Die
Erfindung betrifft einen modularen Mikrowellenresonator und einen
daraus gebildeten thermischen Bereich einer Prozessstrasse. Der
Mikrowellenresonator ist bezüglich
seiner Frequenz geometrisch derartig dimensioniert, dass sich durch
die eingekoppelte Mikrowelle, ausgehend von der Grundmode, hinreichend
viele Moden ausbilden, die eine Überlagerung
in der Art ermöglichen,
dass die im Resonatorvolumen wirksame Intensität einem zur industriellen Prozessierung
erforderlichen Gleichmass ausreichend nahe kommt. Wahl der Frequenz,
Geometrie des Applikators, sowie der Einkopplung determinieren die
Art des sich überlagernden
Wellenfeldes. Bei einem monomodigen Resonator wird eine scharfe,
reine geometrische Mode angeregt, die im allgemeinen eine sehr inhomogene
Verteilung aufweist. Um mehr Moden zuzulassen muss das Applikatorvolumen
deutlich vergrößert werden.
Im Grenzfall sehr großer
Abstände
besteht der Übergang
zur klassischen geometrischen Optik. Wie in Feher, L., et al.: Sintering
of Advanced Ceramics Using a 30-GHz, 10-kW, CW Industrial Gyrotron, IEEE Transactions on
Plasma Science, Vol. 27, No. 2, April 1999, pp. 547–554 gezeigt
wurde, führt
die Überlagerung
von vielen Moden nicht zwangsläufig
zu einer Gleichverteilung oder Homogenisierung, sondern zu fokalen Überlagerungen.
Der vorliegende Applikator hat charakteristische Abmessungen von
mindestens L > 2λ für jede räumliche
Dimension und bleibt in seiner Maximalausdehnung unterhalb des klassischen
optischen Grenzfalles (Feher et al.: Theoretical aspects for microwave
ray tracing calculations in screened structures, Proc. Latsis Symposium
1995 on Computational Electromagnetics, ETH Zürich, Switzerland, 1995, pp.
236–241).
In diesem Bereich zwischen reiner modalen Anregung und klassischer
Optik ist eine optimierte Feldformung durch die beschriebenen technischen
Voraussetzungen Geometrie, Einkopplungsgestaltung in erforderlicher
Weise möglich
und zu lösen.
In
einem solchen mehr-/vielmodigen Mikrowellenresonator werden elektrisch
sehr schlecht leitende Materialien im weiten Sinne, entsprechend
der Prozess- und Nutzungsanforderung erwärmt. Im Gegensatz zu dielektrischen,
mikrowellenpermeablen Materialien (z.B. Alumniumoxidkeramiken, Porzellan, Glasfasern),
für die
die Beziehung
gilt, sind bei diesen Materialien
die Abhängigkeiten der
elektrischen Leitfähigkeit
nach
zu berücksichtigen. Zu denken ist
einerseits an polymergebundene Graphitplatten (Brennstoffzellmembranen),
an Kohlefaserverstärkte
Verbundwerkstoffe, die aus einem forminstabilen Grünzustand
heraus in einen ausgehärteten,
formstabilen Zustand gebracht werden sollen, durch den sie für die weitere
technische Verwendung ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen. Oder
aber das Brennen/Sintern von keramischen Grünkörpern. Andrerseits aber auch
weniger mit hohen Temperaturen ist an die Erwärmung von Speisen zu denken.
Bei all diesen Prozessvorhaben ist gemeinsam, dass in dem Resonatorvolumen ein
vorgebbares Teilvolumen bestehen muss, in dem bei einkoppelnder
Mikrowelle ein vorgegeben höherer
Grad an elektromagnetischer Feldhomogenität besteht, damit darin kontrolliert
gleichmäßig auf
die Prozesssubstanz eingewirkt werden kann.
In
der
DE 43 13 806 wird
eine Vorrichtung zum Erhitzen von Materialien durch Mikrowellen
beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einer Heizkammer, durch
die hindurch das zu prozessierende Material transportiert wird.
Die Heizkammer hat ein Wandteil, das konkav gekrümmt ist. An dieser wird die
eingekoppelte Mikrowelle reflektiert und auf das zu erwärmende Materialvolumen
fokussiert.
Eine
vergleichbare Einrichtung zeigt die WO 90/03714. Dort dient die
Heizkammer zur Speisenerwärmung,
um zu versuchen das zu erwärmende Speisenvolumen
mit einem Volumen, in dem ein elektromagnetisches Feld mit noch
tolerabler Homogenitätsabweichung
besteht, zu umgeben, damit ein gleichmäßigeres Temperaturfeld zustande
kommt.
In
der
JP 4-137391 ist
die Heizkammer um eine der ersten Reflexionswand gegenüber liegende zweite
Reflexionswand erweitert, womit angestrebt wird das Prozessvolumen
mit einem verstärkten, gleichmäßigen Feld
zu erfüllen,
um damit eine gleichmäßige Aufheizung
des Gegenstands zu erreichen.
In
der
US 5,532,462 wird
ein zylindrisches Reaktionsgefäß beschrieben,
dessen Inneres mit Mikrowellenenergie geheizt wird. Hierzu wird
die Multimod-Mikrowelle in das Gefäß derart eingekoppelt, dass
sie an der Innenwand absorbiert und reflektiert wird, und zwar derart,
dass die Absorption und Reflexion helikal fortschreitend erfolgen.
Das Kesselinnere soll so gleichmäßig geheizt
werden.
Inhomogene
Feldverteilungen führen
beim Sintern von Keramiken zu unterschiedlichen Dichten innerhalb
einer Charge und zu inhomogenen Verdichtungen in einzelnen Proben,
die letztlich mechanische Spannungen hervorrufen, die die Formteile deformieren
oder gar zertrümmern.
Diese Problematik und die daraus gezogene Erkenntnis, dass eine gleichmäßige Volumenheizung
u. a. bei Sinterprozessen von bedeutendem Vorteil und großer Bedeutung
bei der thermischen Materialprozessierung sind, werden in dem Aufsatz "Microwave Sintering
of Zirconia-Toughened Alumina Composites" von H. D. Kimrey et al. abgehandelt
(Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 189, 1991 Material Research Society,
Seiten 243 bis 255). Es werden zwei hochmodige, zylindrische Mikrowellen" beschrieben, der
eine bei 2.45 GHz und der andere bei 28 GHz. Erfolgreich war der Sinterprozess
nur bei der hohen Frequenz.
Anlässlich des
MRS Spring Meeting in San Francisco, April 11th, 1996 (Symp. Microwave
Processing of Materials V) berichteten L. Feher et al. unter dem
Titel "The MiRa/THESIS
3D-Code Package for Resonator Design and Modelling of Millimeter-Wave
Material Processing" Über die
Simulation der Feldverteilung in einem vom IAP in Nizhny Novgorod
benutzten Design eines hochmodigen, zylindrischen Resonators mit
sphärischem
Deckel. Es wird darin gezeigt, dass Resonatoren mit kreiszylindrischer
oder sphärischer
Geometrie eine durchweg verbesserungsbedürftige Feldverteilungen haben. Aufgrund
ihrer Topologie treten Fokussierungen des Feldes im Resonatorinnern
zwangsläufig
auf, so dass im Vergleich zum Resonatorvolumen nur ein verhältnismäßig kleines
Arbeitsvolumen mit einigermaßen
homogener Feldverteilung bleibt. Zusätzliche technische Maßnahmen
wie Modenrührer
und diffuse Flächen
(Streuflächen)
bringen zwar Verbesserung, die aber für die gewerbliche bzw. industrielle
Anwendung mit zu hohem Aufwand verbunden sind.
In
der
DE 196 33 245 wird
ein prismatischer, bezüglich
seiner Längsachse
symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygonalem Querschnitt als Resonator
beschrieben. Alle Flächensegmente
des Resonators sind eben flach. Dadurch bleibt der eingekoppelte
Mikrowellenstrahl bei Reflexionen an der Resonatorwand stets divergent
und wird nicht wie bei kreiszylindrischen und sphärischen
Geometrien immer wieder fokussiert. Der Mikrowellenstrahl wird durch
eine Einkoppelöffnung
in einer der beiden Stirnwände
eingekoppelt, seine Strahlachse ist zu der Längsachse geneigt, und zwar
so, dass bei der ersten Reflexion eine symmetrischer Strahlaufteilung erfolgt.
Die theoretischen Befunde für
die Feldaufteilung wurden rechnerisch als auch experimentell in gutem
Masse bestätigt.
Eine gleichmäßige Verarbeitung
mehrerer zu glühender
oder zu brennender Körper
kann mit verringertem Ausschuss durchgeführt werden.
Die
bislang vorgestellten, bestehenden technischen Vorrichtungen lösen das
Problem durch monomodige oder optische Ansätze, beschränkt in einer endlichen Geometrie,
und sind hinsichtlich der technischen Nutzung unter den Anforderungen
großflächiger,
membranartiger Strukturen und Beladungen in ihren Ausbildungen insbesondere
zur Realisierung von linienförmigen
Prozessstrassen nicht zweckmäßig oder
verwendbar.
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erwärmung, Temperierung und Prozessierung ausgedehnter
flächiger
Materialien in der Form für die
industrielle Anwendung zu ermöglichen,
dass, durch außerordentliche
Feldhomogenität
bedingt, durch die bauliche Geometrie, die Art der Quellen- und
Wellenleitereinkopplung sowie der Abstimmung Frequenz und Größe des Applikators
selbst sensible polymere Strukturen zu hochqualitativen Produkten mit
bisher nicht erreichbaren Materialeigenschaften thermisch prozessiert
und damit ausgehärtet
werden können.
Die Beschickung soll dabei in einer Ausbildung stapelartig, also
durch Vollpacken des Applikators, oder in der andern Ausbildung
im Durchflussverfahren möglich
sein.
Die
Aufgabe wird durch einen hochmodigen Mikrowellenresonator gemäss den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1, in dem sich insbesondere neben der Grundmode hinreichend
viele höhere Moden
ausbilden können,
gelöst.
Der
Resonator hat prismatisch säulenförmige Gestalt
mit pentagonalem, nach außen
gewölbtem
(konvexem) Querschnitt.
Die
Mikrowelle wird über
Einkoppelöffnungen
in einer der fünf
Mantelseiten in den Resonator eingekoppelt. Diese Einkoppelöffnungen
sind Linienstrahler und liegen parallel zu der Kante der Mantelwand.
Dadurch tritt aus jeder Einkoppelöffnung ein divergenter Mikrowellenstrahl
mit einer Strahlebene statt Strahlachse, ein Linienstrahlbündel, aus.
Die Strahlebenen sind so gerichtet, dass sich die eingekoppelten
Mikrowellenlinienstrahlenbündel
im Resonator auffächern
und sich in einem vorgegebenen zentralen Volumen um und entlang
der Längsachse des
Resonators zu einer zumindest weitestgehend homogenen Verteilung
des elektromagnetischen Feldes darin überlagern.
In
den Unteransprüchen
2 bis 10 werden vorteilhafte und für den Betrieb zweckmäßige Ausgestaltungen
des Resonators beschrieben:
Eine spezielle, symmetrische Querschnittsform
des Resonators ist die zur Seitenhalbierenden der Grundseite symmetrische
Querschnitt (Anspruch 2), insbesondere wenn die beiden Seitenwände auch noch
senkrecht auf der Grundplatte/Rückwand
stehen (Anspruch 3). Der letztere Fall insbesondere ergibt sich
aus rechnerischen Feldbetrachtungen, Felduntersuchungen und Symmetriebetrachtungen
an einem Resonator mit hexagonalem Querschnitt (siehe
DE 196 33 245 ). Aus diesen Untersuchungen
und den Ableitungen aus Symmetriegründen darin wird dieser spezielle
Querschnitt des Resonators gemäss Anspruch
4 als semihexagonal bezeichnet, weil er sich durch den mittigen
Schnitt durch die jeweilige Längsmitte
zweier paralleler und einander senkrecht gegenüberliegender Wände des
Mantels eines Resonators mit hexagonalem Querschnitts ergibt.
Bezüglich der
geforderten Qualität
der elektromagnetischen Feldverteilung im Innern des Resonators
hat sich experimentell gezeigt, dass der Anbau der zur Einkopplungsvorrichtung
gehörigen
Mikrowelle an der einen oder andern Stirnseite, und damit bei Betrachtung
beider Einkopplungsvorrichtungen gleichartig oder auf unterschiedlicher
Stirnseite – im
einen oder andern Fall messbare, im allgemeinen jedoch nicht stark
ausgeprägte
Verbesserungen bringt (Anspruch 5).
Ablagerungen
in den Einkoppelöffnungen würden die
Auskopplung der Mikrowelle und damit die Feldverteilung im Resonator
nachteilig beeinträchtigen.
Es ist deshalb sinnvoll und zweckmäßig die Einkoppelöffnungen
mikrowellentransparent, umgebungs- und prozessinert mit einem Dielektrikum
zu verschließen/abzudecken
(Anspruch 6). Das kann beispielsweise einen Teflonfolie sein aber
auch sonst eine , eventuell zusätzlich
mechanisch belastbare Abdeckung/Lage.
In
Anspruch 7 wird der stirnseitige Zugang zum Resonator hervorgehoben.
Das kann von einer Stirnseite aus sein, es wird dann von da aus
mit Prozessgut beschickt und dasselbe daraus entnommen. Der Resonator
kann aber auch im Durchlauf benutzt werden, wenn über beide
Stirnseiten Zugang besteht. Ein derartig benutzter Resonator wird
dann im allgemeinen auf einer der fünf Mantelwände stehen, wobei die Mantelwand
mit den Einkoppelöffnungen
je nach Bedarf exponiert werden kann. Sitzt der Resonator auf einem
Gestell beispielsweise, könnte
diese Mantelwand gleichzeitig Bodenwand sein. Bei geforderter leichter
Zugänglichkeit
zu den mikrowellentechnischen Einrichtungen, kann diese Mantelwand auch
zur Seite oder nach oben exponiert sein. Das aber wird schließlich durch
Prozessgegebenheiten bestimmt.
In
Anspruch 8 ist beschrieben, dass der Zugang ins Resonatorinnere über mindestens
eine der übrigen
vier Mantelwände
außer
der Mantelwand mit den Einkoppelöffnungen
eingerichtet ist, vorzugsweise über
eine dieser Mantelwand mit Einkoppelöffnungen gegenüberliegende
oder beide. Bei dieser Forderung könnte dann der Resonator auf
eine Stirnwand gestellt und schrankartig zugänglich sein. Steht er in dieser
Art auf Rollen oder einem Rollengestell, ist er darüber hinaus
noch mobil. In welche Richtung, von der Resonatorbeschickung und – entnahme
aus gesehen, die Mantelfläche
mit den Einkoppelöff nungen
exponiert wird, ist wie oben angemerkt, von den weiteren Prozessgegebenheiten
abhängig.
Beispielhaft ist der Zugang zu einem Schrank mit Klapptür oder Klapptüren mit
den mikrowellentechnischen Anbauten auf der Rückwand.
Neben
den beiden entlang der Mantelwandkante sitzenden Einkoppelvorrichtungen
besteht nach Anspruch 9 eine weitere, gleichartig dazwischenliegende, über die
zusätzlich
elektromagnetisch eingekoppelt werden kann, um die Feldhomogenität im Nutzvolumen
innerhalb des Resonators hinsichtlich der Verteilungscharakteristik
fein zu manipulieren. Das Hauptfeld wird über die beiden äußeren Einkopplungen
eingestellt.
Über die
Zahl der Einkoppelvorrichtungen kann grundsätzlich auch eine andere elektromagnetische
Feldverteilungen als die hier um die zentrale Längsachse des Resonators ausgebildete
eingestellt werden. Die ausgekoppelten Mikrowelle/n reflektieren
an den Innenwänden
des Resonators aufweitend und nicht fokussierend. Das ist für eine homogene Feldverteilung
eine grundlegende Voraussetzung, weil fokale Feldüberhöhungen,
Kaustiken, wie bei runder Mantelwand nicht auftreten können.
Schließlich ergibt
sich aus mikrowellentheoretischen Betrachtungen, dass bei einfachen
Strukturen eine Welligkeit mit frequenzberücksichtigender Dimension für den Grad
der Gleichmäßigkeit
des elektromagnetischen Feldes in Teilvolumen des Resonators vorteilhaft
ist. Experimentell bestätigte
sich das für
den Resonator, wenn die Welligkeit w sich in dem Band. λ/16 < w < λ/2bewegt
(Anspruch 10).
Orientiert
an dem Prozess, der gefahren, und dem Material, das prozessiert
werden soll, sowie dem monetären
Aufwand, der für
eine solche mikrowellentechnologische Einrichtung aufgewandt werden
muss, wird man zum Bau auf Mikrowellenkomponenten/- quellen zugreifen,
die ab 100 MHz bis in den Bereich von 25 GHz Standard sind. Für die Speisenerwärmung beispielsweise
ist die Haushaltsmikrowelle eine bekannte Einrichtung. Sie arbeitet
mit einem Magnetron als Mikrowellenquelle und erzeugt eine Hochfrequenz
von 2,45 GHz. Bei der Keramiksinterung ist die thermische Prozessierung
bei dieser Frequenz aber auch bei etwa 24,5 GHz sinnvoll. Hier spielt
die Ankopplungseigenschaft der Prozesssubstanz eine gewichtige Rolle,
die zudem noch temperaturabhängig
ist. Aus der Homogenitätsforderung
an das elektromagnetische Feld in mindestens einem Teilvolumen des
Resonatorinnern und der Prozesskörperdimensionen
ergibt sich die Frequenzwahl und Geometrie des Resonators, wobei
der Durchmesser des Resonatorquerschnitts und die Länge des
Resonators aus den Feldrechnungen und -betrachtungen heraus zur
Einstellung des geforderten Grades an Feldhomogenität im notwendigen
Teilvolumen stets größer als
die Wellenlänge λ der angewandten
Mikrowelle, vorzugsweise 2λ ist.
Das
Durchführungsbeispiel
ist ein Resonator in der geometrischen Form gemäss Anspruch 4 mit pentagonalem
Querschnitt, speziell, da aus einem regelmäßig hexagonalen Querschnitt
durch Halbierung hervorgehend, semihexagonalem Querschnitt. Diese
spezielle, beispielhafte Geometrie wird im folgenden noch näher erläutert. Die
Zeichnung dazu besteht aus den 1 bis 4:
1 die Erzeugung des Resonatorquerschnitts,
2 der Resonator mit semihexagonalem Querschnitt
perspektivisch,
3 die Energiedichteverteilung über dem Querschnitt,
4 die mittige Energiedichteverteilung über der
Resonatorlänge.
Der
Resonator mit semihexagonalem Querschnitt ist in Rahmenbauweise
aus Aluminiumprofilen aufgebaut, wie 2 zeigt.
Er
ist ein Laboraufbau. Die Mantelwände
bestehen aus Aluminiumblech, das von innen an den Rahmen befestigt
ist. Die beiden Stirnseiten sind hier perforierte Bleche, die am
Bodenrahmen über
ein Scharnier schwenkbar sind. Entlang der beiden Mantelkanten der
Bodenwand sitzen die beiden Längseinkopplungen,
siehe 1. Die rechte
Einkoppeleinrichtung hat an ihrer hinteren Stirn, an der hinteren Resonatorstirnwand
die Mikrowellenquelle, ein Magnetron, mit Abstimmeinheit (Schieber
sitzen) zum Abgleich sitzen. In 2 deutet
sich das durch die Schlauchzuführungen
und sichtbaren Rechteckteile an. Die Mikrowellenquelle der parallel
gegenüberliegenden
Einkoppelvorrichtung sitzt vorne an der in der Figur linken unteren
Ecke entsprechend. Der Aufbau ist notwendigerweise hochfrequenzdicht,
wie an den Stirnkanten durch das anliegende, gewebeartige Metallband
ersichtlich. In der Bodenwand liegt innen eine Teflonplatte aus,
die den gesamten Boden abdeckt und die beiden band-/linienförmigen Einkoppelöffnungen
entlang der jeweiligen Mantelwandkante verdeckt. 1 zeigt ihre Lage im Resonatorquerschnitt.
Der Resonatorquerschnitt ist konvex pentagonal und lässt durch
Spiegelung an der Grundkante zu einem regelmäßigen Hexagon vervollständigen, wie
in 1 dargestellt.
In 1 ist an der in der Figur
linken Quelle der Strahlengang des auskoppelnden Mikrowellenstrahls
mit seiner punktgestrichelten Strahlachse, richtiger Strahlebene,
angedeutet. Die im Bild linke Strahlrepräsentierung reflektiert zweimal,
an der Seitenwand und linken Dachwand, die rechte nur an dieser
Dachwand. Mehr führe
zur Unübersichtlichkeit und
ist deshalb unterlassen.
Die
Betriebesdaten und die Geometrie des Resonators mit semihexagonalem
Querschnitt sind:
Die Betriebsfrequenz ist 2,45 GHz und damit
eine Wellenlänge λ im Vakuum
von etwa 12 cm. Als Mikrowellenquelle wird pro Einkoppelvorrichtung
ein Magnetron verwendet. Die beiden Magnetrone sind pulsbar mit
steuerbarem Puls-Breiten-Verhältnis, so
dass kontinuierlich eine Mikrowellenleistung von null bis zum Nennmaximum
eingestellt werden kann. Das Resonator hat die zehnfache Vakuumwellenlänge, also
etwa 1,2 m, die Seitenwand hat eine Innenhöhe von etwa 30 cm und die beiden
Dachmantelwände sind
jeweils 60 cm breit.
Die
technischen Daten sind beispielhaft. In diesem Resonator wurden
und werden Platten und bandförmige
Grünkörper in
homogener oder verbundtechnische Form über die Einwirkung der eingekoppelten
Mikrowelle je nach Ausdehnung in kurzer Zeit zur Formstabilität und gegebenenfalls
zur mechanischen Stabilität
ausgehärtet.
Eine Grünplatte aus
CFK-Material, 3 mm dick und 20 cm2 kann
so über
Querschnitt und Fläche
in weniger als 20 Minuten. gleichmäßig ausgehärtet werden, Brennstoffzellmembranen
in weniger als 5 Minuten. Das gelingt in einem klassischen Autoklaven
bei rein thermischer Einwirkung über
die Gegenstandsoberfläche
nur in mehreren Stunden.
Die
ausgezeichneten Prozesszeiten werden anhand der 3 und 4 mit
den dargestellten Feldverteilungen erklärt. 3 zeigt die Energiedichteverteilung über den
mittigen Querschnitt. hervortritt in der oberen Hälfte im
zentralen Bereich ein verhältnismäßig gleichmäßig gleichdunkle
Verteilung, die in diesem zentralen Bereich von nur geringen Schwankungen
bekleidet ist. Stark treten auch die beiden unmittelbaren Einkoppelbereiche
mit dem jeweils angeschlossenen Rechteckhohlleiterquerschnitt hervor.
In 4 ist die Verteilung senkrecht
dazu in der Mittenebene zur Grundplatte entlang der Längsmitte
dargestellt. Prozessgegenstände,
die in dem Teilvolumen des Resonators, in dem diese brauchbaren,
wenig schwankenden Feldverhältnisse
bestehen, exponiert und der Mikrowelle ausgesetzt werden, werden
in den vergleichbar kurzen Prozesszeiten gleichmäßig formverfestigt.
In
beiden betrachteten Ebenen ist die größte Schwankung kleiner als
5%.
zu berücksichtigen. Zu denken ist einerseits an polymergebundene Graphitplatten (Brennstoffzellmembranen), an Kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe, die aus einem forminstabilen Grünzustand heraus in einen ausgehärteten, formstabilen Zustand gebracht werden sollen, durch den sie für die weitere technische Verwendung ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen. Oder aber das Brennen/Sintern von keramischen Grünkörpern. Andrerseits aber auch weniger mit hohen Temperaturen ist an die Erwärmung von Speisen zu denken. Bei all diesen Prozessvorhaben ist gemeinsam, dass in dem Resonatorvolumen ein vorgebbares Teilvolumen bestehen muss, in dem bei einkoppelnder Mikrowelle ein vorgegeben höherer Grad an elektromagnetischer Feldhomogenität besteht, damit darin kontrolliert gleichmäßig auf die Prozesssubstanz eingewirkt werden kann.