專利名稱：用于熱均勻材料處理的方法和系統(tǒng)的制作方法
相關(guān)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(yōu)先權(quán)，并在這里將其說明全部引入作為參考。
關(guān)于聯(lián)邦資助的研究開發(fā)的聲明N/A背景技術(shù)在材料如陶瓷的處理中，熱均勻性通常要求達到產(chǎn)品的均勻加熱并且最小化因為不均勻加熱而引起的產(chǎn)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(gòu)成。粘合劑在熱過程周期的初始階段被清除，并且在粘合劑被清除后，陶瓷或金屬粉末被燒結(jié)以提供一個整體燒結(jié)塊。燒結(jié)前的粘合劑的有效清除對于得到高質(zhì)量燒結(jié)的最終產(chǎn)品是非常重要的。

發(fā)明內(nèi)容
簡單地說，本發(fā)明提供了一種用于材料的熱處理的系統(tǒng)和方法，尤其是用于粘合劑清除和諸如LTCC和其他陶瓷材料和產(chǎn)品的燒結(jié)。本發(fā)明對于其他產(chǎn)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(jié)合起來用于粘合劑清除和燒結(jié)。優(yōu)選為，微波加熱使用可變的或多頻率微波源來實現(xiàn)。由一個或多個在爐腔中產(chǎn)生大量氣體循環(huán)的噴射器在爐腔內(nèi)提供一種氣體，來得到高度均勻的氣體環(huán)境和溫度。所述一個或多個噴射器還可以用于產(chǎn)品的強制對流冷卻。根據(jù)本發(fā)明的處理根據(jù)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(chǎn)品裝載在該分層式烘爐中用于處理并在處理后卸載。通常，為了生產(chǎn)操作，一些單獨的產(chǎn)品被裝載進烘爐內(nèi)放在產(chǎn)品保持組件上。本發(fā)明還可以在連續(xù)處理中實施，其中產(chǎn)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(jié)或者其他處理周期。
根據(jù)本發(fā)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(zhì)。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(jù)粘合劑的成分來調(diào)整，以有效地?fù)]發(fā)或融化粘合劑成分。基于要處理的特定材料上進行的測試所得到的測試數(shù)據(jù)，來調(diào)整熱源以用于生產(chǎn)操作步驟。所述的微波源和對流/輻射源可以是基于處理周期期間粘合劑成分的分析得到的數(shù)據(jù)，以閉環(huán)形式可控的。


以下將結(jié)合附圖在詳細(xì)描述中對本發(fā)明進行更充分地描述，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的烘爐系統(tǒng)的方框圖；圖2是根據(jù)本發(fā)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是用于本發(fā)明的分層式烘爐的典型的熱曲線圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明的連續(xù)作業(yè)烘爐系統(tǒng)的方框圖；圖7是用于本發(fā)明的連續(xù)作業(yè)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于保持一些要進行熱處理的材料或產(chǎn)品的烘爐10，以及與其關(guān)聯(lián)的一個氣體供應(yīng)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?？刂破?0控制氣體源、噴射器以及加熱源并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，用于處理LTCC和其他陶瓷產(chǎn)品以及燃料電池。氣體通常是氫氣和氮氣的混合物，用于處理粉末金屬。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，并通過產(chǎn)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，所述的對流氣流對于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(chǎn)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(huán)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(dǎo)之下。
采用了兩種不同類型的加熱源，一種是微波源16，其優(yōu)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并提供材料的均勻容積加熱。根據(jù)正在處理的包括正在燒結(jié)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(jù)想要的熱曲線進行調(diào)整?；蛘?，取決于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并且在加熱周期的其他或其他一些部分期間關(guān)閉。
加熱源的控制基于幾個參數(shù)，包括要處理的產(chǎn)品的質(zhì)量(mass)或厚度。微波源的電平、頻率、波形以及模式可以調(diào)整以提供產(chǎn)品的有效加熱。對流/輻射源的電平也可以調(diào)整以提供想要的加熱。一些或者所有參數(shù)都是可控的來為正在加工的產(chǎn)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(yōu)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里結(jié)合起來作為參照。微波源的頻率和電平被調(diào)整來向正在處理的材料提供微波能量的有效聯(lián)結(jié)。微波頻率可以在感興趣的頻帶上被調(diào)制或掃頻，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(nèi)的氣體的加熱，并且適用于對于正在處理的特定材料的烘爐的最大操作溫度。例如，鎳-鉻電加熱器可以用于大約1000℃的最高溫度。鉬帶加熱器可以用于大約1250℃的最高溫度。鉬硅酸鹽或碳化硅加熱器可以用于大約1600℃的溫度。對于較低的溫度，加熱還可以由從產(chǎn)品上面和/或下面的帶孔板發(fā)出的加熱的氣體來提供。
一個或多個噴射器14優(yōu)選為如美國專利5,795,146所示，該專利被轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并且其公開結(jié)合在這里作為參考。噴射器提供用于改進的溫度均勻性和控制所必需的大量氣流，并且能夠在處理周期期間提供正負(fù)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，用于容納大量要處理的材料。所述的爐包括一個環(huán)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。爐床位于一個用于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(chǎn)品在爐腔之外的一個位置。采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(dǎo)向螺桿或本領(lǐng)域已知的其他機制。多個電能輻射加熱器42沿著兩側(cè)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配置在爐腔中并且與微波源相連以向爐腔引入微波能量用于產(chǎn)品加熱。
一個或多個噴射器50布置在烘爐的每一側(cè)。通常，多個噴射器沿爐的每側(cè)排列。一側(cè)的每個噴射器通常與相對一側(cè)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(cè)到爐腔另一側(cè)的穿過爐床的循環(huán)路徑。圖2中所示的箭頭說明了烘爐操作期間循環(huán)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(cè)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(yīng)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，或者依賴于要實現(xiàn)的特定的烘爐配置和想要的循環(huán)氣流，位于爐頂?shù)膰娚淦骺梢耘c位于爐壁的噴射器相結(jié)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(huán)和均勻的氣體。
圖4中更詳細(xì)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保持在位置上并與氣體供應(yīng)源相連。噴射器的內(nèi)端終止在一個向爐腔內(nèi)噴入高速氣流的噴嘴53中。如上所述，開口52穿過爐床36配置并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(cè)的路徑。來自噴射器的高速氣流使?fàn)t腔內(nèi)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(jié)構(gòu)相對簡單并且以相對低的成本提供高速氣體循環(huán)。
噴射器以互補形式操作，使得在一個時間間隙烘爐一側(cè)的噴射器打開而另一側(cè)的噴射器關(guān)閉。對于下一個時間間隙，噴射器的操作反轉(zhuǎn)過來，使得以前關(guān)閉的噴射器打開，而以前打開的噴射器關(guān)閉。噴射器的輪換操作由于輪換的循環(huán)氣流路徑而進一步提供了爐腔內(nèi)氣體的均勻性。在關(guān)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污染物通過噴射器組件進入爐腔，噴射器并沒有完全關(guān)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(huán)的冷卻部分期間提供產(chǎn)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(chǎn)品冷卻的速度。
要處理的材料或產(chǎn)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托盤，這些托盤可以一個疊一個地堆疊起來以便相當(dāng)大量的物品可以在爐腔內(nèi)同時處理。支撐組件可以是其他形式的，如用于保持要處理的特定產(chǎn)品的適當(dāng)配置的支架。出于某些目的，將產(chǎn)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(chǎn)品變形是非常有用的。產(chǎn)品支撐物由能夠耐受烘爐操作溫度的難熔材料制成。
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后，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后，爐溫躍升至950℃的最高溫度水平64。溫度在950℃水平保持預(yù)定的時間周期，然后溫度再次降低到室溫?？梢岳斫猓囟囟人揭约斑@種水平的數(shù)目會被決定來適應(yīng)正在處理的特定材料，這樣，圖中說明的溫度和水平只是用于舉例的目的。還可以理解，每個溫度水平所保持的時間可以變化來適應(yīng)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(xiàn)在大約125℃-150℃的溫度范圍內(nèi)。隨著溫度繼續(xù)升高，在溶劑、可塑劑以及其他粘合劑成分揮發(fā)期間出現(xiàn)粘合劑清除。這種粘合劑清除的典型范圍是大約275℃-375℃。粘合劑材料清除通常留下一個大約500℃-600℃溫度時揮發(fā)的炭渣。材料的燒結(jié)出現(xiàn)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(jié)溫度是大約1550℃，如圖5中虛線所示。
在本發(fā)明的另一個方面，提供了一種用于處理陶瓷、粉末金屬以及其他材料和產(chǎn)品的連續(xù)的熱處理和系統(tǒng)。該連續(xù)系統(tǒng)如圖6中所示，包括第一烘爐部件70，第二烘爐部件72以及用于從烘爐部件70到烘爐部件72移動產(chǎn)品的互連產(chǎn)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(xù)系統(tǒng)的一種版本中，烘爐部件70和72是分離的烘爐?；蛘撸鏍t部件70和72可以是配置有傳送組件74的整體烘爐結(jié)構(gòu)的區(qū)段。材料在烘爐部件70中處理之后，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并將材料移到部件72的溫度。部件70和72的每一個都采用了一個能夠在加熱操作期間打開用于產(chǎn)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(nèi)泄漏。
烘爐部件70被用于粘合劑清除，烘爐部件72被用于材料的燒結(jié)。如上所述，加熱源可以單獨或聯(lián)合采用來用于粘合劑清除和/或用于燒結(jié)。烘爐部件70優(yōu)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(jié)材料的烘爐部件72還可以包括結(jié)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(tǒng)快速噴火燒結(jié)爐。
圖7顯示了一種用于材料的連續(xù)處理的典型的熱曲線。烘爐部件70的溫度從室溫穿過連續(xù)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℃的范圍。在最高溫度的想要的時間周期之后，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并將材料運輸進烘爐部件72。在將材料裝載進烘爐72之后，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(jié)特定材料的時間，之后溫度降低到室溫來從烘爐72移開燒結(jié)的材料。確定特定溫度水平和溫度水平的數(shù)目以及每個溫度水平所保持的時間的持續(xù)時間，以適合正在處理的特定材料或物品類型。
本發(fā)明并不局限于所特別顯示和描述的內(nèi)容。本發(fā)明可以實施在各種結(jié)構(gòu)的單獨的或多區(qū)段烘爐中以及在分層式或連續(xù)作業(yè)烘爐中。本發(fā)明還可以使用各種傳送機制來將產(chǎn)品移進和移出爐內(nèi)或者在烘爐部件或區(qū)段之間傳送產(chǎn)品?？梢岳斫?，本發(fā)明應(yīng)該包含所附權(quán)利要求的全部精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于熱處理材料的系統(tǒng)，包括具有爐腔的爐套；支撐組件，設(shè)置在所述爐腔中，用于支撐要進行熱處理的材料；微波加熱源，用于加熱所述爐腔中的材料；對流/輻射加熱源，用于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于所述爐腔中的開口，以提供所述爐腔內(nèi)的氣體循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括在所述爐腔的第一和第二側(cè)上的多個噴射器，用于在所述爐腔中提供均勻氣體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述微波加熱源包括可變頻率的微波加熱源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述微波加熱源包括多頻率微波加熱源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述支撐組件包括升降爐床，其可以在用于裝載和卸載要進行熱處理的材料的較低位置和用于將所述材料設(shè)置在所述爐腔中的較高位置之間移動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述噴射器包括管狀體，該管狀體具有與氣體供應(yīng)源連通的噴嘴，并向所述爐腔中提供高速氣體，以及用于輸送所述爐腔中的氣體以提供所述爐腔內(nèi)的大量氣體循環(huán)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中當(dāng)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(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括控制器，用于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(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述控制器控制一個或多個噴射器的氣流。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述的一個或多個噴射器用于在加熱循環(huán)期間提供所述材料的強制對流冷卻。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括多個噴射器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，包括在所述爐腔的每側(cè)的至少一個噴射器，并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(huán)以及所述材料的均勻加熱。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述爐腔包括爐床，該爐床具有多個從該爐腔一側(cè)到該爐腔另一側(cè)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(cè)的多個噴射器，該爐腔各側(cè)上的每對噴射器與穿過該爐床的相應(yīng)的開口在一條線上。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中每個所述噴射器設(shè)置在所述爐套的側(cè)壁開口中。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述對流/輻射加熱源包括一個或多個設(shè)置在所述爐腔中的電能加熱器。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述爐腔在分層式烘爐中，用于使材料裝載入其中以進行處理以及在處理后卸載。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述爐腔在連續(xù)作業(yè)烘爐中，用于使材料在處理周期期間傳過其中。
19.一種用于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(tǒng)，包括具有爐腔的烘爐；支撐組件，設(shè)置在所述爐腔中，用于支撐要進行熱處理的材料；微波加熱源，用于將微波能量引入所述爐腔以加熱設(shè)置在其中的材料；對流/輻射加熱源，在所述爐腔中，并用于加熱設(shè)置在其中的材料；一個或多個噴射器，用于在所述爐腔內(nèi)提供大量氣體循環(huán)；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，并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(jié)成一個整體塊。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述對流/輻射加熱源包括一個或多個設(shè)置在所述爐腔中的電能加熱器。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其中所述微波加熱源包括可變頻率的微波加熱源。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，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)的組合以及用于粘合劑去除和材料如陶瓷材料以及產(chǎn)品、LTCC間隔、固體氧化物燃料電池以及粉末金屬的燒結(jié)的方法。優(yōu)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(xiàn)的。烘爐(10)內(nèi)的一個或多個噴射器(14)產(chǎn)生大量氣體循環(huán)以得到高度均勻的氣體環(huán)境和溫度?？刂破?20)控制加熱周期，加熱源(16，18)以及熱曲線依賴于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(chǎn)品被裝載用于處理并在處理后卸載，或者在連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)中完成，其中產(chǎn)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(yōu)先權(quán)日2003年2月10日
發(fā)明者唐納德·A·小塞科姆, 加里·奧爾貝克 申請人:Btu國際公司