DE69612608T2

DE69612608T2 - Verfahren und vorrichtung zur trocknung einer feuchten schicht unter einsatz von mikrowellen

Info

Publication number: DE69612608T2
Application number: DE69612608T
Authority: DE
Inventors: Sonny Johansson
Original assignee: Individual
Current assignee: Cefla SCARL
Priority date: 1995-02-15
Filing date: 1996-02-14
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2016-02-15
Also published as: SE9500546D0; DE69612608D1; ES2159018T3; DK0808444T3; EP0808444A1; SE502928C2; AU4736296A; EP0808444B1; ATE200820T1; WO1996025638A1; SE9500546L

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Trocknung einer feuchten Schicht, die auf einem nichtmetallischen Träger angebracht ist, mit Hilfe von Mikrowellen, wobei zumindest ein Teil des Trägers in eine begrenzte Kammer, in der ein Mikrowellen aussendendes Mittel vorgesehen ist, eingeführt wird um mit Mikrowellen bestrahlt zu werden. Die Erfindung bezieht sich ausserdem auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Kammer umfasst, die vorgesehen ist zumindest einen Teil des Trägers aufzunehmen und in der ein Mikrowellen aussendendes Mittel angebracht ist.
In "Trocknungstechnik", K. Kröll, zweiter Band, Springer Verlag, Heidelberg, 1978, Seite 418, wird ein Mikrowellentrockner beschrieben, auf dem der Oberbegriff des Anspruchs 1 aufbaut. Er zeigt den Stand der Technik im Bereich der Mikrowellentrocknung auf, d.h. dass ein Gegenstand in einer Trocknungskammer unterbebracht und mit Mikrowellen bestrahlt wird.
In der heutigen Industrie werden Mikrowellen für viele verschiedene Zwecke, wie zur Vulkanisierung von Gummi, zur Pasteurisierung von Milchprodukten und zur Trocknung von Teigwaren, eingesetzt. Verglichen mit herkömmlichen Aufwärmtechniken hat die Mikrowellentechnik dabei hauptsächlich die Vorteile die Einsparung von viel Zeit und Geld zu ermöglichen.
In Anbetracht dieser Vorteile kann es erstaunen, dass die konventionellen Aufwärmtechniken nicht in viel mehr Industriebereichen von der Mikrowellentechnik verdrängt worden sind. Der Grund dafür ist, dass es sich auf Grund von verschiedenen Fokussierungs- und Reflexionsphänomenen als schwierig erwiesen hat die Ausbreitung und den Effekt der Mikrowellen genau vorauszusehen und zu steuern. Folglich ist es sehr schwierig eine feuchte Schicht auf einem darunter liegenden Träger zu trocknen ohne in der Schicht Risse oder Oberflächenunebenheiten zu erhalten infolge zu hoher Temperatur im Trägermaterial.
Aufgabe der Erfindung ist es diese Schwierigkeiten aus dem Weg zu räumen mit Hilfe eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die von der eingangs genannten Art sind und die es ermöglichen feuchte Schichten gleichmässig zu trocknen.
Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe mit Hilfe eines Verfahrens gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Mikrowellen absorbierendes Mittei in die Kammer eingeführt wird, und dass das Mikrowellen absorbierende Mittel eine grössere Fähigkeit hat Mikrowellen zu absorbieren als, zusammengenommen, der in die Kammer eingeführte Teil des Trägers und die auf dem Teil des Trägers angebrachte feuchte. Schicht, wobei der Teil des Trägers zwischen dem Mikrowellen aussendenden Mittel und dem Mikrowellen absorbierenden Mittel in die Kammer eingeführt wird.
Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe auch mit Hilfe einer Vorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Kammer ein Mikrowellen absorbierendes Mittel aufnimmt, das in Anwendung eine grössere Fähigkeit hat Mikrowellen zu absorbieren als, zusammengenommen, der Teil des Trägers, der vorgesehen ist in die Kammer eingeführt zu werden, und die auf diesem Trägerteil angebrachte feuchte Schicht, wobei das Mikrowellen absorbierende Mittel ein Flüssigkeitsbad ist, das gegenüber dem Mikrowellen aussendenden Mittel angebracht ist, und wobei der Träger vorgesehen ist zwischen dem Mikrowellen aussendenden Mittel und dem Mikrowellen absorbierenden Mittel eingeführt zu werden.
Mit dem Ausdruck "Fähigkeit Mikrowellen zu absorbieren" ist hier die Fähigkeit gemeint ein elektromagnetisches Feld zu absorbieren, das erzeugt wird durch die Mikrowellen, die von dem Mikrowellen aussendenden Mittel ausgesendet werden. Bei der eigentlichen Absorption wird elektromagnetische Energie in beispielsweise Wärmeenergie umgewandelt.
Bei dem Verfahren und der Vorrichtung gemäss der Erfindung scheint die Energieumwandlung hauptsächlich in dem verhältnismässig grossen Mikrowellen absorbierenden Mittel stattzufinden, wahrscheinlich aufgrund der oben genannten Fokusierungsphänomene. Zumindest sprechen Temperaturmessungen dafür, dass in diesem Mittel ein Grossteil der Energie umgewandelt wird, während Temperaturmessungen die den Trägerteil, der in die Kammer eingeführt ist, betreffen gezeigt haben, dass nur eine sehr geringe Temperaturerhöhung, oder gar eine Temperatursenkung, im Träger und der Schicht darauf stattfindet. Überraschenderweise trocknet die feuchte Schicht auf dem Träger dennoch sehr schnell und auch gleichmässig, wobei der Energieeinsatz, der für das Mikrowellen aussendende Mittel erforderlich ist, so begrenzt ist, dass die erfindungsgemässe Lösung auch in Bezug auf den Energieverbrauch vorteilhaft ist, beispielsweise verglichen mit den Heissluftöfen, die normalerweise zur Trocknung von Farben und Lacken eingestzt werden.
Bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden näher beschrieben mit Hilfe von drei Ausführungen, die auf den angelegten Zeichnungen schematisch gezeigt werden, wobei:
Fig. 1 eine Schnittansicht ist und einen Mikrowellenofen zeigt, der vorgesehen ist eine Lackschicht auf einem Stück Holz zu trocknen;
Fig. 2 eine Schnittansicht ist und einen Mikrowellenofen zeigt, der vorgesehen ist eine Papierschicht auf einem Sieb zu trocknen;
Fig. 3 eine Seitenansicht ist und eine Lacktrocknungsvorrichtung zeigt; und
Fig. 4 eine Querschnittansicht der Lacktrocknungsvorrichtung entlang der Linie A-A in Fig. 3 ist.
Auf den Zeichnungen sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 ist somit eine Schnittansicht und zeigt einen Mikrowellenofen 1 von einer Schmalseite aus. Der Mikrowellenofen 1 umfasst eine Ofenkammer 2, in deren oberen Teil ein Magnetron 3 angebracht ist, das an einen Wellenleiter 4 angeschlossen ist, der vorgesehen ist Mikrowellen 5 in die Ofenkammer 2 zu leiten.
Am Boden der Ofenkammer 2 ist ein Mikrowellenabsorbierer 6 angebracht, hier gezeigt in seiner einfachsten Ausführung in Form eines feuchten Holzstücks 7.
Zwischen dem Wellenleiter 4 und dem Holzstück 7 ist ausserdem ein Träger 8 angebracht. In der in Fig. 1 gezeigten Ausführung besteht der Träger 8 aus einem Hölzstück 9, auf dem eine feuchte Schicht 10 (hier eine Lackschicht 11) angebracht ist. Der Deutlichkeit halber wird die Lackschicht 11 in der Figur etwas beabstandet vom Holzstück 9 gezeigt, aber selbstverständlich ist diese Schicht in Wirklichkeit mit dem Holzstück 9 verbünden.
Wie aus der Figur hervorgeht hat das absorbierende Holzstück 7 ein viel grössere Volumen als das lackierte Holzstück 9, wobei die beiden Holzstücke einen Abstand d zu einander einnehmen. Das grössere Volumen des absorbierenden Holzstücks 7 trägt zur Konzentrierung der Mikrowellenenergie bei und somit zur Wärmeentwicklung in diesem Holzstück, während das lackierte Holzstück 9 nur in einem verhältnismässig geringen Ausmass von dieser Energie beeinflusst wird.
Bei einem Versuch, der einen Mikrowellenofen des oben beschriebenen Typs umfasste, wurde eine Schicht 11 wasserbasierten Lacks auf ein zimmertrockenes Brett mit den Dimensionen 1500 · 350 · 22 mm aufgetragen. Das Brett wurde dann ummittelbar in einen Mikrowellenofen 1 geschoben, in dem eine Mehrzahl Magnetrone 3 mit einer Gesammtleistung von 5 kW in einer Reihe angebracht waren. Ausser dem lackierten Brett 9 wurde ein Mikrowellenabsorbierer 6 in den unteren Teil der Ofenkammer 2 gelegt, genauer genommen ein feuchtes Holzstück 7 mit einem Gesammtvolumen von 30 l (zu vergleichen mit dem Volumen des lackierten Bretts von knapp 12 l). Zwischen den zwei Holzstücken 7, 8 lag ein Abstand d von 30 mm vor.
Der Test wurde bei Zimmertemperatur, d.h. ungefähr 20ºC, durchgeführt, eine Temperatur bei der die normale Trocknungszeit des angewendeten Lacks 1,5 bis 2,0 Stunden ist. Das im Mikrowellenofen 1 untergebrachte, lackierte Brett 9 wurde 30 s lang Mikrowellen ausgesetzt. Das führte dazu, dass die Temperatur des Bretts auf knapp 25ºC stieg, während die Temperatur im absorbierenden Holzstück 7 auf über 50ºC stieg. Als das lackierte Brett 9 unmittelbar nach der Mikrowellenbehandlung aus dem Mikrowellenofen entnommen wurde, war die auf dem Brett aufgebrachte Lackschicht 11 schon trocken und konnte überlackiert werden, obwohl die messbare, begrenzte Temperaturerhöhung nur eine geringe Auswirkung auf die Trocknungszeit (1,5 bis 2,0 Stunden bei Zimmertemperatur) haben sollte.
In Fig. 2 wird eins andere Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung gezeigt. Wie Fig. 1 zeigt Fig. 2 einen Mikrowellenofen 1, der eine Ofenkammer 2 hat, in der ein Magnetron 3 und ein Wellenleiter 4 angebracht sind. Der Wellenleiter 4 sendet Mikrowellen 5 in Richtung des Bodens der Ofenkammer 2 aus, wo ein Mikrowellenabsorbierer 6 angebracht ist.
Der Mikrowellenabsorbierer 6 ist hier ein Wasserbad 12, das in einer Wanne 13 Platz findet und mit Hilfe einer Pumpe 15 über Leitungen 14 durch einen Kühler 16 zirkuliert werden kann.
Ein Teil des Trägers 8, der hier in Form eines Siebs 17 vorliegt, erstreckt sich durch die Ofenkammer 2. Eine feuchte Schicht 10 in Form einer Papierbahn 18 ist auf dem Sieb 17 ausgebreitet. Selbstverständlich ruht die Papierbahn 18 auf dem Sieb 17, auch wenn sie hier der Deutlichkeit halber beabstandet vom Sieb gezeigt wird. Das Sieb 17 und die Papierbahn 18 können mit Hilfe von Walzenpaaren 19 und 20 durch die Ofenkammer 2 gefördert werden.
Auch bei der Ausführung der erfindungsgemässen Vorrichtung gemäss Fig. 2 lässt sich die gleiche begrenzte und gleichmässige Aufwärmung, die bei der vorhergehenden Ausführung festzustellen war, beim Träger 8 und der darauf angebrachten feuchten Schicht 10 und ebenso die Konzentration der Mikrowellenenergie (deutliche Erwärmung des Wasserbades 12) im Mikrowellenabsorbierer 6 beobachten. Wie aus Fig. 2 hervorgeht hat auch bei dieser Ausführung der Mikrowellenabsorbierer 6 (das Wasserbad 12) ein viel grösseres Flüssigkeitsvolumen als das Sieb 17, das beabstandet über dem Absorbierer angebracht ist.
Es gibt natürlich keine Hindernisse einen Mikrowellenabsorbierer der in Fig. 2 gezeigten Ausführung auch für die Trocknung von Lackschichten oder von anderen ähnlichen Schichten anzuwenden. Dieser Typ von Absorbierer hat den Vorteil, dass der daran anschliessbare Kühler 16 kontinuierlichen Betrieb während langer Zeit erlaubt und durch einfache Einstellung des Volumens vom Wasserbad 12 Optimierung des Trocknungsvorgangs ermöglicht.
Eine Ausführung, die diese Tatsache widerspiegelt, wird in Fig. 3 und 4 gezeigt und im folgenden kurz bezüglich ein paar wenigen Bauteilen, die von den oben beschriebenen Ausführungen abweichen, beschrieben.
In Fig. 3 und 4 wird eine Lacktrocknungsvorrichtung 21 gezeigt, die vorgesehen ist in einer Lackieranlage (nicht gezeigt) integriert zu sein. Die Vorrichtung 21 umfasst ein Bodenstativ 22, das einen Bandförderer 23 trägt, der vorgesehen ist vorzugsweise von links nach rechts gemäss Fig. 3 nichtmetallische Objekte, wie Spanplatten, auf denen eine noch feuchte Lackschicht 11 angebracht ist, durch eine Ofenkammer 2 zu fördern.
Die Ofenkammer 2 bildet einen Teil eines Mikrowellenofens 1, der im wesentlichen den oben beschriebenen Mikrowellenöfen entspricht. Wie aus der Querschnittansicht in Fig. 4 hervorgeht sind jedoch mehrere (genauer genommen vier) Magnetrone 3 mit zugehörigen Wellenleitern 4 in einer Reihe quer zum Bandförderer 23 angebracht um eine noch gleichmässigere Verteilung des Mikrowelleneffekts über die Lackschicht 11 zu erreichen als schon mit dem erfindungsgemässen Absorbierer 6 allein erreicht wird. Natürlich lässt sich diese Lösung oder lassen sich ähnliche Lösungen auch für die oben beschriebenen Ausführungen anwenden.
Am Boden der Ofenkammer 2 ist ein Absorbierer 6 angebracht, der wie bei der Lösung gemäss Fig. 2 ein Wasserbad 12 in einer Wanne 13 ist, die zwischen dem oberen und dem unteren Trumm 24, 25 des Bandförderers 23 angebracht ist. Selbstverständlich muss das Förderband des Bandförderers 23 in der gezeigten Ausführung aus einem Material sein, das Mikrowellen hindurch lässt. Es muss jedoch betont werden, dass die hier gezeigte bevorzugte Plazierung des Absorbierers 6 gegenüber den Magnetronen und unter dem oberen Trumm 24 nicht die einzige denkbare Plazierung ist, sondern dass der Absorbierer 6 auch an irgendeiner anderen Stelle in der Ofenkammer 2 plaziert werden kann, vorausgesetzt dass die Fähigkeit des Absorbierers 6 Mikrowellen zu absorbieren voll ausgenützt wird. Das Förderband kann dann auch aus einem Material sein, das keine Mikrowellen durchlässt.
Um die Überschusswärme, die im Wasserbad 12 bei kontinuierlichem Betrieb entsteht, loszuwerden, ist das Wasserbad der Vorrichtung 21, wie das in Fig. 2 gezeigte Wasserbad 12, an einen Kühler (nicht gezeigt) angeschlossen und ist die Ofenkammer bei der Vorrichtung 21 ausserdem an Belüftungskanäle 26, 27 angeschlossen. In der Ofenkammer 2 nimmt die Luft wirkungsvoll alle Kondensflüssigkeit auf und entlädt sie dann durch den Kanal 27.
In der Praxis hat es sich erwiesen, dass die Lacktrocknungsvorrichtung 21 auch andere Vorteile ausser extrem schneller Trocknung mit sich führt. Wegen der kurzen Zeit die dank der Integration in der Lackieranlage zwischen dem Auftragen einer Lackschicht 11 und dem Abgang von Wasser oder Lösungsmittel aus dieser Schicht verstreicht, hat nur ein kleiner Teil des Lackgemischs Zeit in das lackierte Objekt einzudringen. Besonders bei lackierten Holzprodukten wird dadurch die Faseraufrichtung geringer als zuvor. Das führt dazu, dass z.B. das Schleifen des Grundlacks erleichtert wird. Auch die Gefahr dass aufgerichtete Fasern in der Lackschicht abgeschliffen werden ist viel geringer, was die grundierte Fläche dichter macht, so dass die spätere Lackschicht ebener wird und dünner sein kann.
Schliesslich muss erwähnt werden, dass es sich gezeigt hat, dass Lackschichten 11, die mit dem erfindungsgemässen Verfahren getrocknet worden sind, eine Oberfläche haben, die beim Kontakt mit Metallgegenständen sehr schwärzungsfest ist, und dass Lackspezialisten angesichts der sehr kurzen Trocknungszeiten, die durch die Erfindung ermöglicht werden, umweltfreundlichere Lacke in Aussicht gestellt haben.

Claims

1. Verfahren zur Trocknung einer feuchten Schicht (10), die auf einem nichtmetallischen Träger (8) angebracht ist, mit Hilfe von Mikrowellen (5), wobei zumindest ein Teil des Trägers (8) in eine begrenzte Kammer (2), in der ein Mikrowellen aussendendes Mittel (4) vorgesehen ist, eingeführt wird um mit Mikrowellen (5) bestrahlt zu werden, dadurch gekennzeichnet dass ein Mikrowellen absorbierendes Mittel (6) in die Kammer (2) eingeführt wird, dass das Mikrowellen absorbierende Mittel (6) eine grössere Fähigkeit hat Mikrowellen zu absorbieren als, zusammengenommen, der in die Kammer (2) eingeführte Teil des Trägers und die auf dem Teil des Trägers angebrachte feuchte Schicht (10), wobei der Teil des Trägers (8) zwischen dem Mikrowellen aussendenden Mittel (4) und dem Mikrowellen absorbierenden Mittel (6) in die Kammer (2) eingeführt wird.

2. Verfahren gemäss Anspruch 1, wobei das Mikrowellen absorbierende Mittel (6) ein Flüssigkeitsbad (12) ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Flüssigkeitsbades (12) so gewählt wird, dass es das Volumen der Flüssigkeit im genannten Teil des Trägers und in der feuchten Schicht (10) insgesammt übersteigt.

3. Verfahren gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsbad (12) gekühlt wird.

4. Verfahren gemäss einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (2) belüftet wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1 zur Trocknung einer feuchten Schicht (10), die auf einem nichtmetallischen Träger (8) angebracht ist, mit Hilfe von Mikrowellen (5), wobei die Vorrichtung eine begrenzte Kammer (2) umfasst, die vorgesehen ist zumindest einen Teil des Trägers (8) aufzunehmen und in der ein Mikrowellen aussendendes Mittel (4) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet dass die Kammer (2) ein Mikrowellen absorbierendes Mittel (6) aufnimmt, das in Anwendung eine grössere Fähigkeit hat Mikrowellen zu absorbieren als, zusammengenommen, der Teil des Trägers, der vorgesehen ist in die Kammer (2) eingeführt zu werden, und die auf diesem Trägerteil angebrachte feuchte Schicht, wobei das Mikrowellen absorbierende Mittel (6) ein Flüssigkeitsbad (12) ist, das gegenüber dem Mikrowellen aussendenden Mittel (4) angebracht ist, und wobei der Träger (8) vorgesehen ist zwischen dem Mikrowellen aussendenden Mittel (4) und dem Mikrowellen absorbierenden Mittel (6) eingeführt zu werden.

6. Vorrichtung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsbad (12) mit einer Kühlvorrichtung (12) kommuniziert.

7. Vorrichtung gemäss Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (2) mit einer Belüftungsvorrichtung (26, 27) kommuniziert.

8. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Förderer (23) umfasst und dass eine Vielzahl Magnetrone (3) quer und/oder längs dem Förderer angebracht sind.