DE2627577A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung eines stoffes mit wellen - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur behandlung eines stoffes mit wellenInfo
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Description
Anmelder; Stuttgart, den 15· Juni 1976
Olivier A.L. Jean P 5209 S/kg
12 ave. Lavoisier
78 600 Maisons Lafitte
Prankreich
Georges Roussy
17 rue Ernest Renan
54 520 Laxou
Frankreich
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54 520 Laxou
Frankreich
Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung eines Stoffes mit Wellen
Die Erfindung "betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Behandlung eines Stoffes mit V/ellen<>
Sie findet eine bevorzugte Anwendung bei Verfahren und Vorrichtungen, die "Applicateur" genannt werden und dazu dienen, einen Stoff,
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der wenigstens einen Hauptbestandteil in Form eines Dielektrikums, insbesondere in festem aber auch in
flüssigem Zustand, enthält, mit elektromagnetischen Wellen zu behandeln, um dem Stoff elektromagnetische
Energie zuzuführen.
Eine solche Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Wellenleiter, dessen Eingang an einen Generator
elektromagnetischer Wellen angeschlossen ist» Der Wellenleiter dient auch als Gefäß oder Schacht zur
Aufnahme der zu behandelnden Materie oder enthält einen solchen Behälter. Wenn der Stoff im festen
Zustand ist, kann er selbst eine Eintrittsfläche aufweisen, durch welche die vom Generator erzeugten
Wellen eindringen. Wenn der Stoff flüssig ist oder in Form kleiner Teilchen, beispielsweise Kügelchen,
vorliegt, wird die Eintrittsfläche durch die Fläche des Behälters gebildet, der den Stoff enthält.
Der Wirkungsgrad oder der Anteil der Energie, der im Hohlleiter im Verhältnis zur zugeführten Energie
verbraucht wird, ist an sich von erheblicher Bedeutung und auch deswegen, weil kostppielige Einrichtungen
zur Absorption der verlorenen Energie vorgesehen werden müssen, die aus der Ausgangsfläche des
Stoffes austritt. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, kann daran gedacht werden, sehr lange Hohlleiter
vorzusehen. Diese Lösung ist jedoch nicht nur kostspielig, sondern kann sich in der Praxis als undurchführbar
erweisen, insbesondere, wenn der Verlustwinkel
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des Dielektrikums, der durch seinen Tangens ausgedrückt
wird, kleiner als 0,05 ist, weil dann die Länge des Reaktors unermeßlich groß werden müsste. Es wurde
auch schon vorgeschlagen, den Teil der vom Generator erzeugten einfallenden Welle zu reflektieren, der nach
dem Durchlaufen der im Wellenleiter enthaltenen Materie an dessen Ausgangsfläche in Form einer Ausgangswelie
austritt. Man gewinnt auch die Welle, die aus der Eintrittsfläche des Stoffes austritt und die bis zum Generator
zurücklaufen würde, dadurch wieder zurück, indem sie erneut auf die Behandlungszone reflektiert wird.
Jede Reflexion kann mit Hilfe eines Spiegels oder einer reflektierenden Fläche erfolgen, d.h. mit einem
elektrischen Leiter, der bei hohen Frequenzen am Ausgang des Wellenleiters oder des Hohlleiters einen Kurzschluß
bildet« Der Spiegel nimmt im allgemeinen die Form einer Metallplatte oder eines Metallfensters am
Ende des Ausganges des Wellenleiters oder von dessen Verlängerung an·
Diese Art der Wiedergewinnung von in der Vorrichtung nicht verbrauchter Energie ruft jedoch zwei Schwierigkeiten
hervor· Die Welle, welche die Materie ein erstesmal
durchlaufen hat, an einem der Enden reflektiert worden ist, dann den Stoff in Gegenrichtung durchlaufen
hat und endlich erneut am Eingang der Vorrichtung auf die Kopplungseinrichtung reflektiert worden ist, überlagert
sich der ein eretesmal in die Vorrichtung ein-.tretende
Welle nach Amplitude und Phase. Es ist notwendig, daß sich die Wellen gegenseitig verstärken
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anstatt zu schwächen«, Die Länge des Hohlraumes muß
daher entsprechend abgestimmt sein und einen "bestimmten Wert annehmen, der eine Funktion der Wellenlänge
der vom Generator erzeugten Welle, den geometrischen Dimensionen und der Dielektrizitäts-Konstanten
des Materials ist. Man hat auf diese Weise einen Resonanzhohlraum für einen definierten Wellentyp in Richtung
des Hohlleiters geschaffen. Nach der Erfindung wird diese Tatsache ausgenutzt, um die Behandlung zu homogenisieren·
Die zweite Schwierigkeit hängt damit zusammen, daß der Ankopplungsfaktor für den Resonator oder den Hohlraum
richtig gewählt werden muß. Der Teil der Energie, der
in den Behandlungsteil eindringt, ist genau gleich demjenigen, der nach Jedem Durchlauf austritt, weil der
entsprechende Kreis reziprok ist. Wenn das Kopplungsloch klein ist, wird die geringe Energie, die in den
Resonator eintritt, mehrfach im Resonator reflektiert, ohne daß viel wieder austritt. Der Wirkungsgrad der
Vorrichtung ist Jedoch schlecht, weil die am Eingang reflektierte Energie beträchtlich ist. Wenn dagegen
das Kopplungsloch groß ist, wird die Resonanz durch Energieverluste geschwächt, die teilweise den Wellen
entsprechen, die bei Jedem Durchgang aus dem Koppelloch austreten« Es gibt einen optimalen Kopplungsfaktor,
bei dem die am Loch reflektierte Energie genau durch diejenige kompensiert wird, die aus dem Resonator
entweicht. Die vom Generator gelieferte Energie wird dann vollständig in der Behandlungszone verbraucht.
Man kann dann die Vorrichtung so betrachten, als ob
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ihre Länge um einen Faktor multipliziert wäre, der
als Überspannungs- oder Gütefaktor Q bezeichnet wird,
und der auch das Verhältnis der gespeicherten -Energie
zur verbrauchten Energie angibt. Dabei bildet sich dann ein System erhöhter stationärer Wellen im Inneren des
Resonators·
Dieses System stationärer Wellen ist äußerst störendo
An manchen Stellen, an denen die Amplitude des elektromagnetischen
Feldes maximal ist, kann die Materie beschädigt werden. An anderen Stellen, die von den ersten
einen Abstand haben, der einem Viertel der Wellenlänge im Stoff oder im Wellenleiter gleich ist, ist die
Amplitude minimal. Hier wird die Materie nicht ausreichend behandelt. Diese Ungleichmäßigkeit vermindert
die Wirksamkeit der Vorrichtung.
Nach der Erfindung wird dieser Wachteil dadurch vermieden, daß dem System der stehenden Wellen gegenüber
dem zu behandelnden Stoff eine hin- und hergehende Bewegung erteilt und dabei das System von einer Bewegung
zur anderen praktisch gleich belassen wird. Mit anderen V/orten wird das System von einer Bewegung
zur anderen nicht geändert. Man begnügt sich mit einer Verschiebung. Vorzugsweise handelt es sich um eine
alternatierende Bewegung, die in einer Verschiebung in Längsrichtung des Systems besteht und vorteilhaft
über eine Strecke erfolgt, die mindestens gleich einem Viertel der Wellenlänge in dem Stoff ist.
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wird eine relativ globale Verschiebung des Systems stehender Wellen einer -Bewegung der Materie in dem Maße
vorgezogen, wie die Verteilung der Teilchen des Stoffes durch eine Bewegung, die nur bei einem Fluid möglich ist,
sich nicht in homogener Weise vollzieht, ^s bilden sich
Zonen, insbesondere Kuhezonen, oder Lagen, die gegenüber dem System der stehenden Wellen nicht verschoben werden.
Es bestünde grundsätzlich auch die Möglichkeit, das Material durch einen Hohlleiter zu transi)ortieren.
Eine solche Maßnahme ist jedoch häufig nicht möglich, weil das Material während einer längeren Zeit oder
wiederholt behandelt werden muß, weil es an einen Träger gebunden ist, der im Hohlleiter bleiben soll,
wie bei einem Molekularsieb, oder weil während der Behandlung Heaktionsteilnehmer den Wellenleiter durchströmen.
Weiterhin bildet das Material häufig eine nur schwer
zu bewegende Masse. Seine Verschiebung würde störende Organe erfordern, die in den Wellenleiter eindringen.
Obwohl es daher vorteilhaft ist, das System der stehenden Wellen zu verschieben und das zu behandelnde Material
stationär zu lassen, kann es in manchen Fällen auch zweckmäßig sein, das Material zu bewegen und sogar das
Material und die Wellen gleichzeitig in Bewegung zu versetzen.
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Eine Vorrichtung nach der Erfindung umfaßt einen Generator elektromagnetischer Wellen, der durch einen
Wellenkoppler an einen Hohlraum angekoppelt ist und dem Hohlraum elektromagnetische Energie in einer
Resonanzverteilung zuführt. Der Resonanzzustand entspricht
der Resonanz eines Wellentyps in einer bestimmten Ausbreitungsrichtung. An einem der in Ausbreitungsrichtung liegenden Ende des Hohlraumes ist ein Kurzschlußglied
angeordnet.
Es ist ein Antrieb vorgesehen, der es ermöglicht, dem
Kurzschlußglied in der Ausbreitungsrichtung eine Hin-■ und Herbewegung zu erteilen. Außerdem ist eine Einrichtung
vorhanden, die trotz der Hin- und Herbewegung des Kurzschlußgliedes den Resonanzzustand aufrechterhält.
Bei jeder Hin- und Herbewegung wird eine Änderung der relativen Phasenlagen der Wellen bewirkt, welche die
Resonanz stören würde, wenn einer solchen Störung nicht entgegengewirkt würde. Man kann zu diesem Zweck als
Einrichtung zur Aufrechterhaltung des Hesonanzzustandes
am anderen Ende des Hohlraumes ein zweites Kurzschlußglied vorsehen, das von dem Antrieb zusammen mit dem
ersten Kurzschlußglied gleichsinnig um die gleiche Strecke, bewegt wird. Vorzugsweise wird eine mechanische
Verbindung zwischen den beiden Kurzschlußgliedern vorgesehen. Weiterhin ist es zweckmäßig, eine Einrichtung
zum Einstellen des Abstandes zwischen den beiden Kurz-,schlußgliedern
vorzusehen, damit es möglich ist, die Vorrichtung auf verschiedene Wellenlängen einzustellen.
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Es ist auch möglich, die genannte Einrichtung durch einen klassischen Kreis zur Impedaiizkorrektur oder
eine Blende oder eine Schraube zu verwirklichen, deren Stellung das Einhalten der Hesonanz und deren
öffnung oder deren Eindringtiefe den Koppelfaktor
bestimmen·
Man kann diese Einrichtungen auch durch einen Phasenschieber nach Art eines 5 db-Kichtkopplers mit zwei
Kurzschlußgliedern verwirklichen. Einer der Arme des Richtkopplers ist mit dem Mikrowellen-Generator verbunden,
während der konjugierte Arm an den Hohlraum angekoppelt ist. In den beiden anderen Armen befinden
sich Kurzschlußglieder, die um ein Viertel einer Wellenlänge gegeneinander versetzt sind. Ea werden die beiden
Kurzschlußglieder gemeinsam und gleichzeitig wie das Kurzschlußglied, das am Ausgang des Hohlraumes angeordnet
ist, um die gleiche Strecke verschoben» Vorzugsweise sind alle drei KurzSchlußglieder fest miteinander verbunden·
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein ständiger leichter Zugang für ein Fluid zum Wellenleiter oder Hohlraum
geschaffen, der das magnetische Feld nicht stört, wenn die Kurzschlußglieder körperlich nur einen Teil des
Querschnittes des Wellenleiters einnehmen, vorzugsweise denjenigen Teil, in dem das Feld besonders intensiv ist,
beispielsweise denjenigen Teil, in dem das Feld 80?ό des
Greaamtfeldes ausmacht· Die Erfindung umfaßt demnach auch eine Vorrichtung, die einen an einen Generator elektromagnetischer
Wellen angekoppelten Wellenleiter mit einem
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darin angeordneten Kurzschlußglied umfalib, bei dem der
Wellenleiter an eine Fluidquelle angeschlossen ist und
das Kurzschlußglied nur einen Teil des Querschnittes des Wellenleiters einnimmt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung
dargestellten Ausführungabeispieles näher beschrieben und erläutert. Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden
Merkmale können bei anderen Ausführungsformen
der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden, Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die ilohlleiteranordnung
eines Reaktionsapparabes nach der Erfindung und
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie Il-II durch die
Vorrichtung nach Fig. 1
Der in Fig. 1 dargestellte lieaktionsapparat weist ein nicht näher dargestelltes Gestell auf, an dem ein aus
einem elektrisch leitenden Material bestehendes Hohr 1
befestigt ist, das einen Hohlleiter bildet. Der Hohlleiter ist an ein Magnetron 3 angeschlossen, das dem
Hohlleiter 1 elektromagnetische Wellen über einen Impedanz-Transformator 2 zuführt, der in der Zeichnung
nicht im einzelnen dargestellt ist. An den Impedanz-Transformator schließt sich ein Phasenschieber an, der
aus einem Koppelglied mit zwei Kurzschlußschiebern besteht. Die einfallenden Wellen, die vom Magnetron 3- er-*""""
zeugt werden, treffen auf die Eintritts- und Austrittsflächen des zu behandelnden Stoffes senkrecht auf. Diese
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Flächen werden von zwei Gittern 4 und 5 gebildet, die
aus einem dielektrischen Material, insbesondere aus Teflon (Polytetrafluoräthylen) bestehen und die sich
jeweils über einen Querschnitt des Rohres erstrecken. Sie begrenzen zwischen sich einen Mittelabschnitt des
Hohlleiters 6, der einen Behälter für den zu behandelnden Stoff bildet.
In den Enden des Hohres 1 sind zwei Kolben 7 und 8 angeordnet, deren Stangen 9 und 10 mechanisch an die
Schubplatte 11 eines Kurbeltriebs 11, 12 angeschlossen sind. Die Stange 10 ist mit der Schubplatte 11 Über
Teleskoprohre 15 verbunden, die miteinander zur Deckung
bringbare Radialbohrungen aufweisen. In zur Deckung gebrachte Radialbohrungen sind Stifte 14 einsteckbar. Die
kreisrunden Flächen 15 und 16 der Kolben, die dem Mittelabschnitt
des Hohlleiters 1 zugewandt sind, sind metallisiert· Sie stehen senkrecht zur Achse XK1. Die Stellung
des Stiftes 14 bestimmt den Abstand zwischen den Flächen
15 und 16.
Der Kolben 7 ist über die Schubplatte 11 mit einem anderen Kolben 17 verbunden, der in einem zum ersten
Hohlleiter parallelen Hohlleiter gleitet, dessen anderes Ende mit dem Generator 3 über den Inipedariz-Tx'aiisforiaator
verbunden ist. Die Kolben 7 und 17 sind gegeneinander um \ /4 verschoben. Die Schaltungsanordnung verhält sich wie
ein vollkommener Phasenschieber d.h., daß eine vom Magnetron 3 ausgesandte Welle im Hohlleiter ohne
Dämpfung übertragen wird und keine reflektierte Welle existiert,
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umgekehrt eine aus dem Rohr 1 eintretende Welle ohne Dämpfung zum Impedanz-Transformator 2 gelangt, ohne
daß ein Teil der Welle reflektiert wird, und wenn sich ein stationärer Zustand im Rohr einstellt,
weil dort eine Impedanz Z eingeführt wurde, sich das gleiche System stationärer Wellen im Eintrittszweig
aufbaut, als wenn dort eine Impedanz Z angeschlossen wäre.
Wenn die beiden Kolben mit gleichem Abstand gleichzeitig verschoben werden, hat dies die gleiche Wirkung,
als ob die Impedanz Z entfernt oder angenähert würde»
Daraus wird die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung verständlich. Die Bewegung der beiden Kolben kompensiert
genau die Verschiebung des KurzSchlußgliedes 16, weil ein
Verschieben des Spiegels 16 einem Entfernen oder Annähern der Impedanz gleichkommt, die der Spiegel darstellt.
Eine Luftquelle 18 ermöglicht es, verschmutzte Luft in Richtung des Pfeiles F in das Rohr 1 einzuführen, in dem
sich ein Behälter 19 mit einem Molekularsieb befindet. Solange das Molekularsieb 19 die Verunreinigungen der
Luft absorbiert, strömt der Luftstrom zwischen den Kolben 15 und 16 und den Innenwänden des Rohres 1 hindurch.
Während dieses Betriebszustandes ist das Magnetron 3 außer Betrieb. Die Kolben 15 und 16 sind nicht in Bewegung.
Während der Regeneration des Molekularsiebes 19 wird Luftstrom unterbrochen und das Magnetron 5 eingeschaltet.
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Außerdem wird die Kurvenscheibe 12 mit der Bchubplatte
in Betrieb gesetzte Die Schubplatte überträgt auf die Kurzschlußglieder 15 und 16 eine hin- und hergehende
Translationsbewegung in Hichtung der Achse XX1· Der elektrische Abstand zwischen dem Eingang des Impedanz-Transformators
und der Fläche 16, unter Berücksichtigung der teilweisen Reflexionen an den Flächen der Kolben
und 17, bleibt stets gleich und beträgt das fünffache
der Wellenlänge in dem Hohlleiter 1. Der Abstand zwischen den Flächen 15 und 17 bleibt ebenfalls konstant
und beträgt bei einem 5 db-Richtkoppler der verwendeten
Art ein Viertel der Wellenlänge im Hohlleiter· Die anderen Abstände zwischen der Fläche 16 und dem Gitter
sowie zwischen dem Gitter 4 und der Fläche 15 variieren periodisch· Der Impedanz-l'ransformator stellt die Kolben
automatisch derart ein, daß die reflektierte Energie während der gesamten Dauer der Behandlung Null bleibt«
Die Regeneration ist wirksamer als in bekannten Reaktorent
Das innere elektrische Feld ist höher als bei Vorrichtungen, die nicht mit Resonanz arbeiten.
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Claims (1)
- PatentansprücheVerfahren zur Behandlung eines Stoffes mit Wellen, bei dem, vorzugsweise unter Herbeiführung einer Resonanz, ein System stehender Wellen erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem System der stehenden Wellen gegenüber dem zu behandelnden Stoff eine hin- und hergehende Bewegung erteilt wird, ohne das System von einer Bewegung zur anderen zu ändern,2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem System stehender Wellen eine Translationsbewegung in seiner Längsrichtung erteilt wird.3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, daduroh gekennzeichnet, daß jede Hinbewegung wenigstens über eine Strecke erfolgt, deren Länge gleich einem Viertel der Wellenlänge ist.4· Vorrichtung zur Behandlung eines Stoffes mit einem Generator elektromagnetischer Wellen, der an einen Hohlraum angekoppelt ist und dem Hohlraum elektromagnetische Energie in einer Heaonanzverteilung zuführt, wobei der Resonanzzustand der Resonanz eines Wellentyps in einer bestimmten Ausbreitungsrichtung entspricht, mit einem an einem der in Ausbreitungsrichtung liegenden Enden des Hohlraums angeordneten KurzSchlußglied und einem Antrieb, mit dem dem Kurzschlußglied in der Antriebsrichtung eine Hin- und609882/1055Herbewegung erteilt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, die trotz der Hin- und Herbewegung des KurzSchlußgliedes den Resonanzzustand aufrecht erhält·5· Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufrechterhaltung des Resonanzzustandes ein am anderen Ende des Hohlraumes angeordnetes, zweites Kurzschlußglied umfaßt, das von dem Antrieb zusammen mit dem ersten Kurzschlußglied gleichsinnig und um die gleiche Strecke bewegbar isto6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb eine mechanische Verbindung zwischen den beiden Kurzschlußgliedern umfaßt.7· Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Kurzschlußgliedern verstellbar ist.8. Vorrichtung nach Anspruch 4-, bei der die Einrichtung zur Aufrechterhaltung des Resonanzzustandes einen Phasenschieber nach Art eines 3 db-Richtkopplers umfaßt, der mit einem Arm an den Generator und mit dem dazu konjugierten Arm an den Hohlraum angeschlossen ist, während sich in den anderen beiden Armen zwei Kurzschlußglieder befinden, die um ein Viertel der Wellenlänge gegeneinander versetzt sind, und bei dem609882/1055der Antrieb die beiden KurzSchlußglieder gemeinsam um die gleiche Strecke verschiebt, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb gleichzeitig das Kurzschlußglied bewegt, das am Ausgang des Hohlraumes angeordnet ist.9β Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung einen Koppler mit einem den Resonanzzustand aufrechterhaltenden Phasenschieber umfaßt.10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9> dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Kurzschlußgliedes wenigstens gleich einem Viertel der Wellenlänge ist.ο Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußglieder den Querschnitt des Hohlraumes nur teilweise ausfüllen und der Hohlraum an eine Fluidquelle angeschlossen ist.12· Vorrichtung mit einem an einem Generator angekoppelten Hohlleiter und einem im Hohlleiter angeordneten Kurzschlußglied, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter an eine Pluidquelle angeschlossen ist und das Kurzschlußglied nur einen Teil des Querschnitts des Hohlleiters einnimmtο15· Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurzschlußglied nur den Teil des Querschnittes des Hohlleiters einnimmt, in dem das Feld am intensiTsten ist.609882/1055Λ .Leerseife
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