-
Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung zum kontinuierlichen Temperieren eines elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterials, insbesondere eines Faserhalbzeuges oder einer Vorstufe hiervon zur Herstellung eines Faserverbundbauteils. Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum kontinuierlichen Temperieren eines elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterials.
-
Bauteile aus einem Faserverbundwerkstoff, sogenannte Faserverbundbauteile, sind aus der Luft- und Raumfahrt heute nicht mehr wegzudenken. Aber auch im Automobilbereich findet die Verwendung derartiger Werkstoffe immer mehr Zuspruch. Insbesondere kritische Strukturelemente werden aufgrund der hohen gewichtsspezifischen Festigkeit und Steifigkeit bei minimalem Gewicht aus faserverstärkten Kunststoffen gefertigt. Durch die aus der Faserorientierung resultierenden anisotropen Eigenschaften der Faserverbundwerkstoffe können Bauteile an lokale Belastungen angepasst werden und ermöglichen so eine optimale Materialausnutzung im Sinne des Leichtbaus.
-
Die Herstellung der Versteifungsfasern aus Kohlenstoff ist dabei ein energieaufwendiger Prozess, bei dem thermische Prozessschritte eine dominierende Rolle spielen. Aus Ehrenstein, G. W.; „Faserverbund-Kunststoffe“; Hanser, 1992 ist bekannt, dass mehrere thermische Schritte notwendig sind, um Fasern mit hoher Güte (hoher Kohlenstoffgehalt, lamellenartige Struktur) aus dem Ausgangsmaterial (Schmelze) zu erhalten. Im ersten thermischen Schritt, der Pyrolyse (ca. 180 bis 300°C) werden unter Sauerstoffausschluss die Moleküle des organischen Rohstoffs aufgespalten. Durch Verstreckung (Anlegen einer Zugspannung) wird eine Orientierung der atomaren Struktur erreicht. In einem weiteren Schritt, der Carbonisierung (300 bis 1600°C) erfolgt eine Veredelung der Fasern, sodass als Endprodukt Kohlenstofffasern mit 96 bis 98 Gew.-% Kohlenstoffanteil vorliegen. In einem weiteren optionalen thermischen Schritt, der Graphitierung (> 2600°C) können besonders hochwertige Fasern hergestellt werden.
-
Üblicherweise erfolgt die Temperierung der Faser bzw. der Zwischenprodukte über erzwungene Konvektion in einer sauerstoffarmen oder -freien Atmosphäre. Um ein bestimmtes Temperaturprofil zu realisieren, durchlaufen die Fasern mehrere Öfen, in denen unterschiedliche Temperaturniveaus herrschen, wobei sie sowohl erwärmt als auch abgekühlt werden.
-
Aus der
US 7,824,495 B1 ist bspw. eine Anlage zum kontinuierlichen Produzieren von carbonisierten oder graphitierten Fasern bekannt, bei dem die Faserstränge in eine Temperierkammer eingeführt werden, in der mit Hilfe von Mikrowellen ein Mikrowellenplasma in der Atmosphäre der Kammer erzeugt wird, um in Verbindung mit dem Mikrowellenfeld eine Erwärmung der durchlaufenden Fasern zu realisieren. Dabei wird das Mikrowellenfeld von den durchlaufenden Fasern absorbiert, wodurch sie erwärmt werden. Sowohl am Eingang als auch am Ausgang der Temperierkammer befinden sich Schleusen in Form von rotierenden Walzen, um so die Temperierkammer trotz des kontinuierlich durchgeführten Fasermaterials hermetisch abzuriegeln, wodurch die Temperierkammer druckbeaufschlagbar ist. So lässt sich während des Prozesses bspw. ein Unterdruck in der Kammer erzeugen.
-
Nachteilig hierbei ist, dass das durch die Temperierkammer geführte Fasermaterial in mechanischer Wirkverbindung mit den Schleusenein- und -ausgängen steht, wodurch das Fasermaterial beschädigt werden könnte. Darüber hinaus wird ein sehr hoher Anlagenaufwand betrieben, um das herzustellende Fasermaterial bzw. die Vorstufen hiervon zu temperieren.
-
Aus der
JP 62045725 A ist ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern aus Pech-Fasern bekannt, bei dem die Pech-Fasern mit Mikrowellen bestrahlt werden.
-
Aus der
EP 1 845 179 A1 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Kohlenstofffasern bekannt, bei dem die Precursorfasern mit Mikrowellen bestrahlt werden, wobei die Mikrowellen zur Erwärmung von den Precursorfasern absorbiert werden.
-
Aus der
DE 28 22 428 ist ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern bekannt, bei dem die Kohlenstofffasern durch Bestrahlung mit Mikrowellen erwärmt werden.
-
Aus der
US 2014/0037776 A1 ist schließlich eine Herstellungsvorrichtung zum Herstellen von Kohlenstofffasern bekannt, bei dem die Kohlenstofffasern zum Zwecke der Graphitisierung mittels Bestrahlung durch Mikrowellen temperiert werden.
-
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zum Temperieren von Quasiendlosmaterial anzugeben, bei dem die Anlage sehr einfach aufgebaut werden kann und bei der Beschädigungen des Fasermaterials ausgeschlossen werden können.
-
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie dem Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
-
Gemäß Anspruch 1 wird eine Temperiervorrichtung zum kontinuierlichen Temperieren eines elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterials vorgeschlagen, das eine Temperierkammer aufweist, die eine Eingangsöffnung und eine Ausgangsöffnung hat, um das elektrisch leitfähige Quasiendlosmaterial von der Eingangsöffnung durch die Temperierkammer zur Ausgangsöffnung zu führen. Das elektrisch leitfähige Quasiendlosmaterial wird somit durch die Temperierkammer gefördert bzw. bewegt, indem es durch die Eingangsöffnung hinein in die Temperierkammer gelangt, durch die Temperierkammer hindurchgeführt und anschließend aus der Ausgangsöffnung der Temperierkammer wieder hinausgeführt wird.
-
Die Eingangsöffnung und/oder die Ausgangsöffnung sind dabei so ausgebildet, dass sie ein im Wesentlichen gegenüber dem Quasiendlosmaterial größeren Querschnitt aufweisen, sodass das Quasiendlosmaterial beim Einführen in die Temperierkammer und/oder beim Hinausführen aus der Temperierkammer nicht mit dieser in Berührung kommt. Die Eingangsöffnung und/oder die Ausgangsöffnung der Temperierkammer sind somit zum berührungslosen Einführen des Quasiendlosmaterials in die Temperierkammer und/oder zum berührungslosen Hinausführen des Quasiendlosmaterials aus der Temperierkammer ausgebildet.
-
Des Weiteren ist bei der Temperiervorrichtung gemäß Anspruch 1 ein elektromagnetischer Feldgenerator vorgesehen, der zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes in der Temperierkammer ausgebildet ist, sodass durch das erzeugte elektromagnetische Wechselfeld mittelbar eine Temperierung des Quasiendlosmaterials erfolgen kann.
-
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, dass die Temperierkammer als Hohlleiter mit einer metallischen Innenwandung ausgebildet ist, wobei die metallische Innenwandung einen Außenleiter bildet, der das elektrisch leitfähige Quasiendlosmaterial als koaxial geführten Innenleiter umgibt, wenn das elektrisch leitfähige Quasiendlosmaterial durch den Hohlleiter von der Eingangsöffnung zur Ausgangsöffnung geführt wird. Der elektromagnetische Feldgenerator wirkt dabei mit dem Hohlleiter derart zusammen, dass sich das erzeugte elektromagnetische Wechselfeld in dem Hohlleiter ausbreitet, um so Wechselströme zur Temperierung in dem elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterial zu induzieren.
-
Aufgrund der in dem elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterial induzierten Wechselströme kann das Quasiendlosmaterial temperiert bzw. erwärmt werden, da aufgrund der Ohm‘schen Verlustleistung der in dem Quasiendlosmaterial induzierten Wechselströme eine Temperierung stattfindet. Die notwendige thermische Energie wird somit von dem elektromagnetischen Feldgenerator über Induktion der Wechselströme in dem Quasiendlosmaterial bereitgestellt.
-
Durch die Präsenz des elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterials in dem Hohlleiter mit der metallischen Innenwandung entsteht eine koaxiale Anordnung, bei der das elektrisch leitfähige Quasiendlosmaterial als Innenleiter und der Hohlleiter mit der metallischen Innenwandung als Außenleiter fungieren. Dadurch ist in der Temperierkammer die transversal-elektromagnetische Welle (TEM-Welle) ausbreitungsfähig. Die TEM-Welle ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld radial vom Innenleiter zum Außenleiter gerichtet ist.
-
Vorteilhafter Weise handelt es sich bei dem elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterial um Fasermaterial für die Herstellung eines Faserverbundbauteils bzw. um eine Vorstufe zur Herstellung eines derartigen Fasermaterials für die Herstellung eines Faserverbundbauteils. Fasern bzw. faserartige Materialien können bspw. Versteifungsfasern aus Kohlenstoff sein bzw. Zwischenprodukte, die pyrolisiert, carbonisiert bzw. graphitiert werden sollen.
-
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Ausbildung der Temperierkammer als Hohlleiter und die Anordnung des elektrisch leitfähigen Fasermaterials als Innenleiter mit Hilfe von sich ausbreitenden elektromagnetischen Wechselfeldern bzw. elektromagnetischen Wellen eine sehr genaue und präzise Temperierung möglich ist, die auch während des Durchführens der Fasern durch die Temperierkammer kontinuierlich erfolgen kann. Dabei wurde des Weiteren erkannt, dass es nicht weiter notwendig ist, ein Plasma bzw. einen Unterdruck/Überdruck in der Temperierkammer zu erzeugen, um das kontinuierlich geförderte Fasermaterial temperieren zu können.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Hohlleiter einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf, sodass die Temperierkammer in Art einer Mono-Mode-Kammer ausgeführt ist. Bedingt durch die Geometrie der Kammer existiert in der mit Material beladenen Temperierkammer lediglich eine transversal-elektromagnetische Wellenform. Dabei wird innerhalb des Fasermaterials bzw. Faserendlosmaterials ein elektrischer Strom induziert, der parallel zur Faserrichtung gerichtet ist. Hierdurch lässt sich sehr effektiv und verlustarm aufgrund der induzierten Ströme basierend auf dem Ohm‘schen Verlustprinzip das Quasiendlosmaterial temperieren.
-
Um eine Emission des sich in dem Hohlleiter ausbreitenden elektromagnetischen Wechselfeldes in die Umgebung der Temperiervorrichtung zu verhindern, wird an dem Ende der Eingangsöffnung und/oder an dem Ende der Ausgangsöffnung ein Reflexionsbereich vorgesehen, in dem durch Wellenreflexion an den Übergängen zwischen Abschnitten unterschiedlicher Wellenimpedanzen Interferenzen entstehen, sodass das sich ausbreitende elektromagnetische Wechselfeld den Reflexionsbereich nicht vollständig passieren kann. Hierdurch wird eine Emission des elektromagnetischen Wechselfeldes in die Umgebung der Vorrichtung verhindert.
-
Der Reflexionsbereich weist hierfür ein oder mehrere Abschnitte auf, die jeweils einen zum Querschnitt des Hohlleiters verschiedenen Querschnitt aufweisen. Sowohl der Hohlleiter (Temperierkammer) als auch die einzelnen Abschnitte mit abweichendem Querschnitt weisen eine charakteristische, von den geometrischen Abmessungen abhängige Impedanz auf. Im Bereich der Impedanzänderung (an den Übergängen) finden Reflexionen statt. Die Abmessungen der Kammern des Reflexionsbereichs werden derart gewählt, dass mehrfache Reflexionen sich zur Gesamtinterferenz überlagern, bei der am Ausgang keine Emission vorliegt oder diese minimiert wird.
-
Die Abschnitte des Reflexionsbereiches sind somit derart ausgebildet, dass jeder Abschnitt eine zu der Wellenimpedanz der als Hohlleiter ausgebildeten Temperierkammer verschiedene Wellenimpedanz hat.
-
Ein wesentlicher Vorteil hierbei ist, dass die Reflexion des elektromagnetischen Wechselfeldes im Reflexionsbereich und die damit einhergehende Verhinderung der Emission außerhalb der Vorrichtung kontaktlos herbeigeführt wird, es also nicht eine leitfähige Verbindung zwischen dem Außen- und dem Innenleiter, wie bspw. im Falle von metallischen Abstreifungen, bedarf. Hierdurch kann zum Einen das Fasermaterial bzw. Quasiendlosmaterial vollständig kontaktlos durch die Temperierkammer geführt werden, ohne dass es zu einer Emission des elektromagnetischen Wechselfeldes kommt, was bspw. im Mikrowellenbereich bei vorteilhaften 2,45 GHz liegen kann.
-
Weist die als Hohlleiter ausgebildete Temperierkammer bspw. einen im Wesentlichen runden bzw. kreisrunden Querschnitt auf, so ist es vorteilhaft, wenn die Abschnitte im Reflexionsbereich, die eine zu dem Hohlleiter verschiebende Wellenimpedanz aufweisen sollen, einen von dem Durchmesser des kreisrunden Hohlleiters verschiedenen Durchmesser, insbesondere einen vergrößerten Durchmesser, aufweisen. Über die Länge des jeweiligen Abschnittes im Reflexionsbereich kann der Durchmesser dabei konstant sein, sodass sich entsprechend ausgeformte Reflexionskammern im Reflexionsbereich des Hohlleiters bilden.
-
Denkbar ist aber auch, dass die Abschnitte einen sich stetig verändernden Durchmesser aufweisen, beispielsweise kegelförmig.
-
Besonders vorteilhaft ist hierbei, wenn jeder Abschnitt des Reflexionsbereichs eine sich radial nach außen erstreckende Reflexionskammer bildet.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform entspricht die Länge eines jeden Abschnittes einem Teil der Wellenlänge des sich in dem Hohlleiter ausbreitenden elektromagnetischen Wechselfeldes, z.B. ¼ der Wellenlänge der transversalen-elektromagnetischen Welle.
-
Vorteilhafter Weise kann es sich bei dem elektromagnetischen Feldgenerator um eine Feldquelle handeln, die ein elektromagnetisches Feld mit konstanter Frequenz generiert. Hierfür kann bspw. ein Magnetron verwendet werden, der ein elektromagnetisches Wechselfeld mit einer konstanten Frequenz von 2,45 GHz erzeugt.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann zwischen dem elektromagnetischen Feldgenerator und der als Hohlleiter ausgebildeten Temperierkammer ein Übertragungs-Hohlleiter vorgesehen sein, der an die als Hohlleiter ausgebildete Temperierkammer angebunden ist, um das von dem elektromagnetischen Feldgenerator erzeugte elektromagnetische Wechselfeld durch den Übertragungs-Hohlleiter in die als Hohlleiter ausgebildete Temperierkammer einzuspeisen. Vorteilhafterweise kann die als Hohlleiter ausgebildete Temperierkammer den Übertragungs-Hohlleiter kreuzen. Durch das Kreuzen des Übertragungs-Hohlleiters mit der Temperierkammer wird die Temperierkammer in zwei Teile unterteilt, wobei im Bereich des Kreuzungspunktes das durch die Temperierkammer durchgeführte Fasermaterial zeitweise durch den Übertragungs-Hohlleiter geführt wird. Das sich in dem Übertragungs-Hohlleiter ausbreitende elektromagnetische Wechselfeld wird dann an den jeweiligen Andockpunkten der Temperierkammer in diese eingespeist.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Übertragungs-Hohlleiter in Form eines Hohlleiters mit rechteckigem Querschnitt ausgebildet, an dem mittig an den breiten Seiten die Teile der Temperierkammer angeflanscht sind.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen dem elektromagnetischen Feldgenerator und dem durch den Hohlleiter geführten elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterial ein Tuner vorgesehen, um das von dem elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterial reflektierte elektromagnetische Feld zurückzuwerfen. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit des Quasiendlosmaterials sowie der metallischen Bausteine ist der Reflexionsgrad insbesondere des Übertragungs-Hohlleiters sehr hoch. Als Reflexionsgrad wird dabei das Verhältnis der eingespeisten Leistung zur reflektierten Leistung bezeichnet. Der Tuner dient dabei zur Leistungsanpassung und somit zur Steigerung der energetischen Effizienz, indem die von dem Quasiendlosmaterial reflektierte Welle nahezu vollständig zurückgeworfen wird.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Tuner als Hohlleiter mit einem oder mehreren, in den Innenraum ragenden zylindrischen Körpern ausgebildet, die in axialer Richtung hintereinander in dem Übertragungsweg des elektromagnetischen Wechselfeldes angeordnet sind. Der Abstand zwischen den Zylinder beträgt bspw. ¼ der Übertragungs-Hohlleiterwellenlänge. Über die Variation der Länge und des Durchmessers der zylindrischen Körper lässt sich eine nahezu vollständige Absorption der Wellenleistung im Prozess gut erreichen.
-
Gemäß Anspruch 9 wird ein Verfahren zum kontinuierlichen Temperieren eines elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterials vorgeschlagen, wobei im ersten Schritt eine Temperiervorrichtung, wie oben beschrieben, bereitgestellt wird, in deren als Hohlleiter ausgebildeten Temperierkammer dann das zu temperierende elektrisch leitfähige Quasiendlosmaterial eingeführt wird. Anschließend wird das elektrisch leitfähige Quasiendlosmaterial temperiert, indem Wechselströme in dem Quasiendlosmaterial induziert werden, wenn das Quasiendlosmaterial durch die Temperierkammer kontinuierlich hindurchgeführt bzw. gezogen wird. Das Induzieren der Wechselströme erfolgt dabei durch ein sich ausbreitendes elektromagnetisches Wechselfeld in dem Hohlleiter, konkreter zwischen dem elektrisch leitfähigen Quasiendlosmaterial als Innenleiter und der metallischen Wandung der Temperierkammer als Außenleiter.
-
Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 schematische Darstellung der Temperiervorrichtung.
-
1 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Temperiervorrichtung 1, mit der ein elektrisch leitfähiges Quasiendlosmaterial 2, im folgenden Prozessgut genannt, temperiert, d.h. erwärmt werden soll. Das Prozessgut 2 kann dabei bspw. ein quasiendloses faserartiges Material, wie bspw. Kohlenstofffasern, oder Vorstufen hiervon sein.
-
Die Temperiervorrichtung 1 weist eine Temperierkammer 3 auf, die in Form eines Hohlleiters ausgebildet ist, durch den das Prozessgut 2 geführt werden kann. Hierfür weist die Temperierkammer 3 einen Eingang 4 und einen Ausgang 5 auf, sodass das Prozessgut 2 durch den berührungslos ausgebildeten Eingang 4 in die Temperierkammer 3 eingeführt und durch den berührungslos ausgebildeten Ausgang 5 wieder herausgeführt werden kann.
-
Die Temperierkammer 3 in Form des Hohlleiters weist eine metallische Innenwandung 6 auf, sodass sich zwischen dem Prozessgut 2 als Innenleiter und der metallischen Innenwandung 6 als Außenleiter aufgrund der elektromagnetischen Randbedingung eine sogenannte TEM-Welle ausbreitungsfähig ist. Die TEM-Welle ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld radial vom Innenleiter zum Außenleiter gerichtet ist.
-
Zur Erzeugung eines elektromagnetischen Wechselfeldes weist die Temperiervorrichtung 1 des Weiteren einen elektromagnetischen Feldgenerator 7 auf, der zum Erzeugen eines elektromagnetischen Wechselfeldes ausgebildet ist. Der elektromagnetische Feldgenerator 7 generiert dabei ein elektromagnetisches Feld mit konstanter Frequenz wozu üblicherweise ein Magnetron verwendet wird.
-
Zur Einspeisung des elektromagnetischen Wechselfeldes in die Temperierkammer 3 ist zwischen der Temperierkammer 3 und dem elektromagnetischen Feldgenerator 7 ein Übertragungs-Hohlleiter 8 vorgesehen, der das von dem elektromagnetischen Feldgenerator 7 erzeugte elektromagnetische Wechselfeld in die Temperierkammer 3 einkoppelt. Im Ausführungsbeispiel der 1 weist der Übertragungs-Hohlleiter 8 einen rechteckigen Querschnitt auf, der ebenfalls eine metallische Innenwandung aufweist und von der Temperierkammer 3 gekreuzt wird. Wird nun ein elektromagnetisches Wechselfeld in den rechteckigen Übertragungs-Hohlleiter 8 eingespeist, so breitet sich dieses in Form einer Welle aus und wird im Übrigen auch in die Temperierkammer 3 eingespeist.
-
Der Übertragungs-Hohlleiter 8 ist im Ausführungsbeispiel der 1 so angeordnet, dass er die Temperierkammer 3 in etwa mittig kreuzt, sodass die Temperierkammer 3 in zwei Teilkammern unterteilt wird. Ausgehend von dem Übertragungs-Hohlleiter 8 wird nun das elektromagnetische Wechselfeld in jedes der beiden Teilkammern eingespeist und breitet sich dort in Richtung des jeweiligen gegenüberliegenden Endes aus.
-
In dem Übertragungs-Hohlleiter ist des Weiteren ein Tuner 9 vorgesehen, der der Steigerung der energetischen Effizienz dient. Hierfür befinden sich in den Innenraum ragende zylindrische Körper 10 in dem Tuner 9, sodass die am Prozessgut 2 reflektierte Welle nahezu vollständig zurückgeworfen wird. Bei hohen Leistungen und hohen Frequenzen sind drei zylindrische Körper 10 unterschiedlicher Länge empfohlen, die in axialer Richtung des Übertragungs-Hohlleiters 8 hintereinander mittig an der breiten Seite des Hohlleiters angeordnet sind und in sein Inneres hineinragen. Der Abstand zwischen den Zylindern beträgt ¼ der Hohlleiterwellenlänge. Über die Variation der Länge und des Durchmessers der zylindrischen Stifte 10 lässt sich eine nahezu vollständige Absorption der Wellenleistung im Prozessgut 2 erreicht.
-
Im Ausführungsbeispiel der 1 sind des Weiteren sowohl an dem einen Ende des Eingangs 4 als auch an dem anderen Ende des Ausgangs 5 der Temperierkammer 3 jeweils ein Reflexionsbereich 11 vorgesehen, um eine Emission des sich ausbreitenden elektromagnetischen Wechselfeldes in die Umgebung der Temperiervorrichtung 1 zu verhindern. Der Reflexionsbereich 11 weist einen oder mehrere Abschnitte 12 auf, die als Reflexionskammern ausgebildet sind und jeweils einen zum Querschnitt des Hohlleiters 3 verschiedenen Querschnitt aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Temperierkammer 3 als Hohlleiter mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet, wobei in diesem Fall dann die Abschnitte 12 des Reflexionsbereiches 11 einen rohrförmigen Körper mit kreisrundem Querschnitt darstellen, die einen zu dem Hohlleiter 3 verschiedenen Durchmesser aufweisen, insbesondere einen größeren Durchmesser. Hierdurch werden von dem Hohlleiter 3 radial nach außen abstehende Reflexionskammer 12 gebildet. Die Länge eines jeden Abschnittes mit konstantem Durchmesser wird dabei in Abhängigkeit der Wellenlänge der TEM-Welle, z.B. ¼ der Wellenlänge der TEM-Welle, gewählt.
-
Jeder einzelne Abschnitt
12 der Reflexionsstrecke ist gekennzeichnet durch den Wellenwiderstand (Wellenimpedanz Z), der von den Abmessungen abhängig ist:
mit:
- Z0
- – Freiraumimpedanz (377Ω)
- εr
- – spezifische Permittivität des Dielektrikums zwischen dem Innenleiter und dem Außenleiter
- D
- – Außendurchmesser
- d
- – Innendurchmesser
-
Durch Wellenreflexionen an den Übergängen zwischen Abschnitten unterschiedlicher Wellenimpedanzen entstehen Interferenzen, sodass die TEM-Welle den Reflexionsbereich nicht vollständig passieren kann und zurück zur Temperierkammer reflektiert wird. Ein wesentliches Merkmal des Reflexionsbereichs ist, dass der Effekt der Reflexion kontaktlos (also ohne eine leitfähige Verbindung zwischen dem Außen- und dem Innenleiter, wie z.B. im Fall von metallischen Abstreifern), herbeigeführt wird.
-
Hierdurch wird es möglich, das Quasiendlosmaterial im Durchlauf zu temperieren, ohne dass es an dem Eingang 4 und dem Ausgang 5 zu Kontakten mit der Vorrichtung 1 kommt. Hierdurch kann das zu temperierende Prozessgut 2 geschont werden, was insbesondere bei der Herstellung von Verstärkungsfasern für die Herstellung von Faserverbundbauteilen ein wichtiges Qualitätskriterium darstellt.
-
Durch die koaxiale Anordnung des Prozessgutes 2 in dem Hohlleiter 3 und der Präsenz eines elektromagnetischen Wechselfeldes, bspw. mit einer Frequenz von 2,45 GHz, in dem Hohlleiter 3 werden in dem elektrisch leitfähigen Prozessgut 2 Wechselströme induziert, da sich zwischen dem Innenleiter (Prozessgut 2) und dem Außenleiter (metallische Innenwandung des Hohlleiters 3) eine TEM-Welle ausbreitet, die ein radial nach außen gerichtetes elektrisches Feld hat. Die Verteilung der Stromdichte über den Innenleiterquerschnitt ist nicht gleichmäßig, wie es bei Gleichstrom der Fall wäre. Vielmehr findet eine Stromverdrängung zum Rand der Überlagerung der Wechselströme und der magnetischen Felder statt (Skin-Effekt). Es bildet sich eine Schicht mit hoher Stromdichte an der Leiteroberfläche aus, während das Leiterinnere weitestgehend frei von elektrischen Strömen bleibt.
-
Bei einem elektromagnetischen Wechselfeld im Mikrowellenbereich von 2,45 GHz und dem spezifischen elektrischen Widerstand von Kohlenstoff beträgt die Leitschichtdicke ca. 32,15 µm. Da der Innenleiter (Prozessgut) mit einem Ohm’schen Widerstand behaftet ist, hängt mit der Stromdichte auch ein Volumenwärmstrom zusammen, der aufgrund des oben beschriebenen Skin-Effekts dicht unter der Leiteroberfläche erzeugt wird.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Temperiervorrichtung
- 2
- elektrisch leitfähiges Prozessgut (Quasiendlosmaterial)
- 3
- Temperierkammer als Hohlleiter
- 4
- Eingangsöffnung
- 5
- Ausgangsöffnung
- 6
- metallische Innenwandung
- 7
- elektromagnetischer Feldgenerator
- 8
- Übertragungs-Hohlleiter
- 9
- Tuner
- 10
- zylindrische Körper des Tuners
- 11
- Reflexionsbereich
- 12
- Reflexionsabschnitte
