ES2348391T3

ES2348391T3 - Resonador de microondas de modo alto para el procesamiento termico.

Info

Publication number: ES2348391T3
Application number: ES04007895T
Authority: ES
Inventors: Lambert Dr. Feher; Guido Dr. Link
Original assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-07-01
Filing date: 2004-04-01
Publication date: 2010-12-03
Anticipated expiration: 2024-04-01
Also published as: DE10329412A1; EP1494506A2; ATE474437T1; EP1494506A3; DE10329412B4; DE502004011386D1; EP1494506B1

Abstract

- Resonador de microondas de modo alto para el procesamiento térmico de materiales, en el que el resonador está configurado en forma de columna prismática con sección transversal pentagonal, arqueada hacia fuera, caracterizado porque a) paralelamente a los dos cantos envolventes de una de las cinco paredes envolventes se encuentran, en la misma, al menos dos dispositivos de acoplamiento de forma lineal del mismo tipo para una microonda, a través de la cual se acopla la microonda, respectivamente en forma de un haz de rayos lineales en el resonador, b) porque se utiliza, respectivamente, una fuente de microondas por cada dispositivo de acoplamiento y c) porque las dos fuentes de microondas son pulsátiles con relación controlable de la anchura del impulso, de manera que se ajusta continuamente una potencia de microondas desde cero hasta el máximo nominal, y d) porque las microondas acopladas se superponen en el resonador.

Description

La invención se refiere a un resonador modular de microondas y a una zona térmica de una cadena de procesos, formada a partir del mismo. El resonador de microondas está dimensionado geométricamente con respecto a su frecuencia de tal forma que a través de la microonda acoplada, partiendo del modo base, se configuran un número suficientemente grande de modos, que posibilitan una superposición, de tal forma que la intensidad efectiva en el volumen del resonador se aproxima suficientemente a una proporción necesaria para el procesamiento industrial. La selección de la frecuencia, de la geometría del aplicador así como del acoplamiento determina el tipo del campo de ondas que se superpone. En un resonador monomodo se excita un modo nítido, geométrico puro, que presenta, en general, una distribución muy inhomogénea. Para permitir más modos, debe incrementarse claramente el volumen del aplicador. En el caso límite de distancias muy grandes existe la transición hacia la óptica geométrica clásica. Como se ha mostrado en Feher, L. y col., Sintering of Advanced Ceramics Using a 30-GHz, 10-kW, CW Industrial Gyrotron, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 27, Nº 2, Abril 1999, páginas 547-554, la superposición de muchos modos no conduce forzosamente a una distribución igual u homogeneización, sino a superposiciones focales. El presente aplicador tiene dimensiones características de al menos L > 2λ para cada dimensión espacial y permanece en su dilatación máxima por debajo del caso límite óptico clásico (Feher y col.: Theoretical aspects for microwave ray tracing calculations in screened structures, Proc. Latsis Symposium 1995 on Computacional Electromagnetics, ETH Zürich, Suiza, 1995, páginas 236 – 241). En esta zona entre excitación modal pura y óptica clásica es posible y se puede solucionar de manera necesaria una formación de campo optimizada a través de las condiciones previas técnicas descritas de la geometría y configuración del acoplamiento. En tal resonador de microondas de varios / muchos modos, los materiales muy malos conductores de electricidad en sentido amplio se calientan de acuerdo con el requerimiento del proceso y de la utilización. En oposición a los materiales dieléctricos, permeables a microondas (por ejemplo cerámicas de óxido de aluminio, porcelana, fibras de vidrio), para los que se aplica la relación ñ = �ε, en estos materiales hay que tener en cuenta las dependencias de la conductividad eléctrica según

imagen1

Por una parte, se puede pensar en placas de grafito ligadas con polímero (membranas

de células de combustible), en materiales compuestos reforzados con fibras de carbono, que deben llevarse a partir de un estado verde de forma inestable a un estado endurecido de forma estable, a través del cual presentan propiedades excelentes para la utilización técnica posterior. O, en cambio, en el secado al horno / sinterización de cuerpos verdes cerámicos. Pero, por otra parte, aunque menos con altas temperaturas se puede pensar en el calentamiento de comidas. Todos estos planes de procesos tienen en común que en el volumen del resonador debe existir un volumen parcial predeterminable, en el que, con el acoplamiento de microondas, existe un grado elevado predeterminado de homogeneidad de campo electromagnético, para que se pueda actuar allí de forma controlada y uniforme sobre la sustancia de proceso.

En el documento DE 43 13 806 se describe un dispositivo para el calentamiento de materiales a través de microondas. El dispositivo está constituido por una cámara calefactora, a través de la cual se transporta el material a procesar. La cámara calefactora tiene una parte de pared, que está curvada cóncava. En ésta se refleja la microonda acoplada y se enfoca sobre el volumen de material a calentar.

Una instalación comparable se muestra en el documento WO 90/03714. Allí la cámara calefactora sirve pare el calentamiento de comidas, para tratar de rodear el volumen de comidas a calentar con un volumen, en el que existe un campo electromagnético con desviación todavía tolerable de la homogeneidad, para que se forme un campo de temperatura más homogéneo.

En el documento JP 4-137391, la cámara calefactora está ampliada con una segunda pared de reflexión, opuesta a la primera pared de reflexión, con lo que se pretende llenar el volumen de proceso con un campo uniforme intensificado, para conseguir de esta manera un calentamiento uniforme del objeto.

En el documento US 5.532.462 se describe un matraz de reacción cilíndrico, cuyo interior es calentado con energía de microondas. A tal fin se acopla la microonda multimodo en el matraz de tal forma que es absorbida y reflejada en la pared interior y, en concreto, de tal forma que se realizan progresivamente la absorción y la reflexión helicoidalmente. El interior del recipiente debe calentarse así de manera uniforme.

Las distribuciones inhomogéneas conducen durante la sinterización de cerámicas a densidades diferentes dentro de una carga y a compactaciones inhomogéneas en muestras individuales, que provocan en último término tensiones mecánicas, que deforman o incluso desintegran las piezas moldeadas. Esta problemática y el reconocimiento que se deriva de ello de que un calentamiento uniforme del volumen, entre otras cosas, durante procesos de sinterización, tienen una ventaja significativa y una gran importancia en el procesamiento térmico de materiales, son tratados en el Artículo “Microwave Sintering of Zirconia-Toughened Alumina Composites” de H. D. Kimrey y col, (Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 189, 1991 Material Research Society, páginas 243 a 255). Se describen dos microondas cilíndricas de modo alto, una a 2,45 GHz y la otra a 28 GHz. El proceso de sinterización solamente tuvo éxito a la frecuencia alta.

Con motivo de la MRS Spring Meeting en San Francisco, 11 de Abril de 1996 (Symp. Microware Processing of Materials V), L. Feher y col. informaron, bajo el título “The MiRa/THESIS 3D-Code Package for Resonator Design and Modelling of Millimeter-Wave Material Processing” sobre la simulación de la distribución de campo en un diseño, utilizado por IAP en Nizhny Novgorod, de un resonador cilíndrico de modo alto con tapa esférica. Allí se muestra que los resonadores con geometría cilíndrica circular o esférica tienen una distribución de campo que requiere mejoras. En virtud de su topología, aparecen forzosamente enfoques del campo en el interior del resonador, de manera que en comparación con el volumen del resonador solamente permanece un volumen de trabajo relativamente pequeño con distribución de campo en alguna medida homogénea. Medidas técnicas adicionales, como agitador de modos y superficies difusas (superficies de dispersión) aportan, en efecto, mejoras que implican, sin embargo, un coste demasiado alto para la aplicación comercial o industrial.

En el documento DE 196 33 245 se describe un espacio hueco prismático, simétrico con respecto a su eje longitudinal con sección transversal poligonal de número entero como resonador. Todos los segmentos de la superficie del resonador son lisos planos. De esta manera, el rayo de microondas acoplado permanece siempre divergente en caso de reflexiones en la pared del resonador y no es enfocado siempre de nuevo como en el caso de geometrías cilíndricas circulares y esféricas. El rayo de microondas es acoplado a través de un orificio de acoplamiento en una de las dos paredes frontales, su eje del rayo está inclinado con respecto al eje longitudinal y, en concreto, de tal forma que en la primera reflexión se realiza una división simétrica del rayo. Los hallazgos teóricos para la división del campo han sido confirmados por cálculo como también experimentalmente en buena medida. Se puede realizar un procesamiento uniforme de varios cuerpos a calentar al rojo o a cocer con desecho reducido.

Los dispositivos técnicos existentes presentados hasta ahora solucionan el problema a través de principio monomodo u ópticos, limitados en su geometría finita y no son convenientes o utilizables con respecto a la utilización técnica, bajo los requerimientos de estructuras del tipo de membrana de superficie grande y cargas en sus configuraciones especialmente para la realización de cadenas de procesos lineales.

La invención se basa en el problema de posibilitar un calentamiento, atemperación y procesamiento de materiales de superficie dilatada en el molde para la aplicación industrial, con el propósito de que, condicionado por la homogeneidad extraordinaria del campo, a través de la geometría constructiva, el tipo de acoplamiento de fuentes y de guías de ondas así como la sincronización de la frecuencia y el tamaño del aplicador, se puedan procesar térmicamente y, por lo tanto, endurecer incluso estructuras polímeras sensibles para obtener productos de alta calidad con propiedades del material no alcanzables hasta ahora. El recubrimiento debe ser posible en este caso en una configuración de tipo apilable, es decir, a través de empaquetado macizo del aplicador, o en la otra configuración en el procedimiento de circulación.

El problema se soluciona a través de un resonador de microondas de modo alto de acuerdo con los rasgos característicos de la reivindicación 1, en el que especialmente además del modo básico, se puede configurar un número suficientemente grande de modos más altos.

El resonador tiene una configuración en forma de columna prismática con sección transversal pentagonal, abombada hacia fuera (convexa). La microonda es acoplada a través de orificios de acoplamiento en uno de los cinco lados envolventes en el resonador. Estos orificios de acoplamiento son radiadores lineales y están paralelos al canto de la pared envolvente. De esta manera, desde cada orificio de acoplamiento sale un rayo de microondas divergente con un plano de rayo en lugar de eje de rayo, un haz de rayo lineal. Los planos del rayo están dirigidos de tal forma que los haces de rayos lineales de microondas acoplados se despliegan en abanico en el resonador y se superponen en un volumen central predeterminado alrededor y a largo del eje longitudinal del resonador para obtener una distribución homogénea al menos en la mayor medida posible del campo electromagnético.

En las reivindicaciones dependientes 2 a 10 se describen configuraciones ventajosas y convenientes para el funcionamiento del resonador: una forma de la sección transversal simétrica especial del resonador es la sección transversal simétrica con respecto a la bisectriz lateral del lado de base (reivindicación 2), especialmente cuando las dos paredes laterales están también todavía perpendiculares a la placa de base / pared trasera (reivindicación 3). El último caso resulta especialmente a partir de consideraciones calculadas de campo, investigaciones de campo y consideraciones de simetría en un resonador con sección transversal hexagonal (ver el documento DE 196 33 245). A partir de estas investigaciones y de las derivaciones de razones de simetría, esta sección transversal especial del resonador según la reivindicación 4 se designa allí como hemi-hexagonal, puesto que resulta a través de la sección media a través del centro longitudinal respectivo de dos paredes paralelas y opuestas perpendiculares entre sí de la envolvente de un resonador con sección transversal hexagonal.

Con respecto a la calidad requerida de la distribución de campo electromagnético en el interior del resonador, se ha mostrado experimentalmente que el montaje de la microonda, que pertenece al dispositivo de acoplamiento, en uno u otro lado frontal, y, por lo tanto, considerando ambos dispositivos de acoplamiento del mismo tipo o en lado frontal diferente – proporciona mejoras medibles, pero, en general, no excelentes (reivindicación 5).

Las deposiciones en los orificios de acoplamiento han perjudicado desfavorablemente el desacoplamiento de la microonda y, por lo tanto, la distribución de campo en el resonador. Por lo tanto, es adecuado y conveniente cerrar / cubrir los orificios de acoplamiento de manera transparente para microondas, de forma inerte al entorno y al proceso, con un dieléctrico (reivindicación 6). Éste puede ser, por ejemplo, una lámina de Teflón, pero también en otro caso una cubierta / capa que eventualmente se puede cargar, además, mecánicamente.

En la reivindicación 7 se resalta el acceso frontal al resonador. Éste se puede realizar desde un lado frontal, entonces se carga desde allí con material de proceso y se extrae el mismo desde allí. Pero el resonador se puede utilizar también en el modo de circulación, cuando existe acceso a través de ambos lados frontales. Un resonador de este tipo utilizado estará entonces, en general, sobre una de las cinco paredes envolventes, de manera que la pared envolvente con los orificios de acoplamiento se puede exponer de acuerdo con las necesidades. Si el resonador se asienta sobre un bastidor, por ejemplo, esta pared envolvente podría ser al mismo tiempo la pared de fondo. Cuando se requiere una accesibilidad fácil a las instalaciones técnicas de microondas, esta pared envolvente puede estar expuesta también hacia el lado o hacia arriba. Pero esto se determina finalmente a través de las particularidades del proceso.

En la reivindicación 8 se describe que el acceso al interior del resonador se realiza a través de al menos una de las cuatro paredes envolventes restantes, además de la pared envolvente con los orificios de acoplamiento, con preferencia a través de una de estas paredes envolventes con orificios de acoplamiento opuestos o ambas. Con este requerimiento, el resonador se podría colocar entonces sobre una pared frontal y ser accesible a modo de armario. Si se encuentra en este tipo sobre rodillos o sobre un bastidor de rodillos, además es todavía móvil. La dirección, vista desde el lugar de carga y extracción del resonador, en la que se expone la superficie envolvente con los orificios de acoplamiento depende de las otras particularidades del proceso, como se ha indicado anteriormente. Por ejemplo, el acceso a un armario con puerta abatible o puertas abatibles con las piezas adosadas técnicas de microondas está en la pared trasera.

Además de los dos dispositivos de acoplamiento que se asientan a lo largo del canto de la pared envolvente, de acuerdo con la reivindicación 9, existe otro intermedio del mismo tipo, a través del cual se puede acoplar, además, electromagnéticamente, para manipular finamente la homogeneidad de campo en el volumen útil dentro del resonador con respecto a la característica de distribución. El campo principal se ajusta a través de los dos acoplamientos exteriores.

A través del número de los dispositivos de acoplamiento se pueden ajustar, en principio, también otras distribuciones de campo electromagnético distintas a las configuradas aquí alrededor del eje longitudinal central del resonador. La/s microonda/s desacoplada/s se refleja/n ensanchándose en las paredes interiores del resonador y no enfocando. Ésta es una condición previa básica para una distribución homogénea del campo, porque no pueden aparecer sobreelevaciones focales del campo, cáusticas, como en una pared envolvente redonda.

Por último, a partir de consideraciones teóricas de microondas resulta que, en estructuras sencillas, es ventajosa una ondulación con dimensión, que tiene en cuenta la frecuencia, para el grado de la homogeneidad del campo electromagnético en el volumen parcial del resonador. Esto ha sido confirmado experimentalmente para el resonador, cuando la ondulación w se mueve en la banda

λ/16 < w < λ/2 (reivindicación 10).

Orientado al proceso que se ejecuta, y al material, que debe procesarse, así como al gasto monetario, que debe soportarse para una instalación tecnológica de microondas de este tipo, se accede a la construcción de componentes / fuentes de microondas, que son norma desde 100 MHz hasta el entorno de 25 GHz. Para el calentamiento de comida, por ejemplo, el microondas doméstico es una instalación conocida. Trabaja con un magnetrón como fuente de microondas y genera una alta frecuencia de 2,45 GHz. En la sinterización de cerámica, el procesamiento térmico se realiza a esta frecuencia, pero también es conveniente a 24,5 GHz. La propiedad de acoplamiento de la sustancia de proceso juega aquí un papel importante, que depende, además, todavía de la temperatura. A partir del requerimiento de homogeneidad en el campo electromagnético en al menos un volumen parcial del interior del resonador y de las dimensiones del cuerpo de proceso resulta la selección de la frecuencia y la geometría del resonador, de manera que el diámetro de la sección transversal del resonador y la longitud del resonador a partir de los cálculos y consideraciones del campo para el ajuste del grado requerido de homogeneidad del campo en el volumen parcial necesario son siempre mayores que la longitud de onda λ de la microonda aplicada, con preferencia 2λ.

El ejemplo de realización es un resonador en la forma geométrica de acuerdo con la reivindicación 4 con sección transversal pentagonal, especialmente porque a partir de una sección transversal regularmente hexagonal resulta a través de bisección una sección transversal semihexagonal. Esta geometría especial ejemplar se explica todavía en detalle a continuación. A este respecto, el dibujo consta de las figuras 1 a 4;

La figura 1 muestra la generación de la sección transversal del resonador.

La figura 2 muestra el resonador con sección transversal semihexagonal en perspectiva.

La figura 3 muestra la distribución de la densidad de la energía sobre la sección transversal.

La figura 4 muestra la distribución media de la densidad de energía sobre la longitud del resonador.

El resonador con sección transversal semihexagonal está constituido en tipo de construcción de bastidor de perfiles de aluminio, como se muestra en la figura 2. Es una estructura de laboratorio. Las paredes envolventes están constituidas de chapa de aluminio, que está fijada desde el interior en el bastidor. Los dos lados frontales son aquí chapas perforadas, que están articuladas en el bastidor de fondo por medio de una bisagra. A lo largo de los dos cantos envolventes de la pared de fondo se asientan los dos acoplamientos longitudinales, ver la figura 1. La instalación de acoplamiento derecha tiene en su frente trasero, en la pared frontal trasera del resonador, la fuente de microondas, un magnetrón, con unidad de sintonización (corredera) para igualación. En la figura 2, esto se indica por medio de los conductos de alimentación de manguera y las piezas rectangulares visibles. La fuente de microondas del dispositivo de acoplamiento paralelo opuesto se asienta de manera correspondiente delante en la esquina inferior izquierda en la figura. La estructura es necesariamente de alta densidad de frecuencia, como es necesario en los cantos frontales a través de la banda metálica del tipo de tejido adyacente. En la pared de fondo reposa en el interior una placa de Teflón, que recubre todo el fondo y cubre los dos orificios de acoplamiento en forma de banda / línea a lo largo del canto respectivo de la pared envolvente. La figura 1 muestra su posición en la sección transversal del resonador. La sección transversal del resonador es pentagonal convexa y se puede convertir a través de reflejo en el canto de base en un hexágono regular, como se representa en la figura

1.

En la figura 1, en la fuente izquierda en la figura, se indica la trayectoria del rayo de microondas a desacoplar con su eje de rayo indicado con trazos y puntos, plano derecho del rayo. La representación izquierda del rayo en la figura se refleja dos veces, en la pared lateral y en la pared izquierda del techo, la derecha solamente se refleja en esta pared de techo. Más detalles conducirían a confusión y, por lo tanto, se omiten.

Los datos de funcionamiento y la geometría del resonador con sección transversal semihexagonal son: La frecuencia de funcionamiento es 2,45 GHz y, por lo tanto, una longitud de onda λ en vacío de aproximadamente 12 cm. Como fuente de microondas se utiliza un magnetrón por cada dispositivo de acoplamiento. Los dos magnetrones son pulsátiles con relación controlable de la anchura del impulso, de manera que se puede ajustar continuamente una potencia de microondas desde cero hasta el máximo nominal. El resonador tiene diez veces la longitud de onda en vacío, es decir, aproximadamente 1,2 m, la pared lateral tiene una altura interior de aproximadamente 30 cm y las dos paredes envolventes de techo tienen, respectivamente, 60 cm.

Los datos técnicos son ejemplares. En este resonador han sido y son endurecidos placas y cuerpos verdes en forma de banda en forma homogénea y técnica compuesta a través de la actuación de la microonda acoplada, respectivamente, después de la dilatación de corta duración para la estabilidad de forma y, dado el caso, para la estabilidad mecánica. Una placa verde de material CFK de 3 mm de espesor y 20 cm2 se puede endurecer de este modo de una manera uniforme sobre la sección transversal y la superficie en menos de 20 minutos, las membranas de células de combustible en menos de 5 minutos. Esto solamente se

consigue en varias horas en una autoclave clásica con acción puramente térmica sobre la superficie objetiva. Los tiempos de proceso característicos se explican con la ayuda de las figuras 3 y 4 con las distribuciones de campo representadas. La figura 3 muestra la

5 distribución de la densidad de la energía sobre la sección transversal media. En la mitad superior en la zona central resalta una distribución oscura igual relativamente uniforme, que está afectada en esta zona central solamente por pocas oscilaciones. También sobresalen fuertemente las dos zonas de acoplamiento inmediatas con la sección transversal de conductor hueco rectangular conectada, respectivamente.

10 En la figura 3 se representa la distribución perpendicularmente en el plano medio con respecto a la placa de base a lo largo del centro longitudinal. Los objetos del proceso, que se exponen en el volumen parcial del resonador, en el que existen estas relaciones de campo útiles, poco oscilantes, y se exponen a microondas, son moldeados compactados de manera uniforme en los tiempos comparativamente cortos

15 del proceso. En los dos planos considerados, la oscilación máxima es inferior a 5 %.

Claims

REIVINDICACIONES

1.- Resonador de microondas de modo alto para el procesamiento térmico de materiales, en el que el resonador está configurado en forma de columna prismática con sección transversal pentagonal, arqueada hacia fuera, caracterizado porque a) paralelamente a los dos cantos envolventes de una de las cinco paredes

envolventes se encuentran, en la misma, al menos dos dispositivos de acoplamiento de forma lineal del mismo tipo para una microonda, a través de la cual se acopla la microonda, respectivamente en forma de un haz de rayos lineales en el resonador,

b) porque se utiliza, respectivamente, una fuente de microondas por cada dispositivo de acoplamiento y

c) porque las dos fuentes de microondas son pulsátiles con relación controlable de la anchura del impulso, de manera que se ajusta continuamente una potencia de microondas desde cero hasta el máximo nominal, y

d) porque las microondas acopladas se superponen en el resonador.
2.- Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la sección transversal del resonador está en simetría de imagen con respecto a la bisectriz lateral de la línea de base de la sección transversal.
3.- Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque las dos paredes laterales que se unen a la superficie de base del resonador están perpendiculares a ésta.
4.

Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque la sección transversal del resonador es la mitad simétrica de una sección transversal hexagonal –semihexagonal-.
5.

Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la fuente de microondas respectiva de los dos dispositivos de acoplamiento exteriores está montada en el mismo lado frontal o en el lado frontal opuesto del resonador.
6.

Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque los orificios de acoplamiento para la microonda están cerrados / cubiertos con un dieléctrico transparente a microondas, inerte al entorno y al proceso.
7.

Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque éste es accesible a través de al menos una de sus dos paredes frontales.
8. Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque es accesible a través de al menos una de las dos paredes envolventes, que están opuestas a la pared envolvente con los orificios de acoplamiento.
9.- Resonador de microondas de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado porque entre los dos orificios de acoplamiento exteriores existe otro 5 paralelo, a través del cual se acopla igualmente una microonda de potencia regulable

para la adaptación de la homogeneidad del campo.
10.-Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque las paredes interiores del resonador presentan una ondulación w en el intervalo

10 λ/16 < w < λ/2.