DE19654356C2 - 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 den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1.

Ein derartiger Ofen ist aus der DE-OS 21 62 215 bekannt. Der bekannte Ofen weist ein einziges Magnetron auf, das in den Freiraum zwischen einer äußeren und einer inneren Ofen­ ummantelung ragt, wobei dieser gesamte Freiraum zusammen mit an der Oberseite der inneren Ummantelung vorgesehenen Schlitzen einen Schlitzhohlleiter bildet. Der Ofen weist innerhalb der inneren metallischen Ummantelung keine ther­ mische Isolationsschicht auf.

In der DE 43 24 635 A1 wird ganz allgemein ein Mikrowellen­ tunnel mit Wärmedämmung beschrieben, der mehrere Mikrowel­ lenquellen umfaßt, die ihre Energie in den Innenraum des Tunnels abstrahlen. Über die spezielle Ausgestaltung und Anordnung der Mikrowellenquellen in Relation zur Wärmedäm­ mung ist hierbei nichts ausgesagt.

Die DE 37 06 336 C1 beschreibt einen Ofen mit einer kerami­ schen Auskleidung. Der Ofen wird durch eine Hochfrequenz- Strahlungsquelle erwärmt, wobei auch hier wiederum keine Einzelheiten in bezug auf die spezielle Ausgestaltung und Anordnung der Strahlungsquelle relativ zur thermischen Iso­ lationsschicht angegeben sind.

Aus der US 4 541 729 A ist ein Ofen mit einer Metallumhül­ lung und einer Isolationsschicht bekannt. Des weiteren ist nur schematisch beschrieben und gezeigt, wie der Ofen über einen geeigneten Mikrowellenleiter von einer Mikrowellen­ quelle erwärmt wird.

Ein aus der US 5 420 401 A bekannter Ofen umfaßt ein Me­ tallgehäuse mit an dessen Außenseite angeordneten Wellen­ leitern sowie einer an dessen Innenseite angeordneten ther­ mischen Isolationsschicht. Hierbei sind keine Öffnungen im Gehäuse vorgesehen, und es gibt keine Mikrowellenschlitz­ hohlleiter. Es sind lediglich Kopplungsschlitze an einer metallischen Innenhülse vorgesehen.

Bei dem aus der US 4 617 439 A bekannten Ofen sind Wellen­ leiter vorgesehen, die Schlitze aufweisen. Öffnungen in der Kammerwandung werden nicht erwähnt. Des weiteren ist keine thermische Isolationsschicht innerhalb der Kammerwandung vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ofen der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 be­ schriebenen Art zu schaffen, mit dem sich bei einem ein­ fachen Aufbau, einer einfachen Wartung und einer sicheren Funktionsweise besonders hohe Temperaturen bei einer mög­ lichst homogenen Energiedichte erzielen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Ofen der an­ gegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

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.

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.

Der Ofen weist an mindestens einer Wand mehrere parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordnete Mikro­ wellenschlitzhohlleiter auf, deren Wandung eine Öffnung in der metallischen Auskleidung umgreift. Die Mikrowellen­ energieeinführung in den Mikrowellenschlitzhohlleiter er­ folgt in bekannter Weise über ein Magnetron, das an einem Ende des Mikrowellenschlitzhohlleiters angeordnet ist. Das gegenüberliegende Ende des Mikrowellenschlitzhohlleiters weist vorzugsweise einen Kurzschlußschieber auf.

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 40 mm besitzen.

Zweckmäßigerweise sind an mindestens einer Seitenwand meh­ rere senkrecht angeordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter vorhanden. Grundsätzlich kann aber jede Ofenwand mit mehre­ ren Mikrowellenschlitzhohlleitern versehen sein. Eine Aus­ führungsform hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, bei der die Deckwand und die beiden Seitenwände des Ofens mit Mikrowellenschlitzhohlleitern versehen sind. Bei dieser Ausführungsform weisen die Vorder- und Rückseite sowie die 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 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 entlang 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 × 500 mm, 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 gegenüberliegenden 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 (8)

1. Ofen zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung von anorga­ nischen Werkstoffen, insbesondere keramischen Werk­ stoffen, mit einem Ofengehäuse zur Aufnahme des zu be­ handelnden Werkstoffes, das eine mikrowellendichte me­ tallische Auskleidung aufweist, einer Tür, einer Mi­ krowellenerzeugungseinrichtung und einer Einrichtung zur Abstrahlung der Mikrowellenenergie in das Ofenin­ nere, die durch mindestens einen Mikrowellenschlitz­ hohlleiter gebildet ist, der an der Außenseite der me­ tallischen Auskleidung mit der Schlitzfläche zum Ofeninneren weisend angeordnet ist, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Ofengehäuse im Inneren der metalli­ sche Auskleidung (12) eine festeingebaute mikrowellen­ durchlässige thermische Isolationsschicht (11) auf­ weist und dass der Ofen an mindestens einer Wand meh­ rere parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter (7, 8) be­ sitzt, deren Wandung eine Öffnung (13) in der metalli­ schen Auskleidung (12) umgreift und denen an einem En­ de jeweils ein in diesen einspeisendes Magnetron (10) zugeordnet 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 mul­ lithaltigem, Aluminiumoxid besteht.

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

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

7. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Mikrowellenschlitzhohl­ leiter (7, 8) zugeordnete Öffnung (13) der metalli­ schen Auskleidung (12) mit einem dielektrischen Mate­ rial verschlossen ist.

8. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an gegenüberliegenden Wänden (5) angeordneten Mikrowellenschlitzhohlleiter (7) ver­ setzt zueinander angeordnet sind.