DE1935681C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von dielektrischen Gegenständen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhitzen von dielektrischen Gegenständen mittels Wärme, die durch Einwirkung von Mikrowellenenergie auf diese Gegenstände und auf eine aus kleinen Teilchen mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand bestehende Masse erzeugt wird.

Einschlägige vorbekannte Verfahren und zugeordnete Vorrichtungen konnten bisher noch nicht in befriedigender Weise das Problem ausräumen, das in einer nicht einheitlichen Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung liegt. Als technische Lösungen sind unter anderem bekanntgeworden das Einsetzen einer Glasplatte, was natürlich nur möglich ist im Zusammenhang mit Vorrichtungen, die nicht bei erhöhten Temperaturen arbeiten, also z. B. in Koch- und Backöfen für den Haushalt.

Es ist weiterhin bekanntgeworden, Ferrit als sogenanntes Verlustmaterial unter der Curie-Temperatur desselben im Zusammenhang mit einem Vernetzen von Kunstharzen anzuwenden. Oberhalb der Curie-Temperatur verliert ein Ferrit-Material seine magnetischen Eigenschaften und arbeitet somit gegenüber Mikrowellenenergie praktisch verlustlos. Die Anwendung von Ferrit- bzw. Ferritmaterial etfolgt nach diesem Stand der Technik in Form eines Überzuges

ίο oder durch Einbetten in eine Matrix.

Allgemein ist die Verwendung von elektrisch leitenden Materialien zur Beeinflussung der Feldkonzentration bei Hochfrequenz-Erwärmungsanlagen bekannt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einschlägige Verfahren und Vorrichtungen so auszugestalten, daß es möglich wird, eim. Erhitzung von Gegenständen auf relativ hohe Temperaturen zu erreichen, wie dies beispielsweise zum Brennen von

so Keramik erforderlich ist, sowie weiterhin in dem Erhitzungsbereich eine einheitliche Temperatur auszubilden, d. h. Temperaturgradienten zu vermeiden, die beispielsweise beim Brennen eines Keramikgegenstandes dazu führen würden, daß einige Flächen zu

»5 stark unr andere Flächen zu wenig gebrannt sind.

Diese Aufgabe wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durch eine körnige Ausbildung der Masse und die Erzeugung der Wärme durch eine Vielzahl von Lichtbogen, die zwischen den Teilchen in den Hohlräumen der körnigen Masse unter der Einwirkung der Mikrowellenenergie ausgebildet werden, gelöst.

Vorrichtungsmäßig wird diese Aufgabe im Zusammenhang mit der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch gelöst, daß die Ofenkammer einen zur Aufnahme der Gegcnstänuc und der Masse dienenden ersten Behälter aus hitzebeständigem und wärmeisolierendem, für Mikrowellen durchlässigen Material enthält, der in einem zweiten Behälter aus wärmeisolierendem und für Mikrowellen durchlässigem Material angeordnet ist.

Dabei ist es möglich, Temperaturen von über 1100^ri C zu erzielen. Es ist jedoch auch möglich, relativ nieJrige Temperaturen, wie sie z. B. zum Aufwärmen von Speisen und den Betrieb eines elektrischen Ofens erforderlich sind, zur Ausbildung zu bringen in Abhängigkeit von der Änderung entsprechender Parameter, wie weiter unlen erläutert.

Die intensivste Hitze wird durch eine gesteuerte Lichtbogenbildung in einem verteilten Material erzielt, das als festes, elektrisch leitfähiges Material übereinander gestapelt, isoliert und der Mikrowellen-Energie ausgesetzt wird. Soweit bekannt, gibt es keine Mikrowellen-Theorie, die diese intensive Hitze erklärt, jedoch ergeben sich die folgenden Annahmen:

1. Teilchen aus einem guten Leiter, wie Kupfer, scheinen einander kurzzuschließen und ergeben eine kontinuierliche elektrische Oberfläche zwischen den Teilchen, wodurch sich unregelmäßige und nicht zufriedenstellende Ergebnisse ergeben.

2. Teilchen aus Kohlenstoff scheinen als solche wenig Wärme zu entwickeln, unterstützen jedoch eine starke Lichtbogenbildung und eine sofortige Abgäbe von Wärmeenergie. Große Stücke aus Kohlenstoff fördern jedoch die Bildung großer Lichtbogen, die sich schwierig steuern lassen. Wenn der Kohlenstoff weiter zerkleinert wird, ergibt sich eine Vielzahl

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an kleinen Lichtbögen, die leicht Wärme abgeben und sich einfacher steuern lassen.

3. Teilchen aus Eisen zur Lichtbogenbildung und werden schnell rotglühend.

4. Teilchen aus einfachen Eisenverbindungen, wie Magnetit- oder Eisenerze, weisen arteigen elektrischen Widerstand auf und lassen sich leicht anwenden. Die Erfahrungen mit dem Anwenden von nicht raffiniertem Eisenerz haben wie erwartet, zu einigen unregelmäßigen Ergebnissen geführt bedingt durch Verunreinigungen in dem Erz. Zum Beispiel brennt Magnesium explosivartig hell ab. Unregelmäßiges Verhalten kann dadurch hinangehalten werden, daß das zerkleinerte Erz in spezieller, der Vorkonditionierung dienenden Mikrowellenöfen oder in anderer üblicher Weise zur Entfernung von Verunreinigungen behandelt wird. Wahlweise lassen sich die Verunreinigungen auch in vorteilhafter Weise anwenden, z. B. kann beim Brennen von Keramik ein Zusatz an ausgewählten Produkten erfolgen, die sich bei hohen Brenntemperaturen entzünden, wodurch zusätzliche Wärme entwickelt wird.

5. Es wurde gefunden, daß die Art des in herkömmlichen Rundfunkantennen angewandten Ferrites für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist. Dieses Ferritmaterial ist leicht zugänglich, weis! eine einheitlich raffinierte Struktur auf und läßt sich weiterhin leicht in Teilchen zerkleinern. Der Gleichstrom-Widerstand ist hoch und der hohe Widerstand bedingt zusätzlich I²R-Verluste. Die magnetischen Eigenschaften führen zu höheren Hystereseverlusten. Ferrit ist als solches in der Lage. Mikrowellenenergie in gespeicherte und abgestrahlte Wärme-Energie umzuwandeln, und die gesteuerte Lichtbogenbildung fördert dies. Nachdem die Zuführung der Mikrowellen-Energie aufgehört hat, gibt das Ferrit allmählich seine gespeicherte Wärme an den zu erhitzenden Gegenstand ab, und die langsame Abgabe dieser gespeicherten Wärme ist für viele Zwecke wichtig. Das Ferrit führt ebenfalls zu einem langsamen Wärmeaufbau und bedingt somit nicht den Aufbau derartiger zerstörender Wärmebelastungen in den Behältern, wie dies bei Kohlenstoffteilchen der gleichen Größe festgestellt wird. Der langsame Wirmeaufbau und das langsame Abklingen der Wärme ist direkt proportional der in Anwendung kommenden Menge des Materials.

6. Ein zerkleineites Material führt zu einer wahllosen molekularen Orientierung, und dies kann zu dem bemerkenswerten NichtVorhandensein des Curie-Effektes beitragen, wie er in einer vergleichbarer. Masse eines nicht zerteilten Stückes festgestellt wird. Es ist ebenfalls möglich, daß die vielen winzigen erzeugten Lichtbögen in Form der alten Lichtbögensender wirken und Wärme abgeben, während sie erneut Mikrowellen-Energie abstrahlen. Der Gleichstrom-Widerstand nimmt bei verringerter Teilchengröße zu, so daß durch Auswahl einer Größe und Type des zerkleinerten Materials man eine Möglichkeit hat, die Größe und Anzahl der Lichtbögen zu steuern.

Für das erfindungsgemäße Verfahren können nicht zerkleinertes Ferrit, Spezialglas, keramische Produkte bestimmter Zusammensetzungen u. dgl. angewandt werden als Materialien für das Umwandeln von Mikrowellen in Wärme, wodurch die Ofenvorrichtung vielseitiger gestaltet wird. Wenn verteilter Kohlenstoff angewandt wird, kann sich ein Schild hohen Widerstandes, z, B. herstellt aus nicht zerkleinertem Ferrit als zweckmäßig erweisen, oder es kann ein Schild geringen Widerstandes, wie Kupfer, vollständig in dem Kohlenstoff vergraben und auf relativ niedrige Temperaturen erhitzt werden.

Der Betrag der erzeugten ausnutzbaren Wärme hängt von der Leistung des Milcrowellen-Gene-.atois, der Zeitspanne, über die derselbe betrieben wird und dem Ausmaß der Wärmeisolation ab. Je größer die

ίο in Anwendung kommende Menge des Materials für das Umwandeln der Mikrowellen-Energie in Wärme-Energie um so geringer ist die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von großen unerwünschten Lichtbögen, um so gleichmäßiger ist die Wärmeverteilung und um so weniger Energie liegt für einzelne Lichtbögen vor. Die Mikrowellenöfen sollten eine größere Menge des Energie umwandelnden Materials für einen gegebenen Betrag der Mikrowellenleistung aufweisen als bei vorbekunnten Vorrichtungen als zweckmäßig erachtet wird. iJei einem Ofen absorbiert allgemein der zu erhitzen Je Gegenstand wenig Mikrowellen-Energie und das Wärmenmwandlungsmateria! muß in der richtigen Weise bezüglich des Mikroweilengenerators angeordnet sein.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert.

Die Figur gibt einen Teil der erfindungsgemäßen Ofen-Vorrichtung wieder und zeigt insbesondere einen vollständigen Ofen.

Wie in der Figur gezeigt, wird die Energie eines Mikrowellen-Generatorsi über eine abgeglichene Wellenführung 2 durch einen Mikrowellen-Einlaß 3 in einen Ofenhohlraum 4 überführt, der im Inneren äußerer gegenüber Mikrowellen undurchlässiger Wände £ vorliegt. Es ist eine Einlaßtür 6 in einer Außenwand 5 an dem Teil des Hohlraums 4 vorgesehen, das das Bezugszeichen 10 trägt. 2s sind Dichtungen 7 für die Einlaßöffnung 6 vorgesehen, um so einen Austritt der Mikrowellen-Energie zu verhindem und eine Lichtbogenbildung hintenanzuhalten. Es können Belüftungslöcher 8 für ('as Ausbilden von Puffern aus urnlaufender Luft ίη dem Teil des Hohlraums 4 benachbart zu dem Mikrowellen-Generator 1 vorgesehen sein. Es können Öffnungen 9 in zweckmäßiger Weise an beliebigen Stellen in den Wänden des Ofens angeordnet sein, wenn die Wärmeisolation gegenüber Wasserdampf porös oder teilweise porös ist, und diese Öffnungen können als Bcobachtungslöcher dienen. Es können sodann Stopfen 9 ο vorgesehen sein, und der Wasserdampf kann austreten, wenn die Stopfen entfernt werden. Beide Öffnungen 8 und 9 sind so angeo-dnet, daß der Austritt an Mikrowellen-Energie h*ntan»ehalten wird.
Der durch das Bezugszeichen 10 angegebene Teil des Hohlraums liegt im Inneren eines Wärmcisolationsmater^als 11 vor. Im Inneren dieses Hohlraums ist das Material für das Umwandeln der Mikrowellen-Energie in Wärme-Energie angeordnet, und bei der durch das Bezugszeichen 15 wiedergegebenen Ausführungsform ist umgebend ein schützendes Material 12 vorgesehen, das in der Lage ist höheren Temperaturen als denjenigen des Materials 11 zu widerstehen. Es kann eine Anordnung 13 vorgesehen werden, wenn man den zu erhitzenden Gegenstand nicht in Berührung mit dem Konvertermaterial 15 halten will, das für einen speziellen Zweck zu heiß sein kann. Die Zeichnung gibt drei Möglichkeiten der Lageanordnung von zu erhitzenden Geeen-

ständen bezüglich des Konvertcrmaterials wieder. Diese sind im folgenden aufgezählt:

a) Das Material 15 zum Umwandeln der Mikrowellen-Energie in die Wärme-Energie ist durch das schützende Material 12 umgeben und erhitzt den von dem Material getrennt angeordneten Gegenstand 14 a.

b) Der Gegenstand 14 b ist im Inneren des Materials 15 eingegraben.

c) Das Material 15 liegt im Inneren des Gegenstandes 14 c vor.

Der hier gezeigte Ofen kann in wenigstens drei verschiedenen Weisen angewandt werden:

1. Das erste Verfahren besteht darin, die den Ofenhohlraum 10 umgebende Isolationswand 11 und deren Inhalt direkt im Inneren eines vorliegenden Mikrowellenofens anzuwenden.

2. Es wird eine gegenüber Mikrowellen undurchlässige, äußere Umgrenzungswand 5 und Ein-Iaßtür6 um die Isolationswand 11 herum angeordnet, die den Ofenhohlraum 10 und dessen Inhalt umgibt. In dieser Außenwand 5 wird nun durch die Zugangsöffnung 3 für die Mikrowellen ein Anschlag mit entsprechender Anpassung an den Mikrowellen-Generator 1 vorgesehen.

3. In der Außenwand 5 des Ofens wird eine standardisierte Mikrowellen-Ankopplungsöffnung3 angeordnet. Es wird eine Anzahl derartiger Mikrowellen-Öfen vorgesehen, die mit einem standardisierten Kupplungsteil 16 des Hauptmikrowellen-Generators 1 nach einem Programm angepaßt werden. Es können zahlreiche beliebige Mikrowellen-Öfen einem einzigen Mikrowellen-Generator zugeführt, erhitzt und abtransportiert werden, wobei man sich dieselben sodann langsam abkühlen läßt. Wahlweise kann der Mikrowellen-Generator von einem stationär angeordneten Ofen zu einem anderen bewegt werden.

Die Vorrichtung für das Durchführen des Verfahrens 3 ist in der Zeichnung wiedergegeben. Es ist eine bewegliche Wellenleitungskupplung 16 vorgesehen, die in entsprechender Weise auf den Mikrowellenanschluß 3 an dem Ende der Wellenleitung 2 angepaßt ist. Zwischen dem Mikrowellen-Generator 1 und daran befestigter Wellenführung 2 wird eine angetriebene Drehkupplung 17 angeordnet, die bei einer Drehbewegung die Wellenleitung 2, die Kupplung und den gesamten Mikrowellenofen im Verhältnis zu dem stationären Mikrowellengenerator bewegt. Dies führt praktisch zu einer gleichmäßigen Verteilung der Mikrowellen-Energie in dem Ofen. Es ist eine Anordnung 18 wie ein endloses Band vorgesehen, wodurch die Kupplung 17 mit dem Motor 18 über ein Getriebe 20 verbunden ist. Ein längs der Stützen

22 bewegliches Transportband 21 ist für das Bewegen der Öfen zu und weg von der Wellenleitung 2 vorgesehen. Es wird eine herkömmliche Anordnung

23 für das Anheben und Absenken einer Bühne 24 angewandt, die den Mikrowellen-Generator und die Motoranordnung 19 trägt, um so in einen Eingriff mit den Mikrowellenofen nacheinander zu kommen und sie entsprechend zu drehen. Gegebenenfalls können die öfen stationär gestaltet und der Hauptmikrowellcn-Generator gedreht werden. Natürlich kann auch eine herkömmliche andere Anordnung angewandt werden.

Die Mikrowellen-Energie erweist sich als sehr wirksam zum Trocknen von feuchtem Ton, wenn

ίο auch hier Vorsicht geboten ist bei dem Anwenden der Vorrichtung, da Temperaturen über 3000° C möglich sind. Als Mikrowellen-Quelle ist ein Magnetron zweckmäßig, dessen Leistung einstellbar ist und die Wirkung der Mikrowellen auf verschiedene Tonarten muß berücksichtigt werden. Wenn der Ton z. B. einen bestimmten Eisengehalt aufweist, wird derselbe die Erwärmung fördern im Gegensatz zu einem Ton, der keinen Eisengehalt besitzt.

Das im Zusammenhang mit dem Gegenstand 14 c

to beschriebene Erhitzungsverfahren stellt einen Fall dar, wo die Wärme von innen her zugeführt wird und besitzt den möglichen Vorteil des Verbleibens des billigen Materials 15 in dem Gegenstand bei dem Brennen. Das Energieumwandlungsmaterial kann in

»5 derri Arbeitshohlraum 10 bewegt werden, so daß die Möglichkeit entweder einer punktweisen Erhitzung oder einer gleichmäßigen Erhitzung gegeben ist. Für bestimmte Arbeiten würde es auch möglich sein, den Hohlraum 10 vollständig mit dem Konvertermaterial zu füllen.

Das Konvertermaterial ist porös und hindert nicht den Austritt des Wasserdampfes. Es können gleichzeitig in dem gleichen Ofen zwei oder mehr unterschiedliche Wärme-Konvertermaterialien angewandt werden. Ein neuartiges Verfahren könnte darin bestehen, das Material 15 für die Umwandlung der Mikrowellenenergie in die Wärme-Energie im Inneren des zu erhitzenden Gegenstandes anzuordnen, sodann den Gegenstand mit einem billigen, porösen wärmeisolierenden Material abzudecken und damit zu bemalen, zu besprühen oder darin einzutauchen, und sodann den Gegenstand in einem kontinuierlichen Verfahren zu trocknen und zu brennen, abzukühlen und zu transportieren. Der abschließende Benutzer könnte das Material 15 entfernen, das nunmehr als Verpackungsmaterial dient, bevor der Gegenstand in Benutzung genommen wird, in einigen Fällen kann sich ein Erhitzungsverfahren als zweckmäßig erweisen, bei dem zusätzlich zu dem Mikrowellen-Ofen eine herkömmliche elektrisch oder durch Verbrennung arbeitende Erhitzungsquelle vorgesehen ist.

Der Begriff Ofen ist hier in seinem breitesten Bereich einschließlich Kühlofen und feuerfeste Öfen zu verstehen.

Für den einschlägigen Fachmann versteht es sich, daß er im Rahmen der Erfindung auch diesen Ofen mit einem bestimmten Gas, Gasen oder im Vakuum (im Gegensatz zu Luft) betreiben kann, um so entsprechende Vorteile zu erzielen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

I 935 681 Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erhitzen von dielektrischen Gegenständen mittels Wärme, die durch Einwirkung von Mikrowellenenergie auf diese Gegenstände und auf eine aus kleinen Teilchen mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand bestehende Masse erzeugt wird, gekennzeichnet durch eine körnige Ausbildung der Masse und die Erzeugung der Wärme durch eine Vielzahl von Lichtbogen, die zwischen den Teilchen in den Hohlräumen der körnigen Masse unter der Einwirkung der Mikrowellenenergie ausgebildet werden.

1. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse im Inneren der Gegenstände angeordnet ist.

3. Verjähren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenstände im Inneren der Masse angeordnet sind.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Ofenkammer, die eine Einrichtung zum Einbringen und Entfernen der Gegenstände aufweist, und einer Einrichtung zum Einstrahlen von Mikrowellenenergie in diese Ofenkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Ofenkammer einen zur Aufnahme der Gegenstände und dür Masse dienenden ersten Behälter aus hitzebeständigem und wärmeisolierendem, für mikrowellen durchlässigen Material enthält, der in einem zweiten B.ehä.-er aus wärmeisolierendem und für Mikrowellen durchlässigem Material angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Wänden der Ofenkammer Belüftungslöcher für denjenigen Teil der Ofenkammer, der nicht von dem Behälter eingenommen wird, vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere die Wände der Ofenkammer und des zweiten Behälters durchdringende mit Stopfen verschließbare Öffnungen vorgesehen sind.