DE102004050256A1 - Process for injecting microwaves into a hot process chamber comprises introducing high temperature resistant rod antennae into a sintering chamber to inject microwave radiation with a high efficiency - Google Patents

Abstract

Process for injecting microwaves into a hot process chamber comprises introducing two or more high temperature resistant rod antennae into a sintering chamber to inject microwave radiation with a high efficiency even at high temperatures.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf neuartige Übertragungs- und Antennensysteme zur Einstrahlung von Mikrowellenenergie in Hochtemperaturapplikatoren, die mit beliebigen, auch korrosiven Medien beaufschlagt sind.The The invention relates to novel transmission and antenna systems for irradiation of microwave energy in high-temperature applicators, which are loaded with any, even corrosive media.

Mikrowellenstrahlung mit hoher Leistungsdichte wird in der Mikrowellen-Ofentechnik üblicherweise durch Hohlleiter übertragen. Für die ISM-Frequenzen 915 MHz und 2,45 GHz stellen solche Hohlleiter rechteckige oder runde Übertragungsstrecken da, deren Querschnitte in der Regel nur die Übertragung einer einzigen Mikrowellenmode ermöglichen. Um dies zu gewährleisten darf der Hohlleiterquerschnitt bestimmte Abmessungen nicht überschreiten, da sonst mehrere Moden ausbreitungsfähig werden. Er darf aber auch eine minimale Abmessung nicht unterschreiten, da sonst gar keine Moden mehr übertragen werden können.microwave radiation with high power density is commonly used in the microwave oven technology Transfer waveguide. For the ISM frequencies 915 MHz and 2.45 GHz make such waveguides rectangular or round links there, whose cross sections usually only the transmission of a single microwave mode enable. To ensure this the waveguide cross section must not exceed certain dimensions, otherwise several modes will be able to spread. He may also do not fall below a minimum dimension, otherwise no Transfer modes more can be.

Für die standardmäßig verwendeten Mikrowellenfrequenzen werden daher Hohlleiter in normierten Abmessungen verwendet.For the standard used Microwave frequencies are therefore waveguides in normalized dimensions uses.

Ohne den Einsatz von wärmedämmenden mikrowellentransparenten Isoliermaterialien im Mikrowellenfeld ist durch die so festgelegte Querschnittsfläche auch der Strahlungswärmeverlust nach dem Stefan-Bolzmann-Gesetz (Gl. 1) als Funktion der Temperatur festgelegt: QS = cS·(T4 – T0 4)·AQ (1)

Q_S

= Strahlungswärme

c_S

= 5,67·10^–8 W/m²K⁴ (Bolzmann-Konstante)

T

= Applikatortemperatur

T₀

= Umgebungstemperatur

A_Q

= durchstrahlte Querschnittsfläche

Without the use of heat-insulating, microwave-transparent insulating materials in the microwave field, the radiative heat loss according to the Stefan-Bolzmann law (equation 1) is determined as a function of the temperature by the thus determined cross-sectional area: Q S = c S * (T 4 - T 0 4 ) · A Q (1)

Q _S

= Radiant heat

c _p

= 5.67 × 10 ^-8 W / m ² K ⁴ (Bolzmann constant)

T

= Applicator temperature

T ₀

= Ambient temperature

_AQ

= irradiated cross-sectional area

Zur Veranschaulichung ist in Tabelle 1 der Strahlungswärmeverlust durch den zur Übertragung der ISM-Frequenz 2,45 GHz standardmäßig verwendeten Hohlleitertyp R26 dargestellt, wenn der Lichte Querschnitt als schwarzer Strahler emittiertto Illustratively, Table 1 shows the radiant heat loss through to the transmission the ISM frequency 2.45 GHz used by default Waveguide type R26 shown when the light cross section as black Emitted emitters

Tabelle 1: Strahlungswärmeverluste durch einen Rechteckhohlleiter Typ R26 von einem heißen Ofenraum gegen Raumtemperatur

Table 1: Radiant heat losses through a rectangular waveguide type R26 from a hot oven room to room temperature

Standardmäßig werden bei der ISM-Frequenz 2,45 GHz Mikrowellenquellen mit 2 KW, 3 KW, 5 KW, 6 KW eingesetzt.By default at the ISM frequency 2.45 GHz microwave sources with 2 KW, 3 KW, 5 KW, 6 KW used.

Mikrowellenquellen mit höherer Maximalleistung sind prinzipiell erhältlich, allerdings ist deren Verwendung in der Ofentechnik ungebräuchlich.microwave sources with higher Maximum performance is available in principle, but is their Use in furnace technology uncommon.

Der Einsatz einer 3 kW Mikrowellenquelle, die ohne thermische Isolierung über einen R 26-Hohlleiter an einen Mikrowellenapplikator, der als Ofen dient, angeschlossen ist, ist nach Tabelle 1 ab 1400°C–1600°C kaum noch sinnvoll, da hier der Strahlungswärmeverlust fast so groß wird wie die eingebrachte Mikrowellenleistung.Of the Use of a 3 kW microwave source, which without thermal insulation via a R 26 waveguide to a microwave applicator, which serves as an oven, is connected, according to Table 1 from 1400 ° C-1600 ° C hardly useful, because here the radiant heat loss almost as big like the introduced microwave power.

Um das Problem des Wärmeverlustes zu beheben, kann das Erwärmungsgut im Prozessraum von einer Schicht mikrowellentransparenten, IR-undurchlässigen Materials umgeben werden.Around the problem of heat loss to fix, the warming material can in the process space of a layer of microwave-transparent, IR-impermeable material be surrounded.

Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht darin, dass eine Mikrowellenquelle über einen Hohlleiter an einen konventionellen elektrischen Sinterofen angeschlossen wird, wie in den Patenten US 6172346 (EA Technology), US 6537481 (Corning Inc.) beschrieben. Die metallische Ofenwand dient dabei als Resonator. Der Hohlleiter mündet in der Resonatorwand, außerhalb der thermischen Isolierung des Ofens. Die in der thermischen Isolierung liegenden elektrischen Heizelemente eines solchen Sinterofens liegen auch im Mikrowellenfeld und müssen daher mit Filtern gegen Mikrowellenleckstrahlung versehen sein, wie zum Beispiel im Patent US 6172346 beschrieben.Another possible solution is that a microwave source is connected via a waveguide to a conventional electric sintering furnace, as in the patents US 6172346 (EA Technology), US 6537481 (Corning Inc.). The metallic furnace wall serves as a resonator. The waveguide terminates in the resonator wall, outside the thermal insulation of the furnace. The lying in the thermal insulation electrical heating elements of such a sintering furnace are also in the microwave field and must therefore be provided with filters against microwave leakage, as for example in the patent US 6172346 described.

Der Einsatz von mikrowellentransparenten Isoliermaterialien kann neben der Isolierwirkung auch die Mikrowellen-Feldverteilung positiv beeinflussen, wie in Patent US 5998774 (Industrial Microwave Systems) beschrieben.The use of microwave-transparent insulating materials, in addition to the insulating effect and the microwave field distribution positively influence, as in patent US 5998774 (Industrial Microwave Systems) described.

Voraussetzung zum Betrieb solcher Anlagen ist jedoch der Einsatz von sehr hochwertigen Isoliermaterialien, die bis zu hohen Temperaturen mikrowellentransparent sind.requirement However, for the operation of such systems, the use of very high quality Insulating materials that are microwave transparent up to high temperatures are.

Als Materialien werden hier vor allem hochporöse Faserplatten aus Mullit- und Al₂O₃-Fasern eingesetzt. Jedoch auch hochwertige Isoliermaterialien absorbieren bei Temperaturen oberhalb 1500°C Mikrowellenstrahlung in nicht zu vernachlässigendem Umfang. Schon geringe Verunreinigungen des Isoliermaterials, z.B. durch aus dem Erwärmungsgut austretende Substanzen können die Mikrowellenabsorption stark erhöhen. Aufgrund der mit steigender Temperatur überproportional steigenden Mikrowellenabsorption besteht deshalb beim Einsatz von mikrowellentransparenten Isoliermaterialien immer die Gefahr der Ausbildung von Hot Spots im Isoliermaterial. Diese können auch in thermisch beständigen Isoliermaterialien zu Aufschmelzungen führen und die gesamte Isolierung zerstören. Ein Weg zum Schutz der hochwertigen Faserisolierplatten besteht im Einsatz mehrschichtiger Isolierungen, wie zum Beispiel im Patent US 5808282 (Microwear Corp.) dargestellt. Hier wird das Erwärmungsgut innerhalb der Faserisolierung in einem isolierenden Pulverbett gelagert. Dadurch kann die Temperatur der außen liegende Faserisolierung gegenüber dem Betrieb ohne Pulverbett abgesenkt werden, so dass auch die Gefahr von Hot Spots geringer ist.Highly porous fibreboards made of mullite and Al ₂ O ₃ fibers are used here as materials. However, even high-quality insulating materials absorb at temperatures above 1500 ° C microwave radiation in not insignificant extent. Even slight contamination of the insulating material, for example by emerging from the material to be heated substances can greatly increase the microwave absorption. Due to the disproportionately rising with increasing temperature microwave absorption therefore there is always the danger of the formation of hot spots in the insulating material when using microwave-transparent insulating materials. These can also lead to melting in thermally resistant insulating materials and destroy the entire insulation. One way to protect the high quality fiber insulation panels is to use multi-layer insulation, such as in the patent US 5808282 (Microwear Corp.). Here, the material to be heated within the fiber insulation is stored in an insulating powder bed. As a result, the temperature of the outer fiber insulation can be lowered compared to the operation without powder bed, so that the risk of hot spots is lower.

Aufgrund der beschriebenen Probleme wird für den industriellen Einsatz oft eine außerhalb der Resonatorwand liegende thermische Isolierung bevorzugt und die Strahlungswärmeverluste durch Hohlleiter in Kauf genommen, wie in den Patenten US 6172346 (EA Technology Ltd.) und US 6630653 (Widia) dargestellt.Because of the problems described, thermal insulation outside the resonator wall is often preferred for industrial use, and the radiation heat losses through waveguides are tolerated, as in the patents US 6172346 (EA Technology Ltd.) and US 6630653 (Widia).

Ein Weg zur Verminderung der Verluste durch Wärmestrahlung besteht in einer Verringerung des Strahlungsquerschnittes. Da der Querschnitt eines Hohlleiters sich nur sehr begrenzt verringern lässt, werden alternative Möglichkeiten der Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in Mikrowellenresonatoren benutzt.One Way to reduce the losses due to heat radiation consists in a Reduction of the radiation cross section. Because the cross section of a Waveguide can be reduced only very limited, are alternative options the coupling of microwave radiation in microwave resonators used.

Aus Hohlleitern, die parallel zu einem Mikrowellenresonator auf einer Resonatorwand verlaufen, kann durch die Einbringung von schmalen Schlitzen Mikrowellenleistung ausgekoppelt werden, wie in den Patenten US 5638079 (Ramot University) und US 5541612 (Ericsson) dargestellt. Die gesamte Querschnittsfläche der Schlitze kann deutlich geringer sein, als der Hohlleiterquerschnitt. Bei dieser Methode der Mikrowelleneinkopplung erreicht der Hohlleiter jedoch durch den geringen Abstand zum heißen Resonator selber hohe Temperaturen, wodurch wiederum starke Wärmetrahlungsverluste auftreten.From waveguides which run parallel to a microwave resonator on a resonator, can be coupled by the introduction of narrow slits microwave power, as in the patents US 5638079 (Ramot University) and US 5541612 (Ericsson). The total cross-sectional area of the slots can be significantly less than the waveguide cross-section. In this method of microwave coupling, however, the waveguide itself reaches high temperatures due to the short distance to the hot resonator, which in turn causes severe heat radiation losses.

Wenn diese Wärmeverluste durch Isoliermaterialien verringert werden, wie zum Beispiel im Patent US 6617558 (Framatom) beschrieben, treten auch bei Schlitzauskopplungen die schon beschriebenen Probleme der Mikrowellenabsorption im Isoliermaterial auf.When these heat losses are reduced by insulating materials, as for example in the patent US 6617558 (Framatom) described, occur even in Schlitzauskopplungen the already described problems of microwave absorption in the insulating material.

Ein Weg zur Minimierung der Wärmestrahlungsverluste und gleichzeitig der Vermeidung der Nachteile von Isoliermaterialien im Mikrowellenfeld, besteht im Einsatz von Koaxialleitern in Kombination mit einer Stabantenne zur Mikrowellenübertragung in den heißen Bereich des Applikators, der in diesem Patent beschrieben wird.One Way to minimize heat radiation losses while avoiding the disadvantages of insulating materials in the microwave field, consists in the use of coaxial conductors in combination with a rod antenna for microwave transmission in the hot area of the applicator described in this patent.

Ein Koaxialleiter besteht aus einem hohlen Außenleiter, einem darin liegenden Innenleiter und einem zwischen Innen- und Außenleiter liegenden Dielektrikum. Das Dielektrikum soll dabei eine möglichst geringe Eigenabsorption der durch den Koaxialleiter laufenden Mikrowellenenergie aufweisen.A coaxial conductor consists of a hollow outer conductor, an inner conductor lying therein and a between inner and outer conductor lying dielectric. The dielectric should have the lowest possible self-absorption of the running through the coaxial microwave energy.

Zum Einsatz bei Raumtemperatur oder nur leicht erhöhten Temperaturen werden als Dielektrikum häufig Polymere verwendet, wie zum Beispiel Polyethylen oder Polyether. Der Aufbau und die Eigenschaften solcher Koaxialkabel sind im Patent DE 69716073 (NK Cables Oy) beschrieben. Die Verwendung von Polymeren als Dielektrika hat den Vorteil, dass solche Materialien elastisch sind und daher den Aufbau flexibler Koaxialleiter ermöglichen. Jedoch ist die Temperaturbeständigkeit solcher Dielektrika begrenzt. Oberhalb von 200°C können sie daher nicht mehr eingesetzt werden. Bei höheren Temperaturen müssen deshalb entweder keramische Materialien verwendet werden, zum Beispiel Bornitrid, Aluminiumoxid oder Quarz, wie im Patent US 6630653 beschrieben oder ein gasgefüllter Hohlraum übernimmt die Funktion des Dielektrikums.For use at room temperature or only slightly elevated temperatures, polymers are frequently used as the dielectric, for example polyethylene or polyether. The structure and properties of such coaxial cables are in the patent DE 69716073 (NK Cables Oy). The use of polymers as dielectrics has the advantage that such materials are elastic and therefore enable the construction of flexible coaxial conductors. However, the temperature resistance of such dielectrics is limited. Above 200 ° C, they can therefore no longer be used. At higher temperatures, therefore, either ceramic materials must be used, for example boron nitride, alumina or quartz, as in the patent US 6630653 described or a gas-filled cavity takes over the function of the dielectric.

Der Einsatz keramischer Dielektrika ist auf den Temperaturbereich beschränkt, in dem diese Materialien eine geringe Mikrowellenabsorption aufweisen. Bei Quarz ist dies bis ca. 1000°C der Fall, bei Aluminiumoxid bis ca. 1200°C und bei Bornitrid abhängig von dessen Reinheit und kontaktierenden Materialien auch bei noch höheren Temperaturen. Die im Patent US 6630653 dargestellten Hochtemperaturanwendungen einer koaxialen Mikrowellenübertragung und Einspeisung über Koppelstifte liegen bei der Sinterung von Hartmetallen, Cermets, Stahl, Magnetwerkstoffen oder Ferriten und betreffen den Temperaturbereich von 800°C bis 1500°C. Bei noch höheren Temperaturen existieren jedoch keine geeigneten keramischen Dielektrika mehr, die zwischen Innen- und Außenleiter der Koaxialeinkopplung eingesetzt werden könnten.The use of ceramic dielectrics is limited to the temperature range in which these materials have low microwave absorption. For quartz, this is the case up to about 1000 ° C, for aluminum oxide up to 1200 ° C and for boron nitride depending on its purity and contacting materials even at even higher temperatures. The in the patent US 6630653 shown high-temperature applications of a coaxial microwave transmission and feeding via coupling pins in the sintering of cemented carbides, cermets, steel, magnetic materials or ferrites and affect the temperature range of 800 ° C to 1500 ° C. At even higher temperatures, however, there are no longer any suitable ceramic dielectrics that could be used between the inner and outer conductors of the coaxial launch.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Koaxialeinkopplung mit gasförmigem Dielektrikum beschrieben, die bis zu sehr hohen Temperaturen eingesetzt werden kann. Während die freie Querschnittsfläche eines Standardhohlleiters des Typs R26 mit 37 cm² recht groß ist können die freien Querschnittsflächen von Koaxialeinkopplungen abhängig von deren Geometrie deutlich kleiner sein. In Tabelle 2 sind zur Veranschaulichung die Flächenverhältnisse zwischen verschiedenen Koaxialleitern und dem Standardhohlleiters R26 aufgelistet.In the method according to the invention, a coaxial coupling with gaseous dielectric is described, which can be used up to very high temperatures. While the free cross-sectional area of a standard R26 37 cm ² type waveguide is quite large, the free cross-sectional areas of coaxial couplings can be significantly smaller depending on their geometry. In Table 2, the area ratios between different coaxial conductors and the standard waveguide R26 are listed by way of illustration.

Tabelle 2: Verhältnis der Querschnittsflächen zwischen Innen- und Außenleiter verschiedener Koaxialleiter zum Rechteckhohlleiter Typ R26

Table 2: Ratio of the cross-sectional areas between the inner and outer conductors of different coaxial conductors to the rectangular waveguide type R26

Damit können die Strahlungswärmeverluste so niedrig gehalten werden, dass auch Standardmikrowellenquellen mit einer Leistung von 2 bis 3 KW energetisch sinnvoll in Prozessräume mit Temperaturen bis über 2000°C eingekoppelt werden können.In order to can the radiation heat losses kept so low that even standard microwave sources with a power of 2 to 3 KW energetically useful in process rooms with Temperatures above 2000 ° C coupled can be.

Die in der Patentliteratur beschriebenen Einkopplungen von Koaxialleitern in Mikrowellenapplikatoren weisen in der Regel nur eine begrenzte Einschublänge in den Applikator auf. Im Patent US 6630653 ist die Einschublänge der Koppelstifte auf 1 = x·λ, (0 < x < 1) begrenzt (λ = Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung). Im Patent DE 4004560 (Hitachi) erfolgt die Mikrowelleneinkopplung aus einem Koaxialleiter über kurze Stifte, die in einer kleinen Platte enden. Solche Platten können auch größer ausgeführt sein, wie im Patent US 6656322 (Tokyo Electron Ltd), in dem eine Koaxialeinkopplung im Deckel eines Mikrowellen-CVD-Applikators in einer Abstrahlplatte mündet, die fast den gesamten Resonatorquerschnitt einnimmt. Bei der Einkopplung von Mikrowellenstrahlung in Hochdruckapplikatoren werden ebenfalls nur kurze Einschublängen realisiert, wie in den Patenten US 4938673 (D.J. Adrian) und US 5010220 (Alcan International Inc.) beschrieben. Bei sehr hohen Drücken kann der Innenleiter der Koaxialeinkopplung an der Spitze eine Verbreiterung aufweisen, die auf einem dielektrischen Dichtring aufliegt und die Koaxialeinkopplung gegen den Innendruck stabilisiert.The couplings of coaxial conductors in microwave applicators described in the patent literature generally have only a limited insertion length into the applicator. In the patent US 6630653 the insertion length of the coupling pins is limited to 1 = x · λ, (0 <x <1) (λ = wavelength of the microwave radiation). In the patent DE 4004560 (Hitachi), the microwave coupling from a coaxial conductor via short pins, which ends in a small plate. Such plates can also be made larger, as in the patent US 6656322 (Tokyo Electron Ltd), in which a coaxial coupling in the lid of a microwave CVD applicator opens in a radiation plate which occupies almost the entire resonator cross-section. In the coupling of microwave radiation in high-pressure applicators also only short insertion lengths are realized, as in the patents US 4938673 (DJ Adrian) and US 5,010,220 (Alcan International Inc.). At very high pressures, the inner conductor of the coaxial coupling at the tip can have a widening, which rests on a dielectric sealing ring and stabilizes the coaxial coupling against the internal pressure.

Gemäß dem Stand der Technik sind Antennen, die eine größere Länge aufweisen als die Länge der Mikrowellenstrahlung bekannt, wie im Patent DE 10202311 (Schott Glas) zum Energietransport über eine bestimmte Strecke, in der Füllstandsmeßtechnik, wie im Patent DE 19641036 (Endress + Hauser GmbH) beschrieben oder bei Plasmaanwendungen, wie im Patent US 6109208 (Mitsubishi Ltd.) beschrieben. Jedoch erfolgt dabei die Auskopplung der Mikrowellenenergie bei niedrigen Temperaturen und nicht für Erwärmungsprozesse.According to the prior art, antennas which have a greater length than the length of Microwave radiation is known, as in the patent DE 10202311 (Schott Glas) for energy transport over a certain distance, in the level measurement technique, as in the patent DE 19641036 (Endress + Hauser GmbH) or in plasma applications, as in the patent US 6109208 (Mitsubishi Ltd.). However, the coupling-out of the microwave energy takes place at low temperatures and not for heating processes.

Die Mikrowellenheizung großer, industrieller Öfen kann nicht mehr über eine einzige Einkopplung erfolgen, da die dann auftretende hohe Leistungsdichte in der Übertragungsstrecke unweigerlich zur Bildung von Plasmen und Überschlägen führen würde. Aus diesem Grunde werden im Hochtemperatur-Ofenbau bei der Verwendung von Mikrowellenquellen der Frequenz 2,45 GHz in der Regel keine Quellen über 6 KW eingesetzt. Ein industrieller Mikrowellenofen mit einem Volumen im Kubikmeterbereich benötigt bei Hochtemperaturanwendungen zum Ausgleich der Wärmeverluste durch die thermische Isolierung in der Regel Heizlzeistungen von über 100 KW. Auch wenn 50%–80% dieser Heizleistung durch konventionelle Heizelemente eingebracht werden, erfordert die Mikrowellenheizung mehrere Einkopplungen. Diese können bei Verwendung von Koaxialeinkopplungen jedoch problemlos alle über eine Ofenwand eingebracht werden, da der Durchmesser einer Koaxialeinkopplung nur wenige cm beträgt. So können alle anderen Ofenwände mit konventionellen Heizelementen beheizt werden und eine effektive Hybridheizung ist realisierbar. Dabei kann die konventionelle Heizung die Wärmeverluste durch die Isolierung ausgleichen, während die Mikrowellenheizung hauptsächlich das Sintergut erwärmt.The Microwave heating big, industrial ovens can not over a single coupling done, since the then occurring high Power density in the transmission path inevitably lead to the formation of plasmas and flashovers. That's why in high-temperature furnace construction when using microwave sources the frequency 2.45 GHz usually no sources over 6 KW used. An industrial microwave oven with a volume needed in cubic meters in high temperature applications to compensate for heat losses due to the thermal insulation usually heating capacities of over 100 KW. Even if 50% -80% this heating power can be introduced by conventional heating elements, The microwave heater requires several couplings. These can be included However, using coaxial launchers easily all over one Furnace wall are introduced, since the diameter of a Koaxialeinkopplung only a few cm. So can all other furnace walls be heated with conventional heating elements and an effective Hybrid heating is feasible. Here, the conventional heating the heat losses compensate for the insulation while the microwave heating mainly heats the sintered material.

Der Einsatz mehrerer Koaxialeinkopplungen mit Stabantennen ermöglicht zusätzliche Wege der Feldhomogenisierung, die bei einzelnen Einkopplungen nicht möglich sind. Da die Mikrowellenfelder aller Antennen sich überlagern und gemeinsam ein resonantes Feldmuster bilden, ändert das Abschalten einer Mikrowellenquelle das gesamte Feldmuster im Applikator. So können, indem nacheinander jeweils eine einzelne Mikrowellenquelle abgeschaltet wird unterschiedliche Feldmuster erzeugt werden, die zeitlich gemittelt eine homogenere Feldverteilung ergeben, als die einzelnen Feldmuster. Diese Methode der Feldhomogenisierung erfordert keine bewegten Teile im Applikator, wie dies zum Beispiel beim Einsatz von Modenrührern, wie er im Patent DE 4124677 (ABB) beschrieben ist, notwendig ist. Da bewegte Teile in Hochtemperaturapplikatoren sehr problematisch sind, liegt hier ein großer Vorteil des neuen Mikrowelleneinkopplungssystems. Der Abfall der mittleren abgestrahlten Leistung durch abwechselndes Ausschalten jeweils einer von n Mikrowellenquellen beträgt 1/n. Damit tritt bei 5 Mikrowellenquellen ein Leistungsabfall von 20% verglichen mit dem kontinuierlichen Betrieb aller Quellen auf. Bei 10 Mikrowellenquellen verringer sich der Leistungsabfall auf 10%.The use of multiple coaxial couplings with rod antennas allows additional ways of field homogenization, which are not possible with individual couplings. As the microwave fields of all antennas overlap and together form a resonant field pattern, turning off a microwave source changes the entire field pattern in the applicator. Thus, by successively switching off a single microwave source at a time, different field patterns can be generated which, averaged over time, produce a more homogeneous field distribution than the individual field patterns. This method of field homogenization requires no moving parts in the applicator, as for example when using mode stirrers, as in the patent DE 4124677 (ABB) is necessary. Since moving parts in high temperature applicators are very problematic, here is a big advantage of the new microwave coupling system. The decrease of the average radiated power by alternately turning off each one of n microwave sources is 1 / n. Thus, with 5 microwave sources, a power drop of 20% occurs compared to the continuous operation of all sources. With 10 microwave sources, the power loss decreases to 10%.

Ein prinzipieller Nachteil des Einsatzes mehrerer Mikrowelleneinkopplungen besteht darin, daß jede Mikrowelleneinkopplung auch als Auskopplung dienen kann und somit jede Mikrowellenquelle über jede andere Einkopplung selber Leistung aus dem Applikator auskoppeln kann. Da das Erwärmungsgut sich in der Regel im Zentrum des Applikators befindet, sollten die Antennen, die alle durch eine Wand eingeführt werden, in Wandnähe an den anderen Wänden entlang laufen. Durch das Sintergut und die Brennhilfsmittel werden so die einander gegenüberliegenden Antennen gegeneinander abgeschirmt.One principal disadvantage of the use of several microwave couplings is that every microwave coupling can also serve as a decoupling and thus each microwave source on each other coupling yourself decoupling power from the applicator can. As the warming material usually located in the center of the applicator, the should Antennas, all of which are inserted through a wall, close to the wall other walls to walk along. By the sintered material and the kiln furniture are so the opposite ones Antennas shielded from each other.

Um auch die Wechselwirkungen der benachbarten Antennen untereinander zu verringern schlägt dieses Patent den Einsatz von Reflektoren vor, die z.B. rinnenförmig um jede Antenne liegen, oder z.B. als Dreieckprofile zwischen den Antennen an der Applikatorwand liegen.Around also the interactions of the neighboring antennas with each other to decrease this patent provides for the use of reflectors, e.g. trough-shaped around each antenna is located, or e.g. as triangular profiles between the antennas lie on the applicator wall.

Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Antennenwechselwirkung kann durch zeitlich versetzte Taktung der Leistungseinspeisung in die Antennen erreicht werden. Durch eine solche Taktung, die sowohl nach einem vorgegebenen Schema oder stochastisch erfolgen kann, kann zudem die Erwärmung der Charge homogenisiert werden.A another possibility to reduce the antenna interaction can be by time-shifted timing the power supply to the antennas can be achieved. By such a clocking, both according to a predetermined scheme or stochastically, the heating of the batch can also be homogenized become.

Beispiel 1 (siehe 1)Example 1 (see 1 )

Im Zentrum des Applikators (1) aus Graphit befinden sich die Brennhilfsmittel auf denen das Sintergut (2) angeordnet wird. Die Antennen (3) liegen in Wandnähe. Sie werden von Reflektorrinnen (4) gegen die benachbarten Antennen abgeschirmt, so daß die Mikrowellenenergie aus allen Antennen zunächst das Sintergut trifft und nur der davon reflektierte Anteil auf weitere Antennen trifft.In the center of the applicator ( 1 ) of graphite are the kiln furniture on which the sintered material ( 2 ) is arranged. The antennas ( 3 ) are near the wall. They are by reflector ( 4 ) shielded from the adjacent antennas, so that the microwave energy from all antennas first meets the sintered material and only the portion reflected by it meets other antennas.

Beispiel 2 (siehe 2)Example 2 (see 2 )

Im Zentrum des Applikators aus Graphit (1) befinden sich die Brennhilfsmittel auf denen das Sintergut (2) angeordnet wird. Die Antennen (3) liegen in Wandnähe. Sie werden von Dreieckprofil-Reflektoren (5) gegen die benachbarten Antennen abgeschirmt, so daß die Mikrowellenenergie aus allen Antennen zunächst das Sintergut trifft und nur der davon reflektierte Anteil auf weitere Antennen trifft.In the center of the graphite applicator ( 1 ) are the kiln furniture on which the sintered material ( 2 ) is arranged. The antennas ( 3 ) are near the wall. They are supported by triangular profile reflectors ( 5 ) shielded from the adjacent antennas, so that the microwave energy from all antennas first meets the sintered material and only the portion reflected by it meets other antennas.

Für die Beurteilung der Patentfähigkeit in Betracht zu ziehende Druckschriften:
US 6172346 (EA Technology)
US 6537481 (Corning Inc.)
US 5998774 (Industrial Microwave systems)
US 5808282 (Microwear Corp.)
US 6172346 (EA Technology Ltd.)
US 6630653 (Widia)
US 5638079 (Ramot University)
US 5541612 (Ericsson)
US 6617558 (Framatom)
DE 69716073 (NK Cables Oy)
DE 4004560 (Hitachi)
US 6656322 (Tokyo Electron Ltd)
US 5010220 (Alcan Intenational Inc.)
US 4938673 (D.J. Adrian)
DE 10202311 (Schott Glas)
DE 19641036 (Endress + Hauser GmbH)
US 6109208 (Mitsubishi Ltd.)
DE 4124677 (ABB)Documents to be considered for the assessment of patentability:
US 6172346 (EA Technology)
US 6537481 (Corning Inc.)
US 5998774 (Industrial Microwave Systems)
US 5808282 (Microwear Corp.)
US 6172346 (EA Technology Ltd.)
US 6630653 (Widia)
US 5638079 (Ramot University)
US 5541612 (Ericsson)
US 6617558 (Framatom)
DE 69716073 (NK Cables Oy)
DE 4004560 (Hitachi)
US 6656322 (Tokyo Electron Ltd)
US 5,010,220 (Alcan International Inc.)
US 4938673 (DJ Adrian)
DE 10202311 (Schott glass)
DE 19641036 (Endress + Hauser GmbH)
US 6109208 (Mitsubishi Ltd.)
DE 4124677 (ABB)

Claims (7)

Verfahren zur Einspeisung von Mikrowellen in einen heißen Prozessraum, dadurch gekennzeichnet dass zwei oder mehrer hochtemperaturbeständige Stabantennen in die Sinterkammer eingeführt werden, um Mikrowellenstrahlung auch bei hohen Temperaturen mit hohem Wirkungsgrad einspeisen zu können.Method for feeding microwaves in a hot process space, characterized in that two or more high-temperature resistant rod antennas are introduced into the sintering chamber in order to feed microwave radiation at high temperatures with high efficiency can. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass eine gegenseitige Beeinflussung der Antennen durch reflektierende oder abschirmende Einbauten im Applikator minimiert wird.Method according to claim 1, characterized that a mutual influence of the antennas by reflective or shielding internals in the applicator is minimized. Verfahren nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet dass die unterschiedlichen Antennen gleichzeitig gepulst, im CW (current wave) Betrieb oder mit Mikrowellenstrahlung beaufschlagt werdenProcess according to claims 1-2, characterized that the different antennas pulsed simultaneously, in the CW (current wave) operation or subjected to microwave radiation become Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet dass durch eine Regelung die Mikrowelleneinspeisung in die Antennen getaktet und zeitlich versetzt bzw. aufeinander abgestimmt durchgeführt wird.Process according to claims 1-3, characterized that by a regulation the microwave feed into the antennas clocked and offset in time or coordinated. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Antennen so mit geeigneten Brennhilfsmitteln verbunden dass die Brennhilfsmittel ebenfalls Teil der Antennenstruktur werden.Method according to claim 1, characterized that the antennas are connected with suitable kiln furniture that the kiln furniture also become part of the antenna structure. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass auch bereits bestehende Sinteranlagen mit dem Antennenkonzept nachgerüstet und so zu Hybridsinteranlagen erweitert werden können.Method according to claim 1, characterized that also existing sintering plants with the antenna concept retrofitted and so can be extended to hybrid sintering plants. Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet dass Mikrowellenstrahlung im Frequenzbereich zwischen 300 MHz bis 30 GHz verwendet wird, vorzugsweise aber Strahlung der ISM Frequenzen insbesondere 435 MHz, 915 MHz, 2,45 GHz und 5,8 GHzProcess according to claims 1-3, characterized that microwave radiation in the frequency range between 300 MHz to 30 GHz is used, but preferably radiation of the ISM frequencies in particular 435 MHz, 915 MHz, 2.45 GHz and 5.8 GHz