NO135656B - - Google Patents

Abstract

Oppvarmningsanordning matet med mikrobølgeenergi.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en oppvarmningsanordning matet med mikrobølgeenergi. Anordningen kan anvendes for f.eks. å oppnå sammenføyning ved sveising av plastmateriale eller plastbelagt papp, eller ved tørking og herding av lim blant annet ved lukking av pakninger.

En forutsetning for å oppnå en tilstrekkelig god sam-menføyning ved varmeforsegling, er at oppvarmningen er jevn over den del av oppvarmningsobjektet som skal utgjøre sammenføyningen. I det tilfelle at oppvarmningen kan skje under en kontinuerlig transport med jevn hastighet av materialet, stilles ikke så store krav på jevn-het i oppvarmningen i hvert punkt langs hele oppvarmningsanordningens lengde. På grunn av den kontinuerlige bevegelse tilføres de deler av oppvarmningsobjektet som passerer oppvarmningsanordningen samme totale varmemengde, selv om oppvarmningen varierer langs oppvarm-ningssonen. I det tilfelle at fremmatingen skjer trinnvis og for-øvrig i alle de tilfeller når oppvarmningen skjer med oppvarmningsobjektet stående stille i forhold til oppvarmningsanordningen, stilles derimot ytterst høye krav til at oppvarmningsanordningen gir en jevn oppvarmning. For at det skal oppnås en god sammenføyning, kreves også at de oppvarmede kanter presses kraftig sammen. I en auto-matisert tilvirkningsprosess med høy produksjonshastighet er kravene høye både til hurtig oppvarmning og hurtig sammenpressing, og det kan være nødvendig med kjøling av sammenføyningsstedet. Dette gjelder spesielt ved sammenføyning av plastbelagt materiale, der plasten først smeltes og der holdfasthet oppnås først når plasten er avkjølt til størkningstemperatur.

Sammenpressingen kan skje på flere måter. Oppvarmningsanordningen kan utformes på en slik måte at den selv kan overføre et presstrykk samtidig som oppvarmningen skjer. Alternativt kan sam-

menpressing skje på et senere tidspunkt.

Ved varmeforsegling av pakninger av papir eller papp har man hittil benyttet seg f.eks. av overføring av varme gjennom trykk med varmebakker. Herved blir man avhengig av varmeledning gjennom materialet, hvorfor metoden er langsom. Man får med denne metode den høyeste temperatur på materialets overflate og ikke i selve sammenføyningen, og overflatetemperaturen må begrenses slik at materialet ikke skades. En annen metode som anvendes når oppvarmning kan skje ved at oppvarmningsobjektet forflyttes langs en transport-bane, er varming med varmluft fra f.eks. en gassflamme. Det er der vanskelig å forhindre at et i en pakning innesluttet produkt på-virkes av den varme luftstrøm. Dessuten er brannfaren stor ifall det inntreffer forstyrrelser i prosessen. Man har endog gjort visse forsøk med høyfrekvenssveising, hvorved man fortrinnsvis har arbeidet ved frekvensene 13 eller 27 Mhz. Ved disse relativt lave frekvenser har man vært tvunget til enten å anvende høye feltstyrker med derav følgende overslagsfare eller godta en lang funksjonstid.

Ved mikrobølgeoppvarmning, frekvens f.eks. 2450 Mhz, kan man oppnå en ca. 100 ganger så hurtig oppvarming som ved høyfrekvens-oppvarming ved samme anvendte feltstyrke. Relativt enkle mikrobølge-tekniske løsninger på problemet å oppvarme en smal streng av lim eller plastbelegg, kan tenkes ved f.eks. anvendelse av en eller an-neji form av slisset bølgeleder. Vanskeligheten er imidlertid å få en jevn oppvarmning over en strekning av praktisk anvendbar lengde.

I hvert slag av bølgeledere får man en ujevnhet i oppvarmning for-årsaket dels av at energi absorberes av oppvarmningsobjektet langs bølgelederen, dels ved at stående bølger kan opptre i bølgelederen. Videre er det vanskelig med slissede bølgeledere å innføre kjøle-element av metall, ettersom kjøleelementet da kraftig påvirker funk-sjonen til bølgelederen. Man kan ha et kjøleelement av keramikk eller plastmateriale, men disse gir oftest utilstrekkelig kjøle-effekt på grunn av sin relativt lave varmeledningsevne.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for bevirke oppvarming av materialet ved h.ielp av mikrobølgeenergi innenfor et fortrinnsvis langstrakt oppvarmingsområde, omfattende en resonator og en kilde for å .mate denne med mikrobølgeenergi,

_o_<g> der resonatoren ute.iøres av et metallisk legeme med et langstrakt hulrom os en langstrakt åpning i dets ene side og en metallisk .mellomveeer i resonatoren

som hensiktsmessig er noe kortere enn legemet og hvis ene kant

er festet til det veggparti til resonatoren som er motstående til den langstrakte åpning, hvilken metalliske vegg er parallell'

med den langstrakte åpning og fra innfestningskanten strekker seg

i retning mot nevnte åpning og deler i det minste en del av hulrommets tverrsnitt i to deler og ved hvilken det forefinnes

en matningsanordning som omfatter et antall ledere innført gjennom hull i resonatorens vegg og er tilsluttet mellomveggen i resonatoren. Ifølge den foreliggende oppfinnelse er anordningen karakterisert ved at lederen eller lederne sett i et tverrsnitt vinkelrett på resonatorens lengderetning, er anordnet symmetrisk

i forhold til mellomveggen og tilsluttet til et parti av den

kant av mellomveggen som er vendt mot en resonatorvegg der lederen eller lederne er gjennomført, hvilket kantparti er frilangt fra nevnte resonatorvegg hvorved det frambringes et magnetisk felt i resonatoren som slutter seg rundt nevnte mellomvegg samt at det dannes motsvarende elektriske felt mellom kantene til den langstrakte åpning og mellomveggens fri kant.

I det følgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere i til-knytning til de etterfølgende tegninger, hvor:

Fig. 1 viser skjematisk en resonator i tverrsnitt,

fig. 2 er et lengdesnitt av samme resonator, etter linjen II-II i fig. 1,

fig. 3 viser i lengdesnitt en modifisert utførelsesform

av en resonator,

fig. 4 viser i tverrsnitt en utførelsesform med dublerte resonatorer for oppvarming av begge sider av en materialbane,

fig. 5 er et tverrsnitt i større målestokk, og

fig. 6 er et lengdesnitt av en annen utførelsesform av en resonator vist skjematisk,

fig. 7 og fig. 8 viser de to utførelsesformer med kjøle-element av metall, og hvor fig.8 er i større målestokk enn fig. 7,

fig. 9 viser et tverrsnitt gjennom en modifisert anordning, fig. 10 viser et sideriss av sammen anordning, og

fig. 11 viser et tverrsnitt av en oppvarmingsanordning

med to resonatorer.

Den første av de to viste utførelæsformer fremgår av fig.

1,2 og 7- Resonatoren begrenses av de i lengderetningen gående vegger 2,4,6 og 8. Den langsgående sidevegg 2 er forsynt med en sliss 16 og resonatoren er oppdelt i to kammere 10 og 12 av en skillevegg 14. Fig. 2 viser et eksempel på en hensiktsmessig innkopling

av mikrobølgeenergi. I skilleveggen 14 finnes en V-formet utsparing 24. Til spissen i denne utsparing er det tilsluttet en leder 26 som

utfc.i <zSr_ en koplingsslynge. Koplingsslyngéns andre ende er koplet til en bølgeleder slik at den omslutter et magnetfelt, hvilket gir opphav til en strøm i slyngen som kommer til å fortsette i skilleveggen 14 og som i sin tur gir opphav til et nytt magnetfelt som omslutter

nevnte skillevegg 14. Det med det magnetiske felt forenede elektriske felt får konstant styrke langsmed slissens 16 hele lengde.

I et visst øyeblikk forløper det elektriske felt fra den frie kant på skilleveggen 14 til de på begge sider av skilleveggen beliggende kanter av veggen 2, slik de i fig. 1 med E betegnede piler viser. Magnetfeltet forløper i samme øyeblikk vinkelrett på papirets plan, som vist med de pilspisser og pilender som er betegnet med H. Hvis et med hensyn til de dielektriske egenskaper, hovedsakelig homogent materiale, plaseres tett inntil slissen 16 så oppvarmes dette med

en varmeeffekt som hovedsakelig er jevn langsmed slissens hele lengde.

Fig. 7. viser hvorledes den i fig. 1 beskrevne oppvarmningsanordning kan forsynes med kjøleelement av metall. To langsgående metallelementer 17 og 19 fungerer som kjøleelement. Disse er plasert slik at de har sin utstrekning vinkelrett på det elektriske felt, hvorved de kun i ubetydelig grad påvirker oppvarmningsanordningens funksjon. Kjøleelémentets nedre del kan være forsynt med et tynt rør 44 og 45 i hvilket det strømmer kjølevæske for å øke kjøleevnen. Kjøleelementene, som ikke bør være i metallisk kontakt med resonatorens vegger eller kun i kontakt med disse langsmed en liten del av sin lengde, kan festes f.eks. i et dielektrisk materiale med små dielektriske tap, f.eks. slikt materiale som selges under navnet teflon, som helt fyller resonatorkamrene 10 og 12. Anordningen gir god oppvarmning enten det finnes kjøleelement eller ikke.

En lang resonator kan man med fordel mate i to eller flere punkter. Fig. 3 viser en slik mating utført med en bølgeleder-T. Matingen må skje i samme fase i de to matningspunkter, hvilket inne-bærer at avstanden fra forgreningspunktet der bølgelederen 30 som danner stammen i nevnte bølgeleder-T, er tilsluttet T-ens hode 30a, til hvert matningspunkt er like. Ved hvert matningspunkt finnes en V-formet utsparing 24 i skilleveggen 14 og en koplingsslynge 26, lignende tilsvarende organ i fig. 2.

Det er mulig å anbringe to resonatorer rett overfor hverandre som i fig. 4. Grunnen til å gjøre dette kan enten være å øke effekten på en kort strekning eller å forbedre varmejevnheten ved oppvarming av relativt tykke materialer 34. For det siste formål kan det være tilstrekkelig å mate bare en av de to resonatorer fra en generator. Den andre resonatorens innkoplingsanordning skal da være kortsluttet. Ytterligere en fordel med å anvende to resonatorer er at den allerede lave lekkasjestråling minsker til et ennå lavere nivå.

Den andre på tegningens viste utførelsesform fremgår av fig. 5*6 og 8. Foruten resonatorens to kammere 1© og 12, hvilke til- . svarer kamrene 10 og 12 i denallerede beskrevne utførelsesform, finnes ytterligere to kammere 38 og 39 symmetrisk beliggende omkring skilleveggen 14, som mates via innkoplingsanordningen. Magnetfestet i kamrene 10 Og 12 koples videre og omslutter skilleveggene 40 og 42 på samme måte som skilleveggen 14. Det tilhørende elektriske felt forløper i et visst øyeblikk i retning fra den frie kant på skilleveggen 14 til de frie kanter på begge vegger 40 pg 42 samt fra de frie, innadvendte kanter på veggen 2 til nevnte kanter på veggene 40 og 42, som vist med de i fig. 5 forekommende og med E betegnede piler. Magnetfeltet forløper i samme øyeblikk vinkelrett mot papirets plan, slik som vist med de med H betegnede pilspisser og pilender. Det elektriske felt i slissen 16 har altså en retning,, som er parallell med skilleveggen 14. Denne utførlsesform er der-for hensiktsmessig til å varme materialer som kan stikkes ned i slissen 16. I fig. 5 vises f.eks. hvordan to plastbelagte pappskiver l6a kan varmes for å sveises sammen. Anordningens konstruksjon med det elektriske felt rettet vinkelrett mot planet til den flate i hvilken slissen er dannet, medfører at lekkasjestrålingen holdes på et meget lavt nivå. -Tnnkoplingen av mikrobølgeenergi kan., som ' fis 6 viser, være utført oå samme måte som ved den først beskrevne utførelsesform.

Da anordningen omfatter to resonatorer kan disse to resonatorer mates enten fra en felles kilde for mikrobølgeenergi eller fra hver sin kilde for mikrobølgeenergi, hvilke kan ha forskjellige fre-"" kvenser, men matingen kan også skje på en slik måte at kun en åv resonatorene er anordnet til å bli måtet fra en ytre kilde for mikro-bølgeenergi idet den andre resonatoren enten mangler tilførselsledning for mating eller har en eller flere slike ledere hvolke utenfor resonatoren er kortsluttet til resonatorhyIsteret.

Endog denne siste utførelsesform kan forsynes med kjøle-element, hvilket vises i fig. 8. Metallveggene 46 <p>g 48 er plassert vinkelrett på det elektriske felt og kan avlede varme fra sammen-føyningen. Deres indre kanter er forsynt med små metallrør 47 og 49, hvilke kan gjennomstrømmes av kjølevæske. Peste av kjøleele-mentene kan utføres på samme måte som i den tidligere besrkevne anordning. I begge anordninger kan flere kjøleelementer enn de to som er vist på tegningene plasseres i resonatorkamrene om ytterligere kjøling kreves. De plaseres da på analogt vis.

Som tidligere angitt er endog sammenpressing og kjøling av stor betydning ved sammenføyning av plastbelagte eller limbestrøkne materialer.

I det tilfelle at oppvarmingen skjer med en dobbelt anordning, som vist i fig.4, kan sammenpressingen skje mellom de to resonatorer. Eventuelt kan derved oppvarmingsanordningens slisser dekkes eller utfylles med lavtapsmateriale av plast eller keramikk. Avhengig av kjølebehovet kan anordningen være med eller uten kjøle-element ifølge fig. 7. Likeledes kan den me eller begge resonatorer ha kjøleelement.

Anvendes anordningen ifølge fig. 1 kan motttrykk oppnås fra f.eks. en plate av lavtaps plast eller keramikk. Sammenpressingen kan også tilveiebringes ved at sammenføyningsstedet, etter at opp-varmingsobjektet har passert oppvarmingsanordningen, innføres mellom f.eks. metallbakker mens sammenføyningsstedet fortsatt er varmt og sammenpresses ved hjelp av metallbakkene samtidig som disse avkjøler sammenføyningsstedet. For sistnevnte formål kan bakkene være vannkjølt. Denne fremgangsmåte er hensiktsmessig selv i forbindelse med oppvarming med anordningen ifølge fig. 5-Ytterligere en måte å anordne sammenpressing fremst i slike pakningslinjer, der man har en kontinuerlig materialtransport, er å anordne ett eller flere par hjul eller valser mellom hvilke sammenføyningsstedet får passere umiddelbart etter oppvarmingen.

Ifølge en modifisert utførelsesform av oppfinnelsen består anordningen av en resonator med et langstrakt hulrom som begrenses av tre parallelle vegger, slik som vist i figurene 9,10 og 11.

Anordningen ifølge fig. 9 og 10 omfatter et langstrakt resonatorhulrom som begrenses av tre vegger 4,6,8 tilsvarende de vegger ved anordningen ifølge fig. 1 som har sammen henvisningsbe-tegnelser. Det er anordnet en méllomvegg 14 hvis lengde hensiktsmessig er noe mindre enn resonatorveggenes lengde, og denne er inn-festet i den indre veggflate til veggen 6, f.eks. ved lodding. Inn-festingskanten til veggen 14 har en V-formet utsparing 24. Midt foran vinkelspissen til denne utsparing har veggen 6 et hull 6a, gjennom hvilket det er ført en leder 26. Denne leder er koplet til mellomveggen 14 ved vinkelspissen til den V-formede utsparing. Lederen 26 kan utgjøre en del av en koplingsslynge, hvis andre del (ikke vist) er innført i en bølgeleder og mates med mikrobølge-energi fra denne på lignende måte som angitt i forbindelse med de øvrige utførlsesformer.

Ved den side av resonatoren som er motsatt veggen 6 er resonatoren forsynt med keramikklegemer 40' og 41 anbragt mellom ytterveggene 4 og 8 samt mellomveggen 14. Materialet i disse leer gemer bør ha lave tap. Oppvarmingssonene befinner seg i området umiddelbart utenfor legemene 40' og 4l, hvorfor materialet 42' som skal varmes, presses mot dette område ved hjelp av f.eks. et tredje isolerende legeme 43 med lave tap. Alternativt kan en med resonatoren 4,8,6,14 parallell og på lignende måte utført resonator 44, anbringes slik som vist i fig. 11 og det for oppvarming beregnede materiale 42' kan anbringes mellom de to resonatorer. Den ytterliogere resonator 44 kan mates på lignende måte som resonatoren 4,8,6,14 fra samme mikrobølgekilde som den.sistnevnte eller fra en annen (ikke vist) mikrobølgekilde, som eventuelt har en annen frekvens enn den førstnevnte kilde. Når den ytterligere resonator 44 ikke mates direkte med energi, kommer den likevel til å virke som resonator fordi energi overføres fra den matede resonator. Den ytterligere ikke direkte matede resonator, kan ha en leder 26, hvis ytre del er kortsluttet til resonatorveggen 6, som vist i fig. 11.

Claims (12)

1. Anordning for å bevirke oppvarming av materiale ved hjelp av mikrobølgeenergi innefor et fortrinnsvis langstrakt oppvarmingsområde, omfattende en resonatorer og en kilde for å mate denne med mikrobølgeenergi, og der resonatoren utgjøres av et metallisk legeme (2',4,6,8) med et langstrakt hulrom og en langstrakt åpning (16) i dets ene side (2) og en metallisk mellomvegg (14) i resonatoren som hensiktsmessig er noe kortere enn legemet (2,4,6,8) og hvis ene kant er festet til det veggparti (6) til resonatoren som er motstående til den langstrakte åpning, hvilken metalliske vegg (14) er parallell med den langstrakte åpning og fra innfestings-kanten strekker seg i retning mot nevnte åpning og deler i det minste en del av hulrommets tverrsnitt i to deler og ved hvilken det forefinnes en matningsanordning som omfatter et antall ledere (26), innført gjennom hull i resonatorens vegg (6) og er tilsluttet mellomveggen (14) i resonatoren, karakterisert ved at lederen eller lederne (26) sett i et tverrsnitt vinkelrett på resonatorens lengderetning, er anordnet symmetrisk i forhold til mellomveggen (14) og tilsluttet et parti av den kant av mellomveggen som er vendt mot den resonatorvegg (6) der lederen eller lederne (26) er ført gjennom,hvilket kantparti er frilagt fra nevnte resonatorvegg, hvorved det frembringes et magnetisk felt i resonatoren, som slutter seg rundt nevnte mellomvegg (14) samt at det dannes motsvarende elektriske felt mellom kantene til den langstrakte åpning og mellomveggens frie kant.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert slikt fra resonatorveggen frilagt kantparti av mellomveggen (14), der en leder (26) er tilsluttet, er utformet som en utsparing (24) samt at lederen (26) er tilsluttet bunndelen til nevnte utsparing (24).

3. Anordning ifølge krav 2, karakterisert ved at nevnte utsparing eller utsparinger (24) i mellomveggen (14) har V-form og at tilhørende ledere (26) er tilsluttet til V-ens vinkelspiss.

4. Anordning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at hver leder (26) utgjør en del av en koplingsslynge, og er koplet til en del (30a) av en bølge-leder (30) som er nært beliggende til resonatoren og ved hjelp av hvilken resonatoren mates med mikrobølgeenergi fra en kilde for slik energi.

5. Anordning ifølge krav 4,karakterisert ved at nevnte bølgelederdel (30a) utgjøres av den øvre,horisontale del av en bølgeleder-T, hvilken del er anbragt parallelt med resonatoren og umiddelbart inntil den vegg (6) av resonatoren, ved hvilken en kant av mellomveggen (14) er festet.

6. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at resonatoren har ytterligere to hulrom (38,39) anordnet parallelt med de kammere (10,12) i hvilken skilleveggen (14) delar resonatorens hulrom,hvilke ytterligere kammere (38,39) har hver sin sliss som er slik anordnet at disse slisser er åpne dels mot hverandre og dels mot den før nevnte langstrakte åpning, og hvor ytterligere en sliss er utformet mellom de begrensningskanter for slissene til de nevnte, ytterligere kammere (38,39) hvilke befinner seg lenget bort fra nevnte langstrakte åpning, i hvilken ytterligere sliss det for oppvarming beregnede materiale kan innføres.

7- Anordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter to resonatorer, hvilke er anordnet parallelt med hverandre og befinner seg med de langstrakte åpninger midt imot hverandre med noen avstand fra hverandre, og hvor mellomrommet mellom de langstrakte åpniger utnyttes som oppvarmingssone for materialet (34) som skal oppvarmes.

8. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at resonatorens av mellomveggen (14) atskilte kammere (10,12) eller resonatoren tilhørende ytterligere kammere (38,39) er forsynt med kjøleorganer (17,19,44, 45,46,47,48,49) som omfatter avlange metallvegger (17,19,46,48) anbragt parallelt med oppvarmingsområdet.

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at mellomveggene (17,19,46,48) hovedsakelig ligger vinkelrett på det elektriske feltet i nevnte kammere (10,12) eller nevnte ytterligere kammere (38,39) og savner elektrisk ledende forbindelse med veggene i disse kammere.

10. Anordning ifølge krav 9, karakterisert ved at metallveggene (17,19,46,48) hver ved en langsgående kant er forsynt med et tynt metallrør (44,45,47,49) for ledning av et kjølemedium for kjøling av den respektive vegg.

11. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at resonatorens langstrakte åpning eller oppvarmingsslisser i det minste delvis er utfylt med lavtaps materiale av plast eller keramikk.

12. Anordning ifølge et hvilket som helst av de foreågende krav, karakterisert ved at mellomveggen (14) består av en metallisk plate, hvis bredde er konstant langsmed oppvarmingsområdet med unntak av relativt korte stykker, der nevnte ledere (26) er tilsluttet.