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Einrichtung zur dielektrischen Erwärmung Die Erfindung betrifft eine
Einrichtung zur dielektrischen Erwärmung eines in einem mit strahlungsreflektierenden
Wänden versehenen Garraum befindlichen Gutes, insbesondere von Nahrungsmitteln,
in einem durch Mikrowellenenergie erzeugten elektromagnetischen Strahlungsfeld.
Durch die Erfindung soll eine gleichmäßigere Verteilung der Energiedichte des Hochfrequenzfeldes
in dem Garraum, als sie mit den bisherigen dielektrischen Erwärmungseinrichtungen
möglich war, und damit eine gleichmäßigere Erwärmung eines in den Garraum eingebrachten
Gutes erzielt werden.
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Bekanntlich bereitet die gleichmäßige Erwärmung von Nahrungsmitteln
durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Strahlungsfeld in einem durch reflektierende
Wände abgeschlossenen Garraum erhebliche Schwierigkeiten. Diese Schwierigkeiten
sind insbesondere darauf zurückzuführen, daß sich in dem Garraum stehende Wellen
bilden, die unterschiedliche Energiedichten an den verschiedenen Stellen des Garraumes
zur Folge haben. Außerdem ist aber auch die Erwärmung noch von der räumlichen Lage
der Polarisationsrichtung des in den Garraum eingespeisten Hochfrequenzfeldes zur
Hauptachse des zu erwärmenden Gutes abhängig. Die Erwärmung des Gutes ist am größten,
wenn diese beiden Richtungen zusammenfallen.
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Es sind bereits verschiedene Maßnahmen bekannt, durch die diese unerwünschten
und schädlichen Erscheinungen unterdrückt oder doch wenigstens vermindert werden
sollen. So ist es beispielsweise bekannt, die Entstehung von stehenden Wellen im
Garraum dadurch zu verhindern, daß man entweder das zu erwärmende Gut oder eine
der Wände des Garraumes während der Einwirkung des Hochfrequenzfeldes auf das Gut
mechanisch bewegt. Den gleichen Zweck hat man auch durch mechanische Änderungen
der Einkopplung des Hochfrequenzfeldes oder durch mehrfache Einkopplung eines linear
polarisierten Hochfrequenzfeldes zu erreichen versucht. Diese Maßnahmen sind aber
wegen der benötigten mechanischen Bewegungsvorrichtungen recht aufwendig oder erfüllen
ihren Zweck nur sehr unvollkommen.
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Man hat bereits vorgeschlagen, in den Garraum zwei linear polarisierte
Mikrowellenzüge einzustrahlen, deren Polarisationsebenen einen Winkel von 90° miteinander
bilden und die einen gegenseitigen Phasenunterschied von einer viertel Wellenlänge
haben. Durch die Überlagerung dieser beiden Felder entsteht somit ein zirkular polarisiertes
elektromagnetisches Strahlungsfeld. Man hatte geglaubt, daß ein solches zirkular
polarisiertes Feld das in den Garraum eingebrachte Gut gleichmäßig erwärmt, jedoch
hat die Erfahrung gezeigt, daß auch dieser bekannte Vorschlag noch nicht zu dem
gewünschten Ergebnis führt.
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Es wurde nämlich festgestellt, daß je nach Lage und Gestalt des zu
erwärmenden Gutes das zirkular polarisierte Feld in der einen Polarisationsrichtung
wesentlich stärker absorbiert wird als in der anderen, so daß schließlich doch wieder
ein linear polarisiertes oder mindestens elliptisch polarisiertes Feld entsteht.
Außerdem kann es vorkommen, daß bei verlustreichen Substanzen großer Abmessungen
der auf das zu erwärmende Gut treffende Wellenzug schon beim ersten Durchgang von
dem Gut vollständig absorbiert wird und daher keine Reflexion mehr an den Wänden
des Garraumes stattfinden kann. Das Gut wird in diesem Fall nur einseitig erwärmt.
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Alle diese Mängel werden durch die Erfindung weitgehend vermieden.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist gekennzeichnet durch mindestens zwei Mikrowellenstrahler,
die zwei nichtkohärente zirkular polarisierte Wellenzüge erzeugen, deren Fortschreitungsrichtungen
einen Winkel miteinander bilden.
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Es hat sich gezeigt, daß durch die Erfindung im Garraum eine sehr
gleichmäßige Energiedichte des Hochfrequenzfeldes, die von dem in den Garraum eingebrachten
Gut weitgehend unabhängig ist, erzielt werden kann. Das ist darauf zurückzuführen,
daß nach der Erfindung zwei Mikrowellenstrahler, die nichtkohärente zirkular polarisierte
Wellenzüge erzeugen, zur Speisung des Garraumes mit Hochfrequenzenergie dienen,
während man bisher zu diesem Zweck entweder zwei linear polarisierte Wellenzüge
oder nur einen zirkular polarisierten Wellenzug benutzte.
Von Bedeutung
ist, daß die nach der- Etfinduiig zur Speisung des Garraumes benutzten zwei zirkular
polarisierten Wellenzüge nichtkohärent sind und einest gewissen Winkel miteinander
bilden. Dagegen ist es von untergeordneter Bedeutung, welcher Art die Mikrowellenstrahler
im einzelnen sind. Für die Durchführung der Erfindung sind vielmehr grundsätzlich
alle Strahler geeignet, die zirkular polarisierte Wellenzüge abstrahlen. Besonders
eihfäeh und geeignet sind für diesen Zweck beispielsweise Wendelstrahler, die so
angeordnet sind, daß ihre Achsen einen Winkel miteinander bilden, und die von je
einem Generator, z:13. je einein Magnetrom gespeist werden. Durch die Verwendung
je eines Generators für jeden Strahler ist gewährleistet, daß die Strahler nichtkohärente
Wellenzüge abstrahlen.
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Mit ähnlichem Erfolg können jedoch auch alle anderen Mikrowellenstrahler,
die zirkular polarisierte Wellenzüge abstrahlen, für den Erfindungszweck herangezogen
werden. Hierzu gehören beispielsweise Kreuzdipole, gekreuzte Schlitze oder sonstige
Zirkularpolarisatoren.
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Der durch die Erfindung angestrebte Zweck kann auch durch Verwendung
von mehr als zwei Mikrowellenstrahlern, die nichtkohärente zirkulär polarisierte
Wellenzüge erzeugen, erreicht werden.
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Durch entsprechende Anordnung der einzelnen Strahler bzw. durch geeignete
Wahl der Fortschreitungsrichtungen der von diesen Strahlern erzeugten zirkular polarisierten
Wellenzügen kann man es stets so einrichten, daß auf jeden Fall ein Teil der Energie
dieser Wellenzüge an den Wänden des Garraumes reflektiert wird. Dadurch kann die
aus dem reflektierten Wellenzug in dem zu erwärmenden Gut absorbierte Energie ungefähr
gleich der Energie gemacht werden, die das Gut aus dem primär von dem Strahler auf
das Gut fallenden Wellenzug absorbiert hat.
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Dadurch, daß zwischen den von den Strahlern ausgehenden Wellenzügen
keine Kohärenz besteht, können sich auch keine stationären sekundären Felder bilden.
Ferner hat sich gezeigt, daß durch die erfindungsgemäße Maßnahme auch die Rückwirkung
des einen Generators auf den anderen Generator wesentlich herabgesetzt wird.
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Eine weitere Verminderung dieser Rückwirkung des einen Generators
auf den anderen und sogar eine nahezu vollständige Vermeidung dieser Rückwirkung
überhaupt läßt sich nach einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch erreichen,
daß die die zwei Mikrowellenstrahler speisenden Generatoren derart impulsmäßig abwechselnd
arbeiten, daß die Arbeitszeiten des einen Generators mindestens teilweise in die
Arbeitspausen des anderen Generators fallen. Dieser Vorschlag läßt sich beispielsweise
so durchführen, daß man den beiden Generatoren, die z: B, je ein Magnetron enthalten
können, impulsartige Anodenspannungen zuführt, und zwar derart, daß der Anodenspannungsimpuls
für den einen Generator immer ganz oder mindestens teilweise in einen Impulszwischenraum
des anderen Generators fällt.
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Als Impulsspannungen kann man auch die Halbwellen einer Netzwechselspannung
verwenden.. Eine besonders einfache Ausführungsform ergibt sich dadurch, daß die
beiden in den Generatoren verwendeten Magnetrons als Anodenspannung in an sich bekannter
Weise aus der Netzwechselspannung durch Ein- oder Doppelweggleichrichtung oder durch
Selbstgleichrichtung abgeleitete, nicht geglättete Halbwellenspännungen erhalten,
deren Phasen um ungefähr 90° gegeneinander verschoben sind. Eine gegenseitige Phasenverschiebung
der beiden Halbwellen um 90° ist ausreichend; weil der Stromflußwinkel bei Magnetrons
wegen der Threshhold-Anodenspannung nur etwa 60° beträgt. Auf diese Weise tritt
zwischen den Anodenströmen der beiden Magnetrons nur eine zeitliche überschneidung
von etwa 30° und dazu noch bei verminderter Leistungsabgabe ein.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient die nachstehend beschriebene
Zeichnung. In der Zeichnung ist Fig. 1 in schematischer Darstellung ein Querschnitt
durch eine Einrichtung mit den Merkmalen der Erfindung und Fig. 2 eine schematische
grafische Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Anodenströme und Anodenspannurigen
für die zur Speisung der Mikrowellenstrahler dienenden Magnetrons.
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In einem Garraum 1, der ringsum von die Hochfrequenzenergie reflektierenden,
metallischen Platten abgeschlossen ist, ist eine Auflageplatte 2 aus dielektrischem
Material angebracht; auf die das zu erwärmende Gut 3 gestellt werden kann.
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Zur Speisung des Garraumes 1 mit Mikrowellenenergie dienen zwei Wendelstrahler
4 und 5, deren Achsen einen Winkel miteinander bilden, der im dargestellten Fall
ungefähr 90° beträgt. Die Wendelstrahler 4 und 5 erzeugen somit zirkular polarisierte
Wellenzüge, deren Fortpflanzungsrichtungen einen Winkel von ungefähr 90° zwischen
sich einschließen. Durch Abdeckhauben 8 und 9 aus dielektrischem Material sind die
Wendelstrahler 4 und 5 gegen schädliche Einflüsse durch Dämpfe, Dünste od. dgl.
aus dem Garraum geschützt.
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Die beiden Wendelstrahler 4 und 5 werden unabhängig voneinander durch
Hochfrequenzgeneratoren 6 und 7, die vorzugsweise Magnetrons sind, mit Hochfrequenzenergie
versorgt. Dadurch, daß die Wendelstrahler 4 und 5 durch je ein Magnetron 6 und 7
gespeist werden, ist die Kohärenz der von den Strahlern 4 und 5 erzeugten zirkular
polarisierten Wellenzüge gewährleistet.
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Die Magnetrons 6 und 7 können ihre Anodenspannungen in bekannter Weise
durch Selbstgleichrichtung aus dem Wechselstromnetz erhalten, so daß nur die positiven
Halbwellen der Wechselspannung als Anoderispannung wirksam werden. Um eine gegenseitige
Rückwirkung der Magnetrons 6 und 7 aufeinander möglichst weitgehend zu vermeiden,
sollen gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes die beiden
den Magnetrons 6 und 7 zugeführten Wechselspannungen um einen Phasenwinkel von ungefähr
901 gegeneinander verschoben sein. Damit sind auch die in den Magnetrons 6 und 7
als Anoden-Spannung wirksam werdenden positiven Halbwellen der Wechselspannung um
90° gegeneinander verschöben. Dies ist in Fig. 2 angedeutet, wo U, die beispielsweise
am Magnetron 6 und U2 die beispielsweise am Magnetron 7 als Anodenspannung wirksam
werdenden Halbwellen bedeuten sollen. Die Anodenspannung U1 hat dann in dem Magnetron
6 einen Anodenstrom I, zur Folge, während die Anodenspannung U2 den Anodenstrom
Ih im Magnettun 7 hervorruft. Infolge des erst bei einem Mindestwert der Anodenspannung
einsetzenden Anodenstromes haben die Anodenströme I, und I2 nur einen Stromflußwinkel
von je ungefähr 60°, so daß sich :die beiden Anodenströme
I1 und
1., nur in dem in Fig. 2 schraffiert angedeuteten Bereich überschneiden. Nur in
diesem schraffierten Bereich strahlen also die beiden Mikrowellenstrahler 4 und
5 gleichzeitig Hochfrequenzenergie, allerdings bei verminderter Leistung, ab.
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Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die in der Zeichnung
dargestellte Ausführungsform beschränkt, da es auf die Ausbildung der die zirkular
polarisierten Wellenzüge aussendenden Strahler und deren Anordnung im einzelnen
nicht ankommt. Diese Anordnung kann je nach Gestalt und Größe des Garraumes geeignet
gewählt werden. Die Erfindung ist auch nicht nur zum Erwärmen, Kochen, Braten und
Backen von Speisen geeignet, sondern kann auch in industriellen Anlagen zur Erwärmung
dielektrischer Güter Verwendung finden.