DE2507408C2

DE2507408C2 - Mikrowellenheizvorrichtung

Info

Publication number: DE2507408C2
Application number: DE2507408A
Authority: DE
Inventors: Göran Täby Böling
Original assignee: STIFTELSEN INSTITUTET FOER MIKROVAAGSTEKNIK VID TEKNISKA HOEGSKOLAN I STOCKHOLM 10044 STOCKHOLM SE
Current assignee: STIFTELSEN INSTITUTET FOER MIKROVAAGSTEKNIK VID TEKNISKA HOEGSKOLAN I STOCKHOLM 10044 STOCKHOLM SE
Priority date: 1974-02-22
Filing date: 1975-02-20
Publication date: 1983-12-01
Also published as: AU7822875A; NL7501928A; FR2262470A1; DK64675A; JPS568993B2; DE2507408A1; DK141520B; US3999026A; NO135656B; NO135656C; IT1029810B; SU629906A3; FR2262470B1; JPS50143137A; SE378057B; FI57865C; DK141520C; NO750601L; GB1505552A; FI57865B

Description

Die Erfindung betrifft eine MikroweHenheizvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Vorrichtung kann beispielsweise zum Verbinden von Werkstücken aus Kunststoff oder kunststoffüberzogener Pappe durch Schweißen verwendet werden, oder zum Trocknen und Aushärten von Leim beim Verschließen von Packungen.
Wenn man einen dichten Hitzeverschluß erhalten will, muß das Erhitzen über den gesamten Abschnitt des Gegenstandes erfolgen, an dem der Verschluß angeordnet ist. In den Fällen, in denen das Erhitzen während einer kontinuierlichen Förderung mit einer konstanten Geschwindigkeit des Gegenstandes erfolgt, ist es nicht notwendig, daß die Erhitzung an jedem Punkt längs der Heizvorrichtung in gleichem Maße erfolgt. Wegen der kontinuierlichen Bewegung erhalten diejenigen Abschnitte, die an der Heizvorrichtung vorbeigekommen sind, die gleiche Wärmemenge, auch wenn die Hitze längs der Heizzone nicht konstant ist. In den Fällen, in denen die Förderung stufenweise erfolgt oder bei denen der zu erhitzende Gegenstand sich während des Erhitzens relativ zur Heizvorrichtung nicht bewegt ist es jedoch unabdingbar, daß die Heizvorrichtung eine gleichmäßige Wärme abgibt. Wenn es sich um einen besonders dichten Verschluß oder eine besonders gute Verbindung handeln soll, ist es notwendig, daß die erwärmten Kanten kräftig gegeneinandergedrückt werden.

Bei automatischen, mit großer Geschwindigkeit arbeitenden Verfahren werden hohe Anforderungen an ein schnelles Erwärmen und schnelles Zusammenpressen gestellt und gegebenenfalls muß die Verbindung gekühlt werden. Wenn mit Kunststoff überzogene Gegenstände miteinander verbunden werden, ist ein Kühlen notwendig. Der Kunststoff wird geschmolzen und die Verbindung hält solange nicht, bis der Kunststoff auf die Erstarrungstemperatur abgekühlt ist.

Das Zusammendrücken kann in verschiedener Weise erfolgen. Die Heizvorrichtung kann so ausgestaltet sein, daß gleichzeitig durch sie beim Erhitzen ein Druck ausgeübt wird. Andererseits kann das Zusammendrükken auch später erfolgen.

Beim Hitzeverschließen von Verpackungen aus Papier oder Pappe hat man bisher ein Verfahren angewandt, bei dem beispielsweise die Hitze beim Zusammendrücken von Heizbacken übertragen worden ist Bei diesem Verfahren muß die Hitze durch den Werkstoff hindurchgehen, wodurch dieses Verfahren langsam wird. Die höchste Temperatur ist auf der Oberfläche des Werkstoffes und nicht in der Verbindung. Die Oberflächentemperatur muß unterhalb eines gewissen Wertes gehalten werden, so daß der Werkstoff nicht zerstört wird. Bei einem anderen Verfahren, bei dem ein Erhkzen eines sich längs einer Förderstrecke bewegenden Gegenstandes erfolgt, wird das Erhitzen durch warme Luft, beispielsweise mittels einer Gasflamme vorgenommen. 3ei äiesem Verfahren jedoch besteht eine Schwierigkeit darin, das in der Verpackung vorhandene Gut vor der heißen Luft zu schützen. Ferner besteht eine große Brandgefahr, wenn das Verfahren in irgendeiner Weise gestört wird. Es gibt auch Versuche, bei denen Hochfrequenzschweißen verwendet wird, insbesondere bei Frequenzen von 13 oder 2/ MHz. Bei diesen relativ niedrigen Frequenzen war es notwendig, große Feldintensitäten zur Verfügung zu stellen, wobei Streuverluste oder Undichtigkeiten oder eine lange Verfahrenszeit in Kauf genommen werden müssen.

Mit einer Mikrowellenheizung bei einer Frequenz von beispielsweise 2450MHz erfolgt das Erhitzen ungefähr lOOmal so schnell wie bei der obenerwähnten Hochfrequenzheizung, wenn die gleichen Feldstärken vorliegen. Wenn man einen mit einem Schlitz versehenen Wellenleiter zum Erhitzen von Leim oder einer Kunststoffbeschichtung mittels Mikrowellenenergie verwendet, so kann dies in relativ einfacher Weise geschehen. Eine Schwierigkeit besteht jedoch darin, eine gleichmäßige Erwärmung über eine längere Strecke so zu erhalten, daß eine praktische Verwendung möglich ist. Bei jeder Art von Wellenleiter erfolgt das Erwärmen nicht gleichmäßig, da Energie von dem zu erwärmenden Gegenstand längs des Wellenleiters aufgenommen wird, und auch weil stehende Wellen innerhalb des Wellenleiters auftreten.

Ferner ist es schwierig, Kühlelemente aus Metall bei solchen Vorrichtungen zu verwenden, da die Kühlelemente die Arbeitsweise des Wellenleiters beeinflussen. Kühlelemente aus keramischem oder Plastikmaterial können verwendet werden, jedoch ist die Kühlwirkung solcher Elemente häufig wegen des relativ geringen Wärmeleitvermögens dieses Materials nicht zufriedenstellend.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Mikrowellenheizvorrichtung darzustellen, bei der eine gleichmäßige Erwärmung in einem sich der Länge nach erstreckenden Heizbereich erfolgt, wenn sowohl ruhende als auch sich bewegende Gegenstände erhitzt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ist durch den Anspruch 1 angegeben.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung wird ein elektrisches Feld erzeugt, das über den gesamten Heizbereich konstant ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen eines entsprechenden Feldes hat einen durch eine Metallwand in zwei parallele Kammern geteilten Resonator. Das Zuführen der Mikrowellenenergie erfolgt in der Weise, daß das magnetische Feld gezwungen wird, sich um die Metallwand herum zu schließen. Wenn die Kammern die gleiche Form haben und wenn der Resonator einen konstanten Querschnitt über seine gesamte Länge hat, erhält man in der Nähe der Metallwand eine konstante Magnetfeldintensität Das dem Magnetfeld zugeordnete elektrische Feld erzeugt eine gleichmäßige Erhitzung in einem dielektrisch homogenen Werkstoff.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.

F i g. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Resonators.

ίο Fig.2 zeigt einen Schnitt des Resonators längs der Linie IMI der F ig. 1.

Fig.3 zeigt einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines Resonators.

Fig.4 zeigt im Querschnitt eine Ausführungsform mit zwei Resonatoren zum Erwärmen beider Seiten eines Werkstücks.

Fig.5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform in größerem Maßstab.

F i g. 6 zeigt einen schematischen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform eines Resonators.

F i g. 7 zeigt eine Ausführungsform eines Resonators mit Kühlelementen aus Metall.

Fig.8 zeigt eine andere Ausführungsform mit gegenüber F i g. 7 vergrößertem Maßstab.
Fig.9 zeigt einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform eines Resonators.

Fig. 10 zeigt einen Längsschnitt der Ausführungsform gemäß F i g. 9.

F i g. 11 zeigt einen Querschnitt einer noch anderen Ausführungsform.

Die F i g. 1,2 und 7 stellen die erste Ausführungsform

dar. Der Resonator wird durch Längswände 2,4,6 und 8 begrenzt Die Längswand 2 hat einen Schlitz 16. Der Resonator wird durch eine Trennwand 14 in zwei Kammern 10 und 12 aufgeteilt.

In der Fig.2 ist eine Möglichkeit dargestellt, auf welche Weise Mikrowellenenergie in geeigneter Form der Vorrichtung zugeführt werden kann. In der Wand 14 ist eine V-förmige Ausnehmung 24 vorgesehen. Ein Leiter 26 ist mit dem oberen Ende der Ausnehmung verbunden. Das andere Ende des Leiters wird mit einem Wellenleiter verbunden, so daß ihn ein Magnetfeld umschließt. Dadurch wird in dem Leiter ein Strom erzeugt, der in die Trennwand 14 fließt und ein anderes Magnetfeld, das sich um die Wand 14 schließt, erzeugt. Das diesem Magnetfeld zugeordnete elektrische Feld hat über die gesamte Länge des Schlitzes 16 eine konstante Intensität. Es erstreckt sich von der freien Kante der Wand 14 zu den Kanten der Wand 2, die an >() beiden Seiten der Trennwand angeordnet sind, wie es in F i g. 1 durch Pfeile E dargestellt ist. Dabei bildet sich das Magnetfeld senkrecht zur Papierebene aus, wie es durch Pfeilspitzen und -enden, die mit //bezeichnet sind, dargestellt ist. Wenn ein dielektrischer, im wesentlichen homogener Gegenstand dicht am Schlitz 16 angeordnet wird, wird er im wesentlichen gleichförmig längs der gesamten Länge des Schlitzes erwärmt.

In der F i g. 7 ist dargestellt, auf welche Weise die Heizvorrichtung gemäß F i g. 1 mit Kühlelementen aus Metall versehen werden kann. Zwei Längselemente 17 und 19 aus Metall dienen als Kühlelemente. Sie erstrecken sich senkrecht zum elektrischen Feld, so daß sie die Arbeitsweise der Heizvorrichtung so wenig wie möglich beeinflussen. Die unteren Abschnitte der i>5 Kühlelemente können mit Röhren 44 und 45 versehen sein, in denen ein Kühlmedium fließen kann. Die Kühlelemente dürfen die Wände des Resonators nicht oder nur über einen kleinen Teil ihrer Länge berühren.

Die Kühlelemente können beispielsweise an einem dielektrischen Werkstoff angeordnet sein, der geringe dielektrische Verluste hat, wie z. B. ein unter dem Handelsnamen »Teflon« bekannter Werkstoff, der die Kammern 10 und 12 ausfüllt. Die Vorrichtung bewirkt mit und ohne Kühlelemente ein gutes Erhitzen.

Ein langer Resonator wird vorzugsweise an zwei oder mehreren Stellen mit Energie versorgt. In F i g. 3 erfolgt die Versorgung über einen in T-Form ausgebildeten Wellenleiter. An beiden Zuführstellen muß die zugeführte Energie die gleiche Phase haben. Infolgedessen ist der Abstand zwischen dem Verzweigungspunkt, wo der Wellenleiter 30, der den Stamm des T bildet, mit dem Querteil 30a des T verbunden ist, und jedem Zuführpunkt gleich groß. An jedem Zuführpunkt befindet sich in der Wand 14 eine V-förmige Ausnehmung 24 und ein Leiter 26.

Es ist auch möglich, zwei Resonatoren einander gegenüberliegend anzuordnen, wie es in F i g. 4 dargestellt ist. Dadurch kann die Wirkung eines geringen Abstandes oder die Wärmehomogenität erhöht werden, wenn ein dicker Gegenstand 34 erwärmt wird. Zum letzteren Zweck kann es ausreichend sein, nur einen Resonator zu speisen. Die Speiseleitung des anderen Resonators sollte dann kurzgeschlossen sein. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung von zwei Resonatoren besteht darin, daß Streuverluste weiter verringert werden.

Die zweite Ausführungsform ist in den F i g. 5,6 und 8 dargestellt. Zusätzlich zu den zwei Resonatorkammern 10 und 12 entsprechend den Kammern 10 und 12 der beschriebenen Ausführungsform sind zwei weitere Kammern 38 und 39 symmetrisch an beiden Seiten der Trennwand 14 vorgesehen, die über eine Zuführvorrichtung gespeist wird. Das Magnetfeld in den Kammern 10 und 12 schließt sich um die Trennwände 40 und 42 in der gleichen Weise, wie es bei der Wand 14 der Fall ist Das diesem Magnetfeld zugeordnete elektrische Feld wird sich von der freien Kante der Wand 14 zu den freien Kanten der Wände 40 und 42 und von den freien, nach innen weisenden Kanten der Wand 2 zu den Kanten der Wand 40 und 42 erstrecken, wie es durch mit E bezeichnete Pfeile in der Fig.5 angedeutet ist. Gleichzeitig erstreckt sich das Magnetfeld senkrecht zur Papierebene, wie es durch die Spitzen bzw. Enden der Pfeile //dargestellt ist

Das elektrische Feld im Schlitz 16 verläuft parallel zur Trennwand 14. Diese Ausführungsform ist infolgedessen besonders für zu erwärmende Gegenstände geeignet die in den Schlitz 16 eingeführt werden können, in der F i g. 5 ist dargestellt, auf welche Weise z. B. zwei mit Kunststoff überzogene Pappstücke 16a zum Zusammenschweißen erhitzt werden können. Bei der Ausführungsform der Vorrichtung, bei der das elektrische Feld senkrecht zu der Ebene der Oberfläche verläuft, in der der Schlitz liegt, entstehen äußerst geringe Streuverluste.

Die Mikrowellenenergie kann in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform zugeführt werden, wie es in F i g. 6 dargestellt ist

Auch die zweite Ausführungsform kann mit Kühlelementen gemäß F i g. 8 versehen werden. Die Metallwände 46 und 48 sind senkrecht zum elektrischen Feld angeordnet und können Wärme von der Verbindung ableiten. Die von der Verbindung fortweisenden Enden haben Röhren 47 und 49, durch die ein Kühlmedium fließen kann. Diese Kühlelemente können in der gleichen Weise befestigt werden, wie es in der oben beschriebenen Vorrichtung geschehen ist. Bei beiden Vorrichtungen können weitere entsprechend angeordnete Kühlelemente in den Resonatorkammern vorhanden sein, als diejenigen, die in den Figuren dargestellt sind, wenn eine stärkere Kühlung notwendig ist.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß das Zusammendrücken und Kühlen von Bedeutung ist, wenn mit Kunststoff oder Leim überzogene Gegenstände miteinander verbunden werden sollen. Wenn eine

ίο doppelte Heizvorrichtung gemäß Fig.4 verwendet wird, kann das Zusammendrücken zwischen den zwei Resonatoren erfolgen. Die Schlitze der Heizvorrichtungen können mit einem Kunststoff- oder Keramikwerkstoff mit geringen Verlusten bedeckt oder angefüllt sein.

In Abhängigkeit von den Kühlanforderungen können Kühlelemente gemäß F i g. 7 vorgesehen werden oder auch nicht. Auch können nur einer oder beide Resonatoren mit Kühlelementen ausgestattet sein.

Bei der Vorrichtung gemäß F i g. 1 kann ein Druck gegen beispielsweise eine Platte aus Kunststoff oder keramischem Werkstoff mit geringen Verlusten erfolgen. Das Zusammenpressen kann auch durch die Verbindung erfolgen, nachdem der zu erhitzende Gegenstand die Heizvorrichtung verlassen hat wobei er beispielsweise zwischen zwei Metallbacken bewegt wird, während die Verbindung noch warm ist und durch die Metallbacken zusammengedrückt wird, wobei gleichzeitig die Verbindung durch die Backen abgekühlt wird. In letzterem Fall können die Backen durch beispielsweise Wasser gekühlt werden. Dies läßt sich auch bei der Vorrichtung gemäß F i g. 5 anwenden.

Eine andere Möglichkeit des Zusammendrückens, insbesondere zum Verschließen von Packungen an Laufbändern, besteht darin, daß ein oder mehrere Rad- oder Rollenpaare vorgesehen sind, zwischen denen die Verbindungen unmittelbar nach dem Erhitzen hindurchgehen.

Bei einer dritten Ausführungsform (F i g. 9 bis 11) hat die Vorrichtung einen Resonator mit einem sich der Länge nach erstreckenden Hohlraum, der von drei Wänden 4, 6, 8 entsprechend den Wänden der Vorrichtung gemäß F i g. 1 begrenzt ist. Eine Trennwand 14, die vorzugsweise etwas kürzer als die Resonatorwände ist ist an der Innenfläche der Wand 6, beispielsweise durch Löten befestigt Die Befestigungskante der Wand 14 hat eine V-förmige Ausnehmung 24. Gegenüber der Spitze dieser Ausnehmung befindet sich in der Wand 6 eine öffnung 6a, durch die ein Leiter 26 hindurchgeführt ist Dieser Leiter ist an der Spitze der Ausnehmung mit der Wand 14 verbunden. Der Leiter 26 kann Teil eines Schaltkreises sein, dessen anderer Teil (nicht dargestellt) mit einem Wellenleiter verbunden ist von dem aus die Mikrowellenenergieversorgung erfolgt, wie es bereits oben beschrieben wurde.

An der der Wand 6 gegenüberliegenden Seite des Resonators sind Teile 40 und 41 aus keramischem Werkstoff vorgesehen und zwischen den Wänden 4 und 8 und der Trennwand 14 angeordnet Der Werkstoff dieser Teile sollte möglichst verlustarm sein. Die Heizbereiche befinden sich in dem Bereich unmittelbar außerhalb der Teile 40 und 41. Der zu erhitzende Gegenstand 42 wird beispielsweise durch einen dritten, isolierenden, möglichst verlustfreien Teil 43 gegen diesen Bereich gedrückt Es kann auch ein weiterer Resonator 44 parallel gemäß Fig. 11 angeordnet und wie der Resonator 4, 8, 6, 14 aufgebaut sein. Der zu erhitzende Gegenstand 42 wird zwischen den zwei Resonatoren angeordnet Der Resonator 44 kann in

gleicher Weise wie der Resonator 4, 8, 6, 14 von der gleichen Mikrowellenquelle oder einem anderen Mikrowellenkreis (nicht dargestellt) gespeist werden, der eine andere Frequenz als die erste Quelle haben kann. Wenn der zusätzliche Resonator 44 nicht direkt mit Energie

versorgt wird, wirkt er trotzdem als Resonator, da Energie von dem gespeisten Resonator übertragen wird. Der zusätzliche, nicht direkt gespeiste Resonator kann einen Leiter 26 haben, dessen äußeres Ende zur Resonatorwand 6 hin kurzgeschlossen ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!!'Mikrowellenheizvorrichtung mit einer vorzugsweise sich der Länge nach erstreckenden Heizzone, einem von einer Mikrowellenquelle gespeisten Resonator, der einen sich der Länge nach erstrekkenden Hohlraum hat, der durch Wände begrenzt ist von denen eine mit einem Längsschlitz versehen ist, und wobei in dem Resonator eine vorzugsweise etwas kürzer als der Hohlraum ausgebildete Trennwand mit einer an der dem Längsschlitz gegenüberliegenden Wand angeordneten Kante ist, wobei die Trennwand parallel zum Schlitz verläuft und sich von der Wand zum Schlitz hin erstreckt, wodurch wenigstens ein Teil der Querschnittsoberfläche des Hohlraumes in zwei Kammern geteilt ist, und wobei die Trennwand eine Speisevorrichtung mit Oinem oder mehreren Leitern hat, die durch eine oder mehrere Öffnungen in der Resonatorwand führen und mit der Trennwand verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Leiter (26) an der dem Schlitz (16) gegenüberliegenden, mit der Resonatorwand (6) verbundenen Kante angeschlossen ist (sind), wobei in der Umgebung der Anschlußstelle(n) des Leiters (der Leiter) (26) die Verbindung der Trennwand (14) mit der Resonatorwand (6) unterbrochen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder freie Abschnitt (24) der Trennwand (14), an der ein Leiter (26) verbunden ist, die Form einer Ausnehmung (24) hat, wobei der Leiter (26) an der dem Schlitz (16) am nächsten liegenden Stelle dieser Ausnehmung verbunden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung oder Ausnehmungen (24) in der Trennwand (14) V-förmig ausgebildet sind und daß der oder die Leiter (26) mit der Spitze des V verbunden sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter (26) Teil einer Schaltung ist, deren anderer einen weiteren Leiter aufweisender Teil in einen Teil (30a; eines Wellenleiters (30) eingeführt ist, wobei der Wellenleiter nahe dem Resonator angeordnet ist und durch ihn Mikrowellenenergie von einer Energiequelle her eingespeist wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiterteil (30a) den oberen, waagerechten Teil eines T-förmigen Wellenleiters bildet, wobei dieser Teil parallel zum Resonator und unmittelbar anschließend an die Resonatorwand angeordnet ist, an der die Trennwand (14) befestigt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator zwei zusätzliche Kammern (38, 39) hat, die parallel zu den durch die Trennwand (14) getrennten Kammern (10, 12) angeordnet sind, wobei jede der zusätzlichen Kammern (38, 39) einen Schlitz hat, so daß die Kammern zueinander und zu dem Schlitz zwischen den beiden ersterwähnten Kammern (10, 12) hin offen sind, wobei ein zusätzlicher Schlitz (16) zwischen den Schlitzkanten der zusätzlichen Kammern (38, 39), die von dem ersten Schlitz am weitesten entfernt sind, angeordnet ist, wobei in den zusätzlichen Schlitz (16) das zu erhitzende Werkstück oder Material (16a)einführbar ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden,

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Resonatoren parallel zueinander und mit einander gegenüberliegenden Schlitzen in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind, wobei der ■3 Raum zwischen den Schlitzen als Heizzone für das Material (34) verwendbar ist
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß die zwei Resonatoren von einer gemeinsamen Mikrowellenenergiequelle gespeist

ίο sind, oder jeder Resonator von je einer Mikrowellenenergiequelle, die verschiedene Frequenzen haben.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß nur ein Resonator von einer Mikrowellenenergiequelle gespeist ist während der andere Resonator entweder keine Speiseleitung oder eine oder mehrere mit der Außenwand des Resonators kurzgeschlossene Speiseleitungen hat
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die Trennwand (14) eine metallische Platte ist, deren Breite längs der Heizzone bis auf die Abschnitte konstant ist an denen der/die Leiter (26) verbunden ist/sind.