ES2282862T3 - Resonador de microondas, una cadena de tratamiento construida modularmente a partir de un resonador de microondas de este tipo, un procedimiento operacional y objetos/piezas a procesar termicamente segun este procedimiento por medio de microondas. - Google Patents

Abstract

Resonador de microondas para tratar térmicamente materiales mediante microondas, que se compone de: - un resonador multimodos de sección transversal convexa, poligonal par al menos hexagonal, cuyos segmentos de la superficie lateral y las dos caras frontales son planas/llanas y la arista longitudinal de contacto de dos segmentos de superficie lateral inmediatamente vecinos, la arista longitudinal del cuerpo, queda paralelamente al eje longitu dinal del resonador, - una pareja de estructuras de acoplamiento para la microonda instalada simétricamente a lo largo de, al menos, una arista longitudinal del cuerpo a partir de, al menos, dos estructuras de acoplamiento alargadas, donde cada estructura de acoplamiento se ha instalado a lo largo de una recta guía paralelamente a la arista longitudinal del cuerpo en la pared del resonador y la recta guía está a una distancia tal de la correspondiente arista longitudinal del cuerpo que el haz de microondas acoplado por ella en el resonadores refleja en la primera reflexión en dos segmentos unidos de la superficie lateral y se segrega en dos porciones de rayos, caracterizado porque: sobre cada estructura de acoplamiento entra el extremo de un conductor hueco rectangular proveniente de una fuente de microondas, que conduce una microonda en modo TE10, y la estructura de acoplamiento en el segmento de la superficie lateral se compone de una secuencia de perforaciones equidistantes, que no se solapan, en la pared del resonador, de los contornos/aberturas de acoplamiento, alternativamente a izquierda y a derecha de la correspondiente recta guía paralelamente a la arista longitudinal del cuerpo, los contornos/aberturas de acoplamiento se suceden a una distancia unos de otros, que causa un desacoplamiento constante en fase en el resonador de la microonda, que se encuentran en el conductor hueco rectangular en el modo TE01 base, y la anchura d de las ranuras se determina aproximadamente para pequeños ángulos zeta de difracción con longitud lambda de onda prefijada a partir de: y para ángulos zeta de difracción muy pequeños

Description

Resonador de microondas, una cadena de tratamiento construida modularmente a partir de un resonador de microondas de este tipo, un procedimiento operacional y objetos/piezas a procesar térmicamente según este procedimiento por medio de microondas.

El invento se refiere a un resonador de microondas, a una instalación o cadena de tratamiento construida modularmente a partir de un resonador de microondas, a un procedimiento y a objetos/piezas a procesar tratadas térmicamente por medio de microondas según este procedimiento.

Se conoce y está ampliamente introducido calentar de comidas con microondas. Un campo electromagnético integrado en un volumen de resonador adopta inmediatamente una distribución estacionaria, que depende de la frecuencia de la microonda, equivalente de la longitud de onda, y de la geometría del volumen del resonador. La microonda doméstica tiene una frecuencia de 2,45 GHz y, por consiguiente, una longitud \lambda de onda de unos 12 cm en un volumen lleno de aire o en vacío. La geometría de los aparatos de microondas para el servicio doméstico queda, por tanto, en una configuración cúbica sencilla dentro de estas dimensiones.

Según la experiencia, el calentamiento de las comidas expuestas en el volumen de resonador no se realiza homogéneamente. Depende de los diferentes contenidos de agua en la porción de comida y, por consiguiente, de la existencia de un concentración de dipolos localmente diferente, pero muy considerablemente de la distribución del campo electromagnético en el resonador y, por tanto, de la excitación de los dipolos por el campo electromagnético excitador. Al calentar sustancias/materias similares, es de importancia decisiva para el calentamiento homogéneo en todo el volumen de las sustancias/materias, en especial, la distribución del campo. Un recurso tosco pero, no obstante, eficaz para evitar variaciones de campo espaciales de fuertes a más fuertes es una superficie móvil dentro del volumen de resonador, en la que se reflejen las zonas incidentes de la radiación de microondas y no estén así localizadas las variaciones de intensidad de campo y, por consiguiente, se dispersen. En este caso, el material a tratar queda estacionariamente dentro del volumen de resonador. Otra medida u otra medida adicional es mover el material a tratar, por ejemplo, en una plato giratorio o en una plataforma movida en vaivén.

En la técnica industrial de tratamiento de materiales es de importancia fundamental que, al calentar el material a tratar con microondas, el campo electromagnético oscile lo menos posible en todo el volumen del resonador o, al menos, en la mayor zona central posible del volumen del resonador, o sea, que se aproxime a una distribución espacial regular ideal para evitar sobrecalentamientos locales, "hotspots" (puntos de inflamación).

En el documento DE 196 33 245, se describe una geometría poligonal de resonador, en la que se integra de un modo frontalmente excéntrico con eje de irradiación oblicuo. En especial, en el caso de una sección transversal hexagonal de la geometría del resonador se consigue una distribución de campo con la cual se presenta, al menos, en la zona central del resonador una región de volumen en la que existe una regularidad de campo útil. Aunque en el conjunto del interior del resonador se presente un campo electromagnético, al acoplar la microonda, el volumen central de tratamiento con campo homogéneo o, al menos, con oscilación de campo tolerable es relativamente pequeño. Este resonador con su tipo de acoplamiento sólo se puede utilizar aisladamente y no se puede utilizar como módulo de una instalación.

Se le plantea al invento el problema de facilitar un resonador para una microonda a integrar en él, en el que se configure una mezcla de numerosos modos de tal modo que se pueda aprovechar, en el volumen del resonador, un volumen de tratamiento lo mayor posible alrededor del eje longitudinal del resonador para el tratamiento térmico con la condición de que la intensidad media de campo de la mezcla de modos corresponda a una homogeneidad ideal en dicho volumen.

Un resonador semejante se ha de poder utilizar modularmente, es decir, se ha de poder construir una cadena de tratamiento para el tratamiento térmico de piezas a tratar alineando unos junto a otros tales resonadores.

Además, los resonadores deben poder ser accionados, en cada caso, con técnica de microondas de modo que la configuración de los modos de desplace con frecuencia prefijable en el resonador al integrar las microondas oscilando localmente o circulando espacialmente.

Con un resonador semejante, se deben tratar térmicamente a escala industrial piezas a procesar u objetos térmicamente tratables por medio de una acción de microondas a causa del calentamiento volumétrico con elevado ahorro de tiempo y energía, pero, en especial, se endurecen regularmente materiales compuestos, CFK y/o GFK, así como también porciones de cola y estructuras recubiertas de resina epoxi, para conseguir una elevada estabilidad dimensional y capacidad de carga mecánica.

El problema se resuelve por medio de un resonador de microondas con las características de la reivindicación 1.

El resonador de microondas para tratamiento térmico de materiales tiene básicamente una configuración conocida por el documento DE 196 33 245 de sección transversal poligonal convexa. La sección transversal es regular. Pero se demostrado a base de reflexiones y cálculos basados en ellas que la poligonalidad de número par de lados y, al menos, la hexagonalidad de la sección transversal resulta ventajosa para un ajuste de campo lo más regular posible con acoplamiento de microondas en una gran zona volumétrica central del resonador. El volumen interior del resonador es sencillo y nunca es redondo. Junto con las dos paredes frontales, tiene segmentos de superficie lateral planos, similares y tiene, por consiguiente, una sección transversal homogénea. En función de la longitud \lambda de onda de la microonda integrada en el resonador, tiene unas dimensiones tales que se pueda formar un campo electromagnético multimodal.

Se habla de multimodalidad o de sobremodalidad cuando el diámetro D del resonador es sensiblemente mayor que la longitud \lambda de onda, aproximadamente 5 veces mayor, preferiblemente 10 veces mayor o aún más, cuando sea constructivamente realizable, de modo que según la relación

l^{2} + m^{2} + n^{2} = \left(\frac{D}{\lambda}\right)^{2}

entre los números l, m, n de modos y la longitud \lambda de onda y el diámetro D del resonador pueden existir considerablemente muchos modos (l, m, n), que se pueden excitar y que se superponen y, por consiguiente, dan lugar a sobremodalidad.

La homogeneidad o, al menos, la pequeña oscilación espacial del campo electromagnético en la gran zona volumétrica central del interior del resonador se consigue con, al menos, un par de estructuras integradas para la microonda. Las estructuras integradas son similares.

Una pareja semejante de estructuras integradas puede consistir en el caso de aplicadores muy grandes en varios trenes de conductores de ondas, que se acoplen exteriormente de modo axialmente paralelo. Una arista longitudinal del cuerpo del resonador discurre siempre entre una pareja semejante de estructuras de acoplamiento, que se extiende, cómo máximo, por la longitud del resonador o bien de la arista longitudinal del cuerpo del resonador. Varias parejas de estructuras de acoplamiento descansan en este tipo en el contorno del resonador. Se pueden encontrar, como máximo, N parejas de estructuras de acoplamiento en el cuerpo del resonador, siendo N un número natural que proporciona la poligonalidad.

Cada estructura de acoplamiento se compone de una disposición longitudinal de perforaciones en la pared del cuerpo del resonador, por las cuales termina el conductor hueco rectangular, que llega de la fuente de microondas. Esta estructura de acoplamiento en el segmento de la superficie lateral del cuerpo se compone de una serie de contornos/aberturas de acoplamiento equidistantes, que se solapan alternativamente a izquierda y a derecha de una recta, de las rectas de guía, que discurre paralelamente a la correspondiente arista longitudinal del cuerpo del resonador. Los contornos/aberturas de acoplamiento siguen a una distancia mutua, que origina un desacoplamiento de fase constante en el resonador de la microonda, que se encuentra en el conductor hueco rectangular en modo TE_{01} base, y que determina la anchura/talla d de la ranura a partir de la relación para el ángulo \theta de difracción con longitud \lambda de onda prefijada siguiente:

tg\theta = \frac{\lambda}{d}

Esta aproximación rige para el ángulo \theta < 5º, para el ángulo \theta < 2º es incluso suficiente el primer miembro del desarrollo en serie de la tangente, a saber

\theta = \frac{\lambda}{d}

Los contornos de acoplamiento tienen, por un lado, una amplitud d según la relación del ángulo de difracción, que se acaba de citar, en función de la primera distancia L1 de reflexión de la microonda desacoplada de la estructura de acoplamiento, para garantizar extensión del frente de ondas generado de tal modo que se abra éste en abanico de manera suficientemente amplia y para ser reflejado sólo en dos haces dirigidos de modo diferente en dos segmentos de la superficie lateral de cuerpo opuestos, que hacen tope mutuamente. Por otro lado, el ángulo de difracción se dimensiona tan pequeño como para que el haz primario acoplado en el resonador no coincida con la estructura de acoplamiento eventualmente opuesta para evitar la reflexión de la radiación con su plano de radiación. Los haces de rayos disociados producidos después de la reflexión primaria presentan un sentido de giro para ulterior reflexión y distribución opuesto a su conductor de ondas/estructura de acoplamiento y, por consiguiente, una dispersión acompañante ruidosa, pero elástica y, por ello, sin pérdidas.

Gracias al aprovechamiento de las parejas de estructuras de acoplamiento simétricas, se realiza una distribución homogénea de amplitudes por el desacoplamiento de perforaciones realizado en el resonador directamente en el campo vecino de Fresnel. Se conserva la ulterior propagación de ondas libre con amplitud de refracción acompañante. El frente de onda, que se extiende ampliante a partir de una estructura de acoplamiento, se refleja múltiplemente de forma elástica por los segmentos de la pared interior del cuerpo metálicos planos, conservando sus propiedades, y así ensancha permanentemente los haces de rayos generados. Las perforaciones de la estructura o las estructuras de acoplamiento se disponen en el final del conductor de ondas sobre la pared del resonador y se desacoplan con fases constantes en el resonador. Basándose en estas consideraciones, resulta también la distancia de la cadena, a lo largo de la cual se ordenan las ranuras de desacoplamiento, al eje longitudinal del cuerpo del resonador. Esta distancia constructiva se determina, variablemente dentro de unos límites, a base de los requerimientos de técnica de microondas mencionados arriba.

Las reivindicaciones subordinadas 2 a 4 describen posiciones y geometrías especiales para las perforaciones.

Según la reivindicación 2, los contornos de acoplamiento quedan con su eje longitudinal paralelamente a las rectas guía, se da entonces el acoplamiento de microondas más fuerte en el resonador con el respectivo contorno de acoplamiento. Una posición intermedia significa un acoplamiento de microondas convenientemente fuerte, que queda entremedias.

Junto con la posición geométrica de las perforaciones de las estructuras de acoplamiento de una pareja de estructuras de acoplamiento entre sí, es asimismo importante su forma geométrica para la calidad de la configuración del campo electromagnético en el resonador.

En cuanto a técnica de fabricación, la forma más sencilla del contorno de acoplamiento es el rectángulo con la anchura d y la longitud L = \lambda/2 de la longitud de la onda H_{10} base en el conductor hueco rectangular (reivindicación 3). Con esta geometría hay pérdidas características en física de microondas en la radiación de salida/entrada en el resonador, que se manifiesta en el calentamiento más fuerte, calentamiento Ri^{2} de Joule por las corrientes marginales, en especial, en las zonas de esquina del contorno de acoplamiento.

Un contorno de acoplamiento sencillo, optimizado se describe en la reivindicación 4. Sigue a lo largo de una longitud L = \lambda/2 de la longitud de la onda base el trazado de dos líneas de campo eléctricas, inversamente simétricas entre sí, las líneas E de campo, del modo TE_{01} base en la pared del conductor hueco rectangular, al menos, aproximadamente de nudo a nudo. En la convexidad, estas dos líneas E de campo quedan mutuamente separadas aproximadamente la anchura d explicada arriba para la difracción.

A partir de consideraciones teóricas, una fuente de radiación puntiforme discrecional se compone de un desarrollo lineal de rayos multipolares de orden sucesivamente más elevado, en el caso más sencillo de una radiador dipolar. De ahí se puede deducir una configuración complicada del contorno de acoplamiento, que se aproxima factiblemente en el campo lejano de esta fuente de irradiación a la forma ideal de una característica multipolar prefijada.

La posición de las perforaciones de una estructura de acoplamiento de las parejas de estructuras de acoplamiento es asimismo importante para la configuración del campo acoplado en el resonador. En la reivindicación 5, se describe la posición mutua de las perforaciones. La posición mutua de las perforaciones es equidistante para conseguir la constancia de fases a desacoplar y la distancia de las perforaciones a las rectas guías es tal que se obtenga una radiación isótropa en el campo lejano reflejado.

En las reivindicaciones 6 subordinadas, se describe un dispositivo, que resuelve dos cosas: primero, para mejorar la regularidad de campo en el caso de un campo homogéneo no ideal en volumen de tratamiento del resonador,se instala un agitador de modos rotativo, que sobresale como máximo sobre la longitud de la arista de la superficie lateral del resonador, a lo largo de las rectas de corte de los dos planos de radiación de una pareja acoplada, que dispersa, en segundo lugar, el centro de los dos haces de rayos acoplados a partir de la pareja de estructuras de acoplamiento, de modo que ninguno de los dos planos de radiación coincida con una estructura de acoplamiento eventualmente opuesta. El agitador de modos no debe permitir reflexión de retorno alguna, al menos, casi reflexión de retorno alguna, del haz primario directamente incidente del conductor de ondas en el conductor de ondas. En todo caso, debe minimizarse semejante reflexión. Por ello, tiene una sección transversal elíptica o una sección transversal redonda con contorno cóncavo-convexo sucesivo, donde, en caso de porción convexa, la curvatura se mantiene de tal modo que el punto de ignición no caiga en la estructura de acoplamiento. Gracias a ello, se reflejaría en todo caso una porción lineal del rayo de microon-
da incidente. Sólo puntiforme, en el caso de que el agitador de modos esté aún retorcido adicionalmente a lo largo.

Una solución adicional del problema consiste en la formación de una cadena de tratamiento según las características de la reivindicación 7. Al menos, dos resonadores de microondas según la reivindicación 5 ó 6 se alinean frontalmente entre sí modularmente de modo que se puedan transportar objetos a tratar a través de un paso entre las dos paredes frontales mutuamente opuestas desde un resonador al siguiente. La alineación mutua puede ser recta o angular o incluso en forma meandro, de modo que, dado el caso, se puedan tener en cuenta las condiciones/limitaciones constructivas. Con una cadena de tratamiento semejante, se puede procesar térmicamente de modo continuo una serie de grandes números de piezas a tratar, por ejemplo, calentar, mantener la temperatura y enfriar según una especificación térmica, o bien según una curva teórica temporal. En el caso de un paso continuo de piezas a tratar, en el primer resonador de la cadena podría realizarse el calentamiento, en segundo lugar, el mantener constante la temperatura a lo largo de un intervalo de tiempo prefijado y, en tercer lugar, el enfriado controlado por tiempo.

Con el resonador, se presenta ya, con una pareja de estructuras de acoplamiento, un gran volumen de tratamiento central, en el que existen, al menos, las condiciones electromagnéticas de campo casi homogéneas, o sea, una distribución de campo homogénea. Una pieza a tratar sumergida en este volumen de tratamiento experimenta en cada punto condiciones de campo similares y, por ello, se calienta de modo similar en todo lugar. Con parejas de estructuras de acoplamiento adicionales en el resonador, se homogenizan adicionalmente las condiciones de campo con acoplamiento de microondas en el resonador, generándose también, por ello, posibilidades de técnica de procedimiento de adoptar acciones de influencia variables en el tiempo sobre la distribución de campo.

El modo operativo o bien el procedimiento operativo según la reivindicación 8 es una solución adicional del problema. El acoplamiento de la microonda por medio de las parejas de estructuras de acoplamiento de un resonador se acciona de forma mutuamente desfasada temporalmente oscilando alrededor de un valor medio instantáneo o constante. Gracias a ello, oscila localmente la configuración de modos en el resonador o se mueve en vaivén entre dos zonas, comparativamente una especie de onda progresiva, o tal vez circula en el volumen del resonador. Por consiguiente, se pueden regular compensaciones térmicas finas en la pieza a tratar. Es decir que gracias a este modo operativo se calienta de modo realmente homogéneo o se mantiene caliente una pieza a tratar sumergida en el volumen de proceso. También son posibles cuotas de calentamiento extremadamente elevadas con la mayor homogeneidad de temperatura con estas medidas, ya que las oscilaciones de campo limitadas por las fases presentan una variación de temperatura extremadamente reducida y, por ello, previenen configuraciones de "Hot-Spot" (puntos de ignición) o tal vez eventualmente el llamado "Thermal Runaway" (inestabilidad térmica).

El tipo de movimiento de modos se puede controlar por el número de parejas de estructuras de acoplamiento en el resonador, ya que existe, como mínimo, una pareja semejante en el cuerpo del resonador, o bien, como máximo, hasta el número de aristas longitudinales de la superficie lateral del cuerpo. El acoplamiento de toda la intensidad electromagnética en el resonador por medio de N' pares de estructuras de acoplamiento existentes es:

p(t) = \sum\limits^{N'}_{i=1} \ p_{i}(t),

N' \ \leq \ N

Donde N es la poligonalidad de la sección transversal del resonador y p_{i}(t) el acoplamiento de intensidad en la i-ésima pareja de estructuras de acoplamiento. N' y N son números naturales obviamente.

p(t) es una especificación, que puede ser temporalmente constante o variar temporalmente, es decir, aumentar o disminuir. p(t) es una suma de varios sumandos. De ello, se puede observar que las porciones de p_{i}(t) de las parejas de estructuras de acoplamiento instaladas y aprovechadas sólo deben variar en sentido opuesto para mantener la especificación. Transferido a la operación del resonador, este tipo de acoplamiento en el resonador conservando la especificación p(t) de intensidad total, se designa por "Mode-Sweeping" (barrido de modos).

En la reivindicación 9, se describe finalmente que se ha prefijado el acoplamiento p_{i}(t) de intensidad por medio de la pareja i de estructuras de acoplamiento, el acoplamiento p_{izda} (t) y p_{dcha}(t) de intensidad varía oscilando en sentido opuesto por ello, pero en medida reducida. Hay, por tanto, adicionalmente una especie de pequeño "mode-sweeping":

p_{i}(t) = p_{izda}(t) \ + \ p_{dcha}(t).

Gracias a ello, se establece una determinación fina adicional en el tratamiento térmico homogéneo. HEPHAISTOS posibilita completamente la regulación/control compleja.

El acoplamiento de intensidad puede realizarse regulado por anchura de impulsos o continuamente por medio del control de la intensidad de la radiación de electrones en la respectiva fuente de microondas, que alimenta por medio de un tren de conductores huecos rectangulares en el extremo del conductor hueco por medio de la correspondiente estructura de acoplamiento.

En la reivindicación 10, se incluyen todos los objetos/piezas a tratar/cuerpos verdes térmicamente tratables, que se pueden fabricar/estabilizar dimensionalmente en un resonador de microondas según la reivindicación 5 ó 6 o en una cadena de tratamiento según la reivindicación 7 de acuerdo con el procedimiento según la reivindicación 8 y eventualmente según la reivindicación 9 adicionalmente. Ya sean materiales CFK compuestos de fibras de carbono saturados de resina, materiales GFK compuestos de fibras de vidrio saturados de resinas, resinas endurecibles térmicamente como tales y, por consiguiente, polímeros o cerámicas térmicamente tratables.

Para los objetos a procesar en el resonador, es importante para el calentamiento homogéneo en el volumen de las piezas a tratar que sean expuestos en la zona de campo homogénea o bien en la zona de campo con la menor oscilación local. Para ello, se encuentra en el resonador un bastidor, que se ha montado fijamente en él, o que se pueda extraer para la carga y se pueda volver a introducir para el tratamiento. Es de un material resistente al calor, y que no perjudique el campo electromagnético y puede ser incluso metálico en la zona del volumen de tratamiento, es decir, en la zona de homogeneidad de campo más elevada. La razón es porque, en la superficie de la pieza a tratar introducida en el volumen de tratamiento, las líneas de campo eléctricas, a causa de la situación de campo existente allí, están perpendicularmente o, al menos, tan aproximadamente cerca de la perpendicularidad, que no fluye corriente alguna en esta superficie o, en todo caso, despreciablemente ninguna, que pueda afectar al proceso.

Con el resonador de microondas construido de este modo, se consigue una homogeneidad de campo axialmente simétrica de alta calidad por superposición de numerosos haces de rayos, que se propagan a modo de ruido por reflexión múltiple. De ello resulta en el volumen del resonador un gran volumen de tratamiento aprovechable, existente en el centro.

A continuación, se explica más detalladamente el resonador de microondas a base del ejemplo de realización representado en el dibujo y aprovechado experimentalmente. Las figuras muestran:

Figura 1 la sección transversal del resonador con una pareja de estructuras de acoplamiento,

Figura 2 la sección transversal del resonador con dos parejas de estructuras de acoplamiento,

Figura 3 secciones transversales del agitador de modos a modo de ejemplo,

Figura 4 la estructura de acoplamiento,

Figura 5 contorno de acoplamiento adaptado al modo base,

Figura 6a el resonador en una sección transversal de un autoclave,

Figura 6b el resonador en sección longitudinal de un autoclave,

Figura 7 "Mode-Sweeping",

Figura 8 especificación de un trazado temporal, y

Figura 9 un cuerpo metálico revestido de una resina a endurecer.

Para la utilización de la técnica de microondas, se considera para el aprovechamiento técnico, desde el punto de vista de unos costes técnicamente soportables, la región de 10 MHz a 30 GHz, preferiblemente la región de 900 MHz a 25 GHz, esto último equivalente a la longitud de onda en aire/vacío de unos 33 cm a 1,2 cm. En esta banda, se aprovechan del modo más variado muchas regiones para la comunicación, de modo que sólo se consideran para el aprovechamiento, a causa de sus frecuencias ISM, 915 MHz, 2,45 GHz (microondas domésticas) 5,85 GHZ y 24,15 GHz. Las geometrías de los resonadores se orientan, por ello, a las correspondientes longitudes de onda de 32,8 cm, 12,2 cm, 5,1 cm y 1,2 cm.

A continuación, se explicará aquí, por ejemplo, el resonador prismático con sección transversal hexagonal regular y la cadena de tratamiento derivada de él. El resonador se acciona con 2,45 GHz. Tiene unas dimensiones tales que se configure en el volumen del resonador la requerida modalidad alta, explicada arriba, con el acoplamiento de microondas de 2,45 GHz. Se ha fabricado de chapa de acero fino. En el ejemplo de realización, es accesible por ambas caras frontales, que se pueden cerrar en forma de puerta para el resonador, a causa del calentamiento continuamente observado/controlado de los materiales compuestos saturados de resina, tratados actualmente. El calentamiento se detecta continuamente en diferentes lugares por medio de sondas térmicas, que no interactúan con el campo alterno. Se sigue adicionalmente por medio de una termocámara la curva de calentamiento del objeto a tratar, dado el caso, continuamente. El proceso de calentamiento: llevarlo a alta temperatura teórica - mantener a temperatura constante, se conduce electrónicamente por medio del dispositivo de regulación y control de calentamiento del sistema con la indicación interna de HEPHAISTOS (High Electromagnetic Power Heating Autoclave InSeT Oven System).

La figura 2 muestra la sección transversal del resonador con una pareja de estructuras de acoplamiento paralelas a la arista longitudinal de la pared del cuerpo superior izquierda. La estructura individual de acoplamiento se compone del conductor hueco rectangular conducido por fuera e integrado en la pared del resonador y que se extiende aquí por casi toda la longitud del resonador (véase la figura 4b). En la parte de pared común con el resonador, se encuentra, a lo largo de la línea central de la parte de pared común, la estructura de acoplamiento propiamente dicha (véase la figura 3).

El plano de radiación de cada estructura de acoplamiento está aquí perpendicularmente al segmento de pared del cuerpo adyacente. De acuerdo con la estructura de acoplamiento, el haz de rayos tiene en su parte principal una ángulo de apertura tal que dos segmentos de pared del cuerpo directamente contiguos sean alcanzados por la primera reflexión. En este caso, en la figura 1, partiendo del segmento de pared del cuerpo de tapa, el segmento de pared paralelo del cuerpo del fondo opuesto, con su segmento de pared de cuerpo vecino adyacente a la izquierda, que está oblicuamente a 60º. El rayo de microonda acoplado en el resonador por la estructura de acoplamiento, que está oblicuamente a 60º lateralmente arriba, tiene la misma trayectoria de rayos correspondiente. Por los segmentos planos de pared del cuerpo, se ensancha en todo caso el respectivo haz de microondas divergente respectivo en las reflexiones, no se forman zonas de foco ninguna como en el caso de pared de resonador redonda a lo largo del resonador.

Las puntas de flecha en el respectivo borde del haz y en la primera superficie de reflexión respectiva señalan la primera reflexión, la flecha curvada indica, en cada caso, el giro de los bordes del haz del haz reflejado por primera vez.

El agitador de modos descansa en el interior de la región de corte de los dos haces de rayos principales aún sin reflejar, se extiende casi por la longitud interior libre del resonador, se apoya, por ejemplo, en las dos paredes frontales del resonador y es accionado desde fuera por medio de un perforación en una de las paredes frontales. Adecuadamente apantallado electromagnéticamente, el accionamiento eléctrico puede descansar también en el interior del resonador. La sección transversal del agitador de modos está redondeado aquí en forma de estrella, es decir, cuatro secciones de contorno convexas y cóncavas se siguen alternativamente una a otra. El agitador de modos tiene aquí una forma sencilla, no retorcida, y satisface, por consiguiente, la condición de que, partiendo de él en todo caso de una línea longitudinal, se retrorrefleje por poco tiempo -en función del número de revoluciones del agitador de modos- un plano de rayos en la estructura de acoplamiento. En todo caso, la región central de los dos haces de rayos, que inciden en el agitador de modos, se ensancha con la reflexión en la porción de superficie lateral del cuerpo ensanchada fuertemente por primera vez.

La figura 2 muestra el resonador con dos parejas de estructuras de acoplamiento instaladas en la pared exterior del resonador. La segunda pareja de estructuras de acoplamiento se agrega a la arista longitudinal libre de la superficie lateral del segmento de pared del cuerpo común. Puesto que las estructuras de acoplamiento son todas similares, también lo son las respectivas trayectorias de los rayos. Puesto que todos los haces de rayos de microondas se ensanchan hacia fuera y en la amplia trayectoria de rayos se reflejan en planos, existe inmediatamente una homogeneización del campo electromagnético en el interior del resonador. Con los ahora dos agitadores de modos, se ensancha fuertemente en su densidad, tras la reflexión experimentada, la densidad relativamente elevada de la porción de rayos de microondas desacoplados justamente en el resonador, porción que incide sobre el agitador de modos, y, por consiguiente, se debilita y a causa de la especial simetría del hexágono se refleja elásticamente en sí misma, de modo que la homogeneidad de la densidad de campo también se oponga con ello. El agitador de modos descansa sobre las rectas de corte de los dos planos de rayos de la pareja de acoplamiento y evita así adicionalmente y en cada caso que los dos planos de rayos caigan en una estructura de acoplamiento opuesta en cada caso.

Un agitador de modos satisface, con ello, su razón de ser, cuando coopera a la homogeneización del campo. En la figura 3, se presentan, sólo a modo de ejemplo, dos secciones de agitadores de modos, el redondeado en forma de estrella y el de forma de ojo de cerradura. En todo caso, las secciones de contorno cóncavas no deberían presentar en su trazado más radio de curvatura semejante que la línea focal -una recta en caso extendido, una línea helicoidal alrededor del eje del agitador de modos en caso retorcido- de esta porción que no cae en la estructura de acoplamiento, sino que se encuentra más atrás. Si el agitador de modos sólo tiene una sección transversal convexa, por ejemplo, en forma lenticular o elipsoidal, no existe esta exigencia.

Condición previa para conseguir condiciones de campo electromagnéticas útiles es, junto con la geometría del resonador, la estructura del mecanismo de acoplamiento para las microondas. Los cálculos mostraron y los experimentos confirmaron que con una estructura semejante, como la que se representa en la figura 4, se puede conseguir, al menos, una variación de campo reducida tolerable espacialmente. La porción de pared común del conductor hueco rectangular aplicado a la pared exterior y la pared del resonador tienen a lo largo del eje longitudinal, a uno y otro lado, perforaciones rectangulares de tipo hendidura en secuencia regular por toda la longitud del resonador. Partiendo de la frecuencia de las microondas, en este caso la frecuencia de microondas domésticas \nu = 2,45 GHz, las ranuras rectangulares presentan una longitud de L = 62,8 mm y una anchura d, que se determina por la condición de difracción:

tg\theta = \frac{\lambda}{d}

\hskip0.5cm

o \ bien

\hskip0.5cm

\theta = \frac{\lambda}{d}

En este dimensionado del contorno de acoplamiento no se ha determinado, es a modo de ejemplo. Se siguen unas a otras con una separación que consiste en un desacoplamiento de fase constante en el volumen del resonador.

La figura 5 muestra un contorno de acoplamiento sencillo, que contempla el estado físico de las microondas. En la pared del resonador y en la región en la que termina el conductor hueco rectangular, los contornos de acoplamiento de las estructuras de acoplamiento se han configurado de tal modo que el modo TE_{10} básico viene a llevarse en la configuración del respectivo contorno de acoplamiento. El contorno sigue dos líneas E de campo del modo básico en la pared del conductor hueco rectangular, que quedan mutuamente en imagen invertida respecto de un plano en relación con el eje longitudinal del contorno de acoplamiento. Los dos nodos de las líneas E de campo quedan sobre dicho eje longitudinal, están separadas \lambda/2 de la longitud de onda básica entre sí y terminan el contorno de acoplamiento. La convexidad del contorno de acoplamiento tiene la anchura d, que tiene en cuenta el ángulo de difracción del acoplamiento en el resonador. Exactamente a lo largo de ese contorno continúa la situación E_{1} = 0. Este contorno es geométricamente sencillo, se puede recortar con modernas máquinas de tratamiento de metales todavía fácilmente a partir de la pared del resonador. Contornos de acoplamiento de formas más complejas a causa del uso de una fuente de radiación desarrollada linealmente de modo multiarticulado son básicamente posibles, pero se ha de comprobar su economía para el uso industrial.

Un caso de utilización/montaje lo muestran las figuras 6a y 6b. El horno indicado aquí de sección transversal redonda es, por ejemplo, un autolave, como se conoce por el tratamiento térmico habitual. Se puede tratar en él con una construcción apropiada a depresión o a sobrepresión. Puesto que un autoclave semejante se puede cerrar, por ello, herméticamente, y esto es también así en el caso de que no haya sido previsto antes que sea estanco electromagnéticamente, un uso libre de perturbaciones de técnica de radio resulta totalmente sin problemas. El resonador, equipado completamente con técnica de microondas, se ha introducido sobre patines en el autoclave. Se ancla dentro de modo liberable o no liberable, eso depende de la marcha conjunta del proceso. El abastecimiento de energía así como también las conducciones para las técnicas de medida y de regulación para el control y la supervisión tiene lugar por realización en el autoclave técnicamente apropiada para el tratamiento a conducir y también, tanto como sea necesario, en el resonador apropiados para el proceso a conducir. En las dos figuras 6a, sección transversal, figura 6b, sección longitudinal axial, se indica la solución técnica muy sencilla del transporte en los patines o los carriles. En caso de peso más elevado, el resonador tiene instalados en su pared exterior unos agujeros y/o ganchos, por medio de los cuales puede ser movido con la ayuda de una grúa.

La figura 7 muestra el "Mode-Sweeping" (barrido de modos) para el caso más sencillo de dos parejas de estructuras de acoplamiento. Se acopla por medio de los dos pares de modo que se forme el volumen de tratamiento central, que aquí se ha representado en sección. Por medio del acoplamiento oscilante antagónico a través de las dos parejas de estructuras de acoplamiento, se mueve en vaivén o continuamente, por ejemplo, la convexidad, como se ha indicado mediante los dos contornos, que parten, en cada caso, de una pareja de estructuras de acoplamiento. En este caso, se acopla la intensidad prefijada:

p(t) = p_{1} \ (t) \ + \ p_{2} \ (t).

La figura 8 muestra, como complemento, una especificación, a modo de ejemplo, del calentamiento en el tiempo de una pieza a tratar en un resonador o de muchas piezas a tratar en una cadena de tratamiento. En primer lugar, se recorre una pendiente lineal de calentamiento y, con ello, se acopla la mayor intensidad de microondas. Luego, se mantiene constante la temperatura durante un intervalo de tiempo prefijado, es decir, sólo deben compensarse las pérdidas de radiación de la pieza a tratar por medio del acoplamiento de microondas. Para ello, se requiere menos intensidad electromagnética. Al final, por fin se opera con un proceso de enfriamiento lineal prefijado. Las pérdidas de radiación ya no se compensan totalmente. Para ello aún se necesita menos intensidad que para mantener constante la temperatura. Los trazados de la temperatura y de la intensidad se han representado en la figura 8, a modo de ejemplo, y sólo cualitativamente. Por medio del conocido mecanismo técnico en la técnica de control y regulación, se operan tales procesos apoyados por ordenador (internamente HEPHAISTOS). El estado actual de la pieza a tratar o de las piezas a tratar se detecta mediante sensores térmicos o por una cámara térmica eventualmente calibrable colocados en la pieza a tratar y se procesa en el ordenador para el proceso de control y regulación.

La importancia de la distribución homogénea de campo en el volumen central de tratamiento se explica y se pone de relieve en la figura 9. Los objetos metálicos en un aparato de microondas para el servicio doméstico dan problemas, y se hace hincapié también en las correspondientes instrucciones de servicio para no colocarlos en el resonador. La distribución de campo no es homogénea para el aparato de microondas de servicio doméstico a causa de las dimensiones del resonador en la región de las longitudes de onda, \lambda = 12 cm. Platos giratorios en los mejores aparatos o un calentamiento desigual en los más sencillos lo indican indirectamente.

Recubrir los objetos con una capa, por ejemplo, para protegerlos de las influencias del entorno de permanencia es una medida de mejora técnica frecuente. Desde el punto de vista del gasto, resulta problemático, por ejemplo, revestir una carcasa metálica totalmente o bien sin vacíos con una capa de resina epoxi. Y ello porque se ha de endurecer dicha capa de resina. Se muestra aquí la importancia de la distribución de campo homogénea o bien de la distribución de campo casi homogénea en el volumen de tratamiento central en el interior del resonador. Una carcasa metálica se puede exponer sin peligro en el interior, porque a causa de dicha distribución de campo homogénea no existe componente de campo alguno que impulse la corriente paralela/tangencialmente a la superficie metálica, la capa aplicada a la superficie metálica pero que está sumergida completamente en dicho campo y, por ello, calienta homogéneamente todo el volumen de la capa, precisamente se calienta volumétricamente por sí misma y no por la superficie de la capa como en el calentamiento térmico habitual por efecto del calor en un autoclave o por medio de radiación infrarroja.

Grandes carcasas metálicas como, por ejemplo, un cuerpo de barco, se pueden proveer así, por ejemplo, en un resonador prismático de sección transversal hexagonal con una capa de resina epoxi endurecida. Las dimensiones del resonador en cuanto al diámetro y la longitud quedan en el entorno de muchos metros. El resonador es una carcasa de chapa, en el que se ha instalado a lo largo de, al menos, una de sus aristas longitudinales del segmento del cuerpo una pareja de estructuras de acoplamiento. Una pareja de tales estructuras de acoplamiento descansa simétricamente respecto a su arista longitudinal del cuerpo y tiene, para poder acoplar suficiente intensidad de microondas en el resonador, varias estructuras de acoplamiento paralelas, por ejemplo, en este caso dos. Con las dimensiones en el entorno de muchos metros, se puede conseguir una suficiente homogeneidad de campo en el volumen de tratamiento, con una microonda de 915 MHz, equivalente a 31 cm de longitud de onda. El cuerpo de barco estilizado, véase la vista frontal en la figura 9, descansa totalmente en el volumen de tratamiento. El endurecimiento de toda la capa de resina aplicada regularmente en el cuerpo del barco, tiene lugar sin sobrecalentamientos ("hotspots") locales en una secuencia cualitativa en el tiempo aproximadamente según la figura 8.

La accesibilidad al resonador se rige según el proceso, que ha de realizarse o bien según la construcción del resonador en una cadena de proceso. Por ello, es accesible, al menos, por una pared frontal o por, al menos, un segmento del cuerpo en forma de puerta o de esclusa o por desmontado.

Es imaginable que el tratamiento de determinadas piezas a tratar haya de discurrir con las microondas bajo depresión o a sobrepresión, en ambos casos configurados más o menos. Para que la estructura del campo electromagnético en el interior del resonador quede allí también definida, se apuntala o se rigidiza la pared del resonador por fuera con material perfilado rígido apropiado.

La instalación del resonador se determina asimismo por el tratamiento a llevar a cabo, puede, por ello, quedar anclado separablemente por el lado de la pared de la superficie lateral del cuerpo y/o frontalmente. Para moverlo, descansa por ejemplo en un patín o un vehículo y tiene, por ello, en su pared exterior practicados unos ganchos u orificios para manejarlo.

Claims (10)

1. Resonador de microondas para tratar térmicamente materiales mediante microondas, que se compone de:

-

un resonador multimodos de sección transversal convexa, poligonal par al menos hexagonal, cuyos segmentos de la superficie lateral y las dos caras frontales son planas/llanas y la arista longitudinal de contacto de dos segmentos de superficie lateral inmediatamente vecinos, la arista longitudinal del cuerpo, queda paralelamente al eje longitudinal del resonador,

-

una pareja de estructuras de acoplamiento para la microonda instalada simétricamente a lo largo de, al menos, una arista longitudinal del cuerpo a partir de, al menos, dos estructuras de acoplamiento alargadas, donde cada estructura de acoplamiento se ha instalado a lo largo de una recta guía paralelamente a la arista longitudinal del cuerpo en la pared del resonador y la recta guía está a una distancia tal de la correspondiente arista longitudinal del cuerpo que el haz de microondas acoplado por ella en el resonadores refleja en la primera reflexión en dos segmentos unidos de la superficie lateral y se segrega en dos porciones de rayos, caracterizado porque:

sobre cada estructura de acoplamiento entra el extremo de un conductor hueco rectangular proveniente de una fuente de microondas, que conduce una microonda en modo TE_{10}, y

la estructura de acoplamiento en el segmento de la superficie lateral se compone de una secuencia de perforaciones equidistantes, que no se solapan, en la pared del resonador, de los contornos/aberturas de acoplamiento, alternativamente a izquierda y a derecha de la correspondiente recta guía paralelamente a la arista longitudinal del cuerpo,

los contornos/aberturas de acoplamiento se suceden a una distancia unos de otros, que causa un desacoplamiento constante en fase en el resonador de la microonda, que se encuentran en el conductor hueco rectangular en el modo TE_{01} base, y

la anchura d de las ranuras se determina aproximadamente para pequeños ángulos \theta de difracción con longitud \lambda de onda prefijada a partir de:

tg\theta = \frac{\lambda}{d}

y para ángulos \theta de difracción muy pequeños a partir de:

\theta = \frac{\lambda}{d}

2. Resonador de microondas según la reivindicación 1, caracterizado porque los contornos de acoplamiento quedan con su eje longitudinal paralelamente a las rectas guía -acoplamiento de microondas más fuerte- o están perpendicularmente a él -acoplamiento de microondas más débil- o en una posición intermedia.

3. Resonador de microondas según la reivindicación 1, caracterizado porque los contornos de acoplamiento son rectángulos de anchura d y como máximo de longitud L = \lambda/2 de la onda H_{10} base en el conductor hueco rectangular.

4. Resonador de microondas según la reivindicación 2, caracterizado porque los contornos de acoplamiento siguen, al menos aproximadamente, por una longitud L = \lambda/2 de la longitud de onda base el trazado de dos líneas de campo eléctricas en simetría de imágenes invertidas, las líneas E de campo, del modo TE_{01} base en la pared del conductor hueco rectangular, que quedan en la convexidad separadamente una de otra una anchura d.

5. Resonador de microondas según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizado porque los contornos/aberturas de acoplamiento son equidistantes para conseguir la constancia de fases al desacoplar y la distancia de las perforaciones a las rectas guía es tal que se obtenga un radiación isótropa en el campo lejano reflejado.

6. Resonador de microondas según la reivindicación 5, caracterizado porque a lo largo de las rectas de corte de los dos planos de rayos de una pareja de estructuras de acoplamiento se ha montado un agitador de modos, como máximo, por toda la longitud de la arista del cuerpo.

7. Instalación/cadena de tratamiento para el tratamiento térmico de materiales mediante microondas, caracterizada porque, al menos, dos resonadores de microondas según la reivindicación 5 ó 6 se han alineado frontalmente de forma modular entre sí de modo que, a través de un paso entre las dos paredes frontales mutuamente opuestas, se puedan transportar objetos de tratamiento de un resonador al siguiente.

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8. Procedimiento para excitar un resonador de microondas según la reivindicación 5 ó 6 o los resonadores de microondas de una cadena de tratamiento según la reivindicación 7, compuesto de los pasos siguientes: el acoplamiento p(t) de intensidad de la microonda tiene lugar por medio de parejas de estructuras de acoplamiento de un resonador según una especificación temporalmente ascendente, temporalmente constante o temporalmente descendente, donde adicionalmente el acoplamiento de intensidad \sum\limits^{N'}_{i=1} p_{i}(t) adicionalmente el acoplamiento de intensidad \sum\limits^{N'}_{i=1} p_{i}(t) puede excitarse de modo mutuamente desplazable por medio de las parejas N' de estructuras de acoplamiento bajo demanda oscilando/basculando alrededor del valor prefijado p(t) y manteniéndolo en la suma, por lo cual la configuración de modos estacionaria en el resonador oscila localmente de modo sincrónico con el basculamiento según el número N' de parejas de estructuras de acoplamiento instaladas en la pared del cuerpo del resonador, marcha en vaivén entre dos puntos o circula en el volumen del resonador alrededor del eje longitudinal del resonador.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque el acoplamiento es accionado por medio de una pareja i de estructuras de acoplamiento similares o se deja fuera de sintonía en sentido opuesto, oscilando alrededor del valor p_{i}(t) medio del acoplamiento de intensidad, salvaguardando el valor p_{i}(t) medio.

10. Objeto tratable térmicamente en su forma final en un resonador de microondas según una de las reivindicaciones 5 ó 6 o en una cadena de tratamiento según la reivindicación 7 de acuerdo con el procedimiento según una de las reivindicaciones 8 y 9.