DE-102024132353-A1 - Vorrichtung, System und Verfahren zum Erwärmen und/oder Trocknen einer Materialschicht mit Hilfe von Mikrowellen, Filterelement, sowie Verwendung der Vorrichtung

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (100), ein System und ein Verfahren zum Erwärmen und/oder Trocknen einer, insbesondere elektrisch leitfähigen, Materialschicht mit Hilfe von Mikrowellen. Dabei umfasst die Vorrichtung (100): - zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b), welche parallel zueinander angeordnet sind; - zumindest eine Mikrowellenquelle zum Einkoppeln von Mikrowellen in die zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b); und - ein Filterelement (20), welches mit den zumindest zwei Wellenleitern (10a, 10b) einen Führungskanal (30) ausbildet, wobei der Führungskanal (30) ein Führen der Materialschicht durch die zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b) und das Filterelement (20) in einer Führungsebene (E) ermöglicht, und wobei das Filterelement (20) zumindest einen Wellenleiterentkopplungsfilter (25) aufweist, welcher jeweils zwischen zwei benachbarten Wellenleitern (10a, 10b) der zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b) angeordnet und ausgelegt ist, um die benachbarten Wellenleiter (10a, 10b) elektromagnetisch zu entkoppeln. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Filterelement (20) sowie eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (100).

Inventors

• Guido Link
• David Tomsu
• Moritz Engler

Assignees

• Karlsruher Institut für Technologie, Körperschaft des öffentlichen Rechts

Dates

Publication Date

20260507

Application Date

20241106

Claims (17)

1. Vorrichtung (100) zum Erwärmen und/oder Trocknen einer Materialschicht mit Hilfe von Mikrowellen, umfassend: - zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b), welche parallel zueinander angeordnet sind; - zumindest eine Mikrowellenquelle zum Einkoppeln von Mikrowellen in die zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b); und - ein Filterelement (20), welches mit den zumindest zwei Wellenleitern (10a, 10b) einen Führungskanal (30) ausbildet, wobei der Führungskanal (30) ein Führen der Materialschicht durch die zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b) und das Filterelement (20) in einer Führungsebene (E) ermöglicht, und wobei das Filterelement (20) zumindest einen Wellenleiterentkopplungsfilter (25) aufweist, welcher jeweils zwischen zwei benachbarten Wellenleitern (10a, 10b) der zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b) angeordnet und ausgelegt ist, um die benachbarten Wellenleiter (10a, 10b) elektromagnetisch zu entkoppeln.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 2 , ferner umfassend: - eine Führungseinheit zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Materialschicht und dem Führungskanal (30) in der Führungsebene (E).
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2 , wobei jeder Wellenleiter (10a, 10b) zwei gegenüberliegende Längsschlitze (15) aufweist, durch welche die Materialschicht hindurchgeführt werden kann, wobei die Längsschlitze (15) der Wellenleiter (10a, 10b) jeweils derart angeordnet sind, dass durch jeden Längsschlitz (15) die Führungsebene (E) verläuft, und dass in der Führungsebene (E) zwischen den gegenüberliegenden Längsschlitzen (15) des jeweiligen Wellenleiters (10a, 10b) eine oder mehrere der folgenden Bedingungen gilt: - der Effektivwert eines aufgrund von in den jeweiligen Wellenleiter (10a, 10b) eingekoppelten Mikrowellen vorhandenen elektrischen Feldes ist minimal und/oder kleiner als ein für das elektrische Feld vorgegebener Schwellenwert; - der Effektivwert eines aufgrund von in den jeweiligen Wellenleiter (10a, 10b) eingekoppelten Mikrowellen vorhandenen magnetischen Feldes ist maximal und/oder größer als ein für das magnetische Feld vorgegebener Schwellenwert.
4. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Führungskanal (30) in Abhängigkeit einer für die Erwärmung und/oder Trocknung der Materialschicht vorgesehenen Mikrowellen-Mode relativ zu den Wellenleitern (10a, 10b) positioniert ist; und wobei vorzugsweise der Führungskanal (30) dezentral durch die zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b) verläuft.
5. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Filterelement (20) zumindest eine Mikrowellen-Falle, insbesondere zumindest eine Lambda-Viertel-Falle, umfasst; und/oder wobei die zumindest eine Wellenleiterentkopplungsfilterstruktur (25) ausgelegt ist, um als Mikrowellen-Falle, insbesondere als Lambda-Viertel-Falle, zu fungieren.
6. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Wellenleiterentkopplungsfilter (25) eine Waffeleisenstruktur aufweist, und/oder wobei der zumindest eine Wellenleiterentkopplungsfilter (25)eine Struktur mit einer Vielzahl von hohlförmigen Längs- und Querkanälen umfasst, welche jeweils an einem ersten Ende offen und an einem gegenüberliegenden zweiten Ende geschlossen sind, und welche jeweils in einer Richtung senkrecht zur Längsachse der Wellenleiter (10a, 10b) eine Abmessung aufweisen, die einem ungeradzahligen Vielfachen eines Viertels der Wellenlänge einer sich jeweils in den Wellenleitern (10a, 10b) zur Erwärmung und/oder Trocknung der Materialschicht eingekoppelten Mikrowelle entspricht.
7. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jeder Wellenleiter (10a, 10b) ein, vorzugsweise verschiebbares, Kurzschlusselement zum Reflektieren von Mikrowellen innerhalb des jeweiligen Wellenleiters (10a, 10b) aufweist, und wobei: die Kurschlusselemente zweier benachbarter Wellenleiter (10a, 10b) in axialer Richtung der Wellenleiter (10a, 10b) jeweils um ein ungeradzahliges Vielfaches eines Viertels der Wellenlänge einer jeweils in die Wellenleiter (10a, 10b) zur Erwärmung und/oder Trocknung der Materialschicht eingekoppelten Mikrowelle zueinander versetzt angeordnet sind; oder die Vorrichtung N Wellenleiter (10) umfasst und die Kurzschlusselemente von benachbarten Wellenleitern (10a, 10b) der N Wellenleiter (10) in axialer Richtung der Wellenleiter (10) jeweils um 1 2 N der Wellenlänge einer jeweils in die Wellenleiter (10) zur Erwärmung und/oder Trocknung der Materialschicht eingekoppelten Mikrowelle zueinander versetzt angeordnet sind, wobei N eine natürliche ganze Zahl mit N ≥ 2 ist.
8. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei an einem ersten axialen Endabschnitt eines jeden der zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b) eine Iris zum Einkoppeln einer Mikrowelle in den jeweiligen Wellenleiter (10a, 10b) und zum Reflektieren der Mikrowelle im Inneren des jeweiligen Wellenleiters (10a, 10b) angeordnet ist; und/oder wobei an einem zweiten axialen Endabschnitt eines jeden der zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b) ein Kurzschlussschieber zum Reflektieren der Mikrowelle innerhalb des jeweiligen Wellenleiters (10a, 10b) angeordnet ist.
9. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) für jeden Wellenleiter (10a, 10b) eine Wellenlängen-Prüfeinrichtung zum Ermitteln einer etwaigen Differenz zwischen einer tatsächlichen Wellenlänge einer in dem jeweiligen Wellenleiter (10a, 10b) vorhandenen Mikrowelle und einer vorgegebenen Soll-Wellenlänge umfasst, wobei die Wellenlängen-Prüfeinrichtung insbesondere zumindest zwei Messsonden umfasst, welche am jeweiligen Wellenleiter (10a, 10b) zum Auskoppeln eines Messsignals anbringbar oder angebracht sind und welche in einer axialen Richtung des jeweiligen Wellenleiters (10a, 10b) einen Abstand zueinander aufweisen, der einem Vielfachen der halben Soll-Wellenlänge entspricht; und wobei die Vorrichtung (100) ferner insbesondere eine Wellenlängen-Justiereinrichtung zum Anpassen der tatsächlichen Wellenlänge an die Soll-Wellenlänge auf Basis der ermittelten Differenz umfasst.
10. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend zumindest eine Signalübermittlungseinheit, welche ausgelegt ist, um ein oder mehrere Feedback-Signale von den zumindest zwei Wellenleitern (10a, 10b) an die zumindest eine Mikrowellenquelle zu übermitteln.
11. Vorrichtung (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (100) zu jedem Wellenleiter (10a, 10b) eine zugehörige Mikrowellenquelle umfasst, und wobei die zu jeweils zwei benachbarten Wellenleitern (10a, 10b) gehörigen Mikrowellenquellen jeweils an unterschiedlichen axialen Enden der Wellenleiter (10a, 10b) angeordnet sind.
12. System zum Erwärmen und/oder Trocknen einer Materialschicht, umfassend - zumindest zwei Vorrichtungen (100) nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 11 ; und - eine Führungseinheit zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen der Materialschicht und einem gemeinsamen Führungskanal in einer gemeinsamen Führungsebene, wobei die zumindest zwei Vorrichtungen (100) derart angeordnet sind, dass sämtliche Führungsebenen (E) der zumindest zwei Vorrichtungen (100) zusammenfallen und die gemeinsame Führungsebene bilden, und dass der gemeinsame Führungskanal durch die Führungskanäle (30) der zumindest zwei Vorrichtungen (100) ausgebildet ist.
13. System nach Anspruch 12 , umfassend zumindest eine erste Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 11 und zumindest eine zweite Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 11 , wobei: die zumindest eine erste Vorrichtung und die zumindest eine zweite Vorrichtung jeweils spiegelverkehrt zueinander angeordnet sind; oder die zumindest eine zweite Vorrichtung bezüglich der gemeinsamen Führungsebene spiegelsymmetrisch zur zumindest einen ersten Vorrichtung angeordnet ist.
14. Filterelement (20), umfassend - einen Verbindungskanal, welcher ausgelegt ist, um zwei parallel zueinander angeordnete Wellenleiter (10a, 10b) miteinander zu verbinden, und um eine Materialschicht von einem der zwei Wellenleiter (10a, 10b) zum anderen der zwei Wellenleiter (10a, 10b) zu führen; und - eine Filterstruktur (25), welche ausgelegt ist, um die zwei Wellenleiter (10a, 10b) elektromagnetisch zu entkoppeln.
15. Verfahren zum Erwärmen und/oder Trocknen einer Materialschicht, umfassend die Schritte: - Bereitstellen einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ; - Einkoppeln von Mikrowellen in die zumindest zwei Wellenleiter (10a, 10b) mittels der zumindest einen Mikrowellenquelle; und - Führen der Materialschicht durch den Führungskanal (30).
16. Verfahren nach Anspruch 15 , ferner umfassend die Schritte: - für jeden der Wellenleiter (10a, 10b) Ermitteln einer etwaigen Differenz zwischen einer tatsächlichen Wellenlänge einer in dem jeweiligen Wellenleiter vorhandenen Mikrowelle und einer vorgegebenen Soll-Wellenlänge; und - etwaiges Anpassen der tatsächlichen Wellenlänge auf Basis der ermittelten Differenz.
17. Verwendung einer Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 oder eines Systems nach Anspruch 12 oder 13 zum Erwärmen und/oder Trocknen einer Materialschicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Erwärmen und/oder Trocknen einer, insbesondere elektrisch leitfähigen, Materialschicht mit Hilfe von Mikrowellen. Ferner betrifft die Erfindung ein Filterelement, insbesondere zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung, sowie eine Verwendung der Vorrichtung. Beispielsweise in der Batterie- und/oder Brennstoffzellenherstellung ist es notwendig, Elektrodenmaterialien, welche für die Batterien bzw. Brennstoffzellen verwendet werden, zu trocknen. Hierzu werden die Elektroden herkömmlicherweise auf eine Trägerfolie (z.B. aus Aluminium oder Kupfer) aufgebracht und mit Hilfe von Heißluft und/oder Wärmestrahlern erwärmt. Die Trocknung von solchen Materialien ist mit diesen herkömmlichen Methoden jedoch sehr energie- und zeitintensiv. Industrielle Anlagen für die Trocknung von Elektrodenmaterial sind typischerweise bis zu 100 Meter lang, um auf akzeptable Produktionsraten zu kommen. Bisherige Versuche, die Trocknung von Elektroden mit Hilfe von Mikrowellen zu realisieren, sind insbesondere daran gescheitert, dass diese Elektrodenmaterialien naturgemäß signifikante elektrische Leitfähigkeiten aufweisen, so dass die Eindringtiefe der Mikrowellen für eine effiziente Erwärmung des Materials zu gering ist. Beispielsweise liegt die Eindringtiefe von Mikrowellen in guten elektrischen Leitern (wie z.B. Silber, Kupfer, Gold oder Aluminium) unter Verwendung der industriellen Frequenz von 2,45 GHz im Bereich von wenigen Mikrometern. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Erwärmung und/oder Trocknung von Materialschichten, insbesondere von Materialschichten mit einer guten elektrischen Leitfähigkeit (z.B. mindestens 10 S/m), zu verbessern. Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein erster unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Vorrichtung zum Erwärmen und/oder Trocknen einer Materialschicht mit Hilfe von Mikrowellen, umfassend:- zumindest zwei Wellenleiter, welche parallel zueinander angeordnet sind;- zumindest eine Mikrowellenquelle zum Einkoppeln von Mikrowellen in die zumindest zwei Wellenleiter; und- ein Filterelement, welches mit den zumindest zwei Wellenleitern einen Führungskanal ausbildet, wobei der Führungskanal ein Führen der Materialschicht durch die zumindest zwei Wellenleiter und das Filterelement in einer Führungsebene ermöglicht, und wobei das Filterelement zumindest einen Wellenleiterentkopplungsfilter (bzw. eine Wellenleiterentkopplungsfilterstruktur) aufweist, welcher jeweils zwischen zwei benachbarten Wellenleitern der zumindest zwei Wellenleiter angeordnet und ausgelegt ist, um die benachbarten Wellenleiter (zwischen denen jeweils einer des zumindest einen Wellenleiterentkopplungsfilters angeordnet ist) elektromagnetisch zu entkoppeln. Die zu erwärmende bzw. zu trocknende Materialschicht kann eine elektrisch leitfähige Materialschicht wie z.B. eine Elektrodenschicht (insbesondere für Batterien und/oder Brennstoffzellen) sein. Beispielsweise kann die Materialschicht eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 10 S/m, insbesondere mindestens 100 S/m, insbesondere mindestens 1·103 S/m, insbesondere mindestens 1·104 S/m, insbesondere mindestens 1·105 S/m, oder insbesondere mindestens 1·106 S/m aufweisen. Die zu erwärmende bzw. zu trocknende Materialschicht kann auf einen Träger aufgebracht sein. Der Träger kann ein elektrisch isolierender Träger (z.B. eine Kunststofffolie) oder ein elektrisch leitfähiger bzw. metallischer Träger (z.B. eine Aluminiumfolie oder Kupferfolie) sein. Insbesondere kann die Materialschicht in der Form eines Materialbandes oder eines Materialfilms vorliegen. Insbesondere kann die zu erwärmende bzw. zu trocknende Materialschicht ein Film sein. Das Erwärmen und/oder Trocknen umfasst bzw. ist insbesondere ein induktives Erwärmen, was bedeutet, dass das Erwärmen und/oder Trocknen (im Wesentlichen) mit Hilfe eines magnetischen Feldes (der Mikrowellen) erfolgt. Unter „Mikrowellen“ werden im Rahmen dieser Beschreibung elektromagnetische Wellen, insbesondere in einem Frequenzbereich von 300 MHz und 300 GHz bzw. einem Wellenlängenbereich von 1 mm bis 1 m verstanden. Beispielsweise können für die hierin beschriebene Vorrichtung bzw. das hierin beschriebene Verfahren Mikrowellen in dem industriellen Frequenzband bei 2,45 GHz verwendet werden. Unter „Wellenleiter“ wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere ein Hohlleiter zum Führen elektromagnetischer Wellen bzw. Mikrowellen verstanden. Vorzugsweise handelt es sich bei den Wellenleitern um Rechteck-Wellenleiter bzw. RechteckHohlleiter. Es versteht sich, dass grundsätzlich jedoch auch andere Wellenleiter bzw. Hohlleiter verwendet werden können, welche das Führen von Mikrowellen ermöglichen. Die zumindest zwei Wellenleiter sind insbesondere bezüglich Längsachsen der Wellenleiter und/oder bezüglich einer Wellenausbreitungs