DE102015112590A1

DE102015112590A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen mit Abstimmung bei geringerer Leistung

Info

Publication number: DE102015112590A1
Application number: DE102015112590.0A
Authority: DE
Inventors: Andreas Kursawe; Johann Zimmerer; Konrad Senn; Martin Kammerl
Original assignee: Krones AG
Current assignee: Krones AG
Priority date: 2015-07-31
Filing date: 2015-07-31
Publication date: 2017-02-02
Also published as: WO2017021306A1

Abstract

Verfahren zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen (10), wobei die Kunststoffvorformlinge (10) in einen Resonator (2) eingebracht werden und in diesem Resonator (2) zu ihrer Erwärmung in einem Erwärmungsbetrieb mit Mikrowellen beaufschlagt werden, wobei diese Mikrowellen von einer ersten Mikrowellenquelle (4) erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird ein Abstimmbetrieb durchgeführt, um die Beaufschlagung der Kunststoffvorformlinge (10) mit den Mikrowellen abzustimmen und während dieses Abstimmbetriebs wird wenigstens zeitweise eine Erwärmungsleistung und/oder Erwärmungsenergie der Mikrowellen gegenüber dem Erwärmungsbetrieb reduziert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen. Im Bereich der getränkeherstellenden Industrie ist es bekannt, dass Kunststoffbehältnisse hergestellt werden, indem zunächst sogenannte Kunststoffvorformlinge erwärmt werden und anschließend mittels Blasmaschinen, beispielsweise Streckblasmaschinen, zu den Kunststoffbehältnissen expandiert werden. Zur Erwärmung dieser Kunststoffvorformlinge sind unterschiedliche Techniken bekannt. So ist es aus dem Stand der Technik bekannt, infrarote Strahlung zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge einzusetzen. In jüngerer Zeit ist man jedoch auch dazu übergegangen, zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge Mikrowellen einzusetzen. Dabei werden üblicherweise die Kunststoffvorformlinge in Resonatoren (im Folgenden auch als Applikatoren bezeichnet) eingeführt und innerhalb dieser Resonatoren erwärmt. Im Stand der Technik wird dabei zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge mittels Mikrowellentechnologie eine Mikrowellenstrecke verwendet, welche eine Mikrowellenquelle, wie etwa ein Magnetron, einen Zirkulator, eine Wasserlast und einen Applikator bzw. Resonator verwendet.
Die Mikrowellenquelle erzeugt die Mikrowellenstrahlung, die über den Zirkulator zu dem Resonator geleitet wird. In den Resonator bzw. Applikator wird ein Teil der Mikrowellenstrahlung von den Kunststoffvorformlingen aufgenommen und dadurch wird dieser Kunststoffvorformling erwärmt.
Die nicht absorbierte Mikrowellenstrahlung wird durch den Zirkulator in die Wasserlast geleitet. In der Wasserlast wird die Mikrowellenstrahlung in Wärme (Verlust) umgesetzt.
Der Zirkulator funktioniert dabei als Weiche, der die rücklaufende Mikrowellenleistung von dem Magnetron fernhält, da dieses durch rücklaufende Mikrowellenstrahlung stark belastet werden würde und die Lebensdauer drastisch reduziert werden würde. Daneben könnte zu starke Mikrowellenleistung auch die Frequenzstabilität und damit die Prozessstabilität negativ beeinflussen.
Der Anteil der Mikrowellenstrahlung, die von dem Kunststoffvorformling absorbiert werden kann, ist abhängig von dessen Abstimmung, genauer von der Frequenzanpassung und Kopplung des Applikators. Der Applikator wirkt als Resonator. Je besser der Applikator mit dem eingeführten Kunststoffvorformling an die Frequenz der Mikrowellenstrahlung angepasst ist und in Folge je mehr Mikrowellenstrahlung von dem Kunststoffvorformling aufgenommen wird desto weniger Leistung wird als Verlust in die Wasserlast geleitet.
Im Stand der Technik erfolgt die Abstimmung des Applikators während die Mikrowellenquelle ihre Betriebsleistung als Mikrowellenstrahlung bereitstellt. Dadurch ergibt sich für den Prozessschritt der Abstimmung systembedingt jedenfalls kurzfristig eine hohe rücklaufende Leistung, die über den Zirkulator und die Wasserlast abgeleitet werden muss.
Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass während der Abstimmphase viel Energie in Verlustwärme umgewandelt wird und sich dadurch der Wirkungsgrad systembedingt verschlechtert. Weiterhin ist es im Stand der Technik erforderlich, dass ein Zirkulator und eine Wasserlast zum Schutz der Mikrowellenquelle verbaut sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, insbesondere den Wirkungsgrad derartiger Vorrichtungen zu erhöhen und besonders auch den Wirkungsgrad während der Abstimmphase zu erhöhen.
Daneben wäre es auch vorteilhaft, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche auf Dämpfungseinrichtungen, wie eine Wasserlast und einen Zirkulator, verzichten kann. Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen werden die Kunststoffvorformlinge in einen Resonator eingebracht und in diesem Resonator zu ihrer Erwärmung in einem Erwärmungsbetrieb mit Mikrowellen beaufschlagt, wobei diese Mikrowellen von einer ersten Mikrowellenquelle erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Abstimmbetrieb durchgeführt, (insbesondere, um die Beaufschlagung der Kunststoffvorformlinge mit den Mikrowellen abzustimmen) und vor und/oder während dieses Abstimmbetriebes wird wenigstens zeitweise eine Mikrowellenleistung und/oder eine Mikrowellenenergie der Mikrowellen gegenüber dem Erwärmungsbetrieb reduziert. Mit anderen Worten wird während des Abstimmbetriebs die auf die Kunststoffvorformlinge aufgebrachte Mikrowellenleistung gegenüber der Betriebsleistung während des Erwärmungsbetriebs reduziert.
Die Abstimmung hängt wie bereits erwähnt von der Kopplung des Resonators zu Quelle und von der Frequenz Anpassung der Quelle und der Resonanzfrequenz des belasteten Resonators ab.
Bei der Kopplung des Resonators zur Quelle spielt zum einen die Leerlaufgüte Q₀ des Resonators als auch die sogenannte externe Güte Q_ext der Zuleitung eine Rolle. Sind diese beiden Parameter genau aufeinander angepasst ist der Koppelfaktor k = 1 und es wird die gesamte Energie in der Resonanzfrequenz in Wärme umgesetzt. Die Leerlaufgüte Q₀hängt von der Geometrie des Resonators und des Koppelmechanismus, den Wandstromverlusten des Resonators und von der Geometrie und den dielektrischen Werten vom im Resonator befindlichen Preform ab. Da der Preform während des Heizens naturgemäß warm wird und sich mit der Temperatur die Dielektrizitätswerte ändern, ändert sich die Leerlaufgüte Q₀ während des Heizprozess auch durch die unterschiedlich weit eingetauchten Preformen und durch die unterschiedlichen Preformdicken ändert sich die Güte Q₀ ebenfalls. Die Güte variiert je nach Beladung und Temperatur bei gleicher Resonatorstruktur um Faktor 4–8. Ein Typischer Resonator ist mit einer Koppelblende an einen Hohlleiter gekoppelt. Durch Variation dieser Blende kann die Kopplung angepasst werden. Eine solche variable Blende kann z.B. eine Irisblende sein oder ein Resonanter Ring wie in US2002027135 beschrieben oder wie in DE1191874 beschrieben einen Schieber.
Bevorzugt wird jedoch ein rotativer Exzenterstift nahe an der Blende verwendet, welcher den resultierenden Blendendurchmesser variiert. Diese Bauart hat den Vorteil, dass sie sehr kostengünstig in der Fertigung, platzsparend in der Montage und einfach in der Mikrowellenabdichtung ist. Durch die Rotation der Stifte wird nun der effektive Blendendurchmesser variiert, und somit die Kopplung in den Resonator, was in letzter Konsequenz auch die die Leerlaufgüte Q₀ beeinflusst.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sie weitestgehend unabhängig von der Resonanzfrequenz die Kopplung anpasst. Dies bedeutet, dass wenn die Kopplung angepasst wird die Resonanzfrequenz im Idealfall stabil bleibt. Eine Varianz von weniger als ± 0,01 GHz bei einer vollen Verstellung der Kopplung kann als weitestgehend unabhängig angesehen werden. Im Gegenzug sollte beim Ändern der Resonanzfrequenz die Kopplung nicht verändert werden.
Um so viel Leistung wie möglich im Resonator und somit im Preform zu deponieren ist es wichtig, neben der Kopplung auch die passende Resonanzfrequenz zu haben. Ist der Mikrowellenerzeuger z.B. ein Magnetron so hat dieses ein festes Frequenzband, daher muss hier der Resonator angepasst werden. Wenn hingegen eine sogenannte Festkörperquelle genutzt wird, kann bei dieser die Frequenz variiert werden. Hier ist es also denkbar, nicht den Resonator auf die Quelle sondern die Quelle auf den Resonator anzupassen. Wenn jedoch die Quelle auf der Resonanzfrequenz sendet ist noch nicht automatisch die ideale Abstimmung erreicht denn es muss noch sichergestellt werden, dass die Kopplung stimmt.
Hierzu ist es denkbar, die Kopplung zwischen Festkörperquelle und Resonator ebenfalls so zu realisieren das sie variabel ist. Zum einen kann dies wie oben beschrieben über Schieber und /oder eine Iris und/oder einen Exzenter-Stift erfolgen. Da die gängigen Festkörperquellen die Leistung über ein Koaxialkabel abgeben, ist es (alternativ oder zusätzlich) auch möglich, das Koaxialkabel direkt mit dem Resonator zu koppeln, z.B. durch eine Antenne die in den Resonator hineinragt oder durch eine Koppelschleife die am Resonatorrand angebracht ist. Es ist nun z.B. denkbar die Antenne oder Schleife über einen Mechanismus so zu verfahren (beispielsweise zu verschieben) das sich die Kopplung variieren lässt. Vor allem bei Koppelschleifen reichen sehr kleine Bewegungen aus, um deutliche Änderungen der Kopplung zu erzeugen.
Ebenfalls denkbar ist, dass ein metallischer oder dielektrischer verführbarer (bewegbarer) Stift in der Nähe der Koppelantenne und/oder Koppelschleife die Kopplung verändert.
Der Abstimmvorgang wird bevorzugt durchgeführt, um das Magnetron und den Applikator aufeinander abzustimmen (damit der Preform genügend Mikrowellenenergie aufnimmt), wobei der Abstimmvorgang mit einer reduzierten Betriebsleistung durchgeführt wird. Mit anderen Worten wird der Abstimmvorgang unter einer gegenüber der Betriebsleistung während des Erwärmungsbetriebs reduzierten Mikrowellenleistung durchgeführt. Diese reduzierte Leistung entspricht nicht der Betriebsleistung des Magnetrons, sondern dem Leistungswert, bei dem sich das Magnetron im selben Frequenzbereich befindet wie unter Betriebsleistung.
Es wird daher vorgeschlagen, dass ein Abstimmbetrieb durchgeführt wird, der in verminderter Leistung und/oder Energie erfolgt. Genau genommen soll bevorzugt im Rahmen des Abstimmbetriebes die von den Kunststoffvorformlingen aufgenommene Mikrowellenenergie maximiert werden und/oder die Leistung der rücklaufenden Mikrowellen minimiert werden.
Bevorzugt wird daher durch die Abstimmung die Verlustleistung auf ein Minimum reduziert. Bevorzugt wird im Rahmen der Abstimmung der Applikator bzw. Resonator mit dem eingeführten Kunststoffvorformling an die Frequenz der Mikrowellenstrahlung angepasst (etwa die Frequenz eines Magnetrons). Bei dem Arbeitsbetrieb handelt es sich insbesondere um denjenigen Betrieb, bei dem die Kunststoffvorformlinge erwärmt werden, um dann in diesem erwärmten Zustand weiterbehandelt zu werden, etwa mittels einer Blasmaschine zu den Kunststoffbehältnissen umgeformt zu werden.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden die Kunststoffvorformlinge jeweils vereinzelt dem Resonator bzw. Applikator zugeführt. Vorteilhaft werden die Kunststoffvorformlinge entlang ihrer Längsrichtungen in den Resonator eingeschoben. Bevorzugt werden die Kunststoffvorformlinge während ihrer Erwärmung um Ihre Längsachse gedreht, um so eine gleichmäßige Erwärmung zu erreichen.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden die Kunststoffvorformlinge während ihrer Erwärmung entlang eines vorgegebenen Transportpfades transportiert und insbesondere entlang eines kreisförmigen Transportpfades transportiert. Bevorzugt werden die Kunststoffvorformlinge auch bereits während des Abstimmbetriebs transportiert.
Hinsichtlich der Leistung- und Energiereduzierung wäre es möglich, eine Dauerleistung der Mikrowellenerzeugungseinrichtung bzw. der Mikrowellenquelle zu reduzieren. Es wäre jedoch auch möglich, dass zwar bei voller Leistung, jedoch nur getaktet bzw. mit Mikrowellenpulsen gearbeitet wird (in diesem Fall wird die eingebrachte Energie reduziert). Zu diesem Zwecke wäre es möglich, dass während des Abstimmbetriebes die Mikrowellenquelle öfter ein- und ausgeschaltet wird, es wäre jedoch auch möglich, dass die Mikrowelle mit gleichbleibender Leistung läuft, jedoch Abschirmelemente bewirken, dass die Leistung nur pulsiert auf die Kunststoffvorformling aufgebracht wird.
Bevorzugt handelt es sich bei der ersten Mikrowellenquelle um ein Magnetron.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der Abstimmbetrieb derart durchgeführt, dass die von dem Resonator zurücklaufende Mikrowellenleistung (in einem abgestimmten Zustand) minimiert wird. Bei dieser Leistung handelt es sich insbesondere um Verlustleistung, welche nicht zum Erwärmen der Kunststoffvorformlinge verwendet wurde.
Bevorzugt wird die rücklaufende Mikrowellenleistung nicht über Dämpfungselemente rückgeführt, also insbesondere nicht über eine Wasserlast, und/oder nicht über einen Zirkulator. Bei diesen Dämpfungselementen handelt es sich im Stand der Technik um solche Elemente, welche gerade dazu dienen, rücklaufende Verlustleistung von der Mikrowellenquelle fernzuhalten. Damit ist es denkbar und bevorzugt, dass der Rücklauf in der Mikrowellenleistung im Wesentlichen ungedämpft (d.h. gedämpft lediglich und/oder ungewollt über Mikrowellenleiteinrichtungen wie Hohlleiter) wieder zurück an die Mikrowellenquelle gelangt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt der Abstimmbetrieb (zeitlich) vor dem Erwärmungsbetrieb. Dabei wäre es möglich, dass im Rahmen des Abstimmbetriebes zunächst ein Kunststoffvorformling eingeführt wird und nach erfolgter Abstimmung weitere Kunststoffvorformlinge in den abgestimmten Resonator. Es wäre jedoch auch möglich, dass vor der individuellen Erwärmung jedes einzelnen Kunststoffvorformlings zunächst ein derartiger Abstimmbetrieb erfolgt. Damit wird durch eine geeignete Prozessführung sichergestellt, dass die rücklaufende Leistung so gering ist, dass sie die Mikrowellenquelle nicht negativ beeinflusst.
Bei einer ersten Vorgehensweise ist es möglich, dass der Anpassungsvorgang nicht unter (d.h. bei Anwendung) der Betriebsleistung des Magnetrons erfolgt, sondern mit einer verringerten Leistung, insbesondere einer Minimalleistung durchgeführt wird. Als verringerte Leistung wird dabei bevorzugt ein Leistungswert gewählt, bei dem sich das Magnetron im demselben Frequenzbereich befindet wie die Betriebsleistung. Bevorzugt wird ein Leistungswert verwendet, der sich bei zwischen 30% und 90% der Nennleistung, bevorzugt bei zwischen 40% und 80% der Nennleistung und bevorzugt bei zwischen 50% und 70% der Nennleistung befindet. Bevorzugt werden keine niedrigeren Leistungen verwendet, da unter den angegebenen Bereichen die Frequenz des Magnetrons instabil wird. Sobald die optimale Anpassung ermittelt worden ist, wird die Leistung des Magnetrons auf Betriebsleistung erhöht und der Kunststoffvorformling erwärmt. Dabei wäre es möglich, dass während des Abstimmbetriebs die Frequenz und/oder die Frequenzstabilität des Magnetrons bestimmt werden.
Bei einer zweiten Vorgehensweise werden während des Anpassungsvorganges mehrere Messpunkte angefahren; genauer gesagt wird ein unten genauer beschriebenes Anpassungselement mehrere Punkte anfahren und die Mikrowellenquelle wird jeweils kurz (insbesondere jedoch bei Nennleistung bzw. der im Arbeitsbetrieb verwendeten Leistung) eingeschaltet. Dann wird aus diesen Messpunkten die Abstimmkennlinie berechnet, im Folgenden bevorzugt der Punkt der optimalen Abstimmung angefahren und dann das Magnetron mit Betriebsleistung eingeschaltet und der Kunststoffvorformling erwärmt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es auch möglich, dass zur Abstimmung eine zweite Mikrowellenquelle verwendet wird. Dabei kann es sich bevorzugt um eine Festkörpermikrowellenquelle handeln, die eine sehr geringe Leistung im Vergleich zu der ersten Mikrowellenquelle aufweist. Wenn der Abstimmvorgang beendet ist, wird die erste Mikrowellenquelle eingeschaltet und dann der Kunststoffvorformling erwärmt. Damit die Frequenz der Hauptmikrowellenquelle mit der Messmikrowellenquelle übereinstimmt, werden bevorzugt entweder die Frequenzen aneinander angepasst oder – falls die Hauptmikrowellenquelle ein Magnetron ist – kann dieses über die Hilfsquelle mit der Nennfrequenz geimpft werden. Dieser Vorgang wird als „Injektions-Locking“ bezeichnet. Diese zweite Mikrowellenquelle kann dabei eine Mikrowellenleistung abgeben, die bevorzugt zwischen 0 und 100W liegt.
In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird während des Abstimmbetriebes wenigstens ein Abstimmelement gegenüber dem Resonator bewegt. Dabei kann es sich beispielsweise um ein stiftartiges Element handeln, welches unterschiedlich weit in den Resonator eingeführt werden kann. Vorteilhaft wird dieses Abstimmelement mittels einer linearen Bewegung bewegt. Bevorzugt wird daher während des Abstimmbetriebs der Resonator mit dem darin befindlichen Kunststoffvorformling angepasst und/oder abgestimmt.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird wenigstens zeitweise während des Abstimmbetriebes mittels einer Sensoreinrichtung eine Mikrowellenleistung erfasst. Dabei ist es möglich und bevorzugt, dass eine rücklaufende Mikrowellenleistung erfasst wird. Es wäre jedoch auch denkbar, dass die Mikrowellenleistung mittelbar etwa über eine Erwärmung des Kunststoffvorformlings erfasst wird.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren erfolgt die Abstimmung zumindest auch in Abhängigkeit von einem Signal dieser Sensoreinrichtung. Dabei wäre es beispielsweise möglich, dass die Abstimmung derart erfolgt, dass die von der Sensoreinrichtung erfasste Mikrowellenleistung, bei der es sich insbesondere um eine rücklaufende Mikrowellenleistung handelt, minimiert wird.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird zumindest während des Abstimmbetriebes eine Leistung der ersten Mikrowellenquelle reduziert und/oder die erste Mikrowellenquelle gibt die Mikrowellenleistung gepulst ab. In beiden Fällen wird der Energieeintrag in den Kunststoffvorformling und auch die rücklaufende Leistung reduziert. Wie oben erwähnt beschrieben, können bei einem gepulsten Betrieb mit unterschiedlichen Parametern des Resonators bzw. des Abstimmelementes mehrere Abstimmpunkte aufgenommen werden. Anhand dieser Punkte kann eine Kurve bzw. ein Maximum oder Minimum bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen gerichtet. Diese Vorrichtung weist wenigstens einen Resonator auf, in den die Kunststoffvorformlinge zu ihrer Erwärmung einführbar sind. Weiterhin weist die Vorrichtung eine erste Mikrowellenquelle auf, welche Mikrowellen zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge erzeugt. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Abstimmeinrichtung auf, welche die Erwärmung der Kunststoffvorformlinge durch die Mikrowellen abstimmt.
Erfindungsgemäß ermöglicht die Abstimmeinrichtung während eines vorgegebenen Abstimmbetriebes die Abstimmung, und die Abstimmeinrichtung variiert wenigstens die Kopplung des Resonators zu der Mikrowellenquelle und/oder verändert die Resonanzfrequenz des Resonators.
Es wird daher vorgeschlagen, dass während eines speziellen Abstimmbetriebs insbesondere die (Ein)kopplung zwischen der Mikrowellenquelle und dem Resonator beeinflusst wird und/oder die Resonanzfrequenz des Resonators verändert wird. Mittels dieser beiden Parameter bzw. deren Änderungen kann die Abstimmung erfolgen. Dabei wäre es möglich, dass auch beide Parameter verändert werden d.h. sowohl die Einkopplung modifiziert wird als auch die Resonanzfrequenz des Resonators verändert wird.
Bevorzugt weist die Abstimmeinrichtung ein erstes Abstimmelement auf, welches zur Änderung der Kopplung des Resonators zu der Mikrowellenquelle geeignet und bestimmt ist. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Abstimmeinrichtung ein zweites Abstimmelement auf, welches zur Änderung einer Resonanzfrequenz des Resonators geeignet und bestimmt ist. Bevorzugt sind das erste Abstimmelement und das zweite Abstimmelement unabhängig voneinander betätigbar, so dass die beiden Parameter im Wesentlichen unabhängig voneinander geändert werden können. Unter im Wesentlichen unabhängig voneinander wird dabei verstanden, dass sich auch die Änderung des einen Parameters auf den jeweils anderen Parameter auswirken kann, jedoch durch das entsprechende Abstimmelement in erster Linie einer der beiden Parameter geändert wird.
Bevorzugt weist daher die Abstimmeinrichtung zwei Teileinheiten auf, wobei eine dieser Teileinheiten die Kopplung des Resonators zu der Mikrowellenquelle variiert und die andere dieser Teileinheiten die Resonanzfrequenz des Resonators variiert. Diese Teileinheiten können dabei die oben genannten (ersten und zweiten) Teilelemente aufweisen.
Bevorzugt sind die beiden Teileinheiten unabhängig voneinander betreibbar und/oder weisen beispielsweise zwei voneinander unabhängige Antriebe auf. Auch hier ist es denkbar, dass eine der beiden Teileinheiten überwiegend die Kopplung zu der Mikrowellenquelle übernimmt (bzw. beeinflusst) und die andere Teileinheit vorrangig die Veränderung der Resonanzfrequenz des Resonators. Wie oben erwähnt, sind bevorzugt diese beiden Teileinheiten unabhängig voneinander steuerbar.
Bevorzugt weist wenigstens eine der beiden Teileinheiten als Abstimmelement einen Stift auf. Bevorzugt ragt dieser Stift im Falle der Teileinheit zum Abstimmen der Resonanzfrequenz in den Resonator bzw. den Resonatorraum. Bevorzugt ragt der Stift im Falle der Teileinheit zum Abstimmen der Kopplung zu der Mikrowellenquelle ebenfalls in den Hohlleiter oder den Resonator und bevorzugt in den Hohlleiter. Daneben kann die Vorrichtung eine Blendeneinrichtung aufweisen, die besonders vorteilhaft zwischen dem Hohlleiter und dem Resonator ausgebildet ist.
Bevorzugt ist wenigstens einer der beiden Stifte bezüglich einer vorgegebenen Rotationsachse drehbar. Bevorzugt sind beide Stifte jeweils bezüglich einer vorgegebenen Rotationsachse drehbar. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens einer der beiden Stifte in wenigstens einem Abschnitt – und insbesondere einem Abschnitt, der in den Hohlleiter bzw. den Resonator hineinragt – asymmetrisch bezüglich der genannten Rotationsachse ausgebildet. Auf diese Weise kann durch eine Drehung dieser Stifte um die jeweiligen Rotationsachsen eine Veränderung der Resonanzfrequenz und/oder eine Veränderung der Kopplung zwischen der Mikrowellenquelle und dem Resonator erreicht werden. Daneben oder alternativ wäre es auch denkbar, dass die Stifte entlang ihrer Längsrichtung zum Erreichen der jeweiligen Abstimmung verschiebbar sind.
Bevorzugt ist wenigstens ein Stift und sind bevorzugt beide Stifte wenigstens abschnittsweise aus einem dielektrischen Material hergestellt.
Bevorzugt sind während dieses Abstimmbetriebs die Kunststoffvorformlinge mit einer gegenüber einem Erwärmungsbetrieb verminderten Mikrowellenleistung und/oder Mikrowellenenergie beaufschlagbar.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung auch eine Leitungseinrichtung auf, welche die Mikrowellen von der Mikrowellenquelle zu dem Resonator bzw. Applikator leitet. Vorteilhaft handelt es sich bei dieser Leitungseinrichtung um einen Hohlleiter.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung auf, welche den Abstimmbetrieb ermöglicht. Dabei ist es möglich, dass diese Steuerungseinrichtung zunächst eine Ausgangsleistung der Mikrowellenquelle reduziert und während dieses reduzierten Leistungsbetriebes die Abstimmung durchführt. Weiterhin steuert bevorzugt die Steuerungseinrichtung auch ein Abstimmelement, welches zur Abstimmung des Resonators bewegt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung ohne ein Dämpfungselement zum Dämpfen rücklaufender Leistung und insbesondere ohne eine Zirkulatoreinrichtung und/oder eine Wasserlast ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, dass derartige Vorrichtungen wesentlich kostengünstiger hergestellt werden können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Schalteinrichtung auf, welche bewirkt, dass die Mikrowellenquelle in Abhängigkeit von einer rücklaufenden bestimmten Mikrowellenleistung abgeschaltet oder in ihrer Leistung reduziert wird. Falls beispielsweise die oben erwähnte Sensoreinrichtung eine zu hohe rücklaufende Leistung erfasst, kann die Steuerungseinrichtung bewirken, dass die Mikrowellenquelle abgeschaltet oder deren Leistung reduziert wird. Auf diese Weise ist es möglich, dass auch bei einem unzureichenden Abstimmbetrieb die Mikrowellenquelle geschützt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Abstimmeinrichtung eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von Mikrowellenleistung und insbesondere von rücklaufender Mikrowellenleistung auf.
Wie erwähnt, weist die Vorrichtung bevorzugt eine Sperreinrichtung auf, welche insbesondere bei einer nicht optimalen Abstimmung eine Leistungserhöhung der Mikrowelle verhindert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine zweite Mikrowellenquelle auf, insbesondere eine schwächere Mikrowellenquelle, welche insbesondere auch Bestandteil der Abstimmeinrichtung ist und insbesondere für den Abstimmbetrieb der Mikrowelle dient. Daneben kann diese zweite Mikrowellenquelle auch zum Vorgeben einer Arbeitsfrequenz für die erste Mikrowellenquelle dienen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Vielzahl von Mikrowellenquellen und/oder eine Vielzahl von Resonatoreinrichtungen auf. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, dass eine Vielzahl von Kunststoffvorformlingen im Wesentlichen gleichzeitig in mehreren Resonatoren erwärmt wird. Vorteilhaft sind dabei diese Resonatoren an einem gemeinsamen beweglichen Träger und insbesondere an einem gemeinsamen drehbaren Träger angeordnet. Dabei kann jeder einzelnen Resonatoreinrichtung auch eine oben erwähnte Sensoreinrichtung zugeordnet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Abstimmeinrichtung ein Abstimmelement auf, welches zur Abstimmung der Mikrowellenleistung beweglich gegenüber dem Resonator und/oder dem zu erwärmenden Kunststoffvorformling ist. Insbesondere ist dabei das Abstimmelement in den Resonator einschiebbar. Insbesondere ist das Abstimmelement in einer linearen Richtung bewegbar. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei dem Abstimmelement um ein dielektrisches Element handeln. Bevorzugt kann es sich bei dem Abstimmelement um einen dielektrischen Stift handeln, der besonders bevorzugt in den Resonator einschiebbar ist.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:
Darin zeigen:
1a eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen;
1b eine Darstellung einer Abstimmung;
2 eine diagrammartige Darstellung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
3a, 3b zwei Darstellungen einer ersten erfindungsgemäßen Vorgehensweise;
4a, 4b zwei Darstellungen einer zweiten erfindungsgemäßen Vorgehensweise;
5a, 5b zwei Darstellungen einer dritten erfindungsgemäßen Vorgehensweise;
6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, und
7a, b zwei Darstellungen des Verlaufs der Eingangsreflexion.
1a zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei wird ein Kunststoffvorformling 10 entlang seiner Längsrichtung L in einen in seiner Gesamtheit mit 2 bezeichneten Resonator eingeführt. Das Bezugszeichen 2a kennzeichnet eine Wandung des Resonators, die in einer um die Längsrichtung L definierten Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet ist.
Das Bezugszeichen 6 kennzeichnet ein Abstimmelement, welches Bestandteil einer in ihrer Gesamtheit mit 20 bezeichneten Abstimmeinrichtung (nur grob schematisch dargestellt) zum Abstimmen der Erwärmung der Kunststoffvorformlinge 10. Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet grob schematisch eine Mikrowellenquelle, welche Mikrowellen zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge 10 erzeugt. Über einen (nicht gezeigten) Hohlleiter werden die von der Mikrowellenquelle erzeugten Mikrowellen zu dem Resonator 2 geleitet.
Das Bezugszeichen 12 kennzeichnet grob schematisch eine Sensoreinrichtung, welche rücklaufende Mikrowellenleistung erfasst.
Das Bezugszeichen 24 kennzeichnet grob schematisch eine Antriebseinrichtung, wie etwa eine elektromotorische Antriebseinrichtung, welche zur Bewegung des Abstimmelements 6 dient. Bei diesem Abstimmelement kann es sich um einen stiftartigen Körper (insbesondere aus einem dielektrischen Material) handeln, der in seiner Längsrichtung bewegbar ist. Es wäre jedoch auch möglich, dass eine Abstimmung durch Drehbewegungen eines dielektrischen Körpers vorgenommen wird. Diese Antriebseinrichtung 24 kann dabei einen Servomotor aufweisen. Das Bezugszeichen 26 kennzeichnet eine Steuerungseinrichtung, welche diese Antriebeinrichtung 24 steuert, insbesondere auch in Abhängigkeit von einem von der Sensoreinrichtung 12 ausgegebenen Signal. Diese Steuerungseinrichtung 26 kann dabei bevorzugt eine Regelungseinrichtung sein, welche die Position des Abstimmelements 6 in Abhängigkeit von der von der Sensoreinrichtung 12 erfassten aus dem Resonator zu der Mikrowellenquelle (nicht gezeigt) rücklaufenden Leistung ändert und/oder einstellt. Diese Steuerungseinrichtung 26 kann dabei auch die Mikrowellenquelle selbst steuern, beispielsweise eine Ausgangsleistung der Mikrowellenquelle 4 steuern.
1b zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Abstimmung. Dabei ist auf der Ordinate ein Abstimmungsparameter aufgetragen, etwa eine Position des in 1a gezeigten Abstimmelementes 6. Auf der Koordinate ist die rücklaufende Leistung aufgetragen. Man erkennt, dass diese rücklaufende Leistung an einer bestimmten Stelle des Abstimmelementes ein Minimum aufweist. Diese Position ist durch die gestrichelte vertikale Linie gekennzeichnet und stellt die optimale Abstimmung dar.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik. Dabei ist wieder eine Mikrowellenquelle 4 vorgesehen, welche Mikrowellenleistung erzeugt und über einen Zirkulator 14 zu einem Applikator bzw. Resonator 2 führt (Pfeil P1). Ein Teil der Leistung wird dabei von einem Kunststoffvorformling absorbiert (Pfeil P2) und dient damit zu dessen Erwärmung bzw. stellt die Nutzleistung dar. Ein anderer Teil gelangt jedoch als rücklaufende Leistung (Pfeil P3) in eine Dämpfungseinrichtung bzw. eine Wasserlast 16. Der Pfeil P4 kennzeichnet demnach die Verlustleistung, welche durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise minimiert wird.
Die 3a und 3b zeigen zwei Darstellungen eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei ist in 3a wieder der Aufbau entsprechend 1a dargestellt. 3b zeigt ein ähnliches Diagramm wie 1b. Man erkennt jedoch, dass hier der Abstimmbetrieb nicht bei Betriebsleistung (strichpunktierte Linie) durchgeführt wird, sondern bei einer verringerten Leistung (durchgezogene Linie). Da jedoch gleichwohl die Frequenzen auch in dem Abstimmbetrieb mit der Frequenz im Arbeitsbetrieb abgestimmt sind, wird sich das gleiche Minimum ergeben bzw. die gleiche durch die gestrichelte Linie gekennzeichnete optimale Abstimmung. Insbesondere außerhalb des Minimums unterscheiden sich die rücklaufenden Leistungen erheblich, so dass durch die hier gezeigte Vorgehensweise die Mikrowellenquelle auch ohne weitere Dämpfungseinrichtungen geschont werden kann.
Die 4a und 4b zeigen eine weitere erfindungsgemäße Vorgehensweise. Bei dieser Vorgehensweise wird zwar, wie durch die punktgestrichelte Linie in 4b dargestellt, bei Betriebsleistung gearbeitet, allerdings wird diese Leistung nicht dauerhaft abgegeben, sondern nur an bestimmten durch die Kreise gekennzeichneten Messpunkten. Auf Basis dieser Messpunkte kann auch hier wieder ein Minimum ermittelt werden bzw. eine optimale Abstimmung. Vorteilhaft werden hier zwischen 2 und 10 Messpunkte, besonders bevorzugt zwischen 3 und 10 Messpunkte aufgenommen. Durch die Verwendung mehrerer Messpunkte kann die Genauigkeit der Messung erhöht werden, auf der anderen Seite wird jedoch auch der zeitliche Aufwand für die Abstimmung erhöht.
5a, 5b zeigen eine weitere erfindungsgemäße Vorgehensweise. Bei dieser Vorgehensweise wird zwar während des Abstimmbetriebes ebenfalls mit einer verringerten Leistung gearbeitet, diese wird jedoch nicht über die erste Mikrowellenquelle 4 erzeugt, sondern über eine Hilfsmikrowellenquelle 18. Diese ist in 5a dargestellt. Auch frequenztechnisch sind diese Mikrowellen jedoch aufeinander abgestimmt, so dass auch hier die optimale Abstimmung bei dem Betrieb mit der Hilfsmikrowellenquelle der optimalen Abstimmung mit der Hauptmikrowellenquelle 4 entspricht.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Vorrichtung ist im Resonator 2 ein Frequenzanpassungselement 6a angeordnet (oben auch als Abstimmelement bezeichnet). Das hier gezeigte Frequenzanpassungselement ist in dieser Ausführungsform rotativ gelagert und weist eine um die Rotationsachse asymmetrische Materialverteilung auf. Durch Rotation verschiebt sich die asymmetrische Materialverteilung relativ zum Resonator und verstimmt so dessen Resonanzfrequenz. Der Stift 6a kann metallisch und/oder dielektrisch ausgeführt sein.
Ein weiterer Stift 6b ist als Kopplungsanpassungselement vorgesehen. Dieser Stift befindet sich bevorzugt in dem Hohlleiter und besonders bevorzugt in der Nähe der Blende 2b. Das Kopplungsanpassungselement 6a besitzt ähnlich wie das Frequenzanpassungselement eine asymmetrische Materialverteilung um seine Rotationsache. Im Zusammenspiel mit der Blende variiert der Stift bei Rotation die Kopplung des Resonators. Auch bei dem Kopplungsanpassungselement handelt es sich damit um ein Abstimmelement wie oben beschrieben. Das Bezugszeichen 5 kennzeichnet eine Blendeneinrichtung, die zwischen dem Hohlleiter 3 und dem Resonator 2 angeordnet ist. Dabei kann es sich um eine Blende mit fester oder auch mit variabler Blendenöffnung handeln.
7a zeigt schematisch den Verlauf der Eingangsreflexion S11 an einer Messebene 7 im Hohlleiter bei Variation der Position des Frequenzanpassungselement 6a über der Frequenz.
Eine Variation der Position des Frequenzanpassungselements bewirkt in erste Linie eine Verschiebung der Resonanzfrequenz bei annähernd konstanter Peak-Breite und -Tiefe.
7b zeigt schematisch den Verlauf der Eingangsreflexion S11 an einer Messebene 7 im Hohlleiter bei Variation der Position des Kopplungsanpassungselement 6b über der Frequenz. Eine Variation der Position des Kopplungsanpassungselements bewirkt in erster Linie eine Veränderung der Peak-Breite und -Tiefe und somit der Güte des Resonanzsystems und der Kopplung. Die Resonanzfrequenz hingegen bleibt annähernd konstant.
Die Anmelderin behält sich vor sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass in den einzelnen Figuren auch Merkmale beschrieben wurden, welche für sich genommen vorteilhaft sein können. Der Fachmann erkennt unmittelbar, dass ein bestimmtes in einer Figur beschriebenes Merkmal auch ohne die Übernahme weiterer Merkmale aus dieser Figur vorteilhaft sein kann. Ferner erkennt der Fachmann, dass sich auch Vorteile durch eine Kombination mehrerer in einzelnen oder in unterschiedlichen Figuren gezeigter Merkmale ergeben können.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Resonator, Applikator
2a: Wandung des Resonators
2b: Resonatorblende
3: Hohlleiter
4: Mikrowellenquelle
5: Blendeneinrichtung
6: Abstimmelement
6a: Abstimmelement zum Abstimmen der Frequenz
6b: Abstimmelement zum Abstimmen der Kopplung
7: Messebene
10: Kunststoffvorformling
12: Sensoreinrichtung
14: Zirkulator
16: Wasserlast
18: Hilfsmikrowellenquelle
20: Abstimmeinrichtung
24: Antriebseinrichtung
26: Steuerungseinrichtung
P1: Eingangsleistung an Resonator
P2: von Kunststoffvorformling absorbierte Leistung
P3: an Wasserlast abgegebene Leistung
P4: Verlustleistung
L: Längsrichtung des Kunststoffvorformlings

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2002027135 [0013]
DE 1191874 [0013]

Claims

Verfahren zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen (10), wobei die Kunststoffvorformlinge (10) in einen Resonator (2) eingebracht werden und in diesem Resonator (2) zu ihrer Erwärmung in einem Erwärmungsbetrieb mit Mikrowellen beaufschlagt werden, wobei diese Mikrowellen von einer ersten Mikrowellenquelle (4) erzeugt werden dadurch gekennzeichnet, dass, ein Abstimmbetrieb durchgeführt wird, um die Beaufschlagung der Kunststoffvorformlinge (10) mit den Mikrowellen abzustimmen und vor und/oder während dieses Abstimmbetriebs wenigstens zeitweise eine Mikrowellenleistung und/oder Mikrowellenenergie der Mikrowellen gegenüber dem Erwärmungsbetrieb reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstimmbetrieb derart durchgeführt wird, dass die von dem Resonator (2) rücklaufende Mikrowellenleistung minimiert wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstimmbetrieb vor dem Erwärmungsbetrieb erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abstimmbetriebs wenigstens ein Abstimmelement (6) gegenüber dem Resonator (2) bewegt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zeitweise während des Abstimmbetriebs mittels eines Sensoreinrichtung (12) eine Mikrowellenleistung erfasst wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Abstimmbetriebs eine Leistung der ersten Mikrowellenquelle (4) reduziert wird und/oder die erste Mikrowellenquelle (4) die Mikrowellenleistung gepulst abgibt.
Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstimmbetrieb mittels einer zweiten Mikrowellenquelle (18) durchgeführt wird.
Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen (10) mit wenigstens einem Resonator (2) in den die Kunststoffvorformlinge (10) zu ihrer Erwärmung einführbar sind, mit einer ersten Mikrowellenquelle (4), welche Mikrowellen zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge (10) erzeugt und einer Abstimmeinrichtung (20), welche die Erwärmung der Kunststoffvorformlinge (10) durch die Mikrowellen abstimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmeinrichtung (20) während eines vorgegebenen Abstimmbetriebs die Abstimmung ermöglicht und die Abstimmeinrichtung (20) wenigstens die Kopplung des Resonators zu der Mikrowellenquelle (4) variiert und/oder die Abstimmeinrichtung die Resonanzfrequenz des Resonators verändert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmeinrichtung (20) zwei Teileinheiten aufweist, wobei eine dieser Teileinheiten die Kopplung des Resonators zu der Mikrowellenquelle (4) variiert und die andere dieser Teileinheiten die Resonanzfrequenz des Resonators (2) variiert.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ohne Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen rücklaufender Mikrowellenleistung und insbesondere ohne eine Zirkulatoreinrichtung (14) und/oder ohne eine Wasserlast (16) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmeinrichtung (20) eine Sensoreinrichtung (12) zum Erfassen von Mikrowellenleistung und insbesondere von rücklaufender Mikrowellenleistung aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstimmeinrichtung (20) ein Abstimmelement (6) aufweist, welches zur Abstimmung der Mikrowellenleistung beweglich gegenüber dem Resonator (2) und/oder dem zu erwärmenden Kunststoffvorformling (10) ist.