DE2815146A1

DE2815146A1 - Verfahren und vorrichtung zum erhitzen von material in einem hohlraum mittels mikrowellen

Info

Publication number: DE2815146A1
Application number: DE19782815146
Authority: DE
Inventors: Benny Berggren
Original assignee: Stiftelsen Institutet for Mikrovagsteknik Vid Tekniska Hogskolan
Current assignee: Stiftelsen Institutet for Mikrovagsteknik Vid Tekniska Hogskolan
Priority date: 1977-04-07
Filing date: 1978-04-07
Publication date: 1978-10-19
Also published as: FR2386957A1; SE7704137L; IT1102551B; IT7848798A0; US4323745A; GB1599343A; SE412504B

Description

-H-

PATENTANWALTE 2 8 1 5 1 A

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. DIPL.-ING.

Stiftelsen Institutet för Mikrovägsteknik no-im-16

vid Tekniska Högskolan i Stockholm Se/H

5.^.78

Verfahren und Vorrichtung zum Erhitzen von Material in einem Hohlraum mittels Mikrowellen

Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erhitzen von in einem Hohlraum aus Metall gehaltenem dielektrischen Material mittels Mikrowellen. Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Erhitzen von Kunststoffen sowohl des durch Wärmeeinwirkung härtbaren als auch des thermoplastischen Typs.

Das Erhitzen mittels Mikrowellen ist seit langem bekannt. Es bestanden jedoch keine klaren Kenntnisse darüber, wie ein in einem Hohlraum gehaltenes Material gleichmäßig erhitzt werden könnte, daß heißt wie eine gleichförmige Verteilung der Energie im Hohlraum erzielt werden könnte-.-

Vorliegender Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, womit es möglich ist, eine im wesentlichen gleichförmige Energieverteilung in einem Hohlraum zu bewirken, wenn die dielektrischen Verluste des im Hohlraum gehaltenem Materials nicht übermäßig groß sind. Beispiele für solche dielektrische Materalien, zusammen mit denen die Erfindung Verwendung finden kann, sind Kunststoffe, Glas, Papier, Holz, die meisten der keramischen Stoffe und viele Gummiarten. Die Erfindung

809842/0895

D-707 SCHWÄBISCH GMClND GEMEINSAME KONTEN: D-8 MÜNCHEN Telefon: (07171) 56 90 Deutsche Bank »* nchen 70/3"·369 (BLZ 700 700 10) Telefon: (0 89) 77 89 H SCHROETER Telegramme: Schroepat Sdwabisai limünd 02/00 535 (BLZ 613 70086) K.LEHMANN * ramme: Schroeptt Bockigaue 49 Telex: 7248 868 pagd d Postscheckkonto München 167941-804 Lipowikyitriße 10 ft:cx: 5 212 248 ptwe d

no-im-l6

kann auch auf andere dielektrische Stoffe Anwendung finden, die dielektrische Eigenschaften ähnlich denen der als Beispiele genannten Stoffe aufweisen.

Beim Spritzgießen von thermoplastischen Kunststoffen wird flüssiger Kunststoff von verhältnismäßig hoher Temperatur in eine verhältnismäßig kalte Form eingespritzt. Während des Einspritzvorgangs kühlt sich der Kunststoff ab und vergrößert demgemäß seine Zähigkeit. Als Folge hiervon kann bisweilen eine nicht vollständige Füllung der Form auftreten. Wenn man dagegen die Temperatur des einzuspritzenden Kunststoffs erhöht, kann die Qualität leiden. Zum .vollständigen Füllen der Form muß der Einspritzdruck vergrößert werden, was in den Einzelheiten zu inneren Spannungen führt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die Form für einen höheren Druck dimensioniert werden muß. Es besteht deshalb ein Bedürfnis dafür, daß während des Einspritzvorgangs Wärme zugeführt werden kann und daß hierauf die Einzelheiten rasch abgekühlt werden. Vorliegende Erfindung ermöglicht eine dementsprechende Arbeitsweise.

Beim Spritzgießen von durch Wärmeeinwirkung aushärtendem Kunstharz ist die niedrige Produktionsleistungsfähigkeit heute einer der am meisten eine breitere Verwendung dieser Technik einschränkenden Gründe. Durch Mikrowellenerhitzung kann die Aushärtzeit wesentlich verkürzt werden.

Gemäß vorliegender Erfindung bestehen einige Variationsmöglichkeiten, um eine gleichförmige Erhitzung zu bewirken, daß heißt eine elektrische Feldenergiedichte im Hohlraum zu erzeugen, die so gleichförmig wie möglich ist. Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in erster Linie durch die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen.

Weitere Merkmale der Erfindung sowie die dadurch erzielbaren Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei-

809842/0895

- 6 - no-im-l6

bung, in der anhand der Zeichnungen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert sind. Es zeigen Fig. 1 einen Hohlraum und die Veränderung der elektrischen

Energiedichte und der Feldstärke im Hohlraum, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. ¹I ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 5 die Anwendung der Erfindung auf das Spritzgießen von Kunststoffen.

Zur Erläuterung der Erfindung wird zunächst grundsätzlich Bezug auf die Verhältnisse in einem Metallhohlraum genommen.

Beim Erhitzen eines bestimmten Materials mittels Mikrowellen ist die Wärmeentwicklung je Volumeneinheit proportional der Frequenz, bestimmten Materialeigenschaften und der Dichte der Feldenergie im Material entsprechend der folgenden Formel

P_v = IT · f · ti _o tan £ (E)² ,

wobei P die Wärmeentwicklung je Volumeneinheit, I/ und £ Konstanten,
f die Frequenz_;

£, tan ζ dielektrische Materialkonstanten, E die elektrische Feldstärke bedeuten.

Beim Erhitzen eines Materials in einem Hohlraum aus Metall kann die Miktrowellenenergie nur bei bestimmten Frequenzen zugeführt werden, nämlich den Resonanzfrequenzen des Hohlraums. Der Hohlraum wirkt als Resonator mit einer Vielzahl von verschiedenen Resonanzmoden. In jeder Resonanzmode ist die Verteilung der elektrischen Energiedichte so, daß sie an bestimmten Stellen Null ist und an anderen Stellen ihren Höchstwert

809842/0895

2815U6

- 7 - no-im-l6

einnimmt. Die Erhitzung ist dementsprechend nicht gleichförmig. Zur Erläuterung dieser Verhältnisse zeigt die Pig. I in ihrem oberen Teil das Äußere eines Hohlraums Io von quaderförmiger Gestalt. Im unteren Teil der Fig. 1 ist die Veränderung der elektrischen Dichte und der elektrischen Feldstärke nach dem Schnitt A-A dargestellt, wobei angenommen ist, daß der Hohlraum in der TE₁. ,--Mode arbeitet.

5o5

Die Wärmeentwicklung ist, wie ersichtlich, nicht gleichmäßig, weil/Dichte der elektrischen Feldenergie in bestimmten Punkten auf Null zurückgeht. Dies ist ein Umstand, der nach Möglichkeit vermieden werden sollte.

Gemäß vorliegender Erfindung wird die genannte nicht gleichförmige Hitzeentwicklung zum größten Teil dadurch vermieden, daß die Erhitzung mittels Mikrowellenenergie in zwei oder mehr Moden erfolgt, die unabhängig voneinander die Erhitzung durchführen.

Eine Vorrichtung zur Ausführung eines solchen Verfahrens ist in Fig. 2 dargestellt. Es sind bei dieser Anordnung ein erster Mikrowellengenerator 2o sowie ein zweiter Mikrowellengenerator 22 vorhanden. Die Generatoren sind nicht synchron betrieben, sondern arbeiten jeder mit einer anderen Frequenz, der Generator 2o mit der Mikrowellenfrequenz f. und der Generator 22 mit der Mikrowellenfrequenz f„. Ein Hohlraum 23 wird über eine Wellen- oder Koaxialleitung 21 bzw. 25 vom Generator 2o bzw. 22 versorgt. Die vorherrschenden Betriebsbedingungen sind so gewählt, daß zwei Resonanzmoden in dem Hohraum 23 auftreten, was zur Folge hat, daß die Summe der elektrischen Feldenergien in einer Verteilung vorliegt, die nirgends innerhalb des Hohlraums zu Null wird. Gegebenenfalls kann zugestanden werden, daß Nullstellen unmittelbar angrenzend an die Metallwand auftreten, die den Hohlraum umschließt. Die beiden Frequenzen f₁ und f₂ sind

809842/0835 ·

2815U6

8 - no-im-l6

etwas voneinander verschieden.

Eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt. Der Hohlraum 33 wird von einem Generator für Mikrowellenenergie 3o über eine Wellen- oder Koaxialleitung 31 versorgt. Der Generator erzeugt eine Mikrowellenfrequenz f,_s die veränderlich ist, z. B. dadurch, daß man als Generator 3o ein über die Spannung abstimmbares Magnetron wählt. Der Hohlraum 33 wird über die Wellen- oder Koaxialleitung 31 versorgt. Während eines Erhitzungsvorgang für das Material im Hohlraum wird der Generator 3o veranlaßt, mit verschiedenen Frequenzen zu arbeiten, so daß unterschiedliche Moden im Hohlraum auftreten. Es kann schwierig sein, verschiedene Moden mittels des in Fig. 3 gezeigten Geräts zu erzeugen. Deshalb kann gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die Vorrichtung so abgewandelt werden, daß die richtige Mode erregt wird.

Eine solche abgewandelte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt. Sie umfaßt einen Generator 4o, der wie im vorhergehenden Fall ein über die Spannung abstimmbares Magnetron sein kann, jedoch auch aus irgend einem anderen abstimmbaren Mikrowellengenerator bestehen kann. Der Generator 4o ist über eine Wellen- oder Koaxialleitung 41. mit einem Koaxial- oder Wellenleiterumschalter 42 verbunden, der über eine erste Wellen- oder Koaxialleitung 43 und eine zweite Wellen- oder Koaxialleitung 44 mit dem Hohlraum 45 verbunden ist. Das Gerät ist so" aufgebaut, daß für die im fraglichen Fall vom Generator ¹Io erzeugte Frequenz der Umschalter 42 so umgeschaltet wird, daß über die entsprechende Wellen- oder Koaxialleitung 43 oder 44 Energie in den Hohlraum 45 in der Weise eingekoppelt wird (durch Ankoppelung der Wellen- oder Koaxialleitungen an unterschiedliche Stellen des Hohlraums), daß für jede der

8098A2/089S

2815U6

- 9 - no-im-l6

verwendeten und vom Generator erzeugten Frequenzen eine richtige Mode erregt wird.

Die in Pig. 4 dargestellte Vorrichtung kann auch auf andere Weise Verwendung finden, bei der der Generator 4o so ausgelegt ist, daß er eine feststehende Frequenz abgibt. Der Umschalter 42 würde in diesem Falle dazu benutzt, die vom Generator 4o erzeugte Mikrowellenenergie über die zwei getrennten Wellen- oder Koaxialleitungen 43 bzw. 44 in den Hohlraum 45 so einzukoppeln, daß zwei unterschiedliche Resonanzmoden bei der gleichen Resonanzfrequenz erzielbar sind.

Bei den in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen wurden zwei Resonanzmoden verwendet, um das Material zu erhitzen. Gemäß den Fig. 2 und 4 wurden zwei verschiedene Ankoppelungen an den Hohlraum verwendet. Es ist jedoch möglich, mehr als die genannten zwei Resonanzmoden und auch mehr als zwei Ankoppelungen für die Zufuhr von Energie zum Hohlraum zu verwenden. Es ist demnach ersichtlich, daß die Erfindung nicht auf das Erhitzen mittels zwei Moden allein beschränkt ist, sondern daß auch eine größere Anzahl von Moden verwendbar ist. Aus Gründen der einfacheren Darstellung sind die Hohlräumein der Zeichnung als Quader gezeigt, jedoch können auch zylindrische, sphärische oder anders geformte Hohlräume Anwendung finden.

Die Lehre vorliegender Erfindung macht es, wie schon oben erwähnt, möglich, die Gleichförmigkeit der Erhitzung wesentlich zu verbessern. Es kann eine Ausrüstung entworfen werden, die eine im wesentlichei gleichförmige Erhitzung im Hohlraum ergibt, mit Ausnahme der unmittelbar an die Metallwand grenzenden Zone, die den Hohlraum umschließt. In einem quaderförmigen Hohlraum mit quadratischem Querschnitt kann die Erhitzung in den Resonanzmoden TE^₁, TE₁₀^ und erfolgen.

809042/0895

- ^o - no-im-16

■AU-

Wie bereits im einleitenden Teil der Beschreibung erläutert wurde, wurde versucht j Möglichkeiten der Zuführung von Wärme in eine Form zu finden, die zum Gießen von Kunststoff dient. Die oben beschriebene Erfindung hat sich als sehr geeignet zum Gebrauch mit Spritzgießen von wärmehärtbaren Kunststoffen erwiesen. Eine für diesen Zweck geeignete Vorrichtung ist in Fig. 5 gezeigt. In einer normalen Metallform ist ein Hohlraum in Form eines Quaders ausgebildet. In diesem Hohraum ist eine keramische Form eingepaßt, wovon das keramische Material verhältnismäßig kleine dielektrische Verluste zeigen muß. Es sollte deshalb etwa aus Aluminiumoxyd bestehen. Die keramische Form ist in diesem Sinne ein Einsatz im Hohlraum. In dieser keramischen Form befindet sich wiederum ein Hohlraum, in den das wärmehärtbare Kunstharzmaterial gegossen wird. Der Hohlraum aus Metall wirkt als Resonator. Der im Hohlraum befindliche keramische Werkstoff ändert die Wellenlänge, da jedoch die Verluste klein sind, wird fast die gesamte Hitzeentwicklung im wärmehärtbaren Kunststoff erfolgen, der sich in dem mittleren Teil des Hohlraums befindet. Wenn die geschmolzene Kunststoffmasse in die keramische Form eingespritzt wurde und die Form mit dieser Kunststoffmasse gefüllt ist, wird Mikrowellenenergie zugeführt, wonach der Kunstoff sehr rasch aushärtet .

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch eine solche Metallform 5o, in der der genannte Hohlraum in Form eines Quaders ausgebildet ist. Dieser ist gemäß Fig. 5 als mit einer Form 51 aus keramischen Material gefüllt dargestellt. Innerhalb der keramischen Form 51 befindet sich ein Hohlraum 52, der im angenommenem Beispiel der Figur wiederum als Quader ausgebildet ist, jedoch in der Praxis jede beliebige Form annehmen kann, die der Kunststoff im einzelnen nach vollendeter Aushärtung haben soll. Das geschmolzene Plastikmaterial wird dem Hohlraum 52 der Form über einen Durchgang 53 zugeführt, und zwar unter der Verwendung von Mitteln und Verfahren, die in diesem technischen Gebiet gut bekannt sind und deshalb hier nicht näher erläutert werden müssen.

809842/089$

2815H6

no-im-l6

Der Hohlraum in der Metallform 5o, der mit der keramischen Form 51 ausgefüllt ist, wird mit Mikrowellenenergie über die zwei Koaxial- oder Wellenleiter 5** und 55 versorgt, so daß verschiedene Resonanzmoden im Hohlraum auftreten.

Die in Fig. 5 schematisch dargestellte Vorrichtung hat den wesentlichen Vorteil, daß sie sich für das Spritzgießen unterschiedlicher Formen von Objekten dadurch anpassen läßt, daß die keramische Form 51 mit dem eigentlichen Formhohlraum 52 austauschbar ist. Da es mit geeigneter Versorgung möglich ist, eine verhältnismäßig gleichförmige Verteilung der Mikrowellenenergiedichte in dem Teil des Hohlraums zu erzielen, in dem der Formhohlraum 52 für den Kunststoff angeordnet ist, hat ein Wechsel der Form des Objekts nur einen kleinen Einfluß auf den Erhitzungsvorgang. Der größte Teil des Hohlraumvolumens wird vom keramischen Material der Form 51 eingenommen, das so zusammen mit den geometrischen Bedingungen des Hohlraums im wesentlichen die Feldverteilung bestimmt.

809842/0895

Claims

2815U6

PA^rENTANWA'.TE

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. DIPL.-INC.

Stiftelsen Institutet för Mikrovagsteknik vid Tekniska Högskolan i Stockholm

no-im-16

Se/H

5. Ί. 1978

PATENTANSPRÜCHE

1.j Verfahren zum Erhitzen von in einem Hohlraum aus Metall gehaltenem dielektrischen Material mittels Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet , daß die Mikrowellenenergie in den Hohlraum so eingeleitet wird, daß darin wenigstens zwei Resonanzmoden entstehen, deren Auswahl so getroffen ist, daß im wesentlichen überall im Hohlraum die elektrische Peldenergiedichte unterschiedlich von Null ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlraum Mikrowellen mit voneinander verschiedenen Frequenzen eingeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlraum Mikrowellen mit einer mit der Zeit veränderlichen Frequenz eingeleitet werden und daß die Veränderungsfrequenz wesentlich niedriger als die Frequenz der eingeleiteten Mikrowellen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mikrowellenenergie mit feststehender Frequenz in den Hohlraum zu verschiedenen Zeiten auf verschiedenen Wegen eingeleitet wird mit der Folge unterschiedlicher Resonanzmoden.

809842/0895

D-707 SCHWABISCH CMOND GEMEINSAME KONTEN: D-β MÖNCHEN 70

Telefon: (07471) 56 90 Deuodie Bank Mündicn 70/37369 (BLZ 700 700 10) Telefon: (0 89) 77 89

H. SCHROETER Telegramme: Sdiroepat Sdwäbisdt Gmünd 02/00 535 (BLZ 613 700 86) K.LEHMANN Telegramme: Sdiroep»

Bodugauc 49 Telex: 7248 868 pagd d Pwtsdiedtkonto Mündien 167941-804 Lipowskyjcraße 10 Telex: 5 212 248 pawe d

2815U6

- 2 - no-im-16

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der von Metall umschlossene Hohlraum (23; 33; 45; 51) an eine oder mehrere Mikrowellenquellen (2o, 22; 3o; 4o) über Mittel (21, 25; 31; 42, 43, 44; 54, 55) angeschlossen ist, die die Erregung des Hohlraums in wenigstens zwei Resonanzmaden bewirken.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (23)an zwei Mikrowellengeneratoren (2o, 22) mit Frequenzen (f₁, f_?), die voneinander verschieden sind,, über je einen Wellen- oder Koaxialleiter (21, 25) angeschlossen ist, die jeweils von einem Mikrowellengenerator ausgehen und an unterschiedlichen Stellen in den Hohlraum (23) münden.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (33) über einen Koaxial- oder Wellenleiter (31) an einen Mikrowellengenerator (3o) angeschlossen ist, der zu verschiedenen Zeiten auf verschiedene Frequenzen abstimmbar ist, z. B. ein über die Spannung abstimmbares Magnetron.

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (45) an einen Mikrowellengenerator (4o) mittels eines Paares von Koaxial- oder Wellenleitern (43, 44), die an unterschiedlichen Stellen in den Hohlraum münden, über einen Koaxial- oder Wellenleiterumschalter (42) angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator zur Erzeugung einer mit der Zeit veränderlichen Frequenz geeignet ist, durch die, in Abhängigkeit von der Betriebslage des Umschalters (42), die beabsichtigte Resonanzmode im Hohlraum (45) bewirkbar ist.

809842/0895

2815U6

- 3 - no-im-l6

10. Vorrichtung nach Anspruch 8_S dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrowellengenerator (^o) zur Erzeugung von Mikrowellenenergie feststehender Frequenz geeignet ist und daß durch die Vorrichtung aufgrund ihres allgemeinen Aufbaus in jeder der beiden Betriebslagen des Umschalters unterschiedliche Resonanzmoden mit der gleichen Resonanzfrequenz bewirkbar sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis Io, dadurch gekennzeichnet , daß sich im Hohraum ein Einsatz (51) aus keramischen Material mit einem niedrigen Verlustfaktor befindet und daß im Einsatz ein Hohlraum (52) zur Aufnahme des zu erhitzenden Materials ausgebildet ist.

8098*2/089$