DE19633245C1 - Hochmodiger Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbehandlung von Werkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen hochmodigen Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbehandlung von Werkstoffen. Mit ihm sol­ len Keramiken gesintert oder Materialien getrocknet werden können. Dies gelingt um so besser, je homogener die Feldver­ teilung im Resonatorinnern oder dem Mikrowellenofen ist.

In der DE 43 13 806 A1 wird eine Vorrichtung zum Erhitzen von Ma­ terialien durch Mikrowellen beschrieben. Die Vorrichtung be­ steht aus einer Heizkammer, durch die hindurch das zu prozes­ sierende Material transportiert wird. Die Heizkammer hat ein Wandteil, das konkav gekrümmt ist. An dieser wird die einge­ koppelte Mikrowelle reflektiert und auf das zu erwärmende Ma­ terialvolumen fokussiert.

Eine vergleichbare Einrichtung zeigt die WO 90/03714. Dort dient die Heizkammer zur Speisenerwärmung, um zu versuchen das zu erwärmende Speisenvolumen mit einem gleichmäßigeren Tempe­ raturfeld zu versehen.

In der JP 4-137391 A ist die Heizkammer um eine der ersten Re­ flexionswand gegenüber liegende zweite Reflexionswand erwei­ tert, womit angestrebt wird das Prozeßvolumen mit einem ver­ stärkten, gleichmäßigen Feld zu erfüllen, um damit eine gleich­ mäßige Aufheizung des Gegenstands zu erreichen.

In der US 5,532,462 wird ein zylindrisches Reaktionsgefäß be­ schrieben, dessen Inneres mit Mikrowellenenergie geizt wird. Hierzu die Multimod-Mikrowelle in das Gefäß derart eingekop­ pelt, 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 in­ homogenen Verdichtungen in einzelnen Proben, die letztlich me­ chanische Spannungen hervorrufen, die die Formteile deformie­ ren oder gar zertrümmern. Diese Problematik und die daraus ge­ zogene Erkenntnis, daß eine gleichmäßige Volumenheizung u. a. bei Sinterprozessen von bedeutendem Vorteil und großer Bedeu­ tung 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 Mikrowellenöfen betrieben, der eine bei 2.45 GHz und der an­ dere 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 Modeling of Millimeter-Wave Material Processing" über die Simulation der Feldverteilung in einem vom IAP in Nizhny Novgorod benutzten Design eines hoch­ modigen, zylindrischen Resonators mit sphärischem Deckel. Es wird darin gezeigt, daß Resonatoren mit kreiszylindrischer oder sphärischer Geometrie eine durchweg verbesserungsbedürf­ tige Feldverteilungen haben. Aufgrund ihrer Topologie treten Fokussierungen des Feldes im Resonatorinnern zwangsläufig auf, so daß im Vergleich zum Resonatorvolumen nur ein verhältnis­ mäßig kleines Arbeitsvolumen mit einigermaßen homogener Feld­ verteilung bleibt. Zusätzliche technische Maßnahmen wie Moden­ rührer und diffuse Flächen (Streuflächen) bringen zwar Verbes­ serung, die aber für die gewerbliche bzw. industrielle Anwen­ dung mit zu hohem Aufwand verbunden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, starke inhomogene Feldüberhöhungen (Kaustiken) in einem Resonator, der als Mi­ krowellenofen verwendet wird, zu vermeiden und einen einkop­ pelnden Mikrowellenstrahl durch eine äußere Geometrie im Volu­ men zu verteilen, um dadurch ein aufzuwärmendes oder zu bren­ nendes bzw. zu sinterndes Gut einem weitgehend homogenen Feld aussetzen zu können.

Die Aufgabe wird durch einen hochmodigen Mikrowellenresonator gemäß Anspruch 1 gelöst.

Der Resonator ist ein prismatischer, bezüglich seiner Längsachse symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygonalem Querschnitt. Alle Flächensegmente des Resonators sind eben oder gleichbedeutend, topologisch flach. Dadurch bleibt der eingekoppelte Mikrowellenstrahl bei Reflexionen an der Resona­ torwand stets divergent und wird nicht wie bei kreiszylindri­ schen und sphärischen Geometrien immer wieder fokussiert.

Bei der ersten Reflexion erfährt der Strahl eine Aufteilung in zwei symmetrische Hälften, da die Strahlachse vom Mikrowellen­ koppelfenster zunächst auf die nächstliegende, gemeinsame Kante zweier Mantelflächensegmente fällt. Damit erreicht man eine erste starke Auffächerung nach der ersten Reflexion, die bei erster Reflexion des Strahls an nur einem ebenen Wandseg­ ment nicht erreicht wird.

Plausibel scheint zunächst, wenn der eingekoppelte Strahl stets derart reflektiert wird, daß eine Auffächerung erfolgt. Dann können ungebührliche Feldüberhöhungen, wie sie bei reiner Zylindergeometrie durch Fokussiereffekt auftreten, nicht zu­ stande kommen. In Folge davon muß bei einer Resonatorgeometrie mit polygonalem Querschnitt nicht zu hoher Ordnung ein im Ver­ gleich zur Zylindergeometrie viel größeres Nutzvolumen (auch Arbeits- oder Prozeßvolumen) zu erreichen sein.

Feldberechnungen mit einem speziell entwickelten Computerpro­ gramm bestätigen diese Plausibilitätsbetrachtung. Zu diesem Zweck wurden Resonatordesignstudien mit diesem Computerpro­ gramm, dem MiRa-Code (Microwave Raytracer), unter verschie­ denen polygonalen Geometrien als meistversprechend ausgewählt. Der MiRa-Code dient zur Berechnung stationärer Wellenfelder und zeigt gute Übereinstimmung mit entsprechend realisierten Resonatoren.

Der MiRa-Code wurde als ein gitterloses analytisches Rechner­ verfahren entwickelt mit dem komplexe Resonatorgeometrien un­ tersucht werden können. Ein Strahlformalismus, der die kom­ pletten Eigenschaften für elektromagnetische Felder im statio­ nären Zustand repräsentiert, liefert die theoretische Basis für diesen Code. Dies erlaubt die Beschreibung eines monochro­ matischen, sich harmonisch ändernden Wellenfeld mit dem Vek­ torpotential

Unter Einbeziehung von Eichtransformationen ist die Bedingung

immer einzuhalten (siehe nochmals o. e. MRS Spring Meeting 1996, insbesondere "Optical field calculations with the Mira-Code").

Im abhängigen Anspruch 2 wird der symmetrisch hexagonale Quer­ schnitt des Resonators gekennzeichnet, weil mit ihm hinsicht­ lich der homogenen Feldverteilung geringster Schwankung das beste Ergebnis erreicht wurde und damit das Resonatorvolumen fast vollständig als Arbeitsvolumen benutzt werden kann. An­ dere geradzahlig polygonale Resonatorquerschnitte zeigen hin­ sichtlich der Feldhomogenität nicht diese Qualität. Dennoch, ein oktagonaler Resonatorquerschnitt ist immer noch wesentlich günstiger für die Ausprägung eines homogenen Feldes als die zum Stand der Technik angeführten Geometrien, selbst wenn sie noch einen Modenrührer im Resonatorinnern haben.

Die Innenwände des Resonators sind metallisch oder mit einer metallischen Schicht bedeckt, wodurch sie für die Mikrowelle ein Spiegel sind, der um so besser reflektiert, je höher die elektrische Leitfähigkeit der Wände ist. Darüber hinaus müssen sie in der Prozeßumgebung beständig, d. h. für die berührende Atmosphäre chemisch inert sein und müssen gekühlt werden, um bei thermischer Belastung, die überwiegend von Strahlung und mehr oder weniger untergeordnet von Konvektion herrührt, standzuhalten. Je nach Einsatzfall wird ein Material wie Sil­ ber oder Kupfer oder Gold oder Aluminium oder Edelstahl als Wand oder Innenwandbe­ schichtung für den Resonator eingesetzt (Anspruch 3).

Die Einkopplung der Mikrowelle in den Resonator erfolgt von einer der beiden ebenen Stirnseiten. Die Einkoppelöffnung liegt außerhalb des Zentrums der Stirnseite (Anspruch 4), so daß es eine gemeinsame Kante zweier aneinanderstoßender Man­ telsegmente gibt, die der Einkopplungsöffnung am nächsten liegt. Zu dieser Kante läuft die von der Einkopplungsöffnung ausgehende Strahlachse und teilt sich dort bei der ersten Re­ flexion zunächst in zwei Strahlachsen auf, die bis zur zweiten Reflexion spiegelbildlich zueinander verlaufen.

Durch die erreichte homogene Feldverteilung im stationären Zu­ stand ist jetzt der Resonator als Mikrowellenofen sehr gut zur Sinterung keramischer Substanzen geeignet. Es können aber durchaus auch andere Gegenstände ausgeheizt oder getrocknet oder einfach temperiert werden (Anspruch 5).

In den Resonator wird ein quasioptischer Strahl mit gaußschem Strahlprofil oder ein diesem Profil nahekommender Mikrowellen­ strahl eingekoppelt (Anspruch 6).

Die Vorteile des prismatischen Resonators mit geradzahligem, symmetrisch polygonalem Querschnitt und der gegen die Längsachse geneigten Strahleinkopplung mit anschließender sym­ metrischer Strahlaufteilung nach der ersten Reflexion hat sich nach auf den MiRa-Code gestützte Vorhersagen als optimal und vorteilhaft herausgestellt. Die theoretischen Befunde wurden experimentell bestätigt. Vor allem können weitere bekannte technische Hilfsmittel wie der Modenrührer und Streuscheiben (Diffusoren) entfallen. Sie bringen keine zusätzliche Verbes­ serung mehr. Damit ist die Voraussetzung für eine gleichmäßige Verarbeitung mehrerer zu glühender oder zu brennender Körper, sogenannte Grünkörper, geschaffen und der industrielle Einsatz nahegelegt.

Das im folgenden anhand der Zeichnung näher beschriebene Aus­ führungsbeispiel der Erfindung ist als Ofen für die Keramik­ sinterung vorgesehen.

Es zeigt:

Fig. 1a Projektion des eingekoppelten Strahls senkrecht zur Resonatorachse,

Fig. 1b Projektion des eingekoppelten Strahls parallel zur Resonatorachse,

Fig. 2 der Mikrowellenofen mit hexagonalem Applikatoreinsatz und Kantenbeaufschlagung durch die Mikrowelle,

Fig. 3 Abhängigkeit der Feldhomogenität und Energiedichte im Arbeitsvolumen von der Ordnung des polygonalen Querschnitts und der Art der Wandbeaufschlagung,

Fig. 4 Blockdiagramm der Feldberechnung mit dem MiRa-Code.

Der in den Resonator 1 mit hexagonalem Querschnitt einkop­ pelnde, quasioptische Mikrowellenstrahl 2 wird in den beiden Fig. 1a und 1b strahloptisch vereinfacht mit den beiden er­ sten Reflexionen dargestellt. Der Mikrowellenstrahl 2 tritt in den Resonator 1 durch die Einkoppelöffnung 3 in der in der Fig. 1a unteren Stirnseite 4 ein. Die Strahlachse 5 des in den Resonator 1 eintretenden, ersten Strahlteils ist mit einem Winkel α zur Stirnseite 4 mit dem Einkoppelöffnung 3 geneigt. Sie ist so ausgerichtet, daß sie auf die nächstliegende Kante der zwei aneinanderstoßenden, ebenen Polygonflächen stößt. An diesen beiden aneinanderstoßenden Polygonflächen wird der Strahl 2 erstmalig reflektiert und gleichzeitig in zwei zuein­ ander symmetrische Teile aufgeteilt. Der Innenraum des Resona­ tors 1 wird durch den stets divergenten Strahlengang mit zu­ nehmenden Reflexionen immer gleichmäßiger ausgefüllt.

In den Fig. 1a und 1b ist dieser Vorgang nur für die ersten beiden Reflexionen gezeigt, um anzudeuten, wie die Felderfül­ lung des Raumes und damit des Mikrowellenofens fortschreitet (In Wirklichkeit ist die stationäre Felderfüllung im Resonator nach dem Einkoppeln gewissermaßen sofort vorhanden). Stärkere lokale Feldüberhöhungen (Kaustiken) werden vermieden, infolge können keine sogenannten Hotspots in den im Resonator 1 aufge­ heizten Keramikformen entstehen. Die zu prozessierenden Keramik­ formen werden im Arbeitsvolumen (Prozeßvolumen) des Ofens (Re­ sonators) dem Mikrowellenfeld ausgesetzt.

In Fig. 2 besteht der Mikrowellenofen aus einem zylindrischen Gebilde 6 mit zwei Anschlußstutzen 7 und 8, wovon der eine 8 an der Mantelfläche ansetzt und der Temperaturmessung sowie dem Auspumpen bzw. Atmosphärenfluten des Resonatorinnern dient und der zweite 7 schräg an einer der beiden Stirnflächen 4 an­ setzt. Über letzterem wird die Mikrowelle 2 ins Resonatorin­ nere eingekoppelt. Deshalb ist er auch mit dem Koppelfenster 9 an der Stoßstelle zum strahlführenden Hohlleiter abgeschlos­ sen.

Das Innere des Originalzylinders 6 ist von Stirnseite 4 zu Stirnseite 4 mit dem im Querschnitt hexagonalen Applikatorein­ satz 10 koaxial ausgelegt. In Fig. 2 ist der Applikator 10 soweit um die Zylinderachse gedreht, daß die einfallende Strahlachse 5 auf die nächstliegende Kante zweier sich stoßen­ der Polygonwände des Applikatoreinsatzes 10 fällt. Damit er­ folgt dann dort die erste symmetrische Aufteilung des ein­ fallenden Mikrowellenstrahls 2.

Der MiRa-Code als Instrument zur Ermittlung und Auslegung der optimalen Resonatorgeometrie ist ein entscheidendes Werkzeug. Er ist in seinen wesentlichen Zügen und seiner grundsätzlichen Benutzung in Fig. 4 erläutert. Die detaillierteren Zusammen­ hänge dieses Codes sind in der o. e. Literaturstelle nachvoll­ ziehbar von den Autoren H. Feher et al. beschrieben. Im we­ sentlichen wird zunächst ein Resonatormodell mit polygonalem Querschnitt angenommen, modelliert und zur Berechnung der in dieser Resonatorgeometrie auftretenden Feldverteilung herange­ zogen. Die numerische Kalkulation erfolgt mit der MiRa-Feldbe­ rechnung, in der die in den Resonator 1 eintretende Mikrowelle 2 strahloptisch verfolgt wird. Die sukzessive Felderfüllung im Resonator 1 läßt sich schließlich u. a. videogeeignet darstel­ len, so daß z. B. als ein Ergebnis die Längs- und Quer­ schnittsentwicklung der Feldverteilung im Resonatorinnern vor­ geführt werden kann.

Zur Ofenauslegung ist es das Bestreben, die Energiedichte im definierten Arbeitsvolumen möglichst groß zu halten, bei gleichzeitiger geringer Streuung der Feldstärkewerte um den Mittelwert (homogene Verteilung). Das Arbeitsvolumen, zum Ver­ gleich der Bedingungen, wird als das zusammenhängende Volumen definiert, das bei der zylindrischen Originalgeometrie die be­ ste Feldqualität aufweist. Durch die Studie mit dem MiRa-Code zur Untersuchung der Feldhomogenität verschiedener prismati­ scher Applikatordesigns zeigte sich ein Optimum für die hexa­ gonale Struktur mit Kantenbeaufschlagung gemäß Fig. 1a, b und 2b. Hier ist das Verhältnis
(Streuung der Energiedichte im Arbeitsvolumen) : (im Arbeits­ volumen zur Verfügung stehende mittlere Energiedichte)
minimal. In der Fig. 3 ist der auf das Maximum (ungünstigste Fall) normierte Quotient für Kanten- bzw. Wandbeaufschlagung dargestellt. Die Kantenbeaufschlagung zeigt eine bis auf den pentagonalen Querschnitt bessere homogene Energieausbeute.

In Fig. 3 ist die normierte Streuung gezeigt. Mit dem hexago­ nalen Applikator ergibt sich die Vorhersage, daß mit ihm die geringste Streuung bei möglichst hoher Energiedichte überhaupt zu erwarten ist. Dieser Befund ist experimentell bestätigt, und zwar zeigt sich eine großräumige, vollkommen homogene Schwärzung der in den Resonator gebrachten Thermopapiere in allen gemessenen Ebenen bis zur Applikatorbewandung. Die Vor­ ausberechnungen werden also durch das Experiment bestätigt, so daß sich der MiRa-Code durch eine hohe Zuverlässigkeit aus­ zeichnet. Berechnungen für polygonale Querschnitte höherer Ordnung konvergieren im Streuverhalten des Resonatorfeldes rasch gegen die Zylindergeometrie.

Als Balken für, Kante-Beaufschlagung durch die einkoppelnde Mikrowelle, ist das Verhältnis für die mittlere Energie und Streuung der Original-(Zylinder-)geometrie bei stillstehen­ dem Modenrührer zu sehen. Der zweite Balken zeigt den Gewinn durch einen laufenden Modenrührer, der sich so schnell dreht, daß die Fluktuation durch die Einzelstellungen des Modenrüh­ rers nicht mehr nachweisbar sind. Die Originalkonfiguration kann in Streuung und zur Verfügung stehender Energiedichte vergleichbar einer kubischen (quadratischer Resonatorquer­ schnitt) Applikatorgeometrie angesehen werden, allerdings ist hier die Homogenität ohne ein technisches Hilfsmittel wie Mo­ denrührer oder Streuscheibe erreicht.

Bei der Studie der Feldverteilung mit dem MiRa-Code hinsicht­ lich der experimentellen Überprüfung wurden die Polygone, mit quadratischem Querschnitt startend, in den zylindrischen Quer­ schnitt des Originalresonators einbeschrieben. Damit steigt das Volumen mit zunehmender Kantenzahl an und folglich sinkt bei gleicher eingekoppelter Leistung die im Volumen zur Verfü­ gung stehende Energiedichte. Dieses kommt insbesondere beim Pentagon zum Ausdruck.

Es ist für polygonale Querschnitte geradzahliger Ordnung eine deutliche Abnahme der Streuung von der Originalgeometrie ohne laufenden Modenrührer über den quadratischen Querschnitt bis hin zum hexagonalen Querschnitt gegeben. Erst ab dieser steigt die Streuung wieder an, ist aber für die Polygone geradzahli­ ger Ordnung durchweg besser als bei Wandbeaufschlagung. Bedeu­ tend stärker ist die normierte Feldstreuung für ungeradzahlige Polygone. Es konvergiert die normierte Streuung für polygonale Querschnitte höherer Ordnung rasch gegen die Originalgeometrie ohne laufenden Modenrührer.

Claims (6)

1. Hochmodiger Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbe­ handlung von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Resonator (1) ein prismatischer, bezüglich seiner Längsachse symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygona­ lem Querschnitt ist,
• - die Mantelflächensegmente als auch die beiden Stirnseiten (4) des Resonators (1) eben sind,
• - die Strahlachse (5) des von einer der beiden Stirnseiten (4) einzukoppelnden Mikrowellenstrahls (2) schräg auf die nächstliegende Kante zweier aneinander stoßender Mantelflä­ chensegmente fällt, wodurch der in den Resonator (1) einge­ koppelte divergente Mikrowellenstrahl (2) bei der erstmali­ gen Reflexion nahe der Einkopplung (3) in zwei zueinander symmetrische Reflexions- und Beugungsanteile aufgefächert wird, und
• - bei den weiteren Reflexionen an den Resonatorinnenwänden stets aufgefächert wird, so daß im gesamten Resonator­ volumen eine weitgehend homogene Feldverteilung besteht.

2. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erreichen einer Homogenität des Feldes mit minimaler Schwankung der Querschnitt des Resonators (1) hexagonal oder oktagonal ist.

3. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwände des Resonators (1) mit einem für den vorge­ sehenen Prozeß geeigneten metallischen Material hoher elek­ trischer Leitfähigkeit wie Silber oder Kupfer oder Gold oder Aluminium oder Edelstahl beschichtet sind, wodurch die Wände Spiegel für die eingekoppelte Mikrowelle (2) darstel­ len.

4. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1) ein Ofen zur Hochtemperaturbehandlung von Materialien wie Erhitzen oder Trocknen oder Sintern und/oder Verschweißen von Keramiken oder zum Tempern von Halbleitern ist.

5. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einkoppelfenster (3) von der Mitte der einen Stirnseite (4) versetzt angebracht ist.

6. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der eingekoppelte Mikrowellenstrahl (2) ein quasioptischer Strahl mit gaußschem Strahlprofil oder einem diesem nahe­ kommenden Profil ist.