SE441640B - Forfarande och anordning for uppvermning medelst mikrovagsenergi - Google Patents

Description

8090959-9 föremål, som skall uppvärmas endast matas in resp. ut ur den andra våg- ledaren i dess resp. ändar och att mikrovågsenergi endast inmatas i den första vågledaren.

Vidare hänför sig uppfinningen till en anordning med i huvudsak de sär- drag som angives i krav 8.

Uppfinningen beskrives nedan i samband med bifogade ritningar, där - fig. l visar två vågledare, - fig. 2 visar ett diagram över kopplingen av energi mellan två vågledare, där energins och vågornas utbredningsriktningar är desamma, - fig. 3 visar ett diagram motsvarande det i fig. 2, _ - fig. # schematiskt visar en anordning enligt en utföringsform hos anord- ningen, - fig. 5 visar ett diagram motsvarande det i fig. 2 och 3 visade, - fig. 6 visar ett tvärsnitt hos två vågledare, där en s.k. ryggvågledare används som matarvågledare, - fig. 7 visar ytterligare ett utförande hos en matarvågledare.

Såsom inledningsvis angivits avser uppfinningen ett förfarande och en an- ordning för mikrovågsvärmning, där mikrovâgsenergi överföras - kopplas - mellan en eller flera vågledare varigenom en mängd problem och oangelägen- heter kan undanröjas.

Principiellt innefattar en anordning för utförandet av nämnda förfarande i sin enklaste form en matarvågledare l, en lastvågledare 2, en kopplings- sträcka 3 och en mikrovågsgenerator H. l fig. l visas en matarvågledare l, vilken kan vara långsträckt och med rek- tangulärt tvärsnitt och som i sin ena ände är ansluten till en mikrovågs- generator, icke visad i fig. l såsom en magnetron, klystron eller transis- tor-oscillator. Denna vågledare är endast avsedd att framföra mikrovågs- energí. En lastvågledare 2 har i huvudsak samma dimensioner som matarvåg- ledaren och förlöper parallellt med denna så att de två vågledarna 1,2 åtminstone utmed en viss sträcka har en gemensam skiljevägg 5. I denna vägg 5 förefinns en kopplingssträcka 3 för överföring - koppling ~ av mikro- vågsenergí från den ena till den andra vågledaren. Kopplingssträckan kan bestå av en slits 6 som avseende transport av mikrovågsenergi förbinder de två vågledarna 1,2. Den kan även bestå av antennelement såsom hål, vil- ka är placerade, flera per våglängd, utefter kopplingssträckans längd. l000059-9 Lastvågledaren 2 utgör en mikrovågsapplikator och dess dimensioner bestäms huvudsakligen av den önskade värmefördelningen i de produkter l3 som skall värmas. Produkterna inmatas i och utmatas ur lastvågledaren 2, såsom an- givits med pilar i fig. H.

Enligt föreliggande uppfinning är lastvågledaren 2 så dimensionerad att vågutbredníngskonstanten, eller våglängden, i denna då den innehåller last, som skall värmas är densamma som i matarvågledaren l.

När så är fallet kommer mikrovågsenergi att kopplas över från matarvågleda- ren l till lastvågledaren 2, då denna innehåller last, utefter kopplinga- sträckans 3 längd. Mikrovågsenergin kan sedan åter kopplas tillbaka till matarvågledaren l via en ytterligare kopplingssträcka 3, varvid således lastvågledarens båda ändar, d.v.s. dess inmatningsände 7 och utmatnings- ände 8 blir fria från mikrovågsenergi.

Den grundläggande teorin för kopplade moder är tidigare känd och beskriven bl.a. i publikationerna J.R. Pierce, "Coupling of Modes of Propagation" J. Appl. Phys. 25, l79 - l83 (Febr. l95Å); w.H. Lovisell, "Coupled Mode and Parametríc Electronics", John Wiley a Sons, Inc. USA l960; D.A. Watkins, "Topics in Electromagnetic Theory", John Wiley 2 Sons, inc. USA 1958; S-E-Nï"Ef>"C°UPïedWaVeThe°FY and waveguide Applications" Bell Systems Tech.

J., 33, 661-720 (May l95ü). Från denna teori är det principiellt känt att energi överföres mellan två vågledare, som är kopplade längs en sträcka och i vilka det propagerar moder med lika eller nästan lika vågutbredningskon- stant. Kopplingen sker mellan moder, som utbreder sig i samma riktning.

Kopplingen mellan vågor med samma vågutbredningskonstant men med utbred- ning åt motsatt håll är ytterst liten. Det är möjligt att undertrycka vågor i motsatt riktning mycket kraftigt genom lämpligt val av kopplingssträckans längd. l fig. 2 visas hur effekten, markerad P utmed y~axeln, pendlar sinusformat mellan två kopplade vågledare, markerade V1,V2 utmed en kopplingssträckas längd, markerad L. För att'som i fig. 2 koppla över all effekt mellan våg- ledarna V1, V2, krävs att vågutbredningskonstanterna i de två vågledarna är lika. Om de skiljer sig något åt överföres endast en del av effekten, näm- ligen + ß 2-31 )2 2k l/ (I av effekten. I formeln betecknar B] respßz vågutbredningskonstanterna i resp. ööÛÛ59-'9 L, vågledare och k kopplingsfaktorn för fälten per längdenhet. Detta medför att kopplingen till andra moder med andra vågutbredningskonstanter kan undertryckas.

Den längd, utefter vilken ett visst förhållande råder mellan effekten i vågledarna bestäms av storleken på kopplingsfaktorn. Med en kopplingssträcka med längden l gäller att all energi överförts från den ena till den andra vågledaren när k-l = H/2.

När förluster förefinns i vågledaren V2 påverkas effekten P, se fíg. 3, så att fördelningen mellan vågledarna utefter kopplingssträckan inte blir sinusformad som i fig. Z. I exemplet i fig. 3 är k=l.8/m och dämpningsfak- torn a=l.8/m. När effekten i vågledaren Vi är noll gäller att kopplings- U, 'i 1 = n/z [lf - (-2-)Z_i a i vågledaren V2 i fig. 3 är längden i är Det kan observeras att den maximala effekten betydligt lägre (29%) än den maximala effekten i vågledaren V1.

Enligt en föredragen utföringsform av anordningen enligt föreliggande upp- finning förefinns en matarvågledare l och en lastvågledare 2, där produkter matas in i den ena änden 7 av lastvågledaren och ut ur dess andra ände 8.

Mikrovågsenergimmatas imatarvågledarensi Wdlastvågledarens hnetningsände 7 förefintliga ände 9.Vida re är det föredraget att i matarvågledarens l andra ände 10 anord- na en reflexíonsfri vattenlast ll för utsläckning av eventuell i matarvåg- ledaren kvarvarande energi, se fig. H. Längs en kopplingssträcka 3 är ma- tarvågledaren l kopplad till lastvågledaren 2. Som nämnts ovan är lastvåg- ledarens 2 dimensioner så valda att med avsedd last i form av produkter har vågledaren samma eller i huvudsak samma vågutbredníngskonstant som ma- tarvågledaren l.

När det inte finns last i lastvågledaren 2 skiljer sig dess vågutbrednings- konstant från matarvågledarens l vågutbredningskonstant varför effekten inte kopplas över från matarvågledaren l till lastvågledaren 2, utan omvand- las till värme i vattenlasten ll. Generatorn Ä arbetar härvid mot en anpas- sad last oberoende av om effekt kopplar till lastvågledaren eller inte. ingen mikrovågsenergi läcker härvid ut ur utrustningen.

När produkter l9 matas in I lastvågledaren 2 förändras vågutbredningskon- stanten så att den blir densamma i de två vågledarna l,2, varigenom ener- gin kopplas över till lastvågledaren 2, varvid produkterna uppvärms. Den 0000059-9 överkopplade effekten transporteras endast i vågutbredningsriktningen, var- för inmatning av produkter inte ger upphov till några problem avseende mi;~ rovågsläckage. Det finns ju nämligen ingen mikrovågsenergi vid lastvågledar- ens 2 inmatningsände 7.

Kopplingssträckans 3 längd kan väljas så.att all effekt, vid den punkt där kopplingen upphör, befinner sig i matarvågledaren. Därigenom föres all kvar- varande mikrovågseffekt till vattenlasten ll. På detta sätt ernås att last- vågledarens utmatningsände 8 blir fri från mikrovågsenergi. Uppfínnângen med- ger således fri passage av produkter som skall värmas utan att mikrovågsläck- age riskeras.

Kopplingssträckan 3 kan vidare uppdelas i två eller flera sektioner så att exempelvis den första sektionen överför effekten från matarvågledaren l till lastvågledaren 2 medan nästa sektion för tillbaka effekten till matarvågled- aren l.

Om dämpningen i lasten är hög kan det vara tillräckligt att föra över ef- fekten till lastvågledaren och låta den helt omvandlas till värme i produkt- erna innan dessa når utmatningsänden 8.

Den maximala mikrovågseffekten i lastvågledaren 2 begränsas antingen av att den elektriska fältstyrkan inte får bli så hög att ett elektriskt genomslag erhålles eller av att produkterna inte tål alltför snabb uppvärmning.

I en vågledare som matas direkt av en generator eller via en inkoppling i en punkt blir värmeutvecklingen liksom mikrovågseffekten exponentiellt fallan- de i effekttransportens riktning.

I detta sammanhang erbjuder föreliggande uppfinning stora fördelar i och med att värmeutvecklingen kan fördelas mycket jämnt i vågutbredningsriktning- en.

Genom att anordna en låg koppling kan effekten hållas betydligt lägre i last- vågledaren än i matarvågledaren.

I fig. 5, vilken är ett diagram av samma typ som fig. 2 och 3, återfinns teo- retiska kurvor (streckade) och en uppmätt kurva (heldragen) avseende kopp- lingen mellan två vågledare Vl,V2.Dämpningsfaktorn u uppmättes till 3.9/m och kopplingsfaktorn k till l.8/m. Kopplingssträckan 3 utgjordes av en kon- tinuerlig slits. Genom att minska kopplingen minskar maximal effekt i last- vågledaren 2 för en given inmatad effekt i matarvågledaren l.

Det är även möjligt att hålla energitätheten i lastvågledaren 2 på högsta nivå genom att variera kopplingsfaktorn per längdenhet. Därigenom kan upp- 80ÜÛ059~9 värmningshastigheten bringas att styras med tiden så att ett önskat uppvärm- ningsförlopp, t.ex. en torkningsprofil, erhålles.

Under tillämpande av föreliggande uppfinning bringas mikrovågsenergi att överföras under en jämförelsevis lång sträcka, vilket innebär att störning- ar av fältbilden i applikatorn, d.v.s. lastvågledaren, är obetydlig. En kon- ventíonell diskret inkoppling av effekt till en lastvågledare med exempel- vis en slinga, en antenn eller öppning medför nämligen en kraftig lokal stör- ning av fältbilden och därmed störning av värmefördelningen.

Enligt en ytterligare, föredragen, utföringsform av uppfinningen är matar- vågledaren l eller lastvågledaren 2 så utförd att dess vågutbredningskonstant långsamt förändras utmed dess längd. Härvid minskas lastberoendet, d.v.s. inverkan av att förändringar i lasten förändrar vågutbredningskonstanten och därmed kopplingens styrka. Detta kan ske genom en.kontinuerlig förändring av dess dimensioner eller genom insättning av ett lågförlustigt dielektriskt material, vars läge i vågledaren och vars dielektricitetskonstant påverkar vågledarens vågutbredningshastighet.

För det fall att ett dielektriskt material införas i vågledaren är dess läge företrädesvis förskjutbart utifrån så att vågledaren lätt kan intrímmas under pågående drift.

I fig. 6 visas i tvärsnitt ett utförande av en flexibel matarvågledare l enligt uppfinningen. Den utgöres av en s.k. ryggvågledare l2 exempelvis en- ligt det svenska patentet nr. 366,#56, där effekten koncentreras till ett om- råde mellan en rygg 13 och kopplingssträckans 3 slits lå. Mellan ryggen l3 och slitsen lå förefinns ett dielektriskt material l5. En reducering av av- ståndet mellan ryggen l3 och slitsen lå ökar koncentrationen av effekt och kopplingen till lastvågledaren 2 blir starkare.

Vågutbredningskonstanten kan bringas att antaga olika värden genom att ut- fylla en större eller mindre del av ryggvågledaren l2 med ett lågförlustígt dielektriskt material. Dielektricitetskonstanten tillsammans med de geomet- riska dimensionerna bestämmer vågutbredningskonstanten hos ryggvågledaren.

För att erhålla höga värden på vågutbredningskonstanten utföres matarvåg- ledaren l med en periodisk struktur, där periodiskt placerade bländare före- finns utgående från två motstående innerväggar l7,l8 hos matarvågledaren l, såsom visas i fig. 7.

Vid sidan om ovan nämnda fördelar kan nämnas att eftersom generatorn arbe- tar mot en reflexionsfri last uppnås en väsentligt längre livstid hos gene- aoeuoss-9 ratorn än vad som vanligen är fallet. Detta gäller speciellt magnetroner, vilka är den dominerande mikrovågsgeneratorn för värmningsändamål.

Vidare kan nämnas att för material med låga förluster erhålles en hög verkningsgrad på kort sträcka samt god tolerans mot variationer i lasten.

Vâglängden blir lång, vilket ger en liten variation av uppvärmningen i längsled.

Uppfínningen är inte begränsad till de ovan angivna utföríngsformerna.

Exempelvis kan flera lastvågledare matas med en matarvågledare, där last- vågledarna 2 placeras parallellt på två resp. sidor om matarvågledaren l.

Vidare kan flera matarvågledare på motsvarande sätt mata effekt till en lastvågledare.

Enligt ett annat utförande kan flera matarvågledare koppla energi till en lastvågledare, där inkopplingen i samma position sker till olika moder i lastvâgledaren, eller i följd efter varandra koppla energi till samma mod i lastvågledaren.

Vidare kan lastvågledarens 2 inmatníngsöppníng 7 dimensíoneras så att den har en s.k. cut-off-frekvens som är lägre än generatorfrekvensen och en ut- matningsöppning 8 med en cut~off-frekvens, som är högre än generatorfrekven- 5811.

Uppfinningen skall således inte anses begränsad till ovan angivna utförings- former, utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram.

Claims (15)

89936594 f; Patentkrav

1. Förfarande för uppvärmning av föremål medelst mikrovâgsenergi, inne- fattande en generator (Å) för tillförande av mikrovågsenergi till en första vågledare (1), där en ytterligare, andra, vâgledare Iförefinns placerad vid den första vågledaren (1) så att åtminstone utmed en viss sträcka de två våg- ledarna (1,2) har en gemensam skiljevägg (5) i vilken en kopplingssträcka (3) förefinns, som utgöres av en slits, en rad av hål, eller motsvarande genom nämnda vägg, medelst vilken kopplingssträcka en i vågledarnas (1,2) vägut- bredningsriktning distribuerad koppling av mikrovågsenergi bringas ske från den ena (1;2) till den andra (2;1) vågledaren, k ä n n e t e c k n a K a v, att den andra vågledaren (2) är öppen i dess båda ändar och av att den dim- ensioneras att under inverkan av i vågledaren (2) införd last i form av nämnda föremål leda mikrovågsenergi med samma vågutbredningskonstant som den första vågledaren (1), varvid mikrovågsenergi bringas att överföras från den första (1) till den andra (2) vågledaren och att under frånvaro av last i vågledaren (2) leda mikrovågsenergi med en vågutbredningskonstant som är skild från vâgutbredningskonstanten i den första vågledaren (1) varvid mikrovågs- energi icke bringas att överföras mellan vågledarna (1,2) samt av att nämnda föremål, som skall uppvärmas endast matas in resp. ut ur den andra vågled- aren (2) i dess resp. ändar och att mikrovågsenergi endast inmatas i den första vågledaren (1).

2. Förfarande enl. krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v, att mikrovågsener- gi bringas passera från den första vågledaren (1) till den andra vågledaren (2) och tillbaka igen till den första vågledaren (1) en eller flera gånger genom anbringande av lika många av nämnda kopplingssträckor (3) mellan våg- ledarna (1,2) som antalet avsedda passager av energi mellan vågledarna.

3. Förfarande enl. krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att våg- utbredningskonstanten i den första vågledaren (1) bringas att kontinuerligt förändras utmed dess längd, genom att vågledarens (1) dimensioner förändras. h.

4. Förfarande enl. krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t a v, att vågut- bredningshastigheten i den första vågledaren (1) bríngas att förändras utmed dess längd genom insättning av ett dielektriskt material, företrädesvis ett keramiskt material i vågledaren. q 0090059-9

5. Förfarande enl. krav 1, 2, 3 eller ü, k ä n n e t e c k n a t a v, att senast nära vågledarnas slutände kopplas all överbliven mikrovågsenerni över till den första vâgledaren (1), varefter denna energi bringas att om- vandlas till värme i en i den första vågledarens (1) ände (10) förefintlšg last (11), exempelvis vattenlast.

6. Förfarande enl. något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v, att två eller flera mikrovågsgeneratorer (Ä) bringas införa energi i var sin vågledare (1), där mikrovågsenergin i samtliga sådana vågledare (1) bringas att kopplas över till en vågledare (2) anordnad för uppvärmning av föremål.

7. Förfarande enl. något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v. att en mikrovâgsgenerator (4) bringas införa energi i en vågledare (1), där mikrovägsenergin i denna vågledare (1) bringas att kopplas över till två eller flera vågledare (2) anordnade för uppvärmning av föremål.

8. Anordning för uppvärmning av föremål medelst mikrovågsenergi, innefatt- ande en generator (4) för tillförsel av mikrovâgsenergi till en första vâg- ledare (1), där en ytterligare, andra, vàgledare förefinns placerad vid den första vâgledaren (1) så att åtminstone utmed en viss sträcka de två vågled- arna (1,2) har en gemensam skiljevägg (5) i vilken en kopplingssträcka (3) förefinns som utgöres av en sträcka innefattande en slits, en rad av hål, eller motsvarande genom nämnda vägg, medelst vilken kopplingssträcka en i vågledarnas (1,2) vàgutbredningsriktning distribuerad koppling av mikrovågs- energi är anordnad att ske från den ena (1;2) till den andra (2;1) vågled- aren, k ä n n e t e c k n a d a v, att den andra vâgledaren (2) är öppen i dess båda ändar och av att den är dimensionerad att under inverkan av avsedd last i form av nämnda föremål, vilka införts i vâgledaren (2), leda mikro- vågsenergi medsamma vâgutbredningskonstant som den första vâgledaren (1) var~ vid överförande av mikrovågsenergi från den första (1) till den andra (2) vâgledaren möjliggöres och att under frånvaro av last leda mikrovâgsenergi med en vâgutbredningskonstant som är skild från vågutbredningskonstanten i den första vâgledaren (1), varvid överförande av mikrovägsenergi mellan våg- ledarna (l;2) omöjliggöres, samt av att nämnda generator är anordnad att endast tïllföra mikrovågsenergi till den första vâgledaren (1) och av att nämnda last är avsedd att införas i endast den andra vâgledaren (2).

9. Anordning enl. krav 8, k ä n n e t e c k n a d a v, att flera kopp- lingssträckor (3) förefinns för att överkoppla mikrovågsenergi från den första vâgledaren (1) till den andra vâgledaren (2) och därefter tillbaka I90G59'9 K, till den första vågledaren (1) en eller flera gånger, där antalet kopplings- ”sträckor är detsamma som antalet av nämnda överkopplingar.

10. Anordning enl. krav 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a'd a v, att den första vågledarens (1) tvärsnitts dimensioner kontinuerligt förändras utmed åtminstone ett avsnitt av dess längd, varvid vågutbredningskonstanten för i vågledaren (1) transporterad energi förändras.

11. Anordning enl. krav 8 eller 9, k ä n n e t e c k n a d a v, att ett dlelektriskt material är infört i den första vågledaren (1) utmed åtminstone ett avsnitt av dess längd, varvid vågutbredningshastigheten för i vågledaren K1) transøorterad energi förändras.

12. Anordning enl. krav 8, 9, 10 eller 11, k ä n n e t e c k n a d a v, att tvâ kopplíngssträckor (3) förefinns eller att en kopplingssträcka (3) med motsvarande längd förefinns anordnade att överföra i den första vâgledaren (1) tillförd mikrovågsenergi till den andra vågledaren (2) och tillbaka till den första vågledaren (1) och av, att den första vågledaren (1) är avslutad i en reflexionsfri last (11), såsom en vattenlast.

13. Anordning enl. något av kraven 8 - 12, k ä n n e t e c k n a d a v, att den första vâgledaren (1) är ansluten medelst kopplingssträckor (3) till två eller flera av andra vågledare (2). 1A.

14. Anordning enl. något av kraven 8 - 12, k ä n n e t e c k n a d a v, att två eller flera av första vågledare (1) är medelst kopplingssträckor (3) an- slutna till en andra vågledare (2).

15. Anordning enl. något av kraven 8 - lå, k ä n n e t e c k n a d a v, att den första vågledaren (1) utgöres av en s.k. ryggvågledare.