DK141520B - Materialeopvarmningsanordning fødet med mikrobølgeenergi. - Google Patents

Description

<11} FREMLÆ68ELSESSKRIFT 1U1520 DANMARK lnt c|3 g ®J 2®i®“ • (21) AnMgning nr. 646/75 (22) Indleveret den 20. feb. 1975 (23) Løbodag 20. feb. 1975 (44) Ansøgningen fremlagt og ο snp ιοί» fremtæggelsesskriftet offentliggjort den ° · · 1.7

DIREKTORATET FOR

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) ft^^^fradert '' „

22. feb. 1974,· 7402373, SE

(71) STIFTELSEN INSTITUTET POR MIKROVÅGSTEKNIK VID TEKNISKA. HOEGSKOLAN I

STOCKHOLM, Fack, S-100 44 Stockholm, SE. ; (72) Opfinder: Goer an Boeling, Runbors vægen 17 A, S-183 42 Taeby, SE.

(74) Fuldmægtig under sagen· behandling:

Th. Ostenfeld Patentbureau A/s.

(54) Materialeopvarinnings anordning f ødet med mikrobølgeenergi. - i

Den foreliggende opfindelse angår en anordning til opvarmning-af · materiale ved hjælp af mikrobølgeenergi indenfor et fortrinsvis langstrakt opvaxmningsområde og iøvrigt af den i den indledende del af krav 1 angivne type.

Opvarmningsanordninger af denne type kan eksempelvis anvendes i forbindelse med sammenføjning eller svejsning af plastmateriale eller plastbelagt karton eller ved tørring og hærdning af lim, bl. a. ved lukning af emballager.

En forudsætning for at opnå en tilstrækkelig god sammenføjning ved varmeforsegling er at opvarmningen sker jævnt over det område af emnet eller emnerne, som skal udgøre sammenføjningen. Når opvarmningen kan ske under en kontinuerlig fremføring af materialet med jævn hastighed, er kravene til ensartet opvarmning i hvert punkt langs hele opvarmningsanordningens længde ikke så store. På grund af den kontinuerlige bevægelse vil de dele af emnet eller emnerne, ^ som har passeret opvarmningsanordningen, nemlig blive tilført samme totale varmemængde også selvom opvarmningen varierer langs opvarm- 2 14152« ningszonen.

Når materialefremføringen sker trinvis og også når opvarmningen sker med emnet eller emnerne stående stille i forhold til opvarmningsan-ordningen, er kravene til en ensartet og jævn opvarmning i anordningen derimod særdeles høje. For at opnå en god sammenføjning kræves også, at de opvarmede og til sammenføjning bestemte emner eller materialeområder sammenpresses kraftigt. I en automatiseret frem-stillingsprocess med høj produktionshastighed er kravene høje både med hensyn til hurtig opvarmning og med hensyn til hurtig sammenpresning og en køling af sammenføjningsstedet kan være nødvendig.

Dette gælder specielt ved sammenføjning af plastbelagt materiale, hvor der først sker en smeltning af plastmaterialet og hvor styrke i sammenføjningen først opnås når plastmaterialet er nedkølet til s tørknings temperaturen.

Sammenpresningen kan ske på flere måder. Eksempelvis kan selve opvarmningsanordningen udformes således, at den selv kan overføre et pressetryk samtidigt med at opvarmningen sker. Alternativt kan sammenpresningen ske på et senere tidspunkt.

Ved varmeforsegling af emballager af papir eller karton er der hidtil anvendt eksempelvis varmeoverføring vinder tryk ved hjælp af opvarmede klembakker. Derved bliver man imidlertid afhængig af varme-ledning igennem materialet, hvorfor denne metode er forholdsvis langsom. Med denne metoder vil den højeste temperatur desuden optræde på materialets yderside og ikke i selve sammenføjningen og ydertemperaturen må begrænses således, at materialet ikke beskadiges. En anden metode som er anvendt hvor opvarmningen kan ske mens emnet eller emnerne bevæges langs en transportbane, er en opvarmning ved hjælp af varm luft, eksempelvis fra en gasflamme. Derved er det imidlertid vanskeligt at forhindre, at et i emballagen indeholdt produkt bliver påvirket af den varme luftstrøm. Desuden er brandrisikoen stor, hvis der indtræffer forstyrrelser i processen. Der er også gjort visse forsøg på at anvende højfrekvenssvejsning, hvorunder der fortrinsvis er arbejdet med frekvenser på 13 MHz eller 27 'MHz. Med sådanne forholdsvis lave frekvenser har man været tvunget til enten at anvende høje feltstyrker med deraf følgende risiko for overslag eller at acceptere en forholdsvis lang operationstid.

3 Η152®

Med miktobølgeopvarmning ved en frekvens på eksempelvis 2450 MHz kan man imidlertid opnå en næsten 100 gange så hurtig opvarmning som ved højfrekvensopvarmning og under anvendelse af samme feltstyrke. Forholdsvis enkle mikrobølgetekniske løsninger på problemet med hensyn til at opvarme en smal streng af lim eller plastbelægning kunne tænkes realiseret eksempelvis ved anvendelse af en eller anden form for opslidset bølgeleder. Det er imidlertid vanskeligt at opnå en jævn opvarmning hen langs en strækning af praktisk' anvendelig længde. I enhver type bølgeleder vil der opstå ujævnheder i opvarmningen, dels forårsaget af at energi absorberes af det eller de opvarmede emner langs bølgelederen og dels på grund af at stående bølger kan optræde i bølgelederen. Med opslidsede bølgeledere er det endvidere vanskeligt at indføre køleelementer af metal, idet sådanne køleelementer vil påvirke bølgelederens funktion kraftigt. Der kan benyttes køleelementer af keramik eller plastmateriale, men sådanne elementer giver oftest en utilstrækkelig kølevirkning på grund af deres forholdsvis lave varmeledningsevne.

Opvarmningsanordningen ifølge opfindelsen er ejendommelig ved det i den kendetegnende del af krav 1 angivne. Derved opnås en jævn opvarmning indenfor et langstrakt opvarmningsområde og anordningen ifølge opfindelsen er dermed velegnet ikke blot til opvarmning af emner i bevægelse, men også til opvarmning af stillestående emner.

Dette opnås som følge af, at -der i opvarmningsanordningen frembringes et elektrisk felt, som er konstant igennem hele opvarmnings zonen.

Den for opvarmningsanordningen ifølge opfindelsen specielle ledertilslutning til og udformning af den metalliske mellem- eller skillevæg i resonatoren vil således tvinge magnetfeltet i resonatoren til at omslutte mellemvæggen og det tilsvarende elektriske felt vil forløbe imellem kanterne af den langstrakte åbning i resonatorvæggen og mellemvæggens frie kant. Dette elektriske felt vil være konstant i hele opvarmningszonens længde, hvorfor feltet kan bevirke en ensartet opvarmning af materiale, som er homogent med hensyn til de elektriske egenskaber.

Om nødvendigt kan opvarmningsanordningen ifølge opfindelsen udstyres med metalliske køleelementer, der kan give en effektiv køling af en sammenføjning umiddelbart efter at tilførslen af mikrobølge- 4 141520 energi er blevet afbrudt og sammenføjningen kan holdes under tryk indtil den er afkølet tilstrækkeligt.

En speciel udførelsesform der er præciseret i krav 6, er indrettet således, at materiale kan indsættes direkte i den langstrakte åbning i resonatoren, idet denne åbning er indrettet som en materialeopvarmningsspalte. Det elektriske felt i denne spalte vil være rettet parallelt med mellemvæggen i resonatorens indre og med materiale, som er indsat i spalten og dermed kan tabstrålingen holdes på et meget lavt niveau.

I det følgende skal opfindelsen forklares nærmere ud fra udførelses-former og under henvisning til tegningen, hvor figur 1 skematisk viser et tværsnit igennem en resonator, som indgår i en første udførelsesform for opvarmningsanordningen ifølge opfindelsen, figur 2 et længdesnit af samme resonator taget langs linien II-II i figur 1, figur 3 et længdesnit igennem resonatoren i en modificeret udførelsesform, figur 4 et tværsnit af en udførelsesform med dub leret resonator til opvarmning af begge sider af en materialebane, figur 5 et tværsnit i større målestok og visende resonatoren i en yderligere udførelsesform, figur 6 et længdesnit igennem udførelsesformen i figur 5, figur 7 en udførelsesform som den i figur 1 viste, men forsynet med køleelementer af metal, figur 8 en udførelsesform som den i figur 5 viste, men udstyret med køleelementer, figur 9 et tværsnit igennem en udførelsesform, som er specielt indrettet til presning af materialet i forbindelse med opvarmningen, figur 10 et sidebillede af udføreisesformen i figur 9, og figur 11 et snit gennem, endnu en udførelsesform med 2 modstillede resonatorer.

U152D

5

Den første af de anskueliggjorte udførelsesformer ses i fig. 1, 2 og 7. Resonatoren begrænses af de i længderetningen forløbende vægge 2, 4, 6 og 8. Den langsgående sidevæg 2 er forsynet med en slids 16, og resonatoren er opdelt i to kamre 10 og 12 af en skillevæg 14. Fig. 2 viser et eksenqpel på en passende indkobling af mikrobølgeenergi. I skillevæggen 14 findes en V-formet udsparing 24. Til spidsen af denne udsparing er sluttet en koblingsleder 26. Koblingslederens anden ende er sluttet til en bølgeleder, således 'at den omslutter et magnetfelt, som i ledsren bevirker en strøm, der fortsætter i skillevæggen 14 og igen bevirker et nyt magnetfelt, der omslutter nævnte skillevæg.

14. Det til det magnetiske felt knyttede elektriske felt får konstant styrke langs slidsens 16 hele længde. På et vist tidspunkt forløber det elektriske felt fra den frie kant på skillevæggen 14 til de på begge sider af skillevæggen beliggende kanter af væggen 2, som de i fig. 1 med E betegnede pile viser. Magnetfeltet forløber på samme tidspunkt vinkelret på papirets plan, som de med H betegnede pilespidser og pileender viser. Hvis et med hensyn til de dielektriske egenskaber i hovedsagen homogent materiale anbringes tæt ved slidsen 16, opvarmes dette med en varmeeffekt, som er i hovedsagen jævn langs hele slidsens længde.

Fig. 7 viser, hvorledes den i fig. 1 viste opvarmningsanordning kan forsynes med køleelementer af metal. To langsgående metalélementer 17 og 19 fungerer som køleelementer. Disse er anbragt således, at de har deres udstrækning forløbende vinkelret på det elektriske felt, hvorved de kun i ubetydelig grad påvirker opvarmningsanordningens funktion. Køleelementernes nedre del kan være forsynet med et tyndt rør 44 og 45, hvor kølevæske strømmer til forøgelse af den kølende virkning. Køleelementerne, som ikke bør være i metallisk kontakt med resonatorens vægge eller kun i kontakt med denne langs en lille del af sin længde, kan fastgøres fx i et dieelektrisk materiale med små dielektriske tab, fx et sådant materiale, som markedføres under navnet teflon, der helt fylder resonatorkamrene 10 og 12. Anordningen, giver god opvarmning, hvad enten der findes køleelementer eller ej.

En lang resonator kan man med fordel føde i to eller flere punkter. Fig. 3 viser en sådan fødning udført med en T-formet bølgeleder. Pødningen må ske i samme fase i de to fødningspunkter, hvilket bevirker, at afstand-den fra forgreningspunkterne, hvor bølgelederen 30, der udgør stammen i nævnte bølgeleder-T, er sluttet til T'ets hoved 30a, til hvert fød-ningspunkt er ens. Ved hvert fødningspunkt findes en V-formet udsparing 24 i skillevæggen 14 og en koblingsleder 26, der ligner det til- 1A1520 6 svarende organ i fig. 2.

Det er muligt at sætte to resonatorer lige over for hinanden som i fig. 4. Begrundelserne for at gøre dette kan være enten at øge effekten på en kort strækning eller at forbedre varmefordelingen ved opvarmning af forholdsvis tykke materialer 34. Til sidstnævnte formål er det tilstrækkeligt kun at føde en af de to resonatorer fra en generator. Den anden resonators indkoblingsanordning skal da være kortsluttet. Yderligere en fordel ved at anvende to resonatorer er, at den i forvejen lave tabsstråling mindskes til et endnu lavere ni- ; ve au.

Den anden på tegningen viste udførelsesform ses i fig. 5, 6 og 8. Foruden resonatorens tb kamre 10^12, der svarer til kamrene 10 og 12 i den allerede omtalte udførelsesform, findes der yderligere to kamre 38 og 39 symmetrisk beliggende om skillevæggen 14, der fødes via indkoblingsanordningen. Magnetfeltet i kamrene 10 og 12 kobles videre til og .omslutter skillevæggene 20 og 22 på samme måde som skillevæggen 14. Det tilhørende elektriske felt forløber på et vist tidspunkt i retning fra den frie kant på skillevæggen 14 til de frie kanter på begge væggene 20 og 22 samt fra de frie indadvendte kanter på væggen 2 til nævnte kanter på væggene 20 og 22, som de i fig, 5 viste med E betegnede pile. Magnetfeltet forløber på samme tidspunkt vinkelret på papirets plan, således som de med H betegnede pilespidser og pileender viser. Det elektriske felt i slidsen 16 har altså en retning, som er parallel med skillevæggen 14. Denne udførelsesform er derfor hensigtsmæssig til at opvarme materiale, som kan stikkes ned i slidsen 16. I fig. 5 ses, hvorledes fx to plastbelagte kartonplader 16a kan opvarmes for at sammensvejses. Anordningens konstruktion med det elektriske felt rettet vinkelret på planet for den flade/ i hvilken slidsen er udformet, bevirker, at tabsstrålingen holdes på et meget lavt niveau.

Indkoblingen af mikrobølgeenergi kan, som fig. 6 viser, være udført på samme måde som ved den først beskrevne udførelsesform.

Også denne sidstnævnte udførelsesform kan forsynes med køleelementer, som ses i fig. 8. Mstalvæggene 46 og 48 er anbragt vinkelret på det elektriske felt og kan aflede varme fra slidsen. Metalvæggenes indre kanter er forsynet med små metalrør 47 og 49, som kan gennemstrømmes af kølevæske. Fastgørelsen af køleelementerne kan udføres på samme måde som i den tidligere beskrevne anordning. I begge udførelsesfbrmer kan flere køleelementer end de to, som ses på figurerne, anbringes i resonator-kamrene, hvis yderligere køling kræves. De placeres da på analog vis.

Som tidligere nævnt er også sammenpresning og køling af stor betydning ved sammenføjning af plastbelagte eller limpåførte materialer.

7

U152O

Såfremt opvarmningen sker med en dobbeltanordning som i fig, 4,, kan sammenpresningen ske mellem de to resonatorer. Eventuelt kan opvarmningsanordningens slidser da dækkes eller udfyldes med et materiale af lav tabsværdi, såsom plast eller keramik. I afhængighed af. kølebehovet kan anordningen være med eller uden køleelement.ifølge . fig. 7. Enten kan den ene eller begge resonatorerne have køleelement...

Anvendes anordningen ifølge fig. 1, kan der opnås et modtryk fra fx en plade af materiale af lav tabsværdi, såsom plast eller keramik Sammenpresningen kan også indrettes således, at sammenføjningsstedet, efter at opvarmningsobjektet har passeret opvannningsanordningen, indføres mellem fx mat albakker, mens sammenføjningsstedet stadig er varmt;, og sammenpresses ved hjælp af metalbakkeme samtidig med, at disse afkøler sammmenføjningsstedet. Til sidstnævnte formål kan bakkerne være vandkølede. Denne fremgangsmåde er hensigtsmæssig, også i forbindelse med opvarmning med anordningen ifølge fig. 5.

Yderligere en måde at indrette sammenpresningen på først og fremmest i sådanne emballeringsanlæg, hvori der sker en kontinuerlig materialetransport, er at anordne et eller flere par hjul eller valser, mellem hvilke sammenføjningsstedet må passere umiddelbart efter opvarmningen.

I en ændret udførelsesform for opfindelsen består anordningen af en resonator med et langstrakt hulrum, der begrænses af tre parallelle vægge som vist i fig. 9, 10 og 11.

Anordningen i fig. 9 og 10 omfatter et langstrakt resonatorhulrum, som begrænses af tre vægge 4, 6, 8 svarende til de vægge i den i fig.

1 viste anordning, der har samme henvisningsnumre. En mellemvæg 14, hvis længde hensigtsmæssigt er noget mindre end resonatorvæggenes, er anbragt og denne er fæstnet i den indre vægflade hos væggen 6, fx ved lodning. Fastgørelseskanten for væggen 14 har en V-formet udsparing 24. Midt ud for vinkelspidsen i denne udsparing har væggen 6 et hul 6a, gennem hvilket en leder 26 er ført. Denne leder er sluttet til mellemvæggen 14 ved vinkelspidsen for den V-formede udsparing. Lederen 26 kan udgøre en del af en koblingskreds, hvis ikke viste anden del er indført i en bølgeleder og fødes med mikrobølgeenergi fra denne på lignende måde som nævnt i forbindelse med de øvrige udførelsesfonær.

Ved den side af resonatoren, som er modsat væggen 6, er resonator-en forsynet med keramlklegemer 40 og 41 anbragt mellem ydervæggene 4 og 8 samt mellemvæggen 14. Materialet i disse legemer bør have lave tabsværdier. Opvarmningszonerne befinder sig i området umiddelbart ud for legemerne 40 og 41, hvorfor materialet 42, der skal opvarmes, presses an mod dette område ved hjælp af fx e:t tredie isolerende legeme 43 med 8 141520 lav tabsværdi. Alternativt kan en med resonatoren 4, 8, 6, 14 parallel og på" lignende måde udformet resonator 50 anbringes således som vist i fig. 11, og det til opvarmning beregnede materiale 42 anbringes mellem de to resonatorer. Den yderligere resonator 50 kan fødes på lignende måde som resonatoren 4, 8, 6, 14 fra samme mikrobølgekilde som sidstnævnte eller fra en anden ikke vist mikrobølgekilde, som eventuelt haren anden frekvens end den førstnævnte kilde.Når den yderligere resonator 50 ikke fødes direkte med energi, kommer den alligevel til at virké som resonator, eftersom der overføres energi fra den fødede resonator. Den yderligere ikke direkte fødede resonator kan have en leder 26, hvis ydre del er kortsluttet til resonatorvæggen som vist i fig.

11.

Claims (11)

1. Anordning til opvarmning af materiale ved hjælp af mikrobølgeenergi indenfor et fortrinsvis langstrakt opvarmningsomrftde og omfattende en resonator samt en til fødning af resonatoren ind- r : i rettet kilde for mikrobølgeenergi, og hteor resonatoren udgøres af et metallisk legeme (2, 4, 6, 8) med et langstrakt hulrum og en langstrakt åbning (16) i den ene side (2) og med en metallisk mellemr-eller skillevæg (14) i resonatoren, hvilkén mellearvæg fortrinsvis er noget kortere end resonator legemet (2, 4, 6, 8) og mellemvæggens : ene kant er fastgjort til det vægparti (6) i resonatoren, som er anbragt overfor den langstrakte åbning, og hvilken mellemvæg (14) er parallel med den langstrakte åbning og Strikker sig fra fast*· gørelseskanten og i retning mod nævnte åbning og opdeler i det mindste en del af hulrummets tværsnit i 2 dele (10, 12), og hvor ' ' der er indrettet en fødeanordning, som omfatter et antal ledere (26), der er indført gennem et eller flere huller i resonatorens væg (6) '· og er tilsluttet mellem- eller skillevæggen (.14) i resonatoren, KENDETEGNET ved, AT lederen eller lederne (26) set i et tvær snit gennem resonatoren er anbragt synnnetrisk i forhold til mellem-eller skillevæggen (14) og er sluttet til et parti af den kant på mellemvæggen (14), som er fastgjort til den overfor åbningen (16) liggende resonatorvæg (6) , og AT nævnte kantparti er frilagt fra resonatorvæggen (6), mens mellem- eller skillevæggens (14) anden og frie kant har samme position i forhold til den langstrakte åbning (16) langs i hovedsagen hele dennes længde.

2. Anordning ifølge krav 1, KENDETEGNET ved, AT hvert af de fra resonatorvæggen frilagte kantpartier i mellømvæggen (14), hvor en leder (26) er tilsluttet, er udformet som en udsparing (24) , samt AT lederen (26) er tilsluttet i en bunddel af nævnte udsparing (24).

3. Anordning ifølge krav 2, KENDETEGNET ved, AT nævnte udsparing eller udsparinger (24) i mellemvæggen (14) har V-form, og at tilhørende ledere (26) er sluttet til V-ets vinkelspids.

4. Anordning ifølge krav 1, 2 eller 3, KSffDETEGNET ved, AT hver leder (26) udgør en del af en koblingskreds, hvis resterende del er indført i en del (30a) af en bølgeleder (30), hvormed resonatoren 141520 ίο fødes med mikrobølgeenergi.

5. Anordning ifølge krav 4, KENDETEGNET ved, AT nævnte bølgeleder (30a) udgøres af den øvre vandrette del af en T-formet bølgeleder, hvilken del er anbragt parallelt med resonatoren og umiddelbart op til den væg (6) af resonatoren, til hvilken en kant af mellemvæggen (14) er fastgjort.

6. Anordning ifølge et eller, flere af kravene 1-5, KENDETEGNET ved, AT resonatorlegemet (2, 4, 6, 8) indeholder yderligere skillevægge (20, 22) som er arrangeret parallelt med og symmetrisk om mellem- eller skillevæggen (14) til afgrænsning af 2 yderligere kamre (38,. 39) i resonatorens indre, hvilke yderligere skillevægge har respektive frie kanter, som afgrænser en mellemliggende langstrakt åbning (16'), som ligger ud for mellemvæggens (14) frie kant til dannelse, af en spalte indrettet til optagelse af materiale (16a) til opvarmning.

7. Anordning ifølge et eller flere af de foregående krav, KENDETEGNET ved, AT den omfatter to resonatorer, der er anbragt parallelt med hinanden og beliggende med de langstrakte åbninger lige ud for hinanden i en indbyrdes afstand, hvorved mellemrummet mellem de langstrakte åbninger udnyttes som opvarmningszone for materialet (34), der skal opvarmes .

8. Anordning ifølge krav 7, KENDETEGNET ved, AT de to resonatorer fødes enten fra en fælles kilde for mikrobølgeenergi eller fra hver sin kilde for mikrobølgeenergi, som har forskellige frekvenser.

9. Anordning ifølge krav 7, KENDETEGNET ved, AT kun den ene af resonatorerne er indrettet til at fødes fra en ydre mikrobølgekilde, mens den anden resonator enten savner tilførselsledere til fødning eller har en eller flere sådanne ledere, hvilke uden for resonatoren er kortsluttet til resonatorindkapslingen.

9 mm Patentkrav ;

10. Anordning ifølge et eller flere af de foregående krav, KENDETEGNET ved, AT resonatorens af mellemvæggen (14) adskilte kamre (10, 12) eller resonatorens tilhørende yderligere kamre (38, 39) er forsynet med organer (17, 19, 44, 45, 46, 47, 48, 49) til at bortlede varme fra opvarmningsområdet.

11. Anordning ifølge krav 10, KENDETEGNET ved, AT nævnte organ indbefatter aflange metalvægge (17, 19, 46, 48), som er anbragt parallelt med opvarmningsområdet.