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Schlitzstrahler für die Erwärmung von dielektrischen Stoffen Die Erfindung
betrifft einen Schlitzstrahler für die Erwärmung von kontinuierlich an dem Schlitz
des Strahlers vorbeibewegten dielektrischen Stoffen in dem aus dem Schlitz austretenden
elektromagnetischen Hochfrequenzfeld, insbesondere zur fließenden Verschweißung
von therrnoplastischen Kunststoffen mittels Mikrowellen, der die Form eines seitlich
gespeisten, an wenigstens einem Ende reflektierend abgeschlossenen Hohlrohrabschnittes
hat und in seiner Wandung einen Längsschlitz für den Austritt der Strahlung aus
dem Hohlrohr auf den zu erwärmenden Stoff besitzt.
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Man kann thermoplastische Kunststoffe miteinander verschweißen, indem
man sie in geeigneter Weise erwärmt und in entsprechend plastischem Zustand durch
Druck miteinander verbindet. Die meisten thermoplastischen Kunststoffe verfügen
aber nur über eine geringe Wärmeleitfähigkeit, so daß im allgemeinen die Wärmezufuhr
auf konventionellem Wege versagt. Dadurch wird man gezwungen, diese Kunststoffe
durch dielektrische Aufheizung in Hochfrequenzfeldern geeigneter Feldstärke und
Frequenz zu erwärmen.
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Mit zunehmender Frequenz der bei solchen Anlagen verwendeten Hochfrequenzfelder
nimmt die pro Zeit- und Volumeinheit erzielbare Wärme bei gleicher Energiezufuhr
zu. Aus diesem Grunde ist man bestrebt für solche Schweißgeräte möglichst hohe Frequenzen
oder sogar Mikrowellen zu verwenden. Als Mikrowellengenerator ist das Magnetron
gut geeignet, da es hinsichtlich Leistung und Wirkungsgrad in einem weiten Frequenzbereich
allen anderen Generatortypen überlegen ist. Ein mit Mikrowellen arbeitendes Schweißgefät
ist mit einem Magnetron sehr leicht herzustellen und besteht im einfachsten Falle
aus einem an beiden Enden reflektierend abgeschlossenen Abschnitt eines Hohlleiters,
der eine Öffnung bestimmten Querschnitts zum Austritt der Energie aufweist, und
einem in den Hohlleiter eintauchenden Magnetron, das so an den Hohlleiter angekoppelt
ist daß sich ein möglichst guter Wirkungsgrad der Gesamtanordnung ergibt.
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Ein Beispiel einer derartigen bekannten Anordnung zeigt F i
g. 1, in der 1 das Magnetron, 2 den Hohlleiter, 3 den das eine
Ende des Hohlleiters verschließenden Reflektor, 6 die Öffnung zum Austritt
der Mikrowellenenergie, also im allgemeinen ein Schlitz im Hohlleiter, der etwa
die Länge A/2 besitzt (2./2 Schlitzstrahler), und 7 den zu erwärmenden
Kunststoff darstellt. Bei solchen Anordnungen tritt nun erfahrungsgemäß eine starke
Rückwirkung zwischen dem zu erwärmenden Kunststoff 7 (der Last) und dem Magnetron
1 (dem Generator) auf, indem abhängig vom Verlustwinkel des Dielektrikums
Frequenz und Leistungsabgabe des Magnetrons verändert werden. Da die Kunststoffe
alle einen mit steigender Temperatur steigenden Verlustwinkel besitzen, wird die
Rückwirkung des bestrahlten Stoffes auf das Magnetron mit steigender Temperatur
des Stoffes immer größer. Die sich daraus ergebenden Zieherscheinungen können leicht
zu einer Schädigung des Magnetrons führen und sind bei gewissen Anordnungen auch
der Grund dafür, daß die Schweißung von Kunststoffen mittels Mikrowellenerwärmung
bisher nicht befriedigend durchgeführt werden konnte.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, diese Schwierigkeiten zu umgehen,
und gibt eine Anordnung an, mit der es möglich ist, einwandfreie Verschweißungen
von Kunststoffen, vor allem von Kunststoffen mit kleinem Verlustwinkel, zu erzielen.
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Will man mit einer bekannten Anordnung nach Fig. 1 zwei Kunststoffe
fließend verschweißen und bewegt man zu diesem Zweck die Kunststoffe an dem Schlitz
6 vorbei, so bildet sich das Maximum der Temperatur nicht wie im Falle eines
ruhenden Dielektrikums in der Mitte des Schlitzes 6 aus, sondern das Maximum
wird von dem bewegten Kunststoff zum Ende des Schlitzes 6 hin mitgezogen.
Die physikalische Erklärung dieser Erscheinung beruht darauf, daß der Verlustwinkel
sich rasch mit der Temperatur erhöht, so daß die einmal in der Mitte. des Schlitzes
6 erwärmte Stelle des Kunststoffes noch stärker erhitzt wird, wenn diese
Stelle sich dem Ende des Schlitzes 6 nähert, obwohl dort schon wieder eine
geringere Feldstärke herrscht. Auf diese Weise kann sich ein hohes und scharf begrenztes
Temperaturmaximum im Kunststoff nahe dem Ende des
Schlitzes
6 ausbilden, was erfahrungsgemäß zum Einbrennen von Löchern in dem Kunststoff
führen kann. Dieser Mangel wird dadurch beseitigt, daß ein Schlitzstrahler verwendet
wird, bei dem erfindungsgemäß die reflektierende Ebene am wenigstens einem Ende
des Hohlrohres periodisch mit wählbarer Frequenz und Amplitude in axialer Richtung
verschiebbar ist. Durch diese Maßnahme wird die Stelle maximaler Feldstärke periodisch
in dem Lagerschlitz hin-und herbewegt, so daß sich ein scharf ausgeprägtes, hohes
Temperaturmaximum in dem Behandlungsgut nicht mehr bilden kann.
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Die Erfindung läßt sich auf verschiedene Weise praktisch ausführen.
Beispielsweise kann man den in F i g. 1 mit 3 bezeichneten Reflektor
in Richtung der Hauptachse des Hohlleiters periodisch hin- und herbewegen. Durch
diese Bewegung des Reflektors wird das Erwärmungsmaximum stark verbreitert, so daß
es nicht mehr zu lokal engbegrenzten überhitzungen kommen kann. Die örtliche Verteilung
der Wärme in bezug auf den Schlitz ist identisch mit derjenigen Temperatur, die
ein Punkt bzw. ein Querschnitt der Folie im Laufe der Zeit annimmt. Gleichzeitig
wird die Höhe des Temperaturmaximums unter gleichen Bedingungen erniedrigt, die
Anstiegsfunktion wird verflacht. Der Verlauf der Erwärmungskurve bei der bekannten
Anordnung mit festern Reflektor (a) und mit erfindungsgemäß bewegtem Reflekter
(b) ist in F i g. 2 dargestellt.
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Die Hin- und Herbewegung des Reflektors und die damit erzielte weitgehende
Verflachung der Erwärmungsfunktion hat darüber hinaus zur Folge, daß die Lastrückwirkung
auf das Magnetron wesentlich verkleinert wird. Damit ist das Magnetron vor unzulässig
starken Zieherscheinungen geschützt. Endlich wird auch die Dosierung der Mikrowellenenergie
für eine bestimmte Erwärmung des betrachteten Dielektrikums wesentlich unkritischer
als bisher.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführungsforin der Erfindung wird
an Stelle eines mechanisch hin-und herbewegten Reflektors 3 ein an sich bekanntes
ferromagnetisches Kurzschlußstück verwendet, bei dem man bekannt rma en durch
Wahl der Stärke des erregenden Magnetfeldes die wirksame Kurzschlußebene verschieben
kann. In einer einfachen Anordnung wird ein periodisch wechselndes Magnetfeld mit
normalem 50periodischem Wechselstrom erzeugt; doch kann es unter Umständen vorteilhaft
sein, mit der Oszillationsfrequenz der Kurzschlußebene auf niedrigere Werte zu gehen.
Die Bestimmung der günstigsten Oszillationsfrequenz erfolgt vorzugsweise experimentell,
da die Berechnung infolge des Einflusses anderer Parameter, wie Geschwindigkeit
des sich bewegenden Kunststoffes, Leistung und Frequenz des Generators, Strahlerabmessungen
usw., kompliziert ist.
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Die beiden erwähnten Ausführungsformen sind in F i g. 3 (Verwendung
eines mechanisch hin- und herbewegten Reflektors) und in F i g. 4 (Verwendung
der auf elektrischem Wege verschiebbaren Reflexionsebene) schematisch dargestellt.
Darin bedeutet 1 das Magnetron, 2 das Hohlrohr, 3 den Reflektor, 4
eine Pleuelstange, 5 einen Motor mit Antriebsrad zur Bewegung von Pleuelstange
und Reflektor, 6 den Schlitzstrahler, 7 den am letzteren vorbeizuführenden
Kunststoff. 8 ist ein geeignet gestalteter Ferritkörper, 9 die Erregerspule
zur Magnetisierung des Ferrits, 10 ein möglicherweise frequenzvariablzr Generator
zur Speisung der Erregerspule9. Bei der Anordnung nach F 1 g. 4 muß der Hohlleiter
in bekannter Weise in unmittelbarer Nachbarschaft der Erregerspule 9 geschlitzt
werden, damit sich durch den Mantel des Hohlleiters keine Kurzschlußwindung ergibt.
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Die Oszillationsamplitude des Reflektors beträgt bei beiden Ausführungen
zweckmäßigerweise maximal A/2, wobei 2. die Hohlrohrwellenlänge bedeutet,
kann aber auch kleiner sein. Die Amplitude wird ebenso wie die Oszillationsfrequenz
am besten durch Versuche ermittelt.
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Selbstverständlich kann man an Stelle des Ferritkörpers
8 auch ein Dielektrikum verwenden, dessen Polarisation in an sich bekannter
Weise periodisch verändert wird, wodurch sich ebenfalls eine periodische Verschiebung
der wirksamen Reflexionsebene ergibt. Der periodisch bewegte Kurzschluß kann sich
auch auf dem lastseitigen Ende des Hohlrohres befinden; in diesem Falle ist das
generatorseitige Ende des Hohlrohres mit einer festen Kurzschlußscheibe in etwa
1/4-Abstand versehen.