陶瓷連續微波乾燥設備和方法
2023-07-29 15:36:41 1
專利名稱：陶瓷連續微波乾燥設備和方法
技術領域：
本發明涉及製造陶瓷材料的方法和設備。具體地說，本發明涉及一種陶瓷連續微波加熱及乾燥的基本上無微波輻射的設備和方法。
2.有關技術的討論常規的加熱或乾燥一般地包括對流或者對流與輻射組合的燃氣或電流加熱，在陶瓷材料製造中普遍地應用。不過，與這些常規加熱方法相關聯的緩慢的加熱速率和不良溫度控制導致高能量耗費和不一致的產品質量。此外，採用這兩種加熱模式一般會造成陶瓷物體內部溫度差別，因為這兩種加熱模式只施加在表面上並依靠陶瓷物體的導熱率，從而影響從表面以下到物件中心的溫度。
用微波輻射進行工業性加熱已經成功地應用在加速傳統陶瓷的乾燥上。與常規的加熱相比，在具有足夠吸收率時微波加熱提供較高的加熱率，並具有較好的溫度控制，因此導致較低的能量消耗和潛在較佳的產品質量。此外，利用微波能量可提供對陶瓷製品施加均勻的能量，而不是如上述常規的對流和輻射模式加熱情況中對製品表面加熱。最後，由於陶瓷體是直接通過微波能量與陶瓷體互相作用而加熱，因此微波加熱比常規乾燥快得多。
雖然微波加熱比常規對流和輻射加熱更快和有效，但微波加熱的一個缺點是產生微波輻射排放。這些微波輻射排放必須加以控制(即從大氣中屏蔽)，以便符合有關規章制度機構(例如，OSHA，FCC，CEPT)所制訂的排放規章。理想地，任何微波乾燥器操作應該使環境保持接近於零排放。一般而言，在微波乾燥操作中微波的屏蔽是通過使用衰減隧道或水捕集器(water traps)而完成的，並且另外也曾附加地採用鋁隔板以對逃離衰減隧道的微波排放提供衰減。雖然使用衰減隧道、水捕集器和鋁隔板可對微波輻射排放提供足夠的屏蔽，但對於陶瓷製品的尺寸以及需要乾燥的陶瓷製品的總裝載量均有限制。此外，使用衰減隧道、水捕集器和鋁隔板迫使乾燥操作不能連續進行，因為在陶瓷製品乾燥時乾燥腔(室)必須與大氣機械密封隔絕，而在一旦微波乾燥完成後必須打開。
PCT申請WO 93/17449披露了一種利用微波設置(或加速乾燥)形成生陶器器皿製品的連續生產方法，它綜合一種典型的不連續乾燥操作。乾燥步驟是通過切斷微波和和開啟微波爐門，當在爐中移出含有已經乾燥的器皿的微波貨盤後將含有陶瓷製品(生陶器)的貨盤放入，並在此後關閉微波爐門。該關閉/密封和開啟/切斷微波(即非連續乾燥)操作是為了當微波運行時將微波隔離於大氣，當不產生微波時開啟微波爐，由此防止微波輻射外逸。
發明概述因此本發明的目的是提供可以克服上述常規微波加熱的短處而對陶瓷進行連續微波加熱的一種設備和一種方法。具體地說，提供一種能夠連續乾燥陶瓷製品的設備，而產生很少或沒有微波輻射排放。
本發明因此提供一種微波加熱陶瓷的設備，它包括一個加熱陶瓷的、具有入口和出口端以及一個陶瓷製品沿其傳輸的流水軸線的微波加熱室。鄰近微波加熱室的入口和出口端分別定位有第一和第二衰減室，各衰減室均有入口和出口端。一個具有材料流動通道的進口室連接於第一衰減室的入口端，其中部分材料流動通道與流水軸線成一個角度。連接在第二衰減室的出口端的是具有第二材料流動通道的出口室；又是至少部分材料流動通道與流水軸線成一個角度。較佳地，閘門機構把各入口和出口室分別與各自的第一和第二衰減室隔開；這些閘門機構是用來防止微波輻射外逸。最後，乾燥設備包括傳輸陶瓷製品的傳輸系統，以使陶瓷製品順序地通過入口和第一衰減室、微波加熱室和第二衰減室以及出口室。
本發明的第二方面涉及一種乾燥陶瓷材料的方法，它包括把陶瓷製品放置在空氣支承支架上使陶瓷製品支承在空氣墊上。支承的陶瓷製品然後放在傳輸系統上(例如傳送帶)，並使陶瓷材料相繼地先通過入口室，然後通過第一衰減室。陶瓷材料然後進入微波加熱室，並通過一個可調節的微波動力源發出的電磁微波輻射的照射使其承受預定的初始熱量。此後陶瓷材料相繼地通過第二衰減室，最後通過出口室。
附圖簡要說明
圖1示意地示出在此描述的本發明乾燥設備的實施例；圖2a～2c示出在此描述的乾燥設備的閘門機構的工作順序；圖3示意地示出在此描述的本發明乾燥設備的第二實施例；圖4A示意地示出在此描述的本發明圖1中的乾燥設備的改型實施例；圖4B示意地示出在此描述的本發明圖3中的乾燥設備的改型實施例；圖4C示意地示出在此描述的本發明乾燥設明的第三實施例；圖5為在圖1，3和4A～C設備中使用的空氣支承成形支架的剖面圖。
發明的詳細說明在圖1中顯示的本發明，即一種連續乾燥陶瓷材料的乾燥設備10包括一個微波加熱室12，其中陶瓷材料承受微波，並隨後予以乾燥。微波加熱室12包括一個入口區域14和一個出口區域16，和用微波不可透過的及非磁性材料製成的頂部18及側壁20，較佳地這種材料顯示高導電性和在200℃溫度範圍中抗氧化性。加熱室的各頂部及側壁具有內、外殼，並在二者中間設置絕緣層(例如玻璃纖維)。微波加熱室的配置使一塊陶瓷66能夠在其被加熱及乾燥過程中，沿著微波加熱室材料流水軸線，即標誌為A-B的線，連續地通過加熱室12內部。該流水軸線大約是陶瓷材料通過微波加熱室的方向。換言之，在此描述的乾燥設備為一種連續通過的微波加熱室。
用於引導微波功率進入微波加熱室的微波源22連接於微波加熱室。較佳地，微波源22為一個可調節的微波產生器或源，它直接或間接連接於微波加熱室12。此外，該設備還可包括微波功率控制系統(未示)作為連續控制和調節微波功率之用。該控制系統更詳細的描述在共同待批、共同轉讓的申請中，即美國專利申請No.60/142,610。另外，加熱室最好是多模態的，即它可在一個給定的頻率範圍內支持大量的共震模態，在一個更佳的實施例中，加熱室包括一個模態攪拌器(mode stirrer)，以便在微波加熱室中提供更均勻的電場分布。
鄰近微波加熱室12的入口端14和出口端16各自定位有第一和第二衰減室24、26，各衰減室均有入口端28和出口端30。在所示實施例中，第一和第二衰減室24、26的定位使其成為微波加熱室12的材料流水軸線(A-B線)的直線延伸。可以考慮各衰減室能夠相對材料流水軸線形成角度地定位。
這些衰減室的設計形式和包含的材料使其儘量減少微波加熱室中的微波能量的排放，即衰減。如同微波加熱室，衰減室由非磁性材料的內殼和外殼構成，並在其間設置一層絕緣材料。此外，衰減室設計成為在平均加熱速率25℃下可抵禦大約200℃的最高溫度。
衰減室可以包括由能吸收微波能量的材料製成的衰減設備(未示)並由此加熱和散發能量。在一個實施例中，該衰減設備包括水捕集器，它簡單地包括一個其中有連續流動的水的連續盤繞軟管。在水捕集器的另一個可替代實施例中包括一低損耗材料的連續通道，水可流過該連續通道，材料的一個例子是特氟龍(Teflon)或類似材料塊。在任何一個這些可替代的水捕集器實施例中，水可以通過添加諸如氯化鈉(NaCl)一類的可溶性鹽使吸收微波能量的能力變得更加有效。此外，在任何一個實施例中，水通過冷卻環路進行再循環是可以接受的。
在另一個實施例中，衰減設備簡單地包括設置在衰減室的壁上的部分碳化矽材料。
作為替代，衰減設備包括釘狀陷阱(spike trap)衰減設備，它包括多個非磁性材料(例如鋁)棒安裝在衰減室的壁上。釘狀陷阱衰減設備的功能在於為微波能量提供曲折的反應路線，使微波能量的逃逸儘量減少。
在一個較佳實施例中，各第一及第二衰減室包括釘狀陷阱及水捕集器，其中相應地披露的釘狀陷阱設備鄰近微波加熱室，而設置的水捕集器設備鄰近衰減室的入口及出口端。
乾燥設備10還包括一個具有材料流水路線(flow path)、即標誌為C-D線的入口室34。與流水路線聯合一起的入口室連接到第一衰減室24的入口端，使至少一部分流水路線C-D相對於上述流水軸線A-B成一角度(α1)；角度在0到90°之間。此外，乾燥設備包括具有第二材料流水路線、即標誌為E-F線的出口室36。與第二流水路線聯合一起的出口室連接到第二衰減室26的出口端。如同入口室一樣，出口室的連接使至少一部分第二流水路線E-F相對於上述流水軸線A-B成一角度(α2)；角度也在0到90°之間。較佳地，對應於入口室和出口室的流水路線相對於流水軸線A-B的角度(α1及α2)應該至少是45°而更好是90°。其中至少部分入口室和出口室的流水路線相對於微波加熱室的流水軸線A-B成一角度，這一結構的功能與標準微波系統相比為微波輻射的逃逸提供更加曲折的路線。換言之，即與那些包括入口室和出口室區域而整個流水路線形成0°的系統，和那些不具有入口室和出口室的系統相比。通過提供第一及第二流水路線而其中至少有部分流水路線與微波能量必須沿之通過的流水軸線形成角度，微波能量必須通行而達到大氣的距離長度增加。由於電磁能隨著能量行程的平方而衰退，這種配置的結果使從乾燥設備逃逸的能量儘量減少。
較佳地，乾燥設備包括閘門機構32a、32b，它們設置在各入口室和出口室34、36之間並使入口室34和出口室36分別與第一及第二衰減室24、26分隔。如同具有其一部分流水路線相對於流水軸線A-B形成角度的流水路線的入口室和出口室一樣，當陶瓷材料66進入或離開衰減室24、26時，這些閘門機構的功能也是防止微波輻射排放的逃逸。閘門機構包括一對旋轉閘門，即第一閘門38和第二閘門40。圖2a～2c示出了閘門機構作用的順序。第一閘門38沿陶瓷材料66在入口室34的通行路線滑動，直到陶瓷材料66通過閘門機構並進入衰減室24，於是第一閘門38向上旋轉並離開陶瓷材料路線(箭頭標記A)，於是第二閘門40向下旋轉並進入陶瓷材料路線(箭頭標記B)。這些閘門由非磁性材料製成，在較佳實施例中第一及第二閘門由柔軟的銅金屬帶製成。
在如圖3所示的較佳實施例中，乾燥設備10包括同樣的加熱室和第一及第二衰減室的配置，其唯一附加的特徵是包含兩個相繼的入口室34A、34B和出口室36A、36B，分別被附加的閘門機構42A、42B隔開。由於唯一與圖1中實施例的差別是增加附加的入口室及出口室和附加的一對閘門機構，圖3中類似的零件用圖1中詳細示出的乾燥設備的零件的同樣參考數字標識。該實施例的好處在於在該實施例採用的閘門可以用簡單氣動的，或者在一較佳實施例中，伺服或級進控制及操作的非磁性材料(例如鋁質)製成的閘門，這些閘門具有在完全關閉或開啟位置之間的操作範圍；例如，完全上、下的位置或完全左、右的位置。在此實施例中，兩閘門機構32A和42A、32B和42B的操作對於各入口區域34A、34B和出口區域36A、36B在它們的開放/關閉位置之間是交錯的；即當入口閘門中一個處於完全開放位置時另一個是完全關閉的。這種使各入口/出口室保持閘門交錯開放/關閉的能力保證了微波操作只有在門關閉狀態下才能進行。換言之，因為在微波操作的整個過程中至少乾燥設備的入口和出口的一個門是關閉的，並由此阻礙任何微波輻射排放，因此可以保持接近於零排放的標準。應該注意，上述閘門機構32A、B和42A、B可以在此實施例中採用。
圖4A示出一種圖1所示的乾燥設備實施例的改型，其中各入口及出口室位於接近它們各自的第一及第二衰減室；附加的特徵是入口室一第一衰減室和出口室-第二衰減室各自形成蜿蜒的材料流水路線。由於這些入口/出口室和衰減組合的蜿蜒配置，因此不必使入口和出口室如上述圖1中所詳細描述的那樣相對於衰減室和材料流水軸線呈90°角。該實施例的優點在於空間效率，如圖1中實施例一樣，它提供等同的微波能量向大氣逃逸的最小限度，而在佔用空間方面更加有效。對於圖4A相似的零件用與圖1中詳細描述的乾燥設備零件相同的參考數字標識。
圖4B示出一種在圖3中所示的乾燥設備實施例的改型。在該實施例中，成對的單獨入口和出口室鄰近各自的第一和第二衰減室設置。各對入口及出口室顯示為曲折的材料流水路線。如同圖4A中先前的實施例，該實施例的一個優點在於其空間效率，因為如同圖3中的實施例，它提供同樣最小限度的微波能量向大氣的逃逸；而在空間方面更加有效。與前面一樣，對於圖4B相似的零件用與圖3中使用的乾燥設備零件相同的參考數字標識。
圖4C是乾燥設備實施例的側視圖，它示出了如圖4B所示乾燥設備的改型實施例。各對入口及出口室分別連接於其相應的第一及第二衰減室設置，並一個垂直地堆放在另一個的頂上而形成垂直的曲折路線。同樣，在空間設計方面更加有效，而同時仍提供必需的最小化的微波能量向大氣的逃逸。對於圖4C相似的零件用與圖3中使用的乾燥設備零件相同的參考數字標識。
上述各實施例還包括傳輸系統，以便運送陶瓷製品相繼地通過各入口室、第一衰減室、微波加熱室、第二衰減室和出口室。該傳輸系統包括傳送裝置和多個陶瓷材料支架，支架由傳送裝置傳送通過乾燥設備。合適的傳送裝置包括皮帶和或鏈條驅動的傳送裝置。較佳的材料支架包括多個空氣支承成形支架(air bearing contoured support)，這些支架能夠把陶瓷材料支承在空氣墊上。圖5示出一種空氣支承成形支架68的實施例，其中空氣供應到支架下面，並能經由一系列輸送流道穿過支架，從而支承陶瓷製品；箭頭70代表對陶瓷材料提供空氣墊的空氣。
利用具有部分流水路線相對於微波加熱室的流水軸線形成角度的、較佳地用非磁性材料閘門與第一和第二衰減室隔開的入口室和出口室的配置，其功能是獲得一種連續的乾燥設備，它能夠產生很少或沒有微波排放；即低於工業容許極限10mW/cm2的水平。
在本發明的一個較佳實施例中，加熱室14的最佳尺寸為65.5英寸寬、51.5英寸高、71英寸長。選用1/8英寸厚度的鋁板作為微波加熱室12的內外殼的材料，而玻璃纖維作為設置在內、外殼之間的絕緣層。較佳的衰減室尺寸為總長87.5英寸(釘狀陷阱部分為36英寸和水捕集器為51.5英寸)、寬48英寸和高51.5英寸。釘狀陷阱區域包括平行的5排共25隻釘，各由3/8英寸圓頭的鋁棒構成。鋁棒安裝成在各排上的鋁棒的中心線相隔約1.75英寸；配置的釘狀陷阱設備安裝在衰減室壁上從頂部到底部大約為12.5。
用來產生微波的微波源可包括任何常規的具有可調功率特徵的磁電管。較佳地，使用的入射微波頻率應大於約1GHz，較佳的是採用的頻率在約1GHz到2.45GHz之間的範圍內，即在美國指定的工業頻率帶。在其它國家，可以使用從100到10,000MHz的波長。此外，如上所述，入射微波的功率不需要大於如下的程度，即足以使陶瓷製品的溫度上升到有效乾燥陶瓷製品所需的溫度的程度。具體地說，微波功率源應該具有可變的功率級別，其範圍在1到75kW之間，更好的是在10到50kW之間。此形式的磁電管能夠在體內產生足夠熱量，以使溫度迅速提高到乾燥水平，例如在小到1至10分鐘內提高到約150℃。
在操作中，陶瓷材料放置在空氣支承支架上並由空氣墊支承。支承陶瓷製品的空氣支承支架然後放置在傳輸系統上(例如傳送帶)，並使陶瓷材料相繼地通過入口室，然後通過第一衰減室。此後，陶瓷材料通過微波加熱室，並在可調節的微波源發出的電磁微波幅射照射下經受預定的初始熱能量。初始熱能量定義為微波幅射量足以使陶瓷製品溫度上升到有效乾燥陶瓷製品所需的溫度。此後陶瓷材料相繼地通過第二衰減室，最後通過出口室。
在一個較佳實施例中，在實施乾燥操作中所處的環境溼度範圍從0.1到100％；利用該溼度含量環境的優點在於可以消除一般形成在薄壁陶瓷體表面上的乾燥紋路。
已經考慮乾燥設備可配置成為包括一個或更多的附加微波加熱室，其位置鄰近原有的微波加熱室12，各具有同樣的功率輸出能力。包括附加的微波加熱室可以用一個「加熱時間分布線」(heating profile)加熱陶瓷製品；即，迅速固化陶瓷製品外層或表皮需要的快速加熱室，然後在第二微波加熱室中進行正常而較低的加熱，或與之相反(緩慢/快速加熱)。
對於本技術領域熟練者應該知道在合理時間以內乾燥製品所需的微波幅射量；即，對每一個陶瓷體所需合理乾燥循環。在設定足以達到合理乾燥循環的乾燥過程的參數時應考慮包括陶瓷成份、陶瓷體的幾何形狀和乾燥器的能力等因素。例如，對長度範圍為9到36英寸、直徑從3.0到7.0英寸的圓筒形薄壁陶瓷體，這種陶瓷體具有厚度小於4密耳(千分之一英寸)的蜂房狀深坑並且蜂房密度範圍為400到1600個/平方英寸，其乾燥循環涉及使陶瓷體經受初始功率為在35到60kW範圍之間的50kW，頻率為915MHz的微波輻射。較佳地，對於這類薄壁體的總共乾燥時間大約為5分鐘或更少。
在此描述的方法特別適宜於在乾燥薄壁陶瓷體中應用。在此用到的乾燥係指把物體內液體含量減少到要求值，較佳地，乾燥進行到某一程度，此時陶瓷製品可以搬運而不至於造成任何損壞或由此造成不可接受的變形。例如，薄壁圓筒形的陶瓷製品，作為已乾燥的製品並乾燥到足可以搬運，是水分少於其原始生坯狀態水分的5％，而最好是小於1％的陶瓷製品。
雖然已經示出和描述了本發明的實施例，應該清楚地理解，本發明不限於這些，還可以在下列權利要求範圍內多種多樣地予以實施。
應該理解，本發明已經對於某些例證性的和具體實施例進行詳細說明，應該認為本發明並不限制於這些，因為在不離開如所附權利要求定義的本發明的基本精神和範圍前提下，可做出許多變型。
權利要求
1.一種對陶瓷微波加熱的設備，它包括一個具有入口端及出口端和具有陶瓷材料流水軸線的微波加熱室，陶瓷沿該軸線進行加熱；一個引導微波功率進入微波加熱室的微波源；一個設置在靠近微波加熱室入口端的第一衰減室和一個設置在微波加熱室出口端的第二衰減室；一個具有材料流水線和位置靠近第一衰減室的入口室，其中至少部分材料流水線相對於流水軸線成一角度；一個具有第二材料流水線和位置靠近第二衰減室的出口室，其中至少部分第二流水線相對於流水軸線成一角度；一個把陶瓷製品相繼地傳送通過入口室、第一衰減室、微波加熱室、第二衰減室和出口室的傳輸系統。
2.按照權利要求1所述的設備，其特徵在於，微波源的最大功率大於約1kW但小於約75kW，而陶瓷製品所承受的微波能量頻率範圍大於約1.0GHz。
3.按照權利要求1所述的設備，其特徵在於，第一及第二衰減室包括由能夠吸收微波能量和消散微波能量的材料製成的衰減設備。
4.按照權利要求3所述的設備，其特徵在於，衰減設備包括或者水捕集器系統或者釘狀陷阱系統或者二者的組合。
5.按照權利要求4所述的設備，其特徵在於，釘狀陷阱衰減設備的位置設置在靠近微波加熱室，而水捕集器衰減設備分別靠近入口或出口室處。
6.按照權利要求1所述的設備，其特徵在於，至少入口室和出口室的部分材料流水線相對於流水軸線成一角度，角度值至少大於45°。
7.按照權利要求1所述的設備，其特徵在於，至少入口室和出口室的部分材料流水線相對於流水軸線成一角度，角度值為90°。
8.按照權利要求1所述的設備，其特徵在於，入口室和出口室的材料流水線是曲折形。
9.按照權利要求1所述的設備，其特徵在於還包括閘門機構，該機構把各入口室和出口室與相應的第一和第二衰減室隔開，以防止微波輻射排放的逃逸。
10.按照權利要求9所述的設備，其特徵在於，閘門機構包括一對用柔性銅材料製成的旋轉閘門。
11.按照權利要求1所述的設備，其特徵在於，各入口室和出口室由連續的腔室構成，這些腔室彼此靠近接並被一包括一個閘門的閘門機構隔開，該閘門能夠經過從完全地開啟至關閉的位置並由非磁性材料製成。
12.按照權利要求9所述的設備，其特徵在於，閘門用鋁製成。
13.按照權利要求1所述的設備，其特徵在於，傳輸包括傳送裝置和設置在其上的多個空氣支承成形支架，該支架把陶瓷材料支承在空氣墊上。
14.按照權利要求1所述的設備，其特徵在於，第一和第二衰減室具有材料流水線，其中至少部分材料流水線相對於微波室材料流水軸線形成一角度。
15.按照權利要求1所述的設備，其特徵在於，第一和第二衰減室具有曲折形的材料流水線。
16.一種乾燥陶瓷材料的方法，它包括；把陶瓷製品支承在空氣支承成形支架上，該支架提供空氣墊以支承陶瓷製品，使陶瓷材料相繼地通過入口室和第一衰減室；此後，使陶瓷材料進入微波加熱室，並通過一可調節的微波功率源的電磁微波輻射對陶瓷材料進行照射使陶瓷材料受到預定的熱能初始量，熱能初始量為一個足以使陶瓷製品的溫度上升到有效地乾燥陶瓷製品的溫度的微波輻射量，並在此後傳送陶瓷材料相繼地通過第二衰減室和出口室。
17.按照權利要求16所述的方法，其特徵在於，微波加熱室包括材料流水軸線和各有材料流水線的入口及出口室，至少部分材料流水線相對於材料流水軸線成一角度。
18.按照權利要求16所述的方法，其特徵在於，在微波加熱室中照射一段時間，足以使製品乾燥，由此至少除去生坯狀態水分約95％。
19.按照權利要求18所述的方法，其特徵在於，在微波加熱室中照射一段時間，足以使製品乾燥，由此至少除去生坯狀態水分約99％。
全文摘要
本發明係指一種能夠連續乾燥陶瓷製品的設備(10),該設備產生很少或沒有微波輻射排放。該乾燥設備包括一個為加熱陶瓷用的微波加熱室(12),它具有入口端(14)及出口端和一條沿之傳送陶瓷製品的材料流水軸線。在微波加熱室的入口端及出口端鄰近各自具有第一和第二衰減室,這些衰減室各自具有入口端及出口端。一個具有材料流水線的入口室被連接到第一衰減室的入口端,其中部分材料流水線相對於流水軸線形成一角度。連接到第二衰減室的出口端是一個具有材料流水線的出口室,同樣其中部分材料流水線相對於流水軸線形成一角度。
文檔編號F26B25/00GK1360674SQ00809947
公開日2002年7月24日 申請日期2000年6月16日 優先權日1999年7月7日
發明者C·R·阿拉亞, R·A·博伊哥 申請人:康寧股份有限公司