DE10114021B4 - Wärmestrahleinrichtung zur zusätzlichen gezielten thermischen Prozessierung eines Objekts in einem Mikrowellenofen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur zusätzlichen gezielten thermischen Prozessierung eines Objekts in einem Mikrowellenofen mit einer Wärmestrahleinrichtung (A) und einer Diagnostikeinrichtung (B) zur thermischen Zustandserfassung des Objekts, bestehend aus:
– mindestens einer Wärmestrahlungsquelle als Wärmestrahleinrichtung (A), die im Infrarotbereich f_infrarot abstrahlt, und
– optischen Mitteln (D, E) zur Strahlformung und Strahlführung des mindestens einen Strahls auf ein in dem Mikrowellenofen angeordnetes, zu prozessierendes Objekt (L),
– wobei sich die Wärmestrahlungsquelle (A) und die optischen Mittel (D, E) außerhalb des Mikrowellenofens befinden,
die Wärmestrahlungsquelle (A) entweder ein Heizstrahler ist, der im Infrarotbereich um die Frequenz f_infrarot schmalbandig mit Δf_infrarot inkohärent abstrahlt oder ein kohärent mit der Frequenz f_infrarot = f_Laser abstrahlender Infrarotlaser ist,
einem jedem Wärmestrahl ein Durchgang (G) in der Wand des Mikrowellenofens zugeordnet ist,
– mindestens einem Pyrometer (B) als Diagnostikeinrichtung (B) außerhalb des Mikrowellenofens, das im Bereich fPyr min < f < fPyr ...

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur zusätzlichen gezielten thermischen Prozessierung eines Objekts in einem Mikrowellenofen mit einer Wärmestrahleinrichtung und einer Diagnostikeinrichtung zur Zustandserfassung des Objekts.
• Mit der Wärmestrahlungseinrichtung soll in dem in einem Mikrowellenofen angeordneten Objekt, das Prozeßgut, während des Prozessierens eine homogene oder zumindest eine nahezu homogene Temperaturverteilung eingestellt werden können. Um dies während des Prozeß stets beurteilen zu können, muß der thermische Zustand des Objekts detektiert werden.
• In der DE 196 33 247 wird ein Mikrowellenofen zur Sinterung von Sintergut beschrieben, der in seinem Innern mindestens eine Wärmestrahlungsquelle aufweist, die die Abstrahlverluste über die Sintergutoberfläche kompensiert oder das Sintergut über die Oberfläche aufheizt. Der Mikrowellenofen stellt gleichzeitig einen Hohlraumresonator dar und hat eine Mikrowelleneinkoppelvorrichtung, so daß die eingekoppelte Mikrowelle geeigneter Frequenz den zu prozessierenden Sinterkörper volumenmäßig aufheizt. Der Mikrowellenofen, d.h. der Mikrowellenhohlraumresonator ist ein prismatischer oder ein aus mit nach innen gewölbten Wänden bestehender Hohlraum mit polygonalem, mindestens viereckigem Querschnitt, an dessen inneren Kanten im Bereich geringer Feldstärke die Wärmestrahlungsquellen angebracht sind. Die inneren Mikrowellenofenwände sind wärmeverspiegelt und befinden sich während des Prozessierens auf Raumtemperatur oder allenfalls etwas darüber. Mit den zusätzlichen Wärmestrahlungsquellen im Innern des Mikrowellenofens/Hohlraumresonators soll die Wärmestrahlung von heißem Gut auf die kalten Wände des Prozessraums kompensiert werden, um den inversen Temperaturgradienten im Gut zu reduzieren.
• In der DE 39 31 859 A1 wird eine Vorrichtung zur zusätzlichen gezielten Prozessierung eines Objekts in einem Mikrowellenofen mit einer Wärmestrahleinrichtung beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus mindestens einer Wärmestrahlungsquelle als Wärmestrahleinrichtung, die im Infrarotbereich abstrahlt. Sie hat optische Mittel zur Strahlführung des mindestens einen Strahls auf ein in dem Mikrowellenofen (Resonator) angeordnetes, zu prozessierendes Objekt, wobei sich die Wärmestrahlungsquelle und die optischen Mittel außerhalb des Mikrowellenofens befinden. Die Wärmestrahlungsquelle ist ein Heizstrahler in Form einer Lampe, der im Infrarotbereich schmalbandig, im Bereich der Bandbreite der Lampe inkohärent abstrahlt. Der einem jeden Wärmestrahl zugeordnete Durchgang in der Wand des Mikrowellenofens ist mikrowellenundurchlässig (Gittereigenschaft). Die optischen Mittel bestehen aus einem Reflektor im Strahlengang der von der Wärmestrahlungsquelle abgestrahlten Infrarotstrahlung, der den Strahl durch die Wand des Resonators hindurch auf das im Mikrowellenofen angeordnete, zu prozessierende Objekt lenkt.
• Auch wenn damit das Problem des inversen Temperaturgradienten abgeschwächt werden konnte, haben sich in der Praxis weitere Probleme gezeigt:
  Die als Zusatzheizung dienenden Halogen-Heizstrahlern an der Stelle eines niedrigen elektromagnetischen Feldes im Innern des Hohlraumresonators werden durch dieses oft doch noch zum Glimmen gebracht, wodurch das Prozeßgut indirekt, nicht kontrollierbar – insbesondere örtlich nicht – geheizt wird.
• Bei einer pyrometrisch durchgeführten Temperaturmessung lässt es sich nicht vermeiden, daß die breitbandige Strahlung der Zusatzheizer das Ergebnis verfälscht. Ein gezieltes Heizen nur von Teilen des Guts ist zu dem nicht möglich.
• Das Prozeßgut wird gewöhnlich durch ein Beobachtungsrohr mittels einer Kamera betrachtet. Wegen der von der Zusatzheizung erzeugten Strahlung ist es schwierig, zu erkennen, wann das Gut zu glühen anfängt.
• Oftmals kommt es während des Prozessierens aufgrund der vorhandenen Mikrowelle zu Überschlägen bzw. Blitzerscheinungen an der Oberfläche des Prozeßgutes. Während des gesamten Prozesses kann dies nicht detektiert werden.
• Diese Prozeßmängel führten zu der Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, nämlich Objekte, die in einem Mikrowellenofen prozessiert werden sollen, zur Einstellung eines homogenen oder nahezu homogen, zumindest unproblematischen Temperaturgradienten im gesamten Prozeßkörpervolumen zusätzlich gezielt örtlich zu erwärmen und den Prozeß begleitend verfolgen zu können.
• Die Aufgabe wird durch eine Wärmestrahleinrichtung A und eine Diagnostikeinrichtung B gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
• Die mindestens eine Wärmestrahlungsquelle strahlt im Infrarotbereich f_infrarot ab. Optische Mittel zur Strahlformung und Strahlführung lenken den Strahl von der Wärmestrahlungsquelle auf ein in einem Mikrowellenofen angeordnetes und zu prozessierendes Objekt, und zwar in der Art, dass der Temperaturgradient unterhalb einer vorgegebenen Schranke im Prozeßkörpervolumen während des thermischen Prozessierens eingestellt und aufrecht erhalten werden kann.
• Die Wärmestrahlungsquelle und die optischen Mittel befinden sich außerhalb des Mikrowellenofens. Die Wärmestrahlungsquelle ist entweder ein Heizstrahler, der im Infrarotbereich bei der Frequenz f_infrarot schmalbandig im Bereich Δfinfrarot = finfrarot max – finfrarot min inkohärent abstrahlt, oder sie ist ein kohärent mit der Frequenz Δfinfrarot = fLaser abstrahlender Infrarotlaser. Jedem Strahl ist in der Wand des Mikrowellenofens ein mikrowellenundurchlässiger Durchgang zugeordnet.
• Das mindestens eine Pyrometer ist außerhalb des Mikrowellenofens aufgestellt und im Bereich fPyr min < f < fPyr max empfindlich. Es erfaßt die Abstrahlung des Objekts L durch einen zugeordneten mikrowellenundurchlässigen Durchgang in der Wand des Mikrowellenofens. Zur Überwachung von mikrowellenbedingten elektrischen Überschlägen auf der Objektoberfläche befindet sich außerhalb mindestens ein Lichtbogen-Detektor, der durch einen zugeordneten, mikrowellenundurchlässigen Durchgang in den Mikrowellenofen blickt.
• Die Wärmestrahleinrichtung A dient zur zusätzlichen örtlich gezielten thermischen Prozessierung des im Mikrowellenofen angeordneten Objekts L. Strahlt die Wärmestrahlungseinrichtung nicht im Bereich optischer Frequenzen, so läßt sich mit Hilfe einer Infrarotkamera beobachten, ob das Prozeßobjekt zu glühen beginnt. Auch kann die Strahlführung so geschwenkt werden, daß nur vorgesehene Stellen des Objekts L lokal erhitzt werden. Dies ist von Vorteil, wenn Arbeiten, wie etwa mikrowellenunterstütztes Schweißen, durchzuführen sind.
• In den Unteransprüchen 2 und 3 sind weitere vorteilhafte Einrichtungen beschrieben, die eine zuverlässige Diagnostik zulassen.
• Im optischen Weg zwischen Objekt L und Pyrometer B befindet sich außerhalb des Mikrowellenofens ein Filter I, das mit seinem Sperrbereich Δf_Filter innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs des Pyrometers B liegt und den Strahlungsbereich der Wärme strahleinrichtung A überdeckt. Dieses Filter I filtert die Infrarotstrahlung f_infrarot der Strahlungsquelle A heraus. Hierzu liegt der Frequenzbereich f_infrarot der von der Wärmestrahleinrichtung A emittierten Strahlung innerhalb des Sperrbereichs des Filters I, also: fFilter min < finfrarot < fFilter max.
• Der Sperrbereich von f_{Filter min} bis f_{Filter max} des Filters I liegt innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs f_{Pyr min} bis f_{Pyr max} des Pyrometers B, also fPyr min < fFilter < fPyr max.
• Wenn kein Filter I benötigt wird, liegt der abgestrahlte Frequenzbereich der Wärmestrahleinrichtung A f_infrarot entweder diesseits, also finfrarot < fPyr min,oder jenseits fPyr max < finfrarot.des Empfindlichkeitsbereichs des Pyrometers B.
• Der Lichtbogen-Detektor C ist in einem Band Δf_infrarot oder auf einer Linie f_infrarot empfindlich. Im optischen Weg zwischen dem Objekt L und Lichtbogen-Detektor befindet sich ein Filter I, das die Infrarotstrahlung der Wärmestrahlungsquelle A herausfiltert.
• In der Zeichnung ist eine solche Wärmestrahleinrichtung A und Diagnostikeinrichtung B um den Mikrowellenofen herum schematisch dargestellt. Anhand dieser wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert. Es zeigt:
• 1 den schematischen, perspektivischen Aufbau der gesamten Wärmeprozessanlage,
• 2 die Draufsicht mit Schnitt durch den Resonator und den Umlenkspiegel,
• 3 die perspektivische Draufsicht.
• In einem Ausführungsbeispiel wird als Wärmestrahlungsquelle ein Infrarotlaser A eingesetzt, der mit der Frequenz f_infrarot = f_Laser = 30 THz, äquivalent 10,552 und 10,612 μm, strahlt und eine Leistung von 100 W hat. Solche Strahlenquellen sind kommerziell erhältlich. Entsprechend der notwendigen Wärmeleistung wird die Leistungsanforderung gesteuert. Statt des Infrarotlasers A kann auch eine schmalbandige (Δf_infrarot), inkohärente Infrarotquelle A, wie ein für den Prozeß geeigneter Heizstrahler eingesetzt werden.
• Die 1 zeigt die perspektivische Darstellung der Prozesskammer, den Resonator, die außen angeordnete Wärmestrahlungsquelle A in Form des CO₂-Lasers, der im o.a. Bereich abstrahlt, und das Detektionsmittel für Wärmestrahlung, das Pyrometer B. Der Prozesskörper, das Objekt L, ist hier quaderförmig und im Zentrum des Resonators angeordnet.
• Der vom Infrarotlaser A emittierte, kohärente Infrarotlichtstrahl wird über die erste im Strahlengang auf der Strahlachse positionierte Linse E aufgeweitet, trifft dann zur Strahlumlenkung auf den Reflektor D und wird im weiteren Strahlengang mit der zweiten Linse E zum Parallelstrahl vorgesehenen Durchmessers gebündelt. Danach tritt er durch ein infrarotdurchlässiges Fenster G in der Wand des Resonators, um schließlich auf den ausgestellten Prozeßkörper L im Resonatorzentrum zu treffen und thermisch einzuwirken. Der Reflektor D (1, 2 und 3) ist nicht eben, er soll nämlich neben der reinen Strahlreflexion gleichzeitig eine Phasenkorrektur durchführen – zumindest in Grenzen.
• Die im Prozeßkörperolumen L ganz oder lokal erzeugte Wärme, bewirkt ein breitbandige Wärmeabstrahlung über die Körperoberfläche. Diese wird mit dem Pyrometer B mit seiner breitbandigen Empfindlichkeit von f_{Pyr min} bis f_{Pyr max} detektiert. Das Fil ter I im Strahlengang von der Oberfläche des Prozeßkörpers L zum Pyrometer B sperrt mindestens über die Bandbreite Δfinfrarot = fHeizstrahler max – fHeizstrahler min der Wärmestrahlungsquelle A und läßt die Bereiche links und rechts davon zur Detektion durch.
• Es kann nützlich oder gar notwendig sein, die Strahlauskopplung zur Detektion mit einem kleinen Glasfaserbündel H kleiner Stirnfläche aufzubauen. Hierzu wird mit der Glasfaser J in der Resonatorraum geschaut und die Wärmeabstrahlung von der zur Glasfaserstirn gerichteten Fläche des Prozesskörpers L aufgenommen. Im weiteren Glasfaserverlauf zum Pyrometer B, eventuell aus Schutzgründen weiter weg vom Resonatorvolumen aufgestellt, ist das Filter I mit seinem o.e. Sperrbereich eingebaut. Damit erfaßt auch so das Pyrometer B das Wärmeabstrahlspektrum, in dem das schmale Band Δf_Filter und damit sicher Δf_infrarot ausgeblendet ist.
• Eventuelle Oberflächenüberschläge auf dem Prozesskörper L bei Mikrowellenbetrieb werden mit dem Lichtbogen-Detektor C, in 2 angedeutet, detektiert. Dieser steht im Strahlengang nach dem Filter E und ist hier nur symbolisch angedeutet.

A

Wärmestrahleinrichtung, Infrarotlaser, Heizstrahler

B

Diagnostikeinrichtung, Pyrometer

C

Lichtbogen-Detektor

D

optische Mittel, Reflektor

E

optische Mittel, Linse

G

Durchgang

H

Durchgang

I

Filter

J

Glasfaser

L

Objekt, Prozeßkörper, Prozeßkörpervolumen

Claims (3)

1. Vorrichtung zur zusätzlichen gezielten thermischen Prozessierung eines Objekts in einem Mikrowellenofen mit einer Wärmestrahleinrichtung (A) und einer Diagnostikeinrichtung (B) zur thermischen Zustandserfassung des Objekts, bestehend aus: – mindestens einer Wärmestrahlungsquelle als Wärmestrahleinrichtung (A), die im Infrarotbereich f_infrarot abstrahlt, und – optischen Mitteln (D, E) zur Strahlformung und Strahlführung des mindestens einen Strahls auf ein in dem Mikrowellenofen angeordnetes, zu prozessierendes Objekt (L), – wobei sich die Wärmestrahlungsquelle (A) und die optischen Mittel (D, E) außerhalb des Mikrowellenofens befinden, die Wärmestrahlungsquelle (A) entweder ein Heizstrahler ist, der im Infrarotbereich um die Frequenz f_infrarot schmalbandig mit Δf_infrarot inkohärent abstrahlt oder ein kohärent mit der Frequenz f_infrarot = f_Laser abstrahlender Infrarotlaser ist, einem jedem Wärmestrahl ein Durchgang (G) in der Wand des Mikrowellenofens zugeordnet ist, – mindestens einem Pyrometer (B) als Diagnostikeinrichtung (B) außerhalb des Mikrowellenofens, das im Bereich fPyr min < f < fPyr max empfindlich ist und das die Abstrahlung des Objekts (L) durch einen zugeordneten Durchgang (G) in der Wand des Mikrowellenofens hindurch erfaßt, – mindestens einem Lichtbogen-Detektor (C) außerhalb des Mikrowellenofens, der mikrowellenbedingte elektrische Überschläge auf der Oberfläche des Objekts (L) durch einen weiteren Durchgang (H) in der Wand des Mikrowellenofens hindurch erfasst, wobei – die optischen Mittel (D, E), bestehend aus Reflektor (D) und Linsen (E) im Strahlengang der von der Wärmestrahlungsquelle (A) abgestrahlten Infrarotstrahlung diesen durch den zugeordneten Durchgang (G) in der Wand des Mikrowellenofens hindurch auf das im Mikrowellenofen angeordnete, zu prozessierende Objekt (L) lenken.
2. Vorrichtung nach Anspruch nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich im optischen Weg zwischen Objekt (L) und Pyrometer (B) außerhalb des Mikrowellenofens entweder ein Filter (I) befindet, das mit seinem Sperrbereich Δf_Filter innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs fPyr min < f < fPyr max des Pyrometers (B) liegt, den Strahlungsbereich f_infrarot der Wärmestrahleinrichtung (A) abdeckt und ihre Infrarotstrahlung f_infrarot herausfiltert, wobei sich der Frequenzbereich f_infrarot der von der Wärmestrahleinrichtung (A) emittierten Strahlung innerhalb des Sperrbereichs des Filters fFilter min < finfrarot < fFilter max und der Sperrbereich des Filters (I) innerhalb des Empfindlichkeitsbereichs des Pyrometers (B) fPyr min < fFilter < fPyr max liegt, oder, wenn kein Filter (I) benötigt wird, – der abgestrahlte Frequenzbereich f_infrarot der Wärmestrahleinrichtung (A) diesseits finfrarot < fPyr min oder jenseits fPyr max < finfrarot des Empfindlichkeitsbereichs des Pyrometers (B) liegt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen-Detektor (C) in einem Band Δf_infrarot oder auf einer Linie f_Laser empfindlich ist, in dem oder auf der die Wärmestrahlungsquelle (A) abstrahlt, und sich im optischen Weg zwischen Objekt (L) und Lichtbogen-Detektor (C) ein Filter (I) befindet, das die Infrarotstrahlung f_infrarot der Wärmestrahlungsquelle (A) herausfiltert.