EP1494506A2 - Hochmodiger Mikrowellen-resonator zur thermischen Prozessierung - Google Patents

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EP1494506A2
EP1494506A2 EP04007895A EP04007895A EP1494506A2 EP 1494506 A2 EP1494506 A2 EP 1494506A2 EP 04007895 A EP04007895 A EP 04007895A EP 04007895 A EP04007895 A EP 04007895A EP 1494506 A2 EP1494506 A2 EP 1494506A2
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resonator according
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    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B2206/04—Heating using microwaves
    • H05B2206/044—Microwave heating devices provided with two or more magnetrons or microwave sources of other kind

Definitions

  • the invention relates to a modular microwave resonator and a thermal region of a process line formed therefrom.
  • the microwave resonator is dimensioned geometrically such that, due to the coupled-in microwave, starting from the fundamental mode, a sufficient number of modes are formed which allow an overlay in such a way that the intensity effective in the resonator volume becomes sufficiently close to a uniformity required for industrial processing , Choice of frequency, geometry of the applicator, as well as the coupling determine the nature of the overlapping wave field.
  • a monomode resonator a sharp, pure geometric mode is excited, which generally has a very inhomogeneous distribution. To allow more modes, the applicator volume must be significantly increased.
  • the device consists of a heating chamber, through which the material to be processed is transported.
  • the heating chamber has a wall portion which is concavely curved. At this the coupled microwave is reflected and focused on the volume of material to be heated.
  • a comparable device is shown in WO 90/03714.
  • the heating chamber is used for food warming to try to surround the food volume to be heated with a volume in which an electromagnetic field with still tolerable deviation from homogeneity exists, so that a more uniform temperature field is established.
  • the heating chamber is one of the first reflection wall extended opposite second reflection wall, what is the aim of the process volume with a reinforced, to fulfill a uniform field in order to create a to achieve even heating of the object.
  • the invention is based on the object, a heating, temperature control and processing of extensive sheet materials to allow in the mold for industrial application that, due to extraordinary field homogeneity, through the structural geometry, the type of source and waveguide coupling as well as the tuning frequency and size of the Applicator even sensitive polymeric structures to high quality Products with previously unavailable material properties thermally processed and thus cured can.
  • the feed is said to be stacked in an education, so by full-pack of the applicator, or in the other Training in the flow method be possible.
  • the task is accomplished by a high-mode microwave resonator according to the characterizing features of claim 1, in which In particular, in addition to the basic mode sufficiently many higher Forming fashions, solved.
  • the resonator has a prismatic columnar shape with pentagonal, outwardly curved (convex) cross-section.
  • the microwave is via Einkoppelö réelleen in one of the five Jacket sides coupled into the resonator.
  • These coupling openings are line radiators and are parallel to the edge the jacket wall. This occurs from each coupling opening divergent microwave beam with a jet plane instead Beam axis, a line beam, off.
  • the Strahlebenen are directed so that the coupled microwave line beams in the resonator fanned out and in one predetermined central volume around and along the longitudinal axis of the resonator to an at least largely homogeneous distribution of the electromagnetic field in it.
  • the coupling openings are microwave-transparent, ambient and process to seal with a dielectric / cover (claim 6).
  • a dielectric / cover can, for example, a Teflon film but also otherwise one, possibly additionally mechanical resilient cover / layer.
  • the frontal access to the resonator is highlighted. That can be from one end, it will be then from there loaded with process material and the same from it taken.
  • the resonator can also be used in the run when there is access to both ends. Such a thing used resonator is then generally on a the five shell walls are, with the jacket wall with the coupling openings can be exposed as needed. sits For example, the resonator on a rack could do this Mantle wall be the bottom wall at the same time. When required easier Accessibility to the microwave equipment, This shell wall can also be exposed to the side or upwards be. But this eventually becomes due to process conditions certainly.
  • Einkoppelvoriquesen In addition to the two along the mantle wall edge fitting Einkoppelvoriquesen consists of claim 9 another, similar in between, in addition to the electromagnetic can be coupled to the field homogeneity in the Useful volume within the resonator with regard to the distribution characteristic fine to manipulate. The main draw will adjusted via the two outer couplings.
  • the resonator with semi-hexagonal cross section is in frame construction constructed of aluminum profiles, as Figure 2 shows.
  • He is a laboratory setup.
  • the shell walls are made of aluminum sheet, which is attached to the frame from the inside.
  • the two End faces here are perforated sheets, which are on the bottom frame are pivotable by a hinge.
  • the right coupling device has on her rear forehead, on the rear resonator front wall the Microwave source, a magnetron, with tuning unit (slide sit) to balance. In Figure 2, this is indicated by the hose feeders and visible rectangular parts.
  • the Microwave source of the parallel opposite coupling device sits in front of the lower left corner in the figure corresponding.
  • FIG. 1 shows its position in FIG Resonator cross.
  • the resonator cross section is convex pentagonal and can be mirrored at the bottom edge to a complete regular hexagon, as shown in Figure 1.
  • the beam path is at the source left in the figure of the outcoupling microwave beam with its point-dashed Beam axis, correct beam plane, indicated.
  • the left ray representation in the picture reflects twice, on the side wall and left roof wall, the right only at this Roof wall. More leads to confusion and is therefore refrain.
  • the technical data are exemplary.
  • this resonator plates and band-shaped green bodies were cured in homogeneous or composite form over the action of the coupled microwave depending on the extent in a short time for dimensional stability and optionally for mechanical stability.
  • a green sheet of CFRP material 3 mm thick and 20 cm 2, can thus over cross section and area in less than 20 minutes. evenly cured, fuel cell membranes in less than 5 minutes. This is only possible in several hours in a classic autoclave with purely thermal action over the surface of the article.
  • FIG. 3 shows the energy density distribution over the central cross section. In the upper half, in the central area, there is a relatively uniformly uniform distribution, which in this central area is characterized by only slight fluctuations. The two immediate coupling-in areas with the respectively connected rectangular waveguide cross-section also strongly appear.
  • FIG. 4 shows the distribution perpendicular thereto in the center plane to the base plate along the longitudinal center. Process articles which are exposed in the partial volume of the resonator in which these useful, little fluctuating field conditions exist and are exposed to the microwave are uniformly shaped-solidified in the comparatively short process times. In both planes considered, the largest variation is less than 5%.

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Abstract

Ein hochmodiger Mikrowellenresonator für die thermische Prozessierung von Werkstoffen hat prismatisch säulenförmig Gestalt mit pentagonalem Querschnitt. Parallel zu den beiden Mantelkanten einer der fünf Mantelwände befinden sich in derselben mindestens zwei gleichartig linienförmige Einkopplungsvorrichtungen für eine Mikrowelle, über die die Mikrowelle jeweils in Form eines Linienstrahlbündels in den Resonator eingekoppelt wird. Die Strahlebene des jeweiligen Linienstrahlbündels ist so gerichtet, dass sich die eingekoppelten Mikrowellenlinienstrahlenbündel im Resonator auffächern und sich in einem vorgegebenen zentralen Volumen um und entlang der Längsachse des Resonators zu einer zumindest weitestgehend homogenen Verteilung des elektromagnetischen Feldes überlagern. Weitere einfache bauliche Maßnahmen eröffnen diesem Resonatorprinzip ein weites Anwendungsfeld.

Description

Die Erfindung betrifft einen modularen Mikrowellenresonator und einen daraus gebildeten thermischen Bereich einer Prozessstrasse. Der Mikrowellenresonator ist bezüglich seiner Frequenz geometrisch derartig dimensioniert, dass sich durch die eingekoppelte Mikrowelle, ausgehend von der Grundmode, hinreichend viele Moden ausbilden, die eine Überlagerung in der Art ermöglichen, dass die im Resonatorvolumen wirksame Intensität einem zur industriellen Prozessierung erforderlichen Gleichmass ausreichend nähe kommt. Wahl der Frequenz, Geometrie des Applikators, sowie der Einkopplung determinieren die Art des sich überlagernden Wellenfeldes. Bei einem monomodigen Resonator wird eine scharfe, reine geometrische Mode angeregt, die im allgemeinen eine sehr inhomogene Verteilung aufweist. Um mehr Moden zuzulassen muss das Applikatorvolumen deutlich vergrößert werden. Im Grenzfall sehr großer Abstände besteht der Übergang zur klassischen geometrischen Optik. Wie in Feher, L., et al.: Sintering of Advanced Ceramics Using a 30-GHz, 10-kW, CW Industrial Gyrotron, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 27, No. 2, April 1999, pp.547-554 gezeigt wurde, führt die Überlagerung von vielen Moden nicht zwangsläufig zu einer Gleichverteilung oder Homogenisierung, sondern zu fokalen Überlagerungen. Der vorliegende Applikator hat charakteristische Abmessungen von mindestens L > 2λ für jede räumliche Dimension und bleibt in seiner Maximalausdehnung unterhalb des klassischen optischen Grenzfalles (Feher et al.: Theoretical aspects for microwave ray tracing calculations in screened structures, Proc. Latsis Symposium 1995 on Computational Electromagnetics, ETH Zürich, Switzerland, 1995, pp. 236-241). In diesem Bereich zwischen reiner modalen Anregung und klassischer Optik ist eine optimierte Feldformung durch die beschriebenen technischen Voraussetzungen Geometrie, Einkopplungsgestaltung in erforderlicher Weise möglich und zu lösen. In einem solchen mehr-/vielmodigen Mikrowellenresonator werden elektrisch sehr schlecht leitende Materialien im weiten Sinne, entsprechend der Prozess- und Nutzungsanforderung erwärmt. Im Gegensatz zu dielektrischen, mikrowellenpermeablen Materialien (z.B. Alumniumoxidkeramiken, Porzellan, Glasfasern), für die die Beziehung n = ε r gilt, sind bei diesen Materialien die Abhängigkeiten der elektrischen Leitfähigkeit nach
Figure 00020001
zu berücksichtigen. Zu denken ist einerseits an polymer-gebundene Graphitplatten (Brennstoffzellmembranen), an Kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffe, die aus einem forminstabilen Grünzustand heraus in einen ausgehärteten, formstabilen Zustand gebracht werden sollen, durch den sie für die weitere technische Verwendung ausgezeichnete Eigenschaften aufweisen. Oder aber das Brennen/Sintern von keramischen Grünkörpern. Andrerseits aber auch weniger mit hohen Temperaturen ist an die Erwärmung von Speisen zu denken. Bei all diesen Prozessvorhaben ist gemeinsam, dass in dem Resonatorvolumen ein vorgebbares Teilvolumen bestehen muss, in dem bei einkoppelnder Mikrowelle ein vorgegeben höherer Grad an elektromagnetischer Feldhomogenität besteht, damit darin kontrolliert gleichmäßig auf die Prozesssubstanz eingewirkt werden kann.
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 einge koppelte Mikrowelle reflektiert und auf das zu erwärmende Materialvolumen fokussiert.
Eine vergleichbare Einrichtung zeigt die WO 90/03714. Dort dient die Heizkammer zur Speisenerwärmung, um zu versuchen das zu erwärmende Speisenvolumen mit einem Volumen, in dem ein elektromagnetisches Feld mit noch tolerabler Homogenitäts-abweichung besteht, zu umgeben, damit ein gleichmäßigeres Temperaturfeld zustande kommt.
In der JP 4-137391 ist die Heizkammer um eine der ersten Reflexionswand gegenüber liegende zweite Reflexionswand erweitert, womit angestrebt wird das Prozessvolumen mit einem verstärkten, gleichmäßigen Feld zu erfüllen, um damit eine gleichmäßige Aufheizung des Gegenstands zu erreichen.
In der US 5,532,462 wird ein zylindrisches Reaktionsgefäß beschrieben, dessen Inneres mit Mikrowellenenergie geheizt wird. Hierzu wird die Multimod-Mikrowelle in das Gefäß derart eingekoppelt, dass sie an der Innenwand absorbiert und reflektiert wird, und zwar derart, dass die Absorption und Reflexion helikal fortschreitend erfolgen. Das Kesselinnere soll so gleichmäßig geheizt werden.
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 Society, Seiten 243 bis 255). Es werden zwei hochmodige, zylindrische Mikrowellen" beschrieben, der eine bei 2.45 GHz und der andere bei 28 GHz. Erfolgreich war der Sinterprozess nur bei der hohen Frequenz.
Anlässlich des MRS Spring Meeting in San Francisco, April 11th, 1996 (Symp. Microwave Processing of Materials V) berichteten L. Feher et al. unter dem Titel "The MiRa/THESIS 3D-Code Package for Resonator Design and Modelling 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.
In der DE 196 33 245 wird ein prismatischer, bezüglich seiner Längsachse symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygonalem Querschnitt als Resonator beschrieben. Alle Flächensegmente des Resonators sind eben 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. Der Mikrowellenstrahl wird durch eine Einkoppelöffnung in einer der beiden Stirnwände eingekoppelt, seine Strahlachse ist zu der Längsachse geneigt, und zwar so, dass bei der ersten Reflexion eine symmetrischer Strahlaufteilung erfolgt. Die theoretischen Befunde für die Feldaufteilung wurden rechnerisch als auch experimentell in gutem Masse bestätigt. Eine gleichmäßige Verarbeitung mehrerer zu glühender oder zu brennender Körper kann mit verringertem Ausschuss durchgeführt werden.
Die bislang vorgestellten, bestehenden technischen Vorrichtungen lösen das Problem durch monomodige oder optische Ansätze, beschränkt in einer endlichen Geometrie, und sind hinsichtlich der technischen Nutzung unter den Anforderungen großflächiger, membranartiger Strukturen und Beladungen in ihren Ausbildungen insbesondere zur Realisierung von linienförmigen Prozessstrassen nicht zweckmäßig oder verwendbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Erwärmung, Temperierung und Prozessierung ausgedehnter flächiger Materialien in der Form für die industrielle Anwendung zu ermöglichen, dass, durch außerordentliche Feldhomogenität bedingt, durch die bauliche Geometrie, die Art der Quellen- und Wellenleitereinkopplung sowie der Abstimmung Frequenz und Größe des Applikators selbst sensible polymere Strukturen zu hochqualitativen Produkten mit bisher nicht erreichbaren Materialeigenschaften thermisch prozessiert und damit ausgehärtet werden können. Die Beschickung soll dabei in einer Ausbildung stapelartig, also durch Vollpacken des Applikators, oder in der andern Ausbildung im Durchflussverfahren möglich sein.
Die Aufgabe wird durch einen hochmodigen Mikrowellenresonator gemäss den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, in dem sich insbesondere neben der Grundmode hinreichend viele höhere Moden ausbilden können, gelöst.
Der Resonator hat prismatisch säulenförmige Gestalt mit pentagonalem, nach außen gewölbtem (konvexem) Querschnitt. Die Mikrowelle wird über Einkoppelöffnungen in einer der fünf Mantelseiten in den Resonator eingekoppelt. Diese Einkoppelöffnungen sind Linienstrahler und liegen parallel zu der Kante der Mantelwand. Dadurch tritt aus jeder Einkoppelöffnung ein divergenter Mikrowellenstrahl mit einer Strahlebene statt Strahlachse, ein Linienstrahlbündel, aus. Die Strahlebenen sind so gerichtet, dass sich die eingekoppelten Mikrowellenlinienstrahlenbündel im Resonator auffächern und sich in einem vorgegebenen zentralen Volumen um und entlang der Längsachse des Resonators zu einer zumindest weitestgehend homogenen Verteilung des elektromagnetischen Feldes darin überlagern.
In den Unteransprüchen 2 bis 10 werden vorteilhafte und für den Betrieb zweckmäßige Ausgestaltungen des Resonators beschrieben:
  • Eine spezielle, symmetrische Querschnittsform des Resonators ist die zur Seitenhalbierenden der Grundseite symmetrische Querschnitt (Anspruch 2), insbesondere wenn die beiden Seitenwände auch noch senkrecht auf der Grundplatte/Rückwand stehen (Anspruch 3). Der letztere Fall insbesondere ergibt sich aus rechnerischen Feldbetrachtungen, Felduntersuchungen und Symmetriebetrachtungen an einem Resonator mit hexagonalem Querschnitt (siehe DE 196 33.245). Aus diesen Untersuchungen und den Ableitungen aus Symmetriegründen darin wird dieser spezielle Querschnitt des Resonators gemäss Anspruch 4 als semihexagonal bezeichnet, weil er sich durch den mittigen Schnitt durch die jeweilige Längsmitte zweier paralleler und einander senkrecht gegenüberliegender Wände des Mantels eines Resonators mit hexagonalem Querschnitts ergibt.
    • Bezüglich der geforderten Qualität der elektromagnetischen Feldverteilung im Innern des Resonators hat sich experimentell gezeigt, dass der Anbau der zur Einkopplungsvorrichtung gehörigen Mikrowelle an der einen oder andern Stirnseite, und damit bei Betrachtung beider Einkopplungsvorrichtungen gleichartig oder auf unterschiedlicher Stirnseite - im einen oder andern Fall messbare, im allgemeinen jedoch nicht stark ausgeprägte Verbesserungen bringt (Anspruch 5).
    Ablagerungen in den Einkoppelöffnungen würden die Auskopplung der Mikrowelle und damit die Feldverteilung im Resonator nachteilig beeinträchtigen. Es ist deshalb sinnvoll und zweckmäßig die Einkoppelöffnungen mikrowellentransparent, umgebungs- und prozessinert mit einem Dielektrikum zu verschließen / abzudecken (Anspruch 6). Das kann beispielsweise einen Teflonfolie sein aber auch sonst eine , eventuell zusätzlich mechanisch belastbare Abdeckung/Lage.
    In Anspruch 7 wird der stirnseitige Zugang zum Resonator hervorgehoben. Das kann von einer Stirnseite aus sein, es wird dann von da aus mit Prozessgut beschickt und dasselbe daraus entnommen. Der Resonator kann aber auch im Durchlauf benutzt werden, wenn über beide Stirnseiten Zugang besteht. Ein derartig benutzter Resonator wird dann im allgemeinen auf einer der fünf Mantelwände stehen, wobei die Mantelwand mit den Einkoppelöffnungen je nach Bedarf exponiert werden kann. Sitzt der Resonator auf einem Gestell beispielsweise, könnte diese Mantelwand gleichzeitig Bodenwand sein. Bei geforderter leichter Zugänglichkeit zu den mikrowellentechnischen Einrichtungen, kann diese Mantelwand auch zur Seite oder nach oben exponiert sein. Das aber wird schließlich durch Prozessgegebenheiten bestimmt.
    In Anspruch 8 ist beschrieben, dass der Zugang ins Resonatorinnere über mindestens eine der übrigen vier Mantelwände außer der Mantelwand mit den Einkoppelöffnungen eingerichtet ist, vorzugsweise über eine dieser Mantelwand mit Einkoppelöffnungen gegenüberliegende oder beide. Bei dieser Forderung könnte dann der Resonator auf eine Stirnwand gestellt und schrankartig zugänglich sein. Steht er in dieser Art auf Rollen oder einem Rollengestell, ist er darüber hinaus noch mobil. In welche Richtung, von der Resonatorbeschickung und - entnahme aus gesehen, die Mantelfläche mit den Einkoppelöffnungen exponiert wird, ist wie oben angemerkt, von den weiteren Prozessgegebenheiten abhängig. Beispielhaft ist der Zugang zu einem Schrank mit Klapptür oder Klapptüren mit den mikrowellentechnischen Anbauten auf der Rückwand.
    Neben den beiden entlang der Mantelwandkante sitzenden Einkoppelvorrichtungen besteht nach Anspruch 9 eine weitere, gleichartig dazwischenliegende, über die zusätzlich elektromagnetisch eingekoppelt werden kann, um die Feldhomogenität im Nutzvolumen innerhalb des Resonators hinsichtlich der Verteilungscharakteristik fein zu manipulieren. Das Hauptfeld wird über die beiden äußeren Einkopplungen eingestellt.
    Über die Zahl der Einkoppelvorrichtungen kann grundsätzlich auch eine andere elektromagnetische Feldverteilungen als die hier um die zentrale Längsachse des Resonators ausgebildete eingestellt werden. Die ausgekoppelten Mikrowelle/n reflektieren an den Innenwänden des Resonators aufweitend und nicht fokussierend. Das ist für eine homogene Feldverteilung eine grundlegende Voraussetzung, weil fokale Feldüberhöhungen, Kaustiken, wie bei runder Mantelwand nicht auftreten können.
    Schließlich ergibt sich aus mikrowellentheoretischen Betrachtungen, dass bei einfachen Strukturen eine Welligkeit mit frequenzberücksichtigender Dimension für den Grad der Gleichmäßigkeit des elektromagnetischen Feldes in Teilvolumen des Resonators vorteilhaft ist. Experimentell bestätigte sich das für den Resonator, wenn die Welligkeit w sich in dem Band. λ/16 < w < λ/2 bewegt (Anspruch 10).
    Orientiert an dem Prozess, der gefahren, und dem Material, das prozessiert werden soll, sowie dem monetären Aufwand, der für eine solche mikrowellentechnologische Einrichtung aufgewandt werden muss, wird man zum Bau auf Mikrowellenkomponenten/quellen zugreifen, die ab 100 MHz bis in den Bereich von 25 GHz Standard sind. Für die Speisenerwärmung beispielsweise ist die Haushaltsmikrowelle eine bekannte Einrichtung. Sie arbeitet mit einem Magnetron als Mikrowellenquelle und erzeugt eine Hochfrequenz von 2,45 GHz. Bei der Keramiksinterung ist die thermische Prozessierung bei dieser Frequenz aber auch bei etwa 24,5 GHz sinnvoll. Hier spielt die Ankopplungseigenschaft der Prozesssubstanz eine gewichtige Rolle, die zudem noch temperaturabhängig ist. Aus der Homogenitätsforderung an das elektromagnetische Feld in mindestens einem Teilvolumen des Resonatorinnern und der Prozesskörperdimensionen ergibt sich die Frequenzwahl und Geometrie des Resonators, wobei der Durchmesser des Resonatorquerschnitts und die Länge des Resonators aus den Feldrechnungen und -betrachtungen heraus zur Einstellung des geforderten Grades an Feldhomogenität im notwendigen Teilvolumen stets größer als die Wellenlänge λ der angewandten Mikrowelle, vorzugsweise 2λ ist.
    Das Durchführungsbeispiel ist ein Resonator in der geometrischen Form gemäss Anspruch 4 mit pentagonalem Querschnitt, speziell, da aus einem regelmäßig hexagonalen Querschnitt durch Halbierung hervorgehend, semihexagonalem Querschnitt. Diese spezielle, beispielhafte Geometrie wird im folgenden noch näher erläutert. Die Zeichnung dazu besteht aus den Figuren 1 bis 4:
  • Figur 1 die Erzeugung des Resonatorquerschnitts,
  • Figur 2 der Resonator mit semihexagonalem Querschnitt perspektivisch,
  • Figur 3 die Energiedichteverteilung über dem Querschnitt, Figur 4 die mittige Energiedichteverteilung über der Resonatorlänge.
    • Der Resonator mit semihexagonalem Querschnitt ist in Rahmenbauweise aus Aluminiumprofilen aufgebaut, wie Figur 2 zeigt. Er ist ein Laboraufbau. Die Mantelwände bestehen aus Aluminiumblech, das von innen an den Rahmen befestigt ist. Die beiden Stirnseiten sind hier perforierte Bleche, die am Bodenrahmen über ein Scharnier schwenkbar sind. Entlang der beiden Mantelkanten der Bodenwand sitzen die beiden Längseinkopplungen, siehe Figur 1. Die rechte Einkoppeleinrichtung hat an ihrer hinteren Stirn, an der hinteren Resonatorstirnwand die Mikrowellenquelle, ein Magnetron, mit Abstimmeinheit (Schieber sitzen) zum Abgleich sitzen. In Figur 2 deutet sich das durch die Schlauchzuführungen und sichtbaren Rechteckteile an. Die Mikrowellenquelle der parallel gegenüberliegenden Einkoppelvorrichtung sitzt vorne an der in der Figur linken unteren Ecke entsprechend. Der Aufbau ist notwendigerweise hochfrequenzdicht, wie an den Stirnkanten durch das anliegende, gewebeartige Metallband ersichtlich. In der Bodenwand liegt innen eine Teflonplatte aus, die den gesamten Boden abdeckt und die beiden band-/linienförmigen Einkoppelöffnungen entlang der jeweiligen Mantelwandkante verdeckt. Figur 1 zeigt ihre Lage im Resonatorquerschnitt. Der Resonatorquerschnitt ist konvex pentagonal und lässt durch Spiegelung an der Grundkante zu einem regelmäßigen Hexagon vervollständigen, wie in Figur 1 dargestellt.
    In Figur 1 ist an der in der Figur linken Quelle der Strahlengang des auskoppelnden Mikrowellenstrahls mit seiner punktgestrichelten Strahlachse, richtiger Strahlebene, angedeutet. Die im Bild linke Strahlrepräsentierung reflektiert zweimal, an der Seitenwand und linken Dachwand, die rechte nur an dieser Dachwand. Mehr führe zur Unübersichtlichkeit und ist deshalb unterlassen.
    Die Betriebesdaten und die Geometrie des Resonators mit semihexagonalem Querschnitt sind:
  • Die Betriebsfrequenz ist 2,45 GHz und damit eine Wellenlänge λ im Vakuum von etwa 12 cm. Als Mikrowellenquelle wird pro Einkoppelvorrichtung ein Magnetron verwendet. Die beiden Magnetrone sind pulsbar mit steuerbarem Puls-Breiten-Verhältnis, so dass kontinuierlich eine Mikrowellenleistung von null bis zum Nennmaximum eingestellt werden kann. Das Resonator hat die zehnfache Vakuumwellenlänge, also etwa 1,2 m, die Seitenwand hat eine Innenhöhe von etwa 30 cm und die beiden Dachmantelwände sind jeweils 60 cm breit.
    • Die technischen Daten sind beispielhaft. In diesem Resonator wurden und werden Platten und bandförmige Grünkörper in homogener oder verbundtechnische Form über die Einwirkung der eingekoppelten Mikrowelle je nach Ausdehnung in kurzer Zeit zur Formstabilität und gegebenenfalls zur mechanischen Stabilität ausgehärtet. Eine Grünplatte aus CFK-Material, 3 mm dick und 20 cm2 kann so über Querschnitt und Fläche in weniger als 20 Minuten. gleichmäßig ausgehärtet werden, Brennstoffzellmembranen in weniger als 5 Minuten. Das gelingt in einem klassischen Autoklaven bei rein thermischer Einwirkung über die Gegenstandsoberfläche nur in mehreren Stunden.
    Die ausgezeichneten Prozesszeiten werden anhand der Figuren 3 und 4 mit den dargestellten Feldverteilungen erklärt. Figur 3 zeigt die Energiedichteverteilung über den mittigen Querschnitt. hervortritt in der oberen Hälfte im zentralen Bereich ein verhältnismäßig gleichmäßig gleichdunkle Verteilung, die in diesem zentralen Bereich von nur geringen Schwankungen bekleidet ist. Stark treten auch die beiden unmittelbaren Einkoppelbereiche mit dem jeweils angeschlossenen Rechteckhohlleiterquerschnitt hervor.
    In Figur 4 ist die Verteilung senkrecht dazu in der Mittenebene zur Grundplatte entlang der Längsmitte dargestellt. Prozessgegenstände, die in dem Teilvolumen des Resonators, in dem diese brauchbaren, wenig schwankenden Feldverhältnisse bestehen, exponiert und der Mikrowelle ausgesetzt werden, werden in den vergleichbar kurzen Prozesszeiten gleichmäßig formverfestigt.
    In beiden betrachteten Ebenen ist die größte Schwankung kleiner als 5%.

    Claims (10)

    1. Hochmodiger Mikrowellenresonator für die thermische Prozessierung von Werkstoffen, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator (1) prismatisch säulenförmig Gestalt pentagonalem Querschnitt hat,
      dass sich parallel zu den beiden Mantelkanten einer der fünf Mantelwände in derselben mindestens zwei gleichartig linienförmige Einkopplungsvorrichtungen für eine Mikrowelle befinden, über die die Mikrowelle jeweils in Form eines Linienstrahlbündels in den Resonator eingekoppelt wird,
      dass die Strahlebene des jeweiligen Linienstrahlbündels so gerichtet ist, dass sich die eingekoppelten Mikrowellenlinienstrahlenbündel im Resonator auffächern und sich in einem vorgegebenen zentralen Volumen um und entlang der Längsachse des Resonators zu einer zumindest weitestgehend homogenen Verteilung des elektromagnetischen Feldes überlagern.
    2. Mikrowellenresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Resonators zur Seitenhalbierenden der Grundlinie des Querschnitts spiegelsymmetrisch ist.
    3. Mikrowellenresonator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden an der Grundfläche des Resonators ansetzenden Seitenwände senkrecht auf dieser stehen.
    4. Mikrowellenresonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Resonators die symmetrische Hälfte eines hexagonalen Querschnitts - semihexagonal - ist.
    5. Mikrowellenresonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Mikrowellenquelle der beiden außenliegenden Einkopplungsvorrichtungen an der gleichen oder an entgegengesetzten Stirnseite des Resonators angebaut ist.
    6. Mikrowellenresonator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einkoppelöffnungen für die Mikrowelle mit einem mikrowellentransparenten, umgebungs- und prozesssinerten Dielektrikum verschlossen / abgedeckt sind.
    7. Mikrowellenresonator nach 6, dadurch gekennzeichnet, dass dieser über mindestens eine seiner beiden Stirnwände zugänglich ist.
    8. Mikrowellenresonator nach 6, dadurch gekennzeichnet, dass er über mindestens eine der beiden Mantelwände, die der Mantelwand mit den Einkoppelöffnungen gegenüberliegen, zugänglich ist.
    9. Mikrowellenresonator nach den Ansprüchen 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden aussenliegenden Einkoppelöffnungen eine weitere, parallele liegt, über die ebenfalls eine Mikrowelle einstellbarer Leistung zur Anpassung der Feldhomogenität eingekoppelt wird.
    10. Mikrowellenresonator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwände des Resonators eine Welligkeit w im Bereich λ/16 < w < λ/2 aufweisen.
    EP04007895A 2003-07-01 2004-04-01 Hochmodiger Mikrowellen-resonator zur thermischen Prozessierung Expired - Lifetime EP1494506B1 (de)

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