DE3015300C2

DE3015300C2 - Mikrowellenofen

Info

Publication number: DE3015300C2
Application number: DE3015300A
Authority: DE
Inventors: Fumiaki Nishinomiya Komatsu; Yorihisa Akashi Sakaki; Kazuo Kobe Sanada; Yoshihisa Sawada
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 1979-04-21
Filing date: 1980-04-21
Publication date: 1983-01-05
Also published as: BE882890A; FR2454597A1; US4330698A; JPS55143380A; JPS6222072B2; GB2049376A; DE3015300A1; FR2454597B1; GB2049376B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellenofen gemäß dem Oberbegriff des Palentanspruchs 1.

Das Verfahren zum Erwärmen und Schmelzen verschiedener Materialien durch Einwirkung von Mikrowellenstrahlen hat im Vergleich zu anderen Anwärm-und Schmelzverfahren eine Reihe von Vorteilen, zu denen die Vergleichmäßigung des Erwärm- und Schmelzprozesses und die Möglichkeit der genaueren f>⁵ Steuerung der Geschwindigkeit des Schmelzvorgangs durch Einstellen der aufgebrachten Mikrowellenleistung gehören.

Das Prinzip der Mikrowellen-Erwärmung kann auf zahlreichen verschiedenen Gebieten und zu verschiedensten Zwecken angewendet werden. Beispielsweise kann das Volumen von Abfallschlämmen, die bei diversen industriellen Prozessen anfallen, durch Trocknen oder Schmelzen (mit nachfolgender Erstarrung) mit Hilfe von Mikrowellen verringert werden, um die weitere Behandlung zu erleichtern. Die Schmelz- und Erstarrungsbehandlung zur Volumenverringerung durch Mikrowellenbestrahiung kann auch beuadioaktiven Abfällen angewendet werden, die in kerntechnischen Anlagen anfallen, gesammelt werden und während langer Zeit an abgeschirmten Orten gelagert werden, um Behälter und Raum für die Lagerung einzusparen und dadurch die Lagerkapazität zu erhöhen, wobei außerdem der Arbeitsaufwand zur Handhabung der Abfälle verringert wird.

Aus der US-PS 25 86 754 ist ein Mikrowellenofen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt, bei dem die Energieübertragung vom Mikrowellenoszillator in den Mikrowellenofen durch eine Koaxialkabel-Einrichtung erfolgt, deren Aufbau auf eine vorbestimmte Mikrowellenlänge hin so optimiert ist. daß die Mikrowellen-Übertragungsverluste vom Mikrowellenoszillator zum Mikrowellenofen möglichst klein gehalten werden. Die Mikrowellenleistung bzw. die auf das zu schmelzende Gut zu übertragende Mikrowellenleistung ist bei c esem bekannten Mikrowellenofen allein über den Mikrowellenoszillator beeinflußbar.

Der Wirkungsgrad eines Mikrowellenofens hängt allerdings im wesentlichen davon ab, wie exakt die Mikrowellenfrequenz auf den Mikrowellen-Resonanzkörpei abgestimmt ist. Wenn das zu erwärmende Gut während des Erwärmungsvorgangs sein Volumen ändert, wird der Mikrowellen-Resonanzkörper dadurch ebenfalls beeinflußt, so daß diese Abstimmung nicht mehr exakt vorliegt. Der aus der US-PS 25 86 754 bekannte Mikrowellenofen eignet sich deshalb nur für die wirtschaftliche Erwärmung eines Gutes, das im Verhältnis zur Ofenkonstruktioc bzw. zum Erwärmungsbehälter oder Schmelzbehälter so klein ist, daß es den sich aus Mikrowellenofengehäuse. Mikrowellenleiter und zu erwärmendem Gut zusammensetzenden »Mikrowellen-Resonanzkörper« nur unwesentlich prägt. Das Resonanzverhalten des aus den oben angegebenen Komponenten bestehenden Mikrowellen-Resonanzsystems ist dabei weitestgehend unabhängig von dem zu erwärmenden Gut; mit einem Mikrowellenofen, wie er aus der US-PS 25 86 754 bekannt ist. und der ein derartiges Resonanzsystem besitzt, können somit nur Güter erwärmt werden, deren Ciroße und Form beim Erwärmungsvorgang gleich bleibt Für die wirtschaftliche Aufschmelzung von anderen Gütern, wie sie im industriellen Anwendungsgebiet, beispielsweise in sich stetig ändernden Mengen anfallen, kann dieser bekannte Mikrowellenofen nicht mehr wirtschaftlich eingesetzt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mikrowellenofen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, mit dem selbst größere Mengen eines im Rahmen eines industriellen Verfahrens anfallenden Gutes in einem Schmelztiegel wirtschaftlich aufgeschmolzen werden können.

Diese Aufgabi: wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patcnlanspruchs I angegebenen Merkmale gelöst.

Die sich beim Aufschmelzen und durch die kontinuierliche Zufuhr des zu schmelzenden Gutes stetig

verändernden Volumii..· aas aufzuschmelzenden Gutes im Mikrowellenofen bestimmen wesentlich das Resonanzverhalten des oben beschriebenen Mikrowellen- »Resonanzkörpersystems« aus Mikrowellenleiter, Ofenwandung und Gut, so daß sich bei herkömmlicher Konstruktion der Wirkungsgrad des Mikrowellenofens mit dem momentanen Zustand des Gutes äsjtk-rt. Drr-.-h die erfindungsgemäße Maßnahme, die Abstimmvorrichtung justierbar im Oberteil des Ofens zu führen, kann der Wirkungsgrad des Ofens den jeweiligen Betriebsbedingungen des Aufschmelzvorgangs optimal angepaßt werden. Oi^c »ur Wirkungsgrad-Optimierung führende Abstimmung erfolgt zudem mit geringstem Aufwand, indem durch einfaches Verschieben des Abstimmkörpers die Resonanzfläche und damit die Resonanzfähigkeit bzw. die Resonanzbedingungen des Mikrowellenofen-Resonanzsystems exakt justiert und abgestimmt werden. Unter Loslösung von der herkömmlichen Lehre, die Mikrowellenfrequenz auf den Mikrowellen-Resonanzkörper im Hinblick auf eine wirtschaftliche Erwärmung starr abzustimmen, eröffnen die erfindungseemäßen Maßnahmen erstmals die Möglichkeit, auch variable Volumina bzw. sperrige Güter wirtschaftlich 7U erwärmen, deren Ausdehnung sich im Schmelzraum beim Erwärmen stark ändert. Dadurch kann auch kontinuierlich aufzuschnelzendes Gut zugeführt werden, ohne Wirkungsgradverluste in Kauf nehmen zu müssen.

Vorteilhafte Weiterbildungen hinsichtlich der zusätzlichen Anhebung des Wirkungsgrades des Mikrowellenofens sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachstehend werden anhand schematischer Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1(1) eine Draufsicht auf einen Mikrowellenofen, der als Schmelzvorrichtung dient.

F i g. 1(11) eine Seitenansicht des Mikrowellenofens
F i g. 2 einen senkrechten Schnitt, der einen Schmelztiegel zeigt, der sich in einem Unterteil des Mikrowellenofens befindet.

Fig. 3 eine ^chnittdarstellung der Mikrowellenzuleitung des Mikrowellenofens.

F i g. 4(1) eine Schnittdarstellung einer einstellbaren Abstimmvorrichtung des Mikrowellenofens, und

Fig. 4(11) Ansichten von Ausführungsbeispielen der im Mikrowellenofen benutzten Netze.

Im folgenden wird zunächst auf F i ~. 1 eingegangen. Die darin dargestellte Mikrowellen-Schmelzvorrichtung umfaßt einen Mikrowellen-Schmelzofen, der aus einem Oberteil 1 und einem Unterteil 2 besteht. Um den Schmelzofen herum ist ein*· nicht dargestellte Kühleinrichtung angeordnet, die normalerweise aus Rohren besteht, durch die ein Kühlmittel umgewälzt wird. Das Oberteil bzw. die obere Ofenhälfte 1 ist mit einem Hohlleiter bzw. Wellenleiter 3 für Mikrowellen, einer einstellbaren Absenkvorrichtung 4 und einer Zuführleitung 5 für Schmelzgut, d. h. für zu schmelzendes Material, versehen. Die obere Ofenhälfte 1 ist an einer Tragkonstruktion 6 unabhängig vom Unterteil bzw. von der unteren Ofenhälfte 2 befestigt und wird von dieser Tragkonstruktion abgestützt. Zum Antrieb des einstellbaren Tuners bzw. der Abstimmvorrichtung 4 dient ein Motor m\, der mit dem Tuner 4 über ein Kegelradgetriebe 20 verbunden ist. damit die Höhe der Abstimmvorrichtung 4 im Mikrowellenofen eingestellt werden kann. Die obere Ofenhälfte 1 ist ferner mit einer Abgasleitung 7 versehen, durch die Schwebstoffe, d. h. Staub und Rauch, die im Schmelzofen entstehen und die Wirksam

keit der Mikrowellenbestrahlung senken, aus dem Schmelzofen abgeleitet werden. In der unteren Ofenhälfte 2 ist ein Schmelztiegel 8 (siehe Fig.2) angeordnet Die untere Ofenhälfte 2 wird von einer Trageinrichtung 10 getragen, die die untere Ofenhälfte 2 von der oberen Ofenhälfte 1 wegbewegen und zu dieser ?iinbcwpg-:n kann. Die Trageinrichtung 10 besteht aus einem Drehmechanismus 10.1 mit einem Motor rm und einem Hubmechanismus 10.2. Zum Drehmechanwmus 10.1 gehört ein Tragarm 11, dessen eines Ende mit der unteren Ofenhäifte 2 verbunden ist. An seinem anderen Ende ist der Tragarm ί i mit einem Zahnrad 22 versehen, das auf einer Welle 21 befestigt ist, wie F i g. 1(1) erkennen läßt, in der die Trageinrichtung 10 im Schnitt gemäß A-A in Fig. 1(11) dargestellt ist. Das Zahnrad 22 kämmt mit einem Zahnrad 23, das zum Motor mi gehört und von diesem angetrieben wird, so daß der Tragarm 11 in einer horizontalen Ebene um die Achse der Welle 21 gedreht bzw. geschwenkt wird und dabei die untere Ofenhälfte 2 von der oberen Ofenhälfte 1 wegbewegen und in eine zurückgezogene Stellung bringen kann, in der die untere ' enhälfie mit 2' bezeichnet ist. Der Drehmechanismus Ό.1 wird von einem Hubtisch 24 des Hubmechanismus 10.2 getragen. Der Hubtisch 24 wird von einer hydraulischen oder anderen Antriebseinrichtung aufwärts- und abwärtsbewegt, um die untere Ofenhälfte 2 in senkrechter Richtung zur oberen Ofenhäifte 1 und von dieser wegzubewegen.

Während des Betriebs der vorstehend beschriebenen Schmelzvorrichtung in Gestalt eines Mikrowellenofens wird die untere Ofenhälfte 2, die den Schmelztiegel 8 trägt, mit der oberen Ofenhälfte verbunden, indem die Trageinrichtung 10 die untere Ofenhälfte in ihre Arbeitsstellung schwenkt und hebt, bevor der Mikrowellen-Schmelzofen mi: dem Material bzw. Schmelzgut M gefüllt wird, das aus einer Aufgabevorrichtung B durch die Zuführleitung 5 zugeführt wird. Während des Schmelzens werden Schwebstoffe, d. h. Staub und Rauch, die im Schmelzofen während des 3chmt!zens auftreten und die Bestrahlung mit Mikrowellen behindern, durch die Abgasleitung 7 abgeleitet, während das iviaterial M im Schmelztiegel 8 mit Mikrowellen bestrahlt wird, die von einem nicht dargestellten Mikrowellengenerator erzeugt werdeil und durch die Mikrowellenzuleitung 3 /um Schmelzofen geleitet werden.

Es versteht sich, daß die obere Ofenhälfte 1 und die untere Ofenhälfte 2 dicht miteinander verbunden sind, damit weder die in den Schmelzofen geleiteten Mikrowellen noch der Staub austreten können, der im Schmelzofen während des Schmelzens entsteht.

Damit der Erwärmungs- und .Schmelzvorgang gleichmäßig und wirkungsvoll durchgeführt werden kann, ist es =rfc d;rlich. das eingefüllte Schmelzgut gleichmäßig mit den Mikrowellen 7\i bestrahlen. Es hat sich allerdings oftmals al·, schwierig erwiesen, eine gleichmäßige Mikrowellenbestrahlung durchzuführen, wenn das Schmelzgut in den Schmelzofen derart eingeführt werden mußte, daß sich an bestimmten Stellen des Schmelzofens eine größere Schmelzgutmenge ansam melte oder oaß das Schmelzgut eine unebene Qberflächenkontur annahm, die eine unregelmäßige Wirkung der auftreffenden Mikrowellen verursachten, so daß unterschiedliche Bereiche des Schmelzgutes unterschiedlich -tark erwärmt wurden. Dies könnte dadurch vermieden werden, datJ am Mikrowellen-Scnmeizofen mehrere Mikrowellen-Bestrahlungsquellen vorgesehen

worden; allerdings h;itle das den Nachteil, dal! die Schmelzvorrichtung groß und kompliziert würde. Hei der vorliegenden Mikrou Ilen-Schmelzvorrichtung wird dieses Problem durch cmc drehbare Ofenkonstruktion, d. h. durch einen drehbaren Behälter gelöst, der den Schmelztiegel aufnimmt und im Unterteil des Ofens gelagert ist.

Wie in F i g. 2 erkennbar ist. ist der Schmelztiegel 8 an und in einem drehbaren Behälter 12 ausgehängt, der auf einer drehbaren Welle 13 im unteren Abschnitt der unteren Ofenhälfte 2 angebracht ist. so daß der drehbare Behälter 12 und der Schmelztiegel in einer horizontalen Ebene gedreH werden können. Die Welle 1.3 ist mit einem geeigneten, nicht dargestellten Drehantrieb verbunden, beispielsweise einem Antriebsmotor, der an der unteren Ofenhälfte 2 befestigt ist. Der im drehbaren Behälter 12 aufgehängte Schmelztiegel 8 wird somit während der Mikrowellenbestrahlung mit geeigneter Geschwindigkeit gedreht, so daß alle Bereiche des Materials M gleichmäßig mit Mikrowellen bestrahlt werden, d. h. gleichmäßig erwärmt und geschmolzen worden, unabhängig von ungleichmäßiger Verteilung ('es Materials /V/ im Schmelzofen und unabhängig von gegebenenfalls unebenen Oberflächen des Schmelzgutes.

Der drehbare Behälter 12 ist vorzugsweise lösbar an der unteren Ofenhälfte 2 angebracht, um die Wartung •Jes Schmelzofens in dem Fall zu erleichtern, daß geschmolzenes Material aufgrund einer Undichtheit des Schmelztiegel 8 in den drehbaren Behälter 12 fließt.

Während der Schmeizbehandlung des Schmelzgutes dehnt sieh der Schmelztiegel 8 in Längsrichtung thermisch ai:s. Durch diese thermische Ausdehnung des Schmelztiegels treten bei der Erfindung keine Schwierigkeiten auf. da der .Schmelztiegel im bzw. am drehbaren Behälter 12 aufgehängt ist.

Während des Erwärmens und Schmelzens des .Schmelzgutes ist es bisweilen rotwendig. Reaktionen zwischen dem Schmei/jut und der Atmosphäre im Mikrowellcn-Scliiiiclziii.jn zu verhindern, um nach der '-Schmelzbehandiung erstarrtes Material mit bestimmten chemischen und physikalischen Eigenschaften zu erhalten. In dic-em FaH kann der Schmelzofen mit Mitteln zum Einlegen eines Inertgases versehen sein, um auf diese Weise im Schmelzofen eine Inertgasatmosphäre ■ zu erzeugen. Das Einleiten eins Inertases hat die zusätzlichen Wirkungen, daß der durch Oxidation hervorgerufene Verschleiß des Schmelztiegels geringer bleibt und daß ein Kuhieffekt erzielt wird, der Schaden am Schmelztiegel durch Überhitzen verhindert.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2 ist am Boden der unteren Ofenhäifie 2 ein Inertgasanschluß 14 vorgesehen, durch den ein Inertgas in einen Spalt G zwischen der Außenseite bzw. -wand des drehbaren Behälters 12 und der Innenseite der Wand der unteren ^v Ofenhälfte geleitet wird. Der Druck der Inertgasatmosphäre im Spalt G wird auf einen Wert eingestellt, der etwas höher als der Druck der Atmosphäre im Schmelzofen ist. so daß das Inertgas im Spalt G in den Schmelzofen strömt und darin eine Inertgasatmosphäre ^fi erzeugt, wobei es gleichzeitig das Austreten von Rauch oder anderen Abgasen durch einen Spalt C verhindert. Rauchgase, die in die Mikrowellenzuleitung 3 gelangen, werden mit Mikrowellen bestrahlt und verringern die nutzbaren Mikrowellenenergie erheblich, " da sie zu Entladungen oder anderen Phänomenen führen. Um dies zu verhindern, ist in der Mikrowellenzuleitung 3 eine Zwischenwand .Vi bzw. .S'.i vorgesehen, wobei Luft oder ein Inertgas in den Raum auf der dem

■' Mikrowellen-Schmelzofen zugewandten Seite der Zwischenwand geleite! wird, damit Gassironie entstehen, die die Rauchgase und den Staub ständig in Richtung zum Schmelzofen spülen. Insbesondere bei einer Schmelzvorrichtung zur Behandlung radioaktiven Ma tcrials sind vorzugsweise zwei Zwischenwände ΛΊ und .S\ aus »Teflon« oder Quarzglas am inneren bzw. äußeren Ende der Mikrowellenzuleitung .3 angeordnet, wie dies in F ι g. 3 gezeigt ist. Für den Fall, daß die I.uf(dichtheit durch Ermüdung der inneren Zwischenwand S\

> nachläßt, ist der Innenraum S /wischen den zwei Zwischenwänden S\ und Si vorzugsweise mit einem Inertgas gefüllt, das einen Druck hat. der etwas höher als der Druck der Ofenatmosphare ist. wodurch verhindert wird, daß Gas aus dem Schmelzofen in die Mikrowellen-/nlritiinp 1 strömt.

Der bei der Mikrowellenoftn-Schmelzvorrichtuiig verwendete und als Abstimmvorrichtung dienende Tuner 4 hat vorzugsweise die in Fig. 4(1) dargestellte Ausbildung; er weist einen Hohlkörper aus Metall mit

■' einer Längsbohrung 15 auf. Der Tuner ist an seinem unteren Ende mit einem Gitter bzw. Netz 16 aus leitfhäigem Material, das das Austreten von Mikrowellen unterbindet, sowie an seinem oberen Ende mit einem Sichtff «ter 17 aus einem plattenförmigen, lichtdurch lässigen Material wie Quarzglas versehen, das eine Beobachtung des Innerer, des Mikrowellen-Schmelzofens ermöglicht und das Austreten von Gasen und Staub, die im Schmelzofen sntstehen. verhindert. Beispiele für die Ausbildung des Netzes 16 sind in

> Fig. 4(11) dargestellt.

Das Eindringen von Stiub in die Längsbohrung 15 des Tuners bzw. der Abstimmvorrichtung 4 kann durch Einleiten eines Inertgases durch einen Inertgasanschluß 18 in die Längsbohrung verhindert werden. Das

■ eingeleitete Inertgas hat einen Druck, der etwas höher als der Innendruck des Mikrowellen-Schmelzofens ist. Gegen Strahlungswärme kann der Tuner geschützt werden, indem durch einen Wandungshohlraum 19 auf seiner Außenseite Kühlwasser umgewälzt wird.

Der Schmelztiegel kann aus einem metallischen Material, beispielsweise rostfreiem Stahl, oder einem kohlenstoffhaltigen Material, beispielsweise Graphit, bestehen. Vorzugsweise wird allerdings ein Schmelztiegel aus Metall benutzt. Wenn das Schmelzgut einen hohen Schmelzpunkt hat, kann ein Schmelztiegel benutzt werden, dessen Innenseite mit einer Lage aus wärmeisolierendem Material mit hohem Schmelzpunkt wie beispielsweise Aluminiumoxidzement beschichtet ist.

Während des Schmelzens mittels der beschriebenen Mikrowellen-Schmelzvorrichtung kann das zu behandelnde Materia! kontinuierlich dem Schmelztiegel zugeführt werden, wobei dann die Erwärmungs- und Schmeizbehandlung durch Mikrowellenbestrahlung kontinuierlich erfolgt. Alternativ kann, nachdem eine Materialcharge geschmolzen worden ist und dadurch ihr Volumen verringert worden ist, immer wieder unbehandeltes Material in die Schmelze zugegeben werden, bis die Füllung des Schmelztiegels auf ein bestimmtes Maß angewachsen ist

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellenofen zum Erwärmen ein»s Gutes, der aus einem das Gut aufnehmenden und abnehmbaren Unterteil und einem Oberteil besteht, das über einen MikrowellenUiter mit einem Mikrowellenoszillator verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verflüssigen eines schmelbaren Gutes (M) im Unterteil (2) ein Schmelztiegel (8) vorgesehen ist, der über eine im Oberteil (1) vorgesehene Füllöffnung (5) beschickbar ist, wobei die Leistung des Mikrowellenofens (1, 2) über eine auf dem Oberteil (1) angeordnete Abstimmvorrichtung (4) steuerbar ist, die von einem hohlen, zylindrischen Metallkörper gebildet ist, der verschiebbar im Oberteil (1) geführt ist, und daß die Mikrowellenzuleitung (3) gegen im Ofenraum entstehende Gase abgedichtet ist

2. Mikrowellenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelztiegel (8) in einem Behälter jl2) aufgenommen ist, der drehbar innerhalb des Unterteils (2) montiert ist.

3. Mikrowellenofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Unterteil (2) mit einem Inertgasanschluß (14) versehen ist, durch den in einen Spalt (C) zwischen der Innenwand des Unterteils (2) und der Außenwand des Behälters (12) ein Inertgas einleitbar ist. welches einen Druck besitzt, der über dem Innendruck des Mikrowellenofens liegt.

4. Mikrowellenofen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (12) eine Antriebswelle (13) trägt, die aus dem Unterteil (2) herausführt und über eint Antriebsvorrichtung angetrieben ist. J5

5. Mikrowellenofen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenzuleitung (3) ein Hohlleiter ist. in dem zueinander im Abstand stehend mehrere luftdichte Zwischenwände (S₁; S2) eingesetzt sind und somit zwischen sich und ίο der innenwand des Hohlleiters (3) einen Innenraum begrenzen, dessen Druck höher gehalten ist als der Innendruck des Mikrowellenofens.

6. Mikrowellenofen nach Anspruch I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder ein doppelwandiger Zylinder ist. dessen Zentralhohl· raum (15) auf der dem Schmelztiegel (8) zugewandten Seite durch ein Netz (16) aus leitfähigem Material und auf der anderen Seite durch ein Sichtfenster (17) abgeschlossen und mit einem Inertgas-Anschluß (18) versehen ist und dessen Wandungs-Hohlraum (19) einen Anschluß für eine Mantelkühlung besitzt.