JP2007507059A - マイクロ波共振器、この種のマイクロ並共振器からモジュール構成された処理路、作動方法およびこの方法に従ってマイクロ波によって熱処理される対象／加工品 - Google Patents

Abstract

偶数多角形の共振器が記載されている。この共振器内ではハイモードのマイクロ波モードが形成され、均一な電磁界分布を伴う共振器容積の大きい容積部分が、加工品の均質な熱処理に使用される。
少なくとも１つの外周面セグメント突合せ辺に沿って、外部に入力結合構造体対が取り付けられており、この入力結合構造体対はその左側および右側で、マイクロ波を基本モードで導く少なくとも１つの長方形中空導波体から成る。長方形中空導波体および共振器の共通壁部は、この壁部に沿って取り付けられた入力結合構造体を有しており、この入力結合構造体は順次連続するスリット／入力結合輪郭から成る。
このようなマイクロ波共振器はモジュール様式で１つの処理路にまとめて構成され、これによって種々異なる熱処理（例えば加熱、温度維持およびコントロールされた冷却）が施される。
電磁界均一性を微調整するために、入力結合構造体対は、共振器内での所定のパワー放射を維持して、逆方向に振動して、個々のパワー放射において作動される。
熱処理可能な加工品は短時間で、僅かなエネルギーで従来のオートクレーブよりも経済的に処理される。

Description

本発明は、マイクロ波共振器、この種のマイクロ並共振器からモジュール構成された施設／処理路、方法およびこの方法に従ってマイクロ波によって熱処理される対象／加工品に関する。

マイクロ波による食物の加熱は公知であり、広まっている。共振器空間内に入力結合された電磁界は、共振器空間内で迅速に定常分布の形をとる。この分布はマイクロ波の周波数、ひいては波長および共振器空間の幾何学的形状に依存する。家庭用マイクロ波は２．４５ＧＨｚの周波数、ひいては約１２ｃｍの波長λを、空気充填空間または空気欠乏空間内で有している。従って、家庭用マイクロ波機器の幾何学的形状はこのディメンションにおいて単純な立方体である。

経験から言えば、共振器空間内に露出された食物は均一には加熱されない。これは、食物成分の異なる水分含有量、ひいては局部的に異なるダイポール密度の存在にかかわる。しかし共振器内の電磁界の分布、ひいては励起電磁界によるダイポールの励起が非常に重要である。同じ種類の物質／材料を加熱する場合には殊に、全体的な物質／材料における均一な加熱のために電磁界分布が非常に重要である。強いないしはより強い空間的な電磁界変動を回避するための大ざっぱではあるが効果的な処置は、共振器空間内での可動面である。この可動面では、マイクロ波ビームの入射領域が反射されるので、電磁界強度変動が局部化されず、塗りこめられる。この場合、処理品は共振器内で静止している。他の措置または付加的な措置は、例えば回転皿の上またはあちらこちらへ動くテーブル上で処理品を動かすことである。

工業的な材料処理技術において、マイクロ波による処理品の加熱時には次のことが基本的に重要である。すなわち、局部的な過度加熱、ホットスポットを回避するために、電磁界が全体的な共振器容積内で、または少なくとも、共振器容積のできるだけ大きな中央領域においてできるだけ変動しないこと、すなわち理想的な空間的等分布に近づくことが重要である。

ＤＥ１９６３３２４５号には、多角形の共振器幾何学的形状が記載されている。この共振器幾何学的形状内には、端面側で偏心して、傾斜した放射軸で入力結合が行われる。殊に共振器幾何学的形状の六角形断面の場合には、このようにして、少なくとも共振器中央領域において、有用な電磁界均一性が生じている容積領域が存在する電磁界分布が得られる。共振器の全体的な内部領域においてマイクロ波の入力結合時に電磁界が存在するが、均一な電磁界を有する、または少なくとも許容可能な電磁界変動を有する中央の処理容積は比較的小さい。入力結合独自の様式を伴うこのような共振器は個別でしか使用されず、設備のモジュールとしては使用不可能である。

本発明の課題は、内部に入力結合されるべきマイクロ波用の共振器を提供することである。ここでは共振器容積において、共振器長手軸周辺のできるだけ大きな処理容積が、熱処理用に利用可能であるように多数のモードの混合が形成されている。ここでの前提条件は、モード混合の中間の電磁界強度が、この空間内の理想的な均等分布に近いということである。この共振器はモジュール様式で使用可能である。すなわちこの様な共振器を相並んで列にすることによって加工品を熱処理するための処理路が構成される。

さらに、これらの共振器はそれぞれマイクロ波技術で駆動され、所定の周波数で、共振器内のモード形成が、マイクロ波入力結合時に局部的に振動する（oszilliert）、または空間的に回転移動する。

このような共振器によって、工業的規模で、熱的に処理可能な加工品／対象が、容積的な加熱に基づくマイクロ波作用を介して、高い時間的節約およびエネルギー的節約を伴って熱処理される。しかし殊に樹脂含浸された複合材料（すなわちＣＦＫおよび／またはＧＦＫ）は、高い形状安定性および機械的な耐性に達するために均一に硬化され、接着剤部分およびエポキシ樹脂積層構造体も実現される。

上述した課題は、請求項１に記載された特徴部分の構成を有するマイクロ波共振器によって解決される。材料の熱処理用のマイクロ波共振器は基本的に、ＤＥ１９６３３２４５号から公知の、凸状の多角形横断面を伴う形状を有している。この横断面は規則的である。しかし考慮およびこれに基づく計算によって次のことが判明している。すなわち、偶数多角形の横断面および少なくとも六角形の横断面は、共振器の大きな中央の容積領域におけるマイクロ波入力結合時のできるだけ均一な電磁界調整のために有利であることが判明している。共振器内部空間は単純であり、丸くない。この共振器は２つの端面壁の他に、平坦な同じ様式の外周セグメントを有しており、従って規則的な横断面を有している。この共振器は共振器内に入力結合されるマイクロ波の波長λに依存して、ハイモード電磁界が形成されるようなディメンションを有している。

共振器直径Ｄが波長λより格段に大きい（設計的に実現可能である場合、すなわち少なくとも５倍、有利には１０倍またはそれ以上大きい）場合、ハイモード（Hochmodigkeit）またはオーバーモード（Uebermodiertheit）という言葉が用いられる。従って、条件

に従って、モード数ｌ，ｍ，ｎおよび波長λおよび共振器の直径Ｄの間に非常に多くのモード（ｌ，ｍ，ｎ）が存在する。これらは励起可能であり、重畳し、ひいてはオーバーモードへ導く。

共振器内部の大きい中央容積領域内の電磁界均一性または少なくとも僅かな、電磁界の空間的変動は、実質的に、マイクロ波に対する少なくとも１つの入力結合構造体対によって実現される。複数の入力結合構造対は同じ様式のものである。

このような入力結合構造体対は、アプリケータが非常に大きい場合には、複数の導波体列から構成される。これらは並列に軸方向に取り出す。外周面長手方向辺は常にこのような入力結合構造体対の間に延在する。入力結合構造体対は最高でも共振器長ないしは外周面長手方向辺にわたって延在する。このような形式では共振器の周りに複数の入力結合構造体対が配置される。最高でＮ個の入力結合構造体対が共振器外周内に設けられる。ここでＮは自然数であり、多角形性を示す。

各入力結合構造体は、共振器外周壁内に複数の貫通孔を長手方向配置することによって構成される。この上で、マイクロ波源に由来する長方形中空導波体が終了する。外周面セグメント（つまり側面）内のこのような入力結合構造体は、重なっていない、等距離の入力結合輪郭／開口部（Einkoppelkonturen/-oeffnungen）から構成されており、これらは直線、すなわち案内直線に沿って交互に左および右に設けられている。ここでこの案内直線は属する外周面長手方向辺に対して平行に延在する。長方形中空導波体内に基本モードＴＥ_０１で存在するマイクロ波が共振器へ位相一定（phasenkonstante）に取り出されるように、これらの入力結合輪郭／開口部は所定の間隔で連続する。このスリットの幅／サイズｄは回折角度θに対する条件から所定のマイクロ波波長λのもとで

から定められる。この近似は角度θ＜５°、角度θ＜２°に対して有効であり、むしろ級数展開の第１の項が充分である。すなわち

である。

入力結合構造体は一方で、入力結合構造体から取り出されるマイクロ波の第１の反射間隔Ｌ１に依存して、さきほど引用された回折角度条件に従って幅ｄを有する。これによって生じている波面の拡張が次のように保証される。すなわち、これが充分に幅広く扇状に展開され、突合っている、まずは対向する２つの外周面セグメントで、異なって配向された２つの束で反射されることが保証される。他方で、回折角度は小さく決められ、共振器内に入力結合された主要束が、自身の放射面での再放射を回避するために、場合によっては対向する入力結合構造体に入射しないようにされる。このように主要反射の後に生じる分割された放射束は、自身を生成する導波体／入力結合構造体の方を向いていない回転方向を、さらなる反射および分割のために、ひいては付随して生じるノイズ状
（rauschartigen）であるが、柔軟であり、従って損失のない散乱のために有している。

対称な入力結合構造体対を使用することによって、振幅均等分布が共振器内の貫通孔取り出しによってフレネル近視野において実現される。付随して生じる回折拡張を有する別の自由な波伝播は維持される。入力結合構造体から拡がる波面は、平坦な金属製の外周線壁部セグメントによって、自身の特性を維持したままで柔軟に幾重にも反射され、生じたビーム束は常に拡張される。１つ／複数の入力結合構造体の貫通孔は導波体終端部において共振器壁部上に配置され、位相一定に共振器へ取り出す。このような考察に基づいて、外周面長手方向辺に対する線の間隔も生じる。この線に沿って、取り出しスリットが配置されている。このような設計的な間隔は境界で変化可能であり、上述したマイクロ波技術的要求に基づいて確定される。

従属請求項２から４には、貫通孔に対する特別な位置および幾何学的形状が記載されている。

請求項２に従うと、入力結合構造体が、自身の長手軸で、案内直線に対して平行に位置している場合には、各入力結合輪郭によって、最も強いマイクロ波入力結合が共振器内で得られる。これが案内直線に対して垂直に位置する場合、最も弱いマイクロ波入力結合が得られる。この間の位置は、この間に位置する、相応する強さのマイクロ波入力結合を意味する。

入力結合構造体対の入力結合構造体の貫通孔の相互の幾何学的位置の他に、その幾何学的形状は同じように、共振器内の電磁界の構成の質に対して重要である。

製造技術的に、長方形中空導波体における幅ｄおよび基本波Ｈ_１０の長さＬ＝λ／２を有する長方形は、入力結合輪郭の最も簡単な形状である（請求項３）。このような幾何学的形状によって、マイクロ波物理的に特徴付けされた損失が、共振器への放射において生じる。これはより強い加熱、すなわちジュールの加熱Ｒｉ^２において、殊に入力結合輪郭の角領域における縁部流れによって示される。

最適な、単純な入力結合輪郭は請求項４に記載されている。この入力結合輪郭は基本波長の長さＬ＝λ／２にわたって、２つの相互に鏡像的な、基本モードＴＥ_０１の電気力線、すなわちＥ−力線に、長方形中空導波体の壁部において少なくとも近似的に、結合点から結合点へと追従する。胴部分では、この２つのＥ−力線は、回折に対する上述した幅ｄだけ相互に離れて位置する。

理論的な考察から任意の点状のビーム源が、連続的に高くなるオーダのマルチポール放射部の級数展開から（最も簡単な場合にはダイポール放射部から）生じる。ここから、入力結合輪郭の複雑な形状が導出され得る。この入力結合輪郭はこのようなビーム源の遠視野（Fernfeld）において、所定のマルチポール特性の理想的な形状に所期のように近似する。

入力結合構造体対の入力結合構造体の貫通孔の位置は同じように、共振器内の入力結合される電磁界の構成にとって重要である。請求項５には、これが相互に記載されている。貫通孔相互の位置は、取り出されるべき位相定数（Phasenkonstanz）を得るために等間隔であり、案内直線に対する貫通孔間隔は、等方性の放射が反射された遠視野内で生じるようにされている。

従属請求項６には、２つのことを処理する装置が記載されている：１つ目は、共振器内の処理容積内の電磁界が理想的に均一ではない場合に電磁界均一性を改善するために、入力結合対の２つの放射面の切断直線に沿って、最高でも、外周辺の長さにわたって突出している、回転するモード攪拌器が構成されている。これは２つ目に、入力結合構造体対からの入力結合された２つのビームローブ（Strahlkeulen）の中央部を散乱させ、従って２つの放射面のうちのいずれも、場合によって対向する入力結合構造体に入射しない。モード攪拌器は小さく、直接的に導波体から入射する主要束がこの導波体へ戻る再反射を少なくともほぼ許容しない。いずれにせよ、この種のものは最小化されなければならない。従って、これは相互に連続する凸凹輪郭を伴う楕円形または丸い横断面を有している。ここで湾曲部の凸部分は、焦点が入力結合構造体内に入射しないように保たれる。これによって、万一の場合には、入射マイクロ波ビームの線状成分がはね返される。モード攪拌器が付加的に縦に回転される場合には、点状成分のみである。

上述した課題の別の解決方法は、請求項７の特徴部分の構成に従って処理路を構成することである。請求項５または６に記載された少なくとも２つのマイクロ波共振器が端面側でモジュール様式に次のように相並んで列にされる。すなわち、相互に対向している２つの端面壁部の間の通路を通って処理対象が１つの共振器から後続の共振器へ搬送されるように列にされる。このように相並んだ列は、直線状または角のある形状または完全にメアンダ状である。従って、場合によっては構造的な条件／制限が考慮される。このような処理路によって、多数の一連の加工品が連続的に熱処理される。これは例えば時間的な設定に相応した、ないしは時間的な目標曲線に従った加熱、温度維持、冷却である。加工品が連続的に進行する場合、処理路の第１の共振器では加熱が行われ、第２の共振器では所定の時間間隔にわたって温度が一定に維持され、第３の共振器では、時間制御された冷却が行われる。

共振器とともに、既に、入力結合構造体対の場合には大きな中央処理容積が存在し、ここでは、少なくとも電磁界割合がほぼ均一に分配されて生じている。すなわち、均一な電磁界分布が生じている。このような処理容積内へ入れられた加工品は、各場所で同様な電磁界割合を受け、これよって全般的に同様に加熱される。共振器の別の入力結合構造体対によって、電磁界割合は、共振器内へのマイクロ波入力結合時にさらに均一化される。ここではこれによってプロセス工学的に、電磁界分布へ時間的に変動する影響を及ぼすこともできる。

請求項８に記載された作動様式ないし作動方法は、上述した課題の別の解決方法である。共振器の複数の入力結合構造体対を介したマイクロ波の入力結合は、時間的に、一時的なまたは一定の平均値だけ変動して、相対的に作動される。これによって、共振器内のモード構成は局部的に振動し、２つの領域を行き来して移動する（移動波（Wanderwelle）の様式と比較可能）、または共振器容積内を完全に循環する。このようにして温度微調整が、処理されるべき加工品内で調整される。すなわちこの方法によって、処理容積内に入れられた加工品が実際に均一に加熱される、または保温される。温度均一性が非常に高い場合には、極めて高い加熱率もこの手法によって可能である。なぜなら位相限定された電磁界変動は非常に僅かな温度変化を有しており、これによってホットスポット構成または場合によって生じる、いわゆる「熱逃げ（Thermal Runaway）」が防止されるからである。

モード運動の様式は、共振器の入力結合構造体対の数を介して制御される。なぜならこの種の対は最小で共振器外周に１つ存在する、ないしは最高で外周面長手方向辺の数まで存在するからである。存在するN’個の入力結合構造体対を介した共振器への全体的な電磁パワーの入力結合は

であり、Nは共振器横断面の多角形性であり、P_ｉ（ｔ）はｉ番目の入力結合構造体対でのパワー入力結合である。Ｎ' およびＮは自然数である。

ｐ（ｔ）は設定基準であり、これは時間的に一定であり得るまたは時間的に変化し得る。すなわち増大するまたは低減する。ｐ（ｔ）は、複数の加数からの合計である、ここから、取り付けられ、使用される複数の入力結合構造体対のｐ_ｉ（ｔ）成分は、この設定基準を維持するために、逆方向にのみ変化可能であることがわかる。共振器動作へ転用すると、全出力設定基準ｐ（ｔ）を維持したままでの共振器へのこのような形式の入力結合は、モードスィーピング（Mode-Sweeping）と称される。

請求項９には次のことが記載されている。すなわち、入力結合構造体対ｉを介したパワー入力結合ｐ_ｉ（ｔ）が設定されるが、２つの入力結合構造体を介したパワー入力結合ｐ_{ｒｅｃｈｔｓ}（ｔ）およびｐ_{ｌｉｎｋｓ}（ｔ）は僅かな規模で、逆方向に振動して、変動する。すなわち付加的に小さなモードスイーピングが生じる。

P_ｉ（ｔ）＝ｐ_{ｒｅｃｈｔｓ}（ｔ）+ｐ_{ｌｉｎｋｓ}（ｔ）
これによって、均一な加熱処理におけるさらなる微調整が設けられる。ＨＥＰＨＡＩＳＴＯＳは複雑な閉ループ制御／開ループ制御を完全に可能にする。

パワー入力結合はパルス幅制御で行われる、または各マイクロ波源内の電子ビーム強度の制御を介して連続的に行われる。マイクロ波源は中空導波体終端部の長方形中空導波体列を介して相応の入力結合構造体を通して供給する。

請求項１０には、請求項５または６に記載されたマイクロ波共振器内で、または請求項７に記載された処理路内で、請求項８、および場合によっては付加的に請求項９に記載された方法に従って製造／形状安定化される全ての熱処理可能な対象／加工品／未焼結成形品が記載されている。これらは樹脂含浸された炭素繊維複合材料（すなわちＣＦＫ）、樹脂含浸されたガラスファイバー複合材料（すなわちＧＦＫ）、熱的に硬化可能な樹脂それ自体であり、従って熱処理可能なポリマー、セラミックである。
共振器内で処理されるべき対象に対しては、加工品体積内の均一な加熱のために次のことが重要である。すなわち、この対象が均一な電磁界領域ないしは非常に僅かな局部的変動を伴う電磁界領域内で露出されることが重要である。このために、共振器内には、フレーム（Gestell）が設けられている。これは、継続的に共振器内に取り付けられている、または積載のために取り外され、処理のために挿入される。これは、電磁界を妨害しない熱耐性の材料から成り、処理容積領域内で、すなわち高い電磁界均一性を有する領域内でむしろ金属製である。処理容積内に収容された加工品の表面では、電気力線は、そこに生じている電磁状況に基づいて、垂直またはすくなくともほぼ垂直に生じるので、この表面内では電流は流れない、または万一の場合には無視できるほど小さく、処理を妨害しない電流が流れる。

このように構成されたマイクロ波共振器によって、軸方向で対称な、高い質を有する電磁界均一性が、多数の、複数回反射によってノイズ状に伝播するビーム束の重ね合わせによって実現される。ここから結果として共振器容積内に、中央に存在する大きな使用可能処理容積が生じる。

以下に、マイクロ波共振器を図示し、実験的に使用された実施例をより詳細に説明する。

図１は、１つの入力結合構造体対を有する共振器横断面図であり、
図２は、２つの入力結合構造体対を有する共振器横断面図であり、
図３は、例示的なモード撹拌器横断面図であり、
図４は、入力結合構造体であり、
図５は、基本モードに整合された入力結合輪郭であり、
図６ａは、オートクレーブ内の共振器横断面図であり、
図６ｂは、オートクレーブ内の共振器の縦断面図であり、
図７は、モードスィーピングであり、
図８は、時間的経過特性の設定であり、
図９は、硬化されるべき樹脂で積層された金属体である。

マイクロ波技術を使用するために、代表的な技術的コストで見て、１０ＭＨｚ〜３０ＧＨｚまでの領域、有利には９００ＭＨｚ〜２５ＧＨｚまでの領域（後者は空気／真空内の約３３ｃｍ〜１．２ｃｍまでの波長に等しい）が技術的に使用可能である。この帯域においては、多くの領域が通信用に、多種多様に使用されている。従ってそのために、ＩＳＭ周波数、すなわち９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚ（家庭用マイクロ波）、５．８５ＧＨｚおよび２４．１５ＧＨｚしか使用できない。従って共振器の幾何学的形状は、属する波長３２．８ｃｍ、１２．２ｃｍ、５．１ｃｍおよび１．２ｃｍ用に調整される。

ここで以下で例示的に、規則的な六角形横断面を有する角柱共振器と、そこから導き出される処理路を説明する。共振器は２．４５ＧＨｚで動作する。共振器は次のような寸法を有している。すなわち、共振器容積内で、要求される、上述したハイモードが２．４５ＧＨｚ−マイクロ波入力結合のもとで形成されるような寸法を有している。共振器はステンレスプレートから製造されている。実施例では共振器は、目下処理されている、樹脂含浸された複合物質材料の、継続的に監視／コントロールされた加熱のために、共振器にドア様式で密閉可能な２つの端面（つまり底面）を介してアクセス可能である。加熱は熱センサを介して、種々異なる箇所で継続的に検出される。ここでこの熱センサは電磁的な交番磁界と相互作用しない。熱カメラを介して付加的に処理対象の熱画像が、場合によっては常に追従される。加熱処理：すなわち目標温度への上昇−温度一定維持は、電子的に、内部名称ＨＥＰＨＡＩＳＴＯＳ（High Electromagnetic Power Heating Autoclave InSeT Oven Sysytem）を有するシステムの加熱−調整装置および制御装置を介して実施される。

図２には、共振器の横断面が示されている。この共振器には、上方左側の外周壁長手方向辺に対して平行な入力結合体構造体対が設けられている。個々の入力結合構造体は、共振器に外部から近づけられ、共振器壁部と統合される長方形中空導波体から成る。この長方形中空導波体はここで実質的に共通の共振器長にわたって延在している（図４ｂ参照）。共振器と共通の壁部には共通の壁部の中央線に沿って元来の入力結合構造体が設けられている（図３参照）。

各入力結合構造体の放射面はここでは印加する外周壁セグメントに対して垂直に位置している。入力結合構造体に相応して、放射ローブはその主要部分において次のように開放角度を有している。すなわち、直接的に隣接している２つの外周壁セグメントが第１の反射時に当てられるように開放角度を有している。ここで図１では、上部外周壁セグメントから出発して、対向する、平行な底部外周壁セグメントは、自身の左側に接する６０°傾斜している隣接外周壁セグメントを有している。側方上方で６０°傾斜している入力結合構造体から共振器内に入力結合されたマイクロ波放射は相応に同じ放射路を有する。平坦な外周壁セグメントによって、各発散したマイクロ波ビームは反射時にいずれにせよ広げられる。これは、共振器に沿って共振器壁部が丸い場合のようにフォーカス領域を形成しない。

各放射縁部でおよび各第１の反射面での矢印残片は第１反射を示している。湾曲した矢印はそれぞれ最初に反射された放射の放射縁部の方向転換を示している。

モード撹拌器は、まだ反射されていない２つのメイン放射ローブの切断領域内に位置する。これは実質的に自由な内部共振器長にわたって延在し、例えば２つの共振器端壁に位置し、端面壁でのブシュを介して外部から駆動される。適切な電磁的遮蔽によって、電気駆動部を共振器内に配置することもできる。モード攪拌器の横断面はここでは星状に丸められている。すなわち４つの凸状輪郭部分と凹状輪郭部分が交互に連続している。モード攪拌器はここでは単純な、ねじられていない形状を有しており、次のような条件を満たす。すなわち、どうにか、モード攪拌器上の長手線から出発して、短時間に（モード撹拌器数に依存する）、入力結合構造体内の放射面が戻り反射されるという条件を満たす。いずれにせよ、モード撹拌器に入射する２つの放射ローブの中央領域は反射時に、露出された外周部ではじめに強く広げられる。

図２には、共振器外壁に構成された２つの入力結合構造体対を有する共振器が示されている。第２の入力結合構造体対が、共通の外周壁セグメントの空いている外周面長手方向辺に加えられている。入力結合構造体は全て同じ様式であるので、各放射路も同じである。全てのマイクロ波放射ローブはそれ自体から広げられ、別の放射路において面で反射されるので、迅速に共振器内に電磁界の比較緩和（Vergleichmaessigung）が生じる。ここで２つのモード撹拌器によって、モード撹拌器に入射する、まさに共振器へ取り出される（出力結合される）マイクロ波放射部分の比較的高い密度が、その密度においてその箇所での反射後に強く広げられ、弱められ、六角形の特別な対象性に基づいて柔軟に反射されるので、均等な電磁界密度に近づく。モード撹拌器は入力結合対の２つの放射面の切断線上にあり、付加的に、およびいずれにせよ２つの放射面が各対向する入力結合構造体内に入射するのを回避する。

モード攪拌器はこれによって自身の意義を満たし、電磁界均一性に寄与する。図３には、単なる例として２つのモード攪拌器横断面が示されている。１つは星状に丸められており、１つは鍵穴形状である。いずれにせよ、凹状の輪郭部分はその延在部分において、この部分の焦線（延在する線、すなわち、回転する場合のモード攪拌器の軸のまわりの渦巻き線（Svraubenlinie））が入力結合構造体に入射するのではなく、さらにその後方に存在するような、曲率半径を有していない。モード攪拌器が凸状横断面のみを有している場合、例えばレンズ状または楕円の場合、このような要求は生じない。

使用可能な電磁界割合特性に達するための、共振器幾何学的形状の他の前提条件は、マイクロ波に対する入力結合装置の構造である。図４に示されているような構造によって、電磁界均一性が、少なくなくともしかし、空間的に許容可能な僅かな電磁界変動が得られることが計算によって示され、実験で確認されている。外壁に取り付けられた長方形中空導波体と共振器壁部の共通壁部は、長手軸に沿って、こちら側と向こう側に、長方形スリット状の貫通孔を規則的に順次連続して共振器長にわたって有している。マイクロ波の周波数（ここでは家庭用マイクロ波周波数ν＝２．４５ＧＨｚ）から出発して、この長方形スリットはＬ＝６２．８ｍｍの長さを有し、幅ｄを有している。これは回折条件

によって定められる。入力結合輪郭のこのような寸法は固定されているのではなく、例である。これは、共振器空間において相が一定な取り出しが生じるような間隔で順次連続する。

図５には、マイクロ波物理的状態を考慮した単純な入力結合輪郭が示されている。その上で長方形中空導波体が終了する共振器壁部で、入力結合構造体の入力輪郭が次のように構造化されている。すなわち、基本モードＴＥ_１０として各入力結合体の構造において用いられるように構造化されている。輪郭は、長方形中空導波体の壁部で、基本モードの２つのＥ−力線を追従する。これらのＥ−力線は入力結合輪郭の長手軸に関して相対して鏡像的に位置する。Ｅ−力線の２つの結合点はこの長手軸上に位置し、これらは相互に基本波長のλ／２離れており、入力結合輪郭を終了させる。入力結合輪郭の胴部は、共振器内の入力結合の回折角度を考慮する幅ｄを有している。ちょうどこの輪郭に沿って、状況EＩ＝０が生じる。この輪郭は幾何学的形状的に単純であり、近年の金属処理機械によって容易に、共振器壁部から切り取られる。複雑形状の入力結合輪郭は、多数の素子から成る級数展開されたビーム源の使用によって基本的に可能であるが、技術的な使用に対しては経済性に関して検査されるべきである。

図６ａおよび６ｂは使用ケース／構造ケースを示している。ここに示されている、円形横断面の炉は例えばオートクレーブであり、これは従来の熱処理から公知である。この炉内では、構造が適切である場合、低圧または高圧で処理される。このようにこの種のオートクレーブは気密性に閉鎖可能であり、いずれにせよ既にこれが電磁的に密であるようにされていない場合にはどんなにであろうとも、無線技術的なノイズの無い使用は完全に問題がない。マイクロ波技術的に完全に装備された共振器はここではオートクレーブ内の滑り部を介して挿入される。共振器はオートクレーブ内で取り外し可能または取り外し不可能に係留される。これは全体的な処理実行に依存する。エネルギー供給も、制御および監視のための測定技術および調整技術的伝導も、実行されるべき処理に技術的に適した、オートクレーブ内（必要な場合には共振器内）でのブシュを介して行われる。２つの図６ａ（横断面）、６ｂ（軸方向縦断面）では、滑り部またはレールの非常に簡単な技術的な搬送手法が示されている。重量がより大きい場合には、共振器の外壁部に留め環および／またはフックが取り付けられ、これを介して、共振器はクレーンによって動かされる。

図７には、２つの入力結合構造体対の最も簡単な場合に対するモードスイーピングが示されている。２つの対を介して入力結合されるので、中央の処理容積（ここでは断面で示されている）が形成される。２つの入力結合構造体対を介した、逆方向に振動する入力結合によって、例えば膨らみがあちこちに、または回転して動く。これは、それぞれ入力結合構造体対から出発する２つの輪郭によって示されている。ここでは所定の出力
ｐ（ｔ）＝ｐ_１（ｔ）＋ｐ_２（ｔ）
が入力結合される。

付加的に図８には、共振器内の１つの加工品または処理路内の多数の加工品の時間的な加熱の設定基準の例が示されている。まずは、加熱の直線傾斜が存在し、これによって最も高いマイクロ波パワーが入力結合される。その後、所定の時間間隔にわたって温度が一定に保たれる。すなわち加工品の放射損失のみが、マイクロ波入力結合を介して補償される。このためには加熱時よりも低い電磁パワーが必要とされる。最後に最終的に、所定の直線的な冷却処理が行われる。放射損失はもはや完全には補償されない。このためには温度一定維持時よりもさらに低いパワーのみが必要とされる。温度経過特性およびパワー経過特性は図８に例示的に、質的にのみ示されている。制御および調整技術において既知の技術的装置を介して、この種の処理は計算機によってサポートされる（内部ＨＥＰＨＡＩＳＴＯＳ）。１つまたは複数の加工品の実際状態は、加工品に位置付けされた熱センサを介して、または場合によっては測定可能な熱カメラを介して検出され、計算器内で制御および調整プロセスのために処理される。

共振器の中央の処理容積内での均一な電界分布の意義は、図９で説明され、強調されている。家庭用マイクロ波機器内の金属的な対象物は問題であり、所属の取扱説明書内では、このような金属的な対象物を共振器内に置かないように注意がなされている。家庭用のマイクロ波機器の場合には、波長領域λ≒１２ｃｍでの共振器ディメンションのために電磁界分布は、不均質である。改善された機器内の回転皿または同じでない加熱は暗にこれを間接的に示している。

例えば存在している環境の影響から保護するために、対象を層で覆うことは、しばしば使用される技術的な加工手法である。コスト的に問題であるのは、例えば、金属製ハウジングを完全にないし隙間なく、エポキシ樹脂層で覆うことである。この樹脂層が硬化されなければならないので問題である。ここで共振器内の中央処理容積内の均質な電磁界分布ないしはほぼ均質な電磁界分布の重要性が示される。金属ハウジングはこの内部で危険性なく露出可能である。なぜならこのような均質な電磁界分布によって、電流駆動電磁界成分が金属面に対して平行に／接線方向に成立しないからである。しかし金属表面上に設けられた層は完全にこの電磁界内に沈められ、従って層体積は全般的に均一に加熱される。しかも容積的にはそれ自体から加熱され、従来の熱加熱のように層表面を介して加熱されず、オートクレーブ内の加熱作用または赤外放射を介して加熱される。

大きな金属ハウジング（例えば船体）には、六角形の横断面を有する例えば角柱状共振器内に、硬化されたエポキシ樹脂層とともに設けられる。直径および長さに関する共振器寸法は数メートルの領域にある。共振器は金属板ハウジングであり、このハウジングには少なくとも１つの自身の外周セグメント長手方向辺に沿って入力結合構造体対が取り付けられている。この種の入力結合構造体対は、その外周面長手方向辺に対して対称に位置し、十分なマイクロ波パワーを共振器内に入力結合するために、複数の平行な入力結合構造体を有している。ここではこれは例えば２つである。数メートルの領域での寸法設計時には、９１５ＭＨｚのマイクロ波（３１ｃｍの波長に等しい）で処理容積内の十分な電磁界均質性が得られる。様式化された船体（図９の船体の正面図参照）は完全に処理容積内にある。船体上に均一に取り付けられた、樹脂層全体の硬化が、局部的なオーバーヒート（ホットスポット）なしに、例えば図８に記載されたような質的な時間的な経過特性で行われる。

共振器へのアクセス性は、実施されるべき処理ないしは処理路内での共振器の構成に左右される。従ってこれは少なくとも端面壁を介してまたは少なくとも１つの金属壁部セグメントを介して、ドア様式または水門様式でまたは除去によってアクセスされる。

マイクロ波による特定の加工品の処理が低圧力または高圧力で（２つとも多かれ少なかれ構成される）進行しなければならないことが考えられる。これによって共振器内部の電磁界の構造が固定されたままであるように、共振器壁部は外部で適切な硬いプロファイル材料によって補強されるないしは硬化される。

同じように共振器の配置は、実施されるべき処理によって定められるので、共振器は外周壁側および／または端面側で取り外し可能に係留して設置される。動かすために、共振器は例えば滑走部または運び台の上に置かれ、従って自身の外壁に、操作のためにフックおよび留め環が取り付けられている。

１つの入力結合構造体対を有する共振器横断面図。 ２つの入力結合構造体対を有する共振器横断面図。 例示的なモード撹拌器横断面図。 入力結合構造体。 基本モードに整合された入力結合輪郭。 オートクレーブ内の共振器横断面。 オートクレーブ内の共振器の縦断面図。 モードスィーピング。 時間的経過特性の設定。 硬化されるべき樹脂で積層された金属体。

Claims (10)

1. マイクロ波によって材料を熱処理するマイクロ波共振器であって、
   ハイモード共振器と、
   少なくとも１つの外周面長手方向辺に沿って対称に取り付けられた、マイクロ波用の入力結合構造体対から構成されており、
   前記ハイモード共振器は、偶数の凸状多角形の、少なくとも六角形の横断面を有しており、当該共振器の外周面セグメントおよび２つの端面は平坦であり、
   直接的に隣接する２つの外周面セグメントが交わる長手方向突合せ辺、すなわち外周面長手方向辺は共振器の長手軸に対して平行に位置しており、
   前記入力結合構造体対は、少なくとも２つの長方形の入力結合構造体から成り、
   各入力結合構造体は所定の案内直線に沿って、外周面長手方向辺に対して平行に共振器壁内に取り付けられており、
   前記入力結合構造体から共振器内に入力結合されるマイクロ波ビームが第１の反射時に、突合っている２つの外周面セグメントで反射され、２つのビーム部分に分解されるように、前記案内直線は属する外周面長手方向辺に対して間隔を有しており、
   ここで：
   各入力結合構造体上に、マイクロ波源に由来する長方形中空導波体の終端部が到来し、当該長方形中空導波体はマイクロ波をＴＥ_０１モードで導き、
   前記入力結合構造体は外周面セグメントにおいて、属する案内直線の左側および右側に交互に外周面長手方向辺に対して平行にある、共振器壁における重畳していない、等間隔の貫通孔、すなわち入力結合輪郭／入力結合開口部の連続体から成り、
   前記入力結合輪郭／入力結合開口部は所定の間隔で連続しており、この間隔によって長方形中空導波体内で基本モードＴＥ_０１で存在するマイクロ波が位相一定に共振器内へ取り出され、
   前記スリットの幅ｄは近似的に、条件から、小さい回折角度θに対しては、所定のマイクロ波波長λのもとで、
   

   

   から定められ、
   非常に小さい回折角度θに対しては、
   

   

   から定められる、
   ことを特徴とするマイクロ波共振器。
2. 自身の長手軸が案内直線に対して平行に位置している前記入力結合輪郭は、最も強いマイクロ波入力結合を得る、または自身の長手軸が案内直線に対して垂直に位置している前記入力結合輪郭は、最も弱いマイクロ波入力結合を得る、またはその間の状態を得る、請求項１記載のマイクロ波共振器。
3. 前記入力結合輪郭は、幅ｄと、最大で長方形中空導波体における基本波Ｈ_１０の長さＬ＝λ／２を有する長方形である、請求項１記載のマイクロ波共振器。
4. 前記入力結合輪郭は基本波長の長さＬ＝λ／２にわたって、基本モードＴＥ_０１の相対して鏡像的な２つの電気力線、すなわちＥ−力線の経過に、前記長方形中空導波体の壁部において少なくとも近似的に追従し、当該電気力線は胴部において幅ｄだけ相互に離れて位置している、請求項２記載のマイクロ波共振器。
5. 前記入力結合輪郭／入力結合開口部は、取り出されるべき位相定数を得るために等距離であり、案内直線に対する貫通孔間隔は、反射された遠視野において等方性の放射が生じるようにされている、請求項２から４までのいずれか１項記載のマイクロ波共振器。
6. 入力結合構造体対の２つの放射面の切断線に沿って、最大でも前記外周辺の長さにわたって突出しているモード攪拌器が構成されている、請求項５記載のマイクロ波共振器。
7. マイクロ波によって材料を熱処理する施設／処理路であって、
   請求項５または６に記載された少なくとも２つのマイクロ波共振器が端面側でモジュール様式に相並んで列にされており、
   相互に対向している２つの端面壁の間の通路を通って、処理対象が１つの共振器から後続する共振器へ搬送される、
   ことを特徴とする施設／処理路。
8. 請求項５または６に記載されたマイクロ波共振器または請求項７に記載された処理路の作動方法であって、
   共振器の入力結合構造体対を介したマイクロ波のパワー入力結合ｐ（ｔ）を、設定基準に相応して時間に応じて上昇して、または時間に応じて一定して、または時間に応じて下降して行うステップから成り、
   付加的に、Ｎ’個の入力結合構造体対を介したパワー入力結合
   

   

   が、必要な場合に、設定値ｐ（ｔ）だけ振動／変動し、合計において保たれて、相対してずらされて動作され、これによって定常的なモード形成が共振器内で当該変動と同期して、共振器外周壁に取り付けられた入力結合構造体対の数Ｎ’に応じて局部的に振動する、または２つの箇所の間であちらこちらに移動する、または共振器容積内で共振器長手軸の周りを循環する、
   ことを特徴とする、マイクロ波共振器または処理路の作動方法。
9. 入力結合構造体対ｉを介した前記入力結合は同じ様式である、またはパワー入力結合の中央値ｐ_ｉ（ｔ）だけ振動して、前記中央値ｐ_ｉ（ｔ）を保持して逆方向に変調されて作動される、請求項８記載の方法。
10. 熱処理可能な対象であって、
    請求項５または６記載のマイクロ波共振器または請求項７記載の処理路内で、請求項８および９に記載された方法に従って、自身の最終形状に製造される、
    ことを特徴とする対象。

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