Avaa päävalikko

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.

Sisällysluettelo

ToimintaperiaateMuokkaa

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 järkkyy. Positiivisesti varautuneet hiukkaset siirtyvät hiukan kentän suuntaan ja negatiivisesti varautuneet vastakkaiseen suuntaan. Kun sitten ulkoisen sähkökentän suunta vaihdetaan vastakkaiseksi tapahtuu vastaava siirtyminen toiseen suuntaan. Mitä nopeammin kentän suuntaa vaihdetaan ja mitä voimakkaampi sähkökenttä on sitä nopeampia ja suurempia nämä muutokset ovat. Tästä aineen sisällä olevien varausten värähtelystä johtuen aine lämpenee.

Lämmitettävään aineeseen siirtyy energiaa sähkökentästä seuraavan kaavan mukaan[1]:

 
P = tehotiheys aineessa (W/m3)
f = sähkökentän taajuus (Hz)
ε0 = tyhjön permittiivisyys (8,854*10-12 F/m)
εr = aineen suhteellinen permittiivisyys (1)
tanδ = aineen häviötangentti (1)
E = sähkökentän voimakkuus (V/m).

Energian siirtyminen riippuu paitsi käytetystä taajuudesta ja kentänvoimakkuudesta myös itse aineesta. Tätä kuvaa tulo εr·tanδ. Nämä tekijät riippuvat paitsi kuumennettavasta aineesta myös käytetystä taajuudesta. Joitakin aineita on helppo kuumentaa. Vesi tai vettä sisältävät tuotteet lämpiävät helposti suurtaajuuskentässä. Toiset aineet kuten esimerkiksi jotkut muovit (polyeteeni (PE), polypropeeni (PP) ja polytetrafluorieteeni (PTFE)) eivät lämpiä merkittävästi suurtaajuuskentässä. Niitä voidaankin käyttää laitteen rakenteissa.

Lämmönkehitys puolestaan voidaan laskea kaavasta:

 
P = lämmitysteho tilavuusyksikköä kohden (W/m3)
ΔT = lämpötilan muutos (°C)
ρ = aineen tiheys (kg/m3)
cp = aineen ominaislämpö (J/kg °C)
Δt = lämmitysaika (s).

Sovellutuksissa käytettävät taajuudet ovat niin sanottuja ISM-taajuuksia.

SovellutuksiaMuokkaa

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 sähköisesti suljetussa tilassa, joka on mitoitettu niin että se resonoi (värähtelee) käytettävällä taajudella.

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 tyypilliseti tuhansia voltteja 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. Jotkut muovit lämpenevät nopeasti suurtaajuuskentässä. Laitteessa liitettävät muovit painetaan yhteen elektrodina 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).

LähteetMuokkaa

  • Orfeuil, M. 1987. Electric Process Heating. Batelle Press 7:519-584.
  • Venkatachari Rajagopalan: Sähkölämpötekniikat, suomeksi toimittanut M.Peräniitty 1995, OTATIETO 558.

ViitteetMuokkaa

  1. Venkatachari Rajagopalan: Sähkölämpötekniikat, suomeksi toimittanut M.Peräniitty 1995, OTATIETO 558.