一种往复移动式高温微波加热炉
阅读说明：本技术 一种往复移动式高温微波加热炉 (Reciprocating high-temperature microwave heating furnace ) 是由 程寓 王子祥 殷增斌 于 2021-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种往复移动式高温微波加热炉。包括矩形谐振腔,波导,加热保温移动装置,电气控制系统和温度测量装置；试样批量放置在加热保温移动装置上,电气控制系统包括用于驱动加热保温移动装置往复移动的动力机构,动力机构通过PP推拉杆将动力传输给加热保温移动装置,PP推拉杆和矩形谐振腔之间设有微波抑制管；温度测量装置用于测量试样的温度,电气控制系统根据温度测量装置测量的温度控制加热保温移动装置的往复移动,使得加热试样处于不断变化的位置、不断扰动腔内电场,实现微波均匀加热。本发明的微波炉结构简单合理、安装方便,可以很好地改善试样微波加热均匀性,极大地提高了生产效率。(The invention discloses a reciprocating high-temperature microwave heating furnace. The device comprises a rectangular resonant cavity, a waveguide, a heating and heat-preserving mobile device, an electrical control system and a temperature measuring device; the electric control system comprises a power mechanism for driving the heating and heat-preserving moving device to reciprocate, the power mechanism transmits power to the heating and heat-preserving moving device through a PP push-pull rod, and a microwave suppression pipe is arranged between the PP push-pull rod and the rectangular resonant cavity; the temperature measuring device is used for measuring the temperature of the sample, and the electric control system controls the reciprocating movement of the heating and heat-preserving moving device according to the temperature measured by the temperature measuring device, so that the heating sample is in a constantly changing position and constantly disturbs an electric field in the cavity, and uniform microwave heating is realized. The microwave oven has simple and reasonable structure and convenient installation, can well improve the microwave heating uniformity of the sample, and greatly improves the production efficiency.)
技术领域
本发明属于高温微波加热领域，具体涉及一种往复移动式高温微波加热炉。
背景技术
针对陶瓷、金属化合物、非金属化合物以及有机物的高温加热有传统加热方式(如电阻式加热炉或者燃烧式加热炉)和电磁加热方式(如微波加热炉)。传统加热方式最大的缺点在于热量通过热传导由外到内正温度梯度加热，需要炉内气氛温度必须大于被加热物料预期温度，因此加热缓慢，加热过程冗长，造成极大的能源浪费。微波加热作为电磁加热方式的一种，是利用材料介质损耗产生热量使材料由内向外实现自体加热的一种高效加热方式，在物料体积合理条件下甚至可以实现内外同时加热，因此大大缩短了加热时间。研究表明微波加热炉烧结氧化锆可以在90分钟内完成烧结，而传统加热方式需要长达27小时才能完成烧结。但是，微波加热仍然存在一个致命的缺点，那就是加热的不均匀性。微波加热的不均匀性通常来源于电场分布的不均匀。一般说来，微波腔体中总会存在电场较强的区域与电场较弱的区域。当被加热物体一部分位于电场较强的区域而另一部分位于电场较弱的区域时，就会导致各个部分所产生的热量不同，最终造成加热的不均匀甚至热失控。这种不均匀性在加热多个试样或大体积试样时更加明显。正是这一缺点大大限制了微波加热技术的进一步发展与应用。因此如何提高微波加热试样温度分布均匀性已然成为国内外研究学者密切关注的问题。
针对这一问题，国内外学者开展了大量的研究工作，提出了众多的新颖的技术方案。大致可以概括为以下两个方面：其一，针对性地设计微波加热设备，旨在使谐振腔内电场分布均匀。譬如四川大学杨丰铭、朱铧丞等人设计了一种四馈口微波加热炉，采用四个微波馈口配合扫频加热方式减少了端口之间的能量相互耦合，提高了微波加热均匀性。(“一种提高加热均匀性和效率的四端口微波腔体结构设计”，杨丰铭，真空电子技术，第五期，第66-69页，2019年)；譬如通过引入多个微波源馈入并结合微波模式搅拌器，当微波馈入腔体内，模式搅拌器搅拌电场，使电场分布不断改变，从而改善微波加热均匀性(CN 201585163U)；采用数个辅助微波源配合数个变频微波源均匀布置在炉体外侧，通过变频加热方式改善加热均匀性(CN 104869679 B)。其二，引入旋转转盘或传送带等实现动态加热，旨在使物料各部分吸收的能量均匀。譬如专利(CN 102062422 A)通过在微波炉底部安装一旋转转盘，使物体可以在炉腔内旋转加热，改善了微波加热均匀性。专利(CN 204388587 U)采用小车连续送出物料的传动方式，解决了微波加热的运动加热问题，改善了微波加热均匀性。除此之外，譬如四川大学叶菁华等设计一种可移动金属壁的微波加热多模腔，在加热过程中，通过单向移动金属壁，实现了腔体内电场分布的不断改变，从而达到了提高微波加热均匀性的目的(“微波多模腔金属边界移动对加热的影响研究”，叶菁华，四川大学学报(自然科学版)，第55卷，第1期，第81-88页，2018年)。
以上的方案，如通过单向移动金属壁，实现腔内电场不断改变而提高均匀性，实现起来比较繁琐同时难度也较大。其他的一些方案比如多馈口配合扫频加热、加装模式搅拌器、旋转转盘等仅仅用于小体积试样微波均匀加热，无法实现批量试样或大体积试样微波均匀加热。
发明内容
本发明的目的在于提供一种往复移动式高温微波加热炉；该微波炉能够实现批量试样或大体积试样均匀加热，提高加热效率与加热质量。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种往复移动式高温微波加热炉，包括矩形谐振腔，设置在矩形谐振腔上的波导，加热保温移动装置，电气控制系统和温度测量装置；
待加热的试样批量放置在加热保温移动装置上，电气控制系统包括用于驱动加热保温移动装置往复移动的动力机构，动力机构通过PP推拉杆将动力传输给加热保温移动装置，PP推拉杆和矩形谐振腔之间设有微波抑制管；所述温度测量装置用于测量试样的温度，电气控制系统根据温度测量装置测量的温度控制加热保温移动装置的往复移动，使得加热试样处于不断变化的位置、不断扰动腔内电场，最终实现微波均匀加热。
进一步的，所述波导为四个矩形波导，相邻的矩形波导相互呈90°正交布置。
进一步的，所述加热保温移动装置包括从下到上依次设置的不锈钢承重板，氧化铝石棉，陶瓷保温板和基板，试样批量放置在基板上部；
不锈钢承重板的底部设有多个滚轮，矩形谐振腔内部底面设有导轨，所述加热保温移动装置通过滚轮在导轨上移动实现往复运动。
进一步的，电气控制系统包括电机，滚珠丝杠机构和轴承座；
滚珠丝杠机构安装于轴承座上，PP推拉杆通过与丝杠螺纹配合的连接杆与滚珠丝杠机构连接，通过轴承将丝杠的旋转运动转变为加热保温移动装置的直线运动，电机与滚珠丝杠机构相连，整个加热保温移动装置的运动由电机驱动。
进一步的，还包括磁控管，磁控管安装在矩形波导上，矩形波导安装在矩形谐振腔上方，磁控管用于向谐振腔内发射微波。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明提出一种往复移动式高温微波加热炉设计方案。应用数值模拟手段研究了微波谐振腔馈口数目、馈口布局及谐振腔尺寸对腔内电场的影响规律，以升温特性和温度不均匀系数表征微波加热均匀性，最终确定了谐振腔体四馈口相互呈90°正交的布局设计方式，旨在消除馈口间微波能量耦合及在谐振腔内产生均匀分布的电场。
(2)本发明可以很好地改善批量试样或大体积试样微波加热均匀性。由于微波电磁场传播特性，当微波谐振腔体确定时，腔体中总会存在电场较强的区域与电场较弱的区域。当被加热物体一部分位于电场较强的区域而另一部分位于电场较弱的区域时，就会导致各个部分所产生的热量不同，最终造成加热的不均匀甚至热失控。本发明通过设计保温移动装置，该装置包括保温部分与移动部分，保温部分采用低导热率的氧化铝石棉和陶瓷保温砖可以很好地减少热量散失；移动部分带动加热试样不断地在腔体内做往复移动使得加热试样处于不断变化的位置、不断扰动腔内电场，最终使得加热试样不同部分具有相同的损耗功率，以达到均匀加热的目的。
(3)本发明结构简单、安装方便、可以极大地提高生产效率。
附图说明
图1为本发明往复移动式高温微波加热炉整体结构示意图。
图2为本发明微波加热炉炉腔三维示意图。
图3为本发明所设计的微波炉腔侧视图。
图4为本发明所设计的保温移动装置三维示意图。
图5为批量试样静态微波加热温度分布云图。
图6为不同时刻批量试样静态微波加热电场分布云图。
图7为批量试样往复移动微波加热温度分布云图。
图8为不同时刻批量试样往复移动微波加热电场分布云图。
图9为大体积试样静态微波加热温度分布云图。
图10为大体积试样往复移动微波加热温度分布云图。
附图标记说明：
1-波导、2-矩形谐振腔、3-陶瓷保温板、4-试样、5-基板、6-氧化铝石棉、7-不锈钢承重板、8-滚轮、9-导轨、10-轴承座、11-电机、12-滚珠丝杠机构、13-PP推拉杆、14-微波抑制管、15-炉门。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1，一种往复移动式高温微波加热炉。该微波炉能够实现批量试样或大体积试样均匀加热，提高加热效率与加热质量。
该微波炉通过专门设计的多馈口多模微波谐振腔配合保温移动装置的往复移动，使得加热试样处于不断变化的位置、不断扰动腔内电场，最终实现微波均匀加热。该微波炉包括一个矩形谐振腔2、四个矩形波导1、一个保温移动装置、一个PP推拉杆13、一个微波抑制管14、一个滚珠丝杠机构12以及一个电机11。所述矩形谐振腔2上方具有四个微波输入口用来馈入微波能；所述四个矩形波导1相互呈90°正交布置在矩形谐振腔2上方；所述保温移动装置设于腔体内部，既可以实现加热试样在谐振腔内的往复移动加热，同时还可以减少加热试样的热量散失、均化试样温度；所述PP推拉杆13通过微波抑制管14一端连接保温移动装置一端连接滚珠丝杠机构12，起动力传输作用；所述微波抑制管14通过吸收微波及反射微波将进入抑制管中的微波耗散，减少电磁污染；该滚珠丝杠机构12安装于轴承上，旨在将丝杠的旋转运动转变为保温移动装置的直线运动；该电机11与滚珠丝杠机构12相连，整个保温移动装置的运动由该电机驱动。
在上述的微波炉中，该微波炉上方四矩形波导1相互呈90°正交布置，微波炉左侧面设置一微波抑制管14，该微波抑制管14用于PP推拉杆13连接腔体内外的保温移动装置与滚珠丝杠机构12。
保温移动装置其保温部分由外层的氧化铝石棉及内层的陶瓷材料共同组成，其加热试样位于基板5上。
保温移动装置其移动方式是将滚珠丝杠的旋转运动转化为直线运动，带动PP推拉杆，最终使保温移动装置上的滚轮8在导轨9上做往复移动，进而实现试样往复移动微波加热。
本发明提供的微波加热炉，包括微波炉体、保温移动装置、微波加热装置、电气控制系统、温度测量装置等。温度测量装置用于测量加热试样的温度，电气控制系统向各个设备提供电能并且统一控制各个设备的工作程序。保温移动装置可以减少加热试样的热量散失、均化试样温度，同时还可以带动整个保温部分在腔体内作往复移动，其具体的实现措施可以为：电机转动带动滚珠丝杠机构中的丝杠旋转进而带动PP推拉杆作直线移动，PP推拉杆拉动保温移动装置下方的滚轮，使滚轮可以在导轨上往复移动。微波加热装置包括微波源、磁控管、矩形波导等结构。基板设置在保温移动装置内部的保温板上表面，磁控管安装在矩形波导上，矩形波导安装在谐振腔上方，磁控管用于向炉腔内发射微波。基板和矩形波导的数量及安装位置根据谐振腔具体尺寸和形状而定，本发明不做具体限定。
在试样微波加热过程中，操作人员首先将试样按一定布局放置在基板上表面。通过电气控制系统设置移动距离与移动周期以及相关微波加热工艺参数。之后微波源提供能量释放微波，位于基板上方的试样受热升温。试样在烧结过程中保温移动装置沿着导轨做往复移动，试样不断遍历谐振腔中不同位置，其目的是使试样不同部分所获得的能量趋于相同，这样试样不断地做往复移动直到达到规定温度完成加热。
通过上述描述可知，在发明的往复移动式高温微波加热炉中，通过使试样在谐振腔内进行往复移动从而搅动腔内电场，使试样各部分获得相同的能量而实现均匀加热，相对于上述背景技术中介绍的情况，本发明提供的往复移动式高温微波加热炉可以通过让试样在腔内不断地做往复移动从而实现批量试样或大体积试样微波均匀加热。
以批量试样及大体积试样仿真云图来说明往复移动式高温微波加热炉对试样加热均匀性的改善情况。图5所示为批量试样在静止状态微波烧结温度云图。从图中可以看出位于基板中间部位的试样温度分布较为均匀，大致温度范围在1230～1300摄氏度之间，而位于基板左上角和右下角区域的试样温度相对较高，但最高也仅仅达1380℃。试样整体的温度差为150℃。图6所示为批量试样在静止状态不同时间下电场云图。从中可以看出，在电场强度较大的区域试样温度也较高，而对于静止状态，试样本身电场并没有随着时间的变化而变化，这就导致在试样电场较大的区域其温度上升较快，电场较小的区域其温度上升较慢。最终造成了该批次试样温度有较大差异，均匀性差。图7所示为往复移动式微波加热试样温度云图，从图中可以看出，位于基板中间部位的试样温度相对较低，而位于基板两侧的试样温度相对较高，但是试样整体温差仅100℃，相对于静止状态温度均匀性提高了35％。这主要是因为在往复移动过程中试样的电场一直处在不断地变化中。如图8所示，试样电场不断在高电场与低电场之间来回切换，当处于低电场区域时试样损耗功率相应降低，当处于高电场区域时试样损耗功率相应增加，这有利于试样热量能够及时从高温区向低温区传导；另外，此时的高低电场区域在下个时间段可能相互转换，最终使得试样整体具有较好的温度均匀性。同样地，如图9所示为大体积试样在静止状态微波加热温度云图。从图中可以看出试样整体的温度差为290℃。图10所示为往复移动式微波加热温度云图，从图中可以看出，试样整体温差为180℃，相对于静止加热方式温度均匀性提高了36％。由此可见，往复移动式微波加热可以一定程度的改善试样加热均匀性。
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