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Die
Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Applikator zur thermischen
Behandlung von Heizgut, insbesondere von strangförmigen oder flüssigen Materialien,
mit einem Hohlraumresonator, einer Koppeleinrichtung zum Einkoppeln
eines Mikrowellenfeldes in den Hohlraumresonator und mit je einer Öffnung an
zwei einander gegenüberliegenden
Stirnwänden und
Führungsmitteln
zum Hindurchführen
des Heizgutes durch den Resonator.
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Ein
derartiger Mikrowellen-Applikator ist beispielsweise aus der
DE 29 36 490 bekannt, bei
dem die Einkopplung der Mikrowellen durch eine der Öffnungen
in der Stirnseite des Resonators erfolgt. Innerhalb des Innenraums
des Resonators ist an der Öffnung
ein Lochelement vorgesehen, dessen Position verstellbar ist, um
die Einkopplung der Mikrowellen zu optimieren. Durch die beiden
einander gegenüberliegenden Öffnungen
in den einander gegenüberliegenden
Stirnwänden
wird das Heizgut in den Resonator hinein, und aus diesem herausgeführt. Dabei
werden ggf. Führungsmittel,
wie z.B. keramische Führungsrohre
verwendet, welche die Position des Heizgutes während des Transports durch
den Resonator hindurch festlegen. Nachteilig ist dabei, dass die
op timale Einstellung der Koppeleinrichtung zur Realisierung eines
maximalen Mikrowellenfeldes innerhalb des Resonators nur in Betriebspausen – ohne das
Heizgut – erfolgt,
weil zu diesem Zweck das Lochelement an der stirnwandseitigen Öffnung des Resonators
verstellt werden muss.
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Die
DE 24 43 056 A1 offenbart
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhitzen eines faserigen Bündels aus
einzelnen Fäden
aus dielektrischem Material, welches einem elektrischen oder elektromagnetischen
Feld mit einer Frequenz über
3·10
8 Hz und unter 3·10
11 ausgesetzt
wird. Hierzu wird das zu erhitzende Faserbündel etwa parallel zu dem elektrischen
Feld oder zu der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen
Feldes durch einen Resonanzraum geführt und von einem Transportband
zumindest teilweise eingehüllt.
Ferner ist ein festes, den Resonanzraum durchquerendes und vom Transportband
durchlaufenes Rohr vorgesehen, wobei das Transportband und das Rohr
aus einem Material mit geringer dielektrischer Leitfähigkeit
bestehen. Vorzugsweise wird das Faserbündel in einem Mikrowellenofen
erhitzt, der mehrere Resonanzräume
aufweist, wobei die Kopplung der Mikrowellenstrahlung in die einzelnen
Resonanzräume über Metallhülsen zwischen
den Resonanzräumen
und einem Speiserohrleiter stattfindet.
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Die
DE 38 06 003 C2 beschreibt
einen Hohlleiter-Auskoppelstift für ein Mikrowellen-Haushaltsgerät, welcher
die von einem Magnetron erzeugte Mikrowellenenergie von einem Hohlleiter
in einen Garraum auskoppelt und etwa bis zur halben Höhe des Hohlleiters
angeordnet ist. Der mittig aus dem Hohlleiter in den Garraum geführte Rohrleiter-Auskoppelstift
besitzt eine mikrowellenspezifisch angepasste reflexionsarme Koppelstiftgeometrie,
die mittels einer Durchmessertransformation, von einem Koppelstiftkopf
ausgehend, über
einen Koppelstifthals zu einem Koppelstiftzylinder führend, erreicht
wird. Dabei wird der Durchmesser des Koppelstiftzylinders auf etwa die
Hälfte
des Koppelstiftkopf-Durchmessers reduziert, der etwa 1/8 der verwendeten
Magnetron-Grundwellenlänge beträgt.
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Aus
der
DE 30 21 381 A1 ist
ein Mikrowellen-Applikator bekannt, der ebenfalls zur thermischen
Behandlung strangförmiger
Gebilde, beispielsweise von Polyamidsträngen, Schrumpfschläuchen oder
harzgetränkten
Glasfasersträngen
dient. Da die Einspeisung der Mikrowellenenergie senkrecht zur Transportrichtung
des Heizgutstranges erfolgt, wird ein Mikrowellenfeld erzeugt, dessen
Energiedichte relativ zu dem Heizgutstrang unsymmetrisch ist.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, einen Mikrowellen-Applikator der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, dass während des Betriebes die Einkopplung
des Mikrowellenfeldes einstellbar und optimierbar ist.
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Diese
Aufgabe wird bei dem Mikrowellen-Applikator der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Koppeleinrichtung einen durch eine der Öffnungen in den Resonator hineinragenden
metallischen Koppelstift enthält,
der einen Hohlkanal zum Einführen
des Heizgutes in den Resonator aufweist und axial verschiebbar gelagert ist.
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Die
Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass die Koppeleinrichtung
einen metallischen hohlen Koppelstift aufweist, durch dessen Hohlkanal
das Heizgut in den Resonator einführbar bzw. durch den Resonator
hindurch transportiert werden kann. Besonders vorteilhaft ist es
dabei, dass dieser Koppelstift axial verschiebbar gelagert ist,
so dass seine Eintauchtiefe in den Resonator während des Betriebes axial verstellt
werden kann, während das
Heizgut durch den Koppelstift und den Resonator hindurchtransportiert
wird. Besonders bevorzugt fluchtet der hohle Koppelstift axial mit
einer zentralen Symmetrieachse des Resonators, und das Heizgut wird
längs der
zentralen Symmetrieachse geführt und
verlässt
der Resonator die gegenüberliegende Stirnwand
durch eine entsprechende Öffnung.
Dadurch ist sichergestellt, dass das Heizgut während ihres Transports durch
den Resonator stets im Zentrum eines symmetrischen Mikrowellenfeldes,
und damit einer symmetrischen Energieverteilung transportiert werden.
Eine ungleiche Erwärmung
des Querschnitts des Heizgutes wird auf diese Weise vermieden.
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Bevorzugt
wird das Mikrowellenfeld über
einen Hohlleiter dem Resonator zugeführt, wobei der Koppelstift,
der aus der stirnseitigen Öffnung
des Resonators herausragt, durch eine erste Öffnung, die sich in der Wand
des Hohlleiters befindet, in den Hohlleiter hineingeführt ist
und von dem Hohlleiter Mikrowellenenergie entnimmt und in den Resonator koppelt.
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Bevorzugt
ist axial mit dem Koppelstift fluchtend zu der ersten Öffnung gegenüberliegend
eine zweite Öffnung
in der Wandung des Hohlleiters vorgesehen, der zur Einführung des
Heizgutes durch den Koppelstift hindurch in den Resonator dient.
Bei dieser Ausführungsform
der Erfindung lässt
sich das Heizgut geradlinig durch den Koppelstift hindurch in den
Resonator und durch diesen hindurch wieder aus dem Resonator herausführen.
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Alternativ
ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung der Koppelstift durch die beiden fluchtenden Öffnungen
in den gegenüber-liegenden
Wandabschnitten des Hohlleiters quer durch den Hohlleiter hindurchgeführt. Das
aus dem Resonator herausragende Ende des Koppelstifts durchquert
also den Hohlleiter, so dass das Heizgut außerhalb des Hohlleiters in
den Koppelstift eingeführt
werden kann und dann in dem Koppelstift durch den Hohlleiter hindurchverläuft und
zentral in den Resonator abgegeben und durch den Resonator hindurchgeführt wird
und auf diese Weise in einer Zone hoher Mikrowellenenergie eine
Wärmebehandlung
erfährt.
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Bevorzugt
besitzt die erste Öffnung
in dem der Stirnwand benachbarten Wandabschnitt des Hohlleiters
einen vergleichsweise großen
Randabstand zum Koppelstift, ebenfalls besitzt die Öffnung in
der Stirnwand des Resonators einen vergleichsweise großen Randabstand
zum Koppelstift, damit die kapazitive Ableitung der Energie und
die dadurch gedingten Energieverluste in dieser Zone möglichst gering
sind. Die zweite Öffnung
in einem Wandabschnitt, welcher der ersten Öffnung des Hohlleiters gegenüberliegt,
besitzt einen vergleichsweise geringen Randabstand zum Koppelstift.
Der hohle Koppelstift ist axial verschiebbar gelagert und geht im
Bereich der zweiten Öffnung
einen galvanischen und/oder kapazitiven Kontakt mit dem Hohlleiter
ein, um die im Hohlleiter zugeführte
Mikrowellenenergie aus dem Hohlleiter auszukoppeln und in den Resonator
einzukoppeln.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist ein Hohlleiter in unmittelbarem Kontakt an der Stirnwand
angeordnet, dessen Längsachse
quer zur zentralen Symmetrieachse des Resonators verläuft. Der
Hohlleiter führt
das Mikrowellenfeld dem Koppelstift zu, der in den Hohlleiter hineinragt. Der
Hohlleiter besitzt zu diesem Zweck stirnwandseitig eine vergleichsweise
große Öffnung und
hiermit fluchtend an dem gegenüberliegenden Wandabschnitt
eine vergleichsweise kleine Öffnung, in
welcher der hohle Koppelstift axial verschiebbar gelagert ist und
in galvanischem und/oder kapazitiven Kontakt mit dem Hohlleiter
tritt.
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Der
Koppelstift besitzt bevorzugt einen kreisrunden Querschnitt. Die Öffnung in
der Stirnwand des Resonators, durch welche der Koppelstift hindurchtritt,
ist bevorzugt ebenfalls kreisrund ausgebildet Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Resonator symmetrisch zur zentralen Symmetrieachse
als Kreis-zylinder ausgebildet. Die Mantelfläche besitzt einen kreiszylindrischen
Querschnitt und ist an ihren Stirnseiten von den beiden Stirnwänden begrenzt,
durch die hindurch das Heizgut, insbesondere Fasermaterial-stränge o.dgl.
hindurchgeführt
werden. Als Führungsmittel
zum Führen
des Heizgutes ist in dem Resonator ein nichtmetallisches, bevorzugt
keramisches Führungsrohr
vorgesehen, welches in einer Ausführungsform unmittelbar an den
Koppelstift anschließt
und sich durch die ganze Länge
des Resonators erstreckt. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung verläuft das
Führungsrohr
nur über
einen vorgegebenen Längenabschnitt
des Hohlraumresonators und läuft
durch die Öffnung
der dem Koppelstift gegenüberliegenden
Stirnwand hindurch.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
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Im
Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
des Applikators;
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2 einen
Querschnitt durch den Applikator gemäß 1;
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3 einen
der 2 entsprechenden Querschnitt bei aufgeklapptem
Resonator; und
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4 einen
Längsschnitt
durch eine zweite Ausführungsform
des Applikators.
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Die 1 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Mikrowellen-Applikator, und die 2 und 3 zeigen
einen Querschnitt längs
der Linie II-II in 1. Ein Hohlraumresonator 2 besitzt – in der
dargestellten Ausführungsform – eine kreiszylindrische
Mantelfläche 4 um
eine zentrale Symmetrieachse 5. Die Mantelfläche 4 ist
an den Stirnseiten mit je einer Stirnwand 8, 10 abgeschlossen.
Mantelfläche 4 und Stirnwände 8, 10 definieren
einen Innenraum 3. Die beiden Stirnwände 8, 10 sind
mit je einer Öffnung 9, 11 versehen,
durch welche Heizgut, beispielsweise strangförmige Materialien wie faserförmiges Strangmaterial
zur Herstellung von Zigarettenfiltern, in den Innenraum 3 des
Resona tors 2 hinein und aus diesem heraustransportiert
wird. Führungsmittel
erstrecken sich durch die Öffnungen 9, 11 und
dienen dazu, das Heizgut, durch den Innenraum 3 des Resonators 2 hindurchzuführen, wobei – in der
dargestellten Ausführungsform – das Heizgut
längs der
zentralen Symmetrieachse 5 durch den Resonator hindurchgeführt wird.
Außen
um die Mantelfläche 4 des
Resonators 2 herum ist eine thermische Isolierung 6 angeordnet,
die beispielsweise einen quadratischen Querschnitt besitzt und daher
Lufträume
zwischen Mantelfläche 4 und
Isolierung 6 belässt.
Bevorzugt ist die Mantelfläche 4 des
Resonators 2 in der Länge
veränderlich,
um je nach Ausbildung einer gewünschten Mikrowellenkonfiguration
eine auf die Wellenlänge des
Mikrowellenfeldes abgestimmte Resonatorlänge zu verwirklichen.
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Rechtwinklig
zu der zentralen Symmetrieachse 5 des Resonators 2 verläuft außen an der Stirnwand 10 ein
Hohlleiter 20 entlang, der mit einem Wandabschnitt 22 in
Anlage an der Stirnwand 10 befestigt ist oder – alternativ – die Stirnwand 10 bzw.
einen Abschnitt der Stirnwand 10 bildet. Der Hohlleiter 20 ist
an einem Ende an eine Mikrowellenquelle (nicht dargestellt) anschließbar, an
dem anderen Ende des Hohlleiters 20 befindet sich ein verschiebbares
Einstellelement 28, welches zu einer gewünschten
Einstellung des Mikrowellenfeldes in dem Hohlleiter 20 dient.
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Vorgesehen
ist eine Koppeleinrichtung 30, welche ein Mikrowellenfeld
von dem Hohlleiter 20 in den Innenraum 3 des Resonators 2 einkoppelt.
Die Koppeleinrichtung 30 enthält einen metallischen Koppelstift 32,
der durch die Öffnung 11 der
Stirnwand 10 hindurch in den Innenraum 3 des Resonators 2 hineinragt
und einen Hohlkanal zum Einführen des
Heizgutes in den Resonator 2 besitzt. Der Abstand des Randes
der Öffnung 11 zu
dem Koppelstift 32 ist vergleichsweise groß, um den
unerwünschten Einfluss
parasitärer
Kapazitäten
klein zu halten. Der Koppelstift 32 tritt durch den Wandabschnitt 22 des Hohlleiters 20,
welcher an der Stirnwand 10 befestigt ist, durch eine Öffnung 23 hindurch,
deren Rand einen vergleichsweise großen Abstand zum Koppelstift 32 aufweist.
Der rohrförmige
Koppelstift 32 fluchtet axial mit der zentralen Symmetrieachse 5 des
Resonators 2 und ist an dem äußeren Wandabschnitt 24 des
Hohlleiters 20, welcher von der Stirnwand 10 beabstandet
ist und daher dem Wandabschnitt 22 gegenüberliegt,
axial verschiebbar gelagert. Zu diesem Zweck ist in dem äußeren Wandabschnitt 24 des Hohlleiters 20 ein
metallischer Lagerbock 26 befestigt, der eine zentrale
Bohrung 25 aufweist, die – in der dargestellten Ausführungsform – axial
mit der zentralen Symmetrieachse 5 des Resonators 2 fluchtet,
als zweite Öffnung 25 be zeichnet
ist, und den Koppelstift 32 in engem Berührungskontakt,
also galvanisch gekoppelt, oder mit geringem Spiel, also kapazitiv
gekoppelt, verschiebbar hält.
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Der
Koppelstift 32, der auch als Führungsmittel zum Einführen des
Heizgutes, beispielsweise des faserförmigen Strangmaterials dient,
ist in Verlängerung
der zentralen Symmetrieachse 5 des Resonators 2 angeordnet.
Als weiteres Führungsmittel ist
in der Ausführung
von 1 ein nichtmetallisches Führungsrohr 34 vorgesehen,
durch welches das Heizgut längs
der zentralen Symmetrieachse 5 geführt wird. Alternativ können beispielsweise
aber auch in vorgegebenem Abstand mehrere stabförmige Stützlager als Dreipunktlager
ausgebildet sein, durch welche das Heizgut längs der zentralen Symmetrieachse 5 geführt wird.
Schließlich
verlässt
das Heizgut dann den Resonator 2 im nichtmetallischen Führungsrohr 34 an
dem vom Hohlleiter 20 abgewandten Ende des Resonators 2 durch
eine Öffnung 9 in
der Stirnwand 8. Der Koppelstift 32 ist fluchtend mit
der zentralen Symmetrieachse 5 angeordnet, sein Hohlkanal 33 führt das
Heizgut in den Resonator ein; der Koppelstift 32 wirkt
damit auch als Führungsmittel.
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Wie
sich den 3 und 4 entnehmen lässt, ist
die Mantelfläche 4 in
zwei Zylinder-Halbschalen 4a, 4b unterteilt,
die voneinander abnehmbar sind oder – in der dargestellten Ausführungsform – schwenkbar
miteinander verbunden sind, so dass die obere Halbschale 4a von
der unteren Halbschale weggeklappt werden kann, um auf diese Weise
freien Zugang zu dem Innenraum 3 des Resonators und den
entsprechenden Einbauten zu ermöglichen.
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4 zeigt
einen schematischen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform
des Applikators. Quer zu der zentralen Symmetrieachse 5 des
Resonators 2 wird die kreiszylindrische Mantelfläche 4 des
Resonators durch zwei Stirnwände 8, 10 abgeschlossen.
Quer zur zentralen Symmetrieachse 5 des Resonators 2 ist
an der Stirnwand 10 der Hohlleiter 20 eingebracht,
der an einem Ende einen Kurzschlussschieber 28 aufweist.
Durch den Hohlleiter 20 und die Stirnwand 10 hindurch
verläuft – fluchtend zur
zentralen Symmetrieachse 5 – ein rohrförmiger, hohler Koppelstift 32 aus
Metall, der anschließend
im Resonator 2 in ein nichtmetallisches Führungsrohr 38 übergeht,
welches entweder aus Keramikmaterial, PFTE (Teflon) oder aus Glas
Gesteht. Durch die vom Hohlleiter 20 beabstandete Stirnwand 8 ist
ein Führungsrohr 37 hindurchgeführt, welches
aus Keramik, Glas oder auch aus Metall ausgebildet sein kann. Im Innenraum 3 ist
das Führungsrohr 37 mit
einem Rohrabschnitt 35 ausgebildet, in den das nichtmetallische
Führungsrohr 38 übergeht.
Ferner ist in 4 im Gegensatz zu 1 zu sätzlich noch
mit den Bezugszeichen 50 das Strangmaterial dargestellt,
wie es durch den hohlen Koppelstift 32 und die Führungsrohre 37 und 38 geführt ist.
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Bei
einem bevorzugten Betrieb wird der Kurzschlussschieber 28 in
dem Hohlleiter 20 so eingestellt, dass an der Position
des Koppelstiftes 32 ein Energiemaximum liegt, und der
Koppelstift wird axial so verstellt, dass möglichst viel Mikrowellenenergie – während des
Betriebes, also während
des Durchlaufs des Heizgutes – in
den Hohlraumresonator eingekoppelt wird.