DE19633245C1 - Hochmodiger Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbehandlung von Werkstoffen - Google Patents
Hochmodiger Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbehandlung von WerkstoffenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen hochmodigen Mikrowellenresonator
für die Hochtemperaturbehandlung von Werkstoffen. Mit ihm sol
len Keramiken gesintert oder Materialien getrocknet werden
können. Dies gelingt um so besser, je homogener die Feldver
teilung im Resonatorinnern oder dem Mikrowellenofen ist.
In der DE 43 13 806 A1 wird eine Vorrichtung zum Erhitzen von Ma
terialien durch Mikrowellen beschrieben. Die Vorrichtung be
steht aus einer Heizkammer, durch die hindurch das zu prozes
sierende Material transportiert wird. Die Heizkammer hat ein
Wandteil, das konkav gekrümmt ist. An dieser wird die einge
koppelte Mikrowelle reflektiert und auf das zu erwärmende Ma
terialvolumen fokussiert.
Eine vergleichbare Einrichtung zeigt die WO 90/03714. Dort
dient die Heizkammer zur Speisenerwärmung, um zu versuchen das
zu erwärmende Speisenvolumen mit einem gleichmäßigeren Tempe
raturfeld zu versehen.
In der JP 4-137391 A ist die Heizkammer um eine der ersten Re
flexionswand gegenüber liegende zweite Reflexionswand erwei
tert, womit angestrebt wird das Prozeßvolumen mit einem ver
stärkten, gleichmäßigen Feld zu erfüllen, um damit eine gleich
mäßige Aufheizung des Gegenstands zu erreichen.
In der US 5,532,462 wird ein zylindrisches Reaktionsgefäß be
schrieben, dessen Inneres mit Mikrowellenenergie geizt wird.
Hierzu die Multimod-Mikrowelle in das Gefäß derart eingekop
pelt, daß sie an der Innenwand absorbiert und reflektiert
wird, und zwar derart, daß die Absorption und Reflexion helikal
fortschreitend erfolgen. Das Kesselinnere soll so gleichmäßig
geheizt werden.
Inhomogene Feldverteilungen führen beim Sintern von Keramiken
zu unterschiedlichen Dichten innerhalb einer Charge und zu in
homogenen Verdichtungen in einzelnen Proben, die letztlich me
chanische Spannungen hervorrufen, die die Formteile deformie
ren oder gar zertrümmern. Diese Problematik und die daraus ge
zogene Erkenntnis, daß eine gleichmäßige Volumenheizung u. a.
bei Sinterprozessen von bedeutendem Vorteil und großer Bedeu
tung bei der thermischen Materialprozessierung sind, werden in
dem Aufsatz "Microwave Sintering of Zirconia-Toughened Alumina
Composites" von H. D. Kimrey et al. abgehandelt (Mat. Res.
Soc. Symp. Proc. Vol. 189, 1991 Material Research Society,
Seiten 243 bis 255). Es werden zwei hochmodige, zylindrische
Mikrowellenöfen betrieben, der eine bei 2.45 GHz und der an
dere bei 28 GHz. Erfolgreich war der Sinterprozeß nur bei der
hohen Frequenz.
Anläßlich des MRS Spring Meeting in San Francisco, April 11th,
1996 (Symp. Microwave Processing of Materials V) berichteten
L. Feher et al. unter dem Titel "The MiRa/THESIS 3D-Code
Package for Resonator Design and Modeling of Millimeter-Wave
Material Processing" über die Simulation der Feldverteilung in
einem vom IAP in Nizhny Novgorod benutzten Design eines hoch
modigen, zylindrischen Resonators mit sphärischem Deckel. Es
wird darin gezeigt, daß Resonatoren mit kreiszylindrischer
oder sphärischer Geometrie eine durchweg verbesserungsbedürf
tige Feldverteilungen haben. Aufgrund ihrer Topologie treten
Fokussierungen des Feldes im Resonatorinnern zwangsläufig auf,
so daß im Vergleich zum Resonatorvolumen nur ein verhältnis
mäßig kleines Arbeitsvolumen mit einigermaßen homogener Feld
verteilung bleibt. Zusätzliche technische Maßnahmen wie Moden
rührer und diffuse Flächen (Streuflächen) bringen zwar Verbes
serung, die aber für die gewerbliche bzw. industrielle Anwen
dung mit zu hohem Aufwand verbunden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, starke inhomogene
Feldüberhöhungen (Kaustiken) in einem Resonator, der als Mi
krowellenofen verwendet wird, zu vermeiden und einen einkop
pelnden Mikrowellenstrahl durch eine äußere Geometrie im Volu
men zu verteilen, um dadurch ein aufzuwärmendes oder zu bren
nendes bzw. zu sinterndes Gut einem weitgehend homogenen Feld
aussetzen zu können.
Die Aufgabe wird durch einen hochmodigen Mikrowellenresonator
gemäß Anspruch 1 gelöst.
Der Resonator ist ein prismatischer, bezüglich seiner
Längsachse symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygonalem
Querschnitt. Alle Flächensegmente des Resonators sind eben
oder gleichbedeutend, topologisch flach. Dadurch bleibt der
eingekoppelte Mikrowellenstrahl bei Reflexionen an der Resona
torwand stets divergent und wird nicht wie bei kreiszylindri
schen und sphärischen Geometrien immer wieder fokussiert.
Bei der ersten Reflexion erfährt der Strahl eine Aufteilung in
zwei symmetrische Hälften, da die Strahlachse vom Mikrowellen
koppelfenster zunächst auf die nächstliegende, gemeinsame
Kante zweier Mantelflächensegmente fällt. Damit erreicht man
eine erste starke Auffächerung nach der ersten Reflexion, die
bei erster Reflexion des Strahls an nur einem ebenen Wandseg
ment nicht erreicht wird.
Plausibel scheint zunächst, wenn der eingekoppelte Strahl
stets derart reflektiert wird, daß eine Auffächerung erfolgt.
Dann können ungebührliche Feldüberhöhungen, wie sie bei reiner
Zylindergeometrie durch Fokussiereffekt auftreten, nicht zu
stande kommen. In Folge davon muß bei einer Resonatorgeometrie
mit polygonalem Querschnitt nicht zu hoher Ordnung ein im Ver
gleich zur Zylindergeometrie viel größeres Nutzvolumen (auch
Arbeits- oder Prozeßvolumen) zu erreichen sein.
Feldberechnungen mit einem speziell entwickelten Computerpro
gramm bestätigen diese Plausibilitätsbetrachtung. Zu diesem
Zweck wurden Resonatordesignstudien mit diesem Computerpro
gramm, dem MiRa-Code (Microwave Raytracer), unter verschie
denen polygonalen Geometrien als meistversprechend ausgewählt.
Der MiRa-Code dient zur Berechnung stationärer Wellenfelder
und zeigt gute Übereinstimmung mit entsprechend realisierten
Resonatoren.
Der MiRa-Code wurde als ein gitterloses analytisches Rechner
verfahren entwickelt mit dem komplexe Resonatorgeometrien un
tersucht werden können. Ein Strahlformalismus, der die kom
pletten Eigenschaften für elektromagnetische Felder im statio
nären Zustand repräsentiert, liefert die theoretische Basis
für diesen Code. Dies erlaubt die Beschreibung eines monochro
matischen, sich harmonisch ändernden Wellenfeld mit dem Vek
torpotential
Unter Einbeziehung von Eichtransformationen ist die Bedingung
immer einzuhalten (siehe nochmals o. e. MRS Spring Meeting
1996, insbesondere "Optical field calculations with the
Mira-Code").
Im abhängigen Anspruch 2 wird der symmetrisch hexagonale Quer
schnitt des Resonators gekennzeichnet, weil mit ihm hinsicht
lich der homogenen Feldverteilung geringster Schwankung das
beste Ergebnis erreicht wurde und damit das Resonatorvolumen
fast vollständig als Arbeitsvolumen benutzt werden kann. An
dere geradzahlig polygonale Resonatorquerschnitte zeigen hin
sichtlich der Feldhomogenität nicht diese Qualität. Dennoch,
ein oktagonaler Resonatorquerschnitt ist immer noch wesentlich
günstiger für die Ausprägung eines homogenen Feldes als die
zum Stand der Technik angeführten Geometrien, selbst wenn sie
noch einen Modenrührer im Resonatorinnern haben.
Die Innenwände des Resonators sind metallisch oder mit einer
metallischen Schicht bedeckt, wodurch sie für die Mikrowelle
ein Spiegel sind, der um so besser reflektiert, je höher die
elektrische Leitfähigkeit der Wände ist. Darüber hinaus müssen
sie in der Prozeßumgebung beständig, d. h. für die berührende
Atmosphäre chemisch inert sein und müssen gekühlt werden, um
bei thermischer Belastung, die überwiegend von Strahlung und
mehr oder weniger untergeordnet von Konvektion herrührt,
standzuhalten. Je nach Einsatzfall wird ein Material wie Sil
ber oder Kupfer oder Gold oder Aluminium oder Edelstahl
als Wand oder Innenwandbe
schichtung für den Resonator eingesetzt (Anspruch 3).
Die Einkopplung der Mikrowelle in den Resonator erfolgt von
einer der beiden ebenen Stirnseiten. Die Einkoppelöffnung
liegt außerhalb des Zentrums der Stirnseite (Anspruch 4), so
daß es eine gemeinsame Kante zweier aneinanderstoßender Man
telsegmente gibt, die der Einkopplungsöffnung am nächsten
liegt. Zu dieser Kante läuft die von der Einkopplungsöffnung
ausgehende Strahlachse und teilt sich dort bei der ersten Re
flexion zunächst in zwei Strahlachsen auf, die bis zur zweiten
Reflexion spiegelbildlich zueinander verlaufen.
Durch die erreichte homogene Feldverteilung im stationären Zu
stand ist jetzt der Resonator als Mikrowellenofen sehr gut zur
Sinterung keramischer Substanzen geeignet. Es können aber
durchaus auch andere Gegenstände ausgeheizt oder getrocknet
oder einfach temperiert werden (Anspruch 5).
In den Resonator wird ein quasioptischer Strahl mit gaußschem
Strahlprofil oder ein diesem Profil nahekommender Mikrowellen
strahl eingekoppelt (Anspruch 6).
Die Vorteile des prismatischen Resonators mit geradzahligem,
symmetrisch polygonalem Querschnitt und der gegen die
Längsachse geneigten Strahleinkopplung mit anschließender sym
metrischer Strahlaufteilung nach der ersten Reflexion hat sich
nach auf den MiRa-Code gestützte Vorhersagen als optimal und
vorteilhaft herausgestellt. Die theoretischen Befunde wurden
experimentell bestätigt. Vor allem können weitere bekannte
technische Hilfsmittel wie der Modenrührer und Streuscheiben
(Diffusoren) entfallen. Sie bringen keine zusätzliche Verbes
serung mehr. Damit ist die Voraussetzung für eine gleichmäßige
Verarbeitung mehrerer zu glühender oder zu brennender Körper,
sogenannte Grünkörper, geschaffen und der industrielle Einsatz
nahegelegt.
Das im folgenden anhand der Zeichnung näher beschriebene Aus
führungsbeispiel der Erfindung ist als Ofen für die Keramik
sinterung vorgesehen.
Es zeigt:
Fig. 1a Projektion des eingekoppelten Strahls senkrecht zur
Resonatorachse,
Fig. 1b Projektion des eingekoppelten Strahls parallel zur
Resonatorachse,
Fig. 2 der Mikrowellenofen mit hexagonalem Applikatoreinsatz
und Kantenbeaufschlagung durch die Mikrowelle,
Fig. 3 Abhängigkeit der Feldhomogenität und Energiedichte im
Arbeitsvolumen von der Ordnung des polygonalen Querschnitts
und der Art der Wandbeaufschlagung,
Fig. 4 Blockdiagramm der Feldberechnung mit dem MiRa-Code.
Der in den Resonator 1 mit hexagonalem Querschnitt einkop
pelnde, quasioptische Mikrowellenstrahl 2 wird in den beiden
Fig. 1a und 1b strahloptisch vereinfacht mit den beiden er
sten Reflexionen dargestellt. Der Mikrowellenstrahl 2 tritt in
den Resonator 1 durch die Einkoppelöffnung 3 in der in der
Fig. 1a unteren Stirnseite 4 ein. Die Strahlachse 5 des in den
Resonator 1 eintretenden, ersten Strahlteils ist mit einem
Winkel α zur Stirnseite 4 mit dem Einkoppelöffnung 3 geneigt.
Sie ist so ausgerichtet, daß sie auf die nächstliegende Kante
der zwei aneinanderstoßenden, ebenen Polygonflächen stößt. An
diesen beiden aneinanderstoßenden Polygonflächen wird der
Strahl 2 erstmalig reflektiert und gleichzeitig in zwei zuein
ander symmetrische Teile aufgeteilt. Der Innenraum des Resona
tors 1 wird durch den stets divergenten Strahlengang mit zu
nehmenden Reflexionen immer gleichmäßiger ausgefüllt.
In den Fig. 1a und 1b ist dieser Vorgang nur für die ersten
beiden Reflexionen gezeigt, um anzudeuten, wie die Felderfül
lung des Raumes und damit des Mikrowellenofens fortschreitet
(In Wirklichkeit ist die stationäre Felderfüllung im Resonator
nach dem Einkoppeln gewissermaßen sofort vorhanden). Stärkere
lokale Feldüberhöhungen (Kaustiken) werden vermieden, infolge
können keine sogenannten Hotspots in den im Resonator 1 aufge
heizten Keramikformen entstehen. Die zu prozessierenden Keramik
formen werden im Arbeitsvolumen (Prozeßvolumen) des Ofens (Re
sonators) dem Mikrowellenfeld ausgesetzt.
In Fig. 2 besteht der Mikrowellenofen aus einem zylindrischen
Gebilde 6 mit zwei Anschlußstutzen 7 und 8, wovon der eine 8
an der Mantelfläche ansetzt und der Temperaturmessung sowie
dem Auspumpen bzw. Atmosphärenfluten des Resonatorinnern dient
und der zweite 7 schräg an einer der beiden Stirnflächen 4 an
setzt. Über letzterem wird die Mikrowelle 2 ins Resonatorin
nere eingekoppelt. Deshalb ist er auch mit dem Koppelfenster 9
an der Stoßstelle zum strahlführenden Hohlleiter abgeschlos
sen.
Das Innere des Originalzylinders 6 ist von Stirnseite 4 zu
Stirnseite 4 mit dem im Querschnitt hexagonalen Applikatorein
satz 10 koaxial ausgelegt. In Fig. 2 ist der Applikator 10
soweit um die Zylinderachse gedreht, daß die einfallende
Strahlachse 5 auf die nächstliegende Kante zweier sich stoßen
der Polygonwände des Applikatoreinsatzes 10 fällt. Damit er
folgt dann dort die erste symmetrische Aufteilung des ein
fallenden Mikrowellenstrahls 2.
Der MiRa-Code als Instrument zur Ermittlung und Auslegung der
optimalen Resonatorgeometrie ist ein entscheidendes Werkzeug.
Er ist in seinen wesentlichen Zügen und seiner grundsätzlichen
Benutzung in Fig. 4 erläutert. Die detaillierteren Zusammen
hänge dieses Codes sind in der o. e. Literaturstelle nachvoll
ziehbar von den Autoren H. Feher et al. beschrieben. Im we
sentlichen wird zunächst ein Resonatormodell mit polygonalem
Querschnitt angenommen, modelliert und zur Berechnung der in
dieser Resonatorgeometrie auftretenden Feldverteilung herange
zogen. Die numerische Kalkulation erfolgt mit der MiRa-Feldbe
rechnung, in der die in den Resonator 1 eintretende Mikrowelle
2 strahloptisch verfolgt wird. Die sukzessive Felderfüllung im
Resonator 1 läßt sich schließlich u. a. videogeeignet darstel
len, so daß z. B. als ein Ergebnis die Längs- und Quer
schnittsentwicklung der Feldverteilung im Resonatorinnern vor
geführt werden kann.
Zur Ofenauslegung ist es das Bestreben, die Energiedichte im
definierten Arbeitsvolumen möglichst groß zu halten, bei
gleichzeitiger geringer Streuung der Feldstärkewerte um den
Mittelwert (homogene Verteilung). Das Arbeitsvolumen, zum Ver
gleich der Bedingungen, wird als das zusammenhängende Volumen
definiert, das bei der zylindrischen Originalgeometrie die be
ste Feldqualität aufweist. Durch die Studie mit dem MiRa-Code
zur Untersuchung der Feldhomogenität verschiedener prismati
scher Applikatordesigns zeigte sich ein Optimum für die hexa
gonale Struktur mit Kantenbeaufschlagung gemäß Fig. 1a, b
und 2b. Hier ist das Verhältnis
(Streuung der Energiedichte im Arbeitsvolumen) : (im Arbeits volumen zur Verfügung stehende mittlere Energiedichte)
minimal. In der Fig. 3 ist der auf das Maximum (ungünstigste Fall) normierte Quotient für Kanten- bzw. Wandbeaufschlagung dargestellt. Die Kantenbeaufschlagung zeigt eine bis auf den pentagonalen Querschnitt bessere homogene Energieausbeute.
(Streuung der Energiedichte im Arbeitsvolumen) : (im Arbeits volumen zur Verfügung stehende mittlere Energiedichte)
minimal. In der Fig. 3 ist der auf das Maximum (ungünstigste Fall) normierte Quotient für Kanten- bzw. Wandbeaufschlagung dargestellt. Die Kantenbeaufschlagung zeigt eine bis auf den pentagonalen Querschnitt bessere homogene Energieausbeute.
In Fig. 3 ist die normierte Streuung gezeigt. Mit dem hexago
nalen Applikator ergibt sich die Vorhersage, daß mit ihm die
geringste Streuung bei möglichst hoher Energiedichte überhaupt
zu erwarten ist. Dieser Befund ist experimentell bestätigt,
und zwar zeigt sich eine großräumige, vollkommen homogene
Schwärzung der in den Resonator gebrachten Thermopapiere in
allen gemessenen Ebenen bis zur Applikatorbewandung. Die Vor
ausberechnungen werden also durch das Experiment bestätigt, so
daß sich der MiRa-Code durch eine hohe Zuverlässigkeit aus
zeichnet. Berechnungen für polygonale Querschnitte höherer
Ordnung konvergieren im Streuverhalten des Resonatorfeldes
rasch gegen die Zylindergeometrie.
Als Balken für, Kante-Beaufschlagung durch die einkoppelnde
Mikrowelle, ist das Verhältnis für die mittlere Energie und
Streuung der Original-(Zylinder-)geometrie bei stillstehen
dem Modenrührer zu sehen. Der zweite Balken zeigt den Gewinn
durch einen laufenden Modenrührer, der sich so schnell dreht,
daß die Fluktuation durch die Einzelstellungen des Modenrüh
rers nicht mehr nachweisbar sind. Die Originalkonfiguration
kann in Streuung und zur Verfügung stehender Energiedichte
vergleichbar einer kubischen (quadratischer Resonatorquer
schnitt) Applikatorgeometrie angesehen werden, allerdings ist
hier die Homogenität ohne ein technisches Hilfsmittel wie Mo
denrührer oder Streuscheibe erreicht.
Bei der Studie der Feldverteilung mit dem MiRa-Code hinsicht
lich der experimentellen Überprüfung wurden die Polygone, mit
quadratischem Querschnitt startend, in den zylindrischen Quer
schnitt des Originalresonators einbeschrieben. Damit steigt
das Volumen mit zunehmender Kantenzahl an und folglich sinkt
bei gleicher eingekoppelter Leistung die im Volumen zur Verfü
gung stehende Energiedichte. Dieses kommt insbesondere beim
Pentagon zum Ausdruck.
Es ist für polygonale Querschnitte geradzahliger Ordnung eine
deutliche Abnahme der Streuung von der Originalgeometrie ohne
laufenden Modenrührer über den quadratischen Querschnitt bis
hin zum hexagonalen Querschnitt gegeben. Erst ab dieser steigt
die Streuung wieder an, ist aber für die Polygone geradzahli
ger Ordnung durchweg besser als bei Wandbeaufschlagung. Bedeu
tend stärker ist die normierte Feldstreuung für ungeradzahlige
Polygone. Es konvergiert die normierte Streuung für polygonale
Querschnitte höherer Ordnung rasch gegen die Originalgeometrie
ohne laufenden Modenrührer.
Claims (6)
1. Hochmodiger Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbe
handlung von Werkstoffen,
dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Resonator (1) ein prismatischer, bezüglich seiner Längsachse symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygona lem Querschnitt ist,
- - die Mantelflächensegmente als auch die beiden Stirnseiten (4) des Resonators (1) eben sind,
- - die Strahlachse (5) des von einer der beiden Stirnseiten (4) einzukoppelnden Mikrowellenstrahls (2) schräg auf die nächstliegende Kante zweier aneinander stoßender Mantelflä chensegmente fällt, wodurch der in den Resonator (1) einge koppelte divergente Mikrowellenstrahl (2) bei der erstmali gen Reflexion nahe der Einkopplung (3) in zwei zueinander symmetrische Reflexions- und Beugungsanteile aufgefächert wird, und
- - bei den weiteren Reflexionen an den Resonatorinnenwänden stets aufgefächert wird, so daß im gesamten Resonator volumen eine weitgehend homogene Feldverteilung besteht.
2. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
zum Erreichen einer Homogenität des Feldes mit minimaler
Schwankung der Querschnitt des Resonators (1) hexagonal
oder oktagonal ist.
3. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Innenwände des Resonators (1) mit einem für den vorge
sehenen Prozeß geeigneten metallischen Material hoher elek
trischer Leitfähigkeit wie Silber oder Kupfer oder Gold
oder Aluminium oder Edelstahl beschichtet sind, wodurch die
Wände Spiegel für die eingekoppelte Mikrowelle (2) darstel
len.
4. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Resonator (1) ein Ofen zur Hochtemperaturbehandlung von
Materialien wie Erhitzen oder Trocknen oder Sintern
und/oder Verschweißen von Keramiken oder zum Tempern von
Halbleitern ist.
5. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Einkoppelfenster (3) von der Mitte der einen Stirnseite
(4) versetzt angebracht ist.
6. Hochmodiger Mikrowellenresonator nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
der eingekoppelte Mikrowellenstrahl (2) ein quasioptischer
Strahl mit gaußschem Strahlprofil oder einem diesem nahe
kommenden Profil ist.
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