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Hochfrequenzofen für dielektrische Erhitzung
Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzofen für dielektrische Erhitzung für Frequenzen von mehreren MHz, z. B. von 40 bis 200 MHz mit einem rückgekoppelten Elektronenrohrenoszillator, der mit einem im Anodenkreis liegenden Schwingungskreis und mit einem Lastkreis mit einem darin aufgenommenen Lastkondensator versehen ist, wobei die Lastkreisspule zur Anpassung der Belastung mit der Anodenkreisspule veränderlich induktiv gekoppelt ist und diese veränderliche Kopplung zwischen der Lastkreisspule und der Anodenkreisspule mittels eines Betätigungsgliedes einstellbar ist.
Es sind bereits Hochfrequenzöfen dieser Art bekannt geworden, wobei zur Erzielung einer von Änderungen während des Erhitzungsprozesses unabhängigen maximalen Leistungsabgabe an das Werkstück dafür gesorgt wird, dass die Abstimmfrequenz des Lastkreises konstant auf der festen Oszillatorfrequenz gehalten wird, was z. B. dadurch erreicht wird, dass ein Kondensator oder eine Spule im Lastkreis verstimmt wird. Auch ist es für diese Zielsetzung bekannt, den Elektrodenabstand des Lastkreiskondensators zu ändern.
Die vorliegende Erfindung bezweckt in einem Hochfrequenzofen der anfangs erwähnten Art mit besonders einfachen Mitteln den Anpassungsregelbereich wesentlich zu steigern, was z. B. bei dielektrischer Erhitzung von Werkstücken sehr verschiedener Art und Grösse besonders vorteilhaft ist, zusammen damit, dass über den erzielten sehr grossen Anpassungsregelbereich das Auftreten von parasitären Schwingungen, die den Nutzeffekt in ungünstiger Weise beeinflussen würden, vermieden wird.
Der Hochfrequenzofen nach der Erfindung weist das Merkmal auf, dass die Selbstinduktionen der gegeneinander fest angeordneten Spulen des Anodenkreises und des Lastkreises je kontinuierlich, gleichzeitig und gegensinnig veränderlich sind und die Einstellglieder jeder der veränderlichen Spulen fest mit dem Betätigungsglied verbunden sind, so dass bei dessen Betätigung gleichzeitig die Oszillatorfrequenz und die Abstimmfrequenz des Lastkreises in entgegengesetzten Richtungen veränderbar sind.
Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Anodenkreisspule und die Lastkreisspule aus je einem zylindrisch gekrümmten, flachen Band aus leitendem Material und sind gleichachsig fest hintereinander angeordnet, wobei in der Achsenrichtung das gemeinsame Betätigungsglied in Form einer drehbaren Achse angeordnet ist und jedes fest auf der Betätigungsachse sitzende Spulen-Einstellglied aus einem Kontaktarm besteht, der sich beim Drehen der gemeinsamen Betätigungsachse längs der Innenwand der Anodenkreisspule bzw. Lastkreisspule bewegt.
Neben dem widerstandsfähigen mechanischen Aufbau hat die geschilderte Ausführungsform für grosse Leistungen bei hohen Frequenzen grosse Vorteile. In erster Linie wird infolge der grossen Aussenfläche der so ausgebildeten Spulen ein störender Einfluss der Hautwirkung (skin effect) auf den Wirkungsgrad vermieden, während ferner die grosse Kühlfläche dieser Spulen eine kräftige Wasser- oder Luftkühlung entbehrlich macht.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachstehend an Hand der Figuren erläutert.
Fig. l zeigt das Prinzipschaltbild eines Hochfrequenzofens nach der Erfindung und Fig. 2 zeigt schaubildlich den mechanischen Aufbau einer bei dem Hochfrequenzofen nach der Erfindung anzuwendenden Anodenkreisspule und Belastungskreisspule.
Bei dem in Fig. l dargestellten Hochfrequenzofen für dielektrische Erhitzung, der für eine Leistung von 4 kW bei Frequenzen von mehr als 40 MHz ausgelegt ist, wird die für die Erhitzung erforderliche
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Hochfrequenzenergie von einem mit einer Triode 1 bestückten Oszillator geliefert. Der Anodenkreis des in Collpitt-Schaltung ausgeführten Generators enthält eine Kreisspule 2, einen Kreiskondensator 3 und einen zwischen Anode und Steuergitter liegenden kapazitiven Spannungsteiler.
Der Spannungsteiler be- steht aus der. mit der Anode verbundenen Parallelschaltung eines festen Kondensators 4 und eines einstell- baren Kondensators 4'mit der ein Kondensator 5 in Reihe liegt, wobei der Abgriff dieses Spannungsteilers mit der geerdeten Kathode der Röhre verbunden ist, während das von der Anzapfung abgewendete Ende des Kondensators 5 über einen Gitterkondensator 6 am Steuergitter liegt, das über die Reihenschaltung einer Hochfrequenz-Drossel 7 und eines von einem Kondensator 8 überbrückten Widerstands 9 geerdet ist.
Die Speisespannung der Triode 1 wird einer Gleichspannungsquelle 10 entnommen, die über eine Speise- drossel 11 und die Anodenkreisspule 2 mit der Anode der Triode 1 verbunden ist.
In dem dargestellten Hochfrequenzofen, der zur Erzeugung von sehr hohen Frequenzen geeignet ist, werden die Kondensatoren 3, 4, 5 durch die Röhrenkapazitäten und die damit verbundenen Streukapazitä- ten der Schaltung gebildet.
Die Hochfrequenzenergie wird einem Belastungskreis zugeführt, der aus einemBehandlungskondensa- tor 12 mit dem zu erhitzenden Werkstück 13 und einer induktiv mit der Anodenkreisspule 2 gekoppelten
Lastkreisspule 14 besteht.
Um bei veränderlichen Betriebsverhältnissen die Belastung an den Generator anzupassen, ist in dem dargestellten Hochfrequenzofen mit dem abgestimmten Lastkreis 12,14 und dem abgestimmten Anoden- kreis eine gegenseitige Frequenzeinstellung des Anodenkreises und des Lastkreises erforderlich, da die
Eigenfrequenz des Lastkreises 12, 14 je nach der Art und der Grösse des zu erhitzenden Werkstückes 13 stark von der Eigenfrequenz des Anodenkreises abweichen kann und somit von der von dem Hochfrequenz- ofen erzeugten Frequenz, wodurch eine schlechte Energieübertragung auf das zu erhitzende Werkstück entsteht. Beim Erhitzen eines stabförmigen Werkstückes z.
B. ist der Abstand zwischen den Platten des
Kondensators 12 gross, seine Kapazität also gering, so dass die Eigenfrequenz des Lastkreises 12,14 ver- hältnismässig hoch wird, während umgekehrt bei einem flachen Werkstück die Eigenfrequenz des Last- kreises 12, 14 niedrig wird.
Zum Erzielen einer einfachen Anpassungsregelung m einem grossen Anpassungsbereich sind die in fe- stem Abstand angeordneten Spulen 2 und 14 kontinuierlich veränderlich und mit Einstellmitteln 16 bzw. 17 versehen, die an einem gemeinsamen Betätigungsorgan 15 befestigt sind. Bei Betätigung des gemeinsa- men Organs 15 verändern diese Einstellmittel gleichzeitig die Selbstinduktion der Anodenkreisspule 2 und die der Lastkreisspule 14 in entgegengesetztem Sinne. Dabei sind die in festem Abstand angeordneten
Spulen 2 und 14 als bauliche Einheit ausgeführt.
Die Anpassungsregelung umfasst hiebei die Frequenzeinstellung des Anodenkreises 2, 3, 4, 4', 5 und des
Belastungskreises 12,14 und wird bei dem dargestellten Hochfrequenzofen vollständig mittels des gemeini samen Betätigungsorganes 15 erzielt, das die Grösse der Selbstinduktion der Anodenkreisspule 2 und die der Belastungskreisspule 14 in entgegengesetztem Sinne ändert. Wird z.
B. beim Einführen eines Werk- stückes 13 in den Kondensator 12 die Abstimmfrequenz des Lastkreises 12, 14 wesentlich höher als die des
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gekehrt die Abstimmfrequenz des Lastkreises 12,14 durch Einführen eines Werkstückes in den Kondensa- tor 12 niedriger als die des Anodenkreises 2, 3, 4, 4', 5, so wird mittels des gemeinsamen Betätigungsorga- nes 15 die Abstimmfrequenz des Anodenkreises 2, 3, 4,4', 5 verringert und die des Belastungskreises 12, 14 erhöht.
Die genauebelastungsanpassung des Werkstückes 13 an den Hochfrequenzofen geschieht dadurch, dass mittels des gemeinsamen Betätigungsorganes 15 der Anodenkreis 2, 3, 4, 4', 5 und der Lastkreis 12, 14 in einem von der Grösse der Belastung abhängigen Masse gegenseitig etwas verstimmt werden, da die Grösse der von dem Werkstück 13 herbeigeführten Belastung, von dem Oszillator l her gesehen, von der gegen-
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die angegebene Weise wird also mittels des gemeinsamen Betätigungsorganes 15 durch gegensinnige Än- derung der Anodenkreisspule 2 und der Lastkreisspule 14 die Anpassung des Werkstückes 13 an den Genera- tor bewirkt.
Der Anpassungsbereich des dargestellten Hochfrequenzofens ist sehr gross, was nachstehend näher er- läutert wird ; es wird hiebei die minimale und die maximale Selbstinduktion der Anodenkreisspule 2 ) gleich L und pL, die minimale und die maximale Selbstinduktion der Lastkreisspule 14 auch gleich L und pL und die Grösse der Gesamtanodenkreiskapazität 3,4, 4', 5 gleich Co gesetzt.
Besitzt die Anodenkreis-
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spule 2 ihren minimalen Wert 1, so hat die Lastkreisspule 14 ihren maximalen Wert pL und der Kondensator 12 hat dann einen Wert (l/p). C, damit die Abstimmfrequenzen des Lastkreises 12, 14 und des Anodenkreises 2,3, 4,4', 5 einander gleich sind, während umgekehrt bei einem maximalen Wert pL der Anodenkreisspule 2 und einem minimalen Wert L der Belastungskreisspule 14 der Kondensator 12 einen Wert pCo hat.
In Abhängigkeit von der Grösse des zu erhitzenden Werkstückes 13 kann die Kapazität des Kondensa-
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des Verhältnisses p zwischen der maximalen und minimalen Selbstinduktion. Auf diese Weise wird bei dem dargestellten Hochfrequenzofen ein sehr grosser Anpassungsbereich erzielt ; die Kapazität des Kondensators 12 kann z. B. in einem Verhältnis von 1 : 30 schwanken, wodurch der geschilderte Hochfrequenzofen sich besonders gut zur Hochfrequenzerhitzung von Werkstücken sehr unterschiedlicher Art und Grösse eignet.
Die Anwendung des geschilderten Hochfrequenzofens für hohe Leistungen bei sehr hohen Frequenzen, z. B. mehr als 40 MHz, hat ausser der einfachen Anpassungsregelung und dem sehr grossen Anpassungsbereich noch den wesentlichen Vorteil, dass über den ganzen Anpassungsbereich eine optimale Energieübertragung auf das Werkstück erzielt wird. In der Praxis zeigte sich, dass unter den unterschiedlichsten Betriebsverhältnissen keine Beeinflussung des Wirkungsgrades infolge Kopplungsänderung der gekoppelten
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re Frequenz erfolgte. Ein solches Umspringen ist auf die bei hohen Frequenzen nicht mehr vernachlässigbare Selbstinduktion der Zuführungsleitungen und die übrigen Streuimpedanzen der Schaltung zurückzu- führen.
Es ist in dieser Beziehung vorteilhaft, dass für die dargestellte Anpassungsregelung keine zusätzlichen Elemente verwendet zu werden brauchen und dass ein Trennkondensator zum Trennen des Gleichstroms des Anoden- und des Belastungskreises entbehrlich ist. Ein solcher Trennkondensator, gemeinsam mit den Streuimpedanzen in der Schaltung, veranlasst nämlich bei sehr schwankenden Betriebsverhältnissen parasitäre Schwingungen, die den Wirkungsgrad beeinträchtigen.
Fig. 2 zeigt schaubildlich die bauliche Ausführungsform der als Einheit ausgebildeten Anodenkreisspule 2 und Lastkreisspule 14, wobei entsprechende Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind.
Bei der dargestellten Ausführungsform bestehen die Anodenkreisspule und die Belastungskreisspule aus zylindrisch gekrümmten Kupferbändern 2 bzw. 14, die gleichachsig hintereinander angeordnet sind. Zur Veranschaulichung ist ein Teil der aus dem zylindrischen Band bestehenden Spule 14 weggebrochen.
Die beiden Spulen 2 und 14 sind über Isolatoren 18 miteinander verbunden und mittels Isolatoren 19 auf einem Gestell 20 befestigt. Wie aus der Figur ersichtlich, weisen die aus zylindrischen Bändern bestehenden Spulen eine grosse Aussenfläche auf, wodurch eineBeeinflussung des Wirkungsgrades durch Hautwirkung (skin effect) vermieden wird, während infolge der grossen Kühlfläche eine kräftige Luft- oder Wasserkühlung, sogar bei sehr hohen Leistungen, entbehrlich ist.
In der Achsenrichtung dieser zylindrischen Bänder 2 und 14 ist das gemeinsame Betätigungsorgan in Form einer drehbaren Achse 15 aus Isoliermaterial angeordnet, die zur Anpassungsregelung mittels eines in der Figur nicht dargestellten Handrades gedreht werden kann. Beiderseits der zylindrisch gekrümmten, flachen Bänder 2, 14 ist die drehbare Achse 15 in Halterungen 21,22 aus Isoliermaterial gelagert, die an den beiden Enden 27, 28 bzw. 29, 30 der zylindrischen, flachen Bänder 2 bzw. 14 fest geschraubt sind.
Auf der Betätigungsachse 15 sitzen als Einstellglieder der Spulen 2 und 14 zwei plattenförmige Kontaktarme 16, 17 aus Kupfer, die sich radial zu ihren aus zylindrisch gekrilmmtenBändern bestehenden Spulen 2 und 14 hin erstrecken und mit Naben 23, 24 auf der Betätigungsachse 15 befestigt sind. Die Naben 23, 24 der Kontaktarme 16 bzw. 17 stellen gleichzeitig Kontaktbahnen für an den Halterungen 21,22 befestigte, feststehende, plattenförmige Kontaktarme 25, 26 aus Kupfer dar, die sich radial nach innen erstrecken.
Die Anschlussklemmen der Anodenkreisspule 2 werden durch das mit der Halterung 21 verbundene Ende 31 der feststehenden Kontaktplatte 25 und das Ende 28 des zylindrischen Bandes gebildet und sind über plattenförmige Leiter 36 mit der Anode und dem Steuergitter der Röhre verbunden, während zwischen dem mit der Halterung 22 verbundenen Ende 32 der feststehenden Kontaktplatte 26 und dem Ende 29 der aus einem zylindrisch gekrümmten Band bestehenden Lastkreisspule 14 der über plattenförmige Leiter 37 angeschlossene Kondensator 12 liegt.
Zum Erzielen eines guten elektrischen Kontaktes sind die beweglichen Kontaktplatten 16, 17 praktisch über ihre ganze Breite mit federnden Kontaktstiften 33 bzw. 34 ausgerüstet, während auch die feststehenden Kontaktplatten 25, 26 über ihre ganze Breite mit solchen federnden Kontaktstiften versehen sind. Die Kontaktstifte der feststehenden Kontaktplatte 25 sind mit 35 bezeichnet und die Kontaktstifte der feststehenden Kontaktplatte 26 sind in der Figur nicht dargestellt.
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Dreht sich bei der geschilderten Bauart die gemeinsame Achse 15, so bewegen sich die beweglichen Kontaktarme 16 und 17 längs der Innenwand der Anodenkreisspule 2 und der Belastungskreisspule 14, wodurch, wie aus der Figur ersichtlich, die Selbstinduktionen der Anodenkreisspule 2 und derBelastmgs- kreisspu1e 14 gleichzeitig in entgegengesetztem Sinne geändert werden in den äujssersten Stellungen der Kontaktarme 16 und 17 sind die minimalen Selbstinduktionen der Anodenkreisspule 2 und der Belastungkreisspule 14 bei der dargestellten Bauart sehr gering. Dies ist zum Erzielen eines grossen Anpassungsbe-
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nisses zwischen der minimalen und der maximalen Selbstinduktion der Anodenkreisspule 2 und 4er Belastungskreisspule 14 ist.
Bei Anwendung der dargestellten Vorrichtung wird eine mechanisch einfache und widerstandsfähige
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schaften besondere Vorteile hat, speziell für grosse Leistungen bei sehr hohen Frequenzen.
Zur Veranschaulichung werden nachstehend noch einige Daten einer in der Praxis bewährten Ausftlh- rungsform des vorstehend geschilderten Hochfrequenzofens angegeben, der für Leistungen von 4 kW im Frequenzbereich von 40 bis 200 MHz geeignet ist.
Triode 1 : Typ TBL 6/6000,
Durchmesser der zylindrischen Bänder 2. 14 : 220 mm,
Breite der Bänder 2, 14 ; in axialer Richtung gemessen : 80 mm,
Abstand zwischen den Bändern 2, 14 : 20 mm,
Verhältnis zwischen Minimal-und Maximalwert des Kondensators 13 : etwa 1 : 30.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Bauart sind die Anodenkreisspule 2 und die Lastkreisspule 14 gleich, was für den mechanischen Aufbau den Vorteil hat, dass nur ein Mindestmass an verschiedenen Einzelteilen gebraucht wird. Dies ist jedoch nicht erforderlich ; es kann unter Umständen z. B. vorteilhaft sein, die Abmessungen der Lastkreisspule 14 von denen der Anodenkreisspule 2 verschieden zu wählen.
Es sei schliesslich noch bemerkt, dass mit Rücksicht auf eine einfache Einstellmöglichkeit des dargestellten Hochfrequenzofens die geschilderte Ausführungsform sich besonders gut für selbsttätige Regelung eignet.
PATENTANSPRÜCHE :
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gekoppelten Elektronenröhrenoszillamr, der mit einem im Anodenkreis liegenden Schwingungskreis und mit einem Lastkreis mit einem darin aufgenommenen Lastkondensator versehen ist, wobei die Lastkreisspule zur Anpassung der Belastung mit der Anodenkreisspule veränderlich induktiv gekoppelt ist und diese veränderliche Kopplung zwischen der Lastkreisspule und der Anodenkreisspule mittels eines Betätigungsgliedes einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstinduktionen der gegeneinander fest angeordneten Spulen des Anodenkreises und des Lastkreises je kontinuierlich, gleichzeitig und gegensinnig veränderlich sind und die Einstellglieder jeder der veränderlichen Spulen fest mit dem Betätigungsglied
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des Lastkreises In entgegengesetzten Richtungen veränderbar sind.