EP0919110B1 - Hochmodiger mikrowellenresonator für die hochtemperaturbehandlung von werkstoffen - Google Patents

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EP0919110B1
EP0919110B1 EP97930399A EP97930399A EP0919110B1 EP 0919110 B1 EP0919110 B1 EP 0919110B1 EP 97930399 A EP97930399 A EP 97930399A EP 97930399 A EP97930399 A EP 97930399A EP 0919110 B1 EP0919110 B1 EP 0919110B1
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EP
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resonator
microwave
coupled
highly
field
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EP97930399A
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Lambert Feher
Guido Link
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
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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
    • H05B6/70—Feed lines
    • H05B6/707—Feed lines using waveguides
    • 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
    • H05B6/6402—Aspects relating to the microwave cavity

Definitions

  • the invention relates to a high-mode microwave resonator for high temperature treatment of materials. With him should Ceramics are sintered or materials are dried can. The more homogeneous the field distribution, the better this is achieved inside the resonator or in the microwave oven.
  • DE 43 13 806 describes a device for heating materials described by microwaves.
  • the device exists from a heating chamber through which to process Material is transported.
  • the heating chamber has one Part of the wall that is concavely curved.
  • the coupled Microwave reflects and on the material volume to be heated focused.
  • a comparable device is shown in WO 90/03714.
  • the heating chamber is used to heat the food to try that Food volume to be heated with a more uniform temperature field to provide.
  • JP 4-137391 the heating chamber is around one of the first reflection walls second reflection wall opposite, expanded, with which the process volume is aimed at with an increased uniform field to meet, so that an even To achieve heating of the object.
  • a cylindrical reaction vessel is described in US Pat. No. 5,532,462, the inside of which is stingy with microwave energy.
  • the multimod microwave is coupled into the vessel in such a way that it is absorbed and reflected on the inner wall, in such a way that the absorption and reflection are helical progressively.
  • the inside of the boiler should be so even be heated.
  • FR-A 2 072 618 describes a microwave resonator described, the resonator of a prismatic, with respect its longitudinal axis symmetrical even-numbered cavity is polygonal cross section. The lateral surface segments as well the two faces are flat. The homogeneity of the field is generated by a rotating wing, which functions as a Kind of antenna forms and the even distribution of that from that Wing in the resonator emitted microwave beam promotes.
  • the invention is based, strong inhomogeneous task Exaggerated fields (caustics) in a resonator, which acts as a microwave oven is used to avoid and a coupling Microwave beam through an external geometry in the volume to distribute in order to heat or burn or goods to be sintered in a largely homogeneous field to be able to suspend.
  • a resonator which acts as a microwave oven is used to avoid and a coupling Microwave beam through an external geometry in the volume to distribute in order to heat or burn or goods to be sintered in a largely homogeneous field to be able to suspend.
  • the task is accomplished by a high-fashion microwave resonator solved according to claim 1.
  • the resonator is a prismatic one, in terms of its Longitudinal axis symmetrical cavity with even polygonal Cross-section. All surface segments of the resonator are flat or equivalent, topologically flat. This keeps the Coupled microwave beam in the event of reflections on the resonator wall always divergent and does not become like circular cylindrical and spherical geometries always focused.
  • the beam is divided into two symmetrical halves because the beam axis from the microwave coupling window first to the closest, common Edge of two lateral surface segments falls. With that you reach a first strong fanning out after the first reflection, the when the beam is first reflected on only one flat wall segment is not reached.
  • the MiRa code was developed as a gridless analytical computer procedure with which complex resonator geometries can be examined.
  • the inner walls of the resonator are metallic or with a metallic layer, making it suitable for the microwave are a mirror that reflects better the higher the electrical conductivity of the walls is. Beyond that they persist in the process environment, d. H. for the touching Atmosphere must be chemically inert and must be cooled to with thermal stress, which is predominantly from radiation and more or less subordinate to convection, to withstand.
  • a material like silver or copper or gold or stainless steel or some other suitable one metallic material as wall or interior wall coating used for the resonator (claim 3).
  • the microwave is coupled into the resonator by one of the two flat faces.
  • the coupling opening lies outside the center of the end face (Claim 4), see above that there is a common edge of two abutting shell segments there that is closest to the coupling opening lies. To this edge runs from the coupling opening outgoing beam axis and divides there at the first reflection first in two beam axes, up to the second Reflection are mirror images of each other.
  • the resonator Due to the homogeneous field distribution achieved in the steady state the resonator is now very good as a microwave oven Suitable for sintering ceramic substances. But it can other objects can also be heated or dried or simply tempered (claim 5).
  • a quasi-optical beam with a Gaussian beam is inserted into the resonator Beam profile or a microwave beam that comes close to this profile coupled (claim 6).
  • the coupling into the resonator 1 with a hexagonal cross section quasi-optical microwave beam 2 is used in the two Figures 1a and 1b simplified with the first two Reflections shown.
  • the microwave beam 2 enters the resonator 1 through the coupling opening 3 in the figure 1a lower front 4.
  • the beam axis 5 of the in Resonator 1 entering the first beam part is with a Angle a to the end face 4 inclined with the coupling opening 3. It is oriented so that it is on the closest edge of two abutting, flat polygon surfaces. On these two contiguous polygon surfaces becomes the Beam 2 reflected for the first time and simultaneously in two to each other divided symmetrical parts.
  • the interior of the resonator 1 is due to the always divergent beam path with increasing Reflections filled in more and more evenly.
  • the microwave oven consists of a cylindrical Form 6 with two connecting pieces 7 and 8, of which one 8th attaches to the lateral surface and the temperature measurement as well serves to pump out or flood the interior of the resonator and the second 7 attaches obliquely to one of the two end faces 4. Over the latter, the microwave 2 is inside the resonator coupled. That is why it is also with the coupling window 9 completed at the joint to the beam-guiding waveguide.
  • the inside of the original cylinder 6 is from the front side 4 to End face 4 with the applicator insert which is hexagonal in cross section 10 coaxial.
  • the applicator 10 is shown in FIG rotated so far about the cylinder axis that the incident Beam axis 5 on the closest edge of two intersecting Polygon walls of the applicator insert 10 falls. So that is done then there the first symmetrical division of the incident Microwave beam 2.
  • the MiRa code as a tool for determining and interpreting the optimal resonator geometry is a crucial tool. It is in its essential features and its basic Use explained in Figure 4. The more detailed connections of these codes are in the o. e. Literature comprehensible by the authors H. Feher et al. described. Essentially first a resonator model with polygonal Cross section assumed, modeled and used to calculate the in this field geometry occurring resonator geometry used. The numerical calculation is carried out using the MiRa field calculation, in which the microwave entering the resonator 1 2 is followed optically. The successive filling of fields in Resonator 1 can finally u. a. display suitable for video, so that z. B. as a result the longitudinal and cross-sectional development demonstrated the field distribution inside the resonator can be.
  • the aim is to keep the energy density in the defined working volume as large as possible, while at the same time little variation in the field strength values around the mean value (homogeneous distribution).
  • the working volume for comparison of the conditions, is defined as the coherent volume that has the best field quality with the original cylindrical geometry.
  • the study with the MiRa code to investigate the field homogeneity of various prismatic applicator designs revealed an optimum for the hexagonal structure with edge loading according to FIGS. 1a, b and 2b.
  • FIG. 3 shows the quotient normalized to the maximum (worst case) for the application of edges or walls.
  • the edge loading shows a better homogeneous energy yield except for the pentagonal cross section.
  • the normalized scatter is shown in FIG. With the hexagonal Applicator predicts that with him the least scatter with the highest possible energy density is to be expected. This finding has been confirmed experimentally, and it shows a spacious, completely homogeneous Blackening of the thermal papers placed in the resonator in all measured levels up to the applicator wall. The predictions are confirmed by the experiment, so that the MiRa code is characterized by high reliability. Calculations for higher polygonal cross sections Order converge in the scattering behavior of the resonator field quickly against the cylinder geometry.

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Description

Die Erfindung betrifft einen hochmodigen Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbehandlung von Werkstoffen. Mit ihm sollen Keramiken gesintert oder Materialien getrocknet werden können. Dies gelingt um so besser, je homogener die Feldverteilung im Resonatorinnern oder dem Mikrowellenofen ist.
In der DE 43 13 806 wird eine Vorrichtung zum Erhitzen von Materialien durch Mikrowellen beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einer Heizkammer, durch die hindurch das zu prozessierende Material transportiert wird. Die Heizkammer hat ein Wandteil, das konkav gekrümmt ist. An dieser wird die eingekoppelte Mikrowelle reflektiert und auf das zu erwärmende Materialvolumen fokussiert.
Eine vergleichbare Einrichtung zeigt die WO 90/03714. Dort dient die Heizkammer zur Speisenerwärmung, um zu versuchen das zu erwärmende Speisenvolumen mit einem gleichmäßigeren Temperaturfeld zu versehen.
In der JP 4-137391 ist die Heizkammer um eine der ersten Reflexionswand gegenüber liegende zweite Reflexionswand erweitert, womit angestrebt wird das Prozeßvolumen mit einem verstärkten, gleichmäßigen Feld zu erfüllen, um damit eine gleichmäßige Aufheizung des Gegenstands zu erreichen.
In der US 5,532,462 wird ein zylindrisches Reaktionsgefäß beschrieben, dessen Inneres mit Mikrowellenenergie geizt wird. Hierzu die Multimod-Mikrowelle in das Gefäß derart eingekoppelt, daß sie an der Innenwand absorbiert und reflektiert wird, und zwar derart, daß die Absorption und Reflektion helikal fortschreitend erfolgen. Das Kesselinnere soll so gleichmäßig geheizt werden.
In der FR-A 2 072 618 wird ein Mikrowellenresonator beschrieben, dessen Resonator ein prismatischer, bezüglich seiner Längsachse symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygonalem Querschnitt ist. Die Mantelflächensegmente wie auch die beiden Stirnseiten sind eben. Die Homogenität des Feldes wird von einem Drehflügel erzeugt, welcher die Funktion einer Art Antenne bildet und die gleichmäßige Verteilung des von dem Flügel im Resonator abgestrahlten Mikrowellenstrahls fördert.
Inhomogene Feldverteilungen führen beim ...
Inhomogene Feldverteilungen führen beim Sintern von Keramiken zu unterschiedlichen Dichten innerhalb einer Charge und zu inhomogenen Verdichtungen in einzelnen Proben, die letztlich mechanische Spannungen hervorrufen, die die Formteile deformieren oder gar zertrümmern. Diese Problematik und die daraus gezogene Erkenntnis, daß eine gleichmäßige Volumenheizung u. a. bei Sinterprozessen von bedeutendem Vorteil und großer Bedeutung bei der thermischen Materialprozessierung sind, werden in dem Aufsatz "Microwave Sintering of Zirconia-Toughened Alumina Composites" von H. D. Kimrey et al. abgehandelt (Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 189, 1991 Material Research Sosiety, Seiten 243 bis 255). Es werden zwei hochmodige, zylindrische Mikrowellenöfen betrieben, der eine bei 2.45 GHz und der andere bei 28 GHz. Erfolgreich war der Sinterprozeß nur bei der hohen Frequenz.
Anläßlich des MRS Spring Meeting in San Francisco, April 11th, 1996 (Symp. Microwave Processing of Materials V) berichteten L. Feher et al. unter dem Titel "The MiRa/THESIS 3D-Code Package for Resonator Design and Modeling of Millimeter-Wave Material Processing" über die Simulation der Feldverteilung in einem vom IAP in Nizhny Novgorod benutzten Design eines hochmodigen, zylindrischen Resonators mit sphärischem Deckel. Es wird darin gezeigt, daß Resonatoren mit kreiszylindrischer oder sphärischer Geometrie eine durchweg verbesserungsbedürftige Feldverteilungen haben. Aufgrund ihrer Topologie treten Fokussierungen des Feldes im Resonatorinnern zwangsläufig auf, so daß im Vergleich zum Resonatorvolumen nur ein verhältnismäßig kleines Arbeitsvolumen mit einigermaßen homogener Feldverteilung bleibt. Zusätzliche technische Maßnahmen wie Modenrührer und diffuse Flächen (Streuflächen) bringen zwar Verbesserung, die aber für die gewerbliche bzw. industrielle Anwendung mit zu hohem Aufwand verbunden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, starke inhomogene Feldüberhöhungen (Kaustiken) in einem Resonator, der als Mikrowellenofen verwendet wird, zu vermeiden und einen einkoppelnden Mikrowellenstrahl durch eine äußere Geometrie im Volumen zu verteilen, um dadurch ein aufzuwärmendes oder zu brennnendes bzw. zu sinterndes Gut einem weitgehend homogenen Feld aussetzen zu können.
Die Aufgabe wird durch einen hochmodigen Mikrowellenresonator gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der Resonator ist ein prismatischer, bezüglich seiner Längsachse symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygonalem Querschnitt. Alle Flächensegmente des Resonators sind eben oder gleichbedeutend, topologisch flach. Dadurch bleibt der eingekoppelte Mikrowellenstrahl bei Reflexionen an der Resonatorwand stets divergent und wird nicht wie bei kreiszylindrischen und sphärischen Geometrien immer wieder fokussiert.
Bei der ersten Reflexion erfährt der Strahl eine Aufteilung in zwei symmetrische Hälften, da die Strahlachse vom Mikrowellenkoppelfenster zunächst auf die nächstliegende, gemeinsame Kante zweier Mantelflächensegmente fällt. Damit erreicht man eine erste starke Auffächerung nach der ersten Reflektion, die bei erster Reflektion des Strahls an nur einem ebenen Wandsegment nicht erreicht wird.
Plausibel scheint zunächst, wenn der eingekoppelte Strahl stets derart reflektiert wird, daß eine Auffächerung erfolgt. Dann können ungebührliche Feldüberhöhungen, wie sie bei reiner Zylindergeometrie durch Fokussiereffekt auftreten, nicht zustande kommen. In Folge davon muß bei einer Resonatorgeometrie mit polygonalem Querschnitt nicht zu hoher Ordnung ein im Vergleich zur Zylindergeometrie viel größeres Nutzvolumen (auch Arbeits- oder Prozeßvolumen) zu erreichen sein.
Feldberechnungen mit einem speziell entwickelten Computerprogramm bestätigen diese Plausibilitätsbetrachtung. Zu diesem Zweck wurden Resonatordesignstudien mit diesem Computerprogramm, dem MiRa-Code (Microwave Raytracer), unter verschiedenen polygonalen Geometrien als meistversprechend ausgewählt. Der MiRa-Code dient zur Berechnung stationärer Wellenfelder und zeigt gute Übereinstimmung mit entsprechend realisierten Resonatoren.
Der MiRa-Code wurde als ein gitterloses analytisches Rechnerverfahren entwickelt mit dem komplexe Resonatorgeometrien untersucht werden können. Ein Strahlformalismus, der die kompletten Eigenschaften für elektromagnetische Felder im stationären Zustand repräsentiert, liefert die theoretische Basis für diesen Code. Dies erlaubt die Beschreibung eines monochromatischen, sich harmonisch ändernden Wellenfeld mit dem Vektorpotential A(x, t) = A(x) e-iwt.
Unter Einbeziehung von Eichtransformationen ist die Bedingung Φ(x, t) = O immer einzuhalten (siehe nochmals o. e. MRS Spring Meeting 1996, insbesondere "Optical field calculations with the Mira-Code").
Im abhängigen Anspruch 2 wird der symmetrisch hexagonale Querschnitt des Resonators gekennzeichnet, weil mit ihm hinsichtlich der homogenen Feldverteilung geringster Schwankung das beste Ergebnis erreicht wurde und damit das Resonatorvolumen fast vollständig als Arbeitsvolumen benutzt werden kann. Andere geradzahlig polygonale Resonatorquerschnitte zeigen hinsichtlich der Feldhomogenität nicht diese Qualität. Dennoch, ein oktagonaler Resonatorquerschnitt ist immer noch wesentlich günstiger für die Ausprägung eines homogenen Feldes als die zum Stand der Technik angeführten Geometrien, selbst wenn sie noch einen Modenrührer im Resonatorinnern haben.
Die Innenwände des Resonators sind metallisch oder mit einer metallischen Schicht bedeckt, wodurch sie für die Mikrowelle ein Spiegel sind, der um so besser reflektiert, je höher die elektrische Leitfähigkeit der Wände ist. Darüber hinaus müssen sie in der Prozeßumgebung beständig, d. h. für die berührende Atmosphäre chemisch inert sein und müssen gekühlt werden, um bei thermischer Belastung, die überwiegend von Strahlung und mehr oder weniger untergeordnet von Konvektion herrührt, standzuhalten. Je nach Einsatzfall wird ein Material wie Silber oder Kupfer oder Gold oder Edelstahl oder ein sonstwie geeignetes metallisches Material als Wand oder Innenwandbeschichtung für den Resonator eingesetzt (Anspruch 3).
Die Einkopplung der Mikrowelle in den Resonator erfolgt von einer der beiden ebenen Stirnseiten. Die Einkoppelöffnung liegt außerhalb des Zentrums der Stirnseite (Anpruch 4), so daß es eine gemeinsame Kante zweier aneinanderstoßender Mantelsegmente gibt, die der Einkopplungsöffnung am nächsten liegt. Zu dieser Kante läuft die von der Einkopplungsöffnung ausgehende Strahlachse und teilt sich dort bei der ersten Reflexion zunächst in zwei Strahlachsen auf, die bis zur zweiten Reflexion spiegelbildlich zueinander verlaufen.
Durch die erreichte homogene Feldverteilung im stationären Zustand ist jetzt der Resonator als Mikrowellenofen sehr gut zur Sinterung keramischer Substanzen geeignet. Es können aber durchaus auch andere Gegenstände ausgeheizt oder getrocknet oder einfach temperiert werden (Anspruch 5).
In den Resonator wird ein quasioptischer Strahl mit gaußschem Strahlprofil oder ein diesem Profil nahekommender Mikrowellenstrahl eingekoppelt (Anspruch 6).
Die Vorteile des prismatischen Resonators mit geradzahligem, symmetrisch polygonalem Querschnitt und der gegen die Längsachse geneigten Strahleinkopplung mit anschließender symmetrischer Strahlaufteilung nach der ersten Reflexion hat sich nach auf den MiRa-Code gestützte Vorhersagen als optimal und vorteilhaft herausgestellt. Die theoretischen Befunde wurden experimentell bestätigt. Vor allem können weitere bekannte technische Hilfsmittel wie der Modenrührer und Streuscheiben (Diffusoren) entfallen. Sie bringen keine zusätzliche Verbesserung mehr. Damit ist die Voraussetzung für eine gleichmäßige Verarbeitung mehrerer zu glühender oder zu brennender Körper, sogenannte Grünkörper, geschaffen und der industrielle Einsatz nahegelegt.
Das im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Ofen für die Keramiksinterung vorgesehen.
Es zeigt:
  • Figur 1a Projektion des eingekoppelten Strahls senkrecht zur Resonatorachse,
  • Figur 1b Projektion des eingekoppelten Strahls parallel zur Resonatorachse,
  • Figur 2 der Mikrowellenofen mit hexagonalem Applikatoreinsatz und Kantenbeaufschlagung durch die Mikrowelle,
  • Figur 3 Abhängigkeit der Feldhomogenität und Energiedichte im Arbeitsvolumen von der Ordnung des polygonalen Querschnitts und der Art der Wandbeaufschlagung,
  • Figur 4 Blockdiagramm der Feldberechnung mit dem MiRa-Code.
    • Der in den Resonator 1 mit hexagonalem Querschnitt einkoppelnde, quasioptische Mikrowellenstrahl 2 wird in den beiden Figuren 1a und 1b strahloptisch vereinfacht mit den beiden ersten Reflexionen dargestellt. Der Mikrowellenstrahl 2 tritt in den Resonator 1 durch die Einkoppelöffnung 3 in der in der Figur 1a unteren Stirnfseite 4 ein. Die Strahlachse 5 des in den Resonator 1 eintretenden, ersten Strahlteils ist mit einem Winkel a zur Stirnseite 4 mit dem Einkoppelöffnung 3 geneigt. Sie ist so ausgerichtet, daß sie auf die nächstliegende Kante der zwei aneinanderstoßenden, ebenen Polygonflächen stößt. An diesen beiden aneinanderstoßenden Polygonflächen wird der Strahl 2 erstmalig reflektiert und gleichzeitig in zwei zueinander symmetrische Teile aufgeteilt. Der Innenraum des Resonators 1 wird durch den stets divergenten Strahlengang mit zunehmenden Reflexionen immer gleichmäßiger ausgefüllt.
    In den Figuren 1a und 1b ist dieser Vorgang nur für die ersten beiden Reflexionen gezeigt, um anzudeuten, wie die Felderfüllung des Raumes und damit des Mikrowellenofens fortschreitet (In Wirklichkeit ist die stationäre Felderfüllung im Resonator nach dem Einkoppeln gewissermaßen sofort vorhanden). Stärkere lokale Feldüberhöhungen (Kaustiken) werden vermieden, infolge können keine sogenannten Hotspots in den im Resonator 1 aufgeheizten Keramikformen enstehen. Die zu prozeßierenden Keramikformen werden im Arbeitsvolumen (Prozeßvolumen) des Ofens (Resonators) dem Mikrowellenfeld ausgesetzt.
    In Figur 2 besteht der Mikrowellenofen aus einem zylindrischen Gebilde 6 mit zwei Anschlußstutzen 7 und 8, wovon der eine 8 an der Mantelfläche ansetzt und der Temperaturmessung sowie dem Auspumpen bzw. Atmosphärefluten des Resonatorinnern dient und der zweite 7 schräg an einer der beiden Stirnflächen 4 ansetzt. Über letzterem wird die Mikrowelle 2 ins Resonatorinnere eingekoppelt. Deshalb ist er auch mit dem Koppelfenster 9 an der Stoßstelle zum strahlführenden Hohlleiter abgeschlossen.
    Das Innere des Originalzylinders 6 ist von Stirnseite 4 zu Stirnseite 4 mit dem im Querschnitt hexagonalen Applikatoreinsatz 10 koaxial ausgelegt. In Figur 2 ist der Applikator 10 soweit um die Zylinderachse gedreht, daß die einfallende Strahlachse 5 auf die nächstliegende Kante zweier sich stoßender Polygonwände des Applikatoreinsatzes 10 fällt. Damit erfolgt dann dort die erste symmetrische Aufteilung des einfallenden Mikrowellenstrahls 2.
    Der MiRa-Code als Instrument zur Ermittlung und Auslegung der optimalen Resonatorgeometrie ist ein entscheidendes Werkzeug. Er ist in seinen wesentlichen Zügen und seiner grundsätzlichen Benutzung in Figur 4 erläutert. Die detaillierteren Zusammenhänge dieses Codes sind in der o. e. Literaturstelle nachvollziehbar von den Autoren H. Feher et al. beschrieben. Im wesentlichen wird zunächst ein Resonatormodell mit polygonalem Querschnitt angenommen, modelliert und zur Berechnung der in dieser Resonatorgeometrie auftretenden Feldverteilung herangezogen. Die numerische Kalkulation erfolgt mit der MiRa-Feldberechnung, in der die in den Resonator 1 eintretende Mikrowelle 2 strahloptisch verfolgt wird. Die sukzessive Felderfüllung im Resonator 1 läßt sich schließlich u. a. videogeeignet darstellen, so daß z. B. als ein Ergebnis die Längs- und Querschnittsentwicklung der Feldverteilung im Resonatorinnern vorgeführt werden kann.
    Zur Ofenauslegung ist es das Bestreben, die Energiedichte im definierten Arbeitsvolumen möglichst groß zu halten, bei gleichzeitiger geringer Streuung der Feldstärkewerte um den Mittelwert (homogene Verteilung). Das Arbeitsvolumen, zum Vergleich der Bedingungen, wird als das zusammenhängende Volumen definiert, das bei der zylindrischen Originalgeometrie die beste Feldqualität aufweist. Durch die Studie mit dem MiRa-Code zur Untersuchung der Feldhomogenität verschiedener prismatischer Applikatordesigns zeigte sich ein Optimum für die hexagonale Struktur mit Kantenbeaufschlagung gemäß Figuren 1a, b und 2b. Hier ist das Verhältnis
    (Streuung der Energiedichte im Arbeitsvolumen) : (im Arbeitsvolumen zur Verfügung stehende mittlere Energiedichte)
    minimal. In der Figur 3 ist der auf das Maximum (ungünstigste Fall) normierte Quotient für Kanten- bzw. Wandbeaufschlagung dargestellt. Die Kantenbeaufschlagung zeigt eine bis auf den pentagonalen Querschnitt bessere homogene Energieausbeute.
    In Figur 3 ist die normierte Streuung gezeigt. Mit dem hexagonalen Applikator ergibt sich die Vorhersage, daß mit ihm die geringste Streuung bei möglichst hoher Energiedichte überhaupt zu erwarten ist. Dieser Befund ist experimentell bestätigt, und zwar zeigt sich eine großräumige, vollkommen homogene Schwärzung der in den Resonator gebrachten Thermopapiere in allen gemessenen Ebenen bis zur Applikatorbewandung. Die Vorausberechnungen werden also durch das Experiment bestätigt, so daß sich der MiRa-Code durch eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet. Berechnungen für polygonale Querschnitte höherer Ordnung konvergieren im Streuverhalten des Resonatorfeldes rasch gegen die Zylindergeometrie.
    Als Balken für, Kante- Beaufschlagung durch die einkoppelnde Mikrowelle, ist das Verhältnis für die mittlere Energie und Streuung der Original- (Zylinder-) geometrie bei stillstehendem Modenrührer zu sehen. Der zweite Balken zeigt den Gewinn durch einen laufenden Modenrührer, der sich so schnell dreht, daß die Fluktuation durch die Einzelstellungen des Modenrührers nicht mehr nachweisbar sind. Die Originalkonfiguration kann in Streuung und zur Verfügung stehender Energiedichte vergleichbar einer kubischen (quadratischer Resonatorquerschnitt) Applikatorgeometrie angesehen werden, allerdings ist hier die Homogenität ohne ein technisches Hilfsmittel wie Modenrührer oder Streuscheibe erreicht.
    Bei der Studie der Feldverteilung mit dem MiRa-Code hinsichtlich der experimentellen Überprüfung wurden die Polygone, mit quadratischem Querschnitt startend, in den zylindrischen Querschnitt des Originalresonators einbeschrieben. Damit steigt das Volumen mit zunehmender Kantenzahl an und folglich sinkt bei gleicher eingekoppelter Leistung die im Volumen zur Verfügung stehende Energiedichte. Dieses kommt insbesondere beim Pentagon zum Ausdruck.
    Es ist für polygonale Querschnitte geradzahliger Ordnung eine deutliche Abnahme der Streuung von der Originalgeometrie ohne laufenden Modenrührer über den quadratischen Querschnitt bis hin zum hexagonalen Querschnitt gegeben. Erst ab dieser steigt die Streuung wieder an, ist aber für die Polygone geradzahliger Ordnung durchweg besser als bei Wandbeaufschlagung. Bedeutend stärker ist die normierte Feldstreuung für ungeradzahlige Polygone. Es konvergiert die normierte Streuung für polygonale Querschnitte höherer Ordnung rasch gegen die Originalgeometrie ohne laufenden Modenrührer.
    Bezugszeichenliste
    1
    Resonator
    2
    Mikrowellenstrahl, Mikrowelle
    3
    Einkopplungsöffnung
    4
    Stirnseite
    5
    Strahlachse
    6
    Zylinder, Gebilde
    7
    Anschlußstutzen
    8
    Anschlußstutzen
    9
    Koppelfenster
    10
    prismatischer Hohlraum, Applikatoreinsatz

    Claims (6)

    1. Hochmodiger Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbehandlung von Werkstoffen, wobei der Resonator (1) ein prismatischer, bezüglich seiner Längsachse symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygonalem Querschnitt ist und die Mantelflächensegmente als auch die beiden Stirnseiten (4) des Resonators (1) eben sind,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Strahlachse (5) des von einer der beiden Stirnseiten (4) einzukoppelnden Mikrowellenstrahls (2) schräg auf die nächstliegende Kante zweier aneinander stoßender Mantelflächensegmente fällt, wodurch der in den Resonator (1) eingekoppelte divergente Mikrowellenstrahl (2) bei der erstmaligen Reflexion nahe der Einkopplung (3) in zwei zueinander symmetrische Reflexions- und Beugungsanteile aufgefächert wird, und
      bei den weiteren Reflexionen an den Resonatorinnenwänden stets aufgefächert wird, so daß im gesamten Resonatorvolumen eine weitgehend homogene Feldverteilung besteht.
    2. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 1,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      zum Erreichen einer Homogenität des Feldes mit minimaler Schwankung der Querschnitt des Resonators (1) hexagonal oder oktagonal ist.
    3. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 2,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      die Innenwände des Resonators (1) mit einem für den vorgesehenen Prozeß geeigneten metallischen Material hoher elektrischer Leitfähigkeit wie Silber oder Kupfer oder Gold oder Aluminium oder Edelstahl beschichtet sind, wodurch die Wände Spiegel für die eingekoppelte Mikrowelle (2) darstellen.
    4. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 3,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      der Resonator (1) ein Ofen zur Hochtemperaturbehandlung von Materialien wie Erhitzen oder Trocknen oder Sintern und/oder Verschweißen von Keramiken oder zum Tempern von Halbleitern ist.
    5. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 4,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      das Einkoppelfenster (3) von der Mitte der einen Stirnseite (4) versetzt angebracht ist.
    6. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 5,
      dadurch gekennzeichnet, daß
      der eingekoppelte Mikrowellenstrahl (2) ein quasioptischer Strahl mit gaußschem Strahlprofil oder einem diesem nahekommenden Profil ist.
    EP97930399A 1996-08-17 1997-06-25 Hochmodiger mikrowellenresonator für die hochtemperaturbehandlung von werkstoffen Expired - Lifetime EP0919110B1 (de)

    Applications Claiming Priority (3)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    DE1996133245 DE19633245C1 (de) 1996-08-17 1996-08-17 Hochmodiger Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbehandlung von Werkstoffen
    DE19633245 1996-08-17
    PCT/EP1997/003328 WO1998008359A1 (de) 1996-08-17 1997-06-25 Hochmodiger mikrowellenresonator für die hochtemperaturbehandlung von werkstoffen

    Publications (2)

    Publication Number Publication Date
    EP0919110A1 EP0919110A1 (de) 1999-06-02
    EP0919110B1 true EP0919110B1 (de) 2001-09-26

    Family

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