DE102008001637A1

DE102008001637A1 - Mikrowellenofen zur thermischen Behandlung von Gütern

Info

Publication number: DE102008001637A1
Application number: DE102008001637A
Authority: DE
Inventors: Ivan Imenokhoyev; Norbert Pfitzner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-11-12
Anticipated expiration: 2028-05-08
Also published as: DE102008001637B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenofen zur thermischen Behandlung eines Gutes (3), wobei eine Mikrowellen aussendende Energiequelle (1) mit einer Öffnung (13) eines kammerförmigen Applikators (2) direkt über einen Hohlleiter verbunden ist und der kammerförmige Applikator (2) aus einer das zu erwärmende Gut (3) kuppelförmig umfangenden Haube (6) mit einer konkaven Innenfläche und einer Grundplatte (7) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass - der Hohlleiter (4) einen konstant rechteckigen Querschnitt aufweist, - die Öffnung (13) zur Einleitung der Mikrowellen in den kammerförmigen Applikator (2) von einer mikrowellentransparenten Aufnahme (5) verschlossen ist, - das zu erwärmende Gut im geometrischen Zentrum der konkaven Innenfläche der Haube (6) des Applikators (2) auf der mikrowellentransparenten Aufnahme (5) platzierbar ist und dass - eine Zusatzheizung (10) im Bereich der Grundplatte (7) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenofen zur thermischen Behandlung verschiedener Materialien. Derartige Einrichtungen werden auch als Mikrowelleneinrichtungen bezeichnet und finden bei der thermischen Behandlung, insbesondere bei der Hochtemperaturbehandlung verschiedener technischer Güter, verfahrenstechnisch breite Anwendung und kommen in kleiner und abgewandelter Ausführung auch im privaten Bereich zur Lebensmittelerwärmung zum Einsatz.
Die angestrebte Erwärmung der jeweiligen Materialien erfolgt in derartigen Mikrowelleneinrichtungen stets durch Absorption der Energie eines eingespeisten elektromagnetischen Feldes, die unmittelbar im Volumen des zu erwärmenden Gutes erfolgt. Die mikrowellenspezifische Art der Erwärmung begründet die Eignung derartiger Einrichtungen zum schnellen und homogenen Erwärmen, Auftauen, Pasteurisieren, Sterilisieren, Trocknen, Entbindern und Sintern von verschiedenen Materialien (z. B. technische Keramik, Ferrite, etc.) sowie zum Aushärten von Verbundwerkstoffen.
Stand der Technik
Seit der Verwendung von Mikrowelleneinrichtungen zur Erwärmung unterschiedlicher Substanzen besteht das Problem der Realisierung einer definierten, möglichst gleichmäßigen und vom jeweiligen zu behandelnden Füllgut unabhängigen Feldverteilung bzw. Volumenabsorption der eingespeisten Energie, was häufig aus nachfolgenden Gründen schwierig ist.

Aus verschiedenen Gründen sind nur bestimmte Frequenzbereiche für die industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendung elektromagnetischer Wellen freigegeben, was zwangsläufig die Vorgabe der entsprechenden Wellenlängen bedeutet. Diese so genannten ISM-Frequenzen (Frequencies for industrial, scientific and medical radio-frequency equipment) sind weltweit durch die Internationale Fernmeldeunion (IFU) vorgegeben und für Deutschland verbindlich in EM 55011 und VDE 0875 Teil 11 als Grundfrequenzen für ISM-Geräte festgelegt. Die erlaubten ISM-Frequenzbänder im Mikrowellenspektrum von 300 bis 300000 MHz sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Frequenzbereiche nach IEC		ISM-Frequenzbänder	Wellenlänge¹⁾
Funkfrequenzen	HF	6,78 ± 0,015 MHz	44 m
	HF	13,56 ± 0,007 MHz	22,12 m
	HF	27,12 + 0,163 MHz	11,06 m
	VHF	40,68 ± 0,02 MHz	7,37 m
Mikrowellenfrequenzen	UHF	433,92 ± 0,87 MHz	69,14 cm
	UHF	915 ± 25 MHz	32,79 cm²⁾
	UHF	2450 ± 50 MHz	12,24 cm
	SHF	5800 ± 75 MHz	5,17 cm
	SHF	24125 ± 125 MHz	1,22 cm
	EHF	61250 ± 250 MHz	4,5 mm
	EHF	122500 ± 500 MHz	2,45 mm
	EHF	245000 ± 1000 MHz	1,22 mm

1) Gilt nur für Vakuum (in erster Näherung auch für Luft)
2) In den USA und in Großbritannien angewendet, aber in Deutschland wegen des Mobilfunks im D-Netz (GSM 900) nicht zugelassen

Vom Standpunkt der Mikrowellen-Thermoprozesstechnik sind das UHF-Band und das SHF-Band mit den Frequenzen 2450 ± 50 MHz und 5800 ± 75 MHz die wichtigsten, weil die Mehrzahl der heute in Betrieb befindlichen Mikrowellen-Erwärmungsanlagen Magnetrons als Generatoren verwenden, die in diesen Frequenzbereichen mit Ausgangsleistungen von 0,6 bis 10 kW und hohem Wirkungsgrad (40 bis 75%) arbeiten.
Der Großteil der unterschiedlichen Applikatoren lässt sich in folgende Klassen einteilen:
Wanderwellen-Applikatoren
Monomode-Applikatoren (Monomode-Öfen)
Multimode-Applikatoren (Multimode-Öfen)
Parallel dazu sind unterschiedliche Klassifizierungen für Mikrowellen-Erwärmungsanlagen möglich. Zum Beispiel können mikrowellenbasierte Arbeitseinrichtungen in vier Gruppen eingeteilt werden:
Resonanzhohlräume oder Mikrowellenöfen,
Wanderwellensysteme oder Hohlleiter,
Streufeld- oder Hohlraum-Schlitzresonatoren und Freiraumstrahler.
Daraus ist ersichtlich, dass eine Unterteilung häufig nach der Art Energieeinspeisung oder der Art der Realisierung einer angestrebten Feldverteilung erfolgt, was zugleich auf die Problematik dieses technischen Aspektes hinweist. Es wird jedoch eine Einteilung nach dem technologischen Prinzip bevorzugt. Hierbei wird unterschieden zwischen zwei Typen von Mikrowellen-Erwärmungsanlagen:
„Batch”-Erwärmungsanlagen (andere Bezeichnung: Chargen-Öfen) und
Durchlauf-Erwärmungsanlagen
(Durchlauf-Öfen)
Laut dieser Klassifizierung gehören die Wanderwellen-Applikatoren (engl. Traveling-Wave-Applicator) sowie Monomode- und Multimode-Applikatoren mit einem Förderband zu den Durchlauf-Erwärmungsanlagen. Die Monomode-Applikatoren und Multimode-Applikatoren ohne kontinuierliches Transportsystem sind dementsprechend „Batch”-Erwärmungsanlagen. Insbesondere bei „Batch”-Anlagen ist durch die fehlende kontinuierliche Transportbewegung der Gleichmäßigkeit der Erwärmung des zu behandelnden Gutes besondere Aufmerksamkeit zu widmen, was sich besonders bei Monomode-Applikatoren als schwierig erweist.
Der Monomode-Applikator für den „Batch”-Betrieb (engl. Single-Mode-Applicator) ist ein Resonator, der bei Betriebsfrequenz nur eine einzige Feldkonfiguration (engl. Mode) zulässt. Dementsprechend werden die Abmessungen eines solchen Monomode-Applikators, beispielsweise mit rechteckigem Querschnitt, genau auf die eingespeiste Wellenlänge abgestimmt. Das Hauptproblem derartiger Applikatoren besteht darin, dass sich die Feldverteilung im Applikator durch die Einbringung des Materials verändert, so dass häufig keine homogene Erwärmung mehr erreicht wird.
Einen Ansatz zur Milderung dieses Problems verkörpern Multimode-Applikatoren. Bei einem Multimode-Applikator (engl. Multi-Mode-Applicator) handelt es sich um einen Resonator, bei dem mehrere Moden angeregt werden. Dazu muss der Applikator Abmessungen von mehreren Wellenlängen in mindestens zwei Richtungen aufweisen. Für einen gegebenen Frequenzbereich sind dann eine Vielzahl von Moden möglich. Bei einer eingegebenen Frequenz bietet dieser Applikatortyp das größte Nutzvolumen. Während bei den anderen Applikatortypen die Abmessungen aus den technischen Gründen vorgegeben und begrenzt sind, ist bei diesem Typ die Größe beliebig. Je größer der Applikator gewählt wird und je mehr Einsatzstoff sich darin befindet, desto mehr Moden können darin existieren. Idealerweise sind die Moden so überlagert, dass sich eine gleichmäßige Feldverteilung ergibt. Im Haushalt und bei vielen industriellen Anwendungen finden deshalb Multimode-Applikatoren den häufigsten Einsatz. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass die mit derartigen Einrichtungen erreichbare Gleichmäßigkeit der Feldverteilung für verschiedene Anwendungen nicht ausreicht und noch immer zu stark von der Beschickung der Anlage abhängt.
Um das Heizgut möglichst homogen zu erwärmen, werden daher auch zusätzliche Hilfsmittel, wie Modenrührer und/oder Drehteller, eingesetzt, was natürlich mit einem erhöhten konstruktiven Aufwand und einer gesteigerten Störanfälligkeit verbunden ist.
Nach der US 2,956,144 A wird beispielsweise ein Mikrowellenofen für Lebensmittel offenbart, der als Applikator einen haubenförmigen Erwärmungsraum mit dem zu erwärmenden Gut aufweist, wobei das Feld aus dem Hohlleiter zunächst in einer zusätzlichen Kammer vor dem Erwärmungsraum mit einem Modenrührer reflektiert und dadurch verteilt und vergleichmäßigt wird, wonach das Feld in den Erwärmungsraum mit dem Gut eingeleitet wird. Es ist weiterhin aus der US 2,956,144 A bekannt, Resonanzen in möglichst vielen Richtungen der Applikatorkammer zu ermöglichen und durch eine entsprechende Feldüberlagerung zu einer möglichst gleichmäßigen Energieverteilung im Kammervolumen zu gelangen.
Es ist weiterhin aus der WO 90/03715 A1 bekannt, durch gleichzeitigen Betrieb mehrerer Energiequellen zu einer Fokussierung des Feldes in den Bereich des zu erwärmenden Lebensmittels beizutragen. Dabei wird die Energie des Mikrowellenfeldes nicht direkt eingeleitet, sondern erreicht das zu erwärmende Gut erst nach Reflektion an der halbkugelförmigen Applikatorhaube. Die Verwendung von mehreren Energiequellen gleichzeitig verursacht einen höheren apparativen Aufwand und damit verbundene Kosten.
Nach der DE 1049019 A wird eine Einrichtung zur Wärmebehandlung eines aus organischen Substanzen bestehenden Behandlungsgutes in einem elektromagnetischen Hochfrequenzfeld offenbart, welche über eine Hornantenne als Multi-Mode-Applikator das Mikrowellenfeld von unten in den haubenförmigen Applikator einführt und zusätzlich von oben Infrarot-Strahler zur Bräunung des Lebensmittelgutes vorgesehen sind. Nachteilig an dieser Kombination ist die relativ geringe Fokussierung des Mikrowellenfeldes und die aufwändige Gestaltung der Applikatorhaube mit den darin integrierten Infrarotstrahlern. Hinzu tritt das bekannte Problem, dass bei Hornantennen häufig keine gleichmäßige Verteilung des Mikrowellenfeldes möglich ist, wodurch zusätzliche konstruktive Maßnahmen erforderlich werden.
Nach der WO 90/03718 A1 ist eine Mikrowellenerwärmungskammer für Lebensmittel bekannt, in welcher die Mikrowellenenergie von unten über eine Hornantenne in den halbkugelförmigen Applikator eingeleitet und am Applikator reflektiert wird.
Bei Mikrowellenöfen für die Hochtemperaturanwendung sind kastenförmige oder zylinderförmige Applikatoren bekannt.
Als Nachteil der bekannten Geometrien und Strategien zur Erwärmung mittels Mikrowellenenergie verbleibt somit eine in Bezug auf das zu erwärmende Gut ungleichmäßige, inhomogene Feldverteilung, was zur ungleichmäßigen Erwärmung bis zum Zerstören des zu erwärmenden Gutes führen kann.
Nachteilig ist weiterhin, dass der Einsatz von Drehtellern und/oder so genannten Feldrührern (Stirrer) sowie von mehreren Magnetrons zur Erhöhung der Effizienz der Erwärmung des zu behandelnden Gutes zusätzliche Kosten verursacht. Gleichzeitig wächst die Störanfälligkeit der damit ausgestatteten Anlagen, und durch Verschleißeffekte entsteht zusätzlicher Wartungsaufwand.
Ein weiteres Problem herkömmlicher Mikrowellen-Öfen besteht in der Notwendigkeit, eine Tür bzw. eine Öffnung für das Einsetzen des Erwärmungsgutes durch spezielle konstruktive Maßnahmen gegen unerwünschte Leckstrahlung zu sichern. Das bringt ebenfalls zusätzliche Kosten mit sich und schafft potentielle Fehlerquellen im Betrieb derartiger Anlagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellen-Erwärmungsanlage anzugeben, welche die Nachteile bekannter Einrichtungen vermeidet, sich vor allem im „Batch”-Betrieb durch eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Fokussierung des Feldes auf das zu erwärmende Gut und ein homogenes Erwärmen des zu erwärmenden Gutes auszeichnet und keine beweglichen Zusatzteile, wie Drehteller und Stirrer, aufweist.
Die Aufgabe wird durch einen Mikrowellenofen zur thermischen Behandlung eines Gutes gelöst, bei dem eine Mikrowellen aussendende Energiequelle mit einer Öffnung eines kammerförmigen Applikators direkt über einen Hohlleiter verbunden ist und bei dem der kammerförmige Applikator aus einer das zu erwärmende Gut kuppelförmig umfangenden Haube mit einer konkaven Innenfläche und einer Grundplatte besteht, wobei der Mikrowellenofen insbesondere dadurch gekennzeichnet ist, dass

– der Hohlleiter einen konstant rechteckigen Querschnitt aufweist,
– die Öffnung zur Einleitung der Mikrowellen in den kammerförmigen Applikator von einer mikrowellentransparenten Aufnahme verschlossen ist,
– das zu erwärmende Gut im geometrischen Zentrum der konkaven Innenfläche der Haube des Applikators auf der mikrowellentransparenten Aufnahme platzierbar ist und dass
– eine Zusatzheizung im Bereich der Grundplatte vorgesehen ist.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Innenfläche der Haube für Hochtemperaturanwendungen die Wärmestrahlung reflektierend ausgebildet.
Dies wird vorteilhaft beispielsweise dadurch erreicht, dass die Innenfläche der Haube aus Metall und/oder verspiegeltem Glas ausgebildet ist oder metallisch beschichtet ist und zumindest teilweise poliert ist. Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die polierte Innenfläche eine Rauhigkeit von kleiner oder gleich 300 μm auf.
Konstruktiv wird die Öffnung zur Einspeisung der Mikrowellen in den Applikator im zentralen Bereich einer ebenen Grundplatte bevorzugt angeordnet.
Die Zusatzheizung ist vorteilhaft um die Öffnung im Bereich der Grundplatte um das zu behandelnde Gut angeordnet und in den Bereich der Grundplatte als Widerstands- oder Induktionsheizung integriert.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Querschnittsflächen des Hohlleiters und der Öffnung des Applikators mit der mikrowellentransparenten Aufnahme modulartig an die Dimension des Gutes anpassbar ausgebildet. Somit kann bei einer wechselnden Proben- bzw. Gutgeometrie durch einen Wechsel von Hohlleiter, Öffnung und mikrowellentransparenter Aufnahme schnell und kostengünstig eine Anpassung vorgenommen werden, in deren Ergebnis wiederum optimal fokussierte Felder auf das Gut wirken.
Mit ähnlicher Wirkung vorteilhaft ist es, die Haube zusätzlich oder alternativ an die Gutgeometrie anzupassen. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen von Hauben sind halbkugelförmig, halbparaboloidförmig oder halbellipsoidförmig.
Zur Vermeidung von Leckstrahlung weist die Grundplatte eine Nut auf, in die der Rand der Haube eingreift.
Die Konzeption der Erfindung besteht darin, dass nicht die Vergleichmäßigung der Felder im gesamten Raum des Applikators, sondern gerade im Gegenteil die Fokussierung sowohl des Mikrowellen-Feldes als auch der Wärmestrahlung auf das unmittelbare Volumen des thermisch zu behandelnden Gutes die Effizienz der Anlage entscheidend erhöht. Dadurch sind gerade im Hochtemperaturbereich Anwendungen möglich, die im Stand der Technik nicht mit Standard-Magnetrons erreichbar waren. Die Kombination einer Zusatzwärmequelle mit der Mikrowellenerwärmung ist vorteilhaft für Hochtemperaturanwendungen, indem die Aktivierungstemperatur des Gutes schneller erreicht wird. Für Niedertemperaturanwendungen im Bereich der Lebensmittel wird das Feldminimum der Mikrowelle durch das Temperaturfeld der Zusatzheizung überlagert und dadurch ausgeglichen.
Im Bereich der Hochtemperaturanwendung besteht der besondere Vorteil darin, dass die Reflektion der Wärmestrahlung an der konkaven Haube zu einer Fokussierung der Energie im zentralen Bereich der Haube und der Grundplatte führt, in welchem das zu behandelnde Gut platziert ist.
Die Fokussierung der Felder zur Erwärmung des thermisch zu behandelnden Gutes erfolgt einerseits durch die haubenförmige Gestaltung des Applikators auf der Oberseite und die damit geometrisch bedingte Reflektion der Wärmestrahlung und andererseits durch die direkte Einleitung des Mikrowellenfeldes durch das zu behandelnde Gut hindurch. Die Kombination dieser Maßnahmen führt zu der vorteilhaften Erhöhung der Effizienz des erfindungsgemäßen Mikrowellenofens.
Da die Haube und die Grundplatte nicht den gleichen Krümmungsradius aufweisen, lassen sich verschiedene Geometrien realisieren, bei denen der kammerförmige Applikator so geformt ist, dass sich überhaupt keine Flächenbereiche der Wand parallel gegenüberstehen beziehungsweise der Anteil solcher sich parallel gegenüberstehenden Wandflächen minimiert wird. Dadurch kommt es zur weitgehenden Unterdrückung der in herkömmlichen Mikrowellenanlagen für die Feldverteilung charakteristischen stehenden Wellen. Auch in diesem Fall kann die Umfassung des zu erwärmenden Gutes durch ein einzelnes Applikatorteil in einem Raumwinkel von mindestens 2π erfolgen, was beispielsweise bei der Verwendung einer hohlen Halbkugel, eines halben Paraboloids oder halben Ellipsoids als Haube und Oberteil des Applikators gegeben ist. Die Grundplatte ist vorzugsweise eben gestaltet, wobei auch eine leicht konkave Ausgestaltung vorteilhaft möglich ist.
Realisiert werden die erfindungsgemäßen geometrischen Randbedingungen in besonders vorteilhafter Weise dadurch, dass der kammerförmige Applikator eine Haube umfasst, die auf eine Grundplatte aufgesetzt wird. Dadurch ergibt sich neben der vorteilhaften Feld- und Strahlungsfokussierung eine besonders einfach zu handhabende Konfiguration, da der Applikator nach der Befüllung mit dem zu erwärmenden Gut durch einfaches Aufsetzen der Haube geschlossen werden kann. Durch eine kantenlos ausgeführte Haube können zudem Reflektierungseffekte, die wiederum zur einer unerwünschten Feldverteilung führen würden, vermieden werden.
Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Haube die Form einer Halbkugel aufweist und die Grundplatte eine ebene Fläche bildet, welche die Öffnung zur Einspeisung der Mikrowellen aufweist. Der Krümmungsradius der Grundplatte im Sinne der Erfindung ist in diesem Fall unendlich groß, die Beschickung der Anlage ist besonders einfach.
Eine alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Ausbildung der Applikatorhaube als halber Paraboloid oder Ellipsoid. Damit ist die Anpassung der Fokussierung der Strahlung und des Feldes auf einen Bereich der Aufnahme des thermisch zu behandelnden Gutes möglich, und die Geometrie der Applikatorhaube kann an die des Gutes angepasst werden.
Es ist weiterhin insbesondere von Vorteil, wenn der Hohlleiter, der die Energiequelle mit dem kammerförmigen Applikator verbindet, eine Grundmode 1 (TE-Welle oder TM-Welle in Abhängigkeit der Eigenschaften der zu behandelnden Güter und Position des Magnetronkopfes auf dem Hohlleiter, TE = transversal elektrisch, TM = transversal magnetisch) als Monomode in den Applikator einleitet. Um die Monomode zu gewährleisten, ist der Hohlleiter über seine Länge mit einem konstanten rechteckigen Querschnitt ausgebildet.
Als Energiequellen haben sich verschiedene Mikrowellengeneratoren, insbesondere Magnetrons, bewährt.
Eine besonders robuste Bauform einer erfindungsgemäßen Mikrowelleneinrichtung, die gleichzeitig die Vorteile der besonderen Geometrie sehr effektiv umsetzt, ergibt sich, wenn die Wände oder zumindest die Innenseiten der Wände des kammerförmigen Applikators aus Metall und/oder verspiegeltem Glas bestehen oder metallisch beschichtet sind und zumindest teilweise polierte Innenflächen aufweisen. Zu unterscheiden sind hierbei Hochtemperaturanwendungen, wie Sintern oder Aushärten, und Niedertemperaturanwendungen, wie Lebensmittelerwärmung oder Trocknung.
Auf vorteilhafte und einfache Weise lässt sich ein zuverlässiger Schutz gegen austretende Leckstrahlung realisieren, wenn die Grundplatte mindestens eine Nut aufweist, in die der Rand der Haube eingreift. Bei ausreichend enger Ausführung kann ein Austreten elektromagnetischer Wechselfelder mit den anfangs aufgelisteten Wellenlängen durch den Kontaktbereich der Teile des kammerförmigen Applikators verhindert werden. Gleichzeitig kann die Nut als Führungshilfe beim Schließen des Applikators dienen. Alternativ sind wirkungsgleiche, insbesondere formschlüssige Ausgestaltungen des Kontaktbereiches zwischen den einzelnen Teilen des kammerförmigen Applikators möglich und in ähnlich vorteilhafter Weise einsetzbar.
Zur Einspeisung der Mikrowellen hat sich eine Geometrie als besonders effektiv erwiesen, bei der die Öffnung zur Einspeisung der Mikrowellen den zentralen Bereich der Grundplatte umfasst. In diesem Fall ergibt sich ein glockenförmiger bzw. halbkugelförmiger Mikrowellenofen mit einer Mikrowelleneinleitung im Zentrum des Ofens zum Erwärmen, Auftauen, Pasteurisieren, Sterilisieren, Trocknen und Sintern von verschiedenen Materialien (z. B. technische Keramik, Ferrite, etc.) sowie zum Aushärten von Verbundwerkstoffen.
Es ist im Sinne der Erfindung vorteilhaft, wenn mindestens eine Öffnung zur Einspeisung der Mikrowellen durch eine mikrowellentransparente Aufnahme für das zu erwärmende Gut verschlossen ist. Das kann eine einfache Platte oder eine komplizierter geformte Aufnahme sein. Durch ihre Mikrowellentransparenz erfolgt die Einleitung der Mikrowellen durch diese mikrowellentransparente Aufnahme und das auf ihr befindliche zu erwärmende Gut hindurch. Das zu erwärmende Gut wirkt dabei in Abhängigkeit von seinen spezifischen Eigenschaften als zusätzlicher Diffusor bei der Einspeisung der Mikrowellen in den Applikator und verhindert gegebenenfalls durch seine Volumenabsorption eine zu starke Rückstreuung der Mikrowellenstrahlung in den Hohlleiter.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Gut dabei genau so groß wie oder größer als die Öffnung im Applikator. Das Feld gelangt somit durch das thermisch zu behandelnde Gut hindurch in den Applikator.
Erfindungsgemäß ist eine zusätzliche Wärmequelle vorgesehen, beispielsweise Widerstandserwärmung oder Induktionserwärmung, um das Gut effizient unter Nutzung von Kombinationseffekten zu erwärmen.
Die Konzeption der Erfindung besteht somit darin, dass ein definiertes Feld mit einer Grundmode und mit Feldmaximierung über einen Standard-Rechteckhohlleiter in den Applikator eingeleitet wird. Bei Hochtemperaturanwendungen mit Temperaturen von über 300°C führt die Erwärmung des Gutes durch das Mikrowellenfeld zu einer Wärmestrahlung, welche mit der parallel durch die Zusatzwärmequelle eingespeiste Wärme als Wärmestrahlung an der Applikatorgeometrie reflektiert und auf das Gut fokussiert wird.
Im Niedertemperaturbereich, bei der Erwärmung von Lebensmitteln beispielsweise, wird die Zusatzerwärmung im Applikator ein Temperaturfeld ausbilden, welches sich mit dem Hochfrequenzfeld dahingehend überlagert, dass die nach außen abfallende Erwärmung des Gutes durch die Grundmode von außen durch die Zusatzheizung kompensiert wird und somit eine gleichmäßigere Erwärmung des Gutes durch die Fokussierung von Wärmestrahlung und Hochfrequenzfeld erfolgt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mikrowelleneinrichtung in der Kombination mit der Widerstandsheizung;
2 eine Schnittdarstellung des Kontaktbereiches zwischen Haube und Grundplatte des kammerförmigen Applikators;
3 Mikrowellenofen im Querschnitt mit angedeuteten Feldverteilungen von Mikrowellen- und Temperaturfeld in der Kombination mit der Widerstandsheizung;
4 Ausschnitt eines Mikrowellenofens im Querschnitt mit angedeuteten Feldverteilungen von Mikrowellen- und Temperaturfeld in der Kombination mit der Induktionsheizung;
5a und 5b Mikrowellenofen im Querschnitt als kugelförmige Anwendung in der Kombination mit der Widerstands- oder der Induktionsheizung.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Mikrowelleneinrichtung mit den Hauptbestandteilen einer für industrielle Anwendungen ausgelegten glockenförmigen Mikrowellen-Erwärmungsanlage für den „Batch”-Betrieb.
Diese Bestandteile sind eine Energiequelle 1 in Form eines Mikrowellengenerators, vorliegend eines Magnetrons, ein kammerförmiger Applikator 2, das zu erwärmende Gut 3, mindestens ein Mikrowellenübertragungsglied 4 in Form eines Hohlleiters sowie eine mikrowellentransparente Aufnahme 5 für das zu erwärmende Gut 3. Zusätzlich erforderlich sind Steuergeräte zum Betrieb derartiger Anlagen, die jedoch zum Verständnis des erfinderischen Prinzips nicht erforderlich und daher nicht dargestellt sind. Der kammerförmige Applikator 2 aus Metall und/oder verspiegeltem Glas besteht im vorliegenden Beispiel aus zwei zusammenfügbaren Teilen 6, 7, einer halbkugelförmigen Haube 6 und einer ebenen Grundplatte 7, durch die eine zentrale Öffnung führt, an welcher der Hohlleiter 4 endet und die durch die mikrowellentransparente Aufnahme 5 für das zu erwärmende Gut 3 verschlossen wird. Durch diese zentrale Öffnung in der Grundplatte 7 erfolgt die Einspeisung der Mikrowellen in den kammerförmigen Applikator 2. Als Zusatzheizung 10 ist um die Öffnung 13 und das Gut 3 herum im Bereich der Grundplatte 7 eine Widerstandsheizung oder Induktionsheizung angeordnet.
Die Innenseiten der Haube 6 und der Grundplatte 7 weisen glänzende und gut polierte Oberflächen auf, was ihre Reflexionseigenschaften verbessert. Das zu erwärmende Gut 3 wird beispielhaft symmetrisch zur Mikrowelleneinleitung in einer zentralen Position im kammerförmigen Applikator 2 und über dem Ende des Hohlleiters 4 auf der mikrowellentransparenten Aufnahme 5, die vorliegend lediglich als Unterlage dient und wahlweise als KVS-Platte, Porzellanschale oder Korundschale etc. ausgeführt ist, platziert. Dadurch wirkt das zu erwärmende Gut 3 in Abhängigkeit von seinen spezifischen Eigenschaften als zusätzlicher Diffusor bei der Einspeisung der Mikrowellen in den Applikator 2 und verhindert gegebenenfalls durch seine Volumenabsorption eine starke Rückstreuung der Mikrowellenstrahlung in den Hohlleiter 4. Die Einleitung des Mikrowellenfeldes erfolgt durch die abgestimmte Geometrie von Hohlleiterquerschnitt, mikrowellentransparenter Aufnahme 5 und den Dimensionen des Gutes 3, zwangsweise durch das Gut 3 hindurch in den Applikator 2.
Durch die runden bzw. weitgehend kantenlosen Formen des glockenförmigen bzw. halbkugelförmigen Applikators 2 und die Einleitung der Mikrowellenenergie in dessen Zentrum unterhalb des zu erwärmenden Gutes 3 sowie die Nutzung von mikrowellentransparenten Aufnahmen 5 wird eine deutlich bessere Fokussierung der Grundmode und damit eine gleichmäßigere Temperaturverteilung im Gut 3 erzielt. Durch die zusätzliche Heizung 10 erfahren die zu behandelnden Materialien eine gleichmäßige Durchwärmung, da die Feldminima in den äußeren Bereichen des Gutes durch die Zusatzwärmequelle 10 kompensiert werden.
Auch die halbkugelförmig, glockenförmig bzw. glockenformähnlich ausgeführten Hauben 6 der Applikatoren 2 führen zu erheblich verbesserten Durchwärmungseigenschaften. Durch die spezielle konstruktive Ausgestaltung entfällt die Notwendigkeit, eine angelenkte Tür vorzusehen, die mit speziellen Maßnahmen gegen unerwünschte Leckstrahlung ausgestattet werden müsste. Das hat geringere Herstellungskosten zur Folge und erhöht die Betriebszuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Mikrowelleneinrichtung. Es ergibt sich eine schonende und anderweitig vorteilhafte Verarbeitung bzw. Erwärmung von Materialien mit der erfindungsgemäßen Mikrowelleneinrichtung. Zu den erzielbaren Vorteilen gegenüber konventionellen und schon existierenden Mikrowellen-Erwärmungstechniken zählen eine bessere Qualität eines behandelten Erzeugnisses und eine Verkürzung der Prozesszeit. Das bewirkt zumindest effektiv einen höheren Wirkungsgrad und damit eine Einsparung von Energie und Energiekosten. Damit einhergehen eine Umweltentlastung, geringere Anlagenkosten sowie eine höhere Flexibilität der Anlage. Insbesondere bei der Dimensionierung des kammerförmigen Applikators müssen die eingespeisten Wellenlängen gegenüber den herkömmlichen Anlagen in weit schwächerem Maße berücksichtigt werden und bestimmen lediglich die Abmessungen der Öffnung zur Einkopplung der Mikrowellen sowie die Geometrie der verwendeten Hohlleiter und die damit verbundene Grundwelle (Grundmode). Damit liegt die technische, ökologische und ökonomische Leistungsfähigkeit einer erfindungsgemäßen Mikrowelleneinrichtung auf der Hand.
2 zeigt eine Schnittdarstellung des Kontaktbereiches zwischen Haube 6 und Grundplatte 7 des kammerförmigen Applikators 2. Auf vorteilhafte und einfache Weise wird ein zuverlässiger Schutz gegen austretende Leckstrahlung realisiert, indem die Grundplatte 7 eine umlaufende Nut 9 aufweist, in die der Rand der Haube 6 eingesetzt wird. Bei ausreichend enger Ausführung kann das Austreten elektromagnetischer Wechselfelder mit den anfangs aufgelisteten Wellenlängen durch den Kontaktbereich von Haube 6 und Grundplatte 7 verhindert werden. Gleichzeitig kann die Nut 9 als Führungshilfe beim Schließen des Applikators dienen. Außerdem lässt sich so eine sehr präzise Positionierung der Haube 6 im betriebsbereiten Zustand vorgeben, die durch Arretierungs- und Sicherungsmittel 8 einfach überwacht werden kann.
3 zeigt einen Querschnitt eines Mikrowellenofens mit halbellipsoidaler Haube 6 als Applikatoroberteil. Diese Form der Haube 6 ist vorteilhaft für beispielsweise längliche Formen des Gutes 3. In der Darstellung angedeutet sind die Grundmode 11 mit ihrem Maximum im Zentrum des Gutes 3 und das durch die Zusatzwiderstandsheizung 10 erzeugte Temperaturfeld 12, welches sich von außen zur Mitte des Gutes 3 hin ausbreitet und das Mikrowellenfeld 11 somit überlagert. Die Überlagerung erfolgt vorteilhaft gerade in den Bereichen der Minima der Mode 11, so dass sich das Temperaturfeld der Zusatzheizung 10 und das Mikrowellenfeld 11 ergänzen und für eine effizientere Durchwärmung des Gutes 3 sorgen. Die Zusatzwiderstandsheizung 10 ist in den Bereich der ebenen Grundplatte 7 eingelassen, beispielsweise in der Art eines Keramikkochfeldes.
4 zeigt einen Querschnitt eines Ausschnitts eines Mikrowellenofens in der Kombination mit der Induktionserwärmung. Der Schwerpunkt der Darstellung liegt auf der Ausgestaltung einer tiegelförmigen mikrowellentransparenten Aufnahme 5, die Haube des kammerförmigen Applikators ist somit hier nicht dargestellt, wenngleich eine solche das Gut 3 selbstverständlich umfängt. Die Zusatzinduktionsheizung 10 ist in den Bereich der ebenen Grundplatte 7 um die mikrowellentransparente Aufnahme 5, die die Form eines Tiegels annimmt und das zu behandelnde Gut 3 in sich aufnimmt, integriert. In der Darstellung gemäß 4 sind die Grundmode 11 mit ihrem Maximum im Zentrum des Gutes 3 und das durch die Zusatzheizung 10 erzeugte Temperaturfeld 12, welches sich von außen zur Mitte des Gutes 3 hin ausbreitet und das Mikrowellenfeld 11 somit überlagert, grafisch angedeutet. Die Überlagerung erfolgt ähnlich wie in der Darstellung gemäß 3 gerade in den Bereichen der Minima der Mode 11, so dass sich das Temperaturfeld 12 der Zusatzinduktionsheizung 10 und das Mikrowellenfeld 11 ergänzen und für eine effizientere Durchwärmung des Gutes 3 sorgen. In der Ausgestaltung wird das Mikrowellenfeld von unten über einen Hohlleiter 4 und durch die Öffnung 13 in der Grundplatte 7 hindurch an die mikrowellentransparente Aufnahme 5 mit dem Gut 3 herangeführt. Die mikrowellentransparente Aufnahme 5 ist tiegelförmig ausgeführt und die nach oben abgehenden Flanken des Tiegels sind von der Induktionsheizung 10 umgeben. Nach außen hin ist die Induktionsheizung 10, auch Induktor genannt, von einer metallischen Abschirmung 14 gegen die Mikrowellenstrahlung umgeben. Dies ist erforderlich, um die elektromagnetische Verträglichkeit sicherzustellen. Eine Überlagerung des Magnetfeldes der Induktionsheizung und des Mikrowellenfeldes führt sonst zu Leckstrahlungen und gegebenenfalls zu einer unerwünschten Feldverkleinerung. Als Induktor wird eine Spule aus Kupfer- oder Aluminium-Draht verwendet. Um die Wirkung der Induktionsheizung 10 sicherzustellen, ist bei nicht ferromagnetischem Gut 3 eine entsprechende nicht dargestellte Aufnahme für das Gut 3 vorzusehen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Induktionsheizung 10 besteht darin, die Induktionsspule beispielsweise durch eine Wasserkühlung zu Kühlen. Damit lässt sich der Wärmeverlust im Draht bei hohen Stromstärken verringern und somit letztlich höhere Stromstärken und ein stärkeres Magnetfeld erzeugen. Es sind somit Frequenzen von 2 kHz bis 200 kHz einsetzbar.
Eine vorteilhafte Verwendung des Mikrowellenofens ergibt sich für Niedertemperaturanwendungen zur Lebensmittelerwärmung bei der Ausgestaltung mit einem Induktionskochfeld.
Die in den 3 und 4 dargestellten Ausgestaltungen der Erfindung werden vorteilhaft für Hochtemperaturanwendungen weitergebildet, indem die Innenflächen des Applikatoroberteils, der Haube 6, poliert ausgeführt sind. Bevorzugt werden Rauhigkeiten von 300 μm oder weniger ausgeführt, um die Reflektion und Fokussierung der vom Gut 3 und/oder der Zusatzheizung 10 ausgehenden Wärmestrahlung zu ermöglichen. Damit sind in kürzerer Zeit Hochtemperaturanwendungen, wie Sintern oder Aushärten von Materialverbundsystemen, realisierbar.
Von besonderem Vorteil der Kombination von Zusatzheizung und Mikrowelle sowie Strahlungsfokussierung durch die Haubengeometrie ist weiterhin, dass Güter mit Mikrowellenankopplung bei hohen Temperaturen die so genannte Aktivierungstemperatur in kürzerer Zeit erreichen können. Solche Materialien sind: Titanate, Cordierit (Mg₂Al₄Si₅O₁₈), binäre Oxidkeramiken wie z. B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid (ZrO₂) etc.
Die 5a und 5b zeigen weitere mögliche Anwendungen eines Mikrowellenofens mit kugelförmigem Applikator 2 in der Kombination nach 5a mit der Widerstands- oder nach 5b mit der Induktionserwärmung. Die Zusatzheizung 10 ist dabei in den Bereich einer ebenen mikrowellentransparenten Aufnahme 5, die das zu behandelnde Gut 3 trägt, integriert. Die Überlagerung der kombinierten Temperaturprofile erfolgt ähnlich wie in den 3 und 4 dargestellt und beschrieben worden ist, so dass sich das Temperaturfeld der Zusatzheizung 10 und das Mikrowellenfeld 11 ergänzen und für eine effizientere Durchwärmung des Gutes 3 sorgen.

1: Energiequelle
2: kammerförmiger Applikator
3: zu erwärmendes Gut
4: Mikrowellenübertragungsglied (Hohlleiter)
5: mikrowellentransparente Aufnahme (ebene Platte oder Tiegel sowie weitere komplizierter geformte Aufnahmen)
6: Haube
7: Grundplatte
8: Arretierungs- und Sicherungsmittel
9: Nut
10: Zusatzheizung (Widerstands- oder Induktionserwärmung)
11: Grundmode
12: Temperaturfeld
13: Öffnung
14: Abschirmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2956144 A [0013, 0013]
- WO 90/03715 A1 [0014]
- DE 1049019 A [0015]
- WO 90/03718 A1 [0016]

Claims

Mikrowellenofen zur thermischen Behandlung eines Gutes (3), wobei eine Mikrowellen aussendende Energiequelle (1) mit einer Öffnung (13) eines kammerförmigen Applikators (2) direkt über einen Hohlleiter verbunden ist und der kammerförmige Applikator (2) aus einer das zu erwärmende Gut (3) kuppelförmig umfangenden Haube (6) mit einer konkaven Innenfläche und einer Grundplatte (7) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass – der Hohlleiter (4) einen konstant rechteckigen Querschnitt aufweist, – die Öffnung (13) zur Einleitung der Mikrowellen in den kammerförmigen Applikator (2) von einer mikrowellentransparenten Aufnahme (5) verschlossen ist, – das zu erwärmende Gut im geometrischen Zentrum der konkaven Innenfläche der Haube (6) des Applikators (2) auf der mikrowellentransparenten Aufnahme (5) platzierbar ist und dass – eine Zusatzheizung (10) im Bereich der Grundplatte (7) vorgesehen ist.
Mikrowellenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Haube (6) für Hochtemperaturanwendungen die Wärmestrahlung reflektierend ausgebildet ist.
Mikrowellenofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Haube (6) aus Metall und/oder verspiegeltem Glas ausgebildet ist oder metallisch beschichtet ist und zumindest teilweise poliert ausgebildet ist.
Mikrowellenofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die polierte Innenfläche der Haube (6) eine Rauhigkeit von kleiner oder gleich 300 μm aufweist.
Mikrowellenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (13) zur Einspeisung der Mikrowellen in den Applikator (2) im zentralen Bereich einer ebenen Grundplatte (7) angeordnet ist.
Mikrowellenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzheizung (10) um die Öffnung (13) im Bereich der Grundplatte (7) und um das zu behandelnde Gut herum angeordnet ist.
Mikrowellenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Gutes (3) im Verhältnis zur Öffnung (13) derart ausgebildet ist, dass die Einleitung der Mikrowellen durch das Gut (3) hindurch erfolgt.
Mikrowellenofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsflächen des Hohlleiters (4) und der Öffnung (13) mit der mikrowellentransparenten Aufnahme (5) modulartig an die Dimension des Gutes (3) anpassbar ausgebildet sind.
Mikrowellenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haube (6) halbkugelförmig, halbparaboloidförmig oder halbellipsoidförmig bzw. kugelförmig, paraboloidförmig oder ellipsoidförmig aufgebildet ist.
Mikrowellenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (7) mindestens eine Nut (9) aufweist, in die der Rand der Haube (6) eingreift.