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Mikrowellengeräte werden
u. a. dazu verwendet, um elektrische Energie in Wärme umzuwandeln.
Diese Anwendung ist auf Substanzen mit dielektrischen Molekülen beschränkt. Die üblichste
unter diesen Substanzen ist Wasser. Die Umwandlung in Wärme geschieht
innerhalb des Materials. Das heißt, man erspart sich Diffusionsprozesse,
die in Materialien mit isolierenden Eigenschaften sehr langsam sein
könnten.
Ein Beispiel für
die Anwendung von Mikrowellentechniken in kleinem Maßstab sind Mikrowellenöfen für den häuslichen
Gebrauch. Ähnliche
Einheiten mit einer offenen Seite sind seit einiger Zeit zum Trocknen,
Sanieren oder ähnlichen
Behandlungen von Gebäudeteilen
mit sehr befriedigenden Resultaten angewendet worden. Siehe z. B.
PCT/SE95/00219 ,
WO
95/23945 .
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US 5,424,518 A offenbart
ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 bzw. Anspruch 3 und betrifft eine Vorrichtung zur gleichzeitigen
Behandlung von Objekten mit Heißluft
und Mikrowellenenergie. Der einzige wichtige Unterschied im Bezug
auf herkömmliche
Mikrowelleneinheiten besteht darin, dass das Gebläse, das
als -gemeinschaftliches Gebläse
für mehrere
Mikrowelleneinheiten vorgeschlagen ist, überdimensioniert sein kann,
um Wasserdampf fortzutragen, der bei der Anwendung der Einheiten
erzeugt wird. Es wird keine Anordnung vorgeschlagen, um die Kühlung der
Mikrowellengeneratoren effizienter zu machen. Statt dessen ist die
Gerätegestaltung
gemäß den Zeichnungen
so, dass die Kühlluft
die Kühlflansche
des Magnetrons in rechtem Winkel dazu passiert. Wie unten gezeigt
wird, gibt dies einen geringen Kühleffekt
auf Grund von stehenden Luftkissen zwischen den Flanschen.
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Neben
einem Magnetron weist eine Mikrowelleneinheit gewöhnlich eine
Leistungsversorgungseinheit auf, die aus einem Transformator und einer
mit dem Transformator gekoppelten Resonanzschaltung besteht. Andere
elektronische Einzelheiten für
die Steuerung der Einheit können
auch vorhanden sein. Das Magnetron und andere elektronische Ausrüstungen
sind gewöhnlich
zusammen in einem oberen Bereich der Einheit untergebracht. Gewöhnlich ist
dieser obere Bereich von dem unteren Bereich durch eine Lochplatte
oder ein Gitter abgeteilt, die den Durchgang von Luft gestatten,
aber den Durchtritt von Mikrowellen verhindern. Das Magnetron ist an
der Lochplatte montiert, so dass die Mikrowellenstrahlung unterhalb
der Platte auftritt. Mithin wird die obere Kammer im Wesentlichen
frei von Mikrowellen gehalten.
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In
der oberen Kammer darf die Temperatur nicht über höchstens 80°C ansteigen. Das Magnetron und
der Transformator und andere elektronische Ausrüstungen erzeugen Wärme und
müssen
gekühlt werden,
damit sie nicht durch die erzeugte Wärme beschädigt werden. Für große Magnetrons
wird oft Wasserkühlung
verwendet. Für
kleinere und billigere Magnetrons, die in häuslichen Öfen etc. verwendet werden,
wird Luftkühlung
angewendet. Eine Standardgestaltung für solche Magnetrons ist eine
Box in Form eines Parallelepipeds mit einer festen oberen Seite,
einer festen Unterseite und mit einer vorstehenden Sendeantenne,
die Mikrowellen abstrahlt, zwei gegenüberliegenden festen Seiten
und zwei gegenüberliegenden
offenen Seiten, um den Eintritt von Kühlluft zu erlauben. Gewöhnlich gibt
man sich damit zufrieden, Kühlluft
in die Kammer, in der die elektronische Ausrüstung untergebracht ist, zu
blasen, und die Steuerung der Kühlluftverteilung
der Konvektion zu überlassen.
Keine spezi ellen Maßnahmen
zum Steuern von Luftströmen
sind üblich.
Die Luft passiert die Lochplatte und wird durch die Lücke zwischen
der unteren Kante der Plattenbox und der oberen Oberfläche des
behandelten Objekts herausgelassen. Auf diese Weise erfüllt die
Kühlluft
eine doppelte Funktion, d. h. sie dient sowohl der Abführung von Überschusswärme aus
der elektronischen Ausrüstung
als auch der Abfuhr von Wasserdampf, das von dem durch Mikrowellen
behandelten Objekt freigesetzt wird.
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Wenn
Mikrowelleneinheiten des erwähnten luftgekühlten Typs
mit kleinen Geräten
zum Trocknen oder für ähnliche
Zwecke verwendet werden, ist es gewöhnlich angebracht, den Einlass
für die
Kühlluft an
der Oberseite vorzusehen. Beim Trocknen oder ähnlichen Operationen ist es
wünschenswert,
dass das Magnetron einer langen Belastung bei maximaler Leistung
standhalten kann. Dies gibt einer effizienten Kühlung besondere Bedeutung.
Bei häuslichen Öfen ist
die Effizienz der Konversion, die für diese Art von Geräten oft
niedrig ist, vom ökonomischen Standpunkt
aus nicht sehr bedeutungsvoll. Im Gegensatz dazu ist bei der erwähnten Anwendung
zum Trocknen und ähnlichem
Arbeiten die Effizienz der Konversion wesentlich, nicht nur unmittelbar
aus ökonomischen
Gründen,
sondern auch weil die verfügbare
Leistung gewöhnlich
begrenzt ist. Daher bedeutet eine niedrige Konversionseffizienz,
dass die Zeit zur Erzielung eines gewünschten Behandlungsergebnisses
erhöht
werden muss.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Kühleffizienz
wesentlich erhöht,
indem das Strömungsmuster
der Kühlluft
gemäß den kennzeichnenden
Merkmalen von Anspruch 1 und 3 aktiv gesteuert wird. Diese Anordnung
macht es möglich,
die Abgabe der Mikrowellenleistung zu erhöhen, ohne den Einsatz von elektri scher
Leistung zu erhöhen.
Unterstützende
Mittel bei dieser Erhöhung
der Ausgabeleistung kann eine verbesserte Leistungsversorgungseinheit
und ein Steuersystem für
das Magnetron sein.
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In
den 1 und 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung gezeigt. In den Figuren sind alle Einzelheiten ausgelassen,
die keinen direkten Einfluss auf die Kühlung haben.
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1 zeigt eine Seitenansicht
einer Einheit gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, mit abgenommener Vorderseite.
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2 zeigt einen horizontalen
Querschnitt durch die Linie A-A
aus 1.
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In
den Figuren steht 1 für
das nach unten offene Vorrichtungsgehäuse; 2 für einen
am Lufteinlass vorgesehenen Filter, 3 für ein primäres Gebläse, um Kühlluft in die elektronischen
Ausrüstungen
zu blasen, 4 für
eine Magnetronbox mit offenen Seiten 4a und festen Seiten 4b, 5 für ein sekundäres Gebläses für die Steuerung
des Luftstroms durch die Magnetronbox, 6 für eine Luftschleuse
mit festen Seiten, außer
nach unten, 7 für
eine Lochplatte, die den Durchgang von Luft erlaubt, aber das Auslecken
von Mikrowellen verhindert, 8 für eine verbesserte Leistungsversorgungseinheit, 9 für Pfeile,
die die Fließrichtung der
Kühlluft
zeigen. Eine Einheit gemäß üblicher Technik
kann den gleichen Aufbau haben, mit Ausnahme, dass die Leistungsversorgungseinheit 8,
das Gebläse 5 und
die Luftschleuse 6 fehlen.
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Bei
der Zugabe von Kühlluft
von oben besteht bei der herkömmlichen
Gestaltung der Mikrowelleneinheit ein großes Risiko, dass man eine Zone mit
stillstehender Luft in der ganzen oder in Teilen der Magnetronbox
erhält.
Dies betrifft insbesondere den Raum zwischen den Kühlflanschen.
Luft ist ein sehr guter Isolator, und daher muss der Wärmetransport hauptsächlich durch
Konvektion erfolgen, die durch enge Räume behindert wird. Die stillstehende
Luft verhindert die Kühlung
und begrenzt die Leistung, die aus der Einheit kontinuierlich entnommen
werden kann. Da die elektrischen Installationen, Sicherungen, etc.
auf die maximale Leistung abgestimmt sein müssen, bedeutet dies, dass die
zur Verfügung
stehende Leistung nicht in optimaler Weise angewendet werden kann.
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Gemäß der Erfindung
wird der Effekt der erwähnten
Begrenzung wesentlich reduziert, indem die Luftkühlung durch einen Querfluss
durch die Magnetronbox
4 verbessert wird. Auf diese Weise
erhält
man einen gerichteten Luftfluss, sogar in den engen Spalten zwischen
den Flanschen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gestaltungen einschließlich derjenigen aus
der erwähnten
Druckschrift
US 5,424,518
A , wo man nur gerade die äußeren Teile der Flansche zum Kühlen verwenden
kann, erreicht diese neue Gestaltung, dass der Hauptteil der Oberfläche der
Flansche eine aktive Rolle der Abkühlung einnimmt. Der Querfluss
wird mittels eines seitlich montierten sekundären Gebläses
5 erreicht, das
Luft durch die Box
4 pumpt oder bläst. Fließtechnische Berechnungen und
praktische Tests zeigen, dass das Gebläse
5 und die Fließrichtung
9,
so wie sie in den Figuren gezeigt sind, zu platzieren sind, d. h.
es ergeben sich die besten Resultate, wenn man das Gebläse Luft
durch die Box blasen lässt.
Eine Versetzung des Gebläses
5 auf
die andere Seite des Magnetrons
4 mit der gleichen Fließrichtung,
d. h. das Gebläse
bläst Luft
durch die Magnetronbox, ergibt beinahe ebenso gute Effekte. Das
schlechteste Ergebnis erhält
man mit derselben Gebläseplatzierung
und einer umgekehrten Fließrichtung,
aber sogar dieses ungünstige
Ergebnis zeigt bessere Kühlung
als die gewöhnliche
passive Kühlung.
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Das
Verfahren für
die verbesserte Kühlung wurde
oben ausgehend von der Verwendung eines sekundären Gebläses 5 beschrieben,
das auf einen Teil des Luftflusses der Kühlluft einwirkt, die das primäre Gebläse 3 hineinbläst. Es sollte
beachtet werden, dass die erhöhte
Luftgeschwindigkeit, die ein sekundäres Gebläse geben kann, in Bezug auf
die Kühlung
sehr vorteilhaft ist.
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Um
die Vorteile des neuen Verfahrens zur Kühlung besser auszunutzen, sollte
das Magnetron mit einer fortgeschritteneren Steuereinrichtung als die
herkömmlichen
ausgerüstet
sein. Daher wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Heizstrom mit Bezug auf den Emissionszustand der Kathode anstatt
in Bezug auf das Leistungsniveau des Magnetrons gesteuert. Das Letztere
ist die herkömmliche
Verfahrensweise. Der Emissionszustand kann beispielsweise durch
Detektieren der dynamischen Impedanz oder von weißem Rauschen,
durch einen Lichtsensor durch die Messung der Temperatur des Magnetrons
und der Messung des Anodenstroms detektiert werden. Beispiele für verschiedene Methoden
sind in
SE 9603291-7 ,
JP 5-67492 ,
EP 449 275 und
DE 42 38 199 gegeben.
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Magnetrons
für technische
Zwecke werden normalerweise durch ferroresonante Leistungsversorgungseinheiten
gespeist. Eine solche Einheit umfasst einen Transformator mit einer
vergleichsweise großen
Streuinduktivität.
Mit einem oder zwei Kondensatoren erzeugt die Streuinduktivität eine Reihenresonanzschaltung,
die auf die Netzfrequenz, 50 oder 60 Hz abgestimmt ist. Unbelastet
hat die Schaltung einen hohen Q-Wert und gibt nach der Gleichrichtung
eine Spannung an das Magnetron, die während eines Großteils der
Periode auf dem gleichen Level ist, wie die Arbeitsspannung. Der
in das Magnetron eingespeiste Strom pulsiert, abhängig von
der Gestaltung der Leistungsversorgungseinheit, mit 50 oder 100
bzw. mit 60 oder 120 Hz. Daher wird der Strom während eines erheblichen Zeitraums
beinahe Null sein. Die Hochfrequenzleistung von dem Magnetron wird
in der gleichen Weise moduliert. Die Oszillation des Magnetrons
wird für
jeden Impuls wieder gestartet und man erhält starke Seitenbänder zu
der Arbeitsfrequenz.
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Die
Erfindung betrifft Einheiten, die oft unter sehr schwierigen Belastungsbedingungen
arbeiten müssen.
Das herkömmliche
Verfahren zur Leistungseinspeisung ergibt unter diesen Bedingungen
Instabilität
in Bezug auf die Hochfrequenzleistung. Es ist wichtig, dass die
Leistungseinspeisung unter allen Bedingungen stabil bleibt und dass
die erwähnte
Instabilität
eliminiert wird. Es ist auch wichtig, dass die Einheiten andere
elektronische Einrichtungen durch Rückkopplung mit dem elektrischen
System nicht mehr als absolut unvermeidlich stören. Daher wird in einer besonders
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung eine neue Leistungsversorgungseinheit verwendet, in
der die Umwandlung von üblicher Wechselspannung
in einen unidirektionalen Strom mit hoher Spannung in mehreren Schritten
durchgeführt
wird. Eine solche Leistungsversorgungseinheit ist Gegenstand der
schwedischen Patentanmeldung
No. 9603292-5 und
PCT/SE97/01520 .
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Ein
bevorzugtes Verfahren der erwähnten Erfindung
umfasst die Schritte a) Umwandlung von Wechselstrom in unidirektionalen
Strom, b) Umwandlung des unidirektionalen Stroms in hochfrequenten Wechselstrom,
c) Transformieren des hochfrequenten Wechselstroms auf einen Hochspannungswechselstrom
mit hoher Frequenz, und d) Gleichrichten des Hochspannungswechselstroms
auf einen unidirektionalen Strom hoher Spannung zur Speisung des Magnetrons.
Die Leistungsregelung wird in Schritt a) in Bezug auf die in Stufe
b) eingespeiste Leistung durchgeführt. Eine Leistungsversorgungseinheit,
die gemäß der erwähnten Erfindung
gestaltet ist, ergibt einen fast konstanten unidirektionalen Strom.