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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Erwärmungsvorrichtung zum Erwärmen eines Mediums, auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Erwärmungsvorrichtung, auf eine entsprechende Vorrichtung sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.
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Ein Medium kann beispielsweise mithilfe eines klassischen Magnetrons mit einem Wirkungsgrad von ca. 50 Prozent erwärmt werden.
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Ferner sind Halbleitersysteme zur Informationsübertragung und lineare Schaltungen von Oszillator, Vorverstärker und Hauptverstärker bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Erwärmungsvorrichtung zum Erwärmen eines Mediums, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Erwärmungsvorrichtung, eine entsprechende Vorrichtung sowie ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der vorliegende Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass es möglich ist, ein Medium mittels eines durch eine Halbleiterschaltung erzeugten und verstärkten Hochfrequenzsignals zu erwärmen. Dadurch lässt sich die Energieeffizienz einer Erwärmungsvorrichtung gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich steigern. Ferner bietet eine solche auf der Basis einer Halbleiterschaltung realisierte Erwärmungsvorrichtung den Vorteil einer sehr kompakten und kostengünstig zu realisierenden Bauform, insbesondere wenn die Erwärmungsvorrichtung gemäß einer nachfolgend beschriebenen Ausführungsform die Schaltung mehrerer paralleler Systeme mit einem Oszillator ermöglicht. Somit lässt sich die Erwärmungsvorrichtung sehr variabel für unterschiedlichste Einsatzzwecke verwenden.
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Der vorliegende Ansatz schafft eine Erwärmungsvorrichtung zum Erwärmen eines Mediums, wobei die Erwärmungsvorrichtung folgende Merkmale aufweist:
einen Oszillator zum Erzeugen eines Hochfrequenzsignals;
zumindest einen mit dem Oszillator (elektrisch und/oder elektromagnetisch) gekoppelten Leistungsverstärker, der ausgebildet ist, um unter Verwendung des Hochfrequenzsignals und/oder eines von dem Hochfrequenzsignal abgeleiteten Signals ein verstärktes Hochfrequenzsignal bereitzustellen, wobei das Hochfrequenzsignal und/oder das von dem Hochfrequenzsignal abgeleitete Signal und/oder das verstärkte Hochfrequenzsignal ein durch eine Halbleiterschaltung erzeugtes Signal repräsentiert;
zumindest eine mit dem Leistungsverstärker (elektrisch und/oder elektromagnetisch) gekoppelte Auskoppeleinheit, die ausgebildet ist, um zum Erwärmen des Mediums das verstärkte Hochfrequenzsignal in eine vorbestimmte Ausgaberichtung auszugeben; und
zumindest einen Isolator, der (elektrisch und/oder elektromagnetisch) zwischen den Leistungsverstärker und die Auskoppeleinheit geschaltet ist, um eine von der Auskoppeleinheit zurückreflektierte Leistung des verstärkten Hochfrequenzsignals zumindest teilweise in Wärme umzuwandeln.
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Unter einem Medium kann ein festes, flüssiges oder gasförmiges Material verstanden werden. Unter einem Oszillator kann ein elektrisches Bauelement zum Erzeugen elektrischer Schwingungen verstanden werden. Unter einem Hochfrequenzsignal kann eine elektromagnetische Strahlung verstanden werden. Beispielsweise kann der Oszillator ausgebildet sein, um das Hochfrequenzsignal mit einer Frequenz von 100 MHz, 300 MHz oder 500 MHz bis 10 GHz zu erzeugen. Unter einem Leistungsverstärker kann ein elektrisches Bauelement zum Erhöhen einer Leistung des Hochfrequenzsignals verstanden werden. Der Oszillator und der Leistungsverstärker sind als Halbleiterschaltung realisiert sein, ohne beispielsweise auf Komponenten der Röhrentechnik oder Vakuumtechnik zurückzugreifen. Beispielsweise können der Oszillator und der Leistungsverstärker aus Transistoren aufgebaut sein. Unter einem von dem Hochfrequenzsignal abgeleiteten Signal kann beispielsweise ein vorverstärktes Hochfrequenzsignal verstanden werden. Unter einer Auskoppeleinheit, auch Auskoppelstelle genannt, kann eine mit einem Ausgang des Leistungsverstärkers (elektrisch und/oder elektromagnetisch) gekoppelte Sendeeinheit verstanden werden, die mit dem verstärkten Hochfrequenzsignal gespeist werden kann, um das verstärkte Hochfrequenzsignal in eine vorbestimmte Ausgaberichtung auszustrahlen. Unter einer vorbestimmten Ausgaberichtung kann eine Richtung verstanden werden, in die das verstärkte Hochfrequenzsignal bevorzugt ausgestrahlt wird, um das Medium mit möglichst hohem Wirkungsgrad zu bestrahlen beziehungsweise zu erwärmen. Unter einem Isolator kann ein elektrisches Bauelement mit einer geringen elektrischen Leitfähigkeit verstanden werden. Beispielsweise kann der Isolator ausgebildet sein, um elektromagnetische Wellen nur in eine Richtung passieren zu lassen und in Gegenrichtung sehr wenig oder keine Leistung zu übertragen.
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Die Erwärmungsvorrichtung kann mit zumindest einer mit dem Leistungsverstärker (elektrisch und/oder elektromagnetisch) gekoppelten Steuereinheit vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um unter Verwendung eines pulsweitenmodulierten Steuersignals eine Leistung des verstärkten Hochfrequenzsignals zu steuern und/oder zu regeln. Unter einer Steuereinheit kann eine elektrische Schaltung verstanden werden, die ausgebildet ist, um durch Pulsung, auch Pulsweitenmodulation (PWM) oder Puls-Pause-Betrieb genannt, eine Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers zu steuern und/oder zu regeln. Mittels einer solchen Steuereinheit lässt sich eine Erwärmungsvorrichtung mit besonders hohem Wirkungsgrad realisieren. Ferner bietet eine solche Steuereinheit den Vorteil einer sehr einfachen und robusten Ansteuerung des Leistungsverstärkers.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Erwärmungsvorrichtung zumindest einen mit dem Oszillator und dem Leistungsverstärker (elektrisch und/oder elektromagnetisch) gekoppelten Vorverstärker aufweisen, der ausgebildet ist, um unter Verwendung des Hochfrequenzsignals ein vorverstärktes Hochfrequenzsignal bereitzustellen, wobei der Leistungsverstärker ausgebildet ist, um das verstärkte Hochfrequenzsignal unter Verwendung des vorverstärkten Hochfrequenzsignals bereitzustellen. Unter einem Vorverstärker kann eine elektrische Schaltung, insbesondere eine Halbleiterschaltung, verstanden werden. Mittels des Vorverstärkers ist es möglich, das von dem Oszillator erzeugte Hochfrequenzsignal derart anzupassen, dass der Leistungsverstärker in seinem optimalen Arbeitsbereich arbeitet. Beispielsweise kann der Vorverstärker das Hochfrequenzsignal auf eine, einer Anzahl der Leistungsverstärker entsprechende, optimale Leistung anpassen. Die Anpassung kann beispielsweise auf der Basis eines Pegels, eines Frequenzbereichs, eines Frequenzverlaufs oder einer Signalform erfolgen.
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Zwischen dem Vorverstärker und dem Leistungsverstärker kann zumindest ein zusätzlicher Isolator elektrisch geschaltet sein, um eine von dem Leistungsverstärker zurückreflektierte Leistung des vorverstärkten Hochfrequenzsignals zumindest teilweise in Wärme umzuwandeln. Somit kann auf einfache Weise und mit geringem Kostenaufwand verhindert werden, dass der Vorverstärker von der zurückreflektierten Leistung in Form von Wärme beschädigt oder zerstört wird.
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Die Erwärmungsvorrichtung kann gemäß einer weiteren Ausführungsform mit zumindest einem weiteren Leistungsverstärker vorgesehen sein, der mit dem Oszillator (elektrisch und/oder elektromagnetisch) gekoppelt und ausgebildet ist, um unter Verwendung des Hochfrequenzsignals und/oder des von dem Hochfrequenzsignal abgeleiteten Signals ein weiteres verstärktes Hochfrequenzsignal bereitzustellen. Das weitere verstärkte Hochfrequenzsignal kann ein durch die Halbleiterschaltung erzeugtes Signal repräsentieren, wobei zumindest eine mit dem weiteren Leistungsverstärker (elektrisch und/oder elektromagnetisch) gekoppelte weitere Auskoppeleinheit ausgebildet ist, um das weitere verstärkte Hochfrequenzsignal zum Erwärmen des Mediums in die vorbestimmte Ausgaberichtung auszugeben. Zumindest ein weiterer Isolator kann (elektrisch und/oder elektromagnetisch) zwischen den weiteren Leistungsverstärker und die weitere Auskoppeleinheit geschaltet sein, um eine von der weiteren Auskoppeleinheit zurückreflektierte Leistung des weiteren verstärkten Hochfrequenzsignals zumindest teilweise in Wärme umzuwandeln. Mittels dieser Ausführungsform ist es möglich, mehrere Leistungsverstärker mit nur einem Oszillator zu betreiben, wodurch sich die Effizienz der Erwärmungsvorrichtung deutlich erhöhen lässt.
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Des Weiteren kann die Erwärmungsvorrichtung zumindest eine mit dem Oszillator, dem Leistungsverstärker und dem weiteren Leistungsverstärker (elektrisch und/oder elektromagnetisch) gekoppelte Signalverteilungseinheit aufweisen. Die Signalverteilungseinheit kann ausgebildet sein, um das Hochfrequenzsignal und/oder das von dem Hochfrequenzsignal abgeleitete Signal auf den Leistungsverstärker und den weiteren Leistungsverstärker zu verteilen. Unter einer Signalverteilungseinheit, auch Splitter genannt, kann eine elektrische Schaltung, insbesondere eine Halbleiterschaltung, verstanden werden, durch die (elektrische und/oder elektromagnetische) Signale auf mehrere Signalausgänge verteilt werden können. Beispielsweise kann die Signalverteilungseinheit ausgebildet sein, um das Hochfrequenzsignal und/oder das von dem Hochfrequenzsignal zu exakt gleichen Teilen auf mehrere Leistungsverstärker zu verteilen.
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Die Effizienz der Erwärmungsvorrichtung kann weiter erhöht werden, wenn gemäß einer weiteren Ausführungsform zumindest ein weiterer Vorverstärker mit dem Oszillator und dem weiteren Leistungsverstärker (elektrisch und/oder elektromagnetisch) gekoppelt ist, wobei der weitere Vorverstärker ausgebildet ist, um unter Verwendung des Hochfrequenzsignals ein weiteres vorverstärktes Hochfrequenzsignal bereitzustellen, und wobei der weitere Leistungsverstärker ausgebildet ist, um das weitere verstärkte Hochfrequenzsignal unter Verwendung des weiteren vorverstärkten Hochfrequenzsignals bereitzustellen.
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Vorteilhafterweise kann die Signalverteilungseinheit elektrisch zwischen dem Oszillator, dem Vorverstärker und dem weiteren Vorverstärker geschaltet sein, um das Hochfrequenzsignal und/oder das von dem Hochfrequenzsignal abgeleitete Signal über den Vorverstärker auf den Leistungsverstärker und über den weiteren Vorverstärker auf den weiteren Leistungsverstärker zu verteilen. Somit kann das Hochfrequenzsignal und/oder das von dem Hochfrequenzsignal abgeleitete Signal verteilt werden, wenn es noch keine oder eine sehr geringe Leistung aufweist.
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Um eine möglichst identische Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers und des weiteren Leistungsverstärkers zu gewährleisten, kann die Signalverteilungseinheit ausgebildet sein, um eine Leistung des Hochfrequenzsignals und/oder des von dem Hochfrequenzsignal abgeleiteten Signals innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs zu gleichen Teilen zu (ver-)teilen. Unter einem vorbestimmten Toleranzbereich kann beispielsweise eine Abweichung von 1, 5 oder 10 Prozent der Leistung der zu vergleichenden Signale verstanden werden. Auf diese Weise lässt sich sicherstellen, dass die Auskoppeleinheit und die weitere Auskoppeleinheit ein innerhalb des Toleranzbereichs identisches Signal aussenden.
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Das Medium lässt sich mit besonders hohem Wirkungsgrad erwärmen, wenn die Auskoppeleinheit eine Antenne und/oder einen Hohleiter aufweist. Sofern die Auskoppeleinheit eine Antenne und einen Hohlleiter aufweist, kann die Antenne zumindest teilweise in den Hohlleiter hineinreichen, um das verstärkte Hochfrequenzsignal auszukoppeln. Unter einem Hohlleiter kann beispielsweise ein Metallrohr mit rechteckigem, kreisförmigem oder elliptischem Querschnitt verstanden werden. Damit lässt sich das verstärkte Hochfrequenzsignal sehr verlustarm übertragen. Unter einer Antenne kann ein elektrisch leitfähiges Element zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen verstanden werden. Beispielsweise kann es sich bei der Antenne um einen gebogenen Draht handeln.
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Besonders günstig ist es, wenn der Hohlleiter einen Schlitz aufweist, um das verstärkte Hochfrequenzsignal in die vorbestimmte Ausgaberichtung auszugeben. Beispielsweise kann der Schlitz auf einer der Antenne gegenüberliegenden Seite des Hohlleiters ausgebildet sein.
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Der hier beschriebene Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Betreiben einer Erwärmungsvorrichtung gemäß einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Erzeugen eines Hochfrequenzsignals durch eine Halbleiterschaltung;
Verstärken des Hochfrequenzsignals und/oder eines von dem Hochfrequenzsignal abgeleiteten Signals in einem Leistungsverstärker, um ein verstärktes Hochfrequenzsignal zu erhalten, wobei das Verstärken unter Verwendung der Halbleiterschaltung oder einer weiteren Halbleiterschaltung erfolgt, wobei eine von dem Leistungsverstärker ausgestrahlte und zurückreflektierte Leistung des verstärkten Hochfrequenzsignals mittels eines Isolators zumindest teilweise in Wärme umgewandelt wird; und
Ausgeben des verstärkten Hochfrequenzsignals in eine vorbestimmte Ausgaberichtung, um das Medium zu erwärmen.
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Ferner schafft der hier vorgestellte Ansatz eine Vorrichtung, die ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form einer Vorrichtung kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
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Unter einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen der Vorrichtung beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Erwärmungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung einer Erwärmungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer Auskoppeleinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Erwärmungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Erwärmungsvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Erwärmungsvorrichtung 100 umfasst einen Oszillator 105, einen Leistungsverstärker 110, der elektrisch und/oder elektromagnetisch mit dem Oszillator 105 gekoppelt ist, sowie eine Auskoppeleinheit 115. Ferner umfasst die Erwärmungsvorrichtung 100 einen Isolator 120, der elektrisch und/oder elektromagnetisch zwischen den Leistungsverstärker 110 und die Auskoppeleinheit 115 geschaltet ist. Hierbei sind der Oszillator 105 und der Leistungsverstärker 110 als Halbleiterschaltungen realisiert. Dabei ist die Halbleiterschaltung von Komponenten in Röhren- oder Vakuumtechnik frei.
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Der Oszillator 105 ist ausgebildet, um ein Hochfrequenzsignal 125 zu erzeugen. Der Leistungsverstärker 110 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Hochfrequenzsignals 125 ein verstärktes Hochfrequenzsignal 130 bereitzustellen. Das Hochfrequenzsignal 125 und das verstärkte Hochfrequenzsignal 130 sind somit Signale, die durch Halbleiterschaltungen erzeugt sind. Der Isolator 120 ist ausgebildet, um eine von der Auskoppeleinheit 115 zurückreflektierte Leistung des verstärkten Hochfrequenzsignals 130 zumindest teilweise in Wärme umzuwandeln, so dass der Leistungsverstärker 110 durch die zurückreflektierte Leistung nicht beschädigt wird. Die Ausgabeneinheit 115 ist ausgebildet, um das verstärkte Hochfrequenzsignal 130 in eine vorbestimmte Ausgaberichtung 135 auszugeben. Somit kann ein Medium 140, das mit dem verstärkten Hochfrequenzsignal 130 bestrahlt wird, sehr effizient erwärmt werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Erwärmungsvorrichtung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu 1 sind der Oszillator 105 und der Leistungsverstärker 110 in 2 zusätzlich mit einem Vorverstärker 200 elektrisch und/oder elektromagnetisch gekoppelt. Der Vorverstärker 200 ist ausgebildet, um unter Verwendung des Hochfrequenzsignals 125 ein vorverstärktes Hochfrequenzsignal 205 bereitzustellen. Der Leistungsverstärker 110, auch Hauptverstärker genannt, ist ausgebildet, um das verstärkte Hochfrequenzsignal 130 unter Verwendung des vorverstärkten Hochfrequenzsignals 205 bereitzustellen. Wie der Oszillator 105 und der Leistungsverstärker 110 ist auch der Vorverstärker 200 als Halbleiterschaltung realisiert.
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Zwischen den Vorverstärker 200 und den Leistungsverstärker 110 ist ein zusätzlicher Isolator 202 geschaltet, der ausgebildet ist, um eine von dem Leistungsverstärker 110 zurückreflektierte Leistung des vorverstärkten Hochfrequenzsignals 205 zumindest teilweise in Wärme umzuwandeln, so dass der Vorverstärker 200 durch die zurückreflektierte Leistung nicht beschädigt wird.
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Die Erwärmungsvorrichtung 100 umfasst im Unterschied zu 1 einen weiteren Leistungsverstärker 210, der über den Vorverstärker 200 und den zusätzlichen Isolator 202 mit dem Oszillator 105 elektrisch und/oder elektromagnetisch gekoppelt ist, eine mit dem weiteren Leistungsverstärker 210 elektrisch und/oder elektromagnetisch gekoppelte weitere Auskoppeleinheit 220 sowie einen weiteren Isolator 225, der elektrisch und/oder elektromagnetisch zwischen den weiteren Leistungsverstärker 210 und die weitere Ausgabeneinheit 220 geschaltet ist. Auch der weitere Leistungsverstärker 210 ist als Halbleiterschaltung realisiert.
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Um das vorverstärkte Hochfrequenzsignal 205 zu gleichen Teilen auf den Leistungsverstärker 110 und den weiteren Leistungsverstärker 210 zu verteilen, ist die Erwärmungsvorrichtung 100 mit einer Signalverteilungseinheit 230 ausgeführt, die gemäß diesem Ausführungsbeispiel dem zusätzlichen Isolator 202 elektrisch und/oder elektromagnetisch nachgeschaltet ist. Die Signalverteilungseinheit 210 kann auch als Signalsplitter bezeichnet werden.
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Alternativ kann die Signalverteilungseinheit 210 auch zwischen den Oszillator 105 und den Vorverstärker 200 geschaltet sein.
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Die Schaltung bestehend aus dem Oszillator 105, dem Vorverstärker 200, dem zusätzlichen Isolator 202 und der Signalverteilungseinheit 230 kann auch als Oszillatorschaltung bezeichnet werden.
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Der weitere Leistungsverstärker 210 ist ausgebildet, um unter Verwendung des vorverstärkten Hochfrequenzsignals 205 ein weiteres verstärktes Hochfrequenzsignal 235 bereitzustellen, das mittels der weiteren Ausgabeneinheit 220 in die vorbestimmte Ausgaberichtung ausgestrahlt werden kann, um das Medium zu erwärmen.
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Die Schaltung bestehend aus dem Leistungsverstärker 110, dem Isolator 120 und der Auskoppeleinheit 115 kann auch als Power amplifier 1 bezeichnet werden. Die Schaltung bestehend aus dem weiteren Leistungsverstärker 210, dem weiteren Isolator 225 und der weiteren Auskoppeleinheit 120 kann auch als Power amplifier 2 bezeichnet werden. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Erwärmungsvorrichtung 100 zumindest einen weiteren Power amplifier n, der mit dem Power amplifier 1 und dem Power amplifier 2 parallel geschaltet ist und elektrisch mit dem Oszillator 105 gekoppelt ist, um das vorverstärkte Hochfrequenzsignal 205 analog zum Aufbau und zur Funktionsweise des Power amplifier 1 und des Power amplifier 2 zu verstärken.
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Die Erwärmungsvorrichtung 100 kann Sicherheitsabschaltungen umfassen, die ausgebildet sind, um eine jeweilige Temperatur, eine jeweilige Eingangsleistung und einen jeweiligen Transistor-Gate-Strom der Oszillatorschaltung und der Power amplifier zu überwachen.
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Die Leistungsverstärker 110, 210 können mit einer Steuereinheit 240 elektrisch gekoppelt sein, die dazu dient, unter Verwendung eines pulsweitenmodulierten Steuersignals 245 eine Leistung des verstärkten Hochfrequenzsignals 130 bzw. des weiteren verstärkten Hochfrequenzsignals 235 zu steuern und/oder zu regeln. Beispielsweise kann die Steuereinheit 240 auch zur Treiberansteuerung und zum Monitoring verwendet werden und ausgebildet sein, um eine VSWR (voltage standing wave ratio; „Stehwellenverhältnis”), eine Leistung und eine Temperatur der Leistungsverstärker 110, 210 auszulesen.
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Die Oszillatorschaltung kann Signalein- und -ausgänge zum Monitoring, zur Frequenzabstimmung und Treiberansteuerung aufweisen.
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Die einzelnen Module der Erwärmungsvorrichtung 100 können Kupfer-Inlays zur besseren Wärmeabfuhr aufweisen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist eine elektronische Schaltung von Komponenten vorgesehen, durch die eine elektromagnetische Strahlung effizient generiert werden kann, um Medien mittels der Strahlung zu erwärmen. Hierbei kann durch die Beschaltung von Transistoren und deren Betrieb mit Frequenzmodulation die Erwärmung nach Medium und Temperatur optimiert werden. Beispielsweise können die Transistoren mittels Pulsweitenmodulation im Optimum betrieben werden. Dadurch ist es möglich, die Schaltung sehr kompakt auszuführen und effizient auf das zu erwärmende Medium zu adaptieren.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Auskoppeleinheit 115 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Auskoppeleinheit 115 handelt es sich beispielsweise um die in den 1 und 2 gezeigte Auskoppeleinheit. Die Auskoppeleinheit 115 umfasst einen Hohlleiter 300 und eine Antenne 305. Ein erstes Ende der Antenne 305 reicht in den Hohlleiter 300 hinein und ist beispielhaft u-förmig umgebogen. Ein zweites Ende der Antenne 305 ist mit einem hier nicht gezeigten Leistungsverstärker der Erwärmungsvorrichtung elektrisch gekoppelt. Auf diese Weise kann das verstärkte Hochfrequenzsignal in den Hohlleiter 300 eingespeist werden. Bei dem Hohlleiter 300 handelt es sich um einen länglichen Hohlkörper aus einem elektrisch leitfähigen Material.
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Ein dem ersten Ende der Antenne 305 gegenüberliegender Wandbereich des Hohlleiters 300 weist gemäß diesem Ausführungsbeispiel einen Schlitz 310 auf. Somit kann das verstärkte Hochfrequenzsignal von dem ersten Ende der Antenne 305 durch den Hohlleiter 300 hindurch mit geringen Verlusten zu dem Schlitz 310 übertragen werden und von dort aus gebündelt in die vorbestimmte Ausgaberichtung ausgestrahlt werden.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Betreiben einer Erwärmungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Zunächst wird in einem Schritt 405 ein Hochfrequenzsignal durch eine Halbleiterschaltung erzeugt. In einem weiteren Schritt 410 wird das Hochfrequenzsignal und/oder eines von dem Hochfrequenzsignal abgeleitetes Signal in einem Leistungsverstärker verstärkt, um ein verstärktes Hochfrequenzsignal zu erhalten, wobei das Verstärken unter Verwendung der Halbleiterschaltung oder einer weiteren Halbleiterschaltung erfolgt, wobei eine von dem Leistungsverstärker ausgestrahlte und zurückreflektierte Leistung des verstärkten Hochfrequenzsignals mittels eines Isolators zumindest teilweise in Wärme umgewandelt wird. Schließlich wird in einem Schritt 415 das verstärkte Hochfrequenzsignal in eine vorbestimmte Ausgaberichtung ausgegeben, um das Medium zu erwärmen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der Oszillator über externe Eingänge in seiner Frequenz eingestellt, mit der eine Verstärkerschaltung angeregt wird.
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Ein Vorverstärker verstärkt das Oszillatorsignal auf eine für eine Anzahl der Leistungsverstärker optimale Leistung. Eine Zerstörung der Verstärkerschaltung oder des Oszillators durch rückreflektierte Leistung wird durch einen Isolator verhindert, der die rückreflektierte Leistung in Wärme umwandelt. Ein Signalsplitter verteilt das vorverstärkte Signal zu exakt gleichen Teilen auf die Ausgänge. Der Leistungsverstärker wird durch Pulsung, auch Pulsweitenmodulation (PWM) oder Puls-Pause-Betrieb genannt, angesteuert und in seiner Ausgangsleistung gesteuert. Ein weiterer Isolator verhindert durch Umwandlung in Wärme die Zerstörung der Leistungsverstärkerschaltung durch rückreflektierte Leistung. Eine Auskoppelstelle ist als Antenne und/oder Hohlleiter ausgeführt und auf eine jeweilige Anwendung optimiert.
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Die Signalerzeugungskette kann alternativ in folgenden Konstellationen auftreten:
Von Oszillator zu Vorverstärker, von Vorverstärker zu Isolator, von Isolator zu Leistungsverstärker, von Leistungsverstärker zu Isolator, von Isolator zu Auskoppelstelle.
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Von Oszillator zu Verstärker, von Verstärker zu Isolator, von Isolator zu Auskoppelstelle.
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Von Oszillator zu Vorverstärker, von Vorverstärker zu Isolator, von Isolator zu Splitter, von Splitter zu Leistungsverstärker, von Leistungsverstärker zu Isolator, von Isolator zu Auskoppelstelle sowie von Splitter zu weiterem Vorverstärker, von weiterem Vorverstärker zu weiterem Leistungsverstärker, von weiterem Leistungsverstärker zu weiterem Isolator, von weiterem Isolator zu weiterer Auskoppelstelle.
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Von Oszillator zu Splitter, von Splitter zu Vorverstärker, von Vorverstärker zu Leistungsverstärker, von Leistungsverstärker zu Isolator, von Isolator zu Auskoppelstelle sowie von Splitter zu weiterem Vorverstärker, von weiterem Vorverstärker zu weiterem Leistungsverstärker, von weiterem Leistungsverstärker zu weiterem Isolator, von weiterem Isolator zu weiterer Auskoppelstelle.
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Auf diese Weise kann eine Strahlung zur Wechselwirkung mit nahezu beliebigen Medien zur Erzeugung chemischer oder physikalischer Reaktionen generiert werden. Hierbei können die Leistungstransistoren im Puls-Pause-Betrieb angesteuert werden, wodurch eine Ansteuerung mit sehr hohem Wirkungsgrad ermöglicht wird.
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Die nachfolgende Tabelle zeigt beispielhaft den Wirkungsgrad bei analoger Leistungsansteuerung, auch continuous wave oder Dauerstrich genannt.
| Ausgangsleistung [W] | Stromaufnahme [I] | Wirkungsgrad [%] |
| 10 | 1.0 | 24 |
| 20 | 1.5 | 32 |
| 30 | 1.9 | 38 |
| 40 | 2.2 | 43 |
| 50 | 2.5 | 48 |
| 60 | 2.8 | 51 |
| 70 | 3.0 | 55 |
| 80 | 3.3 | 58 |
| 90 | 3.5 | 61 |
| 100 | 3.7 | 62 |
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Im Gegensatz dazu zeigt die nachfolgende Tabelle den Wirkungsgrad im effizienteren Puls-Pause-Betrieb für das gleiche Beispiel.
| Ausgangsleistung [W] | Stromaufnahme [I] | Wirkungsgrad [%] |
| 10 | 0.4 | 60 |
| 20 | 0.8 | 63 |
| 30 | 1.0 | 68 |
| 40 | 1.4 | 66 |
| 50 | 1.8 | 68 |
| 60 | 2.2 | 68 |
| 70 | 2.5 | 67 |
| 80 | 2.9 | 65 |
| 90 | 3.3 | 64 |
| 100 | 3.7 | 62 |
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Eine Spannungsversorgung kann sich nach der Auswahl und den Anforderungen, zum Beispiel dem Wirkungsgrad, des Transistors richten.
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Der Frequenzbereich des verstärkten Hochfrequenzsignals kann sich an klassischen Magnetron-Anwendungen orientieren. Die Transistortechnik erlaubt beispielsweise die Nutzung eines Frequenzbereichs von 500 MHz bis 10 GHz, die je nach Anwendung abgestimmt werden kann. Der hier vorgestellte Ansatz lässt sich beispielsweise dazu verwenden, um ein Medium um über 50 K zu erwärmen. Hierfür kann beispielsweise eine Leistung des verstärkten Hochfrequenzsignals verwendet werden, die größer als 100 W, insbesondere größer als 1 kW, günstigerweise sogar größer als 5 kW ist.
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Es kann mit einer festen Frequenz gearbeitet werden. Ebenso kann die Frequenz für den Prozess auch variabel sein.
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5 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 500 zum Durchführen eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung 500 umfasst eine Erzeugungseinheit 505 zum Erzeugen des Hochfrequenzsignals, eine Bereitstellungseinheit 510 zum Bereitstellen des verstärkten Hochfrequenzsignals sowie eine Ausgabeeinheit 515 zum Ausgeben des verstärkten Hochfrequenzsignals.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” -Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Erwärmungsvorrichtung
- 105
- Oszillator
- 110
- Leistungsverstärker
- 115
- Auskoppeleinheit
- 120
- Isolator
- 125
- Hochfrequenzsignal
- 130
- verstärktes Hochfrequenzsignal
- 135
- vorbestimmte Ausgaberichtung
- 140
- Medium
- 200
- Vorverstärker
- 202
- zusätzlicher Isolator
- 205
- vorverstärktes Hochfrequenzsignal
- 210
- weiterer Leistungsverstärker
- 220
- weitere Auskoppeleinheit
- 225
- weiterer Isolator
- 230
- Signalverteilungseinheit
- 235
- weiteres verstärktes Hochfrequenzsignal
- 240
- Steuereinheit
- 245
- Steuersignal
- 300
- Hohlleiter
- 305
- Antenne
- 310
- Schlitz
- 400
- Verfahren zum Betreiben einer Erwärmungsvorrichtung
- 405
- Erzeugen eines Hochfrequenzsignals
- 410
- Bereitstellen eines verstärkten Hochfrequenzsignals
- 415
- Ausgeben des verstärkten Hochfrequenzsignals
- 500
- Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens zum Betreiben einer Erwärmungsvorrichtung
- 505
- Erzeugungseinheit
- 510
- Bereitstellungseinheit
- 515
- Ausgabeeinheit
