SE510484C2 - Apparat för uppvärmning och/eller mätning av dielektriska material - Google Patents

Description

\ i “IW-p vi VÄUH... .| ...r..m.|.. .i my., .".,..,... ..,.,,.i,,,,.t... n ul :I s1o 484 Z Värmning med mikrovågor i en resonant kavitet är sedan många år en etablerad teknik. För att en resonant kavitet skall kunna erhållas måste vissa fysikaliska villkor vara uppfyllda. Kavitetens väggar skall vara definierade som randvillkor, kavitetens form måste uppfylla kraven för en resonant kavitet.

Enligt Maxwells ekvationer ökar elektronkoncentrationen i ytan på en ledare med ökande frekvens. (Skin effekt) Vid frekvenser överstigande 900 MHz ( mikrovågsfrekvenser) blir strömmama i en kavitetsvägg så ytliga att enligt Maxwells ekvationer har väggarna approximativt oändlig ledningsförmåga, därigenom kan kavitetsväggarna definieras som randvillkor. Med avtagande frekvens ökar skinndjupet, vid frekvenser understigande 300 MHz är skinndjupet så stort att en resonant kavitet enligt känd teknik inte anses vara möjlig.

Vid värmning med mikrovågsteknik kan man få en homogen fördelning av mikrovågoma i kaviteten. Mikrovågornas ringa inträngningsdjup ger trots detta en inhomogen värmefördelning i en mångfald tillämpningar där laster har påtaglig tjocklek.

Denna uppfinning ger en överlägsen uppvärmning av dielektriska material även då dessa har avsevärd tjocklek.

Tekniken bygger på att man i en last, placerad i en kavitet med mycket små dimensioner i förhållande till aktuell våglängd i vakuum vid applicerad frekvens, skapar ett pulserande elektromagnetiskt när-fält. Med närfält avses det/de falt som bildas när avståndet från antenn understiger en våglängd av applicerad frekvens.

Figl är ett exempel på en apparat enligt uppfinningen.

Mellan antennen(2) och kaviteten (1) är det en fasdifferens. Fasdifferensens storlek mellan antenn och kavitetens hölje är varierande beroende på vilka referenspunkter som väljs på antenn och kavitetens sida, fasdiiïerensen uppgår som mest till 180 grader.

Praktiska mätresultat visar en mycket god värmefördelning i lasten (3).

Utförda datorsimuleringar tyder på mycket komplicerade faltkonfigiirationer. De elektriska och magnetiska faltlinjernas mönster överensstämmer ej med de mönster som gäller för mikrovågsugnar och för traditionell dielektrisk uppvärmning.

Kavitetens hölje med innesluten(-na) antenn/antenner, alstrar i samverkan med antenn/antenner det pulserande elektriska och magnetiska fältet i lasten och därmed värme med hög homogenitet och hög verkningsgrad i lasten. Lokala värmekoncentrationer samt ytlig uppvärmning förekommer ej. Utmärkande för 53 s1o 4:34 uppfinningen är sålunda en unik växelverkan mellan antenn, kavitets hölje och i kavitet placerad last. Denna växelverkan möjliggör snabba uppvärmningsförlopp.

Homogen uppvärmning med hög verkningsgrad erhålls från mycket små laster till stora laster. Speciellt gäller detta om att kavitetens volym begränsas så att kubikroten ur dess totala volym ej överskrider 25 % av någon applicerad våglängd i vakuum betingad av applicerad frekvens , ännu hellre att kubikroten ur dess totala volym ej överskrider 20 % av någon våglängd i vakuum betingad av applicerad frekvens och allra helst att kubikroten ur dess totala volym ej överskrider 15 % av någon våglängd i vakuum betingad av applicerad frekvens.

Uppfinningen kännetecknas likaså av att kaviteten, lasten, antennen och avstärnningar samt frekvensgenerator bildar en resonansenhet.

Antennen, kavitetens hölje och avstärnningar skall från ingen till full last i kaviteten ha en elektrisk längd av en halv våglängd i vakuum eller en heltalsmultipel av en halv våglängd i vakuum vid applicerad frekvens/frekvenser.

De gynnsamma betingelserna kvarstår om avvikelsen från en multipel av en halv våglängd vid applicerad frekvens/frekvenser ej överstiger +/- 15 % av en halv våglängd, ärmu hellre ej överstiger +/- 10 % av en halv våglängd och allra helst ej överstiger +/- 7 % av en halv våglängd.

Antennens funktion förbättras om antennens yta som vetter mot lastutrymmet är täckt med ett eller flera lager/skikt icke ledande elektriskt material såsom glas, aluminiumoxid, zirconoxíd, porslin, emalj, polyeten, teflon, capton, etc. Ett skikt kan vara beskatïat på ett flertal sätt. Det kan bestå av en oxidhinna, ett löst liggande pulver, en löst liggande skiva. Skiktet kan ha direktkontakt och vara vidhäfiande med antennen. Skiktet kan också vara separerad från antennen av en luftspalt eller vakuum. Skiktets elektriska/fysiska tjocklek skall understiga 3 % av aktuell våglängd i vakuum vid applicerad frekvens, hellre understiga 2 % av aktuell våglängd i vakuurn vid applicerad frekvens och allra helst understiga 1,5 % av aktuell våglängd i vakuum vid applicerad frekvens.

Den unika växelverkan mellan antenn, kavitet och i kaviteten placerad last gör att uppfinningen tillika är mycket ändamålsenlig för mätning och styrning av processer i dielektriska material såsom torkning av trä. Varvid värmning kan ske med konventionell teknik.

Då uppfinningen erbjuder homogen uppvärmning av dielektriska material utan till punkter och ytzoner koncentrerade överhettningar är den fördelaktig för ömtåliga och krävande applikationer såsom uppvärmning av kallt blod i samband med exempelvis blodtransfusioner inom sjukvården. ...n 1.. lnw ill. .. àilllti t. min ünlilt i lit inüllflii il sto 434 11 I en apparat enligt uppfinningen sker värmealstring i last då den emitterade elektromagnetiska strålningens frekvens (frekvenser) är inom området 50 kHz - 299 MHz” företrädesvis inom området 100 kHz - 299 lVH-lz hellre inom området 300 kHz-299 lvlHz och allra helst inom området l lvíHz-299 MHz.

Fig.l år ett exempel på en apparat enligt uppfinningen.

En apparat enligt uppfinningen har en kavitet (1) med elektriskt ledande väggar och åtminstone en antenn (2) i kaviteten. Antennen är ansluten till den ena (4) och kaviteten till den andra (5) utgående anslutningen hos en frekvensgenerator (sändare). Frekvensgeneratorn (6) matar via anpassníngar(7) antennen, och kaviteten med elektrisk ström av en frekvens avstämd till antennen, kavitetens väggar och lasten (3). Det i kaviteten emitterade elektromagnetiska fältet alstrar värme i en i kaviteten placerad last(3), i vilken åtminstone ett material eller ett slag av beståndsdelar har en dielektiisk och/eller magnetisk törlustfaldor.

Speciellt utmärkande för uppfinningen är att en av utgångama från frekvensgeneratorn är ansluten till kavitetens hölje med en eller flera anslutningar.

Fördelaktigt för uppfinningen är att anslutningspunkten(8)/anslutnings - punkterna till kavitetens hölje vettande mot lastutrymmet är belägen/belägna så att det genomsnittliga tangentplanet till antennens utbredningsyta/antennernas sammanlagda utbredningsyta vettande mot lastutrymmet ligger mellan lastutrymmet och anslutningspunkten (8) till kaviteten.

Då en anslutningspunkt används är särskilt fördelaktigt om anslutningspunkten i kavitetens hölje (5) ligger nära normallinjen (N) genom tyngdpunkten av antennens/ antennernas sammanlagda utbredningsyta (7). Avståndet (a) längs med kavitetens sida/sidor mellan norrnallinjens(N) skärningspunkt (s) med kavitetens sida och anslutningspunkten/anslutningspunkterna skall vid applicerad frekvens ej överstiga 20 % av motsvarande våglängd i vakuum, ännu hellre ej överstiga 15 % av motsvarande våglängd i vakuum och allra helst ej överstiga 10 % av motsvarande våglängd i vakuum.

Det har visat sig vara höjande För verkningsgraden att antenn(-ers) utbredningsyta understiger kavitetens sammanfallande tvärsnittsarea med 45 %, hellre 40 %, ännu hellre 35 % och allra helst 30%.

Det har också visat sig vara fördelaktigt för om antenns (-ers) utbredningsyta saknar skarpa hörn, hörn i antennens utbredningsyta skall därför ha en radie som överstiger 2 %, ärmu hellre 3 % och allra helst 4 % av största axfståndet i kavitetens sammanfallande tvärsnittsarea. í 510 484 Det har dessutom visat sig vara speciellt fördelaktigt om antenns (-ers) utbredningsyta är oval, cirkulär eller en månghöming med fler än 5 sidor.

Ett försök har utförts där en kavitet försedd med antenn enligt fig. 1 visad utformning beskickats med 1500 gram rostbiff En konstant radiofrekvens på 136 MHz och en effekt på 500 Watt applicerades i två perioder om 15 minuter. I början var temperaturen 4 OC Efter 15 minuter respektive 30 minuter hade temperaturen i medeltal ökat 30 respektive 70 OC i köttet. Rostbiñen hade perfekt röd färg rakt igenom tjockaste tvärsnittet.

Framgångsrika försök har också gjorts att tillaga köttbitar från cirka 100 gram upp till flera kilo.

Vid mätning har det överraskande nog visat sig att olika kemiska parametrar i last kan hjälp av förändringar i resonansvíllkoren mätas med stor noggrannhet .

När exempelvis trä torkar förändras de dielektriska egenskaperna i trä.

Systemet är avstämt till fullständig resonans, lasten består av fuktigt trä. När vattenmängden i lasten minskar förändras resonansvíllkoren vilket leder till stående vågor i systemet.

Genom att mäta SWR (Stående Våg Förhållandet, vilket är detsamma som förhållandet mellan från generatorn emitterad effekt och från systemet reflekterad effekt) kan sammansättningen, exempelvis andelen vatten i trä, InätâS.

Alternativt kan sammansättningen fastställas genom att mäta de förändrade impedans villkoren. Som exempel rninskar systemets karakteristiska impedans med minskad fiil-:thalt i trä.

Claims (13)

m niin” 'i llÅšlfifiljjlÄfil ifliffililififi lIÉILLFtJI ií ifimïlzilittlti; ll:::: :rm i lfïilfäi int] iitfitä i;zli;l::;í;;;;ta:;;i sin 484; <0 Patentkratf.
1. l. Apparat för uppvärmning och/eller mätning av dielektriska material med elektromagnetisk strålning inom frekvensintervallet 50 kHz - 299 MHz med en eller flera antenner placerad i en kavitet kännetecknad av att antennen/ antennerna i samverkan med kavitetens ytor som vetter mot lastutrymmet genererar ett elektriskt och/eller magnetiskt fält i lasten.
2. 2. Apparat enligt något av föregående krav kännetecknad av att kaviteten, lasten, antennen och avstämningar samt frekvensgenerator bildar en resonansefmhet.
3. 3. Apparat enligt något av föregående krav kännetecknad av antennen, kaviteten och avstämningar skall från ingen till full last i kaviteten ha en elektrisk längd av en halv våglängd eller en heltalsmultipel av en halv våglängd vid applicerad frekvens/frekvenser.
4. 4. Apparat enligt något av föregående krav kännetecknad av att avvikelsen från en heltalsmultipel av en halv våglängd får ej överstiga +/- 15 % av en halv våglängd.
5. 5 . Apparat enligt något av föregående krav kännetecknad av att antennens yta som vetter mot lastutrymmet är täckt med ett eller flera skikt icke ledande elektriskt material vars gemensamma elektriska/fysiska tjocklek skall understiga 3 % av aktuell våglängd i vakuum vid applicerad frekvens
6. 6. Apparat enligt föregående krav kännetecknad av att en av utgångarna från frekvensgeneratorn är ansluten till kaviteten med en eller flera anslutningar.
7. 7. Apparat enligt föregående krav kännetecknad av att anslutningspunkten/ anslutningspunktema till kaviteten är belägen/belägna så att det genomsnittliga tangentplanet till antennens utbredningsyta/antennernas sammanlagda utbredningsyta (7) ligger mellan lastutrymmet och anslutningspunkten (5) till kaviteten.
8. 8. Apparat enligt föregående krav kännetecknad av att avståndet (a) längs med kavitetens sida/sidor mellan normallinjens(N) skärningspunkt med kavitetens sida och anslutningspunlcten/anslutningspunkterna skall vid applicerad frekvens ej överstiga 20 % av motsvarande våglängd i vakuum. 7 510 434
9. 9. Apparat enligt föregående krav kännetecknad av att antenn(-ers) utbredningsyta understiger kavitetens sarrnnanfallande tvärsnittsarea med 45 %.
10. 10. Apparat enligt föregående krav kännetecknad av antenns (-ers) utbredningsyta är oval, cirkulär eller en månghöming med fler än 5 sidor
11. 1 1. Apparat enligt föregående krav kännetecknad av att hörn i antennens utbredningsyta har en radie som överstiger 2 % av största avståndet i kavitetens sammanfallande tvärsnittsarea.
12. 12. Apparat enligt något av föregående krav kännetecknad av att mätning av kemiska parametrar mäts genom att mäta förändring av SWR.
13. 13. Apparat enligt något av föregående krav kännetecknad av att den förändrade sammansättningen fastställas genom att mäta de förändrade impedansvillkoren.