誘電体の高周波加熱方法（誘電乾燥）の物理的基礎
産業技術プロセスでは、誘電体および半導体のグループに属する材料を加熱する必要があることがよくあります。このような材料の代表的なものは、さまざまな種類のゴム、木材、布地、プラスチック、紙などです。
このような材料を電気加熱するには、交流電場にさらされたときに誘電体や半導体が焼き付く能力を利用する設備が使用されます。
この場合、電場のエネルギーの一部が回復不能に失われ、熱に変わるため加熱が発生します（誘電加熱）。
物理的な観点から見ると、この現象は変位エネルギーの消費によって説明されます。 電荷 交流電場の作用によって引き起こされる原子や分子の変化。
製品全体を同時に加熱するため、 誘電加熱 均一で穏やかな乾燥が必要な用途に特に推奨されます。このソリューションは、食品、工業、医療業界で熱に弱い製品を乾燥させ、その特性をすべて保持するのに最適です。
誘電体または半導体に対する電場の影響は、電極と材料の間に直接の電気的接触がない場合でも発生することに注意することが重要です。材料が電極間に作用する電場の領域に存在することのみが必要です。
誘電体を加熱するために高周波電界を使用することは 1930 年代に提案されました。例えば、米国特許第２，１４７，６８９号（１９３７年にベル電話研究所に出願）には、「本発明は、誘電体の加熱装置に関するものであり、本発明の目的は、そのような材料を均一かつ実質的に同時に加熱することである。」と記載されている。
交流電圧が印加される 2 つの平らな電極の形の誘電体と、電極間に配置された加熱された材料を使用して加熱するためのデバイスの最も単純な図が図に示されています。
誘電加熱回路
示されている図は、 電気コンデンサ、そこでは加熱された材料がプレート間の絶縁体として機能します。
有効電力コンポーネントの材料によって吸収されるエネルギー量が決定され、次の比率で求められます。
P = USe·I なぜなら、phi = USe2·w C tg デルタ、
ここで UTo — コンデンサのプレートの電圧。 C はコンデンサの静電容量です。 tg デルタ — 誘電損失角。
注入デルタ (誘電損失の角度) の相補角 fi は最大 90 ° (fi は有効電力成分と無効電力成分の間の変位角) であり、すべての誘電加熱装置では角度が 90 ° に近いため、余弦が次のように仮定できます。ファイはタンジェントデルタにほぼ等しい。
理想的な無損失コンデンサの場合、角度 fi= 90 °、つまり、電流ベクトルと電圧ベクトルは相互に直交し、回路は純粋に 無効電力.
ゼロ以外の誘電損失角の存在は、エネルギー損失を引き起こすため、従来のコンデンサにとって望ましくない現象です。
誘電加熱設備では、まさにこれらの損失が有益な効果を表します。このような設備を損失角デルタ = 0 で動作させることはできません。
平らな平行電極 (平らなコンデンサ) の場合、電極間の材料の単位体積あたりの電力は次の式で計算できます。
Py = 0.555・e daTgdelta、
ここで、f は周波数 (MHz) です。 Ru - 比吸収電力、W / cm3、e - 電界強度、kv / cm。 da = e / do は、材料の比誘電率です。
これは Y です。比較により、誘電加熱の効率は次によって決定されることがわかります。
式の分析が示すように、電界の強度と周波数が増加すると、設置の効率が向上します。実際には、これは特定の制限内でのみ可能です。
4 ～ 5 MHz を超える周波数では、高周波発電コンバータの電気効率が急激に低下するため、より高い周波数を使用すると経済的に不利益になることがわかります。
電界強度の最高値は、処理される材料の特定の種類ごとにいわゆる破壊電界強度によって決まります。
破壊電界の強度に達すると、材料の完全性が局所的に侵害されるか、電極と材料の表面との間に電気アークが発生します。この点で、作業場の強度は常に破壊の強度よりも小さくなければなりません。
材料の電気的特性は、その物理的性質だけでなく、その状態を特徴付ける温度、湿度、圧力などの変数パラメータにも依存します。
これらのパラメータは技術プロセス中に変化するため、誘電加熱装置を計算する際には考慮する必要があります。これらすべての要因の相互作用と変化を正しく考慮することによってのみ、産業における誘電加熱装置の経済的および技術的に有利な使用が保証されます。
高周波接着プレスは、例えば木材の接着を高速化するために誘電加熱を使用する装置です。デバイス自体は、ほとんど通常の接着剤プレスです。ただし、接着する部分に高周波電界を生成するための特別な電極も備えています。現場では製品の温度が急速に (数十秒以内に) 通常 50 ～ 70 °C まで上昇します。これにより、接着剤の乾燥が大幅に加速されます。
高周波加熱とは異なり、マイクロ波加熱は 100 MHz を超える周波数の誘電加熱であり、小さなエミッターから電磁波が放射され、空間を通って物体に向けられます。
最新の電子レンジは、高周波ヒーターよりもはるかに高い周波数の電磁波を使用します。一般的な家庭用電子レンジは 2.45 GHz の範囲で動作しますが、915 MHz の電子レンジもあります。これは、マイクロ波加熱に使用される電波の波長が0.1cmから10cmであることを意味します。
電子レンジではマイクロ波振動が発生します。 マグネトロン付き.
各誘電加熱設備は、周波数変換器発電機と電熱装置 (特殊な形状のプレートを備えたコンデンサ) で構成されています。誘電加熱には高周波（数百キロヘルツから数メガヘルツまで）が必要なためです。
高周波電流で誘電体材料を加熱する技術の最も重要な課題は、処理プロセス全体で必要なモードを確保することですが、加熱、乾燥、または加熱中に材料の電気的特性が変化するという事実により、この問題の解決は複雑になります。材料の状態の他の変化の結果。この結果、プロセスの熱レジームが違反され、ランプ発生器の動作モードが変更されます。
どちらの要素も重要な役割を果たします。したがって、高周波電流で誘電体材料を加熱する技術を開発する場合、処理される材料の特性を注意深く研究し、技術サイクル全体を通じてこれらの特性の変化を分析する必要があります。
材料の誘電率は、その物理的特性、温度、湿度、電界パラメータによって異なります。誘電率は通常、材料が乾燥するにつれて減少し、場合によっては数十倍も変化することがあります。
ほとんどの材料では、誘電率の周波数依存性はそれほど顕著ではないため、一部の場合にのみ考慮する必要があります。たとえば皮膚の場合、この依存性は低周波領域では顕著ですが、周波数が増加すると無視できます。
すでに述べたように、材料の誘電率は、乾燥および加熱プロセスに常に伴う温度変化に依存します。
誘電損失の角度の正接も処理中に一定に保たれるわけではありません。デルタ正接は交流電界のエネルギーを吸収する材料の能力を特徴付けるため、これは技術プロセスの過程に重大な影響を及ぼします。
誘電損失角の正接は、材料の含水量に大きく依存します。一部の材料では、加工プロセスの終了までに接線デルタが初期値から数百倍も変化します。たとえば、糸の場合、湿度が 70% から 8% に変化すると、吸収角の正接は 200 分の 1 に減少します。
素材の重要な特徴は、 破壊電界ストレス この資料によって許可されています。
電界の破壊強度が増加すると、コンデンサのプレート上の電圧が増加する可能性が制限されるため、設置できる電力の上限が決まります。
材料の温度と湿度の上昇、および電界の周波数の上昇は、破壊電界の強度の低下につながります。
乾燥プロセス中に材料の電気パラメータが変化しても、所定の技術モードを確保するには、発電機の動作モードを調整する必要があります。発電機の動作モードを正しく変更することで、動作サイクル全体にわたって最適な状態を実現し、高い設置効率を達成することができます。
動作するコンデンサーの設計は、加熱部品の形状とサイズ、加熱材料の特性、技術プロセスの性質、そして最終的には生産の種類によって決まります。
最も単純な場合は、互いに平行な 2 枚以上の平板で構成されます。プレートは水平にも垂直にもできます。平面電極は、製材、枕木、糸の乾燥、合板の接着などの設備に使用されます。
加熱材料の均一性は、処理対象物の全体積にわたる電場の分布の均一性に依存します。
材料の構造における不均一性の存在、電極と部品の外表面との間の変動する空隙、電極近くの導電性の塊（ホルダー、サポートなど）の存在により、電気的分布が不均一になります。分野。
したがって、実際には、動作コンデンサにはさまざまな設計オプションが使用され、それぞれが特定の技術プロセスに合わせて設計されています。
高周波電場において誘電体を用いて加熱するための設備は、効率が比較的低く、これらの設備に含まれる機器のコストがかなり高くなる。したがって、そのような方法の使用は、さまざまな加熱方法の経済的および技術的指標を徹底的に調査し比較した後にのみ正当化されます。
すべての高周波誘電加熱システムには周波数コンバータが必要です。このようなコンバータの全体的な効率は、電力網から受け取った電力に対するコンデンサ プレートに供給された電力の比として定義されます。
有用作用係数の値は0.4〜0.8の範囲にあります。効率の大きさは、周波数コンバータの負荷によって異なります。一般に、コンバータの効率が最も高くなるのは、通常の負荷がかかった場合です。
誘電加熱設備の技術的および経済的指標は、電熱装置の設計に大きく依存します。後者の設計を適切に選択すると、高い効率と機械時間係数が保証されます。
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