NXP Semiconductors Gezielt erwärmen mit HF-Leistungstransistoren

In Mobilfunk-Basisstationen und Sendeanlagen sind HF-Leistungstransistoren zentrale Komponenten. In Fabriken und Prozessanlagen dagegen finden sie sich nur selten. Dabei könnten Anwendungen, bei denen bestimmte Bereiche gezielt zu erwärmen sind, enorm von ihrem Einsatz profitieren.

Einige thermische Prozesse in der Industrie haben sich über Jahrzehnte hinweg kaum verändert. Lebensmittel, Gewebe und Baumaterialien zum Beispiel trocknen gemeinhin immer noch, indem sie einen Ofen durchlaufen, in dem heiße Luft auf sie einwirkt. Kunststoffe werden häufig verklebt oder Klebstoffe ausgehärtet, indem ein beheizter Stempel Druck auf die Verbindungsstelle aufbringt.

Hat das zu behandelnde Material einen ausreichend hohen dielektrischen Verlustfaktor, lässt es sich auch ohne derartige Wärmequelle mithilfe von HF- bzw. Mikrowellenenergie erhitzen (Tabelle 1). Alte thermische Anlagen durch neue Verfahren mit HF-Energie zu ersetzen hat für die Betreiber industrieller Prozesse zum Trocknen, Aushärten und Verkleben zahlreiche Vorteile:

  • Die Erwärmung erfolgt typisch zwei bis zwanzig mal schneller, da die Wärme intern entsteht.
  • Da die Wärmeeinwirkung nur kurz ist, verringern sich schädliche Auswirkungen auf das behandelte Material. Bei der Verarbeitung von Lebensmitteln etwa schont dies die Nährstoffe, und beim Trocknen sinkt die Gefahr, dass sich Risse in den Oberflächen bilden.
  • Da HF-Energie die Umgebungsluft nicht aufheizt, vereinfacht sich das System zur Wärmeübertragung. So können die Verarbeiter zum Beispiel einen in Chargen durchgeführten Prozess durch einen kontinuierlichen Prozess ersetzen, der dazu noch Platz spart.
  • Die Leistung der in das Material eingebrachten HF-Energie und die Dauer der Anwendung lassen sich präzise regeln. Anhand der Informationen von Feuchtigkeits- und Temperatursensoren kann das System die Zufuhr von HF-Leistung sofort unterbrechen, sobald der Sollwert des Feuchtigkeitsgehalts oder der Temperatur erreicht ist.
Materialdielektrischer Verlustfaktor
Wasser12
Getreide0,875
Phenolharz0,320
trockenes Holz 0,150
Papier0,057
Sand (Siliziumoxid) 0,020
Glas0,002
Teflon0,001

 

Tabelle 1: Dielektrische Verluste verschiedener Materialien. Je höher diese Verluste sind, desto leichter lässt es sich mit HF-Energie erwärmen.

Diese Vorteile senken die für den jeweiligen Prozess benötigte Energie, was wiederum die Betriebskosten, den Wartungsbedarf und die Ausfallzeiten senkt. Um beispielsweise Baumwolle von einem Feuchtigkeitsgehalt von 55 % auf 9 % zu trocknen, werden beim Einsatz von Hochfrequenz zur Erwärmung 57 % weniger Energie benötigt als beim Trocknen mit Frischluft und 23 % weniger als beim Einsatz von Druckluft.

Das Schweißen von Kunststoffen ist eine weitere Anwendung, die davon enorm profitieren kann. Herkömmliche Verfahren zum Verschweißen von Kunststoffen arbeiten mit einem beheizten Stempel, der auf zwei Kunststofffolien aufdrückt, bis die Temperatur auf der gesamten Dicke des Materials hoch genug ist, dass es zusammenschmilzt. Die beiden Folien müssen solange zusammengepresst bleiben, bis der Stempel abgekühlt ist. Das bedeutet, dass die Temperatur auf der Oberfläche am höchsten ist, an der eigentlichen Verschweißungsstelle aber deutlich kühler. Außerdem muss der Stempel für jede einzelne Schweißverbindung erhitzt und wieder abgekühlt werden, was Zeit benötigt.

Im Gegensatz hierzu können bei einer dielektrischen Erwärmung brauchen die Stempel nicht erwärmt zu werden. Nur während des Schweißvorgangs steigt deren Temperatur durch den Wärmeeintrag von der erhitzten Folie geringfügig an und geht nach dem Verbinden rasch wieder zurück. Da der Stempel als solcher kühl ist, tritt die höchste Temperatur am Berührungspunkt der beiden Folien auf – also genau dort, wo sie benötigt wird. Das verringert die Energiekosten und beschleunigt den Prozess ganz erheblich.