DE19654356A1 - Ofen zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ofen zur Hochtem­ peratur-Wärmebehandlung von anorganischen Werkstoffen, ins­ besondere keramischen Werkstoffen, mit einem Ofengehäuse zur Aufnahme des zu behandelnden Werkstoffes, einer Tür, einer Mikrowellenenergieerzeugungseinrichtung und einer Einrichtung zur Abstrahlung der Mikrowellenenergie in das Ofeninnere.

Aus der EP 0 457 948 B1 ist eine Mikrowelleneinrichtung mit einer als Resonator wirkenden, mit mehreren metallischen Kammerwänden gebildeten Mehrmodenkammer, in die ein zu er­ wärmendes Werkstück einsetzbar ist und in die Mikrowellen­ energie einspeisbar ist, bekannt. Die Kammer weist hierbei wenigstens eine beweglich ausgeführte Kammerwand auf, und es sind Mittel vorhanden, die bewirken, daß die bewegliche Kammerwand während des Betriebes der Mikrowelleneinrichtung in eine repetierende Bewegung versetzbar ist. Ferner sind Mittel zur Hochfrequenzabdichtung der beweglichen Kammer­ wand gegenüber den festen Kammerwänden vorhanden, so daß bei Bewegung der beweglichen Kammerwand eine Änderung des Resonatorvolumens gegeben ist.

Der DE-B 11 86 570 ist eine Mikrowelleneinrichtung zu ent­ nehmen, die keinen Mehrmoden-Resonator zur Aufnahme eines Werkstückes aufweist, sondern einen Schlitzstrahler, an dem ein zu erwärmendes Werkstück vorbeigeführt wird. Der Schlitzstrahler ist die Austrittsöffnung eines Hohlleiters, in den ein Magnetron einspeist. Im Hohlleiter ist ein be­ weglicher Kurzschlußschieber vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ofen der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, mit dem sich bei einem einfachen Aufbau, einer einfachen War­ tung und einer sicheren Funktionsweise besonders hohe Tem­ peraturen bei einer möglichst homogenen Energiedichte er­ zielen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Ofen der ein­ gangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß das Ofengehäuse eine mikrowellendichte metallische Auskleidung und im Inne­ ren hiervon eine fest eingebaute mikrowellendurchlässige thermische Isolationsschicht aufweist und daß die Mikrowel­ lenenergieabstrahlungseinrichtung durch mindestens einen Mikrowellenschlitzhohlleiter gebildet ist, der eine zugehö­ rige Öffnung der metallischen Auskleidung umfassend an de­ ren Außenseite mit der Schlitzfläche zum Ofeninneren wei­ send angeordnet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird durch die mikrowel­ lendichte metallische Auskleidung und die Mikrowellenener­ gieeinbringung über Schlitzhohlleiter, die im Bereich von Öffnungen der metallischen Auskleidung angeordnet sind, mit einfachen Mitteln erreicht, daß im Inneren des Ofens eine homogene Energiedichteverteilung erzielt wird, die für die Hochtemperatur-Wärmebehandlung von anorganischen, insbeson­ dere keramischen Werkstoffen, speziell das Sintern von ke­ ramischen Werkstoffen, von besonderer Bedeutung ist. Die im Inneren der metallischen Auskleidung fest eingebaute mikro­ wellendurchlässige thermische Isolationsschicht stellt si­ cher, daß im Ofeninneren mit sehr hohen Temperaturen gearbeitet werden kann. So ist der erfindungsgemäß ausge­ bildete Ofen für Maximaltemperaturen bis etwa 1.800°C ge­ eignet. Im Ofeninneren kann mit Luft oder Inertgas gear­ beitet werden.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht die Anordnung einer Vielzahl von Mikrowellenschlitzhohlleitern an allen Ofen­ wandungen, so daß die gewünschte homogene Energiedichte­ verteilung erzielt werden kann.

Wesentlich ist, daß die mikrowellendurchlässige thermische Isolationsschicht bei der vorliegenden Erfindung fest im Ofen eingebaut ist und sich nicht am zu behandelnden Werk­ stoff selbst befindet.

Vorzugsweise besteht die thermische Isolationsschicht aus keramischen Faserwerkstoffen. Sie ist zweckmäßigerweise aus Platten oder Langfasermodulen aufgebaut. Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der keramische Werkstoff für die Isolationsschicht aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) besteht, das Mullit enthält, d. h. ein Aluminiumsilikat, das etwa aus 80% Aluminiumoxid und 20% Siliciumdioxid besteht. Dieses Material hat eine Roh­ dichte von etwa 300-700 kg/m³.

Es kommen vorzugsweise vakuumgeformte Platten zum Einsatz, die eine Dicke von 40mm besitzen.

Wie bereits erwähnt, können die Ofenwandungen mit einer Vielzahl von Mikrowellenschlitzhohlleitern versehen sein. So weist der Ofen vorzugsweise an mindestens einer Wand mehrere parallel zueinander und im Abstand voneinander an­ geordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter auf. Zweckmäßiger­ weise sind an mindestens einer Seitenwand mehrere senkrecht angeordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter vorhanden.

Jede Ofenwand kann mit einem oder mehreren Mikrowellen­ schlitzhohlleitern versehen sein. Eine Ausführungsform hat sich jedoch als besonders zweckmäßig erwiesen, bei der die Deckwand und die beiden Seitenwände des Ofens mit Mikrowel­ lenschlitzhohlleitern versehen sind. Bei dieser Ausfüh­ rungsform weisen die Vorder- und Rückseite sowie Unterseite des Ofens keine Mikrowellenschlitzhohlleiter auf.

Die an gegenüberliegenden Wänden angeordneten Mikrowellen­ schlitzhohlleiter sind zweckmäßigerweise versetzt zueinan­ der angeordnet. Hierdurch wird eine gegenseitige Beeinflus­ sung von gegenüberliegenden Schlitzhohlleitern vermieden.

Die dem Mikrowellenschlitzhohlleiter zugeordnete Öffnung der metallischen Auskleidung ist vorzugsweise mit einem di­ elektrischen Material verschlossen. Hierdurch läßt sich das Ofeninnere gasdicht ausgestalten.

Die Mikrowellenenergieeinführung in den Mikrowellenschlitz­ hohlleiter erfolgt in bekannte Weise über ein Magnetron, das an einem Ende des Mikrowellenschlitzhohlleiters ange­ ordnet ist. Das gegenüber liegende Ende des Mikrowellen­ schlitzhohlleiters weist vorzugsweise einen Kurzschluß­ schieber auf.

Die Mikrowellenschlitzhohlleiter selbst können von herkömm­ licher Bauart sein. Hierbei können die Schlitze beispiels­ weise parallel zur Längsachse des Hohlleiters zu beiden Seiten der Mittelachse desselben versetzt zueinander ange­ ordnet sein. Bei einer anderen Ausführungsform können die Schlitze winklig zur Längsmittelachse angeordnet sein. Bei noch einer anderen Ausführungsform sind die Schlitze ent­ lang der Mittellängsachse auf Abstand angeordnet und weisen benachbart hierzu jeweils ein kleines Loch auf.

Die Schlitze befinden sich in einer Wandung des Hohllei­ ters, der im Querschnitt etwa Rechteckform besitzt. Es ver­ steht sich, daß diese Wandung dem Ofeninneren zugeordnet ist. Die vorgesehene thermische Isolationsschicht ist mit relativ geringem Abstand von den Mikrowellenschlitzhohllei­ tern angeordnet, so daß zwischen der Schlitzfläche der Hohlleiter bzw. der metallischen Auskleidung und der Außen­ seite der thermischen Isolationsschicht nur ein relativ en­ ger Spalt verbleibt.

Es versteht sich, daß die Mikrowellenschlitzhohlleiter so an der Außenseite der metallischen Auskleidung angebracht sind, daß sich eine mikrowellendichte Verbindung ergibt. Die Gasdichtigkeit wird durch die vorstehend erwähnte Schicht aus dielektrischem Material, vorzugsweise Quarz­ glas, erzielt, die zur Ofenmitte hin vor der Schlitzfläche der Hohlleiter angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spieles in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine räumliche schematische Ansicht eines Ofens zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Ofens der Fig. 1, wobei die Energieerzeugungseinrichtungen dargestellt sind;

Fig. 3 eine Vorderansicht des Ofens der Fig. 1 mit dargestellten Energieerzeugungseinrichtungen;

Fig. 4 eine Draufsicht auf den Ofen der Fig. 1 mit dargestellten Energieerzeugungseinrichtungen; und

Fig. 5 einen schematischen Horizontalschnitt durch den Ofen der Fig. 1.

Bei dem in den Figuren dargestellten Ofen zur Hochtempera­ tur-Wärmbehandlung von keramischen Werkstoffen handelt es sich um einen Kammerofen 1, der an seiner Vorderseite eine Tür 2 aufweist. Der Ofen ist etwa kastenförmig ausgebildet und steht auf vier Beinen 3. An seinen beiden gegenüberlie­ genden Seitenwänden 5 befinden sich drei senkrecht und pa­ rallel zueinander angeordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter 7, wobei die Hohlleiter der gegenüberliegenden Seiten ver­ setzt zueinander angeordnet sind. Auf der Oberseite 4 des Ofens befinden sich zwei Mikrowellenschlitzhohlleiter 8, die parallel zur Längsachse des Ofens und parallel zueinan­ der angeordnet sind. In der Tür 2 befindet sich eine Isola­ tionsschicht 6. Der genauere Aufbau des Ofens wird anhand der Fig. 2-5 erläutert.

Der hier dargestellte Kammerofen 1 ist für eine Maximaltem­ peratur von 1.800°C konzipiert und für einen Betrieb in Luft oder in Erdgas geeignet. Die Nutzabmessungen des Ofens betragen 500×500×500mm, und es wird mit einer Mikrowellen­ frequenz von 2,45 GHz gearbeitet. Fig. 2 zeigt, daß drei Mikrowellenschlitzhohlleiter 7 parallel zueinander in Ver­ tikalrichtung an einer Seitenfläche 5 des Ofens angeordnet sind. An der gegenüberliegenden Seitenfläche befinden sich weitere drei Mikrowellenschlitzhohlleiter, die versetzt zu den Hohlleitern der anderen Seite angeordnet sind. An den oberen Enden der Hohlleiter befindet sich jeweils ein Ma­ gnetron 10, das Mikrowellenenergie erzeugt und in den zuge­ hörigen Hohlleiter endseitig einspeist. Am gegenüberliegen­ den Ende des Hohlleiters ist ein Kurzschlußschieber vorge­ sehen.

Man erkennt ferner in Fig. 2, daß an der Oberseite 4 des Kammerofens drei Mikrowellenschlitzhohlleiter 8 parallel zueinander und parallel zur Längsachse des Ofens angeordnet sind. An den in der Figur linken Enden der Hohlleiter be­ finden sich ebenfalls Magnetrons 10, und zwar rechtwinklig zur Längsachse der Hohlleiter. Es wird darauf hingewiesen, daß in Fig. 1 nur zwei Hohlleiter 8 dargestellt sind.

Durch die gewählte Hohlleiteranordnung: 3 an der Oberseite, 4 und jeweils 3 an den gegenüberliegenden Seitenflächen 5, wird innerhalb des Ofenraumes eine homogene Energiedichte­ verteilung erzielt.

Fig. 5 zeigt einen Horizontalschnitt durch den Kammerofen der Fig. 1-4. Der Ofen besitzt einen Außenrahmen 14, der das eigentliche Ofengehäuse lagert. Das Ofengehäuse weist eine metallische Auskleidung 12 und eine innerhalb von dieser fest eingebaute thermische Isolationsschicht 11 auf, die aus Mullit besteht. Die metallische Auskleidung ist mikrowellendicht, während die thermische Isolations­ schicht 11 im wesentlichen mikrowellendurchlässig ist.

In der metallischen Auskleidung 12 befinden sich längliche Öffnungen 13, die jeweils von einem Mikrowellenschlitzhohl­ leiter 7 umfaßt werden, der an der Außenseite der metalli­ schen Auskleidung 12 angeordnet ist und mit seiner Schlitz­ fläche zum Ofeninneren weist. Es sind somit drei Öffnungen 13 nebeneinander und parallel zueinander auf jeder Seiten­ fläche 5 des Ofens vorgesehen, denen jeweils ein Mikrowel­ lenschlitzhohlleiter 7 zugeordnet ist. Die Befestigung der Hohlleiter 7 an der metallischen Auskleidung 12 ist in mi­ krowellendichter Weise erfolgt.

Claims (10)

1. Ofen zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung von anorgani­ schen Werkstoffen, insbesondere keramischen Werkstof­ fen, mit einem Ofengehäuse zur Aufnahme des zu behan­ delnden Werkstoffes, einer Tür, einer Mikrowellenener­ gieerzeugungseinrichtung und einer Einrichtung zur Ab­ strahlung der Mikrowellenenergie in das Ofeninnere, dadurch gekennzeichnet, daß das Ofengehäuse eine mi­ krowellendichte metallische Auskleidung (12) und im Inneren hiervon eine fest eingebaute mikrowellendurch­ lässige thermische Isolationsschicht (11) aufweist und daß die Mikrowellenenergieabstrahlungseinrichtung durch mindestens einen Mikrowellenschlitzhohlleiter (7, 8) gebildet ist, der eine zugehörige Öffnung (13) der metallischen Auskleidung (12) umfassend an deren Außenseite mit der Schlitzfläche zum Ofeninneren weisend angeordnet ist.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolationsschicht (11) aus keramischen Fa­ serwerkstoffen besteht.

3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolationsschicht (11) aus Platten oder Langfasermodulen besteht.

4. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolationsschicht (11) aus aluminiumsilikathaltigem, insbesondere mullithaltigem Aluminiumoxid besteht.

5. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er an mindestens einer Wand meh­ rere parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter (7, 8) auf­ weist.

6. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er an mindestens einer Seitenwand (5) mehrere senkrecht angeordnete Mikrowellenschlitz­ hohlleiter (7) aufweist.

7. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Deckwand (4) und seine bei­ den Seitenwände (5) mit Mikrowellenschlitzhohlleitern (7, 8) versehen sind.

8. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Mikrowellenschlitzhohllei­ ter (7, 8) zugeordnete Öffnung (13) der metallischen Auskleidung (12) mit einem dielektrischen Material verschlossen ist.

9. Ofen nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die an gegenüberliegenden Wänden (5) an­ geordneten Mikrowellenschlitzhohlleiter (7) versetzt zueinander angeordnet sind.

10. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Mikrowellenschlitzhohlleiter (7, 8) an einem Ende ein in diesen einspeisendes Ma­ gnetron (10) zugeordnet ist.