DE3706336C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung hoher Temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Er­ zeugung hoher Temperaturen mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen. Gegenstand der Erfindung ist weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 4 angegebenen Merkmalen.

Es sind verschiedene Verfahren zur Erzeugung hoher Temperaturen in Ofenkammern bekannt. Im allgemeinen werden dabei zur Aufheizung Heizspiralen od. dgl. aus einem Material verwendet, welches insbesondere bei höheren Temperaturen leicht oxydiert, weshalb in derartigen Öfen unter Sauerstoffabschluß oder Vakuum, beispielsweise in einer Schutzgasatmosphäre, gearbeitet werden muß. Bei einem solchen Vorgehen entsteht das Problem, die Schutzgasatmosphäre genau kontrolliert einzustellen, um bei unter­ schiedlichen Aufheizungs-Arbeitsgängen reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten.

Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art sind aus der DE 29 21 955 A1 bekannt. Bei der dort erläuterten Mikrowellenheizeinrichtung kann eine Erwärmung des Inhaltsgutes nicht nur mittels Mikrowellen sondern zusätzlich auch mit Hilfe einer sonstigen Heizeinrichtung erfolgen, wobei es sich in dem erläuterten Fall um Strahlungsheizglieder innerhalb der Ofenmuffel handelt. Die zusätzlichen Strahlungs­ heizglieder haben dabei den Zweck, beispielsweise eine Bräunung von Nahrungsmitteln zu erreichen, die ja beim Garen von Nahrungsmitteln nicht erfolgen würde, wenn lediglich Mikrowelle zur Anwendung kommt. Die Kombi­ nation von Mikrowelle und Strahlungsheizung bietet den Vorteil, daß besonders kurze Garzeiten erreicht werden können. In dem bekannten Mikrowellenofen ist die Ofenmuffel bzw. Kammer von einer Wärmeisolation umgeben, die den Zweck hat, eine Abstrahlung von Wärme nach außen zu verhindern und insbesondere einer Aufheizung des oberhalb der Ofenmuffel bzw. Kammer angeordneten Mikrowellengenerators entgegenzuwirken. Die Wärmeisolation soll deswegen möglichst kalt bleiben. Die eigentliche Kammerwand besteht aus einem durch Mikrowellen nicht anregbaren Material. Die Einleitung der Mikrowellen in die Kammer erfolgt über einen Wellenleiter. Aufgrund der Konstruktion ist die bekannte Mikrowellenheizeinrichtung keinesfalls dazu geeignet, besonders hohe Temperaturen zu erreichen. Die höchsten, erwähnten Temperaturen liegen bei 500°C zum Zwecke der Selbstreinigung.

Es gibt nun aber etliche Fälle, in denen es wünschenswert wäre, irgendwelche Materialien in Anwesenheit von Sauerstoff, zumindest Luft, stark zu erhitzen, d. h. auf Temperaturen, bei denen durch Sauerstoffeinwirkung eine Schädigung der Ofenmaterialien eintreten kann. Für diese Fälle mußte man sich bisher so behelfen, daß die Heizung des Ofens unter Schutzgas oder mit sonstigen Schutzmaßnahmen betrieben wurde, während die eigentliche Ofenkammer der Atmosphäre ausgesetzt war. Es ist verständlich, daß hierzu ein sehr hoher apparativer Aufwand erforderlich ist. Außerdem erhöht sich, wenn eine gasdichte Trennung zwischen Ofenkammer und Heizung, z. B. Wicklung, vorgesehen werden muß, der notwendige Energiebedarf. Schließlich sind deutliche Temperaturgrenzen gesetzt.

Sofern man mit moderaten Temperaturen (deutlich unter 1000°C) zufrieden ist, gibt es etliche Materialien, die eine entsprechende Aufheizung, auch in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, ohne Schäden überstehen, z. B. Graphit, SiC, aber auch etliche Metalle oder Metallegierungen. Temperaturen unter 1000°C genügen jedoch nicht immer.

Es liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren - und eine zu dessen Durchführung geeignete Vorrichtung - vorzuschlagen, welche es ohne großen apparativen Aufwand gestatten, solche Temperaturen zu erreichen, bei denen bisher Schutzmaßnahmen gegen Oxydation unabdingbar waren.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung mit den in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 bzw. 4 angegebenen Merkmalen gelöst.

Es werden also zum einen zur Erzeugung der vergleichsweise hohen Temperaturen Hochfrequenzwellen, insbesondere Mikrowellen verwendet. Dies gestattet es, mit einem vergleichsweise einfach aufgebauten Gerät auszukommen. Insbesondere sind keinerlei aufwendige Maßnahmen für die Anpassung der Heizung an die Kammer erforderlich. Es ist vielmehr theoretisch denkbar, die Kammer im Ofen beliebig zu gestalten, weil ja die Verwendung von Hochfrequenzwellen, vorzugsweise Mikrowellen, den Vorzug bietet, daß man hiermit beliebig geformte Körper und damit auch beliebig gestaltete Wände der Kammer erhitzen kann. Die Wände der Kammer müssen dabei nicht vollständig aus dem von Hochfrequenzwellen anregbaren Material bestehen. Man könnte diesen Werkstoff auch nur bereichsweise, beispielsweise in Form von in die Kammerwände eingelagerten Profilelementen, oder als Zusatz, z. B. in Pulverform, zum Wandmaterial vorsehen.

Es wird gleichsam zweistufig aufgeheizt, und zwar derart, daß erst entweder durch Einwirkung der Hochfrequenzenergie auf Einsatzteile, die aus einem nicht hochtemperaturfesten Werkstoff oder einem Werkstoff bestehen, der Hochfrequenzwellen nur unterhalb einer etwa der Ansprechtemperatur entsprechenden Temperatur zufriedenstellend ankoppelt, oder mittels einer sonstigen Heizeinrichtung, z. B. einer Widerstands- oder induktiven Heizung, eine bestimmte Aufheizung, beispielsweise bis etwa 1100°C erreicht wird. Solange diese Temperatur nicht überschritten wird, muß bei nicht temperaturbeständigen Einsatzteilen oder Heizeinrichtungen nicht befürchtet werden, daß diese Teile, auch wenn in oxydierender Atmosphäre gearbeitet wird, beschädigt werden. Es wird so die eigentliche Kammerwandung auf etwa die gleiche Temperatur, d. h. die Ansprechtemperatur erhitzt. Für die Kammerwandung bzw. Teile der Wandung wird ein Werkstoff verwendet, der bei Raumtemperatur von Hochfrequenzwellen nicht anregbar ist, jedoch - beispielsweise wegen einer Phasenumwandlung - ab einer gewissen Temperatur, der Ansprechtemperatur, auf Hochfrequenzwellen, insbesondere Mikrowellen, anspricht und infolgedessen bei Einwirkung eines Hochfrequenzfeldes aufgeheizt wird. Es gibt etliche Stoffe, z. B. reines oder mit CaO stabilisiertes ZrO₂ oder keramisch gebundenes SiC, die entsprechende Eigenschaften besitzen, d. h. bei niedriger Temperatur nicht von Hochfrequenzwellen erhitzt werden, jedoch ab Erreichung einer bestimmten Temperatur in der Lage sind, Hochfrequenzenergie zu absorbieren und dabei aufgeheizt zu werden, wobei diese Stoffe zusätzlich den Vorzug haben, daß sie auch bei sehr hohen Temperaturen in oxydierender Atmosphäre nicht angegriffen werden. Um bei starker Aufheizung eine Beschädigung der aus nicht hochtemperaturfestem Material bestehenden Einsatzteile oder sonstigen Heizeinrichtungen zu verhindern, werden diese Teile aus dem Bereich der Hochfrequenzwellen entfernt, sobald der Werkstoff der Kammerwandung eine ausreichende Temperatur erreicht hat, um auf Hochfrequenzwellen anzusprechen und so direkt mittels Hochfrequenzenergie aufgeheizt werden zu können. Wenn vorstehend davon die Rede ist, daß die Ansprechtempe­ ratur des Wandmaterials für die Kammer gegenüber Raumtemperatur wesentlich erhöht sein soll, so heißt dies im allgemeinen, daß die Ansprechtemperatur wenigstens 1000°C beträgt.

Aus der DE 35 35 532 A1 ist ein Mikrowellenofen bekannt, bei dem ein zusätzliches Heizelement vorgesehen ist, welches in unterschiedliche Positionen gebracht werden kann. Dabei können die Mikrowellenheizung und die zusätzliche Heizung unabhängig voneinander betrieben werden. Die Verstellbarkeit des zusätzlichen Heizelementes hat den Zweck, eine gewünschte spezielle Bräunung des zu garenden Gutes im Mikrowellenofen zu gewährleisten. Eine Möglichkeit, die zusätzliche Heizeinrichtung aus der Kammer des Mikrowellenofens herauszubewegen, besteht jedoch nicht.

In der DE 31 50 619 A1 ist ein Verfahren und Gerät zur Erhitzung von Stoffen durch Mikrowellen beschrieben, bei dem infolge Absorption von Mikrowellenenergie in einem flächigen Ferritkörper Wärme erzeugt wird, die über einen mit dem Ferritkörper flächig verbundenen Metallkörper der zu erhitzenden Masse, im beschriebenen Fall Nahrungsmittel, zugeführt wird. Es erfolgt also dort die Aufheizung der zu erhitzenden Masse nicht direkt durch Einwirkung der Mikrowellenenergie auf die Masse sondern über den Umweg der Erhitzung eines Trägers für die Masse durch Mikrowellenenergie. Dieser Druckschrift kann jedoch kein Hinweis in Richtung auf die Erfindung entnommen werden, nämlich zur Erreichung der eigentlichen, hohen Betriebstemperatur ein Material zu verwenden, welches erst ab bestimmten Temperaturen Hochfrequenzwellen ankoppelt, wobei zur Erreichung der Ansprechtemperatur eine zusätzliche Heizung vorgesehen ist.

Wie bereits erwähnt, gibt es eine Vielzahl von Materialien, die für die Kammer-Wandung oder die Einsatzteile verwendet werden können. Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn als Wandmaterial ZrO₂ oder ein wirkungsgleicher, gegen hohe Temperaturen bestän­ diger, erst bei wesentlich erhöhter Temperatur mittels Hochfrequenzwellen erhitzbarer Werkstoff verwendet wird. Für das bzw. die Einsatzteile kann man vorteilhafterweise Graphit, SiC oder einen wirkungsgleichen Werkstoff einsetzen. Natürlich können auch Mischungen verschiedener Stoffe verwendet werden.

Versuche der Anmelderin haben gezeigt, daß es mit einem Verfahren gemäß der Erfindung möglich ist, bereits mit vergleichsweise geringer Mikrowellen-Energie sehr hohe Temperaturen (von über 2000°C) zu erreichen, wobei in der Gestaltung der Kammer des entsprechenden Ofens weitgehende Freiheit besteht. Dies gilt vor allem bei Verwendung von ZrO₂ oder Mischungen hiermit, welches ja in unterschiedlichsten Formen eingesetzt werden kann, beispielsweise als formgepreßter Körper, in Form von Matten, Pulver, Fasern etc. Die Kammerwandung kann dabei sowohl dicht als auch porös erzeugt werden. Es ist auch denkbar, daß man die Kammerwandung aus mehreren, übereinanderliegenden Schichten oder mit eingesetzten Bereichen gestaltet, wobei sogar unterschiedliche Materialien für die verschiedenen Schichten verwendet werden können. Beim Einsatz von ZrO₂ ist das Ansprechen auf Hochfrequenzwellen, insbesondere Mikrowellen, erst bei höherer Temperatur darauf zurückzuführen, daß ZrO₂ bei etwa 1100°C sich von der monoklinen Kristallmodifikation in eine tetragonale Struktur umwandelt.

Die bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist, was nicht näher erläutert werden muß, sehr einfach aufgebaut. Im Prinzip kann es sich um einen der handelsüblichen Mikrowellen-Herde handeln, in welchem, von einer entsprechenden Wärme-Isolierschicht umgeben, eine Kammer aus bei hoher Temperatur auf Hochfrequenz­ wellen ansprechendem Wandmaterial angeordnet ist, wobei diese Kammer, um das zu erhitzende Gut einlegen zu können, über eine Tür oder Klappe zugänglich ist. Zusätzlich muß dann noch wenigstens ein das "Anheizen" ermöglichendes Einsatzteil oder eine sonstige Heizeinrichtung vorgesehen werden, welche mit einem geeigneten, im allgemeinen sehr einfachen Mechanismus zum Herausfahren aus der Zone der Hochfrequenzwellen bei Erreichen der Ansprechtemperatur verbunden sind. Irgendwelche Gaszu- oder -abführungen oder temperaturfeste gasdichte Einrichtungen sind nicht erforderlich, können jedoch vorgesehen sein, um auch ein Arbeiten im Vakuum oder unter Schutzgas zu ermöglichen. Es kann jedoch ohne Probleme mit Luft als umgebender Atmosphäre gearbeitet werden. Es ist auch leicht möglich, in die Kammer eine entweder mit Schutzgas gefüllte oder von Schutzgas durchströmbare Innenkammer, beispielsweise ein Rohr aus Quarzglas einzubringen.

Als Hochfrequenz-Strahlungsquelle können sämtliche bekannten Einrichtungen verwendet werden. Günstig ist es beispielsweise, wenn als Strahlungsquelle ein mit seiner Strahlung den gesamten Bereich der Kammer überdeckendes Magnetron vorgesehen ist. Derartige Magnetrons sind handelsüblich und deswegen zu vergleichsweise geringen Kosten verfügbar.

Es ist nach einer Weiterbildung der Erfindung weiter vorgesehen, daß in dem Gehäuse nicht nur eine Hochfrequenz-Strahlungsquelle sondern mehrere, getrennt regelbare Strahlungsquellen angeordnet sind, die jeweils auf einen Abschnitt der Wandung der Kammer und/oder des wenigstens einen Einsatzteiles einwirken, wobei es aus der DE 24 62 853 B1 an sich bekannt ist, in einer Mikrowellen-Erhitzungseinrichtung mehrere Strahlungsquellen für Hochfrequenzwellen vorzu­ sehen. In diesem Falle kann man gleichsam einen Zonenofen bauen, und zwar mit sehr geringem Aufwand, wobei sich zudem der Vorteil ergibt, daß die einzelnen Zonen des Ofens ohne größere Schwierigkeiten getrennt geregelt und damit auf unterschiedliche Temperaturen eingestellt werden können. Sofern eine scharfe Temperaturregelung gewünscht wird, muß man dann unter Umständen die Kammerwandung entsprechend den Zonen unterteilen, um einen direkten Einfluß von einem Kammerwandungs-Abschnitt auf den anderen zu verhindern. Auch wenn mehrere Kammerwandungs-Abschnitte vorgesehen sind, kann es durchaus genügen, gemeinsame Einsatzteile für sämtliche Kammerwandungs-Abschnitte vorzusehen.

Um möglichst kurze Bewegungswege für das wenigstens eine Einsatzteil zu erreichen, ist es zweckmäßig, dieses zur Verstellung zwischen der Anfahrposition und der Betriebsposition quer zur Hauptstrahlungsrichtung der Strahlungsquelle beweglich anzuordnen. Vorteilhafterweise wird man dabei derart vorgehen, daß das wenigstens eine Einsatzteil an der der Tür oder Klappe gegenüberliegenden Seite in die Kammer hinein- bzw. aus dieser herausbeweg­ bar ist.

Wenn - gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung - das Gehäuse mit wenigstens einer ein Hindurchführen des wenigstens einen Einsatzteils ermöglichenden Durchbrechung versehen ist, der eine Abschirmung für die Hochfrequenz­ wellen zugeordnet ist, kann das wenigstens eine Einsatzteil in die Kammer hinein bzw. aus dieser herausbewegt werden, ohne daß es erforderlich wäre, die Tür oder Klappe zu öffnen, was ja gefährlich sein kann, da in der Kammer auch beim Herausfahren des wenigstens einen Einsatzteils schon verhältnismäßig hohe Temperaturen herrschen.

Das wenigstens eine Einsatzteil kann unterschiedlich gestaltet werden. So ist es z. B. möglich, daß als Einsatzteil ein etwa rohrförmiger, im Querschnitt an den Querschnitt der Kammer angepaßter Hohlkörper vorgesehen ist, der entlang seiner Längsachse parallel zu einer Symmetrieachse der Kammer gegenüber der Kammer beweglich ist. Ein solches rohrförmiges Einsatzteil wird man verwenden, wenn die Kammer ebenfalls im wesentlichen rohrförmig ausgebildet ist. Allerdings muß bei Benutzung eines rohrförmigen Einsatzteils für eine einwandfreie Halterung und Führung des Teils gesorgt werden, um irgendwelche Beschädigungen am Einsatzteil während dessen Bewegung gegenüber der Kammer zu verhindern.

In einer Vielzahl von Fällen erscheint es deswegen zweckmäßiger, wenn kein rohrförmiges Einsatzteil sondern wenigstens ein stabförmiges Einsatzteil vorgesehen ist, das zwischen der Anfahrposition und der Betriebsposition längsverschieblich ist, wobei es meist günstig ist, wenn mehrere, parallel zueinander angeordnete, stabförmige Einsatzteile vorgesehen sind. Der Einsatz stabförmiger Einsatzteile bringt zum einen den Vorteil, daß sich diese häufig wesentlich einfacher herstellen lassen als ein rohrförmiges Teil. Besonders wesentlich ist dabei der geringe Durchmesser und die einfache Gestaltung, die z. B. einer Erzeugung aus Graphit oder SiC entgegenkommen. Weiterhin haben stabförmige Einsatzteile den Vorteil, daß die Öffnungen zum Ein- und Ausfahren klein gehalten werden können, was die Abschirmung der Durchtrittsöffnungen erleichtert. Schließlich ist die Verwendung mehrerer, stabförmiger Einsatzteile gegenüber einem einzigen, rohrförmigen Einsatzteil auch deswegen günstiger, weil man die einzelnen, stabförmigen Einsatzteile genau da anordnen kann, wo eine starke Erhitzung der Kammer­ wandung gewünscht wird. Außerdem kann leichter eine Halterung für die zu erhitzende Masse angebracht werden.

Bei Verwendung stabförmiger Einsatzteile ist es zweckmäßig, wenn diese so angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Abstände von der Wandung der Kammer in der Anfahrposition etwa gleich sind, wobei zusätzlich zweckmäßigerweise die Einsatzteile in der Anfahrposition etwa gleichmäßig über die zu ihrer Längsachse parallelen Wandungsbereiche der Kammer verteilt sein sollten.

Bei Benutzung stabförmiger Einsatzteile, die die unter­ schiedlichsten Querschnittsformen aufweisen können, ist es vorteilhaft, wenn die Durchbrechungen für die stabförmigen Einsatzteile von diesen im Querschnitt entsprechenden Öffnungen gebildet sind, an die als Abschirmung im Querschnitt an die Einsatzteile angepaßte Rohrabschnitte anschließen, die hinsichtlich ihres Durchmessers und ihrer Länge so bemessen sind, daß ein Durchtritt der Hochfrequenzwellen verhindert ist. In einem solchen Fall erreicht man stets eine einwandfreie Abschirmung gegenüber austretenden Hochfrequenzwellen durch einen entsprechend bemessenen Hohlleiter, ohne daß es erforderlich wäre, irgendwelche beweglichen Abschirmelemente etc. vorzusehen.

Um das meist verhältnismäßig teuere Material für die Einsatzteile zu sparen und eine einwandfreie Bewegung der Einsatzteile zu ermöglichen, geht man zweckmäßig derart vor, daß das wenigstens eine Einsatzteil an einem Träger, vorzugsweise aus von Hochfrequenzwellen nicht anregbarem Material, befestigt ist, welches zur Verbindung mit einer außerhalb des abschirmenden Gehäuses angeordneten Antriebseinrichtung, beispielsweise einem motorischen oder pneumatischen Stelltriebs, aber auch einem handbetätigten Mechanismus, dient.

Um den in einem Ofen vorhandenen Platz besonders gut ausnützen zu können, ist vorgesehen, daß die Kammer rohrförmig ausgebildet und an ihrer einen Stirnseite zur Einführung wenigstens eines Einsatzteiles mit wenigstens einer Aussparung versehen ist, während die andere Stirnseite der Kammer bis zur Tür oder Klappe des Gehäuses reicht. Diese Ausbildung hat auch den Vorteil, daß durch den unmittelbaren Anschluß der Tür oder Klappe an die Kammer der Zutritt zur Kammer erleichtert und damit das Einbringen oder Herausnehmen einer Probe vereinfacht wird. Eine derart gestaltete Kammer läßt sich auch leicht für einen gasdichten Abschluß für den Betrieb bei Vakuum oder unter Schutzgas einrichten.

Um eine Beobachtung der Probe während des Erhitzungsvorgangs zu ermöglichen, kann - was an sich bekannt ist - die Tür oder Klappe mit einem Sichtfenster aus einem Hochfrequenzwellen abschirmenden Material versehen sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung stellt dar

Fig. 1 eine Stirnansicht auf den Ofen in einer Ausführungsform mit stabförmigen Einsatzteilen bei geöffneter Tür,

Fig. 2 einen Schnitt nur durch den eigentlichen Offenbereich nach Linie II-II in Fig. 1 bei geschlossener Tür und in Anfahrposition befindlichen Einsatzteilen und

Fig. 3 einen Schnitt entsprechend Fig. 2, wobei sich jedoch die Einsatzteile in der Betriebsposition befinden.

Der in der Zeichnung stark schematisch dargestellte Mikrowellen-Ofen umfaßt, wie bei Mikrowellengeräten üblich, ein Gehäuse 1, welches eine Abschirmung gegen die Hochfrequenzstrahlung bildet, beispielsweise ein weitgehend geschlossenes Blechgehäuse. An diesem Gehäuse 1 ist an der Decke eine Hochfrequenz- Strahlungsquelle 2, z. B. ein Magnetron zur Erzeugung von Mikrowellen, angeordnet. Aus Fig. 1 ist dabei ersichtlich, daß die Strahlungsquelle 2 getrennt regelbare Strahlungsquellen 3 a, 3 b, 3 c umfaßt, wobei z. B. jeweils nur ein getrennter Resonator vorhanden sein muß, der jeweils einzeln an einen gemeinsamen entsprechenden Hochfrequenz-Generator angekoppelt ist.

Etwa in der Mitte des Gehäuses 1 befindet sich eine Kammer 4, die zur Aufnahme der zu erhitzenden Probe 5 bestimmt ist. Zu diesem Zweck ist in der Kammer ein Support 6 angeordnet, der zweckmäßigerweise aus einem hochtemperaturbeständigen, jedoch auf Hochfrequenzwellen nicht ansprechenden Material, beispielsweise einer Keramik oder einem Keramik-Ersatzstoff besteht.

Die Kammerwandung 7 ist beim gezeigten Beispiel insgesamt von einem Werkstoff gebildet, der auch bei sehr hohen Temperaturen, beispielsweise Temperaturen über 2000°C beständig ist, d. h. insbesondere in sauerstoffhaltiger Atmosphäre nicht oxydiert. Weiterhin handelt es sich dabei um einen Werkstoff, der bei Erreichen einer Ansprechtemperatur von beispielsweise 1100°C Hochfrequenzenergie aufnimmt, d. h. durch Hochfrequenzwellen erhitzt werden kann, während er unter dieser Temperatur auf Hochfrequenzwellen nicht anspricht. Ein besonders geeignetes Material hierfür ist mit CaO stabilisiertes ZrO₂, bei dem ZrO₂ bei etwa 1100°C, wie oben erwähnt, eine Phasenumwandlung erfährt.

Zwischen der Kammer 7 und dem Gehäuse 1 ist eine dicke Schicht 8 eines wärmeisolierenden Materials vorgesehen, welches jedoch derart ausgewählt sein muß, daß es durch Hochfrequenzwellen nicht angeregt wird, d. h. sich bei Anlegen von Hochfrequenzenergie an den Innenraum des Gehäuses 1 nicht erhitzt. Diese Schicht 8 besteht z. B. aus mehreren Keramiklagen 8 a, 8 b, 8 c.

Wie die Zeichnung erkennen läßt, ist die Kammer 4 im Querschnitt rechteckig und derart angeordnet, daß ihre Vorderkante direkt an eine Tür oder Klappe 9 anschließt, mittels derer das Gehäuse 1 an der in Fig. 2 und 3 rechten Seite verschlossen werden kann. Auch die Tür 9 muß selbstverständlich Hochfrequenzwellen abschirmen und sollte außerdem zum Schutz der mit dem erfindungsgemäßen Ofen arbeitenden Personen sowie zur Verminderung des Energieverbrauchs wärmeisoliert sein. Im Bereich der offenen Stirnseite der Kammer 4 ist die Tür 9 allerdings mit einem Schauglas 10 versehen, durch das man während des Erhitzens die Probe 5 beobachten kann. Das Schauglas 10 muß selbstverständlich ebenfalls so beschaffen sein, daß es die im Gehäuse 1 erzeugte Hochfrequenzstrahlung abschirmt. Entsprechende Gläser sind beispielsweise von den üblichen Mikrowellenherden her bekannt. Es kann allerdings für die Zwecke der Erfindung erforderlich sein, modifizierte Gläser zu verwenden, die auch bei entsprechend hohen Temperaturen beständig sind, oder an Stelle eines Einschichten-Glases für das Schauglas 10 ein Mehrschichten-Glas zu verwenden, beispielsweise ein Schauglas, welches innenseitig aus Quarz besteht, während an der Außenseite der Tür eine weitere Scheibe angeordnet ist, die die Hochfrequenzstrahlung abschirmt.

Auf der der Tür 9 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 1 ist ein Ansatzteil 11 vorgesehen, in dem sich Antriebselemente 12, beispielsweise ein Stellmotor, eine Zahnstangeneinrichtung etc. befinden, mittels derer von der der Tür 9 gegenüberliegenden Seite her stabförmige Einsatzteile 13 in die Kammer 4 eingefahren bzw. aus dieser herausbewegt werden können. In der Zeichnung sind die Antriebselemente von einem Rahmen 14 gebildet, der entlang einer ober- und unterseitigen Führung 15 im wesentlichen horizontal, d. h. parallel zur Symmetrieebene der Kammer 4 beweglich ist. An dem Rahmen 14 sind die stabförmigen Einsatzteile 13 mittels Trägern 16, die ebenfalls die Form von Stäben haben, be­ festigt.

Die Einsatzteile 13 bestehen aus einem Werkstoff, der bereits bei Raumtemperatur von Hochfrequenzwellen angeregt bzw. erhitzt werden kann, jedoch nur bis zu einer Temperatur gegen Sauerstoffeinfluß beständig ist, die etwas oberhalb der Temperatur liegt, bei der das für die Wandung 7 der Kammer verwendete Material Hochfrequenzenergie zu absorbieren beginnt. Die Träger 16 bestehen zweckmäßig aus einem Werkstoff, der - unabhängig von der jeweiligen Temperatur - keine Hochfrequenzenergie aufnimmt. Zweckmäßig sind die Träger 16 aus einer entsprechenden Keramik hergestellt, die zusätzlich den Vorteil hat, daß man unter Umständen eine gute Wärmeisolierung zwischen den Einsatzteilen 13 und dem Rahmen 14 der Antriebselemente erreicht.

Bekanntlich muß ein Mikrowellenofen oder ein sonstiges, mit Hochfrequenzenergie arbeitendes Gerät derart abgeschirmt sein, daß keine Hochfrequenzenergie nach außen austritt. Im vorliegenden Falle wird eine solche Abschirmung einerseits durch das Gehäuse 1, andererseits durch die Tür 9 erreicht. Es muß jedoch, wie die Fig. 2 und 3 zeigen, eine Möglichkeit vorhanden sein, die ein Ein- bzw. Ausschieben der stabförmigen Einsatzteile 13 aus dem Gehäuse 1 gestattet. Dies wird im vorliegenden Falle dadurch erreicht, daß die der Tür 9 gegenüberliegende Rückwand 17 des Gehäuses 1 mit Durchbrechungen 18 versehen ist, die im Querschnitt an die Einsatzteile angepaßt sind. An diese Durchbrechungen 18 schließt sich dann jeweils ein rohrförmiger Ansatz 19 an, dessen Innen-Abmessungen dem Querschnitt der Durchbrechungen 18 entsprechen. Die rohrförmigen Ansätze 19 wirken als Hohlleiter und sind bezüglich ihrer Länge und ihres Durchmessers so bemessen bzw. abgestimmt, daß am gehäuseseitigen Ende eintretende Hochfrequenz-Wellen nicht in das Ansatzteil 11 austreten können.

Die Fig. 1 läßt erkennen, daß Zahl und Anordnung der stabförmigen Einsatzteile 13 beliebig gewählt werden können. Zweckmäßig ist es jedoch, wenn die Einsatzteile 13, wie aus Fig. 1 ersichtlich, etwa in gleichem Abstand voneinander sowie von der Wandung der Kammer 7 angeordnet sind, wenn sie sich in der Anfahrposition innerhalb der Kammer 4 befinden. Außerdem sollte der Abstand zwischen den Einsatzteilen 13 und der Wandung 7 der Kammer 4 möglichst gering sein, um keinerlei Energieverluste beim Aufheizen der Wandung 7 der Kammer 4 durch die Einsatzteile 13 in Kauf nehmen zu müssen.

Es sei weiter darauf hingewiesen, daß die Einsatzteile 13 natürlich nicht unbedingt stabförmig sein müssen. Es ist ohne weiteres auch eine andere Gestaltung möglich. Beispielsweise wäre es denkbar, die Kammern im Querschnitt rohrförmig auszubilden, in welchem Falle es dann das beste wäre, auch lediglich ein rohrförmiges Einsatzteil vorzusehen, welches in seinem Querschnitt an den Kammer- Querschnitt angepaßt ist und in der Aufheizposition sich nahe der Innenseite der Wandung 7 der Kammer befindet. In einem derartigen Fall müßte dann auch die Antriebseinrichtung 12 anders ausgebildet werden. Außerdem wäre kaum mehr eine Abschirmung durch Rohrstutzen möglich. In einem solchen Fall müßte man dann wohl das Einsatzteil soweit in den der Tür gegenüberliegenden Ansatz 11 der Vorrichtung fahren, daß entlang der Rückwand 17 des Gehäuses 1 ein Verschlußelement, beispielsweise eine Klappe aus leitendem Material, bewegt werden kann.

Die Arbeitsweise bei Verwendung eines Ofens gemäß der Erfindung ist folgende:

Solange der Ofen kalt ist, wird auf den Support 6 in der Kammer 4 die Probe 5 aufgelegt. Die Einsatzteile 13 werden mittels der Antriebseinrichtung 12 in die vorgeschobene, in Fig. 2 dargestellte Anfahrposition gebracht, in welcher die stabförmigen Einsatzteile 13 etwa gleichmäßig entlang der Wandung 7 der Kammer 4 verteilt angeordnet sind.

Nach dem Schließen der Tür 9 wird dann die Hochfrequenz- Strahlungsquelle 2 eingeschaltet. Hierdurch werden die Einsatzteile 13 angeregt und auf eine Temperatur erhitzt, die weit über Raumtemperatur, im allgemeinen bei etwa 1100°C liegt. Die Einsatzteile 13 erhitzen ihrerseits durch Strahlung die ihnen benachbarten Abschnitte der Wandung 7 der Kammer 4, und zwar so lange, bis die Temperatur der Wandung 7 der Kammer 4, zumindest in den den Einsatzteilen 13 benachbarten Bereichen, so hoch liegt, daß auch das Material der Wandung 7 der Kammer 4 durch Hochfrequenzenergie anregbar ist. Bei Verwendung von ZrO₂ für die Wandung 7 liegt diese Temperatur bei etwa 1100°C, weil bei dieser Temperatur eine Phasenumwandlung des ZrO₂ stattfindet.

Sobald die Wandung 7 der Kammer 4 die entsprechende Temperatur erreicht hat, ist eine weitere Aufheizung durch die Einsatzteile 13 nicht mehr erforderlich. Diese werden deswegen mittels der Antriebseinrichtung 12 aus der Kammer 4 herausgefahren, und zwar in einen Bereich, dessen Temperatur erheblich unter der Temperatur in der Kammter 4 liegt, so daß keine Schädigung der Einsatzteile 13, die beispielsweise aus Graphit, SiC oder einem ähnlichen Werkstoff bestehen können, zu befürchten ist.

Das Herausfahren der Einsatzteile 13 aus der Kammer 4 kann dabei z. B. automatisch erfolgen, indem die Temperatur in der Kammer 4 gemessen und abhängig von der Temperatur die Antriebseinrichtung 12 angesteuert wird.

Die Strahlungsquelle 2 bleibt solange eingeschaltet, wie die Probe 5 erhitzt werden soll bzw. bis die Probe 5 die gewünschte Temperatur erreicht hat. Dabei ist von Bedeutung, daß üblicherweise die Probe 5 in normaler Luft erhitzt wird, d. h. in oxydierender Atmosphäre. Dies war bei den bisher bekannten Öfen nur unter ganz besonderen Umständen, vor allem nach Vornahme spezieller Schutzmaßnahmen für die Heizwicklung etc. möglich. Im vorliegenden Falle kann eine solche Erhitzung erfolgen, ohne daß irgendeine Gefahr der Schädigung des Heizelementes in Form der Wandung 7 der Kammer 4 bestünde.

Wenn die Probe 5 die entsprechende Temperatur erreicht hat und die gewünschte Zeit auf Temperatur gehalten wurde, beispielsweise zum Zwecke des Schmelzens in einer - in der Zeichnung nicht dargestellten - Form, kann die Strahlungsquelle 2 abgeschaltet werden. In diesem Falle kühlt dann die Wandung 7 der Kammer 4 ab, wobei die Abkühlung gegebenenfalls in einfacher Weise dadurch beschleunigt werden kann, daß man in die Kammer 4 Luft bläst.

Erst nach Unterschreiten der für die Einsatzteile 13 gefährlichen Temperatur, d. h. bei Erreichen einer Temperatur, bei der keine Oxydation des Materials der Einsatzteile 13 mehr zu befürchten ist, können die Einsatzteile 13 mittels des Antriebs 12 wieder in die Kammer 4 bewegt werden.

Selbstverständlich ist es wegen der Verwendung von Hochfrequenzwellen, insbesondere Mikrowellen, ohne Schwierigkeiten möglich, die Temperatur sehr fein zu regeln, wobei unter anderem durch Verwendung mehrerer Strahlungsquellen die Möglichkeit gegeben ist, eine zonenmäßige Aufheizung der Probe 5 vorzunehmen, wozu u. U. die Wandung 7 der Kammer 4 entsprechend der Anordnung der Zonen der Strahlungsquelle 2 unterteilt werden müßte. Auch läßt sich die von der Hochfrequenz-Strahlungsquelle abgegebene Energie leicht, z. B. über Impulsbetrieb oder durch entsprechende Leistungsregelung, an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen.

Wie bereits erwähnt, kann die Aufheizung der Kammerwand auf die Ansprechtemperatur nicht nur mittels der an Hochfrequenz ankoppelbaren Einsatzteile sondern auch mit Hilfe anderer Heizeinrichtungen, z. B. Widerstands- oder induktive Heizung (sofern induktiv erhitzbare Teile vorhanden sind) erfolgen.

Claims (19)

1. Verfahren zur Erhitzung einer Masse (5) auf hohe Temperaturen, wobei die Masse (5) in einer von einem hochtemperaturbeständigen Wandmaterial begrenzten Kammer (4) angeordnet ist und die Erhitzung mittels Hoch­ frequenzwellen (2) und einer sonstigen Heizeinrichtung erfolgt, dadurch gekennzeichnet,
daß als Wandmaterial (7) ein erst bei einer gegenüber Raumtemperatur wesentlich erhöhten Ansprechtemperatur von Hochfrequenzwellen (2), insbesondere Mikrowellen, anregbarer Werkstoff verwendet wird,
daß das Wandmaterial (7) zuerst zumindest bereichsweise entweder mittels wenigstens eines Einsatzteiles (13) aus einem bei Raumtemperatur von Hochfrequenzwellen anregbaren Werkstoff durch Einwirkung von Hochfrequenzwellen oder mittels der sonstigen Heizeinrichtung auf die Ansprech­ temperatur erwärmt (Fig. 2) und dann durch Hochfrequenz­ wellen (2) weiter erhitzt wird, und
daß nach Erreichen der Ansprechtemperatur das wenigstens eine Einsatzteil (13) oder die sonstige Heizeinrichtung aus dem Bereich der Kammer (4) und der Hochfrequenzwellen (2) entfernt wird (Fig. 3).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wandmaterial (7) ZrO₂ oder ein wirkungsgleicher, gegen hohe Temperaturen beständiger, erst bei wesentlich erhöhter Temperatur mittels Hochfrequenzwellen (2) erhitzbarer Werkstoff verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für das wenigstens eine Einsatzteil (13) Graphit, SiC oder ein wirkungsgleicher Werkstoff verwendet wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Hochfrequenz­ strahlung abschirmenden Gehäuse (1), in dem wenigstens eine Strahlungsquelle (2) für Hochfrequenzwellen angeordnet ist, mit einer eine zu erhitzende Masse (5) aufnehmenden Kammer (4), welche eine Wandung (7) aus hochtemperaturbeständigem Material aufweist und innerhalb des Gehäuses (1) und gegenüber diesem mittels einer von Hochfrequenzwellen nicht anregbaren Isolierschicht (8) wärmeisoliert angeordnet ist, wobei die Kammer (4) über eine Tür (9) oder Klappe im Gehäuse (1) zugänglich ist, sowie mit einer sonstigen Heizeinrichtung, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kammer (4) eine Wandung (7) aus erst bei Erreichen einer Ansprechtemperatur von Hochfrequenzwellen (2) anregbarem Material aufweist und
daß wenigstens ein Einsatzteil (13) aus einem bei Raumtemperatur von Hochfrequenzwellen anregbaren Werkstoff oder eine sonstige Heizeinrichtung vorgesehen sind, welche zwischen einer Anfahrposition (Fig. 2) nahe der Wandung (7) der Kammer (4) und einer Betriebsposition (Fig. 3) außerhalb des Hochfrequenzstrahlung abschirmenden Gehäuses (1) verstellbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle (2) ein mit seiner Strahlung den gesamten Bereich der Kammer (4) überdeckendes Magnetron vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) mehrere getrennt regelbare Strahlungsquellen (2, 3) angeordnet sind, die jeweils auf einen Abschnitt der Wandung (7) der Kammer (4) und/oder des wenigstens einen Einsatzteils (13) einwirken.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Einsatzteil (13) zur Verstellung zwischen der Anfahrpo­ sition (Fig. 2) und der Betriebsposition (Fig. 3) quer zur Hauptstrahlungsrichtung der Strahlungs­ quelle (2) beweglich ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Einsatzteil (13) an der der Tür (9) oder Klappe gegenüberliegenden Seite in die Kammer (4) hinein bzw. aus dieser heraus bewegbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) mit wenigstens einer ein Hindurchführen des wenigstens einen Einsatzteils (13) ermöglichenden Durchbrechung (18) versehen ist, der eine Abschirmung (19) für die Hochfrequenzwellen zugeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Einsatzteil ein etwa rohrförmiger, im Querschnitt an den Querschnitt der Kammer (4) angepaßter Hohlkörper vorgesehen ist, der entlang seiner Längsachse parallel zu einer Symmetrieachse der Kammer gegenüber der Kammer beweglich ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein stabförmiges Einsatzteil (13) vorgesehen ist, das zwischen der Anfahrposition ( Fig. 2) und der Betriebsposition (Fig. 3) längsverschiebbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, parallel zueinander angeordnete, stab­ förmige Einsatzteile (13) vorgesehen sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen Einsatzteile (13) so angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Abstände von der Wandung (7) der Kammer (4) in der Anfahrposition (Fig. 2) etwa gleich sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die stabförmigen Einsatzteile (13) in der Anfahrposition (Fig. 2) etwa gleichmäßig über die zu ihrer Längsachse parallelen Wandungsbereiche der Kammer (4) verteilt sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9 und einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbrechungen für die stabförmigen Einsatzteile (13) von diesen im Querschnitt entsprechenden Öffnungen (18) gebildet sind, an die als Abschirmung im Querschnitt an die Einsatzteile (13) angepaßte Rohrabschnitte (19) anschließen, die hinsichtlich ihres Durchmessers und ihrer Länge so bemessen sind, daß ein Durchtritt der Hochfrequenzwellen verhindert ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Einsatzteil (13) an einem Träger (16), vorzugsweise aus von Hochfrequenzwellen nicht anregbarem Material, befestigt ist, welcher zur Verbindung mit einer außerhalb des abschirmenden Gehäuses (1) angeordneten Antriebseinrichtung (12) dient.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (4) rohrförmig ausgebildet und an ihrer einen Stirnseite zur Einführung wenigstens eines Einsatzteils (13) mit wenigstens einer Aussparung (18) versehen ist, während die andere Stirnseite der Kammer bis zur Tür (9) oder Klappe des Gehäuses (1) reicht.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Tür (9) oder Klappe mit einem Sichtfenster (10) aus einem Hochfrequenzwellen abschirmenden Material versehen ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die die zu erhitzende Masse (5) aufnehmende Kammer (4) gasdicht abschließbar ist.