DE102004057851A1

DE102004057851A1 - Verfahren zur Beheizung von koaxial aufgebauten Applikatoren mit Mikrowellenstrahlung

Info

Publication number: DE102004057851A1
Application number: DE200410057851
Authority: DE
Inventors: Ralph Borchert; Thorsten Gerdes; Monika Willert-Porada
Original assignee: INVERTEC - INNOVATIVE VERFAHRENSTECHNIK EV; INVERTEC INNOVATIVE VERFAHRENS
Current assignee: INVERTEC - INNOVATIVE VERFAHRENSTECHNIK EV; INVERTEC INNOVATIVE VERFAHRENS
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2006-06-14

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Beheizung eines Wirkmediums in einem Applikator/ Reaktor durch Mikrowellen, wobei die Mikrowellenenergie über ein Koaxial-Antennensystem übertragen und über eine Stabantenne in den Applikator/Reaktor eingespeist wird und die Stabantenne den Reaktor zu einem großen Teil durchläuft. DOLLAR A Das Gesamtsystem Antenne-Applikatorwand-Wirkmedium ist dabei in wesentlichen Zügen analog zu einer Koaxialleitung aufgebaut, wobei das Wirkmedium entsprechend den jeweiligen dielektrischen Verlusten und der eingespeisten MW-Leistung erwärmt wird. Durch die sehr kompakte Anordnung können auch kleine Applikatoren homogen oder je nach Auslegung des Systems auch gradiert mit Mikrowellenenergie bestrahlt werden.

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Beheizung eines Wirkmediums in einem Applikator/Reaktor durch Mikrowellen, in dem sich aufgrund der Geometrie über Hohlleitereinkopplungen kein homogenes Mikrowellenfeld erzeugen läßt oder in den über Hohlleitereinkopplungen keine Mikrowellenenergie eingebracht werden kann, da keine Mikrowellenmode im Hohlraumresonator ausbreitungsfähig ist.

Mikrowellenstrahlung wird in der Mikrowellen-Ofentechnik, beispielsweise bei Küchen- und Gastronomie-Mikrowellenöfen, üblicherweise durch Hohlleiter übertragen. Solche Hohlleiter stellen in der Regel rechteckige oder runde Übertragungsstrecken da, deren Querschnitte nur die Übertragung einer einzigen Mikrowellenmode ermöglichen. Um dies zu gewährleisten darf der Hohlleiterquerschnitt bestimmte Abmessungen nicht überschreiten, da sonst mehrere Moden ausbreitungsfähig sind. Er darf aber auch minimale Abmessungen nicht unterschreiten, da sonst gar keine Moden mehr übertragen werden können.

Bei der ISM-Frequenz 2,45 GHz werden zwei Typen rechteckiger Hohlleiter verwendet. Der Typ WR 340 hat einen Querschnit von 86 × 43 mm und der Typ WR 430 einen Querschnitt von 109 × 104,5 mm. Der ebenfalls einsetzbare Rundhohlleiter des Typs WC 329 hat einen Durchmesser von 83 mm. Hiermit liegen die minimalen Abmessungen für Applikatoren, die über Hohlleiter mit Mikrowellenenergie bestrahlt werden fest, da die Applikatoren keinen kleineren Querschnitt aufweisen können als ein Hohlleiter. In runde Rohre mit einem Durchmesser von 60 mm kann Mikrowellenstrahlung nach experimentellen Erfahrungen nur noch wenige cm eindringen, so daß sie bei der etablierten Frequenz 2,45 GHz nicht als Hohlleiter einsetzbar sind.

Der Betrieb kleiner Mikrowellenapplikatoren ist aber häufig von Interesse, z.B. in der Analytik und bei Applikatoren im Labormaßstab, sowie bei technischen Applikatoren mit sehr teuren Inhalten, beispielsweise in der Pharmaindustrie,

Solche Mikrowellenapplikatoren werden üblicherweise so ausgeführt, daß ein kleiner Reaktor aus mikrowellentransparentem Material in einem größeren Mikrowellenresonator betrieben wird. Eine solche Anordnung wird in Patent DE 69428048 (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) dargestellt. Bei einer solchen Ausführung ist jedoch das Verhältnis von Nutzraum im Applikator zum Raumbedarf des gesamten Apparates sehr schlecht.

Mikrowellenfelder in Hohlraumresonatoren weisen räumliche Feldstärkeunterschiede in der Größenordnung λ/2 (bei 2,45 GHz = ca. 60 mm) auf. In Applikatoren, die nicht in allen drei Raumrichtungen deutlich größer sind, als λ/2 entstehen deshalb starke Feldinhomogenitäten, die meist unerwünscht sind.

Zur Homogenisierung des Energieeintrages in Erwärmungsgüter kann das Erwärmungsgut bewegt werden, wie dies in kontinuierlichen Mikrowellenerwärmungsanlagen oder auf Drehtellern in Küchenmikrowellengeräten geschieht. Es können auch rotierende Reflektoren eingesetzt werden, die in der Regel nahe den Hohlleitern angeordnet sind und die das aus der Mikrowelleneinkopplung aus tretende Mikrowellenfeld in veränderlicher Richtung reflektieren. Diese beiden Wege zur Feldhomogenisierung erfordern jedoch bewegte Teile, welche im Mikrowellenfeld zu Problemen führen können.

Eine Möglichkeit zur Feldhomogenisierung stellt die Einkopplung der Mikrowellenenergie über geschlitzte Hohlleiter da. Hierbei wird aus Hohlleitern, die parallel zu einem Mikrowellenresonator auf einer Resonatorwand verlaufen, durch die Einbringung von schmalen Schlitzen Mikrowellenleistung ausgekoppelt, wie in den Patenten US 5638079 (Ramot University), US 5541612 (Ericson) und US 6617558 (Framatom) dargestellt.

Die gesamte Querschnittsfläche der Schlitze kann deutlich geringer sein, als der Querschnitt eines Hohlleiters. Die Hohlleiter-Wandfläche, über welche die Schlitze verteilt sind, ist jedoch deutlich größer als der Hohlleiterquerschnitt, so daß kleine Applikatoren kaum angeschlossen werden können. Weiterhin erfolgt die Einkopplung nur über die Applikatorwand, die mit dem geschlitzten Hohlleiter elektrisch leitfähigen Kontakt hat.

Das in diesem Patent vorgestellte Verfahren zur Einspeisung von Mikrowellenstrahlung in Resonatoren mit vorzugsweise koaxialer Geometrie erreicht eine homogene Mikrowelleneinkopplung ohne bewegte Teile und ohne größere Anbauten an die Applikatorwand, indem eine Koaxialleitung mit einem Antennenstab gekoppelt wird, der einen großen Teil des Reaktors (L > λ; λ = Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung) durchläuft. Diese Antenne kann dann über ihre gesamte Länge Mikrowellenleistung abgeben, so dass das Mikrowellenfeld gegenüber einer Punkteinkopplung homogenisiert wird. Die Einkopplung erfolgt weiterhin im Volumen, so daß alle Seiten des Applikators annähernd mit der gleichen Mikrowellenenergie bestrahlt werden.

Die Einkopplung von Mikrowellenenergie über Koaxialleiter in Applikatoren ist ein bekanntes Verfahren, das auch bei kleinen Applikatoren schon eingesetzt wird, wie zum Beispiel im Patent DE 19963122 (Tetra Laval). Dort wird beschrieben, daß Mikrowellenstrahlung an einem Ende des Applikators eingekoppelt wird und das zu behandelnde Gut sich im Zentrum des Resonators befindet. Somit erfolgt die Bestrahlung des Gutes nur von einer Seite.

Die in der Patentliteratur beschriebenen Einkopplungen von Koaxialleitern in Mikrowellenapplikatoren weisen in der Regel nur eine begrenzte Einschublänge in den Applikator auf. Lediglich bei der Verwendung von Antennen, die in Niederdruck-Plasmakammern eingesetzt werden und durch mikrowellentransparente Rohre vom Gasraum getrennt sind, wie sie zum Beispiel im Patent DE 19628949 dargestellt ist, kann die Antennenlänge auch größer sein.

Im Patent US 6630653 (Widia) ist die Einschublänge von Koppelstiften auf 0 < L < λ begrenzt. Im Patent DE 4004560 (Hitachi) erfolgt die Mikrowelleneinkopplung aus einem Koaxialleiter über kurze Stifte, die in einer kleinen Platte enden. Solche Platten können auch größer ausgeführt sein, wie im Patent US 6656322 (Tokyo Electron Ltd), in dem eine Koaxialeinkopplung im Deckel eines MikrowellenCVD-Applikators in einer Abstrahlplatte mündet, die fast den gesamten Resonatorquerschnitt einnimmt. Bei der Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in Hochdruckapplikatoren werden ebenfalls nur kurze Einschublängen realisiert, wie in den Patenten US 4938673 (D.J. Adrian) und US 5010220 (Alcan International Inc.) beschrieben. Bei sehr hohen Drücken kann der ebenfalls kurze Innenleiter der Koaxialeinkopplung an der Spitze eine Verbreiterung aufweisen, die auf einem dielektrischen Dichtring aufliegt und die Koaxialeinkopplung gegen den Innendruck stabilisiert.

Bei all diesen Verfahren und Apparaten sind bisher lediglich Applikatorabmessungen in der Größe eines Hohlleiters erforderlich realisiert worden.

Wenn in der Patentliteratur Antennen im Anschluß an eine Koaxialauskopplung aus einem Hohlleiter erwähnt werden, die eine größere Länge aufweisen, als die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung, dann entweder in der Füllstandsmeßtechnik, wie im Patent DE 19641036 (Endress + Hauser GmbH) beschrieben oder bei Plasmaanwendungen, wie im Patent US 6109208 (Mitsubishi Ltd.) beschrieben.

Ein Koaxialleiter besteht aus einem hohlen Außenleiter, einem darin liegenden Innenleiter und einem zwischen Innen- und Außenleiter liegenden Dielektrikum. Das Dielektrikum soll dabei eine möglichst geringe Eigenabsorption der durch den Koaxialleiter laufenden Mikrowellenenergie aufweisen. Zum Einsatz bei Raumtemperatur oder nur leicht erhöhten Temperaturen können als Dielektrikum Polymere verwendet werden, wie in 1 beschrieben. Der Aufbau und die Eigenschaften solcher Koaxialleiter sind im Patent DE 69716073 (NK Cables Oy) beschrieben. Die Verwendung von Polymeren als Dielektrika hat den Vorteil, dass solche Materialien bei geeigneter Materialauswahl (z.B. PTFE) chemisch inert sein können und daher zur Abtrennung des Hohlleiters vom Applikatorraum verwendet werden können. Jedoch ist die Temperaturbeständigkeit solcher Dielektrika begrenzt. Oberhalb von 200°C - 250°C können sie daher nicht mehr eingesetzt werden.

Beim Einsatz bei höheren Temperaturen sollten zur Abtrennung des Hohlleiters vom Applikatorraum wie in 2 beschrieben Fenstermaterialien aus glasartigen oder keramischen Materialien eingesetzt werden, wie z.B. Quarz oder Aluminiumoxid.

Wenn die Verwendung von Fenstermaterialien im Koaxialhohlleiter problematisch ist, wie zum Beispiel bei hohen Temperaturen und aggressiven Medien, kann zur Abtrennung des Hohlleiters vom Applikatorraum auch ein Schutzrohr aus mikrowellentransparenten Hochtemperaturmaterialien wie Quarz oder Aluminiumoxid eingesetzt werden, wie in 4 beschrieben.

Ausführungsbeispiel 1:
Aus einem Hohlleiter (1) wird ein Koaxialleiter, bestehend aus Innenleiter (2) und Außenleiter (3) ausgekoppelt. Über eine Flanschverbindung (7) geht der Koaxialaußenleiter in einen Koaxialreaktormantel (4) über. Dabei wird der Reaktorinnenraum (9) von dem in den Koaxialreaktormantel (4) hineinlaufenden Koaxialinnenleiter (2) mit Mikrowellenenergie gespeist. Durch die Anschlüsse (5) und (6) kann ein festes, flüssiges oder gasförmiges Reaktionsmedium durch den Reaktor geleitet werden. Im Koaxialleiter befindet sich ein mikrowellentransparentes Polymer (8), das den Reaktorraum vom Mikrowellenhohlleiter abtrennt.
Ausführungsbeispiel 2:
Aus einem Hohlleiter (1) wird ein Koaxialleiter, bestehend aus Innenleiter (2) und Außenleiter (3) ausgekoppelt. Über eine Flanschverbindung (7) geht der Koaxialaußenleiter in einen Koaxialreaktormantel (4) über. Dabei wird der Reaktorinnenraum (9) von dem in den Koaxialreaktormantel (4) hineinlaufenden Koaxialinnenleiter (2) mit Mikrowellenenergie gespeist. Durch die Anschlüsse (5) und (6) kann ein festes, flüssiges oder gasförmiges Reaktionsmedium durch den Reaktor geleitet werden. In der Flanschverbindung liegt eine Dichtscheibe (8), die aus einem mikrowellentransparenten Material besteht und den Reaktorraum vom Mikrowellenhohlleiter abtrennt.
Ausführungsbeispiel 3:
Aus einem Hohlleiter (1) wird ein Koaxialleiter, bestehend aus Innenleiter (2) und Außenleiter (3) ausgekoppelt. Über eine Flanschverbindung (7) geht der Koaxialaußenleiter in einen Koaxialreaktormantel (4) über. Dabei wird der Reaktorinnenraum (9) von dem in den Koaxialreaktormantel (4) hineinlaufenden Koaxialinnenleiter (2) mit Mikrowellenenergie gespeist. Durch die Anschlüsse (5) und (6) kann ein festes oder flüssiges Reaktionsmedium durch den Reaktor geleitet werden. In der Flanschverbindung liegt eine Dichtscheibe (8), die aus einem mikrowellentransparenten Material besteht und den Reaktorraum vom Mikrowellenhohlleiter abtrennt. Durch den Koaxialinnenleiter (2) kann ein zweites, flüssiges oder gasförmiges Medium in den Applikator geleitet werden, das bei (10) in den Innenleiter (2) eintritt und ihn bei (11) wieder verläßt. Am Ausgangsstutzen (12) verläßt das zweite Medium den Applikator wieder.
Ausführungsbeispiel 4:
Aus einem Hohlleiter (1) wird ein Koaxialleiter, bestehend aus Innenleiter (2) und Außenleiter (3) ausgekoppelt. Der Koaxialleiter läuft innerhalb eines mikrowellentransparenten Schutzrohres (13) in einen größeren Stutzen (6) des Applikators. Das Schutzrohr (13) wird in einer auf einem Applikatorstutzen (16) angebrachten Halterung (14) befestigt, die bei geeigneter Ausführung auch Hubbewegungen oder eine Rotation des Schutzrohres (13) ermöglichen kann, um so den Applikatorinhalt (9) zu durchmischen oder zu dosieren. Ein Medium kann über den Anschluß (5) zu- und über den Anschluß (6) abgeführt werden.
Zur Verhinderung von Mikrowellenleckstrahlung ist im Spalt zwischen Koaxialaußenleiter (3) und Schutzrohr (13) ein Mikrowellenabsorber (15) angebracht.
Ausführungsbeispiel 5:
Aus einem Hohlleiter (1) wird ein Koaxialleiter, bestehend aus Innenleiter (2) und Außenleiter (3) ausgekoppelt. Durch die Anschlüsse (5) und (6) kann ein flüssiges Medium durch den Reaktor geleitet werden. Über eine Flanschverbindung (7) geht der Koaxialaußenleiter in einen Koaxialreaktormantel (4) über. Dabei wird der Reaktorinnenraum (9) von dem in den Koaxialreaktormantel (4) hineinlaufenden Koaxialinnenleiter (2) mit Mikrowellenenergie gespeist. In der Flanschverbindung liegt eine Dichtscheibe (8), die aus einem mikrowellentransparenten Material besteht und den Reaktorraum vom Mikrowellenhohlleiter abtrennt.
Durch den Koaxialinnenleiter (2) wird ein zweites, gasförmiges Medium in den Applikator geleitet, das bei (10) in den Innenleiter (2) eintritt und ihn bei (11) durch den Ausgangsstutzen (12) wieder verläßt. Durch den Einsatz eines Umlenkrohres (16) wird das flüssige Medium mit Hilfe des gasförmig durch den Innenleiter (2) eingebrachten zweiten Mediums nach dem Modell eines Schlaufenreaktors durchmischt.

Claims

Verfahren zur Beheizung eines Wirkmediums in einem Applikators/Reaktors durch Mikrowellen wobei die Mikrowellenenergie über ein Koaxialantennensystem übertragen wir, dadurch gekennzeichnet dass die Mikrowellenstrahlung über Stabantenne in den Applikator/Reaktor eingespeist wird und die Stabantenne länger ist, als die Wellenlänge der verwendeten Mikrowellenstrahlung und einen großen Teil des Resonators durchläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Antenne für ausschließlich oder teilweise mit Mikrowelten beheizte Prozesse verwendet wird, wie Beispielsweise bei Mikrowellen unterstützen Reaktionen in der Chemie, dem Desorbieren, dem Schmelzen von Glas oder beim Temperieren von Stoffströmen.
Verfahren nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet dass Mikrowellenstrahlung im Frequenzbereich zwischen 300 MHz bis 30 GHz verwendet wird, vorzugsweise aber Strahlung der ISM-Frequenzen insbesondere 435 MHz, 915 MHz, 2,45 GHz und 5,8 GHz
Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet dass die z.B. in einem Magnetron erzeugte Mikrowellenstrahlung zunächst durch einen Hohlleiter bis in die Nähe des heißen Prozessraumes geführt wird und dort in einen Koaxialleiter eingespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet dass der Applikator den gleichen Querschnitt aufweist, wie der Aussenleiter der Koaxialeinkopplung und die Koaxialeinkopplung somit stufenlos in den Applikator übergeht.
Verfahren nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet dass der Querschnitt des Applikators nach der Verbindungsstelle zur Koaxialeinkopplung vergrößert wird, so daß ein größeres Applikatorvolumen erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet dass als Dielektrikum im Koaxialleiter ein Glas, eine Keramik und/oder ein Polymer verwendet wird welches gleichzeitig die Mikrowellenübertragungsstrecke vom Applikator abtrennt.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass als Polymer vorzugsweise PTFE oder Silikon verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet dass als Dielektrikum im Koaxialleiter ein Gas verwendet wird und die Mikrowellenübertragungsstrecke vom Applikator durch ein Fenster aus Glas, Quarz oder keramischen Materialien abgetrennt wird.
Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet dass als Dielektrikum im Koaxialleiter ein Gas verwendet wird und die Mikrowellenübertragungsstrecke vom Applikator durch ein Schutzrohr aus Glas, Quarz oder keramischen Materialien abgetrennt wird, das im Reaktor die gesamte Antenne umgibt.
Verfahren nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet dass ein festes oder flüssiges Reaktionsmedium A über zwei Anschlüsse durch den Applikator geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1-11, dadurch gekennzeichnet dass durch den Koaxialinnenleiter ein zweites Reaktionsmedium B in den Applikator geleitet wird, welches flüssig oder gasförmig ist.
Verfahren nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet dass durch die Länge der Antenne die Mikrowellenstrahlung über eine größere Fläche abgestrahlt wird, und so die Feldverteilung im Prozessraum verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet dass die Länge der Antenne auch im Betrieb variabel ist und so eine Anpassung an die Beladung des Prozessraumes und eine Feldanpassung vorgenommen werden kann.