DE2417577C2

DE2417577C2 - Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung zur Erhitzung eines dielektrischen Materials von langgestreckter Form und geringen Querschnitts

Info

Publication number: DE2417577C2
Application number: DE19742417577
Authority: DE
Inventors: Claude Meudon la Foret Couasnard
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1973-04-13
Filing date: 1974-04-10
Publication date: 1983-02-10
Also published as: FR2225907B1; DE2417577A1; FR2225907A1; CH584498A5

Description

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Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Erhitzungs-V(H richtung zur Erhitzung eines dielektrischen Mnierial'. von langgestreckter Form und geringen Quer schnitts durch dielektrische Verluste, mit mehreren miteinander gekoppelten, einen Wellenleiter bildenden Hohlräumen, die in Serie von einem Hochfrequenzgenerator gespeist werden, wobei das zu erhitzende Material quer durch die Hohlräume entlang deren gemeinsamer Achse läuft Eine solche Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung ist aus der GB-PS 12 11024 bekannt.

Die Hochfrequenzerhitzung durch dielektrische Verluste ist eine allgemein bekannte Technik, die auf verschiedenen Gebieten angewendet wird, beispielsweise zur Behandlung bestimmter Materialien, zur Erhitzung von zu formenden, zu fassonierenden oder zu trocknenden Teilen usw. Je nach den Abmessungen, der Form und der Beschaffenheit der zu behandelnden Teile werden verschiedene Arten von Vorrichtungen angewendet Allgemein wird die von einem Röhrengenerator (z. B. Klystron oder Magnetron) gelieferte Höchstfrequenzenergie über einen Hohlleiter dem zu erhitzenden Teil zugeführt Je nach Lage des Falles kann das Werkstück entweder in dem Hohlleiter selbst oder in einem mit dem Hohlleiter gekoppelten Resonanzhohlraum angeordnet sein.

Wenn es sich um langgestreckte Teile handelt deren Länge so groß ist daß es nicht mehr möglich ist, das ganze Werkstück gleichzeitig zu erhitzen, erfolgt die Erhitzung kontinuierlich beim Durchlauf des Werkstücks durch die Erhitzungsvorrichtung, also den Hohlleiter oder den Hohlraum. Die Erhitzung von Teilen mit kleinem Querschnitt und großer Länge (z. B. Draht Seil, Schnur, Stab usw.) ergibt wegen der geringen Masse des Werkstückes, die gleichzeitig dem Höchstfrequenzfeld ausgesetzt ist, gewisse Schwierigkeiten, insbesondere wenn es erwünscht ist, die Erhitzung schnell vorzunehmen und deshalb eine ziemlich große Durchlaufgeschwindigkeit anzuwenden. Diese Schwierigkeiten werden noch vergrößert, wenn das zu erhitzende Material einen kleinen Verlustfaktor aufweist

Die Verwendung eines Hohlraums ermöglicht es, die örtlich zu dem zu erhitzenden Material übertragene Energie zu vergrößern. Gegenüber der Verwendung von Hohlleitern ergeben sich dadurch jedoch zwei beträchtliche Nachteile: Einerseits wird das Material jeweils nur immer über eine sehr kleine Strecke erhitzt, und andererseits ist das bei einer gegebenen Einstellung des Hohlraums ,zulässige Frequenzband sehr schmal, was sich mit den im allgemeinen verwendeten Hochfrequenzgeneratoren nur schwierig vereinbaren läßt

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung, die es ermöglicht, auf das zu erhitzende Material, das in langgestrecktei Form vorliegt und einen geringen Querschnitt aufweist, einen großen Teil der verfügbaren Höchstfrequenzenergie zu übertragen, so daß in einem verhältnismäßig breiten Frequenzband, das mit den verwendeten Generatoren vereinbar ist, ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume bei der von dem Hochfrequenzgenerator ausgesandten Welle auf Resonanz abgestimmt sind.

Gemäß einer bevorzugten Aiisführiingsform der Erfindung sind die Hohlräume so miteinander gekoppelt, daß das zu erhitzende Material parallel zu der elektrischen Komponente des elektromagnetischen

Feldes in den Hohlräu.v·. π läuft und sich dadurch stets in einem Bereich maximaler elektrischer Feldstärke befindet.

Bei einer ersten Ausführungsform, bei der die Resonanzhohlräume rechteckig sind und vom Hochfrequenzgenerator eine Höchstfrequenzwelle empfangen, die sich in der Grundwellenform TEio dei Rechteckhohlleiter ausbreitet, sind somit die Hohlräume Ober ihre Breitseiten gekoppelt, die senkrecht zu der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes liegen. Bei einer zweiten Ausführungsform, bei der die Hohlräume zylindrisch sind und vom Hochfrequenzgenerator eine Welle empfangen, die sich in der Wellenform TEn der zylindrischen Hohlleiter ausbreitet, sind die Hohlräume über ihre zylindrischen Umfangswände miteinander gekoppelt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. I η der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 2 eine Oberansicht der Vorrichtung von F i g. (,

Fig.3 eine Stirnansicht der Vorrichtung von Fig. I₁ und

F i g. 4 eine Schnittansicht eines der Hohlräume der Vorrichtung von F i g. 1.

Die F i g. 1 bis 4 zeigen eine Ausführungsform der Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung nach der Erfindung, bei der die Hohlräume rechteckig sind. Die Erfindung umfaßt jedoch auch die Ausführungsformen, bei denen zylindrische Hohlräume verwendet werden; einige Angaben hinsichtlich dieser Ausführungsformen werden später gemacht.

Das zu erhitzende Material ist ein dielektrisches Material, das eine langgestreckte Form von geringem Querschnitt hat, beispielsweise ein Faden 16.

Die Erhitzungsvorrichtung hat einen Hochfrequenzgenerator 1, der einem Hohlleiter 2 Höchstfrequenzenergie zuführt. Der Eingangshohlleiter 2 ist mit einem ersten Resonanzhohlraum 3 der Erhitzungsvorrichtung gekoppelt, wobei die Impedanzanpassung dieser Kopplung beispielsweise durch zwei Metallstangen 13 (F i g. 1 und 3) erfolgt, welche die beiden Breitseiten des Hohlleiters (d.h. die in Fig. 1 geschnittenen Seiten) miteinander verbinden. Diese beiden Stangen sind in einer an sich bekannten Weise parallel zu den Schmalseiten des Hohlleiters und senkrecht zu der Ausbreitungsrichtung der Höchstfrequenzwelle angeordnet.

Mehrere gleichartige Rpsonanzhohlräume 4, bei dem dargestellten Beispiel fünf Resonanzhohlräume, sind dann in Serie miteinander gekoppelt, wobei der erste davon mit dem Eingangshohlraum 3 und der letzte mit einem Ausgangshohlraum 5 gekoppelt sind. Der Ausgangshohlraum 5 ist seinerseits mit einem Ausgangshohlleiter 6 in gleicher Weise wie der Eingangshohlraum 3 mit dem Eingangshohlleiter 2 gekoppelt, wobei eine Impedanzanpassung durch zwei Metallstangen 13 erfolgt. Es ist zu bemerken, daß F i g. 3 in Stirnansicht sowohl den Eingangshohlraum 3 als auch den Ausgangshohlraum 5 darstellt, Der Ausgangshohlleiter 6 endet in einem reflexionsfreien Abschluß 7. der die durch die Hochfrcquenzerhitzur.g nicht verbrauchte Energie absorbiert.

Die Rcsonan/.hohlräume 4. von denen in F i g. 4 einer im Schnitt entlang der Linie .V-X von Fi g. 2 gezeigt ist, sind durch Rechteckhohlleiterelemente gebildet, die an ihren beiden Enden durch Metallplatten 8 kurzgeschlossen sind, welche die beiden Breitseiten der Hohlleiterabschnitte miteinander verbinden und parallel zu ihren Schmalseiten liegen (die in Fig.4 geschnitten sind). Diese Metallplatten 8 bilden zwei Kurzschlußebenen, deren gegenseitiger Abstand D so gewählt ist, daß er im wesentlichen gleich der Hälfte der Wellenlänge λ der sich im Hohlleiter 2 ausbreitenden Hochfrequenzwelle ist.

ίο Die beiden äußersten Hohlräume, nämlich der Eingangshohlraum 3 und der Ausgangshohlraum 5 (Fig. 1, 2, 3). haben eine solche Kurzschlußebene an ihrem einen Ende, während das andere Ende, das zur Kopplung mit dem Eingangshohlleiter 2 bzw. dem Ausgangshohlleiter 3 dient, die zuvor erwähnten Stangen 13 aufweist. Diese Stangen 13 liegen gleichfalls in einem Abstand D = λ/2 von der durch die Platten 8 bestimmten Kurzschlußebene.

Die elektrische Kopplung zwischen den verschiedenen Hohlräumen erfolgt mit Hilfe von kreisrunden öffnungen 9/,F i g. 4), die in der Mitte der Breitseiten der Hohlräume angebracht sind. Die elekt- ',ehe Kontinuität auf der Höhe dieser Kopplungsöffntinpen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Hohlräumen ist jeweils durch eine kurze Metallbuchse 10 (Fig. 1 und 2) gewährleistet, die an beiden Seiten angelötet ist.

Die an den Enden liegenden Hohlräume, nämlich der Eingangshohlraum 3 und der Ausgangshohlraum 5, weisen an ihrer nicht mit den Zwischenhohlräumen 4 gekoppelten Breitseite eine Öffnung 11 auf, die gleichachsig zu den Kopplungsöffnungen. 9 liegt. Diese Öffnung ist nach außen durch ein Metallrohr 12 (F i g. 1, 2, 3) verlängert, das so dimensioniert ist, daß die Energieverluste nach außen vernachlässigbar sind.

j5 Das zu erhitzende dielektrische Material, beispielsweise der Faden 16, wird kontinuierlich durch die verschiedenen Hohlräume bewegt, wie durch den Pfeil d angedeutet ist.
Bei der dargestellten Ausführungsform liegt die elektrische Komponente E des elektromagnetischen Feldes infolge der Orientierung der Hohlräume und der Durchführung ihrer elektrischen Kopplung (über ihre Breitseiten) parallel zu der Bewegungsrichtung d des Fadens 16, und sie ist entlang dem ganzen Durchgang des Fadens durch einen Hohlraum konstant. Da sich der Faden 16 ferner in der Mitte der Hohlräume bewegt, befindet er sich an jedem Punkt seines Durchgangs durch jeden Hohlraum in einem maximalen elektrischen Feld, so daß er in jedem Hohlraum eine maximale Erhitzung erfährt.

Eine Feineinstellung der Resonanzfrequenz der Hohlräume, die einerseits die Kompensation der mechanischen Fertigungstoleranzen und andererseits den Ausgleich der durch den Durchgang des zu erhitzenden Werkstücks verursachten Verschiebungen der Resonanzfrequenz (die von der Dielektrizitätskonstante des Werkstücks abhängen) ermöglicht, erfolgt durch die Einstellung von zwei Stiften 14 aus dielektrischem M?terial mit geringen Verlusten, die mehr oder weniger weit in das Innere jedes Hohlraums in der Mitte ihrer Sciimalseiten eindringen. Diese Stifte 14 gleiten in Metallrohren 15, die zugleich als Führung und zur elektrischen Abschirmung dienen.

Die Verwendung von mehreren in Serie geschalteten

hi Hohlräumen ermöglicht die Verbreiterung des Nutzfrequenzbandes der Vorrichtung. Bei einem praktischen Auifiihrunghueispiel, oci weichem die Erhitzungsvorrichtung 10 in Serie geschaltete Hohlräume aufweist, die

auf eine Resonanzfrequenz von 2450 MHz abgestimmt sipd. erhält man beispielsweise ein zulässiges Frcquenzb.ind von 25MHz. Die verschiedenen Parameter, wie die Anzahl der Hohlräume, die Kopplung zwischen ilen Hohlräumen, der Finstcllbereich der Resonanzfrequenz usw. werden in Abhängigkeit von den dielektrischen Eigenschaften des zu erhitzenden Materials so bestimmt, daß die Höehstfrequetizencrgie optimal genutzt wird. Die Erhitzung des zu erhitzenden Materials nimmt nämlich beim Durchgang durch jeden Hohlraum zu. während die Höchstfrcquenzenergic mit zunehmender Entfernung vom Generator abnimmt.

Die hier beschriebene Auslühriingsform, bei der die Hohlräume an ihren finden nicht durch eine massive Wand, sondern durch ein System von parallelen Platten 8 kurzgeschlossen sind, ergibt den Vorteil, daß zu der beschriebenen Rrhitztingsvorrichtung sehr leicht eine konventionelle zusätzliche Erhitzung, beispielsweise durch Infrarotstrahlen oder Warmluft, eine Belüftung oder eine Absaugung je nach Erfordernis hinzugefügt werden kann. Die Anzahl dieser Platten und ihrer Länge sind so gewählt, daß ein guter Betrieb der zusätzlichen Einrichtung ermöglicht wird und dennoch nur sehr kleine Verluste an Höchstfrequenzenergie nach außen auftreten. Wenn eine derartige zusätzliche Einrichtung nicht notwendig ist, können natürlich die Hohlräume einfach durch zwei massive Wände verschlossen werden, die im Abstand λ/2 voneinanderliegen.

Bei einer anderen Ausführungsform, die keinen so guten Wirkungsgrad wie die soeben beschriebene aufweisen würde, jedoch die gleichen Vorteile der Verbreiterung des zulässigen Frequenzbandes hätte.

können di I lohlräume nicht mehr über ihre Breitseiten sondern üb ·■ ihre Schmalseiten miteinander gekoppelt sein.

Fs ist noch /ti bemerken, daß bei dem an Hand win I" i g. I bis 4 I. v'schriehenen Ausfuhrungsheispiel alle Hohlräume so „ngeordnet sind, daß ihre einander entsprechenden I '.iehen parallel liegen. Diese Maßnahme ist nicht unbedingt notwendig. Die Hohlräume können ,inch um .lire gemeinsame Achse (enil.ing welcher sich der t-'.iden 16 bewegt) joweils um verschiedene Beträge gedreht sein; die elektrische Komponente Γ des elektromagnetischen Feldes bleibt dann parallel zu di'-ser Richtung, und man erhalt immer noch eine Ausfühn. igsform mit ma finalem Wirkungsgrad.

Wie bereits erwähnt wurde, kann die Vorrichtung auch mit Hilfe von zylindrischen Hohlräumen ausgeführt werden. In diesem Fall sind die Hohlräume, die bei der Wellenform /7:H in Resonanz sind, miteinander über die Mantelfläche der mc bildenden Alinder so gekoppelt, daß die elektrische Komponente des elektromagnetischen leides parallel n\ dem zu erhitzenden Draht liegt, so daß wieder der maximale Wirkungsgrad erhalten wird, wie er für die rechteckigen Hohlräume erwähnt wurde In diesem Fall können die Stirnflächen der die Hohlräume bildenden Zylinder, ebenso wie im Fall der rechteckigen Hohlleiter, wieder aus mehreren parallelen Metallplatten gebildet sein. Diese P'attcn sind dann auf beiden Seiten an der Mantelfläche der Zylinder so befestigt, daß sie parallel zu der Laufrichtung des Materials in den Hohlräumen liegen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung zur Erhitzung eines dielektrischen Materials von langgestreckter Form und geringen Querschnitts durch dielektrische Verluste, mit mehreren miteinander gekoppelten, einen Wellenleiter bildenden Hohlräumen, die in Serie von einem Hochfrequenzgenerator gespeist werden, wobei das zu erhitzende Material quer durch die Hohlräume entlang deren gemeinsamer Achse läuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume bei der von dem Hochfrequenzgenerator ausgesandten Welle auf Resonanz abgestimmt sind.

2. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlräume so miteinander gekoppelt sind, daß das zu erhitzende Material parallel zu der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes in den Hohlräumen läuft und sich dadurch stets in einem Bereich maximaler elektrischer Feldstärke befindet

3. Hocht^quenz-Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzhohlräume einen rechteckigen Querschnitt haben und an ihren Breitseiten über kreisrunde, in der Mitte der Breitseiten liegende Öffnungen miteinander gekoppelt sind, wobei die Öffnungen nebeneinanderiiegender Hohlräume jeweils durch eine rohrförmige Metallbuchse miteinander verbunden sind, und daß das zu erhitzende Material durch Jo die Metallbuchsen von Hohlraum zu Hohlraum läuft

4. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander entgegengesetzte.Seiten j?des Hohlraums, die nicht die zur Kopplung dienenden Breitseiten sind, aus mehreren zueinander pars'^slen Metallplatten gebildet sind, die zwischen den senkrecht zu ihnen liegenden Breitseiten befestigt sind.

5. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reso- nanzhohlräume zylindrisch sind und über die Mantelflächen der sie bildenden Zylinder mit Hilfe von kreisrunden, in der Mitte zwischen den Stirnflächen der Zylinder liegenden Öffnungen miteinander gekoppelt sind, wobei die Öffnungen *5 nebeneinanderliegender Hohlräume jeweils durch eine rohrförmige Metallbuchse miteinander verbunden sind, und daß das zu erhitzende Material durch die Metallbuchsen von Hohlraum zu Hohlraum läuft

6. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Stirnflächen jedes Hohlraums aus mehreren zueinander parallelen Metallplatten gebildet sind, die an beiden Enden derart an der Mantelfläche des Zylinders befestigt sind, daß sie parallel zu der Laufrichtung des zu erhitzenden Materials liegen.

7. Hochfrequenz-Erhitzungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Resonanzhohlraum mit einer Feineinstellvorrichtung für seine Resonanzfre- W quenz versehen ist.