EP0950341B1 - Brennofen für die hochtemperaturbehandlung von materialien mit niedrigem dielektrischem verlustfaktor - Google Patents

Brennofen für die hochtemperaturbehandlung von materialien mit niedrigem dielektrischem verlustfaktor Download PDF

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EP0950341B1
EP0950341B1 EP98904027A EP98904027A EP0950341B1 EP 0950341 B1 EP0950341 B1 EP 0950341B1 EP 98904027 A EP98904027 A EP 98904027A EP 98904027 A EP98904027 A EP 98904027A EP 0950341 B1 EP0950341 B1 EP 0950341B1
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EP
European Patent Office
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baking oven
resonator
oven according
microwave
radiation
Prior art date
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EP98904027A
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French (fr)
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EP0950341A1 (de
Inventor
Wolfgang Bartusch
Günter Müller
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Carbolite Gero GmbH and Co KG
Original Assignee
Gero Hochtemperaturoefen GmbH
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Publication date
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Publication of EP0950341A1 publication Critical patent/EP0950341A1/de
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Publication of EP0950341B1 publication Critical patent/EP0950341B1/de
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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
    • H05B6/708—Feed lines using waveguides in particular slotted 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
    • 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
    • H05B6/705—Feed lines using microwave tuning

Definitions

  • the invention relates to a kiln for high temperature treatment of materials with relatively low dielectric Loss factor when the material is heated by absorption of microwave energy in a cavity and with the further generic in the preamble of claim 1 Features.
  • Such a kiln is known from WO95 / 05058 PCT / GB94 / 01730 known.
  • the well-known kiln has a design in which it is used for Sintering ceramic materials in one during sintering resting stack is suitable, a cuboid cavity, within that by a cuboid Thermal insulation device of the roughly cuboid stacking space is delimited to that area within the Corresponds to that of a sufficiently homogeneous Distribution of the electric field strength is assumed.
  • the Uniformity of the electric field strength or the square the same is a prerequisite for the sintered material to be sufficient "evenly" can be thermally treated.
  • a heating device which allows the edge areas the sintered stack conventionally, e.g. by means of a resistance heater in addition to heat in this way balanced temperature profile within the sintered stack achieve.
  • the known kiln is indeed suitable, in a relative sense small treatment area about the same thermal conditions can be achieved in the entire treatment volume with the Disadvantageous is that it is exposed to microwave radiation Thermal insulation device the majority of the irradiated Absorbs microwave energy, which inevitably leads to a leads to high consumption of microwave energy, which is not for the Desired thermal treatment of the sintered goods available stands. This results from the fact that in practical cases Total volume of insulation material is significantly larger than that Volume of the sintered good.
  • the well-known kiln is therefore as industrially usable furnace not suitable because it is efficient Utilization of microwave energy is not given, its generation but is much more expensive than the "conventional" Heating by means of an electrical resistance heater.
  • WO95 / 05058 also means that it is designed as a continuous furnace Kiln known as the tunnel kiln with heating zones different temperature is formed by which Sintered material is moved over transport rollers, the additional heating is arranged outside the treatment room is and the thermal insulation that the environment against the high temperature area insulated, enclosing the furnace on the outside.
  • this oven is a system with inevitable insufficient field homogeneity, i.e. an oven design, which is possible when relatively small opposites are serial be sintered, and it due to the moving through due to inhomogeneous areas not to a homogeneous field distribution arrives.
  • the well-known tunnel kiln is for materials with high dielectric Losses suitable, the microwave energy strong absorb, but not for the treatment of sintered goods relatively weak dielectric losses, which is practically only in significant quantities in a cavity resonator with high Field homogeneity can be treated.
  • the known tube furnace would be for low dielectric materials Loss factor, which is technically of great interest are not suitable.
  • the object of the invention is therefore a furnace of the beginning Specify the type of high temperature treatment of sintered material with a low dielectric loss factor allowed in a large volume of treatment due to its dimensions can be used as an industrial furnace and thereby nevertheless operable with a high degree of energy utilization is. Furthermore, the kiln is intended for applications within a wide temperature range up to 1800 ° C.
  • Such a magnetron can e.g. a center frequency of 2.45 GHz, which has a tuning range of between 2.438 GHz up to 2.462 GHz.
  • the radiation source is designed so that the time for a frequency swing between the cut-off frequencies is in the tenths of a second range, e.g. between 0.05 and 1 second, i.e. within a period of time that is small against the thermal relaxation time of the sintered material.
  • a quasi-continuous "gap-free" tuning range of the frequency results if the frequency spacings in the frequency scale of adjacent center frequencies of the magnetron satisfy the relationship ( ⁇ f i + ⁇ f i + 1 ) / 2.
  • its cavity resonator is cuboid, preferably such that the edge lengths l z , l y and l z of the cavity boundary correspond to at least 10 times the wavelength ⁇ of the microwave radiation.
  • the cavity resonator can be as claimed 7 provided, seen in the direction in which flat boundary walls of the cavity resonator along parallel Adjoin corner edges, has a polygonal shape, i.e. the shape of a prismatic hollow profile.
  • the resonator made of plate-shaped in a simple manner
  • Elements can be assembled, in particular also as per Claim 8 provided, made of plate-shaped graphite material.
  • This design of the cavity resonator has the advantage that the Kiln can be operated at very high temperatures, so that Sintering processes in temperature ranges up to 1800 ° C possible become.
  • the design of the cavity resonator is also the Limit case of the cylindrical-tubular resonator in good approximation reachable.
  • This design has the constructive point of view Advantage that the design of the resonator better than usual cylindrical outer vessel can be approximated, which can be evacuated is and / or can be flushed with protective gas.
  • an antenna arrangement according to claim 9 has an omnidirectional characteristic, i.e. a directivity largely avoided.
  • Such an antenna is according to the Features of claim 10 as a multiple single radiator comprising Group emitter trained, the individual emitters in a statistically distributed phase position can be fed.
  • Such a group radiator is designed in a preferred embodiment of the oven according to claim 11 as a slot radiator, which comprises a plurality of radiation slots with a slot length between ⁇ / 4 and ⁇ / 2 and a compared to this small slot width w, which, in the direction of propagation of the microwave field in the feeding waveguide seen, distributed over its length such that the same or approximately the same amounts of microwave energy can be coupled into the cavity resonator per slot, the extent of the individual slots being between w and ⁇ / 2, viewed in the direction of propagation of the microwave field in the waveguide, furthermore, the distance of successive slots of the slot antenna measured in the direction of propagation of the microwave field in the waveguide is between ⁇ / 2 and 3 ⁇ / 4 and, based on the longitudinal center plane of the waveguide running in the direction of propagation, the lateral distance of the slots from this center live, increases gradually over the length of the waveguide, and that a statistical distribution of the longitudinal slots, which form the individual radiation elements, is provided with respect to the longitudinal median
  • This design of the slot antenna is a very good one Omnidirectional characteristics already achieved when at least 20 Single slots are provided, with increasing numbers of the slots an increasingly effective approximation of the antenna characteristics to the omnidirectional characteristic.
  • the slot radiator can at least some of its slots also obliquely to the spread of the microwave field in the waveguide run.
  • the antenna (s) are strip-shaped Edge areas of flat parts of the resonator walls arranged is / are in the immediate vicinity of edges of the resonator wall run along the flat inner surfaces of the resonator bump into each other.
  • the resonator and the waveguide (s) via which the Antenna (s) is / are fed, surrounding auxiliary heating is designed as an electrically controllable resistance heater, which, according to a temperature curve specified by a program is controlled that the temperature curve in Sintered material, which in turn by means of a temperature sensor, preferably a pyrometer is monitored and for the target-actual value comparison for heating the resonator wall whose temperature is used in the sense of a run-on control adjusted to the temperature of the sintered material is essentially due to the radiated microwave power is determined.
  • each of the resonator walls has its own Assign heating element and its own temperature sensor.
  • the insulation itself made of graphite or of a Graphite based material formed, e.g. Graphite felt and then mediates an arrangement on the inside of the resonator surrounding housing provided, due to the conductivity effective suppression of any of the graphite material Microwave leakage radiation to the outside.
  • Typical workpieces 11 which are produced on the basis of nitride-ceramic material, in particular Si 3 N 4 , for example ball bearings, valve body and housing, nozzles, or can be produced on the basis of oxide-ceramic material, for example sealing disks and rings, and require a sintering treatment, should be exposed to this thermal treatment in the furnace 10.
  • dielectric loss factor (tan ⁇ ⁇ 0.01), which in one a total of 12 stacks are arranged.
  • the treatment room within which the sintered material is held in a stack as a dielectric loading of the cavity resonator 16 in a manner not specifically shown, is schematically represented in FIG. 1a as a central subspace 17 geometrically similar to the interior of the cavity resonator 16, the one for the thermal treatment of the sintered material 11 usable volume can be approximately 1/3 of the resonator volume V res .
  • the types of vibrations that can be resonantly excited in such a cavity result in a periodically varying field course in the three coordinate directions x, y and z within the cavity, the square (E 2 ) of the electric field strength (E) of the electric field generated in the cavity between 0 and one Maximum amount varies, ie a field distribution that is extremely inhomogeneous in space.
  • a magnetron with a fundamental frequency of 2.45 GHz is provided as the microwave radiation source 13.
  • the resonator volume V res is 1.4 m 3 , so that the ratio V res / ⁇ 3 has a value of about 770.
  • a value of 7.6 m 3 is assumed for the value A res of the total area of the resonator walls 16 1 to 16 6 .
  • the resonator walls 16 1 to 16 6 consist of plate-shaped graphite material, so that at the specified frequency of the microwave source there is a penetration depth e of 32 ⁇ m, which corresponds to a quality of the resonator wall of approximately 8600.
  • a value A ant of 60 cm 2 is assumed for the "radiating" antenna area, which corresponds to a quality factor Q ant of the antenna arrangement of approximately 48,000.
  • the value of the quality Q diel of the sintered good is 2100 if a value of 8 and a loss factor of 0.008 are used for the dielectric constant.
  • the bandwidth B of the microwave radiation generated by the magnetron is less than 10 -6 , which corresponds to a source quality Q source of more than 10 6 .
  • the total quality Q ges approximately corresponds to the quality Q diel of the dielectric material and the number of excitable vibration types ⁇ N approximately a value of 9. This results in a sufficient number of vibration types that are sufficient for a sufficiently uniform Distribution of the electrical field in the cavity are necessary, can only be achieved by a broadband microwave source.
  • the furnace 10 is designed to have the following relationship: V res ⁇ B / ⁇ 3 ⁇ 20
  • the antenna arrangement 14, by means of which microwave energy generated by the magnetron 13 can be coupled into the cavity resonator 16, is designed as a slot radiator which comprises a plurality of radiation slots 18, each of which forms an antenna element, the radiating antenna area of which corresponds to the clear slot area.
  • These radiation slots 18 are arranged in a longitudinal wall 19 of a rectangular waveguide 21 (FIG.
  • the microwave energy generated by the magnetron 13 and fed into it at one end of the waveguide 21 only in the TE 10 mode (basic vibration type) in the arrangement example shown is capable of spreading in the z direction, such that the electric field vector is perpendicular to the longitudinal waveguide wall 19 provided with the slots 18 and the field distribution of the electric field in the interior of the rectangular waveguide runs essentially symmetrically to its longitudinal center plane 23, which in turn extends in the direction of propagation of the microwave field in the waveguide 21.
  • These radiation slots 18 are distributed over the length l z of the rectangular waveguide 21 such that the same or approximately the same amounts of microwave energy can be coupled into the cavity resonator 16 per radiation slot 18, and that the phase positions of the radiation slots through the radiation slots into the cavity resonator 16 coupled electromagnetic fields are different in a statistical sequence.
  • the distance d (Fig. 2a) is consecutive Slots of slot antenna 14 between ⁇ / 2 and 3 ⁇ / 4, where deviating from the illustration chosen for explanation, in the longer slot edges parallel to the longitudinal median plane 23 of the waveguide 21, also slot configurations with diagonally to this or even perpendicular to this Longitudinal edges are possible.
  • the slot antenna 14, in which the radiation slots parallel to of this longitudinal center plane 23, the length is 1 individual slots 18 between ⁇ / 4 and ⁇ / 2 and is significant larger than that perpendicular to the longitudinal median plane 23 or the direction of propagation of the microwave energy in the rectangular waveguide measured width w of the slots.
  • Over the length of the Rectangular waveguide 21 seen away at one end the microwave energy generated by the magnetron 13 is fed in is the lateral distance a of the radiation slots from the longitudinal median plane 23 of the rectangular waveguide 21 gradually.
  • the order of the arrangement on each side of the median longitudinal plane arranged radiation slots 18 'and 18' '(Fig. 2a) corresponds to the slot spacing d, seen in Direction of propagation of the microwave field in the rectangular waveguide 21, a "binary" random sequence of slot pairings (1,0) and (0,1), where (1,0) means that a slot 18 'on one, "left" side of the longitudinal median plane 23 of the rectangular waveguide 21 is present, but not a symmetrical to this arranged slot 18 '' and the combination (0.1), that on the other "right” side of the median longitudinal plane 23 Beam slot 18 '' is available, but not on the opposite, "left" side.
  • the combination (1,1) that a phase difference of exactly opposite one another arranged radiation slots 18 'and 18' 'emitted Field of ⁇ / 2, and the combination (0.0) are in the exemplary embodiment chosen for explanation, without restriction of generality, excluded.
  • the so far slot antenna explained in its basic structure acts as a group radiator, whose through the slots 18 or 18 'and 18 "formed single radiators with statistically distributed Phases can be fed, which reduces the radiation characteristics the antenna arrangement 14 in a very good approximation Omnidirectional characteristic is.
  • the rectangular waveguide 21 provided for feeding the radiation slots 18 of the antenna arrangement 14 is integrated into a prismatic graphite body 24, corresponding to the schematic illustration in FIG 1 represents a resonator cavity boundary surface which mediates in a corner region of the cavity resonator 16 between the resonator walls 16 2 and 16 4 which adjoin one another at right angles in the region of the antenna arrangement 14, the waveguide surfaces delimiting the waveguide interior 22 in pairs in parallel or run perpendicular to the inclined inner longitudinal boundary surface 26 of the cavity resonator 16, which is formed by the "hypotenuses" surface of the graphite body 24.
  • a design of the magnetron 13 is provided in which its oscillation frequency within one Bandwidth of 1/100 of the fundamental frequency f of 2.45 GHz is variable.
  • the cycle times of the frequency variation which can be controlled by means of an electronic control unit 27, are matched to the thermal relaxation behavior of the sintered good 11 in that they are small compared to the thermal relaxation time of the sintered good to be treated. Accordingly, the electronic control unit 27 is designed so that the cycle times can be between 0.05 and 1 second.
  • two or more antenna arrangements 14 are provided are, it is expedient if they are approximately equidistant azimuthally around a parallel to the polygon edges of the resonator cavity running "central" axis are grouped around a uniform radiation of microwave energy into the treatment room 17 to achieve the cavity resonator.
  • the furnace 10 is provided with a heating device, designated overall by 28, which in turn comprises six electrical resistance heating elements 28 1 to 28 6 according to the number of large wall elements 16 1 to 16 6 of the cavity resonator 16 (the resistance heating elements 28 5 and 28 6 are not shown because Figure 1 shows a cross section), the heating powers of which can be controlled individually, so that the temperature of the wall elements 16 1 to 16 6 can be influenced individually.
  • the wall elements 16 1 to 16 6 are each equipped with at least one temperature sensor 29 1 to 29 6 (the temperature sensors 29 5 and 29 6 are not shown because FIG. 1 shows a cross section), which generate characteristic electrical output signals for the actual values of the wall temperatures.
  • a pyrometer designated as a whole by 32, is provided, by means of which the temperature of the sintered material 11 can be detected.
  • This pyrometer 32 comprises a specimen 33 arranged at a suitable location in the stack 12 and an electronic-optical sensor 34, by means of which the radiation temperature of the specimen 33 can be detected, so that a characteristic electrical output signal of the sensor 34 is a precise measure of the temperature of the sintered material 11 is.
  • the electronic control unit 31 of the heating device 28 mediates comparative processing of the actual value output signals of the pyrometer arrangement 32 and the temperature sensors 29 1 to 29 6 and also mediates a control of the heating elements 28 1 to 28 6 and the power control of the microwave source 13 in the Meaning that the wall temperature of the cavity resonator 16 corresponds as exactly as possible to the temperature of the sintered material 11.
  • the course of the furnace temperature over time, ie both the temperature of the sintered material and the resonator wall temperature (s) is controlled according to a program which, taking into account the material properties and the geometric dimensions of the workpieces 11, gives a qualitatively good treatment result.
  • the cavity resonator 16 and the heating elements 28 1 to 28 6 of the heating device 28 provided for heating its walls 16 1 to 16 6 are arranged within a stable steel housing 36 which, for the purpose of the possibility of a protective gas purging of its interior 17 including the resonator cavity or evacuation of the same is carried out gastight.
  • the steel housing 36 is lined on the inside with a heat insulation layer 38, which consists of a high-temperature-resistant insulation material, for example graphite felt, for the purpose of heat insulation of its interior from the surrounding space of the furnace 10.

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Description

Die Erfindung betrifft einen Brennofen für die Hochtemperaturbehandlung von Materialien mit relativ niedrigem dielektrischem Verlustfaktor unter Erwärmung des Materials durch Absorption von Mikrowellenenergie in einem Hohlraumresonator und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten gattungsbestimmenden Merkmalen.
Ein derartiger Brennofen ist durch die WO95/05058 PCT/GB94/01730 bekannt.
Der bekannte Brennofen hat in einer Gestaltung, in der er zum Sintern von keramischen Materialien in einem während des Sinterns ruhenden Stapel geeignet ist, einen quaderförmigen Hohlraumresonator, innerhalb dessen durch eine quaderförmig gestaltete Wärmedämm-Einrichtung der wiederum etwa quaderförmige Stapelraum abgegrenzt ist, der demjenigen Bereich innerhalb des Resonators entspricht, in dem von einer hinreichend homogenen Verteilung der elektrischen Feldstärke ausgegangen wird. Die Gleichmäßigkeit der elektrischen Feldstärke bzw. des Quadrats derselben ist Voraussetzung dafür, daß das Sintergut hinreichend "gleichmäßig" thermisch behandelbar ist. Um hierbei dem Effekt entgegenzuwirken, daß mit zunehmender Erwärmung des Sintergutes die Wärmeabstrahlung aus den randnahen Bereichen des Sinterstapels dazu führt, daß im Inneren desselben eine höhere Temperatur herrscht als in den genannten Randbereichen, ein Effekt, der für Mikrowellen-Brennöfen charakteristisch ist, ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die es erlaubt, die Randbereiche des Sinterstapels konventionell, z.B. mittels einer Widerstandsheizung zusätzlich zu erwärmen, um auf diese Weise ein ausgeglichenes Temperaturprofil innerhalb des Sinterstapels zu erzielen.
Der bekannte Brennofen ist zwar geeignet, in einem relativ kleinen Behandlungsbereich etwa gleiche thermische Verhältnisse im gesamten Behandlungsvolumen zu erreichen, ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß die der Mikrowellenstrahlung ausgesetzte Wärmedämm-Einrichtung den überwiegenden Anteil der eingestrahlten Mikrowellenenergie absorbiert, was zwangsläufig zu einem hohen Verbrauch an Mikrowellenenergie führt, die nicht für die erwünschte thermische Behandlung des Sintergutes zur Verfügung steht. Dies ergibt sich daraus, daß in praktischen Fällen das Gesamtvolumen an Isolationsmaterial deutlich größer ist als das Volumen des Sintergutes. Der bekannte Brennofen ist daher als industriell nutzbarer Ofen nicht geeignet, da eine effiziente Ausnutzung der Mikrowellenenergie nicht gegeben ist, deren Erzeugung jedoch sehr viel kostenaufwendiger ist als die "konventionelle" Erwärmung mittels einer elektrischen Widerstandsheizung.
Zwar ist durch die WO95/05058 auch ein als Durchlaufofen ausgebildeter Brennofen bekannt, der als Tunnelofen mit Heizzonen unterschiedlicher Temperatur ausgebildet ist, durch den das Sintergut über Transportrollen hindurchbewegt wird, wobei die zusätzliche Heizung außerhalb des Behandlunsraumes angeordnet ist und die Wärmedämmung, die die Umgebung gegen den Hochtemperatur-Bereich isoliert, den Ofen außenseitig umschließt. Bei diesem Ofen handelt es sich jedoch um eine Anlage mit zwangsläufig ungenügender Feld-Homogenität, d.h. einer Ofengestaltung, die dann möglich ist, wenn relativ kleine Gegensände seriell gesintert werden, und es aufgrund des Hindurchbewegens durch inhomogene Bereiche nicht auf eine homogene Feldverteilung ankommt.
Der bekannte Tunnelofen ist zwar für Materialien mit hohen dielektrischen Verlusten geeignet, die Mikrowellenenergie stark absorbieren, nicht jedoch für eine Behandlung von Sintergut mit relativ schwachen dielektrischen Verlusten, die praktisch nur in nennenswerten Stückzahlen in einem Hohlraumresonator mit hoher Feldhomogenität behandelt werden können.
Der bekannte Röhrenofen wäre für Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor, die technisch jedoch von hohem Interesse sind, nicht geeignet.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brennofen der eingangs genannten Art anzugeben, der eine Hochtemperaturbehandlung von Sintermaterial mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor in einem großen Behandlungsvolumen erlaubt, der aufgrund seiner Abmessungen als Industrieofen einsetzbar ist und dabei gleichwohl mit einem hohen Nutzungsgrad der Energie betreibbar ist. Des weiteren soll der Brennofen für Anwendungen innerhalb eines weiten Temperaturbereiches bis 1800°C geeignet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Hierdurch erzielte funktionelle Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Brennofens sind zumindest die folgenden:
  • Durch die Einhaltung der Dimensionierungsrelationen gemäß Merkmal a) ergibt sich bezogen auf die äußeren Abmessungen des Resonators eine für ein großes Behandlungsvolumen, in dem bei gleichmäßiger Beladung mit dem Sintergut eine hohe Anzahl von Sinter-Objekten behandelt werden kann, geeignete Homogenität der Feldverteilung.
  • Durch die Verlagerung des Isoliermantels nach außen wird sichergestellt, daß der überwiegende Anteil der erzeugten Mikrowellenstrahlung auch zum jeweils gegebenen Behandlungszweck genutzt werden kann. Hierdurch ist ein wirtschaftlicher Betrieb des erfindungsgemäßen Brennofens als Industrieofen erst möglich.
  • Durch die Verwendung von Graphit oder Material auf Graphit basis als Wandungsmaterial für den Hohlraumresonator wird nicht nur der Temperaturbereich, innerhalb dessen eine Hochtemperaturbehandlung von Sintergut möglich ist, drastisch erhöht, sondern es wird auch, verglichen mit einem koventionell in Stahl-Bauweise erstellten Hohlraumresonator auch dessen Gewicht und damit die elektrische Heizleistung der Zusatzheizeinrichtung verringert, die für die Erzielung des erwünschten Temperaturprofils erforderlich ist. Auch dadurch wird die Wirtschaftlichkeit des Betriebs eines als Industrieofen ausgebildeten erfindungsgemäßen Brennofens erhöht.
    • In bevorzugter Gestaltung des Brennofens ist als Mikrowellen-Strahlungsquelle mindestens ein Magnetron vorgesehen, das um eine Mittenfrequenz innerhalb einer Bandbreite B, die durch die Beziehung B = Δf/f gegeben ist, in der mit Δf der Frequenzhub bezeichnet ist, von etwa 1/100 durchstimmbar ist.
    Ein solches Magnetron kann z.B. eine Mittenfrequenz von 2,45 GHz haben, was einem Durchstimmbereich von zwischen 2,438 GHz bis 2,462 GHz entspricht.
    Dadurch sind in dem Hohlraumresonator eine hohe Anzahl von Schwingungstypen anregbar, die bei einem Durchstimmen des Magentrons, z.B. zeitperiodisch zwischen den Grenzfrequenzen, zeitlich nacheinander fortlaufend angeregt werden.
    Die vorteilhafte Folge hiervon ist, daß zu verschiedenen Zeiten verschiedene räumliche Verteilungen der Feldstärke vorliegen, die im zeitlichen Mittel ein weitgehend homogenes Feld im Behandlungsbereich ergeben.
    In zweckmäßiger Gestaltung ist die Strahlungsquelle so ausgelegt, daß die Zeit für einen Frequenzhub zwischen den Grenzfrequenzen im Zehntel-Sekundenbereich liegt, z.B. zwischen 0,05 und 1 Sekunde, d.h. innerhalb einer Zeitspanne, die klein ist gegen die thermische Relaxationszeit des Sintergutes.
    Diese Maßnahme ist günstig, um innerhalb des Sintergutes thermische Spannungen zu vermeiden. Derartige Spannungen könnten sich aufbauen, wenn als Folge einer zu geringen Änderungsrate der Frequenz die einer bestimmten Frequenz entsprechende Feldverteilung, die notwendigerweise inhomogen ist, über zu lange Zeit hinweg aufrechterhalten bliebe.
    Im Sinne einer effektiven Verbreiterung des Frequenzbandes, innerhalb dessen der Hohlraumresonator anregbar ist, kann es auch vorteilhaft sein, wenn eine Anzahl n von Magnetrons als Mikrowellenstrahlungsquellen vorgesehen sind, die bei verschiedenen Mittenfrequenzen fi (i = 1 bis n) betreibbar und innerhalb ihrer jeweiligen Bandbreiten Δfi durchstimmbar sind.
    Ein quasikontinuierlicher "lückenloser" Durchstimmbereich der Frequenz ergibt sich, wenn die Frequenzabstände einander in der Frequenzskala benachbarter Mittenfrequenzen des Magnetrons der Beziehung (Δfi + Δfi+1)/2 genügen.
    In bevorzugter Gestaltung des Brennofens ist dessen Hohlraumresonator quaderförmig gestaltet, vorzugsweise so, daß die Kantenlängen lz, ly und lz der Hohlraumbegrenzung mindestens dem 10-fachen der Wellenlänge λ der Mikrowellenstrahlung entsprechen.
    Alternativ hierzu kann der Hohlraumresonator, wie gemäß Anspruch 7 vorgesehen, in derjenigen Richtung gesehen, in der ebene Begrenzungswände des Hohlraumresonators entlang paralleler Eckkanten aneinander angrenzen, eine polygonale Form hat, d.h. die Form eines prismatischen Hohlprofils. In diesen Gestaltungen ist der Resonator auf einfache Weise aus plattenförmigen Elementen zusammensetzbar, insbesondere auch, wie gemäß Anspruch 8 vorgesehen, aus plattenförmigem Graphit-Material.
    Diese Ausbildung des Hohlraumresonators hat den Vorzug, daß der Brennofen bei sehr hohen Temperaturen betreibbar ist, so daß Sinterprozesse in Temperaturbereichen bis zu 1800°C möglich werden.
    Bei entsprechend vielzahliger Polygonalität und ggf. regelmäßig-polygonaler Gestaltung des Hohlraumresonators ist auch der Grenzfall des zylindrisch-rohrförmigen Resonators in guter Näherung erreichbar.
    Diese Gestaltung hat unter konstruktiven Gesichtspunkten den Vorteil, daß die Bauform des Resonators besser an ein üblicherweise zylindrisches Außengefäß angenähert werden kann, das evakuierbar ist und/oder mit Schutzgas spülbar ist.
    Um die z.B. für ein Sintern des Behandlungsgutes erforderliche hohe Mikrowellenleistung in einer gleichmäßigen räumlichen Verteilung in den Hohlraumresonator einkoppeln zu können, ist es vorteilhaft, eine Antennen-Anordnung zu wählen, die gemäß Anspruch 9 eine Rundstrahlcharakteristik hat, d.h. eine Richtwirkung weitgehend vermeidet. Eine derartige Antenne ist gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 als ein mehrere Einzelstrahler umfassender Gruppenstrahler ausgebildet, dessen Einzelstrahler in einer statistisch verteilten Phasenlage speisbar sind.
    Ein solcher Gruppenstrahler ist in bevorzugter Gestaltung des Ofens gemäß Anspruch 11 als Schlitzstrahler ausgebildet, der eine Mehrzahl von Abstrahlschlitzen einer Schlitzlänge zwischen λ/4 und λ/2 und einer verglichen mit dieser kleinen Schlitzweite w umfaßt, die, in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im speisenden Hohlleiter gesehen, über dessen Länge derart verteilt angeordnet sind, daß pro Schlitz gleiche oder annähernd gleiche Beträge, von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator einkoppelbar sind, wobei, in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gesehen, die Ausdehnung der einzelnen Schlitze zwischen w und λ/2 beträgt, des weiteren der in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gemessene Abstand aufeinanderfolgender Schlitze der Schlitzantenne zwischen λ/2 und 3λ/4 beträgt und, bezogen auf die in der Ausbreitungsrichtung verlaufende Längsmittelebene des Hohlleiters, der seitliche Abstand der Schlitze von dieser Mittelebene, über die Länge des Hohlleiters hinweg, schrittweise zunimmt, und daß eine statistische Verteilung der Längsschlitze, die die einzelnen Abstrahlelemente bilden, bezüglich der Längsmittelebene des Hohlleiters vorgesehen ist
    Bei dieser Gestaltung der Schlitzantenne wird eine sehr gute Rundstrahlcharakteristik schon dann erzielt, wenn mindestens 20 Einzelschlitze vorgesehen sind, wobei sich mit zunehmender Anzahl der Schlitze eine immer effektivere Annäherung der Antennencharakteristik an die Rundstrahlcharakteristik ergibt.
    In der gemäß Anspruch 13 vorgesehenen, speziellen Gestaltung des Schlitzstrahlers können mindestens einzelne seiner Schlitze auch schräg zur Ausbreitung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter verlaufen.
    Unter dem Gesichtspunkt eines gleichmäßigen Energieeintrages in den Hohlraumresonator kann es auch vorteilhaft sein, wenn mehrere Gruppenstrahler der vorgenannten Art vorgesehen sind, wobei sich zum einen statistisch eine gleichmäßigere Verteilung der Phasenlagen der über die einzelnen Antennenelemente eingekoppelten Mikrowellenenergie erzielen läßt und zum anderen auch ein entsprechend erhöhter Energieeintrag möglich wird, der zur Aufheizung eines großvolumigen Sinterstapels geeignet ist.
    Sowohl aus konstruktiven Gründen als auch aus Gründen der Abstrahlcharakteristik ("Horn"-Wirkung der Resonatorwände) kann es besonders zweckmäßig sein, wenn die Antenne(n) in streifenförmigen Randbereichen ebener Teile der Resonatorwände angeordnet ist/sind, die in unmittelbarer Nähe von Kanten der Resonatorwandung verlaufen, entlang derer ebene Resonator-Innenflächen aneinander anstoßen.
    Die den Resonator und den bzw. die Hohlleiter, über den/die die Antenne(n) gespeist wird/werden, umgebende Zusatzheizung ist als eine elektrisch steuerbare Widerstandheizung ausgebildet, die, entsprechend einem durch ein Programm vorgegebenen Temperatur-Verlauf angesteuert wird, der dem Temperaturverlauf im Sintergut entsprechen soll, der seinerseits mittels eines Temperatursensors, vorzugsweise einem Pyrometer, überwacht wird und zum Soll-Ist-Wert-Vergleich für die Heizung der Resonatorwand herangezogen wird, deren Temperatur im Sinne einer Nachlaufregelung an die Temperatur des Sintergutes angeglichen wird, die im wesentlichen durch die eingestrahlte Mikrowellenleistung bestimmt wird.
    Hierbei ist es zweckmäßig, daß Temperatursensoren für verschiedene Wandbereiche des Resonators vorgesehen sind, mittels derer die gegebenenfalls verschiedenen Resonatorwand-Temperaturen erfaßbar sind, und daß die Heizung den individuell überwachten Wandbereichen zugeordnete Heizelemente umfaßt, die ihrerseits individuell ansteuerbar sind, wobei es zweckmäßig ist, im Fall des quaderförmigen Resonators jeder der Resonatorwände ein eigenes Heizelement und einen eigenen Temperatursensor zuzuordnen.
    Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Anordnung der wärmedämmenden Isolation außerhalb des. Resonator-Hohlraumes und auch außerhalb der Heizelemente ist die Isolation selbst aus Graphit oder aus einem Material auf Graphitbasis gebildet , z.B. Graphitfilz und vermittelt dann, eine Anordnung an der Innenseite des den Resonator umgebenden Gehäuses vorausgesetzt, aufgrund der Leitfähigkeit des Graphitmaterials eine wirksame Unterdrückung jeglicher Mikrowellen-Leckstrahlung nach außen.
    Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Brennofens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels und möglicher Abwandlungen desselben anhand der Zeichnung. Es zeigen:
    Fig. 1
    ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennofens für eine Hochtemperaturbehandlung von keramischem Sintergut mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor, das innerhalb eines quaderförmigen Hohlraumresonators des Brennofens durch Absorption von Mikrowellenenergie aufheizbar ist, in schematisch vereinfachter Blockschaltbild-Darstellung,
    Fig. 1a
    eine schematisch vereinfachte, perspektivische Ansicht des Hohlraumresonators und der Anordnung der Behandlungs-Toleranzen;
    Fig. 2
    Einzelheiten einer zur Einkopplung von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator des Brennofens gemäß Fig. 1 vorgesehenen Schlitzantennenanordnung, in schematisch vereinfachter, teilweise abgebrochener perspektivischer Ansichtsdarstellung und
    Fig. 2a
    die Schlitzantenne gemäß Fig. 2 in vereinfachter Draufsicht.
    Der in der Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Brennofen ist für eine Temperafcurbehandlung, insbesondere zum Sintern, lediglich schematisch angedeuteter Werkstücke 11 gedacht, die durch diese thermische Behandlung erst ihre für einen bestimmungsgemäßen Gebrauch der fertigen Werkstücke erforderlichen Materialeigenschaften und/oder räumliche Abmessungen erlangen.
    Typische Werkstücke 11, die auf der Basis von nitrid-keramischem Material, insbesondere Si3N4 hergestellt sind, z.B. Kugellager, Ventilkörper- und Gehäuse, Düsen, oder auf der Basis von oxid-keramischem Material herstellbar sind, z.B. Dichtscheiben und -Ringe, und einer sinternden Behandlung bedürfen, sollen in dem Brennofen 10 dieser thermischen Behandlung aussetzbar sein.
    Hierbei handelt es sich um Materialien mit relativ niedrigem dielektrischem Verlustfaktor (tan δ < 0.01), die in einem insgesamt mit 12 bezeichneten Stapel angeordnet sind.
    Die Erwärmung des durch die Werkstücke 11 insgesamt gebildeten Sintergutes erfolgt durch Absorption von Mikrowellen-Energie, die von einer Mikrowellenquelle 13 erzeugt wird und über eine insgesamt mit 14 bezeichnete Antennen-Anordnung mit Rundstrahl-Charakteristik in einen insgesamt mit 16 bezeichneten Hohlraumresonator mit elektrisch leitenden Wänden 161 bis 166 eingekoppelt wird, der beim dargestellten, speziellen Ausführungsbeispiel die Form eines Quaders hat, dessen Abmessungen lx, ly und lz sigifikant, z.B. etwa 10 mal größer sind als die Wellenlänge λ der mittels der Mikrowellenquelle 13 erzeugbaren Mikrowellen, und jeweils in der Größenordnung
    Figure 00100001
    liegen, wobei mit Vres das Volumen des Hohlraumresonators 16 bezeichnet ist (Vres = lx . ly . lz). Der Behandlungsraum, innerhalb dessen das Sintergut stapelförmig als dielektrische Beladung des Hohlraumresonators 16 auf nicht eigens dargestellte Weise gehalten wird, ist in der Fig. 1a schematisch als mit dem Inneraum des Hohlraumresonators 16 geometrisch ähnlicher, zentraler Teilraum 17 repräsentiert, dessen zur thermischen Behandlung des Sintergutes 11 nutzbares Volumen ca. 1/3 des Resonatorvolumens Vres betragen kann.
    In einem solchen Resonator 16 lautet die Resonanzbedingung für die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung, die in dem Resonator 16 resonant ist λr = 2 mLx 2 + nLy 2 + oLz 2 wobei mit m, n und o die ganzzahligen Quanten-Zahlen bezeichnet sind, mit denen die Beziehung (1) erfüllbar ist.
    Die in einem solchen Hohlraumresonator resonant anregbaren Schwingungstypen ergeben innerhalb des Hohlraumresonators einen in den drei Koordinatenrichtungen x, y und z einen periodisch variierenden Feldverlauf, wobei das Quadrat (E2) der elektrischen Feldstärke (E) des im Hohlraumresonator erzeugten elektrischen Feldes zwischen 0 und einem Maximalbetrag variiert, d.h. eine Feldverteilung, die räumlich extrem inhomogen ist.
    Die für eine qualitativ gleichwertige Behandlung eines über den Behandlungs-Teilraum 17 verteilten Sintergutes erforderliche gleichmäßige Verteilung der elektrischen Feldenergie ist in guter Näherung erreichbar, wenn der Hohlraumresonator in einer hohen Zahl resonanter Schwingungstypen anregbar ist und diese Schwingungstypen zumindest im zeitlichen Mittel überlagerungsfähig sind, wobei die Anzahl ΔN der anregbaren Schwingungstypen durch die Beziehung ΔN = 8.π.vres λ3 · 1Qgesamt gegeben ist, in der mit Vres das Volumen des Hohlraumresonators, mit λ die Vakuumwellenlänge der Mikrowellenstrahlung und mit Qgesamt die Gesamtgüte der insoweit erläuterten Anordnung 10, 11, 12, 13, 14 bezeichnet ist, die ihrerseits durch die Beziehung 1Qgesamt = 1Qres + 1Qant + 1Qdiel + 1Qquelle gegeben ist. In dieser Beziehung ist mit Qres die Güte der Resonatorwand bezeichnet, die durch die Beziehung Qres = 3 · Vres 2 · Ares · e gegeben ist, mit Qant die Güte der Antennenanordnung, für die die Beziehung Qant = 8 . π . Vres Aant . λ gilt, mit Qdiel die Güte des dielektrischen Sintergutes, für welche die Beziehung Qdiel = Vres Vdiel · 1 εr ·tanδ gilt und mit Qquelle die Güte der Mikrowellenquelle (13) bezeichnet ist, die durch die Beziehung Qquelle = 1/B gegeben ist.
    In den Beziehungen (4), (5), (6) und (7) sind mit
    Ares
    die Fläche der Resonatorwand insgesamt,
    e
    die Eindringtiefe in die Resonatorwand
    Aant
    die abstrahlenden Flächen der Antennenanordnung 14, mit
    Vdiel
    das Volumen des dielektrischen Behandlungsgutes 11, mit
    εr
    die Dielektrizitätszahl des Sintergutes 11, mit
    tan δ
    der dielektrische Verlustfaktor des Sintergutes und mit
    B
    die Bandbreite der Mikrowellenquelle 13
    bezeichnet.
    Bei dem zur Erläuterung gewählten Brennofen 10 ist als Mikrowellen-Strahlungsquelle 13 ein Magnetron mit einer Grundfrequenz von 2,45 GHz vorgesehen. Das Resonatorvolumen Vres beträgt 1,4 m3, so daß das Verhältnis Vres /λ3 einen Wert von etwa 770 hat. Für den Wert Ares der Gesamtfläche der Resonatorwände 16 1 bis 166 ist ein Wert von 7,6 m3 angenommen. Die Resonatorwände 161 bis 166 bestehen aus plattenförmigem Graphit-Material, so daß sich bei der angegebenen Frequenz der Mikrowellenquelle eine Eindringtiefe e von 32µm ergibt, was einer Güte der Resonatorwand von etwa 8600 entspricht.
    Für die "strahlende" Antennenfläche ist ein Wert Aant von 60cm2 angenommen, was einer Güte Qant der Antennen-Anordnung von etwa 48000 entspricht. Für das vom Sintergut 11 eingenommene Volumen von ca. 0.03m3 ergibt sich ein Wert der Güte Qdiel des Sintergutes von 2100, wenn für dessen Dielektrizitätszahl ein Wert von 8 und ein Verlustfaktor von 0.008 angesetzt wird. Bei einem Betrieb des Magnetrons 13 bei fester Frequenz ist die Bandbreite B der von dem Magnetron erzeugten Mikrowellenstrahlung kleiner als 10-6, was einer Quellengüte Qquelle von mehr als 106 entspricht. Bei dielektrischer Beladung des Hohlraumresonators im angegebenen Umfang entspricht die Gesamtgüte Qges ungefähr der Güte Qdiel des dielektrischen Gutes und die Zahl der anregungsfähigen Schwingungstypen ΔN etwa einen Wert von 9. Hieraus ergibt sich, daß eine genügende Zahl von Schwingungstypen, die für eine hinreichend gleichmäßige Verteilung des elektrischen Feldes im Hohlraumresonator notwendig sind, sich nur durch eine breitbandige Mikrowellenquelle erreichen läßt.
    Demgemäß ist der Brennofen 10 dahingehend ausgelegt, daß die folgende Beziehung gilt: Vres · B/λ3 ≥ 20
    Die Antennenanordnung 14, mittels derer von dem Magnetron 13 erzeugte Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator 16 einkoppelbar ist, ist als Schlitzstrahler ausgebildet, der eine Mehrzahl von Abstrahlschlitzen 18 umfaßt, deren jeder ein Antennenelement bildet, dessen strahlende Antennenfläche der lichten Schlitzfläche entspricht. Diese Abstrahlschlitze 18 sind in einer gleichzeitig auch einen Innenwandbereich des Hohlraumresonators bildenden Längswand 19 eines Rechteck-Hohlleiters 21 (Fig. 2) angeordnet, in dem die von dem Magnetron 13 erzeugte, am einen Ende des Hohlleiters 21 in diesen eingespeiste Mikrowellenenergie nur in der TE10-Mode (Grundschwingungstyp) beim dargestellten Anordnungs-Beispiel in der z-Richtung ausbreitungsfähig ist, derart, daß der elektrische Feldvektor rechtwinklig zu der mit den Schlitzen 18 versehenen Hohlleiter-Längswand 19 verläuft und die Feldverteilung des elektrischen Feldes im Innenraum des Rechteck-Hohlleiters im wesentlichen symmetrisch zu dessen Längsmittelebene 23 verläuft, die sich ihrerseits in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter 21 erstreckt. Diese Abstrahlschlitze 18 sind, über die Länge lz des Rechteck-Hohlleiters 21 derart verteilt angeordnet, daß pro Abstrahlschlitz 18 jeweils gleiche oder annähernd gleiche Beträge von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator 16 einkoppelbar sind, und daß die Phasenlagen der durch die Abstrahlschlitze in den Hohlraumresonator 16 eingekoppelten elektromagnetischen Felder in einer statistischen Folge verschieden sind.
    In Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter 21 gesehen, beträgt der Abstand d (Fig. 2a) aufeinanderfolgender Schlitze der Schlitzantenne 14 zwischen λ/2 und 3λ/4, wobei abweichend von der zur Erläuterung gewählten Darstellung, in der die längeren Schlitzränder parallel zur Längsmittelebene 23 des Hohlleiters 21 verlaufen, auch Schlitzkonfigurationen mit schräg zu dieser oder gar rechtwinklig zu dieser verlaufenden Längsrändern möglich sind. Bei der dargestellten Konfiguration der Schlitzantenne 14, bei der die Abstrahlschlitze parallel zu dieser Längsmittelebene 23 verlaufen, beträgt die Länge 1 der einzelnen Schlitze 18 zwischen λ/4 und λ/2 und ist signifikant größer als die rechtwinklig zur Längsmittelebene 23 bzw. der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellenenergie im Rechteck-Hohlleiter gemessene Weite w der Schlitze. Über die Länge des Rechteck-Hohlleiters 21 hinweg gesehen, an dessen einem Ende die von dem Magnetron 13 erzeugte Mikrowellenenergie eingespeist wird, nimmt der seitliche Abstand a der Abstrahlschlitze von der Längemittelebene 23 des Rechteck-Hohlleiters 21 schrittweise zu.
    Die Anordnungsfolge der jeweils auf einer Seite der Längsmittelebene angeordneten Abstrahlschlitze 18' und 18'' (Fig. 2a) entspricht im Abstandsraster der Schlitzabstände d, gesehen in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Rechteck-Hohlleiter 21, einer "binären" Zufallsfolge von Schlitz-Paarungen (1,0) und (0,1), wobei (1,0) bedeutet, daß ein Schlitz 18' auf der einen, "linken" Seite der Längsmittelebene 23 des Rechteck-Hohlleiters 21 vorhanden ist, jedoch nicht ein zu diesem symmetrisch angeordneter schlitz 18'' und die Kombination (0,1), daß auf der anderen "rechten" Seite der Längsmittelebene 23 ein Abstrahlschlitz 18'' vorhanden ist, nicht jedoch auf der der gegenüberliegenden, "linken" Seite. Die Kombination (1,1), die einem Phasenunterschied des über einander genau gegenüberliegend angeordnete Abstrahlschlitze 18' und 18'' abgestrahlten Feldes von π/2 entsprechen würde, sowie die Kombination (0,0) sind bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, ausgeschlossen. Die insoweit ihrem prinzipiellen Aufbau nach erläuterte Schlitzantenne wirkt als Gruppenstrahler, dessen durch die Schlitze 18 bzw. 18' und 18" gebildeten Einzelstrahler mit statistisch verteilter Phasenlage speisbar sind, wodurch die Abstrahicharakteristik der Antennen-Anordnung 14 in sehr guter Näherung eine Rundstrahlcharakteristik ist.
    Der zur Speisung der Abstrahlschlitze 18 der Anennenanordnung 14 vorgesehene Rechteck-Hohlleiter 21 ist, entsprechend der schematischen Darstellung der Fig. 1 in einen prismatischen Graphitkörper 24 integriert, dessen äußere Querschnittskontur derjenigen eines gleichschenklig-rechtwinkligen Dreiecks entspricht, durch dessen Hypothenuse 26 in der Darstellung der Fig. 1 eine Resonatorhohlraum-Begrenzungsfläche repräsentiert ist, die in einem Eckbereich des Hohlraumresonators 16 zwischen den im Bereich der Antennenanordnung 14 rechtwinklig aneinander angrenzenden Resonatorwänden 162 und 164 vermittelt, wobei die den Hohlleiter-Innenraum 22 begrenzenden Wellenleiter-Flächen paarweise parallel bzw, senkrecht zu der schrägen inneren Längebegrenzungsfläche 26 des Hohlraumresonators 16 verlaufen, die durch die "Hypothenusen"-Fläche des Graphitkörpers 24 gebildet ist.
    Um zur Erhöhung der Anzahl der im Hohlraumresonator anregbaren Schwingungstypen, was der Gleichmäßigkeit der Feldverteilung im Hohlraumresonator zugute kommt, die "effektive" Güte Qquelle des als Energiequelle vorgesehenen Magnetrons zu verringern, ist eine Gestaltung des Magnetrons 13 vorgesehen, bei der dessen Schwingungsfrequenz innerhalb einer Bandbreite von 1/100 der Grundfrequenz f von 2,45 GHz variierbar ist. Die Zykluszeiten der Frequenzvariation, die mittels einer elektronischen Steuer einheit 27 steuerbar ist, sind auf das thermische Relaxationsverhalten des Sintergutes 11 dahingehend abgestimmt, daß sie klein gegen die thermische Relaxationszeit des jeweils zu behandelnden Sintergutes sind. Demgemäß ist die elektronische Steuereinheit 27 so ausgelegt, daß die Zykluszeiten zwischen 0,05 und 1 Sekunde betragen können.
    Dem Zweck einer - im zeitlichen Mittel - Reduzierung der Quellengüte Qquelle kann, was nicht eigens dargestellt ist, auch die Maßnahme dienen, daß mehrere Magnetrons als Mikrowellen-Strahlungsquelle vorgesehen sind, die bei verschiedenen Grundfrequenzen fi (i = 1...n) betreibbar sind und jeweils entsprechende charakteristische Bandbreiten Bi haben, wobei es dann zweckmäßig ist, daß die Frequenzabstände Δfl der einander in der Frequenzskala benachbarten Magnetron-Schwingungsfrequenzen, zumindest annähernd dem Wert Δfi + Δfi+l 2 entsprechen.
    Wenn zur Einstrahlung von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator 16 zwei oder mehr Antennen Anordnungen 14 vorgesehen sind, so ist es zweckmäßig, wenn diese azimutal etwa äquidistant um eine parallel zu den Polygonkanten des Resonator-Hohlraumes verlaufende "zentrale" Achse gruppiert sind, um eine gleichmäßige Einstrahlung von Mikrowellenenergie in den Behandlungsraum 17 des Hohlraum-Resonators zu erzielen.
    Der Brennofen 10 ist mit einer insgesamt mit 28 bezeichneten Heizeinrichtung versehen, die entsprechend der Anzahl der großflächigen Wandelemente 161 bis 166 des Hohlraumresonators 16 ihrerseits sechs elektrische Widerstands-Heizelemente 281 bis 286 umfaßt (Die Widerstands-Heizelemente 285 und 286 sind nicht dargestellt, weil Figur 1 einen Querschnitt zeigt), deren Heizleistungen individuell steuerbar sind, so daß die Temperatur der Wandelemente 161 bis 166 individuell beeinflußbar ist. Die Wandelemente 161 bis 166 sind mit mindestens je einem Temperatursensor 291 bis 296 bestückt (Die Temperatursensoren 295 und 296 sind nicht dargestellt, weil Figur 1 einen Querschnitt zeigt), die für die Istwerte der Wandtemperaturen charakteristische elektrische Ausgangssignale erzeugen.
    Des weiteren ist ein insgesamt mit 32 bezeichnetes Pyrometer vorgesehen, mittels dessen die Temperatur des Sintergutes 11 erfaßbar ist. Dieses Pyrometer 32 umfaßt einen an geeingeter Stelle im Stapel 12 angeordneten Probekörper 33 und einen elektronisch-optischen Sensor 34, mittels dessen die Strahlungstemperatur des Probekörpers 33 erfaßbar ist, so daß ein hierfür charakteristisches elektrisches Ausgangssignal des Sensors 34 ein genaues Maß für die Temperatur des Sintergutes 11 ist. Die elektronische Steuereinheit 31 der Heizeinrichtung 28 vermittelt eine vergleichende Verarbeitung der Istwert-Ausgangssignale der Pyrometer-Anordnung 32 sowie der Temperatursensoren 291 bis 296 und vermittelt auch eine Ansteuerung der Heizelemente 281 bis 286 sowie der Leistungs-Steuerung der Mikrowellenquelle 13 in dem Sinne, daß die Wandtemperatur des Hohlraumresonators 16 insgesamt möglichst exakt der Temperatur des Sintergutes 11 entspricht. Der zeitliche Verlauf der Ofentemperatur, d.h. sowohl der Temperatur des Sintergutes als auch der Resonator-Wandtemperatur(en) wird nach einem Programm gesteuert, das unter Berücksichtung der Materialeigenschaften und der geometrischen Abmessungen der Werkstücke 11 ein qualitativ gutes Behandlungsergebnis ergibt.
    Der Hohlraumresonator 16 und die zur Beheizung seiner Wände 161 bis 166 vorgesehenen Heizelemente 281 bis 286 der Heizeinrichtung 28 sind innerhalb eines stabilen Stahlgehäuses 36 angeordnet, das zum Zweck der Möglichkeit einer Schutzgas-Spülung seines Innenraumes 17 einschließlich des Resonator-Hohlraumes oder einer Evakuierung derselben gasdicht ausgeführt ist. Das Stahlgehäuse 36 ist zum Zweck der Wärmeisolierung seines Innenraumes gegenüber dem Umgebungsraum des Brennofens 10 innenseitig mit einer Wärmedämmschicht 38 ausgekleidet, die aus einem hochtemperaturfesten Isolationsmaterial, z.B. Graphitfilz besteht.

    Claims (19)

    1. Brennofen (10) für die Hochtemperaturbehandlung von Materialien mit relativ niedrigem dielektrischen Verlustfaktor (tan δ) unter Erwärmung des Materials durch Absorbtion von Mikrowellenenergie in einem Hohlraumresonator, in dem das Behandlungsgut innerhalb eines zentralen Teilbereiches des Resonators angeordnet ist, in dem, z.B. durch breitbandige Einstrahlung von Mirkowellenenergie und/oder durch zeitliche Variation der Frequenz der eingestrahlten Mikrowellenenergie, gleichmäßige Energiedichte des Mikrowellenfeldes gegeben ist, derart, daß in jedem Volumenelement des Behandlungsbereiches das Quadrat der elektrischen Feldstärke des Mikrowellenfeldes zumindest im zeitlichen Mittel innerhalb eines geringen Toleranzbereiches denselben Betrag hat, wobei eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist, mittels derer die Resonatorwand auf die im Behandlungsgut herrschende Temperatur aufheizbar ist, z.B. im Sinne einer Nachlaufregelung der Temperatur des Behandlungsgutes nachführbar ist, und wobei ein wärmeisolierender wärmedamm mantel (38) vorgesehen ist, der die Wärmeabfuhr aus dem Brennofen in die Umgebung dämmt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
      a) Der Hohlraumresonator (16) und eine die Mikrowellenenergie erzeugende Strahlungsquelle (13) sind dahingehend aufeinander abgestimmt, daß die Relation: Vλ3 · B ≥ 20 erfüllt ist, worin mit V das Volumen des Hohiraumresonators (16), mit λ die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung und mit B deren Bandbreite bezeichnet sind, des weiteren die Größe V/λ3 einen Wert von mindestens 300 hat und die lichten Abmessungen lx, ly und lz des Hohlraumresonators (16) in den Koordinatenrichtungen x, y und z jeweils einen Wert um
      Figure 00190001
      haben;
      b) die Heizeinrichtung (28) ist außerhalb des Hohlraumresonators (16), die Resonatorwand unmittelbar umgebend angeordnet, und der Wärmedämmmantel (38) ist die den Hohlraumresonator (16) und die Heizeinrichtung (28) umfassende Baugruppe außenseitig umschließend angeordnet;
      c) die Resonatorwand (161 bis 166) besteht aus Graphit oder aus temperaturbeständigem und elektrisch leitfähigem Material auf Graphitbasis.
    2. Brennofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mikrowellen-Strahlungsquelle (13) ein Magnetron vorgesehen ist, das bei einer Grundfrequenz f innerhalb einer Bandbreite B = Δf/f von vorzugsweise 1/100 durchstimmbar ist.
    3. Brennofen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Zeitspannen, innerhalb derer eine kontinuierlich oder schrittweise Variation einer Schwingungsfrequenz der Mikrowellen-Strahlungsquelle (13) erfolgt, zwischen 0,05 und 1s, vorzugsweise um 100ms betragen.
    4. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl n von Magnetrons als Mikrowellen-Strahlungsquelle vorgesehen sind, die bei verschiedenen Mittenfrequenzen fi (i = 1 bis n) betreibbar sind und jeweils charakteristische Bandbreiten Bi haben.
    5. Brennofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Frequenzabstände der einander in einer Frequenzskala benachbarten Magnetron-Mittenfrequenzen annähernd und vorzugsweise den Wert (Δfi + Δfi+1)/2 haben.
    6. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (16) quaderförmig gestaltet ist, wobei die abmessengen oder Kantenlängen lx, ly und lz der Hohlraum-Begrenzung mindestens dem 10-fachen Wert der Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung entsprechen.
    7. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (16) einen polygonalen Querschnitt hat.
    8. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (16) aus vorzugsweise plattenförmigem Graphit-Material (161 bis 166) zusammengesetzt ist.
    9. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator (16) eine Antennenanordnung (14) vorgesehen ist, die eine Rundstrahlcharakteristik hat.
    10. Brennofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen-Anordnung (14) als Gruppenstrahler ausgebildet ist, der eine Mehrzahl von Einzelstrahlern umfaßt, die mit einer statistisch verteilten Phasenlage speisbar sind.
    11. Brennofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gruppenstrahler als Schlitzstrahler ausgebildet ist, der eine Mehrzahl von Abstrahlschlitzen (18) einer Schlitzlänge zwischen λ/4 und λ/2 und einer hiergegenüber kleinen Schlitzweite w umfaßt, die, in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes in einem speisenden Hohlleiter (21) gesehen, über dessen Länge derart verteilt angeordnet sind, daß pro Schlitz (18) gleiche oder annähernd gleiche Beträge von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator (16) einkoppelbar sind, wobei, in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gesehen, die Ausdehnung der einzelnen Schlitze (18) zwischen w und λ/2 beträgt, des weiteren der in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gemessene Abstand aufeinanderfolgender Schlitze der Schlitzantenne zwischen λ/2 und 3λ/4 beträgt und, bezogen auf die in der Ausbreitungsrichtung verlaufende Längsmittelebene (23) des Hohlleiters (21), der seitliche Abstand der Schlitze von dieser Mittelebene (23), über die Länge des Hohlleiters hinweg, schrittweise zunimmt, und daß eine statistische Verteilung der Längsschlitze, die die einzelnen Abstrahlelemente bilden, bezüglich der Längsmittelebene (23) des Hohlleiters vorgesehen ist.
    12. Brennofen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß über die Länge des zur Speisung der Antennenschlitze (18) vorgesehenen Hohlleiters (21) mindestens 20 Einzelschlitze vorgesehen sind.
    13. Brennofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einzelne der Einkoppelschlitze schräg und/oder rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter (21) verlaufen.
    14. Brennofen nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator (16) mindestens zwei Gruppenstrahler, insbesondere Schlitzantennen-Anordnungen (14,18) vorgesehen sind.
    15. Brennofen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenstrahler (14) symmetrisch bezüglich einer ausgezeichneten Achse des Hohlraumresonators angeordnet sind.
    16. Brennofen nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Antennenanordnung (14) in einem streifenförmigen Randbereich der Resonatorwand angeordnet ist, die in unmittelbarer Nähe einer Innenkante der Resonatorwand verläuft.
    17. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Einstellung eines erwünschten Temperaturprofils im Behandlungsbereich des Hohlraum-Resonators vorgesehene Heizeinrichtung (28) als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet ist, die die Temperatur der Resonatorwände (161 bis 166) auf einem Wert hält, der dem Wert der Temperatur in einem zentralen Bereich des Sintergut-Stapels (12) entspricht, der, vorzugsweise mittels eines Pyrometers (32), als Temperatur-Istwert erfaßt wird, und seinerseits programmgesteuert einer vorgegebenen Zeitabhängigkeit folgend, einstellbar ist.
    18. Brennofen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedenen Wandbereichen (161-166) des Hohlraumresonators (16) einzeln zugeordnete Temperatursensoren (291 bis 296) vorgesehen sind, mittels derer die ggf. verschiedenen Resonatorwand-Temperaturen erfaßbar sind, und daß die Heizeinrichtung (28) den hinsichtlich der Temperatur individuell überwachten Wandbereichen zugeordnete Heizelemente (281 bis 286) umfaßt, die ihrerseits individuell ansteuerbar sind.
    19. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Wärmeisolation des Hohlraumresonators (16) gegenüber der äußeren Umgebung des Brennofens (10) vorgesehene Wärmedämmmantel als eine an der Innenseite eines den Hohlraumresonator (16) und die Heizeinrichtung (28) aufnehmenden Ofen-Gehäuses (36) angeordnete, ihrerseits auf der Basis eines Graphit-Materials, insbesondere Graphitfilz hergestellte, mit einer Mindest-Leitfähigkeit behaftete Auskleidungsschicht (38) ausgebildet ist.
    EP98904027A 1997-01-04 1998-01-02 Brennofen für die hochtemperaturbehandlung von materialien mit niedrigem dielektrischem verlustfaktor Expired - Lifetime EP0950341B1 (de)

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