Método y dispositivo para calentar materiales de forma homogénea por medio de radiación electromagnética de alta frecuencia.

Método para calentar materiales que tienen la capacidad de absorber radiación electromagnética de alta frecuencia,

en particular microondas, por medio de la irradiación de dichos materiales con radiación electromagnética de alta frecuencia, en donde la radiación electromagnética de alta frecuencia se acopla a dicho material en una pluralidad de áreas de radiación por medio de una pluralidad de antenas (2) de microondas, caracterizado porque las antenas (2) de microondas están dispuestas sustancialmente en filas paralelas y los centros de dichas áreas de radiación están separados entre sí, en donde la temperatura del material se mide en cada una de dicha pluralidad de áreas de radiación, y la dosis de radiación proporcionada por cada una de dicha pluralidad de antenas (2) de microondas se controla, en función de la temperatura respectiva del área de radiación respectiva, de tal manera que se obtiene una temperatura del material sustancialmente uniforme en la totalidad de dicha pluralidad de áreas de radiación.

Método y dispositivo para calentar materiales de forma homogénea por medio de radiación electromagnética de alta frecuencia [0001] La presente invención se refiere a un método para calentar materiales que tienen la capacidad de absorber radiación electromagnética de alta frecuencia, en particular microondas, por medio de la irradiación de dichos materiales con radiación electromagnética de alta frecuencia, en donde la radiación electromagnética de alta frecuencia se acopla a dicho material en una pluralidad de áreas de radiación por medio de una pluralidad de antenas de microondas. Por otra parte, la presente invención va dirigida a un dispositivo para calentar materiales que tienen la capacidad de absorber radiación electromagnética de alta frecuencia, comprendiendo el dispositivo por lo menos una fuente de radiación con capacidad de generar radiación electromagnética de alta frecuencia, en particular microondas, estando conectada dicha fuente de radiación a por lo menos una antena de microondas que tiene la capacidad de efectuar un acoplamiento de introducción de la radiación electromagnética de alta frecuencia generada por dicha fuente de radiación en el material a calentar, en donde el dispositivo está provisto de una pluralidad de antenas de microondas.

Los dispositivos para la generación de radiación electromagnética de alta frecuencia son bien conocidos en la técnica para calentar diferentes tipos de materiales, por ejemplo, comidas y bebidas (hornos de microondas) , polímeros que se deben plastificar (termoplásticos) o curar/reticular (plásticos termoestables, elastómeros) , etcétera. Habitualmente, la frecuencia y la longitud de onda de la radiación generada se sitúan en la banda de las microondas, es decir, entre aproximadamente 300 MHz y 300 GHz y entre aproximadamente 1 mm y 1 m, de forma respectiva, aunque dichos parámetros pueden variar en un intervalo más amplio en función del material a calentar.

El documento FR 2 874 473 A1 describe un proceso para el tratamiento por calor de un material elástico. Dicho proceso comprende la etapa de hacer circular el material elástico sobre rodillos giratorios que son calentados desde el interior, en donde los rodillos se irradian con microondas desde varias fuentes de microondas que están separadas entre sí y dispuestas en torno a la circunferencia de cada rodillo. Los cilindros giratorios están provistos de un dispositivo de calentamiento interno así como de sensores de infrarrojos en sus paredes.

El documento WO 97/13136 A1 da a conocer un sistema de procesado por microondas para controlar simultáneamente una pluralidad de reacciones químicas en recipientes de reacción independientes, desde una única fuente de microondas. Aparte de que dicho dispositivo no está adaptado para calentar de manera uniforme exactamente el mismo material, no comprende antenas de microondas, sino que receptáculos que rodean los recipientes de reacción actúan como resonadores, produciendo así un campo de microondas difuso en cada recipiente de reacción.

Un problema básico del calentamiento por medio de radiación electromagnética de alta frecuencia, en particular microondas, consiste en que, en el material que se está calentando, se obtiene una distribución de temperatura bastante poco homogénea, en la medida en la que los medios de acoplamiento de introducción convencionales, por ejemplo, antenas de microondas en forma de guías de ondas sustancialmente rectangulares o cilíndricas, y similares, habitualmente emiten un “chorro” bastante agudo, en cuyo centro el material tiende a sobrecalentarse mientras que en el área circunferencial de este “chorro” no se produce un calentamiento significativo. Además, el propio campo de radiación generado por unos medios de acoplamiento de introducción, por ejemplo, una antena de microondas, de una fuente de radiación con capacidad de generar microondas, por ejemplo, un magnetrón, klystron o similares, tiende a ser bastante poco homogéneo. Por otra parte, debido a que el calentamiento de un material por medio de radiación electromagnética de alta frecuencia depende de sus propiedades materiales, por ejemplo, densidad, contenido de agua, tipo de material y especialmente capacidad de absorción para radiación electromagnética de alta frecuencia, es prácticamente imposible prever un calentamiento sustancialmente homogéneo del material por medio de radiación electromagnética de alta frecuencia, lo cual no solamente se aplica en relación con materiales a calentar que no son muy homogéneos.

Los hornos convencionales de microondas intentan hacer frente a este problema haciendo girar el material a calentar con el fin de obtener, por un lado, un área más amplia que quede expuesta a las microondas y, por otro lado, para evitar que áreas discretas del material se sobrecalienten debido a que queden expuestas a las microondas durante un periodo de tiempo demasiado prolongado. Por lo que respecta al uso de radiación electromagnética de alta frecuencia en el campo del procesado de plásticos, por ejemplo, con el fin de curar o reticular resinas o polímeros curables o reticulables, el problema anterior se afronta también convencionalmente moviendo o haciendo girar un molde, que se llena con la resina o polímero, con respecto a uno o más medios o antenas de acoplamiento de introducción de microondas, o viceversa.

No obstante, aunque el mero movimiento del material a calentar con respecto a un campo de radiación de microondas que es generado por antenas de microondas apropiadas de una fuente de radiación de microondas podría evitar en gran medida el sobrecalentamiento del material en ciertas áreas que están más expuestas al campo de radiación, es evidente que, con esto, no se puede lograr un calentamiento sustancialmente homogéneo del material, ni EP 2046093

siquiera si, en el material a calentar, se añaden aditivos de absorción de microondas con el fin de potenciar su capacidad de absorción de microondas.

Adicionalmente, en particular en el campo del procesado de plásticos, de manera especial en relación con el curado o reticulación de resinas o polímeros o, hablando en términos generales, monómeros, dímeros, oligómeros o polímeros, con frecuencia se requiere observar unas condiciones de procesado muy estrictas debido a la necesidad de disponer de un curado, reticulación o polimerización reproducible, lo cual incluso puede hacer que sea necesario formular la resina por lotes mediante preparación manual, según el caso junto con material fibroso para su refuerzo. En la medida en la que las antenas de microondas convencionales no pueden proporcionar un calentamiento sustancialmente homogéneo y reproducible en el caso de un curado o reticulación posterior de la resina, esta última habitualmente se calienta por convección.

En el caso de componentes o productos de escala bastante grande, tales como barcos o cascos de barco, palas de molinos de viento, tubos y similares que se fabrican habitualmente mediante infusión de resina usando una herramienta o molde de forma apropiada, frecuentemente la formulación incluso se debe curar a temperatura ambiente durante un periodo de tiempo prolongado, puesto que no existe ninguna solución atractiva desde el punto de vista económico y medioambiental para una tecnología de calentamiento homogénea y reproducible. Por lo tanto, el fabricante de dichas piezas debe personalizar una formulación de resina para el procesado (mezclado de los componentes de la resina, aditivos, fibras de refuerzo, etcétera) así como para el curado a temperatura ambiente. No obstante, aunque, para el procesado, una viscosidad bastante baja de la resina es beneficiosa (moléculas pequeñas, longitud de cadena corta, sustancialmente sin reticulación) con el fin de proporcionar una mezcla homogénea y una impregnación completa de fibras de refuerzo, para el posterior curado o reticulación resulta ventajosa una polimerización rápida de la resina, lo cual induce un aumento notable de la viscosidad, y, por lo tanto, las propiedades de impregnación así como las propiedades de mezclado disminuyen drásticamente. Por consiguiente, si no se pueden efectuar cambios en las condiciones límite, por ejemplo, temperatura, entre el proceso de llenado del molde y el proceso de curado o reticulación, la formulación de la resina debe cumplir condiciones en conflicto.

El documento US 5 459 301 A describe un método y un aparato de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones independientes 1 y 19 las cuales están destinadas al tratamiento con microondas de prendas de vestir tratadas químicamente. De acuerdo con dicho documento, se proporciona una pluralidad de generadores de microondas en una cámara de microondas que está provista... [Seguir leyendo]

1. Método para calentar materiales que tienen la capacidad de absorber radiación electromagnética de alta frecuencia, en particular microondas, por medio de la irradiación de dichos materiales con radiación 5 electromagnética de alta frecuencia, en donde la radiación electromagnética de alta frecuencia se acopla a dicho material en una pluralidad de áreas de radiación por medio de una pluralidad de antenas (2) de microondas, caracterizado porque las antenas (2) de microondas están dispuestas sustancialmente en filas paralelas y los centros de dichas áreas de radiación están separados entre sí, en donde la temperatura del material se mide en cada una de dicha pluralidad de áreas de radiación, y la dosis de radiación proporcionada por cada una de dicha pluralidad de antenas (2) de microondas se controla, en función de la temperatura respectiva del área de radiación respectiva, de tal manera que se obtiene una temperatura del material sustancialmente uniforme en la totalidad de dicha pluralidad de áreas de radiación.

2. Método según la reivindicación 1, en el que la temperatura del material que se está calentando se mide por lo 15 menos en la región central de cada área que se está irradiando.

3. Método según la reivindicación 1 ó 2, en el que la temperatura se mide de forma sustancialmente continua.

4. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que la temperatura se mide por medio de 20 sensores de infrarrojos.

5. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que cada antena (2) de microondas se conecta a una fuente individual de radiación (3) con capacidad de generar radiación electromagnética de alta frecuencia.

6. Método según la reivindicación 5, en el que la dosis de radiación proporcionada por cada antena (2) de microondas se controla por medio del control individual de la potencia de radiación, en particular la amplitud de la radiación electromagnética de alta frecuencia, de su fuente de radiación (3) .

7. Método según la reivindicación 5, en el que la dosis de radiación proporcionada por cada antena (2) de microondas 30 se controla por medio del control individual de la duración de generación de radiación de su fuente de radiación (3) .

8. Método según la reivindicación 7, en el que la potencia de radiación, en particular la amplitud de la radiación electromagnética de alta frecuencia, de cada fuente de radiación (3) se mantiene en un nivel sustancialmente constante.

9. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que la dosis de radiación proporcionada por cada antena (2) de microondas se controla por medio de influir individualmente en las propiedades de emisión de la antena respectiva (2) de microondas.

10. Método según la reivindicación 9, en el que la dosis de radiación proporcionada por las antenas (2) de microondas se controla por medio de la variación de un campo magnético que influye en la antena respectiva (2) de microondas.

11. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la pluralidad de antenas (2) de microondas 45 se dispone de tal manera que las áreas de radiación de las mismas se solapan parcialmente.

12. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que la pluralidad de antenas (2) de microondas se dispone en una matriz.

13. Método según la reivindicación 12, en el que la matriz comprende varias filas (R1, R2) de antenas (2) de microondas, estando dispuestas sustancialmente las filas (R1, R2) en una relación en paralelo.

14. Método según la reivindicación 13, en el que las antenas (2) de microondas de por lo menos algunas filas (R1, R2) ,

en particular de filas adyacentes (R1, R2) , se disponen en una relación al tresbolillo. 55

15. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, en el que la pluralidad de antenas (2) de microondas se dispone en unos medios (4) de soporte, en donde las antenas (2) de microondas son movibles con respecto a dichos medios (4) de soporte y/o dichos medios (4) de soporte se pueden montar de forma movible en el suelo.

16. Método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, en el que el material que se está calentando se selecciona de un grupo que comprende resinas, monómeros, dímeros, oligómeros y polímeros curables y/o reticulables.

EP 2046093

17. Método según la reivindicación 16, en el que las resinas, monómeros, dímeros, oligómeros y/o polímeros curables y/o reticulables se calientan a una temperatura suficiente con el fin de curar y/o reticular de forma sustancialmente homogénea dichas resinas, monómeros, dímeros, oligómeros y polímeros por lo menos parcialmente.

18. Método según la reivindicación 16 ó 17, en el que las resinas, monómeros, dímeros, oligómeros y polímeros curables y/o reticulables están dispuestos en un molde, en donde las antenas (2) de microondas se mueven por sustancialmente todo el molde con el fin de lograr un curado y/o reticulación sustancialmente homogéneo de las resinas, monómeros, dímeros, oligómeros y/o polímeros curables y/o reticulables, obteniendo así un moldeo curado y/o reticulado.

19. Dispositivo (1) para calentar materiales que tienen la capacidad de absorber radiación electromagnética de alta frecuencia, comprendiendo el dispositivo (1) por lo menos una fuente de radiación (3) con capacidad de generar radiación electromagnética de alta frecuencia, en particular microondas, estando conectada dicha fuente de radiación (3) a por lo menos una antena (2) de microondas que tiene la capacidad de efectuar un acoplamiento de introducción de la radiación electromagnética de alta frecuencia generada por dicha fuente de radiación (3) en el material a calentar, en donde el dispositivo (1) está provisto de una pluralidad de antenas (2) de microondas, caracterizado porque dichas antenas (2) de microondas están dispuestas sustancialmente en una relación en paralelo de manera que se obtienen áreas de radiación cuyos centros están separados entre sí, en donde, a cada antena (2) de microondas, se le asignan unos medios (7) de medición de temperatura con capacidad de medir la temperatura de cada área de radiación, y en donde la dosis de radiación proporcionada por cada antena (2) de microondas es controlable, en función de la temperatura de su área de radiación medida por los medios (7) respectivos de medición de temperatura, de tal manera que se obtiene una temperatura sustancialmente uniforme del material a calentar, en las áreas de radiación de todas las antenas (2) de microondas, respectivamente.

20. Dispositivo según la reivindicación 19, en el que los medios (7) de medición de temperatura están dispuestos en la región central de cada antena (2) de microondas, de manera que disponen de la capacidad de medir la temperatura de por lo menos la región central del área de radiación de la antena respectiva (2) de microondas.

21. Dispositivo según la reivindicación 19 ó 20, en el que los medios (7) de medición de temperatura están 30 compuestos por un sensor de infrarrojos.

22. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21, en el que el dispositivo (1) comprende una pluralidad de fuentes de radiación (3) con capacidad de generar radiación electromagnética de alta frecuencia, estando conectada cada fuente de radiación (3) a una antena individual (2) de microondas.

23. Dispositivo según la reivindicación 22, en el que la potencia de radiación, en particular la amplitud de la radiación electromagnética de alta frecuencia, de la fuente de radiación (3) de cada antena (2) de microondas es controlable individualmente.

24. Dispositivo según la reivindicación 22, en el que la duración de generación de radiación de la fuente de radiación (3) de cada antena (2) de microondas es controlable individualmente.

25. Dispositivo según la reivindicación 24, en el que la potencia de radiación, en particular la amplitud de la radiación electromagnética de alta frecuencia, de cada fuente de radiación (3) es ajustable en un nivel constante. 45

26. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 25, en el que las propiedades de emisión de cada antena (2) de microondas son controlables por medio de un imán que está asignado a cada antena (2) de microondas, en donde el imán tiene un campo magnético variable y está dispuesto de tal manera que se permite que su campo magnético influya en la potencia de radiación correspondiente a la radiación electromagnética de 50 alta frecuencia emitida desde la antena respectiva (2) de microondas.

27. Dispositivo según la reivindicación 26, en el que el imán es un electroimán.

28. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 27, en el que la pluralidad de antenas (2) de 55 microondas está dispuesta en una matriz.

29. Dispositivo según la reivindicación 28, en el que la matriz comprende varias filas (R1, R2) de antenas (2) de microondas, estando dispuestas las filas (R1, R2) en una relación sustancialmente en paralelo.

30. Dispositivo según la reivindicación 29, en el que las antenas (2) de microondas de por lo menos algunas filas (R1, R2) , en particular de filas adyacentes, están dispuestas en una relación al tresbolillo.

31. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 30, en el que la pluralidad de antenas (2) de microondas está dispuesta en unos medios (4) de soporte, en donde las antenas (2) de microondas son movibles EP 2046093

con respecto a dichos medios (4) de soporte y/o dichos medios (4) de soporte se pueden montar de forma movible en el suelo.

32. Dispositivo según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 31, en donde el mismo comprende además un molde con capacidad de alojar resinas, monómeros, dímeros, oligómeros y/o polímeros curables y/o reticulables, siendo movibles las antenas (2) de microondas sustancialmente por todo el molde con el fin de lograr un curado y/o reticulación sustancialmente homogéneo de las resinas, monómeros, dímeros, oligómeros, y/o polímeros curables y/o reticulables, obteniendo así un moldeo curado y/o reticulado.

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