DE69110649T2

DE69110649T2 - Hochfrequenzheizgerät mit stromversorgung von schaltender typ für magnetrone.

Info

Publication number: DE69110649T2
Application number: DE69110649T
Authority: DE
Inventors: Daisuke Bessyo; Naoyoshi Maehara; Takahiro Matsumoto; Yuji Nakabayashi
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-07-25
Filing date: 1991-07-02
Publication date: 1996-03-07
Anticipated expiration: 2011-07-03
Also published as: AU8079791A; BR9105846A; EP0493604A1; US5300744A; EP0493604A4; DE69110649D1; KR920702596A; EP0493604B1; CA2066635A1; CA2066635C; WO1992002110A1; AU639814B2; JPH0482191A

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hochfrequenzheizgerät für die Verwendung als elektronischer Ofen zum Erwärmen von Nahrungsmittel, Flüssigkeiten oder ähnlichem, als Wärmebehandlungseinrichtung für Abfall oder als Befeuchtungsgerät für medizinische Behandlungen, und insbesondere ein Hochfrequenzheizgerät mit einer Konstruktion, bei welcher ein Magnetron durch einen Spannungswandler betrieben wird, welcher ein Halbleiterschaltelement verwendet.

Hintergrund der Erfindung

Herkömmlicherweise verwendet ein Hochfrequenzheizgerät des obigen Typs, wie es durch einen elektronischen Ofen repräsentiert wird, ein Hochfrequenzenergieerzeugungssystem, welches aus einem Magnetron und einer Spannungsquelleneinheit zum Betreiben des Magnetrons besteht, und ein Permanentmagnetmagnetron und ein Ferroresonanz-Leistungstransformator wurden praktisch während einer langen Zeit verwendet. In den vergangenen Jahren wurde entsprechend den Verbesserungen der Halbleitertechnologie ein Spannungswandler vorgeschlagen und anstelle des konventionellen Ferroresonanztransformators praktisch eingesetzt, einhergehend mit einer Verbesserung der funktionalen Entwicklung, kompakterer und leichterer Ausgestaltung und Kostenverringerung des Hochfrequenzheizgerätes. Mit anderen Worten, die Verwendung eines Spannunswandlers ermöglicht eine kontinuierliche proportionale Steuerung der Mikrowellenabgabe, ebenso wie sie eine kompakte und leichte Ausbildung des Hochspannungstransformators erlaubt, was ebenfalls zum Verwirklichen einer hochwirksamen Heizung mit einer hochwertigen Steuerung, einer kompakten und leichten Ausgestaltung und einer Kostenverringerung eines Hochfrequenzheizgerätes führt.
Figur 11 zeigt die Schaltungsanordnung eines konventionellen Hochfrequenzheizgerätes. In Figur 11 wird eine Wechselspannung 1 durch einen Gleichrichter 2 zu einer Gleichspannung gleichgerichtet und dann in eine hochfrequente Wechselspannung durch eine Wandlerschaltung 3 gewandelt, die aus Kondensatoren und einem Halbleiterschaltelement besteht. Die durch die Wandlerschaltung 3 erhaltene Hochfrequenzwechselspannung wird an einen Transformator 4 angelegt. Der Transformator 4 umfaßt eine Primärwicklung, an welche das in der Wandlerschaltung 3 erzeugte Hochfrequenzwechselspannungsausgangssignal angelegt wird, eine Sekundärwicklung zum Erzeugen einer Hochspannung durch eine Spannungserhöhung und eine Tertiärwicklung zum Erzeugen einer Niederspannung.
Die in der Sekundärwicklung erzeugte hohe Wechselspannung wird durch eine Spannungsverdopplergleichrichterschaltung 5 in eine hohe Gleichspannung gewandelt und an der Anode und der Kathode eines Magnetrons 6 angelegt, um dadurch das Magnetron zu aktivieren.
Die in der Tertiärwicklung erzeugte Niederspannung wird an die Kathode des Magnetrons 6 angelegt, um den Heizdraht zu erwärmen.
Das Magnetron 6 hat eine nicht lineare Kennlinie, wie in Figur 12 dargestellt. In einem Zustand, in dem der Heizdraht des Magnetrons 6 ausreichend erwärmt ist, beginnt das Magnetron zu schwingen, wenn die an seiner Anode und Kathode angelegte Spannung VAK etwa -4kv erreicht, womit die Spannung VAK an der Anode und der Kathode bei -4kv begrenzt wird, um die lmpedanz des Magnetrons auf einige Kilo-Ohm zu verringern. Im Gegensatz dazu ist in einem Zustand, in dem der Heizdraht nicht erwärmt wird oder die Spannung VAK an der Anode und der Kathode geringer als etwa -4kv ist, das Magnetron 6 in einen nicht schwingenden Zustand gestellt und seine lmpedanz bleibt virtuell unendlich. Die Figuren 13 (a), (b) und (c) zeigen die wechselseitige Beziehung zwischen der an der Anode und der Kathode angelegten Spannung VAK, einem durch den Heizdraht fließenden Strom If und der Temperatur des Heizdrahtes in einer Periode von der Einschaltzeit des Wandlers 3 bis zur Oszillationszeit des Magnetrons 6. Zum Einschaltzeitpunkt fließt ein größerer Heizdrahtstrom If1, um die Heizdrahttemperatur Tf schnell auf eine Betriebstemperatur Tf2 zu erhöhen. Die Tertiärwicklung W3 des Transformators 4 zum Abgeben eines Stromes an den Heizdraht und die Sekundärwicklung W2 zum Erzeugen einer an die Anode und die Kathode anzulegenden Hochspannung sind in dem selben Transformator vorgesehen. Daher ist die Sekundärwicklung W2 gezwungen, zum Bilden einer Spannung VAKS eine Hochspannung zu erzeugen, welche höher als die Oszillationsspannung des Magnetrons 6 von allgemein -4kV an der Anode und der Kathode ist.
Das heißt es ist konventionell unvermeidlich, daß eine deutlich höhere Spannung als die Oszillationsspannung des Magnetrons 6 an der Anode und der Kathode des Magnetrons 6 zum Einschaltzeitpunkt des Hochfrequenzheizgerätes angelegt wird, um die Heizdrahttemperatur Tf schnell auf die Betriebstemperatur Tf2 zu erhöhen. Zum Beispiel wird die Spannung VAKS an der Anode und der Kathode zum Einschaltzeitpunkt von -8kv bis -10kV erzwungen, trotz der Tatsache, daß die Oszillationsspannung des Magnetrons 6 gewöhnlich bei etwa -4kV liegt.
Daher war es erforderlich, die Dauerspannung der in der Spannungsverdopplergleichrichtungsschaltung 5 verwendeten Diode und der Kondensatoren, welche die in der Sekundärwicklung des Transformators erzeugte Spannung gleichrichten, so zu gestalten, daß sie die zur Einschaltzeit erzeugte hohe Spannung tolerieren. Das Obige führt außerdem zu derartigen Problemen, daß die Dimensionen der Kondensatoren und der Diode zunehmen müssen und die Zuverlässigkeit signifikant verringert wird durch die Wärmekonzentration, die mit dem Erhöhen der Menge der Diodenelemente zum Erhöhen der Dauerspannung der Dioden in einer mehrstufigen Anordnung einhergeht.
Das Intervall von dem Zeitpunkt, in dem die Heizdrahttemperatur Tf den Beginn der thermoionischen Emission erlaubt, bis zu dem Zeitpunkt, in dem die Heizdrahttemperatur die Betriebstemperatur erreicht, bei welcher eine ausreichende thermoionische Emission verwirklicht wird (das Intervall von Tf1 bis Tf2 in Figur 13) entspricht dem Zeitabschnitt, in dem das Magnetron 6 aus dem nicht oszillierenden in den oszillierenden Zustand eintritt. In dem obigen Zeitintervall, in dem die Heizdrahttemperatur Tf noch keine ausreichende Temperatur für die thermoionische Emission des Heizdrahtes erreicht hat, die für die normale Oszillation des Magnetrons 6 erforderlich ist, tritt daher eine anormale Oszillation auf, die als Frequenzspringen bezeichnet wird und führt zu dem Problem des Verkürzens der Lebensdauer des Magnetrons 6.
Wenn im Gegensatz dazu eine Aktivierung mit dem verringerten Ausgangssignal der Wandlerschaltung 3 beginnt, um die Spannung VAKS an der Anode und der Kathode zum Einschaltzeitpunkt zu unterdrücken, wird der Heizdrahtstrom If verringert, um eine signifikante Ausdehnung der Zeit t, die für die Aktivierung des Magnetrons erforderlich ist, zu verkürzen.
Wie bekannt ist, kann das Ausgangssignal der Wandlerschaltung 3 leicht durch Steuern der Leitzeit eines Transistors 7 eingestellt werden. Wenn jedoch die Leitzeit des Transistors 7 gesteuert wird, um die in der Primärwicklung W1 erzeugte Leistung einzustellen, verändert sich ebenfalls die in der Tertiärwicklung W3 erzeugte Leistung, während sich eine Möglichkeit der Steuerung des Ausgangssignales der Sekundärwicklung W2 ergibt, die eine höhere Spannung abgibt, welche ebenfalls die Heizdrahttemperatur Tf des Magnetrons 6 ändert, um die Beeinträchtigung des Heizdrahtes zu unterstützen um daraus folgend in dem Abbau der signifikanten Verringerung der Zuverlässigkeit des Magnetrons 6 zu resultieren.
Als Verfahren zum Stabilisieren der Heizdrahttemperatur Tf, bezogen auf die Einstellung des Ausgangssignales des Magnetrons 6, ist das Verfahren des Vorsehens der tertiären Wicklung W3 mit einer Ferroresonanzfunktion in der JP-A-56-3636 (entsprechend der US-A-4,076,996) und der JP-A-03-057193 offenbart. Obwohl die oben erwähnten, konventionellen Beispiele eine Lösung für die Stabilisierung der Heizdrahttemperatur Tf des Magnetrons 6 vorschlagen, sind sie nicht immer in der Lage, die Heizdrahttemperatur Tf in einer Vielzahl von Zuständen sicher zu stabilisieren, was zu keiner Lösung der zum Zeitpunkt des Einschaltens des Hochfrequenzheizgerätes auftretenden, oben erwähnten Probleme führt.

Offenbarung der Erfindung

Daher ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die im Einschaltzeitpunkt des Hochfrequenzheizgerätes erzeugte Hochspannung zu unterdrücken und einen schnellen Start einer normalen Oszillation des Magnetrons zu verwirklichen.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das mögliche Auftreten des Frequenzsprung-Phänomen, welches konventionell zum Zeitpunkt des Beginns der Oszillation des Magnetrons hervorgerufen wurde, zu verhindern, um dadurch eine hohe Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Die oben erwähnten Aufgaben können verwirklicht werden durch Verwenden einer Konstruktion, wie in Anspruch 1 beschrieben, mit einem Spannungswandler mit einem Halbleiterschaltelement, einem Aufwärtstransformator mit einer sekundären Hochspannungswicklung und einer sekundären Niederspannungswicklung, einem Magnetron, das beide Ausgangssignale des Aufwärtstransformators erhält, einer an den Heizdraht des Magnetrons angeschlossenen Resonanzschaltung und einer Steuerungsschaltung zum Steuern der Betriebsfrequenz des Spannungswandlers, wobei die Steuerungsschaltung die Schaltfrequenz des Halbleiterschaltelementes steuert, so daß die Arbeitsfrequenz des Spannungswandlers annähernd mit der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung zum Zeitpunkt des Einschaltens des Spannungswandlers übereinstimmt.
Durch Aktivieren des Spannungswandlers bei einer Frequenz, die annähernd gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung ist, wird es möglich, eine ausreichende Abgabe eines Heizdrahtstromes an den Heizfaden des Magnetrons sicherzustellen, während die die Hochspannungsabgabe des Aufwärtstransformators unterdrückende Betriebsfrequenz die Erzeugung einer extremen hohen Spannung im Einschaltzeitpunkt nicht erlaubt, um dadurch eine hohe Zuverlässigkeit zu verwirklichen.
Insbesondere durch Konstruieren des Spannungswandlers derart, daß er eine Spannung erzeugt, die annähernd gleich der der normalen Betriebsspannung entsprechenden Spannung unterhalb der Frequenzsprungspannung ist und durch Aktivieren des Spannungswandlers bei der vorerwähnten Resonanzfrequenz wird es möglich, das mögliche Auftreten des Frequenzsprung-Phänomens durch nicht ausreichende thermoionische Emission im Einschaltzeitpunkt sicher zu verhindern, was ebenfalls zum Verwirklichen einer hohen Zuverlässigkeit führt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt weiterhin elektromagnetische Abschirmeinrichtungen zum Abschirmen des Spannungswandlers, des Aufwärtstransformators, des Magnetrons, der Resonanzschaltung und der Steuerungsschaltung in einem im wesentlichen identischen Abschirmraum, und ein Rauschfilter ist in der Eingangssektion des Spannungswandlers vorgesehen.
Die Konstruktion der Beseitigung der am Heizdrahtanschluß des Magnetrons vorgesehenen Filterschaltung mit einem Frequenzband von einigen zehn Megahertz bis zu einigen hundert Megahertz und des direkten Anschließens einer Resonanzschaltung an den Heizdrahtanschluß ermöglicht es, eine gewünschte Resonanzkennlinie der Resonanzschaltung ohne Aufnahme eines Einflusses von der Filterschaltung zu erreichen. Die obige Konstruktion ist ebenfalls in der Lage, die gewünschte Resonanzkennlinie der Resonanzschaltung jederzeit beizubehalten, auch wenn die Betriebsfrequenz des Spannungswandlers willkürlich gewählt ist. Weiterhin kann das Vorsehen der Abschirmeinrichtung und eines Rauschfilters in der Eingangssektion des Spannungswandlers die mögliche Streuung des Rauschens von dem Heizdrahtanschluß des Magnetrons verhindern, was ein Verwirklichen der Stabilisierung der Heizdrahttemperatur des Magnetrons ermöglicht, eine schnelle Aktivierung mit einer an der Anode und der Kathode angelegten niedrigen Spannung und eine sichere Verhinderung des Frequenzsprung-Phänomens ohne Aufnehmen eines Einflusses eines Zustandes wie dem Betriebsfrequenzband des Spannungswandlers.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist ein Schaltbild eines Hochfrequenzheizgerätes gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
die Figuren 2 (a), (b) und (c) sind Betriebswellenformen einer Wandlerschaltung der gleichen Ausführungsform;
Figur 3 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht eines gewöhnlichen Magnetrons;
Figur 4 ist eine Darstellung einer Resonanzkennlinie einer Resonanzschaltung der gleichen Ausführungsform;
die Figuren 5 (a) und (b) sind Ersatzschaltbilder einer Heizdrahtschaltung der gleichen Ausführungsform;
Figur 6 ist eine Darstellung einer Spannungskennlinie in jeder Wicklung eines Aufwärtstransformators, bezogen auf ein Magnetronausgangssignal Po, der gleichen Ausführungsform;
Figur 7 ist eine Darstellung einer Kennlinie des Magnetronausgangsignales Po und des Heizdrahtstromes If, bezogen auf eine Betriebsfrequenz fo, der gleichen Ausführungsform;
Figur 8 ist eine perspektivische Darstellung einer Spannungsversorungssektion mit einem herausgetrennten Teil der gleichen Ausführungsform;
Figur 9 ist ein Schaltbild einer anderen Form der Resonanzschaltung der gleichen Ausführungsform;
die Figuren 10(a), (b) und (c) sind Darstellungen der jeweiligen Kennlinie der Spannung VAK an der Anode und der Kathode, des Heizdrahtstromes If und der Heizdrahttemperatur Tf, welche sich auf der Zeitbasis im Einschaltzeitpunkt der gleichen Ausführungsform ändern;
Figur 11 ist ein Schaltbild eines konventionellen Hochfrequenzheizgerätes;
Figur 12 ist eine Darstellung einer Spannungs-Strom-Kennlinie eines Magnetrons; und
die Figuren 13(a), (b) und (c) sind Darstellungen der jeweiligen Kennlinien von VAK, If und Tf, die sich auf der Zeitbasis im Zeitpunkt der Aktivierung desselben Gerätes ändern.

Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung

Figur 1 zeigt ein Schaltbild eines Hochfrequenzheizgerätes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine Netzwechselspannung 11 durch einen Gleichrichter 12 in eine Gleichspannung gleichgerichtet wird und dann durch eine Wandlerschaltung 17 (Umschalt-Schaltung) mit Kondensatoren 13 und 14, einem Halbleiterschaltelement 15 und einer Diode 16 in eine Hochfrequenzwechselspannung umgewandelt wird. Die Wandlerschaltung 17 verwendet eine sogenannte Spannungsresonanzwandlerschaltungsanordnung des Einzeltransistortyps. Die durch die Wandlerschaltung 17 erhaltene Hochfrequenzwechselspannung wird an einen Transformator 18 angelegt. Der Transformator 18 umfaßt eine Primärwicklung W1, an welche die durch die Wandlerschaltung 17 erzeugte Hochfrequenzwechselspannung angelegt wird, eine sekundäre Wicklung W2, welche durch eine Aufwärtstransformation eine Hochspannung erzeugt, und eine tertiäre Wicklung W3, welche eine niedrige Spannung erzeugt, und dergleichen. Die Wirkungsweise der Wandlerschaltung ist bekannt, daher wird hier auf die Beschreibung verzichtet, und das Schaltelement 15 wird gesteuert ein- und ausgeschaltet durch ein Steuerungssignal von einer Steuerungsschaltung 10, welche mit denselben Betriebswellenformen betrieben wird, wie in den Figuren 2 (a), (b) und (c) gezeigt. Das heißt, die Figuren 2 (a), (b) und (c) repräsentieren jeweils die Ströme Ic und Id, die jeweils durch das Schaltelement 15 und die Diode 16 fließen, die Spannung VCE des Schaltelementes 15 und den Strom I1, der durch die Primärwicklung W1 des Transformators 18 fließt, mit welchem es möglich ist, eine der Schaltfrequenz des Schaltelementes 15 entsprechende Hochfrequenzwechselspannung zu erzeugen.
Die in der Sekundärwicklung W2 erzeugte hohe Wechselspannung wird durch einen Spannungsverdopplergleichrichter 21 mit einem Kondensator 19 und einer Diode 20 in eine hohe Gleichspannung gewandelt, und die erhaltene Gleichspannung wird an die Anode und die Kathode eines Magnetrons 22 angelegt, um das Magnetron zu aktivieren. Es ist anzumerken, daß der Buchstabe F einen Rauschfilter bezeichnet, während Nummer 52 ein Abschirmgehäuse bezeichnet, welche nachfolgend im Detail beschrieben werden.
Das Folgende beschreibt das Magnetron 22. Ein gewöhnliches Magnetron 6 weist eine wie in Figur 3 gezeigte Anordnung auf, in welcher das Magnetron 22 einen Anodenblock 24 mit einem Anodenschieber 23, Permanentmagneteinheiten 26 und 27 zum Erzeugen eines Magnetfeldes in einem Arbeitsraum 25, ein Joch 28 zum Ausbilden eines magnetischen Kreises, eine an den Anodenschieber 23 angeschlossene Antenne 29, einen Kühlkörper 30, eine in den Arbeitsraum 25 eingesetzte Kathode (Heizdraht) 31, eine Heizdrahtleitungen 32 und 33 beinhaltende Hauptsektion, eine an die Heizdrahtleitung 32 angeschlossene Drosselspule 34 und eine an die Heizdrahtleitungen 32, 33 angeschlossene zweite Drosselspule 34' (nicht dargestellt), und eine Drosselkammer 37 einschließlich eines eingebauten Durchführungskondensators 36 mit einem Anschluß 35, an welchen die erste und zweite Drosselspule 34 und 34' angeschlossen sind, umfaßt. Die zwei Drosselspulen 34 und 34' und der Durchführungskondensator 36 sind vorgesehen zum Verhindern von Rauschen mit Frequenzen von einigen zehn Megahertz bis einigen hundert Megahertz aus Streuungen durch die Kathodenleitungen 32 und 33 zum Äußeren des Magnetrons 6, und sind so ausgebildet, daß sie eine bestimmte Induktivität und Kapazität aufweisen, die zum Erreichen einer befriedigenden Dämpfungskennlinie in dem oben erwähnten Frequenzbereich geeignet ist. Jedes gewöhnliche Magnetron wird mit einer darin enthaltenen Drosselkammer verwendet.
In der Ausführungsform aus Figur 1 ist das Magnetron 22 nicht mit einer solchen Drosselkammer versehen, das heißt, daß Magnetron 22 ist nicht mit den Drosselspulen 34 und 34' zum Filtern und dem Durchführungskondensator 36 versehen, wie in Figur 3 gezeigt.
Die tertiäre Wicklung W3 ist direkt an die Kathodenleitungen 32 und 33 des Magnetrons 22 über eine Resonanzschaltung 40 angeschlossen, die aus einem Resonanzkondensator 38 und einer Resonanzspule 39 besteht.
Die Resonanzschaltung 40 zeigt eine Resonanzkennlinie, wie in Figur 4 gezeigt, wobei die Impedanz Z ihren Minimalwert, theoretisch verringert auf Null Ohm, bei der Resonanzfrequenz fr annimmt. Noch geanuer wirkt die Lastschaltung der Tertiärwicklung W3 zum Abgeben eines Stromes an den Heizdraht 31 des Magnetrons 22 als sogenannte L-C-R-Reihenresonanzschaltung, die aus dem Ersatzwiderstand 41 für den Heizdraht 31, dem Resonanzkondensator 38 und der Resonanzinduktivität 39 für die in Figur 5 (a) gezeigte Resonanzschaltung 40 besteht, welche wie in Figur 5 (b) gezeigt angenommen werden kann. Ausgehend davon, daß die in der Tertiärwicklung W3 erzeugte Spannung eine Spannungsquelle 42 ist, wird die L-C-R-Reihenresonanzschaltung als an die Spannungsquelle 42 angeschlossen betrachtet.
Vorausgesetzt, die Spannung der Spannungsquelle 42 ist e, die Impedanz der Resonanzschaltung 40 ist Z und der Ersatzwiderstand des Heizdrahtes ist RH, kann der durch den Heizdraht fließende Strom If wie folgt ausgedrückt werden:
If = e / (RH + Z)
Daher nimmt der Heizdrahtstrom If seinen Maximalwert bei der Resonanzfrequenz fr an, wenn die Spannung e konstant ist, was bedeutet, daß der Heizdrahtstrom If bei jeder Frequenz oberhalb oder unterhalb der Resonanzfrequenz fr verringert ist. Wenn andererseits die Betriebsfrequenz der Spannungsresonanzwandlerschaltung 17 von f&sub2; zu f&sub1; (f&sub1; > f&sub2;) verändert wird und das Magnetronausgangssignal Po von 100% zu 0% verändert wird, verändern sich die Ausgangssignale e der Wicklungen W1, W2 und W3 des Aufwärtstransformators wie gezeigt von dem Punkt A zu dem Punkt B in Figur 6, das heißt die Spannung e verändert sich von 100% auf etwa 50%. Dies liegt daran, daß das Magnetron 22 eine nicht lineare Spannungs-Strom-Kennlinie, wie in Figur 12 dargestellt, zeigt.
Im Einschaltzeitpunkt derWandlerschaltung mit den oben beschriebenen Kennlinien verringert sich der Heizdrahtstrom If ohne Vorsehen der Resonanzschaltung 40 unvermeidlich, wenn die Ausgangsspannung der sekundären Hochspannungswicklung W2 unterdrückt wird, um die Spannung VAK an der Anode und der Kathode zu verringern, was bedeutet, daß es bisher schwierig war, die Heizdrahttemperatur Tf auf eine gewünschte Temperatur zu erhöhen. Durch Verwenden der Resonanzschaltung 40 mit fr f&sub1; und Aktivieren der Wandlerschaltung 70 bei einer Betriebsfrequenz nahe der obe∂n erwähnten Frequenz kann der Heizdrahtstrom If jedoch konstant gehalten werden, auch wenn die in der Tertiärwicklung W3 erzeugte Spannung e sich auf etwa die Hälfte verringert, und die Heizdrahttemperatur kann auf einen gewünschten Wert (etwa 2000ºK) gebracht werden, während die Spannung VAK an der Anode und der Kathode auf einen normalen Grad der Betriebsspannung (-6 KV bis -4KV) unterhalb der Frequenzsprungspannung VAKm (etwa -6KV) gehalten wird.
Figur 7 zeigt die Veränderungen des Magnetronausganges Po und des Heizfadenstromes If, wenn die Betriebsfrequenz des Wandlers von f1 zu f2 verändert wird. In Figur 7 wird, vorausgesetzt, daß die Resonanzkapazität CH ist, die Resonanzinduktivität LH ist und der Ersatzwiderstand für den Heizdraht RH ist, der Heizdrahtstrom If ausgedrückt mit dem Qualitätsfaktor
Q= LH/CH/RH,
verwendet als Parameter.
Wie erkennbar in Figur 7 gezeigt, kann die Veränderung des Heizdrahtstromes If, die stattfindet, wenn die Frequenz fo von f&sub2; auf f&sub1; verändert wird, unter der Bedingung von Q 2 ± 1 nicht größer als ± 10% sein. Dies ergibt sich aus der Beziehung zwischen dem Magnetronausgangssignal Po und der Ausgangsspannung e des Aufwärtstransformators 18 mit einer Frequenzkennlinie, wie in Figur 6 gezeigt, wenn das Magnetron 22 durch den Spannungsresonanzwandler 17 betrieben wird.
Daher ist es durch Selektieren einer Resonanzschaltung, die Q 2 erfüllt, einer Spannung VAK an der Anode und der Kathode im Bereich der normalen Betriebsspannung unterhalb der (oder sehr viel niedriger als die) Frequenzsprungspannung VAKm und Aktivieren der Wandlerschaltung 17 bei der Betriebsfrequenz fo im Bereich der Resonanzfrequenz fr der Resonanzschaltung möglich, ein Hochfrequenzheizgerät anzugeben, welches den Oszillationsbetrieb des Magnetrons bei einer niedrigen Spannung an der Anode und der Kathode ohne Entstehen des Frequenzsprung-Phänomens schnell aktivieren kann.
Zum Beispiel ist, wenn eine Wandlerschaltung verwendet wird, bei der f&sub2; = 20kHz ist, die Frequenz f&sub1; 28 kHz. Gemäß einem Experiment sind die gewünschten Werte LH und CH in dem obigen Zustand CH = 6 uF und LH = 3 uH. Da der Ersatzwiderstand RH des Magnetronheizdrahtes 0,3 Ω ist, kann die folgende Gleichung abgeleitet werden.
Q= LH/CH/RH
= 3uH/6uF/0.3Ω 2.4
Daher ist der Heizdrahttrom If (10,5 A) bei der Frequenz f1 geringfügig größer als If (10,0 A) bei der Frequenz f2. An der obigen Stelle ist die lnduktivität LH annähernd gleich der Gesamtinduktivität der Drosselspulen 34 und 34' zum Verhindern des Streuens des Rauschens aus dem Magnetron 6, daher kann die Induktivität LH gleichzeitig als Einrichtung zum Rauschfiltern wirken.
Wenn jedoch eine Wandlerschaltung verwendet wird, bei der f&sub2; = 1 50 kHz ist, ist die Frequenz f&sub1; 200 kHz und die gewünschten Experimentalwerte von LH und CH sind LH = 0,4 uH und CH = 0,8 uF. Daher erhält man die folgenden Gleichungen.
Q= LH/CH/RH/
= 0.4uH/0.8uF/0.3Ω 2.4
An der obigen Stelle beträgt die Induktivität LH etwa 3uH, wenn die Drosselspulen 34 und 34' existieren, daher wird die lnduktivität von 0,4uH schwerlich erreicht.
Angesichts des Obigen verwendet die vorliegende Erfindung eine Anordnung, bei welcher die Resonanzschaltung 40 direkt an den Heizdrahtleiter 32 des Magnetrons 22 ohne Verwendung der Drosselspulen 34 und 34' angeschlossen ist.
Wie weiterhin in Figur 8 gezeigt, sind das Magnetron 22, eine Schaltkreisplatte 50 einschließlich der Resonanzschaltung 40, ein Aufwärtstransformator 18, eine Wandlerschaltung 17, eine Steuerungsschaltung 10 und ein Kühlventilator 51 in einem Metallgehäuse 52 montiert. Zusätzlich ist ein Filter F mit einer Drosselspule 53, einem Kondensator 54 und dergleichen in der Eingangssektion der Wandlerschaltung 17 vorgesehen, um Störungen mit Frequenzen von einigen zehn Megahertz bis einigen hundert Megahertz zu filtern, um dadurch die Störungen daran zu hindern, in die Netzspannungsquelle 11 und andere zu streuen. Es ist anzumerken, daß die Bezugszeichen 55 und 56 Löcher bezeichnen, von denen jedes einen Durchmesser aufweist, der keine Streuung von Mikrowellen erlaubt, während es als Lufteinlaß und Luftauslaß dient.
Obwohl die Induktivität LH der Resonanzinduktivität 39 der Resonanzschaltung 40 nur mit der unabhängigen Induktivität 39 in der Ausführungsform aus Figur 1 erreicht wird, ist es ebenfalls möglich, die Streuinduktivität der Tertiärwicklung W3 die gesamte oder einen Teil der Induktivität LH übernehmen zu lassen. Insbesondere, wenn die Betriebsfrequenz der Wandlerschaltung 17 hoch ist, nimmt die Induktivität LH einen geringen Wert an, der nicht größer als 1uH ist, daher kann die Induktivität LH nur von der Streuinduktivität der Wicklung W3 und der Induktivität (0,2 bis 0,3 uH) des Heizdrahtes 31 erhalten werden.
Die Resonanzschaltung 40 kann die gleiche Wirkung erzeugen durch Parallelschalten einer parallelen Resonanzschaltung mit dem Heizdrahtwiderstand RH, wie in Figur 9 gezeigt. Noch detaillierter kann, da die Impedanz der parallelen Resonanzschaltung ihren Maximalwert bei der Resonanzfrequenz fr erreicht, die gleiche Wirkung wie durch die Reihenresonanzschaltung in Figur 1 erhalten werden durch Vorsehen einer Resonanzschaltung parallel zu RH. Da jedoch der Heizdrahtwiderstand RH normalerweise einen geringen Wert von etwa 0,3 n annimmt, ist die Reihenresonanzschaltung vorteilhafter im Sinne des Reduzierens des durch die Wicklung W3 fließenden Stromes.
Die Figuren 10 (a), (b) und (c) zeigen, wie die Spannung VAK an der Anode und der Kathode, der Heizfadenstrom If und die Heizfadentemperatur Tf sich zum Zeitpunkt des Aktivierens der Wandlerschaltung 17 verändern, wenn die oben erwähnte Resonanzschaltung 40 verwendet wird. In Figur 10 repräsentiert die abwechselnd lang und kurz gestrichelte Linie 11 einen Fall, bei dem fo in Figur 7 aktiviert, wenn fo = f&sub1; ist und fo = f&sub2; nach Verstreichen einer Zeit t&sub1; wird. In der Zwischenzeit wird VAK unter die Frequenzsprungspannung VAKm = -6kv gedrückt, während der Strom If = If1 geringfügig größer als If = If2 in dem stabilen Schwingungszustand ist. Andererseits repräsentiert die durchgezogene Linie I2 einen Fall, in dem die Aktivierung mit einem höher als f&sub1; eingestellten fo im Aktivierungszeitpunkt beginnt, das heißt, in einem Zustand, in dem fo = f&sub3; und fr fs in Figur 7 ist, wenn VAK unter die Oszillationsbetriebsspannung VAK = -4kV gedrückt wird und ein stabiler Schwingungszustand bei fo = f&sub2; nach Verstreichen einer Zeit t&sub2; wird erreicht.
In dem obigen Fall ist If um If3 größer als If1 und VAK kann auf einen niedrigen Wert gedrückt werden, eine außerordentliche Zunahme von fo resultiert jedoch in einer signifikant erhöhten Heizdrahttemperatur Tf über der Temperatur Tf&sub2;, was umgekehrt die Zuverlässigkeit verringert. Daher ist es erwünscht, daß VAK zur Aktivierungszeit einen Wert von -6kv bis -4kv aufweist, der annähernd gleich der Schwingungsbetriebsspannung unterhalb von VAKm ist.

Industrielle Anwendbarkeit

Wie oben detailliert beschrieben, weist die vorliegende Erfindung eine Anordnung mit einem Spannungswandler, einem Aufwärtstransformator, einem Magnetron, einer an den Magnetronheizdraht angeschlossenen Resonanzschaltung und einer Steuerungsschaltung auf, wobei die Steuerung den Spannungswandler steuert, so daß die Betriebsfrequenz des Spannungswandlers annähernd mit der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung zum Zeitpunkt des Aktivierens des Spannungswandlers übereinstimmt. Bei der obigen Anordnung kann der Heizdrahtstrom des Magnetrons im Einschaltzeitpunkt auf einen gewünschten Wert gesteuert werden, um einen schnellen Start des Schwingungsbetriebes zu verwirklichen und eine Aktivierung mit einer an der Anode und der Kathode angelegten niedrigen Spannung kann ohne Hervorbringen des Frequenzsprungphänomens verwirklicht werden. Das Obige führt auch zu einer kurzen Anstiegszeit des Erwärmens des Heizdrahtes, ebenso wie dem Nichterzeugen einer Hochspannung, wodurch ein Erhöhen der Dauerspannungsfestigkeit der verwendeten Teile nicht erforderlich ist, was ebenfalls die Verringerung von Kosten und Abmessungen der Teile ermöglicht. Weiterhin stellt das Nichtauftreten des Frequenzsprungphänomens die Bereitstellung einer Hochfrequenzheizgerätes mit einer hohen Zuverlässigkeit und Verringerung der Aktivierungsspannung sicher.
Weiterhin kann bei der Anordnung des direkten Anschlusses der Resonanzschaltung an den Heizdrahtleiter des Magnetrons und Montieren der Bestandteile wie dem Spannungswandler in einem Abschirmgehäuse, während ein Filter in der Eingangssektion des Spannungswandlers vorgesehen ist, die Resonanzkennlinie der Resonanzschaltung so eingestellt werden, daß sie eine gewünschte Frequenzcharakteristik zeigt, auch wenn die Betriebsfrequenz des Spannungswandlers willkürlich gewählt ist. Mit anderen Worten, ungeachtet dessen, welches Betriebsfrequenzband der Spannungswandler aufweist&sub1; kann die Heizdrahttemperatur auf einem stabilen und gewünschten Wert ohne Berücksichtigung der Höhe der Mikrowellenabgabe des Magnetrons gehalten werden, was ebenfalls die Bereitstellung eines Hochfrequenzheizgerätes mit einer hohen Zuverlässigkeit sicherstellt. Weiterhin kann bei der oben erwähnten Anordnung durch Übereinstimmen des Einstellen der Betriebsfrequenz des Spannungswandlers mit der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung im Einschaltzeitpunkt ein schneller Start des Oszillationsbetriebes mit der zuvor erwähnten niedrigen Spannung verwirklicht werden, die an der Anode und der Kathode angelegt wird, während das mögliche Auftreten des Frequenzsprungphänomens sicher verhindert wird.

Bezugszeichen in den Figuren

10...Steuerungsschaltung
11...Netzspannungsquelle
17...Spannungswandler (Wandlerschaltung)
18...Aufwärtstransformator
22...Magnetron
31...Heizdraht (Kathode)
40...Resonanzschaltung
52...elektromagnetische Abschirmeinrichtung (Abschirmgehäuse)
W3...Tertiärwicklung
F....Filter (Rauschfilter)

Claims

1. Hochfrequenz-Heizgerät zum Erhitzen von Objekten wie Nahrungsmitteln, Flüssigkeiten oder Abfall durch Aufnahme elektrischer Energie von einem Netzanschluß (11), einem Spannungserzeuger oder einer Batterie, mit einem Spannungswandler (17) mit einem oder mehreren Halbleiter- Schaltelementen (15) zum Wandeln der elektrischen Energie in eine hochfrequente elektrische Energie,

einem Aufwärtstransformator (18) mit einer primären Wicklung (W&sub1;) zur Aufnahme des Ausgangssignales von dem Spannungswandler (17), einer sekundären Wicklung (W&sub2;) zur Abgabe elektrischer Hochspannungsenergie und einer tertiären Wicklung (W&sub3;) zur Abgabe elektrischer Niederspannungsenergie,

einem Magnetron (22), dessen Anode und Heizdraht (31) entsprechend die elektrische Hochspannungsenergie und die elektrische Niederspannungsenergie des Aufwärtstransformators (18) aufnehmen,

einem in Reihe mit oder parallel zu dem Heizdraht (31) angeschlossenen Resonanzkreis (40), und

einer Steuerschaltung (10) zum Steuern der Betriebsfrequenz des Spannungswandlers (17) durch Steuern der Schaltfrequenz des Halbleiterschaltelementes (15), dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (10) die Schaltfrequenz derart steuert, daß die Betriebsfrequenz des Spannungswandlers (17) annähernd mit der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises (40) im Einschaltenzeitpunkt des Spannungswandlers (17) übereinstimmt.

2. Hochfrequenz-Heizgerät nach Anspruch 1, mit einer elektromagnetischen Abschirmeinrichtung (52) zum Abschirmen des Spannungs-wandlers (17), des Aufwärtstransformators (18), des Resonanzkreises (40), des Magnetrons (22) und der Steuerschaltung (10) in einem identischen Abschirmraum und einem in dem Eingangsabschnitt des Spannungswandlers (17) vorgesehenen Rauschfilter (53, 54).

3. Hochfrequenz-Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Steuerschaltung (10) die Umschaltfrequenz derart steuert, daß die Betriebsfrequenz so eingestellt ist, daß sie annähernd mit der Resonanzfrequenz übereinstimmt, um dadurch eine Spannung, welche annähernd gleich oder geringer als die Schwingungsbetriebsspannung des Magnetrons (22) ist, im Einschaltenzeitpunkt des Spannungswandlers (17) an das Magnetron (22) abzugeben.

4. Hochfrequenz-Heizgerät nach Anspruch 3, bei welchem die Steuerschaltung (10) die Umschaltfrequenz derart steuert, daß die Betriebsfrequenz so eingestellt ist, daß sie eine Spannung, welche höher als die Schwingspannung des Magnetrons (22) und niedriger als die Frequenzumschaltspannung ist, im Einschaltenzeitpunkt des Spannungswandlers (17) an das Magnetron (22) abgibt.

5. Hochfrequenz-Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem, vorausgesetzt, daß der Ersatzwiderstand des Heizdrahtes (31) des Magnetrons (22) RH ist und die Induktivität (39) und die Kapazität (38) des Resonanzkreises (40) entsprechend LH und CH sind, die Kreisgüte Q bei der Resonanzfrequenz die Gleichung erfüllt:

Q = LH/CH/RH 2 ± 1

6. Hochfrequenz-Heizgerät nach Anspruch 1, bei welchem wenigstens eine Kapazität (30) und eine lnduktivität (39) zur Bildung des Resonanzkreises (40) direkt an den Heizdrahtanschluß (32, 33) des Magnetrons (22) angeschlossen sind und bei welchem der Heizdrahtanschluß (32, 33), der Aufwärtstransformator (18) und der Spannungswandler (17) in einem elektrisch abgeschirmten Gehäuse (52) eingebaut sind.

7. Hochfrequenz-Heizgerät nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem wenigstens ein Teil der Induktivität (39) des Resonanz-kreises (40) durch die Streuinduktivität der tertiären Wicklung (W&sub3;) gebildet ist.