DE3853695T2

DE3853695T2 - Feststehender Induktionsapparat.

Info

Publication number: DE3853695T2
Application number: DE3853695T
Authority: DE
Inventors: Kimiaki Yamaguchi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-05-14
Filing date: 1988-05-14
Publication date: 1995-09-07
Anticipated expiration: 2008-05-15
Also published as: EP0291093B1; KR910003967B1; DE3853695D1; US5025489A; EP0291093A3; EP0291093A2; KR880014837A; CA1309752C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine stationäre Einrichtung zum Übertragen oder Zuführen elektrischer Leistung auf dem Wege elektromagnetischer Induktion, insbesondere eine Technik und eine Hochfrequenz-Heizeinrichtung, bei der eine elektromagnetische Abschirmung der Zufuhrseite der elektrischen Leistung (Primärseite) von der Empfangsseite der elektrischen Leistung (Sekundärseite) ohne nachteilige Auswirkungen auf die dazwischen zu erfüllende elektromagnetische Induktionsfunktion bleibt.
Aufgrund der in letzter Zeit gemachten fortschritte in der Wechselrichtertechnologie werden Systeme mit Wechselrichterstromversorgungen in der Praxis eingesetzt. Bei solchen Systemen mit Wechselrichterstromversorgungen werden Netzfrequenzen, bevor ihre Spannung von einem Hochspannungstransformator erhöht wird und sie einem Magnetron zugeführt werden, in hohe Frequenzen umgewandelt. Wird das System mit einer Wechselrichterstromversorgung für einen elektronisch betriebenen Backofen genutzt, kann die Stromversorgung für das Magnetron des elektronisch betriebenen Backofens kompakt und vom Gewicht her leicht sowie preiswert hergestellt werden.
Bei der genannten Entwicklung fortschrittlicher Technik wurde versucht, eine solche Mikrowellen erzeugende Vorrichtung zur Verwendung in elektronisch betriebenen Backöfen (ein Hochfrequenz-Heizgerät) herzustellen, die kompakt ist, kein hohes Gewicht hat und bei der die Spule der Primärseite (Induktionselement der die Leistung zuführenden Seite) des Hochspannungstransformators (stationäre Induktionseinrichtung) außerhalb eines Abschirmgehäuses vorgesehen ist, während die Spule der Sekundärseite (Induktionselement der Leistung empfangenden Seite) innerhalb des Abschirmgehäuses des Magnetrons angeordnet ist, so daß die Spulen von Primär- und Sekundärseite miteinander induktiv gekoppelt sind, um als Transformator zu wirken, jedoch durch das Abschirmgehäuse voneinander getrennt sind und damit die Abschirmfunktion des Abschirmgehäuses erhalten.
Bei einem elektronisch betriebenen Backofen mit dem oben beschriebenen System einer Wechselrichterstromversorgung können die Hochfrequenzwellen von mehreren zehntausend Hz, die in der Wechselrichterschaltung erzeugt werden, vorteilhaft für eine Induktionsbeheizung genutzt werden. Wird darum eine Heizspirale oder -platte zur Induktionsbeheizung in den elektronisch betriebenen Backofen mit Wechselrichterstromversorgung eingefügt, und ist die Anordnung so gestaltet, daß die elektrische Leistung von einem gemeinsamen Wechselrichter sowohl an die Heizspirale oder -platte als auch an die Mikrowellen erzeugende Vorrichtung geführt wird, kann ein elektronisch betriebener Backofen mit der Funktion einer elektromagnetischen Kochvorrichtung auf den Markt gebracht werden, der als elektronisch betriebener Backofen und als elektromagnetische Kochvorrichtung betrieben werden kann. Obgleich es in diesem Fall möglich wäre, die Heizspirale oder -platte zum elektromagnetischen Kochen auf der oberen Fläche des elektronisch betriebenen Backofenkörpers vorzusehen, gewährt eine Heizspirale oder -platte, die in der Heizkammer, am Boden des elektronisch betriebenen Backofens angeordnet ist, eine leichtere Bedienung, denn dann kann der Raum der Heizkammer sowohl für ein Objekt genutzt werden, das über die Funktion des elektronisch betriebenen Backofens erhitzt wird, als auch für ein Objekt, das auf elektromagnetischem Wege erhitzt werden soll. Wird die Heizspirale jedoch in der Heizkammer untergebracht, in die die Mikrowellen gestrahlt werden, müßte die Erregerspule vor Schaden durch die Mikrowellen geschützt werden. Die Erregerspule muß also von den Mikrowellen abgeschirmt werden, während sie, die ein Induktionselement auf der die elektrische Leistung zuführenden Seite ist, induktiv mit einem metallischen Topf oder dergleichen (einem zu erhitzenden Objekt) gekoppelt sein muß, denn der Metalltopf entspricht einem Induktionselement auf der die elektrische Leistung empfangenden Seite.
Bei der oben beschriebenen Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung und in dem elektronisch betriebenen Backofen, der auch als elektromagnetische Kochstelle funktioniert, müssen die elektromagnetischen Wellen zwischen der elektrische Leistung zuführenden Seite und der elektrische Leistung empfangenden Seite abgeschirmt werden, aber die hochfrequente elektrische Leistung von mehreren zehntausend Hz muß auf dem Wege elektromagnetischer Induktion von der elektrische Leistung zuführenden Seite auf die elektrische Leistung empfangende Seite übertragen werden. Die beschriebene Abschirmung und Übertragung von elektromagnetischer Energie widersprechen einander vom physikalischen Standpunkt aus, und mit konventionellen Techniken (z.B. beschrieben in JP-U-61/1O7 190) konnten solche Ideen eines Mikrowellengerätes oder elektronisch betriebenen Backofens mit elektromagnetischer Kochstelle nicht verwirklicht werden. Es handelte sich um reine Schreibtischideen.
In US-A-3 376 523 wird eine Einrichtung zur Übertragung elektrischer Leistung, magnetische Übertragungsleitung genannt, beschrieben, bei der elektrische Leistung durch magnetische Induktion von einer Primärseite eines Transformators auf die Sekundärseite des Transformators übertragen wird. Zwischen Primärseite und Sekundärseite ist eine Abschirmwand vorgesehen, um Hochfrequenzsignale abzuschirmen. Ist jedoch der Abstand zwischen der zu übertragenden elektrischen Leistung und den abzuschirmenden hohen Frequenzen gering, sind die Abschirmmaßnahmen entweder nicht sehr wirksam oder die Übertragung der elektrischen Leistung wird beeinträchtigt.
In einem Artikel in "Electronic Design", Ausgabe 31 (1983) Februar, Nr. 4, Seiten 165 - 174, wird die Theorie der Abschirmung von elektromagnetischen und HF-Störungen diskutiert und beschrieben, daß Drahtgeflecht oder Metallfolien direkt oder in laminierter Form zwischen Kunststoffflächen verwendet werden können, um solche Störungen zu verhindern. Dieser Artikel beschäftigt sich nicht mit der Übertragung elektrischer Leistung durch Induktion.
Die Erfindung betrifft dementsprechend eine Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung mit einem Induktionselement auf der die elektrische Leistung zuführenden Seite zum Zuführen elektrischer Leistung hoher Frequenz durch elektromagnetische Induktion; mit einem Induktionselement auf der die elektrische Leistung empfangenden Seite zum Empfangen der elektrischen Leistung hoher Frequenz durch elektromagnetische Induktion, und mit einer Abschirmwandung aus Metallfolie zum Abschirmen der Induktionselemente voneinander gegen Frequenzen, die höher sind als die der genannten elektrischen Leistung hoher Frequenz, wie in der oben erwähnten US-A 3 376 523 beschrieben.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Leistung übertragende Einrichtung von hoher Übertragungswirksamkeit zu schaffen, die gleichzeitig eine gute Abschirmung gegen hohe frequenzen bietet.
Nach der Erfindung ist die Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmwandung aus einem metallischen dünnen Film besteht, dessen Dicke geringer ist als 1/10 der Eindringungstiefe der zu übertragenden elektrischen Leistung hoher Frequenz, und der metallische dünne Film von einem Halterungsglied gehaltert wird, der aus einem dielektrischen Material besteht.
Eine Alternativlösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmwandung aus einer Mehrzahl von Zellen mit durchgehenden Öffnungen besteht, von denen jede einen polygonalen Querschnitt aufweist und die so aneinandergrenzend angeordnet sind, daß sie eine gemeinsame Wandfläche haben, wobei die Wandfläche jeder der Zellen mit durchgehenden Öffnungen aus einer Metallfolie gebildet ist, deren Dicke geringer ist als 1/10 der Eindringungstiefe der elektrischen Leistung hoher Frequenz und die Größe des polygonalen Querschnitts jeder der Zellen mit durchgehenden Öffnungen so bemessen ist, daß ihre Grenzfrequenz, wenn als Wellenleiter betrachtet, niedriger ist als die abzuschirmende Frequenz.
Bevorzugte Ausführungsformen der Einrichtung zur Übertragung elektrischer Leistung sowie ein Hochfrequenz-Heizgerät mit einer solchen Einrichtung zur Übertragung elektrischer Leistung sind in den Unteransprüchen definiert.
Die Einrichtung zur Übertragung elektrischer Leistung nach der vorliegenden Erfindung ist auf den Gebieten anwendbar, die am Anfang der Beschreibung angegeben sind, d.h. ein Beispiel ist eine Mikrowellen erzeugende Vorrichtung in einem Hochfrequenz-Heizgerät. Bei einer solchen Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung ist die Sekundärseite des Hochspannungstransformators (stationäre Indukti onsei nri chtung) zum Zuführen von positiver Spannung (Hochspannung) und Heizspannung (Niederspannung) an das Magnetron elektromagnetisch gegen die Primärseite des Hochspannungstransformators durch die Kombination mit der Wechselrichterstromversorgung abgeschirmt, so daß ein Streuen von elektromagnetischen Wellen vom mit der Sekundärseite gekoppelten Kathodenstab verhindert wird. Mit der stationären Induktionseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann deshalb eine sehr effiziente, vom Gewicht her leichte und kompakte Mikrowellen erzeugende Vorrichtung erreicht werden.
Ein zweites Anwendungsbeispiel ist ein elektronisch betriebener Backofen, der auch als elektromagnetische Kocheinrichtung genutzt werden kann, deren Heizspirale oder -platte im oder am Boden einer Heizkammer angeordnet ist. Bei einer solchen Anordnung ist die Heizspirale oder -platte, die ein Induktionselement auf der Zufuhrseite der elektrischen Leistung ist, elektromagnetisch induktiv mit einem Metalltopf (einem zu erhitzenden Gegenstand) verbunden, der einem Induktionselement auf der die elektrische Leistung empfangenden Seite entspricht, wobei die Heizspirale einschließlich der den Topf gegenüberliegenden Fläche elektromagnetisch von den Mikrowellen abgeschirmt ist, so daß die Heizspirale von den Mikrowellen nicht beeinträchtigt wird.
Diese und andere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung verdeutlicht. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen. Es zeigt:
Figur 1 einen Querschnitt einer konventionell aufgebauten Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung, die ein Magnetron enthält und eine Wechselrichterstromversorgung sowie die entsprechende Lei stungsschal tung verwendet,
Figur 2 einen Querschnitt durch ein Beispiel einer Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung mit einer Wechselrichterstromversorgung und einer stationären Induktionseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
Figuren 3 (a) + 3 (b) zeigen Schaltungsdiagramme der Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung nach Figur 2,
Figur 4 ist eine grafische Darstellung der Abschirmeigenschaften von Metallfolien in dem magnetischen Wechselfeld,
Figur 5 zeigt einen Querschnitt durch ein zweites Beispiel einer Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung mit einer Wechselrichterstromversorgung und einer stationären Induktionseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung,
Figuren 6 (a) + 6 (b) zeigen perspektivische Ansichten sowie eine vergrößerte Draufsicht auf einen wabenartigen Kern, der ein wesentliches Teil der Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung nach Figur 5 darstellt,
Figuren 7 (a) - 7 (c) sind Diagramme zur Erklärung der Funktion des wabenartigen Kerns nach Figur 6,
Figur 8 zeigt einen Querschnitt eines elektronisch betriebenen Backofens mit elektromagnetischer Kocheinrichtung, bei dem die stationäre Induktionseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird,
Figuren 9 (a) + 9 (b) sind vergrößerte Ansichten eines wesentlichen Abschnittes des Backofens nach Figur 8,
Figuren 10 (a) - 10 (c) sind Diagramme, die die funktion des Abschnittes nach Figur 9 darstellen, und
Figur 11 ist ein Schaltungsdiagramm des elektronisch betriebenen Backofens nach Figur 8.
Bevor mit der Beschreibung der vorliegenden Erfindung begonnen wird, soll, gestützt auf die Beschreibung in der japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift JP-U-61107 190 (107190/1986), beschrieben werden, warum mit den konventionellen Mitteln bisher die Abschirmung von Mikrowellen und die Übertragung von elektrischer Leistung durch elektromagnetische Induktion technisch gar nicht möglich war.
Generell wird eine Filterschaltung für das Magnetron aus einer Drosselspule in einem Abschirmgehäuse gebildet, das einen Kathodenstab des Magnetrons und einen Durchführungs-Kondensator abdeckt, um ein Streuen elektromagnetischer Wellen von einer Eingangsanschlußseite, nämlich der Kathodenstabseite, zu verhindern. Wird unterdessen ein Wechselrichter von beispielsweise über 20 kHz eingesetzt, so wird die elektrische Leistung, die vom Wechselrichter in Hochfrequenzwel len umgewandelt wird, von der Filterschaltung ungünstig beeinflußt, und es wird darum schwierig, sie dem Magnetron zuzuführen. In Figur 1 ist ein Querschnitt eines wesentlichen Abschnittes einer konventionellen Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung mit der in der genannten japanischen Gebrauchsmuster-Offenlegungsschrift JP-U-61107 190 beschriebenen Wechselrichter dargestellt, die die oben genannten Nachteile beheben soll. In der Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung nach Figur 1 weist eine Oszillatorröhre 14 an einem Ende eine Antenne 19 auf und an ihrem anderen Ende einen Kathodenstab 20 mit Kathodenanschlüssen 21 und 22. Der Kathodenstab 20 ist von einem Abschirmgehäuse 23 umgeben, das elektrisch mit der Oszillatorröhre 14 verbunden ist und aus einen nichtmagnetischen, leitenden Material besteht. Das Abschirmgehäuse 23 schirmt das Innere des Gehäuses vom Außeren elektromagnetisch völlig ab. Ein Primärseitenkern 24, der mit einer Primärwicklung 6a eines Hochspannungstransformators 6 bewickelt ist, ist außerhalb des Abschirmgehäuses 23 gegenüber einer Sekundärwicklung 6b und einer Niederspannung-Sekundärwicklung 6c innerhalb des Abschirmgehäuses 23, getrennt durch Wandfläche 23a, angeordnet. Bei der Ausführung, auf die hier Bezug genommen wird, sind der Primärseitenkern 24 und der Sekundärseitenkern 25 so angeordnet, daß sie elektromagnetisch über die Wandfläche 23a durch gegenseitige Induktion miteinander gekoppelt sind. Es kann so verhindert werden, daß die Hochfrequenzwel len von der Seite des Eingangsstabes des Magnetrons streuen und gleichzeitig kann die in Hochfrequenzwel len umgewandelte elektrische Energie dem Magnetron zugeführt werden. Obgleich es so scheint, als ob die hier beschriebene Anordnung wie erklärt funktioniert, ist der Aufbau praktisch gesehen lediglich eine Schreibtischidee, die unmöglich auszuführen ist. Die Gründe dafür sollen nachfolgend erläutert werden.
Nach der Beschreibung der oben genannten japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung besteht das Abschirmgehäuse 23, das den an einem Ende der Oszillatorröhre 14 angeordneten Kathodenstab 20 umgibt, aus einem nichtmagnetischen leitenden Material und die Primärseite und die Sekundärseite des Hochspannungstransformators befinden sich, via Wandfläche 23a, außerhalb und innerhalb des Abschirmgehäuses 23. In diesem Fall stimmt es, daß ein Streuen der Hochfrequenzwel len vom Kathodenstab 20 verhindert werden kann, jedoch heißt das gleichzeitig, daß Primärseite und Sekundärseite des Hochspannungstransformators voneinander abgeschirmt sind und die elektromagnetische Energie nicht an das Magnetron übertragen werden kann. Eine solche Position oder Anordnung von Primär- und Sekundärseite des Hochspannungstransformators kann nicht in der Lage sein, durch gegenseitige Induktion eine elektromagnetische Kopplung zu schaffen. Und zwar aus folgendem Grunde nicht: die Wandfläche 23a des Abschirmgehäuses 23 besteht aus einem leitenden Material; das in der Primärwicklung 6a des Hochspannungstransformators 6 durch den hochfrequenten Strom erzeugte Magnetfeld erzeugt einen induzierten Wirbel strom in der Wandfläche 23a und die elektrische Energie des Magnetfeldes wird von diesem Wirbel strom als Joulesche Wärme verbraucht. Folglich wird die elektrische Energie niemals an die Sekundärwicklungen 6b und 6c des Hochspannungstransformators 6 übertragen bzw. sie wird in hohem Maße gedämpft. Von einem anderen Gesichtspunkt aus gesehen ist das Abschirmgehäuse 23 aus leitendem Material äquivalent zu einer dritten Sekundärwicklung, die kurzgeschlossen und dem Hochspannungstransformator 6 hinzugefügt ist. Man kann also davon ausgehen, daß die elektrische Energie des Magnetfeldes fast vollständig von dem Kurzschlußstrom verbraucht wird, der in der kurzgeschlossenen Sekundärwicklung fließt. Man muß also sagen, daß die konventionelle Anordnung lediglich eine theoretische Vorstellung ist, denn das Abschirmgehäuse 23 soll eine Funktion haben, die mit konventionellen Mitteln oder Maßnahmen physikalisch nicht zu verwirklichen ist.
Um die beschriebenen, dem bekannten Stand der Technik innewohnenden Nachteile auszuschließen oder die Probleme zu lösen, schlägt die vorliegende Erfindung eine Abschirmtechnik für eine Hochfrequenz- Heizeinrichtung vor, die mit einer stationären Induktionseinrichtung installiert ist, bei der die die elektrische Leistung zuführende Seite (Primärseite) der stationären Induktionseinrichtung von der die elektrische Leistung empfangenden Seite (Sekundärseite) elektromagnetisch abgeschirmt werden kann, ohne die elektromagnetische Induktionswirkung nachteilig zu beeinflussen.
Es sind unterschiedliche Verfahren zur praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung möglich; einige werden nacheinander unter Bezugnahme auf ihre Ausführungsformen beschrieben.
Eine erste Ausführungsform bezieht sich auf ein Magnetron und den dazugehörigen Hochspannungstransformator, deren Aufbau und Funktion anhand der Figuren 2 bis 5 beschrieben wird.
In Figur 2 ist ein Querschnitt eines wesentlichen Abschnittes eines Hochfrequenz-Heizgerätes dargestellt, der eine stationäre Induktionseinrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält. Figur 3 (a) zeigt schematisch ein Schaltungsdiagramm des Schaltungsaufbaus des Hochfrequenz-Heizgerätes mit dem in Figur 2 dargestellten wesentlichen Abschnitt.
Nach der Figur 3 (a) wird elektrische Leistung von einer öffentlichen Stromversorgung zugeführt, von einer Gleichrichterschaltung 3 gleichgerichtet und dann einer Wechsel richterschal tung zugeführt, die einen Kondensator 8, eine Diode 9 und einen Transistor 10 als Schaltelement enthält, und zwar zugeführt durch ein Tiefpaßfilter, das aus einer Induktivität 5 und einem Kondensator 4 zusammengesetzt ist. Der Transistor 10 wird von einem Hochfrequenzimpuls einer Steuerschaltung 11 ein- und ausgeschaltet.
Nachdem die elektrische Leistung durch die Wechselrichterschaltung in eine Hochfrequenz von etwa 20 kHz umgewandelt und an eine Primärwicklung 7a eines Hochspannungstransformators 7 geleitet wurde, wird sie an einer Sekundärwicklung 7b als Anodenspannung des Magnetrons bzw. einer Sekundärwicklung 7c als Kathodenspannung des Magnetrons erregt, um dem Magnetron 13 zugeführt zu werden. Aus Figur 2 geht hervor, daß ein Hauptbestandteil des Magnetrons eine Oszillatorröhre 14 mit einer Antenne 19 an einem Ende und einem Kathodenstab 20 am anderen Ende ist. Ein Abschirmgehäuse 28, das den Kathodenstab 20 bedeckt, ist mit einem Deckel 28a ausgerüstet, der Teil der Gehäusewandfläche ist und aus einem abschirmenden Film 28b eines nichtmagnetischen, metallischen Dünnfilms oder einem metallischen Evaporat als Film und einem Trägerglied 28c aus einem dielektrischen Material besteht, das den abschirmenden Film 28b trägt.
Der Kern des Hochspannungstransformators 7 ist durch den Deckel 28a des Abschirmgehäuses 28 geteilt, um einmal im und zum anderen außerhalb des Gehäuses 28 angeordnet zu sein. Auf einem primärseitigen Kern 7p außerhalb des Abschirmgehäuses 28 befindet sich eine Primärwicklung 7a, und auf einem sekundärseitigen Kern 7s im Abschirmgehäuse 28 befinden sich Sekundärwicklungen 7b und 7c. Aus Gründen der Frequenz ist das Kernmaterial im allgemeinen Ferrit. Es wurde bereits gesagt, daß der Primärwicklung 7a von der Wechsel richterschal tung in hohe Frequenzen umgewandelte Spannung zugeführt wird, während die Hoch- bzw. Niederspannung, die von den Sekundärwicklungen 7b und 7c erzeugt werden, über Kathodenanschlüsse 20 und 21 als Anoden- bzw. Kathodenspannung dem Magnetron zugeführt werden.
Nachfolgend wird die Abschirmwirkung des Abschirmgehäuses 28 und die Funktionsweise des Hochspannungstransformators 7 erläutert.
Allgemein gesagt entsteht, wenn an ein leitendes Teil aus Metall ein Magnetwechselfeld angelegt wird, ob das Teil magnetisch ist oder nicht, ein Induktionsstrom. Die Tiefe, in die der Induktionsstrom von der Oberfläche aus eindringt, ist begrenzt. Beträgt die Stromdichte I 1/e der Oberflächenstromdichte Io, so führt die Eindringungstiefe p(m) zu der Gleichung begründet δ = [p/πfµ], wobei p ein spezifischer Widerstand des Leiters ist (Ohm m), f (Hz) ist die Frequenz und µr ist eine spezifische magnetische Permeabilität.
Die Stromdichte I im Leiter an einer Stelle, die x von der Oberfläche entfernt ist, wird allgemein durch eine Gleichung I = Io e-x/δ ausgedrückt, wobei Io die Stromdichte an der Oberfläche darstellt. Die Dämpfung des Magnetfeldes ist proportional zur Dämpfung des Stromes und das Dämpfungsverhältnis A (dB) wird wie folgt ausgedrückt
A = 20 log Ha/H = 20 log Io/I = 8.686x x/δ dB
So ist z.B. bei einem Aluminiumblech die Eindringungstiefe 6 etwa 0,6 mm bei einer Frequenz von 20 kHz. Selbst wenn das Aluminiumblech etwa 0,6 mm dünn ist, beträgt das Dämpfungsverhältnis A 8,686 dB. Das von einer Oberfläche des Aluminiumblechs hinzugefügte magnetische Wechselfeld dringt also kaum bis an die entgegengesetzte Oberfläche, und fast das ganze magnetische Wechselfeld wird von dem im Aluminiumblech induzierten Strom als ohmscher Verlust aufgebraucht.
Wird dagegen anstelle eines Aluminiumblechs eine Aluminiumfolie mit einer Dicke von 20 µm verwendet, beträgt diese Dicke von 20 µm 1/30 von 6 = 0,6 mm (600 µm), was gleich der Eindringungstiefe bei 20 kHz ist. Das Dämpfungsverhältnis A wird 0,3 dB. Entgegen dem oben geschilderten Fall mit dem Aluminiumblech, kann die Energie hier an die entgegengesetzte Oberfläche fast vollständig (97 %) übertragen werden.
Aus Figur 4 ist zu ersehen, wie sich die Abschirmung hinsichtlich des magnetischen Wechselfeldes der Metallfolie oder dem leitenden Beschichtungsfilm abhängig von der Frequenz ändert. Die Grafik der Figur 4 macht deutlich, wie auch die Gleichung δ = [p/πfµ], daß die Eindringungstiefe 6 in Übereinstimmung mit dem Inkrement der Frequenz f kleiner wird, wodurch der Abschirmeffekt der Metallfolie oder des leitenden Beschichtungsfilms erhöht wird.
Wird ein metallischer Dünnfilm aus nichtmagnetischem rostfreiem Stahl (SUS) mit einer Dicke von 50 µm als Abschirmfilm 28b verwendet, kann gesagt werden, daß von dem metallischen Dünnfilm bei einer Frequenz von unter 100 kHz überhaupt keine Abschirmwirkung gegenüber dem magnetischen Wechselfeld ausgeht. Folglich funktioniert der Hochspannungstransformator 7 in perfekter Weise als ein Transformator, obgleich seine Primärseite und seine Sekundärseite durch den Deckel 28a getrennt sind. Störungen, die vom Magnetron ausgehen, streuen dagegen weit in den Niederfrequenzbereich und auch in den Bereich der Basisfrequenz von 2450 MHz. Es ist von wesentlicher Bedeutung, daß der Bereich hoher Frequenzen über 10 MHz abgeschirmt wird. Selbst wenn der Abschirmfilm 28b aus einer Metallfolie aus nichtmagnetischem rostfreiem Stahl (SUS) von 50 µm Dicke besteht, wird der Abschirmeffekt über 25 dB (Magnetfeldmodus) erzielt; außerdem erhöht sich die Abschirmwirksamkeit immer stärker, je höhe die Frequenz wird. Es wird darauf hingewiesen, daß die Wicklungen des Transformators durch das magnetische Wechselfeld miteinander gekoppelt sind; die Daten der Figur 4 werden im Magnetfeldmodus erzielt. Experimente haben gezeigt, daß, wenn die gleiche nichtmagnetische rostfreie Stahlfolie (SUS) von 50 µm Dicke im Modus des elektrischen Feldes verwendet wird, eine Abschirmwirkung mit einem Dämpfungsverhältnis von über 40 dB erreicht wird, eingeschlossen der Frequenzbereich von unter 10 MHz. Was das Streuen elektromagnetischer Wellen vom Kathodenstab 20 betrifft, was zu verhindern ist, so wird tatsächlich eine wirksame Abschirmung in der Mitte des Magnetfeldmodus und des elektrischen Feldmodus erreicht; nichtmagnetischer rostfreier Stahl ist also ausreichend wirksam als Abschirmfilm, um ein Streuen hochfrequenter Wellen zu verhindern.
Obgleich die Dicke des Abschirmfilms 28b unter Berücksichtigung des Hochspannungstransformators 7, der Abschirmcharakteristika usw. bestimmt wird, sollte auch der Verlust im Abschirmfilm 28b berücksichtigt werden; eine Standarddicke des Abschirmfilm 28b ist darum weniger als 1/10 der Eindringungstiefe δ.
Weist der Abschirmfilm 28b eine Dicke von 1/10 der Eindringungstiefe 6 auf, beträgt das Dämpfungsverhältnis A etwa 10 %, in Übereinstimmung mit der früher angegebenen Gleichung A = 8,686 x x/δ (dB), d.h. A = 0,8686 dB.
Entscheidend für die Mindestdicke des Abschirmfilms sind im Gegenteil die niedrigste abzuschirmende Frequenz sowie die erforderliche Abschirmcharakteristik (Dämpfungsverhältnis). Obgleich Streustrahlung vom Kathodenstab 20 des Magnetrons 13 nicht nur in den Hochfrequenzbereich um 2450 Mhz dringt, sondern auch in den Bereich niedriger Frequenzen, liegt die niedrigste Frequenz, für die ein hoher Abschirmeffekt des Abschirmgehäuses erforderlich ist, bei etwa 20 MHz. Wird angenommen, daß die Wechselrichterfrequenz 20 kHz ist, dann sind die als niedrigste Frequenz genannten 20 MHz das Tausendfache der Wechselrichterfrequenz, und die Eindringungstiefe ist etwa 1/30. Besteht der Abschirmungsfilm aus Aluminium, dann ist die Eindringungstiefe bei einer Frequenz von 20 MHz 0,02 mm (20 µm), was 1/30 der Eindringungstiefe von 0,6 bei einer Frequenz von 20 kHz ist, das ist die Standarddicke des Abschirmfilms. In der Praxis wird jedoch, um den Übertragungsverlust in der stationären Induktionseinrichtung so gering wie möglich zu halten, der Anspruch an die Abschirmcharakteristik geringfügig gelockert, und es werden häufig dünnere Abschirmfilme eingesetzt, die bei der Wechselrichterfrequenz 1/100 oder 1/200 der Eindringungstiefe haben.
Aus der obigen Beschreibung wird deutlich, daß nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Abschirmgehäuse 28 ein Streuen der Hochfrequenzwel len vom Kathodenstab des Magnetrons verhindern und der Hochspannungstransformator 7, obgleich er durch die Wandfläche des Abschirmgehäuses 28 getrennt ist, als Transformator wirken kann.
Wird ein konventioneller Hochspannungstransformator mit Netzfrequenz und einer Leistung von beispielsweise etwa 1 kW verwendet, wäre ein solcher Transformator fast ein Eisenblock mit einem Gewicht von 4 kg und einer Außenabmessung von 110 x 110 x 70 mm, er wäre damit beträchtlich schwerer und größer als ein Magnetron, das 1 kg wiegt und außen 100 x 100 x 50 mm mißt. Damit würde nicht nur die ganze Schaltung für die elektrische Leistungsquelle von Gewicht und Umfang her groß, sondern es wäre auch nicht möglich, den Hochspannungstransformator so auszubilden, daß er mit dem Abschirmgehäuse des Magnetrons ein Teil bildet. Nach der vorliegenden Erfindung ist ein leichter und kompakter Aufbau des Hochspannungstransformators möglich, weil die elektrische Leistung von der Hochfrequenz-Wechsel richterschal tung in Hochfrequenzwel len von mehreren zehntausend Hz umgewandelt und außerdem anstelle von plattenähnlichem Siliziumstahl Ferrit für den Magnetkern genommen wird; d.h. es sind ein Gewicht von 0,4 kg und äußere Abmessungen von 7O x 70 x 40 mm möglich, womit der Hochspannungstransformator an das Abschirmgehäuse des Magnetron anzugliedern ist.
Besteht der Abschirmfilm aus einem magnetischen Metall, bildet er ungünstigerweise einen magnetischen Nebenschluß im Magnetkreis des Hochspannungstransformators 7, was zu einer Verringerung der magnetischen Eigenschaften führt. Es ist darum vorteilhaft, ein nichtmagnetisches Metall, beispielsweise Aluminium oder dergleichen, für den oben beschriebenen Abschirmfilm zu verwenden. Wird ein nichtmagnetisches Material wie Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) verwendet, wird hingegen die Eindringungstiefe 6 aufgrund des geringen spezifischen Widerstandes d (Ohm m) dieser Materialien gering, was zu Schwierigkeiten bei der Bearbeitung führt. Das Material für den Abschirmfilm muß darum sorgfältig ausgewählt werden, und bei der Wahl müssen die oben gemachten Angaben beachtet werden. So kann z.B. Monel (eine Legierung, die im wesentlichen aus Nickel und Kupfer besteht) als Material für den Abschirmfilm als geeignet gelten, denn es ist nichtmagnetisch, weist jedoch einen verhältnismäßig großen spezifischen Widerstand auf.
Um die Wirbelstromverluste durch vom Hochspannungstransformator streuenden Magnetismus zu verringern, ist es vorteilhaft, wenn die andere Abschirmwandfläche des Abschirmgehäuses 28 - außer dem Abschirmfilm 28b - beispielsweise aus Aluminium besteht, das eine gute elektrische Leitfähigkeit hat und ein nichtmagnetisches Metall ist. Es ist wünschenswert, daß die Wandstärke über 0,6 mm liegt, was bei der Wechselrichterfrequenz (20 kHz) die Eindringungstiefe von Aluminium ist.
Eine Lüftungsöffnung 28d ist in der Gesamtfläche des Abschirmgehäuses 28 vorgesehen, um die Sekundärseite des Hochspannungstransformators 7 zu kühlen. Diese Sekundärseite wird mit Hilfe eines Lüfters 2 von außerhalb des Abschirmgehäuses 28 zwangsgekühlt.
Bei der hier beschriebenen Ausführungsform wird die Spannung an der Sekundärseite des Hochspannungstransformators dem Magnetron unverändert als Anodenspannung zugeführt; die Spannung an der Sekundärseite kann jedoch auch über eine Diode und einen Kondensator verdoppelt und gleichgerichtet oder einer Ganzwellengleichrichtung durch viele Dioden unterworfen werden, bevor sie der Anodenelektrode zugeführt wird.
Selbstverständlich sind unterschiedliche Schaltungen möglich. Bei einem Aufbau, der dem oben beschriebenen gleicht, sind solche Schaltungselemente wie Diode, Kondensator usw. natürlich im Abschirmgehäuse vorgesehen. In Figur 3 (b) ist an einem Beispiel eine wie oben beschrieben aufgebaute Schaltung dargestellt, bei der eine Diode 29 und ein Kondensator 3O eine Spannungsverdopplungsschaltung bilden.
Aus der oben gegebenen Beschreibung geht hervor, daß die folgenden Wirkungen von einer Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung, die entsprechend der Erfindung zusammen mit einer stationären Induktionseinrichtung installiert ist, erreicht werden können.
(1) Die vom Kathodenstab des Magnetrons streuenden Mikrowellen und die Störungen der Hochfrequenzwel len, die mit dem Streuen der"Mikrowel len einhergehen, werden innerhalb des Abschirmgehäuses abgeschirmt, wohingegen die Sekundärseite des Hochspannungstransformators im Abschirmgehäuse magnetisch mit der Primärseite außerhalb des Abschirmgehäuses gekoppelt werden kann und damit die Funktion eines Transformators erfüllt wird. Die elektrische Leistung, die vom Wechselrichter in Hochfrequenzwellen umgewandelt wird, kann demzufolge dem Magnetron wirksam zugeführt werden.
(2) Wird ein konventioneller Hochspannungstransformator verwendet, der die elektrische Leistung des öffentlichen Netzes mit der dort vorhandenen Frequenz anhebt, und beispielsweise mit einer Leistung von 1 kW arbeitet, kann er nicht mit dem Magnetron eine Einheit bilden, da der Hochspannungstransformator große Außenabmessungen aufweist und über 4 kg schwer ist, d.h. er ist viermal so schwer wie das Magnetron. Da nach der hier beschriebenen Ausführungsform mit dem verwendeten Hochfrequenz-Wechselrichter die elektrische Leistung in Hochfrequenzwel len von mehreren zehntausend Hz umgewandelt wird und außerdem für den Magnetkern anstelle von Siliziumstahlblech Ferrit verwendet wird, weist die Mikrowellen erzeugende Vorrichtung einen bemerkenswert kompakten Aufbau auf, 0,4 kg Gewicht und geringe Abmessungen, in dem Hochspannungstransformator und Magnetron eine Einheit bilden.
(3) Eine Filterschaltung, die aus einer Induktivität und einem Kondensator (ein Durchführungskondensator) zusammengesetzt ist und im Stand der Technik im Abschirmgehäuse vorgesehen ist, um ein Streuen von Hochfrequenzwellenstörungen zu vermeiden, ist bei der vorliegenden Ausführungsform nicht erforderlich. Es gibt also keinen durch die Filterschaltung hervorgerufenen Spannungsabfall und Verlust an elektrischer Leistung. Da Kapazität (Durchführungskondensator) und Induktivität, die eine hohe Spannungsfestigkeit aufweisen müssen, weil die Anodenspannung etwa 4 kV beträgt, und dementsprechend teuer sind, nicht erforderlich sind, sind die Herstellkosten für die Einrichtung bedeutend niedriger.
Ahnlich der ersten Ausführungsform betrifft eine zweite Ausführungsform das Magnetron und den Hochspannungstransformator. Der Unterschied liegt in einer Abschirmwandung zwischen der Primärseite (elektrische Leistung zuführende Seite eines Induktionselementes) und der Sekundärseite (elektrische Leistung empfangende Seite eines Induktionselementes) des Hochspannungstransformators. Unter Hinweis auf die Figuren 5 bis 7 werden im wesentlichen die Unterschiede der zweiten Ausführungsform gegenüber der ersten beschrieben.
Figur 5 zeigt einen Querschnitt eines wesentlichen Abschnittes einer Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung, die die Wechselrichterstromversorgung nutzt und mit einer stationären Induktionseinrichtung (Hochspannungstransformator) nach der zweiten Ausführungsform ausgerüstet ist.
In dem Aufbau nach Figur 5 besteht der Deckel 28a, der Teil der Wandfläche des Abschirmgehäuses 28 ist, die den Kathodenstab 20 abdeckt, aus einem wabenartigen Kern 28f aus Aluminiumfolie und einem Träger 28c aus dielektrischem Material, der den wabenartigen Kern 28f trägt. Der Deckel 28a nach der zweiten Ausführungsform ist anders aufgebaut als der der ersten Ausführungsform in Figur 2.
Anhand der Figur 6 wird der Aufbau des wabenartigen Kerns 28f aus Aluminium im Detail beschrieben.
Figur 6 (a) stellt eine perspektivische Ansicht eines generell rechteckigen Teiles des wabenartigen Kerns 28f aus Aluminium dar, und Figur 6 (b) zeigt eine vergrößerte Ansicht einer der Zellen (Aufbau einer Einheit), aus denen der wabenartige Kern 28f aus Aluminium besteht. Wie aus der Figur 6 (b) hervorgeht, ergibt sich der wabenartige Kern 28f aus dem Zusammenkleben vieler sechseckiger Zellen aus Aluminiumfolie. Der wabenartige Kern 28f weist trotz seines geringen Gewichts eine verhältnismäßig große mechanische Festigkeit auf; aus diesem Grunde werden Wabenkonstruktionen in Flugzeugen eingesetzt. Der wabenartige Kern 28f schirmt außerdem gegen elektromagnetische Wellen ab, während die Gasdurchlässigkeit erhalten bleibt. Wabenartig aufgebaute Konstruktionen sind weit verbreitet, beispielsweise bei Lüftungsfenstern von Abschirmräumen zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen usw. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Dicke der Aluminiumfolie S des wabenartigen Kerns 28f bei einer Wechselrichterfrequenz von 20 kHz unter 1/10 der Eindringungstiefe von 0,6 mm von Aluminium bei der oben genannten Frequenz. Die Zellengröße D und die Kernhöhe T des wabenartigen Kerns 28f werden auf der Basis der höchsten unerwünschten Strahlung, die abzuschirmen ist, festgesetzt; bei der zweiten Ausführungsform beträgt die Kernhöhe T 1,5 mm und die Zellengröße D etwa 3 mm.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der wie oben beschrieben aufgebauten, Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung anhand einer zweiten Ausführungsform beschrieben. Anhand der Figur 7 soll zuerst die Funktion des Hochspannungstransformators erläutert werden.
In Figur 7 (a) wird die Beziehung zwischen wabenartigem Kern 28f aus Aluminiumfolie 32, Hochspannungstransformator 6, der, durch den wabenartigen Kern 28f getrennt, außerhalb und innerhalb des Abschirmgehäuses 28 angeordnet ist, und der Linie 31 dargestellt, entlang der der Magnetfluß des Hochfrequenz-Magnetfeldes von 20 kHz verläuft, das vom in Betrieb gesetzten Hochspannungstransformator 7 erzeugt wird. In Figur 7 (b) ist eine vergrößerte Darstellung des Verhältnisses von wabenartigem Kern 28f zum Magnetflußverlauf 31 gezeigt. Der Magnetfluß 31 verläuft generell parallel zur Axialrichtung jeder Zelle (Aufbau aus Einzeleinheiten), die den wabenartigen Kern 28f bilden.
Wie im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben wurde, erzeugt ein elektrischer Leiter, dargestellt durch ein Metall, bei Anlegung eines Wechselfeldes einen induzierten Strom, unabhängig davon, ob der Leiter magnetisch ist oder nicht. Der induzierte Strom dringt von der Oberfläche in eine begrenzte Tiefe ein. Wird die Stromdichte I 1/e des Oberflächenstromes Io, so wird diese Tiefe Eindringungstiefe δ (m) genannt. Und die Eindringungstiefe δ (m) wird durch eine Gleichung ausgedrückt:
δ = [p/πfµ]
wobei p (Ohm m) ein spezifischer Widerstand des Leiters ist, f (Hz) eine Frequenz und µr eine spezifische Permeabilität. Die Stromdichte I an einer Position x von der Oberfläche des Leiters wird ausgedrückt durch:
I = Io e-x/ .....(1)
wobei Io die Stromdichte an der Oberfläche ist. Wenn beispielsweise der Leiter aus Aluminium besteht, ist die Eindringungstiefe nδ etwa 0,6 mm bei einer Frequenz von 20 kHz. Der Induktionsstrom verläuft senkrecht zur Richtung des Magnetfeldes (Richtung des Magnetflusses 31).
In Figur 7 (c) ist die Beziehung dargestellt zwischen Aluminiumfolie 32 mit der Dicke S zur Richtung des Magnetflusses 31 im Wechselfeld, das parallel zur Aluminiumfolie 32 hinzugefügt wird, sowie zum in der Aluminiumfolie 32 induzierten Strom. Von der Oberfläche verringert sich der induzierte Strom in der Aluminiumfolie exponentiell und funktionell wie in der Gleichung (1) angegeben. Der in der Aluminiumfolie 32 induzierte Strom verläuft senkrecht zum Magnetfeld, und die Stromdichte ist Ia und Ib, einander entgegengesetzt an der Rück- bzw. Vorderfläche der Aluminiumfolie. Ist die Dicke S der den wabenartigen Kern 28f ausmachenden Aluminiumfolie ausreichend kleiner als die Eindringungstiefe δ = 0,6 mm, beispielsweise bei einer auf 1/10 der Eindringungstiefe festgesetzten Dicke S, sind die Stromdichten Ia und Ib, die in entgegengesetzte Richtungen auf der Rück- und Vorderfläche der Aluminiumfolie induziert werden, einander entgegengesetzt und die tatsächlich vorhandene Stromdichte I ist die Differenz zwischen der Stromdichte Ia und der Stromdichte Ib. Darum ist der in der parallel zum Magnetfeld angeordneten Aluminiumfolie induzierte Strom fast vernachlässigbar, wenn die Dicke der Aluminiumfolie unter 1/10 der Eindringungstiefe 6 liegt, z.B. so gering ist wie 0,02 mm.
Wird jedoch die wabenartige Struktur wie in der vorliegenden Ausführungsform durch Aneinanderkleben von Folien erzeugt, dann ergeben sich an zwei der sechs Seiten der sechseckigen Zellen (Aufbau aus Einheiten) Verdoppelungen der Foliendicke. Das muß bei der Bestimmung der Dicke der Aluminiumfolie berücksichtigt werden.
Wie oben beschrieben wurde, tritt bei 20 kHz im Hochfrequenz-Magnetfeld fast kein Energieverlust auf, obwohl zwischen dem Primärseitenkern 7p und dem Sekundärseitenkern 7s des Hochspannungstransformators 7 der wabenartige Kern 28f aus Aluminium angeordnet ist; der Hochspannungstransformator 7 ist also uneingeschränkt betriebsfähig.
Nachfolgend wird die Funktion und das Verhalten im Betrieb des Abschirmgehäuses 28 für das Magnetron 13 beschrieben.
Die unerwünschte Streustrahlung vom Kathodenstab 20 des Magnetrons 13 reicht weit in den Bereich niedriger Frequenzen und auch in den Bereich hoher Frequenzen von 2450 MHz. Das Abschirmgehäuse 28 sollte jedoch lediglich im Bereich von etwa 20 MHz bis höchstens 20 GHz abschirmend wirken.
Bei einer Frequenz von 20 MHz ist die Eindringungstiefe 6 der Aluminiumfolie, aus der der wabenartige Kern 28f aufgebaut ist, 1/41000 des Wertes von 20 kHz, d.h. etwa 0,02 mm, was gleich der Foliendicke des wabenartigen Kerns 28f nach der vorliegenden Ausführungsform ist. Mit anderen Worten, liegt die Frequenz über 20 MHz, dann ist die Dicke der Aluminiumfolie, aus der der wabenartige Kern 28f besteht, gleich oder größer als die Eindringungstiefe. Bei einer Frequenz von über 20 MHz weist die Aluminiumfolie mit einer Dicke von 0,02 mm darum die Eigenschaften von gewöhnlichem Aluminiumblech auf. Wird jede der den wabenartigen Kern 28f ausmachenden Zellen als ein Wellenleiter betrachtet, der gegenüber den streuenden elektromagnetischen Wellen sperrt, dann kann von diesen Zellen gesagt werden, daß sie abschirmend wirken. Selbst wenn andererseits bei der vorliegenden Ausführungsform die höchste Frequenz unerwünschter Strahlung sich bis 20 GHz erstreckt, ist die Zelle vollständig im Abschirmbereich, da die Zellgröße D 1/5 der Wellenlänge λ = 15 mm ist und die Zellgröße D auf 3 mm festgesetzt ist. Der wabenartige Kern 28f weist also eine hohe Abschirmwirkung auf.
Aus dieser Beschreibung geht hervor, daß bei dem Aufbau der Mikrowellen erzeugenden Vorrichtung nicht nur das Abschirmgehäuse 28 das Streuen von unerwünschter Strahlung aus dem Kathodenstab 20 des Magnetrons verhindert, sondern der Hochspannungstransformator 7 auch seine Funktions als Transformator erfüllen kann, obwohl er durch die Wandfläche des Abschirmgehäuses 28 getrennt ist.
Aus der obigen Beschreibung geht weiter hervor, daß die Dicke einer den wabenartigen Kern 28f herstellenden Metallfolie von elektrischen Eigenschaften wie Wechselrichterfrequenz (20 kHz bei der vorliegenden Ausführungsform), der niedrigsten Frequenz der abzuschirmenden unerwünschten Strahlung, der Wirksamkeit des Hochspannungstransformators usw. abhängt. Bei Betrachtung der mechanischen Festigkeit des wabenartigen Kerns 28f liegt die optimale Dicke bei etwa 1/10 - 1/100 der Eindringungstiefe der Wechselrichterfrequenz.
Wird für den wabenartigen Kern 28f ein magnetisches Metall verwendet, erzeugt der wabenartige Kern 28f einen Nebenschluß im Magnetkreis des Hochspannungstransformators 7, was zu einer Abnahme der magnetischen Eigenschaften führt. Der wabenartige Kern 28f besteht darum vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Metall wie Aluminium, was bei der vorliegenden Ausführungsform eingesetzt wird. Bei Verwendung von nichtmagnetischem Kupfer (Cu) oder Aluminium (Al) für den wabenartigen Kern 28f ist, da der spezifische Widerstand (Ohm m) gering ist, die Eindringungstiefe 6 gering, was zu einem Verarbeitungsproblem führt. Das Material für den wabenartigen Kern 28f sollte darum bei Berücksichtigung aller Punkte der oben beschriebenen Tatsachen ausgewählt werden. Z.B. ist Monel-Metall, eine Legierung hauptsächlich aus Nickel und Kupfer, nichtmagnetisch und hat gleichzeitig einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand; es ist also als Material für den wabenartigen Kern 28f geeignet.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform weist die Abschirmwand eine wabenartige Struktur auf, d.h. es werden Metallfolien zu sechseckigen Zellen zusammengeklebt. Die Abschirmwand zum Abschirmen elektromagnetischer Wellen ist jedoch nicht auf diesen wabenartigen Aufbau beschränkt.
Mit anderen Worten, eine Abschirmwand ist wirksam, wenn viele durchgehende Öffnungen (Zellen) mit je einem vieleckigen Querschnitt, beispielsweise einem dreieckigen, einem rechteckigen oder einem sechseckigem Querschnitt, nebeneinander so vorgesehen sind, daß eine gemeinsame Wandfläche besteht. Abschirmwände, die so aufgebaut sind, wirken ähnlich wie die Abschirmwände des wabenartigen Aufbaus.
In der Wandfläche des Abschirmgehäuses 28 sind Lüftungsöffnungen 28d und 28e vorgesehen, um die Sekundärseite des Hochspannungstransformators 7 zu kühlen. Es ist vorgesehen, daß die Sekundärseite des Hochspannungstransformators 7 mit Hilfe eines Kühllüfters 2 von außerhalb des Abschirmgehäuses 28 zwangsweise gekühlt wird.
Die Mikrowellen erzeugende Einrichtung nach der zweiten Ausführungsform weist die gleichen Funktionen auf und hat die gleichen Wirkungen wie die Einrichtung nach der ersten Ausführungsform.
Unter Hinweis auf die Figuren 8 bis 11 wird nachfolgend ein elektronisch betriebener Backofen beschrieben, der so aufgebaut ist, daß er als Induktionsheizeinrichtung wirkt. Der Aufbau einer stationären Induktionseinrichtung nach einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine Erregerspule des oben genannten elektronisch betriebenen Backofens.
Figur 8 stellt einen Querschnitt eines elektronisch betriebenen Backofens dar, der mit einer Induktionsheizeinrichtung mit Heizspiralabschnitt wie die stationäre Induktionseinrichtung der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. In Figur 9 ist ein wesentlicher Abschnitt der Figur 8, nämlich der Heizspiralenabschnitt der Figur 8, im Detail dargestellt.
Aus der Figur 8 geht hervor, daß von einem Magnetron 71 erzeugte Mikrowellen (hochfrequentes elektromagnetisches Feld) über einen Wellenleiter 72 und eine drehbare Antenne 33 in eine Heizkammer 35 gestrahlt werden. Die drehbare Antenne 33 hat generell eine fächerähnliche Form und wird von einem Motor 34 gedreht, so daß die Beheizung mit Mikrowellen gleichförmig ist.
Direkt oberhalb der drehbaren Antenne 33 ist eine Erregerspule 38 angeordnet, und eine Trennplatte 39 aus dielektrischem Material wie hitzebeständigem Keramikmaterial oder dergleichen ist so angeordnet, daß sie fast mit der Erregerspule 38 in Kontakt kommt. Die Trennplatte 39 dient nicht nur dazu, die drehbare Antenne 33 und die Erregerspule 38 im Boden der Heizkammer 35 zu schützen, sondern auch als Möglichkeit, einen zu erhitzenden Gegenstand 37 darauf abzustellen.
Dem Hochspannungstransformator wird zum Betreiben des Magnetrons 71 elektrische Leistung hoher Frequenz zugeführt, ebenso der Erregerspule 38 über eine Schaltung wie sie beispielsweise in Figur 11 dargestellt ist. Diese Schaltung nach Figur 11 umfaßt eine Quelle 42 für elektrische Leistung des öffentlichen Netzes, eine Glättungsschaltung 48 mit einem Gleichrichter 47, einer Induktivität 43 und einem Kondensator 44, eine Wechsel richterschal tung 49 mit einem Schaltelement 46 und einem Kondensator 45 und einer Betriebsteuerschaltung 50, die das Schaltelement 46 ein- und abschaltet. Die hochfrequente Spannung von mehreren zehntausend Hz, die von der Betriebsteuerschaltung 50 erzeugt wird, wird abhängig vom Schalten eines Schalters 41 entweder der Erregerspule 38 zum Aufheizen durch Induktion oder dem Hochspannungstransformator 40 des Magnetrons 71 zugeführt, der eine Quelle für die Mikrowellen zum dielektrischen Erhitzen ist.
Figur 9 zeigt eine detaillierte Ansicht des Aufbaus der Erregerspule 38 nach Figur 8; Figur 9 (a) stellt eine gebrochene Ansicht dar und Figur 9 (b) eine Draufsicht auf Figur 9 (a). Die Erregerspule 38 in Figur 9 umfaßt eine Erregerwicklung 38a, die die Form einer flachen Platte hat, einen Ferritkern 53 an der unteren Fläche der Erregerwicklung 38a zum magnetischen Abschirmen, wabenartige Kerne 51a und 51b aus Aluminium in durchlöcherter Scheibenform, um sowohl die Erregerwicklung 38a als auch den Ferritkern 53 von oben und unten zu haltern, und Abschirmringe 54a und 54b an der inneren Umfangseite bzw. der äußeren Umfangseite der wabenartigen Kerne 51a und 51b aus Aluminium. Die Abschirmringe 54a und 54b bestehen aus nichtmagnetischen Metallplatten. Außerdem weisen die Abschirmringe 54a und 54b viele Schlitzöffnungen 55a und 55b auf, die sich in radialer Richtung erstrecken, um den Fluß von an den Abschirmringen 54a und 54b erzeugtem induzierten Strom in Umfangsrichtung zu behindern und den durch Wärmeerzeugung sich ergebenen Verlust und einen Temperaturanstieg zu verhindern.
Obgleich der Aufbau der wabenartigen Kerne 51a und 51b aus Aluminium der gleiche ist wie oben im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform beschrieben, müssen Zellengröße D und Kernhöhe T der Kerne 51a und Slb so bemessen sein, daß die Mikrowellen von 2450 MHz, die zum dielektrischen Heizen verwendet werden, in ausreichendem Maße abgeschirmt werden und der Abstand zwischen der Erregerwicklung 38a und dem zu erhitzenden Gegenstand 37 innerhalb des Bereiches liegt, in dem Erhitzen durch Induktion möglich ist. Bei der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist darum die Kernhöhe T für beide Kerne 51a und 51b 1,5 mm, wobei die Zellengröße D etwa 3 mm beträgt.
Nachfolgend wird die Betriebsweise des mit der Funktion einer wie oben beschriebenen Induktionsheizeinrichtung ausgestatteten elektronisch betriebenen Backofens anhand der Figur 10 beschrieben.
In Figur 10 (a) ist die gegenseitige Beziehung dargestellt von Erregerwicklung 38a; der Magnetflußlinie 61, die das von der Erregerwicklung 38a erzeugte Hochfrequenz-Magnetfeld darstellt; dem Metallgegenstand 37, der von dem im Hochfrequenz-Magnetfeld induzierten Strom erhitzt werden soll; dem Ferritkern 53 zum Abschirmen des vom induzierten Strom streuenden Stroms unterhalb des Hochfrequenz-Magnetfeldes und des wabenartigen Kerns 51a aus Aluminium, der verhindert, daß die Hochfrequenzwel len, d.h. 2450 MHz-Mikrowellen zum dielektrischen Heizen, die Erregerwicklung 38a erwärmen oder daß sie sich entlädt.
Der wabenartige Kern 51a ist zwischen Erregerwicklung 38a und dem zu erhitzenden Gegenstand 37 angeordnet und ist mit der Zellengröße D klein genug im Hinblick auf die Wellenlänge des hochfrequenten elektromagnetischen Feldes (Mikrowellen) von 2450 MHz, das jede Zelle des wabenartigen Kerns 51a als Wellenleiter wirken kann; der wabenartige Kern 51a weist darum, ähnlich wie bei der Sperrgrenze von Wellenleitern, eine hohe Abschirmwirkung (gegenüber 2450 MHz) auf. In Figur 10 (b) ist die Beziehung von Hochfrequenz-Magnetfeld 61 mit einer Frequenz von 20 kHz zum Induktionsheizen gegenüber dem wabenartigen Kern 51a aus Figur 10 (a) in vergrößertem Maßstab dargestellt. Die Magnetkraftlinie 61 des Hochfrequenz-Magnetfeldes verläuft generell parallel zur Achsenverlauf der den wabenartigen Kern 51a aufbauenden Zellen.
Aus dem gleichen Grund wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel erzeugt der wabenartige Kern 51a hinsichtlich des Hochfrequenz-Magnetfeldes von 20 kHz kaum Verluste, obgleich der wabenartige Kern 51a zwischen dem zu erhitzenden Gegenstand 37 und der Erregerwicklung 38a angeordnet ist. Der wabenartige Kern 51a wirkt als Abschirmung (Schutz) der Erregerwicklung 38a vor dem hochfrequenten elektromagnetischen Feld von 245O MHz, d.h. gegenüber den Mikrowellen.
Die Tatsache, daß der wabenartige Kern 51b aus Aluminium den Ferritkern 53 vollständig abdeckt, verhindert den Nachteil, daß der Ferritkern 53 Mikrowellen absorbiert und Wärme erzeugt.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf einen wabenartigen Kern aus Aluminiumfolie. Selbstverständlich ist der wabenartige Kern nicht auf Aluminiumfolie beschränkt. Ein nichtmagnetisches Metall ist vorzuziehen, da in einem solchen Material bei Hochfrequenz-Magnetfeldern keine Nebenschlüsse auftreten.
Der wabenartige Kern aus Aluminium wird in der oberen und der unteren Fläche der Erregerwicklung eingesetzt, und die inneren und äußeren Umfangsflächen des wabenartigen Kern bestehen aus einem nichtmagnetischen Metall wie Aluminium; die Verwendung des wabenartigen Kerns ist jedoch nicht auf den Bereich der vorliegenden Ausführungsform beschränkt.
Die vorteilhaften Eigenschaften der Wabenstruktur wie gute Gasdurchlässigkeit und geringes Gewicht können in vollem Maße ausgenutzt werden. Insbesondere die gute Gasdurchlässigkeit der Wabenstruktur ist wirksam, einen Temperaturanstieg der Erregerwicklung 38A zu kontroll ieren.
Der Aufbau der stationären Induktionseinrichtung nach der vorliegenden Erfindung ergibt hinsichtlich der Erregerspule folgende Auswirkungen: (1) Da die Erregerspule von dem wabenartigen Kern aus Metallfolie abgedeckt ist, wird verhindert, daß die Erregerwicklung Wärme erzeugt oder sich unter dem Einfluß der Mikrowellen entlädt; gleichzeitig kann das von der Erregerwicklung erzeugte Hochfrequenz-Magnetfeld für die Induktionsheizung den zu erhitzenden Gegenstand ohne Dämpfung erreichen, wodurch die Erzeugung von Wärme in der Erregerspule zur Zeit der Induktionsheizung verhindert und eine hohe Heizeffizienz erzielt wird.
(2) Der wabenartige Kern weist, selbstverständlich, eine Gaspermeabilität auf und wirkt darum als Kühlung für die Erregerspule, so daß die Wärme wirksam abgeführt wird.
(3) Der wabenartige Kern deckt ebenfalls den Ferritkern unterhalb der Erregerwicklung ab und schirmt den Magnetismus ab; das verhindert, daß der Ferritkern Mikrowellen absorbiert und Wärme erzeugt.
Aufgrund der oben beschriebenen Vorteile ist es möglich, eine Hochfrequenz-Heizeinrichtung zu verwirklichen, bei der sowohl ein Induktionsheizen als auch ein dielektrisches Heizen möglich ist, was kaum durchführbar schien. Dabei ist nach dem erfindungsgemäßen Aufbau der stationären Induktionseinrichtung die Erregerspule zum Induktionsheizen in der Heizkammer zum dielektrischen Heizen angeordnet.

Claims

1. Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung mit einem Induktionselement (7p, 7a) auf der die elektrische Leistung zuführenden Seite zum Zuführen elektrischer Leistung hoher Frequenz durch elektromagnetische Induktion;

einem Induktionselement (7s, 7b, 7c) auf der die elektrische Leistung empfangenden Seite zum Empfangen der elektrischen Leistung hoher Frequenz durch elektromagnetische Induktion, und

einer Abschirmwandung (28b) aus Metallfolie zum Abschirmen der Induktionselemente voneinander gegen Frequenzen, die höher sind als die der genannten elektrischen Leistung hoher Frequenz,

dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmwandung (28b) aus einem metallischen dünnen Film besteht, dessen Dicke geringer ist als 1/10 der Eindringungstiefe der zu übertragenden elektrischen Leistung hoher Frequenz, und

der metallische dünne Film von einem Halterungsglied (28c) gehaltert wird, der aus einem dielektrischen Material besteht.

2. Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material Keramikmaterial ist.

3. Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung mit einem Induktionselement (7p, 7a) auf der die elektrische Leistung zuführenden Seite zum Zuführen elektrischer Leistung hoher Frequenz durch elektromagnetische Induktion;

einem Induktionselement (7s, 7b, 7c) auf der die elektrische Leistung empfangenden Seite zum Empfangen der elektrischen Leistung hoher Frequenz durch elektromagnetische Induktion und

einer Abschirmwandung (28f) aus Metallfolie zum Abschirmen der Induktionselemente voneinander gegen Frequenzen, die höher sind als die der elektrischen Leistung hoher Frequenz,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Abschirmwandung (28f) aus einer Mehrzahl von Zellen mit durchgehenden Öffnungen besteht, von denen jede einen polygonalen Querschnitt aufweist und die so aneinandergrenzend angeordnet sind, daß sie eine gemeinsame Wandfläche (32) haben, wobei die Wandfläche jeder der Zellen mit durchgehenden Öffnungen aus einer Metallfolie gebildet ist, deren Dicke geringer ist als 1/10 der Eindringungstiefe der elektrischen Leistung hoher Frequenz und die Größe des polygonalen Querschnitts jeder der Zellen mit durchgehenden Öffnungen so bemessen ist, daß ihre Grenzfrequenz, wenn als Hohlleiter betrachtet, niedriger ist als die abzuschirmende Frequenz.

4. Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen mit durchgehenden Öffnungen von dreieckigem, rechteckigem oder sechseckigem Querschnitt sind.

5. Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandfläche jeder Zelle mit durchgehenden Öffnungen aus Aluminium- oder Kupferfolie gebildet ist.

6. Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung nach Anspruch 3, bei der die Zellen mit durchgehenden Öffnungen durch Aneinanderkleben von Metallfolien (32) einen wabenförmigen Aufbau haben.

7. Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die die Wellenabschirmwandung (28b, 28f) darstellende Metallfolie oder der entsprechende metallische dünne Film aus einem nichtmagnetischen metallischen Material besteht.

8. Hochfrequenzheizvorrichtung mit einer Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Magnetron (13) zum Erzeugen von Mikrowellen; eine Wechselrichterschal tung zum Umformen elektrischer Leistung mit einer Netzfrequenz in elektrische Leistung mit einer Frequenz von mehr als mehreren zehntausend Hz; einem Hochspannungstransformator (7) zum Erhöhen der Spannung und Zuführen der elektrischen Leistung hoher Frequenz an das Magnetron (13); eine Primärwicklung (7a) des Transformators, die Teil des auf der Zufuhrseite für elektrische Leistung angeordneten Induktionselementes (7p, 7a) ist, und eine Hochspannung-Sekundärwicklung (7b) zum Zuführen von Anodenspannung sowie eine Niederspannung-Sekundärwicklung (7c) zum Zuführen von Heizspannung, die Teil des auf der Empfangsseite für elektrische Leistung angeordneten Induktionselementes (7s, 7b, 7c) sind, wobei die Induktionselemente auf entgegengesetzten Seiten der Wellenabschirmwandung (28b, 28f) angeordnet sind, die ein Teil der Wandfläche eines abgeschirmten Gehäuses zum Abdecken des Kathodenstababschnittes (20) des Magnetrons (13) ist, um ein Streuen der Mikrowellen vom Kathodenstababschnitt nach außen zu verhindern.

9. Hochfrequenzheizvorrichtung mit einer Einrichtung zum Übertragen elektrischer Leistung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Heizkammer, in die Mikrowellen gestrahlt werden; ein Magnetron (13) zum Erzeugen von Mikrowellen; einen Hochspannungstransformator (7) zum Zuführen elektrischer Leistung an das Magnetron; eine Erregerspule (38), die in der Heizkammer zum induktiven Heizen angeordnet ist, und eine Hochfrequenz-Wechsel richterschaltung zum Zuführen elektrischer Leistung an den Hochspannungstransformator (7) und die Erregerspule (38), wobei die Erregerspule (38) als das Induktionselement auf der die elektrische Leistung zuführenden Seite und die Belastung durch einen zu erhitzenden Topf (37) oder dergleichen als Induktionselement auf der die elektrische Leistung empfangenden Seite benutzt wird und die Wellenabschirmwandung (28b, 28f) zwischen Erregerspule (38) und Topf (37) angeordnet ist.

10. Einrichtung zum Übertragen elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der eine Erregerspule (38) eines Induktionsherdes, dem eine elektrische Leistung mit einer Frequenz von über mehreren zehntausend Hz zugeführt wird, als das Induktionselement auf der die elektrische Leistung zuführenden Seite verwendet wird, und die Belastung durch einen zu erhitzenden Topf (37) oder dergleichen als Induktionselement auf der die elektrische Leistung empfangenden Seite verwendet wird, wobei die Wellenabschirmwandung (28b, 28f) zwischen Erregerspule (38) und Topf (37) angeordnet ist.