用於熱均勻材料處理的方法和系統的製作方法
2023-06-14 11:37:41 1
專利名稱：用於熱均勻材料處理的方法和系統的製作方法
相關申請的交叉引用本申請要求2003年2月10日提交的臨時專利申請60/446,179的優先權，並在這裡將其說明全部引入作為參考。
關於聯邦資助的研究開發的聲明N/A背景技術在材料如陶瓷的處理中，熱均勻性通常要求達到產品的均勻加熱並且最小化因為不均勻加熱而引起的產品的變形、彎曲或破裂的可能性。加熱的均勻性及其控制在陶瓷材料，如低溫共燒(Low Temperatureconfired)陶瓷、陶瓷膜、粉末金屬以及固體氧化物燃料電池的處理中特別重要。這些材料由保留在粘合劑中的陶瓷或金屬粉末構成。粘合劑在熱過程周期的初始階段被清除，並且在粘合劑被清除後，陶瓷或金屬粉末被燒結以提供一個整體燒結塊。燒結前的粘合劑的有效清除對於得到高質量燒結的最終產品是非常重要的。
發明內容
簡單地說，本發明提供了一種用於材料的熱處理的系統和方法，尤其是用於粘合劑清除和諸如LTCC和其他陶瓷材料和產品的燒結。本發明對於其他產品和材料，如固體氧化物燃料電池和金屬粉末的熱處理也是非常有用的。微波和對流/輻射加熱結合起來用於粘合劑清除和燒結。優選為，微波加熱使用可變的或多頻率微波源來實現。由一個或多個在爐腔中產生大量氣體循環的噴射器在爐腔內提供一種氣體，來得到高度均勻的氣體環境和溫度。所述一個或多個噴射器還可以用於產品的強制對流冷卻。根據本發明的處理根據正在處理的特定材料的組成來控制加熱周期、加熱源以及熱曲線。
熱處理可以在分層式烘爐中完成，產品裝載在該分層式烘爐中用於處理並在處理後卸載。通常，為了生產操作，一些單獨的產品被裝載進烘爐內放在產品保持組件上。本發明還可以在連續處理中實施，其中產品在烘爐部件或烘爐的腔體之間輸送以完成粘合劑清除和燒結或者其他處理周期。
根據本發明的一個方面，粘合劑被分解，如通過TGA分解，以確定粘合劑中存在的成分或物質。微波能源的能量和/或頻率以及對流/輻射加熱源的電平根據粘合劑的成分來調整，以有效地揮發或融化粘合劑成分。基於要處理的特定材料上進行的測試所得到的測試數據，來調整熱源以用於生產操作步驟。所述的微波源和對流/輻射源可以是基於處理周期期間粘合劑成分的分析得到的數據，以閉環形式可控的。
以下將結合附圖在詳細描述中對本發明進行更充分地描述，其中圖1是根據本發明的烘爐系統的方框圖；圖2是根據本發明的分層式烘爐的剖面圖；圖3是顯示噴射器陣列的圖2的烘爐的上視圖；圖4是圖2的實施例中所用的噴射器的剖面圖；圖5是用於本發明的分層式烘爐的典型的熱曲線圖；圖6是根據本發明的連續作業烘爐系統的方框圖；圖7是用於本發明的連續作業烘爐的典型的熱曲線圖。
具體實施例方式
參照圖1，其中以簡圖形式顯示了用於保持一些要進行熱處理的材料或產品的烘爐10，以及與其關聯的一個氣體供應源12、一個或多個噴射器14、微波源16以及對流/輻射加熱源18。控制器20控制氣體源、噴射器以及加熱源並且通常是微控制器或計算機。氣體源12為爐腔提供適合特定材料處理的氣體。該氣體通常是空氣或氮氣或是它們的混合物，用於處理LTCC和其他陶瓷產品以及燃料電池。氣體通常是氫氣和氮氣的混合物，用於處理粉末金屬。為了某種目的，氣體可能是含有或不含有其他氣體的水蒸氣。所述的一個或多個噴射器將氣體引入爐腔，並通過產生大量、高效率的對流氣流來提供烘爐氣體和溫度的均勻性，所述的對流氣流對於得到想要的溫度均勻性和穿過正在處理的材料的氣體的均勻分布是必要的。所述的一個或多個噴射器還可以提供產品的強制對流冷卻。為了提高處理精度，可以使用編程的定時循環在向前和反向之間選擇氣體的流向。氣流控制在控制器20的引導之下。
採用了兩種不同類型的加熱源，一種是微波源16，其優選為可變或多頻率的微波源，另一種是對流/輻射加熱源18。在加熱周期過程中所述的加熱源由控制器20控制，以在加熱周期期間提供想要的熱曲線並提供材料的均勻容積加熱。根據正在處理的包括正在燒結或其他處理的粘合劑成分以及粉末金屬成分的特定材料，在處理周期期間控制所述的加熱源。所述的微波加熱源和對流/輻射加熱源在全部加熱周期期間都是可操作的，各個加熱源的大小可以根據想要的熱曲線進行調整。或者，取決於想要的熱曲線以及正在處理的材料，一個或其他加熱源可以在加熱周期的一個或一些部分期間打開並且在加熱周期的其他或其他一些部分期間關閉。
加熱源的控制基於幾個參數，包括要處理的產品的質量(mass)或厚度。微波源的電平、頻率、波形以及模式可以調整以提供產品的有效加熱。對流/輻射源的電平也可以調整以提供想要的加熱。一些或者所有參數都是可控的來為正在加工的產品或材料的特定大小和成分提供特定的熱曲線。
微波源16優選為可變頻率或多頻率的微波源，如美國專利5,321,222、5,521,360以及5,961,871所示，這些專利的公開在這裡結合起來作為參照。微波源的頻率和電平被調整來向正在處理的材料提供微波能量的有效聯結。微波頻率可以在感興趣的頻帶上被調製或掃頻，或者微波能量可以在兩個或多個頻率上配置，以提供想要的微波頻譜。
對流/輻射加熱源18可以是任意方便的形式來提供爐腔內的氣體的加熱，並且適用於對於正在處理的特定材料的烘爐的最大操作溫度。例如，鎳-鉻電加熱器可以用於大約1000℃的最高溫度。鉬帶加熱器可以用於大約1250℃的最高溫度。鉬矽酸鹽或碳化矽加熱器可以用於大約1600℃的溫度。對於較低的溫度，加熱還可以由從產品上面和/或下面的帶孔板發出的加熱的氣體來提供。
一個或多個噴射器14優選為如美國專利5,795,146所示，該專利被轉讓給本發明的受讓人並且其公開結合在這裡作為參考。噴射器提供用於改進的溫度均勻性和控制所必需的大量氣流，並且能夠在處理周期期間提供正負5℃的熱均勻性。在一個實施例中，烘爐10是圖2中剖面顯示的分層式烘爐，用於容納大量要處理的材料。所述的爐包括一個環繞著圍繞爐腔24的絕緣材料32的爐套30。爐床36支撐保持有一些要處理的材料的組件38。爐床位於一個用於裝載或卸載材料的可移動組件40上，該組件40能夠向上移動到爐腔或者向下降低到爐床和其上容納的產品在爐腔之外的一個位置。採用了一個噴射器機制(未顯示)來在上下位置之間移動爐床。噴射器機制可以包括一個或多個導向螺杆或本領域已知的其他機制。多個電能輻射加熱器42沿著兩側布置在爐腔中，每個加熱器被懸掛在烘爐的上壁的開口上。每個加熱器在爐腔上壁之上具有電終端44，這些終端可以與電源(未顯示)相連來激勵加熱器。微波輸入端46配置在爐腔中並且與微波源相連以向爐腔引入微波能量用於產品加熱。
一個或多個噴射器50布置在烘爐的每一側。通常，多個噴射器沿爐的每側排列。一側的每個噴射器通常與相對一側的噴射器在一條線上。開口52穿過爐床36與噴射器呈直線配置以提供從爐腔一側到爐腔另一側的穿過爐床的循環路徑。圖2中所示的箭頭說明了烘爐操作期間循環氣體的一種典型流動路徑。四個噴射器50的箭頭顯示在圖3中的以上視圖顯示的爐腔的每一側上。噴射器被提供有來自氣體源的氣體，如圖1中所示的氣體供應源12。
在一個可選實施例中，一個或多個噴射器可以穿過爐頂配置，或者依賴於要實現的特定的烘爐配置和想要的循環氣流，位於爐頂的噴射器可以與位於爐壁的噴射器相結合來配置。為了某些目的，一個單獨的噴射器可以提供想要的循環和均勻的氣體。
圖4中更詳細地顯示了噴射器，圖4描述了安裝在圖2的烘爐實施例的壁上的噴射器50。噴射器通過絕緣材料32的壁上的開口51布置。該噴射器被接頭55保持在位置上並與氣體供應源相連。噴射器的內端終止在一個向爐腔內噴入高速氣流的噴嘴53中。如上所述，開口52穿過爐床36配置並且面對噴射器噴嘴來為氣流提供穿過爐床到爐腔相對一側的路徑。來自噴射器的高速氣流使爐腔內的氣體霧沫(entrainment)成為氣流。霧沫氣體的體積與注入氣體的體積之比可以達到50∶1。在說明的實施例中，提供了放大注入體積20-30倍的氣體。噴射器結構相對簡單並且以相對低的成本提供高速氣體循環。
噴射器以互補形式操作，使得在一個時間間隙烘爐一側的噴射器打開而另一側的噴射器關閉。對於下一個時間間隙，噴射器的操作反轉過來，使得以前關閉的噴射器打開，而以前打開的噴射器關閉。噴射器的輪換操作由於輪換的循環氣流路徑而進一步提供了爐腔內氣體的均勻性。在關閉模式中，為了避免烘爐的高操作溫度對噴射器噴嘴的損壞以及避免空氣或其他汙染物通過噴射器組件進入爐腔，噴射器並沒有完全關閉，而是提供少量氣流，通常是全部氣流的約5％。
如上所述，噴射器還可以用來諸如在熱循環的冷卻部分期間提供產品的強制對流冷卻。來自噴射器的氣流與加熱源的控制一起被控制，以得到想要的產品冷卻的速度。
要處理的材料或產品保持在一個合適的支撐組件上。一種典型的支撐形式是為各個要處理的物品帶有多個間格的託盤，這些託盤可以一個疊一個地堆疊起來以便相當大量的物品可以在爐腔內同時處理。支撐組件可以是其他形式的，如用於保持要處理的特定產品的適當配置的支架。出於某些目的，將產品夾入上下板之間或其他支撐物之間以防止加熱周期期間產品變形是非常有用的。產品支撐物由能夠耐受烘爐操作溫度的難熔材料製成。
圖5中顯示了加熱周期期間提供的一種典型的溫度曲線。爐腔起初從室溫(RT)加熱到第一水平60，該第一水平60在圖中說明的曲線中是300℃。在定義的這個溫度的時間周期之後，爐溫上升到水平62，該水平62在圖中說明的曲線中是450℃。在450℃溫度的定義的周期之後，爐溫躍升至950℃的最高溫度水平64。溫度在950℃水平保持預定的時間周期，然後溫度再次降低到室溫。可以理解，特定溫度水平以及這種水平的數目會被決定來適應正在處理的特定材料，這樣，圖中說明的溫度和水平只是用於舉例的目的。還可以理解，每個溫度水平所保持的時間可以變化來適應特定材料和處理的需要。總的處理時間可能從幾個小時到一兩個星期甚至更多。
在加熱周期的初始部分，水分被從正在處理的材料中去除。例如，這種水分釋放通常出現在大約125℃-150℃的溫度範圍內。隨著溫度繼續升高，在溶劑、可塑劑以及其他粘合劑成分揮發期間出現粘合劑清除。這種粘合劑清除的典型範圍是大約275℃-375℃。粘合劑材料清除通常留下一個大約500℃-600℃溫度時揮發的炭渣。材料的燒結出現在處理周期的最高溫度水平。在所示的實施例中，顯示了一個大約950℃的溫度，該溫度是處理LTCC材料的典型溫度。為了處理固體氧化物燃料電池，燒結溫度是大約1550℃，如圖5中虛線所示。
在本發明的另一個方面，提供了一種用於處理陶瓷、粉末金屬以及其他材料和產品的連續的熱處理和系統。該連續系統如圖6中所示，包括第一烘爐部件70，第二烘爐部件72以及用於從烘爐部件70到烘爐部件72移動產品的互連產品傳送組件74。烘爐部件70和72的每一個都包括一個微波加熱源和一個對流/輻射加熱源，如同上面的實施例中所述。在該連續系統的一種版本中，烘爐部件70和72是分離的烘爐。或者，烘爐部件70和72可以是配置有傳送組件74的整體烘爐結構的區段。材料在烘爐部件70中處理之後，部件70的溫度必須降低到一個足以允許傳送組件搬運材料並將材料移到部件72的溫度。部件70和72的每一個都採用了一個能夠在加熱操作期間打開用於產品裝載和卸載的門。每個烘爐部件可能還包括一個微波扼流圈組件以防止微波能量從爐內洩漏。
烘爐部件70被用於粘合劑清除，烘爐部件72被用於材料的燒結。如上所述，加熱源可以單獨或聯合採用來用於粘合劑清除和/或用於燒結。烘爐部件70優選包括多頻率微波源以及使用如上所述的一個或多個噴射器的強制對流/輻射源，來為粘合劑清除提供正在處理的材料的均勻體積加熱。用來燒結材料的烘爐部件72還可以包括結合起來的微波和對流輻射源，如同烘爐部件70，或者可以是一個只使用對流和/或輻射加熱的傳統快速噴火燒結爐。
圖7顯示了一種用於材料的連續處理的典型的熱曲線。烘爐部件70的溫度從室溫穿過連續水平80上升到最高水平82，該最高水平82在圖中說明的大概是600℃-750℃的範圍。在最高溫度的想要的時間周期之後，爐冷卻到一個較低的水平84，該較低水平84足夠冷卻來打開烘爐並將材料運輸進烘爐部件72。在將材料裝載進烘爐72之後，烘爐72的溫度升高到想要的最高溫度水平86一段足夠燒結特定材料的時間，之後溫度降低到室溫來從烘爐72移開燒結的材料。確定特定溫度水平和溫度水平的數目以及每個溫度水平所保持的時間的持續時間，以適合正在處理的特定材料或物品類型。
本發明並不局限於所特別顯示和描述的內容。本發明可以實施在各種結構的單獨的或多區段烘爐中以及在分層式或連續作業烘爐中。本發明還可以使用各種傳送機制來將產品移進和移出爐內或者在烘爐部件或區段之間傳送產品。可以理解，本發明應該包含所附權利要求的全部精神和範圍。
權利要求
1.一種用於熱處理材料的系統，包括具有爐腔的爐套；支撐組件，設置在所述爐腔中，用於支撐要進行熱處理的材料；微波加熱源，用於加熱所述爐腔中的材料；對流/輻射加熱源，用於加熱所述爐腔中的材料；以及一個或多個噴射器，每個噴射器都具有位於所述爐腔中的開口，以提供所述爐腔內的氣體循環。
2.根據權利要求1所述的系統，包括在所述爐腔的第一和第二側上的多個噴射器，用於在所述爐腔中提供均勻氣體。
3.根據權利要求1所述的系統，其中所述微波加熱源包括可變頻率的微波加熱源。
4.根據權利要求1所述的系統，其中所述微波加熱源包括多頻率微波加熱源。
5.根據權利要求1所述的系統，其中所述支撐組件包括升降爐床，其可以在用於裝載和卸載要進行熱處理的材料的較低位置和用於將所述材料設置在所述爐腔中的較高位置之間移動。
6.根據權利要求1所述的系統，其中所述噴射器包括管狀體，該管狀體具有與氣體供應源連通的噴嘴，並向所述爐腔中提供高速氣體，以及用於輸送所述爐腔中的氣體以提供所述爐腔內的大量氣體循環。
7.根據權利要求1所述的系統，其中所述微波加熱源在加熱周期的一部分期間操作。
8.根據權利要求1所述的系統，其中當正在處理的材料處在微波可接受的溫度時，所述微波加熱源在加熱周期期間操作一段時間。
9.根據權利要求1所述的系統，包括控制器，用於控制所述微波加熱源和所述對流/輻射加熱源，以在加熱周期期間提供想要的熱曲線。
10.根據權利要求9所述的系統，其中所述控制器控制一個或多個噴射器的氣流。
11.根據權利要求1所述的系統，其中所述的一個或多個噴射器用於在加熱循環期間提供所述材料的強制對流冷卻。
12.根據權利要求1所述的系統，包括多個噴射器。
13.根據權利要求1所述的系統，包括在所述爐腔的每側的至少一個噴射器，並且以交替的方式進行操作以提供所述爐腔中氣體的均勻循環以及所述材料的均勻加熱。
14.根據權利要求1所述的系統，其中所述爐腔包括爐床，該爐床具有多個從該爐腔一側到該爐腔另一側延伸穿過該爐床的開口；以及其中所述一個或多個噴射器包括在該爐腔的第一和第二側的多個噴射器，該爐腔各側上的每對噴射器與穿過該爐床的相應的開口在一條線上。
15.根據權利要求14所述的系統，其中每個所述噴射器設置在所述爐套的側壁開口中。
16.根據權利要求1所述的系統，其中所述對流/輻射加熱源包括一個或多個設置在所述爐腔中的電能加熱器。
17.根據權利要求1所述的系統，其中所述爐腔在分層式烘爐中，用於使材料裝載入其中以進行處理以及在處理後卸載。
18.根據權利要求1所述的系統，其中所述爐腔在連續作業烘爐中，用於使材料在處理周期期間傳過其中。
19.一種用於熱處理包含保留在粘合劑中的陶瓷或金屬粉末的材料的系統，包括具有爐腔的烘爐；支撐組件，設置在所述爐腔中，用於支撐要進行熱處理的材料；微波加熱源，用於將微波能量引入所述爐腔以加熱設置在其中的材料；對流/輻射加熱源，在所述爐腔中，並用於加熱設置在其中的材料；一個或多個噴射器，用於在所述爐腔內提供大量氣體循環；以及在加熱周期的第一部分期間控制所述微波加熱源和對流/輻射源，以從正在處理的材料上去除粘合劑，並且在加熱周期的第二部分期間控制所述微波加熱源和對流/輻射源，以將粉末燒結成一個整體塊。
20.根據權利要求19所述的系統，其中所述對流/輻射加熱源包括一個或多個設置在所述爐腔中的電能加熱器。
21.根據權利要求19所述的系統，其中所述微波加熱源包括可變頻率的微波加熱源。
22.根據權利要求19所述的系統，其中所述微波加熱源包括多頻率微波加熱源。
全文摘要
一種在烘爐(10)中使用的微波加熱源(16)和對流/輻射加熱源(18)的組合以及用於粘合劑去除和材料如陶瓷材料以及產品、LTCC間隔、固體氧化物燃料電池以及粉末金屬的燒結的方法。優選為，所述的微波加熱源(16)是使用可變的或者多頻率微波源(16)來實現的。烘爐(10)內的一個或多個噴射器(14)產生大量氣體循環以得到高度均勻的氣體環境和溫度。控制器(20)控制加熱周期，加熱源(16，18)以及熱曲線依賴於正在處理的特定材料的成分。所述熱處理可以在分層式烘爐(10)中完成，其中，產品被裝載用於處理並在處理後卸載，或者在連續作業系統中完成，其中產品在烘爐部件之間或烘爐(10)的腔體之間輸送。
文檔編號F27D99/00GK1771765SQ200480009602
公開日2006年5月10日 申請日期2004年2月10日 優先權日2003年2月10日
發明者唐納德·A·小塞科姆, 加裡·奧爾貝克 申請人:Btu國際公司