DEP0047558DA - Einrichtung zur industriellen Behandlung von Stoffen im Hochfrequenzfeld - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur industriellen Behandlung von Stoffen im Hochfrequenzfeld, insbesondere mit Frequenzen oberhalb von 3 x 10(exp)6 Hz, beispielsweise zum Erhitzen von Metallteilen im Spulenfeld oder von dielektrischen Stoffen im Kondensatorfeld. Bei derartigen Anlagen, in denen die Behandlungsapparatur in den Produktionsgang eingereiht werden soll, bereitet die Aufstellung der Hochfrequenzgeneratoren oft erhebliche räumliche Schwierigkeiten. Dies wirkt sich besonders dann störend aus, wenn eine oder mehrere Hochfrequenz-Behandlungsstufen als Arbeitsgang in eine bereits bestehende oder neu zu erstellende Fließ- bzw. Bandfertigung eingegliedert werden sollen.

Vielfach, besonders in bestehenden Anlagen, ist der Raum bereits derart ausgenutzt, daß die Aufstellung eines Hochfrequenz-Generators im Zuge der Fertigungsstraße nur unter großen Beschränkungen oder zeitraubenden und kostspieligen Umstellungen, manchmal jedoch auch gar nicht möglich ist. Der Grund hierfür liegt darin, daß eine räumliche Trennung von Hochfrequenz-Generator und Hochfrequenz-Behandlungsgerät bisher vermieden wurde, um die Verluste, die durch längere Verbindungsdrähte zwischen Hochfrequenzgenerator und Behandlungsgerät eintreten, so klein wie möglich zu halten, denn die Erfahrung hat gezeigt, daß der Wirkungsgrad der Hochfrequenzbehandlungsanlage mit der Länge der freien Verbindungsleitungen zwischen Generator und Behandlungsgerät rasch abnimmt. Man war daher in solchen Fällen gezwungen, den Hochfrequenzgenerator zusammen mit den unmittelbar benachbarten Hochfrequenzbehandlungsgerät abseits von der eigentlichen Fertigungs- straße aufzustellen und die Fließfertigung durch Zwischenschalten eines Hin- und Rücktransportes der zu behandelnden Teile oder Stoffe zu unterbrechen. Dadurch entstanden aber unnötige Zeitverluste und durch Mehrarbeit erhöhte Fertigungskosten.

In den Figuren 1 bis 3 der Zeichnung sind einige Schaltungen von bisher gebräuchlichen Einrichtungen zur Hochfrequenzbehandlung dargestellt. In Fig. 1 ist G eine Hochfrequenzgeneratoranlage mit dem Röhrengenerator R und dem Generatorschwingkreis, der aus dem Kondensator C(sub)1 und der dazu parallel liegenden Induktivität besteht. Diese setzt sich wie folgt zusammen: Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist die Behandlungsspule Sb(sub)1, welche mittels der beiden Leitungen 1 und 2 an die Klemmen 3 und 4 angeschlossen ist, in den Generator-Schwingkreis eingeschleift. Die Schwingkreisinduktivität setzt sich also zusammen aus der Induktivität der Spule S(sub)1, der Induktivität der Behandlungsspule Sb(sub)1 und der Induktivität der beiden Leitungsdrähte 1 und 2. Die Zuleitung zur Behandlungsspule Sb(sub)1 muß daher die gesamten Kreisströme, also die gesamte Blind- und Wirkleistung übertragen, wobei der Strom in der Behandlungsspule Sb(sub)1 nicht größer ist als der Kreisstrom. Offenbar werden die Verluste umso größer, je höher die Frequenz gewählt wird und je länger die Verbindungsleitungen 1, 2 sind, zumal diese bisher als freie Leitungen ausgeführt werden. Die Hochfrequenzspannung führenden Zuleitungen zur Behandlungsspule Sb(sub)1 erfordern außerdem besondere Sicherheitsvorkehrungen, die räumlich vielfach störend und außerdem kostspielig sind. Weiterhin können starke Funkstörungen entstehen, deren Unschädlichmachung gegebenenfalls den Einbau der ganzen Anlage in einen Faraday'schen Käfig erforderlich machen kann, wodurch nicht nur ein weiterer erheblicher Aufwand entsthet, sondern auch die Eingliederung der Hochfrequenz-Behandlungsapparatur in eine Fließ- oder Bandfertigung weiterhin erschwert oder gar unmöglich gemacht werden kann.

Bei der bekannten Ausführungsform nach Fig. 2 der Zeichnung sind die geschilderten Schwierigkeiten die gleichen. Bei dieser Ausführung ist der Generatorschwingkreis, bestehend aus dem Einstellkondensator C(sub)1 und der Spule S(sub)1, geschlossen. Die Behandlungsspule Sb(sub)1 ist mit wählbarem Übersetzungsverhältnis oder veränderlicher Ankoppelung der Spule Sk(sub)1 an den Generatorschwingkreis C(sub)1S(sub)1 transforma- torisch angekoppelt. 1 und 2 sind wieder die freien Verbindungsleitungen zwischen der Behandlungsspule Sb(sub)1 und den Klemmen 3, 4 am Hochfrequenzgenerator, welche mit der Kopplungsspule Sk(sub)1 in Verbindung stehen. Der Strom in der Behandlungsspule Sb(sub)1 ist angenähert proportional dem Übersetzungsverhältnis Ü zwischen den Spulen S(sub)1 und Sk(sub)1, d.h. es muss auch in diesem Falle die Leitung diesen Strom und somit einen erheblichen Blindstrom übertragen.

Fig. 3 stellt eine vielfach übliche Schaltung zur Hochfrequenzbehandlung von Stoffen im Kondensatorfeld dar, wobei der aus den beiden Platten Cb und Cb' bestehende Behandlungskondensator, gegebenenfalls in Reihe mit einem Abgleichskondensator C(sub)A, über die freien Verbindungsleitungen 1, 2 an die Klemmen 3, 4 angeschlossen ist, die zu der Kreisinduktivität S parallel liegen. Der Hochfrequenzbehandlungskondensator C(sub)b, Cb' stellt hier also einen Teil des Generatorschwingkreises dar. Es ist daher aus den angeführten Gründen eine Fortleitung der Hochfrequenz zu einem räumlich getrennten Arbeitsplatz nur auf kürzeste Entfernung möglich, besonders dann, wenn mit sehr kurzen Wellen gearbeitet werden soll. Dies ist aber bei einer Hochfrequenzbehandlung von dielektrischen Stoffen im Kondensatorfeld meistens erforderlich. Bei dieser Schaltung wird es ausserdem als Nachteil empfunden, dass sie nicht ohne weiteres auch zur induktiven Behandlung von Stoffen, d.h. zur Behandlung im Spulenfeld, Verwendung finden kann, wie ein Vergleich mit den Schaltungen nach Fig. 1 und 2 ohne weiteres erkennen lässt.

Die Erfindung erstrebt eine Lösung, die es ermöglicht, den Hochfrequenzgenerator und das Hochfrequenz-Behandlungsgerät (Behandlungsspule, Behandlungskondensator) auf einfache Weise und mit gutem hochfrequentem Wirkungsgrad räumlich zu trennen, so dass es möglich wird, das Hochfrequenzbehandlungsgerät an jeder räumlich beschränkten Stelle aufzustellen, beispielsweise in eine Fliess- und Fertigungsstrasse einzureihen, und den Generator an einem anderen Orte, z.B. in einem benachbarten Raum oder in einem vorhandenen elektrischen Schalt- oder Maschinenraum unterzubringen, wo er gleichzeitig vor schädlichen Einflüssen durch Staub, Feuchtigkeit oder Dämpfe geschützt ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass Hochfrequenzgenerator und Hochfrequenzbehandlungsgerät zum Zwecke ihrer räumlichen Trennung durch eine Hochfrequenz-Energieleitung verbunden sind und am Behandlungsgerät unter mindestens angenäherter Einhaltung der Anpassungsbedingungen ein Blindstrom-Kompensierungsmittel vorgesehen ist, so daß die Energieleitung praktisch nur die im Behandlungsgerät verbrauchte Wirkleistung zu transportieren hat. Bei Hochfrequenzbehandlung im Spulenfeld dient dabei als Blindstrom-Kompensierungsmittel ein Kondensator, während bei einer Behandlung im Kondensatorfeld die Blindstrom-Kompensierung durch eine Spule erfolgt.

Anhand einiger Ausführungsbeispiele wird die Erfindung in folgendem noch näher erläutert. Es zeigen die Fig. 4 und 5 zwei verschiedene Schaltungen nach der Erfindung für eine Hochfrequenzbehandlung von Werkstücken im Spulenfeld und Fig. 6 eine Einrichtung zur Behandlung von Stoffen im Kondensatorfeld. Fig. 7 stellt ein Beispiel für die vorteilhafte Anwendung der Erfindung zur serienmässigen Holzverleimung in einer Tischlerei-Werkstätte dar.

Bei der neuen Einrichtung nach Fig. 4 besteht der Hochfrequenzgenerator G aus dem Röhren-Generator R und dem Schwingkreis, der sich aus dem Kondensator C(sub)2 und der Spule S(sub)2 zusammensetzt. Statt des Röhrengenerators kann aber auch ein Funkenstrecken- oder ein Lichtbogengenerator Verwendung finden. Der Spule S(sub)2 ist eine zweckmässig verstellbare Spule Sk(sub)2 angekoppelt, deren Enden an den Ausgangsklemmen 3 und 4 des Generators liegen. 5 ist der zu behandelnde Stoff, im vorliegenden Falle ein metallisches Werkstück, das sich in der aus wenigen Windungen oder sogar nur aus einer Windung bestehenden Behandlungsspule Sb(sub)2 befindet. Unmittelbar parallel zur Behandlungsspule Sb(sub)2 liegt ein Kondensator Ck(sub)2. Diese Parallelschaltung von Kondensator CK(sub)2 und Behandlungsspule Sb(sub)2 ist über die aus zwei parallelen Leitern 6, 7 bestehende Hochfrequenz-Energieleitung (Lecher-Leitung) an die Generatorklemmen 3, 4 angeschlossen. Die Kapazität des am Ende der Energieleitung 6, 7 liegenden Kondensators Ck(sub)2 ist dabei so gewählt, daß er durch seinen kapazitiven Blindstrom den induktiven Blindstrom über der Leitung kompensiert. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Energieleitung 6, 7 im wesentlichen nur die im Behandlungsgerät verbrauchte Wirkleistung zu transportieren hat.

Die Lecherleitung kann auch zwei parallel geführten isolierten Leitern bestehen. Es ist aber auch möglich, die beiden parallelen Leiter 6, 7 in einem Kabel unterzubringen, das den Vorteil einer leichteren Verlegung hat. In an sich bekannter Weise läßt sich dieses Kabel auch mit einem äußeren Abschirmmantel versehen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Einrichtung ist das Behandlungsgerät mit dem Hochfrequenzgenerator durch ein konzentrisches Kabel 8 verbunden. Die Schaltung des Hochfrequenzgenerators und des Behandlungskreises ist die gleiche wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. Unterschiedlich ist jedoch die Ankoppelung der Energieleitung an den Generator-Schwingkreis. Diese erfolgt transformatorisch, indem der Außenmantel des konzentrischen Kabels 8 mit dem unteren Ende der Spule S(sub)2 verbunden ist, während der Innenleiter zu einem Abgriff an der Spule 2 führt. Der Abgriff ist so gewählt, daß nur ein Teil der in der Spule S(sub)2 liegenden Spannung abgenommen wird. Wie Versuche ergeben haben, ist es dabei vorteilhaft, die letztgenannte Verbindung unter Zwischenschaltung eines Kondensators C(sub)3 vorzunehmen.

Die Anordnung nach Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine Hochfrequenzbehandlung im Kondensatorfeld. Die Schaltung des Hochfrequenz-Generators und die Verbindung des konzentrischen Energiekabels 8 mit dem Generatorschwingkreis ist wieder die gleiche wie in Fig. 5. C(sub)b, C(sub)b' sind die beiden Platten des Behandlungskondensators, zwischen denen sich das Behandlungsgut 9 befindet, das beispielsweise erwärmt werden soll. Während bei den Ausführungsformen nach Fig. 4 und 5 mit induktiver Behandlung des Werkstückes zur Kompensierung des induktiven Blindstromes ein Kondensator C(sub)k vorhanden ist, muß bei der Ausführungsform nach Fig. 6 der kapazitive Blindstrom kompensiert werden. Hierzu dient die Spule S(sub)3. Diese wird mit Vorteil gleichzeitig zur Spannungstransformation verwendet, indem beispielsweise der Anschluß der beiden stromführenden Teile des Energiekabels 8 nach Art eines Spartransformators erfolgt. Auf diese Weise läßt sich auch ohne Änderung des Generators und der am Energiekabel liegenden Spannung eine weitgehende und für die kapazitive Behandlung von Stoffen im Kondensatorfeld vorteilhafte Spannungserhöhung erreichen.

Bei den in den Fig. 4 bis 6 dargestellten Einrichtungen zur Hochfrequenzbehandlung brauch die Energieleitung infolge der Blindstromkompensierung im wesentlichen nur die am Behandlungsgerät verbrauchte Wirkleistung zu übertragen und es wird eine weitgehende, mindestens angenäherte Anpassung an den Generator erreicht. Gleichzeitig tritt in dem auf den Generator möglichst gut abgestimmten Schwingkreis Sb(sub)2, Ck(sub)2 des Behandlungsgerätes bei den Beispielen nach Fig. 4 und 5 eine Stromerhöhung auf einen Wert ein, der durch das Produkt aus dem Strom im Generatorschwingkreis C(sub)2 S(sub)2, aus dem durch die Ankopplung der Energieleitung an den Generatorschwingkreis bedingten Übersetzungsverhältnis und aus der durch den Kompensierungskondensator C(sub)k erzielten Stromüberhöhung gegeben ist. Diese entspricht bei den Ausführungen nach Fig. 4 und 5 einer vorteilhaften Vergrößerung der in der Behandlungsspule Sb(sub)2 auftretenden und für die Behandlung des induktiv zu erwärmenden Werkstückes maßgebenden Amperewindungen. Der wesentliche Vorteil der neuen Einrichtung besteht darin, daß sie für die praktischen Bedürfnisse weitgehend unabhängig von der Länge der Hochfrequenzenergieleitung 6, 7 bzw. 8 gemacht werden kann.

Es wird dadurch möglich, Hochfrequenzgenerator und Behandlungsgerät voneinander räumlich zu trennen.

Außerdem führt die Energieleitung nur eine im Vergleich zur Hochfrequenzspannung des Generators verhältnismäßig niedrige Hochfrequenzspannung. Hierdurch ist es bei der neuen Einrichtung auch möglich, Leitungen zu verwenden, die nur für niedrige Spannungen isoliert zu sein brauchen und daher kleinere Abmessungen haben können. Die Kosten für Anschaffung und Verarbeitung sind daher niedriger als bei Leitungen, die für Hochspannungen isoliert sein müssen, wie es vor allem bei den bisher gebräuchlichen Ausführungen zur kapazitiven Behandlung von Stoffen im Kondensatorfeld erforderlich war. Hinzu kommt noch die gefahrlosere Handhabung der Hochfrequenzleitung und bei induktiver Behandlung auch des Behandlungsgerätes.

Während bei den bekannten Einrichtungen zur Hochfrequenzbehandlung von Stoffen - wie ein Vergleich der Schaltungen nach Fig. 1 bis 3 zeigt - der Hochfrequenzgenerator für eine Behandlung im Spulenfeld anders ausgebildet sein muß als bei einer Behandlung im Kondensatorfeld, ist bei Anwendung der Erfindung die Generatorschaltung in beiden Fällen die gleiche. Es kann also bei einem Übergang von einer induktiven Behandlung zu einer kapazitiven Behandlung der gleiche Generator und die gleiche Energieleitung verwendet werden, und es bedarf lediglich das Behandlungsgerät selbst eines Austausches. Der Generator läßt sich somit als Standard-Generator sowohl für eine Behandlung im Spulenfeld als auch für eine Behandlung im Kondensatorfeld ausführen.

Die Anwendung einer Energieleitung läßt es ohne weiteres zu, einen Leiter oder die elektrische Mitte beider Leiter derselben zu erden. Dies ist aus Schutzgründen vorteilhaft, weil die Möglichkeit nicht ausgeschlossen ist, daß beispielsweise bei der Anordnung nach Fig. 4 aus irgendwelchenGründen ein Überschlag zwischen den beiden Spulen S(sub)2 und Sk(sub)2 eintreten kann, der dann über die Erde zu dem ebenfalls geerdeten Generatorkreis kurz geschlossen und somit unschädlich gemacht wird. Eine Erdung der elektrischen Mitte, die aus symmetrischen Gründen vorteilhaft sein kann, läßt sich in Fig. 4 beispielsweise dadurch herstellen, daß die Mitte der Ankopplungsspule Sk(sub)2 geerdet wird. Wird - wie erwähnt - die Lecherleitung nach Fig. 4 in einem abgeschirmten Kabel untergebracht, so erfolgt vorteilhaft eine Erdung des Abschirmmantels. Da dieser zu den beiden Leitern des Lechersystems gleiche Kapazität aufweist, stellt die Mantelerdung im gewissen Sinne eine kapazitive Mittelpunktserdung dar. Bei der Verwendung von konzentrischen Kabeln als HF-Energieleitung wird vorteilhaft der äußere Leiter geerdet. Diese Maßnahme ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Ankopplung des Energiekabels 8 nicht in der in Fig. 5 und 6 dargestellten Weise erfolgt, sondern auf induktivem Wege ähnlich der Fig. 4, weil in diesem Falle keine galvanische Verbindung mit dem in vielen Fällen geerdeten Generatorkreis mehr vorhanden ist. Es sein an dieser Stelle noch erwähnt, daß auch die Lecherleitung gemäß Fig. 4 jede andere Ankopplungsart an den Generator zuläßt und beispielsweise auch eine galvanische bzw. kapazitive Verbindung im Sinne der Ausführung nach den Fig. 5 und 6 möglich ist.

In Fig. 7 ist zur Veranschaulichung der durch die Erfindung erzielten Vorteile eine Tischlerwerkstätte einer Möbelfabrik mit Fließbandfertigung als Beispiel dargestellt.

Das unterteilte Förderband 10 bewegt sich in der Pfeilrichtung von links nach rechts. Die zu bearbeitenden Holzteile wandern dabei zunächst an einer Bandsäge 11 vorbei, werden hier bearbeitet, gelangen an die Leimauftragsstelle mit den Tischen 12, 12a und erreichen das Hochfrequenzverleimungsgerät 13. In diesem wird der aufgetragene Leim durch Behandlung mit Hochfrequenz, z.B. im hochfrequenten Kondensatorfeld, in so kurzer Zeit getrocknet, daß die verleimten Teile ohne Unterbrechung der Fließfertigung wieder auf das Förderband gelegt und ihre weitere Bearbeitung an den Kreissägen und Fräsen 14, 14a, Hobelmaschinen 15, 15a und Bandschleifmaschine 16 erfolgen kann.

Aus dieser Anordnung der eng aneinandergereihten Bearbeitungsmaschinen bzw. Bearbeitungsplätze ist einmal ersichtlich, daß eine Aufstellung des immerhin einige Quadratmeter Grundfläche erfordernden Hochfrequenzgenerators für die serienmäßige Holzverleimung unmittelbar neben dem Behandlungsgerät große Schwierigkeiten bereiten und außerdem auch den Überblick in der Bandfertigung stören würde. Ferner ist zu beachten, daß der Generator zum Zwecke der Wärmeabfuhr mittels eines Ventilators stark luftgekühlt werden muß. Selbst dann, wenn die einzelnen Bearbeitungsmaschinen mit Absaugung ausgerüstet sind, entsteht erfahrungsgemäß immer noch eine so starke Staubentwicklung, daß die sich ablagernden Staubschichten eine große Gefahr für derartige Hochfrequenz-Hochspannungsanlagen darstellt. Es ist deshalb ein wesentlicher Vorteil der Einrichtung nach der Erfindung, daß durch die Anwendung einer Hochfrequenzenergieleitung, z.B. in Form eines Kabels, eine getrennte Aufstellung des Hochfrequenzgenerators ermöglicht wird. Im dargestellten Beispiel läßt sich daher der Hochfrequenzgenerator 17 zusammen mit seinem Stromversorgungsteil in den darunterliegenden staubfreien Raum aufstellen und lediglich durch ein entsprechend langes Hochfrequenzkabel mit dem Verleimungsgerät 13 verbinden.

Claims (7)

1. Einrichtung zur industriellen Behandlung von Stoffen im Hochfrequenzfeld, insbesondere mit Frequenzen oberhalb von 3 x 10(exp)6 Hz, dadurch gekennzeichnet, daß Hochfrequenzgenerator und Hochfrequenzbehandlungsgerät zum Zwecke ihrer räumlichen Trennung durch eine Hochfrequenzenergieleitung verbunden sind und am Behandlungsgerät unter mindestens angenäherter Einhaltung der Anpassungsbedingungen ein Blindstrom-Kompensierungsmittel (Kondensator bei Behandlung im Spulenfeld oder Spule bei Behandlung im Kondensatorfeld) vorhanden ist, so daß die Energieleitung im wesentlichen nur die im Behandlungsgerät verbrauchte Wirkleistung zu transportieren hat.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieleitung an den Generatorschwingkreis im Sinne einer Herabsetzung ihrer Spannung angekoppelt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 für Behandlung im Kondensatorfeld, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensierungsinduktivität gleichzeitig als Spannungs-Aufwärtsübertrager, z.B. als Spartransformator, geschaltet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Leiter oder die elektrische Mitte beider Leiter der Energieleitung geerdet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4 mit einem abgeschirmten Kabel als Energieleitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschirmmantel geerdet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 4 mit einem konzentrischen Kabel als Energieleitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter geerdet ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 1 mit einem konzentrischen Kabel als Energieleitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter über eine Kapazität an den Generatorkreis angekoppelt ist.