GMP - Mikrowellen

Der Aufbau eines Mikrowellensystems geht aus Bild 1 hervor. Ein Magnetron koppelt in eine Hohlleitergeometrie ein. Die elektromagnetische Welle wird im Hohlleiter geführt und in die Applikatorkammer (Cavity) geleitet. Bezogen auf die Produkteigenschaften des zu erwärmenden Produktes und der Applikatorgeometrie entstehen Reflexionen im System. Um den besten Wirkungsgrad zu erreichen, wird die rücklaufende Leistung mit Hilfe des eingebauten Tuners minimiert.

Der eingebaute Zirkulator wirkt als Leerlaufschutz für das Magnetron. Ein Leerlauf tritt dann auf, wenn keine Produktlast in der Applikatorkammer ist. Je nach Güte des verwendeten Zirkulators werden die Reflexionen in der eingebauten Wasserlast thermisch abgeführt.

Wird auf den Zirkulator verzichtet, treffen die Reflexionen das Magnetron und reduzieren, je nach Intensität sowohl die Lebensdauer als auch die Leistungsabgabe des Magnetrons (vgl. Bild 2). Das Ergebnis ist, dass die Leistung für den Prozess nicht stabil ist. Der Prozessablauf ist nicht reproduzierbar.

Aus dieser Problematik ist es notwendig, das Magnetron über einen Leerlaufschutz zu entkoppeln.

Hochwertige Zirkulatoren bieten heute eine Sperrdämpfung von >20db (typisch 21..26dB).

Bild 1. Schematischer Aufbau einer Mikrowellenanlage nach GMP microwave

Bild 2. Generatordiagramm (Rieke) für ein YJ1540 Industriemagnetron

• Magnetron bringt seine spezifizierte/garantierte Lebensdauer
• Die Leistungsabgabe des Magnetrons ist konstant (Magnetron wird innerhalb seines Specs betrieben)
• Mit einem Richtkoppler bzw. einer Detektor Diode am Zirkulator wird die Reflexion gemessen. Mit der gemessenen Leistungsabgabe des Magnetrons kann das kalibrierte Mikrowellensystem die tatsächlich thermisch absorbierte Leistung im Produkt bilanzieren.

Die abgegebene Mikrowellenleistung einer industriellen Mikrowellenanlage muß nach IEC60307 ermittelt und auf dem Typenschild ausgewiesen werden.

Um die Nachteile des bestehenden Aufbaus besser zu verstehen, ist in Bild 3 der Aufbau einer Multimode-Cavity mit 4 direkt einkoppelnden Magnetrons dargestellt.

Da sich ein dreidimensionales Modengemisch in der Kammer einstellt, was stark von der eingebrachten Beladung abhängt, ist in dem Bild 3 als Beispiel die E-Feldverteilung der Schnittebene durch die Magnetrons dargestellt.

Entsprechend des Betrages des Stehwellenverhältnisses der Feldstärke am Ort der Magnetroneinkopplung, werden die Magnetrons mit unterschiedlichen Ankopplungsverhältnissen bzw. unterschiedlichen Reflexionen belastet. In dem Fall des Beispiels in Bild 3 ist das Magnetron 2 mit hohen Reflexionen belastet. Dadurch ist die tatsächlich abgegebene Leistung des Magnetrons stark beeinträchtigt, sowie seine Lebensdauer drastisch herabgesetzt.

Somit ist die tatsächlich abgegebene Leistung für den Prozess undefinierten Schwankungen unterworfen, welches sich in einem nicht reproduzierbaren Prozess niederschlägt.

Werden die Magnetrons wie in Bild 3 gezeigt betrieben, können Betriebszustände (Moding) entstehen, in denen die Magnetrons höheren Anodenstrom ziehen als die Stromversorgungen zu liefern in der Lage sind. Somit können in diesen undefinierten Betriebszuständen nicht nur die Magnetrons Schaden nehmen sondern auch die Netzteile beschädigt werden.

Bild 3. Aufbau eines Mikrowellensystems ohne Leerlaufschutz mit direkt einkoppelnden Systemen in eine Multimode-Cavity.