DE2627656B2

DE2627656B2 - Vorrichtung zum Behandeln von Stoffen mit elektromagnetischer Energie in Form von Mikrowellen

Info

Publication number: DE2627656B2
Application number: DE19762627656
Authority: DE
Inventors: Olivier Auguste Louis Maisons Lafitte Jean
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-07-04
Filing date: 1976-06-19
Publication date: 1979-03-22
Also published as: DE2627656A1; GB1548191A; GB1548192A; FR2316761B1; FR2316761A1; CH615551A5; JPS5230946A; DE2627656C3

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln von Stoffen mit elektromagnetischer Energie in Form von Mikrowellen, in der der zu behandelnde Stoff in Form eines Zylinders innerhalb eines Hohlleiters angeordnet ist und sich in Längsrichtung des Hohlleiters erstreckt, der an einen Mikrowellen-Generator angeschlossen ist und wenigstens in dem von dem Zylinder eingenommenen Längenabschnitt eine vom Rechteckquerschnitt abweichende Form aufweist, die eine zur Behandlung des Materials angestrebte Veränderung der Energieverteilung auf den Querschnitt des Hohlleiters zur Folge hat.

Eine solche Vorrichtung ist aus dc DE-OS 19 52 987 bekannt. Der Hohlleiter dieser Vorrichtung weist an seinen Breitseiten im Abstand von der Mittelebene angeordnete, einander gegenüberstehende Längsrippen auf, zwischen denen jeweils eine Feldkonzentration stattfindet, so daß das Feld im Mittelbereich des Hohlleiters geschwächt wird. Die Höhe der Rippen soll in Längsrichtung des Hohlleiters verändert werden, um auf diese Weise eine Änderung der im Mittelbereich des Hohlleiters enthaltenen Energie in Längsrichtung des Hohlleiters zu erzieien. Auf diese Weise soll einem zu behandelnden Stoff, der in der Mitte des Hohlleiters angeordnet ist und dem Feld Energie entzieht, über seine ganze Länge etwa die gleiche Energie zugeführt werden. Der Nachteil einer solchen Anordnung besteht jedoch darin, daß der zu behandelnde Stoff nur einen geringen Teil des Querschnittes des Hohlleiters einnimmt und daher nur von einem Bruchteil der im Hohlleiter zur Verfügung stehenden Mikrowellenenergie durchsetzt wird.

Der gleiche Nachteil haftet auch den Vorrichtungen an, bei denen der zu behandelnde Stoff im Zentrum eines Hohlraum-Resonators angeordnet wird. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise aus der DE-AS 1112 216, der DE-OS 2345706 und der US-PS 34 61 261 bekannt. Die Verwendung von Hohlraum-Resonatoren hat noch den besonderen Nachteil, daß die Abstimmung des Hohlraum-Resonators von der Dielektrizitätskonstanten des in den Hohlraum-Resonator

eingebrachten Stoffes abhängt. Da sich die Dielektrizitätskonstante des Stoffes im Verlauf der Behandlung ändern kann, insbesondere bei einer Trocknung, erfordert eine wirksame Behandlung ein ständiges Nachstimmen des Hohlraum-Resonators oder der Frequenz der zur Behandlung verwendeten Mikrowellen, was die Verwendung solcher Vorrichtungen erheblich kompliziert.

Demgegenüber liegt dei Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs behandelten Art so auszubilden, daß für die Behandlung des Stoffes mindestens 50% des Hohlleiterquerschnittes zur Verfügung stehen und in dem zur Verfugung stehenden Querschnittsbereich das elektrische Feld im wesentlichen homogen ist, so daß eine gleichmäßige Behandlung des eingebrachten Stoffes über den gesamten Querschnitt gewährleistet ist. Ein großer Querschnitt ist insbesondere für die Behandlung strömender Medien von Bedeutung, weil dann dem Medium im Hohlleiter ein ausreichend großer Slrömungsquerschnitt zur Verfugung gestellt werden ka"n, der die rationelle Behandlung solcher Stoffe gewährleistet.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Hohlleiter wenigstens an einer Breitseite einen nach außen gewölbten bogenförmigen Abschnitt aufweist und sich der Zylinder wenigstens im Bereich des bogenförmigen Abschnitts über die ganze Höhe des ausgewölbten Hohlleiters erstreckt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind an beiden Breitseiten des Hohlleiters angeordnete bogenförmige Abschnitte vorgesehen, die auf einem gemeinsamen Kreis liegen. Dabei können sich die bogenförmigen Abschnitte über einen Zentriwinkel von wenigstens π/4 oder über ein Viertel bis eine Hälfte der Länge der Breitseite erstrecken. Auf diese Weise steht ein sehr großer kreisförmiger Querschnitt für den behandelnden Stoff zur Verfügung, der entweder unmittelbar in die Form eines Kreiszyiinders gebracht wird oder aber in einen zylinderförmigen Behälter aufgenommen werden kann. Auch die Anordnung eines Rohres im Hohlleiter ium Hir.durchleiten eines gasförmigen oder flüssigen Mediums ist möglich.

Um die Verteilung der elektromagnetischen Energie so wenig wie möglich zu stören, ist es zweckmäßig, auf besondere Glieder zum Festhalten des Zylinders im Hohlleiter zu verzichten. Daher wird der Zylinder vorteilhaft in dem Hohlleiter durch den Kontakt zwischen einem Teil seiner Außenfläche und einem Teil der Innenfläche des Hohlleiters gehalten. Dabei kann zwischen aneinandergrenzenden Flächentcilen des gleichen Körpers jeweils eine Unstetigkeit vorhanden sein.

Um StöVungen bei der Energieübertragung vom Mikrowellen-Generator zum Hohlleiter und auf den zu behandelnden Stoff durch Reflexionen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, am Eintrittsende und/oder am Austrittsende des Zylinders eine Einrichtung zur Kompensation von Reflexionen an der Ein- bzw. Austrittsfläche des Zylinders und am Übergang zu dem aiisgewölbten Längenabschnitt des Hohlleiters vorzusehen. Auf diese Weise wird die Entstehung stehender Wellen vermieden, die nicht nur die Arbeitsweise des Mikrowellen-Generators ungünstig beeinflussen, sondern auch zu einer Inhomogenität der Feldverteilung längs des zu behandelnden Stoffes führen wurden, die einer gleichmäßigen Behandlung abträglich wären. Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näl ;r beschrieben und erläutert.

Es zeigt

Fig. IA bis IC schematische Darstellungen zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Reaktionszone einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Reaktionszone einer Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie HI-III durch die Vorrichtung nach F i g. 2 in vergrößertem Maßstab,

ίο F i g. 4 einen Schnitt ähnlich F i g. 2 durch eine weitere Vorrichtung nach der Erfindung und

F i g. 5 und 6 Schnitte längs der Linien V-V und Vl-Vl durch die Vorrichtung nach F i g. 4.

Bei der Herstellung des in Fig. 1 maßstäblich dargestellten Hohlleiters wurde berücksichtigt, daß der Hohlleiter an einen Generator anzuschließen ist, der Wellen mit einer Frequenz von 2450MHz liefert, und daß er einen dielektrischen Stoff mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten von 2,5 enthalten soll. Ein rechteckiger Hohlleiter, der eine Welle mit der angegebenen Frequenz im fundamc- lalen TEio-Modus übertragen soil, kann die Abmessunge-i 72 χ 34 mm^: haben (Fig. IA). Man kann ihn vollständig mit dem Dielektrikum füllen, ohne daß höhere Wellentypen

.'"> existenzfähig werden. Der nutzbare Querschnitt beträgt demnach 24 cm², jedoch ist das diesen Querschnitt durchsetzende Feld nicht homogen.

Wird die Materie nur in der Mitte des Hohlleiters angeordnet, so können seine Dimensionen etwas

in vergrößert werden. Es kann dann die Höhe h = 4,3 cm, die Breite a = 8,5 cm und die Breite des Dielektrikums iv — 4,3 cm betragen (Fig. IB). Der nutzbare Querschnitt beträgt dann nur noch 18 cm².

Wenn ein im Querschnitt kreisrunder Hohlleiter, der

F> mit der Materie angefüllt ist, im TEn-Modus benutzt wird (Fig. IC), muß der Radius des Hohlleiters zu 2,8 cm gewählt werden. Der nutzbare Querschnitt beträgt 22 cm², jedoch ist das Feld nicht homogen. In den nichtschraffierten Bereichen R isi dat Feld

■i" praktisch Null.

Durch Überlagerung der Fig. IB und IC, in der Pra «is also durch eine solche Deformation des Hohlleiters nach Fig. IB, daß er die sich aus der Überlagerung ergebende Form annimmt, kommt man

■i" zum Querschnitt nach Fig. 1, bei dem der Hohlleiter eine Höhe von 4,2 cm und eine Breite von 8 cm aufweist und der Durchmesser des Kreises 6 cm beträgt. Der nutzbare Querschnitt erreicht 29 cm². Das Feld in diesem Bereich ist homogen. Diese Form des Hohllei-

->ι> ters ist für das Strömen eines Gases durch den Stoff besonders günstig.

Fig. I veranschaulicht die Anordnung eines zu behandelnden dielektrischen Stoffes M, der über die Konrr eines rechteckigen Standard-Hohlleiters hinaus-

Vi ragt. Der Typ der Wellenausbreitung bleibt ein TEio-Modus gemäP der dem Hochfrequenztechniker bekannten Nutation. Der Wellentyp ist von demjenigen abgeleitet, der sich in rechteckigen Standard-Hohlleitern ausbreitet. Die größere Dicke des mittleren

wi Dielektrikums, die sich aus dem Einsetzen des dielektrischen Zylinders M ergibt verteilt die sich ausbreitende elektromagnetische Energie homogener, als es bei einem rein rechteckigen oder rt ,r· kreisförmigen Querschnitt der Fall wäre. Der diclekti i.si-he Stoff ist

hi wegen seiner kreisförmigen Gestalt für das Fließen von Fluiden günstig.

Die in den F i g. 2 und 3 dargestellte Vorrichtung dient zur Aufnahme und Behandlung eines arisnrhipmnHpn

Molekularsiebe*. Sie umfaßt einen mittleren Hohlleitcr-Abschnitt 1, der aus einem Metallrohr 2 mit rechteckigem Querschnitt nach F i g. I und einer Eintrittsfläche 3 und einer Austrittsfläche 4 einer zylindrischen Hülse 5 aus Teflon besteht, die mit einem adsorbierenden Molekularsieb gefüllt ist. Der Querschnitt der Hülse ist kreisförmig, hat jedoch einen kleineren Umfang als der Querschnitt des Rohres 2. Der Abschnitt 6 des Rohres 2, der sich vor dem Abschnitt I befindet, ist an ein Magnetron 7 angeschlossen. Er ist mit zwei längsgerichteten öffnungen 8 und 9 versehen. Der Abstand, den die Öffnung 8 vom Magnetron 7 trennt, ist um ein Viertel der Wellenlänge, welche die vom Magnetron 7 atisgesandte Welle im Hohlleiter hat, größer als der Abstand der öffnung 9 vom Magnetron 7. tine nicht dargestellte Luftquclle steht mit den Öffnungen 8 und 9 in Verbindung.

Zwischen den durch Bolzen verbundenen Abschnitten ! und 6 des Hehüeiiers 2 is! ei" aus Teflon (Polytetrafluorethylen) bestehender Keil 10 angeordnet. Der Scheitel 11 des Keiles 10 ist dem Magnetron 7 zugewandt. Die Basis 12 des Keiles steht mit dem Boden oder der Fjntrittsfläche 3 der Hülse 5 in Berührung und hat die gleiche Größe wie die Hülse. In dem Keil 10 sind im wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Hohlleiters 2 und damit parallel zur Fortpflanzungsrichtung angeordnete Kanäle 13 vorhanden. Sie stellen eine Verbindung zwischen dem Inneren des Abschnittes 6 und dem Inneren des Abschnittes 1 her.

Der Abschnitt 14 des Hohlleiters 2. der sich in Ausbreitungsrichtung an den Abschnitt 1 anschließt, bildet einen reflexionsfreien Abschluß. Kr besteht aus einem absorbierenden Material, das ebenfalls mit sich in Längsrichtung erstreckenden Kanälen versehen ist, die das Abfließen eines Fluids ermöglichen. Die durch das Absorbieren der Mikrowellenenergie erzeugte Wärme wird durch eine den Abschluß durchdringende Kühl-

■> schlange 15 abgeführt. Der Abschnitt 14 enthält einen Keil 16 aus Teflon, der ebenfalls längsgerichtetc Kanäle enthält und dessen Scheitel 17 entgegengesetzt zur Ausbreitungsrichtung der Wellen im Hohlleiter 2 gerichtet ist. Der Scheitel 17 greift in eine Aussparung

ίο an dem dem Magnetron 7 abgewandten Ende der Hülse "5 ein. Dabei schmiegt sich der Scheitel 17 ar. die Austriltsflä'chc4dcr Hülse an.

Bei einer anderen Ausführungsform werden die Flächen 3 und 4 von Gittern gebildet, zwischen denen

' , die /u behandelnde Materie gehalten wird.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 4 wird das Molekularsieb 5 von einem aus Teflon bestehenden (jitter 3 gehalten, in Berührung mit dem Gitter 3 ist

.in Magnetron, das sich in Fig.4 unterhalb des dargestellten Abschnittes befindet, ein dickes Metallfenster 18 angeordnet. Das Gitter 3 und das Fenster 18 sind mittels Bolzen 19 und Flanschen 20 befestigt. Das Fenster 18 kompensiert und korrigiert die eine Quelle von

;-, Reflexionen bildende Sprungstelle zwischen dem Stoff und der sich davor befindenden Luft.

Fine vom Magnetron ausgesandtc Welle bewegt sich in dem "ohr 2 praktisch ohne Reflexion.

Die dargestellten Vorrichtungen erlauben es. bei

ι - verminderter Temperatur als gewöhnlich ein Molekularsieb zu regenerieren, das CO2 ind Wasser adsorbiert hatte.

Hierzu 3 Blatt Zeichnuncen

Claims

Patentansprüche;

1. Vorrichtung zum Behandeln von Stoffen mit elektromagnetischer Energie in Form von Mikrowellen, in der der zu behandelnde Stoff in Form eines Zylinders innerhalb eines Hohlleiters angeordnet ist und sich in Längsrichtung des Hohlleiters erstreckt, der an einen Mikrowellen-Generator angeschlossen ist und wenigstens in dem von dem Zylinder eingenommenen Längenabschnitt diie vom Rechteckquerschnitt abweichende Form aufweist, die eine zur Behandlung des Materials angestrebte Veränderung der Energieverteilung auf den Querschnitt des Hohlleiters zur Folge hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter wenigstens an einer Breitseite einen nach außen gewölbten bogenförmigen Abschnitt aufweist und sich der Zylinder wenigstens im Bereich des bogenförmigen Abschnitts über die ganze Höhe des ausgewölbten Hohlleiters erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, and sich mindestens ein bogenförmiger Abschnitt über einen Zentriwinkel von wenigstens π/4 erstreckt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich mindestens ein bogenförmiger Abschnitt über ein Viertel bis eine Hälfte der Länge der Breitseite erstreckt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Breitseiten des Hohlleiters angeordnete bogenförmige Abschnitte auf einem gemeinsamen Kreis liegen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnti, daß :..λ beiden Breitseiten des Hohlleiters angeorJnfUe bogenförmige Abschnitte verschieden lang sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder im Hohlleiter durch den Kontakt zwischen einem Teil seiner Außenfläche und einem Teil der Innenfläche des Hohlleiters gehalten ist und zwischen aneinandergrenzenden Flächenteilen des gleichen Körpers jeweils eine Unstetigkeit vorhanden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Eintrittsende und/oder am Austrittsende des Zylinders eine Einrichtung zur Kompensation von Reflexionen an der Ein- bzw. Austrittsfläche des Zylinders und am Übergang zu dem ausgewölbten Längenabschnitt des Hohlleiters vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem Fenster aus einem dielektrischen Material besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einem Element besteht, dessen Dielektrizitätskonstante zwischen derjenigen des zu behandelnden Stoffes und derjenigen des sich in Ausbreitungsrichtung der Welle davor oder dahinter befindenden Mediums liegt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Element die Form eines Keiles aufweist, dessen Spitze der Ausbreitungsrichtung der Welle entgegengerichtet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder wenigstens an einem seiner Enden eine keilförmige Aussparung aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, die eine mit dem Hohlleiter durch eine in dessen Verlängerung angeordnete öffnung in. Verbindung stehende Fluidquelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung auch zur Kompensation der von der öffnung hervorgerufenen Reflexionen ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung aus einer Deformation, insbesondere einer Gegendffnung besteht, welche die gleiche Größe und Form besitzt wie die öffnung und an der Seite der Verlängerung angebracht ist, die der die öffnung aufweisenden Seite gegenüberliegt, und die gegenüber der öffnung in Ausbreitungsrichtung der Welle um ein ungerades Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge versetzt ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, die eine mit dem Hohlleiter durch die Eintritts- oder Austrittsfläche in Verbindung stehende Fluidquelle aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Element von Kanälen durchsetzt ist, die sich in Fortpfianzungsrichtung erstrecken.