EP0851712B1 - Ofen zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung - Google Patents

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EP0851712B1
EP0851712B1 EP97119140A EP97119140A EP0851712B1 EP 0851712 B1 EP0851712 B1 EP 0851712B1 EP 97119140 A EP97119140 A EP 97119140A EP 97119140 A EP97119140 A EP 97119140A EP 0851712 B1 EP0851712 B1 EP 0851712B1
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slotted hollow
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Industrie-Ofenbau Rudolf Brands GmbH
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    • F27D99/0001—Heating elements or systems
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B17/00—Furnaces of a kind not covered by any preceding group
    • F27B17/0016—Chamber type furnaces
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
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    • F27D99/0001—Heating elements or systems
    • F27D99/0006—Electric heating elements or system
    • F27D2099/0028—Microwave heating
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    • 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
    • H05B2206/00—Aspects relating to heating by electric, magnetic, or electromagnetic fields covered by group H05B6/00
    • H05B2206/04—Heating using microwaves
    • H05B2206/046—Microwave drying of wood, ink, food, ceramic, sintering of ceramic, clothes, hair

Definitions

  • the present invention relates to a furnace for high-temperature heat treatment of inorganic materials, in particular ceramic materials, according to the preamble of claim 1.
  • EP 0 457 948 B1 is a microwave device with one acting as a resonator, with several metallic Chamber walls formed Mehrmodensch into which a to be heated Workpiece is inserted and into the microwave energy is fed, known.
  • the chamber points here at least one movably executed chamber wall, and there are means which cause the mobile one to move Chamber wall during operation of the microwave device is displaceable in a repetitive motion. Further are Means for high frequency sealing of the movable chamber wall present against the solid chamber walls, so that upon movement of the movable chamber wall, a change in the Resonator volume is given.
  • DE-B 11 86 570 discloses a microwave device, which is not a multimode resonator for receiving a Workpiece has, but a slot radiator, on the a workpiece to be heated is passed.
  • a slot radiator On the a workpiece to be heated is passed.
  • the Slot radiator is the outlet opening of a waveguide, into which a magnetron feeds.
  • a movable Short shifter provided in the waveguide.
  • From US-A-5 420 401 is a furnace for high temperature heat treatment with the characteristics of the generic term of the Claim 1 known.
  • a metallic lining which takes the form of a has relatively short cylinder section.
  • the microwave conductor extend in the radial direction
  • This metallic lining obviously surrounds and surrounds also openings in this lining that are not are described and illustrated. They are in cross section formed approximately square and thus encompass a approximately square opening.
  • the present invention is based on the object to provide a furnace of the generic type, with the in a simple structure, easy maintenance and a safe operation particularly high temperatures achieve as homogeneous as possible energy density to let.
  • the inventive solution includes the arrangement of a Plurality of microwave slot waveguides at least two Walls, so that the desired homogeneous energy density distribution can be achieved.
  • microwave permeable thermal Insulation layer in the present invention firmly in Furnace is installed and not on the material to be treated itself is located.
  • the thermal insulation layer consists of ceramic fiber materials. It is expediently constructed from plates or long fiber modules.
  • the ceramic material for the insulating layer consists of aluminum oxide (Al 2 O 3 ) containing mullite, ie an aluminum silicate consisting of approximately 80% aluminum oxide and 20% silicon dioxide. This material has a bulk density of about 300-700 kg / m 3 .
  • vacuum-formed plates are used, which have a thickness of 40mm.
  • At least two furnace walls each a plurality of microwave slot waveguides are provided. So the stove has at least two walls several parallel and spaced from each other Microwave slot waveguide. Conveniently, are more perpendicular to at least one side wall arranged microwave slot waveguide available.
  • An embodiment has proved to be particularly useful in which the Top wall and the two side walls of the oven with microwave slot waveguides are provided.
  • this embodiment have the front and back and bottom of the oven does not have microwave slot waveguides.
  • microwave slot waveguides disposed on opposite walls are expediently offset from one another arranged. This will be a mutual influence avoided by opposite slot waveguides.
  • the opening associated with the microwave slot waveguide the metallic lining is preferably with a dielectric Material sealed. This can be the Oven inside gastight designed.
  • the microwave energy input into the microwave slot waveguide takes place in a known manner via a magnetron, disposed at one end of the microwave slot waveguide is.
  • the opposite end of the microwave slot waveguide preferably has a shorting slide on.
  • the microwave slot waveguides themselves may be of conventional Be type.
  • the slots parallel to the longitudinal axis of the waveguide to both Sides of the central axis of the same offset from each other be.
  • the Slots can be arranged at an angle to the longitudinal central axis.
  • the slots are along the center longitudinal axis arranged at a distance and point adjacent to each a small hole on.
  • the slots are located in a wall of the waveguide, which has approximately rectangular shape in cross section. It understands itself, that this wall associated with the furnace interior is.
  • the proposed thermal insulation layer is with relatively short distance from the microwave slot waveguides arranged so that between the slot surface of Waveguide or the metallic lining and the outside the thermal insulation layer only a relatively narrow Gap remains.
  • microwave slot waveguides so attached to the outside of the metallic lining are that results in a microwave-tight connection.
  • the gas-tightness is by the above-mentioned Layer of dielectric material, preferably quartz glass, scored towards the furnace center in front of the slot surface the waveguide is arranged.
  • the furnace shown in the figures for high-temperature heat treatment It is about ceramic materials around a chamber furnace 1, the one at its front Door 2 has.
  • the oven is approximately box-shaped and stands on four legs 3.
  • At its two opposite Sidewalls 5 are three perpendicular and parallel arranged microwave waveguide to each other 7, wherein the waveguide offset the opposite sides are arranged to each other.
  • On the top 4 of the Furnace are two microwave slot waveguide 8, parallel to the longitudinal axis of the furnace and parallel to each other are arranged.
  • In the door 2 is an insulation layer 6. The exact structure of the furnace is based Figures 2 - 5 explained.
  • the chamber furnace 1 shown here is for a maximum temperature designed from 1.800 ° C and for operation in Air or in natural gas suitable.
  • the useful dimensions of the furnace are 500x500x500mm, and it comes with a microwave frequency worked from 2.45 GHz.
  • Figure 2 shows that three Microwave slot waveguide 7 parallel to each other in the vertical direction arranged on a side surface 5 of the furnace are. On the opposite side surface are another three microwave slot waveguides that are offset the waveguides of the other side are arranged.
  • a magnetron 10 which generates microwave energy and in the associated Waveguide feeds end.
  • a short-circuiting slider is provided.
  • FIG. 5 shows a horizontal section through the chamber furnace of Figures 1 - 4.
  • the oven has an outer frame 14, which stores the actual furnace housing.
  • the furnace housing has a metallic lining 12 and an inside from this built-in thermal insulation layer 11th on, which consists of mullite.
  • the metallic lining is microwave tight, while the thermal insulation layer 11 is substantially microwave transparent.
  • the attachment of the Waveguide 7 on the metallic lining 12 is in microwave sealing Way done.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ofen zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung von anorganischen Werkstoffen, insbesondere keramischen Werkstoffen, gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der EP 0 457 948 B1 ist eine Mikrowelleneinrichtung mit einer als Resonator wirkenden, mit mehreren metallischen Kammerwänden gebildeten Mehrmodenkammer, in die ein zu erwärmendes Werkstück einsetzbar ist und in die Mikrowellenenergie einspeisbar ist, bekannt. Die Kammer weist hierbei wenigstens eine beweglich ausgeführte Kammerwand auf, und es sind Mittel vorhanden, die bewirken, daß die bewegliche Kammerwand während des Betriebes der Mikrowelleneinrichtung in eine repetierende Bewegung versetzbar ist. Ferner sind Mittel zur Hochfrequenzabdichtung der beweglichen Kammerwand gegenüber den festen Kammerwänden vorhanden, so daß bei Bewegung der beweglichen Kammerwand eine Änderung des Resonatorvolumens gegeben ist.
Der DE-B 11 86 570 ist eine Mikrowelleneinrichtung zu entnehmen, die keinen Mehrmoden-Resonator zur Aufnahme eines Werkstückes aufweist, sondern einen Schlitzstrahler, an dem ein zu erwärmendes Werkstück vorbeigeführt wird. Der Schlitzstrahler ist die Austrittsöffnung eines Hohlleiters, in den ein Magnetron einspeist. Im Hohlleiter ist ein beweglicher Kurzschlußschieber vorgesehen.
Aus der US-A-5 420 401 ist ein Ofen zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1 bekannt. Bei diesem bekannten Ofen ist eine metallische Auskleidung vorgesehen, die die Form eines relativ kurzen Zylinderabschnittes besitzt. Die Mikrowellenleiter erstrecken sich hierbei in Radialrichtung auf diese metallische Auskleidung zu und umgreifen offensichtlich ebenfalls Öffnungen in dieser Auskleidung, die nicht beschrieben und dargestellt sind. Sie sind im Querschnitt etwa quadratisch ausgebildet und umgreifen somit auch eine etwa quadratisch ausgebildete Öffnung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ofen der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit dem sich bei einem einfachen Aufbau, einer einfachen Wartung und einer sicheren Funktionsweise besonders hohe Temperaturen bei einer möglichst homogenen Energiedichte erzielen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Ofen der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird mit einfachen Mitteln erreicht, daß im Inneren des Ofens eine homogene Energiedichteverteilung erzielt wird, die für die Hochtemperatur-Wärmebehandlung von anorganischen, insbesondere keramischen Werkstoffen, speziell das Sintern von keramischen Werkstoffen, von besonderer Bedeutung ist. Die im Inneren der metallischen Auskleidung fest eingebaute mikrowellendurchlässige thermische Isolationsschicht stellt sicher, daß im Ofeninneren mit sehr hohen Temperaturen gearbeitet werden kann. So ist der erfindungsgemäß ausgebildete Ofen für Maximaltemperaturen bis etwa 1.800°C geeignet. Im Ofeninneren kann mit Luft oder Inertgas gearbeitet werden.
Die erfindungsgemäße Lösung beinhaltet die Anordnung einer Vielzahl von Mikrowellenschlitzhohlleitern an mindestens zwei Wänden, so daß die gewünschte homogene Energiedichteverteilung erzielt werden kann.
Wesentlich ist, daß die mikrowellendurchlässige thermische Isolationsschicht bei der vorliegenden Erfindung fest im Ofen eingebaut ist und sich nicht am zu behandelnden Werkstoff selbst befindet.
Vorzugsweise besteht die thermische Isolationsschicht aus keramischen Faserwerkstoffen. Sie ist zweckmäßigerweise aus Platten oder Langfasermodulen aufgebaut. Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß der keramische Werkstoff für die Isolationsschicht aus Aluminiumoxid (Al2O3) besteht, das Mullit enthält, d. h. ein Aluminiumsilikat, das etwa aus 80% Aluminiumoxid und 20% Siliciumdioxid besteht. Dieses Material hat eine Rohdichte von etwa 300-700 kg/m3.
Es kommen vorzugsweise vakuumgeformte Platten zum Einsatz, die eine Dicke von 40mm besitzen.
Wie bereits erwähnt, ist mindestens an zwei Ofenwänden je eine Vielzahl von Mikrowellenschlitzhohlleitern vorgesehen. So weist der Ofen an mindestens zwei Wänden mehrere parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter auf. Zweckmäßigerweise sind an mindestens einer Seitenwand mehrere senkrecht angeordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter vorhanden.
Eine Ausführungsform hat sich als besonders zweckmäßig erwiesen, bei der die Deckwand und die beiden Seitenwände des Ofens mit Mikrowellenschlitzhohlleitern versehen sind. Bei dieser Ausführungsform weisen die Vorder- und Rückseite sowie Unterseite des Ofens keine Mikrowellenschlitzhohlleiter auf.
Die an gegenüberliegenden Wänden angeordneten Mikrowellenschlitzhohlleiter sind zweckmäßigerweise versetzt zueinander angeordnet. Hierdurch wird eine gegenseitige Beeinflussung von gegenüberliegenden Schlitzhohlleitern vermieden.
Die dem Mikrowellenschlitzhohlleiter zugeordnete Öffnung der metallischen Auskleidung ist vorzugsweise mit einem dielektrischen Material verschlossen. Hierdurch läßt sich das Ofeninnere gasdicht ausgestalten.
Die Mikrowellenenergieeinführung in den Mikrowellenschlitzhohlleiter erfolgt in bekannter Weise über ein Magnetron, das an einem Ende des Mikrowellenschlitzhohlleiters angeordnet ist. Das gegenüber liegende Ende des Mikrowellenschlitzhohlleiters weist vorzugsweise einen Kurzschlußschieber auf.
Die Mikrowellenschlitzhohlleiter selbst können von herkömmlicher Bauart sein. Hierbei können die Schlitze beispielsweise parallel zur Längsachse des Hohlleiters zu beiden Seiten der Mittelachse desselben versetzt zueinander angeordnet sein. Bei einer anderen Ausführungsform können die Schlitze winklig zur Längsmittelachse angeordnet sein. Bei noch einer anderen Ausführungsform sind die Schlitze entlang der Mittellängsachse auf Abstand angeordnet und weisen benachbart hierzu jeweils ein kleines Loch auf.
Die Schlitze befinden sich in einer Wandung des Hohlleiters, der im Querschnitt etwa Rechteckform besitzt. Es versteht sich, daß diese Wandung dem Ofeninneren zugeordnet ist. Die vorgesehene thermische Isolationsschicht ist mit relativ geringem Abstand von den Mikrowellenschlitzhohlleitern angeordnet, so daß zwischen der Schlitzfläche der Hohlleiter bzw. der metallischen Auskleidung und der Außenseite der thermischen Isolationsschicht nur ein relativ enger Spalt verbleibt.
Es versteht sich, daß die Mikrowellenschlitzhohlleiter so an der Außenseite der metallischen Auskleidung angebracht sind, daß sich eine mikrowellendichte Verbindung ergibt. Die Gasdichtigkeit wird durch die vorstehend erwähnte Schicht aus dielektrischem Material, vorzugsweise Quarzglas, erzielt, die zur Ofenmitte hin vor der Schlitzfläche der Hohlleiter angeordnet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1
eine räumliche schematische Ansicht eines Ofens zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung;
Figur 2
eine Seitenansicht des Ofens der Figur 1, wobei die Energieerzeugungseinrichtungen dargestellt sind;
Figur 3
eine Vorderansicht des Ofens der Figur 1 mit dargestellten Energieerzeugungseinrichtungen;
Figur 4
eine Draufsicht auf den Ofen der Figur 1 mit dargestellten Energieerzeugungseinrichtungen; und
Figur 5
einen schematischen Horizontalschnitt durch den Ofen der Figur 1.
Bei dem in den Figuren dargestellten Ofen zur Hochtemperatur-Wärmbehandlung von keramischen Werkstoffen handelt es sich um einen Kammerofen 1, der an seiner Vorderseite eine Tür 2 aufweist. Der Ofen ist etwa kastenförmig ausgebildet und steht auf vier Beinen 3. An seinen beiden gegenüberliegenden Seitenwänden 5 befinden sich drei senkrecht und parallel zueinander angeordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter 7, wobei die Hohlleiter der gegenüberliegenden Seiten versetzt zueinander angeordnet sind. Auf der Oberseite 4 des Ofens befinden sich zwei Mikrowellenschlitzhohlleiter 8, die parallel zur Längsachse des Ofens und parallel zueinander angeordnet sind. In der Tür 2 befindet sich eine Isolationsschicht 6. Der genauere Aufbau des Ofens wird anhand der Figuren 2 - 5 erläutert.
Der hier dargestellte Kammerofen 1 ist für eine Maximaltemperatur von 1.800°C konzipiert und für einen Betrieb in Luft oder in Erdgas geeignet. Die Nutzabmessungen des Ofens betragen 500x500x500mm, und es wird mit einer Mikrowellenfrequenz von 2,45 GHz gearbeitet. Figur 2 zeigt, daß drei Mikrowellenschlitzhohlleiter 7 parallel zueinander in Vertikalrichtung an einer Seitenfläche 5 des Ofens angeordnet sind. An der gegenüberliegenden Seitenfläche befinden sich weitere drei Mikrowellenschlitzhohlleiter, die versetzt zu den Hohlleitern der anderen Seite angeordnet sind. An den oberen Enden der Hohlleiter befindet sich jeweils ein Magnetron 10, das Mikrowellenenergie erzeugt und in den zugehörigen Hohlleiter endseitig einspeist. Am gegenüberliegenden Ende des Hohlleiters ist ein Kurzschlußschieber vorgesehen.
Man erkennt ferner in Figur 2, daß an der Oberseite 4 des Kammerofens drei Mikrowellenschlitzhohlleiter 8 parallel zueinander und parallel zur Längsachse des Ofens angeordnet sind. An den in der Figur linken Enden der Hohlleiter befinden sich ebenfalls Magnetrons 10, und zwar rechtwinklig zur Längsachse der Hohlleiter. Es wird darauf hingewiesen, daß in Figur 1 nur zwei Hohlleiter 8 dargestellt sind.
Durch die gewählte Hohlleiteranordnung: 3 an der Oberseite, 4 und jeweils 3 an den gegenüberliegenden Seitenflächen 5, wird innerhalb des Ofenraumes eine homogene Energiedichteverteilung erzielt.
Figur 5 zeigt einen Horizontalschnitt durch den Kammerofen der Figuren 1 - 4. Der Ofen besitzt einen Außenrahmen 14, der das eigentliche Ofengehäuse lagert. Das Ofengehäuse weist eine metallische Auskleidung 12 und eine innerhalb von dieser fest eingebaute thermische Isolationsschicht 11 auf, die aus Mullit besteht. Die metallische Auskleidung ist mikrowellendicht, während die thermische Isolationsschicht 11 im wesentlichen mikrowellendurchlässig ist.
In der metallischen Auskleidung 12 befinden sich längliche Öffnungen 13, die jeweils von einem Mikrowellenschlitzhohlleiter 7 umfaßt werden, der an der Außenseite der metallischen Auskleidung 12 angeordnet ist und mit seiner Schlitzfläche zum Ofeninneren weist. Es sind somit drei Öffnungen 13 nebeneinander und parallel zueinander auf jeder Seitenfläche 5 des Ofens vorgesehen, denen jeweils ein Mikrowellenschlitzhohlleiter 7 zugeordnet ist. Die Befestigung der Hohlleiter 7 an der metallischen Auskleidung 12 ist in mikrowellendichter Weise erfolgt.

Claims (9)

  1. Ofen (1) zur Hochtemperatur-Wärmebehandlung von anorganischen Werkstoffen, insbesondere keramischen Werkstoffen, mit einem Ofengehäuse zur Aufnahme des zu behandelnden Werkstoffes, einer Tür (2), einer Mikrowellenenergieerzeugungseinrichtung und einer Einrichtung zur Abstrahlung der Mikrowellenenergie in das Ofeninnere, wobei das Ofengehäuse eine mikrowellendichte metallische Auskleidung (12) und im Inneren hiervon eine fest eingebaute mikrowellendurchlässige thermische Isolationsschicht (11) aufweist und die Mikrowellenenergieabstrahlungseinrichtung durch mehrere parallel zueinander und im Abstand voneinander angeordnete Mikrowellenleiter gebildet ist, deren Wandung eine Öffnung in der metallischen Auskleidung (12) umgreift,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Ofen (1) Kastenform besitzt und an mindestens zwei Wänden (4, 5) jeweils mehrere Mikrowellenleiter aufweist,
    die Mikrowellenleiter als sich parallel zur Wandebene und nahezu über die gesamte Ofenwand erstreckende Mikrowellenschlitzhohlleiter (7, 8) ausgebildet sind, deren Wandungen eine längliche Öffnung (13) der metallischen Auskleidung (12) umgreifend an deren Außenseite mit der Schlitzfläche zum Ofeninneren weisend angeordnet sind, und
    die thermische Isolationsschicht (11) mit relativ geringem Abstand von der metallischen Auskleidung (12) angeordnet ist.
  2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolationsschicht (11) aus keramischen Faserwerkstoffen besteht.
  3. Ofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolationsschicht (11) aus Platten oder Langfasermodulen besteht.
  4. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermische Isolationsschicht (11) aus aluminiumsilikathaltigem, insbesondere mullithaltigem Aluminiumoxid besteht.
  5. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er an mindestens einer Seitenwand (5) mehrere senkrecht angeordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter (7) aufweist.
  6. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß seine Deckwand (4) und seine beiden Seitenwände (5) mit Mikrowellenschlitzhohlleitern (7, 8) versehen sind.
  7. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Mikrowellenschlitzhohlleiter (7, 8) zugeordnete Öffnung (13) der metallischen Auskleidung (12) mit einem dielektrischen Material verschlossen ist.
  8. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an gegenüberliegenden Wänden (5) angeordnete Mikrowellenschlitzhohlleiter (7) versetzt zueinander angeordnet sind.
  9. Ofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Mikrowellenschlitzhohlleiter (7, 8) an einem Ende ein in diesen einspeisendes Magnetron (10) zugeordnet ist.
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EP0851712A3 EP0851712A3 (de) 1998-09-16
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