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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen von
Produkten, die auf Paletten oder Trägern befördert werden, mit einem Strahlenbündel.
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Eine
mögliche
Anwendung einer solchen Vorrichtung und eines solchen Verfahrens
ist die Sterilisierung von Produkten und die Pasteurisierung von
Nahrungsmittelprodukten.
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Stand der
Technik
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Bestrahlungssysteme
haben breite Verwendung gefunden zum Sterilisieren einer großen Vielfalt von
Produkten wie medizinische Hilfsmittel, Nahrungsmittel, Nahrungsutensilien
oder Kosmetika mit Hilfe einer energiereichen ionisierenden Strahlungsquelle. Üblicherweise
war die Strahlungsquelle ein radioaktives Element, das Gammastrahlen
erzeugt, wie Kobalt-60. Aus Sicherheitsgründen, u.a. bei der Abfallbeseitigung,
werden diese Systeme jetzt ersetzt durch Systeme, die auf der Verwendung
eines Elektronenbeschleunigers zum Erzeugen eines energiereichen
Elektronenstrahls beruhen. Dieser energiereiche Elektronenstrahl
wird entweder unmittelbar auf das zu behandelnde Produkt geleitet,
oder durch eine Folie aus Hoch-Z-Material geleitet, um Röntgenstrahlen
zu erzeugen.
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Typischerweise
werden die Produkte in diesen Bestrahlungssystemen entweder auf
Paletten oder auf besondere Trägerschalen
geladen und in einem Speicher vor der Bestrahlungskammer belassen,
bevor sie zur Bestrahlung hinter die Strahlungsquelle befördert werden.
Ein zweiter Durchgang der Paletten oder Träger kann dann vorgesehen sein,
um eine andere Seite der Strahlungsquelle auszusetzen.
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Die
Bestrahlungskammer wird von der Umgebung abgetrennt durch eine Abschirmwand
aus einem schweren Material wie Beton. Es muss möglich sein, Produkte in die
Bestrahlungskammer hinein und aus ihr heraus zu bringen, ohne Strahlung
aus der Bestrahlungskammer entweichen zu lassen.
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Eine
auf dem Fachgebiet bekannte Lösung ist
es, einen gewinkelten Durchgang oder ein Labyrinth zu verwenden,
um die Produkte in die Bestrahlungskammer zu bringen. Vorzugsweise
wird ein doppeltes Labyrinth mit einem Eingangsweg und einem Ausgangsweg
verwendet, um einen Kontakt der hereinkommenden unbehandelten Produkte
mit den bereits behandelten Produkten zu vermeiden. Solche Systeme
sind z.B. bekannt aus dem Dokument „Electron Beam Sterilization
Technology" (Radiat.
Phys. Chem., Bd. 14, S. 403–414,
James H.Bly), das eine typische Anlage für die Elektronenstrahl-Sterilisierung beschreibt
(siehe 6 des Dokumentes). Ein anderes Beispiel einer
solchen Anlage ist bekannt aus US-Patentschrift 6,127,687. In diesem
Dokument umfasst die Bestrahlungskammer zusätzlich eine Rückbeförderungsvorrichtung
und einen Mechanismus zum Umorientieren der Träger, was die Durchführung doppelseitiger
Bestrahlung des Produktes ohne Verlassen der Bestrahlungskammer
ermöglicht.
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Eine
andere auf dem Fachgebiet bekannte Lösung ist es, eine Drehschleuse
zu verwenden. Nach diesem Prinzip wird in der Abschirmung eine zylindrische Öffnung gelassen,
und eine drehbare zylindrische Tür
mit mindestens einer Ausnehmung zur Aufnahme einer Palette oder
eines Trägers
wird bereitgestellt, um Paletten oder Träger in die Bestrahlungskammer
hinein oder aus ihr heraus zu bringen. Die drehbare zylind rische
Tür ist
aus einem strahlungsabsorbierenden Material wie Beton hergestellt. Die
Größe und das
Material der zylindrischen Tür werden
derart ausgewählt,
dass für
jede Stellung der drehbaren Tür
eine ausreichende Menge an Abschirmmaterial zwischen der Bestrahlungskammer und
ihrer Außenseite
vorliegt. Verschiedene Ausführungsformen
und Verbesserungen dieses Prinzips sind bekannt aus den US-Patentschriften 3,686,502, 4,018,348
und 4,281,954. In all diesen Ausführungsformen befindet sich
die Kobalt-60-Quelle zentral in der Bestrahlungskammer, in alle
Richtungen strahlend, und ein Fördersystem
wird innerhalb der Bestrahlungskammer bereitgestellt, um zwei oder
mehrere Seiten des Produktes der Quelle auszusetzen.
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Eine
andere auf dem Fachgebiet aus US-Patentschrift 5,554,856 bekannte
Vorrichtung umfasst eine Transporteinrichtung in Form einer Scheibe.
Die zu bestrahlenden Produkte werden auf die Scheibe oder in eine
Ausnehmung in der Scheibe geladen. Die Scheibe wird dann um eine
vertikale Achse gedreht, um das Produkt in eine Bestrahlungszelle
zu bringen, damit es von oben durch einen Elektronenstrahl bestrahlt
wird.
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In
der Industrie werden gewöhnlich
Abschirmwände
aus Beton mit Dicken von 2 m oder mehr benutzt. Eine solche Abschirmung
stellt einen bedeutenden Teil der Kosten einer Bestrahlungsvorrichtung
dar.
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Wenn
die Labyrinthlösung
verwendet wird, um Produkte in die Bestrahlungskammer hinein und aus
ihr heraus zu bringen, erhöht
das Labyrinth selbst die Größe und die
Kosten der Abschirmung. Das Fördersystem
zum Transportieren der Paletten oder Träger durch das Labyrinth, mit
vielen Winkeln, stellt nicht nur einen Teil der Kosten der Anlage
dar, sondern auch der Zeit, die notwendig ist, um die Produkte zu
bearbeiten. Überdies
muss es bei der Labyrinthlösung
eine Anzahl an Produktpaletten in einer Warteschlange im Eingangsweg
des Labyrinths geben, um ununterbrochen eine Produktpalette zum Passieren
des Strahls bereit zu haben. Deswegen kann die Zeit zwischen dem
Ausladen einer unbehandelten Produktpalette aus einem Lastwagen
und dem Wiederaufladen der behandelten Produktpalette auf einen
Lastwagen nicht ohne Beeinträchtigen
des Durchsatzes der Anlage unter eine gewisse Grenze verringert
werden.
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Die
bekannten Drehschlosssysteme weisen ein komplexes Fördersystem
innerhalb der Bestrahlungskammer auf. Die Bestrahlungskammer ist
daher sehr groß. Überdies
erfordert die Wartung dieser mechanischen Vorrichtung in einem Bereich
starker Strahlung strenge Sicherheitsmaßnahmen.
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Das
bekannte Drehscheibensystem erlaubt die Durchführung von Elektronenstrahl-Bestrahlung kleiner
Packungen von oben, kann aber größere Packungen
nicht bearbeiten. Überdies
kann die Bestrahlung nur von einer Seite, d.h. von oben, durchgeführt werden.
Eine einheitliche Bestrahlungsdosis kann unter diesen Umständen nicht
erreicht werden.
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Das
Dokument US-5,740,221 betrifft die Röntgenstrahl-Prüfung von
Produkten, insbesondere (aber nicht beschränkt auf) Airbag-Gasgeneratoren. Röntgenstrahlen
für Prüfungssysteme
sind üblicherweise
energiearme Röntgenstrahlen
im Bereich von 50 keV bis 100 keV. Die Abschirmerfordernisse sind viel
geringer als die Abschirmerfordernisse in Bestrahlungssystemen,
wo entweder Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen im Bereich von
5 MeV verwendet werden. Da sie ein Inspektionssystem ist, erfordert
die offenbarte Vorrichtung einen visuellen Shader innerhalb der
Kammer.
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Das
System von US-5,740,221 beinhaltet eine Bestrahlungskammer, die
auf gegenüberliegenden
Seiten zwei Eingangs/Ausgangs-Einheiten umfasst, die jede eine Drehtür umfassen.
Die Türen
werden über
einem Transportband angeordnet, und die Produkte werden durch die
Drehung der Tür
nicht transportiert (gedreht). Die Türen werden in Bezug auf die
Produkte gedreht, die sich unter ihnen befinden. Außerdem richtet
die Strahlungsquelle keinen Strahl auf die Seite des Produktes,
sondern auf die Unterseite.
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In
dem Dokument mit dem Titel „X-ray
pasteurization of food with next generation of Rhodotrons", von Abs u.a., wird
der Rhodotron-Elektronenbeschleuniger beschrieben. Das Dokument
erwähnt ein
Fördersystem
(Abtasttrichter). Das Konzept einer Drehtür kann aus diesem Dokument
jedoch nicht abgeleitet werden.
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In
JP-2001249200 (Patent Abstract) wird eine Bestrahlungsvorrichtung
beschrieben, die durch Drehen des Objekts in der vertikalen und
horizontalen Ebene die gesamte Seite eines Objekts einheitlich bestrahlen
kann.
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Das
Dokument US-4,018,348 betrifft ein Bestrahlungssystem, das eine
radioaktive Quelle wie Kobalt-60 verwendet. Eine solche Quelle ist
isotrop, d.h. sie strahlt in alle Raumrichtungen gleich, somit kann
sie nicht speziell auf eine Seite eines Produktes geleitet werden.
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Aufgaben der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Bestrahlen von Produkten bereitzu stellen, die nicht
die oben erwähnten
Nachteile der Vorrichtungen und Verfahren des Standes der Technik
aufweisen.
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Insbesondere
zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, eine Bestrahlungsvorrichtung
und -verfahren bereitzustellen, bei der/dem die Größe der Abschirmung
minimiert ist, und die/das einen hohen Durchsatz erreichen kann.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestrahlen von
Produkten, die auf einer Palette befördert werden, umfassend:
- – eine
Strahlenquelle zum Erzeugen eines energiereichen Strahlenbündels;
- – eine
Abschirmwand, die eine Bestrahlungskammer umgibt;
- – eine
zylindrische Drehtür
mit mindestens einer Ausnehmung zur Aufnahme der Palette, um die Palette
in die Bestrahlungskammer hinein und aus ihr heraus zu bringen;
- – Mittel
zum Leiten des energiereichen Strahlenbündels auf eine seitliche Seite
der Drehtür.
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Vorzugsweise
umfasst die Vorrichtung Mittel zum Drehen der Palette während der
Bestrahlung, um eine einheitliche Bestrahlungsdosis zu erreichen. Die
Mittel können
eine Drehscheibe sein, die sich in einer Ausführungsform der Erfindung innerhalb
der Ausnehmung befindet oder in einer anderen Ausführungsform
der Erfindung in der Bestrahlungskammer, in Nachbarschaft der Drehtür.
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Vorteilhafterweise
umfasst die Vorrichtung zwei oder mehr zylindrische Türen, Mittel
zum Leiten des energiereichen Strahlenbündels auf eine Seite jeder
Drehtür,
und Mittel zum Wechseln des energiereichen Strahlenbündels auf
jede der Drehtüren.
Der Durchsatz dieser Vorrichtung kann erhöht werden durch Durchführen der
Bestrahlung des Produktes, das in einer Drehtür angeordnet ist oder von einer Drehtür kommt,
während
man gleichzeitig eine Produktpalette mit einer anderen Drehtür in die
Bestrahlungskammer hinein oder aus dieser heraus bringt.
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In
einer anderen Erscheinungsform der Erfindung umfasst eine zylindrische
Tür zwei
oder mehrere Ausnehmungen. Dies erlaubt ebenfalls einen besseren
Durchsatz durch Durchführen
der Bestrahlung des Produktes, das in einer Ausnehmung angeordnet
ist oder von einer Ausnehmung kommt, oder Bringen der Produktpalette
in die Ausnehmung oder aus der Ausnehmung heraus, während man
gleichzeitig eine Produktpalette in eine andere Ausnehmung der Drehtür hinein
oder aus einer solchen heraus bringt.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Bestrahlen
von Produkten, die auf einer Palette befördert werden, dadurch gekennzeichnet,
dass es folgende Schritte umfasst
- – Drehen
einer zylindrischen Tür,
um eine Ausnehmung in der Tür
an die Außenseite
einer Bestrahlungskammer zu bringen;
- – Befördern der
Palette in die Ausnehmung;
- – Drehen
der zylindrischen Tür,
um die Ausnehmung an die Innenseite der Bestrahlungskammer zu bringen;
- – Bestrahlen
des Produktes durch Leiten eines Strahls einer energiereichen Strahlung
auf dessen seitlichen Seite;
- – Drehen
der zylindrischen Tür,
um die Ausnehmung an die Außenseite
der Bestrahlungskammer zu bringen;
- – Befördern der
Palette aus der Ausnehmung heraus durch eine horizontale Bewegung.
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In
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Bringens der
Palette aus der Ausnehmung heraus, in die Bestrahlungskammer, bevor
man sie bestrahlt.
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In
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Verfahren weiter den Schritt des Drehens
der Palette während
der Bestrahlung.
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Vorteilhafterweise
wird eine Palette in eine Ausnehmung in einer zylindrischen Tür hinein und/oder
aus einer solchen heraus befördert,
während
eine andere Palette aus einer anderen Ausnehmung der zylindrischen
Tür bestrahlt
wird, wobei der Durchsatz erhöht
wird.
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In
einer anderen Erscheinungsform des Verfahrens der Erfindung wird
eine Palette aus einer Ausnehmung einer zylindrischen Tür bestrahlt,
während
eine andere Palette in eine Ausnehmung in einer anderen zylindrischen
Tür und/oder
aus einer solchen heraus befördert
wird, und/oder die andere zylindrische Tür gedreht wird. Dies erlaubt
wiederum eine Erhöhung
des Durchsatzes der Anlage.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Gesamtdraufsicht auf die Bestrahlungsvorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, mit einer Drehscheibe, die sich innerhalb
der Ausnehmung der Drehtür
befindet.
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2 zeigt
eine vertikale Schnittdarstellung entlang der Linie II-II von 1.
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3 zeigt
eine Gesamtdraufsicht auf die Bestrahlungsvorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, mit einer Drehscheibe, die sich innerhalb
der Bestrahlungskammer befindet.
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4 zeigt
eine Gesamtdraufsicht auf die Bestrahlungsvorrichtung gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung mit einer kurzen Förderschleife innerhalb der
Bestrahlungskammer.
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5, 6, 7 und 8 stellen
verschiedene Designs dar, die auf der ersten Ausführungsform
der Erfindung basieren.
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9 ist
eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Drehtür einer
erfindungsgemäßen Bestrahlungsvorrichtung.
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Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung
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Eine
bevorzugte erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 1 und 2 dargestellt.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst eine Bestrahlungskammer 2,
wo die Bestrahlung stattfindet, und eine Strahlenquelle 3,
die einen Strahl beschleunigter Teilchen erzeugt. Die Strahlenquelle 3 kann
ein Rhodotron, wie gezeigt, ein Dynamitron oder jede Art von Beschleuniger
geladener Teilchen sein. Die Bestrahlungskammer und die Strahlenquelle 3 werden von
einer Abschirmwand 4 umgeben. Die Abschirmwand 4 kann
aus Beton oder jedem strahlungsabsorbierenden Material wie Eisen,
Blei oder Kombinationen daraus hergestellt sein. Die Abschirmwand 4 umfasst
eine zylindrische Öffnung 5.
Eingepasst in die zylindrische Öffnung 5 ist
eine zylindrische Drehtür 6. Diese
Drehtür 6 liegt
auf einem Kugellager 7 und kann durch einen Motor (nicht
dargestellt) um die Zylinderachse gedreht werden. Die Drehtür ist aus strahlungsabschirmendem
Material hergestellt. In der Drehtür ist eine Ausnehmung 8 gemacht.
Die Form und Größe der Ausnehmung 8 sind
derart ausgestaltet, dass eine Produktpalette oder ein Träger 9 durch
eine horizontale Verschiebungsbewegung in die Ausnehmung 8 hinein
und aus ihr heraus gebracht werden kann. In der ersten Ausführungsform der
Erfindung, dargestellt in 1, ist in
der Ausnehmung 8 eine Drehscheibe 10 installiert,
auf einem Kugellager 11, um die Produktpalette um eine
vertikale Achse in der Ausnehmung 8 zu drehen. In dieser Ausführungsform
muss die Größe der Ausnehmung 8 so
ausgestaltet sein, dass die Drehung einer Produktpalette möglich ist.
Ein Abtasttrichter 12 wird in Kombination mit einer Gruppe
von Ablenkmagneten verwendet, um den Strahl auf die Seite der Drehtür 6 und
damit an der gesamten Höhe
der Produktpalette 9 entlang zu leiten. Die Drehung der
Produktpalette 9 während
der Bestrahlung erlaubt es, dass man über die Produktpalette 9 eine
gleichmäßige Bestrahlungsdosis
erhält.
Das Ausgangsfenster des Abtasttrichters 12 kann eine dünne Folie
sein, in diesem Fall geschieht die Bestrahlung direkt durch den
Elektronenstrahl. Vorzugsweise kann ein sogenanntes Röntgenumwandlungsfenster
verwendet werden, hergestellt aus einer Folie aus Hoch-Z-Material,
um die Strahlung des Elektronenstrahls in Röntgenstrahlen umzuwandeln.
Da die Röntgenstrahlen
eine viel bessere Materiedurchdringungsfähigkeit aufweisen, kann eine
Produktpalette eines Materials höherer Dichte
effizient bestrahlt werden.
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Eine
zweite Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 3 dargestellt.
Dieselben Bauteile haben dieselben Nummern. Ein Unterschied zur ersten
Ausführungsform
ist, dass die Drehscheibe 10 sich in der Bestrahlungskammer 2 befindet,
anstatt innerhalb der Ausnehmung 8. Ein Fördermittel
erlaubt den Transport einer Produktpalette 9 aus der Ausnehmung 8 auf
die Drehscheibe 10. Wenn die Produktpalette 9 sich
auf der Drehscheibe 10 befindet, beginnt die Bestrahlung,
während
die Produktpalette 9 gedreht wird. Die Breite des Strahls
kann durch Verwendung eines Kollimators variabler Breite 13 gesteuert
werden. In dieser Ausführungsform
ist die Konstruktion der Drehtür
einfach, weil sie keine Drehscheibe 10 umfasst. Andererseits
ist die Bestrahlungskammer 2 etwas größer, und zusätzliche Zeit
wird benötigt,
um die Produktpalette 9 in die Bestrahlungskammer 2 hinein
und aus ihr heraus zu transportieren.
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4 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung. Eine kurze Förderschleife
befindet sich innerhalb der Bestrahlungskammer 2. Eine
Drehscheibe 10 befindet sich vor dem Abtasttrichter 12.
Die Drehtür
umfasst zwei Ausnehmungen 8, die sich im Winkel von 180° zueinander
befinden. Der Durchmesser der Drehtür ist etwas größer als
die Dicke der Abschirmwand 4. Um die Abschirmwirkung der
Tür zu
verbessern, ist das Betonmaterial in den Bereichen, wo die Dicke
für Beton
nicht ausreichend wäre, d.h.
in der Mittelwand zwischen den zwei Ausnehmungen 8 und
an den Öffnungen
der Ausnehmungen 8, durch Eisen- oder Bleiziegel 14 ersetzt.
Eine Drehtür 6 mit
zwei Ausnehmungen erlaubt einen guten Durchsatz der Vorrichtung,
durch Anwenden des folgenden Ablaufs:
- – eine unbehandelte
Produktpalette wird in die Ausnehmung 8 an der Außenseite
gebracht, während
gleichzeitig eine behandelte Produktpalette von der Bestrahlungskammer 2 in
die Ausnehmung 2 auf der Innenseite gebracht wird (dieser Schritt
dauert etwa 10 Sek.);
- – die
Tür 6 wird
um 180 °C
gedreht (dieser Schritt dauert etwa 30 Sek.);
- – die
behandelte Produktpalette 9 wird nun aus der Ausnehmung 8,
die jetzt zur Außenseite
geöffnet
ist, herausgebracht, und die unbehandelte Produktpalette 9 wird
in die Bestrahlungskammer 2 hineingebracht.
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Auf
diese Weise ist die Drehtür 6 immer
symmetrisch beladen. Durch Benutzen einer solchen inneren Förderschleife
können
die Bearbeitungsgeschwindigkeit der Bestrahlung und die Transportgeschwindigkeit
durch die Drehtür 6 hindurch
entkoppelt werden, und der Gesamtdurchsatz der Vorrichtung kann
erhöht
werden.
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5 zeigt
ein Design, das, wie das Design aus 4, eine
Drehtür
mit zwei Ausnehmungen aufweist. Zusätzlich umfasst die Vorrichtung
zwei Drehtüren,
zwei Drehtische und zwei Abtasttrichter 12. Eine einzige
Strahlungsquelle 3 wird mit einem Schaltmagneten auf einen
der Abtasttrichter gerichtet. Das „V"-Design der beiden Strahlengänge erlaubt eine
kompakte Abschirmung und eine kleine Bestrahlungskammer 2.
Dieses Design ist hier mit Drehscheiben 10 innerhalb der
Bestrahlungskammer 2 dargestellt, kann aber gemäß der ersten
Ausführungsform
modifiziert werden, bei der sich die Drehscheiben 10 innerhalb
der Ausnehmungen 8 der Drehtüren befinden. 6 zeigt
eine Variation dieses Designs, in der die beiden Strahlengänge parallel verlaufen.
Die Abschirmwand 4 hat eine herkömmlichere rechtwinklige Form.
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7 und 8 sind
Designs, bei denen jede der Drehtüren 6 drei Ausnehmungen 8 aufweist, die
im Winkel von 120° angeordnet
sind. Im Design von 7 werden die Strahlengänge von
einem einzelnen Schaltmagneten in entgegengesetzte Richtungen geleitet.
Zwei getrennte Förderwege
sind verfügbar.
Im Design von 8 teilen sich die beiden Gänge einen
gemeinsamen Ausgangsweg.
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9 zeigt
eine bevorzugte Konstruktion einer Drehtür 6 für eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
Das Gesamtgewicht einer Drehtür 6 kann
200 t betragen. Um Herstellung, Transport und Zusammenbau leichter
zu machen, wird vorgeschlagen, die Drehtür 6 mit einer Bodenplatte 15,
einer Gruppe von Elementen 16 und einer Oberplatte 17 herzustellen. Die
Elemente 16 weisen Öffnungen 18 auf,
die nach dem Zusammenbau vor Ort mit Beton befüllt werden.
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Alle
hier oben dargestellten Ausführungsformen
der Erfindung und Designs weisen eine Drehtür auf, um Produktpaletten in
die Bestrahlungskammer 2 hinein und aus ihr heraus zu bringen.
Diese Eigenschaft verleiht ihnen eine viel kompaktere Anordnung als
die bekannten Labyrinth-Designs.
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Durch
Benutzen verschiedener Kombinationen von Türen mit mehreren Ausnehmungen
und Vorrichtungen mit mehreren Türen
kann eine optimale Ausnutzung der Bestrahlungsquelle 3 erreicht
werden und dadurch der Durchsatz optimiert und/oder die Durchgangszeit
minimiert werden. Die obigen Designs müssen als veranschaulichende
Beispiele gesehen werden, die den Schutzumfang der Erfindung nicht
beschränken.