DE2856654B2

DE2856654B2 - Mikrowellen-Heizgerät

Info

Publication number: DE2856654B2
Application number: DE2856654A
Authority: DE
Inventors: Per Olof Huskvarna Risman (Schweden)
Original assignee: HUSQVARNA JOENKOEPING (SCHWEDEN) AB
Current assignee: Mikrovaagsapplikation Mva Arvika Se AB
Priority date: 1978-01-02
Filing date: 1978-12-29
Publication date: 1981-01-22
Also published as: US4276462A; DE2856654C3; DE2856654A1; DK1879A; FR2415410A1; SE415317B; SE7800016L; AU529454B2; GB2013459B; AU4306179A; GB2013459A; FR2415410B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellen-Heizgerät zur Behandlung eines Feuchtigkeit enthaltenden, im wesentlichen scheibenförmigen Gutes mit einer dieses senkrecht zu ihrer Längsachse aufnehmenden zylindrischen Behandlungskammer, die von einer Mikrowellenenergiequelle über eine Sendeantenne koaxial gespeist wird, welche die Verlängerung des inneren Leiters einer Koaxial-Übertragungsleitung bildet, die durch das Zentrum der runden Wand der Behandlungskammer eingeführt ist.

Ein Mikrowellen-Heizgerät der vorgenannten Art ist in der schwedischen Patentschrift 77 05 965-7 beschrieben und dargestellt. Es ist zur Erwärmung von Proben, Werkstücken oder sonscigen Materialien mit kleiner Oberfläche im Verhältnis zum Volumen gut geeignet. Ein derart kleines Verhältnis ergibt sich z. B. bei Würfeln, Zylinder und Kugeln. In der vorgenannten Druckschrift ist auch auf die negativen Eigenschaften der üblichen Mikrowellenofen eingegangen. Diese negativen Eigenschaften lassen sich durch spezielle Behandlungskammern für kleine Materialstücke vermeiden. Die in der vorgenannten Druckschrift beschriebene Behandlungskammer ist demgemäß durch ih»e besondere Gestaltung gut geeignet für die Behandlung kubischer, zylindrischer oder kugeliger Güter, nicht jedoch zur Behandlung eines flachen, scheibenförmigen Gutes. Hierfür ist eine andere Feldstruktur erforderlich. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Mikrowellen-Heizgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das die gleichmäßige Erwärmung eines

ίο Feuchtigkeit enthaltenden, im wesentlichen scheibenförmigen Gutes sicherstellt Diese Aufgabe besteht beispielsweise beim Trocknen wasserhaltiger Proben zur Bestimmung des Wassergehalts. Dies bedeutet, daß die Dicke des Cuts im Verhältnis zu den dielektrischen Eigenschaften (bei sich während des Trocknens änderndem Wassergehalt) in einem bestimmten Bereich liegen muß, damit die inneren Teile des Guts durch dieses selbst gegenüber den Mikrowellen abgeschirmt werden. Da die Eindringstufe der Mikrowellen bei gewöhnlichen Substanzen unter Umständen sehr klein sein kann (z.B. 1,5—5mm), darf auch die Stärke des Gutes diesen Bereich nicht überschreiten.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erfüllt, daß das Verhältnis von Durchmesser zur Höhe der Behandlungskammer zwischen etwa 0,77 und demjenigen Wert liegt, der durch die TMoi i-Resonanz in der Behandlungskammer bestimmt ist, und der Abstand des zu behandelnden Gutes von der Antenne so gewählt ist, daß bei Beginn der Behandlung aufgrund der höheren Dielektrizitätskonstante des Gutes die elektrischen Feldlinien vorzugsweise innerhalb des Gutes verlaufen und die TMon-Resonanz auftritt, wogegen bei fortschreitender Behandlung aufgrund der abnehmenden Dielektrizitätskonstante hauptsächlich eine nicht resonante, im wesentlichen axial ausgerichtete Struktur des elektrischen Feldes auftritt.

Bei dem erfindungsgemäßen Mikrowellen-Heizgerät wird das zu behandelnde Gut anfangs durch ein elektrisches Feld erwärmt, welches sich im wesentlichen parallel zur Oberfläche der scheibenförmigen Gestalt des Gutes erstreckt, was eine niedrigere Reflexion der Leistung zur Folge hat, so daß ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird. Darüber hinaus ist die Behandlungskammer resonant, was bedeutet, daß das Feld stärker und besser angepaßt sein kann als beispielsweise bei Verwendung gewöhnlicher Wärmestrahlung mit der Folge einer weiteren Steigerung des Wirkungsgrades und der Möglichkeit, die Wirksamkeit der Mikrowellen als eine Funktion der dielektrischen Eigenschaften des Gutes vorherzubestimmen. Das Gerät Kann beispielsweise so ausgelegt werden, daß die Wirksamkeit der Mikrowellen groß genug ist, solange der Wassergehalt des Gutes noch hoch ist, sich dann aber während des Trocknungsvorgangs verringert. Dadurch kann eine gleichmäßigere Trocknung mit einer geringeren Gefahr der Überhitzung des Gutes beim Trocknen erzielt werden.

Nach einem ersten Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Behandlungskammer aus zwei zylindrischen Teilen, von denen einer als Boden und der andere als Deckel dient, und die beiden Teile sind in der Trennebene mit Dichtungsflanschen versehen. Diese Ausgestaltung erleichtert die Beschickung der Behandlungskammer und verringert Störeinflüsse auf das elektrische Feld, was noch weiterhin dadurch verbessert werden kann, daß in der Trennebene ein für Mikrowellen durchlässiger Träger für das zu behandelnde Gut angeordnet ist. Letzteres

Merkmal läßt sich ferner dadurch weiter ausgestalten, daß der Träger Teil einer Waage zum kontinuierlichen Wiegen des Guts während der Behandlung ist. Auf diese Weise läßt sich die Abnahme des Feuchtigkeitsgehaltes laufend überprüfen und unter Vermeidung unnötiger ■> Energiezufuhr der richtige Zeitpunkt zur Abschaltung des Geräts ermitteln.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher o.-läutert Es zeigt

F i g. 1 in schematischer Darstellung ein Mikrowellen-Heizgerät gemäß der Erfindung,

F i g. 2 in größerem Maßstab die Behandlungskammer des Geräts nach F i g. 1 mit eingelegtem Gut und einer Feldverteilung gemäß einer zylindrischen TMon-WeIIe, wie sie bei dem anfänglichen hohen Feuchtig- ΐί keitsgehalt des zu behandelnden Gutes auftritt,

F i g. 3 in einer Darstellung entsprechend F i g. 2 die Behandlungskammer mit der Feldverteiiung gemäß einer zylindrischen TM010-Welle bei geringem Wassergehalt, d. h. fortgeschrittener Behandlungsdauer,

Fig.4 eine Darstellung entsprechend Fig.2 und 3 mit einem vollends getrockneten Gut,

F i g. 5 Kurven der Bessel-Funktionen Jo(r) und J\(r) und

F i g. 6 in einem Diagramm die Verteilung der Leistungsdichte proportional B in dem zu beh andelnden Gut über dem Radienverhältnis r/ro.

Die in der Zeichnung mit 1 bezeichnete Behandlungskammer hat die Form eines aufrecht stehenden Zylinders und ist in einer horizontalen Trennebene in ein Bodenteil 2 und einen Deckel 3 geteilt. Die Behandlungskammer wird gespeist durch eine Antenne 5, die sich, ausgehend von einer von unten her zugeführten Koaxial-Übertragungsleitung 6, durch die untere kreisförmige Begrenzungsfläche 4 des Bodenteils 2 erstreckt. In der Trennebene zwischen dem Bodenteil 2 und dem Deckel 3 befindet sich ein für Mikrowellen durchlässiges Gitter 7 sowie Dichtungsflanschen 8, 9, welche die Behandlungskammer kapazitiv abdichten. Das Gitter 7 bildet einen Träger für ein flaches scheibenförmiges Materialstück 10, welches das zu behandelnde Gut bildet.

Der Innendurchmesser des Außenleiters der Koaxial-Übertragungsleitung kann beliebig klein gewählt werden, ohne daß die Übertragungsfähigkeit für Mikrowellen verschwindet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Koaxial-Übertragungsleitung über einen stab- oder hanteiförmigen Übergang, und zwar unmittelbar von einem rechteckigen TE10-Wellenleiter angekoppelt.

Die Maße des Gehäuses bzw. der Behandlungskammer werden so gewählt, daß zwei Bedingungen erfüllt sind: es müssen die Voraussetzungen für eine zylindrische TMon-Resonanz vorhanden sein und es muß eine nicht-resonante TMoio-Feldstruktur erzeugt werden ss können. Dies bedingt, daß sich die Maße der Behandlungskammer im Verhältnis zur Wellenlänge der Mikrowellen in verhältnismäßig engen Grenzen halten und auch die Lage des Behandlungsguts verhältnismäßig genau vorgegeben sein muß. Zusätzlich muß auch die Höhe (zo) der Behandlungskammer innerhalb enger Grenzen gehalten werden, um Störungen durch andere unerwünschte Resonanz-Betriebsarten zu vermeiden. Anzustreben ist folgendes Verhältnis:

65

0,8 ro < Zb < 4 r₀ ,

wobei /b den Zylinderradius bezeichnet.
Zylindrische TMon-Resonanz kann in einem Hohlraum erzeugt werden, wenn die nachstehende Gleichung erfüllt ist

worin bedeuten:

β die Phasenkonstante

ω die Winkelgeschwindigkeit der Mikrowellen (aus

der Gleichung ω = 2 π f), c die Lichtgeschwindigkeit,
X01 die erste Lösung (Nullstelle) der Bessel-Funktion J₀ ftjbei 2,405.

β wird durch ein Behandlungsgut mit einer komplexen Dielektrizitätskonstanten

beeinflußt. Da der imaginäre Teil ε"_Γ normalerweise kleiner ist als der reelle Teil e'_r, wirkt sich dies auf das Feldbild aus, und man braucht nur das elektrische Feld (E) und nicht das magnetische Feld (H) der Behandlungskammer zu betrachten, um die Struktur des wärmenden Feldes zu bestimmen.

E läßt sich in zylindrischen Koordinaten r, θ, ζ wie folgt ausdrücken:

E_r=A {ßlk)(h(kr))-smßz

Ea = O

E₂=A J₀ (kr) cos β ζ,

wobei mit A eine beliebige Konstante bezeichnet ist und Jt=Abi/ro

Wenn das Behandlungsgut gemäß Fig.2—4 eingesetzt wird, wird der Erwärmungsvorgang bestimmt durch die vorstehend genannten Größen E_r und E* Wenn der Wassergehalt des Behandlungsgutes und damit die zugehörige Dielektrizitätskonstante als konstant angenommen werden, ist es möglich, die Lage des Behandlungsgutes in der z-Richtung so zu wählen, daß die Gesamtleistung der E_r und £z-Felder zu einer verhältnismäßig konstanten Leistungsdichte entsprechend

B = A₁ ■ E?

führen. Am Anfang der Behandlung wird der größte Teil der Energieaufnahme aus der TMou -Welle erfolgen, jedoch wird die gesamte Energieaufnahme in radialer Richtung angenähert eine Summenfunktion wie in dem vereinfachten Fall sein. Die Lage des Behandlungsgutes in der z-Richtung muß jedoch empirisch bestimmt werden.

Ein Beispiel für ein Erwärmungsfeld (A₁ = 1, A₂ = 2,67) ist in Fi g. 6 gezeigt. Wenn ß = 0 ist, wird die Bedingung für die TMoio-Welle erfüllt. Diese Welle hat ein elektrisches Feld nur in der z-Richtung:

E₂=A ■ J₀(kr),

welches unabhängig von zo (Höhe der Behandlungskammer) ist. Gemäß dem obigen Ausdruck für β entspricht die TMoio-Welle dem Grenzfall einer TMou-Resonanz bei einem unendlich langen Resonator. Wenn der Durchmesser 2ro der Behandlungskammer in der Größe von etwa 0,77 λ gewählt wird (wobei λ die der Frequenz f zugehörige Wellenlänge entsprechend k = c/f darstellt), wird eine TMoio-Resonanz bewirkt. Bei einem Quotienten aus Durchmesser und Höhe von beispielsweise 2ro/zo = 0,85 wird TMoirResonanz bei einem Durchmesser der Aufnahmekammer von 0,88 λ erhal-

ten. Bei diesem Durchmesser beherrscht das TMoi ι-Feld die Energieaufnahmeverteilung während der Erwärmung, wohingegen bei dem zuvor genannten Durchmesser das TMoio-Feld beherrschend ist. Bei einem vorgegebenen Quotienten aus Durchmesser/Höhe sollte der Durchmesser der Behandlungskammer somit zwischen 0,77 λ und demjenigen Wert liegen, der durch dieTMon-Resonapzim Hohlraum bestimmt ist.

Aus Fig.2 ist ersichtlich, daß das TM₀H-FeId in der Mitte des Behandlungsgutes »null« ist. Dieser Feldverlauf hängt mit der Funktion }\ (Ro) zusammen, die in F i g. 5 graphisch dargestellt ist. In F i g. 3 ist gezeigt, daß das TMoio-Feld in der Mitte ein Maximum hat. Dieser Feldverlauf hängt zusammen mit der Funktion /of/o), die ebenfaiis in F i g. 5 dargestellt ist. Um Hinblick auf diese Felder gemäß Fig.2 und 3 ist es wichtig, daß das Behandlungsgut in der Behandlungskammer so angeordnet wird, daß sich das günstigste Gleichgewicht zwischen den beiden Feldstrukturen ergibt. Wenn dieses Gleichgewicht erreicht ist, ergibt sich die überlagerte Leistungsdichte im Behandlungsgut gemäß Fig.6, d.h. eine gleichmäßige Verteilung der Leistungsdichte über die gesamte kreisförmige Grundfläche des Behandlungsgutes. Dieses Gleichgewicht ist jedoch vom Wassergehalt des Gutes abhängig. Während des ersten Teils der Erwärmung wird die TMon-Resonanz erzeugt, weil das gesamte Volumen des Behandlungsgutes einen verhältnismäßig hohen reellen Wert ε'_Γ der Dielektrizitätskonstante hat. Während dieser Periode wird das Behandlungsgut ringförmig entlang seinem Umfang erwärmt und getrocknet, was zu einer Abnahme der Dielektrizitätskonstante führt. Daraus folgt eine Umwandlung der Feldstruktur in ein TM_Oio-Feld, so daß die mittleren Bereiche des Behandlungsguts erwärmt und getrocknet werden. Wenn schließlich das gesamte Behandlungsgut infolge der von der Trocknung bewirkten niedrigen Dielektrizitätskonstanten keine Leistung mehr absorbiert, wird der größte Teil der Energie zum Wellenleiter reflektiert. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß das Gerät das Behandlungsgut nur so lange erwärmt, wie dieses Wasser enthält. Diese Eigenschaft führt zu einer allmählichen Trocknung und verringert die Gefahr der Überhitzung der Masse. Die reflektierte Energie wird von einer Schein- oder Hilfsladung 11 aufgefangen (Fig. 1), die mit einem in den Wellenleiter eingesetzten Zirkulator verbunden oder unmittelbar im Wellenleiter angeordnet ist.

F i g. i zeigt weiterhin im einzelnen eine Vorrichtung zum Evakuieren des Behandlungsgeräts. Ein Gebläse 12 bläst Luft durch den Wellenleiter, so daß diese längs der Sendeantenne in die Behandlungskammer strömt und in innige Berührung mit dem Behandlungsgut gelangt, wonach sie schließlich im oberen Teil der Behandlungskammer abgesaugt wird. Der Luftstrom dient bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel gleichzeitig auch zur Kühlung der Hilfsladung, so daß der Luftstrom zum Trocknen vorgewärmt wird.

Der gitterförmige Träger 7 kann gemäß F i g. 1 mit einer Waage 13 verbunden und auf einen beweglichen Kolben 14 in der Sendeantenne 5 abgestützt werden. Der Kolben ist an seinem unteren Ende mit einem Wiegemechanismus verbunden. Diese Anordnung ermöglicht ein kontinuierliches Wiegen des Behandlungsgutes während des Trocknens und die Unterbrechung der Behandlung, sobald sich das Gewicht der Ladung nicht mehr verringert.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellenheizgerät zur Behandlung eines Feuchtigkeit enthaltenden, im wesentlichen scheibenförmigen Gutes mit einer dieses senkrecht zu ihrer Längsachse aufnehmenden zylindrischen Behandlungskammer, die von einer Mikrowellenenergiequelle über eine Sendeantenne koaxial gespeist wird, welche die Verlängerung des inneren Leiters einer Koaxial-Obertragungsleitung bildet, die durch das Zentrum der runden Wand der Behandlungskammer eingeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Durchmesser zur Höhe der Behandlungskammer (1) zwischen etwa 0,77 und demjenigen Wert liegt, der durch die TM 011-Resonanz in der Behandlungskammer (1) bestimmt ist, und der Abstand des zu behandelnden Gutes (10) von der Antenne (5) so gewählt ist, daß bei Beginn der Behandlung aufgrund der höheren Dielektrizitätskonstante des Gutes (10) die elektrischen Feldlinien vorzugsweise innerhalb des Gutes (10) verlaufen und die TM 011-Resonanz auftritt, wogegen bei fortschreitender Behandlung aufgrund der abnehmenden Dielektrizitätskonstante hauptsächlich eine nicht resonante, im wesentlichen axial ausgerichtete Struktur des elektrischen Feldes auftritt.

2. Mikrowellenheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungskammer (1) aus zwei zylindrischen Teilen (2, 3) besteht, von denen einer als Boden und der andere als Deckel dient, und die beiden Teile (2, 3) in der Trennebene mit Dichtungsflanschen (8,9) versehen sind.

3. Mikrowellenheizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dall in der Trennebene ein für Mikrowellen durchlässiger Trüger (7) für das zu behandelnde Gut (10) angeordnet ist.

4. Mikrowellenheizgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (7) Teil einer Waage (13) zum kontinuierlichen Wiegen des Guts (10) während der Behandlung ist.