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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikrowellen unterstützte chemische
Verfahren und Vorrichtungen, insbesondere auf externe und nicht invasive
Messungen von Druck, der in geschlossenen Behältern durch chemische Reaktionen,
welche Mikrowellen unterstützt
sind, erzeugt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Der
Begriff "Mikrowellen
unterstützte
Chemie" bezeichnet
den Gebrauch elektromagnetischer Wellen im Bereich der Mikrowellenfrequenzen,
um die Energie bereitzustellen, die benötigt wird, um bestimmte chemische
Reaktionen auszulösen,
ablaufen zu lassen oder zu beschleunigen. Chemikern ist seit langem
klar, dass die Anwendung von Wärmeenergie
einer der signifikantesten Faktoren ist, um die Geschwindigkeit
einer breit gefächerten
Anzahl chemischer Reaktionen zu erhöhen. Daher sind in der Vergangenheit
allgemein ähnliche
Vorrichtungen, wie der Bunsenbrenner oder andere Typen von Gasbrennern,
Heizplatten u. a. ähnliche
Vorrichtungen benutzt worden, um verschiedene chemische Reaktionen
auszulösen
oder zu beschleunigen.
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In
einem relativ simplen Vergleich kann gesagt werden, dass Mikrowellen
unterstützte
chemische Verfahren zum Erhitzen chemischer Reagenzien in derselben
Weise wie Haushaltsmikrowellenöfen zum
Kochen von Lebensmitteln benutzt werden. Es gibt aber signifikante
Unterschiede zwischen dem gewöhnlichen
Haushaltseinsatz der Mikrowellenenergie bei Lebensmitteln und dem
labormäßigen Gebrauch
bei chemischen Reagenzien. Daher sind die Vorrichtungen und Verfahren,
die zur Mik rowellen unterstützten
Chemie benötigt
werden, generell viel anspruchsvoller als die haushaltsorientierten
Vorrichtungen und Verfahren.
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In
einem Vergleich aber bieten die Labormikrowellenvorrichtungen und
die Haushaltsmikrowellen den gleichen Vorteil: in vielen Fällen steigern
sie beide sehr stark die Geschwindigkeit, mit der Materialien erwärmt werden
können,
verglichen zu den Geschwindigkeiten, mit denen sie durch gewöhnliche Wärmeleitung
oder Wärmekonvektion
erwärmt
werden könnten.
Daher ist die Mikrowellen unterstützte Chemie besonders beim
Betreiben oder Beschleunigen von Reaktionen, die dazu neigen, bei
eher konventionellen Erwärmtechniken
zeitintensiv zu sein, wertvoll. Besondere Beispiele beinhalten die
Feuchtigkeitsmessung, in der die Proben wirkungsvoll zur Trockenheit
erhitzt werden müssen,
das Digerieren, ein Prozess, bei dem eine chemische Mischung zur weiteren
Analyse in ihre Bestandteile zerbrochen wird, wobei der Zerfall
im Allgemeinen durch Erwärmung
der Mischung in einer oder mehreren mineralischen Säuren erreicht
wird und dem Kjeldahl-Verfahren zur Stickstoffbestimmung. Bei Einsatz
konventioneller Erwärmverfahren,
kann die Feuchtigkeitsmessung, Kjeldahl- oder Digerierreaktionen
sehr langwierig sein und sich in einigen Fällen über Stunden erstrecken. Wenn
die Reaktionen aber Mikrowellen unterstützt sind, können sie in einem viel kürzeren Zeitraum
abgeschlossen werden. Es ist ersichtlich, dass dieser Zeitgewinn
einen besonders signifikanten Vorteil in jenen Situationen hat,
in denen eine große
Anzahl von Proben auf einer annähernd
kontinuierlichen Basis geprüft
werden muss. Obwohl die Mikrowellen unterstützte Chemie, verglichen zu
einigen anderen Verfahren, relativ neu ist, hat sie sich daher gut
etabliert und ist bei einer Anzahl von analytischen Anwendungen
akzeptiert worden.
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Es
ist für
jene, die mit dem elektromagnetischen Spektrum vertraut sind ersichtlich,
dass der Begriff "Mikrowelle" oft allgemein benutzt
wird, um eine Strahlung mit Wellenlängen zwischen ungefähr 1.000
und 500.000 Mikrons (μ)
und korrespondierenden Frequenzen zwischen ungefähr 1 × 109 und 5 × 1011 Hertz (Hz) zu bezeichnen. Dies sind jedoch
willkürliche
Grenzen, und andere Quellen bezeichnen Mikrowellen als Wellen mit
Frequenzen zwischen ungefähr
108 und 1012 Hertz
und Wellenlängen
von zwischen ungefähr
300 Zentimetern (cm) und 0,3 Millimetern (mm). Für kommerzielle und Haushaltszwecke
werden die gebräuchlichen
Mikrowellenfrequenzen in den Vereinigten Staaten durch die Federal Communications
Commission reguliert und sind allgemein zu sicheren Frequenzen wie
z. B. 2.450 Megahertz MHz) begrenzt. Wegen der relativ langen Wellenlänge der
Mikrowellenstrahlung werden Mikrowellen unterstützte chemische Verfahren oft
in geschlossenen Behältern
ausgeführt,
welche wiederum innerhalb einer Vorrichtung platziert sind, die
eine oberflächliche
Beziehung zu Haushaltsmikrowellenöfen nahe legt, die aber hinsichtlich
ihrer Quelle, Wellenführung,
Aushöhlung
und Steuerungselementen viel anspruchsvoller ist.
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Weil
die Reaktionen oft innerhalb geschlossener Behälter ausgeführt werden und weil die Reaktionen
oft Gas erzeugen, neigen die Reaktionen wiederum dazu, einen signifikanten
Druck in den Reaktionsbehältern
zu erzeugen und aufzubauen. Dementsprechend sind Behälter entwickelt
worden, die den am meist erwarteten Drücken widerstehen und auch verschiedene
Druckentlastungsvorrichtungen beinhalten, um die Behälter vor
dem Explodieren unter den signifikanten Drücken die erzeugt werden, zu schützen. Ein
exemplarisches Behälter-
und Druckentlastungssystem ist beispielsweise im US-Patent 5,369,034
dargelegt, welches an die CEM Corporation of Matthews, North Carolina,
vergeben wurde.
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In
der
DE 3919601 ist ein
Behälter
zur Säuretrennung
einer Substanz zur Elementanalyse in einem Mikrowellenofen offenbart.
Der Behälter
besteht aus einen napfförmigen äußeren Zylinder
mit einer Abdeckklappe und einem inneren Zylinder mit einem Deckel,
alle aus einem Material hergestellt, das mikrowellendurchlässig ist,
wie z. B. Quartz, Teflon oder Polyetherimid oder Polysulphone mit
einer höheren Wärmefestigkeitstemperatur
als Teflon. Jeder interne Druckanstieg drückt auf eine Elastomerringfeder
und ein Messfühler,
der mit einem Stift verbunden ist, spricht darauf an. Dieser Mechanismus
wird auch benutzt, um den Mikrowelleneingang zu steuern. Gemäß dieser
Veröffentlichung
ermöglicht
die Vorrichtung eine Druckmessung ohne Beeinflussung durch das Mikrowellenfeld
und schützt
das Personal vor Gasleckagen.
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In
der
DE 4300957 ist eine
Vorrichtung zum Erhitzen von Substanzen unter Druck in einem Mikrowellenfeld
offenbart. Diese Vorrichtung enthält ein geschlossenes Gefäß, das aus
einem Material hergestellt ist, das mikrowellendurchlässig ist.
Das Gefäß wird durch
einen Stöpsel
abgedichtet, dessen Innenwand durch eine Feder in Position gehalten
wird und beinhaltet ein Druckventil oder einen Sensor. Die Feder
besteht aus einer oder mehreren Metalldruckfedern, die innerhalb
eines elektrisch leitenden Gehäuses
angeordnet ist bzw. sind. Die Anordnung erhitzt Substanzen, die
durch Mikrowellen zerlegt werden sollen, während sie unter Druck in Säure eingelagert
sind. Die Federn sind von den Mikrowellen abgeschirmt, was die Folge
hat, dass der Prozess über längere Zeiträume bei
höheren
Temperaturen und Drücken
genauer angewandt werden kann.
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Obwohl
die einfache Anwendung der Mikrowellenenergie in Vorrichtungen mit
abgedichteten Behältern
einige Vorteile hat, wird das Verfahren besonders nützlich,
wenn die Reaktionen innerhalb des Behälters überwacht werden können, während die Mikrowellen
eingesetzt werden. Auf diese Weise kann in einem typischen Mikrowellen
unterstützten chemischen
System eine Vielzahl ähnlicher
Reaktionen zur selben Zeit in separaten geschlossenen Behältern durchgeführt werden,
die zusammen in einem einzigen Hohlraum platziert sind und dann
zusammen in Mikrowellen einer einzigen Quelle ausgesetzt werden.
Typischerweise weist eines der Behältnisse Temperatur- und Druckmessvorrichtungen
auf. Dieser "Sensorbehälter" wird überwacht
und die Bedingungen darin werden als repräsentative Bedingungen in den übrigen Behältern, die
den Mikrowellen ausgesetzt werden, angesehen.
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Anders
gesagt, ist in bestimmten Mikrowellen unterstützten Systemen eine Gruppe
von Reaktionsbehältern
(typisch 6 oder 8) in der Mikrowellenvorrichtung gleichzeitig platziert,
oft auf einem Drehteller, der sich, wenn die Mikrowellen eingeschaltet werden,
dreht. Wie weiter oben dargelegt, ist die Wellenlänge der
Mikrowellen typischerweise länger
als die Gegenstände,
die erhitzt werden, so dass stationäre Gegenstände nicht immer gleichmäßig den
Mikrowellen ausgesetzt sind. Dementsprechend werden kleinere Gegenstände, wie
z. B. Reaktionsbehälter
und relativ kleine Mengen von chemischen Reagenzien, am besten auf
einer periodischen Basis bewegt, während sie den Mikrowellen ausgesetzt
sind. Aus ähnlichen
Gründen
beinhalten Haushalts-Küchenmikrowellenöfen typischerweise
ventilatorähnliche
Rührer,
um die Mikrowellen innerhalb des Hohlraums gleichmäßiger zu
reflektieren, oder Drehtische, um die Nahrungsmittel während des
Kochens zu drehen. Alternativ teilen die Mikrowellen Kochanweisungen
typischerweise den Konsumenten mit, das Essen während des Kochprozesses zu
drehen, zu rühren
oder anderweitig zu bewegen.
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Während Mikrowellen
unterstützter
chemischen Verfahren wird der Druck allgemein aus Sicherheitsgründen überwacht,
d. h., es wird sichergestellt, dass der Druck, der durch die chemischen
Reaktionen hervorgerufen wird, innerhalb der druckbeherrschbaren
Grenzen der Vorrichtung verbleibt. Eine typische Vorrichtung beinhaltet
flexibles Schlauchmaterial, das vom Behälterinneren zu einer externen
Druckmessvorrichtung verläuft.
Solch eine Anordnung ist für
frühere
Generationen von Mikrowellen unterstützten Vorrichtungen und Behältern, die
bei relativ geringen Drücken
wie beispielsweise 1.379 kPa eingesetzt werden, ausreichend. Heute sind
aber Behälter
erhältlich,
die bei internen Drücken
von 4.137, 6.205 oder sogar 10.342 MPa arbeiten (600, 900 bzw. 1500
psi). Die typischerweise erhältlichen
Schlauchmaterialien können
solch hohen Drücken
nicht widerstehen, folglich entsprechen die vorherigen Druckmessverfahren
nicht mehr den Verbesserungen der Behälter.
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Zusätzlich schafft
es die Messung des Gasdrucks im Inneren des Behälters nicht, andere Belastungen,
die den Behälter
beeinflussen können,
insbesondere die Belastungen, die aus einer thermischen Expansion
herrühren,
zu berücksichtigen.
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Natürlich kann
der Gasdruck gemessen werden, indem eine Druckmessvorrichtung innerhalb des
Reaktionsbehälters
zusammen mit den chemischen Reagenzien eingebracht wird und die
ablaufenden Reaktionen dann überwacht
werden. Obwohl verständlicherweise
attraktiv, wird die interne Messung durch die häufige Anwesenheit von konzentrierten
mineralischen Säuren
wie z. B. Salzsäure
(HCI), Schwefelsäure
(H2SO4) und Phosphorsäure (H3PO4), die oft in
Mikrowellen unterstützten
chemischen Verfahren benutzt werden, begrenzt. Wegen ihrer aggressiven
chemischen Natur neigen diese Säuren dazu,
nahezu alle anderen Materialien anzugreifen und nur wenige Messvorrichtungen
(sowohl für Druck,
Temperatur oder andere Parameter) widerstehen solchen Angriffen
auf einer wiederholten Basis.
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Deshalb
besteht der Bedarf für
eine Vorrichtung und ein Verfahren, in welchen der interne Druck in
einem Mikrowellen unterstützten
chemischen System gemessen werden kann, aber ohne die Nachteile einer
komplexen Anordnung oder chemischen Angriffen auf die Messvorrichtung.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet ein Mikrowellen-Behältersystem
zur individuellen Drucküberwachung
und Steuerung, wobei das besagte System beinhaltet:
einen Reaktionsbehälter, der
aus einem Material gebildet ist, welches durchlässig für Mikrowellenstrahlen ist;
wobei der Reaktionsbehälter,
der einen Bereich beinhaltet, der unter dem Druck, der durch chemische
Reaktionen innerhalb des besagten Behälters abläuft, beweglich ist, während die
Reaktionen abgedichtet in dem besagten Behälter aufrechterhalten wird,
und einen Drucksensor außerhalb
des Behälters
und angrenzend an den beweglichen Bereich des Behälters zur
Druckerfassung, betätigt
durch den beweglichen Bereich, wenn besagter Bereich auf einen Druck,
der innerhalb des Behälters
erzeugt wird, reagiert.
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Das
Behältersystem
umfasst ferner Mittel, wie sie in Anspruch 1 gekennzeichnet sind,
außerhalb
des Behälters
und außerhalb
des Sensors zum Führen
des externen Drucksensor gegen den beweglichen Abschnitt, während Mikrowellen
auf den Behälter
einwirken, so dass der Druck, der auf den beweglichen Bereich einsetzt,
unter Druck durch den externen Sensor ermittelt wird.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe mit einem Mikrowellen-Behältersystem zur externen und
nicht invasiven Druckkontrolle und Steuerung. Der Behälter kann
den Druck, der durch eine chemische Reaktion innerhalb des Behälters erzeugt
wird, überwachen,
während
die Reaktion abgedichtet innerhalb des Behälters abläuft.
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Nach
einem anderen Aspekt beinhaltet die Erfindung ein System einer Mikrowellen
unterstützten
chemischen Anlage, die eine Quelle, eine Wellenführung, einen Hohlraum und eine
Vielzahl von Reaktionsbehältern
in dem Hohlraum beinhaltet, wobei jeder Behälter die oben erwähnten externen
und nicht invasiven Druckmesseigenschaften besitzt.
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Die
vorstehende und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung und die
Art und Weise, in welcher dieselben ausgeführt werden, werden auf der Grundlage
der folgenden genaueren Beschreibung in Verbindung mit den anliegenden
Zeichnungen klarer. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Perspektivansicht
einer Laborvorrichtung für
Mikrowellen unterstützte
chemische Verfahren,
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2 eine Perspektivansicht
eines Behälters
der vorliegenden Erfindung,
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3 eine Ansicht eines Behälters und
Rahmens entsprechend der vorliegenden Erfindung,
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4 eine Perspektivansicht
eines Drucksensorbereichs der vorliegenden Erfindung,
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5 eine auseinandergezogene
Ansicht des Drucksensors nach 4 ist
und
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6 eine teilweise auseinandergezogene Ansicht
des Reaktionsbehälters,
der auch in den 2 und 3 dargestellt ist.
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1 zeigt eine typische Labormikrowellenvorrichtung,
allgemein ausgewiesen mit der Position 10. Der Grundaufbau
und die Arbeitsweise der Mikrowellenvorrichtung wie z. B. 10 sind
schon in anderen Patenten beschrieben worden, einschließlich beispielsweise
in den US-Patenten 4,566,312; 4,681,996; Re34,373; 4,882,286; 5,066,843; 5,206,479.
Alle diese können
auf die vorliegende Anwendung normal übertragen werden und erörtern den
grundsätzlichen
Aufbau und die Arbeitsweise von Mikrowellenvorrichtungen wie der
dargestellten Vorrichtung 10. Entspre chend sind die spezifischen Details
und die Arbeitsweise solcher Vorrichtungen hier nicht mehr erörtert, außer wenn
es nötig
oder hilfreich ist, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben.
Wie aber in den früheren
Patenten dargelegt ist, beinhaltet die Mikrowellenvorrichtung 10 typischerweise
ein Gehäuse 11,
eine Quelle (nicht gezeigt) von Mikrowellenstrahlen in dem Gehäuse, eine Wellenführung (nicht
gezeigt) in dem Gehäuse
zum Mikrowellenverkehr mit der Quelle und einen Hohlraum (oder "Resonator"), der typischerweise
hinter der Tür 12 der
Mikrowellenvorrichtung 10 positioniert ist. Der Hohlraum
in dem Gehäuse 11 ist
in Mikrowellenkommunikation mit dem Wellenleiter und der Quelle.
Wie nachstehend hier erörtert
ist, sind in typischen Mikrowellen unterstützten chemischen Prozessen
eine Vielzahl von Reaktionsbehältern
zusammen in dem Hohlraum der Vorrichtung 10 angeordnet,
um die Fähigkeit
der Vorrichtung den Hohlraum mit Mikrowellenstrahlen zu beaufschlagen
und so den Inhalt zu erwärmen,
auszunutzen.
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Wie 1 ferner darstellt, beinhaltet
die typische Vorrichtung 10 auch eine Serie von Kontrollelementen,
die allgemein mit 14 bezeichnet sind, zusammen mit einer
Anzeige 15, welche typischerweise Anzeigeelemente beinhaltet
wie z. B. eine Flüssigkristallanzeige
(LCD) oder eine Leuchtdioden (LED) -Anzeige. 1 zeigt außerdem eine Ventilatoröffnung 16 als
auch verschiedene Anschlüsse 17 und 20 für Strom,
Kommunikation, oder Luft und Flüssigkeiten.
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2 zeigt ein Mikrowellenbehältersystem der
vorliegenden Erfindung zum Einsatz in Verbindung mit der Mikrowellenvorrichtung,
wie sie als Vorrichtung 10 in 1 dargestellt ist. Das System beinhaltet
einen abdichtbaren Reaktionsbehälter 21,
der aus einem Material, das für
Mikrowellenstrahlen durchlässig
ist, gebildet ist. In bevorzugten Ausführungsformen ist der Behälter 21 aus
einem technischen Polymere wie z. B. Polytetrafluoroethylen (PTFE)
gebildet und ist umhüllt
von einem gewobenen Tuch eines flachen Gewebes, das aus Fiberglasfasern
gebil det wird. Solche Mittel werden unter den Bezeichnungen UDV-10
von CEM Corporation of Matthews, North Carolina, dem Rechtsnachfolger
der vorliegenden Erfindung, verkauft und sind beispielsweise in
dem erteilten US-Patent Nr. 5,520,886 beschrieben.
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Der
abdichtbare Reaktionsbehälter 21 beinhaltet
einen Bereich, der in den Zeichnungen als Deckel 22 bezeichnet
ist, welcher unter Druck, typischerweise Gasdruck, der durch eine
chemische Reaktion innerhalb des Behälters 21 erzeugt wird,
beweglich ist, während
die Reaktion abgedichtet innerhalb des Behälters 21 weiter abläuft. In
bevorzugten Ausführungsformen,
wie sie am besten in 6 dargestellt
ist, ist der Behälter 21 aus
einer äußeren Hülse 23 und
einer inneren Hülse 24 und
einem Deckel 22, der einen Kragen 25 aufweist,
der davon abhängig
ist, dass er in die innere Hülse 24 passt,
gebildet. Die Kombination bildet eine dynamische Abdichtung, was
bedeutet, dass unter normal zu erwartenden Drücken, der Druck selbst den
Deckel dazu drängt, straffer
in die innere Hülse 24 einzupassen
und so die Dichtungswirkung erhöht.
Unter größeren als
erwarteten Drücken
aber sind der Behälter
und der Deckel genügend
verformbar, um den unter hohem Druck stehenden Gasen zu erlauben,
im Rahmen eines "sanften" Störfalls,
den Behälter
zu verlassen im Gegensatz zu der Explosion eines zerbrechlicheren
Behälters
(wie es bei vorherigen Druckbehältern
der Fall war). Wie die 6 andeutet,
ist der Deckel 22 unter dem Gasdruck der durch chemische
Reaktionen innerhalb des Behälters
erzeugt wird, beweglich.
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In
bevorzugten Ausführungsformen
beinhaltet der Deckel 22 ein Überdruckventil, das aus dem Gewindebereich 26 und
seiner Kappe 27, die eine Druckentlastungsscheibe (nicht
gezeigt) im Inneren der Kappe 27 und gegen eine Druckentlastungsöffnung in
dem Gewindebereich 26, gebildet ist. Solche Druckentlastungsventile
sind bekannt und sind beispielsweise in dem gemeinsam übertragenen US-Patent
5,369,034 dargestellt.
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Das
Behältersystem
beinhaltet des weiteren Mittel wie den Rahmen, der im weiteren mit 31 bezeichnet
ist, um den Sensor 30 gegen den beweglichen Bereich (d.
h., den Deckel 22) des Behälters 21 zu halten,
während
Mikrowellen eingeschaltet zu werden, so dass die Bewegung des Deckels 22 unter Druck
durch den Sensor ermittelt wird. In bevorzugten Ausführungsformen
ist der Rahmen 31 aus einem Material gebildet, das meist
bevorzugt ein Polymer ist, welches durchlässig für Mikrowellenstrahlen ist und
das nach Wunsch oder aufgrund der Arbeitsbedingungen jedes besonderen
Mikrowellensystems notwendig sowohl flexibel als auch steif ausgebildet sein
kann. Wie in den 2 und 3 dargestellt ist, ist der
Rahmen 31 typischerweise in eine Gestalt geformt, die am
geeignetsten für
einen eventuellen Endgebrauch ist, z. B. um in einem Gestell von
einer Vielzahl solcher Behälter
und Sensoren befestigt zu werden.
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Die 2, 3 und 4 zeigen,
dass der externe Sensor 30 sehr leicht in den Raum zwischen
dem Deckel 22 des Behälters 21 und
dem Rahmen 31 gerückt
werden kann. In bevorzugten Ausführungsformen
generiert der Sensor 30 ein Signal, typischerweise ein
elektronisches Signal, und beinhaltet Mittel, um das Signal in eine
Druckangabe innerhalb des Behälters
umzuwandeln. Die elektronischen Bestandteile und verwendeten Verfahren,
um ein Signal, das durch einen Sensor generiert wird, in einen korrespondierenden
Messwert einer Größe wie z.
B. der Temperatur oder dem Druck umzuwandeln, ist in der Elektronik
allgemein bekannt und ist daher hier nicht im Detail geschildert.
Eine beispielhafte Schaltungstechnik und ähnliches ist beispielsweise
in Dorf, The Electrical Engineering Handbook (1994), beschrieben.
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Es
ist auch anzumerken, dass unter normalerweise zu erwartenden Bedingungen
die Bewegung des beweglichen Bereichs des Behälters sehr klein sein kann,
z. B. im Bereich eines Tausendstel eines Zolls (Inch) (d. h., einige
Mikrons).
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Es
ist des weiteren ersichtlich, dass, obwohl die Zeichnungen den Sensor 30 über dem
Deckel 22 positioniert darstellen, die Erfindung hinsichtlich
dieser Ausrichtung nicht begrenzt ist, und andere Ausrichtungen – z. B.
mit dem Sensor 30 unterhalb des Behälters 21 positioniert,
aber immer noch zwischen dem Behälter 21 und
dem Rahmen 31 – innerhalb des
Geltungsbereichs dieser Erfindung und der Ansprüche liegen.
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Der
externe Sensor enthält
ein Gehäuse,
das im Wesentlichen die Absorption von Mikrowellenstrahlen verhindert
und in den bevorzugten Ausführungsformen
ein Metall (zur Abschirmung der inneren elektronischen Komponenten),
welches mit einem Polymer (welches hilft, einen Umgebungsschutz
aufrecht zu erhalten) beschichtet ist, beinhaltet.
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Fachleuten,
die mit elektromagnetischer Strahlung vertraut sind, wird ersichtlich
sein, dass bezüglich
bestimmter Wellenlängen,
wie z. B. Mikrowellen, einige Materialien durchlässig sind, andere Materialien
diese absorbieren, andere Materialien diese reflektieren und wiederum
andere Materialien völlig unbeeinflusst
bleiben. Wie vielleicht am besten in den 4 und 5 dargestellt
ist, ist der externe Sensor 30 bevorzugt eher kreisförmig als
polygon und beinhaltet gerundete Ecken zwischen seinem Kreisumfang und
der Fläche
seines oberen Endes und der Bodenfläche. Die Polymerbeschichtung
ist bevorzugt aus Polytetrafluoroethylen (PTFE). 4 zeigt, dass in bevorzugten Ausführungsformen
der Sensor 30 auch eine Temperaturmessvorrichtung beinhaltet,
wie z. B. das thermoelektrische Element 32, und durch das
flexible Koaxialkabel 33 und die zugehörige Schnellanschlusshalterung
an andere elektronische Schaltkreise angeschlossen werden kann.
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Daneben
beinhaltet die Erfindung nach einem anderen Aspekt einen Sensor
zur externen Messung des Drucks innerhalb eines abgedichteten Reaktionsbehälters. In
dieser Hinsicht beinhaltet die Erfindung eine flexible Fläche, dargestellt
als die Edelstahlmembran 34, die sich in Erwiderung der
Bewegung, die gegen die Membran 34 ausgeübt wird,
bewegt. Des weiteren beinhaltet der Sensor einen Dehnungs-Messstreifen,
der als Messwertgeber 35 dargestellt ist, welcher ein Signal
erzeugt, das auf die Bewegung der Edelstahlmembran 34 anspricht
und einem Schild, der aus Gehäuseelementen,
die hier beschrieben sind, gebildet ist, um die Mikrowellenstrahlung
daran zu hindern, die Edelstahlmembran 34 oder den Messwertgeber 35 wesentlich
zu beeinflussen.
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5 zeigt auch, dass der Schild
ein im Wesentlichen zylindrisches Metallgehäuse beinhaltet, das durch die
Anordnung einer oberen Messunterlegscheibe 36, eines Belastungsknopfs 37,
einer unteren Messunterlegscheibe 40 und einem Zentrierring 41 gebildet
ist. 5 stellt des weiteren
dar, dass die Edelstahlmembran 34 durch einen unteren Ring 42 unterstützt wird,
an welchen sie punktgeschweißt
oder gelötet
ist, je nach Wunsch oder Notwendigkeit. Die Anordnung wird durch
zwei Sätze von
Schrauben 43 und 44 zusammengehalten. 5 zeigt ferner, dass der
externe Sensor ein Gewinderohr 45 beinhalten kann, wenn
es für
die Anordnung eines thermischen Messelements oder einer anderen Vorrichtung
erwünscht
oder notwendig ist. Eine Verbindungsbuchse 46 kann auch
eingegliedert werden, um die notwendigen elektrischen Verbindungen
herzustellen.
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Das
Dehnungsmessteil 35 ist bevorzugt ein Messwertgeber wie
z. B. ein ENTRAN ® Model ELF-1000 mit einem
Arbeitsbereich von annähernd 2.500
pounds (annähernd
1.135 Kilogramm) (Entran Devices, Inc., 10 Washington Avenue, Fairfield,
New Jersey 07004). Wie erwähnt,
kann der Messwertgeber mit elektrischen Schaltkreisen verbunden
sein entweder mit der Sensoranordnung wie der Schaltkreis 47,
der in 5 dar gestellt
ist, oder er kann zusätzlich
mit einem Schaltkreis außerhalb
des Sensors durch ein Koaxialkabel 33 verbunden sein. Ein O-Ring 50 kann
die Anordnung des gesamten Sensors 30 vervollständigen.
Der ELF-1000 ist ein scheibenförmiger
Kraftaufnehmer mit einem Highpegel-Ausgang von 250 mV, der sowohl
stationäre
als auch dynamische Drucklasten messen kann und entweder in Pfund
oder Newton kalibriert sein kann.
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Die
Edelstahlmembran 34 ist das einzige flexible Bauteil in
dem externen Sensor, wobei der Rest des Gehäuses und die Sensorelemente
starr sind, so dass die Bewegung gegen die Edelstahlmembran 34 im
Wesentlichen völlig
für die
Bewegung der Membran 34 gegen das Dehnungsmessteil 35 bestimmt
ist. Diese Anordnung hilft sicher zu stellen, dass die Bewegung
des Behälterdeckels
unter Druck exakt auf das Dehnungsmessteil 35 übertragen
wird. Fortlaufend angegeben wird der von dem Behälter ausgehende Druck auf die
Membran 34 und von der Membran auf das Dehnungsmessteil 35 übertragen.
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Ein
anderer Vorteil ist es, dass der Sensor der vorliegenden Erfindung
die vollständige
Belastung misst, die die Wärmeeinwirkung
und die Druckerzeugung gegen den Behälter und seinen Rahmen erzeugen.
Anders ausgedrückt,
der gewöhnliche
Zweck einer Druckmessung ist es, zu vermeiden, dass die physikalischen
Grenzen des Behälters
oder des Behälters
und seines Rahmens erreicht werden. Der interne Gasdruck aber mag
nicht unbedingt identisch mit der Gesamtbelastung sein, die der
Behälter und
der Rahmen erfahren. Da die Erfindung die Wirkungen der Kräfte zwischen
dem Behälter
und dem Rahmen misst, einschließlich
der Dehnungskräfte, denen
der Rahmen und der Behälter
ausgesetzt sind, wenn sie sich erwärmen, überwacht die Erfindung genauer
und liefert die gewünschte
Information.
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Wie
weiter oben erwähnt
ist, sind in vielen Fällen
eine Vielzahl von Behältern,
Sensoren und Rahmen entsprechend der vorliegenden Erfin dung in einem
System zusammengefasst, das gleichzeitig in einer Vorrichtung wie
der Vorrichtung 10, die in 1 dargestellt
ist, Mikrowellenstrahlen ausgesetzt werden kann. In diesen Fällen ist
die Fähigkeit,
den Druck in jedem Behälter
zu messen, besonders wertvoll und die Vorrichtung 10 wird
Mittel beinhalten, um die Mikrowellenstrahlung der Mikrowellenquelle
zu überwachen
(was typischerweise ein Magnetron ist, aber auch eine andere Vorrichtung,
wie ein Klystron oder eine Festkörperquelle
sein kann) in Abhängigkeit
des Drucks oder der Temperatur, die von einem oder mehreren der
Druck- oder Temperatursensoren, die in dem System eingebunden sind,
aufgenommen werden. Typischerweise sind die Rahmen des Systems in
einem Gestell in dem Hohlraum eingebunden, in dem sie gedreht werden
können,
um der Mikrowellenstrahlung gleichmäßiger ausgesetzt zu sein.