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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regulierung
von Schaum auf Wasserbasis.
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Industrielle
Produktionsprozesse führen
oft zur Entwicklung erheblicher Schaummengen, wodurch der Produktionsprozeß oder der
anschließende
Transport und die Lagerung eines erzeugten Materials behindert werden.
Zur Verminderung der erzeugten Schaummenge oder zur Zerstörung von Schaum
nach seiner Entwicklung sind verschiedene Vorschläge gemacht
worden. Bekannt ist zum Beispiel die Zugabe von Chemikalien zu einem
Schaum, um seinen Zerfall zu verursachen. In einigen großtechnischen
Verfahren ist ein solches Herangehen effektiv, aber oft ist der
Zusatz von Chemikalien zu einem Schaum unzweckmäßig, zum Beispiel wenn der Schaum
als Teil eines Produktionsprozesses für ein Nahrungsmittel, Medikament
oder Getränk
erzeugt wird. Mechanische Vorrichtungen zum Zerstören von Schaum
sind gleichfalls vorgeschlagen worden, zum Beispiel Zyklonschaumbrecher.
Außerdem
ist vorgeschlagen worden, einen Ultraschallstrahl auf einen Schaum
einwirken zu lassen und einen Schaum Strahlung auszusetzen.
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Gemäß einem
bekannten, in der Patentschrift SU 1095934 beschriebenen Vorschlag
zur Schaumbestrahlung wird während
einer Synthese durch Mikroorganismen entwickelter Schaum zerstört, indem
der Schaum einer Laserstrahlung mit einer Wellenlänge ausgesetzt
wird, die dem Absorptionsspektrum einer Schicht der im Schaum enthaltenen
Flüssigkeit
entspricht. In einem weiteren, in der finnischen Patentschrift FI
77788 beschriebenen Vorschlag wird auf die Zerstörung von Schaum durch Anwendung
eines Laserstrahls hingewiesen, um eine "lokale Erhitzung und ein Zerplatzen" der Blasen zu verursachen,
aus denen der Schaum besteht. Es wird eine Kohlendioxidlaserquelle
mit einer Betriebswellenlänge
von 10600 nm eingesetzt, bei der die Absorption durch Wasser relativ
hoch ist. In einem weiteren, in der japanischen Patentschrift JP
63-104 620 beschriebenen Vorschlag wird ein Kohlendioxidlaser benutzt,
um den Schaum auf Bier zu zerstören,
wobei eine Schaumzerstörung
innerhalb von Sekunden behauptet wird.
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Alle
obigen Vorschläge
wurden zuerst in den 80er Jahren gemacht, haben aber anscheinend
nicht zu praktisch anwendbaren Geräten geführt, die auf der Bestrahlung
von Schaum mit einem Laser basieren. Wahrscheinlich resultiert diese
Nichtauswertung der ursprünglichen
Vorschläge
aus der Erfahrung, daß die
Schaumzerstörung
mit Lasern auf Absorptionseffekte angewiesen war, die zur Erhitzung
des Schaums führen
und daher relativ hohe Leistungsaufnahmen erfordern und eine chemische
Modifikation des Schaums riskieren.
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Bekannt
ist, daß Laser
auf der Basis von Erbium-Ionen bei etwa 3000 nm arbeiten, was einem Maximum
im Energieabsorptionsspektrum für
Wasser entspricht, das gleichfalls auf etwa 3000 nm zentriert ist.
Zum Beispiel arbeitet der Erbium:YAG-Laser bei 2940 nm, und der
Erbium:YSGG-Laser arbeitet bei 2970 nm. Die Absorption bei etwa
3000 nm ist etwa fünfmal
größer als
bei der Wellenlänge
von 10600 nm des Kohlendioxidlasers, wenn aber der Schaumzerstörung durch
Laser, die bei etwa 3000 nm und 10600 nm arbeiten, der gleiche Mechanismus
zugrunde läge,
wäre trotzdem
nicht zu erwarten, daß ein
Laser auf Er-Basis
eine drastische Leistungsverbesserung im Vergleich zu der Leistung
erzeugt, die mit einem Kohlendioxidlaser zu erwarten ist.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte
Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Schaumregulierung durch
Laserbestrahlung bereitzustellen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Schaumregulierungsvorrichtung bereitgestellt,
die eine Einrichtung zum Lenken eines Laserstrahls in ein Gefäß aufweist,
das so angepaßt
ist, daß es
einen zu regulierenden wasserhaltigen Schaumkörper aufnimmt, wobei der Laser
eine Wellenlänge
von etwa 3000 nm aufweist, die so gewählt wird, daß sie einem
modenspezifischen Peak des Absorptionsspektrums von Wasser entspricht.
Vorzugsweise erzeugt der Laser ein gepulstes Ausgangssignal, und die
Impulsdauer ist so gewählt,
daß sie
den thermischen und mechanischen Eigenschaften des Schaums entspricht,
so daß Energie
ausreichend schnell auf den Schaum übertragen wird, um die Molekülstruktur
des Schaums zu zerstören.
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Die
Erfindung basiert auf einer Betrachtung des zur Schaumzerstörung führenden
Mechanismus im Fall von wasserhaltigem Schaum, d. h. von Schaum,
in dem Blasen durch Schichten gebildet werden, die hauptsächlich aus
Wasser bestehen. In dem Wassermolekül ist die H-O-H-Struktur so
gebunden, daß der
Winkel zwischen den zwei O-H-Bindungen annähernd 105° beträgt. Für das Molekül existieren verschiedene Schwingungsformen
bzw. -moden. In der Gasphase ist die energieärmste Schwingung eine symmetrische
Biegeschwingung mit einem Schwingungsenergieabstand von 0,1915 eV
(6474 nm), und diese verursacht wahrscheinlich den Peak bei etwa
6000 nm im Absorptionsspektrum von flüssigem Wasser. Außerdem existieren
in der Gasphase zwei Dehnungsschwingungstypen, ein symmetrischer
und ein asymmetrischer bei Energien von 0,4527 eV (2739 nm) bzw.
0,4656 eV (2663 nm), und diese führen
zu dem Peak bei etwa 3000 nm in der flüssigen Phase.
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Es
besteht die Ansicht, daß ein
Laser auf Erbium-Basis, wie z. B. der Er:YAG-Laser, den asymmetrischen
Dehnungsschwingungsmodus des Moleküls pumpt. Es ist wahrscheinlich
so, daß die
Kohlendioxidlaser-Absorption durch Rotationsübergänge erfolgt, die im wesentlichen
die Wassermoleküle
und damit die Flüssigkeit
erhitzen. Daher glaubt man, daß durch
Anregung des asymmetrischen Dehnungsschwingungsmodus eines Wassermoleküls beispielsweise
mit Er:YAG-Laserstrahlung eine Energie pro Photon eingespeist wird,
die etwa siebzehnmal größer als
thermische Energien ist und eine Schwingung der O-H-Bindungen verursacht.
Jedes Wassermolekül
kann Wasserstoffbindungen mit bis zu vier weiteren Wassermolekülen in einer
tetraedrischen Struktur bilden. Daher stört diese in dem durch Laserstrahlung
angeregten Molekül
erzeugte Schwingungsbewegung sehr wirksam die (zwei) Wasserstoffbindungen
zwischen den H-Atomen in dem angeregten Molekül und den benachbarten Molekülen (wobei
an den Ecken des angrenzenden Tetraeders eine hohe Elektronendichtewahrscheinlichkeit
besteht). Die Anregung von O-H-Bindungen in einem Molekül führt zur
Aufspaltung der Wasserstoffbindungen mit nahegelegenen Molekülen. Während der
Laserbestrahlung werden irgendwelche Moleküle in einem räumlich lokalisierten
Bereich angeregt, durch die eine Aufspaltung vieler Wasserstoffbindungen verursacht
wird und daher die strukturelle Integrität der Flüssigkeitsschicht der Schaumblase
beschädigt wird.
Ein Impuls mit einer Dauer von 0,25 ms kann zum Beispiel eine relativ
niedrige Strahlenergie aufweisen und dennoch Energie mit einer Geschwindigkeit
an die Blase abgeben, durch die statt einer einfachen Erhitzung
der Blasenwand die Molekülstruktur zerstört wird.
Die hervorgerufene Destabilisierung wird durch den Innendruck der
Blase verstärkt
und führt
zum Zerplatzen der Blase, bevor sich die Wasserstoffbindungen neu
bilden können.
Im Gegensatz dazu würde
die Anregung durch einen Kohlendioxidlaser eine Energieeinspeisung
pro Photon verursachen, die etwa fünfmal größer ist als die thermische Energie
(annähernd
ein Drittel weniger als für
einen Laser auf Erbium-Basis), aber die Einspeisung ist nicht modenspezifisch
und führt
zu einer Bindungsaufspaltung auf thermische Weise. Obwohl der Absorptionskoeffizient
nur fünfmal
größer ist,
ist daher die tatsächliche
Berstfähigkeit
der Blase für
eine Strahlung mit 2940 nm oder anderen Wellenlängen in der Nähe von 3000
nm der Strahlung bei 10600 nm weit überlegen, da sie modenspezifisch
ist und zu einem schnellen Strukturkollaps der Schicht fuhrt. Dadurch
werden Schaumblasen sehr effektiv mit einem Wirkungsgrad zum Platzen
gebracht, der wesentlich höher
ist als der Faktor 5, auf den die relativen Absorptionskoeffizienten
zwischen den beiden Laserwellenlängen
schließen
lassen.
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Zusammenfassend
läßt sich
sagen, daß die Erfindung
auf der Erkenntnis basiert, daß der
Wirkungsgrad der Schaumzerstörung
beim Vergleich eines CO2-Lasers mit einem
Laser, der bei einer modenspezifischen Wellenlänge arbeitet, nicht das Verhältnis der
Absorptionskoeffizienten widerspiegelt, da die strukturelle Auswirkung
der beiden Wellenlängen
auf eine Dünnschicht
unter Spannung wegen der modenspezifischen Natur der Anregung mit
dem Laser auf Erbium-Basis im Vergleich zu der "thermischen" Erhitzungswirkung mit Rotationshüllkurve
des Kohlendioxidlasers unterschiedlich ist.
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Vorzugsweise
wenn der zu zerstörende Schaum
wasserhaltig ist, ist der Laser ein Laser auf Erbium-Basis, wie
z. B. ein Erbium:YAG-Laser. Der Laser wird vorzugsweise mit einer
Impulsdauer von 0,25 ms betrieben, d. h. mit einer Impulsdauer,
die an die thermischen und mechanischen Eigenschaften der Blase
angepaßt
ist, um Energie mit einer Geschwindigkeit auf die Blase zu übertragen,
die den Beschädigungsprozeß der Blase
optimiert. Es können
Mittel zur räumlichen
Ablenkung oder Formung eines Laserausgangsstrahls bereitgestellt
werden, um das dem Laserstrahl ausgesetzte Schaumvolumen zu maximieren.
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Die
Erfindung bietet außerdem
ein Verfahren zur Regulierung vom wasserhaltigen Schaum, wobei ein
Laserstrahl in ein Gefäß gelenkt
wird, das den zu regulierenden Schaum enthält, wobei der Laser eine Wellenlänge von
etwa 3000 nm aufweist, die so ausgewählt ist, daß sie einem modenspezifischen
Peak des Absorptionsspektrums von Wasser entspricht.
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Nachstehend
wird eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung anhand eines Beispiels unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen:
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1 ein
Diagramm, welches das Absorptionsspektrum von Wassermolekülen als
Funktion von der Wellenlänge
darstellt; und
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2 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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In 1 repräsentiert
die vertikale Achse den molaren Extinktionskoeffizienten (der einem
Absorptionskoeffizienten äquivalent
ist), und die horizontale Achse stellt die Wellenlänge in Nanometer dar.
Der Koeffizient ist in logarithmischem Maßstab aufgetragen, und dadurch
wird der Bereich von 10-2 bis 106 erfaßt.
Man wird erkennen, daß die
Absorption bei einer Wellenlänge
im sichtbaren Licht sehr niedrig ist, bei niedrigen Wellenlängen, die
dem ultravioletten Wellenlängenbereich
entsprechen, sehr hoch ist, und oberhalb des sichtbaren Bereichs schnell
mit der Wellenlänge
zunimmt, wobei ein wesentlicher Peak bei einer Wellenlänge von
etwa 3000 nm im fernen Infrarotbereich des Spektrums entsteht.
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Um
die Fähigkeit
von Laserstrahlen zur Schaumzerstörung einzuschätzen, sind
Experimente unter Verwendung von Laserstrahlen mit Wellenlängen von
370, 532 bzw. 740 nm ausgeführt
worden. Diese drei Wellenlängen
sind in 1 dargestellt und man wird erkennen, daß zwei von
ihnen in Positionen im Spektrum liegen, wo eine sehr geringe Absorption durch
Wassermoleküle
auftritt, während
die dritte Frequenz (740 nm) einem Bereich des Spektrums entspricht,
wo eine gewisse Absorption auftritt, die aber immer noch viel geringer
ist als diejenige, die im Ultraviolett- und im fernen Infrarotbereich
zu erwarten ist. Die 370 nm-Laserquelle hatte eine niedrige Leistung,
und an einem experimentellen Schaumkörper konnte keine wesentliche
Modifikation nachgewiesen werden. Der Laserausgangsstrahl wurde
in erheblichem Umfang gestreut. Die 532 nm-Quelle hatte eine hohe
Leistung (annähernde
Spitzenleistung von 1000 kW für
einen 10 ns-Impuls), und es wurde eine gewisse Schaumzerstörung festgestellt, aber
nur, wenn der Strahl senkrecht nach unten durch den Schaum auf eine
Schaumträgerplatte
aus Glas gerichtet wurde. Es besteht die Ansicht, daß der Schaum
durch die Erwärmung
der Auflagefläche statt
durch direkte Wechselwirkung zwischen dem Schaum und dem Laserstrahl
zerstört
wurde. Es wurde festgestellt, daß die 740 nm-Quelle in der
Lage war, die Schaumstruktur zu modifizieren, aber trotz der Verwendung
eines Strahls mit relativ hoher Leistung (ungefähre Spitzenleistung von 85
kW für
einen 10 ns-Impuls bei einem rechteckigen Strahl von 2,0 mm2) mit relativ niedriger Geschwindigkeit.
Die Schaumzerstörung
schien teilweise das Ergebnis einer direkten Wechselwirkung zwischen
dem Strahl und dem Schaum, und teilweise das Ergebnis der Erwärmung einer
Schaumauflagefläche
zu sein.
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Dann
wurde ein weiteres Experiment unter Verwendung eines Erbium:YAG-Lasers
durchgeführt,
der bei einer Wellenlänge
von 2940 nm arbeitete, da diese Strahlung in der Nähe des starken
Wasserabsorptionsmaximums bei 3000 nm lag, wie in 1 dargestellt.
In jedem Strahlungsimpuls wurde eine Energie von annähernd 400
mJ in einem Impuls mit einer Dauer von 0,25 ms abgegeben. Der Strahldurchmesser
betrug 4 mm. Der Laser war ein Einzelimpulslaser, so daß die Wirkung
von Einzelimpulsen beobachtet werden konnte. Jeder Einzelimpuls schnitt
einen Zylinder von 4 mm Durchmesser durch den bestrahlten Schaumkörper. Für das bloße Auge hatte
es den Anschein, als ob ein Zylinder vom Blasen einfach sofort verschwand,
obwohl der tatsächliche
Zerstörungszeitmaßstab 0,25
ms beträgt.
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Auf
diese Weise kann mit einer Strahlleistung von etwa 1 Watt Schaum
sehr wirksam zerstört werden.
Mit einem solchen leistungsarmen Strahl wird der Schaum oder seine
unmittelbare Umgebung nicht wesentlich erhitzt, da jeder Teil des
Strahls, der durch den Schaum hindurchdringt, an der Oberfläche oder
in unmittelbarer Nähe
der Oberfläche
jeder Struktur, die dem Strahl ausgesetzt ist, absorbiert würde und
daher der Strahl einen wesentlichen Energieeintrag nicht abgeben
könnte.
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Wie
wieder aus 1 erkennbar, wird die Betriebswellenlänge des
Erbium:YAG-Lasers angezeigt. Man wird erkennen, daß die Wellenlänge sehr dicht
bei einem großen
Peak im Absorptionsspektrum von Wasser liegt. Wie jedoch oben beschrieben, ist
die Effizienz der Schaumzerstörung
sowohl von der Absorption als auch von dem Mechanismus abhängig, der
zu einer relativ hohen Absorption beiträgt, insbesondere von der Strukturänderung,
die sich aus der modenspezifischen Wechselwirkung zwischen dem Laserstrahl
und den Wassermolekülen
in den Schaumblasen ergibt. Es besteht die Ansicht, daß Schäume, die
aus Blasen bestehen, die nicht in erster Linie wasserhaltig sind,
wirksam zerstört
werden können,
indem eine Laserwellenlänge ausgewählt wird,
die der Molekülstruktur
des Zielschaums angepaßt
ist, um die modenspezifische Absorption zu maximieren. Zum Beispiel
kann bei wasserhaltigen Schäumen
eine modenspezifische Wechselwirkung bei etwa 6000 nm auftreten,
wenn eine Laserquelle mit einer solchen Wellenlänge verfügbar ist.
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2 veranschaulicht
schematisch eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. In einem durch die gestrichelte Linie 1 dargestellten
Gefäß, das Schaum
enthält,
ist ein Linsensystem 2 montiert, das den Einzelstrahlausgang 3 eines
Erbium:YAG-Lasers quer über
einen fächerförmigen Strahlweg 4 ablenkt.
In diesem Beispiel wird der Strahlweg in horizontaler Richtung abgelenkt
und so positioniert, daß er
das Gefäß in einer
Höhe durchschneidet, über der
er die Entstehung eines Schaumkörpers
verhindern soll. In alternativen Anordnungen könnte der Strahl nach unten
gerichtet und so geformt oder abgelenkt werden, daß der erforderliche Strahlbereich
erzielt wird. Der Strahl könnte
in eine konische Form oder in eine Fächerform erweitert und dann über einen
interessierenden Bereich abgelenkt werden. Experimente mit einigen
Schäumen
lassen darauf schließen,
daß eine
hervorragende Schaumzerstörung
durch horizontale Ablenkung des Laserstrahls im Gegensatz zur vertikalen
Ablenkung nach unten erzielt wird. Der Grund dafür ist, daß bei bestimmten Schaumarten
der darunterliegende Schaum fest genug ist, um den flüssigen Rückstand von
zerplatzten Blasen zu tragen, und daß dieser Rückstand den tragenden Schaum
gegen einen vertikal nach unten gerichteten Laserstrahl abschirmt. Dagegen
schneidet ein horizontaler Laserstrahl in eine vertikale Schaumoberfläche, von
der rückständige Flüssigkeit
unter Schwerkrafteinfluß abfließt.
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Das
Gefäß 1 von 2 könnte z.
B. ein Gärtank
in einer Brauerei sein, wobei das Linsensystem 2 in einem
kurzen Abstand über
dem höchsten
Füllstand
der Flüssigkeit
innerhalb des Tanks angeordnet ist. Ein in dem Behälter gebildeter
Schaum, der durch den abgelenkten Strahl 4 direkt bestrahlt
wird, wird schnell zerstört.
Im Fall eines horizontal abgelenkten Strahls wird ein Schaum, der
sich anfänglich über dem
Niveau des Stahlswegs befindet, senkrecht nach unten in den Strahl
fallen, da der darunterliegende Schaum durch den Strahl zerstört wird.
Auf diese Weise wird ein sehr wirksames Mittel zur Zerstörung von
Schaum innerhalb des Behälters 1 bereitgestellt.
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Man
wird erkennen, daß verschiedene
optische Vorrichtungen vorgesehen werden können, um sicherzustellen, daß ein interessierender
Bereich im wesentlichen insgesamt wirksam bestrahlt wird. Zum Beispiel
kann der Ausgang des Linsensystems 2 dicht an der Behälterwand
lokalisiert und so angeordnet werden, daß ein Strahlenbündel in
horizontaler Richtung über
einen Strahlweg von annähernd
180° geführt wird.