DE19545617A1

DE19545617A1 - Anlage zur Bestrahlung von strömenden Medien mit Hochfrequenz zur Änderung der Eigenschaften dieser Medien

Info

Publication number: DE19545617A1
Application number: DE1995145617
Authority: DE
Inventors: Axel Hammer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1997-06-12

Description

Anlage zur Bestrahlung von strömenden Medien mit Hochfrequenz zur Änderung der Eigenschaften dieser strömenden Medien.

Die Behandlung und Veränderung von strömenden Medien, insbesondere von Luft oder nichtleitenden Flüssigkeiten, ist häufig zur Erzeugung thermisch ablaufender Reaktionen im Medium nötig, daneben auch zur Behandlung mitgeführter, unerwünschter Stoffe (Entkeimung usw.). Diese Behandlung erfolgt bisher entweder diskontinuierlich in gegen Energieverluste abgeschirmten Behältern oder kontinuierlich unter hohem Energieverlust. Die diskontinuierliche Methode hemmt den Durchsatz der Anlage, die kontinuierliche Methode ist mit hohem Energieaufwand verbunden. Beide Methoden sind geeignet, mitgeführte wertvolle Inhaltsstoffe durch Wärme oder mechanische Belastung zu zerstören. Zur Entkeimung sind daneben umweltbelastende und gesundheitsschädliche Methoden, wie chloren, schwefeln, Zugabe anderer toxischer Chemikalien, radioaktive Bestrahlung usw. im Gebrauch. Gerade die Anwendung letzterer Methoden ist aus Umwelt- und Gesundheitsgesichtspunkten fragwürdig, weil sich Reste der toxischen Chemikalien auch nach gründlichster Reinigung noch im Produkt befinden oder das Produkt gar radioaktiv wird. Durch die energie- und arbeitsaufwendige weiter oben beschriebene Behandlung ist es darüberhinaus vielfach unwirtschaftlich, verkeimte oder anderweitig ausgemusterte Arbeitsmittel weiter zu nutzen. Diese Stoffe müssen auf Kosten der Umwelt teuer entsorgt werden. Wieder andere Stoffe, die tatsächlich Abfall sind, sind derart gefährlich, daß sie nur unter strengen Sicherheitsvorkehrungen (teuer) verbrannt (umweltgefährdend) oder endgelagert (umweltgefährdend) werden müssen.

Selbst bei Verwendung von HF-Strahlung bietet der derzeitige Stand der Technik nur eine sehr eingeschränkte Koppelung zwischen dem Medienstrom und wirkenden Feldern, sowie die Nutzung von mehr oder weniger ungerichteten Strahlungen oder Strömungsrichtungen. Durch die ungeleitete Verwendung von Strahlung bei der Behandlung strömender Medien ist bis heute nur ein geringer Wirkungsgrad erreichbar, der eine derartige Anwendung nur in wenigen Bereichen rechtfertigt weil dadurch eine überproportional große Generatorleistung erforderlich ist.

Wirkungsweise:
Diese Probleme werden durch die im Schutzanspruch 1 genannte Erfindung gelöst.

Die durch Teile des Gerätes hindurchströmenden Medien, Flüssigkeiten, Gemische und durch diese mitgeführte Stoffe wie z. B. Bakterien, Viren, Mikroben, Stäube, Chemikalien etc. werden durch hochfrequente elektromagnetische Wellen geeigneter Frequenz und Leistung in einem hierzu besonders ausgeführten Kanal bestrahlt. Der Kanal ist hierzu so ausgeführt, daß die HF-Energie nicht austreten kann und gleichzeitig durch besonders geformte Gehäuse- und Leitungsgeometrien ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird. Die Ausführung des Kanals ist so beschaffen, daß die Strahlung an bestimmten Stellen "konzentriert" wird, d. h. durch Resonanzeffekte Energiemaxima auftreten, an denen die Energiedichte höher ist, als die aus die am Ausgang der Strahlungsquelle meßbare Energiedichte. Durch die Bestrahlung können thermische, chemische oder biologische Wirkungen hervorgerufen werden, die durch Konstruktion und Betrieb geeignet steuerbar sind.

Die Ausführung des Strömungskanals als Resonator für die jeweilige verwendete Frequenz des Generators erzeugt über die Kanallänge an genau definierbaren Orten örtliche Maxima und Minima sowohl der elektrischen als auch der magnetischen Feldanteile. Durch geeignete Blenden aus leitenden und nichtleitenden Materialien oder Filtern können insbesondere die Maxima noch verstärkt werden (Schutzanspruch 2). Des weiteren ist hierdurch eine Konzentration des Medienflusses auf die Orte der Maxima möglich. Hierdurch wird die Wechselwirkung Medium-Strahlung noch verstärkt und somit der Wirkungsgrad deutlich erhöht.

Technische Beschreibung:
Das Gerät besteht im wesentlichen aus

- HF-Generator
- (1) Wellenleiter (mit Koppelung und Anpassung)
- (2) Strömungskanal (mit Leitelementen)
- Kühlung
- Steuerung.

HF-Generator

Die im Gerät erzeugte und verwendete HF-Energie wird in einem oder mehreren Generatoren erzeugt. Je nach Frequenzbereich und Leistung werden hierfür unterschiedliche Konzepte verwendet; daneben kann eine Kühlung durch verschiedene Varianten notwendig sein. Der/die Generatoren sollen in gewissen Grenzen frequenzstabil oder frequenzsteuerbar sein. Des weiteren sind Schutzschaltungen vorzusehen, die einer Überlastung vorbeugen. Derartige Generatoren sind Stand der Technik und in verschiedenen Leistungsklassen und Frequenzbereichen erhältlich. Die Erzeugung der Hochfrequenzleistung kann durch Röhren, Magnetrons, Oszillatoren oder Verstärker realisiert werden.

Wellenleiter (1)

Die vom HF-Generator erzeugte und abgegebene Energie wird durch einen oder mehrere Wellenleiter möglichst verlustarm und störungsfrei in den Strömungskanal geleitet oder gekoppelt. Je nach Leistung und Frequenz ist/sind der/die Wellenleiter als Kabel, Rohre, Hohlleiter etc. ausgeführt. Im Wellenleiter sind Anpaßglieder vorzusehen, die den Generator möglichst gut an den Strömungskanal HF-technisch anpassen, wie z. B. Anpassungstransformatoren, Richtungsleitungen, Schluckleitungen etc. Es ist möglich, den Wellenleiter und die Einkopplung in den Strömungskanal auf unterschiedliche Arten zu lösen. Die hier gezeigte Variante ist eine direkte Strahlungskopplung in den Resonator. Weitere mögliche Koppelarten sind geschlitzte Hohlleiter längs des Resonators bzw. längs des Strömungskanales oder elektrische bzw. magnetische Einkopplung von Koaxial-Leitungen. Je nach Anforderungen an die Kanalgrößen, Strömungsgrößen und Strahlungsdichten sind Leistungsteiler oder zusätzliche Generatoren notwendig.

Fig. 1 erläutert die Konstruktion des Wellenleiters. Die Ausführung kann je nach Kanalgröße und Generatorenanzahl variieren.

Strömungskanal (2)

(Die in Klammern gesetzten Großbuchstaben beziehen sich auf die Angaben in Fig. 2) Im Strömungskanal erfolgt die Wechselwirkung der hochfrequenten Strahlung mit dem Medium. Hierzu ist der Kanal als Resonator aufgebaut (1). Bei Verwendung mehrerer Generatoren sind hierzu mehrere Resonatoren vorzusehen, die jedoch in einem einzigen Gehäuse untergebracht werden können. Die Resonatorlänge ist entscheidend durch die Frequenz festgelegt. Im Strömungskanal befinden sich Leitelemente aus nichtleitenden ferritischen oder leitenden Materialien, die das hochfrequente Feld beeinflussen, leiten, bündeln oder konzentrieren können (A, C). Zur Erhöhung der Wirkung oder für besondere Anwendungsbereiche können auch Filtermaterialien eingesetzt werden (B, D). Des weiteren dienen die Leitelemente dazu, den Medienstrom bei Bedarf in Zonen hoher Feldstärke zu konzentrieren und den Mediendurchsatz so zu beeinflussen, daß die notwendige Expositionsdauer der Hochfrequenz auf das Medium für den jeweiligen Zweck gewährleistet ist. Der Stromungskanal ist zum Zwecke der Abschirmung durch leitfähige Gitter begrenzt, die die Strahlung ausreichend abschirmen, jedoch den Medienfluß nicht erheblich behindern (E, G). Des weiteren sind elektrisch leitfähige Elemente passend angeordnet, um die vom Wellenleiter zugeführte Leistung gleichmäßig in den Strömungskanal einzuleiten (E, J). Schließlich sind je nach Fertigungspräzision Elemente vorzusehen, die eine genaue Anpassung des Strömungskanales und dessen Resonatorlängen an die HF-Quelle ermöglichen. Bei einer mediendichten Trennung des Kanales vom Generator sind zusätzliche nichtleitende mediendichte Trennwände an den Einkoppelfenstern sowie ein dichter Aufbau der Kammer zum Außenraum notwendig.

Fig. 2 erläutert die Konstruktion des Strömungskanals.

In Fig. 2 sind zum Zwecke einer konzentrierten zeichnerischen Darstellung schematisch 2 übereinander liegende Resonatoren eingezeichnet, die durch eine gemeinsame HF-Quelle versorgt werden. In der oberen Hälfte sind Strömungsleitelemente (A), in der unteren Hälfte Blenden (C) eingezeichnet, die beide dazu dienen, das Medium auf die Stellen der maximalen Energie zu konzentrieren.

Daneben sind noch Filterelemente (D) eingezeichnet. In der Praxis wird eine derartige Anordnung für einen unterbrechungsfreien Parallelbetrieb zur Anwendung kommen, allerding in einheitlicher Konstruktion.

Bemaßungsbeispiel

Die Bemaßung des Strömungskanals ergibt sich aus der verwendeten Konstruktion und der vorgesehenen Betriebsfrequenz. Im folgenden Beispiel ist die Bemaßung bei Verwendung eines Rechteck-Hohlleiters (Resonators, Kanals) und einer Nutzfrequenz von 2450 MHz angegeben.

Fig. 3 erläutert die Bemaßung von Fig. 2 unter Angabe der verwendeten Formeln.

Erläuterung der Beschriftung: Als Hohlleiter wird allg. der Resonatorraum in Fig. 2 Bezeichnet. Der Resonator ist der Teil des Hohlleiters, der sich zwischen Einleitung der hochfrequenten Wellen und dem Abschirmgitter befindet. Der Hohlleiter leitet das strömende Medium darüberhinaus dem Resonator zu und von diesem ab. Der Wellenleiter ist das die HF-Strahlung zuführende Element. Als Kanal wird die Gesamtlänge aller in einem System eingesetzten Resonatoren bezeichnet. Mehrere Resonatoren können hintereinander geschaltet werden und bilden so den Kanal, in dem die Reaktionen stattfinden. Die Kanalmaße sind demnach auch die Maße der einzelnen Resonatoren. Die Kanallänge ist praktisch beliebig in Stücken zu je 1/2 Wellenlänge ((K) Fig. 2) erweiterbar.

Kühlung

Je nach Größenanforderung, Leistung und Frequenz ist eine Kühlung für den Generator oder den Strömungskanal notwendig. Diese kann mittels freier Radiationskühlung, aktiver Luft- oder Wasserkühlung oder durch das Medium selbst erfolgen. Auf eine genaue Ausführung der Kühlelemente oder -Anlagen wurde verzichtet. Derartige Geräte sind Stand der Technik und in verschiedensten Ausführungen erhältlich.

Steuerung

Das Gerät benötigte nach Anwendungsbereich einen mehr oder weniger umfangreichen Steuerungsapparat. Im einfachsten Falle besteht die Steuerung aus einem Hauptschalter zur Stromzufuhr. Ergänzende Steuer- und Regelmöglichkeiten können durch elektronisch gesteuerte Komponenten gelöst werden, wie z. B. Durchflußkontrolle und Steuerung, Frequenzkontrolle und -steuerung, Leistungskontrolle und -steuerung, Temperatur- und Kühlungskontrolle sowie -steuerung, Wechselintervallüberwachung, Notabschaltung etc. Bei der Verwendung in Klima-Anlagen ist eine Kopplung an die Klimaregelungsanlage denkbar. Eine Sicherheitsschaltung zu Abschaltung bei auftretenden HF-Leckagen ist sinnvoll. Auf eine genaue Ausführung der Steuerung wurde verzichtet. Derartige Komponenten sind Stand der Technik und in der jeweilig notwendigen Form erhältlich.

Ausführungsbeispiel

Eine mögliche Anwendung des Gerätes liegt in der Sterilisation von Luft. Dies ist insbesondere in Kliniken, Schwimmbädern, Nahrungsmittelbetrieben oder Reinräumen notwendig. Durch geeignete Ausführung und Dimensionierung sind theoretisch beleibig große Durchflußmengen zu verarbeiten. Vorteilhaft für die Integration in Kühlanlagen ist der in sich geschlossene Aufbau. Anschlußschächte müssen keine erhöhten Anforderungen an die Präzision aufweisen. Bei Verwendung genormter Anschlußmaße beschränkt sich der Einbau im wesentlichen nur auf das Einsetzen und Verschrauben sowie herstellen der Stromzufuhr. Durch den erhöhten Wirkungsgrad kann bei kleiner Baugröße ein sehr geringer Prozentsatz "überlebende" Bakterien oder Viren erreicht werden. Die filterlose Variante ist nahezu wartungsfrei. Bei Verwendung von Filtern ist ein Austausch durch Filtereinsätze (Einschübe) leicht zu bewerkstelligen. Bei Mehrkanal-Anlagen kann der Filtertausch ohne Betriebsunterbrechung vorgenommen werden.

Bezugszeichenliste

Bezugszeichenerläuterung für Fig. 1
A Anschlußebene für Strömungskanal
B Anschlußebene für Generator
C Wellenleitelemente
D Anpaßelemente

Bezugszeichenerläuterung für Fig. 2
A Strömungsleitelement
B Strömungsleitelement mit Filterelement (Variante)
C Strömungsblende
D Filterelement
E Wellenleitelemente, mediendurchlässig
F Anschlußflansche an z. B. Lüftungsanlage
G Abschirmgitter an Resonatorende, mediendurchlässig
H Anschlußebene für Wellenleiter
I Resonatorraum
J Resonator-Koppelspalte
K Resonatorsegment
Ansicht: Schnitt durch Kanal/Resonator.

Claims

1. Anlage zur Bestrahlung von strömenden Medien mit Hochfrequenz zur Änderung der Eigenschaften dieser strömenden Medien dadurch gekennzeichnet, daß die durch Teile des Gerätes hindurchströmenden gasförmigen, flüssigen oder gemischten Medien und durch diese mitgeführte Stoffe wie z. B. Bakterien, Viren, Mikroben, Staube, Chemikalien etc. durch hochfrequente elektromagnetische Wellen geeigneter Frequenz und Leistung in einem hierzu besonders ausführten Kanal (Reaktionskammer) mit geringstmöglicher Leistung der Strahlenquelle so intensiv bestrahlt werden, daß eine gewünschte Eigenschaftsänderung eintritt. Der Kanal ist hierzu so ausgeführt, daß die HF-Energie nicht austreten kann und gleichzeitig durch besonders geformte Gehäuse- und Leitungsgeometrien (Strömungsleitelemente, Blenden) ein maximaler Wirkungsgrad erreicht wird. Durch die Bestrahlung können thermische, chemische oder biologische Wirkungen hervorgerufen werden, die durch Konstruktion und Betrieb geeignet steuerbar sind.

2. Anlage nach Schutzanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kanal der Anlage an geeigneten Stellen, typischerweise an den Stellen, an denen Energiemaxima auftreten, geeignete Filter die im Medium mitgeführten Feststoffe oder Flüssigkeiten aufhalten und konzentrieren, so daß diese einer ganz bestimmten Energie, typischerweise der höchsten auftretenden Energie, eine bestimmbar lange Zeit ausgesetzt sind, und danach gesammelt entfernt werden können, wodurch nur HF-Strahlung relativ geringer Energie erzeugt und eingeleitet werden muß, was eine Begrenzung der HF-Strahlung auf die Reaktionskammer und eine problemlose Integration in vorhandene Anlagen ermöglicht.