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Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Erwärmung eines in einem Arbeitsraum befindlichen Mediums mittels Mikrowellenstrahlung, wie diese gattungsgemäß aus der
EP 1 471 773 A2 bekannt sind.
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In einer Vielzahl von bekannten Lösungen zur Erwärmung von Medien mittels Mikrowellenstrahlung besteht das Erfordernis, eine homogene Verteilung der Mikrowellenstrahlung in und um ein zu erwärmendes Medium herum zu erzeugen. Insbesondere soll die Ausbildung stehender Wellen vermieden werden, um lokale Überhitzungen (hot-spots) und lokale Bereiche zu vermeiden, an denen keine Erwärmung erfolgt.
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So ist es beispielsweise bei der Konstruktion von Mikrowellengeräten zur Erwärmung von Speisen üblich, die Abmessungen des Raumes, in dem sich das zu erwärmende Medium befindet (fortan: Arbeitsraum), ungleich der Wellenlänge oder eines Vielfachen der Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung zu dimensionieren. Dadurch wird vermieden, dass in den Arbeitsraum abgestrahlte Mikrowellenstrahlung an einer Wand des Arbeitsraumes in sich selbst reflektiert und eine stehende Welle erzeugt wird.
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Eine Kombination von statischen Reflexionen der Mikrowellenstrahlung an den, einen Innenraum begrenzenden, Wänden eines Gehäuses und einer dynamischen Reflexion der Mikrowellenstrahlung mittels mindestens eines Modenrührers ist in der
DE 103 29 411 B4 offenbart.
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Um eine gleichmäßige Verteilung von Mikrowellenstrahlung in einen Arbeitsraum zu erreichen, wird in der technischen Lehre der
EP 1 471 773 A2 der Ansatz verfolgt, eine Anzahl von Strahlungsquellen für Mikrowellenstrahlung (fortan: Strahlungsquellen) an oder um einen Arbeitsraum anzuordnen. Dabei beinhaltet jede Strahlungsquelle jeweils einen mit einer voreingestellten Mikrowellenfrequenz arbeitenden Oszillator, einen Leistungsverstärker, der von dem Oszillator erzeugte Signale verstärkt sowie Mittel, z. B. eine Antenne, zur Abstrahlung der verstärkten Signale als Mikrowellenstrahlung in den Arbeitsraum. Jeder Leistungsverstärker der Anzahl von Strahlungsquellen ist individuell ansteuerbar, wobei der Grad der Verstärkung gesteuert wird. Mit der Lösung nach der
EP 1 471 773 A2 ist es grundsätzlich möglich, eine auf ein Medium abgestimmtes Abstrahlungsmuster in den Arbeitsraum zu bewirken.
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Nachteilig an der angeführten Lösung ist, wie in der
EP 1 471 773 A2 selbst ausgeführt, dass durch die Anzahl von Oszillatoren, die unabhängig voneinander Signale generieren, Phasenverschiebungen der abgestrahlten Mikrowellenstrahlung zueinander auftreten können. Wenn eine solche Phasenverschiebung nicht erwünscht ist, müssen die Oszillatoren voreingestellt oder angesteuert werden, womit neben der Ansteuerung der Leistungsverstärker eine weitere Ansteuerung jeder der Mikrowellenquellen erforderlich ist.
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Für Anwendungen, bei denen eine Phasenverschiebung der Mikrowellenstrahlung nicht erwünscht ist, beispielsweise in experimentellen Anordnungen in der Werkstoffkunde oder der Verfahrenstechnik, ist die Lösung nach der
EP 1 471 773 A2 sehr aufwendig und kostenintensiv. Außerdem ist es mit einer Anordnung gemäß der
EP 1 471 773 A2 lediglich möglich, durch jeden der Oszillatoren Signale einer voreingestellten Mikrowellenfrequenz (fortan: Frequenz) zu erzeugen. Damit ist die Frequenz der gesamten Anordnung festgelegt und keine Variation der Frequenz möglich. Außerdem ist es sehr wahrscheinlich, dass bei der Anzahl der Oszillatoren Mikrowellenstrahlungen mit voneinander leicht verschiedenen Frequenzen abgestrahlt werden, wodurch eine Reproduzierbarkeit von Experimenten stark beeinträchtigt oder gar aufgehoben wird. Eine Änderung der Frequenz der Anordnung wäre nur durch einen Austausch der Anzahl von Oszillatoren möglich. Gerade in Hinblick auf experimentelle Ansätze wirft die Lehre der
EP 1 471 773 A2 neben ihren Vorteilen die Frage auf, wie die einzelnen Beiträge von Frequenzen und Amplituden der Mikrowellenstrahlung sowie deren Wechselwirkungen untereinander und mit dem Medium zu separieren sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur Erwärmung von Medien mittels Mikrowellenstrahlung vorzuschlagen, mittels der Phasenverschiebungen zwischen der abgestrahlten Mikrowellenstrahlung vermieden werden.
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Die Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Erwärmung eines in einem Arbeitsraum befindlichen Mediums mittels Mikrowellenstrahlung, umfassend mindestens zwei Strahlungsquellen zur Bereitstellung von Mikrowellenstrahlung mit je einem individuell ansteuerbaren Leistungsverstärker, durch welchen ein von einem Generator generiertes, eine Mikrowellenfrequenz aufweisendes, Signal verstärkt wird sowie mit Mitteln zur Abstrahlung des verstärkten Signals als Mikrowellenstrahlung in einen Arbeitsraum, der durch die Anordnung der Strahlungsquellen zueinander in seiner räumlichen Dimension bestimmt ist, gelöst. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Generator mit allen Leistungsverstärkern signaltechnisch in Verbindung steht, so dass das von dem Generator generierte Signal an allen Leistungsverstärkern anliegt. Außerdem ist der Generator über einen Bereich eines bestimmten Frequenzabschnitts innerhalb des Mikrowellenfrequenzbereiches durchstimmbar. In der Anordnung sind Messmittel vorhanden, mit denen Messdaten in dem Arbeitsraum erfassbar sind. Jede Mikrowellenquelle weist mindestens jeweils ein Messmittel zur Erfassung von Messdaten auf.
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Der Mikrowellenfrequenzbereich reicht von 300 MHz bis 300 GHz (Wellenlängen von 1 m bis 1 mm). Der Frequenzabschnitt kann jeder Abschnitt des Mikrowellenfrequenzbereichs sein. Die von dem Generator generierten elektromagnetischen Wellen werden als Signale bezeichnet, während als Mikrowellenstrahlung die abgestrahlten, durch einen der Leistungsverstärker verstärkten, Signale bezeichnet werden. Eine Verstärkung bewirkt vorzugsweise, dass die niedrig energetischen Signale zu Mikrowellenstrahlung verstärkt werden, deren Energie für einen vorgesehenen Verwendungszweck der erfindungsgemäßen Anordnung ausreichend ist. Die Mikrowellenstrahlung wird in Form von Feldern abgestrahlt, wobei die Felder gerichtet abgestrahlt sein können.
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Je höher der erreichte Wirkungsgrad der Anordnung sein soll, desto kleiner ist der wählbare Frequenzabschnitt. Um vorteilhaft einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, sind der Generator und der Leistungsverstärker aufeinander abgestimmt. Die maximale Variabilität der Frequenzen von Generator und Leistungsverstärker liegt bei +/– 100 MHz.
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Kern der Erfindung ist, die Frequenz der von den mindestens zwei Strahlungsquellen abgestrahlten Mikrowellenstrahlung durch nur einen einzigen Generator zu erzeugen. Es ist ferner erfindungswesentlich, dass der Generator durchstimmbar ist, so dass selbst während eines laufenden Erwärmungsvorgangs eine gesteuerte Veränderung der Frequenz ermöglicht ist.
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Durch die Verbindung nur eines Generators mit den Strahlungsquellen ist vorteilhaft eine Phasenverschiebung der abgestrahlten Mikrowellenstrahlung vermieden. Zusammen mit einer individuellen Ansteuerbarkeit jedes Leistungsverstärkers ist es mittels der erfindungsgemäßen Anordnung möglich, Mikrowellenstrahlung nur einer einzigen Frequenz durch eine Anzahl von Strahlungsquellen in den Arbeitsraum abzustrahlen. Der Generator kann mehrere Bauteile umfassen. Beispielsweise kann ein Mittel zur Generierung der Signale (z. B. ein Mittel zur Generierung von Signalen auf Basis von Halbleiterbauelementen) und ein durchstimmbares Mittel zum selektiven Durchlass (z. B. ein Oszillator, ein Filter oder Gleichrichter) der ausgewählten Frequenz vorhanden sein. Abweichend von dem vorgenannten Stand der Technik beinhaltet eine Strahlungsquelle im Sinne dieser Beschreibung keinen Generator.
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Ein Arbeitsraum kann ein geschlossener Raum wie der Innenraum eines Haushalts- oder Industrie-Mikrowellengerätes sein, in dem das Medium stationär angeordnet ist. Er kann auch ein offener Bereich sein, durch den das Medium hindurchtreten kann und dessen Größe durch eine Wirkungsweite der abgestrahlten Mikrowellenstrahlung bestimmt ist. Da Medien frequenzabhängig und temperaturabhängig, und somit auch leistungsabhängig, unterschiedlich auf Mikrowellenstrahlung reagieren, ist eine Wirkungsweite abhängig von einer Wechselwirkung zwischen Frequenz und Amplitude der Mikrowellenstrahlung sowie dem Medium. Die Wirkungsweite ist als Distanz zwischen Strahlungsquelle und dem am weitest entfernten Punkt des Mediums, an dem eine Wirkung feststellbar ist, zu verstehen und ist immer dann verschieden von einer Eindringtiefe der Mikrowellenstrahlung in das Medium, wenn die Strahlungsquelle nicht unmittelbar auf der Oberfläche des Mediums aufsetzt. Während eine Wirkungsweite im Vakuum theoretisch unendlich ist, können bei einer Bestrahlung von Medien sowie festen Körpern Wirkungsweiten lediglich im Bereich weniger Nano- oder Mikrometer vorliegen.
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Der Arbeitsraum kann beispielsweise von einem Gitter aus einem für Mikrowellenstrahlung reflektierenden Material umschlossen sein, dessen Gitterweite einen Durchtritt von Mikrowellenstrahlung nicht erlaubt, ein Durchtritt eines, z. B. flüssigen oder gasförmigen, Mediums aber möglich ist.
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Medien können alle festen, flüssigen und gasförmigen Stoffe und Stoffgemische oder Plasmen sowie deren Kombinationen sein.
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Die in jeder Mikrowellenquelle enthaltenen Messmittel zur Erfassung von Messdaten erlauben eine Erfassung und Auswertung von für die Messmittel spezifischen Größen. Dies kann vorteilhaft zum Schutz einzelner, einiger oder aller Strahlungsquellen genutzt werden. Beispielsweise kann eine Leistungsverstärkung durch eine Steuerung individuell reduziert oder unterbunden sein, wenn die durch die Messmittel erfassten Größen einen vorbestimmten Schwellwert überschreiten. Des Weiteren kann jedes Messmittel zur Erfassung von Größen für andere Auswertungen, z. B. für Untersuchungen des Verhaltens eines Mediums bei seiner Erwärmung mittels Mikrowellenstrahlung, bereitgestellt sein. Auch dazu ist das Messmittel signaltechnisch mit der Steuerung verbunden.
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Es ist ebenfalls eine vorteilhafte Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung, wenn in dem Arbeitsraum weitere Messmittel vorhanden und mit der Steuerung signaltechnisch, z. B. über bedrahtete oder unbedrahtete Messdatenleitungen, verbunden sind. Beispielsweise können durch weitere Messmittel Größen wie Temperaturen, Strahlungen, chemische Zusammensetzungen und Druck ortsaufgelöst erfasst sein. Die Steuerung ist vorzugsweise als Rechen-, Steuer- und Speichereinheit ausgebildet. Von der Steuerung können direkte Steuerleitungen zu jedem der Leistungsverstärker sowie zu jedem Messmittel und zu jedem weiteren Messmittel vorhanden sein. Es ist auch möglich, dass die Leistungsverstärker, die Messmittel und die weiteren Messmittel mit adressierten Steuersignalen ansteuerbar sind, wodurch die Anzahl von erforderlichen Steuerleitungen und Messdatenleitungen reduziert werden kann.
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Günstig ist es, wenn die Messmittel und die weiteren Messmittel geschirmt und am Rand des Arbeitsraums angeordnet sind. Die Messmittel sowie die weiteren Messmittel können beispielsweise Infrarot-Pyrometer oder faseroptische Sensoren sein.
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In einer ersten Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Strahlungsquellen bezüglich ihrer Position relativ zum Arbeitsraum frei wählbar. Sie können beispielsweise so gestaltet sein, dass sie manuell direkt auf einer Oberfläche des Mediums, z. B. eines zu erwärmenden Körpers, angeordnet werden können. Es ist von Vorteil, wenn die Strahlungsquellen als kompakte und leicht handhabbare Einheit gestaltet sind. Sie können vorzugsweise in je einem Gehäuse und mit diesem auf je einem Träger angeordnet sein. In einer solchen Ausführung der Anordnung ist die räumliche Dimension, also die konkrete räumliche Form, des Arbeitsraums durch die frei wählbare Positionierung der Strahlungsquellen bestimmt.
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Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens die Mittel zur Abstrahlung der Mikrowellenstrahlung in den Arbeitsraum in mindestens einer Halterungsstruktur angeordnet sind. Eine solche Halterungsstruktur kann die räumliche Dimension des Arbeitsraums in mindestens einer Richtung begrenzen. Eine Halterungsstruktur kann in einem einfachen Fall eine Wand oder Wände eines Arbeitsraums sein und die Mittel zur Abstrahlung können in einer bestimmten Weise auf oder in der Wand oder den Wänden verteilt sein. Die Halterungsstruktur kann beispielsweise auch eine Halterung wie ein Gerüst oder eine flexible Matte sein.
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Die Halterungsstruktur kann den Arbeitsraum ganz oder teilweise umschließen. Es ist auch möglich, dass die Halterungsstruktur den Arbeitsraum in einer Richtung begrenzt und die räumliche Dimension des Arbeitsraums durch die Halterungsstruktur und die Wirkungsweite der abgestrahlten Mikrowellenstrahlung bestimmt ist.
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Die Mittel zur Abstrahlung der Mikrowellenstrahlung in den Arbeitsraum können beispielsweise Antennen sein. In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung sind die Mittel zur Abstrahlung Hohlleiter. Diese können zudem in Ebenen angeordnet sein, die sich senkrecht zu einer Längsachse eines entlang der Längsachse gestalteten Arbeitsraums ausdehnen. Vorzugsweise sind die Hohlleiter so ausgerichtet, dass die Abstrahlung der Mikrowellenstrahlung in den Ebenen erfolgt.
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Hohlleiter werden üblicherweise dazu eingesetzt um eine z. B. Mikrowellenstrahlung zu leiten. In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung wird Mikrowellenstrahlung über eine Antenne oder Sender in einen Hohlleiter abgestrahlt. Die Mikrowellenstrahlung ist durch den Hohlleiter bis zu einer Öffnung, die vorzugsweise als ein Schlitz ausgebildet ist, geleitet. Durch die Öffnung wird die Mikrowellenstrahlung in den Arbeitsraum abgestrahlt. Von Vorteil ist, dass durch den Schlitz schädliche Rückreflexionen in den Hohlleiter stark reduziert sind.
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In der erfindungsgemäßen Anordnung können Mittel zur Durchführung des Mediums durch den Arbeitsraum vorhanden sein. Dabei kann das Mittel zur Durchführung des Mediums durch den Arbeitsraum ein Führungselement mit einer Elementenlängsachse sein, die vorzugsweise parallel zur Längsachse des Arbeitsraums ausgerichtet ist. Ist das Mittel zur Durchführung des Mediums durch den Arbeitsraum ein Bündel von Führungselementen mit einer Bündellängsachse, so ist diese Bündellängsachse vorzugsweise parallel zur Längsachse ausgerichtet. Führungselemente können beispielweise Rohre, Schächte oder Kanäle sein, die von einem flüssigen oder gasförmigen Medium durchströmt werden. Es können aber auch Fördereinrichtungen sein, mittels der feste Stoffe als z. B. Schüttgut oder als Körper durch den Arbeitsraum zu führen sind (dynamischer Fall). Eine Durchführung des Mediums durch den Arbeitsraum kann in zeitlich (z. B. kontinuierlich, diskontinuierlich) und räumlich (Streckenverlauf der Durchführung) beliebiger Weise erfolgen. Es ist auch möglich, dass das Medium in den Arbeitsraum eingebracht ist, dort während seiner Erwärmung verbleibt und wieder entnommen wird (statischer Fall). Beispielsweise kann ein Körper oder ein Behältnis mit dem zu erwärmenden Medium (z. B. ein befüllter Autoklav) in den Arbeitsraum eingebracht sein.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn der Generator gegen mindestens einen weiteren Generator austauschbar ist. Eine einfache Austauschbarkeit kann beispielsweise dadurch erreicht sein, dass der Generator, z. B. in eine Platine, einsteckbar ist. Dadurch ist im Fall eines Defekts der Generator leicht auswechselbar. Besonders günstig ist die einfache Austauschbarkeit in Experimentieranordnungen, in denen durch den Austausch nur einer Komponente der Anordnung beispielsweise ein Bereich eines anderen Frequenzabschnitts verfügbar wird. Einem physischen Austausch steht eine Möglichkeit zur Umschaltung auf einen anderen Generator gleich.
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Die Anordnung kann neben der Erwärmung eines Mediums mittels Mikrowellenstrahlung beispielsweise zur Untersuchung des Ansprechverhaltens des Mediums bei der Erwärmung verwendet werden.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Erwärmung eines in einem Arbeitsraum befindlichen Mediums mittels Mikrowellenstrahlung gelöst. Die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nacheinander das Einbringen eines Mediums in einen Arbeitsraum. Es folgt die Auswahl einer Mikrowellenfrequenz in Abhängigkeit von Eigenschaften des Mediums aus einem bestimmten Frequenzabschnitt innerhalb des Mikrowellenfrequenzbereiches. Anschließend wird ein Generator mit Steuersignalen angesteuert, die zu einer Generierung eines Signals mit der ausgewählten Mikrowellenfrequenz führen. Es folgen das Generieren des Signals mit der ausgewählten Mikrowellenfrequenz, das Leiten des Signals an wenigstens eine Strahlungsquelle, das Verstärken des Signals mittels der wenigstens einen Strahlungsquelle zu wenigstens einem verstärkten Signal und das Abstrahlen des wenigstens einen verstärkten Signals als Mikrowellenstrahlung in den Arbeitsraum. An jeder der Strahlungsquellen werden Messdaten erfasst, auf deren Grundlage Steuersignale mindestens zur Ansteuerung der Verstärkung des Signals erzeugt werden.
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Die Auswahl der Mikrowellenfrequenz (Frequenz) kann aufgrund der Kenntnisse über das Material, die Dimensionierung und weiterer Eigenschaften (z. B. Aggregatzustand, Temperatur) des Mediums erfolgen. Es ist auch möglich, eine bestimmte Frequenz aufgrund von Erfahrungssätzen oder aber willkürlich auszuwählen. Die Frequenz kann in weiteren Ausführungen des Verfahrens auch vor oder mit dem Einbringen des Mediums ausgewählt werden.
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In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der Arbeitsraum durch eine Anordnung mehrerer Strahlungsquellen in seinen räumlichen Dimensionen bestimmt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist äußerst vorteilhaft zur Untersuchung eines Verhaltens des Mediums bei seiner Erwärmung mittels Mikrowellenstrahlung geeignet. Dabei werden nacheinander Mikrowellenstrahlungen mindestens je einer ersten bis n-ten Eigenschaftsausprägung einer bestimmten Bandbreite von Eigenschaftsausprägungen einer Eigenschaft der Mikrowellenstrahlung in den Arbeitsraum abgestrahlt. Die der ersten bis n-ten Eigenschaftsausprägung zugeordneten ersten bis n-ten Messdaten werden erfasst und miteinander verglichen. Aus den Messdaten sowie deren Vergleich wird das Verhalten des Mediums bei seiner Erwärmung mittels Mikrowellenstrahlung erster bis n-ter Eigenschaftsausprägung abgeleitet. Es lässt sich das Verhalten des Mediums über die Zeit, an verschiedenen Bereichen des Arbeitsraums sowie unter verschiedenen Kombinationen der ersten bis n-ten Eigenschaftsausprägung der Mikrowellenstrahlung untersuchen.
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Eigenschaften können beispielsweise die Leistung der Mikrowellenstrahlung oder die Frequenz sein. Die Eigenschaftsausprägung ist der jeweils konkrete Wert der Eigenschaft, z. B. eine konkret darstellbare Amplitude der Mikrowelle als erste Eigenschaftsausprägung und eine konkrete Frequenz als zweite Eigenschaftsausprägung der Leistung der Mikrowellenstrahlung.
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Mit dem Verfahren ist eine Untersuchung von Medien beispielsweise dadurch möglich, dass das Medium mit Mikrowellenstrahlung der ersten bis n-ten Eigenschaftsausprägung bestrahlt und Messdaten erfasst werden. So können beispielsweise optimierte Kombinationen der ersten bis n-ten Eigenschaftsausprägung für eine Erwärmung des Mediums gefunden werden. Mit dem Verfahren kann außerdem eine geeignete räumliche Positionierung der Strahlungsquellen gesucht werden, bei der beispielsweise eine effiziente Erwärmung des Mediums bei gleichzeitigem Schutz aller Strahlungsquellen vor schädigenden Einflüssen erzielbar ist.
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Steuerungstechnisch günstig ist es, wenn die Auswahl einer Frequenz, die Erzeugung der Mikrowellenstrahlung, die Ansteuerung der Strahlungsquellen und die Auswertung der Messdaten mittels einer zentralen Steuerung erfolgt.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Medien beliebiger Aggregatzustände oder deren Mischung erwärmt werden. Es ist möglich, das Verfahren zur Fraktionierung eines aus einem Stoffgemisch bestehenden Mediums zu nutzen. Es kann damit auch mindestens ein Inhaltsstoff des Mediums aktiviert, sowie katalytische Reaktionen des Mediums durchgeführt werden. Es ist auch möglich, mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem Medium ein Plasma zu erzeugen. In Bezug auf spezielle Methoden der Oberflächenbehandlung, wie z. B. der PVD (physical vapour deposition) oder der CVD (chemical vapour deposition), wird es möglich sein, Prozessabläufe präziser zu gestalten und dadurch die Homogenität von z. B. auf einem Objekt aufgebrachter Schichten weiter zu steigern. Auch können mittels Mikrowellenstrahlung Moleküle oder Molekülgruppen ausgerichtet bzw. auch erst polarisiert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen die Abbildungen:
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1 eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung;
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2 eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung;
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3 eine Strahlungsquelle einer dritten erfindungsgemäßen Anordnung.
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Als wesentliche Elemente der in 1 stark schematisch gezeigten ersten Ausführung der Anordnung sind eine Spannungsquelle 1 zur Versorgung der Anordnung, ein durchstimmbarer Generator 2 zur Generierung eines Signals, ein Verteiler 3 zum Leiten des Signals über je eine Mikrowellenleitung 4 an zwei Strahlungsquellen 5 mit je einem Leistungsverstärker 5.1 und einem Messmittel zur Erfassung von Messdaten 5.3, sowie eine als Rechen-, Steuer- und Speichereinheit ausgebildete Steuerung 6 vorhanden, die mit dem Generator 2 und den Strahlungsquellen 5 über Steuerleitungen 6.1 in Verbindung steht.
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Der von der Spannungsquelle 1 versorgte und durch die Steuerung 6 ansteuerbare Generator 2 beinhaltet einen Schwingungsgenerator 2.1, der aus Halbleiterbauelementen aufgebaut ist, sowie einen Oszillator als Frequenzfilter 2.2. Der Generator 2 ist über den Bereich des Frequenzabschnittes 1,8 bis 2,8 GHz kontinuierlich durchstimmbar. Durch von der Steuerung 6 übermittelte Steuersignale ist der Generator 2 auf eine ausgewählte Frequenz aus einem Frequenzabschnitt des Mikrowellenfrequenzbereichs abstimmbar. Mittels des Schwingungsgenerators 2.1 ist ein Signal mit der ausgewählten Frequenz generierbar. Eventuell erzeugte Signale, deren Frequenzen nicht der ausgewählten Frequenz entsprechen, sind durch die Funktion des Frequenzfilters 2.2 unterdrückt. Durch den Verteiler 3 ist das Signal auf die Mikrowellenleitungen 4 verteilt. Das in der erfindungsgemäßen Anordnung nach dem Frequenzfilter 2.2 bereitgestellte Signal liegt an jeder der vorhandenen Strahlungsquellen 5 an. Das Signal ist durch den Leistungsverstärker 5.1 zu verstärken und mittels eines Hohlleiters 5.2 als eine Mikrowellenstrahlung 11 in einen Arbeitsraum 7 abzustrahlen. Der Arbeitsraum 7 ist durch eine für Mikrowellenstrahlung 11 reflektierende Wand aus Metall als eine Halterungsstruktur 8, in der die Strahlungsquellen 5 in parallel zueinander verlaufenden Ebenen E in den Arbeitsraum 7 gerichtet angeordnet sind, in einer seiner räumlichen Dimensionen begrenzt. Die Ebenen E erstrecken sich senkrecht zu einer Längsachse 7.1 des Arbeitsraums 7. In seinen nicht von der Halterungsstruktur 8 begrenzten Dimensionen ist der Arbeitsraum 7 durch eine Wirkungsweite der Mikrowellenstrahlung 11 bestimmt, die von der Temperatur, der Frequenz und einer Amplitude der Mikrowellenstrahlung 11 sowie den Wechselwirkungen mit einem bestrahlten Medium 10 abhängt. In dem Arbeitsraum 7 ist ein zu erwärmender fester Körper als Medium 10 eingebracht. Das Medium 10 verbleibt während der Erwärmung bezüglich des Arbeitsraumes 7 in einer immer gleichen, stationären Lage. Das in der Strahlungsquelle 5 angeordnete Messmittel zur Erfassung von Messdaten 5.3 ist eine Diode und dient der Erfassung von Mikrowellenstrahlung 11, die von dem Medium 10 auf das Messmittel zur Erfassung von Messdaten 5.3 zurück reflektiert sind. Das Messmittel zur Erfassung von Messdaten 5.3 jeder Strahlungsquelle 5 ist über je eine Messdatenleitung 5.4 mit der Steuerung 6 verbunden. Jeder Leistungsverstärker 5.1 ist durch die Steuerung 6 über die Steuerleitungen 6.1 direkt und individuell ansteuerbar. Eine Ansteuerung erfolgt in Abhängigkeit der Messdaten des Messmittels zur Erfassung von Messdaten 5.3, um Schädigungen der Strahlungsquellen 5 durch reflektierte Mikrowellenstrahlung 11 zu verhindern.
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Eine zweite Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß 2 entspricht dem grundsätzlichen Aufbau gemäß 1. Zusätzlich ist ein Temperatursensor als ein weiteres Messmittel 12 zur Bestimmung der Temperatur innerhalb des Arbeitsraums 7 angeordnet und über eine Messdatenleitung 5.4 mit der Steuerung 6 verbunden. Der Arbeitsraum 7 ist in allen seinen Dimensionen von Wänden (vereinfacht als Linien gezeigt) begrenzt, die für die Strahlungsquellen 5 als Halterungsstrukturen 8 dienen (nur zwei Strahlungsquellen 5 einer Halterungsstruktur 8 gezeigt) und durch die der Arbeitsraum 7 abgeschlossen ist. In dem Arbeitsraum 7 ist, diesen in seiner gesamten Länge durchspannend, ein als Rohr ausgebildetes Führungselement 9.1 als ein Mittel zur Durchführung des Mediums durch den Arbeitsraum 9 entlang einer Elementenlängsachse 9.11 vorhanden. Die Elementenlängsachse 9.11 verläuft parallel zu der Längsachse 7.1. Das Führungselement 9.1 durchspannt den Arbeitsraum 7 von einer die Halterungsstruktur 8 eröffnenden Medienzuführungsöffnung 9.2 zu einer Medienabführungsöffnung 9.3.
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In weiteren Ausführungen der Anordnung können auch außen an dem Arbeitsraum 7 und / oder an der Medienzuführungsöffnung 9.2 und / oder der Medienabführungsöffnung 9.3 weitere Messmittel 12, z. B. Sensoren, durch die ein Zustand des Mediums 10 wie Temperatur, physikalische oder chemische Zusammensetzung erfassbar sind, angeordnet sein.
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Eine Gestaltung einer Strahlungsquelle 5 gemäß 3 zeichnet sich durch eine als Träger ausgebildete Halterungsstruktur 8 aus, auf der der Leistungsverstärker 5.1, der Hohlleiter 5.2 und das Messmittel zur Erfassung von Messdaten 5.3 von einem Gehäuse 5.5 umschlossen angeordnet sind. Die Strahlungsquelle 5 ist über die Mikrowellenleitung 4 mit dem Verteiler 3 (nicht gezeigt) und über die Steuerleitung 6.1 und die Messdatenleitung 5.4 mit der Steuerung 6 verbunden. Die Strahlungsquelle 5 ist manuell an einer frei wählbaren Position auf der Oberfläche eines zu erwärmenden Körpers als Medium 10 anzubringen. Ein Arbeitsraum 7 ist durch die Strahlungsquelle 5 und durch die in diesem Fall als Wirkungsweite anzusehende Eindringtiefe der Mikrowellenstrahlung 11 in das Medium 10 (durch gestrichelte Mikrowellenstrahlung 11 symbolisiert) bestimmt. Diese Gestaltung kann beispielsweise als flexibles System zur schonenden Trocknung von Holz oder anderen Naturstoffen, sowie allen künstlichen erzeugten Edukten und Produkten eingesetzt werden, wobei durch den Einsatz von Mikrowellenstrahlung 11 eine steuerbare Erwärmung des Mediums 10 im Inneren bewirkt ist. Wasser oder andere Lösungsmittel werden dabei nicht von bereits getrockneten Schichten des Mediums 10 eingeschlossen, sondern durch noch feuchte Schichten nach außen transportiert. Durch eine Erwärmung im Inneren werden Rissbildungen im Medium 10 weitestgehend vermieden.
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Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Untersuchung eines Verhaltens des Mediums 10 bei seiner Erwärmung mittels Mikrowellenstrahlung 11, wird anhand des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 2 erläutert. Anhand von Erfahrungswerten wird ein Frequenzabschnitt des Mikrowellenfrequenzbereichs, bei dem eine Erwärmung des Mediums 10 bekanntermaßen erfolgt, ausgewählt. In weiteren Ausführungen können auch Frequenzabschnitte ausgewählt werden, in denen keine Erwärmung erfolgt oder eine Erwärmung (noch) fraglich ist. Mittels der Steuerung 6 werden der Schwingungsgenerator 2.1 und der Frequenzfilter 2.2 so angesteuert, dass ein Signal mit der ausgewählten Frequenz bereitgestellt wird. Das Signal ist eine elektromagnetische Welle, die mit der ausgewählten Frequenz schwingt und eine Amplitude aufweist. Über den Verteiler 3 wird das Signal auf die Mikrowellenleitungen 4 verteilt, so dass diese an jeder der Strahlungsquellen 5 anliegt. Jeder der Leistungsverstärker 5.1 wird mittels der Steuerung 6 über die Steuerleitungen 6.1 so angesteuert, dass die Amplitude des Signals durch jeden Leistungsverstärker 5.1 gleich verstärkt und das verstärkte Signal über jeden Hohlleiter 5.2 als Mikrowellenstrahlung 11 in den Arbeitsraum 7 abgestrahlt wird. Die auf dem Medium 10 auftreffende Mikrowellenstrahlung 11 wird von dem Medium 10 entsprechend seiner Eigenschaften absorbiert und/oder gänzlich oder anteilig reflektiert. Reflektierte und von einem der Messmittel zur Erfassung von Messdaten 5.3 erfasste Mikrowellenstrahlung 11 verursacht mindestens ein Antwortsignal, dessen Höhe als Messdaten über die Messdatenleitung 5.4 an die Steuerung 6 gesendet und dort ausgewertet wird. Zeigen die Messdaten, dass auf die Messmittel zur Erfassung von Messdaten 5.3 Mikrowellenstrahlung 11 einer Leistung oberhalb eines vorbestimmten Schwellwertes auftreffen, wird der Leistungsverstärker 5.1 angesteuert und eine geringere Verstärkung bewirkt. Da die auf dem Messmittel zur Erfassung von Messdaten 5.3 auftreffenden Mikrowellenstrahlung 11 auch von anderen Strahlungsquellen 5 herrühren kann, werden in einer weiteren Ausführung des Verfahrens auch die Leistungsverstärker 5.1 einiger oder aller anderen Strahlungsquellen 5 angesteuert. Durch eine kontrollierte und systematische Variation der durch die Leistungsverstärker 5.1 bewirkten Verstärkungen des Signals kann ein gewünschtes Muster der Ansteuerung der Leistungsverstärker 5.1 für eine jeweilige Kombination von Medium 10, Positionierung der Strahlungsquellen 5 und Dimensionierung des Arbeitsraums 7 gesucht werden. Es ist in weiteren Ausführungen des Verfahrens auch möglich, das Verhalten des Mediums 10 bei unterschiedlichen Positionierungen der Strahlungsquellen 5 zu untersuchen. Die erläuterte individuelle Wahl der Verstärkung des Signals ist als eine erste Eigenschaftsausprägung der Eigenschaft „Leistung / Amplitude“ der Mikrowellenstrahlung 11 anzusehen. Die Erfassung der Messdaten durch die Messmittel zur Erfassung von Messdaten 5.3 und deren Auswertung dient einmal dem Schutz der jeweiligen Strahlungsquelle 5 vor überhöhter Rückstrahlung und kann außerdem zur Untersuchung des Verhaltens des Mediums 10 bei seiner Erwärmung mit Mikrowellenstrahlung 11 dienen.
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Um Wirkungen des Arbeitsraums 7 (z. B. Reflexionen an dessen Wänden) bei einer Untersuchung zu berücksichtigen bzw. auszuschließen, kann ein „Standard-Reflexionsprofil“ des Arbeitsraums 7 ermittelt und abgespeichert werden. Es ist auch möglich, die Dimensionierung des Arbeitsraumes 7 so zu gestalten, dass Reflexionen der Mikrowellenstrahlung 11 keine oder einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Messdaten haben. Auch können die Wände des Arbeitsraums 7 aus für Mikrowellenstrahlung 11 nicht reflektierendem Material ausgestaltet oder der Arbeitsraum 7 in einer Anzahl von Richtungen seiner Dimensionierung ohne Wände ausgeführt sein.
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Als eine zweite Eigenschaft wird die Frequenz durch Ansteuerung des Generators 2 mittels der Steuerung 6 verändert. Die Frequenz kann auf bestimmte Werte eingestellt werden. Es können Temperatur-Zeit-Kurven bei konstanten Bedingungen unter Variation der Frequenz aufgenommen werden, um eine für eine angestrebte Wirkung optimale Frequenz zu ermitteln. Die Frequenz wird also auf das Material abgestimmt. Sie kann aber auch kontinuierlich oder diskontinuierlich über einen Bereich des Frequenzabschnittes verändert werden. Eine solche Veränderung kann auch mehrmals, beispielsweise bei unterschiedlichen Temperaturen des Mediums 10 oder des Arbeitsraums 7 erfolgen. Die ersten bis n-ten Eigenschaften können einzeln oder in beliebigen Kombinationen eingestellt werden.
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Sind weitere Messmittel 12 vorhanden, werden die durch die weiteren Messmittel 12 erfassten Messdaten ebenfalls über Messdatenleitungen 5.4 an die Steuerung 6 übermittelt.
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In allen Fällen werden die erfassten Messdaten den Informationen über den Ort der Erfassung den ersten bis n-ten Eigenschaftsausprägungen der Eigenschaften zugeordnet, ausgewertet und gespeichert.
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Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, das Verhalten eines Mediums 10 bei seiner Erwärmung bei unterschiedlichsten Kombinationen von Eigenschaftsausprägungen zu untersuchen. Es ist möglich, die Eigenschaftsausprägungen auch während eines Erwärmungsvorgangs gesteuert zu verändern und die resultierenden Verhaltensantworten des Mediums 10 zugeordnet zu den Eigenschaftsausprägungen, der Positionierung der Mikrowellenquellen 5, der Gestaltung des Arbeitsraums 7, dem Material und der Dimension des Mediums 10 zu untersuchen sowie eine Grundeinstellung einer Anordnung nach ihrer Installation oder Reparatur zu überprüfen oder einzurichten. Auch können unter Zugrundelegung üblicher Vorgehensweisen bei der Durchführung wissenschaftlicher Experimente Wechselwirkungen zwischen den oben angeführten Parametern untersucht werden. Das Verfahren kann auch zur Optimierung der Verfahrensführung der Fraktionierung eines Stoffgemisches, der Aktivierung von Inhaltsstoffen des Mediums, von katalytischen Reaktionen, der Erzeugung eines Plasmas oder der Ausrichtung von Molekülen angewendet werden. Die Anordnung und das Verfahren können auch bei der Erwärmung z. B. kontaminierten Bodens oder für die Trocknung von Körpern wie z. B. von Früchten, verwendet werden, wobei ein Austreiben von Wasser oder flüchtiger Stoffe und Verbindungen wie Alkoholen, Aceton, Phenolen, Toluol, Öle und dergleichen primäres Ziel ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spannungsquelle
- 2
- Generator
- 2.1
- Schwingungsgenerator
- 2.2
- Frequenzfilter
- 3
- Verteiler
- 4
- Mikrowellenleitung
- 5
- Strahlungsquelle
- 5.1
- Leistungsverstärker
- 5.2
- Hohlleiter
- 5.3
- Messmittel zur Erfassung von Messdaten
- 5.4
- Messdatenleitung
- 5.5
- Gehäuse
- 6
- Steuerung
- 6.1
- Steuerleitung
- 7
- Arbeitsraum
- 7.1
- Längsachse
- 8
- Halterungstruktur
- 9
- Mittel zur Durchführung des Mediums durch den Arbeitsraum
- 9.1
- Führungselement
- 9.11
- Elementenlängsachse
- 9.2
- Medienzuführungsöffnung
- 9.3
- Medienabführungsöffnung
- 10
- Medium
- 11
- Mikrowellenstrahlung
- 12
- weitere Messmittel
- E
- Ebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1471773 A2 [0001, 0005, 0005, 0006, 0007, 0007, 0007]
- DE 10329411 B4 [0004]
