Dielektrinen kuumennus

Dielektrinen kuumennus tarkoittaa kiinteän kappaleen tai nesteen lämmittämistä nopeasti vaihtelevalla sähkökentällä. Oleellista on, että lämmitettävä aine johtaa huonosti sähköä ts. se on sähköisesti eriste. Yleisin sovellus on mikroaaltouuni. Muita käyttökohteita ovat esimerkiksi puun liimaus ja muovien saumaus. Menetelmän etuna on lämmön kehittyminen suoraan aineen sisällä. Tällöin lämpöä huonosti johtavia aineita voidaan lämmittää nopeasti sisältä päin.

Toimintaperiaate

Aine koostuu atomeista ja molekyyleistä. Vaikka nämä ovat ulospäin sähköisesti neutraaleja ne kuitenkin koostuvat protoneista (positiivinen varaus) ja elektroneista (negatiivinen varaus). Lisäksi myös eristeaineessa voi olla pieni määrä vapaita varauksen kuljettajia (elektroneja tai ioneja). Kun tällainen aine joutuu ulkoiseen sähkökenttään, sen sähköinen tasapaino häiriintyy. Positiivisesti varautuneet hiukkaset siirtyvät hiukan kentän suuntaan ja negatiivisesti varautuneet vastakkaiseen suuntaan. Kun ulkoisen sähkökentän suunta vaihdetaan vastakkaiseksi, tapahtuu vastaava siirtyminen toiseen suuntaan. Mitä suuremmalla taajuudella kentän suunta vaihtuu ja mitä voimakkaampi sähkökenttä on, sitä nopeampaa ja suurempaa tämä liike on. Tämä aineen sisältämien varausten värähtely lämmittää aineen.

Lämmitettävään aineeseen absorboituu energiaa sähkökentästä seuraavan kaavan mukaan:

$P=2\pi f\epsilon _{0}\epsilon _{r}tan(\delta )E^{2}$,

missä

P = tehotiheys aineessa (W/m³)

f = sähkökentän taajuus (Hz)

ε₀ = tyhjön permittiivisyys (8,854*10^-12 F/m)

ε_r = aineen suhteellinen permittiivisyys

tan(δ) = aineen häviötangentti

E = sähkökentän voimakkuus (V/m).

Energian siirtyminen riippuu paitsi käytetystä taajuudesta ja kentänvoimakkuudesta myös lämmitettävän aineen ominaisuuksista. Tätä kuvaa tulo ε_rtan(δ). Nämä aineen ominaisuudet riippuvat myös käytetystä taajuudesta. Joitakin aineita on helppo kuumentaa. Vesi tai vettä sisältävät tuotteet lämpiävät helposti suurtaajuuskentässä koska vesimolekyyli on poolinen. Toiset aineet kuten esimerkiksi jotkut muovit (polyeteeni (PE), polypropeeni (PP) ja polytetrafluorieteeni (PTFE)) eivät lämpiä merkittävästi suurtaajuuskentässä. Niitä voidaankin käyttää kuumennuslaitteen rakenteissa.

Kohteen lämpeneminen puolestaan voidaan laskea kaavasta:

$\Delta T={\frac {P}{\rho c_{p}}}\Delta t$

ΔT = lämpötilan muutos (°C)

P = lämmitysteho tilavuusyksikköä kohden (W/m³)

ρ = lämmitettävän aineen tiheys (kg/m³)

c_p = aineen ominaislämpö (J/kg °C)

Δt = lämmitysaika (s).

Sovelluksissa käytetään tyypillisesti niin sanottuja ISM-taajuuksia.

Sovelluksia

Mikroaaltouuni on tunnetuin ja yleisin tämän tekniikan sovellus. Tavallisessa kotikäytössä olevassa mikroaaltouunissa käytettävä taajuus on 2450 MHz. Tarvittava sähkökenttä tuotetaan siinä magnetronilla. Itse kuumennus tapahtuu suljetussa metallikotelossa, johon teho syötetään magnetronilta sopivasti kytketyn aaltoputken kautta. Kotelon mitat ovat ainakin kahdessa suunnassa joitakin kertoja syötettävän kentän aallonpituus. Tällaisella resonaattorilla on useita värähtelymuotoja, jolloin kuumennusvaikutus on tasaisempi.

Suurtaajuusliimapuristin on laite, jossa käytetään dielektristä kuumennusta nopeuttamaan esimerkiksi puun liimausta. Laite sinällään on lähes tavanomainen liimapuristin. Siinä kuitenkin on lisäksi erityiset elektrodit, joilla liimattavaan aihioon muodostetaan suurtaajuinen sähkökenttä. Kenttä nostaa nopeasti (muutamassa kymmenessä sekunnissa) tuotteen lämpötilan tyypillisesti 50 ... 70 °C:seen. Tämä nopeuttaa huomattavasti liiman kovettumista. Sähkökenttä tuotetaan erityisellä suurtaajuusgeneraattorilla. Jännite elektrodeilla on tyypillisesti sadoista volteista (V) tuhansiin voltteihin ja käytettävä taajuus tavallisesti 13,56 tai 27,12 MHz. Puristimien suurtaajuustehot vaihtelevat kymmenistä aina satoihin kilowatteihin (kW). Liimattavia tuotteita voivat olla esimerkiksi huonekaluaihiot ja liimapalkit.

Muovien saumaus on yksi tämän tekniikan sovellusalue. Joillakin muoveilla kuten PVC on suuret dielektriset häviöt suurtaajuusalueella. Ne lämpenevät nopeasti suurtaajuuskentässä. Tällöin niitä voidaan helposti liittää yhteen kuumentamalla niitä sähkökentässä. Laitteessa liitettävät muovit painetaan yhteen elektrodeina toimivien leukojen väliin. Kytkemällä suurtaajuinen jännite leukoihin muodostuu niiden välissä oleviin muoveihin voimakas sähkökenttä, joka sulattaa muovit ja ne hitsautuvat kiinni toisiinsa. Näin voidaan valmistaa mm. erilaisia kansiota ja valokuvataskuja. Käytettävä taajuus on tavallisesti 27,12 MHz ja suurtaajuustehot muutamia kilowatteja (kW).