DE2825944A1

DE2825944A1 - Verfahren und vorrichtung zum dielektrischen erwaermen mittels mikrowellenenergie

Info

Publication number: DE2825944A1
Application number: DE19782825944
Authority: DE
Inventors: Gerd Dipl Ing Naumann; Bernd Treine
Original assignee: Hermann Berstorff Maschinenbau GmbH
Current assignee: KraussMaffei Berstorff GmbH
Priority date: 1978-06-14
Filing date: 1978-06-14
Publication date: 1979-12-20
Also published as: GB2023313B; CA1118845A; SE438234B; FR2434544B1; SE7905219L; DE2825944B2; JPS6226158B2; GB2023313A; JPS5533785A; FR2434544A1; DE2825944C3

Description

Verfahren und Vorrichtung zum dielektrischen Erwärmen mittels Mikrowellenenergie

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abgleich einer Mikrowellenheizvorrichtung zwecks Eeduzieren der von der Last reflektierten Mikrowellenenergie, die von einer Mikrowellenenergiequelle über einen im Querschnitt im x^esentlichen rechteckigen Hohlleiter einem Behandlungsraum zugeführt wird, wobei der Abgleich über im Hohlleiter angeordnete, verstellbare Abstimmelemente vorgenommen und die von der Last reflektierte Mikrowellenenergie absorbiert und gemessen wird.

Es ist bekannt, daß zur Erreichung eines guten Wirkungsgrades einer Mikrowellenheizvorrichtung die Anpassung der Last an den Mikrowellengenerator mit seiner Zuleitung vorgenommen werden muß, da der Mikrowellengenerator, die Energiezuleitung, der Behandlungsraum und die Last verschiedene Wellenwiderstände besitzen können. Wenn die Wellenwiderstände des Mikrowellengenerators, der Energiezuleitung und des Behandlungsraumes einerseits und der Wellenwiderstand der Last andererseits verschieden sind, muß zwischen beide ein Transformationsglied geschaltet werden, daß die Aufgabe hat, den Wellenwiderstand der Last an den Wellenwiderstand des Mikrowellengenerators mit der Energiezuleitung und dem Behandlungsraum anzupassen. Eine optimale Energieausnutzung ist nur dann gewährleistet, wenn die gesamte im Mikrowellengenerator erzeugte Energie in der Last in Wärme umgesetzt wird. Das bedeutet, daß möglichst keine Reflexionen an der Last entstehen dürfen.

Um für eine reflektionsarme Anpassung der Last su sorgen, ist es bekannt, einen oder mehrere Abstimmstifte bzw. Abstimmschrauben in die als Hohlleiterkanal ausgebildete Energiezuleitung verschiebbar hineinragend anzuordnen. Mit diesen Abstimmelementen, die als Anpassungstrannformatcr wirken, ist es theoretisch

- 5 909851/0237

möglich., jede beliebige Lastimpendanz an jede beliebige Generator imp end an ζ anzupassen.

Es hat sich herausgestellt, daß im Betrieb einer Mikrowellenheizvorrichtung der Wellenwiderstand der Last veränderlich ist. Daher reicht eine einmalige Anpassung der Last an den Mikrowellengenerator über die Abstimmelemente nicht aus. Es entsteht somit ein Bedarf für einen automatischen Abgleich der Mikrowellenheizvorrichtung während des Betriebes. Durch diesen automatischen Abgleich soll der infolge der Fehlanpassung von der Last reflektierte Mikrowellenenergieanteil auf ein Minimum reduziert werden.

Es wurde bereits vorgeschlagen, die von der Last reflektierte Mikrowellenenergie zu messen und entsprechend des gemessenen Wertes die Abstimmelemente zu verstellen, um die von der Last reflektierte Mikrowellenenergie auf ein Minimum zu reduzieren. Eine eindeutige Einstellanweisung kann über einen größeren Varationsbereich des Reflexionsfaktors aber nicht gegeben werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abgleich einer Mikrowellenheizvorrichtung zu schaffen, das sich durch einen großen Abstimmbereich und eine äußerst genaue Anpassung der Last an den Mikrowellengenerator auszeichnet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei überschreiten eines bestimmten Betrages der reflektierten Mikrowellenenergie zwei Abstimmelemente derart verstellt v/erden, daß eines der Abstimmelemente eine höhere Verstellgeschwindigkeit aufweist als das andere.

V/ird bei dem Messen der reflektierten Mikrowellenenergie ein. Übertreten eine3 zulässigen Betrages festgestellt, werden die Abstimmelemente mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten vorstellt, bis die Abstimmung der Mikrowellenanlage wieder soweit

- 6 ■-909851/0237

28259U

ist, daß die reflektierte Mikrowellenenergie auf das gewünschte Minimum reduziert ist.

Vorteilhafterweise wird das eine Abstimmelement mehrmals durch den vollen Abstimmbereich verstellt, während das zweite Ab-stimmelement lediglich um einen Teilbereich verstellt wird. Während das zweite Abstimmelement seinen Abstimmbereich oder einen Teil davon durchläuft, kann das erste Abstimmelement seinen vollen Abstimmbereich mehrmals, beispielsvreise dreißigmal, durchlaufen. Dadurch wird der Abgleichvorgang kontinuierlich auf die absolute Minimierung der reflektierten Mikrowellenenergie hingeführt. Bei Erreichen des Minimums der reflektierten Mikrowellenenergie wird das Verstellen der Abstimmelemente eingestellt.

Die Erfindung weist den wesentlichen Vorteil eines in Jedem Lastbereich konvergierenden Abgleichvorganges auf.

Die Erfindung betrifft auch eine Hikrowellenheizvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Behandlungsraum, der mit einem Mikrowellengenerator über einen im wesentlichen rechteckigen Hohlleiter verbunden ist, mit in dom Hohlleiter angeordneten, verschiebbaren Abstimmstiften sowie einem die von der Last reflektierte Mikrowellenenergie zum Mikrowellengenerator sperrenden, zu einer Absorptionseinrichtung leitenden Zirkulator oder Eichtkoppler, wobei an der Absorptionseinrichtung eine Meßvorrichtung für die reflektierte Mikrowellenenergie angeordnet ist. Diese Mikrowellenheizvorrichtung woist gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 3 eine Schalteinrichtung auf, die der Meßvorrichtung nachgeordnet ist und den Meßwert in ein proportionales elektrisches Signal umwandelt, wobei eine das elektrische Signal mit einem Sollwert vergleichende Verstärkerschaltung vorgesehen ist, deren Ausgangssignal auf Stellglieder zum Betätigen von Stellmotoren der Abstimmstifte geleitet wird, wobei die Stellmotoren un™ unterscüiedliche Geschwindigkeiten auf v/eisen. Vorteilhaft erweise sind die Stellmotoren über Kurbeltriebe mit den Abstimm-

« 7 909851/0237

stiften verbunden.

Bei Abweichen der reflektierten Mikrowellenenergie von einem vorbestimmten Minimum werden die Abstimmstifte automatisch so lange mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten verschoben, bis die gemessene reflektierte Mikrowellenenergie wieder auf das Minimum zurückgeführt ist.

Es ist bekannt, daß mit einem dreiteiligen Abstimmtransformator, dessen Abstimmelemente λ/4-Abstände aufweisen, jede Eehlanpassung einer Mikrowellenanlage beseitigt werden kann (Meinke / Gundlach 1968, Seite 420). Sollte mit Hilfe zweier Abstimmelemente das vorbestimmte Minimum der reflektier ten Mikrowellenenergie nicht erreicht werden, so kann das dritte Abstimmelement mit dem λ/4—entfernten anderen Abstimmelement den gleichen Abgleichvorgang vornehmen. Dabei wird das X/2-entfernte Abstiinmelement in eine Ausgangsposition zurückgefahren. Auf diese YJeise ist nach doppelter Abstimmzeit sichergestellt, daß ein Abgleich erfolgt ist.

Durch die Erfindung ist es möglich geworden, eine Anpassung eines Mikrowellensystems zu schaffen, bei der die vom Mikrowellengenerator kommende Nutzleistung auch im Betrieb der Mikrowellenanlage nahezu vollständig an den Verbraucher abgegeben wird.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung nachstehend näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Mikrowellenheizvorrichtung mit einer Regeleinrichtung für den Abgleich der Mikrowellenheizvorrichtung.

Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf der die reflektierte Mikrowellenenergie aufnehmenden

— 8 —

909851/0237

Gleichriclitersonde bei einem automatischen Abgleich der Mikrowellenheiζvorrichtung.

Ein Behandlungsraum der Mikrowellenheizvorrichtung ist als Mikrowellenhohlleiterkanal 3 mit annähernd quadratischem Querschnitt ausgebildet. Durch diesen Mikrowellenhohlleiterkanal 3 wird der zu erwärmende Materialstrang, z. B.aus Kautschuk, geführt.

Die Mikrowellenenergie wird an zwei Einkoppelstellen 4 und 5 in den Behandlungsraum 3 eingebracht. Jede Einkoppelstelle 4,5 ist mit einem Mikrowellengenerator 6, 7 über einen Hohlleiter 8, 9 verbunden. Die Hohlleiter 8, 9 enden um 90° gegeneinander versetzt am Behandlungsraum 3· Durch die um 90° gegeneinander verdrehte Einspeisung der Mikrowellenenergie werden zwei um 90° gedrehte H^,Q-Vellen angeregt. Bei verschiedenen Strangprofilen des zu erwärmenden Materxalstranges ist so ein günstiger Energieabsorptionswinkel zwischen Profillippe und E-Feldlinie vor-, banden.

An jedem die Energie zuführenden Hohlleiter 8, 9 ist ein Anpassungstransformator 11, 12 aus Jeweils drei Abstimmstiften 13 ₅ 14 und 15 angeordnet. Zwischen dem jeweiligen Anpassungstransformator 11, 12 und dem zugehörigen Mikrowellengenerator 6, 7 ist ein Zirkulator 16, 17 geschaltet, der von der Last reflektierte Mikrowellenenergie zu einer Absorptionseinrichtung leitet. Dort wird die reflektierte Mikrowellenenergie aufgebraucht. Die Absorptionseinrichtung ist mit einer Meßvorrichtung au3 einer Antenne und einer Gleichrichtersonde 18 versehen. Es wird so ein der reflektierten Mikrowellenenergie proportionales elektriscnes Signal gewonnen, das zwei Vergleichsstufen 19 und 21 zugeführt wird. Jeder der Vergleichsstufen 19 bzw» 21 wird weiter ein Bezugssignal zugeführt. Überschreitet die von der Gleichrichtersonde 13 abgegebene Spannung die Bezugsspannung, wird über die erste Vergleichsstufe 19 ein Signal Q auf eine Steuervorrichtung 22 für die Stellmotoren M,. und M₂ gegeben, die je einem Abstimmstift 15 bzw. 14 zugeordnet sind. Dabei wird

~ 9 _
909851/0237

der Abstimmstift 14 im Schnellauf verschoben. Der Abstimmstift 15 wird langsam von seinem Stellmotor PL verschoben.

Wird innerhalb einer bestimmten Zeit, die durch, ein in der Vergleichsstufe 19 integriertes Zeitglied bestimmt ist, kein Ab-gleich der Mikrowellenanlage erreicht, so wird das Signal (J gesetzt. Dieses Signal Q wird der zweiten Vergleichsstufe 21 zugeführt sowie einer Rückstelleinrichtung 23 für den Motor M,, des Abstiramstiftes 15· Die zweite Vergleichsstufe 21 gibt ein Signal auf eine Steuervorrichtung 24 für die Motoren M₂ und M₇, für die Abstiinmstifte 13 und 14. Die Abstimmstifte 13 und 14- führen den gleichen Abgleichvorgang aus, während der Äbstimrastift 15 in eine Ausgangsposition zurückgesetzt ist.

Fällt die Gleichrichtersondenspannung und damit die reflektierte Mikrowellenenergie unter einen vorbestimmten Pegel, so fällt das Eingangssignal an den Vergleichsstufen 19 und 21 unter eine Ausschaltschwelle. Die Vergleichsstufen 19 und geben kein die Stellmotoren erregendes Ausgangssignal ab. Die Mikrowellenanlage ist für den augenblicklichen Betriebszustand abgeglichen.

In Fig. 2 wird die Spannungsminimierung und damit die Minimierung der reflektierten Mikrowellenenergie in ihrem Verlauf wiedergegeben. Durch den Schnellauf des einen Abstinrnstiftes ist es bei der Verwendung von Gleichstrommotoren möglich, daß dieser über das Minimum herausläuft. Die Schalteinrichtung kann dann mit einer Möglichkeit versehen sein, den Abstimmstift in diesem Fall rückwärts zurückzustellen. Werden die Abstimmstifte über Schrittmotoren verstellt, ist ein Durchlaufen des Spannungsminimums nicht vorhanden.

909851/0237

Leerseite

Claims

Unser Zeichen: 78/8 Hannover, den 12'. Juni 19"S

gg/su 429

INGENIEURBÜRO HERMANN PUUFUSST Kommanditgesellschaft Opelstr. 22

D-3OO4 Isernhagen 1

S C H U T Z A N S P K Ü C H E

Verfahren zum Abgleich einer Mikrov/ellenheizvorrichtung zwecks Reduzieren der von der Last reflektiex*- ten Mikrowellenenergie, die von einer Mikrowellenenergiequelle über einen im Querschnitt im wesentlichen rechteckigen Hohlleiter einem Behandlungsraum zugeführt wird, wobei der Abgleich über im Hohlleiter angeordnete, verstellbare Abstinanelemente vorgenommen und die von der Last reflektierte llikrowellenenergie absorbiert und gemessen wird,

dadurch gekennzeichnet,

daß bei Überschreiten eines bestimmten Betrages der reflektierten Mikrowellencnergxe zwei Abstiamelcicente derart verstellt werden, daß eines der Abstimmelemonte eine höhere Verstellgeschwindigksit aufweist als das andere.
2. Verfahren nach Ansprach Ί,

909851/0237

•~ 2 ·«

ORIGINAL INSPECTED

dadurch gekennzeichnet,

daß das eine Abstimmelement mehrmals durch den vollen Abstimrnbereich verstellt wii'd, während das zweite Abstimitieleiaent lediglich um einen Teilbereich verstellt wird.
3. Mikrowellenheizvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Behandlungsraum, der mit einem Mikrowellengenerator über einen im wesentlichen rechteckigen Hohlleiter verbunden ist, mit in dem Hohlleiter angeordneten, verschiebbaren Abstimmstiften sowie einem die von der Last reflektierte Mikrowellenenergie zum Mxkrowellengenerator sperrenden, zu einer Absorptionseinrichtung leitenden Zirkulator oder Bichtkoppier, wobei an der Absorptionseinriciturjg ein-e Meßvorrichtung für die reflektierte Mikrowellenenergie angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Meßvorrichtung eine den Meßwert in ein proportionales elektrisches Signal umwandelnde Schalteinrichtung (18) nachgeordnet ist, daß eine das elektrische Signal mit einem Sollwert vergleichende Verstärkerschaltung (19» 21) vorgesehen ist, deren Ausgangssignal aif Stellglieder (22, 2$, 24) zum Betätigen von Stellmotoren (M., Mp, M-,) der Abstimmstifte (12, 14, 15) geleitet wird, wobei die Stellmotoren unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen»
4. Vorrichtung nach Anspruch 2,

909851/0237

dadurch gekennzeichnet,

daß die Stellmotoren über Kurbeltriebe mit den Abstimmstiften verbunden sind»

909851/0237