本发明专利技术公开了一种提高微波加热效率的装置和方法，属于微波应用技术领域，包括金属外壳；所述金属外壳上设有馈口；所述馈口用于向金属外壳内部输入微波；所述金属外壳内部设有超材料结构层；所述超材料结构层中心设有被加热空间；所述超材料结构层由外到内材料的相对介电常数渐变递增，使经过超材料结构层的微波汇集在被加热空间。本发明专利技术的一种提高微波加热效率的装置和方法，能够将输入金属外壳内部的微波能量集中在被加热空间，加热速度快，能量利用率高。
【技术实现步骤摘要】
一种提高微波加热效率的装置和方法
本专利技术属于微波应用
，具体地说涉及一种提高微波加热效率的装置和方法。
技术介绍
微波加热是一种新型的加热方法。当极性介质置于电磁场中时，组成介质材料的极性分子会随着不断变化的高频电场方向重新排列，在这个重新排列的过程中需要克服分子原有的热运动和分子间的干扰和阻碍，类似于摩擦的作用，从而产生大量的热。微波加热过程是微波能直接作用于被加热物质，是一种“冷热源”，与传统的以媒质表面热传递的方式有很大区别。在微波加热时，物料的形状、位置和腔体的形状都会导致腔体内部电磁场分布的变化，并且在微波加热过程中物料密度、热容、介电性质、热导率等热物理及电物理特性均随温度或者含水率的不同而发生动态变化，使整个加热过程中微波能量利用率较低，而且存在温度分布不均的问题。现有技术中有通过动态改变输入微波频率，减少热点，来提高微波加热的均匀性；也有通过分析腔体的长宽高、端口的放置位置和负载的形状对能量利用率的影响，优化设计出合适的模型结构，提高微波加热均匀性和能量的利用率。常规的方式也有通过三销钉调谐器调配阻抗，使微波加热系统处于阻抗匹配的状态，减少微波能的反射，使待加热物体持续高效的吸收微波能。但是在参数大范围动态变化的时候仍然能实现对微波能高效吸收、利用，对于微波能效率的提升乃至工业应用都具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述不足之处提供一种提高微波加热效率的装置和方法，拟解决如何能够使微波集中能量到待加热介质区域，减小反射并提高能量利用率以及微波能高效吸收、利用等问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种提高微波加热效率的装置，包括金属外壳1；所述金属外壳1上设有馈口2；所述馈口2用于向金属外壳1内部输入微波；所述金属外壳1内部设有超材料结构层3；所述超材料结构层3中心设有被加热空间4；所述超材料结构层3由外到内材料的相对介电常数渐变递增，使经过超材料结构层3的微波汇集在被加热空间4。由上述结构可知，微波源向馈口2输入微波，微波进入金属外壳1内部后，经过超材料结构层3时被汇集在被加热空间4，被加热空间4里的被加热物体不断吸收汇集的微波，超材料结构层3特殊结构使微波只进不出，减少在金属外壳1内反射，提高了微波能量利用率，能量密度高，使被加热物体对微波能高效吸收、利用。由于超材料结构层3自身的特性，所以对馈口2的位置、金属外壳1的形状、被加热物体本身的参数变化，均不影响微波汇集在被加热空间4，仍然能实现被加热物体对微波能高效吸收、利用。超材料结构层3之所以能够实现微波只进不出，是因为超材料结构层3由外到内材料的相对介电常数渐变递增，这种递增可以是连续光滑的渐变递增也可以是阶梯式的渐变递增，即超材料结构层3最外侧的材料部分相对介电常数最小，超材料结构层3最内侧的材料部分相对介电常数最大，其原理类似微波经过超材料结构层3，不断向被加热空间4折射，使微波经过超材料结构层3时只会进入被加热空间4，而不会逃逸。进一步的，所述超材料结构层3包括若干个由内到外依次嵌套的环柱5；所述被加热空间4为半径为r的圆柱空间；所述超材料结构层3的半径为R；所述超材料结构层3外部空间的相对介电常数为ε0；所述超材料结构层3各位置点的相对介电常数构成阶梯函数，位置点与被加热空间4中心的距离为d，其中R＞d＞r；阶梯函数的每个阶梯和另构建的函数ε(d)＝ε0(R/d)2相交。由上述结构可知，现有理论中超材料结构层3将微波向被加热空间4汇集，其材料的相对介电常数应趋近函数ε(d)＝ε0(R/d)2，即超材料结构层3每个和被加热空间4轴心不同位置点的相对介电常数都不一样。由于超材料结构层3和金属外壳1之间为空气，所以ε0为空气的相对介电常数；然而实际上这样的结构很难实现，本专利技术采用若干个由内到外依次嵌套的环柱5来构成超材料结构层3，只需要将对应位置的环柱5的相对介电常数趋近函数ε(d)＝ε0(R/d)2，既能够组成由外到内材料的相对介电常数渐变递增的超材料结构层3。例如某一环柱5的内径为d1，外径为d2，则和被加热空间4轴心相距d1～d2区间的位置点均采用该环柱5的相对介电常数，这样所有的环柱5的相对介电常数和位置点呈现在坐标系上为一个阶梯函数。只需要将阶梯函数每个阶梯和另构建的函数ε(d)＝ε0(R/d)2相交，即达到和函数ε(d)＝ε0(R/d)2趋近的目的，能够实现微波的汇集。例如某一环柱5的内径为d1，外径为d2，相对介电常数为ε1，呈现在坐标系上是横坐标在d1～d2，纵坐标均为ε1的水平线段，这个线段和函数ε(d)＝ε0(R/d)2相交。若干个由内到外依次嵌套的环柱5，包括了一种虚拟的嵌套，例如一个相对介电常数渐变的材料整体，可以视为由内到外依次虚拟嵌套的环柱5，而实际为一个整体材料，这种虚拟嵌套也包含在本专利技术保护的嵌套概念里，便于加工，降低成本。进一步的，所述环柱5上设有若干个中空腔6；所述中空腔6两端分别延伸至对应环柱5的顶底面。由上述结构可知，环柱5可以采用聚偏二氟乙烯作为基材，在环柱5上设置中空腔6即可改变环柱5本身的相对介电常数。可以通过现有理论进行计算和试验验证。进一步的，位于外部的环柱5的中空腔6的截面大于位于内部的环柱5的中空腔6的截面。由上述结构可知，中空腔6的截面越大，则环柱5的相对介电常数越小，中空腔6的截面越小，则环柱5的相对介电常数越大。由外到内环柱5的中空腔6的截面越来越小，则超材料结构层3由外到内材料的相对介电常数渐变递增。进一步的，所述环柱5上的中空腔6均匀间隔；每个环柱5上的中空腔6数量相等。由上述结构可知，使微波从超材料结构层3除轴向外多个角度进入超材料结构层3，均能够在被加热空间4汇集。进一步的，所述中空腔6的截面为圆形或椭圆形或多边形。由上述结构可知，中空腔6可采用多种截面形状均能够实现环柱5的相对介电常数的改变，常规可以采用截面为圆形。进一步的，所述金属外壳1顶部设有开口7；所述开口7上设有压盖8；所述压盖8底部设有凹圆槽9；所述凹圆槽9配合在超材料结构层3顶部；所述超材料结构层3夹在压盖8和金属外壳1的底部之间。由上述结构可知，凹圆槽9配合在超材料结构层3顶部，使超材料结构层3夹在压盖8和金属外壳1的底部之间，超材料结构层3顶部底部没有缝隙，避免微波从被加热空间4逃逸。进一步的，所述压盖8内部设有连通腔10；所述凹圆槽9上设有若干个微孔11；所述微孔11使所有的中空腔6以及被加热空间4分别和连通腔10连通；所述压盖8上设有安全阀12；所述安全阀12用于连通腔10超压时泄压；所述超材料结构层3底部设有L定位板13；所述金属外壳1底部设有和L定位板13配合的L定位槽。由上述结构可知，凹圆槽9上设有若干个微孔11，超材料结构层3底部设有L定位板13，L定位板13配合的在L定位槽时，超材料结构层3位置和角度是唯一确定的，这个位置设计时预先调整好，确保效果最佳，避免每次都需要调整超材料结构层3的位置，同时也使所有的中空腔6都对应有一个和连通腔10连通的微孔11，被加热空间4也对应有微孔11和连通腔1本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种提高微波加热效率的装置，其特征在于：包括金属外壳(1)；所述金属外壳(1)上设有馈口(2)；所述馈口(2)用于向金属外壳(1)内部输入微波；所述金属外壳(1)内部设有超材料结构层(3)；所述超材料结构层(3)中心设有被加热空间(4)；所述超材料结构层(3)由外到内材料的相对介电常数渐变递增，使经过超材料结构层(3)的微波汇集在被加热空间(4)。/n
【技术特征摘要】
1.一种提高微波加热效率的装置，其特征在于：包括金属外壳(1)；所述金属外壳(1)上设有馈口(2)；所述馈口(2)用于向金属外壳(1)内部输入微波；所述金属外壳(1)内部设有超材料结构层(3)；所述超材料结构层(3)中心设有被加热空间(4)；所述超材料结构层(3)由外到内材料的相对介电常数渐变递增，使经过超材料结构层(3)的微波汇集在被加热空间(4)。
2.根据权利要求1所述的一种提高微波加热效率的装置，其特征在于：所述超材料结构层(3)包括若干个由内到外依次嵌套的环柱(5)；所述被加热空间(4)为半径为r的圆柱空间；所述超材料结构层(3)的半径为R；所述超材料结构层(3)外部空间的相对介电常数为ε0；所述超材料结构层(3)各位置点的相对介电常数构成阶梯函数，位置点与被加热空间(4)中心的距离为d，其中R＞d＞r；阶梯函数的每个阶梯和另构建的函数ε(d)＝ε0(R/d)2相交。
3.根据权利要求2所述的一种提高微波加热效率的装置，其特征在于：所述环柱(5)上设有若干个中空腔(6)；所述中空腔(6)两端分别延伸至对应环柱(5)的顶底面。
4.根据权利要求3所述的一种提高微波加热效率的装置，其特征在于：位于外部的环柱(5)的中空腔(6)的截面大于位于内部的环柱(5)的中空腔(6)的截面。
5.根据权利要求4所述的一种提高微波加热效率的装置，其特征在于：所述环柱(5)上的中空腔(6)均匀间隔；每个环柱(5)上的中空腔(6)数量相等。
6.根据权利要求5所述的一种提高微波加热效率的装置，其特征在于：所述中空腔(6)的截面为圆形或椭圆形或多边形。
7.根据权利要求6所述的一种提高微波加热效率的装置，其特征在于：所述金属外壳(1)顶部设有开口(7)；所述开口(7)上设有压盖(8)；所述压盖(8)底部设有凹圆槽(9)；所述凹圆槽(9)配合在超材料结构层(3)顶部；所述超材料结构层(3)夹在压盖(8)和金属外壳(1)的底部之间。
8.根据权利要求7所述的一种提高微波加热效率的装置，其特征在于：所述压盖(8)内部设有连通腔(10)；所述凹圆槽(9)上设有若...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱铧丞，杨阳，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川;51
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