DE4429074A1 - Verfahren und Einrichtung zur Leistungsregelung eines Mikrowellen-Sinterofens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrich­ tung zur Regelung der Leistung mindestens einer Mikrowellen­ quelle eines Mikrowellenofens zur Sinterung keramischer Körper.

Zur Sinterung keramischer Bauteile mittels Mikrowellen werden Mikrowellen-Kammeröfen verwendet die als Hohlraum-Resonatoren mit elektrisch gut leitenden metallischen Wänden und einer ther­ mischen Isolierung auf der Innenseite der Wände ausgebildet sind. Die in Mikrowellenquellen erzeugte Mikrowellenenergie wird über Mikrowellenleiter, also Hohlleiter in den Kammerofen einge­ koppelt.

Die Qualität eines durch Sinterung hergestellten keramischen Produktes ist von der Prozeßführung, insbesondere von der Tempe­ ratur in der jeweiligen Prozeßphase und der Temperaturänderungs­ rate abhängig. Es ist deshalb Stand der Technik, die Leistung der Mikrowellenquellen in Abhängigkeit von der gemessenen Tempe­ ratur zu regeln. Dabei ist eine möglichst genaue Prozeßkontrolle anzustreben, weil einige keramische Werkstoffe aufgrund der Tem­ peraturabhängigkeit der elektrischen Verluste einen ausgeprägten "run-away"-Effekt zeigen; das heißt geringe Änderungen der Mi­ krowellenleistung können zu einem exponentiellen Anstieg der Temperatur des Sinterkörpers führen, bis hin zum Schmelzpunkt der Keramik.

Zur Temperaturmessung werden IR-Pyrometer, abgeschirmte Thermo­ elemente oder faseroptische Thermometer eingesetzt.

Allen bekannten Techniken zur Temperaturmessung in Mikrowellen­ öfen haften allerdings bestimmte Nachteile an. So benötigen Thermoelemente im Mikrowellenfeld eine metallische Abschirmung, die die Feldverteilung ungünstig beeinflussen kann. Außerdem kann es zu einer Wärmeableitung durch den Thermoelementstab kom­ men.

Bei der Pyrometrie ist meistens die materialspezifische Tempera­ turabhängigkeit des Emissionsfaktors unbekannt. Darüber hinaus muß die von dem Sinterkörper emittierte Wärmestrahlung durch eine Öffnung in der thermischen Isolierung, angepaßt an den optischen Strahlengang des Pyrometers, gemessen werden. Dies führt insbe­ sondere bei Hochtemperaturanwendungen zu unerwünschten Abstrah­ lungsverlusten an den Bauteilen.

Die genaueste Temperaturmeßmethode stellt derzeit die faseropti­ sche Schwarzkörper-Thermometrie dar. Das Meßsystem besteht in der Regel aus einem Saphirstab, der an einem Ende mit Platin be­ dampft ist, so daß ein kleiner Schwarzkörper entsteht. Wegen der geringen Masse des Stabes und der sehr geringen dielektrischen Verluste verhält sich der Sensor im Mikrowellenfeld so gut wie inert. Von Nachteil ist, daß der Sensor zur genauen Temperatur­ erfassung in Kontakt mit der Oberfläche der Bauteile gebracht werden muß. Insbesondere bei Öfen, die kontinuierlich oder schubweise betrieben werden, ergeben sich Schwierigkeiten bei der Positionierung. Außerdem zeichnen sich die Saphirstäbe durch eine geringe mechanische Belastbarkeit aus und sind daher für ein industrielles Umfeld wenig geeignet.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren Regelung der Leistung mindestens einer Mikrowellenquelle ei­ nes Mikrowellenofens zur Sinterung keramischer Körper anzugeben, das keine direkte Temperaturmessung erforderlich macht. Außerdem soll eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Ausgestaltungen des Verfahrens und eine Einrichtung sind in wei­ teren Ansprüchen angegeben und der nachstehenden Beschreibung zu entnehmen.

Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, daß keine Tempera­ tursensoren in die Mikrowellenkammer eingebracht werden müssen und daß die thermische Isolierung nicht durchbrochen werden muß.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet mit einer Regelung der in den Ofen eingespeisten Mikrowellenleistung in Abhängigkeit von der gemessenen reflektierten Mikrowellenleistung. Es wird also der Effekt genutzt, daß ein Teil der in den Mikrowellenofen eingekoppelten Mikrowellenleistung reflektiert wird und meßtech­ nisch erfaßbar ist; und vor allem, daß die reflektierte Leistung sich während des Sinterprozesses deutlich ändert in Abhängigkeit von den sich ändernden dielektrischen Eigenschaften des Sinter­ gutes. Erhöhen sich z. B. wie in Fig. 1 dargestellt die dielek­ trischen Verluste durch Mikrowellenabsorption im Sintermaterial mit zunehmender Temperatur während der Aufheizung, so nimmt da­ durch - bei gegebener Mikrowelleneingangsleistung - die absor­ bierte Leistung zu und die reflektierte Leistung ab. Wie in Fig. 2 beispielhaft dargestellt ist, kann auf diese Weise die auf die Eingangsleistung normierte reflektierte Leistung einer bestimmten Temperatur zugeordnet werden.

Somit kann ohne eine Temperaturmessung durch Erfassung und Aus­ wertung der reflektierten Mikrowellenleistung auf die Temperatur im Sintergut geschlossen werden.

In Fig. 3 ist eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Dabei wird in einem Mikrowellenkammerofen 1 über einen Hohlleiter 2 Mikrowellenenergie eingespeist. Die Mikrowel­ lenenergie wird in einem Mikrowellengenerator 4 erzeugt, der über eine Richtungsleitung 3 mit dem Hohlleiter 2 verbunden ist. Die Steuerung der Mikrowellenleistung des Mikrowellengenerators 4 erfolgt mit Hilfe einer Steuer- und Regeleinrichtung 5, die mit einer Meßeinrichtung 6 am Monitorausgang der Richtungslei­ tung 3 und mit dem Mikrowellengenerator 4 verbunden ist. Bei der Meßeinrichtung 6 handelt es sich z. B. um einen Kristalldetektor oder ein Leistungsmeßgerät mit Gleichspannungsausgang.

Die Richtungsleitung - auch als Einwegleitung oder Isolator be­ zeichnet - kann auch durch einen Zirkulator, Richtkoppler oder eine Schlitzleitung mit Sonde ersetzt werden.

Als Regelgröße kann die am Übergang zwischen Einkoppel-Hohllei­ ter 2 und Kammer 1 reflektierte Leistung mit Hilfe der Meßein­ richtung 6 erfaßt und als absolute Leistung oder als auf die Eingangsleistung bezogene relative Leistung verwendet werden. Alternativ dazu kann auch die absorbierte Leistung als Differenz zwischen Eingangsleistung und reflektierte Leistung, die Phase des reflektierten Signals sowie die aus diesen Größen berechnete Impedanz bzw. Admittanz herangezogen werden.

Die Rate, mit der sich bei gegebener Eingangsleistung eine der vorgenannten, zur Regelung geeignete Größe ändert, ist ein Maß für die Temperaturänderung im Sintergut und kann somit zur Pro­ zeßführung herangezogen werden. Im folgenden wird die reflek­ tierte Mikrowellenleistung als Regelgröße herangezogen.

In den Fig. 4a bis 4c ist dargestellt, wie bei einer auf einen konstanten Wert geregelten Eingangsleistung (Fig. 4a) in einem Zeitabschnitt von t₁ bis t₂ in einer bestimmten Prozeßphase die reflektierte Leistung (Fig. 4b) abnimmt und entsprechend die Temperatur im Sintergut zunimmt (Fig. 4c), weil oberhalb der kritischen Temperatur T_c die Mikrowellenabsorption im Sintergut stark zunimmt. Aufgrund dieser Gegebenheiten ist es möglich, die notwendige Änderung der Eingangsleistung zu berechnen und eine entsprechende Stellgröße zur Steuerung der Eingangsleistung vorzugeben.

Nachstehend wird beispielhaft eine mögliche Prozeßführung zur Sinterung eines keramischen Produktes beschrieben, wobei mehrere Prozeßphasen unterschieden werden.

In einer Binder-Ausbrandphase wird die reflektierte Mikrowellen­ leistung als zeitabhängige Sollwertfunktion vorgegeben. Eine solche Funktion kann z. B. ein rampenförmiger Übergang von einem kleinen Anfangswert auf einen höheren Sollwert sein. Der jewei­ lige Istwert der reflektierten Mikrowellenleistung wird erfaßt und durch Bildung der Differenz zwischen Soll- und Istwert die Regelabweichung gewonnen, die dem Regler zugeführt wird, der die Stellgröße für die Mikrowellenquelle ausgibt. Mit der Vorgabe einer empirisch ermittelten Sollwertfunktion wird sicherge­ stellt, daß in der Binder-Ausbrandphase nicht zu schnell aufge­ heizt und der Dampfdruck in der Keramik ausreichend begrenzt wird.

In einem letzten Teil der Binder-Ausbrandphase wird der Sollwert der reflektierten Mikrowellenleistung konstant gehalten, wodurch aus einer Beobachtung der sich ändernden Eingangsleistung auf das Ende der Binder-Ausbrandphase geschlossen werden kann. Die geregelte Eingangsleistung ändert sich aufgrund einer charakte­ ristischen Änderung der Mikrowellenabsorption.

In der anschließenden Sinterphase wird eine neue Sollwertfunk­ tion für die reflektierte Mikrowellenleistung vorgegeben, womit eine weitere Aufheizphase durchgeführt wird. Die Sollwertfunk­ tion geht zur Bildung einer Temperaturhaltephase in einen Teil mit konstanter reflektierte Mikrowellenleistung über, wodurch für eine bestimmte Materialklasse - ähnlich wie bei der Bin­ der-Ausbrandphase - durch Beobachtung der Stellgröße für die Eingangsleistung das Ende der Sinterphase erkannt werden kann. Im anderen Fall wird die reflektierte Leistung für ein vorgege­ benes Zeitintervall konstant gehalten.

Schließlich wird für eine Abkühlphase eine erneute Sollwertfunk­ tion vorgegeben, mit der sichergestellt wird, daß sich das Sin­ tergut kontrolliert auf eine Temperatur abkühlt, mit der es aus dem Ofen entnommen werden kann.

Es versteht sich, daß eine Reihe von Abwandlungen in der Prozeß­ führung möglich sind. Beispielsweise können einzelne Phasen des Prozesses auch durch Zeitdauern definiert werden, wenn keine an­ deren verwertbaren Kriterien zur Verfügung stehen.

Es kann auch mit einer unterlagerten Begrenzung der Eingangslei­ stung gearbeitet werden, die einsetzt, wenn die reflektierte Leistung einen vorgebbaren unteren Grenzwert unterschreitet.

Eine andere Sicherung gegen unzulässige Sintertemperaturen kann auch durch eine Kombination des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Temperaturüberwachung oder -regelung auf der Grundlage ei­ ner Temperaturmessung erzielt werden.

Das Verfahren kann nicht nur zur Regelung der Leistung einer oder mehrerer Mikrowellenquellen eines einfachen Kammerofens für diskontinuierlichen Betrieb verwendet werden, sondern ist auch anpaßbar an Ofeneinrichtungen für Durchlaufbetrieb oder an Öfen mit beweglichen Vorrichtungen zur Feldvergleichmäßigung, wobei die Messung der reflektierten Leistung und die Steuerung der Mi­ krowellenquelle synchronisiert mit der Bewegung der Vorrichtun­ gen bzw. des Sintergutes erfolgen kann.

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung der Leistung mindestens einer Mi­ krowellenquelle eines Mikrowellenofens zur Sinterung keramischer Körper, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle - oder ergänzend zu - einer Temperaturmessung eine kontinuierlich gemessene reflek­ tierte Mikrowellenleistung herangezogen wird zur Bildung eines Eingangssignals für einen Regler, der die Eingangs-Mikrowellen­ leistung regelt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße die auf die Eingangsleistung bezogene relative reflektierte Leistung genutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße die Phase zwischen reflektiertem und eingespei­ stem Mikrowellensignal genutzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außerdem die Änderungsgeschwindigkeit der genutzten Größe zur Bildung eines Stellsignals für die Mikrowel­ lenquelle genutzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei dessen Anwendung für einen Mikrowellen­ ofen, der eine bewegliche Vorrichtung zur Feldvergleichmäßigung enthält, insbesondere Modenrührer, bzw. wenigstens eine bewegte Wand oder bewegte Reflektoren, die Messung der reflektierten Mi­ krowellenleistung jeweils bei der gleichen Phasenlage und/oder Position der beweglichen Vorrichtung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei dessen Verwendung für einen Mikrowellen­ ofen, insbesondere Durchlaufofen, in dem Sintergüter kontinuier­ lich oder schubweise während des Sinterprozesses bewegt werden, die Messung der reflektierten Mikrowellenleistung synchronisiert mit der Sintergutbewegung durchgeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsregelung außerdem in Abhängigkeit von der Vorschub­ geschwindigkeit und/oder Taktzeiten für die Sintergüter erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Einrichtung, die mehrere Mikrowel­ lenquellen aufweist, die Leistung der Mikrowellenquellen peri­ odisch mit einem niederfrequenten Signal moduliert wird, die Messung der reflektierten Leistung mit dem Modulationssignal synchronisiert erfolgt und die Leistung jeder Mikrowellenquelle einzeln geregelt wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einem Regler zugeführte Regelabweichung gebildet wird durch Differenzbildung zwischen der jeweils ver­ wendeten Regelgröße und einem von der Prozeßdauer abhängigen Sollwert.

10. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei in wenigstens einem Mikrowellenge­ nerator (4) Mikrowellenenergie erzeugt und über eine Richtungs­ leitung (3) und einen Hohlleiter (2) in einen Mikrowellenofen (1) eingespeist wird und wobei eine Steuer- und Regeleinrichtung (5) angeordnet ist zur Steuerung des Mikrowellengenerators (4), dadurch gekennzeichnet, daß an der Richtungsleitung (3) oder an einer anderen geeigneten Stelle eine Meßeinrichtung (6) zur Er­ fassung der reflektierten Mikrowellenleistung angeordnet ist und daß die Steuer- und Regeleinrichtung (5) dafür eingerichtet ist, aus der erfaßten reflektierten Mikrowellenleistung und deren Än­ derungsgeschwindigkeit sowie durch Bezugnahme auf die Temperatur des Sinterkörpers zu schließen und die eingespeiste Mikrowellen­ leistung nach vorgegebenen Kriterien zu regeln.