DE1802742A1 - Einrichtung fuer die Erhitzung von Material mittels Mikrowellenenergie - Google Patents

Description

Beschreibung Zum Patentgesuch

der Varian Associates, 611 Hansen Way, Palo Alto, California/USA

betreffend:

¹¹ Einrichtung für die Erhitzung von Material mittels Mikrowellenenergie" .

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Erhitzung von Material mittels Mikrowellenenergie, die in einem in ausgewählter zeitlicher Mittelwertverteilung vorliegenden elektromagnetischen Feld enthalten ist.

Die Erhitzung von Materialien mittels Mikrowellenenergie hat sich in einer Anzahl von Industriezweigen durchgesetzt. Im allgemeinen ist eine der wichtigsten Aufgaben beim Entwurf von Mikrowellenerhitzungssystemen die Konstruktion des Sytems derart, daß in dem Material unabhängig von dessen Größe und Form eine gleichmäßige Erwärmung hervorgerufen wird. In bestimmten Anwendungsfällen sollzwar die Energie des elektromagnetischen Feldes in ganz bestimmter ungleichförmiger Weise in der Erhitzungszone verteilt werden, doch soll in anderen die Energie in der Erhitzungszone ganz gleichmäßig verteilt vorliegen. Eine ungünstige Mikrowellenenergieverteilung erzeugt lokale Bereiche maximaler und minimaler Erwärmung in dem Material. In den meisten Fällen ist dies unerwünscht und beeinträchtigt häufig das Material selbst. Die Unmöglichkeit, die Mikrowellenenergieverteilung in bequemer und zuverlässiger Welse zu steuern, hat bisher die Verbreitung derartiger Anlagen in industriellen Anwendungen behindert.

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Multimodus- Mikrowellen- Hohlraum- und Wellenleiterresonatoren können in einer Mehrzahl von Modusmustern des elektromagnetischen Feldes angeregt werden, die jeweils bei einer unterschiedlichen Frequenz auftreten. Alle Modusmuster eines bestimmten Mikrowellenresonators können in drei definierte Untergruppen von Resonatormodus¹ einklassiert werden. Die Resonatormodus¹ jeder Untergruppe unterscheiden sich von denen der anderen Untergruppen durch die Orientierung ihrer elektromagnetischen Felder und der zugeordneten Wandungsströme. Für eine gegebene Mikrowellenquellenfrequenz und gegebene Mikrowellenkopplungseinrichtungen kann ein Multimodus- Resonator in einem Modusmuster angeregt werden, dessen Frequenz nahe der Quellenfrequenz liegt. Die Bandbreite des Modus bestimmt, wie nahe die Quellenfrequenz der Modusfrequenz sein muß, um den Resonator in diesem bestimmten Modus anzuregen. Bisher wurden in Multimodus- Mikrowellen- Resonatoren Moduswandler angewandt mit dem Ziel, ein bestimmtes, gewöhnlich im zeitlichen Mittelwert gleichförmiges elektromagnetisches Feld zu erreichen, d.h. eine Mikrowellenenergieverteilung über die ganze Materialerhitzungszone. Die Anwendung von Moduswandlern veranlaßt die Änderung des elektrischen Raumes für das elektromagnetische Feld. Durch diese Änderung des elektrischen Raumes wird die Frequenz verschoben, bei der die verschiedenen Modusmuster vorliegen. Durch Verschieben der Modusmusterfrequenzen derart, daß sie zyklisch aufeinanderfolgend mit der Frequenz der Mikrowellenenergiequelle koindizieren, ändert sich zyklisch die Verteilung des elektromagnetischen Feldes und damit der Mikrowellenenergie in dem Resonator.

Die Energieverteilung im zeitlichen Mittel hängt von der . Anzahl der verschiedenen innerhalb des Resonators eingekoppelten Modusmuster und dem Energiebetrag ab, der jeweils in einem der verschiedenen in dem Resonator angeregten Modusmuster zugeführt wird. Um beispielsweise eine im zeitlichen Mittelwert gleichförmige Mikrowellenenergieverteilung über eine Erhitzungszone zu erzielen, die Abmessungen in der Größenordnung von Vielfachen von ^ der freien Wellenlänge der zugeführten Energie, besitzt,

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wird vorzugsweise Energie gleichmäßig einer großen Anzahl der möglichen Resonatormodus¹ zugeführt. Die bisher üblichen Verfahren für die Zuführung von Mikrowellenenergie zum Resonator sahen jedoch eine Kopplung nur zu wenigen der möglichen Resonatormodus¹ vor. Infolge der Ankopplung an nur wenige der möglichen Resonatormodus¹ wird entweder die Gleichförmigkeit der Energieverteilung im zeitlichen Mittel nur geringfügig verbessert oder sogar die unerwünschte Ungleichförmigkeit verstärkt infolge der Bevorzugung bestimmter Modusmuster, welche innerhalb des Resonators angeregt werden. Darüber hinaus wird bei der Anregung von nur wenigen der möglichen Resonatormodus¹ die Möglichkeit eingeschränkt, eine ganz bestimmte im zeitlichen Mittelwert ungleichförmige Mikrowellenenergieverteilung zu erzielen.

Durch zyklische Anregung einer Anzahl von Resonatormodus¹, die zu allen der Resonatormodus- Untergruppen gehören, können die lokalen Feldbereiche über den Resonator zeitlich so gemittelt werden, daß sie ein erwünschtes wirksames elektromagnetsiches Feld ergeben und damit eine erwünschte Mikrowellenenergieverteilung in diesem. Um an eine große Anzahl von Resonatormodus' anzukoppeln, die zu allen drei Untergruppen gehören, muß die Mikrowellenenergie dem Resonator in Form elektromagnetischer Felder zugeführt werden, welche Komponenten des elektrischen Feldes besitzen, die in Richtung der Wandungsströme orientiert sind, die ihrerseits charakteristisch wären für jede der möglichen Gruppen von Resonatormodus¹ an demjenigen Punkt, an dem die Energie in den Resonator eingeführt wird. In der Veröffentlichung "Microwaves On The Production Line" von Paul W. Crapuchetts in "Electronics" 1966, Seite 123 bis 13o, wird vorgeschlagen, eine im zeitlichen Mittel gleichförmige elektromagnetische Feldverteilung für die Erhitzung von Material dadurch zu verwirklichen, daß ein Multimodus- Hohlraumresonator angeregt wird mit Mikrowellen, die mittels einer Koppelschleife eingekoppelt werden, welche sich an dem Verbindungspunkt von drei einander durchsetzenden, den Hohlraum begrenzenden Wandungen in dem

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Hohlraum befindet. Koppelschleifen unterliegen jedoch bestimmten Beschränkungen und sind mit Nachteilen behaftet, durch die sie anderen Mikrowellenleitungen unterlegen sind, beispielsweise Hohlwellenleitern. Insbesondere besitzen Mikrowellenübertragungssysteme mit Koppelschleifen Beschränkungen hinsichtlich des Leistungsumsatzes, und der Aufbau wird sehr kompliziert, wenn das Koppelschleifensystem gekühlt werden muß. Darüber hinaus besteht die Gefahr von Spannungsüberschlagen und die Gefähr der Verschmutzung, so dass eine häufige Reinigung erforderlich ist, die ohne Zerlegen des Systems nur schwierig durchführbar ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung für die Erhitzung von Material mittels Mikrowellenenergie zu schaffen, die in einem in ausgewählter zeitlicher Mittelwertverteilung vorliegenden elektromagnetischen Feld enthalten ist, mit einem Multimodus- Mikrowellen- Resonator, der in einer Mehrzahl frequenzabhängiger elektromagnetischer Peldmodusmuster anregbar ist und mindestens drei elektrisch leitende Begrenzungswandungen aufweist, die einander an einem Verbindungspunkt durchsetzen und eine Zone definieren, in der das Material der Mikrowellenenergie ausgesetzt ist, wobei die Einrichtung nicht den oben erläuterten Beschränkungen hinsichtlich der Mikrowellenankopplung unterliegt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine von einem Abschnitt einer der Begrenzungswandungen definierte Kopplungsöffnung nahe einer Ecke dieser Wandung, welche ihrerseits definiert ist durch die einander in dem Verbindungspunkt unter einem Winkel durchsetzenden Wandungskanten für die Einspeisung von Mikrowellenenergie in den Resonator durch die Ebene dieser Wandung, wobei die Kopplungsöffnungskante nahe der nächstgelegenen Wandungskante von dieser nicht weiter als %γψ entfernt ist mit A^aIs freie Wellenlänge der durch die Kopplungsöffnung eingekoppelten Mikrowellenenergie; durch einen Hohlwellenleiter für die Einspeisung von Mikrowellenener'gie von einer Quelle durch die Kopplungsöffnung in den

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Resonator, welcher Hohlwellenleiter derart aufgebaut und an der Kopplungsöffnung bezüglich des Resonators orientiert ist, daß das Modusmuster, in dem Energie von dem Hohlwellenleiter ausgebreitet wird, eine elektromagnetische Feldverteilung aufweist mit einer elektrischen Feldkomponente in Richtung einer Linie, die den Winkel teilt, unter dem sich die Wandungskanten der der Kopplungsöffnung zugeordneten Wandung an deren Ort schneiden, und durch eine Frequenzverschiebeeinrichtung für die Verschiebung der Frequenz, bei der die Resonatormodusmuster relativ zur Quellenfrequenz auftreten.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert werden, das in den Zeichnungen dargestellt ist und sich hinsichtlich verschiedener Merkmale als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Auf diese Merkmale wird bei der Erläuterung der Zeichnungen und in den Ansprüchen besonders hingewiesen.

Fig. 1 zeigt perspektivisch eine erfindungsgemäße Ein richtung,

Fig. 2 ist eine Ansicht der Einrichtung nach Fig. 1, gesehen in Richtung 2-2 nach Fig. 1,

Fig. 3a-c zeigen schematisch die Orientierung der Ströme in den Begrenzungswandungen des in Fig. 1 gezeigten Resonators an einem Verbindungspunkt von drei.einander durchsetzenden Wandungen in einem zeitlichen Moment für die drei Resonatormodus- Untergruppen,

Fig. 4 ist eine Teilansicht von oben auf eine Ecke der in Figur 1 dargestellten Einrichtung, geääß Linie 4-4 und

Fig. 5 zeigt vergrößert und auseinandergezogen in perspektivischer Darstellung den Hohlwellenleiter und seine Befestigung in einem Bereich, der in

Fig. 2 ,von der Kreislinie 5-5 umschlossen ist. BO98 25/0 880

In den Pig. 1 und 2 ist ein mit einer Fördereinrichtung versehener rechteckiger Multimodus- Hohlraumresonator als Teil eines Mikrowellenerhitzungssystems 11 gemäß der Erfindung dargestellt. Das System 11 umfaßt den Resonator 12, der eine genügende Größe für die Anregung einer Mehrzahl von Modus' der elektromagnetischen Wellen bei der Betriebsfrequenz besitzt. Der Resonator 12 ist aus elektrisch leitendem Material, z. B. Aluminium, aufgebaut und besitzt eine Mehrzahl ebener Begrenzungswandungen, nämlich die Endwandungen 13 und Ik₃₁ die Seitenwandungen 16 und 17, und die Deck- und Bodenwandung 18 bzw. 19, welche miteinander z.B. durch Schweißen verbunden sind und den Innenraum 21 definieren. Dessen Höhe, Länge und Breite sind jeweils groß gegenüber /L , der freien Wellenlänge der zugeführten Energie, beispielsweise 7Λ » Π/Ζ und 8.ft

Das zu erhitzende Material wird durch den Resonator 12 mittels eines Förderbandes 22 transportiert, das aus Mikrowellendurchlässigem Material besteht, wie Baumwolle, Leinen, Tetrafluoräthylen oder Polypropylen. Zwecks Ermöglichung einer Luftzirkulation um das zu erhitzende Material ist das Förderband 22 perforiert, so daß sich Luftdurchlässe 23 quer durch dasselbe erstrecken. Das Förderband 22 läuft in den Hohlraumresonator 12 an dessen Zuführungsende 2k durch eine erste Mikrowellenabsorberfalle 25 ein, die sich an der Endwandung befindet. Das Förderband 22 tritt aus dem Resonator 12 an dessen Auslaßende 26 durch eine zweite Mikrowellenabsorberfalle 27 aus, welche an der Endwandung 14 angeordnet ist. Die Fallen dienen dazu, das Entweichen von gefährlicher Mikrowellenenergie aus dem Hohlraumresonator 12 zu unterbinden und gleichzeitig während des Betriebes den Zugang zu ermöglichen.

Jede der Fallen 25 und 27 umfasst einen rechteckigen Aluminiumkasten 28, der einen ringartigen Behälter in Form eines Rohrelementes 29 umschließt für das Einschließen von Verlustmaterial, vorzugsweise Wasser, Äthylenglykol, Glyzerin ^:

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oder einem anderen niedermolekularengewichtigen monohydrischen Alkohol. Das Rohrelement 29 definiert einen Tunnel rechteckiger Querschnitteform, durch den das Förderband läuft und das zu erhitzende Material durch den Innenraum transportiert. Die Fallen 25 und 27 sind an den zugeordneten Endwandungen 13 bzw. lh beispielsweise angeschweißt, wobei die jeweiligen Tunnel 31 mit Durchlässen 32 fluchten, die in den Endwandungen 13 und 14 ausgebildet sind.

Für einen gefahrlosen Betrieb soll der Betrag an Mikrowellenenergie, der aus der Einrichtung in die Umgebung entweicht, unter dem vorgeschriebenen Standartwert von

ρ
Io mW/cm liegen. Bei einer zugeführten Leistung von 5 KW bei 245o MHz wird die in die Umgebung entweichende

2 Mikrowellenenergie erheblich unter dem Wert von Io mW/cm Hegen, wenn die FAllen 25 und -27 so bemessen sind, daß sie mindestens 6f\ lang, 5 /t breit und 5 Jt hoch sind und das Rohrelement 29 eine Wandstärke von 3/2 A besitzt.

Um den InnenraumVoeispielsweise für Wartungsarbeiten leicht zugänglich zu machen, ist die Seitenwandung 17 mit zwei elektrisch leitenden Toren 33 versehen, die sich in Richtung der Förderbandbewegung in einem bestimmten Abstand befinden. Jedes Tor 33 ist an einem Scharnier aufgehangen und mit einem Drehriegel 36 versehen, um das Tor zu öffnen bzw. zu verschließen. Ein leitfähiger zusammendrückbarer V- förmiger Streifen 37 ist rings um jede Toröffnung 38 angeordnet, um das Entweichen von gefährlicher Mikrowellenenergie zwischen den Toren 33 und der Seitenwandung 17 zu verhindern. Jedes Tor 33 wird durch das Eingreifen des Riegels 36 in den Haken 39 kräftig gegen den Streifen 37 gedrückt.

Um den Mikrowellenerhitzungsbetrieb zu verbessern, ist eine aus Aluminium bestehende Luftkammer 41 in Verbindung

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mit einem (nicht dargestellten) Kompressor vorgesehen für die Förderung eines Luftstromes in den Innenraum 21 durch die mit offenen Enden versehenen Luftleitungen 42, welche in Richtung der Pörderbandbewegung im Längsabstand angeordnet sind. Die Luftleitungen 42 sind an einem ihrer Enden an die Luftkammer' 4l angeschweißt, während die anderen Enden der Luftleitungen an die Seitenwandung 16 oberhalb des Förderbandes 22 angeschweißt sind. Dadurch wird auch zugleich die Luftkammer 42 gehalten. Um die umgewälzte Luft wieder abzuführen, wird sie von einer aus Aluminium bestehenden Absaugkammer 43 aufgenommen, nachdem sie aus dem Innenraum 21 durch die aus Aluminium gefertigten Absaugleitungen 44 mit offenen Enden abgeführt worden ist. Die Absaugleituspgen 44 sind jeweils mit einem Ende an die Seitenwandung 16 unterhalb des Förderbandes 22 und im Längsabstand in Richtung der Förderbandbewegung angeschweißt. Die Absaugkammer 43 ist mittels Anschweißen an den anderen ,Enden der Absaugleitungen 44 befestigt.

Um das Entweichen von Mikrowellenenergie durch die Luft- und Absaugleitungen 42 bzw. 44 zu verhindern, sind die Leitungen so aufgebaut, daß ihre Länge mindestens, dreimal so groß ist wie ihr Durchmesser und daß sie Querschnittsabmessungen aufweisen derart, daß die freie Abreißwellenlänge relativ zu dem höchstfrequenten Modus größerer Energie, welcher im Resonator 12 angeregt wird, erheblich kleiner ist als die freie Wellenlänge, die diesem Modus zugeordnet ist. Wenn die Abmessungen der Leitungen 42 und 44 gemäß diesen Beschränkungen ausgebildet sind, können die Leitungen 42 und nicht als freie übertragungsmittel für elektromagnetische Felder bei gefährlichen oder sonst unerwünscht hohen Mikrowellenenergie pegeln dienen.

Gemäß der Erfindung wird die Energie zur Anregung des Hohlraumraumresonators durch mindestens eine, in ganz bestimmter Weise angeordnete Kopplungsöffnung 51 eingespeist. Die Kopplungs-.öffnung 51 wird definiert durch eine der Resonatorbegrenzungs -

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wandungen in einer Ecke derselben und nahe irgendeinem der Verbindungspunkte, an denen drei Begrenzungswandungen einander durchsetzen. Die Energie wird eingespeist über einen Hohlwellenleiter, zum Beispiel den Rechteck- Hohlwellenleiter 52. Dieser ist so angeregt und bezüglich der Ecke, in der sich die Kopplungsöffnung 51 befindet, orientiert, daß an der Kopplungsöffnung 51 das elektromagnetische Feld, das von dem Hohlwellenleiter ausgebreitet wird, eine elektrische Feldkomponente in einer Richtung aufweist, die den von der Wandungsecke gebildeten Winkel θ teilt, und zwar vorzugsweise halbiert.

Die Art, in der die Energie über den Hohlwellenleiter in Resonatormodus¹ aller drei Untergruppen durch die in bestimmter Weise angeordnete Kopplungsöffnung 51 zugeführt wird, läßt sich am besten anhand der Figuren 3a bis 3c erläutern. Jede der Fig, 3a - c illustriert schematisch die Wandungsstromverteilung, die charakteristisch ist für die drei Resonatormodus- Untergruppen,in einem bestimmten Augenblick und in der Nähe des Verbindungspunktes, der durch drei einander durchsetzende Resonatorbegrenzungswandungen gebildet wird, etwa im Verbindungspunkt 56, gebildet an dem Durchsetzungspunkt von Endwandung 13» Seitenwandung 17 und Deckwandung des Resonators 12 nach Fig. 1 und* 2. Die Wandungsstromverteilung für jeden der möglichen Resonatormodus' ist der gleiche wie eine von denen, die durch die Pfeile 57,58 und 59 in einer der Fig. 3a-c repräsentiert wird. Bei einer gegebenen Quellenfrequenz sind die Wandungsströme irgendeines Resonatormodus, die in irgendeinem Augenblick die Kanten der Begrenzungswandungen- hier 13/17 und 18- durchsetzen, welche zu den Ecken 61,62 und 63 konvergieren, in der gleichen Richtung (Q längs der Kantenlänge zwischen jeweils den Ecken und Punkten ° 64, die in einem Abstand von/t /2 davon liegen. Weiter ist oo die Richtung der augenblicklichen Wandungsströme umgekehrt cn an Positionen 66, die in senkrechtem Abstand vonyc/H oder Q mehr von den Begrenzungswandungskanten liegen. Darüber <*> hinaus sind die Wandungsströme Null an den Ecken der Begreno zungswandungen bei jedem möglichen Resonatormodus. Infolgedessen können die augenblicklichen Wandungsströme entgegen-■ gesetzter Richtung niemals gleichzeitig die Kanten der

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Wandungen längs deren Länge bis z\if\ /2 von deren Ecken durchsetzen, und diese Ströme können niemals gleichzeitig in den Abschnitten der Begrenzungswandungen bis zu A/4 von den Begrenzung^ wandungskanten existieren.

Weil also eine Kopplung zwischen einem Wellenleiter und den Resonatormodus¹ einer Untergruppe existiert, wenn die elektromagnetischen Felder, welche über den Wellenleiter ausgebreitet werden, elektrische Feldkomponenten umfassen, die parallel zu den Wandungsströmen sind, die ihrerseits charakteristisch für die Untergruppe an dem Ort sind, an dam der Wellenleiter mit dem Resonator gekoppelt ist, können Resonatormodus· angeregt werden, die zu allen drei Resonatormodus- Untergruppen gehören, indem solche Wellenleiter in den Resonator 12 durch die in einer Ecke des Resonators angeordnete Kopplungsöffnung 51 einkoppelt. Indem man die Kopplungsöffnung 51 in einem dreieckigen Segment 53 ( siehe Fig. 4) einer Wandung anordnet, das beispielsweise begrenzt ist von den zusammenlaufenden Kanten 54 und 55 der Decic.wandung 18, die den Winkel θ in der Ecke 63 einschließen, und von einer Linie, die Punkte auf den Kanten 54 und 55 im Abstand von der Ecke 63 miteinander verbindet, kann ein zur Wellenausbreitung entweder im TE- oder im TM- Modus angeregter Hohlwellenleiter angebracht werden derart, daß das augenblickliche Feld in dem Leiter nicht gleichzeitig Komponenten des elektrischen Feldes umfasst, die parallel und antiparallel zu den augenblicklichen Wandungsströmen sind, die für die möglichen Resonatormodus¹ an dem Ort der Kopplungsöffnung charakteristisch wären, wenn sich an diesem Ort anstelle der Kopplungsöffnung ein Wandungsabschnitt/befände. Dadurch wird die gleichförmige Energiekopplung zu den drei Untergruppen von Resonatormodus! erleichert. Es kann jedoch ein bestimmter Grad von gleichzeitigem Parallelismus und Antiparallellsmus wünschenswert sein, wenn beispielsweise eine bestimmte Ungleichförmigkeit der Energie-

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verteilung gefordert ist. Gleiche Beträge von gleichzeitigem Parallelismus und Antiparallelismus sind jedoch zu vermeiden, wenn Energieübertragung zwischen dem Wellenleiter und dem Resonator erwünscht ist,weil unter diesen Umständen nur sehr wenig oder gar keine Energie übertragen wird. Um die Kopplung an eine Anzahl von Resonatormodus', die zu allen drei Resonatormodus- Untergruppen gehören, sicherzustellen , soll die Kopplungsöffnung nicht weiter als ^^-K von der Ecke entfernt sein, die durch die einander durchsetzenden Kanten derjenigen Begrenzungswandungen gebildet ist, in der sich die Kopplungsöffnung 51 befindet; sie soll sich ferner über das dreieckige Wandungssegment erstrecken, das definiert ist durch Punkte auf den Wandungskanten nicht weiter als it von der Ecke und durch die diese Punkte verbindende Linie; und schließlich soll sich der größere Teil der Kopplungsöffnung 51 innerhalb dieses Segments 53 befinden als außerhalb von diesem.

Eine selektive Ankopplung an die drei Resonatormodusuntergruppen kann durch einen einzigen, TM- oder TE- Wellen ausbreitenden Hohlwellenleiter erreicht werden. Ein Hohlwellenleiter für TE- Wellenausbreitung, der mit dem Resonator 12 an, beispielsweise, einer Ecke der Deckenwandung 18 verbunden ist, mit dem elektrischen Feld des von dem Wellenleiter ausgebreiteten Feldes in einer Richtung, die den Winkel θ in der Ecke halbiert, besitzt elektrische Feldkomponenten, die parallel sind zu der Richtung der Wandungsströme 57 in Fig. 3a, der WanÄungsströme 58 in Fig. 3b und der Wandungsströrae 59 in Fig. 3c, welche jeweils charakteristisch sind für Resonatormodus¹, die zu allen drei Untergruppen in der Ecke der Deckwandung 18 gehören. Wegen dieser Parallelbeziehung zwischen den elektrischen Feldkomponenten des von dem Wellenleiter ausgebreiteten Feldes und den Wandungsströmen, die charakteristisch sind für jede der Resonatormodus- Untergruppen, kann Energie in Resonatormodus' die zu allen drei Untergruppen gehören, über den im TE- Modus Energie ausbreitenden Hohlwellenleiter zugeführt werden.

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Ein TM- Wellen ausbreitender Hohlwellenledtter kann ebenfalls zur Einkopplung in Resonatormodus', die zu allen drei Untergruppen gehören, verwandt werden. Der TM- Hohlleiter wäre in ähnlicher Weise anzuordnen wie der TE-Hohilelter, das heißt also so, daß das elektrische Feld des ausgebreiteten elektromagnetischen Feldes in Richtung einer Linie liegt, die den Winkel θ halbiert, der von der Ecke eingeschlossen ist.

Wenn im Betrieb die Frenquenzen der Resonatormodus' die zu der in Figur 3a illustrierten Untergruppe gehören, mit der Quellenfrequenz koinzidieren, so wird Energie diesen Resonatormodus' von dem Hohlwellenleiter 52 zugeführt. Wenn die Frequenzen der Resonatormodus', die zu der in Figur 3b illustrierten Untergruppe gehören, mit der Quellenfrequenz koinzidieren, so wird auch diesen Resonatormodus' Energie von dem Hohlwellenleiter 52 zugeführt. Energie wird von dem Hohlwellenleiter 52 schließlich auch den Resonatormodus¹ zugeführt, die der in Figur 3c illustrierten Untergruppe zugehören, wenn deren Frequenzen mit der Quellenfrequenz koinzidieren.

Die in den Fuguren 1,2 und 4 dargestellte Einrichtung gemäß der Erfindung besitzt eine dreieckige Kopplungsöffnung in der Ecke 63 der Deckwandung 18. Die dreieckige Kopplungsöffnung 51 ist vorzugsweise in Form eines gleichschenkligen Dreiecks ausgebildet mit Dreieckseiten 68 und 69, deren Länge

j\ /2 beträgt, mit einem Winkel θ von 9o°. In jedem Fall soll die Kopplungsöffnung 51 so ausgebildet sein, daß keine ihrer Abmessungen größer ist als die Abmessung des zugeordneten Hohlwellenleiters 52 in der entsprechenden Richtung. Obwohl große Kopplungsöffnungen wünschenswert sind aus Gründen

ο der wirksamen Kopplung zwischen dem Hohlwellenleiter 52 und

dem Hohlraumresonator 12, können auch kleinere Kopplungs-(J₁ öffnungen anderer Form angewandt werden. Die Ausbildung der ^ Kopplungsöffnung erfolgt in Übereinstimmung mit den üblichen co Impedanzanpassungsmaßnahmen unter Berücksichtigung der Im-

Q pedanzen von Resonator 12, Kopplungsöffnung 51, Hohlwellenleiter 52 und Mikrowellenenergiequelle. Für hohe Besaitungen

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let eine feste Ankopplung an die Resonatormodus¹ erwünscht. Demgemäß wäre eine große Kopplungsöffnung 51 vorzusehen» vorzugsweise in Dreiecksform unter überdeckung des gesamten Dreieckssegments 53· Für geringere Belastungen soll zur Vermeidung unerwünschter Reflexionen eine losere Ankopplung vorgesehen werden; in diesen Fällen wäre eine kleinere Kopplungsöffnung anzuwenden. Um die Impedanzanpassung zwischen Resonator 12 und der Mikrowellenenergiequelle, die an ihn angekoppelt ist j zu vereinfachen, könnte ein übliches Impedanzanpaßglied 71 in den Wellenleiterpfad eingesetzt werden, dr die Mikrowellenenergiequelle an den Hohlraumresonator 12 ankoppelt.

Wie oben erläutert, sollte zur Sicherung der Ankopplung an Modus', die zu allen Untergruppen der Resonatormodus' gehören, die Kopplungsöffnung 51 in der Deckwandung 18 so angeordnet sein, daß die Spitze des Winkels Θ, eingeschlossen zwischen den Dreiecksseiten 68 und 69 nahe den Kantenabschnitten 5^ und 55 der Deckwandung 18, die in der Ecke zusammenlaufen, nicht weiter abliegt als ^/2 iz von der Ecke der Wandung. Vorzugsweise ist die Kopplungsöffnung 51 jedoch mit ihren Dreiecksseiten 68 und 69 direkt an den Kantenabschnitten 5¹I und 55 der Deckwandung 18 angeordnet. In der dargestellten Ausfuhrungsform liegen die Dreiecksseiten und 6-9 parallel zu den Kantenabschnitten 54 und 55, und zwar in der Ebene der Innenoberfläche der vertikalen Wandungen und 17 in dieser Ecke.

Die Kopplungsöffnung 51 ist zur Energieaufnahme mit einem Rechtecktyp-Hohlwellenleiter 52 gekoppelt, der durch eine Mikrowellenenergiequelle 7^ zur Ausbreitung von dominanten TE-Wellen angeregt wird. Der Hohlwellenleiter 52 ist an dem Hohlraumresonator 12 mittels eir^es angepaßten

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rechteckigen Wellenleiterflansches befestigt, der an der Deckwandung 18 beispielsweise angeschweißt 1st. Der Plaosch 76 und der Hohlwellenleiter 52 sind so an dem Hohlraumresonator 12 befestigt, daß das elektrische Feld des von dem TE-dominanten Modus-Wellenleiter ausgebreiteten elektromagnetischen Feldes den an der Wandungsecke 63 eingeschlossenen Winkel θ halbiert.

Falls ein TM-Modus-Wellenleiter für die Anregung des Hohlraumresonators eingesetzt wird, kann eine gleichschenklig-dreieckige Kopplungsöffnung 51» vorzugsweise in einer Größe der Dreiecksseiten von >^/4 und in der gleichen Lage angeordnet wie oben beschrieben, angewandt werden. Wie im Falle der Verwendung von TE-Modus-Wellenleitern kann auch hier die Kopplungsöffnung kleiner und von abweichender Form sein.

Wie man in Fig. 5 erkennt, ist für die Verbindung des Hohlwellenleiters 52 mit dem Resonator 12 ein Wellenleiterflansch "/6 vorgesehen, der einen Hohlleiterübertragungsabschnitt 77, eine gelochte Platte 78 zur Ausbildung einer Kopplungsöffnung 51 und einen Eckenhalter 79 umfaßt. Der Übertragungsabschnitt 77 besitzt einen Flanschabschnitt an einer Seite mit Flanschbolzenlöchern 82 ringsums' für die Befestigung an dem Höhlwellenleiter 52. Das gegenüberliegende Ende En^e des Übertragungsabschnitts 77 ist mit der Platte 78 zum Beispiel durch Schweißen verbunden, um so die dreieckige Kopplungsöffnung 51 zu umschließen. Damit diese als Kopplungsöffnung arbeitet und nicht etwa als kurzer Wellenleiterabschnitt, ist die Platte 78 mit einer Ausnehmung 83 für die Aufnahme des Übertragungsabschnitts 77 versehen. Mit der Ausnehmung 83 wird die Dicke der Barriere 84, gebildet von der Platte 78 zwischen dem Übertragungsabschnitt und dem Hohlraumresonator 12, verringert. Eine Barrierendicke "

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von 1,5 mm ist gering genug, damit die Kopplungsöffnung 51 nicht als kurzer Wellenleiter wirkt. Die Baugruppe aus Übertragungsabschnitt 77 und Platte 78 wird dann an dem Eckenhalter 79 mittels entsprechender Schraubenbolzen und -Muttern 101 bzw. 102 befestigt (s. Fig. 2), die sich durch Bolzenlöcher 103 in der Platte 78 und 104 in den Vorsprüngen 106, 107 des Eckenhalters 79 erstrecken. Die Befestigung am Hohlraumresonator 12 erfolgt durch Schraubenbolzen 108 über Löcher 109 (s. Fig. 2) im L-förmig abgewinkelten Teil 111 des Eckenhalters 79 an den mit Gewinde versehenen Wandungen 13 und 17 des Resonators.

In einem praktisch erprobten Beispiel der Einridtung gemäß der Erfindung wurde eine .Energiequelle 74 von 2,5 KW bei einer Frequenz von etwa 2450 MHz eingesetzt; die Länge der den rechten Winkel einschließenden Seiten der dreieckigen Kopplungsöffnung betrug 4 cm. Ein rechteckiger Hohlwellenleiter 52 vom Typ WR 3¹JO wurde verwendet, um die Quelle 7** an den Hohlraumresonator 12 anzukoppeln. Dessen Abmessungen betrugen mithin 8,5 cm Breite und 4,25 cm Höhe. Die Abmessungen des angepaßten Wellenleiterflansches 77 entsprechen denen des Hohlwellenleiters 52. Da die Wellenleiterabmessungen beim Typ WR 34O größer sind als die entsprechenden Abmessungen der dreieckigen Kopplungsöffnung 51> bildet sich ein Hindernis 84 in der Kopplungsöffnung 51 durch die Platte 78. Durch dieses wird sichergestellt, daß an die höchstfrequenten Modus¹ der Resonatormodusuntergruppen angekoppelt wird, die in dem Hohlraumresonator 12 existieren können.

Um verschiedene Modus' aller Resonatormodus-Untergruppen anzuregen, sind Frequenzverschiebeeinrichtungen 88 vorgesehen für das Verschieben der Frequenzen, bei denen die verschiedenen Modus' auftreten, so daß zyklisch auf-

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einanderfolgend jede Modusmusterfrequenz mit der Quellenfrequenz koinzidiert. Bei dem in den Fig. dargestellten Ausführungsbeispiel sind drei Frequenzverschiebeeinrichtungen 88 als mechanische Moduswandler vorgesehen; sie besitzen eine Bauart, wie sie beispielsweise in der US-Patentanmeldung SN 624 503 vom 20.3.196? beschrieben wurde. Jeder Moduswandler 88 umfaßt ein scheibenförmiges Element 89 aus elektrisch leitendem Material mit einander diametral gegenüberliegenden Segmenten 91 und 92, die sich unter einem Winkel aus der Ebene des Scheibenelements heraus erstrecken. Die drei Moduswandler-Scheiben 89 sind drehbar innerhalb des Hohlraumresonators 12 angeordnet und werden angetrieben von einem Motor 93, der sich außerhalb des Resonators befindet. Bei dem Umlauf der Scheibenelemente 89 ändert sich der elektrische Raum im Innenraum 21 für das elektromagnetische Feld. Mitdieser Änderung wird bewirkt, daß die Frequenzen der .Resonatormodus' sich verschieben. Mit dem Verschieben der Frequenzen der Resonatormodus' koinzidieren verschiedene Modus' mit der Frequenz der Quelle. Bei einer erprobten Ausführungsform werden für die Frequenzverschiebeeinrichtungen 88 Scheibenelemente von etwa 20 cm Durchmesser mit identischen Segmenten 91,92 einer Sekantenlänge von etwa 17,5 cm verwendet, welche aus der Ebene der Scheibe unter 30° herausragen und in der Mitte der oberen Hälfte der Seitenwandung 16, im Zentrum der Deckwandung 18 und im Zentrum des oberen Viertels der Endwandung 14 nahe der Seitenwandung 16 angeordnet wurden. Diese Anordnung der Frequenzverschiebeeinrichtungen 88 ergibt ein im zeitliehen Mittelwert gleichförmiges elektromagnetisches Feld in der Zone um das Förderband 22.

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Die mittlere Intensität des elektromagnetischen Feldes ist gleichförmig über den größten Teil des Innenraumes 21. In Bereichen des Innenraumes 21 mit den Abmessungen von Λ /k bis /S/2 von den Begrenzungswandungen des Hohlraumresonators 12 fällt jedoch die elektrische Feldintensität sehr schnell ab bis auf Null an den Begrenzungswandungen. Um eine gleichförmige Erhitzung des Materials zu bewirken, sollte deshalb das Förderband 22 mindestens A/4 oder noch besser mindestens λ 12 oberhalb der Bodenwandung 19 des Resonators 12 abgestützt sein. Um das Förderband 22 bei seinem Durchlauf durch den Hohlraumresonator 12 abzustützen, ist eine Mehrzahl von Leisten 9M mit den Querschnittsabmessungen 5 x I₁25 cm aus Polypropylen oder einem anderen mikrowellentransparenten Material, von Winkeln 96 getragen, an den Endwandungen 13 und Ik so befestigt, daß sie sich in Längsrichtung der Förderbandbewegung erstrecken. Die Leisten Sk sind etwa 30 cm oberhalb der Bodenwandung 19 angeordnet. Damit Luft über die innerhalb des Resonators 12 durchlaufenden Materialien zirkulieren kann, sind die Leisten Sk etwa 1,25 cm voneinander entfernt angeordnet.

In vielen industriellen Anwendungsfällen ist eine Luftströmung erforderlich, um eine bestimmte Luftfeuchtigkeit während der Erhitzung des Materials aufrechtzuerhalten. Da es nur erforderlich ist, die Luftströmung über die Oberfläche des Materials zu führen, wird in Resonatoren mit großem Volumen eine Zwischenwandung 97 aus Polypropylen oder einem anderen mikrowellentransparenten Material gerade oberhalb der Luftleitungen k2 und des Förderbandes 22 mittels Trägern 98 befestigt, die an den Resonatorwandungen sitzen, um die Luftströmung auf die von den Materialien durchlaufene Zone des Innenraumes 21 zu beschränken. Dies ergibt eine

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bessere Ausnützung der Luftströmungsanordnung.

Bei dem in den Fig. dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird die Energie nur an einer einzigen Stelle in den Resonator eingekoppelt. Falls erwünscht, können jedoch an anderen Ecken oder anderen Stellen der Resonatorwandüngen zusätzliche nichtkohärente Energiequellen ,angekoppelt werden. Die Einspeisung von Energie in den Resonator 12 an einer Mehrzahl von Wandungsecken ermöglicht beispielsweise die Zufuhr von mehr Energie für die Erhitzung des Materials und erleichtert das Festlegen der geforderten Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Resonator im zeitlichen Mittel.

Die Verwendung zusätzlicher Kopplungsöffnungen empfiehlt sich, wenn die Erzeugung einer im zeitlichen Mittel ungleichförmigen Feldverteilung innerhalb des Hohlraumresonators 12 -erwünscht ist. Die zusätzlichen Kopplungsöffnungen und zugeordneten Hohlwellenleiter können in der gleichen Weise aufgebaut und angeordnet werden, wie oben beschrieben,oder aber auch gemäß einem Vorschlag nach der US-Patentanmeldung SN 675,172.

Es versteht sich, daß der Hohlwellenleiter so kurz gemacht werden kann, daß die Mikrowellenenergiequelle direkt auf der Resonatorwandung sitzt, wobei an der Kopplungsöffnung das übliche Auslaßfenster der Quelle angeordnet ist.

Patentansprüche :

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Claims (13)

Patentansprüche

1) Einrichtung flr die Erhitzung von Material mittels Mikrowellen, die in einem in ausgewählter zeitlicher Mittelwertverteilung vorliegenden elektromagnetischen Feld enthalten ist, mit einem Multimodus-Mikrowellen-ResOnätor, der in einer Mehrzahl frequenzabhängiger elektromagnetischer Peldmodusmuster anregbar ist und mindestens drei elektrisch leitende Begrenzungswandungen aufweist, die einander an einem Verbindungspunkt durchsetzen und eine Zone definieren, in der das Material der Mikrowellenenergie ausgesetzt ist, gekennzeichnet durch eine von einem Abschnitt einer der Begrenzungswandungen definierte Kopplungsöffnung nahe einer Ecke dieser Wandung, Vielehe ihrerseits definiert ist durch die einander in dem Verbindungspunkt unter einem Winkel durchsetzenden Wandungskanten für die Einspeisung von Mikrowellenenergie in den Resonator durch die Ebene dieser Wandung, wobei die Kopplungsöffnungskante nahe der nächstgelegenen Wandungskante von dieser nicht weiter als in? entfernt ist mit ** als freie Wellenlänge der durch die Kopplungsöffnung eingekoppelten Hikrowellenenergie; durch einen Hohlwellenleiter für die Einspeisung von Mikrowellenenergie von einer Quelle durch die Kopplungsöffnung in den^ Resonator, welcher Hohlwellenleiter derart aufgebaut und an der Kopplungsöffnung bezüglich des Resonators orientiert ist, daß das Modusmuster, in dem Energie von dem Kohlwellenleiter ausgebreitet wird, eine elektromagnetische Feldverteilung aufweist mit einer elektrischen Feldkomponente in Richtung einer Linie, die den Winkel teilt, unter dem sich die Wandungskanten der der Kopplungsöffnung zugeordneten Wandung an deren Ort schneiden, und durch eine Frequenzverschiebeeinrichtung für die Verschiebung der Frequenz, bei der die Resonatormodusmuster relativ zur Quellenfrequenz auftreten.

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BAD OBiGiNAL

2) Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen rechteckigen Mikrowellenresonator und durch einen einzigen TE-dominanten Hohlwellenleiter, bei dem die elektrische Feldkomponente des elektromagnetischen Feldes, das von dam. Hohlwellenleiter ausgebreitet wird, in einer Richtung liegt, die den Winkel teilt.

3) Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen rechteckigen Hohlwellenleiter mit langen und kurzen Seiten, der so an dem Resonator angeordnet ist, daß seine lange Seite sich unter einem spitzen Winkel zu den beiden Kanten der der Kopplungsöffnung zugeordneten Wandung an deren Ort erstreckt.

4) Einrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsöffnung die Form eines gleichseitigen rechtwinkligen Dreiecks besitzt mit dem rechten Winkel in der Ecke der der Kopplungsöffnung zugeordneten Wandung, daß die den rechten Winkel einschließenden Dreie.cksseiten eine Länge von \ /2 besitzen, und daß der Kohlwellenleiter so angeordnet ist daß er die gesamte Kopplungsöffnung überdeckt.

5) Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die lange Seite des Hohlwellenleiters längs der Basislinie des Kopplungsöffnungsdreiecks angeordnet ist und daß der Endteil des Hohlwellenleiters, der die Kopplungsöffnung nicht überdeckt, durch einen zusätzlichen Wandungsabschnitt verschlossen ist.

6) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kopplungsöffnung sich in einem VJandungssegment befindet, das begrenzt ist durch A/2 lange Strecken von der betreffenden Ecke längs je einer der beiden Kanten der Begrenzungswandung und durch eine die beiden Endpunkte der Strecken miteinander verbindende Linie.

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7·) Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein größerer Teil der Kopplungsöffnung sich in diesem Segment befindet als außerhalb von diesem.

8) Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte KopplungsÖffnung sich in diesem Segment befindet.

9) Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine dreieckige Kopplungsöffnung, deren eine Spitze sich in der Ecke der zugeordneten Begrenzungswandung befindet.

10) Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen rechteckigen Hohlwellenleiter.

11) Einrichtung nach aeinem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzverschiebeeinrichtung einen innerhalb des Resonators angeordneten Moduswandler umfaßt.

12) Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Resonator, dem Holilwellenleiter und/oder der Mikrowellenquelle Impedanzanpaßglieder angeordnet sind.

13) Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Halterung für das zu erhitzende Ilaterial innerhalb des Resonators, die eine Entfernung von dem Material zu den Resonatorwandungen von mindestens A /h definiert.

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