DE3101641A1

DE3101641A1 - "dielektrische erhitzungsvorrichtung"

Info

Publication number: DE3101641A1
Application number: DE19813101641
Authority: DE
Inventors: Per Olov 56190 Huskarna Risman
Original assignee: P O R MICROTRANS AB
Current assignee: P O R MICROTRANS AB
Priority date: 1980-01-22
Filing date: 1981-01-20
Publication date: 1982-01-14
Also published as: SE417780B; GB2074826A; GB2074826B; US4392039A

Description

Beschreibung

Dielektrische Erhitzungsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine dielektrische Erhitzungsvorrichtung, insbesondere eine Mikrowellen-Erhitzungsvorrichtung, einschließlich der Kopplungselemente an einen Mikrowellengenerator und eines verlustarmen Dielektrikums mit einer Dielektrizitätskonstanten ε¹ ., zum Erhitzen

rd

von Gegenständen. Die Dielektrizitätskonstante des in der Erhitzungsvorrichtung eingeschlossenen verlustarmen Dielektrikums ist höher als diejenige des zu erhitzenden Gegenstands, so daß in der Erhitzungsvorrichtung eine innere Resonanz angeregt wird, die einen spezifischen Feldverlauf verursacht, der an dem und innerhalb des zu erhitzenden Gegenstands oder Materials geschaffen werden soll. Ein anderes Kennzeichen der Erfindung besteht darin, daß der zu erhitzende Gegenstand Abmessungen aufweist, die kleiner sind als eine Wellenlänge im Vakuum, welche der verwendeten Mikrowellenfrequenz entspricht.

Mikrowellenerhitzungsvorrichtungen, welche dielektrische Materialien zur Leitung des Wellenfeldes benutzen, sind bekannt. Erhitzungsvorrichtungen, welche als dielektrische Verzögerungsleitungen ausgebildet sind, sind in der SE-PS 366 456 (mit Zusatzpatent 373 017) beschrieben. Diese Vorrichtungen verwenden fortschreitende Wellen, bei denen ein bedeutender Teil des Energiefeldes außerhalb des Dielektrikums fließt. Außerdem soll der £' -

Wert des Dielektrikums nur den Wert 1 überschreigen und

ist damit nicht in eine besondere Beziehung zu dem £.' Wert des zu erhitzenden Materials gebracht. Die Dimensionen des Dielektrikums müssen nicht eine spezifische Grenze überschrei ten,da sich nur die Grundschwingung fortpflanzen darf. Außerdem werden Resonanzbedingungen aufgrund der fortschreitenden Wellen nicht erwartet.

Mikrowellen-Erhitzungsvorrichtungen vom Hohlleiter-Typ sind ebenfalls bekannt. In diesen Vorrichtungen breitet sich die Mikrowellenenergie durch einen normalen metallischen Hohlleiter aus,dessen Ende sich in Kontakt mit dem zu erhitzenden Gegenstand oder Material befindet. Dieses Prinzip ist weiter in der CH-PS 271 419 beschrieben; aber auch bei diesem Vorrichtungstyp werden keine spezifischen Resonanzbedingungen geschaffen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Erhitzen eines Körpers oder eines Bereichs eines Körpers außerhalb, jedoch in der Nähe oder aber in direktem Kontakt mit der Erhitzungsvorrichtung zu schaffen, die als Mikrowellen-Strahler wirkt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung soll anschließend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den anliegenden Zeichnungen, in denen Erhitzungsvorrichtungen unter Verwendungen verschiedener Hohlleiter gezeigt werden, näher erläutert werden; es zeigen:

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Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Erhitzungsvorrichtung, die sich in Kontakt mit einem zu erhitzenden Gegenstand befindet;

Fig. 2 denselben Querschnitt wie in Fig. 1, jedoch mit eingezeichnetem Feldlinien verlauf;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Erhitzungsvorrichtung, die sich in Kontakt mit einem zu erhitzenden Material in Form eines dünnen Bleches befindet;

Fig. 4· denselben Querschnitt wie in Fig. 3, jedoch mit eingezeichnetem Feldlinien verlauf;

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine Erhitzungsvorrichtung, bestehend aus einem oberen Teil und einem unteren metallbeschichteten dielektrischen Körper, wobei beide Teile in Kontakt mit dem zu erhitzenden Material in Form eines dünnen Bleches sind;

Fig. 6 denselben Querschnitt wie in Fig. 5, jedoch mit eingezeichnetem Feldlinienverlauf;

Fig. 7 dieselbe Erhitzungsvorrichtung wie in Fig. 5, jedoch mit einer verlängerten metallischen Streuverlustabdichtung;

Fig. 8 einen Querschnitt durch eine Erhitzungsvorrichtung mit konischen Enden, die sich in Kontakt mit einer dünnen, zu erhitzenden Materialschicht befindet;

Fig. 9 denselben Querschnitt wie in Fig. 8, jedoch mit eingezeichnetem Feldlinien verlauf;

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Fig. 10 einen Querschnitt durch eine Erhitzungsvorrichtung mit einem kleinen axialen Hohlraum, wobei auch der Feldlinienverlauf eingezeichnet ist;

Fig. 11 einen Querschnitt durch eine andere Version der Erhitzungsvorrichtung;und

Fig. 12 einen Querschnitt durch eine Erhitzungsvorrichtung mit einer durch das gesamte Dielektrikum sich erstreckenden axialen öffnung, wobei diese Ausführungsform zum Erhitzen eines dünnen langgestreckten Materials geeignet ist.

Die generelle Ausgestaltung der Erhitzungsvorrichtung ist in Fig. 1 als Querschnitt durch einen rotationssymmetrischen Körper dargestellt. Die Mikrowellenenergie wird aufgebracht durch ein koaxiales Leitersystem, bestehend aus einem äußeren Leiter 1, einem isolierenden Dielektrikum 2 und einem zentralen Leiter 3. Das Ende dieses zentralen Leiters ist an eine zylindrische Metallantenne ^ angeschlossen, welche in gutem Kontakt mit den inneren Oberflächen eines zylindrischen Hohlraums 5 im Vorrichtungs-Dielektrikum 6 steht. Dieses Dielektrikum ist in einem.Metallrohr 7 untergebracht, welches in sehr gutem Kontakt mit der zylindrischen Oberfläche des Vorrichtungs-Dielektrikums steht. Zur weiteren Verbesserung des Kontakts zwischen dem Metall und dem Dielektrikum kann letzteres metallisiert sein. Ein zu erhitzender Gegenstand 8 befindet sich in direktem Kontakt zu der ebenen Stirnfläche des Dielektrikums.

Die Funktion der Erhitzungsvorrichtung soll in Verbindung mit

der Fig. 2 beschrieben werden, welche die wesentlichen Teile

der Mikrowellen-Erhitzungsvorrichtunq gemäß Fig. 1 sowie

die elektrischen Resonanzfelrilinien zeigt, die durch trrc-

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gung entstehen. Die zylindrische koaxiale Antenne induziert eine rotationssymmetrische transversalmagnetische (TM)-WeIIe im Dielektrikum, welches im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung aus einem Keramikmaterial mit einem hohen £' Wert (£* .) besteht. Um eine Energieübertragung von hoher Qualität zu erreichen, wurde es als brauchbar gefunden,die Antenne in dem zylindrischen Hohlraum im Dielektrikum anzuordnen. Diese Ausgestaltung schafft zugleich eine kompakte Erhitzungsvorrichtung. Da der c¹ -Wert des zu erhitzenden Materials bei ungefähr 50 liegt (Substanzen mit einem hohen Wassergehalt) bei einer allgemein benutzten Mikrowellenfrequenz von 2450 MHz und das Dielektrikum beispielsweise aus einem gesinterten Titan-Dioxid mit einem ε' .-Wert von ungefähr 90 besteht, bildet die Grenzschicht zwischen den beiden Materialien in gewisser Weise eine sogenannte magnetische Wand, d.h. daß die kreisförmigen magnetischen Feldlinien auf das Dielektrikum beschränkt bleiben und dabei ein E-FeId zur Erreichung des Resonanzcharakters erzeugen. Dies geschieht, wenn der £' ,-Wert des Dielektrikums höher ist als der des umgebenden Mediums, d.h. des zu erhitzenden Materials oder im Leerlaufzustand; im letzteren Fall wird die magnetische Wand noch deutlicher hervorgehoben. In Bereichen, in denen das Dielektrikum in direktem Kontakt mit Metall steht, sind die Bedingungen tatsächlich ähnlieh zu denen in einem üblichen Hohlraumresonator, d.h. daß das E-FeId nur eine senkrechte Komponente an der Grenzschicht hat. Die radiale Komponente des Ε-Feldes der zylindrischen TM-Welle, welche aufgrund der entsprechenden Dimensionierung des Dielektrikums angeregt wird, erreicht ihr Maximum in (präziser ausgedrückt: etwas außerhalb) der Grenzschichtoberfläche. Ein gewisser Teil der Schwingungsenergie im Dielektrikum entweicht durch die magnetische Wand und induziert einen Feldverlauf im zu erhitzenden Material S.

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Dieses induzierte Feld gehört dem zylindrischen TM Ol-Typ an und weist einen Feldlinien verlauf auf, der durch das Resonanzfeld des Dielektrikums gemäß Fig. 2 bestimmt ist. Die maximale Feldstärke herrscht entlang der Achse in einigem Abstand von der Grenzschicht, wobei die Feldstärke an der Grenzschicht und insbesondere an der Achse etwas geringer ist.

Die Mikrowellen-Erhitzung wird praktisch nur durch das E-FeId bestimmt, da der Verlustfaktor £." , kleiner ist als

der V ,-Wert des zu erhitzenden Materials. Die Wärmeverri

teilung in dem zu erhitzenden Material ist deshalb durch das E-FeId vorgegeben,wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Dieses Feld nimmt natürlich mit Abstand von der Grenzschicht in dem Maße ab, als die Absorption, die zu einer Erhitzung führt, Platz greift. Diese Abnahme wird auch durch die Bedingungen der aperiodischen Ausbreitung bestimmt, die durch die komplexe Ausbreitungskonstante verursacht wird, welche auftritt, wenn der Durchmesser D der Erhitzungsvorrichtung mit der Dielektrizitätskonstante £* . des zu erhitzenden Materials zu klein ist für die Ausbreitung der TM Ol-Welle. Die Durchdringungstiefe ist deshalb kleiner als 5 bis 15 mm (Energiedichte 1/e des Wertes an der Grenzschicht), welche den Wert für eine ebene Wellenausbreitung darstellt.

Für eine geeignet ausgebildete Erhitzungsvorrichtung müssen die folgenden Kriterien erfolgt sein: der Durchmesser D des Dielektrikums sollte so gewählt werden,daß die gewöhnliche TM Ol-Welle sich ausbreiten kann (unter der Annahme einer unendlichen Länge), d.h. D sollte größer als •λ /(1,306 «V'ε¹ .) sein, wobei Λ die der Frequenz entsprechende Vakuumwellenlänge ist. Die Konstante 1,306 ist

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abgeleitet vom ersten Nullpunkt der 3 -Funktion (2.405) aus der Beziehung A_Q = A =TTD/2.4ü5, wobei -A. die kritische Wellenlänge für die Ausbreitung bedeutet. D sollte nicht merklich größer als dieser Minimumwert sein. Die Gründe dafür sind, daß die Erhitzungszone des zu erhitzenden Gegenstands oder Materials sonst größer ist, daß eine unerwünschte höhere Resonanz auftreten kann, und daß die Strahlungsverluste aus der Erhitzungsvorrichtung unter Leerlauf-Bedingungen ansteigen, wenn der Durchmesser erhöht wird. Solche Verluste sind Jedoch nur dann signifikant, wenn der Durchmesser auf den Wert für die kritische Wellenlänge in Luft erhöht wird, welche für die rotationssymmetrische TM Ol-SchwLngung gleicht /1,306 ist.

Die Höhe des Dielektrikums sollte so gewählt werden, daß bei der benutzten Frequenz Resonanz auftritt. In Fig. 2 ist die zweite Grundschwingung eingezeichnet, d.h. für eine Vorrichtung mit einer Höhe von ungefähr (3M) · Λ wobei

1.306'D-V V ' rd

Höhere Resonanzen können für Vorrichtungshöhen von (5Μ)·Α , usw. auftreten. Zum Zwecke der praktischen Dimensionierung des koaxialen Übergangs (transition), der Größe des Verhältnisses von £'_γη zu t¹ , und der eventuellen Anforderungen an den geringfügig unterschiedlichen Feldverlauf in dem zu erhitzenden Material, was erreicht werden kann, wenn die Resonanz in der Vorrichtung leicht verstimmt ist, wird die Höhe der Vorrichtung normalerweise experimentell bestimmt. Vorzugsweise wird dazu ein Kippgenerator (sweep generator) verwendet, der die leichte Feststellung der

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interessierenden Resonanz erlaubt.

Die Darstellungen gemäß Fig. 1 und 2 zeigen,daß das Dielektrikum auf der ganzen Strecke bis hinunter zu der Oberfläche des zu erhitzenden Materials nicht mit Metall überzogen ist. Eine derartige Abwandlung bietet eine weitere Möglichkeit, den Feldverlauf in dem zu erhitzenden Material durch Verschiebung des Resonanzfeldes in axialer Richtung zu verändern. Die magnetischen Wandbedingungen erzeugen ein E-FeId, das entweder 0 oder parallel zu der Grenzfläche ist, obwohl eine Metallwand bewirkt, daß das E-FeId senkrecht zur Wand verläuft, ohne daß parallele Komponenten auftreten. In Fig. 3 besteht das zu erhitzende Material aus einem verhältnismäßig dünnen Blech, welches zwischen der Erhitzungsvorrichtung und der Metallplatte 12 angeordnet ist. Der Feldverlauf ist dann der gleiche, wie in einem konventionellen Hohlraumresonator (vgl. Fig.4·), d.h. das E-FeId in dem zu erhitzenden Material verläuft axial und nimmt radial nach außen entsprechend der 3 (kr) Funktion ab, wobei es sein Maximum auf der Achse hat. Dadurch können verhältnismäßig hohe Q-Faktoren erreicht werden, welche eine hohe Energiedichte in dem zu erhitzenden Material ergeben, was beispielsweise beim Zusammenschweißen von Kunststoffbahnen vorteilhaft ist.

In Fig. 5 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei der die Erhitzungsvorrichtung aus zwei Teilen 13 und 14-besteht, wobei beide dasselbe Dielektrikum haben. Das untere Teil IA- ist an seiner unteren kreisförmigen Fläche und mindestens teilweise an seiner zylindrischen Oberfläche metallisiert oder metallbeschichtet. Das zu erhitzen de Material 11 ist dünn, aber wird in diesem Fall mit einem ringförmigen Maximum erhitzt, vgl. Fig. 6. Dies tritt ins-

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besondere dann ein, wenn die Höhe des unteren Teils 14 gleich λ /4 ist. Die Trennebene zwischen den Teilen muß selbstverständlich vorhanden sein, damit die Kombinationen des Feldverlaufs gemäß Fig. 4 und 6 erreicht werden. Ein bedeutender Vorteil der Ausgestaltung gemäß Fig. 5 und 6 besteht jedoch darin, daß die Mikrowellenoberflächenströme entlang der zylindrischen Oberfläche am geringsten sind, wenn die Höhe des unteren Teils 14 gemäß der Darstellung ausgebildet ist. Dies ergibt einen hohen Q-Faktor und eine Reduzierung der Mikrowellenverluste.

Eine Möglichkeit zur Reduzierung der Verluste eines Erhitzungssystems gemäß Fig. 5 ist in Fig. 7 dargestellt, wo ein übergreifendes zylindrisches Metallrohr 15 verwendet ist. Dieses Rohr kann an irgendeinem der Teile 13 oder 14 befestigt sein. Es besteht hier natürlich das Erfordernis, daß der Durchmesser des zu erhitzenden Gegenstands oder Materials kleiner ist als der Durchmesser des Rohrs.

Maßnahmen zur Erhöhung der Feldstärke der Erhitzungsvorrichtung oder des Vorrichtungssystems sind in Fig. 8 gezeigt. Durch schrittweise oder kontinuierlich reduzierten Durchmesser des Dielektrikums in beiden Teilen ist es möglich, eine gute Einengung des Feldes durch magnetische Wandeinflüsse (die Oberfläche ist weit mehr parallel zu den E-Feldlinienim Dielektrikum) und eine Konzentration der Feldlinien auf die Fläche zwischen den sich gegenüberliegenden dielektrischen Oberflächen zu erreichen, so daß ein Punktschweißeffekt erhalten wird. Der Feldverlauf ist schematisch in Fig» 9 dargestellt, woraus auch hervorgeht, daß die Höhe des unteren Teils ungefähr λ /2 sein sollte.

Wenn das zu erhitzende Material lang und dünn ist und einen weit geringeren Durchmesser als das Dielektrikum aufweist,

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kann es durch eine sehr hohe Feldstärke erhitzt werden, was durch Einführen in oder durch Hindurchbewegen durch einen axialen Hohlraum im Dielektrikum erreichbar ist. Ein Ausführungsbeispiel ist in Fig. 10 gezeigt, wobei die Tiefe des Hohlraums kleiner als A M ist und sowohl der

9 Rest der kreisrunden unteren Oberfläche als auch der zylindrischen äußeren Oberfläche metallisiert ist. Der Feldverlauf ist in der gleichen Figur dargestellt. Bei hohen Q-Faktoren, die bei einem im Prinzip geschlossenen Resonator erreicht werden, können extrem hohe Feldstärken innerhalb des und nahe dem Hohlraum erreicht werden. Eine andere Ausgestaltung ist in Fig. 11 dargestellt, bei der die untere kreisrunde Oberfläche des Dielektrikums nicht metallisiert ist, wodurch der Feldverlauf verändert und ein tieferer Hohlraum erforderlich wird.

Erhitzungsvorrichtungen der vorstehend beschriebenen Art können für spezielle Zwecke, so z.B. für punktförmiges Erhitzen von Materialien mit geringen dielektrischen Verlusten oder zur Erregung eines Gasplasmas verwendet werden.

Das Gas konnte dann durch eine axiale öffnung durch die gesamte Vorrichtung hindurch geführt werden (die Öffnung kann sich durch die Übertragungsantenne oder in einem nichtmetallischen Rohr fortsetzen) oder durch einen abgedichteten Teil des Hohlraums 21 (Fig. 12 ) zwischen einem koaxialen äußeren und inneren Leiter, durch Öffnungen 22 in der Übergangsantenne 23 in das Dielektrikum 24-fließen.

Die hier beschriebenen Vorrichtungen haben, in geeigneter Weise dimensioniert und gestaltet, einen vernachlässigbaren Leerlauf-Hikrowellenverlust. Sie sehen auch eine einzigartige Felds td rkenkon /cn tra tion auf <:in<; kleLne Fl.iche vor.

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Es ist möglich, eine Erhitzungsfläche von nur einigen Millimetern im Durchmesser zu erreichen. Das bedeutet, daß die Ausführungsformen und die Anwendungsgebiete
mannigfaltig sind, wobei das Prinzip dieser Erfindung nicht auf die hier beschriebenen und dargestellten
Ausführungsformen beschränkt ist.

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AS

Leerseite

Claims

PATENTANWALT

DIPL.-ING. A. BÄRNREUTHER

D-8OOO MÜNCHEN 15 POSTFACH (P. O. B.) 15 03

P.O.R. Microtrans AB μειμζικηιν: Neo 1/81 P

Gasebo '

Huskvarna / Schweden datum_: 20.Jan. 1981

"Dielektrische Erhitzungsvorrichtung"

Patentansprüche

lly Dielektrische Erhitzungsvorrichtung, insbesondere Mikrowellen-Erhitzungsvorrichtung, einschließlich der Kopplungselemente an einen Mikrowellen-Generator und eines verlustarmen Dielektrikums mit einer Dielektrizitätskonstante (t' .), zum Erhitzen von Gegenständen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätskonstante des zu erhitzenden Gegenstands (ε¹ ,) niedriger ist als diejenige des Dielektrikums in der Erhitzungsvorrichtung (ε¹ .); daß die in körperlichem Kontakt mit dem zu erhitzenden Gegenstand stehende Erhitzungsvorrichtung bei der benutzten Mikrowellenfrequenζ einen Resonator bildet; und daß die Erhitzungsvorrichtung als zylindrischer Körper (6,7) ausgebildet ist, bei dem Kopplungselemente (3,4) für eine koaxiale Einspeisung vorgesehen sind.

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-Z-
2. Dielektrische Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die axiale Höhe h des vorstehend erwähnten Dielektrikums, welche durch die folgende Glei chung bestimmt ist:

wobei D der Durchmesser des Dielektrikums, λ ^i_e freie Wellenlänge, die der verwendeten Mikrowellenfrequenz entspricht und η = 1,3,5,7 usw. ist.
3. Dielektrische Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser D bestimmt ist durch:

1.306 -v e'_rd

wobei A die freie Wellenlänge bedeutet, ο
4·. Dielektrische Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum der Vorrichtung durch eine Flächennormale zur Zylinderachse in einen oberen und einen unteren Teil (13,1A-) geteilt ist.
5. Dielektrische Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch ^, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser des oberen und des unteren Teils schrittweise oder kontinuierlich zur Teilungsebene (- Flächennormale) hin abnehmen.
6. Dielektrische Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum dieser Vor-

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richtung entlang seiner gesamten Länge eine axiale Öffnung (22) aufweist.

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