CN113196874A - 具有单模施加器的交联设备 - Google Patents
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Abstract
为了在用于借助于微波使包含在工件(3)中的一种或多种尤其极性材料尤其橡胶交联的设备(1)中获得高效率和对在所述设备(1)中产生的微波场的良好控制，其中所述设备具有至少一个微波源，提出：所述设备具有至少一个单模施加器(4)，微波源的微波能够耦合输入到所述单模施加器中，其中至少一个单模施加器(4)具有用于引入或引出工件(3)的第一开口(20a)。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于借助于微波使包含在工件中的一种或多种尤其极性的材料尤其橡胶交联的设备，所述设备具有至少一个微波源。
背景技术
这种设备是已知的并且例如用于硫化橡胶型材。在此，通常设置长形的空腔，橡胶型材穿过所述空腔并且在所述空腔的伸展中橡胶型材用不同的方法加热并从而硫化。除了通过热空气和红外辐射加热外，也将微波馈入空腔中，这具有如下优点：所述微波穿透型材并且从内部加热，而不是仅加热表面并且热量通过热传导被运输到工件的内部中。为了将微波耦合输入到空腔中，通常在空腔的壁部中设置耦合输入切口，其中在壁部的外侧上设置有由微波源馈送的波导管以将微波输送给耦合输入切口。在波导管内部，微波以限定的并且与波导管的几何形状相关的方式传播，并且能够通过调节设备进行调整，使得在耦合输入切口处存在能量密度最大值，以至于最大可能份额的微波能量耦合输入到空腔中。同时，反射到微波源上的微波能量份额因此保持得低，以便不损伤所述微波源。
在US 4,275,283中公开了一种用UHF能量加热橡胶型材的硫化设备。该硫化设备具有由橡胶型材穿过的空腔，所述空腔在空腔的分别相对置的端部上具有多个耦合输入切口。空心波导体设置在空腔的外侧上，所述空心波导体将微波从微波源引导到耦合输入切口。调节设备设置在空心波导管的上部的侧边上。
在从JP 08108434 A中已知的主题中寻求将微波导向工件的另一方法途径。在该处公开了一种用于尤其由泡沫橡胶构成的连续型工件的硫化设备，所述连续型工件具有内部空间，所述内部空间具有热空气和微波区域。微波在此由微波源产生并且馈入柔性的波导体中，所述波导体通过内部空间直接引向工件。在所述波导体的在工件侧的端部处，所述波导体具有耦合输出开口，以便使微波直接在工件处从波导体耦合输出。
在所有从上述现有技术中已知的主题中，不利的是，微波会以几乎无法控制的方式在空腔或内部空间中传播，使得大份额的微波能量不到达待交联的材料。此外，场分布，尤其微波场的能量密度分布，从而还有型材在微波场中的位置，是无法确定的或只能在非常有限的范围内确定，使得型材是否穿过具有足够高的能量密度的区域只能听其自然。因此，在已知的设备中被型材实际吸收的那部分微波能量仅为大约20％。此外，微波由于不受控制的传播会对设备中或设备上的其他构件产生所不期望的影响。因此，例如在多个微波源彼此靠近地设置的情况下，能够发现在彼此之间不利的串扰效应。此外，微波最迟必须在其离开设备之前耗费地吸收，以便不在设备的周围造成损伤。
发明内容
本发明的目的是提供一种根据上述类型的设备，其中不存在或者在较小的程度上存在这些缺点中的至少一个。
该目的通过具有权利要求1的特征的主题来实现。本发明的有利的改进形式在从属权利要求中给出。
根据本发明，所述设备具有单模施加器，微波源的微波能够耦合输入到所述单模施加器中，其中至少一个单模施加器具有用于引入和引出工件的第一开口。单模施加器在此是如下构件，在所述构件中至少一个微波能够作为单模波传播，所述构件例如是波导管、带状导体、条状导体或空腔谐振器。波导管、带状导体或条状导体在此具有耦合输入开口和作为用于微波的耦合输出开口的另一开口，其中微波从耦合输入开口传播到耦合输出开口。
与此相比，空腔谐振器仅具有如下开口，微波穿过所述开口耦合输入并且也再次耦合输出。在此，微波在通常与开口相对置的壁部上反射，并且谐振器的长度与单模微波的波长相配合，使得产生驻波。
原则上能够任意地选择单模施加器的横截面轮廓，但其通常为矩形或圆形。单个波模式的传播能力主要由几何形状并且尤其由单模施加器的空心横截面的几何形状确定。因此，当要传输的波长小于针对相应的横截面的属于该模式的极限波长(λc)mn时，所述波模式是能够传播的。例如在高度为a和宽度为b的矩形空心型材的情况下，将极限波长(λc)mn计算为
对于在微波技术中优选使用的频率f＝2.45GHz，经由(λc)mn＝c·(fc)mn产生122.5mm的极限波长，其中c是3·1011mm/s的光速。例如，对于H10波，其中在m＝和n＝0时极限波长计算为(λc)10＝2a，产生矩形型材的为61.25mm的最小高度。型材的宽度在H10波中不起作用。在给定的几何形状的情况下也能够针对每种横截面轮廓计算用于每种波模式的极限频率(fc)mn，其中工作频率于是必须高于该极限频率。通常经由数学模拟程序进行计算。
如果将特性已知的微波馈入到单模施加器中，那么能够精确地计算或确定所产生的单模波场。由此，工件相对于微波场的位置能够被确定，使得工件位于波最大值的区域内或在波最大值的区域中穿过单模施加器并从而能够从微波中吸收尽可能多的能量并将其用于加热。此外，已知的微波场能够用于在工件的几何形状复杂的情况下通过其相对于微波场的定向给各个区域优选加载微波能量，并从而例如在橡胶密封型材硫化时选择性地设定材料特性以用于特殊应用。另一方面，在工件具有不均匀的材料分布的情况下，也可以将所有区域强度均匀地加热。
借助于这种单模施加器，通过将工件有针对性地放置在微波场中，与已知的设备相比，能够大大提高由工件所吸收的微波能量的份额。
此外，波场的体积功率密度P也能够被极大升高大，因为微波源的全部能量都集中在单模波中，使得其电场强度E增加。以W/m3为单位的体积功率密度P根据电场强度通过以下公式计算：
P＝2π·f·ε0·εr‘·tanδ·E2。
在此，f是单位为Hz的频率，ε0是单位为As/Vm的电场常数，εr'是复数的相对介电常数的实部，tanδ是极性材料的材料比损耗因子，并且E是单位为V/m的电场强度。体积功率密度在此随着场强强烈增加，因为场强以二次方形式包含在计算公式中。
通过使用根据本发明的单模施加器，因此一方面能够提高所述设备的能量方面的整体效率，由此节省生产机构。另一方面，通过可能存在的耦合输出开口辐射离开单模施加器的波能的份额也很低，使得较小地设计的吸收器足以捕获该波份额。最后，使用单模施加器的相当实质性的优点在于，由于非常高效地使用所馈入的能量，弱极性和非常弱极性的材料也能够用微波加热，直到成为通常不再称为极性的材料。
特别优选地，单模施加器被设计为，使得没有微波能够不受控制地从所述单模施加器离开，并且所产生的微波场仅在可良好地控制的内部空间中传播。不对设备的其他构件产生负面影响。为此，除了至少一个用于引入和引出工件的开口以及用于微波的耦合输入和耦合输出开口之外，单模施加器优选是闭合的。用于引入或引出工件的至少一个开口此外能够设置有密封件，以便防止微波离开单模施加器。
在一个实施方式中，单模施加器能够设计用于批运行。于是所述单模施加器仅具有用于引入或引出工件的第一开口，所述第一开口优选是可封闭的。于是工件通过所述开口引入，将开口封闭并且使工件经受微波场一段时间。然而，在一个优选的实施方式中，单模施加器设计用于连续的运行，并且除了这样的第一开口之外，还具有用于导出工件的第二开口。然后该第二开口与第一开口相对置，使得例如型材状的连续型工件能够从第一开口引导穿过单模施加器到达第二开口，如在从现有技术中已知的空腔中也是这种情况。例如，以这种方式制造用于车门的橡胶密封件。有利地，连续的工艺能够是可更好地自动化的并且具有更高的生产速度。
在具有单模施加器的连续运行的设备中，工件的运输方向能够横向于或平行于微波在单模施加器中的传播方向伸展。在第一种情况中，微波经过工件的路径虽然相对短，但是如果涉及驻波，例如在空腔谐振器中，那么为此能够有针对性地选择工件在微波场中的位置并且工件能够选择性地交联。如果工件的运输方向与传播方向平行，那么能够用单模施加器覆盖更长的距离，然而工件的每个区域吸收相同量的微波能量，因为型材相继穿过波最大值和波最小值。
在连续的过程中，也能够在设备中沿着工件的运输方向一个接一个地设置多个单模施加器并且由工件穿过。因此，例如能够设定特定的加热变化曲线，或者能够相继加热工件的不同区域，这取决于工件在各个单模施加器中相对于相应的微波场如何定向。
在一个优选的实施方式中，至少一个单模施加器具有用于测量在单模施加器中反射的微波的能量密度的测量设备和用于设定由微波源产生的微波的特性的调节设备，其中测量设备和调节设备是调节回路的组成部分，所述调节回路用于设定经反射的微波的最小能量密度。因此，一方面能够微调微波场，使得通过工件提供最大的能量吸收。另一方面，在空腔谐振器中朝向微波源向回反射的能量量也能够被最小化，使得在吸收器处必须吸收尽可能少的能量。
单模施加器还能够具有多个区域，所述区域具有不同的几何形状，其中不同的单模微波能够在这些区域中的至少两个区域中传播。因此，单模施加器能够设计为，使得工件相继穿过所述区域，并从而在单模施加器内经受不同的微波场。以这种方式，如借助于一个接一个设置的单模施加器那样，加热方法能够有针对性地设计，或者能够相继选择性地加热工件的不同区域，其中仅须构造单个的单模施加器。
除了至少一个单模施加器之外，所述设备还能够具有空腔，例如从通用的设备中已知的那样。尤其地，这能够是热气体空腔，其中热气体，尤其是热空气绕流型材并从而通过对流加热。也能够在这样的空腔中设置用于产生红外线辐射的机构，借助于所述机构通过辐射热量加热工件。于是能够将根据本发明的单模施加器设置在空腔中，以便设计紧凑的整体设备。替选地，例如为了不使单模施加器经受空腔内的温度，所述单模施加器也能够沿着工件的运输方向设置在空腔的前方和/或后方。然而，至少一个单模施加器也能够单独使用，而无需用于加热材料的其他机构，并且所述单模施加器能够执行包含在工件中的材料的整个交联。
在一个优选的实施方式中，至少一个单模施加器是多件式的并且这些部件能够彼此分开，尤其用于引入或插入工件。因此，如果分型面与用于引入和引出工件的开口相交，则在连续的工艺开始时，工件能够以简单的方式插入到单模施加器中。单模施加器的内部空间因此也可以以简单的方式接近以进行维护工作。
如果至少一个单模施加器设置在空腔中，所述空腔可通过活门或盖从一侧打开，那么单模施加器的部件之一能够与所述活门或所述盖连接。特别优选地，所述连接设计为，使得在打开活门或盖时，单模施加器同样被打开，更确切地说，使得工件能够插入单模施加器中。因此，在打开空腔时，能够沿着整个加工路径不仅在施加器的内部而且在外部插入工件。
在单模施加器上，在用于引入和引出工件的第一开口和可选的第二开口处优选设置有微波捕集器，借助于所述微波捕集器要防止：出自单模施加器的微波逸出或耦合输入到其周围环境中，尤其逸出或耦合输入到其周围的空腔并且在该处引起可能的损伤，对其他构件产生所不期望的影响，或者干扰空腔中的其他微波。微波捕集器例如能够构成为空心体，尤其管，其横截面和长度被确定为，使得单模微波不能从单模施加器耦合输入或逸出到空腔或其周围环境中。在此，空心体不一定必须由导体材料构成。也可行的是，由诸如特氟龙或碳化硅之类的非常好地吸收微波的材料构成空心体或者给所述空心体设置该材料。在一个优选的实施方式中，这种微波捕集器构成有特氟龙管，所述特氟龙管引导穿过由传导性材料构成的空心体。在此，空心体能够用于将尚未被微波捕集器中的吸收材料完全吸收的微波朝向吸收材料反射。
已经表明，借助于根据本发明的单模施加器可行的是，交联大量弹性体而不仅仅是橡胶，更确切地说，尤其是需要相对高的能量供应以进行交联的弹性体，因为所述弹性体例如仅少量地吸收微波能量并且迄今为止不被视为适合借助于微波进行交联。根据本发明的设备尤其适合于交联如下材料，所述材料选自天然橡胶、聚丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯-橡胶、丙烯腈-丁二烯-橡胶、氯丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、丁基橡胶、乙烯-丙烯-橡胶、聚硫橡胶、聚氨酯橡胶、氟橡胶、氯磺酰基聚乙烯橡胶和硅橡胶(包括冷和热交联硅橡胶以及液体硅橡胶)。尤其对于最后提到的硅橡胶而言迄今为止其不适合于借助微波进行交联。材料不一定必须是极性的。
附图说明
下面根据附图详细阐述本发明，在所述附图中示出本发明的优选的实施例。
附图示出：
图1示出根据本发明的设备的侧视图，其中工件平行于微波的传播方向在波导管中引导；
图2借助于所绘制的E和H场示出由型材状的工件所穿过的波导管的轮廓图；
图3示出根据本发明的设备的侧视图，其中工件横向于微波的传播方向引导穿过多个空腔谐振器；
图4示出根据图3的设备的侧视图，其中空腔谐振器具有两个不同的区域；
图5示出根据图3和4的设备的侧视图，其中空腔谐振器具有三个不同的区域。
具体实施方式
图1示出根据本发明的具有空腔2的设备1，呈连续型型材形式的工件3穿过所述空腔。呈空心波导体形式的单模施加器4设置在空腔2内。在此，空心波导体包括输入导体6和输出侧的导体7，以及施加区域8，微波平行于工件3的运输方向T在所述施加区域中传播。施加区域8设计为，使得单模波能够在所述施加区域中传播并且能够作用到工件3上，使得工件被加热。在此，工件3和单模波都沿着工件3的运输方向T运动，其中波通常比工件3快得多地运动穿过施加器8快。在统计平均值上，工件3的每个部分，无论是沿着纵向方向观察还是在轮廓中观察，都吸收相同量的波能并且工件3被均匀加热。
在根据图1的实施例中，工件3在工作管10中引导，以便对其进行机械保护。工作管10由对微波而言透明的材料构成，例如特氟龙或石英玻璃并且就此而言能够容易地一起穿过单模施加器。
图2示出轮廓为圆形的空心波导体11，工件3居中地在此处远离图平面指向的运输方向T中穿过所述空心波导体。在空心波导体11中同样构成如下单模波，所述单模波与工件3沿着相同的运输方向T传播。借助于从下向上取向的箭头示出微波场的E场份额12，其中箭头彼此间的距离表示场的能量密度。以相同的方式借助于从左到右指向的箭头示出单模波的H场份额13。可以看到，在工件3由微波场穿过的区域中，E场份额和H场份额的能量密度都是最大的。微波场或微波场的E份额和H份额12、13在根据本发明的单模施加器中是已知的或者是可计算的。因此，工件3能够有针对性地设置在微波场中或者引导穿过所述微波场，使得所述工件从微波中吸收最大可能的能量量，或者使得在轮廓中观察，工件3的各个区域优选通过微波加热。
图3至图5同样示出根据本发明的设备1，所述设备具有空腔2以及设置在空腔2中的多个单模施加器4a至4d，工件3相继穿过所述单模施加器。在图3、4和5中示出的实施方式中，沿着运输方向T运动的工件3横向于微波的传播方向A穿过单模施加器。在此，单模施加器4a至4d是空腔谐振器，所述空腔谐振器仅具有用于耦合输入和耦合输出微波的单个开口14。在与开口14相对置的一侧上，单模施加器4a至4d具有壁部15，微波在所述壁部上被反射，使得在腔谐振器中产生驻波，如在图4和5中示意性表示的那样。
在作为空腔谐振器并且工件3横向于传播方向A穿过微波的单模施加器4a到4d中，微波场在工件3的轮廓上的能量分布总是相同的。根据工件3的轮廓形状和尺寸与驻波微波的波长的比，于是能够特别均匀地或者有针对性地选择性地加热轮廓。为了在工件3的轮廓形状较复杂时确保均匀或选择性的加热，或者为了实现特定的加热顺序，如在图4和5中所示出的那样，能够将空腔谐振器分为多个区域，其中不同的单模微波由于作为空腔谐振器的区域的不同的几何形状是能传播的。根据相应的区域的几何形状，于是能够在每个区域中为工件的轮廓设置微波场的另一能量分布。如果区域的几何形状可通过移动单模施加器的区域的壁(必要时通过电机移动)或者通过改变其直径来改变，那么在连续运行时甚至可改变单模波。因此，在图4中示出如下空腔谐振器，所述空腔谐振器被分成中心区域16和两个彼此相同的侧部区域17a、17b，其中不同的单模波能够在中心区域16和侧部区域17a、17b中传播。微波在此从中心区域16耦合输入到侧部区域17a、17b中。
在根据图5的实施例中，空腔谐振器3具有不同的区域16、17、18，工件3相继穿过所述区域。如在根据图4的实施例中那样，侧部区域17、18在此由中心区域16进行馈送。
在图3、4和5的所有横向地穿过的空腔谐振器中，在位于单模施加器外部的工件开口20a、20b上设置有管附件21a、21b，所述管附件用于屏蔽空腔谐振器。所述管附件防止微波从空腔谐振器中逸出到空腔2中并且在该处可能对其他构件造成损伤或所不期望的影响，或者干扰空腔中的其他微波。
Claims (15)
1.一种用于借助于微波使包含在工件(3)中的一种或多种尤其极性的材料尤其是橡胶交联的设备(1)，所述设备具有至少一个微波源，其特征在于，设有至少一个单模施加器(4)，所述微波源的微波能够耦合输入到所述单模施加器中，其中所述至少一个单模施加器(4)具有用于引入或引出所述工件(3)的第一开口(20a)。
2.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述至少一个单模施加器(4)是适于传导单模微波的波导管。
3.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述至少一个单模施加器(4)是适合于传导单模微波的条状导体。
4.根据权利要求1所述的设备(1)，其特征在于，所述至少一个单模施加器(4)是空腔谐振器，在所述空腔谐振器中能够构成单模驻波。
5.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述第一开口(20a)是可封闭的。
6.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述单模施加器(4)具有用于导出所述工件(3)的第二开口(20b)，使得所述工件(3)能够被引导穿过所述单模施加器(4)。
7.根据权利要求6所述的设备(1)，其特征在于，所述工件(3)的运输方向(T)横向于或平行于所述微波的传播方向(A)。
8.根据权利要求6或7所述的设备(1)，其特征在于，多个单模施加器(4a、4b、4c、4d)在所述工件(3)的运输方向(T)上一个接一个地设置和由所述工件(3)穿过。
9.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述至少一个单模施加器(4)尤其在所述微波的耦合输入区域中具有用于测量经反射的微波的能量密度的测量设备和用于设定通过微波源产生的微波的特性的调节设备，其中所述测量设备和所述调节设备是用于设定经反射的微波的最小的能量密度的调节回路的组成部分。
10.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述至少一个单模施加器(4)具有多个区域(16、17、18)，所述多个区域具有不同的几何形状，其中在所述区域(16,17,18)中的至少两个区域中不同的单模微波是能够传播的。
11.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述设备(1)具有空腔(2)，尤其是热气腔。
12.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，所述至少一个单模施加器(4)是多件式的并且这些部分能够彼此分开，尤其用于引入或插入工件(3)。
13.根据权利要求11和12所述的设备(1)，其特征在于，所述空腔(2)具有盖，并且所述单模施用器(4)的尤其上部部分与所述盖连接。
14.根据上述权利要求中任一项所述的设备(1)，其特征在于，在用于引入和引出所述工件(3)的第一和可选地第二开口处设置有微波捕集器，其中所述微波捕集器尤其是管附件和/或空心体，所述管附件和/或空心体优选但并非强制地设有吸收微波的材料或由这种材料构成。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的设备的应用，用于借助于微波通过根据权利要求1至13中任一项所述的设备使包含在工件(3)中的一种或多种材料交联，其中所述一种或多种材料是一种或多种弹性体，所述弹性体尤其选自天然橡胶、聚丁二烯橡胶、苯乙烯-丁二烯-橡胶、丙烯腈-丁二烯-橡胶、氯丁二烯橡胶、异戊二烯橡胶、丁基橡胶、乙烯-丙烯-橡胶、聚硫橡胶、聚氨酯橡胶、氟橡胶、氯磺酰基聚乙烯橡胶和硅橡胶，包括冷和热交联硅橡胶以及液体硅橡胶在内。
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