DE19937359C2 - Vorrichtung zum Erwärmen von Bauteilen aus mikrowellenabsorbierendem Kunststoff - Google Patents

Vorrichtung zum Erwärmen von Bauteilen aus mikrowellenabsorbierendem Kunststoff

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen von Bauteilen aus mikrowellenabsorbierendem Kunststoff, mit einem Mikrowellengenerator, der Mikrowellen einer bestimmten Frequenz erzeugt, mit einer Antenne, die wenigstens ein freies Ende aufweist zu der die Mikrowellen geleitet werden, und mit einer die Antenne umgebenden Einrichtung zur Abschirmung, wobei zwischen dem freien Ende der Antenne und der Einrichtung zur Abschirmung eine Erwärmungszone vorgesehen ist, in welcher die Bauteile räumlich begrenzt erwärmbar sind.
Bei den bisher üblichen Erwärmungsvorrichtungen und -verfahren werden die Bauteile mittels eines Heizspiegels oder eines Infrarot­ strahlers erwärmt. Solche Heizspiegel oder Infrarotstrahler stellen für Temperatursensoren jedoch eine Störquelle dar, durch welche das Meßergebnis deutlich verfälscht wird. Daher wird die Qualität der Bauteile nicht direkt über die Prozeßparameter, sondern nur indirekt mittels zerstörungsfreier oder sogar formteilzerstörender Prüfmethoden bestimmt. Diese aufwendigen Prüfmethoden werden beispielsweise beim Verschweißen von rohrförmigen Bauteilen herangezogen, um in Abhängigkeit von Material, Durchmesser und Wandstärke der Bauteile die Prozeßparameter Heizleistung und Heizdauer festzulegen. Durch die indirekte Bestimmung der Prozeßparameter wird aber eine systematische Optimierung des Schweißprozesses erschwert, da material- und applikationsspezifische Anforderungen hierbei nicht oder nur unzureichend berücksichtigt werden können.
Aus den Druckschriften DE 41 23 921 A1 und DE 44 34 426 A1 sind Vorrichtungen für die Probenvorbereitung zur Durchführung von naßchemischen Reaktionen bekannt. In diesen Vorrichtungen werden Flüssigkeiten bzw. Flüssigkeiten mit darin befindlichen Proben mittels Mikrowellen erwärmt. Dazu werden die Flüssigkeiten innerhalb eines Gefäßes oberhalb der Antenne in eine rohrförmige Einrichtung zur Abschirmung hineingestellt und durch die sich darin ausbreitenden Mikrowellen sowie durch die innerhalb der Flüssigkeiten wirkende Konvektion vollständig erwärmt.
Eine verbesserte Erwärmungsvorrichtung und ein verbessertes Erwärmungsverfahren, bei der die Bauteile mittels Mikrowellen erwärmt werden, ist schließlich in der nicht vorveröffentlichten Druckschrift DE 198 44 549 A1 mit dem Titel "Vorrichtung und Verfahren zum Erwär­ men von Bauteilen aus mikrowellenabsorbierendem Kunststoff" beschrieben. Diese Vorrichtung beziehungsweise dieses Verfahren hat den großen Vorteil, daß es damit erstmals möglich ist, Bauteile räumlich begrenzt - also genau definiert - zu erwärmen. Dies eröffnet beim Verschweißen, Verformen und Vernetzen eine ganze Reihe besonders effizienter und daher schneller Bearbeitungsmöglichkeiten. Außerdem weist die Erwärmung der Bauteile mittels Mikrowellen den Vorteil auf, daß sie ohne Zeitverzögerung stattfinden kann.
Darüber hinaus ist in der Druckschrift DE 43 12 530 A1 ist ein Mikrowellen-Temperatursensor zum Messen der Temperatur in einer mikrowellenabsorbierenden Flüssigkeit geoffenbart. Dieser Tempera­ tursensor weist eine Schicht aus einer lichtabsorbierenden, Mikrowellen nicht absorbierenden Flüssigkeit, ein Steigrohr, das mit der zu messenden Flüssigkeit in Verbindung steht, eine Einrichtung zum Einstrahlen von Licht in das Steigrohr und eine Einrichtung zum Messen des aus dem Steigrohr austretenden Lichtsignals auf. Ein solcher Mikrowellen-Temperatursensor ist jedoch verhältnismäßig kompliziert aufgebaut bzw. teuer und zum Messen der Temperatur an mikrowellenabsorbierenden Bauteilen aus festem Material nicht verwendbar.
Schließlich ist in der Druckschrift DE 32 20 070 A1 ein Infrarotdetektor zur Temperaturmessung an einem in einem Mikrowellenherd auf einem Drehteller zu erhitzenden Objekt beschrieben. Mittels dieses Infrarot­ detektors werden die von dem zu erwärmenden Objekt ausgehenden Infrarotstrahlen festgestellt und daraus dessen Temperatur ermittelt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine weiter verbesserte Vorrichtung sowie ein weiter verbessertes Verfahren zum Erwärmen von Bauteilen aus mikrowellenabsorbierendem Kunststoff zu konzipieren, durch welche auf einfache Art und Weise eine gleichbleibende Qualität der Bauteile gewährleistet ist.
Vorrichtungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Indem bei dieser Vorrichtung an der Einrichtung zur Abschirmung nahe der Erwärmungszone wenigstens ein bezüglich der Mikrowel­ len wechselwirkungsfreier Temperatursensor so angeordnet ist, dass er auf einen in der Erwärmungszone liegenden Meßpunkt an der Oberfläche des Bauteils gerichtet ist, damit während der Erwärmung die Temperatur des Bauteils erfaßbar ist und der Mikrowellengenerator in Abhängigkeit von dem Signal des Temperatursensors steuerbar ist, findet eine kontinuierliche Überwa­ chung und Regelung der Temperatur statt. Die Überwachung und Regelung der Temperatur ermöglicht schließlich die Gewährleistung einer gleichbleibenden Qualität der erwärmten Bauteile. Dabei spielt es eine bedeutende Rolle, daß bei dieser Vorrichtung zum Erwärmen von Bauteilen der Mikrowellengenerator keine Störquelle für den Tempera­ tursensor darstellt, so daß weder das Mikrowellenfeld noch das von dem Temperatursensor aufgenommene und übertragene Signal gestört werden. Außerdem ist dabei wichtig, daß auch das Mikrowelleneinkop­ pelsystem keine Störquelle für den Temperatursensor darstellt, da es sich selbst nicht erwärmt, so daß der Temperatursensor auch in dieser Hinsicht nicht beeinträchtigt wird.
Selbstverständlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in Abhängigkeit von der Form und der Größe der Erwärmungszone auch mehrere Temperatursensoren aufweisen, um eine besonders aussagekräftige Temperaturüberwachung der Bauteile zu verwirklichen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der wenigstens eine bezüglich der Mikrowellen wechselwirkungsfreie Temperatursen­ sor ein Infrarotsensor. Infrarotsenoren können die Temperatur der Bauteile kontaktlos erfassen, da ihre Meßoptik die in ihrem Brennpunkt herrschende Temperatur bestimmen kann. Daher bietet sich die Verwendung von Infrarotsensoren besonders für geringfügig zu der Einrichtung zur Abschirmung beabstandete und einfach zugängliche Meßpunkte auf der Bauteiloberfläche an. Ganz abgesehen davon sind Infrarotsensoren auch bestens erprobt und kostengünstig erhältlich.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der wenigstens eine bezüglich der Mikrowellen wechselwirkungsfreie Temperatursensor ein glasfaseroptischer Sensor. Solche glasfaseropti­ schen Sensoren sind für Mikrowellen völlig transparent und können Temperaturen ebenfalls kontaktlos erfassen. Sie bieten sich besonders dazu an, um die Temperatur der Bauteiloberfläche an von der Einrichtung zur Abschirmung weit beabstandeten und/oder schwer zugänglichen Meßpunkten in dem von den Mikrowellen durchdrunge­ nen Bereich der Vorrichtung zu bestimmen.
Natürlich können als Temperatursensoren gleichzeitig sowohl Infrarotsensoren als auch glasfaseroptische Sensoren verwendet werden, da sich diese Sensoren je nach Geometrie der zu erwärmen­ den Bauteile hervorragend ergänzen. Dies ist zum Beispiel bei rohrförmigen Bauteilen, die in einem räumlich begrenzten Bereich bis zur plastischen Verformungstemperatur erwärmt und dann verformt beziehungsweise verbogen werden, der Fall. Denn dabei soll die Temperatur am äußeren Radius sowie am inneren Radius der Erwärmungszone des rohrförmigen Bauteils überwacht werden. Hierzu wird die Temperatur am äußeren Radius bevorzugt durch einen Infrarotsensor und die Temperatur am inneren Radius bevorzugt durch einen glasfaseroptischen Sensor überwacht.
Obgleich es wesentlich aufwendiger ist, wäre es grundsätzlich aber auch denkbar andere Temperatursensoren zu verwenden, die einen direkten Kontakt zum Bauteil erfordern, sofern diese Temperatursenso­ ren bezüglich der Mikrowellen ohne Wechselwirkung, das heißt für Mikrowellen transparent sind.
Der Temperatursensor sollte im wesentlichen an der Außenseite der Wandung der Einrichtung zur Abschirmung angeordnet sein. Somit ist der Temperatursensor weitgehend außerhalb der Einrichtung zur Abschirmung angeordnet und ragt nicht in den von den Mikrowellen durchdrungenen Bereich der Vorrichtung hinein. Dies erleichtert die praktische Umsetzung des Merkmals, daß der Temperatursensor bezüglich der Mikrowellen wechselwirkungsfrei sein muß.
Ist in der Wandung der Einrichtung zur Abschirmung eine Aufnahme­ öffnung für die Meßoptik des Temperatursensors vorgesehen, so kann diese Aufnahmeöffnung für die Meßoptik des Temperatursensors von der Außenseite zur Innenseite der Wandung der Einrichtung zur Abschirmung hin konisch verlaufend ausgebildet sein. Dadurch kann verhindert werden, daß zwischen der Wandung der Einrichtung zur Abschirmung und dem Temperatursensor ein Spalt entsteht, durch den hindurch die Mikrowellen unkontrolliert austreten könnten. Außerdem erlaubt die konisch ausgebildete Aufnahmeöffnung eine sehr genaue Positionierung des Temperatursensors, was in Bezug auf eine exakte Justierung des Brennpunktes der Meßoptik auf einem Meßpunkt der Bauteiloberfläche von großer Bedeutung ist. Denn nur wenn der Brennpunkt der Meßoptik exakt auf der Bauteiloberfläche justiert ist, ist eine optimale Temperaturmessung möglich.
Die Aufnahmeöffnung für die Meßoptik des Temperatursensors kann aber auch auf andere Weise gegen den Austritt von Mikrowellen aus der Vorrichtung gesichert sein, indem im Bereich der Aufnahmeöffnung Absorberzonen vorgesehen sind.
Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung sind der Temperatursensor und die Steuereinrichtung des Mikrowellengenera­ tors über wenigstens eine Signalleitung miteinander verbunden.
In der Steuereinrichtung des Mikrowellengenerators kann ein Kennfeld mit von dem Signal des Temperatursensors abhängigen Steuerpara­ metern abgelegt sein, so daß die von dem Temperatursensor erfaßte Temperatur des Bauteils zur kennfeldabhängigen Steuerung des Mikrowellengenerators verwendet wird.
Verfahrensgemäß wird die Aufgabe durch die Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-10 zum Verschweißen, Verformen und/oder Vernetzen von rohrförmigen Bauteilen gelöst. Indem im Bereich der Erwär­ mungszone mittels wenigstens eines bezüglich der Mikrowellen wechselwirkungsfreien Temperatursensors während der Erwärmung die Temperatur des Bauteils erfaßt wird, kann innerhalb vorgegebener Toleranzen eine bestimmte Temperatur eingehalten und dokumentiert werden, so daß stets eine gleichbleibende Qualität der Bauteile sichergestellt ist. Zudem ist somit ein effektiver Einsatz der Mikrowelle­ nenergie gegeben. Und indem der Mikrowellengenerator dabei in Abhängigkeit von dem von dem Temperatursensor erfaßten Signal gesteuert wird, werden auch andere Einflüsse, die das Ergebnis beim Verschweißen, Verformen oder Vernetzen der Bauteile beeinträchtigen könnten, kompensiert.
Besonders bevorzugt wird der Mikrowellengenerator dabei so gesteuert, daß die Temperatur der Bauteile in der Erwärmungszone einem vorgegebenen Temperaturverlauf folgt. Auf diese Weise kann die Mikrowellenenergie, noch effektiver eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgen­ de Zeichnungsfigur näher erläutert. Die Figur zeigt eine Vorrichtung zum Erwärmen von Bauteilen aus mikrowellenabsorbierendem Kunststoff mit zwei bezüglich der Mikrowellen wechselwirkungsfreien Temperatursensoren, in vereinfachter, nicht maßstabsgetreuer Darstellung.
Die Vorrichtung weist einen Mikrowellengenerator 1 auf, der Mikrowel­ len einer Frequenz von 2,45 GHz beziehungsweise einer Wellenlänge von ca. 120 mm erzeugt. Vom Mikrowellengenerator 1 gelangen die Mikrowellen über einen rechteckigen Hohlleiter 2 zu einer Einrichtung zur Einkopplung 3 und über die Einrichtung zur Einkopplung 3 schließlich zu einer Antenne 4 mit wenigstens einem freien Ende 5, 5', wo sie ausgekoppelt werden. Damit die Antenne 4 keine Mikrowellen in den freien Raum abstrahlen kann, ist eine aus Metall bestehende rohrförmige Einrichtung zur Abschirmung 6 vorgesehen. Die Einrich­ tung zur Abschirmung 6 hat einen Innendurchmesser von ca. 40 mm - also kleiner als die Hälfte der Wellenlänge - und ragt um mindestens 30 mm - also ein Viertel der Wellenlänge - über das wenigstens eine freie Ende 5, 5' der Antenne 4 hinaus. Die rohrförmige Einrichtung zur Abschirmung 6 weist außerdem wenigstens eine endständige Öffnung 7, 7' auf. Durch diese Öffnung 7, 7' können zu erwärmende Bauteile 8, 8' aus mikrowellenabsorbierendem Kunststoff, wie zum Beispiel Polyamid, Polyvinylchlorid oder Polyvinylidenfluorid, in die Erwär­ mungszone 9, 9' zwischen dem freien Ende 5, 5' der Antenne 4 und der Einrichtung zur Abschirmung 6 eingeführt werden. Die Erwärmungszo­ ne 9, 9' ist dabei in Abhängigkeit von der Größe der zu erwärmenden Bauteile 8, 8' dimensioniert.
Die gezeigte Vorrichtung ist insbesondere zum miteinander Verschwei­ ßen von zwei rohrförmigen Bauteilen 8, 8' geeignet. Dazu ist die Antenne 4 koaxial in der rohrförmigen Einrichtung zur Abschirmung 6 angeordnet und weist zwei sich kegelförmig aufweitende freie Enden 5, 5' auf. Die beiden Erwärmungszonen 9, 9' zwischen den freien Enden 5, 5' der Antenne 4 und der Einrichtung zur Abschirmung 6 sind in einem ringförmigen Bereich jeweils besonders schmal, damit in diesen ringförmigen Bereichen besonders hohe elektromagnetische Feldstär­ ken erzeugt werden und eine besonders starke Erwärmung der Bauteile 8, 8' stattfindet. Die Abschnitte der Bauteile 8, 8', die außer­ halb der Erwärmungszone 9, 9' liegen, werden hingegen nicht erwärmt. Darüber hinaus wird auch die Einrichtung zur Einkopplung 3 der Mikrowellen sowie die Antenne 4 und die Einrichtung zur Abschirmung 6 nicht erwärmt.
Nachdem die rohrförmigen Bauteile 8, 8' an ihrer Stirnseite bis über die Schmelztemperatur erwärmt sind, werden die Bauteile 8, 8' aus der Vorrichtung herausgenommen und an ihren aufgeschmolzenen Stirnseiten durch Zusammenpressen miteinander verschweißt. Damit die rohrförmigen Bauteile 8, 8' in der Vorrichtung optimal positionierbar sind, ist an den freien Enden 5, 5' der Antenne 4 jeweils ein konisch ausgebildetes Dielektrikum 10, 10' vorgesehen, das auf die Abmessun­ gen der zu erwärmenden rohrförmigen Bauteile 8, 8' abgestimmt ist. Dabei dienen die Dielektrika 10, 10' außerdem zur Kühlung der Innenseiten der rohrförmigen Bauteile 8, 8', um beim Verschweißen einen nach innen gerichteten Schweißwulst zu verhindern.
Damit bei den miteinander verschweißten Bauteilen 8, 8' eine gleichbleibende Qualität der Schweißnähte gewährleistet werden kann, wird die Temperatur der Bauteile 8, 8' in den Erwärmungszonen 9, 9' mittels zweier Temperatursensoren 11, 11' erfaßt. Diese beiden Temperatursensoren 11, 11' sind im dargestellten Ausführungsbeispiel Infrarotsensoren. Die Temperatursensoren 11, 11' sind im wesentlichen auf der Außenseite der Wandung der Einrichtung zur Abschirmung 6 angeordnet und mit der Spitze ihrer Meßoptik 13 jeweils in eine Aufnahmeöffnung 12, 12' in der Wandung der Einrichtung zur Abschirmung 6 eingesetzt. Die Aufnahmeöffnungen 12, 12' für die Meßoptik 13 der beiden Temperatursensoren 11, 11' sind von der Außenseite zu der Innenseite der Wandung hin sich konisch verjün­ gend ausgebildet und korrespondieren mit der sich in gleichem Maße konisch verjüngenden Meßoptik 13 der beiden Temperatursensoren 11, 11', wobei die Spitze der Meßoptik 13 etwa bündig mit der Innenseite der Wandung der Einrichtung zur Abschirmung 6 abschließt - also kaum in die von den Mikrowellen druchdrungene Erwärmungszonen 9, 9' Vorrichtung hineinragt. Die konisch ausgebildeten Aufnahmeöffnun­ gen 12, 12' sind an der Außenseite der Wandung so groß, daß die Meßoptik 13 einfach positionierbar ist und sind an der Innenseite der Wandung so klein, daß hierdurch keine Beeinträchtigung der innerhalb der Erwärmungszonen 9, 9' herrschenden Mikrowellenfelder auftritt. Die Spitze der Meßoptik 13 der beiden Temperatursensoren 11, 11' ist von den Meßpunkten auf der Bauteiloberfläche so weit entfernt, daß die Brennweite der Meßoptik 13 dieser Entfernung entspricht. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Brennweite der Meßoptik 13 bzw. die Entfernung ca. 2 mm.
Die gezeigte Vorrichtung zum Erwärmen von Bauteilen 8, 8' weist zwischen den Temperatursensoren 11, 11' und der Steuereinrichtung 15 des Mikrowellengenerators 1 zudem eine Signalleitung 14 auf. Damit ist nicht nur eine Überwachung der Temperatur in der Erwär­ mungszone 9, 9' der Bauteile 8, 8' sondern auch eine Steuerung des Mikrowellengenerators 1 in Abhängigkeit von der Temperatur in der Erwärmungszone 9, 9' der Bauteile 8, 8' realisiert.

Claims (12)

1. Vorrichtung zum Erwärmen von Bauteilen (8, 8') aus mikrowellenabsor­ bierendem Kunststoff, mit
  • - einem Mikrowellengenerator (1), der Mikrowellen einer be­ stimmten Frequenz erzeugt,
  • - einer Antenne (4), die wenigstens ein freies Ende aufweist zu dem die Mikrowellen geleitet werden, und
  • - einer die Antenne (4) umgebenden Einrichtung zur Abschir­ mung (6), wobei zwischen dem freien Ende (5, 5') der Antenne (4) und der Einrichtung zur Abschirmung (6) eine Erwärmungszone (9, 9') vor­ gesehen ist, in welcher die Bauteile (8, 8') räumlich begrenzt er­ wärmbar sind,
dadurch gekennzeichnet, daß an der Einrichtung zur Abschirmung (6) nahe der Erwärmungszone (9, 9') ein bezüglich der Mikrowel­ len wechselwirkungsfreier Temperatursensor (11, 11') so ange­ ordnet ist, dass er auf einen in der Erwärmungszone liegenden Meßpunkt an der Oberfläche des Bauteils (8, 8') gerichtet ist, damit während der Erwärmung die Temperatur des Bauteils (8, 8') erfaßbar ist und der Mikrowellen­ generator (1) in Abhängigkeit von dem Signal des Temperatur­ sensors (11, 11') steuerbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine bezüglich der Mikrowellen wechselwirkungsfreie Temperatursensor (11, 11') ein Infrarotsensor ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der wenigstens eine bezüglich der Mikrowellen wechselwirkungsfreie Temperatursensor (11, 11') ein glasfaseroptischer Sensor ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Temperatursensor (11, 11') im wesentlichen an der Außenseite der Wandung der Einrichtung zur Abschirmung (6) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der Wandung der Einrichtung zur Abschirmung (6) eine Aufnahmeöffnung (12, 12') für die Meßoptik (13) des Temperatursensors (11, 11') vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeöffnung (12, 12') für die Meßoptik (13) des Temperatur­ sensors (11, 11') von der Außenseite zur Innenseite der Wandung der Einrichtung zur Abschirmung (6) hin konisch verlaufend aus­ gebildet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (11, 11') in der konisch ausgebildeten Aufnahmeöffnung (12, 12') so angeordnet ist, daß der Brennpunkt seiner Meßoptik (13) auf den in der Erwärmungszone (9, 9') liegenden Meßpunkt an der Oberfläche des Bauteils (8, 8') gerichtet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Bereich der Aufnahmeöffnung (12, 12') für den Temperatursensor (11, 11') Absorberzonen vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Temperatursensor (11, 11') und die Steuereinrichtung (15) des Mikrowellengenerators (1) über wenigstens eine Signalleitung (14) miteinander verbunden sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuereinrichtung (15) des Mikrowellengenerators (1) ein Kennfeld mit von dem Signal des Temperatursensors (11, 11') abhängigen Steuerparametern abgelegt ist.
11. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1-10 zum Verschweißen, Ver­ formen und/oder Vernetzen von rohrförmigen Bauteilen.
12. Verwendung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator (1) so gesteuert wird, daß die Temperatur der Bauteile (8, 8') in der Erwärmungszone (9, 9') einem vorgege­ benen Temperaturverlauf folgt.
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