高次模微波加热设备制造技术

本发明专利技术将微波加热设备的主要部分分为若干加热模块沿Z轴串接。每个模块中的不同微波馈入波导中只传播高次模TEn0模式，n大于等于2，电场方向只有X轴分量。每个加热模块中的不同微波馈入波导中的工作微波是相干同相位的，不同加热模块的工作微波馈入波导之间的隔离度很高的。我们可以在不同加热模块中采用非相干的微波源，也可以在沿Z轴排列的不同加热模块中采用相干的微波源，让沿Z轴对齐并沿Z轴相邻的属于不同加热模块中的微波馈入波导中的工作微波等幅反相，从而在由属于不同加热模块的空腔构成的加热腔中激励起从上到下沿‑Y方向传播和从下到上沿Y轴传播的TEn0波。本发明专利技术可用于对各种材料的加热，或用于加快化学反应速度。

High-order mode microwave heating equipment

The main part of the microwave heating equipment is divided into several heating modules which are connected in series along the Z axis. Different microwave feeding waveguides in each module only propagate high order mode TEn0 mode, n is greater than or equal to 2, and the electric field direction is only X-axis component. The working microwave in the waveguide fed by different microwave in each heating module is coherent and in phase, and the isolation between the waveguides fed by different heating modules is very high. We can use incoherent microwave sources in different heating modules, or coherent microwave sources in different heating modules arranged along the Z-axis, so that the working microwave in waveguides which belong to different heating modules aligned along the Z-axis and adjacent to the Z-axis can be inverted equally in amplitude, so as to excite the heating cavity consisting of different heating modules from top to bottom. TEn0 waves propagating in the Y direction and along the Y axis from bottom to top. The invention can be used for heating various materials or for accelerating chemical reaction speed.

【技术实现步骤摘要】
高次模微波加热设备
本专利技术涉及微波加热设备。具体地，涉及一种利用高次模高效率均匀加热材料的紧凑型微波加热设备。
技术介绍
微波能可以用于代替各种传统加热方式。微波加热设备利用微波能加热各种材料，包括但不限于木材、粮食、调料、乳制品。在微波化学领域，微波能量被用于加快各种化学反应。微波能还被用于纳米材料、人造金刚石等各种材料的生产。在传统加热过程中，热量通过被加热物外部向其内部传导，属于表面加热，导致被加热物内外温度不均匀。微波能加热中，微波通过电场作用被加热材料，导致其中极性分子的阻尼振动产生热量，属于体加热。因此在被加热物内外同时加热。但是，传统微波加热设备存在三个主要问题。第一，加热的整体均匀性问题。在加热腔之类的任何有限空间内，电磁波将因为共振现象以该空腔的各种固有谐振模式的形式存在。在其中任意一个谐振模式中，电磁波都以驻波形式存在，导致空间某些固定位置处的电场的幅值为最大，另外某些固定位置处的幅值为零。在2450MHz的典型微波能应用频率，这些电场集中处之间的距离为所用工作微波的波长的一半或稍大，大致在61~100毫米之间，导致被加热材料在对应尺度上的不均匀。普通的家用微波炉的尺寸比上述尺度大5~10倍。工业微波加热设备中的大型加热炉的尺寸比上述尺度大30~300倍。在这些空腔中的工作频率附近可以激励起来的谐振模式数为几个到几百个。人们普遍相信，采用高度过模的加热腔有利于微波加热的均匀性。但是，为数众多的谐振模式的任意叠加可能在加热腔的某些位置产生远大于其它位置的电场集中，导致微波加热的极度不均匀。为了解决微波能加热的均匀性问题，国际国内的技术人员进行了不懈的努力。人们试图通过增加工作微波的馈口数目，改变馈口形状，改变工作微波的馈口在加热腔外表面的位置，或者改变工作微波的馈口的极化方向，或者同时随机改变上述几个变量，通过计算或实测找到改善加热均匀性的方法。但是到目前为止，微波炉，特别是大型微波加热设备中加热的均匀性问题没有得到很好地解决。让我们来理解一下大型微波加热设备中我们面临的加热均匀性技术难题。在工作微波的频率，对于某一微波馈口，选定其位置、形状、极化方向后，加热腔中上百模式分别被激励的强度的确定在计算上都是非常困难的，在实际测量中也是极其复杂的。而大型微波加热设备中需要采用上百个磁控管作为微波源，因此对应的微波馈口的数目可以多达上百个！上述问题的复杂程度超出人们的想象。第二，加热效率问题。由于固态放大器的整体效率，特别是其昂贵的造价，微波加热设备普遍采用磁控管提供微波能量。就目前的技术发展状况，磁控管的电源的效率为90%左右，磁控管本身从高压电源到微波的转换效率为70%左右。所以，磁控管从220V的交流电到微波的转换效率为63%左右。微波加热设备的实际效率则要低得多。家用微波炉等采用小型加热腔和单只磁控管。由于被加热材料的体积、形状和密度等的变化导致微波馈口处的输入阻抗变化很大，导致磁控管经常处于阻抗失配状态，从磁控管输入到加热腔中的微波很大部分被反射回来。这些反射回来的能量会直接影响磁控管的工作。为了保护磁控管，有时在磁控管和加热腔之间安装了波导环形器。这时，反射回来的微波通过波导环形器被引导到匹配负载并被吸收。因此，微波馈口的失配都会造成微波加热设备的总体加热效率的进一步降低。在大型微波加热设备中普遍采用多个磁控管作为微波源。这些磁控管通过大型的加热腔表面上的多个微波馈口向加热腔中注入微波能量。在这些大型微波加热设备中，微波馈口的数目多达上百个。由于加热腔上采用的不同磁控管是相互独立的，它们产生的微波之间不相干，彼此的频谱之间相互独立，对于任意一个磁控管产生的微波，由于加热腔中的上百个模式的幅度和相位难以控制，可能从其它多个馈口溢出。虽然大型微波加热设备可以通过选定被加热材料的体积、形状和密度等降低微波馈口的失配反射，但是多个微波馈口之间的微波溢出损失难以避免。第三，大型微波加热设备能量泄露问题。大型微波加热设备的被加热材料用传送带通过进料口输入微波加热腔，被加热后通过出料口输出。一般情况下，进料口和出料口的宽度都是工作微波波长的10倍甚至以上。作为微波通道，进料口和出料口都是高度过模的波导。对应于任何一个微波馈口加热腔中都有上百个谐振腔模式。上百个微波馈口，形状、位置和极化方向不同，加上从各馈口馈入的微波信号互不相干，使微波能量通过进料口和出料口的严重的能量泄漏问题，导致微波能量的丧失，特别是导致大型微波加热设备对环境的电磁干扰，甚至对人身安全造成威胁。为了降低能量泄漏，往往需要在进料口和出料口安装很长的滤波结构，导致设备长度的大大增加。
技术实现思路
本专利技术通过控制过模加热腔中的工作模式，提供一种加热均匀、总体效率高、微波泄漏小或体积紧凑的高次模微波加热设备。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种高次模微波加热设备，包括至少一个加热模块。所述任一加热模块包括一个空腔，位于所述空腔上方的至少一个与所述空腔连通并向所述空腔馈入微波能量的微波馈入波导。来自外界的工作微波首先通过各微波馈入点向各微波馈入波导供给微波能量。不同加热模块沿Z轴排列，它们的所述空腔沿Z轴依次连通，构成高次模微波加热设备的加热腔。这种模块化设计，使不同用途的高次模微波加热设备易于完成模块化组装。根据不同加热功率的需要，我们可以选择采用一个加热模块，也可以采用两个或多个加热模块沿Z轴串接。为了改进高次模微波加热设备在垂直方向上加热均匀性，在每个所述加热模块上，在所述空腔的下方，与每个微波馈入波导对应设置有一个水平面内的横截面的形状与对应的微波馈入波导的形状相同的下端短路的短路波导。较佳的设计，各短路波导在Y轴上的尺寸相同。通过调节短路波导的长度和各微波馈入波导的沿Z轴的长度，我们可以使每个模块中工作微波在空腔中沿垂直方向的变化最小。构成高次模微波加热设备，还包括一个位于最左边的加热模块的左边并与该加热模块的所述空腔连通的进料口，和一个位于最右边的加热模块的右边并与该加热模块的所述空腔连通的出料口，和一条贯穿所述进料口，所有所述加热模块的所述空腔和所述出料口的用于沿Z轴输运被加热材料的传送带。我们也可以不设置任何进料口和出料口。这时可以将所有沿Z轴串接的加热模块作为整体制造。最左的一个加热模块的左面和最右加热模块的右面用金属板封闭，同时将所有加热模块的前面板结合成为一体，成为高次模微波加热设备的门板。该门板可以向外打开，便于送入或取出被加热材料。如果我们需要更大的微波能量，所述加热模块的数目可以为2或以上，但每个所述加热模块上的微波馈入波导的数目都为1；所有加热模块上的所有微波馈入波导在水平面内的横截面的形状为矩形。对于大型高次模微波加热设备，所述加热模块的数目至少为2，所述每个加热模块上的微波馈入波导的数目大于等于2。每个加热模块上的多个微波馈入波导沿X轴排列；所有加热模块上的所有微波馈入波导在水平面内的横截面的形状为矩形。为了便于设计和安装，所述所有微波馈入波导在水平面内的横截面的形状都相同；所述所有微波馈入波导在水平面内的分别沿X轴和沿Z轴均匀分布。本专利技术的主要特点之一是控制空腔中的工作微波的模式。准确地说，让空腔中的向下沿-Y轴传输的入射微波和向上沿Y轴传输的反射微波的模式都是TEn0模式本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高次模微波加热设备，其特征在于，包括至少一个加热模块；所述加热模块包括一个空腔（3），位于所述空腔（3）上方，轴线沿Y轴方向的至少一个与所述空腔（3）连通并向所述空腔（3）馈入微波能量的微波馈入波导（1）；所述各加热模块通过各自的所述空腔（3）沿Z方向依次连通；所述所有微波馈入波导（1）为矩形波导；所述所有微波馈入波导（1）中TEn0模式的功率是其中任意其它模式的功率的2倍以上，n为整数，大于等于2；X轴、Y轴和Z轴构成直角坐标系。

【技术特征摘要】
1.一种高次模微波加热设备，其特征在于，包括至少一个加热模块；所述加热模块包括一个空腔（3），位于所述空腔（3）上方，轴线沿Y轴方向的至少一个与所述空腔（3）连通并向所述空腔（3）馈入微波能量的微波馈入波导（1）；所述各加热模块通过各自的所述空腔（3）沿Z方向依次连通；所述所有微波馈入波导（1）为矩形波导；所述所有微波馈入波导（1）中TEn0模式的功率是其中任意其它模式的功率的2倍以上，n为整数，大于等于2；X轴、Y轴和Z轴构成直角坐标系。2.根据权利要求1所述的高次模微波加热设备，其特征在于，在每个所述加热模块上，在所述空腔（3）的正下方，与每个微波馈入波导（1）对应设置有一个在水平面内的横截面的形状与对应的微波馈入波导（1）的形状相同的下端短路的短路波导（10）；所有的短路波导（10）在Y轴方向的尺寸相同。3.根据权利要求1所述的高次模微波加热设备，其特征在于，还包括一个位于最左边的加热模块的左边并与该加热模块的所述空腔（3）连通的进料口（4），和一个位于最右边的加热模块的右边并与该加热模块的所述空腔（3）连通的出料口（5），和一条贯穿所述进料口（4），所有所述空腔（3）和所述出料口（5）的用于沿Z轴输运被加热材料的传送带（8）。4.根据权利要求1所述的高次模微波加热设备，其特征在于，所述加热模块的数目至少为2，所述加热模块上的微波馈入波导（1）的数目都为1；不同加热模块沿Z轴排列；所述空腔（3）沿Z轴依次连通。5.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王清源，邓超，
申请(专利权)人：成都赛纳微波科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51