DE69402699T2

DE69402699T2 - Verfahren und anlage zur herstellung von festen giesslingen aus einem im wesentlichen reaktiven medium und ofen zur erwärmung eines im wesentlichen flüssigen mediums

Info

Publication number: DE69402699T2
Application number: DE69402699T
Authority: DE
Inventors: Horst Linn; Mohamad Mallah; Niklaus Saner; Peter Voirol
Original assignee: Ciba Geigy AG
Current assignee: Huntsman Advanced Materials Switzerland GmbH
Priority date: 1993-05-05
Filing date: 1994-04-25
Publication date: 1997-08-21
Anticipated expiration: 2014-04-26
Also published as: CN1066604C; FI955237A0; KR100299724B1; BR9406368A; AU681881B2; AU6570094A; NO954431D0; FI955237A; DK0697164T3; SG47849A1; NO954431L; ATE151942T1; NZ265292A; PL311206A1; US5847376A; CN1122643A; NO309840B1; US5703343A; HK1002249A1; PL175214B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung von festen Gießlingen aus einem im wesentlichen flüssigen reaktiven Medium und einen Ofen zur Erwärmung eines im wesentlichen flüssigen Mediums gemäß dem jeweiligen unabhängigen Patentanspruch.
Die Herstellung von festen Gießlingen wird heutzutage sehr vielfältig eingesetzt. Insbesondere werden auch solche Gießlinge hergestellt, die als Bestandteil des Gießlings ein Bauteil oder einen anderen Körper umfassen, der im Gießling eingegossen worden ist. Ein sehr gängiges Gebiet, wo derartig verfahren wird, ist das Gebiet der Bauteile aus der Elektrotechnik, wo Bauteile oder Körper z.B. zum Schutz vor Umwelteinflüssen oder zu Isolationszwecken vergossen werden.
Derartige Verfahren zur Herstellung von festen Gießlingen aus reaktiven flüssigen Medien als Gießmasse sind beispielsweise aus der DE-A-20 28 873 bekannt. Als Gießmasse wird bei dem dort beschriebenen Verfahren eine hochreaktive Epoxidharzmasse verwendet. Diese hochreaktive Epoxidharzmasse zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß beim Überschreiten ihrer Geliertemperatur eine Reaktion abläuft, bei der Wärmeenergie frei wird, wobei die bei der Reaktion freiwerdende Wärmeenergie dafür sorgt, daß die Reaktion - einmal ausgelöst - dann quasi von alleine abläuft und die Gießmasse fest wird. Die Gießmasse wird zur Herstellung des Gießlings in eine Gießform eingebracht, deren Innenwand auf eine Temperatur aufgeheizt ist, die oberhalb der Geliertemperatur der Gießmasse liegt. Dabei wird die Gießmasse vom Boden her in die Form eingefüllt. Die Gießmasse wird bei diesem Vorgang bei einer Temperatur bereitgestellt, die deutlich unterhalb der Geliertemperatur liegt, damit in keinem Fall die Reaktion einsetzt, bevor die Gießmasse in die Form eingefüllt worden ist.
Dieses Verfahren ist an sich sehr bewährt, jedoch bestehen noch gewisse Verbesserungsmöglichkeiten. So ist zum Beispiel die Dauer eines Zyklus, also der Zeitraum, während dem die Form zur Herstellung eines einzigen Gießlings belegt ist, vergleichsweise lang, da die Temperatur der Gießmasse beim Einfüllen in die Form deutlich unterhalb der Geliertemperatur liegt und die Gießmasse zumindest auf die Geliertemperatur, bei der dann die Reaktion einsetzt, erwärmt werden muß. Dies hat eine noch verbesserungswürdige Auslastung der Formen zur Folge. Auf der anderen Seite muß aber auch beachtet werden, daß die Gießlinge keine Lunker bzw. Blasen oder Risse aufweisen sollen. Risse im Gießling können insbesondere dann auftreten, wenn entweder die Reaktivität der Gießmasse stark erhöht wird, so daß die Energiespitze bei der Reaktion des Epoxidharzes zu groß wird, bzw. sie können auch dann auftreten, wenn die Innenwand der Form auf eine Temperatur erwärmt ist, die zu hoch oberhalb der Geliertemperatur des Epoxidharzes liegt. Im Gießling können als Folge zu hohe thermische Spannungen entstehen, was zur Bildung von Rissen führen kann.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, die Dauer eines Zyklus, also den Zeitraum, während dem die Form zur Herstellung eines einzigen Gießlings belegt ist, zu verkürzen und dabei Gießlinge herzustellen, die frei von Lunkern und Rissen sind.
Verfahrensmäßig wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gießmasse auf eine Temperatur nahe bei der Geliertemperatur, aber unterhalb dieser unmittelbar vor dem Eintreten in die Gießform, deren Innenwand auf eine Temperatur oberhalb der Geliertemperatur der Gießmasse erwärmt ist, wesentlich vorgeheizt wird. Durch diese Maßnahme, nämlich die Gießmasse erst ummittelbar vor dem Eintritt in die Form auf eine Temperatur nahe bei der Geliertemperatur, aber unterhalb dieser wesentlich zu erwärmen, wird verhindert, daß die Reaktion der Gießmasse schon starten kann, bevor die Gießmasse in die Form eingefüllt ist, so daß sie immer noch in einem für die Zuführung in die Gießform geeigneten Zustand ist. In der Form muß die Gießmasse daher nicht bei der sonst üblichen tieferen Temperatur beginnend erwärmt werden. Dadurch wird die Zeitdauer, bis die Gießmasse in der Form auf die Geliertemperatur aufgeheizt ist und die Reaktion der Gießmasse einsetzt, erheblich verkürzt. Als Folge verkürzt sich die Dauer eines Zyklus erheblich. Gleichzeitig können auf diese Weise Gießlinge hergestellt werden, die frei von Lunkern bzw. Blasen und Rissen sind.
In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Gießmasse ein Gemisch aus Hexahydrophthalsäurediglycidylester, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Benzyldimethylamin und einem silanisierten Quarzmehl verwendet, und zwar in einem Verhältnis von etwa 100 Gewichtsteilen Hexahydrophthalsäurediglycidylester:etwa 90 Gewichtsteilen Hexahydrophthalsäureanhydrid:etwa 0,5 Gewichtsteilen Benzyldimethylamin:etwa 285 Gewichtsteilen silanisiertem Quarzmehl. Die Temperatur der Gießmasse im Vorratsbehälter beträgt dabei etwa 30 ºC - 60 ºC, vorzugsweise etwa 40 ºC - 50 ºC. Sie wird beim Vorheizen unmittelbar vor dem Einfüllen in die Form auf eine Temperatur von etwa 90 ºC - 110 ºC erwärmt, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 95 ºC - 100 ºC. Die so vorgeheizte Gießmasse wird dann der Gießform zugeführt, deren Temperatur etwa 130 ºC - 150 ºC beträgt, vorzugsweise etwa 140 ºC - 145 ºC. Bei Verwendung dieser Gießmasse und bei Anwendung dieser Temperaturen können qualitativ besonders gute Gießlinge hergestellt werden.
Die zur Lösung der Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagene Anlage umfaßt einen Vorratsbehälter zur Bereitstellung des im wesentlichen flüssigen reaktiven Mediums. In diesem Vorratsbehälter liegt die Temperatur des Mediums, also der Gießmasse, unterhalb der Geliertemperatur. Die Anlage umfaßt ferner eine Zuführeinrichtung zur Zuführung des Mediums in eine Gießform. Die Gießform ist dabei auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb der Geliertemperatur der Gießmasse liegt. Der Gießform ist nun ein Ofen unmittelbar vorgeschaltet, durch welchen die Gießmasse strömt und auf diese Weise vorgeheizt wird. In der Form muß die Gießmasse daher nicht bei der sonst üblichen tieferen Temperatur beginnend erwärmt werden. Dadurch wird die Zeitdauer, bis die Gießmasse in der Form auf die Geliertemperatur aufgeheizt ist und der Reaktion der Gießmasse einsetzt, erheblich verkürzt. Auf der anderen Seite wird durch die Maßnahme, den Ofen unmittelbar vor die Gießform zu schalten und somit die Gießmasse kurz vor dem Eintritt in die Form wesentlich zu erwärmen, verhindert, daß die Reaktion der Gießmasse schon starten kann, bevor die Gießmasse in die Form eingefüllt ist. Es kann somit die Dauer eines Zyklus, also der Zeitraum, während dem die Form zur Herstellung eines einzigen Gießlings belegt ist, erheblich verringert werden. Dabei können auf diese Weise Gießlinge hergestellt werden, die frei von Lunkern bzw. Blasen und Rissen sind, also keinerlei Qualitätseinbußen aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage ist zwischen dem Vorratsbehälter und dem Ofen noch ein separater Drucktopf geschaltet, aus dem die Gießmasse entnommen und durch den Ofen hindurch der Gießform zugeführt wird. Ein solcher Drucktopf ist vorteilhaft insbesondere im Hinblick darauf, daß dort die Gießmasse, so wie sie war, quasi für den Gießvorgang bereit aufbewahrt werden kann. Je nach Art der verwendeten Gießmasse (z.B. bei Epoxidharzen) werden diese nämlich in einem großen Vorratsbehälter, der mit einem Rührwerk versehen ist, als allererstes einem Entgasungsvorgang durch Umrühren unterzogen, bevor sie für den Gießvorgang bereit sind.
In einer Weiterbildung des gerade beschriebenen Ausführungsbeispiels ist der Drucktopf auf einer Waage angeordnet. Das Gewicht des befüllten Drucktopfes wird durch Wägen festgestellt, und die Waage wird dann z.B. auf den Wert Null zurückgesetzt, bevor die Form befüllt wird. Dieses Rücksetzen der Waage auf den Wert Null muß allerdings nicht unbedingt erfolgen. Wird nun aus dem Drucktopf eine Menge entnommen, die in die Form eingefüllt werden soll, so gibt diese Waage dann, wenn die gewünschte Menge an Gießmasse aus dem Drucktopf entnommen worden ist, ein Signal an eine Steuerung ab. Daraufhin wird der Druck, unter dem die Gießmasse zur Gießform geführt wird, erhöht.
Die erfindungsgemaße Anlage ist ein wesentliches Anwendungsgebiet für den erfindungsgemäßen Ofen, der der Gießform unmittelbar vorgeschaltet ist. Eine große Vielfalt von Öfen zum Erhitzen verschiedener Materialien sind im Stand. der Technik bekannt, zum Beispiel aus EP-A-0 252 542, aus FR-A-2,614,490, aus US-A- 3,535,482 und ebenso aus EP-A-0 136 453.
US-A-3,535,482 handelt von einem Apparat zum schnellen Erhitzen von Fluiden, bei denen ein Mikrowellen-Wärmeaustauscher zum Erhitzen der Fluide verwendet wird. EP-A-0 136453 handelt von einem Mikrowellenofen zum Erhitzen von Objekten bzw. Gegenständen. Dieser Ofen weist zwei Mikrowellenradiatoren auf, die elektromagnetische Felder erzeugen, die sich derartig überlagern, daß sich das Maximum der überlagerten elektromagnetischen Felder sich in dem Gegenstand bzw. Objekt befindet. EP-A-0 252 542 und FR-A-2,614,490 offenbaren beide einen Mikrowellenofen mit Magnetrons, die entlang dem Kanal angeordnet sind, durch den das zu erhitzende Material fließt. Die durch Magnetrons erzeugten Mikrowellen werden zu dem Kanal mittels Wellenleiter geleitet und in den Kanal eingekoppelt, wo sie durch das zu erhitzende Material absorbiert werden.
Der erfindungsgemäße Ofen ist so ausgebildet, daß durch einen Einlaß das zu erwärmende Medium, insbesondere eine reaktive Gießmasse, in einen Kanal gelangt. Durch diesen Kanal hindurch durchströmt das Medium den Ofen. Beim Durchströmen des Kanals wird das Medium mittels elektromagnetischer Strahlung erwärmt. Dies geschieht mittels mehrerer separater Erwärmungseinheiten, die entlang des Kanals angeordnet sind. Jede Erwärmungseinheit umfaßt einen elektromagnetischen Strahler mit einem Wellenleiter, welcher die elektromagnetische Strahlung zum Kanal führt, durch den das zu erwärmende Medium strömt, und welcher die Strahlung in diesen Kanal einkoppelt. Die Erwärmungsemheiten sind im wesentlichen voneinander mittels einer Blende bzw. eines Diaphragmas entkoppelt, die bzw. das in dem Kanal angeordnet ist und die bzw. das zwischen zwei benachbarten Erwärmungseinheiten oder Radiatoren im wesentlichen rechtwinkelig zum Fluß angeordnet ist. Die Entkoppelung der einzelnen Strahier voneinander gewährleistet ein besseres Arbeitsgebiet der einzelnen Strahler und damit eine gute Erwärmung des durchströmenden Mediums. Die Röhre, durch die das Medium fließt, wird durch eine Passage in der Entkopplungsblende bzw. in dem Entkopplungsdiaphragma hindurchgeführt, wodurch die Blende bzw. das Diaphragma ebenso eine Unterstutzung für die Röhre bildet.
Bei einem vorteilhaften Beispiel des Ofens sind die Wellenleiter der einzelnen Radiatoren entlang des Kanals so angeordnet, daß sie die Strahlung in den Kanal transversal zu der Fließrichtung des zu erhitzenden Mediums koppelt.
Ein Strahler des Ofens kann so realisiert sein, daß er einen Hochfrequenzgenerator (HF-Generator) und einen daran anschließenden in den Kanal mündenden Wellenleiter umfaßt. Dieser Wellenleiter führt die vom HF-Generator erzeugte Strahlung zum Kanal und koppelt sie in diesen ein. Der Querschnitt des Wellenleiters ist dabei vorzugsweise rechteckförmig. Dies ist wichtig im Hinblick auf die Anregung der für den vorgesehenen Erwärmungsprozeß erforderlichen und ausbreitungsfahign Moden, die eine gleichmäßig gute Erwärmung des Mediums, das durch den Kanal strömt, bewirken.
Wie oben erwähnt wurde, ist im Kanal, dessen geometrische Form und Abmessungen im Hinblick auf eine erforderliche Minimierung des Raumbedarfs und hinsichtlich der zu erwärmenden Gießmasse bestimmt werden können, ein separates Rohr angeordnet, durch welches das zu erwärmende Medium strömt. Die Minimierung des Raumbedarfs ermöglicht dabei eine möglicherweise gewünschte Integration in andere Maschinen, Anlagen oder Maschinen- bzw. Anlagenteile. Das Rohr ist durch einen Durchtritt in der Entkopplungsblende hindurch geführt und besteht vorzugsweise aus einem Material, dessen dielektrische Verluste im Arbeitswellenlängenbereich vernachlässigbar sind. Die Entkopplungsblende wirkt hier zusätzlich noch als Stütze für das Rohr.
Die Blende kann in der Form eines Trichters auf ihren Durchtritt für das Rohr zulaufend ausgebildet sein, wobei in der Längsschnittebene betrachtet die Mantellinle des Trichters in der Ebene eines Längsschnittes betrachtet einer Exponentialfünktion mit negativen Exponenten folgt. Insbesondere kann dabei die Exponentialfünktion, der die Mantellime bzw. die Erzeugende des Trichters der Blende in Längsrichtung folgt, durch
a(z) = a&sub1; x exp -(3,13 x 10-φ x k x z x (1-fc/f)²)
beschrieben sein, wobei z die Koordinate auf der Längsachse des Kanals beschreibt, a(z) den Abstand des jeweiligen Punktes der Mantellinle des Trichters von der Längsachse des Kanals, a&sub1; den Abstand von der Längsachse des Kanals am Beginn des Trichters, also bei z=0, k die Wellenzahl, φ die Dämpfüng in dB der rücklaufenden Komponente der Welle gegenüber der hinlaufenden Komponente, fc die minimal mögliche Frequenz, also die untere Grenzfrequenz, und f die tatsächliche Frequenz der Welle beschreibt. Mit derartigen Blenden ist es möglich, auch bei kleinen Blendenlängen in Richtung der Längsachse trotzdem einen guten Dämpfüngseffekt (Blendelänge in Richtung der Längsachse ≤ 20 mm) zu erreichen.
Bevorzugterweise ist zwischen zwei benachbarten Erwärmungseinheiten stets eine Entkopplungsblende angeordnet, damit eine Entkopplung der einzelnen Einheiten, insbesondere der Generatoren dieser Einheiten, sichergestellt ist und somit ein stabiler Betrieb der Generatoren gewährleistet ist.
Wie bereits erwähnt, können die Strahler einen HF-Generator mit einem daran anschließenden Wellenleiter als Strahlungsleiter umfassen, der die vom HF-Generator erzeugte Strahlung zum Kanal führt und in diesen einkoppelt. Benachbarte Strahler sollen dabei vorzugsweise voneinander entkoppelt sein. Zu diesem Zweck können diese Strahler entlang des Kanals so angeordnet sein, daß die Einkopplung der hochfrequenten Strahlung in den Kanal bei jeweils unterschiedlicher Polarisationsrichtung erfolgt. Dies kann beispielsweise durch eine Versetzung benachbarter Strahler um einen bestimmten Winkel gegeneinander erreicht werden, vorzugsweise um einen Winkel von etwa 90º und/oder Verwendung von geeigneten Polarisationsfiltern zwischen den einzelnen Strahlern. Ferner vermindert die jeweilige Versetzung, vorzugsweise um einen Winkel von etwa 90º, lokal ungünstige Überlagerung der Feldkomponenten des erzeugten elektromagnetischen Feldes, wodurch eine homogenere Temperaturverteilung in dem räumlichen Bereich erreicht werden kann, in dem die hochfrequente Strahlung wirkt.
Es ist denkbar, die HF-Generatoren direkt, also ohne Wellenleiter, am Kanal entlang anzuordnen. Damit die HF-Generatoren sich gegenseitig nicht stören, ist eine Entkopplung der HF-Generatoren z.B. durch ihre Versetzung gegeneinander und/oder Verwendung von Polarisationsfiltern zwischen ihnen möglich.
Ein weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Ofens betrifft die Möglichkeit, daß das zu erwärmende Medium mehrfach durch den Ofen geführt und der erwärmenden elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist. Dadurch wird der Innenraum des Ofens, insbesondere der Kanal, und auch die in den Kanal eingespeiste Strahlung besser ausgenutzt.
Insbesondere ist im Kanal ein hinführendes und ein zuräckführendes Rohr vorgesehen, wobei das zu erwärmende Medium zunächst durch das hinführende und anschließend durch das zurückführende Rohr strömt. Die Längsachsen der beiden Rohre sind in einem Abstand von der Längsachse des Kanals angeordnet, der so gewählt ist, daß die elektrische Feldkomponente der Strahlung auf der Längsachse der beiden Rohre ein Maximum aufweist. Auf diese Weise wird die in den Kanal eingekoppelte Strahlung zweimal genutzt. Dies erleichtert auch die Steuerung bzw. Regelung der Leistung der Magnetrons. Wird z.B. die Temperatur des Harzes am Ausgang des zurückführenden Rohres gemessen und festgestellt, daß sie zu hoch oder zu niedrig ist, so muß die Leistung der Magnetrons nur um einen kleineren Betrag geregelt werden als wenn sie nur einmal genutzt würde, was eine schnellere Leistungsregelung ermöglicht. Zusätzlich wird auf diese Weise die Homogenität der Temperaturverteilung in der Gießmasse erhöht.
Ein weiterer Erfindungsaspekt betrifft die Möglichkeit, daß der Ofen modular aufgebaut ist und jedes einzelne Modul einen elektromagnetischen Strahler mit einem Wellenleiter umfaßt, der in ein Kanalstück mündet, welches beidseitig durch Abschlußwände begrenzt ist und somit einen Resonanzraum definiert. In den Resonanzraum wird die elektromagnetische Strahlung eingekoppelt. Durch den Resonanzraum ist mittels Durchtritten in den Abschlußwänden mindestens ein separates Rohr geführt, in welchem das zu erwärmende Medium strömt. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn größere Mengen einer Gießmasse in kurzer Zeit erwärmt werden müssen, folglich also mehr Energie in Form von Mikrowellenstrahlung zugeführt werden muß, da auch eine größere Menge Gießmasse erwärmt werden muß. Diese Modulbauweise ist sehr vorteilhaft, da die einzelnen Module einfach zusammenbaubar sind und somit auch noch leistungsstärkere Öfen mit den gleichen Modulen gebaut werden können durch einfache Hintereinanderschaltung mehrerer einzelner Module.
Das Kanalstück eines solchen Moduls ist beispielsweise hohlzylindrisch ausgebildet und weist einen Innendurchmesser auf, der etwa zu n x λg/1,236 gewählt ist, wobei n eine natürliche Zahl und λg die Wellenlänge der Strahlung im Wellenleiter bezeichnet. Ferner weist das Kanalstück eine Länge auf, die kleiner als die halbe Wellenlänge ist und etwa im Bereich des halben Innendurclimessers des Kanalstücks gewählt ist, wobei diese Länge um eine von der Frequenz der Strahlung und von dem durch das Rohr strömenden Medium abhängige Konstante schwanken kann. Diese Konstante A ist umgekehrt proportional zu der verwendeten Frequenz und zur Dielektrizitätskonstante der Gießmasse. Die Wahl der Länge des Kanalstücks erfolgt so, daß die elektrische Feldkomponente der Strahlung am Durchtritt durch die Abschlußwand ein Minimum aufweist. Im Prinzip kann dann auf gesonderte Entkopplungsmaßnahmen verzichtet werden, nichtsdestotrotz müssen natürlich die Abschlußwände zwischen den einzelnen Einheiten vorgesehen sein, um den Resonanzraum für die sich darin ausbreitende Welle zu defmieren. Die Abschlußwand braucht aber nicht einen Trichter bzw. Konus mit exponentiellem Verlauf aufzuweisen.
Der Abstand der Längsachsen des hinführenden und des zurückführenden Rohrs voneinder kann insbesondere etwa den halben Innendurchmesser des Kanalstücks betragen für Rohrdurchmesser im Bereich von einem Viertel des Innendurchinessers des Kanalstücks bis zur Hälfte des Innendurchmessers des Kanalstücks. Der Abstand der Längsachsen des hinführenden und des zurückführenden Rohrs voneinander für Rohrdurchruesser im Bereich kleiner als ein Viertel des Innendurchmessers des Kanals kann etwa der Hälfte des Innendurchmessers des Kanals betragen plus einem Betrag, der sich durch Multiplikation eines Faktors mit dem Rohrdurchmesser ergibt, wobei dieser Faktor in einem Bereich von 0,5 bis 1,2 liegt.
Ein weiterer Aspekt des erfindungsgemäßen Ofens betrifft die Möglichkeit, daß das zu erwärmende Medium entlang einer schraubenförmigen Linie durch den Ofen geführt ist. Dadurch kann eine längere Wechselwirkung zwischen der Gießmasse und dem elektromagnetischen Feld erreicht werden, womit diese Maßnahme zur Erzielung eines höheren Wirkungsgrads des Ofens dient, da die Strecke, entlang der die Gießmasse im Ofen transportiert wird, länger ist.
Gemäß einem weiteren Erfindungsaspekt ist am Wellenleiter jeweils eine verstellbare Abstimmschraube vorgesehen, welche so verstellbar ist, daß sie für die zum Kanal hinlaufende Welle einen Leerlauf und für die vom Kanal rücklaufende Welle einen Kurzschluß darstellt. Die Abstimmschraube ist in einem Langloch verschiebbar, damit die Leistungsanpassung bei unterschiedlichen hochfrequenten Verhältnissen in der Übergangsebene vom Wellenleiter zum Kanal optimal erfolgen kann. Ferner ist sie auch in Richtung in den Wellenleiter hinein und aus ihm heraus verstellbar. Sie ist damit bei unterschiedlichen Frequenzen immer optimal einstellbar.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen, zumindest teilweise im Schnitt oder in schematischer Darstellung:
Figur 1 ein Ausfiihrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage in einer Übersicht,
Figur 2 einen Ausschnitt aus einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ofens,
Figur 3 den Trichter einer Variante der Entkopplungsblende,
Figur 4 eine Ansicht gemäß der Linie IV-IV der Figur 2,
Figur 5 eine Variante eines schraubenförmigen Verlaufs eines Rohrs, in welchem die Gießmasse durch den Ofen strömt,
Figur 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ofens,
Figur 7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII der Figur 6,
Figur 8 eine Erwärmungseinheit des Ausführungsbeispiels des Ofens nach Figur 6,
Figur 9 eine Abschlußwand der Erwärmungseinheit in Seitenansicht,
Figur 10 die Abschlußwand der Figur 9 in einer weiteren Seitenansicht, und
Figur 11 eine Variante des erfindungsgemäßen Ofens mit zwei Modulen mit jeweils drei Erwärmungseinheiten.
In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage erkennt man einen Vorratsbehälter in Form eines Entgasungsmischers 1, in welchem die Gießmasse durch Umrühren entgast wird. Der Auslaß des Entgasungsmischers 1 ist mit Hilfe eines Ventils V1 verschließbar. Über eine Zuführleitung, die mit einem Ventil V2 verschließbar ist, kann entgaste Gießmasse in einen Drucktopf 2 eingefüllt werden. Soll die Gießmasse aus dem Entgasungsmischer 1 nicht in den Drucktopf 2 gelangen, z.B. während einer Instandsetzung des Drucktopfes 2, so ist eine mittels eines Ventils V3 verschließbare Bypassleitung BP vorgesehen, durch die die Gießmasse aus dem Entgasungsmischer 1 dann strömen kann. Im Normalfall wird bei der Entnahme von Gießmasse aus dem Entgasungsmischer 1 diese jedoch in den Drucktopf 2 gefüllt.
Der Drucktopf 2 ist auf einer Waage 3 angeordnet. Aus dem Drucktopf 2 kann mit Hilfe des Drucks Gießmasse entnommen werden. Für den Fall, daß die Gießmasse durch die Bypassleitung BP strömt, übernimmt die Pumpe P1 die Funktion des Drucks in dem Zweig, in dem der Drucktopf angeordnet ist. Die aus dem Drucktopf 2 entnommene Gießmasse (bzw. die von der Pumpe P1 geförderte Gießmasse) durchströmt einen Mikrowellenofen 4 und gelangt sodann über eine Zuführleitung, die mittels eines Ventils V5 verschließbar ist, in die Gießform 5, deren Innenwand auf eine Temperatur aufgeheizt ist, die oberhalb der Geliertemperatur der Gießmasse liegt. Die Gießmasse wird dabei vom Boden her in die Form eingefüllt, wie dies in der eingangs bereits genannten DE-A-20 28 873 beschrieben ist. In der Gießform 5 wird der Gießling geformt und hergestellt.
Ferner umfaßt das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemaßen Anlage auch noch ein Ablaßventil V4, welches eine Abführleitung zu einem Auffangbehälter 6 verschließbar verbindet. Alle Ventile V1, V2, V3, V4 und V5, der Drucktopf 2, die Pumpe P1, sowie die Waage 3 sind mit einer Steuerung 7 verbunden, deren Wirkungsweise im Zusammenhang mit der Funktionsbeschreibung der Anlage im folgenden erläutert wird.
Bei der Inbetriebnahme bzw. beim Anfahren der Anlage ist zunächst nur der Entgasungsmischer 1 mit der Gießmasse, z.B. mit dem bereits weiter oben genannten Gemisch, gefüllt. Die Temperatur der Gießmasse im Vorratsbehälter beträgt dabei etwa 30 ºC - 60 ºC, vorzugsweise etwa 40 ºC - 50 ºC und liegt damit deutlich unterhalb der Geliertemperatur des Gemischs, das bei dieser Temperatur reaktionsträge ist. Die Steuerung 7 öffnet nach dem Entgasen der Gießmasse (des Gemischs) die Ventile V1 und V2, das Ventil V3 hingegen bleibt geschlossen. Somit gelangt die aus dem Entgasungsmischer 1 kommende Gießmasse in den Drucktopf 2 und dieser wird gefüllt. Nachdem der Drucktopf 2 gefüllt ist, werden die Ventile V1 und V2 wieder geschlossen. Im Drucktopf 2 befindet sich nun die für den Gießvorgang bereitete Gießmasse.
Die Steuerung 7 öffnet nun zunächst das Ventil V4, und es wird solange Gießmasse gefördert, bis die Leitungen und der Ofen 4 entlüftet sind, bis also Gießmasse in den Auffangbehälter 6 gelangt. Dann wird das Ventil V4 wieder geschlossen und das Ventil V5 geöffnet, bis Gießmasse aus dem Gießkopf strömt. Daraufhin wird das Ventil V5 ebenfalls wieder geschlossen und die Anlage ist vollständig entlüftet und somit einsatzbereit für den Gießvorgang.
Die Waage 3 wird wieder auf Null zurückgesetzt, die Formhälften 51 und 52 mit den Heizplatten 510 und 520 werden geschlossen. Nun wird das Ventil V5 geöffnet, so daß Gießmasse in die Gießform 5 eingefüllt werden kann. Die Temperatur der Gießform 5 liegt bei etwa 130 ºC - 150 ºC, vorzugsweise etwa bei 140 ºC - 145 ºC, also oberhalb der Geliertemperatur der Gießmasse. Die Waage, die das Gewicht des Drucktopfs 2 mit der darin befmdlichen Gießmasse überwacht, gibt dann, wenn dem Drucktopf 2 eine bestimmte einstellbare Menge an Gießmasse entnommen worden ist, ein Signal an die Steuerung 7 ab, welche den Druck, unter dem Gießmasse der Gießform 5 zugeführt wird, erhöht. Die einstellbare Menge an Gießmasse hängt dabei jeweils von der verwendeten Gießmasse und von Geometrie des zu erzeugenden Gießlings ab. Es gelangt dann bei erhöhtem Druck nur noch soviel Gießmasse in die Gießform 5, wie zum Ausgleich des Volumenschwunds bei der Reaktion des Gemischs in der Gießform 5 benötigt wird, um einen lunkerfreien bzw. blasenfreien Gießling zu erstellen. Der erhöhte Druck bleibt jedoch aufrechterhalten. Ist der Volumenschwund der Gießmasse in der Form ausgeglichen, so gelangt trotz des noch anliegenden Drucks keine Gießmasse mehr durch den Mikrowellenofen 4 hindurch in die Gießform.
Ist der Gießling soweit geformt und hergestellt, daß er der Gießform 5 entnommen werden kann, wird das Ventil V5 geschlossen und die Formhälften 51 und 52 wieder geöffnet. Anschließend wird die Form gereinigt, die Formhälften 51 und 52 werden wieder geschlossen und das Ventil V5 wird erneut geöffnet, so daß ein neuer Gießling auf die gleiche Art hergestellt werden kann.
In der Zeitspanne zwischen der Herstellung zweier Gießlinge bleiben die Leitungen, vom Drucktopf 2 beginnend durch den Mikrowellenofen 4 hindurch bis zum Gießkopf 50 hin, noch mit Gießmasse gefüllt. Wenn nun diese Zeitspanne eine bestimmte Dauer überschreitet, öffnet die Steuerung 7 das Ventil V4, damit die in den Leitungen befindliche reaktive Gießmasse in den Auffangbehälter 6 gelangen kann, da sonst die Reaktion der Gießmasse ablaufen kann und die fest gewordene Gießmasse die Leitungen insbesondere im Mikrowellenofen 4, verstopfen kann, wodurch anschließend der Betrieb der gesamten Anlage unterbrochen werden muß.
In dem bereits mehrfach erwähnten Mikrowellenofen 4, der der Gießform 5 unmittelbar vorgeschaltet ist, wird die Gießmasse mittels elektromagnetischer Strahlung (mittels der Mikrowellenstrahlung) auf eine Temperatur knapp unterhalb der Geliertemperatur der Gießmasse erwärmt, für das oben genannte Gemisch also beispielsweise auf eine Temperatur von etwa 90 ºC - 110 ºC, vorzugsweise auf etwa 95 ºC - 100 ºC, bevor sie der Gießform 5 zugeführt wird. Bei der erfmdungsgemäßen Anlage muß daher die in die Gießform eingeflillte Gießmasse nicht bei der sonst üblichen tieferen Temperatur von etwa 40 ºC - 50 ºC beginnend erwärmt werden. Dadurch wird die Zeitdauer, bis die Gießmasse in der Form auf die Geliertemperatur aufgeheizt ist und die Reaktion der Gießmasse einsetzt, erheblich verkärzt. Auf der anderen Seite wird durch die Maßnahme, den Mikrowellenofen unmittelbar vor die Gießform zu schalten und somit die Gießmasse vor dem Eintritt in die Form wesentlich zu erwärmen, verhindert, daß die Reaktion der Gießmasse schon starten kann, bevor die Gießmasse in die Form eingefüllt ist. Es kann somit die Dauer eines Zyklus, also der Zeitraum, während dem die Form zur Herstellung eines einzigen Gießlings belegt ist, erheblich verringert werden. Dabei können auf diese Weise Gießlinge hergestellt werden, die frei von Lunkem bzw. Blasen und Rissen sind, also keinerlei Qualitätseinbußen aufweisen.
Die erfindungsgemäße Anlage ist ein ganz wesentliches Anwendungsgebiet für den erfindungsgemäßen Mikrowellenofen 4, der der Gießform 5 unmittelbar vorgeschaltet ist. Ein Ausführungsbeispiel dieses Mikrowellenofens 4 soll im folgenden anhand der Figur 2 detaillierter erläutert werden. Während in Figur 1 der Kanal, durch den die Gießmasse im Ofen strömt, im wesentlichen U-förmig ausgebildet ist, um den Raumbedarf zu minimieren, soll anhand der Figur 2 ein anderes Ausführungsbeispiel des Ofens erläutert werden, bei dem der Kanal gerade ausgebildet ist.
Bei der Darstellung in Figur 2 ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit auf die Darstellung des Gehäuses des Ofens verzichtet worden. Vielmehr sind nur alle für das Verständnis notwendigen Teile dieses Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Ofens schematisch dargestellt. Man erkennt einen Kanal 40 mit einem Einlaß 41 und einem Auslaß 42 für die Gießmasse. Im Kanal 40 ist ein separates Rohr 43 angeordnet, durch welches die Gießmasse strömt. Zur Erwärmung der Gießmasse mittels Mikrowellen sind mehrere Erwärmungseinheiten 44 entlang des Kanals angeordnet. Eine Erwärmungseinheit 44 umfaßt hier jeweils zwei Mikrowellenstrahler 44a und 44b, die wiederum jeweils ein Magnetron 440 als HF-Generator umfassen, das die Mikrowellenstrahlung mit Hilfe seiner Antenne 441 in einen an das Magnetron 440 anschließenden Wellenleiter 442 einspeist, der die Strahlung zum Kanal 40 führt und in diesen mündet, so daß auf diese Weise die vom Magnetron 440 erzeugte Strahlung in den Kanal 40 eingekoppelt wird. Der Wellenleiter 442 ist dabei so angeordnet, daß er die Mikrowellenstrahlung quer zur Strömungsrichtung der zu erwärmenden Gießmasse in den Kanal einkoppelt. Dabei speist die Antenne 441 die Strahlung leistungssymmetrisch in die beiden "Äste" des ringförmigen Wellenleiters 442 ein. Dadurch erhöht sich die Homogenität der in die Gießmasse eingekoppelten Energie und damit die Homogenität der Temperatur der Gießmasse. Der im wesentlichen ringförmige Wellenleiter 442 hat im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel einen rechteckigen Querschnitt. Es ist aber ebensogut ein Wellenleiter 442 mit einer anderen Form des Querschnitts denkbar. Wichtig ist dabei jeweils, die Anregung von elektromagnetischen Feldern mit stabiler Wellenform sicherzustellen. Die Abmessungen des Wellenleiters 442 und die Frequenz (bzw. die Wellenlänge) der vom Magnetron 440 erzeugten Mikrowellenstrahlung sind dabei aufeinander abgestimmt. Das Rohr 43 besteht vorzugsweise aus einem für die Mikrowellenstrahlung sehr verlustarmen Material, also aus einem Material, das bezüglich der verwendeten Mikrowellenstrahlung nur minimale dielektrische Verluste aufweist. Als geeignetes Material für ein solches Rohr kommt beispielsweise Teflon in Frage. Der Kanal 40 hingegen besteht aus einem die Mikrowellenstrahlung reflektierenden bzw. aus einem gut leitfähigen Material, beispielsweise aus Aluminium, so daß die in den Kanal eingekoppelte Mikrowellenstrahlung sich im Kanal 40 ausbreiten kann. Durch Wechselwirkung der Mikrowellenstrahlung mit der Gießmasse wird die Energie der Mikrowellenstrahlung zum größten Teil in Wärmeenergie umgesetzt, was letztendlich zur Erwärmung der durchströmenden Gießmasse führt.
Wie man der Figur 2 entnehmen kann, sind entlang des Kanals 40 mehrere solche Erwärmungseinheiten angeordnet und zwar derart, daß benachbarte Mikrowellenstrahler im wesentlichen voneinander entkoppelt sind. Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel sind die Hohlleiter benachbarter Strahler entlang des Kanals 40 so angeordnet, daß sie am Umfang des Kanals jeweils um einen Winkel α von etwa 90º versetzt in den Kanal münden. Diese Anordnung kann man besonders gut der Figur 4 entnehmen, welche eine Ansicht gemäß der Linie IV-IV der Figur 2 zeigt. Generell wird dieser Winkel α so gewählt, daß die von jedem Strahler angeregten Wellentypen sich im Kanal 40 mit jeweils für jeden Strahler möglichst verschiedener Polarisation ausbreiten. Eine besonders wirksame Entkopplung benachbarter Erwärmungseinheiten 44 ergibt sich bei einem Winkel α von etwa 90º. Eine gute Entkopplung ist insbesondere im Hinblick auf günstige Arbeitsbereiche der Magnetrons von Bedeutung. Eine weitere Verbesserung der Entkopplung kann darin bestehen, daß die einzelnen Magnetrons elektrisch phasenverschoben betrieben werden können.
Eine weitere Maßnahme im Hinblick auf eine möglichst wirksame und sichere Entkopplung benachbarter Erwärmungseinheiten ist ebenfalls in Figur 2 zu erkennen. Sie besteht darin, daß im Kanal Entkopplungsblenden 45 vorgesehen sind, die im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung der Gießmasse angeordnet sind und in Strömungsrichtung betrachtet zwischen einzelnen Erwärmungseinheiten 44 angeordnet sind. Selbstverständlich kann jeweils eine separate Entkopplungsblende 45 zwischen allen Mikrowellenstrahlen vorgesehen sein, zur Vereinfachung ist in Figur 2 jedoch nur zwischen benachbarten Erwärmungseinheiten 44 jeweils eine Blende 45 dargestellt. Die Entkopplungsblende 45 hat außer der entkoppelnden Wirkung auch noch einen weiteren Vorteil: Sie kann das Einführen des Rohrs 43 in den Kanal 40 erleichtern, insbesondere wenn sie trichterförmig ausgebildet ist. Außerdem kann sie das in den Kanal 40 eingeführte Rohr 43 stützen. Besonders wenn der Durchtritt der Blende 45 trichterförmig ausgebildet ist, kann das Einführen des Rohrs 43, das normalerweise aus für die Mikrowellenstrahlung transparenten Material besteht, in den Kanal 40 mit Hilfe der Blende 45 wesentlich erleichtert werden. Für den beschriebenen Erwärmungsprozeß eignet sich besonders ein Teflon-Rohr.
Die Entkopplung durch die trichterförmig ausgebildete Blende 45 erfolgt durch die Verkopplung der hinlaufenden mit der rücklaufenden Welle derart, daß eine große Dämpfüng eintritt. Die auf ihren Durchtritt für das Rohr 43 trichterförmig zulaufende Blende 45 ist dabei so ausgebildet, daß die Mantellinle des Trichters in Längsrichtung einer Exponentialfunktion mit negativen Exponenten folgt, wie dies in Figur 3 dargestellt ist. Insbesondere folgt die Mantellinie des Trichters der Blende 43 in Längsrichtung der Funktion
a(z) = a&sub1; x exp -(3,13 x 10-φ x k x z x (1-fc/f)²).
Dabei bezeichnen z die Koordinate auf der Längsachse L, wobei der Punkt z=0 auf der Längsachse L mit dem Beginn des Trichters der Blende zusammenfällt. Ferner bezeichnen a(z) den Abstand des jeweiligen Punkts der Mantellime des Trichters bzw. Konus von der Längsachse L, a&sub1; den Abstand von der Längsachse am Beginn des Trichters, also bei z=0, k die Wellenzahl, q) die Dämpfung in dB der rücklaufenden Komponente der Welle gegenüber der hinlaufenden Komponente, fc die minimal mögliche Frequenz, also die untere Grenzfrequenz, und f die tatsächliche Frequenz der Welle. Mit derartigen Blenden ist es möglich, auch bei kleinen Blendenlängen in Richtung der Längsachse L trotzdem einen guten Dämpfungseffekt der einfallenden Welle auf kleinen Längen (Blendelänge in Richtung der Längsachse L ≤ 20 mm) zu erreichen.
In Figur 2 ist in der Nähe des Auslasses 42 noch ein Thermoelement 46 vorgesehen, welches die Temperatur der erwärmten Gießmasse mißt. Dieses Thermoelement 46 ist mit einer schnellen Regelung 47 in der Steuerung 7 verbunden, die auf die Magnetrons 440 wirkt, wobei in Figur 2 nur zwei Verbindungen zu den Magnetrons 440 repräsentativ für die Verbindungen zu allen Magnetrons dargestellt sind. Bei zu hoher Temperatur der erwärmten Gießmasse am Auslaß 42 wird dann die von den Magnetrons erzeugte Energie verringert, da eine Verstopfung des Rohrs 43 die Folge sein kann, wenn die Gießmasse bereits im Rohr 43 reagiert. Es besteht die Möglichkeit, die Temperaturverteilung entlang des Kanals 40 meßtechnisch zu erfassen, um durch optimierte Regelung besonders gewünschte Leistungsprofile bzw. Temperaturprofile einstellen zu können.
Zur besseren Wechselwirkung zwischen der Gießmasse und dem elektromagnetischen Feld und damit zur Erzielung eines höheren Wirkungsgrads des Ofens kann die Strecke, entlang der die Gießmasse transportiert wird, schraubenlinienförmig um die Längsachse L herum verlaufen. Zu diesem Zweck kann das Rohr 43 schraubenlinienförmig um die Längsachse L herum ausgebildet sein, wie dies in Figur 5 angedeutet ist.
In einem praktischen Ausführungsbeispiel kann als Gießmasse ein Gemisch aus Hexahydrophthalsäurediglycidylester, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Benzyldimethylamin und einem silanisierten Quarzmehl verwendet werden, und zwar in einem Verhältnis von etwa 100 Gewichtsteilen Hexahydrophthalsäurediglycidylester:etwa 90 Gewichtsteilen Hexahydrophthalsäureanhydrid:etwa 0,5 Gewichtsteilen Benzyldimethylamin:etwa 285 Teilen silanisiertem Quarzmehl. Die Temperatur im Vorratsbehälter kann dabei etwa 30 ºC - 60 ºC, vorzugsweise etwa 40 ºC - 50 ºC betragen. Beim Vorheizen im Mikrowellenofen kann sie dann auf etwa 90 ºC - 110 ºC, vorzugsweise auf etwa 95 ºC - 100 ºC erwärmt werden. Die Temperatur der Gießform 5 kann dann etwa 130 ºC - 150 ºC betragen, vorzugsweise etwa 140 ºC - 145 ºC. Die Durchflußmenge kann dabei etwa 4,5 - 5 kg/min betragen bei einer Temperaturdifferenz von 60 ºC der Gießmasse am Eingang und Ausgang des Ofens. Mit dem gleichen Ofen (gleichbleibende Mikrowellenleistung) sind natürlich höhere Temperaturdifferenzen bei geringerer Durchflußmenge wie auch geringere Temperaturdifferenzen, dafur aber eine höhere Durchflußmenge, erreichbar. Im allgemeinen können höhere Durchflußmengen bei gleichbleibender oder höherer Temperaturdifferenz ΔT durch die Verwendung von leistungsfähigeren HF-Generatoren und/oder durch kaskadenartige Beschaltung von mehreren Öfen miteinander erzielt werden. Diese Beschaltung der Öfen wird durch ihre Modultechnik (modulare Bauweise) ermöglicht. Wie in Figur 2 dargestellt, können sechs Mikrowellenstrahler vorgesehen sein, die eine Leistung von jeweils 1,26 KW abstrahlen, wobei die Frequenz vorzugsweise im Bereich von etwa 900 MHz - 30 GHZ liegt, insbesondere etwa 2,45 GHZ ± 10 MHz beträgt. Es können aber auch andere Frequenzen verwendet werden, wobei in jedem Frequenzbereich die geometrischen Abmessungen des Ofens und die verwendeten Frequenzen aufeinander abgestimmt sind. Bei der Verwendung eines solchen Gemischs bei den genannten Temperaturen können lunker- bzw. blasen- und rißfreie Gießlinge zuverlässig und schnell hergestellt werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kanals und einiger weiterer Einzelheiten eines erfindungsgemäßen Ofens soll anhand der Figur 6 bis 11 erläutert werden. Der Ofen umfaßt einen Kanal 140, welcher einen Einlaß für mehrere Rohre aufweist, hier für ein hinführendes Rohr 141 und ein zurückführendes Rohr 142 (Figur 7), durch welche die zu erwärmende Gießmasse strömt, sowie einen Auslaß für diese Rohre. Die Rohre 141 und 142 sind in einem bestimmten Abstand von der Längsachse des Kanals angeordnet, welcher in noch zu erläuternder Art und Weise bestimmt wird. Die Gießmasse strömt zunächst durch das hinführende Rohr 141 durch den Kanal 140. Am Auslaß kann eine U-förmige Umlenkung (nicht dargestellt) der auf dem Hinweg durch den Kanal 140 erwärmten Gießmasse erfolgen, und die Gießmasse strömt anschließend durch das zurückfuhrende Rohr 142 wieder durch den Kanal 140 zurück. Auf diese Weise wird die in den Kanal eingekoppelte Strahlung zweimal genutzt. Dies erleichtert die Steuerung bzw. Regelung der Leistung der Magnetrons. Wird nämlich die Temperatur des Harzes am Ausgang des zurückführenden Rohres 142 gemessen und festgestellt, daß sie zu hoch oder zu niedrig ist, so muß die Leistung der Magnetrons nur um einen kleineren Betrag geregelt werden als wenn sie nur einmal genutzt würde, was eine schnellere Leistungsregelung ermöglicht. Zusätzlich wird auf diese Weise die Homogenität der Temperaturverteilung in der Gießmasse erhöht.
Der Kanal 140 selbst umfaßt mehrere, hier drei, einzelne benachbarte Erwärmungseinheiten 143, 144 und 145, die miteinander verbunden (z.B. verschweißt) sind, wobei an den Verbindungsstellen zwischen den einzelnen Erwärmungseinheiten 143, 144, 145 jeweils eine metallische Abschlußwand 146 vorgesehen ist (wie auch am Einlaß und am Auslaß). Dadurch wird jeweils ein Resonanzraum für die Welle definiert. Die Rohre 141 und 142 sind durch entsprechende trichterförmig zulaufende Öffnungen 1461 und 1462 (Figur 9 und Figur 10) in der Abschlußwand 146 geführt (ähnlich wie bei dem weiter oben beschriebenen Ausführungsbeispiel). Durch die trichterförmige Ausgestaltung dieser Öffnungen in der Abschlußwand 146 wird das Einführen der Rohre beim Einbau erleichtert und die Rohre werden dadurch auch gestützt.
Jede einzelne Erwärmungseinheit, z.B. die Erwärmungseinheit 143, umfaßt einen Mikrowellenstrahler 147 mit einem Magnetron als Generator und einem daran anschließenden beispielsweise rechteckigen Wellenleiter 1471 (Figur 8), in den die Mikrowellenstrahlung des Magnetrons mittels einer Antenne 1472 eingepeist wird. Analoges gilt für die Erwärmungseinheiten 144 und 145. Der Wellenleiter 1471 führt die vom Magnetron in ihn eingekoppelte Strahlung zum Kanal 140. Da der jeweilige Wellenleiter in den Kanal 140 mündet (Figur 8), koppelt er die Strahlung in den Kanal ein und zwar quer zur Strömungsrichtung der zu erwärmenden Gießmasse.
Am Wellenleiter 1471 ist eine sogenannte Abstimmschraube 1473 vorgesehen. Diese Abstimmschraube stellt für die hinlaufende Welle im Wellenleiter 1471 einen Leerlauf und für die in Richtung zum Generator (Magnetron) rücklaufende Welle im Wellenleiter 1471 einen Kurzschluß dar. Auf diese Weise wird der Generator vor Reflexionen, die beispielsweise von temperaturabhängigen Veränderungen der Stoffeigenschaften der Gießmasse herrühren, geschützt. Der Generator kann damit in einem günstigen und sicheren Arbeitsbereich (Leistungs- und Schwingungsstabilität) stabil betrieben werden.
Die Abstimmschraube 1473 ist in einem Langloch 1474 (Figur 7) verschiebbar, damit die Leistungsanpassung bei unterschiedlichen hochfrequenten Verhältnissen in der Übergangsebene vom Wellenleiter 1471 zum Kanal 140 optimal erfolgen kann. Ferner ist sie auch in Richtung in den Wellenleiter 1471 (Figur 8) hinein und aus ihm heraus verstellbar. Sie ist damit bei unterschiedlichen Frequenzen immer optimal einstellbar.
Besonders bemerkenswert ist die Länge 1 und der Durchmesser di des beispielsweise hohlzylindrischen Stücks der Erwärmungseinheit (Figur 8), das zum Kanal 140 beiträgt. Die Länge list kleiner als die halbe Wellenlänge der zur Erwärmung verwendeten Mikrowellenstrahlung. Dies ist insofern bemerkenswert, als bei einem bestimmten Abstand zweier Abschlußwände 146 und bei einem bestimmten Durchmesser di des Stücks der Erwärmungseinheit, das zum Kanal 140 beiträgt, sich nur die fur den vorgesehenen Erwärmungsprozeß günstigsten Wellentypen zwischen den Abschlußwänden 146 ausbreiten können. Dies können beispielsweise Wellen vom Typ TM11n sein. Die zwei Rohre 141 und 142 (Figur 9) sind dabei so angeordnet, daß ihre Längsachsen in einem bestimmten Abstand b voneinander verlaufen, so daß die elektrische Feldkomponente der Wellen auf der Längsachse der beiden Rohre dann ein Maximum aufweisen, was eine sehr gute Energieübertragung auf die in den Rohren 141 und 142 strömende Gießmasse zur Folge hat. Der Wirkungsgrad, also das Verhältnis von in der Gießmasse erzeugten Wärmeenergie zu der ins Magnetron eingespeisten elektrischen Energie, kann dabei bis zu 70 % betragen.
Der Innendurchmesser di des Kanalstücks wird dabei so gewählt, daß er etwa
di = n x λg/1,236
beträgt, wobei n eine natürhche Zahl (1, 2, 3, ...) ist und λg die Wellenlänge der Strahlung im Wellenleiter 1471 bezeichnet. Das Kanalstück 140 weist ferner eine Länge 1 auf, die etwa im Bereich von
1 = di/2
gewählt ist, wobei diese Länge 1 um eine von der Frequenz der Strahlung und von der durch das Rohr strömenden Gießmasse abhängigen Konstante A um diesen Wert di/2 schwanken kann. Diese Konstante A ist umgekehrt proportional zu der verwendeten Frequenz und zur Dielektrizitätskonstante &epsi;&sub0; x &epsi;r der Gießmasse, also
A 1/(&epsi;&sub0; x &epsi;r x f).
Die Wahl der Länge 1 des Kanalstücks 140 erfolgt dabei so, daß die elektrische Feldkomponente der Welle am Durchtritt durch die Abschlußwand ein Minimum aufweist. Im Prinzip kann dann auf gesonderte Entkopplungsmaßnahmen verzichtet werden, nichtsdestotrotz müssen natürlich die Abschlußwände 146 zwischen den einzelnen Einheiten vorgesehen sein, um den Resonanzraum für die sich darin ausbreitende Welle zu definieren. Die Abschlußwand 146 braucht aber nicht einen Trichter mit exponentiellem Verlauf aufzuweisen.
Der Abstand b zwischen den Längsachsen der beiden Rohre 141 und 142 wird zweckmäßigerweise in Abhängigkeit davon gewählt, wie groß der Durchmesser dr (Figur 7) der Rohre 141 und 142 bemessen ist. Für Rohrdurchmesser dr im Bereich di/4 ≤ dr < di/2 kann der Abstand b zwischen den Längsachsen der Rohre
b di/2
betragen, für Rohrdurchmesser dr im Bereich dr < di/4 kann der Abstand b zwischen den Längsachsen der Rohre
b di/2 + c x dr
betragen, wobei der Faktor c je nach Größe des Rohrdurchmessers dr im Bereich von 0,5 ≤ c ≤ 1,2 liegt.
Auch hier ist es grundsätzlich möglich, schraubenlinig um die jeweilige Längsachse verlaufenden Rohre zu verwenden, um die Strecke, auf der die Gießmasse im Ofen erwärmt wird, zu verlängern. Allerdings ist dann auf eine entsprechende Verteilung der Maxima der elektrischen Feldkomponente der Welle im Resonanzraum zu achten.
Zu bemerken ist noch, daß die Achsen benachbarter Wellenleiter bei dem hier erläuterten Ausführungsbeispiel einen Winkel von β = 45º einschließen (Figur 7), wobei dieser Winkel aber völlig willkürlich gewählt ist und einfach aus konstruktiven Gründen so bestimmt worden ist, daß sich benachbarte Magnetrons und die daran anschließenden Wellenleiter räumlich nicht behindern und platzsparend angeordnet werden können. Mit der Entkopplung benachbarter Magnetrons hat die Wahl des Winkels β zwischen den Achsen benachbarter Wellenleiter jedoch nichts zu tun.
In Figur 11 schließlich ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Kanals und einiger weiterer Einzelheiten des erfindungsgemäßen Ofens dargestellt. Man erkennt, daß hier zwei Module, wie sie in Figur 6 dargestellt sind, die also jeweils drei einzelne Erwärmungseinheiten umfassen, zu einem Kanal mit sechs Erwärmungseinheiten modular zusammengebaut sind. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn größere Mengen einer Gießmasse in kurzer Zeit erwärmt werden müssen, mithin also mehr Energie in Form von Mikrowellenstrahlung zugefuhrt werden muß, da auch eine größere Menge Gießmasse erwärmt werden muß. Diese Modulbauweise ist sehr vorteilhaft, da die einzelnen Module einfach zusammenbaubar sind und somit auch noch leistungsstärkere Öfen mit den gleichen Modulen gebaut werden können durch einfache Hintereinanderschaltung mehrerer einzelner Module.

Claims

1. Ofen (4)zur Erwärmung eines im wesentlichen flüssigen Mediums, insbesondere einer reaktiven Gießmasse, das bzw. die durch den Ofen fließt, mit einem Einlaß (41) in einen Kanal (40) fur das zu erwärmende Medium, wobei in diesem Kanal ein getrenntes bzw. separates Rohr (43; 141, 142) angeordnet ist, durch das das zu erwärmende Medium fließt und in dem es mittels einer elektromagnetischen Strahlung erwärmt wird, wobei entlang des Kanales (40) mehrere getrennte bzw. separate Erwärmungseinheiten (44) angeordnet sind, die jeweils einen elektromagnetischen Strahler (44a, 44b) umfassen, der einen Wellenleiter (442) enthält und der die Strahlung zu dem Kanal (40) führt, durch den das Medium strömt, und der die Strahlung in diesem Kanal (40) einkoppelt, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmungseinheiten (44) im wesentlichen voneinander mittels einer Entkopplungsblende (45; 146) entkoppelt sind, die in dem Kanal vorgesehen ist und die zwischen zwei benachbarten Erwärmungseinheiten (44; 143, 144, 145) oder Radiatoren (44a, 44b) im wesentlichen im rechten Winkel zu der Strömungsrichtung angeordnet ist, wobei das Rohr, durch das das Medium strömt durch einen Durchtritt bzw. eine Passage in der Entkopplungsblende (45; 146) hindurchgeführt wird, wobei somit die Blende ebenso eine Stütze bzw. eine Halteeinrichtung fur das Rohr bildet.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenleiter (442) der einzelnen Strahler (44a, 44b) entlang des Kanals (40) so angeordnet sind, daß sie die Strahlung quer zur Strömungsrichtung des zu erwärmenden Mediums in den Kanal (40) einkoppeln.

3. Ofen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem der Strahler (44a, 44b) ein Magnetron (440) und einen daran anschließenden in den Kanal (40) mündenden Hohlleiter (442) als Wellenleiter umfaßt, welcher die vom Magnetron (440) erzeugte Strahlung zum Kanal (40) fuhrt und in diesen Kanal einkoppelt.

4. Ofen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem das Rohr aus einem Material besteht, das verlustfrei ist oder einen niedrigen Verlust aufweist, und zwar für den bestimmten Wellenlängenbereich der verwendeten Strahlung.

5. Ofen nach Anspruch 1 bis 4, bei welchem die Blende (45) trichterförmig auf ihren Durchtritt bzw. ihre Passage für das Rohr zulaufend ausgebildet ist, wobei die Mantellime bzw. Erzeugende des Trichters in der Längsrichtung, betrachtet in der Ebene eines Längsschnittes, einer Exponentialfunktion mit negativem Exponenten folgt.

6. Ofen nach Anspruch 5, wobei die Exponentialfunktion, der die Mantellime bzw. Erzeugende des Trichters der Blende in Längsrichtung folgt, durch

a(z) = a&sub1; x exp -(3,13 x 10-φ x k x z x (1-fc/f)²)

beschrieben ist, wobei z die Koordinate auf der Längsachse (L) beschreibt, a(z) den Abstand des jeweiligen Punktes der Mantellime des Trichters von der Längsachse, a&sub1; den Abstand von der Längsachse (L) am Beginn des Trichters, also bei z=0, k die Wellenzahl, q) die Dämpfung in dB der rücklaufenden Komponente der Welle gegenüber der Innlaufenden Komponente, fc die minimal mögliche Frequenz, also die untere Grenzfrequenz, und f die tatsächliche Frequenz der Welle beschreibt.

7. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem die Wellenleiter benachbarter Strahler (44a, 44b) entlang des Kanals so angeordnet sind, daß sie jeweils am Umfang des Kanals um einen Winkel (α), vorzugsweise um einen Winkel (α) von etwa 90º, versetzt in den Kanal (40) münden.

8. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem das zu erwärmende Medium mehrfach durch den Ofen geführt und der erwärmenden elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt ist.

9. Ofen nach Anspruch 8, bei welchem im Kanal ein hinführendes (141) und ein zurückfuhrendes (142) Rohr vorgesehen ist, wobei das zu erwärmende Medium zunächst durch das hinführende (141) und anschließend durch das zurückführende (142) Rohr strömt und die Längsachsen der beiden Rohre (141, 142) in einem Abstand von der Längsachse (L) des Kanals angeordnet sind, der so gewählt ist, daß die elektrische Feldkomponente der Strahlung auf der Längsachse der beiden Rohre (141, 142) ein Maximum aufweist.

10. Ofen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem der Ofen modular aufgebaut ist und jedes einzelne Modul einen elektromagnetischen Strahler (147) mit einem Wellenleiter (1471) umfaßt, der in ein Kanalstück (140) mündet, welches beidseitig durch Abschlußwände (146) begrenzt ist und somit einen Resonanzraum definiert, in den die elektromagnetische Strahlung eingekoppelt wird und durch den mittels Durchtritten (1461, 1462) in den Abschlußwänden (146) das Rohr (141, 142) gefuhrt ist, durch das das zu erwärmende Medium strömt.

11. Ofen nach Anspruch 10, bei welchem das Kanalstück (140) hohlzylindrisch ausgebildet ist und einen Innendurchmesser (di) aufweist, der etwa zu

d&sub1; = n x λg/1,236

gewählt ist, wobei n eine natürliche Zahl und λg die Wellenlänge der Strahlung im Wellenleiter bezeichnet, und daß ferner das Kanalstück (140) eine Länge (l) aufweist, die kleiner als die halbe Wellenlänge ist und etwa im Bereich von

1 di/2 gewählt ist, wobei diese Länge um eine von der Frequenz der Strahlung und von dem durch das Rohr strömenden Medium abhängige Konstante (A) schwanken kann und die Wahl der Länge (l) des Kanalstücks derart erfolgt, daß die elektrische Feldkomponente der Strahlung am Durchtritt durch die Abschlußwand (146) ein Minimum aufweist.

12. Ofen nach Anspruch 9 und Anspruch 11, bei welchem der Abstand (1)) der Längsachse des hihihrenden (141) und des zurückfuhrenden (142) Rohrs voneinander

b di/2

beträgt für Rohrdurchmesser (dr) im Bereich von id/4 ≤ rd < i d/2, und daß der Abstand (b) der Längsachsen des hinfuhrenden und des zurückfuhrenden Rohrs voneinander

b di/2 + c x dr

beträgt fur Rohrdurchmesser (dr) im Bereich von dr < di/4, wobei der Faktor c im Bereich von 0,5 ≤ c ≤ 1,2 liegt.

13. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem das zu erwärmende Medium entlang einer schraubenförmigen Linie durch den Ofen gefuhrt ist.

14. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei welchem am Wellenleiter eine verstellbare Abstimmschraube (1473) vorgesehen ist, welche so verstellbar ist, daß sie fur die zum Kanal hinlaufende Welle einen Leerlauf und fur die vom Kanal rücklaufende Welle einen Kurzschluß darstellt.

15. Anlage zur Herstellung von festen Gießlingen aus einem im wesentlichen flüssigen reaktiven Medium als Gießmasse, die beim Erreichen ihrer Geliertemperatur zu einer festen Masse reagiert, mit einem Vorratsbehälter (1) zur Bereitstellung des Mediums, in welchem die Temperatur der Gießmasse unterhalb der Geliertemperatur der Gießmasse liegt, und mit einer Zufuhreinrichtung zur Zuführung der Gießmasse in eine Gießform (5), die auf eine Temperatur erwärmt ist, die oberhalb der Geliertemperatur der Gießmasse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Gießform (5) ein Ofen (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 unmittelbar vorgeschaltet ist.

16. Anlage nach Anspruch 15, bei welchem zwischen dem Vorratsbehälter (1) und dem Ofen (4) ein separater Drucktopf (2) vorgesehen ist, aus dem die Gießmasse entnommen und durch den Ofen (4) hindurch der Gießform (5) zugefuhrt wird.

17. Anlage nach Anspruch 16, bei welchem der Drucktopf (2) auf einer Waage (3) angeordnet ist, welche bei der Entnahme einer einstellbaren Menge an Gießmasse aus dem Drucktopf (2) ein Signal an eine Steuerung (7) abgibt, die aufgrund dieses Signals den Druck, mit dem die Gießmasse aus dem Drucktopf (2) der Gießform (5) zugeführt wird, erhöht.

18. Verfahren zur Herstellung von Gießlingen aus einem im wesentlichen flüssigen reaktiven Medium als Gießmasse, die oberhalb ihrer Geliertemperatur reagiert, um eine feste Masse auszubilden, bei welchem Verfahren das Medium aus einem Vorratsbehälter (1), in dem die Temperatur der Gießmasse wesentlich unterhalb ihrer Geliertemperatur liegt, einer Gießform (5) zugeführt wird, deren Temperatur oberhalb der Geliertemperatur der Gießmasse liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Gießmasse unmittelbar vor dem Eintritt in die Gießform (5) wesentlich vorgeheizt wird, und zwar auf eine Temperatur, die nahe bei, aber unterhalb der Geliertemperatur der Gießmasse liegt, so daß sie immer noch in einem Zustand ist, in dem sie geeignet ist, in die Gießform verbracht zu werden.

19. Verfahren nach Anspruch 18, bei welchem als Gießmasse ein Gemisch aus Hexahydrophthalsäurediglycidylester, Hexahydrophthalsäureanhydrid, Benzyldimethylamin und einem silanisierten Quarzmehl verwendet wird, und zwar in einem Verhältnis von etwa 100 Gewichtsteilen Hexahydrophthalsäurediglycidylester:etwa 90 Gewichtsteilen Hexahydrophthalsäureanhydrid:etwa 0,5 Gewichtsteilen Benzyldimethylamin:etwa 285 Gewichtsteilen silanisiertem Quarzmehl, und bei welchem die Temperatur der Gießmasse im Vorratsbehälter (1) etwa 30 ºC - 60 ºC, vorzugsweise etwa 40 ºC - 50 ºC beträgt, und bei welchem beim Vorheizen die Gießmasse auf eine Temperatur von etwa 90 ºC - 110 ºC erwärmt wird, vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa 95 ºC - 100 ºC, und daß die vorgeheizte Gießmase dann der Gießform (5) zugeführt wird, deren Temperatur etwa 130 ºC - 150 ºC beträgt, vorzugsweise etwa 140 ºC - 145 ºC.