DE970036C

DE970036C - Einrichtung zur Erzielung eines satten Anschmiegens der Elektroden bei der Hochfrequenzbehandlung

Info

Publication number: DE970036C
Application number: DEP43849A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Karl Fischer; Emil Walther
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1949-05-25
Filing date: 1949-05-25
Publication date: 1958-08-14

Description

Einrichtung zur Erzielung eines satten Anschmiegens der Elektroden bei der Hochfrequenzbehandlung Es ist bekannt, Stoffe verschiedenster Art im elektromagnetischen Hochfrequenzfeld zu behandem, insbesondere zu erwärmen. Hierfür kann entweder ein hochfrequentes Kondensatorfeld oder ein hochfrequentes Spulenfeld verwendet werden, je nachdem ob für die Bildung des Hochfrequenzfeldes ein in einen hochfrequenten Schwingungskreis eingeschalteter Kondensator oder eine in einen solchen Schwingungskreis eingeschaltete Spule henutzt wird. Während Spulenfelder vorzugsweise zum Erwärmen von Metallen, also elektrisch gut leitenden Stoffen, verwendet werden, behandelt man nicht oder schlecht leitende Stoffe gewöhnlich im Kondensatorfeld. Beispielsweise können thermoplastische Kunststoffe in einem Kondensatorfeld verschweißt, Metalle in einem Spulenfeld verlötet werden. Da sich bei einer an einen Hochfrequenzerzeuger angeschlossenen Spule das Hochfrequenzfeld rings um den Leiter der Spule herum bildet, kann nicht nur das innerhalb der Spule entstehende Feld nutzbar gemacht werden, sondern auch das die Spule umgebende Feld. Eine Feldspule kann daher auch so ausgebildet werden, daß ein Teil des Spulenleiters gestreckt, also z. B. stabförmig ist; ein solcher gestreckter Spulenleiter kann z. B. für das Löten der Längsnaht einer Konservendose verwendet werden.
Im folgenden sei zunächst auf die Erscheinungen im Kondensatorfeld Bezug genommen: Es ist unvermeidlich, daß das Behandlungsgut, z. B. zu verschweißende Folien, nicht an allen Stellen von gleichmäßiger Stärke ist. Ferner treten an den Überlappungsstellen der Folien größere Mateterialstärken auf als an den übrigen Stellen. Werden nun hierbei starre Elektroden verwendet, so entstehen an manchen Stellen Luftspalte. Wegen der Verschiedenheit der Dielektrizitätskonstante der Luft und der des Behandlungsgutes tritt an den Luftspalten nahezu die gesamte Spannung auf mit der Folge, daß in dem Luftspalt sich ein Durchschlag auszubilden beginnt, der sich zu einem Gesamtdurchschlag weiterentwickelt. Das Behandlungsgut wird an der betreffenden Stelle zerstört.
Je nach dem Verhältnis der Stärke des Luftspaltes und des Behandlungsgutes kann auch eine solche Spannungsverteilung eintreten, daß zwar ein Durchschlag noch vermieden wird, daß aber alsdann die am Behandlungsgut liegende Spannung zur Herbeiführung einer guten Schweißverbindung oder einer guten Erwärmung nicht mehr ausreicht. Es treten infolgedessen an der betreffenden Stelle des Behandlungsgutes Fehler auf, z. B. in Gestalt einer mangelhaften Schweißverbindung.
Es sind daher bereits Anordnungen zum Erhitzen der Oberfläche elektrisch schlecht leitender Körper mittels den Körper durchsetzender elektrischer Ströme oder Wechselfelder bekanntgeworden, bei denen zwischen mindestens einer Elektrode und einem dieser parallelen starren Druckkörper eine elastische Zwischenlage, beispielsweise aus Gummi, vorgesehen ist. Ferner ist es bekannt, die Elektroden aus biegsamen Metallstäben, z. B. aus Stahlschienen, herzustellen und mit selbsttätig oder einstellbar nachgiebigen Anpreßmitteln zu versehen. Mit diesen bekannten Einrichtungen ist zwar eine gewisse Verbesserung im Sinne eines Anschmiegens der Elektroden an das Gut und dadurch verhinderter Luftblasenbildung erzielbar; bei diesen bekannten Einrichtungen ist es jedoch nachteilig, daß sie noch eine so große Steifigkeit haben, daß scharfe oder unvermittelte Vorsprünge bzw. Einbuchtungen des Gutes einen Zwischenraum zwischen Elektrode und Gut unvermeidbar entstehen lassen.
Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden. Auch bei der Einrichtung nach der Erfindung zur Erzielung eines satten Anschmiegens der Elektroden an mindestens in einer Ausdehnung in größerer Länge anliegendem Gut bei der Hochfrequenzbehandlung bestehen die Elektroden selbst aus nachgiebigen Metallbändern, und deren Halterung ist durch Zwischenschaltung von Federn oder elastischen Teilen, z. B. Gummi, nachgiebig im Sinne einer Anschmiegung an das Behandlungsgut ausgebildet.
Gemäß der Erfindung ist mindestens an einem Ende des als Metallfolie ausgebildeten, über die nachgiebige Unterlage gespannten Metallbandes eine Spannvorrichtung zum Ausgleich von Dehnungen u. dgl. angeschlossen. Bei einer derartigen Ausbildung der Elektroden können sie jeder beliebigen Unregelmäßigkeit der Oberfläche des zu behandelnden Gutes folgen. Selbst bei scharfen Vorsprüngen ist unbedingt ein sattes Anschmiegen der Folie an das Gut gewährleistet.
Zur weiteren Erläuterung sei auf die Zeichnung Bezug genommen, in der einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind; es zeigt Fig. I eine der besseren Veranschaulichung dienende schematische Darstellung einer Einrichtung zur Hochfrequenzbehandlung, Fig. 2 eine Prinzipskizze einer Einrichtung mit einer nachgiebigen Elektrode, Fig. 3 eine gemäß der Erfindung abgewandelte Ausführung der Elektrode nach Fig. 2, Fig. 4 und 5 in Vorderansicht bzw. in Seitenansicht eine aus federnden Ringen gebildete Elektrode, Fig. 6 eine abgewandelte Ausführung der Elektrode nach Fig. 4 und 5, Fig. 7 und 8 in Vorderansicht und im Querschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel.
In Fig. I ist der besseren Anschaulichkeit halber das Schema einer Einrichtung zur Hochfrequenzbehandlung von Stoffen dargestellt, und zwar einer Einrichtung, bei der die Stoffe einem Kondensatorfeld ausgesetzt werden. Dieser Kondensator, in der Regel als Behandlungskondensator bezeichnet, umfaßt die beiden Kondensatorelektroden I und 2, von denen die Elektrode I beweglich angeordnet sein kann, während die Elektrode 2 von zwei Isolatoren 3, 4 gehalten ist. Die beiden Elektroden I und 2 sind an einen Hochfrequenzgenerator angeschlossen, der bei 5 angedeutet ist. Der zu behandelnde Stoff wird zwischen die Kondensatorelektroden I und 2 eingeführt und für eine der beabsichtigten Behandlung und der Art des Stoffes entsprechende Zeitdauer dem Hochfrequenzfeld ausgesetzt.
In Fig. 2 ist bei 6 die eine Elektrode des Behandlungskondensators dargestellt, sie ist starr ausgebildet. Die zweite, mit 7 bezeichnete Elektrode ist hingegen elastisch ausgestaltet. Sie ist aus der Grundschiene 8, der darauf aufgelegten Gummibahn g und dem darüber ausgespannten und mit den beiden Schrauben 10 und II an der Grundschiene 8 befestigten Metallband I2 zusammengesetzt. Das Band I2 kann z. B. aus Stahl bestehen. Bei I3 ist das in den Behandlungskondensator eingebrachte B ehandlungsgut dargestellt, das hier aus mehreren Lagen besteht; es kann sich z. B. um Kunststoffolien handeln, die miteinander zu verschweißen sind. Die Zahl der Lagen ist in der Mitte, bei I3 a geringer als in den Außenbereichen I3 b und 13 c. Die Darstellung gibt die wirklichen Verhältnisse der Deutlichkeit halber übertrieben wieder. In Wirklichkeit sind die in der Mitte des Behandlungsgutes wegen der geringeren Lagenzahl entstehenden Luftspalte kleiner.
Um einen praktischen Fall zu nennen, bei welchem Verhältnisse von der in Fig. 2 dargestellten Art auftreten können, sei z. B. auf das Verschweißen von Verpackungsbeuteln, die aus Kunststoff bestehen, hingewiesen. Bei derartigen Verpackungsbeuteln entstehen durch das Falten der Verschluß enden an manchen Stellen mehrere Lagen, während an anderen Stellen die Zahl der Lagen geringer ist. Würden nun beide Elektroden starr sein, so entständen in dem Bereich 13 a Luftspalte, die zu Durchschlägen und auch zu einer ungleichmäßigen Spannungsverteilung an dem zu verschweißenden Behandlungsgut und damit zu einer ungleichmäßigen Behandlung bzw. zu ungleichmäßigen Schweißverbindungen führen würden. Ist aber, wie dargestellt, die eine Elektrode elastisch, so schmiegt sich bei einem hinreichenden Arbeitsdruck die Elektrode den Unebenheiten des Behandlungsgutes bereits wesentlich besser an. Eine wesentliche Verbesserung dieser Einrichtung wird nun noch dadurch erzielt, daß wie in Fig. 3 dargestellt die die Elektrode aus einer Metallfolie I6 besteht, die über eine Gummizwischenlage 15 auf einer Grundschiene 14 befestigt ist. Dabei ist diese Metallfolie nur an einem Ende durch eine Schraube I7 mit der Grundschiene verbunden, am anderen Ende ist sie hingegen mit einem beweglichen Halter I8 verbunden, der seinerseits in der Grundschiene längs verschiebbar geführt ist und unter der Wirkung einer Druckfeder 19 steht.
Es wird auf diese Weise die Metallfolie I6 ständig gespannt gehalten.
In Fig. 4 und 5 ist eine elastische Elektrode dargestellt, bei der die eigentliche Elektrode aus Federringen zusammengesetzt ist und dadurch unmittelbar elastisch ist. Die Gesamtelektrode besteht aus einem länglichen Isolierkörper 20, einer Grundschiene 21 und aus einer Anzahl von sich unmittelbar berührenden federnden Ringen 22, die mit der Grundschiene 2I verlötet oder verschweißt sind.
Herstellungsmäßig ist es am einfachsten, für die federnden Ringe 22 nicht Einzelringe, sondern eine nach Art einer Schraubenfeder gebildete Wendel zu verwenden, deren einzelne Gänge mit der Grundschiene 21 wieder verlötet oder verschweißt werden.
Fig. 6 zeigt eine Ausführung, die sich von der nach Fig. 4 und 5 dadurch unterscheidet, daß für die einzelnen Federringe 23 ein Metalldraht von rechteckigem, vorzugsweise quadratischem Profil verwendet ist und bei der ferner die Ringebenen senkrecht zur Grundschiene 24 stehen. Hinsichtlich der Herstellung und der Verbindung der federnden Ringe mit der Grundschiene gilt das gleiche, was zur Ausführung nach Fig. 4 und 5 bereits angegeben ist.
In Fig. 7 und 8 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem zur Herbeiführung der Elastizität der Elektrode ein schlauchförmiger Körper 25 aus elastischem Stoff verwendet ist. Es kann hierfür z. B. ein Gummischlauch oder auch ein elastischer Metallschlauch benutzt werden.
Im Ausführungsbeispiel ist angenommen, daß es sich um einen Schlauch aus Gummi oder einem sonstigen elastischen, elektrisch nichtleitenden Stoff handelt. Aus diesem Grunde ist eine leitende Belegung in Gestalt einer Metallfolie 26 vorgesehen.
Sie ist, wie insbesondere aus Fig. 8 hervorgeht, über den schlauchförmigen Körper 25 gelegt und mit ihren Enden an einer U-förmigen Schiene 27 befestigt. Diese führt sich mit ihren U-Schenkeln an der Grundschiene 28 und wird durch Federn 29, die sich einerseits an der U-Schiene 27 und andererseits an der Grundschiene 28 abstützen, in der Arbeitslage gehalten. Auf diese Weise ist die Metallfolie 26 ständig gespannt. Die Grundschiene 28 wird von zwei Isolatoren 30, 31, die durch hinreichend weite Öffnungen der U-Schiene 27 hindurchgreifen und den Isolatoren 3, 4 der Fig. I entsprechen, gehalten.
Die Ausführung nach Fig. 7 und 8 zeigt noch eine Einzelheit, die auch bei den übrigen Elektroden Anwendung finden kann. Es ist nämlich ein elektrischer Heizkörper 32 innerhalb des schlauchförmigen Körpers 25 vorgesehen, um die Elektrode zu heizen.
Eine solche Heizung der Elektrode kommt insbesondere dann in Betracht, wenn der zu behandelnde Stoff sehr dünn ist. Das ist z. B. bei dem Verschweißen von Kunststoffolien der Fall. Wenngleich durch die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen die Gefahr von Durchschlägen wesentlich herabgesetzt ist, so können doch bei sehr dünnem Behandlungsgut je nach Art des betreffenden Stoffes die Verhältnisse kritisch sein. Es bedeutet demgemäß eine Weiterbildung der Erfindung zusätzlich eine Heizung der Elektrode vorzusehen; denn hierdurch wird es möglich, den Schweißvorgang mit einer kleineren Hochfrequenzspannung, als sie sonst erforderlich wäre, durchzuführen. Die mit der Herabsetzung der Hochfrequenzspannung verbundene Verminderung der Hochfrequenzerwärmung wird durch die Heizung der Elektrode wieder ausgeglichen. Auf der gleichen Linie liegt es, wenn infolge entsprechender Ausgestaltung der einzelnen Elektrode die Wärmeabfuhr möglichst klein gehalten wird. Das kann dadurch herbeigeführt werden, daß z. B. bei der Ausführung nach Fig. 3 die Zwischenlage 15 aus Gummi oder einem sonstigen schlecht wärmeleitenden Stoff gebildet wird. Die Wahl des Stoffes für die Zwischenlage 15 war oben nur unter dem Gesichtspunkt betrachtet worden, daß die Zwischenlage 15 nachgiebig, z. B. plastisch oder vorzugsweise elastisch, sein solle. Die Zwischenlage 15 kann aber zugleich auch mitbenutzt werden, um die Wärmeableitung von der Elektrode klein zu halten.
Bei der Ausführung nach Fig. 7 und 8 ist zur Heizung der Elektrode ein gesonderter Heizkörper 32 vorgesehen. Es besteht die Möglichkeit, die Metall belegung der Elektrode zur Heizung mitzubenutzen.
Das kann z. B. in der Weise geschehen, daß unter Verwendung der Ausführung nach Fig. 3 durch die folienförmige Metallbelegung I6 von einem Ende zum anderen Ende hin ein Heizstrom geleitet wird.
In diesem Falle ist naturgemäß dafür zu sorgen, daß die Metallbelegung I6 an ihren Enden nicht kurzgeschlossen ist und daß außerdem durch eine geeignete Verdrosselung ein Abfließen der Hochfrequenzenergie in den Heizstromkreis verhindert wird.
Die Heizung der Elektrode kann bei der Ausführung nach Fig. 3 auch in der Weise erfolgen, daß allein oder zusätzlich die elastische Zwischenlage 15 dielektrisch aufgeheizt wird.
Bei den Elektroden nach den Fig. 4 bis 8 erfolgt die Berührung zwischen dem Behandlungsgut und der Elektrode theoretisch nur in einer Linie. Handelt es sich darum, Schweißnähte herzustellen, so kann es erwünscht sein, daß die Schweißnähte quer zur Längserstreckung sehr schmal sind und daß an den Stellen der Schweißnähte das Behandlungsgut keine zu starke Einkerbung erfährt. Hierfür sind Elektroden erforderlich, deren Arbeitsfläche quer zur Längserstreckung schmal ist und die dennoch keine Kerbwirkung haben. Diese Bedingungen werden durch die Elektroden nach den Fig. 4 bis 8 erfüllt. Die Berührung erfolgt zunächst nur in einer Linie. Mit zunehmender Erwärmung und damit zunehmender Erweichung des Behandlungsgutes sucht sich die Elektrode zwar in das Behandlungsgut einzudrücken, es wird aber dann die Arbeitsfläche selbsttätig breiter, mit der Folge, daß die Einkerbung klein bleibt.
Es sei noch bemerkt, daß auch die zweite Elektrode nachgiebig ausgebildet werden kann. Im allgemeinen genügt es jedoch, entsprechend der Darstellung nach Fig. 2 die zweite Elektrode starr auszubilden, gegebenenfalls mit einer quer zur Längserstreckung konvex gestalteten Arbeitsfläche.
Die neue Gestaltung der Halterung für das Behandlungsgut bezweckt einmal, wie oben im einzelnen erläutert, die Vermeidung von Luftspalten.
Zum anderen führt die neue Ausbildung der Halterung auch zu einer verhältnismäßig gleichmäßigen Verteilung des Arbeitsdruckes in der Längsrichtung der Elektroden. Diese gleichmäßige Verteilung des Arbeitsdruckes kann noch dadurch erhöht werden, daß die in der Halterung vorgesehenen nachgiebigen Mittel durch einen geschlossenen, vorzugsweise mit Flüssigkeit oder Druckgas gefüllten Hohlkörper gebildet werden. Man erhält eine solche Elektrode, wenn z. B. bei der Ausführung nach Fig.7 der schlauchförmige Körper 25 nach Füllung mit einer Flüssigkeit oder einem Druckgas an seinen Enden geschlossen wird.
Die neue Halterung für das Behandlungsgut ist insbesondere zur Hochfrequenzbehandlung bestimmt, sie kann aber mit Vorteil auch dann angewandt werden, wenn die Erwärmung des Behandlungsgutes nicht mit Hilfe eines Hochfrequenzfeldes herbeigeführt wird, sondern die Erwärmung dadurch erzielt wird, daß die Elektroden selbst geheizt werden, z. B. in der oben bereits erwähnten Weise. In diesem Falle übertragen die »Elektroden« die durch Heizung erzeugte Wärme auf das Behandlungsgut. Auch hier sind die neuen Merkmale, gute Anschmiegung und gleichmäßige Verteilung des Arbeitsdruckes, von erheblicher Bedeutung; denn es wird so ein guter, gleichmäßiger Wärmeübergang erzielt.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Einrichtung zur Erzielung eines satten Anschmiegens der Elektroden an mindestens in einer Ausdehnung in größerer Länge anliegendem Gut bei der Hochfrequenzbehandlung, wobei die Elektroden selbst aus nachgiebigen Metallbändern bestehen und deren Halterung durch Zwischenschaltung von Federn oder elastischen Teilen, z. B. Gummi, nachgiebig im Sinne einer Anschmiegung an das Behandlungsgut ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens an einem Ende des als Metallfolie ausgebildeten, über die nachgiebige Unterlage gespannten Metallbandes eine Spannvorrichtung zum Ausgleich von Dehnungen u. dgl. angeschlossen ist.
2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie auch quer zur Längserstreckung der Elektrode unter Zugspannung geh alten ist.
3. Einrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie zugleich als Heizleiter zur Beheizung der Elektrode mitbenutzt ist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche der Elektrode quer zu deren Längserstreckung konvex gekrümmt ist (Fig. 7 und 8).
5. Einrichtung zur Erzielung eines satten Anschmiegens der Elektroden an mindestens in einer Ausdehnung in größerer Länge anliegendem Gut bei der Hochfrequenzbehandlung, wobei die Elektroden selbst aus nachgiebigen Metallbändern bestehen und deren Halterung nachgiebig im Sinne einer Anschmiegung an das Behandlungsgut ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode durch dicht aneinandergereihte federnde Bügel oder federnde Ringe gebildet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die federnden Ringe durch die einzelnen Gänge einer zusammenhängenden Wendel gebildet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 730782, 88I 7Io; schweizerische Patentschrift Nr. 24828I; französische Patentschrift Nr. 883 870; USA.-Patentschriften Nr. 2 109 323, 2222615, 240I 99I; Brown, Hoyler und B i erwi rth, »Radiofrequency Heating«, I948, S. 262, Fig. I.