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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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
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    • H05B6/36Coil arrangements
    • H05B6/365Coil arrangements using supplementary conductive or ferromagnetic pieces

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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