DE102015216647A1

DE102015216647A1 - Anlage für Wabenkörper sowie Verfahren zum Trocknen von Wabenkörpern

Info

Publication number: DE102015216647A1
Application number: DE102015216647.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Zapf; Rainer Leppelt; Dipl.-Ing. Fischer Walter; Dr.-Ing. Dotzel Ralf
Original assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Current assignee: Johnson Matthey Catalysts Germany GmbH
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-03-02
Also published as: EP3344937A1; CA2996373A1; BR112018003819A2; EP3344937B1; CN108139150A; JP2018526255A; RU2018111312A; WO2017037452A1; CN108139150B; US20180320970A1; KR20180044403A

Abstract

Die Anlage (2) für Wabenkörper (14) umfasst einen Mikrowellenofen (4) mit zumindest einem Mikrowellenstrahler (6) zur Bestrahlung des jeweiligen Wabenkörpers (14) mit einem gerichteten Mikrowellenstrahl unter einer Bestrahlrichtung (S). Weiterhin umfasst der Mikrowellenofen (4) eine Fördereinheit (12) zur Zuführung des Körpers (14) in den Mikrowellenofen (4). Weiterhin ist die Anlage (2) derart ausgebildet, dass gewährleistet ist, dass die Bestrahlrichtung (S) unter einem vorgegebenen Einstrahlwinkel (α) relativ zu Querrichtungen (A, B) orientiert ist, unter denen Kanalwände (20a, 20b) des Wabenkörpers (14) orientiert sind. Der Einstrahlwinkel (α) ist dabei bezüglich der beiden Querrichtungen (A, B) ungleich Null. Hierdurch ist sichergestellt, dass keine parallele Einstrahlung zu den Kanalwänden (20a, 20b) erfolgt, wodurch unerwünschte Fokusiereffekte und damit die Entstehung von Rissen vermieden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Trocknen für Wabenkörper mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Trocknen von Wabenkörpern.
Eine derartige Anlage und ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE 10 2011 016 066 B4 zu entnehmen. Die Wabenkörper bestehen insbesondere aus einer keramischen Masse und das Trocknen der Wabenkörper ist ein Teilschritt bei der Herstellung eines keramischen Wabenkörpers, insbesondere zur Ausbildung eines keramischen Wabenkatalysators. Die Wabenkörper werden üblicherweise mittels eines Extruders aus einer pastösen keramischen, feuchten Masse hergestellt. Die Wabenkörper werden anschließend zunächst getrocknet, bevor sie zum Sintern einer Hochtemperaturbehandlung unterzogen werden.
Der Wabenkörper weist üblicherweise Kanäle auf, die sich in Längsrichtung des Wabenkörpers erstrecken. Diese Kanäle sind dabei von ersten und zweiten Kanalwänden begrenzt, die sich in einer ersten und zweiten Querrichtung erstrecken. Die Kanalwände sind dabei typischerweise gitternetzartig ausgebildet und insbesondere senkrecht zueinander orientiert.
Die hergestellten Wabenkatalysatoren werden insbesondere zur Abgasreinigung eingesetzt, beispielsweise zur Stickoxidreduzierung als SCR-Katalysatoren. Derartige Wabenkatalysatoren werden insbesondere auch bei Fahrzeugen eingesetzt.
Im Hinblick auf eine kostengünstige und effiziente Herstellung werden derartige Wabenkatalysatoren häufig in einem Durchlaufverfahren nach dem Extrusionsvorgang getrocknet, und zwar bevorzugt auf einen vorgegebenen Restfeuchtegehalt, bevor sie anschließend zur Ausbildung des keramischen Festkörpers einer Temperaturbehandlung, nämlich einem Sintervorgang unterzogen werden. Aus der EP 2 227 447 B1 ist hierbei ein Gefriertrocknungsverfahren bekannt, bei dem die feuchten Wabenkatalysatoren zunächst eingefroren und anschließend mit Mikrowelle bestrahlt werden. Ein derartiges Verfahren hat sich als besonders effizient erwiesen. Die Trocknungsdauer konnte hierdurch auf deutlich unter 1h verkürzt werden. Ein besonderer Vorteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Trocknung durch Sublimation aus dem gefrorenen Zustand erfolgt, d.h. dass das Wasser direkt in die Gasphase übergeht. Durch die Mikrowellenbestrahlung wird dabei ein homogenes Trocknen ohne ein Aufheizen des Wabenkörpers angestrebt. Bei einer herkömmlichen IR-Bestrahlung zur Unterstützung der Trocknung würde demgegenüber ein Temperaturgradient entstehen (außen heiß, innen kalt), welcher nachteilig ist.
Der Trocknungsvorgang sollte allgemein möglichst gleichmäßig und schonend erfolgen, um das Entstehen von Rissen zu vermeiden.
Aus der DE 10 2011 016 066 B4 ist zur Mikrowellen-unterstützten Trocknung bei einem Mikrowellenofen der Einsatz von mehreren in Längsrichtung des Mikrowellenofens versetzten Mikrowellenstrahler zu entnehmen, welche jeweils zueinander drehversetzt angeordnet sind, sodass sie unter unterschiedlichen Winkelrichtungen die einzelnen Körper mit einem gerichteten Mikrowellenstrahl bestrahlen.
Untersuchungen haben gezeigt, dass bei einem derartigen mikrowellenunterstützten Trocknungsverfahren jedoch weiterhin die Gefahr besteht, dass aufgrund einer ungünstigen Mikrowelleneinstrahlung innerhalb des Wabenkörpers beim Trocknungsvorgang Risse entstehen können, welche die mechanische Stabilität beeinflussen und unter Umständen den Wabenkatalysator unbrauchbar machen.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Anlage sowie ein Verfahren zum Trocknen für derartige Wabenkörper insbesondere aus einer keramischen Masse anzugeben, wobei derartige Risse möglichst vermieden sind.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Anlage zum Trocknen für Wabenkörper mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Trocknen von Wabenkörpern mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten. Die im Hinblick auf die Anlage angeführten Vorteile der bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
Die Anlage umfasst einen Mikrowellenofen mit zumindest einem Mikrowellenstrahler zur Bestrahlung des Wabenkörpers mit einem gerichteten Mikrowellenstrahl unter einer vorgegebenen Bestrahlrichtung. Die Anlage ist nunmehr derart konzipiert, dass gewährleistet ist, dass die Bestrahlrichtung unter einem vorgegebenen Einstrahlwinkel relativ zu den beiden Querrichtungen orientiert ist, unter denen sich die Kanalwände erstrecken. Der Einstrahlwinkel ist dabei bezüglich beider Querrichtungen ungleich Null. Durch die spezielle Ausgestaltung der Anlage ist daher eine parallele Einstrahlung zu der Orientierung der Kanalwände zuverlässig vermieden.
Untersuchungen haben nämlich gezeigt, dass die Ausbildung der unerwünschten Risse begünstigt wird, wenn die Mikrowellenstrahlung parallel zu den Kanalwänden orientiert ist. Bei der Trocknung entstehen üblicherweise Spannungen innerhalb des Wabenkörpers. Bei einer derartigen gerichteten Einstrahlung kommt es offensichtlich zu einer inhomogenen Trocknung, sodass beim Trocknungsvorgang innerhalb des Wabenkörpers Spannungen auftreten, die vom Wabenkörper nicht mehr aufgenommen werden können und dann zu den Rissen führen. Dies wird durch die spezielle antiparallele Einstrahlung vermieden. Durch die spezielle Orientierung werden die entstehenden Spannungen besser von dem Wabenkörper aufgenommen, so dass die Entstehung von Rissen vermieden, zumindest reduziert ist. Weiterhin werden durch die spezielle antiparallele Einstrahlung auch unerwünschte Fokusiereffekte der Mikrowellenstrahlung innerhalb des Wabenkörpers verhindert, was ebenfalls die Rissentstehung zumindest hemmt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst die Anlage neben dem Mikrowellenofen auch einen Extruder zur Erzeugung der Wabenkörper durch Extrusion. Zur Gewährleistung, dass der Einstrahlwinkel bezüglich der Querrichtung den gewünschten Wert einnimmt, ist nunmehr der Extruder bezüglich des Mikrowellenofens definiert ausgerichtet. Insbesondere weist der Extruder einen Extrusionskopf auf, über den die Querrichtungen definiert sind. Dieser Extrusionskopf ist nunmehr derart orientiert, dass der Wabenkörper im Betrieb dem Mikrowellenofen lagerichtig zugeführt wird. Zweckdienlicherweise wird daher der Wabenkörper durch den Extrusionskopf bereits in der Sollorientierung ausgebildet. Anschließend wird der extrudierte Wabenkörper auf der Fördereinheit abgelegt und dem Mikrowellenofen zugeführt. Insbesondere erfolgt dies ohne dass die Orientierung des jeweiligen Wabenkörpers noch verändert wird.
Der Extrusionskopf weist ein zu der Wabenstruktur des Wabenkörpers komplementäres Muster auf, weist also sich üblicherweise kreuzende erste und zweite Extrusionsschlitze auf, welche die ersten und zweiten Kanalwände des Wabenkörpers definieren. Insbesondere sind daher diese Extrusionsschlitze bereits in den gewünschten Querrichtungen bezüglich der Bestrahlrichtung orientiert.
Durch diese Ausgestaltung mit der speziellen Orientierung des Extrusionskopfes lagerichtig in Relation zu dem Mikrowellenstrahler des Mikrowellenofens ist ein vergleichsweise einfacher Aufbau der Anlage insbesondere für ein kontinuierliches Durchlauf-Verfahren ausgebildet. Zusätzliche Kontroll- und Überwachungseinheiten für die lagerichtige Orientierung sowie eventuelle Einrichtungen zum Positionieren oder Drehen der Wabenkörper sind daher nicht erforderlich und vorzugsweise auch nicht vorgesehen.
Alternativ oder auch ergänzend weist die Anlage zur Gewährleistung des gewünschten Einstrahlwinkels eine Kontrolleinheit auf. Über diese ist in bevorzugter Ausgestaltung die Orientierung der ersten und/oder zweiten Kanalwände erfassbar und wird im Betrieb erfasst. Hierzu wird insbesondere ein beispielsweise optisches Messsystem eingesetzt, welches die korrekte Ausrichtung der Wabenkörper vor dem Eintritt in den Mikrowellenofen oder auch innerhalb des Mikrowellenofens überprüft.
Zweckdienlicherweise umfasst die Anlage eine Ausrichteinheit, die zur Überführung des Körpers und/oder auch des eingesetzten Mikrowellenstrahlers in eine gewünschte Sollausrichtung ausgebildet ist. Sofern also eine mangelhafte Orientierung des Wabenkörpers erfasst wird, besteht über diese Ausrichteinheit die Möglichkeit, den Körper entsprechend zu drehen oder auch bei Bedarf den Mikrowellenstrahler. Vorzugsweise wird jedoch der Wabenkörper gedreht.
In bevorzugter Ausgestaltung wird dabei der Einstrahlwinkel derart gewählt, dass er im Bereich von 30° bis 60° bezüglich der ersten oder auch der zweiten Querrichtung orientiert ist. Vorzugsweise wird ein Einstrahlwinkel von 45° gewählt.
Da die Kanalwände üblicherweise gitternetzartig zueinander unter einem 90° Winkel orientiert sind, ist durch eine 45°-Bestrahlung gewährleistet, dass der Einstrahlwinkel bezüglich beider Kanalwände identisch ist. Bei einer 45°-Orientierung haben sich bei Untersuchungen die besten Ergebnisse bezüglich der Vermeidung von Rissen ergeben.
Im Hinblick auf ein effizientes Trocknungsverfahren sind zweckdienlicherweise mehrere Mikrowellenstrahler angeordnet. Dabei ist die Bestrahlrichtung eines jeden Mikrowellenstrahlers unter einem Einstrahlwinkel orientiert, der bezüglich der Querrichtungen ungleich Null ist. Damit ist auch bei mehreren Mikrowellenstrahlern gewährleistet, dass eine parallele Einstrahlung vermieden ist. Insbesondere sind sämtliche eingesetzte Mikrowellenstrahler derart orientiert, dass eine parallele Einstrahlung vermieden ist. Bevorzugt weisen alle Mikrowellenstrahler bezüglich einer der Querrichtungen den gleichen Einstrahlwinkel auf.
Bevorzugt sind weiterhin mehrere Mikrowellenstrahler innerhalb einer gemeinsamen Querebene angeordnet. Die Mikrowellenstrahler sind dabei um den Umfang des Mikrowellenofens herum versetzt angeordnet. Hierdurch wird ein effizientes, gleichmäßiges Trocknen erreicht.
Zweckdienlicherweise sind dabei insbesondere vier Mikrowellenstrahler innerhalb der Querebene angeordnet, wobei die einzelnen Mikrowellenstrahler insbesondere um 90° zueinander versetzt sind. Durch diese Maßnahme wird insbesondere ein Einstrahlwinkel von 45° bei jedem Mikrowellenstrahler sichergestellt.
Alternativ, insbesondere jedoch ergänzend zu der Anordnung der mehreren Mikrowellenstrahler innerhalb einer Querebene sind zusätzlich auch mehrere Mikrowellenstrahler in Längsrichtung zueinander versetzt angeordnet. Die einzelnen in Längsrichtung zueinander versetzten Mikrowellenstrahler fluchten dabei vorzugsweise miteinander, sind also nicht drehversetzt zueinander ausgerichtet. Jeder in Längsrichtung nachfolgender Mikrowellenstrahler ist daher an der gleichen Drehposition wie der vorausgehende Mikrowellenstrahler angeordnet. Bei der Anordnung von mehreren Mikrowellenstrahlern innerhalb einer Querebene gilt dies für jeden Mikrowellenstrahler innerhalb der jeweiligen Querebene. Bei der Verwendung von vier Mikrowellenstrahlern pro Querebene sind daher die Mikrowellenstrahler in den einzelnen Querebenen beispielsweise in den Positionen 12 Uhr, 3 Uhr, 6 Uhr sowie 9 Uhr angeordnet.
Im Hinblick auf ein möglichst effizientes Trocknen ist ein kontinuierliches Trocknen im Durchlaufverfahren einer Vielzahl von Wabenkörpern vorgesehen. Entsprechend ist die Anlage geeignet ausgebildet und die Fördereinheit dient zur insbesondere kontinuierlichen Förderung der Wabenkörper in Förderrichtung. Die Förderrichtung entspricht dabei insbesondere der Längsrichtung der Kanäle des Wabenkörpers. Die Mikrowellenstrahler sind seitlich angeordnet und strahlen insbesondere quer zur Längsrichtung, also unter einem Winkel von 90° bezüglich der Längsrichtung ein.
Weiterhin ist die Anlage derart ausgebildet, dass im Betrieb im Mikrowellenofen ein Unterdruck eingestellt ist, welcher insbesondere kleiner 20 mbar und insbesondere kleiner 6 mbar oder kleiner 4mbar ist. Entsprechend ist eine Vakuumpumpe mit geeigneter Pumpleistung, insbesondere in Kombination mit einem Kondensator /Resublimator vorgesehen.
Bei dem Trocknungsverfahren handelt es sich insbesondere um ein Gefrier-Trocknungsverfahren, bei dem also die einzelnen Wabenkörper vor dem Mikrowellen-Trocknen eingefroren werden. Hierzu sind üblicherweise in Förderrichtung der Wabenkörper vor dem eigentlichen Mikrowellenofen Kühlbereiche ausgebildet, beispielsweise indem Kühlschlangen um ein Gehäuse herum gelegt sind, welches einen Eingangsbereich des Mikrowellenofens bildet. Die Wabenkörper werden üblicherweise auf eine ausreichend tiefe Temperatur unterhalb des Gefrierpunktes gekühlt.
Ergänzend und insbesondere Alternativ zu einer Kühlanlage wird das Einfrieren der Wabenkörper durch Einstellung eines geeigneten Unterdrucks von wenigen mbar, z.B. kleiner 6mbar erreicht. Durch die Druckabsenkung können Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts erreicht werden. Insbesondere bei einem derartigen Konzept würde ein sich verändernder Druck innerhalb des Mikrowellenofens zu einer Variation der Temperatur führen; wobei ein zunehmender Druck einen Temperaturanstieg nach sich ziehen würde.
Um den gewünschten Effekt des Gefriertrocknens zu erreichen wird zweckdienlicherweise sichergestellt, dass ausreichend niedrige Temperaturen während des gesamten Trocknungsverfahrens gewährleistet sind, um ein „Auftauen“ der Wabenkörper zu vermeiden. Gleichzeitig wird dadurch gewährleistet, dass die gewünschte Sublimation zum Trocknen der Wabenkörper auch zuverlässig erfolgt, ohne dass flüssiges Wasser vorliegt. Solche würden nämlich zu einer erhöhten Rissbildung führen.
In zweckdienlicherweise Ausgestaltung ist daher weiterhin vorgesehen, dass die über die verschiedenen Mikrowellenstrahler eingestrahlte Mikrowellenleistung in Abhängigkeit des im Mikrowellenofen herrschenden Innendrucks geregelt wird. Diese Ausgestaltung beruht auf der Überlegung, dass eine hohe Strahlleistung zu einer Freisetzung eines hohen Massestroms eines Wasser enthaltenen Gases führt, welcher über die Vakuumpumpe „abgesaugt“ wird. Ein hoher Massestrom kann jedoch innerhalb der begrenzten Kanäle des Wabenkörpers, durch den der Massestrom austreten muss, zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes und damit zu einer Druckerhöhung führen. Unter Umständen führt dies daher zu einer unerwünschten Temperaturerhöhung innerhalb des Wabenkörpers. Um dies zu vermeiden wird daher die Strahlleistung entsprechend reguliert, um einen derartigen unerwünschten Druckanstieg über einen vorgegebenen Grenzwert zuverlässig zu vermeiden. Im Falle eines unerwünschten Anstiegs oder einer Annäherung an den Grenzwert wird daher die Strahlleistung beispielsweise reduziert, um den Massestrom zu reduzieren und eine weitere Druckerhöhung zu vermeiden.
Im Hinblick auf ein effizientes Abführen des freiwerdenden Massestroms mit den Wasseranteilen ist weiterhin ein ausreichender Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wabenkatalysatoren innerhalb des Mikrowellenofens zweckdienlich. Untersuchungen haben gezeigt, dass vorzugsweise ein Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wabenkörpern von größer 2,5 cm insbesondere von größer 3 cm einen unerwünschten Druckanstieg zwischen den Wabenkörpern zuverlässig verhindert. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wabenkörpern wird daher zweckdienlicherweise auf einen Bereich beispielsweise zwischen 3 und 6 cm eingestellt.
Weiterhin ist im Hinblick auf eine gezielte, gleichmäßige Mikrowellen-Einstrahlung vorgesehen, dass jedem Mikrowellenstrahler eine eigene Einheit zur Erzeugung der Mikrowellen zugeordnet ist. Es erfolgt also keine Strahlaufteilung durch Strahlteiler. Derartige Strahlteiler haben sich im Betrieb ebenfalls als kritisch im Hinblick auf die Entstehung von Rissen herausgestellt, da sie häufig zu einer inhomogenen Einstrahlung der Mikrowellen führen. Innerhalb einer Querebene wird bei der Anordnung von mehreren Mikrowellenstrahlern über jeden der Mikrowellenstrahler bevorzugt die gleiche Mikrowellenleistung eingestrahlt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen jeweils in vereinfachten Darstellungen:
1 Eine schematische Längsschnittdarstellung einer Anlage zum Trocknen von Wabenkörpern sowie
2 eine Querschnittdarstellung durch den Mikrowellenofen entlang der Schnittlinie II, II in 1.
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in der 1 dargestellte Anlage 2 umfasst einen sich in einer Längsrichtung L erstreckenden Mikrowellenofen 4, welcher insgesamt nach Art eines langestreckten Kanals ausgebildet ist. Dieser weist vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt auf. Alternativ ist der Querschnitt des Mikrowellenofens oft polygonförmig, beispielsweise rechteckförmig und insbesondere quadratisch. Der Mikrowellenofen 4 weist eine Vielzahl von Mikrowellenstrahlern 6 auf. Diese sind im Ausführungsbeispiel in Längsrichtung L zueinander versetzt angeordnet. Ergänzend sind mehrere Mikrowellenstrahler 6 jeweils innerhalb einer Querebene Q angeordnet.
Wie insbesondere aus der 2 hervorgeht sind dabei um den Umfang des Mikrowellenofens 4 verteilt insgesamt vier Mikrowellenstrahler 6 angeordnet, welche zueinander jeweils insbesondere um 90° versetzt angeordnet sind.
Bei den Mikrowellenstrahlern 6 handelt es sich zunächst um einfache Mikrowellen-Hohlleiter, welche in eine Antenne münden, welche vorzugsweise als sogenannter Hornstrahler ausgebildet ist, wie diese in 1 angedeutet ist. Die Antennen (Hornstrahler) sind dabei radial am Mikrowellenofen 4 angeordnet sind und in den Innenraum des Mikrowellenofens 4 münden. Zur Erzeugung der Mikrowellen ist in hier nicht näher dargestellter Weise zweckdienlicherweise für jeden einzelnen Mikrowellenstrahler 6 eine eigene Mikrowellen-Erzeugungseinheit vorgesehen. Diese gibt daher die erzeugte Mikrowellenstrahlung in den Führungskanal des jeweiligen Mikrowellenstrahlers 6 ab.
Zur Einstellung eines gewünschten Unterdrucks innerhalb des Mikrowellenofens 4 ist weiterhin eine Vakuumanlage 8 mit einer Vakuumpumpe 10 angeordnet, welche den Innendruck innerhalb des Mikrowellenofens 4 im Betrieb vorzugsweise auf einen Wert und typischerweise im Bereich von kleiner etwa 6 mbar einstellt und auch hält. Ergänzend zur Vakuumpumpe ist ein hier nicht näher dargestellter Kondensator /Resublimator für das während des Trocknungsvorgangs freigesetzte Wasser angeordnet. Eingangs- sowie ausgangsseitig einer Trocknungszone des Mikrowellenofens 4, innerhalb derer die einzelnen Mikrowellenstrahler 6 angeordnet sind, sind Schleusen 11 ausgebildet, über die die Wabenkörper 14 in bzw. aus den Unterdruckbereich des Mikrowellenofens geführt werden. Zwischen den Schleusen 11 und dem jeweils nächstliegenden Mikrowellenstrahler 6 ist weiterhin in bevorzugter Ausgestaltung eine Übergangszone ausgebildet, die in Längsrichtung L eine Länge von mehreren 10cm, insbesondere im Bereich von zumindest 30 bis 50 cm bis vorzugsweise maximal etwa 1 m aufweist. Hierdurch werden zuverlässig (Plasma-)Entladungen vermieden.
Die Trocknungszone mit den Mikrowellenstrahlern 6 und die beiden Übergangszonen bilden vorzugsweise eine einstückige insbesondere rohrförmige Baueinheit, an die sich weitere Komponenten der Anlage 2, insbesondere die Schleusen 11, beispielsweise über eine Flanschverbindung fest anschließen.
Innerhalb des Mikrowellenofens 4 ist weiterhin eine Fördereinheit 12 angeordnet, auf der eine Vielzahl von Wabenkörpern 14 im Betrieb angeordnet sind. Die Fördereinheit 12 fördert die einzelnen Wabenkörper 14 in Längsrichtung L kontinuierlich in einem Durchlaufverfahren durch den Mikrowellenofen 4. Die Fördereinheit 12 fördert daher die Wabenkörper 14 in einer Förderrichtung F, welche der Längsrichtung L des Mikrowellenofens entspricht. Die Wabenkörper 14 weisen dabei einen Abstand a im Bereich von einigen cm, insbesondere von mehr als 3cm und vorzugsweise im Bereich von 3 bis 6 cm auf.
Die Anlage 2 weist weiterhin einen Extruder 16 auf, welcher an seiner einen Endseite einen Extrusionskopf 17 ausbildet. Mit Hilfe des Extruders 16 werden die Wabenkatalysatoren 14 aus einer keramischen, pastösen Masse durch einen Formgebungsprozess erzeugt. Nachfolgend zum Extruder 16 ist in hier nicht dargestellter Weise eine Trenneinrichtung ausgebildet, über die der aus dem Extrusionskopf 17 austretende extrudierte Massestrang wiederkehrend getrennt wird, so dass die einzelnen Wabenkörper 14 gebildet werden.
Die Wabenkörper 14 weisen dabei insbesondere einen Durchmesser von etwa 5 bis 14 Zoll sowie eine Länge von 5 bis 10 Zoll auf.
Das Einfrieren der Wabenkörper 14 erfolgt vorzugsweise ausschließlich durch eine geeignete Druckabsenkung, ohne dass eine zusätzliche Kühleinrichtung angeordnet ist. Die Wabenkörper 14 werden daher durch den geringen Druck eingefroren, so dass das in den Wabenkörpern 14 enthaltene Wasser in Eisform eingeschlossen ist.
Von besonderer Bedeutung ist, dass die gesamten Anlage 2 derart konzipiert ist, dass die einzelnen Wabenkörper 14 in einer definierten Orientierung bezüglich der einzelnen Mikrowellenstrahler 6 den Mikrowellenofen 4 durchlaufen. Hierzu ist in bevorzugter Ausgestaltung der Extrusionskopf 17 bereits in einer geeigneten Orientierung befestigt, so dass der erzeugte Extrusionsstrang und damit die erzeugten Wabenkörper 14 bereits die gewünschte Orientierung aufweisen.
Alternativ oder ergänzend sind in zweckdienlichen Weiterbildungen Einrichtungen zur Kontrolle der gewünschten Soll-Orientierung integriert, beispielsweise eine Messeinrichtung zur Überprüfung der Soll-Orientierung und / oder eine Ausrichteinheit, um die Soll-Orientierung herbeiführen zu können.
Bei den Wabenkörpern 14 handelt es sich um extrudierte Wabenkörper, die häufig eine kreisrunde Querschnittsform aufweisen, also vorzugsweise insgesamt zylinderförmig ausgebildet sind. Sie erstrecken sich dabei in Längsrichtung L und weisen eine Vielzahl von einzelnen Kanälen 18 auf, wie sich insbesondere aus 2 ergibt. Diese einzelnen Kanäle 18 durchsetzen den Wabenkörper 14 vorzugsweise vollständig in Längsrichtung L und treten daher stirnseitig an Eintritt- und Austrittsöffnungen ein beziehungsweise aus. Die einzelnen Kanäle 18 werden dabei jeweils begrenzt durch erste Kanalwände 20a sowie zweite Kanalwände 20b. Die ersten Kanalwände 20a erstrecken sich dabei in eine erste Querrichtung A und die zweiten Kanalwände 20b in eine zweite Querrichtung B. Die Kanalwände 20a, 20b sind insbesondere gitternetzartig ausgebildet und stehen senkrecht zueinander. Entsprechend sind die beiden Querrichtungen A, B auch senkrecht zueinander orientiert.
Über die einzelnen Mikrowellenstrahler 6 wird im Betrieb jeweils unter einer Bestrahlrichtung S ein gerichteter Mikrowellenstrahl in den Mikrowellenofen 4 eingestrahlt. Diese ist dabei unter einem Einstrahlwinkel α bezüglich der beiden Querrichtungen A, B orientiert. Im Ausführungsbeispiel beträgt der Einstrahlwinkel α jeweils 45° zu den beiden Querrichtungen A, B.
Der Betrieb der Anlage 2 wird durch eine hier nicht näher dargestellte Steuereinrichtung gesteuert und insbesondere auch geregelt. Im Hinblick auf einen kontinuierlichen und effizienten Betrieb werden die einzelnen Wabenkörper 14 mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit in Längsrichtung L durch den Mikrowellenofen 4 geführt. Innerhalb Anlage 2 sind vorzugsweise Sensoren, beispielsweise ein Gewichtssensor, Feuchtesensoren ect. angeordnet, über die beispielsweise zumindest mittelbar ein Feuchtegehalt der Wabenkörper 14 vor dem Eintritt in den Mikrowellenofen 6 erfasst wird. In Abhängigkeit des Feuchtegrads wird dann beispielsweise die eingestrahlte Mikrowellenleistung geeignet gesteuert.
Allgemein wird die eingestrahlte Strahlleistung mit Hilfe einer Steuereinheit geeignet geregelt, so dass ein möglichst gleichmäßiges, homogenes Trocknen bis auf einen definierten Restfeuchtegehalt erfolgt. Die Regelung erfolgt hierbei insbesondere in Abhängigkeit des Innendrucks innerhalb des Mikrowellenofens 6. Die Regelgröße ist ein gewünschter maximaler Soll-Innendruck. Hierdurch wird sichergestellt, dass nicht durch eine zu hohe Sublimationsrate ein zu hoher Massestrom entsteht, welcher zu einer unerwünschten Druckerhöhung und damit zu einem unerwünschten Temperaturanstieg mit der Gefahr eines (auch partiellen) Auftauens führen würde.
Die eingestrahlte Strahlleistung pro Querebene Q liegt dabei beispielsweise im Bereich von einigen Kilowatt. Dabei ist die eingestrahlte Strahlleistung in vorderen Querebenen Q üblicherweise größer als in hinteren Querebenen Q, wo bereits eine Vortrocknung stattgefunden hat. Die Strahlleistungen insbesondere der ersten Querebene Q werden beispielsweise auch in Abhängigkeit der Eigenschaften des Wabenkörpers 14 am Eingang des Mikrowellenofens 4, insbesondere in Abhängigkeit seines Gewichts eingestellt und reguliert.
Durch die hier beschriebene Anlage mit der definierten Ausrichtung der Wabenkörper 14 bezüglich der Strahlrichtung S wird ein besonders geeignetes, zügiges Trocknungsverfahren ermöglicht, bei dem die Gefahr der Bildung von Rissen gering ist. Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt ist in der Regelung der Strahlleistung zu sehen, so dass ein Druckanstieg über einen vorgegebenen Maximalwert vermieden ist.
Bezugszeichenliste

2: Anlage
4: Mikrowellenofen
6: Mikrowellenstrahler
8: Vakuumanlage
10: Vakuumpumpe
11: Schleuse
12: Fördereinheit
14: Wabenkörper
16: Extruder
17: Extrusionskopf
18: Kanäle
20a: erste Kanalwand
20b: zweite Kanalwand
L: Längsrichtung
F: Förderrichtung
a: Abstand
Q: Querebene
A: erste Querrichtung
B: zweite Querrichtung
S: Bestrahlrichtung
α: Einstrahlwinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011016066 B4 [0002, 0007]
EP 2227447 B1 [0005]

Claims

Anlage (2) zum Trocknen von Wabenkörpern (14), die sich einer Längsrichtung (L) erstreckende Kanäle (18) aufweisen, welche begrenzt sind von ersten Kanalwänden (20a), die sich in einer ersten Querrichtung (A) erstrecken und von zweiten Kanalwänden (20b), die sich in einer zweiten Querrichtung (B) erstrecken, mit – einem Mikrowellenofen (4) mit einem zumindest einem Mikrowellenstrahler (6) zur Bestrahlung des Körpers mit einem gerichteten Mikrowellenstrahl unter einer Bestrahlrichtung (S), – einer Fördereinheit (12) zur Zuführung des Körpers in den Mikrowellenofen (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (2) derart ausgebildet ist, dass gewährleistet ist, dass die Bestrahlrichtung (S) unter einem vorgegebenen Einstrahlwinkel (α) relativ zu den beiden Querrichtungen (A, B) orientiert ist, wobei der Einstrahlwinkel (α) bezüglich beider Querrichtungen (A, B) ungleich Null ist.
Anlage (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Extruder (16) zur Erzeugung der Wabenkörper (14) durch Extrusion aufweist, wobei sich an den Extruder (16) die Fördereinheit (12) anschließt, welche zum Mikrowellenofen (4) führt, und dass der Extruder (16) einen Extrusionskopf (17) aufweist, der derart orientiert ist, dass die Wabenkörper (14) im Betrieb dem Mikrowellenofen (4) lagerichtig zugeführt werden.
Anlage (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Erfassung der Orientierung der ersten und/oder zweiten Kanalwände (20a, 20b) ausgebildet ist.
Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Überführung des Körpers und/oder des Mikrowellenstrahlers (6) in eine gewünschte Sollausrichtung ausgebildet ist.
Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einstrahlwinkel (α) im Bereich von 30° bis 60° und insbesondere bei 45° bezüglich der ersten oder der zweiten Querrichtung (A, B) ist.
Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mikrowellenstrahler (6) angeordnet sind und die Bestrahlrichtung (S) eines jeden Mikrowellenstrahlers (6) unter einem Einstrahlwinkel (α) orientiert ist, der bezüglich beider Querrichtungen (A, B) ungleich Null ist.
Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mikrowellenstrahler (6) innerhalb einer Querebene (Q) angeordnet sind.
Anlage (2) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass vier jeweils um 90° zueinander versetzte Mikrowellenstrahler (6) angeordnet sind.
Anlage (2) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere in Längsrichtung (L) zueinander versetzte Querebenen (Q) mit jeweils mehreren, insbesondere vier um 90° zueinander versetzten Mikrowellenstrahler (6) ausgebildet sind.
Anlage (2) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Mikrowellenstrahler (6) der verschiedenen Querebenen (A, B) in Längsrichtung (L) miteinander fluchten.
Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie für ein kontinuierliches Trocknen im Durchlaufverfahren einer Vielzahl von Körpern ausgebildet ist und die Fördereinheit (12) zur Förderung der Körper in einer Förderrichtung (F) ausgebildet ist, welche parallel zur Längsrichtung (L) ist.
Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb der Innendruck im Mikrowellenofen (4) auf kleiner 20 mbar, insbesondere auf kleiner 6 mbar eingestellt wird.
Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die eingestrahlte Mikrowellenleistung in Abhängigkeit des im Mikrowellenofen (4) herrschenden Drucks geregelt wird.
Anlage (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Mikrowellenstrahler (6) eine eigene Einheit zur Erzeugung der Mikrowellen aufweist.
Verfahren zum Trockenen von Wabenkörpern (14) die sich einer Längsrichtung (L) erstreckende Kanäle (18) aufweisen, welche begrenzt sind von ersten Kanalwänden (20a), die sich in einer ersten Querrichtung (A) erstrecken und von zweiten Kanalwänden (20b), die sich in einer zweiten Querrichtung (B) erstrecken, wobei in einem Mikrowellenofen (4) die Wabenkörper (14) unter einer Bestrahlrichtung (S) mit Mikrowellenstrahlung bestrahlt werden, dadurch gekennzeichnet, dass gewährleistet wird, dass die Bestrahlrichtung (S) unter einem vorgegebenen Einstrahlwinkel (α) relativ zu den beiden Querrichtungen (A, B) orientiert ist, wobei der Einstrahlwinkel (α) bezüglich beider Querrichtungen (A, B) ungleich Null ist.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenkörper (14) mittels eines Extruders (16) extrudiert werden, und zwar derart, dass sie lagerichtig auf eine Fördereinheit (12) abgelegt und dem Mikrowellenofen (4) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wabenkörper (14) innerhalb des Mikrowellenofens (4) in Längsrichtung (L) einen Abstand von größer 3cm und kleiner 6cm zueinander aufweisen.