EP2100479B1

EP2100479B1 - Mikrowellenheizungseinrichtung

Info

Publication number: EP2100479B1
Application number: EP07856371A
Authority: EP
Inventors: Marcel Mallah
Original assignee: Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH
Current assignee: Fricke und Mallah Microwave Technology GmbH
Priority date: 2006-12-06
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2027-12-05
Also published as: DE502007006433D1; EP2100479A1; JP2010511980A; US20090302031A1; ATE497686T1; PL2100479T3; WO2008067996A1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Mikrowollenheizungseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Erwärmung von Erwärmungsgut, wie z. B. zur Trocknung von keramischen Formkörpern mit Mikrowellen, vorzugsweise unter Verwendung dieser Trockeneinrichtung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 7.
Durch eine zunehmend leistungsfähigere Mikrowellentechnik und die fortschreitende Automatisierung von Steuerungsvorgängen bei der Bestrahlung von keramischen Materialien mit Mikrowellen im Rahmen von industriellen Trocknungseinrichtungen und Prozessen wird diese Technik einem immer breiter werdenden Anwendungsbereich zugänglich. Im Mittelpunkt der vorliegenden Erfindung stehen daher industrielle Trocknungsverfahren und Mikrowellenheizungseinrichtungen zur Behandlung verschiedenartiger, insbesondere keramischer Materialien und mineralischer isolationswerkstoffen,

STAND DER TECHNIK

Die seit längerem bekannten besonderen physikallschen Eigenschaften von Mikrowellen, die Oberfläche eines bestrahlten Objekts zu durchdringen und in das Volumen wärmeerzeugend einzukoppeln, begründen deren bevorzugte Verwendung für der schnellen Erwärmung von Festkörpern oder Flüssigkeiten und deren Verwendung in industriellen Trocknungsprozessen.
Die Energieeinbringung bis zum Kern eines Produktes ist bei herkömmlichen Trocknungsverfahren mit konventioneller Wärmeerzeugung gewöhnlich mit einem sehr langen Zeitaufwand verbunden, da sich der Temperaturgradient nur langsam von der Schichtoberfläche in das Innere des zu trocknenden Produkts ausbreitet. Im Gegensatz dazu haben Mikrowellen bei gut isolierenden Produkten, wie keramische Materialien eine vergleichsweise hohe Eindringtiefe und erwärmen das bestrahlte Volumen durch direkte Einkopplung auch gleichmäßiger.
Die Gefahr einer Überhitzung der äußeren Oberflächen des zu behandelnden Trockenguts, wie sie bei anderen konventionellen Trocknungsverfahren durchaus besteht und sich der Wärmeeintrag auf die Oberfläche des Trockengutes konzentriert ist hier weitgehend ausgeschlossen.
So sind Mikrowellentrockner prinzipiell gut geeignet für alle Trocknungsaufgaben von Werkstoffen oder Formteilen mit eingelagerten wässrigen Bestandteilen oder auch Lösemittel, welche ein Dipolmoment, d.h. eine hohe Dielektrizitätskonstante aufweisen.
Die Vorteile der Mikrowellentrocknung werden deshalb auch für den Herstellungsprozess der in großen Stückzahlen benötigten Ruß- oder Dieselpartikelfilter (RPF), auch Mikropartikelfilter genannt, industriell umfangreich genutzt. Diese großformatigen keramischen Bauelemente mit mikro-wabenförmiger Struktur und vorzugsweise einer zylindrischen Geometrie werden in der Autoindustrie in großen Stückzahlen benötigt. Sie bestehen meist aus Siliziumkarbit (SiC) oder Mischkeramiken mit einem hohen Siliziumkarbitanteil. Zur Trocknung solcher keramischen Formteile werden Trockenöfen unterschiedlicher Bauarten und mit verschiedenen Heizsystemen (Gas- oder Elektroheizung) eingesetzt. Dabei gewinnen Mikrowellenöfen wegen der genannten vorteilhaften Eigenschaften der Mikrowellenstrahlung zunehmend an Bedeutung.
Neben den für bestimmte Anwendungszwecke verwendeten Mikrowellen-Kammeröfen für die chargenweise (Stapelverarbeitung) Wärmebehandlung von Trockengütern, werden besonders häufig Durchlauf-Trocknungsanlagen zur Wärmebehandlung von keramischen Materialien verwendet. Die für verschiedene Aufgaben verwendeten Trocknungsverfahren werden dort durch die Anordnung, Steuerung und Parametrierung der verschiedenen Anlagenkomponenten realisiert. In Durchlauföfen wird das Trockengut auf einem Bandförderer meist durch mehrere Heizzonen befördert und die Trockenzeit lässt sich über die Bandgeschwindigkeit regeln. In den Heizzonen sind Mikrowellengeneratoren angeordnet, vorzugsweise oberhalb und unterhalb des Bandförderers, mittels deren in die Trockenzonen hineinwirkenden Antennen Mikrowellen auf das Trockengut abgestrahlt werden. Dabei soll das Trockengut, wie beispielsweise Mikropartikelfilterkörper möglichst gleichmäßig in seinem gesamten Volumen auf der Trockenstrecke erwärmt werden.
Weiterhin sind derartige Mikrowellentrockner oft mit zusätzlichen Heißluft-Verdüsungssystemen und entsprechenden Absaugeinrichtungen zur Unterstützung der des Trocknungsprozesses und zur Abführung der entstehenden Dämpfe ausgestattet.
Als weitere zusätzliche Hilfseinrichtung können in unterschiedlichen Bauformen verfügbare Befeuchtungssysteme installiert werden, deren Aufgabe die Herstellung einer kontrollierten Dampfatmosphäre in den Trockenzonen ist. Durch die Befeuchtung wird einer Übertrocknung der Oberfläche entgegengewirkt, was ohne diese Maßnahme leicht zu Oberflächenspannungen und zur Rissbildung bei den empfindlichen keramischen Oberflächen führen kann.
Solche, auch als Hybrid-Trocknungsanlagen bezeichneten Durchlauföfen, können neben Mikrowellen als Wärmequelle auch weitere zusätzliche Heizelemente oder Wärmequellen aufweisen, die elektrisch oder gasbetrieben sein können.
Diese in den bekannten industriellen Mikrowellen-Trocknungsanlagen verwendeten Trocknungsverfahren weisen jedoch auch erhebliche Nachteile in der Homogenität der Feldverteilung und der Heizleistungsdichte im Volumen auf. Das hat besonders negative Auswirkungen bezüglich der hier zu betrachtenden großvolumigeren keramischen Formkörper und führt speziell bei Dieselpartikelfilter zu unerwünschten Qualitätseinbußen, wie zur Verringerung der Lebensdauer der Filterkörpern und vermindern deren Filterwirkung, was deren Verwendbarkeit beeinträchtigt.
Um die in bekannten Mikrowellen-Trocknungseinrichtungen häufig auftretende Risse, Spannungen und Verformungen im Trockengut, also dem Keramikkörper und seiner Oberfläche zu verhindern, ist ein möglichst gleichmäßiger Wärmeeintrag durch die abgestrahlten Mikrowellen in das Volumen des Trockengutes notwendig. Daher wurde versucht dieses Ziel mit den Mitteln einer möglichst gleichmäßigen Feldverteilung des Mikrowellenfeldes über die gesamte Trockenstrecke zu erreichen. Mittels bestimmter Maßnahmen, wie die zusätzliche Anordnung von Reflektoren und spezielle Antennenkonstruktionen sollte die Homogenität und Stabilität des Mikrowellenfeldes verbessert und ein gleichmäßigerer Trocknungsvorgang für die Gesamtheit der eingebrachten Keramikkörper erreicht werden.
Auch wurde zur Vermeidung von derartigen Trocknungsfehlern vorgeschlagen, mehrere Mikrowellenreflektoren an vorbestimmten Stellen in den Trocknungskammern oder verteilt in einzelnen Trockenzonen unter bestimmten Abstrahlwinkeln anzuordnen. Dem mit diesen bekannten Maßnahmen einhergehenden, nicht unerheblichen zusätzlichen anlagentechnische Aufwand zur Homogenisierung der Feldverteilung und Fokussierung auf das Trockengut, stehen nur begrenzte Verbesserungen im Trocknungsprozess gegenüber. Aus der DE 10 201 299 A1 ist ein weiteres Verfahren bekannt, bei dem der Trocknungsprozess eines als Katalysatorträger ausgebildeter keramischer Wabenkörpers für Autoabgasreinigungssysteme in einer hochgradig feuchten Umgebung mit einem Feuchtigkeitsgehalt von mindestens 70 % erfolgt und er gleichzeitig mit Mikrowellen bestrahlt wird.
Der hohe Luftfeuchtigkeitsgehalt im Ofen soll die verschieden starken Schrumpfungsvorgänge, sowie die Bildung von Rissen und Runzeln verhindern. Allerdings dürfte der hohe Feuchtigkeitseintrag bei dieser bekannten Lösung auch zu unerwünscht verlängerten Trocknungszeiten führen und die notwendige Heizleistung für den Trockenvorgang erhöhen.
Mit der in der DE 10 353 784 A1 offenbarten Vorrichtung wird zur Verfahrensverbesserung versucht, den Trocknungsvorgang keramischer Formgegenstände gezielt zu steuern, indem die örtliche Verteilung und Lage des Trockengutes in einer Trockenkammer sensorisch erfasst und zur Steuerung der Mikrowellen-Abstrahlleistung und/oder Abstrahlrichtung einer Vielzahl von angeordneten Mikrowellengeneratoren verwendet wird. Die verwendete Frequenz der Mikrowellengeneratoren soll hier aus einem Frequenzbereich von 300 MHz bis 300 GHz auszuwählen sein.
Dieses vorgeschlagene Verfahren erfordert eine aufwendige Signalverarbeitung, sowie eine mit den Überwachungssensoren verbundenen Steuerelektronik. Dabei ist zu erwarten, dass beim Betrieb der zu überwachenden Sensoren und die Steuerungen der Mikrowellengeneratoren in einer solchen wärme- und feuchtigkeitsbelasteten Arbeitsumgebungen mit häufigen Ausfällen zu rechnen ist. So dass neben dem hohen anlagetechnischen Erfordernissen dieser Lösung auch Zweifel an der Zuverlässigkeit und Funktionstüchtigkeit des Sensorsystems (Bilderkennung) über längere Betriebszeiträume angebracht sind.
Aus der US-A-3,771,234 ist ein Mikrowellentrock ungsprozess für synthetisch Polymere bekannt, mit dem flüchtige polare Vehikel, wie beispielsweise Wasser oder organische Lösungsmittel, von nicht polaren Materiallen getrennt werden, Indem das Jeweilige Material durch mindestens eine Resonatorkavität eines pneumatischen Förderers hindurchgeführt wird. Für die Trocknung eines Polymers, wie beispielsweise von Polyvinylchlorid, kann das Polymer durch eine erste Resonatorkavität geführt werden, in der Mikrowellen mit einer Frequenz von 915 MHz auf das Polymer einwirken, und durch eine zweite Resonatorkavität, In der Mikrowellen mit einer Frequenz von 2,450 GHz auf das Trockengut einwirken. Die unterschiedlichen Frequenzen der Mikrowellenstrahlung sind auf den sich ändernden, d, h. abfallenden Feuchtigkeitsgehalt des Polymers abgestimmt. Die Bereiche, in denen die verschiedenen Mikrowellen auf das Material einwirken, sind durch Abschirmgitter gegeneinander abgegrenzt. Der pneumatische Förderer ist für gekörnte oder pulverförmige Materialien geeignet, die freiflleßend sind. Neben Polymeren werden als Trockengut auch verschiedene anorganische Materiallen, wie beispielsweise Keramiken, erwähnt.
Aus der AU 565,393 B2 ist eine Mikrowellenbehandlung von Materialien mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 6 sowie eine entsprechende Mikrowellenheizungseinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt. Hierbei können die Mikrowellengeneratoren zur Abstrahlung von Mikrowellen unterschiedlicher Frequenz vorgesehen sein. So wird zur Abtötung von insekten die Abstrahlung von Mikrowellen mit Frequenzen von 2410 und 2450 MHz vorgeschlagen, um diese Insekten der Differenzfrequenz von 40 MHz auszusetzen. Zur Behandlung von befallenem Welzen wird eine Bestrahlung mit Mikrowellen von 2410 MHz, 2420 MHz, 2420 MHz, 2430 MHz, 2440 MHz und 2450 MHz vorgeschlagen. Weiter wird berichtet, dass eine der beschriebenen Mikrowellenheizungseinrichtungen, die bei unterschiedlichen Mikrowellenfrequenzen abstrahlende Mikrowellengeneratoren aufweisen kann, zur Aushärtung eines Segelbootmastes aus Fiberglas verwendet wurde.
Aus der DE 18 18 464 U ist ein Mikrowellen-Durchlaufofen bekannt, der einen langgestreckten Arbeitsraum und ein Transportband für zu behandeinde Objekte aufweist. Dabei werden die Objekte im Zuge Ihrer Bewegung nacheinander Mikrowellen mit unterschiedlichen Frequenzen ausgesetzt. Hierdurch soll die Absorption der Mikrowellen konstant gehalten werden, die proportional dem Produkt aus der Elektrizitätskonstanten, dem Verlustfaktor und der Frequenz ist. Da die Dielektrizitätskonstante und der Verlustfaktor mit der Temperatur und der Feuchte des Objekts steigen, muss im Falle eines Trocknungsvorgangs ein zu trocknendes Objekt mit Mikrowellen steigender Frequenz beaufschlagt werden, während im Falle eines Erwärmungsvorgangs ein zu erwärmendes Objekt mit Mikrowellen fallender Frequenz zu beaufschlagen Ist, um die Absorption konstant zu haften. Als Beispiel für ein zu erwärmende Objekt werden Speisen angegeben.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegende Erfindung ist es daher, ein Mikrowellenerwärmungsverfahren und eine Mikrowellenheizungseinrichtung vorzuschlagen, welche die Nachteile vorbekannter Verfahren und Tracknungseinrichtungen für Erwärmungsgut in Form von Festkörpern vermeiden und eine weitmöglichst spannungsfrei gleichmäßige Trocknung, insbesondere im Volumen des keramischen Trockenguts ermöglichen. Dabei sollen aber auch die notwendigen Trocknungszeiten In den verwendeten Trocknungseinrichtungen zur Verringerung der Kosten optimiert werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des ersten und sechsten Patentanspruchs gelöst. In den jeweiligen Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.

LÖSUNG

Erfindungsgemaß werden eine Mikrowellenheizungseinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Mikrowellenerwärmung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 angegeben, welche mit ein oder mehreren Mikrowellengeneratoren ausgestattet ist, die derart ausgestaltet sind, dass das zu behandelnde Trockengut mit einer ersten Mikrowellenfrequenz aus dem oberen Frequenzband der International zulässigen Mikrowellenfrequenzen (ISM-Frequenzen) durch ein oder mehrere Mikrowellengeneratoren bestrahlt und gleichzeitig oder nacheinander mit einer zweiten Frequenz aus dem unterem Frequenzbereich des international zulässigen unteren Frequenzbandes durch ein oder mehrere Mikrowellengeneratoren bestrahlt wird. Dabei werden durch die verwendeten Frequenzen aus dem oberen Frequenzbereich geringere Eindringtiefen, aber eine gleichmäßigeren Feldverteilung der Mikrowellen realisiert und durch die verwendeten Bestrahlungsfrequenzen aus dem unteren Frequenzbereich wird eine höhere Eindringtiefe und eine bessere Einkopplung in die tieferen Schichten des Volumens realisiert.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Bei allen aus der Praxis bekannten Mikrowellen-Trockeneinrichtungen werden Mikrowellengeneratoren eingesetzt, die mit einer Frequenz von 2,45 GHz arbeiten, also mit der gleichen Frequenz wie die welt verbreiteten Mikrowellenhaushaltsgeräte. Diese ISM-Frequenz (Industrial, Scientific and Medical applications) ist eine der weltweit für Erwärmungszwecke zugelassenen Mikrowellenfrequenzen.
Wie beschrieben, liefert der Trocknungsprozess bei Anwendung dieser Frequenz keine befriedigenden Ergebnisse und ist mit einigen Schwierigkeiten verbunden, was insbesondere durch die geringe Eindringtiefe der Mikrowellen in den keramischen Werkstoff verursacht wird. Es wurde gefunden, dass die Eindringtiefe ein wichtiges Maß für den Ort der Wärmeentwicklung im Volumen des zu erwärmenden Materials ist. Aber auch die Größe und die Geometrie des Trockengutes spielen bei der Ausbildung des inneren Temperaturprofils eine entscheidende Rolle. Gemäß der Tatsache, dass die Verteilung der inneren Wärmequellen im Bezug auf die Schichtdicke des zu erwärmenden Materials durch die verwendete Mikrowellenfrequenz beeinflussbar ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass zu erwärmende Trockengut mit einer oder mehreren unterschiedlichen Mikrowellenfrequenzen zu bestrahlen, vorzugsweise mit einer hohen Frequenz gleich oder größer 2,45 GHz und einer niedrigeren Frequenz gleich oder kleiner 1000 MHz. Untersuchungen zum Verhalten von Mikrowellenstrahlung beim Einkoppeln in Festkörper haben ergeben, dass sich die Eindringtiefe der Mikrowellenstrahlung entgegengesetzt proportional zu steigenden Frequenzen hin ändert. Also je höher die Frequenz der verwendeten Strahlung, desto geringer die Eindringtiefe. In diesem Zusammenhang wurde weiterhin gefunden, dass sich die Wärmeerzeugung im Trockengut um so stärker innerhalb des Oberflächenbereichs konzentriert, je höher die Frequenz der verwendeten Mikrowellenstrahlung, bei gleichen dielektrischen Eigenschaften des Trockengutes ist.
Insbesondere die erfinderische Anwendung dieser Mechanismen in einer Mikrowellen-Trocknungseinrichtung ermöglichen ein neues wirksameres Trocknungsverfahren mittels Bestrahlung des keramischen Trockengutes durch aufeinander abgestimmte Mikrowellen unterschiedlicher Frequenzen und einer verfahrensgestegesteuerten Mikrowellenleistungen, welches die Nachteile bisher bekannter Verfahren vermeidet.
Die erfinderische Mikrowellen-Trocknungseinrichtung ist mit mehreren Mikrowellengeneratoren ausgestattet, welche jeweils technisch derart aufgebaut sind, dass sie verschiedene Frequenzen, vorzugsweise aus dem oberen und dem unteren Frequenzbereich auf das Trockengut abstrahlen können.
Dabei kann die vorgeschlagene Trocknungseinrichtung zur Unterstützung des Trocknungsprozesses vorteilhaft durch weitere Anlagenkomponenten ergänzt und unterstützt werden. So hat sich die zusätzliche Anordnung eines an sich bekannten Heißluft-Verdüsungssystem mit Absaugeinrichtung zur Unterstützung des Trockenvorgangs und Abführung der Feuchtigkeit als vorteilhaft erwiesen.
Andererseits führen ein oder mehrere zusätzliche Befeuchtungssysteme in den Trockenzonen der Durchlauföfen oder Trockenkammern zu einer gleichmäßigeren Trocknung der Werkstücke unter einer kontrollierten Dampfatmosphäre. So können insbesondere die Rissbildung und Verformung auf der Oberfläche der keramischen Formteile minimiert und erhebliche Qualitätsverbesserungen erzielt werden.
In der realen Konstruktion eines Mikrowellen-Trockenofens ist auch immer die allseitige Bestrahlung des Trockengutes so weit wie möglich vorzusehen, sowie die im Ofenraum auftretenden Reflexion der Mikrowellen zu berücksichtigen. Bei Anordnung mehrer Mikrowellengeneratoren bildet sich oft ein komplexes Mikrowellenfeld heraus, welches das Wärmgut umgibt, das aber ohne besondere Maßnahmen sehr inhomogen verteilt ist. Dies beruht auf der Natur der Mikrowellenstrahlung und der speziellen Form und Ausgestaltung des Ofenraums, der als Mikrowellen-Resonator wirkt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen - insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung - zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Die Erfindung soll nun anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Es zeigen:

Fig. 1: den erfindungsgemäßen Mikrowellenofen als Durchlauf-Trockenofen 1
Fig. 2: den erfindungsgemäßen Mikrowellenofen, welcher als Kammerofen 2 ausgebil- det ist.

FIGURENBESCHREIBUNG

Wie schon angegeben sind aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Mikrowellen-Trocknungseinrichtungen in unterschiedlichen Ausgestaltungen zur Trocknung von keramischen Formkörpern bekannt. Speziell bei geometrisch größeren Trockengütern, wie Baugruppen der Sanitärtechnik oder den besonders wichtigen keramischen Filtereinsätzen aus Siliziumcarbid (SiC) für Russpartikelfilter der Automobilindustrie werden Mikrowellengeneratoren mit einer Frequenz von 2,45 GHz verwendet. Dabei wird versucht, die durch partielle Überhitzung von Oberflächenbereichen und der Ausbildung ungleichmäßiger Wärmegradienten im Volumen entstehenden Qualitätsmängel (Rissbildung und Verformungen usw.) des Trockenguts durch die schon beschrieben Maßnahmen zu bekämpfen.
Auch die in diesem Ausführungsbeispiel zugrunde gelegte Mikrowellen-Trockeneinrichtung (Fig. 1) unterscheidet sich zunächst nicht grundlegend von bekannten Anlagenkonzepten und ist als kontinuierlich arbeitender Durchlauf-Trockenofen 1 für keramische Formkörper mit mehreren Mikrowellengeneratoren 3,4 ausgebildet. Für den Trockengutein- und -austritt am Trockenofen sind noch Absorberzonen 6, 12 vorgesehen, welche angepasst sind an die Art und Geometrie des einzubringenden Trockengutes. Weiterhin sollen die beiden Absorberzonen den Austritt von Mikrowellenstrahlung in die Umgebung des Ofens, insbesondere jedoch aus dem Ofeneingangsbereich 12 und dem Ausgangsbereich 6 verhindern. Bei vorliegend großvolumigeren Produkten oder für höhere Produktdurchsätze, sind auch kombinierte Reflexions- und Absorptionsschleusen im Ein- und Ausgangsbereich vorteilhaft einsetzbar.
Die Einkopplung der hoch- und niederfrequenten Mikrowellen erfolgt über mehrere in die Decke und den Bodenbereich der Trockenkammern eingelassene Einkoppelelemente 3 und 4, beispielsweise auf die Abgabefrequenz abgestimmte Schlitzantennen, so dass vorzugsweise eine gleichmäßige Verteilung der Mikrowellen (auch bei Stufenbetrieb) gewährleistet ist.
Um eine besonders gleichmäßige Mikrowellenfeldverteilung zu erreichen, ist die Anordnung von mehreren Feldführern 8 im Deckenbereich der Trockenkammer 11 vorteilhaft.
Wie in Fig. 1 dargestellt, wird das Trockengut mittels kontinuierlichen Förderbands 7 durch die Trockenkammer 11 des Ofens befördert. Dabei werden der Trockenkammer je nach Trockenaufgabe ständig bestimmte Mengen Frischluft zu Abtransport der aus dem Trockenprozess entstehenden Feuchtigkeit zugeführt 5, 9 und am Ausgang 10 abgesaugt.
In Fig. 2 ist in eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ein Kammerofen 2 dargestellt. Hier wird das Trockengut auf einen in der Trockenkammer 13 angeordneten Drehteller 14 aufgelegt und vergleichbar mit häuslichen Mikrowellenherden während der Trocknung gedreht. Die Einkopplung der erfindungsgemäß unterschiedlichen Frequenzen erfolgt über die Koppelelemente 3 und 4. Auch der Kammerofen benötigt eine kontinuierliche Be-und Entlüftung 9, 10 zum Abtransport der Feuchtigkeit.
Als großvolumiges Trockengut werden keramische Formkörper als zylinderförmige Filtereinsätze für Mikropartikelfilter verwendet. Deren wabenförmige Zellenstruktur ist gegenüber größeren Temperatur und Feuchtigkeitsunterschieden während der Trocknung besonders empfindlich, was zu Materialspannungen, Rissen oder Brüchen führen kann und die Verwendbarkeit gefährdet. Die Mikrowellengeneratoren zur Erzeugung einer höheren Frequenz und die Mikrowellengeneratoren zur Erzeugung einer niedrigeren Frequenz sind oberhalb und unterhalb des Transportbandes der einzelnen Trockenzonen angeordnet.
Die Hochfrequenz-Mikrowellengeneratoren arbeiten mit einer Frequenz von 2,45 GHz. In diesem Frequenzbereich koppeln die Mikrowellen in oberflächennahe Bereiche ein, was zu einer verstärkten Wärmeentwicklung in diesen Bereichen führt.
Wird beispielsweise die Mikrowellenfrequenz insbesondere durch Auswahl eines geeigneten Dielektrikums von 2,45 GHz auf 5,8 GHz erhöht verringert sich nicht nur die Eindringtiefe der Strahlung, sondern auch die Heizleistungsdichte direkt unter der Oberfläche des Trockengutes wird erhöht.
Umgekehrt ist festzustellen, dass insbesondere Mikrowellen aus dem Frequenzbereich von 900 MHz bis 1000 MHz eine weitaus höhere Eindringtiefe in das zu trocknende keramische Material haben. Dadurch wird der Wärmeeintrag in das innere Volumen des Trockengutes gesteigert, wodurch der Trocknungsprozess beschleunigt signifikant beschleunigt wird.
Allerdings zeigen Mikrowellenfelder in diesem unteren zulässigen Frequenzbereich verstärkt Inhomogenitäten in der Feldverteilung, so dass in bestimmten Fällen die Anordnung von geeigneten Reflektoren in den Trockenkammern vorteilhaft ist.
In diesem Ausführungsbeispiel arbeiten die Niedrigfrequenz-Mikrowellengeneratoren mit einer Frequenz von 915 MHz und sind vorwiegend im hinteren Teil des Durchlaufofens angebracht.
Bei der erfindungsgemäßen kombinierten Anwendung der beiden unterschiedlichen Frequenzen von 2,45 GHz und 915 MHz werden jeweils unterschiedliche Eindringtiefen der einkoppelnden Mikrowellen an den zu trocknenden keramischen Formkörpern realisiert. Die dadurch sowohl im oberflächennahen Bereich, als auch im Volumen des als keramischer Wabenfilter ausgebildeten Trockengutes erzielte Heizleistungsdichte sorgt für einen wesentlich gleichmäßigeren Temperaturgradienten und dadurch auch für einen kontinuierlichen schnelleren und spannungsfreien Trocknungsprozess.
Da sich die Eindringtiefe und damit die verwendete Mikrowellenfrequenz als ein wichtiges Maß für die geometrische Verteilung (Wärmequellen) der Wärmeentwicklung im Volumen des zu erwärmenden Materials erwiesen hat, spielt auch die Größe und Geometrie des Trockengutes bei der Ausbildung des inneren Temperaturprofils eine zu berücksichtigende Rolle.
Erfindungsgemäß kann also die Mikrowellenenergie durch die Auswahl geeigneter Frequenzen für bestimmte Materialgeometrien sehr wirksam und für den Trocknungsprozess sehr vorteilhaft genutzt werden.
In Verbindung mit weiteren technologischen Maßnahmen, wie einem variablem Druckniveau der in den Trockenzonen herrschenden Atmosphäre können selbst schwierige Trocknungsaufgaben schonend und bei relativ geringen Temperaturen durchgeführt werden.
Da sich mit der erfinderischen Mikrowellentrockentechnik spezielle Mikrowellenfelder mit einer recht hohen Energiedichten erzielen lassen, ist insbesondere die Konstruktion von Platz sparenden kompakten Trocknungseinrichtungen möglich.
Mit diesem Multifrequenzverfahren werden alle Produktschichten, auch die tiefer liegenden Bereiche unmittelbar und sofort mit der gleichen oder auf den Trocknungsverlauf abgestimmter Mikrowellenenergiemenge beaufschlagt. Dies hat bei den zu trocknenden keramischen Produkten insbesondere den Vorteil, dass das Produkt selbst chemisch und physikalisch homogener und in seiner Struktur erhalten bleibt.
Das vorliegende erfinderische Verfahren zur Mikrowellentrocknung und die vorgeschlagene Mikrowellen-Trocknungseinrichtung erlauben eine Trockenbehandlung von insbesondere großvolumigen keramischen Formkörpern, welche gegenüber bekannten Verfahren und Anlagen einen schnelleren Produktdurchsatz, also kürzere Trocknungszeiten ermöglicht, sowie weitgehend spannungs- und rissfreie Produkte erzielt.
Auch Verformungen an der Oberfläche oder andere Unebenheiten und Qualitätsmängel des keramischen Trockengutes werden durch die erfinderische Mikrowellen-Multifrequenzbehandlung im Trocknungsprozess vermieden, was ebenfalls zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.
Die erfindungsgemäße Mikrowellenerwärmungseinrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind auch zur Erwärmung anderer Materialien als Keramiken und zu anderen zwecken als zur Trocknung einsetzbar, wie bspw. zum Erwärmen von Vorformen bei der Herstellung von Bauteilen aus Faserverbund- oder Holzwerkstoffen oder zur wärmeinduzierten Aushärtung bspw. Vernetzung verschiedenster Substanzen.

BEZUGSZEICHENLISTE

1: Mikrowellen-Trockenofen als Durchlaufofen ausgebildet
2: Mikrowellen-Trockenofen als Kammerofen ausgebildet
3: Mikrowelleneinkopplung 2,45 FH, Einkoppelelement
4: Mikrowelleneinkopplung 915 MHz, Einkoppelelement
5: Zuluft/Umluft für den Heißluft/Mischbetrieb
6: Absorberzone zur Verhinderung der Mikrowellen-Leckstrahlung
7: Förderband (einfach oder reversibel)
8: Feldführer für Mikrowellen
9: Zuluft-Zuführung
10: Abluft-Zuführung
11: Mikrowellentrockenkammer des Durchlaufofens
12: Absorberzone
13: Mikrowellentrockenkammer des Kammerofens aus Metall beliebiger Form
14: Drehteller mit Trockengut

Claims

Mikrowellenheizungseinrichtung mit einem Mikrowellen-Durchlaufofen (1) oder Mikrowellen-Kammerofen (2), der Erwärmungsgut in Form von Festkörpern aufnimmt, und mit mehreren Mikrowellengeneratoren zur Abstrahlung von Mikrowellen mit einer Frequenz von 300 MHz bis 5,8 GHz und zur Einkopplung in das Erwärmungsgut in dem Mikrowellen-Durchlaufofen (1) oder Mikrowellen-Kammerofen (2), dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der Mikrowollengeneratoren zur Abstrahlung von Mikrowellen mit einer ersten Frequenz aus einem oberen Mikrowellenfrequenzbereich größer als 1 GHz ausgelegt sind, wobei deren Eindringtiefe In das Erwärmungsgut geringer ist, und ein oder mehrere der Mlkrowellengeneratoren zur Abstrahlung von Mikrowellen mit einer zweiten Frequenz aus einem unteren Mikrowellenfrequenzbereich nicht größer als 1 GHz ausgelegt sind, wobei deren Eindringtiefe In das Erwärmungsgut höher ist.
Mikrowellenheizungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz aus dem oberen Mikrowellenfrequenzbereich in einem Bereich von 2,45 bis 5,8 GHz Ilegt und dass die zweite Frequenz aus dem unterem Mikrowellenfrequenzbereich In einem Bereich von 900 MHz bis 1000 MHz liegt.
Mikrowellenheizungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrowellengeneratoren sowohl die Mikrowellen mit der ersten Frequenz als auch die Mikrowellen mit der zweiten Frequenz in eine Trockenkammer (11, 13) des Durchlaufofens (1) oder Mikrowellen-Kammerofens (2) einkoppeln.
Mikrowellenheizungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Mikrowellen-Durchlaufofen (1) mit einem oder mehreren Trockenmodulen ausgelegt Ist.
Mikrowellenheizungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrowellenofen als Mikrowellen-Hybridofen ausgebildet ist, welcher zur Unterstützung der Mehrfrequenz-Mikrowellantrocknung und besseren Abführung der entstehenden Dämpfe ein zusätzliches Heißluft-Verdüsungssystem mit Absaugeinrichtung und/oder mindestens ein Befeuchtungssystem zur Bereitstellung einer kontrollierten Dempfatmosphäre aufweist.
Mikrowellenheizungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere zusätzliche Heizeinrichtungen konventioneller Bauart zur Unterstützung und Ergänzung angeordnet sind, welche vorzugsweise als Gasheizung und/oder elektrisch betrieben Helzelemente ausgebildet sind.
Verfahren zur Erwärmung von Erwärmungsgut in Form großvolumiger Festkörper durch Behandlung mit Mikrowellen aus einem Frequenzbereich der weitweit zugelassenen ISM-Frequenzen für Erwärmungszwecke von 300 MHz bis 5,8 GHz, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmungsgut zur Realisierung unterschiddilcher Eindringtiefen in das Erwärmungsgut mit Mikrowellen einer ersten Frequenz aus einem oberen Mikrowellenfrequenzbereich von 2,45 bis 5,8 GHz, für einen bestimmten Zeitraum behandelt wird und gleichzeitig oder nacheinander mit Mikrowellen einer zweiten Frequenz aus einem unterem Mikrowellenfrequenzbereich von 900 MHz bis 1000 MHz für einen bestimmten Zeitraum behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandeinde Erwärmungsgut Formkörper aus dem Bereich der technischen Keramik umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandelnde Erwärmungsgut keramische Strukturen oder Filterkörper für Ruß- oder Dieselpartikelfilter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Strukturen oder Filterkörper zur Herstellung Ruß- oder Dieselpartikelfiltar als wesentlichen Bestandtell Siliziumcarbid (SiC) enthalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 und 8 zur Trocknung von keramischen Formteilen aus dem Bereich der Sanitärkeramik, dadurch gekennzeichnet, dass das Trockengut zur Realisierung unterschiedlicher Eindringtlefen mit Mikrowellen einer ersten Frequenz aus dem oberen Mikrowellenfrequenzbereich, vorzugsweise von 2,45 bis 5,8 GHz für einen bestimmten Zeitrum behandelt wird und gleichzeitig oder nacheinander mit Mikrowellen einer zweiten Frequenz aus dem unterem Mikrowellenfrequenzbereich, vorzugsweise von 900 MHz bis 1000 MHz für einen bestimmten Zeitraum behandelt wird, wobei eine Mikrowollenbehandlung mit weiteren Mikrowellenfrequenzen vorgesehen wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zu behandelnde Erwärmungsgut eine Vorform oder ein Teil einer Vorform für ein Bauteil aus einem Faserverbund- oder Holzwerkstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Mikrowellen unterschiedlicher Frequenzen gleichzeitig, nacheinander, In beliebigen zeitlichen und/oder räumlichen Abständen zueinander oder in einem beliebigen Frequenzfolgenwachsel auf die zu trocknenden keramischen Formtelle einwirken.