DIELEKTRINEN KUUMENNUS

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelma BL20A0800 Sähkölämpötekniikka DIELEKTRINEN KUUMENNUS Lappeenrannassa 14.4.2014 0398964 Miguel Lavado Ente 2 0386510 Mikko Tirola Ente 3

TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Sähkötekniikan koulutusohjelma Miguel Lavado Mikko Tirola Seminaarityöraportti 2014 12 sivua, 3 kuvaa Raportissa on perehdytty dielektriseen kuumennukseen keskittyen sovelluksiin.

SISÄLLYSLUETTELO 1. Johdanto... 1 2. Yleistä sovelluksista... 1 2.1 Mikroaaltokuumennuslaitteisto... 2 2.2 Radiotaajuuskuumennuslaitteisto... 3 3. Ruokateollisuus... 4 3.1 Kotitalousmikroaaltouunit... 4 3.2 Teollisuussovellukset... 4 4. Lääketieteelliset sovellukset... 6 4.1 Sydän... 6 4.2 Muita ablaatiosovelluksia... 7 4.3 Kudosten liittäminen... 7 4.4 Diatermia... 8 5. Metsäteollisuus... 8 5.1 Paperinvalmistus... 8 5.2 Puuteollisuus... 8 6. Tekstiiliteollisuus... 9 6.2 Materiaalien esikäsittely... 9 6.1 Tekstiilimassojen kuivaus... 9 7. Muovit ja kumi... 10 7.1 Kumin vulkanointi... 10 7.2 Muovien hitsaus... 11 7.3 Muotoilu... 11 8. Yhteenveto... 12

1 1. JOHDANTO Tässä raportissa käymme läpi dielektrisen kuumennuksen perusteita keskittyen teknisiin sovelluksiin. Raporttiin liittyvä seminaariesitys pidettiin 10.4., jolloin kävimme läpi pääpiirteittäin tässä syvemmin esittelemiämme sovelluksia. 2. YLEISTÄ SOVELLUKSISTA Dielektrinen kuumennus tarkoittaa radio- (10 300 MHz) tai mikroaalloilla (300 30000 MHz) tapahtuvaa kuumennusta, joka perustuu sähköisen eristemateriaalin polarisaatioon muuttuvassa sähkökentässä. Polarisoituneet hiukkaset liikkuvat tai värähtelevät kentän vaikutuksesta, jolloin syntyy kitkavoimien ansiosta lämpöä materiaalissa itsessään. Radiokuumennukseen käytetään yleensä taajuuksia 13,56 MHz, 27,12 MHz ja 40,68 MHz, ja mikroaaltokuumennukseen taajuuksia 915 MHz, 2450 MHz, 5800 MHz ja 22125 MHz riippuen paikallisista säädöksistä. Radioaalloilla on yleensä (riippuen materiaalista ja käytettävästä taajuudesta) mikroaaltoja suurempi läpäisysyvyys ja teho (900 kw vastaan 50 kw), mutta ne vaativat tasaisenmuotoisen kappaleen ja investointikustannukset ovat suuret. Mikroaalloilla puolestaan saavutetaan suurempi tehotiheys ja lämmitettävä kappale voi olla muodoltaan epätasainen, mutta sen täytyy olla melko pienikokoinen ja kustannukset ovat radiotaajuusmenetelmiäkin suuremmat. Näistä syistä dielektristä kuumennusta kannattaa käyttää lähinnä tilanteissa, joissa tavanomaisia lämmityskeinoja ei voida käyttää esimerkiksi materiaalin huonon lämmönjohtavuuden takia, tai yhdessä tavanomaisten keinojen kanssa nopeana esikuumentimena tai viimeistelyssä. (Orfeuil 1987, 570-571.) Dielektrisen kuumennuksen sovelluksia käytetään paljon kuivaamiseen eri teollisuuden aloilla, kuten elintarvike-, tekstiili-, paperi-, puu-, lääke- ja muoviteollisuudessa. Lisäksi sitä käytetään muuhun kuumennukseen esimerkiksi muovi-, elintarvike-, puuja lasiteollisuudessa. (PSC 2014.) (Orfeuil 1987, 544, 572.)

2 Koska dielektrisessä kuumennuksessa lämpö syntyy kuumennettavassa kappaleessa, kappale lämpenee nopeammin ja tasaisemmin kuin johtumiseen perustuvissa lämmityskeinoissa. Lisäksi lämmitys alkaa kaikkialla heti kun laite käynnistetään, ja loppuu kun se sammutetaan, ilman esilämmitys- tai jäähdytysvaihetta. Koska eri materiaalit reagoivat dielektriseen lämmitykseen eri voimakkuudella, on mahdollista lämmittää selektiivisesti vain tiettyä osaa, kuten esimerkiksi pinnoitetta, lämmittämättä muuta osaa kappaleesta. Myös kuivaussovellusten kannalta dielektrinen kuumennus on kätevä, sillä tasainen lämmitys takaa tasaisen kuivauksen. Lisäksi lämmitysteho riippuu kosteudesta, sillä pooliset vesimolekyylit reagoivat mikro- ja radioaaltolämmitykseen voimakkaasti, joten kosteat kohdat kuivuvat nopeimmin ja ylikuumenemisen vaara pienenee lämmitystehon laskiessa kappaleen kuivuessa. Lisäksi dielektrisellä kuumennuksella on hyvä hyötysuhde, eikä se aiheuta päästöjä. Dielektrinen kuumennus on kuitenkin kallista verrattuna esimerkiksi vastusuuniin, minkä lisäksi sillä saavutettava teho on etenkin mikroaalloilla rajoittunut varsin alhaiseksi. (PSC 2014.) 2.1 Mikroaaltokuumennuslaitteisto Mikroaallot luodaan magnetronilla tai klystronilla. Magnetroni koostuu sylinterimäisestä anodista, johon on tehty onteloita, sekä keskellä olevasta katodista. Katodilta emittoituu elektroneja, jotka eivät etene suoraviivaisesti anodille, sillä magnetroniin on luotu magneettikenttä, joka pakottaa elektronit spiraalimaiseen liikkeeseen. Elektronit aiheuttavat onteloissa oskillaatiota ohittaessaan ne, jolloin syntyy mikroaaltosähkökenttä, jonka taajuus riippuu onteloiden dimensioista. Magnetroni tuottaa enemmän energiaa kuin mitä oskillaatioiden ylläpitämiseen tarvitaan, joten sitä voidaan johtaa eri menetelmin ulos. Magnetronilla saadaan maksimissaan noin 10 kw teho. Ontelomagnetroni on esitetty kuvassa 1. Klystroni puolestaan on rakenteeltaan putki. Sen päässä on elektronitykki, josta lähtevä elektronisuihku pidetään kasassa magneeteilla. Putken varrella on resonoivia onkaloita, joista ensimmäiseen johdetaan mikroaaltosignaali, jolla moduloidaan elektronisuihkua. Myöhemmillä onkaloilla vahvistetaan signaalia. Klystroneilla saadaan magnetroneita suurempi teho. Esimerkiksi 1 m pituinen viisionteloinen 2,5 kv klys-

3 troni tuottaa 50 kw 2450 MHz mikroaaltoja 60 % hyötysuhteella. Kustannuksiltaan ne ovat kuitenkin magnetroneja kalliimpia. Kuva 1: Ontelomagnetronin kaavakuva. (Dunster 2005.) Mikroaallot täytyy tuottamisensa jälkeen vielä johtaa haluttuun kappaleeseen. Tähän käytetään aaltojohtoa, joka on mikroaaltoja heijastavasta metallista tehty putki, joka estää säteilyn hajoamisen kaikkiin suuntiin. Lisäksi tarvitaan applikaattori, jolla säteily levitetään lämmitettävään kappaleeseen halutulla tavalla ja estetään mikroaaltojen heijastuminen takaisinpäin. Yleisesti käytettyjä applikaattoreita ovat kammio-, tunneli- ja rakoaaltoapplikaattorit. (Orfeuil 1987, 560-569.) 2.2 Radiotaajuuskuumennuslaitteisto Radiotaajuuskuumennuslaitteisto koostuu yksinkertaisimmillaan radiotaajuusgeneraattorista, sovittimesta ja applikaattorista. Radiotaajuusgeneraattorissa käytetään triodiputkia sopivan taajuuden luomiseksi. Putkien jäähdytys hoidetaan joko vedellä tai ilmalla. Sovittimella generaattorin teho ja kuorma pidetään tasapainossa, jotta saadaan mahdollisimman hyvä teho ja hyötysuhde. Applikaattoreita on erilaisia riippuen siitä minkä mallinen sähkökenttä halutaan luoda. Yksinkertaisimmillaan käytetään tasoelektrodeita, joilla yleensä lämmitetään panosmaisia kohteita epäjatkuvasti. Jatkuvassa käytössä käytetään esimerkiksi sauvaelektrodeja, vuoroittaisia sauvaelektrodeja sekä hajakenttäelektrodeja. Radiotaajuuskuumennuksella saavutetaan parhaimmillaan 900 kw teho 55 70 % hyötysuhteella. (Orfeuil 1987, 553-538.)

4 3. RUOKATEOLLISUUS Ruokateollisuudessa käytetään dielektristä kuumennusta erilaisiin tarkoituksiin. Kotitalousmikroaaltouunit on sisällytetty tähän kappaleeseen, koska niitä käytetään yleisesti ruuan valmistukseen. 3.1 Kotitalousmikroaaltouunit Mikroaaltouuneissa ruoka lämmitetään magnetronilla luoduilla mikroaalloilla. Koska lämpö syntyy lämmitettävän aineen sisällä, energiaa ei hukata uunin ja sen sisäilman lämmittämiseen kuten tavallisissa vastusuuneissa. Ensimmäisen lämmitystarkoitukseen tarkoitetun jatkuva-aaltomagnetronin kehitti Raytheon vuonna 1944, ja sitä voidaankin pitää mikroaaltouunien alkuna. Mikroaaltouuneissa käytetään tyypillisesti 2450 MHz taajuutta ja magnetronilta voidaan saada 840 W mikroaaltotehoa. (Platts (toim.) 1991, 27-30.) Mikroaaltouunilla on useita hyötyjä perinteisiin ruuanlämmitystapoihin verrattuna. Se on nopea ja tehokas hukkalämmön vähäisyyden takia. Se on pienikokoinen ja helpompi asentaa kuin tavallinen uuni, ja sen puhdistus on helpompaa, sillä lika ei pala kiinni sen seiniin. Lisäksi tiski vähenee, kun ruoka voidaan lämmittää samoissa astioissa, joista se myös syödään, eikä se lämmitä keittiön ilmaa, mikä parantaa työskentelymukavuutta keittiössä. (Platts (toim.) 1991, 80-83.) 3.2 Teollisuussovellukset Dielektristä kuumennusta voidaan käyttää ruokateollisuudessa moniin tarkoituksiin leivonnasta pastörointiin. Lisäksi kuluttajamikroaaltouunien suuren määrän vuoksi ruokateollisuus on kehittänyt tuotteita, jotka on tarkoitettu lämmitettäväksi nimenomaan mikroaalloilla, kuten esimerkiksi mikropopcornit ja mikroateriapakkaukset. Leivontateollisuudessa mikroaaltokuumennusta kannattaa käyttää, sillä sen avulla kuumennusprosessia voidaan nopeuttaa etenkin lämmityksen loppuvaiheessa, kun huokoisen leivonnaisen lämmönjohtavuus on huono. Mikroaaltolämmityksellä voi-

5 daan myös parantaa leivän rakennetta, sillä nopea ja yhtenäinen lämmitys säilyttää tärkkelyksen rakenteen tavanomaista lämmitystä paremmin, jolloin leivästä saadaan kuohkeampi. Yleensä kuitenkin käytetään mikroaaltojen yhteydessä myös tavanomaisia kuumennuskeinoja, jotta leivonnaisten kuoresta saadaan rapea ja hyvän näköinen. Ruokateollisuuden kuivaustarpeisiinkin dielektrinen lämmitys tarjoaa hyvän vaihtoehdon, sillä ruoka-aineiden huonon lämmönjohtavuuden vuoksi tavanomaisilla menetelmillä joudutaan käyttämään korkeita lämpötiloja, jotka vahingoittavat ravintoarvoja ja ruuan rakennetta. Lisäksi kosteusjakaumasta saadaan tasaisempi, jolloin vältytään esimerkiksi kovilta kuorilta ja kosteilta sisuksilta. Yleinen käytössä oleva tekniikka on yhdistetty kuumailma-mikroaalto -kuivaus, jota käytetään esimerkiksi pastan kuivaamiseen. (Willert-Porada (toim.) 2006, 260-264.) Eräs yleinen käyttökohde radiotaajuuksille on keksien viimeistely. Niiden tekemiseen käytetään yleensä muita keinoja, mutta lopussa niiden sisäkosteuspitoisuus täytyy saada laskettua alle 5 % säilyvyyden takaamiseksi. Jos tämä haluttaisiin saavuttaa tavanomaisin lämmityskeinoin, tarvittaisiin yli 60 metriä pitkä uuni ja pitkä kuumennusaika, jottei keksi pala pinnalta. Radiotaajuuksia käytettäessä riittää huomattavasti lyhyempi uuni, joka tarvitsee huomattavasti vähemmän energiaa, tilaa ja huoltoa. Lisäksi keksin kosteusjakaumasta saadaan tasaisempi. (Orfeuil 1987, 555.) Teollisen mittakaavan pakasteiden lämmityksessä dielektrinen kuumennus on hyvin käytännöllinen. Tavoitteena on lämmittää suuret määrät pakasteita -18 C lämpötilasta noin -2 C, jossa niiden työstäminen on helpompaa. Tavanomaisilla lämmityskeinoilla esimerkiksi suuren pakastelihamäärän lämmitys saattaa kestää päiviä huonon lämmönjohtavuuden takia, kun taas dielektristä kuumennusta käytettäessä puhutaan minuuteista tai tunneista, etenkin käytettäessä 915 MHz tai 2450 MHz mikroaaltotaajuutta niiden läpäisysyvyyden takia. Mikroaaltojen käyttö myös vähentää mikrobien kasvua ja nestehäviötä. (Willert-Porada (toim.) 2006, 263.) Ruoka-aineissa olevat haitalliset mikrobit voidaan tuhota lämpökäsittelyllä, jota kutsutaan steriloinniksi tai pastöroinniksi käytettävästä lämpötilasta riippuen. Konventionaalisia menetelmiä käytettäessä ongelmaksi muodostuu tuotteiden hidas ja epätasainen kuumeneminen, jolloin tuotteen laatu saattaa kärsiä. Radiotaajuuskuumennuksella

6 voidaan kuumennusaika pitää lyhyenä ja lämpötila tasaisena. Maataloustuotteissa saattaa myös olla erilaisia tuholaisia, jotka tapettaisiin normaalisti kemikaaleilla, joilla saattaa olla terveyden kannalta haitallisia vaikutuksia. Radiotaajuuskuumennuksella voidaan tappaa tuholaiset nopeasti ja tehokkaasti ilman haitallisia kemikaalijäämiä elintarviketuotteissa. (STALAM 2013) 4. LÄÄKETIETEELLISET SOVELLUKSET Dielektristä kuumennusta käytetään lääketieteessä ablaatioon (kudosten tuhoaminen) tai kudosten lämmittämiseen (diatermia). 4.1 Sydän Sydämen rytmihäiriöitä voidaan hoitaa katetriablaatiolla. Toimenpiteessä viedään kehon suuria verisuonia pitkin katetri sisälle sydämeen. Katetrin päästä johdetaan tavallisesti 500 khz taajuudella energiaa, jolla kuumennetaan tarkkarajainen rytmihäiriöitä aiheuttava kohta 50 70 C:een lämpötilaan 15 90 sekunnin ajaksi. Ablatoitavan kohdan tuhoutuessa sen sähköiset ominaisuudet muuttuvat, eikä se enää aiheuta rytmihäiriöitä vääristämällä sydämen sähköimpulsseja. Operaatio suoritetaan ilman nukutusta ja arviolta 95 % hoidoista onnistuu. (Yli-Mäyry 2011.) Nykyinen katetriablaatiojärjestelmä on kehitetty 1980-luvun alussa käytetystä tasavirtamenetelmästä, jossa katetriin johdetulla 3 kv tasajännitteellä luotiin pieni valokaari tuhoamaan haitallinen kudos. Kudosta tuhottiin kuitenkin helposti liikaa, ja nykyistä menetelmää saadaankin säädettyä tarkemmin, mikä tekee siitä tehokkaamman ja turvallisemman vaihtoehdon. Se onkin nykyään tavallinen hoitokeino useisiin rytmihäiriöihin. Tällä hetkellä mikroaalloista kehitetään hoitovaihtoehtoa myös niihin rytmihäiriöihin, joita ei voida radiotaajuuksilla hoitaa. (Vorst et al. 2006, 273 279.)

7 4.2 Muita ablaatiosovelluksia Refluksitaudissa mahalaukun hapan sisältö nousee takaisin ruokatorveen aiheuttaen närästystä, kipuja ja mahdollisesti Barrettin ruokatorven, jossa ruokatorven limakalvot paksuuntuvat suojautuakseen vatsahapoilta. Tämä nostaa potilaiden riskin sairastua myöhemmin ruokatorven syöpään 30 169 -kertaiseksi muuhun väestöön verrattuna. Yleisin syy refluksitautiin on alemman ruokatorven sulkijalihaksen väljeneminen. Tätä voidaan hoitaa radiotaajuusablaatiolla siten, että katetri viedään lihaksen kohdalle ruokatorveen. Katetrin päässä on neuloja, joiden kautta voidaan kudokseen johtaa radioaaltoja. Neulat pistetään lihaskudokseen, johon syntyy lämmitettäessä arpikudosta. Muutaman viikon sisällä arpikudos kutistuu, jolloin lihas kiristyy, eikä enää vuoda mahalaukun sisältöä ruokatorveen. (Vorst et al. 2006, 286 287.) Myös syöpiä voidaan hoitaa radioablaatiolla. Esimerkiksi 0,5-3,0 senttimetrin kokoisia kasvaimia munuaisissa hoidetaan työntämällä neula suoraan kasvaimeen. Neula kuumennetaan 500 khz radiotaajuudella jopa 100 C:een lämpötilaan, jolloin kasvain tuhoutuu. Virtsarakon syövän hoitoon on kehitteillä mikroaaltotekniikka, jossa paikallispuudutuksessa virtsarakkoon viedään mikroaaltoantenni, jonka kautta voidaan välittää kasvaimen tuhoava 100 W teho 60 90 sekunnin ajan. (Vorst et al. 2006, 267.) 4.3 Kudosten liittäminen Kirurgiassa leikatut kudokset täytyy myös liittää takaisin yhteen. Perinteisesti tämä tehdään tikeillä, mutta kaikissa tilanteissa niitä ei voida käyttää. Esimerkiksi verisuonten korjaamiseen on kehitetty metodeja, joissa kudokset hitsataan yhteen fibrinogeenipohjaisella liitosaineella. Nykyisissä menetelmissä aine aktivoidaan lämmittämällä laserilla, jolloin se rakenne muuttuu muodostaen liitoksen kudosten välille. Reaktioon tarvittava lämpö voidaan tuottaa myös mikroaalloilla, jolloin toimenpide voidaan suorittaa nopeammin, koska koko liitoskohta voidaan lämmittää kerralla. Lisäksi mikroaaltojärjestelmästä voidaan tehdä halvempi ja turvallisempi. (Vorst et al. 2006, 295.)

8 4.4 Diatermia Diatermia tarkoittaa kudosten lämmittämistä sähköisesti esimerkiksi radio- tai mikroaalloilla. Dielektrisen lämmityksen etuna on, että myös kehon sisäisiä kudoksia, kuten lihaksia, voidaan lämmittää suoraan. Diatermialla voidaan nopeuttaa kudosten paranemista, rentouttaa lihaksia, vähentää kipua ja turvotusta sekä hoitaa kroonisia tulehduksia. (Dutton 2011, 468.) 5. METSÄTEOLLISUUS Metsäteollisuudessa dielektristä kuumennusta voidaan käyttää paperinvalmistuksessa, sekä puun kuivaamisessa ja liimaamisessa. 5.1 Paperinvalmistus Paperinvalmistuksen lopussa paperi täytyy kuivata. Radiotaajuuskuumennus on tähän hyvä menetelmä sen selektiivisyyden takia, sillä se kuumentaa kosteita kohtia kuivia enemmän. Näin kosteudesta saadaan tasainen kaikkialla, eikä paperiin tule palamia tai jää märkiä kohtia, mikä olisi riskinä käytettäessä tavanomaisia menetelmiä. Radiotaajuuskuumennuksella voidaan siis parantaa paperin laatua ja samalla vähentää energiankulutusta ja tarvittavaa lattiapinta-alaa, jolloin myös ylläpitokustannukset pienenevät. (Orfeuil 1987, 550 551.) 5.2 Puuteollisuus Puun kuivaamiseen voidaan käyttää dielektristä lämmitystä. Sen dielektriset ominaisuudet riippuvat suuresti kosteudesta sekä sen tiheydestä ja rakenteesta. Myös lämpötila sekä käytettävä taajuus vaikuttavat puun absorboimaan energiamäärään. Dielektrisen kuumennuksen käyttö puun kuivaamiseen ei kuitenkaan ole yleistä järjestelmän suurten kustannusten vuoksi. (Faghihi 2006, 14.)

9 Radiotaajuuskuumennusta käytetään paljon myös puun liimaamisessa esimerkiksi huonekaluteollisuudessa sekä lastu-, että kuitulevyjen ja vanerin valmistuksessa. Kaikissa tapauksissa pyritään nopeuttamaan liiman kuivumista aiheuttamalla liiman polymeroitumista. Koska liima sisältää vettä puuta enemmän (edellyttäen että puu on kuivattu kunnolla), suurin osa energiasta menee suoraan liiman lämmittämiseen, jolloin säästyy energiaa ja aikaa. Esimerkiksi 4 kw radiotaajuusgeneraattorilla 1000 cm 2 sauman liimausaika on noin 1-2 minuuttia riippuen puun rakenteesta. Aikaa voidaan vielä lyhentää käyttämällä voimakkaampaa generaattoria. (Orfeuil 1987, 552 555.) 6. TEKSTIILITEOLLISUUS Tekstiilit ovat rakenteensa puolesta huonoja lämmönjohteita, joten niiden lämmittäminen dielektrisesti on järkevää. Lisäksi dielektrisen kuumennustehon pieneneminen materiaalin kuivuessa on hyödyllinen ominaisuus, sillä liika kuumennus saattaa vaurioittaa kuituja ja huonontaa värejä. (Orfeuil 1987, 545.) 6.2 Materiaalien esikäsittely Villan ja puuvillan tuotannossa materiaalien puhdistaminen rasvasta ja muista epäpuhtauksista on tärkeää. Puhdistus nopeutuu, kun paalit lämmitetään 30 35 C lämpötilaan. Tavanomaisilla lämmityskeinoilla 1,2 m 3 kokoisen ja 150 kg painoisen paalin lämmittäminen kestää jopa päiviä, kun taas 30 kw radiotaajuusjärjestelmällä vastaava paali voidaan lämmittää neljässä minuutissa. (Orfeuil 1987, 545.) 6.1 Tekstiilimassojen kuivaus Suurten tekstiilimäärien kuivauksessa radiotaajuuskuumennus on käytännöllinen sen nopeuden vuoksi. Verrattuna tavanomaiseen lämmitysjärjestelmään, 30 kg vesimäärän kuivaaminen (125 kg märkää villaa tai 300 kg akryylejä) vie 30 kw laitteelta 15 45 minuuttia 4-12 tunnin sijasta. Ominaisenergiankulutus tällaisella laitteella on hivenen suurempi kuin 1 kwh/kg vettä. Nopeuden lisäksi radiotaajuuskuumennuksen etuja ovat kokonaiskustannusten pieneneminen 40 60 %, tasainen kosteusjakauma, tehok-

10 kuus sekä laadun paraneminen. Näiden tekijöiden vuoksi laitteisto maksaa itsensä takaisin 2-3 vuodessa. Kuvassa 2 on puolakuivauskone. (Orfeuil 1987, 546.) Kuva 2: 60 kw puolakuivauskone. Tämän tyyppiset koneet ovat yleisiä teollisuudessa. (PSC 2014) 7. MUOVIT JA KUMI Muoviteollisuudessa etenkin radiotaajuuslämmitystä käytetään paljon, sillä se on taloudellinen lämmityskeino, joka on mahdollistanut uusien tuotteiden tekemisen. (Orfeuil 1987, 556.) 7.1 Kumin vulkanointi Mikroaaltokuumennusta käytetään vulkanoinnissa kuumentamaan kumi tarvittavaan vulkanointilämpötilaan, jonka ylläpitämiseen käytetään normaalisti vastusuunia. Mikroaaltokuumennuksen etuna on tässäkin sovelluksessa tavanomaisia keinoja nopeampi ja tasaisempi lämmitys, sillä kumi on huono lämmönjohde. Kuumennuksen nopeus on tärkeää, sillä lämmityksen aikana kumi käy plastisessa tilassa, missä se kannattaa pitää vain vähän aikaa, jotta saavutetaan paras mahdollinen kestävyys. 2450 MHz taajuus ja 5 kw mikroaaltolämmitysteho ovat tyypillisiä arvoja, joilla saadaan käsiteltyä 100 kg kumia tunnissa. Kun vastusuunia käytetään tuotannon aikana tyypillisesti 8 kw:n teholla, koko tuotantolinja käyttää energiaa 0,15 0,17 kwh/kg kumia, mikä on selvästi vähemmän, kuin pelkästään tavanomaisesti lämmitetty tuotantolinja. (Orfeuil 1987, 573 574.)

11 7.2 Muovien hitsaus Muovien hitsaamiseen käytetään joko mikro- tai radioaaltoja riippuen muovin tyypistä. Esimerkiksi PVC, joka on hyvin yleisesti käytetty muovi, kuumenee hyvin radiotaajuuksilla, kun taas polyetyleenin käsittelyyn käytetään mikroaaltoja. Hitsauslaitteisto koostuu radiotaajuusgeneraattorista, puristimista sekä elektrodeista. Hitsattavat kappaleet asetetaan alemmalle elektrodille, ja sopivasti muotoiltua ylempää elektrodia käytetään lämmityksen lisäksi kappaleiden puristukseen, pakotukseen ja leikkaukseen. Tällainen laitteisto on esitetty kuvassa 3. Koska elektrodit eivät lämpene kuumennuksesta, niitä voidaan käyttää kappaleiden viilentämiseen hitsauksen jälkeen. Radiotaajuuksilla saavutetaan jopa 5000 C lämpötilannousu sekunnissa hitsauskohdassa. 1 kw laitteistolla voidaankin hitsata 60 cm pitkä ja 3 mm leveä sauma kahden 0,3 mm paksun PVC-levyn väliin yhdessä sekunnissa. Radiotaajuuksia voidaan käyttää hyvin monien muovituotteiden hitsauksessa, kuten esimerkiksi valmistettaessa vaatteita, leluja tai huonekaluja. Mikroaaltolaitteet ovat pienempitehoisia, mutta niistä voidaan tehdä myös liikuteltavia, jolloin niitä voidaan käyttää korjauksiin ulkona. Laitteilla voidaan tehdä 1 m saumaa minuutissa, jolloin ominaiskulutus on 1 kwh luokkaa. Mikroaaltohitsausta käytetään muoviarkkien hitsaukseen esimerkiksi pressujen, pakkausten ja telttojen teossa. Lisäksi mikroaaltoja käytetään pinnoitemuovien polymerointiin. (Orfeuil 1987, 557-558, 574.) Kuva 3: Kaavakuva radiotaajuushitsauslaitteistosta, jolla hitsataan PVC-muovia. (Grewell 2007, 56.) 7.3 Muotoilu Dielektrisellä lämmityksellä voidaan helposti lämmittää muovipellettejä tai jauhetta suoraan muotissaan lähellä polymerisaatiolämpötilaa. Tällöin muoveja on helppo

12 muovata, eikä muotti tarvitse yhtä suurta painetta kuin muuten. Lisäksi vesihöyry poistuu vapaasti, jolloin muoviin ei jää helposti kuplia, jotka huonontavat muovituotteen laatua. (Orfeuil 1987, 556 557) 8. YHTEENVETO Raportissa on käsitelty dielektrisen kuumennuksen perusteita sekä sovelluksia eri teollisuuden aloilla. Dielektrinen kuumennus sopii tilanteisiin, joissa täytyy lämmittää kappale, jonka lämmönjohtavuus on huono, tai joka täytyy lämmittää nopeasti ja tasaisesti. Dielektriset kuumennusmetodit ovat investointikustannuksiltaan kalliita, joten niitä ei kannata käyttää, jos tavanomaisilla lämmityskeinoilla päästään yhtä hyvään lopputulokseen. Lisäksi myös maksimiteho rajoittaa dielektrisen lämmityksen käyttökohteita.

13 LÄHTEET Dunster Ian. 2005. Resonant Cavity Magnetron Diagram. [Viitattu 10.4.2014]. Saatavissa: http://en.wikipedia.org/wiki/file:resonant_cavity_magnetron_diagram.svg Dutton Mark. 2011. Physical Therapist Assistant Exam Review Guide. Jones & Bartlett Publishers. 616 s. ISBN 978-1-4496-2850-5. Faghihi Mostafa, Sanati Mehri. 2006. Wood Drying. Växjö University. 36 s. ISBN 91-7636-446-1. Grewell D., Benatar A.. 2007. Welding of Plastics: Fundamentals and New Developments. [Iowa State Universityn www-sivuilla.] [viitattu 11.4.2014] Saatavissa: http://www.abe.iastate.edu/files/2011/11/david-grewells-welding-review.pdf Orfeuil Maurice. 1987. Electric Process Heating: technologies, equipment, applications. Battelle Press. 725 s. ISBN 0-935470-26-3. Platts J. (toim.). 1991. Microwave Ovens. Lontoo: Peter Peregrinus Ltd. 93 s. ISBN 0-86341-202-5. PSC. [PSC:n www-sivuilla]. Päivitetty 2014. [viitattu 7.4.2014]. Saatavissa: http://pscrfheat.com/ STALAM. [STALAM:n www-sivuilla]. Päivitetty 2013. [viitattu 8.4.2014]. Saatavissa: http://www.stalam.com/ Vorst André, Rosen Arye, Kotsuka Youji 2006. RF/Microwave Interaction with Biological Tissue. New Jersey: John Wiley & Sons Inc. 330 s. ISBN 0-471-73277-X. Willert-Porada Monika (toim.). 2006. Advances in Microwave and Radio Frequency Processing: Report from the 8 th International Conference on Microwave and High

14 Frequency Heating held in Bayreuth, Germany, September 3-7, 2001. Bayreuth: Springer-Verlag. 791 s. ISBN 3-540-43252-3. Yli-Mäyry Sinikka. 2011. Rytmihäiriön katetriablaatiohoito. [Viitattu 4.4.2014]. Saatavissa: http://www.ebm-guidelines.com/dtk/syd/avaa?p_artikkeli=syd00388.