DE19648366C1 - Anlage zur thermischen Behandlung von Produkten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur thermischen Behand­ lung von Produkten mittels Mikrowellen-Energie.

Solche Anlagen sind in der EP 0 500 252 B1 und der WO 95/05058 beschrieben. Insbesondere die WO 95/05058 gibt einen umfassenden Überblick über den Stand der Technik zur Wärmebehandlung von verschiedenen Produkten, insbesondere Keramik-Teilen, auf den insoweit Bezug genommen wird.

Gegenüber elektrisch oder mit fossilen Brennstoffen beheiz­ ten Öfen erwartet man von Ofenanlagen, die mittels Mikro­ wellen-Energie betrieben werden, vor allem eine Beschleuni­ gung der Brennverfahren, insbesondere bei großvolumigen Formteilen, sowie eine Optimierung der Werkstoffeigenschaf­ ten des Brenngutes.

In der WO 95/05058 werden auch Probleme bei "Mikrowellen­ beheizten" Öfen beschrieben, die sich wie folgt zusammen­ fassen lassen:
Durch Wärmeverluste des von innen aufgeheizten Brenngutes entsteht ein parabelartiger Temperaturverlauf über den Querschnitt insbesondere bei großvolumigen Teilen. Bei Werk­ stoffen, die einen sogenannten "thermal break-away"-Effekt zeigen, bei denen die Ankopplung also sprungartig bei einem bestimmten Temperaturniveau erfolgt, kommt es zu erheblichen thermischen Spannungen im Brenngut.

Überhaupt stellt das völlig unterschiedliche Mikrowellen- Absorptionsverhalten verschiedener Materialien ein Problem dar. Es gibt Werkstoffe, bei denen ist das Absorptionsver­ halten über große Temperaturbereiche weitestgehend konstant. Andere zeigen einen sinusartigen Verlauf, manche den genann­ ten "thermal break-away"-Effekt.

Bei diskontinuierlich arbeitenden Öfen kommt es auf ein mög­ lichst geringes Temperaturgefälle zwischen dem Inneren des Brenngutes und der Umgebung zu jedem Zeitpunkt des Brennzyklus an. Bei kontinuierlichen Öfen gilt dies analog auch entlang des Transportweges, also an jeder Stelle.

Ein dichter Brenngut-Besatz erschwert die Ausbildung eines mehr oder weniger konstanten Temperaturniveaus. Durch die beschriebenen Wärmeverluste stellt sich an den außenliegen­ den Werkstücken ein größeres Temperaturgefälle zwischen Kern und Außenfläche ein als zwischen Kern und Innenseite beziehungsweise in Werkstücken, die mittig angeordnet sind.

Um diese Probleme zu überwinden, ist im Stand der Technik vorgeschlagen worden, einen Mikrowellen-Ofen mit einer konventionell beheizten Kammer zu kombinieren, über die Konvektions- und Strahlungswärme in die Mikrowellenkammer übertragen wird. Es werden zwei Heizsysteme und eine relativ aufwendige Ofenkonstruktion benötigt.

In der DE 37 06 336 C1 ist eine Vorrichtung mit Mikrowellenbeheizung offenbart, bei der die Innenwand der Vorrichtung über temporär in den Ofenraum einführbare Einsätze auf eine bestimmte gemessene Temperatur aufgeheizt wird. Bei dieser Temperatur verlieren die Einsätze ihre Funktion und werden wieder aus dem Ofenraum herausgefahren.

Aus der DE 37 36 365 C2 ist ein Mikrowellenherd mit kombinierter Beheizung (Widerstandsheizung, Mikrowellen) bekannt. Soweit mit der Widerstandsheizung geheizt wird, findet eine Temperaturmessung statt. Bei Mikrowellenbeheizung ist diese nicht vorgesehen und auch nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur thermischen Behandlung von Produkten anzugeben, bei der - bei ausschließlicher Mikrowellenbeheizung - ein Temperaturprofil für das zu behandelnde Produkt möglichst verzögerungsfrei einstellbar ist.

In ihrer allgemeinsten Ausführungsform umfaßt die Erfindung eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Es wird nur eine Heizkammer (wobei der Begriff Heizkanäle von kontinuierlichen Öfen einschließt) benötigt. Zusätzlich zu den zu behandelnden Produkten werden Körper in der Heizkammer angeordnet, die Mikrowellen absorbieren und folgende Funktion haben:
Die Oberflächen der Körper dienen als Absorptionsflächen und Reflektionsflächen für die eingekoppelten oder reflektierten Mikrowellen. Sie werden entsprechend auf ein bestimmtes Temperaturniveau erwärmt oder abgekühlt. Die Körper ver­ bleiben mehr oder weniger statisch in der Heizkammer, das heißt, sie werden in der Regel nur dann entnommen, wenn sie defekt sind. Jederzeit läßt sich die Temperatur der Körper in der Heizkammer bestimmen. Die gemessenen Temperaturwerte zeigen an, ob das Temperaturniveau im Ofen erhöht oder abge­ senkt werden muß. Über eine zugehörige Regelungs- beziehungs­ weise Steuerungseinrichtung kann die benötigte Mikrowellen­ energie zusätzlich eingespeist werden beziehungsweise die eingespeiste Mikrowellen-Energie wird abgesenkt.

Auf diese Weise übernehmen die, Mikrowellen absorbierenden Körper zwei Funktionen:

• 1. Die Funktion von Heiz-/Kühlflächen,
• 2. die Funktion von Temperaturfühlern.

Gleichzeitig werden Wärmeverluste der Produkte an die Atmosphäre oder Isolation deutlich reduziert oder sogar ver­ hindert, weil die Körper erfindungsgemäß zwischen den zu behandelnden Produkten und dem Gehäuse der Heizkammer ange­ ordnet sind.

Sie lassen sich sowohl durch die eingespeiste Mikrowellen- Energie als auch durch reflektierte Mikrowellen erwärmen.

Grundsätzlich wäre es möglich, den (die) Körper anstelle der thermischen Isolierung einzusetzen. Es erscheint jedoch in mehrerer Hinsicht vorteilhaft, mehrere Körper innerhalb der Heizkammer anzuordnen, und zwar beabstandet zueinander, um die zu behandelnden Produkte herum beziehungsweise zwischen den Produkten, um in unmittelbarer Nähe der zu behandelnden Produkte Absorptionsflächen und Temperaturmeßstellen zu schaffen.

Wird zum Beispiel Brenngut in einen bestimmten Ofenabschnitt eines kontinuierlichen Ofens eingeführt, so kann es kälter, wärmer oder gleichwarm sein wie der durch die genannten Körper auf Solltemperatur vorgeheizte Ofenabschnitt. Solange nämlich bei einem kontinuierlich arbeitenden Ofen noch kein Brenngut zugeführt ist, dienen die Körper überwiegend als Heizflächen.

Bei einer Temperaturabweichung zwischen dem Brenngut und den Körpern findet praktisch verzögerungsfrei ein Temperatur­ ausgleich statt. Ist das Brenngut wärmer, kommt es zu einer praktisch verzögerungsfreien Erwärmung der Körper. Die aktuell gemessene Temperatur wird mit einem Referenz-Soll- Wert verglichen und entsprechend einem etwaigen Differenz­ wert wird die einzukoppelnde Mikrowellen-Energie eingestellt. Dies gilt analog für den Fall, daß die Temperatur des Brenngutes geringer als die der benachbarten Körper ist, wobei in diesem Fall der Wärmeübergang umgekehrt verläuft und die Temperatur der Körper analog absinkt.

Es stellt deshalb ein Merkmal der Erfindung dar, die Anlage mit einer Einrichtung zur Bestimmung aktueller Temperaturwerte in der Heizkammer auszubilden sowie eine Regelungseinheit vorzusehen, mit der ein von dem Temperaturfühler registrierter Temperatur-Ist-Wert mit einem Referenz-Soll-Wert vergleichbar und entsprechend einem etwaigen Differenzwert die einzukoppelnde Mikrowellen- Energie einstellbar ist.

Auf diese Weise wird mit einer einzigen Beheizungsart (Mikrowellen) und einer einzigen Heizkammer nicht nur die Möglichkeit geschaffen, ein bestimmtes Temperaturprofil (zeitabhängig) einzustellen, sondern auch die Temperatur in der Heizkammer über den gesamten Querschnitt zu vergleich­ mäßigen.

Dies führt nicht nur zu einer Verringerung der thermischen Spannungen im Brenngut, sondern vor allem zu optimierten Werkstoff-Eigenschaften der behandelten Produkte sowie zu einer Verkürzung der Behandlungszeit insgesamt.

Üblicherweise wird das Gehäuse der Heizkammer innenseitig eine Isolierung aufweisen. Ist die Einkopplungseinrichtung außerhalb der Isolierung angeordnet, so muß die Isolierung Mikrowellen-durchlässig sein.

Die genannten Körper erfüllen ihre Aufgabe in besonderem Maße, wenn sie aus dünnen Elementen geringer Masse bestehen, beispielsweise aus dünnen Platten, Stegen oder Rohren. Der Begriff "dünn" wird dabei im Sinne von einigen Millimetern verstanden. Durch die geringe Masse reagieren die Körper auf Temperaturveränderungen im Ofenraum praktisch verzögerungs­ frei. Dies ermöglicht eine ebenso unmittelbare Anpassung der einzuspeisenden Mikrowellenenergie und damit eine praktisch verzögerungsfreie Regelung.

Dünne Platten lassen sich auch leicht zwischen benachbarten Produkten (Brenngut-Teilen) konfektionieren.

Grundsätzlich können die Körper aus dem gleichen Material wie die zu behandelnden Produkte bestehen.

Aufgrund des eingangs beschriebenen unterschiedlichen Absorptionsverhaltens der einzelnen Werkstoffe bei unter­ schiedlichen Temperaturen wird dieses Verhalten jedoch bei der Auswahl der Körper berücksichtigt, insbesondere bei kontinuierlich arbeitenden Öfen, bei denen das Brenngut beispielsweise von einer Aufheizzone über eine Brennzone in eine Kühlzone geführt wird.

Entsprechend dem Werkstoff des jeweiligen Brenngutes und der geforderten Brennkurve werden in gleicher Weise auch Größe und Anordnung der Körper und deren Materialauswahl festge­ legt.

Da in einem Ofen (einer Heizkammer) in der Regel Produkte einer Gattung behandelt werden, beispielsweise Porzellan, Ferrite oder dergleichen, muß diese Auswahl der Körper und ihre Anordnung nicht ständig geändert werden; vielmehr genügt es in der Regel, diese einmalig auf das Brenngut sowie die Ofenbedingungen einzustellen.

Zumindest ein Teil der in der Heizkammer angeordneten Körper kann auch aus einem Werkstoff bestehen, der ein einstell­ bares Absorptionsverhalten gegenüber Mikrowellen aufweist.

Insbesondere bei kontinuierlich arbeitenden Öfen kann darüber hinaus die Mikrowelleneinspeisung abschnittweise getrennt geregelt werden, beispielsweise für die Aufheiz-, Brenn- und Kühlzone. Ebenso können Mikrowellen gleicher Ausbreitungscharakteristik (homogene Mikrowellenenergie) und Mikrowellen unterschiedlicher Ausbreitungscharakteristik (inhomogene Mikrowellen) eingekoppelt werden.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche sowie den sonstigen Anmeldungs­ unterlagen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher beschrieben.

Dabei zeigt die einzige Figur einen Vertikalschnitt durch eine Heizkammer eines kontinuierlich arbeitenden Ofens zur Behandlung von keramischem Brenngut.

Die Heizkammer umfaßt ein Gehäuse 10 und eine innere, für Mikrowellen durchlässige Isolierung 12. Rollen 15 erstrecken sich über die Breite des Heizkanals durch entsprechende Öffnungen im Gehäuse 10 und der Isolierung 12. Die Rollen 15 werden außenseitig angetrieben, wie dies von konventionellen Rollenöfen bekannt ist.

Im Boden 10B sowie in der Decke 10D des Gehäuses 10 sind Öffnungen 14 angeordnet, über die Mikrowellen durch die Isolierung 12 in den von der Isolierung 12 umschlossenen Behandlungsraum 16 eingekoppelt werden.

Auf den - in Transportrichtung des Brenngutes - mit Abstand hintereinander angeordneten Rollen 15 liegen Unterlegplatten 18 für die zu brennenden Produkte 20 auf, wobei das Brenngut 20 entsprechend der Transportbewegung der Rollen 15 durch den Behandlungsraum 16 geführt wird.

Oberhalb und neben den zu brennenden Produkten 20 sind dünne Platten 22 aus einem Mikrowellen absorbierenden Werkstoff angeordnet, wobei die Platten 22 hier eine Dicke von ledig­ lich 5 mm aufweisen.

Die Figur zeigt, daß auch in der Unterlegplatte 18 ein ent­ sprechender Körper 22 angeordnet ist, und zwar horizontal und parallel zu den Rollen 15 ausgerichtet.

Ein weiterer Körper 22 ist zwischen den beiden in der Figur dargestellten Werkstücken 20 in vertikaler Ausrichtung ange­ ordnet.

An jeder der Platten 22 ist ein (nicht dargestellter) Temperaturfühler angeordnet. Die Temperaturfühler sind an eine (ebenfalls nicht dargestellte) Auswertungseinheit ange­ schlossen. Dort werden die jeweils aktuell an den Körpern 22 gemessenen Temperaturen bestimmt (Ist-Wert) und mit Soll- Temperatur-Werten verglichen, die in dem entsprechenden Ofenabschnitt gewünscht werden.

Weist das Brenngut 20 nun in dem betreffenden Ofenabschnitt eine Temperatur auf, die geringer ist als die Temperatur der Platten 20, so findet ein Wärmeübergang zwischen den Platten 22 und dem Brenngut 20 statt. Parallel dazu sinkt die Temperatur der Platten 22, was unmittelbar in der Aus­ wertungseinheit registriert wird. Ein Vergleich der Ist- von den Soll-Werten führt anschließend verzögerungsfrei zu einem korrespondierenden Signal an eine (nicht dargestellte) Mikrowellen-Energiequelle, die entsprechend dem Differenzwert die (erhöhte) einzukoppelnde Mikrowellen­ ,Energie einstellt und über die Öffnungen 14 in den Behandlungsraum 16 einkoppelt.

Auf diese Weise kann - unter Verzicht auf getrennte Heiz­ einrichtungen - ausschließlich mittels Mikrowellenenergie die thermische Behandlung des Brenngutes 20 im Behandlungs­ raum 16 erfolgen, und zwar derart, daß aufgrund ständiger Temperaturüberwachung und (Nach)Regelung der einzukoppelnden Mikrowellen-Energie sich ein weitestgehend konstantes Temperaturprofil über den Querschnitt des Behandlungsraumes 16 und damit auch innerhalb der zu behandelnden Produkte 20 einstellt.

Claims (11)

1. Anlage zur thermischen Behandlung von Produkten (20) mittels Mikrowellen-Energie mit folgenden Merkmalen:

• 1.1 einer Heizkammer mit einem Gehäuse (10) und einer auf der Innenseite des Gehäuses (10) angeordneten thermischen Isolierung (12),
• 1.2 einer Mikrowellen-Energiequelle, von der die Mikro­ wellen über eine Einkopplungseinrichtung (14) in die Heizkammer (Behandlungsraum 16) einkoppelbar sind, und
• 1.3 mindestens einem, Mikrowellen absorbierenden Körper (22), der zwischen den zu behandelnden Produkten (20) und dem Gehäuse (10) der Heizkammer angeordnet ist, wobei
• 1.4 der Körper (22) die Funktion eines Temperaturfühlers hat und an eine Auswertungseinheit angeschlossen ist, mit der ein von dem Temperaturfühler registrierter Temperatur-Ist-Wert mit einem Referenz- Soll-Wert vergleichbar und entsprechend einem etwaigen Differenzwert die einzukoppelnden Mikrowellen-Energie einstellbar ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, bei der der oder die Körper (22) zwischen den zu behandelnden Produkten und der Isolierung (12) der Heizkammer angeordnet ist (sind).

3. Anlage nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl von Körpern (22), die beabstandet zueinander um die zu behandelnden Produkte (20) herum beziehungsweise zwischen den Produkten (22) angeordnet sind.

4. Anlage nach Anspruch 1, bei der der oder die Körper (22) aus dünnen Platten, Stegen oder Rohren bestehen.

5. Anlage nach Anspruch 1, bei der die Körper (22) aus einem Werkstoff mit geringem Wärmespeichervermögen bestehen.

6. Anlage nach Anspruch 4, bei der die Körper (22) eine Dicke von maximal 10 mm aufweisen.

7. Anlage nach Anspruch 1 mit einer als Durchlaufkanal aus­ gebildeten Heizkammer und einer Einrichtung (15) zum Transport der Produkte (20) durch den Heizkanal (16), bei der die Mikrowellen absorbierenden Körper (22) hinterein­ ander in Transportrichtung der Produkte (20) in ver­ schiedenen Heizkanalzonen angeordnet sind.

8. Anlage nach Anspruch 7, bei der sich verschiedene Körper (22) - in Transportrichtung des Heizkanals (16) betrachtet - in mindestens einem der folgenden Merkmale unterscheiden: Größe, Form, Anordnung im Heizkanal, Werkstoff.

9. Anlage nach Anspruch 1 mit einer für Mikrowellen durch­ lässigen Isolierung (12).

10. Anlage nach Anspruch 1, bei der zumindest ein Teil der in der Heizkammer angeordneten Körper (22) aus dem gleichen Werkstoff wie die zu behandelnden Produkte (20) besteht.

11. Anlage nach Anspruch 1, bei der zumindest ein Teil der in der Heizkammer angeordneten Körper (22) aus einem Werkstoff besteht, der ein einstellbares Absorptions­ verhalten gegenüber Mikrowellen aufweist.