DE2327423C2 - Mikrowellenheizgerät mit einem Verteilerelement zur Überkopplung von Mikrowellenenergie auf das aufzuheizende Material - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellenheizgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Von einem Mikrowellenheizgerät wird gewöhnlich gefordert daß einerseits die Übertragung der Mikrowellenenergie auf das aufzuheizende Objekt mit möglichst hohem Wirkungsgrad erfolgt und daß andererseits das Objekt dabei möglichst gleichmäßig erwärmt, d. h. mit MikroweHenenergie bestrahlt wird.

Zur Erfüllung dieser Forderungen ist bei einem bekannten Mikrowellenheizgerät der eingangs genannten Gattung (US-PS 28 56 497) ein Verteilerelement beschrieben, das in einem verschlossenen Ende eines

"> rohrförmigen Wellenleiters für die Mikrowellenenergie einen Block aus isolierendem, dielektrischem Material aufweist. Zur Vermeidung von Reflexionen der aus dem Wellenleiter eingespeisten Mikrowellenenergie ist dieser dielektrische Block in Richtung der Fortpflanzung der Mikrowellen verjüngt ausgebildet Seine Dielektrizitätskonstante ist derart gewählt, daß sie etwa gleich der Dielektrizitätskonstante des aufzuheizenden Objektes ist Die den dielektrischen Block allseitig umschließende Wand des Wellenleiters weist im Bereich des

-^<! dielektrischen Blockes eine Öffnung für den Durchtritt der Mikrowclienenergie auf, deren Größe und Gestalt gerade der Größe und Gestalt des aufzuheizenden Objekts angepaßt ist.

Durch diese bekannte Ausbildung des Verteilerelements wird angestrebt, daß im Bereich des dielektrischen Blockes eine große Anzahl von Resonanzwellentypen entsteht, die durch Reflexionen innerhalb des Blockes und durch gegenseitige Überlagerung zu einer gleichmäßigen Energieverteilung im Bereich der öff-

3(> nung des Wellenleiters führen, so daß das Objekt gleichmäßig aufgeheizt wird. Voraussetzung für diese gleichmäßige Energieverteilung ist allerdings, daß die Größe und Gestalt des Loches denen des aufzuheizenden Objekts möglichst gut angepaßt sind, daß auch die Dielektrizitätskonstanten des Objektes und des Blockes etwa gleich sind und daß überdies das aufzuheizende Objekt möglichst unmittelbar auf dem dielektrischen Block innerhalb der Öffnung in der Wand des Wellenleiters aufliegt. Gerade wenn die letztgenannte

w Bedingung nicht wenigstens annähernd erfüllt ist, ergeben sich durch den Energietransport der Energie mit verschiedenen Wellentypen vom dielektrischen Block durch die Öffnung zu dem Objekt hin erhebliche Energieverluste aufgrund von Wechselwirkungen zwi-

i~ sehen den verschiedenen Wellentypen, sowie eine dadurch bedingte ungleichmäßige Energieverteilung.

Bei Anwendungsfällen, in denen Objekte mit unterschiedlicher geometrischer Form oder aus unterschied liehen Materialien aufgeheizt werden müssen, oder

■>'.i wenn bewegte Gegenstände kontinuierlich erwärmt werden sollen, erweist sich daher eine derartige bekannte Gestaltung der Verteilereinrichtung als mangelhaft.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht • somit darin, ein Mikrowellenheizgerät der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen, bei dem mit gutem Wirkungsgrad die Mikrowellenenergie gleichmäßig auf Gegenstände unterschiedlicher geometrischer Gestalt übertragbar ist

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst

Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung wird erreicht, daß sich in dem dielektrischen Körper

t>"' ausschließlich nur der Grundwellenmodus einstellt, nicht aber Wellentypen höherer Ordnung. Dieser Grundwellenmodus führt zu einer gleichmäßigen Energieabstrahlung über der Oberfläche des dielektri-

sehen Körpers mit der angestrebten Unabhängigkeit von der geometrischen Gestalt der aufzuheizenden Gegenstände.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Mikrowellenheizger its sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert

F i g. 1 ist eine Ansicht eines Heizgerätes gemäß der Erfindung mit einer planebenen dielektrischen Platte;

Fig.2 stellt einen Teil eines Gerätes mit zwei dielektrischen Platten dar; das Diagramm gibt die Energieverteilung innerhalb der Platten wieder;

Fig.3 stellt ein Gerät mit zwei planebenen dielektrischen Platten dar;

Fig.4 stellt ein Heizgerät dar, dessen Heizelement die Form einer dielektrischen Schicht auf einem Zylinder besitzt;

Fif.5 stellt ein Heizgerät mit einem zylindrischen dielektrischen Körper dar, welcher einen Metallkern besitzt;

Fig.6 stellt ein Heizgerät mit einem homogenen dielektrischen Körper dar;

F i g. 7 stellt ein Heizgerät mit einem dielektrischen Körper dar, welcher als zylindrische Auskleidung innerhalb einer Metallröhre besteht;

F i g. 8 ist eine Schnittansicht von Linie I-1 in F i g. 7;

Fig.9 ist eine Schnittansicht eines Heizgerätes, dessen dielektrischer Körper aus einer Stange besteht; und

Fig. 10 ist eine Schnittansicht von Linie H-II in Fig. 9.

Das in Fig. 1 dargestellte Gerät weist einen Wellenleiter 10, eine verbindende Spule 11, eine dielektrische Platte 12 mit geringen Verlusten, eine metallische Scheibe 13 und ein Endstück 14 aus einem Material mit starker Dämpfung bzw. starken Verlusten auf.

Auf einer planparallelen Platte 12 der vorstehend genannten Art erzeugt ein TM-Modus eine Wellenausbreitung elektromagnetischer Felder, deren Energiedichte exponential oberhalb der Plattenfläche abnimmt. Diese Abnahme bestimmt sich durch die Phasengeschwindigkeit v/der Mikrowellen, welche ω/β ist. ω stellt die Winkelfrequenz dar, während β die Konstante der Wellenausbreitung wiedergibt. Je kleiner die Phasengeschwindigkeit vr'ist, desto schneller ist die Abnahme. Die geringstmögliche Phasengeschwindigkeit ist cl\it, wobei c die Geschwindigkeit des Lichtes in Luft und t die relative Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials darstellt So bestimmt sich die Grenze der Geschwindigkeit, bei welcher diese Abnahme stattfindet, durch den Wert der Dielektrizitätskonstanten des Materials, aus welchem die Platte 12 gefertigt ist. Die Dicke der Platte ist so gewählt, daß die Mikrowellen die erwünschte Phasengeschv/indigkeit zwischen cund d\fi. besitzen. Falls die Phasengeschwindigkeit vr der Mikrowellen die Geschwindigkeit c des Lichtes in Luft übersteigt oder dieser Geschwindigkeit entspricht, dann strahlt Energie von der Platte 12 aus. Diese ist unter diesen Bedingungen nicht für Mikrowellen-Heizung geeignet. Dies kann für alle Schwingungstypen der Fall sein, mit Ausnahme des geringsten bzw. kleinsten TM-Modus, des Basismodus.

Falls die Platte ausreichende Dicke besitzt, können sich zwei oder drei Schwingungsarten gleichzeitig ausbreiten, wodurch die Energie zwischen diesen Schwingungsarten durch das üu erwärmende Objekt 16 übertragen wird. Die höheren Schwingungsarten bzw. Schwingungstypen, welche immer eine höhere Phasengeschwindigkeit vr besitzen, verursachen eine unter schiedliche Abnahme der Energiedichte und verändern infolgedessen die Eigenschaften der Platte 12 in unerwünschter Weise. Dies wird verhindert, wenn die Platte 12 eine Dicke unterhalb von

wobei /jdie Frequenz der Mikrowellenenergie ist.

Wenn eine Platte für einen Anwendungsbereich ausgebildet bzw. in den Dimensionen ausgelegt ist, dann führt ein höherer Wert der Dielektrizitätskonstanten zu einer dünneren Platte.

Fig. 2 stellt ein Heizelement 21-23 mit einem dielektrischen Teil 21 und einem metallischen Teil 23 dar. Der dielektrische Teil besitzt die Dielektrizitätskonstante ει und die Dicke ti. Es besteht ferner ein vergleichbares Heizelement 22-23 bei einem dielektrischen Teil 22 und einem metallischen Teil 23. Der dielektrische Teil 22 besitzt die Dielektrizitätskonstante 62>6i und die Dicke t2<h- Die Oberflächen beider Elemente befinden sich in der gleichen horizontalen Ebene. Im Diagramm h— W stellt Λ die Höhe oberhalb der gemeinsamen horizontalen Ebene dar, während IV die Energie wiedergibt. Die Energieverteilung für die dielektrische Platte 21 größerer Dicke wird durch die gestrichelt dargestellte Kurve wiedergegeben, während sie für die dünnere dielektrische Platte 22 durch die voll ausgezogene Kurve dargestellt ist.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung ist das untere Ende des Wellenleiters 10 an eine Mikrowellenquelle (nicht dargestellt) angeschlossen, während das obere Ende über die Wicklung bzw. Spule 11 an einen L-förmigen Zwischenteil 15 angeschlossen ist. Dieser bildet zusammen mit der Scheibe 13 eine Halteeinrichtung für die Platte 12. Der L-förmige Zwischenteil besitzt zusammen mit der Scheibe 13 die Aufgabe, die Mikrowellenenergie nach außen auf die Platte 12 zu leiten. So wird die in den Wellenleiter 10 eingeleitete Mikrowellenenergie über die Spule 11 und den Zwischenteil 15 auf die Platte 12 übertragen. Dort breitet sie sich aus und wird in das auf der Platte aufgelegte und zu erwärmende Material 16 eingeleitet. Überschüssige Energie, falls vorhanden, wird im Endstück 14 absorbiert. Dieses Endstück kann durch eine aus Metall bestehende Reflektoreinrichtung 17 vervollständigt werden. Die Reflektoreinrichtung kann nach dem Endstück in der Fortschreitungs- bzw. Ausbreitungsrichtung plaziert werden. Die Reflektoreinrichtung besitzt die Aufgabe, den Verlust aus deir Heizgerät noch mehr zu reduzieren. Es ist auch möglich, eine Reflektoreinrichtung ohne Zwischenendteil 14 zu verwenden. In F i g. 1 ist eine derartige Reflektoreinrichtung 17a durch gestrichelte Linien wiedergegeben.

Die Mikrowellenenergie innerhalb dss Wellenleiters 10 löst einen Strom in der Spule 11 aus. Der Strom in der Spule besitzt nur eine kleine Phasenveränderung, welche mindestens kleiner als 90° ist. Dieser Strom erzeugt eine Oberflächenwelle des TM-Typus in der dielektrischen Platte 12. Durch die angegebene Verbindungsart erhält die Welle eine Phasenveränderung von weniger als 90° in der dargestellten ,z-Richtung. d. h. nur der kleinste TM-Modus, der Basismodus, wird erregt. Auch andere Formen der Verbindung, welche zum gleichen Ergebnis führen,

können benutzt werden.

Im allgemeinen sollte die Mikrowellenenergie :>o eingeführt werden, daß die Mikrowellen keiner Phasenveränderung senkrecht zur Ausbreitungsnclv tung (^-Richtung) unterliegen. Die Mikrowellenenergie sollte also so stark wie möglich an den Basistypus gebunden sein, welcher keine Phasenveränderung in dieser Richtung besitzt. Als Folge davon wird eine stark gleichförmige Erwärmung erreicht.

Das zu erwärmende oder zu erhitzende Objekt wird an der Fläche der dielektrischen Platte angelegt, wc die Energiedichte hoch ist. Die Mikrowellenenergie wird infolge von Leitung und Dipolverlusten in Warme übergeführt.

Das in Fig.3 dargestellte Gerät weist ein Heizelement 10, 12, 13 gemäß dem in F i g. 1 dargestellten und ein zusätzliches Heizelement 30,32,33 auf, welches dem zuerst genannten entspricht. Die beiden Elemente werden so angeordnet, daß die beiden dielektrischen Teile 12 und 32 unter einem gewissen Abstand in planparalleler Position einander gegenüberliegen. Die Mikrowellenenergiequelle kann an den Wellenleiter 10 als auch an den Wellenleiter 30, bzw. möglicherweise nur an einen von ihnen, angeschlossen werden. Durch diese Anordnung wird eine äußerst gleichförmige Erwärmung erreicht. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Platten 12 und 32 während des Erwärmens ein Druck an dem Objekt ausgeübt werden.

Das Gerät gemäß F i g. 4 weist einen Metallzylinder 44 auf, welcher durch eine Welle 44a drehbar in Lagern geführt ist und eine dielektrische Schicht 47 trägt. Das zu erwärmende Material 46 besitzt beispielsweise die Form einer Platte und ist unmittelbar nahe der dielektrischen Schicht 47 am Zylinder angelegt Wenn gleichzeitig mit dem Erwärmen des Materials 46 ein Druck an diesem ausgeübt werden soll, so beispielsweise beim Verleimen von Holz, dann wird der Zylinder 44 mit der dielektrischen Schicht 47 gegen das Material 46 angedrückt. Letzteres setzt daraufhin den Zylinder 44, 47 in Drehung. Das gleiche gilt für den Fall, wenn Papier oder andere Materialien in Form einer laufenden Bahn zu erwärmen sind, in diesem Fall ist der Außenumfang des Zylinders 44,47 teilweise oder vollständig durch das Material der Bahn umschlossen. Die Mikrowellenenergie wird entlang des Außenumfanges des Zylinders 44, 47 im wesentlichen konstant gehalten, bis sie durch das Material 46 absorbiert ist Die Überführung der Mikrowellenenergie auf das Heizelement 44, 47 kann mit Hilfe eines Elementes 40, 42, 43 vorgenommen werden, welches im Prinzip dieselbe Form wie das in F i g. 1 dargestellte besitzt Dabei entsprechen die Bauteile 40_; 42 und 43 den Bauteilen 10.12 und 13 gemäß Fig.l.

Das in F i g. 5 dargestellte Gerät weist ein Heizelement in Form eines kreisförmigen Zylinders 52 auf. Der Zylinder besteht aus dielektrischem Material von geringen Verlusten und ist mit einem Kern 53 aus Metall ausgestattet Die Mikrowellenquelle ist über eine Koaxialleitung 50, 53 angeschlossen. Das Gerät kann beispielsweise zum Erhitzen von Flüssigkeit oder zum Erhitzen von pulverförmigen Materialien benutzt werden. Diese werden durch das Heizelement hindurchgeführt Alternativ kann das Heizelement in das zu erwärmende Objekt eingeführt werden.

Das Gerät gemäß F i g. 6 der Zeichnungen besteht aus einem kreisförmigen Zylinder 62 aus dielektrischem Material mit geringen Verlusten, dem ein an die Mikrowellenquelle angeschlossener zylindrischer WeI-

lenleiter 60 zugeordnet ist.

Das in den F i g. 7 und 8 wiedergegebene Gerät ist mit einer metallischen Röhre 70 ausgestattet, deren Innenfläche mit einem dielektrischen Material 71 geringer Dämpfung bzw. geringen Verlustes ausgeklei de; ist. Das dielektrische Material bildet eine Röhre, die koaxial mit der metallischen Röhre 70 verläuft. Die Röhre 70, 71 dient im wesentlichen zum Erwärmen des dielektrischen Materials 72 von zylindrischem Querschnitt, welches sich koaxial innerhalb der dielektrischen Röhre befindet. Das Gerät kann auch verwendet werden, um dielektrisches Material in Pulver- bzw. Granulatform zu erwärmen. Dieses wird beispielsweise mittels Schwerkraft durch die Röhre 70, 71 eingegeben, nachdem es über die Metallröhre 73 zugeführt wurde. Letztere dien! in nachfolgend erläuterter Weise auch zur Einführung der Mikrowellenenergie.

Das Anlegen bzw. Einführen der Mikrowellenenergie an dem in den F i g. 7 und 8 dargestellten Gerät kann mit Hilfe einer Koaxialleitung vorgenommen werden, deren Außenleiter aus der metallischen Röhre 70 besteht und deren Innenleiter durch die bereits erwähnte metallische Röhre 73 gebildet ist. Die Mikrowellen breiten sich in der durch den Pfeil in F i g. 7 dargestellten Richtung in einem TM-Modus ohne Veränderungen in der φ-Richtung (Fig.8) aus, so daß ein im Rotationssinne symmetrisches Feld erzeugt wird. Die Dicke und der Wert der Dielektrizitätskonstanten des Materials 71 von geringem Verlust bzw. geringer Dämpfung beeinflussen die Formgebung des elektromagnetischen Feldes. Falls die Verluste bekannt sind, d.h. falls der Wert der Dielektrizitätskonstanten und des Verlustwinkels für das zu erwärmende Material 72 bekannt sind, kann dem elektrischen Feld eine derartige Formgebung verliehen werden, daß die Erwärmung auch in radialer Richtung gleichförmig verläuft.

Das in den Fig.9 und 10 dargestellte Gerät ist mit einer Stange 80 aus dielektrischem Material versehen, welches geringe Dämpfung bzw. geringe Verluste aufweist. Die Stange weist wenigstens zwei gegenüberliegende Planseiten auf. Eine Metallplatte 81 ist derart gebogen, daß ihre durch das Biegen gewonnenen und einander zugewandten Seiten an der gesamten Fläche der beiden entgegengesetzten Planseiten der Stange 80 anliegen. Der Querschnitt der metallischen Platte 81 außerhalb des Querschnittes der Stange 80 kann jede beliebige Form besitzen und ist zum Zwecke einfacherer Darstellung als U-förmig wiedergegeben, wobei rechte Winkel zwischen den Schenkeln und dem Quersteg bestehen.

Das in den F i g. 9 und 10 dargestellte Gerät dient zum Erwärmen dünner Streifen oder Fäden eines Materials 82. Die Bänder bzw. Fäden oder Streifen 82 werden nahe an der freien Seite der dielektrischen Stange 80 angeordnet, welche nicht durch die metallische Platte 81 umschlossen ist

Die Stange 80 wird in Längsrichtung (siehe Pfeil in F i g. 9) mit Mikrowellenenergie gespeist, so daß sich die Mikrowellen im TE-Modus ausbreiten. Das elektrische Feld ist zwischen den gegenüberliegenden Seiten der Metallplatte 81 gerichtet, wobei sich der größte Anteil innerhalb der Stange befindet Da die Metallplatte 81 einen geschlossenen Raum an einer Seite bildet, können sich keine TM-Wellen ausbreiten. Falls der Abstand b in Fig. 10 kleiner ist als eine Hälfte der Wellenlänge innerhalb der dielektrischen Stange 80, dann ist die Feldstärke innerhalb eines senkrecht zu den entgegengesetzten Seiten der Metallplatte 81 existierenden

Querschnittes konstant und eine gleichförmige Erwärmung des homogenen Materials ist erzielbar. Die Wahl des Materials der Stange bestimmt das Ausmaß der Konzentration der Energie an der Oberfläche der Stange. Die Mikrowellenenergie wird an dem in den Fig.9 und 10 dargestellten Gerät mit Hilfe eines Wellenleiters 83 eingeleitet, ist jedoch nicht auf diese Art der Anordnung beschränkt. Das Gerät gemäß der

Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfaßt alle Weiterbildungen und Ausgestaltungen innerhalb des Rahmens der erfindungsgemäßen Offenbarung. In jedem Fall ist das Heizelement in seiner Form so ausgestaltet, daß es für die Erwärmung des Materials geeignet ist.

2 Blatl Zeichnungen

Claims (8)

1. Patentansprüche:

   l.Mikrowelienheizgerat mit einem Verteilerelement zur Überkopplung von Mikrowellenenergie auf das aufzuheizende Material, das einen mit Mikrowellenenergie gespeisten dielektrischen Körper aus einem Material mit geringen Verlusten und einer größeren Dielektrizitätskonstanten als Luft aufweist,dadurch gekennzeichnet,

   — daß die Dicke des dielektrischen Körpers (12; 21; 22; 32; 47; 52; 62; 71; 80) im Querschnitt entlang der Fortpflanzungsrichtung der eingespeisten Mikrowellenenergie etwa konstant ist, und

   — daß diese Dicke nicht größer ist als das durch die Beziehung

   T = c/2f_s VF^T

   bestimmte Maß T, wobei c die Lichtgeschwindigkeit in Luft, 4 die Mikrowellenfrequenz und ε die relative Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Körpers sind.
2. 2. Mikrowellenheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Körper die Gestalt einer Platte (12; 21; 22; 32) besitzt.
3. 3. Mikrowellenheizgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte mit einer unteren Fläche aus Metall (13; 23; 33) ausgestattet ist.
4. 4. Mikrowellenheizgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Verteilerelement (30, 32, 33) in Gestalt einer Platte vorgesehen ist, die einen metallischen Teil (33) und einen dielektrischen Teil (32) umfaßt, und daß das erste Verteilerelement (12, 13) und das zusätzliche Verteilerelement (32,33) so angeordnet sind, daß der dielektrische Körper (12) und der dielektrische Teil (32) einander planparallel im Abstand gegenüberliegen.
5. 5. Mikrowellenheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verteilerelement die Form eines Zylinders (47; 52; 62) aus dielektrischem Material aufweist.
6. 6. Mikrowellenheizgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Zylinder (47; 52;62) einen Kern aus Metall (44; 53) besitz!.
7. 7. Mikrowellenheizgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verleilerelemenl die Gestalt einer zylindrischen Röhre (71) aus dielektrischem Material aufweist, und daß eine äußere zylindrische Metallröhre (70) eng die Mantelfläche: der dielektrischen Röhre (71) umschließt.
8. 8. Mikrowellenheizgerät nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß das Verteilerelement au:- einer Stange (80) eines dielektrischen Materials besteht, die zwei gegenüberliegende planebene Seiten aufweist, gegen welche die gegenüberliegenden Innenflächen einer gebogenen Metallplatte (81) angelegt sind, und daß die Metallplatte (81) einen geschlossenen Raum um eine Seitenfläche der Stange (80) bildet.