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Die
Erfindung betrifft einen Mikrowellenresonator, eine aus einem solchen
Mikrowellenresonator modular aufgebaute Anlage/Prozessstraße, ein
Verfahren und nach diesem Verfahren thermisch prozessierte Gegenstände/Werkstücke mittels
Mikrowelle.
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Bekannt
und verbreitet ist das Erwärmen
von Speisen mit Mikrowelle. Ein in einen Resonatorraum eingekoppeltes
elektromagnetisches Feld nimmt sofort eine stationäre Verteilung
darin ein, die von der Frequenz der Mikrowelle, äquivalent von der Wellenlänge, und
der Geometrie des Resonatorraumes abhängt. Die Haushaltsmikrowelle
hat eine Frequenz von 2,45 GHz und damit eine Wellenlänge λ von etwa 12
cm im lufterfüllten
oder luftleeren Raum. Die Geometrie von Mikrowellengeräten für den Haushalt
liegt daher in einfacher kubischer Ausgestaltung in diesen Dimensionen.
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Erfahrungsgemäß geschieht
die Erwärmung von
in dem Resonatorraum exponierten Speisen nicht gleichmäßig. Das
hängt am
unterschiedlichen Wassergehalt der Speisenanteile und damit der
Existenz einer lokal unterschiedlichen Dipoldichte, aber ganz wesentlich
an der Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Resonator und
damit der Anregung der Dipole durch das anregende elektromagnetische Feld.
Bei Erwärmung
von gleichartigen Substanzen/Stoffen insbesondere ist für die gleichartige
Erwärmung
im gesamten Substanz-/Stoffvolumen die Feldverteilung von maßgebender
Bedeutung. Ein grober aber doch wirksamer Behelf zur Vermeidung starker
bis stärkerer
räumlicher
Feldänderungen
ist eine bewegliche Fläche
im Resonatorraum, an der die auftreffenden Bereiche der Mikrowellenstrahlung reflektiert
werden und so Feldstärkeschwankungen nicht
lokalisiert sind und damit verschmiert werden. In diesem Fall steht
das Prozessgut im Resonator still. Eine andere oder zusätzliche
Maßnahme
ist das Bewegen des Pro zessgutes, beispielsweise auf einem Drehteller
oder hin und her bewegten Tisch.
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In
der industriellen Materialprozesstechnik ist beim Erwärmen von
Prozessgut mit Mikrowelle von grundsätzlicher Bedeutung, dass das
elektromagnetische Feld im gesamten Resonatorvolumen oder zumindest
in einem möglichst
großen
zentralen Bereich des Resonatorvolumens so wenig wie möglich schwankt,
also einer idealen räumlichen
Gleichverteilung nahe kommt, um lokale Überhitzungen, Hotspots, zu
vermeiden.
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In
der
DE 196 33 245 wird
eine polygonale Resonatorgeometrie beschrieben, in die stirnseitig exzentrisch
mit geneigter Strahlachse eingekoppelt wird. Insbesondere bei hexagonalem
Querschnitt der Resonatorgeometrie wird so eine Feldverteilung erreicht,
mit der zumindest im zentralen Resonatorbereich ein Volumenbereich
vorliegt, in dem brauchbare Feldgleichmäßigkeit besteht. Obwohl im
gesamten Innern des Resonators bei Einkopplung der Mikrowelle ein
elektromagnetisches Feld vorhanden ist, ist das zentrale Prozessvolumen
mit homogenem Feld oder zumindest tolerierbarer Feldschwankung verhältnismäßig klein.
Dieser Resonator mit seiner Art der Einkopplung kann nur als einzelner
verwendet werden und ist als Modul einer Anlage nicht verwendbar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Resonator für eine in
ihn einzukoppelnde Mikrowelle bereitzustellen, in dem sich ein Gemisch
vielzahliger Moden derart ausbildet, dass im Resonatorvolumen ein
möglichst
großes
Prozessvolumen um die Resonatorlängsachse
für das
thermische Prozessieren unter der Voraussetzung, dass die mittlere Feldstärke des
Modengemisches einer idealen Gleichverteilung in diesem Raum nachkommt,
ausgenutzt werden kann.
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Ein
solcher Resonator soll modulartig verwendet werden können, d.h.
es soll eine Prozessstrasse zum thermischen Prozessieren von Werkstücken durch
Aneinanderreihen solcher Resonatoren aufgebaut werden können.
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Darüber hinaus
sollen die Resonatoren jeweils so mikrowellentechnisch betrieben
werden können,
dass mit vorgebbarer Frequenz die Modenausbildung im Resonator bei
Mikrowelleneinkopplung örtlich
oszilliert oder räumlich
umläuft,
wandert.
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Mit
einem solchen Resonator sollen in industriellem Maßstab thermisch
prozessierbare Werkstücke/Gegenstände über Mikrowelleneinwirkung
aufgrund der volumetrischen Erwärmung
mit hoher Zeit- und Energieersparnis thermisch prozessiert werden, insbesondere
aber harzgetränkte
Verbundstoffe, CFK und/oder GFK, gleichmäßig ausgehärtet werden, um hohe Formstabilität und mechanische
Belastbarkeit zu erlangen, sowie auch Klebstoffteile und Epoxidharzbeschichtete
Strukturen.
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Die
Aufgabe wird durch einen Mikrowellenresonator mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Mikrowellenresonator zum thermischen Prozessieren von Werkstoffen
hat grundsätzlich
eine aus der
DE 196 33 245 bekannte
Gestalt mit konvex polygonalem Querschnitt. Der Querschnitt ist
regelmäßig. Es
hat sich aber aufgrund von Überlegungen und
darauf basierenden Berechnungen gezeigt, dass die geradzahlige Polygonalität und mindestens
Hexagonalität
des Querschnitts von Vorteil für
eine möglichst
gleichmäßige Feldeinstellung
bei Mikrowelleneinkopplung in einem großen zentralen Volumenbereich
des Resonators ist. Der Resonatorinneraum ist einfach und nie rund.
Neben den beiden Stirnwänden hat
er ebene, gleichartige Mantelsegmente und hat somit einen regelmäßigen Querschnitt.
Abhängig
von der Wellenlänge λ der in den
Resonator eingekoppelten Mikrowelle, hat er solche Dimensionen,
dass sich ein hochmodiges elektromagnetisches Feld ausbilden kann.
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Von
Hochmodigkeit oder Übermodiertheit wird
gesprochen, wenn der Resonatorduchmesser D erheblich größer als
die Wellenlänge λ ist, etwa
mindestens 5 mal größer, vorzugsweise
10 mal größer oder
darüber,
wenn das konstruktiv machbar ist, so dass gemäss der Bedingung
zwischen den Modenzahlen
l, m, n und der Wellenlänge λ und dem
Durchmesser D des Resonators erheblich viele Moden (l, m, n) existieren,
die anregungsfähig
sind und sich überlagern
und damit zur Übermodierung
führen.
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Die
Homogenität
oder zumindest geringe räumliche
Schwankung des elektromagnetischen Feldes in dem großen zentralen
Volumenbereich des Resonatorinnern wird maßgeblich durch mindestens ein
Einkoppelstrukturpaar für
die Mikrowelle erreicht. Die Einkoppelstrukturen sind gleichartig.
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Ein
solches Einkoppelstrukturpaar kann bei sehr großen Applikatoren auch aus mehreren
Wellenleiterzügen
bestehen, die parallel axial auskoppeln. Eine Mantellängskante
verläuft
stets zwischen einem solchen Einkoppelstrukturpaar, das sich höchstens über die
Resonatorlänge
bzw. die Mantellängskante
erstreckt. Mehrere Einkoppelstrukturpaare sitzen in dieser Art am
Resonatorumfang. Es können
sich maximal N Einkoppelstrukturpaare im Resonatormantel befinden,
wobei N natürlich
ist und die Polygonalität
angibt.
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Jede
Einkoppelstruktur besteht aus einer Längsanordnung von Durchbrüchen in
der Resonatormantelwand, über
welcher der von der Mikrowellenquelle kommende Rechteckhohlleiter
endet. Diese Einkoppelstruktur im Mantelflächensegment besteht aus einer
Folge von sich nicht überlappenden, äquidistant
Einkoppelkonturen/-öffungen,
abwechselnd links und rechts entlang einer Geraden, der Führungsgeraden,
die parallel zur zugehörigen
Mantellängskante
verläuft.
Die Einkoppelkonturen/-öffnungen
folgen in einem Abstand aufeinander, der eine phasenkonstante Auskopplung
in den Resonator der sich im Rechteckhohlleiter im Basismode TE
0,1 befindlichen Mikrowelle bewirkt, und sich
die Breite/Taille d der Schlitze aus der Bedingung für den Beugungswinkel θ bei vorgegebener
Mikrowellenlänge λ aus
bestimmt. Diese Näherung gilt
für Winkel θ < 5°, für Winkel θ < 2° ist sogar
das erste Glied der Reihenentwicklung für den Tangens ausreichend,
nämlich
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Die
Einkoppelkonturen haben einerseits in Abhängigkeit des ersten Reflexionsabstandes
L1 der aus der Einkoppelstruktur ausgekoppelten Mikrowelle eine
Weite d gemäss
der gerade angeführten
Beugungswinkelbedingung, um eine Aufweitung der entstehenden Wellenfont
derart zu gewährleisten,
dass diese weit genug aufgefächert
ist, und um an zwei sich stoßenden,
gegenüberliegenden
Mantelflächensegmenten
in zwei unterschiedlich gerichtete Bündel erst mal reflektiert zu
werden. Andrerseits ist der Beugungswinkel so klein bemessen ist,
dass das in den Resonator eingekoppelte Primärbündel zur Vermeidung der Rückstrahlung
mit seiner Strahlenebene nicht in die eventuell gegenüberliegende
Einkoppelstruktur fällt.
Die so nach der Primärreflexion
entstehenden gespaltenen Strahlenbündel weisen einen von ihrem/r
erzeugenden Wellenleiter/Einkoppelstruktur abgewandten Drehsinn
zur weiteren Reflexion und Aufteilung und damit einhergehender rauschartigen,
aber elastischen und deshalb verlustfreien Zerstreuung auf.
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Durch
die Nutzung der symmetrischen Einkoppelstrukturpaare wird eine Amplituden-Gleichverteilung
durch die Durchbruchauskopplung in den Resonator unmittelbar im
Fresnelschen Nahfeld realisiert. Die weitere freie Wellenpropagation
mit einhergehender Beugungsaufweitung wird beibehalten. Die sich
von einer Einkoppelstruktur ausbreitende Wellenfront wird durch
die flachen metallischen Mantelinnenwandsegmente unter Beibehaltung
ihrer Eigenschaften elastisch vielfach reflektiert und so die entstehenden
Strahl bündel
stets aufgeweitet. Die Durchbrüche
der Einkopplungsstruktur/en sind im Wellenleiterabschluss auf der
Resonatorwand angeordnet und koppeln phasenkonstant in den Resonator
aus. Aufgrund dieser Überlegungen
ergibt sich auch der Abstand der Linie, entlag der sich die Auskoppelschlitze
anordnen, zur Mantellängsachse.
Dieser konstruktive Abstand wird, in Grenzen variierbar, aufgrund
der o.e. mikrowellentechnischen Forderungen festgelegt.
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Die
Unteransprüche
2 bis 4 beschreiben besondere Lagen und Geometrien für die Durchbrüche.
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Liegen
nach Anspruch 2 die Einkoppelkonturen mit ihrer Längsachse
parallel zur Führungsgeraden,
dann ist mit der jeweiligen Einkoppelkontur die stärkste Mikrowelleneinkopplung
in den Resonator gegeben. Liegen sie senkrecht zu ihr, dann erreicht man
die schwächste
Mikrowelleneinkopplung. Eine Lage dazwischen bedeutet eine dazwischen
liegende, entsprechend starke Mikrowelleneinkopplung.
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Neben
der geometrischen Lage der Durchbrüche der Einkoppelstrukturen
eines Einkoppelstrukturpaares zueinander ist deren geometrische Form
ebenfalls von Bedeutung für
die Qualität
der Ausbildung des elektromagnetischen Feldes im Resonator.
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Herstellungstechnisch
ist die einfachste Form der Einkoppelkontur das Rechteck mit der
Breite d und der Länge
L = λ/2
der Grundwelle H10 im Rechteckhohlleiter
(Anspruch 3). Mit dieser Geometrie gibt es mikrowellenphysikalisch
ausgeprägte
Verluste in der Ab-/Einstrahlung in den Resonator, die sich in der
stärkeren
Erwärmung,
Joule'sche Erwärmung Ri2 durch die Randströme insbesondere in den Eckbereichen
der Einkoppelkontur, zeigt.
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Eine
optimierte, einfache Einkoppelkontur ist in Anspruch 4 beschrieben.
Sie folgt über
eine Länge L
= λ/2 der
Grundwellenlänge
dem Verlauf zweier zueinander spiegelbildlichen elektrischen Feldlinien, den
E-Feldlinien, des Grundmodes TE01 in der
Wand des Rechteckhohlleiters zumindest angenähert von Knoten zu Knoten.
Im Bauch liegen diese beiden E-Feldlinien um die oben erläuterte Breite
d für die Beugung
auseinander.
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Aus
theoretischen Überlegungen
heraus besteht eine beliebige punktförmige Strahlungsquelle aus
einer Reihenentwicklung von Multipolstrahlern sukzessive höher werdender
Ordnung, im einfachsten Fall aus einem Dipolstrahler. Daraus kann
eine komplizierte Gestalt der Einkoppelkontur abgeleitet werden,
die sich im Fernfeld dieser Strahlungsquelle der idealen Form einer
vorgegebenen Multipolcharakteristik machbar annähert.
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Die
Lage der Durchbrüche
einer Einkoppelstruktur der Enkoppelstrukturpaare ist ebenfalls
von Bedeutung für
die Ausbildung des in den Resonator eingekoppelten Feldes. In Anspruch
5 ist diese zueinander beschrieben. Die Lage der Durchbrüche zueinander
sind zur Erreichung der auszukoppelnden Phasenkonstanz äquidistant
und der Durchbruchabstand zur Führungsgeraden
ist derart, dass sich eine isotrope Abstrahlung im reflektierten
Fernfeld ergibt.
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Im
Unteransprüchen
6 ist eine Einrichtung beschrieben, die zwei Dinge erledigt: erstens,
zur Verbesserung der Feldgleichmäßigkeit
bei einem nicht ideal homogenen Feld im Prozessvolumen des Resonators
ist entlang der Schnittgeraden der beiden Strahlebenen eines Einkoppelpaares
ein höchstens über die
Länge der
Mantelkante ragender, rotierender Modenrührer eingebaut, der, zweitens,
das Zentrum der beiden eingekoppelten Strahlkeulen aus dem Einkoppelstrukturpaar
streut, so dass keine der beiden Strahlebenen in eine eventuell
gegenüberliegende
Einkoppelstruktur fällt.
Der Modenrührer
soll keine, zumindest fast kein Rückreflexion des direkt aus
dem Wellenleiter auftreffenden Primärbündels in den Wellenleiter zurück zulassen.
Auf jeden Fall muss eine solche minimiert werden. Deshalb hat er einen
elliptischen Querschnitt oder einen runden Querschnitt mit aufeinanderfolgender
konkav-konvexer Kontur, wobei beim konvexen Teil die Krümmung so
gehalten wird, dass der Brennpunkt nicht in die Einkoppelstruktur
fällt.
Dadurch würde
allenfalls ein linienförmiger
Anteil des auftreffenden Mikrowellenstrahls zurückgeworfen werden. Nur noch
punktförmig,
falls der Modenrührer
zusätzlich
noch längs
tordiert ist.
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Eine
weitere Lösung
der Aufgabe besteht in dem Aufbau einer Prozessstrasse gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 7. Wenigstens zwei Mikrowellenresonatoren nach Anspruch
5 oder 6 sind stirnseitig modular so aneinander gereiht, dass durch
eine Passage zwischen den zwei einander gegenüberstehende Stirnwänden hindurch
Prozessgegenstände vom
einen Resonator zum folgenden transportiert werden können. Die
Aneinanderreihung kann geradlinig oder winkelig oder gar mäanderförmig sein,
so dass gegebenenfalls baulichen Bedingungen/Einschränkungen
Rechnung getragen werden kann. Mit einer solchen Prozessstrasse
lässt sich
eine großzahlige
Serie von Werkstücken
fortlaufend thermisch prozessieren, beispielsweise Erwärmen, Temperatur halten
und Abkühlen
entsprechend einer zeitlichen Vorgabe, bzw. gemäß einer zeitlichen Sollkurve. Beim
kontinuierlichen Durchlauf der Werkstücke könnte im ersten Resonator der
Straße
die Aufwärmung
erfolgen, im zweiten das Konstanthalten der Temperatur über ein
vorgegebenes Zeitintervall und im dritten das zeitkontrollierte
Abkühlen.
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Mit
dem Resonator liegt schon bei einem Einkoppelstrukturpaar ein großes zentrales
Prozessvolumen vor in dem zumindest elektromagnetische Feldverhältnisse
nahezu gleichverteilt bestehen, also eine homogene Feldverteilung.
Ein in dieses Prozessvolumen eingetauchtes Werkstück erfährt an jeder
Stelle gleichartige Feldverhältnisse
vor und wird dadurch überall
gleichartig erwärmt.
Mit weiteren Einkoppelstrukturpaaren am Resonator werden die Feldverhältnisse
bei Mikrowelleneinkopplung in den Resonator weiter homogenisiert,
wobei dadurch auch verfahrenstechnische Möglichkeiten entstehen, zeitlich
oszillierende Einflussnahmen auf die Feldverteilung zu nehmen.
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Die
Betriebsweise bzw. das Betriebsverfahren nach Anspruch 8 ist eine
weitere Lösung
der Aufgabe. Die Einkopplung der Mikrowelle über die Einkoppelstrukturpaare
eines Resonators wird, zeitlich um einen momentanen oder konstanten
Mittelwert oszillierend, versetzt gegeneinander betrieben. Dadurch
oszilliert die Modenausbildung im Resonator örtlich oder wandert zwischen
zwei Bereichen hin und her, vergleichbar einer Art Wanderwelle,
oder läuft
gar im Resonatorvolumen um. Somit lassen sich thermische Feinausgleiche
im zu prozessierenden Werkstück
einstellen. D.h. durch diese Verfahrensweise wird ein im Prozessvolumen
eingetauchtes Werkstück
tatsächlich
homogen erwärmt
oder warm gehalten. Auch extrem hohe Heizraten bei höchster Temperaturgleichmäßigkeit
sind durch diese Maßnahmen
möglich,
da die phasenbedingten Feldschwankungen eine extrem geringfügige Temperaturvariation
aufweisen und damit Hot-Spot Ausbildungen oder gar etwaigem, sogenannten „Thermal Runaway" vorbeugen.
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Die
Art der Modenbewegung lässt
sich über die
Anzahl von Einkoppelstrukturpaaren am Resonator steuern, da ja minimal
ein solches Paar am Resonatormantel vorhanden ist, bzw. bis maximal
der Anzahl an Mantellängskanten.
Die Einkopplung der gesamten elektromagnetischen Leistung in den
Resonator über
vorhandene N' Einkoppelstrukturpaare
ist
N ist die Polygonalität des Resonatorquerschnitts und
P
i(t) die Leistungseinkopplung am i-ten
Einkoppelstrukturpaar. N' und
N sind natürliche
Zahlen.
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p(t)
ist eine Vorgabe, sie kann zeitlich konstant sein oder sich zeitlich ändern, d.h.
zu- oder abnehmen. p(t) ist eine Summe aus mehren Summanden. Daraus
wird ersichtlich, dass sich die pi(t)-Anteile der angebauten
und genutzten Einkoppelstrukturpaare nur gegenläufig ändern dürfen, um die Vorgabe zu halten. Übertragen
auf den Resonatorbetrieb wird diese Art Einkopplung in den Resonator
unter Einhaltung der Gesamtleistungsvorgabe p(t) als Mode-Sweeping bezeichnet.
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In
Anspruch 9 ist vollends beschrieben, dass die Leistungseinkopplung
pi(t) über
das Einkoppelstrukturpaar i vorgegeben ist, die Leistungseinkopplung
prechts(t) und plinks(t) über die
beiden Einkoppelstrukturen darum aber in geringem Maße, oszillierend
gegenläufig,
schwankt. Es gibt also zusätzlich eine
Art kleines Mode-Sweeping pi (t) – prechts(t) + plinks(t)
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Dadurch
ist eine weitere Feinabstimmung in der homogenen Wärmebehandlung
eingerichtet. HEPHAISTOS ermöglicht
die komplexe Regelung/Steuerung vollständig.
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Die
Leistungseinkopplung kann pulsbreitengeregelt erfolgen oder kontinuierlich über die
Steuerung der Elektronenstrahlstärke
in der jeweiligen Mikrowellenquelle, die über einen Rechteckhohlleiterzug
am Hohlleiterende durch die entsprechende Einkoppelstruktur einspeist.
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In
Anspruch 10 sind alle thermisch prozessierbaren Gegenstände/Werkstücke/Grünkörper angesprochen,
die in einem Mikrowellenresonator nach Anspruch 5 oder 6 oder in
einer Prozessstraße
nach Anspruch 7 gemäß dem Verfahren
nach Anspruch 8 und eventuell zusätzlich Anspruch 9 hergestellt/formstabilisiert
wurden. Seien dies harzgetränkte
Kohlefaserverbundwerkstoffe, CFK, harzgetränkte Glasfaserverbundwerkstoffe,
GFK, thermisch aushärtbare Harze
als solche und damit thermisch prozessierbare Polymere, Keramiken.
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Für die in
dem Resonator zu prozessierenden Gegenstände ist es zur im Werkstücksvolumen gleichmäßigen Erwärmung wichtig,
dass sie im homogenen Feldbereich bzw., in dem Feldbereich mit der
geringsten örtlichen
Schwankung exponiert sind. Hierzu befindet sich im Resonator ein
Gestell, das dauerhaft darin montiert ist oder aber zur Beladung herausgenommen
und zur Prozessierung eingeschoben werden kann. Es ist aus einem
das elektromagnetische Feld nicht störenden, wärmebeständigem Material und kann im
Prozessvolumenbereich, also im Bereich hoher Feldhomogenität sogar
metallisch sein. Der Grund ist, weil auf der Oberfläche des
im Prozessvolumen eingebrachten Werkstücks die elektrischen Feldlinien
auf Grund der dort bestehenden Feldsituation senkrecht oder zumindest
so nahezu senkrecht stehen, dass keine Ströme in dieser Oberfläche oder
allenfalls vernachlässigbare
kleine, den Prozess nicht beeinträchtigende Ströme fließen.
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Mit
dem derartig gebauten Mikrowellenresonator wird eine axial symmetrische
Feldhomogenität hoher
Qualität
durch Superposition zahlreicher, durch Vielfachreflexion rauschartig
propagierender Strahlenbündel
erreicht. Daraus resultiert im Resonatorvolumen ein zentral vorhandenes,
großes
nutzbares Prozessvolumen.
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Im
folgenden wird der Mikrowellenresonator anhand des in der Zeichnung
dargestellten und experimentell genutzten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die
Figuren zeigen:
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1 den Resonatorquerschnitt
mit einem Einkoppelstrukturpaar,
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2 den Resonatorquerschnitt
mit zwei Einkoppelstrukturpaaren,
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3 beispielhafte Modenrührerquerschnitte,
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4 die Einkoppelstruktur,
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5 an den Grundmode angepasste
Einkoppelkontur,
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6a der Resonator in einem
Autoklaven – Querschnitt,
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6b der Resonator im Autoklaven – im Längsschnitt,
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7 Mode-Sweeping,
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8 Vorgabe eines zeitlichen
Verlaufes,
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9 mit auszuhärtendem
Harz beschichteter Metallkörper.
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Für die Anwendung
der Mikrowellentechnik kommt, mit vertretbarem technischem Aufwand
gesehen, der Bereich von 10 MHz bis 30 GHz vorzugsweise der Bereich
von 900 MHz bis 25 GHz, letzterer äquivalent der Wellenlänge in Luft/Vakuum
von etwa 33 cm bis 1,2 cm, für
die technische Nutzung in Betracht. In diesem Band werden viele
Bereiche für
die Kommunikation in vielfältigster
Art genutzt, so dass aufgrund dessen nur die ISM-Frequenzen, 915
MHz, 2,45 GHz (Haushaltsmikrowelle), 5,85 GHz und 24,15 GHz zur
Nutzung in Betracht kommen. Resonatorgeometrien orientieren sich
deshalb an den zugehörigen
Wellenlängen
32,8 cm, 12,2 cm, 5,1 cm und 1,2 cm.
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Hier
wird im folgenden beispielsweise der prismatische Resonator mit
regelmäßigem hexagonalem
Querschnitt und die daraus abgeleitete Prozessstrasse erläutert. Der
Resonator wird mit 2,45 GHz betrieben. Er hat solche Dimension,
dass sich im Resonatorvolumen die verlangte, oben erläuterte Hochmodigkeit
bei der 2,45 GHz-Mikrowelleneinkopplung ausbildet. Er ist aus Edelstahlblech
gefertigt. Im Ausführungsbeispiel
ist er wegen der laufend beobachteten/kontrollierten Erwärmung der
zur Zeit prozessierten, harzgetränkten
Verbundstoffmaterialien über
beide zum Resonator türartig
verschließbaren
Stirnseiten zugänglich.
Die Erwärmung
wird über thermische
Sonden, die mit dem elektromagnetischen Wechselfeld nicht wechselwirken,
an unterschiedlichen Orten kontinuierlich detektiert. Über eine
Thermokamera wird zusätzlich
das Erwärmungsbild
des Prozessgegenstandes gegebenenfalls ständig mitverfolgt. Der Erwärmungsprozess: auf
Solltemperatur hochfahren – Temperatur
konstant halten, wird elektronisch über die Erwärmungs-Regel- und Steuer-Einrichtung
des Systems mit interner Bezeichnung HEPHAISTOS (High Electromagnetic
Power Heating Autoclave InSeT Oven System) geführt.
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2 zeigt den Querschnitt
des Resonators mit dem einen, zur oberen linken Mantelwandlängskante
parallelen Einkoppelstrukturpaar. Die einzelne Einkoppelstruktur
besteht aus dem an den Resonator außen herangeführten und
mit der Resonatorwand integrierten Rechteckhohlleiter, er erstreckt
sich hier über
fast die gesamte Resonatorlänge
(siehe 4b). In dem mit
dem Resonator gemeinsamen Wandteil befindet sich längs der
Mittellinie des gemeinsamen Wandteils die eigentliche Einkoppelstruktur
(siehe 3).
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Die
Strahlebene jeder Einkoppelstruktur steht hier senkrecht zum anliegenden
Mantelwandsegment. Entsprechend der Einkoppelstruktur hat die Strahlkeule
in ihrem Hauptteil einen Öffnungswinkel derart,
dass zwei unmittelbar aneinanderliegende Mantelwandsegmente bei
der Erstreflexion getroffen werden. Hier in 1, von dem Deckelmantelwandsegment ausgehend,
das gegenüberliegende,
parallele Bodenmantelwandsegment mit seinem links anliegenden, 60°-schrägstehenden
Nachbarmantelwandsegment. Der von der seitlich oben 60°-schrägstehenden
Einkoppelstruktur in den Resonator eingekoppelte Mikrowellenstrahl
hat den entsprechend gleichen Strahlengang. Durch die ebenen Mantelwandsegmente
wird der jeweilige divergente Mikrowellenstrahl bei den Reflexionen
auf jeden Fall aufgeweitet, es bilden sich keine Fokusbereiche wie
bei runder Resonatorwand längs
des Resonators aus.
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Die
Pfeilstummel am jeweiligen Strahlrand und an der ersten jeweiligen
Reflexionsfläche
deuten die Erstreflexion an, der gekrümmt Pfeil jeweils das Abschwenken
der Strahlränder
des erstmals reflektierten Strahls.
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Der
Modenrührer
sitzt innerhalb des Schnittbereichs der beiden noch nicht reflektierten
Hauptstrahlkeulen, er erstreckt sich nahezu über die freie innere Resonatorlänge, lagert
beispielsweise in den beiden Resonatorstirnwänden und ist über eine Durchführung an
einer Stirnwand von außen
angetrieben. Geeignet elektromagnetisch abgeschirmt, kann der elektrische
Antrieb auch im Innern des Resonators sitzen. Der Querschnitt des
Modenrührers ist
hier sternförmig
abgerundet, d.h. vier konvexe und konkave Konturabschnitte folgen
abwechselnd aufeinander. Der Modenrührer hat hier einfache, nicht tordierte
Gestalt und erfüllt
damit die Bedingung, dass, allenfalls von einer Längslinie
auf ihm ausgehend, kurzzeitig – abhängig von
der Modenrührerdrehzahl – eine Strahlebene
in die Einkoppelstruktur zurückreflektiert
wird. Auf jeden Fall wird der zentrale Bereich der beiden Strahlkeulen,
die auf den Modenrührer
auftreffen, bei der Reflexion am exponierten Mantelteil erst mal
stark aufgeweitet.
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2 zeigt den Resonator mit
zwei an der Resoantoraußenwand
angebauten Einkoppelstrukturpaaren. Das zweite Einkoppelstrukturpaar
schließt sich
der freien Mantellängskante
des gemeinsamen Mantelwandsegmentes an. Da die Einkoppelstrukturen
alle gleichartig sind, sind auch die jeweiligen Strahlengänge. Da
alle Mikrowellenstrahlkeulen aus sich raus aufgeweitet und im weiteren
Strahlengang an Ebenen reflektiert werden, besteht sofort ein Vergleichmäßigung des
elektromagnetischen Feldes im Innern des Resonators. Mit den jetzt
beiden Modenrührern
wird die verhältnismäßig hohe
Dichte des gerade in den Resonator ausgekoppelten Mikrowellenstrahlteils,
der auf den Modenrührer
auftrifft, in seiner Dichte nach der dortigen Reflexion stark aufgeweitet und
damit abgeschwächt
wird und aufgrund der besonderen Symmetrie des Hexagons in sich
elastisch reflektiert, so dass man der Felddichtegleichmäßigkeit
auch damit entgegenkommt. Der Modenrührer sitzt auf der Schnittgeraden
der zwei Strahlebenen des Einkoppelpaares und vermeidet so zusätzlich und
auf jeden Fall, dass die beiden Strahlebenen in eine jeweils gegenüberliegende
Einkoppelstruktur fallen.
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Ein
Modenrührer
erfüllt
dadurch seinen Sinn, als er zur Feldhomogenisierung beiträgt. In 3 werden lediglich beispielhaft
zwei Modenrührerquerschnitte
vorgestellt, der sternförmig
abge rundete und der schlüssellochförmige. Auf
jeden Fall sollten die konkaven Konturabschnitte in Ihren Verlauf
keinen solchen Krümmungsradius
aufweisen, dass die Brennlinie – eine
Gerade im gestreckten, eine Schraubenlinie um die Achse des Modenrührers im tordierten
Fall – dieses
Teils nicht auf die Einkoppelstruktur fällt, sondern sich weiter dahinter
befindet. Hat der Modenrührer
nur einen konvexen Querschnitt, beispielsweise linsenförmig oder
ellipsoid, besteht diese Forderung nicht.
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Voraussetzung
für die
Erreichung brauchbarer elektromagnetischer Feldverhältnisse
neben der Resonatorgeometrie ist die Struktur der Einkoppelvorrichtung
für die
Mikrowelle. Berechnungen zeigten und Experimente bestätigen, dass
sich mit einer solchen Struktur, wie in
4 dargestellt, Feldhomogenität mindestens
jedoch eine räumlich
tolerabel geringe Feldschwankung erreichen lässt. Der gemeinsame Wandteil
des an der Außenwand
angebrachten Rechteckhohlleiters und der Resonatorwand hat längs der
Längsachse,
dies und jenseits, rechteckigspaltartige Durchbrüche in regelmäßiger Aufeinanderfolge über die
Resonatorlänge.
Ausgehend von der Frequenz der Mikrowelle, hier die Haushaltsmikrowellenfrequenz ν = 2,45 GHz,
weisen die rechteckigen Schlitze eine Länge von L = 62.8 mm und eine Breite
d auf, die durch die Beugungsbedigung
determiniert ist. Auf diese
Dimensionierung der Einkoppelkontur ist man nicht festgelegt, sie
ist beispielhaft. Sie folgen in einem Abstand aufeinander, dass eine
phasenkonstante Auskopplung in den Resonatorraum besteht.
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5 zeigt eine einfache Einkoppelkontur, die
den mikrowellenphysikalischen Zustand berücksichtigt. In der Resonatorwand
sind in dem Gebiet, über
dem der Rechteckhohlleiter endet, die Einkoppelkonturen der Einkoppelstruktur
derart gestaltet, als der Grundmode TE10 in
der Gestaltung der jeweiligen Einkoppelkon tur zum Tragen kommt.
Die Kontur folgt zwei E-Feldlinien des Grundmodes in der Wand des
Rechteckhohlleiters, die bezüglich
der Längsachse
der Einkoppelkontur zueinander spiegelbildliche liegen. Die beiden
Knoten der E-Feldlinien liegen auf dieser Längsachse, sie sind λ/2 der Grundwellenlänge auseinander
und beenden die Einkoppelkontur. Der Bauch der Einkoppelkontur hat die
den Beugungswinkel der Einkopplung in den Resonator berücksichtigende
Breite d. Entlang genau dieser Kontur besteht die Situation E⊥ = 0. Diese Kontur
ist geometrisch einfach, sie kann mit modernen Metallbearbeitungsmaschien
noch leicht aus der Resonatorwand geschnitten werden. Komplexförmigere
Einkoppelkonturen aufgrund des Ansatzes einer vielgliederigen reihenentwickelten
Strahlungsquelle sind grundsätzlich
möglich,
für die
technische Verwendung aber auf Wirtschaftlichkeit hin zu überprüfen.
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Ein
Anwendungs-/Einbaufall zeigen die 6a und 6b:
Der hier angedeutet
Ofen kreisrunden Querschnitts ist beispielsweise ein Autoklav, wie
er aus der herkömmlich
thermischen Prozessierung bekannt ist, In ihm kann bei geeigneter
Konstruktion unter Unter- oder Überdruck
prozessiert werden. Da ein solcher Autoklav somit hermetisch abschließbar ist,
und das auch noch so, falls nicht ohnehin schon vorhanden, dass
er elektromagnetisch dicht ist, ist ein rundfunktechnisch störungsfreier
Einsatz völlig
unproblematisch. Der Resonator, mikrowellentechnisch komplett bestückt, ist
hier über
Kufen in den Autoklaven eingeschoben. Er ist darin lösbar oder
unlösbar
verankert, das ist von der insgesamten Prozessführung abhängig. Die energetische Versorgung
als auch mess- und regeltechnische Leitungen zur Steuerung und Überwachung
geschieht über
für den
zu fahrenden Prozess technisch geeignete Durchführung im Autoklaven und auch,
soweit nötig,
im Resonator. In den beiden 6a,
Querschnitt, 6b, axialer
Längsschnitt,
ist die sehr einfache technische Transportlösung der Kufen oder Schienen
angedeutet. Bei höherem
Gewicht hat der Resonator an seiner Außenwand Ösen und/oder Haken angebracht, über die
er mit Hilfe eines Krans bewegt werden kann.
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7 zeigt das Mode-Sweeping
für den
einfachsten Fall zweier Einkoppelstrukturpaare. Über beide Paare wird eingekoppelt,
so dass sich das zentrale Prozessvolumen, das hier im Schnitt dargestellt ist,
ausbildet. Durch das gegenläufig
oszillierende Einkoppeln über
die beiden Einkoppelstrukturpaare bewegt sich beispielsweise die
Ausbeulung, wie durch die beiden, jeweils von einem Einkoppelstrukturpaar
ausgehenden Konturen angedeutet, hin und her oder umlaufend. Hier
wird die vorgegebene Leistung P(t) = P1(t) + P2(t)eingekoppelt.
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Als
Ergänzung
zeigt 8 eine beispielhafte Vorgabe
der zeitlichen Erwärmung
eines Werkstückes
in einem Resonator oder vieler Werkstücke in einer Prozessstrasse.
Zunächst
wird eine lineare Rampe der Erwärmung
gefahren und damit die höchste
Mikrowellenleistung eingekoppelt. Dann wird über ein vorgegebenes Zeitintervall
die Temperatur konstant gehalten, d.h. es müssen nur die Abstrahlverluste
des Werkstücks über Mikrowelleneinkopplung
kompensiert werden. Dazu braucht man weniger elektromagnetische
Leistung als beim Aufwärmen.
Am Schluss schließlich
wird ein vorgegeben linearer Abkühlungsprozess
gefahren. Die Abstrahlverluste werden nicht mehr ganz kompensiert.
Hierzu ist noch weniger Leistung als beim Temperaturkonstanthalten
notwendig. Der Temperatur- und Leistungsverlauf ist in 8 beispielhaft und nur qualitativ
dargestellt. Über
in der Steuer- und Regeltechnik bekannte technische Einrichtung
werden solche Prozesse rechnergestützt gefahren (intern HEPHAISTOS).
Der Ist-Zustand des Werkstücks
oder der Werkstücke
wird über
am Werkstück
positionierte Wärmefühler oder über eine
eventuell eichbare Wärmekamera
erfasst und im Rechner für
den Steuer- und Regelprozess verarbeitet.
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Die
Bedeutung der homogenen Feldverteilung im zentralen Prozessvolumen
des Resonators wird mit 9 erläutert und
hervorgehoben. Metallische Gegenstände in einem Mikrowellengerät für den Haushalt
sind problematisch, und es wird auch in den zughörigen Betriebsanleitungen darauf
hingewiesen, solche nicht in den Resonator zu stellen. Die Feldverteilung
aufgrund der Resonatordimensionen im Wellenlängenbereich, λ ≈ 12cm, bei
dem Mikrowellengerät
für den
Haushalt inhomogen ist. Drehteller in besseren Geräten oder
ungleiche Erwärmung
in einfacheren weisen darauf indirekt hin.
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Gegenstände mit
einer Schicht zu überziehen,
um sie beispielsweise vor Einflüssen
der Aufenthaltsumgebung zu schützen,
ist eine häufige
technische Veredelungsmaßnahme.
Vom Aufwand her problematisch ist beispielsweise, ein metallisches
Gehäuse
vollständig
bzw. lückenlos
mit einer Epoxidharzschicht zu überziehen.
Problematisch deshalb, weil diese Harzschicht ausgehärtet werden
muss. Hier zeigt sich die Bedeutung der homogenen Feldverteilung
bzw. der nahezu homogenen Feldverteilung im zentralen Prozessvolumen
innerhalb des Resonators. Ein Metallgehäuse kann darin gefahrlos exponiert
werden, weil wegen dieser homogenen Feldverteilung keine stromtreibende
Feldkomponente parallel/tangential zur Metallfläche zustande kommt, die auf
der Metalloberfläche
aufgebrachte Schicht aber vollständig
in dieses Feld eingetaucht ist und deshalb das Schichtvolumen überall gleichmäßig erwärmt, und
zwar volumetrisch aus sich raus erwärmt wird und nicht über die
Schichtoberfläche
wie beim herkömmlichen
thermischen Erwärmen über Wärmeeinwirkung
in einem Autoklaven oder über
Infrarotbestrahlung.
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Große Metallgehäuse, wie
beispielsweise ein Schiffskörper,
lassen sich so in einem beispielsweise prismatischen Resonator mit
hexagonalem Querschnitt mit einer ausgehärteten Epoxidharzschicht versehen.
Die Resonatordimensionen hinsichtlich des Durchmessers und der Länge liegen
im vielmetrigen Bereich. Der Resonator ist ein Blechgehäuse, an
dem entlang wenigstens einer seiner Mantelsegmentlängskanten
ein Einkoppelstrukturpaar angebracht ist. Ein solches Einkoppelstrukturpaar sitzt
symmetrisch zu seiner Mantellängskante
und hat, um genügend
Mikrowellenleistung in den Resonator einzukoppeln, mehrere parallele
Einkoppelstrukturen, hier beispielsweise zwei. Bei den Dimensionen
im vielmetrigen Bereich kann mit einer Mikrowelle von 915 MHz, äquivalent
31 cm Wellenlänge, eine
hinreichende Feldhomogenität
im Prozessvolumen erreicht werden. Der stilisierte Schiffsrumpf,
siehe seine Frontansicht in 9,
sitzt völlig
im Prozessvolumen. Die Aushärtung
der auf den Schiffsrumpf gleichmäßig aufgebrachten,
gesamten Harzschicht geschieht ohne lokale Überhitzungen (hotspots) in
einem qualitativ zeitlich Ablauf etwa gemäß 8.
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Die
Zugänglichkeit
zum Resonator richtet sich nach dem Prozess, der durchgeführt werden
soll bzw. nach dem Einbau des Resonators in eine Prozessstrasse.
Deshalb ist er wenigstens über
eine Stirnwand oder über
wenigstens ein Mantelwandsegment tür- oder schleusenartig oder
durch Abnehmen zugänglich.
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Denkbar
ist, dass die Prozessierung von bestimmten Werkstücken mit
der Mikrowelle bei Unterdruck oder bei einem Überdruck, beides mal mehr oder
weniger ausgebildet, ablaufen muss. Damit die Struktur des elektromagnetischen
Feldes im Resonatorinnern da auch definiert bleibt, ist die Resonatorwand
außen
mit geeignet steifem Profilmaterial verstrebt bzw. versteift.
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Die
Aufstellung des Resonators wird ebenfalls durch den zu führenden
Prozess bestimmt, er kann deshalb mantelwandseitig und/oder stirnseitig lösbar verankert
lagern. Zum Bewegen sitzt er beispielsweise auf einem Schlitten
oder einem Wagen und hat deshalb an seiner Außenwand zum Manipulieren Haken
und Ösen
angebracht.
bestimmt.
