專利名稱：陶瓷的微波干燥方法
本申請要求1999年7月7日提交的，發(fā)明人為Carlos R.Araya的美國臨時申請?zhí)?0/142，610題為“Method for Microwave Drying of Ceramics”申請的優(yōu)先權.
背景技術：
1.發(fā)明領域本發(fā)明涉及制造陶瓷材料的方法。尤其，本發(fā)明涉及微波加熱并干燥陶瓷的方法，具體而言涉及可變并有效控制功率和加熱/干燥速率的方法。
2.相關技術的描述傳統(tǒng)的加熱或干燥通常包括對流或?qū)α骱洼椛浣M合氣體或電阻加熱，這通常用在陶瓷材料的制造中。然而，與這些傳統(tǒng)加熱方法關聯(lián)的緩慢的加熱速率和較差的溫度控制導致了較高的能量消耗和不穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。此外，由于這兩種加熱模式只施加在表面，并依賴于陶瓷體的熱傳導使表面溫度影響陶瓷片的中心，所以利用這兩種加熱模式通常會導致陶瓷體中的熱值差。
微波輻射的工業(yè)加熱已成功地用于加速傳統(tǒng)陶瓷的干燥。與對流加熱相比，在實質(zhì)吸收處微波加熱提供了較高的速率，具有較好的溫度控制，因此導致較低的能量消耗和潛在的較佳質(zhì)量的產(chǎn)品。此外，利用微波能量能將均勻施加的能量傳送到陶瓷制品中，而非像上述對流和輻射模式加熱的情況那樣施加在制品表面。最后，由于通過微波能量和陶瓷體的交互作用直接加熱陶瓷體，所以微波加熱比傳統(tǒng)干燥快得多。
雖然微波加熱比諸如對流和輻射加熱的傳統(tǒng)模式更快并更有效，但是標準微波加熱通常包括用恒定功率的定點控制微波能量，以確定陶瓷體遭受的微波量。通常，該功率輸出被設置在某些值，以確保反射功率從不超出制造規(guī)格；也就是假設恒定負荷和材料介電特征的功率輸出。使用該傳統(tǒng)方法控制微波加熱的不理想結果是不能補償微波中材料質(zhì)量的任何變化(負荷)，或負荷介電特征的變化，或形狀或密度的變化(也就是變化高度和長度)。因此，由于加熱過程中不同時刻的功率輸入遠低于陶瓷負荷所能運用的，所以微波加熱效率很低。該低效率迫使當前的干燥過程要適應干燥設備的容量；也就是增加了待干燥制品的滯留/干燥時間，因此限制了待干燥材料的吞吐量，并且在很多情況下在被處理的材料中產(chǎn)生缺陷?？傊糜谠诖蠓秶姆瓷涔β手泄ぷ?，致使傳統(tǒng)的微波干燥控制迫使設備在低效或縮短磁控管壽命的功率電平下使用。
PCT申請WO93/12629中揭示了在陶瓷材料的加熱中防止熱逸散并提高微波效率的方法。其中提供的裝置包括微波諧振腔、用于產(chǎn)生微波的磁控管和連續(xù)控制磁控管功率的裝置，其中裝置包括溫度控制系統(tǒng)，特別是光纖高溫測定系統(tǒng)和固態(tài)控制電路。該“控制微波功率的裝置”響應陶瓷品溫度設定值和陶瓷品溫度測量值之間的任何差值，以控制磁控管的功率。雖然該裝置能夠響應溫度參數(shù)提供微波能量的可變功率源，因此控制陶瓷的溫度以防止熱逸散，但它仍然不夠完善。特別是使用利用光纖高溫測定法的溫度控制系統(tǒng)只測量陶瓷的外表面溫度，而不能測量陶瓷中心的溫度。同樣地，在陶瓷片的表面和中心之間產(chǎn)生了較高的溫度差，最終在產(chǎn)品中產(chǎn)生會導致不均勻干燥和潛在缺陷的應力，該缺陷如破裂、起泡和/或裂隙。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供高效且有效微波加熱陶瓷的裝置和方法，它能克服對流和輻射加熱以及傳統(tǒng)微波加熱的缺點。
本發(fā)明一方面提供陶瓷微波加熱的裝置，它包括可調(diào)功率微波源用于將微波功率導入連續(xù)吞吐量的微波諧振腔。該裝置還包括微波功率控制系統(tǒng)，用于可變地控制傳送到微波諧振腔中的功率。該系統(tǒng)的第一部分包括反射功率檢測器，用于檢測諧振腔中陶瓷材料反射的微波功率。該反射功率檢測器測量來自諧振腔的反射功率值，并將反射功率輸出值與預置反射輸出值比較，以產(chǎn)生表示測量出的與設置的反射值之間差值的輸出信號。該系統(tǒng)的第二部分包括微波控制器，它接收來自反射功率檢測器控制器的輸出信號，并調(diào)節(jié)可調(diào)微波的功率，致使反射功率輸出信號保持在或接近于預置輸出信號值。
本發(fā)明的另一方面涉及干燥陶瓷材料的方法，該方法包括將陶瓷材料放置在具有連續(xù)吞吐量微波諧振腔的微波加熱裝置中，并通過用來自可調(diào)微波功率源的電磁微波輻射照射陶瓷材料使它遭受預定初始量的熱能。該方法還包括連續(xù)測量微波諧振腔中陶瓷材料的反射功率輸出信號，和連續(xù)控制陶瓷材料遭受的微波輻射量，使得產(chǎn)生的反射功率輸出信號保持在預置的反射功率值。


圖1是說明本發(fā)明一個實施例的裝置的框圖；圖2是說明這里所述本發(fā)明干燥方法的流程圖。
本發(fā)明的詳細描述參考圖1，它顯示了根據(jù)這里所述本發(fā)明的加熱裝置。該裝置包括可調(diào)微波產(chǎn)生器或微波源11，它直接或間接耦合到諧振腔諧振器或微波加熱室22，以及用于連續(xù)控制和調(diào)節(jié)微波功率的微波功率控制系統(tǒng)33。該控制系統(tǒng)33包括反射功率檢測器44、和具有固態(tài)控制電路的微波功率控制器55。構造諧振腔諧振器22，使得大量陶瓷66在加熱和干燥時能夠連續(xù)通過諧振器的內(nèi)部；也就是連續(xù)吞吐量微波諧振腔。
在較佳實施例中，諧振腔諧振器或加熱室是多模式的，即它支持給定頻率范圍中的多種諧振模式，并且在更佳的實施例中，加熱室包括模式攪拌器以提供微波加熱室中電場分布的更好均勻性。此外，上述諧振腔諧振器或微波加熱室和功率控制系統(tǒng)最好是全部干燥裝置的一部分，就像共同待批、共同轉讓的99/7/7提交的美國專利申請序號60/142,609的申請中更詳細描述的。
在上述結構裝置的操作中，微波功率進入諧振腔諧振器22，以加熱通過諧振腔諧振器22的大量陶瓷66。陶瓷的加熱/干燥改變了諧振腔諧振器中陶瓷的介電特性。通常，當如堇青石和/或多鋁紅柱石等等的特種陶瓷被加熱時，它們的特殊介電常數(shù)和介電損失率會提高。尤其，在干燥陶瓷體時，它們損失水分并增加溫度。此外，當陶瓷制品進入或離開諧振器時，諧振腔諧振器中陶瓷材料的總質(zhì)量(也就是密度)也變化(增加和減小)。這兩個因素一同引起了諧振腔諧振器中陶瓷堆特定介電常數(shù)的變化。諧振腔諧振器中陶瓷介電特征變化的直接結果是被吸收的微波功率量的變化，因此諧振腔產(chǎn)生器中陶瓷堆發(fā)出的反射功率變化。該變化的直接結果是使被傳送到諧振腔中的微波功率也可能相應變化。換句話說，反射功率信號變成連續(xù)變化負荷的全部密度、介電常數(shù)和損失率狀態(tài)的有效標志。
因此，構成本發(fā)明第一方面的裝置還包括上述微波功率控制系統(tǒng)33，該系統(tǒng)包括反射功率檢測器44和微波功率控制器55。當微波功率進入諧振腔22用于加熱陶瓷材料66時，測量諧振器中加熱陶瓷的狀態(tài)，特別是反射功率檢測器33檢測反射微波的量。反射功率值饋送給組合入反射功率檢測器或與反射功率檢測器通信的計算機，該計算機將測量反射功率值和預置反射功率值比較，如果計算出測量反射功率信號和預置反射功率值之間的差，就產(chǎn)生輸出控制信號。尤其，反射功率檢測器包括定向耦合器，它用于檢測通過耦合到諧振腔的波導的反射功率信號。定向耦合器發(fā)射0-1ma信號到換能器，換能器將信號轉換成4-20ma，用于可編程邏輯控制器或計算機的處理。
微波控制器55中的電子電路包括多個固態(tài)裝置中的一個，該電子電路完成對傳送到微波諧振腔中微波能量的期望功率控制。在一個實施例中，微波控制器55中的固態(tài)裝置是SCR控制電路(未圖示)，它能夠控制施加于磁控管的電壓。如果由于測量值和預置值之差存在輸出控制信號，那輸出控制信號被傳送到微波控制器的SCR控制。SCR控制電路根據(jù)來自反射器檢測器44的信號調(diào)節(jié)可調(diào)微波源11的電壓。由于可調(diào)微波功率源11或磁控管輻射的能量被間接轉換成諧振腔11中陶瓷堆的反射功率，所以磁控管產(chǎn)生的能量變化引起了諧振腔22中陶瓷堆66產(chǎn)生的反射功率的即時變化。因此通過改變施加于磁控管的電壓，磁控管有效地提供了微波能量的可變功率源，致使在任何特定時刻諧振腔中陶瓷堆的反射功率都保持預置的反射微波功率值。
在較佳實施例中，將反射功率信號值與包括上下預置值的預置反射輸出信號比較。在該實施例中，微波功率控制器調(diào)節(jié)微波功率，致使反射功率輸出信號保持在包括上下預置輸出信號值的范圍之間。在另一實施例中，反射值的預置值或范圍應該為裝置中電子管/磁控管總功率輸出的大約10％的值；這是微波制造者規(guī)定的典型/標準的安全值。在標準的微波/磁控管中，該預置值/范圍應該在1.5到2.5kW之間。
用于產(chǎn)生微波的微波源可以包括任何帶有可調(diào)功率特征的傳統(tǒng)磁控管。較佳的是，所用入射微波的頻率可以大于大約1GHz，更佳的是所用頻率在1GHz到2.45GHz之間，這是美國指定的工業(yè)頻帶。在其它國家，可以使用100到10,000MHz的其它波長。此外入射微波的功率要求不大于足以使如上所述將陶瓷制品的溫度升高到能有效干燥陶瓷制品的溫度的功率。尤其，微波功率源應該保持1到75kW范圍內(nèi)的可變功率電平。這種類型的磁控管可以在陶瓷體中產(chǎn)生實質(zhì)的熱量，用于將溫度快速升高到干燥水平，例如在不超過1到10分鐘內(nèi)升高到大于大約150℃。
圖2是說明干燥陶瓷材料方法的流程圖。首先，該方法包括通過用來自可調(diào)微波功率源的電磁微波輻射照射陶瓷材料，使陶瓷材料遭受預定初始量的熱能。陶瓷遭受的熱能初始量應該是微波輻射量，足以使陶瓷制品的溫度在合理的時間內(nèi)升高到能有效干燥陶瓷制品的溫度。當加熱陶瓷體時，該方法包括連續(xù)測量陶瓷材料的反射功率輸出信號，并連續(xù)控制微波輻射量，所用反射功率輸出信號保持在預置反射功率值。持續(xù)該方法，直到最后進入諧振腔的陶瓷體穿過干燥器并被干燥。
在本領域熟練的技術人員的知識面內(nèi)，微波輻射量必須在合理的時間內(nèi)干燥制品；也就是對于每個陶瓷體都是合理的干燥循環(huán)。在建立干燥過程的參數(shù)中應該考慮到的因素包括陶瓷成分、陶瓷體形狀、干燥器容量，以足以完成合理的干燥循環(huán)。例如，柱形薄壁陶瓷體長7英寸、直徑為3.866英寸、其中單元井厚度為2.0mil，每平方英寸上有900個單元井，該陶瓷體的干燥循環(huán)包括使陶瓷體遭受微波輻射，傳送的微波輻射的初始功率為50kW，功率范圍在35到60kW，頻率為915MHz，其周期不超過5分鐘。
這里所述的方法尤其適用于干燥薄壁陶瓷體。這里所用的干燥是指陶瓷體中的液體含量減少到期望值，較佳的是，干燥過程的執(zhí)行能夠處理陶瓷制品而不引起任何破壞或不能接受的變形。例如，對于薄壁柱形陶瓷體類型的陶瓷制品，以實質(zhì)干燥為處理目的，干燥的制品為初始生態(tài)水含量小于5％的陶瓷制品，較佳的小于1％。
雖然顯示并描述了本發(fā)明的較佳實施例，但應該清楚地理解本發(fā)明不限于此，在以下權利要求的范圍內(nèi)還可以進行各種實施。
應該理解雖然相對于某些說明和特定的實施例詳細描述了本發(fā)明，但是不能認為只限于此，因為各種變化可能不脫離以下權利要求中所確定本發(fā)明的較寬精神和范圍。
權利要求
1.一種陶瓷微波加熱裝置，其特征在于，它包括微波諧振腔，陶瓷位于其中并在其中加熱；可調(diào)功率微波源，用于將微波功率導入微波諧振腔；微波功率控制系統(tǒng)，它包括(1)反射功率檢測器，用于檢測諧振腔反射的微波功率，并將測量到的反射微波功率值和預置反射微波功率輸出值比較，以產(chǎn)生表示測量到的反射功率值和預置反射微波功率值之差的輸出信號；和(2)微波功率控制器，它接收來自反射功率檢測器的輸出信號，并調(diào)節(jié)微波功率，致使反射功率輸出信號保持在預置反射微波功率值。
2.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，反射功率檢測器將測量反射微波功率值和預置反射微波功率值比較，其中預置值包括上下預置值，并且微波功率控制器調(diào)節(jié)微波功率，致使反射功率輸出保持在上下預置反射微波功率值之間。
3.如權利要求1所述的裝置，其特征在于，微波諧振腔是連續(xù)吞吐量諧振腔。
4.一種干燥陶瓷材料的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟將陶瓷材料放入具有微波諧振腔的微波加熱裝置中，并通過用來自可調(diào)微波功率源的電磁微波輻射照射陶瓷材料使它遭受預定初始量的熱能，熱能的初始量是足以使陶瓷制品的溫度升高到能有效干燥陶瓷制品的溫度的微波輻射量；連續(xù)測量陶瓷材料的反射微波功率值，并連續(xù)控制微波輻射量，致使測量到的反射微波功率值保持在預置的反射微波功率值。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，反射功率輸出值保持在上下預置反射微波功率值的范圍內(nèi)。
6.如權利要求4所述的方法，其特征在于，微波是連續(xù)生產(chǎn)能力的微波。
7.如權利要求4所述的方法，其特征在于，預置的反射微波功率輸出值是可調(diào)微波功率源的總最大功率輸出的大約10％。
8.如權利要求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時間，以此除去其中至少大約95％的生態(tài)水。
9.如權利要求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時間，以此除去其中至少大約99％的生態(tài)水。
10.如權利要求1所述的方法，其特征在于，可調(diào)功率微波源的最大功率大于大約1kW，但小于大約75kW。
11.如權利要求1所述的方法，其特征在于，陶瓷制品所遭受微波能量的頻率大于大約1.0GHz。
12.如權利要求1所述的方法，其特征在于，陶瓷制品所遭受微波能量的頻率為大約2.45GHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及微波加熱陶瓷的裝置和方法,使得可調(diào)功率微波源(11)將微波功率導入連續(xù)吞吐量的微波諧振腔(22)。該裝置還包括微波功率控制系統(tǒng)(55),用于可變地控制傳送到微波諧振腔中的功率。反射功率檢測器測量來自諧振腔的反射功率值,并將反射功率輸出值和預置反射輸出值比較,以產(chǎn)生表示測量和設定反射值之差的輸出信號。該系統(tǒng)的第二部分包括微波控制器,它接收來自反射功率檢測器控制器的輸出信號,并調(diào)節(jié)可調(diào)微波的功率,致使反射功率輸出信號保持在或接近于預置輸出信號值。
文檔編號F27D99/00GK1360811SQ00809980
公開日2002年7月24日 申請日期2000年6月2日 優(yōu)先權日1999年7月7日
發(fā)明者C·R·阿拉亞 申請人:康寧股份有限公司