CN112629261A - 一种微波、电混合加热管式炉及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种微波、电混合加热管式炉及控制方法，微波、电混合加热管式炉包括：外炉体；炉管，贯穿设置于外炉体中；保温结构，设置于外炉体中并位于炉管和外炉体之间；微波加热装置，与外炉体连接；电加热装置，设置于外炉体中；电加热装置和微波加热装置皆用于对炉管进行加热；温度检测组件，设置于外炉体内，用于检测炉管的温度；显控组件，分别与微波加热装置、电加热装置、温度检测组件电性连接。本发明实施例可以实现微波和电同时加热或分别加热，从而可以根据不同材料的特性来选择加热的方式，从而达到实验室研究的目的。通过显控组件可以对微波加热装置、电加热装置的可视化控制，为自动控制模式和恒功率工作模式提供了基础。

Description

一种微波、电混合加热管式炉及控制方法

技术领域

本发明属于加热设备领域，具体涉及一种微波、电混合加热管式炉及控制方法。

背景技术

管式炉是科研中常用的加热设备，按控温区域可分为单温区、双温区和多温区管式炉，按外形可分为卧式、立式、旋转式及滑轨式管式炉，按气氛条件可分为气氛和真空管式炉。管式炉具有操作简单、运行可靠、控制稳定和价格低廉等诸多优点，适用于真空、可控气氛及高温条件下的元素分析、物理测定和粉末烧结等，因而被广泛应用于半导体、纳米材料、石墨烯、碳纤维等新材料和新工艺领域。

目前市面上的管式炉多采用电阻丝加热，存在升温速度慢、处理时间长且能耗高等缺点，随着技术的发展，近年来也出现了使用微波加热的管式炉。微波加热是一种通过物料在微波场中的自身介电损耗而自热的新型加热方式，具有非直接接触加热、升温速度快、加热热效率高、使用安全可靠等优点，并能极大地降低能源消耗和生产成本。材料能否被微波加热，与自身的介电性能有关，由于不同材料的物化性质多变，部分材料的介电性能还会随温度、密度、成分等的变化而发生改变，因此，纯微波加热的管式炉已经不能满足日益多样的科研和生产需求。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种微波、电混合加热管式炉，所述微波、电混合加热管式炉结构简单，能够解决目前管式炉加热元件和升温模式单一、无法满足科研需求的问题。本发明还提出了一种微波、电混合加热管式炉控制方法和一种用于存储上述微波、电混合加热管式炉控制方法的计算机可执行指令的存储介质。

根据本发明第一方面实施例的微波、电混合加热管式炉，包括：外炉体；炉管，贯穿设置于所述外炉体中；微波加热装置，与所述外炉体连接；电加热装置，设置于所述外炉体中；所述电加热装置和微波加热装置皆用于对所述炉管进行加热；温度检测组件，设置于外炉体内，用于检测所述炉管的温度；显控组件，分别与所述微波加热装置、电加热装置、温度检测组件电性连接。

根据本发明实施例的微波、电混合加热管式炉，至少具有如下技术效果：通过在外炉体中设置微波加热装置可以实现微波加热，通过在外炉体中设置电加热装置可以实现电加热，进而可以实现微波和电同时加热或分别加热，从而可以根据不同材料的特性来选择加热方式，从而尽可能的满足多样化的研究需求。通过温度检测组件可以实现对炉管中的被加热材料的实际温度进行实时监测，当电加热装置和微波加热装置结合温度检测组件之后便具备了自动控制的基础。通过显控组件可以实现对微波加热装置、电加热装置的可视化控制，同时也可以自主设置对微波加热装置、电加热装置的控制参数，为自动控制模式和恒功率工作模式提供了进一步的基础。

根据本发明的一些实施例，上述微波、电混合加热管式炉还包括保温结构，所述保温结构设置于所述外炉体中并位于所述炉管和外炉体之间。

根据本发明的一些实施例，所述外炉体内划分为多个加热区，所述微波加热装置和电加热装置皆有多个，多个所述微波加热装置和多个所述电加热装置分别对多个所述加热区进行加热；所述温度检测组件用于对多个所述加热区分别进行实际温度采集。

根据本发明的一些实施例，所述微波加热装置包括：微波辅热部件，包埋在所述保温结构中；微波发生装置，与所述外炉体连接，用于产生微波；波导，与所述微波发生装置连接，用于将所述微波发生装置产生的微波馈入至所述外炉体的腔体内；所述微波辅热部件用于吸收微波后对所述炉管进行加热。

根据本发明的一些实施例，所述电加热装置包括：电加热元件，设置于所述保温结构和炉管之间，用于对所述炉管进行加热；电极，设置于所述外炉体上并与所述电加热元件电性连接。

根据本发明的一些实施例，上述微波、电混合加热管式炉还包括设置于所述电极外部的微波屏蔽罩，所述微波屏蔽罩用于防止所述外炉体中微波泄漏。

根据发明第二方面实施例的微波、电混合加热管式炉控制方法，包括以下步骤：根据被加热材料选择加热方式；设置升温曲线；采集炉管的实时温度；在选定的加热方式下，依据所述升温曲线控制电加热装置和/或微波加热装置对所述炉管进行加热。

根据本发明实施例的微波、电混合加热管式炉控制方法，至少具有如下有益效果：根据被加热材料选择加热方式，可以满足不同介电性能材料对不同烧结工艺需求。设置合理的升温曲线，并依据升温曲线控制电加热装置和/或微波加热装置加热，可以进一步提高对被加热材料的加热效率。

根据本发明的一些实施例，所述加热方式包括纯微波加热方式、纯电加热方式、第一混合加热方式、第二混合加热方式、第三混合加热方式；所述第一混合加热方式采用微波加热和电加热同时进行的方式；所述第二混合加热方式采用先电加热后微波加热的方式；所述第三混合加热方式采用先电加热后电和微波同时加热的方式。

根据本发明的一些实施例，上述微波、电混合加热管式炉控制方法还包括以下步骤：在选定所述加热方式后，选择是否进入恒功率工作模式，否则直接进入下一步，是则进入恒功率工作模式；在所述恒功率工作模式下，所述微波加热装置和电加热装置皆采用恒定的功率进行加热。

根据本发明的一些实施例，所述依据所述升温曲线控制电加热装置和/或微波加热装置对所述炉管进行加热采用PID控制实现。

根据发明第三方面实施例的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行上述的微波、电混合加热管式炉控制方法。

根据本发明实施例的计算机可读存储介质，至少具有如下有益效果：通过存储介质可以便于计算机可执行指令的存储和转移。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的微波、电混合加热管式炉的正面剖视图；

图2是本发明实施例的微波、电混合加热管式炉的侧面剖视图；

图3是本发明实施例的微波、电混合加热管式炉的电气系统框图；

图4是本发明实施例的微波、电混合加热管式炉控制方法的在纯微波加热方式下的流程框图；

图5是本发明实施例的微波、电混合加热管式炉控制方法的在第二混合加热方式下的流程框图。

附图说明：

外炉体100、

炉管200、

保温结构300、

温度检测组件400、

显控组件500、

微波辅热部件610、微波发生装置620、波导630、

电加热元件710、电极720、

微波屏蔽罩800。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二、第三、第四等等只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

下面参考图1至图5描述根据本发明第一方面实施例的微波、电混合加热管式炉。

根据本发明实施例的微波、电混合加热管式炉，包括：外炉体100、炉管200、微波加热装置、电加热装置、温度检测组件400、显控组件500。炉管200，贯穿设置于外炉体100中；微波加热装置，与外炉体100连接；电加热装置，设置于外炉体100中；电加热装置和微波加热装置皆用于对炉管200进行加热；温度检测组件400，设置于外炉体100内，用于检测炉管200的温度；显控组件500，分别与微波加热装置、电加热装置、温度检测组件400电性连接。

参考图1至图3，炉管200贯穿设置在外炉体100中间，炉管200的两端会从外炉体100两端露出。炉管200采用了两端开口的结构，并在炉管200两端设置带控制阀的气氛管道。外炉体100可以采用具有保温效果的结构，进而可以有效的防止炉管200热量的流失。在一些实施例中，外炉体100采用不锈钢材质，炉管200采用石英或刚玉材质。

继续参考图1至图3，微波加热装置和电加热装置都设置在外炉体100中，且都与显控组件500连接，进而可以通过显控组件500控制微波加热装置和电加热装置的工作状态。微波加热装置和电加热装置的主要加热部位都会靠近炉管200设置，以提高加热的效率，降低能耗。显控组件500可以通过单独控制微波加热装置或电加热装置实现单独加热，也可以同时控制微波加热装置和电加热装置实现混合加热。因此，在针对不同特性的材料也可选择更为复杂的加热方式，例如：针对低温下不吸收微波但是加热到一定温度后开始吸收微波的材料，可以先采用电加热提高温度，达到介电性能发生改变的温度后，便可以采用微波加热，这样可以在一定程度上提高加热效率。

继续参考图1至图3，温度检测组件400设置在外炉体100内，以保证能够采集到准确的、且实时性高的实际温度，进而，在通过显控组件500控制微波加热装置和电加热装置自动加热时，可以提高显控组件500的控制准确度、减小振荡。

根据本发明实施例的微波、电混合加热管式炉，通过在外炉体100中设置微波加热装置可以实现微波加热，通过在外炉体100中设置电加热装置可以实现电加热，进而可以实现微波和电同时加热或分别加热，从而可以根据不同材料的特性来选择加热方式，从而尽可能的满足多样化的研究需求。通过温度检测组件400可以实现对炉管200中的被加热材料的实际温度进行实时监测，当电加热装置和微波加热装置结合温度检测组件400之后便具备了自动控制的基础。通过显控组件500可以实现对微波加热装置、电加热装置的可视化控制，同时也可以自主设置对微波加热装置、电加热装置的控制参数，为自动控制模式和恒功率工作模式提供了进一步的基础。

在本发明的一些实施例中，上述微波、电混合加热管式炉还包括保温结构300，保温结构300设置于外炉体100中并位于炉管200和外炉体100之间。保温结构300能有效的防止热量的流失，降低了能耗、提高了加热效率。在本发明的一些实施例中，保温结构300采用氧化铝或氧化锆陶瓷纤维。

在本发明的一些实施例中，参考图1，外炉体100内划分为多个加热区，微波加热装置和电加热装置皆有多个，多个微波加热装置和多个电加热装置分别对多个加热区进行加热；温度检测组件400用于对多个加热区分别进行实际温度采集。设置多个加热区可以满足对被加热材料更为复杂的试验需求。通过设置多组微波加热装置和电加热装置可以保证对每个加热区的有效控制，在实际使用时，只需要分别对设置在每个加热区的微波加热装置和电加热装置进行控制即可。同时为了保证对每个加热区的有效控制，会通过温度检测组件400对每个加热区进行温度采集。在本发明的一些实施例中，温度检测组件400可以采用多个温度传感器分别对多个加热区进行采集。

在本发明的一些实施例中，参考图1、图2，微波加热装置包括：微波辅热部件610，包埋在保温结构300中；微波发生装置620，与外炉体100连接，用于产生微波；波导630，与微波发生装置620连接，用于将微波发生装置620产生的微波馈入至外炉体100的腔体内；微波辅热部件610用于吸收微波后对炉管200进行加热。微波发生装置620直接连接在外炉体100上，微波发生装置620可以产生微波，并通过波导630将微波馈入至外炉体100的腔体内中；微波辅热部件610在吸收馈入至外炉体100的腔体内的微波后将微波能转换为热能，从而实现对炉管200的加热。微波辅热部件610的材料可以采用碳化硅或氧化锆材料，其形状可以设置为长条形，以便直接安装在炉管200的周围。微波辅热部件610通常会安装在保温结构300与炉管200之间夹层的底部或侧面。

在本发明的一些实施例中，参考图1、图2，电加热装置包括：电加热元件710，设置于保温结构300和炉管200之间，用于对炉管200进行加热；电极720，设置于外炉体100上并与电加热元件710电性连接。电加热元件710通过电极720连接电源从而实现加热，显控组件500通过控制电源和电极720的连通状态来控制电加热元件710是否进行加热。在本发明的一些实施例中，电加热元件710采用电阻丝、硅碳棒或硅钼棒。

在使用电加热元件710进行加热时，电加热元件710位于微波场中，电加热元件710在混合加热过程中起到微波天线的作用，会将微波向外导出造成微波泄漏，不仅会污染环境，还会降低微波的使用效率。因此，在本发明的一些实施例中，参考图1、图2，上述微波、电混合加热管式炉还包括设置于电极720外部的微波屏蔽罩800，微波屏蔽罩800用于防止外炉体100中微波泄漏。

在本发明的一些实施例中，显控组件500包括触摸屏、控制器，进而可以实现与操作人员之间的人机交互。在本发明的一些实施例中，控制器可以采用DSP、单片机或PLC。在本发明的一些实施例中，具体采用三菱FX系列PLC或西门子S7系列PLC。

根据本发明第二方面实施例的控制方法，包括以下步骤：

根据被加热材料选择加热方式；

设置升温曲线；

采集炉管200的实时温度；

在选定的加热方式下，依据升温曲线控制电加热装置和/或微波加热装置对炉管200进行加热。

参考图1至图5，在对被加热材料进行加热之前，首先需要知晓被加热材料的特性，例如：被加热材料是吸波材料、透波材料、反射微波材料或低温条件下不吸收微波的材料等等，这样便于选择合适的加热方式，进而可以有效的控制电加热装置和/或微波加热装置对被加热材料进行加热。在设置好加热方式之后，则需要设置好升温曲线，以便根据升温曲线和温度检测组件400采集的实际温度调整电加热装置和/或微波加热装置的加热功率。

以吸波材料为例，如果设置的升温曲线快速升温段后进入保温段，则可以在升温段控制微波加热装置以大功率运行，让被加热材料快速升温，在进入保温段时，则可以减小功率，只需要保持加热与散热平衡即可。也可以理解为，升温曲线的斜率越大，则需要的加热功率越大，斜率越小则需要的加热功率越小。

根据本发明实施例的控制方法，根据被加热材料选择加热方式，可以满足不同介电性能材料对不同烧结工艺需求。设置合理的升温曲线，并依据升温曲线控制电加热装置和/或微波加热装置加热，可以进一步提高对被加热材料的加热效率。

在本发明的一些实施例中，加热方式包括纯微波加热方式、纯电加热方式、第一混合加热方式、第二混合加热方式、第三混合加热方式；第一混合加热方式采用微波加热和电加热同时进行的方式；第二混合加热方式采用先电加热后微波加热的方式；第三混合加热方式采用先电加热后电和微波同时加热的方式。

这里针对上述加热方式的自动控制模式，进行一个简要的叙述。

纯微波加热方式：通过温度检测组件400对被加热材料的温度进行采集，然后计算被加热材料的实际温度与设定的升温曲线中的温度之间的偏差，将偏差输入到PID自动控制系统并输出需要的微波功率，然后通过显控组件500调整微波加热装置的输出功率，从实现对被加热材料以设定的升温曲线加热。其控制流程可以参考图4。

纯电加热方式：通过温度检测组件400对被加热材料的温度进行采集，然后计算被加热材料的实际温度与设定的升温曲线中的温度之间的偏差，将偏差输入到PID自动控制系统并输出需要的电功率，然后通过显控组件500调整电加热装置的输出功率，从实现对被加热材料以设定的升温曲线加热。其控制流程可以参考纯微波加热方式的流程图。

第一混合加热方式：通过温度检测组件400对被加热材料的温度进行采集，然后计算被加热材料的实际温度与设定的升温曲线中的温度之间的偏差，将偏差输入到PID自动控制系统并输出需要的电功率和微波功率，从实现对被加热材料以设定的升温曲线加热。其控制流程可以参考纯微波加热方式的流程图。

第二混合加热方式：此方式下需要先设置一个电加热转换到微波加热的加热方式转换温度。先采用电加热，通过温度检测组件400对被加热材料的温度进行采集，然后计算被加热材料的实际温度与设定的升温曲线中的温度之间的偏差，将偏差输入到PID自动控制系统并输出需要的电功率，从实现对被加热材料以设定的升温曲线加热，直到温度上升到预设的加热方式转换温度，此时停止电加热装置启动微波加热装置，开始微波加热。其控制流程可以参考图5。

第三混合加热方式：此方式下同样需要先设置一个电加热转换到微波加热的加热方式转换温度。先采用电加热方式，通过温度检测组件400对被加热材料的温度进行采集，然后计算被加热材料的实际温度与设定的升温曲线中的温度之间的偏差，将偏差输入到PID自动控制系统并输出需要的电功率，从实现对被加热材料以设定的升温曲线加热，直到温度上升到预设的加热方式转换温度，此时启动微波加热装置，同时开始电加热和微波加热。其控制流程可以参考第二混合加热方式的流程图。

在本发明的一些实施例中，上述微波、电混合加热管式炉控制方法还包括以下步骤：在选定加热方式后，选择是否进入恒功率工作模式，否则直接进入下一步，是则进入恒功率工作模式；在恒功率工作模式下，微波加热装置和电加热装置皆采用恒定的功率进行加热。参考图4、图5，每一种加热方式下还会设置有恒功率工作模式，在实际使用时，选择加热方式后，需要先选择进入恒功率工作模式还是自动控制模式，如果进行恒功率工作模式，则后续控制微波加热装置和电加热装置进行加热时则会以恒定的功率进行加热，并不会自动调节微波加热装置和电加热装置的输出功率大小。在恒功率工作模式下，因为不在需要进行PID控制，因此后续的设置升温曲线等步骤，都不再需要执行。

这里针对上述加热方式的恒功率工作模式，进行一个简要的叙述。

纯微波加热方式：控制微波加热装置以恒定的功率进行加热。

纯电加热方式：控制电加热装置以恒定的功率进行加热。

第一混合加热方式：控制微波加热装置和电加热装置同时以恒定的功率进行加热。

第二混合加热方式：此方式下需要先设置一个电加热转换到微波加热的加热方式转换温度。先控制电加热装置以恒定的功率进行加热，直到温度上升到预设的加热方式转换温度，此时停止电加热装置启动微波加热装置，开始微波加热。

第三混合加热方式：此方式下同样需要先设置一个电加热转换到同时加热的加热方式转换温度。先控制电加热装置以恒定的功率进行加热，直到温度上升到预设的加热方式转换温度，此时启动微波加热装置，同时开始电加热和微波加热。

在本发明的一些实施例中，依据升温曲线控制电加热装置和/或微波加热装置对炉管200进行加热采用PID控制实现。在自动控制模式下，采用PID控制可以调节微波加热装置和电加热装置的输出功率，从而可以尽可能让温度检测组件400采集的实时温度与预设的温度曲线切合，从而有效的控制试验中的变量。

根据发明第三方面实施例的计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令用于使计算机执行上诉的微波、电混合加热管式炉。

根据本发明实施例的计算机可读存储介质，通过存储介质可以便于计算机可执行指令的存储和转移。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上述结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种微波、电混合加热管式炉，其特征在于，包括：

外炉体(100)；

炉管(200)，贯穿设置于所述外炉体(100)中；

微波加热装置，与所述外炉体(100)连接；

电加热装置，设置于所述外炉体(100)中；所述电加热装置和微波加热装置皆用于对所述炉管(200)进行加热；

温度检测组件(400)，设置于外炉体(100)内，用于检测所述炉管(200)的温度；

显控组件(500)，分别与所述微波加热装置、电加热装置、温度检测组件(400)电性连接。

2.根据权利要求1所述的微波、电混合加热管式炉，其特征在于，还包括保温结构(300)，所述保温结构(300)设置于所述外炉体(100)中并位于所述炉管(200)和外炉体(100)之间。

3.根据权利要求2所述的微波、电混合加热管式炉，其特征在于，所述微波加热装置包括：

微波辅热部件(610)，包埋在所述保温结构(300)中；

微波发生装置(620)，与所述外炉体(100)连接，用于产生微波；

波导(630)，与所述微波发生装置(620)连接，用于将所述微波发生装置(620)产生的微波馈入至所述外炉体(100)的腔体内；所述微波辅热部件(610)用于吸收微波后对所述炉管(200)进行加热。

4.根据权利要求2所述的微波、电混合加热管式炉，其特征在于，所述电加热装置包括：

电加热元件(710)，设置于所述保温结构(300)和炉管(200)之间，用于对所述炉管(200)进行加热；

电极(720)，设置于所述外炉体(100)上并与所述电加热元件(710)电性连接。

5.根据权利要求4所述的微波、电混合加热管式炉，其特征在于，还包括设置于所述电极(720)外部的微波屏蔽罩(800)，所述微波屏蔽罩(800)用于防止所述外炉体(100)中微波泄漏。

6.一种微波、电混合加热管式炉控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据被加热材料选择加热方式；

设置升温曲线；

采集炉管(200)的实时温度；

在选定的加热方式下，依据所述升温曲线控制电加热装置和/或微波加热装置对所述炉管(200)进行加热。

7.根据权利要求6所述的微波、电混合加热管式炉控制方法，其特征在于，所述加热方式包括纯微波加热方式、纯电加热方式、第一混合加热方式、第二混合加热方式、第三混合加热方式；所述第一混合加热方式采用微波加热和电加热同时进行的方式；所述第二混合加热方式采用先电加热后微波加热的方式；所述第三混合加热方式采用先电加热后电和微波同时加热的方式。

8.根据权利要求7所述的微波、电混合加热管式炉控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：在选定所述加热方式后，选择是否进入恒功率工作模式，否则直接进入下一步，是则进入恒功率工作模式；在所述恒功率工作模式下，所述微波加热装置和电加热装置皆采用恒定的功率进行加热。

9.根据权利要求6所述的微波、电混合加热管式炉控制方法，其特征在于，所述依据所述升温曲线控制电加热装置和/或微波加热装置对所述炉管(200)进行加热采用PID控制实现。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于：所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使计算机执行如权利要求6至9任一所述的一种微波、电混合加热管式炉控制方法。

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