SE512162C2 - Mikrovågsvärmningsapparat - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 512 162 2 speciella hybridmoder, varvid oönskade moder undviks genom att de görs icke-resonanta. Alstrandet av en önsk- värd kombination av speciella hybridmoder under samtidig undertryckning av oönskade moder innebär ganska kompli- cerade krav på dimensionering och mikrovågsmatning.

Upnfinninqens svfte Ehuru ovannämnda lösning är en förbättring kvarstår behovet av ytterligare förbättringar med avseende pà de problem som diskuterats ovan.

Sålunda är syftet med föreliggande uppfinning att tillhandahålla en ytterligare förbättrad mikrovågsvärm- ningsapparat, och att därvid samtidigt ge förenklade krav med avseende på dimensioneringen av applikatorn och mat- ningen av mikrovågor in i denna.

Sammanfattning av upnfinninqen Ovannnämnda syfte uppnås medelst en mikrovågsvärm- ningsapparat, ett mikrovågsvärmningssystem innefattande sådana apparater och användning av sàdana apparater som har de särdrag som definieras av bifogade patentkrav.

Uppfinningen är sålunda baserad på insikten att den mod som används i applikatorn skall vara en resonant kvartsvägsmod, då den effektiva relativa permittiviteten (här betecknat s) hos lasten är låg, typiskt lägre än omkring 40, d.v.s. modens vàgimpedans är högre i lasten än i applikatorutrymmet.

Följaktligen åstadkommes enligt en första aspekt av uppfinningen en mikrovågsvärmningsapparat med en våg- ledarapplikator dimensionerad för att kunna ha en reso- nant kvartsvägsmod då en last med lågt 8 värms.

Enligt uppfinningen är det fördelaktigt att appli- katorn är dimensionerad för att kunna ha en så kallad Brewstermod då lastens s är högt, det vill säga typiskt över ungefär 40. Detta betyder att automatiskt en gradvis modövergàng sker, ehuru med bibehållande av samma hori- sontalindices, då under en värmningsprocess lastens s 10 15 20 25 30 35 512 162 3 ändras från högt till lågt eller vice versa. Ett typiskt exempel på detta är en torkningsprocess där lasten initialt är ganska våt, och sålunda har ett högt s, och slutar med att vara ganska torr, och sålunda har ett mycket lågt S. Detta innebär en avsevärd förbättring av verkningsgrad och flexibilitet, eftersom effektkopplingen och impedansanpassningen till mikrovàgsgeneratorn förblir väsentligen desamma under hela processen.

Det har vidare överraskande befunnits att använd- ningen av en resonant kvartsvågsmod medför att värm- ningens effektivitet blir betydligt mindre känslig för höjden eller tjockleken hos lasten än i system enligt känd teknik, varvid även verkningsgraden och flexibili- teten hos mikrovågsvârmningsprocessen förbättras.

Det har också visat sig att mikrovågsläckaget ut från mikrovågsvärmningsapparaten blir mycket làgt trots resonansen hos kvartsvågsmoden, eftersom fältkomponenter- na hos moden vid applikatorns öppna ände blir sådana att ingen väsentlig Poyntingvektor ut från applikatorn upp- står. Dessutom kontrolleras de inducerade strömmarna i applikatorväggarna vid den öppna änden på ett gynnsamt sätt.

Enligt uppfinningen föredras att applikatorn är dimensionerad och matad så att endast en dominerande mod kan uppstå. Det har överraskande befunnits att detta kan uppnås ganska enkelt genom att excitationen utförs så att oönskade moder elimineras, nämligen genom att en lämplig kopplingsslits placeras mitt i applikatorns slutna ände, varvid slitsen har en utsträckning som är parallell med en av applikatorns sidovåggar, företrädesvis parallell med kortsidan i applikatorns rektangulära tvärsnitt.

För att en gynnsam kvartsvàgsresonans skall uppnås föredras en lång modvåglângd. Enligt ett föredraget sär- drag hos uppfinningen motsvarar sålunda applikatorns effektiva längsdimension (det vill säga i praktiken av- ståndet mellan applikatorns slutna ände och lasten) en kvarts modvàglängd. Det måste dock påpekas att sagda 512 162 10 15 20 25 30 35 4 längsdimension kan utökas med ett helt antal halva vàg- längder.

Det har befunnits vara att föredra att applikatorn dimensioneras för att kunna ha en dominerande värmnings- mod av typen TMWP Företrädesvis skall därvid m vara jämnt och n udda. Speciellt bör n vara lågt, företrädesvis 1.

Det har befunnits att en särskilt gynnsam mod är TMÜ.

Under förutsättning att applikatorns tvärsnitt är rektangulärt och har en modtyp enligt ovan, har det befunnits fördelaktigt att ha en kopplingslits av ovan nämnt slag parallell med tvärsektionens kortsida och dessutom parallell med lastens transportriktning förbi applikatorns öppna ände, eftersom då förekommande mikro- vàgsläckage blir svagare i denna riktning än i riktningen vinkelrätt däremot. Det läckande fältet i den senare riktningen kan tas om hand av anordningar för ytterligare innestângning eller av tunnelns sidoväggar.

Enligt andra aspekt av uppfinningen àstadkommes ett mikrovàgsvärmningssystem som innefattar ett antal mikro- vágsvärmningsapparater av ovannämnda slag, inbördes sick- sackförskjutna i åtminstone en rad så att en last som för vàrmning passerar sagda apparater utsätts för en mycket jämn värmning. Det är fördelaktigt att sicksackförskjut- ningen mellan apparaterna i raden är ungefär en kvarts fri mikrovàglängd för applikatormoden, sä att längs raden en kallfläck i värmningsmönstret hos en apparat i raden följs av en varmfläck i värmningsmönstret hos den följan- de apparaten i raden. Sàlunda kommer lasten som passerar apparaterna att bli jämnt värmd. Det inses att sicksack- avståndet kan vara tvärsförskjutningen mellan tvà när- liggande apparater i raden.

En tredje aspekt av uppfinningen innebär användning av en dominerande resonant kvartsvàgsmod i en vàgledar- applikator med öppen ände för värmning av en last vid applikatorns öppna ände.

Slutligen innebär en fjärde aspekt av uppfinningen användning av en dominerande kvartsvàgsmod/Brewstermod i lO 15 20 25 30 35 512 162 5 en vägledarapplikator med öppen ände för värmning av en last vid applikatorns öppna ände, varvid den dominerande moden är en resonant kvartsvàgsmod dà den effektiva rela- tiva permittiviteten 6 hos lasten är låg och en Brewster- mod dà den effektiva relativa permittiviteten a hos lasten är hög.

Uppfinningen förstås bättre vid läsning av följande beskrivning av icke begränsande utföringsexempel med hän- visning till bifogade ritningar.

Kort beskrivninq av ritninqarna Figur l är en schematisk planvy av en utföringsform av en mikrovàgsvärmningsapparat enligt uppfinningen.

Figur 2 är en schematisk tvärsnittsvy av apparaten i figur l, längs linjen II-II i denna.

Figur 3 är en schematisk planvy av en utföringsform av ett mikrovàgsvärmningssystem innefattande flera mikro- vàgsvärmningsapparater av det slag som visas i figurerena l och 2, med delar av mikrovàgsmatningsanordningarna för tydlighets skull borttagna.

Figur 4 är en schematisk tvärsektionsvy av systemet i figur 3, längs linjen IV-IV i denna.

Beskrivning av utföringgformer I figurerna 1 och 2 visas schematiskt en utförings- form av en mikrovàgsvärmningsapparat för industriell användning enligt uppfinningen. Den visade apparaten innefattar en metallisk vágledarapplikator l med rek- tangulärt horisontellt tvärsnitt och en vertikal utbred- ningsriktning hos de mikrovàgor som exciteras i den. Den övre horisontella änden 3 hos applikatorn är sluten. En rektangulär kopplingsslits 5 är belägen mitt i applika- torns slutna ände 3, varvid slitsens 5 utsträckning är parallell med kortsidan av det rektangulära tvärsnittet hos applikatorn. Kopplingsslitsen matas fràn en vertikalt placerad vanlig rektangulär TEN-vàgledare 7, vars övre ände är ansluten till en mikrovägskälla 8, vars antenn 9 512 162 10 15 20 25 30 35 6 matar vågledaren 7. Mikrovågskällan 8 är monterad på vågledaren. För anpassning till kopplingsslitsen 5 har vågledaren 7 avtagande inre höjd (det så kallade b- måttet) i sin änddel, så att den vid slitsen blir den- samma som slitsens bredd. Detta utföringssätt av mikro- vågsmatningen är av allmänt konventionellt slag och beskrivs därför inte mer i detalj.

Den motsatta änden 11 hos applikatorn är horisontell och öppen och samverkar med ett metallplan eller en metallplåt 13 som är parallell med och på visst avstånd fràn änden 11, så att ett tunnelliknande utrymme 15 för lasten uppstår däremellan. Kortsidorna 16 och 17 hos applikatorn 1 sträcker sig nedåt och är anslutna till plåten 13, så att utrymmet för lasten därigenom avgränsas på två motsatta sidor, närmare bestämt de sidor som mot- svarar kortsidorna hos applikatorns tvärsnitt. Det inses att det sålunda uppstår två motsatta slitsliknande öpp- ningar vid de två andra sidorna av kombinationen av applikatorn 1 och plåten 13 och att dessa öppningar ger tillträde till lastutrymmet 15.

Vidare är de respektive nedre delarna av applikator- sidoväggarna 19 och 20 på nämnda två andra sidor försedda med utåtgående metallflänsar 21 respektive 22, d.v.s. parallellt med plåten 13. Sådana flänsar bidrar till att minska mikrovàgsläckaget ut från apparaten.

En mikrovågsgenomsläpplig lasttransportör, lämpligen i form av en bandtransportör, går genom det tunnellik- nande utrymmet 15 och uppbär därvid laster 25 vilka upp- värms av mikrovågorna som genom applikatorn utbreder sig till dessa från kopplingsslitsen 5. Typiskt kan dessa laster 25 vara våta föremål och avsikten med mikrovågs- värmningen vara att torka dem.

Som framgår av figur 1 är rörelseriktningen hos lasterna genom utrymmet 15, såsom utmärkts med pilarna 27, parallell med längsriktningen hos kopplingsslitsen 5 och sålunda parallell med applikatorns kortsidor. 10 l5 20 25 30 35 512 162 7 Applikatorn 1 är dimensionerad och matad av kopp- lingslitsen 5 i sin slutna ände så att endast en domi- nerande mod uppstår, vilken är en resonant kvartsvågsmod då den effektiva relativa permittiviteten s hos lasten i utrymmet 15 är låg och en Brewstermod då sagda s är högt, varvid en automatisk ändring sker av moden beroende på lastens aktuella e. Företrädesvis är moden i lasten gene- rellt av TM-typ.

Den effektiva vertikala längden eller höjden hos applikatorn är avståndet mellan dess slutna ände 3 och lasten 25 och är företrädesvis en fjärdedel av applika- tormodens våglängd. Detta betyder att det blir en lång vertikal våglängd, vilket medför en endast liten känslig- het för variationer hos lasthöjden. Vidare kommer de fältkomponenter som skulle kunna åstadkomma mikrovågs- läckage att bli jämförelsevis svaga över hela höjden hos lastutrymmet, det vill säga tunnelöppningen.

Som en följd av kvartsvågsresonansen och att moden generellt är av TM-typ kommer den stående vågen av verti- kalriktat E-fält att vara minimum vid lasten. Ãven den stående vågen av horisontalriktade H-fältskomponenter kommer att vara minimum vid lasten, varför ingen Poyntingvektor med nämnvärd amplitud uppstår som skulle kunna ge mikrovågsläckage till området utanför. I motsats därtill blir de fältkomponenter som ger värmning i lasten avsevärda.

Vad gäller de horisontella H-fälten har det befun- nits gynnsamt att deras »fältslingor» har en avsevärd »ellipticitet» (se figur 3 som beskrivs nedan), varigenom excitationen av den önskvärda moden blir starkare. Så- lunda föredras utsträckta H-fâltsellipser med en stor- axelriktning företrädesvis parallell med kopplings- slitsens utsträckning. Dessutom bör sagda riktning vara parallell med rörelseriktningen hos lasten genom det tunnelliknande utrymmet. Resultatet blir då att de fält- komponenter vid applikatorns öppna ände som skulle kunna ge läckage blir de svagare, medan de starkare komponen- 10 15 20 25 30 35 512 162 8 terna kommer att »läcka» mot de avgränsande sidoväggs- förlångningarna, så att inga problem uppstår.

Med en given mikrovågsfrekvens på 2,46 GHz kan följande data på en föredragen mikrovågsvärmningsapparat ges: Modtyp: TMÜ Effektiv höjd: omkring 180 till 200 mm Första tvärsnittsdimension: omkring 375 till 380 mm Andra tvärsnittsdimension: omkring 300 mm Kopplingsslitsens bredd: omkring 18 mm Kopplingsslitsens längd: omkring 72 mm En föredragen utföringsform är att den matande våg- (a) längden hos slitsen 5. Detta medför en minskning av de ledaren 7 har ett breddmàtt som är detsamma som eljest starka strömmarna i vågledarbländaren som uppstår.

En minskning av strömkoncentrationerna är fördelaktig med hänsyn till den klart låga vågimpedansen hos den reso- nanta kvartsvågsmoden.

Enligt uppfinningen föredras att anordna ett flertal mikrovågsvärmningsapparater av beskrivet slag så att ett mikrovågsvårmningssystem uppstår, i vilket flera laster kan behandlas samtidigt och där effektiv och jämn värm- ning kan erhållas även då lastens 8 varierar under värm- ningsprocessen. Ett sådant system visas schematiskt i figurerna 3 och 4, där av tydlighetsskäl mikrovågs- genererings- och matningsanordningarna utelämnats, med undantag för kopplingsslitsen 5.

Systemet i figurerna 3 och 4 innefattar åtta appa- rater av det slag som visas i figurerna 1 och 2. Sålunda är åtta applikatorer 31 anordnade i två parallella rader över en gemensam metallplatta 33, så att varje rad har fyra applikatorer. Varandra närbelägna applikatorer i varje rad är sicksackvis förskjutna i förhållande till varandra, på så sätt att kopplingsslitsarna hos dylika varandra närbelägna applikatorer är förskjutna i tvärled relativt varandra en viss sträcka. Med andra ord är 10 l5 20 25 30 35 512 162 9 applikatorernas kopplingsslitsar i en rad växelvis tvärs- förskjutna med halva sagda avstånd relativt radens mitt- linje. Varje applikatorrad värmer en tillhörande rad av laster 35 som uppbärs av ett gemensamt transportband 37.

Applikatorerna 31 har alla längs sin omkrets utàt- gàende flänsar 39 (motsvarande flänsarna 21 och 22 i figur 1) vid sin öppna ände, varvid flänsarna hos var- andra närliggande applikatorer är sammankopplade så att ovanifràn sett en helt sluten struktur àstadkommes. Vid kopp- lade till vertikala metalliska sidoelement 41, 43, vilka är anlsutna till metallplåten 33, så att en helt sluten systemets tvâ längssidor år respektive flänsar 39 tunnelliknande struktur fås.

I figur 3 antyds typiska horisontella H-fältsslingor 45 för den föredragna moden TMü_i den slutna änden av applikatorerna. Det framgår att sicksackförskjutningen av applikatorerna i en rad gör att ett jämnt värmnings- mönster erhàlls, då förskjutningen görs med en sträcka sådan att tvärsförskjutningen mellan två varandra när- liggande applikatorslitsar 5 är omkring en halv lillaxel hos »ellipserna». För en mikrovågsfrekvens av 2,46 GHz har det befunnits att en förskjutning pà omkring 32 mm är fördelaktig. Denna motsvarar en förskjutning pà omkring en kvarts fri mikrovåglângd.

Såsom visas i figur 3 används ett lämpligt avstånd i tvärsled mellan de två parallella raderna av applika- torer, vilket i kombination med ovannämnda sicksack- förskjutning hos applikatorerna i en rad ger ett totalt sett jämnt värmningsmönster, d.v.s. över värmningssyste- mets hela bredd.

Då ett mikrovågsvârmningssystem enligt uppfinningen används kommer mikrovågsenergin i varje applikator att bli välbegränsad av denna och den samverkande metall- plàten, sà att en förvånansvärt låg kopplingsgrad (så kallad överhörning) uppstår mellan till varandra gränsan- de applikatorer, utöver lågt läckage till omgivningen vid de tvà slitsliknande öppningarna i det tunnelliknande 10 l5 20 25 30 35 512 162 lO lastutrymmet. Den mycket låga kopplingen mellan varandra närliggande applikatorer undanröjer risken för att kon- trollen över värmningsmönstret skall förloras, liksom effektförluster till följd av ömsesidig påverkan mellan de olika mikrovågsgeneratorerna (d.v.s. en generator för varje applikator).

Det bör särskilt observeras att de avlånga H-fält- slingorna riktade såsom diskuterats och visas i figur 3 medför att de strömmar som induceras i applikatorväggarna vid dess öppna ände blir riktade så att mycket lågt läckage uppstår i lastens transportriktning genom last- utrymmet, såväl som ut från lastutrymmet vid dess öpp- ningar. Detta är av primär betydelse. Strömmar som ger fälteffekter i tvärsled är av mindre betydelse på grund av innestängningen i denna riktning och det faktum att en viss samverkan mellan parallella applikatorrader där skilda laster värms också vanligen är av mindre betydelse.

Det bör observeras att då en kvartsvågsresonant/ Brewstermod med successiv eller automatisk ändring sins- emellan beroende på lastens s används, inga läckageprob- lem uppstår då Brewstermoden dominerar beroende på dess mycket låga mikrovågsreflektion vid lasten.

Det bör vidare observeras att en automatisk mod- förändring kan vara mycket fördelaktig då en last värms i ett system som har många i serie anordnade applikatorer, eftersom moderna och värmningseffekterna hos applika- torerna automatiskt och successivt anpassar sig till ett varierande s hos lasten, exempelvis beroende på uttork- ning av densamma.

Uppfinningen är inte begränsad till de utförings- former som beskrivits och diskuterats här. Ett flertal modifikationer och variationer är möjliga inom ramen för efterföljande patentkrav. Exempelvis behöver applika- torernas läge inte vara vertikalt utan kan anpassas till de specifika driftsförhàllandena. Olika konfigurationer av de ömsesidigt förskjutna mikrovågsvärmningsapparaterna lO 15 20 512 162 ll är också möjliga, beroende pà krav på längd och bredd hos mikrovàgsvärmningssystemet.

Vidare är avvikelser från det rektangulära tvär- snittet möjliga, eftersom modteorin är oberoende av applikatorns tvärsnittsform. Dessutom kan man också tillåta att tvärsnittet varierar nàgot för att uppfylla krav pà högre impedans i tak-(matnings-)omràdet, vilket àstadkommes genom något större dimensioner där - eller behov att åstadkomma en starkare kvartsvàgsresonanseffekt (med alla dess fördelar) för laster med relativt högt e, vilket àstadkommes genom att applikatorn görs något smalare vid sin öppna ände. - Då cirkulära tvärsnitt används, är det fördelaktigt att välja endast högre ord- ningars moder som har ett kraftigt H-fält i centrum- området. De föredragna moderna är dà av typen TMUH där n är ett heltal.

En annan, utrymmesbesparande utföringsform är att använda regelbundna sexkantiga applikatorer i ett bikake- mönster. Moderna i applikatorer med sådan tvärsnittsform kan approximeras med moderna i cirkulärcylindriska appli- katorer. Således gäller analoga begränsningar och före- dragna utföringsformer.

Claims (15)

10 15 20 25 30 35 512 162 12 PATENTKRAV

1. Mikrovågsvärmningsapparat arbetande på en bestämd frekvens och innefattande en vàgledarapplikator med öppen ände och företrädesvis rektangulärt tvärsnitt och ett längsmätt från en första sluten ände till en andra öppen ände, varvid apparaten dessutom innefattar en metallplàt motsatt belägen till sagda öppna ände och parallellt med densamma samt belägen på sådant avstånd därifrån att en last kan införas i ett utrymme mellan sagda öppna ände hos applikatorn och plåten, organ för att mata mikrovågor av sagda bestämda frekvens in i applikatorn så att de utbreder sig genom den från den slutna änden till den öppna änden, varvid applikatorn är dimensionerad så att en kvartsvågsresonant mod kan existera däri då den effek- tiva relativa permittiviteten s hos en införd last är låg, typiskt under ca 40.

2. Mikrovägsvärmningsapparat enligt krav 1, varvid applikatorn är dimensionerad så att en Brewstermod kan existera då permittiviteten s hos en införd last är hög, typiskt över 40.

3. Mikrovågsvärmningsapparat enligt krav 1 eller 2, varvid applikatorn är dimensionerad och matad så att väsentligen endast en dominerande mod kan existera.

4. Mikrovägsvärmningsapparat enligt något av före- gående krav, varvid den effektiva höjddimensionen mot- svarar en kvarts våglängd hos moden i den.

5. Mikrovågsvärmningsapparat enligt något av före- gående krav, varvid applikatorn är dimensionerad så att en dominerande mod av typen TMm,kan existera, där m är jämnt och n är udda, företrädesvis 1. 10 15 20 25 30 35 512 162 13

6. Mikrovàgsvärmningsapparat enligt krav 4, varvid applikatorn är dimensionerad sà att den dominerande moden är av typen TMQ.

7. Mikrovàgsvärmningsapparat enligt krav 6, varvid nämnda mikrovägsmatningsorgan matar en mikrovàgsfrekvens av 2460 MHz, varvid applikatorn har en första dimension av omkring 375 till 380 mm och en andra dimension av omkring 300 mm, varjâmte den effektiva höjden hos appli- katorn är omkring 180 till 200 mm.

8. Mikrovàgsvärmningsapparat enligt något av före- gående krav, varvid nämnda organ för matning av mikro- vågor innefattar en kopplingsslits anordnad i mitten av den slutna änden av applikatorn och parallellt med en sidovägg av applikatorn.

9. Mikrovägsvärmningsapparat enligt krav 8, varvid kopplingsslitsen har en utsträckning som är parallell med kortsidan av applikatorns rektangulära tvärsnitt.

10. Mikrovàgsvärmningsapparat enligt kraven 7 och 9, varvid slitsen har en längd av omkring 72 mm och en bredd av omkring 18 mm.

11. ll. Mikrovàgsvärmningsystem innefattande ett flertal mikrovàgsvärmningsapparater enligt något av kraven 1 till 10, varvid apparaterna âr sicksackformat anordnade i åtminstone en rad.

12. Mikrovágsvârmningsystem enligt krav 11, varvid varandra närliggande mikrovágsvärmningsapparater i raden är ömsesidigt förskjutna en sträcka motsvarande omkring en kvarts fri mikrováglângd.

13. Mikrovàgsvärmningsystem enligt krav 11 eller 12, varvid varje mikrovàgsapplikator har utátgàende tvär- 10 512 162 14 ställda metallflänsar vid sin öppna ände, varvid flänsar- na hos varandra närliggande applikatorer är hopkopplade.

14. Användning av en dominerande resonant kvarts- vàgsmod i en mikrovàgsapplikator av typ vàgledare med öppen ände för värmning av en last vid applikatorns öppna ände.

15. Användning av en dominerande resonant kvarts- vàgsmod/Brewstermod i en mikrovàgsapplikator av typ vàg- ledare med öppen ände för värmning av en last vid dess öppna ände, varvid den dominerande moden är resonant av kvartsvàgtyp dä den effektiva relativa permittiviteten s hos lasten är låg och en Brewstermod då sagda s är högt.