CN102202850A

CN102202850A - 用微波干燥陶瓷生坯的方法和设备

Info

Publication number: CN102202850A
Application number: CN2009801436072A
Authority: CN
Inventors: J·乔治; P·P·哈里哈兰; M·沈
Original assignee: Corning Inc
Current assignee: Corning Inc
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: JP5357975B2; JP2012507419A; US20100107435A1; CN102202850B; US8020314B2; WO2010051337A1

Abstract

本发明揭示一种用于干燥陶瓷生坯的方法和设备，包括在可操作地连接到微波源和PLC的微波加热腔中提供一个或多个陶瓷生坯。确定微波加热腔中陶瓷生坯的总质量。用微波源产生微波能量并将其从微波源传输到微波加热腔。用功率传感器测量从微波源传输到微波加热腔的微波能量的传输功率。从微波加热腔反射回来的反射微波能量的反射功率也被测量。根据存在于微波加热腔内的陶瓷生坯的总质量，测得的传输功率和测得的反射功率，来调整从微波源传输到微波加热腔的微波能量的功率。

Description

用微波干燥陶瓷生坯的方法和设备

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年10月31日提交的申请号为12/262,902的美国申请的优先权。

背景

技术领域

本发明一般涉及用于生产陶瓷材料的方法和设备，尤其涉及用微波加热和干燥陶瓷生坯的方法和设备。

技术背景

传统的加热或干燥包括对流的或对流与辐射组合的气体或者电阻加热，其通常用于陶瓷材料的制造中以便对陶瓷生坯除湿。然而，与这些传统加热方法相关的加热速率，温度控制和热量的应用经常导致高能耗和不稳定的产品质量。

通过微波辐射进行工业加热已经被用于加速陶瓷生坯的干燥，相比于传统的加热，微波加热提供了较高的加热速率，并且由于通过微波能与陶瓷生坯的相互作用而直接加热陶瓷坯体，因此微波加热通常比传统干燥更快。可以采用单个微波加热器或多个微波加热器来加热和干燥陶瓷生坯。

然而，虽然施加微波能加热和干燥陶瓷生坯优于其它加热和干燥方法，但是目前使用的微波加热和干燥系统也具有一些缺点。例如，目前的微波加热和干燥系统不足以解决加热和干燥系统的微波加热腔内的负荷变化，其可能导致在相同条件下干燥的陶瓷生坯个体之间的温度变化。由于一些陶瓷生坯可能没有充分干燥并因此需要再处理，在陶瓷生坯个体之间的温度变化可能减小微波加热和干燥系统的生产量。或者，陶瓷生坯可能干燥过度，其可以导致开裂。此外，由于干燥后陶瓷生坯的水分含量的差别，可能不利地影响到产出的陶瓷材料的质量和一致性。

因此，需要提供可替代的用微波能量加热和干燥陶瓷生坯的方法，设备和系统。

发明概述

根据本文描述或示出的一个实施方式，一种用于加热陶瓷生坯的方法包括在微波加热腔中提供一个或多个陶瓷生坯。确定微波加热腔中的该一个或多个陶瓷生坯的总质量。用微波源产生微波能量并将其从微波源传输到微波加热腔。测量从微波源传输到微波加热腔的微波能量的传输功率。也测量从微波加热腔反射回来的反射微波能量的反射功率。根据对应于微波加热腔内存在的该一个或多个陶瓷生坯的总质量，测得的传输功率和测得的反射功率的输入，来调整从微波源传输到微波加热腔的微波能量的功率。

微波干燥器和陶瓷生坯的组合，包括微波源，传输功率传感器，反射功率传感器，控制器以及微波加热腔。该微波源可操作地连接到微波加热腔，使得由微波源产生的微波能量传输到微波加热腔从而加热位于该微波加热腔中的陶瓷生坯。传输功率传感器可设置在微波源和微波加热腔之间，并可用来测量由微波源传输到微波加热腔的微波能量的传输功率。反射功率传感器可设置在微波加热腔和微波源之间，并可用来测量从微波加热腔反射的反射微波能量的反射功率。该控制器可操作地连接到微波源、传输功率传感器和反射功率传感器，并可根据从传输功率传感器和反射功率传感器接收的电信号用来调整由微波源产生的微波能量的功率，从而控制位于微波加热腔中的陶瓷生坯的加热。

在另一实施方式中，一种干燥系统和陶瓷生坯的组合，包括多个微波干燥器和一传送系统。该微波干燥器可以沿着传送系统定向，以便传送系统将陶瓷生坯运送通过每个微波干燥器。该微波干燥器可以包括微波源，传输功率传感器，反射功率传感器，可编程序控制器以及微波加热腔。微波源可操作地连接到微波加热腔，使得由微波源产生的微波能量可以传输到微波加热腔。传输功率传感器可以设置在微波源和微波加热腔之间，并可用来测量由微波源传输到微波加热腔的微波能量的传输功率。反射功率传感器可以设置在微波加热腔和微波源之间，并可用来测量从微波加热腔反射的反射微波能量的反射功率。该控制器可操作地连接到微波源、传输功率传感器和反射功率传感器，并可根据从传输功率传感器和反射功率传感器接收的电信号来调整由微波源产生的微波能量的功率。该微波干燥器可分别编程设定来有选择地加热经过微波加热腔的陶瓷生坯。

本发明的附加特征和优点将在随后的详细说明中叙述，并且根据该说明其对本领域技术人员来说是很显然的，或者通过实施本文所描述的本发明，包括随后的详细说明，权利要求书和附图，很容易认识到。

应当理解到，前述一般说明和随后的本发明具体实施方式的详细说明，都旨在提供用于理解请求保护的本发明的性质和特点的概要或框架。包括附图以进一步理解本发明，其并入说明书中且构成说明书的一部分。附图阐述了本发明的各种实施方式，并且与说明一起，用于解释本发明的原理和操作。

附图简要说明

图1是根据本文示出和描述的一个或多个实施方式的用微波加热陶瓷生坯的微波干燥器的示意图；

图2是根据本文示出和描述的一个或多个实施方式的用来检验微波加热陶瓷生坯方法的微波干燥测试设备的示意图；和

图3是根据本文示出和描述的本发明的一个实施方式的用图2所示微波干燥测试设备测得的温度数据与利用传输微波功率和反射微波功率计算得到的温度数据的比较图。

优选实施方式详述

参照图1，其显示了根据本文示出和描述的一个实施方式的用于加热陶瓷生坯的微波干燥器。该微波干燥器一般包括微波加热腔，微波源，传输功率传感器，反射功率传感器和可编程逻辑控制器。这里将进一步详细描述微波干燥器的各种元件，使用该微波干燥器的系统和用于加热陶瓷生坯的方法。任何可能的情况下，相同的附图标记将用在整个附图中来表示相同或相似的部件。

如图1所示，用于加热陶瓷生坯的微波干燥器100通常包括微波源112，微波加热腔102，可编程逻辑控制器(PLC)122，传输功率传感器116和反射功率传感器118。

微波加热腔102一般包括入口106，出口108，侧壁104，顶部110和底部(未示出)。在一个实施方式中，侧壁104，顶部110和底部可以由微波不渗透性无磁性材料制造，其可以在200℃的温度范围内呈现高导电性和抗氧化性。微波加热腔102的顶部110，底部和侧壁104都可以包括内壳和外壳，在两者之间设有绝缘层(例如，玻璃纤维或类似绝缘材料)。微波加热腔102可以这样设置，使得陶瓷生坯126可以沿着微波加热腔102的流动轴(例如，沿着箭头方向从A到B)连续地通过微波加热腔102内部。该流动轴接近陶瓷生坯126通过微波加热腔102的路径，例如当微波干燥器100是连续输送设备时。微波加热腔102的入口106和出口108可以设有罩，以便减少微波加热腔102中的辐射泄漏，同时仍然允许陶瓷生坯126从微波加热腔中进出。

在一个实施方式中，微波加热腔102可以是多模块的，以便该微波加热腔102能够在既定微波频率范围内支持多个共振模式。在另一实施方式中，微波加热腔包括模式搅拌器(未示出)，以便在微波加热腔内提供均匀的电场分布。

为了便于连续输送，微波干燥器100可以包括传送系统124，用于传送陶瓷生坯126通过微波加热腔102。传送系统124可以从入口106到出口108贯穿微波加热腔102的内部。在一个实施方式中，该传送系统124包括输送装置，例如皮带输送机或链接式输送装置，陶瓷生坯126可以设置在其上。然而，应当清楚地理解到，该传送系统124可以包括从入口106到出口108穿过微波加热腔102用于输送陶瓷坯体的任何适当的系统。因此，不具体限制用于将陶瓷生坯传送通过微波加热腔102的传送系统的种类。

用于引导微波功率进入微波加热腔102内的微波源112可操作地连接到微波加热腔102，使得微波源112产生的微波能可以传输到微波加热腔102。在一个实施方式中，微波源112可以通过微波传输线，例如通过波导管或开槽波导(未示出)可操作地连接到该微波加热腔102。微波源112可以是可调整的微波发生器或源，以便微波源112产生的微波能量的功率和频率可以被调整，这将在下文中更详细地论述。

在一个实施方式中，用于产生微波能的微波源112可以包括具有可调功率特征的任何常规磁控管。所产生的微波能量的频率可以大于约900MHz(0.9GHz)。在一个实施方式中，微波源产生的微波能量的频率为约10MHz至100GHz，并且，更具体地，频率从约1GHz至约2.45GHz，其基本符合美国的工业微波波段。在其它国家，可以使用在约10MHz至约100,000MHz范围内的其它的微波频率。所产生的微波能量的功率可以不大于所需功率，该所需功率用于升高微波加热腔102内的陶瓷生坯的温度至有效地干燥陶瓷生坯的温度。一般，微波源112可以被操作来改变发射微波的功率最高到约200kW。例如，微波源112能够产生具有功率为约30kW至60kW、频率为约20MHz至约5000MHz的微波能量。这种磁控管可以产生在仅仅1到10分钟内足以将陶瓷生坯内的温度迅速升高至干燥温度的微波能量，该时间取决于若干因素，包括但不限于：负载(例如微波加热腔内陶瓷生坯的总重量，包括陶瓷生坯中的水分重量)，陶瓷生坯的几何构造，陶瓷生坯的成分，陶瓷生坯的设置，以及陶瓷生坯通过微波加热腔时的速率。

如图1所示，循环器114可以设置在微波源112和微波加热腔102之间。从微波源112传输到微波加热腔102的微波能量(例如，传输微波能量140)穿过该循环器并且进入到微波加热腔102内。微波能量也可以从微波加热腔102反射回微波源112。该反射微波能量142通过循环器114转向进入可操作地连接到循环器114的耗能负载120，从而防止反射微波能量142损坏该微波源112。

为了便于控制微波源112，该微波源可以电连接到可编程逻辑控制器(PLC)122。该PLC 122可操作来改变微波源112产生的微波能量的功率和频率。在一个实施方式中，PLC 122可操作来发送电信号到微波源112，以便改变微波源112产生的微波能量122的功率和/或频率。PLC 122还可以操作来接收来自微波源112的信号，其指示由微波源112产生的微波能量的功率和/或频率。

本发明人发现在微波加热腔102中消耗的传输微波能量140的量值(例如，传输微波能量140中进行加热和干燥设置在微波加热腔内的陶瓷生坯126的那部分)可以改变，其取决于这些因素，诸如：负载(例如，微波加热腔102中陶瓷生坯的总重量，其等于微波加热器中全部坯体的重量和/或如果坯体仅仅部分处于该加热器中时坯体的一部分重量的总和)，分布(例如，陶瓷生坯的间距)，微波加热腔102中设置的陶瓷生坯的成分和几何结构。本文所使用的陶瓷生坯的几何结构，指陶瓷生坯的形状和结构。例如，具有薄蜂窝壁的蜂窝结构的陶瓷生坯对微波能量的反射可以不同于厚蜂窝壁的陶瓷生坯。此外，陶瓷生坯的成分还可能影响坯体反射微波能量的方式。例如，具有低介电系数的材料可以比具有较高介电系数的材料反射更多的微波能量。

在微波加热腔102中未消耗的那部分传输微波能量140被微波加热腔102反射回微波源成为反射微波能量142。本发明人还确定微波加热腔102中消耗的微波能量的变化导致用相同量级的传输微波功率加热的陶瓷生坯之间的温度变化。这些温度变化可以导致不够干的陶瓷生坯(例如“冷木(cold log)”状态)或者过干的陶瓷生坯(例如“热木(hot log)”状态)，两者都不利地影响微波干燥器100和包括该微波干燥器的陶瓷品制造工艺的生产量，以及不利地影响最终陶瓷产品的质量。此外，本发明人还发现，通过与其它变量一起，测量传输微波能量140的功率和反射微波能量142的功率并基于这些测量值调整该微波源112产生的微波能量的功率，可以减少在陶瓷生坯之间的温度变化并且减少和/或减轻冷木和热木状态的发生。

继续参照图1，微波干燥器100可以包括传输功率传感器116和反射功率传感器118。传输功率传感器116设置在微波源112和微波加热腔102之间并可操作来测量传输微波能量140的功率。反射功率传感器118设置在微波加热腔102和微波源112之间，特别是在微波加热腔102和循环器114之间，并可操作来测量反射微波能量142的功率。在一个实施方式中，传输功率传感器116和反射功率传感器118可以包括具有约±5％的误差的微波功率传感器。例如，适当的功率传感器可以包括由安捷伦技术公司(Agilent Technologies)生产的E9300AE系列功率传感器，其具有小于±0.5％的误差精度。然而，应当清楚地理解到，也可以使用具有相似精度的任何功率传感器。

传输功率传感器116可以通过电导线128电连接到PLC 122，使得传输功率传感器116可以发送指示传输微波能量140的功率的电信号到PLC 122。类似地，反射功率传感器118可以通过电导线132电连接到PLC 122，使得反射功率传感器118可以发送指示反射微波能量142的功率的电信号到PLC 122。

在一个实施方式中，如图1所示，PLC 122还可以通过电导线130电连接到输入装置134。输入装置138可以被操作来发送指示负载或微波加热腔102中陶瓷生坯126的总重量或质量的电信号到PLC 122。本文所使用的陶瓷生坯的重量或质量，指在陶瓷体中陶瓷材料的重量以及陶瓷生坯内的任何液体的重量，所述液体包括但不限制于，水和/或任何溶剂或在陶瓷生坯形成期间引入到该陶瓷材料中的其它工艺试剂。在一个实施方式中，输入装置可以是可操作地连接到PLC 122的键盘或键区，以便微波干燥器100的操作人员可以手动输入进入微波加热腔102的陶瓷生坯的重量。在陶瓷生坯进入微波加热腔之前，定期从传送系统上移走该陶瓷生坯并称量该陶瓷生坯，由此可以确定该陶瓷生坯的重量。测得的陶瓷生坯的重量随后被输入到输入装置138并传送给PLC 122。

在另一实施方式中，该输入装置138可以包括沿着传送系统124设置的天平或其它测量装置，并且当陶瓷生坯进入微波加热腔102时可操作来称量每个陶瓷生坯126，以便获知在任一时刻在微波加热腔中的陶瓷生坯的总重量。例如，如图1所示，探测器154，例如光学探测器，超声探测器等等，可以设置在传送系统124附近并用电导线156可操作地连接到PLC 122。当陶瓷生坯在传送系统124上传送时通过对其检测，该探测器154可操作来确定存在于微波加热腔102内的陶瓷生坯的数量，包括分段部分的陶瓷生坯的数量。基于该信息，PLC 122可以操作来确定在任一时刻位于微波加热腔102内的陶瓷生坯的总重量。

此外，温度传感器150，例如高温计或光纤温度传感器，可以设置在传送系统124附近并用电导线150可操作地连接到PLC 122。当陶瓷生坯进入微波加热腔102时，温度传感器150可操作来确定它们的温度并将这一信息传送给PLC 122。PLC 122可以利用该温度数据来估计加热的量(例如需要使用的微波能量的量值)，使得当陶瓷生坯离开微波加热腔102时具有期望的水分含量。

在另一实施方式中，输入装置134可操作来发送给PLC 122电信号，该电信号指示位于微波加热腔102中的陶瓷生坯126的数量，重量，几何构造和材料成分。更具体地说，如上所述，输入装置134可以是键盘或键区，并且微波干燥器的操作人员可以输入该数量，重量，几何构造和材料成分到输入装置中，该输入装置依次发送指示这些变量的电信号给PLC 122。在这一实施方式中，PLC 122可操作来处理来自输入装置134的信号，并且利用这些信号，相应地调整由微波源产生的微波能量的功率和/或频率。例如，当陶瓷生坯的几何构造和材料成分被输入到该输入装置134时，PLC 122可以被编程以便增大或减小由微波源产生的微波能量的功率。

基于来自传输功率传感器116，反射功率传感器118，输入装置134，探测器154和/或温度传感器150的电信号，PLC 122可以被编程来改变微波源112产生的微波能量的功率和/或频率。例如，在操作中，一个或多个陶瓷生坯126可以设置在传送系统124上，使得陶瓷生坯126可以被输送进入微波干燥器100的微波加热腔102的入口106。微波干燥器100的PLC 122可以经过编程来调整微波源112产生并传输到微波加热腔102内的微波能量，使得穿过微波加热腔102的陶瓷生坯126被加热到预定温度。例如，微波干燥器100可以操作来预加热，蒸发加热和后加热微波加热腔102内的陶瓷生坯。这里所使用的预加热或预热指加热陶瓷生坯而无明显的陶瓷生坯内的液体的蒸发。本文所使用的蒸发加热或蒸发热，指将陶瓷生坯加热并保持在一温度，使得陶瓷生坯内的水分被蒸发并从而自该陶瓷生坯中脱除。本文所用的后热或后加热，指加热陶瓷生坯到超过水的蒸发温度的温度，以便进一步自陶瓷生坯中除去所有液体。微波干燥器100的操作条件可以通过PLC 122调整，以便达到用于预加热，蒸发加热和后加热陶瓷生坯的必要温度。

在一个实施方式中，进入微波加热腔102的每个陶瓷生坯的重量通过输入装置134传送到PLC 122。这些数据可以手动地输入或(可替选地)自动输入，例如当陶瓷生坯126经过天平或类似装置时自动输入，其中该天平或类似装置与输入装置134连接并在陶瓷生坯进入微波加热腔102之前测量其重量。

当陶瓷生坯经过微波加热腔102时，自微波源112传输进入到微波加热腔102的传输微波能量140的功率被传输功率传感器116测量，该传输功率传感器116发送指示该传输微波能量的功率的信号到PLC 122。从微波加热腔106反射的该反射微波能量142的功率通过反射功率传感器118测量，其中该反射功率传感器118发送指示该反射微波能量的功率的信号到PLC 122。基于来自传输功率传感器116，反射功率传感器118，温度传感器150，探测器154和输入装置134的信号(例如，重量，成分和/或几何结构)，PLC 122可以被编程来调整微波源112产生的微波能量的功率，从而加热微波加热腔内的陶瓷生坯126到所期望的预加热、蒸发加热或后加热温度。反射能量的功率大小至少部分地受到微波加热腔中陶瓷生坯的成分(包括陶瓷生坯中的水分或液体的成分)和几何结构的影响。因此，当基于反射微波能量的实测功率对微波源产生的微波能量的功率进行调整时，诸如几何结构和成分等因素也被考虑进来。然而，应当理解到，关于陶瓷生坯的成分和几何结构的信息也可以用输入装置134独立地输入到PLC 122并用来调整所产生的微波能量的功率。因此，基于来自传输功率传感器116和反射功率传感器118和/或温度传感器150，探测器154和输入装置134的反馈信号，微波干燥器100可以通过闭环反馈控制而被控制。

在一个实施方式中，根据以下数学关系式，该PLC可以被编程来调整微波能量源产生的微波能量的功率：

其中P_源是调整后的微波源的功率，C_消耗是为从微波加热腔输出的陶瓷生坯达到所期望的状态(例如，温度和/或水分含量)的功率耗散系数，其基于陶瓷生坯的成分和陶瓷生坯的几何结构，

是微波加热腔中陶瓷生坯的总重量，η_e是微波功率源的效率系数，P_反射是自微波加热腔反射的反射微波能量的功率，P_传输是传输到微波加热腔的微波能量的功率。这一数学关系式源自于微波加热腔中陶瓷生坯的热平衡，其在下面将更详细地论述。

微波加热腔中的N个陶瓷生坯的第k个陶瓷生坯(例如，每个陶瓷生坯是N个陶瓷生坯的第k个陶瓷生坯，其中k为1到N的整数)在时间t内的热平衡，可以按照用于温度T_k和具体温度条件下的干燥D_k的微分方程式来表示。具体为：

其中P_{k_消耗}是陶瓷生坯k的消耗功率，w_k是陶瓷生坯k的初始重量，C_{p_湿}和C_{p_干}分别是陶瓷生坯为湿和干燥状态时的热容量，H_v是水的潜能，T_e是水的蒸发温度，R_H2O是批料水成分重量百分比。

为了将第k个陶瓷生坯的消耗功率与微波加热腔的消耗功率(P_消耗)关联起来，可以引入一比值因子(competing factor，f_k)，由此陶瓷生坯k的消耗功率为：

P_{k_消耗}＝P_消耗·f_k (3)。

假如仅仅微波加热腔中的陶瓷生坯消耗微波功率，对于N个陶瓷生坯的每一个陶瓷生坯的比值因子应当满足微波加热腔中的消耗功率的能量守恒，使得：

Σ_{k = 1}^{N} f_{k} = 1 - - - (4) .

基于能量守恒，在微波加热腔中消耗的微波功率(P_消耗)(例如，进行加热和干燥微波腔中的陶瓷生坯的微波功率)可以根据传输进入微波加热腔的传输微波能量的功率(P_传输)和反射自微波加热腔的反射微波能量的功率(P_反射)来表示，使得：

P_消耗＝P_传输-P_反射 (5)。

假如消耗功率按照每个陶瓷生坯的重量分布在微波加热腔中的陶瓷生坯中，则每个陶瓷生坯的比值因子可以表达为：

f_{k} = \frac{w_{k}}{Σ_{i = 1}^{N} w_{i}} (6) .

利用方程式(3)和(6)，微分方程式(1)和(2)可以重新表达为：

如果在进入微波加热腔之前所有陶瓷生坯的初始状态(例如，水分含量和重量)相同，那么通过对该N个陶瓷生坯的每一个保持微分方程式(7)和(8)中右侧关系恒定，可以实现陶瓷生坯离开微波加热腔时具有相同的最终状态(例如，温度，水分含量和重量)，这可以通过对该N个陶瓷生坯保持消耗功率(P_消耗)恒定来实现，使得消耗功率系数(C_消耗)是定义如下的常数：

当重新表达时，其导致限定微波加热腔中消耗的功率的下列关系：

因此，微波加热腔的消耗功率与微波加热腔中陶瓷生坯的重量成正比地变化。功率耗散系数(C_消耗)可以根据经过微波加热腔的陶瓷生坯的所需状态改变(例如，在特定时间内陶瓷生坯的温度和/或特定时间内陶瓷生坯的干燥度的所需变化)用方程式(7)和(8)确定。

例如，对于已知重量和湿热容量(C_{p_湿})的N个陶瓷生坯，希望每个陶瓷生坯在特定时间间隔(dt)内达到特定温度(例如，温度增量dT)。陶瓷生坯的该特定温度，时间间隔和重量以及热容量可以用来求解方程式(7)中的P_消 _耗。P_消耗和陶瓷生坯的总重量然后可以用到方程式(9)中来确定功率耗散系数(C_消耗)。C_消耗的确定值然后可以用来确定微波源产生的微波能量的适当功率，使得产生所期望的陶瓷生坯的最终温度和/或干燥度，下面将进一步描述。

为了更精确地确定陶瓷生坯从微波加热腔输出时达到所需的最终温度和/或干燥度所必需的微波源产生的微波能量的功率，必须考虑到该微波源的效率。由于微波源的低效率和损耗，微波源产生的微波能量的功率(P_源)可能不同于自微波源传输的传输微波能量的功率(P_传输)大小。然而，所产生的微波能量的功率(P_源)与传输微波能量的功率(P_传输)可以利用一效率系数(η_e)来建立关系，使得：

P_传输＝η_e·P_源 (11)。

反射功率和输入功率可以通过反射因数ρ来建立关系，使得：

其中ρ由连接微波源和微波加热腔的波导管的波阻抗Z₀和微波加热腔的负荷阻抗Z_L来确定，使得：

ρ = \frac{Z_{L} - Z_{0}}{Z_{L} + Z_{0}} - - - (13) .

因此，利用方程式(11)和(12)，方程式(5)可以重新表达为：

P_消耗＝P_传输-P_反射＝P_传输(1-|ρ|²)＝P_源·η_e(1-|ρ|²) (14)。

利用方程式(14)，方程式(10)可以重新写为：

其可替换地，表达为：

方程式(15)或(16)都可以用来调控微波源(例如磁控管)产生的微波能量的功率(P_源)，以便生产出当其离开微波加热腔时具有所期望温度和/或干燥度的陶瓷生坯。

更具体地说，如上文所述，方程式(7)和(8)可以用于结合方程式(9)，以便求解出特定陶瓷生坯为达到离开微波加热腔时的特定状态(例如，最终温度和/或干燥度)所需的功率耗散系数(C_消耗)。其后，该功率耗散系数可以代入到方程式(16)并被用于与微波加热腔中陶瓷生坯的测量重量，传输微波能量的测量功率，反射微波能量的测量功率和微波源的效率系数相结合，以便确定为使得陶瓷生坯达到所期望的最终温度和/或干燥度，微波源必须产生的微波能量的功率。

参照图2，描述了微波干燥测试设备200，其被用来用实验方法验证用于得到方程式(16)的那些假设。该微波干燥测试设备200一般包括微波源212，其可操作地被连接到微波加热腔202使得微波源212产生的微波能量被传输到微波加热腔202。微波源212包括915MHz磁控管，能够提供具有最高到约75kW范围内的可变功率的微波能量。微波源212电连接到控制单元222，其可操作来改变微波源212的功率。循环器214设置在微波源240和微波加热腔202之间，以便经过循环器214从微波源212向微波加热腔202传输微波能量240，并且从微波加热腔202反射的反射微波能量242被循环器214转向进入可操作地连接于循环器220的耗能负载220。

微波干燥测试设备200还包括功率传感器216，特别是安捷伦技术公司(Agilent Technologies)制造的E9300 A功率传感器。功率传感器216可操作地连接到具有波导管218的微波干燥测试设备200，该波导管218包括双向连接器(未示出)，其便于将传输微波能量240或者反射微波能量242连接到功率传感器216内。

为了进行该验证测试，测定量的水226被设置在微波加热腔202中。数据获取系统228的光纤温度探针224设置在该水226中。数据获取系统228被操作来显示和记录由探针224测得的水温。连接到微波功率源212的PLC222被设置来操作微波功率源212在特定时间间隔内的预定功率大小。对该功率大小和时间间隔加以选择，以确保微波加热腔202中水的最终温度不超出100℃。水的重量，水的初始温度，水的最终温度，时间间隔，传输微波能量的测量功率，反射微波能量的测量功率和产生的测量温度增量(ΔT_M)如五次不同的验证试验的下表1所示。

表1

表1还显示了使用本文所述方法的温度增量计算值。该计算值(ΔT_C)假定了消耗在微波加热腔中的微波功率是传输微波能量功率和反射微波能量功率之间的差，这一假定是本文所述控制模式的基础。温度的相应增量可以通过上述方程式(7)和(5)确定，使得：

其中ΔT_C是水的温度增量，P_传输是传输微波能量的功率，P_反射是反射微波能量的功率，C_{p_水}是水样品的热容量，W_w是水的重量(由于微波加热腔中仅放置一个水样品，方程式(7)中的表达式

被简化为W_w)，以及t是加热时间。图3描绘了表1中每个验证样品的ΔT_M和ΔT_C的值。如图3所示，利用传输微波能量功率，反射微波能量功率以及负载(例如，水样的重量)计算的ΔT_C，表现为很好地与温度增量的实际测量值(ΔT_M)相吻合。

因此，图3的试验结果表明，为了准确地预知并从而控制微波加热腔中的温度，传输微波能量以及反射微波能量的功率应当与微波加热腔中包含的材料的重量一起加以考虑。此外，图3所示试验结果同时验证了在探求本文描述的控制微波源的方法过程中所做的假设，并证实了该方法可以用来改进对微波加热腔中温度的控制并从而减小遭受相同干燥条件(例如传输微波功率)的陶瓷生坯之间的温度变化。

再次参照图1，应当理解到，方程式(16)中定义的数学关系式可以用于与微波干燥器相结合，诸如图1中所述微波干燥器，以便实现微波干燥器的闭环反馈控制并从而减少经过微波干燥器的陶瓷生坯之间的温度变化。

更具体地说，微波干燥器100的PLC 122可以根据方程式(16)被编程来调整微波源112产生的微波能量的功率。在这一实施方式中，通过测量反射功率以及传输功率并利用方程式(11)确定该效率系数，微波源112的每个时刻的效率系数(η_e)可以及时计算到。传输微波能量的功率(P_传输)和反射微波能量的功率(P_反射)可以分别用传输功率传感器116和反射功率传感器118，以及被传送到PLC 122的指示这些测量功率的电信号来确定，用于与方程式(16)结合。陶瓷生坯的质量可以通过输入装置134手动或自动地输入到PLC 122，例如当该输入装置可操作地连接到可在陶瓷生坯进入微波加热腔100之前用来称量陶瓷生坯的天平或其它装置。最后，耗散功率系数(C_消耗)可以利用方程式(7)，(8)和(9)计算得到，用于实现陶瓷生坯的所期望的温度和/或干燥度。利用这一信息结合方程式(16)的数学关系式，微波干燥器100的PLC 122可用来调整微波源112产生的微波能量的功率，使得微波加热腔102中的陶瓷生坯被加热到所期望的温度。

此外，应当理解到，通过确定所期望的加热方式的耗散功率系数(C_消耗)，方程式(16)可专门用来设置微波干燥器100用于预加热，蒸发加热和后加热。

还应当理解到，本文描述和示出的控制方法和微波干燥器可以用于陶瓷品制造作业中的干燥陶瓷生坯的系统。在一个实施方式中，多个微波干燥器，例如图1所述的那些，可以沿传送系统设置，例如本文描述的传送系统，使得位于传送系统上的陶瓷生坯可以从一个微波加热腔运送到下一个中。每个微波干燥器可以被编程使其在该陶瓷生坯离开该微波加热腔并继续进到下一微波干燥器之前将该微波加热腔中的陶瓷生坯加热至一规定量。更具体地说，该系统中每个微波干燥器的PLC可以根据上述方程式(16)被编程来控制微波源的功率。此外，对于该系统中的每个微波干燥器，方程式(16)中采用的功率耗散系数(C_消耗)可以分别确定，使得每个微波干燥器可以用来将该陶瓷体加热至所期望的预定温度和/或干燥度。

例如，在一个实施方式中，每个都具有类似于图1所示微波干燥器100的结构的三个微波干燥器可以沿传送系统定向，使得传送系统上的陶瓷生坯经过每个微波干燥器。每个微波干燥器可以设置用于预加热，蒸发加热或后加热位于微波干燥器的相应微波加热腔中的陶瓷生坯。

在一个实施方式中，第一微波干燥器可以用来将陶瓷生坯预加热至低于水蒸发温度的温度。为了实现这一点，与第一微波干燥器相关使用的方程式(16)的功率耗散系数(C_消耗)可以确定以便实现小于水蒸发温度的特定温度。第二微波干燥器可以设定为蒸发加热陶瓷生坯。因而，与该第二微波干燥器相关使用的方程式(16)的功率耗散系数(C_消耗)可以被计算，以便于包含在陶瓷生坯中的大多数水分的蒸发。第三微波干燥器可以用于后加热陶瓷生坯至所期望的后加热温度。因此，用于该第三微波干燥器的方程式(16)的功率耗散系数(C_消耗)可以确定，使得所期望的后加热保持在微波干燥腔内，以便除去任何残余水分，使得当陶瓷生坯离开该第三微波干燥器时，该陶瓷生坯包含的水分小于其初始水分含量的约5％。

本文描述的方法，微波干燥器和系统尤其适合于加热并因此干燥薄壁陶瓷生坯。本文所用的干燥指将坯体的液体含量减少到期望值。陶瓷生坯的加热和干燥进行到一程度，使得陶瓷生坯可以被机械加工而不造成任何损坏或者不可接受的变形。例如，薄壁圆柱体型陶瓷生坯，例如具有蜂窝密度从100到1600个蜂窝/平方英寸的蜂窝结构的圆筒形陶瓷生坯，当其所含的水分小于初始水分含量的约5％时，对于机械加工目的而言该陶瓷生坯足够干燥。在另一实施方式中，当陶瓷生坯所含的水分小于其初始水分含量的约1％时，对于机械加工目的而言该陶瓷生坯足够干燥。

本领域技术人员清楚地认识到，对本发明可以作出各种改变和变化而不背离本发明的精神和范围。因此本发明旨在覆盖本发明的这些改变和变化，其归入到所附的权利要求和等同方式的范围内。

Claims

1.一种用于加热陶瓷生坯的方法，该方法包括：

在微波加热腔中提供一个或多个陶瓷生坯；

确定存在于该微波加热腔中的该一个或多个陶瓷生坯的总质量；

用微波源产生微波能量；

将微波能量从微波源传输到微波加热腔；

测量从微波源传输到微波加热腔的微波能量的传输功率；

测量从微波加热腔反射的反射微波能量的反射功率；以及

根据相应于微波加热腔内存在的一个或多个陶瓷生坯的总质量，测得的传输功率和测得的反射功率的输入，调整从微波源传输到微波加热腔的微波能量的功率。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，将陶瓷生坯加热到低于该陶瓷生坯中所含液体的蒸发温度的温度。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，液体从一个或多个陶瓷生坯中蒸发。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

用设置在微波源和微波加热腔之间的传输功率传感器测量微波能量的传输功率；

用设置在微波加热腔和微波源之间的反射功率传感器测量反射微波能量的反射功率。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

可操作地连接到微波源，传输功率传感器和反射功率传感器的可编程序控制器，其中该可编程序控制器可操作来：

接收从传输功率传感器输入的指示微波能量的传输功率的电信号；

接收从反射功率传感器输入的指示该反射微波能量的反射功率的电信号；以及

基于相应于微波能量的传输功率和反射微波能量的反射功率的输入信号以及基于相应于一个或多个陶瓷生坯的总质量的输入，调整微波源产生的微波能量的功率。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，该可编程序控制器被设定按照选自下组的加热方式来加热陶瓷生坯：将陶瓷生坯预加热到比陶瓷生坯中的液体的蒸发温度低的温度，从陶瓷生坯中蒸发液体，将陶瓷生坯后加热到高于陶瓷生坯中液体蒸发温度的温度，或者其组合。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，微波能量的功率最高达约200kW并且包括大于约10MHz的频率。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，微波能量的功率从约30kW到约60kW，频率从约20MHz到约5000MHz。

9.一种微波干燥器和陶瓷生坯的组合，该微波干燥器包括微波源，传输功率传感器，反射功率传感器，可编程序控制器和微波加热腔，其中：

微波源可操作地连接到微波加热腔，使得由微波源产生的微波能量传输到微波加热腔，其中陶瓷生坯设置在微波加热腔内；

传输功率传感器设置在微波源和微波加热腔之间，并且可以进行操作用来测量由微波源传输到微波加热腔的微波能量的传输功率；

反射功率传感器设置在微波加热腔和微波源之间，并可以进行操作用来测量从微波加热腔反射的反射微波能量的反射功率；以及

该可编程序控制器可操作地连接到微波源、传输功率传感器和反射功率传感器，并可根据从传输功率传感器和反射功率传感器接收的电信号进行操作用于调整由微波源产生的微波能量的功率。

10.如权利要求9所述的组合，其特征在于，所述微波干燥器还包括循环器以及耗能负载，其中，该循环器设置在微波源和反射功率传感器之间并可操作地连接到该耗能负载，使得从微波加热腔反射的反射微波能量被循环器转向到耗能负载内。

11.如权利要求9所述的组合，其特征在于，所述微波干燥器还包括可操作地连接到可编程序控制器并设置在微波加热腔入口附近的温度传感器，其中该温度传感器可进行操作用来测量进入微波加热腔的陶瓷生坯的温度，并且该可编程序控制器可进一步根据从温度传感器接收的电信号进行操作来调整微波源的功率。

12.如权利要求9所述的组合，其特征在于，所述微波干燥器还包括探测器，其可操作地连接到可编程控制单元并设置在微波加热腔入口的附近，其中该探测器可进行操作用来检测进入微波加热腔的陶瓷生坯，并且可编程序控制器可进一步根据从温度传感器接收的电信号进行操作来调整微波源的功率。

13.如权利要求9所述的组合，其特征在于，微波能量的功率小于或等于约200kW并且包括大于约10MHz的频率。

14.如权利要求9所述的组合，其特征在于，可编程序控制器可进行操作来根据从微波源传输到微波加热腔的微波能量的传输功率，从微波加热腔反射的反射微波能量的反射功率，微波加热腔中陶瓷生坯的总重量和微波源的效率，调整由微波源产生的微波能量的功率。

15.如权利要求9所述的组合，其特征在于，微波干燥器按照选自下组的加热方式编程设定：将陶瓷生坯预加热到比陶瓷生坯中的液体的蒸发温度低的温度，从陶瓷生坯中蒸发液体，将陶瓷生坯后加热到高于该陶瓷生坯中液体蒸发温度的温度，或者其组合。

16.一种干燥系统和陶瓷生坯的组合，该干燥系统包括多个微波干燥器和传送系统，其中：

微波干燥器沿着传送系统定向，以便传送系统将陶瓷生坯运送通过每个微波干燥器；

该微波干燥器包括微波源，传输功率传感器，反射功率传感器，可编程序控制器以及微波加热腔，其中：

微波源可操作地连接到微波加热腔，使得由微波源产生的微波能量被传输到微波加热腔；

传输功率传感器设置在微波源和微波加热腔之间，并且可进行操作用来测量由微波源传输到微波加热腔的微波能量的传输功率；

反射功率传感器设置在微波加热腔和微波源之间，并可进行操作用来测量从微波加热腔反射的反射微波能量的反射功率；以及

该可编程序控制器可操作地连接到微波源、传输功率传感器和反射功率传感器，并可根据从传输功率传感器和反射功率传感器接收的电信号而被操作来调整由微波源产生的微波能量的功率；并且

微波干燥器可被分别编程设定来有选择地加热经过微波加热腔的陶瓷生坯。

17.如权利要求16所述的组合，其特征在于，每个微波干燥器的可编程序控制器可进行操作来根据从微波源传输到微波加热腔的微波能量的传输功率，从微波加热腔反射的反射微波能量的反射功率，微波加热腔中陶瓷生坯的总重量和微波源的效率，来调整由微波源产生的微波能量的功率。

18.如权利要求16所述的组合，其特征在于，多个微波干燥器的每一个按照选自下组的加热方式编程设定：将陶瓷生坯预加热到比陶瓷生坯中的液体的蒸发温度低的温度，从陶瓷生坯中蒸发液体，将陶瓷生坯后加热到高于该陶瓷生坯中液体蒸发温度的温度，或者其组合。