DE1765150B2 - Vorrichtung zum Erhitzen eines dielektrischen Materials mit elektromagnetischer Energie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen eines verlustbehafteten dielektrischen Materials mit elektromagnetischer Energie, die sich in Längsrichtung eines zur Aufnahme des Materials dienenden, sich in Längsrichtung verjüngenden Wellenleiters von dessen größerem Ende zum kleineren Ende :iin fortpflanzt.

Viele Fabrikationsverfahren erfordern heute den Verfahrensschritt, das zu behandelnde oder zu verarbeitende Erzeugnis einer Heizquelle auszusetzen, welche zur Trocknung oder Aushärtung dienen kann. Die Zuführung der Hitze kann dabei zur Zeit auf verschiedene Weise durchgeführt werden: Das Erzeugnis kann in die statische Nähe einer Heizquelle gebracht werden, so daß das stationäre Erzeugnis dieser Heizquelle während einer gewünschten Zeitdauer ausgesetzt ist. Dieses Verfahren kann man Schichtverfahren nennen. Oder das Erzeugnis kann über erhitzte Bauteile oder Platten geführt werden, welche durch Wärmeleitung die Wärme auf das Erzeugnis übertragen. Oder man läßt das Erzeugnis durch einen Ofen oder vorbei an einer Quelle laufen, welche die Wärme durch Strahlung überträgt. Solche Trocknungsverfahren haben sich für viele Anwendungsfälle als erfolgreich erwiesen, obwohl vor allem auf Grund der verhältnismäßig einfachen verwendeten Gerätschaften lange Behandlungszyklen auftreten.

In neue^ ^T?.it unternahm man zahlreiche Versuche P¹U : ii Gebiet der Erwärmung von mit Verlust behüte ■::. · !elektrischen Stoffen mittels Mikrowellenenei_£it *i starkem Maße wurden diese Versuche mit Mikrowellenerwärmung durch das wachsende Interesse von Nahrungsmittelverarbeitern auf einem Gebiet gefördert, welches als Gefriertrocknung bekanntgeworden ist und noch im einzelnen erläutert werden wird.

Ein wichtiger Vorteil bei der Mikrowellenerhitzung dielektrischer Stoffe ist die Möglichkeit, auf Grund der wesentlich herabgesetzten Bearbeitungszeit die Kosten je Einheit des Stoffes zu senken. Eine kürzere Zeit erlaubt eine größere Zahl von Behandlungszyklen am Tag und somit einen größeren Gesamtausstoß des Stoffes. Außerdem ist bei der dielektrischen volumetrischen Mikrowellenerwärmung für den Stoff eine Beanspruchungstiefe möglich, die einige Male größer ist als bei herkömmlichen Erwärmungsverfahren. Wirtschaftliche Untersuchungen ergeben, daß die Kosteneinsparung auf Grund der Anwendung der Mikrowellenerwärmung beispielsweise bei einem Gefriertrocknungsverfahren, verglichen mit der her-

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kömmlichen Gefriertrocknungstechnik, zwischen 50 angeordnet wird, einer gleichmäßigen Wärmemeng

und 80% beträgt. Femer sind die Kapitalisierungs- ausgesetzt ist.

kosten für die erforderlichen Anlagen häufig wesent- Die Erfindung löst diese Aufgabe bei einer Vor

lieh geringer, wenn die Energie für eine Trocknung richtung der eingangs genannten Art dadurch, dal

durch dielektrische Mikrowellenerhitzung aufge- 5 die Verjüngungskontur des Wellenleiters derart fest

bracht wird. gelegt ist, daß das Verhältnis zwischen der sich fort

Einer der wesentlichen Nachteile bei der Anwen- pflanzenden Energie und der Admittanz des Wellen

dung der dielektrischen Mikrowellentrwärmung be- Ieiters für die Energie in der Längsrichtung konstan

stand in dem Fehlen einer Mikrowellen-Anwen- bleibt, wenn sich das Material im Wellenleiter be-

d-iingsvomchtung, mit der eine gleichmäßige Behänd- ίο findet

lung einer großen Menge eines Stoffes zur gleichen Das Material kann sowohl im Wellenleiter ruhenc

Zeit möglich war, insbesondere dann, wenn die An- angeordnet als auch in Längsrichtung, also der Ver-

wendungsvorrichtung für ein kontinuierlich fließen- jüngungsrichtung oder quer zu dieser durch der

des Verfahren geeignet sein sollte. Durch das Fehlen Wellenleiter hindurchtransportiert werden. In jedem

einer solchen Anwendungsvorrichtung erhöhten sich 15 Fall wird eine völlig gleichmäßige Erwärmung ge-

die Beliondlungszeit, die Behandlungskosten und folg- währleistet.

lieh die Gesamtverfahrenskosten je Einheit des Zur Erläuterung der Erfindung sind bevorzugte

Stoffes. Die technischen Grünie für diesen Nachteil Ausführungsbeispiele in der Zeichnung dargestellt,

werden weiter unten noch genauer erläutert werden. Es zeigt

An dieser Stelle mag der Hinweis genügen, daß in ao Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Heizvor-

einem großen festen Behandlungsraum bisher die richtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Gleichmäßigkeit der dielektrischen Mikrowellener- teilweise im Querschnitt,

wärmung schwierig zu regeln und zu steuern war. F i g. 2 ist eine vektorielle Darstellung der elektri-

Es ist bereits ein Hochfrequenzofen bekannt sehen Feldverteilung für eine TE₀₁-Modus-Welle, die

(deutsche Patentschrift 1148 674), bei welchem das as sich in der Vorrichtung gemäß Fig. 1 an irgendeiner

zu behandelnde Gut auf einem Transportband an den Stelle fortpflanzt,

offenen Enden von Wellenleitern mit parabelförmigen F i g. 3 ist eine graphische Darstellung, wobei die Wänden vorbeitransportiert wird. An diesen offenen charakteristische Wellenleiter-Admittanz als Funk-Enden wird durch einen Linienstrahler und eine Re- tion der Wellenleiterhöhe für verschiedene Stoffe mit flektoranordnung der Wellenleiter ein konstantes 30 unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstanten elektromagnetisches Feld erzeugt. Es ist auch schon aufgetragen ist, und

eine Einrichtung zum Einstrahlen von Mikrowellen- F i g. 4 und 5 sind perspektivische Ansichten weienergie in dielektrische Körper bekannt (deutsche terer Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Auslegeschrift 1 029 963), bei der der Abstand einer Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei in Verkonzentrischen sogenannten Lecherleitung zu einem 35 bindung mit der Gefriertrocknung von Nahrungsmitden bestrahlten Körper tragenden Reflektor konti- teln beschrieben. Es ist zwar für diesen Anwendungsnuierlich geändert wird, damit trotz laufender Ab- fall besonders gut geeignet, doch eignet es sich selbstsorption im dielektrischen Körper ein konstantes Feld verständlich ebenso für einen weiten Bereich anderer erzeugt wird. Mit keiner dieser bekannten Einrich- Anwendungsfälle, bei denen Mikrowellenerhitzung tungen werden die oben geschilderten Probleme be- 40 möglich ist. Auf dem Gebiet der Nahrungsmittelerhoben, z. B. weil sich die Welle bei unterschiedlichen haltung ist die Gefriertrocknung eine der neuesten Höhen ändert. Aus diesem Grund wird bei einem Techniken. Es handelt sich um einen Sublimierungsanderen bekannten Verfahren (französische Patent- prczeß, bei welchem den gefrorenen Stoffen Feuchtigschrift 454442) ein Wellenleiter mit rechteckigem keit entzogen wird, ohne daß sich ihre Form, ihre Querschnitt verwendet, bei dem zwei gegenüberlie- 45 Farbe, ihr Geschmack oder ihr Nährwert ändern, gende Seiten konisch oder konvergierend zueinan- Bei den herkömmlichen Gefriertrocknungsverfahren der verlaufen, damit ein Wechsel des Wellenmodus werden die gefrorenen rohen oder gekochten Erzeugvermieden wird. Eine allgemein konische Form des nisse in einer atmosphärisch geregelten Kammer auf Wellenleiters gewährleistet aber keineswegs eine Untersätzen angeordnet. Die Erzeugnisse werden gleichmäßige Erwärmung. 50 dann in der Kammer durch flüssigkeitserwärmte

Schließlich war ein Verfahren zum kontinuierlichen Untersätze oder Platten mit einer kontrollierten Trocknen von feuchten Kunststoffen mit Hilfe von Wärmemenge (der sogenannten Sublimierungswärme) elektrischen, sich während der Trocknung verändern- beaufschlagt. Die gefrorene Feuchtigkeit in dem Nahden Hochfrequenzfeldern bekannt, wobei eine den rungsmittel verdampft (sublimiert), und das Ergebnis Kunststoff gefährdende Temperatur vermieden wer- 55 ist ein getrocknetes Nahrungsmittel in einem festen, den soll (deutsche Auslegeschrift 1 149 474). Zu schwammartigen Zustand. Nach einer hermetischen diesem Zweck wird das Produkt kontinuierlich durch Verpackung entweder in Uberzugsbeuteln oder in zwei Arbeitskondensatoren geführt, die jeweils eine Büchsen können die Erzeugnisse verschifft oder geebene Platte und eine mit ihr konvergierende ge- speichert werden, ohne daß eine Einfrierung erforderkrümmte zweite Platte haben. Hierbei handelt es sich 60 Hch ist. Vor der Erwärmung, dem Kochen oder einer aber nicht um Wellenleiter, und das an die Konden- anderen Behandlung als frisches Nahrungsmittel satoren angelegte elektrische Feld muß während der müssen die Erzeugnisse lediglich rehydriert werden. Trocknung laufend verändert werden. Bei der herkömmlichen Gefriertrocknung mit er-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hitzten Platten neigen die äußeren Schichten des Vorrichtung zur Erwärmung eines Erzeugnisses unter 65 Nahrungsmittels dazu, leichter zu trocknen und die Verwendung von Mikrowellenenergie als Heizquelle ungetrockneten gefrorenen inneren Teile zu umanzugeben, bei welcher das behandelte Erzeugnis an schließen, so daß sie als Wärmesperre wirken und die jeder Stelle im Inneren des Wellenleiters, in dem es weitere übertrapnna vnn Wärm* vrm Hpn haia<™

Platten zum Inneren des Erzeugnisses verzögern. Häufig sind Trocknungszeiteii von oft bis 24 Stunden erforderlich, um das Eis vollständig zu sublimieren. Dagegen ist die dielektrische Erwärmung volumetrischer Natur und beschleunigt die Trocknung wesentlich, so daß der Ausstoß eines Erzeugnisses erhöht und die Kosten je Einheit des Ausstoßes herabgesetzt werden.

Bei der Anwendung der dielektrischen Trocknung entweder bei einem kontinuierlichen oder bei einem schicht- oder portionsweisen Verfahren bestand das Hauptproblem bisher darin, das Erzeugnis einer gleichmäßigen Wärmemenge auszusetzen. Bei der dielektrischen Mikrowellenerwärmung wird die erzeugte Leistung allgemein über einen Wellenleiter auf die Last verteilt. Das sich ergebende elektrische Phänomen gemäß der Wellenleitertheorie bewirkt eine Verdünnung oder Abschwächung der Leistung längs des Leiters und folglich eine ungleichmäßige Verteilung der Wärme. Zunächst wurde durch die Länge eines Wellenleiters mit gleichmäßigem Querschnitt ein das zu trocknende Erzeugnis tragendes Transportband geführt. Die Mikrowellenenergie wurde in den Wellenleiter eingeführt und pflanzte sich längs durch den Leiter parallel zur Richtung der Iransportbewegung fort. Als Folge der Abschwächung der sich fortpflanzenden Leistung, während sie den Leiter hinablief, war die Erwärmungswirkung völlig ungleichmäßig, da das Erzeugnis am Anfang am Eingangsende des Leiters verbrannt wurde, während die Leistung zu der Zeit, da sie sich bis zum Ausgangsende des Leiters fortgepflanzt hatte, unwirksam wurde.

Eine Lösung des erwähnten Problems besteht darin, die Länge des Wellenleiters herabzusetzen, ihn an seinem entternten Ende mit einer angepaßten Last abzuschließen und für die Erwärmung des Nahrungsmittels nur einen Brachteil der sich im Wellenleiter fortpflanzenden Leistung zu verwenden. Dies führt zu einer beträchtlichen Verschwendung an elektrischer Leistung. Eine zweite Lösungsmöglichkeit besteht darin, die Mikrowellenenergie an verschiedenen Stellen entlang dem Wellenleiter einzuspeisen. Eine Gleichmäßigkeit der Erwärmung ist jedoch schwierig zu bewerkstelligen, da durch Überlagerung der Schwingungsenergie von den verschiedenen Quellen und durch Endreflexionen sich stehende Wellen ausbilden.

In F i g. 1 ist ein Wellenleiter 10 dargestellt, der in Längsrichtung eine nichtlineare Verjüngung 11 aufweist, so daß die Höhe des Leiters von einer Anfangshöhe H₁ am Eingangsende 12 des Leiters bis zu einer Höhe H_c am Ausgangsende oder an der Grenzstelle 14 des Leiters abnimmt. Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel läuft längs durch den Wellenleiter 10 ein Förder- oder Transportband 16, welches das Nahrungsmittel oder einen anderen zu behandelnden Stoff 18 trägt. Das Transportband 16 besteht vorzugsweise aus einem dünnen, nicht mit Verlust behafteten Werkstoff und besitzt ebenso wie der Wellenleiter 10 eine konstante Breite. Eine Energiequelle, z.B. ein (nicht dargestellter) Mikrowellengenerato«, liefert an das Eingangsende 12 des Wellenleiters 10 über zwei Antennensonden 20, Koaxiaueitungen 22 und, wie bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß F i g. 1 dargestellt ist, einen Leistungsteiler 24 die erforderliche Leistung.

Wenn die Leistung über die Antennensonden 20 in den Wellenleiter 10 eintritt, bildet sich längs im Leiter eine Wanderwelle aus. Die Welle pflanzt sich durch die Länge des Leiters hinab in Richtung der Grenzstelle 14 fort. Wenn es wünschenswert ist, daß das Verfahren kontinuierlich fließen soll, so kann die Richtung des Transportes bzw. der Förderbewegung entweder zum Eingangsende 12 des Wellenleiters oder, wie in F i g. 1 dargestellt ist, zur Grenzstelle 14 des Leiters verlaufen. Wenn ein Schicht- oder Portionsbetrieb gewünscht wird, kann der zu erwärmende Stoff 18 im Wellenleiter 10 angeordnet werden und darin während der gewünschten Zeitdauer stationär verbleiben. Um eine maximale Heizwirkung der wandernden Welle auf das behandelte Erzeugnis zu gewährleisten, bildet man den Wellenleiter 10 so aus, daß ein sogenannter TE₀₁-Modus aufrechterhalten wird, und zwar so, daß die elektrische Feldstärke stets in einer Ebene, die geringfügig oberhalb der durch das Trag- oder Transportband 16 definierten

ao Ebene liegt, am größten ist.

In F i g. 2 ist die elektrische Feldverteilung E an einer beliebigen Stelle längs des Wellenleiters 10 dargestellt. Die Breite 26 des Wellenleiters sollte schmaler sein als eine halbe Wellenlänge, so daß der Leiter nicht in der Lage ist, unerwünschte Wellen vom TE- oder TM-Modus zu tragen. Wie in F i g. 2 dargestellt ist, liegt das Transportband 16 etwas unterhalb der Mitte des Wellenleiters 10, so daß das maximale elektrische Feld E_m durch die Mitte des auf dem Band 16 liegenden behandelten Stoffes 18 verläuft.

Eine Möglichkeit, Mikrowellenenergie zur Anwendung gelangen zu lassen, besteht darin, daß man eine Welle verwendet, die längs eines Wellenleiters mit konstantem Querschnitt wandert, der das zu erwärmende, mit Verlust behaftete Dielektrikum enthält. Die Heizwirksamkeit einer solchen angelegten Wanderwelle nimmt jedoch schnell ab, während sie längs durch den Wellenleiter hinabläuft, da die in der Wanderwelle enthaltene Leistung abgeschwächt wird,

♦o während sie durch das Verlustmedium läuft. Jedes dielektrische oder isolierende Medium mit Ausnahme eines Vakuums wird einen Teil der Energie einer hindurchlaufenden elektromagnetischen Welle absorbieren. Diesen Verlusten kann man Rechnung tragen.

indem man die komplexe Dielektrizitätskonstante t mit der Form e = e' — je" in Betracht zieht, wobei e die relative Dielektrizitätskonstante und e" der Verlustfaktor ist. Wenn die Leistung sich abschwächt nimmt die in das behandelte Erzeugnis übertragene

Wärme exponentiell mit de,r Entfernung von der LeistungsqueOe ab, mid ein großer Teil der Länge des Transportbandes oder eines anderen Trägers für dei Stoff ist praktisch für die Behandlung nutzlos. Diese! Problem wird verständlicher werden, wenn man di< folgenden Gleichungen betrachtet. In der Glei drang (1) ist der als Wärme aufgezehrte Betrag de Leistung definiert:

P_ä = 0,278 E_n? Fe" · 10-« Watt/cm» (1) In dieser Gleichung bedeuten:
F ist die Frequenz in Hz;

E_n, ist die elektrische Spitzenfeldstärke in Volt/cm und

⁶S e" ist der Verlustfaktor des behandelten Stoßes

Wenn man annimmt, daß F und e" konstant blei ben, ist die aufgezehrte Leistung (P_ä) offensichtlicl

eine Funktion des Quadrates der elektrischen Feldstärke (EJ).

Die Gleichung (2) definiert die folgende Beziehung zwischen P_n, der sich durch den Wellenleiter fortpflanzenden Leistung, der Admittanz Y des Wellenleiters an einem beliebigen Punkt längs seiner Längsrichtung, und der Spannung V am Wellenleiter:

V* Y

(2)

Wenn man berücksichtigt, daß Eⁱ = V*jdⁱ, wobei d die Entfernung in Richtung des Vektors E, in diesem Fall die Breite 26 des Wellenleiters 10, und eine Konstante ist, erhält man durch Substitution die Gleichung

= ω

(3)

Da sich P_n abschwächt, während die Welle den »* Leiter hinabläuft, besteht die einzige Möglichkeit, E² konstant zu halten, so daß P_d konstant bleiben kann (Gleichung 1), darin, die Admittanz (Y) des Wellenleiters entlang seiner Länge zu vermindern, so daß das Verhältnis P₁, zu Y konstant bleibt. Wenn man be- »5 rücksichtigt, daß die Admittanz (Y) eine Funktion des Querschnittes des Leiters an einer beliebigen Stelle längs des Leiters ist, läßt sich der Effekt der obigen Beziehungen in folgende Aussage zusammenfassen: Wenn man einen mit Verlust behafteten di- 3<> elektrischen Stoff innerhalb eines Wellenleiters einer gleichmäßigen Wärmedichte aussetzen will, ist es erforderlich, daß der Querschnitt des Wellenleiters als Funktion der Leiterlänge sich entsprechend ändert.

Nachdem somit eine theoretische Lösung vorhanden ist, ist es als nächstes erforderlich, einen Wellenleiter zu entwerfen, dessen Dimensionen mit den obigen Beziehungen übereinstimmen. Unter dieser Voraussetzung wird eine Proberechnung durchgeführt werden, und zwar für ein Erzeugnis mit einer relativen Dielektrizitätskonstante e, einem Verlustfaktor e", einer Dicke c und einer Breite d. Beispielsweise sei angenommen, daß die Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 915 MHz anzulegen ist.

Zunächst muß festgestellt werden, daß die Breite 26 des Wellenleiters 10, welche zur Gewährleistung einer maximalen Heizwirksamkeit so dicht wie möglich bei der Breite (d) des Erzeugnisses liegen sollte, derart ist, daß kein anderer Modus außer einer TE₀₁-Welle getragen werden kann. Bei 915 MIIz wird eine halbe Wellenlänge ungefähr bei 16,4 cm im freien Raum liegen. Es ist daher wichtig, daß die Breite 26 des Wellenleiters 10 etwas schmaier als dieser Betrag gewählt wird.

DeT nächste Schritt in der Rechnung ist die Be-Stimmung der Grenzstellenhöhe (ff_c) des Wellenleiters an seinem schmalen Ende bzw. der Grenzstelle 14. Die Grenzstelle ist definiert als derjenige Punkt des sich verjüngenden Wellenleiters 10, wo für eine konstante Frequenz und Wellenleiterbreite die charakteristische Admittanz des Wellenleiters 10 zu Null wird und der Wellenleiter nicht mehr in der Lage ist, eine Wanderwelle aufrechtzuerhalten, was dazu führt, daß die sich fortpflanzende Leistung zu Null wird. Um die Höhe des Wellenleiters an der Grenzstelle (H_c) zu finden, ist es zweckmäßig, sich solcher Kurven zu bedienen, wie sie in F i g. 3 dargestellt sind. Diese Kurven stellen die Wellenleiter-Admittanz

(Y) als Funktion der Leiterhöhe (H) für Stoffe mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten dar. Die zur Erreichung der in F i g. 3 dargestellten Kurven notwendigen Rechnungen erfordern die Lösung von simultanen transzendenten Gleichungen für feste Frequenz- und Dielektrikumparameter. Im Falle der Kurven gemäß F i g. 3 wurden eine Frequenz von 915 MHz und ein Dielektrikum mit einer Dicke von 5,08 cm und einer Breite von 10,16 cm gewählt. Wenn man ferner voraussetzt, daß die relative Dielektrizitätskonstanten des Stoffes (e') 3 beträgt, läßt sich aus den Kurven gemäß F i g. 3 ersehen (beim Punkt α), daß die Grenzstellenhöhe (H_c) ungefähr 10 cm beträgt.

Nach der Bestimmung der Grenzstellenhöhe (H_c) des Wellenleiters besteht der nächste Schritt darin, die Höhe (H₁) des Wellenleiters an seinem Eingangsende 12 und sodann die Höhe an verschiedenen Zwischenstellen zu bestimmen, woraus sich die Form dei Verjüngung ergibt. Um die Eingangshöhe (H₁) zu bestimmen, ist es zunächst erforderlich, den Wert eines Parameters zu berechnen, der als die Konduktanz (G) des Dielektrikums bezeichnet wird und folgendermaßen definiert ist:

G_(mSl = men e" —

(mS)

(4)

worin:

ω =
e₀' ist die Dielektrizitätskonstante des freien

Raumes;
e" ist der Verlustfaktor für das gegebene

Dielektrikum;

C ist die Dicke des Dielektrikums, und
d ist die Breite des Dielektrikums.

Wenn man annimmt, daß man die berechnete Konduktanz (G) mit 0,0394 mS/cm gefunden hat und willkürlich eine Leiterlänge (L) von ungefähr 40,6 cm gewählt hat, so findet man die Eingangshöhen (H₁) durch Multiplizieren der Konduktanz (G) und der Länge (L), woraus sich eine reine Leitwertdimension ergibt, in diesem Fall 1,6 mS. Wenn man in die Kurven der F i g. 3 geht und der Ordinate beim Punkt 1,6 mS quer bis zur Kurve folgt, die einem e' von 3 folgt, liest man auf der Abszisse (beim Punkt b) eine Leiterhöhe von ungefähr 14 cm ab. welches die Eingangshöhe (H₁) des Leiters ist. Es isi wichtig zu beachten, daß die Eingangshöhe so gewählt werden muß, daß kein anderer TE-Modus getragen werden kann, als ein TE₀₁-Modus, d. h. ein TE₀₂-Modus, und da die Eingangshöhe (H₁) eine Funktion der Leiterlänge ist, wie gezeigt wurde sollte die Länge so gewählt werden, daß sie diesei Anforderung genügt

Nachdem somit die Endhöhen (H₁ und H_c) de: Wellenleiters bestimmt worden sind, findet man di< Zwischenhöhen durch Interpolation. Bei diesem Bei spiel wird die Länge des Leiters (L) so definiert, dal sie am Eingangsende (H₁=14 cm; 7=1,6 mS) gleicl Null und am Ausgangs- oder Grenzende (H_c= 10 cm Y=OmS) gleich 40,6 cm ist Bei L gleich 10,16 cn und Y=l,2mS würde die Leiterhöhe (H) 12,2 cn betragen. Bei L=10,3 cm und Y=0,8mS würd< Η=10,9 cm betragen. Und bei L=30,4 cm um Y=0,4 mS wäre H= 10,3 cm. Zusätzliche Zwischen steilen werden auf ähnliche Weise bestimmt. Es laß

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sich feststellen, daß die so bestimmte Form einer sich entlang der Länge eines jeden Wellenleiters eingelangsam ändernden (d. h. nichtlinearen) Verjüngung speist. Dies hat zur Folge, daß die Zahl der Wellenentspricht, eingängebzw. der Koaxialleitungen 22 je Wellenleiter

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem sich verringert, so daß die Gesamtkosten des Verfah-Ausführungsbeispiel der Erfindung, angewandt auf 5 rens weiter gesenkt werden. Bei einer großen Anlage einen Gefriertrocknungsprozeß, wird das zu trock- für kontinuierlichen Betrieb können mehrere solche nende Nahrungsmittel zunächst in einen gefrorenen Reihenabschnitte in Kaskade geschaltet werden.
Zustand gebracht. In diesem Zustand wird es dann Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde einer Atmosphäre ausgesetzt, die derart ist, daß der vorausgesetzt, daß die komplexe Dielektrizitätskon-Partialdruck des darin enthaltenen Wassers niedriger io stante (e'—je") des behandelten Stoffes während des ist als der Sättigungsdampfdruck des gefrorenen Nah- gesamten Verlaufes der Behandlung konstant bleibt, rungsmittels. Das Vorhandensein einer derartigen At- In der Praxis wird sich jedoch der Wert dieses Paramosphäre erlaubt die Sublimierung des gefrorenen meters ändern, und zwar beispielsweise mit dem AnWassers im Nahrungsmittel während der folgenden steigen der Temperatur des Dielektrikums und mit Wärmebehandlung. Ebenfalls in dieser Atmosphäre 15 der Sublimierung der gefrorenen Feuchtigkeit im befinden sich ein oder mehrere sich verjüngende Falle der Gefriertrocknung. Diese Änderung kann Wellenleiter, die gemäß der Merkmale des Nahrungs- jedoch dadurch kompensiert werden, daß man die mittels ausgelegt jind, wie oben erläutert wurde. Das Ausführung von aufeinanderfolgenden Kaskadenabgefrorene Nahrungsmittel wird dann entweder im schnitt-.n derart ändert, daß die verschiedenen AbWellenleiter festgehalten oder durch diesen hindurch- 20 schnitte mit den voraussichtlichen Eigenschaften des geführt und dabei der sich darin ausbreitenden Mi- Dielektrikums beim Durchlaufen des jeweiligen bekrowellenenergie ausgesetzt, was dazu führt, daß das sonderen Abschnittes übereinstimmen, oder beim ErWasser unmittelbar in den gasförmigen Zustand ver- forderais zusätzlicher Genauigkeit dadurch, daß man dampft. Um die Massenüberführung dieses Dampfes solche Änderungen beim Entwurf der einzelnen Abvon dem Wellenleiter zu erleichtern, kann der Leiter 25 schnitte berücksichtigt.

mit einer Reihe schmaler Schlitze 28 (oder Löcher) Ausführungsbeispiele der Erfindung können für die

versehen werden, die so angeordnet sind, wie in Gefriertrocknung dienen, oder auch für zahlreiche

F i g. 4 dargestellt ist. andere Heiztechniken, gleichgültig, ob sie wie im

Während sich die Leistung durch den Wellenleiter Falle der Gefriertrocknung in einer kontrollierten fortpflanzt, wird sie sich auf Grund der Absorption 30 Atmosphäre oder bei normalen atmosphärischen durch das Nahrungsmittel in Folge von dessen di- Verhältnissen durchgeführt werden,
elektrischen Verlusteigenschaften abschwächen. In- In F i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel darfolge der abnehmenden Admittanzcharakteristik des gestellt, welches sich besonders gut für die kontinu-Wellenleiters wird jedoch ein gleichmäßiges elektri- ierliche Trocknung oder Härtung von relativ dünnen sches Feld aufrechterhalten. Wie oben erläutert 35 Stoffen wie Textilien, Papier, Sperrholz, Klebestofwurde, wird das zu behandelnde Nahrungsmittel auf fen, Kunststoffen usw. eignet. Wie in Fig. 5 gezeigt diese Weise durch die gesamte Länge des Wellenlei- ist, wird der dünne Stoff 30 nicht entlang der Längsters im wesentlichen einer gleichmäßigen Wärme- richtung des Wellenleiters 10, sondern durch seine dichte ausgesetzt. Nach dem Verlassen des Wellen- Breite geführt, während die Richtung der Wanderleiters kann das Nahrungsmittel entweder aus der ge- 40 welle und der elektrischen Feldverteilung so bleiben, steuerten Atmosphäre entfernt und verpackt werden, wie es an Hand von F i g. 1 erläutert wurde. Eine der- oder es kann auch zum Zwecke einer weiteren Trock- artige Gestaltung wird häufig wünschenswert sein, aung vor der Entfernung und Verpackung in der wenn die Breite des zu trocknenden Stoffes größer ist Atmosphäre durch zusätzliche Wellenleiter geleitet als die maximale Breite, auf welche der Wellenleiter werden. 45 ausgelegt werden kann, ohne daß unerwünschte

Obwohl das beschriebene Ausführungsbeispiel eine Wellenmodi entstehen. Wie in F i g. 5 dargestellt ist,

kontinuierliche Behandlung zum Gegenstand hat, können mehrere Wellenleiter einer neben dem ande-

gilt der Vorteil der gleichmäßigen Erwärmung, der deren angeordnet sein, d. h. Seite an Seite, und ein

dieser Form eine Anwendungs- oder Behandlungs- in ihren Seiten vorgesehener dünner Schlitz erlaubt

vorrichtung mit einem sich verjüngenden Wellenlei- 50 das Hindurchführen des Stoffes. Die erforderliche

ter innewnhnt, ebenso für ein schicht- oder portions- Anzahl der Wellenleiter hängt von der gewünschten

weises Verfahren, bei welchem das Nahrungsmittel Bewegungsgeschwindigkeit des Stoffes und von der

während eines Behandlungszyklus stillsteht Höhe der angelegten Leistung ab. Häufig wird der

In F i g. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Stoff 30 dank seiner Zusammensetzung so starr sein,

Erfindung dargestellt, bei welchem zwei sich ver- 55 daß er sich selbst hält und ein Transportband 16

jungende Wellenleiter 10 derart in Reihe geschaltet überflüssig ist. Ferner zeigt Fig. 5 eine abweichende

sind, daß ihre Leistungseingangsenden 12 zusammen- Methode zur Einkopplung der Mikrowellenleistung

treffen. Die sich fortpflanzende Energie wird über die in den Wellenleiter, und zwar unter Verwendung von

Antennensonden gleichzeitig in beide Richtungen Rahmen oder Schleifen 27.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erhitzen eines verlustbehafteten dielektrischen Materials mit elektromagnetischer Energie, die sich in Längsrichtung eines zur Aufnahmt» des Materials dienenden, sich in Längsrichtung verjüngenden Wellenleiters von dessen größerem Ende zum kleineren Ende hin fortpflanzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngungskontur des Wellenleiters (10) derart festgelegt ist, daß das Verhältnis zwischen der sich fortpflanzenden Energie und der Admittanz des Wellenleiters für die Energie in der Längsrichtung konstant bleibt, wenn sich das Materia! im Wellenleiter befindet

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den sich nicht linear verjüngenden Wellenleiter (10) die Mikrowellenenergie derart anlegbar ist, daß sie sich längs der ao sich verjüngenden Flächen im Inneren des Wellenleiters fortpflanzt, und daß das Material von einer Trag-Vorrichtung (16) im Wellenleiter an einer Stelle gehalten wird, an der es vom maximalen elektrischen Feld der Mikrowellenenergie »5 durchdrungen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung (16) das Material kontinuierlich \n den Wellenleiter (10) hinein und aus diesem heraus fördert.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Fläche des Wellenleiters (10) mehrere öffnungen (28) zur Entlüftung der Feuchtigkeitsdämpfe aus dem Wellenleiter vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Energie im Wellenleiter vom TE₀₁-Modus ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wellenleiteranordnung (10) mit einer ersten sowie einer zweiten hohlen Kammer (10) vorgesehen ist, durch welche jeweils das Material (18) hindurchführbar ist, welche sich jeweils längs einer ihrer

Dimensionen nicht linear verjüngen und welche längs dieser Dimension axial fluchtend mit ihren größeren Enden (12) zusammentreffen, und daß an diesen größeren Enden der Kammern die elektromagnetische Energie derart anlegbar ist, daß sie sich längs der sich verjüngenden Strecken der Kammern fortpflanzt, wobei der Verjüngungsgrad der Kammern so gewählt ist, daß sich das konstante Verhältnis zwischen der sich in jeder Kammer fortpflanzenden Energie und der Admittanz jeder Kammer bezüglich der Energie längs der sich verjüngenden Strecke beim Vorhandensein des Stoffes in der Kammer einstellt (F i g. 4).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiteranordnung eine Mehrzahl von Wellenleitern (10) mit nichtlinearer Verjüngung längs einer ihrer Dimensionen aufweist, die derart angeordnet sind, daß die sich verjüngenden Flächen aller Wellenleiter übereinstimmen und eine kontinuierliehe, sich verjüngende Fläche bilden, daß die Wellenleiter öffnungen aufweisen, durch die das

zu behandelnde Material (30) in einer quer zur sich verjüngenden Dimension liegenden Richtung durch jeden Wellenleiter hindurchführbar ist, daß elektromagnetische Energie an den größten Enden jedes Wellenleiters derart zuführbar ist, daß die Energie sich in jedem Wellenleiter längs der sich verjüngenden Dimension fortpflanzt, und daß der Grad der jeweiligen Verjüngung so gewählt ist, daß sich das konstante Verhältnis zwischen der sich fortpflanzenden Energie und der Admittanz des Wellenleiters bezüglich der Energie längs der sich verjüngenden Strecke beim Vorhandensein des Stoffes in jedem Wellenleiter einstellt (F i g. 5).