DE10021528A1

DE10021528A1 - Microwave oven for heating fuel

Info

Publication number: DE10021528A1
Application number: DE10021528A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Raether; Jens Baber; Peter-A Pueschner
Original assignee: Pueschner & Co KG GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Pueschner & Co KG GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2000-05-03
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2001-11-22
Also published as: DE50108820D1; EP1152641A3; EP1152641B1; ATE317209T1; EP1152641A2

Abstract

The oven has at least one microwave source and a hollow volume resonator (2) with a device for coupling a microwave field in and out of the resonator. At least one microwave susceptor element (10) at a defined distance from and alignment to the material to be heated (20) is heated by the microwaves and gives off heat to the material. The source and/or resonator is controlled to produce a strong microwave field at the material and/or susceptor.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenofen zum Aufheizen von Brenngut, mit mindestens einer Mikrowellenquelle, einem Hohlraumresonator, einer Koppelvor richtung zum Ein- und Auskoppeln eines Mikrowellenfeldes in den Hohlraumreso nator.The invention relates to a microwave oven for heating fuel, with at least one microwave source, a cavity resonator, a coupling Direction for coupling and decoupling a microwave field into the cavity nator.

Bei der Mikrowellenerwärmung wird im Unterschied zur konventionellen Ofen heizung die Wärmeenergie nicht an der Oberfläche eines Bauteils, sondern im Inneren eingeführt. Beim schnellen Aufheizen mit Aufheizraten von mehr als 200 k/min - wie es für viele technische Prozesse erforderlich ist - entstehen beim konventionellen Ofen große Temperaturgradienten zwischen der heißeren Bauteil oberfläche und dem kälteren Innenbereich. Bei der schnellen Mikrowellenerwär mung entstehen ebenfalls Temperaturgradienten - jedoch in umgekehrter Richtung. Die Temperaturunterschiede betragen mehrere hundert Kelvin und führen zur Zerstörung der Bauteile aufgrund von Wärmespannungen. Durch verschiedene Maßnahmen wurde versucht, diese Temperaturgradienten zu beseitigen: So wurden zusätzliche Absorber für die Mikrowellenenergie - sogenannte Suszeptoren - in den Mikrowellenresonator eingebracht. Diese erwärmen sich zunächst selbst und geben dann Wärmeenergie an das Bauteil ab. Es werden auch für die Mikrowellen transparente Isolationen - sogenannte Caskets - eingesetzt, die das Brenngut einhüllen. Die Temperaturgradienten lassen sich mit den erwähnten Methoden verringern, jedoch ist eine präzise und schnelle Steuerung des Energieeintrags über die Bauteiloberfläche bzw. das Bauteilvolumen nicht möglich.Microwave heating is different from conventional ovens heating the heat energy not on the surface of a component, but in the Inside introduced. When heating up quickly with heating rates of more than 200 k / min - as is required for many technical processes - are created at conventional furnace large temperature gradients between the hotter component surface and the colder interior. With the fast microwave heating Temperature gradients also occur - but in the opposite direction. The temperature differences are several hundred Kelvin and lead to Destruction of the components due to thermal stress. Through different Measures were attempted to eliminate these temperature gradients: additional absorbers for microwave energy - so-called susceptors - in the Microwave resonator introduced. These first heat up and give then thermal energy to the component. It will also be used for microwaves transparent insulation - so-called caskets - used, which the firing envelop. The temperature gradients can be with the methods mentioned decrease, however, is a precise and quick control of the energy input over the component surface or the component volume is not possible.

Zur Verringerung eines unerwünscht großen Temperaturgradienten bei der Er hitzung des Brennguts wurden bereits verschiedene Typen von Hybridöfen ent wickelt. Bei ihnen erfolgt die Aufheizung mit Mikrowellenenergie und gleichzeitig mit anderen Heizverfahren: z. B. durch Widerstandsheizung, Gasbefeuerung und Infrarotstrahlung. Die zusätzlichen Heizverfahren dienen zur kontrollierten Ober flächenheizung des Brennguts. Hierzu liegen zahlreiche Patentanmeldungen vor (vgl. z. B. DE 196 33 247 C2). Hybridöfen sind jedoch wegen der Kombination zweier Heiztechniken per se aufwendiger in der Herstellung, komplizierter in der Regelung und fehleranfälliger im Betrieb als reine Mikrowellenöfen.To reduce an undesirably large temperature gradient in the Er Various types of hybrid ovens have already been developed during the heating of the firing material wraps. They are heated with microwave energy and at the same time with other heating methods: e.g. B. by resistance heating, gas firing and Infrared radiation. The additional heating processes are used for controlled heating surface heating of the fired goods. There are numerous patent applications for this (see e.g. DE 196 33 247 C2). However, hybrid ovens are because of the combination two heating technologies per se more complex to manufacture, more complicated to manufacture Control and more error-prone in operation than pure microwave ovens.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mikrowellenofen der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass auch bei einem sehr schnellen Aufheizen des Brenn gutes unerwünscht große Temperaturgradienten zwischen dem Innenbereich des Brennguts und dessen Oberfläche vermieden werden.The object of the invention is to provide a microwave oven of the type mentioned to develop in such a way that even with a very rapid heating of the distillery good undesirably large temperature gradients between the interior of the Kiln goods and their surface can be avoided.

Diese Aufgabe wird bei dem Mikrowellenofen der eingangs genannten Art erfin dungsgemäß dadurch gelöst, dass in vorgegebenem Abstand und Ausrichtung zu dem Brenngut mindestens ein Mikrowellen-Suszeptorelement angeordnet ist, welches sich unter der Wirkung des Mikrowellenfeldes volumenmäßig aufheizt und Wärmeenergie an das Brenngut abstrahlt, und dass auf die Mikrowellenquelle und/oder den Hohlraumresonator einwirkende Stellmittel vorgesehen sind, welche an der Position des Brenngutes und an der Position des/der Suszeptorelemente ein starkes Mikrowellenfeld erzeugen.This task is invented in the microwave oven of the type mentioned solved according to the invention in that at a predetermined distance and orientation at least one microwave susceptor element is arranged in the kiln, which heats up in volume under the action of the microwave field and Radiates heat energy to the firing material, and that to the microwave source and / or adjusting means acting on the cavity resonator are provided, which at the position of the firing material and at the position of the susceptor element (s) generate a strong microwave field.

Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, dass ein oder mehrere Mikro wellen-Suszeptorelemente in dem Hohlraumresonator vorgesehen sind, und dass der Hohlraumresonator während eines Betriebsintervalles mit einer ersten Mikrowel lenmode angeregt wird, bei der an den Positionen der Suszeptorelemente ein starkes Mikrowellenfeld erzeugt wird, welches die Suszeptorelemente volumen mäßig aufheizt, die daraufhin ihre Wärmeenergie als Strahlungsenergie gegen das Brenngut abgeben und auf diese Weise das Brenngut an der Oberfläche erhitzt. In einem zweiten Betriebsintervall wird der Hohlraumresonator dann mit einer zweiten Mikrowellenmode erregt, die ihr Maximum im Bereich des Brenngutes hat, so dass dann das Brenngut volumenmäßig von dem Mikrowellenfeld erhitzt wird, während die von den Suszeptorelementen abgegebene Wärmestrahlung noch anhält und die Oberfläche des Brenngutes auf einer hohen Temperatur hält. Auf diese Weise wird der Temperaturgradient vom Innenbereich des Brennguts zu seiner Oberfläche hin reduziert. Durch schnelle aktive Stellelemente für das Mikrowellenfeld werden die Resonanzbedingungen so verändert, dass entweder an der Position des Brenngutes oder an der Position der Suszeptorelemente ein Feldstärkemaximum vorliegt. Durch die Steuerung der zeitlichen Dauer der beiden Betriebsintervalle sowie durch die Steuerung der während der beiden Betriebsintervalle vorliegenden Amplituden des Mikrowellenfeldes lässt sich der Energieeintrag über die Brenngut-Oberfläche bzw. in das Brenngut-Volumen so steuern, dass der Temperaturgradient zwischen dem heißeren Innenbereich und der kühleren Brenngut-Oberfläche in gewünschter Weise einstellt, so dass unerwünschte Wärmespannungen in dem Brenngut weitgehend vermieden werden können.The advantages of the invention are in particular that one or more micro wave susceptor elements are provided in the cavity, and that the cavity resonator during an operating interval with a first microwave lenmode is excited at the positions of the susceptor elements strong microwave field is generated, which volume the susceptor elements moderately heats up, which then their thermal energy as radiation energy against Dispense the firing material and in this way heat the firing material on the surface. In In a second operating interval, the cavity resonator is then operated with a second one Microwave mode excited, which has its maximum in the range of the firing material, so that the volume is then heated by the microwave field while the thermal radiation emitted by the susceptor elements still continues and the Keeps the surface of the fired material at a high temperature. That way the temperature gradient from the interior of the firing material to its surface reduced. With fast active control elements for the microwave field, the Resonance conditions changed so that either at the position of the firing material or there is a field strength maximum at the position of the susceptor elements. By the control of the duration of the two operating intervals and by the Control of the amplitudes of the present during the two operating intervals Of the microwave field, the energy input can be into the firing volume so that the temperature gradient between the hotter interior and the cooler firing surface in the desired manner sets so that undesirable thermal stresses in the material to a large extent can be avoided.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung lassen sich die beiden Betriebsintervalle, die Suszeptorelemente bzw. das Brenngut durch ein Mikrowel lenfeld, d. h. durch zwei verschiedene Mikrowellenmoden aufgeheizt werden, auch zeitlich überlagern, so dass gleichzeitig die beiden Mikrowellenmoden im Hohlraum resonator erregt werden. According to a preferred embodiment of the invention, the two Operating intervals, the susceptor elements or the firing material through a microwave lenfeld, d. H. be heated up by two different microwave modes, too overlap in time so that the two microwave modes in the cavity simultaneously resonator are excited.

Ähnlich wie im Fall eines zeitlichen Wechsels bei einer einzigen Frequenz muss dann für den einen Mikrowellentyp ein Feldstärkemaximum an der Position des Brennguts und für den anderen ein Maximum an der Position der Suszeptorelemen te vorhanden sein. Die Intensität der beiden Mikrowellentypen wird variiert.Similar to the case of a time change at a single frequency then for the one microwave type a field strength maximum at the position of the Brennguts and for the other a maximum at the position of the susceptor elements te be available. The intensity of the two types of microwaves is varied.

Werden die Suszeptoren stärker erwärmt als das Brenngut, so dominiert im we sentlichen der Energieeintrag durch Oberflächenerwärmung. (Die Suszeptoren sind in der Regel geometrisch so angeordnet, dass sie die Bauteiloberfläche/n gleich mäßig erwärmen.) Umgekehrt kann das Brenngut volumenmäßig stärker erwärmt werden als die Suszeptoren, so dass in erster Linie eine Volumenerwärmung stattfindet.If the susceptors are warmed up more than the firing material, the dominant in the we considerably the energy input through surface heating. (The susceptors are usually arranged geometrically so that they equal the component surface (s) warm up moderately.) Conversely, the firing material can be heated up more by volume are called the susceptors, so that primarily volume heating takes place.

Die Temperaturen von Suszeptoren und Brenngut können z. B. mit Pyrometern überwacht werden. Überraschend wurde festgestellt, dass auf diese Weise eine sehr schnelle und präzise Kontrolle von Oberflächen- und Volumenheizung möglich ist. Da ausschließlich Mikrowellenenergie verwendet wird, läßt sich ein entspre chender Ofen im Vergleich zu komplizierten Hybridheiztechniken günstig realisieren. Im Unterschied zu Mikrowellenöfen, bei denen geschlossene Caskets eingesetzt werden, lässt sich der vorgeschlagene Ofen mit In-Situ-Messtechniken kombinie ren. Auf diese Weise kann der Mikrowellenerwärmungsprozess ständig überwacht und präzise gesteuert werden.The temperatures of susceptors and firing material can e.g. B. with pyrometers be monitored. It was surprisingly found that in this way a very quick and precise control of surface and volume heating possible is. Since only microwave energy is used, one can be used low-cost furnace compared to complicated hybrid heating technologies. In contrast to microwave ovens, in which closed caskets are used the proposed furnace can be combined with in-situ measurement techniques In this way, the microwave heating process can be constantly monitored and controlled precisely.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auch eine Kombination mit einer externen Strahlungsheizung möglich ist - durch zusätzliche Fenster kann die Bauteiloberfläche mit Wärmeenergie beaufschlagt werden. Diese Fenster können auch dazu genutzt werden, einen schnellen Wechsel der Bauteile in einer Serienfer tigung zu gewährleisten.Another advantage of the invention is that a combination with an external radiant heating is possible - through additional windows Component surface are exposed to thermal energy. These windows can can also be used to quickly change components in a series production guarantee.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unter ansprüche gekennzeichnet.Advantageous developments of the invention are due to the features of the sub claims marked.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The following is an embodiment of the invention with reference to the drawing explained in more detail. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mikrowellen ofens; und Figure 1 is a schematic representation of a microwave oven according to the invention. and

Fig. 2 ein Blockschaltbild zum Betreiben des Mikrowellenofens gemäß Fig. 1. FIG. 2 shows a block diagram for operating the microwave oven according to FIG. 1.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Mikrowellenofens 1, der zur schnellen Oberflächenerwärmung und Volumenerwärmung von Brenngut dient. Ein Hohlraum resonator 2 besitzt eine zylindrische Form und weist an seinen beiden Stirnseiten 3 je eine Koppeleinrichtung 4 auf, welche zum Einkoppeln und Auskoppeln von Mikrowellenenergie dient. Der Hohlraumresonator 2 ist in seinem Innenraum an seiner inneren Oberfläche mit Isoliermaterial 8 ausgekleidet, um Wärmeverluste nach außen zu reduzieren. In dem freien Innenraum 5 des Hohlraumresonators ist - in der dargestellten Ausführungsform in einer zentralen Position - das Brenngut 20 angeordnet, in vorgegebenem Abstand vom Brenngut 20 sind Suszeptorelemente 10 positioniert, die in der dargestellten Ausführungsform als Scheiben ausgebildet sind. Die Umfangswand 7 des Hohlraumresonators 2 besitzt zwei Fenster 6, außerhalb der Fenster befindet sich ein Pyrometer 22 zur Messung der Temperatur eines Suszeptorelements 10, und ein zweites Pyrometer 24, welches auf das Brenngut 20 gerichtet ist und die Temperatur des Brenngutes misst. Das Isolier material 8 besitzt entsprechende Kanäle, um den Strahlengang der Pyrometer 22, 24 auf das Brenngut und die Suszeptorelemente 10 freizugeben. Fig. 1 shows a schematic diagram of a microwave oven 1 which is used for rapid heating of the surface and volume heating of combustible material. A cavity resonator 2 has a cylindrical shape and has a coupling device 4 on each of its two end faces 3 , which is used for coupling and decoupling microwave energy. The cavity resonator 2 is lined with insulating material 8 on its inner surface in order to reduce heat losses to the outside. In the free interior 5 of the cavity resonator - in the illustrated embodiment in a central position - the firing material 20 is arranged, at a predetermined distance from the firing material 20 susceptor elements 10 are positioned, which are designed as disks in the illustrated embodiment. The peripheral wall 7 of the cavity resonator 2 has two windows 6 , outside the window there is a pyrometer 22 for measuring the temperature of a susceptor element 10 , and a second pyrometer 24 which is directed towards the firing material 20 and measures the temperature of the firing material. The insulating material 8 has corresponding channels to release the beam path of the pyrometers 22 , 24 on the firing material and the susceptor elements 10 .

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild des Mikrowellenschaltkreises. Dieser besteht aus dem Hohlraumresonator 2, an dessen eine Stirnseite eine Koppeleinrichtung 4 in den Hohlraumresonator 2 hineinragt. An die eine Koppeleinrichtung 4 ist ein Phasenschieber 30 angeschlossen, der über eine variable Impedanz 32 mit der Mikrowellenquelle 34, beispielsweise einem Magnetron, verbunden ist. Auf der anderen Stirnseite des Hohlraumresonators 2 ist ebenfalls eine Koppeleinrichtung 4 vorgesehen, die über einen Phasenschieber 30 an einer variablen Impedanz 32 liegt. Einer der Phasenschieber 30 ist elektronisch steuerbar ausgebildet. Der Resonator wird im E_01n-Modus betrieben, so dass das Mikrowellenfeld Zylinder symmetrie besitzt. Die Feldverteilung entlang der Zylinderachse kann mit Hilfe der Phasenschieber 30 innerhalb von wenigen hundert Millisekunden so verändert werden, dass entweder die beiden Suszeptorscheiben 10 oder das Brenngut 20 in einem Feldstärkemaximum liegen. Fig. 2 shows a block diagram of the microwave circuit. This consists of the cavity resonator 2 , on the one end side of which a coupling device 4 projects into the cavity resonator 2 . A phase shifter 30 is connected to the one coupling device 4 and is connected via a variable impedance 32 to the microwave source 34 , for example a magnetron. A coupling device 4 is also provided on the other end face of the cavity resonator 2 and is connected to a variable impedance 32 via a phase shifter 30 . One of the phase shifters 30 is designed to be electronically controllable. The resonator is operated in the E _01n mode, so that the microwave field has cylinder symmetry. The field distribution along the cylinder axis can be changed with the aid of the phase shifters 30 within a few hundred milliseconds in such a way that either the two susceptor disks 10 or the firing material 20 lie in a field strength maximum.

Mit Hilfe der Pyrometer 22, 24 werden die entsprechenden Oberflächentempera turen des Brennguts 20 und der Suszeptorelemente 10 erfasst. Die Betriebsinter valle, nahe derer die Suszeptorelemente 10 bzw. das Brenngut 20 aufgeheizt wird, werden zeitlich so gesteuert, dass stets die gewünschte Temperaturdifferenz zwischen den Suszeptorelementen 10 und dem Brenngut 20 aufrechterhalten wird.With the help of the pyrometers 22 , 24 , the corresponding surface temperatures of the fuel 20 and the susceptor elements 10 are detected. The operating intervals near which the susceptor elements 10 or the firing material 20 are heated are controlled in time so that the desired temperature difference between the susceptor elements 10 and the firing material 20 is always maintained.

Die Koppeleinrichtungen 4 enthalten in den Hohlraumresonator 2 hineinragende Antennen, die bevorzugt innen hohl sind und in ihrem Hohlkanal die Zuführung oder Ableitung von Ofengas ermöglichen oder eine In-Situ-Messung von Eigenschaften des Brenngutes oder der Suszeptorelemente während der Mikrowellenerwärmung zulassen. Durch zusätzliche Fenster ist eine weitere Prozessüberwachung beispiels weise durch CCD-Kameras möglich.The coupling devices 4 contain antennas protruding into the cavity resonator 2 , which are preferably hollow on the inside and allow the supply or discharge of furnace gas in their hollow channel or allow in-situ measurement of properties of the fuel or the susceptor elements during microwave heating. Through additional windows, further process monitoring is possible, for example using CCD cameras.

Claims

1. Microwave oven for heating firing material, with at least one microwave source, a cavity resonator, a coupling device for coupling and uncoupling a microwave field into the cavity resonator, characterized in that at a predetermined distance and alignment to the firing material ( 20 ) at least one microwave susceptor element ( 10 ) is arranged, which heats up in volume under the action of the microwave field and radiates thermal energy to the material to be fired ( 20 ), and that actuating means acting on the microwave source ( 34 ) and / or the cavity resonator ( 2 ) are provided, which at the position of the Firing material ( 20 ) and at the position of the / the susceptor elements ( 10 ) generate a strong microwave field.

2. Microwave oven according to claim 1, characterized in that the adjusting means generate a maximum of the microwave field simultaneously or successively at the position of the firing material ( 20 ) and at the position of the susceptor elements (s) ( 10 ).

3. Microwave oven according to claim 1 or 2, characterized in that the adjusting means in the cavity resonator a first microwave mode, which has a field strength maximum at the position of the / the susceptor elements ( 10 ), and then generate a second microwave mode, which to the position of the fuel ( 20 ) has a maximum field strength.

4. Microwave oven according to one of claims 1 to 3, characterized in that the adjusting means between the microwave source ( 1 ) and the coupling device ( 4 ) contain a phase shifter ( 30 ) and optionally a variable impedance ( 32 ).

5. Microwave oven according to one of claims 1 to 4, characterized in that the cavity resonator ( 2 ) has a cylindrical shape and on its opposite end faces each has a coupling device ( 4 ) that a coupling device ( 4 ) via a phase shifter ( 30 ) and there is a variable impedance ( 32 ) at the microwave source ( 1 ), and the other coupling device ( 4 ) is connected to a variable impedance ( 32 ) via a phase shifter ( 30 ).

6. Microwave oven according to claim 4 or 5, characterized in that the phase shifter ( 30 ) is electrically controllable.

7. Microwave oven according to one of the preceding claims, characterized by a first pyrometer ( 22 ) which measures the temperature of the firing material ( 20 ) through a window ( 6 ) inside the wall of the cavity resonator ( 2 ).

8. Microwave oven according to one of the preceding claims, characterized by a second pyrometer ( 24 ) which measures the temperature of a susceptor element ( 10 ) through a window ( 6 ) in the wall of the cavity resonator ( 2 ).

9. Microwave oven according to one of the preceding claims, characterized by thermal insulation ( 8 ) on the inner surface of the cavity resonator ( 2 ).

10. Microwave oven according to one of the preceding claims, characterized in that the firing material ( 20 ) is positioned in the center of the cavity resonator ( 2 ) and that the susceptor elements ( 10 ) are designed as disks which are at a predetermined distance from the firing material ( 20 ) are positioned.

11. A microwave oven according to any preceding claim, characterized in that an additional window is provided in the wall of the hollow raumresonators (2), and that outside of the cavity resonator (2), a radiant heater is arranged that the firing material (20) through the window acted upon with thermal energy.