DE1540993A1

DE1540993A1 - Ofen zur Erhitzung mittels Ultrahochfrequenzschwingungen

Info

Publication number: DE1540993A1
Application number: DE19651540993
Authority: DE
Inventors: Lima Gregory Charles
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1964-12-11
Filing date: 1965-12-09
Publication date: 1970-01-15
Also published as: AT267016B; US3366769A; GB1132242A; FR1456446A; DE1540993B2; DE1540993C3; NL6515845A; SE325650B; BE673608A

Description

N. V. PHILIPS GLOEILAMPENFABRIEKEN, Eindhoven/Holland

Ofen zur Erhitzung mittels Ultrahochfrequenzschwingungen.

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzofen für Hochfrequenzerhitzung mittels Ultrahochfrequenzschwingungen mit einem Ultrahochfrequenzgenerator, der mit einem durch Metallwände begrenzten Erhitzungsraum gekoppelt ist, dessen Abmessungen größer als eine Wellenlänge der von dem Generator erzeugten Schwingungen sind, innerhalb welches Erhitzungsraums Schwingungen mit Ultrahochfrequenz verschiedener Schwingungsmodi erzeugt werden.

In einem solchen Hochfrequenzofen stellt Sich bei jedem gesonderten Schwingungsmodus im Erhxtzungsraum eine bestimmte Energieverteilung ein, die von der Frequenz der Generatorschwingungen und von den Abmessungen des Erhitzungsraumes abhängt und die Maxima und Minima aufweist. Die resultierende Energieverteilung aller Schwingungsmodi gemeinsam ist nicht gleichmäßig, so daß im Erhitzungsraum ein unregelmäßiger Verlauf der Erhitzung entsteht, was für verschiedene Zwecke unerwünscht ist.

Die Erfindung bezweckt, einen Hochfrequenzofen eingangs erv/ähnter Art zu schaffen, bei dem mittels einer großen Anzahl verschiedenartiger Einkopplungen für die Schwingungen des Generators in. einfacher Weise eine gleichmäßigere Erhitzung im Erhxtzungsraum eingestellt werden kann,

was vor allem bei Gegenständen, die größer als eine Wellenlänge der Generatorschwingungen sind, einen höheren Wirkungsgrad der Erhitzung liefert.

Der Hochfrequenzofen nach der Erfindung hat das Merkmal, daß zum Erzielen einer wesentlich gleichmäßigeren Erhitzung in dem Erhitzungsraum zusätzlich ein einstellbarer Kopplungskörper aus leitendem Material untergebracht ist, der Schwingungsenergie von einem Schwingungsmodus in einen anderen Schwingungsmodus überführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Hochfrequenzofens nach der Erfindung ist ein Kopplungskörper in Form eines Hohlzylinders in der Nähe der Generatoreinkopplung angeordnet, welcher Zylinder in einer zu einer Wand des Erhitzungsraums parallelen Ebene drehbar ist.

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

Fig. 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch einen Hochfrequenzofen nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt eine Vorderansicht eines Teiles des Ofens nach Fig. 1 in Richtung auf die Rückwand längs der Linie II-II der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab einen vertikalen Schnitt durch einen Teil einer zweiten Ausführungsform des Ofens.

Fig. 4 zeigt in vergrößertem Maßstab einen vertikalen Schnitt durch einen

* Teil einer dritten Ausführungsform dieses Ofens. >

^y Fig. 5 zeigt in vergrößertem Maßstab einen vertikalen Schnitt durch einen Teil einer vierten Ausführungsform des Ofens und

Fig. 6 zeigt einen vergrößerten, vertikalen Schnitt durch einen Teil einer fünften Ausführungsform dieses Ofens_e

Die Fig. 1 und 2 der Zeichnung zeigen einen Ofen 1 aus einem geeigneten, elektrisch leitenden Material mit verhältnismäßig dünnen Wänden in Form eines hohlen Raumes. Eine gelenkige Tür 2 aus elektrisch leitendem Ma- · terial führt zu dem Raum und schließt diesen vollständig ab, so daß Hochfrequenzenergie nicht in die Umgebung dringen kann.

Itx dem Raum 1 ist ein Behälter 3 für zu erhitzende Nährmittel oder anderes dielektrisches Material untergebracht. Der Behälter steht auf einem Brett 4, das vorzugsweise aus verlustfreiem, dielektrischem ^Material, z.B. Polypropylen, besteht. Die Höhe des Brettes 4 innerhalb des Ofens kann durch geeignete Stützen auf den Seitenwänden des Raumes geändert werden. Das Brett 3 kann auch auf dem Boden des Raumes 1 oder auf einem Block von geeignetem, verlustarmem, dielektrischem Material angebracht werden.

Eine Hochfrequenzenergiequelle enthält eine elektronische Entladungsvorrichtung, hier ein Magnetron. Jede andere Vorrichtung zur Erzeugung und Übertragung von Hochfrequenzenergie für den Ofen ist brauchbar; sie ist auf der Außenseite der Rückwand des Ofens angebracht. Das Magnetron 5 hat eine entlüftete Umhüllung 6 aus gut leitendem Material wie Kupfer und eine Anzahl nach innen radial vorstehender Anodenbleehe 7. Die Vorrichtung ist derart, daß jedes Paar benachbarter Anodenbleehe gemeinsam mit dem zwischenliegenden Teil der Umhüllung einen Hohlraumresonator bildet, dessen Eigenresonanzfrequenz bekanntlich eine Funktion der Geometrie seiner physikalischen Elemente ist. Für den vorliegenden Zweck ist es erwünscht, daß die Abmessungen des Magnetrons derart sind, daß die Wellenlänge der erzeugten elektrischen Schwingungen im Zentimeterbereich liegt« Wellenlängen dieser Ordnung liegen im Hochfrequenzgebiet, und es hat sich ergeben, daß diese besonders gut zur dielektrischen Erhitzung von Nährmitteln geeignet sind. Die Erfindung ist jedoch auch brauchbar für Hochfrequenzenergie längerer oder kürzerer Wellenlängen,

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Das Magnetron 5 wird aus irgendeiner geeigneten Spannungsquelle erregt und liefert elektromagnetische Hochfrequenzenergie für den Ofen 1 mittels einer koaxialen Übertragungsleitung mit einem Innenleiter 8, der in dem Magnetronraum verläuft, und einem Außenleiter 9, der mit der Umhüllung verbunden ist. Der Innenleiter 8 endet in einen zylindrischen Antennenteil 10, der im Innern des Ofens 1 durch eine Öffnung.in dessen Rückwand vorsteht. Der rohrförmige Außenleiter 9 wird an der Rückwand des Ofens mittels eines Flansches 11 befestigt. Ein konischer Isolator 12 trennt den Innenleiter von dem Außenleiter und schafft einen luftdichten Verschluß, Eine weitere Beschreibung eines Magnetrongenerators zur Anwendung gemäß der vorliegenden Erfindung wird in der amerikanischen Patentanmeldung No, 276 838 vom 30. April 1963 gegeben.

Eine Form der Einkopplungsantenne, die besonders gut wirksam ist zum Erzielen des erwünschten Energieverteilungsmusters in dem Ofen, enthält eine Kopplungsschleife, von der ein Ende mit der Rückwand 13 des Ofens verbunden ist. Die Kopplungsschleife enthält einen dünnen, langgestreckten, massiven Kupferkörper 14, der drehbar auf dem Antennenteü 10 und senkrecht zu ihm angebracht ist. Deutlichkeitshalber sind die Mittel für die drehbare Anordnung des Teiles 14 auf dem Teil 10 nicht dargestellt; zu diesem Zweck können bekannte Mittel benutzt werden. Ein massives, zylindrisches Glied 15 ist an dem freien Ende des Teiles 14 senkrecht zu diesem angebracht, wodurch die Schleife geschlossen wird. Das freie Ende des Gliedes 15 hat einen Fuß 16 und eine Schraube 17 zur Befestigung der Kopplungsschleife an der Rückwand des Ofens.

Wenn das Magnetron 5 erregt wird, strahlt die beschriebene Vorrichtung _o elektromagnetische Energie in den Ofen 1 ein. Wenn die Abmessungen in OJ bezug auf die Energie der Hochfrequenzenergiequelle passend gewählt sind, ^ wird ein komplexes Modusmuster von Hochfrequenzenergie in dem Raum Q erzeugt. Obgleich eine Anzahl von Modi in dem Ofen erzeugt wird, hat sich ^ ergeben, daß dennoch ein ziemlich hohes Stehwellenverhältnis auftritt, so daß Maxima und Minima in der Energieverteilung in dem Ofen auftreten. Gleichmäßige Erhitzung des dielektrischen MaterialSim Behälter 3 ist daher schwer erzielbar. _ 5 _

Zum Erzielen einer gleichmäßigeren Energieverteilung in dem Ofen wird ein hohler Zylinder 18 aus Kupfer oder anderem, geeignetem metallischem Material einstellbar auf dem Teil 14, z.B. mittels einer Schraube 19, angebracht. Der Zylinder 18 ändert das Energieverteilungsmuster im Ofen, so daß eine gleichmäßige Erhitzung des Inhalts des Behälters 3 erhalten wird. Der Zylinder 18 ist drehbar über einen Winkel von 360 .

Im Betrieb wird ein zu erhitzender Gegenstand in den Ofen geführt. Die Kopplungsschleife mit den Gliedern 14 und 15 ist um den Antennenteil 10 über einen Winkel von 360 drehbar.

Durch Einstellung der Kopplungs schleife 14; 15 und des Zylinders 18 wird eine optimale Feldkonfiguration im Ofen erhalten, wodurch eine gleichmäßige Erhitzung erzielt wird. Nach Einstellung auf diese optimale Lage werden die Schrauben 17 und 19 angezogen, um das Antennengebilde zu halten. Auf diese Weise entsteht ein sehr gleichmäßiges Erhitzungsmuster ohne Anwendung komplizierter Modusmischkonstruktionen (sogenannte "stirrers").

Sollen Gegenstände sehr verschiedener Abmessungen und dielektrischer Eigenschaften erhitzt werden, braucht man nur die gegenseitigen Lagen der Kopplungs schleife 14, 15 und des Zylinders 18 zu ändern, um eine optimale Feldkonfiguration und eine gleichmäßige Erhitzung im Ofen zu erzielen. Ein sehr einfacher, aber wirksamer Ofen für die Bereitung von Speisen wird auf diese Weise erhalten.

Es ist nicht genau bekannt, in welcher Weise der Zylinder 18 mit dem Antennenkopplungssystem zu diesem Erfolg zusammenwirkt. Es sind verschiedene Theorien vorgebracht worden. Eine besteht darin, daß die in dem Raum erzeugte Hochfrequenzenergie induktiv auf den Zylinder 18 gekoppelt wird, so daß ein Strom zu fließen anfängt. Der Zylinder 18 an sich strahlt wieder Energie in verschiedenen Teilen in den verschiedenen Modi in den Raum aus, wodurch das Energieverteilungsmuster sich ändert. Der Zylinder 18 liefert somit eine induktive Energiekopplung zwischen den

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verschiedenen Modi in dem Raum, wodurch eine gleichmäßigere Erhitzung entsteht. Eine zweite Theorie besagt, daß der Zylinder sich in der Zahl der Modi in dem Raum derart auswirkt, daß eine allgemein gleichmäßigere Feld verteilung entsteht.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung, bei der eine gleichmäßige Erhitzung und ein zulässiges Verhältnis der stehenden Wellen erhalten, werden, besteht aus einem kubusartigen Raum mit einer Länge, Breite und Höhe von je 25 cm. Die Hochfrequenzenergiequelle war ein Magnetron, das Hochfrequenzenergie von 2 450 MHz erzeugte. Das Antennenelement 10 wurde in der Rückwand des Ofens an einem Punkt angebracht, der in gleichen Abständen von den Seitenwänden entfernt liegt; es besteht aus einem massiven Kupferstab mit einem Durchmesser von ca, 15p mm und einer Länge von 28,5 mm. Das Element 14 hatte eine Länge von 33, 8 mm_# eine Breite von 15, 9 mm und eine Dicke von 4, 7 mm. Das Element 15 war ein massiver Kupferstab mit einer Läng? von 54 mm und einem Durchmesser von 15,9 mm, Der Zylinder 18 hatte eine Länge von 15,9 mm und einen Außendurchmesser von 22, 2 mm und einer Wanddicke von 0, 8 mm. Das Element 14 wurde unter einem Winkel von 45° zur senkrechten Achse des Ofens eingestellt und fixiert. Der Zylinder 18 wurde derart eingestellt und fixiert, daß die Längsachse parallel zum Boden des Ofens liegt. Bei den vorerwähnten Abmessungen und Einstellungen wurde ein gleichmäßiges Erhitzungsmuster an verschiedenen Punkten im Ofen und ein zulässiges Stehwellenverhältnis erhalten. Die Anbringung des zu erhitzenden, dielektrischen Gegenstandes im Ofen ist daher nicht kritisch, was ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist,

Fig. 3 zeigt einen Teil einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung, Die Ofenkonstruktion ist ähnlich der nach Fig. 1, nur ist das Antennenkopplungsgebilde 14 mit der oberen Fläche 20 des Ofens statt mit der Rückwand in Berührung, Der Zylinder 18 ist drehbar auf dem Element 14 mittels einer Schraube 19, ähnlich Fig, 1, angeordnet. In diesem Beispiel ist

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der Zylinder 18 in Richtung der Achse des Antennenelementes 10 angebracht. Die Abmessungen der verschiedenen Elemente dieses Systems sind gleich denen der ersten Ausführungsform, und das System nach ·

Fig. 3 ist in gleicher Weise wirksam wie die der Fig. 1 und 2.

Fig. 4 zeigt einen Teil einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Ofenkonstruktion ist im wesentlichen gleich der nach Fig.l. Hier ist jedoch die Antennenkopplungs schleife 14, 15 der Fig.l weggelassen, und ein einfaches lineares Strahlungselement 10 dient als Antenne. Ein dünner Streifen isolierenden Materials 22 ist an dem Ende des Elementes 10 angebracht. Der hohle Zylinder 18 wird drehbar an dem Ende der Antenne 10 mittels einer Schraube 19 befestigt, so daß das Modusmuster im Ofen eingestellt werden kann. Der Isolierstreifen 22 zwischen dem Antennenelement 10 und dem Zylinder 18 dient zu deren Trennung.

Fig. 5 zeigt einen Teil einer weiteren Ausbildung der Erfindung. Hier sind die Ofenkonstruktion und die Hochfrequenzenergiequelle ähnlich denen nach Fig.l. Das Antennengebilde enthält hier zwei Kopplungs schleifen. Die erste Schleife enthält die Elemente 14a und 15a, die mit der Rückwand des Ofens verbunden sind. Die zweite Schleife besteht aus den Elementen 14b und 15b, die auch mit der Rückwand des Ofens verbunden sind. Der hohle Zylinder ist drehbar an dem unteren Endteil des Elementes 14b angebracht. Der Zylinder 18 kann auch an einer anderen Stelle des Elementes 14 angebracht werden, z.B. an dem oberen Ende des Elementes 14a, unmittelbar über dem Antennenelement 10 oder an einem anderen zwischenliegenden Punkt des Elementes 14. Innerhalb des Rahmens der Erfindung können zwei oder mehr Zylinder an verschiedenen Punkten des Elementes 14 angebracht werden. Das Element 14 kann auch drehbar auf dem Element 10 zur näheren Einstellung des Modusmusters im Ofen angebracht werden. Hier ist der Kopplungs zylinder 18 in nahezu gleicher Weise wirksam, und er liefert die gleichen Vorteile wie in der Ausführungsform nach Fig.l.

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In den verschiedenen, vorstehend beschriebenen Ausführungsformen enthielt das verbesserte Kopplungssystem einen hohlen, leitenden Zylinder 18. Andere geometrische Konfigurationen des Teiles 18-werden auch verbesserte Erhitzungsmuster im Ofen erzeugen_#z.B. Hohlkörper mit einem quadratischen, rechteckigen, elliptischen oder anderen Querschnitt. Obgleich Hohlkörper die besten Resultate ergeben, kann auch ein massiver Körper benutzt werden. Vor allem ein massiver Zylinder ergibt eine bestimmte Verbesserung des Erhitzungsmusters im Ofen, wenn er in die optimale Lage eingestellt wird. Eine weitere, besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig.6 dargestellt. Das Kopplungselement 21 enthält einen rechteckigen Hohlkörper aus leitendem Material, der einstellbar auf dem Element 14 ähnlich Fig. 1 für den Zylinder 18 angebracht ist. Der rechteckige Hohlkörper 21 ist nahezu in gleicher Weise wirksam und liefert die gleichen Vorteile wie der Hohlzylinder nach Fig. 1.

In den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung nach den Fig. 1 bis 6 ist das einstellbare Energiekopplungsglied unmittelbar auf dem Antennengebilde angebracht. Dies ist durchaus nicht notwendig. Da jedoch ein Antennengebilde gewöhnlich notwendig ist, um Hochfrequenzenergie dem Ofen zuzuführen, ergibt sich daraus auch die Abstützung der Kopplungskörper. Es ist auch möglich, den Kopplungszylinder an dem Ende eines keramischen Teiles anzubringen, der von der oberen Wand des Ofens in dem Raum verläuft. Nach Fig. 4 ist es nicht notwendig, daß der Metallzylinder 18 in direkter metallischer Berührung mit dem metallenen Antennenelement 14 steht. Gute Resultate können auch erzielt werden, wenn der Hohlzylinder von dem Antennengebilde getrennt ist, z.B. mittels einer dünnen Teflon-Scheibe. Dann kann eine nicht leitende Schraube als Befestigungsmittel benutzt werden, . .

Obgleich besondere Ausführungsformen der Erfindung vorstehend beschrieben sind, wird es einleuchten, daß verschiedene Abarten innerhalb des Rahmens der Erfindung möglich sind. Die Form und die Abmessungen des

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Ofens, die Art der Antennenkopplungselemente und die geometrische Konfiguration und Abmessungen des Kopplungskörpers lassen sich nach ■den jeweiligen Verhältnissen ändern. Die Erfindung beschränkt sich somit nicht auf die Einzelheiten der hier beschriebenen Ausführungsformen,

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

1. Hochfrequenzofen zur Hochfrequenzerhitzung mittels Ultrahochfrequenzschwingungen mit einem Ultrahochfrequenzgenerator, der mit einem durch Metallwände begrenzten Erhitzungsraum gekoppelt ist, dessen Abmessungen größer als eine Wellenlänge der Generatorschwingungen sind, wobei im Innern des Erhitzungsraums Ultrahochfrequenzschwingungen in verschiedenen Schwingungsmodi erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzielen einer wesentlich gleichmäßigen Erhitzung in dem Erhitzungsraum zusätzlich ein einstellbarer Kopplungskörper aus leitendem Material untergebracht ist, der Schwingungsenergie von einem Schwingungsmodus in einen anderen Schwingungsmodus überführt.

2. Hoch-frequenzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungskörper galvanischen Kontakt mit der Einkopplung des Ultrahochfrequenzgenerators im Erhitzungsraum herstellt.

3. Hochfrequenzofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungskörper mittels eines isolierenden Zwischenstücks an der Generatoreinkopplung befestigt ist.

4. Hochfrequenzofen nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungskörper die Form eines Zylinders hat, der in einer zu einer Wand parallelen Ebene drehbar angeordnet ist.

5. Hochfrequenzofen nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoreinkopplung aus einer Kopplungsschleife mit einem zu einer Wand senkrechten, ersten linearen Element und einem zweiten L-förmigen Element besteht, das drehbar an dem ersten linearen Element befestigt ist, wobei ein Schenkel des L-förmigen Elementes galvanisch mit der erwähnten Wand in Berührung ist, während der Kopplungs körper drehbar auf dem JL-förniigen Element angebracht ist.

6. Hochfrequenzofen nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopplungskörper drehbar an der Generatoreinkopplung befestigt ist, die aus einem linearen Element senkrecht zu einer Wand besteht.

7. Hochfrequenzofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Jineares Element senkrecht zu dem erstgenannten linearen Element befestigt ist, welches zweite Element galvanisch mit einer zweiten Wand in.Berührung ist, die einen Winkel mit der erstgenannten Wand einschließt.

8. Hochfrequenzofen nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoreinkopplung aus einem zu einer Wand senkrechten, ersten, linearen Element und einem zweiten U-förmigen Element besteht, dessen Basis an dem ersten linearen Element befestigt ist und dessen Schenkel galvanisch mit der Wand in Berührung ist, während der Kopplungskörper drehbar an der Basis des U-förmigen Elementes befestigt ist.

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