DE19640898A1 - Mikrowellen-Sinterofen - Google Patents
Mikrowellen-SinterofenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Sinterofen zum Sintern von Pulverpreßlin
gen, insbesondere von Pulverkernen aus Keramikmaterial, mit mindestens einem
Mikrowellen-Generator und mit einer Hohlleiterstrecke.
Gepreßte keramische Pulverkerne, die beispielsweise als Brennstoffelemente in
Kernkraftwerken Verwendung finden, werden üblicherweise bei hohen Temperatu
ren gesintert, um ihre mechanische Stabilität durch eine erhöhte Dichte und eine
kleine Korngröße zu vergrößern. Bei der Sinterung in konventionellen Hochtempera
turöfen wird die Energie von stromdurchflossenen Molybdän-Heizstäben auf die
Pulverpreßlinge durch Infrarot-Strahlung und durch Wärmeleitung übertragen.
Wegen der geringen Eindringtiefe der Energie in die Pulverpreßlinge und des damit
verbundenen hohen Temperaturgradientens muß die Geschwindigkeit, mit der die
Pulverpreßlinge aufgeheizt werden, sehr niedrig gewählt werden, um die Entste
hung von Rissen in den Pulverpreßlingen zu vermeiden.
Die große Wärmekapazität bekannter Öfen und die langsame Wärmeübertragung
auf die Pulverpreßlinge führen zu langen Aufheiz- und Abkühlzeiten, die bei Störun
gen im System lange Stillstandszeiten der Anlage verursachen. Zudem benötigen
die konventionellen Hochtemperaturöfen eine umfangreiche Wärmeisolation, um die
Wärmeabgabe an die Umgebung wirksam zu reduzieren. Jedoch ist es notwendig,
die thermische Isolation in regelmäßigen, relativ kurzen Abständen teilweise oder
ganz zu erneuern. Aufgrund dieser Operationen kann die Anlage über längere
Zeiträume nicht genutzt werden.
Ein bekannter Mikrowellen-Sinterofen für Pulverkerne ist in der Offenlegungsschrift
DE 32 30 698 beschrieben. Mit diesem Ofen ist eine stationäre Sinterung eines
Gemisches aus UO2 und organischem Bindemittel und gegebenenfalls unter Zusatz
von U3O8 möglich.
Bei der Verwendung von Mikrowellen werden die Pulverpreßlinge mittels der elek
tromagnetischen Energie unmittelbar aufgeheizt. Voraussetzung ist, daß die Pulver
preßlinge ausreichend dielektrische Verluste aufweisen. Aufgrund der großen Ein
dringtiefe der Mikrowellen in die Pulverpreßlinge heizen diese schnell und gleich
mäßig auf. Es ist bekannt, daß mit Mikrowellen-Sinteröfen Pulverpreßlinge mit
größeren Verdichtungsraten, kleineren Korngrößen und verbesserten mechanischen
Eigenschaften im Vergleich zur Sinterung in konventionellen Hochtemperaturöfen
hergestellt werden können. Außerdem ist der Energieverbrauch von Mikrowellen-
Sinteranlagen geringer. Weiterhin wird infolge der geringen Abmessungen des
Mikrowellen-Systems und der damit verbundenen geringen Wärmekapazität weni
ger Isolationsmaterial benötigt.
Eine weitere, bekannte Ausführungsform eines Mikrowellen-Sinterofens ermöglicht
das stationäre Sintern von mehreren, in Isoliermaterial eingebetteten keramischen
Formteilen in einer oktogonalen Mikrowellen-Kammer mit beweglichen Seiten
wänden, welche für eine gleichmäßige Energieverteilung sorgen (Ceramic Trans
action, Vol. 36, 1994).
Ferner ist ein kontinuierlich arbeitender Mikrowellen-Sinterofen bekannt, bei dem
das Mikrowellenfeld mit einem einzigen Mikrowellen-Einkoppler eingekoppelt wird.
Bei diesem Ofen wird ein Keramikstab mittels eines Motorantriebs langsam durch
die schmale Hochtemperaturzone gefahren und kontinuierlich gesintert (Mat. Res.
Soc., Symp., Proc., Vol. 347, 1994).
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Mikrowellen-
Sinterofen für die Sinterung von Pulverpreßlingen anzugeben, in welchem ins
besondere Pulverkerne aus keramischem Material mit hoher Dichte und feinem
Korn gesintert werden.
Diese Aufgabe wird bei dem Sinterofen der eingangs genannten Art erfindungs
gemäß dadurch gelöst, daß die Hohlleiterstrecke eine rohrförmige Keramikausklei
dung und in vorgegebenen Abständen Mikrowellen-Einkoppelstücke enthält, welche
Mikrowellen-Energie von einem Mikrowellen-Generator in die Hohlleiterstrecke
einspeisen.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, daß mit Hilfe der
Einkopplung an verschiedenen Stellen entlang einer Hohlleiterstrecke eine ge
wünschte Temperaturverteilung erreichbar ist, insbesondere ein konstanter Tempe
raturverlauf längs der Hohlleiterstrecke im Bereich von 1.800°C und mehr. Diese
Temperaturverteilung wird durch ein näherungsweise gleichförmiges Mikrowellen
feld hervorgerufen, welches durch additive Überlagerung der an den verschiedenen
Stellen eingespeisten Mikrowellen mit der gewünschten Energieverteilung in der
Hohlleiterstrecke entsteht. Ein konstanter Temperaturverlauf entlang dieser Strecke
ermöglicht es, Pulverpreßlinge stationär, schrittweise oder kontinuierlich zu sintern.
Des weiteren ist von Vorteil, daß die einzelnen Komponenten aufgrund des modula
ren Aufbaus des Ofens gut zugänglich und deshalb verhältnismäßig einfach zu
warten sind.
Besonders bevorzugt weist der Sinterofen Transporteinrichtungen auf, die die
Pulverpreßlinge, beispielsweise keramische Pulverkerne, kontinuierlich mit einer
vorgebbaren Geschwindigkeit oder schrittweise durch den Innenraum des Ofens
transportieren. Die Pulverkerne sind auf diese Weise kontinuierlich oder schritt
weise sinterbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform enthält die Keramikauskleidung,
die zur Reduzierung der Energieverluste durch Wärmeabstrahlung der Pulverpreßlin
ge dient und eine Überhitzung der metallischen Hohlleiterwände verhindern soll, ein
keramisches Führungsrohr, durch welches die Pulverpreßlinge transportiert werden.
Um die Wärmeleitung von den heißen Pulverpreßlingen auf das Führungsrohr zu
reduzieren, wird in das Führungsrohr eine möglichst durchgängige, stoßfreie Halb
schale aus Keramikmaterial gelegt, die beispielsweise in Umfangsrichtung eine
gegenüber dem Führungsrohr reduzierte Krümmung aufweist und daher mit dem
Führungsrohr nur geringflächig Berührungskontakt hat. Die Pulverpreßlinge gleiten
auf dieser Halbschale aufliegend durch den Ofeninnenraum. Mittels der Halbschale
wird ein zu hoher Temperaturgradient im Führungsrohr vermieden, der zu Rohr
brüchen führen kann. Bei einer anderen, vorteilhaften Ausführungsform gleiten die
zu sinternden Pulverpreßlinge auf runden Keramikstäben, die ihrerseits auf der
Innenwand des Führungsrohres aufliegen. Die Berührungsflächen zwischen den
Pulverpreßlingen und den Keramikstäben, sowie die Berührungsflächen zwischen
den Keramikstäben und dem Führungsrohr sind bei dieser Konstruktion besonders
gering; die Wärmeübertragung auf das Führungsrohr ist dadurch reduziert.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Keramikauskleidung in den einzelnen Ab
schnitten der Hohlleiterstrecke zwischen der Innenwand der Hohlleiter und dem
Führungsrohr eine Keramikummantelung aus faserartigem Keramikmaterial und/oder
festem Keramikmaterial enthält. Diese Wärmeisolation ermöglicht zum einen hohe
Sintertemperaturen und zum anderen einen wirksamen Schutz des Mikrowellen-Sy
stems gegen übermäßige Erwärmung. Außerdem ist es möglich, elektrische Über
schläge im Bereich der Einkopplung zu vermeiden.
Bevorzugt wird ein keramisches Schutzrohr als weiteres Element der Keramikaus
kleidung zwischen dem Führungsrohr und der Keramikummantelung angeordnet. Im
Falle eines Bruches des Führungsrohres wird auf diese Weise eine Kontamination
des Mikrowellen-Systems durch das zu sinternde Material verhindert. Besonders bei
der Sinterung von Kernbrennstoffen, wie beispielsweise Pulverkernen aus UO2 oder
U3O8, ist ein solcher Schutz vorteilhaft.
Besonders bevorzugt bestehen die oben erwähnten Elemente der Keramikaus
kleidung aus hochreinem Al2O3. Dieses Material weist bis in hohe Temperaturbe
reiche hinein sehr geringe dielektrische Verluste auf und wird infolgedessen kaum
durch das Mikrowellenfeld aufgeheizt, d. h. die Mikrowellenenergie steht im wesent
lichen zum Sintern von beispielsweise Pulverkernen zur Verfügung.
Vorteilhafterweise fällt die Längsachse der Pulverpreßlinge mit der Längsachse der
Hohlleiterstrecke zusammen. Dadurch wird näherungsweise eine achsensymmetri
sche Aufheizung und Sinterung der Pulverpreßlinge gewährleistet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Sinterofens weist jedes
Einkoppelstück einen linearen Hohlleiterabschnitt auf, welcher jeweils als Teil
strecke in die gesamte Hohlleiterstrecke eingefügt wird. Von diesem linearen
Hohlleiterabschnitt jedes Einkoppelstückes zweigt jeweils ein Einkoppelzweig ab,
der mit einem Mikrowellen-Generator verbunden ist und von diesem gespeist wird.
Die T-förmige Ausbildung der Einkoppelstücke ermöglicht die Einkopplung der
Mikrowellen in beide axialen Richtungen der Hohlleiterstrecke.
Jedes Einkoppelstück ist vorteilhaft mit einem eigenen Mikrowellen-Generator
verbunden. Hierdurch kann mehr Energie in die Hohlleiterstrecke eingekoppelt
werden. Außerdem ist es möglich, die gesamte Sinterstrecke in einfacher Weise
durch Hinzufügen oder Entfernen von Hohlleiterabschnitten und einer aus Ein
koppelstück, Speisehohlleiter und Generator bestehenden Einheit in ihrer Länge zu
verändern.
Besonders bevorzugt enthalten die Einkoppelstücke metallische Wellenführungs
mittel, mit deren Hilfe die Mikrowellen-Energie in einem vorgebbaren Teilungs
verhältnis - je nach Ausbildung der Wellenführungsmittel - in beide axiale Richtun
gen der Hohlleiterstrecke verteilbar ist. Auf diese Weise können die Mikrowellen
durch Einsatz geeigneter Wellenführungsmittel, d. h. metallischer Begrenzungs
flächen, gezielt in eine oder beide axialen Richtungen verteilt werden.
Die Wellenführungsmittel der Einkoppelstücke sind besonders bevorzugt derart
ausgebildet, daß sich aufgrund der additiven Überlagerung der Mikrowellenfelder
entlang der Längsachse der Hohlleiterstrecke eine annähernd gleichmäßiges Mikro
wellen-Gesamtfeld und damit eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung
einstellt. Zu diesem Zweck ist eine entsprechende Bemessung von Durchmesser
und Länge der Hohlleiterabschnitte zwischen je zwei Einkoppelstücke unerläßlich.
Zur Kühlung jedes Einkoppelstückes ist an dessen Einspeiseseite eine Kühlfalle
angeordnet. Jedes Einkoppelstück ist vorteilhaft mit Wasser kühlbar. Durch diese
beiden Maßnahmen wird eine übermäßige Aufheizung und Beschädigung der
Einkoppelstücke vermieden und eine Abkühlung im Bereich der höchsten Tempera
tur erreicht, die zur Vergleichmäßigung der Energieverteilung beiträgt.
Vorteilhafterweise enthält die Hohlleiterstrecke außer den vorgenannten linearen
Hohlleiterabschnitten der Einkoppelstücke homogene lineare Hohlleiterabschnitte,
welche zwischen benachbarte Einkoppelstücke einsetzbar sind. Benachbarte
Einkoppelstücke sind auch direkt miteinander verbindbar. Dies fördert die Möglich
keit, unterschiedliche Temperaturprofile entlang der Hohlleiterstrecke zu realisieren.
Besonders bevorzugt ist die gesamte Hohlleiterstrecke, welche sich aus den
homogen linearen Hohlleiterabschnitten und den linearen Hohlleiterabschnitten der
Einkoppelstücke zusammensetzt, als Rundrohrhohlleiter ausgebildet. Bei Betrieb in
der Grundmode E01 breiten sich die Mikrowellen axialsymmetrisch aus; die Energie
dichte des Mikrowellenfeldes nimmt in Richtung auf die Längsachse der Hohllei
terstrecke stetig zu und hat im Bereich des Ofeninnenraumes, durch den die
Pulverpreßlinge hindurch geschoben werden, ein Maximum. Die Dimensionierung
des Hohlleiters und der Keramikauskleidung bzw. die Betriebsfrequenz werden so
getroffen, daß sich im belasteten Zustand des Ofens die Grundmode eindeutig
einstellt.
In einer alternativen Ausführungsform sind die aneinander anschließenden Hohllei
terabschnitte entlang der gesamten Hohlleiterstrecke als Rechteckhohlleiter ausge
bildet, welche in der Mode H11 betreibbar sind. In dieser Mode ist die Energiedichte
ebenfalls im Bereich um die Längsachse der Hohlleiterstrecke am größten.
Die Transporteinrichtungen enthalten vorteilhafterweise einen Schubkolben an der
Einschubseite des Sinterofens, mit dem die davor gelagerten zu sinternden Pulver
preßlinge durch den Ofeninnenraum geschoben werden.
Zweckmäßigerweise ist an der Einschubseite des Sinterofens eine Einführschale
angeordnet, welche beispielsweise fluchtend zu der oben erwähnten Halbschale
angeordnet ist. Von der Einführschale werden die aneinander gereihten Pulver
preßlinge auf die Halbschale in den Ofeninnenraum transportiert.
Der Transport der Pulverpreßlinge wird bevorzugterweise dadurch unterstützt, daß
die Längsachse der Hohlleiterstrecke gegenüber der Horizontalen geneigt ist, wobei
die Einschubseite des Sinterofens höher anzuordnen ist als die Ausgangsseite.
Durch diese Anordnung wird die Reibung zwischen den Pulverpreßlingen und der
mit diesen in Kontakt stehenden Halbschale herabgesetzt. Die Transporteinrichtun
gen müssen in diesem Fall weniger Druck auf die Pulverpreßlinge ausüben; Defor
mationen der Pulverpreßlinge bis hin zu Rissen werden weitgehend vermieden.
Vorteilhafterweise ist die Hohlleiterstrecke gegenüber der Umgebung gasdicht
abgeschlossen, um eine kontrollierte Sinterung unter definierten Bedingungen
beispielsweise in der Anwesenheit von oxidierenden Gasen oder von Schutzgasen
vornehmen zu können. Zu diesem Zweck sind vorteilhafterweise an der Einschub
seite und an der Ausgangsseite der Hohlleiterstrecke gasdichte Schleusen angeord
net, welche von den Pulverpreßlingen passiert werden müssen, ohne daß ein Gas
austausch zwischen dem Inneren des Hohlleiters und der Umgebung stattfindet.
Die einzelnen Hohlleiterabschnitte sind besonders bevorzugt auf ihrer Innenseite
verspiegelt oder poliert. Hierdurch wird die von den aufgeheizten Pulverpreßlingen
abgegebene Infrarot-Strahlung, welche die isolierende Keramikauskleidung durch
dringt, zurück zu den Pulverpreßlingen reflektiert. Die Verspiegelung oder Polie
rung trägt dazu bei, ein übermäßiges Erhitzen der Hohlleiterabschnitte zu verhin
dern.
Bevorzugt ist um einzelne oder um alle Hohlleiterabschnitte eine äußere Wärmeiso
lation angebracht. Auf diese Weise wird die Wärmeabstrahlung der aufgeheizten
Hohlleiterabschnitte und ein damit verbundener Energieverlust reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Sinterofens schließt sich an der Aus
gangsseite der Hohlleiterstrecke ein wassergekühlter Rohrabschnitt an, in welchem
die gesinterten Pulverpreßlinge abgekühlt werden. Die Pulverpreßlinge können dann
eher entnommen und weiterverarbeitet werden.
Bevorzugt sind die Hohlleiterabschnitte und die Keramikauskleidung in Axialrichtung
beweglich gelagert. Somit wird eine weitgehend spannungsfreie thermische Aus
dehnung ermöglicht, welche für die metallischen und keramischen Komponenten
des Ofens unterschiedlich groß ist.
Zur Kontrolle der Temperatur und zur Vermeidung von Überhitzungen sind in den
Einkoppelzweigen der Einkoppelstücke vorteilhaft Thermoelemente angeordnet.
Falls eine vorgegebene Temperatur überschritten wird, schalten die Magnetrons ab.
Die Oberflächentemperatur des Führungsrohres bzw. des Schutzrohres - für den
Fall, daß ein solches vorhanden ist - ist mit Pyrometern von außen durch Löcher in
den Hohlleiterabschnitten und dem Fasermaterial entlang der Hohlleiterstrecke
meßbar. Anhand der gemessenen lst-Temperaturen wird die Soll-Temperatur durch
Regelung der Leistung der einzelnen Magnetrons nachgeregelt.
Die Oberflächentemperatur der zu sinternden Pulverpreßlinge wird bevorzugt von
außen durch entsprechende Löcher in den Hohlleiterabschnitten und zu diesen
fluchtend ausgerichteten Löchern in dem Fasermaterial, dem Führungsrohr und
eventuell zusätzlich dem Schutzrohr gemessen. Zur Gewährleistung der Gasdichtig
keit des Innenraums des Ofens müssen die Löcher in den Rohren mit Saphirstäben
gasdicht verschlossen sein.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen, die zwei Ausführungs
beispiele zeigen, detaillierter beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Sinterofens in einer Sei
tenansicht;
Fig. 2 einen typischen Temperaturverlauf entlang des Ofeninnen
raumes des in Fig. 1 gezeigten Sinterofens;
Fig. 3 einen Ausschnitt des in Fig. 1 dargestellten Sinterofens;
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie A-B der Fig. 3;
Fig. 5 einen vergrößerten Querschnitt durch das Hohlleiterrohr des
Sinterofens gemäß den Fig. 1-4;
Fig. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel des Sinterofens in einer
Seitenansicht;
Fig. 7 einen typischen Temperaturverlauf entlang des Ofeninnen
raumes des in Fig. 6 gezeigten Sinterofens;
Fig. 8 einen Ausschnitt des in Fig. 7 dargestellten Sinterofens;
Fig. 9 einen Querschnitt durch das Hohlleiterrohr und die äußere
Wärmeisolation des in Fig. 6 gezeigten Sinterofens;
Fig. 10-13 Querschnitte verschiedener alternativer Führungsrohre.
In den Fig. 1 sowie 3 bis 5 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines Mikrowellen-
Sinterofens dargestellt. Mehrere hintereinander angeordnete metallische Hohllei
terabschnitte 25 und zwischen diese eingefügte Einkoppelstücke 21 bilden eine
Hohlleiterstrecke 41. Jedes Einkoppelstück 21 ist T-förmig ausgebildet; es setzt
sich aus einem Hohlleiterabschnitt 23, der zwischen die Hohlleiterabschnitte 25
eingefügt ist, und einem senkrecht zu diesem angeordneten Einkoppelzweig 22
zusammen. Jeder Einkoppelzweig 22 ist wiederum über eine Speisehohlleiter
strecke 3 mit einem als Magnetron 1 ausgebildetem Mikrowellen-Generator ver
bunden.
Der Innenraum 4 des Ofens ist von einer rohrförmigen Keramikauskleidung, z. B.
aus Al2O3, umgeben (vgl. Fig. 5), welche von innen nach außen angeordnet eine
Halbschale 17, ein Führungsrohr 10 und im Hohlleiterabschnitt 25, gegebenenfalls
auch im Hohlleiterabschnitt 23, eine Keramikummantelung 18 enthält, wobei die
Keramikummantelung 18 gegen die Innenwand der Hohlleiterabschnitte 25 und
gegebenenfalls gegen die Innenwand der Hohlleiterabschnitte 23 anliegt. Auf der
keramischen Halbschale 17 sind zylindrische Pulverkerne 9 hintereinander angeord
net. Zur Verminderung der Wärmeeinleitung von der Halbschale 17 auf das Füh
rungsrohr 10 hat die Halbschale 17 aufgrund eines größeren Radius nur entlang
zweier beabstandeter Längskanten mit dem Führungsrohr 10 Berührungskontakt.
Die Komponenten der Keramikauskleidung sind in Richtung des Auslaufblocks 20
entlang der Hohlleiterstrecke 41 beweglich gelagert, um sich bei Temperaturände
rung ausdehnen oder zusammenziehen zu können. Die Innenwand der Hohllei
terabschnitte 23, 25 ist mittels einer Chromschicht 47 zur Reflexion der insbeson
dere von den Pulverkernen 9 abgestrahlten Infrarot-Strahlung verspiegelt.
Am Eingang der Hohlleiterstrecke 41 ist ein Einlaufblock 19 mit einer integrierten
gasdichten Schleuse 48 angeordnet. Vor dem Einlaufblock 19 ist eine Einführ
schiene 5 befestigt, auf welcher die zu sinterenden Pulverkerne 9 aufgelegt und mit
einem Schubkolben 8 in den Ofen geschoben werden, vgl. Fig. 3. Am Ausgang der
Hohlleiterstrecke 41 ist ein Auslaufblock 20 mit einer integrierten, gasdichten
Schleuse 49 und eine nachfolgende, wassergekühlte Abkühlstrecke 7 angeordnet,
deren Längsachse mit der Längsachse der Hohlleiterstrecke 41 fluchtet.
Vom Einlaufblock 19 bis kurz hinter den Auslaufblock 20 verlaufen vier Lager
stangen 37 parallel zur Hohlleiterstrecke 41. Die Lagerstangen 37 sind durch
Bohrungen 32 in den Einkoppelstücken 21 beabstandet zur Hohlleiterstrecke 41
geführt. An den ausgangsseitigen Enden der Lagerstangen 37 sind Federn 38
gekontert, welche die Hohlleiterabschnitte 25 und die Einkoppelstücke 21 in axialer
Richtung zusammenpressen. Bei thermisch verursachter Längenänderung der
Hohlleiterabschnitte 23, 25 gleiten die Einkoppelstücke 21 mit Hilfe von Schlitten
29 in Metallschienen 28, welche unter den Hohlleiterabschnitten 25 und den
Einkoppelstücken 21 angeordnet sind. Die Lagerstangen 37 übernehmen hierbei die
kontrollierte Führung in Axialrichtung, vgl. Fig. 4.
Anhand der Fig. 3 und 4 ist die Mikrowellenanpassung und -einspeisung näher
beschrieben: Von stetig oder getaktet betriebenen Magnetrons 1 werden die Mikro
wellenfelder zu Anpassungsgliedern 71 geleitet. In diesen ist je ein Zwei-Scheiben-
Transformator angeordnet, mit dessen Hilfe die temperaturabhängigen Anpas
sungsbedinungnen eingestellt oder geregelt werden können. An das Anpassungs
glied 71 schließt sich in Richtung der Hohlleiterstrecke 41 ein Kühlflansch 81 an,
an dessen hohlleiterseitigem Ende das Einkoppelstück 21 angeschlossen ist. Der
gesamte Hohlleiterabschnitt vom Magnetron 1 bis zur Einkopplung in die rundrohr
förmige Sinterstrecke ist beispielsweise als Rechteckhohlleiter ausgebildet. Der
Grundabgleich des Speisehohlleiters 3 und des Einkoppelstückes 21 erfolgt mittels
eines in Verlängerung des Speisehohlleiters 3 unterhalb des Hohlleiterabschnitts 23
angeordneten Kurzschlußschiebers 61.
Das eingekoppelte Mikrowellenfeld wird mittels nicht näher dargestellter Wellenfüh
rungsmittel, beispielsweise metallischer Ansätze mit entsprechend geformten
Flächen, in eine oder beide axiale Richtungen der Hohlleiterstrecke verteilt. Dies ist
durch die Pfeile und die Teilungsverhältnisse unterhalb der Hohlleiterstrecke 41 in
den Fig. 1 und 6 symbolisiert. Bei Einkopplung von gegenläufigen Mikrowellen
feldern durch zwei benachbarte Einkoppelstücke 21 entsteht durch additive Über
lagerung ein annähernd gleichförmiges Mikrowellen-Gesamtfeld entlang der Hohllei
terabschnitte 23, 25.
In Fig. 2 ist ein typischer Temperaturverlauf entlang des Ofeninnenraums 4 darge
stellt. Der anfängliche, zweistufige Temperaturanstieg entlang einer Aufheizstrecke
wird durch die Mikrowellenfelder erzeugt, welche von den zwei ersten eingangs
setigen Einkoppelstücken 21 ausschließlich in Richtung auf den Eingang einge
speist werden. Im Anschluß an die Aufheizstrecke nimmt die Temperatur bis zum
Auslaufblock 20 einen annähernd konstanten Wert an, da sich entlang dieser
Strecke die mittels benachbarter Einkoppelstücke 21 eingespeisten, entgegen
laufenden Mikrowellenfelder zu einem annähernd gleichförmigen Gesamtfeld
überlagern. Zwischen dem letzten Einkoppelstück 21 und dem Auslaufblock 20 fällt
die Temperatur langsam ab und erreicht am Ende einer Abkühlstrecke 7 wieder
Zimmertemperatur.
In Fig. 6 sowie den Fig. 8 und 9 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Mikro
wellen-Sinterofens dargestellt, dessen Aufbau weitgehend dem Aufbau gemäß der
Ausführungsform nach Fig. 1 sowie den Fig. 3 bis 5 entspricht. Die Keramikaus
kleidung enthält jedoch im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel ein zusätzli
ches Schutzrohr aus Al2O3, welches zwischen dem Führungsrohr 10 und der
Keramikummantelung 18 angeordnet ist, vgl. Fig. 9. Das Schutzrohr 39 verhindert
bei einem eventuellen Bruch des Führungsrohres 10, daß beispielsweise zu sintern
des Kernmaterial bis zum Hohlleiterabschnitt 25 und/oder in das Koppelstück 21
gelangt. Des weiteren sind um das Hohlleiterrohr eine innere und eine äußere
Isoliermatte 50, 51 aus Al2O3 angeordnet, die die Strahlungsverluste reduzieren.
Gemäß Fig. 6 ist der Sinterofen auf einer geneigten Rahmenkonstruktion 40 befe
stigt. Der Neigungswinkel der Hohlleiterachse gegenüber der Horizontalen ist
einstellbar und beträgt beispielsweise zwischen 10° und 20°. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel ist die Hohlleiterachse um 15° gegenüber der Horizontalen
geneigt. Die Wahl des Einstellwinkels hängt von der Reibung der auf der Halbschale
17 gleitenden Pulverkerne 9 ab. Die vom Schubkolben 8 ausgeübte Schubkraft auf
die Pulverkerne 9 und der Neigungswinkel werden so aufeinander abgestimmt, daß
weder Deformationen noch Risse in den Pulverkernen 9 beim Transport durch den
Sinterofen auftreten.
Die eingangsseitigen Einkoppelstücke 21 gemäß der Fig. 6, 8 und 9 weisen metalli
sche Leitbleche auf, welche die Mikrowellen in beide axiale Richtungen der Hohllei
terstrecke 41 verteilen, vgl. die Einkoppelstücke in Fig. 3 und Fig. 8. Demnach
speisen im zweiten Ausführungsbeispiel alle Einkoppelstücke 21 die Mikrowellen
energie zu gleichen Teilen in Richtung auf den Eingang wie auch den Ausgang.
In Fig. 7 ist ein typischer Temperaturverlauf des Sinterofens gemäß der Fig. 6
entlang des Ofeninnenraums 4 dargestellt. Auf der Aufheizstrecke ist ein steilerer
Temperaturanstieg festzustellen als entlang der Aufheizstrecke gemäß der Fig. 1.
Dieser steilere Temperaturverlauf ist auf das Teilungsverhältnis 1 : 1 der beiden auf
den Einlaufblock 19 folgenden Einkoppelstücke 21 zurückzuführen. Entlang der
Sinterstrecke und der Abkühlstrecke ähneln sich ansonsten die Temperaturverläufe
der Fig. 2 und 7.
Die Fig. 10-13 zeigen verschiedene mögliche Profile des Führungsrohres 10,
gegebenenfalls mit entsprechenden Keramikeinsätzen. Die Auflage auf einer
Halbschale 17 (Fig. 10) entspricht den Anordnungen gemäß der Fig. 1, 3 bis 5 und
gemäß der Fig. 6, 8 und 9.
Ein alternatives Profil des Führungsrohres 10, welches ebenso zur Reduzierung
seiner Bruchwahrscheinlichkeit durch Wärmeleitung von den Pulverkernen dient,
weist radial vom Führungsrohr 10 in den Ofeninnenraum 4 ragende Streben 55 auf,
vgl. Fig. 11. Die Pulverkerne 9 liegen auf der zur Hohlleiterache zeigenden Fläche
der untersten Strebe 55 auf und werden axial zusätzlich von den entsprechenden
Flächen der benachbarten Streben 55 geführt.
Eine weitere Möglichkeit der Führung der Pulverkerne 9 zeigen die Fig. 12 und 13
in zwei alternativen Ausführungsformen. Die Pulverkerne 9 liegen jeweils auf
durchgehenden, runden Keramikstäben 13 auf, die ihrerseits auf der Innenwand
des Führungsrohres 10 aufliegen. Sowohl der direkte Wärmeübertrag von den
Pulverkernen 9 auf die Keramikstäbe 13 als auch derjenige von den Keramikstäben
13 auf das Führungsrohr 10 wird in allen dargestellten Ausführungsformen (Fig.
10-13) durch die jeweils kleinen Berührungsflächen gering gehalten.
Die in den Fig. 1 und 6 dargestellten Sinteröfen eignen sich insbesondere für einen
kontinuierlichen Durchlaufbetrieb. Hierbei werden die Pulverkerne 9 mit einer kon
stanten, vorgegebenen Geschwindigkeit durch den Innenraum 4 des Ofens ge
schoben.
Die beiden Ausführungsbeispiele des Sinterofens besitzen einen modularen Aufbau,
wobei die Hohlleiterabschnitte 25 und die Einkoppelstücke 21 die Module bilden;
die Hohlleiterstrecke 41 kann somit beispielsweise auf einfache Weise verlängert
werden. Hierzu werden auf einer entsprechenden Schiene 28 weitere Hohlleiterab
schnitte 25 und Einkoppelstücke 21 mit zugehörigen Speisehohlleitern 3 und
Magnetrons 1 dem in Fig. 1 bzw. Fig. 6 gezeigten Ofen vor- oder nachgeschaltet.
Claims (29)
1. Mikrowellen-Sinterofen zum Sintern von Pulverpreßlingen (9), insbesondere
von Pulverkernen aus Keramikmaterial,
mit mindestens einem Mikrowellen-Generator (1) und
mit einer Hohlleiterstrecke (41), dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiterstrecke (41) eine rohrförmige Keramikauskleidung (10, 13, 17, 18, 39) und in vorgegebenen Abständen Mikrowellen-Einkoppelstücke (21) enthält, welche Mikrowellen-Energie von einem Mikrowellen-Generator (1) in die Hohlleiterstrecke (41) einspeisen.
mit mindestens einem Mikrowellen-Generator (1) und
mit einer Hohlleiterstrecke (41), dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiterstrecke (41) eine rohrförmige Keramikauskleidung (10, 13, 17, 18, 39) und in vorgegebenen Abständen Mikrowellen-Einkoppelstücke (21) enthält, welche Mikrowellen-Energie von einem Mikrowellen-Generator (1) in die Hohlleiterstrecke (41) einspeisen.
2. Sinterofen nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Transporteinrichtungen (5, 8) zum kontinuierlichen
oder schrittweisen Transportieren der Pulverpreßlinge (9) durch den Innenraum (4)
des Ofens vorgesehen sind.
3. Sinterofen nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikauskleidung (10, 13, 17, 18, 39) ein Füh
rungsrohr (10) aus Keramik enthält.
4. Sinterofen nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikauskleidung (10, 13, 17, 18, 39) eine
keramische Halbschale (17) oder keramische Rundstäbe (13) enthält, welche auf
der Innenwand des Führungsrohrs (10) aufliegen und auf welcher die Pulverpreßlin
ge (9) gleitbar angeordnet sind.
5. Sinterofen nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikauskleidung (10, 13, 17, 18, 39) in
einzelnen Abschnitten der Hohlleiterstrecke (41) eine Keramikummantelung (18)
aus faserartigem Keramikmaterial und/oder festem Keramikmaterial enthält, welche
zwischen der Innenwand der Hohlleiterstrecke (41) und dem Führungsrohr (10)
angeordnet ist.
6. Sinterofen nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikauskleidung (10, 13, 17, 18, 39) ein
Schutzrohr (39) aus Keramik enthält, welches zwischen dem Führungsrohr (10)
und der Keramikummantelung (18) angeordnet ist.
7. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikauskleidung (10, 13, 17, 18, 39) aus
hochreinem Al2O3 besteht.
8. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Pulverpreßlinge (9) mit der
Längsachse der Hohlleiterstrecke (41) zusammenfällt.
9. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Einkoppelstück (21) mit einem eigenen Mikro
wellen-Generator (1) verbunden ist.
10. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Einkoppelstück (21) einen linearen Hohlleiter
abschnitt (23) enthält, welcher in die Hohlleiterstrecke (41) eingefügt ist und von
welchem ein mit einem Mikrowellengenerator (1) verbundener Einkoppelzweig (22)
abzweigt.
11. Sinterofen nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiterstrecke (41) homogene lineare Hohllei
terabschnitte (25) und die linearen Hohlleiterabschnitte (23) der Einkoppelstücke
(21) enthält.
12. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einkoppelstücke (21) metallische Wellenführungs
mittel enthalten, welche die Mikrowellen-Energie in einem vorgebbaren Teilungs
verhältnis in beide axiale Richtungen der Hohlleiterstrecke (41) verteilen.
13. Sinterofen nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenführungsmittel der Einkoppelstücke (21)
derart ausgebildet sind, daß die Überlagerung der sich im Innenraum (4) des Ofens
ausbreitenden Energiefelder eine annähernd gleichmäßige Temperaturverteilung
entlang der Längsachse der Hohlleiterstrecke (41) hervorruft.
14. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß an der Einspeiseseite jedes Einkoppelstückes (21)
eine Kühlfalle (81) angeordnet ist.
15. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß jedes Einkoppelstück (21) mit Wasser kühlbar ist.
16. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Transporteinrichtungen einen Schubkolben (8) an
der Einschubseite des Sinterofens enthalten.
17. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Transporteinrichtungen eine Einführschale (5) an
der Einschubseite des Sinterofens zum Einführen der Pulverpreßlinge (9) in den
Innenraum (4) des Ofens enthalten.
18. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse der Hohlleiterstrecke (41) gegenüber
der Horizontalen geneigt ist.
19. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß alle Hohlleiterabschnitte (25, 23) als Rundrohrhohllei
ter ausgebildet sind, welche bei Belastung mit Sintermaterial in der Grundmode E01
betreibbar sind.
20. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß alle Hohlleiterabschnitte (25, 23) als Rechteckhohllei
ter ausgebildet sind, welche in der Mode H11 betreibbar sind.
21. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Schutzrohres (39) oder des Füh
rungsrohres (10) gasdicht abgeschlossen ist.
22. Sinterofen nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, daß an der Einschubseite und am Ausgang der Hohlleiter
strecke gasdichte Schleusen (48, 49) zum Ein- bzw. Ausschleusen der Pulver
preßlinge (9) angeordnet sind.
23. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Hohlleiterabschnitte (25, 23) auf der Innen
seite verspiegelt oder poliert sind.
24. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Wärmeisolation (27) um einzelne Hohllei
terabschnitte (25, 23) angeordnet ist.
25. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Endabschnitt der Hohlleiterstrecke (41)
ein wassergekühlter Rohrabschnitt (7) als Abkühlstrecke für die Pulverpreßlinge (9)
angeordnet ist.
26. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlleiterabschnitte (25, 23) und die Keramikaus
kleidung (10, 17 18, 39) in Axialrichtung beweglich gelagert sind.
27. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß Thermoelemente innerhalb der Einkoppelstücke (21)
angeordnet sind.
28. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Hohlleiterstrecke (41) in vorgegebenen
Abständen Pyrometer zur Messung der Oberflächentemperatur des Führungsrohres
(10) bzw. des Schutzrohres (39) durch Löcher in den Hohlleiterabschnitten (25, 23)
angeordnet sind.
29. Sinterofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Hohlleiterstrecke (41) in vorgegebenen
Abständen Pyrometer zur Messung der Oberflächentemperatur der Pulverpreßlinge
(9) durch Löcher in den Hohlleiterabschnitten (25, 23) und der Keramikauskleidung
(10, 13, 17, 18, 39) angeordnet sind.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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