DE2417577A1

DE2417577A1 - Hochfrequenz-erhitzungsvorrichtung zur erhitzung von dielektrischem material geringen querschnitts

Info

Publication number: DE2417577A1
Application number: DE19742417577
Authority: DE
Inventors: Claude Couasnard
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-04-13
Filing date: 1974-04-10
Publication date: 1974-10-31
Also published as: FR2225907B1; DE2417577C2; FR2225907A1; CH584498A5

Description

Unser Zeichen: T 1562 .

THOMSON-CSF

173 Bd.Haussmann

75008_t Paris, Frankreich

Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung zur Erhitzung von dielektrischem Material geringen Querschnitts

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung,welche die Erhitzung von dielektrischem Material ermöglicht, das inlanggestreckter Form (z.B. Draht, Schnur, Band, Stange oder Profilstück ) vorliegt.

Die Höchfrequenzerhitzung durch dielektrische Verluste ist eine allgemein bekannte Technik,die auf verschiedenen Gebieten angewendet wird, beispielsweise zur Behandlung bestimmter Materialien, zur Erhitzung von zu formenden, zu fassonierenden oder zu trocknenden Teilen usw. Je nach den Abmessungen, der Form und der Beschaffenheit der zu behandelnden Teile werden verschiedene Arten von Vorrichtungen angewendet. Allgemein wird die von einem Röhrengenerator (z.B. Klystron oder Magnetron) gelieferte Höchstfrequenzenergie über einen Hohlleiter dem zu erhitzenden Teil zugeführt. Je nach Lage des Falles, kann das V/erkstück entweder in dem Hohlleiter selbst oder in einem mit dem Hohlleiter gekoppelten Resonanzhohlraum angeordnet sein.

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Wenn es sich um langgestreckte Teile handelt, deren Länge so groß ist, daß es nicht mehr möglich ist, das ganze Werkstück gleichzeitig zu erhitzen, erfolgt die Erhitzung kontinuierlich beim Durchlauf des Werkstücks durch die Erhitzungsvorrichtung, also den Hohlleiter oder den Hohlraum. Die Erhitzung von Teilen mit kleinem Querschnitt und großer Länge ergibt wegen der geringen Masse des Werkstückes, die gleichzeitig dem Hochstfrequenzfeld ausgesetzt ist, gewisse Schwierigkeiten, insbesondere wenn es erwünscht ist, die Erhitzung schnell vorzunehmen und deshalb eine ziemlich große Durchlaufgeschwindigkeit anzuwenden. Diese Schwierigkeiten werden noch vergrössert, wenn das zu erhitzende Material einen kleinen Verlustfaktor aufweist.

Die Verwendung eines Hohlraums ermöglicht es, die örtlich zu dem zu erhitzenden Material übertragene Energie zu vergrössern. Gegenüber der Verwendung von Hohlleitern ergeben sich dadurch jedoch zwei beträchtliche Nachteile: Einerseits wird das Material jeweils nur immer über eine sehr kleine Strecke erhitzt, und andrerseits ist das bei einer gegebenen Einstellung des Hohlraums zulässige Frequenzband sehr schmal, was sich mit den im allgemeinen verwendeten Hochfrequenzgeneratoren nur schwierig vereinbaren läßt.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung, die es ermöglicht, zu dem zu erhitzenden Material einen großen Teil der verfügbaren Höchstfrequenzenergie zu übertragen, so daß sie bei einem verhältnismässig breiten Frequenzband, das mit den verwendeten Generatoren vereinbar ist, einen großen Wirkungsgrad aufweist.

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Nach der Erfindung ist eine Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung zur Erhitzung eines dielektrischen Materials von langgestreckter Form durch dielektrische Verluste dadurch gekennzeichnet, daß mehrere miteinander gekoppelte Resonanzhohlräume vorgesehen sind, die in Serie von einem Hochfrequenzgenerator gespeist werden und auf die Frequenz der vom Hochfrequenzgenerator ausgesendeten Welle abgestimmt sind, und daß das zu erhitzende Material quer durch die Hohlräume entlang deren gemeinsamer Achse läuft«,

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Hohlräume so miteinander gekoppelt, daß das zu erhitzende Material parallel zu der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes in den Hohlräumen läuft und sich dadurch stets in einem Bereich maximaler elektrischer Feldstärke befindet.

Bei. einer ersten Ausführungsform, bei der die Resonanzhohlräume rechteckig sind und vom Hochfrequenzgenerator eine Höchstfrequenzwelle empfangen, die sich in der Grundwellenform TE..Q der Rechteckhohlleiter ausbreitet, sind somit die Hohlräume über ihre Breitseiten gekoppelt, die senkrecht zu der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes liegen. Bei einer zweiten Ausführungsform, bei der die Hohlräume zylindrisch sind, und vom Hochfrequenzgenerator eine Welle empfangen, die sich in der Wellenform TE^ der zylindrischen Hohlleiter ausbreitet, sind die Hohlräume über ihre zylindrischen Umfangswände miteinander gekoppelt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind.

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In der Zeichnung zeigen:

Fig.1 eine Schnittansicht einer Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig.2 eine Oberansicht der Vorrichtung von Fig.1, Fig. 3 eine Stirnansicht der Vorrichtung von Fig.1 und

Fig.4 eine Schnittansicht eines der Hohlräume der Vorrichtung von Fig.1.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen eine Ausführungsform der Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung nach der Erfindung, bei der die Hohlräume rechteckig sind. Die Erfindung umfaßt jedoch auch die Ausführungsformen, bei denen zylindrische Hohlräume verwendet werden; einige Angaben hinsichtlich dieser Ausführungsformen werden später gemacht.

Das zu erhitzende Material ist ein dielektrisches Material, das eine langgestreckte Form von geringem Querschnitt hat, beispielsweise ein Faden 16.

Die Erhitzungsvorrichtung hat einen Hochfrequenzgenerator 1, der einem Hohlleiter 2 Höchstfrequenzenergie zuführt. Der Eingangshohlleiter 2 ist mit einem ersten Resonanzhohlraum 3 der Erhitzungsvorrichtung gekoppelt, wobei die Impedanzanpassung dieser Kopplung beispielsweise durch zwei Metallstangen 13 (Fig.1 und 3) erfolgt, welche die beiden Breitseiten des Hohlleiters (d.h. die in Fig.1 geschnittenen Seiten) miteinander verbinden. Diese beiden Stangen sind in einer an sich bekannten Weise parallel zu den Schmalseiten des Hohlleiters und senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Höchstfrequenzwelle angeordnet.

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Mehrere gleichartige Resonanzhohlräume 4, bei dem dargestellten Beispiel fünf Resonanzhohlräume, sind dann in Serie miteinander gekoppelt, wobei der erste davon mit dem Eingangshohlraum 3 und der letzte mit einem Ausgangshohlraum 5 gekoppelt sind. Der Ausgangshohlraum 5 ist seinerseits mit einem Ausgangshohlleiter 6 in gleicher Weise wie der Eingangshohlraum 3 mit dem Eingangshohlleiter 2 gekoppelt, wobei eine Impedanzanpassung durch zwei Metallstangen 13 erfolgt. Es ist zu bemerken, daß Fig.3 in Stirnansicht sowohl den Eingangshohlraum 3 als auch den Ausgangshohlraum 5 darstellt. Der Ausgangshohlleiter 6 endet in einem reflexionsfreien Abschluß 7, der die durch die Hochfrequenzerhitzung nicht verbrauchte Energie absorbiert.

Die Resonanzhohlräume 4, von denen in Fig.4 einer im Schnitt entlang der Linie X-X von Fig.2 gezeigt ist, sind durch Rechteckhohlleiterelemente gebildet, die an ihren beiden Enden durch Metallplatten 8 kurzgeschlossen sind, welche die beiden Breitseiten der Hohlleiterabschnitte miteinander verbinden und parallel zu ihren Schmalseiten liegen ( die in Fig.4 geschnitten sind). Diese Metallplatten 8 bilden zwei Kurzschlußebenen, dr en gegenseitiger Abstand D so gewählt ist, daß er im wesen13ichen gleich der Hälfte der Wellenlänge λ der sich im Hohlleiter 2 ausbreitenden Hochfrequenzwelle ist.

Die beiden äußersten Hohlräume , nämlich der Eingangshohlraum 3 und der Ausgangshohlraum 5, (Fig.1, 2, 3) haben eine solche KurzSchlußebene an ihrem einen Ende, während das andere Ende, das zur Kopplung mit dem EingangshohUeiter 2 bzw. dem Ausgangshohlleiter 3 dient,

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die zuvor erwähnten Stangen 13 aufweist. Diese Stangen liegen gleichfalls in einem Abstand D = λ /2 von der durch die Platten 8 bestimmten Kurzschlußebene.

Die elektrische Kopplung zwischen den verschiedenen Hohlräumen erfolgt mit Hilfe von kreisrunden Öffnungen 9 (Fig.4), die in der Mitte der Breitseiten der Hohlräume angebracht sind. Die elektrische Kontinuität auf der Höhe dieser Kopplungsöffnungen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hohlräumen ist jeweils durch eine kurze Metallbuchse 1O(Fig.1 und 2) gewährleistet, die an beiden Seiten angelötet ist.

Die an den Enden liegenden Hohlräume, nämlich der Eingangshohlraum 13 und der Ausgangshohlraum 5, weisen an ihrer nicht mit den Zwischenhohlräumen 4 gekoppelten Breitseite eine Öffnung 11 auf, die gleichachsig zu den Kopplungsöffnungen 9 liegt. Diese Öffnung ist nach außen durch ein Metallrohr 12(Fig.1, 2, 3) verlängert, das so dimensioniert ist, daß die Energieverluste nach außen vernachlässigbar sind.

Das zu erhitzende dielektrische Material, beispielsweise der Faden 16, wird kontinuierlich durch die verschiedenen Hohlräume bewegt, wie durch den Pfeil d angedeutet ist.

Bei der dargestellten Ausführungsform liegt die elektrische Komponente E des elektromagnetischen Feldes infolge der Orientierung der Hohlräume und der Durchführung ihrer elektrischen Kopplung (über ihre Breitseiten) parallel zu der Bewegungsrichtung d des Fadens 16, und sie ist entlang dem ganzen Durchgang des Fadens durch einen Hohlraum konstant. Da sich der Faden 16 ferner in der Mitte der Hohlräume bewegt, befindet er sich an jedem Punkt seines Durchgangs durch jeden Hohlraum in

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einem maximalen elektrischen Feld_)So daß er in Jedem Hohlraum eine maximale Erhitzung erfährt.

Eine Feineinstellung der Resonanzfrequenz der Hohlräume, die einerseits die Kompensation der mechanischen Fertigungstoleranzen und andrerseits den Ausgleich der durch den Durchgang des zu erhitzenden Werkstücks verursachten Verschiebungen der Resonanzfrequenz (die von der Dielektrizitätskonstante des Werkstücks abhängen) ermöglicht, erfolgt durch die Einstellung von zwei Stiften 14 aus dielektrischem Material mit geringen Verlusten, die mehr oder weniger weit in das Innere jedes Hohlraums in der Mitte ihrer Schmalseiten eindringen. Diese Stifte gleiten in Metallrohren 15, die zugleich als Führung und zur elektrischen Abschirmung dienen.

Die Verwendung von mehreren in Serie geschalteten Hohlräumen ermöglicht die Verbreiterung des Nutzfrequenz-" bandes der Vorrichtung.Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel, bei welchem die Erhitzungsvorrichtung 10 in Serie geschaltete Hohlräume aufweist, die auf eine Resonanzfrequenz von 2450 MHz abgestimmt sind, erhält man beispielsweise ein zulässiges Frequenzband von 25 MHz. Die verschiedenen Parameter, wie die Anzahl der Hohlräume, die Kopplung zwischen den Hohlräumen, der Einstellbereich der Resonanzfrequenz usw. werden in Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften des zu erhitzenden Materials so bestimmt, diß die Hochstfrequenzenergie optimal genutzt wird. Die Erhitzung des zu erhitzenden Materials nimmt nämlich beim Durchgang durch jeden Hohlraum zu, während die Höchstfrequenzenergie mit zunehmender Entfernung vom Generator abnimmt.

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Die bier be schriet ene AuLsführungsform, "bei der die Hohlräume an ihren Enden nicht durch eine massive Wand, sondern durch ein System von parallelen Platten 8 kurzgeschlossen sind,, ergibt den Vorteil, daß zu der beschriebenen Erhitzungsvorrichtung sehr leicht eine konventionelle zusätzliche Brhitzung_tbeispielsweise durch Infrarotstrahlen oder Warmluft, eine Belüftung oder eine Absaugung Je nach Erfordernis hinzugefügt werden kann. Die Anzahl dieser Platten und ihrer Länge sind so gewählt, daß ein guter Betrieb der zusätzlichen Einrichtung ermöglicht wird und dennoch nur sehr kleine Verluste an Höchstfrequenzenergie nach außen auftreten. Wenn eine derartige zusätzliche Einrichtung nicht notwendig ist, können natürlich die Hohlräume einfach durch zwei massive Wände verschlossen werden, die im Abstand λ/2 voneinander liegen.

Bei einer anderen Ausführungsform, die keinen so guten Wirkungsgrad wie die soeben beschriebene aufweisen würde, jedoch die gleichen Vorteile der Verbreiterung des zulässigen Frequenzbandes hätte, können die Hohlräume nicht mehr über ihre Breitseiten, sondern über ihre Schmalseiten miteinander gekoppelt sein.

Es ist noch zu bemerken, daß bei dem an Hand von Fig.1 bis 4 beschriebenen Ausführungsbeispiel alle Hohlräume so angeordnet sind, daß ihre einander entsprechenden Flächen parallel liegen. Diese Maßnahme ist nicht unbedingt notwendig. Die Hohlräume können auch um ihre gemeinsame Achse (entlang welcher sich der Faden 16 bewegt) jeweils um verschiedene Beträge gedreht sein; die elektrische Komponente E des elektromagnetischen Feldes bleibt dann parallel zu dieser Richtung, und man erhält immer noch eine Ausführungsform mit maximalem Wirkungsgrad.

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Wie bereits erwähnt wurde, kann die Vorrichtung auch mit Hilfe von zylindrischen Hohlräumen ausgeführt werden. In diesem Fall sind die Hohlräume, die bei der Wellenform TE * in Resonanz sind, miteinander über die Mantelfläche der sie bildenden Zylinder so gekoppelt, daß die elektrische Komponente des elektromagnetischen Feldes parallel zu dem zu erhitzenden Draht liegt, so daß wieder der maximale Wirkungsgrad erhalten wird, wie er für die rechteckigen Hohlräume erwähnt wurde. In diesem Fall können die Stirnflächen der die Hohlräume bildenden Zylinder, ebenso wie im Fall der rechteckigen Hohlleiter, wieder aus mehreren parallelen Metallplatten gebildet sein. Diese Platten sind dann auf beiden Seiten an der Mantelfläche der Zylinder so befestigt, daß sie parallel zu der Laufrichtung des Materials in den Hohlräumen liegen.

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Claims

Patentansprüche

1.JHochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung zur Erhitzung eines dielektrischen Materials von langgestreckter Form durch dielektrische Verluste, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere miteinander gekoppelte Resonanzhohlräume vorgesehen sind, die in Serie von einem Hochfrequenzgenerator gespeist werden und auf die Frequenz der vomHochfrequenzgenerator ausgesendeten Welle abgestimmt sind, und daß das zu erhitzende Material quer durch die Hohlräume entlang deren gemeinsamer Achse läuft.

2. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume so miteinander gekoppelt sind, daß das. zu erhitzende Material parallel zu der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes in den Hohlräumen läuft und sich dadurch stets in einem Bereich maximaler elektrischer Feldstärke befindet.

3. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzhohlräume einen rechteckigen Querschnitt haben und an ihren Breitseiten über kreisrunde, in der Mitte der Breitseiten liegende Öffnungen miteinander gekoppelt sind, wobei die Öffnungen nebeneinanderliegender Hohlräume jeweils durch eine rohrförmige Metallbuchse miteinander verbunden sind, und daß das zu erhitzende Material durch die Metallbuchsen von Hohlraum zu Hohlraum läuft.

4. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander entgegengesetzte Seiten jedes Hohlraums, die nicht die zur Kopplung dienenden Breitseiten sind, aus mehreren zueinander parallelen Metallplatten gebildet sind, die zwischen den senkrecht zu ihnen liegenden Breitseiten befestigt sind.

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5. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzhohlräume zylindrisch sind

. und über die Mantelflächen der sie bildenden Zylinder mit Hilfe von kreisrunden, in der Mitte zwischen den Stirnflächen der Zylinder liegenden Öffnungen miteinander gekoppelt sind, wobei die Öffnungen nebeneinanderliegender Hohlräume jeweils durch eine rohrförmige Metallbuchse miteinander verbunden and, und daß das zu erhitzende Material durch die Metallbuchsen von Hohlraum zu Hohlraum läuft.

6. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stirnflächen jedes Hohlraums aus mehreren zueinander parallelen Metallplatten gebildet sind, die an beiden Enden derart an der Mantelfläche des Zylinders befestigt sind, daß sie parallel zu der Laufrichtung des zu erhitzenden Materials liegen.

7. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Resonanzhohlraum mit einer Feineinstellvorrichtung für seine Resonanzfrequenz versehen ist.

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