DE1615118A1

DE1615118A1 - Erhitzungs-Anordnung

Info

Publication number: DE1615118A1
Application number: DE1967A0057060
Authority: DE
Inventors: Agdur Nils Bertil; Hedvall Per Olof Gunnar
Original assignee: HEDVALL PER OLOF GUNNAR
Current assignee: HEDVALL PER OLOF GUNNAR
Priority date: 1966-10-19
Filing date: 1967-10-13
Publication date: 1970-05-06
Also published as: DE1615118C3; FR1563678A; GB1162055A; FI53907C; CH498546A; DE1615118B2; FI53907B; SE311055B; US3478187A

Description

DipUlng. Hb₅ .1 AGULAR
•Mönchen 27, Pi«nzerKJu*rSlr,2

Nils Bertil Agdur, Vilans vag 2>, Danderyd, Schweden

Per Olof Gunnar Hedvall, Trevebovägen 92, Akersberga, Schweden

Erhitzungs - Anordnung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erhitzen von Materialien mit Hilfe von Mikrowellenenergie von einer Mikrowellenquelle.

Ein Ziel der Erfindung ist, beispielsweise der Papier- und Holzindustrie eine einfache und zuverlässige Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, um Papier, Holzbrei und andere Zelluloseerzeugnisse, Holz, Leim, Farbstoffe usw. zu trocknen. Bei dieser Vorrichtung kann die Erhitzungs-(Trocknungs)-Leistung einfach und sofort durch Temperatur- und Peuchtigkeitsfühler gesteuert werden. Ein anderes Ziel der Erfindung ist, eine einfache Vorrichtung zum Erwärmen, Kochen und Braten von Speisen zu schaffen» Ih einer solchen Vorrichtung sind die Kochzeiten wesentlich kürzer als bei üblichen Verfahren.

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Eine Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenwelle mit einem Mikrowellenaufbau gekuppelt ist, der die Eigenschaft hat, daß die Mikrowellenenergie sich entlang dem Aufbau fortpflanzt und dabei in einem schmalen Bereich in der Nähe des Aufbaus konzentriert bleibt und daß das zu erwärmende Material in diesen schmalen Bereich gebracht wird oder ihn durchläuft.

Die Erfindung wird im einzelnen in Verbindung mit den beigefügten schematischen Zeichnungen beschrieben

Fig. 1 zeigt eine Erhitzungsvorrichtung mit einem

zentralen Mikrowellenleistungseingang, Fig. 2 zeigt einen Teil der Vorrichtung in Fig. 1 von oben gesehen und wobei einige Feldlinien angedeutet sind,
Fig. 3 zeigt einen Teil der Vorrichtung in Fig. 1

mit angedeuteten Feldlinien, Fig. 4 zeigt einen abgewandelten Querschnitt der Elemente

für eine Vorrichtung nach Fig. 1, Fig. 5 zeigt die senkrechte Verteilung von Energie zwischen zwei Elementen,

Fig. 6 zeigt eine Abwandlung der Anordnung in Fig. 2, Fig. 7 zeigt eine Erhitzungsvorrichtung mit dem

um den Umfang verlaufenden Leistungseingang, und Fig. 8 zeigt eine Abwandlung der Vorrichtung in Fig. 1 in solcher Weise, daß die Leistung an einem Ende des Aufbaus eingeführt wird.

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Die Vorrichtung nach Fig. 1 weist einen Mikrowelleneingang 10-11 und einen Mikrowellenaufbau (Erhitzungstisch) 13-14-15 auf. Der Eingang besteht aus einer Wellenführung 10 und einer Kupplungsschlaufe 11 für die Mikrowellenleistung. Der Erhitzungstisch besteht aus einer Anzahl von gleichartigen T-förmigen Metallelementen lh, die auf einer Metallgrundplatte 1} montiert sind. Die Kupplungsschlaufe 11 ist mit einem Ende direkt mit einem der Elemente 14 verbunden, während das andere Ende in den mittleren Teil der Wellenführung 10 hineinragt." So wird die Mikrowellenleistung von der Wellenführung 10 in den Mikrowellenaufbau, der aus den Elementen 14 und der Grundplatte 13 besteht, eingeführt und in beiden Richtungen davon fortgepflanzt. An jedem Ende dieses Aufbaus sind im wesentlichen senkrechte Metallplatten 15 angeordnet, die schlitzförmige Viertelwellenlängendrosseln l6 aufweisen. Der Zweck der Metallplatten 15 ist zum Mittelpunkt zu den Teil der Mikrowellenleistung zu reflektieren, der nicht in dem zu erhitzenden Material aufgenommen wurde. Das Material wird durch die Schlitze l6 und direkt über die Elemente 14 geleite,t. Um die Mikrowellenquelle gegen übermässige reflektierte Leistung zu schützen - beispielsweise wenn kein zu erhitzendes Material in der Vorrichtung vorhanden ist - sind Energieaufnehmer 17 in der Nähe der Metallplatten 15 angeordnet. Die Energieaufnehmer 17 können aus Glasrohren bestehen, in denen Wasser zirkuliert, in dem ein Teil der überschüssigen Mikrowellenleistung absorbiert und in Wärme umgewandelt wird.

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Aus Fig. 2 ergibt sich, daß die Elemente sich senkrecht zur Übertragungsrichtung der Mikrowellenleistung entlang dem Mikrowellenaufbau (Erhitzungstisch) 1J3-14-15 erstrecken. Weiterhin sind die Elemente in einer solchen Art und V/eise angeordnet, daß der Abstand zwischen entsprechenden Punkten auf benachbarten Elementen geringer ist als die Hälfte der "Freier-Raum-"Wellenlänge der Mikrowellen ist. Diese Entfernung kann entweder konstant sein, wie in Fig. 1 gezeigt oder nach undnach vom Eingang her zunehmen ( zunehmende Phasengeschwindigkeit) oder nach und nach abnehmen ( abnehmende Phasengeschwindigkeit*

Ein Mikrowellenaufbau wie der in Fig. 1 bis j5 gezeigte hat die Eigenschaft, daß die Mikrowellen sich mit einer Phasengeschwindigkeit fortpflanzen, die geringer ist als die "Freier-Raum-Geschwindigkeit. Die Mikrowellenenergie ist dann eng an den Mikrowellenaufbau gebunden. Die Feldausgestaltung ist in Fig. 2-J5 gezeigt. Das elektrische Feld (volle Linien) ist hauptsächlich in der Nähe der Lücken zwischen den Flanschen benachbarter Elemente konzentriert, während die magnetischen Feldlinien (gestrichelten Linien) sich hauptsächlich um die Stege der EJemente schliessen. Die Konzentration des elektrischen Feldes - mit einer daraus folgenden hohen Energiedichte - nahe an der oberen Oberfläche des Mikrowellenaufbaus kann mit Hilfe von Elementen ausgesprochener gemacht werden, die scharfe Kanten haben, die in Fig. 4 gezeigt sind.

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Fig. 5 zeigt schematisch, wie die elektrische Mikrowellenenergie entlang einer senkrechten Linie "zwischen zwei Elementen des links in der Figur gezeigten Typs verteilt ist. Es ist gezeigt, dass die Energie in der Nähe des Niveaus der Flanschen konzentriert ist und exponentiell über dem Aufbau abnimmt.

Das zu erhitzende (zu trocknende) Material wird oben auf den Aufbau (Erhitzungstisch)aufgebracht, wo es starken elektrischen Feldern ausgesetzt wird. Die Wärmeabfuhr in dem Material bewirkt, dass ein Teil der Mirkowellenleistung in Wärme im Inneren des Materials umgewandelt wird und die Fortpflanzungswelle wird gedämpft. Wegen der Feldkonzentration zu den Lücken zwischen den Elementen 14 besteht ein Risiko für örtliche Verbrennungen in festen Materialien. Dies kann vermieden werden, wenn solche Materialien, z.B. Papier, entlang dem Aufbau bewegt werden. Wenn die dielektrische Konstante des Materials grosser ist als die von Luft, dann hat die elektrische Energie die Tendenz, sich in" dem Material zu konzentrieren. Die exponentielie Abnahme der Energiedichte ist auch weniger 'ausgesprochen und die Mikrowellenleistung kann sogar ziemlich dicke Materialien durchdringen und erhitzen.

Fig. 6 zeigt einen abgewandelten Mikrowellenaufbau. Anstatt länglicher Elemente 14, wie in Fig. 2, sind die Elemente 64 im wesentlichen quadratisch, wenn sie von oben angesehen werden. Die Elemente 64 haben

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einen senkrechten Schaft und einen waagerechten Flansch, so dass ein senkrechter Schnitt durch ein Element immer noch gleich dem in Fig. 5 gezeigten ist. Die Elemente 64 sind in einer regelmässigen, zweidimensionalen Anordnung auf einer Grundplatte IJ in solcher Art und Weise angeordnet, dass der Abstand zwischen entsprechenden Punkten auf zwei diagonal benachbarten Elementen geringer ist als die halbe Frei-Raum-Wellenlänge der Mikrowellen. Die Elemente bilden dann einen flachen Mikrowellenaufbau, der es den Mikrowellen gestattet, sich in verschiedenen Richtungen mit einer Phasengeschwindigkeit fortzupflanzen, die kleiner ist als die Frei-Raum-Geschwindigkeit. Diese Feldgestalt ist so, dass das elektrische Feld auf die Bereiche zwischen den Kanten der Flanschen der T-förmigen Elemente 64 konzentriert ist und die magnetischen Feldlinien sich im wesentlichen um die Schäfte dieser Elemente schliessen.

Die Vorrichtung in Fig. J besteht aus einer Anzahl konzentrischer, kreisförmiger Elemente 'Jk mit T-förmigem Querschnitt. Die Elemente sind auf einer kreisförmigen Grundplatte I3 montiert. Ein senkrechtes Reflektorrohr 75 ist mit dem Rand der Grundplatte verbunden. Die Mikrowellenleistung wird von einer kreisförmigen, zylindrischen , Wellenführung 70 eingeleitet. Die Kupplungsschlaufen 7I sind mit -einem Ende mit der Innenwand des Rohres 75 verbunden, während das andere Ende in die Wellenführung 70 hineinragt. Der Vorteil dieses um den Umfang verlaufenden

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Leistungseinganges liegt darin, dass der Dämpfung der Mikrowellen infolge der Energieaufnahme in dem Material durch-das geometrische Bündeln der Wellen entgegengewirkt wird.

In der Vorrichtung in Fig. 8 hat ein Teil 82 des Mikrowellenaufbaus (Erhitzungstisch) eine verhältnismässig kleine Wölbung und der andere Teil 83 hat eine grössere Wölbung. Der Mikrowelleneingang 8O-8I ist mit einem Reflektor 15 am freien Ende des zweiten Teils 83 verbunden. Die Elemente 84 des Mikrowellenaufbaus 82-83 sind T-förmig, wie in den oben beschriebenen Vorrichtungen. Das zu erhitzende (zu trocknende) Material, z.B. eine Papierbahn 89, berührt den leicht gebogenen Teil 82 des Mikrowellenaufbaus .

Viele andere mögliche Anordnungen werden vollständig durch die Patentansprüche gedeckt. So kann der Mikrowellenaufbau zylindrisch gemacht und zum inneren oder äusseren Erhitzen von Rohren angeordnet werden. Im allgemeinen kann die Form des Aufbaus so ausgestaltet werden, dass sie sich dem Material anpasst, für das er verwendet werden soll.

Ausserdem brauchen die T-förmigen Elemente und die Grundplatte nicht getrennt hergestellt zu werden, sondern können beispielsweise hergestellt werden, indem Blech, z.B. Kupfer,

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gebogen (gewellt) wird, um das gewünsche Profil zu erzielen. Auf diese Art und Weise wird der Mikrowellenaufbau aus einer kontinuierlichen Kupferoberfläche ohne Lötverbindungen hergestellt, was die unerwünschten Verluste der Mikrowellenleistung verringert. Gleichzeitig sollte das Herstellungsverfahren sowohl einfach als auch billig sein.

Der Mikrowelleneingang kann ebenfalls in verschiedenen Arten abgewandelt werden. So kann der Mikrowellenaufbau einen integrierenden Bestandteil eines Mikrowellengenerators sein, beispielsweise eines verteilten Transistorverstärkers.

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Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erwärmen von Material unter Verwendung von Mikrowellenleistung, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle mit einem Mikrowellenaufbau verbunden wird, der aus einer Anzahl gegenseitig gleichartiger Elemente besteht, um eine solche Anordnung zu schaffen, dass der Abstand zwischen entsprechenden Punkten auf zwei benachbarten Elementen so viel kleiner ist als die Hälfte der Frei-Raum-Wellenlänge der Mikrowellen, dass die Mikrowellen sich entlang dem Aufbau mit einer Phasengeschwindigkeit fortpflanzen, die geringer ist als die Frei-Raum-Geschwindigkeit, und dass die Mikrowellenenergie auf den Aufbau selbst und einen schmalen benachbarten Bereich konzentriert bleibt, in den das zu erhitzende Material eingebracht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente länglich sind, aus Metall bestehen und einen T-förmigen Querschnitt haben, und dass der Puss eines jeden Elementes in direkter elektrischer Berührung mit einer metallischen Grundplatte steht*

J. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das T-förmige Profil der Elemente einen nach und nach

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erfolgenden Übergang zwischen dem Steg und dem Plansch zeigt, und dass der Flansch eine scharfe Kante hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die länglichen T-förmigen Elemente als konzentrische Kreise ausgebildet sind.

5. "Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente in einer zweidimensionalen Anordnung vorgesehen, aus Metall hergestellt und T-förmig sind, mit einem oberen Flansch und einem Schaft, und dass die Schäfte in unmittelbarem elektrischen Kontakt mit einer metallischen Grundplatte stehen.

6. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1-5 dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenaufbau gebogen ist und aus einem Teil mit kleiner Wölbung (breitem Radius) und einem zweiten Teil mit stärker ausgesprochener Wölbung (kleinem Radius) besteht, wobei die Mikrowellenquelle mit dem zweiten Teil verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche

1 - 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrov.-ellenquelle mit einem mittigen Teil des Mikrowellenaufbaus verbunden ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

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dass die Mikrowellenquelle mit dem Umfang des kreisförmigen Aufbaus verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenaufbau entlang mindestens einer Kante durch eine Metalloberfläche beendet ist, senkrecht zur Richtung der Fortpflanzung der Mikrowellen und dazu dient, Mikrowellenleistung zu dem zu erhitzenden Material zurück zu reflektieren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9* dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Metalloberfläche mit einem Schlitz' versehen ist, durch den das zu erwärmende Material hindurchgeleitet wird.

11. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenaufbau mit einem Energieaufnervner versehen ist, der dazu dient, diejenige Mikrowellenlvlstung aufzunehmen, die nicht in dem zu erhitzenden Material aufgenommen wurde.

12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die T-förmigen Elemente und die Grundplatte zusammen hergestellt v.-erden, indem Blech gebogen (gev/ellt) wird, um das gewünschte Profil zu erzielen.

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