TW202318914A - 利用準行微波實現熱處理之材料處理設備 - Google Patents

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Abstract

本發明主要揭示一種利用準行微波之熱處理設備，用以取代習知的具有共振腔的微波乾燥裝置，從而用於對纖維、絲、人造纖維、人造絲等線狀物進行高效率、穩定、均勻之熱處理。所述熱處理設備包括：一主波導管、一微波擋板、一輔波導管、以及設置在該主波導管內的至少一微波吸收體。依據本發明之設計，一微波源輸入一微波至該輔波導管與該主波導管，使該微波在該輔波導管與該主波導管行進從而成為一準行波。並且，一線狀物可經由該輔波導管被置入該主波導管，從而該線狀物之一第一部分位於該微波吸收體的空腔內，且該線狀物之一第二部分則位於該輔波導管與該主波導管之中。在此情況下，除了該第一部分會自行吸收所述準行波而被加熱以外，同時該微波吸收體吸收所述準行波而加熱該第二部分。

Description

利用準行微波實現熱處理之材料處理設備
本發明係關於熱處理設備的技術領域，尤指一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備。
已知，鍋爐為一種非穿透式熱處理設備，其包括一熱源裝置以及一材料容置裝置。對材料進行熱處理時，係由該熱源裝置透過蒸汽、高溫水或有機熱載體等媒介將熱能量傳遞至位於該材料容置裝置之中的材料。換句話說，在該熱源裝置產生熱能量之後，熱能量係依包含該材料容置裝置和該傳熱介質的一熱傳遞路徑而被傳遞至該材料的表面，最終才被傳遞至該材料的中心。
實務經驗指出，鍋爐具有升溫速度慢的缺點。因此，在開始執行熱處理之前，必須先將鍋爐預熱至一目標溫度，接著才將材料送進鍋爐以開始進行熱處理。另一方面，由於材料並非直接接受鍋爐所產生的該熱能量，因此，除了在執行熱處理的過程中會產生可觀的能量損耗之外，亦經常發生材料受熱不均而導致產品良率受到影響之情況。
另一方面，微波指的是具有範圍介於0.001米至0.1米之波長以及範圍介於300MHz至300GHz之頻率的電磁波。相較於紅外線與遠紅外線，微波對於介質係展現出更好的穿透性。因此，在微波穿透介質的過程中，介質的分子受到微波能量的作用而高速震動，引起介質溫度的升高，達到對於介質的加熱效果。
目前，微波熱處理設備(Microwave heat treatment apparatus)係採用一特定微波對一材料進行穿透式加熱，從而完成該材料的熱處理。相較於傳統鍋爐(即，非穿透式熱處理設備)，微波熱處理設備具升溫速度快、處理時間短以及節省能源等優點。以微波爐(Microwave Oven)為例，其包括一微波產生器與一共振腔。微波爐運行時，該微波產生器係輻射一微波進入該共振腔內。由於該共振腔的內壁會反射微波，因此微波會在共振腔內形成駐波，其中駐波的波峰具有較高的加熱效率，且振幅為0的波節處無法加熱食材。基於這個物理現象，微波爐內部會放置用以帶動食材旋轉的轉盤，從而讓食材均勻受微波穿透加熱。
進一步地，微波熱處理技術還被應用於製作一微波乾燥設備，從而被廣泛地使用在各式工業製造之中。舉例而言，台灣專利號I739132揭示一種線材製造裝置，其包括：一吹製成型單元、一微波乾燥單元、以及一裁切單元。其中，該吹製成型單元用以將一原物料吹製成型為一線材，且該線材接著被送入該微波乾燥單元內進行微波乾燥處理。更詳細地說明，該微波乾燥單元的共振腔內設有一移動平台，該移動平台在所述微波乾燥處理的過程中攜載該線材於共振腔內依一速度移動，使該線材能夠均勻地被微波加熱，從而將該線材所帶有的水分予以乾燥。
可惜的是，因缺少連續式物件傳送單元(如：放料輪與收料輪)，台灣專利號I739132所揭示的微波乾燥單元無法適用於對例如纖維、絲線等連續式物件進行連續式乾燥處理。另一方面，為了提升乾燥效率，習知技術通常令該微波乾燥單元具有多微波源以輻射多個微波至該共振腔內，從而在該共振腔內形成多模態駐波。然而，實務經驗指出，在沒有使多個微波的波長和頻率皆最佳化的情況下，實難以控制多模態駐波達成對於連續式物件的均勻加熱及高效率乾燥。
鑒於前述緣由，本案之發明人係極力加以研究發明，而終於研發完成一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備。
本發明之主要目的在於提供一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備。特別地，本發明在一波導管內產生一準行波，接著利用驅動裝置將一線狀物送入該波導管，使該線狀物吸收該準行波而被加熱。此外，該波導管內還設有由吸波材料所製成的一微波吸收體，從而透過該微波吸收體發熱進一步加熱該線狀物。依此設計，在該驅動裝置的驅動下，該線狀物依一傳送速度通過該波導管，從而獲得高效率、穩定、均勻的熱處理。
為達成上述目的，本發明提出所述利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的一實施例，其包括： 一主波導管，具有一前開口與一後開口； 一微波擋板，連接且遮蓋該第二開口，且具有至少一出料孔； 一輔波導管，具有一第一段與一第二段，該第一段具有一第一開口用以連接一微波源的一波導管，該第二段具有對接該主波導管的該前開口的一第二開口，且該第一段和該第二段之間具有一彎折角；其中，該第一段之上還設有與該至少一出料孔同軸的至少一入料孔；以及 由一微波吸收材料所製成的至少一微波吸收體，位於該主波導管之內，且所述微波吸收體14具有至少一空腔； 其中，利用一驅動裝置可驅動至少一線狀物移動而穿過該至少一入料孔，並接著進入該輔波導管和該主波導管之中，且該至少一線狀物繼續地移動以進入所述微波吸收體的該至少一空腔，最終該驅動裝置驅動該至少一線狀物移動從而透過該微波擋板的該至少一出料孔而離開該主波導管； 其中，該微波源透過該波導管將一微波輸入該輔波導管與該主波導管，且該微波在該輔波導管與該主波導管內實質依一波前行進從而成為一準行波； 其中，該至少一線狀物位於該主波導管與該輔波導管內的一第一部分係透過吸收所述準行波而被加熱，且所述微波吸收體吸收所述準行波從而加熱位於該至少一空腔內的該至少一線狀物的一第二部分。
在一實施例中，該主波導管與該輔波導管皆為一矩形波導管、一圓形波導管或任意截面形狀之波導管。
在一實施例中，該主波導管與該輔波導管係利用選自於由任意金屬材料所製成。
在可行的實施例中，前述本發明之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備更包括：設置在該主波導管之內的至少一熱絕緣塊，使得該至少一微波吸收體設置在該至少一熱絕緣塊之上，從而與該主波導管的內壁熱隔離。
在一實施例中，所述線狀物為下列任一者：纖維、絲、人造纖維、或人造絲。
在一實施例中，所述熱絕緣塊的表面設有用以配合該微波吸收體底部的一凹槽。
在一實施例中，該主波導管的上表面係設有複數個觀察窗，且所述觀察窗為一石英玻璃窗。
在一實施例中，該前開口與該第二開口分別設有一第一連接板與一第二連接板，從而利用組接該第一連接板和該第二連接板以使該前開口與該第二開口對接。
在一實施例中，該第一段還設有一墊塊，且該至少一入料孔貫通該墊塊與該第一段。
在一實施例中，該第一開口設有一第三連接板，從而利用組接該第三連接板和該波導管的一連接板以使該第一開口與該波導管的一開口對接。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，以下將配合圖式，詳盡說明本發明之較佳實施例。
請參閱圖1，其顯示本發明之一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的立體圖。並且，圖2顯示本發明之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的分解圖，且圖3顯示本發明之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的側剖視圖。依據本發明之設計，所述利用準行微波實現熱處理之材料處理設備1(“下文簡稱材料處理設備1”)包括：一主波導管10、一微波擋板11、一輔波導管12、至少一微波吸收體14、以及至少一熱絕緣塊13。
如圖1、圖2與圖3所示，該主波導管10具有一前開口與一後開口，且該微波擋板11連接且遮蓋該第二開口。值得注意的是，該微波擋板11具有至少一出料孔111。更詳細地說明，該輔波導管12具有一第一段121與一第二段122，該第一段121具有一第一開口用以連接一微波源的一波導管，該第二段122具有對接該主波導管10的該前開口的一第二開口，且該第一段121和該第二段122之間具有一彎折角。如圖1、圖2與圖3所示，該第一段121之上還設有與該至少一出料孔111同軸的至少一入料孔1210。
在一可行實施例中，該主波導管10與該輔波導管12皆由任意金屬材質製成，且皆為一矩形波導管、一圓形波導管或任意截面形狀之波導管。另一方面，所述熱絕緣塊13由一低導熱係數之材料所製成，且其配置數量至少為1。舉例而言，所述熱絕緣塊13可以由石棉、軟木或鋸屑製成，亦可由氧化鎂製成。如圖2與圖3所示，所述熱絕緣塊13的表面設有用以配合該微波吸收體14底部的一凹槽131。因此，所述微波吸收體14設置在所述熱絕緣塊13之上，從而與該主波導管10的內壁熱隔離。
在可行的實施例中，所述微波吸收體14由一吸波材料所製成，且其配置數量至少為1。依據定義，吸波材料為能將投射到表面的電磁波透過介質損耗及/或磁損耗轉化爲熱能的一種功能材料。舉例而言，碳化矽(SiC)、氮化矽(Si 3N 4)、SiC/Si 3N 4複合物等皆為耐高溫的吸波材料。因此，本發明並不特別限定用以製成所述微波吸收體14的吸波材料的種類。如圖2與圖3所示，特別地，本發明令所述微波吸收體14具有至少一空腔141。依此設計，在其中，利用一驅動裝置3(或放料裝置)促使至少一線狀物2移動而穿過該至少一入料孔1210，並接著進入該輔波導管12和該主波導管10之中。在使用該驅動裝置3的情況下，該至少一線狀物2係依一傳送速度(或放料速度)移動，接著進入所述微波吸收體14的該至少一空腔141，且最終透過該微波擋板11的該至少一出料孔111而離開該主波導管10。
依據本發明之設計，一微波源透過一波導管將一微波輸入該輔波導管12與該主波導管10，且該微波在該輔波導管12與該主波導管10內實質依一波前行進從而成為一準行波。因此，在該至少一線狀物2係依所述傳送速度移動的過程中，該至少一線狀物2位於該主波導管10與該輔波導管12內的一第一部分係透過吸收所述準行波而被加熱，且所述微波吸收體14吸收所述準行波從而加熱位於該至少一空腔141內的該至少一線狀物2的一第二部分。
由前述說明可知，即使待處理的線狀物2的介電損耗力或磁損耗力不高，待所述線狀物2移動至所述微波吸收體14的空腔141之內，所述微波吸收體14仍舊會吸收準行波從而加熱所述線狀物2。
不同於台灣專利號I739132使用微波對位於共振腔內的線材進行加熱乾燥處理，本發明係在該主波導管10內產生一準行波，接著利用該驅動裝置3將一線狀物2送入該主波導管10，使該線狀物2吸收該準行波而被加熱。此外，本發明還在該主波導管10內還設置由吸波材料所製成的一微波吸收體14，從而透過該微波吸收體14進一步加熱該線狀物。故而，在該驅動裝置3的驅動下，該線狀物2依一傳送速度通過該主波導管10，且在通過該主波導管10的過程中實現對於該線狀物2的高效率、穩定、均勻之熱處理。因此，本發明之材料處理設備1可取代習知的微波乾燥裝置，從而用於對纖維、絲、人造纖維、人造絲等線狀物進行高效率、穩定、均勻之熱處理。
補充說明的是，習知的微波乾燥裝置通透過輻射多個微波至該共振腔內，從而在該共振腔內形成多模態駐波。然而，實務經驗指出，在沒有使多個微波的波長和頻率皆最佳化的情況下，實難以控制多模態駐波達成對於線狀物2的均勻加熱及高效率乾燥。相反地，依據本發明之設計，微波源透過波導管輸入向該主波導管10與該輔波導管12輸入一微波，從而在該主波導管10形成一準行波。因此，所述微波的模態可控，同時不會在該主波導管10生成難以調控參數的多模態駐波，免除了複數波源間的相位干擾之問題，
如圖2與圖3所示，該主波導管10的上表面係設有複數個觀察窗101，且所述觀察窗101為一石英玻璃窗。另一方面，為了利於該主波導管10與該輔波導管12的組裝，本發明還在該主波導管10的該前開口設有一第一連接板P1，並於該輔波導管12的該第二段122的該第二開口設有一第二連接板P2。依此設計，可利用例如螺絲等鎖付件組接該第一連接板P1和該第二連接板P2以實現該主波導管10與該輔波導管12的組裝，從而令該前開口與該第二開口對接。另一方面，為了利於該輔波導管12與該微波源的組裝，本發明還在該第一段121的該第一開口設有一第三連接板P3。依此設計，可利用例如螺絲等鎖付件組接該第三連接板P3和該微波源的該波導管的連接板以實現該輔波導管12與該微波源的組裝。
進一步地，由圖1、圖2與圖3可知，所述線狀物2只能夠透過該第一段121的入料孔1210進入該輔波導管12，且所述微波只能夠經由該第一段121的該第一開口輸入該輔波導管12。因此，為了所述利用準行微波實現熱處理之材料處理設備1在一自動化產線上能夠與一微波源以及一驅動裝置3(或放料裝置)完美配合，本發明特別令該輔波導管12的該第一段121與該第二段122之間具有一彎折角，且在該第一段121的一底面設置所述至少一入料孔1210。換句話說，在設有所述彎折角的情況下，該第一段121的該第一開口與所述入料孔1210不在同一軸線上。
圖5為本發明之一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的第二立體圖。由圖2與圖3可知，該輔波導管12的該第一段121的頂面與底面皆與一水平面平行，且該輔波導管12的該第二段122的頂面與底面與該水平面之間具有一夾角。然而，在可行的實施例中，如圖5所示，亦可使該第二段122與該第一段121之間具有所述彎折角，從而使該輔波導管12為一彎折波導管。 值得注意的是，該第一段121的頂面與底面皆與一水平面平行，且該第二段122的頂面與底同樣皆與所述水平面平行。換句話說，本發明僅要求該第二段122與該第一段121之間具有一彎折角，然而並不特別要求所述彎折波導管(即，該輔波導管12)的彎折方向或平面。
此外，本發明還在該第一段121的底面設有一墊塊1211，且使該至少一入料孔1210貫通該墊塊1211與該第一段121之底面。進一步地，圖5顯示使用本發明之一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的一應用示圖。如圖5所示，運用本發明之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備1對纖維、絲、人造纖維、人造絲等線狀物2進行熱處理之時，可以將多個所述材料處理設備1相互連接或堆疊，藉此方式提升熱處理的產量。
如此，上述係已完整且清楚地說明本發明之一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備。必須加以強調的是，上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1:材料處理設備 10:主波導管 101:觀察窗 11:微波擋板 111:出料孔 12:輔波導管 121:第一段 1210:入料孔 1211:墊塊 122:第二段 13:熱絕緣塊 14:微波吸收體 141:空腔 P1:第一連接板 P2:第二連接板 P3:第三連接板 2:線狀物 3:驅動裝置 131:凹槽
圖1為本發明之一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的第一立體圖； 圖2為本發明之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的分解圖； 圖3為本發明之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的側剖視圖； 圖4為本發明之一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的第二立體圖；以及 圖5為使用本發明之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備的一應用示圖。
1:材料處理設備
10:主波導管
101:觀察窗
11:微波擋板
111:出料孔
12:輔波導管
1210:入料孔
1211:墊塊
13:熱絕緣塊
14:微波吸收體
141:微波吸收體
2:線狀物
P1:第一連接板
P2:第二連接板
P3:第三連接板

Claims (10)

  1. 一種利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，包括： 一主波導管，具有一前開口與一後開口； 一微波擋板，連接且遮蓋該第二開口，且具有至少一出料孔； 一輔波導管，具有一第一段與一第二段，該第一段具有一第一開口用以連接一微波源的一波導管，該第二段具有對接該主波導管的該前開口的一第二開口，且該第一段和該第二段之間具有一彎折角；其中，該第一段之上還設有與該至少一出料孔同軸的至少一入料孔；以及 由一微波吸收材料所製成的至少一微波吸收體，位於該主波導管之內，且所述微波吸收體具有至少一空腔； 其中，利用一驅動裝置可驅動至少一線狀物移動而穿過該至少一入料孔，並接著進入該輔波導管和該主波導管之中，且該至少一線狀物繼續地移動以進入所述微波吸收體的該至少一空腔，最終該驅動裝置驅動該至少一線狀物移動從而透過該微波擋板的該至少一出料孔而離開該主波導管； 其中，該微波源透過該波導管將一微波輸入該輔波導管與該主波導管，且該微波在該輔波導管與該主波導管內實質依一波前行進從而成為一準行波； 其中，該至少一線狀物2位於該主波導管10與該輔波導管12內的一第一部分係透過吸收所述準行波而被加熱，且所述微波吸收體吸收所述準行波從而加熱位於該至少一空腔內的該至少一線狀物2的一第二部分。
  2. 如請求項1所述之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，其中，該主波導管與該輔波導管皆為一矩形波導管、一圓形波導管或一具有任意截面形狀之波導管。
  3. 如請求項1所述之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，其中，該主波導管與該輔波導管係由一金屬材料製成。
  4. 如請求項1所述之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，更包括設置在該主波導管之內的至少一熱絕緣塊，使得該至少一微波吸收體設置在該至少一熱絕緣塊之上，從而與該主波導管的內壁熱隔離。
  5. 如請求項1所述之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，其中，所述線狀物為下列任一者：纖維、絲、人造纖維、或人造絲。
  6. 如請求項4所述之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，其中，所述熱絕緣塊的表面設有用以配合該微波吸收體底部的一凹槽。
  7. 如請求項1所述之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，其中，該主波導管的上表面係設有複數個觀察窗，且所述觀察窗為一石英玻璃窗。
  8. 如請求項1所述之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，其中，該前開口與該第二開口分別設有一第一連接板與一第二連接板，從而利用組接該第一連接板和該第二連接板以使該前開口與該第二開口對接。
  9. 如請求項1所述之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，其中，該第一段還設有一墊塊，且該至少一入料孔貫通該墊塊1211與該第一段。
  10. 如請求項1所述之利用準行微波實現熱處理之材料處理設備，其中，該第一開口設有一第三連接板，從而利用組接該第三連接板和該波導管的一連接板以使該第一開口與該波導管的一開口對接。
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