DE1081987B - Anordnung zur Einspeisung von Mikrowellenenergie in den Arbeitsraum einer dielektrischen Erwaermungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Einspeisung von Mikrowellenenergie in den Arbeitsraum einer dielektrischen Erwärmungsvorrichtung. Derartige bekannte Vorrichtungen sind zur Erwärmung von dielektrischen Produkten der Industrie oder von Nahrungsmitteln geeignet.

Die bekannten Erwärmungsvorrichtungen bestehen beispielsweise aus einem Arbeitsraum, in den über ein Antenneneinkopplungssystem Mikrowellenenergie eingekoppelt wird. Die vom Einkopplungssystem ausgehenden Wellenzüge werden an gegenüberliegenden Wänden des Arbeitsraumes reflektiert und bilden im Arbeitsraum stehende Wellen aus.

Das von den reflektierten Wellenzügen im Arbeitsraum gebildete Strahlungsfeld weist eine örtlich unterschiedliche Energiedichte auf. Da der Umsatz von Mikrowellenenergie in Wärmeenergie neben anderen Faktoren vor allem von dem Quadrat der Feldstärke abhängt, führt die unterschiedliche Energiedichte zu einer ungleichmäßigen Erwärmung von im Strahlungsfeld befindlicher Substanz. Dieser Ungleichmäßigkeit begegnet man. durch aufwendige, zusätzliche Maßnahmen, beispielsweise durch das Anbringen bewegter Sekundärstrahler im Arbeitsraum oder auch durch Bewegen der zu erwärmenden Substanz.

Einer gleichmäßigen Erwärmung — auch bei einem mit den bekannten Mitteln ausgeglichenen Energiedichteverlauf — wirkt aber außerdem noch die Energieabsorption in der zu erwärmenden Substanz selbst entgegen. Bei verlustreichen Substanzen großer Abmessungen kann es nämlich vorkommen, daß die vom Einkopplungssystem abgestrahlten Wellenzüge schon beim ersten Durchgang durch die Substanz völlig absorbiert werden. Die Wellenzüge werden dann nicht reflektiert, und es bilden sich keine stehenden Wellen aus. Infolgedessen wird die Substanz dann nur im fortschreitenden und sich dabei abschwächenden Strahlungsfeld erwärmt. Es ergibt sich somit zwangläufig eine einseitige, von der Antennenseite her abnehmende Erwärmung. Die Beseitigung dieser ungleichmäßigen Erwärmung ist schwierig.

Die der Erwärmung dienende Mikrowellenenergie wird in HF-Generatoren, beispielsweise Magnetronröhren, erzeugt, die über Ausgangsleistungen von nur einigen Kilowatt verfügen. Die Leistung einer Magnetronröhre reicht daher nicht immer aus, um die gesamte zur Erwärmung benötigte Energie zur Verfügung zu stellen. Der erhöhte Energiebedarf legt den Gedanken nahe, die Energie mehrerer Magnetronröhren in einen Arbeitsraum einzuspeisen. Dabei tritt jedoch die Schwierigkeit auf, daß ein Teil der von einer Magnetronröhre über ein Einkopplungssystem in den Arbeitsraum eingekoppelten Energie über das Einkopplungssystem des anderen Magnetrons wieder Anordnung zur Einspeisung

von Mikrowellenenergie
in den Arbeitsraum einer dielektrischen
Erwärmungsvorrichtung

Anmelder:

Philips Patentverwaltung G.m.b.H.,
Hamburg 1, Mönckebergstr, 7

Dr. Wolfgang Schmidt, Hamburg-Othmärschen,
ist als Erfinder genannt worden

ausgekoppelt wird. Ähnlich wie bei einer reflektierten Welle läuft dieser Energieanteil in das zweite Magnetron hinein und kann dessen Betriebsstabilität beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Energiedichte in dem Arbeitsraum zu erhöhen bei Vermeidung einer Leistungskopplung zwischen einspeisenden Magnetronröhren und gleichzeitig ohne aufwendige Mittel eine Vergleichmäßigung der Energiedichte im Arbeitsraum zu erreichen.

Gemäß der Erfindung sind bei einer Anordnung zur Einspeisung von Mikrowellenenergie in dem Arbeitsraum einer dielektrischen Erwärmungsvorrichtung mehrere in einen Arbeitsraum Energie einspeisende Einkopplungssysteme, die jedes für sich an den Arbeitsraum angepaßt sind, vorgesehen und derart in Bezug aufeinander angeordnet, daß jedes System die Energie mit einer anderen Polarität einspeist.

Der Erfinder hat nämlich erkannt, daß die Grundschwingungsform der Mikrowellenenergie im Arbeitsraum vorwiegend durch die Polarität der eingekoppelten Welle bestimmt ist, und zwar durch die Polarität an der Trennebene zwischen deal Arbeitsraum und dem Einkopplungssystefti. Die Grundschwingöngsform ist

außerdem abhängig von der Geometrie des Arbeitsraumes, der Betriebstreqttefiz des Magnetrons und der Lage des Einkopplungssystems. Durch Reflexionen an und in der zu erwärmenden Substanz «ad an Störstellen des Arbeitsraum^ können zwar" auch Wellen-

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züge mit anderer Polarisationseinrichtung auftreten; deren Energieanteile sind jedoch vernachlässigbar gering. Entsprechend der unterschiedlichen Polarität der Einkopplungssysteme werden im Arbeitsraum Grundschwingungen unterschiedlicher Polarität angeregt; eine Leistungskopplung der Einkopplungssysteme wird durch die Verwendung dieser unterschiedlichen Schwingungsformen vermieden, so daß ein stabiler Betrieb garantiert ist. Tritt dennoch bei zu schwacher Bedämpfung des Arbeitsraumes eine Leistungskopplung der Einkopplungssysteme untereinander auf, so kann diese unterdrückt werden bzw. kann die Entkopplung verbessert werden durch zusätzliche Polarisationsgitter, die in den Übergangsebenen zwischen den Einkopplungssystemen und dem Arbeitsraum angeordnet sind.

Da die unterschiedlichen Grundschwingungsformen, die sich im Arbeitsraum bei Einkopplungen mit unterschiedlicher Polarität ergeben, sich überlagern, führen diese bei geeigneter gegenseitiger Lage der Einkopplungssysteme und Polaritäten zu einem resultierenden Energiedichtefeld, was sich in einer Vergleichmäßigung der Energiedichte im Arbeitsraum ausdrückt. Diese Vergleichmäßigung ergibt sich auch dann, wenn sich im Arbeitsraum keine stehenden Wellen ausbilden. Koppeln die Einkopplungssysteme die benötigte Energie nämlich von verschiedenen Seiten her in den Arbeitsraum ein, so befinden sich die zu erwärmenden Substanzen in einem mehrseitigen Strahlungsfeld fortschreitender Wellen.

Reicht die von einem Magnetron gelieferte Mikrowellenenergie zur Erwärmung der im Arbeitsraum befindlichen Substanzen bereits aus, so kann ein Magnetron auch zwei Einkopplungssysteme speisen. Der Abgleich der einzelnen Einkopplungssysteme kann durch Form und Größe der Koppelöffnungen sowie durch geeignete Stellung von Kurzschlußblechen erfolgen. Um den in der Kurzwellentechnik als long-line-Effekt bekannten Störungen entgegenzuwirken, sind wegen zu erwartender Lastreflexionen die einzelnen Einkopplungsstellen nicht mehr als einige Wellenlängen von der Magnetronröhre entfernt angeordnet.

Das störungsfreie Arbeiten der Vorrichtung gemäß der Erfindung setzt voraus, daß die Stabilität der Grundschwingungsformen in jedem Fall aufrechterhalten wird. Diese Stabilität ist aber gewährleistet, wenn die einzelnen Einkopplungssysteme über den Frequenzbereich der Magnetronröhre hinweg breitbandig abgeglichen sind und der Arbeitsraum eine Mindestgrunddämpfung aufweist. Der breitbandige Abgleich ergibt sich von allein, da die einzelnen Resonanzen schon bei geringer Dämpfung des Arbeitsraumes so breitbandig sind, daß diese sich über den Frequenzstreubereich der Magnetronröhren hinweg erstrecken. Die Mindestgrunddämpfung wird beispielsweise durch eine verlustbehaftete Auflageplatte für die zu erwärmenden Substanzen erreicht.

Die Erfindung wird an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schaubildlich und schematisch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein Einkopplungssystem der Vorrichtung mit einem Polarisationsgitter;

Fig. 3 bis S veranschaulichen die Speisemöglichkeiten zweier Einkopplungssysteme aus einer Magnetronröhre.

Die Decke 1 des Arbeitsraumes 2 einer in Fig. 1 dargestellten dielektrischen Erwärmungsvorrichtung ist mit zwei Einkopplungssystemen 3, 4 versehen. Die Einkopplungssysteme bestehen aus auf die Ränder von öffnungen der Decke 1 aufgesetzten zylindrischen Rohren 5, an denen Rohrstutzen 6 angeordnet sind. An diese Rohrstutzen 6 sind beispielsweise nicht dargestellte Koaxialleitungen angeschlossen, die die von Magnetronröhren gelieferte Mikrowellenenergie den Einkopplungssystemen 3, 4 zuführen. In den Rohren 5 werden dabei von Antennen 7, welche durch die Rohrstutzen 6 hindurch in die Rohre 5 hineinragen und verlängerte Innenleiter der Koaxialleitungen sind, fortschreitende Wellen angeregt, die in den Arbeitsraum 2 eingekoppelt werden. Zwischen der Decke 1 und dem Boden 8 bilden diese Wellen stehende elektromagnetische Wellen aus, die von der zu erwärmenden Substanz 9 absorbiert werden. Wenn sich in dem Arbeitsraum 2 keine Substanz befindet, wird die Energie wenigstens teilweise von der verlustbehafteten Auflageplatte 10 der Substanz absorbiert, die eine Mindestdämpfung des unbelasteten Arbeitsraumes gewährleistet. Die zulässige Lastreflexionsgrenze für ein stabiles Arbeiten des Magnetrons kann daher nicht überschritten werden.

Die Einkopplungssysteme 3, 4 sind unsymmetrisch zu den Kanten der Belastungsebene angeordnet, die der Form der Decke 1 bzw. des Arbeitsraumbodens 8 entspricht. Damit wird ein merklicher Einfluß auf den Energiedichteverlauf im Arbeitsraum 2 gewonnen. Die Rohre 5 der Einkopplungssysteme 3, 4 sind in der Decke 1 um ihre Achsen drehbar, um deren unterschiedliche Polarität einstellbar zu machen. Bei der Einstellung wird die von einem der Einkopplungssysteme, beispielsweise dem System 3, im Arbeitsraum 2 erregte Schwingungsform als gegeben angenommen. Die Stellung des anderen Einkopplungssystems 4 wird dann experimentell durch Drehen des Systems ermittelt. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel schließen die Achsen der Rohrstutzen 6 einen Winkel von 135° ein. Bei dieser An-Ordnung der Einkopplungssysteme ergibt sich für den gesamten zulässigen Lastreflexionsbereich der Magnetrons zwischen diesen keine beachtenswerte Leistungskopplung; die überlagerten Schwingungsformen bilden im Arbeitsraum ein resultierendes Energiedichtefeld, das weitgehend gleichmäßig ist und damit eine gleichmäßige Erwärmung der in den Arbeitsraum eingebrachten Substanzen ermöglicht. Um eine geeignete Überlagerung der Schwingungsformen beider Einkopplungssysteme zu erreichen, kann eines der Systeme ohne weiteres auch an einer anderen Wand des Arbeitsraumes angeordnet werden, wobei ebenfalls die Schwingungsform eines der beiden Systeme experimentell ermittelt wird. Jedes System ist für sich getrennt an den Arbeitsraum 2 angepaßt, beispielsweise durch Verstellen von in den Rohren 5 verschiebbaren Kurzschlußschiebern 11 in Verbindung mit einer Veränderung der Längen der Antennen 7. Die Anpassung muß so erfolgen, daß über den Frequenzstreubereich des Magnetrontyps für alle in Frage kommenden Bedämpfungen des Arbeitsraumes die Grundschwingungsformen in diesem stabil erhalten bleiben. Dann stimmen an den Übergangsebenen 12 zwischen den Einkopplungssystemen und dem Arbeitsraum die elektrischen und magnetischen FeIdbilder der Schwingungsformen im Arbeitsraum und im Einkopplungshohlleiter miteinander überein. Die Ersatzimpedanzen an den Übergangsebenen sind dann angepaßt. Bei einer Fehlanpassung treten wegen der unterschiedlichen Randbedingungen für die Felder zu beiden Seiten der Übergangsebenen zusätzliche Stör-

wellen auf. Dadurch wird als Lastreflexion, ein mehr oder weniger großer Anteil der vom Magnetrongenerator über das Einkopplungssystem angebotenen Leistung an der Übergangsebene reflektiert. Bei zu hoher Energiereflexion wird die Betriebsstabilität des Magnetrongenerators gefährdet.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Einkopplungssystem, das wieder aus einem zylindrischen Rohr 5 mit eingesetztem Rohrstutzen 6 besteht, ist in der Übergangsebene 12 zwischen dem Rohr 5 und dem Arbeitsraum 2 ein Polarisationsgitter 13 angeordnet. Dieses Polarisationsgitter 13 verbessert die Leistungsentkopplung zwischen den beiden Enkopplungssystemen 3 und 4 bei höheren Lastreflexionen, d. h. bei nur sehr schwach bedampftem Arbeitsraum.

In den in Fig. 3 bis 5 dargestellten Anordnungen wird die Energie eines Magnetrons zwei Einkopplungssystemen 3, 4 zugeführt. In Fig. 3 bestehen die Einkopplungssysteme 3, 4 aus rechteckförmigen Hohlleitern, die unter einem Winkel mit einem Verbindungshohlleiter 14 gleichen Querschnitts miteinander verbunden sind. Der Verbindungshohlleiter 14 ist mit einem Rohrstutzen 6 zum Anschließen der nicht dargestellten Koaxialleitung des Magnetrons versehen. Die gesamte Hohlleiteranordnung ist auf der Außenseite der Deckel des Arbeitsraumes 2 angeordnet. Durch öffnungen 15 in der Arbeitsraumdecke und den Einkopplungshohlleitern 3, 4 wird die von dem Magnetron zugeführte Mikrowellenenergie in den Arbeitsraum 2 eingekoppelt. Die Einkopplungsöffnungen 15 können auch bei diesem Ausführungsbeispiel mit Polarisationsgitter 13 versehen werden. Während die Polarisationsgitter 13 Leistungskopplungen zwischen den beiden Einkopplungssystemen 3, 4 verhindern, wird durch die unterschiedlichen Grundschwingungsformen der in den Arbeitsraum eingekoppelten Energie in diesem eine gleichmäßige Energiedichte erzeugt.

Die in Fig. 4 und 5 dargestellten Anordnungen arbeiten entsprechend der Anordnung nach Fig. 3. Unterschiede ergeben sich nur insofern, als die Energie aus dem Magnetron bei Fig. 4 in einem Arm eines T-förmigen rechteckigen Hohlleiters eingekoppelt wird, während bei Fig. 5 die Energie in den Fußbalken eines Y-förmigen Rechteckhohlleiters eingespeist wird.

Claims (9)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Anordnung zur Einspeisung von Mikrowellenenergie in den Arbeitsraum einer dielektrischen Erwärmungsvorrichtung, dadurch, gekennzeichnet, daß mehrere in einen Arbeitsraum (2) Energie einspeisende Einkopplungssysteme (3, 4), die jedes für sich an den Arbeitsraum angepaßt sind, vorgesehen und derartig in Bezug aufeinander angeordnet sind, daß jedes System die Energie mit einer anderen Polarität einspeist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an einem oder verschiedenen Wandteilen (1) vorgesehenen Einkopplungssysteme (3, 4) in Bezug aufeinander verstellbar sind.

3. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplungssysteme (3, 4) um ihre Achsen drehbar sind.

4. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplungssysteme (3, 4) als zylindrische Rohre (5) ausgebildet sind, an die ein Stutzen (6) zur Befestigung einer Koaxialleitung angesetzt ist.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplungssysteme (3, 4) als rechteckförmige Hohlleiter ausgebildet sind, die in einen gemeinsamen Hohlleiter (14) übergehen, an den ein Stutzen (6) zur Befestigung einer Koaxialleitung angesetzt ist.

6. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (2) mit einer verlustbehafteten, eine Mindestdämpfung gewährleistenden Auflageplatte (9) für zu erwärmende Substanzen (9) versehen ist.

7. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Einkoplungssystemen (3, 4) und dem Arbeitsraum (2) Polarisationsgitter (13) vorgesehen sind.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 6, 7, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Einkopplungssystem (3, 4) an einen HF-Generator angeschlossen ist.

9. Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplungssysteme (3, 4) an einen gemeinsamen HF-Generator angeschlossen sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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