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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhitzen eines Materials.
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Mikrowellen kommen unter anderem bei der Reparatur beschädigter Asphaltabdeckungen, wie zum Beispiel bei Schlaglöchern in Straßen, zur Anwendung. Hierbei werden Mikrowellen auf die zu behandelnde Oberfläche beaufschlagt, durch Verfahren, bei denen das Asphaltmaterial mit Hilfe von Mikrowellen erhitzt wird, beispielsweise beschrieben in dem
US-Patent 4,594,022 oder den US-Patenten
US 4,319,856, 4,175,885, 4,252,459 und 4,252,487 . Aus den
US 5,441,360 A ,
US 5,092,706 A ,
US 4,849,020 A ist bekannt, dass ein Mikrowellenstrahlung absorbierendes Material während des Recyclings einer Asphaltdeckschicht zum Einsatz gebracht wird.
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Ähnliche Verfahren und Zusammensetzungen sind auch in den
CN 101736671 A und
CN 101906745 A beschrieben, deren Asphaltgemische zusätzlich noch eine Reihe weiterer Komponenten enthalten, u. a. Magnetpulver, Eisenpulver, Basalt und Siliciumcarbid. Eine solche Asphaltzusammensetzung ist in der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 108 862 B4 des Erfinders beschrieben. Die Zusammensetzung ermöglicht eine optimale Wärmeverteilung im Material bei Mikrowellenbehandlung.
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Nach wie vor besteht ein Verbesserungsbedarf, die Wirksamkeit und Effizienz der Mikrowellenbehandlung bei Materialien zu erhöhen. Ein Ansatzpunkt ist die Ausgestaltung des Resonators zum Einbringen von Mikrowellen in das Material. Die
DE 196 33 245 C1 beschreibt einen hochmodigen Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbehandlung von Werkstoffen. Der Resonator ist ein prismatischer, bezüglich seiner Längsachse symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygonalem Querschnitt, insbesondere mit hexagonalem Querschnitt und besteht aus einem für den vorgesehenen Prozess geeigneten metallischen Material hoher elektrischer Leitfähigkeit. Die Einkopplung von Mikrowellen in den Resonator erfolgt von einer der beiden ebenen Stirnseiten. Die Strahlachse des einkoppelnden Mikrowellenstrahls ist so ausgerichtet, dass sie schräg auf die nächstliegende Kante zweier aneinander stoßender Mantelflächensegmente fällt. Das zu erhitzende Sintergut muss in den Resonator eingebracht werden.
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Die
DE 103 29 411 B4 beschreibt einen hochmodigen Mikrowellenresonator mit ebenfalls geradzahlig konvex polygonalem, mindestens hexagonalem Querschnitt zum thermischen Prozessieren von Werkstoffen mit Mikrowellen und eine aus einem solchen Mikrowellenresonator modular aufgebaute Prozesstraße. Bei diesem Mikrowellenresonator sind entlang mindestens einer Mantellängskante symmetrisch paarweise Einkoppelstrukturen für Mikrowellen in der Resonatorwand eingebracht. Die Einkopplung des Mikrowellenstrahls erfolgt derart, dass dieser bei der ersten Reflexion an zwei miteinander stoßenden Mantelflächensegmenten reflektiert und in zwei Strahlteile zerlegt wird. Die zu erhitzenden Werkstücke werden in das Prozessvolumen eingetaucht.
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Bei den bekannten Resonatoren erfolgt die Erhitzung der Gegenstände im Innenraum des Resonators. Die Behandlung einer Materialoberfläche oder eines Materials verläuft eher zufällig, was bekannte Resonatoren oder Verfahren wenig effizient macht.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen gegenüber dem Stand der Technik hinsichtlich Effizienz und Wirksamkeit verbesserten Mikrowellenresonator und Verfahren bereitzustellen, der dazu ausgelegt ist, flächige Materialien in ihrer gesamten Materialstärke mit Mikrowellen zu erhitzen.
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Diese Aufgaben werden gelöst durch einen Mikrowellenresonator zum Erhitzen eines Materials gemäß Anspruch 1 und einem Verfahren gemäß Anspruch 8.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen eines Materials, umfassend
- - einen zu einer behandelnden Materialoberfläche hin offenen Hohlraumresonator, dessen Hohlraum an der Innenseite von wenigstens einer Mantelfläche gebildet wird, wobei die wenigstens eine Mantelfläche aus einem für Mikrowellenstrahlen reflektierenden Material besteht;
- - wenigstens eine innerhalb oder außerhalb des Hohlraums angeordnete Mikrowellenquelle zur Eintragung von Mikrowellen in den Hohlraum.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellenquelle zumindest einen Teil der Mikrowellen möglichst parallel zu der Materialoberfläche innerhalb des Hohlraums einträgt, wobei die Geometrie des Hohlraumresonators so gewählt ist, dass die von der Mikrowellenquelle emittierten und/oder an einer Mantelfläche reflektierten Mikrowellen möglichst parallel in das Material eintreten, wobei die Wellenlänge der von der Mikrowellenquelle emittierten Mikrowellen wenigstens der Hälfte der Materialstärke entspricht.
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Die Vorrichtung ermöglicht somit höhere Verweilzeiten der Strahlung bei seitlicher Einspeisung, was begründet ist durch die längere Laufstrecke der Mikrowellen. Dadurch erhöht sich auch die Wirkungsdauer für die zu behandelnde Oberfläche.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird ein zur Materialoberfläche des zu erhitzenden Materials hin offener Hohlraumresonator verwendet, dessen Hohlraum von wenigstens einer Mantelfläche gebildet wird. Zumindest die Innenseiten des Hohlraums bestehen aus einem für Mikrowellenstrahlen reflektierenden Material. Hierzu eignen sich vorzugsweise metallische Materialien hoher elektrischer Leitfähigkeit wie Silber, Kupfer, Gold, Aluminium, Edelstahl oder Metalllegierungen.
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Innerhalb oder außerhalb des Hohlraums ist wenigstens eine Mikrowellenquelle angeordnet, die zumindest einen Teil der Mikrowellen möglichst parallel zu der Oberfläche des Materials in den Hohlraum einträgt. Vorzugsweise ist die Vorrichtung so ausgelegt, dass der überwiegende Anteil der Mikrowellen mit vertikaler Phasenlage in oder innerhalb des Hohlraums eingebracht werden. Eine vertikale Phasenlage ist gegenüber einer horizontalen oder zirkulären Phasenlage bevorzugt, da hierbei die Wellentäler der Mikrowellen vollständig in das Material eindringen können. Zur Polarisation der Mikrowellen können dem Fachmann geläufige Mikrowellen-Polarisatoren verwendet werden.
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Möglichst parallel im Sinne der Erfindung bedeutet, dass die Mikrowellen in Grenzen der Strahlbreite mit einem Winkel zwischen 0° und 15°, vorzugsweise mit einem Winkel zwischen 0° und 5°, vorzugsweise mit einem Winkel kleiner 3° zur Oberfläche in den Hohlraum eingetragen werden. Die besten Ergebnisse werden erzielt, wenn der Eintrag der Mikrowellen mit einem Winkel von nahezu 0°, also rein parallel zur Materialoberfläche, erfolgt.
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In einer bevorzugten Variante ist vorgesehen, dass die Mikrowellen, die nicht direkt beim Eintragen in den Hohlraum von dem zu behandelnden Material absorbiert werden, eine stehende Welle im Hohlraum ausbilden, bei der, bei jeder Reflexion ein Teil der reflektierten Mikrowellen von dem zu erhitzenden Material absorbiert werden.
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Erfindungsgemäß soll die Geometrie des Hohlraumresonators so gewählt sein, dass die von der Mikrowellenquelle emittierten und/oder an einer Mantelfläche reflektierten Mikrowellen möglichst parallel in das Material eintreten. Dies hat den Vorteil, dass die Wellentäler der elektromagnetischen Welle tief in das Material reichen und dort absorbiert werden. Um dieses Ziel zu erreichen, sind verschiedene polygonale Ausgestaltungen möglich, wobei polygonale Geometrien bevorzugt sind. In einer bevorzugten Ausführungsform sind deshalb mehrere Mantelflächen so miteinander verbunden, dass sie einen Hohlraumresonator mit n-gonalem Querschnitt bilden, wobei n größer 2 ist. Vorzugsweise ist der Hohlraumresonator im Querschnitt hexagonal.
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Vorzugsweise ist der Abstand der Position, an der die Mikrowellen in den Hohlraum eingetragen werden, zu der Position an der die Mikrowellen erstmalig reflektiert werden, ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der von der Mikrowellenquelle emittierten Mikrowellen. Dadurch können sich stehende Wellen im Hohlraumresonator ausbilden.
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Vorzugsweise wird die Beaufschlagung der Mikrowellen so gewählt, dass die Amplitude der elektrischen Komponente der Mikrowellen das Material in seiner gesamten Materialstärke mit einem elektrischen Feld durchsetzt. Vorzugsweise ist daher die Amplitudenstärke entsprechend der zu behandelnden Materialstärke eingestellt.
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Zu Steigerung der Wirksamkeit und Effizienz der Mikrowellenbehandlung soll erfindungsgemäß die Wellenlänge der von der Mikrowellenquelle emittierten Mikrowellen wenigstens der Hälfte der Materialstärke entsprechen, vorzugsweise der doppelten Materialstärke. Dies hat den Vorteil, dass auch tiefere Materialschichten miterhitzt werden. Die Anpassung der Frequenz bzw. Wellenlänge erfolgt in Abhängigkeit von dem zu behandelnden Material, der Materialdichte und der Materialstärke. Diese Parameter werden also flexibel gehalten und werden entsprechend angepasst. Zusätzliche Mikrowellenquellen, können je nach Geometrie des Hohlraumresonators optional hinzugefügt werden.
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Bei der in der Vorrichtung und dem Verfahren zum Einsatz kommenden Mikrowellenquelle handelt es sich bevorzugt um eine Laufzeitröhre, wie z.B. ein Amplitron, ein Magnetron, ein Stabilotron, eine Wanderfeldröhre, ein Carzinotron oder ein Klystron. Andere Mikrowellenquellen können ebenfalls verwendet werden. Erfindungsgemäß sollen dabei Frequenzen aus einem Frequenzbereich zwischen 300 MHz bis 300 GHz zur Verfügung stehen, vorzugsweise zwischen 20 GHz bis 200 GHz. Der Frequenzbereich von 20 GHz bis 200 GHz deckt die Behandlung von Material mit Materialstärken von wenigstens 3 cm bis 0,3 cm ab.
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Um die Mikrowellenquelle außerhalb des Hohlraums anzubringen, ist es von Vorteil, wenn die Mikrowellenquelle mit einem Wellenleiter oder einer Antenne gekoppelt ist. Der Wellenleiter oder die Antenne wird beispielsweise über eine Öffnung in der Resonatorwand in den Hohlraum eingeschoben, um die Mikrowellen in den Hohlraum einzutragen. Daneben sind auch mit der Mikrowellenquelle verbundene Koaxleitungen oder Hohlleiter von der Erfindung umfasst.
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Zur Erhöhung der Betriebssicherheit ist es von Vorteil, an der Innenfläche und/oder der Außenfläche des offenen Hohlraumresonators wenigstens einen Sensor anzubringen, der Änderungen des Neigungswinkels des Hohlraumresonators überwacht und beispielsweise bei einem Kippen des Hohlraumresonators ein elektrisches Signal erzeugt, welches an eine Steuereinheit weitergeleitet wird, um die Mikrowellenquelle auszuschalten. Zum Einsatz kommen können beispielsweise Drucksensoren, Temperatursensoren, Neigungssensoren, Strahlungssensoren.
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Ein Einsatzzweck der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Behandlung von Asphaltoberflächen, beispielsweise im Zuge von Reparaturarbeiten von Straßenbelag. Hierfür ist eine transportable Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zweckmäßig. In einer bevorzugten Ausführungsform ist an dem Hohlraumresonator deshalb zusätzlich ein Fahrwerk zum Bewegen der Vorrichtung relativ zur Materialoberfläche angebracht. Die Höhe des Fahrwerks ist vorzugsweise einstallbar, um den optimalen Höhenabstand des Hohlraumresonators zur Materialoberfläche zu wählen. Vorteilhafterweise lässt sich die Höhe des Hohlraumresonators relativ zur Materialoberfläche am Fahrwerk so einstellen, dass auch unebene Materialoberflächen abgefahren werden können. Des Weiteren bietet das Fahrwerk den Vorteil, dass die Vorrichtung der Erfindung bequem von einem Einsatzort zum nächsten gerollt werden kann.
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In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Fließband, auf dem sich das zu erhitzende Material befindet. Über das Fließband kann das Material unterhalb der offenen Seite des Hohlraumresonators bewegt und mit Mikrowellen beaufschlagt werden, wodurch auch flächige Materialien erhitzbar sind. Das Fließband bietet zusätzlich den Vorteil, dass auch mehrere Materialien auf das Fließband aufgebracht werden und zu dem Hohlraumresonator transportiert werden können. Die Anordnung eines oder mehrerer Hohlraumresonatoren kann oberhalb und/oder unterhalb des Fließbandes erfolgen, wobei die offenen Seiten der Resonatoren zum Fließband zeigen.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind wenigstens zwei Hohlraumresonatoren nebeneinander angeordnet, um einen Materialabschnitt parallel zu behandeln. In jeden der Hohlraumresonatoren werden die Mikrowellen so eingetragen, dass zumindest ein Teil der Mikrowellen möglichst parallel zu der Materialoberfläche verlaufen. Hierbei besitzt jeder Hohlraumresonator seine eigene Mikrowellenquelle und/oder die Mikrowellen der Mikrowellenquelle werden in einem Strahlungsteiler geteilt und über einen Wellenleiter und/oder eine Antenne in den jeweiligen Hohlraumresonator eingetragen. Die Wellenlänge der emittierten Mikrowellen soll wenigstens der Hälfte der Materialstärke entsprechen, vorzugsweise der doppelten Materialstärke. Die Anordnung von Hohlraumresonatoren an der Materialstraße kann auch seriell erfolgen. Bei einer seriellen Anordnung kann das Material mit unterschiedlichen Amplituden und/oder Wellenlängen nacheinander behandelt werden.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Verfahren zum Erhitzen eines Materials. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Hohlraumresonator bereitgestellt, wobei dessen Hohlraum an der Innenseite von wenigstens einer Mantelfläche gebildet wird, und die wenigstens eine Mantelfläche aus einem für Mikrowellenstrahlen reflektierenden Material besteht. In einem weiteren Schritt sieht das Verfahren vor, dass der Hohlraumresonator auf der zu behandelnden Materialoberfläche angeordnet wird, so dass er zu dieser hin offen ist. In einem weiteren Schritt des Verfahrens werden Mikrowellen mit einer Wellenlänge erzeugt, die wenigstens der Hälfte der Materialstärke entsprechen. Vorzugsweise der doppelten Materialstärke. Diese Mikrowellen werden in den Hohlraum des Hohlraumresonators so eingetragen, dass zumindest ein Teil der Mikrowellen möglichst parallel zu der Materialoberfläche innerhalb des Hohlraums eingetragen werden. Hierbei soll die Geometrie des offenen Hohlraumresonators so gewählt werden, dass die eingetragenen Mikrowellen und/oder reflektierten Mikrowellen möglichst parallel in das Material eintreten. Zur Bestimmung der optimalen Geometrie des Hohlraumresonators, kann auf bekannte numerische Simulationsprogramme zurückgegriffen werden. Auch kann die optimale Geometrie anhand von Messungen ermittelt werden.
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Da aufgrund der Strahlbreite der eingetragenen Mikrowellen, durch Unebenheiten der Resonatorwand oder durch sonstige Effekte Streustrahlung im Hohlraum des Resonators entstehen kann, ist in einer bevorzugten Ausführungsform wenigstens ein Reflektorelement vorgesehen, das die Streustrahlung auf das Material umleitet. Die Geometrie, der Brechungsindex und/oder die Positionierung des Reflektorelements innerhalb des Hohlraumresonators sind vorzugsweise so gewählt, dass die auf das Reflektorelement auftreffenden Mikrowellen in Richtung der Materialoberfläche des zu erhitzenden Materials reflektiert, gebrochen und/oder gebeugt werden. Dadurch können nahezu alle in den Hohlraumresonator eingetragenen Photonen zur Erhitzung des Materials genutzt werden. Die Geometrie, der Brechungsindex und die Positionierung des Reflektorelementes im Hohlraumresonator können durch Messungen oder durch numerische Simulationen ermittelt werden, angepasst auf die jeweilige Resonatorgeometrie.
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Die Erfindung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert, in denen zeigen:
- 1 ein Hohlraumresonator in einer Seitenansicht mit Mikrowellenquelle positioniert auf einer Materialoberfläche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung der in dem Hohlraumresonator ausgebildeten stehende Welle;
- 3 ein Hohlraumresonator in einer Seitenansicht mit Mikrowellenquelle gemäß 1, mit zusätzlich angeordneten Sensoren;
- 4 eine Weiterentwicklung der Vorrichtung;
- 5 eine alternative Weiterentwicklung der Vorrichtung;
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1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Erhitzen eines Materials 2. Das Material 2 ist hier als eine ebene Fläche dargestellt. Der Hohlraumresonator 3, hier als Hexagon mit planarer Fläche gezeigt, wird aus sechs Mantelflächensegmenten 4 gebildet und ist so angeordnet, dass seine offene Seite zur Materialoberfläche 2 gerichtet ist. Außerhalb des Hohlraumresonators 3 ist eine Mikrowellenquelle 5 angeordnet, die Mikrowellen 6 (s. 2) erzeugt. Die Wellenlänge der Mikrowellen 6 entspricht erfindungsgemäß wenigstens der Hälfte der Materialstärke des Materials 2. Über einen Wellenleiter 7 werden die Mikrowellen 6 von der Mikrowellenquelle 5 über eine Mikrowelleneintrittsstelle am Hohlraumresonator, hier als Fenster dargestellt, so in das Innere des Hohlraums eingetragen, dass diese möglichst parallel zur Materialoberfläche 2 verlaufen. An der Kopfseite des Resonators sind Griffe angebracht, die dem Anheben des Hohlraumresonators 3 dienen.
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2 zeigt eine schematische Darstellung, einer in dem Hohlraumresonator 3 ausgebildeten stehenden elektromagnetischen Mikrowelle. Vertikal polarisierte Mikrowellen 6 werden von der Mikrowellenquelle 5 in das Resonatorinnere eingetragen und breiten sich in dem Hohlraumresonator 3 parallel zur Materialoberfläche 2 aus. An einer Innenseite der Mantelfläche 4 werden die Mikrowellen 6 reflektiert und führen zu der stehenden Welle. Die Wellentäler der Mikrowellen 6 erreichen vorzugsweise die gesamte Materialstärke, bevorzugt jedoch mehr als die Hälfte der Materialstärke des Materials 2. Im gezeigten Beispiel durchsetzt die Amplitude des elektrischen Felds der Mikrowelle 6 die gesamte Materialstärke des Materials. Die Wellenlänge der Mikrowellen 6 ist so gewählt, dass diese wenigstens der Hälfte der Materialstärke des Materials 2 entspricht. Die Länge des Hohlraumresonators 3 ist so bemessen, dass diese ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge beträgt. Im gezeigten Beispiel beträgt die Länge des Hohlraumresonators fünf halbe Wellenlängen.
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In 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der in 1 gezeigten Vorrichtung 1 gezeigt. Zusätzlich sind die Sensoren 8a und 8b eingezeichnet. Bei Sensor 8a handelt es sich um einen Drucksensor, der ein Verkippen des Hohlraumresonators 3 detektieren würde, da dadurch der Gewichtsdruck auf den Sensor 8a reduziert oder erhöht werden würde. Der Sensor 8a ist mit der Mikrowellenquelle 5 (nicht gezeigt) verbunden. Bei einem Verkippen des Hohlraumresonators 3 sendet der Sensor 8a ein elektrisches Signal an die Steuereinheit der Mikrowellenquelle 5, so dass die Mikrowellenquelle 5 unmittelbar abgeschaltet wird. Unter dem Begriff verbunden ist auch eine drahtlosverbindung mitinbegriffen. Sensor 8b ist beispielsweise ein Strahlungssensor, der austretende Strahlung detektiert und dafür sorgt, dass die Mikrowellenquelle 5 ausschaltet, wenn die gemessenen Strahlungswerte einen Sollwert überschreiten. Bei Sensor 8b kann es sich aber auch um einen Temperatursensor handeln, der die Außentemperatur der Mantelfläche 4 detektiert und bei zu hohen Temperaturen der Mantelfläche 4 ebenfalls ein Signal an die Steuereinheit der Mikrowellenquelle 5 sendet, so dass die Mikrowellenquelle 5 unmittelbar abgeschaltet wird.
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Die in 4 gezeigte Weiterentwicklung der Vorrichtung sieht ein Fahrwerk 9 vor, an dem exemplarisch ein Hohlraumresonator 3 aufgehängt ist. Der Hohlraumresonator 3 kann über die Materialoberfläche 2 bewegt werden, um diese zu erhitzen. Die Mikrowellenquelle 5 ist am Resonator 3 angebracht, so dass diese mitbewegt werden kann.
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In 5 ist eine Weiterentwicklung der Erfindung gezeigt, die exemplarisch aus zwei nebeneinander angeordneten Hohlraumresonatoren 3a bzw. 3b besteht. Das Material 2 befindet sich auf einem Fließband 10 und wird unterhalb des Hohlraumresonators 3a zum Hohlraumresonator 3b mit einer wählbaren Geschwindigkeit v transportiert. Jeder Hohlraumresonator hat seine eigene Mikrowellenquelle 5. Die Mikrowellen 6 werden über den Wellenleiter 7 in das Resonatorinnere eingetragen.
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In einer nicht gezeigten Ausführungsform umfasst das Innere des Hohlraumresonators 3 wenigstens ein Reflektorelement, dessen Geometrie, Brechungsindex und/oder Positionierung im Hohlraumresonator so gewählt sind, dass Streustrahlung im Innenraum des Hohlraumresonators, die auf das Reflektorelement trifft, in Richtung der Materialoberfläche des zu erhitzenden Materials 2 reflektiert, gebrochen und/oder gebeugt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4594022 [0002]
- US 4319856 [0002]
- US 4175885 [0002]
- US 4252459 [0002]
- US 4252487 [0002]
- US 5441360 A [0002]
- US 5092706 A [0002]
- US 4849020 A [0002]
- CN 101736671 A [0003]
- CN 101906745 A [0003]
- DE 102015108862 B4 [0003]
- DE 19633245 C1 [0004]
- DE 10329411 B4 [0005]
