CN112361815A - 多功能微波实验工作站 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能微波实验工作站，包括机壳以及设置在机壳内部的微波发射单元、波导结构和石英管；微波发射单元包括磁控管以及磁控管连接的微波电源；波导结构包括直波导管和锥形微波腔体，直波导管一端与磁控管的微波发射口对接，另一端与锥形微波腔体的小端对接，锥形微波腔体内设置一贯通石英管，石英管外用与之同轴的保温材料填充，石英管内的保温材料内有一放置待加热物料的空间。石英管两端的密封结构保证物料所处压力环境或有害气体不影响微波发射口所在的空间。本发明大大拓展了微波烧结炉的应用范围，能在各种炉压下提供极高的升温速率和超高的烧结温度，可以取代并超过科研院所和大学广泛应用的微波实验炉。
Description
技术领域
本发明涉及一种多功能微波实验工作站。
背景技术
现有高温微波烧结炉存在如下问题：
1.体积大，以某气氛炉为例，其设备占地面积为1.5m2，设备高度达到1.8m。如果配上对磁控管的水冷机等设备则占地更大。
2.升温慢，效率低，微波以多模方式作用于物料，能量密度分散。
3.容易损坏，微波加热物料时，其腔体在1Pa至95000Pa之间的空间普遍存在打火拉弧的现象，常常损坏微波发射管以及波导接口部分，
3.功能单一，单独的烧结炉不能抽高真空，用于冶金、材料、化工方面的高温炉，常常需要提供不同的气氛和低真空的炉压条件，现有气氛炉虽然号称能提供绝对炉压为30Pa，但是在此炉压下不能开启微波，否则容易产生打火拉弧现象而损坏磁控管，不能兼顾多种炉压、多种气氛的烧结环境，一般的烧结炉其炉压在1Pa～95000Pa的范围内都存在打火拉弧现象，如果波导口打火拉弧则会损坏磁控管。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对现有的高温微波烧结炉存在的上述问题，提供一种多功能微波实验工作站。
本发明采用如下技术方案实现：
多功能微波实验工作站，包括机壳11以及设置在机壳11内部的微波发射单元、波导结构和石英管41；所述微波发射单元包括磁控管21以及磁控管连接的微波电源23；所述波导结构包括直波导管31和锥形微波腔体32，所述直波导管31一端与磁控管21的微波发射口对接，另一端与锥形微波腔体32的小端对接，所述锥形微波腔体32内放置一贯通石英管41，所述石英管41内部管腔全部暴露在锥形微波腔体32的大端照射面内并与锥形微波腔体32之间隔离密封，待加热物料置于石英管41内部，所述石英管41内部管腔两端对接设置进气口51和排气口52。
上述方案的多功能微波实验工作站中，进一步的，所述锥形微波腔体32上设有耦合调节杆33，所述耦合调节杆33为通过螺纹配合插装进入锥形微波腔体32内部的调节销钉。
上述方案的多功能微波实验工作站中，进一步的，所述石英管41的管腔外壁和内壁分别包覆透波的腔外保温层42和腔内保温层43。
上述方案的多功能微波实验工作站中，进一步的，所述腔内保温层43的中心区域预留容纳待加热物料的空腔，该空腔一端通过设有气流通道的保温堵头44封堵，另一端的腔内保温层43内同样设有气流通道，通过所述气流通道实现腔内保温层43与进气口51和排气口52的连通。
上述方案的多功能微波实验工作站中，进一步的，所述石英管41在靠近保温堵头44的一端通过活动密封端盖47封闭，通过打开活动密封端盖47向石英管41内的容腔放入待加热物料，另一端通过固定密封端盖45封闭。
上述方案的多功能微波实验工作站中，进一步的，所述固定密封端盖45上设有红外测温装置71，所述腔内保温层43内的气流通道作为红外测温装置71的测温通道。
上述方案的多功能微波实验工作站中，进一步的，所述活动密封端盖47上设有观察孔81，所述观察孔81和保温堵头44上的气流通道同轴设置。
上述方案的多功能微波实验工作站中，进一步的，所述磁控管21采用风冷磁控管，还包括与磁控管21对接的磁控管散热风机22。
上述方案的多功能微波实验工作站中，进一步的，所述机壳11上还设有对接机壳内部空间的排风扇12。
在本发明的多功能微波实验工作站中，所述锥形微波腔体32横截面为矩形，锥体角度为0°～35°之间。
本发明具有如下有益效果：
1、极高的微波利用率，对于相同物料升温速率是普通微波烧结炉2-5倍。本发明采用了截面为矩形锥体结构的微波腔体，其锥体的锥角为0°至35°之间，锥形微波腔体为内壁渐变的腔体内壁，使微波场近似以单模的状态作用于物料，相比通常微波炉采用的多模腔体能量密度大很多，所以可以使物体快速升温，并且可以升到更高的温度，可以升到1800℃；同时，本发明在锥形微波腔体内设置了耦合调节杆，耦合调节杆伸入锥形微波腔体内的长度，可以调节腔体的等效电感和等效电容，从而使物料和和微波场达到尽可能的最佳耦合；本发明将石英管全部设置在锥形微波腔体内，使微波能大部分都集中在物料所在区域，而普通微波炉的腔体无法将能量集中在所需要的区域故升温速度较慢。
2、解决了微负压至高真空(常压～0.1Pa)状态下磁控管打火损坏设备的问题。本发明采用用透波的石英管与锥形微波腔和波导口进行隔离，在设置加热的微负压至高真空状态时，由于石英管并不阻挡微波的传输，同时可以在石英管的两端设计密封结构，所以可以在以石英管为外壁的微波工作腔内形成常压～0.1Pa的炉压环境，而产生微波的波导结构位于工作腔之外的常压下，不会形成打火、拉弧现象。
3、应用广泛，可以作为马弗炉、灰化炉、高温炉、气氛炉、低、中、高真空炉使用，可用于冶金、材料、化工、环保等领域，能完成烧结、热解、气化、重整等多种工艺。
4、采用优质风冷磁控管，无需配套水冷设备，使操作更为简单，使用更为可靠。
5、结构简单，大大降低了制造成本和体积，占地面积不到0.28m2，高度则只有0.8m。
综上所述，本发明的多功能微波加热装置解决了工业微波界中的小型气氛烧结炉存在的许多问题，大大拓展了微波烧结炉的应用范围，能在各种炉压下提供极高的升温速率和超高的烧结温度，可以取代并超过科研院所和大学广泛应用的多种微波实验炉。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
附图说明
图1为实施例的多功能微波加热装置的正向内部图。
图2为实施例的多功能微波加热装置的侧向剖视图。
图3为实施例的多功能微波加热装置的俯视图。
图中标号：11-机壳，12-排风扇，21-磁控管，22-磁控管散热风机，23-微波电源，31-直波导管，32-锥形微波腔体，33-耦合调节杆，41-石英管，42-腔外保温层，43-腔内保温层，44-保温堵头，45-固定密封端盖，46-筒体，47-活动密封端盖，51-进气口，52-排气口，61-真空泵法兰，71-红外测温装置，81-观察孔，9-物料。
具体实施方式
实施例
参见图1、图2和图3，图示中的微波加热装置为本发明的一种具体实施方案，包括机壳11、排风扇12、磁控管21、磁控管散热风机22、微波电源23、直波导管31、锥形微波腔体32、耦合调节杆33、石英管41、腔外保温层42、腔内保温层43、保温堵头44、固定密封端盖45、筒体46、活动密封端盖47、进气口51、排气口52、真空泵法兰61、红外测温装置71和观察孔81。
机壳11为整个装置的外壳，其顶部设有对内部微波加热装置进行散热的排风扇12。机壳11的内部设置微波发射单元、波导结构和石英管41。其中微波发射单元11为产生用于加热微波的微波源，波导结构为微波传导形成微波场空间，物料9放置在内保温材料43预留的腔室中，由于石英管41的存在，可以设置加热过程中所需要的负压或者其他保护气氛。
其中，微波发射单元包括磁控管21、磁控管散热风机22和微波电源23，磁控管21固定在机壳11内部，本实施例采用风冷磁控管，磁控管散热风机22固定安装在机壳11内部，炉体外的进风口51与内保温材料的测温通道连通，出风口设置在筒体46侧面，并与保温堵头44中间的通风孔连通。微波电源23为磁控管21的电源，微波电源23自带风扇，机壳11上设置的排风扇12可将机壳中磁控管、微波电源以及腔体产生的热量排出。
波导结构包括直波导管31和锥形微波腔体32，其中直波导管31为等截面矩形筒体，竖直安装在机壳11内部，直波导管31的上端与磁控管21的微波发射口固定对接，下端与锥形微波腔体32的小端对接，锥形微波腔体32的横截面为矩形，其小端尺寸与直波导管31的矩形截面一致，通过法兰对接固定，大端竖直朝下，锥形微波腔体32的锥体角度为0°～35°之间，石英管41与锥形微波腔体32的大端相贯设置，石英管41内部管腔全部暴露在锥形微波腔体32的大端照射面内并与锥形微波腔体32之间隔离密封，待加热的物料9置于石英管41内部，微波从磁控管21的微波发射口进入到直波导管31和锥形微波腔体32内，经过锥形微波腔体32的渐变内壁传导后，形成近似单模微波场对石英管41内部的物料9进行加热。
在锥形微波腔体32上设有耦合调节杆33，耦合调节杆33为插装在锥形微波腔体32外壁上的调节销钉，调节销钉的外半部通过螺纹与锥形微波腔体32的外壁螺接，内半部插入到锥形微波腔体32内部，调节销钉采用黄铜或合金铝材，直径8-12mm，头部为光滑半球形，端部有螺丝和锁紧螺母，旋转调节销钉即可调节销钉内部深入锥形腔的深度，调节锥形微波腔体32的等效电感和等效电容，从而使物料和和微波场达到尽可能的最佳耦合。
石英管41内部相对锥形微波腔体32为隔开的独立空间，石英管41的内腔可以单独设置成用于不同加热工艺要求的负压或者保护气体气氛，此时石英管41形成维持气氛的容器，本实施例在石英管41的两端设置有与内部管腔内的加热空间对接的进气口51和排气口52。
如在烧结过程中，需要将物料9的温度升至1600℃甚至以上，为了保证能够达到设定的高温，本实施例在石英管41的管腔外壁和内壁分别包覆透波的腔外保温层42和腔内保温层43，保温层并不会影响微波穿过，腔外保温层42和腔内保温层43均预制成与石英管41的外壁和内壁贴合的筒形保温模块，透波的保温材料均为市面上可购买的现有保温材料。
由于石英管41在内腔设置腔内保温层43，物料9被放置在腔内保温层43内才能够达到保温的效果。腔内保温层43设置成中空的筒体，其内部沿轴线设有贯穿的管腔，该管腔的中间区域扩容形成容纳待加热物料的空腔，该空腔一端的管腔延伸至腔内保温层43的端面，并通过保温堵头44封堵，保温堵头44为与该空腔大小对应的形状，采用与腔内保温层43相同的透波保温材料，抽出保温堵头44即可将待加热的物料9放进到腔内保温层43内部，然后将保温堵头44将腔内保温层43的空腔堵上，在保温堵头44内部沿轴线设有贯穿的气流通道，同时该气流通道还可以作为观察物料加热状态的观测通道，另一端的腔内保温层43内同样沿中心轴线设有气流通道，该气流通道还可以作为检测腔内保温层43内部物料加热的测温通道，腔内保温层43内部放置的物料空腔两端均通过气流通道与设置在石英管41两端的进气口51和排气口52连通，实现腔内保温层43用于加热的气氛建立。
石英管41在靠近保温堵头44的一端先往机壳外壁固定对接一筒体46，该筒体46一端与石英管41对接，另一端则通过活动密封端盖47封闭，活动密封端盖47通过卡爪或法兰螺纹与筒体46之间可拆卸固定，通过打开活动密封端盖47向石英管41的腔内保温层43内的空腔放入待加热物料，也可更换易损的保温材料。石英管41的另一端直接通过固定在机壳11外壁上的固定密封端盖45封闭。石英管的两端通过密封端盖，可以对炉内的气氛、压强进行调控，从而满足各种使用要求。石英管外保持常压，即微波发射口处于常压，所以避免了微波器件打火拉弧而损坏微波发射管。
本实施例在固定密封端盖45上设有红外测温装置71，红外测温装置71密封装配在固定密封端盖45上，通过密封端盖45上的测温通道与腔内保温层43该侧的气流通道对齐，形成直接延伸到腔内保温层43内部加热物料的连续测温通道，红外测温装置71选用市面上常用的红外线测温元件，得到的温度数据可以对微波输出功率进行精细调节从而满足各种烧结工艺。同时，进气口51开设在固定密封端盖45的测温通道上，进气口51常态下关闭，在对石英管41内部建立保护气氛时，保护气体通过进气口51从测温通道和腔内保温层43内的气流通道进入。
本实施例在活动密封端盖47上设有观察孔81，观察孔81和保温堵头44上的气流通道同轴设置，形成延续到腔内保温层43内部加热物料的连续观察通道，加热过程可通过观察孔81对腔内物料的变化情况进行观察。在活动密封端盖47对接的筒体46上固定对接设有真空泵法兰61，通过真空泵法兰61连接抽真空设备对石英管41内部抽真空，可按需要提供低、中、高真空的烧结环境。排气口52则旁设在真空泵法兰61上，排气口52与进气口51一起保持常态关闭，在对石英管41内部建立保护气氛时，保护气体通过进气口51进入石英管41内部，石英管41内部的多余气体则从排气口2排出，根据烧结工艺的要求可以提供多种烧结气氛。
本实施例可以作为马弗炉、灰化炉、高温炉、气氛炉、低、中、高真空炉使用，可用在冶金、材料、化工、环保等领域，完成烧结、热解、气化、重整等多种工艺。
表1为本实施例的多功能微波实验工作站与某微波气氛炉的升温速度比较，可以看出在对表中列举的11中物料加热过程中，本实施例的多功能微波实验工作站均具有高于现有微波实验工作站两倍以上的升温速度，加热效率明显。
表1.多功能微波实验工作站与某微波气氛炉升温速度比较
表2为本实施例与现有管式炉升温速率的比较，从表中可以看出，在相同加热功率(1320W)下，对相同的物料(165gSiC颗粒)进行加热的过程中，本实施例的多功能微波试验工作站的升温时间要明显短于现有管式炉。
表2.多功能微波实验工作站与某管式炉升温速度比较
表3为本实施例对130g氧化锆珠的加热升温到1800℃的过程，从表中可以看出，氧化锆珠加热到1805℃用时35min，其中在达到1450℃后，磁控管阳极电流和微波输出功率并未再发生明显增加，加热过程稳定。
表3.多功能微波实验工作站升温到1800℃的实验记录
此外，需要说明的是，本专利不局限于上述实施方式，只要其零件未说明具体尺寸或形状的，则该零件可以为与其结构相适应的任何尺寸或形状，且不论在其材料构成上作任何变化，凡是采用本发明所提供的结构设计，都是本发明的一种变形，均应认为在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.多功能微波实验工作站，其特征在于：包括机壳(11)以及设置在机壳(11)内部的微波发射单元、波导结构和石英管(41)；
所述微波发射单元包括磁控管(21)以及磁控管连接的微波电源(23)；
所述波导结构包括直波导管(31)和锥形微波腔体(32)，所述直波导管(31)一端与磁控管(21)的微波发射口对接，另一端与锥形微波腔体(32)的小端对接，所述锥形微波腔体(32)内放置一贯通石英管(41)，所述石英管(41)内部管腔全部暴露在锥形微波腔体(32)的大端照射面内并与锥形微波腔体(32)之间隔离密封，待加热物料置于石英管(41)内部，所述石英管(41)内部管腔两端对接设置进气口(51)和排气口(52)。
2.根据权利要求1所述的多功能微波实验工作站，其特征在于：所述锥形微波腔体(32)上设有耦合调节杆(33)，所述耦合调节杆(33)为通过螺纹配合插装进入锥形微波腔体(32)内部的调节销钉。
3.根据权利要求1所述的多功能微波实验工作站，其特征在于：所述石英管(41)的管腔外壁和内壁分别包覆透波的腔外保温层(42)和腔内保温层(43)。
4.根据权利要求3所述的多功能微波实验工作站，其特征在于：所述腔内保温层(43)的中心区域预留容纳待加热物料的空腔，该空腔一端通过设有气流通道的保温堵头(44)封堵，另一端的腔内保温层(43)内同样设有气流通道，通过所述气流通道实现腔内保温层(43)与进气口(51)和排气口(52)的连通。
5.根据权利要求4所述的多功能微波实验工作站，其特征在于：所述石英管(41)在靠近保温堵头(44)的一端通过活动密封端盖(47)封闭，通过打开活动密封端盖(47)向石英管(41)内的容腔放入待加热物料，另一端通过固定密封端盖(45)封闭。
6.根据权利要求5所述的多功能微波实验工作站，其特征在于：所述固定密封端盖(45)上设有红外测温装置(71)，所述腔内保温层(43)内的气流通道作为红外测温装置(71)的测温通道。
7.根据权利要求5所述的多功能微波实验工作站，其特征在于：所述活动密封端盖(47)上设有观察孔(81)，所述观察孔(81)和保温堵头(44)上的气流通道同轴设置。
8.根据权利要求1所述的多功能微波实验工作站，其特征在于：所述磁控管(21)采用风冷磁控管，还包括与磁控管(21)对接的磁控管散热风机(22)。
9.根据权利要求8所述的多功能微波实验工作站，其特征在于：所述机壳(11)上还设有对接机壳内部空间的排风扇(12)。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的多功能微波实验工作站，其特征在于：所述锥形微波腔体(32)横截面为矩形，锥体角度为0°～35°之间。
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