CN101218907A - 一种微波除草杀虫灭菌装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用微波进行除草杀虫灭菌的装置。该装置由微波辐射器和电源两个相对独立部分组成，喇叭天线、谐振腔、磁控管、环流器、耦合器、控制面板、行走装置、防泄漏装置等组成微波辐射器部分，变压器、整流器等组成电源部分，工作时微波辐射器移动，电源部分不随微波辐射器一起移动，电源部分通过柔性馈线给微波辐射器馈能，减轻了微波辐射器的重量和体积，便于在狭小空间(如大棚等)内进行操作，更便于小型化和机械化，有利于提高保护地栽培生产效率。该装置采用微波进行病虫防治，操作简便，无残留，环境友好，有助于进行无公害农业生产，适于蔬菜、水果、花卉等园艺植物及药材等植物的无公害生产，尤其适于保护地等精细农业。

Description

一种微波除草杀虫灭菌装置

技术领域

本发明涉及一种农业机械，确切地说是使用微波能进行除草杀虫灭菌的装置，用于杀灭土壤中的各种杂草、各种土壤动物以及各种致病微生物，尤其是各种线虫，避免使用农药，在提高植物产量，减少因病虫为害所造成的损失的同时，通过微波化学作用来减少土壤中残留的农药，从而达到无公害生产的目的。该装置同样适用于各种养殖场以及公共场所的快速消毒处理、家庭各种有害生物如蟑螂、尘螨等的防除处理。

背景技术

近代工业的发展为解决人类饥饿难题提供了一条途径，但也带来一系列的问题。农业生产中的各种有害生物如杂草、各种害虫、病原微生物等是农业生产获得高产高效的主要障碍之一，为此人类进行了不懈的努力，发明了各种农药如各种除草剂、杀虫剂、杀菌剂、杀线虫剂、杀螨剂等，农业生产一度跃上了新台阶。农药和化学肥料的发明在一定程度上解决了人类的温饱问题，是20世纪的重大发明之一。但农药的广泛应用，带来了意想不到的严重后果，不仅对环境造成了严重污染，对生态系统造成严重的破坏，也给人类自身带来了严重的后果。农药施用后沉降于土壤中，或直接降落于植物体上，被植物富集吸收，通过各种途径，经由食物链又进入人体，对人类自身构成威胁。农药施用量很大的果区、棉产区白血病、癌症等各种病症的发病率很高，即与各种农药的致畸、致癌性有关。由于土壤的特殊性，农药在土壤中的分解周期很长，因此很容易通过植物的富集作用进入人类的食物链，对人类造成严重影响。传统农业消除土壤病虫害的方法是采用熏蒸剂进行熏蒸，尤其是一直广泛采用的溴甲烷，以其高效和使用便捷而备受农业生产者的欢迎。但随着人们环保意识的觉醒以及人们对健康的追求，尤其是溴甲烷等农药对大气臭氧层的破坏作用被认识以后，人们开始寻求各种降低农药副作用的方法，甚至代替农药使用的方法。

利用微波的热效应与生物学效应防治土壤病虫是物理防治的一条崭新的途径。根据有耗介质在微波作用下吸收微波能转化为热能的特性即所谓微波的热效应，以及微波对生物组织结构的特殊破坏作用即所谓的微波的生物效应原理，用高剂量的微波持续处理一定时间，使被处理对象在微波的热效应与生物效应双重作用下迅速死亡，从而可以达到快速杀灭有害生物的目的。微波消毒的机理即在于：生物体内的各种有机物如核酸、蛋白质、脂肪等有机大分子以及作为代谢环境的水等都是极性分子即所谓的偶极子，在周期性快速变换的电磁场作用下可以快速摆动，吸收微波能而迅速升温，结果导致细胞内的酶等生物活性物质在高温下迅速失去活性，最终导致细胞凋萎。细胞内的DNA、细胞膜、核酸等成分在高剂量的微波辐射下呈现不可修复的结构性、功能性的损伤即微波的生物效应，使细胞的正常生长与遗传受到严重影响，也加速了细胞的凋亡。细胞膜是由类脂、蛋白质和糖类组成的半透性膜，对于维持细胞的活性具有重要作用。微波作用下生物膜半透性的破坏导致细胞内容物的外渗以及细胞膨胀，最终导致细胞死亡，从而达到病虫防治的目的。微波的作用具有专一性，只对极性分子起作用，因此加热效率高，极适于农业应用。微波可以被土壤完全吸收转化为热能，且关闭电源或将功率调到零后，微波辐射即随之停止，土壤中的微波随即完全消失，对周围环境没有任何残留与危害，杂草与害虫、病原菌也不会产生抗性。使用微波进行除草、杀虫与杀菌处理只是在被处理对象上形成一个暂时没有或有很少的土壤动物与微生物的“真空地带”，并不影响周围环境中的生物多样性，因此具有环境友好的特点，符合现代环境保护与生物多样性保护的理念。

中国专利CN1408200提出了微波除草杀虫灭菌的方法及装置，该装置的微波辐射器与电源部分是一体的。因该装置的电源部分体积和质量都比较大，不方便移动，因此田间操作时多有不便。另外田间应用时土壤反射情况以及土壤介电常数变化较大，该装置的磁控管缺乏对土壤反射微波的保护以及对土壤介电常数变化的适应，需要进一步改进。专利号为99237854.0提出了仓储粮食微波杀虫装置，该装置通过一悬挂装置悬吊于粮仓之上，利用蜗轮蜗杆的摆动对下面的粮食进行辐射，适用于仓储粮食杀虫，但不适用于农田环境除草、杀虫、杀菌以及各种养殖场和公共场所消毒使用。专利号96238972.2提出了箱式微波杀虫灭菌装置，该装置为密闭的谐振腔式，适于处理小型的、可移动式材料，且被处理材料必须置放于密闭的腔体内，关闭箱门才能进行处理，也不适于农田除草、杀虫杀菌以及养殖场、公共场所的消毒处理。专利号93233817.8提出了室内有害生物电能防治装置，该装置虽然具有移动架，但微波辐射器固定于箱体内，不能上下与左右移动，该装置适于室内平滑地面进行杀虫杀菌处理，不适于农业应用，尤其农田进行除草、杀虫、杀菌处理以及养殖场进行长时间作业。专利申请号00115959.3提出了物理杀虫机，该装置利用亚紫外光及低频电磁波、超声波进行杀虫，对不具有趋旋光性的昆虫效果较差，且其电磁波的频率太低，也许对驱虫有效，但无法快速杀虫，也无法在田间使用，尤其无法用于农田进行除草、杀虫、灭菌以及养殖场、公共场所进行消毒处理。专利号92237685.9提出的电磁除蟑、除鼠器为利用低频电磁波进行驱虫、驱鼠的装置，也许可以驱除虫鼠，但杀虫效果不佳，更不可能用于农田进行除草、杀虫、杀菌以及养殖场、公共场所进行消毒处理。原始的“刀耕火种”的耕作方式为最早利用热能进行除草、杀虫、灭菌的农业措施，但此举对环境破坏大，耗能高而效率低，不适于现代农业。美国专利US5,060,414提出了将射频和微波应用于植物生产的方法和概念机，但并没有特别具体的结构。美国专利US6,401,637，US20030215354A1，US005141059，德国专利DE202，07237U1，DE201，17163U1，US006237278B1，PCT专利WO02074059A1，WO9807314，WO9717830，WO03099004A2对此提出了改进，所提出的微波能应用器的电源部分与微波辐射器部分均是整合在一起的，通过农用机械拖动一起移动，适于在大田等宽阔地进行操作，不适于温室、大棚等保护地条件下使用，同时微波辐射与磁控管之间也缺乏耦合器和环流器，不利于田间复杂环境下使用。PCT专利WO03081999A1则利用同轴波导将微波能导入地下，利用导线的顶端将微波能辐射出去，用于防治地下的白蚁，其装置也不适于防治大田土壤表层病虫害。同族专利日本特开2004-298026、WO04086860、AU2003264501所公布的装置也是将微波辐射器部分与电源部分整合在一起，放置在牵引机械上进行工作，并不适合于保护地条件下小空间内进行作业，该装置也缺少耦合器、环流器和微波防泄漏装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适于大棚等保护地条件下使用的微波农用机械，除了可以消除保护地栽培过程中所残留的各种农药外，更可以保障新的栽培过程中减少或者完全避免农药的使用，从而达到无公害农业生产的目的。该装置在靠近地表面的一定深度内形成一个没有或者有很少生物的清洁环境，从而达到既有利于高产高效、又有利于环保和食品安全的农业生产目的。该装置不仅可以应用于大棚等保护地，而且也适用于各种养殖场进行消毒处理。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微波除草杀虫灭菌装置，由电源、变压器、整流器、微波源、微波馈线、微波天线、控制面板、行走装置等组成，其特征在于：由喇叭天线、谐振腔、磁控管等组成的微波辐射器部分(以下简称微波辐射器)和由变压器、整流器等组成的电源部分(以下简称电源部分)是分开的，工作时微波辐射器移动，电源部分不随微波辐射器一起移动。微波辐射器与电源部分分开，电源部分通过柔性馈线给辐射器部分馈能，大大减轻了微波辐射器的重量和体积，使得微波辐射器部分更便于在体积狭小的空间(如大棚等)内进行操作，更便于小型化和机械化，有利于提高保护地栽培的生产效率。

诚如CN02129628.6所述，为了提高微波处理的效果，在微波辐射器的后端装有保温拖带，该拖带在工作时降下贴近地面，非工作状态升起以避免磨损。移动部分安装行走轮，以方便操作，一端安装有推拉扶手，工作时除用于行走外，也可以进行辐射器的升降操作和转向。行走装置除可以在人力作用下行走外，还可以通过其它外力如电动机或者内燃机等动力进行驱动或者助动，或为机动与手动两用型，也可以通过农田作业车牵引或推动前进。

微波辐射器为人为操作单元，为了保证操作安全，喇叭天线的辐射出口周围安装有微波防泄漏装置，尽可能地降低微波泄漏以符合国家安全标准。所采用的防泄漏装置既可以为一至多重抗流槽结构，也可以为金属屏蔽网、金属链等柔性防护。在抗流槽装置或者金属屏蔽网、金属链之外还可以再加装微波吸收装置，通过多重安全措施，使微波泄漏符合国家标准，并保证操作者的安全。

微波辐射器部分安装有倾斜自动断电保护装置。微波辐射器与土壤表面接触的地方(喇叭天线的下端口以及防泄漏装置)安装有倾斜自动断电保护装置，当然该装置也可以安装在其它适当的部位。工作状态时，微波辐射器紧贴地面，各种防泄漏装置可以正常发挥作用防止微波泄漏，当发生倾斜到一定程度时，安装于辐射器上的防泄漏装置启动，断开磁控管工作电源，防止微波从缝隙中泄漏出来。所采用的倾斜断电保护装置作用原理为自动检测辐射器下表面与地面之间的距离，当微波辐射器的任何一个边缘与地面之间的距离超过规定的限度时，自动断开电源，磁控管停止工作，从而保证微波无异常泄漏。微波辐射器倾斜探测装置可以采用光电传感器、超声传感器、微波传感器和图像传感器等，也可以采用机械的方式。采用机械探测方式时，在微波辐射器的四个下埠安装机械杠杆，利用杠杆原理测量微波辐射器下埠距离地面的距离，当距离超过规定限度时，杠杆触发继电器，将磁控管电源切断，从而达到预防微波异常泄漏的目的。当采用光电传感器、超声传感器、微波传感器和图像传感器等非接触式探测装置时，微波辐射器倾斜超过规定的距离时自动切断磁控管的电源，从而达到防止微波泄漏的目的。

微波辐射器的喇叭天线与磁控管之间安装有环流器。土壤含水量、有机质、土壤质地等条件多变，微波辐射器在移动的过程中土壤对电磁波的吸收和反射变化比较大，发射回磁控管的能量对磁控管工作的稳定性和寿命有不良影响。在磁控管和喇叭天线之间安装环流器可以消除或减少反射电磁波对磁控管的损伤，从而保证磁控管工作的稳定性并延长磁控管工作的寿命。

微波辐射器上安装有耦合器。土壤含水量、有机质含量、土壤质地等即使在同一个大棚内分布也是不均匀的，因此导致土壤的介电常数是变化的，不均质的土壤对微波的反射和吸收能力是不同的。为了更好地调节土壤对微波的吸收，在喇叭天线与磁控管之间安装有耦合器，根据土壤负载的变化调节微波输出，从而使微波更好地被土壤吸收。微波反射情况可以通过仪表进行指示。耦合器的调整可以采用手动方式，手动调节耦合器的调节螺钉，使微波输出功率最大；也可以通过传感器实现回馈式控制，根据微波功率输出情况实时回馈信息到调节装置，通过电动装置自动调节耦合器上的调节螺钉，使微波输出功率一直保持最大。

微波辐射器上安装有一至多个测温装置，以实时监测微波处理过程中土壤温度的变化情况。通过测温装置，实时反映土壤温度变化，方便操作者控制微波处理时间和行走速度，也可以通过设定的温度来控制行走轮自动行走的速度。所采用的测温装置可以是接触式测温装置，也可以是非接触式测温装置，如红外线测温器等。

微波辐射器安装有实时测温回馈式控制行走速度的装置。通过设定的微波输出功率和地面实测温度，由微电脑控制行走驱动轮的行走速度，从而达到微波处理的均匀化，保证微波处理效果的均匀一致。

微波辐射器的喇叭天线和防泄漏装置的下出口是密封的。土壤含水量比较大，土壤中的各种有机物质也比较多，尤其是施用农药比较多的土壤，受热后水分和有机物质挥发，容易进入波导管，对波导管和磁控管造成损害。将微波辐射器的喇叭天线和防泄漏装置的下端口用对微波吸收很少的材料如聚四氟乙烯、陶瓷等进行密封，防治蒸汽进入波导管，从而延长波导管和磁控管的使用寿命，并有利于作业的实施。

喇叭天线的下辐射口左右两侧壁比前后两侧壁长5-30cm，向下伸出一定距离，工作状态时这两个侧壁深入土壤中，从而可以更好地抑制微波从左右两侧壁向外泄漏，微波绕过两侧壁后要经过一定深度的土壤才进入空间，被土壤吸收后不仅增强了对土壤的处理效果，还减少了微波泄漏。

微波辐射器具有功率输出调节装置，可以连续或者分檔调节微波输出功率。该功率输出调节装置也可以放在不移动部分，通过遥控器或者线控装置调整功率输出。

微波辐射器具有可以移动的轮状结构和扶手，方便移动和操作。

微波辐射器上安装有控制面板，上置各种实时检测温度、微波辐射等仪表装置，方便于实时检测。

微波除草杀虫灭菌装置的电源部分包括变压器、整流器等，工作时通常置于被处理对象附近，因体积和重量比较大，一般不随微波辐射器部分移动，电源线的收放装置通常置于其内，可以通过线控或者遥控装置来收拢电源线。

附图说明

1：喇叭天线；2：波导管；3：耦合器；4：水负载；5：移动机箱；6：控制面板；7：推拉手架；8：磁控管；9：谐振腔；10：环流器；11：行走轮；12：驱动装置；13：保温拖带；14：防泄漏装置；15：馈电线；16：馈电线收放装置；17：电源机箱；18：整流器；19：调压器；20：变压器；21密封装置；22：土壤切割器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

图1为微波除草杀虫灭菌装置的构造框图。

图2为本发明实施方式之一的透视图。

图3为本发明的第二种实施方式的透视图。

图4为本发明的微波辐射器的防泄漏装置的透视图

图5为本发明的微波辐射器的防泄漏装置的另一种实施例的透视图

图1所示为微波除草杀虫灭菌装置的构造框图。电网首先给变压器20提供电能，经过整流器18和调压器19，通过馈电线15给微波辐射器部分馈电。变压器20、整流器18和调压器19以及给这些部件散热的装置等组成固定部分，置于电源机箱17内，工作时这些部件通常放在工作场地附近，不随微波辐射器一起移动。馈电线的收放装置16可以独立地置于电源机箱17的外边，也可以和变压器等部件一起置于电源机箱17内。经过馈电线15传来的电能通过磁控管8转化为微波能，通过激励腔、环流器、耦合器和喇叭天线，将微波能定向辐射到土壤，使杂草植株、种子及土壤中的细菌、真菌、线虫、螨等病原微生物暴露在高强度微波辐射下，细胞内的有机大分子、水分子等偶极子快速振荡，在微波的热效应以及微波的生物效应双重作用下，导致DNA、核酸、酶等重要的细胞组成成分、细胞膜等重要的细胞结构出现不可修复的结构性或功能性损伤，细胞液外泄而导致细胞凋亡，从而达到消毒的目的。土壤中的水分及其它极性成份也会吸收微波能而升温，由于土壤具有热的不良导体这一特性，对杂草根系、土壤中的杂草种子、病原菌等形成高温环境，加速杂草植株的地上部分与地下根系、杂草种子以及病原菌等的死亡，从而达到相对持久的除草、灭菌效果。微波能在土壤传输的过程中可以被土壤完全吸收，对环境没有任何残留影响。微波处理的结果是在被处理对象上形成暂时无虫、无草、无菌的小环境，不会影响周围环境中的其它生物，符合持续发展、环境保护与生物多样性的要求。

图2所示为本发明的第一种实施例：该实施例的馈电线收放装置16置于电源机箱17外，工作时把电源机箱17和微波辐射器连在一起，非工作状态时，馈电线15缠绕于收放装置16上便于存放和搬运，馈电线收放装置16可以加装自动收放机构，以轻松收放馈电线。微波辐射器的行走装置11可以为轮式的，也可以做成履带式的，行走轮的宽度较大，与地面具有较大的接触面积，以利于在较松软的土壤或路面上行走。行走装置11可以通过推拉手架7人力驱动，也可以通过其它动力如电动机、内燃机等为动力驱动装置12进行驱动，或者手动与机动联合驱动，也可以用其它机械做牵引力进行工作。馈电线15给磁控管8供电，将电能转化为微波能，经过谐振腔9，将微波能通过波导管2传输至喇叭天线1，然后辐射至目标物(土壤)。这些元器件之间的连接通过公知的技术如法兰等进行连接。喇叭天线1与移动机箱5之间安装强化装置23，以增强喇叭天线的承受能力，保证工作时喇叭天线的安全。喇叭天线1的下出口和防泄漏装置14接触地面的部位安装有密封装置22，该密封装置可以用聚四氟乙烯、陶瓷等对微波吸收很少的材料做成，具有强度高，不透水，防止水分子和其它物质进入波导管，以免影响机器的使用寿命和工作的稳定性。喇叭天线左右两侧壁可以等于前后侧壁，不伸出于密封装置21之外，也可以是左右两侧壁长于前后侧壁，伸出于密封装置之外，工作时两侧壁22插入土壤中。非工作状态时，密封装置下垫一支撑物，将喇叭天线的左右两侧壁22撑起，工作时则将支撑物取出。喇叭天线与环流器之间安装有耦合器3，根据土壤负载的变化调节微波功率输出至最大。耦合器的调整可以根据指示仪表的变化手动调节，也可以根据土壤负载的变化回馈式自动调整微波输出功率至最大。耦合器与磁控管之间安装有环流器10和水负载4，吸收土壤反射的微波能，保护磁控管工作的稳定性并延长工作寿命。磁控管、环流器、水负载以及磁控管的散热装置等可以置于机箱5内，以利于操作安全。耦合器可以置于机箱5内，也可以放置于机箱外。喇叭天线的后缘安装有一至多个温度检测器，用于实时监测土壤温度的变化。该温度检测器可以为接触式，也可以为非接触式如红外线温度检测器。温度实时变化信息通过安装于控制面板6上的仪表显示出来。行走速度可以通过控制面板上的变频器来控制，也可以根据实时检测温度信息人工控制行走速度。行走速度的控制也可以根据设定的温度，依据喇叭天线后缘实时温度检测器提供的信息回馈式自动控制行走速度。控制面板上除温度实时信息显示器外，还安装有各种电源的控制开关、阳极电流监视器等，显示器可采用常规的指标式仪表，也可以采用数字式仪表。防泄漏装置的后部根据需要可以连接有保温拖带13，工作时紧贴地面，非工作状态时升起。各种电源的开、关以及行走轮的转向等操作可以在现场手动控制，也可以通过遥控装置进行遥控操作。

图3所示为另一种实施方式。该实施方式与图2所示的第一种实施例相似，其不同点在于：馈电线收放装置16置于电源机箱17内，工作时馈电线15从电源机箱17内伸出，工作结束后馈电线通过馈电线收放装置16收回电源机箱17内。

图4所示为微波辐射器防泄漏装置的透视图。微波防泄漏装置14与喇叭天线1的下辐射口相连，防止微波从喇叭天线的边缘向外泄漏。微波防泄漏装置14的下端口外缘可以涂一圈微波吸收材料，将微波防泄漏装置没有完全反射的微弱的微波再次吸收，从而将微波泄漏降低到更弱。微波防泄漏装置14的下端口为密封装置21，该密封装置对微波吸收很少，透过率高，同时具有一定的强度，耐摩擦，工作时贴近土壤表面滑动。

图5所示为微波辐射器防泄漏装置的另一种实施例的透视图。该实施例与图4所示的实施例很相似，其不同点在于，喇叭天线的左右两侧壁22比前后侧壁要长，伸出于微波辐射器的密封装置21之外，侧壁的端部倾斜，端部倾斜的形状可以为一侧倾斜，或者两侧向中间倾斜呈尖形，以利于减少穿插入土的阻力。

上述各种实施例中所列举的各种实施方式，可以根据具体的处理对象的不同进行组合，有些装置可以缺如，如专用于在农田与其它农业机械联合使用，则推拉手架7可以省却等。所有这些组合和某些部件的缺如均在本发明的权利要求保护范围之内，而不是对该权利要求的限制。

Claims (10)

1.一种微波除草杀虫灭菌装置，由电源、变压器、整流器、微波源、微波馈线、喇叭天线、控制面板、行走装置等组成，其特征在于：由喇叭天线、谐振腔、磁控管等组成的微波辐射器部分和由变压器、整流器等组成的电源部分是分开的，工作时微波辐射器移动，电源部分不随微波辐射器一起移动。

2.按照权利要求1所述的微波除草杀虫灭菌装置，其特征在于：喇叭天线与磁控管之间安装有环流器。

3.按照权利要求1所述的微波除草杀虫灭菌装置，其特征在于：喇叭天线与磁控管之间安装有耦合器。

4.按照权利要求1所述的微波除草杀虫灭菌装置，其特征在于：喇叭天线的辐射出口周围安装有微波防泄漏装置。

5.按照权利要求1所述的微波除草杀虫灭菌装置，其特征在于：喇叭天线的辐射出口和防泄漏装置上安装有倾斜自动断电保护装置。

6.按照权利要求1所述的微波除草杀虫灭菌装置，其特征在于：微波辐射器上安装有测温装置。

7.按照权利要求1所述的微波除草杀虫灭菌装置，其特征在于：微波辐射器安装有温度反馈式控制行走速度的装置。

8.按照权利要求4所述的微波除草杀虫灭菌装置，其特征在于：喇叭天线的辐射出口是密封的。

9.按照权利要求4所述的微波除草杀虫灭菌装置，其特征在于：喇叭天线下辐射口的左右两侧壁长于前后侧壁。

10.按照权利要求1所述的微波除草杀虫灭菌装置，其特征在于：微波辐射器具有手动、电动、内燃机驱动的轮、功率输出调节装置以及扶手。

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