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Einrichtung zur Behandlung eines Gutes im Hochfrequenzfeld Es ist
bekannt, daß man Stoffe verschiedenster Art im hochfrequenten Wechselfeld behandeln
kann. Als eine der Anwendungsmöglichkeiten sei auf die Trocknung von Holz hingewiesen.
Die Erfahrung hat gezeigt, daß in vielen Fällen verhältnismäßig kurze Wellenlängen,
beispielsweise Wellenlängen unter ro m, bei der Behandlung angewendet werden müssen,
daß es aber insbesondere bei größeren Mengen des zu behandelnden Gutes wünschenswert
ist, Feldräume bei der Behandlung anzuwenden, die möglichst große Raumausdehnung
haben. Die Folge davon ist, daß diese Feldräume, also beispielsweise Kondensatoren
zur Behandlung an Stoffen im elektrischen Feld, quer zur Richtung des Feldes eine
Längsausdehnung haben, diein der Größenordnung einer Viertelwellenlänge oder eines
namhaften Betrages von ihr oder einem Mehrfachen liegen. Wegen dieses Verhältnisses
zwischen der Raumausdehnung des Feldes zur Wellenlänge erhält man vielfach kein
über die ganze Ausdehnung des Feldes gleichmäßiges Feld mehr, weil an verschiedenen
Stellen des Feldes verschiedene Spannungen herrschen. Die Folge davon ist, daß das
Gut, welches in dem Feldraum der Einwirkung des Hochfrequenzfeldes ausgesetzt ist,.
nicht mehr in allen seinen Teilen gleichmäßig behandelt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird den hierdurch entstandenen Schwierigkeiten dadurch
begegnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Spannungsverteilung längs der Feldelektroden
und bzw. oder ihrer Zuleitungen abweichend von der natürlichen Spannungsverteilung
den
z. B. durch das zu behandelnde Gut gegebenen Forderungen anzupassen. Die Erfindung
beruht auf der Erkenntnis, daß es elektrische bzw. schaltungs- oder regeltechnische
Mittel gibt, um die im Behandlungsfelde herrschenden Spannungen entweder an allen
Stellen der Längen- oder B@reitenausdehnung des Feldes gleichzumachen oder, falls
dies erforderlich ist, entsprechend den besonderen Bedingungen des zu behandelnden
Gutes an verschiedenen Stellen des Feldraumes verschiedene Spannungen wirken zu
lassen. Diese Spannungsunterschiede weichen dann jedoch ab von der Spannungsverteilung,
die man als die natürliche Spannungsverteilung bezeichnen kann. Diese Spannungsverteilung
entsteht, wenn ohne besondere zusätzliche Maßnahmen ein Behandlungskondensator oder
eine Behandlungsspule in üblicher Weise an den die Hochfrequenzenergie liefernden
Generator angeschlossen wird.
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Eine Möglichkeit der Spannungsbeeinflussung besteht darin, daß längs
der Behandlungselektroden oder einer von ihnen zusätzliche Kapazitäten oder Induktivitäten
oder beides angeschlossen sind, die so bemessen sind, daß die gewünschte, -von der
natürlichen abweichenden 'Spannungsverteilung längs der Behandlungselektrode entsteht.
Von besonderer Bedeutung ist hier eine solche Bemessung der einzuschaltenden Kapazitäten
oder Induktivitäten, :däß über die ganze Länge der Behandlungselektrode ein und
dieselbe Spannung herrscht oder zumindest eine wesentliche Vergleichmäßigung der
Spannung erzielt wird.
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Der Erfindung liegt hier der Gedanke zugrunde, daß bei Leitungssystemen
mit verteilten Konstanten bei bestimmten Betriebsbedingungen infolge des gleichzeitigen
Vorhandenseins von Leitungsinduktivitäten und Leitungskapazitäten stehende Wellen
auftreten. Die Spannungsverteilung längs einer solchen Leitung hat also sinusförmigen
Verlauf. Mit Bezug auf Anordnungen zur Hochfrequenzbehandlung eines Gutes treten
derartige Verhältnisse auf, wenn der Schwingungskreis, der an den Hochfrequenzgenerator
angeschlossen ist, aus im wesentlichen parallelen Leitungen besteht, also ein Leitungssystem
mit verteilten Konstanten bzw. verteilten Induktivitäten und Kapazitäten darstellt.
Ähnliches gilt auch, wenn beispielsweise am Ende von zwei an den Generator angeschlossenen,
z. B. parallelen Leitungen ein Behandlungskondensator größerer Ausdehnung angeordnet
ist. Auch hier würde über die Länge der Elektrode die Spannung nicht konstant bleiben,
sondern sich entsprechend den verteilten Leitungskonstanten sinusförmig verteilen.
Die dadurch möglichen, unter Umständen sehr großen Spannungsunterschiede sind aus
betriebstechnischen Gründen bei der Behandlung des Gutes im Hochfrequenzfeld nicht
erwünscht.
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An Hand der Zeichnung werden diese Gedanken noch näher erläutert.
Fig. i a zeigt das Ersatzbild einer Leitung, in dem die verteilten Leitungselemente
als kleine konzentrierte Induktivitäten und Kapazitäten dargestellt sind. Fig. i
b zeigt den Verlauf der Spannung längs einer solchen Leitung, die in einer Länge
von
angenommen ist. Der dargestellte Spannungsverlauf bezieht sich auf den Fall, daß
sich die Leitung im Leerlauf befindet. Wenn eine Elektrode die Länge von
hat, würde sie eine Spannung von U.", bis o haben. Die Ohmsche Dämpfung ist hierbei
vernachlässigt, da sie im allgemeinen nicht groß ist. Bei einer Belastung durch
einen Ohmschen Strom im Arbeitsfeld werden die Verhältnisse etwas verändert, doch
nicht wesentlich, da die Größe dieser Ohmschen Nutzleistung quantitativ nur einen
Bruchteil der sogenannten natürlichen Leistung der als Leitungsgebilde aufzufassenden
Elektrode hat. Um längs der Elektrode eine gleichmäßig verteilte Spannung zu erhalten,
wird .erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Serieninduktivitäten durch Serienkapazitäten
und die Parallelkapazitäten durch Parallelinduktivitäten für die Betriebsfrequenz
zu kompensieren. Im Idealfall müßte man diese Kompensationsglieder unendlich fein
über die Leitung verteilen. Es genügt jedoch, sie in konzentrierten Einheiten abschnittsweise
vorzusehen. Fig. 2 a zeigt dieses. Fig.2b stellt die Auswirkung dieser Anordnung
dar. Längs der Elektrode herrscht nunmehr konstante Spannung.
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Im allgemeinen wird es genügen, die Serienkapazitäten wegzulassen
und nur mit Parallelinduktivitäten zu arbeiten. In bestimmten Fällen kann es auch
vorteilhafter sein, mit Serienkapazitäten zu arbeiten und auf Parallelinduktivitäten
zu verzichten. Wenn der Arbeitsstrom eine für die Kampensierung beachtliche Größe
erreichen sollte und hierdurch ein zu großer Spannungsabfall infolge der Serieninduktivitäten
und des Ohmschen Leitungswiderstandes entsteht, kann man den Spannungsabfall dadurch
ausgleichen, daß der Widerstand der Parallelinduktivitäten entsprechend größer gehalten
wird, so daß die Parallelkapazitäten nicht voll kompensiert sind und ,daher der
verbleibende kapazitive Strom den Spannungsabfall wieder aufhebt.
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Bei der praktischen Anwendung der Erfindung wird man als Parallelinduktivitäten
Drosseln vorsehen und diese an geeigneten Stellen von Elektrode zu Elektrode bzw.
Leitung zu Leitung anordnen oder auch zwischen Elektrode bzw. Leitung einerseits
und Erde andererseits vorsehen. Will man mit Serienkapazitäten arbeiten, so kann
man beispielsweise die plattenförmige Elektrode bzw. deren Zuleitungen in einzelne
Teilstücke auftrennen und diese durch Kondensatoren miteinander verbinden.
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Sollte es erwünscht sein, daß auch der Spannungsverlauf längs der
Zuleitung beeinflußt wird, so kann man entsprechende Maßnahmen ganz oder teilweise
für die Zuleitungen ergreifen.
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Um längs der Elektrode eine im Integral der Zeit gleichmäßige Energie
ins Arbeitsfeld fließen zu lassen, kann man nach Fig. 3 a, 3 b, 3 c erfindungsgemäß
auch noch anders vorgehen. Man
kann am Ende einer als Leitung aufzufassenden
Elektrode, die eine Länge von z. B.
hat, eine Parallelschaltung von Kondensator und regelbarer Drossel anschalten. Wenn
diese Anordnung auf die Betriebsfrequenz abgestimmt wird, ist ihr Widerstand in
Annäherung unendlich groß. Das Spannungsmaximum liegt entsprechend Fig. 3 a am Ende
der Leitung, also am Punkt B. Regelt man die Drossel, und zwar auf einen Wert, daß
die Parallelschaltung von Kondensator und Drossel einen resultierenden Widerstand
hat, der induktiv ist und quantitativ die Größe des Wellenwiderstandes hat, so verschiebt
sich die Sinuslinie, die den Spannungsverlauf längs der Leitung darstellt; der Spannungsbauch
wird um
d. h. von Punkt B nach Punkt A, verschoben, wie Fig. 3 b zeigt. Man kann also durch
kontinuierliche Regelung der Drossel den Spannungsbauch zwischen B und
A
hin und her schieben, so daß jeder Punkt der Elektrode zwischen
B und A über eine entsprechende Zeit maximale Spannung erhält. Die
Regelung kann so vorgenommen werden, daß der Energiefluß zwischen B und
A im Integral der Zeit mehr oder weniger konstant ist. Gleichzeitig muß die
Spannung des Generators geregelt werden. Man sieht im Fall der Fig. 3b, daß
die Generatorspannung US einen erheblich kleineren Wert haben muß als im Fall Fig.
3 a. Diese Regelung der Generatorspannung ist notwendig, um die Größe des Spannungsbauches
konstant zu halten. Arbeitet ein Röhrengenerator auf die Elektrode, für den die
Elektrode und die Zuleitung zugleich der Schwingkreis ist, so ist es notwendig,
am Anfang der Leitung, also bei
ebenfalls eine Parallelschaltung von Kondensator und regelbarer Drossel vorzusehen,
die Drossel jedoch so zu regeln, daß der resultierende Widerstand in dem Fall, daß
die in B angeschaltete Anordnung einen induktiven Widerstand von der Größe des Wellenwiderstandes
darstellt, kapazitiv und von der Größe des Wellenwiderstandes wird.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen anderen Teil der Leitung
als Elektrode zu benutzen und auszubilden und die Betriebsfrequenz kontinuierlich
zu verändern, so daß der auf der Elektrode liegende Spannungsbauch längs der Elektrode
hin und her wandert. In Fig. 4 a liegt bei einer Frequenz f = X der Spannungsbauch
U.", in der Mitte der Elektrode AB, in Fig. 4b bei einer Betriebsfrequenz
f = 1,33 X an einem Ende der Elektrode; und zwar um Punkt B, und schließlich
in Fig.4c bei einer Betriebsfrequenz f = o,8 X am Anfang der Elektrode am Punkt
A. Wie der Vergleich der Fig. 4a bis 4c zeigt, muß hierbei der Generator jeweilig
eine andere Spannung liefern. Die Spannung des Generators muß entsprechend geregelt
werden.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mehrere Frequenzen gleichzeitig
zu benutzen. In Fig. 5 ist der Fall dargestellt, daß mit einer Frequenz f1
= X und- f2 = 1,5 X gleichzeitig gearbeitet wird. Die Summenspannung von
Punkt zu Punkt längs der Leitung erhält man bekanntlich durch Addition der beiden
Spannungsquadrate und Ra:dizierung. In F'ig. 5 stellt der Leitungsteil
AB
wiederum die Elektrode dar, die Summenspannung hat den Verlauf der Kurve
US, wenn die maximale Spannung von f1 und f2 gleiche !Größe haben. Die Spannung
schwankt um ± 8% um einen mittleren Wert Um. Wählt man für f2 eine niedrige
Spannung, so kann man die Spannung noch mehr vergleichmäßigen. Beträgt z. B. der
Spannungsbauch von f2 nur 85 % des Betrages des Spannungsbauches von f1, so erhält
man eine Schwankung der Spannung um nur 3 % um den mittleren Spannungswert herum.
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Um eine gleichmäßige Feldstärke zwischen den beiden Elektroden zu
erreichen, kann man noch einen anderen Weg beschreiten. Man kann die Entfernung
der beiden Elektroden entsprechend der Veränderung der Spannung längs ihnen verändern.
Ein Beispiel hierfür zeigt Fig. 6.- Durch die Krümmung der Elektroden wird
hier erreicht, daß die Feldstärke längs der Elektroden infolge der verschieden großen
Abstände praktisch konstant bleibt.
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Die Einrichtung nach der Erfindung kann nicht nur in der geschilderten
Weise dazu dienen, um die Spannung längs der Elektroden und bzw. oder ihrer Zuleitungen
an allen Stellen gleich oder annähernd gleich zu machen, sondern sie kann auch dann
mit Vorteil angewendet werden, wenn die Spannungsverteilung längs der Elektroden
oder ihrer Zuleitungen in irgendeiner anderen Gesetzmäßigkeit abweichend von der
natürlichen Spannungsverteilung den durch das zu behandelnde Gut gegebenen Forderungen
oder irgendwelchen sonstigen Betriebsbedingungen angepaßt werden soll.
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Ein besonders vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dieser Art ist in
Fig.7 gezeigt. Hier sind zwischen den beiden Zuleitungen der Feldelektroden, also
Teilen des Schwingungskreises, die nicht zur Ausbreitung des Behandlungsfeldes dienen,
zusätzlich Kondensatoren Cl, C2 und C3 angeordnet. Durch diese Kondensatoren wird
die Querkapazität vergrößert, so daß der Spannungsknuten des Schwingkreises näher
an die Elektroden heranrückt. Die räumliche Ausdehnung der Gesamtanordnung kann
hierdurch wesentlich verkleinert werden.