DE10005146A1 - Vorrichtung zur Einstellung einer Mikrowellen-Energiedichteverteilung in einem Applikator und Verwendung dieser Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung einer Mikrowellen-Energiedichteverteilung in einem einen Resonatorraum bildenden Applikator, in dem die von Mikrowellengeneratoren erzeugte Strahlung über Hohlleiter bis zur Applikatorwand geführt wird und eine Verwendung dieser Vorrichtung. Um eine möglichst verlustarme Mikrowelleneinspeisung durchführen zu können und eine Änderung der Feldverteilung im Resonatorraum zu ermöglichen, werden mehrere elektrisch leitfähige Koppelstifte (31) verwendet, die jeweils sowohl in den Hohlleiterraum als auch den Applikator-Resonatorraum vorzugsweise senkrecht hineinragen. Diese Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Erzeugung eines Plasmas.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung einer Mikrowellen-Energiedichteverteilung in einem einen Resonator­ raum bildenden Applikator, in dem die von Mikrowellengenerato­ ren erzeugte Strahlung über Hohlleiter bis zur Applikatorwand geführt wird und eine Verwendung dieser Vorrichtung.

In einer typischen industriellen Fertigung, in der Mikrowellen eingesetzt werden, ist der Mikrowellengenerator, der beispiels­ weise ein Magnetron sein kann, mit seiner Stromversorgung getrennt von dem Applikator, in dem die Mikrowellenenergie wirksam werden soll, angeordnet. Hierzu werden Hohlleiter, ggf. neben weiteren Komponenten, verwendet, über die die Mikro­ wellenenergie in den Applikator-Resonatorraum eingespeist wird.

Um in einem Applikator mehrere Moden mit unterschiedlichen Pha­ senlagen zu erzeugen, womit eine homogene Feldverteilung erreicht werden soll, besitzt der Applikator häufig Abmessun­ gen, die ein Vielfaches der Wellenlänge der eingespeisten Mikrowelle betragen. Hierzu kann der Hohlleiter an einer Seite eines quaderförmigen Applikators angeflanscht werden. Dies hat allerdings den Nachteil, daß sich je nach räumlicher Ausdehnung der im Applikator befindlichen Probengruppen aufgrund der Feld­ verteilung nur in einzelnen Bereichen eine ausreichend homogene Feldverteilung erzielen läßt. Abhilfe schaffen geschlitzte Gra­ phitplatten, über die Mikrowellen aus einem Hohlleiter ins Ofeninnere geführt werden; die Hohlleiter befinden sich dann an den Ecken des Applikatorraumes, wobei die Schlitze unter ver­ schiedenen Winkeln angeordnet sind.

Bei stark absorbierenden Materialien in der Resonatorkammer ergeben sich jedoch bei großer Beladung dieser Kammer mit zu erwärmendem Gut große Änderungen der Mikrowellen-Verteilung. Wegen der fest vorgegebenen Anordnung der schlitzförmigen Antennen ist es auch nicht möglich, die Feldverteilung im Reso­ nator-Innenraum in gewünschten Grenzen zu verändern.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrich­ tung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Mikro­ welleneinspeisung möglichst verlustarm durchführbar ist und mit der eine Änderung der Feldverteilung im Resonatorraum möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst, die erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß mehrere elektrisch leitfähige Koppelstifte vorgesehen sind, die jeweils sowohl in den Hohlleiterraum als auch in den Applika­ torraum vorzugsweise senkrecht hineinragen. Solche stiftförmi­ gen Antennen lassen eine größere Feldhomogenität im Resonator­ raum erzeugen, der zudem noch von dem Hohlleiter getrennt ist, so daß etwa im Resonatorraum entstehende Gase nicht in den Hohlleiter eindringen können. Dies ist insbesondere bei der Wärmebehandlung von vorgepreßten Grünlingen, die auf pulverme­ tallurgischem Weg hergestellt worden sind, zu deren Entwachsen (Entbindern) vorteilhaft. Entsprechendes gilt für Sinterpro­ zesse, die in einer carburierenden Atmosphäre ablaufen.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

So sind die Koppelstifte entlang ihrer Längsachse verschiebbar angeordnet, so daß in dem mit zu erwärmendem Gut beladenen Applikator die gewünschte Feldverteilung einstellbar ist. Ggf. lassen sich durch entsprechende Koppelstiftanordnungen gradu­ ierte Felder schaffen, beispielsweise mit einem im Raum anstei­ genden Feld, das vorzugsweise im sogenannten Durchlaufprinzip benötigt wird, d. h. beim translatorischen Bewegen des zu behan­ delnden Gutes durch den Resonatorraum. Feldabhängigkeiten erge­ ben sich sowohl durch die Länge des Koppelstiftes und hier ins­ besondere die jeweiligen Längenanteile des Koppelstiftes, die in den Hohlleiter und in den Resonatorraum hineinragen. Die Koppelstifte können soweit von der Breit- als auch von der Schmalseite im Hohlleiter eingeführt werden.

Bevorzugt werden der Hohlleiter und die Einkoppelfläche des Resonatorraums mit ihren Längsachsen parallel zueinander ange­ ordnet, so daß mehrere in äquidistantem Abstand voneinander angeordnete Koppelstifte mit ihrem einen Ende in den Hohlleiter und mit ihrem anderen Ende in den Resonatorraum hineinragen. Um die Wanddurchführung für die Koppelstifte ist ein Dielektrikum angeordnet. Hierfür bieten sich verschiedene Ausführungsformen an. So kann in einer ersten Variante jeder der Koppelstifte in einer durch die Wand des Hohlleiters und/oder des Applikators ragenden Hülse aus dielektrischem Material verschiebbar geführt werden. In einer zweiten Variante wird der elektrisch leitfä­ hige Koppelstift aus einem Koppelstab und einer diesen umgeben­ den Hülse gebildet, in der der Koppelstab längsaxial verschieb­ bar angeordnet ist. Schließlich kann der Koppelstift an seinem in den Hohlleiter ragenden Ende ein diesen Stift verlängerndes Stück aus einem Dielektrikum aufweisen, das vorzugsweise den Hohlleiterdurchmesser durchragt und an einer am gegenüberlie­ genden Ende befindlichen Hohlleiteröffnung nach außen geführt ist.

Als Material für den Koppelstift bieten sich Graphit, Metall wie z. B. Kupfer, Aluminium, Wolfram oder Molybdän, Metallegie­ rungen wie Messing oder Stahl oder andere Legierungen, die jedoch entsprechend temperaturbeständig sein müssen, oder ein Isolator mit einer elektrischen Beschichtung an, die vorzugs­ weise aus TiN besteht. Als Material für das Dielektrikum werden Bornitrid oder eine Keramik wie Aluminiumoxid, Siliciumnitrid oder Quarz gewählt.

In längsaxialer Richtung des Hohlleiters gesehen ragen die Kop­ pelstifte jeweils im Bereich der Maxima der dort eingespeisten Mikrowelle heraus.

Die Einkoppelung der Mikrowelle kann kapazitiv oder induktiv erfolgen.

Die Geometrie des Stiftes ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung zylindrisch, wobei vorzugsweise die Kanten und Ecken des Stiftes abgerundet sind. In praktischen Anwendungs­ fällen ist der Durchmesser der Koppelstifte zwischen 1 mm bis 30 mm, vorzugsweise 5 mm bis 15 mm, gewählt worden; die Stift­ länge l, mit der die Koppelstifte in den Resonatorraum hinein­ ragen, beträgt l = x . λ (mit 0 ≦ x ≦ 1 und λ = Wellenlänge der Mikrowelle im Hohlleiter), vorzugsweise ist l = λ/4 bis λ/2.

Das Verhältnis des Öffnungsdurchmessers D im Hohlleiter, durch den der Koppelstift geführt wird, zum Koppelstiftdurchmesser d wird so gewählt, daß der Wellenwiderstand angepaßt ist. Die Abstände der Koppelstifte betragen λ/4 bis λ/2 (mit λ = Wellenlänge der Mikrowelle im Hohlleiter).

Das durch die Mikrowelle zu behandelnde Stückgut wird im Appli­ kator-Resonanzraum auf Gitterrosten angeordnet, die aus rundli­ chen Gitterstäben bestehen, die vorzugsweise senkrecht zum elektrischen Feld der Mikrowelle ausgerichtet sind.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die neben- oder aneinanderliegenden Wände des Hohlleiters und des Applika­ tors thermisch gegeneinander isoliert.

Die beschriebene Vorrichtung kann zur Entbinderung von Grünlin­ gen aus einem Binder und einem der nachfolgend genannten Stoffe und/oder zur Sinterung von Hartmetallen, Cermets, pulvermetall­ urgisch hergestellten Stählen oder metallischen oder kerami­ schen Magnetwerkstoffen, insbesondere Ferriten verwendet wer­ den. Spezielle Anwendungsbeispiele sowohl im Hinblick auf die Auswahl der durch Sinterung in einem Mikrowellenfeld herstell­ baren Verbundwerkstoffe als auch verfahrenstechnische Maßnahmen werden in der WO 96/33830 und der WO 97/26383 benannt.

Die genannte Vorrichtung läßt sich jedoch ebenso für die Erzeu­ gung eines Plasma, wie es beispielsweise bei CVD-Beschichtungen benötigt wird, verwenden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dar­ gestellt. Es zeigen Fig. 1 bis 4 jeweils in schematischer Weise verschieden angeordnete Koppelstifte und Dielektrika und Fig. 5 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In den Abb. 1 bis 4 sind ein Hohlleiter 10 mit einer oberen Wand 11 und einer unteren Wand 12 im Querschnitt darge­ stellt. An der Wand 12 des Hohlleiters 10 liegt die Wand 21 des Applikator-Resonanzraumes, von dem der dargestellte Ausschnitt mit 20 bezeichnet ist. Die beiden Wände 12 und 21 sind jeweils in äquidistanten Abständen a durchbrochen, wobei die Abstände a etwa der halben bis der viertel Wellenlänge der Mikrowelle im Hohlleiter 10 entsprechen. In der Praxis wird nur eine der Varianten mit jeweils angeordneten Koppelstiften verwendet. In einer ersten Variante (Fig. 1) ist die Durchbrechung der Wände 12 und 21 von einem kreisrunden Dielektrikum 30 umgeben.

Die mittlere Öffnung des Dielektrikums D, durch die der elek­ trisch leitfähige Koppelstift aus Graphit 31 hindurchgeführt ist, ist relativ zu dem Durchmesser d des zylindrischen Koppel­ stiftes so gewählt, daß der Wellenwiderstand angepaßt ist. Der Koppelstift 31 ragt mit seinen beiden Enden zum einen in den Resonatorraum 20 des Applikators und zum anderen in den Hohl­ leiterinnenraum 10. Der Koppelstift ist in Richtung des Doppel­ pfeiles 32 längsaxial verschiebbar.

In einer weiteren Ausführungsvariante gemäß Fig. 2 ist der Kop­ pelstift 33 in Richtung des Doppelpfeiles 34 in einer Hülse 40 aus einem Dielektrikum verschiebbar. Die Hülse 40 ragt aus­ schließlich in den Resonatorraum 20 des Applikators hinein.

Nach einer weiteren Variante gemäß Fig. 3 besteht der Koppel­ stift 35 aus einem Koppelstab 36, der in Richtung des Doppel­ pfeiles 37 in einer diesen umgebenden Hülse 38 aus elektrisch leitfähigem Material längsaxial in Richtung des Doppelpfei­ les 37 verschiebbar ist.

In einer letzten Variante gemäß Fig. 4 ist der Koppelstift 39 an seinem in den Hohlleiter 10 ragenden Ende mit einer Verlän­ gerung 41 aus einem dielektrischen Material versehen. Der einen gemeinsamen aus Teilen 39 und 41 gebildete Stab ist entlang des Doppelpfeiles 42 längsaxial verschiebbar. Als elektrisch leit­ fähige Koppelstifte 31, 33, 36 und 39 werden Graphitstäbe mit einem Durchmesser d von 3 mm in einem Abstand von 10 mm ange­ ordnet. Durch Verschieben der jeweilige Antennen bildenden Kop­ pelstifte kann nicht nur die Mikrowelle aus dem Hohlleiter in den Applikator-Innenraum 20 übertragen werden, sondern auch durch Ausrichtung der Koppelstifte eine homogene Feldverteilung im Innenraum 20 erzeugt werden.

Fig. 5 zeigt eine schematische Ansicht des Aufbaus der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung, deren wesentlichen Teile ein Kurz­ schlußschieber 49, ein Mikrowellengenerator 44, ein Hohllei­ ter 10, der durch eine Öffnung in der Ofenwand 45 geführt ist und die bereits beschriebene Anordnung der Koppelstifte 31 sind. Der Ofeninnenraum, in dem Hartmetallteile 48 auf Gitter­ rosten angeordnet sind, ist durch eine thermische Isolation 46 nach außen abgeschirmt.

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Einstellen einer Mikrowellen-Energie­ dichteverteilung in einem einen Resonatorraum (20) bilden­ den Applikator, in dem die von Mikrowellengeneratoren erzeugte Strahlung über Hohlleiter (10) bis zur Applika­ torwand geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere elektrisch leitfähige Koppelstifte (31, 33, 36, 38 oder 39) vorgesehen sind, die jeweils sowohl in den Hohlleiterraum als auch den Applikator-Resonatorraum radial hineinragen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstifte entlang ihrer Längsachse verschiebbar angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Hohlleiter (10) und die Einkoppelfläche des Resonatorraums (20) mit ihren Längsachsen parallel zuein­ ander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß um die Wanddurchführung für die Kop­ pelstifte (31, 33, 38) ein Dielektrikum (30, 40) angeord­ net ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstifte (33) in einer durch die Wand (12) des Hohlleiters und/oder des Applika­ tors (21) ragenden Hülse (40) aus dielektrischem Material verschiebbar geführt werden.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitfähige Koppel­ stift (35) aus einem Koppelstab (36) und einer diesen umgebenden Hülse (38), in der der Koppelstab (36) längs­ axial verschiebbar angeordnet ist, gebildet wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelstift (39) an seinem in den Hohlleiter (10) ragenden Ende ein diesen Stift verlängern­ des Stück (41) aus einem Dielektrikum aufweist, das vor­ zugsweise den Hohlleiterdurchmesser durchragt und an einer am gegenüberliegenden Ende befindlichen Hohlleiteröffnung nach außen geführt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelstift aus Graphit, einem Metall wie Kupfer, Aluminium, Wolfram oder Molybdän, einer Metallegierung wie Messing oder Stahl oder einem Isolator mit einer elektrischen Beschichtung, vorzugsweise TiN, und/oder das Dielektrikum (30, 40) aus Bornitrid oder einer Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid, Siliciumnitrid oder Quarz besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstifte (31, 33, 38, 39) jeweils im Bereich der Maxima der Mikrowellenstrahlung im Hohlleiter angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeich­ net durch eine kapazitive oder induktive Einkoppelung der Mikrowellenstrahlung durch Koppelstifte.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelstifte zylinderförmig ausge­ bildet sind, vorzugsweise mit abgerundeten Kanten und Ecken.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (d) der Koppelstifte 1 mm bis 30 mm, vor­ zugsweise 5 mm bis 15 mm, beträgt und/oder die Länge (l), mit der die Koppelstifte (31, 33, 38, 36 und 39) in den Resonatorraum (20) hineinragen, l = x . λ (mit 0 ≦ x ≦ 1 und λ = Wellenlänge der Mikrowelle im Hohlleiter (10), vorzugsweise l = λ/4 bis λ/2 beträgt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des Dielektrikums im Hohlleiter entsprechend dem Wellenwiderstand angepaßt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände (a) der Koppelstifte λ/4 bis λ/2 (mit λ = Wellenlänge der Mikrowelle im Hohllei­ ter (10)) beträgt.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Applikator-Resonanzraum (20) Git­ terroste aus rundlichen Gitterstäben als Unterlage für das Behandlungsgut vorgesehen sind, wobei vorzugsweise die Gitterstäbe senkrecht zum elektrischen Feld der Mikrowelle ausgerichtet sind.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die neben- oder aneinanderliegenden Wände (12, 21) des Hohlleiters (10) und des Applikators thermisch gegeneinander isoliert sind.

17. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, zur Entbinderung von Grünlingen aus einem Binder und nachfolgend genannten Stoffen und/oder zur Sinterung von Hartmetallen, Cermets, pulvermetallurgisch hergestellten Stählen oder metallischen oder keramischen Magnetwerkstof­ fen, insbesondere Ferriten.

18. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zur Erzeugung eines Plasmas.