchen praktisch nicht erwärmt. Beispiel 14
Untersuchung zur Steuerung von Funktionseinheiten von EM-Energieaufnehmerelementen.
Die folgenden Systemkomponenten wurden verwandt: EM-Energiegebereinheit umfassend: ein Netzteil, 2 HF-Spannungsgeber + HF-Wechselstromgeneratoren, einen RF-Empfänger, ein Steuerungs-/Regelmodul. Der EM-Energiegeber bestand aus einem Ferrit-Formstück in Form einer Halbschale (Durchmesser 5cm), die zentral eine ringförmige Auskragen hatte mit einem Durchmesser von 1,5 cm. Die Auskragung und der Schalenrand hatten eine Aufbauhöhe gegenüber der Basisplatte von 10mm. Zwischen dem Schalenrand und dem Ring wurde eine isolierte Kupferdrahtlitze mit 5 Umwindungen eingelegt. In den Raum, den die ringförmige Auskragung begrenzte, wurde eine Feldspule eingelegt. Die Anschlüsse der Spulendrähte an die HF-Wechselstromgeneratoren wurden durch Durchtrittsöffnungen der Basisplatte geführt. Die Feldspule wurde in einen 180kHz- Schwingkreis und die Kupferdrahtlitze in einen 50kHz-Schwingkreis eingekoppelt. Das Empfangssignal des RF-Funkempfängers wurde an das Steuerungs-/Regelmodul geleitet, mit dem es verbunden war. Das Steuerungs-/Regelmodul war über eine Steuerleitung mit den HF-Spannungsgebern verbunden. Das EM-Energieaufnehmerelement umfasste folgende Komponenten: einen EM-Energieaufnehmer, eine HF-Induktionsspule, einen Temperaturmessdraht, einen RF-Sender.
Der EM-Energieaufnehmer bestand aus einer Graphitfolie (Durchmesser 5cm), die zentral eine runde Aussparung (15mm) hatte. Ferner bestand eine Aussparung in einem Randbereich. Die Folie war mittels einer keramischen Wärmeleitfolie mit einem Aluminiumkegel verbunden. Im Bereich des zentralen Ausschnitts der Folie hatte der Kegel eine Vertiefung, in die die HF-Induktionsspule eingebracht und befestigt wurde. Es bestand ein elektrischer Anschluss mit dem Temperaturmessdraht und dem RF-Funksender. Der RF-Funksender war auf einer Ferritplatte angebracht, die im Bereich der am Rand des EM-Energieaufnehmers befindlichen Aussparung direkt mit dem Kegel verbunden war.
Zur Versuchsdurchführung wurde das EM-Aufnehmerelement in einem Glas so platziert, dass die Kegelbasis auf dem Behältnisboden auflag. Das Glas war seitlich mit einer Vorrichtung verbunden, die eine frei Höhenverstellbarkeit gegenüber dem EM-Abgabebereich der EM-Energiegebereinheit, über der sich dieses befand, möglich war. Es erfolgten Versuche bei einem Abstand zwischen 1 und 10cm. Im Abstand von 50 cm wurde die Feldstärke von aus dem Glas emittierten Elektromagnetwellen im Radiofrequenzbereich ermittelt.
Ergebnisse:
Der elektrische Betrieb des RF-Senders in dem EM-Energieaufnehmerelement konnte bei allen Positionierungen und während der Erhitzung des EM-Energieaufnehmers störungs- und unterbrechungsfrei gewährleistet werden, was erkenntlich war, an einer kontinuierlich aktualisierten Temperaturmesswertangabe, die an einem Display des Steuerungs-/Regelmoduls sichtbar war, und die erhalten wurde durch die RF-Funksignalübermittlung an den RF-Funkempfänger der EM- Energieabgebereinheit. An der Leistungsaufnahme des HF-Spannungsgebers des Spulenschwingkreises wurde ersichtlich, dass mit zunehmender Entfernung des EM- Energieaufnehmerelements von EM-Energieabgabeeinheit, eine durch das Steuerungs-/Regelmodul automatisch vollzogene Erhöhung der Übertragungsleistung, vorgenommen wurde. Anhand der gemessenen Temperaturwerte konnte eine adaptative Steuerung der Leistungsaufnahme des Schwingkreises des EM-Energieabgebers gesteuert werden. Außerhalb des mit Wasser gefüllten Glases kam es während aller Versuchsbedingungen zu keiner Überschreitung einer zulässigen Signalstärke/Singalpegel einer elektromagnetischen-Wellenstrahlung im Radiofrequenzbereich.

Claims

Ansprüche
Vorrichtungen zur kontrollierten und kontaktlosen und direkten Erwärmung und/oder Temperierung von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen, gekennzeichnet durch,
a) eine elektromagnetische Energiegebereinheit, umfassend mindestens einen
Hochfrequenz-Spannungsgeber, mindestens einen Hochfrequenz- Wechselstromgenerator, mindestens einen elektromagnetischen Energieabgeber, bestehend aus mindestens einer Spule eines elektrischen Leiters und mindestens einem Ferrit, sowie mindestens eine Funktionseinheit, umfassend mindestens einen elektromagnetischen Empfänger, mindestens eine Regel- und Steuereinheit und/oder mindestens eine manget- oder elektromagnet-basierte
Antriebsvorrichtung,
wobei der mindestens eine Ferrit aus einer Basis und mindestens einer
Auskragung besteht und wobei der elektrische Leiter zumindest einen Teil der Basis und/oder der mindestens eine Auskragung mindestens einmal unter Ausbildung einer Spule umwindet und wobei der elektrische Leiter in mindestens einen Schwingkreis mit einer Schwingkreisfrequenz zwischen 10 Hz und 1 MHz des mindestens einen Hochfrequenz-Wechselstromgenerators eingekoppelt ist, unter Erzeugung eines elektromagnetischen Energiefeldes im Bereich der Spule, welches durch den mindestens einen Ferrit gebündelt und das
elektromagnetische Energiefeld in einem Energieabgabebereich emittiert wird, der sich gegenüber der Basis, sowie im Falle des Vorhandenseins von mehr als einer Auskragung, gegenüber der Basis und in einem Bereich zwischen den Auskragungen befindet;
und
b) ein elektromagnetisches Energieaufnehmerelement, umfassend mindestens einen
elektromagnetischen Energieaufnehmer und mindestens einen
Wärmeübertragungskörper und mindestens eine Funktionseinheit, umfassend mindestens eine Temperaturmessvorrichtung, einen Hochfrequenz-Sender, eine Hochfrequenz-Induktionsspule, einen Magneten, ein magnetisierbares Material und/oder eine magnetisierbare Spule und/oder einen Sensor zur Bestimmung physikalischer Zustände, insbesondere von Temperatur, Druck, Geschwindigkeit, und wobei
sich das elektromagnetische Energieaufnehmerelement im elektromagnetischen Nah- und/oder Fernfeld des elektromagnetischen Energieabgebers der
elektromagnetischen Energiegebereinheit befindet und die Ebenen des
elektromagnetischen Energieabgabebereichs und des elektromagnetischen
Energieaufnehmers flächenparallel ausgerichtet sind.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem sich das elektromagnetische
Energieaufnehmerelement in einer/einem Flüssigkeit/Feststoff befindet, die/der in einem Behältnis vorliegt, welches aus einem Material besteht, das das anliegende
elektromagnetische Energiefeld nicht oder nur gering adsorbiert.
3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, bei dem die Temperatur einer Oberfläche des elektromagnetischen Energieaufnahmelelements und/oder des umgebenden Mediums durch mindestens eine Funktionseinheit des elektromagnetischen
Energieaufnahmelelements bestimmt und mittels eines Funksignals von dem
elektromagnetischen Energieaufnahmelelement an einen Funksignalempfänger der elektromagnetischen Energiegebereinheit störungsfrei und kontinuierlich übermittelt wird und hiermit eine Regelung der elektromagnetischen Energieübertragungsleistung der elektromagnetischen Energiegebereinheit vorgenommen wird.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das elektromagnetische
Energieaufnehmerelement neben einer Erwärmung/Temperierung auch eine Durchmischung einer in einem Behältnis befindlichen Flüssigkeit vollzieht.
5. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem durch eine Funktionseinheit oder mehrere Funktionseinheiten des elektromagnetischen Energieaufnehmerelements eine Messung der tatsächlich in dem umgebenden Medium vorliegenden Temperatur erfolgt, welche durch ein Funksignal an die elektromagnetischen Energiegeberreinheit übermittelt wird und hier eine automatische Regelung der Energieabgabe der elektromagnetischen
Energie des elektromagnetischen Energiegebers anhand einer Soll/Ist-Wertbestimmung erfolgt, die eine einstellbare gradgenaue Erwärmung/Temperierung von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen gewährleistet.
6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die elektromagnetische
Energiegebereinheit mindestens zwei unterschiedliche elektromagnetische Energiefelder zeitgleich und/oder alternierend bereitstellt.
7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine störungsfreie Hochfrequenz- Signalübertragung, zwischen einer Hochfrequenz-Signalübertragungseinheit eines elektromagnetischen Energieaufnahmeelements, das sich in einem flüssigen Medium befindet und einer elektromagnetischen Energiegebereinheit erfolgt und wobei gleichzeitig und unmittelbar angrenzend/umgrenzend an das elektromagnetische Energiefeld, mit dem die Hochfrequenz-Signalübertragung erfolgt, ein elektromagnetisches Energiefeld, das zur Wärmeerzeugung geeignet ist, angelegt ist.
8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der elektromagnetische
Energieaufnehmer aus einer oder mehreren Folien/Scheiben aus einem oder mehreren
Adsorptionsmaterialien, die eine Adsorption elektromagnetischer Energie ermöglichen, besteht.
9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zwischen dem
elektromagnetischen Energieaufnehmer und einem Wärmeabgabekörper des
elektromagnetischen Energieaufnehmerelements ein Spaltraum vorliegt, in dem sich ein wärmeleitendes Material befindet, mit dem/durch das keine Adsorption des anliegenden elektromagnetischen Energiefeldes erfolgt.
10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem ein elektromagnetisches
Energiefeld gebündelt und in das Nah-/Fernfeld abgestrahlt wird und von einem elektromagnetischen Energieaufnehmer in der gebündelten Form im Nah-/Fernfeld des elektromagnetischen Energiegebers adsorbiert und in eine thermische Energie umgewandelt wird.
11. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das elektromagnetische
Energieaufnahmeelement eine Selbstausrichtung in einer Flüssigkeit infolge der seiner
Geometrie und/oder seines Masseschwerpunktes vollzieht oder bei dem eine manuelle Positionierung des elektromagnetischen Energieaufnahmeelements durch eine
sensorbasierte Positionserkennung des elektromagnetischen Energieaufnahmeelements gesteuert wird, wodurch eine flächenparallele Ausrichtung des elektromagnetischen Energieabgabebereiches und des elektromagnetischen Energieaufnehmers erfolgt.
12. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 11, bei dem neben der Erhitzung und/oder Temperierung gleichzeitig eine Durchmischung der Flüssigkeit und/oder des schmelzbaren Feststoffs erfolgt, wobei eine manget- oder elektromagnet-basierte Antriebsvorrichtung der elektromagnetischen Energieabgabeeinheit rotiert bzw. elektronisch angesteuert wird, wodurch ein bewegtes Magnetfeld im elektromagnetischen
Energieabgabebereich erzeugt wird, das mit mindestens einem magnetischen oder magnetisierbaren Bereich des elektromagnetischen Energieaufnehmerelements magnetisch gekoppelt wird und wodurch eine Bewegung des elektromagnetischen Energieaufnehmerelements ausgeführt wird.
13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 12, bei dem das elektromagnetische
Energieaufnahmeelement eine reaktive und/oder reaktionsfördernde
Oberflächenbeschichtung aufweist.
14. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 - 13, bei der eine zu beheizende Flüssigkeit und/oder eines zu beheizenden Feststoffs, in einem nicht-metallischen Behältniss, kontaktlos und gradgenau erwärmt und/oder erhitzt wird, unter Messung der hierin tatsächlich vorliegenden Temperatur und automatischer Regelung der elektromagnetischen
Energieabgabe, mit oder ohne gleichzeitiger Durchmischung durch eine Agitation des elektromagnetischen Energieaufnahmeelements.
15. Verfahren zur kontrollierten und energieeffizienten und direkten Erwärmung und/oder Temperierung von Flüssigkeiten und/oder verflüssigbaren Feststoffen, ausführbar insbesondere mittels einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
1 Erzeugung von mindestens einem gebündelten und gerichteten elektromagnetischen Energiefeld und Abgabe des elektromagnetischen Energiefelds in einen
elektromagnetischen Energieabgabebereich, das bereitgestellt wird durch einen elektromagnetischen Energieabgeber einer elektromagnetischen
Energieabgabeeinheit,
wobei der elektromagnetische Energieabgeber mindestens eine Spule umfasst, die aus mindestens einem elektrisch leitfähigen Draht oder einer elektrisch leitfähigen Folie ausgeführt ist, insbesondere welche in Form einer mindestens einfachen kreisförmigen
Anordnung vorliegt, die um mindestens ein Bauelement eines Ferritkörpers mindestens einmal gewunden ist, und
wobei der mindestens eine Draht oder die mindestens eine Folie mit einem Hochfrequenz-Wechselstromgenerator verbunden ist und der mindestens eine Draht oder die mindestens eine Folie mit einem elektrischen Strom eines elektrischen Schwingkreises gekoppelt ist oder durch Kopplung mit dem mindestens einen elektrischen Schwingkreis eines Hochfrequenz-Wechselstromgenerators mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird, wobei der elektrische Wechselstrom eine Frequenz zwischen 10 Hz und 1 MHz vollzieht, und
wobei ein Ferritköper mindestens eine Basis und mindestens eine Auskragung aufweist und der mindestens eine Draht oder die mindestens eine Folie zumindest einen Teil der Basis und/oder der Auskragung mindestens einmal umwindet und sich der Energieabgabebereich gegenüber der Basis, sowie im Falle des Vorhandenseins von mehr als einer Auskragung, gegenüber der Basis und in einem Bereich zwischen den Auskragungen befindet;
Anordnen und ausrichten eines elektromagnetischen Energieaufnehmerelements, bestehend aus mindestens einem elektromagnetischen Engergieaufnehmer und einem Wärmeübertragungskörper sowie mindestens einem Funktionselement, umfassend eine Temperaturmessvorrichtung, einen HF-Induktionsstromgenerator und einen Funksender, in einem flüssigen Medium oder schmelzbaren Feststoff, wobei eine Anordnung des Energieaufnehmerelements in dem Nah- oder Fernfeldbereich des elektromagnetischen Energiefelds des elektromagnetischen Energiegebers erfolgt und wobei
die elektromagnetische Energieaufnahmeebene oder der elektromagnetische
Energieaufnehmer des Energieaufnehmerelements flächenparallel zur Fläche des elektromagnetischen AbStrahlungsbereiches oder des elektromagnetischen
Energieabgabebereiches, insbesondere horizontal zur Ausbreitungsrichtung des elektromagnetischen Energiefeldes verläuft, das von dem Energieabgeber abgegeben wird,
-la. Aufnahme oder Adsorption des mindestens einen elektromagnetischen Energiefeldes durch mindestens einen Energieaufnehmer des Energieaufnahmeelements, wobei eine Wandlung der elektromagnetischen Energie in thermische und/oder elektrische Energie erfolgt, und
wobei der mindestens eine Energieaufnehmer für die Aufnahme oder Adsorption der elektromagnetischen Energie und Erzeugung von thermischer Energie, in Form mindestens einer Folie und/oder Scheibe ausgestaltet ist, welche aus einem Metall und/oder Kohlenstoff besteht, und
wobei die Aufnahme oder Adsorption der elektromagnetischen Energie und Wandlung in elektrische Energie durch eine Hochfrequenz-Induktionsspule erfolgt, und
-1 b Übertragung der in dem mindestens einen Energieaufnehmer bereitgestellten
thermischen Energie auf einen Wärmeabgabekörper, wobei die Übertragung durch eine wärmeleitende Verbindung erfolgt, und Abgabe der thermischen Energie an das umgebende Medium, und
-lla wobei die Aufnahme und Adsorption des elektromagnetischen Energiefelds durch eine Hochfrequenz-Induktionsspule des HF-Induktionsstromgenerators des
Energieaufnahmeelements erfolgt und die adsorbierte elektromagnetische Energie durch den HF-Induktionsstromgenerator in einen elektrischen Gleichstrom gewandelt wird und
3-11 Bereitstellung einer elektrischen Gleichspannung für mindestens eine elektronische Funktionseinheit des Energieaufnahmeelements, wobei die mindestens eine elektronische Funktionseinheit insbesondere eine Temperaturmessvorrichtung und einen Funksender zur Übertragung von Messdaten mittels elektromagnetischer Wellen umfasst,
3-111 Kontinuierliche Bestimmung von mindestens einer Temperatur des das
Energieaufnahmeelement umgebenden Mediums/Feststoffsund Übertragen der Messdaten an einen Funksender,
4 Übertragung der Messdaten von mindestens einer der Funktionseinheiten des
Energieaufnehmerelements auf mindestens eine Funkempfängereinheit der
Energieabgabeeinheit, wobei insbesondere die Messdaten einer
Temperaturbestimmung übertragen werden,
5a Empfang des Funksignals des Funksenders durch den Funkempfänger und Wandlung der Funksignale in eine elektrische Spannung oder Impuls und übertragen der Spannung/des Impulses an eine Kontroll- und Steuereinheit der Energiegebereinheit,
5b Regelung der maximalen Leistungsaufnahme des mindestens einen Hochfrequenz- Wechselstromgenerators der Energiegebereinheit anhand einer Soll-/lstwert- Berechnung durch die Kontroll- und Steuereinheit, unter Verwendung der in Schritt 4 übertragenen Messdaten als Ist-Wert und eines Soll-Wertes, der an einer
Steuereinheit der Energiegebereinheit einstellbar ist,
6 Erwärmen/Temperieren des umgebenden Mediums durch das EM- Energieaufnehmerelement in Schritt 3-1 b bis auf eine Temperatur gemäß der Soll- Vorgabe in Schritt 5b und/oder Konstanthaltung der Solltemperatur in dem umgebenden Medium/Feststoff.
16. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem das elektromagnetische Energiefeld des Nah- und Fernfelds des Energieabgebers, das eine messbare Erwärmung eines Energieaufnehmers bewirkt, sich in einem Bereich zwischen 3 mm und 10 cm oberhalb der Energieabgabefläche eines Energiegebers befindet.
17. Verfahren gemäß Anspruch 15 und 16, bei dem eine wärmeleitende Verbindung zwischen einem Energieaufnehmer oder mehreren Energieaufnehmern und einem
Wärmeabgabekörper oder mehreren Wärmeabgabekörpern durch ein wärmeleitendes Material erfolgt, bei dem keine Adsorption des angelegten elektromagnetischen Energiefelds stattfindet und dieses Material eine Spaltbildung und/oder einem Abstand zwischen dem einem Energieaufnehmer oder mehreren Energieaufnehmern und dem einem
Wärmeabgabekörper oder mehreren Wärmeabgabekörpern bedingt.
18. Verfahren gemäß den Ansprüchen 15 bis 17, bei dem die Übertragung der Messdaten mittels elektromagnetischer Strahlung im Radiofrequenzbereich erfolgt und bei dem die Signalstärke der elektromagnetischen Strahlung oder ein Signalpegel der elektromagnetischen Strahlung des Funksenders, die aus der Flüssigkeit oder dem verflüssigbaren Feststoff emittiert wird, in einem vorgegebenen Bereich einer Signalintensität gehalten wird, indem die durch den Funkempfänger gemessene Signalstärke und/oder der durch den Funkempfänger gemessene Signalpegel durch eine Regelung der Energiemenge, die durch einen oder mehrere
Energiegeber erzeugt und abgegeben wird/werden, eingestellt wird.
19. Verfahren gemäß den Ansprüchen 15 bis 18, bei dem sich keine der Oberflächen der
Energieabgabeeinheit und des Energieaufnahmeelementes berühren und sich das
Energieaufnahmeelement in einer zu erwärmenden und/oder temperierenden Flüssigkeit und/oder Feststoff befindet, die/der in einem Behältnis vorliegt, das das elektromagnetische Energiefeld der Energiegebereinheit nicht adsorbiert.
20. Verfahren gemäß den Ansprüchen 15 bis 19, bei dem in Schritt 5b, eine Regelung der
maximalen Leistungsaufnahme des Hochfrequenz-Wechselstromgenerators der
Energiegebereinheit erfolgt, wobei der Impuls oder die elektrische Spannung, der/die in
Schritt 5a erhältlich ist, den Istwert eines Signalpegels oder einer Signalstärke des Funksignals der Funksendeeinheit des Energieaufnahmeeinheit repräsentiert, der/die außerhalb des flüssigen Medium oder des Feststoffs durch die Funkempfängereinheit bestimmt wird, und die Regelung anhand eines Abgleichs für den Sollwertebereich des Signalpegels und/oder der Signalstärke des Funksignals, das außerhalb des flüssigen Medium oder außerhalb des
Feststoffs messbar ist, durch die Kontrolleinheit vorgenommen wird.
21. Verfahren gemäß den Ansprüchen 15 bis 20, bei dem mindestens zwei elektromagnetische Energiefelder von der Energieabgabeeinheit bereitstellt werden, die durch eine identische oder abweichende Frequenz des elektrischen Schwingungskreises, welcher die eine Spule oder die mehreren Spulen durchfließt, erhalten wird und bei dem die elektromagnetischen
Energiefelder sich überlagern und/oder über räumlich getrennte Bereiche abgegeben werden und die mindestens zwei elektromagnetischen Energiefelder in der
Energieaufnahmeeinheit in Wärme und in elektrische Energie umgewandelt werden.
22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 21, bei dem durch Schritt 5b eine
überhitzungsfreie Erwärmung und/oder Temperierung von Flüssigkeiten oder verflüssigbaren
Feststoffen gewährleistet wird.
23. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 22, bei dem die Energieeffizienz insbesondere dadurch erreicht wird, indem eine Verfahrensdurchführung unter Verwendung eines Energieaufnehmers erfolgt, der aus einer oder mehrerer Folien und/oder Scheiben, vorzugsweise bestehend aus Aluminium, Weißblech oder Graphit, die einzeln oder kombiniert in einem Verbund vorliegen, besteht und bei dem zwischen dem Energieaufnehmer und dem Wärmeübertragungskörper ein Spaltraum und/oder Abstand besteht, der ein zur Wärmeübertragung geeignetes Material enthält, das keine Adsorption des angelegten elektromagnetischen Energiefelds vollzieht.
24. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 23, bei dem sich die Flüssigkeit und/oder ein
Feststoff in einem Behältnis aus Glas, Keramik, einem Kunststoff oder Cellulosematerialien befindet/befinden.
25. Verwendung eines EM-Energieaufnahmeelements als Thermokatalysator, erhältlich aus einem der Ansprüche 1 bis 24.
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