DE1087729B - Hochfrequenzofen fuer dielektrische Erhitzung - Google Patents

Description

Die Erfindung· betrifft einen Hochfrequenzofen für dielektrische Erhitzung, insbesondere für hohe Leistungen von z. B. 1 kW und mehr, bei sehr hohen Frequenzen, der mit einem Lastkreis mit einem darin enthaltenen Lastkondensator und einer fest angeordneten Lastkreisspule versehen ist, wobei die fest angeordnete Lastkreisspule mit einer zweiten fest angeordneten Spule zu einer baulichen Einheit zusammengebaut ist und diese beiden Spulen zur Anpassungsregelung im Resotianzbereich mit Einstellmitteln versehen sind, die bei Bedienung eine Änderung der Größe der Selbstinduktionen dieser Spulen bewirken.

In einem bekannten Hochfrequenzofen dieser Art wurde zur reflexionsfreien Anpassung im Resonanzbereich der Lastkreis an die von einem Koaxialkabel gebildete Energiezuführungsleitung einerseits durch Einstellung der Lastkreisspule auf die feste Oszillatorfrequenz abgestimmt und andererseits durch eine in Reihe mit dem Koaxialkabel geschaltete Spule die Anpassung an das Koaxialkabel bewirkt. In einer ähnlichen Schaltung dieser Art für Antennenanpassung wurden die beiden unabhängig voneinander einstellbaren Spulen durch kreisförmig verlaufende parallele hochgestellte Leiter gebildet, wobei die Einstellung der Selbstinduktion dieser Spulen durch auf den Flachseiten umlaufende Schlei·· 1 V —i^-t ■?.·'-<'

Die Erfindung betrifft einen für die Praxis besonders vorteilhaften Hochfrequenzofen für sehr hohe Frequenzen von z. B. 40 bis 200 MHz, wobei zusammen mit einer einfachen Anpassungsregelung im Resonanzbereich eine wesentliche Vergrößerung des Anpassungsregelbereichs erzielt wird, was z. B. bei dielektrischer Erhitzung von Werkstücken sehr verschiedener Art und Größe von Bedeutung ist, während dabei über den ganzen vergrößerten Anpassungsregelbereich das Auftreten von parasitären Schwingungen vermieden wird.

Der Hochfrequenzofen nach der Erfindung weist das Merkmal auf, daß die als Anodenschwingkreisspule eines rückgekoppelten Elektronenoszillators ausgebildete zweite Spule induktiv mit der Lastkreisspule gekoppelt ist und die Einstellmittel dieser beiden zur Anpassungsregelung kontinuierlich veränderlichen Spulen an einem gemeinsamen Betätigungsglied starr befestigt sind, das beim Bedienen gleichzeitig die Oszillatorfrequenz und die Abstimmfrequenz des Lastkreises in entgegengesetzten Richtungen dadurch verändert, daß die Selbstinduktionswerte der Anodenkreisspule und der Lastkreisspule gleichzeitig gegensinnig geändert werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Anodenkreisspule und die Lastkreisspule aus zylindrisch gekrümmten, flachen Bändern aus lei-Hochfrequenzofen für dielektrische
Erhitzung

Anmelder:

N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken,
Eindhoven (Niederlande)

Vertreter: Dr. rer. nat. P. Roßbach, Patentanwalt,
Hamburg 1, Mönckebergstr. 7

Beanspruchte Priorität:
Niederlande vom 1. Februar 1958

Antonius Henricus Maria Hijmans, Eindhoven

(Niederlande),
ist als Erfinder genannt worden

tendem Material; sie sind gleichachsig fest hintereinander angeordnet, wobei in ihrer Achsenrichtüng als gemeinsames Betätigungsglied eine drehbare Achse angebracht ist und jedes starr auf der Betätigungsachse sitzende Spuleneinstellmittel aus einem Kontaktarm besteht, der sich beim Drehen der gemeinsamen Betätigungsachse längs der Innenwand der aus zylindrisch gekrümmten Band bestehenden Anodenkreisspule bzw. Belastungskreisspule 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 auf den Wirkungsgrad vermieden, während ferner die große Kühlfläche dieser Spulen, eine kräftige Wasser- oder Luftkühlung entbehrlich macht.

An dieser Stelle wird noch bemerkt, daß es bei einer veränderlichen Spule bekannt ist, die Selbstinduktion der Spule mittels einer Rolle zu ändern, die federnd gegen die Innenfläche des spiralförmigen Spulenkörpers gepreßt wird und an diesem Spulenkörper entlangbewegt werden kann.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines Hochfrequenzofens nach der Erfindung, und

Fig. 2 zeigt schaubildlich den mechanischen Aufbau einer bei dem Hochfrequenzofen nach der Erfindung

009 588/347

anzuwendenden Anodenkreisspule und Belastungskreisspule.

Bei dem in Fig. 1 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 Hochfrequenzenergie . von einem mit einer Triode 1 bestückten Oszillator geliefert. Der Anodenkreis des in Collpitt-Schaltung ausgeführten Generators enthält eine Kreisspule2, einen Kreiskondensator 3 und einen zwischen Anode und Steuergitter liegenden kapazitiven Spannungsteiler. Der Spannungsteiler besteht aus der mit der Anode verbundenen Parallelschaltung eines festen Kondensators 4 und eines einstellbaren Kondensators 4', mit denen 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 Hochfrequenzdrossel 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 Speisedrossel 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 Streukapazitäten der Schaltung gebildet.

Die Hochfrequenzenergie wird einem Belastungskreis zugeführt, der aus einem Behandlungskondensator 12 mit dem zu erhitzenden Werkstück 13 und eine 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 Anodenkreis 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 Werkstücks 13 stark von der Eigenfrequenz des Anodenkreises abweichen kann und somit von der von dem Hochfrequenzofen erzeugten Frequenz, wodurch eine schlechte Energieübertragung auf das zu erhitzende Werkstück entsteht. Beim Erhitzen eines stabförmigen Werkstücks z. B. ist der Abstand zwischen den Platten des Kondensators 12 groß, seine Kapazität also gering, so daß die Eigenfrequenz des Lastkreises 12,14 verhältnismäßig hoch wird, während umgekehrt bei einem flachen Werkstück die Eigenfrequenz des Lastkreises 12, 14 niedrig wird.

Zum Erzielen einer einfachen Anpassungsregelung in einem großen Anpassungsbereich sind die in festem 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 gemeinsamen 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 hierbei die Frequenzeinstellung des Anodenkreises 2, 3, 4, 4', 5 und des Belastungskreises 12, 14 und wird bei dem dargestellten Hochfrequenzofen vollständig mittels des gemeinsamen Betätigungsorgans 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 Werkstücks 11 in den Kondensator 12 die Abstimmfrequenz des Lastkreises 12,14 wesentlich höher als die des Anodenkreises 2, 3, 4, 4', 5, so wird die Frequenz des Anodenkreises 2, 3, 4, 4', 5 erhöht und die des Belastungskreises 12, 14 herabgesetzt, indem mittels des gemeinsamen Betätigungsorgans 15 gleichzeitig die Selbstinduktion der Anodenkreisspule2 verringert und die der Lastkreisspule 14 vergrößert wird. Wird umgekehrt die Abstimmfrequenz des Lastkreises 12, 14 durch Einführen eines Werkstücks in den Kondensator 12 niedriger als die des Anodenkreises 2, 3, 4, 4', 5, so wird mittels des gemeinsamen Betätigungsorgans 15 die Abstimmfrequenz des Anodenkreises 2, Z, 4, 4', 5 verringert und die des Belastungskreises 12, 14 erhöht.

Die genaue Belastungsanpassung des Werkstücks 13 an den Hochfrequenzofen geschieht dadurch, daß mittels des gemeinsamen Betätigungsorgans 15 der Anodenkreises 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 1 her gesehen, von der gegenseitigen Verstimmung zwischen dem Lastkreis 12, 14 und dem Anodenkreis 2, Z₁ 4., 4', 5 abhängig ist. Auf die angegebene Weise wird also· mittels des gemeinsamen Betätigungsorgans 15 durch gegensinnige Änderung der Anodenkreisspule 2 und der Lastkreisspule¹ 14 die Anpassung des Werkstücks 13 an den Generator bewirkt.

Der Anpassungsbereich des dargestellten Hochfrequenzofens ist sehr groß, was nachstehend näher erläutert wird; es wird hierbei 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 C₀ gesetzt. Besitzt die Anodenkreisspule 2 ihren minimalen Wert L, so hat die Lastkreisspule 14 ihren maximalen Wert pL, und der Kondensator 12 hat dann einen Wert lip · C₀, damit die Abstimmfrequenzen des Lastkreises 12, 14 und des Anodenkreises 2, 3, 4, 4', 5 einander gleich sind, während umgekehrt bei einem maximalen "WertpL der Anodenkreisspule 2 und einem minimalen Wert L der Belastungskreisspule 14 der Kondensator 12 einen Wert pC₀ hat.

In Abhängigkeit von der Größe des zu erhitzenden Werkstücks 13 kann die Kapazität des Kondensators 12 zwischen l/p · C₀ und pC₀ schwanken, d. h., der Anpassungsbereich ist proportional dem Quadrat 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. Der geschilderte Hochfrequenzofen eignet sich somit besonders gut zur Hochfrequenzerhitzung von Werkstücken sehr unterschiedlicher Art und Größe.

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 Wirkungsgrads infolge Kopplungsänderung der gekoppelten Kreise 2, 3, 4, 4', 5 und 12, 14 sowie kein plötzliches Umspringen der Oszillatorfrequenz auf eine parasitäre Frequenz erfolgte. Ein solches Umspringen ist auf die bei hohen Frequenzen nicht mehr vernachlässigbare Selbstinduktion der Zuführungsleitungen und die übrigen Streuimpedanzen der Schaltung zurückzuführen.

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 Belastungskreises entbehrlieh ist. Ein solcher Trennkondensator, gemeinsam mit den Streuimpedanzen in der Schaltung, veranlaßt nämlich bei sehr schwankenden Betriebsverhältnissen zu parasitären 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 ersichtr lieh, weisen die aus zylindrischen Bändern bestehen- * den Spulen eine große Außenfläche auf, wodurch eine Beeinflussung des Wirkungsgrads 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 Bander 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 Handrads 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 festgeschraubt 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 gekrümmtem Band bestehenden Spulen 2 und 14 hin erstrecken und mit Naben 23, 24 auf der Betätigungsachse 15 befestigt wird. Die Naben 23,24 der Kontaktarme 16 bzw. 17 stellen gleichzeitig Kontaktbahnen für an den Halterungen 21, 22 befestigte, feststehende, plattenförmige Kontaktarme25, 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 zylindrisch gekrümmtem Band bestehenden Lastkreisspule 14 der über plattenförmige Leiter 37 ausgeschlossene 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 Kontaktstift« der feststehenden Kontaktplatte 26 sind in der Figur nicht dargestellt.

Dreht sich bei der geschilderten Bauart die gemeinsame Achse 15 so, bewegen sich die beweglichen Kontaktarme 16 und 17 längs der Innenwand der Anodenkreisspule2 und der Belastungskreisspule 14, wodurch, wie aus der Figur ersichtlich, die Selbstinduktionen der Anodenkreisspule 2 und der Belastungskreisspule 14 gleichzeitig in entgegengesetztem Sinne geändert werden. In den äußersten Stellungen der Kontaktarme 16 und 17 sind die minimalen Selbstinduktionen der Anodenkreisspule 2 und der Belastungskreisspule 14 bei der dargestellten Bauart sehr gering. Dies ist zum Erzielen eines großen Anpassungsbereichs wesentlich, da der Anpässungsbereich, wie oben erläutert, proportional dem" Quadrat des Verhältnisses zwischen der minimalen und der maximalen Selbstinduktion der Anodenkreisspule2 und der Belastungskreisspule 14 ist. *

Bei Anwendung der dargestellten Vorrichtung* wird eine mechanisch einfache und widerstandsfähige Bauart eines Hochfrequenzofens erhalten, der bezüglich "seiner "Bedienung und seiner elektrischen Eigenschaften besondere Vorteile hat, speziell für große Leistungen bei sehr hohen Frequenzen.

Zur Veranschaulichung werden nachstehend noch einige Daten einer in der Praxis bewährten Ausfühführungsform des vorstehend geschilderten Hoch-

Zur Veranschaulichung werden nachstehend noch einige Daten einer in der Praxis bewährten Ausführungsform 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.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hochfrequenzofen für dielektrische Erhitzung, insbesondere für sehr hohe Frequenzen, der mit einem Lastkreis mit einem darin enthaltenen Lastkondensator und einer fest angeordneten Lastkreis-

spule versehen ist, wobei die fest angeordnete Lastkreisspule mit einer zweiten fest angeordneten Spule zu einer baulichen Einheit zusammengebaut ist und diese beiden Spulen zur Anpassungsregelung im Resonanzbereich mit Einstellmittel!! ver- sehen sind, die bei ihrer Betätigung die Selbstinduktionswerte dieser Spulen ändern, dadurch gekennzeichnet, daß die als Anodenschwingkreisspule eines rückgekoppelten Elektronenoszillators ausgebildete zweite Spule induktiv mit der Lastkreisspule gekoppelt ist und die Einstellmittel dieser beiden zur Anpassungsregelung kontinuierlich veränderlichen Spulen an einem gemeinsamen Betätigungsglied starr befestigt sind, das beim Bedienen gleichzeitig die Oszillatorfrequenz und die Abstimmfrequenz des Lastkreises in entgegengesetzten Richtungen dadurch verändert, daß die Selbstinduktionswerte der Anodenkreisspule und der Lastkreisspule gleichzeitig gegensinnig geändert werden.

2. Hochfrequenzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anodenkreisspule und die Lastkreisspule aus je einem zylindrisch gekrümmten, flachen Band aus leitendem Material bestehen und gleichachsig fest hintereinander angeordnet sind und daß in der Achsenrichtung das gemeinsame Betätigungsglied in Form einer drehbaren Achse angeordnet ist, während jedes fest auf der Betätigungsachse sitzende Spuleneinstellmittel aus einem Kontaktarm besteht, der sich beim Drehen der gemeinsamen Betätigungsachse längs der Innenwand der Anodenkreisspule bzw. Belastungskreisspule bewegt.

3. Hochfrequenzofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktarme aus radial zur Spule hin gerichteten Kontaktplatten bestehen, die längs einer Mantellinie der zylindrisch gekrümmten, flachen Bänder einen Kontakt herstellen.

4. Hochfrequenzofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatten auf der gemeinsamen Betätigungsachse mittels zylindrischer Naben befestigt sind, die Kontaktbahnen für weitere, feststehende Kontaktplatten bilden, die radial von außen in die Spulen hineinragen und an einem Ende längs einer Mantellinie der Naben einen Kontakt herstellen, während das andere Ende dieser fest angeordneten Kontaktplatten und ein Ende der zylindrisch gekrümmten Bänder die Anschlußklemmen der Anodenkreisspule bzw. der Lastkreisspule bilden.

5. Hochfrequenzofen nach Ansprüchen 3 und 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt zwischen den beweglichen Kontaktplatten und der Anodenkreisspule bzw. der Lastkreisspule sowie der Kontakt zwischen den feststehenden Kontaktplatten und den Naben der drehbaren Kontaktplatten durch unter Federdruck stehende Kontaktstifte hergestellt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 845 680, 951 731;
Britische Patentschrift Nr. 607 339.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©009 588/347 8.60