CN110878434A - 高温碳化炉 - Google Patents

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Abstract

本发明的高温碳化炉，包括有：一腔体、至少两组微波单元，以及一控制电路；各微波单元，依序沿着腔体的加工路径配置；其该控制电路用以接收复数个分布于腔体的加工路径处的温度感测器的讯号；可透过控制电路产生控制讯号以控制不同微波单元当中的磁控管开启或关闭，或是控制调节不同微波单元当中的磁控管功率的方式，使加工路径在每一组微波单元的位置呈现预期的温度条件。此外，腔体内温度亦可以作准确的调控，使得腔体内的温度分布能够均匀及对加工对象的加热均匀性能够提升，并且可调整不同温区的温度梯度控制，达到可依照加工对象的需求调控加工路径温度条件的优势。

Description

高温碳化炉
技术领域
本发明与热处理设备有关，主要提供一种可有效对整体碳化炉的温度作准确的调控，使得腔体内的温度分布能够均匀及对加工对象的加热均匀性能够提升，并且可调整不同温区的温度梯度控制，甚至可依照加工对象的需求分区段调控加工路径温度条件的高温碳化炉。
背景技术
在工业生产技术领域中，可透过热处理改变材料物理性质，或是改变材料的化学性质，其不但可以视为一系列的工法，亦是许多产品制造流程当中不可或缺的步骤；例如碳纤维即是一种由有机纤维经一系列热处理后转化而成的含碳量在90%以上的新型碳材料。
在碳纤维的连续自动化生产流程中，其纤维纱线以预定的速度通过热处理制程，因此其碳化炉本身除了必须具备足以对纤维纱线产生作用的环境之外，更必须精准掌控加工路径的温度条件，方得以让通过热处理设备的纤维纱线达到预期的碳化效果。
传统碳纤维连续自动化生产流程，通常使用电热丝加热的碳化炉对纤维纱线施以高温石墨化及石墨化热处理，其缺点在于传热速度慢、保温困难、升温速度受到传热效果的影响需要长时间加热以达足够温度；尤其，电热丝在实际运作时其整段电热丝并非呈现均温状态，导致其延伸区域的温度会有明显的差异，不但无法有效掌握纤维纱线碳化品质，亦无法依照加工对象不同而调控加工路径的温度条件；又，传统的高温碳化炉虽可采用电热丝加热，但碍于电热丝的长条结构，使其在加热过程中无法供同一腔体的不同区域提供不同的加热温度，进而无法在腔体内的单一区域作温度的微调整的缺失。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的即在提供一种可有效对整体碳化炉的温度作准确的调控，使得腔体内的温度分布能够均匀及对加工对象的加热均匀性能够提升，并且可调整不同温区的梯度温度控制，甚至可依照加工对象的需求分区段调控加工路径温度条件的高温碳化炉。
本发明的另一目的提供一种高温碳化炉，藉由调整各磁控管的数量及功率，使得同一腔体的不同区域能够提供不同的加热温度，进而使腔体内的单一区域能够根据各温度感测器的讯号而进行控制模态微调整的优势。
为了达到上述目的，本发明的高温碳化炉，基本上包括有：一腔体、至少两组微波单元，以及一控制电路；其中：该腔体，设有一加工路径，且该腔体在其相对位于该加工路径两端的位置处，分别设有一进料口及一出料口；各该微波单元，依序沿着该腔体的该加工路径配置，且各该微波单元设有至少一磁控管；该控制电路更用以接收复数个分布设置于该腔体的该加工路径处的温度感测器的讯号；以及，该控制电路，内建有至少一储存载体及一与各该储存载体电性连接的微处理器，使各该储存载体及该微处理器能够载入各该温度感测器的讯号，使该控制电路能够产生控制讯号以控制各该微波单元当中的各该磁控管动作的控制模态。
本发明的高温碳化炉，可依照加工对象的需求，于控制电路选择或设定合适的控制模态，透过控制不同微波单元当中的磁控管开启或关闭，或是调节不同微波单元当中的磁控管功率的方式，使加工路径在每一组微波单元的位置呈现预期的温度条件，达到可依照加工对象的需求调控加工路径温度条件的目的。
依据上述结构特征，本发明的高温碳化炉，进一步设有一与该腔体连接的供气机组；于该腔体的相对于该加工路径的前段位置处，设有至少一与该加工路径相通的进气口；于该腔体相对于该加工路径的后段位置处，设有至少一与该加工路径相通的排气口；且该供气机组与该至少一进气口连接。
依据上述结构特征，本发明的高温碳化炉，于该腔体内部设有至少一保温材。
依据上述结构特征，本发明的高温碳化炉，进一步设有一与该腔体连接的供气机组；该腔体内部设有至少一保温材；于该腔体的相对于该加工路径的前段位置处，设有至少一与该加工路径相通的进气口；于该腔体相对于该加工路径的后段位置处，设有至少一与该加工路径相通的排气口；且该供气机组与该至少一进气口连接。
依据上述结构特征，各该微波单元，设有复数个相对于该加工路径的两侧及下方位置处的该磁控管。
依据上述结构特征，该高温碳化炉，沿着该腔体的该加工路径设有两组微波单元，各该微波单元分别设有三个磁控管。
依据上述结构特征，该高温碳化炉，沿着该腔体的该加工路径设有五组微波单元，该些微波单元依序分别设有三个、八个、十个、八个、三个的该磁控管。
依据上述结构特征，该高温碳化炉，沿着该腔体的该加工路径设有十组微波单元，该些微波单元依序分别设有三个、八个、八个、十个、十个、十个、十个、八个、八个、三个的该磁控管。
本发明所揭露的高温碳化炉，除了具备即时穿透、加热速度快、作用时间短，以及节省能源等优点外；更可在整个加工路径规划出分别由各微波单元对应的温控区段；透过分别控制不同微波单元当中的磁控管开启或关闭，或是分别调节不同微波单元当中的磁控管功率的方式，使加工路径在每一组微波单元的位置呈现预期的温度条件，达到可依照加工对象的需求，分区段调控加工路径的温度条件，以满足不同加工对象的热处理需求；以及，可透过即时分别调节各微波单元的磁控管功率的方式，让加工路径保持在预设的温度，有助于掌控热处理产能及品质。
附图说明
图1为本发明第一实施例的高温碳化炉组成架构示意图。
图2为本发明第一实施例当中的微波单元配置状态示意图。
图3为本发明第一实施例的高温碳化炉于第一种可能实施的控制模态下的温度分布曲线图。
图4为本发明第二实施例的高温碳化炉于第二种可能实施的控制模态下的温度分布曲线图。
图5为本发明第二实施例的高温碳化炉组成架构示意图。
图6为本发明第三实施例的高温碳化炉组成架构示意图。
图7A为本发明第四实施例当中的微波单元配置状态示意图。
图7B为本发明第四实施例的高温碳化炉于第三种可能实施的控制模态下的温度分布曲线图。
图8A为本发明第五实施例当中的微波单元配置状态示意图。
图8B为本发明第五实施例的高温碳化炉于第四种可能实施的控制模态下的温度分布曲线图。
图号说明：
10腔体
11加工路径
12进料口
13出料口
14进气口
15排气口
16保温材
20微波单元
21磁控管
30控制电路
31温度感测器
32储存载体
33微处理器
40供气机组
50 加工对象。
具体实施方式
本发明主要提供一种可有效对整体碳化炉的温度作准确的调控，使得腔体内的温度分布能够均匀及对加工对象的加热均匀性能够提升，并且可调整不同温区的温度梯度控制，甚至可依照加工对象的需求分区段调控加工路径温度条件的高温碳化炉，其中加工对象可以是碳纤维原料，该碳纤维原料种类相当多，例如嫘萦、聚乙烯醇、偏氯乙烯、聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN) 或沥青(pitch)等。如图1及图2所示，本发明的高温碳化炉，基本上包括有：一腔体10、至少两组微波单元20，以及一控制电路30。
该腔体10，设有一供加工对象50(如图中所示的纤维纱线)通过的加工路径11，该腔体10且在其相对位于该加工路径11两端的位置处，分别设有一进料口12及一出料口13。
各该微波单元20，依序沿着该腔体10的加工路径11配置，各该微波单元20且设有至少一磁控管21；于实施时，各该微波单元20，设有复数个相对于该加工路径11的两侧及下方位置处的磁控管21为佳。
该控制电路30更用以接收复数个分布设置于该腔体10的该加工路径11处的温度感测器31的讯号；以及，该控制电路30，内建有至少一储存载体32及一与各该储存载体电性连接的微处理器33，使各该储存载体32及该微处理器33能够载入各该温度感测器31的电路讯号，使该控制电路30能够产生控制讯号以控制各该微波单元20当中的各该磁控管21动作的控制模态。
据以，本发明的高温碳化炉，可依照加工对象50(如图中所示的纤维纱线)的需求，于控制电路30选择或设定合适的控制模态，在微波单元20的磁控管21运作下，利用微波聚焦对连续通过的加工对象50(如图中所示的纤维纱线)施以热处理。
整体高温碳化炉运作时，其控制电路30可依据接收各温度感测器31的讯号，分别控制各该微波单元20当中的各磁控管21动作，不但可以有效控制整体碳化炉的加热温度，更具备即时穿透、加热速度快、作用时间短，以及节省能源等优点。
甚至，可在整个加工路径11规划出由各微波单元20所分别对应的温控区段；透过分别控制不同微波单元20当中的该磁控管21开启或关闭，或是分别调节不同微波单元20当中的磁控管21功率的方式，使加工路径11在每一组微波单元20的位置呈现预期的温度条件，达到可依照加工对象50的需求分区段调控加工路径11温度条件的目的。
在图1及图2所示的实施例中，整体高温碳化炉，沿着该腔体10的该加工路径11设有两组微波单元20，各该微波单元20分别设有三个磁控管21；于实施时，可采用将两组微波单元20所对应的该加工路径11区段设定为相同温度的控制模态(如图3所示)，使通过该加工路径11的加工对象50可以获得一致的加热效果。
本发明的高温碳化炉，在沿着该腔体10的该加工路径11设有两组微波单元20，各该微波单元20分别设有三个磁控管21的实施样态下，亦可采用将靠近进料口12的微波单元20所对应的加工路径11区段设定为温度较低的控制模态(如图4所示)，使对进入腔体10的加工对象50先行预热，待加工对象50到达加工路径11中段，可获致预期的加热效果，并且在加工对象50通过腔体10之前逐步的降温。
由于本发明的高温碳化炉可透过分别控制不同微波单元20当中的各该磁控管21开启或关闭，或是分别调节不同微波单元20当中的各该磁控管21功率的方式，简单达成分区段调控加工路径11温度条件的功效，不但可以满足不同加工对象50的热处理需求；尤其，可透过即时分别调节各微波单元20的磁控管21功率的方式，让加工路径11保持在预设的温度，有助于掌控热处理产能及品质。
如图5所示，本发明的高温碳化炉，于实施时，可进一步设有一与该腔体10连接的供气机组40；于该腔体10的相对于该加工路径11的前段位置处，设有至少一与该加工路径11相通的进气口14；于该腔体10相对于该加工路径11的后段位置处，设有至少一与该加工路径11相通的排气口15；该供气机组40且与该至少一进气口14连接；在实际运作时，可同时由供气机组40将预先储放的气体通入该腔体10内部，藉以与加工对象50产生预期的化学反应。
如图6所示，本发明的高温碳化炉，于实施时，可进一步于该腔体10内部设有至少一保温材16，可利用保温材16的蓄热效果，令腔体10内部保持在预先设定的工作温度，以及达到节省能源的目的。
当然，本发明的高温碳化炉，于实施时，又以如图所示，进一步设有一与该腔体10连接的供气机组40；该腔体10内部设有至少一保温材16；于该腔体10的相对于该加工路径11的前段位置处，设有至少一与该加工路径11相通的进气口14；于该腔体10相对于该加工路径11的后段位置处，设有至少一与该加工路径11相通的排气口15；该供气机组40且与该至少一进气口14连接的实施样态呈现为佳。
再者，本发明的高温碳化炉不论是否设有一与该腔体连接的供气机组，或者不论是否于该腔体内部设有保温材；整体高温碳化炉可如图7A及第图8A所示，依照腔体10的规模大小沿着该腔体10的加工路径11设有数量不等的微波单元20，分别规划出由各微波单元20对应的温控区段，透过分别控制不同微波单元20当中的磁控管21开启或关闭，或是分别调节不同微波单元20当中的磁控管21功率的方式，使加工路径11在每一组微波单元20的位置呈现预期的温度条件，达到可依照加工对象50的需求，分区段调控加工路径的温度条件；例如，图7A所示的高温碳化炉，沿着该腔体10的加工路径11设有五组微波单元20，以及图7B高温碳化炉，沿着该腔体10的加工路径11区段设定温度的分布模态；图8A所示的高温碳化炉，则沿着该腔体10的加工路径11设有十组微波单元20，图8B高温碳化炉，沿着该腔体10的加工路径11区段设定温度的分布模态，本案更佳的实施方式分别规划出由各该微波单元20对应的温控区段，由各区分别调节不同微波单元20当中的磁控管21开启或关闭功率的方式，达到各该磁控管21对各该区加工路径11区段温度做调整，使得可调整不同温区的控制，达到各区段调控加工路径11做微调整温度条件的目的。
在图7A所示的实施样态下，该些微波单元20依序分别设有三个、八个、十个、八个、三个磁控管21，可将整个加工路径11规划出依序分别由设有三个、八个、十个、八个、三个磁控管21的微波单元20所对应的温控区段，使加工路径11在每一组微波单元20的位置呈现预期的温度条件，达到可依照加工对象50的需求，分区段调控加工路径的温度条件。
在图8A所示的实施样态下，该些微波单元20依序分别设有三个、八个、八个、十个、十个、十个、十个、八个、八个、三个磁控管21，可将整个加工路径11规划出依序分别由设有三个、八个、十个、八个、三个磁控管21的微波单元20所对应的温控区段，使加工路径11在每一组微波单元20的位置呈现预期的温度条件，达到可依照加工对象50的需求，分区段调控加工路径的温度条件。
由于，通常在进行热处理作业时，越靠近进料口12的区段针对加工对象50从室温状态进到腔体10时需要给加工对象50有缓冲的时间，所以可控制在不需较高的温度状态，因此越靠近进料口12的区段所对应的微波单元20可配置相对较少的磁控管21。
当加工对象50进入至腔体10内部时，则需要接受较高的温度作用，因此集中在加工路径11中间位置的区段所对应的微波单元20最好配置较多的磁控管21；以及，当加工对象50经由腔体10内部越往出料口13方向移动时，通常会针对加工对象50提供其与腔体10外部空气接触的缓冲时间，所以可控制在不需较高的温度状态，因此越靠近出料口13的区段所对应的微波单元20可配置相对较少的磁控管21。
与习用结构相较，本发明所揭露的高温碳化炉，除了具备即时穿透、加热速度快、作用时间短，以及节省能源等优点外；更可在整个加工路径规划出分别由各微波单元对应的温控区段；透过分别控制不同微波单元当中的磁控管开启或关闭，或是分别调节不同微波单元当中的磁控管功率的方式，使加工路径在每一组微波单元的位置呈现预期的温度条件，达到可依照加工对象的需求，分区段调控加工路径的温度条件，以满足不同加工对象的热处理需求；以及，可透过即时分别调节各微波单元的磁控管功率的方式，让加工路径保持在预设的温度，有助于掌控热处理产能及品质。

Claims (8)

1.一种高温碳化炉，其特征在于，该高温碳化炉的加工对象是一连续通过的碳纤维原料，该碳纤维原料为嫘萦、聚乙烯醇、偏氯乙烯、聚丙烯腈或沥青，该高温碳化炉包括：一腔体(10)、至少两组微波单元(20)，以及一控制电路(30)；其中：
该腔体(10)，设有一加工路径(11)，且该腔体(10)在其相对位于该加工路径(11)两端的位置处，分别设有一进料口(12)及一出料口(13)；
各该微波单元(20)，依序沿着该腔体(10)的该加工路径(11)配置，且各该微波单元(20)设有至少一磁控管(21)；
该控制电路(30)用以接收复数个分布设置于该腔体(10)的该加工路径(11)处的温度感测器(31)的讯号；以及，
该控制电路(30)，内建有至少一储存载体(32)及一与各该储存载体电性连接的微处理器(33)，使各该储存载体(32)及该微处理器(33)能够载入各该温度感测器(31)的电路讯号，使该控制电路(30)能够产生控制讯号以控制各该微波单元(20)当中的各该磁控管(21)动作的控制模态。
2.如权利要求1所述的高温碳化炉，其特征在于，该高温碳化炉，设有一与该腔体(10)连接的供气机组(40)；于该腔体(10)的相对于该加工路径(11)的前段位置处，设有至少一与该加工路径(11)相通的进气口(14)；于该腔体(10)相对于该加工路径(11)的后段位置处，设有至少一与该加工路径(11)相通的排气口(15)；且该供气机组(40)与该至少一进气口(14)连接。
3.如权利要求1所述的高温碳化炉，其特征在于，该高温碳化炉，于该腔体(10)内部设有至少一保温材(16)。
4.如权利要求1所述的高温碳化炉，其特征在于，该高温碳化炉，设有一与该腔体(10)连接的供气机组(40)；该腔体(10)内部设有至少一保温材(16)；于该腔体(10)的相对于该加工路径(11)的前段位置处，设有至少一与该加工路径(11)相通的进气口(14)；于该腔体(10)相对于该加工路径(11)的后段位置处，设有至少一与该加工路径(11)相通的排气口(15)；且该供气机组(40)与该至少一进气口(14)连接。
5.如权利要求1至4其中任一所述的高温碳化炉，其特征在于，各该微波单元(20)，设有复数个相对于该加工路径(11)的两侧及下方位置处的磁控管(21)。
6.如权利要求1至4其中任一所述的高温碳化炉，其特征在于，该高温碳化炉，沿着该腔体(10)的该加工路径(11)设有两组微波单元(20)，各该微波单元(20)分别设有三个磁控管(21)。
7.如权利要求1至4其中任一所述的高温碳化炉，其特征在于，该高温碳化炉，沿着该腔体(10)的该加工路径(11)设有五组微波单元(20)，该微波单元(20)依序分别设有三个、八个、十个、八个、三个的该磁控管(21)。
8.如权利要求1至4其中任一所述的高温碳化炉，其特征在于，该高温碳化炉，沿着该腔体(10)的该加工路径(11)设有十组微波单元(20)，各该微波单元(20)依序分别设有三个、八个、八个、十个、十个、十个、十个、八个、八个、三个的该磁控管(21)。
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