EP0919110B1 - High-mode microwave resonator for the high-temperature treatment of materials - 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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- 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
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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.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.
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.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. At this the coupled Microwave reflects and on the material volume to be heated focused.
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.A comparable device is shown in WO 90/03714. There 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.
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 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.
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. A cylindrical reaction vessel is described in US Pat. No. 5,532,462, the inside of which is stingy with microwave energy. For this purpose, 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.
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.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.
Inhomogene Feldverteilungen führen beim ... Inhomogeneous field distributions lead ...
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.Inhomogeneous field distributions lead to the sintering of ceramics to different densities within a batch and to inhomogeneous Densifications in individual samples, ultimately mechanical Cause stresses that deform the molded parts or even smash it. This problem and the resultant Realization that a uniform volume heating u. a. of significant advantage and importance in sintering processes in thermal material processing are in the article "Microwave Sintering of Zirconia-Toughened Alumina Composites "by H. D. Kimrey et al. (Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 189, 1991 Material Research Sosiety, Pages 243 to 255). There are two high-fashioned, cylindrical ones Microwave ovens operated, one at 2.45 GHz and the other at 28 GHz. The sintering process was only successful with the high frequency.
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.On the occasion of the MRS Spring Meeting in San Francisco, April 11th, 1996 (Symp. Microwave Processing of Materials V) reported L. Feher et al. under the title "The MiRa / THESIS 3D Code Package for Resonator Design and Modeling of Millimeter-Wave Material Processing "via the simulation of the field distribution in a design used by the IAP in Nizhny Novgorod of a high-fashioned cylindrical resonator with spherical lid. It it is shown that resonators with circular cylindrical or spherical geometry, all in need of improvement Have field distributions. Kick due to their topology Focus of the field inside the resonator inevitably on so that compared to the resonator volume only a relative small work volume with a reasonably homogeneous field distribution remains. Additional technical measures such as fashion stirrers and diffuse surfaces (scattered surfaces) bring improvement, but for commercial or industrial use are associated with too much effort.
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.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.
Die Aufgabe wird durch einen hochmodigen Mikrowellenresonator
gemäß Anspruch 1 gelöst.The task is accomplished by a high-fashion microwave resonator
solved according to
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.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.
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.At the first reflection, 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.
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.At first it seems plausible if the injected beam is always reflected in such a way that a fanning out takes place. Then undue field peaks, as in pure Cylinder geometry occur due to focusing effect, does not occur come. As a result, a resonator geometry with polygonal cross section not too high in comparison to the cylinder geometry much larger usable volume (also Work or process volume).
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.Field calculations with a specially developed computer program confirm this plausibility check. For this purpose, resonator design studies using this computer program, the MiRa code ( Mi crowave Ra ytracer), were selected as the most promising among various polygonal geometries. The MiRa code is used to calculate stationary wave fields and shows good agreement with correspondingly implemented resonators.
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
Unter Einbeziehung von Eichtransformationen ist die Bedingung
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. In
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).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. Depending on the application, 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).
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.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.
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).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).
In den Resonator wird ein quasioptischer Strahl mit gaußschem Strahlprofil oder ein diesem Profil nahekommender Mikrowellenstrahl eingekoppelt (Anspruch 6).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).
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.The advantages of the prismatic resonator with an even number symmetrical polygonal cross section and against the Beam coupling inclined along the longitudinal axis with subsequent symmetrical Beam splitting after the first reflection has according to predictions based on the MiRa code as optimal and emphasized advantageous. The theoretical findings were experimentally confirmed. Above all, other well-known ones technical aids such as the fashion stirrer and spreading discs (Diffusers) are eliminated. They don't bring any additional improvement more. This is the prerequisite for an even Processing of several bodies to be glowing or burning, so-called green bodies, created and industrial use suggested.
Das im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben Ausführungsbeispiel der Erfindung ist als Ofen für die Keramiksinterung vorgesehen.The embodiment described below with reference to the drawing the invention is as a furnace for ceramic sintering intended.
Es zeigt:
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.The coupling into the
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 Figures 1a and 1b, this process is only for the first
Both reflections are shown to indicate how the fields are filled
of the room and thus the microwave oven
(In reality, the stationary field filling is in the resonator
almost immediately available after coupling). Stronger
local field elevations (caustics) are avoided as a result
can no so-called hotspots in the heated in the
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.In Figure 2, the microwave oven consists of a
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.The inside of the
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.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
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.When designing the furnace, 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. Here is the relationship
(Scattering of the energy density in the work volume): (Average energy density available in the work volume)
minimal. 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.
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.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.
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.As a beam for, edge loading through the coupling Microwave, is the ratio for the medium energy and Scattering of the original (cylinder) geometry when stationary To see fashion stirrers. The second bar shows the profit by a running fashion stirrer that turns so fast that the fluctuation through the individual positions of the mode stirrer are no longer detectable. The original configuration can be in scatter and available energy density comparable to a cubic (square resonator cross section) Applicator geometry can be viewed, however here the homogeneity without a technical aid such as a fashion stirrer or lens has been reached.
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. When studying the field distribution with the MiRa code regarding the polygons, with square cross section starting in the cylindrical cross section of the original resonator. So that increases the volume increases with the number of edges and consequently decreases with the same coupled-in power available in volume standing energy density. This comes especially with the Pentagon expressed.
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. It is an even order for polygonal cross-sections significant decrease in scatter from the original geometry without running mode stirrers up to the square cross section given to the hexagonal cross section. Only from this increases the scatter increases again, but is even-numbered for the polygons Consistently better than with wall application. Significantly The standardized field scatter is stronger for odd numbers Polygons. The normalized scatter for polygonal converges Cross-sections of higher order quickly against the original geometry without running fashion stirrer.
- 11
- ResonatorResonator
- 22nd
- Mikrowellenstrahl, MikrowelleMicrowave beam, microwave
- 33rd
- EinkopplungsöffnungCoupling opening
- 44th
- StirnseiteFace
- 55
- StrahlachseBeam axis
- 66
- Zylinder, GebildeCylinders, structures
- 77
- AnschlußstutzenConnecting piece
- 88th
- AnschlußstutzenConnecting piece
- 99
- KoppelfensterCoupling window
- 1010th
- prismatischer Hohlraum, Applikatoreinsatzprismatic cavity, applicator insert
Claims (6)
- Highly modal microwave resonator for the high-temperature treatment of materials, with the resonator (1) being a prismatic and, in relation to its longitudinal axis, symmetric cavity with an even-numbered polygonal cross section and the lateral surface segments as well as both front surfaces (4) of the resonator (1) being plane, characterized bythe beam axis (5) of the microwave beam (2) to be coupled in via one of both front surfaces (4) hitting the nearest edge of two adjacent lateral surface segments in an inclined manner, as a result of which the divergent microwave beam (2) coupled in the resonator (1) is fanned up into two symmetrical reflection and diffraction components during first reflection near the coupling (3), and byfurther reflections at the inner walls of the resonator always causing the beam to be fanned up such that a largely homogeneous field distribution exists in the entire resonator volume.
- Highly modal microwave resonator according to claim 1, characterized by
the cross section of the resonator (1) being hexagonal or octagonal in order to obtain field homogeneity with minimum fluctuations. - Highly modal microwave resonator according to claim 2, characterized by
the inner walls of the resonator (1) being coated with a metal material of high electrical conductivity, which is suited for the process, e.g. silver or copper or gold or aluminum or stainless steel, as a result of which the walls represent mirrors for the coupled-in microwave (2). - Highly modal microwave resonator according to claim 3, characterized by
the resonator (1) representing a furnace for the high-temperature treatment of materials, such as the heating or drying or sintering and/or welding of ceramics, or for the annealing of semiconductors. - Highly modal microwave resonator according to claim 4, characterized by
the window for coupling in (3) being set off from the center of one front surface (4). - Highly modal microwave resonator according to claim 5, characterized by
the coupled-in microwave beam (2) representing a quasi-optical beam having a Gaussian beam profile or a profile that nearly corresponds to it.
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