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Der
Gegenstand dieser Erfindung ist ein Mikrowellenapplikator, dessen
besondere Funktion darin besteht, einen aus einem Mikrowellenleiter
kommenden Strahl zu konvergieren in Richtung einer im Wesentlichen
punktförmigen
Zone. Eine wesentliche Anwendung dieser Vorrichtungen ist das Aufreißen von
Betonoberflächen,
um eine Kruste zu entfernen, die kontaminiert sein könnte. Dabei
erzeugen die unter diese Kruste konvergierenden Mikrowellen eine lokale
Erhitzung, die ausreicht, das in dem Beton enthaltene Wasser zu
verdampfen und einen Druck zu erzeugen, der die Kruste splittern
lässt.
Es genügt dann,
den Applikator gemäß parallelen
Linien zu verschieben, um den Beton streifenförmig aufzureißen. Das
französische
Patent 2 759 239 schlägt
eine Lösung
vor, um diese Konvergenz der Mikrowellen aus einem divergierenden,
nicht fokussierten Strahl am Ausgang eines Wellenleiters zu realisieren.
Dabei umfasst der Applikator eine Hülle mit einer die Mikrowellen
reflektierenden elliptischen Innenoberfläche, in deren hinterem Teil
der Mikrowellenleiter mündet und
die eine diesem hinteren Teil entgegengesetzte Öffnung umfasst, welcher der
Betonwand zugewandt ist, und umfasst außerdem einen zentralen Reflektor, der
in der Hülle
angeordnet ist, um den ersten Brennpunkt des Ellipsoids herum, und
eine die Mikrowellen reflektierende Fläche aufweist, die auf den hinteren Teil
Hülle ausgerichtet
ist. Diese Anordnung beruht auf der Idee, die geometrischen Eigenschaften
der Ellipse und insbesondere die Gesetzmäßigkeit zu nutzen, dass eine
Welle, die – nacheinander – von einem
Brennpunkt und dann der Kontur einer Ellipse reflektiert wird, zwangsläufig in
dem zweiten Brennpunkt eintrifft. Die reflektierende Hülle hatte
also die Form eines Teils einer Ellipse und der zentrale Reflektor
befand sich in dem ersten Brennpunkt dieser Ellipse und war im Wesentlichen
kreisförmig,
um eine möglichst
große
Reflexion auf einen Punkt zu erzielen. Die durch den zentralen Reflektor
und dann die Hülle
nacheinander reflektierte Strahlung verließ diese und konvergierte in
dem zweiten Brennpunkt der Ellipse, unter der Betonkruste. Es war
vorgesehen, entweder wirklich auf einen Punkt zu fokussieren, mit einer
elliptischen Hülle
und einem sphärischen
Reflektor, oder auf eine Linie – was
in der Praxis vorgezogen wurde, um den Beton in breiten Streifen
aufzureißen
-, wenn die Hülle
durch untereinander ähnliche
elliptische Sektionen gebildet wurde und der zentrale Reflektor
zylindrisch war.
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Dieser
Applikator war jedoch insofern ungenügend, als der zentrale Teil
des Mikrowellenstrahls mit sehr guter Parallelität zu dem Wellenleiter auf einen
zu ihm senkrechten Teil des zentralen Reflektors reflektiert wurde,
so dass er in Richtung Mikrowellenleiter zurückgeworfen wurde und seinen
Bestimmungsort nicht erreichte. Die Aufgabe der Erfindung besteht
darin, diesen Nachteil zu beseitigen und die Gesamtheit der Mikrowelle
an der Erhitzung des Konvergenzbrennpunkts zu beteiligen.
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Das
Dokument
EP 0 967 841
A beschreibt einen Mikrowellenapplikator, bei dem ein Konus
eine Diffusion der Wellen in einem zu erhitzenden Volumen gewährleistet.
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Der
Applikator der Erfindung ist von einer Art, die eine Symmetrieebene
aufweist und eine Hülle
mit einer reflektierenden Innenseite und einem hinteren Teil, in
dem der Wellenleiter mündet,
und einer entgegengesetzten Öffnung
umfasst, sowie einen zentralen Reflektor umfasst, der in der Hülle angeordnet
ist und eine Fläche
aufweist, die auf den Mikrowellenleiter ausgerichtet und so geformt
ist, dass die Mikrowellen durch diese besagte Fläche des Reflektors und dann
durch die Innenseite der Hülle
reflektiert werden, wobei sie im Wesentlichen in Richtung eines Brennpunkts
konvergieren, der sich vor der Öffnung der
Hülle befindet.
Dabei ist dieser Applikator dadurch gekennzeichnet, dass die genannte
Fläche des
zentralen Reflektors – auf
den Seiten der Symmetrieebene des Applikators – eine erste, zentrale Facette
und eine zweite, laterale Facette umfasst, und die Innenseite der
Hülle auf
jeder Seite der Symmetrieachse des Applikators eine erste, zentrale
Facette, eine zweite Facette und eine dritte Facette umfasst, wobei
die Facetten so ausgebildet sind, dass ein erster Teil der Mikrowellen
den Brennpunkt erreicht, nachdem er durch die zweite Facette des
zentralen Reflektors und dann die zweite Facette der Hülle reflektiert
worden ist, und ein zweiter Teil der Mikrowellen den Brennpunkt
erreicht, nachdem er durch die erste Facette des zentralen Reflektors,
die erste Facette der Hülle
und dann die dritte Facette der Hülle reflektiert worden ist.
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Das
neuartigste Element der Erfindung besteht also darin, dass der zentrale
Teil der Strahlung eine dreifache Reflexion in der Hülle durchläuft, bevor
er in dem Brennpunkt eintrifft.
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Es
können
einige spezielle Formen der Facette vorgeschlagen werden: die zweite
Facette des zentralen Reflektors kann gekrümmt und konvex sein und die
zweite Facette der Hülle
elliptisch; oder die erste Facette des zentralen Reflektors ist
plan, die erste Facette der Hülle
ist kreisförmig
und konkav und die dritte Facette der Hülle ist plan.
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Weitere
Merkmale, Aspekte und Vorteile der Erfindung werden nun mit Hilfe
der folgenden Figuren beschrieben:
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die 1 ist eine Ansicht des Applikators;
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die 2 ist eine Ansicht einer
Perfektionierung des Applikators;
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die 3 ist ein Profilquerschnitt
des Applikators; und
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die 4 ist ein komplettes Diagramm
der Reflexion der Mikrowellen.
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In
den 1, 2 und 3 sieht
man, dass der Applikator einen Mikrowellenleiter 1 und
eine Mündungsvorrichtung 2 umfasst,
die gebildet wird durch eine Hülle 3 und
einen zentralen Reflektor 4, der mit Befestigungsmitteln 5 in
die Hülle
montiert ist. Der Mikrowellenleiter 1 mündet in einer Öffnung 6,
vorgesehen im hinteren Teil der Hülle 3, die auf ihrer
entgegengesetzten Seite auch noch eine sehr viel größere Hauptöffnung 7 aufweist.
Diese Hauptöffnung 7 wird bei
der üblichen
Benutzung vor einem Material platziert, zum Beispiel vor einer Betonwand 8,
in der man Hitze erzeugen möchte.
Die Mikrowellen, die aus dem Leiter 1 stammen, verlassen
diesen, indem sie sich unter einem ziemlich großen Öffnungswinkel, der 30° betragen
kann, beiderseits einer Symmetrieebene 9 des Applikators
zerstreuen.
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Die
Innenfläche
der Hülle 3 reflektiert
die Mikrowellen ebenso wie eine auf den Mikrowellenleiter 1 ausgerichtete
Fläche
des zentralen Reflektors 4. Diese letztere Fläche umfasst – beiderseits
der Ebene 9 – zwei
Facetten: eine erste Facette 10, zentral und schräg, welche
die Ebene 9 berührt,
und eine zweite, seitliche Facette 11, ebenfalls schräg, die bis zum
Rand des zentralen Reflektors 4 reicht. Die Innenfläche der
Hülle 3 umfasst
drei Facetten: eine erste Facette 12, dem Wellenleiter 1 benachbart,
eine zweite, die vorhergehende verlängernde Facette 13 und
eine dritte Facette 14, welche die vorhergehende verlängert und
bis zum Rand der Hauptöffnung 7 reicht.
Die Strahlung nahe der Ebene 9, welche die erste Facette 10 des
zentralen Reflektors 4 erreicht, wird zunächst auf
die erste Facette 12 der Hülle 3 reflektiert
und dann auf die dritte Facette 14, ehe sie annähernd einen
Konvergenzpunkt 16 vor der Öffnung 2 erreicht.
Die stärker
geneigte Strahlung, die auf der zweiten Facette 11 des
zentralen Reflektors 4 eintrifft, erreicht den Punkt 16 nach
einer einzigen Reflexion auf der zweiten Facette 13 der
Hülle 3.
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Diese
zweite Facette 13 der Hülle 3 kann
die elliptische Form behalten, die kennzeichnend ist für den bekannten
Applikator; die zweite Facette 11 des zentralen Reflektors 4 kann
verschiedene Formen annehmen, man hat aber festgestellt, dass die
planen Facetten oft nicht befriedigten, da man, um jede Strahlung
des Leiters 1 aufzufangen, ihnen eine ziemlich große Breite
verleihen muss, ohne jedoch den Teil der schon reflektierten Strahlung
aufzufangen, der den Raum zwischen den Facetten 12 und 14 der
Hülle 3 durchquert.
Aus diesem Grund wird eine gekrümmte
und konvexe Form vorgeschlagen, die sich, indem sie sich dem Rand
des Reflektors 4 nähert,
immer stärker
in Richtung Punkt 16 neigt.
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Hingegen
kann die erste Facette 10 des zentralen Reflektors 4 vollkommen
plan nein, ebenso wie die Facette 14 der Hülle 3,
auf der der entsprechende Teil der Strahlung reflektiert wird. Das
ist hier die dritte Facette 14, die man plan vorgesehen
hat, während die
erste Facette 12 der Hülle 3 konkav
ist, kreisbogenförmig
gekrümmt,
um die Strahlung konvergent zu machen. Aus diesem Grund muss die
Konkavität der
Facette 13 der Hülle 3 größer sein
als die Konvexität
der zweiten Facette 11 des zentralen Reflektors 4.
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Festzustellen
ist, dass die Hülle 3 sowie
der Reflektor 4 in Bezug auf die Ebene 9 symmetrisch sind.
Die Facetten 12, 13 und 14 der Hülle 3 können aneinandergefügt sein
oder nicht. Die durchgeführten
Simulationen haben gezeigt, dass fast die gesamte Strahlung in der
Nähe des
Konvergenzpunkts 16 eintraf. In der 3 ist ein komplettes Strahlungsfokussierungsbeispiel
dargestellt.
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Die 1 zeigt einige andere Aspekte
der Erfindung. Insbesondere sieht man, dass die Mündungsvorrichtung 2 sich
mit konstantem Querschnitt in der Tiefenrichtung erstreckt, so dass
der Fokussierungspunkt 16 in Wirklichkeit eine Linie ist,
deren Verschiebung in einer senkrechten Richtung, verursacht durch
eine Bewegung des Applikators, einen Streifen 17 des Betons 8 bestreicht.
Die Hülle 3 ist
seitlich abgeschlossen durch Wände 18,
von denen eine mit einem Ausbruch dargestellt ist.
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Der
Wellenleiter 1 kann einen Impedanzadapter 19 umfassen,
in Form eines Teilstücks 20 des Wellenleiters,
das parallele Löcher 21 aufweist,
die Stöpsel
oder Stubs 22 aufnehmen können, welche die Öffnung teilweise
obstruieren und deren kapazitive oder induktive Impedanz den reaktiven
Teil der Last (das heißt
den Beton, wo die Wellen fokussieren) kompensiert. Es können sich
auch andere Schirme eignen.
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Eine
vorteilhafte Variante besteht darin, seitlich – in der Nähe der Hauptöffnung 7 – eine Schürze J aus
einem Material mit niedriger Permittivität und sehr kleinen Verlusten
anzuordnen, an dem Applikator um die Öffnung 7 herum befestigt,
um zwischen dem Applikator und dem Objekt, auf das die Mikrowellen
fokussiert sind, einen Raum abzugrenzen, in dem die Entkrustungsabfälle zurückgehalten
werden.
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Eine
Perfektionierung dieser Schürze
besteht darin, sie mit einer seitlichen Öffnung M zu versehen, zum Absaugen
des Schutts und eventuell Wasserdampfs mit Hilfe von nicht dargestellten,
dem Fachmann bekannten Absaugeinrichtungen.
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Eine
weitere vorteilhafte Variante, zusammen mit den vorhergehenden anwendbar,
besteht darin, ein Loch oder mehrere Löcher 21 mit einem Rohr 23 einer
Gasquelle 24 zu verbinden, mit dem Zweck, in der Mündungsvorrichtung 2 einen
positiven Druck zu erzeugen, um die Betonsplitter und den Staub,
die in sie eindringen könnten,
mit Hilfe einer Strömung
in Richtung der Öffnung 7 aus
ihr zu entfernen bzw. von ihr fernzuhalten. Es ist auch vorteilhaft, wenn
der zentrale Reflektor 4 die Öffnung des Wellenleiters 1 ganz
abdeckt, um ihn vor Splittern zu schützen.
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Eine
andere Perfektionierung, welche die vorhergehenden ergänzen kann,
ist die Benutzung eines Deckels 25, der die Mikrowellen
durchlässt,
dabei aber den Wellenleiter 1 verschließt, um das Eindringen von Betonsplittern
zu verhindern. Er kann aus Teflon oder einem anderen dielektrischen
Material sein (Quarz, Mica usw.).
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Die 2 zeigt den mit einer Schürze J ausgestatteten
Applikator, die aus einem Material mit niedriger Permittivität und sehr
kleinen Verlusten ist und die an dem Applikator um dessen Öffnung 7 herum
befestigt und mit einer seitlichen Absaugöffnung M versehen ist. Der
durch die Schüre
J zurückgehaltene
Entkrustungsschutt kann dann mit Hilfe einer nicht dargestellten,
weil bekannten Absaugeinrichtung entleert werden.
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Nach
einer weiteren Perfektionierung, ebenfalls dargestellt in der 2, umfasst der mit einer Schürze mit
der Absaugöffnung
M ausgestattete Applikator auch Abstandseinrichtungen, die dazu
dienen, den Abstand H zwischen dem Applikator und dem Objekt, auf
das die Mikrowellen fokussiert sind, trotz der Absaugung in etwa
konstant zu halten.
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Diese
Abstandseinrichtungen können
zum Beispiel durch auf die Schürze
J montierte Rollen oder Kugeln gebildet werden.
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Die
Einspeisung von Gas, im Allgemeinen Luft, durch das Rohr 23 und
ein oder mehrere Löcher 21,
kann verknüpft
werden mit der Absaugung durch das oder die seitlichen Löcher M.
Diese beiden Funktionalitäten,
ursprünglich
zur Reinigung von den Abfällen
bestimmt, haben außerdem
eine günstige
Wirkung auf den Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Indem sie
zur Kühlung
der Betonoberfläche beitragen,
erhöhen
sie den Wärmegradienten
und begünstigen
so das Splittern des Material. Noch allgemeiner wird die Erfindung
nach einem der Ansprüche
1 bis 11 durch das Hinzufügen
von Kühleinrichtungen
der zu entkrustenden Oberfläche
noch deutlich verbessert. Bei unserer bevorzugten Realisierung wird
diese Kühlung
durch das Zusammenwirken von Einblasen und Absaugen erzielt.
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Schließlich ist
noch festzustellen, dass die Absorption der Wärme durch den Beton um so besser
ist, je kleiner die Reflexionen auf seiner Oberfläche sind.
Der Brewster-Winkel, bei dem die Reflexion der Mikrowellen null
ist, beträgt
im Falle von Beton ungefähr
68° (gemessen
zwischen dem Einfallwinkel der Wellen und der Normalen zur Betonoberfläche). Es
ist daher günstig,
wenn ein großer
Teil der Strahlung dieser Bedingung entspricht. Da der entsprechende
Einfallwinkel eher ein Streifwinkel ist, ist man veranlasst, den
Facetten 12, 13 und 14 der Hülle 3 aufeinanderfolgende
Richtungsänderungen
zu verleihen, um der Öffnung 7 der
Hülle 3 in
Bezug auf die elliptischen Profile des früheren Patents eine sich mehr
verjüngende
Form (forme plus étricié) zu verleihen.
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Die
Erfindung eignet sich auch für
andere, zum Beispiel industrielle oder medizinische Anwendungen,
wo Mikrowellen in eine Zone mit kleinen Abmessungen fokussiert werden
müssen,
die sich mit geringem Abstand vor einem Applikator befindet. Zu diesem
Zweck sei daran erinnert, dass nach allgemein anerkannter Bezeichnung
die Mikrowellen dem Bereich zwischen 300 MHz und 300 GHz entsprechen.
Man verlässt
also den Rahmen der Erfindung nicht, wenn man diese Frequenz in
dem obigen Bereich variiert. Man verlässt den Rahmen der Erfindung
auch dann nicht, wenn man die Abmessungen des Applikators anpasst,
so dass die Wellen in das neue Material eindringen, in dem man die
Mikrowellen entsprechend dem Brewster-Winkel dieses Materials fokussieren
möchte.