DE1765150C3

DE1765150C3 - Vorrichtung zum Erhitzen eines dielektrischen Materials mit elektromagnetischer Energie

Info

Publication number: DE1765150C3
Application number: DE1765150A
Authority: DE
Inventors: William Nelson Lancaster Pa. Parker (V.St.A.)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1967-04-10
Filing date: 1968-04-10
Publication date: 1975-07-10
Also published as: FR1567335A; DE1765150A1; DE1765150B2; US3474209A; GB1181208A; SE333028B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen eines verlustbehafteten dielektrischen Mate-

ao rials mit elektromagnetischer Energie, die sich in Längsrichtung eines zur Aufnahme des Materials dienenden, sich in Längsrichtung verjüngenden Wellenleiters von dessen größerem Ende zum kleineren Ende hin fortpflanzt.

as Viele Fabrikationsverfahren erfordern heute den Verfahrensschritt, das zu behandelnde oder zu verarbeitende Erzeugnis einer Heizquelle auszusetzen, welche zur Trocknung oder Aushärtung dienen kann. Die Zuführung der Hitze kann dabei zur Zeit auf verschiedene Weise durchgeführt werden: Das Erzeugnis kann in die statische Nähe einer Heizquelle gebracht werden, so daß das stationäre Erzeugnis dieser Heizquelle während einer gewünschten Zeitdauer ausgesetzt ist. Dieses Verfahren kann man Schichtverfahren nennen. Oder das Erzeugnis kann über erhitzte Bauteile oder Platten geführt werden, weiche durch Wärmeleitung die Wärme auf das Erzeugnis übertragen. Oder man läßt das Erzeugnis durch einen Ofen oder vorbei an einer Quelle laufen, welche die Wärme durch Strahlung überträgt. Solche Trocknungsverfahren haben sich für viele Anwendungsfälle als erfolgreich erwiesen, obwohl vor allem auf Grund der verhältnismäßig einfachen verwendeten Gerätschaften lange Behandlungszyklen auftreten.

In neuerer Zeit unternahm man zahlreiche Versuche auf dem Gebiet der Erwärmung von mit Verlust behafteten dielektrischen Stoffen mittels Mikrowellenenergie. In starkem Maße wurden diese Versuche mit Mikrowellenerwärmung durch das wachsende Interesse von Nahrungsmittelverarbeitern auf einem Gebiet gefördert, welches als Gefriertrocknung bekanntgeworden ist und noch im einzelnen erläutert werden wird.

Ein wichtiger Vorteil bei der Mikrowellenerhitzung dielektrischer Stoffe ist die Möglichkeit, auf Grund der wesentlich herabgesetzten Bearbeitungszeit die Kosten je Einheit des Stoffes zu senken. Eine kürzere Zeit erlaubt eine größere Zahl von Behandlungszy-

klen am Tag und somit einen größeren Gesamtausstoß des Stoffes. Außerdem ist bei der dielektrischen volumetrischen Mikrowellenerwärmung für den Stoff eine Beanspruchungstiefe möglich, die einige Male größer ist als bei herkömmlichen Erwärmungsverfahren. Wirtschaftliche Untersuchungen ergeben, daß die Kosteneinsparung auf Grund der Anwendung der Mikrowellenerwärmuüg beispielsweise bei einem Gefriertrocknungsverfahren, verglichen mit der her-

kömmlichen Gefriertrocknungstechnik, zwischen 50 und 8O°/o beträgt. Femer sind die Kapitaüsierungslcosten für die erforderlichen Anlagen häufig wesentlich geringer, wenn die Energie für eine Trocknung durch dielektrische Mikrowellenerhitzung aufge- s bracht wird.

Einer der wesentlichen Nachteile bei der Anwendung der dielektrischen MikrG ^ellenerwärmung bestand in dem Fehlen einer Mikrowellen-Anwendungsvorrichtung, mit der eine gleichmäßige Behänd- ίο lung einer großen Menge eines Stoffes zur gleichen Zeit möglich war, insbesondere dann, wenn die Anwendungsvorrichtung tür ein kontinuierlich fließendes Verfahren geeignet sein sollte. Durch das Fehlen einer solchen Anwendungsvorrichtung erhöhten sich die Behandlungszeit, die Behandlungskosten und folglich die Gesamtverfahrenskosten je Einheit des Stoffes. Die technischen Gründe für diesen Nachteil werden weiter unten noch genauer erläutert werden. An dieser Stelle mag der Hinweis genügen, daß in ao einem großen festen Behandlungs/aum bisher die Gleichmäßigkeit der dielektrischen Mikrowellenerwärmung schwierig zu regeln und zu steuern war.

Es ist bereits ein Hochfrequenzofen bekannt (deutsche Patentschrift 1148 674), bei welchem das as zu behandelnde Gut auf einem Transportband an den offenen Enden von Wellenleitern mit parabelförmigen Wänden vorbeitransportiert wird. An diesen offenen Enden wird durch einen Linienstrahler und eine R-;-flektoranordnung der Wellenleiter ein konstantes elektromagnetisches Feld erzeugt. Es ist auch schon eine Einrichtung zum Einstrahlen von Mikrowellenenergie in dielektrische Körper bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 029 963), bei der der Abstand einer konzentrischen sogenannten Lecherleitung zu einem den bestrahlten Körper tragenden Reflektor kontinuierlich geändert wird, damit trotz laufender Absorption im dielektrischen Körper ein konstantes Feld erzeugt wird. Mit keiner dieser bekannten Einrichtungen werden die oben geschilderten Probleme behoben, z. B. weil sich die Welle bei unterschiedlichen Höhen ändert. Aus diesem Grund wird bei einem anderen bekannten Verfahren (französische Patentschrift 1 454 442) ein Wellenleiter mit rechteckigem Querschnitt verwendet, bei dem zwei gegenüberliegende Seiten konisch oder konv.-gierend zueinander verlaufen, damit ein Wechsel Jcs Wellenmodus vermieden wird. Eine allgemein konische Form des Wellenleiters gewährleistet aber keineswegs eine gleichmäßige Erwärmung.

Schließlich war ein Verfahren zum kontinuierlichen Trocknen von feuchten Kunststoffen mit Hilfe von elektrischen, sich während der Trocknung verändernden Hochfrequenzfeldern bekannt, wobei eine den Kunststoff gefährdende Temperatur vermieden werden soll (deutsche Auslegeschrift 1 149 474). Zu diesem Zweck wird das Produkt kontinuierlich durch zwei Arbeitskondensatoren geführt, die jeweils eine ebene Platte und eine mit ihr konvergierende gekrümmte zweite Platte haben. Hierbei handelt es sich aber nicht um Wellenleiter, und das an die Kondensatoren angelegte elektrische Feld muß während der Trocknung laufend verändert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erwärmung eines Erzeugnisses unter Verwendung von Mikrowellenenergie als Heizquelle anzugeben, bei welcher das behandelte Erzeugnis an jeder Stelle im Inneren des Wellenleiters, in dem es angeordnet wird, einer gleichmäßigen Wärmemenge ausgesetzt ist.

Die Erfindung löst diesu Aufgabe bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch, daß die Verjüngungskontur des Wellenleiters derart festgelegt ist, daß das Verhältnis zwischen der sich fortpflanzenden Energie und der Admittanz des Wellenleiters für die Energie in der Längsrichtung konstant bleibt, wenn sich das Material im Wellenleiter befindet.

Das Material kann sowohl im Wellenleiter ruhend angeordnet als auch in Längsrichtung, also der Verjüngungsrichtung oder quer zu dieser durch den Wellenleiter hindurchtransportiert werden. In jedem Fall wird eine völlig gleichmäßige Erwärmung gewährleistet.

Zur Erläuterung der Erfindung sind bevorzugte Ausführungsbeispiele in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht einer Heizvorrichtung gemäß einem ersten Ausfuhrungsbeispiel, teilweise im Querschnitt,

F i g. 2 ist eine vektorielle Darstellung der elektrischen Feldverteilung für eine TE₀₁-Modus-Welle, die sich in der Vorrichtung gemäß F i g. 1 an irgendeiner Stelle fortpflanzt,

F' g. 3 ist eine graphische Darstellung, wobei die charakteristische Wellenleiter-Admittanz als Funktion der Wellenleiterhöhe für verschiedene Stoffe mit unterschiedlichen relativen Dielektrizitätskonstanten aufgetragen ist, und

F i g. 4 und 5 sind perspektivische Ansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sei in Verbindung mit der Gefriertrocknung von Nahrungsmitteln beschrieben. Es ist zwar für diesen Anwendungsfall besonders gut geeignet, doch eignet es sich selbstverständlich ebenso für einen weiten Bereich anderer Anwendungsfälle, bei denen Mikrowellenerhitzung möglich ist. Auf dem Gebiet der Nahrungsmittelerhakung ist die Gefriertrocknung eine der neuesten Techniken. Es handelt sich um einen Sublimierungsprozeß, bei welchem den gefrorenen Stoffen Feuchtigkeit entzogen wird, ohne daß sich ihre Form, ihre Farbe, ihr Geschmack oder ihr Nährwert ändern. Bei den herkömmlichen Gefriertrocknungsverfahren werden die gefrorenen rohen oder gekochten Erzeugnisse in einer atmosphärisch geregelten Kammer auf Untersätzen angeordnet. Die Erzeugnisse werden dann in der Kammer durch flüssigkeitserwärmte Untersätze oder Platten mit einer kontrollierten Wärmemenge (der sogenannten Sublimierungswärme) beaufschlagt. Die gefrorene Feuchtigkeit in dem Nahrungsmittel verdampft (sublimiert), und das Ergebnis ist ein getrocknetes Nahrungsmittel in einem festen, schwammartigen Zustand. Nach einer hermetischen Verpackung entweder in Überzugsbeuteln oder in Büchsen können die Erzeugnisse verschifft oder gespeichert werden, ohne daß eine Einfrierung erforderlich ist. Vor der Erwärmung, dem Kochen oder einei anderen Behandlung als frisches Nahrungsmittel müssen die Erzeugnisse lediglich rehydriert werden Bei der herkömmlichen Gefriertrocknung mit erhitzten Platten neigen die äußeren Schichten des Nahrungsmittels dazu, leichter zu trocknen und die ungetrockncten gefrorenen inneren Teile zu umschließen, so daß sie als Wärmesperre wirken und di< weitere Übertragung von Wärme von den heißer

Platten zum Inneren des Erzeugnisses verzögern. Häufig sind Trocknungszeiten von oft bis 24 Stunden erforderlich, um das Eis vollständig zu sublimieren. Dagegen ist die dielektrische Erwärmung volumetrischer Natur und beschleunigt die Trocknung wesentlich, so daß der Ausstoß eines Erzeugnisses erhöht und die Kosten je Einheit des Ausstoßes herabgesetzt werden.

Bei der Anwendung der dielektrischen Trocknung

in den Wellenleiter 10 eintritt, bildet sich längs im Leiter eine Wanderwclle aus. Die Welle pflanzt sich durch die Länge des Leiters hinab in Richtung der Grenzstelle 14 fort. Wenn es wünschenswert ist, daß 5 das Verfahren kontinuierlich fließen soll, so kann die Richtung des Transportes bzw. der Förderbewegung entweder zum Eingangsende 12 des Wellenleiters oder, wie in F i g. 1 dargestellt ist, zur Grenzstelle 14 des Leiters verlaufen. Wenn ein Schicht- oder Por-

entweder bei einem kuntinuierlichen oder bei einem io tionsbetrieb gewünscht wird, kann der zu erwärmende schicht- oder portionsweisen Verfahren bestand das Stoff 18 im Wellenleiter IU angeordnet werden und Hauptproblem bisher darin, das Erzeugnis einer darin während der gewünschten Zeitdauer stationär gleichmäßigen Wärmemenge auszusetzen. Bei der di- verbleiben. Um eine maximale Heizwirkung der wanelektrischen Mikrowellenerwärmung wird die er- dernden Welle auf das behandelte Erzeugnis zu gezeugte Leistung allgemein über einen Wellenleiter auf »5 wahrlcisten, bildet man den Wellenleiter 10 so aus, die Last verteilt. Das sich ergebende elektrische daß ein sogenannter TE₀,-Modus aufrechterhalten Phänomen gemäß der Wellenleitertheorie bewirkt wird, und zwar so, daß die elektrische Feldstärke eine Verdünnung oder Abschwächung der Leistung stets in einer Ebene, die geringfügig oberhalb der längs des Leiters und folglich eine ungleichmäßige durch das Trag- oder Transportband 16 definierten Verteilung der Wärme. Zunächst wurde durch die ao Ebene liegt, am größten ist.

Länge eines Wellenleiters mit gleichmäßigem Quer- In F1 g. 2 ist die elektrische Feldverteilung E an

schnitt ein das zu trocknende Erzeugnis tragendes einer beliebigen Stelle längs des Wellenleiters 10 dar-Transportband geführt. Die Mikrowellenenergie gestellt. Die Breite 26 des Wellenleiters sollte schmawurde in den Wellenleiter eingeführt und pflanzte ler sein als eine halbe Wellenlänge, so daß der Leiter sich längs durch den Leiter parallel zur Richtung 15 nicht in der Lage ist, unerwünschte Wellen vom TE-der Transportbewegung fort. Als Folge der Ab- oder TM-Modus zu tragen. Wie in F i g. 2 dargestellt Schwächung der sich fortpflanzenden Leistung, wan- ist, liegt das Transportband 16 etwas unterhalb der rend sie den Leiter hinablief, war die Erwärmungs- Mitte des Wellenleiters 10, so daß das maximale elekwirkung völlig ungleichmäßig, da das Erzeugnis am tnsche Feld E_m durch die Mitte des auf dem Band 16 Anfang am Eingangsende des Leiters verbrannt 30 liegenden behandelten Stoffes 18 verläuft,
wurde, während die Leistung zu der Zeit, da sie sich Eine Möglichkeit, Mikrowellenenergie zur An-

bis zum Ausgangsende des Leiters fortgepflanzt hatte, wendung gelangen zu lassen, besteht darin, daß man unwirksam wurde. eine Welle verwendet, die längs eines Wellenleiters

Eine Lösung des erwähnten Problems besteht mit konstantem Querschnitt wandert, der das zu erdarin, die Länge des Wellenleiters herabzusetzen, ihn 35 wärmende, mit Verlust behaftete Dielektrikum entan seinem entfernten Ende mit einer angepaßten Last hält. Die Heizwirksamkeit einer solchen angelegten abzuschließen und für die Erwärmung des Nahrungs- Wanderwelle nimmt jedoch schnell ab, während sie mittels nur einen Bruchteil der sich im Wellenleiter längs durch den Wellenleiter hinabläuft, da die in der fortpflanzenden Leistung zu verwenden. Dies führt Wanderwelle enthaltene Leistung abgeschwächt wird, zu einer beträchtlichen Verschwendung an elektri- 40 während sie durch das Verlustmedium läuft. Jedes scher Leistung. Eine zweite Lösungsmöglichkeit be- dielektrische oder isolierende Medium mit Ausnahme steht darin, die Mikrowellenenergie an verschiedenen eines Vakuums wird einen Teil der Energie einer hin-Stellen entlang dem Wellenleiter einzuspeisen. Eine durchlaufenden elektromagnetischen Welle absorbie-Cleichmäßigkeit der Erwärmung ist jedoch schwierig ren. Diesen Verlusten kann man Rechnung tragen, zu bewerkstelligen, da durch Überlagerung der 45 indem man die komplexe Dielektrizitätskonstante e Schwingungsenergie von den verschiedenen Quellen mit der Form e = e' — je" in Betracht zieht, wobei e' und durch Endreflexionen sich stehende Wellen aus- die relative Dielektrizitätskonstante und e" der Verbilden, lustfaktor ist. Wenn die Leistung sich abschwächt. In F i g. 1 ist ein Wellenleiter 10 dargestellt, der in nimmt die in das behandelte Erzeugnis übertragene Längsrichtung eine nichtlineare Verjüngung 11 auf- 50 Wärme exponentiell mit der Entfernung von der Leiweist, so daß die Höhe des Leiters von einer An- stungsquelle ab, und ein großer Teil der Länge de; fangshöhe H₁ am Eingangsende 12 des Leiters bis zu Transportbandes oder eines anderen Trägers für der einer Höhe H_c am Ausgangsende oder an der Grenz- Stoff ist praktisch für die Behandlung nutzlos. Diese; stelle 14 des Leiters abnimmt Gemäß dem darge- Problem wird verständlicher werden, wenn man di< stellten Ausfuhrungsbeispiel läuft längs durch den 55 folgenden Gleichungen betrachtet In der der Wellenleiter 10 ein Förder- oder Transportband 16, chung (1) ist der als Wärme aufgezehrte Betrag dei welches das Nahrungsmittel oder einen anderen zu behandelnden Stoff 18 trägt Das Transportband 16 besteht vorzugsweise aas einem dünnen, nicht mit Verlust behafteten Werkstoff und besitzt ebenso wie 60 der Wellenleiter 10 eine konstante Breite. Eine
Energiequelle, z.B. ein (nicht dargestellter) MikroweBeagenerator, liefert an das Eingangsende 12 des Wellenleiters 10 über zwei Antennensonden 20, Koasaüeitangen 22 und, wie bei dem Ausführungsbei- 65 spiel gemäß Fig. 1 dargestellt ist, einen Leistungsteiler 24 die erforderliche Leistung.

Wem die Leisteng über die Antennensonden 20 Leistung definiert:

P_d = 0,278 E_m* Fe" - 10"« Watt/cm» (1) In dieser Gleichung bedeuten:

F ist die Frequenz in Hz; E_m ist die elektrische Spitzenfeldstärke in Volt/cm

und e" ist der Verlustfaktor des behandelten Stoffes

Wenn man annimmt, daß F und e" konstant blei ben, ist die aufgezehrte Leistung (P_tf) offensichtlid

1515

«ine Funktion des Quadrates der elektrischen FeId- tUrke (JE,«).

Die Gleichung (2) definiert die folgende Beziehung !wischen P_p, der sich durch den Wellenleiter forttRanzenden Leistung, der Admittanz Y des Welleniiters an einem beliebigen Punkt längs seiner Längsrichtung, und der Spannung V am Wellenleiter:

Pn —

V^ZY 2

(2)

Wenn man berücksichtigt, daß £- = V²Jd², wobei d 4ie Entfernung in Richtung des Vektors E, in diesem fall die Breite 26 des Wellenleiters 10, und eine Kon itante ist, erhält man durch Substitution die Gleichung

(3)

Da sich P₁, abschwächt, während die Welle den »° Leiter hinabläuft, besteht die einzige Möglichkeit, E'² konstant zu halten, so daß P_d konstant bleiben kann (Gleichung 1), darin, die Admittanz (Y) des Wellen leiters entlang seiner Länge zu vermindern, so daß das Verhältnis P„ zu Y konstant bleibt. Wenn man be- *5 fücksichtigt, daß die Admittanz (Y) eine Funktion des Querschnittes des Leiters an einer beliebigen Stelle längs des Leiters ist, läßt sich der Effekt der ©bigen Beziehungen in folgende Aussage zusammenlassen: Wenn man einen mit Verlust behafteten dielektrischen Stoff innerhalb eines Wellenleiters einer gleichmäßigen Wärmedichte aussetzen will, ist es erforderlich, daß der Querschnitt des Wellenleiters als Funktion der Leiterlänge sich entsprechend ändert.

Nachdem somit eine theoretische Lösung vorhan- den ist, ist es als nächstes erforderlich, einen Wellenleiter zu entwerfen, dessen Dimensionen mit den Obigen Beziehungen übereinstimmen. Unter dieser Voraussetzung wird eine Proberechnung durchgeführt werden, und zwar für ein Erzeugnis mit einer rela- tiven Dielektrizitätskonstante e, einem Verlustfaktor e", einer Dicke c und einer Breite d. Beispielsweise sei angenommen, daß die Mikrowellenenergie mit einer Frequenz von 915 MHz anzulegen ist.

Zunächst muß festgestellt werden, daß die Breite 26 des Wellenleiters 10, welche zur Gewährleistung einer maximalen Heizwirksamkeit so dicht wie möglich bei der Breite (d) des Erzeugnisses liegen sollte, derart ist, daß kein anderer Modus außer einer TE₀₁-Welle getragen werden kann. Bei 915 MHz wird eine halbe Wellenlänge ungefähr bei 16,4 cm im freien Raum liegen. Es ist daher wichtig, daß die Breite 26 des Wellenleiters 10 etwas schmaler als dieser Betrag gewählt wird.

Der nächste Schritt in der Rechnung ist die Be-Stimmung der Grenzstellenhöhe (H_c) des Wellenleiters an seinem schmalen Ende bzw. der Grenzstelle 14. Die Grenzstelle ist definiert als derjenige Punkt des sich verjüngenden Wellenleiters 10, wo für eine konstante Frequenz und Wellenleiterbreite die charakteristische Admittanz des Wellenleiters 10 zu Null wird und der Wellenleiter nicht mehr in der Lage ist, eine Wanderwelle aufrechtzuerhalten, was dazu führt, daß die sich fortpflanzende Leistung zu Null wird. Um die Höhe des Wellenleiters an der Grenzstelle (H_c) zu finden, ist es zweckmäßig, sich solcher Kurven zu bedienen, wie sie in F i g. 3 dargestellt sind. Diese Kurven stellen die Wellenleiter-Admittanz

(Y) als Funktion der Leiterhöhe (H) für Stoffe mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten dar. Die zur Erreichung der in F i g. 3 dargestellten Kurven notwendigen Rechnungen erfordern die Lösung von s multanen transzendenten Gleichungen für feste Frequenz- und Dielektrikumparameter. Im Falle der Kurven gemäß F i g. 3 wurden eine Frequenz von 915 MHz und ein Dielektrikum mit einer Dicke von 5,08 cm und einer Breite von 10,16 cm gewählt. Wenn man ferner voraussetzt, daß die relative Dielektrizitätskonstanten des Stoffes (e) 3 beträgt, läßt sich aus den Kurven gemäß F i g. 3 ersehen (beim Punkt a), daß die Grenzstellenhöhe (H_c) ungefähr 10 cm beträgt.

Nach der Bestimmung der Grenzstellenhöhe (H_c) des Wellenleiters besteht der nächste Schritt darin, die Höhe (H₁) des Wellenleiters an seinem Eingangsende 12 und sodann die Höhe an verschiedenen Zwischenstellen zu bestimmen, woraus sich die Form der Verjüngung ergibt. Um die Eingangshöhe (H₁) zu bestimmen, ist es zunächst erforderlich, den Wert eines Parameters zu berechnen, der als die Konduktanz (C) des Dielektrikums bezeichnet wird und folgendermaßen definiert ist:

= oje_n e

(4)

worin:

ω — 2 π F; e_n' ist die Dielektrizitätskonstante des freien

Raumes;

e" ist der Verlustfaktor für das gegebene
Dielektrikum;

C ist die Dicke des Dielektrikums, und
d ist die Breite des Dielektrikums.

Wenn man annimmt, daß man die berechnete Konduktanz (G) mit 0,0394 mS/cm gefunden hat und willkürlich eine Leiterlänge (L) von ungefähr 40,6 cm gewählt hat, so findet man die Eingangshöhen (H₁) durch Multiplizieren der Konduktanz (G) und der Länge (L), woraus sich eine reine Leitwertdimension ergibt, in diesem Fall 1,6 mS. Wenn man in die Kurven der F i g. 3 geht und der Ordinate beim Punkt 1,6 mS quer bis zur Kurve folgt, die einem e von 3 folgt, liest man auf der Abszisse (beim Punkt b) eine Leiterhöhe von ungefähr 14 cm ab, welches die Eingangshöhe (H₁) des Leiters ist. Es ist wichtig zu beachten, daß die Eingangshöhe so gewählt werden muß, daß kein anderer TE-Modus getragen werden kann, als ein TE₀₁-Modus, d. h. ein TE₀.,-Modus, und da die Eingangshöhe (//,) eine Funktion der Leiterlänge ist, wie gezeigt wurde, sollte die Länge so gewählt werden, daß sie dieser Anforderung genügt.

Nachdem somit die Endhöhen (H, und H_c) des Wellenleiters bestimmt worden sind, findet man die Zwischenhöhen durch Interpolation. Bei diesem Beispiel wird die Länge des Leiters (L) so definiert, daß sie am Eingangsende (//,= 14 cm; Y= 1,6 mS) gleich Null und am Ausgangs- oder Grenzende (H_c = 10 cm; F = OmS) gleich 40,6 cm ist Bei L gleich 10,16cm und y = l,2mS würde die Leiterhöhe (H) 12,2 cm betragen. Bei L = 10,3 cm und y=0,8mS würde //=10,9 cm betragen. Und bei L=30,4 cm und Y = 0,4 mS wäre H = 10,3 cm. Zusätzliche Zwischenstellen werden auf ähnliche Weise bestimmt. Es läßi

509628/9;

1515

1 /DOlOU

sich feststellen, daß die so bestimmte Form einer sich langsam ändernden (d. h. nichtlinearen) Verjüngung entspricht.

Zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, angewandt auf einen Gefriertrocknungsprozeß, wird das zu trocknende Nahrungsmittel zunächst in einen gefrorenen Zustand gebracht. In diesem Zustand wird es dann einer Atmosphäre ausgesetzt, die derart ist, daß der Partialdruck des darin enthaltenen Wassers niedriger ist als der Sättigungsdampfdruck des gefrorenen Nahrungsmittels. Das Vorhandensein einer derartigen Atmosphäre erlaubt die Sublimierung des gefrorenen Wassers im Nahrungsmittel während der folgenden Wärmebehandlung. Ebenfalls in dieser Atmosphäre befinden sich ein oder mehrere sich verjüngende Wellenleiter, die gemäß der Merkmale des Nahrungsmittels ausgelegt sind, wie oben erläutert wurde. Das gefrorene Nahrungsmittel wird dann entweder im Wellenleiter festgehalten oder durch diesen hindurchgeführt und dabei der sich darin ausbreitenden Mikrowcllenenergie ausgesetzt, was dazu führt, daß das Wasser unmittelbar in den gasförmigen Zustand verdampft. Um die Massenüberführung dieses Dampfes von dem Wellenleiter zu erleichtern, kann der Leiter mit einer Reihe schmaler Schlit/e 28 (oder Löcher) versehen werden, die so angeordnet sind, wie in F i g 4 dargestellt ist.

Während sich die Leistung durch den Wellenleiter fortpflanzt, wird sie sich auf Grund der Absorption durch das Nahrungsmittel in Folge von dessen dielektrischen Verlusteigenschaften abschwächen. Infolge der abnehmenden Admittanzcharaklensuk des Wellenleiters wird jedoch ein gleichmäßiges elektrisches Feld aufrechterhalten. Wie oben erläutert wurde, wird das zu behandelnde Nahrungsmittel auf diese Weise durch die gesamte Länge des Wellenleiters im wesentlichen einer gleichmäßigen Wärmedichte ausgesetzt. Nach dtm Verlassen des Wellenleiters kann das Nahrungsmittel entweder aus der gesteuerten Atmosphäre entfernt und verpackt werden, oder es kann auch zum Zwecke einer weiteren Trocknung vor der Entfernung und Verpackung in der Atmosphäre durch zusätzliche Wellenleiter geleitet werden.

Obwohl das beschriebene Ausführungsbeispiel eine kontinuierliche Behandlung zum Gegenstand hat, gilt der Vorteil der gleichmäßigen Erwärmung, der dieser Form eine Anwendungs- oder Behandlungsvorrichtung mit einem sich verjüngenden Wellenleiter innewohnt, ebenso für ein schicht- oder portionsweises Verfahren, bei welchem das Nahrungsmittel während eines Behandlungszyklus stillsteht.

In F i g. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem zwei sich ver jungende Wellenleiter 10 derart in Reihe geschaltet sind, daß ihre Leistungseingangsenden 12 zusammentreffen. Die sich fortpflanzende Energie wird über die Antennensonden gleichzeitig in beide Richtungen entlang der Länge eines jeden Wellenleiters eingespeist. Dies hat zur Folge, daß die Zahl der Welleneingänge bzw. der Koaxialleitungen 22 je Wellenleiter sich verringert, so daß die Gesamtkosten des Verfahrens weiter gesenkt werden. Bei einer großen Anlage für kontinuierlichen Betrieb können mehrere solche Reihenabschnitte in Kaskade geschaltet werden.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde vorausgesetzt, daß die komplexe Dielektrizitätskonstante (e' — je") des behandelten Stoffes während des gesamten Verlaufes der Behandlung konstant bleibt. In der Praxis wird sich jedoch der Wert dieses Parameters ändern, und zwar beispielsweise mit dem Ansteigen der Temperatur des Dielektrikums und mit der Sublimierung der gefrorenen Feuchtigkeit im Falle der Gefriertrocknung. Diese Änderung kann jedoch dadurch kompensiert werden, daß man dii Ausführung von aufeinanderfolgenden Kaskadenab schnitten derart ändert, daß die verschiedenen Abschnitte mit den voraussichtlichen Eigenschaften des Dielektrikums beim Durchlaufen des jeweiligen besonderen Abschnittes übereinstimmen, oder beim Erfordernis zusätzlicher Genauigkeit dadurch, daß man solche Änderungen beim Entwurf der einzelnen Abschnitte berücksichtigt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung können für die Gefriertrocknung dienen, oder auch für zahlreiche andere Heiztechniken, gleichgültig, ob sie wie im Falle der Gefriertrocknung in einer kontrollierten Atmosphäre oder bei normalen atmosphärischen Verhältnissen durchgeführt werden.

In Γ i g. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt, welches sich besonders gut für die kontinuierliche Trocknung oder Härtung von relativ dünnen Stoßen wie Textilien, Papier, Sperrholz, Klebestoffen, Kunststoffen usw. eignet. Wie in F i g. 5 gezeigt ist, wird der dünne Stoff JO nicht entlang der Längsrichtung des Wellenleiters 10, sondern durch seine Breite geführt, während die Richtung der Wanderwelle und der elektrischen Feldverteilung so bleiben, wie es an Hand von F i g. 1 erläutert wurde. Eine derartige Gestaltung wird häufig wünschenswert sein, wenn die Breite des zu trocknenden Stoffes größer ist als die maximale Breite, auf welche der Wellenleiter ausgelegt werden kann, ohne daß unerwünschte Wellenmodi entstehen. Wie in F i g. 5 dargestellt ist, können mehrere Wellenleiter einer neben dem andederen angeordnet sein, d. h. Seite an Seite, und ein in ihren Seiten vorgesehener dünner Schlitz erlaubt das Hindurchführen des Stoffes. Die erforderliche Anzahl der Wellenleiter hängt von der gewünschten Bewegungsgeschwindigkeit des Stoffes und von der Höhe der angelegten Leistung ab. Häufig wird der Stoff 30 dank seiner Zusammensetzung so starr sein, daß er sich selbst hält und ein Transportband 16 überflüssig ist. Ferner zeigt F i g. 5 eine abweichende Methode zur Einkopplung der Mikrowellenleistung in den Wellenleiter, und zwar unter Verwendung von Rahmen oder Schleifen 27.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

1515

Claims

765 150 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Erhitzen eines verlustbehafteten dielektrischen Materials mit elektromagnetischer Energie, die sich in Längsrichtung eines zur Aufnahme des Materials dienenden, sich in Längsrichtung verjüngenden Wellenleiters von dessen größerem Ende zum kleineren Ende hin fortpflanzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngungskontur des Wellenleiters (10) derart festgelegt ist, daß das Verhältnis zwischen der sich fortpflanzenden Energie und der Admittanz des Wellenleiters für die Energie in der Längsrichtung konstant bleibt, wenn sich das Material im Wellenleiter befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den sich nicht linear verjüngenden Wellenleiter (10) die Mikrowellenenergie derart anlegbar ist, daß sie sich längs der sich verjüngenden Flächen im Inneren des WeI-Jenleiters fortpflanzt, und daß das Material von einer Trag-Vorrichtung (16) im Wellenleiter an einer Stelle gehalten wird, an der es vom maximalen elektrischen Feld der Mikrowellenenergie durchdrungen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung (16) das Material kontinuierlich in den Wellenleiter (10) hinein und aus diesem heraus fördert.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Fläche des Wellenleiters (10) mehrere öffnungen (28) zur Entlüftung der Feuchtigkeitsdämpfe aus dem Wellenleiter vorgesehen sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Energie im Wellenleiter vom TE₀₁-Modus ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wellenleiteranordnung (10) mit einer ersten sowie einer zweiten hohlen Kammer (10) vorgesehen ist, durch welche jeweils das Material (18) hindurchführbar ist, welche sich jeweils längs einer ihrer Dimensionen nicht linear verjüngen und welche längs dieser Dimension axial fluchtend mit ihren größeren Enden (12) zusammentreffen, und daß an diesen größeren Enden der Kammern die elektromagnetische Energie derart anlegbar ist, daß Sie sich längs der sich verjüngenden Strecken der Kammern fortpflanzt, wobei der Verjüngungsgrad der Kammern so gewählt ist, daß sich das konstante Verhältnis zwischen der sich in jeder Kammer fortpflanzenden Energie und der Admittanz jeder Kammer bezüglich der Energie längs der tich verjüngenden Strecke beim Vorhandensein des Stoffes in der Kammer einstellt (F i g. 4).

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiteranordnung eine Mehrzahl von Wellenleitern (10) mit nichtlinearer Verjüngung längs einer ihrer Dimensionen aufweist, die derart angeordnet sind, daß die sich verjüngenden Flächen aller Wellenleiter übereinstimmen und eine kontinuierliche, sich verjüngende Fläche bilden, daß die Wellenleiter Öffnungen aufweisen, durch die das zu behandelnde Material (30) in einer quer zur sich verjüngenden Dimension liegenden Richtung durch jeden Wellenleiter hindurchführbar ist, daß elektromagnetische Energie an den größten Enden jedes Wellenleiters derart zuführbar ist, daß die Energie sich in jedem Wellenleiter längs der sich verjüngenden Dimension fortpflanzt, und daß der Grad der jeweiligen Verjüngung so gewählt ist, daß sich das konstante Verhältnis zwischen der sich fortpflanzenden Energie und der Admittanz des Wellenleiters bezüglich der Energie längs der skh verjüngenden Strecke beim Vorhandensein des Stoffes in jedem Wellenleiter einstellt (F i g. 5).