WO2017021306A1 - Verfahren und vorrichtung zum erwärmen von kunststoffvorformlingen mit abstimmung bei geringerer leistung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum erwärmen von kunststoffvorformlingen mit abstimmung bei geringerer leistung Download PDF

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WO2017021306A1
WO2017021306A1 PCT/EP2016/068175 EP2016068175W WO2017021306A1 WO 2017021306 A1 WO2017021306 A1 WO 2017021306A1 EP 2016068175 W EP2016068175 W EP 2016068175W WO 2017021306 A1 WO2017021306 A1 WO 2017021306A1
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WO
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tuning
resonator
microwave
power
heating
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PCT/EP2016/068175
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Andreas Kursawe
Johann Zimmerer
Konrad Senn
Martin Kammerl
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Krones Ag
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    • B29C49/68—Ovens specially adapted for heating preforms or parisons
    • B29C49/685—Rotating the preform in relation to heating means

Definitions

  • the present invention relates to a method and apparatus for heating plastic preforms.
  • plastic containers are produced by first heating so-called plastic preforms and then expanding them to the plastic containers by means of blow molding machines, for example stretch blow molding machines.
  • blow molding machines for example stretch blow molding machines.
  • different techniques are known.
  • infrared radiation for heating the plastic preforms.
  • microwaves to heat the plastic preforms.
  • the plastic preforms are usually introduced into resonators (also referred to below as applicators) and heated within these resonators.
  • a microwave path is used for heating the plastic preforms by means of microwave technology, which uses a microwave source, such as a magnetron, a circulator, a water load and an applicator or resonator.
  • the microwave source generates the microwave radiation which is conducted via the circulator to the resonator. Part of the microwave radiation is absorbed by the plastic preforms in the resonator or applicator, and this plastic preform is thereby heated. The unabsorbed microwave radiation is conducted through the circulator into the water load. In the water load, the microwave radiation is converted into heat (loss).
  • the circulator works as a switch, which keeps the returning microwave power from the magnetron, as this would be heavily loaded by returning microwave radiation and the life would be drastically reduced. In addition, too strong microwave power could adversely affect the frequency stability and thus the process stability.
  • the proportion of microwave radiation that can be absorbed by the plastic preform is dependent on its tuning, more specifically on the frequency matching and coupling of the applicator.
  • the applicator acts as a resonator. The better the applicator with the inserted plastic preform is adapted to the frequency of the microwave radiation and consequently the more microwave radiation is absorbed by the plastic preform the less power is conducted as a loss in the water load.
  • the tuning of the applicator is done while the microwave source provides its operating power as microwave radiation. In any case, this results in a high return power for the tuning process step in the short term, which has to be dissipated via the circulator and the water load.
  • a disadvantage of this approach is that much energy is converted into heat loss during the tuning phase and thereby the efficiency deteriorates due to the system. Furthermore, it is necessary in the prior art that a circulator and a water load are installed to protect the microwave source.
  • the present invention is therefore based on the object, in particular to increase the efficiency of such devices and especially to increase the efficiency during the tuning phase.
  • the plastic preforms are introduced into a resonator and microwaves are applied to their heating in a heating mode in this resonator, these microwaves being produced by a first microwave source.
  • a tuning operation is performed (in particular to tune the loading of the plastic preforms with the microwaves) and before and / or during this tuning operation, a microwave power and / or a microwave energy of the microwaves is at least temporarily reduced compared to the heating mode.
  • the microwave power applied to the plastic preforms is reduced from the operating power during the heating operation.
  • the tuning depends, as already mentioned, on the coupling of the resonator to the source and on the frequency adaptation of the source and the resonant frequency of the loaded resonator.
  • the no-load Qo depends on the geometry of the resonator and the coupling mechanism, the wall current losses of the resonator and on the geometry and the dielectric values of the resonator in the preform.
  • the no-load quality Qo also changes during the heating process due to the differently dipped preforms and due to the different preform thicknesses the quality Qo also changes.
  • the quality varies by a factor of 4-8 for the same resonator structure.
  • a typical resonator is coupled to a waveguide with a coupling aperture. By varying this aperture, the coupling can be adjusted.
  • Such a variable diaphragm can be, for example, an iris diaphragm or a resonant ring as described in US2002027135 or as in US Pat DE1 191874 described a slider.
  • a rotary eccentric pin is used close to the aperture, which varies the resulting aperture diameter.
  • This design has the advantage that it is very cost-effective in production, saves space during assembly and simply in the microwave seal.
  • the rotation of the pins now the effective aperture diameter is varied, and thus the coupling in the resonator, which in the final analysis also affects the idling Qo.
  • Another advantage of this embodiment is that it largely adapts the coupling independently of the resonance frequency. This means that if the coupling is adjusted, the resonance frequency ideally remains stable. A variance of less than ⁇ 0.01 GHz with full adjustment of the coupling can be considered largely independent. In return, when changing the resonance frequency, the coupling should not be changed.
  • the microwave generator is e.g. a magnetron so this has a fixed frequency band, so here the resonator must be adjusted. If, however, a so-called solid-state source is used, the frequency can be varied in this case. So here it is conceivable not to adapt the resonator to the source but the source to the resonator. However, if the source is transmitting at the resonant frequency, the ideal tuning is not yet automatically achieved because it must still be ensured that the coupling is correct.
  • the tuning process is preferably performed to match the magnetron and the applicator (for the preform to receive enough microwave energy), with the tuning process performed at a reduced performance.
  • the tuning operation is performed under reduced microwave power as compared with the operation power during the heating operation. This reduced power does not correspond to the operating power of the magnetron, but to the power value at which the magnetron is in the same frequency range as under operating power. It is therefore proposed that a tuning operation is performed, which is done in reduced power and / or energy.
  • the microwave energy absorbed by the plastic preforms should preferably be maximized during the tuning operation and / or the power of the returning microwaves should be minimized.
  • the power loss is reduced to a minimum by the vote.
  • the applicator or resonator with the inserted plastic preform is preferably matched to the frequency of the microwave radiation (for example the frequency of a magnetron).
  • the working operation is, in particular, that operation in which the plastic preforms are heated, in order then to be further treated in this heated state, for example to be shaped by means of a blow molding machine into the plastic containers.
  • the plastic preforms are each supplied individually to the resonator or applicator.
  • the plastic preforms are inserted along their longitudinal directions in the resonator.
  • the plastic preforms are rotated during their heating about their longitudinal axis, so as to achieve a uniform heating.
  • the plastic preforms are transported during their heating along a predetermined transport path and in particular transported along a circular transport path.
  • the plastic preforms are already transported during the tuning operation.
  • the microwave source is a magnetron.
  • the tuning operation is performed such that the microwave power returning from the resonator (in a tuned state) is minimized.
  • this performance is loss performance which was not used to heat the plastic preforms.
  • the returning microwave power is preferably not returned via damping elements, that is to say in particular not via a water load, and / or not via a circulator.
  • damping elements are in the prior art to those elements which serve straight to keep returning power loss from the microwave source.
  • the return in the microwave power substantially unattenuated ie attenuated only and / or unintentionally via Mikrowellenleit Sk such as waveguide
  • the tuning operation takes place (in time) before the heating operation. It would be possible that in the context of Abstimm stipulatees first a plastic preform is introduced and after the vote more plastic preforms in the tuned resonator.
  • a derarred tiger tuning operation takes place before individual heating of each individual plastic preform. This ensures that the return power is so low that it does not adversely affect the microwave source.
  • the adaptation process does not take place under (ie when using) the operating power of the magnetron, but is performed with a reduced power, in particular a minimum power.
  • a power value is preferably selected, in which the magnetron is in the same frequency range as the operating power.
  • a power value is used which is between 30% and 90% of the rated power, preferably between 40% and 80% of the rated power, and preferably between 50% and 70% of the rated power.
  • the frequency of the magnetron becomes unstable.
  • the power of the magnetron is increased to operating efficiency and the plastic preform is heated. It would be possible for the frequency and / or the frequency stability of the magnetron to be determined during the tuning operation.
  • a second microwave source is used for tuning.
  • This may preferably be a solid-state microwave source which has a very low power compared to the first microwave source.
  • the first microwave source is turned on and then the plastic preform is heated. So that the frequency of the main microwave source coincides with the measuring microwave source, either the frequencies are preferably adapted to each other or - if the main microwave source is a magnetron - this can be vaccinated via the auxiliary source with the nominal frequency.
  • The- This process is referred to as "injection locking.”
  • This second microwave source can deliver a microwave power, which is preferably between 0 and 100W.
  • At least one tuning element is moved relative to the resonator during the tuning operation.
  • This may be, for example, a pin-like element, which can be introduced to different degrees in the resonator.
  • this tuning element is moved by means of a linear movement.
  • the resonator is adapted and / or tuned with the plastic preform located therein.
  • a microwave power is detected at least temporarily during the tuning operation by means of a sensor device. It is possible and preferred that a returning microwave power is detected. However, it would also be conceivable that the microwave power is detected indirectly approximately via a heating of the plastic preform.
  • the tuning takes place at least in dependence on a signal of this sensor device.
  • the tuning it would be possible, for example, for the tuning to take place in such a way that the microwave power detected by the sensor device, which is in particular a returning microwave power, is minimized.
  • a power of the first microwave source is reduced and / or the first microwave source outputs the microwave power pulsed.
  • the energy input into the plastic preform and also the returning power is reduced.
  • the present invention is further directed to an apparatus for heating plastic preforms.
  • This device has at least one resonator into which the plastic preforms can be inserted for their heating. Furthermore, the device has a first microwave source, which microwaves for heating the Kunststoffvorform- produced. Furthermore, the device has a tuning device, which tunes the heating of the plastic preforms by the microwaves.
  • the tuning device allows the tuning during a predetermined tuning operation, and the tuning device varies at least the coupling of the resonator to the microwave source and / or changes the resonant frequency of the resonator.
  • the tuning device preferably has a first tuning element, which is suitable and intended for changing the coupling of the resonator to the microwave source.
  • the tuning device has a second tuning element, which is suitable and intended for changing a resonant frequency of the resonator.
  • the first tuning element and the second tuning element are independently operable, so that the two parameters can be changed substantially independently of each other. Substantially independently of one another, it is understood that the change of one parameter can also affect the respective other parameter, but in the first instance one of the two parameters is changed by the corresponding tuning element.
  • the tuning device has two subunits, wherein one of these subunits varies the coupling of the resonator to the microwave source and the other of these subunits varies the resonant frequency of the resonator.
  • These subunits can have the abovementioned (first and second) subelements.
  • the two subunits are independently operable and / or have, for example, two independent drives on.
  • one of the two subunits overwhelmingly couples the coupling to the microwave source. takes (or affects) and the other subunit primarily the change in the resonant frequency of the resonator.
  • these two subunits are preferably independently controllable.
  • At least one of the two subunits preferably has a pin as a tuning element. In the case of the subunit, this pin preferably projects into the resonator or the resonator chamber for tuning the resonant frequency.
  • the pin preferably also projects into the waveguide or the resonator and preferably into the waveguide in order to tune the coupling to the microwave source.
  • the device may comprise a diaphragm device, which is particularly advantageously formed between the waveguide and the resonator.
  • At least one of the two pins is rotatable with respect to a predetermined axis of rotation.
  • both pins are each rotatable relative to a predetermined axis of rotation.
  • at least one of the two pins in at least one portion - and in particular a portion which projects into the waveguide or the resonator - is formed asymmetrically with respect to said axis of rotation.
  • At least one pin and preferably both pins are at least partially made of a dielectric material.
  • the plastic preforms can be acted upon by a microwave power and / or microwave energy that is reduced compared to a heating operation.
  • the device also has a conduit device which directs the microwaves from the microwave source to the resonator or applicator.
  • this conductor device is a waveguide.
  • the device has a control device which enables the tuning operation. In this case, it is possible that this control device initially reduces an output power of the microwave source and carries out the tuning during this reduced power operation.
  • the control device preferably also controls a tuning element, which can be moved to tune the resonator.
  • the device without a damping element for damping return power and in particular without a Zirkulatoreinrich- device and / or a water load is formed.
  • a damping element for damping return power and in particular without a Zirkulatoreinrich- device and / or a water load is formed.
  • the device has a switching device, which causes the microwave source to be switched off or reduced in its power in dependence on a returning specific microwave power.
  • the controller may cause the microwave source to be turned off or its power reduced. In this way, it is possible that even with an insufficient tuning operation, the microwave source can be protected.
  • the tuning device has a sensor device for detecting microwave power and, in particular, returning microwave power.
  • the device preferably has a locking device, which prevents a power increase of the microwave, in particular in the case of a non-optimal tuning.
  • the device has a second microwave source, in particular a weaker microwave source, which is in particular also part of the tuning device and in particular serves for the tuning operation of the microwave.
  • this second microwave source can also be used to specify an operating frequency for the first microwave source.
  • the device has a plurality of microwave sources and / or a plurality of resonator devices. In this embodiment, it is possible that a plurality of plastic preforms is heated substantially simultaneously in a plurality of resonators. These resonators are advantageously arranged on a common movable support and in particular on a common rotatable support. In this case, each individual resonator device can also be assigned an above-mentioned sensor device.
  • the tuning device has a tuning element, which is movable for tuning the microwave power with respect to the resonator and / or the plastic preform to be heated.
  • the tuning element is movable in a linear direction.
  • the tuning element may be a dielectric element.
  • the tuning element may preferably be a dielectric pin, which is particularly preferably insertable into the resonator.
  • Fig. 1a is a schematic representation of a device for heating plastic preforms
  • Figure 1 b is a representation of a vote
  • Figure 2 is a diagrammatic representation of a prior art device
  • 3a, 3b show two illustrations of a first procedure according to the invention
  • FIGS. 4a, 4b show two illustrations of a second procedure according to the invention; two illustrations of a third approach according to the invention;
  • Fig. 6 is a schematic representation of an embodiment of the invention
  • Fig. 7a, b two representations of the course of the input reflection.
  • Figure 1 a shows a schematic representation of a device according to the invention.
  • a plastic preform 10 is introduced along its longitudinal direction L into a resonator designated in its entirety by 2.
  • the reference numeral 2a denotes a wall of the resonator, which is formed circumferentially in a circumferential direction defined about the longitudinal direction L.
  • the reference numeral 6 denotes a tuning element, which is part of a designated in its entirety by 20 tuning (only roughly schematically shown) for tuning the heating of the plastic preforms 10.
  • the reference numeral 4 roughly indicates a microwave source, which generates microwaves for heating the plastic preforms 10. The microwaves generated by the microwave source are conducted to the resonator 2 via a waveguide (not shown).
  • the reference numeral 12 roughly indicates a sensor device which detects returning microwave power.
  • the reference numeral 24 roughly indicates a drive device, such as an electromotive drive device, which serves to move the tuning element 6.
  • This tuning element can be a pin-type body (in particular of a dielectric material) which is movable in its longitudinal direction. However, it would also be possible to tune by rotating a dielectric body.
  • This drive device 24 may have a servomotor.
  • Reference numeral 26 denotes a control device which controls this drive device 24, in particular also in response to a signal output by the sensor device 12.
  • This control device 26 may preferably be a control device which changes and / or adjusts the position of the tuning element 6 as a function of the power detected by the sensor device 12 and returning from the resonator to the microwave source (not shown).
  • These Control device 26 can also control the microwave source itself, for example, control an output power of the microwave source 4.
  • FIG. 1 b shows a representation to illustrate a vote.
  • a tuning parameter is plotted on the ordinate, for example a position of the tuning element 6 shown in FIG. 1a.
  • the return power is plotted on the coordinate. It can be seen that this returning power has a minimum at a certain point of the tuning element. This position is indicated by the dashed vertical line and represents the optimum match.
  • FIGS. 3a and 3b show two illustrations of a first method according to the invention. In this case, the structure according to FIG. 1 a is again shown in FIG. 3 a. FIG. 3b shows a similar diagram to FIG.
  • FIGS. 4a and 4b show a further procedure according to the invention.
  • this procedure as shown by the dot-dash line in Figure 4b, worked at operating power, but this power is not permanently delivered, but only at certain designated by the circles measuring points.
  • Based on this Measuring points can be determined here again a minimum or an optimal vote.
  • between 2 and 10 measuring points are recorded, more preferably between 3 and 10 measuring points.
  • FIGS. 5a, 5b show a further procedure according to the invention. While this procedure is also worked during the tuning operation with a reduced power, but this is not generated by the first microwave source 4, but via an auxiliary microwave source 18. This is shown in Figure 5a. Frequency-wise, however, these microwaves are also matched to one another, so that the optimum tuning during operation with the auxiliary microwave source also corresponds to the optimum tuning with the main microwave source 4 here.
  • Figure 6 shows a schematic representation of an embodiment of the device according to the invention.
  • a frequency matching element 6a is arranged in the resonator 2 (also referred to as a tuning element above).
  • the frequency adjustment element shown here is rotatably mounted in this embodiment and has an asymmetric material distribution about the axis of rotation. By rotation, the asymmetric material distribution shifts relative to the resonator and detunes its resonance frequency.
  • the pin 6a may be metallic and / or dielectric.
  • Another pin 6b is provided as a coupling adapter.
  • This pin is preferably located in the waveguide and most preferably in the vicinity of the diaphragm 2b.
  • the coupling adjustment member 6a has an asymmetric material distribution about its rotation axis similarly to the frequency adjustment member. In interaction with the diaphragm, the pin varies the coupling of the resonator during rotation. Also, the coupling adjustment element is thus a tuning element as described above.
  • the reference numeral 5 denotes a diaphragm device which is arranged between the waveguide 3 and the resonator 2. This can be a diaphragm with a fixed or variable aperture.
  • FIG. 7a schematically shows the profile of the input reflection S1 1 at a measuring plane 7 in the waveguide with variation of the position of the frequency adjusting element 6a over the frequency.
  • a variation of the position of the frequency matching element primarily causes a shift of the resonance frequency at approximately constant peak width and depth.
  • FIG. 7b schematically shows the profile of the input reflection S1 1 at a measuring plane 7 in the waveguide with variation of the position of the coupling adaptation element 6b over the frequency.
  • Variation of the position of the coupling matching element primarily causes a change in the peak width and depth and thus the quality of the resonance system and the coupling.
  • the resonance frequency remains approximately constant.

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Abstract

Verfahren zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen (10), wobei die Kunststoffvorformlinge (10) in einen Resonator (2) eingebracht werden und in diesem Resonator (2) zu ihrer Erwärmung in einem Erwärmungsbetrieb mit Mikrowellen beaufschlagt werden, wobei diese Mikrowellen von einer ersten Mikrowellenquelle (4) erzeugt werden. Erfindungsgemäß wird ein Abstimmbetrieb durchgeführt, um die Beaufschlagung der Kunststoffvorformlinge (10) mit den Mikrowellen abzustimmen und während dieses Abstimmbetriebs wird wenigstens zeitweise eine Erwärmungsleistung und/oder Erwärmungsenergie der Mikrowellen gegenüber dem Erwärmungsbetrieb reduziert.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen
mit Abstimmung bei geringerer Leistung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen. Im Bereich der getränkeherstellenden Industrie ist es bekannt, dass Kunststoffbehältnisse hergestellt werden, indem zunächst sogenannte Kunst- stoffvorformlinge erwärmt werden und anschließend mittels Blasmaschinen, beispielsweise Streckblasmaschinen, zu den Kunststoffbehältnissen expandiert werden. Zur Erwärmung dieser Kunststoffvorformlinge sind unterschiedliche Techniken bekannt. So ist es aus dem Stand der Technik bekannt, infrarote Strahlung zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge einzusetzen. In jüngerer Zeit ist man jedoch auch dazu übergegangen, zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge Mikrowellen einzusetzen. Dabei werden üblicherweise die Kunststoffvorformlinge in Resonatoren (im Folgenden auch als Applikatoren bezeichnet) eingeführt und innerhalb dieser Resonatoren erwärmt. Im Stand der Technik wird dabei zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge mittels Mikrowellentechnologie eine Mikrowellenstrecke verwendet, welche eine Mikrowellenquelle, wie etwa ein Magnetron, einen Zirkulator, eine Wasserlast und einen Applikator bzw. Resonator verwendet.
Die Mikrowellenquelle erzeugt die Mikrowellenstrahlung, die über den Zirkulator zu dem Resonator geleitet wird. In den Resonator bzw. Applikator wird ein Teil der Mikrowellenstrahlung von den Kunststoffvorformlingen aufgenommen und dadurch wird dieser Kunststoffvor- formling erwärmt. Die nicht absorbierte Mikrowellenstrahlung wird durch den Zirkulator in die Wasserlast geleitet. In der Wasserlast wird die Mikrowellenstrahlung in Wärme (Verlust) umgesetzt.
Der Zirkulator funktioniert dabei als Weiche, der die rücklaufende Mikrowellenleistung von dem Magnetron fernhält, da dieses durch rücklaufende Mikrowellenstrahlung stark belastet werden würde und die Lebensdauer drastisch reduziert werden würde. Daneben könnte zu starke Mikrowellenleistung auch die Frequenzstabilität und damit die Prozessstabilität negativ beeinflussen. Der Anteil der Mikrowellenstrahlung, die von dem Kunststoffvorformling absorbiert werden kann, ist abhängig von dessen Abstimmung, genauer von der Frequenzanpassung und Kopplung des Applikators. Der Applikator wirkt als Resonator. Je besser der Applikator mit dem eingeführten Kunststoffvorformling an die Frequenz der Mikrowellenstrahlung ange- passt ist und in Folge je mehr Mikrowellenstrahlung von dem Kunststoffvorformling aufge- nommen wird desto weniger Leistung wird als Verlust in die Wasserlast geleitet.
Im Stand der Technik erfolgt die Abstimmung des Applikators während die Mikrowellenquelle ihre Betriebsleistung als Mikrowellenstrahlung bereitstellt. Dadurch ergibt sich für den Prozessschritt der Abstimmung systembedingt jedenfalls kurzfristig eine hohe rücklaufende Leis- tung, die über den Zirkulator und die Wasserlast abgeleitet werden muss.
Nachteilig an dieser Vorgehensweise ist, dass während der Abstimmphase viel Energie in Verlustwärme umgewandelt wird und sich dadurch der Wirkungsgrad systembedingt verschlechtert. Weiterhin ist es im Stand der Technik erforderlich, dass ein Zirkulator und eine Wasserlast zum Schutz der Mikrowellenquelle verbaut sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, insbesondere den Wirkungsgrad derartiger Vorrichtungen zu erhöhen und besonders auch den Wirkungsgrad während der Abstimmphase zu erhöhen.
Daneben wäre es auch vorteilhaft, eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche auf Dämpfungseinrichtungen, wie eine Wasserlast und einen Zirkulator, verzichten kann. Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentan- sprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen wer- den die Kunststoffvorformlinge in einen Resonator eingebracht und in diesem Resonator zu ihrer Erwärmung in einem Erwärmungsbetrieb mit Mikrowellen beaufschlagt, wobei diese Mikrowellen von einer ersten Mikrowellenquelle erzeugt werden.
Erfindungsgemäß wird ein Abstimmbetrieb durchgeführt, (insbesondere, um die Beaufschla- gung der Kunststoffvorformlinge mit den Mikrowellen abzustimmen) und vor und/oder während dieses Abstimmbetriebes wird wenigstens zeitweise eine Mikrowellenleistung und/oder eine Mikrowellenenergie der Mikrowellen gegenüber dem Erwärmungsbetrieb reduziert. Mit anderen Worten wird während des Abstimmbetriebs die auf die Kunststoffvorformlinge aufgebrachte Mikrowellenleistung gegenüber der Betriebsleistung während des Erwärmungsbe- triebs reduziert.
Die Abstimmung hängt wie bereits erwähnt von der Kopplung des Resonators zu Quelle und von der Frequenz Anpassung der Quelle und der Resonanzfrequenz des belasteten Resonators ab.
Bei der Kopplung des Resonators zur Quelle spielt zum einen die Leerlaufgüte Qo des Resonators als auch die sogenannte externe Güte Qext der Zuleitung eine Rolle. Sind diese beiden Parameter genau aufeinander angepasst ist der Koppelfaktor k=1 und es wird die gesamte Energie in der Resonanzfrequenz in Wärme umgesetzt. Die Leerlaufgüte Qo hängt von der Geometrie des Resonators und des Koppelmechanismus, den Wandstromverlusten des Resonators und von der Geometrie und den dielektrischen Werten vom im Resonator befindlichen Preform ab. Da der Preform während des Heizens naturgemäß warm wird und sich mit der Temperatur die Dielektrizitätswerte ändern, ändert sich die Leerlaufgüte Qo während des Heizprozess auch durch die unterschiedlich weit eingetauchten Preformen und durch die unterschiedlichen Preformdicken ändert sich die Güte Qo ebenfalls. Die Güte variiert je nach Beladung und Temperatur bei gleicher Resonatorstruktur um Faktor 4-8. Ein Typischer Resonator ist mit einer Koppelblende an einen Hohlleiter gekoppelt. Durch Variation dieser Blende kann die Kopplung angepasst werden. Eine solche variable Blende kann z.B. eine Irisblende sein oder ein Resonanter Ring wie in US2002027135 beschrieben oder wie in DE1 191874 beschrieben einen Schieber.
Bevorzugt wird jedoch ein rotativer Exzenterstift nahe an der Blende verwendet, welcher den resultierenden Blendendurchmesser variiert. Diese Bauart hat den Vorteil, dass sie sehr kos- tengünstig in der Fertigung, platzsparend in der Montage und einfach in der Mikrowellenabdichtung ist. Durch die Rotation der Stifte wird nun der effektive Blendendurchmesser variiert, und somit die Kopplung in den Resonator, was in letzter Konsequenz auch die die Leerlaufgüte Qo beeinflusst. Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass sie weitestgehend unabhängig von der Resonanzfrequenz die Kopplung anpasst. Dies bedeutet, dass wenn die Kopplung ange- passt wird die Resonanzfrequenz im Idealfall stabil bleibt. Eine Varianz von weniger als ± 0,01 GHz bei einer vollen Verstellung der Kopplung kann als weitestgehend unabhängig angesehen werden. Im Gegenzug sollte beim Ändern der Resonanzfrequenz die Kopplung nicht verändert werden.
Um so viel Leistung wie möglich im Resonator und somit im Preform zu deponieren ist es wichtig, neben der Kopplung auch die passende Resonanzfrequenz zu haben. Ist der Mikrowellenerzeuger z.B. ein Magnetron so hat dieses ein festes Frequenzband, daher muss hier der Resonator angepasst werden. Wenn hingegen eine sogenannte Festkörperquelle genutzt wird, kann bei dieser die Frequenz variiert werden. Hier ist es also denkbar, nicht den Resonator auf die Quelle sondern die Quelle auf den Resonator anzupassen. Wenn jedoch die Quelle auf der Resonanzfrequenz sendet ist noch nicht automatisch die ideale Abstimmung erreicht denn es muss noch sichergestellt werden, dass die Kopplung stimmt.
Hierzu ist es denkbar, die Kopplung zwischen Festkörperquelle und Resonator ebenfalls so zu realisieren das sie variabel ist. Zum einen kann dies wie oben beschrieben über Schieber und /oder eine Iris und/oder einen Exzenter - Stift erfolgen. Da die gängigen Festkörperquellen die Leistung über ein Koaxialkabel abgeben, ist es (alternativ oder zusätzlich) auch mög- lieh, das Koaxialkabel direkt mit dem Resonator zu koppeln, z.B. durch eine Antenne die in den Resonator hineinragt oder durch eine Koppelschleife die am Resonatorrand angebracht ist. Es ist nun z.B. denkbar die Antenne oder Schleife über einen Mechanismus so zu verfahren (beispielsweise zu verschieben) das sich die Kopplung variieren lässt. Vor allem bei Koppelschleifen reichen sehr kleine Bewegungen aus, um deutliche Änderungen der Kopplung zu erzeugen.
Ebenfalls denkbar ist, dass ein metallischer oder dielektrischer verführbarer (bewegbarer) Stift in der Nähe der Koppelantenne und/oder Koppelschleife die Kopplung verändert.
Der Abstimmvorgang wird bevorzugt durchgeführt, um das Magnetron und den Applikator aufeinander abzustimmen (damit der Preform genügend Mikrowellenenergie aufnimmt), wobei der Abstimmvorgang mit einer reduzierten Betriebsleistung durchgeführt wird. Mit ande- ren Worten wird der Abstimmvorgang unter einer gegenüber der Betriebsleistung während des Erwärmungsbetriebs reduzierten Mikrowellenleistung durchgeführt. Diese reduzierte Leistung entspricht nicht der Betriebsleistung des Magnetrons, sondern dem Leistungswert, bei dem sich das Magnetron im selben Frequenzbereich befindet wie unter Betriebsleistung. Es wird daher vorgeschlagen, dass ein Abstimmbetrieb durchgeführt wird, der in verminderter Leistung und/oder Energie erfolgt. Genau genommen soll bevorzugt im Rahmen des Abstimmbetriebes die von den Kunststoffvorformlingen aufgenommene Mikrowellenenergie maximiert werden und/oder die Leistung der rücklaufenden Mikrowellen minimiert werden. Bevorzugt wird daher durch die Abstimmung die Verlustleistung auf ein Minimum reduziert. Bevorzugt wird im Rahmen der Abstimmung der Applikator bzw. Resonator mit dem eingeführten Kunststoffvorformling an die Frequenz der Mikrowellenstrahlung angepasst (etwa die Frequenz eines Magnetrons). Bei dem Arbeitsbetrieb handelt es sich insbesondere um denjenigen Betrieb, bei dem die Kunststoffvorformlinge erwärmt werden, um dann in diesem erwärmten Zustand weiterbehandelt zu werden, etwa mittels einer Blasmaschine zu den Kunststoffbehältnissen umgeformt zu werden.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden die Kunststoffvorformlinge jeweils vereinzelt dem Resonator bzw. Applikator zugeführt. Vorteilhaft werden die Kunststoffvorformlinge entlang ihrer Längsrichtungen in den Resonator eingeschoben. Bevorzugt werden die Kunststoffvorformlinge während ihrer Erwärmung um Ihre Längsachse gedreht, um so eine gleichmäßige Erwärmung zu erreichen. Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren werden die Kunststoffvorformlinge während ihrer Erwärmung entlang eines vorgegebenen Transportpfades transportiert und insbesondere entlang eines kreisförmigen Transportpfades transportiert. Bevorzugt werden die Kunststoffvorformlinge auch bereits während des Abstimmbetriebs transportiert.
Hinsichtlich der Leistung- und Energiereduzierung wäre es möglich, eine Dauerleistung der Mikrowellenerzeugungseinrichtung bzw. der Mikrowellenquelle zu reduzieren. Es wäre jedoch auch möglich, dass zwar bei voller Leistung, jedoch nur getaktet bzw. mit Mikrowellenpulsen gearbeitet wird (in diesem Fall wird die eingebrachte Energie reduziert). Zu diesem Zwecke wäre es möglich, dass während des Abstimmbetriebes die Mikrowellenquelle öfter ein- und ausgeschaltet wird, es wäre jedoch auch möglich, dass die Mikrowelle mit gleichbleibender Leistung läuft, jedoch Abschirmelemente bewirken, dass die Leistung nur pulsiert auf die Kunststoffvorformling aufgebracht wird. Bevorzugt handelt es sich bei der ersten Mikrowellenquelle um ein Magnetron.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird der Abstimmbetrieb derart durchgeführt, dass die von dem Resonator zurücklaufende Mikrowellenleistung (in einem abgestimmten Zustand) minimiert wird. Bei dieser Leistung handelt es sich insbesondere um Verlustleis- tung, welche nicht zum Erwärmen der Kunststoffvorformlinge verwendet wurde.
Bevorzugt wird die rücklaufende Mikrowellenleistung nicht über Dämpfungselemente rückgeführt, also insbesondere nicht über eine Wasserlast, und/oder nicht über einen Zirkulator. Bei diesen Dämpfungselementen handelt es sich im Stand der Technik um solche Elemente, welche gerade dazu dienen, rücklaufende Verlustleistung von der Mikrowellenquelle fernzuhalten. Damit ist es denkbar und bevorzugt, dass der Rücklauf in der Mikrowellenleistung im Wesentlichen ungedämpft (d.h. gedämpft lediglich und/oder ungewollt über Mikrowellenleiteinrichtungen wie Hohlleiter) wieder zurück an die Mikrowellenquelle gelangt. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform erfolgt der Abstimmbetrieb (zeitlich) vor dem Erwärmungsbetrieb. Dabei wäre es möglich, dass im Rahmen des Abstimmbetriebes zunächst ein Kunststoffvorformling eingeführt wird und nach erfolgter Abstimmung weitere Kunststoffvorformlinge in den abgestimmten Resonator. Es wäre jedoch auch möglich, dass vor der individuellen Erwärmung jedes einzelnen Kunststoffvorformlings zunächst ein derar- tiger Abstimmbetrieb erfolgt. Damit wird durch eine geeignete Prozessführung sichergestellt, dass die rücklaufende Leistung so gering ist, dass sie die Mikrowellenquelle nicht negativ beeinflusst. Bei einer ersten Vorgehensweise ist es möglich, dass der Anpassungsvorgang nicht unter (d.h. bei Anwendung) der Betriebsleistung des Magnetrons erfolgt, sondern mit einer verringerten Leistung, insbesondere einer Minimalleistung durchgeführt wird. Als verringerte Leistung wird dabei bevorzugt ein Leistungswert gewählt, bei dem sich das Magnetron im demselben Frequenzbereich befindet wie die Betriebsleistung. Bevorzugt wird ein Leistungswert verwendet, der sich bei zwischen 30% und 90% der Nennleistung, bevorzugt bei zwischen 40% und 80% der Nennleistung und bevorzugt bei zwischen 50% und 70% der Nennleistung befindet. Bevorzugt werden keine niedrigeren Leistungen verwendet, da unter den angegebenen Bereichen die Frequenz des Magnetrons instabil wird. Sobald die optimale Anpassung ermittelt worden ist, wird die Leistung des Magnetrons auf Betriebsleistung erhöht und der Kunststoffvorformling erwärmt. Dabei wäre es möglich, dass während des Abstimmbetriebs die Frequenz und/oder die Frequenzstabilität des Magnetrons bestimmt werden.
Bei einer zweiten Vorgehensweise werden während des Anpassungsvorganges mehrere Messpunkte angefahren; genauer gesagt wird ein unten genauer beschriebenes Anpas- sungselement mehrere Punkte anfahren und die Mikrowellenquelle wird jeweils kurz (insbesondere jedoch bei Nennleistung bzw. der im Arbeitsbetrieb verwendeten Leistung) eingeschaltet. Dann wird aus diesen Messpunkten die Abstimmkennlinie berechnet, im Folgenden bevorzugt der Punkt der optimalen Abstimmung angefahren und dann das Magnetron mit Betriebsleistung eingeschaltet und der Kunststoffvorformling erwärmt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es auch möglich, dass zur Abstimmung eine zweite Mikrowellenquelle verwendet wird. Dabei kann es sich bevorzugt um eine Festkörpermikrowellenquelle handeln, die eine sehr geringe Leistung im Vergleich zu der ersten Mikrowellenquelle aufweist. Wenn der Abstimmvorgang beendet ist, wird die erste Mikrowel- lenquelle eingeschaltet und dann der Kunststoffvorformling erwärmt. Damit die Frequenz der Hauptmikrowellenquelle mit der Messmikrowellenquelle übereinstimmt, werden bevorzugt entweder die Frequenzen aneinander angepasst oder - falls die Hauptmikrowellenquelle ein Magnetron ist - kann dieses über die Hilfsquelle mit der Nennfrequenz geimpft werden. Die- ser Vorgang wird als„Injektions-Locking" bezeichnet. Diese zweite Mikrowellenquelle kann dabei eine Mikrowellenleistung abgeben, die bevorzugt zwischen 0 und 100W liegt.
In einem weiteren bevorzugten Verfahren wird während des Abstimmbetriebes wenigstens ein Abstimmelement gegenüber dem Resonator bewegt. Dabei kann es sich beispielsweise um ein stiftartiges Element handeln, welches unterschiedlich weit in den Resonator eingeführt werden kann. Vorteilhaft wird dieses Abstimmelement mittels einer linearen Bewegung bewegt. Bevorzugt wird daher während des Abstimmbetriebs der Resonator mit dem darin befindlichen Kunststoffvorformling angepasst und/oder abgestimmt.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird wenigstens zeitweise während des Abstimmbetriebes mittels einer Sensoreinrichtung eine Mikrowellenleistung erfasst. Dabei ist es möglich und bevorzugt, dass eine rücklaufende Mikrowellenleistung erfasst wird. Es wäre jedoch auch denkbar, dass die Mikrowellenleistung mittelbar etwa über eine Erwärmung des Kunststoffvorformlings erfasst wird.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren erfolgt die Abstimmung zumindest auch in Abhängigkeit von einem Signal dieser Sensoreinrichtung. Dabei wäre es beispielsweise möglich, dass die Abstimmung derart erfolgt, dass die von der Sensoreinrichtung erfasste Mikro- wellenleistung, bei der es sich insbesondere um eine rücklaufende Mikrowellenleistung handelt, minimiert wird.
Bei einem weiteren bevorzugten Verfahren wird zumindest während des Abstimmbetriebes eine Leistung der ersten Mikrowellenquelle reduziert und/oder die erste Mikrowellenquelle gibt die Mikrowellenleistung gepulst ab. In beiden Fällen wird der Energieeintrag in den Kunststoffvorformling und auch die rücklaufende Leistung reduziert. Wie oben erwähnt beschrieben, können bei einem gepulsten Betrieb mit unterschiedlichen Parametern des Resonators bzw. des Abstimmelementes mehrere Abstimmpunkte aufgenommen werden. Anhand dieser Punkte kann eine Kurve bzw. ein Maximum oder Minimum bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf eine Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoff- vorformlingen gerichtet. Diese Vorrichtung weist wenigstens einen Resonator auf, in den die Kunststoffvorformlinge zu ihrer Erwärmung einführbar sind. Weiterhin weist die Vorrichtung eine erste Mikrowellenquelle auf, welche Mikrowellen zur Erwärmung der Kunststoffvorform- linge erzeugt. Weiterhin weist die Vorrichtung eine Abstimmeinrichtung auf, welche die Erwärmung der Kunststoffvorformlinge durch die Mikrowellen abstimmt.
Erfindungsgemäß ermöglicht die Abstimmeinrichtung während eines vorgegebenen Ab- Stimmbetriebes die Abstimmung, und die Abstimmeinrichtung variiert wenigstens die Kopplung des Resonators zu der Mikrowellenquelle und/oder verändert die Resonanzfrequenz des Resonators.
Es wird daher vorgeschlagen, dass während eines speziellen Abstimmbetriebs insbesondere die (Ein)kopplung zwischen der Mikrowellenquelle und dem Resonator beeinflusst wird und/oder die Resonanzfrequenz des Resonators verändert wird. Mittels dieser beiden Parameter bzw. deren Änderungen kann die Abstimmung erfolgen. Dabei wäre es möglich, dass auch beide Parameter verändert werden d.h. sowohl die Einkopplung modifiziert wird als auch die Resonanzfrequenz des Resonators verändert wird.
Bevorzugt weist die Abstimmeinrichtung ein erstes Abstimmelement auf, welches zur Änderung der Kopplung des Resonators zu der Mikrowellenquelle geeignet und bestimmt ist. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Abstimmeinrichtung ein zweites Abstimmelement auf, welches zur Änderung einer Resonanzfrequenz des Resonators geeignet und bestimmt ist. Bevorzugt sind das erste Abstimmelement und das zweite Abstimmelement unabhängig voneinander betätigbar, so dass die beiden Parameter im Wesentlichen unabhängig voneinander geändert werden können. Unter im Wesentlichen unabhängig voneinander wird dabei verstanden, dass sich auch die Änderung des einen Parameters auf den jeweils anderen Parameter auswirken kann, jedoch durch das entsprechende Abstimmele- ment in erster Linie einer der beiden Parameter geändert wird.
Bevorzugt weist daher die Abstimmeinrichtung zwei Teileinheiten auf, wobei eine dieser Teileinheiten die Kopplung des Resonators zu der Mikrowellenquelle variiert und die andere dieser Teileinheiten die Resonanzfrequenz des Resonators variiert. Diese Teileinheiten kön- nen dabei die oben genannten (ersten und zweiten) Teilelemente aufweisen.
Bevorzugt sind die beiden Teileinheiten unabhängig voneinander betreibbar und/oder weisen beispielsweise zwei voneinander unabhängige Antriebe auf. Auch hier ist es denkbar, dass eine der beiden Teileinheiten überwiegend die Kopplung zu der Mikrowellenquelle über- nimmt (bzw. beeinflusst) und die andere Teileinheit vorrangig die Veränderung der Resonanzfrequenz des Resonators. Wie oben erwähnt, sind bevorzugt diese beiden Teileinheiten unabhängig voneinander steuerbar. Bevorzugt weist wenigstens eine der beiden Teileinheiten als Abstimmelement einen Stift auf. Bevorzugt ragt dieser Stift im Falle der Teileinheit zum Abstimmen der Resonanzfrequenz in den Resonator bzw. den Resonatorraum. Bevorzugt ragt der Stift im Falle der Teileinheit zum Abstimmen der Kopplung zu der Mikrowellenquelle ebenfalls in den Hohlleiter oder den Resonator und bevorzugt in den Hohlleiter. Daneben kann die Vorrichtung eine Blendeneinrichtung aufweisen, die besonders vorteilhaft zwischen dem Hohlleiter und dem Resonator ausgebildet ist.
Bevorzugt ist wenigstens einer der beiden Stifte bezüglich einer vorgegebenen Rotationsachse drehbar. Bevorzugt sind beide Stifte jeweils bezüglich einer vorgegebenen Rotations- achse drehbar. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens einer der beiden Stifte in wenigstens einem Abschnitt - und insbesondere einem Abschnitt, der in den Hohlleiter bzw. den Resonator hineinragt - asymmetrisch bezüglich der genannten Rotationsachse ausgebildet. Auf diese Weise kann durch eine Drehung dieser Stifte um die jeweiligen Rotationsachsen eine Veränderung der Resonanzfrequenz und/oder eine Veränderung der Kopplung zwischen der Mikrowellenquelle und dem Resonator erreicht werden. Daneben oder alternativ wäre es auch denkbar, dass die Stifte entlang ihrer Längsrichtung zum Erreichen der jeweiligen Abstimmung verschiebbar sind.
Bevorzugt ist wenigstens ein Stift und sind bevorzugt beide Stifte wenigstens abschnittswei- se aus einem dielektrischen Material hergestellt.
Bevorzugt sind während dieses Abstimmbetriebs die Kunststoffvorformlinge mit einer gegenüber einem Erwärmungsbetrieb verminderten Mikrowellenleistung und/oder Mikrowellenenergie beaufschlagbar.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung auch eine Leitungseinrichtung auf, welche die Mikrowellen von der Mikrowellenquelle zu dem Resonator bzw. Applikator leitet. Vorteilhaft handelt es sich bei dieser Leitungseinrichtung um einen Hohlleiter. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuerungseinrichtung auf, welche den Abstimmbetrieb ermöglicht. Dabei ist es möglich, dass diese Steuerungseinrichtung zunächst eine Ausgangsleistung der Mikrowellenquelle reduziert und wäh- rend dieses reduzierten Leistungsbetriebes die Abstimmung durchführt. Weiterhin steuert bevorzugt die Steuerungseinrichtung auch ein Abstimmelement, welches zur Abstimmung des Resonators bewegt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Vorrichtung ohne ein Dämpfungs- element zum Dämpfen rücklaufender Leistung und insbesondere ohne eine Zirkulatoreinrich- tung und/oder eine Wasserlast ausgebildet. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, dass derartige Vorrichtungen wesentlich kostengünstiger hergestellt werden können.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Schalteinrich- tung auf, welche bewirkt, dass die Mikrowellenquelle in Abhängigkeit von einer rücklaufenden bestimmten Mikrowellenleistung abgeschaltet oder in ihrer Leistung reduziert wird. Falls beispielsweise die oben erwähnte Sensoreinrichtung eine zu hohe rücklaufende Leistung erfasst, kann die Steuerungseinrichtung bewirken, dass die Mikrowellenquelle abgeschaltet oder deren Leistung reduziert wird. Auf diese Weise ist es möglich, dass auch bei einem unzureichenden Abstimmbetrieb die Mikrowellenquelle geschützt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Abstimmeinrichtung eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von Mikrowellenleistung und insbesondere von rücklaufender Mikrowellenleistung auf.
Wie erwähnt, weist die Vorrichtung bevorzugt eine Sperreinrichtung auf, welche insbesondere bei einer nicht optimalen Abstimmung eine Leistungserhöhung der Mikrowelle verhindert.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine zweite Mikrowel- lenquelle auf, insbesondere eine schwächere Mikrowellenquelle, welche insbesondere auch Bestandteil der Abstimmeinrichtung ist und insbesondere für den Abstimmbetrieb der Mikrowelle dient. Daneben kann diese zweite Mikrowellenquelle auch zum Vorgeben einer Arbeitsfrequenz für die erste Mikrowellenquelle dienen. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Vielzahl von Mikrowellenquellen und/oder eine Vielzahl von Resonatoreinrichtungen auf. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, dass eine Vielzahl von Kunststoffvorformlingen im Wesentlichen gleichzeitig in mehreren Resonatoren erwärmt wird. Vorteilhaft sind dabei diese Resonatoren an einem gemeinsamen beweglichen Träger und insbesondere an einem gemeinsamen drehbaren Träger angeordnet. Dabei kann jeder einzelnen Resonatoreinrichtung auch eine oben erwähnte Sensoreinrichtung zugeordnet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Abstimmeinrichtung ein Abstimm- element auf, welches zur Abstimmung der Mikrowellenleistung beweglich gegenüber dem Resonator und/oder dem zu erwärmenden Kunststoffvorformling ist. Insbesondere ist dabei das Abstimmelement in den Resonator einschiebbar. Insbesondere ist das Abstimmelement in einer linearen Richtung bewegbar. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann es sich bei dem Abstimmelement um ein dielektrisches Element handeln. Bevorzugt kann es sich bei dem Abstimmelement um einen dielektrischen Stift handeln, der besonders bevorzugt in den Resonator einschiebbar ist.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen:
Darin zeigen:
Fig. 1 a eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen;
Fig 1 b eine Darstellung einer Abstimmung;
Fig 2 eine diagrammartige Darstellung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik;
Fig 3a, 3b zwei Darstellungen einer ersten erfindungsgemäßen Vorgehensweise;
Fig 4a, 4b zwei Darstellungen einer zweiten erfindungsgemäßen Vorgehensweise; zwei Darstellungen einer dritten erfindungsgemäßen Vorgehensweise;
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 7a, b zwei Darstellungen des Verlaufs der Eingangsreflexion.
Figur 1 a zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei wird ein Kunststoffvorformling 10 entlang seiner Längsrichtung L in einen in seiner Gesamtheit mit 2 bezeichneten Resonator eingeführt. Das Bezugszeichen 2a kennzeichnet eine Wandung des Resonators, die in einer um die Längsrichtung L definierten Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet ist.
Das Bezugszeichen 6 kennzeichnet ein Abstimmelement, welches Bestandteil einer in ihrer Gesamtheit mit 20 bezeichneten Abstimmeinrichtung (nur grob schematisch dargestellt) zum Abstimmen der Erwärmung der Kunststoffvorformlinge 10. Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet grob schematisch eine Mikrowellenquelle, welche Mikrowellen zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge 10 erzeugt. Über einen (nicht gezeigten) Hohlleiter werden die von der Mikrowellenquelle erzeugten Mikrowellen zu dem Resonator 2 geleitet. Das Bezugszeichen 12 kennzeichnet grob schematisch eine Sensoreinrichtung, welche rücklaufende Mikrowellenleistung erfasst.
Das Bezugszeichen 24 kennzeichnet grob schematisch eine Antriebseinrichtung, wie etwa eine elektromotorische Antriebseinrichtung, welche zur Bewegung des Abstimmelements 6 dient. Bei diesem Abstimmelement kann es sich um einen stiftartigen Körper (insbesondere aus einem dielektrischen Material) handeln, der in seiner Längsrichtung bewegbar ist. Es wäre jedoch auch möglich, dass eine Abstimmung durch Drehbewegungen eines dielektrischen Körpers vorgenommen wird. Diese Antriebseinrichtung 24 kann dabei einen Servomotor aufweisen. Das Bezugszeichen 26 kennzeichnet eine Steuerungseinrichtung, welche diese Antriebeinrichtung 24 steuert, insbesondere auch in Abhängigkeit von einem von der Sensoreinrichtung 12 ausgegebenen Signal. Diese Steuerungseinrichtung 26 kann dabei bevorzugt eine Regelungseinrichtung sein, welche die Position des Abstimmelements 6 in Abhängigkeit von der von der Sensoreinrichtung 12 erfassten aus dem Resonator zu der Mikrowellenquelle (nicht gezeigt) rücklaufenden Leistung ändert und/oder einstellt. Diese Steuerungseinrichtung 26 kann dabei auch die Mikrowellenquelle selbst steuern, beispielsweise eine Ausgangsleistung der Mikrowellenquelle 4 steuern.
Figur 1 b zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung einer Abstimmung. Dabei ist auf der Ordinate ein Abstimmungsparameter aufgetragen, etwa eine Position des in Figur 1 a gezeigten Abstimmelementes 6. Auf der Koordinate ist die rücklaufende Leistung aufgetragen. Man erkennt, dass diese rücklaufende Leistung an einer bestimmten Stelle des Abstimmelementes ein Minimum aufweist. Diese Position ist durch die gestrichelte vertikale Linie gekennzeichnet und stellt die optimale Abstimmung dar.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach dem Stand der Technik. Dabei ist wieder eine Mikrowellenquelle 4 vorgesehen, welche Mikrowellenleistung erzeugt und über einen Zirkulator 14 zu einem Applikator bzw. Resonator 2 führt (Pfeil P1 ). Ein Teil der Leistung wird dabei von einem Kunststoffvorformling absorbiert (Pfeil P2) und dient damit zu dessen Erwärmung bzw. stellt die Nutzleistung dar. Ein anderer Teil gelangt jedoch als rücklaufende Leistung (Pfeil P3) in eine Dämpfungseinrichtung bzw. eine Wasserlast 16. Der Pfeil P4 kennzeichnet demnach die Verlustleistung, welche durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise minimiert wird. Die Figuren 3a und 3b zeigen zwei Darstellungen eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei ist in Figur 3a wieder der Aufbau entsprechend Figur 1 a dargestellt. Figur 3b zeigt ein ähnliches Diagramm wie Figur 1 b. Man erkennt jedoch, dass hier der Abstimmbetrieb nicht bei Betriebsleistung (strichpunktierte Linie) durchgeführt wird, sondern bei einer verringerten Leistung (durchgezogene Linie). Da jedoch gleichwohl die Frequenzen auch in dem Abstimmbetrieb mit der Frequenz im Arbeitsbetrieb abgestimmt sind, wird sich das gleiche Minimum ergeben bzw. die gleiche durch die gestrichelte Linie gekennzeichnete optimale Abstimmung. Insbesondere außerhalb des Minimums unterscheiden sich die rücklaufenden Leistungen erheblich, so dass durch die hier gezeigte Vorgehensweise die Mikrowellenquelle auch ohne weitere Dämpfungseinrichtungen geschont werden kann.
Die Figuren 4a und 4b zeigen eine weitere erfindungsgemäße Vorgehensweise. Bei dieser Vorgehensweise wird zwar, wie durch die punktgestrichelte Linie in Figur 4b dargestellt, bei Betriebsleistung gearbeitet, allerdings wird diese Leistung nicht dauerhaft abgegeben, sondern nur an bestimmten durch die Kreise gekennzeichneten Messpunkten. Auf Basis dieser Messpunkte kann auch hier wieder ein Minimum ermittelt werden bzw. eine optimale Abstimmung. Vorteilhaft werden hier zwischen 2 und 10 Messpunkte, besonders bevorzugt zwischen 3 und 10 Messpunkte aufgenommen. Durch die Verwendung mehrerer Messpunkte kann die Genauigkeit der Messung erhöht werden, auf der anderen Seite wird jedoch auch der zeitliche Aufwand für die Abstimmung erhöht.
Figuren 5a, 5b zeigen eine weitere erfindungsgemäße Vorgehensweise. Bei dieser Vorgehensweise wird zwar während des Abstimmbetriebes ebenfalls mit einer verringerten Leistung gearbeitet, diese wird jedoch nicht über die erste Mikrowellenquelle 4 erzeugt, sondern über eine Hilfsmikrowellenquelle 18. Diese ist in Figur 5a dargestellt. Auch frequenztechnisch sind diese Mikrowellen jedoch aufeinander abgestimmt, so dass auch hier die optimale Abstimmung bei dem Betrieb mit der Hilfsmikrowellenquelle der optimalen Abstimmung mit der Hauptmikrowellenquelle 4 entspricht. Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei dieser Vorrichtung ist im Resonator 2 ein Frequenzanpassungselement 6a angeordnet (oben auch als Abstimmelement bezeichnet). Das hier gezeigte Frequenzanpassungselement ist in dieser Ausführungsform rotativ gelagert und weist eine um die Rotationsachse asymmetrische Materialverteilung auf. Durch Rotation verschiebt sich die asym- metrische Materialverteilung relativ zum Resonator und verstimmt so dessen Resonanzfrequenz. Der Stift 6a kann metallisch und/oder dielektrisch ausgeführt sein.
Ein weiterer Stift 6b ist als Kopplungsanpassungselement vorgesehen. Dieser Stift befindet sich bevorzugt in dem Hohlleiter und besonders bevorzugt in der Nähe der Blende 2b. Das Kopplungsanpassungselement 6a besitzt ähnlich wie das Frequenzanpassungselement eine asymmetrische Materialverteilung um seine Rotationsache. Im Zusammenspiel mit der Blende variiert der Stift bei Rotation die Kopplung des Resonators. Auch bei dem Kopplungsanpassungselement handelt es sich damit um ein Abstimmelement wie oben beschrieben. Das Bezugszeichen 5 kennzeichnet eine Blendeneinrichtung, die zwischen dem Hohlleiter 3 und dem Resonator 2 angeordnet ist. Dabei kann es sich um eine Blende mit fester oder auch mit variabler Blendenöffnung handeln.
Figur 7a zeigt schematisch den Verlauf der Eingangsreflexion S1 1 an einer Messebene 7 im Hohlleiter bei Variation der Position des Frequenzanpassungselement 6a über der Frequenz. Eine Variation der Position des Frequenzanpassungselements bewirkt in erste Linie eine Verschiebung der Resonanzfrequenz bei annähernd konstanter Peak - Breite und -Tiefe.
Figur 7b zeigt schematisch den Verlauf der Eingangsreflexion S1 1 an einer Messebene 7 im Hohlleiter bei Variation der Position des Kopplungsanpassungselement 6b über der Frequenz. Eine Variation der Position des Kopplungsanpassungselements bewirkt in erster Linie eine Veränderung der Peak - Breite und -Tiefe und somit der Güte des Resonanzsystems und der Kopplung. Die Resonanzfrequenz hingegen bleibt annähernd konstant.
Die Anmelderin behält sich vor sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale als erfindungswesentlich zu beanspruchen, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Es wird weiterhin darauf hingewiesen, dass in den einzelnen Figuren auch Merkmale beschrieben wurden, welche für sich genommen vorteilhaft sein können. Der Fachmann erkennt unmittelbar, dass ein bestimmtes in einer Figur beschriebenes Merkmal auch ohne die Übernahme weiterer Merkmale aus dieser Figur vorteilhaft sein kann. Ferner erkennt der Fachmann, dass sich auch Vorteile durch eine Kombination mehrerer in einzelnen oder in unterschiedlichen Figuren gezeigter Merkmale ergeben können.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Resonator, Applikator
2a Wandung des Resonators
2b Resonatorblende
3 Hohlleiter
4 Mikrowellenquelle
5 Blendeneinrichtung
6 Abstimmelement
6a Abstimmelement zum Abstimmen der Frequenz
6b Abstimmelement zum Abstimmen der Kopplung
7 Messebene
10 Kunststoffvorformling
12 Sensoreinrichtung 14 Zirkulator
16 Wasserlast
18 Hilfsmikrowellenquelle
20 Abstimmeinrichtung
24 Antriebseinrichtung
26 Steuerungseinrichtung
P1 Eingangsleistung an Resonator
P2 von Kunststoffvorformling absorbierte Leistung P3 an Wasserlast abgegebene Leistung
P4 Verlustleistung
L Längsrichtung des Kunststoffvorformlings

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen (10), wobei die Kunststoffvor- formlinge (10) in einen Resonator (2) eingebracht werden und in diesem Resonator (2) zu ihrer Erwärmung in einem Erwärmungsbetrieb mit Mikrowellen beaufschlagt werden, wobei diese Mikrowellen von einer ersten Mikrowellenquelle (4) erzeugt werden
dadurch gekennzeichnet, dass,
ein Abstimmbetrieb durchgeführt wird, um die Beaufschlagung der Kunststoffvor- formlinge (10) mit den Mikrowellen abzustimmen und vor und/oder während dieses Abstimmbetriebs wenigstens zeitweise eine Mikrowellenleistung und/oder Mikrowellenenergie der Mikrowellen gegenüber dem Erwärmungsbetrieb reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstimmbetrieb derart durchgeführt wird, dass die von dem Resonator (2) rücklaufende Mikrowellenleistung minimiert wird.
3. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstimmbetrieb vor dem Erwärmungsbetrieb erfolgt.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
während des Abstimmbetriebs wenigstens ein Abstimmelement (6) gegenüber dem Resonator (2) bewegt wird.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens zeitweise während des Abstimmbetriebs mittels eines Sensoreinrichtung (12) eine Mikrowellenleistung erfasst wird.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest während des Abstimmbetriebs eine Leistung der ersten Mikrowellenquelle (4) reduziert wird und/oder die erste Mikrowellenquelle (4) die Mikrowellenleistung gepulst abgibt.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abstimmbetrieb mittels einer zweiten Mikrowellenquelle (18) durchgeführt wird.
8. Vorrichtung zum Erwärmen von Kunststoffvorformlingen (10) mit wenigstens einem Resonator (2) in den die Kunststoffvorformlinge (10) zu ihrer Erwärmung einführbar sind, mit einer ersten Mikrowellenquelle (4), welche Mikrowellen zur Erwärmung der Kunststoffvorformlinge (10) erzeugt und einer Abstimmeinrichtung (20), welche die Erwärmung der Kunststoffvorformlinge (10) durch die Mikrowellen abstimmt, dadurch gekennzeichnet, dass
die Abstimmeinrichtung (20) während eines vorgegebenen Abstimmbetriebs die Abstimmung ermöglicht und die Abstimmeinrichtung (20) wenigstens die Kopplung des Resonators zu der Mikrowellenquelle (4) variiert und/oder die Abstimmeinrichtung die Resonanzfrequenz des Resonators verändert.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abstimmeinrichtung (20) zwei Teileinheiten aufweist, wobei eine dieser Teileinheiten die Kopplung des Resonators zu der Mikrowellenquelle (4) variiert und die andere dieser Teileinheiten die Resonanzfrequenz des Resonators (2) variiert.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Vorrichtung ohne Dämpfungseinrichtung zum Dämpfen rücklaufender Mikrowellenleistung und insbesondere ohne eine Zirkulatoreinrichtung (14) und/oder ohne ei- ne Wasserlast (16) ausgebildet ist.
1 . Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abstimmeinrichtung (20) eine Sensoreinrichtung (12) zum Erfassen von Mikrowellenleistung und insbesondere von rücklaufender Mikrowellenleistung aufweist.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Abstimmeinrichtung (20) ein Abstimmelement (6) aufweist, welches zur Abstimmung der Mikrowellenleistung beweglich gegenüber dem Resonator (2) und/oder dem zu erwärmenden Kunststoffvorformling (10) ist.
PCT/EP2016/068175 2015-07-31 2016-07-29 Verfahren und vorrichtung zum erwärmen von kunststoffvorformlingen mit abstimmung bei geringerer leistung WO2017021306A1 (de)

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