CN101095026B - 具有槽喷射器的热处理系统 - Google Patents

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Abstract

在对材料进行热处理的系统中，至少一个槽喷射器设置在炉腔的壁或顶表面中，用于在炉腔内提供气体流通。

Description

具有槽喷射器的热处理系统
相关申请的交叉引用
本申请根据美国专利法第119(e)条的规定、要求提交于2004年9月7日的美国临时专利申请No.60/607,681的优先权，其公开内容在此引用作为参考。
关于联邦资助研究或研发的声明
无。
背景技术
在例如陶瓷等材料的处理过程中，通常要求热均匀以实现对制品的均匀加热，并使得由于不均匀加热而导致的制品变形、弯曲或破裂的机率最小化。美国专利公开文献US 2004-0173608A1(对应于美国专利申请号No.10/775,542，其转让给本申请的受让人)中公开了这样一种系统，其中通过炉腔中的一个或多个喷射器(eductor)来实现均匀的加热，该喷射器在炉中产生高体积的气体流通，以实现高度均匀的气体环境和温度。所述一个或多个喷射器可用于对制品进行强制对流冷却。所述一个或多个喷射器优选地如美国专利5,795,146(其同样地转让给本申请的受让人)中所描述。该喷射器提供了用于提高的温度均匀性和控制性所需的高体积流动，且使得在处理循环中热均匀度为大约±3.5℃。
发明内容
本发明提供了一种热处理系统，其采用了位于炉腔的一个或多个壁或顶表面中的槽喷射器。
具体而言，根据本发明的用于对材料进行热处理的系统，包括：
包括底部、顶部和一个或多个壁的炉壳体；以及位于炉壳体中的炉腔；
在炉腔中可随意使用的支撑组件，其用于支撑着待热处理的材料；
加热源，其可操作用于在炉腔中加热材料；以及
至少一个槽喷射器，其设置在炉腔的壁或顶表面中，以在炉腔内提供气体流通，所述槽喷射器与气体供应装置相连通；所述至少一个槽喷射器包括：
设置在炉腔的壁或顶表面中的槽，所述槽沿着壁或顶表面的方向从所述槽的入口端部延伸到所述槽的出口端部；以及
气体入口，其与气体供应装置相连通地被设置在所述槽的入口端部，且被布置成沿着在壁或顶表面中的所述槽来引导入口气体，以沿槽提供高速气流；
所述槽的靠上端朝向炉腔进行开口以将炉腔中的气体夹带到沿着槽的气流中，并且所述槽的出口端部朝向炉腔进行开口以将气体排到炉腔内，从而在炉腔内提供高体积的气体流通。
在本发明中，术语“槽喷射器”代表着这样一种喷射器，其由炉腔的壁或其他表面中的任意横截面形状的槽所形成，且在槽的一端处具有喷嘴，用于沿槽引导高速气体。例如，槽横截面可以是V形、矩形或弯曲形。可选地，喷射器槽可以由炉腔的相邻壁的角部所设置，或可通过沿壁自身的一部分引导高速流(而不需要物理的槽)来设置。因为喷射器设置在炉壁自身之中或之上，不存在由于管形喷射器的放置而对炉构造造成限制。喷射器可以设置在炉腔中，在其中管形喷射器将不装配或在操作上不可行。这样，本发明消除了在炉中增加管或其他装备以设置喷射器结构的需要。
本发明特别适合于分批式炉，特别是那些具有相对高的炉腔的分批式炉，其中从炉腔的顶部到底部的温度分布容易不均匀。本发明也可应用在连续式炉中，其中制品在炉的各个炉段或炉腔之间传送，以进行预定的处理循环。
附图说明
本发明将参考附图以及以下详细说明进行描述，其中：
图1是根据本发明的槽喷射器实施例的剖切等角视图；
图2是图1的槽喷射器的剖切侧视图；
图3是根据本发明的槽喷射器另一个实施例的剖切等角视图；
图4是形成在两个壁表面的角部处的槽喷射器的等角视图；
图5是沿壁表面的一部分形成的喷射器的等角视图；
图6是根据本发明的炉系统的方框示意图；以及
图7是根据本发明的分批式炉腔的剖视图。
具体实施方式
参考附图，图1和2分别显示了槽喷射器实施例的等角视图和侧视图。具有矩形横截面的槽10形成在炉腔的壁12中。该槽具有向下倾斜的底端14，其在槽靠下部分处提供了通向壁表面12的斜面或斜坡。该槽的靠上端位于炉腔的顶段，其中在该顶段处定位有气体入口或喷嘴16，用于沿槽的长度向下引入高速气体。高速气体流将气体从炉腔中夹带走，以在槽底部附近提供被排出的、扩大量的气体，且该气体从槽流入腔内。槽的长度和横截面尺寸可以进行设置，以使得在特定应用的炉腔中实现预定程度的气体扩大和流通。
槽可以是任何横截面形状，且不限于图1和2所示实施例的矩形结构。矩形形状使得可以通过锯割或切割炉腔的壁(其经常是难熔的砖材料)而相对容易地进行制造。该槽例如可以是V形。槽喷射器的可选实施例如图3所示，其中槽11是半圆形横截面。可选地，槽可以具有除了180°之外其他角度的弧形，且可以是非圆形状。
喷嘴或供给气体入口可以被布置成提供任何所需形态的入流气体流。例如，可以提供圆锥形喷口(jet)。在另一个实施例中，喷口可以是矩形，以产生成层的气体。相关槽喷射器的横截面形状和气体喷口的形状可以相兼容地进行选择。可以使用任何适用于特定应用的气体，例如空气、氮气、氩气或氢气。
槽喷射器利用了柯恩达效应(Coanda effect)，其中高速气体流倾向于随从着其沿着流动的相邻表面。高速气体流沿着这样一个气体流(其起作用将气体从腔中夹带到气流内)产生了低压区，从而扩大了被移动气体的体积。喷射器利用了入流高速气体中的能量，以沿所需方向移动更多量的停留炉腔气体，以有利于热传递，从而使得湍流气体接触腔中的制品，以加强向外除气和向制品输送所需的化学剂。在由喷射器所设置的腔中的高体积气体流使得在腔中的热分布均匀，用于均匀加热制品。与通过喷射器喷嘴引入腔内的气体相比，槽喷射器能够移动至少10倍、优选是20倍的腔内气体体积。
优选地，槽的长度是槽横截面最大宽度尺寸的至少10倍。短于这个长度的槽将大体上不能吸入足够量的气体以产生效果。
图4显示了通过炉腔的相连角部壁18、20所形成的喷射器的可选形式。气体喷嘴16位于角部的顶部，且沿角部边缘和相对壁部分引入高速的气流。
图5显示了另一个实施例，其中喷嘴16位于炉腔的壁的顶部，且使得高速气流以大体线性路径沿壁从喷嘴进行流动。在所有前述的实施例中，高速射流使得来自腔的气体被夹带入高速流当中，用于放大气体和使得放大气体在腔中分布。
炉腔中的气氛通常是空气、例如氮气或氩气的惰性气体、或其混合物，用于处理低温共烧陶瓷(LTCC)和其他陶瓷制品和用于处理燃料电池。为了处理粉末金属，气氛通常是氢气和氮气的混合物。为了某些目的，气氛可以是带有或不带有其他气体的水蒸汽。如上所述，所述一个或多个槽喷射器向炉腔内引入气体，且使得气体放大和流通，以实现炉气氛和温度的所需均匀性，其中待处理的制品或材料将暴露于该炉气氛和温度中。通过本发明可实现大约±3.5℃的温度均匀性。所述一个或多个喷射器可提供对产品的强迫对流冷却。
可以确定槽喷射器的数量和它们在炉腔中的位置，以在特定腔中提供所需的气流模式，从而在腔中产生均匀的温度和气体环境，用于均匀地加热包含在其中的制品且使得制品均匀地暴露于气体环境。喷射器可以协调一致地操作或以切换的方式操作，以提供所需的气体流动或流通模式。例如，在炉腔一侧的喷射器可以打开，而同时在炉腔相反侧的喷射器可以关闭，且在重复循环操作中反之亦然。
本发明应用在各种分批式或连续式炉系统，以适合于待处理的特定制品或材料且适合于其他制造要求。图6显示了炉系统的示意图。炉腔30被构造成保持一定量的、将进行热处理的材料或制品。与炉腔相关联的可以是一种或多种的加热源32。气体供应装置34通过一个或多个喷射器36向炉腔提供气体，从而在腔中提供适合于特定材料或制品处理的气氛。控制器38控制着气体供应装置和加热源的操作，且通常是微处理器或计算机。
加热源可以采用对流加热器、辐射加热器或微波加热器或其组合。微波加热适合于脱粘和烧结的应用场合。如果使用微波加热和非微波加热，则非微波加热源必须兼容，以避免在炉腔中反射或吸收有害的微波。通常，可以相同的方式使用微波加热进行对流加热。如果要使用辐射加热，辐射加热器必须在炉腔中与由微波能量所加热的腔所分开，因为通常的辐射加热器由碳化硅或其他吸收微波的材料制成。
加热源32在加热循环中由控制器38进行控制，以在整个加热循环中提供预定的热分布以及对材料或制品的均匀体积加热。加热源在处理循环中根据特定的待处理材料或制品(包括其成分和形状或质量)进行控制。
如图7所示的是分批式炉腔的横截面图，该分批式炉腔用于容纳一定量的待处理材料。炉包含壳体40，其包封着围绕炉腔44的绝热材料42。炉底(furnace hearth)46支撑着一定量的待处理材料48。炉底可安置在未示的可移动组件上，该组件可向上移动到腔内，且可下降到这样一个位置处(在此处炉底和容纳在炉底上的制品位于炉腔之外)，用于装载和卸载制品。使用了未示的升降机构来在上下位置之间移动炉底。该升降机构包括一个或多个导向螺杆或现有技术中公知的其他装置。电加热器50布置在腔的每一侧，且都从保持在腔的顶段中的安装件52上垂悬下来(图7中仅仅显示了一侧)。端子54可连接到适当的电源上。加热器的数量和结构可以进行改变，以适应所需的加热需要。
槽喷射器56设置在炉的每个侧壁中(在图7中仅仅显示了一侧)。多个喷射器沿炉的每一侧进行设置，其中一侧上的每一个喷射器大体与相反侧上的喷射器相对齐。每个喷射器从气体源供应气体，该气体设置到气体射流或喷口58(其位于槽喷射器顶端处的腔顶段中的开口中)，其中槽喷射器位于炉腔的顶段处或其附近。
一个或多个开口47从腔的一侧贯穿炉底46到另一侧。喷射器60设置在开口47每一端附近的侧壁中。喷射器60优选是如美国专利5,795,146(其已转让给本发明的受让人，且其公开内容在此引入作为参考)所示的管式喷射器。穿过炉底设置的一个或多个开口47设置了从炉腔的一侧穿过炉底到炉腔的另一侧的流通路径。喷射器60与槽喷射器56协调一致地操作，以在腔中进行气体再流通，从而实现施加给产品的温度和气体暴露的预定均匀性。
如上所述，来自喷射器的高速气流使得炉腔中的气体被夹带到气流中，并使得气流放大和流通。被夹带气体的体积和喷射气体的体积之比可以高达50∶1。优选地，为了较好的炉操作，要实现至少10∶1且优选至少为20∶1的比。
在一个实施例中，喷射器以互补的方式操作，以使得对于一次间隔，炉腔一侧的喷射器为开，而炉腔相反侧的喷射器为关。对于下一次间隔，喷射器的操作相反，以使得之前关闭的喷射器开，而之前开的喷射器关闭。由于交替流通流动路径，喷射器的交替操作使得腔中的气氛进一步均匀。在关闭模式下，通向槽喷射器的喷嘴没有完全关闭，而是提供较少量的气体流动，通常是完全流动的大约5％，以冷却气体喷嘴，从而避免在高的操作温度下对气体喷嘴造成破坏以及避免空气或气体污染物通过喷嘴组件进入炉腔。
也可以例如在热循环的冷却部分中使用喷射器来对制品进行强迫对流冷却。与热源的控制一起，来自喷射器的气流得到控制以实现所需的制品冷却速度。
可以确定在炉腔中的喷射器的数量和结构，以在炉腔中实现所需的气流模式，从而实现所需的温度均匀性和均匀的气体环境。如图7所示的结构仅仅是示例性地用于分批式炉。本发明可以使用在例如具有固定炉底的其他类型分批式炉中。对于某些实施例，不必具有如图7所示的喷射器60，因为气流可以仅通过炉壁中的槽喷射器进行设置。
将处理的材料或制品可以保持在适当的支撑组件中。一种典型的支承件是一个具有用于各个待处理物件的多个隔室的托盘，所述托盘是可堆叠的，一个在另一个的顶部，从而相对较多的物件可以在炉腔中一次处理。支撑件可以是其他的类型，例如用于保持特定待处理制品或物件的适当构造的搁架。出于某些目的，将制品夹在上下板或其他支撑件之间、以防止制品在加热循环中变形是有用的。制品保持件由耐熔材料制成，其能够承受炉的操作温度。
本发明也可应用于连续的热处理和系统。在这样一个系统中，制品沿炉腔(其通常具有多个区域以设置预定的加热和冷却循环，以适合于待处理的特定制品或材料)进行传输。槽喷射器可以与上述相类似的方式设置在炉腔中，以使得提供均匀的加热和放大的气体体积。一个或多个喷射器可以沿炉腔的长度进行设置，以沿炉腔长度推进停留在炉腔中的气体，从而确保脏的炉气氛被推到炉前端附近的排出区域。
本发明不限于特别显示和描述的内容。本发明可以应用于在各种结构和单个以及多个区域炉的分批式和连续式炉中。本发明也可使用各种传输机构，以将制品移入和移出炉，或在炉的各个段或区域之间传输制品。因此，本发明包括所附权利要求书的全部范围和主旨之内的内容。

Claims (26)

1.一种用于对材料进行热处理的系统，其包括：
包括底部、顶部和一个或多个壁的炉壳体；以及位于炉壳体中的炉腔；
在炉腔中可随意使用的支撑组件，其用于支撑着待热处理的材料；
加热源，其可操作用于在炉腔中加热材料；以及
至少一个槽喷射器，其设置在炉腔的壁或顶表面中，以在炉腔内提供气体流通，所述槽喷射器与气体供应装置相连通；所述至少一个槽喷射器包括：
设置在炉腔的壁或顶表面中的槽，所述槽沿着壁或顶表面的方向从所述槽的入口端部延伸到所述槽的出口端部；以及
气体入口，其与气体供应装置相连通地被设置在所述槽的入口端部，且被布置成沿着在壁或顶表面中的所述槽来引导入口气体，以沿槽提供高速气流；
所述槽的靠上端朝向炉腔进行开口以将炉腔中的气体夹带到沿着槽的气流中，并且所述槽的出口端部朝向炉腔进行开口以将气体排到炉腔内，从而在炉腔内提供高体积的气体流通。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述槽设置在炉腔的壁中且从炉腔的顶部向下延伸，所述气体入口设置在槽的顶部，以沿槽提供高速气体，用于夹带炉腔中的气体，从而在炉腔内提供高体积的气体流通。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述气体入口设置有椎形气体喷口。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述气体入口提供了成层的气体。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述槽的长度是槽横截面最大尺寸的至少10倍。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述槽的横截面结构是圆形、曲线形、或直边形。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述槽包括位于炉腔的两个壁之间的角部。
8.如权利要求1所述的系统，其中还包括多个槽喷射器。
9.如权利要求1所述的系统，其中还包括位于炉腔第一侧和第二侧上的多个槽喷射器，用于在炉腔内提供均匀的气体氛围。
10.如权利要求9所述的系统，其中还包括炉底，多个开口从炉腔的一侧贯穿所述炉底到炉腔的另一侧，并且，
位于炉腔第一侧和第二侧上的所述多个槽喷射器成对地布置，其中每对的槽喷射器在炉腔的相应侧上与穿过炉底的相应开口相对齐。
11.如权利要求10所述的系统，其中还包括多个管形喷射器，其中每个管形喷射器设置在炉壳体的相应侧壁开口中，且面对穿过炉底的相应开口。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述管形喷射器每个都包括管形主体，其具有与气体供应装置相连通的喷嘴，且向炉腔内提供高速气体，并被设置成夹带炉腔中的气体，以在炉腔内提供高体积气体流通。
13.如权利要求1所述的系统，其中还包括控制器，其可操作来控制通向喷射器的气体供应装置。
14.如权利要求1所述的系统，其中还包括控制器，其可操作来控制加热源，以在加热循环中提供预定的热分布。
15.如权利要求14所述的系统，其中所述控制器可操作来控制槽喷射器的气体流动。
16.如权利要求1所述的系统，其中所述槽喷射器可操作以在热循环的一部分中对材料进行强迫对流冷却。
17.如权利要求1所述的系统，其中包括位于炉腔每一侧上的至少一个槽喷射器，其以交替的方式操作以在炉腔内提供均匀的气体流通以及对材料进行均匀加热。
18.如权利要求1所述的系统，其中所述加热源包括一个或多个设置在炉腔中的电供能加热器。
19.如权利要求1所述的系统，其中所述加热源包括一个或多个设置在炉腔中的微波加热器。
20.如权利要求1所述的系统，其中所述炉腔位于分批式炉中，其可操作使得材料在其中进行装载用于处理，以及在处理之后进行卸载。
21.如权利要求1所述的系统，其中所述炉腔位于连续式炉中，其可操作使得材料在处理循环中穿过其中进行输送。
22.如权利要求1所述的系统，其中所述支撑组件包括升降式炉底，其可在用于装载和卸载待热处理材料的靠下位置和用于在炉腔中放置材料的靠上位置之间移动。
23.如权利要求1所述的系统，其中所述槽喷射器包括炉腔的壁的一部分以及气体喷嘴，其中所述炉腔的壁的一部分从炉腔顶向下延伸，所述气体喷嘴设置在炉腔顶中的壁的所述部分的顶部处，以沿壁的所述部分提供高速气体，用于夹带炉腔中的气体，从而在炉腔内提供高体积的气体流通。
24.如权利要求6所述的系统，其中所述槽的直边形横截面结构是正方形。
25.如权利要求6所述的系统，其中所述槽的直边形横截面结构是矩形。
26.如权利要求1所述的系统，其中所述槽的横截面结构是V形。
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