DE2622173B2

DE2622173B2 - Vorrichtung zur Beheizung eines Gegenstandes mittels hochfrequenter Strahlung, insbesondere Mikrowellen-Ofen

Info

Publication number: DE2622173B2
Application number: DE2622173A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Yamatokoryama Nara Kusonoki; Hirofumi Nara Yoshimura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1975-05-19
Filing date: 1976-05-19
Publication date: 1979-10-25
Also published as: US4476362A; GB1543980A; SE7605540L; DE2622173C3; FR2312165A1; AU1406476A; CA1080308A; FR2312165B1; DE2622173A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen eines in einer Heizkammer eingebrachten Gegenstandes mittels hochfrequenter Strahlung, insbesondere Mikrowellen-Ofen, mit einem Magnetron und

ν· einem sich längs einer Seitenwand der Heizkammer erstreckenden Hohlleiter, der die vom Magnetron abgegebene elektromagnetische Strahlung einer Einspeisstelle der Heizkammer zuführt.

Diese in der Auslegeschrift 1066678 dargestellte

wi Vorrichtung hat den Nachteil, daß zur Einspeisung einer auf das Heizgut konzentrierten nennenswerten Menge an elektromagnetischer Strahlung der Hohlleiter sich über mindestens eine volle Wandfläche der Heizkammer erstrecken muß, was nicht nur den Platz-

h-i bedarf unnötig erhöht, sondern wegen der mangelnden Abstimmung des Hohlleiters an die vom Magnetron abgegebene Strahlung die Heranführung ausreichender Strahlungsintensität erschwert.

Aus der US-Patentschrift 2961520 ist ein Mikrowellen-Ofen bekannt, in welchem die vom Magnetron abgegebene Strahlung mittels Koaxialleitung in die Herzkammer eingespeist und dort durch eine mit dem Mittellejter verbundene und um eine Querachse rotierende Antenne abgestrahlt wird. Bei dieser Einrichtung ist die Kopplung zwischen der in der Heizkammer rotierenden Antenne und der festen Ausgangsantenne des Magnetrons problematisch. Es tritt oft Funkenentladung auf, so daß mit komplizierten Drosseln gearbeitet werden muß. Sodann müssen die Abmessungen des Innenleiters relativ zum Außenleiter der Koaxialleitung sehr genau eingehalten werden, was die Herstellungskosten eines solchen Geräts verteuert. Im übrigen läßt sich eine gleichförmige Aufheizung eines in die Heizkammer eingebrachten Gegenstandes mit der bekannten Einrichtung nur durch eine Relativdrehung zwischen Gegenstand und Antenne erreichen. Entsprechende Nachteile gelten auch für diejenige Heiz-Vorrichtung, die in der US-Patentschrift 2 895 828 beschrieben ist, in der elektromagnetische Strahlungen zweier verschiedener Frequenzen über je zwei Koaxialleiter in die Heizkammer gekoppeltwerden, wobei die jeweiligen Innenleiter als Antenne frei in die Heizkammer vorstehen. Um eine wechselseitige Beeinflussung des Magnetrons auszuschließen, müssen in der Heizkammer besondere Abschirmungen vorgesehen werden, die gleichzeitig die Strahlungsverteilung in der Kammer unerwünscht beeinflussen.

Aus dem »Taschenbuch der Hochfrequenztechnik« vonMeinke-Gundlach, 1962, Seite 417, sind verschiedene Möglichkeiten der Ankopplung von Hohlleitern mittels Antennen bekannt, welche die Weiterführung einzelner Schwingungstypen gegenüber anderen Typen verstärken. Diese die Fortleitung von elektromagnetischer Strahlung über die Verbindungsstellen von Hohlleitern gestattenden Möglichkeiten lassen sich nicht ohne weiteres auf die Einkopplung in eine abgeschlossene Heizkammer übertragen, weil der eingekoppelten Welle sich die reflektierte Welle überlagert und dadurch die räumliche Verteilung der Strahlung im Bereich des aufzuheizenden Gegenstandes ungünstig beeinflußt. Hinzu kommt, daß diese Konzentration nicht punktförmig, sondern über ein Raumgebiet möglichst gleichmäßig verteilt sein soll, damit sich ein gleichmäßig gegartes und nach Möglichkeit auch mit Kruste versehenes Gut ergibt.

Die eingangs genannte Vorrichtung soll durch die Erfindung demgegenüber so weitergebildet werden, daß die Erfordernisse einer gleichförmigen Wärmeverteilung, insbesondere in vertikaler und horizontaler Richtung, innerhalb der Heizkammer einerseits und die Heranführung und Abgabe der elektrischen Strahlung über Hohlleiter andererseits unabhängig voneinander so berücksichtigt werden können, daß das Magnetron bei unterschiedlicher Beschickung des Ofens möglichst gleichbleibend belastet wird und sich der Wirkungsgrad der Vorrichtung verbessert.

Dazu ist erfindungsgemäß bei der genannten Vorrichtung vorgesehen, daß der Hohlleiter an der Einspeisstelle strahlungsmäßig im wesentlichen abgeschlossen ist und daß eine stabförmige Antenne durch die Seitenwand isoliert durchgeführt ist und sich vom Hohlleiter in die Heizkammer erstreckt. Durch die strahlungsmäßige Trennung zwischen Hohlleiter und Heizkammer an der Einspeisstelle kann der Hohlleiter und das Magnetron für sich gesondert optimal ausgelegt werden und die Antenne stellt für die Heizkammer eine Strahlungsquelle dar, die ein sehr gleichmäßiges Strahlungsfeld erzeugt, jedenfalls punktförmige Konzentrierungen der Strahlungsenergie in bestimmten diskreten Stellen im Raum vermeidet.

Die Erfindung gestattet zahlreiche zweckmäßige und besonders vorteilhafte Weiterbildungen, die Gegenstand der Unteransprüche sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand mehrerer, in den beigefügten Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen im einzelnen beschrieben. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Mikrowellen-Ofens, der mit den Merkmalen der Erfindung ausgestattet ist,

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Schnittes durch den Mikrowellen-Ofen der Fig. 1,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Einzelheit in vergrößerten? Maßstab, und zwar der Anordnung der Antenne, die in einer öffnung des i? dem Mikrowellen-Ofen der Fig. 2 verwendeten Hohlleiters angeordnet ist,

Fig. 4 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung, jedoch für eine Abwandlung des Ofens aus Fig. 5,

Fig. i eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine Seitenansicht einer teilweise geschnittenen und in vergrößertem Maßstab dargestellten Anordnungeines Laufrades und einer Antenne aus dem Ofen gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine schematische Draufsicht auf die Anordnung von Probeschalen auf einer Bodenplatte der Heizkammer, um Vergleichstests bezüglich der Heizleistung bekannter Mikrowellen-Öfen einerseits und des mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Mikrowellen-Ofens andererseits ausführen zu können,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Eigerochaften eines konventionellen Mikrowellen-Ofens einerseits und des mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Mikrowellen-Ofens andererseits bei kleiner Belastung,

Fig. 9 und 10 ähnliche Darstellungen wie die Fig. 5, jedoch von weiteren Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 11 eine Teilansicht einer vergrößert dargestellten Abwandlung des Mikrowellen-Ofens aus Fig. 4,

Fig. 12 eine Draufsicht auf eine Spiralantenne, die in dem MikrowelJen-Ofen aus Fig. 11 verwendet wird,

Fig. 13 eine schematische Darstellung der Zustand;: stehender Wellen, die in einem rechtwinkligen Heizraum erzeugt werden,

Fig. 14 eine Seii^n-Teilansicht einer in vergrößertem Maßstab dargestellten weiteren Ausführungsform der Anordnung der Antenne in einer öffnung des Hohlleiters, wie er in der vorhergehenden Ausführungsform der Erundung benutzt wird,

Fig, 15 einen Querschnitt längs der Linie XVIII-XVIIl aus Fig. 14,

Fig. 16 und 17 Seiten-Teilansichten von in vergrößertem Maßstab dargestellten weiteren Ausführungsformen der Anordnung der Antenne,

Fig. 18 und 19 ähnliche Darstellungen wie Fig. 2 und 4, jedoch von weiteren Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 20eine der Fig. 10 ähnliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 21 einen Querschnitt längs der Linie XXIV-XXIV aus Fig. 20,

Fig. 22 eine Seiten-Teilansicht einer in vergrößertem Maßstab dargestellten weiteren Ausführungsform der Anordnung des Hohlleiters in bezug zur Heizkammer des Mikrowellen-Ofens aus Fig. 20 und

Fig. 23 eine Draufsicht eines Ausschnittes aus der Ausführungsform gemäß Fig. 22.

Von den Zeichnungen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, zeigen Fig.l bis 3 einen Mikrowellen-Ofen M, der ein Gehäuse 1 von kubusförmiger Gestalt besitzt, welches an der Vorderseite offen ist. Das Gehäuse 1 ist doppelwandig ausgeführt und weist Innenwände 5 aus Stahlplatten od. dgl. auf, die eine Heizkammer //definieren. Diese Innenwände umfassen eine horizontale Bodenplatte Sa, vertikale Seitenwände Sb, eine Deckenwand 5c sowie eine Rückwand Sd, und lassen an der Vorderseite des Ofens M eine Zugangsöffnung O. Aus Fig. 2 erkennt man besonders gut, daß die Außenflächen der Wände 5a, Sb, Sc und Sd von den entsprechenden Wänden des Gehäuses 1 Abstand lassen. Das Gehäuse 1 besitzt ferner einen vorderen Wandabschnitt la unmittelbar oberhalb der Zugangsöffnung O, in welchem die Steuerplatte 3 mit Zeitgabenknopf 6, Arbeits-Druckschaltern 7 u.dgl. befestigt ist. Der Mikrowellen-Ofen M besitzt ferner eine Tür 2 mit Handgriff 5 entfernt von der nicht dargestellten Türaufhängung, welche am unteren Ende der unteren Vorderkante des Gehäuses 1 vorgesehen ist und es ermöglicht, daß zum Öffnen und Schließen der Zugangsöffnung O die Tür abwärts und aufwärts verschwenkt werden kann.

Die Tür 2 besitzt weiter eine rechtwinklige öffnung 4 in einem mittleren Teil, in welche eine durchsichtige Platte sowie eine Schutzplatte, etwa in der Form einer nicht dargestellten durchbrochenen Metallplatte angeordnet ist, die einerseits vor der Bestrahlung mit Mikrowellen schützt und andererseits ein Beobachtungsfenster 4a in der Tür 2 zur Beobachtung des nicht dargestellten, in die Heizkammer H eingesetzten Gutes bildet. Das Gehäuse 1 ist ferner mit Füßen 8 an seiner Unterseite zum Aufstellen des Ofens M versehen.

Die Gestalt und Bauweise des Gehäuses 1 im einzelnen ist für die Erfindung nicht beschränkend, kann vielmehr den jeweiligen Anforderungen und Verwendungszwecken angepaßt werden.

Wie Fig. 2 nigt. ist in dem Raum, der von der Decke 5c, der Heizkammer H und dem Deckel des Gehäuses 1 definiert ist, auf der Deckenwand 5c ein Hohlleiter 9 angeordnet, welcher teilweise von der Deckenwand Sc und einem Deckelteil 9a gebildet wird und wobei ein Ende 9c des Hohlleiters 9 sich in einen Raum zwischen der Rückwand Sd der Heizkammer H und der zugehörigen Rückwand des Gehäuses 1 erstreckt. Am Ende 9 c des Hohlleiters 9 ist unter einer Bodenplatte 9 b, die eine integrale Verlängerung der Deckenwand 5c der Heizkammer H ist, ein Magnetron 10 befestigt, das von einer nicht dargestellten Hochspannungsquelle durch Niederdrücken des Schalters 7 versorgt wird. Die Antenne 10a erstreckt sich nach oben in den Hohlleiter 9 durch eine kleine Öffnung, die in der Bodenplatte 9b gelassen ist, wobei die Achse der Antenne 10a von der Rückwand 9edes Hohlleiters 9 um eine Strecke /2 entfernt ist. Im wesentlichen am mittleren Abschnitt der Dekkenwand 5c der Heizkammer H, der einen Teil der Grundplatte 9b des Hohlleiters 9 bildet, ist eine kleine öffnung h gelassen, in welche ein kreisförmiger HaI- > ter d aus dielektrischem Material mit geringem Verlust eingesetzt ist. Der Halter besitzt eine konzentrische kleine öffnung da, in welche eine, im nachfolgenden »Strahler« genannte, Antenne 11 eingesetzt und von dem Halter d gehalten ist. Der Strah-

i" ler erstreckt sich sowohl in den Hohlleiter 9, wie auch in die Heizkammer H, wobei die vertikale Achse des Strahlers 11 von der Vorderwand 9/am anderen Ende 9d des Hohlleiters 9 um eine Strecke /1 entfernt ist. Unter der Unterseite der Deckenwand 5c, der Heizkammmer H an einer Stelle zwischen dem Strahler 11 und der Rückwand Sd ist ein Rührer 12 in Form eines Ventilators drehbar befestigt und wird von einem nicht dargestellten Antrieb in Umdrehung versetzt, um in der Heizkammer H die hochfrequente ' Energie zu verteilen.

Durch diese Anordnung breitet sich die vom Magnetron 10 nach Niederdrücken des Betriebsknopfes 7 erzeugte und von der Antenne 10a abgestrahlte hochfrequente Energie durch den Hohlleiter aus und ■ wird durch den Strahler 11 in die Heizkammer H eingeführt und dort durch den Rührer 12 verteilt, so daß das vorzugsweise in einer nicht dargestellten Schale enthaltene nicht dargestellte Gut, das auf dem Boden 5a der Heizkammer H abgesetzt ist, wirksam erwärmt wird.

Man bemerke, daß die kleine Öffnung '' 'ⁿ der Deckenwand Sc zwischen dem Hohlleiter 9 und der Heizkammer H keinen besonders großen Durchmesser haben sollte, um eine lockere Kopplung zwischen dem Hohlleiter 9 und der Heizkammer H bei Fehlen des Strahlers 11 zu haben. Im einzelnen sollte die Übergangsöffnung zwischen dem Hohlleiter 9 und der Heizkammer H so ausgestaltet werden, daß die elektrischen Wellen in die Heizkammer H durch die öfr-

: nung h allein kaum eingeleitet werden können. Die Öffnung soll also vergleichbar mit denjenigen öffnungen sein, die im gestanzten Metall, das als Beobachtungsfenster 4a der Türe 4 verwendet wird, vorhanden sind. Wenn jedoch ein elektrisch leitfähiges

: Material, beispielsweise eine Metallstange, in die Öffnung /ι eingesetzt wird, wird ein erheblicher Betrag an elektrischen Wellen in die Heizkammer H geleitet. Durch die beschriebene Anordnung wird es möglich, in einfacher Weise die Verteilung der Heizwir-

, kung wie bei direkter Kopplung zu verändern, da die Verteilung des elektrischen Feldes in der Hei^kammer H in bequemer Weise nur aufgrund der Konfiguration der Antenne oder des Strahlers 11 in der Kammer //bestimmt werden kann, wobei die relativ kleine

·,-, kreisförmige öffnung h im Gegensatz zu konventionellen Anordnungen von Hohlleitern in vorteilhafter Weise die Möglichkeit der Bildung von Bündelungen der Strahlung vermeidet. Ein weiter Vorteil der beschriebenen Anordnung besteht darin, daß die Aus-

ri! gangsleistung des Magnetrons 10 nahezu unabhängig von der elektrischen Feldverteilung in der Heizkammer H untersucht werden kann. Im einzelnen ist es möglich, den Arbeitspunkt des Magnetrons 10 durch Veränderungen der Abstände /1 und /2 zwischen der

n-. Antenne 10a und der Rückwand 9e sowie der Antenne oder dem Strahler 11 und der Vorderwand 9/ des Hohlleiters 9 willkürlich zu steuern, wobei ebenfalls die Länge des sich in den Hohlleiter 9 erstrecken-

den Strahlers 11 verändert werden kann. Man sieht also, daß die Metallstange 11 in Kombination als Kupplungselement für elektrische Wellen zwischen der Heizkammer H und dem Hohlleiter 9 und als Strahler für elektrische Wellen, d. h. als Antenne wirkt.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der Ausführungsform rms Fig. 2 und 3. Hier ist die Metallstange 11 für den Strahler aus der in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsform des Mikrowellen-Ofens durch einen Strahler 11' für elektrische Wellen ersetzt, dessen Winkelabschnitt 11' b an einem Ende sich in die Heizkammer H erstreckt, und am anderen Ende HO sich nach oben durch eine öffnung hl in der Deckenwand Sc der Heizkammer H erstreckt. Der Strahler 11' ist über eine Haltestange 13 aus dielektrischem Material mit der Abtriebswelle eines Motors M verbunden, der auf einem Deckelteil 9a des Hohlleiters 9 zur Dreelektrischem Material mit dem Strahler 11" befestigt sind, so daß sich um den Strahler 11" ein Laufrad V bildet. Über dem Laufrad V ist mit Abstand eine Abstellplatte 18 in der Heizkammer H angeordnet, welche letztere in zwei Abschnitte Ha und Hb teilt. Auf der Abstellplatte 18 kann das aufzuheizende Gut, beispielsweise Nahrungsmittel / in einer Schüssel U, abgestellt werden. Die Heizkammer H ist mit Ventilationsöffnungen al-a4 in den Wänden in der Nähe der Ecken versehen und weist ferner einen Kanalabschnitt 19 an einer Seite auf, so daß der Kanal 19, die öffnung al, die Heizkammer Hb für das Laufrad V, die Öffnung a3, die obere Heizkammer Ha und die öffnung a4 miteinander in Verbindung stehen und das Zirkulieren einer Luftströmung in der durch Pfeile dargestellten Richtung ermöglichen.

Durch die beschriebene Anordnung wird bei laufendem Gebläse 140 der erzeugte Luftstrom durch

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ist. Durch diese Anordnung ist es möglich, durch Bewegung des Strahlers in der Heizkammer H, erzielt durch Drehung des Strahlers 11', eine gleichförmige Verteilung des elektrischen Feldes in der Heizkammer H zu verbessern. Obgleich der Rührer 12 in der Ausführungsform der Fig. 4 weggelassen ist, erübrigt es sich beinahe festzustellen, daß ein solcher Rührer natürlich zur weiteren Verbesserung der gleichmäßigen Verteilung des elektrischen Feldes vorgesehen sein kann. Ferner kann der Hohlleiter 9, der durch einen Teil der Deckenwand 5c der Heizkammer H und ι.as Deckelteil 9a gebildet wird, durch einen gesondert gefertigten Hohlleiter ersetzt werden, der auf der Deckenwand 5c der Heizkammer H befestigt wird. In ähnlicher Weise kann die öffnung hl in der Deckenwand 5c, in die der Strahler 11' eingesetzt werden soll, mit einem Halter d aus verlustgeringem dielektrischem Material ausgefüllt werden, wie in der Ausführungsform der Fig. 1 bis 3. Im übrigen ist der Mikrowellen-Ofen gemäß Fig. 4 genauso aufgebaut und arbeitet auf die gleiche Weise wie das im Zusammenhang mit Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde, so daß dies hier nicht mehr wiederholt zu werden braucht. Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Abwandlung des Mikrowellen-Ofens aus Fig. 1 bis 3, bei der das Gehäuse 1 des Ofens zur besseren Deutlichkeit weggelassen ist. Der Hohlleiter 9, der bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 bis 3 auf der Deckenwand Sc der Heizkammer H befestigt war, ist durch einen Hohlleiter 9' ersetzt, der an der Unterseite des Bodens 5a der Heizkammer H in einem Raum zwischen der Wand Sa und der entsprechenden Bodenplatte des nicht dargestellten Gehäuses 1 befestigt ist. Am Ende 9' c des Hohlleiters 9' in der Nähe des Magnetrons 10 ist ein Ventilator oder Gebläse 140 befestigt und mit einem nicht dargestellten Antriebsmotor verbunden. Damit soll das Magnetron 10 gekühlt werden. Ungefähr im mittleren Abschnitt des Bodens Sc der Heizkammer H ist eine öffnung hl gelassen, in welcher ein Lager 14 aus verlustarmem dielektrischem Material eingesetzt ist. Ein Winkel-Strahler 11" für elektrische Wellen ist an seinem Ende ll"a in das Lager 14 eingesetzt und wird von dem Lager 14 mittels eines Ringes 15 von ähnlichem, verlustarmem dielektrischem Material gehalten, welcher mit dem Strahler 11" befestigt ist und dessen Drehung in dem Lager 14 ermöglicht werden soll. Der Strahler 11" ist ferner mit mehreren Flügeln 16 ausgerüstet, die über entsprechende Arme 17 von ebenfalls verlustarmem diuic c/iiüüng Ui ui'iu uie rwaiunici ηυ nai.ii ucTii imiiiicii des Magnetrons 10 gelenkt, versetzt das Laufrad V zusammen mit dem Strahler 11" in Umdrehung, wird dann durch die öffnung a2, den Kanal 19 und die öffnung a3 in die Heizkammer Ha gelenkt, und verläßt diese schließlich durch die öffnung a4 zusammen mit dem in der Heizkammer H während des Aufheizens möglicherweise erzeugten Dampf.

Das erfindungsgemäße System zur Zuleitung der elektrischen Leistung von unten hat gegenüber bekannten Anordnungen verschiedene Vorteile, welche beispielsweise darin zu sehen sind, daß die Einwirkung der Strahlung größer als durch Resonanz ist, weil die Antenne bzw. der Strahler näher an dem aufzuwärmenden Gut angeordnet ist und die Verteilung des elektrischen Feldes durch Regeln des Strahlungsfeldes dadurch leicht verbessert werden kann, daß nur die Konfiguration des Strahlers untersucht zu werden braucht. Da weiter die elektrische Leistung von der Unterseite der Heizkammer H zugeführt wird, fällt der Temperatur-Unterschied zwischen der Oberseite und den unteren Teilen eines langen und schmalen Gutes, beispielsweise einer in einer Flasche enthaltenen Flüssigkeit, wesentlich kleiner aus. Außerdem wird der Wirkungsgrad des Magnetrons verbessert, da die Impedanzschwankungen, die sich aus dem Rotationswinkel des Strahlers ergeben, durch den vernachlässigbaren Einfluß der Resonanz des Heizraumes reduziert werden können, wobei noch hinzu kommt, daß die Konzentration der Energie in dem Strahlungsteil durch entsprechende Auslegung erhöht werden kann. In ähnlicher Weise kann bei kleiner Belastung die Reduzierung des Ausgangs des Magnetrons verhindert we.den.

In den Fig. 7 und 8 sind die Ergebnisse eines Vergleichs zwischen einem konventionellen Mikrowellen-Ofen mit Rührer und dem erfindungsgemäßen Mikrowellen-Ofen mitgeteilt, die sich aus einem Wärmeverteilungstest ergeben, wobei die Schalen U' von jeweils 100 ecm Wasser Inhalt symmetrisch wie in Fig. 7 dargestellt auf dem Boden in den Heizkammern des konventionellen Ofens mit Rührer sowie des erfindungsgemäßen Ofens abgestellt wurden. Beide öfen wurden dann auf die vorbestimmte maximale Temperatur eingeschaltet und danach wurden Temperatur-Differenzmessungen des in den Schalen U' enthaltenen Wassers in beiden öfen ausgeführt. Es ergab sich, daß beim konventionellen Ofen mit Rührer eine Temperatur-Differenz von 7° C zwichen den einzelnen Wassermengen in den Schalen festgestellt

wurde, während in dem Ofen gemäß der Erfindung die Temperatur-Differenz nur kleiner als 2° C betrug.

Weiter wurden unter ähnlichen Bedingungen wie vorstehend genannt Milchflaschen m von jeweils 200 ecm Wasser Inhalt an den gleichen Stellen zur Ausführung des erläuterten Tests aufgestellt und wieder die Tempentur-Differenzen zwischen den oberen und unteren Bereichen des Wassers in jeder Flasche m gemessen. Es ergab sich, daß in dem konventionellen Ofen mit Rührer ein Temperatur-Unterschied von 23° C festgestellt werden mußte, während der erfindungsgemäße Ofen eine Temperatur-Differenz von lediglich 2" C verzeichnete.

Fig. 8 zeigt die Ergebnisse des Vergleichs bei kleiner Belastung zwischen einem konventionellen Mikrowellen-Ofen mit Rührer und dem erfindungsgemäßen Mikrowellen-Ofen, wobei ein Unterschied von einigen 10% bei einer Wasserlast von 100 ecm notiert wurde.

Es sei bereits hier bemerkt, daß für den Mikrowellen-Ofen gemäß Fig. 5 für den Fall, daß die Schale U, in welcher das aufzuwärmende Gut oder das Nahrungsmittel / sich befindet, aus lichtdurchlässigem Material gefertigt ist, eine geeignete nicht dargestellte Lichtquelle an einer Stelle unter der Schale U angeordnet sein kann und einen vorteilhaften psychologischen Effekt auf den Bediener des Ofens ausüben kann. Bei bekannten Mikrowellen-Öfen ergab sich nämlich häufig eine gewisse Unzuträglichkeit daraus, daß der Bediener den Zustand der Heizquelle oder auch des aufgeheizten Gutes nicht direkt in Augenschein nehmen konnte. Diese psychologische Unbequemlichkeit wird durch die oben beschriebene Anordnung in vorteilhafter Weise eliminiert, weil die Bewegung des Strahlers in der Heizkammer beobachtet werden kann und damit in dem Benutzer das Gefühl erzeugen kann, daß tatsächlich elektrische Wellen abgestrahlt wurden.

Die Fig. 9 und 10 zeigen weitere Ausführungsformen des Mikrowellen-Ofens nach Fig. 5. Diese weiteren Ausführungsformen arbeiten wenigstens teilweise mit Reflektoren für die elektrischen Wellen und sollen die Verteilung des elektrischen Feldes weiter verbessern.

So sind indem Mikrowellen-Ofen gemäß Fig. 9 die Flügel 16 für das Laufrad V, die bei dem Ofen gemäß Fig. 8 aus verlustarmem dielektrischem Material bestehen, durch Flügel 16' aus Metall zur Bildung eines Laufrades V ersetzt, das außerdem auch als Reflektor für die elektrischen Wellen dient. Diese Anordnung kann die Verteilung des elektrischen Feldes vor allem in solchen Fällen verbessern, in denen eine günstige Feldverteilung durch Justierung der Konfiguration des Strahlers 11" nicht allein erhalten werden kann.

In dem Mikrowellen-Ofen gemäß Fig. 10 ist das in Fig. 9 als mit dem Strahler 11" durch Arme 17' fest verbunden beschriebene Laufrad V ersetzt durch ein Laufrad V" mit Flügeln 16", die mit dem Strahler 11" über Arme 17" drehbar verbunden sind, wobei das Laufrad 11" an einem Ende in geeigneter Weise mit der Antriebswelle des Motors M' befestigt ist, welcher an der Unterseite des Hohlleiters 9' angeordnet ist, während das Laufrad V durch die von einem geeigneten, nicht dargestellten Gebläse erzeugte Luftströmung angetrieben wird.

Natürlich ist die Konfiguration des Strahlers 11" nicht auf die in Fig. 9 und 10 dargestellte Form beschränkt, sonder;· kann auch andere Gestaltungen erhalten, beispielsweise die in Fig. 2 und 4 dargestellten Formen, vorausgesetzt natürlich, daß diese in ausreichender Weise den Erfordernissen gleichförmiger Wärmeverteilung innerhalb der Heizkammer genügen.

Es sollte weiter bemerkt werden, daß die Nichtdarstellung von Gebläse, Ventilations-Öffnungen u. dgl. in Fig. 9 und 10 nicht bedeutet, daß diese Bauteile für diese Ausführungsform nicht vorgesehen sein können; vielmehr können auch Gebläse, Ventilations-Öffnungen, Luftleitkanäle u. dgl. vorgesehen sein, wie sie im einzelnen im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben wurden.

Fig. 11 und 12 zeigen eine weitere Abwandlung des Mikrowellen-Ofens aus Fig. 4, bei dem der Strahler 11' aus Fig. 4 durch eine Antenne Ils von spiraüger Form ersetzt ist, die am mittleren Endabschnitt mit einer Haitestange ij^: aus dielektrischem Material verbunden ist, welche ihrerseits mit der Antriebswelle des Motors M gekoppelt ist, so daß die Spirale von dem Motor M angetrieben werden kann. Durch Drehen des spiraligen Strahlers Ils wird die Gleichförmigkeit der Wärmeverteilung in dem erfindungsgemäßen Mikrowellen-Ofen weiter verbessert. Ins einzelne gehende Merkmale einer spiraligen Antenne sind im übrigen in der US-Patentschrift 3493 709 beschrieben, auf deren Offenbarungsgehalt hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

In den Mikrowellen-Öfen gemäß Fig. 2 bis 5, 9 oder 10 können als Strahler natürlich auch massive Stangen, Hohlrohre oder sonstige elektrische Materialien mit metallischer Außenbeschichtung od. dgl. verwendet werden.

Die kreisförmige öffnung h in der Wand zwischen Hohlleiter und Heizkammer, durch die elektrische Wellen hindurchgeführt werden sollen, sollte vorzugsweise im mittleren Abschnitt einer Heizkammerwand angeordnet sein, wobei es sich weiter empfiehlt, daß diejenige Wand, die diese Öffnung besitzt, und die gegenüberliegende Wand rechtwinklige, insbesondere quadratische Formen haben, da die Impedanzveränderungen aufgrund des Rotationswinkels des Strahlers in solcher Anordnung klein bleiben.

Noch einmal zur Fig. 4 zurückkehrend, ist hervorzuheben, daß die Dimensionierung des Heizraumes H bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorzugsweise so bemessen sein sollen, daß eine Resonanz vermieden wird. Bei einem Strahler der Konfiguration wie sie

ι Fig. 4 zeigt, ist es besonders erwünscht, eine Abstrahlung von elektrischen Wellen an den Abschnitten A und B des Strahlers 11' zu unterdrücken, so daß die elektrischen Wellen hauptsächlich vom Endabschnitt C des Strahlers abgestrahlt werden. Wenn die

, Schwingungsfrequenz und die Abmessungen der Heizkammer bestimmt sind, kann die Art der wahrscheinlicherweise in der Heizkammer auftretenden stehenden Wellen durch einfache Berechnungen ermittelt werden, wie sie beispielsweise auf den Seiten

ι 28 bis 32 von Microwave Power Engineering VoI 2 von E.C. OKress, Academic Press, beschrieben sind. Wenn demzufolge eine lose oder lockere Kopplung zwischen den Abschnitten A und B des Strahlers 11' und den erzeugten stehenden Wellen geschaffen •vird, dann ist der Nicht-Resonanzfall gegeben, so daß durch Erleichtern der Abstrahlung elektrischer Wellen aus dem Abschnitt C des Strahlers 11' es möglich wird, eine noch größere Gleichmäßigkeit der Wärme-

verteilung zu erzielen.

Ein anderes Beispiel für die Heizraum-Abmessun-,jen ist der sogenannte Bildraum. Wie man aus der oben erwähnten Literatur erkennen kann, wird der Wellentyp der in einem rechtwinkligen Raum erzeugten stehenden Wellen allgemein als H_n^ dargestellt, wobei die elektrischen Felder jeweils in x-, y- oder Z-Richtung variieren. Bei Vorliegen zweier Wellentypen, beispielsweise W_mlnl/Il und W_{n 2n2p2}, wenn w, und In₁ sowie /J₁ und n₂ sowie auch p, und p₂ im Verhältnis einer geradzahligen zu einer ungeradzahligen Zahl stehen, so werden beide als Komplementärtypen bezeichnet.

Fig. 13 zeigt als Heispiel die Typen W₁₄₁₁ und //,„,. Die Marken Δ stellen die Maxima des elektrischen Feldes vom Typ W₃₄₁₁ dar und die Marken O bezeichnen den Typ W₂₅₀. Wenn der Hohlraum so ausgelegt ist, daß derartige stehende Wellen erzeugt werden, und wenn ein dem Abschnitt C des Strahlers 11' entsprechender Abschnitt eines Strahlers längs der Kurve bewegt wird, die in Fig. 13 durch den Kreis mit Pfeil bezeichnet ist, dann wird eine Wärmeverteilung gewonnen, bei der die beiden Typen kombiniert sind, was ersichtlich zu einer weiteren Gleichförmigkeit der Wärmeverteilung führt.

Aus den Fig. 14 und 15 ist eine weitere Abwandlung der öffnung h zu erkennen, tue in der Wand zwischen dem Hohlleiter 9 und der Heizkammer W ausgebildet ist. Allgemein gilt, c'.aß je kleiner der Durchmesser dieser öffnung ist, ein um so besseres Ergebnis erwartet werden kann; für die öffnung ist es jedoch gleichzeitig erforderlich, einen Durchmesser dh von gewissem Ausmaß zu haben, und zwar vom Standpunkt der Funkenentladung bzw. der stillen Entladung und der Impedanz-Anpassung aus gesehen.

Entsprechend einer Reihe weiterer von den Erfindern ausgeführten Experimenten konnte festgestellt werden, daß der Durchmesser dh zweckmäßig von der Größenordnung weniger als V₂ Wellenlänge beträgt; ferner ergab sich, daß dann, wenn der Durchmesser dh auf etwa V₂ Wellenlänge anstieg, es für die Symmetrie des erhaltenen Strahlungsmusters wirksam ist. eine zylindrische koaxiale Abschirmung Cs von gleichem Innendurchmesser wie die öffnung h und einer Höhe hc von weniger als V₂ Wellenlänge vorzusehen, welche um die öffnung h als verlängerter Teil des Hohlleiters 9 für einen Außenleiter herum befestigt ist. Für die Anordnung des Strahlers 11' innerhalb der Abschirmung Cs ist ein kleiner Halter d' aus dielektrischem Material mit einer kleinen Mittelbohrung auf der oberen peripheren Kante der Abschirmung Cj befestigt, wobei der Strahler dann an seinem Ende 11'a in die kleine Bohrung eingesetzt wird und von dem Halter d' getragen wird. Wenn der Durchmesser dh der öffnung A beispielsweise gleich dem Innendurchmesser der Abschirmung Cs ist und zu 60 mm gewählt wird, wobei die Höhe hc der gleichen Abschirmung Cs im Bereich von 30 bis 60 mm liegt, dann sollte der Strahler 11' zweckmäßigerweise einen kleinen Durchmesser dr von beispielsweise weniger als 10 mm erhalten, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

In den Fig. 16 und 17 sind weitere Ausführungsformen des Strahlers 11 gegenüber der aus den Fig. 4 und 5 erkennbaren Form gezeigt. Versuche der Erfinder bezüglich des Abschlusses des äußersten Endes IV α des Strahlers 11' innerhalb des Hohlleiters 9 haben nämlich gezeigt, daß dieses Ende zur Vermeidung einer Funken- oder stillen Entladung und zur Stabilisierung des Arbeitspunktes nachbehandelt werden kann. Gemäß Fig. 16 ist das äußerste Ende des Endabschnitts 11'α des Strahlers 11', das sich in ς,ώη Hohlleiter 9 durch das dielektrische Teil d' in der öffnung /«'erstreckt, entweder durch Abfasen oder durch Formen des äußersten Endes zu einer Halbkugel abgerundet, wodurch elektrische Entladungen zwischen der Wand des Hohlleiters 9 und dem Strahler 11' wirksam vermieden werden. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 17 ist das äußerste Ende des Strahlers 11' nicht wie in Fig. 16 gerundet, sondern zu einem umgekehrten Konus ausgebildet, wodurch die Stabilität des Arbeitspunktes des in dieser Figur nicht dargestellten Magnetrons wirksam verbessert wird.

Fig. 18 und 19 zeigen weitere Ausführungsformen des Mikrowellen-Ofens gemäß Fig. 2 und 4. Nach Mg. 18 ist ein Drehtisch zum Absetzendes aufzuwärmenden, nicht dargestellten Gutes im wesentlichen in einem mittleren Abschnitt des Bodens Sa der Heizkammer H drehbar befestigt und mit dem Boden in geeigneter Weise gekoppelt, nämlich durch eine Mittelwelle ta, die zum Motor M" führt und durch mehrere Rollen λ, die an der Unterseite des Drehtisches t in der Nähe seines Randes und dem Boden Sa angeordnet sind und den Tisch t während dessen Drehung stabilisieren. Obgleich der Ventilator 12 gemäß Fig. 2 in der in Fig. 18 dargestellten Ausführungsform weggelassen ist, kann natürlich, falls die Notwendigkeit oder der Wunsch bestehen sollte, auch bei dieser Ausführungsform vorgesehen sein. Die Abwand lung des Ofens aus Fig. 4 gemäß Fig. 19 besteht darin, daß auch hierbei ein Drehtisch t in ähnlicher Weise wie bei der Ausführungsform von Fig. 18 verwendet wird. Bei den Anordnungen gemäß Fig. 18 und 19 wird gleichmäßiges Heizen durch die Verwendung eines Drehtisches gegenüber den mit den Öfen gemäß Fig. 2 und 4 erzielt·.η Ergebnissen noch verbessert.

Fig. 20 und 21 zeigen eine weitere Ausführungsform des Mikrowellen-Ofens aus Fig. 10. Hierbei ist der Strahler 11" von angenäherter Winkelform >.smäß Fig. 10 durch den Strahler 11' aus Fig. 4 ersetzt, wobei das Laufrad V" aus Fig. 10 weggelassen ist und der Strahler 11' von dem Motor M' angetrieben wird. In der unteren Heizkammer Hb sind vier rechtwinklige Platten Z an den Innenwänden 5 der Heizkammer H senkrecht zum Boden Sa jeweils eine Ecke überbrückend befestigt, so daß sich ein Polygon ergibt, das den Strahler 11' in der unteren Heizkammer Hb umgibt. Durch diese Anordnung werden die Impedanzschwankungen durch die Drehung des Strahlers 11' vorteilhafterweise reduziert, so daß der Wirkungsgrad des Magnetrons 10 verbessert ist.

Natürlich ist der untere Heizraum Hb des Mikrowellen-Ofens aus Fig. 20 in seiner Form nicht auf das Oktagon beschränkt, sondern kann beispielsweise auch elliptisch, kreisförmig oder auch anders geformt sein, so daß insgesamt jedenfalls die Impedanzschwankungen aufgrund der Drehung des Strahlers 11' verringert werden.

Weiter wird auch betont, daß die Konfiguration des Strahlers nicht auf die Ausführungsform des Strahlers 11' beschränkt ist, sondern auch andere Formen erhalten kann, wenn dies wünschenswert oder notwendig werden sollte.

Bei der Ausführunesform des Mikrowellen-Ofens

aus Fig. 20, die gemäß Fig. 22 und 23 weitergebildet ist, sind die Platten Z weggelassen und der Strahler 11' ist durch ein Kopplungselement 110 aus Metall ersetzt.

Während bei den so weit beschriebenen Ausführungsformen stets· hervorgehoben worden ist, daß der metallische Leiter 11 sowohl ein Kopplungselement zwischen dem Hohlleiter und der Heizkammer wie auch ein Abstrahler für die elektrischen Wellen, also quasi eine Antenne ist, zeichnet sich die Ausführungsform gemäß Fig. 22 dadurch aus, daß der metallische Leiter 110 nur als Kopplungselement wirkt. Gemäß Fig. 22 besitzt der Metalleiter 110 die Form einer Stange, die an einem Ende mit der Welle des Aniriebsmotors M' gekoppelt ist, wobei ein dielektrisches Element e an der Antriebswelle vorgesehen ist, und erstreckt sich am anderen Ende in die Heizkammer H' durch die öffnung A", die in der Wand Sa zwischen dem Hohlleiter 9G und der Heizkammer H' ausgebildet ist sowie durch die öffnung 112a in einer entsprechenden Wand eines Hohlkörpers 112 von rechtwinkliger, kastenförmiger Konfiguration, der über der Wand Sa mit Abstand angeordnet ifi. Das äußerste obere Ende des Leiters 110 ist mit der oberen Wand 112f> des Hohlkörpers 112 über einen isolie renden Abstandshalter 111 mit einer Befestigungsschraube lila befestigt. Die obere Wand 1126 de: Hohlkörpers 112 ist weiter mit mehreren Schlitzer 113a—113/ versehen, die sich diagonal in der Wane 112b mit Abstand und parallel zueinander erstrecken wie am besten Fig. 23 zeigt. Bei dieser Anordnung wirkt die Metallstange 110 als Koppelelement für die elektrischen Wellen vom Hohlleiter 90 zur Heizkammer H', wobei die elektrischen Wellen in die Heizkammer H' durch die Schlitze 113a-113/in der oberen Wand 112& des Hohlkörpers 112 abgestrahlt werden.

Natürlich ist die Anzahl der Schlitze 113 nicht aul die dargestellten sechs beschränkt, wobei außerdem natürlich noch die Form der Schlitze oder die Form des Hohlkörpers in anderer Weise gewählt werder kann, so daß die elektrischen Wellen wirksam durch sie hindurch in den Heizraum gestrahlt werden können.

Es versteht sich ferner, daß die Erfindung nicht aul Mikrowelüen-Öfen für Haushaltszwecke od, dgl, beschränkt ist, sondern auch auf andere mit Hochfrequenz heizende öfen für gewerbliche Zwecke eingesetzt werden kann.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erhitzen eines in eine Heizkammer eingebrachten Gegenstandes mittels hochfrequenter Strahlung, insbesondere Mikrowellenofen, mit einem Magnetron und einem sich längs einer Seitenwand der Heizkammer erstrekkenden Hohlleiter, der die vom Magnetron abgegebene elektromagnetische Strahlung einer Einspeisstelle der Heizkammer zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter (9) ander Einspeisstelle (A) strahlungsmäßig im wesentlichen abgeschlossen ist, und daß eine stabförmige Antenne (11) durch die Seitenwand (5c; 5a) isoliert durchgeführt ist und sich vom Hohlleiter (9) in die Heizkammer (H) erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Wand (5c, Sa) der Heizkammer (H) ein Rührer (12; 11') für die von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Wellen vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (11') in der Heizkammer abgewinkelt ist und daß eine Antriebseinrichtung (M; 16, 140) an der Heizkammer (H) angeordnet ist, welcrie die Antenne in Drehung um eine zur Seitenwand (5c; Sa) senkrechte Achse versetzen kann.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antriebsmotor (M) außerhalb des Hohlleiters (9) gegenüber der Einspeisstelle angeordnet ist; daß die Abtriebswelle des Motors aus einer sich in den Hohlleiter erstreckenden dielektrisch η Stummelwelle (13; e) besteht, welche axial mit der Antenne (H'; 110) zu deren Antrieb verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (H') S-förmig abgewinkelt ist (Fig. 7).

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne durch eine dielektrische Platte (d) zentral hindurchgeführt ist, welche an der Einspeisstelle in eine öffnung der Hohlleiterwand eingesetzt ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (H") in der Heizkammer (H) abgewinkelt ist; und daß um die Antenne metallische Reflektoren (V; Fig. 9) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung im wesentlichen aus dem Kühlgebläse (140) für das Magnetron (10) besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne in der Heizkammer mit einem Laufrad ( V) gekoppelt ist, dessen Flügel (16) im Strömungsweg der Luft aus dem Gebläse (140) liegen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung ein separater Motor (M') ist, der mit der Achse des Laufrades (V") gekoppelt ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine in einer Ebene parallel zur Seitenwand gewundene Spirale (Hj) ist und von einem Antriebsmotor (M) um eine zur Seitenwand senk-

rechte Achse angetrieben ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne im Hohlleiter am Ende halbrund gestaltet ist (Fig. 16).

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne an dem in den Hohlleiter ragecden Ende zu einem umgekehrten Konus ausgebildet ist (Fig. 17).

14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand in der Heizkammer auf einem motorgetriebenen Drehtisch abgesetzt ist (Fig. 18, 19).

15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne durch den Boden (Sa) der Heizkammer (H) geführt ist; daß die Heizkammer durch eine Zwischenplatte (18), auf welcher der einzubringende Gegenstand abgesetzt ist, unterteilt ist; und daß der zwischen Zwischenplatte (18) und Boden der Heizkammer (Sa) gebildete Raum durch Eckplatten (Z) einen polygonalen Grundriß besitzt (Fig. 21).

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum elliptischen oder kreisförmigen Grundriß besitzt.

17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne durch den Boden (Sa) durchgeführt und mit einem in der Heizkammer angeordneten Hohlkörper (112) von rechtwinkliger, kastenförmiger Konfiguration gekoppelt ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (110) mit dem Hohlkörper (112) über einen isolierenden Abstandshalter (Hl) gekoppelt ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Wand (112i>) des Hohlkörpers (112) mit mehreren öffnungen versehen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung diagonale Schlitze (113a-/) sind, die sich parallel mit Abstand zueinander erstrecken.