DE19935387C2 - Mikrowellenvorrichtung zur Temperierung eines Wärmebades - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikrowellenvorrichtung zur Temperierung eines Wärmebades.

Das Ziel ist die Erwärmung einer Prozeßflüssigkeit als Wärmeme­ dium (Wärmebad) auf eine vorgegeben Temperatur mit einer Genau­ igkeit < 1/100°C. Das Wärmebad ist zur definierten Temperierung von substratgefüllten Behältnissen für Laborzwecke vorgesehen.

Allgemein sind geschlossene - Wärmebad in einem verschliessbaren Gehäuse - sowie offene - direkt zugängliches Wärmebad - Thermo­ state üblich. Die bisherige Thermostattechnologie verwendet kon­ ventionelle ohmsche Heizung in Form von Heizspiralen und derge­ lichen, um durch Wärmeleitung und mittels Umpumpen eine gleich­ mäßige Durchmischung der wärmetragenden Flüssigkeit zu errei­ chen. Bei einem 51 Thermostaten unter Verwendung von 2 kW elek­ trischer Heizleistung sind etwa 20 Minuten erforderlich, um eine Temperatur von 90°C zu erreichen.

Aus den Entgegenhaltungen DE 40 18 697 A1, Fig. 1 darin, Bezugszeichen 7, und DE 40 38 796 C2, Fig. 4 darin, Bezugszeichen 2 und 3, sind jeweils Lochblenden zum Schutz gegen das Austreten von Mikrowellen in einer mikrowellentechnischen Einrichtung bekannt, die mit Gittern vergleichbar sind.

Ein näher kommender Stand der Technik ist in der DE 43 24 606 A1 beschrieben. Der Gegenstand dort, siehe Spalte 1, Zeile 6 ff, ist eine Mikrowellenvorrichtung zur Temperierung einer Flüssigkeit in einem Gefäß. Die Vorrichtung besteht aus folgenden Komponenten:

• - einer mit einer ISM-Frequenz aus dem Bereich von 2 bis 5 GHz abstrahlenden, leistungsfähigen Mikrowellenquelle,
• - einem Hohlleiter,
• - einem Resonator am Ende des Hohlleiters, der über ein mikro­ wellendurchlässiges Fenster davon räumlich getrennt, aber dort für Mikrowellen durchlässig ist, und
  einer Bedien- und Meßeinheit, mit der die Temperierung einge­ stellt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetisch verträgliche (EMV), Mikrowellenvorrichtung bereitzustellen, die eine wenig aufwendige Alternative zu der konventionellen ohmschen Heiz- und Thermostatisierungstechnik ist.

Die Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst:
Hierzu wird eine leistungsstarke Mikrowellenquelle, wie ein Mag­ netron oder ein Klystron, verwendet, von dem ein Hohlleiter ab­ geht. Der Hohlleiter endet an einem Resonator, von dem er räum­ lich durch ein mikrowellendurchlässiges Fenster gas- und flüs­ sigkeitsdicht getrennt ist. Der Resonator hat mit der Wanne des Wärmebads ein Wandteilstück, das aus einem elektrisch leitenden Maschengitter besteht, gemeinsam. Die Maschenweite ist so ge­ wählt, daß die Mikrowelle nicht durch dieses Wandteil treten kann.

Am Hohleiter befindet sich eine Abstimmeinheit, mit der das Mikrowellensystem abgestimmt werden kann. An den Mikrowellenein­ satz ist die Bedien- und Meßeinheit angekoppelt, um die Erwär­ mung der Flüssigkeit und deren gleichmäßige Thermostatisierung regeln zu können. Im Wellenleitersystem sind Reflexionen unvermeidlich, die aber für die Mikrowellenquelle störend bis zerstörend sein können. Zur Vermeidung derselben, ist in Anspruch 1 die verhindernde Maßnahme beschrieben, nämlich ein Bragg'scher Spiegel im Wellenleiter.

In dem abhängigen Anspruch 2 wird gekennzeichnet, daß die Posi­ tion der Abstimmeinheit (der Tuner) im Wellenleiter die Moden­ vielfalt bestimmt, die zur lokalen oder gesamten Erwärmung der Flüssigkeit im Resonatorvolumen maßgebend ist.

Nach Anspruch 3 ist vorgesehen, daß der Bragg'sche Spiegel die mit linear polarisierter Welle erfolgende Reflexion am Keramikfenster am Eintritt in die Mikrowellenquelle durch Blockieren hindert.

Das vorgeschlagene technische Konzept unterscheidet sich in der Handhabung, den Abmessungen und Erscheinungsbild äußerlich nicht erkennbar von herkömmlichen Wärmebad-Thermostaten.

Die zur Temperierung angewandte Physik ist folgende:
Um eine Erwärmung eines Stoffes mit Mikrowellen zu erreichen, muß dieser elektromagnetische Ankopplungseigenschaften aufwei­ sen. Die dielektrischen Eigenschaften des Wärmeträgers Wassers sind in folgender Tabelle beispielhaft aufgezeigt:

Die Dielektrizitätszahl ε_r gibt die Fähigkeit des Stoffes an, brechend auf eine Welle zu wirken, die elektrische Leitfähigkeit σ vermittelt einen quantitativen Wert, wie weit eine Welle in ein Medium eindringen kann. Die Tabelle vermittelt die Änderun­ gen der dielektrischen Eigenschaften von Wasser bei verschiede­ nen Temperaturen, sowie im Falle reinen oder mit Elektrolyten verunreinigten Wassers.

Die Mikrowellenvorrichtungeinsatz weist das Merkmal auf, daß, wie im konventionellen Fall, ein freier, offener und direkter Zugang für den Benutzer zum Wärmebad ermöglicht ist, ohne einer elektromagnetischen Einwirkung durch die Mikrowelle ausgesetzt zu werden. Dies ermöglicht das elektrisch leitende Maschengitter als Zwischenwand zwischen Wärmebad und Resonator, das zwar flüssigkeitsdurchlässig ist, wodurch dann Flüssigkeit umgewälzt werden kann, aber aufgrund der an der verwendeten Mikrowelle orientierten Maschenweite eine solche nicht durchtreten läßt. Der Resonator ist also die Wärmequelle.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1a die Seitenansicht des Thermostaten,

Fig. 1b die Draufsicht,

Fig. 1c die Draufsicht auf das Mikrowellensystem und spezieller Resonatorposition,

Fig. 2 die an der Ecke liegende Resonatorlage.

Die Fig. 1c bis 2 zeigen zwei verschiedene Positionen der schematisierten Mikrowellenkomponenten in dem Thermostaten. Je nach Größe und Leistung kann die Resonatorlage gemäß diesen Fi­ guren sein. Zwingend ist nur, daß der Resonator und die Prozeßwanne des Wärmebades ein Teilstück der Wand gemeinsam haben, die aus dem elektrisch leitenden Maschengitter besteht, durch die die Mikrowelle nicht treten kann. Die Bedien- und Meßeinheit ist auch nur blockmäßig in Fig. 1a und b angedeutet, da darin bekannte technische Systeme zur Steuerung und Regelung der Anlage untergebracht sind.

Das Mikrowellensystem besteht aus:
einem Magnetron als Mikrowellenquelle 1, das bei der Industriefrequenz von 2.45 GHz betrieben wird,
einem über die Bedieneinheit regelbaren Netzteil,
einem Hohlleiterstück 2 zwischen dem Magnetron und dem Resonator 4,
einem mikrowellenundurchlässigen Metallgitter 7 (Sieb) zwischen Wanne 5 und Resonator 4,
die Abstimmeinrichtung 3 ist optional ein Tuner oder ein Zirkulator.

Die vorzugsweise Verwendung der international zugelassenen ISM- Frequenz (Industrial Scientific Medical) von 2,45 GHz läßt den Zugriff auf standardisierte und damit kostengünstige Mikrowel­ lenkomponenten zu.

Das Magnetron 1, sowie das zugehörige Netz- und Steuerteil sind einseitig und platzsparend im Bereich des Wärmebades 5 in das Gehäuse integriert (Fig. 1a bis 2). Das Magnetron 1 wird kontinuierlich oder gepulst betrieben. Die Verwendung einer gepulsten Magnetronvariante ist kostengünstiger. Die Mikrowelle wird über den Hohlleiter seitlich durch das Keramikfenster 6 in die wassergefüllte Primärerwärmungszone eingekoppelt, die die folgenden Merkmale hat:

Resonatoreigenschaft

Der quaderförmige Resonatorbereich ist durch die Metallberandung mikrowellenundurchlässig und ausreichend dimensioniert, um Wel­ lenformen anzuregen.

Hochmodigkeit

Es ist eine Vielzahl elektromagnetischer Wellenformen anregbar. Da Wasser eine hohe Brechungszahl (ca. 7-9) aufweist, erscheinen die Abmessungen des wassergefüllten Resonatorvolumens der einge­ koppelten Welle um diesen Faktor größer.

Wasserdurchlässigkeit

Der Resonator 4 ist metallisch umschlossen, wobei die Teilwand mit dem Wärmebad 5 als feinmaschiges Sieb 7 wasserdurchlässig ist.

Es besteht ein determinierter, mikrowellentechnischer Impedanz­ abgleich mit vorliegender Wasserlast, das ist die Wasserfüllung des Resonators 4. Die Integration in das Pumpsystem zur schnellen thermischen Durchmischung des Wärmebades besteht somit.

Durch die entsprechende Zuführung von Mikrowellenleistung P in­ nerhalb eines Zeitintervalls Δt (Puls) kann eine Temperaturzu­ nahme ΔT innerhalb des Resonatorvolumens ΔV erfolgen. Es ist:

c ist die Wärmekapazität des flüssigen Wärmeträgers, ρ seine Dichte. Das im Resonatorvolumen erwärmte Fluid (Wasser) ist durch das mikrowellenundurchlässiges Gitter (Sieb) 7 im Kontakt mit dem eigentlichen Wärmebad 5. Durch die unterschiedliche Temperatur des Wassers im Resonator 4 und im Wärmebad 5 ergibt sich durch Konvektion eine naturgemäße Durchmischung des Wassers, die durch Verwendung einer Pumpe erheblich vorangetrieben werden kann.

Die Temperatursensorik in der Bedien- und Meßeinheit regelt in Abhängigkeit einer vorgegebenen Temperatur für das Wärmebad die Leistungsabgabe des Magnetrons 1, um eine gleichmäßige Temperie­ rung des Wärmebades 5 zu haben.

Für die gewerbliche Verwendung des Mikrowellensystems ist die elektromagnetische Verträglichkeit und die Betriebssicherheit bestimmend. Um Schäden durch unsachgemäße Handhabung vorzubeu­ gen, sind folgende Maßnahmen und Sicherheitseinrichtungen kon­ struktiv vorgesehen:
Dichtschliessendes Anlagengehäuse mit Mikrowellengitter (Sieb) 7 als Teilwand zwischen Resonator 4 und Prozeßgefäß und Flüssig­ keitsstandsensor. Das dicht schliessende Gehäuse schirmt eventu­ elle Leckstrahlung aus dem inneren des Thermostaten nach außen ab.

Das Mikrowellengitter 7 ist in der Maschenweite so ausgelegt, daß für destilliertes Wasser - höchste Brechungszahl ε_r - keine Transmission durch dieses Gitter 7 erfolgt kann. Damit bleibt der Außenbereich feldfrei.

Falls das Wärmebad 5 nicht ausreichend oder gar nicht mit Wasser gefüllt ist, ändern sich die Eigenschaften des Resonators 4. Bei fehlerhafter Inbetriebnahme des Gerätes können ohne Wasserfül­ lung keine Mikrowellen austreten, da die Mikrowellen bei Luft im Resonator 4 eine sieben- bis neunfach größere Wellenlänge aufweisen, Können diese erst recht nicht durch das engmaschige Sieb 7 treten. Für diesen fehlerhaften Betriebsfall besteht allerdings die Gefahr der Schädigung des Magnetrons 1, da die Wellenenergie nun nicht abgestimmt reflektiert wird. Um diesen Fall auszuschliessen befindet sich ein Flüssigkeitssensor im Bereich des Wärmebades 5, der eine Inbetriebnahme des Gerätes nur dann ermöglicht, wenn der Wasserstand so hoch ist, daß der Resonator 4 vollständig gefüllt ist.

Bezugszeichenliste

1

Mikrowellenquelle, Magnetron

2

Hohlleiter

3

Abstimmeinrichtung

4

Resonator

5

Wärmebad, Wanne

6

Keramikfenster

7

Maschengitter, Metallgitter, Sieb

8

Bedien- und Meßeinheit

Claims (3)

1. Mikrowellenvorrichtung zur Temperierung eines durch eine Wanne gebildeten Wärmebades (5), die aus den folgenden Komponenten besteht:

• - einer mit einer ISM-Frequenz aus dem Bereich von 2 bis 5 GHz, abstrahlenden, leistungsfähigen Mikrowellenquelle, einem Hohlleiter (2) mit Abstimmeinrichtung (3) und Bragg'schem Spiegel,
• - einem Resonator (4) am Ende des Hohlleiters (2), der über ein Keramikfenster (6) davon räumlich getrennt ist, aber dort tut die Mikrowelle durchlässig ist,
• - einem Maschengitter (7) aus elektrisch leitendem Material, durch das Flüssigkeit treten kann und das an der Stirnseite der Wanne einen Teil derselben und der Wand des Resonators (4) bildet,
• - dessen Maschenweite derart ist, daß es mikrowellenundurchlassig ist,
• - einer Bedien- und Meßeinheit (8), mit der die Temperierung der Flüssigkeit steuer- oder regelbar ist.

2. Mikrowellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit eine gegenüber Festkörpern hohe Dielektrizitätszahl ε_r aufweist und entsprechend der Abstimmung im Resonator (7) eine Vielzahl von elektromagnetischen Schwingungsmoden anregbar ist.

3. Mikrowellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bragg'sche Spiegel im Wellenleiter (2) mit linear polarisierter Welle erfolgende Rückreflexionen am Keramikfenster (6) zwischen dem Ende des Wellenleiters (2) und dem Eingang des Resonators (7) zur Mikrowellenquelle (1) nicht durchläßt.