CH498546A - Vorrichtung zum Beheizen von Materialien mittels Mikrowellen - Google Patents

Description

  
 



  Vorrichtung zum Beheizen von Materialien mittels Mikrowellen
Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Beheizen von Materialien mittels von einer Mikrowellenquelle abgegebener Mikrowellenenergie.



   Die Erfindung ermöglicht, insbesondere in der Papier- und Holzindustrie, eine einfache und zuverlässige Vorrichtung zum Beheizen und Trocknen von Papier, Pulpe und anderen Zelluloseerzeugnissen, Holz, Leim, Farbstoffen usw. zur Verfügung zu stellen. In dieser Vorrichtung soll die Heizungs- oder Trocknungsenergie sofort und auf einfache Weise durch Temperatur- und Feuchtigkeitsfühler gesteuert werden können. Mit der Erfindung ist es aber auch möglich, eine einfache Vorrichtung zum Erhitzen, Kochen und Braten von Nahrungsmitteln zu schaffen, mit welcher die Behandlungszeiten viel kürzer sein werden als mit den herkömmlichen Methoden.



   Die Vorrichtung gemäss der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Mikrowellenquelle mit einer flachen Beheizungsanordnung verbunden ist, welche aus einer Anzahl gegenseitig ähnlicher Körper besteht, die so aneinander gereiht sind, dass der Abstand eines Punktes auf einem Körper zu einem geometrisch analog liegenden Punkt des Nachbarkörpers so viel kleiner ist als die halbe Wellenlänge der Mikrowellen im freien Raum, dass sich dieselben entlang der Beheizungsanordnung mit   leiner      Wellenausbreitungsgeschwindigkeit    fortpflanzen, welche kleiner ist als die Geschwindigkeit im freien Raum, das Ganze zum Zweck, dass die Mikrowellenenergie auf die Beheizungsanordnung selbst und einen schmalen angrenzenden Bereich konzentriert ist, in welchem das zu erwärmende Material anzuordnen ist.



   Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind anschliessend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert.



   Fig. 1 zeigt eine Heizvorrichtung mit zentraler Mikrowellen-Energiezufuhr, im Längsschnitt, gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ist eine teilweise Draufsicht zu Fig. 1, mit angedeuteten Feldlinien;
Fig. 3 zeigt einen teilweisen Längsschnitt zu Fig. 2, mit eingezeichneten Feldlinien;
Fig. 4 zeigt eine Variante von Elementen der Vorrichtung nach Fig. 1 im Längsschnitt;
Fig. 5 zeigt die vertikale Energieverteilung zwischen zwei Elementen der Vorrichtung nach Fig. 1;
Fig. 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für die Anordnung von Elementen der Heizvorrichtung, in Draufsicht;

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Fig. 7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der Heizvorrichtung im Schnitt, mit konzentrischer Elementanordnung und am Umfang vorgesehener Energiezufuhr, und
Fig. 8 zeigt ein   weiteres    Ausführungsbeispiel der Heizvorrichtung im Längsschnitt, mit am einen Ende vorgesehener Energiezufuhr.



   Die Heizvorrichtung nach Fig. 1 besitzt einen Mikrowelleneingang 10-11 und einen Beheizungstisch 13-14-15. Der Eingang besteht aus einer Wellenführung 10 und einer Kopplungsschlaufe 11 für die Mikrowellenenergie.



   Der   Beheizungstisch    besteht aus einer Mehrzahl gegenseitig ähnlicher Metallelemente 14, welche ein T-förmiges Profil aufweisen und auf einer metallenen Basisplatte 13 montiert sind. Die Kopplungsschleife 11 ist mit ihrem einen Ende direkt an eines der Tischelemente 14 angeschlossen und steht mit dem anderen Ende in den Mittelteil der Wellenführung 10 vor. Die von der Wellenführung 10 gelieferte Mikrowellenenergie wird somit in den Beheizungstisch gespiesen und durch deren Tischelemente 14 und die Basisplatte 13 auf beiden Wegen fortgepflanzt. An beiden Enden dieses Tisches ist je eine wenigstens annähernd senkrecht zur   Tischober-    fläche stehende Metallplatte 15 angeordnet, welche mit einer schlitzförmigen Viertelwellenlängen-Drossel 16 versehen ist.

  Mit den Metallplatten 15 wird bezweckt, denjenigen Teil der Mikrowellenenergie, welcher von dem zu beheizenden Material nicht aufgefangen worden ist, gegen die Mitte zurückzuwerfen. Das zu beheizende Material wird durch die Schlitze 16 und unmittelbar   über die Tischelemente 14 hinweggeführt. Um die Mikrowellenquelle gegen übermässige Rückstrahlenergie, falls sich z. B. kein zu beheizendes Material in der Vorrichtung befindet, zu schützen, sind vor den Metallplatten 15 auf einem Teil ihrer Höhe Energieaufnehmer 17 angeordnet, die je durch ein Glasrohr gebildet sind, in welchem Wasser fliesst, in welchem die überschüssige Mikrowellenenergie absorbiert und in Wärme umgewandelt wird.



   Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass die Tischelemente 14 quer zur Fortpflanzungsrichtung der Mikrowellenenergie längs des Beheizungstisches 13-14-15 länglich ausgebildet sind. Ferner sind diese Elemente in soloher Weise angeordnet, dass der Abstand zwischen geometrisch analog liegenden Punkten an zwei benachbarten Elementen kleiner als die halbe Wellenlänge der Mikrowellen im freien Raum ist. Dieser Abstand kann entweder gemäss Fig. 1 konstant sein oder vom Energieeingang weg stufenweise zunehmen (wachsende Wellenausbreitungsgeschwindigkeit) oder stufenweise abnehmen (abnehmende Wellenausbreitungsgeschwindigkeit).



   Ein Beheizungstisoh, wie derjenige nach Fig. 1-3, hat die Eigenschaft, dass sich die Mikrowellen mit einer Wellenausbreitungsgeschwindigkeit fortpflanzen, die kleiner als die Geschwindigkeit im freien Raum ist. Die Mikrowellenenergie wird dann eng an die Tischoberseite gebunden. Das Feldlinienbild ist in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht. Das durch ausgezogene Linien markierte elektrische Feld ist hauptsächlich auf die Luftspalte zwischen den Flanschen einander benachbarter Tischelemente konzentriert, während die durch gestrichelte Linien wiedergegebenen magnetischen Feldlinien hauptsächlich eng um   die    Stege der Elemente herum verlaufen.

  Die Konzentration des elektrischen Feldes mit entsprechend hoher Energiedichte - nahe an der Oberseite der   Mikrowellenstruktur    kann noch ausgeprägter gemacht werden, wenn die Elemente schneidenartig scharfe Ränder aufweisen, wie Fig. 4 zeigt.



   Fig. 5 zeigt in Form eines Diagramms, wie die elektrische Mikrowellenenergie längs einer Vertikallinie zwischen zwei   Tischelementen    von der links in Fig. 5 gezeigten Gestalt verteilt ist. Es ist ersichtlich, dass die Energie im   Höhenbereich des    Flansches konzentriert ist und oberhalb exponential abnimmt.



   Das zu beheizende oder zu trocknende Material wird auf die Oberseite des Beheizungstisches gebracht, wo es starken elektrischen Feldern ausgesetzt wird. Ein Teil der Mikrowellenenergie wird im Material infolge des Verbrauchs in demselben in Wärme umgewandelt und die Fortpflanzungswelle wird gedämpft. Wegen der Feldkonzentration in den Luftspalten zwischen den Elementen 14 besteht die Gefahr örtlicher Ansengung an festen Materialien. Dies kann dadurch verbindert werden, dass solche Materialien, wie z. B. Papier, längs des Beheizungstisches fortbewegt werden. Wenn die Dielektrizitätskonstante des Materials grösser ist als diejenige der Luft, so sucht sich die elektrische Energie im Material zu konzentrieren. Die exponentielle Abnahme der Energiedichte ist dann weniger ausgeprägt und die Mikrowellenenergie kann sogar auch ziemlich dicke Materialien durchdringen und beheizen.



   Beim Ausführungsbeispiel des Beheizungstisches nach Fig. 6 sind anstelle länglicher Tischelemente 14 gemäss Fig. 2 nun Tischelemente 64 von in der Draufsicht ungefähr quadratischer Form vorgesehen. Diese Elemente besitzen einen vertikalen Steg und einen horizontalen Flansch, so dass ein Vertikalschnitt durch ein Element immer noch demjenigen nach Fig. 5 ähnlich ist.



  Die Elemente 64 sind in solcher regelmässiger zweidimensionaler Reihenanordnung auf einer Basisplatte 13 montiert, dass der Abstand zwischen geometrisch analog liegenden Punkten an zwei diagonal benachbarten Elementen kleiner ist als die halbe Wellenlänge der Mikrowellen im freien Raum. Die Gesamtheit der Tischelemente 64 bildet eine ebene Mikrowellen struktur, welche den Mikrowellen eine Ausbreitung in mehreren Richtungen mit einer   Wellenausbreitungsgeschwindigkeit    erlaubt, die kleiner ist als die Geschwindigkeit im freien Raum. Das Feldlinienbild ergibt, dass das elektrische Feld in den Bereichen zwischen den Flanschrändern der T-Profilelemente 64 konzentriert ist und die Magnetfeldlinien hauptsächlich eng um die Stege dieser Elemente herum verlaufen.



   Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 weist der Be   heizungstisch    eine Mehrzahl ringförmiger Tischelemente 74 in konzentrischer Anordnung auf. Diese Elemente besitzen ein T-Profil und sind auf einer kreisförmigen   Basispiatte    13 befestigt. Mit dem Rand der Basisplatte ist ein vertikales Reflektorrohr 75 verbunden. Die Mikrowellenenergie wird aus einer ringzylindrischen Wellenführung 70 eingespiesen, indem   Koppiungsschleifen    71 mit   dem    einen Ende an der Innenseite des Rohres 75 angeschlossen sind und mit dem andern Ende in die Wellenführung 70 vorstehen.

  Der Vorteil dieses ringförmigen Energieeinganges besteht darin, dass der Abschwächung der Mikrowellen infolge Energieabsorption in dem zu beheizenden Material durch die geometrische Fokussierung der Wellenfortpflanzung entgegengewirkt wird.



   Bei der Heizvorrichtung nach Fig. 8 weist der eine Teil 82 des Beheizungstisches eine verhältnismässig schwache Krümmung in der Fortpflanzungsrichtung der Mikrowellen und der andere Teil 83 eine wesentlich stärkere Krümmung auf. Der Mikrowelleneingang 80-81 ist an einem Reflektor 15 angeschlossen, der sich am freien Ende des zweiten Tischteils 83 befindet. Die Tischelemente 84 des Beheizungstisches   8283    besitzen T-Profilform wie in den zuvor beschriebenen   Ausfüh-    rungsbeispielen. Das zu beheizende oder zu trocknende Material, z. B. eine Papierbahn 89 wird in leichter Berührung mit dem schwach gekrümmten Tischteil 82 darauf vorwärtsbewegt.



   Es versteht sich, dass der Mikrowellenstruktur je nach dem zu beheizenden Material auch noch andere Gestalt gegeben werden kann. Sie kann z. B. zylinderförmig ausgebildet und dazu vorgesehen sein, Rohre von innen oder aussen her zu beheizen.

 

   Auch brauchen die T-Profilelemente und die Basisplatte nicht je für sich hergestellte Teile zu sein, sondern sie können gemeinsam aus geripptem Blech, z. B.   Kup    ferblech, bestehen, dessen Rippen je zu einem T-Profil gebogen worden sind. Auf diese Weise besitzt der Beheizungstisch eine von Lötstellen freie, ununterbrochene Kupferoberfläche, wodurch die unerwünschten Verluste von Mikrowellenenergie vermindert werden können.



  Gleichzeitig ist die Anfertigung der Vorrichtung vergleichsweise einfacher und billiger als bei gelötetem Beheizungstisch.



   Auch der Mikrowelleneingang kann verschiedenartig ausgebildet sein. Die Mikrowellenstruktur kann z.B. einen Bestandteil eines Mikrowellengenerators, z. B. eines verteilten Transistor-Verstärkers, bilden. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH

   Vorrichtung zum Beheizen von Materialien mittels Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mikrowellenquelle mit einer flachen Beheizunganordnung verbunden ist, welche aus einer Anzahl gegenseitig ähnlicher Körper besteht, die so aneinandergereiht sind, dass der Abstand eines Punktes auf einem Körper zu einem geometrisch analog liegenden Punkt des Nachbarkörpers so viel kleiner ist als die halbe Wellenlänge der Mikrowellen im freien Raum, dass sich dieselben entlang der Beheizungsanordnung mit einer Wellenausbreitungsgeschwindigkeit fortpflanzen, welche kleiner ist als die Geschwindigkeit im freien Raum, das Ganze zum Zweck, dass die Mikrowellenenergie auf die Beheizungsanordnung selbst und einen schmalen angrenzenden Bereich konzentriert ist, in welchem das zu erwärmende Material anzuordnen ist.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper von länglicher Form und aus Metall sind und einen T-förmigen Querschnitt aufweisen, und dass jeder Körper in unmittelbarer elektrischer Berührung mit einer metallenen Basisplatte steht.

   2. Vorrichtung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das T-förmige Profil der Körper einen allmählichen Übergang zwischen dem Steg und dem Flansch zeigt, und dass der Flansch einen schneidenartig scharfen Rand aufweist.

   3. Vorrichtung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Körper als konzentrische Ringe ausgebildet sind (Fig. 7).

   4. Vorrichtung nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Idie Körper eine zweidimensionale Reihenanordnung bilden, aus Metall bestehen und ein T-Profil mit einem oberen Flansch und einem Unterteil aufweisen, und dass die Unterteile in unmittelbarer elektrischer Berührung mit einer metallenen Basisplatte stehen.

   5. Vorrichtung nach Patentanspruch oder einem der Unteransprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die flache Beheizungsanordnung gekrümmt ist, tbei welcher ein Teil eine geringere Krümmung und ein zweiter Teil eine stärkere Krümmung aufweist, und dass die Mikrowellenquelle an den zweiten Teil angeschlossen ist.

   6. Vorrichtung nach Patentanspruch oder einem der Unteransprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle an einem zentralen Teil der flachen Beheizungsanordnung angeschlossen ist.

   7. Vorrichtung nach Unteranspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle an den Umfang eines ringförmigen, die Ringe umgebenden, reflektierenden Schirmes angeschlossen ist (Fig. 7).

   8. Vorrichtung nach Patentanspruch oder einem der Unteransprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die flache Beheizungsanordnung längs wenigstens einem Rand in einer zur Fortpflanzungsrichtung der Mikrowellen senkrechten Metalloberfläche endigt, welche bestimmt ist, Mikrowellenenergie gegen das zu erwärmende Material zu reflektieren.

   9. Vorrichtung nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche mit einem Schlitz versehen ist, der zum Hindurchführen des zu erwärmenden Materials bestimmt ist.

   10. Vorrichtung nach Patentanspruch oder einem der Unteransprüche 1A, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizungsanordnung mit einem Energieaufnehmer versehen ist, leder zum Auffangen derjenigen Mikrowellenenergie bestimmt ist, die durch das zu erwärmende Material nicht aufgeschluckt worden ist.

   11. Vorrichtung nach Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, Idass die Körper mit T-förmigem Querschnitt und die Basisplatte gemeinsam aus einem gerippten Blech bestehen, dessen Rippen je ein T-Profil besitzen.