DE10114021A1

DE10114021A1 - Wärmestrahleinrichtung zur zusätzlichen gezielten thermischen Prozessierung eines Objekts in einem Mikrowellenofen

Info

Publication number: DE10114021A1
Application number: DE2001114021
Authority: DE
Inventors: Arnold Moebius; Markus Muehleisen
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2001-03-22
Filing date: 2001-03-22
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2021-03-23
Also published as: DE10114021B4

Abstract

Eine Wärmestrahleinrichtung zur zusätzlichen gezielten thermischen Prozessierung eines Objekts und Diagnostikeinrichtung zur Zustandserfassung des Objekts wird beschrieben. Die schmalbandige Wärmestrahlungsquelle bestrahlt von außerhalb des Reaktorraums über optische Mittel das darin exponierte Objekt, den Prozesskörper, zumindest teilweise. Die in dem Körper erzeugte Wärme strahlt über seine Oberfläche ab. Die Abstrahlung wird unter Ausfilterung des Bandes der Wärmestrahlungsquelle mit einem Pyrometer detektiert und ausgewertet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmestrahlungseinrichtung A zur zusätzlichen gezielten thermischen Prozessierung eines Objekts in einem Mikrowellenofen und eine Diagnostikeinrichtung B zur Zustandserfassung des Objekts.

Mit der Wärmestrahlungseinrichtung A soll in dem in einem Mi krowellenofen exponierten Objekt, dem Prozeßgut, während des Prozessierens eine homogene oder zumindest eine nahezu homo gene Temperaturverteilung eingestellt werden können. Um dies während des Prozeß stets beurteilen zu können, muß der Zustand des Objekts detektiert werden.

In der DE 196 33 247 wird ein Ofen zur Sinterung von Sintergut beschrieben, der in seinem Innern mindestens eine Wärmestrah lungsquelle aufweist, die die Abstrahlverluste über die Sin tergutoberfläche kompensiert oder das Sintergut über die Ober fläche aufheizt. Der Ofen stellt gleichzeitig einen Resonator dar und hat eine Mikrowelleneinkoppelvorrichtung, so daß die eingekoppelte Mikrowelle geeigneter Frequenz den zu prozessie renden Sinterkörper volumenmäßig aufheizt. Der Ofen, d. h. der Mikrowellenresonator ist ein prismatischer oder ein aus mit nach innen gewölbten Wänden bestehender Hohlraum mit po lygonalem, mindestens viereckigem Querschnitt, an dessen in neren Kanten im Bereich geringer Feldstärke die Wärmestrah lungsquellen angebracht sind. Die inneren Ofenwände sind wär meverspiegelt und befinden sich während des Prozessierens auf Raumtemperatur oder allenfalls etwas darüber. Mit den zusätz lichen Wärmestrahlungsquellen im Innern des Ofens/Resonators soll die Wärmestrahlung von heissem Gut auf die kalten Wände des Prozessraums kompensiert werden, um den inverse Tempera turgradienten im Gut zu reduzieren.

Auch wenn damit das Problem des inversen Temperaturgradienten abgeschwächt werden konnte, haben sich in der Praxis weitere Probleme gezeigt:
Die als Zusatzheizung dienenden Halogenlampen an der Stelle eines niedrigen elektromagnetischen Feldes im Innern des Reso nators werden durch dieses oft doch noch zum Glimmen gebracht, wodurch das Prozeßgut indirekt, nicht kontrollierbar - insbe sondere örtlich nicht - geheizt wird.

Bei einer pyrometrisch durchgeführten Temperaturmessung lässt es sich nicht vermeiden, daß die breitbandige Strahlung der Zusatzheizer das Ergebnis verfälscht. Ein gezieltes Heizen nur von Teilen des Guts ist zu dem nicht möglich.

Das Prozeßgut wird gewöhnlich durch ein Beobachtungsrohr mit tels einer Kamera betrachtet. Wegen der von der Zusatzheizung erzeugten Strahlung ist es schwierig, zu erkennen, wann das Gut zu glühen anfängt.

Oftmals kommt es während des Prozessierens aufgrund der vor handenen Mikrowelle zu Überschlägen bzw. Blitzerscheinungen an der Oberfläche des Prozeßgutes. Während des gesamten Prozesses kann dies nicht detektiert werden.

Diese Prozeßmängel führten zu der Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich Objekte, die in einem Mikrowellenofen prozessiert werden sollen, zur Einstellung eines homogenen oder nahezu homogen, zumindest unproblematischen Temperatur gradienten im gesamten Prozeßvolumen zusätzlich gezielt ört lich zu erwärmen und den Prozeß begleitend verfolgen zu kön nen.

Die Aufgabe wird durch eine Wärmestrahleinrichtung A und eine Diagnostikeinrichtung B gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die mindestens eine Wärmestrahlungsquelle strahlt im Infrarot bereich f_infrarot ab. Optische Mittel zur Strahlformung und Strahlführung lenken den Strahl von der Wärmestrahlungsquelle auf ein in einem Mikrowellenofen exponiertes und zu prozessie rendes Objekt, und zwar in der Art, dass der Temperaturgra dienten unterhalb einer vorgegebenen Schranke im Prozeßvolumen während des thermischen Prozessierens eingestellt und aufrecht erhalten werden kann.

Die Wärmestrahlungsquelle und die optischen Mittel befinden sich außerhalb des Mikrowellenofens. Die Wärmestrahlungsquelle ist ein Heizstrahler, der im Infrarotbereich bei der Frequenz f_Lampe schmalbandig im Bereich Δf_Lampe inkohärent abstrahlt, oder sie ist ein kohärent mit der Frequenz f_Lampe abstrahlender In frarotlaser.

Jedem Strahl ist in der Wand des Mikrowellenofens mikrowellen- undurchlässiger Durchgang zugeordnet.

Das mindestens eine Pyrometer ist außerhalb des Mikrowellen ofens aufgestellt und im Bereich

f_{Pyr min} < f < f_{Pyr max}

empfindlich. Es erfaßt die Abstrahlung des Objekts durch einen zugeordneten Mikrowellen nicht durchlässigen Durchgang in der Wand des Mikrowellenofens. Zur Überwachung von mikrowellenbe dingten elektrischen Überschlägen auf der Objektoberfläche be findet sich außerhalb mindestens ein Arc-Detektor, der durch einen zugeordneten, mikrowellenundurchlässigen Durchgang in den Mikrowellenofen blickt.

Die Wärmestrahleinrichtung A dient zur zusätzlichen örtlich gezielten thermischen Prozessierung des im Mikrowellenofen ex ponierten Objekts. Strahlt die Wärmestrahlungseinrichtung nicht im Bereich optischer Frequenzen, so läßt sich mit Hilfe einer Infrarotkamera beobachten, ob das Prozeßobjekt zu glühen beginnt. Auch kann die Strahlführung so geschwenkt werden, daß nur vorgesehene Stellen des Prozeßobjekts lokal erhitzt werden. Dies ist von Vorteil, wenn Arbeiten, wie etwa mikrowel lenunterstütztes Schweißen, durchzuführen sind.

In den Unteransprüchen 2 bis 3 sind weitere vorteilhafte Ein richtungen beschrieben, die eine zuverlässige Diagnostik zu lassen.

Im optischen Weg zwischen Objekt und Pyrometer befindet sich außerhalb des Mikrowellenofens ein Filter, das mit seinem Sperrbereich Δf_Filter innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs des Pyrometers liegt und den Strahlungsbereioch der Lampe über deckt. Dieses Filter filtert die Infrarotstrahlung f_Lampe der Strahlungsquelle heraus. Hierzu liegt der Frequenzbereich f_Lampe der von der Lampe emittierten Strahlung innerhalb des Sperrbe reichs des Filters, also:

f_{Filter min} < f_Lampe < f_{Filter max}.

Der Sperrbereich

Δf_Filter = f_{Filter max} - f_{Filter min}

des Filters liegt innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs

Δf_Pyr = f_{Pyr max} - f_{Pyr min}

des Pyrometers

f_{Pyr min} < f_Filter < f_{Pyr max}.

Wenn kein Filter benötigt wird, liegt der abgestrahlte Fre quenzbereich der Lampe f_Lampe diesseits, also

f_Lampe < f_{Pyr min},

oder jenseits

f_{Pyr max} < f_Lampe

des Empfindlichkeitsbereichs des Pyrometers.

Der Arc-Detektor ist in einem Band oder auf einer Linie f_Lampe empfindlich. Im optischen Weg zwischen Objekt und Arc-Detektor befindet sich ein Filter, das die Infrarotstahlung der Wärme strahlungsquelle herausfiltert.

In der Zeichnung ist eine solche Wärmestrahleinrichtung A und Diagnostikeinrichtung B um den Mikrowellenofen herum schematisch dargestellt. Anhand dieser wird die Erfindung im folgen den noch näher erläutert: Es zeigt:

Fig. 1 den schematischen, perspektivischen Aufbau der gesam ten Wärmeprozessanlage,

Fig. 2 die Draufsicht mit Schnitt durch den Prozess raum/Reaktor und den Umlenkspiegel und

Fig. 3 die perspektivische Draufsicht.

In einem Ausführungsbeispiel wird als Wärmestrahlungsquelle ein Infrarotlaser eingesetzt, der mit der Frequenz f_infrarot = 30 THz, äquivalent 10,552 und 10,612 µm, strahlt und eine Leistung von 100 W hat. Solche Strahlenquellen sind kommerziell erhältlich, womit die Anlage mit Standardprodukten unproblematisch realisiert werden kann. Entsprechend der notwendigen Wärmeleistung wird in der Leistungsanforderung modifiziert. Statt des Lasers kann auch eine schmalbandige inkohärente Infrarotquelle, wie ein für den Prozeß geeigneter Heizstrahler eingesetzt werden.

Die Fig. 1 zeigt die perspektivische Darstellung der Prozess kammer, dem Reaktor, die außen angeordnete Wärmestrahlungs quelle in Form des CO₂-Lasers, der im o. a. Bereich abstrahlt, und das Detektionsmittel für Wärmestrahlung, das Pyrometer. Der Prozesskörper ist hier quaderförmig und im Zentrum des Re aktors exponiert.

Der vom Laser emittierte kohärente Infrarotlichtstrahl wird über die erste im Strahlengang auf der Strahlachse positio nierte Linse aufgeweitet, trifft dann zur Strahlumlenkung auf den Reflektor und wird im weiteren Strahlengang mit der zwei ten Linse zum Parallelstrahl vorgesehenen Durchmessers gebün delt. Danach tritt er durch ein infrarotdurchlässiges Fenster in der Wand des Reaktors, um schließlich auf den exponierten Prozeßkörper im Reaktorzentrum zu treffen und thermisch einzu wirken. Der Reflektor (Fig. 1, 2 und 3) ist nicht eben, er soll nämlich neben der reinen Strahlreflexion gleichzeitig eine Phasenkorrektur durchführen, zumindest in Grenzen.

Die im Prozessvolumen ganz oder lokal erzeugte Wärme, bewirkt breitbandige Wärmeabstrahlung über die Körperoberfläche. Diese wird mit dem Pyrometer mit seiner breitbandigen Empfindlich keit

Δf_Pyr = f_{Pyr max} - f_{Pyr min}

detektiert. Das Filter im Strahlengang von der Oberfläche des Prozesskörpers zum Pyrometer sperrt mindestens über die Band breite

Δf_Lampe = f_{Lampe max} - f_{Lampe min}

der Wärmestrahlungsquelle und läßt die Bereiche links und rechts davon zur Detektion durch.

Es kann nützlich oder gar notwendig sein, die Strahlauskopp lung zur Detektion mit einem kleinen Glasfaserbündel kleiner Stirnfläche aufzubauen. Hierzu wird mit der Glasfaser in der Reaktorraum geschaut und die Wärmeabstrahlung von der zur Glasfaserstirn gerichteten Fläche des Prozesskörpers aufgenom men. Im weiteren Glasfaserverlauf zum Pyrometer, eventuell aus Schutzgründen weiter weg vom Reaktorvolumen aufgestellt, ist das Filter mit seinem o. e. Sperrbereich eingebaut. Damit er faßt auch so das Pyrometer das Wärmeabstrahlspektrum, in dem das schmale Band Δf_Filter und damit sicher Δf_Lampe ausgeblendet ist.

Eventuelle Oberflächenüberschläge auf dem Prozesskörper bei Mikrowellenbetrieb werden mit dem Arc-Detektor, in Fig. 2 an gedeutet, detektiert. Dieser steht im Strahlengang nach dem Filter und ist hier nur symbolisch angedeutet.

Claims

1. Wärmestrahleinrichtung A zur zusätzlichen gezielten thermi schen Prozessierung eines Objekts in einem Mikrowellenofen und Diagnostikeinrichtung B zur Zustandserfassung des Ob jekts, bestehend aus:

A)
mindestens einer Wärmestrahlungsquelle,
die im Infrarotbereich finfrarot abstrahlt, und optischen Mitteln zur Strahlformung und Strahlführung des mindestens einen Strahls
auf ein in einem Mikrowellenofen exponiertes, zu prozessie rendes Objekt, zur Einstellung und Aufrechterhaltung eines Temperaturgradienten unterhalb einer vorgegebenen Schranke im Prozeßvolumen während des thermischen Prozessierens, wo bei:
sich die Wärmestrahlungsquelle und die optischen Mittel au ßerhalb des Mikrowellenofens befinden,
die Wärmestrahlungsquelle ein Heizstrahler ist,
der im Infrarotbereich mit der Frequenz fLampe schmalbandig im Bereich ΔfLampe inkohärent abstrahlt oder eine kohärent mit der Frequenz fLampe abstrahlende Quelle, ein Infrarotlaser, ist,
und
der jedem Strahl zugeordnete Durchgang in der Wand des Mi krowellenofens mikrowellenundurchlässig ist.
B)
mindestens einem Pyrometer außerhalb des Mikrowellenofens, das im Bereich
fPyr min < f < fPyr max
empfindlich ist, das die Abstrahlung des Objekts durch ei nen zugeordneten, mikrowellenundurchlässigen Durchgang in der Wand des Mikrowellenofens hindurch erfaßt,
mindestens einem Arc-Detektor außerhalb des Mikrowellen ofens,
der mikrowellenbedingte elektrische Überschläge auf der Oberfläche des Objekts durch einen zugeordneten, mikrowel lenundurchlässigen Durchgang in der Wand des Mikrowellen ofens hindurch erfasst, und
die optischen Mittel im mindestens einen Strahlengang der davon abgestrahlten Infrarotstrahlung durch eine zugeord nete, mikrowellenundurchlässige Öffnung in der Wand des Mikrowellenofens hindurch die Infrarotstrahlung auf den im Mikrowellenofen exponierten, zu prozessierenden Körper lenkt.

2. Wärmestrahleinrichtung A und Diagnostikeinrichtung B nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich im optischen Weg zwischen Objekt und Pyrometer außerhalb des Mikrowel lenofens ein Filter befindet, das mit seinem Sperrbereich ΔfFilter innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs des Pyrome ters liegt und den Strahlungsbereich der Lampe abdeckt und die Infrarotstrahlung der Strahlungsquelle herausfiltert,
wobei sich der Frequenzbereich fLampe der von der Lampe emittierten Strahlung innerhalb des Sperrbereichs des Fil ters
fFilter min < fLampe < fFilter max
und der Sperrbereich des Filters innerhalb des Empfindlich keitsbereichs des Pyrometers
fPyr min < fFilter < fPyr max
liegt,
oder wenn kein Filter benötigt wird, der abgestrahlte Fre quenzbereich der Lampe fLampe diesseits,
fLampe < fPyr min,
oder jenseits
fPyr max < fLampe
des Empfindlichkeitsbereichs des Pyrometers liegt.

3. Wärmestrahleinrichtung A und Diagnostikeinrichtung B nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arc-Detektor in einem Band oder auf einer Linie, ΔfLampe, empfindlich ist, in dem oder auf der die Wärmestrahlungquelle abstrahlt, und sich im optischen Weg zwischen Objekt und Arc-Detektor ein Filter befindet, das die Infrarotstahlung der Wärmestrah lungsquelle herausfiltert.