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Höchstfrequenz-Heizvorrichtung Die Erfindung betrifft eine Höchstfrequenz-Heizvorrichtung,
deren Heizraum durch mindestens eine in der Wand angebrachte Magnetronschwingröhre
in einer oder mehreren bestimmten Schwingungsformen mit Mikrowellen erregt wird.
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Bei den bekannten Höchstfrequenzöfen wird die Erwärmung mittels einer
oder mehrerer Hochfrequenzenergiequellen vorgenommen, welche die Energie dem Ofen
über eine Übertragungsleitung (koaxiale Leitung oder Hohlleiter) zuleiten. Als Energiequelle
werden fast ausschließlich Magnetrone verwendet, wobei die Mikrowellenenergie aus
dem Magnetron gewöhnlich mittels einer Kopplungsschleife abgeführt wird, die dann
den Innenleiter der Übertragungsleitung bildet. Das eine Ende der Kopplungsschleife
ist gewöhnlich mit der Wand des Resonanzsystems des Magnetrons verbunden, während.
das andere Ende durch die Seitenwand des Magnetrons senkrecht zur Achse der Röhre
hindurchtritt. Die koaxiale Energieleitung dient dann entweder unmittelbar zur Beschickung
des Backofens mittels koaxialer Sonden, die durch Öffnungen in den Wänden in den
Ofen hineinragen, oder zur Erregung eines Hohlleiters, der mit den Ofenwänden an
bestimmten Stellen verbunden ist, wo entsprechende Öffnungen vorhanden sind.
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Diese bekannten Anordnungen sind zwar funktionsfähig, haben aber verschiedene
Nachteile. Vom wirtschaftlichen Standpunkt ist darauf hinzuweisen, daß die bei Mikrowellenöfen
verwendeten Magnetrone ursprünglich ausschließlich für militärische Zwecke entwickelt
wurden und deshalb verhältnismäßig teuer herzustellen sind. Ferner treten durch
die Verwendung hochbelasteter Koaxialleitungen und Hohlleiter, um die Energie in
den Ofen einzuführen, zusätzliche Kosten auf, insbesondere auch, weil hier noch
elektrische Verluste und Reflexionen eintreten, welche die im Backofen tatsächlich
verfügbare Leistung verringern, Andererseits weisen die Koaxialleitungen und Hohlleiter
bekanntlich eine bestimmte Resonanz auf, wenn sie zwischen das Magnetron und den
Ofenhohlraum eingeschaltet werden, wodurch Fehlanpassungen und damit stehende Wellen
auftreten, die eine unstabile Schwingung des Magnetrons mit mehreren Ausgangsfrequenzen
hervorrufen können. Deswegen wird der Ofenhohlraum mit einem Gemisch mehrerer unvorhersehbarer
Schwingungsformen erregt, welche den unerwünschten Schwingfrequenzen des Magnetrons
entsprechen. Schließlich wird durch die Verwendung der zusätzlichen Zwischenleitungen
und Hohlleiter die Raumausnutzung des ganzen Herdes wesentlich verschlechtert, während
gleichzeitig sein Gewicht steigt. w Ferner ist eine Heizvorrichtung bekannt, bei
welcher das Schwingsystem des Magnefzons unmittelbar in den Hohlraumresonator hineinragt.
Bei dieser Anordnung treten zwar die oben geschilderten, durch die Zuleitungen verursachten
Schwierigkeiten nicht auf, aber der zur Verfügung stehende Hohlraum kann nur unvollkommen
ausgenutzt werden, und eine Beschädigung des Glaskolbens des Magnetrons ist leicht
möglich.
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Ferner wurde experimentell gefunden, daß verschiedene Schwierigkeiten
auftreten, wenn. zwei oder mehrere Magnetrone gleichzeitig zur Erregung eines Backofens
verwendet werden, die mit der gleichen Frequenz arbeiten. Diese Schwierigkeiten
rühren davon her, daß bei etwa der gleichen Ausgangsfrequenz dieser Magnetrone eines
derselben infolge geringer Unsymmetrien als Kurzschluß am Ausgang des anderen zu
wirken strebt, so daß eines der Magnetrone die Mikrowellenleistung des anderen zu
absorbieren sucht, d: h. als zusätzliche Belastung des
anderen Magnetrons
wirkt, anstatt daß es zusätzliche Mikrowellenenergie an die gemeinsame Last des
Hohlraumes abgibt.
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Es wurde bereits versucht, den letzteren Nachteil dadurch zu vermeiden,
daß Magnetrone verwendet werden, die auf wesentlich verschiedenen Frequenzen arbeiten.
Hierdurch soll die Tendenz des einen Magnetrons, die Mikrowellenenergie vom anderen
Magnetron zu absorbieren, auf ein Minimum beschränkt werden. Diese Methode hat sich
jedoch für viele Anwendungen als unpraktisch erwiesen und erfordert auch, daß zwei
verschiedene Röhrentypen hergestellt und in Vorrat gehalten werden.
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Die Erfindung vermeidet diese Nachteile durch Anwendung einer Höchstfrequenz-Heizvorrichtung,
deren Hohlraum von zwei oder mehr Magnetronen erregt wird, die an bestimmten Stellen
in den Hohlraumwänden angeordnet sind, wobei jedes Magnetron ein Energieaustrittsfenster
besitzt, das unmittelbar in der Hohlraumwand angebracht ist und jedes Magnetron
den Hohlraum in einer anderen Schwingungsform ohne wesentliche gegenseitige Kopplung
erregt, so daß sich eine nahezu gleichmäßige Energieverteilung im ganzen Ofen ergibt,
während gleichzeitig die Magnetrone auf der gleichen oder nahezu der gleichen Frequenz
arbeiten können.
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Nachfolgend wird eine Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele der
Erfindung an Hand der Zeichnungen gegeben. Hierin ist F i g. 1 eine teilweise geschnittene
Teilansicht einer Höchstfrequenz-Heizvorrichtung, aus welcher die Art hervorgeht,
in welcher zwei Magnetronschwingröhren in einer Wand des 'Backofens angebracht werden
können, um eine gleichförmige Erregung derselben zu erzielen, F i g. 2 eine teilweise
geschnittene Teilansicht eines Höchstfrequenzofens, bei dem zwei Magnetrone in verschiedenen
Ofenwänden angeordnet sind und F i g. 3 ein schematisches Schaltbild eines Netzgerätes,
das zur Erregung zweier Magnetrone verwendet werden kann.
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Der in F i g. 1 teilweise dargestellte Höchstfrequenzbackofen 10 ist
mit zwei Magnetronschwingröhren 12 und 13 versehen, die unmittelbar in der Ofenwand
angeordnet sind und abwechselnd erregt werden, um Mikrowellenenergie zu erzeugen,
welche einen in den Ofen gebrachten verlustbehafteten dielektrischen Körper erhitzt.
Der Ofen 10 besteht aus einem metallisch leitenden Gehäuse 14 mit zwei Öffnungen
15 in seiner einen Wand 16, in welche die Magnetronröhren eingesetzt werden können,
und einer Tür 18, durch welche die zu erhitzenden Körper eingebracht werden können.
Wie aus F i g. 1 hervorgeht, wird der Ofen von den Magnetronen 12 und 13 unmittelbar
ohne zusätzliche übertragungsvorrichtungen erhitzt.
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Vorzugsweise ist der Ofen 10 rechteckig gestaltet. Bei der Ausführungsform
nach F i g. 1 ist die Tür 18 an der einen Seitenwand angebracht, während in der
Deckfläche 16 die Öffnungen 15 vorgesehen sind. Zur Erdung der eingesetzten Magnetnone
dienen z. B. federnde Zungen 20, um einen guten elektrischen Kontakt zwischen der
Ofenwand und dem Magnetron herzustellen. Die Wände des Gehäuses und die Tür stellen
also für die Magnetnone einen Hohlraumresonator dar, der in verschiedenen. Schwingungsformen
und bei verschiedenen Mikrowellenfrequenzen in Resonanz geraten kann. Durch entsprechende
Wahl der Abmessungen des Gehäuses, die Stellung jedes Magnetrons in der Ofenwand
und die Betriebsfrequenz der Magnetrone lassen sich die gewünschten Schwingungsformen
anregen.
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Eine zur Anwendung in einer Hochfrequenz-Heizvorrichtung besonders
geeignete Magnetfeldröhre kann leicht an derjenigen Stelle der Wand des Backofens
angebracht werden, die für die Erzeugung der gewünschten Schwingungsform am günstigsten
ist. Die verlustbehafteten Übertragungsleitungen von geringem Wirkungsgrad fallen
dadurch weg.
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Wie aus F i g. 1 hervorgeht, wird das für den Betrieb der Magnetrone
erforderliche Magnetfeld teilweise durch ringförmige Dauermagnete 80 bzw.
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für die Magnetrone 12 und 13 und teilweise durch Elektromagnete 84 und
86 erzeugt. Der magnetische Kreis wird jeweils durch einen Ring 88, der an den Dauermagneten
anschließt, und ein Joch 90 geschlossen, das magnetisch mit den Enden des evakuierten
Magnetronkolbens in Berührung steht. Mittels der Joche 90 werden die Magnetrone
mit einer Klammer 92 befestigt.
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Jedes Magnetron besitzt ferner mehrere Kühlrippen 93, die aus einem
guten Wärmeleiter wie Kupfer bestehen und am ringförmigen Teil des Magnetrons befestigt
sind. Statt dessen könnte gegebenenfalls auch eine Wasserkühlung verwendet werden.
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Die Stellung der Magnetrone in der Ofenwand 16
hängt von der
gewünschten Schwingungsform des Hohlraumresonators ab: Bekanntlich bestimmen die
Abmessungen des Ofens und die Betriebsfrequenz der Magnetrone die Anzahl der Schwingungsformen
vom Typ H.np" die in dem Hohlraumresonator angeregt werden können. Die Erregung
einer bestimmten Schwingungsform mit einem bestimmten Magnetron hängt ferner von
der Ankopplungsstelle ab. Es kann gezeigt werden, daß zur Erzielung einer verhältnismäßig
gleichförmigen Energiedichte im ganzen Ofen vorzugsweise der Ofen abwechselnd in
zwei verschiedenen Schwingungsformen angeregt wird, deren Feldverteilungen einander
überlappen, und daß zur möglichst geringen gegenseitigen Kopplung zwischen den beiden
Magnetronen jede Röhre vorzugsweise an einer Stelle in der Ofenwand - angebracht
wird, die eine Nullstelle für die von der anderen Röhre erzeugte Schwingungsform
darstellt.
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Der einzuhaltende Frequenzbereich wird im allgemeinen von der Aufsichtsbehörde
vorgeschrieben: Nach Auswahl einer bestimmten Betriebsfrequenz müssen also nur noch
zwei Schwingungsformen für die Resonanzerregung des Ofens gewählt werden, die mit
den obigen Forderungen übereinstimmen und zu Gesamtabmessungen des Ofens führen,
die praktisch verwendbar sind. Dann können die Anbringungsstellen der Magnetrone
für die gewählten Schwingungsformen berechnet und die Magnetnone an der richtigen
Stelle angebracht werden. Da für eine gegebene Frequenz der von dem Backofen dargestellte
Hohlraum in zahlreichen Schwingungsformen in Resonanz geraten kann, muß die Anbringung
der Magnetnone verhältnismäßig sorgfältig geschehen, um die richtige Ankopplung
zu gewährleisten, damit eine gleichmäßige Erwärmung in dem Ofen erzielt wird. Die
Verwendung von unmittelbar in der Hohlraumwand angebrachten Magnetnonen gemäß F
i g. 1 erleichtert die Anbringung derart, daß die Energie an den gewünschten Stellen
unmittelbar in den Ofen eingekoppelt wird.
Es sind selbstverständlich
andere Anbringungsarten als in F i g. 1 denkbar. So ist z. B. in F i g. 2 ein Mikrowellenherd
dargestellt, bei dem die beiden Magnetrone 1.2 und 1.3 an zwei aneinanderstoßenden
Wänden des Backofens angebracht sind. Dies kann für bestimmte Anwendungen günstiger
sein.
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Zur abwechselnden Erregung der Magnetrone 12 und 13 können zahlreiche
bekannte Schaltungen Verwendung finden. Als Beispiel ist in F i g. 3 ein Netzgerät
gezeigt, dessen Leistungstransformator 94 eine Sekundärwicklung mit Mittelanzapfung
besitzt, die mit den Anoden der Magnetrone 12 und 13 über die zugehörigen Elektromagnetwicklungen
84 und 86 verbunden ist. Die Kathoden der Magnetrone sind mit den Enden der Sekundärwicklung
verbunden, wobei die Heizung der Glühkathoden durch entsprechende Anzapfung der
Sekundärwicklung geschieht. Ferner sind Schaltkontakte 96 und 98 vorgesehen, um
gleichzeitig einen Teil der Elektromagnetwicklungen 84 und 86 kurzzuschließen, damit
die von den Magnetronen gelieferte Ausgangsleistung durch entsprechende Änderung
des Magnetfeldes verändert werden kann. Bekanntlich wird die maximale Leistung abgegeben,
wenn ein Teil der Wicklungen kurzgeschlossen ist, weil dann das magnetische Transversalfeld
in den Röhren ein bestimmtes Minimum besitzt. Wenn die gesamte Feldstärke an die
Röhren angelegt wird, so ist die abgestrahlte Leistung geringer.
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Die Erfindung kann zahlreiche Abänderungen und Ergänzungen erfahren.
So ist sie z. B. ohne weiteres auch anwendbar, wenn zwei Magnetrohe in gegenüberliegenden
Wänden des Backofens angebracht sind, wenn die Magnetrohe mit verschiedenen Frequenzen
betrieben werden, oder wenn mehr als zwei Magnetrone als Energiequelle verwendet
werden.