NL1017894C1 - Hoogfrequent generator. - Google Patents

Description

Hoogfrequent generator

Hoogfrequent generator met hoog vermogen gecombineerd met een applicator voor het drogen en/of verwerken van materialen met een hoogfrequent veld.

5 De uitvinding heeft betrekking op een installatie welke materialen met hoogfrequente energie kan verwarmen. Een van de hoofd toepassingen is het drogen van materialen. Deze relatief . nieuwe technologie is bekend en wordt reeds toegepast, evenwel vrij kleinschalig. De voordelen van het hoogfrequent verwarmen 10 van materialen in plaats van het verwarmen met behulp van hete lucht of contact overdracht ligt in het feit dat materialen met hoogfrequent energie zeer gelijkmatig verwarmd kunnen worden. De energie wordt in het materiaal zelf of in het vocht daarbinnen omgezet in warmte. Bij een droogproces met hete lucht kan de 15 benodigde energie voor het verdampen slechts via de buitenzijde van het materiaal naar binnen komen door warmte geleiding. Vele materialen hebben een slechte warmtegeleiding waardoor droog processen vaak te lang duren, de buitenzijde te droog wordt en de kwaliteit vermindert.

20 De uitvinding beoogt de benodigde installatie zeer sterk te vereenvoudigen en vele kritische delen te laten vervallen waardoor de kosten van grote generatoren sterk worden verminderd en de vemogens verhoogd kunnen worden tot boven 1 MegaWatt. Met zulke installaties kunnen dan grote hoeveelheden materiaal 25 worden gedroogd of verwerkt, zelfs indien dit materialen met een lage toegevoegde waarde zijn. Deze vereenvoudiging wordt bereikt door het combineren van de generator en de applicator in een zogenaamde semi-rigid golfpijp, waarbij filters en afstem-eenheden komen te vervallen.

30 Installaties welke van hete lucht gebruik maken zijn het meest in gebruik voor het drogen van materialen. Daar de benodigde verdampings energie via de hete lucht aan het materiaal moet worden overgedragen en deze lucht tevens de vocht afvoert, zal de vochtige lucht welke de installatie verlaat bijna met vocht 35 zijn verzadigd en nog steeds vrij warm zijn. Dit geeft 1017894 2 aanleiding tot rendements verlies. Een installatie welke geen warme terugwinning heeft zal in het algemeen dan ook een rendement rond de 30 % hebben.

Een andere groep van droog installaties gebruikt de combinatie 5 van vacuum en mixing. De materialen worden in een vacuum kamer gebracht met hete wanden. De verdamping vindt plaats bij lage temperatuur door de verlaagde luchtdruk. Daar echter de verdampings energie in het materiaal moet worden gebracht via de wand van de vacuum kamer, is een zeer complexe en hoog ίο efficiënte menginstallatie nodig welke de warme materialen naar binnen mengt waar deze de rest warmte via contact moet overdragen aan het kouae materiaal . De meng msut Jat. re moet. tevens vacuum dicht zijn. Deze drogers zijn efficient, doch zeer kostbaar.

n, Bij beide systemen van drogen is de warmte overdracht het mechanisme dat een grens stelt aan de droog snelheid. Het zal dan ook du.1del.i3k zijn dat de droogsnelheid kan worden opgevoerd zodra de warmte in het materiaal zelf kan worden opgewekt met behulp van HF velden of Micro-golf energie, oen van de redenen 20 waarom deze installaties als zodanig dan ook in gebruik zijn. De tweede belangri j kc reden is (ie dikwijls de veel hogere kwaliteit, van de gedroogde matrialen L.o.v. het drogen met. hete lucht.

Voor het HF of Microgolf drogen van materialen is echter een generator nodig welke deze energie opwekt. Bij Micro golven is :r> dat over het algemeen een magnetron. Industrieel zijn er twee belangrijke frequenties beschikbaar, 900 MHz en 2450 MHz. De 900 MHz frequentie band is zeer problematisch door het in gebruiknemen van mobiele communicatie systemen in deze frequentie band, waardoor storings vrije installaties vrijwel 30 onmogenlijk meer te bouwen zijn. Het maximale vermogen van een magnetron op 900 MHz ligt op c. a. 50 kWatt. Op 2450 MHz is het vermogen van een magnetron beperkt tot c.a. 6 kWatt. Voor grote installaties zijn daarom vele magnetrons met de benodigde apparatuur daaromheen nodig, hetgeen de installatie zeer 35 kostbaar en complex maakt. Teven is de indring diepte van 1017894 3 microgolven op deze frequentie beperkt voor een groot aantal materialen waardoor een homogene verwarming moeilijk is. HF installaties hebben naast een generator een filter nodig dat harmonischen onderdrukt om ongewenste straling te verminderen en 5 een afstem eenheid welke de impedantie van de applicator aanpast aan de impedantie welke op de generator dient te worden aangesloten. De afstem eenheid is over het algemeen een automatische installatie om verschillen in absorptiefactor en eigenschappen van het te drogen materiaal te kunnen bijstellen.

10 Tevens zal bij het opstarten en aflopen van het proces en verschillen in temperatuur en vulling van de applicator, de impedantie te bijgesteld dienen te worden door de afstem eenheid. Op zulke momenten kunnen transformaties zeer grote spanningen en stromen veroorzaken in onderdelen van het filter, 15 de afstemeenheid en van de generator.

HF installaties zullen bij grote vermogens onderdelen in de filters en in de afstem eenheid nodig hebben welke speciaal vervaardigd dienen te worden en welke zeer kostbaar zijn. Tevens zullen deze onderdelen praktisch niet meer met een veiligheids 20 marge kunnen worden vervaardigd daar de stromen en spanningen reeds aan de limiet van het mogenlijke liggen. Hierdoor wordt dan ook de praktische en financiële grens van het vermogen van HF installaties bepaald. De uitvinding beoogt een installatie welke geen filters en afstemeenheid nodig heeft door het 25 combineren van applicator en generator. De uitvinding wordt in het volgende nader toegelicht aan de hand van tekeningen, waarin in fig. 1, de afzonderlijke delen van de uitvinding schematisch is getoond, waarin de semi-rigid golfpijp in doorsnede is getekend aangeduid met 1, de generator buis met 2, 30 de hoogspannings doorvoer condensator met 3, de rooster condensator met 4, twee isolatie platen met 5, de oppervlaktes waartussen het materiaal zit en hetgeen dus de applicator vormt, met 6 en 7 en een schematische voorstelling van een lopende band met materiaal met 8.

1017894 4

In fig 2, wordt de semi-rigid golfpijp installatie van buiten getoond waarin de golfpijp wordt aangeduid met 9, de invoer- en uitvoertunnels met 10, de lopende band welke hierdoorheen gaat met 11, de harmische chokes met 12.

5 In fig 3, wordt een doorsnede van de golfpijp getoond met daarin een installatie voor het uuirigeren van dc frequentie door middel van een scharnierend opgehangen plaat 13 welke door een van geïsoleerd materiaal gemaakte arm 14 kan worden bewogen dooide motor 15. De sturing van de motor wordt bewerkstelligd door ie de versterker 16 welke de positie informatie van de frequentie bepalende schakeling 17 krijgt.

Indiër; een golfpijp met een eiectrische lengte van een naive golf aan beide zijden wordt kortgesloten door de einden dicht te maken, zal voor de frequentie waar de pijp een eiectrische halve 15 golf is van binnen in het midden tussen de boven en onderzijde van de golfpijp een hoge impedantie heersen gelijk aan een parallel schakeling van een condensator en een spoel. Men kan nu deze golfpijp gebruiken als een resonator wel ke een deel .is van een HF oscillator, schakeling. Het nadeel is dat do afstand ;v; tussen boven en onderzijde onpraktisch groot is waardoor de opgewekte HF spanning een relatief laag I IF veld opwekt en de inbouw van de buis problematisch is. Door nu geen normale rechthoekige golfpijp te gebruiken doch een zogenaamde enkele semi-rigid golfpijp zoals in doorsnede aangeduid met l m fig.

25 1 is getoond, zal de kortere afstand tussen de bovenzijde van de verhoging aangeduid met 7 (verder "rigid"genoemd) en de onderzijde van de bovenplaat van de golfpijp, kleiner zijn. Dit heeft in de praktijk meerdere voordelen. De afstand is nu zodanig dat de buis 2 voor de oscillator gemakkelijk is in te 20 bouwen, de opgewekte veldsterkte voor vele processen correct is met de spanning welke door een dergelijke buis wordt opgewekt en de applicator ruimte goed gedefinieerd is en door platen isolatie materiaal aangeduid met 5, is af te scheiden. Tevens is nu onder de verhoging ruimte voor b.v. een ventilator welke 35 lucht door het materiaal blaast. Hiertoe dienen de boven en 1017894 5 onderplaat van de applicator ruimte wel van gaatjes te worden voorzien wat electrisch geen probleem is. Daar de koelwarmte van de buis ook onder de "rigid"uitkomt, is het zelfs mogenlijk de ventilatorlucht met deze restwarmte voor te 5 verwarmen om zodoende het totaal rendement verder te verhogen.

Een mogenlijk probleem wordt gevormd door het feit dat de halve-golf golfpijp ook op harmonische frequenties kan resoneren.

Indien de buis in het midden tussen de kortgesloten einden is geplaatst zal op de tweede harmonische bij de buis geen hoge 10 impedantie heersen zodat hier geen oscillatie kan optreden, doch op de oneven harmonischen is dat wel het geval. De toenemende demping van de meeste materialen op hogere frequenties samen met de dalende versterkende eigenschappen van de buis zal oscillatie op een dergelijk hoge frequentie minder kans geven, de 15 condensator 4 zal oscillatie op een harmonische frequentie onmogenlijk maken indien juist gedimensioneerd.

De grootste voordelen van de oscillator met gecombineerde applicator liggen in de volgende feiten: • De installatie bestaat uit een gesloten metalen (veelal 20 aluminimum) doos welke een afscherming vormt en dus niet , zal stralen. Filters zijn daardoor niet nodig.

• De applicator is deel van de z.g. tankkring van de oscillator waardoor bij oscillatie de HF spanning op het materiaal altijd optimaal is. Er is geen afstemeenheid 25 nodig. De belastingsgraad van de generator kan in een proces geregeld worden met de vullingsgraad van de lopende band.

• Door het afwezig zijn van een filter en afstemeenheid zal bij een niet volledig of niet-gevulde band geen 30 transformatie kunnen optreden welke tot overloading van de generator kan leiden.

• De generator heeft geen choke in de anode nodig waardoor geen extreme koelwater RF chokes nodig zijn en geen nevenresonanties gevormd worden..

1017894 6 • Door het wegvallen van filter en afstem eenheid is het vermogen van de generator slechts door het vermogen van beschikbare buizen gelimiteerd.

Voor een industrieele frequentie van 27 MHz lijkt een dergelijke 5 golfpijp installatie wat groot, doch een nadere beschouwing blijkt het formaat nagenoeg overeenkomt met wat gewenst wordt. Als voorbeeld een installatie voor het drogen van katoen met een vochtigheid van 17 % naar c.a. 6%. Onderzoek aan katoen leert dat. er bij een veld van 15 kVolt per meter ca. 250 kWatt ίο gedissipeerd wordt per 100 kg gram bij een vochtigheid van 12 °r . Indien J o:; oestort ween; oen kubieke meter' o. a . 100 ko Kr dient dus 12 kG water te worden verdampt per 100 kg maler iaai . Daarvoor is een energie van 27600 kJoules nodig. Als een verdampings tijd van 2 minuten wordt aangehouden, dan zal er 230 , i s Kwatt. nodig zijn om 100 kG katoen in 2 minuten te drogen. Een gemiddelde conventionele droger verwerkt ca. 300 kG katoen per' 2 minuten. Met een HF droger van 1 MegaWatt kan dus 400 kG katoen per twee minuten worden gedroogd. Het oppervlak van de applicator ruimte waar het HF veld heerst is c.a. 3 meter lanen ::o Een buis die; 1 MegaWatt. opwekt, zal een HF spanning in de applicator ruimte van c.a. 15 kVolt gemiddeld opwekken oven deze lengt.e. Als de katoen laag dus 1 meter dik i s zal het veld 15 kVolt per meter bedragen. Om 400 kgram katoen in de applicator te kunnen vullen zal de "rigid"van de golfpijp dus 1,3 meter 25 breed moeten zijn. Een installatie welke een ander materiaal moet verwerken met andere eigenschappen, kan uitgerust zijn met. een applicatie ruimte welke lager of hoger is, en welke in breedte is geoptimaliseerd. Als er voor materialen met een lage absorbt :i e factor een hogere spanning nodig is, dan kan de buis 30 meer naar het eind van de golfpijp geplaatst worden. De golfpijp zal dan de spanning welke de buis opwekt naar het midden toe optransformeren. Indien meer vermogen gewenst is dan een buis kan leveren, kunnen meerdere buizen parallel worden geschakeld. Zodoende is de installatie aan te passen voor nagenoeg elk 35 materiaal .

1017894 7

Om het materiaal in continue processen door de applicator ruimte heen te kunnen voeren is een gat aan beide einden van de golfpijp nodig. D.it zal tot straling leiden hetgeen ongewenst is. Daartoe is de lopende band door tunnels geleid welke aan het 5 eind van de golfpijp zijn gemonteerd en in fig. 2 door nummer 10 wordt voorgesteld. De lopende band is met nummer 11 aangeduid. Deze tunnels hebben een doorsnede welke transport van een golf met een frequentie van 27 MHz niet toelaat. De demping zal dan ook voor deze freqentie zeer groot zijn naar gelang de lengte, ïo zodat straling minimaal is. Bij tunnels van 1,3 x 1 meter zal de laagste frequentie welke nog doorgelaten wox'dt c.a. 120 MHz bedragen. Dat houdt in dat ook harmonischen tot de 4E wordt onderdrukt. Indien hogere harmonischen toch nog passeren met een amplitude welke boven de grens waarde ligt, dan kunnen 15 doosconstructies dwars op de tunnel en dempend materiaal dit tot toelaatbare waarden verminderen. De doosconstructies, zogenaamde Chokes, zijn getekend in fig. 2 genoemd 12. Dit zijn standaard methodes in de microgolf techniek. De frequentie van de generator zal, afhankelijk van de eigenschappen van het 20 materiaal, iets kunnen wijzigen. Indien de straling nul is, is dat geen probleem. Indien er toch rest straling is met een amplitude boven de toelaatbare grens, dan is het noodzakelijk dat de frequentie gestabiliseert wordt binnen de wettelijke grenzen. Daar droogprocessen alle langzame processen zijn, is er 25 ruim tijd de frequentie te wijzigen. Daartoe is een variable capaciteit aangebracht in de vorm van een beweegbare plaat welke scharnierend aan de bovenzijde van de golfpijp is opgehangen.

Dit is geschetst in fig 3 waar de plaat is gemerkt met nummer 13. Indien de plaat door motor 15 via arm 14 in de verticale 30 stand wordt gebracht, zal er een vergrote capacitieve belasting van de resonator plaats vinden waardoor de resonantie frequentie daalt. De frequentie kan eenvoudig door een electronische schakeling 17 bepaald worden. Deze stuurt een versterker 16 aan welke in de juiste fase de motor aanstuurt en zodanig een 35 closed-loop frequentie regeling vormt. Door de breedte van de 1017894 8 plaatconstructie voldoende groot te kiezen kan deze constructie zeer grote stromen verwerken en kan de afstand tot de rigid voldoende groot blijven om overslag te voorkomen. Door een juiste keuze van de vorm van de plaat kan de regeling 5 nagenoeg lineair worden gemaakt. De beschreven methode vormt een frequentie stabilisatie welke nauwelijks complexiteit en kosten toevoegt.

10 15 0 5 5 0 35 1017894

Claims (14)

1 Een hoogfrequente generator met het kenmerk, dat een 5 applicator voor het hoogfrequent behandelen van materialen is gevormd door de ruimte tussen de binnenzijde van de bovenplaat van een halve-golf enkel-semi-rigid golfpijp en de bovenzijde van de verhoging in de onderplaat van de golfpijp, verder ïo genoemd de rigid, en waar de halve-golf golfpijp de resonator is van de genoemde HF generator.

2 Het systeem volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de golfpijp een zogenaamde dubbele rigid heeft, en dat de applicator wordt gevomd door de ruimte tussen de 15 twee rigids.

3 Het systeem volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat de rigid electrisch wordt benaderd door de constructie van de materiaal houder met mechanismen en materiaal in plaats van een in de plaat gevormde verhoging.

20. Het systeem volgens de conclusies 1, 2 en3 met het kenmerk, dat de installatie is gecombineerd met een systeem dat lucht door het te behandelen materiaal voert ter verbetering of versnelling van het proces.

5 Het systeem volgens conclusie 4 met het kenmerk, dat 25 de lucht door de energie, welke vrijkomt bij het koelen van de generator, wordt voorverwarmt met het doel het proces te verbeteren, te versnellen, of het rendement te verhogen.

6 Het systeem volgens een of meerdere van de voorgaande 30 conclusies met het kenmerk, dat de frequentie van de generator wordt gecorrigeerd met een actief frequentie correctie systeem.

7 Het systeem volgens een of meerdere van de voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de frequentie wordt 35 bepaald door een externe oscillator welke de buis in 1017894 de golfpijp aanstuurd en zodanig als versterker gebruikt voor het opwekken van het HF electrisch veld.

8 Het systeem volgens een of meerdere van de voorgaande 5 conclusies met het kenmerk, dat de installatie is gecombineerd met een transportsysteem dat het te verwerken materiaal door de applicator ruimte heenvoert.

9 Het systeem volgens een of meerdere van de voorgaande io conclusies met het kenmerk, dat de invoer en uitvoer voor hot materiaal dat verwerkt wordt voor st:r,i] mq is af geschermd Goor invoer- en ui f.vocr tunnel s er v.v.a? deze tunnels een doorlaat frequentie hebben hoger dan de frequentie van de generator. ίο 10 Het: systeem volgens conclusie 9 met het kenmerk, dat. de invoer- en uitvoertunnels constructies hebben om stral mg van frequenties hoger dan de doorlaat frequentie te verzwakken.

11 Het systeem volgens een of meerdere van de voorgaande r; conclusies met het kenmerk, dat de restwarmte van het systeem wedergebruikt. wordt ter verhoging van het totaalrendement.

12 Het systeem volgens een of meerdere van de voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de golfpijp resonator is gebruikt op een harmonische van de grondgolf.

13 Hef systeem volgens een of meerdere van de voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de installatie is gecombineerd met systemen welke de voorgang var; het proces bepalen uit de frequentie gegevens.

11 Het systeem volgens een of meerdere van de voorgaande conclusies met het kenmerk, dat de de installatie is gecombineerd met systemen welke de voorgang van het proces bepalen uit de belastingsgraad van de generator. 1017894

15 Het systeem volgens een of meerdere van de voorgaande conclusies met het kenmerk, dat het actieve element in de oscillator een ander element is dan een triode. 1017894