DE1516910C3 - Hochfrequenzerwärmungsgerät mit einem eigenerregten Laufzeitröhrengenerator im Dauerbetrieb - Google Patents

Description

Qe Gen

Iw t

-1)

gebildet ist, wobei

Qe Gen — die externe Güte des Generators, A₀ = die Wellenlänge im freien Raum bei der

mittleren Generatorfrequenz ω_{0 Gen}, l_w = die Wellenlänge im Wellenleiter bei der

mittleren Generatorfrequenz ω_{0 Gcn} und ^smax = der höchstzulässige Welligkeitsfaktor des Generators, gesehen in Richtung auf das Gebiet der elektronischen Instabilität, sind.

2. Hochfrequenzerwärmungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (W, Hl) und der Generator (Gen) ein in sich gut angepaßtes System bilden, daß der Verbraucher (V) mit mittleren Werten an sich an dieses System (W, HI-Gen) gut angepaßt ist und daß mittels eines verstellbaren, in Nähe der Verbraucherebene angeordneten Transformationsgliedes (7) der Verbraucher (V) so an den WeI- lenleiter (W, Hl) angekoppelt ist, daß der Generator (Gen) überwiegend im Bereich hohen Wirkungsgrades arbeitet.

Die Erfindung betrifft ein

mungsgerät mit einem eigenerregten Laufzeitröhrengenerator im Dauerbetrieb, wie näher im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben.

Unter Dauerbetrieb soll ein Betrieb verstanden werden, in dem der Generator, abwechselnd von einem periodischen Impulsbetrieb, im wesentlichen eine Dauerstrichleistung abgibt, d. h. zum Dauerbetrieb ist auch ein intermittierender Betrieb mit Dauerstrichwerten und ein Betrieb mit ungesiebter Überlagerer, eingesetzt sind, werden üblicherweise Eigenschaften wie gute Frequenz- und Amplitudenkonstanz, lineare Modulationskennlinie und geringes Eigenrauschen gefordert. Bei solchen Anwendungen ist man bestrebt, um äußere Rückwirkungen zu vermeiden, den Generator gut an die Belastung anzupassen bzw., wenn das nicht ohne weiteres möglich ist, eine künstliche Belastung anzuordnen, in der ein größerer oder der überwiegende Teil der Generatorausgangsleistung verbraucht wird. Dadurch wird verhindert, daß durch eine schwankende oder sich während des Betriebs ändernde Belastung die Betriebswerte des Generators, z. B. die Frequenz und die Ausgangsleistung, sich mit ändern. Solche Bedingungen einer guten Anpassung liegen jedoch nicht bei Generatoren in Dauerbetrieb vor, die — meistens bei größerer Leistung — zur hochfrequenten Erwärmung verlustbehafteter Stoffe oder für andere Zwecke, z. B. zur Erregung von Plasmen, ao verwendet werden. Je nach seiner Art, seinen physikalischen Eigenschaften, seiner Masse, seinen Abmessungen und der Art seiner Ankopplung an den Generator kann der Verbraucher hierbei für den Generator eine sehr unterschiedliche Belastung darstellen; weiter ist es möglich, daß die die Belastung mitbestimmenden Stoffeigenschaften Verlustwinkel δ und Dielektrizitätskonstente Q_rel des zu erwärmenden Stoffes während der Erwärmung nicht konstant bleiben, sondern sich zum Teil stark ändern. Dies ist z. B. bei Auftauen tiefgefrorener Speisen beim Übergang des Flüssigkeitsanteils vom festen in den flüssigen Aggregatzustand oder bei der Plasmaanregung beim Zünden des Plasmas oder bei Änderungen des Gasdrucks u. a. m. der Fall.

Außerdem wird oft in Erwärmungsgeräten zur Vergleichsmäßigung der Feldverteilung im zu erwärmenden Gut ein Feldrührer, eine Taumelscheibe oder ein ähnliches Gebilde verwendet, das, um wirksam zu sein, in der Nähe der Energieeinspeisung angeordnet ist und die am Generator erscheinende Last erheblich verändert.

Die in einem großen Bereich verschiedenartige und gegebenenfalls während des Betriebs sich ändernde Last hat eine Rückwirkung auf die Betriebswerte des Generators. Dieser Einfluß der Belastung auf den Generator ist aus dem Generatordiagramm zu entnehmen, in dem, bezogen auf einen definierten Generatorleitwert, in Kurvenscharen die Zusammenhänge zwischen Ausgangsleistung, Frequenz und dem komplexen Reflexionsfaktor der am Generator angeschlossenen Last festgelegt sind. Der komplexe Reflexionsfaktor ist seinerseits eine Funktion des komplexen Lastleitwertes.

Im Generatordiagramm eigenerregter Laufzeitröh-

Hochfrequenzerwär- 55 rengeneratoren sind nun Gebiete vorhanden, in denen der Generator nicht betrieben werden darf.

Ein Betrieb im thermischen Grenzgebiet bei längerer Betriebszeit führt zu einer Verminderung der Lebensdauer oder infolge der Temperaturerhöhung bei dem dort vorhandenen schlechten Wirkungsgrad zu einem Gasausbruch oder anderen thermischen Störerscheinungen.

Es ist eine Vielzahl von Maßnahmen bekannt, mit denen versucht worden ist, die zulässigen Grenzen im

Betriebsspannung oder Wechsel-Betriebsspannung zu 65 Generatordiagramm beim Betrieb unter verschiedenzählen, artigen Bedingungen einzuhalten. So ist es z. B. aus Von Hochfrequenzgeneratoren im Dauerbetrieb, den

die in Nachrichtenanlagen, z. B. als Sender oder »VALVO-Berichten«, Band VII, Heft 1, S. 16 und 17, bekannt, bei einem Magnetron als Generator

den Erwärmungsraum, in den der Verbraucher eingebracht wird und der häufig ein metallisch abgeschlossener Raum mit erheblich größeren Abmessungen als denen des Verbrauchers ist, sowie die transformierend wirkenden Ankoppel- und Abstimmglieder zwischen dem Generator und dem Erwärmungsraum so auszubilden, daß der am Generatorausgang erscheinende komplexe Lastleitwert bei einem »mittleren« Verbraucher (einem Verbraucher mit mittleren Werten) einem Arbeitspunkt in der Mitte des Generatordiagramms entspricht, der damit etwa gleich weit entfernt von den beiden unzulässigen Gebieten liegt. Hierfür gibt es jedoch keine allgemeingültigen Bemessungsregeln, sondern die günstigste Anordnung muß in umständlichen Versuchen und Messungen — allenfalls nach Erfahrungsregeln — ermittelt werden. Hierbei ist besonders zu beachten, daß in keinem der extremen Belastungsfälle der Arbeitspunkt den zulässigen Bereich verläßt und insbesondere nicht ins Gebiet der elektronischen Instabilität wandert.

Es ist jedoch nicht möglich, auf diese Weise alle Belastungsfälle einschließlich des Leerlaufes ohne einen weiteren Verbraucher als die Eigendämpfung des Erwärmungsraumes zu erfassen. Daher ist es üblich, um den Generator für alle Fälle zu schützen, die Eigenverluste des Erwärmungsraumes ausreichend groß zu wählen, einen Zusatzverbraucher im Erwärmungsraum anzuordnen, der einen gewissen Teil der angebotenen Energie in Verlustwärme umsetzt, oder zwischen den Erwärmungsraum und den Generator eine Einwegleitung einzusetzen, in der wenigstens ein Teil der infolge der Fehlanpassung zum Generator rücklaufenden Energie absorbiert wird (vgl. die genannten »VALVO-Berichte«, S. 30).

Weitere Schutzmaßnahmen für den Generator können im thermischen Grenzgebiet ein temperaturempfindlicher Schalter und im elektronischen Grenzgebiet ein auf den komplexen Reflexionsfaktor oder die Schwingungsart ansprechender Schalter sein.

Üblicherweise wird als Maß für die höchste Abweichung von der idealen Anpassung an Stelle des Reflexionsfaktors der höchstzulässige Welligkeitsfaktors am Anschluß des Generators angegeben; diese Größe ist eine Eigenschaft des jeweiligen Generatortyps und hängt von seiner Konstruktion und seiner Betriebsweise ab. Steigende Werte des Welligkeitsfaktors sind im Generatordiagramm durch Kreise mit jeweils größeren Radien um den Mittelpunkt des Diagramms dargestellt.

Mit den beschriebenen Maßnahmen ist zwar eine gewisse Sicherheit zu erreichen, daß ein unzulässiger Arbeitspunkt sich nicht einstellt; sie sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß z. B. beim Zusatzverbraucher ein verhältnismäßig großer Teil der angebotenen Generator-Ausgangsleistung in dem Zusatzverbraucher umgesetzt werden muß, bei Schutzschaltungen wiederum der Betrieb unterbrochen wird. Weiter kann nicht die mögliche Ausgangsleistung ausgenützt werden. Dies hängt damit zusammen, daß die Ausgangsleistung, wie aus dem Generatordiagramm ersichtlich ist, wegen des steigenden Wirkungsgrades in Richtung auf das Gebiet der elektronischen Instabilität zunimmt und wegen des sinkenden Wirkungsgrades in Richtung auf das thermische Grenzgebiet abnimmt, jedoch gerade der Arbeitspunkt bei einem mittleren Verbraucher etwa in der Mitte zwischen diesen beiden Gebieten liegen muß und insbesondere nicht zu nahe an das Gebiet der elektronischen Instabilität gelegt werden darf, das einen schmalen, etwa sektorförmigen Ausschnitt außerhalb desjenigen Kreises im Generatordiagramm bildet, der durch den höchstzulässigen Welligkeitsfaktor s_max gegeben ist. Es können also gerade die Gebiete hohen Wirkungsgrades und damit hoher Leistung und stabiler Betriebszustände außerhalb des Gebietes der elektronischen Instabilität nicht als Arbeitsgebiete erreicht werden, wenn alle möglichen Betriebszustände innerhalb des Kreises des höchstzulässigen Welligkeitsfaktors s_max liegen sollen.

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, den Arbeitspunkt eines Magnetrongenerators bei sich verändernder Belastung in dem Bereich hoher Nutzleistung und hohen Wirkungsgrades, der in der englischen Sprache »sink region« genannt wird, einzustellen, ohne daß sich dieser bei Belastungsänderung in das Gebiet elektronischer Instabilität, das in der englischen Sprache »moding region« genannt wird, verschieben kann. Zur Lösung dieses Problems nutzt die Erfindung die Kombination zweier Maßnahmen aus, die jede für sich bisher durch den Fachmann in diesem technischen Gebiet als unerwünscht betrachtet werden:

1. Die Verwendung eines Wellenleiters mit der im Anspruch 1 angegebenen Länge. Wie aus der Sender- und Radartechnik bekannt ist, verursacht ein derart dimensionierter Wellenleiter eine unerwünschte Erscheinung, die in der englischen Sprache »long line effect« genannt wird und die sich darin äußert, daß die normale Schwingungsform des Magnetrons in anderen Schwingungsformen (Störmoden) umspringt, was einen instabilen Betrieb und eine Schädigung des Magnetrons mit sich bringt. Daher wird in diesem Fall versucht, die Belastung möglichst gut an den Generator anzupassen. Da jedoch bei Mikrowellenerwärmungsgeräten stark schwankende Belastungen des Generators auftreten, sind derartige WeI-lenleiter kaum richtig zu dimensionieren und werden daher möglichst vermieden.
2. Die Einstellung des Arbeitspunktes des Magnetrongenerators in dem Bereich größter Nutzleistung und größten Wirkungsgrades in der Nähe der »moding region«.

In den bekannten Mikrowellenerwärmungsgerä-. ten wird der Arbeitspunkt in sicherer Entfernung von dieser »moding region« eingestellt, da sonst die stark schwankenden Belastungen eine Ver-Schiebung des Arbeitspunktes in die »moding region« verursachen und folglich zu einem instabilen Betrieb und zu einer Schädigung des Magnetrons führen könnten.
Durch Kombination dieser Maßnahmen, die jede für sich als nachteilig betrachtet werden, wird eine beträchtliche Erhöhung der Nutzleistung und des Wirkungsgrades des Magnetrongenerators erzielt, wobei ein stabiler Betrieb ohne Schädigung des Magnetrons nach der Erfindung dadurch gewährleistet ist, daß der Wellenleiter mit der beanspruchten Länge derart auf den Magnetrongenerator einwirkt, daß für Belastungen, die ein sehr hohes Stehwellenverhältnis (z. B. ein Stehwellenverhältnis größer als 4) verursachen, in Richtung von der »sink region« her kommend

die »moding region« übersprungen wird.
Aus der USA.-Patentschrift 2 485 029 ist eine Anordnung zur Stabilisierung der Generatorfrequenz

bei Belastungsänderungen bekannt, wobei die Änderungen des Blindanteils der Generatorimpedanz infolge der Belastungsänderungen selbsttätig kompensiert werden. Die Erfindung dagegen schafft ein Frequenzsprünge verursachendes Koppelglied für Generatoren, die mit stark fehlangepaßten Belastungen zusammenarbeiten, um sehr hohe Nutzleistungen und Wirkungsgrade zu erzielen.

Der Vollständigkeit halber wird erwähnt, daß aus der USA.-Patentschrift 2 716 694 Zuführungsleitungen zwischen dem Generator und dem Erwärmungsraum bekannt sind, die auch eine beträchtliche Länge aufweisen. Wie jedoch aus der Beschreibung der Patentschrift zu entnehmen ist, ist die Leitung erstens so ausgebildet, daß eine gute Luftkühlung der Hochfrequenzanschlüsse des Generators möglich ist, zweitens wird bezweckt, durch eine Gabelung der Leitung und eine mehrfache Einkopplung eine gute Verteilung der in den Erwärmungsraum eingekoppelten Energie zu erreichen. Im Verlauf der Leitung sind Anpassungsglieder angeordnet, die im Zusammenwirken mit den Einkopplungselementen eine möglichst gute Anpassung in der eingangs als bekannt beschriebenen Art bewirken sollen.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung näher erläutert, in der

F i g. 1 das Prinzipschaltbild eines Hochfrequenzerzeugungsgerätes zeigt, in dem das Koppelglied zwischen dem Generator und dem Verbraucher eine konzentrische Leitung ist.

In F i g. 2 ist schematisch ein Hochfrequenzerwärmungsgerät mit einem quaderförmigen Erwärmungsraum als Verbraucher und in

F i g. 3 eine Draufsicht auf das Gerät nach F i g. 2 gezeigt.

In F i g. 4 ist schematisch der Zusammenhang zwischen den Blindleitwerten der am Generatorausgang erscheinenden Last bzw. des Generators und der Generatorfrequenz skalar dargestellt.

F i g. 5 zeigt eine Übertragung des Diagramms der F i g. 4 in die übliche bekannte Abbildung des Generatordiagramms.

In dem Prinzipschaltbild nach F i g. 1 ist an der Auskopplungsebene (Lastebene) 1 eines Generators Gen ein Wellenleiter W in Form einer konzentrischen Leitung der Länge l_w angeschlossen, der an seinem Ende in der Verbraucherebene 2 mit einem Verbraucher V veränderbaren komplexen Leitwertes belastet ist. Der Generator ist mit seinem Ersatzschaltbild als ein ZJ?C-Kreis in Parallelschaltung dargestellt.

In dem Hochfrequenzerwärmungsgerät nach den Fig. 2 und 3 wird der Wellenleiter W von einem Rechteckhohlleiter-Stück Hl gebildet, dessen eine Breitseite zugleich die Wand.eines quaderförmigen Erwärmungsraumes 3 bildet, in dem das zu erwärmende Gut G angeordnet ist. An dem einen Ende ist der Hohlleiter/// gut leitend abgeschlossen und ein Hochfrequenzgenerator Gen über einen Kopplungsstift 4 in einer Entfernung vom Abschluß von etwa X_WI4 an den Hohlleiter Hl angekoppelt. Der Hohlleiter Hl ist so ausgebildet und die Ankopplung des Generators an den Hohlleiter Hl so gewählt, daß der Generator Gen und der Hohlleiter Hl ein in sich über den Frequenzbereich des Generators gut angepaßtes reflexionsarmes System bilden; hierzu ist unter anderem die an dem 90°-Knick des Hohlleiters entstehende Stoßstelle in herkömmlicher Weise gut angepaßt.

An seinem dem Generator Gen abgewendeten Ende ist der Hohlleiter Hl ebenfalls gut leitend abgeschlossen und an seiner dem Erwärmungsraum 3 zugewandten Breitseite mit einem Schlitz 5 versehen, über den S die Energie in den Erwärmungsraum eingekoppelt wird, indem das zu erwärmende, mit hochfrequenten Verlusten behaftete Gut G angeordnet ist.

Die Abmessungen und die physikalischen Eigenschaften des Gutes G, die Größe und Form des Raumes 3 und die Abmessungen und die Form des Schlitzes 5 sowie gegebenenfalls anderer im Raum 3 vorhandener Anpassungs- und Abstimmglieder haben einen Einfluß auf den am Schlitz 5 erscheinenden Verbraucherleitwert Y_v = G_v + jB_v. Der Hohlleiter Hl ist somit in der Verbraucherebene, die mit dem Schlitz 5 zusammenfällt, mit dem dort erscheinenden Verbraucherleitwert Y_v belastet. Durch geeignete Wahl der vorhandenen Abstimmparameter, z. B. der Abmessungen und der Form des Schlitzes 5, ist der

ao Verbraucherleitwert Y_v so eingestellt, daß er an sich an das System Generator-Hohlleiter gut angepaßt wäre, wenn an dieser Stelle keine weiteren Abstimmmittel vorhanden wären.

An demselben Ende des Hohlleiters Hl trägt jedoch die dem Schlitz gegenüberliegende Breitseite des Hohlleiters Hl einen Längsschlitz, in dem ein Abstimmstift mit gutem elektrischen Kontakt zum Hohlleiter verschiebbar und in seiner Eintauchtiefe einstellbar angeordnet ist. Mit dem Abstimmstift kann nur ein Blindleitwert eingestellt werden, dessen Betrag von dem Durchmesser und der Eintauchtiefe des Stiftes und dessen Phase von seiner Lage im Schlitz abhängt. Der Stift wird so eingestellt, daß bei einem Verbraucher mit mittleren Werten der Arbeitspunkt im Generatordiagramm überwiegend im Bereich hohen Wirkungsgrades arbeitet.

Die Funktion der Anordnung nach den F i g. 2 und 3 soll nun an Hand des Prinzipschaltbildes der F i g. 1 und der Diagramme der F i g. 4 und 5 erläutert werden.

Ein Laufzeitröhrengenerator ist ein Schwingungserzeuger, der in Nähe seiner Resonanzfrequenz als ein L/?C-Kreis in Parallelschaltung aufgefaßt werden kann (Fig. 1). Der Generator arbeitet auf eine komplexe Last mit dem Leitwert Y_L = G_L + jB_L; die Generatorfrequenz w_Gcn stellt sich so ein, daß die Summe der Imaginärteile des Generatorleitwertes und des Leitwertes der am Generatorausgang in der Lastebene 1 vorhandenen Last L gleich Null ist:

' +1B_L = 0; (1.1.)

= - JB_L (1.2.)

Der Verlauf des Imaginärteiles jB_Ge„ des Generatorleitwertes Y' _Gen über der normierten Frequenz «GmHöm ^bzw· 0^0gJO)GCn ist in Fig. 4 mit der Kurve I dargestellt. Angenommen der Verbraucher V sei, ohne daß der Wellenleiter W dazwischengeschaltet ist, direkt in der Lastebene 1 an den Generator Gen angeschlossen. Der Verbraucher V entspricht dann der Last L, und es kann an Stelle des komplexen Verbraucherleitwertes Y_v der komplexe Lastleitwert Y ι eingesetzt werden. Hat der Verbraucher z.B. einen induktiven Blindanteil, so läßt sich dessen Blindleitwert jB_L mit der Kurve I darstellen. Dabei ist berücksichtigt, daß — jB_L aufgetragen werden muß, da gemäß der Gleichung (1.2.) für die sich erregende Schwingung w_Gen der Blindleitwcrt jB_Gcn gleich

— lmal dem Blindleitwert JB₁, d.h. gleich —jB_L sein muß.

Die Kurven I und II haben nur einen Schnittpunkt 11, der gemäß der Gleichung (1.2.) die Frequenz darstellt, auf die sich der Generator einstellt.

Die Kurve III gibt in dieser Schaltung ohne den Wellenleiter W den Blindleitwert wieder, wenn der Verbraucher einen kapazitiven Blindanteil hat. Es stellt sich dann die Frequenz im Schnittpunkt 12 der Kurven I und TII ein.

Die Kurve IV zeigt den Verlauf des Blindleitwertes, wenn der Verbraucher sowohl einen kapazitiven als auch einen induktiven Blindanteil hat, die zusammen einen Parallelresonanzkreis bilden, dessen Resonanzfrequenz gleich der mittleren Frequenz ω_ο(ι·_ίΠ des Generators ist. Weicht die Resonanzfrequenz dieses Parallelresonanzkreises von der mittleren Frequenz a)_o0(,„ des Generators Gen ab, sind die Kurven I und IV in der Abszisse gegeneinander verschoben. In jedem Fall ist nur ein Schnittpunkt der beiden Kurven I und IV vorhanden und damit nur ein Arbeitspunkt des Generators möglich.

Je nach dem Realanteil und dem Blindanteil des Verbraucherleitwertes kann in der Schaltung ohne Wellenleiter in allen drei Fällen (kapazitiver, induktiver oder kapazitiver-induktiver Blindanteil) der Arbeitspunkt jedoch im Gebiet der elektronischen Instabilität liegen, womit die Gefahr besteht, daß der Generator Gen geschädigt werden kann.

Wird nun als Koppelglied zwischen den Verbraucher V und den Generator Gen der Wellenleiter W eingeschaltet, dessen Länge nach der obigen Formel gewählt ist, so ergeben sich ganz andere Verhältnisse. Ein solches Leitungsstück W verhält sich wie ein Schwingungskreis hoher Güte und transformiert gemäß den bekannten Leitungsgleichungen den komplexen Verbraucherleitwert Y_v von der Verbraucherebene 2 in die Lastebene 1, wodurch der Blindleitwert }B_L in der Lastebene den mit den Kurven V₁... V₄ dargestellten prinzipiellen Verlauf über der normierten Frequenz erhält. Parameter der Kurvenschar ist der Welligkeitsfaktor s, wobei sowohl der Maximalwert des Blindleitwertes —jB_L als auch die Steilheit der Kurven V im Wendepunkt mit steigendem j zunimmt.

Die Bedingung dafür, daß ein Arbeitspunkt des Generators sich stabil einstellt, ist, daß der Differentialquotient der Blindleitwertkurve (II, III, IV, V) der Last L in einem Schnittpunkt mit der Blindlcitwertkurve I des Generators höchstens gleich oder kleiner ist als der Differentialquotient der Blindleitwertkurve I des Generators (wie oben erwähnt, ist damit nichts darüber ausgesagt, ob dieser »stabile« Arbeitspunkt sich außerhalb des Bereiches oder in dem Bereich der elektronischen Instabilität befindet).

Bei den Kurven V₁ und V₂ ist die Bedingung für einen stabilen Arbeitspunkt in den Schnittpunkten 14, 15 und 16, 17 erfüllt, nicht jedoch in den durch den Nullpunkt des Achsenkreuzes laufenden Schnittpunkten dieser Kurven mit der Kurve I Punkt 13. Sollte nun der Verbraucher V solche Werte haben, daß ein Punkt auf dem steilen, durch den Nullpunkt des Achsenkreuzes gehenden Ast der Blindleitwertkurven V₁ bzw. V₂ der Last L sich einstellen möchte, so wird der mittlere, im Nullpunkt des Achsenkreuzes liegende Schnittpunkt übersprungen, und es stellt sich je nach Richtung des Sprunges der im 1. und 3. Quadranten liegende stabile Arbeitspunkt ein; ein stabiler Arbeitspunkt im Zwischengebiet ist nicht möglich; dort liegt jedoch, wie im folgenden an Hand des Generatordiagramms der F i g. 5 erläutert werden wird, das Gebiet der elektronischen Instabilität (in dem Diagramm der F i g. 4 ist dieses Gebiet nicht grafisch darstellbar).

Die Grenze, bei der der Arbeitspunkt noch nicht springt, ist mit der Kurve V_;J dargestellt, deren Steigung im Wendepunkt gleich der Steigung der Kurve I

ίο ist; hier fallen die Tangenten an beiden Kurven miteinander zusammen. Dieser Punkt 13 ist dann der einzig mögliche und zugleich stabile Schnittpunkt der Kurven I und V₃. Die Grenzkurve V._s gilt für den höchstzulässigen Welligkeitsfaktor j_maj des Generators, wenn die Länge l_w des Wellenleiters W nach der obigen Formel gewählt ist.

Die Kurven V₄, deren Parameterwert s kleiner ist als der der Grenzkurve V₃, hat (ebenso wie die Kurven II, III und IV) nur einen stabilen Schnittpunkt mit der Kurve I.

Die Steilheit der Kurve I ist wiederum abhängig von den Daten des Generators Gen und eine Konstante des betreffenden Generators.

Im Generatordiagramm der Fig. 5 hat die Schar der Kreise V₁ bis V₄ dieselben Parameterwerte wie die Schar der Kurven V₁ bis V₄ in Fig. 4; sie sind die geometrischen Orte für Betriebszustände mit jeweils gleichem Welligkeitsfaktor s. Die Linien Ω_ο bis Ω₉ bzw. 1/Ω,, sind die geometrischen Orte der Punkte mit jeweils gleicher Frequenz (»_(ie„; sie sind in Fi g. 4 mit den entsprechenden Abszissenwerten wiedergegeben. Die Schnittpunkte der Kurve I in Fig. 4 mit den Kurven V₁ bis V₃ in Fig. 4 stellen sich in F i g. 5 als Kurve VI dar, die ein tropfenförmiges Gebiet einschließt, das gemäß den Darlegungen zu F i g. 4 übersprungen wird und in dem das Gebiet VII der elektronischen Instabilität liegt. Die Punkte 14 bis 17 sind identisch mit denen der F i g. 4 und geben die dort dargestellten stabilen Arbeitspunkte wieder. Der Punkt 13 der F i g. 4 (Mitte des Achsenkreuzes) erscheint in F i g. 5 nicht als Punkt, sondern als die reelle Achse 13 des Generatordiagramms; auf dieser Achse 13 liegt demnach auch der im Diagramm der F i g. 4 als Schnittpunkt der Grenzkurve V₃ für j_maA.

und der Generatorblindleitwertkurve I erscheinende Punkt 13'. In diesem Punkt bildet der Kreis V₃ die Tangente an die das tropfenförmige Gebiet begrenzende Kurve VI.

Die strichpunktierten Kurven P₁ bis P_e sind die geometrischen Orte der Punkte gleicher Generatorleistung, wobei P₁ einer niedrigen und P₆ einer großen Leistung entspricht.

Aus dem Diagramm der F i g. 5 ist ersichtlich, daß der mittlere Arbeitspunkt in das Gebiet großer Generatorleistung gelegt werden kann, ohne daß eine Gefahr besteht, daß sich ein stabiler Arbeitspunkt im Gebiet der elektronischen Instabilität einstellt (ein Betrieb im Bereich der elektronischen Instabilität könnte, wie eingangs ausgeführt, zu einer schnellen Zerstörung des Generators führen).

Um einen mittleren Arbeitspunkt im Gebiet großer Generatorleistung einzustellen, wird nun zunächst der Generator Gen so an den Hohlleiter Hl angepaßt, daß Generator Gen und Hohlleiter Hl ein in sich gut angepaßtes System bilden. Der Verbraucher mit mittleren Werten (»der mittlere Verbraucher«) wird dann an dieses System gut angepaßt, wodurch für den mittlerenVerbraucher sich ein Arbeitspunkt im Mittel-

509607/25

diagramms oder in seiner Nähe ittlere Arbeitspunkt mit der Einnstiftes 7 von der Mitte des Geden Bereich hohen Wirkungsher Ausgangsleistung verschoben j

ler F i g. I bis 5 bezieht sich hinsichtlich der Lastebene (Auskopplungsebene) 3 auf die »ohmsche« Auskopplungsebene des Generators und nicht auf eine zufällige Ausführung der Auskopplung, die in den meisten Fällen aus mechanischen Gründen über ein dazwischengeschaltetes Leitungsstück erst in einem bestimmten Abstand von derohmschen Generatorauskopplungsebene liegt. Ist in den technischen Daten eines Generators, wie dies meistens der Fall ist, das Generatordiagramm auf die mechanische Anschlußebene bezogen, so muß durch entsprechendes Zwischenschalten einer Leitung mit dem Wellenwiderstand Z₀ des Generatorausgangs die ohmsche Auskopplungsebene in einem Abstand von l\_Vl2 oder einer Vielfachen davon substituiert werden; diese Länge kann von der nach der obigen Formel berechneten Länge l_w des Hohlleiters abgezogen werden. Hierdurch wird die Frequenzlinie Ω_ο und damit auch das Gebiet der elektronischen Instabilität im Generatordiagramm in die Richtung der reellen Achse des Diagramms gedreht, wodurch die Verhältnisse, wie sie in F i g. 5 dargestellt sind, zustande kommen.

Die Grenzkurve V₃ ist in F i g. 5 für einen Welligkeitsfaktor s_max von 2,75 dargestellt. Dieser Wert liegt in einem genügenden Sicherheitsabstand vom Gebiet der elektronischen Instabilität, das erst beim dargestellten Generator bei s — 3,5 beginnt.

Aus der obigen Formel ist zu entnehmen, daß der Hohlleiter Hl um so kürzer sein kann, je größer die Hohlleiterwellenlänge )._w ist. Es kann daher ein Hohlleiter verwendet werden, der in Nähe seiner Grenzwellenlänge betrieben wird, wo die Hohlleiterwellenlänge größer als die Wellenlänge im freien Raum ist.

Wie bereits erwähnt, legt man den mittleren Arbeitspunkt zweckmäßig in das Gebiet großer Leistung; es bewegt sich dann die gesamte Ortskurve vorzugsweise in diesem Gebiet und wandert nicht stark in das Gebiet geringerer Leistung aus; die Frequenz ändert sich jedoch, wie aus dem Diagramm ersichtlich ist, sehr stark. Dies wirkt sich sehr günstig in einem Mikrowellenherd üblicher Bauart aus, bei dem das Gut in einem Resonator behandelt wird, dessen Abmessungen groß zur Wellenlänge sind. Ein solcher Resonator hat nämlich um so mehr Schwingungsmodi, je größer sein Betriebsfrequenzbereich ist.

Wenn nur ein oder weniger Schwingungsmodi vorhanden sind, so besteht die Gefahr, daß ein Energieraster sich im behandelten Gut ausbildet, der zu einer ungleichmäßigen Erwärmung führt. Dieser Raster ist für die verschiedenen Schwingungsmodi räumlieh verschieden; kommt daher durch die ständige Frequenzänderung in einem breiten Bereich eine Vielzahl von Schwingungsmodi zustande, so wird der Energieraster im Gut ständig räumlich verändert und die Energieverteilung vergleichmäßigt.

Dieser Effekt läßt sich darüber hinaus noch verstärken, indem der Generator mit nicht gesiebten Betriebsstrom gespeist wird, wodurch in bekannter Weise eine zusätzliche Frequenzmodulation entsteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Hochfrequenzerwärmungsgerät mit einem eigenerregten Laufzeitröhrengenerator im Dauerbetrieb, an den ein sich in der Impedanz verändernder Verbraucher über ein Koppelglied angeschlossen ist, und mit Mitteln zur Verhinderung der Verschiebung des Arbeitspunktes des Laufzeitröhrengenerators bei Änderung der Verbraucherimpedanz in Richtung zunehmender Nutzleistung in das Gebiet elektronischer Instabilität, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt des Laufzeitröhrengenerators (Gen) bei seiner mittleren Frequenz (ω_{0 Oen}) in dem Bereich hoher Nutzleistung und hohen Wirkungsgrades in der Nähe des Gebietes elektronischer Instabilität eingestellt ist und das Koppelglied durch einen im wesentlichen verlustfreien Wellenleiter (W, Hl) mit der Länge