CN110786077A - 用于加热材料的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是关于一种用于加热材料的装置，其包含朝向待处理材料表面(2)开放的的空腔共振器(3)，其空腔是形成在至少一个外侧面(4)的内侧，其中该至少一个外侧面(4)是由会反射微波辐射(6)的材料所组成；至少一个设置在该空腔内部或外部的微波源(5)，该微波源(5)是用于使微波(6)进入空腔中，其中该微波源(5)使该微波(6)的至少一部分以尽可能平行于该材料表面(2)的方式进入空腔内部，其中该空腔共振器(3)的几何形状是以这样的方式被选定，即该由微波(5)所发射和/或在外侧面(4)反射的微波(6)是尽可能平行地进入材料(2)，其中该由微波(5)所发射的微波(6)波长是该材料厚度的至少一半。

Description

用于加热材料的装置和方法

技术领域

本发明关于一种用于加热材料的装置和方法。

背景技术

微波可用于修复损坏的沥青复层，例如在道路上的路面凹坑。在此通过借助微波加热沥青材料的方法而将微波施加到待处理表面，其例如叙述在美国专利4,594,022、4,319,856、4,175,885、4,252,459或4,252,487中。从US 5,441,360 A、US 5,092,706 A、US4,849,020 A中已知的是，在沥青复层的回收期间使用了吸收微波辐射的材料。

在CN 101736671 A和CN 101906745 A中也描述了类似的方法和组成，其中沥青混合物还包含有许多其他成分，如磁性粉、铁粉、玄武岩和碳化硅。这样的沥青混合物被描述在发明人的公开文件DE 10 2015 108 862 B4中。该混合物能在微波处理期间，达到材料中的最佳热分布。

根据如前所述改善的需求，是提高材料在微波处理时的效能与效率。一个起点是用于将微波引入材料的共振器的设计。DE 196 33 245 C1描述一种用于基材高温处理的高模微波共振器(High-mode microwave resonator)。该共振器是棱柱形、并相对其纵轴对称的空腔，该空腔具有均匀多边形横截面，特别是具有六边形横截面，而且是由在预期过程中所适用的高导电性金属材料所构成。在共振器中微波的耦合是从两个平坦端面之一进行。耦合微波辐射的束线轴是以其倾斜于两个邻接外侧面段的最近边缘的方式来对准。必须要将待加热的烧结材料引入共振器中。

DE 103 29 411 B4描述一种用于以微波进行基材高温处理且同样具有均匀凸出多边形、至少六边形横截面的高模微波共振器，以及由这种微波共振器模块所构成的生产线。在该微波共振器中，沿着至少一个外侧面纵向边缘对称地将微波用的一对耦合结构引入共振器壁中。微波辐射的耦合使得其第一反射是在两个邻接的外侧面段之间反射，并且被分成两束辐射线。待加热的工件被导入至处理空间中。

在已知的共振器中，物体的加热是发生在共振器的内部空间。材料表面或材料的处理通常是随机进行，而这使得已知的共振器或方法效率很低。

发明内容

鉴于此背景本发明的目的在于提供一种与现有技术相比，在效率与效能方面有改善的微波共振器和方法，其等被设计成以微波对片状材料的整个厚度进行加热。

此目的是通过一种根据权利要求1的用于加热材料的微波共振器与权利要求8的方法来达成。

本发明是关于一种用于加热材料的装置，其包含：

空腔共振器，其朝向待处理的材料表面开放，该共振器的空腔形成在至少一个外侧面的内侧，其中该至少一个外侧面是由用于反射微波辐射的材料所组成；

配置在空腔内侧或外侧的至少一个微波源是用于使微波进入空腔中。

本发明装置的特征在于，该微波源使微波的至少一部分以尽可能平行于在空腔内部中材料表面的方式进入，其中该共振器空腔的几何形状被选择成使得由微波源发射和/或在外侧面反射的微波尽可能平行地进入材料中，其中由微波源所发射的微波波长是该材料厚度的至少一半。

因此，由于微波的运行距离增长，而使得该装置允许辐射线在侧向回馈时有更长的停留时间。并以此提高对待处理表面的作用时间。

在本发明中，使用了朝向待加热材料的材料表面开放的空腔共振器，其空腔是由至少一个外侧面所构成。空腔的至少内侧是由用于反射微波辐射的材料所构成。对此，优选的是具高导电性的金属材料，例如银、铜、金、铝、不锈钢或金属合金。

空腔的内部或外部配置有至少一个微波源，微波的至少一部份是以尽可能平行于材料表面的方式进入空腔中。较佳的是该装置被设计成能使得大多数微波是以垂直相位被引入空腔内部。垂直相位相对于水平或圆形相位是较佳的，因为在这种情况下，微波的波谷可完全地进入材料中。对于微波的偏振，可以使用本领域技术人员已知的微波偏振器。

「尽可能平行」在本发明中意味着，微波是以具有相对于表面在0°和15°之间的角度、优选的是0°和5°之间的角度、优选的是小于3°的角度的辐射宽度范围来进入空腔。当微波以几乎0°的角度、即以完全平行于材料表面进入时，将达到最佳效果。

在较佳的变型中，当微波在进入空腔时没有直接被待处理的材料吸收，则会在空腔中形成驻波，在该驻波中，随着每一次的反射，反射微波的一部分会被该待加热的材料吸收。

根据本发明，空腔共振器的几何形状被选择成使得由微波源发射和/或在外侧面反射的微波尽可能平行地进入材料中。这样的优点在于，电磁波的波谷能到达材料深处并在那里被吸收。为实现该目标，可采用不同多边形的设计，其中优选的是多边形的几何形状。在优选的实施例中，多个外侧面互相连接，形成具有N个角形截面的空腔共振器，其中N大于2。较佳的是该空腔共振器的横截面为六边形。

优选的是在微波进入空腔中的位置与微波第一次被反射的位置之间的距离，是由微波源所发射微波的半波长的整数倍。以此可在空腔共振器中形成驻波。

优选的是选择微波的施加，使得微波电性成分的振幅以电场形式施加在整个材料厚度中的材料。优选的是根据待处理的材料厚度来设置振幅强度。

为了提升微波处理的效能与效率，根据本发明，由微波源所发射微波的波长是相对材料厚度的至少一半，优选为材料厚度的两倍。这样的优点在于，深层的材料层也会被一同加热。频率或波长的调整是取决于待处理材料、材料密度或材料厚度。这些参数也可保持灵活并进行对应调整。根据空腔共振器的几何形状亦可选择性地添加额外的微波源。

在装置与方法中所使用的微波源优选是漂移管

例如放大器、磁控管、稳频管(Stabilotron)、行波管

返波器(Carzinotron)或调速管(Klystron)。亦可使用其他微波源。根据本发明，在此频率应是来自从300MHz到300GHz、优选是20GHz到200GHz之间的频率范围。20GHz到200GHz之间的频率范围涵盖了具有至少3cm到0.3cm材料厚度的材料处理。为了将微波源安装在空腔外部，有利的是将微波源与波导或天线耦合。例如，将波导或天线通过在共振器壁中的开口而插入空腔中，并以此将微波引入空腔中。此外，与微波源连接的共轴线或波导亦包含在本发明中。

为了提高驱动安全性，有利的是将至少一个感测器装在开放空腔共振器的内层面和/或外表面，其监视空腔共振器的斜角变化，并且例如在空腔共振器倾斜时产生电性信号，该信号会转传至控制单元，而以此关闭微波源。例如可使用压力感测器、温度感测器、斜角感测器或辐射感测器。

本发明装置的使用目的是例如在修复路面的过程中，对沥青表面的处理。对此，本发明装置的可运输式实施方式是符合其目的。因此，在优选实施例中，用于可相对于材料表面移动装置的额外起落架是被装置在空腔共振器。较佳是该起落架的高度能够调整，以此选择该空腔共振器至材料表面的最佳高度距离。具优势的是可以调节空腔共振器相对于材料表面在起落架的高度，此亦可是越过不平坦的材料表面。起落架还具有另一个优点，即本发明的装置可以轻松地从一个工作位置滚动到另一个位置。

在替代实施例中，该装置包含输送带，于其上有待加热的材料。材料可经由该输送带在空腔共振器的开放侧下方移动并被施加微波，以此亦能加热平坦材料。输送带还有另一个优点，即可多种材料装载在输送带上并被传送到空腔共振器。一或多个空腔共振器的配置可在该输送带的上和/或下方执行，其中共振器的开放侧是面向输送带。

在优选的实施例变型中，至少两个空腔共振器是并列配置，以此可平行地处理材料段。在每个空腔共振器中，微波被配置成使该微波的至少一部份是尽可能平行于材料表面运行。在此，每个空腔共振器具有自己的微波源和/或微波源的微波在分束器中被分开，并透波导和/或天线而被导入各自的空腔共振器中。所传送微波的波长应对应材料厚度的至少一半，较佳是材料厚度的两倍。空腔共振器在材料线的布置也可以顺序进行。在串行布置中，具有不同振幅和/或波长的材料可以被相继处理。

本发明的主题亦是一种加热材料的方法。在本发明的方法中提供空腔共振器，其中其空腔是形成在至少一个外侧面的内侧，以及至少一个外侧面是由用于反射微波束的材料所构成。在方法的另一步骤中，将空腔共振器配置在待处理的材料表面上，使得该空腔共振器朝向该待处理的材料表面开放。在方法的又一步骤中，产生具有对应于材料厚度至少一半的波长的微波。优选是材料厚度的两倍。将微波以该微波的至少一部份是尽可能平行于材料表面的方式引入空腔共振器的空腔中。在此，开放空腔共振器的几何形状是以该引入的微波和/或反射的微波能够尽可能平行进入材料的方式被选定。为了确定空腔共振器的最佳几何形状，可借助已知的数值模拟程序。亦可根据测量来确定最佳几何形状。

由于根据所引入微波的辐射宽度，通过共振器壁的不平整或其他影响，而会在共振器的空腔中会产生散射辐射，在优选的实施例中提供至少一个反射组件，其将散射辐射重新导至材料上。在空腔共振器内部中反射组件的几何形状、折射率和/或位置优选是以这样的方式选择，即入射到反射组件上的微波是以在待加热材料的材料表面的方向上被反射、折射和/或衍射。因此，几乎所有被引入空腔共振器中的光子都可以被用来加热材料。在空腔共振器中反射组件的几何形状、折射率和位置可通过测量或数值模拟程序来确定适合各自共振器的几何形状。

附图说明

本发明将在以下的实施例中进一步说明，其中显示：

图1根据优选实施例，将在侧视图中显示具有微波源的空腔共振器定位在材料表面；

图2在空腔共振器中形成驻波的示意图；

图3根据图1，以侧视图显示具有微波源的空腔共振器，其具有额外配置的感测器；

图4装置的进展；

图5装置的替代性进展。

具体实施方式

图1显示用于加热材料2的本发明装置1的实施例。材料2在此是显示视为平坦表面。空腔共振器3在这里显示为具有多个平面的六边形，其是由六个外侧面段4所构成，并布置成使得其开放侧朝向材料表面2。产生微波6(见图2)的微波源5是配置在空腔共振器3的外部。根据本发明，微波6的波长是对应于材料2的材料厚度的至少一半。来自微波源5的微波6通过波导7，经由空腔共振器上的微波进入点(在此显示为窗口)，以尽可能平行于材料表面2的方式进入空腔内部中。在共振器的首部侧装有用于提举空腔共振器3的提柄。

图2显示在空腔共振器3中形成固定电磁微波的示意图。垂直极化的微波6从微波源5被引入共振腔内部，并以平行于材料表面2的方式在空腔共振器3中传播。在外侧面4的内侧，微波6被反射并导致驻波。优选是微波6的波谷达到整个材料厚度，但较佳的是达到材料2的材料厚度的一半以上。在所显示的实施例中，微波6电场的振幅是贯穿整个材料厚度。微波6的波长是以其对应于该材料2的材料厚度的至少一半来选择。空腔共振器3的长度是以其具有该半波长的整数倍来决定。在显示的实施例中，空腔共振器的长度是五个半波长。

图3显示在图1中所示装置1的优选实施例。另外还显示了感测器8a和8b。感测器8a是压力感测器，其检测空腔共振器3的倾斜，因为这会导致在感测器8a上重量压力的减小或增加。感测器8a是与微波源5(未示出)连接。当空腔共振器3倾斜时，感测器8a会传送电信号至微波源5的控制单元，使得该微波源5被立即关闭。术语「连接」亦包含无线连接的方式。感测器8b例如是辐射感测器，其检测泄漏的辐射并且当所测量到的辐射辐射值超过目标值时，将微波源5关闭。感测器8b亦可是温度感测器，其检测外侧面4的外部温度，并且当该外侧面4的温度过高时，同样地传送电信号至微波源5的控制单元，而使得该微波源5被立即关闭。

在图4中所示装置的进一步发展提供了起落架9，例如空腔共振器3悬挂在该起落架9。该空腔共振器3可以在材料表面2上方移动，以对其进行加热。微波源5被装在共振器3上，而使其能一起移动。

图5中显示了本发明的进一步发展，其例如是由两个并列设置的空腔共振器3a和3b所组成。材料2是在输送带10上，并以可选择的速度v在空腔共振器3a的下方被传送到空腔共振器3b。每个空腔共振器3a都有自己的微波源5。微波6通过波导7被导入共振腔内部。

在未显示的实施例中，空腔共振器3的内部包含至少一个反射组件，在空腔共振器中反射组件的几何形状、折射率和/或位置是以这样的方式被选定，即入射到空腔共振器内部空间中的辐射会在待加热材料2的材料表面方向上被反射、折射和/或衍射。

以上所述的实施例及/或实施方式，仅是用以说明实现本发明技术的较佳实施例及/或实施方式，并非对本发明技术的实施方式作任何形式上的限制，任何本领域技术人员，在不脱离本发明内容所公开的技术手段的范围，当可作些许的更动或修饰为其它等效的实施例，但仍应视为与本发明实质相同的技术或实施例。

Claims (14)

1.用于于加热材料的装置，包含：

空腔共振器(3)，其朝向待处理的材料表面(2)开放，该空腔共振器(3)的空腔是在至少一个外侧面(4)的内侧形成，其中该至少一个外侧面(4)是由用于反射微波辐射(6)的材料所组成；

至少一个配置在该空腔内部或外部的微波源(5)，其用于使微波(6)进入该空腔，

其特征在于该微波源(5)使微波(6)的至少一部分是以尽可能平行于该材料表面(2)的方式进入空腔内部，其中该空腔共振器(3)的几何形状是这样被选定，该由微波源(5)所发射和/或在该外侧面(4)反射的微波(6)是尽可能平行地进入材料(2)，其中从微波源(5)所发射的微波(6)的波长对应于该材料厚度的至少一半。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于多个外侧面(4)是互相连接，并建构出一具有n-角形横截面的空腔共振器(3)，其中n大于2，且该微波(6)进入该空腔中的位置与该微波(6)第一次被反射的位置之间的距离，是对应于该从微波源(5)所发射微波(6)的半波长的整数倍。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的装置，其特征在于该空腔共振器的横截面是六边形。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于该空腔共振器的空腔的至少内侧是由银、铜、金、铝、不锈钢或金属合金所构成。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于进入空腔中的大多数微波是垂直极化。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于该微波源是一与波导(7)、同轴电缆或天线耦合的漂移管，并产生频率范围在300MHz到300GHz的微波束(6)。

7.根据权利要求中1至6任一项所述的装置，其特征在于至少一个感测器(8)装设在开放的空腔共振器(3)内表面和/或外表面，在此当测量值相对于目标值有变化时产生电信号，该电信号被转传至控制单元，因此该至少一个微波源(5)会被该控制单元关闭。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于在空腔共振器(3)装设额外的起落架(9)，该起落架(9)使该装置能相对于材料表面(2)移动。

9.根据权利要求8中所述的装置，其特征在于该起落架的高度是可变化。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于在待加热材料(2)的下方设有输送带(10)，因此该待加热材料(2)能在该空腔共振器(3)的下方移动。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其特征在于至少两个空腔共振器(3a,3b)是并列配置，且该微波源(5)使得微波(6)的至少一部分是以尽可能平行于该材料表面(2)的方式进入每个空腔内部，其中从微波源(5)所发射的微波(6)的波长对应于该材料厚度的至少一半。

12.用于加热材料的方法，包含以下步骤：

a)提供开放的空腔共振器(3)，其中该空腔共振器(3)的空腔是形成在至少一个外侧面(4)的内侧，其中该至少一个外侧面(4)是由用于反射微波辐射(6)的材料(2)所组成；

b)将空腔共振器布置在该待处理的材料表面(2)上，使该空腔共振器朝向该材料表面(2)开放，其特征在于该方法具有以下步骤：

c)产生微波(6)，其具有对应该材料厚度至少一半的波长；

d)微波(6)进入该空腔共振器(3)的空腔中，其中该微波(6)的至少一部分是以尽可能平行于材料表面(2)的方式进入空腔内部，并且该开放空腔共振器(3)的几何形状是以该所进入的微波(6)和/或被反射的微波(6)能尽可能平行地进入材料(2)的方式所选定。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于在开放的空腔共振器(3)内部设置至少一个反射组件，而其几何形状、折射率和/或位置是这样被选定，即入射到该反射组件的微波(6)会在待加热材料(2)的材料表面(2)的方向上被反射、折射和/或衍射。

14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，其特征在于根据步骤d)的微波是以具有相对于在空腔中材料表面在0°和15°之间的角度、优选是0°和5°之间的角度、优选是小于3°的角度的辐射宽度范围来进入空腔。

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