Bekannt und verbreitet ist das Erwärmen von Speisen mit Mikrowelle.

Ein in einen Resonatorraum eingekoppeltes elektromagnetisches Feld nimmt sofort eine stationäre Verteilung darin ein, die von der Fre- quenz der Mikrowelle, äquivalent von der Wellenlänge, und der Geomet- rie des Resonatorraumes abhängt. Die Haushaltsmikrowelle hat eine Frequenz von 2,45 GHz und damit eine Wellenlänge A von etwa 12 cm im lufterfüllten oder luftleeren Raum. Die Geometrie von Mikrowellenge- räten für den Haushalt liegt daher in einfacher kubischer Ausgestal- tung in diesen Dimensionen.

Erfahrungsgemäß geschieht die Erwärmung von in dem Resonatorraum ex- ponierten Speisen nicht gleichmäßig. Das hängt am unterschiedlichen Wassergehalt der Speisenanteile und damit der Existenz einer lokal unterschiedlichen Dipoldichte, aber ganz wesentlich an der Verteilung des elektromagnetischen Feldes im Resonator und damit der Anregung der Dipole durch das anregende elektromagnetische Feld. Bei Erwärmung von gleichartigen Substanzen/Stoffen insbesondere ist für die gleich- artige Erwärmung im gesamten Substanz-/Stoffvolumen die Feldvertei- lung von maßgebender Bedeutung. Ein grober aber doch wirksamer Behelf zur Vermeidung starker bis stärkerer räumlicher Feldänderungen"ist eine bewegliche Fläche im Resonatorraum, an der die auftreffenden Be- reiche der Mikrowellenstrahlung reflektiert werden und so Feldstärke- schwankungen nicht lokalisiert sind und damit verschmiert werden. In diesem Fall steht das Prozessgut im Resonator still. Eine andere oder zusätzliche Maßnahme ist das Bewegen des Prozessgutes, beispielsweise auf einem Drehteller oder hin und her bewegten Tisch.

In der industriellen Materialprozesstechnik ist beim Erwärmen von Prozessgut mit Mikrowelle von grundsätzlicher Bedeutung, dass das e- lektromagnetische Feld im gesamten Resonatorvolumen oder zumindest in einem möglichst großen zentralen Bereich des Resonatorvolumens so we- nig wie möglich schwankt, also einer idealen räumlichen Gleichvertei- lung nahe kommt, um lokale Überhitzungen, Hotspots, zu vermeiden.

In der DE 196 33 245 wird eine polygonale Resonatorgeometrie be- schrieben, in die stirnseitig exzentrisch mit geneigter Strahlachse eingekoppelt wird. Insbesondere bei hexagonalem Querschnitt der Reso- natorgeometrie wird so eine Feldverteilung erreicht, mit der zumin- dest im zentralen Resonatorbereich ein Volumenbereich vorliegt, in dem brauchbare Feldgleichmäßigkeit besteht. Obwohl im gesamten Innern des Resonators bei Einkopplung der Mikrowelle ein elektromagnetisches Feld vorhanden ist, ist das zentrale Prozessvolumen mit homogenem Feld oder zumindest tolerierbarer Feldschwankung verhältnismäßig klein. Dieser Resonator mit seiner Art der Einkopplung kann nur als einzelner verwendet, werden und ist als Modul einer Anlage nicht ver- wendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Resonator für eine in ihn einzukoppelnde Mikrowelle bereitzustellen, in dem sich ein Ge- misch vielzahliger Moden derart ausbildet, dass im Resonatorvolumen ein möglichst großes Prozessvolumen um die Resonatorlängsachse für das thermische Prozessieren unter der Voraussetzung, dass die mittle- re Feldstärke des Modengemisches einer idealen Gleichverteilung in diesem Raum nachkommt, ausgenutzt werden kann.

Ein solcher Resonator soll modulartig verwendet werden können, d. h. es soll eine Prozessstrasse zum thermischen Prozessieren von Werkstü- cken durch Aneinanderreihen solcher Resonatoren aufgebaut werden kön- nen.

Darüber hinaus sollen die Resonatoren jeweils so mikrowellentechnisch betrieben werden können, dass mit vorgebbarer Frequenz die Modenaus- bildung im Resonator bei Mikrowelleneinkopplung örtlich oszilliert oder räumlich umläuft, wandert. Mit einem solchen Resonator sollen in industriellem Maßstab thermisch prozessierbare Werkstücke/Gegenstände über Mikrowelleneinwirkung auf- grund der volumetrischen Erwärmung mit hoher Zeit-und Energieerspar- nis thermisch prozessiert werden, insbesondere aber harzgetränkte Verbundstoffe, CFK und/oder GFK, gleichmäßig ausgehärtet werden, um hohe Formstabilität und mechanische Belastbarkeit zu erlangen, sowie auch Klebstoffteile und Epoxidharzbeschichtete Strukturen.

Die Aufgabe wird durch einen Mikrowellenresonator mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Der Mikrowellenresonator zum thermischen Prozessieren von Werkstoffen hat grundsätzlich eine aus der DE 196 33 245 bekannte Gestalt mit konvex polygonalem Querschnitt. Der Querschnitt ist regelmäßig. Es hat sich aber aufgrund von Überlegungen und darauf basierenden Be- rechnungen gezeigt, dass die geradzahlige Polygonalität und mindes- tens Hexagonalität des Querschnitts von Vorteil für eine möglichst gleichmäßige Feldeinstellung bei Mikrowelleneinkopplung in einem gro- ßen zentralen Volumenbereich des Resonators ist. Der Resonatorinne- raum ist einfach und nie rund. Neben den beiden Stirnwänden hat er ebene, gleichartige Mantelsegmente und hat somit einen regelmäßigen Querschnitt. Abhängig von der Wellenlänge der in den Resonator ein- gekoppelten Mikrowelle, hat er solche Dimensionen, dass sich ein hochmodiges elektromagnetisches Feld ausbilden kann.

Von Hochmodigkeit oder Übermodiertheit wird gesprochen, wenn der Re- sonatorduchmesser D erheblich größer als die Wellenlänge A ist, etwa mindestens 5 mal größer, vorzugsweise 10 mal größer oder darüber, wenn das konstruktiv machbar ist, so dass gemäss der Bedingung zwischen den Modenzahlen l, m, n und der Wellenlänge A und dem Durchmesser D des Resonators erheblich viele Moden (l, m, n) existie- ren, die anregungsfähig sind und sich überlagern und damit zur Über- modierung führen.

Die Homogenität oder zumindest geringe räumliche Schwankung des e- lektromagnetischen Feldes in dem großen zentralen Volumenbereich des Resonatorinnern wird maßgeblich durch mindestens ein Einkoppelstruk- turpaar für die Mikrowelle erreicht. Die Einkoppelstrukturen sind gleichartig.

Ein solches Einkoppelstrukturpaar kann bei sehr großen Applikatoren auch aus mehreren Wellenleiterzügen bestehen, die parallel axial aus- koppeln. Eine Mantellängskante verläuft stets zwischen einem solchen Einkoppelstrukturpaar, das sich höchstens über die Resonatorlänge bzw. die Mantellängskante erstreckt. Mehrere Einkoppelstrukturpaare sitzen in dieser Art am Resonatorumfang. Es können sich maximal N Einkoppelstrukturpaare im Resonatormantel befinden, wobei N natürlich ist und die Polygonalität angibt.

Jede Einkoppelstruktur besteht aus einer Längsanordnung von Durchbrü- chen in der Resonatormantelwand, über welcher der von der Mikrowel- lenquelle kommende Rechteckhohlleiter endet. Diese Einkoppelstruktur im Mantelflächensegment besteht aus einer Folge von sich nicht über- lappenden, äquidistant Einkoppelkonturen/-öffnungen, abwechselnd links und rechts entlang einer Geraden, der Führungsgeraden, die pa- rallel zur zugehörigen Mantellängskante verläuft. Die Einkoppelkontu- ren/-öffnungen folgen in einem Abstand aufeinander, der eine phasen- konstante Auskopplung in den Resonator der sich im Rechteckhohlleiter im Basismode TEO, befindlichen Mikrowelle bewirkt, und sich die Breite/Taille d der Schlitze aus der Bedingung für den Beu- gungswinkel 0 bei vorgegebener Mikrowellenlänge A aus tan 9 = d bestimmt. Diese Näherung gilt für Winkel zu < 5°, für Winkel zu < 2° ist sogar das erste Glied der Reihenentwicklung für den Tangens aus- reichend, nämlich # = @/d.

Die Einkoppelkonturen haben einerseits in Abhängigkeit des ersten Re- flexionsabstandes L1 der aus der Einkoppelstruktur ausgekoppelten Mikrowelle eine Weite d gemäss der gerade angeführten Beugungswinkel- bedingung, um eine Aufweitung der entstehenden Wellenfont derart zu gewährleisten, dass diese weit genug aufgefächert ist, und um an zwei sich stoßenden, gegenüberliegenden Mantelflächensegmenten in zwei un- terschiedlich gerichtete Bündel erst mal reflektiert zu werden. And- rerseits ist der Beugungswinkel so klein bemessen ist, dass das in den Resonator eingekoppelte Primärbündel zur Vermeidung der Rück- strahlung mit seiner Strahlenebene nicht in die eventuell gegenüber- liegende Einkoppelstruktur fällt. Die so nach der Primärreflexion entstehenden gespaltenen Strahlenbündel weisen einen von ihrem/r er- zeugenden Wellenleiter/Einkoppelstruktur abgewandten Drehsinn zur weiteren Reflexion und Aufteilung und damit einhergehender rauschar- tigen, aber elastischen und deshalb verlustfreien Zerstreuung auf.

Durch die Nutzung der symmetrischen Einkoppelstrukturpaare wird eine Amplituden-Gleichverteilung durch die Durchbruchauskopplung in den Resonator unmittelbar im Fresnelschen Nahfeld realisiert. Die weitere freie Wellenpropagation mit einhergehender Beugungsaufweitung wird beibehalten. Die sich von einer Einkoppelstruktur ausbreitende Wel- lenfront wird durch die flachen metallischen Mantelinnenwandsegmente unter Beibehaltung ihrer Eigenschaften elastisch vielfach reflektiert und so die entstehenden Strahlbündel stets aufgeweitet. Die Durchbrü- che der Einkopplungsstruktur/en sind im Wellenleiterabschluss auf der Resonatorwand angeordnet und koppeln phasenkonstant in den Resonator aus. Aufgrund dieser Überlegungen ergibt sich auch der Abstand der Linie, entlag der sich die Auskoppelschlitze anordnen, zur Mantel- längsachse. Dieser konstruktive Abstand wird, in Grenzen variierbar, aufgrund der o. e. mikrowellentechnischen Forderungen festgelegt.

Die. Unteransprüche 2 bis 4 beschreiben besondere Lagen und Geometrien für die Durchbrüche.

Liegen nach Anspruch 2 die Einkoppelkonturen mit ihrer Längsachse pa- rallel zur Führungsgeraden, dann ist mit der jeweiligen Einkoppelkon- tur die stärkste Mikrowelleneinkopplung in den Resonator gegeben.

Liegen sie senkrecht zu ihr, dann erreicht man die schwächste Mikro- welleneinkopplung. Eine Lage dazwischen bedeutet eine dazwischen lie- gende, entsprechend starke Mikrowelleneinkopplung.

Neben der geometrischen Lage der Durchbrüche der Einkoppelstrukturen eines Einkoppelstrukturpaares zueinander ist deren geometrische Form ebenfalls von Bedeutung für die Qualität der Ausbildung des elektro- magnetischen Feldes im Resonator.

Herstellungstechnisch ist die einfachste Form der Einkoppelkontur das Rechteck mit der Breite d und der Länge L = A/2 der Grundwelle H, 0 im Rechteckhohlleiter (Anspruch 3). Mit dieser Geometrie gibt es mikro- wellenphysikalisch ausgeprägte Verluste in der Ab-/Einstrahlung in den Resonator, die sich in der stärkeren Erwärmung, Joule'sche Erwär- mung Ri2 durch die Randströme insbesondere in den Eckbereichen der Einkoppelkontur, zeigt.

Eine optimierte, einfache Einkoppelkontur ist in Anspruch 4 beschrie- ben. Sie folgt über eine Länge L = A/2 der Grundwellenlänge dem Ver- lauf zweier zueinander spiegelbildlichen elektrischen Feldlinien, den E-Feldlinien, des Grundmodes TEO, in der Wand des Rechteckhohlleiters zumindest angenähert von Knoten zu Knoten. Im Bauch liegen diese bei- den E-Feldlinien um die oben erläuterte Breite d für die Beugung aus- einander.

Aus theoretischen Überlegungen heraus besteht eine beliebige punkt- förmige Strahlungsquelle aus einer Reihenentwicklung von Multipol- strahlern sukzessive höher werdender Ordnung, im einfachsten Fall aus einem Dipolstrahler. Daraus kann eine komplizierte Gestalt der Ein- koppelkontur abgeleitet werden, die sich im Fernfeld dieser Strah- lungsquelle der idealen Form einer vorgegebenen Multipolcharakteris- tik machbar annähert.

Die Lage der Durchbrüche einer Einkoppelstruktur der Einkoppelstruk- turpaare ist ebenfalls von Bedeutung für die Ausbildung des in den Resonator eingekoppelten Feldes. In Anspruch 5 ist diese zueinander beschrieben. Die Lage der Durchbrüche zueinander sind zur Erreichung der auszukoppelnden Phasenkonstanz äquidistant und der Durchbruchab- stand zur Führungsgeraden ist derart, dass sich eine isotrope Ab- strahlung im reflektierten Fernfeld ergibt.

Im Unteransprüchen 6 ist eine Einrichtung beschrieben, die zwei Dinge erledigt : erstens, zur Verbesserung der Feldgleichmäßigkeit bei einem nicht ideal homogenen Feld im Prozessvolumen des Resonators ist ent- lang der Schnittgeraden der beiden Strahlebenen eines Einkoppelpaares ein höchstens über die Länge der Mantelkante ragender, rotierender Modenrührer eingebaut, der, zweitens, das Zentrum der beiden einge- koppelten Strahlkeulen aus dem Einkoppelstrukturpaar streut, so dass keine der beiden Strahlebenen in eine eventuell gegenüberliegende Einkoppelstruktur fällt. Der Modenrührer soll keine, zumindest fast kein Rückreflexion des direkt aus dem Wellenleiter auftreffenden Pri- märbündels in den Wellenleiter zurück zulassen. Auf jeden Fall muss eine solche minimiert werden. Deshalb hat er einen elliptischen Quer- schnitt oder einen runden Querschnitt mit aufeinanderfolgender kon- kav-konvexer Kontur, wobei beim konvexen Teil die Krümmung so gehal- ten wird, dass der Brennpunkt nicht in die Einkoppelstruktur fällt.

Dadurch würde allenfalls ein linienförmiger Anteil des auftreffenden Mikrowellenstrahls zurückgeworfen werden. Nur noch punktförmig, falls der Modenrührer zusätzlich noch längs tordiert ist.

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht in dem Aufbau einer Prozess- strasse gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7. Wenigstens zwei Mikro- wellenresonatoren nach Anspruch 5 oder 6 sind stirnseitig modular so aneinander gereiht, dass durch eine Passage zwischen den zwei einan- der gegenüberstehende Stirnwänden hindurch Prozessgegenstände vom ei- nen Resonator zum folgenden transportiert werden können. Die Aneinan- derreihung kann geradlinig oder winkelig oder gar mäanderförmig sein, so dass gegebenenfalls baulichen Bedingungen/Einschränkungen Rechnung getragen werden kann. Mit einer solchen Prozessstrasse lässt sich ei- ne großzahlige Serie von Werkstücken fortlaufend thermisch prozessie- ren, beispielsweise Erwärmen, Temperatur halten und Abkühlen entspre- chend einer zeitlichen Vorgabe, bzw. gemäß einer zeitlichen Sollkur- ve. Beim kontinuierlichen Durchlauf der Werkstücke könnte im ersten Resonator der Straße die Aufwärmung erfolgen, im zweiten das Kon- stanthalten der Temperatur über ein vorgegebenes Zeitintervall und im dritten das zeitkontrollierte Abkühlen.

Mit dem Resonator liegt schon bei einem Einkoppelstrukturpaar ein großes zentrales Prozessvolumen vor in dem zumindest elektromagneti- sche Feldverhältnisse nahezu gleichverteilt bestehen, also eine homo- gene Feldverteilung. Ein in dieses Prozessvolumen eingetauchtes Werk- stück erfährt an jeder Stelle gleichartige Feldverhältnisse vor und wird dadurch überall gleichartig erwärmt. Mit weiteren Einkoppel- strukturpaaren am Resonator werden die Feldverhältnisse bei Mikrowel- leneinkopplung in den Resonator weiter homogenisiert, wobei dadurch auch verfahrenstechnische Möglichkeiten entstehen, zeitlich oszillie- rende Einflussnahmen auf die Feldverteilung zu nehmen.

Die Betriebsweise bzw. das Betriebsverfahren nach Anspruch 8 ist eine weitere Lösung der Aufgabe. Die Einkopplung der Mikrowelle über die Einkoppelstrukturpaare eines Resonators wird, zeitlich um einen mo- mentanen oder konstanten Mittelwert oszillierend, versetzt gegenein- ander betrieben. Dadurch oszilliert die Modenausbildung im Resonator örtlich oder wandert zwischen zwei Bereichen hin und her, vergleich- bar einer Art Wanderwelle, oder läuft gar im Resonatorvolumen um. So- mit lassen sich thermische Feinausgleiche im zu prozessierenden Werk- stück einstellen. D. h. durch diese Verfahrensweise wird ein im Pro- zessvolumen eingetauchtes Werkstück tatsächlich homogen erwärmt oder warm gehalten. Auch extrem hohe Heizraten bei höchster Temperatur- gleichmäßigkeit sind durch diese Maßnahmen möglich, da die phasenbe- dingten Feldschwankungen eine extrem geringfügige Temperaturvariation aufweisen und damit Hot-Spot Ausbildungen oder gar etwaigem, soge- nannten"Thermal Runaway"vorbeugen.

Die Art der Modenbewegung lässt sich über die Anzahl von Einkoppel- strukturpaaren am Resonator steuern, da ja minimal ein solches Paar am Resonatormantel vorhanden ist, bzw. bis maximal der Anzahl an Man- tellängskanten. Die Einkopplung der gesamten elektromagnetischen Leistung in den Resonator über vorhandene N Einkoppelstrukturpaare ist Non N ist die Polygonalität des Resonatorquerschnitts und Pi (t) die Leis- tungseinkopplung am i-ten Einkoppelstrukturpaar. N'und N sind natür- liche Zahlen. p (t) ist eine Vorgabe, sie kann zeitlich konstant sein oder sich zeitlich ändern, d. h. zu-oder abnehmen. p (t) ist eine Summe aus meh- ren Summanden. Daraus wird ersichtlich, dass sich die pi (t)-Anteile der angebauten und genutzten Einkoppelstrukturpaare nur gegenläufig ändern dürfen, um die Vorgabe zu halten. Übertragen auf den Resona- torbetrieb wird diese Art Einkopplung in den Resonator unter Einhal- tung der Gesamtleistungsvorgabe p (t) als Mode-Sweeping bezeichnet.

In Anspruch 9 ist vollends beschrieben, dass die Leistungseinkopplung pi (t) über das Einkoppelstrukturpaar i vorgegeben ist, die Leistung- einkopplung rechts (t) und Plinks (t) über die beiden Einkoppelstrukturen darum aber in geringem Maße, oszillierend gegenläufig, schwankt. Es gibt also zusätzlich eine Art kleines Mode-Sweeping Pi (t) = Prechts (t) + Plinks (t).

Dadurch ist eine weitere Feinabstimmung in der homogenen Wärmebehand- lung eingerichtet. HEPHAISTOS ermöglicht die komplexe Rege- lung/Steuerung vollständig.

Die Leistungseinkopplung kann pulsbreitengeregelt erfolgen oder kon- tinuierlich über die Steuerung der Elektronenstrahlstärke in der je- weiligen Mikrowellenquelle, die über einen Rechteckhohlleiterzug am Hohlleiterende durch die entsprechende Einkoppelstruktur einspeist.

In Anspruch 10 sind alle thermisch prozessierbaren Gegenstän- de/Werkstücke/Grünkörper angesprochen, die in einem Mikrowellenreso- nator nach Anspruch 5 oder 6 oder in einer Prozessstraße nach An- spruch 7 gemäß dem Verfahren nach Anspruch 8 und eventuell zusätzlich Anspruch 9 hergestellt/formstabilisiert wurden. Seien dies harzge- tränkte Kohlefaserverbundwerkstoffe, CFK, harzgetränkte Glasfaserver- bundwerkstoffe, GFK, thermisch aushärtbare Harze als solche und damit thermisch prozessierbare Polymere, Keramiken.

Für die in dem Resonator zu prozessierenden Gegenstände ist es zur im Werkstücksvolumen gleichmäßigen Erwärmung wichtig, dass sie im homo- genen Feldbereich bzw., in dem Feldbereich mit der geringsten örtli- chen Schwankung exponiert sind. Hierzu befindet sich im Resonator ein Gestell, das dauerhaft darin montiert ist oder aber zur Beladung he- rausgenommen und zur Prozessierung eingeschoben werden kann. Es ist aus einem das elektromagnetische Feld nicht störenden, wärmebeständi- gem Material und kann im Prozessvolumenbereich, also im Bereich hoher Feldhomogenität sogar metallisch sein. Der Grund ist, weil auf der Oberfläche des im Prozessvolumen eingebrachten Werkstücks die elekt- rischen Feldlinien auf Grund der dort bestehenden Feldsituation senk- recht oder zumindest so nahezu senkrecht stehen, dass keine Ströme in dieser Oberfläche oder allenfalls vernachlässigbare kleine, den Pro- zess nicht beeinträchtigende Ströme fließen.

Mit dem derartig gebauten Mikrowellenresonator wird eine axial sym- metrische Feldhomogenität hoher Qualität durch Superposition zahlrei- cher, durch Vielfachreflexion rauschartig propagierender Strahlenbün- del erreicht. Daraus resultiert im Resonatorvolumen ein zentral vor- handenes, großes nutzbares Prozessvolumen.

Im folgenden wird der Mikrowellenresonator anhand des in der Zeich- nung dargestellten und experimentell genutzten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen : Figur 1 den Resonatorquerschnitt mit einem Einkoppelstrukturpaar, Figur 2 den Resonatorquerschnitt mit zwei Einkoppelstrukturpaaren, Figur 3 beispielhafte Modenrührerquerschnitte, Figur 4 die Einkoppelstruktur, Figur 5 an den Grundmode angepasste Einkoppelkontur, Figur 6a der Resonator in einem Autoklaven-Querschnitt, Figur 6b der Resonator im Autoklaven-im Längsschnitt, Figur 7 Mode-Sweeping, Figur 8 Vorgabe eines zeitlichen Verlaufes, Figur 9 mit auszuhärtendem Harz beschichteter Metallkörper.

Für die Anwendung der Mikrowellentechnik kommt, mit vertretbarem technischem Aufwand gesehen, der Bereich von 10 MHz bis 30 GHz vor- zugsweise der Bereich von 900 MHz bis 25 GHz, letzterer äquivalent der Wellenlänge in Luft/Vakuum von etwa 33 cm bis 1,2 cm, für die technische Nutzung in Betracht. In diesem Band werden viele Bereiche für die Kommunikation in vielfältigster Art genutzt, so dass aufgrund dessen nur die ISM-Frequenzen, 915 MHz, 2,45 GHz (Haushaltsmikrowel- le), 5,85 GHz und 24,15 GHz zur Nutzung in Betracht kommen. Resona- torgeometrien orientieren sich deshalb an den zugehörigen Wellenlän- gen 32,8 cm, 12,2 cm, 5,1 cm und 1,2 cm.

Hier wird im folgenden beispielsweise der prismatische Resonator mit regelmäßigem hexagonalem Querschnitt und die daraus abgeleitete Pro- zessstrasse erläutert. Der Resonator wird mit 2,45 GHz betrieben. Er hat solche Dimension, dass sich im Resonatorvolumen die verlangte, oben erläuterte Hochmodigkeit bei der 2,45 GHz-Mikrowelleneinkopplung ausbildet. Er ist aus Edelstahlblech gefertigt. Im Ausführungsbei- spiel ist er wegen der laufend beobachteten/kontrollierten Erwärmung der zur Zeit prozessierten, harzgetränkten Verbundstoffmaterialien über beide zum Resonator türartig verschließbaren Stirnseiten zugäng- lich. Die Erwärmung wird über thermische Sonden, die mit dem elektro- magnetischen Wechselfeld nicht wechselwirken, an unterschiedlichen Orten kontinuierlich detektiert. Über eine Thermokamera wird zusätz- lich das Erwärmungsbild des Prozessgegenstandes gegebenenfalls stän- dig mitverfolgt. Der Erwärmungsprozess : auf Solltemperatur hochfahren - Temperatur konstant halten, wird elektronisch über die Erwärmungs- Regel-und Steuer-Einrichtung des Systems mit interner Bezeichnung HEPHAISTOS (High Electromagnetic Power Heating Autoclave InSeT Oven System) geführt.

Figur 2 zeigt den Querschnitt des Resonators mit dem einen, zur obe- ren linken Mantelwandlängskante parallelen Einkoppelstrukturpaar. Die einzelne Einkoppelstruktur besteht aus dem an den Resonator außen herangeführten und mit der Resonatorwand integrierten Rechteckhohl- leiter, er erstreckt sich hier über fast die gesamte Resonatorlänge (siehe Figur 4b). In dem mit dem Resonator gemeinsamen Wandteil be- findet sich längs der Mittellinie des gemeinsamen Wandteils die ei- gentliche Einkoppelstruktur (siehe Figur 3).

Die Strahlebene jeder Einkoppelstruktur steht hier senkrecht zum an- liegenden Mantelwandsegment. Entsprechend der Einkoppelstruktur hat die Strahlkeule in ihrem Hauptteil einen Öffnungswinkel derart, dass zwei unmittelbar aneinanderliegende Mantelwandsegmente bei der Erst- reflexion getroffen werden. Hier in Figur 1, von dem Deckelmantel- wandsegment ausgehend, das gegenüberliegende, parallele Bodenmantel- wandsegment mit seinem links anliegenden, 60°-schrägstehenden Nach- barmantelwandsegment. Der von der seitlich oben 60°-schrägstehenden Einkoppelstruktur in den Resonator eingekoppelte Mikrowellenstrahl hat den entsprechend gleichen Strahlengang. Durch die ebenen Mantel- wandsegmente wird der jeweilige divergente Mikrowellenstrahl bei den Reflexionen auf jeden Fall aufgeweitet, es bilden sich keine Fokusbe- reiche wie bei runder Resonatorwand längs des Resonators aus.

Die Pfeilstummel am jeweiligen Strahlrand und an der ersten jeweili- gen Reflexionsfläche deuten die Erstreflexion an, der gekrümmt Pfeil jeweils das Abschwenken der Strahlränder des erstmals reflektierten Strahls.

Der Modenrührer sitzt innerhalb des Schnittbereichs der beiden noch nicht reflektierten Hauptstrahlkeulen, er erstreckt sich nahezu über die freie innere Resonatorlänge, lagert beispielsweise in den beiden Resonatorstirnwänden und ist über eine Durchführung an einer Stirn- wand von außen angetrieben. Geeignet elektromagnetisch abgeschirmt, kann der elektrische Antrieb auch im Innern des Resonators sitzen.

Der Querschnitt des Modenrührers ist hier sternförmig abgerundet, d. h. vier konvexe und konkave Konturabschnitte folgen abwechselnd aufeinander. Der Modenrührer hat hier einfache, nicht tordierte Ges- talt und erfüllt damit die Bedingung, dass, allenfalls von einer Längslinie auf ihm ausgehend, kurzzeitig-abhängig von der Moden- rührerdrehzahl-eine Strahlebene in die Einkoppelstruktur zurückre- flektiert wird. Auf jeden Fall wird der zentrale Bereich der beiden Strahlkeulen, die auf den Modenrührer auftreffen, bei der Reflexion am exponierten Mantelteil erst mal stark aufgeweitet.

Figur 2 zeigt den Resonator mit zwei an der Resonatoraußenwand ange- bauten Einkoppelstrukturpaaren. Das zweite Einkoppelstrukturpaar schließt sich der freien Mantellängskante des gemeinsamen Mantelwand- segmentes an. Da die Einkoppelstrukturen alle gleichartig sind, sind auch die jeweiligen Strahlengänge. Da alle Mikrowellenstrahlkeulen aus sich raus aufgeweitet und im weiteren Strahlengang an Ebenen re- flektiert werden, besteht sofort eine Vergleichmäßigung des elektro- magnetischen Feldes im Innern des Resonators. Mit den jetzt beiden Modenrührern wird die verhältnismäßig hohe Dichte des gerade in den Resonator ausgekoppelten Mikrowellenstrahlteils, der auf den Moden- rührer auftrifft, in seiner Dichte nach der dortigen Reflexion stark aufgeweitet und damit abgeschwächt wird und aufgrund der besonderen Symmetrie des Hexagons in sich elastisch reflektiert, so dass man der Felddichtegleichmäßigkeit auch damit entgegenkommt. Der Modenrührer sitzt auf der Schnittgeraden der zwei Strahlebenen des Einkoppelpaa- res und vermeidet so zusätzlich und auf jeden Fall, dass die beiden Strahlebenen in eine jeweils gegenüberliegende Einkoppelstruktur fal- len.

Ein Modenrührer erfüllt dadurch seinen Sinn, als er zur Feldhomogeni- sierung beiträgt. In Figur 3 werden lediglich beispielhaft zwei Mo- denrührerquerschnitte vorgestellt, der sternförmig abgerundete und der schlüssellochförmige. Auf jeden Fall sollten die konkaven Kontur- abschnitte in Ihren Verlauf keinen solchen Krümmungsradius aufweisen, dass die Brennlinie-eine Gerade im gestreckten, eine Schraubenlinie um die Achse des Modenrührers im tordieren Fall-dieses Teils nicht auf die Einkoppelstruktur fällt, sondern sich weiter dahinter befin- det. Hat der Modenrührer nur einen konvexen Querschnitt, beispiels- weise linsenförmig oder ellipsoid, besteht diese Forderung nicht.

Voraussetzung für die Erreichung brauchbarer elektromagnetischer Feldverhältnisse neben der Resonatorgeometrie ist die Struktur der Einkoppelvorrichtung für die Mikrowelle. Berechnungen zeigten und Ex- perimente bestätigen, dass sich mit einer solchen Struktur, wie in Figur 4 dargestellt, Feldhomogenität mindestens jedoch eine räumlich tolerabel geringe Feldschwankung erreichen lässt. Der gemeinsame Wandteil des an der Außenwand angebrachten Rechteckhohlleiters und der Resonatorwand hat längs der Längsachse, dies und jenseits, recht- eckigspaltartige Durchbrüche in regelmäßiger Aufeinanderfolge über die Resonatorlänge. Ausgehend von der Frequenz der Mikrowelle, hier die Haushaltsmikrowellenfrequenz v = 2,45 GHz, weisen die rechtecki- gen Schlitze eine Länge von L = 62.8 mm und eine Breite d auf, die durch die Beugungsbedingung tan # = #/@ bzw. # = #/@ d d determiniert ist. Auf diese Dimensionierung der Einkoppelkontur ist man nicht festgelegt, sie ist beispielhaft. Sie folgen in einem Ab- stand aufeinander, dass eine phasenkonstante Auskopplung in den Reso- natorraum besteht.

Figur 5 zeigt eine einfache Einkoppelkontur, die den mikrowellenphy- sikalischen Zustand berücksichtigt. In der Resonatorwand sind in dem Gebiet, über dem der Rechteckhohlleiter endet, die Einkoppelkonturen der Einkoppelstruktur derart gestaltet, als der Grundmode TE, 0 in der Gestaltung der jeweiligen Einkoppelkontur zum Tragen kommt. Die Kon- tur folgt zwei E-Feldlinien des Grundmodes in der Wand des Rechteck- hohlleiters, die bezüglich der Längsachse der Einkoppelkontur zuein- ander spiegelbildliche liegen. Die beiden Knoten der E-Feldlinien liegen auf dieser Längsachse, sie sind A/2 der Grundwellenlänge aus- einander und beenden die Einkoppelkontur. Der Bauch der Einkoppelkon- tur hat die den Beugungswinkel der Einkopplung in den Resonator be- rücksichtigende Breite d. Entlang genau dieser Kontur besteht die Si- tuation Ei = 0. Diese Kontur ist geometrisch einfach, sie kann mit modernen Metallbearbeitungsmaschien noch leicht aus der Resonatorwand geschnitten werden. Komplexförmigere Einkoppelkonturen aufgrund des Ansatzes einer vielgliederigen reihenentwickelten Strahlungsquelle sind grundsätzlich möglich, für die technische Verwendung aber auf Wirtschaftlichkeit hin zu überprüfen.

Ein Anwendungs-/Einbaufall zeigen die Figuren 6a und 6b : Der hier angedeutet Ofen kreisrunden Querschnitts ist beispielsweise ein Autoklav, wie er aus der herkömmlich thermischen Prozessierung bekannt ist, In ihm kann bei geeigneter Konstruktion unter Unter-o- der Überdruck prozessiert werden. Da ein solcher Autoklav somit her- metisch abschließbar ist, und das auch noch so, falls nicht ohnehin schon vorhanden, dass er elektromagnetisch dicht ist, ist ein rund- funktechnisch störungsfreier Einsatz völlig unproblematisch. Der Re- sonator, mikrowellentechnisch komplett bestückt, ist hier über Kufen in den Autoklaven eingeschoben. Er ist darin lösbar oder unlösbar verankert, das ist von der insgesamten Prozessführung abhängig. Die energetische Versorgung als auch mess-und regeltechnische Leitungen zur Steuerung und Überwachung geschieht über für den zu fahrenden Prozess technisch geeignete Durchführung im Autoklaven und auch, so- weit nötig, im Resonator. In den beiden Figuren 6a, Querschnitt, Fi- gur 6b, axialer Längsschnitt, ist die sehr einfache technische Trans- portlösung der Kufen oder Schienen angedeutet. Bei höherem Gewicht hat der Resonator an seiner Außenwand Ösen und/oder Haken angebracht, über die er mit Hilfe eines Krans bewegt werden kann.

Figur 7 zeigt das Mode-Sweeping für den einfachsten Fall zweier Ein- koppelstrukturpaare. Über beide Paare wird eingekoppelt, so dass sich das zentrale Prozessvolumen, das hier im Schnitt dargestellt ist, ausbildet. Durch das gegenläufig oszillierende Einkoppeln über die beiden Einkoppelstrukturpaare bewegt sich beispielsweise die Ausbeu- lung, wie durch die beiden, jeweils von einem Einkoppelstrukturpaar ausgehenden Konturen angedeutet, hin und her oder umlaufend. Hier wird die vorgegebene Leistung p (t) = P1 (t) + p2 (t) eingekoppelt.

Als Ergänzung zeigt Figur 8 eine beispielhafte Vorgabe der zeitlichen Erwärmung eines Werkstückes in einem Resonator oder vieler Werkstücke in einer Prozessstrasse. Zunächst wird eine lineare Rampe der Erwär- mung gefahren und damit die höchste Mikrowellenleistung eingekoppelt.

Dann wird über ein vorgegebenes Zeitintervall die Temperatur konstant gehalten, d. h. es müssen nur die Abstrahlverluste des Werkstücks über Mikrowelleneinkopplung kompensiert werden. Dazu braucht man weniger elektromagnetische Leistung als beim Aufwärmen. Am Schluss schließ- lich wird ein vorgegeben linearer Abkühlungsprozess gefahren. Die Ab- strahlverluste werden nicht mehr ganz kompensiert. Hierzu ist noch weniger Leistung als beim Temperaturkonstanthalten notwendig. Der Temperatur-und Leistungsverlauf ist in Figur 8 beispielhaft und nur qualitativ dargestellt. Über in der Steuer-und Regeltechnik bekannte technische Einrichtung werden solche Prozesse rechnergestützt gefah- ren (intern HEPHAISTOS). Der Ist-Zustand des Werkstücks oder der Werkstücke wird über am Werkstück positionierte Wärmefühler oder über eine eventuell eichbare Wärmekamera erfasst und im Rechner für den Steuer-und Regelprozess verarbeitet.

Die Bedeutung der homogenen Feldverteilung im zentralen Prozessvolu- men des Resonators wird mit Figur 9 erläutert und hervorgehoben. Me- tallische Gegenstände in einem Mikrowellengerät für den Haushalt sind problematisch, und es wird auch in den zughörigen Betriebsanleitungen darauf hingewiesen, solche nicht in den Resonator zu stellen. Die Feldverteilung aufgrund der Resonatordimensionen im Wellenlängenbe- reich, A~12cm, bei dem Mikrowellengerät für den Haushalt inhomogen ist. Drehteller in besseren Geräten oder ungleiche Erwärmung in ein- facheren weisen darauf indirekt hin.

Gegenstände mit einer Schicht zu überziehen, um sie beispielsweise vor Einflüssen der Aufenthaltsumgebung zu schützen, ist eine häufige technische Veredelungsmaßnahme. Vom Aufwand her problematisch ist beispielsweise, ein metallisches Gehäuse vollständig bzw. lückenlos mit einer Epoxidharzschicht zu überziehen. Problematisch deshalb, weil diese Harzschicht ausgehärtet werden muss. Hier zeigt sich die Bedeutung der homogenen Feldverteilung bzw. der nahezu homogenen Feldverteilung im zentralen Prozessvolumen innerhalb des Resonators.

Ein Metallgehäuse kann darin gefahrlos exponiert werden, weil wegen dieser homogenen Feldverteilung keine stromtreibende Feldkomponente parallel/tangential zur Metallfläche zustande kommt, die auf der Me- talloberfläche aufgebrachte Schicht aber vollständig in dieses Feld eingetaucht ist und deshalb das Schichtvolumen überall gleichmäßig erwärmt, und zwar volumetrisch aus sich raus erwärmt wird und nicht über die Schichtoberfläche wie beim herkömmlichen thermischen Erwär- men über Wärmeeinwirkung in einem Autoklaven oder über Infrarotbe- strahlung.

Große Metallgehäuse, wie beispielsweise ein Schiffskörper, lassen sich so in einem beispielsweise prismatischen Resonator mit hexagona- lem Querschnitt mit einer ausgehärteten Epoxidharzschicht versehen.

Die Resonatordimensionen hinsichtlich des Durchmessers und der Länge liegen im vielmetrigen Bereich. Der Resonator ist ein Blechgehäuse, an dem entlang wenigstens einer seiner Mantelsegmentlängskanten ein Einkoppelstrukturpaar angebracht ist. Ein solches Einkoppelstruktur- paar sitzt symmetrisch zu seiner Mantellängskante und hat, um genü- gend Mikrowellenleistung in den Resonator einzukoppeln, mehrere pa- rallele Einkoppelstrukturen, hier beispielsweise zwei. Bei den Dimen- sionen im vielmetrigen Bereich kann mit einer Mikrowelle von 915 MHz, äquivalent 31 cm Wellenlänge, eine hinreichende Feldhomogenität im Prozessvolumen erreicht werden. Der stilisierte Schiffsrumpf, siehe seine Frontansicht in Figur 9, sitzt völlig im Prozessvolumen. Die Aushärtung der auf den Schiffsrumpf gleichmäßig aufgebrachten, gesam- ten Harzschicht geschieht ohne lokale Überhitzungen (hotspots) in ei- nem qualitativ zeitlich Ablauf etwa gemäß Figur 8.

Die Zugänglichkeit zum Resonator richtet sich nach dem Prozess, der durchgeführt werden soll bzw. nach dem Einbau des Resonators in eine Prozessstrasse. Deshalb ist er wenigstens über eine Stirnwand oder über wenigstens ein Mantelwandsegment tür-oder schleusenartig oder durch Abnehmen zugänglich.

Denkbar ist, dass die Prozessierung von bestimmten Werkstücken mit der Mikrowelle bei Unterdruck oder bei einem Überdruck, beides mal mehr oder weniger ausgebildet, ablaufen muss. Damit die Struktur des elektromagnetischen Feldes im Resonatorinnern da auch definiert bleibt, ist die Resonatorwand außen mit geeignet steifem Profilmate- rial verstrebt bzw. versteift.

Die Aufstellung des Resonators wird ebenfalls durch den zu führenden Prozess bestimmt, er kann deshalb mantelwandseitig und/oder stirnsei- tig lösbar verankert lagern. Zum Bewegen sitzt er beispielsweise auf einem Schlitten oder einem Wagen und hat deshalb an seiner Außenwand zum Manipulieren Haken und Ösen angebracht.