DE19700141A1

DE19700141A1 - Brennofen für die Hochtemperaturbehandlung von Materialien mit niedrigem dielektrischem Verlustfaktor

Info

Publication number: DE19700141A1
Application number: DE19700141A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Bartusch; Guenter Dipl Phys Dr I Mueller
Original assignee: Gero Hochtemperaturoefen GmbH
Current assignee: Carbolite Gero GmbH and Co KG
Priority date: 1997-01-04
Filing date: 1997-01-04
Publication date: 1998-07-09
Also published as: ATE230199T1; EP0950341A1; CA2276469C; WO1998030068A1; CA2276469A1; US6163020A; EP0950341B1; DE59806718D1; AU6206798A

Description

Die Erfindung betrifft einen Brennofen für die Hochtem peraturbehandlung von Materialien mit relativ niedrigem dielektrischem Verlustfaktor unter Erwärmung des Mate rials 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 Sinterns ruhenden Stapel geeignet ist, ei nen quaderförmigen Hohlraumresonator, innerhalb dessen durch eine quaderförmig gestaltete Wärmedämm-Einrich tung der wiederum etwa quaderförmige Stapelraum abge grenzt ist, der demjenigen Bereich innerhalb des Reso nators entspricht, in dem von einer hinreichend homoge nen 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 entgegenzuwir ken, daß mit zunehmender Erwärmung des Sintergutes die Wärmeabstrahlung aus den randnahen Bereichen des Sin terstapels dazu führt, daß im Inneren desselben eine höhere Temperatur herrscht als in den genannten Randbe reichen, ein Effekt, der für Mikrowellen-Brennöfen cha rakteristisch ist, ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, die es erlaubt, die Randbereiche des Sinterstapels kon ventionell, z. B. mittels einer Widerstandsheizung zu sätzlich zu erwärmen, um auf diese Weise ein ausgegli chenes Temperaturprofil innerhalb des Sinterstapels zu erzielen.

Der bekannte Brennofen ist zwar geeignet, in einem re lativ kleinen Behandlungsbereich etwa gleiche thermi sche Verhältnisse im gesamten Behandlungsvolumen zu er reichen, ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, daß die der Mikrowellenstrahlung ausgesetzte Wärmedämm-Einrich tung den überwiegenden Anteil der eingestrahlten Mikro wellenenergie absorbiert, was zwangsläufig zu einem ho hen Verbrauch an Mikrowellenenergie führt, die nicht für die erwünschte thermische Behandlung des Sintergu tes zur Verfügung steht. Dies ergibt sich daraus, daß in praktischen Fällen das Gesamtvolumen an Isolations material deutlich größer ist als das Volumen des Sin tergutes. Der bekannte Brennofen ist daher als indu striell nutzbarer Ofen nicht geeignet, da eine effi ziente Ausnutzung der Mikrowellenenergie nicht gegeben ist, deren Erzeugung jedoch sehr viel kostenaufwendiger ist als die "konventionelle" Erwärmung mittels einer elektrischen Widerstandsheizung.

Zwar ist durch die WO95/05058 auch ein als Durchlauf ofen ausgebildeter Brennofen bekannt, der als Tunnel ofen mit Heizzonen unterschiedlicher Temperatur ausge bildet ist, durch den das Sintergut über Transportrol len hindurchbewegt wird, wobei die zusätzliche Heizung außerhalb des Behandlungsraumes angeordnet ist und die Wärmedämmung, die die Umgebung gegen den Hochtempera tur-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 rela tiv 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 Mikrowel lenenergie stark absorbieren, nicht jedoch für eine Be handlung von Sintergut mit relativ schwachen dielektri schen Verlusten, die praktisch nur in nennenswerten Stückzahlen in einem Hohlraumresonator mit hoher Feld homogenität behandelt werden können.

Der bekannte Röhrenofen wäre für Materialien mit nie drigem dielektrischem Verlustfaktor, die technisch je doch von hohem Interesse sind, nicht geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Brennofen der eingangs genannten Art anzugeben, der eine Hochtempera turbehandlung von Sintermaterial mit niedrigem dielek trischem Verlustfaktor in einem großen Behandlungsvolu men erlaubt, der aufgrund seiner Abmessungen als Indu strieofen einsetzbar ist und dabei gleichwohl mit einem hohen Nutzungsgrad der Energie betreibbar ist. Des wei teren soll der Brennofen für Anwendungen innerhalb ei nes weiten Temperaturbereiches bis 1800°C geeignet sein.

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

Hierdurch erzielte funktionelle Eigenschaften und Vor teile des erfindungsgemäßen Brennofens sind zumindest die folgenden:
Durch die Einhaltung der Dimensionierungsrelationen ge mäß Merkmal a) ergibt sich bezogen auf die äußeren Ab messungen des Resonators eine für ein großes Behand lungsvolumen, in dem bei gleichmäßiger Beladung mit dem Sintergut eine hohe Anzahl von Sinter-Objekten behan delt werden kann, geeignete Homogenität der Feldvertei lung.

Durch die Verlagerung des Isoliermantels nach außen wird sichergestellt, daß der überwiegende Anteil der erzeugten Mikrowellenstrahlung auch zum jeweils gegebe nen Behandlungszweck genutzt werden kann. Hierdurch ist ein wirtschaftlicher Betrieb des erfindungsgemäßen Brennofens als Industrieofen erst möglich.

Durch die Verwendung von Graphit als Wandungsmaterial für den Hohlraumresonator wird nicht nur der Tempera turbereich, innerhalb dessen eine Hochtemperaturbehand lung von Sintergut möglich ist, drastisch erhöht, son dern es wird auch, verglichen mit einem konventionell in Stahl-Bauweise erstellten Hohlraumresonator auch dessen Gewicht und damit die elektrische Heizleistung der Zu satzheizeinrichtung 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 Mikro wellen-Strahlungsquelle mindestens ein Magnetron vorge sehen, das um eine Mittenfrequenz innerhalb einer Band breite 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 zwi schen 2,438 GHz bis 2,462 GHz entspricht.

Dadurch sind in dem Hohlraumresonator eine hohe Anzahl von Schwingungstypen anregbar, die bei einem Durchstim men des Magnetrons, z. B. zeitperiodisch zwischen den Grenzfrequenzen, zeitlich nacheinander fortlaufend an geregt werden.

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

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 Relaxa tionszeit des Sintergutes.

Diese Maßnahme ist günstig, um innerhalb des Sintergu tes thermische Spannungen zu vermeiden. Derartige Span nungen könnten sich aufbauen, wenn als Folge einer zu geringen Änderungsrate der Frequenz die einer bestimm ten Frequenz entsprechende Feldverteilung, die notwen digerweise inhomogen ist, über zu lange Zeit hinweg aufrechterhalten bliebe.

Im Sinne einer effektiven Verbreiterung des Frequenz bandes, innerhalb dessen der Hohlraumresonator anregbar ist, kann es auch vorteilhaft sein, wenn eine Anzahl n von Magnetrons als Mikrowellenstrahlungsquellen vorge sehen sind, die bei verschiedenen Mittenfrequenzen f_i (i=1 bis n) betreibbar und innerhalb ihrer jeweiligen Bandbreiten Δf_i durchstimmbar sind.

Ein quasikontinuierlicher "lückenloser" Durchstimmbe reich der Frequenz ergibt sich, wenn die Frequenzab stände einander in der Frequenzskala benachbarter Mit tenfrequenzen des Magnetrons der Beziehung (Δf_i+Δf_i+1)/2 genügen.

In bevorzugter Gestaltung des Brennofens ist dessen Hohlraumresonator quaderförmig gestaltet, vorzugsweise so, daß die Kantenlängen l_x, l_y und l_z der Hohlraumbe grenzung mindestens dem 10fachen 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 Gestaltungen ist der Resonator auf einfache Weise aus plattenförmigen Elementen zusam mensetzbar, 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 betreib bar ist, so daß Sinterprozesse in Temperaturbereichen bis zu 1800°C möglich werden.

Bei entsprechend vielzahliger Polygonalität und ggf. regelmäßig-polygonaler Gestaltung des Hohlraumresona tors ist auch der Grenzfall des zylindrisch-rohrförmi gen Resonators in guter Näherung erreichbar.

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

Um die z. B. für ein Sintern des Behandlungsgutes erfor derliche hohe Mikrowellenleistung in einer gleichmäßi gen räumlichen Verteilung in den Hohlraumresonator ein koppeln zu können, ist es vorteilhaft, eine Antennen-An ordnung zu wählen, die gemäß Anspruch 9 eine Rund strahlcharakteristik hat, d. h. eine Richtwirkung weit gehend vermeidet. Eine derartige Antenne ist gemäß den Merkmalen des Anspruchs 10 als ein mehrere Einzelstrah ler umfassender Gruppenstrahler ausgebildet, dessen Ein zelstrahler in einer statistisch verteilten Phasenlage speisbar sind.

Ein solcher Gruppenstrahler ist in bevorzugter Gestal tung 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 Hohlraumresonator einkoppelbar sind, wobei, in Aus breitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gesehen, die Ausdehnung der einzelnen Schlitze zwischen w und λ/2 beträgt, des weiteren der in Ausbreitungs richtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gemessene Abstand aufeinanderfolgender Schlitze der Schlitzanten ne zwischen λ/2 und 3λ/4 beträgt und, bezogen auf die in der Ausbreitungsrichtung verlaufende Längsmittelebe ne des Hohlleiters, der seitliche Abstand der Schlitze von dieser Mittelebene, über die Länge des Hohlleiters hinweg, schrittweise zunimmt, und daß eine statistische Verteilung der Längsschlitze, die die einzelnen Ab strahlelemente bilden, bezüglich der Längsmittelebene 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 ef fektivere Annäherung der Antennencharakteristik an die Rundstrahlcharakteristik ergibt.

In der gemäß Anspruch 13 vorgesehenen, speziellen Ge staltung des Schlitzstrahlers können mindestens einzel ne seiner Schlitze auch schräg zur Ausbreitung des Mik rowellenfeldes im Hohlleiter verlaufen.

Unter dem Gesichtspunkt eines gleichmäßigen Energieein trages in den Hohlraumresonator kann es auch vorteil haft sein, wenn mehrere Gruppenstrahler der vorgenann ten Art vorgesehen sind, wobei sich zum einen stati stisch 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 ("Horn"-Wirkung der Resona torwände) kann es besonders zweckmäßig sein, wenn die Antenne(n) in streifenförmigen Randbereichen ebener Teile der Resonatorwände angeordnet ist/sind, die in unmittelbarer Nähe von Kanten der Resonatorwandung ver laufen, entlang derer ebene Resonator-Innenflächen an einander 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 Wider standheizung ausgebildet, die, entsprechend einem durch ein Programm vorgegebenen Temperatur-Verlauf angesteu ert wird, der dem Temperaturverlauf im Sintergut ent sprechen soll, der seinerseits mittels eines Tempera tursensors, vorzugsweise einem Pyrometer, überwacht wird und zum Soll-Ist-Wert-Vergleich für die Heizung der Resonatorwand 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 zuge ordnete 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 wär medämmenden Isolation außerhalb des Resonator-Hohlrau mes und auch außerhalb der Heizelemente kann die Isola tion selbst aus einem Material auf Graphitbasis gebil det sein, z. B. Graphitfilz und vermittelt dann, eine Anordnung an der Innenseite des den Resonator umgeben den Gehäuses vorausgesetzt, aufgrund der Leitfähigkeit des Graphitmaterials eine wirksame Unterdrückung jeg licher Mikrowellen-Leckstrahlung nach außen.

Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Brennofens ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen Ausführungsbeispiels und möglicher Abwand lungen desselben anhand der Zeichnung. Es zeigen:

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

Fig. 1a eine schematisch vereinfachte, perspektivische Ansicht des Hohlraumresonators und der Anord nung der Behandlungs-Toleranzen;

Fig. 2 Einzelheiten einer zur Einkopplung von Mikro wellenenergie in den Hohlraumresonator des Brennofens gemäß Fig. 1 vorgesehenen Schlitz antennenanordnung, in schematisch vereinfach ter, teilweise abgebrochener perspektivischer Ansichtsdarstellung und

Fig. 2a die Schlitzantenne gemäß Fig. 2 in vereinfach ter Draufsicht.

Der in der Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Brenn ofen ist für eine Temperaturbehandlung, insbesondere zum Sintern, lediglich schematisch angedeuteter Werk stücke 11 gedacht, die durch diese thermische Behand lung erst ihre für einen bestimmungsgemäßen Gebrauch der fertigen Werkstücke erforderlichen Materialeigen schaften und/oder räumliche Abmessungen erlangen.

Typische Werkstücke 11, die auf der Basis von nitrid keramischem Material, insbesondere Si₃N₄ hergestellt sind, z. B. Kugellager, Ventilkörper- und Gehäuse, Dü sen, 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 rela tiv niedrigem dielektrischem Verlustfaktor (tan δ<0.01), die in einem insgesamt mit 12 bezeichneten Sta pel angeordnet sind.

Die Erwärmung des durch die Werkstücke 11 insgesamt ge bildeten Sintergutes erfolgt durch Absorption von Mikro wellen-Energie, die von einer Mikrowellenquelle 13 er zeugt wird und über eine insgesamt mit 14 bezeichnete Antennen-Anordnung mit Rundstrahl-Charakteristik in ei nen insgesamt mit 16 bezeichneten Hohlraumresonator mit elektrisch leitenden Wänden 16 ₁ bis 16 ₆ eingekoppelt wird, der beim dargestellten, speziellen Ausführungs beispiel die Form eines Quaders hat, dessen Abmessungen l_x, l_y und l_z signifikant, z. B. etwa 10mal größer sind als die Wellenlänge λ der mittels der Mikrowellenquel le 13 erzeugbaren Mikrowellen, und jeweils in der Grö ßenordnung

liegen, wobei mit V_res das Volumen des Hohlraumresonators 16 bezeichnet ist (V_res=l_x.l_y.l_z). Der Behandlungsraum, innerhalb dessen das Sinter gut stapelförmig als dielektrische Beladung des Hohl raumresonators 16 auf nicht eigens dargestellte Weise gehalten wird, ist in der Fig. 1a schematisch als mit dem Inneraum des Hohlraumresonators 16 geometrisch ähn licher, zentraler Teilraum 17 repräsentiert, dessen zur thermischen Behandlung des Sintergutes 11 nutzbares Vo lumen ca. 1/3 des Resonatorvolumens V_res betragen kann.

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

wobei mit m, n und o die ganzzahligen Quanten-Zahlen bezeichnet sind, mit denen die Beziehung (1) erfüllbar ist.

Die in einem solchen Hohlraumresonator resonant anreg baren Schwingungstypen ergeben innerhalb des Hohlraum resonators 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 zwi schen 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 Schwin gungstypen anregbar ist und diese Schwingungstypen zu mindest im zeitlichen Mittel überlagerungsfähig sind, wobei die Anzahl ΔN der anregbaren Schwingungstypen durch die Beziehung

gegeben ist, in der mit V_res das Volumen des Hohlraumre sonators, mit λ die Vakuumwellenlänge der Mikrowellen strahlung und mit Q_gesamt die Gesamtgüte der insoweit er läuterten Anordnung 10, 11, 12, 13, 14 bezeichnet ist, die ihrerseits durch die Beziehung

gegeben ist. In dieser Beziehung ist mit Q_res die Güte der Resonatorwand bezeichnet, die durch die Beziehung

gegeben ist, mit Q_ant die Güte der Antennenanordnung, für die die Beziehung

gilt, mit Q_diel die Güte des dielektrischen Sintergutes, für welche die Beziehung

gilt und mit Q_quelle die Güte der Mikrowellenquelle (13) bezeichnet ist, die durch die Beziehung

Q_quelle = 1/B (7)

gegeben ist.

In den Beziehungen (4), (5), (6) und (7) sind mit
A_res die Fläche der Resonatorwand insgesamt,
e die Eindringtiefe in die Resonatorwand
A_ant die abstrahlenden Flächen der Antennenanordnung 14, mit
V_diel das Volumen des dielektrischen Behandlungsgu tes 11, mit
ε_r die Dielektrizitätszahl des Sintergutes 11, mit
tan δ der dielektrische Verlustfaktor des Sinter gutes 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 Resonatorvo lumen V_res beträgt 1,4 m³, so daß das Verhältnis V_res/λ³ einen Wert von etwa 770 hat. Für den Wert A_res der Ge samtfläche der Resonatorwände 16 ₁ bis 16 ₆ ist ein Wert von 7,6 m³ angenommen. Die Resonatorwände 16 ₁ bis 16 ₆ bestehen aus plattenförmigem Graphit-Material, so daß sich bei der angegebenen Frequenz der Mikrowellenquelle eine Eindringtiefe e von 32 µm ergibt, was einer Güte der Resonatorwand von etwa 8600 entspricht.

Für die "strahlende" Antennenfläche ist ein Wert A_ant von 60 cm² angenommen, was einer Güte Q_ant der Antennen-An ordnung von etwa 48000 entspricht. Für das vom Sin tergut 11 eingenommene Volumen von ca. 0.03 m³ ergibt sich ein Wert der Güte Q_diel des Sintergutes 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 Mikrowel lenstrahlung kleiner als 10^-6, was einer Quellengüte Q_quelle von mehr als 10⁺⁶ entspricht. Bei dielektrischer Beladung des Hohlraumresonators im angegebenen Umfang entspricht die Gesamtgüte Q_ges ungefähr der Güte Q_diel des dielektrischen Gutes und die Zahl der anregungsfä higen Schwingungstypen ΔN etwa einen Wert von 9. Hieraus ergibt sich, daß eine genügende Zahl von Schwin gungstypen, die für eine hinreichend gleichmäßige Ver teilung des elektrischen Feldes im Hohlraumresonator notwendig sind, sich nur durch eine breitbandige Mikro wellenquelle erreichen läßt.

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

V_resB/λ³ ≧ 20. (8).

Die Antennenanordnung 14, mittels derer von dem Magne tron 13 erzeugte Mikrowellenenergie in den Hohlraumre sonator 16 einkoppelbar 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 Hohlraum resonators bildenden Längswand 19 eines Rechteck-Hohl leiters 21 (Fig. 2) angeordnet, in dem die von dem Ma gnetron 13 erzeugte, am einen Ende des Hohlleiters 21 in diesen eingespeiste Mikrowellenenergie nur in der TE₁₀-Mode (Grundschwingungstyp) beim dargestellten An ordnungs-Beispiel in der z-Richtung ausbreitungsfähig ist, derart, daß der elektrische Feldvektor rechtwink lig zu der mit den Schlitzen 18 versehenen Hohlleiter-Längs wand 19 verläuft und die Feldverteilung des elek trischen Feldes im Innenraum des Rechteck-Hohlleiters im wesentlichen symmetrisch zu dessen Längsmittelebene 23 verläuft, die sich ihrerseits in Ausbreitungsrich tung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter 21 erstreckt. Diese Abstrahlschlitze 18 sind, über die Länge l_x des Rechteck-Hohlleiters 21 derart verteilt angeordnet, daß pro Abstrahlschlitz 18 jeweils gleiche oder annähernd gleiche Beträge von Mikrowellenenergie in den Hohlraum resonator 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 Hohl leiter 21 gesehen, beträgt der Abstand aufeinanderfol gender Schlitze der Schlitzantenne 14 zwischen λ/2 und 3λ/4, wobei abweichend von der zur Erläuterung ge wählten 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 Konfi guration der Schlitzantenne 14, bei der die Abstrahl schlitze parallel zu dieser Längsmittelebene 23 verlau fen, beträgt die Länge der einzelnen Schlitze 18 zwi schen λ/4 und λ/2 und ist signifikant größer als die rechtwinklig zur Längsmittelebene 23 bzw. der Ausbrei tungsrichtung der Mikrowellenenergie im Rechteck-Hohl leiter gemessene Weite w der Schlitze. Über die Länge des Rechteck-Hohlleiters 21 hinweg gesehen, an dessen einem Ende die von dem Magnetron 13 erzeugte Mikrowel lenenergie eingespeist wird, nimmt der seitliche Ab stand 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 Schlitz abstände d, gesehen in Ausbreitungsrichtung des Mikro wellenfeldes im Rechteck-Hohlleiter 21, einer "binären" Zufallsfolge von Schlitz-Paarungen (1,0) und (0,1), wo bei (1,0) bedeutet, daß ein Schlitz 18' auf der einen, "linken" Seite der Längsmittelebene 23 des Rechteck-Hohl leiters 21 vorhanden ist, jedoch nicht ein zu die sem symmetrisch angeordneter Schlitz 18'' und die Kom bination (0,1), daß auf der anderen "rechten" Seite der Längsmittelebene 23 ein Abstrahlschlitz 18'' vorhanden ist, nicht jedoch auf der der gegenüberliegenden, "lin ken" Seite. Die Kombination (1,1), die einem Phasenun terschied des über einander genau gegenüberliegend an geordnete Abstrahlschlitze 18' und 18'' abgestrahlten Feldes von π/2 entsprechen würde, sowie die Kombina tion (0,0) sind bei dem zur Erläuterung gewählten Aus führungsbeispiel, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, ausgeschlossen. Die insoweit ihrem prinzipiellen Aufbau nach erläuterte Schlitzantenne wirkt als Gruppenstrah ler, dessen durch die Schlitze 18 bzw. 18' und 18'' ge bildeten Einzelstrahler mit statistisch verteilter Pha senlage speisbar sind, wodurch die Abstrahlcharakteri stik der Antennen-Anordnung 14 in sehr guter Näherung eine Rundstrahlcharakteristik ist.

Der zur Speisung der Abstrahlschlitze 18 der Antennenan ordnung 14 vorgesehene Rechteck-Hohlleiter 21 ist, ent sprechend der schematischen Darstellung der Fig. 1 in einen prismatischen Graphitkörper 24 integriert, dessen äußere Querschnittskontur derjenigen eines gleichschenk lig-rechtwinkligen Dreiecks entspricht, durch dessen Hypothenuse 26 in der Darstellung der Fig. 1 eine Reso natorhohlraum-Begrenzungsfläche repräsentiert ist, die in einem Eckbereich des Hohlraumresonators 16 zwischen den im Bereich der Antennenanordnung 14 rechtwinklig aneinander angrenzenden Resonatorwänden 16 ₂ und 16 ₄ vermittelt, wobei die den Hohlleiter-Innenraum 22 be grenzenden Wellenleiter-Flächen paarweise parallel bzw. senkrecht zu den schrägen inneren Längebegrenzungsflä che 26 des Hohlraumresonators 16 verlaufen.

Um zur Erhöhung der Anzahl der im Hohlraumresonator an regbaren Schwingungstypen, was der Gleichmäßigkeit der Feldverteilung im Hohlraumresonator zugute kommt, die "effektive" Güte Q_quelle des als Energiequelle vorgesehe nen Magnetrons zu verringern, ist eine Gestaltung des Magnetrons 13 vorgesehen, bei der dessen Schwingungs frequenz innerhalb einer Bandbreite von 1/100 der Grundfrequenz f von 2,45 GHz variierbar ist. Die Zy kluszeiten der Frequenzvariation, die mittels einer elektronischen Steuereinheit 27 steuerbar ist, sind auf das thermische Relaxationsverhalten des Sintergutes 11 dahingehend abgestimmt, daß sie klein gegen die thermi sche Relaxationszeit des jeweils zu behandelnden Sin tergutes sind. Demgemäß ist die elektronische Steuer einheit 27 so ausgelegt, daß die Zykluszeiten zwischen 0,05 und 1 Sekunde betragen können.

Dem Zweck einer - im zeitlichen Mittel - Reduzierung der Quellengüte Q_quelle kann, was nicht eigens darge stellt ist, auch die Maßnahme dienen, daß mehrere Ma gnetrons als Mikrowellen-Strahlungsquelle vorgesehen sind, die bei verschiedenen Grundfrequenzen f_i (i=1 . . . n) betreibbar sind und jeweils entsprechende charakteristi sche Bandbreiten B_i haben, wobei es dann zweckmäßig ist, daß die Frequenzabstände Δf_i der einander in der Fre quenzskala benachbarten Magnetron-Schwingungsfrequen zen, zumindest annähernd dem Wert

entsprechen.

Wenn zur Einstrahlung von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresonator 16 zwei oder mehr Antennen-Anordnun gen 14 vorgesehen sind, so ist es zweckmäßig, wenn die se azimutal etwa äquidistant um eine parallel zu den Polygonkanten des Resonator-Hohlraumes verlaufende "zentrale" Achse gruppiert sind, um eine gleichmäßige Einstrahlung von Mikrowellenenergie in den Behandlungs raum 17 des Hohlraum-Resonators zu erzielen.

Der Brennofen 10 ist mit einer insgesamt mit 28 be zeichneten Heizeinrichtung versehen, die entsprechend der Anzahl der großflächigen Wandelemente 16 ¹ bis 16 ₆ des Hohlraumresonators 16 ihrerseits sechs elektrische Widerstands-Heizelemente 28 ₁ bis 28 ₆ umfaßt, deren Heizleistungen individuell steuerbar sind, so daß die Temperatur der Wandelemente 16 ₁ bis 16 ₆ individuell beeinflußbar ist. Die Wandelemente 16 ₁ bis 16 ₆ sind mit mindestens je einem Temperatursensor 29 ₁ bis 29 ₆ be stückt, die für die Istwerte der Wandtemperaturen cha rakteristische elektrische Ausgangssignale erzeugen.

Des weiteren ist ein insgesamt mit 32 bezeichnetes Py rometer vorgesehen, mittels dessen die Temperatur des Sintergutes 11 erfaßbar ist. Dieses Pyrometer 32 umfaßt einen an geeigneter Stelle im Stapel 12 angeordneten Probekörper 33 und einen elektronisch-optischen Sensor 34, mittels dessen die Strahlungstemperatur des Probe körpers 33 erfaßbar ist, so daß ein hierfür charakteri stisches elektrisches Ausgangssignal des Sensors 34 ein genaues Maß für die Temperatur des Sintergutes 11 ist. Die elektronische Steuereinheit 31 der Heizeinrichtung 28 vermittelt eine vergleichende Verarbeitung der Ist wert-Ausgangssignale der Pyrometer-Anordnung 32 sowie der Temperatursensoren 29 ₁ bis 29 ₆ und vermittelt auch eine Ansteuerung der Heizelemente 28 ₁ bis 28 ₆ sowie der Leistungs-Steuerung der Mikrowellenquelle 13 in dem Sinne, daß die Wandtemperatur des Hohlraumresonators 16 insgesamt möglichst exakt der Temperatur des Sintergu tes 11 entspricht. Der zeitliche Verlauf der Ofentempe ratur, d. h. sowohl der Temperatur des Sintergutes als auch der Resonator-Wandtemperatur(en) wird nach einem Programm gesteuert, das unter Berücksichtung der Mate rialeigenschaften und der geometrischen Abmessungen der Werkstücke 11 ein qualitativ gutes Behandlungsergebnis ergibt.

Der Hohlraumresonator 16 und die zur Beheizung seiner Wände 16 ₁ bis 16 ₆ vorgesehenen Heizelemente 28 ₁ bis 28 ₆ der Heizeinrichtung 28 sind innerhalb eines stabilen Stahlgehäuses 36 angeordnet, das zum Zweck der Möglich keit einer Schutzgas-Spülung seines Innenraumes 17 ein schließlich des Resonator-Hohlraumes oder einer Evaku ierung derselben gasdicht ausgeführt ist. Das Stahlge häuse 36 ist zum Zweck der Wärmeisolierung seines In nenraumes gegenüber dem Umgebungsraum des Brennofens 10 innenseitig mit einer Wärmedämmschicht 38 ausgekleidet, die aus einem hochtemperaturfesten Isolationsmaterial, z. B. Graphitfilz besteht.

Claims

1. Brennofen für die Hochtemperaturbehandlung von Ma terialien mit relativ niedrigem dielektrischen Ver lustfaktor (tan δ) unter Erwärmung des Materials durch Absorption von Mikrowellenenergie in einem Hohlraumresonator, in dem das Behandlungsgut inner halb eines zentralen Teilbereiches des Resonators angeordnet ist, in dem, z. B. durch breitbandige Einstrahlung von Mikrowellenenergie 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 innerhalb eines ge ringen Toleranzbereiches denselben Betrag hat, wo bei eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist, mittels derer die Resonatorwand auf die im Be handlungsgut 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 Strahlungs quelle (13) sind dahingehend aufeinander abge stimmt, daß die Relation:
erfüllt ist, worin mit V das Volumen des Hohl raumresonators (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 lich ten Abmessungen l_x, l_y und l_z des Hohlraumreso nators (16) in den Koordinatenrichtungen x, y und z jeweils einen Wert um
haben;
b) die Heizeinrichtung (28) ist außerhalb des Hohl raumresonators (16), die Resonatorwand unmittel bar umgebend angeordnet, und der Wärmedämmantel (38) ist die den Hohlraumresonator (16) und die Heizeinrichtung (28) umfassende Baugruppe außen seitig umschließend angeordnet;
c) die Resonatorwand (16 ₁ bis 16 ₆) besteht aus Gra phit oder einem hiermit äquivalenten temperatur beständigen und elektrisch leitfähigen Material.

2. Brennofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Mikrowellen-Strahlungsquelle (13) ein Ma gnetron vorgesehen ist, das bei einer Grundfrequenz f innerhalb einer Bandbreite B=Δf/f von vorzugs weise 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 um 100 ms betragen.

4. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl n von Magnetrons als Mikrowellen-Strahlungsquelle vorgesehen sind, die bei verschiedenen Mittenfrequenzen f_i (i=1 bis n) betreibbar sind und jeweils charakteristische Band breiten B_i haben.

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

6. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (16) qua derförmig gestaltet ist, wobei die Kantenlängen l_x, l_y und l_z der Hohlraum-Begrenzung mindestens dem 10fachen Wert der Wellenlänge der Mikrowellenstrah lung entsprechen.

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

8. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator (16) aus vorzugsweise plattenförmigem Graphit-Material (16 ₁ bis 16 ₆) zusammengesetzt ist.

9. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der Mikrowel lenenergie in den Hohlraumresonator (16) eine An tennenanordnung (14) vorgesehen ist, die eine Rund strahlcharakteristik hat.

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

11. Brennofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Gruppenstrahler als Schlitzstrahler ausge bildet 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 Be träge von Mikrowellenenergie in den Hohlraumresona tor (16) einkoppelbar sind, wobei, in Ausbreitungs richtung des Mikrowellenfeldes im Hohlleiter gese hen, die Ausdehnung der einzelnen Schlitze (18) zwischen w und λ/2 beträgt, des weiteren der in Ausbreitungsrichtung des Mikrowellenfeldes im Hohl leiter gemessene Abstand aufeinanderfolgender Schlit ze 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 stati stische Verteilung der Längsschlitze, die die ein zelnen Abstrahlelemente bilden, bezüglich der Längs mittelebene (23) des Hohlleiters vorgesehen ist.

12. Brennofen nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß über die Länge des zur Speisung der Antennen schlitze (18) vorgesehenen Hohlleiters (21) minde stens 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, da durch gekennzeichnet, daß zur Einkopplung der Mik rowellenenergie in den Hohlraumresonator (16) min destens zwei Gruppenstrahler, insbesondere Schlitz antennen-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, da durch gekennzeichnet, daß die jeweilige Antennenan ordnung (14) in einem streifenförmigen Randbereich der Resonatorwand angeordnet ist, die in unmittel barer Nähe einer Innenkante der Resonatorwand ver läuft.

17. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß die zur Einstellung eines erwünschten Temperaturprofils im Behandlungsbereich des Hohlraum-Resonators vorgesehene Heizeinrichtung (28) als elektrische Widerstandsheizung ausgebildet ist, die die Temperatur der Resonatorwände (16 ₁ bis 16 ₆) auf einem Wert hält, der dem Wert der Tem peratur in einem zentralen Bereich des Sintergut-Stapels (12) entspricht, der, vorzugsweise mittels eines Pyrometers (32), als Temperatur-Istwert er faßt wird, und seinerseits programmgesteuert einer vorgegebenen Zeitabhängigkeit folgend, einstellbar ist.

18. Brennofen nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedenen Wandbereichen (16 ₁-16 ₆) des Hohl raumresonators (16) einzeln zugeordnete Temperatur sensoren (29 ₁ bis 29 ₆) vorgesehen sind, mittels derer die ggf. verschiedenen Resonatorwand-Tempera turen erfaßbar sind, und daß die Heizeinrichtung (28) den hinsichtlich der Temperatur individuell überwachten Wandbereichen zugeordnete Heizelemente (28 ₁ bis 28 ₆) umfaßt, die ihrerseits individuell ansteuerbar sind.

19. Brennofen nach einem der Ansprüche 1 bis 18, da durch gekennzeichnet, daß die zur Wärmeisolation des Hohlraumresonators (16) gegenüber der äußeren Umgebung des Brennofens (10) vorgesehene Wärmedämm-Ein richtung als eine an der Innenseite eines den Hohlraumresonator (16) und die Heizeinrichtung (28) aufnehmenden Ofen-Gehäuses (36) angeordnete, ihrer seits auf der Basis eines Graphit-Materials, insbe sondere Graphitfilz hergestellte, mit einer Mindest-Leit fähigkeit behaftete Auskleidungsschicht (38) ausgebildet ist.