CN1119921C - 用于陶瓷加工的高均匀性微波多模应用腔 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料加工工艺及设备技术领域。本发明包括封闭的微波加热腔体，安装在该腔体底板下的3db移相桥波导，所说的波导和加热腔体的公共壁上开有作为耦合元件的槽孔，以及设置在该腔体内的保温结构。本发明大大提高了微波加热的均匀性，使微波能够烧结均匀致密的陶瓷产品，同时免除了为增加均匀性而采用的机械式旋转机构，具有加热均匀性好，无微波泄漏，无噪音等优点。

Description

用于陶瓷加工的高均匀性微波多模应用腔

本发明属于材料加工工艺及设备技术领域。

目前工程陶瓷正在得到越来越多的应用，如汽车发动机的增压器转子，火花塞等。普通炉式热源的烧结方法能耗大，烧结速度慢，且产生大量的污染，而微波热源是依靠微波场与材料的耦合作用对材料进行加热的，是一种内热的方式，无上述缺点，因而有希望成为理想的陶瓷烧结热源。但因为陶瓷是低介电损耗材料，用于其加工的微波电场和微波功率远高于普通的家用微波加热炉，因而需要特殊设计的微波加热腔。这样的高电场和高功率加上微波在陶瓷加热中的正反馈效应(温度越高的地方越易吸收微波)使得加热均匀性问题非常突出，不均匀加热会使被加工物体上很易出现过热点而使加工过程失败。

现有的微波加热设备为了改善加热均匀性而采用的方法有利用模式搅拌器法改变腔内电场模式；周期性改变腔体尺寸；平移或旋转材料等方式。这些方法对改善微波加热的均匀性都有一定效果。它们的共同之处是使被加工物料发生运动，或是使用机械搅拌部件使腔内电场发生变化，其缺点是都需在微波腔中采用运动的部件从而导致微波泄漏或打火，也就限制了微波功率的提高，而且只能改善传送方向上的场分布不均匀造成的不均匀加热。使用更高频率的微波源也能改善加热均匀性(如28GHz，60GHz，目前则是2450MHz)，但当频率增加时，加热穿透深度相应减小，而且设备成本会大为增加。加大腔体尺寸的方式亦可增加加热均匀性，但腔中的微波场强会降低到不足以进行陶瓷材料的加热。因此希望寻找到改善微波加热均匀性的新途径。

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用于陶瓷加工的高均匀性微波多模应用腔，采用3db移相桥及特殊设计的微波耦合孔使馈入的微波在微波腔中产生旋转电磁场，大大提高了微波加热的均匀性，使微波能够烧结均匀致密的陶瓷产品，同时免除了为增加均匀性而采用的机械式旋转机构，具有加热均匀性好，无微波泄漏，无噪音等优点。

本发明提出的一种用于陶瓷加工的高均匀性微波多模应用腔，其特征在于，包括封闭的微波加热腔体，安装在该腔体底板下的3db移相桥波导，所说的波导和加热腔体的公共壁上开有作为耦合元件的槽孔，以及设置在该腔体内的保温结构。

所说的作为耦合元件的槽孔可为两个相互垂直的耦合缝隙。

所说的3db移相桥波导可由两个并列的标准BJ-22波导组成，其公共侧壁开有长度为Δ的缝隙， $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{4\left(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g^{\′}-{\mathrm{\λ}}_g^{\′\′}}\right)},$ 其中λ_g′和λ_g″分别为宽波导中TE₁₀、TE₂₀波的波导波长；在该缝隙中设置有电容性补偿螺钉。

所说的保温结构可包括用多孔隙氧化铝材料制成的两层箱体，在该内层箱体里面设置一容纳待加工的陶瓷的氧化铝坩埚，所说的两层箱体之间填充有氧化铝纤维，该内层箱体与氧化铝坩埚之间填充有碳化硅碎块，两层箱体的上壁开有贯穿的测温孔。

所说的封闭的微波加热腔体可为由铜材构成的两端封闭的圆柱形腔体，腔体直径D为240mm，腔体高度H为312.9mm，该封闭的上盖安装有用于测温的红外测温探头座。

本发明的原理是利用波导3db桥产生相位差为π/2的激励电流，通过特殊设计的微波耦合孔使导入的微波在一定尺寸的微波腔体中产生旋转极化的电磁场，从而大大改善微波腔体中电场分布的均匀性。由于微波加热是一种体热源式的加热方式，表面辐射散热会使表面温度低于材料内部温度，适当的保温方式是加工出质地均匀的陶瓷产品的另一重要条件。因为陶瓷材料的介电损耗非常小，必须要有一定的触发手段使被加工材料在形成适于陶瓷加工的微波系统。

本发明的效果：

本发明采用了一种全新的改善微波腔电场均匀性的技术方案，仍然使被加工材料与电场发生相对运动，但是是使电场运动而不是被加工材料运动，避免前述各种提高加热均匀性方法的弊端。同时能够使低介质损耗的陶瓷材料被快速地加热，提高微波能的利用效率，使之能应用于陶瓷材料的各种加工工艺。

加热实验表明，低介电损耗的99％纯度氧化铝材料能够以1000瓦的微波功率在2分钟内从室温加热到2000℃以上，并可以通过调节微波源输出功率使被加热陶瓷稳定地保持在预定的不同温度。

本发明加热腔加热均匀性在腔体横截面上和沿圆柱侧面所作的对比实验结果可以看出，具有旋转极化波的加热腔内电场分布均匀性有了明显改善。

附图简要说明

图1为本发明的能产生相位差为π/2的激励电流的波导3db桥的结构示意图。

图2为本发明的耦合孔及腔体结构示意图；其中，

图2a为波导和加热腔体的公共壁上开有作为耦合元件的槽孔的示意图；

图2b为波导和加热腔体相连接的示意图。

图3为本发明的保温及热触发结构示意图。

图4本发明与普通加热腔效果的比较图片；其中，

图4a为腔体横截面上温度分布的比较图片；

图4b为沿腔体圆柱侧面的温度分布(展开图)图片。

图5为本实施例应用的调节微波源输出功率的曲线图。

图6为本实施例应用的红外测温仪的温度指示图。

本发明设计的一种用于陶瓷加工的高均匀性微波多模应用腔的实施例包括：封闭的微波加热腔体，安装在该腔体底板下的3db移相桥波导，所说的波导和加热腔体的公共壁上开有作为耦合元件的槽孔，以及设置在该腔体内的保温结构。各部分结合各附图详细说明如下：

本发明设计的能产生相位差为π/2的激励电流的波导3db桥结构实施例，如图1所示。该组件由两个并列的标准BJ-22波导组成11为公共侧壁，12为电容性补偿螺钉，用以调节缝隙两端的电抗。13为微波导入口，14、15为导出口，16为藕荷孔。在公共侧壁上开一段与波导窄壁相同高度的长缝隙，形成一段宽为2a+δ、长为1的宽波导。其中a为BJ-22波导的宽壁长度，δ为公共侧壁的厚度。1的长度无严格限制，以适度为宜。但公共侧壁缝隙长度Δ是关键参数，它必须满足 $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{4\left(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g^{\′}-{\mathrm{\λ}}_g^{\′\′}}\right)},$ 其中λ_g′和λ_g″分别为宽波导中TE₁₀、TE₂₀波的波导波长。在本实施例中，14、15端口可输出大小相等、相位差为π/2的微波电场。

本发明设计的耦合孔及腔体结构实施例如图2所示。本发明采用电流耦合方式，即在波导和腔体的公共壁21上开槽孔作为耦合元件。为了满足激励电流在空间相互垂直这一条件，3db桥与加热腔之间的耦合需采用两个相互垂直的耦合缝隙22，如图2a所示。耦合缝隙开在3db桥波导的宽边上，缝隙的方向与波导边成45°角，每个缝隙的中心位置与波导宽边中线重合，如图1所示。该耦合缝隙在距圆柱腔中心r＝57.7mm处。图2b中20为腔体，是一个由铜材构成的两端封闭的圆柱形体。直经D＝240mm，高H＝312.9mm。腔体高度H可通过在腔体筒身和顶盖间加接垫的方式略作调整。耦合孔所在平面与圆柱形腔体底面21相贴合，23是波导耦合段，是波导耦合段与腔体的相对位置，24是用于测温的红外测温探头座。

加热腔是一个由铜材构成的两端封闭的圆柱形腔体。通过电磁学计算，可得加热腔中电场和磁场模式与腔体尺寸的关系为：电场模式TE_nip： ${\left(\frac{D}{\mathrm{\λ}}\right)}^2={\left(\frac{p}{2}\right)}^2\·{\left(\frac{D}{H}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{ni}}}{\mathrm{\π}}\right)}^2$ 磁场模式TM_nip： ${\left(\frac{D}{\mathrm{\λ}}\right)}^2={\left(\frac{p}{2}\right)}^2\·{\left(\frac{D}{H}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\ν}}_{\mathrm{ni}}}{\mathrm{\π}}\right)}^2$

其中D为腔体直径，H为腔体高度，λ为微波频率，μ_ni，ν_ni分别为贝塞尔函数或其导数为零的解，p为沿纵向的电磁场半波数。利用希望得到的模式互补关系，并将各常数代入，得到腔体直径和高度的关系为： $\frac{p}{2}\·\frac{D}{H}=1.53$

本实施例取一组典型解D＝240mm，则H＝312.9mm。理论分析腔中可存在TE₀₁₄，TE₁₁₅，TM₀₂₂，TM₁₁₄，TM₂₁₃等多种谐振模式。但主模将是TE₀₁₄和TM₁₁₄。腔体高度可通过在腔体筒身和顶盖间加接垫的方式略作调整以修正计算的误差。

本发明设计的保温结构实施例如图3所示。

材料在微波场中的加热过程，不仅与电磁场分布有关，而且与其本身及保温的方式、保温材料的介电性能等有关。微波与常规加热的显著区别是，常规加热时外界提供的热能通过由表及里的方式使材料得以加热，微波加热则是考材料本身吸收微波能，通过整体加热而升温的。因此微波加热时由于表面的散热，一般材料内部温度高于表面。对于大多数陶瓷材料而言，由于其低温介电损耗小，表面的强烈散热，使其加热过程变长，甚至很难达到预期的加热温度，同时即使在均匀的电场中也难得到均匀的温度分布。因此本实施例在加热腔内设置一保温及热触发的结构。

图3中，31是试样，32是氧化铝坩埚，33是碳化硅碎块，它们均匀分布在坩埚的周围。34是多孔隙氧化铝材料，35是氧化铝纤维，36为测温孔。分布于周围的碳化硅材料是较好的微波吸收物质，能快速吸收微波能，使周围材料达到一定温度后介电损耗迅速增长，从而能被快速加热，起到热触发的作用。这样的保温结构，考虑了以下几个方面；保温材料与微波作用较弱，能被微波穿透，使微波能作用于被加工材料本身；包覆于材料表面，防止辐射散热，有助于改善均匀性；分布于周围的碳化硅材料是较好的微波吸收物质，能快速吸收微波能使周围材料达到一定温度后介电损耗迅速增长，从而能被快速加热。

本实施例的效果：

由于加热腔内电磁场分布复杂，难以精确计算和测量。为此采用了如下的定性显示电磁场分布的方法。将试纸在CoCl2水溶液中浸泡，其颜色为粉红，然后置于腔内适当位置。在一定功率下经过短时间的加热，试纸颜色将由粉红变为蓝色，温度越高颜色越深，据此可定性评价腔内电场(温度场)的分布。图4是使用该评价方法对普通圆柱加热腔和本发明加热腔加热均匀性在腔体横截面上和沿圆柱侧面所作的对比实验结果。图4a腔体横截面上(距腔底距离：左图180mm，中图110mm，右图40mm)

温度分布的比较

上：普通谐振腔

下：本发明加热腔

(加热条件：入射功率0.6kW，加热时间3min.)

图4b沿腔体圆柱侧面的温度分布(展开图)

上：普通谐振腔

下：本发明加热腔

(加热条件：入射功率0.6kW，加热时间3min.)可以看出，具有旋转极化波的加热腔内电场分布均匀性有了明显改善。

本实施例的应用举例：

将尺寸为4×6×40mm³，纯度为95％的氧化铝(其余为烧结助剂)陶瓷粉体压坯竖直放入图3所示的保温结构中，再将整个结构放入图2所示的加热腔体中央。将微波源输出功率按图5所示曲线调节，得到红外测温仪的温度指示如图6。烧结温度为1550℃，时间40分钟(烧结时间和温度皆低于常规方式烧结)。烧结得到的陶瓷体收缩率13％，密度为理论密度的99％。烧结体在长度方向上的尺寸差别约为2％，试样间尺寸差别不超过1％。说明烧结腔体中试样所处空间内在截面上和高度方向都获得了非常均匀的温度分布，从而获得了尺寸非常一致的陶瓷烧结体。

Claims (3)

1.一种用于陶瓷加工的高均匀性微波多模应用腔，其特征在于，包括封闭的微波加热腔体，安装在该腔体底板下的3db移相桥波导，所说的波导和加热腔体的公共壁上开有作为耦合元件的槽孔，以及设置在该腔体内的保温结构；所说的作为耦合元件的槽孔为两个相互垂直的耦合缝隙；所说的3db移相桥波导由两个并列的标准BJ-22波导组成，其公共侧壁开有长度为Δ的缝隙， $\mathrm{\Δ}=\frac{1}{4\left(\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_g^{\′}-{\mathrm{\λ}}_g^{\′\′}}\right)},$ 其中λ_g′和λ_g″分别为宽波导中TE₁₀、TE₂₀波的波导波长；在该缝隙中设置有电容性补偿螺钉。

2.如权利要求1所述的微波多模应用腔，其特征在于，所说的保温结构包括用多孔隙氧化铝材料制成的两层箱体，在该内层箱体里面设置一容纳待加工的陶瓷的氧化铝坩埚，所说的两层箱体之间填充有氧化铝纤维，该内层箱体与氧化铝坩埚之间填充有碳化硅碎块，两层箱体的上壁开有贯穿的测温孔。

3.如权利要求1所述的微波多模应用腔，其特征在于，所说的封闭的微波加热腔体是由铜材构成的两端封闭的圆柱形腔体，腔体直径D为240mm，腔体高度H为312.9mm，该封闭的上盖安装有用于测温的红外测温探头座。

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