DE19700140A1

DE19700140A1 - Brennofen für die Hochtemperaturbehandlung von Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor

Info

Publication number: DE19700140A1
Application number: DE1997100140
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Bartusch; Guenter Dr Mueller
Original assignee: Gero Hochtemperaturoefen GmbH
Current assignee: Carbolite Gero GmbH and Co KG
Priority date: 1997-01-04
Filing date: 1997-01-04
Publication date: 1998-07-09
Also published as: WO1998030067A1; AU5765298A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennofen für die Hochtemperaturbehandlung von Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor (tan δ < 10^-2) unter Er wärmung des Materials durch Absorption von Mikrowellen energie in einem Hohlraumresonator, in dem das Behand lungsgut innerhalb eines zentralen Teilbereiches des Resonators angeordnet ist, und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungs bestimmenden Merkmalen.

Ein derartiger Brennofen ist durch die US-PS 4,963,709 bekannt. Der Hohlraumresonator des bekannten Brennofens hat einen zylindrischen Resonatormantel und diesen je weils stirnseitig abschließende, ebene Resonatorwände. Die von einem auf die Schwingungsfrequenz von 28GHz und eine Ausgangsleistung von 200 kW ausgelegten Gyrotron erzeugte Mikrowellenenergie wird, in Richtung der zen tralen Längsachse des Hohlraumresonators von einer Stirnseite her über einen überdimensionierten Hohllei ter in den Hohlraum-Resontaor eingekoppelt. Das Behand lungsgut, dessen Volumen gegenüber dem Resonatorvolumen sehr klein ist, ist unterhalb der Einkoppelöffnung des Speise-Hohleiters angeordnet. Bei dieser Anordnung be findet sich das Behandlungsgut im Bereich der Direkt strahlung, die über den Hohlleiter eingekoppelt wird, ist jedoch auch einem quasi-diffusen Feld-Anteil ausge setzt, der durch quasi-optische Reflexion an der Reso natorwandung zustande kommt. Dieser reflektierte Anteil des Wellenfeldes bedingt eine Inhomogenität des elek trischen Feldes am Ort des Behandlungsgutes, die uner wünscht ist, weil sie zu einer ungleichmäßigen Erwär mung innerhalb des Behandlungsgutes führt. Um diese un erwünschte Wirkung wenigstens im zeitlichen Mittel zu eliminieren, ist ein in der Art eines kleinen Ventila tors ausgebildeter Moden-Quirl vorgesehen, der seitlich von der Einkoppel-Öffnung des speisenden Hohlleiters angeordnet ist und im Ergebnis eine "Wobbel"-Bewegung der Feldverteilung vermittelt, die zu einer gleichmäßi geren Verteilung der Strahlungsintensität führt, die im Behandlungsraum herrscht.

Der bekannte Brennofen ist aufgrund seines insoweit ge schilderten Aufbaues und der Art der Einkopplung der Mikrowellenenergie jedoch mit zumindest den folgenden Nachteilen behaftet:
Die durch den Modenquirl vermittelte Ergodisierung des Mikrowellenfeldes, dem das Behandlungsgut ausgesetzt ist, ist lediglich für den "diffusen" - an der Resona torwandung reflektierten Anteil der eingekoppelten Mikrowellenstrahlung wirksam, nicht jedoch für den von der Antenne aus direkt in den Behandlungsbereich einge strahlten Energieanteil. Die Wirkung des Modenquirls ist daher nur in einem genügend weit von der Einkoppel-Öffnung entfernten Bereich des Resonator-Hohlraums er zielbar. Die Folge hiervon ist, daß auch nur ein rela tiv geringer Anteil des Resonatorhohlraums als Behand lungsraum für Sintergut nutzbar ist. Es kommt hinzu, daß ein erheblicher Anteil der direkt eingestrahlten Mikrowellenenergie vom Behandlungsgut reflektiert und entgegen der Einstrahlrichtung zurückgeworfen wird. Der bekannte Brennofen ist daher - aus den vorgenannten Gründen insgesamt - für eine industriell einsetzbare Brennanlage, für die ein großes Nutzvolumen Bedingung für einen wirtschaftlichen Einsatz ist, nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brennofen der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß bei vorgegebenen äußeren Abmessungen des Hohlraumreso nators ein wesentlich höherer Anteil seines Hohlraumes als Behandlungsraum nutzbar ist und auch eine wirtschaf tlichere Nutzung der Mikrowellenenergie möglich ist.

Diese Aufgabe wird, gemäß dem Grundgedanken der Erfin dung, durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentan spruchs 1 gelöst.

Hiernach ist zur Einkopplung der Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumresonator eine Antennenanordnung mit ausgeprägter Richt-Charakteristik vorgesehen, wobei die Strahlung "schräg" und praktisch fast völlig auf einen Mikrowellendiffusor gerichtet wird, der hierdurch zu mindest annähernd ausgeleuchtet ist, so daß die gesamte eingestrahlte Primärstrahlung in "diffuse" Sekundär strahlung umgewandelt wird, in der keinerlei feste Pha senbeziehung zwischen räumlich benachbaren Resonatorbe reichen mehr besteht. Die erfindungsgemäß weiterhin vorgesehene Anordnung des Sintergutes in einem Raumbe reich des Hohlraumresonators, in dem es ausschließlich der vom Diffusor ausgehenden Sekundär-Mikrowellenstrah lung ausgesetzt ist, bewirkt eine höchstmögliche Gleich förmigkeit der Energiezufuhr in den Behandlungsraum. Es kommt hinzu, daß eine Reflexion von Mikrowellenstrah lung zurück zur Quelle praktisch ausgeschlossen ist, so daß auch insoweit eine wirtschaftlichere Nutzung der Mikrowellenenergie erreichbar ist. Der Raumbereich, in dem Sintergut behandelt werden kann, ist, verglichen mit dem bekannten Brennofen wesentlich größer, so daß der erfindungsgemäße Brennofen für eine industrielle Anwendung geeignet ist.

In bevorzugter Gestaltung des Brennofens wird die Pri märstrahlung radial zu einer durch eine zentrale Längs achse des Hohlraumresonators markierten Richtung einge koppelt, derart, daß sie innerhalb des Hohlraumresona tors auf einen Subreflektor trifft, der durch seine Form die Apertur des Strahlungsfeldes bestimmt, das auf den Diffusor trifft, wobei es vorteilhaft ist, wenn der Primärstrahl mit scharfer Bündelung in den Resonator einkoppelbar ist und der Subreflektor als konvex ge wölbtes Reflexionselement ausgebildet ist, das in vor teilhafter Anordnung zwischen der zentralen Längsachse des Hohlraumresonators und der Einkoppel-Antenne für den Primärstrahl angeordnet ist, die ihrerseits in un mittelbarer Nähe der Resonatorwand angeordnet werden kann.

Diese Konfigurationen sind möglich, da wegen der gerin gen Wellenlänge der primären Mikrowellenstrahlung, ge genüber der die Dimensionen des Resonators, des Subre flektors und des als Einkoppel-Antenne benutzten Hohl leiters groß sind ein weitgehend geometrisch-optisches Reflexionsverhalten dieser Elemente gegeben ist und wellenoptische Effekte nur im Bereich des Diffusors ausgelöst werden, für den durch die Merkmale des An spruchs 5 eine einfach realisierbare und zum angegebe nen Zweck wirksame Gestaltung angegeben ist.

Wenn, wie gemäß Anspruch 6 vorgesehen, der Diffusor um die zentrale Längsachse des Hohlraumresonators rotato risch angetrieben ist, wird zusätzlich eine zeitliche Mittelung von Rest-Inhomogenitäten des im Resonator wirksamen Sekundär-Mikrowellenfeldes erzielt, d. h. eine Vergrößerung des Behandlungsvolumens erlaubt, wobei dieser vorteilhafte Effekt schon bei Diffusor-Drehzah len zwischen 1s^-1 und 10s^-1 erzielbar ist und zu höheren Drehzahlen hin gesteigert werden kann, was dann erfor derlich ist, wenn die thermische Relaxationszeit des zu behandelnden Gutes klein ist.

Durch die Merkmale der Ansprüche 8 und 9 sind zusätzli che Maßnahmen angegeben, die eine Vergrößerung des Be handlungsraumes erlauben.

In bevorzugter Gestaltung des erfindungsgemäßen Brenn ofens ist eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen, mittels derer die Resonatorwand auf die im Behandlungs gut herrschende Temperatur aufheizbar ist. Durch eine solche Aufheizung der Resonatorwand läßt sich der für eine Vielzahl von Mikrowellen-Ofentypen charakteristi sche Effekt, daß mit zunehmender Erwärmung des Sinter gutes die Wärmeabstrahlung aus den randnahen Bereichen des Sintergutes dazu führt, daß im Inneren desselben eine höhere Temperatur herrscht als in den Randberei chen, wirksam vermeiden.

Diese Heizeinrichtung ist gemäß den Merkmalen des An spruchs 11 als eine elektrisch steuerbare Widerstands heizung ausgebildet, die entsprechend einem durch ein Programm vorgegebenen Temperaturverlauf angesteuert wird, der dem Temperaturverlauf im Sintergut entspre chen soll, der seinerseits mittels eines Temperatursen sors, vorzugsweise einem Pyrometer, überwacht wird, und zum Soll-Ist-Wert-Vergleich für die Heizung der Resona torwand herangezogen wird, deren Temperatur, z. B. im Sinne einer Nachlaufregelung, an die Temperatur des Sintergutes angeglichen wird, die im wesentlichen durch die eingestrahlte Mikrowellenleistung bestimmt wird.

Hierbei ist es zweckmäßig, wenn verschiedenen Wandbe reichen des Resonators eigens zugeordnete Temperatur-Sensoren vorgesehen sind, mittels derer die gegebenen falls verschiedenen Resonatorwand-Temperaturen erfaßbar sind, und wenn die Heizung den individuell überwachten Wandbereichen zugeordnete Heizelemente umfaßt, die ihrerseits individuell ansteuerbar sind, entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 12.

In der Gestaltung des Brennofens gemäß Anspruch 13 sind die Hohlresonator-Wandung, der Diffusor, der die Anten ne bildende Hohlleiter sowie der Subreflektor aus Gra phit oder einem hiermit hinsichtlich der Temperaturbe ständigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit äquiva lenten Material hergestellt, so daß der Brennofen für Temperaturbehandlungen bis zu 1800°C einsetzbar ist.

Auch eine zur Wärmeisolation des Hohlraumresonators ge genüber der äußeren Umgebung des Brennofens vorgesehene Wärmedämmeinrichtung, die gemäß den Merkmalen des An spruchs 14 an der Innenseite eines den Hohlraumresona tor und die Heizeinrichtung aufnehmenden Ofen-Gehäuses angeordnet ist, kann ihrerseits als eine auf der Basis eines Graphit-Materials, insbesondere Graphit-Filz her gestellte, mit einer elektrischen Mindestleitfähigkeit behaftete Innenauskleidung des Ofen-Gehäuses ausgebil det sein.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Brennofens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä ßen Brennofens für eine Hochtemperaturbehand lung keramischen Sintergutes mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor, das innerhalb eines polygonal berandeten Hohlraumresonators des Brennofens durch Absorption von Mikrowel lenenergie aufheizbar ist, in schematisch ver einfachter Blockschaltbild-Darstellung, den Resonator im Schnitt längs einer seine zentra le Längsachse und die zentrale Längsachse ei nes als Einkoppel-Antenne vorgesehenen Hohl leiters enthaltenden Längsmittelebene;

Fig. 2 den Hohlraumresonator des Brennofens gemäß Fig. 1, im Schnitt längs einer durch die Linie II-II der Fig. 1 repräsentierten Schnittebene,

Fig. 3 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer der in den Hohlraumresonator eingekop pelten primären Mikrowellenstrahlung ausge setzten Oberflächenstruktur eines zur Ergo disierung des Mikrowellenfeldes, dem das Be handlungsgut ausgesetzt ist, dienenden Dif fusors des Hohlraum-Resonators gemäß den Fig. 1 und 2 und

Fig. 4 einen Schnitt längs der durch die Linie IV-IV der Fig. 3 repräsentierten Ebene.

Der in der Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Brenn ofen ist für eine Temperaturbehandlung, insbesondere zum Sintern, lediglich schematisch angedeuteter Werk stücke 11 gedacht, die durch diese thermische Behand lung erst ihre für einen bestimmungsgemäßen Gebrauch der fertigen Werkstücke erforderlichen Materialeigen schaften und/oder räumliche Abmessungen erlangen.

Typische Werkstücke, die auf der Basis von nitrid-ke ramischem Material, insbesondere Si₃N₄ hergestellt sind, z. B. Kugellager, Ventilkörper- und Gehäuse, Hül sen und dergleichen oder auf der Basis von oxid-kerami schem Material hergestellt werden können, z. B. Dicht scheiben und -Ringe, und einer sinternden Behandlung bedürfen, sollen in dem Brennofen 10 einer solchen Be handlung aussetzbar sein.

Hierbei handelt es sich um Materialien mit relativ niedrigem dielektrischem Verlustfaktor (tanδ < 0,01).

Die zu behandelnden Werkstücke 11 sind in einem insge samt mit 12 bezeichneten Stapel angeordnet. Die Erwär mung des durch die Gesamtheit der Werkstücke 11 gebil deten Sintergutes erfolgt durch Absorption von Mikro wellenenergie, die von einem als Mikrowellenquelle 13 vorgesehenen Gyrotron bereitgestellt wird, das eine Mikrowellenstrahlung von 28 GHz, was einer Wellenlänge λ von 1,07 cm entspricht, erzeugt, die über eine als überdimensionierter Hohlleiter (Durchmesser D = 5λ) ausgebildete Richtantenne 14 radial in einen insgesamt mit 16 bezeichneten Hohlraumresonator mit elektrisch leitenden Wänden 16 ₁ eingekoppelt wird, der beim darge stellten Ausführungsbeispiel die Form eines prismati schen Hohlkörpers mit oktogonalem Querschnitt hat.

Bei dem zur Erläuterung gewählten, speziellen Ausfüh rungsbeispiel hat der Hohlraumresonator einen regelmä ßig-oktogonalen, bezüglich der zentralen Längsachse 17 axialsymmetrischen Querschnitt.

Diese Form des Hohlraumresonators 16 ist jedoch in er ster Linie aus Gründen seiner einfachen Herstellbarkeit gewählt. Anstatt der dargestellten Form könnte der Hohlraumresonator auch eine unregelmäßig-polygonale Querschnittsform haben, und es ist auch nicht erforder lich, daß die Resonatorwände 16 ₁ bis 16 ₈ flach-platten förmig mit ebenen inneren Begrenzungsflächen ausgebil det sind.

Für den zur Erläuterung gewählten Hohlraumresonator sei vorausgesetzt, daß das Verhältnis H/L der zwischen den inneren Begrenzungsflächen seiner gemäß der Darstellung der Fig. 2 oberen Längsbegrenzungswand 16 ₁ und seiner dazu parallelen unteren Längsbegrenzungswand 16 ₅ gemes senen lichten Höhe H zu der zwischen den Innenflächen seiner stirnseitigen Begrenzungswände 16 ₉ und 16 ₁₀ ge messenen lichten Länge L einen Wert von 3/4 hat, und daß das Volumen V_res des Resonator-Innenraumes 18 1,4m³ beträgt, so daß gilt:

V_res/λ3 = 1,114 10^-6 (1)

Dieser Wert charakterisiert einen großvolumigen Hohl raumresonator, in dem eine Vielzahl von Schwingungsty pen anregbar ist, deren Anzahl ΔN durch die Beziehung

gegeben ist, in der mit V_res das Volumen des Hohlraumre sonators, mit λ die Vakuumwellenlänge der Mikrowellen strahlung und mit Q_gesamt die Gesamtgüte der insoweit er läuterten Anordnung 10, 11, 12, 13, 14 bezeichnet ist, die ihrerseits durch die Beziehung

gegeben ist. In dieser Beziehung ist mit Q_res die Güte der Resonatorwand bezeichnet, die durch die Beziehung

gegeben ist, mit Q_ant die Güte der Antennenanordnung, für die die Beziehung

gilt, mit Q_diel die Güte des dielektrischen Sintergutes, für welche die Beziehung

gilt und mit Q_quelle die Güte der Mikrowellenquelle (13) bezeichnet ist, die durch die Beziehung

Q_quelle = 1/B (7)

gegeben ist.

In den Beziehungen (4), (5), (6) und (7) sind mit
A_res die Fläche der Resonatorwand insgesamt,
e die Eindringtiefe in die Resonatorwand
A_ant die abstrahlenden Flächen der Antennenanordnung 14, mit
V_diel das Volumen des dielektrischen Behandlungsgu tes 11, mit
ε_r die Dielektrizitätszahl des Sintergutes 11, mit
tan δ der dielektrische Verlustfaktor des Sinter gutes und mit
B die Bandbreite der Mikrowellenquelle 13
bezeichnet.

Bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel bestehen die Wände 16 ₁ bis 16 ₁₀ des Hohlraumresonators aus plattenförmigem Graphit-Material, so daß sich bei der angegebenen Gyrotron-Frequenz von 28GHz eine Ein dringtiefe e von 10 µm ergibt. Dies entspricht bei einer Gesamtfläche A_res von etwa 7,6m² einer Güte Q_res der Re sonator-Wandung von etwa 25000. Für die "strahlende" Antennenfläche - der lichten Querschnittsfläche der als Rund-Hohlleiter vorausgesetzten Richtantenne 14 einen Wert A_ant von 30cm² angenommen, ergibt sich eine Güte Q_ant der Antennenanordnung von etwa 1,095.10⁶. Für ein vom Sintergut 11 eingenommenes Volumen von ca. 0,03m³ ergibt sich ein Wert der Güte Q_diel des Sintergutes von 2100, wenn für dessen Dielektizitätszahl ε_r ein Wert von 8 und ein Verlustfaktor von 0,008 angesetzt wird. Die Bandbreite B der von dem Gyrotron erzeugten Mikro wellenstrahlung ist kleiner als 10^-8 was einer Quel lengüte Q_quelle von mehr als 10⁸ entspricht.

Bei nicht beladenem Hohlraumresonator 16 (V_diel = 0) ist die Gesamtgüte Q_gesamt ungefähr gleich der Resonatorgüte Q_res und die Zahl der resonanten Schwingungstypen be trägt etwa 1.150, was schon ein sehr hoher Wert ist.

Bei dielektrischer Beladung des Hohlraumresonators ist die Gesamtgüte Q_gesamt ungefähr gleich der Güte Q_diel des Behandlungsgutes 11 und damit die Zahl der resonant anregbaren Schwingungstypen ΔN = 13700.

Aus der Überlagerung einer derartig hohen Anzahl von Schwingungstypen läßt sich im gesamten Inneraum 18 des Hohlraumresonators 16 eine räumlich gut gleichmäßige Feldverteilung erzielen, die notwendig ist, um einen großen Teil des Resonator-Volumens als Behandlungsraum für Sintergut 11 nutzen zu können. Voraussetzung für die Anregbarkeit zumindest eines überwiegenden Teils dieser möglichen Schwingungstypen ist jedoch, daß die anregende Mikrowellenstrahlung diffus ist, d. h. räum lich gesehen feste Phasenbeziehungen vermieden sind.

Um diese "diffuse" Qualität der anregenden Mikrowellen strahlung zu erzielen, ist in unmittelbarer Nähe der einen, gemäß Fig. 1 rechten Resonatorwand 16 ₉ ein kreis scheibenförmiger Diffusor 19 vorgesehen, dessen dem Re sonator-Innenraum 18 zugewandte Diffusor-Fläche 21 der von dem Gyrotron 13 erzeugten, über die Antenne 14 den Hohlraumresonator eingestrahlten Primär-Mikrowellen strahlung ausgesetzt ist. Der Durchmesser des Diffusors 19 entspricht annähernd der lichten Höhe H des Reso nator-Hohlraumes 18. Die Richtantenne 14, deren zentra le Hohlleiter-Achse 22 radial zur zentralen Längsachse 17 verläuft, ist, in Richtung der zentralen Längsachse 17 gesehen, von dem Diffusor 19 in einem Abstand a an geordnet, der etwa 1/5 bis 1/4 der Länge L des Hohl raumresonators 16 entspricht. Die durch das resonator innere Ende 23 des Antennenhohlleiters berandete Anten nenöffnung 24 ist in einem Abstand h von der inneren Begrenzungsfläche 16'₁ des oberen Resonatorwand-Teils 16 ₁ angeordnet, der zwischen 1/6 und 1/4 der lichten Höhe H des Resonator-Innenraumes 18 beträgt. Unterhalb der Antennenöffnung 24 ist ein von dem Diffusor 19 aus gesehen konvex gewölbter Subreflektor 26 angeordnet, der über einen schmalen Träger 27 mit dem resonator-in neren Endabschnitt des Antennen-Hohlleiters 14 fest verbunden ist. Die Wölbung des Subreflektors 26 und dessen Anordnung bezüglich der Antennenöffnung 24 in geringem Abstand von derselben sind dahingehend aufein ander abgestimmt, daß sich aufgrund der quasi-geometri schen Reflexionsbedingungen eine Aufweitung der Strah lungskeule der Primär-Mikrowellenstrahlung ergibt, der art, daß der Diffusor 19 auf einem weitaus überwiegen den Teil seiner der Antenne 14 zugewandten Seite 21 der Primär-Mikrowellenstrahlung ausgesetzt - ausgeleuchtet- ist, wie durch gestrichelt eingezeichnete Randstrah len 28 und 29 des vom Subreflektor 26 zum Diffusor 19 hin reflektierten Primär-Mikrowellenfeldes veranschau licht. Die der Mikrowellen-Primärstrahlung ausgesetzte Diffusor-"Fläche" 21 ist in der Art eines Gebirges mit zweidimensional unregelmäßiger Verteilung von Erhöhun gen 31 (Fig. 3 und 4) und dazwischen verlaufenden Ver tiefungen 32, wobei die von der Basisfläche 33 (Fig. 4) aus gemessene Höhe der Erhebungen zwischen λ/4 und λ/2 beträgt. Die Verteilung der Erhöhungen entlang der x- und y-Koordinatenrichtungen der Ausdehnung des Dif fusors 19 entspricht einer statistischen Zufallsvertei lung, innerhalb derer die Abstände der Erhöhungen von einander und auch deren Ausdehnung zwischen λ/2 und nλ/2 betragen, wobei n zwischen 1 und einem Maximal wert um 5 variiert. Die durch die Darstellung der Fig. 3 veranschaulichte unregelmäßige Oberflächenstruktur der der Primärstrahlung ausgesetzten Seite 21 des Dif fusors 19 verleiht diesem die Wirkung eines irregulären Phasengitters, das praktisch die gesamte eingestrahlte Primärstrahlung in diffuse Sekundärstrahlung umwandelt, in der keinerlei feste Phasenbeziehung zwischen räum lich benachbarten Resonatorbereichen mehr besteht. Der Sintergut-Stapel 12 ist in dem zwischen der Antenne 14 und der anderen, gemäß der Darstellung der Fig. 1 linken Resonator-Stirnwand 16 ₁₀ angeordneten Raumbereich des Resonator-Innenraumes 18 angeordnet, der durch den Sub reflektor 26 und dessen Träger 27 gegen die primäre Mikrowellenstrahlung abgeschattet ist und nur der von dem der Primärstrahlung ausgesetzten Diffusor 19 ausge henden diffusen Sekundärstrahlung ausgesetzt ist.

Der Diffusor 19 ist um die zentrale Längsachse 17 des Hohlraumresonators 16 rotatorisch antreibbar. Der dies bezüglich vorgesehene Antriebsmotor 35 ist außerhalb eines den Hohlraumresonator 34 umschließenden, gasdicht ausgeführten, evakuierbaren und/oder mit Schutzgas spül barem Ofengehäuses 34 angeordnet. Durch den rotatori schen Antrieb des Diffusors 19 wird zusätzlich eine Homogenisierung der Feldvertei lung in dem für die Unterbringung des Behandlungsgutes 11 nutzbaren Raum im Sinne einer zeitlichen Mittlung von Rest-Inhomogenitäten des im Resonator wirksamen Se kundär-Mikrowellenfeldes erzielt.

Bei dem dargestellten Brennofen 10 ist auch an der dem rotatorisch antreibbaren Diffusor 19 gegenüberliegenden Stirnseite des Hohlraumresonators 16 ein zweiter Diffu sor 19' angeordnet, der jedoch nicht rotatorisch an treibbar ist, so daß seine Konturengestaltung derjeni gen der Resonatorstirnwand 16 ₁₀ entsprechen kann. Durch diesen zweiten Diffusor 19', der, abgesehen von gerin gen Restbeträgen der Primär-Mikrowellenstrahlung ledig lich dem vom ersten Diffusor 19 ausgehenden "diffusen" Sekundär-Strahlungsfeld ausgesetzt ist, wird eine noch gleichmäßigere Verteilung der Mikrowellenenergie im Be handlungsraum erzielt.

Mittels einer lediglich schematisch dargestellten, in sgesamt mit 36 bezeichneten Heizeinrichtung, die eine der Anzahl der ebenflächigen Resonatorwände 16 ₁ bis 16 ₁₀ entsprechende Anzahl von elektrischen Widerstandshei zelementen 36 ₁ bis 36 ₁₀ umfaßt, ist die Resonatorwand auf die im Behandlungsgut herrschende Temperatur auf heizbar, die ihrerseits mittels eines nicht dargestell ten Pyrometers überwachbar ist. Mittels ebenfalls nicht dargestellter, den Wandelementen einzeln zugeordneter Temperatursensoren sind die Temperaturen der einzelnen Wandbereiche 16 ₁ bis 16 ₁₀ überwachbar, so daß eine Rege lung der Temperatur der Resonatorwandung insgesamt zu deren Angleichung an die Sintergut-Temperatur möglich ist. Das Ofen-Gehäuse 34 ist an seiner Innenseite mit einer Wärme-Dämmschicht 37 aus Graphit-Filz ausgeklei det, die insbesondere in Durchführungsbereichen des Ofen-Gehäuses zusätzliche Sicherheit gegen ein Austre ten von Mikrowellenstrahlung vermittelt.

Claims

1. Brennofen für die Hochtemperatur-Behandlung von Materialien mit relativ kleinem dielektrischem Verlustfaktor (tan δ) unter Erwärmung des Mate rials durch Absorption von Mikrowellenenergie in einem Hohlraumresonator, in dem das Behandlungsgut innerhalb eines zentralen Teilbereiches des Reso nators angeordnet ist, in dem durch schmalbandige Einstrahlung von Mikrowellenenergie eine innerhalb eines Toleranzbereiches eine gleichmäßige Energie dichte des Mikrowellenfeldes gegeben ist, derart, daß in jedem Volumenelement des Behandlungsraumes das Quadrat (E²) der elektrischen Feldstärke des Mikrowellenfeldes zumindest im zeitlichen Mittel innerhalb eines geringen Toleranzbereiches densel ben Betrag hat, wobei das Verhältnis V/λ³ des Re sonatorvolumens V zur dritten Potenz der Wellen länge λ einen Wert im Bereich von 10⁶ hat, da durch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der von der Mikrowellenquelle (13) erzeugten primären Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumresonator (16) eine Richt-Antennenanordnung (14) mit ausgeprägter Keulencharakteristik vorgesehen ist, daß mit die ser einfallenden Primärstrahlung ein Mikrowellen diffusor (19) mindestens annähernd ausgeleuchtet ist und die Anordnung des Sintergutes (11) in ei nem Raumbereich des Hohlraumresonators gewählt ist, in dem es ausschließlich der vom Diffusor (19) ausgehenden Sekundär-Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist.

2. Brennofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärstrahlung radial zu einer zentralen Achse (17) des Hohlraumresonators (16) in diesen eingekoppelt ist und innerhalb des Hohlraumresona tors auf einen Subreflektor (26) trifft, durch dessen Form die Apertur des Strahlungsfeldes be stimmt ist, das auf den Diffusor (19) trifft.

3. Brennofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärstrahl mit scharfer Bündelung in den Resonator (16) einkoppelbar ist und der Subreflek tor (26) als konvex gewölbtes Reflexionselement ausgebildet ist.

4. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß der Subreflektor (19) zwischen der zentralen Längsachse (17) des Hohl raumresonators (16) und der Einkoppel-Antenne (14) für die primäre Mikrowellenstrahlung angeordnet ist.

5. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die der primären Mikro wellenstrahlung ausgesetzte Seite (21) des Diffu sors (19) als Gebirge mit zweidimensional unregel mäßiger Verteilung von Erhöhungen (31) und dazwi schen verlaufenden Vertiefungen (32) ausgebildet ist, wobei die von der Basisfläche (33) aus gemes sene Höhe der Erhebungen (31) zwischen λ/4 und λ/2 beträgt und die Verteilung entlang der Koor dinatenrichtungen der Ausdehnung des Diffusors (19) einer statistischen Zufallsverteilung ent spricht, innerhalb derer die Abstände der Erhöhun gen (31) voneinander zwischen λ/2 und n.λ/2 be tragen, wobei n zwischen 1 und einem Maximalwert um 5 variiert.

6. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß der Diffusor (19) um die zentrale Längsachse (17) des Hohlraumresonators (16) rotatorisch antreibbar ist.

7. Brennofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl, mit der der Diffusor (19) an treibbar ist, zwischen 1s^-1 und 10s^-1, vorzugsweise um 5s^-1 beträgt.

8. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß in vorzugsweise dem der Primärstrahlung ausgesetzten Diffusor (19) gegen überliegender Anordnung ein zweiter Diffusor (19') vorgesehen ist.

9. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (16) eine von der axialsymmetrischen Gestaltung abweichende, prismatisch-polygonale Form hat, wo bei ebenflächig ausgebildete Begrenzungswände ent lang parallel zur zentralen Längsachse verlaufen der Eckkanten aneinander angrenzen.

10. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, daß eine elektrische Heiz einrichtung (36) vorgesehen ist, mittels derer die Resonatorwandung (16 ₁ bis 16 ₁₀) auf die im Behand lungsgut (n) herrschende Temperatur aufheizbar ist.

11. Brennofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Heizeinrichtung (36) als eine elek trisch steuerbare Widerstandsheizung ausgebildet ist, die entsprechend einem durch ein Programm vorgegebenen Temperaturverlauf ansteuerbar ist, der dem Temperaturverlauf im Sintergut entspricht, der seinerseits mittels eines Temperatursensors, vorzugsweise eines Pyrometers, überwachbar ist und zum Soll-Ist-Wert-Vergleich für die Heizung der Resonatorwand nutzbar ist, deren Temperatur, z. B. im Sinne einer Nachlaufregelung, an die Temperatur des Sintergutes (n) angeglichen wird.

12. Brennofen nach Anspruch 10 oder Anspruch 12, da durch gekennzeichnet, daß verschiedenen Wandberei chen (16 ₁ bis 16 ₁₀) des Hohlraumresonators (16) ei gens zugeordnete Temperatursensoren vorgesehen sind, mittels derer die Resonatorwand-Temperaturen erfaßbar sind, und daß die Heizeinrichtung den in dividuell überwachten Wandbereichen zugeordnete Heizelemente (36 ₁ bis 36 ₁₀) umfaßt, die ihrerseits individuell ansteuerbar sind.

13. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, daß die Hohlraumresonator- Wandung (16 ₁-16 ₁₀), der/die Diffusor(en) (19), der die Antenne bildende Hohlleiter (14) sowie der Subreflektor (26) aus Graphit oder einem hiermit äquivalenten Material hergestellt sind.

14. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß eine zur Wärmeisolierung des Hohlraumresonators (16) gegenüber der äußeren Umgebung des Brennofens (10) vorgesehene Wärme dämmeinrichtung als eine an der Innenseite eines den Hohlraumresonator und die Heizeinrichtung auf nehmenden Ofengehäuse (34) angeordnete Innenaus kleidung ausgebildet ist, die bevorzugt aus Gra phit-Filz besteht.