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Verfahren und Vorrichtung zur Aufheizung von Gegenständen mit Mikrowellen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufheizung
von Gegenständen mit Mikrowellen, wobei die Vorrichtung aus einem Mikrowellensender,
einem an diesem angekoppelten Mikrowellenleiter und einem wiederum an diesem angekoppelten
Behandlungsraum, in welchem das zu erwärmende Gut untergebracht ist, besteht.
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Bei den auf dem Harkt befindlichen Anlagen zur Erwärmung von Stoffen
in einem energiereichen elektromagnetiscten UHF-Feld kommt es häufig zu starken
lokalen Temperaturerhöhungen, deren Ursachen anlagenbedingt, aber auch in den physikalischen
Gesetzmäßigkeiten zu suchen sind.
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In solchen Anlagen zur Erwärmung von Stoffen werden solche Stoffe
erwärmt, die sich durch übliche Wärmeübertragung
durch Leitung nur
schlecht erwärmen lassen. Zum Beispiel Profile aus Kautschukmassen, die für eine
Vulkanisierung zu erwärmen sind, können auf diese Weise gleichmaßiger erwärmt werden
als durch von außen erfolgende Wärmeleitung, vor allem aber können sie schneller
erwärmt werden.
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Der Energieumsatz in einem verlustbehafteten Dielektrikum ist proportional
zur Frequenz des magnetischen Beldess dem Quadrat der Feldstärke und dem Imaginärteil
der Dielektrizit.~tskonstanten Er des dem Feld ausgesetzten körpers.
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Während die beiden ersten Faktoren (fund E) anlagenbedingt und durch
die für industrielle Zwecke freigegebene Frequenz und die Leistung der Mikrowellengeneratoren
bzw.
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die Auslegung des Behandlungsraumes gegeben sind, ist lezterer auch
nach geometrischerGestaltung und Volumen des zu erwärmenden körpers von Bedeutung,
und bei vielen Stoffen auch sehr stark vom thermischen Zustand abhängig (exponentiell
ansteigend bei zunehmender Temperatur). Trotz Sorgfältiger Auslegung und Dimensionierung
des Behandlungsraumes, (Wellenleiter oder Resonatorkammer) muß in der Praxis stets
mit einer mehr oder weniger ungleichmäßigen Feldverteilung und damit unterschiedlichem
lokalem Energiepegel entsprechend der Wellenausbreitung gerechnet werden. Dieses
hat zur Polige, daß je nach vorhandener UEF-Energie im Karper momentan eine entsprechend
ungleichmäßige Erwärmung eintritt. An den stärker erhitzten Punkten des Krpervolumens
steigt dadurch die Dielektrizitätskonstante und damit die Absorption elektro-magnetischer
Energie.
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In ungünstigen Fällen kommt es zu lokalen Verbrennungen und zur "Explosion".
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Die vorliegende Erfindung schafft nun eine Möglichkeit, das zu erwärmende
Gut in hohem Maße gleichmäßig zu erwärmen.
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Die Erfindung besteht darin, daß das zu erwärmende Gut in zeitlichen
Intervallen mit Mikrowellenenergie beaufschlagt wird und daß es in den Intervallen
und/oder zwischen den Intervallen nur um kurze Strecken bewegt wird.
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Hierdur ch wird eine gleichmäßige Erwärmung erreicht, weil in den
energiefreien Intervallen durch Wärmeleitung im Körperinneren ein thermischer Ausgleich
und damit quch eine Angleichung und Vergleichmäßigung der örtlichen Dielektrizitätskonstanten
erfolgen kann. Wird nun das zu erwärmende Gut um kurze Strecken verschoben, so findet
die örtlich ungleichmäßige Erwärmung immer an verschiedenen Stellen des zu erwärmenden
Gutes statt, so daß in Verbindung mit der Wärmeleitung im Körperinneren und mit
der Vergleichmäßigung der örtlichen Dielektrizitätskonstanten eine wirklich gleichmäßige
Erwärmung des Körpers erfolgt.
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Die Vorrichtung zur Aufheizung von Gegenstanden mit Mikrowellen gemäß
der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Vorrichtung, die eine Energieeinspeisung
in den Behandlungsraum nur in Intervallen zuläßt und durch eine Vorrichtung, welche
eine Entfernungs- und/oder lagenänderung zwischen dem Binspeisungsort der Energie
und dem zu wärmenden Gut bewirkt.
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Die Ausgestaltung einer erlindungsgemäßen Wärmebehandlungsanl.lge
kann in verschiedener Weise erfol;en. So ist beispielsweise
ein
kontinuierlichwr Durchlauf des Behandlungsgutes durch einen Nikrowellenofen möglich,
welcher in zeitlichen Intervallen mit Mikrowellenenergie beschickt wird.
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Die für den Behandlungsprozeß erforderliche aus einem oder mehreren
Höchstfrequenzgeneratoren gelieferte Energie wird auf mehrere Einspeisepunkte entlang
der Behandlungsstrecke verte? lt. Die erste Einspeisung erfolgt so nahe wie möglich
am Anfang des Nikrowellenofens.
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Dieser Absorptionsstrecke folgt eine von Mikrowellenenergie freie
"Erholstrecke", hinter welcher eine zweite Energieeinkopplung folgt usw. Bei Anlagen
für kontinuierliche Vulkanisation von Kautschukartikeln wird die Erholstrecke zweckmäßigerweise
als Warmluftstrecke ausgeführt.
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Es gibt aber auch Möglichkeiten eines diskontinuierlichen Arbeitens.
Die vom Mikrowellengenerator, z.b. einem Magnetron, abgegebene leistung wird nicht
als Dauerleistung, sondern in Intervallen in den ehandlungsraum eingespeist.
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In den energiefreien Zeitabschnitten erfolgt im körperinneren ein
Temperaturausgleich. Vor dem Wiedereinschalten der Energie muß der Körper in seiner
Lage zum Feldmaximum vermindert werden. Die energiefreien Intervalle sind je nach
Wärmeleitfähigkeit des behandelten Stoffes und Gestaltung des zu erwärmenden Körpers
zu bemessen.
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Je nach tçahl der Zeitintervalle, - Verhältnis Energie eingeschaltet
zu Energie ausgeschaltet -- , kann auch gleichzeitig eine i?egelung der vom Nikrowellengenerator
an das
zu erwärmende Gut abgegebenen effektiven Leistung vorgenommen
werden, ohne daß z.B. bei einem Magnetron eine Veränerdung der Betriebsspannungen
oder des Magnetfeldes erforderlich wird.
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Eine Leistungsregelung kann so vorgenommen werden, daß a) die volle
Energie abwechselnd in kurzen Intervallen nacheinander auf mehrere Behandlungsräume
gelenkt wird; b) die Anodenspannung des Magnetrons nicht ständig sondern in Zeitintervallen
ein- und ausgeschaltet wird.
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DieEin- und Ausschaltung erfolgt mit Hilfe von elektronischen Schal-tern
im Q-Durchgang der Netzspannung, wodurch ungünstige Rückwirkungen auf das iJagnetron
(Überschwingen o.ä.) vermieden werden.
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Da in industriellen Anlagen gern die leistung des Minrowellensenders
über die ganze Zeit ausgenutzt wird und nicht nur in Zeitintervallen, kann man die
Anlage zur Aufheizung so ausbauen, daß sie zwei oder mehrere Kanäle mit zu erwäurmenden
Nörpern aufweist, die wechselweise durch einen Reflektor zu verschließen sind. Hierdurch
wird erreicht, da@ jeweils in einem Kanal die volle energie des Mikrowellense@ders
wirksam ist.
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Um nun eine Yitfernungsänderung zwischen dem Einspeisungsort der energie
und dem zu w-:rmenden Gut zu bewirken, ist es möglich, die Weglänge für die energie
zwischen dem Mikrowellonsender und dem zu behandelnden Gut zu änderrl.
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Das kann bei;pielsweise dadurch erfolgen, damit jeder Kanal zwei abwechselnd
einlegbare im Abstand voneinander angeordnete
Reflektoren aufweist.
Wird die Erergie an dem weiter entfernt liegenden Reflektor reflektiert, so legt
sie eine doppelt so weite Differenzentfernung auf ihrem ziege vom Sender zum Gut
zurück.
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Es sind auch sogenannte Mikrowellenschalter denkbar, die die Energie
auf verschiedene Einspeisepunkte am Behanlungsraum freigeben.
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Das Wesen der vorliegenden Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung
schematisch dargestollton Ausführungsbei-Spieles näher erläutert. es zeigen: Fig.
1 eine schematische Darstellung einer Erwärmungsanlage mil, zwei Kanälen, Fig. 2
eine Erwärmungsanlage mit einem i)rehtisch, Fig. 3 eine Erwärmungsanla@e für endlose
Profile.
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Als Mikrowellensender dient das Magnetron 1. kieses speist über den
Kreuzungspunkt 2 Energie sowohl in den Hohlleiter 3 als auch in den ftohlleiter
4. An den Hohlleiter 3 ist ein Hohlraumresonator 5 angeschlossen, in welchem sich
das zu erwärmende Gut befindet. An den Hohlleiter 4 ist ein Hohlraumresonator 6
angeschlossen, in welchem sich ebenfalls ein zu erwärmendes Gut befindet. Die Hohlleiter
sind durch verschiedene über Elektromagnete 71,72 ,73 ,74 einschiebbare Reflektoren
81,82,83,84 vi rschließbar. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel verschließt der
Reflektor 84 den Hohlleiter 4, so daß s Imtliche energie in den Hohlleiter 3 eingekoppelt
wird und in den Hohlraumresona-@or 5 gelangt.
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Durch ein nicht dargestelltes ochrittschaltwerk werden die einzelnen
Reflektoren 81 bis 84 lacheinander in die Hohlleiter 3 und 4 eingeschoben. Dieses
geschieht zweckmäßig in folgender Reihenfolge: Nach dem Herausziehen des Refle1ct;ors
84 wird der Reflektor 81 eingeschoben. Nach dem Herausziehen des Reflektors 81 wird
der Reflektor 83 eingeschoben. Nach dem Herausziehen des reflektors 83 wird der
Reflektor 82 eingeschoben. Dieses geschieht dann in kontinuierlichem Wechsel, so
daß nach dem Herausziehen des Reflektors 82 wiederum der Reflektor 84 eingesciloben
wird. Mit dieser Anlage wird trotz beständig arbeitendem magnetron in gleichmäßigen
Zeitintervallen Energie in die beiden zu erwärmenden Körper 5 und 6 mit gleich langen
Unterbrechungen eingespeist. Da Reflektoren mit verschiedenen Abständen vorgesehen
sind, wird die örtliche Erwärmung in den Körpern 5 und 6 immer an verschiedenen
Stellen auftreten, so daß eine gleichmäßige Erwärmung erfolgt.
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elbstverständlich kann man die zu erwärmenden Körper auch auf Drehscheiben
legen und auf diese Weise eine gleichmäßige Erwärmung erreichen.
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In Figur 2 ist eine Drehscheibe 9 gezeigt auf welcher zu erwärmende
Körper 51 bis 56 gelegt sind. Drei Magnetrons 11 koppeln Energie in drei Behandlungsräume
12 ein.
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Zwischen den Behandlungsräumen 12 befindet sich jeweils ein Raum 13,
in welchem kerne Energie eingespeist wird.
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lsirgur 3 zeigt eine Erwärmungsanlage zur Erwärmung des en<1osen
Profiles 14, welches in feilrichtung durch diese Anlage läuft. Auch hier sind Magnetrons
11 vorgesehen. Dazwischen liegen mit Warmluft beschickte Erholstrocken 15.