WO1998030067A1 - Brennofen für die hochtemperaturbehandlung von materialien mit niedrigem dielektrischem verlustfaktor - Google Patents

Abstract

Bei einem Brennofen (10) für die Hochtemperatur-Behandlung von Materialien mit relativ kleinem dielektrischem Verlustfaktor (tan δ) unter Erwärmung des Materials durch Absorption von Mikrowellenenergie in einem Hohlraumresonator (16), in dem das Behandlungsgut (11) innerhalb eines Teilbereiches angeordnet ist, in dem durch schmalbandige Einstrahlung von Mikrowellenenergie innerhalb eines Toleranzbereiches eine gleichmäßige Energiedichte des Mikrowellenfeldes gegeben ist, derart, daß in jedem Volumenelement des Behandlungsraumes das Quadrat (E2) der elektrischen Feldstärke des Mikrowellenfeldes zumindest im zeitlichen Mittel innerhalb eines geringen Toleranzbereiches denselben Betrag hat, wobei das Verhältnis V/μ3 des Resonatorvolumens V zur dritten Potenz der Wellenlänge μ einen Wert im Bereich von 106 hat, ist zur Einkopplung der von der Mikrowellenquelle (13) erzeugten primären Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumresonator (16) eine Schlitz-Antennenanordnung (14) mit ausgeprägter Keulencharakteristik vorgesehen. Mit der von der Antennenanordnung abgestrahlten Primärstrahlung wird ein Mikrowellendiffusor (19) annähernd ausgeleuchtet. Das Behandlungsgut wird in einem Raumbereich des Hohlraumresonators angeordnet, in dem es ausschließlich der vom Diffusor (19) ausgehenden Sekundär-Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist.

Description

  



  Brennofen für die   Hochtemperaturbehandluna   von Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf einen Brennofen für die Hochtem- peraturbehandlung von Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor (tan 8 <   10')   unter Erwärmung des Materials durch Absorption von Mikrowellenenergie in einem Hohlraumreso- nator, in dem das Behandlungsgut innerhalb eines zentralen Teilbereiches des Resonators angeordnet ist, und mit den weite- ren, im Oberbegriff des Patentanspruchs   1   genannten, gattungs- bestimmenden Merkmalen. 



  Ein derartiger Brennofen ist durch die US-PS 4, 963, 709 bekannt. 



  Der Hohlraumresonator des bekannten Brennofens hat einen zylin- drischen Resonatormantel und diesen jeweils stirnseitig ab- schliessende, ebene   Resonatorwände.   Die von einem auf die Schwingungsfrequenz von 28GHz und eine Ausgangsleistung von 200 kW ausgelegten Gyrotron erzeugte Mikrowellenenergie wird, in Richtung der zentralen Längsachse des Hohlraumresonators von einer Stirnseite her über einen überdimensionierten Hohlleiter in den Hohlraum-Resonator eingekoppelt. Das Behandlungsgut, dessen Volumen gegenüber dem Resonatorvolumen sehr klein ist, ist unterhalb der   Einkoppelöffnung   des Speise-Hohlleiters ange- ordnet.

   Bei dieser Anordnung befindet sich das Behandlungsgut im Bereich der Direktstrahlung, die über den Hohlleiter einge- koppelt wird, ist jedoch auch einem quasi-diffusen Feld-Anteil ausgesetzt, der durch quasi-optische Reflexion an der Resona- torwandung zustande kommt. Dieser reflektierte Anteil des Wel- lenfeldes bedingt eine Inhomogenität des elektrischen Feldes am Ort des Behandlungsgutes, die unerwünscht ist, weil sie zu ei- ner ungleichmässigen Erwärmung innerhalb des Behandlungsgutes führt.

   Um diese unerwünschte Wirkung wenigstens im zeitlichen Mittel zu eliminieren, ist ein in der Art eines kleinen Venti- lators ausgebildeter Moden-Quirl vorgesehen, der seitlich von der Einkoppel-Öffnung des speisenden Hohlleiters angeordnet ist 

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 und im Ergebnis eine"Wobbel"-Bewegung der Feldverteilung ver- mittelt, die zu einer gleichmässigeren Verteilung der Strah-   lungsintensität   führt, die im Behandlungsraum herrscht. 



  Der bekannte Brennofen ist aufgrund seines insoweit geschilder- ten Aufbaues und der Art der Einkopplung der Mikrowellenenergie jedoch mit zumindest den folgenden Nachteilen behaftet : Die durch den Modenquirl vermittelte Ergodisierung des Mikro- wellenfeldes, dem das Behandlungsgut ausgesetzt ist, ist ledig- lich für den"diffusen"-an der Resonatorwandung reflektierten Anteil der eingekoppelten Mikrowellenstrahlung wirksam, nicht jedoch für den von der Antenne aus direkt in den Behandlungsbe- reich eingestrahlten Energieanteil. Die Wirkung des Modenquirls ist daher nur in einem genügend weit von der Einkoppel-Öffnung entfernten Bereich des Resonator-Hohlraums erzielbar. Die Folge hiervon ist, dass auch nur ein relativ geringer Anteil des Reso- natorhohlraums als Behandlungsraum für Sintergut nutzbar ist. 



  Es kommt hinzu, dass ein erheblicher Anteil der direkt einge- strahlten Mikrowellenenergie vom Behandlungsgut reflektiert und entgegen der Einstrahlrichtung zurückgeworfen wird. Der bekann- te Brennofen ist daher-aus den vorgenannten Gründen insgesamt -für eine industriell einsetzbare Brennanlage, für die ein grosses Nutzvolumen Bedingung für einen wirtschaftlichen Einsatz ist, nicht geeignet. 



  Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brennofen der ein- gangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass bei vorgege- benen äusseren Abmessungen des Hohlraumresonators ein wesentlich höherer Anteil seines Hohlraumes als Behandlungsraum nutzbar ist und auch eine wirtschaftlichere Nutzung der Mikrowellen- energie möglich ist. 



  Diese Aufgabe wird, gemäss dem Grundgedanken der Erfindung, durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 ge- löst. 

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 Hiernach ist zur Einkopplung der Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumresonator eine Antennenanordnung mit ausgeprägter Richt-Charakteristik vorgesehen, wobei die Strahlung"schräg" und praktisch fast völlig auf einen Mikrowellendiffusor gerichtet wird, der hierdurch zumindest annähernd ausgeleuchtet ist, so dass die gesamte eingestrahlte Primärstrahlung   in"diffuse,,   Sekundärstrahlung umgewandelt wird, in der keinerlei feste Phasenbeziehung zwischen räumlich benachbaren Resonatorbereichen mehr besteht.

   Die erfindungsgemäss weiterhin vorgesehene Anordnung des Sintergutes in einem Raumbereich des Hohlraumresonators, in dem es ausschliesslich der vom Diffusor ausgehenden Se-   kundär-Mikrowellenstrahlung   ausgesetzt ist, bewirkt eine höchstmögliche Gleichförmigkeit der Energiezufuhr in den Behandlungsraum. Es kommt hinzu, dass eine Reflexion von Mikrowellenstrahlung zurück zur Quelle praktisch ausgeschlossen ist, so dass auch insoweit eine wirtschaftlichere Nutzung der Mikrowellenenergie erreichbar ist. Der Raumbereich, in dem Sintergut behandelt werden kann, ist, verglichen mit dem bekannten Brennofen wesentlich grösser, so dass der erfindungsgemässe Brennofen für eine industrielle Anwendung geeignet ist. 



  In bevorzugter Gestaltung des Brennofens wird die   Primärstrah-   lung radial zu einer durch eine zentrale Längsachse des Hohlraumresonators markierten Richtung eingekoppelt, derart, dass sie innerhalb des Hohlraumresonators auf einen Subreflektor trifft, der durch seine Form die Apertur des Strahlungsfeldes bestimmt, das auf den Diffusor trifft, wobei es vorteilhaft ist, wenn der Primärstrahl mit scharfer Bündelung in den Resonator einkoppelbar ist und der Subreflektor als konvex   gewölb-   tes Reflexionselement ausgebildet ist, das in vorteilhafter Anordnung zwischen der zentralen Längsachse des Hohlraumresonators und der Einkoppel-Antenne für den Primärstrahl angeordnet ist, die ihrerseits in unmittelbarer Nähe der Resonatorwand angeordnet werden kann. 



  Diese Konfigurationen sind möglich, da wegen der geringen Wel-   lenlänge   der primären Mikrowellenstrahlung, gegenüber der die 

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 Dimensionen des Resonators, des Subreflektors und des als Ein- koppel-Antenne benutzten Hohlleiters gross sind ein weitgehend geometisch-optisches Reflexionsverhalten dieser Elemente gege- ben ist und wellenoptische Effekte nur im Bereich des Diffusors ausgelöst werden, für den durch die Merkmale des Anspruchs 5 eine einfach realisierbare und zum angegebenen Zweck wirksame Gestaltung angegeben ist. 



  Wenn, wie gemäss Anspruch 6 vorgesehen, der Diffusor um die zen- trale Längsachse des Hohlraumresonators rotatorisch angetrieben ist, wird zusätzlich eine zeitliche Mittelung von Rest-Inhomo-   genitäten   des im Resonator wirksamen Sekundär-Mikrowellenfeldes erzielt, d. h. eine Vergrösserung des Behandlungsvolumens mög- lich, wobei dieser vorteilhafte Effekt schon bei Diffusor-Dreh- zahlen zwischen   1sund10serzielbar   ist und zu höheren Drehzahlen hin gesteigert werden kann, was dann erforderlich ist, wenn die thermische Relaxationszeit des zu behandelnden Gutes klein ist. 



  Durch einen gemäss Anspruch 8 vorgesehenen, zweiten Diffusor, der vorzugsweise dem der Primärstrahlung ausgesetzten Diffusor gegenüberliegend angeordnet ist, lässt sich eine zusätzliche Vergrösserung des Behandlungsraumes erzielen. 



  Dasselbe gilt sinngemäss, wenn im Innenraum des Hohlraumresona- tors ein rotatorisch antreibbarer Polarisationsdreher vorhanden ist, der an seiner dem Innenraum zugewandten, der sekundären Mikrowellenstrahlung ausgesetzten reflektierenden Seite mit ei- ner Korrugation versehen ist, die, rechtwinklig zur Mittelebene der reflektierenden Seite gemessen, eine   Korrugationstiefe   von   /8   hat und, über die Fläche hinweg gesehen, eine peridische Struktur der Periodizitätslänge L hat, die der Beziehung :    p     B/4   < L <   S/2      p   genügt, und vorzugsweise einen Wert von   B/3   hat. 

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  In einer einfachen Realisierung einer solchen Korrugation hat dies die Form geradlinig verlaufender, paralleler Stege und da- zwischen angeordneter Nuten, wobei die Querschnittsform der Stege und der Nuten sinusförmig oder trapez-oder rechteck-wel-   lenförmig   sein kann. 



  In einer bevorzugten Gestaltung ist der Polarisationsdreher als als kreisrunde Scheibe ausgebildet, die an der dem Diffusor ge- genüberliegenden Seite des Hohlraum-Resonators angeordnet ist und dem Durchmesser nach demjenigen des Diffusors entspricht. 



  Alternativ hierzu kann der Polarisationsdreher auch in koaxia- ler Anordnung mit dem Diffusor auf der der primären   Mikrowel-   lenstrahlung ausgesetzten Seite des Hohlraumresonators angeord- net sein. 



  Für diese Anorndung sind durch die Merkmale der Ansprüche 13 bis 15 alternativ oder in Kombination realisierbare Gestaltun- gen des Polarisationsdrehers angegeben. 



  Auch durch eine von einer axialsymmetrischen Gestaltung abwei- chende, prismatisch-polygonale Form des Hohlraumresonators, wo- bei ebenflächig ausgebildete   Begrenzungwände   entlang parallel zur zentralen Längsachse des Hohlraumresonators verlaufender Eckkanten aneinander angrenzen, lässt sich ein günstig grosses Volumen des Behandlungsraumes erzielen. 



  In bevorzugter Gestaltung des erfindungegemässen Brennofens ist eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen, mittels derer die Resonatorwand auf die im Behandlungsgut herrschende Temperatur aufheizbar ist. Durch eine solche Aufheizung der Resonatorwand lässt sich der für eine Vielzahl von   Mikrowellen-Ofentypen   cha- rakteristische Effekt, dass mit zunehmender Erwärmung des Sin- tergutes die Wärmeabstrahlung aus den randnahen Bereichen des Sintergutes dazu führt, dass im Inneren desselben eine höhere Temperatur herrscht als in den Randbereichen, wirksam vermei- den. 

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  Diese Heizeinrichtung ist gemäss den Merkmalen des Anspruchs 18 als eine elektrisch steuerbare Widerstandsheizung ausgebildet, die entsprechend einem durch ein Programm vorgegebenen Temperaturverlauf angesteuert wird, der dem Temperaturverlauf im Sintergut entsprechen soll, der seinerseits mittels eines Temperatursensors, vorzugsweise einem Pyrometer, überwacht wird, und zum Soll-Ist-Wert-Vergleich für die Heizung der Resonatorwand herangezogen wird, deren Temperatur, z. B. im Sinne einer Nachlaufregelung, an die Temperatur des Sintergutes angeglichen wird, die im wesentlichen durch die eingestrahlte Mikrowellenleistung bestimmt wird. 



  Hierbei ist es zweckmässig, wenn verschiedenen Wandbereichen des Resonators eigens zugeordnete Temperatur-Sensoren vorgesehen sind, mittels derer die gegebenenfalls verschiedenen Resonatorwand-Temperaturen erfassbar sind, und wenn die Heizung den individuell überwachten Wandbereichen zugeordnete Heizelemente umfasst, die ihrerseits individuell ansteuerbar sind, entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 19. 



  In der Gestaltung des Brennofens gemäss Anspruch 20 sind die Hohlraumresonator-Wandung, der Diffusor, der die Antenne bildende Hohlleiter sowie der Subreflektor aus Graphit oder einem hiermit hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit äquivalenten Material hergestellt, so dass der Brennofen für Temperaturbehandlungen bis zu 1800 C einsetzbar ist. 



  Auch eine zur Wärmeisolation des Hohlraumresonators gegenüber der äusseren Umgebung des Brennofens vorgesehene   Wärmedämmein-   richtung, die gemäss den Merkmalen des Anspruchs 21 an der Innenseite eines den Hohlraumresonator und die Heizeinrichtung aufnehmenden Ofen-Gehäuses angeordnet ist, kann ihrerseits als eine auf der Basis eines Graphit-Materials, insbesondere Graphit-Filz hergestellte, mit einer elektrischen   Mindestleitfä-   higkeit behaftete Innenauskleidung des Ofen-Gehäuses ausgebil- 

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 det sein. 



  Weitere Einzelheiten des erfindungsgemässen Brennofens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigen : Fig.   1   ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Brenn- ofens für eine Hochtemperaturbehandlung keramischen
Sintergutes mit niedrigem dielektrischem Verlustfak- tor, das innerhalb eines polygonal berandeten Hohl- raumresonators des Brennofens durch Absorption von Mi- krowellenenergie aufheizbar ist, in schematisch ver- einfachter Blockschaltbild-Darstellung, den Resonator im Schnitt längs einer seine zentrale Längsachse und die zentrale Längsachse eines als Einkoppel-Antenne vorgesehenen Hohlleiters enthaltenden Längsmittel- ebene ;

   Fig. 2 den Hohlraumresonator des Brennofens gemäss Fig.   1,   im
Schnitt längs einer durch die Linie   II-II   der Fig.   1   respräsentierten Schnittebene, Fig. 3 eine schematisch vereinfachte Darstellung einer der in den Hohlraumresonator eingekoppelten primären Mikro- wellenstrahlung ausgesetzten Oberflächenstruktur eines zur Ergodisierung des Mikrowellenfeldes, dem das Be- handlungsgut ausgesetzt ist, dienenden Diffusors des
Hohlraum-Resonators gemäss den Fig.   1   und 2, Fig. 4 einen Schnitt längs der durch die Linie IV-IV der
Fig. 3 repräsentierten Ebene, Fig. 5 einen kreisscheibenförmigen Polarisationsdreher, der in einer Anordnung in unmittelbarer Nähe der vom Dif- fusor entfernt angeordneten Resonatorstirnwand des
Brennofens gemäss Fig.

     1   der sekundären Mikrowellen- strahlung ausgesetzt ist und an seiner dieser ausge- 

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 setzten Seite eine periodisch-wellenförmige, durch parallel zueinander verlaufende Rippen und Rillen ge- bildete Korrugation hat, in schematisch vereinfachter,   nicht-massstäblicher   Darstellung ;

   Fig. 6a die Korrugation des Polarisationsdrehers gemäss Fig. 5, im Schnitt längs der durch die Linie VIa-VIa der
Fig. 5 repräsentierten Ebene, Fig. 6b eine zu   der"sinuswellenförmigen"Korrugation   gemäss
Fig. 6a   funktionsanaloge"rechteckwellenförmige"Ge-   staltung der Korrugation eines bei dem Brennofen gemäss
Fig.   1   einsetzbaren Polarisationsdrehers und Fig. 7 eine Diffusor-Polarisationsdreher-Einheit mit ring- scheibenförmiger Gestaltung des Polarisationsdrehers und kreischeibenförmiger Gestaltung des Diffusors, wo- bei der Polarisationsdreher den Diffusor konzentrisch umgibt und der primären Mikrowellenstrahlung ausge- setzt ist. 



  Der in der Fig.   1   insgesamt mit 10 bezeichnete Brennofen ist für eine Temperaturbehandlung, insbesondere zum Sintern, lediglich schematisch angedeuteter Werkstücke 11 gedacht, die durch diese thermische Behandlung erst ihre für einen bestimmungsge-   mässen   Gebrauch der fertigen Werkstücke erforderlichen Materialeigenschaften und/oder räumliche Abmessungen erlangen. 



  Typische Werkstücke, die auf der Basis von nitrid-keramischem Material, insbesondere Si3N4 hergestellt sind, z.B. Kugellager, ventilkörper- und Gehäuse, Hülsen und dergleichen oder auf der Basis von oxid-keramischem Material hergestellt werden können, z. B. Dichtscheiben und-Ringe, und einer sinternden Behandlung bedürfen, sollen in dem Brennofen 10 einer solchen Behandlung aussetzbar sein. 



  Hierbei handelt es sich um Materialien mit relativ niedrigem 

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 dielektrischem Verlustfaktor   (tan#    < 0, 01). 



  Die zu behandelnden Werkstücke 11 sind in einem insgesamt mit 12 bezeichneten Stapel angeordnet. Die Erwärmung des durch die Gesamtheit der Werkstücke 11 gebildeten Sintergutes erfolgt durch Absorption von Mikrowellenenergie, die von einem als Mi- krowellenquelle 13 vorgesehenen Gyrotron bereitgestellt wird, das eine Mikrowellenstrahlung von 28GHz, was einer Wellenlänge   #    von 1, 07 cm entspricht, erzeugt, die über eine als   überdi-   mensionierter Hohlleiter (Durchmesser   D = 5X)   ausgebildete Richtantenne 14 radial in einen insgesamt mit 16 bezeichneten Hohlraumresonator mit elektrisch leitenden Wänden 16 bis 16 
1 10 eingekoppelt wird, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel die Form eines prismatischen Hohlkörpers mit oktogonalem Quer- schnitt hat. 



  Bei dem zur Erläuterung gewählten, speziellen   Ausführungsbei-   spiel hat der Hohlraumresonator einen regelmässig-oktogonalen, bezüglich der zentralen Längsachse 17 axialsymmetrischen Quer- schnitt. 



  Diese Form des Hohlraumresonators 16 ist jedoch in erster Linie aus Gründen seiner einfachen Herstellbarkeit gewählt. Anstatt der dargestellten Form könnte der Hohlraumresonator auch eine unregelmässig-polygonale Querschnittsform haben, und es ist auch nicht erforderlich, dass die Resonatorwände   16   bis   16   flach- plattenförmig mit ebenen inneren Begrenzungsflächen ausgebildet sind. 



  Für den zur Erläuterung gewählten Hohlraumresonator sei voraus- gesetzt, dass das Verhältnis H/1 der zwischen den inneren Be- grenzungsflächen seiner gemäss der Darstellung der Fig. 2 oberen   Längsbegrenzungswand     161   und seiner dazu parallelen unteren   Längsbegrenzungswand     165   gemessenen lichten Höhe H zu der zwi- schen den Innenflächen seiner stirnseitigen Begrenzungswände 169 und   161o   gemessenen lichten Länge   1   einen Wert von 3/4 hat, und dass das Volumen Vres des Resonator-Innenraumes 18   1,   4m3 be- 

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 trägt, so dass gilt :

     V / #3 = 1,114 # 10 6 (1)   res Dieser Wert charakterisiert einen grossvolumigen Hohlraumresona- tor, in dem eine Vielzahl von Schwingungstypen anregbar ist, deren Anzahl AN durch die Beziehung    8# # # V 1   res AN   =' (2)      Q   gesamt gegeben ist, in der mit V das Volumen des Hohlraumresonators, res mit   X   die Vakuumwellenlänge der Mikrowellenstrahlung und mit   Q   die Gesamtgüte der insoweit erläuterten Anordnung 10, 11, gesamt 12, 13, 14 bezeichnet ist, die ihrerseits durch die Beziehung    
1 1 1 1 1 
QQQQQ(3)   gesamt res ant diel quelle gegeben ist.

   In dieser Beziehung ist mit Q die Güte der Reso- res natorwand bezeichnet, die durch die Beziehung    3 V   res 
Qres = (4)    2#Ares #e   gegeben ist, mit Q die Güte der Antennenanordnung, für die ant die beziehung    8###V   Q   A.X      ant
A##   ant gilt, mit Qdiel die Güte des dielektrischen Sintergutes, für welche die Beziehung 
 EMI11.1 
 gilt und mit Q die Güte der Mikrowellenquelle (13) bezeich- quelle 

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 net ist, die durch die Beziehung quelle gegeben ist. 



  In den Beziehungen (4), (5), (6) und (7) sind mit A die Fläche der Resonatorwand insgesamt, res e die Eindringtiefe in die Resonatorwand Aant die abstrahlenden Flächen der Antennenanordnung 14, mit Vdiel das Volumen des dielektrischen Behandlungsgutes 11, mit   e die Dielektrizitätszahl   des Sintergutes 11, mit r tan   8 der   dielektrische Verlustfaktor des Sintergutes und mit B die Bandbreite der Mikrowellenquelle 13 bezeichnet. 



  Bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel bestehen die Wände 161 bis   161o   des Hohlraumresonators aus   plattenförmi-   gem Graphit-Material, so dass sich bei der angegebenen Gyrotron- Frequenz von 28GHz eine Eindringtiefe e von lOum ergibt. Dies entspricht bei einer Gesamtfläche A von etwa 7, 6m2 einer Güte res Q der Resonator-Wandung von etwa 25000. Für   die"strahlende"   res   Antennenfläche-der   lichten Querschnittsfläche der als Rund-    Hohlleiter vorausgesetzten Richtantenne 14-einen Wert A an   ant von   30cm2   angenommen, ergibt sich eine Güte Q der Antennen- anordnung von etwa 1, 095.   10.

   Für   ein vom Sintergut 11 einge- 

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 nommenes Volumen von ca. 0, 03m3 ergibt sich ein Wert der Güte Q des Sintergutes von 2100, wenn für dessen   Dielektizitäts-   diel zahl   #r    ein Wert von 8 und ein Verlustfaktor von 0,008 ange- setzt wird. Die Bandbreite B der von dem Gyrotron erzeugten Mikrowellenstrahlung ist kleiner als   10,   was einer   Quellengü-   te Q von mehr als   10   entspricht. quelle Bei nicht beladenem Hohlraumresonator 16 (V = 0) ist die Ge-    diel   samtgüte Qgesamt ungefähr gleich der Resonatorgüte Qres und die Zahl der resonanten Schwingungstypen beträgt etwa 1150, was schon ein sehr hoher Wert ist. 



  Bei dielektrischer Beladung des Hohlraumresonators ist die Ge- samtgüte Qgesamt ungefähr gleich der Güte Qdiel des Behandlungsgu- tes 11 und damit die Zahl der resonant anregbaren Schwingungs- typen AN = 13700. 



  Aus der Überlagerung einer derartig hohen Anzahl von Schwin- gungstypen lässt sich im gesamten Inneraum 18 des Hohlraumreso- nators 16 eine räumlich gut gleichmässige Feldverteilung erzie- len, die notwenig ist, um einen   gro#en    Teil des Resonator-Volu- mens als Behandlungsraum für Sintergut 11 nutzen zu können. 



  Voraussetzung für die Anregbarkeit zumindest eines überwiegen- den Teils dieser möglichen Schwingungstypen ist jedoch, dass die anregende Mikrowellenstrahlung diffus ist, d. h. räumlich gese- hen feste Phasenbeziehungen vermieden sind. 



  Um   diese"diffuse"Qualität   der anregenden Mikrowellenstrahlung zu erzielen, ist in unmittelbarer Nähe der einen, gemäss Fig.   1   rechten Resonatorwand   169   ein kreisscheibenförmiger Diffusor 19 vorgesehen, dessen dem Resonator-Innenraum 18 zugewandte Diffu- sor-Fläche 21 der von dem Gyrotron 13 erzeugten, über die An- tenne 14 in den Hohlraumresonator eingestrahlten   Prirmär-Mikro-   wellenstrahlung ausgesetzt ist. Der Durchmesser des Diffusors 19 entspricht annähernd der lichten Höhe H des Resonator-Hohl- raumes 18.

   Die Richtantenne 14, deren zentrale Hohlleiter-Achse 22 radial zur zentralen Längsachse 17 verläuft, ist, in Rich- 

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 tung der zentralen Längsachse 17 gesehen, von dem Diffusor 19 in einem Abstand a angeordnet, der etwa 1/5 bis 1/4 der Länge L des Hohlraumresonators 16 entspricht. Die durch das resonator- innere Ende 23 des Antennenhohlleiters berandete   Antennenöff-   nung 24 ist in einem Abstand h von der inneren   Begrenzungsflä-   che   16'1 des   oberen Resonatorwand-Teils   161   angeordnet, der zwischen 1/6 und 1/4 der lichten Höhe H des Resonator-Innenrau- mes 18 beträgt.

   Unterhalb der Antennenöffnung 24 ist ein von dem Diffusor 19 aus gesehen konvex gewölbter Subreflektor 26 angeordnet, der über einen schmalen Träger 27 mit dem resonator-inneren Endabschnitt des Antennen-Hohlleiters 14 fest ver- bunden ist. Die Wölbung des Subreflektors 26 und dessen Anord- nung bezüglich der   Antennenöffnung   24 in geringem Abstand von derselben sind dahingehend aufeinander abgestimmt, dass sich aufgrund der quasi-geometrischen Reflexionsbedingungen eine Aufweitung der Strahlungskeule der Primär-Mikrowellenstrahlung ergibt, derart, dass der Diffusor 19 auf einem weitaus   überwie-   genden Teil seiner der Antenne 14 zugewandten Seite 21 der Pri-   mär-Mikrowellenstrahlung   ausgesetzt-ausgeleuchtet-ist,

   wie durch gestrichelt eingezeichnete Randstrahlen 28 und 29 des vom Subreflektor 26 zum Diffusor 19 hin reflektierten Primär-Mikro- wellenfeldes veranschaulicht. Die der   Mikrowellen-Primärstrah-   lung ausgesetzte   Diffusor-"Fläche"21   ist in der Art eines Ge- birges mit zweidimensional unregelmässiger Verteilung von   Erhö-   hungen 31 (Fig. 3und 4) und dazwischen verlaufenden Vertiefun- gen 32 ausgebildet, wobei die von der Basisfläche 33 (Fig. 4) aus gemessene Höhe der Erhebungen bis zu   k/2   beträgt.

   Die Ver- teilung der Erhöhungen entlang der x-und y-Koordinatenrichtun- gen der Ausdehnung des Diffusors 19 entspricht einer statisti- schen Zufallsverteilung, innerhalb derer die Abstände der   Erhö-   hungen voneinander und auch deren Ausdehnung zwischen A/2 und nX/2 betragen, wobei n zwischen   1   und einem Maximalwert um 5 variiert. Die durch die Darstellung der Fig. 3 veranschaulichte unregelmässige Oberflächenstruktur der der   Primärstrahlung   aus- gesetzten Seite 21 des Diffusors 19 verleiht diesem die Wirkung eines irregulären Phasengitters, das praktisch die gesamte ein- gestrahlte   Primärstrahlung   in diffuse Sekundärstrahlung umwan- 

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 delt, in der keinerlei feste Phasenbeziehung zwischen räumlich benachbarten Resonatorbereichen mehr besteht.

   Der Sintergut- Stapel 12 ist in dem zwischen der Antenne 14 und der anderen,    gemäss der Darstellung der Fig. 1 linken Resonator-Stirnwand 16 20   
10 angeordneten Raumbereich des Resonator-Innenraumes 18 angeord- net, der durch den Subreflektor 26 und dessen Träger 27 gegen die primäre Mikrowellenstrahlung abgeschattet ist und nur der von dem der Primärstrahlung ausgesetzten Diffusor 19 ausgehen- den diffusen Sekundärstrahlung ausgesetzt ist. 



  Der Diffusor 19 ist um die zentrale Längsachse 17 des Hohlraum- resonators 16 rotatorisch antreibbar. Der diesbezüglich vorge-   sehene     AnLriebsmotor   35 ist ausserhalb eines den   Hohlraumresona-   tor 16 umschliessenden, gasdicht ausgeführten, evakuierbaren und/oder mit Schutzgas spülbarem Ofengehäuses 34 angeordnet. 



  Durch den rotatorischen Antrieb des Diffusors 19 wird   zusätz-   lich eine Homogenisierung der Feldverteilung in dem für die Unterbringung des Behandlungsgutes 11 nutzbaren Raum im Sinne einer zeitlichen Mittlung von Rest-Inhomogenitäten des im Reso- nator wirksamen Sekundär-Mikrowellenfeldes erzielt. 



  Bei dem dargestellten Brennofen 10 ist auch an der dem rotato- risch antreibbaren Diffusor 19 gegenüberliegenden Stirnseite des Hohlraumresonators 16 ein zweiter Diffusor 19'angeordnet, der jedoch nicht rotatorisch antreibbar ist, so dass seine Kon- turengestaltung derjenigen der Resonatorstirnwand   161o   entspre- chen kann. Durch diesen zweiten Diffusor 19', der, abgesehen von geringen Restbeträgen der Primär-Mikrowellenstrahlung le- diglich dem vom ersten Diffusor 19 ausgehenden"diffusen"Se- kundär-Strahlungsfeld ausgesetzt ist, wird eine noch   gleichmä-   ssigere Verteilung der Mikrowellenenergie im Behandlungsraum er- zielt. 



  Gemäss einer Variante des Brennofens 10 gemäss Fig.   1   ist anstel- le des zusätzlichen Diffusors   19'ein   Polarisationsdreher 40 vorgesehen, zu dessen Erläuterung nunmehr auch auf die Fig. 5 und 6a bezug genommen sei. 

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 Dieser Polarisationsdreher 40 ist als kreisrunde Graphitscheibe ausgebildet, die in unmittelbarer Nähe der dem Diffusor 19 ge-   mäss   Fig.   1   gegenüberliegenden Wand   161o   des Hohlraumresonators 18 angeordnet ist. Dieser Polarisationsdreher entspricht hinsichtlich seines Durchmessers dem Diffusor 19.

   Die dem Behandlungsraum zugekehrte,"reflektierende", der sekundären Mikrowellenstrahlung ausgesetzte Seite 41 des Polarisationsdrehers 40 ist mit einer regelmässigen Korrugation versehen, die aus zueinander parallelen, rippenförmigen Stegen 42 bzw. zwischen diesen angeordneten Nuten 43 gebildet ist und in der speziellen Gestaltung der Schnittdarstellung der Fig. 6a einen sinus-wel-   lenförmigen   Konturenverlauf hat. 



  Alternativ hierzu kann diese Korrugation auch, gesehen in der Schnittdarstellung der Fig. 6b, einen rechteck-wellenförmigen Verlauf haben mit Stegen   42',   deren Wangen 44 rechtwinklig an die freien Stirnflächen 46 der Stege   42'und   auch rechtwinklig an den Nutgrund 47 anschliessen, der sich zwischen je zwei benachbarten Stegen 42'erstreckt. 



  Sowohl bei der Gestaltung des Polarisationsdrehers 40 gemäss Fig. 6a als auch bei derjenigen gemäss Fig. 6b hat die Korrugations-Tiefe h den Wert   k/8.   Der seitliche Abstand der Stege 42 bzw. 42', d. h. die Periodizitätslänge der Korrugations-Struktur hat einen Wert zwischen   R/4     und B/2,   wobei mit   X   wiederum die Wellenlänge der eingestrahlten Mikrowellenstrahlung bezeichnet ist. 



  Der insoweit erläuterte Polarisationdreher 40 ist auf analoge Weise zur drehbaren Anordnung des Diffusors 19 an der diesem gegenüberliegend angeordneten Seite des Brennofens 10 drehbar antreibbar gelagert, was, der Einfachheit halber, nicht eigens dargestellt ist. Durch den rotierend angetriebenen Polarisationsdreher 40 wird im Innenraum des Hohlraumresonators 18 eine weitere Homogenisierung des   Sekundärstrahlungs-Mikrowellenfel-   des erzielt, mit der eine signifikante Vergrösserung des nutzba- 

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 ren Behandlungsvolumens erzielt wird. 



  In Fällen, in denen es aus konstruktiven Gründen nicht möglich ist, einen rotatorisch antreibbaren Polarisationsdreher 40 dem Diffusor 19 gegenüberliegend anzuordnen, ist die in der Fig. 7, auf die nunmehr Bezug genommen sei, gleichsam integrierte Ge- staltung des Diffusors 19 und eines ringförmigen Polarisations- drehers 40'zweckmässig, in der dieser den, verglichen mit dem Diffusor (19) gemäss Fig.   1   etwas kleinerflächigen, der Grund- form nach kreisscheibenförmigen, zentral angeordneten Diffusor 19 konzentrisch umgibt. Das Flächenverhältnis   F/F   der der
Prot Diff primären Mikrowellenstrahlung ausgesetzte Fläche F des Pola-
Prot risationsdrehers 40'und der Fläche   F   des Diffusors 19 hat
Diff typische Werte zwischen 1/5 und 1/3.

   Bei der Gestaltung gemäss Fig. 7 können der Polarisationsdreher 40'und der Diffusor 19 mittels einer   einzigen-einstückigen-Graphitplatte   reali- siert sein und sind dann mit gleicher Drehzahl rotatorisch an- getrieben. Gleichwohl ist es aber auch bei der Anordnung von Polarisationsdreher 40'und Diffusor 19 gemäss Fig. 7 möglich, diese durch separate Elemente, nämlich einen   ringscheibenförmi-   gen Polarisationsdreher und einen kreischeibenförmigen Diffusor 19 zu ersetzen, die dann mittels separater Antriebsmotore über eine einerseits drehfest mit der Ringscheibe des Polarisationsdrehers 40'verbundenen Hohlwelle und einer diese koaxial durchsetzenden Antriebswelle für den Diffusor 19 ggf. mit ver- schiedener Drehzahl und gegensinnig antreibbar sind. 



  Abweichend von den in den Fig. 6a und 6b dargestellten periodi- schen Querschnittsstrukturen der jeweiligen Korrugation der Po- larisationsdreher 40 bzw. 40'kann es zweckmässig sein, die Breiten der Stege 42 bzw. 42'etwas geringer zu wählen, als die in derselben Richtung gemessenen lichten Weiten der Nuten 43 bzw.   43'.   



  Mittels einer lediglich schematisch dargestellten, insgesamt mit 36 bezeichneten Heizeinrichtung, die eine der Anzahl der ebenflächigen Resonatorwände   161   bis   161o   entsprechende Anzahl 

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 von elektrischen Widerstandsheizelementen   36   bis   36 umfasst,   ist die Resonatorwand auf die im Behandlungsgut herrschende Temperatur aufheizbar, die ihrerseits mittels eines nicht dar- gestellten Pyrometers überwachbar ist. Mittels ebenfalls nicht dargestellter, den Wandelementen einzeln zugeordneter Tempera- tursensoren sind die Temperaturen der einzelnen Wandbereiche   16   bis   161o überwachbar,   so dass eine Regelung der Temperatur der Resonatorwandung insgesamt zu deren Angleichung an die Sin- tergut-Temperatur möglich ist.

   Das Ofen-Gehäuse 34 ist an sei- ner Innenseite mit einer Wärme-Dämmschicht 37 aus Graphit-Filz ausgekleidet, die insbesondere in Durchführungsbereichen des Ofen-Gehäuses zusätzliche Sicherheit gegen ein Austreten von Mikrowellenstrahlung vermittelt. 

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  Patentansprüche 1. Brennofen für die Hochtemperatur-Behandlung von Matera- lien mit relativ kleinem dielektrischem Verlustfaktor (tan 
6) unter Erwärmung des Materials durch Absorption von Mi- krowellenenergie in einem Hohlraumresonator, in dem das 
Behandlungsgut innerhalb eines zentralen Teilbereiches des 
Resonators angeordnet ist, in dem durch schmalbandige Ein- strahlung von Mikrowellenenergie eine innerhalb eines To- leranzbereiches eine gleichmässige Energiedichte des Mikro- wellenfeldes gegeben ist, derart, dass in jedem Volumenele- ment des Behandlungsraumes das Quadrat   (E2)   der elektri- schen Feldstärke des Mikrowellenfeldes zumindest im zeit- lichen Mittel innerhalb eines geringen Toleranzbereiches denselben Betrag hat,

   wobei das Verhältnis   V/S   des Reso- natorvolumens V zur dritten Potenz der Wellenlänge   X   ei- nen Wert im Bereich von 106 hat, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einkopplung der von der Mikrowellenquelle (13) er- zeugten primären Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumre- sonator (16) eine Richt-Antennenanordnung (14) mit ausge-   prägter   Keulencharakteristik vorgesehen ist, dass mit die- ser einfallenden Primärstrahlung ein Mikrowellendiffusor (19) mindestens annähernd ausgeleuchtet ist und die Anord- nung des Sintergutes (11) in einem Raumbereich des Hohl- raumresonators gewählt ist, in dem es ausschliesslich der vom Diffusor (19) ausgehenden   Sekundär-Mikrowellenstrah-   lung ausgesetzt ist. 



  2. Brennofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die   Primärstrahlung   radial zu einer zentralen Achse (17) des 
Hohlraumresonators (16) in diesen eingekoppelt ist und in- nerhalb des Hohlraumresonators auf einen Subreflektor (26) trifft, durch dessen Form die Apertur des Strahlungsfeldes bestimmt ist, das auf den Diffusor (19) trifft. 



  3. Brennofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der 
Primärstrahl mit scharfer Bündelung in den Resonator (16) 

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 einkoppelbar ist und der Subreflektor (26) als konvex ge- wölbtes Reflexionselement ausgebildet ist. 



  4. Brennofen nach einem der Ansprüche   1   bis 3, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Subreflektor (19) zwischen der zen- tralen Längsachse (17) des Hohlraumresonators (16) und der
Einkoppel-Antenne (14) für die primäre Mikrowellenstrah- lung angeordnet ist. 



  5. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge- kennzeichnet, dass die der primären Mikrowellenstrahlung ausgesetzte Seite (21) des Diffusors (19) als Gebirge mit zweidimensional unregelmässiger Verteilung von Erhöhungen (31) und dazwischen verlaufenden Vertiefungen (32) ausge- bildet ist, wobei die von der Basisfläche (33) aus gemes- sene Höhe der Erhebungen (31) in statistischer Verteilung bis zu   #/2    beträgt und die Verteilung entlang der Koor- dinatenrichtungen der Ausdehnung des Diffusors (19) einer statistischen Zufallsverteilung entspricht, innerhalb derer die Abstände der Erhöhungen (31) voneinander zwi-   schen #/2    und n.   #/2    betragen, wobei n zwischen 1 und ei- nem Maximalwert um 5 variiert. 



  6. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Diffusor (19) um die zentrale Längs- achse (17) des Hohlraumresonators (16) rotatorisch an- treibbar ist. 



  7. Brennofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die
Drehzahl, mit der der Diffusor (19) antreibbar ist, zwi- schen   1sund10s\vorzugsweise   um   5s'beträgt.   



  8. Brennofen nach einem der Ansprüche   1   bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass in vorzugsweise dem der Primärstrahlung ausgesetzten Diffusor (19) gegenüberliegender Anordnung ein zweiter Diffusor   (19')   vorgesehen ist. 

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  9. Brennofen nach einem der Ansprüche   1   bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass im Innenraum (18) des Hohlraumresonators (16) ein rotatorisch antreibbarer Polarisationsdreher (40 ;   40')   vorhanden ist, der an seiner dem Innenraum (18) zugewandten, der sekundären Mikrowellenstrahlung ausge- setzten reflektierenden Seite mit einer Korrugation verse- hen ist, die, rechtwinklig zur Mittelebene der reflektie- renden Seite gemessen, eine Korrugationstiefe von R/8 hat und, über die Fläche hinweg gesehen, eine periodische 
Struktur der Periodizitätslänge L hat, die der Beziehung p genügt   //4   < L <   R/2   p und vorzugsweise einen Wert von   S/3   hat. 



  10. Brennofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die 
Korrugation des Polarisationsdrehers (40 ; 40') die Form ge- radlinig verlaufender, paralleler Stege und dazwischen an- geordneter Nuten hat, wobei die Querschnittsform der Stege und der Nuten zwischen sinusförmig und   rechteck-wellenför-   mig ist. 



  11. Brennofen nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Polarisationsdreher (40) als kreis- runde Scheibe ausgebildet ist, die an der dem Diffusor ge- genüberliegenden Seite des Hohlraum-Resonators (16) ange- ordnet ist und dem Durchmesser nach dem Durchmesser des 
Diffusors (19) entspricht. 



  12. Brennofen nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Polarisationsdreher (40') in ko- axialer Anordnung mit dem Diffusor (19) auf der der pri-   mären   Mikrowellenstrahlung ausgesetzten Seite des Hohl- raumresonators (16, 18) angeordnet ist. 

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 13. Brennofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Polarisationsdreher   (40')   als den Diffusor (19) kon- zentrisch umgebendes Ringscheiben-Element ausgebildet ist. 



  14. Brennofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (19) und der diesen konzentrisch umgebende
Polarisationsdreher auf einem gemeinsamen,   plattenförmi-   gen Träger angeordnet oder einstückig miteinander ausge- führt sind. 



  15. Brennofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor (19) und der Polarisationsdreher   (40')   auf separaten Trägern angeordnet sind, die auch separat gleich-oder gegensinnig antreibbar sind. 



  16. Brennofen nach einem der Ansprüche   1   bis 15, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Hohlraumresonator (16) eine von der axialsymmetrischen Gestaltung abweichende, prismatisch-po- lygonale Form hat, wobei ebenflächig ausgebildete Begren- zungswände entlang parallel zur zentralen Längsachse ver- laufender Eckkanten aneinander angrenzen. 



  17. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine elektrische Heizeinrichtung (36) vorgesehen ist, mittels derer die Resonatorwandung   (16   bis   1610)   auf die im Behandlungsgut (11) herrschende Tem- peratur aufheizbar ist. 



  18. Brennofen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (36) als eine elektrisch steuerbare
Widerstandsheizung ausgebildet ist, die entsprechend einem durch ein Programm vorgegebenen Temperaturverlauf ansteu- erbar ist, der dem Temperaturverlauf im Sintergut ent- spricht, der seinerseits mittels eines Temperatursensors, vorzugsweise eines Pyrometers, überwachbar ist und zum
Soll-Ist-Wert-Vergleich für die Heizung der Resonatorwand nutzbar ist, deren Temperatur, z. B. im Sinne einer Nach- 

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 laufregelung, an die Temperatur des Sintergutes (n) ange- glichen wird. 



  19. Brennofen nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, dadurch ge- kennzeichnet, dass verschiedenen Wandbereichen (161 bis   16 10)   des Hohlraumresonators (16) eigens zugeordnete Tem- peratursensoren vorgesehen sind, mittels derer die Reso- natorwand-Temperaturen erfassbar sind, und dass die Heizein- richtung den individuell überwachten Wandbereichen zuge- ordnete Heizelemente   (361   bis   3610) umfasst,   die ihrerseits individuell ansteuerbar sind. 



  20. Brennofen nach einem der Ansprüche   1   bis 19, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Hohlraumresonator-Wandung (16-16), der/die Diffusor (en) (19), der die Antenne bildende Hohl- leiter (14) sowie der Subreflektor (26) aus Graphit oder einem hiermit äquivalenten Material hergestellt sind. 



  21. Brennofen nach einem der Ansprüche   1   bis 20, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine zur Wärmeisolierung des Hohlraumre- sonators (16) gegenüber der äusseren Umgebung des Brenn- ofens (10) vorgesehene   Wärmedämmeinrichtung   als eine an der Innenseite eines den Hohlraumresonator und die Heiz- einrichtung aufnehmenden Ofengehäuse (34) angeordnete
Innenauskleidung ausgebildet ist, die bevorzugt aus Gra- phit-Filz besteht.

Claims

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(57) Zusammenfassung Bei einem Brennofen (10) für die Hochtemperatur-Behandlung von Materialien mit relativ kleinem dielektrischem Verlustfaktor (tan b) unter Erwärmung des Materials durch Absorption von Mikrowellenenergie in einem Hohlraumresonator (16), in dem das Behandlungsgut (11) innerhalb eines Teilbereiches angeordnet ist, in dem durch schmalbandige Einstrahlung von Mikrowellenenergie innerhalb eines Toleranzbereiches eine gleichmässige Energiedichte des Mikrowellenfeldes gegeben ist, derart, dass in jedem Volumenelement des Behandlungsraumes das Quadrat (E2) der elektrischen Feldstärke des Mikrowellenfeldes zumindest im zeitlichen Mittel innerhalb eines geringen Toleranzbereiches denselben Betrag hat,

wobei das Verhältnis V/A3 des Resonatorvolumens V zur dritten Potenz der Wellenlänge A einen Wert im Bereich von 106 hat, ist zur Einkopplung der von der Mikrowellenquelle (13) erzeugten primären Mikrowellenstrahlung in den Hohlraumresonator (16) eine Schlitz-Antennenanordnung (14) mit ausgeprägter Keulencharakteristik vorgesehen. Mit der von der Antennenanordnung abgestrahlten Primärstrahlung wird ein Mikrowellendiffusor (19) annähernd ausgeleuchtet. Das Behandlungsgut wird in einem Raumbereich des Hohlraumresonators angeordnet, in dem es ausschliesslich der vom Diffusor (19) ausgehenden Sekundär-Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist.

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