DE4136416C2 - Vorrichtung zur Mikrowellen-Bestrahlung von Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mikrowellen-Bestrahlung von Materialien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE-OS 32 24 114 ist eine derartige Vorrichtung bekannt, die zum Erwärmen von Flüssigkeiten und insbesondere zum Cracken von Altöl dient, das durch Rohrleitungen einschließlich eines Crackrohres aus Oxydkeramik oder aus ähnlichen, unpolaren Stoffen strömt und durch Mikrowellen-Bestrahlung bis zu Temperaturen von etwa 700°C erwärmt und dabei fraktioniert wird. Zur Erzeugung der Mikrowellen-Strahlung ist eine Anzahl von sogenannten Kraftpaketen längs des Crackrohres angeordnet.

Diese bekannte Vorrichtung ist insofern nachteilig, als ihre Einsatzmöglichkeiten sich auf die Erwärmung von polaren Flüssigkeiten durch direkte Bestrahlung derselben mit den Mikrowellen beschränken und eine Änderung der Erwärmung der Flüssigkeit ohne entsprechende Änderung ihrer Strahlungsbelastung nicht durchgeführt werden kann.

In der US 3 805 009 ist ein Gerät zur Bestrahlung von Lebensmitteln mit Mikrowellen während des Bratens in einem Ölbad beschrieben. Bei diesem vorbekannten Gerät werden die Lebensmittel auf einem horizontal umlaufenden Transportband durch einen Mikrowellen-Bestrahlungstunnel durch die vorhandene Heizzone gefördert. Im mittleren Bereich des Bestrahlungstunnels sind eine Mehrzahl Antennen in Form von sich quer erstreckenden Stangen vorgesehen. Vor und hinter den Antennen sind im Bestrahlungstunnel jeweils übereinander angeordnete Materialschichten angeordnet, von denen die obere Schicht aus einem mikrowellenabsorbierenden Material besteht, während die untere Schicht aus einem dielektrischen Material wie Pyroceran besteht.

In der DE-PS 31 09 513 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mikrowellen-Wärmebehandlung beschrieben. Es wird ein zu behandelndes, mikrowellenabsorbierendes Material zusammen mit einer Vielzahl von kugelförmigen Körpern aus mikrowellendurchlässigem Material in einem Kessel aus mikrowellenreflektierenden Material einer Mikrowellenstrahlung ausgesetzt, während den kugelförmigen Körpern eine Bewegung erteilt wird, um dadurch den zu behandelnden Stoff zu erwärmen und zu behandeln.

Sinn und Zweck dieser bekannten Maßnahme ist offenbar, den zu behandelnden Stoff auch im tieferen Stoffbereich wirkungsvoller behandeln zu können und zwar zum einen dadurch, daß die kugelförmigen Körper aus mikrowellendurchlässigem Material in zu behandelnden Stoff vorgesehen sind und mikrowellendurchlässige "Hohlräume" schaffen oder dadurch, daß der Kessel gedreht wird und somit die Mikrowellen von allen Seiten den zu behandelnden Stoff beaufschlagen können.

Aus der DE-OS 39 36 267 ist ein Mikrowellenofen zu entnehmen, in dem ein zu behandelnder Stoff bei Erwärmung durch Mikrowellen behandelt werden kann, der hierzu in einem Gehäuse in den Mikrowellenofen eingegeben wird. Die Erwärmung des zu behandelnden Stoffes kann dabei sowohl direkt durch die Wirkung der Mikrowellen auf den Stoff als auch indirekt durch Wirkung der Mikrowellen auf das Gehäuse erfolgen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Arten so auszugestalten, daß die Erwärmung und die Strahlungsbelastung mit Mikrowellen zu behandelter Materialien unabhängig voneinander eingestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, jedes gewünschte Verhältnis des von der Wandung absorbierten, zur Erwärmung derselben und damit zur indirekten Erwärmung des zu behandelnden Materials dienenden Anteils der Mikrowellen-Strahlung und des verbleibenden, die Wandung durchdringenden und in das zu behandelnde Material eintretenden Anteils längs der Durchgangsrichtung einzustellen.

Damit stehen zwei Parameter zur Verfügung, die in Verbindung mit einem dritten Parameter durch entsprechende gegenseitige Abstimmung die gezielte Einstellung der Erwärmung und der Strahlungsbelastung von mikrowellenbehandelten Materialien un­ abhängig voneinander ermöglichen. Der dritte Parameter ist die veränderbare Strahlungsleistung der vom jeweiligen Generator erzeugten Mikrowellen. So ist es etwa möglich, sowohl polare als auch unpolare Materialien durch Erhöhung der Strahlungs­ leistung sowie der Mikrowellenabsorption durch die Wandung stärker zu erwärmen und durch entsprechende Abstimmung dieser beiden Parameter zu erreichen, daß die Wandung entsprechend der Anhebung der Strahlungsleistung, d. h. in dem Maße stärker absorbiert, daß als weiterer Parameter der durch sie hindurch­ tretende Strahlungsanteil und damit die Strahlungsbelastung des Materials unverändert bleiben. In entsprechender Weise kann die Strahlungsbelastung bei Aufrechterhaltung einer kon­ stanten Temperatur verändert werden. Es ist selbstverständlich auch möglich, die Erwärmung und die Strahlungsbelastung gleichzeitig in gezielter Weise zu verändern.

Die Mikrowellen-Absorptionseigenschaften der Wandung sind so­ wohl durch Wahl des durch die stoffliche Zusammensetzung der Wandung bestimmten Mikrowellen-Absorptionsvermögens als auch im Fall einer mikrowellenabsorbierenden Wandung durch deren Dicke veränderbar.

Die Möglichkeit der gezielten Veränderung des Verhältnisses der Erwärmung zur Strahlungsbelastung ist insofern vorteil­ haft, als nach neuesten Erkenntnissen Strukturveränderungen von Materialien durch Mikrowellen-Bestrahlung hervorgerufen werden und somit durch entsprechende Wahl des genannten Ver­ hältnisses der Erwärmung zur Strahlungsbelastung chemische Vorgänge optimiert und insbesondere Materialien hinsichtlich ihrer Molekular- und/oder Kristallstruktur verändert werden können.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich deshalb auch vor­ züglich zur Herstellung von Isolatoren, Halbleitern, Cermets, Supraleitern und anderen Bauteilen, deren Eigenschaften durch Änderung ihrer Kristallstruktur beeinflußt werden können. Bei­ spielsweise ist es durch Verwendung von mikrowellendurch­ lässigen Wandungen möglich, die Struktur unpolarer Materialien ohne und diejenige polarer Materialien mit gleichzeitiger Er­ wärmung zu verändern, während eine Wandung mit entsprechend hohem Mikrowellen-Absorptionsvermögen und ggfs. entsprechend großer Wandungsdicke eine Erwärmung sowohl polarer als auch unpolarer Materialien ohne Strukturveränderungen ermöglicht. Strukturveränderungen bei gleichzeitiger Erwärmung können im genau abgestimmten Verhältnis bei Verwendung entsprechend mi­ krowellenteildurchlässiger bzw. -teilabsorbierender Wandungen und ggfs. entsprechender Wandungsdicken mittels Mikrowellen entsprechender Strahlungsleistung an polaren und unpolaren Ma­ terialien durchgeführt werden.

Für den Fall, daß unpolare Materialien zu erwärmen und bei­ spielsweise gleichzeitig mit höchster Intensität mit Mikrowel­ len zu bestrahlen sind und deshalb eine nahezu völlig mikrowellen­ durchlässige Wandung verwendet wird, ist gemäß Anspruch 2 der Erfindung eine der Förderstrecke vorgeschaltete Einrichtung vorgesehen, mittels der den Materialien Zusatzma­ terialien mit hohem Mikrowellen-Absorptionsvermögen hinzuge­ fügt werden können, um eine direkte Erwärmung derselben zu er­ reichen. Falls eine Trennung möglich ist, können diese Zusatz­ materialien nach beendeter Mikrowellenbestrahlung entfernt werden.

Nachstehend ist die Erfindung anhand zweier Ausführungsbei­ spiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durch­ führung einer chemischen Umsetzung eines Materials, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungs­ beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Her­ stellen von keramischen Bauteilen.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt eine durch ein Rohr 1 de­ finierte Förderstrecke, eine im Rohr drehbar gelagerte, durch einen nicht gezeigten Antrieb drehbare Transportschnecke 2, mehrere, beispielsweise drei Generatoren 3.1, 3.2 und 3.3 von herkömmlicher Bauweise und regelbarer Leistung zur Erzeugung von Mikrowellen-Strahlen 4.1, 4.2 und 4.3 sowie einen Resona­ tor 5 von ebenfalls herkömmlicher Bauweise, der als eine das Rohr 1 streckenweise umgebende Metallkammer ausgebildet ist und dazu dient, die Intensität und Dichte der von den Genera­ toren 3.1-3.3 erzeugten und durch nicht gezeigte Hohlleiter eingespeisten Mikrowellen 4.1-4.3 zu erhöhen sowie einen Aus­ tritt derselben nach außen zu verhindern. Die Vorrichtung um­ faßt weiterhin Sensoren zur Steuerung des Verfahrens, wie bei­ spielsweise Temperatursensoren 6 (von denen nur einer darge­ stellt ist) zum Messen der Temperatur des Rohres 1.

Das Rohr 1 besteht insgesamt aus Keramik mit einem Zusatz aus einer elektrisch und/oder magnetisch leitfähigen Substanz (z. B. C, SiC, Metall usw.), deren %-Anteil sich derart ändert, daß das Rohr ein Mikrowellen-Absorptionsvermögen aufweist, welches sich über seine Länge graduell ändert: die den beiden Endbereichen des Resonators 5 zugeordneten, durch weite Schraffur gekennzeichneten Rohrabschnitte sind nahezu völlig mikrowellendurchlässig, während der dem mittleren Bereich zu­ geordnete Rohrabschnitt mit enger Schraffur Mikrowellen absor­ biert. Zur Erhöhung der Mikrowellenabsorption kann der mitt­ lere Rohrabschnitt ggfs. eine größere Wandungsdicke als die benachbarten Rohrabschnitte aufweisen.

Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann zur Durchführung eines che­ mischen Vorganges mit gezielter Umsetzung eines z. B. polaren Materials 7 eingesetzt werden, das beispielsweise in den drei aufeinanderfolgenden Rohrabschnitten bei konstanter Strah­ lungsbelastung auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt wer­ den soll. Das Material 7 wird als Granulat in nicht gezeigter Weise dem Rohr 1 zugeführt und mittels der sich drehenden Transportschnecke 2 in Transportrichtung 8 durch die Rohrab­ schnitte im Bereich des Resonators 5 transportiert. Dabei ge­ langt es zunächst in den Rohrabschnitt im linken Bereich (in Fig. 1) des Resonators 5 und wird dort durch die vom Genera­ tor 3.1 erzeugten und nahezu vollständig durch die Rohrwandung hindurchtretenden Mikrowellen-Strahlung 4.1 direkt erwärmt, bis seine Schmelztemperatur erreicht ist. Dabei ist das Mate­ rial 7 einer der Leistung der Mikrowellen-Strahlung 4.1 ent­ sprechenden Strahlungsbelastung ausgesetzt. Im folgenden, im mittleren Bereich des Resonators 5 befindlichen Rohrabschnitt erfolgt eine weitere Erwärmung des Materials 7 mittels der mit entsprechend höherer Leistung im Vergleich zum Generator 3.1 vom Generator 3.2 erzeugten Mikrowellen-Strahlung 4.2. Die Rohrwandung weist ein derart auf diese höhere Strahlungs­ leistung abgestimmtes Mikrowellen-Absorptionsvermögen (ggfs. auch Wandungsdicke) auf, daß sie den gleichen Strahlungsanteil wie die Rohrwandung im vorhergehenden Rohrabschnitt durchtre­ ten läßt und somit die gleiche Strahlungsbelastung und die gleiche direkte Erwärmung des Materials 7 hervorruft. Der ver­ bleibende, von der Rohrwandung absorbierte und diese erhitzen­ de Strahlungsanteil verursacht die weitere Erwärmung des Mate­ rials 7 bis zu der für dessen Umsetzung erforderlichen Tempe­ ratur. Nach beendeter Umsetzung gelangt das Material 7 in den nachfolgenden, dritten Rohrabschnitt. Da die Mikrowellen- Absorptionseigenschaften der Wandung dieses Rohrabschnitts und die Leistung des zugeordneten Generators 3.3 die gleichen wie im ersten, dem Generator 3.1 zugeordneten Rohrabschnitt sind, kühlt sich das Material 7 in diesem dritten Rohrabschnitt bei gleicher Strahlungsbelastung bis zum Erreichen der Schmelztem­ peratur ab. Eine gleichmäßigere Erwärmung des Materials 7 kann durch Verwendung einer aus einer mikrowellen-absorbierenden Substanz bestehenden Förderschnecke 2 erzielt werden.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Fig. 1 durch Verwendung eines Rohres, das aus mehreren (z. B. drei) getrennten Rohrabschnitten 9.1, 9.2 und 9.3 zusam­ mengesetzt ist, eines Resonators, der ebenfalls aus mehreren Abschnitten 10.1 bis 10.3 besteht und eines dem Rohr 9.1 bis 9.3 vorgeschalteten, herkömmlichen Extruders 11 (nur ange­ deutet) anstelle der im Rohr befindlichen Transportschnecke. Jedem Rohrabschnitt 9.1-9.3 und jedem Resonatorabschnitt 3.3 ist je einer der Generatoren 3.1 bis 3.3 nach Fig. 1 zugeordnet.

Die Rohrwandung des mittleren Rohrabschnitts 9.2 besteht aus nahezu völlig mikrowellendurchlässiger Keramik, während die beiden benachbarten Rohrabschnitte 9.1 und 9.3 durch Zusatz von bei­ spielsweise Kohlenstoff oder Siliciumcarbid (SiC) ein entspre­ chendes Mikrowellen-Absorptionsvermögen aufweisen. Ggfs. kann die Wandungsdicke und damit die Mikrowellenabsorption erhöht werden.

Die Vorrichtung nach Fig. 2 kann zur Herstellung von Bautei­ len aus keramischen Materialien mit einer durch Mikrowellen- Bestrahlung bestimmter Leistung beeinflußten Kristallstruktur eingesetzt werden. Zu diesem Zweck wird ein bildsames Gemisch 12 der Ausgangsstoffe dieser keramischen Materialien durch eine Trichteröffnung 13 dem Extruder 11 zugeführt und durch dessen Förderschnecke durch das Rohr 9.1-9.3 in Transportrich­ tung 8 transportiert. Dabei gelangt das Gemisch 12 zunächst in den dem Extruder 11 benachbarten Rohrabschnitt 9.1 und wird dort durch die Rohrwandung, die durch den von ihr absorbierten Anteil der vom Generator 3.1 erzeugten Mikrowellen-Strahlung 14.1 erhitzt ist, auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb des Kristallationspunktes des keramischen Materials liegt. Ein verbleibender, durch die Rohrwandung hindurchtretender Anteil der Mikrowellen-Strahlung 14.1 weist infolge entsprechender Einstellung des Generators 3.1 die gleiche, bestimmte und zur gewünschten Beeinflussung der Kristallstruktur erforderliche Leistung wie die gesamte, vom nachfolgenden Generator 3.2 er­ zeugte Mikrowellen-Strahlung 14.2 auf. Im anschließenden Rohr­ abschnitt 9.2 erfolgt eine Abkühlung des Gemischs 12 aufgrund seiner unpolaren Eigenschaft und damit seine Kristallisation. Diese wird durch die vom Generator 3.2 mit geringerer Leistung erzeugte, nahezu vollständig durch die mikrowellendurchlässige Rohr­ wandung hindurchtretende Mikrowellen-Strahlung 14.2 in der gewünschten Weise beeinflußt. Dabei ist die Strahlungsbela­ stung des Gemischs 12 die gleiche wie im vorhergehenden Rohr­ abschnitt 9.1. Im nachfolgenden Rohrabschnitt 9.3, der eine größere Länge als der erste Rohrabschnitt 9.1 aufweist, wird das Gemisch 12 mittels der vom Generator 3.3 erzeugten Mikro­ wellen-Strahlung 14.3 entsprechend höherer Leistung bis zur Brenntemperatur erwärmt und gebrannt. Die Erwärmung erfolgt indirekt durch die Rohrwandung, deren Mikrowellen-Absorptions­ vermögen und ggfs. Wandungsdicke so eingestellt ist, daß der von ihr absorbierte Strahlungsanteil zur Erzielung der Brenn­ temperatur ausreicht und der verbleibende Strahlungsanteil die gleiche Strahlungsbelastung des Gemischs 12 wie in den beiden vorhergehenden Rohrabschnitten 9.1 und 9.2 hervorruft. Dem­ entsprechend ist die Leistung des Generators 3.3 größer als diejenige des Generators 3.1, während der Generator 3.2 die kleinste, die Strahlungsbelastung des Gemischs 12 bestimmende Leistung aufweist. Die Leistungsüberschüsse der beiden Genera­ toren 3.1 und 3.3 dienen zur Erwärmung des Gemischs 12 bis zur jeweiligen Temperatur. Nach Abschluß des Brandes wird das fertiggestellte Keramikmaterial als Endlosstrang 15 aus dem freien Ende des Rohrabschnitts 9.3 ausgestoßen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können selbstverständ­ lich auch Materialien anderer als der bisher beschriebenen Konsistenz, beispielsweise in flüssiger oder suspendierter Form mittels entsprechender Fördermittel, wie beispielsweise drehende Rohre, Förderbänder etc. behandelt werden. Die Mikro­ wellen können zwecks Beeinflussung der Struktur der Materia­ lien auch gepulst werden.

Claims (19)

1. Vorrichtung zur Mikrowellen-Bestrahlung von Materialien, insbesondere der Ausgangsstoffe für keramische Materialien und Legierungen, mit einer eine Förderstrecke definierenden Rinnen- oder Rohranordnung, deren Wandung ein bestimmtes Mikrowellen-Absorptionsvermögen aufweist, mit einem die Wandung zumindest streckenweise umgebenden Resonator sowie wenigstens einem Generator zum Erzeugen der Mikrowellen-Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Rinnen- oder Rohranordnung (1; 9.1 bis 9.3) über ihre Länge sich stets oder stufenweise ändernde Mikrowellenabsorptionseigenschaften oder einstufig zwischen einem mikrowellenabsorbierenden Bereich und einem mikrowellendurchlässigen Bereich ändernde Mikrowellen-Absorptionseigenschaften aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks direkter Erwärmung von Materialien mit der Mikrowelle eine der Förderstrecke vorgeschaltete Einrichtung zum Zuführen von Zusatzmaterialien mit hohem Mikrowellen-Absorptionsvermögen zum Material vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen- oder Rohranordnung (1; 9.1 bis 9.3) horizontal angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung eine unterschiedliche stoffliche Zusammensetzung aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung eine unterschiedliche Dicke aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Generator (3.1 bis 3.3) erzeugte Mikrowellen-Strahlung veränderlich ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Generator (3.1 bis 3.3) erzeugte Mikrowellen-Strahlung über die Länge der Rinnen- oder Rohranordnung (1; 9.1 bis 9.3) so veränderlich ist, daß die sich in der Rinnen- oder Rohranordnung einstellende Temperatur konstant ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Temperatursensoren (6) zum Messen der Temperatur der Rinnen- oder Rohranordnung (1; 9.1 bis 9.3) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohranordnung (1; 9.1 bis 9.3) aus Keramik mit einem Zusatz aus einer elektrisch und/oder magnetisch leitfähigen Substanz besteht, insbesondere Kohlenstoff, Siliciumcarbid oder Metall.

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen- oder Rohranordnung im mittleren Bereich Mikrowellen absorbiert und in den sich vor und hinter diesem mittleren Bereich befindlichen Bereichen nahezu völlig mikrowellendurchlässig ist oder umgekehrt.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen- oder Rohranordnung (1; 9.1 bis 9.3) im mittleren Bereich eine größere Wandungsdicke aufweist als in den übrigen Bereichen.

12. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, vorzugsweise drei Generatoren (3.1 bis 3.3) über die Länge der Rinnen- oder Rohranordnung (1; 9.1 bis 9.3) hintereinanderliegend angeordnet sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsleistung der Generatoren (3.1 bis 3.3) unterschiedlich ist.

14. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rinnen- oder Rohranordnung (1; 9.1 bis 9.3) aus mehreren, insbesondere drei getrennten Rohrabschnitten zusammengesetzt ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Rohrabschnitt (9.2) aus mikrowellendurchlässiger Keramik besteht, während die beiden benachbarten Rohrabschnitte (9.1, 9.3) ein Mikrowellen-Absorptionsvermögen aufweisen.

16. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Rinnen- oder Rohrabschnitt (9.1 bis 9.3) ein Generator (3.1 bis 3.3) zugeordnet ist.

17. Vorrichtung nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rinnen- oder Rohranordnung (1; 9.1 bis 9.3) eine drehbare Transportschnecke (2) angeordnet ist.

18.Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Transportschnecke (2) aus mikrowellen-absorbierendem Material besteht.

19. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß der Rinnen- oder Rohranordnung ein Extruder (11) vorgeordnet ist.