NL9102183A - Microgolf resonantieholte-applicator voor het verwarmen van voorwerpen van onbepaalde lengte. - Google Patents

Description

Microgolf resonantieholte-applicator voor het verwarmen van voorwerpenvan onbepaalde lengte.

Gebied van de uitvinding.

De uitvinding heeft betrekking op een resonante microgolf holte-applicator met hoge Q-faktor, welke applicator bestemd is voor de droog-en warmtebehandeling van lopende, natte voorwerpen van onbepaalde lengte,en in het bijzonder vezels, en meer in het bijzonder vezels van aramiden.

Beschrijving van de stand van de techniek.

Het Amerikaanse octrooischrift 3-557-33^ openbaart een microgolfresonantieholte-applicator die door een magnetron gevoed wordt, welkedoor middel van een golfpijp, een drie-poortcirculator, en een iris metde applicator is verbonden. Een met de circulator verbondenwaterbelasting absorbeert vrijwel alle gereflecteerde energie van deapplicator.

Resumé van de uitvinding.

De uitvinding heeft betrekking op een rechthoekige microgolfresonanteholtie-applicator, welke behoort bij rollen, die een voorwerpvan onbepaalde lengte door de applicator kunnen voeren. De holte omvatvaste en beweegbare soortgelijk gevormde tegenovergestelde holleholtesecties, waartussen het te verwarmen voorwerp passeert. Debuitenomtrek van elke sectie heeft een planair randoppervlak evenwijdigaan en tegenover het randoppervlak van de tegenovergestelde sectie.Groeperingen van aangrenzende rechthoekige ferrietsegmenten zijn op derandoppervlakken gemonteerd en tezamen verschaffen zij niet-contacterendemagnetisch-veld insluitende middelen voor binnen de open holtestruktuuropgeslagen electromagnetische energie. De holte wordt geëxciteerd dooreen magnetronbron die microgolfenergie via een golfpijp en een impedantieaanpasiris toevoert in de basis van de vaste holtesectie. De irisverbindt de golfpijp met de holte en is gemakkelijk vervangbaar dooririssen van verschillende afmetingen teneinde aan te verwachtenveranderingen in de produktlijn tegemoet te komen. Een impedantie-aanpassonde, die naast de iris is geplaatst, kan ingesteld worden ombelastingimpedantie variaties, wanneer deze optreden, te compenseren enhierdoor de mate van overkoppeling te optimaliseren.

De beweegbare holtesectie is verplaatsbaar ten opzichte van devaste sectie langs de loodlijn op het symmetrievlak tussen de beide secties als een middel om de holte af te stemmen tot resonantie met demagnetronfrequentie in een TM-lln mode. In deze mode wordt een uniformeverwarming over de breedte van een lopend langwerpig voorwerp verkregen.

De uitvinding zal nader worden toegelicht met verwijzing naar detekeningen, waarin:

Fig. 1 een perspectivisch aanzicht is van de holtestruktuur van deonderhavige uitvinding; de figuren IA en 1B diagrammen zijn van de elektrischeveldverdeling binnen de holtestruktuur van de figuren 1 en 3; fig. 2 een dwarsdoorsnede-aanzicht is van de stub-afgestemde irisvolgens de lijn 2-2 van fig. 1 bij de verbinding van de golfpijp met devaste onderholtesectie; en fig. 3 een blokschema is van het holte-applicatorsysteem.

Met verwijzing naar fig. 1 wordt nu toegelicht, dat de openresonantieholte-applicator volgens de uitvinding, identiek gevormd, eenbeweegbare bovensectie 11 en een vaste ondersectie 12 bevat metrespectieve uitgefreesde inwendige gedeelten ter vorming van een holte13. De twee holtesecties moeten van een sterk elektrisch geleidendmateriaal, zoals gegoten aluminium, zijn gemaakt, waarbij het inwendigeopppervlak bij voorkeur sterk geleidend en niet-poreus is teneinde dehoogste waarden voor Q te verkrijgen. Aan edele metalen, zoals goud ofplatina, wordt de voorkeur gegeven wanneer men zich om corrosiebekommert. De secties zijn van elkaar over een spleetafstand "d"gescheiden, die de resonantie frequentie van de holte bepaalt. De secties11 en 12 zijn voorzien van planaire omtreksranden die tegenover elkaarliggen.

De bovensectie 11 wordt door cantilever balken 14 en 15 van het c-klemtype en een in het algemeen door 16 aangeduid liftmechanismeondersteund. De ondersectie 12 wordt op stijve wijze door een basisondersteund en is met een golfpijp 17 verbonden via de in het algemeenmet 18 aangeduide iriskoppelmiddelen. De holte 13 is uit het inwendigegedeelte van de beide secties 11 en 12 gefreesd.

De secties 11 en 12 zijn elk voorzien van groeperingen of arraysvan rechthoekige ferrietsegmenten 21 teneinde magnetische-veldinsluitendemiddelen te vormen voor in de holte opgeslagen elektromagnetischeenergie. Teneinde de groeperingen te vormen zijn de ferrietsegmenten zijaan zij rond de randen van de aluminium secties geplaatst en zijn zijdaaraan bevestigd onder toepassing van een warmtegeleidende epoxy.Ofschoon de breedte van de ferrietgroeperingen niet kritisch is, behoren de segmenten vanaf de binnenrand van de holte over een kleine afstandnaar buiten te zijn geplaatst teneinde microgolflek tot niveaus onder 1,0mW/cm2 te beperken, terwijl een oververwarming van de ferrietgroeperingenwordt vermeden.

De holte-afmetingen voor de resonante mode van de hierinweergegeven uitvinding zijn zodanig gekozen, dat een TM-110 mode bij eenmiddenfrequentie van 915 MHz wordt geëxciteerd. Excïtatiefrequenties vanenkele honderden tot enkele duizenden MHz zijn even geschikt opvoorwaarde dat uitwendige stralingen binnen toegestaneregeringsbeperkingen vallen. De spleetafstand "d" tussen de holtesectieswordt dan ingesteld om de gekozen modefrequentie af te stemmen. Daar deholtebreedte-, lengte-, en diepte-afmetingen op geschikte wijze zijngekozen om een modefrequentie te specificeren die voldoende gescheiden isde volgende aangrenzende modefrequentie, die optreedt, is een ongewenste"modespringbeweging" als gevolg van de invloeden van een extremeproduktvochtvariatie of bronfrequentieverandering onwaarschijnlijk.Wanneer modespringen optreedt, zullen de aanwezigheid van nullen en heteplekken in het veldverdelingspatroon de uniforme diëlectrischeverwarmingseisen voor brede produktverwarmingstoepassingen te niet doen,waaraan de uitvinding op unieke wijze tegemoetkomt.

Teneinde te verhinderen, dat overmaat aan vocht op de wanden van deholte condenseert, kan de holte verticaal worden gemonteerd, kan deonderholte 12 voorzien zijn van afvoergaten, of kunnen de wanden van deholte worden verwarmd tot boven het duwpunt van het vocht dat van hetprodukt, dat verwarmd wordt, wordt verwijderd.

Wanneer een breed, nat produktweefsel of een groepering vandraadlijnen wordt verwarmd, waarbij met een TM-110 E-veldpatroon wordtgeëxciteerd, heeft een produkt met hoge-diëlectrische constante totgevolg dat de electrische veldlijnen naar het produkt worden getrokkenmet een resulterende strooiveldkoppeling en verwarming. Dit is in de fig.IA en 1B aangegeven. Fig. IA is een bovenaanzicht van de holte, waarbijde grote pijl de produktbaan representeert en de kleinere pijlen deogenblikkelijke verdeling van de electrische veldlijnen representeren metpunten die aan de invoerzijde eindigen en met staarten die aan deuitvoerzijde eindigen respektievelijk. Dit illustreert de wijze waarop develdlijnen van de TM-110 mode vanaf de zijden van'de holte naar het natteprodukt zijn gebogen. Dit produceert een toename in veldintensiteit enderhalve een toename in het verwarmingsvermogen aan het invoereinde. Fig.1B is een zijaanzicht van de holte waarbij de pijlen 1 en 2 electrische veldlijnen identificeren, die overeenkomen met soortgelijk geplaatsteveldlijn in fig. IA, waarbij een extra buiging wordt aangegeven teneindehet ingevoerde nattere produkt te kunnen behandelen. Ofschoon hetkoppeleffect aan de applicatorinvoerzijde normaal een maximum zal hebbenen een minimum naarmate het produktvocht nivelleert, is de applicatorvolgens de uitvinding op zodanige wijze ontworpen, dat het produkt direktbij de invoer in de spleet tussen de holtesecties door een maximale E-veldflux wordt ontmoet daar de TM-110 mode in dit punt een stapsgewijzetoename in het electrische veld verschaft. Dit verschaft een gewenste"snelle aanzet" voor verhoging van de produktverwarmingssnelheid. Deholte is af gestemd om in een overgekoppelde mode te werken, dat wilzeggen dat wanneer de produktbelasting toeneemt de netto energie in deapplicator eveneens toeneemt. De mate van overkoppeling wordt opempirische wijze ingesteld door een irisopening van extra afmeting tekiezen zodat bij maximaal verwachte produktbelasting de netto energienaar de holte dichtbij het maximum ligt. Dit is de meest stabielewerkconditie voor het verwarmen van natte produkten. De termenovergekoppeld, ondergekoppeld, en kritisch gekoppeld hebben betrekking opbron-belasting koppeling en worden door R.W. Lewis in het Amerikaanseoctrooischrift 3-557-33^ toegelicht.

Met verwijzing nu naar fig. 2 wordt toegelicht, dat eeniriskoppelorgaan met een instelbaar stub-impedantie aanpasorgaan in hetalgemeen bij 18 is aangeduid. Het afstembare koppelorgaan omvat eenelectrisch geleidende flens 22, bij voorkeur van geel koper gemaakt,welke flens schuifbaar is in de golfpijp 17 naast de ondersectie 12 endaaraan vergrendeld kan worden. In de flens 22 zijn tegenovergesteldesonden 23 en 2b via schroefdraad ingevoerd. De sonden zijn van eengeleidend materiaal, bij voorkeur geel koper, gemaakt en hebben eendiameter van ongeveer een kwart inch (0,635 cm). De sonde 23 is vastbevestigd, terwijl de sonde 2b draaibaar is en van schroefdraad isvoorzien om de impedantie-aanpassing tussen golfpijpsectie 17 en holte 13in te stellen. Bij sommige toepassingen is gebleken dat een enkeledraaibare sonde adequaat is. Een dunne metaalopeningplaat 25, gemaakt vangeleidend materiaal, zoals geel koper, met een elliptisch gevormde iris26, wordt als samenwerkoppervlak tussen het koppelorgaan 18 enondersectie 12 gebruikt. Uit gesorteerde irisafmetingen wordt er ééngekozen, die op de beste wijze aangepast is aan de bepaalde belasting,die bewerkt wordt, om overkoppeling te verkrijgen. De elliptisch gevormdeiris is gebleken beter te zijn dan rechthoekig gevormde irissen voor dit doel daar een ellips een resonantie-aanpassing verschaft die in staat isom zonder vervorming een hogere vermogensoverdracht te dissiperen. Deinstelbare stubiris-uitvoering maakt het mogelijk om de mate vankoppeling te veranderen zonder de noodzaak om het systeem uit elkaar tehalen. Het stelt eveneens een bediener in staat om de koppeling teveranderen met de applicator in bedrijf, wanneer produkten lopen, doordraaiing van de sonde 24 om de spleet tussen de sonden 23 en 24 te openenof te sluiten. Wanneer grotere produktparameterveranderingen wordeningevoerd, zoals het aantal in de werkgang aanwezige vezeleinden, wanneernatte vezels worden verwarmd, kan de bediener de resulterende impedantiemisaanpassingen en hogere gereflecteerde vermogensniveau, zodra zijoptreden, neutraliseren. Het is wel bekend, dat bron- enbelastingimpedanties moeten zijn aangepast teneinde de meest rendabelevermogensoverdracht te verkrijgen. Het behoort echter ook duidelijk tezijn, dat bij hoge gereflecteerde vermogensniveaus de circulator beperktis ten aanzien van de vraag hoeveel vermogen hij op veilige wijze kanhanteren voor bescherming van het magnetron. Dientengevolge moet,teneinde de mogelijkheid van bronstoring te vermijden, de verandering vande mate van koppeling met de instelbare sonde 24 effectief en snel zijn.

De constructie details van de holte zijn betrekkelijk eenvoudig.Twee aluminium 6061 T4-blokken met een breedte van 18 inch (45,72 cm),een hoogte van 3.38 inch (8,59 cm) en een lengte van 33 inch (83,82 cm),werden gebruikt om de holtesecties te vormen voor een 915 MHz holte-applicator voor bedrijf in een TM-110 mode. De blokken werden uitgefreesdtot holteafmetingen met een breedte van 12 inch (30,48 cm), een dieptevan 3.20 inch (8,13 cm) en een lengte van 27 inch (68,58 cm), waarbij devier hoeken daarvan een straal hadden van 0,25 inch (0,64 cm). Eenmicrogolfinvoerpoort was dan in één van de beide holtesecties gefreesdmet afmetingen van 9.875 inch (25,08 cm) x 3,75 inch (9,52 cm) om eeninstelbaar elliptisch irissamenstel te accommoderen; en een gat met eendiameter van 1 inch werd door het midden van de andere sectie geboord omeen afvoerpoort te verschaffen. Aan elke holtesectie werd eenrandoppervlak van het beeld-frame-type met een breedte van 3.50 inch(8,89 cm) gemonteerd waarin een omtreksgroef met een breedte van 2,39inch (6,07 cm) en een diepte van 0,22 inch (0,56 cm) werd gefreesd om deferrietsegmenten te accommoderen. De groef was gecentreerd zodat debinnenrand van de groef over een afstand van 0,75 inch (1,90 cm) wasgescheiden van de binnenrand van de holte. Uiteindelijk werd hetbinnenoppervlak van elke holtesectie gepolijst tot een RMS 32 afwerking.

Het instelbare elliptische irissamenstel was overgenomen van deafmetingen van een standaard EIA WR975 aluminium flens. Een gat met eendiameter van 0,62 inch (1,57 cm) werd in het midden over delengteafmeting van de flens in het vacante middengebied geboord. Eengeel-koperen mantel met overmaat afmeting werd vervolgens nauwsluitend inhet gat gevoerd en met fijne 0,75 inch 40 schroefdraden voorzien om eenmet schroefdraad voorziene geel-koperen sonde met een lengte van 4,25inch (10,8 cm) te accommoderen. Bij volledig ingevoerde positie kon deafgeronde sondepunt met een kromtestraal van 0,375 inch (0,95 cm) zichuitstrekken over 3.1 inch (7,87 cm) in de lege ruimte met zijn oppervlakbinnen 0,06 inch (0,15 cm) afstand van de iris teneinde een compacte fijnafgestemde impedantie-aanpassing te verschaffen. Van dit samenstel werdlater gevonden, dat het staande-golf-verhouding veranderingen verschaftezo weinig als 1,05 bij frequentievariaties zoveel als 10 MHz. Een reeksvan elliptische irissen werd gefabriceerd uit 6o6l-T6-aluminiumblad meteen dikte van 0,13 inch (0,33 cm) met hoofdaslengten vanaf 6,5 inch(16,51 cm) tot 3 inch (7.61 cm) met een kleine-as/hoofdaslengteverhoudingvan 0,75· Deze afmetingen waren empirisch bepaald om te verwachtenprodukt belastingveranderingen te accommoderen. Van elke iris werdgevonden dat deze in staat was een 3 tot 1 belastingvariatie teaccommoderen bij toepassing met het beweegbare sondesamenstel.

Een reeks van 2,375 inch (6,03 cm) vierkante ferriettegelsegmenten(model Eccosorb NZ-51 verkregen van de Emerson & Cumming, Ine. van CantonOH) werd gemonteerd in de halve-sectiegroeven van de holte met Eccosil1776 warmtegeleidende epoxy. Twaalf tegels werden zij aan zij over delengteafmeting van elke halve holtesectiegroef aangebracht en zevenenhalftegels over de smalle afmeting teneinde de electromagnetische-veldinsluitingsmiddelen te vormen.

Het voltooide holtesamenstel werd aan het cantilever balksamenstelvan het C-klemtype gemonteerd onder toepassing van een drie-kontaktpuntenmeting teneinde te waarborgen dat de beide sectiesevenwijdig aan elkaar werden gehouden bij de instelling van hunonderlinge scheiding tijdens afstemming, hetgeen normaal binnen ongeveer0,25 inch (0,64 cm) lag.

In fig. 3 is het applicatorsysteem van de uitvinding in blokkenaangegeven. Een nat weefsel, zoals een film of een groepering vandraadlijnen 31. wordt rond of tussen spanningsrollen 32 en 33 tussen desecties 11 en 12 en tussen of rond de spanningsrollen 34 en 35 gevoerd.De draadlijnen 31 worden vervolgens verder verwerkt of door niet aangegeven middelen opgenomen. Microgolfenergie wordt afgegeven door hetmagnetron 36 (kenmerkend een RCA C966OO) welke wordt bekrachtigd door eenMicrodry 915 MHz 50 kW microgolf genera tor via de golfpijp 50, en deinstelbare iris 18 naar de basis van de onderapplicatorsectie 12 enbijbehorende holte 13. Een microgolfdoorlatend venster, gemaaktbijvoorbeeld van een fluoropolymeer, kan tussen de holte en de golfpijp17 zijn geïnstalleerd om de iris tegen condensaat te beschermen.Gereflecteerd vermogen keert via de golfpijp 17 en de circulator 37 doorde golfpijp 51 terug naar de waterbelasting 38 voor vermogensabsorptie enomzetting in warmte. Door middel van de warmtewisselaar 39 wordt warmtevan de waterbelasting 38 weggenomen. Een klein percentage van deinvallende gereflecteerde energie wordt vanaf de waterbelasting 38teruggereflecteerd naar het magnetron 36 in de juiste fase als eenmechanisme om de magnetronfrequentie te trekken, zodat deze vergrendeldblijft aan de applicatorfrequentie. Een instelling door de bediener vande iris 18 beperkt het invallende trekkende vermogen naar niveausaanvaardbaar zowel voor de circulator 37 als voor het magnetron 36.

Ofschoon de applicator geschikt is voor de behandeling vangedroogde garens, is de microgolfapplicator buitengewoon nuttig geblekenvoor de droog- en warmtebehandeling van as-gesponnen, nooit-gedroogdefilamenten van poly(p-fenyleen tereftalamide) (PPD-T) dat 20 tot 200gew.X, gebaseerd op het droge filament, water bevat. Demicrogolfapplicator volgens de uitvinding kan dergelijke vezels drogen enverwarmen onder aanwending van een verblijfstijd, in de applicator, zokort als 0,05 tot 0,5 seconde door verwarming tot een temperatuur van100 tot 550 C. Of een eenheid 915 MHz of een eenheid 2450 MHz kan wordengebruikt enkelvoudig of in tandem of in combinatie. Voor de hoge kant vanhet temperatuurbereik (350“500°C) worden bij voorkeur tweemicrogolfapplicatoren in opvolging gebruikt.

Poly(p-fenyleen tereftalamide) filamenten, gemaakt door middel vangebruikelijke methoden, hebben in het algemeen een dichtheid van 1,44-1.45 g/cc. Door een snelle verwarming van de as-gesponnen, natte, nooit-gedroogde filamenten van PPD-T met behulp van de microgolfapplicatorenvolgens de uitvinding tot een temperatuur van 250° tot 450° en in hetbijzonder van 270 tot 350 , kunnen filamenten met een dichtheid van 1,36tot 1,43 g/cc worden verkregen, die een sterkte en een modulus hebbenequivalent aan die van door gebruikelijke verwarmingsmethoden gemaaktePPD-T vezels. Door verwarming tot ten minste 500°C met een combinatie vantwee van deze applicatoren in opvolging kunnen PPD-T filamenten met zeer hoge modulus (groter dan 1100 gpd) en hoge sterkte (groter dan 18 g/cc)worden verkregen. Het onderhavige applicatorsysteem is bruikbaar om eenuniform electromagnetisch veld van hoge intensiteit te verschaffen vooreen snelle warmtebewerking (gloeiing) of droging van vlakke voorwerpenvan onbepaalde lengte en met een variërende susceptibiliteit zodanig dateen produkt van sterk uniforme dwarsdoorsnede en in de lengterichtingfysieke eigenschappen wordt verkregen. Behalve vezels en filamenten,kunnen dergelijke produkten papier, weefsels, polymerische films en pulpomvatten.

Claims (8)

1. Rechthoekige microgolf resonantieholte-applicator met een paartegenovergestelde holle holtesecties waarvan de randen op uniforme wijzeover een afstand "d" rond de omtrek van de holle holtesecties van elkaarzijn gescheiden, waarbij de omtrek van elke sectie van de holleholtesecties een planair randoppervlak heeft, die tegenover elkaarliggen, waarbij elke van de planaire randen op het oppervlak daarvangemonteerd niet-contacterende electromagnetische-veldinsluitingsmiddelenheeft, waarbij van één van de secties een middendeel van zijn holtevoorzien is van een bron van microgolfenergie die via een golfpijp naarde sectie voortplant en door middel van een iris wordt gekoppeld, enmiddelen om voorwerpen van onbepaalde lengte door de ruimte tussen desecties te bewegen.

2. Applicator volgens conclusie 1, waarin de niet-contacterendeelectromagnetische-veldinsluitingsmiddelen een groepering vanaangrenzende ferrietsegmenten omvatten.

3- Applicator volgens conclusie 2, waarin de ferrietsegmenten naarbuiten gescheiden zijn van de binnenrand van de holte over een afstandgelijk aan of groter dan "d".

4. Applicator volgens conclusie 1, waarin één van de holtesectiesverplaatsbaar is ten opzichte van de andere teneinde de afstand "d" tewijzigen.

5. Applicator volgens conclusie 1, waarin de secties zijn gemaaktvan een sterk electrisch geleidend metaal dat geplateerd is met eengepolijst zilver- of edelmetaalbekleding in de holte.

6. Applicator volgens conclusie 1, waarin de iris elliptischgevormd is.

7· Applicator volgens conclusie 6, waarin de iris voorzien is vanten minste één beweegbare impedantieaanpassonde.

8. Applicator volgens conclusie 1, waarin de applicator voorzien isvan middelen om ophoping van condensatie op de wanden daarvan teverhinderen.