DE4136416A1 - Vorrichtung zur mikrowellen-bestrahlung von materialien - Google Patents
Vorrichtung zur mikrowellen-bestrahlung von materialienInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Mikrowellen-Be
strahlung von Materialien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE-OS 32 24 114 ist eine derartige Vorrichtung be
kannt, die zum Erwärmen von Flüssigkeiten und insbesondere zum
Cracken von Altöl dient, das durch Rohrleitungen einschließ
lich eines Crackrohres aus Oxydkeramik oder aus ähnlichen, un
polaren Stoffen strömt und durch Mikrowellen-Bestrahlung bis
zu Temperaturen von etwa 700°C erwärmt und dabei fraktioniert
wird. Zur Erzeugung der Mikrowellen-Strahlung ist eine Anzahl
von sogenannten Kraftpaketen längs des Crackrohres angeordnet.
Diese bekannte Vorrichtung ist insofern nachteilig, als ihre
Einsatzmöglichkeiten sich auf die Erwärmung von polaren Flüs
sigkeiten durch direkte Bestrahlung derselben mit den Mikro
wellen beschränken und eine Änderung der Erwärmung der Flüs
sigkeit ohne entsprechende Änderung ihrer Strahlungsbelastung
nicht durchgeführt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Erwärmung und
die Strahlungsbelastung mikrowellenbehandelter Materialien un
abhängig voneinander einstellen zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Es ist somit möglich, jedes
gewünschte Verhältnis des von der Wandung absorbierten, zur
Erwärmung derselben und damit zur indirekten Erwärmung der Ma
terialien dienenden Anteils der Mikrowellenstrahlung und des
verbleibenden, die Wandung durchdringenden und in die Materia
lien eintretenden Anteils längs der Förderstrecke einzustel
len. Damit stehen zwei Parameter zur Verfügung, die in Verbin
dung mit einem dritten Parameter durch entsprechende gegensei
tige Abstimmung die gezielte Einstellung der Erwärmung und der
Strahlungsbelastung von mikrowellenbehandelten Materialien un
abhängig voneinander ermöglichen. Der dritte Parameter ist die
veränderbare Strahlungsleistung der vom jeweiligen Generator
erzeugten Mikrowellen. So ist es etwa möglich, sowohl polare
als auch unpolare Materialien durch Erhöhung der Strahlungs
leistung sowie der Mikrowellenabsorption durch die Wandung
stärker zu erwärmen und durch entsprechende Abstimmung dieser
bei den Parameter zu erreichen, daß die Wandung entsprechend
der Anhebung der Strahlungsleistung, d. h. in dem Maße stärker
absorbiert, daß als weiterer Parameter der durch sie hindurch
tretende Strahlungsanteil und damit die Strahlungsbelastung
des Materials unverändert bleiben. In entsprechender Weise
kann die Strahlungsbelastung bei Aufrechterhaltung einer kon
stanten Temperatur verändert werden. Es ist selbstverständlich
auch möglich, die Erwärmung und die Strahlungsbelastung
gleichzeitig in gezielter Weise zu verändern.
Die Mikrowellen-Absorptionseigenschaften der Wandung sind so
wohl durch Wahl des durch die stoffliche Zusammensetzung der
Wandung bestimmten Mikrowellen-Absorptionsvermögens als auch
im Fall einer mikrowellenabsorbierenden Wandung durch deren
Dicke veränderbar.
Die Möglichkeit der gezielten Veränderung des Verhältnisses
der Erwärmung zur Strahlungsbelastung ist insofern vorteil
haft, als nach neuesten Erkenntnissen Strukturveränderungen
von Materialien durch Mikrowellen-Bestrahlung hervorgerufen
werden und somit durch entsprechende Wahl des genannten Ver
hältnisses der Erwärmung zur Strahlungsbelastung chemische
Vorgänge optimiert und insbesondere Materialien hinsichtlich
ihrer Molekular- und/oder Kristallstruktur verändert werden
können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich deshalb auch vor
züglich zur Herstellung von Isolatoren, Halbleitern, Cermets,
Supraleitern und anderen Bauteilen, deren Eigenschaften durch
Änderung ihrer Kristallstruktur beeinflußt werden können. Bei
spielsweise ist es durch Verwendung von mikrowellendurch
lässigen Wandungen möglich, die Struktur unpolarer Materialien
ohne und diejenige polarer Materialien mit gleichzeitiger Er
wärmung zu verändern, während eine Wandung mit entsprechend
hohem Mikrowellen-Absorptionsvermögen und ggfs. entsprechend
großer Wandungsdicke eine Erwärmung sowohl polarer als auch
unpolarer Materialien ohne Strukturveränderungen ermöglicht.
Strukturveränderungen bei gleichzeitiger Erwärmung können im
genau abgestimmten Verhältnis bei Verwendung entsprechend mi
krowellenteildurchlässiger bzw. -teilabsorbierender Wandungen
und ggfs. entsprechender Wandungsdicken mittels Mikrowellen
entsprechender Strahlungsleistung an polaren und unpolaren Ma
terialien durchgeführt werden.
Für den Fall, daß unpolare Materialien zu erwärmen und bei
spielsweise gleichzeitig mit höchster Intensität mit Mikrowel
len zu bestrahlen sind und deshalb eine völlig mikrowellen
durchlässige Wandung verwendet wird, ist gemäß einer Weiter
bildung der Erfindung eine der Förderstrecke vorgeschaltete
Einrichtung vorgesehen, mittels der den Materialien Zusatzma
terialien mit hohem Mikrowellen-Absorptionsvermögen hinzuge
fügt werden können, um eine direkte Erwärmung derselben zu er
reichen. Falls eine Trennung möglich ist, können diese Zusatz
materialien nach beendeter Mikrowellenbestrahlung entfernt
werden.
Nachstehend ist die Erfindung anhand zweier Ausführungsbei
spiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des ersten Ausführungs
beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durch
führung einer chemischen Umsetzung eines Materials, und
Fig. 2 eine schematische Darstellung des zweiten Ausführungs
beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Her
stellen von keramischen Bauteilen.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfaßt eine durch ein Rohr 1 de
finierte Förderstrecke, eine im Rohr drehbar gelagerte, durch
einen nicht gezeigten Antrieb drehbare Transportschnecke 2,
mehrere, beispielsweise drei Generatoren 3.1, 3.2 und 3.3 von
herkömmlicher Bauweise und regelbarer Leistung zur Erzeugung
von Mikrowellen-Strahlen 4.1, 4.2 und 4.3 sowie einen Resona
tor 5 von ebenfalls herkömmlicher Bauweise, der als eine das
Rohr 1 streckenweise umgebende Metallkammer ausgebildet ist
und dazu dient, die Intensität und Dichte der von den Genera
toren 3.1-3.3 erzeugten und durch nicht gezeigte Hohlleiter
eingespeisten Mikrowellen 4.1-4.3 zu erhöhen sowie einen Aus
tritt derselben nach außen zu verhindern. Die Vorrichtung um
faßt weiterhin Sensoren zur Steuerung des Verfahrens, wie bei
spielsweise Temperatursensoren 6 (von denen nur einer darge
stellt ist) zum Messen der Temperatur des Rohres 1.
Das Rohr 1 besteht insgesamt aus Keramik mit einem Zusatz aus
einer elektrisch und/oder magnetisch leitfähigen Substanz
(z. B. C, SiC, Metall usw.), deren %-Anteil sich derart ändert,
daß das Rohr ein Mikrowellen-Absorptionsvermögen aufweist,
welches sich über seine Länge graduell ändert: die den beiden
Endbereichen des Resonators 5 zugeordneten, durch weite
Schraffur gekennzeichneten Rohrabschnitte sind nahezu völlig
mikrowellendurchlässig, während der dem mittleren Bereich zu
geordnete Rohrabschnitt mit enger Schraffur Mikrowellen absor
biert. Zur Erhöhung der Mikrowellenabsorption kann der mitt
lere Rohrabschnitt ggfs. eine größere Wandungsdicke als die
benachbarten Rohrabschnitte aufweisen.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 kann zur Durchführung eines che
mischen Vorganges mit gezielter Umsetzung eines z. B. polaren
Materials 7 eingesetzt werden, das beispielsweise in den drei
aufeinanderfolgenden Rohrabschnitten bei konstanter Strah
lungsbelastung auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt wer
den soll. Das Material 7 wird als Granulat in nicht gezeigter
Weise dem Rohr 1 zugeführt und mittels der sich drehenden
Transportschnecke 2 in Transportrichtung 8 durch die Rohrab
schnitte im Bereich des Resonators 5 transportiert. Dabei ge
langt es zunächst in den Rohrabschnitt im linken Bereich (in
Fig. 1) des Resonators 5 und wird dort durch die vom Genera
tor 3.1 erzeugten und nahezu vollständig durch die Rohrwandung
hindurchtretenden Mikrowellen-Strahlung 4.1 direkt erwärmt,
bis seine Schmelztemperatur erreicht ist. Dabei ist das Mate
rial 7 einer der Leistung der Mikrowellen-Strahlung 4.1 ent
sprechenden Strahlungsbelastung ausgesetzt. Im folgenden, im
mittleren Bereich des Resonators 5 befindlichen Rohrabschnitt
erfolgt eine weitere Erwärmung des Materials 7 mittels der mit
entsprechend höherer Leistung im Vergleich zum Generator 3.1
vom Generator 3.2 erzeugten Mikrowellen-Strahlung 4.2. Die
Rohrwandung weist ein derart auf diese höhere Strahlungs
leistung abgestimmtes Mikrowellen-Absorptionsvermögen (ggfs.
auch Wandungsdicke) auf, daß sie den gleichen Strahlungsanteil
wie die Rohrwandung im vorhergehenden Rohrabschnitt durchtre
ten läßt und somit die gleiche Strahlungsbelastung und die
gleiche direkte Erwärmung des Materials 7 hervorruft. Der ver
bleibende, von der Rohrwandung absorbierte und diese erhitzen
de Strahlungsanteil verursacht die weitere Erwärmung des Mate
rials 7 bis zu der für dessen Umsetzung erforderlichen Tempe
ratur. Nach beendeter Umsetzung gelangt das Material 7 in den
nachfolgenden, dritten Rohrabschnitt. Da die Mikrowellen-
Absorptionseigenschaften der Wandung dieses Rohrabschnitts und
die Leistung des zugeordneten Generators 3.3 die gleichen wie
im ersten, dem Generator 3.1 zugeordneten Rohrabschnitt sind,
kühlt sich das Material 7 in diesem dritten Rohrabschnitt bei
gleicher Strahlungsbelastung bis zum Erreichen der Schmelztem
peratur ab. Eine gleichmäßigere Erwärmung des Materials 7 kann
durch Verwendung einer aus einer mikrowellen-absorbierenden
Substanz bestehenden Förderschnecke 2 erzielt werden.
Die Vorrichtung nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen
nach Fig. 1 durch Verwendung eines Rohres, das aus mehreren
(z. B. drei) getrennten Rohrabschnitten 9.1, 9.2 und 9.3 zusam
mengesetzt ist, eines Resonators, der ebenfalls aus mehreren
Abschnitten 10.1 bis 10.3 besteht und eines dem Rohr 9.1 bis
9.3 vorgeschalteten, herkömmlichen Extruders 11 (nur ange
deutet) anstelle der im Rohr befindlichen Transportschnecke.
Jedem Rohrabschnitt 9.1-9.3 und jedem Resonatorabschnitt
3.3 ist je einer der Generatoren 3.1 bis 3.3 nach Fig.
1 zugeordnet.
Die Rohrwandung des mittleren Rohrabschnitts 9.2 besteht aus
völlig mikrowellendurchlässiger Keramik, während die beiden
benachbarten Rohrabschnitte 9.1 und 9.3 durch Zusatz von bei
spielsweise Kohlenstoff oder Siliciumcarbid (SiC) ein entspre
chendes Mikrowellen-Absorptionsvermögen aufweisen. Ggfs. kann
die Wandungsdicke und damit die Mikrowellenabsorption erhöht
werden.
Die Vorrichtung nach Fig. 2 kann zur Herstellung von Bautei
len aus keramischen Materialien mit einer durch Mikrowellen-
Bestrahlung bestimmter Leistung beeinflußten Kristallstruktur
eingesetzt werden. Zu diesem Zweck wird ein bildsames Gemisch
12 der Ausgangsstoffe dieser keramischen Materialien durch
eine Trichteröffnung 13 dem Extruder 11 zugeführt und durch
dessen Förderschnecke durch das Rohr 9.1-9.3 in Transportrich
tung 8 transportiert. Dabei gelangt das Gemisch 12 zunächst in
den dem Extruder 11 benachbarten Rohrabschnitt 9.1 und wird
dort durch die Rohrwandung, die durch den von ihr absorbierten
Anteil der vom Generator 3.1 erzeugten Mikrowellen-Strahlung
14.1 erhitzt ist, auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb
des Kristallationspunktes des keramischen Materials liegt. Ein
verbleibender, durch die Rohrwandung hindurchtretender Anteil
der Mikrowellen-Strahlung 14.1 weist infolge entsprechender
Einstellung des Generators 3.1 die gleiche, bestimmte und zur
gewünschten Beeinflussung der Kristallstruktur erforderliche
Leistung wie die gesamte, vom nachfolgenden Generator 3.2 er
zeugte Mikrowellen-Strahlung 14.2 auf. Im anschließenden Rohr
abschnitt 9.2 erfolgt eine Abkühlung des Gemischs 12 aufgrund
seiner unpolaren Eigenschaft und damit seine Kristallisation.
Diese wird durch die vom Generator 3.2 mit geringerer Leistung
erzeugte, vollständig durch die mikrowellendurchlässige Rohr
wandung hindurchtretende Mikrowellen-Strahlung 14.2 in der
gewünschten Weise beeinflußt. Dabei ist die Strahlungsbela
stung des Gemischs 12 die gleiche wie im vorhergehenden Rohr
abschnitt 9.1. Im nachfolgenden Rohrabschnitt 9.3, der eine
größere Länge als der erste Rohrabschnitt 9.1 aufweist, wird
das Gemisch 12 mittels der vom Generator 3.3 erzeugten Mikro
wellen-Strahlung 14.3 entsprechend höherer Leistung bis zur
Brenntemperatur erwärmt und gebrannt. Die Erwärmung erfolgt
indirekt durch die Rohrwandung, deren Mikrowellen-Absorptions
vermögen und ggfs. Wandungsdicke so eingestellt ist, daß der
von ihr absorbierte Strahlungsanteil zur Erzielung der Brenn
temperatur ausreicht und der verbleibende Strahlungsanteil die
gleiche Strahlungsbelastung des Gemischs 12 wie in den beiden
vorhergehenden Rohrabschnitten 9.1 und 9.2 hervorruft. Dem
entsprechend ist die Leistung des Generators 3.3 größer als
diejenige des Generators 3.1, während der Generator 3.2 die
kleinste, die Strahlungsbelastung des Gemischs 12 bestimmende
Leistung aufweist. Die Leistungsüberschüsse der beiden Genera
toren 3.1 und 3.3 dienen zur Erwärmung des Gemischs 12 bis zur
jeweiligen Temperatur. Nach Abschluß des Brandes wird das
fertiggestellte Keramikmaterial als Endlosstrang 15 aus dem
freien Ende des Rohrabschnitts 9.3 ausgestoßen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können selbstverständ
lich auch Materialien anderer als der bisher beschriebenen
Konsistenz, beispielsweise in flüssiger oder suspendierter
Form mittels entsprechender Fördermittel, wie beispielsweise
drehende Rohre, Förderbänder etc. behandelt werden. Die Mikro
wellen können zwecks Beeinflussung der Struktur der Materia
lien auch gepulst werden.
Claims (2)
1. Vorrichtung zur Mikrowellen-Bestrahlung von Materialien,
insbesondere der Ausgangsstoffe für keramische Materialien,
Legierungen usw., mit einer Förderstrecke, die zumindest
streckenweise durch eine Rinnen- oder Rohranordnung defi
niert ist, deren Wandung ein bestimmtes Mikrowellen-Absorp
tionsvermögen aufweist, mit einem die Wandung zumindest
streckenweise umgebenden Resonator sowie wenigstens einem
Generator zum Erzeugen der Mikrowellen-Strahlung,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandung der Rinnen- oder Rohranordnung (1; 9.1-9.3)
über ihre Länge unterschiedliche Mikrowellen-Absorptions
eigenschaften aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwecks direkter Erwärmung von Materialien mit der Mi
krowelle eine der Förderstrecke vorgeschaltete Einrichtung
vorgesehen ist, mittels welcher den Materialien Zusatzmate
rialien mit hohem Mikrowellen-Absorptionsvermögen hinzuge
fügt werden.
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