CN113606940A - 一种2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，包括位于真空端的第一波导和位于馈入端的第二波导，以及位于第一波导和第二波导之间的介质窗；微波在介质窗中传播形成的波峰处于介质窗外。采用本发明的一种2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，在微波熔炼金属材料时，保证微波能量馈入至真空熔炼炉中，不会在密封窗处打火烧蚀。
Description
技术领域
本发明涉及一种2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，属于微波熔炼技术领域。
背景技术
传统加热是依靠发热体将热能通过对流、传导或辐射方式传递至被加热物而使其达到某一温度的方式。微波烧结利用微波具有的特殊波段与材料的基本细微结构耦合而产生热量，材料的介质损耗使其材料整体加热至烧结温度而实现致密化的方法。与常规烧结相比，微波烧结具有升温速度快、能源利用率高、加热效率高和安全卫生无污染的优点，并能提高产品的均匀性和成品率。因其清洁、高效、操作方便的优点，在陶瓷材料、金属材料研究领域得到广泛应用。
在金属材料的微波熔炼烧结中，为避免金属材料与空气接触导致金属材料的氧化，多在真空条件下进完成，真空密封窗则是必不可少的组件。
如中国专利申请2021105687509的微波熔炼装置就需要使用真空密封窗。
现在常用的2450MHz微波源功率小，输出功率1kW左右，系统如没有真空要求多不采用介质窗，如果有真空要求采用的介质窗多采用陶瓷，氧化铍等材料，按照理论计算均能保证微波通过，但由于功率小，只会在介质窗处产生少许热量(产生的热量有限，多采用热设计手段予以处理)，而不会打火烧蚀。
熔炼用大功率2450MHz微波源输出功率大(平均功率大于10kW)，会使介质窗处产生更多的热量，在波导馈线传输过程中会出现强场区，输出功率越大，场强越强。如果设计不得当，由于介质材料的介电损耗便会迅速产生热量，温度升高造成窗片烧蚀、打火，造成密封窗的损坏。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，本发明在微波熔炼金属材料时，保证微波能量馈入至真空熔炼炉中，不会在密封窗处打火烧蚀。
本发明采用的技术方案如下：
一种2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，包括位于真空端的第一波导和位于馈入端的第二波导，以及位于第一波导和第二波导之间的介质窗；
所述介质窗的厚度为微波在介质窗中传播的半波长或半波长的整倍数。
在本发明中，使用时第一波导与真空熔炼装置连接，第二波导与微波源连通，2450MHz大功率(大于10kW)微波从第二波导通过介质窗进入真空熔炼装置进行微波熔炼，微波在介质窗中传播会周期性的形成波峰和波谷，其中波峰能量最大场强最大，在波峰附近形成强场区。通过设置介质窗的厚度为微波在介质窗中传播的半波长或半波长的整倍数，可以使微波在介质窗中传播形成的波峰处于介质窗外，介质窗处于强场区外，从而微波不会在介质窗产生大量热量，引起烧蚀、打火造成介质窗的损坏。
需要说明的是，介质窗的厚度非常关键，介质窗的厚度过低会使的介质窗落在强场区内，而介质窗厚度过厚同样会使的介质窗落在强场区内。通过仿真计算，介质窗的厚度为微波在介质窗中传播的半波长或半波长的整倍数时，微波在介质窗中传播形成的波峰处于介质窗外，介质窗处于微波的强场区外，从而不会在密封窗处打火烧蚀。
作为优选，所述第一波导和第二波导设置法兰盘，通过螺栓连接固定第一波导和第二波导。
在上述方案中，通过法兰固定第一波导和第二波导简单方便。
作为优选，所述第一波导和第二波导为BY22圆波导。
在上述方案中，波导的尺寸越大，功率容量越大，BY22b是能传输2450MHz微波单一模式的最大标准圆波导，从而使功率容量做到最大。
作为优选，所述第一波导设置密封槽，密封槽内设置密封圈。
作为优选，所述密封圈凸出密封窗2mm。
在上述方案中，通过设置密封圈和密封槽起到增加密封作用，保证真空熔炼装置的真空度。
作为优选，通过电磁仿真软件仿真计算微波在介质窗中传播形成的波峰和波谷，使得介质窗位于微波的强场区之外，并随时监测微波最大场强的位置。
在上述方案中，介质窗介电常数、尺寸结构和微波频率存在对应关系，需要运用专业仿真软件进行仿真设计，通过微波频率、介质窗的介电常数使用Ansoft、HFSS或CST电磁仿真软件仿真计算，设计介质窗的厚度，使得介质窗位于微波的强场区之外，在仿真设计时通过设定初始值，不断优化计算，得到最合适的介质窗厚度，得到介质窗的厚度为微波在介质窗中传播的半波长或半波长的整倍数，可以使微波在介质窗中传播形成的波峰处于介质窗外，介质窗处于强场区外，从而微波不会在介质窗产生大量热量，引起烧蚀、打火造成介质窗的损坏。
作为优选，所述介质窗的厚度为微波在介质窗中传播的半波长。
在上述方案中，介质窗越厚会造成微波损耗越大，因此介质窗的厚度为微波在介质窗中传播的半波长可以同时兼顾损耗和避免烧蚀。
作为优选，所述介质窗为陶瓷介质窗，介电常数为9.9。
在上述方案中，陶瓷介质窗可以使微波低损耗通过介质窗。
作为优选，所述介质窗的厚度为19.8mm，直径为129.5mm。
在上述方案中，通过仿真软件仿真设计，通过参数设置，可以使得微波通过介质窗后，介质窗远离微波强场范围，避免介质窗落入强场范围，造成介质窗打火烧蚀。
作为优选，所述介质窗为特氟龙介质窗，介电常数为2.1。
在上述方案中，特氟龙介质窗可以使微波低损耗通过介质窗。
作为优选，所述介质窗的厚度为59mm，直径为129.5mm。
在上述方案中，通过仿真软件仿真设计，通过参数设置，可以使得微波通过介质窗后，介质窗远离微波强场范围，避免介质窗落入强场范围，造成介质窗打火烧蚀。
本发明的一种2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，通过选择合适的介质窗材质并通过仿真软件设计合适的介质窗厚度，使得介质窗处于微波的强场范围外，从而避免在密封窗处打火烧蚀。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：微波能低损耗通过介质窗；不会在介质窗处形成强场造成介质窗打火烧蚀。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是真空密封窗的结构示意图。
图中标记：1-第一波导、2-第二波导、3-介质窗、4-法兰盘、5-密封槽、6-密封圈
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，包括位于真空端的第一波导和位于馈入端的第二波导，以及位于第一波导和第二波导之间的介质窗；
第一波导和第二波导为带法兰盘的BY22圆波导，通过螺栓固定连接第一波导和第二波导；
第一波导设置密封槽，密封槽内设置密封圈，密封圈凸出密封窗2mm；
其中介质窗为陶瓷介质窗，介电常数为9.9，厚度为19.8mm，直径为129.5mm。
实施例2
如图1所示，本实施例的一种2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，包括位于真空端的第一波导和位于馈入端的第二波导，以及位于第一波导和第二波导之间的介质窗；
第一波导和第二波导为带法兰盘的BY22圆波导，通过螺栓固定连接第一波导和第二波导；
第一波导设置密封槽，密封槽内设置密封圈，密封圈凸出密封窗2mm；
其中介质窗为特氟龙介质窗，介电常数为2.1，厚度为59mm，直径为129.5mm。
作为上述实施例的其他可选方式，在其他实施例中，介质窗的厚度可以选择整数倍增加。
在上述实施例中，使用时第一波导与真空熔炼装置连接，第二波导与微波源连通，2450MHz大功率(大于10kW)微波从第二波导通过介质窗进入真空熔炼装置进行微波熔炼。通过仿真设计得到合适的介质窗厚度，微波可以低损耗通过密封窗，并且2450MHz微波通过介质窗后形成的强场区处于介质窗外，从而避免设计不当造成微波通过介质窗迅速产生热量，温度升高造成窗片打火烧蚀。
将实施例1或实施例2应用到类似专利申请2021105687509的微波熔炼装置中，2450MHz微波源的功率为10kW，介质窗处场强仿真约为2.5V/cm；在熔炼炉中放置重结晶碳化硅坩埚，坩埚内填满铜屑，铠装温度传感器监测碳化硅温度，红外热像仪监测微波特氟龙密封窗表面温度，保持真空熔炼炉内气压10-3pa，当碳化硅温度升至1200℃时，密封窗表面温度为42℃，可以有效防止介质窗处打火烧蚀。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，其特征在于：包括位于真空端的第一波导和位于馈入端的第二波导，以及位于第一波导和第二波导之间的介质窗；
所述介质窗的厚度为微波在介质窗中传播的半波长或半波长的整倍数。
2.如权利要求1所述的2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，其特征在于：所述第一波导和第二波导设置法兰盘，通过螺栓连接固定第一波导和第二波导。
3.如权利要求1所述的2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，其特征在于：所述第一波导和第二波导为BY22圆波导。
4.如权利要求1所述的2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，其特征在于：所述第一波导设置密封槽，密封槽内设置密封圈。
5.如权利要求1所述的2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，其特征在于：通过电磁仿真软件仿真计算微波在介质窗中传播形成的波峰和波谷，使得介质窗位于微波的强场区之外。
6.如权利要求4所述的2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，其特征在于：所述介质窗的厚度为微波在介质窗中传播的半波长。
7.如权利要求1所述的2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，其特征在于：所述介质窗为陶瓷介质窗，介电常数为9.9。
8.如权利要求7所述的2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，其特征在于：所述介质窗的厚度为19.8mm。
9.如权利要求1所述的2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，其特征在于：所述介质窗为特氟龙介质窗，介电常数为2.1。
10.如权利要求9所述的2450MHz大功率微波烧结熔炼用真空密封窗，其特征在于：所述介质窗的厚度为59mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20211105 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |