DE2211147A1

DE2211147A1 - Vorrichtung zur Hochfrequenzerhitzung durch dielektrische Verluste

Info

Publication number: DE2211147A1
Application number: DE19722211147
Authority: DE
Inventors: Claude Meudon La Foret Couasnard (Frankreich)
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1971-03-09
Filing date: 1972-03-08
Publication date: 1972-09-14
Also published as: GB1386418A; FR2128935A5; US3745292A

Description

DIpL-Eng. Egon Prinz

Dr. Gertrud Hauser eooo München 60, 8. März 1972

DipL-lng. Gottfried Leiser Emsbergorstrassei?

Patentanwälte 0 0

Telegramme: Labyrinth München

Telefon: 83 15 10 Postscheckkonto: München 117078

THOMSOU - CSF
173, Bd. Haussmann
PARIS 8e /Frankreich

Unser Zeichen: T 1154

Vorrichtung zur Hochfrequenzerhitzung durch dielektrische Verluste

Die Erfindung bezieht sich auf Hochfrequenzvorrichtungen, welche die Erhitzung von Werkstücken aus dielektrischere Material ermöglichen, wobei sich diese Werkstücke, die in einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld angeordnet sind, durch Energieverluste in ihrer Masse schnell erwärmen.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, die es bei Erzielung einer guten und insbesondere gleichmäßigen Erhitzung ermöglicht, eine Beschädigung des Hochfrequenzgenerators durch die von dem zu erhitzenden Werkstück reflektierten Wellen zu vermeiden.

Die Hochfrequenzerhitzung durch dielektrische Yerluate ist eine allgemein bekannte Seclmik, die auf vielen

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Gebieten angewendet wird, beispielweise für die Behandlung bestimmter Materialien, der Erhitzung von Werkstücken für das Formen, die Oberflächenbehandlung, die Schweißung, das Trocknen usw.

Je nach den Abmessungen, der Form und der Beschaffenheit der zu behandelnden Werkstücke werden ^orftchiedene Arten von Vorrichtungen verwendet. Allgemein wird die Höchstfrequenzenergie, die von einem Röhrengenerator, beispielsweise einem Klystron oder Magnetron geliefert wird, dem zu erhitzenden Werkstück über einen Hohlleiter zugeführt. Je nach Lage des Falles kann das Werkstück entweder in dem Hohlleiter selbst angeordnet werden, oder in einem von dem Hohlleiter gespeisten Hohlraum, oder es kann auch vor einem den Hohlleiter abschließenden Hornstrahler angebracht sein. In nahezu allen Fällen verursacht das Einbringen des Werkstücks in das elektromagnetische Feld das Auftreten eines Reflexionsfaktors, so daß eine nicht vernachlässigbare reflektierte Energie zu dem Generator zurückläuft und die Gefahr mit sich bringt, daß der Betrieb des Generators gestört wird oder sogar der Generator selbst beschädigt wird.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Hochfrequenzerhitzung durch dielektrische Verluste, bei welcher der Generator gegen die vom Werkstück reflektierte Energie geschützt ist.

Mit der Erfindung wird eine solche Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung geschaffen, die eine besonders gleichförmige Erhitzung von Werkstücken ergibt, deren Abmessungen klein gegen die Wellenlänge der angewendeten Energie sind. Weitere Maßnahmen ermöglichen die Erhitzung von anderen Arten von Werkstücken, wobei jedoch ebenfalls der Generator gegen die reflektierte Energie geschützt ist.

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Bei einer Vorrichtung zur Hochfrequenzerhitzung durch dielektrische Verluste nach der Erfindung wird die Hochfrequenzenergie einem Höchstfrequenz-Verbraucherkreis (beispielsweise Hohlleiter oder Hohlraum) über einen 3 dB-Richtkoppler zugeführt, der die vom Generator abgegebene Energie in zwei gleiche Teile aufteilt. Diese beiden Energieanteile werden in den Verbraucherkreis so eingekoppelt, daß sich darin zwei Wellen mit zueinander . senkrechten Polarisationen unabhängig voneinander ausbreiten. Das Werkstück empfängt diese beiden Wellen, und die von ihm reflektierte Energie wird von dem Riehtkoppler vollständig zu einem reflexionsfreien Abschluß geleitet, wodurch der Generator geschützt wird. Mr den richtigen Betrieb dieser Anordnung und einen sehr wirksamen Schutz des Generators müssen die von den beiden Wellen durchlaufenen Kreise einen praktisch vollkommen identischen Aufbau aufweisen und insbesondere die gleiche elektrische Länge haben, und das Werkstück muß für die beiden Wellen ausreichend symmetrisch sein, damit es die Phasenverschiebung zwischen den beiden reflektierten Wellen nicht verändert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigen:

Pig. 1 eine schematische und zum Teil geschnittene Oberansicht einer Ausführungsform einer Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Teils der Vorrichtung von Pig. 1,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht des Verbraucherkreises und des zu erhitzenden Werkstücks bei einem Anwendungsfall und

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Pig. 4 eine schematische Schnittansicht des Yerbraucherkreices und des zu erhitzenden Werkstücks bei einem anderen Anwendungsfall.

Die Pig. 1, 2 und 3 beziehen sich auf die gleiche Ausführungsform, die nachstehend in erster Linie beschrieben wird, während Pig. 4 eine Abänderung für einen anderen Anwendungsfall zeigt.

Bei der in Pig. 1 gezeigten HochfrequenzerhitEungsvorrichtung wird die von einem Hochfrequenzgenerator 1 abgegebene Energie dem Eingangszweig 2 eines 3 dB-Richtkopplers 3 zugeführt, der an jedem seiner beiden Ausgangszweige A und 5 die Hälfte der am Eingangszweig 2 empfangenen Energie abgibt. Der vierte Zweig 6 dieses Richtkopplers endet in einem reflexionsfreien Abschluß 7.

Der 3 dB-Richtkoppler kann in jeder an sich bekannten Weise ausgeführt sein. Bei dem hier beschriebenen Beispiel sind die beiden Hohlleiter, welche die Zweige des Richtkopplers bilden, über ein Loch 8 gekoppelt, das in ihren aneinandergefügten Schmalseiten angebracht ist.

Eine allgemein bekannte Eigenschaft von 3 dB-Richtkopplern besteht darin, daß die einem Eingangszweig (im vorliegenden Pail dem Zweig 2) zugeführte Energie gleichmäßig auf zwei Ausgangszweige (im vorliegenden Pail die Zweige 4 und 5) aufgeteilt wird, wobei die sich in den beiden Zweigen ausbreitenden Wellen eine Phasenverschiebung von haben; wenn ferner die beiden Wellen reflektiert werden, ohne daß sich ihre relative Phasenverschiebung ändert, findet sich die ganze reflektierte Energie im vierten Zweig (im vorliegenden Pail im Zweig 6) wieder.

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Bei der beschriebenen Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung wird diese Eigenschaft dazu ausgenutzt, den Generator 1 gegen die von dem zu erhitzenden Werkstück reflektierten Wellen durch eine besondere Maßnahme zu schützen, von der ein Ausführungsbeispiel nun beschrieben werden soll.

Die Ausgangszweige 4 und 5 des Richtkopplers 3 sind mit; einem Verbraucherkreis, der bei dem hier beschriebenen Beispiel ein Hohlleiter 11 ist, über zwei abgewinkelte Hohlleiterabschnitte 9 und 10 verbunden, welche die Ausbreitungsrichtung der beiden von ihnen übertragenen Wellen um plus 45° bzw. minu3 45° in Bezug auf die Ausbreitungsrichtung der beiden Wellen im Richtkoppler verdrehen. Die Hohlleiterabschnitte 9 und 10 sind bal diesem Beispiel "Η-Plane Corners", d.h. Winkelstücke, die über die schmale Seite geknickt sind, so daß sich die die magnetische Komponente der Welle und deren Ausbreitungsrichtung enthaltende Ebene nicht ändert.

Die Abmessungen des Hohlleiters 11 und seine Anordnung in Bezug auf die Hohlleiterabschnitte 9 und 10 sind so gewählt, daß dieser Hohlleiter 11 gleichzeitig und unabhängig voneinander die beiden Wellen mit zueinander senkrechter Polarisation überträgt, die sich aus den Wellen ergeben, die sich in den Hohlleiterabschnitten 9 und 10 ausbreiten.

Bei dem hier beschriebenen Beispiel ist der Hohlleiter ein Hohlleiter mit quadratischem Querschnitt, der die Wellenform E.q ebensogut wie die Wellenform H₀₁ übertragen kann. Er ist so angeordnet, daß seine Ausbreitungsrichtung senkrecht zu den Ausbreitungsrichtungen der Wellen in den Hohlleiterabschnitten 9 und 10 liegt.

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Die Enden der Hohlleiterabschnitte 9 und 10 sind mit ihm über zwei Öffnungen gekoppelt, die in zwei aneinanderstoßenden Hohlleiterseiten angebracht sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Daraus ergeben sich im Hohlleiter 11 zwei voneinander unabhängige Wellen mit zueinander senkrechten Polarisationen. Wenn sich die elektromagnetischen Wellen, wie es meistens der Pail ist, in den Hohlleitern, welche die Energie zu dem Verbraucherhohlleiter 11 zuführen, in der Grundwellenform H₁₀ ausbreiten, wandelt sich ihre elektrische Komponente e.. und e₂ im Hohlleiter 11 in die Kompo- · nente E.. bzw. E₂ um. Diese beiden elektriechen Komponenten der beiden sich im Hohlleiter 11 ausbreitenden Wellen sind also senkrecht zueinander. Sie sind ferner um 90 phasenverschoben. Der Richtkoppler 3 gibt nämlich an den Ausgangszweigen 4 und 5 Wellen mit einer gegenseitigen Phasenverschiebung von 90° ab, und die Hohlleiterabschnitte 9 und 10 sind symmetrisch, so daß sie die gegenseitige Phasenverschiebung nicht ändern.

Die zueinander senkrechten Polarisationen der beiden Wellen ermöglichen ferner die Vermeidung jeder Kopplung zwischen den Hohlleiterabschnitten 9 und 10, da sich die Welle mit der elektrischen Komponente E- im Hohlleiterabschnitt 10 ebensowenig ausbreiten kann wie die Welle mit der elektrischen Komponente Ep im Hohlleiterabschnitt 9.

Die gegenseitige Phasenverschiebung von 90 dient nicht nur zum Schutz des Generators infolge der Eigenschaft des Kopplers, sondern auch zur Vergleichmäßigung der Erhitzung, wie später erläutert wird.

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Ein Kurzschlußkolben 12 schließt den Hohlleiter 11 an seinem einen Ende ab; er ermöglicht es, in herkömmlicher Weise den durch die Verbindung der drei Hohlleiter 9» und 11 gebildeten Übergang so anzupassen, daß die eventuellen Störwellenforraen, die dadurch verursacht werden könnten, möglichst weitgehend verringert v/erden.

Der Verbraucherhohlleiter 11 ist bei dem hier beschriebenen Beispiel durch eine Blende 13 mit einem Resonanzhohlraum 14 gekoppelt, dessen Resonanzfrequenz durch einen Kurzschlußlrolben 15 auf die Frequenz des Generators abgestimmt ist. Der zu erhitzende Abschnitt 16 eines Werkstücks 17 (Fig. 3) wird in den Hohlraum 14 durch eine in der Mitte des Kolbens 15 angebrachte Öffnung 18 eingeführt.

Für einen optimalen Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung muß da3 zu erhitzende Werkstück 16 symmetrisch im Innern des Hohlraums 18 angebracht werden. Ferner ist der Schutz des Generators 1 umso besser, je mehr sich die Symmetrie des Werkstücks 16 einer Rotationssymmetrie um die Achse des Hohlleiters 11 annähert.

Die beiden Wellen mit den elektrischen Komponenten E. und E2, die zur Erhitzung des Werkstücks 16 dienen, werden nämlich teilweise von diesem reflektiert. Damit der Generator 1 durch die Eigenschaft des Richtkopplers gegen die so reflektierten Wellen bei deren Wiedervereinigung wirksam geschützt wird, ist es erforderlich, daß die in die Holleiterabschnitte 9 und 10 eintretenden reflektierten Wellen die gleiche Intensität haben und eine relative Phasenverschiebung von 90° beibehalten haben. Dies wird dann erreicht, wenn die beiden auf das

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Werkstück 16 auftreffenden Wellen in gleicher Weise reflektiert werden, also insbesondere dann, wenn dieses Werkstück für die beiden Wellen symmetrisch ist. In ■ diesem Pail gelangt praktisch keine reflektierte Energie zum Generator 1, sondern die ganze reflektierte Energie wird zu dem reflexionsfreien Abschluß 7 gerichtet.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung ermöglicht somit die Erhitzung eines Werkstücks oder eines Werkstückteils ohne die Gefahr einer Beschädigung des Höchstfrequenzgenerators.

Insbesondere ermöglicht diese Vorrichtung die Erzielung einer vollkommen gleichmäßigen Erwärmung des Werkstücks an allen Punkten. Die zum Werkstück gelangende elektromagnetische Schwingung ist nämlich die Resultierende der beiden Schwingungen, welche die geradlinigen Komponenten E. und E₂ aufweisen, die senkrecht zueinander stehen und eine Phasenverschiebung von 90 haben. Aus der Polarisationstheorie ist bekannt, daß eine solche Resultierende eine zirkuläre Schwingung ist, die in der Ebene der beiden Richtungen E^ und E_? um eine senkrecht zu dieser Ebene stehende Achse erfolgt, die im vorliegenden Pail die Achse des Hohlleiters 11 ist.

Diese Ergebnisse können auch mit verschiedenen anderen Ausführungsformen der Vorrichtung erhalten werden. Einige davon sollen hier nur als Beispiel kurz erwähnt werden; ihre praktische Ausführung ist aufgrund der zuvor beschriebenen Vorrichtung für den Fachmann ersichtlich.

Wie bereits angegeben worden ist, kann der 2 dB-Richtkoppler in jeder an sich bekannten Weise ausgeführt

sein; insbesondere können die beiden Hohlleiter, aus denen er besteht, über ihre Breitseiten miteinander gekoppelt sein.

Der Verbraucherhohlleiter 11 kann zylindrisch sein. In diesem Fall sind die beiden HohlleiterabBchnitte 9 und 10 mit ihm an den beiden Enden von zwei zueinander senkrechten Radien gekoppelt, und die beiden sich im Hohlleiter 11 fortpflanzenden Wellen mit zueinander senkrechten Polarisationen haben beide die Wellenform H₁₁.

Der Hohlleiter 14 kann selbst zylindrisch sein, unabhängig davon, ob der Verbraucherhohlleiter 11 zylindrisch ist oder einen quadratischen Querschnitt hat.

Die Kopplung zwischen den Hohlleiterabschnitten 9 und und dem Verbraucherhohlleiter 11 kann anders ausgeführt sein, indem die große Abmessung des Querschnitts der Hohlleiterabschnitte 9 und 10 parallel zu der Ausbreitungsrichtung im Hohlleiter 11 liegt.

Ferner können solche Vorrichtungen zur Hochfrequenzerhitzung durch dielektrische Verluste auch in anderer Weise als bei dem beschriebenen Beispiel verwendet werden; der Hohlraum 14 kann beispielsweise durch einen Hornstrahler ersetzt werden, vor dem sich das zu erhitzende Werkstück befindet.

Fig. 4 zeigt schematisch eine solche Anwendung, bei der der Verbraucherhohlleiter 11 in einem Hornstrahler 20 endet. Das zu erhitzende Werkstück 21 ist vor diesem Hornstrahler angebracht. Dieses Werkstück ist beispielsweise ein Block aus Baumaterial, wie Beton, der zer-

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brochen werden soll. Eine an verschiedenen Punkten
erzeugte Erwärmung dieses Blocks macht ihn zerbrechlich, so daß er nach einer an sich bekannten Technik leichter gebrochen werden kann. Eine Erhitzungsvorrichtung der in Fig. 4 gezeigten Art eignet sich besonders zur Erzeugung solcher Erhitzungen ohne Gefahr einer Beschädigung des verwendeten Hochfrequenzgenerators.

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Claims

Patentansprüche

1.)Vorrichtung -zur Hochfrequenzerhitzung durch dielektrische Verluste der elektromagnetischen Energie eines Hochfrequenzgenerators im Innern der zu erhitzenden Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß ein 3 dB-Richtkoppler (3) über einen als Eingangszweig dienenden Zweig (2) seiner vier Zweige mit dem Hochfrequenzgenerator (1) gekoppelt ist und an zwei weiteren, die Ausgangszweige "bildenden Zweigen (4» 5) gleiche elektromagnetische Energieanteile abgibt, daß das Werkstück (16) in einem Höchstfrequenz-Verbraucherkreis (11) angeordnet ist, daß die beiden weiteren Zweige (4» 5) mit dem Verbraucherkreis (11) gekoppelt sind und darin zwei Wellen erzeugen, deren polarisierte elektrische Felder (E.., Ep) gegenseitig um 90° phasenverschoben sind und senkrecht zueinander und zu der Achse des Verbraucherkreises (11) stehen, und daß der vierte Zweig des Richtkopplers (3) durch einen reflexionsfreien Abschluß (7) abgeschlossen ist, der die elektromagnetische Energie absorbiert, die von der aus Verbraucherkreis (11) und dem Werkstück (16) bestehenden Anordnung reflektiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherkreis (11) ein Hohlleiter ist, in dessen Achse das zu erhitzende Werkstück angeordnet ist, und daß die beiden in dem Verbraucherhohlleiter erzeugten Wellen sich darin beide in der gleichen Richtung ausbreiten, die senkrecht zu der ihre Komponenten enthaltenden Ebene steht und mit der Achse der Hohlleiters (11) zusammenfällt.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplung zwischen den beiden Ausgangszweigen (4> 5) des Richtkopplers (3) und dem Verbraucherhohlleiter (11) über zwei Hohlleiterabschnitte (9, 10) erfolgt, welche die Ausbreitungsrichtung der von ihnen übertragenen Wellen derart ändern, daß die beiden Richtungen am Ausgang der Hohlleiterabschnitte senkrecht zueinander sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherhohlleiter (11) ein Hohlleiter mit quadratischem Querschnitt ist, daß die beiden Hohlleiterabschnitte (9, 10) einen rechteckigen Querschnitt haben'und jeweils mit dem Verbraucherhohlleiter an zwei aneinanderstoßenden Flächen verbunden sind, und daß die Querschnitte der Hohlleiterabschnitte (9, 10) die gleiche Orientierung haben.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherhohlleiter (11) an einem seiner Enden durch einen mit ihm gekoppelten Hohlraumresonator (14) abgeschlossen ist, in dessen Innerem das zu erhitzende Werkstück (16) angeordnet ist, und daß sein anderes Ende durch einen Kurzschluß abgeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucherhohlleiter (11) an einem seiner Enden durch einen Hornstrahler (20) abgeschlossen ist, vor dem das zu erhitzende Werkstück (21) angeordnet ist, während sein anderes Ende durch einen Kurzschluß abgeschlossen ist.

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