EP0457948A1 - Mikrowelleneinrichtung - Google Patents

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EP0457948A1
EP0457948A1 EP90109863A EP90109863A EP0457948A1 EP 0457948 A1 EP0457948 A1 EP 0457948A1 EP 90109863 A EP90109863 A EP 90109863A EP 90109863 A EP90109863 A EP 90109863A EP 0457948 A1 EP0457948 A1 EP 0457948A1
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EP
European Patent Office
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chamber
microwave device
microwave
movement
wall
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EP90109863A
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Lothar Dr. Schuh
Friedrich Dr. Harbach
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ABB Patent GmbH
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ABB Patent GmbH
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/80—Apparatus for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a microwave device according to the preamble of claim 1.
  • the microwave device is provided for rapid and homogeneous heating and for sintering ceramic components.
  • a microwave device with a relatively large oven chamber and a high microwave power is required.
  • Such a microwave device is known from DE-AS 24 62 853 (publication D1), several microwave generators being provided to provide the microwave energy.
  • standing waves are formed.
  • the usual operating frequency of 2.45 GHz corresponds to a free space wavelength of approximately 12 cm.
  • the resulting stationary wave nodes and wave bellies cause disturbing field inhomogeneities cause that, for example, larger ceramic components are heated locally differently and sinter inhomogeneously. This leads to unusable workpieces or even to their complete destruction.
  • a remedial measure known from household microwave devices namely a rotating reflector wing
  • D1 A remedial measure known from household microwave devices, namely a rotating reflector wing
  • the effectiveness of the rotary wing which is said to cause a continuous change in the field distribution, is unsatisfactory.
  • turntables or other devices are more effective which cause a change in the location of a sintered material to be heated within the chamber. Since sintered goods are sensitive to vibrations, as mentioned in the D1, turntable arrangements which cause vibrations are also not very suitable.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a microwave heating device which avoids the disadvantages of known devices.
  • a microwave device with a metallic multimode chamber as a resonator which preferably has chamber walls arranged parallel to one another, and into which microwave energy is fed, means being provided which cause at least one of the chamber walls to be able to be set in repetitive stroke movements during operation , whereby there is a periodic change in the resonator dimensions and thus the reflection conditions and the resonance conditions.
  • a microwave device with a metallic multimode chamber as a resonator which preferably has chamber walls arranged parallel to one another, and into which microwave energy is fed, means being provided which cause at least one of the chamber walls to be able to be set in repetitive stroke movements during operation , whereby there is a periodic change in the resonator dimensions and thus the reflection conditions and the resonance conditions.
  • curved walls can also be provided in order to achieve special field configurations.
  • cylindrical resonators or resonators with hollow mirror-shaped walls are possible.
  • the microwave device according to the invention has the advantage that the microwave field is homogenized so that even complex shaped parts can be heated homogeneously.
  • the sintered material is not set in motion.
  • a single waveguide can be used with the interposition of a circulator. This will have no effect on the generators.
  • the invention proposes to have at least one resonator wall perform a movement, preferably a stroke movement, with a low frequency, that is to say to allow it to vibrate.
  • a movement preferably a stroke movement
  • a low frequency that is to say to allow it to vibrate.
  • a wall is designed adjustable to the desired wave propagation (resonance) before To be able to stop the heating process (see D2, page 1603, paragraph 2 and page 1604, paragraph 2).
  • the movable wall of the single-mode chamber is therefore only intended for adjustment, ie for setting the location of the maximum power of the standing wave in the chamber.
  • a suggestion in the case of a multimode chamber by repetitive movement of a chamber wall to bring about a change in the field distribution during the heating process cannot be found in document 2.
  • the chamber wall movement according to the invention a field distribution which is more homogeneous on average than with known measures, e.g. Rotary wings, can be achieved.
  • the characteristic of the standing waves is influenced to a large extent by the position of the chamber walls.
  • With a contactless lambda quarter short-circuit structure it is achieved that the chamber wall can be moved without friction and that no microwave radiation can escape through leaks.
  • the device can be operated with both continuous and pulsed microwave energy.
  • the pulse frequency and pulse shape can run synchronized with the wall movement as well as being stochastic.
  • a variable or fixed stroke frequency in the range from 0.1 to 100 Hz and a stroke amplitude in the range from approximately 0.5 to 20 cm are preferred for the wall movement.
  • the drawing shows schematically the structure of a microwave device according to the invention.
  • the device contains a metallic chamber 1 made, for example, of stainless steel, which has fixed walls 2 and a movable wall 3.
  • the dimensions of the chamber are approximately 60 x 60 x 60 cm3.
  • the movable wall 3 is coupled to a controllable reciprocating piston engine 5 via a push rod 4.
  • the rod 4 is supported by a ball bearing 6.
  • a gap 7 between the movable wall 3 and the fixed walls 2 is expedient, which is approximately 1 to 2 mm wide.
  • the edge of the movable wall 3 is designed as a quarter-wave short-circuit slide 8.
  • a high-frequency insulation ring 10 can be attached to the part 9 of the quarter-wave short-circuit slide 8 that is turned toward the outside.
  • a high-frequency insulation ring 10 can be designed, for example, as a plastic ring or as a brush with microwave-absorbing properties.
  • This additional safety device has no mechanical guiding or supporting function, so that even when this safety device is used, there is a practically contactless movement of the movable wall 3 in the chamber 1.
  • a second quarter-wave short-circuit slide 11 is arranged on the push rod 4.
  • a microwave-impermeable metal grille 12 with a corresponding mesh size and a stable pipe leadthrough 13 for the push rod 4 is provided for shielding on the chamber 1 in front of the movable wall 3.
  • the existing structural parts for moving and guiding the movable wall 3, such as rod 4, ball bearing 6 and leadthrough 13, must be made sufficiently stable to ensure a consistently narrow gap 7 during wall movement.
  • a ventilation channel 14 is installed in one of the fixed walls 2, the diameter-length ratio of which is approximately 1: 3.
  • the opening of the ventilation channel 14 is secured by a metallic ventilation grille 15 against the escape of microwave radiation.
  • a ceramic molded body 16 to be sintered is arranged inside the chamber 1 in a microwave-transparent container 17.
  • the molded body 16 is surrounded by heat-insulating and microwave-transparent fiber mats 18, which consist, for example, of aluminum oxide ceramic.
  • a measuring head 19 of a high-temperature thermometer is arranged on the surface of the molded body 16 and is connected to a control and regulating device 22 for microwave generators 23 via a light guide 20 and a bushing 21 in the chamber 1.
  • the microwave energy possibly fed into the chamber 1 via the circulators 24 and the waveguide 25 is controlled while avoiding inadmissible temperatures or temperature gradients in accordance with predetermined temperature-time profiles.
  • the microwave power is typically several kilowatts.
  • the movable wall 3 is set in a repetitive lifting movement and microwave energy is fed in via the waveguide 25.
  • the standing waves caused by the chamber dimensions and the interferences caused by several modes are continuously changed. It creates other waveforms, which results in a spatially and temporally changing plurality of power maxima, which leads to a homogeneous heating of the molded body 16.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowelleneinrichtung mit einer Mehrmoden-Kammer zur Erwärmung und Sinterung von keramischen Formkörpern (16). Um eine weitgehend homogene Feldverteilung zu erzielen, wird vorgeschlagen, wenigstens eine Wand (3) der Kammer (1) während des Sintervorgangs mit Hilfe eines Antriebs (4,5,6) in eine Bewegung, vorzugsweise Hubbewegung, zu versetzen. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowelleneinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Mikrowelleneinrichtung ist vorgesehen zur raschen und homogenen Erwärmung und zur Sinterung keramischer Bauteile. Für diesen Zweck wird eine Mikrowelleneinrichtung mit einer relativ großen Ofenkammer und einer hohen Mikrowellenleistung benötigt.
  • Eine solche Mikrowelleneinrichtung ist aus der DE-AS 24 62 853 (Druckschrift D1) bekannt, wobei mehrere Mikrowellengeneratoren zur Bereitstellung der Mikrowellenenergie vorhanden sind.
  • Bei den gegebenen Abmessungen der als Resonator wirkenden Kammer und bei einer Betriebsfrequenz von einigen GHz kommt es zur Ausbildung von stehenden Wellen. Beispielsweise entspricht der üblichen Betriebsfrequenz von 2,45 GHz eine Freiraum-Wellenlänge von etwa 12 cm. Die damit gegebenen stationären Wellenknoten und Wellenbäuche bewirken störende Feldinhomogenitäten, die dazu führen, daß beispielsweise größere keramische Bauteile örtlich unterschiedlich erwärmt werden und inhomogen sintern. Dies führt zu unbrauchbaren Werkstücken oder gar zu deren vollständigen Zerstörung.
  • In der Druckschrift D1 ist eine von Haushalts-Mikrowellengeräten bekannte Abhilfemaßnahme, nämlich ein rotierender Reflektorflügel erwähnt. Bei Hochtemperaturanwendungen ist allerdings die Wirksamkeit des Drehflügels, der eine kontinuierliche Änderung der Feldverteilung verursachen soll, unbefriedigend. Wirksamer sind dagegen Drehteller oder andere Vorrichtungen, welche eine Ortsänderung eines zu erwärmenden Sinterguts innerhalb der Kammer bewirken. Da Sintergut gegen Erschütterungen empfindlich ist, wie in der D1 erwähnt wird, sind auch Drehtelleranordnungen, welche Erschütterungen verursachen, nicht gut geeignet. Zur Lösung des Problems der ungleichmäßigen Feldverteilung wird in der D1 vorgeschlagen, mehrere Generatoren mit einzeln regelbaren Magnetrons vorzusehen, welche jeweils über in den Ofenraum ragende Antennen einspeisen. Bei hohen Magnetronleistungen und verlustarmem Erwärmungsgut kommt es jedoch zu einer Rückstrahlung von Mikrowellenenergie ins Magnetron, wodurch dieses zerstört werden kann.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Mikrowellenerwärmungseinrichtung anzugeben, welche die Nachteile bekannter Einrichtungen vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Mikrowelleneinrichtung mit einer metallischen Mehrmodenkammer als Resonator gelöst, die zueinander vorzugsweise parallel angeordnete Kammerwände aufweist, und in welche Mikrowellenenergie eingespeist wird, wobei Mittel vorhanden sind, die bewirken, daß wenigstens eine der Kammerwände während des Betriebs in repetierende Hubbewegungen versetzbar ist, wodurch sich eine periodische Änderung der Resonatorabmessungen und damit der Reflexionsbedingungen und der Resonanzbedingungen ergibt. Anstelle von parallel zueinander angeordneten plattenförmigen Wänden eines z.B. quaderförmigen Resonators können auch gebogene Wände vorgesehen werden, um besondere Feldkonfigurationen zu erzielen. Möglich sind z.B. zylinderförmige Resonatoren oder Resonatoren mit hohlspiegelförmigen Wänden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Mikrowelleneinrichtung hat den Vorteil, daß eine Vergleichmäßigung des Mikrowellenfeldes erreicht wird, so daß auch komplex geformte Teile homogen erwärmt werden können. Das Sintergut wird dabei nicht in Bewegung versetzt. Bei Verwendung mehrerer Generatoren kann unter Zwischenschaltung eines Zirkulators mit einem einzigen Hohlleiter eingespeist werden. Eine Rückwirkung auf die Generatoren wird dadurch vermieden.
  • Mit der Erfindung wird vorgeschlagen, wenigstens eine Resonatorwand eine Bewegung, vorzugsweise eine Hubbewegung mit einer niedrigen Frequenz ausführen zu lassen, also schwingen zu lassen. Aus Ceramic Bulletin, Vol. 68, No. 9, 1989, Seite 1601 bis 1606, insbesondere Figur 2 und zugehörigem Text (Druckschrift D2) ist bekannt, eine Kammerwand einstellbar zu gestalten. Dabei ist jedoch keine betriebsmäßige Bewegung der Kammerwand zur Änderung der Feldverteilung vorgesehen. Es handelt sich dort um eine Einmoden-Kammer, welche zum Fügen von Keramikteilen vorgesehen und nicht zum Sintern größerer Keramikteile geeignet ist. Zum Verbinden von Keramikteilen wird eine hohe Erwärmung an der Verbindungsstelle benötigt. Deshalb ist dort eine Wand einstellbar gestaltet, um die gewünschte Wellenausbreitung (Resonanz) vor der Durchführung des Erwärmungsvorgangs einstellen zu können (vgl. D2, Seite 1603, Absatz 2 und Seite 1604, Absatz 2). Die bewegliche Wand der Einmoden-Kammer ist also lediglich zum Justieren vorgesehen, d.h. zur Einstellung des Ortes des Leistungsmaximums der stehenden Welle in der Kammer. Eine Anregung im Falle einer Mehrmoden-Kammer durch eine repetierende Bewegung einer Kammerwand eine Änderung der Feldverteilung während des Erwämungsvorgangs zu bewirken, ist der Druckschrift 2 nicht zu entnehmen.
  • Es hat sich gezeigt, daß mit der erfindungsgemäßen Kammerwandbewegung eine im zeitlichen Mittel homogenere Feldverteilung als mit bekannten Maßnahmen, z.B. Drehflügeln, erreicht werden kann. Die Charakteristik der stehenden Wellen wird nämlich in hohem Maße von der Position der Kammerwände beeinflußt. Mit einer kontaktlosen Lambda-Viertel-Kurzschlußstruktur wird erreicht, daß die Kammerwand ohne Reibung bewegt werden kann und daß keine Mikrowellenstrahlung durch Lecks nach außen dringt. Zur besseren Steuerung des Erwärmungsvorganges kann die Einrichtung sowohl mit kontinuierlicher wie auch gepulster Mikrowellenenergie betrieben werden. Die Pulsfrequenz und Pulsform können sowohl mit der Wandbewegung synchronisiert ablaufen, wie auch stochastisch sein. Für die Wandbewegung wird eine veränderliche oder feste Hubfrequenz im Bereich von 0,1 bis 100 Hz und eine Hubamplitude im Bereich von etwa 0,5 bis 20 cm bevorzugt.
  • Eine genauere Beschreibung erfolgt nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels.
  • Die Zeichnung zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Mikrowelleneinrichtung. Die Einrichtung enthält eine z.B. aus Edelstahl gefertigte metallische Kammer 1, welche feste Wände 2 und eine bewegliche Wand 3 aufweist. Die Abmessungen der Kammer betragen etwa 60 x 60 x 60 cm³. Die bewegliche Wand 3 ist über eine Schubstange 4 mit einem steuerbaren Hubkolbenmotor 5 gekoppelt. Die Stange 4 ist mit einem Kugellager 6 gelagert. Um eine freie Beweglichkeit der beweglichen Wand 3 in der Kammer 1 zu gewährleisten, ist ein Spalt 7 zwischen der beweglichen Wand 3 und den festen Wänden 2 zweckmäßig, der etwa 1 bis 2 mm breit ist. Um einen Austritt von Mikrowellenstrahlung als Leckstrahlung zu verhindern, ist der Rand der beweglichen Wand 3 als Lambda-Viertel-Kurzschlußschieber 8 ausgebildet. Außerdem kann als zusätzliche Sicherung an dem zur Außenseite gekehrten Teil 9 des Lambda-Viertel-Kurzschlußschiebers 8 ein Hochfrequenz-Isolationsring 10 angebracht werden. Ein solcher Hochfrequenz-Isolationsring 10 kann beispielsweise als Kunststoffring oder als Bürste mit mikrowellenabsorbierenden Eigenschaften ausgeführt werden. Diese zusätzliche Sicherheitseinrichtung hat keine mechanische Führungs- oder Abstützungsfunktion, so daß auch bei Verwendung dieser Sicherheitseinrichtung eine praktisch berührungslose Bewegung der beweglichen Wand 3 in der Kammer 1 gegeben ist. Als weitere Sicherheitsmaßnahme ist an der Schubstange 4 ein zweiter Lambda-Viertel-Kurzschlußschieber 11 angeordnet. Außerdem ist zur Abschirmung an der Kammer 1 vor der beweglichen Wand 3 ein mikrowellenundurchlässiges Metallgitter 12 mit entsprechender Maschenweite mit einer stabilen Rohrdurchführung 13 für die Schubstange 4 vorhanden. Die zur Bewegung und Führung der beweglichen Wand 3 vorhandenen Konstruktionsteile, wie Stange 4, Kugellager 6 und Durchführung 13, müssen ausreichend stabil ausgeführt sein, um einen gleichbleibend schmalen Spalt 7 während der Wandbewegung zu gewährleisten.
  • Wegen des bei der Hubbewegung der beweglichen Wand 3 nötigen Druckausgleichs in der Kammer 1 ist in einer der festen Wände 2 ein Entlüftungskanal 14 angebracht, dessen Durchmesser-Längen-Verhältnis etwa 1 : 3 beträgt. Die Öffnung des Entlüftungskanals 14 wird durch ein metallisches Entlüftungsgitter 15 gegen einen Austritt von Mikrowellenstrahlung gesichert.
  • Ein zu sinternder keramischer Formkörper 16 ist innerhalb der Kammer 1 in einem mikrowellentransparenten Behälter 17 angeordnet. Der Formkörper 16 ist mit wärmedämmenden und mikrowellentransparenten Fasermatten 18 umgeben, die beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik bestehen.
  • Zur Temperaturmessung ist ein Meßkopf 19 eines Hochtemperatur-Thermometers an der Oberfläche des Formkörpers 16 angeordnet und über einen Lichtleiter 20 und eine Durchführung 21 in der Kammer 1 mit einer Steuer- und Regeleinrichtung 22 für Mikrowellengeneratoren 23 verbunden. Mit dieser Einrichtung wird die gegebenenfalls über Zirkulatoren 24 und über Hohlleiter 25 in die Kammer 1 eingespeiste Mikrowellenenergie unter Vermeidung unzulässiger Temperaturen oder Temperaturgradienten entsprechend vorgegebener Temperatur-Zeitprofile gesteuert. Die Mikrowellenleistung beträgt typisch mehrere Kilowatt.
  • Zur Durchführung eines Sintervorgangs wird die bewegliche Wand 3 in eine sich wiederholende Hubbewegung versetzt und Mikrowellenenergie über die Hohlleiter 25 eingespeist. Als Folge der sich andauernd ändernden Reflexionsbedingungen in der Kammer 1 werden die durch die Kammerabmessungen bedingten stehenden Wellen und die durch mehrere Moden gegebenen Interferenzen dauernd verändert. Es entstehen dabei auch andere Wellenformen, wodurch sich eine sich räumlich und zeitlich ändernde Vielzahl von Leistungsmaxima ergibt, welche zu einer homogenen Erwärmung des Formkörpers 16 führt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kammer
    2
    feste Wand
    3
    bewegliche Wand
    4
    Schubstange
    5
    Hubkolbenmotor
    6
    Kugellager
    7
    Spalt
    8
    Lambda-Viertel-Kurzschlußschieber
    9
    nach außen gekehrter Teil des Schiebers 8
    10
    Hochfrequenz-Isolationsring
    11
    zweiter Lambda-Viertel-Kurzschlußschieber
    12
    Metallgitter
    13
    Rohrdurchführung
    14
    Entlüftungskanal
    15
    Entlüftungsgitter
    16
    Formkörper
    17
    Behälter
    18
    Fasermatte
    19
    Meßkopf
    20
    Lichtleiter
    21
    Durchführung
    22
    Steuer- und Regeleinrichtung
    23
    Mikrowellengenerator
    24
    Zirkulator
    25
    Hohlleiter

Claims (12)

  1. Mikrowelleneinrichtung mit einer metallischen Mehrmodenkammer als Resonator, die zueinander vorzugsweise parallel angeordnete Kammerwände aufweist, und in welche Mikrowellenenergie eingespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (4,5,22) vorhanden sind, die bewirken, daß wenigstens eine der Kammerwände (2,3) während des Betriebs in repetierende Hubbewegungen versetzbar ist, wodurch sich eine periodische Änderung der Resonatorabmessungen und damit der Reflexionsbedingungen ergibt.
  2. Mikrowelleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine bewegliche Kammerwand (3) anstelle einer kolbenartigen Hubbewegung eine andere Bewegung, z.B. eine Dreh- oder Kippbewegung, durchführt, wobei die festen Kammerwände (2) eine angepaßte Form aufweisen, um eine Abdichtung zu gewährleisten.
  3. Mikrowelleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (22) vorhanden sind zur Steuerung der Änderung der Resonatorabmessungen durch Änderung der Frequenz und/oder der Amplitude der Bewegung einer Kammerwand (3).
  4. Mikrowelleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eingespeiste Mikrowellenenergie eine kontinnuierliche Leistung aufweist.
  5. Mikrowelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenenergie mit gepulster Leistung eingespeist ist, wobei die Pulsfrequenz und/oder die Pulsform mit der Wandbewegung synchronisiert oder stochastisch ist.
  6. Mikrowelleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Generatoren (23) zur Erzeugung der Mikrowellenenergie vorhanden sind, welche über einen oder mehrere Zirkulatoren (24) und Hohlleiter (25) in die Kammer (1) einspeisen.
  7. Mikrowelleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Bewegung einer Kammer (3) beispielsweise die Hubfrequenz im Bereich von 0,1 bis 100 Hz liegt.
  8. Mikrowelleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsamplitude, beispielsweise die Hubamplitude, einer beweglichen Kammerwand (3) bei etwa 0,5 bis 20 cm liegt.
  9. Mikrowelleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand (3) über eine Schubstange (4) mit einem Hubmotor (5) verbunden ist.
  10. Mikrowelleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand (3) gegenüber den festen Wänden (2) der Kammer (1) so gelagert ist, daß ein Spalt (7) von etwa 1 bis 2 mm gegeben ist.
  11. Mikrowelleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sicherungseinrichtungen (8,10,11,12,15) angeordnet sind, welche einen Austritt von Mikrowellenenergie vermindern oder vermeiden.
  12. Mikrowelleneinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Kammer (1) etwa 60 x 60 x 60 cm³ betragen.
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