RESONADOR DE MICROONDAS DE MODO ALTO PARA EL PROCESAMIENTO TERMICO.

- Resonador de microondas de modo alto para el procesamiento térmico de materiales,

en el que el resonador está configurado en forma de columna prismática con sección transversal pentagonal, arqueada hacia fuera, caracterizado porque a) paralelamente a los dos cantos envolventes de una de las cinco paredes envolventes se encuentran, en la misma, al menos dos dispositivos de acoplamiento de forma lineal del mismo tipo para una microonda, a través de la cual se acopla la microonda, respectivamente en forma de un haz de rayos lineales en el resonador, b) porque se utiliza, respectivamente, una fuente de microondas por cada dispositivo de acoplamiento y c) porque las dos fuentes de microondas son pulsátiles con relación controlable de la anchura del impulso, de manera que se ajusta continuamente una potencia de microondas desde cero hasta el máximo nominal, y d) porque las microondas acopladas se superponen en el resonador

La invención se refiere a un resonador modular de microondas y a una zona térmica de una cadena de procesos, formada a partir del mismo. El resonador de microondas está dimensionado geométricamente con respecto a su frecuencia de tal forma que a través de la microonda acoplada, partiendo del modo base, se configuran un número suficientemente grande de modos, que posibilitan una superposición, de tal forma que la intensidad efectiva en el volumen del resonador se aproxima suficientemente a una proporción necesaria para el procesamiento industrial. La selección de la frecuencia, de la geometría del aplicador así como del acoplamiento determina el tipo del campo de ondas que se superpone. En un resonador monomodo se excita un modo nítido, geométrico puro, que presenta, en general, una distribución muy inhomogénea. Para permitir más modos, debe incrementarse claramente el volumen del aplicador. En el caso límite de distancias muy grandes existe la transición hacia la óptica geométrica clásica. Como se ha mostrado en Feher, L. y col., Sintering of Advanced Ceramics Using a 30-GHz, 10-kW, CW Industrial Gyrotron, IEEE Transactions on Plasma Science, Vol. 27, Nº 2, Abril 1999, páginas 547-554, la superposición de muchos modos no conduce forzosamente a una distribución igual u homogeneización, sino a superposiciones focales. El presente aplicador tiene dimensiones características de al menos L > 2λ para cada dimensión espacial y permanece en su dilatación máxima por debajo del caso límite óptico clásico (Feher y col.: Theoretical aspects for microwave ray tracing calculations in screened structures, Proc. Latsis Symposium 1995 on Computacional Electromagnetics, ETH Zürich, Suiza, 1995, páginas 236 – 241). En esta zona entre excitación modal pura y óptica clásica es posible y se puede solucionar de manera necesaria una formación de campo optimizada a través de las condiciones previas técnicas descritas de la geometría y configuración del acoplamiento. En tal resonador de microondas de varios / muchos modos, los materiales muy malos conductores de electricidad en sentido amplio se calientan de acuerdo con el requerimiento del proceso y de la utilización. En oposición a los materiales dieléctricos, permeables a microondas (por ejemplo cerámicas de óxido de aluminio, porcelana, fibras de vidrio), para los que se aplica la relación ñ = ºε, en estos materiales hay que tener en cuenta las dependencias de la conductividad eléctrica según

**(Ver fórmula)**

Por una parte, se puede pensar en placas de grafito ligadas con polímero (membranas

de células de combustible), en materiales compuestos reforzados con fibras de carbono, que deben llevarse a partir de un estado verde de forma inestable a un estado endurecido de forma estable, a través del cual presentan propiedades excelentes para la utilización técnica posterior. O, en cambio, en el secado al horno / sinterización de cuerpos verdes cerámicos. Pero, por otra parte, aunque menos con altas temperaturas se puede pensar en el calentamiento de comidas. Todos estos planes de procesos tienen en común que en el volumen del resonador debe existir un volumen parcial predeterminable, en el que, con el acoplamiento de microondas, existe un grado elevado predeterminado de homogeneidad de campo electromagnético, para que se pueda actuar allí de forma controlada y uniforme sobre la sustancia de proceso.

En el documento DE 43 13 806 se describe un dispositivo para el calentamiento de materiales a través de microondas. El dispositivo está constituido por una cámara calefactora, a través de la cual se transporta el material a procesar. La cámara calefactora tiene una parte de pared, que está curvada cóncava. En ésta se refleja la microonda acoplada y se enfoca sobre el volumen de material a calentar.

Una instalación comparable se muestra en el documento WO 90/03714. Allí la cámara calefactora sirve pare el calentamiento de comidas, para tratar de rodear el volumen de comidas a calentar con un volumen, en el que existe un campo electromagnético con desviación todavía tolerable de la homogeneidad, para que se forme un campo de temperatura más homogéneo.

En el documento JP 4-137391, la cámara calefactora está ampliada con una segunda pared de reflexión, opuesta a la primera pared de reflexión, con lo que se pretende llenar el volumen de proceso con un campo uniforme intensificado, para conseguir de esta manera un calentamiento uniforme del objeto.

En el documento US 5.532.462 se describe un matraz de reacción cilíndrico, cuyo interior es calentado con energía de microondas. A tal fin se acopla la microonda multimodo en el matraz de tal forma que es absorbida y reflejada en la pared interior y, en concreto, de tal forma que se realizan progresivamente la absorción y la reflexión helicoidalmente. El interior del recipiente debe calentarse así de manera uniforme.

Las distribuciones inhomogéneas conducen durante la sinterización de cerámicas a densidades diferentes dentro de una carga y a compactaciones inhomogéneas en muestras individuales, que provocan en último término tensiones mecánicas, que deforman o incluso desintegran las piezas moldeadas. Esta problemática y el reconocimiento que se deriva de ello de que un calentamiento uniforme del volumen, entre otras cosas, durante procesos de sinterización, tienen una ventaja significativa y una gran importancia en el procesamiento térmico de materiales, son tratados en el Artículo “Microwave Sintering of Zirconia-Toughened Alumina Composites” de H. D. Kimrey y col, (Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 189, 1991 Material Research Society, páginas 243 a 255). Se describen dos microondas cilíndricas de modo alto, una a 2,45 GHz y la otra a 28 GHz. El proceso de sinterización solamente tuvo éxito a la frecuencia alta.

Con motivo de la MRS Spring Meeting en San Francisco, 11 de Abril de 1996 (Symp. Microware Processing of Materials V), L. Feher y col. informaron, bajo el título “The MiRa/THESIS 3D-Code Package for Resonator Design and Modelling of Millimeter-Wave Material Processing” sobre la simulación de la distribución de campo en un diseño, utilizado por IAP en Nizhny Novgorod, de un resonador cilíndrico de modo alto con tapa esférica. Allí se muestra que los resonadores con geometría cilíndrica circular o esférica tienen una distribución de campo que requiere mejoras. En virtud de su topología, aparecen forzosamente enfoques del campo en el interior del resonador, de manera que en comparación con el volumen del resonador solamente permanece un volumen de trabajo relativamente pequeño con distribución de campo en alguna medida homogénea. Medidas técnicas adicionales, como agitador de modos y superficies difusas (superficies de dispersión) aportan, en efecto, mejoras que implican, sin embargo, un coste demasiado alto para la aplicación comercial o industrial.

En el documento DE 196 33 245 se describe un espacio hueco prismático, simétrico con respecto a su eje longitudinal con sección transversal poligonal de número entero como resonador. Todos los segmentos de la superficie del resonador son lisos planos. De esta manera, el rayo de microondas acoplado permanece siempre divergente en caso de reflexiones en la pared del resonador y no es enfocado siempre de nuevo como en el caso de geometrías cilíndricas circulares y esféricas. El rayo de microondas es acoplado a través de un orificio de acoplamiento en una de las dos paredes frontales, su eje del rayo está inclinado con respecto al eje longitudinal y, en concreto, de tal forma que en la primera reflexión se realiza una división simétrica del rayo. Los hallazgos teóricos para la división del campo han sido confirmados por cálculo como también experimentalmente en buena medida. Se puede realizar un procesamiento uniforme de varios cuerpos a calentar al rojo o a cocer con desecho reducido.

Los dispositivos técnicos existentes presentados hasta ahora solucionan el problema a través de principio monomodo u ópticos, limitados en su geometría finita y no son convenientes o utilizables con respecto a la utilización técnica, bajo los requerimientos de estructuras del tipo de membrana de superficie grande y cargas en sus configuraciones especialmente para la realización de cadenas de procesos lineales.

La invención se basa en el problema de posibilitar un calentamiento, atemperación y procesamiento de materiales de superficie dilatada en el molde para la aplicación industrial, con el propósito de que, condicionado por la homogeneidad extraordinaria del campo, a través de la geometría constructiva, el tipo...

1. Resonador de microondas de modo alto para el procesamiento térmico de materiales, en el que el resonador está configurado en forma de columna prismática con sección transversal pentagonal, arqueada hacia fuera, caracterizado porque a) paralelamente a los dos cantos envolventes de una de las cinco paredes

envolventes se encuentran, en la misma, al menos dos dispositivos de acoplamiento de forma lineal del mismo tipo para una microonda, a través de la cual se acopla la microonda, respectivamente en forma de un haz de rayos lineales en el resonador,

b) porque se utiliza, respectivamente, una fuente de microondas por cada dispositivo de acoplamiento y

c) porque las dos fuentes de microondas son pulsátiles con relación controlable de la anchura del impulso, de manera que se ajusta continuamente una potencia de microondas desde cero hasta el máximo nominal, y

d) porque las microondas acopladas se superponen en el resonador.

2. Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque la sección transversal del resonador está en simetría de imagen con respecto a la bisectriz lateral de la línea de base de la sección transversal.

3. Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque las dos paredes laterales que se unen a la superficie de base del resonador están perpendiculares a ésta.

4. Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque la sección transversal del resonador es la mitad simétrica de una sección transversal hexagonal –semihexagonal-.

5. Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque la fuente de microondas respectiva de los dos dispositivos de acoplamiento exteriores está montada en el mismo lado frontal o en el lado frontal opuesto del resonador.

6. Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado porque los orificios de acoplamiento para la microonda están cerrados / cubiertos con un dieléctrico transparente a microondas, inerte al entorno y al proceso.

7. Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque éste es accesible a través de al menos una de sus dos paredes frontales.

8. Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque es accesible a través de al menos una de las dos paredes envolventes, que están opuestas a la pared envolvente con los orificios de acoplamiento.

9. Resonador de microondas de acuerdo con una de las reivindicaciones 7 y 8, caracterizado porque entre los dos orificios de acoplamiento exteriores existe otro 5 paralelo, a través del cual se acopla igualmente una microonda de potencia regulable

para la adaptación de la homogeneidad del campo.

10. Resonador de microondas de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado porque las paredes interiores del resonador presentan una ondulación w en el intervalo

10 λ/16 < w < λ/2.