CN101731022B - 微波炉 - Google Patents

Abstract

本发明可以提供一种用于熔化物质的系统。该系统可以包括微波发生器、至少一个波导、熔化组件以及至少一个绝热体。所述至少一个波导可以将所述微波发生器连接到至少一个功率传递部件。该至少一个波导可以被配置为将微波能量从所述微波发生器传递到耐火材料组件。所述熔化组件可以包括所述耐火材料组件和连接到所述耐火材料组件的所述至少一个功率传递部件。所述耐火材料组件可以包括至少一个被配置为将从所述至少一个功率传递部件接收到的微波能量转换为热能的吸收部件。所述至少一个绝热体可以被配置为允许微波穿透到所述至少一个吸收部件。

Description

微波炉

相关申请

此申请是作为一项PCT国际专利申请于2008年4月25日提交的，对于除美国以外的所有指定国，美国公司SOUTHWIRE COMPANY为申请人，对于指定美国的目的，美国公民Victor F.RUNDQUIST、美国公民William J.GREGORY和美国公民Kevin S.GILL为申请人，本申请要求2007年4月26日提交的美国临时专利申请No.60/926,299和2008年2月28日提交的美国临时专利申请No.61/032,177的优先权。

版权

这份材料里的所有权利，包括版权，均归属于申请人，是申请人的财产。申请人保留包含于此材料中的所有权利，仅许可与授权专利的再现相关的材料复制，而不许可其它目的的材料复制。

背景技术

金属的熔化是在熔炉内进行的。新料(纯净原材料)、外部废料、内部废料和合金元素用来填装熔炉。纯净原材料是指用于形成特定合金的商业上纯净的形式的原生金属。合金元素或是一种纯净形式的合金元素，如电解镍，或是有限组分的合金，如铁合金或母合金。外部废料是由其他成形工艺如冲压、锻造或机器切削所产生的材料。内部废料包括浇口(浇道)废料、冒口废料或有缺陷的铸件。

熔炉是衬有耐火材料的容器，里面装有要被熔化的上述材料并且提供能量将材料熔化。现代熔炉类型包括电弧炉(EAF，electric arc furnaces)、感应炉、冲天炉、反射炉和坩埚炉。熔炉的选择取决于上述合金系以及要生产的数量。熔炉的设计是一个复杂的过程，设计可以基于多种因素优化。

发明内容

本概要说明是为了以一种简明的形式介绍一些精选的设计构思，这些构思会在接下来的具体实施方案中进一步说明。本概要说明不是要确定所要求保护的主题的关键特征或实质性特征。本概要说明也不是要用来限制所请求保护的主题的范围。

可以提供一种用于熔化物质的系统。该系统可包括微波发生器、至少一个波导、熔化组件以及至少一个绝热体。上述至少一个波导可把上述微波发生器连接到至少一个功率传递部件。上述至少一个波导可被配置为把来自上述微波发生器的微波能量传递到耐火材料组件。上述熔化组件可包括上述耐火材料组件和连接到该耐火材料组件的上述至少一个功率传递部件。上述耐火材料组件可包括至少一个被配置为把从上述至少一个功率传递部件接收的微波能量转换成热能的吸收部件。上述至少一个绝热体可被配置为允许上述微波穿透到上述至少一个吸收部件。

上述的一般性说明以及接下来的具体实施方式部分都提供了实例，且只是说明性的。因此，上述的一般性说明以及接下来的具体实施方式部分不应被视为限制性的。此外，除了在这里所描述的之外，还可以提供其他特征和变化。例如，可针对在具体实施方式部分中说明的各种特征组合和亚组合提出各种实施方式。

附图说明

合并到本申请并构成本专利申请的一部分的附图图示了本发明的各种实施例。在附图中：

图1示出了微波炉；

图2示出了耐火材料组件；

图3示出了熔化组件；

图4示出了功率传递部件；

图5示出了吸收部件的实例；

图6示出了对吸收部件的能量吸收模拟；

图7示出了当微波进入熔化组件时微波的聚焦模式；

图8示出了用于熟化微波炉的温度结果的曲线；以及

图9示出了耐火材料组件。

具体实施方式

接下来结合附图描述具体实施方式。只要有可能，在附图和下面的说明中都用相同的参考数字指相同或类似的要素。尽管描述了本发明的实施方式，但修改、适应或其他的实施方式也是可能的。例如，对附图中示出的要素，可进行替换、添加或修改，这里所描述的方法也可通过对所公开的方法的步骤进行替换、重新排序或添加来进行修改。因此，接下来的具体实施方式部分不限制本发明。

在此可提供一种微波炉。根据本发明的实施方式，与传统的熔炉相比，微波炉可更有效地熔化金属且产生更低的辐射。根据本发明的实施方式，可以用微波能量在耐火材料壁内部产生热量。该热量可被传递到待熔化的物质(例如金属)。前述的物质可包括任何物质而不限于金属。方法可以是连续的，并且不会泄漏数量足以致害的微波能量。

而且，本发明的实施方式可在线(in-line)交联聚合物。交联聚合物的工艺可包括加热该聚合物以引起交联反应。微波能量可被施加于上述聚合物使其发热，从而发生反应。对聚合物的热输入可迅速地进行。

通过使用适当的材料和特定的几何形态，上述熔炉的耐火材料壁可吸收接近最大值的能量。可使用绝热材料作为单向能量装置。该绝缘材料可允许微波能量自由流动，而同时不允许热能例如在与上述微波能量流相反的方向逃逸。

本发明的实施方式可提供一种用电能来熔化物质的方法。该方法可避免一些或所有与传统的熔化方式相关的问题。而且，根据本发明的实施方式的方法可更清洁，在熔化过程中可产生更少的废渣或熔渣，并且熔化的物质的温度容易控制。而且，本发明的实施方式可避免传统的感应炉所存在的问题，因为本发明的实施方式不需用已熔化的物质来启动。传统的感应炉在更多的金属能被熔化前必须用已熔化的金属来启动。对照而言，本发明的实施方式可以用固体物质或甚至在没有物质的情况下启动加热。

而且，本发明的实施方式可以模件化。尽管本发明的实施方式在较大的熔炉内可以包括一个模件，为了增加尺寸，这些模件可以堆叠起来，例如一个摞在另一个上面并且首尾相连。可修改耐火材料的设计以允许上述物质在模件之间流动。另外，本发明的实施方式可允许“区域”加热。例如，通过使下面的模件比上面的模件保持更热，可通过对流在熔化的物质里产生搅拌作用。

而且，本发明的实施方式可避免在熔炉表面进行液体冷却的需要。例如，在上述熔炉附近的任何部件都不需要液体冷却。这可减少当水遇到熔化的物质时产生爆炸的可能性。而且，本发明的实施方式可至少和传统感应炉的熔化效率一样高。另外，例如，本发明的实施方式在熔化铝时比传统的感应炉效率更高，因为铝的熔点低。

当使用铝时，本发明的实施方式在金属熔化温度和上述熔炉壁之间可形成更大的差异。例如，这方面对熔炉把能量传递到金属的性能可能很重要。根据本发明的实施方式，上述熔炉可设计成把微波导引到恰当的材料(例如吸收部件)中来产生热。用于吸收微波的上述吸收部件的效率高的形状可包括，例如，薄边朝着进入的微波的楔形。该楔形可由一种对微波能量吸收很好的材料制成。好的吸收体可包括以最低的能量损失把微波能量转换成热能的材料。

上述用于吸收微波的吸收部件可由一种吸收材料制成，例如碳化硅。该材料可从微波的磁场和电场分量吸收能量。上述碳化硅吸收部件的楔形形状可把来自上述微波的能量聚焦到上述吸收部件内部的特定点。上述材料的电特性连同几何形态可实现高效的微波能量吸收。

上述吸收部件可被绝缘部件隔绝。该绝缘部件可由一种对微波透明的绝热材料制成。该绝缘材料可以是一种好的热和电的绝缘体，并可以是均一的材料。例如，熔凝石英可用来制作上述绝缘部件，因为熔凝石英：i)有优良的电特性；ii)有与空气的损耗系数类似的损耗系数，这使得它对微波是透明的；以及iii)有优良的绝热特性。而且，熔凝石英也可经受熔化金属所需的温度。

本发明的实施方式也可使用微波发生器，其例如包括电源和产生微波的大功率磁控管。然后用各种部件包括波导将微波导引到熔炉。本发明的实施方式可提供从波导到熔炉的过渡，不会将微波从熔凝石英反射开，也不会使微波返回微波发生器。这种过渡有助于从波导到熔炉的能量传递，同时将微波能量聚焦以便在吸收前获得所需的形状。

图1示出了根据本发明的实施方式的微波炉100。微波炉100可包括耐火材料组件105、微波发生器110、波导115以及功率传递部件120。耐火材料组件105和功率传递部件120可包括根据本发明的实施方式的熔化组件。

图2更详细地示出了耐火材料组件105。上述碳化硅部件(例如吸收部件)可铸成一个完整的部件以避免泄漏的可能性。上述熔凝石英形状(例如绝缘部件)可如所示那样仍是单独的砖。耐火材料组件105可如图3所示放入上述熔化组件。如图3所示，功率传递部件120可放置在两侧。功率传递部件120可实现从波导115到耐火材料组件105的传递。耐火材料组件105可包括在顶部的冷金属添加窗口以及在前部的热金属倾泻出口。两者都可设计成允许金属进入和离开熔炉100，同时阻止微波能量的漏出。图4更详细地示出了功率传递部件120。图5示出了上述吸收部件的实例(例如楔形的碳化硅)。

图6示出了上述吸收部件的能量吸收模拟。图6图示出上述碳化硅楔形砖和上述功率传递组件的聚焦效果。模拟了该楔形且证实了该聚焦效果。图7示出了当上述微波进入上述熔化组件时，微波的聚焦模式。

例如，图8示出了用于熟化(curing)微波炉100的温度结果曲线。测试数据可包括如下数据：

将熔炉加热到熔化温度的时间

总体熔化效率，被定义为

E_Cu＝熔化一定量的铜的理论能量

E_Gen＝由微波发生器消耗的能量

微波熔化铜的效率，被定义为

E_Wg＝提供给熔炉的微波能量

在图8所示出的测试中，熔炉达到了熟化(硬化)耐火材料火泥的温度。上述熔炉，超出了铜的熔点。初步的分析揭示了如下数据：

T₁＝把铜放入熔炉的时间。

T₂＝铜熔化的时间。

ΔT＝熔化铜所需的总时间，用秒表示。

平均瓦数×ΔT＝J₁＝所用能量的焦耳数。

J_c＝熔化x磅铜所需的能量数。

在图8所示出的测试中，用上述公式和45磅铜，上述熔化装置的效率按照到达熔化铜的微波能量为大约百分之六十，按照到达熔化铜的电能大约为百分之四十八。

图9示出了耐火材料组件105的其他实施方式。如图9所示，耐火材料组件105可包括坩埚905、绝缘部件910、出口915、吸收部件920、板925以及间隙930。如图9所示，可从功率传递部件接收微波能量。吸收部件920可包括碳化硅，绝缘部件910可包括熔凝石英，间隙930可包括密封空气隙。绝缘部件910可被配置为隔绝热使其不进入坩埚905。

板925可包括可布置在组件105中的二氧化硅和氧化铝纤维板，以便提供最少量的材料给微波，但仍然提供足够的热绝缘。板925可放置在组件105里最高电磁能量密度区域之外。在部分板930之间的间隙可促进能量自板925上转移。尽管没有任何材料对微波而言是完全透明的，但任何可能在上述材料中出现的损耗必须在某处散逸。例如，离吸收部件920最远的板925可把任何损耗辐射到功率传递部件120和包含耐火材料组件105的炉壳(炉身)中。连接到坩埚905的板925可把板的能量传导到坩埚905中。板925可只包括板，或者是纤维覆盖层和板的组合物。板925也可被配置为建立针对熔化的金属的凝固面。

碳化硅部件(例如吸收组件)可铸成一个完整的部件以避免可能出现的泄漏。熔凝石英部件(例如绝缘部件910)可仍是独立的砖。如上结合图3所述，耐火材料组件105可放进上述熔化组件。如图3所示，功率传递部件120可置于组件105的侧面。功率传递部件120可提供自波导115到耐火材料组件105的传递。耐火材料组件105可包括在顶部的冷金属添加窗口以及在前部的热金属出口(例如出口915)。两者可设计为允许金属进入和离开熔炉100，同时阻止微波能量漏出。

根据本发明的实施方式，微波炉100可用于执行连续的熔化过程。例如，来自微波发生器110的微波可通过波导115输送到功率传递部件120。如上所述，该微波可被转化成热，坩埚905中的金属可被所述热熔化。耐火材料组件105可包括在顶部的冷金属添加窗口以及在前部的热金属出口(例如出口915)。因此，上述连续熔化过程可允许金属进入(例如通过冷金属添加窗口)和离开(例如通过出口915)微波炉100，同时阻止微波能量的漏出。功率传递部件120可被配置为在波导115和耐火材料组件105之间匹配阻抗，以便使从波导115到耐火材料组件105的能量传递最大。上述连续熔化过程可由运行程序模块的计算机来控制。除了别的方面以外，该程序模块可监测和/或控制上述由微波发生器110产生的微波以及进入和离开微波炉100金属的数量。

一般而言，根据本发明的实施方式，程序模块可包括例程、程序、组件、数据结构，以及可执行特定任务或可执行特定抽象数据类型的其他类型的结构。而且，本发明的实施方式可与其他计算机系统配置一起使用。这些配置包括手持设备、多处理器系统、基于微处理器的或可编程的消费电子产品、小型机以及大型机等。本发明的实施方式也可在分布式计算环境中实施，在分布式计算环境中，由通过通信网络连接起来的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可位于本地和远程存储设备中。

另外，本发明的实施方式可在包括分立电子器件的电路、包含逻辑门的封装或集成电子芯片、使用微处理器的电路中，或在包含电子元件或微处理器的单个芯片上实施。本发明的实施方式也可用其他能执行逻辑操作例如AND(与)、OR(或)和NOT(非)操作的技术实现，包括但不限于机械、光学、流体以及量子技术。另外，本发明的实施方式可在通用计算机或在任何其他电路或系统中实施。

本发明的实施方式例如可以被实施为计算机流程(方法)、计算系统或制品，比如计算机程序产品或计算机可读介质。该计算机程序产品可以是一种计算机存储介质，该计算机存储介质可通过计算机系统读出并且在其中编码了用于执行计算机流程的计算机指令程序。该计算机程序产品也可以是在计算系统可读的载体(载波)上的传播信号，其中编码了用于执行计算机程序的计算机指令程序。因此，本发明可在硬件和/或软件(包括固件、常驻软件、微代码等)中实施。换言之，本发明的实施方式可采用在计算机可用或可读的计算机存储介质上的计算机程序产品的形式，该存储介质中包含由指令执行系统使用或者结合指令执行系统使用的计算机可用或可读的程序代码。计算机可用或者可读介质可以是任何能容纳、储存、传达、传播、传输用于指令执行系统、设备或装置或者与之结合使用的程序。

上述计算机可用或可读的介质可以是，例如但不限于，电子、磁、光学、电磁、红外或半导体系统、设备、装置或传播介质。作为更具体的计算机可读介质的实例(非穷尽列举)，计算机可读介质可包括：有一根或多根电线的电连接，便携式的计算机盘，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)，光纤，以及便携式光盘只读存储器(CD-ROM)。注意，上述计算机可用或可读介质甚至可以是上面印有程序的纸或另一种适合的介质，因为程序能通过，例如，对纸或其他介质的光学扫描被电子捕捉到，然后编译、解释，或必要时以适当的方式进行其他处理加工，然后存储在计算机存储器中。

例如，上面结合根据本发明的实施方式的方法、系统以及计算机程序产品的框图和操作图示描述了本发明的实施方式。方框中所注的功能/动作可以不按任何流程图所示的顺序进行。例如，取决于所涉及的功能/动作，相继示出的两个框图实际可能基本上同时执行，或者，上述方框有时可能以相反的顺序执行。

尽管上面描述了本发明的特定实施方式，但也存在其他实施方式。另外，尽管本发明的实施方式被描述为与存储在存储器和其他存储介质中的数据相关联，但是数据也能存储在其他类型的计算机可读介质上或从中读出。所述其他类型的计算机可读介质例如是辅助存储设备，如硬盘、软盘或光盘只读存储器，来自因特网的载波，或其他形式的随机存取存储器或只读存储器。另外，上述公开方法的步骤还可以任何方式修改，包括步骤重排序，和/或插入或删减步骤，而不脱离本发明。

这里所包含的所有权利，包括对代码的版权，均归属于申请人，是申请人的财产。申请人保留所有包含于此的代码的所有权利，并只允许在与已授权专利的再现有关的方面复制材料，而不能用作其它目的。

虽然说明书中包括了实例，但本发明的范围是由所附权利要求描述的。而且，尽管本说明书是以特定于结构特征和/或方法操作的语言描述的，但权利要求不限于上面所描述的特征或操作。相反，上述特定的特征和操作只是作为本发明的实施方式的实例被公开的。

Claims (20)

1.一种用于熔化物质的系统，该系统包括：

微波发生器；

至少一个将上述微波发生器连接到至少一个功率传递部件的波导，上述至少一个波导被配置为将微波能量从上述微波发生器传递到耐火材料组件；

熔化组件，包括该耐火材料组件以及上述至少一个连接到该耐火材料组件的功率传递部件，上述耐火材料组件包括至少一个吸收部件，该吸收部件为具有尖端的楔形，该吸收部件被配置为将从上述至少一个功率传递部件接收到的微波能转换成热能并将上述热能聚焦在上述尖端；以及

至少一个绝热体，其被配置为允许来自上述至少一个波导的微波穿透到上述至少一个吸收部件，其中，上述至少一个绝热体包括至少两块绝热板，其中上述绝热体被配置为在上述微波穿透到上述至少一个吸收部件之前首先使上述微波穿过上述至少两块绝热板中的第一块，然后穿过上述至少两块绝热板中的第二块。

2.如权利要求1所述的系统，其中上述至少一个绝热体包括：在上述至少两块绝热板之间的间隙。

3.如权利要求1所述的系统，其中上述至少两块绝热板包括二氧化硅和氧化铝纤维板。

4.如权利要求1所述的系统，其中上述至少两块绝热板放置在上述耐火材料组件里的最高电磁能量密度区域以外。

5.如权利要求1所述的系统，其中上述至少两块绝热板中的第一块邻近上述功率传递部件，上述至少两块绝热板中的第二块邻近上述至少一个吸收部件。

6.如权利要求2所述的系统，其中上述间隙包括密封空气隙。

7.如权利要求2所述的系统，其中上述间隙被配置为使来自上述至少两块绝热板的热能耗散。

8.如权利要求1所述的系统，其中上述至少一个吸收部件包括碳化硅。

9.如权利要求1所述的系统，上述至少一个吸收部件包括碳化硅的一体式铸件。

10.如权利要求1所述的系统，其中上述耐火材料组件进一步包括被配置为接收来自上述至少一个吸收部件的热能的坩埚。

11.如权利要求10所述的系统，还包括被配置为将未熔化的金属接纳到所述坩埚中的金属添加窗口。

12.如权利要求11所述的系统，其中上述金属添加窗口被配置为阻止微波能量从上述耐火材料组件漏出。

13.如权利要求10所述的系统，进一步包括被配置为允许熔化了的金属流出上述坩埚的出口。

14.如权利要求13所述的系统，其中上述出口被配置为阻止微波能量从上述耐火材料组件漏出。

15.如权利要求10所述的系统，其中上述耐火材料组件进一步包括至少一个被配置为保留坩埚里的热量的绝热部件。

16.如权利要求15所述的系统，其中上述至少一个绝热部件包括熔凝石英。

17.如权利要求1所述的系统，其中上述至少一个绝热体包括下列之一：板，以及纤维层和板的组合体。

18.如权利要求1所述的系统，其中上述至少一个绝热体被配置为产生用于熔化的金属的凝固面。

19.一种用于熔化物质的系统，该系统包括：

熔化组件，包括耐火材料组件以及至少一个连接到该耐火材料组件的功率传递部件，上述耐火材料组件包括至少一个吸收部件，该吸收部件为具有尖端的楔形，该吸收部件被配置为将微波能量转换成热能并将上述热能聚焦在上述尖端；以及

至少一个绝热体，被配置为允许来自至少一个波导的微波穿透到上述至少一个吸收部件，其中，上述至少一个绝热体包括；

至少两块绝热板，它们放置在上述耐火材料组件中的最高电磁能量密度区域之外，其中，上述绝热体被配置为在上述微波穿透到上述至少一个吸收部件之前首先使上述微波穿过上述至少两块绝热板中的第一块，然后穿过上述至少两块绝热板中的第二块，以及

在上述至少两块绝热板之间的间隙。

20.一种用于熔化物质的系统，该系统包括：

微波发生器；

至少一个把上述微波发生器连接到至少一个功率传递部件的波导，上述至少一个波导被配置为把微波能量从上述微波发生器传递到耐火材料组件；

熔化组件，包括该耐火材料组件以及上述至少一个连接到该耐火材料组件的功率传递部件，上述耐火材料组件包括至少一个吸收部件，该吸收部件为具有尖端的楔形，该吸收部件被配置为把从上述至少一个功率传递部件接收的微波能量转换成热能并将上述热能聚焦在上述尖端处，上述至少一个吸收部件包括碳化硅的一体式铸件；

至少一个绝热体，被配置为允许来自上述至少一个波导的微波穿透到上述至少一个吸收部件，其中上述至少一个绝热体包括：

至少两块包括二氧化硅和氧化铝纤维板的绝热板，被放置在上述耐火材料组件里最高电磁能量密度区域之外，其中，上述至少两块绝热板中的第一块邻近上述功率传递部件，上述至少两块绝热板中的第二块邻近上述至少一个吸收部件，上述至少两块绝热板中的上述第一块邻近上述至少两块绝热板中的上述第二块，以及

在上述至少两块绝热板之间的间隙，其中该间隙包括密封空气隙，并被配置为使来自上述至少两块绝热板的热能耗散；

坩埚，被配置为接收来自上述至少一个吸收部件的热能，该坩埚包括被配置为把未熔化的金属接纳到坩埚中的金属添加窗口以及被配置为允许熔化了的金属流出上述坩埚的出口，其中，上述金属添加窗口和出口被配置为阻止微波能量从上述耐火材料组件漏出；以及

至少一个绝热部件，被配置为保留坩埚里的热量，其中，上述至少一个绝热部件包括多个熔凝石英砖个体。

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