DE1615118B2

DE1615118B2 - Vorrichtung zum erwaermen von material unter verwendung von mikrowellen

Info

Publication number: DE1615118B2
Application number: DE1967A0057060
Authority: DE
Inventors: Nils Bertil Prof. Danderyd; Hedvall Per Olof Gunnar Akersberga; Agdur (Schweden)
Original assignee: Skandinaviska Processinstrument Ab, Stockholm
Priority date: 1966-10-19
Filing date: 1967-10-13
Publication date: 1977-07-14
Also published as: US3478187A; DE1615118C3; SE311055B; FR1563678A; DE1615118A1; FI53907B; GB1162055A; FI53907C; CH498546A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Material unter Verwendung von Mikrowellen.

In der US-PS 32 35 702 ist eine Erhitzungsanordnung mit einer konventionellen Wellenführung gezeigt, die zu einem Meandermuster gefaltet ist. Diese Anordnung besitzt keine Strahler im herkömmlichen Sinne, weil die Erwärmung im wesentlichen durch Absorption der Mikrowellen innerhalb der geschlitzten Wellenführung stattfindet. Es handelt sich hierbei um ein typisches Beispiel einer geschlossenen Erhitzungsanordnung, wobei die Schlitze allein zu dem Zweck vorgesehen sind, um das Material in die Wellenführungen hineingelangen zu lassen.

In der französischen Patentschrift 10 04 277 ist eine Ausführung beschrieben, bei der die Mikrowellen auf direktem Wege vom Strahler in den zu erwärmenden Körper gelangen.

Entsprechend der Aufgabe nach dieser bekannten Ausführung werden zur Unterstützung der Erwärmung des Körpers durch Mikrowellen, die auf dem direkten Wege vom Strahler in den zu erwärmenden Körper gelangen, eine Reihe von Hilfsmitteln verwendet, die den zu erwärmenden Körper auf indirekte Weise erwärmen. Diese Hilfsmittel beziehen sich auf die Anordnung der Strahler um den zu erwärmenden Körper herum, auf die Ausbildung der Strahler und der Reflektoren und auf Zerstreuungselemente und Resonanzkörper, um die Strahlung auf ein bestimmtes Volumen zu begrenzen und in diesem Volumen so homogen wie möglich zu verteilen, ferner auf verschiedene Arten der Raumumgebung und auf die Medien innerhalb des abgeschlossenen Bestrahlungsraumes. Weitere Hilfsmittel betreffen zusätzliche Strahler, die in Ergänzung zu den Mikrowellenstrahlern verwendet werden, nämlich quasi optische Strahler, Infrarot-Einzelstrahler oder Infrarotstrahlung des gesamten Gehäuses mittels äußerer Erwärmung desselben. Alle diese Hilfsmittel dienen dem Ziel, einen möglichst großen Nutzeffekt und große Strahlungs-Eindringtiefe in dem zu erwärmenden Körper zu erreichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, demgegenüber ohne aufwendige Hilfsmittel eine einfache und zuverlässige, ohne Zeitverzögerung zu steuernde Vorrichtung zur Materialerwärmung auf direktem Wege durch Mikrowellenenergie zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausführung wird

die Mikrowellenenergie in gleichmäßiger Verteilung auf und oberhalb der Oberfläche des Mikrowellenstrahler-Aufbaus in einem schmalen Bereich in der Nähe dieses Aufbaus erzeugt, so daß die zu erwärmenden Körper direkt auf diesen aufgelegt oder darüber hinweggezogen und in einfacher, zuverlässiger Weise, auf kürzestem Wege von den Mikrowellenstrahlern mit hohem Nutzeffekt erwärmt werden können. Auf diese Weise ein wesentlicher Fortschritt gegenüber dem bekannten Stand der Technik erreicht wird.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung können beispielsweise Papier, Holzbrei und andere Zellulose-Erzeugnisse sowie Leim oder Farbstoffe erwärmt bzw. getrocknet und der Erwärmungsvorgang kurzfristig durch Temperatur- und Feuchtigkeitsfühler gesteuert werden; oder es können die Zeiten zum Erwärmen, Kochen und Braten von Speisen gegenüber üblichen Verfahren wesentlich verkürzt werden.

Die Erfindung wird im nachfolgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer zentralen Zuführung für die Mikrowellenenergie,

Fig. 2 einen Teil der Vorrichtung der Fig. 1 von oben, wobei einige Feldlinien angedeutet sind,

F i g. 3 einen Teil der Vorrichtung nach F i g. I mit den angedeuteten Feldlinien,

Fig. 4 einen abgewandelten Schnitt durch die Elemente für eine Vorrichtung nach Fig. 1,

F i g. 5 die Energieverteilung in senkrechter Richtung zwischen den Elementen,

F i g. 6 eine Abwandlung der Anordnung nach F i g. 2,

F i g. 7 eine weitere Ausführungsform der Erhitzungsvorrichtung mit einer an dem Umfang angeordneten Zuführung für die Mikrowellenenergie und

F i g. 8 eine Abwandlung der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei in dieser Ausführungsform die Energie an einem Ende der Anordnung zugeführt wird.

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 Kopplungsschleife 11 für die Mikrowellenleistung. Der Erhitzungstisch besteht aus einer Anzahl von gleichartigen T-förmigen Metallelementen 14, die auf einer Metallgrundplatte 13 montiert sind. Die Kopplungsschleife 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 16 aufweisen. Der Zweck der Metallplatten 15 ist der, den Teil der Mikrowellenleistung, der nicht in dem zu erhitzenden Material aufgenommen wurde, zum Mittelpunkt der Vorrichtung zu reflektieren. Das Material wird durch die Schlitze 16 und direkt über die Elemente 14 geleitet. 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.

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß die Elemente sich senkrecht zur Übertragungsrichtung der Mikrowellenleistung entlang dem Mikrowellenaufbau (Erhitzungstisch) 13,14,15 erstrecken. Weiterhin sind die Elemente in einer solchen Art und Weise angeordnet, daß der Abstand zwischen entsprechenden Punkten auf benachbarten Elementen geringer ist als die Hälfte der Freiraum-Wellenlänge der Mikrowellen ist. Diese Entfernung kann entweder konstant sein, wie in Fig. 1 gezeigt oder nach und nach vom Eingang herzunehmen (zunehmende Phasengeschwindigkeit) oder nach und nach abnehmen (abnehmende Phasengeschwindigkeit).

Ein Mikrowellenaufbau wie der in Fig. 1 bis 3 gezeigte hat die Eigenschaft, daß die Mikrowellen sich mit einer Phasengeschwindigkeit fortpflanzen, die geringer ist als die Freiraum-Geschwindigkeit. Die Mikrowellenenergie ist dann eng an den Mikrowellenaufbau gebunden. Die Feldausgestaltung ist in Fig.2 und 3 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 Elemente schließen. Die Konzentration des elektrischen Feldes — mit einer daraus folgenden hohen Energiedichte — nahe an der oberen Oberfläche des Mikrowellenaufbaus kann mit Hilfe von Elementen, die scharfe Kanten haben, verbessert werden, wie in F i g. 4 gezeigt ist.

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. Entsprechend der dielektrischen Verluste des Materials wird ein Teil der Mikrowellenleistung in Wärme im Inneren des Materials umgewandelt, und die sich fortpflanzende Welle wird gedämpft. Wegen der Feldkonzentration in 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 größer ist als die von Luft, dann hat die elektrische Energie die Tendenz, sich in dem Material zu konzentrieren. Die exponentielle Abnahme der Energiedichte ist dann auch geringer, 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 einen senkrechten Schaft und einen waagerechten Flansch, so daß ein senkrechter Schnitt durch ein Element immer noch gleich dem in F i g. 5 gezeigten ist. Die Elemente 64 sind in einer regelmäßigen, zweidimensionalen Anordnung auf einer Grundplatte 13 in solcher Art und Weise angeordnet, daß der Abstand zwischen entsprechenden Punkten auf zwei diagonal benachbarten Elementen geringer ist als die halbe Freiraum-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 Freiraum-Geschwindigkeit. Diese Fcldgestalt 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. 7 besteht aus einer Anzahl konzentrischer, kreisförmiger Elemente 74 mit T-förmigem Querschnitt. Die Elemente sind auf einer kreisförmigen Grundplatte 13 montiert. Ein senkrechter Reflektorzylinder 75 ist mit dem Rand der Grundplatte verbunden. Die Mikrowellenleistung wird von einer kreisförmigen, zylindrischen Wellenführung 70 eingeleitet. Die Kopplungsschleifen 71 sind mit einem Ende mit der Innenwand des Zylinders 75 verbunden, während das andere Ende in die Wellenführung 70 hineinragt. Der Vorteil dieses um den Umfang verlaufenden Leistungsganges liegt darin, daß der Dämpfung der Mikrowellen infolge der Energieaufnahme in dem Material durch das 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 80, 81 ist mit einem Reflektor 15 am freien Ende des zweiten Teils 83 verbunden. Die Elemente 84 des Mikrowellenaufbatis 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, gebogen (gewellt) wird, um das gewünschte 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 auf verschiedene Weise abgewandelt werden. So kann der Mikrowellenaufbau einen integrierenden Bestandteil eines Mikrowellengenerators, beispielsweise eines verteilten Transistorverstärkers bilden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!.Vorrichtung zum Erwärmen von Material unter Verwendung von Mikrowellen, gekennzeichnet durch einen Aufbau aus einzelnen, nebeneinander angeordneten, untereinander gleichartigen, über eine ebene oder gekrümmte Fläche verteilten und über diese Fläche vorstehenden, in gleicher Richtung wirksamen metallischen Mikrowellenstrahlern, auf die das zu erwärmende Material aufgelegt bzw. über die es hinweggezogen wird, wobei die Strahler elektrisch miteinander und mit der Mikrowellenenergiequelle verbunden sind und die Anordnung so getroffen ist, daß der gegenseitige Abstand zwischen einander entsprechenden Punkten auf zwei benachbarten Einzelelementen kleiner ist als die Hälfte der Freiraumwellenlänge der Mikrowellen und die Mikrowellen sich entlang dem Aufbau mit einer Phasengeschwindigkeit fortpflanzen, die geringer ist als die Freiraumgeschwindigkeit, und die Mikrowellenenergie auf den Aufbau selbst und einen schmalen benachbarten Bereich konzentriert bleibt, in den das zu erwärmende Material eingebracht wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente des Mikrowellenstrahler-Aufbaus länglich sind, einen T-förmigen Querschnitt besitzen und der Fuß eines jeden Einzelelementes in direkter elektrischer Berührung mit einer metallischen Grundplatte steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das T-förmige Profil der Einzelelemente einen allmählichen Übergang zwischen dem Steg und dem Flansch zeigt und daß der Flansch eine scharfe Kante hat.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die länglichen, T-förmigen Einzelelemente als konzentrische Kreise ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente in einer zweidimensionalen Anordnung vorgesehen, aus Metall hergestellt, und T-förmig mit einem oberen Flansch und einem Schaft ausgebildet sind und daß die Schäfte in unmittelbarem elektrischen Kontakt mit einer metallischen Grundplatte stehen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenaufbau gekrümmt ist und aus einem Teil mit geringer Wölbung (großem Radius) und einem zweiten Teil mit stärkerer Wölbung (kleinem Radius) besteht, wobei die Mikrowellenenergiequelle mit dem zweiten Teil verbunden ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenenergiequelle mit einem Mittenteil des Mikrowellenaufbaues verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenenergiequelle mit dem Umfang des kreisförmigen Aufbaus verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenaufbau entlang mindestens einer Kante durch eine senkrecht zur Richtung der Fortpflanzung der Mikrowellen angeordnete Metallfläche begrenzt ist, die dazu dient, die Mikrowellenenergie zu dem zu erhitzenden Material zurückzureflektieren.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloberfläche mit einem Schlitz versehen ist, durch den das zu erwärmende Material hindurchgeleitet wird.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellenaufbau mit energieabsorbierenden Körpern versehen ist, die dazu dienen, diejenige Mikrowellenenergie aufzunehmen, die nicht von dem zu erhitzenden Material aufgenommen wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die T-förmigen Einzelelemente und die Grundplatte zusammen hergestellt werden, indem Blech gebogen (gewellt) wird, um das gewünschte Profil zu erzielen.