專利名稱：具有槽噴射器的熱處理系統(tǒng)的制作方法
相關申請的交叉引用本申請根據美國專利法第119(e)條的規(guī)定、要求提交于2004年9月7日的美國臨時專利申請No.60/607,681的優(yōu)先權，其公開內容在此引用作為參考。
關于聯(lián)邦資助研究或研發(fā)的聲明無。
背景技術：
在例如陶瓷等材料的處理過程中，通常要求熱均勻以實現對制品的均勻加熱，并使得由于不均勻加熱而導致的制品變形、彎曲或破裂的機率最小化。美國專利公開文獻US 2004-0173608A1(對應于美國專利申請?zhí)朜o.10/775,542，其轉讓給本申請的受讓人)中公開了這樣一種系統(tǒng)，其中通過爐腔中的一個或多個噴射器(eductor)來實現均勻的加熱，該噴射器在爐中產生高體積的氣體流通，以實現高度均勻的氣體環(huán)境和溫度。所述一個或多個噴射器可用于對制品進行強制對流冷卻。所述一個或多個噴射器優(yōu)選地如美國專利5,795,146(其同樣地轉讓給本申請的受讓人)中所描述。該噴射器提供了用于提高的溫度均勻性和控制性所需的高體積流動，且使得在處理循環(huán)中熱均勻度為大約±3.5℃。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供了一種熱處理系統(tǒng)，其采用了位于爐腔的一個或多個壁或頂表面中的槽噴射器。在本發(fā)明中，術語“槽噴射器”代表著這樣一種噴射器，其由爐腔的壁或其他表面中的任意橫截面形狀的槽所形成，且在槽的一端處具有噴嘴，用于沿槽引導高速氣體。例如，槽橫截面可以是V形、矩形或彎曲形?？蛇x地，噴射器槽可以由爐腔的相鄰壁的角部所設置，或可通過沿壁自身的一部分引導高速流(而不需要物理的槽)來設置。因為噴射器設置在爐壁自身之中或之上，不存在由于管形噴射器的放置而對爐構造造成限制。噴射器可以設置在爐腔中，在其中管形噴射器將不裝配或在操作上不可行。這樣，本發(fā)明消除了在爐中增加管或其他裝備以設置噴射器結構的需要。
本發(fā)明特別適合于分批式爐，特別是那些具有相對高的爐腔的分批式爐，其中從爐腔的頂部到底部的溫度分布容易不均勻。本發(fā)明也可應用在連續(xù)式爐中，其中制品在爐的各個爐段或爐腔之間傳送，以進行預定的處理循環(huán)。


本發(fā)明將參考附圖以及以下詳細說明進行描述，其中圖1是根據本發(fā)明的槽噴射器實施例的剖切等角視圖；圖2是圖1的槽噴射器的剖切側視圖；圖3是根據本發(fā)明的槽噴射器另一個實施例的剖切等角視圖；圖4是形成在兩個壁表面的角部處的槽噴射器的等角視圖；圖5是沿壁表面的一部分形成的噴射器的等角視圖；圖6是根據本發(fā)明的爐系統(tǒng)的方框示意圖；以及圖7是根據本發(fā)明的分批式爐腔的剖視圖。
具體實施例方式
參考附圖，圖1和2分別顯示了槽噴射器實施例的等角視圖和側視圖。具有矩形橫截面的槽10形成在爐腔的壁12中。該槽具有向下傾斜的底端14，其在槽靠下部分處提供了通向壁表面12的斜面或斜坡。該槽的靠上端位于爐腔的頂段，其中在該頂段處定位有氣體入口或噴嘴16，用于沿槽的長度向下引入高速氣體。高速氣體流將氣體從爐腔中夾帶走，以在槽底部附近提供被排出的、擴大量的氣體，且該氣體從槽流入腔內。槽的長度和橫截面尺寸可以進行設置，以使得在特定應用的爐腔中實現預定程度的氣體擴大和流通。
槽可以是任何橫截面形狀，且不限于圖1和2所示實施例的矩形結構。矩形形狀使得可以通過鋸割或切割爐腔的壁(其經常是難熔的磚材料)而相對容易地進行制造。該槽例如可以是V形。槽噴射器的可選實施例如圖3所示，其中槽11是半圓形橫截面?？蛇x地，槽可以具有除了180°之外其他角度的弧形，且可以是非圓形狀。
噴嘴或供給氣體入口可以被布置成提供任何所需形態(tài)的入流氣體流。例如，可以提供圓錐形噴口(jet)。在另一個實施例中，噴口可以是矩形，以產生成層的氣體。相關槽噴射器的橫截面形狀和氣體噴口的形狀可以相兼容地進行選擇?？梢允褂萌魏芜m用于特定應用的氣體，例如空氣、氮氣、氬氣或氫氣。
槽噴射器利用了柯恩達效應(Coanda effect)，其中高速氣體流傾向于隨從著其沿著流動的相鄰表面。高速氣體流沿著這樣一個氣體流(其起作用將氣體從腔中夾帶到氣流內)產生了低壓區(qū)，從而擴大了被移動氣體的體積。噴射器利用了入流高速氣體中的能量，以沿所需方向移動更多量的停留爐腔氣體，以有利于熱傳遞，從而使得湍流氣體接觸腔中的制品，以加強向外除氣和向制品輸送所需的化學劑。在由噴射器所設置的腔中的高體積氣體流使得在腔中的熱分布均勻，用于均勻加熱制品。與通過噴射器噴嘴引入腔內的氣體相比，槽噴射器能夠移動至少10倍、優(yōu)選是20倍的腔內氣體體積。
優(yōu)選地，槽的長度是槽橫截面最大寬度尺寸的至少10倍。短于這個長度的槽將大體上不能吸入足夠量的氣體以產生效果。
圖4顯示了通過爐腔的相連角部壁18、20所形成的噴射器的可選形式。氣體噴嘴16位于角部的頂部，且沿角部邊緣和相對壁部分引入高速的氣流。
圖5顯示了另一個實施例，其中噴嘴16位于爐腔的壁的頂部，且使得高速氣流以大體線性路徑沿壁從噴嘴進行流動。在所有前述的實施例中，高速射流使得來自腔的氣體被夾帶入高速流當中，用于放大氣體和使得放大氣體在腔中分布。
爐腔中的氣氛通常是空氣、例如氮氣或氬氣的惰性氣體、或其混合物，用于處理低溫共燒陶瓷(LTCC)和其他陶瓷制品和用于處理燃料電池。為了處理粉末金屬，氣氛通常是氫氣和氮氣的混合物。為了某些目的，氣氛可以是帶有或不帶有其他氣體的水蒸汽。如上所述，所述一個或多個槽噴射器向爐腔內引入氣體，且使得氣體放大和流通，以實現爐氣氛和溫度的所需均勻性，其中待處理的制品或材料將暴露于該爐氣氛和溫度中。通過本發(fā)明可實現大約±3.5℃的溫度均勻性。所述一個或多個噴射器可提供對產品的強迫對流冷卻。
可以確定槽噴射器的數量和它們在爐腔中的位置，以在特定腔中提供所需的氣流模式，從而在腔中產生均勻的溫度和氣體環(huán)境，用于均勻地加熱包含在其中的制品且使得制品均勻地暴露于氣體環(huán)境。噴射器可以協(xié)調一致地操作或以切換的方式操作，以提供所需的氣體流動或流通模式。例如，在爐腔一側的噴射器可以打開，而同時在爐腔相反側的噴射器可以關閉，且在重復循環(huán)操作中反之亦然。
本發(fā)明應用在各種分批式或連續(xù)式爐系統(tǒng)，以適合于待處理的特定制品或材料且適合于其他制造要求。圖6顯示了爐系統(tǒng)的示意圖。爐腔30被構造成保持一定量的、將進行熱處理的材料或制品。與爐腔相關聯(lián)的可以是一種或多種的加熱源32。氣體供應裝置34通過一個或多個噴射器36向爐腔提供氣體，從而在腔中提供適合于特定材料或制品處理的氣氛?？刂破?8控制著氣體供應裝置和加熱源的操作，且通常是微處理器或計算機。
加熱源可以采用對流加熱器、輻射加熱器或微波加熱器或其組合。微波加熱適合于脫粘和燒結的應用場合。如果使用微波加熱和非微波加熱，則非微波加熱源必須兼容，以避免在爐腔中反射或吸收有害的微波。通常，可以相同的方式使用微波加熱進行對流加熱。如果要使用輻射加熱，輻射加熱器必須在爐腔中與由微波能量所加熱的腔所分開，因為通常的輻射加熱器由碳化硅或其他吸收微波的材料制成。
加熱源32在加熱循環(huán)中由控制器38進行控制，以在整個加熱循環(huán)中提供預定的熱分布以及對材料或制品的均勻體積加熱。加熱源在處理循環(huán)中根據特定的待處理材料或制品(包括其成分和形狀或質量)進行控制。
如圖7所示的是分批式爐腔的橫截面圖，該分批式爐腔用于容納一定量的待處理材料。爐包含殼體40，其包封著圍繞爐腔44的絕熱材料42。爐底(furnace hearth)46支撐著一定量的待處理材料48。爐底可安置在未示的可移動組件上，該組件可向上移動到腔內，且可下降到這樣一個位置處(在此處爐底和容納在爐底上的制品位于爐腔之外)，用于裝載和卸載制品。使用了未示的升降機構來在上下位置之間移動爐底。該升降機構包括一個或多個導向螺桿或現有技術中公知的其他裝置。電加熱器50布置在腔的每一側，且都從保持在腔的頂段中的安裝件52上垂懸下來(圖7中僅僅顯示了一側)。端子54可連接到適當的電源上。加熱器的數量和結構可以進行改變，以適應所需的加熱需要。
槽噴射器56設置在爐的每個側壁中(在圖7中僅僅顯示了一側)。多個噴射器沿爐的每一側進行設置，其中一側上的每一個噴射器大體與相反側上的噴射器相對齊。每個噴射器從氣體源供應氣體，該氣體設置到氣體射流或噴口58(其位于槽噴射器頂端處的腔頂段中的開口中)，其中槽噴射器位于爐腔的頂段處或其附近。
一個或多個開口47從腔的一側貫穿爐底46到另一側。噴射器60設置在開口47每一端附近的側壁中。噴射器60優(yōu)選是如美國專利5,795,146(其已轉讓給本發(fā)明的受讓人，且其公開內容在此引入作為參考)所示的管式噴射器。穿過爐底設置的一個或多個開口47設置了從爐腔的一側穿過爐底到爐腔的另一側的流通路徑。噴射器60與槽噴射器56協(xié)調一致地操作，以在腔中進行氣體再流通，從而實現施加給產品的溫度和氣體暴露的預定均勻性。
如上所述，來自噴射器的高速氣流使得爐腔中的氣體被夾帶到氣流中，并使得氣流放大和流通。被夾帶氣體的體積和噴射氣體的體積之比可以高達50∶1。優(yōu)選地，為了較好的爐操作，要實現至少10∶1且優(yōu)選至少為20∶1的比。
在一個實施例中，噴射器以互補的方式操作，以使得對于一次間隔，爐腔一側的噴射器為開，而爐腔相反側的噴射器為關。對于下一次間隔，噴射器的操作相反，以使得之前關閉的噴射器開，而之前開的噴射器關閉。由于交替流通流動路徑，噴射器的交替操作使得腔中的氣氛進一步均勻。在關閉模式下，通向槽噴射器的噴嘴沒有完全關閉，而是提供較少量的氣體流動，通常是完全流動的大約5％，以冷卻氣體噴嘴，從而避免在高的操作溫度下對氣體噴嘴造成破壞以及避免空氣或氣體污染物通過噴嘴組件進入爐腔。
也可以例如在熱循環(huán)的冷卻部分中使用噴射器來對制品進行強迫對流冷卻。與熱源的控制一起，來自噴射器的氣流得到控制以實現所需的制品冷卻速度。
可以確定在爐腔中的噴射器的數量和結構，以在爐腔中實現所需的氣流模式，從而實現所需的溫度均勻性和均勻的氣體環(huán)境。如圖7所示的結構僅僅是示例性地用于分批式爐。本發(fā)明可以使用在例如具有固定爐底的其他類型分批式爐中。對于某些實施例，不必具有如圖7所示的噴射器60，因為氣流可以僅通過爐壁中的槽噴射器進行設置。
將處理的材料或制品可以保持在適當的支撐組件中。一種典型的支承件是一個具有用于各個待處理物件的多個隔室的托盤，所述托盤是可堆疊的，一個在另一個的頂部，從而相對較多的物件可以在爐腔中一次處理。支撐件可以是其他的類型，例如用于保持特定待處理制品或物件的適當構造的擱架。出于某些目的，將制品夾在上下板或其他支撐件之間、以防止制品在加熱循環(huán)中變形是有用的。制品保持件由耐熔材料制成，其能夠承受爐的操作溫度。
本發(fā)明也可應用于連續(xù)的熱處理和系統(tǒng)。在這樣一個系統(tǒng)中，制品沿爐腔(其通常具有多個區(qū)域以設置預定的加熱和冷卻循環(huán)，以適合于待處理的特定制品或材料)進行傳輸。槽噴射器可以與上述相類似的方式設置在爐腔中，以使得提供均勻的加熱和放大的氣體體積。一個或多個噴射器可以沿爐腔的長度進行設置，以沿爐腔長度推進停留在爐腔中的氣體，從而確保臟的爐氣氛被推到爐前端附近的排出區(qū)域。
本發(fā)明不限于特別顯示和描述的內容。本發(fā)明可以應用于在各種結構和單個以及多個區(qū)域爐的分批式和連續(xù)式爐中。本發(fā)明也可使用各種傳輸機構，以將制品移入和移出爐，或在爐的各個段或區(qū)域之間傳輸制品。因此，本發(fā)明包括所附權利要求書的全部范圍和主旨之內的內容。
權利要求
1.一種用于對材料進行熱處理的系統(tǒng)，其包括包括底部、頂部和一個或多個壁的爐殼體以及位于爐殼體中的爐腔；在爐腔中可隨意使用的支撐組件，其用于支撐待熱處理的材料；加熱源，其可操作用于在爐腔中加熱材料；以及至少一個槽噴射器，其設置在爐腔的壁或頂表面中，以在爐腔內提供氣體流通，所述槽噴射器與氣體供應裝置相連通。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述槽噴射器包括槽和氣體入口，其中槽設置在爐腔的壁中且從爐腔的頂部向下延伸，所述氣體入口設置在槽的頂部，以沿槽提供高速氣體，用于夾帶爐腔中的氣體，從而在爐腔內提供高體積的氣體流通。
3.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述氣體入口設置有椎形氣體噴口。
4.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述氣體入口提供了成層的氣體。
5.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述槽的長度是槽橫截面最大尺寸的至少10倍。
6.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述槽的橫截面結構是正方形、矩形、圓形、曲線形、直邊形或V形。
7.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述槽包括位于爐腔的兩個壁之間的角部。
8.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中還包括多個槽噴射器。
9.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中還包括位于爐腔第一側和第二側上的多個槽噴射器，用于在爐腔內提供均勻的氣體氛圍。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其中還包括爐底，多個開口從爐腔的一側貫穿所述爐底到爐腔的另一側，并且，位于爐腔第一側和第二側上的所述多個槽噴射器成對地布置，其中每對的槽噴射器在爐腔的相應側上與穿過爐底的相應開口相對齊。
11.如權利要求10所述的系統(tǒng)，其中還包括多個管形噴射器，其中每個管形噴射器設置在爐殼體的相應側壁開口中，且面對穿過爐底的相應開口。
12.如權利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述管形噴射器每個都包括管形主體，其具有與氣體供應裝置相連通的噴嘴，且向爐腔內提供高速氣體，并被設置成夾帶爐腔中的氣體，以在爐腔內提供高體積氣體流通。
13.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中還包括控制器，其可操作來控制通向噴射器的氣體供應裝置。
14.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中還包括控制器，其可操作來控制加熱源，以在加熱循環(huán)中提供預定的熱分布。
15.如權利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述控制器可操作來控制槽噴射器的氣體流動。
16.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述槽噴射器可操作以在熱循環(huán)的一部分中對材料進行強迫對流冷卻。
17.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中包括位于爐腔每一側上的至少一個槽噴射器，其以交替的方式操作以在爐腔內提供均勻的氣體流通以及對材料進行均勻加熱。
18.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述加熱源包括一個或多個設置在爐腔中的電供能加熱器。
19.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述加熱源包括一個或多個設置在爐腔中的微波加熱器。
20.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述爐腔位于分批式爐中，其可操作使得材料在其中進行裝載用于處理，以及在處理之后進行卸載。
21.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述爐腔位于連續(xù)式爐中，其可操作使得材料在處理循環(huán)中穿過其中進行輸送。
22.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述支撐組件包括升降式爐底，其可在用于裝載和卸載待熱處理材料的靠下位置和用于在爐腔中放置材料的靠上位置之間移動。
23.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述槽噴射器包括爐腔的壁的一部分以及氣體噴嘴，其中所述爐腔的壁的一部分從爐腔頂向下延伸，所述氣體噴嘴設置在爐腔頂中的壁的所述部分的頂部處，以沿壁的所述部分提供高速氣體，用于夾帶爐腔中的氣體，從而在爐腔內提供高體積的氣體流通。
全文摘要
在對材料進行熱處理的系統(tǒng)中，至少一個槽噴射器設置在爐腔的壁或頂表面中，用于在爐腔內提供氣體流通。
文檔編號F27B5/16GK101095026SQ200580037998
公開日2007年12月26日 申請日期2005年9月1日 優(yōu)先權日2004年9月7日
發(fā)明者加里·奧爾貝克, 唐納德·A.·小塞科姆 申請人:Btu國際公司