EP1252802B1

EP1252802B1 - Vorrichtung zur einstellung einer mikrowellen-energiedichteverteilung in einem applikator und verwendung dieser vorrichtung

Info

Publication number: EP1252802B1
Application number: EP01911377A
Authority: EP
Inventors: Thorsten Gerdes; Monika Willert-Porada; Klaus RÖDIGER
Original assignee: Widia GmbH
Current assignee: Widia GmbH
Priority date: 2000-02-04
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2021-01-19
Also published as: ATE357124T1; DE10005146A1; DE50112190D1; US6630653B2; US20020190061A1; EP1252802A1; JP2003522392A; WO2001058215A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung einer Mikrowellen-Energiedichteverteilung in einem einen Resonatorraum bildenden Applikator, in dem die von Mikrowellengeneratoren erzeugte Strahlung über Hohlleiter bis zur Applikatorwand geführt wird und eine Verwendung dieser Vorrichtung.
In einer typischen industriellen Fertigung, in der Mikrowellen eingesetzt werden, ist der Mikrowellengenerator, der beispielsweise ein Magnetron sein kann, mit seiner Stromversorgung getrennt von dem Applikator, in dem die Mikrowellenenergie wirksam werden soll, angeordnet. Hierzu werden Hohlleiter, ggf. neben weiteren Komponenten, verwendet, über die die Mikrowellenenergie in den Applikator-Resonatorraum eingespeist wird.
Um in einem Applikator mehrere Moden mit unterschiedlichen Phasenlagen zu erzeugen, womit eine homogene Feldverteilung erreicht werden soll, besitzt der Applikator häufig Abmessungen, die ein Vielfaches der Wellenlänge der eingespeisten Mikrowelle betragen. Hierzu kann der Hohlleiter an einer Seite eines quaderförmigen Applikators angeflanscht werden. Dies hat allerdings den Nachteil, daß sich je nach räumlicher Ausdehnung der im Applikator befindlichen Probengruppen aufgrund der Feldverteilung nur in einzelnen Bereichen eine ausreichend homogene Feldverteilung erzielen läßt. Abhilfe schaffen geschlitzte Graphitplatten, über die Mikrowellen aus einem Hohlleiter ins Ofeninnere geführt werden; die Hohlleiter befinden sich dann an den Ecken des Applikatorraumes, wobei die Schlitze unter verschiedenen Winkeln angeordnet sind.
Bei stark absorbierenden Materialien in der Resonatorkammer ergeben sich jedoch bei großer Beladung dieser Kammer mit zu erwärmendem Gut große Änderungen der Mikrowellen-Verteilung. Wegen der fest vorgegebenen Anordnung der schlitzförmigen Antennen ist es auch nicht möglich, die Feldverteilung im Resonator-Innenraum in gewünschten Grenzen zu verändern.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Mikrowelleneinspeisung möglichst verlustarm durchführbar ist und mit der eine Änderung der Feldverteilung im Resonatorraum möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß mehrere elektrisch leitfähige Koppelstifte vorgesehen sind, die jeweils sowohl in den Hohlleiterraum als auch in den Applikatorraum vorzugsweise senkrecht hineinragen. Solche stiftförmigen Antennen lassen eine größere Feldhomogenität im Resonatorraum erzeugen, der zudem noch von dem Hohlleiter getrennt ist, so daß etwa im Resonatorraum entstehende Gase nicht in den Hohlleiter eindringen können. Dies ist insbesondere bei der Wärmebehandlung von vorgepreßten Grünlingen, die auf pulvermetallurgischem Weg hergestellt worden sind, zu deren Entwachsen (Entbindern) vorteilhaft. Entsprechendes gilt für Sinterprozesse, die in einer carburierenden Atmosphäre ablaufen.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
So sind die Koppelstifte entlang ihrer Längsachse verschiebbar angeordnet, so daß in dem mit zu erwärmendem Gut beladenen Applikator die gewünschte Feldverteilung einstellbar ist. Ggf. lassen sich durch entsprechende Koppelstiftanordnungen graduierte Felder schaffen, beispielsweise mit einem im Raum ansteigenden Feld, das vorzugsweise im sogenannten Durchlaufprinzip benötigt wird, d.h. beim translatorischen Bewegen des zu behandelnden Gutes durch den Resonatorraum. Feldabhängigkeiten ergeben sich sowohl durch die Länge des Koppelstiftes und hier insbesondere die jeweiligen Längenanteile des Koppelstiftes, die in den Hohlleiter und in den Resonatorraum hineinragen. Die Koppelstifte können soweit von der Breit- als auch von der Schmalseite im Hohlleiter eingeführt werden.
Bevorzugt werden der Hohlleiter und die Einkoppelfläche des Resonatorraums mit ihren Längsachsen parallel zueinander angeordnet, so daß mehrere in äquidistantem Abstand voneinander angeordnete Koppelstifte mit ihrem einen Ende in den Hohlleiter und mit ihrem anderen Ende in den Resonatorraum hineinragen. Um die Wanddurchführung für die Koppelstifte ist ein Dielektrikum angeordnet. Hierfür bieten sich verschiedene Ausführungsformen an. So kann in einer ersten Variante jeder der Koppelstifte in einer durch die Wand des Hohlleiters und/oder des Applikators ragenden Hülse aus dielektrischem Material verschiebbar geführt werden. In einer zweiten Variante wird der elektrisch leitfähige Koppelstift aus einem Koppelstab und einer diesen umgebenden Hülse gebildet, in der der Koppelstab längsaxial verschiebbar angeordnet ist. Schließlich kann der Koppelstift an seinem in den Hohlleiter ragenden Ende ein diesen Stift verlängerndes Stück aus einem Dielektrikum aufweisen, das vorzugsweise den Hohlleiterdurchmesser durchragt und an einer am gegenüberliegenden Ende befindlichen Hohlleiteröffnung nach außen geführt ist.
Als Material für den Koppelstift bieten sich Graphit, Metall wie z.B. Kupfer, Aluminium, Wolfram oder Molybdän, Metallegierungen wie Messing oder Stahl oder andere Legierungen, die jedoch entsprechend temperaturbeständig sein müssen, oder ein Isolator mit einer elektrischen Beschichtung an, die vorzugsweise aus TiN besteht. Als Material für das Dielektrikum werden Bornitrid oder eine Keramik wie Aluminiumoxid, Siliciumnitrid oder Quarz gewählt.
In längsaxialer Richtung des Hohlleiters gesehen ragen die Koppelstifte jeweils im Bereich der Maxima der dort eingespeisten Mikrowelle heraus.
Die Einkoppelung der Mikrowelle kann kapazitiv oder induktiv erfolgen.
Die Geometrie des Stiftes ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zylindrisch, wobei vorzugsweise die Kanten und Ecken des Stiftes abgerundet sind. In praktischen Anwendungsfällen ist der Durchmesser der Koppelstifte zwischen 1 mm bis 30 mm, vorzugsweise 5 mm bis 15 mm, gewählt worden; die Stiftlänge 1, mit der die Koppelstifte in den Resonatorraum hineinragen, beträgt 1 = x · λ (mit 0 ≤ x ≤ 1 und λ = Wellenlänge der Mikrowelle im Hohlleiter), vorzugsweise ist 1 = λ/4 bis λ/2.
Das Verhältnis des Öffnungsdurchmessers D im Hohlleiter, durch den der Koppelstift geführt wird, zum Koppelstiftdurchmesser d wird so gewählt, daß der Wellenwiderstand angepaßt ist. Die Abstände der Koppelstifte betragen λ/4 bis λ/2 (mit λ = Wellenlänge der Mikrowelle im Hohlleiter).
Das durch die Mikrowelle zu behandelnde Stückgut wird im Applikator-Resonanzraum auf Gitterrosten angeordnet, die aus rundlichen Gitterstäben bestehen, die vorzugsweise senkrecht zum elektrischen Feld der Mikrowelle ausgerichtet sind.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die neben- oder aneinanderliegenden Wände des Hohlleiters und des Applikators thermisch gegeneinander isoliert.
Die beschriebene Vorrichtung kann zur Entbinderung von Grünlingen aus einem Binder und einem der nachfolgend genannten Stoffe und/oder zur Sinterung von Hartmetallen, Cermets, pulvermetallurgisch hergestellten Stählen oder metallischen oder keramischen Magnetwerkstoffen, insbesondere Ferriten verwendet werden. Spezielle Anwendungsbeispiele sowohl im Hinblick auf die Auswahl der durch Sinterung in einem Mikrowellenfeld herstellbaren Verbundwerkstoffe als auch verfahrenstechnische Maßnahmen werden in der WO 96/33830 und der WO 97/26383 benannt.
Die genannte Vorrichtung läßt sich jedoch ebenso für die Erzeugung eines Plasma, wie es beispielsweise bei CVD-Beschichtungen benötigt wird, verwenden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen Fig. 1 bis 4 jeweils in schematischer Weise verschieden angeordnete Koppelstifte und Dielektrika und Fig. 5 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den Fig. 1 bis 4 sind ein Hohlleiter 10 mit einer oberen Wand 11 und einer unteren Wand 12 im Querschnitt dargestellt. An der Wand 12 des Hohlleiters 10 liegt die Wand 21 des Applikator-Resonanzraumes, von dem der dargestellte Ausschnitt mit 20 bezeichnet ist. Die beiden Wände 12 und 21 sind jeweils in äquidistanten Abständen a durchbrochen, wobei die Abstände a etwa der halben bis der viertel Wellenlänge der Mikrowelle im Hohlleiter 10 entsprechen. In der Praxis wird nur eine der Varianten mit jeweils angeordneten Koppelstiften verwendet. In einer ersten Variante (Fig. 1) ist die Durchbrechung der Wände 12 und 21 von einem kreisrunden Dielektrikum 30 umgeben.
Die mittlere Öffnung des Dielektrikums D, durch die der elektrisch leitfähige Koppelstift aus Graphit 31 hindurchgeführt ist, ist relativ zu dem Durchmesser d des zylindrischen Koppelstiftes so gewählt, daß der Wellenwiderstand angepaßt ist. Der Koppelstift 31 ragt mit seinen beiden Enden zum einen in den Resonatorraum 20 des Applikators und zum anderen in den Hohlleiterinnenraum 10. Der Koppelstift ist in Richtung des Doppelpfeiles 32 längsaxial verschiebbar.
In einer weiteren Ausführungsvariante gemäß Fig. 2 ist der Koppelstift 33 in Richtung des Doppelpfeiles 34 in einer Hülse 40 aus einem Dielektrikum verschiebbar. Die Hülse 40 ragt ausschließlich in den Resonatorraum 20 des Applikators hinein.
Nach einer weiteren Variante gemäß Fig. 3 besteht der Koppelstift 35 aus einem Koppelstab 36, der in Richtung des Doppelpfeiles 37 in einer diesen umgebenden Hülse 38 aus elektrisch leitfähigem Material längsaxial in Richtung des Doppelpfeiles 37 verschiebbar ist.
In einer letzten Variante gemäß Fig. 4 ist der Koppelstift 39 an seinem in den Hohlleiter 10 ragenden Ende mit einer Verlängerung 41 aus einem dielektrischen Material versehen. Der einen gemeinsamen aus Teilen 39 und 41 gebildete Stab ist entlang des Doppelpfeiles 42 längsaxial verschiebbar. Als elektrisch leitfähige Koppelstifte 31, 33, 36 und 39 werden Graphitstäbe mit einem Durchmesser d von 3 mm in einem Abstand von 10 mm angeordnet. Durch Verschieben der jeweilige Antennen bildenden Koppelstifte kann nicht nur die Mikrowelle aus dem Hohlleiter in den Applikator-Innenraum 20 übertragen werden, sondern auch durch Ausrichtung der Koppelstifte eine homogene Feldverteilung im Innenraum 20 erzeugt werden.
Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht des Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren wesentlichen Teile ein Kurzschlußschieber 49, ein Mikrowellengenerator 44, ein Hohlleiter 10, der durch eine Öffnung in der Ofenwand 45 geführt ist und die bereits beschriebene Anordnung der Koppelstifte 31 sind. Der Ofeninnenraum, in dem Hartmetallteile 48 auf Gitterrosten angeordnet sind, ist durch eine thermische Isolation 46 nach außen abgeschirmt.

Claims

Vorrichtung zum Einstellen einer Mikrowellen-Energiedichteverteilung in einem einen Resonatorraum (20) bildenden Applikator, in dem die von Mikrowellengeneratoren erzeugte Strahlung über Hohlleiter (10) bis zur Applikatorwand geführt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere elektrisch leitfähige Koppelstifte (31, 33, 36, 38 oder 39) vorgesehen sind, die jeweils sowohl in den Hohlleiterraum als auch den Applikator-Resonatorraum radial hineinragen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstifte entlang ihrer Längsachse verschiebbar angeordnet sind und/oder dass der Hohlleiter (10) und die Einkoppelfläche des Resonatorraums (20) mit ihren Längsachsen parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass um die Wanddurchführung für die Koppelstifte (31, 33, 38) ein Dielektrikum (30, 40) angeordnet ist und/oder dass die Koppelstifte (33) in einer durch die Wand (12) des Hohlleiters und/oder des Applikators (21) ragenden Hülse (40) aus dielektrischem Material verschiebbar geführt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch leitfähige Koppelstift (35) aus einem Koppelstab (36) und einer diesen umgebenden Hülse (38), in der der Koppelstab (36) längsaxial verschiebbar angeordnet ist, gebildet wird, oder dass der Koppelstift (39) an seinem in den Hohlleiter (10) ragenden Ende ein diesen Stift verlängerndes Stück (41) aus einem Dielektrikum aufweist, das vorzugsweise den Hohlleiterdurchmesser durchragt und an einer am gegenüberliegenden Ende befindlichen Hohlleiteröffnung nach außen geführt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelstift aus Graphit, einem Metall wie Kupfer, Aluminium, Wolfram oder Molybdän, einer Metallegierung wie Messing oder Stahl oder einem Isolator mit einer elektrischen Beschichtung, vorzugsweise TiN, und/oder das Dielektrikum (30, 40) aus Bornitrid oder einer Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid, Siliciumnitrid oder Quarz besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstifte (31, 33, 38, 39) jeweils im Bereich der Maxima der Mikrowellenstrahlung im Hohlleiter angeordnet sind und/oder dass durch Koppelstifte die Mikrowellenstrahlung kapazitiv oder induktiv eingekoppelt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstifte zylinderförmig ausgebildet sind, vorzugsweise mit abgerundeten Kanten und Ecken und/oder dass der Durchmesser (d) der Koppelstifte 1 mm bis 30 mm, vorzugsweise 5 mm bis 15 mm, beträgt und/oder die Länge (1), mit der die Koppelstifte (31, 33, 38, 36 und 39) in den Resonatorraum (20) hineinragen, 1 = x · λ (mit 0 ≤ x ≤ 1 und λ = Wellenlänge der Mikrowelle im Hohlleiter (10), vorzugsweise 1 = λ/4 bis λ/2 beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Dielektrikums im Hohlleiter entsprechend dem Wellenwiderstand angepaßt ist und/oder dass die Abstände (a) der Koppelstifte λ/4 bis λ/2 (mit λ = Wellenlänge der Mikrowelle im Hohlleiter (10)) betragen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Applikator-Resonanzraum (20) Gitterroste aus rundlichen Gitterstäben als Unterlage für das Behandlungsgut vorgesehen sind, wobei vorzugsweise die Gitterstäbe senkrecht zum elektrischen Feld der Mikrowelle ausgerichtet sind und/oder dass die neben- oder aneinanderliegenden Wände (12, 21) des Hohlleiters (10) und des Applikators thermisch gegeneinander isoliert sind.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, zur Entbinderung von Grünlingen aus einem Binder und nachfolgend genannten Stoffen und/oder zur Sinterung von Hartmetallen, Cermets, pulvermetallurgisch hergestellten Stählen oder metallischen oder keramischen Magnetwerkstoffen, insbesondere Ferriten, oder zur Erzeugung eines Plasmas.