DE102018133536A1

DE102018133536A1 - Networking device with single-mode applicator

Info

Publication number: DE102018133536A1
Application number: DE102018133536.9A
Authority: DE
Inventors: Marcel Mallah; Jens Möckel
Original assignee: Gerlach Maschb GmbH; Gerlach Maschinenbau GmbH
Current assignee: Gerlach Maschb GmbH; Gerlach Maschinenbau GmbH
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Um bei einer Vorrichtung (1) zum Vernetzen von einem oder mehreren in einem Werkstück (3) enthaltenen, insbesondere polaren, Werkstoffen, insbesondere von Kautschuk, mittels Mikrowellen, mit mindestens einer Mikrowellenquelle einen hohen Wirkungsgrad und eine gute Kontrolle über das in der Vorrichtung (1) entstehende Mikrowellenfeld zu erlangen, wird vorgeschlagen, dass die Vorrichtung mindestens einen Monomode-Applikator (4) aufweist, in den Mikrowellen der Mikrowellenquelle eingekoppelt werden können, wobei der mindestens eine Monomode-Applikator (4) eine ersten Öffnung (20a) zum Ein- bzw. Ausbringen des Werkstücks (3) aufweist.In order to use a device (1) for crosslinking one or more, in particular polar, materials, in particular rubber, contained in a workpiece (3), in particular by means of microwaves, with at least one microwave source, high efficiency and good control over that in the device ( 1) to obtain the resulting microwave field, it is proposed that the device have at least one monomode applicator (4) into which microwaves of the microwave source can be coupled, the at least one monomode applicator (4) having a first opening (20a) for the insertion - Or spreading the workpiece (3).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vernetzen von einem oder mehreren in einem Werkstück enthaltenen, insbesondere polaren, Werkstoffen, insbesondere von Kautschuk, mittels Mikrowellen, mit mindestens einer Mikrowellenquelle.The present invention relates to a device for crosslinking one or more, in particular polar, materials, in particular rubber, contained in a workpiece, by means of microwaves, with at least one microwave source.

Derartige Vorrichtungen sind bekannt und werden beispielsweise zum Vulkanisieren von Gummiprofilen eingesetzt. Dabei ist üblicherweise eine längliche Kavität vorgesehen, die von dem Gummiprofil durchlaufen wird und in deren Verlauf das Gummiprofil mit verschiedenen Methoden erwärmt und in der Folge vulkanisiert wird. Neben der Erwärmung durch Heißluft und Infrarotstrahlung werden auch Mikrowellen in die Kavität eingespeist, die den Vorteil haben, dass sie das Profil durchdringen und von innen erwärmen, anstatt dass nur die Oberfläche erwärmt wird und die Wärme durch Wärmeleitung ins Innere des Werkstücks transportiert wird.. Zum Einkoppeln der Mikrowellen in die Kavität sind üblicherweise Einkopplungsschlitze in einer Wandung der Kavität vorgesehen, wobei an der Außenseite der Wandung zum Zuführen der Mikrowellen zu den Einkopplungsschlitze ein von einer Mikrowellenquelle gespeister Hohlleiter angeordnet ist. Innerhalb des Hohlleiters breiten sich die Mikrowellen auf definierte und von der Geometrie des Hohlleiters abhängige Weise aus und können mit Abstimmvorrichtungen derart angepasst werden, dass an einem Einkopplungsschlitz ein Energiedichtemaximum vorliegt, so dass ein möglichst großer Anteil der Mikrowellenenergie in die Kavität eingekoppelt wird. Gleichzeitig wird so der auf die Mikrowellenquelle reflektierte Anteile der Mikrowellenenergie gering gehalten, um diese nicht zu beschädigen.Devices of this type are known and are used, for example, for vulcanizing rubber profiles. An elongated cavity is usually provided, through which the rubber profile passes and in the course of which the rubber profile is heated using various methods and subsequently vulcanized. In addition to heating by hot air and infrared radiation, microwaves are also fed into the cavity, which have the advantage that they penetrate the profile and heat it from the inside instead of only heating the surface and the heat is transported to the inside of the workpiece by heat conduction. To couple the microwaves into the cavity, coupling slots are usually provided in a wall of the cavity, a waveguide fed by a microwave source being arranged on the outside of the wall for feeding the microwaves to the coupling slots. The microwaves propagate within the waveguide in a defined manner and are dependent on the geometry of the waveguide and can be adjusted with tuning devices in such a way that an energy density maximum is present at a coupling slot, so that the largest possible proportion of the microwave energy is coupled into the cavity. At the same time, the portion of the microwave energy reflected on the microwave source is kept low so as not to damage it.

In US 4,275,283 wird eine Vulkanisationsvorrichtung zum Erwärmen von Gummiprofilen mit UHF-Energie offenbart. Diese Vulkanisationsvorrichtung weist eine von dem Gummiprofil durchlaufene Kavität mit mehreren Einkopplungsschlitzen an sich jeweils gegenüberliegenden Enden der Kavität auf. Auf der Außenseite der Kavität ist ein Hohlwellenleiter angeordnet, der Mikrowellen von einer Mikrowellenquelle zu den Einkopplungsschlitzen leitet. An einem oberen Schenkel des Hohlwellenleiters ist eine Abstimmvorrichtung vorgesehen.In US 4,275,283 discloses a vulcanization device for heating rubber profiles with UHF energy. This vulcanization device has a cavity through which the rubber profile passes, with a plurality of coupling slots at opposite ends of the cavity. A hollow waveguide is arranged on the outside of the cavity, which guides microwaves from a microwave source to the coupling slots. A tuning device is provided on an upper leg of the hollow waveguide.

Einen anderen Ansatz der Zuleitung von Mikrowellen zum Werkstück wird bei dem aus JP 08108434 A bekannten Gegenstand verfolgt. Dort ist eine Vulkanisationsvorrichtung für Endloswerkstücke, insbesondere aus Schaumgummi, mit einem Innenraum offenbart, der Heißluft- und Mikrowellenbereiche aufweist. Die Mikrowellen werden dabei von Mikrowellenquellen erzeugt und in flexible Wellenleiter eingespeist, die durch den Innenraum unmittelbar an das Werkstück herangeführt sind. An ihren werkstückseitigen Enden weisen sie Auskopplungsöffnungen auf, so dass die Mikrowellen unmittelbar am Werkstück aus den Wellenleitern ausgekoppelt werden.Another approach of supplying microwaves to the workpiece is made in the JP 08108434 A known object pursued. There, a vulcanization device for endless workpieces, in particular made of foam rubber, is disclosed with an interior which has hot air and microwave areas. The microwaves are generated by microwave sources and fed into flexible waveguides, which are brought directly to the workpiece through the interior. At their workpiece-side ends, they have coupling openings, so that the microwaves are coupled out of the waveguides directly on the workpiece.

Nachteilig bei sämtlichen aus dem vorgenannten Stand der Technik bekannten Gegenständen ist, dass die Mikrowellen sich in der Kavität oder dem Innenraum auf kaum zu kontrollierende Weise ausbreiten können, so dass ein großer Anteil der Mikrowellenenergie nicht zum zu vernetzenden Werkstoff gelangt. Zudem ist die Feldverteilung, insbesondere die Energiedichteverteilung des Mikrowellenfelds, und damit auch die Lage des Profils im Mikrowellenfeld nicht oder nur sehr begrenzt zu bestimmen, so dass es dem Zufall überlassen bleibt, ob das Profil einen Bereich mit ausreichend hoher Energiedichte durchläuft. Der tatsächlich vom Profil absorbierte Teil der Mikrowellenenergie in den vorbekannten Vorrichtungen beträgt daher nur etwa 20 %. Darüber hinaus können die Mikrowellen wegen der unkontrollierten Ausbreitung unerwünschten Einfluss auf andere Bauteile in oder an der Vorrichtung nehmen. So ist etwa bei mehreren in der Nähe voneinander angeordneten Mikrowellenquellen ein nachteiliger Übersprechungseffekt untereinander festzustellen. Außerdem müssen die Mikrowellen spätestens vor Austritt aus der Vorrichtung aufwändig absorbiert werden, um in der Umgebung der Vorrichtung keinen Schaden zu verursachen.A disadvantage of all the objects known from the aforementioned prior art is that the microwaves can spread in the cavity or the interior in a manner that is difficult to control, so that a large proportion of the microwave energy does not reach the material to be crosslinked. In addition, the field distribution, in particular the energy density distribution of the microwave field, and thus also the position of the profile in the microwave field, cannot be determined or can only be determined to a very limited extent, so that it is left to chance whether the profile passes through an area with a sufficiently high energy density. The portion of the microwave energy actually absorbed by the profile in the previously known devices is therefore only about 20%. In addition, because of the uncontrolled propagation, the microwaves can have an undesirable influence on other components in or on the device. For example, in the case of several microwave sources arranged in close proximity to one another, a disadvantageous crosstalk effect can be established with one another. In addition, the microwaves must be absorbed in a complex manner at the latest before they exit the device in order not to cause any damage in the vicinity of the device.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung nach oben genannter Art anzugeben, bei der mindestens einer dieser Nachteile nicht oder in geringerem Maße besteht.The object of the present invention is to provide a device according to the type mentioned above, in which at least one of these disadvantages does not exist or to a lesser extent.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Gegenstand mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by an object with the features of claim 1. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung einen Monomode-Applikator auf, in den Mikrowellen der Mikrowellenquelle eingekoppelt werden können, wobei der mindestens eine Monomode-Applikator eine ersten Öffnung zum Ein- bzw. Ausbringen des Werkstücks aufweist. Ein Monomode-Applikator ist dabei ein Bauteil, in dem mindestens eine Mikrowelle als monomodale Welle ausbreitungsfähig ist, wie beispielsweise ein Hohlleiter, Bandleiter, Streifenleiter oder ein Hohlraumresonator. Ein Hohlleiter, Bandleiter oder Streifenleiter weist dabei eine Einkopplungsöffnung und eine weitere Öffnung als Auskopplungsöffnung für die Mikrowelle auf, wobei sich die Mikrowelle von der Einkopplungs- zur Auskopplungsöffnung ausbreitet.According to the invention, the device has a single-mode applicator into which microwaves of the microwave source can be coupled, the at least one single-mode applicator having a first opening for inserting or removing the workpiece. A single-mode applicator is a component in which at least one microwave can be propagated as a single-mode wave, such as a waveguide, ribbon conductor, stripline or a cavity resonator. A waveguide, ribbon conductor or strip conductor has a coupling opening and a further opening as a coupling opening for the microwave, the microwave propagating from the coupling to the coupling opening.

Ein Hohlraumresonator weist demgegenüber lediglich eine solche Öffnung auf, durch die die Mikrowellen ein- und auch wieder ausgekoppelt werden. Dabei werden die Mikrowellen an einer üblicherweise der Öffnung gegenüberliegenden Wandung reflektiert und die Länge des Resonators ist derart auf die Wellenlänge der monomodalen Mikrowellen abgestimmt, dass eine stehende Welle entsteht.In contrast, a cavity resonator has only such an opening through which the Microwaves can be coupled in and out again. The microwaves are reflected on a wall which is usually opposite the opening and the length of the resonator is matched to the wavelength of the monomodal microwaves in such a way that a standing wave is produced.

Das Querschnittsprofil des Monomode-Applikators kann im Prinzip beliebig gewählt werden, typischerweise ist es aber rechteckig oder rund. Die Ausbreitungsfähigkeit einer einzelnen Wellenmode bestimmt sich in erster Linie aus der Geometrie und insbesondere aus der Geometrie des Hohlquerschnitts des Monomode-Applikators. So ist eine Wellenmode dann ausbreitungsfähig, wenn die zu übertragende Wellenlänge kleiner als die zu der Mode gehörende Grenzwellenlänge (λ_c)_mn für den jeweiligen Querschnitt ist. Die berechnet sich beispielsweise bei einem Rechteckhohlprofil mit der Höhe a und der Breite b zu ${(λ_{c})}_{m m} = \frac{2}{\sqrt{{(\frac{m}{a})}^{2} + {(\frac{n}{b})}^{2}}} .$

In principle, the cross-sectional profile of the single-mode applicator can be chosen as desired, but is typically rectangular or round. The spreadability of an individual wave mode is determined primarily from the geometry and in particular from the geometry of the hollow cross section of the single-mode applicator. A wave mode is then capable of propagation if the wavelength to be transmitted is smaller than the limit wavelength (λ _c ) _mn belonging to the mode for the respective cross section. This is calculated, for example, for a rectangular hollow profile with height a and width b

{(λ_{c})}_{m m} = \frac{2nd}{\sqrt{{(\frac{m}{a})}^{2nd} + {(\frac{n}{b})}^{2nd}}} .

Für die in der Mikrowellentechnik bevorzugt benutzte Frequenz von f = 2,45 GHz ergibt sich über (λ_c)_mn=c•(f_c)_mn eine Grenzwellenlänge von 122,5 mm, wobei c die Lichtgeschwindigkeit von 3•10¹¹ mm/s ist. Für eine H₁₀-Welle beispielweise, bei der sich die Grenzwellenlänge mit m=1 und n=0 zu (λ_c)₁₀=2a berechnet, ergibt sich somit eine Mindesthöhe für das Rechteckprofil von 61,25 mm. Die Breite des Profils spielt bei einer H₁₀-Welle keine Rolle. Es kann auch für jedes Querschnittsprofil eine Grenzfrequenz (f_c)_mn für jede Wellenmode bei gegebener Geometrie berechnet werden, wobei die Arbeitsfrequenz dann höher liegen muss als diese Grenzfrequenz. Üblicherweise erfolgt die Berechnung über mathematische Simulationsprogramme.For the frequency of f = 2.45 GHz that is preferably used in microwave technology, a limit wavelength of 122.5 mm results from (λ _c ) _mn = c • (f _c ) _mn , where c is the speed of light of 3 • 10 ¹¹ mm / s is. For an H ₁₀ wave, for example, where the cut-off wavelength is calculated with m = 1 and n = 0 to (λ _c ) ₁₀ = 2a, this results in a minimum height for the rectangular profile of 61.25 mm. The width of the profile is irrelevant for an H ₁₀ shaft. A cut-off frequency (f _c ) _mn can also be calculated for each wave mode for a given geometry for each cross-sectional _profile , the working frequency then having to be higher than this cut-off frequency. The calculation is usually carried out using mathematical simulation programs.

Sofern in den Monomode-Applikator eine in Ihren Eigenschaften bekannte Mikrowelle eingespeist wird, kann das entstehende Monomodenwellenfeld präzise berechnet bzw. bestimmt werden. Dadurch kann die Position des Werkstücks zu dem Mikrowellenfeld so bestimmt werden, dass das Werkstück im Bereich eines Wellenmaximums liegt bzw. den Monomode-Applikator im Bereich eines Wellenmaximums durchläuft und somit eine größtmögliche Energiemenge aus der Mikrowelle aufnehmen und zum Aufwärmen nutzen kann. Zudem kann das bekannte Mikrowellenfeld dafür genutzt werden, bei komplexen Geometrien eines Werkstücks durch dessen Ausrichtung zum Mikrowellenfeld einzelne Bereiche bevorzugt mit Mikrowellenenergie zu beaufschlagen und so beispielsweise bei der Vulkanisation eines Gummidichtungsprofils die Materialeigenschaften für spezielle Anwendungen selektiv einzustellen. Andererseits ist es bei Werkstücken mit ungleichmäßiger Materialverteilung auch möglich, alle Bereiche gleichermaßen stark zu erhitzen.If a microwave known in its properties is fed into the single-mode applicator, the resulting single-mode wave field can be precisely calculated or determined. As a result, the position of the workpiece relative to the microwave field can be determined in such a way that the workpiece lies in the area of a wave maximum or passes through the single-mode applicator in the area of a wave maximum and can thus absorb the greatest possible amount of energy from the microwave and use it for heating. In addition, the known microwave field can be used, in the case of complex geometries of a workpiece, to preferably apply microwave energy to individual areas by aligning it with the microwave field, and thus selectively adjusting the material properties for special applications, for example when vulcanizing a rubber sealing profile. On the other hand, it is also possible for workpieces with an uneven material distribution to heat all areas equally.

Mit derartigen Monomode-Applikatoren kann durch die gezielte Platzierung des Werkstücks im Mikrowellenfeld der von dem Werkstück aufgenommene Anteil der Energie der Mikrowelle gegenüber bekannten Vorrichtungen stark erhöht werden.With such single-mode applicators, the targeted placement of the workpiece in the microwave field can greatly increase the portion of the energy of the microwave absorbed by the workpiece compared to known devices.

Darüber hinaus kann auch die Volumenleistungsdichte P des Wellenfelds stark gesteigert werden, da sich die gesamte Energie der Mikrowellenquelle in der Monomodewelle bündelt, so dass deren elektrische Feldstärke E steigt. Die Volumenleistungsdichte P in W/m³ berechnet sich aus der elektrischen Feldstärke durch die folgende Formel: $P = 2 π • f • ε_{0} • ε_{r}' • tan δ • E^{2}$

In addition, the volume power density can also P of the wave field can be greatly increased, since the entire energy of the microwave source is concentrated in the single-mode wave, so that its electrical field strength E increases. The volume power density P in W / m ^{3 is} calculated from the electric field strength using the following formula:

P = 2nd π • f • ε_{0} • ε_{r}' • tan δ • E^{2nd}

Dabei ist f die Frequenz in Hz, ε₀ die elektrische Feldkonstante in As/Vm, ε_r' der Realteil der komplexen relativen Dielektrizitätskonstante, tanδ der materialspezifische Verlustfaktor des polaren Werkstoffs und E die elektrische Feldstärke in V/m. Die Volumenleistungsdichte steigt hier deshalb stark mit der Feldstärke, da die Feldstärke quadratisch in die Berechnungsformel eingeht.Where f is the frequency in Hz, ε _{0 is} the electrical field constant in As / Vm, ε _r ' the real part of the complex relative dielectric constant, tanδ the material specific loss factor of the polar material and E the electric field strength in V / m. The volume power density increases strongly with the field strength, since the field strength is included in the calculation formula.

Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Monomode-Applikators kann so einerseits die energetische Gesamteffizienz der Vorrichtung gesteigert werden, wodurch Produktionsmittel eingespart werden. Andererseits ist auch der Anteil der aus dem Monomode-Applikator durch eine gegebenenfalls vorhandene Auskopplungsöffnung abgestrahlten Wellenenergie gering, so dass kleiner ausgelegte Absorber ausreichen, um diesen Wellenanteil abzufangen. Ein ganz wesentlicher Vorteil der Verwendung eines Monomode-Applikators besteht schließlich darin, dass aufgrund des sehr effizienten Einsatzes der eingespeisten Energie auch schwach und sehr schwach polare Werkstoffe mit den Mikrowellen aufgeheizt werden können, bis hin zu solchen Werkstoffen, die man üblicherweise nicht mehr als polar bezeichnen würde.By using the monomode applicator according to the invention, on the one hand, the overall energy efficiency of the device can be increased, thereby saving production resources. On the other hand, the proportion of the wave energy emitted from the single-mode applicator through an optionally available coupling opening is also small, so that smaller absorbers are sufficient to intercept this wave proportion. Finally, a very important advantage of using a single-mode applicator is that due to the very efficient use of the energy fed in, even weak and very weakly polar materials can be heated with the microwaves, up to materials that are usually no longer considered polar would designate.

Besonders bevorzugt ist der Monomode-Applikator so gestaltet, dass keine Mikrowellen unkontrolliert aus diesem austreten können und das entstehende Mikrowellenfeld sich nur in dem gut zu kontrollierenden Innenraum ausbreitet. Ein negativer Einfluss auf andere Bauteile der Vorrichtung entfällt. Der Monomode-Applikator ist dafür bevorzugt bis auf die mindestens eine Öffnung zum Ein- bzw. Ausbringen des Werkstücks und die Ein- und Auskopplungsöffnungen für die Mikrowellen geschlossen. Die mindestens eine Öffnung zum Ein- bzw. Ausbringen des Werkstücks kann zudem mit einer Dichtung versehen sein, um zu verhindern, dass Mikrowellen aus dem Monomode-Applikator gelangen.The monomode applicator is particularly preferably designed in such a way that no microwaves can emerge from it in an uncontrolled manner and the resulting microwave field only spreads out in the interior, which is easy to control. There is no negative influence on other components of the device. For this purpose, the single-mode applicator is preferably closed except for the at least one opening for inserting and removing the workpiece and the coupling and decoupling openings for the microwaves. The at least one opening for inserting or removing the workpiece can also be provided with a seal to prevent microwaves from getting out of the single-mode applicator.

In einer Ausführungsform kann der Monomode-Applikator für einen Batchbetrieb ausgelegt sein. Er verfügt dann nur über eine erste Öffnung zum Ein- bzw. Ausbringen des Werkstücks, die vorzugsweise verschließbar ist. Durch die Öffnung wird das Werkstück dann eingebracht, die Öffnung wird verschlossen und das Werkstück wird für eine bestimmte Zeit dem Mikrowellenfeld ausgesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Monomode-Applikator jedoch auf einen kontinuierlichen Betrieb ausgelegt und weist neben einer ersten solchen Öffnung noch eine zweite Öffnung zum Herausführen des Werkstücks auf. Diese zweite Öffnung liegt der ersten Öffnung dann gegenüber, so dass etwa ein profilförmiges Endloswerkstück durch den Monomode-Applikator von der ersten zur zweiten Öffnung hindurchgeführt werden kann, wie dies auch bei aus dem Stand der Technik bekannten Kavitäten der Fall ist. Auf diese Weise werden etwa Gummidichtungen für Autotüren hergestellt. Vorteilhaft ist ein kontinuierlicher Prozess besser automatisierbar und weist eine höhere Produktionsgeschwindigkeit auf.In one embodiment, the single-mode applicator can be designed for batch operation. It then only has a first opening for inserting or removing the workpiece, which can preferably be closed. The workpiece is then introduced through the opening, the opening is closed and the workpiece is exposed to the microwave field for a certain time. In a preferred embodiment, however, the single-mode applicator is designed for continuous operation and, in addition to a first such opening, also has a second opening for leading out the workpiece. This second opening then lies opposite the first opening, so that, for example, a profile-shaped endless workpiece can be passed through the monomode applicator from the first to the second opening, as is also the case with cavities known from the prior art. In this way, rubber seals for car doors are manufactured. A continuous process is advantageously easier to automate and has a higher production speed.

Bei einer kontinuierlich betriebenen Vorrichtung mit einem Monomode-Applikator kann die Transportrichtung des Werkstücks quer oder parallel zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen im Monomode-Applikator verlaufen. Im ersten Fall ist der Weg, den das Werkstück durch die Mikrowelle zurücklegt, zwar vergleichsweise kurz, dafür kann die Position des Werkstücks im Mikrowellenfeld jedoch gezielt gewählt werden und das Werkstück kann selektiv vernetzt werden, wenn es sich um eine stehende Welle handelt, etwa in einem Hohlraumresonator. Verläuft die Transportrichtung des Werkstücks parallel zur Ausbreitungsrichtung, so lassen sich mit einem Monomode-Applikator längere Wegstrecken abdecken, jedoch nimmt jeder Bereich des Werkstücks die gleiche Menge Mikrowellenenergie auf, da das Profil die Wellenmaxima und die Wellenminima nacheinander durchläuft.In the case of a continuously operated device with a single-mode applicator, the direction of transport of the workpiece can run transversely or parallel to the direction of propagation of the microwaves in the single-mode applicator. In the first case, the path that the workpiece travels through the microwave is comparatively short, but the position of the workpiece in the microwave field can be specifically selected and the workpiece can be selectively networked if it is a standing wave, for example in a cavity resonator. If the direction of transport of the workpiece runs parallel to the direction of propagation, longer distances can be covered with a single-mode applicator, but each area of the workpiece absorbs the same amount of microwave energy because the profile passes through the wave maxima and the wave minima one after the other.

Bei einem kontinuierlichen Prozess können auch mehrere Monomode-Applikatoren in der Vorrichtung in Transportrichtung des Werkstücks hintereinander angeordnet sein und vom Werkstück durchlaufen werden. So können etwa bestimmte Aufheizverläufe eingestellt werden oder unterschiedliche Bereiche eines Werkstücks nacheinander aufgeheizt werden, je nachdem wie das Werkstück in den einzelnen Monomode-Applikatoren zu dem jeweiligen Mikrowellenfeld ausgerichtet ist.In the case of a continuous process, a plurality of single-mode applicators can also be arranged one behind the other in the device in the transport direction of the workpiece and the workpiece can pass through them. For example, certain heating processes can be set or different areas of a workpiece can be heated one after the other, depending on how the workpiece is aligned in the individual monomode applicators to the respective microwave field.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der mindestens eine Monomode-Applikator eine Messvorrichtung zum Messen der Energiedichte von in dem Monomode-Applikator reflektierten Mikrowellen und eine Abstimmvorrichtung zum Einstellen von Eigenschaften einer durch eine Mikrowellenquelle erzeugten Mikrowelle auf, wobei die Messvorrichtung und die Abstimmvorrichtung Bestandteile eines Regelkreises zum Einstellen einer minimalen Energiedichte der reflektierten Mikrowellen sind. So kann einerseits das Mikrowellenfeld dahingehend feinjustiert werden, dass eine maximale Energieaufnahme durch das Werkstück gegeben ist. Andererseits kann auch die Energiemenge, die bei einem Hohlraumresonator in Richtung der Mikrowellenquelle zurückreflektiert wird, minimiert werden, so dass möglichst wenig Energie an einem Absorber absorbiert werden muss.In a preferred embodiment, the at least one single-mode applicator has a measuring device for measuring the energy density of microwaves reflected in the single-mode applicator and a tuning device for setting properties of a microwave generated by a microwave source, the measuring device and the tuning device being components of a control circuit for Setting a minimum energy density of the reflected microwaves are. On the one hand, the microwave field can be finely adjusted so that there is maximum energy absorption by the workpiece. On the other hand, the amount of energy that is reflected back in the case of a cavity resonator in the direction of the microwave source can be minimized, so that as little energy as possible has to be absorbed by an absorber.

Ein Monomode-Applikator kann auch mehrere Bereiche mit unterschiedlichen Geometrien aufweisen, wobei in mindestens zwei dieser Bereiche unterschiedliche monomodale Mikrowellen ausbreitungsfähig sind. So kann der Monomode-Applikator so gestaltet sein, dass das Werkstück diese Bereiche nacheinander durchläuft und somit innerhalb eines Monomode-Applikators verschiedenen Mikrowellenfeldern ausgesetzt ist. Auf diese Weise kann, wie mit hintereinander angeordneten Monomode-Applikatoren, das Aufheizverfahren gezielt gestaltet werden, oder unterschiedliche Bereiche des Werkstücks können nacheinander selektiv erwärmt werden, wobei nur ein einzelner Monomode-Applikator verbaut werden muss.A monomode applicator can also have a plurality of regions with different geometries, wherein different monomodal microwaves can be propagated in at least two of these regions. For example, the single-mode applicator can be designed in such a way that the workpiece passes through these areas one after the other and is thus exposed to different microwave fields within a single-mode applicator. In this way, as with single-mode applicators arranged one behind the other, the heating process can be specifically designed, or different areas of the workpiece can be selectively heated one after the other, only a single single-mode applicator having to be installed.

Neben dem mindestens einen Monomode-Applikator kann die Vorrichtung auch eine Kavität aufweisen, etwa wie sie von gattungsgemäßen Vorrichtungen vorbekannt ist. Insbesondere kann dies eine Heißgaskavität sein, in der das Profil von heißem Gas, insbesondere von heißer Luft, umströmt wird und so durch Konvektion aufgeheizt wird. Auch können in einer solchen Kavität Mittel zum Erzeugen von Infrarotstrahlung vorgesehen sein, mit der das Werkstück durch Strahlungswärme aufgeheizt wird. Erfindungsgemäße Monomode-Applikatoren können dann in der Kavität angeordnet sein, um eine kompakte Gesamtvorrichtung zu gestalten. Alternativ, beispielsweise um die Monomode-Applikatoren nicht den Temperaturen innerhalb der Kavität auszusetzen, können diese auch in Transportrichtung des Werkstücks vor und/oder hinter der Kavität angeordnet sein. Der mindestens eine Monomode-Applikator kann allerdings auch alleinstehend, ohne weitere Mittel zum Aufheizen des Werkstoffs, verwendet werden und die gesamte Vernetzung des in dem Werkstück enthaltenen Werkstoffs besorgen.In addition to the at least one monomode applicator, the device can also have a cavity, as is known from devices of the generic type. In particular, this can be a hot gas cavity in which hot gas, in particular hot air, flows around the profile and is thus heated by convection. Means for generating infrared radiation, with which the workpiece is heated by radiant heat, can also be provided in such a cavity. Monomode applicators according to the invention can then be arranged in the cavity in order to design a compact overall device. Alternatively, for example in order not to expose the single-mode applicators to the temperatures inside the cavity, they can also be arranged in front of and / or behind the cavity in the transport direction of the workpiece. The at least one monomode applicator can, however, also be used on its own, without any further means for heating the material, and can ensure the entire cross-linking of the material contained in the workpiece.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der mindestes eine Monomode-Applikator mehrteilig und die Teile können insbesondere zum Einführen oder Einlegen eines Werkstücks voneinander getrennt werden. So kann das Werkstück zu Beginn eines kontinuierlichen Prozesses in den Monomode-Applikator auf einfache Weise eingelegt werden, wenn die Trennebene die Öffnungen zum Ein- und Ausführen des Werkstücks schneidet. Auch ist der Innenraum des Monomode-Applikators so auf einfache Weise für Wartungsarbeiten zugänglich.In a preferred embodiment, the at least one monomode applicator is in several parts and the parts can be separated from one another in particular for inserting or inserting a workpiece. In this way, the workpiece can be easily inserted into the single-mode applicator at the start of a continuous process if the Parting plane cuts the openings for inserting and removing the workpiece. The interior of the single-mode applicator is also easily accessible for maintenance work.

Sofern der mindestens eine Monomode-Applikator in einer Kavität angeordnet ist, die von einer Seite durch eine Klappe oder einen Deckel öffenbar ist, kann einer der Teile des Monomode-Applikators mit dieser Klappe oder diesem Deckel verbunden sein. Besonders bevorzugt ist die Verbindung so gestaltet, dass beim Öffnen der Klappe oder des Deckels der Monomode-Applikator ebenfalls geöffnet wird und zwar so, dass das Werkstück in diesen eingelegt werden kann. So kann beim Öffnen der Kavität das Werkstück entlang des gesamten Bearbeitungsstrecke sowohl innerhalb des Applikators als auch außerhalb eingelegt werden.If the at least one monomode applicator is arranged in a cavity that can be opened from one side by a flap or a lid, one of the parts of the monomode applicator can be connected to this flap or this lid. The connection is particularly preferably designed such that when the flap or the lid is opened, the single-mode applicator is also opened, specifically in such a way that the workpiece can be inserted into it. When the cavity is opened, the workpiece can be inserted along the entire machining path both inside and outside the applicator.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren, in denen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind, näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to figures in which preferred exemplary embodiments of the invention are shown.

Es zeigen:

1: eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein Werkstück parallel zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen in einem Hohlleiter geführt wird;
2: eine Profilansicht eines Hohlleiters, der von einem profilartigen Werkstück durchlaufen wird mit eingezeichnetem E- und H-Feld;
3: eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der ein Werkstück quer zur Ausbreitungsrichtung der Mikrowellen durch mehrere Hohlraumresonatoren geführt wird;
4: eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß 3, wobei die Hohlraumresonatoren zwei verschiedene Bereiche aufweisen;
5: eine Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß 3 und 4, wobei die Hohlraumresonatoren drei verschiedene Bereiche aufweisen.

Show it:

1 a side view of a device according to the invention, in which a workpiece is guided in a waveguide parallel to the direction of propagation of the microwaves;
2nd : A profile view of a waveguide, which is traversed by a profile-like workpiece with the E and H fields shown;
3rd a side view of a device according to the invention, in which a workpiece is guided through several cavity resonators transversely to the direction of propagation of the microwaves;
4th : a side view of a device according to 3rd , wherein the cavity resonators have two different areas;
5 : a side view of a device according to 3rd and 4th , wherein the cavity resonators have three different areas.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 mit einer Kavität 2, durch die ein Werkstück 3 in Form eines Endlosprofils hindurchgeführt ist. Innerhalb der Kavität 2 ist ein Monomode-Applikator 4 in Form eines Hohlwellenleiters angeordnet. Der Hohlwellenleiter umfasst dabei einen Zuleiter 6 und einen ausgangsseitigen Leiter 7, sowie einen Applikationsbereich 8, in dem sich die Mikrowellen parallel zur Transportrichtung T des Werkstücks 3 ausbreiten. Der Applikationsbereich 8 ist derart gestaltet, dass eine Monomodewelle in diesem ausbreitungsfähig ist und auf das Werkstück 3 wirken kann, sodass es erhitzt wird. Dabei bewegt sich sowohl das Werkstück 3 als auch die Monomodewelle in die Transportrichtung T des Werkstücks 3, wobei sich die Welle üblicherweise erheblich viel schneller als das Werkstück 3 durch den Applikator 8 bewegt. Im statistischen Mittel absorbiert jeder Teil des Werkstücks 3, sowohl in Längsrichtung betrachtet als auch im Profil betrachtet, die gleiche Menge an Wellenenergie und das Werkstück 3 wird gleichmäßig erhitzt. 1 shows a device according to the invention 1 with a cavity 2nd through which a workpiece 3rd is passed in the form of an endless profile. Inside the cavity 2nd is a single mode applicator 4th arranged in the form of a hollow waveguide. The hollow waveguide comprises a feeder 6 and an output-side conductor 7 , as well as an application area 8th , in which the microwaves are parallel to the transport direction T of the workpiece 3rd spread. The application area 8th is designed in such a way that a single-mode wave can spread in it and onto the workpiece 3rd can act so that it is heated. Both the workpiece moves 3rd as well as the single mode shaft in the transport direction T of the workpiece 3rd , the shaft usually moving much faster than the workpiece 3rd through the applicator 8th emotional. On a statistical average, every part of the workpiece absorbs 3rd , viewed both in the longitudinal direction and viewed in profile, the same amount of wave energy and the workpiece 3rd is heated evenly.

Das Werkstück 3 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 in einem Arbeitsrohr 10 geführt, um es mechanisch zu schützen. Das Arbeitsrohr 10 ist aus einem für die Mikrowellen transparenten Material, wie etwa Teflon oder Quarzglas, gebildet und kann insofern ohne weiteres durch den Monomode-Applikator mit hindurchgeführt werden.The workpiece 3rd is in accordance with the embodiment 1 in a work tube 10 led to protect it mechanically. The work tube 10 is made of a material that is transparent to the microwaves, such as Teflon or quartz glass, and can therefore be easily passed through the single-mode applicator.

2 zeigt einen im Profil runden Hohlwellenleiter 11, durch den ein Werkstück 3 mittig in hier aus der Zeichnungsebene herausweisender Transportrichtung T hindurchgeführt ist. In dem Hohlwellenleiter 11 ist ebenfalls eine Monomodewelle ausgebildet, die sich in die gleiche Transportrichtung T wie das Werkstück 3 ausbreitet. Mit den von unten nach oben gerichteten Pfeilen ist der E-Feld-Anteil 12 des Mikrowellenfeldes dargestellt, wobei der Abstand der Pfeile zueinander die Energiedichte des Feldes anzeigt. Auf gleiche Weise ist mit von links nach rechts weisenden Pfeilen der H-Feld-Anteil 13 der Monomodewelle dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sowohl die Energiedichte des E-Feld-Anteils als auch die des H-Feld-Anteils in dem Bereich maximal ist, in dem das Werkstück 3 durch das Mikrowellenfeld hindurchgeführt ist. Das Mikrowellenfeld bzw. die E- und H- Anteile 12, 13 des Mikrowellenfelds sind in einem erfindungsgemäßen Monomode-Applikator bekannt bzw. berechenbar. Daher kann das Werkstück 3 gezielt so in dem Mikrowellenfeld angeordnet oder dadurch hindurchgeführt werden, dass es eine maximal mögliche Energiemenge aus der Mikrowelle aufnimmt oder so, dass im Profil betrachtet einzelne Bereiche des Werkstücks 3 bevorzugt durch die Mikrowelle erhitzt werden. 2nd shows a hollow waveguide with a round profile 11 through which a workpiece 3rd is guided centrally in the transport direction T pointing out from the plane of the drawing here. In the hollow waveguide 11 a monomode shaft is also formed, which is in the same transport direction T as the workpiece 3rd spreads. With the arrows pointing from bottom to top is the E-field portion 12th of the microwave field, the distance between the arrows indicating the energy density of the field. In the same way, the arrows from left to right indicate the H-field portion 13 of the single mode wave. It can be seen that both the energy density of the E-field component and that of the H-field component is maximum in the area in which the workpiece 3rd is passed through the microwave field. The microwave field or the E and H components 12th , 13 of the microwave field are known or can be calculated in a monomode applicator according to the invention. Therefore, the workpiece 3rd specifically arranged in the microwave field or guided through it so that it absorbs the maximum possible amount of energy from the microwave or in such a way that individual areas of the workpiece are viewed in profile 3rd preferably heated by the microwave.

Die 3 bis 5 zeigen ebenfalls erfindungsgemäße Vorrichtungen 1 mit einer Kavität 2 sowie mit mehreren in der Kavität 2 angeordneten Monomode-Applikatoren 4a bis 4d, die von dem Werkstück 3 nacheinander durchlaufen werden. In den 3, 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen durchläuft das Werkstück 3, dass sich in Transportrichtung T bewegt, die Monomode-Applikatoren quer zur Ausbreitungsrichtung A der Mikrowellen. Dabei sind die Monomode-Applikatoren 4a bis 4d Hohlraumresonatoren, die nur über eine einzelne Öffnung 14 zum Einkoppeln und Auskoppeln der Mikrowellen verfügen. Auf der der Öffnung 14 gegenüberliegenden Seite weisen die Monomode-Applikatoren 4a bis 4d Wandungen 15 auf, an denen die Mikrowellen reflektiert werden, so dass in den Hohlraumresonatoren stehende Wellen entstehen, wie sie in den 4 und 5 schematisch angedeutet sind.The 3rd to 5 also show devices according to the invention 1 with a cavity 2nd as well as with several in the cavity 2nd arranged single mode applicators 4a to 4d by the workpiece 3rd be run through one after the other. In the 3rd , 4th and 5 shown embodiments passes through the workpiece 3rd that moves in the transport direction T, the single-mode applicators transverse to the direction of propagation A of the microwaves. Here are the single mode applicators 4a to 4d Cavity resonators that only have a single opening 14 for coupling and decoupling the microwaves. On the opening 14 on the opposite side are the single-mode applicators 4a to 4d Walls 15 on which the microwaves are reflected, so that standing waves are generated in the cavity resonators, as in the 4th and 5 are indicated schematically.

Bei Monomode-Applikatoren 4a bis 4d, die Hohlraumresonatoren sind und bei denen das Werkstück 3 die Mikrowelle quer zur Ausbreitungsrichtung A durchläuft, ist die Energieverteilung des Mikrowellenfelds über das Profil des Werkstücks 3 jederzeit gleich. Je nach Verhältnis der Profilform und -abmessungen des Werkstücks 3 zu der Wellenlänge der stehenden Mikrowelle, kann das Profil dann besonders gleichmäßig oder gezielt selektiv erwärmt werden. Um bei komplexeren Profilformen des Werkstücks 3 eine gleichmäßige oder selektive Erwärmung zu gewährleisten, oder um eine bestimmte Heizfolge zu realisieren, können, wie in den 4 und 5 gezeigt, die Hohlraumresonatoren in mehrere Bereiche eingeteilt sein, in denen unterschiedliche Monomodewellen auf Grund unterschiedlicher Geometrien der Bereiche als Hohlraumresonators ausbreitungsfähig sind. Abhängig von der Geometrie der jeweiligen Bereiche kann dann in jedem Bereich eine andere Energieverteilung des Mikrowellenfeldes für das Profil des Werkstücks vorgesehen sein. Ist die Geometrie der Bereiche durch Verschieben von Wänden (ggf. durch einen Motor) eines Bereichs des Monomode-Applikators oder durch Veränderung seines Durchmessers veränderbar, ist sogar die Monomode-Welle im laufenden Betrieb veränderbar. So sind in 4 Hohlraumresonatoren gezeigt, die sich in einen Mittelbereich 16 und zwei einander gleichende Seitenbereiche 17a, 17b aufteilen, wobei im Mittelbereich 16 und in den Seitenbereichen 17a, 17b unterschiedliche Monomodewellen ausbreitungsfähig sind. Die Mikrowellen werden dabei von dem Mittelbereich 16 in die Seitenbereiche 17a, 17b ei ngekoppelt. For single mode applicators 4a to 4d , which are cavity resonators and where the workpiece 3rd the microwave traverses transverse to the direction of propagation A is the energy distribution of the microwave field over the profile of the workpiece 3rd always the same. Depending on the ratio of the profile shape and dimensions of the workpiece 3rd to the wavelength of the standing microwave, the profile can then be heated particularly evenly or selectively. To deal with more complex profile shapes of the workpiece 3rd to ensure uniform or selective heating, or to implement a certain heating sequence, as in the 4th and 5 shown, the cavity resonators can be divided into several areas in which different single-mode waves can be propagated as cavity resonators due to different geometries of the areas. Depending on the geometry of the respective areas, a different energy distribution of the microwave field for the profile of the workpiece can then be provided in each area. If the geometry of the areas can be changed by moving walls (possibly by a motor) of a area of the single-mode applicator or by changing its diameter, even the single-mode shaft can be changed during operation. So are in 4th Cavity resonators shown that are in a central area 16 and two mutually identical side areas 17a , 17b divide, being in the middle 16 and in the side areas 17a , 17b different single-mode waves are capable of propagation. The microwaves are from the central area 16 in the side areas 17a , 17b coupled.

Bei der Ausführungsform gemäß 5 weisen die Hohlraumresonatoren 3 unterschiedliche Bereiche 16, 17, 18 auf, die von dem Werkstück 3 nacheinander durchlaufen werden. Die Seitenbereiche 17, 18 werden dabei wie in der Ausführungsform gemäß 4 von dem Mittelbereich 16 gespeist.In the embodiment according to 5 exhibit the cavity resonators 3rd different areas 16 , 17th , 18th on that from the workpiece 3rd be run through one after the other. The side areas 17th , 18th are as in the embodiment according to 4th from the middle area 16 fed.

Bei sämtlichen quer durchlaufenen Hohlraumresonatoren der 3, 4 und 5, sind an den Werkstücköffnungen 20a, 20b Rohrvorsätze 21a, 21b vorgesehen, die der Abschirmung des Hohlraumresonators dienen. Sie verhindern, dass Mikrowellen aus dem Hohlraumresonator in die Kavität 2 entweichen und dort möglicherweise Schäden oder unerwünschte Einflüsse auf andere Bauteile verursachen oder mit anderen Mikrowellen in der Kavität interferieren.In all cross-cavity resonators 3rd , 4th and 5 , are at the workpiece openings 20a , 20b Pipe adapters 21a , 21b provided that serve to shield the cavity resonator. They prevent microwaves from entering the cavity into the cavity 2nd escaping and possibly causing damage or undesirable influences on other components or interfering with other microwaves in the cavity.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 4275283 [0003]
JP 08108434 A [0004]

Claims

Device (1) for crosslinking one or more, in particular polar, materials, in particular rubber, contained in a workpiece (3), by means of microwaves, with at least one microwave source, characterized by at least one monomode applicator (4) in the microwaves Microwave source can be coupled, the at least one monomode applicator (4) having a first opening (20a) for inserting or removing the workpiece (3).

Device (1) after Claim 1 , characterized in that the at least one monomode applicator (4) is a waveguide which is suitable for guiding monomodal microwaves.

Device (1) after Claim 1 , characterized in that the at least one monomode applicator (4) is a strip conductor which is suitable for guiding monomodal microwaves.

Device (1) after Claim 1 , characterized in that the at least one monomode applicator (4) is a cavity resonator in which a monomodal standing microwave can form.

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the first opening (20a) can be closed.

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the monomode applicator (4) has a second opening (20b) for leading out the workpiece (3), so that the workpiece (3) through the monomode applicator (4 ) can be passed through.

Device (1) after Claim 6 , characterized in that the transport direction (T) of the workpiece (3) is transverse or parallel to the direction of propagation (A) of the microwaves.

Device (1) according to one of the Claims 6 or 7 , characterized in that several monomode applicators (4a, 4b, 4c, 4d) are arranged one behind the other in the transport direction (T) of the workpiece (3) and are passed through by the workpiece (3).

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one monomode applicator (4), in particular in a coupling area of the microwave, a measuring device for measuring the energy density of reflected microwaves and a tuning device for setting properties of a microwave generated by a microwave source The measuring device and the tuning device are components of a control circuit for setting a minimum energy density of the reflected microwaves.

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one monomode applicator (4) has a plurality of regions (16, 17, 18) with different geometries, in at least two of these regions (16, 17, 18) different monomodal microwaves are capable of being propagated.

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the device (1) has a cavity (2), in particular a hot gas cavity.

Device (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one monomode applicator (4) is in several parts and the parts can be separated from one another in particular for inserting or inserting a workpiece (3).

Device (1) after Claim 11 and 12th , characterized in that the cavity (2) has a lid and an in particular upper part of the single-mode applicator (4) is connected to the lid.