Auslegung von Mikowellen-Themopozess-Anlagen unte Nutzung von hochfequenz-technischen Pinzipien - am Beispiel eines Entbindeungsofens fü keamische Günköpe Von de Fakultät fü Maschinenbau, Vefahens- und Enegietechnik de Technischen Univesität Begakademie Feibeg genehmigte Dissetation zu Elangung des akademischen Gades Dokto-Ingenieu D.-Ing. vogelegt von Dipl.-Ing. (FH) Makus Reichmann geboen am 27.04.1975 in Zittau Feibeg, den 25. Mäz 2011
Danksagung Die hie voliegende Abeit entstand wähend meine Tätigkeit als wissenschaftliche Mitabeite am Institut fü Wämetechnik und Themodynamik im Lehstuhl fü Hochtempeatuanlagen, späte Lehstuhl fü Gas- und Wämetechnische Anlagen. Duch das pesönliche Engagement meine Doktoväte, Hen Pof. D.-Ing. habil. D. h.c. Ged Walte von de Fakultät fü Maschinenbau, Vefahens- und Enegietechnik de Technischen Univesität Begakademie Feibeg und Hen Pof. D.-Ing. Michael Zoche von de Fakultät fü Elektotechnik und Infomatik de Hochschule Zittau/Gölitz wude es mi möglich, ein koopeatives Pomotionsvefahen zu duchlaufen. Hiemit möchte ich mich bei beiden Doktoväten fü die seh inteessante Themenstellung und fü Ihe stete und innovative, fachliche und pesönliche Beteuung bedanken. Weitehin möchte ich mich bei meinen Kollegen am Institut fü Wämetechnik und Themodynamik fü das gute Abeitsvehältnis und die uneschütteliche Hilfsbeeitschaft bedanken. Insbesondee danke ich Fau D.-Ing. Andea Dög und Fau D.-Ing. Rhena Wulf fü die Untestützung bei de Efüllung de Auflagen fü das koopeative Pomotionsvefahen. Weite danken möchte ich meinen diekten Kollegen aus de Mikowellenabeitsguppe, den Heen D.-Ing. Jens Matin Stack, Dipl.-Ing. Jügen Rank sowie Dipl.-Ing. Bjön Fische, die mich stets untestützt und mi mit Rat und Tat zu Seite gestanden haben. Den Mitabeiten de Elektonikwekstatt und des Wämetechnikums unsees Lehstuhls danke ich dafü, dass sie meine Ideen und Wünsche mit Fleiß, Geschick und Schnelligkeit umgesetzt und mich beim Aufbau des Entbindeungsofens umfassend untestützt haben. Ebenso möchte ich mich bei meinen Pojektpatnen de Technischen Univesität Desden vom Institut fü Obeflächen- und Fetigungstechnik, veteten duch Hen Dipl.-Ing. Olive Thol, sowie bei den Fimen FCT Ingenieukeamik GmbH, veteten duch Hen Dipl.-Ing. Raine Neubaue, und de Kaschke Components GmbH, veteten duch Hen D.-Ing. Jög Deikon, fü die motivieende Pojektbeteiligung, die konstuktiven Diskussionen und die umfangeiche Pobenbeeitstellung bedanken. Fü die Untestützung bei de Anfetigung diese Abeit danke ich meinen Lektoen, Fau D.-Ing. Sylvia Otto, Fau Dipl.-Übes. (FH) Anne Luge und meine Mutte Dipl.-Ing. (FH) Maianne Reichmann. Mein Dank gilt weitehin meine gesamten Familie, die mich wähend meine pesönlichen Entwicklung und meine Tätigkeit am Lehstuhl untestützte und mi meine langjähige Ausbildung emöglichte. 1
Gliedeung 1. Motivation und Zielsetzung 4 2. Stand de Wissenschaft und Technik 7 2.1. Industielle Nutzung von Mikowellensystemen 7 2.2. Auslegung von Mikowellenkomponenten 11 2.3. Keamik und Entbindeung 14 3. Päzisieung de Aufgabenstellung 16 4. Theoetische Gundlagen 18 4.1. Mikowellentechnik 18 4.1.1. Aufbau von Mikowellen-Themopozess-Anlagen 18 4.1.2. Mikowellenapplikatoen 25 4.1.3. Veschlusssysteme und Abeitsschutz 31 4.2. Mikowellenewämung 35 4.3. Gundlagen zu Beechnung von Mikowellenapplikationen 37 4.3.1. Zusammenhang zwischen Pemittivität und Pemeabilität 37 4.3.2. Wellenausbeitung in Hohlleiten 39 4.3.3. Feldstäkenveteilung in Resonatoen 41 4.3.4. Absoption und Duchdingung von HF-Enegie 43 4.3.5. Steupaamete 45 4.4. Online übewachte Entbindeung 47 5. Dielektische Stoffeigenschaften 50 5.1. Begiff und Wikungsweise de Dielektizitätspaamete 51 5.2. Elektomagnetische Messvefahen 52 5.3. Messung von Dielektizitätspaameten fü die Simulationsund Entwicklungsvobeeitung 56 5.4. Aufbau eines Refeenzmesssystems fü Dielektizitätspaamete 61 5.4.1. Vovesuche zu Realisiebakeit 63 5.4.2. Systemaufbau und este Messungen 65 5.4.3. Simulation de Egebnismatix 69 5.4.4. Koelation von Mess- und Simulationsegebnissen 78 5.4.5. Zusammenfassung de Messplatzentwicklung 79 2
6. Auslegung und Modellieung von Mikowellenapplikatoen 81 6.1. Auslegungspinzipien 82 6.1.1. Estes Hauptauslegungskiteium 82 6.1.2. Zweites Hauptauslegungskiteium 84 6.1.3. Nebenkiteien und Konstuktionshinweise 87 6.2. Simulationsbeechnungen und ihe Fehlequellen 93 6.2.1. Numeische Feldbeechnungsvefahen 95 6.2.2. Softwaevaianten zu Simulation von HF-Felden 98 6.3. Fehle in Übetagungsstecken von Mikowellenanlagen 101 6.3.1. Geometische Abweichungen 101 6.3.2. Wekstoffspezifische Abweichungen 106 7. Anlagenentwicklung am Beispiel eines Entbindeungsofens 109 7.1. Umsetzung de Mikowellenauslegung 110 7.2. Ausfomung de Cavity 115 7.3. Weitee HF-Komponenten und Anbauteile 130 7.4. Aufbau des konventionellen Anlagenteils 136 8. Validieung und Vovesuche an de Modellcavity 139 8.1. Softwaeuntestützte Validieung de Pojektieung 139 8.2. Einsatz eine maßstäblichen Modellcavity 142 9. Anlagenaufbau und Inbetiebnahme 148 9.1. Aufbau und Anbauteile 148 9.2. Ofensteueung 152 9.3. Integation des FTIR-Spektometes 153 9.4. Inbetiebnahme und Regleoptimieung 155 10. Vesuche in de Ofenanlage 160 10.1. Entbindeung von Zinkoxid-Günlingen 160 10.2. Entbindeung von Mangan-Zink-Feit-Günlingen 165 11. Zusammenfassung und Ausblick 169 12. Vezeichnisse 172 12.1. Liteatuvezeichnis 172 12.2. Abbildungsvezeichnis 178 12.3. Tabellenvezeichnis 183 12.4. Abküzungsvezeichnis 184 13. Anhang 188 3
1. Motivation und Zielsetzung Die fotscheitende Entwicklung auf den Gebieten de Halbleite-, System- und Obeflächentechnik bedingt die Hestellung und den Einsatz von imme komplexeen Systembauteilen und außegewöhnlichen Wekstoffen. Mit dem zunehmenden Gad an Spezialisieung, Miniatuisieung und Fetigungseffizienz wächst auch de Anspuch an die eingesetzten keamischen Wekstoffe. Sie sollen sowohl päzisee Fomgebungen als auch bessee Reinheit, Funktion und Haltbakeit de daaus hegestellten Bauteile emöglichen. In de Mateialfoschung weden hiefü zahleiche Möglichkeiten zu Modifikation vohandene Mateialien genutzt ode vollkommen neue Wekstoffe entwickelt. Um eine Veändeung de Wekstoffeigenschaften ode -zusammensetzungen zu ezielen, weden die Gundbestandteile andes ode mit neuatigen Stoffsystemen kombiniet. Ebenso besteht die Möglichkeit, Hestellungsoutinen zu veänden ode diese um zusätzliche Pozessschitte zu eweiten. Fü den Einsatz von keamischen Wekstoffen in de Halbleite- und Obeflächentechnik ist die Hestellung, und dain eingeschlossen die Entbindeung und Sinteung, ein seh wesentliche Ansatzpunkt fü Optimieungen de Stoffpaamete sowie de Fetigungsabläufe. Übe den Entbindeungspozess eines keamischen Wekstoffs weden sowohl Dichte als auch Gefügeeigenschaften beeinflusst, welche die mechanischen, themischen ode funktionellen Eigenschaften entscheidend bestimmen. Die Entbindeung ist im industiellen Poduktionsablauf eine de zeitlich und enegetisch aufwändigsten Pozessschitte in de Hestellung von Keamiken. Die Duchsätze, die Fetigungskosten sowie die Qualität des Poduktes weden von diesem Pozessschitt maßgeblich bestimmt. Eine zu schnelle Entfenung des Bindes füht dabei zum Vezug des Günlings, zum Festigkeitsvelust de Bindebücken, zu Mikoissen ode ga zu vollständigen Zestöung des Günlings. Usachen hiefü sind zu hohe themomechanische Spannungen und zu hohe Gasdücke de Bindeabbaupodukte im Mateial. Bis heute kann das Ende de einzelnen Entbindeungsstufen im Pozess nicht exakt festgestellt weden. Nu nach eine vollständigen Entfenung des Bindes kann abe ein schädigungsfeie Sintepozess ealisiet weden. Üblicheweise wid duch seh geinge Aufheizgeschwindigkeiten und lange Haltezeiten eine hohe Poduktqualität sichegestellt. Bei kitische Beuteilung diese konsevativen Vogehensweise bietet sich diese Pozessschitt fü eine Veküzung de Fetigungszeit und damit fü eine Reduzieung de Fetigungskosten an. Weltweit wid von Abeitsguppen unteschiedlichste wissenschaftliche Disziplinen die Nutzung von Mikowellen als Altenative zu konventionellen Ewämungstechniken ode in Kombination mit den 4
hekömmlichen Methoden, als sogenannte Hybidewämung, efoscht. In voangegangenen Abeiten wuden Voteile in de Pozessfühung duch Zeiteinspaungen sowie eine gesteigete Qualität de Wekstoffe festgestellt [Buy 04], [Knie 05], [Roba 05]. Neben de Möglichkeit eine aschen volumetischen Ewämung de Bauteile wid vielfach beschieben, dass es unte Einfluss eines Mikowellenfeldes zu Beschleunigung des gesamten Entbindeungspozesses kommt. Daaus egeben sich Voteile in de Pozessfühung und in einigen Fällen, esultieend aus de deutlich küzeen Pozesszeit, auch feinee kistalline Stuktuen de Keamiken nach dem Sintevogang. Diese feinkistallinen Mikostuktuen vefügen übe vebessete mechanische Eigenschaften sowie eine seh glatte Obefläche. Die glattee Obeflächenbeschaffenheit emöglicht wiedeum eine höhee Abbildungsteue bei de Fomgebung von mikostuktuieten Objekten. Eine diekte paktische Umsetzung de eabeiteten Ekenntnisse aus den zahleichen Studien und Foschungsabeiten lässt sich abe nach wie vo nicht ealisieen. Die im Labobetieb efolgeichen Systeme können ohne eine entspechende Anpassung de Duchsatzleistung nicht in die laufende Poduktion übenommen weden. Die hiefü nötige Vegößeung des Pozessaums kann abe nicht ausschließlich übe ein simples Up-Scaling efolgen. Die Leistungsapplikatoen diese Themopozess-Anlagen müssen in eine industietauglichen Göße nochmals entwickelt und optimiet weden, so dass eine deatige Anpassung in de Anwendung eine kompletten poduktionsspezifischen Neuentwicklung entspicht. Die nachtägliche Veändeung ode die Eweiteung von vohandenen Anlagen mit Mikowellenkomponenten schöpft das Potenzial diese Technologie nu in ebenso unzueichendem Maße aus, wie de undiffeenziete Aufbau neue Ofenanlagen. In etlichen Anwendungsfällen scheitete eine vollständige Ausnutzung des gesamten Potenzials de Hochfequenzewämung an de konsequenten Einhaltung wesentliche Konstuktionsgundsätze. Die eeichten Pozesszeiteinspaungen in eine Gößenodnung von 15 bis 30 % stellen hiebei fü viele Podukte und Anwende noch kein Optimum da. Ziel diese Abeit ist es, gundsätzliche Belange de Hochfequenztechnik bei de Konstuktion von Mikowellen- ode Mikowellen-Hybid-Themopozess-Anlagen aufzuzeigen. Hiebei steht zu Gunsten eine tatsächlichen Enegie- und Zeiteffizienz die vollständige Leistungseinkopplung in den Pozessaum gegenübe eine hineichend gleichmäßigen Feldstäkenveteilung im Vodegund. Die aufgezeigten Gundsätze sollen bei konsequente Einhaltung wähend de Entwicklung und Konstuktion von deatigen Anlagen den Aufbau von optimalen Mikowellenewämungsanlagen eleichten. 5
Am Beispiel de Neuentwicklung eine Mikowellen-Hybid-Entbindeungs-Anlage im voindustiellen Maßstab wid die Umsetzung diese Gundsätze aufgezeigt. Hiebei soll die Auslegung und Validieung de hochfequenzspezifischen Anlagenbauteile im Vodegund stehen. Unte Ausnutzung des gesamten Technologiepotenzials wid hiebei eine Reduzieung de Pozesszeit um bis zu 70 % angestebt. Diese Zeiteduzieung und die damit vebundene Enegieeinspaung sollen an veschiedenen Pobemateialien und -fomen aus unteschiedlichen industiellen Poduktionslinien getestet und nachgewiesen weden. Mit dem Aufbau eine Themopozess-Anlage soll ein beladungsflexibles, effizienzoptimietes Muste eine Mikowellen-Hybid-Entbindeungs-Anlage fü den industiellen Alltagseinsatz beeitgestellt weden. 6
2. Stand de Wissenschaft und Technik 2.1. Industielle Nutzung von Mikowellensystemen Als Mikowellen weden elektomagnetische Wellen mit eine Fequenz von 300 MHz bis 300 GHz bezeichnet (siehe Abbildung 01). Fü die Mikowellenewämung ist nu die Nutzung eines Teiles dieses elektomagnetischen Stahlungsspektums zugelassen die ISM-Bände (Industial, Scientific and Medical Band). Diese ISM-Bände wuden duch die intenationale Fenmeldeunion, Sekto Radiokommunikation, festgelegt. In technischen Anlagen sind folgende Fequenzbände fü Leistungsanwendungen zugelassen: 433,05 bis 434,79 MHz; 902 bis 928 MHz; 2,4 bis 2,5 GHz; 5,725 bis 5,875 GHz und 24,0 bis 24,25 GHz [www.bundesnetzagentu.de]. Auf Gund de fequenzspezifischen Wellenlängen kommen fü die Mikowellenewämung nu die Fequenzen um 915 MHz; 2,45 GHz und 5,8 GHz in Fage, wobei in den meisten technischen Anlagen eine Fequenz von f = 2,45 GHz vewendet wid. Das ISM-Band um 915 MHz hat gundsätzlich fü Leistungsanwendungen nu eine Zulassung fü Nod- und Südameika (Zulassungsbeschänkung ab maximal 10 mw EIRP in Euopa). Fü einen Einsatz von Mikowellen in Themopozess-Anlagen, die in diesem Fequenzband abeiten, ist die Beantagung und Genehmigung eine ötlichen Sondezulassung nötig [Chan 05], [Meta 93], [Pak 04]. Abbildung 01: Fequenzspektum [Emme 06] Bei de Mikowellen-Ewämung wid elektische Enegie in einem Leistungsgeneato in eine hochfequente elektomagnetische Welle umgefomt und in den Nutzaum übetagen. Dot wid sie duch dielektische Veluste innehalb des zu ewämenden Gutes in Wäme umgewandelt. Im Gegensatz zu konventionellen Ewämungsvefahen, bei denen die Enegie konvektiv ode übe Stahlung tanspotiet wid, efolgt die Feisetzung de Enegie bei de dielektischen Ewämung im Gut selbst. Hiebei spicht man von eine volumetischen Ewämung. Insbesondee bei Mateialien mit geinge Wämeleitfähigkeit, die sich übe die konvektive ode stahlungsbedingte Aufheizung ihe Obeflächen schlecht ode nu mit seh hohem Zeitaufwand ewämen lassen, stellt diese 7
Enegieübegabemöglichkeit eine ideale Altenative da. In Kombination mit konventionellen Ewämungsvefahen, als Hybidanwendung, können bei dielektisch stak velustbehafteten Mateialien hohe innee Tempeatudiffeenzen vemieden weden, woduch sich die Ewämungszeiten auf ein Minimum eduzieen lassen. Die dielektischen Veluste eines Stoffes stellen bei de Ewämung einen neuen, unabhängigen Mateialpaamete da, de in keinem diekten Zusammenhang zu elektischen Leitfähigkeit ode zu Wämeleitfähigkeit steht. In de Paxis haben mitunte geade Stoffe mit geingen Enegieleitfähigkeiten fü die Mikowellenewämung geeignete dielektische Eigenschaften [Buy 04]. In de volumetischen Ewämung steckt fü zahleiche Anwendungen zusätzlich zu den meist schon eduzieten Pozesszeiten ein weitee goße enegetische Voteil: Die volumetische Ewämung setzt die Enegie innehalb de elektisch leitfähigen Cavity hauptsächlich in dem Ewämungsgut fei. Die Cavity selbst sowie alle umgebenden Anlagenteile, wie Zu- und Ableitungen sowie Wämedämmmateialien, weden nu duch den konvektiven und stahlungsbedingten Wämetanspot von de Gutobefläche ausgehend aufgewämt. Hieduch eduziet sich die gesamte zu ewämende Masse von Gut, Anlage und Bennhilfsmittel, wobei sich de heißeste Punkt innehalb des Systems nicht an den Heizen ode dem umgebendem Dämmmateial, sonden tatsächlich im Ewämungsgut selbst einstellt. Diese Reduzieung de zu ewämenden Masse füht in eine entspechend ausgelegten und angepassten Themopozess-Anlage zu eine weiteen Reduktion des Enegieaufwandes fü die Ewämung wähend des ohnehin schon veküzten Pozesses [Fisc 08], [Linn 07], [Walt 08]. Im industiellen Rahmen weden Mikowellenleistungsgeneatoen vowiegend fü diekte Ewämungsaufgaben eingesetzt. Dabei spaltet sich das Anwendungsfeld in mehee tempeatugestaffelte Beeiche. Dies sind zum einen die Niedetempeatuanwendungen bis 200 C, wie zum Beispiel das Tocknen von Feuebetonfomteilen fü Industieöfen, von fetigungsbedingt feuchten keamischen Günköpen ode das Spühtocknen von keamischen Suspensionen. Auch in andeen Industiezweigen weden Mikowellen-Themopozess-Anlagen fü Niedetempeatuanwendungen eingesetzt, zum Beispiel im Beeich de Kunststoffveabeitung zu Vowämung, in de Recyclingwitschaft zum Sotieen von Kunststoffen ode auch in de Lebensmittelbanche zum Tocknen von Fischobst und -gemüse und fü das Spühtocknen von Lebensmitteln wie Milchpulve und Instantkaffee. Das Tocknen im untesten Tempeatubeeich mittels Mikowellenuntestützung ist besondes in de Holzbe- und -veabeitung seh vebeitet. Hie kommen beispielsweise seh goße Kammetockne mit Nutzvolumina göße 40 m³ zu Tocknung von Fischholz ode Duchlauftockne zu Entfeuchtung von Kokpodukten zum Einsatz [Linn 10], [Mueg 10], [Püsc 06]. 8
Das zweite Anwendungsfeld liegt im Beeich de Mittel- und Hochtempeatuapplikationen mit Guttempeatuen ab 200 C bzw. 1000 C. Hie gibt es ebenfalls einige Beispiele, wobei sich das Poduktspektum de keamischen Industie nähet. Eine Gundklassifizieung, entspechend den Tempeatubeeichen, ist hie duch eine Tennung de Anwendungen nach Entbindeungs- und Sintetechnik möglich. Entspechend den Mateialspezifikationen kann übedies zwischen atmosphäischen Vefahen und Vakuumvefahen unteschieden weden [Vöts 10]. Die wenigen bestehenden industiellen Anwendungen beziehen sich vowiegend auf das Sinten von kleinen zylindischen Köpen in Duchlauf- ode Kammeanlagen. Hiebei weden bishe vowiegend Zikonoxide ode Titanoxide fü die Stuktu- und Funktionskeamiken und die Dentaltechnik hegestellt. Bei den vewendeten Anlagen handelt es sich um modifiziete Standad-Themopozess-Anlagen mit eine zusätzlichen Mikowellenbeheizung ode um Neukonstuktionen, die abe auch goßen mateiellen und geometischen Einschänkungen bei de Beschickung untewofen sind [IBF 10], [Linn 10]. Ähnlich wie die Mikowellensinteung stagniet auch die Einfühung de mikowellenuntestützten Entbindeung in die industielle Poduktion. Dies liegt zum einen an den nicht vefügbaen Mateialpaameten und themogavimetischen Analysen unte Mikowelleneinfluss fü die eingesetzten oganischen Zusätze. Zum andeen liegt es an de unzueichenden Anlagenspezifikation. Außedem scheuen viele Hestelle von industiekeamischen Ezeugnissen Umstellungen in ihen pozessund qualitätselevanten Poduktionsabschnitten [Fisc 08]. Veschiedenste Vaiationen von Vefahen und Mateialien wuden im Laufe de Zeit im Labomaßstab epobt und den technischen Anfodeungen de Mikowellenewämung angepasst. Die Egebnisse diese Vo- und Labovesuche sind vielvespechend. De Mikowelleneinsatz fühte dot zu höheen Dichten, homogeneen Gefügen, geingeem Kongößenwachstum sowie dastischen Enegieeinspaungen. Im Labomaßstab weden inzwischen Siliziumnitide ebenso wie Aluminiumoxide entbindet und gesintet [IWTT, TU-BAF]. Hiefü gibt es zahleiche Applikationsmodelle mit veschiedensten Monomode- und Multimode-Cavitys. Diese Anwendungsbeispiele sind abe vowiegend auf Pilotode Laboanlagen beschänkt, da ein einfaches Up-Scaling von Labopototypen nicht möglich bzw. nicht zielfühend ist. Auf Gund de nicht mit skaliebaen Wellenlänge de Mikowellenenegie müssen industielle Anlagen vollkommen neu ausgelegt und konstuiet weden. Eine einfache Eweiteung bestehende Themopozess-Anlagen füht ebenso wenig wie die unspezifische und hochfequenztechnisch inkoekte Auslegung neue Anlagensysteme zu den ehofften homogenen, niedig poösen, feinkönigen - und damit stabileen - Mikostuktuen [Mueg 06], [Püsc 10]. 9
Ein weitee Beeich, de sich die Voteile de Mikowellenewämung im industiellen Maßstab fü Hochtempeatuanwendungen in zunehmendem Umfang zu nutze macht, ist die Pulvemetallugie. Voangetieben duch einige Foschungszenten konnten hie innehalb de letzten Jahe einige Anlagen zu Hestellung pulvemetallugische Stahlfomteile in Betieb genommen weden [Walt 08]. Abgesehen von de diekten Ewämung gibt es weitee Vefahen, in denen die Hochfequenzenegie indiekt fü Ewämungsvefahen bzw. auf Ewämung beuhenden Fügevefahen eingesetzt wid. Mit diesen Vefahen weden zunehmend Mikowellenleistungsgeneatoen in die industielle Hestellung von Podukten integiet, z.b.: das Mikowellenaushäten und schweißen. Beim Aushäten weden goße hazstabilisiete Gewebefomteile in speziellen Multimode-Kammeöfen mit bis zu 7 m³ Nutzvolumen gehätet [Vöts 10]. Hiebei kann, zum Beispiel fü hochqualitative Kohlefasevebundwekstoffe, eine ducklose enegiespaende Hestellung ealisiet weden. Das Mikowellenschweißen und -fügen wid vonehmlich zum Vebinden von Kunststoff eingesetzt, wobei hie zusätzlich die Möglichkeiten de selektiven Ewämung von speziellen Klebstoffen ausgenutzt wid. Weitee themische Anwendungen mit Mikowellen finden sich in de Chemie und de Analytik. Hie weden Mikowellenleistungsapplikatoen, zum Beispiel fü die Veesteung von Rapsöl zu Biodiesel ode zum Vulkanisieen von Gummi eingesetzt. In de Medizintechnik weden Mikowellen-Synthesize fü die Synthese von Substanzen bis hin zu Aufbeeitung von molekulabiologischen Poben zu DNA-Bestimmung vewendet. Duch den Mikowelleneinsatz ist hie eine Zeitveküzung um den Fakto 10 bis 1000 keine Seltenheit [Walt 08]. Ein weitees goßes Einsatzfeld von Mikowellenleistungsgeneatoen in de Industie ist die Ezeugung von Plasma, einem ionisieten Gas, das duch eine hineichend goße Zahl an Ladungstägen chaakteisiet ist. Hiebei wid hauptsächlich in die Ezeugung von Niededuckplasma ode atmosphäischem Plasma unteschieden. Die Niededuckplasmen weden zum Beispiel fü CVD- und PVD-Beschichtungen (chemische und physikalische Gasphasenabscheidung) ode zu Feineinigung von veschmutzten Bauteilen, fü die Plasmaaktivieung von Kunststoffteilen, die Ätzung von PTFE und Silizium ode fü die gezielte Veändeung von Obeflächeneigenschaften genutzt. Atmosphäische Plasmen weden bevozugt zu Reinigung von Obeflächen ode fü Tenn- und Fügevogänge bei Kunststoff, Metall, Glas, Keamik und Hybidmateialien genutzt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Mikowellen- ode Mikowellen- Hybid-Anwendungen übeall dot in de themischen Vefahenstechnik finden und ausbeiten, wo eine schnelle und gleichmäßige Ewämung bei hohe Poduktschonung duch diffeenzenfeie, volumetische, enegiespaende und umweltfeundliche Ewämung gewünscht wid [Mueg 06], [Mueg 10]. 10
2.2. Auslegung von Mikowellenkomponenten De bei de Auslegung von Mikowellensystemen und besondes bei de Pojektieung von Leistungsapplikatoen in de Paxis betiebene Aufwand ist seh unteschiedlich. Ausschlaggebende Kiteien dafü sind de Umfang an Wissen übe die Ausbeitung elektomagnetische Wellen und die technischen Möglichkeiten zu deen Analyse. Die Bestimmung de effektiv nutzbaen Mikowellenleistung setzt ein fundietes Wissen übe die Ausbeitung de Wellen voaus und untescheidet sich maßgeblich von de Wämeübegangsfunktionalität konventionelle Ewämungssysteme. In zahleichen Fällen wuden und weden beim Aufbau ode de Nachüstung von Mikowellenewämungssystemen in Themopozess-Anlagen keine ode nu minimale hochfequenztechnische Betachtungen duchgefüht. Ein Hauptentscheidungskiteium fü den Einsatz eine Mikowellenanlage wa lange Zeit die Fage, ob die Ofenanlage gegen Enegieaustitt hineichend abgesichet weden kann. Übe die tatsächlich im Ewämungsgut nutzbaen Leistungsanteile und die Feldstäkenveteilung im Inneen de Pozessäume wuden keine ode nu obeflächliche Nachfoschungen angestellt. Dabei kommt es gehäuft vo, dass goße Anteile de eingespeisten HF-Enegie nutzlos eflektiet ode in de innen liegenden Wämedämmung von Kaltwandapplikatoen und nicht im Ewämungsgut in Wäme umgewandelt weden. Dabei eeichen deatige Anlagen nu eine seh geinge Enegieeffizienz und es kommt imme wiede zu Havaien duch Themal Run Away Effekte. Weitehin füht ein nachlässige Umgang bei de Konstuktion von Abschimungen und Applikatoveschlüssen in de Industie nach wie vo zu eine gewissen Skepsis gegenübe de Mikowellentechnik [Gaf 05], [Mueg 06], [Vöts 10]. In de Vegangenheit bestand nu die Möglichkeit, die Wellenausbeitung duch die diekte poblembezogene Anwendung de Maxwellschen Gleichungen (4.01 bis 4.04) zu analysieen. Diese händisch duchgefühten Beechnungen ewiesen sich als seh aufwändig und eeichen bei komplexen und goßen Applikatoen schnell einen unübeschaubaen Umfang. Fü eine übeschlägige Beechnung de zu ewatenden Modenkonstellation ode zu Bestimmung de Resonatogundgöße vo eine umfangeichen Simulationsbeechnung können einfache funktionale Zusammenhänge, wie in Kapitel 4.3.3. detailliet eklät und in Kapitel 7.1. angewendet, nach wie vo genutzt weden [Fisc 08], [Walt 08]. Die asante Entwicklung de Compute- und Softwaetechnik elaubt es heute, selbst goßvolumige Poblemstellungen detailliet zu analysieen. Dazu stehen vielfältige zwei- ode deidimensional abeitende Softwaelösungen zu Auswahl. Hiebei sind die Maxwellschen Gleichungen, Veknüpfungen zu den komplexen 11
Mateialeinflüssen und weitee funktionale Zusammenhänge wie Randbedingungen und eingesetzte Eingangssignale in de Softwae hintelegt. Die Hauptausichtungen bei de Entwicklung von deatige Anwendungssoftwae ist leide nicht die Pojektieung von Applikatoen zu Ewämung technische Halbzeuge ode hochwetige Industiegüte, sonden die Auslegung von Multifequenzantennensystemen, das HF-Schaltungsdesign ode die Belastungsemittlung von menschlichen Köpen duch Funknetze und Datenkommunikation. Totzdem lassen sich zahleiche Softwaevaianten duch ein beites Spektum an Einstellungsmöglichkeiten fü die Entwicklung von mikowellenbeheizten Themopozess- Anlagen nutzen [Fisc 08], [Gaf 05], [Weil 08]. Die Realitätsnähe und damit de Entwicklungsefolg bei de Nutzung deatige Beechnungsegebnisse hängt diekt von den eingesetzten Mateialpaameten de vewendeten Bauteile ab. Da die Dielektizitätspaamete de meisten Mateialien wede fü die Mikowellenabeitsfequenz noch fü die Einsatztempeatu bekannt sind, kommt deen Bestimmung hiebei die wesentlichste Rolle zu. In einigen Softwaevaianten sind Mateialpaamete in angehängten Datenbanken hintelegt. In den meisten Fällen handelt es sich dabei um Basismateialien fü Leiteplatten ode elektische Leite wie Kupfe ode Aluminium. De Wet diese Datenbanken ist fü den Bau von Themopozess-Anlagen nu geing, da sich die Paamete zumeist auf Raumtempeatu beziehen und die angebotenen Mateialien fü den Ofenbau keinen Paxisbezug haben [Buy 04], [Weil 08]. Stehen die exakten Mateialpaamete ode eine geeignete Messeinichtung nicht zu Vefügung, wid die effiziente Auslegung von Mikowellenkomponenten totz des Einsatzes modenste Simulationstechnik unmöglich. Ebenso wid sich duch eine Veändeung de Göße ode de Zusammensetzung des Ewämungsgutes de Effizienzgad von Mikowellen- ode Mikowellen-Hybid-Themopozess-Anlagen seh stak veänden, wenn die Anlagen nicht von vonheein daauf ausgelegt sind. Ein deatige Gutwechsel bedingt wie die Eweiteung eine bestehenden Themopozess-Anlage eine simulationsuntestützte Übeabeitung bzw. messtechnische Anpassung des entspechenden Aufbaus [Fisc 08], [Gaf 05], [Reic 10]. Die meisten Hestelle von Mikowellen-Themopozess-Anlagen vewenden fü die Auslegung ihe Systeme eines de zu Simulation von Feldstäkenveteilungen gebäuchlichen Simulationspogamme. Zu diesen maktgängigen Softwaevaianten zählen zum Beispiel: Micowave Studio de Compute Simulation Technology AG, SEMCAD X de Schmid & Patne Engineeing AG, COMSOL Multiphysics de COMSOL Multiphysics GmbH und Ansys/HFSS de ANSYS Incopoated. Mit diesen Multiphysikanwendungen können nicht nu umfangeiche elektomagnetische Anpassungs- und Feldstäkenveteilungsbeechnungen, sonden auch Poblemstellungen andee Fachgebiete beabeitet weden. Hiezu 12
zählen Analysen aus dem Gebiet de Themodynamik, de Festigkeitslehe sowie de Stömungsdynamik. Die in den Softwaeanwendungen integieten Beechnungsvefahen weden im Kapitel 6.2. detailliet eläutet [Debu 09], [Hahn 10], [Linn 10], [Mueg 10], [Vöts 10], [Weil 08]. Die genannten Simulationspogamme enthalten fü viele Beechnungsvaiationen eine inteaktive Benutzefühung, welche dem Bediene eleichtet, die idealen Einstellungen fü den jeweiligen Anwendungsfall zu teffen. Hiebei muss de Anwende lediglich einen Kompomiss zwischen eeichbae Rechengenauigkeit und zeitlichem Aufwand de numeischen Simulation teffen. Die Modelle können mit den enthaltenen CAD-Wekzeugen ode übe eine Impotfunkion in de Softwae ezeugt weden. Fü eine exakte Abbildung de Wellenausbeitung innehalb des Modells ist auf eine eale Dastellung de Geometie- und Mateialvehältnisse bei de Modellestellung zu achten. Die Ankopplung de Speisungspots und andee aumbegenzende Elemente sowie die Venetzung des Modells kann je nach Softwaevaiante und Poblemstellung den automatischen Pogammabläufen innehalb de Softwae übelassen ode selbstständig duchgefüht weden. Die automatische Beabeitung sollte hiebei duch den Anwende hintefagt weden, da die Softwae uspünglich in den wenigsten Fällen exakt fü die genutzte Anwendung gedacht wa, und das Risiko eine Fehlintepetation de Aufgabenstellung besteht. Fü eine selbstständige Beabeitung sind umfangeiche Kenntnisse im Beeich de Modellieung und HF-Technik nötig, da die Egebnisse de Beechnung duch fehlehafte Definitionen mitunte keinen Realitätsbezug meh aufweisen [Gaf 05], [Reic 10], [Weil 08]. Entscheidend fü den efolgeichen und zielfühenden Umgang mit deatige Simulationssoftwae ist das Veständnis zu Intepetation de Egebnisse. Diese können je nach gewählte Softwae und Ausgabeeinstellung als Diagamm ode Tabelle sowie in eine 2D- ode 3D-Visualisieung angezeigt weden. Dem Pojektbeabeite obliegt es, anhand von ausgegebenen Weteveläufen die nötigen Schlüsse zu ziehen und zielfühende Modellveändeungen in die nachfolgenden Beechnungsschitte zu integieen. Eine entspechende Maßhaltigkeit bei de Umsetzung des Anlagenaufbaus voausgesetzt, emöglichen die beeits ewähnten Anwendungspogamme den Anlagenhestellen die exakte Auslegung und Dimensionieung von Mikowellen- und Mikowellen-Hybid-Themopozess-Anlagen [Buy 04], [Böm 10], [Weil 08]. Exakte Infomationen von Hestellen und Fimen zu den im Detail fü die Anlagenentwicklung genutzten Softwaevaianten konnten bis auf eine Ausnahme nicht beschafft weden, da diese zu den Intena de jeweiligen Poduzenten gehöen. Im Falle des auskunftsbeeiten Mikowellentechnikhestelles wid zu 13
Modellkonstuktion die Softwae SolidWoks und fü die HF-Simulationen die Multiphysikanwendung COMSOL Multiphysics genutzt [Mueg 10]. Am Beispiel des Entbindeungsofens fü keamische Günköpe soll eine solche Applikatoentwicklung unte de Zielsetzung, eine enegieeffiziente Themopozess- Anlage zu konstuieen, in Kapitel 7.2. ausfühlich dagestellt weden. 2.3. Keamik und Entbindeung De Begiff de technischen Keamik ist nicht fest definiet, sonden stellt vielmeh eine Sammelbezeichnung fü keamische Wekstoffe und Podukte fü technische Anwendungen da. Die hiein zusammengefassten Wekstoffe und Podukte sind alle anoganisch und nichtmetallisch und weden nach ihe elementaen Zusammensetzung in Silicatkeamiken (z.b.: Steatit, Codieit und Pozellan), Oxidkeamiken (z.b.: Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Aluminiumtitanat) und Nichtoxidkeamiken eingeteilt. Letztee weden zudem in zwei weitee Unteguppen aufgeteilt: Dies sind zum einen cabidische Keamiken (z.b.: Siliziumcabid und Bocabid) und zum andeen nitidische Keamiken (z.b.: Siliziumnitid und Aluminiumnitid) [Rhee 02], [Salm 07], [Walt 08]. Die Fetigung von keamischen Bauteilen ode Wekstoffen füht übe die Massenaufbeeitung zu Fomgebung, wobei sich die im Detail hinte de Rohmassenaufbeeitung vebegenden Vefahensschitte nach dem fü das Fomgebungsvefahen nötigen Zwischenpodukt ichten. In de Massenaufbeeitung weden dem Rohmateial die meist vogemischten Binde, Bennhilfsmittel und weitee Additive fü die Fomgebung zugegeben. Oganische Zusätze wie Binde, sind Additive, welche nicht nu dem Zusammenhalt de einzelnen Keamikpatikel dienen, sonden sie beinhalten gleichzeitig auch Gleitund Pesshilfsmittel. Diese Zusätze weden de Keamikohmasse zugegeben, um wähend des Fomgebungsvefahens bis hin zu Sinteung die Fomstabilität des Rohlings (Günlings) sichezustellen [Salm 07]. Als Binde weden Mischungen aus Wasse, Polymeen, Wachsen, Ölen und Alkohol vewendet. Fü die Veabeitung von Industiekeamikohmassen, wie im voliegenden Fall, weden spezielle Mischungen aus PVA (Polyvinylalkohol), PEG (Polyethylenglykol), Methylcellulose (Polyethylmethacylat), Steainsäue (Octadecansäue) und PA (Polyacylat) eingesetzt [Walt 08]. Unmittelba vo de Sinteung muss de oganische Binde aus dem Günköpe entfent weden. Hiezu weden die Günlinge in Kammeöfen ausgelaget, in denen sie ein vogegebenes Entbindeungsegime duchlaufen, das sich aus eine Anzahl von Aufheizampen und isothemen Haltezeiten zusammensetzt. Die Regime weden hauptsächlich auf de Gundlage von TGA-Kuven (themogavimetische Analysekuven) de Bindehestelle abgeleitet und mit Efahungen des 14
pozessbeteuenden Pesonals abgeglichen. Fü die Optimieung de Regime in Bezug auf eine mikowellenuntestützte Entbindeung fehlen jedoch entspechende Massevelustanalysen fü das Vehalten unte Mikowelleneinfluss, espektive die Dielektizitätspaamete de Binde. Wähend de Entbindeung, dem zeitlich und enegetisch aufwändigsten Pozessschitte in de Keamikpoduktion, kommt es zu esten Schwindungen. Die sich an das Entbinden anschließenden Pozessschitte sind das Sinten und eine eventuelle Nachbeabeitung des keamischen Fomköpes. Wähend des Sintevogangs kommt es anfangs zum Wachstum von Sintebücken, welche die einzelnen Keamikpatikel vebinden. Mit dem Fotscheiten de Sinteung bildet sich aus den einzelnen Patikeln ein zusammenhängende poename Köpe, welche duch die damit vebundenen Schwindungen seine vogesehene Enddichte und - göße eeicht. Im Rahmen de Nachbeabeitung sind meist weitee Pozessschitte, wie das Polieen ode Schleifen von einzelnen Obeflächen ode das Auftennen von Stanggut in einzelne Abschnitte, nötig [Pohl 96], [Salm 07]. Die Entbindeung bestimmt bei vielen Keamiken die Qualität des Poduktes sowie die möglichen Duchsätze und die Kosten de Fetigung. Bisheige Vesuche zu mikowellenuntestützten Entbindeung beschänkten sich vowiegend auf einen voindustiellen Labomaßstab, da es ohne umfangeiche Vovesuche nicht möglich ist, die ewatete Poduktqualität zweifelsfei zuzusichen [Buy 04], [Rhee 02]. 15
3. Päzisieung de Aufgabenstellung Unte Labobedingungen wude in zahleichen Abeiten, z.b.: [Buy 04], [Reic 08] und [Sta 08] bishe bewiesen, dass die Mikowellentechnik bei Hochtempeatupozessen duch die volumetische Ewämung und die damit vebundene Minimieung von Tempeatudiffeenzen im Mateial ein nicht zu unteschätzendes Potenzial bei de Reduzieung de Pozesszeiten und -kosten aufweist. In de täglichen industiellen Anwendung hat die Mikowellentechnik auf Gund von Schwieigkeiten bei de Pozessaumanpassung bishe nu stockend bzw. nu in Nischengebieten Einzug gehalten. Mit diese Abeit soll die Integation de Hochfequenzewämung in hybide ode eine Fom in den industiellen Ofenbau eleichtet weden. Um den Aufbau und die Abeitsweise von Mikowellen-Themopozess-Anlagen vozustellen, sollen im folgenden Kapitel 4 die theoetischen Gundlagen, d.h. Komponenten von Mikowellenanlagen und im Speziellen die möglichen Baufomen von Leistungsapplikatoen dagestellt weden. Außedem weden Eläuteungen zu Belangen des Abeitschutzes und des Funktionsmechanismus de dielektischen Ewämung eabeitet. Bezugnehmend auf die nachfolgende Beispielentwicklung des Hybid-Entbindeungsofens wid ein FTIR-System zu diekten Übewachung des Pozessfotschitts vogestellt und dessen Funktionsweise eklät. Das Kapitel 5 beschäftigt sich mit de Poblematik de Nutzung und Bestimmung de mikowellenelevanten Stoffeigenschaften, den Dielektizitätspaameten. Hiezu weden Liteatuechechen und Messvefahen ausgewetet und eötet. Weitehin wid das in Emangelung kommezielle Altenativen paallel zu diese Abeit entwickelte und aufgebaute Messsystem fü Dielektizitätspaamete bei höheen Tempeatuen, de Dielektizitätsmessplatz (DiEmPl), vogestellt. Um das in de Mikowellentechnologie steckende Potenzial mit hohem Effizienzgad im industiellen Umfeld ausnutzen zu können, sollen im Kapitel 6 Eläuteungen und Gundsätze fü die Auslegung und Konstuktion entspechende Themopozess- Anlagen vogestellt weden, welche im Rahmen diese Dissetation ausgeabeitet wuden. Hiebei weden Simulationsvefahen vogestellt und Fehlestellen in Mikowellenübetagungsstecken analysiet. Die Umsetzbakeit de aufgestellten Anfodeungen und Gundsätze soll anhand de Entwicklung eines Entbindeungsofens fü keamische Günköpe nachgewiesen weden. Die geometische Auslegung des inneen Pozessaums de Ofenanlage, die Cavity, wid nach ein hochfequenztechnischen Gesichtspunkten efolgen. Die Auslegung de Cavity spezifiziet sich hiebei wesentlich duch den gleichzeitigen Paallelbetieb zweie veschiedene Mikowellensysteme mit Abeitsfequenzen von 2,45 GHz und 5,8 GHz innehalb des einen Pozessaums. Hiebei weden natülich 16
auch technologische und ofenbauliche Anfodeungen mit einbezogen und in de Konstuktion beücksichtigt. Im Kapitel 8 sollen die in einem Model de Ofen-Cavity duchgefühten Vovesuche vogestellt und ausgewetet weden. Fü diese Vovesuche wude ein geometisch identisches Abbild de Cavity geschaffen, in welchem duch Gitteblenden die Aufheizung von Pobeköpen mittels Themogafie nachvollzogen und vemessen weden soll. Das Kapitel 9 illustiet den vollständigen Aufbau de Themopozess-Anlage mit den veschiedenen Mikowellenleistungsgeneatoen, de Steueungs- und Regelsoftwae sowie de Integation des FTIR-Sensosystems, das de Online-Übewachung des Entbindeungsvogangs dient. Fü einen umfassenden Test des Hybid-Entbindeungsofens wuden zahleiche Vesuche mit industiellen Mateialpoben von Pojektpatnen duchgefüht, deen Egebnisse im Kapitel 10 ausfühlich dagestellt weden. Als ein wesentliche Aspekt fü die Auswetung de eeichten Egebnisse wid hiebei de diekte Vegleich zwischen konventionellen Entbindeungsegimen und den mikowellen-untestützten Regimen heangezogen. Daübe hinaus sollen die beiden bei de Mikowellenhybidentbindeung genutzten Abeitsfequenzen von 2,45 GHz und 5,8 GHz miteinande veglichen weden. Duch die unteschiedlichen Wellenlängen ist die Wechselwikung zwischen Keamik und elektomagnetische Welle, und folglich auch die Tempeatuveteilung innehalb de Mateialien andesatig ausgepägt. Das Fazit de Abeit soll eine nach Pioitäten aufgeschlüsselte Aufstellung von Gundsätzen fü die Auslegung von Mikowellen-Hybid- und Mikowellen- Themopozess-Anlagen sein. 17
4. Theoetische Gundlagen 4.1. Mikowellentechnik 4.1.1. Aufbau von Mikowellen-Themopozess-Anlagen Rein modula betachtet, besteht eine Mikowellen-Themopozess-Anlage aus eine Enegiequelle, eine Übetagungsstecke und eine Enegiesenke. In de Enegiequelle wid elektische Enegie aus dem Netzanschluss übe den Umweg eine Hochspannungswandlung in Mikowellenenegie, also in ein hochfequentes elektomagnetisches Feld, umgefomt. Die Übetagungsstecke tanspotiet die elektomagnetische Welle von de Quelle zu Senke. In de Enegiesenke wid das beeitgestellte elektomagnetische Feld duch die dielektischen Veluste des Empfänges in themische Enegie umgewandelt. In Abbildung 02 ist dieses Tansmissionsschema unte Beachtung de koppelungselevanten Ein- und Ausgangsimpedanzen dagestellt. Abbildung 02: Dastellung von Enegiequelle und Enegiesenke [Reic 03] De Obebegiff de Laufzeitöhen umfasst alle heutzutage gängigen Baufomen von Mikowellengeneatoen. Im Detail weden als Enegiequellen bei 98 % alle Themopozess-Anlagen Keuzfeldöhen, also Magnetonöhen ode kuz Magnetone vewendet. Die übigen 2 % setzen sich aus Lineastahlöhen, also Klystonöhen, und einigen Mischbaufomen wie Zyklotonesonanz-Mase, also Gyomonotonöhen, zusammen. Klyston- und Gyomonotonöhen bieten sich auf Gund ihe manufaktuatigen Einzelfetigung und des entspechenden Peises vowiegend fü Spezialanwendungen an, zum Beispiel als Impulsenegiequelle in Teilchenbeschleunigen ode als Hochleistungsvestäke in goßen Rada- und Sendeanlagen. Die mögliche Fequenzflexibilität stellt dabei in einfachen Industieanwendungen eine Hüde bei de behödlichen Zulassung da, da sie die Vogaben de ISM-Bände übescheiten. Diese speziellen Röhenbaufomen eeichen Abeitsfequenzen von bis zu 10 GHz bzw. 170 GHz bei eine Daueleistung von bis zu 50 MW und Impulsleistungen von übe einem Teawatt. 18
Im Gegensatz hiezu weden Magnetone in gößeen Stückzahlen poduziet und sind duch ihe mechanische Anodenbaufom fequenzstabile. Sie übesteichen beim Leistungsaufbau nu einen Fequenzbeeich von wenigen 1 MHz. Magnetone haben einen Wikungsgad von bis zu 78 % und sind somit als peiswete und effiziente Hochfequenz-Geneatoen fü den industiellen Einsatz geeignet. Die Velustleistung wid, je nach Bauat de Magnetone, übe eine Luft- ode Wassekühlung abgefüht. In de Tabelle in Anhang A) sind mehee handelsübliche Magnetontypen nach Abeitsfequenz, Betiebsleistung und Kühlschema gegenübegestellt [IBF 10], [Mueg 10]. De Effektivwikungsgad fü diese Leistungsgeneatoen setzt sich aus dem Magnetonwikungsgad und dem Wikungsgad de vogeschalteten Hochspannungsezeugung zusammen. Entspechend dem Entwicklungsstand und de Ezeugungsat, ob analog ode digital, ist hie ein Wikungsgad zwischen 80 % und 95 % möglich. Somit eeicht die gesamte Hochfequenz-Enegiequelle inklusive Steue- und Regeleinheit eine Effizienz von bis zu 74 %. Bei den möglichen Betiebsaten von Magnetonen wid de Dauebetieb, wo je nach Abeitsfequenz bis zu 150 kw beeitgestellt weden, und de Impulsbetieb, bei dem meh als 10 MW Peakleistung ezeugt weden können, unteschieden. Die vom Magneton ezeugte tansvesalelektomagnetische Welle (TEM-Welle) wid fü die Übetagung zu Enegiesenke in einem Launche mit Hilfe eines Antennenkopfes in einen Hohlleite eingekoppelt. Ein Feld mit eine TEM- Wellenfom, auch ebene Welle genannt, besitzt wede elektische noch magnetische Feldkomponenten in ihe Ausbeitungsichtung. Diese Wellenfom ist in Hohlleiten nicht ausbeitungsfähig. Bei de Übetagung des Feldes in den Hohlleite wandelt sich die Wellenfom duch die umgebenden elektisch leitfähigen Wände, je nach Fom und Göße des Hohlleites und de Fequenz de Welle, in eine tansvesalelektische ode tansvesalmagnetische Welle um [Chan 05]. Man nennt eine tansvesalelektische (TE-) Welle auch H-Welle und eine tansvesalmagnetische (TM-) Welle auch E-Welle, weil elektische Feldkomponenten de H-Welle ode magnetische Feldkomponenten de E-Welle nu que zu Ausbeitungsichtung (tansvesal) aufteten. Die in Hohlleiten ausbeitungsfähigen Wellenfomen weden auch Wellenmoden ode Moden genannt. Hohlleite können je nach Anwendung einen echteckigen, unden ode elliptischen Queschnitt besitzen. In de Paxis weden vowiegend Hohlleite mit echteckigem Queschnitt, vozugsweise mit einem Seitenvehältnis von eins zu zwei, eingesetzt. Die Lage des Koodinatensystems und die Dimensionen sind in de Abbildung 03 angegeben. Aus de Wellenfequenz und de Beite a bzw. de Höhe b des Hohlleites egibt sich die jeweilige tanspotiete Modenfom. Diese Moden weden entspechend de Häufigkeit des Auftetens von Feldstäkeextema entlang de Achsen des 19
Hohlleites bezeichnet und sotiet. Die Modenbezeichnung wid ausgehend von de gundsätzlichen Wellenfom als H mn -Mode ode als E mn -Mode definiet, wobei de m-wet de x-achse und de n-wet de y-achse entspicht [Schi 74]. Abbildung 03: Zeichnung Hohlleite-Achsen In de Paxis weden die Hohlleite passend zu de Abeitsfequenz de Leistungsgeneatoen so ausgewählt, dass de Gundmode mit de niedigsten Genzfequenz ausgenutzt wid. Das hat den Voteil, dass die Ausbeitungsdämpfung de elektomagnetischen Welle bei diese Fequenz am geingsten ist. Entspechend dem Mikowellenfequenzbeeich wuden, wie in de Tabelle in Anhang B) dagestellt, Standadhohlleite fü alle theoetisch nutzbaen Fequenzbände genomt [D473 81] und [DE61 98]. Die Abmessungen und technischen Anfodeungen zu Standadhohlleiten sind in de DIN 47302-1, -2, -3 und -10 und zu den Hohlleitevebindungselementen in de DIN EN 60154-1 und -2 umfassend hintelegt. Hiein sind Anfodeungen zu Mateialien, Passungen, Obeflächenauigkeiten und möglichen Flanschausfühungen definiet und mit Skizzen untemauet. Fü eine hohe Flexibilität bei de Kombination von Bauteilen wid von zahleichen Mikowellentechnikhestellen die Flanschausfühungsat Typ D bevozugt. Im Rahmen des Flanschtyps D gibt es dei Ausfühungen, die sich im Lochaste fü die Vebindungsbolzen nicht untescheiden. Die Ausfühungen untescheiden sich im Vohandensein eine Dossel- und eine Dichtungsnut, wobei die Ausfühungen RDP mit Dosselnut, ohne Dichtungsnut und UDP ohne Dossel- und Dichtungsnut die geläufigsten sind. Bei Hestellen und Anwenden von Mikowellentechnik haben sich fü die Hohlleite als Wand- und Flanschmateial je nach Anwendungstempeatu Kupfe, Aluminium, Messing ode Edelstahl duchgesetzt (siehe Tabelle 01). 20
Tabelle 01: Leitfähigkeit und Einsatztempeatuen von Metallen fü Wellenleite Mateial Leitfähigkeit σ 2 in MS m m Einsatztempeatu t max in C Silbe (OFHC) 61,4 400 Kupfe (OFHC) 58,2 300 Aluminium 36,6 350 Messing 15,8 400 Zinn 8,5 150 Edelstahl (1.4301) 1,4 550 Edelstahl (1.4878) 1,37 800 Edelstahl (1.4828) 1,18 900 Als Gundmode fü die Enegieübetagung mit tansvesalelektischen Wellen wid in echteckigen Hohlleiten de H 10 -Mode genutzt. De H 10 -Mode bedeutet, dass sich alle elektischen Feldlinien que zu Ausbeitungsichtung befinden und kein elektisches Feld in longitudinale Richtung existiet. Als Folge dieses elektischen Feldes entsteht ein magnetisches Feld mit longitudinale Ausichtung. Diese Wellenfom hat eine günstige Feldlinienstuktu fü die Ein- und Auskoppelung in den Hohlleite bzw. fü die Beeinflussung de Ausbeitungsichtung und die Detektion von vohandene Leistung, Fequenz ode Phasenlage. Wenn die duch den Leistungsgeneato beeitgestellte Hochfequenzenegie duch die Enegiesenke nicht vollständig absobiet wid, kommt es zu eine anteiligen Leistungseflexion. Ein Rücklaufen von Wellenanteilen wid nicht nu duch eine nicht vollständige Leistungsabsoption in de Enegiesenke, sonden auch duch Fehlanpassungen de Impedanz innehalb de Anlage veusacht. Diese Impedanzspünge und die damit einhegehenden Leistungseflexionen weden duch mechanisch ungenaue Übegänge zwischen den einzelnen Anlagenkomponenten ode duch Fehlestellen innehalb de Hohlleitestecke hevogeufen. Die eflektiete Leistung wid duch den Hohlleite zuück zum Leistungsgeneato tanspotiet und dot übe den Antennenkopf in den Leistungsgeneato eingekoppelt. Duch diese Reflexionsleistungseinkopplung kann es in den Leistungsgeneatoen zu eine Übehitzung kommen, in deen Folge die Bauteile ausfallen. Handelsübliche Magnetone elauben eine maximal 10 %ige Reflexionsleistungseinkopplung, was abe dauehaft schon zu eine enstzunehmenden Einschänkung ihe Lebensdaue und zu eine Veschiebung de Abeitsfequenz füht [Chan 05], [Coll 01]. Fü die Absicheung de Magnetone wid somit als diektes Anbauteil ein Zikulato bzw. Isolato vogesehen, de fü die Funktionssicheheit de gesamten Mikowellenanlage von goße Wichtigkeit ist. Ein Zikulato ist ein passives Bauelement zu Auftennung de Wellenausbeitungsichtung. De Zikulato (siehe Abbildung 04) besitzt dei Anschlüsse (Toe), an welche zum einen das Magneton, 21
zum Zweiten die Hohlleiteübetagungsstecke zu Enegiesenke und zum Ditten ein Lastwidestand angeschlossen wid. Wid in das Eingangsto, vom Magneton aus, eine Welle in den Zikulato eingespeist, wid diese duch das nächste To in die Übetagungsstecke weitegeleitet. Reflektiete Wellenanteile, die von de Leistungssenke nicht absobiet wuden und übe die Übetagungsstecke zuück zum Zikulato laufen, weden jetzt entspechend an das nächste To übegeben, an dem sich de Lastwidestand befindet. Diese Lastwidestand ist ein ideal angepasste Abschluss eines Hohlleites und absobiet die gesamte einlaufende Hochfequenzenegie. Diese HF-Widestände weden als Wasselast ausgefüht, was eine hohe Funktionssicheheit und ein weites Leistungsaufnahmespektum sichestellt. In den Duchlassichtungen haben Zikulatoen eine Tansmissionsdämpfung, die typischeweise unte 0,3 db liegt. Die Reflexionsdämpfung des Abschlusswidestands und die Tansmissionsdämpfung in den Speichtungen liegen meist bei übe 30 db [Schi 74]. Abbildung 04: Mikowellen-Themopozess-Anlage mit Enegiequelle, Übetagungsund Steueelementen sowie Leistungsapplikato Die Funktionsweise des Zikulatos egibt sich aus seinem mechanischen Aufbau, in welchem eine ode mehee Scheiben eines Yttium-Eisen-Ganats (YIG - Y 3 Fe 5 O 12 ) von einem konstanten Magnetfeld duchdungen weden. Dieses duch Pemanentmagnete aufgebaute Magnetfeld füht bei entspechende othogonale Ausichtung und dem Eintitt eine hochfequenten elektomagnetischen Welle zu eine Anegung von Spinpolaisationseffekten, die iheseits zu eine Veändeung de Ausbeitungsgeschwindigkeit de sich im Zikulatogehäuse aufteilenden Welle füht. Die Diffeenz zwischen den Ausbeitungsgeschwindigkeiten de zwei Wellenteilen füht dazu, dass die Wellenteile am zweiten To phasengleich ankommen und sich zu vollständigen Welle addieen. Im Gegensatz hiezu teffen sich die Wellenteile 22
am ditten To in entgegengesetzte Phasenlage und löschen sich aus. De Zikulato mit dem zugehöigen Lastwidestand ist in eine industiell genutzten Mikowellen-Themopozess-Anlage ein wesentliches und die Lebensdaue bestimmendes Bauteil [Walt 08]. Fü die Efassung und Bestimmung de in de Übetagungsstecke laufenden Welle kann diese an beliebige Stelle mit eine de Messfunktionalität angemessenen Dämpfung ausgekoppelt weden. Um die Leistung de sich im Hohlleite ausbeitenden Welle bzw. die vom Ewämungsgut tatsächlich absobiete Leistung exakt zu messen, ist hiebei eine Diffeenzieung in den hin- (zu Enegiesenke) und ücklaufenden (zu Enegiequelle) Wellenanteil de efassten Leistung notwendig. Fü die getennte Efassung von hin- und ücklaufende Welle wid die Leistung an mindestens zwei auf de z-achse de Hohlleitebeitseite liegenden Punkten mit eine Dämpfung zwischen 50 und 70 db ausgekoppelt und in einen Leitungsichtkopple eingespeist. Die zu Auftennung de Wellenanteile vewendeten diekt gespeisten Richtkopple sind passive, symmetische und velustlose Vietoe. Die hochfequenten Wellen weden mit einem Phasenvesatz von 90 in die zwei Eingangstoe des Koppelings eingespeist und auf diesem weitegeleitet. Duch die konstuktive Gestaltung des Koppelings kommt es zu eine laufzeitbedingten Auslöschung de ungewollten Wellenanteile an den zwei Ausgangstoen des Richtkopples. Die nach ihe Ausbeitungsichtung getennten Wellenanteile weden an den Ausgangstoen des Kopples an eine Messelektonik übegeben, dot gleichgeichtet und de Anlagensteueung zu Vefügung gestellt [Reic 03]. Abbildung 05: a) 2 kw Mikowellen-Kompaktkopf mit Magneton, Zikulato mit Lastwidestand, Zweischaubentansfomato und koaxialem Ausgang [Mueg 10]; b) Automatic Tuning System TRISTAN mit Leistungsdetekto und Deischaubentansfomato [Mueg 10] 23
Deatige Leitungsichtkopple bilden in modenen Leistungsgeneatoen zusammen mit dem Magneton, dem Zikulato und dem zugehöigen Lastwidestand eine sich selbstständig absichende Hochfequenzenegiequelle, welche kompakt, obust, kostengünstig und flexibel einsetzba ist (Abbildung 05 a)). Fü die Estabstimmung an Industieanlagen und im Beeich de Foschung weden zu Emittlung de in de Übetagungsstecke laufenden Welle gen aufwändigee, kostenintensivee Impedanzanalysatoen vewendet (Abbildung 05 b)). Diese Leistungsdetektoen efassen übe mehee Koppelstellen und Ringkopple nicht nu die exakte Göße de hin- und ücklaufenden Welle, sonden auch noch weitee Paamete, wie die Fequenz ode die Phasenlage de Welle und stellen eine computegestützte Auswetung de Vogänge in de Übetagungsstecke beeit. Geade bei kitischen Leistungsapplikatoen weden diese Analysatoen fü die Inbetiebnahme benutzt, um in de Übetagungsstecke befindliche Impedanzanpassungselemente, wie Deischaubentansfomatoen ode Phasenschiebe, abzustimmen. Phasenschiebe weden in Vebindung mit T-Stücken in de Hohlleiteübetagungsstecke vowiegend fü die Ausichtung de Feldmoden in Resonanzapplikatoen vewendet. Sie emöglichen in bestimmten geometischen Genzen ein Zuechtücken bzw. Ausichten de Feldstäkeextema. Dieses Ausichten ist in gößeen Applikatoen beim Einsatz mehee Leistungsgeneatoen mitunte unvezichtba, um eine gleichmäßige Feldstäkenveteilung innehalb des Ewämungsgutes zu ealisieen. Deischaubentansfomatoen emöglichen, ähnlich einem Koektunetzwek, eine velustlose Anpassung de Impedanz de Enegiequelle an die Impedanz de Enegiesenke. Diese Anpassung ist im industiellen Alltag oftmals nötig, da duch diese Elemente Fetigungstoleanzen auf Seiten de Applikatoen wikungsvoll ausgeglichen weden können. Geade die Kombinationen von Impedanzanalysatoen und sevountestützten Stellglieden an Deischaubentansfomatoen und Phasenschieben emöglichen eine ideale Impedanzanpassung wähend eines Ewämungsvogangs, wenn sich duch Wämedehnung die Geometie eines Applikatos veändet. In industiellen mikowellenbeheizten Themopozess- Anlagen ist die Vebeitung solche elekto-mechanische Stell- und Steuegliede alledings auf Gund de Investitionskosten seh geing. Dot weden deatige Systeme, wenn übehaupt, nu zu Inbetiebnahme in die Übetagungsstecken eingefügt und stehen damit im Poduktionsbetieb nicht meh zu Pozessübewachung und -optimieung zu Vefügung. Die Abstimmung eine Themopozess-Anlage ohne entspechende Leistungsanalysetechnik gestaltet sich somit schwieig und zeitaufwändig. In vielen Anwendungsfällen kommt es duch bishe unentdeckte Fehlanpassungen und damit einhegehende Leistungseflexionen zu schlechten Egebnissen, geingen Wikungsgaden und 24