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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft Mikrowellenheizung von planaren Produkten, insbesondere
Holzplatten und -brettern.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein
Verbundprodukt aus gepresstem Holz kann aus einer Vormontagematte
hergestellt werden, die ausgewählte Holzkomponenten zusammen
mit hitzehärtbarem Klebstoff zwischen den Komponenten umfasst. Ein
typisches Endprodukt kann zum Beispiel Sperrholz oder Furnierschichtholz
(LVL, Laminated Veneer Lumber) sein, das nach der Herstellung geschnitten
werden kann, um auf verschiedene Weisen als holzbasierte Baukomponenten
verwendet oder auf andere Weisen benutzt zu werden. Zusätzlich
zu einem zweckmäßigen hitzehärtbaren
Klebstoff würde das Ausgangsmaterial typisch aus a) dünnen
Furnierholzplatten, b) ausgerichteten Spänen (oder einem
anderen Faserstoff) von kleineren Holzkomponenten, c) vorgefertigten
Flächen von Sperrholz, die sich selbst aus Furnierplatten
bestehen, oder d) anderen Holzelementen bestehen.
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In
herkömmlichen LVL-Fabrikationsprozessen wird LVL typisch
aus verklebten Furnierplatten aus Naturholz unter Verwendung von
Klebstoffen wie Harnstoff-, Phenol-, Resolsenidi-, Formaldehydzusammensetzungen
hergestellt, die für die Ausführung eines Aushärtungsprozesses
oder einer Aushärtungsreaktion Wärme erfordern.
Es gibt mehrere wohlbekannte und weit verbreitete Herstellungs-
und Verarbeitungsverfahren für LVL-Herstellung. Bei der üblichsten
Presstechnik wird eine Plattenpresse eingesetzt, und ein eine solche Presse
anwendendes Verfahren wird im
US-Patent
4638843 beschrieben. Die Pressung und Heizung werden typischerweise
durch Einführung von Präkursor-LVL zwischen schwere
Metallpressplatten ausgeführt. Diese Pressplatten und ihre
sich gegenüberliegenden ”ummantelten” Holzkomponentenchargen
werden dann unter Druck gesetzt und mit heissem Öl oder
Dampf geheizt, um den Fertigungsprozess auszuführen. Wärme
aus den Pressplatten wird langsam durch das Holzverbundprodukt übertragen
und der Klebstoff erhärtet nach einer angemessenen Druck-/Wärmungszeit.
Dieser Prozess ist ziemlich langsam, und die Verarbeitungszeit verlängert
sich je nach der Dicke des Produkts.
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Das
US-Patent 5628860 beschreibt
ein Beispiel für eine Technik, in der Radiofrequenzenergie
(RF) der Umgebung zwischen einander gegenüberliegenden
Pressplatten zugefügt wird, um den Heiz- und Aushärtungsprozess
zu beschleunigen und somit die Herstellungszeiten zu verkürzen.
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Eine
weitere Technik zur Ausführung der Heizung und Aushärtung
umfasst die Benutzung von Mikrowellenenergie. Das
US-Patent 5895546 offenbart die Verwendung
von Mikrowellenenergie für Vorheizung von losen LVL-Schichtmaterialien,
die dann in einem Prozess unter Verwendung einer mit heissem Öl
geheizten, kontinuierlich arbeitenden Bandpresse fertig bearbeitet
werden. Auch
CA 2 443 799 offenbart
eine Mikrowellen-Vorheizpresse. Ein Mikrowellengenerator versorgt
einen Mikrowellenapplikator durch einen Wellenleiter, so dass Mikrowellenenergie
auf eine erste Pressenpartie aufgebracht wird, die zu einer letzten
Pressenpartie führt. Mehrere Wellenleiter in versetzter
Anordnung können eingesetzt werden, um mehrere Aufbringungspunkte
der Mikrowellenenergie mit einem Wellenleiterabstand zu versehen,
der zu einem wesentlich gleichmäßigen Heizmuster
führt. Die Heiztemperatur wird geregelt, indem die lineare
Vorschubgeschwindigkeit variiert wird, bei der das Holzelement in
die Mikrowellen-Vorheizpresse eingeführt wird, oder indem
die Wellenform der Mikrowellen geregelt wird.
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EP0940060 offenbart eine
andere Mikrowellen-Vorheizpresse, in der die Mikrowellenenergie
durch einen Wellenleiter den Applikatoren auf beiden Seiten des
Holzprodukts zugeführt wird. Die zuführenden Wellenleiter
umfassen einen Sensor zum Messen von reflektierter Mikrowellenenergie
und einen Abstimmteil zum Erzeugen einer induzierten Reflektierung,
die die reflektierte Energie löscht. Der Abstimmteil umfasst
Abstimmungsstifte, deren Länge innerhalb der zuführenden
Wellenleiter von einem Schrittmotor eingestellt wird.
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Das
US-Patent 6744025 offenbart
eine Mikrowellenheizeinheit, die zu einer kastenförmigen
Resonanzkammer ausgebildet ist, über die das zu erwärmende
Produkt geführt wird. Das Produkt wird über einen schmalen
Spalt geführt, der sich in Längsrichtung durch
die gesamte Kammer erstreckt und die Kammer wesentlich entlang der
Mittellinie der Kammer in zwei einander gegenüberliegende
Unterkammer unterteilt. Die auf das Produkt aufzubringende Mikrowellenenergie
wird über einen Wellenleiter in eine der Unterkammer eingebracht.
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Das
US-Patent 7145117 offenbart
eine Vorrichtung zum Erwärmen eines Dielenprodukts, das
geklebtes Holz enthält. Die Vorrichtung weist eine Erwärmungskammer
auf, durch die das Dielenprodukt durchläuft und in der
ein elektrisches Mikrowellenheizfeld wesentlich auf eine Dielenebene
in Transversalrichtung zur Vorlaufrichtung der Diele vorgesehen
ist, das mittels einer mikrowellenfrequenten Energie senkrecht zur
Dielenebene aufgebracht wird.
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GB893936 offenbart eine Mikrowellenheizvorrichtung,
in der eine Resonanzkammer aus einem Abschnitt eines standardmäßigen
Wellenleiters gebildet ist, der im Transversalschnitt ein Rechteck
mit einer längeren Seite und einer kürzeren Seite
ist. Die Kammer ist mit dem Wellenleiter durch eine einstellbare
zusammenpassende Irisblende gekoppelt, die ein Ende der Kammer ausbildet.
Die Kammer kann von einem einstellbaren Kurzschließkolben
abgestimmt werden, der als die andere Endwand der Kammer dient.
Zwei einander gegenüberliegende längere Seiten
der standardmäßigen Wellenleiterkammer sind weiterhin
mit Schlitzen versehen, die sich in Längsrichtung der Kammer
erstrecken, um das Durchfahren eines planaren Produkts durch die
Kammer zwischen einstellbaren Seitenplatten auf den einander gegenüberliegenden
kürzeren Seiten der Kammer zu ermöglichen. Die
Seitenplatten verkürzen die längeren Seiten der
Kammer in Bezug auf die entsprechenden Seiten des standardmäßigen
Wellenleiters, so dass ein Wellenleiterabschnitt mit einer Grenzfrequenz
gebildet wird, die fast einer Arbeitsfrequenz entspricht. Endteile
der Kammer, die sich ausserhalb der Seitenplatten befinden, weisen
Querschnittsdimensionen des standardmäßigen Wellenleiters
auf. Ein Sensor ist angeordnet, die von der Kammer reflektierte
Energie zu messen. Die Frequenz wird derart abgestimmt, dass die
von der Kammer reflektierte Energie minimal ist. Seitenplatten werden
dann so eingestellt, dass ein gleichmäßiges Feld über
die Breite des zu heizenden planaren Produkts produziert wird. Diese
Konstruktion nach dem Stand der Technik weist verschiedene Nachteile
auf.
- 1. Die Konstruktion nach dem Stand der
Technik ist lediglich für die Heizung von Produkten mit
einem sehr begrenzten Querschnitt geeignet. Die Dicke des geheizten
Produkts soll nicht mehr als 10 bis 15% der Länge der längeren
Seite des standardmäßigen Wellenleiters sein.
Die Breite des geheizten Produkts (entlang der Längsachse
der Kammer) sollte nicht länger als die Länge
der längeren Seite des standardmäßigen Wellenleiters
sein.
- 2. Die Heizung findet auf einer Strecke (in Bewegungsrichtung
des geheizten Produkts) statt, die der Länge der kürzeren
Seite des Wellenleiters entspricht.
- 3. Metallverluste des Wellenleiters vermehren sich deutlich,
wenn sich die Arbeitsfrequenz der Grenzfrequenz der Kammer nähert.
- 4. Die Kammer weist einen niedrigen G-Faktor auf. Ausserdem
verkleinert die Einführung des zu heizenden Materials in
die Kammer den G-Faktor der Kammer. Das führt zu einem
ungleichmäßigen Heizmuster und einer Zerstörung
des Resonanzphänomens.
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Auch
GB1016435 offenbart eine
Mikrowellenheizvorrichtung, die für die Verbesserung der
Konstruktion gemäß
GB893936 vorgesehen
ist. Nach
GB1016435 weist
GB893936 einen Nachteil auf,
dass die Einstellung des Abstimmungskolbens und die Einstellung
der Irisblende nicht nur auf das Abstimmen der Kammer sondern auch
auf das Stehwellenmuster in der Kammer einwirken, was gegen die
Bereitstellung der erwünschten gleichmäßigen
Verteilung des elektrischen Felds entlang dem mittleren Teil der
Kammer spricht. In
GB1016435 ist
eine Resonanzkammer von einem Wellenleiter gebildet, der einen rechteckigen
Querschnitt mit einer längeren Seite und einer kürzeren
Seite aufweist. Die Mikrowellenenergie wird der Kammer anhand einer koaxialen
Speiseleitung und einer Koppelschleife zugeführt. Das Abstimmen
der Kammer wird von Metallstäben durchgeführt,
die sich in Längsrichtung der Kammer erstrecken. Der Wellenleiter
oder die Kammer endet an jedem Ende in einem effektiven offenen
Stromkreis, der von einem Wellenleiterabschnitt gebildet wird, der größere
Querschnittsdimensionen als der mittlere Kammerabschnitt hat. Es
wird behauptet, dass in dieser Konstruktion die Feldstärke
entlang der mittleren Kammer wesentlich einheitlich über
den Heizbereich ist. Die Konstruktion von
GB1016435 weist jedoch dieselben Nachteile
wie
GB893936 auf. Ausserdem
ist das Abstimmen mittels eines Metallstabs fragwürdig,
weil der Metallstab zusammen mit den Wänden der Wellenleiterkammer
eine TEM-Übertragungsleitung ausbilden kann, deren Wellenlänge
sich wesentlich von der des Wellenleiters unterscheidet, was die
Gleichmäßigkeit der Heizung weiter verschlechtern
kann.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
liegt der vorliegenden Erfindung eine Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellenheizvorrichtung
bereitzustellen, die die Heizung einer breiteren Auswahl von planaren
Produkten als die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vorrichtung erreicht,
die im unabhängigen Anspruch dargestellt wird. Die bevorzugten
Ausführungsformen der Erfindung sind der Gegenstand der
abhängigen Ansprüche.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung wird eine Mikrowellenleistung, die vom
Grundmode des standardmäßigen Wellenleiters mit
einem rechteckigen Transversalschnitt getragen wird, wobei eine
erste Seite eine Länge b und eine zweite Seite eine Länge
a aufweist und b < a,
einer länglichen Heizkammer mit einem vergrößerten
rechteckigen Querschnitt zugeführt, wobei die erste Seite
eine erweiterte Länge C·b und die zweite Seite
eine Länge a aufweist und C > 2 und C·b > a. Der Wert des Faktors C kann je nach
der Breite des zu heizenden planaren Produkts ausgewählt
werden. Mit anderen Worten wird die kürzere Seite des standardmäßigen
Wellenleiters auf eine Länge vergrößert,
die die erwünschte Breite des zu heizenden Produkts umfassen kann.
Ein Paar seitliche Schlitze sind in den gegenüberliegenden
vergrößerten ersten Wänden der länglichen Heizkammer
parallel angeordnet, um eine Bahn zu bilden, auf der ein planares
Produkt über die Kammer fahren kann. Da die ursprünglich
längere Seitenwand des standardmäßigen
Wellenleiters unverändert bleibt, wird die Grenzfrequenz
des Grundmodes nicht beeinflusst und das elektrische Feld verteilt
sich gleichmäßig entlang der Länge C·b
der vergrößerten Seite, d. h. entlang der Breite
des planaren Produkts. Als Folge können breitere Produkte
geheizt und ein gleichförmigeres Heizmuster als in den
Lösungen nach dem Stand der Technik erreicht werden.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung wird die längliche Heizkammer
durch die seitlichen Schlitze und die Produktbahn in eine erste
und eine zweite Unterkammer unterteilt, die einander gegenüberliegen.
Der Grundmode wird dem Ende der ersten Unterkammer über
eine Koppelblende (Iris) zugeführt, deren Größe
in Richtung der zweiten Seite verkleinert ist, um die Leistung des
von der Heizkammer gegen eine Mikrowellenquelle reflektierten Grundmodes
zu minimieren. In Richtung der ersten Seitenwand bleibt die Größe
der Koppelblende vorzugsweise wesentlich unverändert, so
dass die gleichmäßige Verteilung des elektrischen
Felds entlang dieser Seite sichergestellt werden kann. Eine Frequenzabstimmplatte
ist vorgesehen, die gegenüberliegende Endwand der zweiten
Unterkammer auszubilden. Ein Frequenzabstimmgerät ist angeordnet,
die Endwand der zweiten Unterkammer in Axialrichtung zu bewegen,
um die Frequenz der länglichen Heizkammer abzustimmen und
das Maximum oder Minimum des elektrischen Felds im Grundmode in
Axialrichtung ungefähr in der Mitte der Dicke des planaren
Produkts zu behalten. Somit ist es möglich, die planaren
Produkte mit vielen unterschiedlichen Dicken unter Verwendung von
diesen zwei Einstellungen zu verarbeiten, ohne dass die physikalischen
Dimensionen des Applikators verändert werden müssen.
Der maximale oder minimale Heizungspunkt oder Heizungspunkte können
zu einer erwünschten Stelle in der Dicke des planaren Produkts
verlegt werden. Der erwünschte maximale Heizungspunkt kann
in einigen Fällen in der Mitte der Dicke des Produkts sein,
während es möglicherweise in einigen anderen Fällen
erwünscht ist, die Maximalheizung auf die oberen und unteren
Regionen des Produkts zu richten.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von beispielhaften Ausführungsformen
und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher
erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Beispielkonstruktion einer Heizvorrichtung nach einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht eines beispielhaften Applikators 2 nach
einer Ausführungsform der Erfindung auf der x-z-Ebene;
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3 eine
perspektivische Querschnittsansicht einer beispielhaften Konstruktion
des in 1 und 2 gezeigten Applikators 2;
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4 eine
Draufsicht auf die Heizungsverteilung in der Mitte des planaren
Produkts 8 der 1;
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5,
als Simulationsergebnis, eine durchschnittliche Hüllenkurve
des elektrischen Felds im Applikator (x-z-Ebene) mit einer 90 mm
dicken LVL-Platte;
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6 eine
schematische Querschnittsansicht eines beispielhaften Applikators 2 nach
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auf der x-z-Ebene;
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7,
als Simulationsergebnis, eine durchschnittliche Hüllenkurve
des elektrischen Felds auf der x-z-Ebene mit einer 90 mm dicken
LVL-Platte für die Ausführungsform der 6;
und
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8 eine
Ausführungsform der Erfindung, in der zwei Applikatoren 2 parallel
montiert sind.
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BESCHREIBUNG VON BEISPIELHAFTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung zur
Heizung eines geklebtes Holz enthaltenden planaren Produkts, insbesondere
eines Holzbrett-, Holzplatten- oder Holzfurnierprodukts, um hauptsächlich
die Aushärtereaktionen des Klebstoffs zu beeinflussen,
indem Heizleistung auf das planare Produkt anhand eines abwechselnden
elektrischen Felds auf einer Mikrowellenfrequenz aufgebracht wird.
Vor dem Heizschritt ist das Brettprodukt einheitlich hergestellt
und durch eine unbewegliche Heizvorrichtung gefördert worden.
Das Brettprodukt umfasst meistens parallel zum Brett angeordnete
Holzschichten, Sperrholzschichten, und die Räume zwischen
ihnen sind mit durch Wärme zu härtendem Klebstoff
verklebt. Ein typisches Produkt ist der sog. LVL-Balken (Laminated
Veneer Lumber). Die Erfindung ist auf jeden Typ von holzbasierten
Brettprodukten anwendbar, in denen die geklebte Holzkomponente zu
einer geschlossenen Brettkonstruktion durch Erhärten des
Klebstoffs gebunden wird. Bevor das Brettprodukt der Heizung zugeführt
wird, kann es meistens einem Druck ausgesetzt werden, um die geklebten
Holzkomponenten in engen Kontakt zu bringen und Lufträume
zu entfernen, die das abwechselnde elektrische Feld in der Brettkonstruktion
stören. Diese anderen Geräte, zum Beispiel der
Förderer und die Presse, werden hier nicht ausführlicher
beschrieben.
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Eine
Beispielkonstruktion einer Heizvorrichtung wird in 1 dargestellt.
Ein Mikrowellengenerator 7 kann sowohl eine Stromversorgung
als auch eine Fernmikrowellenquelle (zum Beispiel ein Magnetron
oder ein Klystron) aufweisen. Der Generator 7 sendet Mikrowellen
(z. B. 415 MHz, 915 MHz oder 2450 MHz) einem Zirkulator 3 aus.
Der Zirkulator 3 richtet die Mikrowellenleistung vom Generator 7 in
einen zuführenden Wellenleiter 5, aber richtet
die reflektierte Mikrowellenleistung, die vom Applikator 2 zurückkehrt, über
den zuführenden Wellenleiter 5 zu einer Wasserbelastung 4,
wobei er den Generator vor der reflektierten Mikrowellenleistung
schützt. Ferner ist ein Sensor 40 zum Messen der
reflektierten Mikrowellenleistung an einem zweckmäßigen
Punkt auf dem Rückweg zur Wasserbelastung 4 angeordnet.
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Der
zuführende Wellenleiter 5 ist als Singlemode-Wellenleiter dimensioniert,
so dass nur der fundamentale TE10-Mode (Transverse
Electric) von Mikrowellenleistung durch den Wellenleiter fährt.
Der TE10-Mode wird auch als H10-Mode
bezeichnet. Der Wellenleiter 5 ist aus einem rechteckigen
Rohr gebildet, dessen Querschnitt a mal b Meter beträgt
und Wandebenen z-y und z-x sind. Wenn eine elektromagnetische Welle
im Wellenleiter vorwärts in Richtung z (die Längsachse
des Wellenleiters) fährt, hat das elektrische Feld nur
die y-Komponente (entlang der y-Achse, d. h. der kürzeren
lateralen Seite des rechteckigen Querschnitts des standardmäßigen
rechteckigen Wellenleiters). Ein Beispiel für einen geeigneten
Wellenleiter für die Mikrowelle von 915 MHz ist ein standardmäßiger
Wellenleiter WR975, dessen Innenmaße b = 124 mm und a =
248 mm betragen.
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Der
Ausgang des zuführenden Wellenleiters 5 ist mit
einem Eingang eines Wellenleiterübergangs 6 verbunden.
Das Eingangsende des Wellenleiterübergangs 6 hat
einen rechteckigen Querschnitt von a mal b Metern, der dem des zuführenden
Wellenleiters 5, z. B. a = 248 mm und b = 124 mm, entspricht.
Jedoch hat der Ausgang des Wellenleiterübergangs 6 einen
vergrößerten Querschnitt von C·b mal
a Metern, worin die Länge der entlang y verlaufenden Seite
durch einen Faktor C vergrößert wird, wobei C > 2 ist und a unverändert
bleibt. Der Wert des Faktors C kann je nach der Breite des zu heizenden
planaren Produkts ausgewählt werden. Im unten zu diskutierenden
Beispiel beträgt C·b = 600 mm und a = 248 mm.
Der Übergang zwischen diesen Wellenleitern mit unterschiedlichen
Querschnitten wird auf geeignete Weise derart ausgeführt,
dass wesentlich nur der fundamentale TE10-Mode
in beiden Wellenleitern vorliegt. Durch diesen Zustand wird eine gleichmäßige
Verteilung der elektrischen Feldstärke über die
vergrößerte Seite C·b, z. B. 600 mm,
sichergestellt.
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Der
Ausgang des Wellenleiterübergangs 6 ist mit einem
Eingang einer Heizkammer oder eines Mikrowellenapplikators 2 gekoppelt,
wobei die Querschnittsdimensionen des Applikators C·b und
a, beispielsweise C·b = 600 mm und a = 248 mm, sind. 2 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht eines beispielhaften Applikators 2 nach
einer Ausführungsform der Erfindung auf der x-z-Ebene. 3 zeigt
eine perspektivische Querschnittsansicht einer beispielhaften Konstruktion
des in 1 und 2 gezeigten Applikators 2.
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Der
Applikator 2 ist ein Hohlraumresonator auf der Multi-Halbwellenlänge,
der in einander gegenüberliegende Teile, nämlich
einen ersten (oberen) Teil 23 und einen zweiten (unteren)
Teil 24 des Hohlraumresonators, d. h. Unterkammer, in Axialrichtung
des länglichen Hohlraumresonators durch ein Paar seitliche
Schlitze 25 und 26 unterteilt ist, die sich in
den einander gegenüberliegenden vergrößerten
Seitenwänden 12 des Applikators 2 befinden
und eine Produktbahn ausbilden. Das zu heizende planare Produkt 8 wird über
den Schlitz 25 in den Hohlraumresonator eingeführt,
fährt durch den Hohlraumresonator zwischen den Unterkammern,
geheizt von der Mikrowellenleistung, und verlässt den Hohlraumresonator über
den Schlitz 26 anhand eines zweckmäßigen
Förderers oder einer Antriebsanordnung (nicht gezeigt).
Ein (nicht-gezeigtes) Presssystem, z. B. ein Metallkolbenpresse,
kann unmittelbar nach dem Applikator 2 angeordnet sein.
In einer Ausführungsform der Erfindung gibt es verlustarme
dielektrische Schichten 35 und 36 am unteren Ende
der oberen Unterkammer 23 bzw. am oberen Ende der unteren
Unterkammer 24, die die Produktbahn zwischen ihnen begrenzen.
Die Schichten 35 und 36 bestehen vorzugsweise
aus Teflon oder einem ähnlichen Material und schützen
vor Wärme und Druck, die auf der geheizten Materialbahn
erzeugt werden. Es ist zu berücksichtigen, dass, obwohl
der Applikator 2 in diesen Beispielen in einer vertikalen
Stellung gezeigt wird, er sich alternativ in jeder Schrägstellung
oder in einer entgegengesetzten vertikalen Stellung befinden kann,
in der der zweite Teil die obere Unterkammer und der erste Teil 23 die
untere Unterkammer ist.
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Der
Wellenleiterübergang 6 führt Mikrowellenleistung
der oberen Unterkammer über ein Koppelfenster 21 zu,
das auch als Irisblendenöffnung bezeichnet wird. Die Größe
des Koppelfensters 21 ist von einer Iris-Abstimmplatte 22 einstellbar,
um sich dem Applikator anzupassen. In der vorliegenden Erfindung
wird die Breite Wc des Koppelfensters 21 nur
in Richtung x, d. h. in Richtung der Seitenwand 11 (z.
B. wenn die Seite 248 mm lang ist), verändert. Die y-Dimension
der Iris-Abstimmplatte entspricht vorzugsweise wesentlich der inneren y-Dimension
der Unterkammer, nämlich C·b (z. B. 600 mm). Eine
solche Irisblende kann auch als induktive Iris bezeichnet werden,
da sie hauptsächlich das magnetische Feld des TE10-Modes beeinflusst. In y-Richtung, d. h.
in Richtung der Seitenwand 12 (z. B. wenn die Seite 600
mm lang ist), muss die Größe des Koppelfensters 21 wesentlich
unverändert bleiben, um gleichmäßige
Verteilung des elektrischen Felds entlang dieser Seite sicherzustellen.
Zu diesem Zweck ist in der in 1, 2 und 3 gezeigten
beispielhaften Ausführungsform die Iris- Abstimmplatte 22 lateral
auf der Seitenwand 12 angeordnet, so dass sie hin und her
in Richtung der x-Achse von einem Aktuator 29, zum Beispiel
einem Schrittmotor oder einem hydraulischen oder pneumatischen Aktuator,
bewegt werden kann. In 3 bewegt der Schrittmotor 29 die
Iris-Abstimmplatte 22 anhand der an die Abstimmplatte 22 angeschlossenen
Stange 29a. Die Iris-Abstimmplatte 22 kann aus
jedem nicht-magnetischen elektrisch leitfähigen Material
wie Aluminium, rostfreiem Stahl, Kupfer usw. hergestellt werden.
Die Iris-Abstimmplatte kann von den Wänden des Wellenleiters
anhand eines zweckmäßigen Isolators wie Teflon
isoliert werden.
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Eine
aus irgendeinem nicht-magnetischen elektrisch leitfähigen
Material wie Aluminium, rostfreiem Stahl, Kupfer etc. bestehende
Frequenzabstimmplatte 27 ist angeordnet, die untere Wand
der unteren Unterkammer 24 auszubilden. Die Frequenzabstimmplatte 27 kann
in Vertikalrichtung z (die Längsachse des Applikators 2)
bewegt werden, um die Höhe hLL der
unteren Unterkammer 24 zu variieren und somit die Resonanzfrequenz
des Applikators 2 abzustimmen. Die Bewegung der Abstimmplatte 27 wird
durch einen Aktuator 28 wie einen Schrittmotor oder einen
hydraulischen oder pneumatischen Aktuator zustande gebracht. In 3 bewegt
der Schrittmotor 28 eine Metallplatte 30a anhand
der Stange 30c. Die Frequenzabstimmplatte 27 ist an
die parallele Metallplatte 30a durch vertikale Stangen 30b angeschlossen
und somit bewegt sie sich mit der Platte 30a, wenn der
Schrittmotor 28 die Metallplatte 30a mit einer
Stange 30c bewegt. Das Bezugszeichen 31 bezeichnet
allgemein den Ständer des Applikators 2.
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Betrachten
wird jetzt den Betrieb der in 1, 2 und 3 gezeigten
Vorrichtung. Wenn eine Welle im TE10-Mode
vom Wellenleiterübergang 6 auf die Irisblende 21 trifft,
wird ein Teil der Welle reflektiert, während der Rest in
die Kammer 23 eingeführt wird. Die ausgesendete
Welle fährt nach unten durch die Unterkammer 23 und 24,
bis sie auf die Metallplatte 27 trifft und eine reflektierte
Welle induziert, die in der entgegensetzten Richtung nach oben entlang
der z-Achse fährt. Wenn die erste reflektierte Welle auf
die Iris-Platte 21 stößt, erzeugt sie
eine zweite reflektierte Welle, die entlang der z-Achse nach unten
fährt, und so weiter. Die Interferenz zwischen diesen in
den entgegengesetzten Richtungen fahrenden Wellen führt
zu einer stehenden Welle innerhalb der Kammer. In 2 sind
Verteilungen 32, 33 und 34 des elektrischen
Felds der stehenden Welle in einem Hohlraumresonator auf einer Drei-Halbwellenlänge
veranschaulicht. Der Höchstwert des elektrischen Felds
der ersten Halbwellenlänge 32 befindet sich innerhalb
der oberen Unterkammer 23 und der Höchstwert des
elektrischen Felds der dritten Halbwellenlänge 34 befindet
sich innerhalb der unteren Unterkammer 24. Der Höchstwert
des elektrischen Felds der zweiten Halbwellenlänge 33 befindet
sich in der Mitte der Dicke des planaren Produkts 8, wobei
die Maximalheizung an diesem Punkt vorliegt. 4 zeigt
eine Draufsicht auf die Verteilung der Höchstwerte der
heizenden zweiten Halbwellenlänge in der Mitte des planaren
Produkts 8. Das Heizmuster verteilt sich gleichmäßig über
die Breite des planaren Produkts 8.
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Es
sollte eingesehen werden, dass jede Anzahl von Halbwellenlängen
je nach der Dicke des planaren Produkts 8 und eine erwünschte
Stellung der Maximalheizung ausgewählt werden können.
Falls es vorgesehen ist, dass die Maximalheizung in der Mitte (in
Vertikalrichtung) des planaren Produkts vorkommt (und das Produkt
symmetrisch auf die Bahn gestellt ist), gibt es typisch eine ungerade
Zahl von Halbwellenlängen in der Kammer. Falls es vorgesehen
ist, dass die Minimalheizung in der Mitte des planaren Produkts 8 vorkommt
(und der untere und der obere Teil des planaren Produkts maximal
geheizt werden), gibt es typisch eine gerade Zahl von Halbwellenlängen
in der Kammer.
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Es
gibt drei Parameter, die die Frequenzeigenschaften der Kammer vollständig
beschreiben, nämlich die Resonanzfrequenz, der Kopplungsfaktor
und der Gütefaktor (Q-Faktor). Wenn die Größe
einer Koppelblende 21 verändert wird, verändert
sich der Kopplungsfaktor. Wenn der Kopplungsfaktor 1 ist,
ist die Kammer vollständig angepasst (keine Reflektierung).
Wenn die Abstimmplatte 27 vertikal bewegt wird, verändert
sich die elektrische Länge des Resonators und somit die
Resonanzfrequenz.
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Der
Applikator der Multi-Halbwellenlänge nach der vorliegenden
Erfindung ermöglicht die Verarbeitung der planaren Produkte
mit vielen unterschiedlichen Dicken, ohne dass die physikalische
Länge des unteren Teils 24 des Applikators 2 verändert
wird. Der Applikator 2 kann auf einer bestimmten Frequenz
mittels zwei Abstimmgeräten 22 und 27 angepasst
werden.
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Zum
Beispiel vermindert eine Zunahme der Dicke des planaren Produkts
die Resonanzfrequenz und den Kopplungsfaktor des Applikators 2.
Um den Applikator 2 derselben Frequenz anzupassen, muss
die elektrische Länge der Kammer vermindert werden. Die
elektrische Länge verringert sich, wenn das Frequenzabstimmgerät 27 in
der Unterkammer 24 nach oben, d. h. gegen die andere Unterkammer 23,
geschoben wird. Diese Änderung in der vertikalen Stellung
des Frequenzabstimmgeräts 27 verursacht einen
Anstieg der Resonanzfrequenz und die Verschiebung des Maximums 33 des
zweiten elektrischen Felds nach oben auf der Produktbahn des Applikators 2.
Eine Verminderung der Größe des Koppelfensters 21 schiebt
das Maximum des elektrischen Felds 33 etwas nach unten.
Auf gleiche Weise kann eine Verkleinerung in der Dicke des planaren Produkts
kompensiert werden, indem die elektrische Länge und das
Koppelfenster vergrößert werden. Durch diese zwei
Mechanismen kann das Maximum des elektrischen Felds 33 automatisch
nahe der Mitte des planaren Produkts gehalten werden.
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Die
Abstimmung basiert auf der gemessenen reflektierten Leistung. Die
Reflektionsmessung kann vom Sensor 40 durchgeführt
und durch einen zweckmäßigen Leistungsanzeiger
angegeben werden, falls die Abstimmung manuell ausgeführt
wird. Die reflektierte Leistung-gegen-Resonanz-Frequenz kann auch
graphisch durch einen zweckmäßigen Analysator
oder auf einem Computer ablaufende Analysesoftware angezeigt werden.
Falls es sich um automatische Abstimmung handelt, wird die gemessene
reflektierte Leistung einer Steuereinheit geliefert, die die Abstimmgeräte 22 und 27 mit
den Steuersignalen versorgt. In der Startphase kann ein beispielhafter
Abstimmungsalgorithmus der folgende iterative Prozess sein:
- a) Das Kopplungsabstimmgerät 22 ist
völlig ausgezogen, um die maximale Öffnung des
Koppelfensters 21 bereitzustellen;
- b) Das Frequenzabstimmgerät 27 wird in eine
Stellung gebracht, wo eine minimale reflektierte Leistung festgestellt
wird;
- c) Das Kopplungsabstimmgerät 22 wird in eine
Stellung gebracht, wo eine minimale reflektierte Leistung festgestellt
wird;
- d) Das Frequenzabstimmgerät 27 wird einigermaßen
in eine Stellung gebracht, wo die minimale reflektierte Leistung
festgestellt wird;
- e) Das Kopplungsabstimmgerät 22 wird einigermaßen
in eine Stellung gebracht, wo die minimale reflektierte Leistung
festgestellt wird;
- f) Die Schritte d und e werden wiederholt, bis sich die reflektierte
Leistung auf einen vorbestimmten Schwellenwert oder vorbestimmte
Male vermindert hat.
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Nach
einer Ausführungsform der Erfindung werden die Schritte
d bis f für Feinabstimmung während des Heizvorgangs
durchgeführt, falls die gemessene reflektierte Leistung
einen vorbestimmten Schwellenwert überschreitet. Zwischen
den Schwellenwerten zum Starten und Beenden der Feinabstimmung kann
Hysterese vorhanden sein.
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Nach
einer Ausführungsform der Erfindung werden die Schritte
d bis f kontinuierlich während des Heizvorgangs durchgeführt.
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Nach
einer Ausführungsform der Erfindung werden das Frequenzabstimmgerät 27 und
das Kopplungsabstimmgerät 22 in vorbestimmte Defaultpositionen
nach der Dicke des planaren Produkts 8 geführt
und die Feinabstimmung wird wie in den Schritten e bis f durchgeführt.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung werden Steuerwerte
für die vorbestimmten Defaultpositionen in einer Steuereinheit
gespeichert, welche Steuereinheit das Frequenzabstimmgerät 27 und
das Kopplungsabstimmgerät 22 automatisch in die
vorbestimmten Defaultpositionen nach der Dicke des planaren Produkts 8 steuert.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird die Dicke
des planaren Bretts automatisch ermittelt.
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Beispiel 1
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Ein
Zwei-und-einhalb-Wellenlängeapplikator, dessen Öffnung
200 mm beträgt und maximales elektrisches Feld sich in
der Mitte der LVL-Platte (Laminated Veneer Lumber) befindet, wurde
mit der Höhe h
L = 273 mm des oberen
Teils simuliert. Die Simulationsergebnisse nach einer Grobabstimmung
sind in der Tabelle 1 dargestellt. Diese h
LL-
und w
c-Werte können als Defaultwerte
eingesetzt werden. Die Ergebnisse können dann durch Feinabstimmung
verbessert werden, wie oben beschrieben wurde.
5 zeigt
die durchschnittliche Hüllenkurve des elektrischen Felds
auf der x-z-Ebene mit 90 mm dickem LVL. Tabelle 1
| Dicke
von LVL, t [mm] | Höhe
des unteren Teils, hLL [mm] | Koppelfensterbreite,
wc [mm] | Resonanzfrequenz,
fr [MHz] | Rückverlust
auf fr [dB] |
| 90 | 337 | 158 | 915 | –17,6 |
| 120 | 292 | 156 | 915 | –29,6 |
| 150 | 270 | 156 | 915 | –24,4 |
| 185 | 233 | 156 | 915 | –20,4 |
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Beispiel
1 zeigt, dass die Heizvorrichtung nach der Ausführungsform
der Erfindung die Verarbeitung der planaren Produkte mit vielen
unterschiedlichen Dicken von 50 mm bis 200 mm oder mehr ermöglicht.
Ein bevorzugter Dickenbereich variiert von ungefähr 90
mm bis ungefähr 185 mm. Die Maximaldicke ist von der ausgewählten
Höhe der Schlitzöffnung abhängig, die
wiederum aufgrund der Anwendung ausgewählt wird. Eine und
dieselbe Heizvorrichtung kann leicht für jede Dicke des
Produkts mittels zwei Abstimmgeräten 22 und 27 eingestellt
werden, ohne dass die physikalische Länge des Applikators 2 verändert
wird. Ausserdem kann dieselbe Heizvorrichtung eingestellt werden,
die Maximalheizung entweder in der Mitte des planaren Produkts oder
am unteren und oberen Teil des zu heizenden Produkts bereitzustellen.
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Nach
einem Aspekt der Erfindung sind einander gegenüberliegende
der erste (obere) Teil 23 und der zweite (untere) Teil 24 des
Hohlraumresonators, d. h. die Unterkammer, in Bezug aufeinander
in Vorlaufrichtung des Produkts 8 (die x-Achse) verschoben
oder versetzt, wie in 6 gezeigt wird. Trotz der verschobenen Unterkammer
können sich die Konstruktion und der Betrieb des Applikators 2 jeder
der oben beschriebenen Ausführungsformen ähneln.
Durch die Verschiebung des oberen und unteren Teils kann die Feldverteilung
in der Kammer manipuliert und somit die vertikale Gleichmäßigkeit
der Heizung am planaren Produkt verbessert werden. Die Verteilung 33 mit
den Höchstwerten der heizenden zweiten Halbwellenlänge
in der Mitte des planaren Produkts 8 kann schmaler in x-Richtung
(d. h. die Heizung ist effektiver) und länger in Vertikalrichtung (die
z-Achse) werden, was bedeutet, dass die Heizung in Vertikalrichtung
(die z-Achse) über die Dicke des planaren Produkts gleichmäßiger
ist. Die Verschiebung S sollte nicht groß, vorzugsweise
nicht mehr als 10% der Wellenlänge im freien Raum auf der
Arbeitsfrequenz sein. Die Verschiebung S kann zum Beispiel von 5
mm bis 30 mm, vorzugsweise von 10 mm bis 30 mm, am vorteilhaftesten
von 15 mm bis 25 mm variieren. 7 zeigt
ein simuliertes Beispiel für eine durchschnittliche Hüllenkurve
des elektrischen Felds auf der x-z-Ebene für 90 mm dickes
LVL in einem Zwei-und-einhalb-Wellenlängenapplikator, dessen Öffnung
200 mm und Verschiebung S 20 mm ist. Die Formveränderung
des mittleren Felds 70 kann im Vergleich zur 5 beobachtet werden,
in der keine Verschiebung stattfindet.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein weiterer
Frequenzabstimmmechanismus in der oberen Unterkammer angeordnet,
wie in 2 gezeigt wird. Ein Block 37 aus einem
für Mikrowellen transparenten Material wie Teflon oder
einem anderen dielektrischen Material ist lateral auf derselben
Seitenwand C·b wie die Kopplungsabstimmplatte 22 angeordnet,
so dass der sich in die Unterkammer 23 erstreckende Vorsprung
des Abstimmblocks 37 in Richtung x, d. h. in Richtung der
Seitenwand a (z. B. die 248 mm lange Seite) einstellbar ist. Die
y-Dimension des Blocks 37 entspricht vorzugsweise wesentlich
der inneren y-Dimension der Unterkammer, nämlich C·b
(z. B. 600 mm). Der Abstimmblock 37 kann hin und her in
Richtung der x-Achse durch einen Aktuator 38 wie einen
Schrittmotor oder einen hydraulischen oder pneumatischen Aktuator
bewegt werden. Dieses Frequenzabstimmgerät hat ein bisschen
mehr Freiheit beim Ausbilden des Heizmusters. Insbesondere wenn
der Applikator 2 durch einen Hohlraumresonator auf der
Multi-Halbwellenlänge ausgebildet wird, der asymmetrisch
in die einander gegenüberliegenden ersten (oberen) Teil 23 und
zweiten (unteren) Teil 24 des Hohlraumresonators, d. h.
Unterkammer, unterteilt ist, so dass die physikalische Höhe
(Länge) der unteren Unterkammer 24 (mit dem Frequenzabstimmgerät)
kleiner als die Höhe der oberen Unterkammer 23 (mit dem
Kopplungsabstimmgerät 22) ist, kann nur das Frequenzabstimmgerät 37 anstatt
des Frequenzabstimmgeräts 27 in der Unterkammer 23 für
dünne LVL-Platten (deren Bahnhöhe nicht mehr als
70 mm ist) benutzt werden. Diese Anordnung führt zu einer
besseren Sicherheit und Beständigkeit des Applikators,
weil zwischen horizontalen und vertikalen Wänden kein Strom
fließt, kein guter elektrischer Kontakt zwischen den oben
erwähnten Wänden sichergestellt werden muss und
nur das Dielektrikum 37 verschoben wird.
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Durch
die Erfindung kann Mikrowellenheizung für planare Produkte
mit sehr unterschiedlichen Breiten, von 30 cm bis zu 1–3
Metern, bereitgestellt werden. Der hauptsächliche Grenzfaktor
kann die maximale vom Generator 7 zu erhaltende Mikrowellenleistung
sein. Wenn die Mikrowellenleistung in Richtung der y-Achse breiter
verteilt wird, verkleinert sich die Mikrowellenleistung pro Längeneinheit
(z. B. 1 mm) in dieser Richtung. Somit gibt es eine Breite, wo die
Heizleistung nicht für die Heizung des planaren Produkts
ausreicht. Nach einer Ausführungsform der Erfindung kann
sehr breite Produkte genügend geheizt werden, indem zwei
oder mehr Applikatoren 2 parallel wie in 8 montiert
werden. Jeder Applikator 2 kann von einem verschiedenen Generator 7 versorgt
werden. An den Schlitzöffnungen 25 und 26 sind
die aneinandergrenzenden Seitenwände der Applikatoren entfernt
worden, was zu Schlitzöffnungen und einer Produktbahn führt,
die doppelt (oder mehrere Male) so breit wie bei einem einzigen
Applikator 2 sind. Somit verdoppelt (oder vervielfacht)
sich die Breite des planaren Produkts 8, das durch die
angeschlossenen Applikatoren fahren kann, im Vergleich zu einem
einzigen Applikator.
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Während
bestimmte beispielhafte Ausführungsformen nach der Erfindung
oben veranschaulicht und beschrieben worden sind, wird es klar sein,
dass die Erfindung viele verschiedene Gestalten und Ausführungsformen
im Sinn und Rahmen der beigefügten Ansprüche aufweisen
kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4638843 [0003]
- - US 5628860 [0004]
- - US 5895546 [0005]
- - CA 2443799 [0005]
- - EP 0940060 [0006]
- - US 6744025 [0007]
- - US 7145117 [0008]
- - GB 893936 [0009, 0010, 0010, 0010]
- - GB 1016435 [0010, 0010, 0010, 0010]