DE19633245C1

DE19633245C1 - High mode microwave resonator for high temperature treatment of materials

Info

Publication number: DE19633245C1
Application number: DE1996133245
Authority: DE
Inventors: Lambert Feher; Guido Link
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1996-08-17
Filing date: 1996-08-17
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2016-08-18
Also published as: WO1998008359A1; EP0919110B1; JP3299977B2; DE59704730D1; EP0919110A1; JP2000501880A

Abstract

The invention concerns a furnace for sintering material, said furnace being an overdimensioned microwave resonator. The design of the resonator interior permits a homogeneous field-distribution of the microwave coupled-in obliquely via a front face. Numerical calculations, the MIRA code, have established the optimum resonator geometry to be that with a hexagonal cross-section. In this geometry, the microwave is coupled in such that the beam axis of the coupling-in beam part is divided symmetrically at the closest edge of two abutting wall segments. In this way, the microwave beam is widened for the first time here and is then always widened each time it is reflected. Field magnifications in the resonator are thus prevented, and the field distribution in almost the entire resonator volume is largely homogeneous. The prerequisite for uniform heating of the sinter material introduced into the resonator is thus satisfied. A field distribution which is similar but not quite as good can be attained with a resonator having octagonal geometry. Cross-sections of an even higher order converge rapidly into cylindrical geometry which is affected by caustics.

Description

Die Erfindung betrifft einen hochmodigen Mikrowellenresonator für die Hochtemperaturbehandlung von Werkstoffen. Mit ihm sol len Keramiken gesintert oder Materialien getrocknet werden können. Dies gelingt um so besser, je homogener die Feldver teilung im Resonatorinnern oder dem Mikrowellenofen ist.The invention relates to a high-mode microwave resonator for high temperature treatment of materials. With him sol len ceramics are sintered or materials are dried can. This works better, the more homogeneous the field ver division in the interior of the resonator or the microwave oven.

In der DE 43 13 806 A1 wird eine Vorrichtung zum Erhitzen von Ma terialien durch Mikrowellen beschrieben. Die Vorrichtung be steht aus einer Heizkammer, durch die hindurch das zu prozes sierende Material transportiert wird. Die Heizkammer hat ein Wandteil, das konkav gekrümmt ist. An dieser wird die einge koppelte Mikrowelle reflektiert und auf das zu erwärmende Ma terialvolumen fokussiert.DE 43 13 806 A1 describes a device for heating Ma materials described by microwaves. The device be stands out of a heating chamber through which the process material is transported. The heating chamber has one Part of the wall that is concavely curved. This is the one coupled microwave reflected and on the Ma to be heated material volume focused.

Eine vergleichbare Einrichtung zeigt die WO 90/03714. Dort dient die Heizkammer zur Speisenerwärmung, um zu versuchen das zu erwärmende Speisenvolumen mit einem gleichmäßigeren Tempe raturfeld zu versehen.A comparable device is shown in WO 90/03714. There the heating chamber is used to heat the food to try that Food volume to be heated with a more uniform tempe natural field.

In der JP 4-137391 A ist die Heizkammer um eine der ersten Re flexionswand gegenüber liegende zweite Reflexionswand erwei tert, womit angestrebt wird das Prozeßvolumen mit einem ver stärkten, gleichmäßigen Feld zu erfüllen, um damit eine gleich mäßige Aufheizung des Gegenstands zu erreichen.In JP 4-137391 A the heating chamber is one of the first Re second reflection wall opposite tert, which is the aim of the process volume with a ver strengthened, even field to meet an equal to achieve moderate heating of the object.

In der US 5,532,462 wird ein zylindrisches Reaktionsgefäß be schrieben, dessen Inneres mit Mikrowellenenergie geizt wird. Hierzu die Multimod-Mikrowelle in das Gefäß derart eingekop pelt, daß sie an der Innenwand absorbiert und reflektiert wird, und zwar derart, daß die Absorption und Reflexion helikal fortschreitend erfolgen. Das Kesselinnere soll so gleichmäßig geheizt werden. In US 5,532,462 a cylindrical reaction vessel is wrote, the inside of which is stingy with microwave energy. For this purpose, the multimod microwave is coupled into the vessel in this way pelt that it absorbs and reflects on the inner wall is such that the absorption and reflection is helical progressively. The inside of the boiler should be so even be heated.

Inhomogene Feldverteilungen führen beim Sintern von Keramiken zu unterschiedlichen Dichten innerhalb einer Charge und zu in homogenen Verdichtungen in einzelnen Proben, die letztlich me chanische Spannungen hervorrufen, die die Formteile deformie ren oder gar zertrümmern. Diese Problematik und die daraus ge zogene Erkenntnis, daß eine gleichmäßige Volumenheizung u. a. bei Sinterprozessen von bedeutendem Vorteil und großer Bedeu tung bei der thermischen Materialprozessierung sind, werden in dem Aufsatz "Microwave Sintering of Zirconia-Toughened Alumina Composites" von H. D. Kimrey et al. abgehandelt (Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 189, 1991 Material Research Society, Seiten 243 bis 255). Es werden zwei hochmodige, zylindrische Mikrowellenöfen betrieben, der eine bei 2.45 GHz und der an dere bei 28 GHz. Erfolgreich war der Sinterprozeß nur bei der hohen Frequenz.Inhomogeneous field distributions lead to the sintering of ceramics to different densities within a batch and to homogeneous densifications in individual samples, which ultimately me cause mechanical tensions that deform the molded parts or smash it. This problem and the resulting ge drawn knowledge that a uniform volume heating u. a. of significant advantage and great importance in sintering processes tion in thermal material processing are in the article "Microwave Sintering of Zirconia-Toughened Alumina Composites "by H. D. Kimrey et al. (Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 189, 1991 Material Research Society, Pages 243 to 255). There are two high-fashioned, cylindrical ones Microwave ovens operated, one at 2.45 GHz and the other others at 28 GHz. The sintering process was only successful with the high frequency.

Anläßlich des MRS Spring Meeting in San Francisco, April 11th, 1996 (Symp. Microwave Processing of Materials V) berichteten L. Feher et al. unter dem Titel "The MiRa/THESIS 3D-Code Package for Resonator Design and Modeling of Millimeter-Wave Material Processing" über die Simulation der Feldverteilung in einem vom IAP in Nizhny Novgorod benutzten Design eines hoch modigen, zylindrischen Resonators mit sphärischem Deckel. Es wird darin gezeigt, daß Resonatoren mit kreiszylindrischer oder sphärischer Geometrie eine durchweg verbesserungsbedürf tige Feldverteilungen haben. Aufgrund ihrer Topologie treten Fokussierungen des Feldes im Resonatorinnern zwangsläufig auf, so daß im Vergleich zum Resonatorvolumen nur ein verhältnis mäßig kleines Arbeitsvolumen mit einigermaßen homogener Feld verteilung bleibt. Zusätzliche technische Maßnahmen wie Moden rührer und diffuse Flächen (Streuflächen) bringen zwar Verbes serung, die aber für die gewerbliche bzw. industrielle Anwen dung mit zu hohem Aufwand verbunden sind.On the occasion of the MRS Spring Meeting in San Francisco, April 11th, 1996 (Symp. Microwave Processing of Materials V) reported L. Feher et al. under the title "The MiRa / THESIS 3D Code Package for Resonator Design and Modeling of Millimeter-Wave Material Processing "via the simulation of the field distribution in a design used by the IAP in Nizhny Novgorod fashionable, cylindrical resonator with spherical lid. It it is shown that resonators with circular cylindrical or spherical geometry a need for improvement throughout field distributions. Kick due to their topology Focus of the field inside the resonator inevitably on so that only one ratio compared to the resonator volume moderately small work volume with a reasonably homogeneous field distribution remains. Additional technical measures such as fashions agitator and diffuse surfaces (scattered surfaces) bring verb but for commercial or industrial applications are associated with too much effort.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, starke inhomogene Feldüberhöhungen (Kaustiken) in einem Resonator, der als Mi krowellenofen verwendet wird, zu vermeiden und einen einkop pelnden Mikrowellenstrahl durch eine äußere Geometrie im Volu men zu verteilen, um dadurch ein aufzuwärmendes oder zu bren nendes bzw. zu sinterndes Gut einem weitgehend homogenen Feld aussetzen zu können.The invention is based, strong inhomogeneous task Exaggerated fields (caustics) in a resonator, which is called Mi Krowellenofen is used to avoid and einkop fizzing microwave beam through an outer geometry in the volu to distribute in order to warm up or burn a largely homogeneous field to be able to suspend.

Die Aufgabe wird durch einen hochmodigen Mikrowellenresonator gemäß Anspruch 1 gelöst.The task is accomplished by a high-fashion microwave resonator solved according to claim 1.

Der Resonator ist ein prismatischer, bezüglich seiner Längsachse symmetrischer Hohlraum mit geradzahlig polygonalem Querschnitt. Alle Flächensegmente des Resonators sind eben oder gleichbedeutend, topologisch flach. Dadurch bleibt der eingekoppelte Mikrowellenstrahl bei Reflexionen an der Resona torwand stets divergent und wird nicht wie bei kreiszylindri schen und sphärischen Geometrien immer wieder fokussiert.The resonator is a prismatic one, in terms of its Longitudinal axis symmetrical cavity with even polygonal Cross-section. All surface segments of the resonator are flat or equivalent, topologically flat. This keeps the Coupled-in microwave beam for reflections on the resona goal wall is always divergent and does not become as with circular cylinders and spherical geometries.

Bei der ersten Reflexion erfährt der Strahl eine Aufteilung in zwei symmetrische Hälften, da die Strahlachse vom Mikrowellen koppelfenster zunächst auf die nächstliegende, gemeinsame Kante zweier Mantelflächensegmente fällt. Damit erreicht man eine erste starke Auffächerung nach der ersten Reflexion, die bei erster Reflexion des Strahls an nur einem ebenen Wandseg ment nicht erreicht wird.At the first reflection, the beam is divided into two symmetrical halves because the beam axis is from microwaves coupling window first to the closest, common Edge of two lateral surface segments falls. With that you reach a first strong fanning out after the first reflection, the when the beam is first reflected on only a flat wall segment ment is not reached.

Plausibel scheint zunächst, wenn der eingekoppelte Strahl stets derart reflektiert wird, daß eine Auffächerung erfolgt. Dann können ungebührliche Feldüberhöhungen, wie sie bei reiner Zylindergeometrie durch Fokussiereffekt auftreten, nicht zu stande kommen. In Folge davon muß bei einer Resonatorgeometrie mit polygonalem Querschnitt nicht zu hoher Ordnung ein im Ver gleich zur Zylindergeometrie viel größeres Nutzvolumen (auch Arbeits- oder Prozeßvolumen) zu erreichen sein. At first it seems plausible if the injected beam is always reflected in such a way that a fanning out takes place. Then undue field peaks, as in pure Cylinder geometry occur due to focusing effect, not too succeeded. As a result, a resonator geometry with polygonal cross-section not too high an order in ver equal to the cylinder geometry much larger usable volume (also Work or process volume).

Feldberechnungen mit einem speziell entwickelten Computerpro gramm bestätigen diese Plausibilitätsbetrachtung. Zu diesem Zweck wurden Resonatordesignstudien mit diesem Computerpro gramm, dem MiRa-Code (Microwave Raytracer), unter verschie denen polygonalen Geometrien als meistversprechend ausgewählt. Der MiRa-Code dient zur Berechnung stationärer Wellenfelder und zeigt gute Übereinstimmung mit entsprechend realisierten Resonatoren.Field calculations with a specially developed computer pro grams confirm this plausibility check. To this The purpose was resonator design studies with this computer pro grams, the MiRa code (Microwave Raytracer), under various selected polygonal geometries as the most promising. The MiRa code is used to calculate stationary wave fields and shows good agreement with correspondingly realized Resonators.

Der MiRa-Code wurde als ein gitterloses analytisches Rechner verfahren entwickelt mit dem komplexe Resonatorgeometrien un tersucht werden können. Ein Strahlformalismus, der die kom pletten Eigenschaften für elektromagnetische Felder im statio nären Zustand repräsentiert, liefert die theoretische Basis für diesen Code. Dies erlaubt die Beschreibung eines monochro matischen, sich harmonisch ändernden Wellenfeld mit dem Vek torpotentialThe MiRa code was used as a gridless analytical calculator process developed with the complex resonator geometries un can be searched. A beam formalism that the com pletten properties for electromagnetic fields in the statio represents the state, provides the theoretical basis for this code. This allows the description of a monochro matically, harmonically changing wave field with the Vek gate potential

Unter Einbeziehung von Eichtransformationen ist die BedingungIncluding calibration transformations is the condition

immer einzuhalten (siehe nochmals o. e. MRS Spring Meeting 1996, insbesondere "Optical field calculations with the Mira-Code").always to be observed (see again above MRS Spring Meeting 1996, in particular "Optical field calculations with the Mira code ").

Im abhängigen Anspruch 2 wird der symmetrisch hexagonale Quer schnitt des Resonators gekennzeichnet, weil mit ihm hinsicht lich der homogenen Feldverteilung geringster Schwankung das beste Ergebnis erreicht wurde und damit das Resonatorvolumen fast vollständig als Arbeitsvolumen benutzt werden kann. An dere geradzahlig polygonale Resonatorquerschnitte zeigen hin sichtlich der Feldhomogenität nicht diese Qualität. Dennoch, ein oktagonaler Resonatorquerschnitt ist immer noch wesentlich günstiger für die Ausprägung eines homogenen Feldes als die zum Stand der Technik angeführten Geometrien, selbst wenn sie noch einen Modenrührer im Resonatorinnern haben.In dependent claim 2, the symmetrical hexagonal cross cut of the resonator marked, because with him Lich the homogeneous field distribution with the smallest fluctuation best result was achieved and thus the resonator volume can be used almost completely as work volume. On their even-numbered polygonal resonator cross sections point in terms of field homogeneity not this quality. Yet, an octagonal resonator cross section is still essential cheaper for the development of a homogeneous field than that state of the art geometries, even if they still have a mode stirrer inside the resonator.

Die Innenwände des Resonators sind metallisch oder mit einer metallischen Schicht bedeckt, wodurch sie für die Mikrowelle ein Spiegel sind, der um so besser reflektiert, je höher die elektrische Leitfähigkeit der Wände ist. Darüber hinaus müssen sie in der Prozeßumgebung beständig, d. h. für die berührende Atmosphäre chemisch inert sein und müssen gekühlt werden, um bei thermischer Belastung, die überwiegend von Strahlung und mehr oder weniger untergeordnet von Konvektion herrührt, standzuhalten. Je nach Einsatzfall wird ein Material wie Sil ber oder Kupfer oder Gold oder Aluminium oder Edelstahl als Wand oder Innenwandbe schichtung für den Resonator eingesetzt (Anspruch 3).The inner walls of the resonator are metallic or with a metallic layer, making it suitable for the microwave are a mirror that reflects better the higher the electrical conductivity of the walls is. Beyond that they persist in the process environment, d. H. for the touching Atmosphere must be chemically inert and must be cooled to with thermal stress, which is predominantly from radiation and more or less subordinate to convection, to withstand. Depending on the application, a material such as Sil over or copper or gold or aluminum or stainless steel as wall or inside wall Layering used for the resonator (claim 3).

Die Einkopplung der Mikrowelle in den Resonator erfolgt von einer der beiden ebenen Stirnseiten. Die Einkoppelöffnung liegt außerhalb des Zentrums der Stirnseite (Anspruch 4), so daß es eine gemeinsame Kante zweier aneinanderstoßender Man telsegmente gibt, die der Einkopplungsöffnung am nächsten liegt. Zu dieser Kante läuft die von der Einkopplungsöffnung ausgehende Strahlachse und teilt sich dort bei der ersten Re flexion zunächst in zwei Strahlachsen auf, die bis zur zweiten Reflexion spiegelbildlich zueinander verlaufen.The microwave is coupled into the resonator by one of the two flat faces. The coupling opening lies outside the center of the end face (claim 4), so that there is a common edge of two abutting man there segments closest to the coupling opening lies. To this edge runs from the coupling opening outgoing beam axis and divides there at the first re flexion initially in two beam axes, up to the second Reflection are mirror images of each other.

Durch die erreichte homogene Feldverteilung im stationären Zu stand ist jetzt der Resonator als Mikrowellenofen sehr gut zur Sinterung keramischer Substanzen geeignet. Es können aber durchaus auch andere Gegenstände ausgeheizt oder getrocknet oder einfach temperiert werden (Anspruch 5).Due to the homogeneous field distribution achieved in the stationary door The resonator is now very good as a microwave oven Suitable for sintering ceramic substances. But it can other objects can also be heated or dried or simply tempered (claim 5).

In den Resonator wird ein quasioptischer Strahl mit gaußschem Strahlprofil oder ein diesem Profil nahekommender Mikrowellen strahl eingekoppelt (Anspruch 6). A quasi-optical beam with a Gaussian beam is inserted into the resonator Beam profile or a microwave close to this profile beam coupled (claim 6).

Die Vorteile des prismatischen Resonators mit geradzahligem, symmetrisch polygonalem Querschnitt und der gegen die Längsachse geneigten Strahleinkopplung mit anschließender sym metrischer Strahlaufteilung nach der ersten Reflexion hat sich nach auf den MiRa-Code gestützte Vorhersagen als optimal und vorteilhaft herausgestellt. Die theoretischen Befunde wurden experimentell bestätigt. Vor allem können weitere bekannte technische Hilfsmittel wie der Modenrührer und Streuscheiben (Diffusoren) entfallen. Sie bringen keine zusätzliche Verbes serung mehr. Damit ist die Voraussetzung für eine gleichmäßige Verarbeitung mehrerer zu glühender oder zu brennender Körper, sogenannte Grünkörper, geschaffen und der industrielle Einsatz nahegelegt.The advantages of the prismatic resonator with an even number symmetrical polygonal cross section and against the Longitudinal inclined beam coupling with subsequent sym metric beam splitting after the first reflection according to predictions based on the MiRa code as optimal and emphasized advantageous. The theoretical findings were experimentally confirmed. Above all, other well-known ones technical aids such as the fashion stirrer and spreading discs (Diffusers) are eliminated. They don't bring any additional verbs more. This is the prerequisite for an even Processing of several bodies to be glowing or burning, so-called green bodies, created and industrial use suggested.

Das im folgenden anhand der Zeichnung näher beschriebene Aus führungsbeispiel der Erfindung ist als Ofen für die Keramik sinterung vorgesehen.The described in more detail below with reference to the drawing management example of the invention is as an oven for ceramics sintering provided.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1a Projektion des eingekoppelten Strahls senkrecht zur Resonatorachse, FIG. 1a projection of the injected beam perpendicular to the resonator axis,

Fig. 1b Projektion des eingekoppelten Strahls parallel zur Resonatorachse, FIG. 1b projection of the coupled beam in parallel to the resonator axis,

Fig. 2 der Mikrowellenofen mit hexagonalem Applikatoreinsatz und Kantenbeaufschlagung durch die Mikrowelle, Fig. 2, the microwave oven with a hexagonal applicator insert and Kantenbeaufschlagung by the microwave,

Fig. 3 Abhängigkeit der Feldhomogenität und Energiedichte im Arbeitsvolumen von der Ordnung des polygonalen Querschnitts und der Art der Wandbeaufschlagung, Fig. 3 depending on the field homogeneity and energy density in the working volume of the order of the polygonal cross-section and the type of Wandbeaufschlagung,

Fig. 4 Blockdiagramm der Feldberechnung mit dem MiRa-Code. Fig. 4 block diagram of the field calculation with the MiRa code.

Der in den Resonator 1 mit hexagonalem Querschnitt einkop pelnde, quasioptische Mikrowellenstrahl 2 wird in den beiden Fig. 1a und 1b strahloptisch vereinfacht mit den beiden er sten Reflexionen dargestellt. Der Mikrowellenstrahl 2 tritt in den Resonator 1 durch die Einkoppelöffnung 3 in der in der Fig. 1a unteren Stirnseite 4 ein. Die Strahlachse 5 des in den Resonator 1 eintretenden, ersten Strahlteils ist mit einem Winkel α zur Stirnseite 4 mit dem Einkoppelöffnung 3 geneigt. Sie ist so ausgerichtet, daß sie auf die nächstliegende Kante der zwei aneinanderstoßenden, ebenen Polygonflächen stößt. An diesen beiden aneinanderstoßenden Polygonflächen wird der Strahl 2 erstmalig reflektiert und gleichzeitig in zwei zuein ander symmetrische Teile aufgeteilt. Der Innenraum des Resona tors 1 wird durch den stets divergenten Strahlengang mit zu nehmenden Reflexionen immer gleichmäßiger ausgefüllt.The coupling into the resonator 1 with hexagonal cross-section, quasi-optical microwave beam 2 is shown in the two FIGS. 1a and 1b in a simplified manner with the two reflections of the optics. The microwave beam 2 enters the resonator 1 through the coupling opening 3 in the lower end face 4 in FIG. 1a. The beam axis 5 of the first beam part entering the resonator 1 is inclined at an angle α to the end face 4 with the coupling opening 3 . It is aligned so that it meets the closest edge of the two abutting, flat polygon surfaces. At these two abutting polygon surfaces, the beam 2 is reflected for the first time and simultaneously divided into two symmetrical parts. The interior of the resonator 1 is filled more and more uniformly by the always divergent beam path with reflections to be taken.

In den Fig. 1a und 1b ist dieser Vorgang nur für die ersten beiden Reflexionen gezeigt, um anzudeuten, wie die Felderfül lung des Raumes und damit des Mikrowellenofens fortschreitet (In Wirklichkeit ist die stationäre Felderfüllung im Resonator nach dem Einkoppeln gewissermaßen sofort vorhanden). Stärkere lokale Feldüberhöhungen (Kaustiken) werden vermieden, infolge können keine sogenannten Hotspots in den im Resonator 1 aufge heizten Keramikformen entstehen. Die zu prozessierenden Keramik formen werden im Arbeitsvolumen (Prozeßvolumen) des Ofens (Re sonators) dem Mikrowellenfeld ausgesetzt.In FIGS. 1a and 1b, this process is only shown for the first two reflections, to indicate how the Felderfül development of space and thus the microwave oven progresses (in reality, the stationary field performance in the resonator after the coupling, so to speak immediately available). Stronger local field elevations (caustics) are avoided, as a result of which no so-called hot spots can arise in the ceramic molds heated in the resonator 1 . The ceramics to be processed are exposed to the microwave field in the working volume (process volume) of the furnace (re sonators).

In Fig. 2 besteht der Mikrowellenofen aus einem zylindrischen Gebilde 6 mit zwei Anschlußstutzen 7 und 8, wovon der eine 8 an der Mantelfläche ansetzt und der Temperaturmessung sowie dem Auspumpen bzw. Atmosphärenfluten des Resonatorinnern dient und der zweite 7 schräg an einer der beiden Stirnflächen 4 an setzt. Über letzterem wird die Mikrowelle 2 ins Resonatorin nere eingekoppelt. Deshalb ist er auch mit dem Koppelfenster 9 an der Stoßstelle zum strahlführenden Hohlleiter abgeschlos sen. In FIG. 2, the microwave oven of a cylindrical structure 6 consists of two connecting pieces 7 and 8, one of which 8 attaches to the outer surface and the temperature measurement as well as the evacuation or atmosphere flooding is of the resonator interior, and the second 7 obliquely to one of the two end faces 4 sets on. Via the latter, the microwave 2 is coupled into the resonator. Therefore, he is also ruled out with the coupling window 9 at the joint to the beam-guiding waveguide.

Das Innere des Originalzylinders 6 ist von Stirnseite 4 zu Stirnseite 4 mit dem im Querschnitt hexagonalen Applikatorein satz 10 koaxial ausgelegt. In Fig. 2 ist der Applikator 10 soweit um die Zylinderachse gedreht, daß die einfallende Strahlachse 5 auf die nächstliegende Kante zweier sich stoßen der Polygonwände des Applikatoreinsatzes 10 fällt. Damit er folgt dann dort die erste symmetrische Aufteilung des ein fallenden Mikrowellenstrahls 2.The inside of the original cylinder 6 is designed from end face 4 to end face 4 with the applicator insert 10, which is hexagonal in cross section, coaxially. In Fig. 2, the applicator 10 is rotated so far about the cylinder axis that the incident beam axis 5 falls on the nearest edge of two of the polygon walls of the applicator insert 10 . So that it then follows the first symmetrical division of a falling microwave beam 2 .

Der MiRa-Code als Instrument zur Ermittlung und Auslegung der optimalen Resonatorgeometrie ist ein entscheidendes Werkzeug. Er ist in seinen wesentlichen Zügen und seiner grundsätzlichen Benutzung in Fig. 4 erläutert. Die detaillierteren Zusammen hänge dieses Codes sind in der o. e. Literaturstelle nachvoll ziehbar von den Autoren H. Feher et al. beschrieben. Im we sentlichen wird zunächst ein Resonatormodell mit polygonalem Querschnitt angenommen, modelliert und zur Berechnung der in dieser Resonatorgeometrie auftretenden Feldverteilung herange zogen. Die numerische Kalkulation erfolgt mit der MiRa-Feldbe rechnung, in der die in den Resonator 1 eintretende Mikrowelle 2 strahloptisch verfolgt wird. Die sukzessive Felderfüllung im Resonator 1 läßt sich schließlich u. a. videogeeignet darstel len, so daß z. B. als ein Ergebnis die Längs- und Quer schnittsentwicklung der Feldverteilung im Resonatorinnern vor geführt werden kann.The MiRa code as an instrument for determining and designing the optimal resonator geometry is a crucial tool. Its essential features and its basic use are explained in FIG. 4. The more detailed connections of this code are comprehensible in the above reference by the authors H. Feher et al. described. Essentially, a resonator model with a polygonal cross section is initially assumed, modeled and used to calculate the field distribution occurring in this resonator geometry. The numerical calculation is carried out using the MiRa field calculation, in which the microwave 2 entering the resonator 1 is followed optically. The successive filling of fields in the resonator 1 can finally, among other things, be video-suitable, so that, for. B. as a result, the longitudinal and cross-sectional development of the field distribution in the interior of the resonator can be performed before.

Zur Ofenauslegung ist es das Bestreben, die Energiedichte im definierten Arbeitsvolumen möglichst groß zu halten, bei gleichzeitiger geringer Streuung der Feldstärkewerte um den Mittelwert (homogene Verteilung). Das Arbeitsvolumen, zum Ver gleich der Bedingungen, wird als das zusammenhängende Volumen definiert, das bei der zylindrischen Originalgeometrie die be ste Feldqualität aufweist. Durch die Studie mit dem MiRa-Code zur Untersuchung der Feldhomogenität verschiedener prismati scher Applikatordesigns zeigte sich ein Optimum für die hexa gonale Struktur mit Kantenbeaufschlagung gemäß Fig. 1a, b und 2b. Hier ist das Verhältnis
(Streuung der Energiedichte im Arbeitsvolumen) : (im Arbeits volumen zur Verfügung stehende mittlere Energiedichte)
minimal. In der Fig. 3 ist der auf das Maximum (ungünstigste Fall) normierte Quotient für Kanten- bzw. Wandbeaufschlagung dargestellt. Die Kantenbeaufschlagung zeigt eine bis auf den pentagonalen Querschnitt bessere homogene Energieausbeute.When designing the furnace, the aim is to keep the energy density in the defined working volume as large as possible, while at the same time little variation in the field strength values around the mean value (homogeneous distribution). The working volume, for comparison of the conditions, is defined as the coherent volume that has the best field quality with the cylindrical original geometry. The study with the MiRa code to investigate the field homogeneity of various prismatic applicator designs showed an optimum for the hexagonal structure with edge loading according to FIGS . 1a, b and 2b. Here is the relationship
(Scattering of the energy density in the working volume): (Average energy density available in the working volume)
minimal. In the Fig. 3 to the maximum (worst case) is shown normalized quotient for edge or Wandbeaufschlagung. The edge loading shows a better homogeneous energy yield except for the pentagonal cross section.

In Fig. 3 ist die normierte Streuung gezeigt. Mit dem hexago nalen Applikator ergibt sich die Vorhersage, daß mit ihm die geringste Streuung bei möglichst hoher Energiedichte überhaupt zu erwarten ist. Dieser Befund ist experimentell bestätigt, und zwar zeigt sich eine großräumige, vollkommen homogene Schwärzung der in den Resonator gebrachten Thermopapiere in allen gemessenen Ebenen bis zur Applikatorbewandung. Die Vor ausberechnungen werden also durch das Experiment bestätigt, so daß sich der MiRa-Code durch eine hohe Zuverlässigkeit aus zeichnet. Berechnungen für polygonale Querschnitte höherer Ordnung konvergieren im Streuverhalten des Resonatorfeldes rasch gegen die Zylindergeometrie.The normalized scatter is shown in FIG. 3. With the hexagonal applicator, there is a prediction that the least scatter with the highest possible energy density can be expected. This finding has been confirmed experimentally, namely that there is a large-scale, completely homogeneous blackening of the thermal papers brought into the resonator in all measured levels up to the applicator wall. The pre-calculations are thus confirmed by the experiment, so that the MiRa code is characterized by a high degree of reliability. Calculations for higher-order polygonal cross sections converge rapidly in the scattering behavior of the resonator field against the cylinder geometry.

Als Balken für, Kante-Beaufschlagung durch die einkoppelnde Mikrowelle, ist das Verhältnis für die mittlere Energie und Streuung der Original-(Zylinder-)geometrie bei stillstehen dem Modenrührer zu sehen. Der zweite Balken zeigt den Gewinn durch einen laufenden Modenrührer, der sich so schnell dreht, daß die Fluktuation durch die Einzelstellungen des Modenrüh rers nicht mehr nachweisbar sind. Die Originalkonfiguration kann in Streuung und zur Verfügung stehender Energiedichte vergleichbar einer kubischen (quadratischer Resonatorquer schnitt) Applikatorgeometrie angesehen werden, allerdings ist hier die Homogenität ohne ein technisches Hilfsmittel wie Mo denrührer oder Streuscheibe erreicht. As a beam for, edge loading by the coupling Microwave, is the ratio for the medium energy and Scattering of the original (cylinder) geometry when stationary to see the fashion stirrer. The second bar shows the profit by a running fashion stirrer that turns so fast that the fluctuation due to the individual positions of Modenrüh are no longer detectable. The original configuration can be in scatter and available energy density comparable to a cubic (quadratic resonator cross section) Applicator geometry can be viewed, however here the homogeneity without a technical aid like Mo reached the stirrer or spreading disc.

Bei der Studie der Feldverteilung mit dem MiRa-Code hinsicht lich der experimentellen Überprüfung wurden die Polygone, mit quadratischem Querschnitt startend, in den zylindrischen Quer schnitt des Originalresonators einbeschrieben. Damit steigt das Volumen mit zunehmender Kantenzahl an und folglich sinkt bei gleicher eingekoppelter Leistung die im Volumen zur Verfü gung stehende Energiedichte. Dieses kommt insbesondere beim Pentagon zum Ausdruck.Regarding the study of the field distribution with the MiRa code The polygons, with square cross section starting in the cylindrical cross section of the original resonator inscribed. So that increases the volume increases with the number of edges and consequently decreases with the same coupled-in power available in volume standing energy density. This comes especially with the Pentagon expressed.

Es ist für polygonale Querschnitte geradzahliger Ordnung eine deutliche Abnahme der Streuung von der Originalgeometrie ohne laufenden Modenrührer über den quadratischen Querschnitt bis hin zum hexagonalen Querschnitt gegeben. Erst ab dieser steigt die Streuung wieder an, ist aber für die Polygone geradzahli ger Ordnung durchweg besser als bei Wandbeaufschlagung. Bedeu tend stärker ist die normierte Feldstreuung für ungeradzahlige Polygone. Es konvergiert die normierte Streuung für polygonale Querschnitte höherer Ordnung rasch gegen die Originalgeometrie ohne laufenden Modenrührer.It is an even order for polygonal cross-sections significant decrease in scatter from the original geometry without running mode stirrers up to the square cross section given to the hexagonal cross section. Only from this increases the scattering increases again, but is even for the polygons order consistently better than with wall application. Meaning The normalized field spread for odd numbers tends to be stronger Polygons. The normalized scatter for polygonal converges Cross-sections of higher order quickly against the original geometry without running fashion stirrer.

Claims

1. High-fashion microwave resonator for the high temperature treatment of materials, characterized in that

- The resonator ( 1 ) is a prismatic, with respect to its longitudinal axis symmetrical cavity with an even polygonal cross-section,
- The lateral surface segments and the two end faces ( 4 ) of the resonator ( 1 ) are flat,
- The beam axis ( 5 ) of one of the two end faces ( 4 ) to be coupled in the microwave beam ( 2 ) falls obliquely onto the adjacent edge of two abutting mantle surface segments, whereby the divergent microwave beam ( 2 ) coupled into the resonator ( 1 ) at the first time gene reflection near the coupling ( 3 ) is fanned out into two symmetrical reflection and diffraction components, and
- Is always fanned out with the further reflections on the resonator inner walls, so that there is a largely homogeneous field distribution in the entire resonator volume.

2. High-fashion microwave resonator according to claim 1, characterized in that to achieve a homogeneity of the field with minimal fluctuation, the cross section of the resonator ( 1 ) is hexagonal or octagonal.

3. High-fashion microwave resonator according to claim 2, characterized in that the inner walls of the resonator ( 1 ) are coated with a suitable for the pre-see process metallic material high elec trical conductivity such as silver or copper or gold or aluminum or stainless steel, whereby the walls mirror represent for the coupled microwave ( 2 ).

4. High-mode microwave resonator according to claim 3, characterized in that the resonator ( 1 ) is an oven for high-temperature treatment of materials such as heating or drying or sintering and / or welding of ceramics or for annealing semiconductors.

5. High-fashion microwave resonator according to claim 4, characterized in that the coupling window ( 3 ) is offset from the center of one end face ( 4 ).

6. High-mode microwave resonator according to claim 5, characterized in that the coupled microwave beam ( 2 ) is a quasi-optical beam with a Gaussian beam profile or a profile close to this.