WO1998030068A1

WO1998030068A1 - Brennofen für die hochtemperaturbehandlung von materialien mit niedrigem dielektrischem verlustfaktor

Info

Publication number: WO1998030068A1
Application number: PCT/EP1998/000003
Authority: WO
Inventors: Wolfgang Bartusch; Günter MÜLLE
Original assignee: Gero Hochtemperaturoefen GmbH
Current assignee: Carbolite Gero GmbH and Co KG
Priority date: 1997-01-04
Filing date: 1998-01-02
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 1999-07-04
Also published as: ATE230199T1; EP0950341B1; CA2276469A1; AU6206798A; US6163020A; DE59806718D1; DE19700141A1; EP0950341A1; CA2276469C

Abstract

Bei einem Brennofen (10) für die Hochtemperaturbehandlung von Materialien mit relativ niedrigem dielektrischem Verlustfaktor (tan delta ) unter Erwärmung des Materials durch Absorbtion von Mikrowellenernergie in einem Hohlraumresonator (16), in dem, z.B. durch breitbandige Einstrahlung von Mikrowellenenergie und/oder durch zeitliche Variation der Frequenz der eingestrahlten Mikrowellenenergie, gleichmässige Energiedichte des Mikrowellenfeldes erzielt werden soll, sind der Hohlraumresonator (16) und die Strahlungsquelle (13) dahingehend aufeinander abgestimmt, dass die Relation: (V/ lambda <3>) .B>/=20 erfüllt ist, worin mit V das Volumen des Hohlraumresonators (16), mit lambda die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung und mit B deren Bandbreite bezeichnet sind, des weiteren die Grösse V/ lambda <3> einen Wert von mindestens 300 hat und die lichten Abmessungen lx, ly und lz des Hohlraumresonators (16) in den Koordinatenrichtungen x, y und z jeweils einen Wert um 3 2ROOT V haben. Die Resonatorwand (161 bis 166) besteht aus Graphit. Sie istm ittels einer Heizeinrichtung (28) auf die Temperatur der Behandlungsgutes aufheizbar. Die Heizeinrichtung ist ausserhalb des Hohlraumresonators angeordnet, und ein Wärmedämmmantel (38) umschliesst die den Hohlraumresonator (16) und die Heizeinrichtung umfassende Baugruppe.

Description

Brennofen für die Hochtemperaturbehandlunα von Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Brennofen für die Hochtemperatur- behandlung von Materialien mit relativ niedrigem dielektrischem Verlustfaktor unter Erwärmung des Materials durch Absorption von Mikrowellenenergie in einem Hohlraumresonator und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen.

Ein derartiger Brennofen ist durch die WO95/05058 PCT/GB94/01730 bekannt.

Der bekannte Brennofen hat in einer Gestaltung, in der er zum Sintern von keramischen Materialien in einem während des Sin- terns ruhenden Stapel geeignet ist, einen quaderförmigen Hohl - raumresonator , innerhalb dessen durch eine quaderförmig gestaltete Wärmedämm- Einrichtung der wiederum etwa quaderförmige Stapelraum abgegrenzt ist, der demjenigen Bereich innerhalb des Resonators entspricht, in dem von einer hinreichend homogenen Verteilung der elektrischen Feldstärke ausgegangen wird. Die Gleichmäßigkeit der elektrischen Feldstärke bzw. des Quadrats derselben ist Voraussetzung dafür, daß das Sintergut hinreichend "gleichmäßig" thermisch behandelbar ist. Um hierbei dem Effekt entgegenzuwirken, daß mit zunehmender Erwärmung des Sintergutes die Wärmeabstrahlung aus den randnahen Bereichen des Sinterstapels dazu führt, daß im Inneren desselben eine höhere Temperatur herrscht als in den genannten Randbereichen, ein Effekt, der für Mikrowellen- Brennöfen charakteristisch ist, ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die es erlaubt, die Randberei^¬ che des Sinterstapels konventionell, z.B. mittels einer Wider^¬ standsheizung zusätzlich zu erwärmen, um auf diese Weise ein ausgeglichenes Temperaturprofil innerhalb des Sinterstapels zu erzielen . Der bekannte Brennofen ist zwar geeignet, in einem relativ kleinen Behandlungsbereich etwa gleiche thermische Verhältnisse im gesamten Behandlungsvolumen zu erreichen, ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß die der Mikrowellenstrahlung ausgesetzte Wärmedämm-Einrichtung den überwiegenden Anteil der eingestrahlten Mikrowellenenergie absorbiert, was zwangsläufig zu einem hohen Verbrauch an Mikrowellenenergie führt, die nicht für die erwünschte thermische Behandlung des Sintergutes zur Verfügung steht. Dies ergibt sich daraus, daß in praktischen Fällen das Gesamtvolumen an Isolationsmaterial deutlich größer ist als das Volumen des Sintergutes. Der bekannte Brennofen ist daher als industriell nutzbarer Ofen nicht geeignet, da eine effiziente Ausnutzung der Mikrowellenenergie nicht gegeben ist, deren Erzeugung jedoch sehr viel kostenaufwendiger ist als die "konventionelle" Erwärmung mittels einer elektrischen Widerstands - heizung.

Zwar ist durch die WO95/05058 auch ein als Durchlaufofen ausgebildeter Brennofen bekannt, der als Tunnelofen mit Heizzonen unterschiedlicher Temperatur ausgebildet ist, durch den das Sintergut über Transportrollen hindurchbewegt wird, wobei die zusätzliche Heizung außerhalb des Behandlunsraumes angeordnet ist und die Wärmedämmung, die die Umgebung gegen den Hochtemperatur-Bereich isoliert, den Ofen außenseitig umschließt. Bei diesem Ofen handelt es sich jedoch um eine Anlage mit zwangsläufig ungenügender Feld-Homogenität, d.h. einer Ofengestaltung, die dann möglich ist, wenn relativ kleine Gegensände seriell gesintert werden, und es aufgrund des Hindurchbewegens durch inhomogene Bereiche nicht auf eine homogene Feldverteilung ankommt.

Der bekannte Tunnelofen ist zwar für Materialien mit hohen dielektrischen Verlusten geeignet, die Mikrowellenenergie stark absorbieren, nicht jedoch für eine Behandlung von Sintergut mit relativ schwachen dielektrischen Verlusten, die praktisch nur in nennenswerten Stückzahlen in einem Hohlraumresonator mit hoher Feldhomogenität behandelt werden können.

Der bekannte Röhrenofen wäre für Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor, die technisch jedoch von hohem Interesse sind, nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brennofen der eingangs genannten Art anzugeben, der eine Hochtemperaturbehandlung von Sintermaterial mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor in einem großen Behandlungsvolumen erlaubt, der aufgrund seiner Abmessungen als Industrieofen einsetzbar ist und dabei gleichwohl mit einem hohen Nutzungsgrad der Energie betreibbar ist. Des weiteren soll der Brennofen für Anwendungen innerhalb eines weiten Temperaturbereiches bis 1800 'C geeignet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hierdurch erzielte funktioneile Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Brennofens sind zumindest die folgenden:

Durch die Einhaltung der Dimensionierungsrelationen gemäß Merkmal a) ergibt sich bezogen auf die äußeren Abmessungen des Resonators eine für ein großes Behandlungsvolumen, in dem bei gleichmäßiger Beladung mit dem Sintergut eine hohe Anzahl von Sinter-Objekten behandelt werden kann, geeignete Homogenität der Feldverteilung.

Durch die Verlagerung des Isoliermantels nach außen wird sichergestellt, daß der überwiegende Anteil der erzeugten Mikro^¬ wellenstrahlung auch zum jeweils gegebenen Behandlungszweck genutzt werden kann. Hierdurch ist ein wirtschaftlicher Betrieb des erfindungsgemäßen Brennofens als Industrieofen erst mög^¬ lich. Durch die Verwendung von Graphit als Wandungsmaterial für den Hohlraumresonator wird nicht nur der Temperaturbereich, innerhalb dessen eine Hochtemperaturbehandlung von Sintergut möglich ist, drastisch erhöht, sondern es wird auch, verglichen mit einem koventionell in Stahl -Bauweise erstellten Hohlraumresonator auch dessen Gewicht und damit die elektrische Heizleistung der Zusatzheizeinrichtung verringert, die für die Erzielung des erwünschten Temperaturprofils erforderlich ist. Auch dadurch wird die Wirtschaftlichkeit des Betriebs eines als Industrieofen ausgebildeten erfindungsgemäßen Brennofens erhöht.

In bevorzugter Gestaltung des Brennofens ist als Mikrowellen- Strahlungsquelle mindestens ein Magnetron vorgesehen, das um eine Mittenfrequenz innerhalb einer Bandbreite B, die durch die Beziehung B = Δf/f gegeben ist, in der mit Δf der Frequenzhub bezeichnet ist, von etwa 1/100 durchstimmbar ist.

Ein solches Magnetron kann z.B. eine Mittenfrequenz von 2,45 GHz haben, was einem Durchstimmbereich von zwischen 2,438 GHz bis 2,462 GHz entspricht.

Dadurch sind in dem Hohlraumresonator eine hohe Anzahl von Schwingungstypen anregbar, die bei einem Durchstimmen des Magentrons, z.B. zeitperiodisch zwischen den Grenzfrequenzen, zeitlich nacheinander fortlaufend angeregt werden.

Die vorteilhafte Folge hiervon ist, daß zu verschiedenen Zeiten verschiedene räumliche Verteilungen der Feldstärke vorliegen, die im zeitlichen Mittel ein weitgehend homogenes Feld im Behandlungsbereich ergeben.

In zweckmäßiger Gestaltung ist die Strahlungsquelle so ausgelegt, daß die Zeit für einen Frequenzhub zwischen den Grenzfrequenzen im Zehntel - Sekundenbereich liegt, z.B. zwischen 0,05 und 1 Sekunde, d.h. innerhalb einer Zeitspanne, die klein ist gegen die thermische Relaxationszeit des Sintergutes. Diese Maßnahme ist günstig, um innerhalb des Sintergutes thermische Spannungen zu vermeiden. Derartige Spannungen könnten sich aufbauen, wenn als Folge einer zu geringen Änderungsrate der Frequenz die einer bestimmten Frequenz entsprechende Feldverteilung, die notwendigerweise inhomogen ist, über zu lange Zeit hinweg aufrechterhalten bliebe.

Im Sinne einer effektiven Verbreiterung des Frequenzbandes, innerhalb dessen der Hohlraumresonator anregbar ist, kann es auch vorteilhaft sein, wenn eine Anzahl n von Magnetrons als Mikrowellenstrahlungsquellen vorgesehen sind, die bei verschiedenen Mittenfrequenzen fi (i = 1 bis n) betreibbar und innerhalb ih- rer jeweiligen Bandbreiten Δfi durchstimmbar sind.

Ein quasikontinuierlicher "lückenloser" Durchstimmbereich der Frequenz ergibt sich, wenn die Frequenzabstände einander in der Frequenzskala benachbarter Mittenfrequenzen des Magnetrons der Beziehung (Δf. + Δf. ) /2 genügen.

In bevorzugter Gestaltung des Brennofens ist dessen Hohlraumresonator quaderförmig gestaltet, vorzugsweise so, daß die Kantenlängen 1x, 1y und 1z der Hohlraumbegrenzung mindestens dem 10- fachen der Wellenlänge λ der Mikrowellenstrahlung entsprechen.

Alternativ hierzu kann der Hohlraumresonator, wie gemäß Anspruch 7 vorgesehen, in derjenigen Richtung gesehen, in der ebene Begrenzungswände des Hohlraumresonators entlang paralleler Eckkanten aneinander angrenzen, eine polygonale Form hat, d.h. die Form eines prismatischen Hohlprofils. In diesen Ge^¬ staltungen ist der Resonator auf einfache Weise aus plattenför- migen Elementen zusammensetzbar, insbesondere auch, wie gemäß Anspruch 8 vorgesehen, aus plattenförmigem Graphit-Material.

Diese Ausbildung des Hohlraumresonators hat den Vorzug, daß der Brennofen bei sehr hohen Temperaturen betreibbar ist, so daß Sinterprozesse in Temperaturbereichen bis zu 1800 'C möglich werden .

Bei entsprechend vielzahliger Polygonalität und ggf. regelmäßig-polygonaler Gestaltung des Hohlraumresonators ist auch der Grenzfall des zylindrisch- rohrförmigen Resonators in guter Näherung erreichbar.

Diese Gestaltung hat unter konstruktiven Gesichtspunkten den Vorteil, daß die Bauform des Resonators besser an ein üblicherweise zylindrisches Außengefäß angenähert werden kann, das evakuierbar ist und/oder mit Schutzgas spülbar ist.

Um die z.B. für ein Sintern des Behandlungsgutes erforderliche hohe Mikrowellenleistung in einer gleichmäßigen räumlichen Verteilung in den Hohlraumresonator einkoppeln zu können, ist es vorteilhaft, eine Antennen-Anordnung zu wählen, die gemäß Anspruch 9 eine Rundstrahlcharakteristik hat, d.h. eine Richtwirkung weitgehend vermeidet. Eine derartige Antenne ist gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 als ein mehrere Einzelstrahler umfassender Gruppenstrahler ausgebildet, dessen Einzelstrahler in einer statistisch verteilten Phasenlage speisbar sind.

Ein solcher Gruppenstrahler ist in bevorzugter Gestaltung des Ofens gemäß Anspruch 11 als Schlitzstrahler ausgebildet, der eine Mehrzahl von Abstrahlschlitzen einer Schlitzlänge zwischen λ/4 und λ/2 und einer verglichen mit dieser kleinen Schlitzweite w umfaßt, die, in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im speisenden Hohlleiter gesehen, über dessen Länge derart verteilt angeordnet sind, daß pro Schlitz gleiche oder annähernd gleiche Beträge, von Mikrowellenenergie in den Hohl- raumresonator einkoppelbar sind, wobei, in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gesehen, die Ausdehnung der einzelnen Schlitze zwischen w und λ/2 beträgt, des weiteren der in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gemessene Abstand aufeinanderfolgender Schlitze der Schlitzantenne zwischen λ/2 und 3λ/4 beträgt und, bezogen auf die in der Ausbreitungsrichtung verlaufende Längsmittelebene des Hohlleiters, der seitliche Abstand der Schlitze von dieser Mittel - ebene, über die Länge des Hohlleiters hinweg, schrittweise zunimmt, und daß eine statistische Verteilung der Längsschlitze, die die einzelnen Abstrahlelemente bilden, bezüglich der Längs - mittelebene des Hohlleiters vorgesehen ist

Bei dieser Gestaltung der Schlitzantenne wird eine sehr gute Rundstrahlcharakteristik schon dann erzielt, wenn mindestens 20 Einzelschlitze vorgesehen sind, wobei sich mit zunehmender Anzahl der Schlitze eine immer effektivere Annäherung der Antennencharakteristik an die Rundstrahlcharakteristik ergibt.

In der gemäß Anspruch 13 vorgesehenen, speziellen Gestaltung des Schlitzstrahlers können mindestens einzelne seiner Schlitze auch schräg zur Ausbreitung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter verlaufen.

Unter dem Gesichtspunkt eines gleichmäßigen Energieeintrages in den Hohlraumresonator kann es auch vorteilhaft sein, wenn mehrere Gruppenstrahler der vorgenannten Art vorgesehen sind, wobei sich zum einen statistisch eine gleichmäßigere Verteilung der Phasenlagen der über die einzelnen Antennenelemente eingekoppelten Mikrowellenenergie erzielen läßt und zum anderen auch ein entsprechend erhöhter Energieeintrag möglich wird, der zur Aufheizung eines großvolumigen Sinterstapels geeignet ist.

Sowohl aus konstruktiven Gründen als auch aus Gründen der Abstrahlcharakteristik ( "Hörn" -Wirkung der Resonatorwände) kann es besonders zweckmäßig sein, wenn die Antenne (n) in streifer. - förmigen Randbereichen ebener Teile der Resonatorwände angeordnet ist/sind, die in unmittelbarer Nähe von Kanten der Resonatorwandung verlaufen, entlang derer ebene Resonator - Innenfl - chen aneinander anstoßen. Die den Resonator und den bzw. die Hohlleiter, über den/die die Antenne (n) gespeist wird/werden, umgebende Zusatzheizung ist als eine elektrisch steuerbare Widerstandheizung ausgebildet, die, entsprechend einem durch ein Programm vorgegebenen Temperatur-Verlauf 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 Resonator - wand herangezogen wird, deren Temperatur im Sinne einer Nachlaufregelung an die Temperatur des Sintergutes angeglichen wird, die im wesentlichen durch die eingestrahlte Mikrowellenleistung bestimmt wird.

Hierbei ist es zweckmäßig, daß Temperatursensoren für verschiedene Wandbereiche des Resonators vorgesehen sind, mittels derer die gegebenenfalls verschiedenen Resonatorwand- Temperaturen erfaßbar sind, und daß die Heizung den individuell überwachten Wandbereichen zugeordnete Heizelemente umfaßt, die ihrerseits individuell ansteuerbar sind, wobei es zweckmäßig ist, im Fall des quaderförmigen Resonators jeder der Resonatorwände ein eigenes Heizelement und einen eigenen Temperatursensor zuzuordnen.

Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Anordnung der wärmedämmenden Isolation außerhalb des Resonator-Hohlraumes und auch außerhalb der Heizelemente kann die Isolation selbst aus einem Material auf Graphitbasis gebildet sein, z.B. Graphitfilz und vermittelt dann, eine Anordnung an der Innenseite des den Resonator umgebenden Gehäuses vorausgesetzt, aufgrund der Leitfä^¬ higkeit des Graphitmaterials eine wirksame Unterdrückung jeglicher Mikrowellen -Leckstrahlung nach außen.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Brennofens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Aus- führungsbeispiels und möglicher Abwandlungen desselben anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennofens für eine Hochtemperaturbehandlung von keramischem Sintergut mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor, das innerhalb eines quaderförmigen Hohlraumresonators des Brennofens durch Absorption von Mikrowellenenergie aufheizbar ist, in schematisch vereinfachter Blockschaltbild-Darstellung,

Fig. la eine schematisch vereinfachte, perspektivische Ansicht des Hohlraumresonators und der Anordnung der Behand- lungs -Toleranzen;

Fig. 2 Einzelheiten einer zur Einkopplung von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator des Brennofens gemäß Fig. 1 vorgesehenen Schlitzantennenanordnung, in schematisch vereinfachter, teilweise abgebrochener perspektivischer Ansichtsdarstellung und

Fig. 2a die Schlitzantenne gemäß Fig. 2 in vereinf chter Draufsicht .

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 bestimmungsgemäßen Gebrauch der fertigen Werkstücke erforderlichen Material - eigenschaften und/oder räumliche Abmessungen erlangen.

Typische Werkstücke 11, die auf der Basis von nitrid-kerami - schem Material, insbesondere Si ₃N4 hergestellt sind, z.B. Kugel - lager, Ventilkörper- und Gehäuse, Düsen, oder auf der Basis von oxid-keramischem Material herstellbar sind, z.B. Dichtscheiben und -Ringe, und einer sinternden Behandlung bedürfen, sollen in dem Brennofen 10 dieser thermischen Behandlung aussetzbar sein. Hierbei handelt es sich um Materialien mit relativ niedrigem dielektrischem Verlustfaktor (tan δ < 0.01), die in einem insgesamt mit 12 bezeichneten Stapel angeordnet sind.

Die Erwärmung des durch die Werkstücke 11 insgesamt gebildeten Sintergutes erfolgt durch Absorption von Mikrowellen-Energie, die von einer Mikrowellenquelle 13 erzeugt wird und über eine insgesamt mit 14 bezeichnete Antennen-Anordnung mit Rundstrahl - Charakteristik in einen insgesamt mit 16 bezeichneten Hohlraumresonator mit elektrisch leitenden Wänden 16 bis 16 eingekoppelt wird, der beim dargestellten, speziellen Ausführungsbei - spiel die Form eines Quaders hat, dessen Abmessungen 1x, 1y und

1z sigifikant, z.B. etwa 10 mal größer sind als die Wellenlänge λ der mittels der Mikrowellenquelle 13 erzeugbaren Mikrowellen, und jeweils in der Größenordnung J/ ' Vres liegen, wobei mit

Vres das Volumen des Hohlraumresonators 16 bezeichnet ist (Vres =

1x . 1y . 1z) . Der Behandlungsraum, innerhalb dessen das Sinter- gut stapeiförmig als dielektrische Beladung des Hohlraumresonators 16 auf nicht eigens dargestellte Weise gehalten wird, ist in der Fig. la schematisch als mit dem Inneraum des Hohlraumresonators 16 geometrisch ähnlicher, zentraler Teilraum 17 repräsentiert, dessen zur thermischen Behandlung des Sintergutes 11 nutzbares Volumen ca. 1/3 des Resonatorvolumens Vres betragen kann.

In einem solchen Resonator 16 lautet die Resonanzbedingung für die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung, die in dem Resonator 16 resonant ist

sind, mit denen die Beziehung (1) erfüllbar ist.

Die in einem solchen Hohlraumresonator resonant anregbaren Schwingungstypen ergeben innerhalb des Hohlraumresonators einen in den drei Koordinatenrichtungen x, y und z einen periodisch variierenden Feldverlauf, wobei das Quadrat (E²) der elektrischen Feldstärke (E) des im Hohlraumresonator erzeugten elektrischen Feldes zwischen 0 und einem Maximalbetrag variiert, d.h. eine Feldverteilung, die räumlich extrem inhomogen ist.

Die für eine qualitativ gleichwertige Behandlung eines über den Behandlungs-Teilraum 17 verteilten Sintergutes erforderliche gleichmäßige Verteilung der elektrischen Feldenergie ist in guter Näherung erreichbar, wenn der Hohlraumresonator in einer hohen Zahl resonanter Schwingungstypen anregbar ist und diese Schwingungstypen zumindest im zeitlichen Mittel überlagerungs - fähig sind, wobei die Anzahl ΔN der anregbaren Schwingungstypen durch die Beziehung

.π.V

ΔN = λ^J Q ^"gesamt

gegeben ist, in der mit Vres das Volumen des Hohlraumresonators, mit λ die Vakuumwellenlänge der Mikrowellenstrahlung und mit Qgesamt die Gesamtgüte der insoweit erläuterten Anordnung 10, 11,

12, 13, 14 bezeichnet ist, die ihrerseits durch die Beziehung

1 1 1 1 1

+ + + -

Qgesamt Qres Qan_t diel Qque_ηl.. (3)

gegeben ist. In dieser Beziehung ist mit Qres die Güte der Reso- natorwand bezeichnet, die durch die Beziehung

3 • V _Q = £≤ ₍₄)

A

gegeben ist, mit Qant die Güte der Antennenanordnung, für die die Beziehung 8 . π . V Q _ = =2— ( 5 ) ^ant A . λ ant gilt, mit Qdiel die Güte des dielektrischen Sintergutes, für welche die Beziehung

gilt und mit Qquelle die Güte der Mikrowellenquelle (13) be- zeichnet ist, die durch die Beziehung

gegeben ist.

In den Beziehungen (4) , (5) , (6) und (7) sind mit

A___ die Fläche der Resonatorwand insgesamt,

die Eindringtiefe in die Resonatorwand

Aant die abstrahlenden Flächen der Ancennenanordnung

14, mit

Vdiel das Volumen des dielektrischen Behandlungsgu- tes 11, mit

die Dielektrizitatszahl des Sintergutes 11, mit

tan δ der dielektrische Verlustfaktor des Sintergutes und mit

B die Bandbreite der Mikrowellenquelle 13

bezeichnet . Bei dem zur Erläuterung gewählten Brennofen 10 ist als Mikrowellen-Strahlungsquelle 13 ein Magnetron mit einer Grundfrequenz von 2,45 GHz vorgesehen. Das Resonatorvolumen Vres beträgt

1,4 m³, so daß das Verhältnis Vres /λ³ einen Wert von etwa 770 hat. Für den Wert Ares der Gesamtfläche der Resonatorwände 161 bis 16 6 ist ein Wert von 7,6 m³ angenommen. Die Resonatorwände

16 bis 16 bestehen aus plattenförmigem Graphit -Material , so daß sich bei der angegebenen Frequenz der Mikrowellenquelle eine Eindringtiefe e von 32μm ergibt, was einer Güte der Resonatorwand von etwa 8600 entspricht.

Für die "strahlende" Antennenfläche ist ein Wert Aant von 60cm² angenommen, was einer Güte Qant der Antennen -Anordnung von etwa

48000 entspricht. Für das vom Sintergut 11 eingenommene Volumen von ca. 0.03m³ ergibt sich ein Wert der Güte Qdiel des Sintergu- tes von 2100, wenn für dessen Dielektrizitätszahl ein Wert von 8 und ein Verlustfaktor von 0.008 angesetzt wird. Bei einem Betrieb des Magnetrons 13 bei fester Frequenz ist die Bandbreite B der von dem Magnetron erzeugten Mikrowellenstrahlung kleiner als 10^" , was einer von mehr als 10 ent-

spricht. Bei dielektrischer Beladung des Hohlraumresonators im angegebenen Umfang entspricht die Gesamtgüte Qges ungefähr der

Güte Qdiel des dielektrischen Gutes und die Zahl der anregungs- fähigen Schwingungstypen ΔN etwa einen Wert von 9. Hieraus ergibt sich, daß eine genügende Zahl von Schwingungstypen, die für eine hinreichend gleichmäßige Verteilung des elektrischen Feldes im Hohlraumresonator notwendig sind, sich nur durch eine breitbandige Mikrowellenquelle erreichen läßt.

Demgemäß ist der Brennofen 10 dahingehend ausgelegt, daß die folgende Beziehung gilt:

V ' B/λ³ >_. 20 (8) . res

Die Antennenanordnung 14, mittels derer von dem Magnetron 13 erzeugte Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator 16 einkop- pelbar ist, ist als Schlitzstrahler ausgebildet, der eine Mehrzahl von Abstrahlschlitzen 18 umfaßt, deren jeder ein Antennenelement bildet, dessen strahlende Antennenfläche der lichten Schlitzfläche entspricht. Diese Abstrahlschlitze 18 sind in einer gleichzeitig auch einen Innenwandbereich des Hohlraumresonators bildenden Längswand 19 eines Rechteck-Hohlleiters 21 (Fig. 2) angeordnet, in dem die von dem Magnetron 13 erzeugte, am einen Ende des Hohlleiters 21 in diesen eingespeiste Mikrowellenenergie nur in der TE -Mode (Grundschwingungstyp) beim dargestellten Anordnungs-Beispiel in der z-Richtung ausbreitungsfähig ist, derart, daß der elektrische Feldvektor rechtwinklig zu der mit den Schlitzen 18 versehenen Hohlleiter- Längswand 19 verläuft und die Feldverteilung des elektrischen Feldes im Innenraum des Rechteck-Hohlleiters im wesentlichen symmetrisch zu dessen Längsmittelebene 23 verläuft, die sich ihrerseits in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter 21 erstreckt. Diese Abstrahlschlitze 18 sind, über die Länge 1 des Rechteck-Hohlleiters 21 derart verteilt angeordnet, daß pro Abstrahlschlitz 18 jeweils gleiche oder annähernd gleiche Beträge von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator 16 einkoppelbar sind, und daß die Phasenlagen der durch die Abstrahlschlitze in den Hohlraumresonator 16 eingekoppelten elektromagnetischen Felder in einer statistischen Folge verschieden sind.

In Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter 21 gesehen, beträgt der Abstand d (Fig. 2a) aufeinanderfolgender Schlitze der Schlitzantenne 14 zwischen λ/2 und 3λ/4, wobei abweichend von der zur Erläuterung gewählten Darstellung, in der die längeren Schlitzränder parallel zur Längsmittelebene 23 des Hohlleiters 23 verlaufen, auch Schlitzkonfigurationen mit schräg zu dieser oder gar rechtwinklig zu dieser verlaufenden Längsrändern möglich sind. Bei der dargestellten Konfiguration der Schlitzantenne 14, bei der die Abstrahlschlitze parallel zu dieser Längsmittelebene 23 verlaufen, beträgt die Länge 1 der einzelnen Schlitze 18 zwischen λ/4 und λ/2 und ist signifikant größer als die rechtwinklig zur Längsmittelebene 23 bzw. der Ausbreitungsrichtung der Mikrowellenenergie im Rechteck- Hohlleiter gemessene Weite w der Schlitze. Über die Länge des Rechteck-Hohlleiters 21 hinweg gesehen, an dessen einem Ende die von dem Magnetron 13 erzeugte Mikrowellenenergie eingespeist wird, nimmt der seitliche Abstand a der Abstrahlschlitze von der Längemittelebene 23 des Rechteck-Hohlleiters 21 schrittweise zu.

Die Anordnungsfolge der jeweils auf einer Seite der Längsmittelebene angeordneten Abstrahlschlitze 18' und 18'' (Fig. 2a) entspricht im Abstandsraster der Schlitzabstände d, gesehen in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Rechteck-Hohlleiter 21, einer "binären" Zufallsfolge von Schlitz - Paarungen (1,0) und (0,1), wobei (1,0) bedeutet, daß ein Schlitz 18' auf der einen, "linken" Seite der Längsmittelebene 23 des Rechteck- Hohlleiters 21 vorhanden ist, jedoch nicht ein zu diesem symmetrisch angeordneter schlitz 18'' und die Kombination (0,1), daß auf der anderen "rechten" Seite der Längsmittelebene 23 ein Abstrahlschlitz 18'' vorhanden ist, nicht jedoch auf der der gegenüberliegenden, "linken" Seite. Die Kombination (1,1), die einem Phasenunterschied des über einander genau gegenüberliegend angeordnete Abstrahlschlitze 18' und 18'' abgestrahlten Feldes von π/2 entsprechen würde, sowie die Kombination (0,0) sind bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, ausgeschlossen. Die inso^¬ weit ihrem prinzipiellen Aufbau nach erläuterte Schlitzantenne wirkt als Gruppenstrahler, dessen durch die Schlitze 18 bzw. 18' und 18'' gebildeten Einzelstrahler mit statistisch verteil^¬ ter Phasenlage speisbar sind, wodurch die Abstrahlcharakteri^¬ stik der Antennen-Anordnung 14 in sehr guter Näherung eine Rundstrahlcharakteristik ist.

Der zur Speisung der Abstrahlschlitze 18 der Anennenanordnung 14 vorgesehene Rechteck-Hohlleiter 21 ist, entsprechend der schematischen Darstellung der Fig. 1 in einen prismatischen Graphitkörper 24 integriert, dessen äußere Querschnittskontur derjenigen eines gleichschenklig- rechtwinkligen Dreiecks entspricht, durch dessen Hypothenuse 26 in der Darstellung der Fig. 1 eine Resonatorhohlraum-Begrenzungsfläche repräsentiert ist, die in einem Eckbereich des Hohlraumresonators 16 zwischen den im Bereich der Antennenanordnung 14 rechtwinklig aneinander angrenzenden Resonatorwänden 16 und 16 vermittelt, wobei die den Hohlleiter- Innenraum 22 begrenzenden Wellenleiter- Flächen paarweise parallel bzw. senkrecht zu der schrägen inneren Längebegrenzungsfläche 26 des Hohlraumresonators 16 verlaufen, die durch die "Hypothenusen" -Fläche des Graphitkörpers 24 gebildet ist.

Um zur Erhöhung der Anzahl der im Hohlraumresonator anregbaren Schwingungstypen, was der Gleichmäßigkeit der Feldverteilung im Hohlraumresonator zugute kommt, die "effektive" Güte Qquelle des als Energiequelle vorgesehenen Magnetrons zu verringern, ist eine Gestaltung des Magnetrons 13 vorgesehen, bei der dessen Schwingungsfrequenz innerhalb einer Bandbreite von 1/100 der Grundfrequenz f von 2,45 GHz variierbar ist. Die Zykluszeiten der Frequenzvariation, die mittels einer elektronischen Steuereinheit 27 steuerbar ist, sind auf das thermische Relaxations- verhalten des Sintergutes 11 dahingehend abgestimmt, daß sie klein gegen die thermische Relaxationszeit des jeweils zu behandelnden Sintergutes sind. Demgemäß ist die elektronische Steuereinheit 27 so ausgelegt, daß die Zykluszeiten zwischen 0,05 und 1 Sekunde betragen können.

Dem Zweck einer - im zeitlichen Mittel - Reduzierung der Quellengüte Q kann, was nicht eigens dargestellt ist, auch die quelle

Maßnahme dienen, daß mehrere Magnetrons als Mikrowellen- Strahlungsquelle vorgesehen sind, die bei verschiedenen Grundfre^¬ quenzen fi (i = l...n) betreibbar sind und jeweils entsprechen^¬ de charakteristische Bandbreiten Bi haben, wobei es dann zweck - mäßig ist, daß die Frequenzabstände Δf der einander in der Frequenzskala benachbarten Magnetron- Schwingungsfrequenzen, zumindest annähernd dem Wert

entsprechen.

Wenn zur Einstrahlung von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator 16 zwei oder mehr Antennen-Anordnungen 14 vorgesehen sind, so ist es zweckmäßig, wenn diese azimutal etwa äquidi- stant um eine parallel zu den Polygonkanten des Resonator-Hohlraumes verlaufende "zentrale" Achse gruppiert sind, um eine gleichmäßige Einstrahlung von Mikrowellenenergie in den Behandlungsraum 17 des Hohlraum- Resonators zu erzielen.

Der Brennofen 10 ist mit einer insgesamt mit 28 bezeichneten Heizeinrichtung versehen, die entsprechend der Anzahl der großflächig ^en Wandelemente 161 bis 166 des Hohlraumresonators 16 ihrerseits sechs elektrische Widerstands-Heizelemente 28ι bis

28 6 umfaßt, deren Heizleistungen individuell steuerbar sind, so daß die Temperatur der Wandelemente 16 bis 16 individuell beeinflußbar ist. Die Wandelemente 16 1 bis 166 sind mit minde- stens je einem Temperatursensor 29 1 bis 296 bestückt, die für die Istwerte der Wandtemperaturen charakteristische elektrische Ausgangssignale erzeugen.

Des weiteren ist ein insgesamt mit 32 bezeichnetes Pyrometer vorgesehen, mittels dessen die Temperatur des Sintergutes 11 erfaßbar ist. Dieses Pyrometer 32 umfaßt einen an geeingeter Stelle im Stapel 12 angeordneten Probekörper 33 und einen elek^¬ tronisch-optischen Sensor 34, mittels dessen die Strahlungstem^¬ peratur des Probekörpers 33 erfaßbar ist, so daß ein hierfür charakteristisches elektrisches Ausgangssignal des Sensors 34 ein genaues Maß für die Temperatur des Sintergutes 11 ist. Die elektronische Steuereinheit 31 der Heizeinrichtung 28 vermit- telt eine vergleichende Verarbeitung der Istwert-Ausgangssignale der Pyrometer-Anordnung 32 sowie der Temperatursensoren 29 bis 29 6 und vermittelt auch eine Ansteuerung der Heizelemente

28 bis 28 sowie der Leistungs- Steuerung der Mikrowellenquelle 13 in dem Sinne, daß die Wandtemperatur des Hohlraumresonators 16 insgesamt möglichst exakt der Temperatur des Sintergutes 11 entspricht. Der zeitliche Verlauf der Ofentemperatur, d.h. sowohl der Temperatur des Sintergutes als auch der Resonator- Wandtemperatur (en) wird nach einem Programm gesteuert, das unter Berücksichtung der Materialeigenschaften und der geometrischen Abmessungen der Werkstücke 11 ein qualitativ gutes Behandlungsergebnis ergibt.

Der Hohlraumresonator 16 und die zur Beheizung seiner Wände 16 bis 16 6 vorgesehenen Heizelemente 281 bis 286 der Heizeinrich- tung 28 sind innerhalb eines stabilen Stahlgehäuses 36 angeordnet, das zum Zweck der Möglichkeit einer Schutzgas - Spülung seines Innenraumes 17 einschließlich des Resonator -Hohlraumes oder einer Evakuierung derselben gasdicht ausgeführt ist. Das Stahl - gehäuse 36 ist zum Zweck der Wärmeisolierung seines Innenraumes gegenüber dem Umgebungsraum des Brennofens 10 innenseitig mit einer Wärmedämmschicht 38 ausgekleidet, die aus einem hochtem- peraturfesten Isolationsmaterial, z.B. Graphitfilz besteht.

Claims

Patentansprüche

1. Brennofen für die Hochtemperaturbehandlung von Materialien mit relativ niedrigem dielektrischen Verlustfaktor (tan δ) unter Erwärmung des Materials durch Absorbtion von Mikrowellenenergie in einem Hohlraumresonator, in dem das Behandlungsgut innerhalb eines zentralen Teilbereiches des Resonators angeordnet ist, in dem, z.B. durch breitbandige Einstrahlung von Mirkowellenenergie und/oder durch zeitliche Variation der Frequenz der eingestrahlten Mikrowellenenergie, gleichmäßige Energiedichte des Mikrowellenfeldes gegeben ist, derart, daß in jedem Volumenelement des Behandlungsbereiches das Quadrat der elektrischen Feldstärke des Mikrowellenfeldes zumindest im zeitlichen Mittel inner^¬ halb eines geringen Toleranzbereiches denselben Betrag hat, wobei eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist, mittels derer die Resonatorwand auf die im Behandlungsgut herrschende Temperatur aufheizbar ist, z.B. im Sinne einer Nachlaufregelung der Temperatur des Behandlungsgutes nachführbar ist, und wobei ein wärmeisolierender Mantel vorgesehen ist, der die Wärmeabfuhr aus dem Brennofen in die Umgebung dämmt, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) Der Hohlraumresonator (16) und die Strahlungsquelle (13) sind dahingehend aufeinander abgestimmt, daß die Relation:

V * B > 20 λ³ erfüllt ist, worin mit V das Volumen des Hohlraumresona^¬ tors (16), mit λ die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung und mit B deren Bandbreite bezeichnet sind, des weiteren die Größe V/λ³ einen Wert von mindestens 300 hat und die lichten Abmessungen lx, ly und lz des Hohl - raumresonators (16) in den Koordinatenrichtungen x, y und z jeweils einen Wert um V haben; b) die Heizeinrichtung (28) ist außerhalb des Hohlraumresonators (16) , die Resonatorwand unmittelbar umgebend angeordnet, und der Wärmedämmmantel (38) ist die den Hohl - raumresonator (16) und die Heizeinrichtung (28) umfassende Baugruppe außenseitig umschließend angeordnet;

c) die Resonatorwand (16 1 bis 166) besteht aus Graphit oder einem hiermit äquivalenten temperaturbeständigen und elektrisch leitfähigen Material.

2. Brennofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mikrowellen- Strahlungsquelle (13) ein Magnetron vorgesehen ist, das bei einer Grundfrequenz f innerhalb einer Bandbreite B = Δf/f von vorzugsweise 1/100 durchstimmbar ist.

3. Brennofen nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Zeitspannen, innerhalb derer eine kontinuierlich oder schrittweise Variation der Schwingungsfrequenz der Mikrowellen- Strahlungsquelle (13) erfolgt, zwischen 0,05 und ls, vorzugsweise um 100ms betragen.

4. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn^¬ zeichnet, daß eine Anzahl n von Magnetrons als Mikrowellen - Strahlungsquelle vorgesehen sind, die bei verschiedenen Mittenfrequenzen fi (i = 1 bis n) betreibbar sind und je- weils charakteristische Bandbreiten B 1 haben.

5. Brennofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzabstände der einander in der Frequenzskala benachbarten Magnetron-Mittenfrequenzen annähernd und vorzugsweise den Wert (Δfi + Δfi+1) /2 haben.

6. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (16) quaderförmig ge^¬ staltet ist, wobei die Kantenlängen 1x, 1y und 1z der Hohl - räum- Begrenzung mindestens dem 10 -fachen Wert der Wellen- länge der Mikrowellenstrahlung entsprechen.

7. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (16) einen polygonalen Querschnitt hat.

8. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (16) aus vorzugsweise plattenförmigem Graphit -Material (16 bis 16 ) zusammengesetzt ist.

9. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator (16) eine Antennenanordnung (14) vorgesehen ist, die eine Rundstrahlcharakteristik hat.

10. Brennofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen -Anordnung (14) als Gruppenstrahler ausgebildet ist, der eine Mehrzahl von Einzelstrahlern umfaßt, die mit einer statistisch verteilten Phasenlage speisbar sind.

11. Brennofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gruppenstrahler als Schlitzstrahler ausgebildet ist, der eine Mehrzahl von Abstrahlschlitzen (18) einer Schlitzlänge zwischen λ/4 und λ/2 und einer hiergegenüber kleinen Schlitzweite w umfaßt, die, in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes in einem speisenden Hohlleiter (21) gesehen, über dessen Länge derart verteilt angeordnet sind, daß pro Schlitz (18) gleiche oder annähernd gleiche Beträge von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator (16) einkoppel- bar sind, wobei, in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gesehen, die Ausdehnung der einzelnen Schlitze (18) zwischen w und λ/2 beträgt, des weiteren der in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gemessene Abstand aufeinanderfolgender Schlitze der Schlitzantenne zwischen λ/2 und 3λ/4 beträgt und, bezogen auf die in der Ausbreitungsrichtung verlaufende Längsmittelebene (23) des Hohlleiters (21) , der seitliche Abstand der Schlitze von dieser Mittelebene (23), über die Länge des Hohlleiters hinweg, schrittweise zunimmt, und daß eine statistische Verteilung der Längsschlitze, die die einzelnen Abstrahlelemente bilden, bezüglich der Längsmittelebene (23) des Hohlleiters vorgesehen ist.

12. Brennofen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß über die Länge des zur Speisung der Antennenschlitze (18) vorgesehenen Hohlleiters (21) mindestens 20 Einzelschlitze vorgesehen sind.

13. Brennofen nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einzelne der Einkoppelschlitze schräg und/oder rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter (21) verlaufen.

14. Brennofen nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator (16) mindestens zwei Gruppenstrahler, insbesondere Schlitzantennen-Anordnungen (14,18) vorgesehen sind.

15. Brennofen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenstrahler (14) symmetrisch bezüglich einer ausgezeichneten Achse des Hohlraumresonators angeordnet sind.

16. Brennofen nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Antennenanordnung (14) in einem streifenförmigen Randbereich der Resonatorwand ange^¬ ordnet ist, die in unmittelbarer Nähe einer Innenkante der Resonatorwand verläuft.

17. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch ge^¬ kennzeichnet, daß die zur Einstellung eines erwünschten Temperaturprofils im Behandlungsbereich des Hohlräum-Resonators vorgesehene Heizeinrichtung (28) als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet ist, die die Temperatur der Resonatorwände (16 1 bis 166) auf einem Wert hält, der dem

Wert der Temperatur in einem zentralen Bereich des Sinter- gut-Stapels (12) entspricht, der, vorzugsweise mittels eines Pyrometers (32) , als Temperatur- Istwert erfaßt wird, und seinerseits programmgesteuert einer vorgegebenen Zeitabhängigkeit folgend, einstellbar ist.

Brennofen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedenen Wandbereichen (16 1 -166) des Hohlraumresona- tors (16) einzeln zugeordnete Temperatursensoren (29 bis 29 ) vorgesehen sind, mittels derer die ggf. verschiedenen Resonatorwand-Temperaturen erfaßbar sind, und daß die Heiz- einrichtung (28) den hinsichtlich der Temperatur individuell überwachten Wandbereichen zugeordnete Heizelemente (28 1 bis 286) umfaßt, die ihrerseits individuell ansteuer- bar sind.

19. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Wärmeisolation des Hohlraumresonators (16) gegenüber der äußeren Umgebung des Brennofens (10) vorgesehene Wärmedämm-Einrichtung als eine an der Innenseite eines den Hohlraumresonator (16) und die Heizeinrichtung (28) aufnehmenden Ofen-Gehäuses (36) angeordnete, ihrerseits auf der Basis eines Graphit-Materials, insbesondere Graphitfilz hergestellte, mit einer Mindest- eitfähigkeit behaftete Auskleidungsschicht (38) ausgebildet ist.