CN1360811A - 陶瓷的微波干燥方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波加热陶瓷的装置和方法,使得可调功率微波源(11)将微波功率导入连续吞吐量的微波谐振腔(22)。该装置还包括微波功率控制系统(55),用于可变地控制传送到微波谐振腔中的功率。反射功率检测器测量来自谐振腔的反射功率值,并将反射功率输出值和预置反射输出值比较,以产生表示测量和设定反射值之差的输出信号。该系统的第二部分包括微波控制器,它接收来自反射功率检测器控制器的输出信号,并调节可调微波的功率,致使反射功率输出信号保持在或接近于预置输出信号值。

Description

陶瓷的微波干燥方法
本申请要求1999年7月7日提交的，发明人为Carlos R.Araya的美国临时申请号60/142，610题为“Method for Microwave Drying of Ceramics”申请的优先权.
                           发明背景
1.发明领域
本发明涉及制造陶瓷材料的方法。尤其，本发明涉及微波加热并干燥陶瓷的方法，具体而言涉及可变并有效控制功率和加热/干燥速率的方法。
2.相关技术的描述
传统的加热或干燥通常包括对流或对流和辐射组合气体或电阻加热，这通常用在陶瓷材料的制造中。然而，与这些传统加热方法关联的缓慢的加热速率和较差的温度控制导致了较高的能量消耗和不稳定的产品质量。此外，由于这两种加热模式只施加在表面，并依赖于陶瓷体的热传导使表面温度影响陶瓷片的中心，所以利用这两种加热模式通常会导致陶瓷体中的热值差。
微波辐射的工业加热已成功地用于加速传统陶瓷的干燥。与对流加热相比，在实质吸收处微波加热提供了较高的速率，具有较好的温度控制，因此导致较低的能量消耗和潜在的较佳质量的产品。此外，利用微波能量能将均匀施加的能量传送到陶瓷制品中，而非像上述对流和辐射模式加热的情况那样施加在制品表面。最后，由于通过微波能量和陶瓷体的交互作用直接加热陶瓷体，所以微波加热比传统干燥快得多。
虽然微波加热比诸如对流和辐射加热的传统模式更快并更有效，但是标准微波加热通常包括用恒定功率的定点控制微波能量，以确定陶瓷体遭受的微波量。通常，该功率输出被设置在某些值，以确保反射功率从不超出制造规格；也就是假设恒定负荷和材料介电特征的功率输出。使用该传统方法控制微波加热的不理想结果是不能补偿微波中材料质量的任何变化(负荷)，或负荷介电特征的变化，或形状或密度的变化(也就是变化高度和长度)。因此，由于加热过程中不同时刻的功率输入远低于陶瓷负荷所能运用的，所以微波加热效率很低。该低效率迫使当前的干燥过程要适应干燥设备的容量；也就是增加了待干燥制品的滞留/干燥时间，因此限制了待干燥材料的吞吐量，并且在很多情况下在被处理的材料中产生缺陷。总之，用于在大范围的反射功率中工作，致使传统的微波干燥控制迫使设备在低效或缩短磁控管寿命的功率电平下使用。
PCT申请WO93/12629中揭示了在陶瓷材料的加热中防止热逸散并提高微波效率的方法。其中提供的装置包括微波谐振腔、用于产生微波的磁控管和连续控制磁控管功率的装置，其中装置包括温度控制系统，特别是光纤高温测定系统和固态控制电路。该“控制微波功率的装置”响应陶瓷品温度设定值和陶瓷品温度测量值之间的任何差值，以控制磁控管的功率。虽然该装置能够响应温度参数提供微波能量的可变功率源，因此控制陶瓷的温度以防止热逸散，但它仍然不够完善。特别是使用利用光纤高温测定法的温度控制系统只测量陶瓷的外表面温度，而不能测量陶瓷中心的温度。同样地，在陶瓷片的表面和中心之间产生了较高的温度差，最终在产品中产生会导致不均匀干燥和潜在缺陷的应力，该缺陷如破裂、起泡和/或裂隙。
                          发明内容
因此本发明的目的是提供高效且有效微波加热陶瓷的装置和方法，它能克服对流和辐射加热以及传统微波加热的缺点。
本发明一方面提供陶瓷微波加热的装置，它包括可调功率微波源用于将微波功率导入连续吞吐量的微波谐振腔。该装置还包括微波功率控制系统，用于可变地控制传送到微波谐振腔中的功率。该系统的第一部分包括反射功率检测器，用于检测谐振腔中陶瓷材料反射的微波功率。该反射功率检测器测量来自谐振腔的反射功率值，并将反射功率输出值与预置反射输出值比较，以产生表示测量出的与设置的反射值之间差值的输出信号。该系统的第二部分包括微波控制器，它接收来自反射功率检测器控制器的输出信号，并调节可调微波的功率，致使反射功率输出信号保持在或接近于预置输出信号值。
本发明的另一方面涉及干燥陶瓷材料的方法，该方法包括将陶瓷材料放置在具有连续吞吐量微波谐振腔的微波加热装置中，并通过用来自可调微波功率源的电磁微波辐射照射陶瓷材料使它遭受预定初始量的热能。该方法还包括连续测量微波谐振腔中陶瓷材料的反射功率输出信号，和连续控制陶瓷材料遭受的微波辐射量，使得产生的反射功率输出信号保持在预置的反射功率值。
                  附图说明
图1是说明本发明一个实施例的装置的框图；
图2是说明这里所述本发明干燥方法的流程图。
                  本发明的详细描述
参考图1，它显示了根据这里所述本发明的加热装置。该装置包括可调微波产生器或微波源11，它直接或间接耦合到谐振腔谐振器或微波加热室22，以及用于连续控制和调节微波功率的微波功率控制系统33。该控制系统33包括反射功率检测器44、和具有固态控制电路的微波功率控制器55。构造谐振腔谐振器22，使得大量陶瓷66在加热和干燥时能够连续通过谐振器的内部；也就是连续吞吐量微波谐振腔。
在较佳实施例中，谐振腔谐振器或加热室是多模式的，即它支持给定频率范围中的多种谐振模式，并且在更佳的实施例中，加热室包括模式搅拌器以提供微波加热室中电场分布的更好均匀性。此外，上述谐振腔谐振器或微波加热室和功率控制系统最好是全部干燥装置的一部分，就像共同待批、共同转让的99/7/7提交的美国专利申请序号60/142,609的申请中更详细描述的。
在上述结构装置的操作中，微波功率进入谐振腔谐振器22，以加热通过谐振腔谐振器22的大量陶瓷66。陶瓷的加热/干燥改变了谐振腔谐振器中陶瓷的介电特性。通常，当如堇青石和/或多铝红柱石等等的特种陶瓷被加热时，它们的特殊介电常数和介电损失率会提高。尤其，在干燥陶瓷体时，它们损失水分并增加温度。此外，当陶瓷制品进入或离开谐振器时，谐振腔谐振器中陶瓷材料的总质量(也就是密度)也变化(增加和减小)。这两个因素一同引起了谐振腔谐振器中陶瓷堆特定介电常数的变化。谐振腔谐振器中陶瓷介电特征变化的直接结果是被吸收的微波功率量的变化，因此谐振腔产生器中陶瓷堆发出的反射功率变化。该变化的直接结果是使被传送到谐振腔中的微波功率也可能相应变化。换句话说，反射功率信号变成连续变化负荷的全部密度、介电常数和损失率状态的有效标志。
因此，构成本发明第一方面的装置还包括上述微波功率控制系统33，该系统包括反射功率检测器44和微波功率控制器55。当微波功率进入谐振腔22用于加热陶瓷材料66时，测量谐振器中加热陶瓷的状态，特别是反射功率检测器33检测反射微波的量。反射功率值馈送给组合入反射功率检测器或与反射功率检测器通信的计算机，该计算机将测量反射功率值和预置反射功率值比较，如果计算出测量反射功率信号和预置反射功率值之间的差，就产生输出控制信号。尤其，反射功率检测器包括定向耦合器，它用于检测通过耦合到谐振腔的波导的反射功率信号。定向耦合器发射0-1ma信号到换能器，换能器将信号转换成4-20ma，用于可编程逻辑控制器或计算机的处理。
微波控制器55中的电子电路包括多个固态装置中的一个，该电子电路完成对传送到微波谐振腔中微波能量的期望功率控制。在一个实施例中，微波控制器55中的固态装置是SCR控制电路(未图示)，它能够控制施加于磁控管的电压。如果由于测量值和预置值之差存在输出控制信号，那输出控制信号被传送到微波控制器的SCR控制。SCR控制电路根据来自反射器检测器44的信号调节可调微波源11的电压。由于可调微波功率源11或磁控管辐射的能量被间接转换成谐振腔11中陶瓷堆的反射功率，所以磁控管产生的能量变化引起了谐振腔22中陶瓷堆66产生的反射功率的即时变化。因此通过改变施加于磁控管的电压，磁控管有效地提供了微波能量的可变功率源，致使在任何特定时刻谐振腔中陶瓷堆的反射功率都保持预置的反射微波功率值。
在较佳实施例中，将反射功率信号值与包括上下预置值的预置反射输出信号比较。在该实施例中，微波功率控制器调节微波功率，致使反射功率输出信号保持在包括上下预置输出信号值的范围之间。在另一实施例中，反射值的预置值或范围应该为装置中电子管/磁控管总功率输出的大约10％的值；这是微波制造者规定的典型/标准的安全值。在标准的微波/磁控管中，该预置值/范围应该在1.5到2.5kW之间。
用于产生微波的微波源可以包括任何带有可调功率特征的传统磁控管。较佳的是，所用入射微波的频率可以大于大约1GHz，更佳的是所用频率在1GHz到2.45GHz之间，这是美国指定的工业频带。在其它国家，可以使用100到10,000MHz的其它波长。此外入射微波的功率要求不大于足以使如上所述将陶瓷制品的温度升高到能有效干燥陶瓷制品的温度的功率。尤其，微波功率源应该保持1到75kW范围内的可变功率电平。这种类型的磁控管可以在陶瓷体中产生实质的热量，用于将温度快速升高到干燥水平，例如在不超过1到10分钟内升高到大于大约150℃。
图2是说明干燥陶瓷材料方法的流程图。首先，该方法包括通过用来自可调微波功率源的电磁微波辐射照射陶瓷材料，使陶瓷材料遭受预定初始量的热能。陶瓷遭受的热能初始量应该是微波辐射量，足以使陶瓷制品的温度在合理的时间内升高到能有效干燥陶瓷制品的温度。当加热陶瓷体时，该方法包括连续测量陶瓷材料的反射功率输出信号，并连续控制微波辐射量，所用反射功率输出信号保持在预置反射功率值。持续该方法，直到最后进入谐振腔的陶瓷体穿过干燥器并被干燥。
在本领域熟练的技术人员的知识面内，微波辐射量必须在合理的时间内干燥制品；也就是对于每个陶瓷体都是合理的干燥循环。在建立干燥过程的参数中应该考虑到的因素包括陶瓷成分、陶瓷体形状、干燥器容量，以足以完成合理的干燥循环。例如，柱形薄壁陶瓷体长7英寸、直径为3.866英寸、其中单元井厚度为2.0mil，每平方英寸上有900个单元井，该陶瓷体的干燥循环包括使陶瓷体遭受微波辐射，传送的微波辐射的初始功率为50kW，功率范围在35到60kW，频率为915MHz，其周期不超过5分钟。
这里所述的方法尤其适用于干燥薄壁陶瓷体。这里所用的干燥是指陶瓷体中的液体含量减少到期望值，较佳的是，干燥过程的执行能够处理陶瓷制品而不引起任何破坏或不能接受的变形。例如，对于薄壁柱形陶瓷体类型的陶瓷制品，以实质干燥为处理目的，干燥的制品为初始生态水含量小于5％的陶瓷制品，较佳的小于1％。
虽然显示并描述了本发明的较佳实施例，但应该清楚地理解本发明不限于此，在以下权利要求的范围内还可以进行各种实施。
应该理解虽然相对于某些说明和特定的实施例详细描述了本发明，但是不能认为只限于此，因为各种变化可能不脱离以下权利要求中所确定本发明的较宽精神和范围。

Claims (12)

1.一种陶瓷微波加热装置，其特征在于，它包括：
微波谐振腔，陶瓷位于其中并在其中加热；
可调功率微波源，用于将微波功率导入微波谐振腔；
微波功率控制系统，它包括：
(1)反射功率检测器，用于检测谐振腔反射的微波功率，并将测量到的反射微波功率值和预置反射微波功率输出值比较，以产生表示测量到的反射功率值和预置反射微波功率值之差的输出信号；和
(2)微波功率控制器，它接收来自反射功率检测器的输出信号，并调节微波功率，致使反射功率输出信号保持在预置反射微波功率值。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，反射功率检测器将测量反射微波功率值和预置反射微波功率值比较，其中预置值包括上下预置值，并且微波功率控制器调节微波功率，致使反射功率输出保持在上下预置反射微波功率值之间。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，微波谐振腔是连续吞吐量谐振腔。
4.一种干燥陶瓷材料的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
将陶瓷材料放入具有微波谐振腔的微波加热装置中，并通过用来自可调微波功率源的电磁微波辐射照射陶瓷材料使它遭受预定初始量的热能，热能的初始量是足以使陶瓷制品的温度升高到能有效干燥陶瓷制品的温度的微波辐射量；
连续测量陶瓷材料的反射微波功率值，并连续控制微波辐射量，致使测量到的反射微波功率值保持在预置的反射微波功率值。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，反射功率输出值保持在上下预置反射微波功率值的范围内。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，微波是连续生产能力的微波。
7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，预置的反射微波功率输出值是可调微波功率源的总最大功率输出的大约10％。
8.如权利要求4所述的方法，其特征在于，陶瓷制品被照射足以干燥制品的一段时间，以此除去其中至少大约95％的生态水。
9.如权利要求4所述的方法，其特征在于，陶瓷制品被照射足以干燥制品的一段时间，以此除去其中至少大约99％的生态水。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，可调功率微波源的最大功率大于大约1kW，但小于大约75kW。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，陶瓷制品所遭受微波能量的频率大于大约1.0GHz。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，陶瓷制品所遭受微波能量的频率为大约2.45GHz。
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