CN101772231A - 具有超颖结构材料的微波加热装置 - Google Patents

Abstract

具有超颖结构材料的微波加热装置，属于微波加热技术领域。该微波加热装置包括微波产生装置和微波输出装置；还包括超颖结构材料(3)，通过支架(4)放置在微波加热装置的微波输出窗口前；所述超颖结构材料由金属图形层(7)和介质层(8)复合而成；所述金属图形层(7)为单层或多层结构、并位于介质层(8)表面或嵌入到介质层中，且由均匀分布的金属图形单元构成；每个金属图形单元由一个或多个形状和大小相同的金属片构成旋转对称结构。本发明不仅可以有效提高特定位置物料的微波加热效率，还能够有效提高微波加热的均匀性，也可以减少微波泄漏，减少微波防护的压力。

Description

具有超颖结构材料的微波加热装置

技术领域

本发明属于微波加热技术领域，涉及超颖材料学，特别涉及微波加热装置。

背景技术

微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，即波长在1米(不含1米)到1毫米之间的电磁波。被加热物料中的水分子是极性分子，在快速变化的高频电磁磁场作用下，其极性取向将随着外电场的变化而变化。分子的运动产生相互摩擦效应，此时微波场能量转化为介质内的热能。微波使物料温度升高，产生热化和膨化等一系列物化过程从而达到微波加热的目的。根据这一原理制造的装置就是微波加热装置。

微波作为一种先进能源，在家庭，工农业，食品，橡胶，木材，医疗等领域得到广泛的应用。我国的微波能应用技术起步与上世纪70年代初，主要应用领域有食品，烟叶，农副产品，轻纺，木材的一般干燥和加工，以及医疗行业。到了90年代中后期，我国家用微波炉产业迅速崛起，而工业微波能应用产业也迅速扩大。微波加热装置已应用于烟草工业，橡胶硫化，微波烧结和冶炼，微波治污，微波沥青路面养护，微波化学萃取、合成和消解技术等领域。微波能及微波等离子体在新材料和微电子技术为表征的高新科技领域具有更大的发展前途。而微波硫灯、微波干衣机、微波热水器、微波洗碗机等微波应用产品，虽然目前尚未完全成功，但可望在未来不久某些项目形成大的产业。

使用微波加热装置加热物料具有如下的几个主要特点：

一、穿透性。微波比其它用于辐射加热的电磁波，如红外线、远红外线等波长更长，因此具有更好的穿透性。微波透入介质时，由于介质损耗引起的介质温度的升高，使介质材料内部、外部几乎同时加热升温，形成体热源状态，大大缩短了常规加热中的热传导时间，且在条件为介质损耗因数与介质温度呈负相关关系时，物料内外加热均匀一致。

二、选择性加热。物质吸收微波的能力，主要由其介质损耗因数来决定。介质损耗因数大的物质对微波的吸收能力就强，相反，介质损耗因数小的物质吸收微波的能力也弱。由于各物质的损耗因数存在差异，微波加热就表现出选择性加热的特点。如水分子属极性分子，介电常数较大，其介质损耗因数也很大，对微波具有强吸收能力。而蛋白质、碳水化合物等的介电常数相对较小，其对微波的吸收能力比水小得多。

三、热惯性小。微波对介质材料是瞬时加热升温，能耗也很低。另一方面，微波的输出功率随时可调，介质温升随之改变，不存在“余热”现象，极有利于自动控制和连续化生产的需要。

正是由于微波加热具有上述的穿透性强，以及选择性加热的特点，一旦遇到要求加热位置接近微波源，或者是介质损耗因数低的物料，大量微波能量会低损耗的通过待加热的物料，而不是被物料吸收转化为热量加热物料。这种情况会造成微波加热效率低，以及微波能量的大量浪费。

超颖材料，是指自然界不存在，而是通过人工方法做出的具有特殊性质的结构。超颖材料是一种新颖的材料设计思想，这一思想的基础是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能。迄今发展出的超颖材料包括“左手材料”、光子晶体、“超磁性材料”等。用金属和介质制成的超颖材料可以获得与常规介质材料不同的性质。在电磁波入射等效均匀的情况下，根据等效介质理论，λ＝c/γ，λ′＝λ/n＝c/nγ，其中 $n=\sqrt{\mathrm{\ϵ\μ}}.$ 对于等效介电常数实部大于1的介质，其附近的微波波长小于在真空中的传播波长。采用超颖材料的设计思想，可以得到不同于一般介质的微波传输特性，从而改变超颖材料附近的微波波长，起到压缩微波场，集中微波能量的作用。

发明内容

本发明基于超颖材料的设计思想和等效介质理论，提供一种具有超颖结构材料的微波加热装置。本发明提供的微波加热装置能将微波能量集中到特定位置，提高物料的微波加热效率，还能够有效提高微波能量分布的均匀性，达到快速均匀加热物料的目的。

本发明技术方案如下：

具有超颖结构材料的微波加热装置，如图1至图3所示，包括微波产生装置(即磁控管1)和微波输出装置(即波导或喇叭天线2)；还包括超颖结构材料3，通过支架4放置在微波加热装置的微波输出窗口前。所述超颖结构材料由金属图形层7和介质层8复合而成；所述金属图形层7为单层或多层结构、并位于介质层8表面或嵌入到介质层中，且由均匀分布的金属图形单元构成；每个金属图形单元由一个或多个形状和大小相同的金属片构成旋转对称结构。

超颖结构材料3中，所述金属片的形状可以是矩形、圆形、方环、圆环、“十”字形、

字形，或裂开的矩形、圆形、方环或圆环；金属片的厚度h大于金属片所用金属材料的微波趋肤深度；所述介质层板材料的复介电常数的实部小于10，虚部小于0.5，具体材料可以是满足复介电常数要求的微晶玻璃、印制电路基板或陶瓷等。整个超颖结构材料3的厚度以不超过工作微波的二分之一波长为宜。

磁控管发出的微波能量通过波导或喇叭天线等微波输出窗口，微波能量会先经过超颖结构材料，再辐射到待加热物料表面。由于超颖结构材料具有对称或旋转对称结构的单层或多层金属图形单元，其等效复介电常数的实部高于真空中复介电常数的实部，可以缩短金属超颖材料附近的微波波长，起到压缩微波场，集中微波能量的作用，从而达到用微波快速加热指定位置的效果。同时，超颖结构材料上的超颖金属图形单元等价于在微波加热装置中引入了发射微波的子波源，微波先经过超颖金属图形单元再辐射到加热物料上，加热物料表面的微波能量分布就变得更均匀。所以，在微波加热装置中增加超颖结构材料，能起到将微波能量聚集到指定位置，有效提高微波加热物料的效率，还能够有效提高物料表面微波能量分布的均匀性。通过调整超颖结构材料的结构参数，可以改变微波能量聚集的位置，调整微波的穿透深度，也为微波加热装置的设计提供了一种简便有效的新途径。采用不同结构参数的超颖结构材料，可以在无须改变磁控管输出微波的频率、以及微波加热装置主要部件的基础上，满足对不同位置物料进行微波快速加热的需求。在开放式的微波加热系统中，采用具有超颖结构的微波快速加热装置，也可以减少微波泄漏，减少微波防护的压力。

需要说明的是：

1.金属片的厚度h大于金属片所用金属材料的微波趋肤深度。为了节约成本，希望单元金属片的厚度h越小越好，但至少应该大于或最好不小于单元金属片所用金属材料的微波趋肤深度的十倍。

2.超颖结构材料可以通过粘贴、丝网印刷、蒸发镀膜或溅射镀膜等方法将超颖金属图形制作于介质材料表面或嵌入介质材料中来实现。

3.超颖结构材料中的介质层材料的复介电常数的实部小于10，虚部小于0.5，这样微波可以低损耗的透过超颖结构材料，基本不影响负载的微波使用和吸收。

4.从磁控管产生的微波能量，透过波导或喇叭天线等微波输出窗口，微波能量先经过超颖结构材料，再向待加热物料辐射。

5.超颖结构材料的结构参数，包括金属片的大小和形状，周期排列、旋转对称排列，单层、双层或多层，以及金属片厚度等，在一定范围内均可调。对于同频率的微波源，改变参数可以得到不同的等效介电常数，从而改变微波的穿透深度，实现微波能量在不同位置聚集和对物料的快速微波加热。

6.由于超颖结构材料具有压缩其附近微波波长的作用，本发明尤其适用于加热位置离微波输出窗口距离很近，小于一个或几个微波源波长的物料。

7.由于超颖结构材料等效于引入了若干个微波发射子波源，可以有效提高微波加热的均匀性。相对于庞大的微波加热装置的主要部件，超颖结构材料重量较轻，可以使其缓慢转动以搅动微波场，从而实现更佳的微波加热均匀性。

8.在开放式的微波加热系统中，采用超颖结构材料的微波加热装置，还可以有效减少微波泄漏，减少微波防护的压力。

综上所述，本发明提供的微波加热装置能将微波能量集中到特定位置，提高物料的微波加热效率，还能够有效提高微波能量分布的均匀性，达到快速均匀加热物料的目的。

附图说明

图1是本发明提供的具有超颖结构材料的微波加热装置的结构示意图。其中，1是磁控管，2是波导或喇叭天线，3是超颖结构材料，4是固定超颖结构材料的支架，5是待加热物料。

图2是超颖结构材料的截面结构示意图。其中，7是金属图形层，8是介质层。

图3是一种双层的具有90°旋转对称结构的超颖结构材料的平面结构示意图。其中(a)为一层金属图形层结构；(b)为另一层金属图形层结构；上下两层的一对金属片，其夹角为40°。

图4是图3所示超颖结构材料的微波透过率的电磁仿真测试曲线。

图5是图3所示超颖结构材料的等效复介电常数实部的电磁仿真测试曲线。

图6电磁仿真得到的2.45GHz微波通过超颖结构材料前后，微波场和微波能量的分布情况。

图7具有三组磁控管和喇叭天线的微波加热装置的结构示意图。

图8采用一组磁控管和喇叭天线，用1kW微波对1500ml水加热300s，直接加热和放置在超颖结构材料下加热，水温上升时间Δt的对比曲线。

图9采用三组磁控管和喇叭天线，共3kW微波对一块木板加热60s。直接加热和放置在超颖结构材料下加热，用红外热像仪得到的木板表面的温度分布对比图。

具体实施方式

具有超颖结构材料的微波加热装置，设计和制作时采用下面的步骤：

步骤1：

电磁仿真，确定超颖结构材料中金属图形层的金属单元的结构尺寸、周期尺寸、对称或旋转对称结构。电磁仿真时需要考虑金属材料以及介质材料对微波的损耗等材料特性。根据待加热位置计算需要的等效介电常数，选择和待加热位置匹配的超颖结构材料参数。调整参数，使微波能低损耗的透过超颖结构材料，在待加热物料表面得到比较均匀的微波能量分布。

步骤2：

根据步骤1的电磁仿真结果，采用优化的结构参数制作超颖结构材料。可采用粘合、丝网印刷、蒸发镀膜或溅射镀膜等方法制作。

步骤3：

将制好的超颖结构材料放置在微波能量输出窗口(波导或喇叭天线)前，位于微波输出窗口和待加热物料之间；要求从磁控管发出的微波能量，传播到微波输出窗口，先经过超颖结构材料，再辐射到待用微波加热的物料位置。

步骤4：

进行微波加热实验。研究具有超颖结构材料的微波加热装置加热不同位置物料的效率。用红外热像仪得到微波加热时物料表面的温度分布，从而得到微波能量在物料表面的分布情况。根据微波加热实验的结果分析出微波的穿透深度、微波加热效率和微波能量的分布情况，证明这种具有超颖结构的微波快速加热装置，确实具有使微波能量集中在特定位置，提高物料的微波加热效率，以及改善微波加热均匀性的作用。

反复重复步骤1、2、3和4，优化超颖结构的结构参数，使微波的穿透深度、微波加热的效率、以及微波加热均匀性得到较好的统一。

应用举例

设计制作了一种具有超颖结构材料的2.45GHz微波加热装置。

1.电磁仿真确定结构参数

根据电磁仿真结果确定结构参数。图3显示了一种双层的、具有旋转对称结构的金属超颖结构。在图4中电磁仿真的透过率曲线中，对于2.45GHz微波，微波的穿透率约为-1.2dB。微波能量经过超颖结构材料后，大部分微波能量向待加热物料辐射，而不是反射回去。

2.计算等效介电常数

计算超颖结构材料的介质板的等效介电常数。图5的等效介电常数实部的曲线中，对于2.45GHz微波，该超颖结构材料的等效介电常数约5.7，远大于空气中的等效介电常数1。图6的电磁仿真得到的2.45GHz微波场分布和微波能量分布，显示出2.45GHz微波经过超颖结构材料后，介质板附近的微波波长小于空气中微波的传播波长，且微波能量聚集在超颖结构材料附近。

3.制作具有超颖结构材料的微波加热装置

根据图3的结构，用粘合的方法，在微晶玻璃板上制备了具有4次旋转对称结构的双层铝片阵列。将该超颖结构材料用支架固定在图7的喇叭天线口和待加热物料之间。磁控管发出的2.45GHz微波能量经由喇叭天线，先经过该超颖结构材料，再辐射到待加热的物料上。

4.微波加热实验

采用图7所示微波加热装置中的一组磁控管和喇叭天线，室温12.0℃，湿度48％，采用微波功率1kW，对1500ml水加热300s。图8显示了水温上升和超颖结构材料到水面的距离的关系。图8中，随着超颖结构材料距水面距离H的减小，水温的上升Δt呈现出指数下降。将超颖结构材料去除，得到了相应的直接加热1500ml水后得到的水温上升与加热距离变化的关系，水温的上升Δt呈现线性变化。图8中，H＞25mm时，直接加热水的效率高于加入超颖结构材料加热的效率，当H＜25mm时，加入超颖结构材料加热水的效率高于直接加热的效率。该结果表明，在微波加热装置中加入超颖结构材料后，微波能量主要集中在距离超颖结构材料25mm以内的区域，可以实现对于特定距离(＜25mm)处物料的微波快速加热；且对于类似的开放式的微波加热系统，距离介质板25mm以外的区域，微波能泄漏也远远小于直接加热的情况。该结果与图6中电磁仿真的微波场分布的结论一致。

采用图7中的三组磁控管和喇叭天线，总微波功率达到3kW，对一块木板加热60s。图9是用红外热成像仪得到的木板表面的温度分布。图9(a)是直接加热的结果，温度分布不均匀；图9(b)是在微波加热装置中加入了超颖结构材料加热的结果，大部分区域的温度分布比较均匀。若缓慢转动或移动超颖结构材料，改变微波集中加热的位置，可以进一步提高微波加热的均匀性。采用这种方法，可以免除移动沉重的磁控管和天线阵列以获得微波的均匀加热，更加实际可行且效果显著。

上述的电磁仿真和实验结果证明，这种具有超颖结构材料的微波加热装置，可以实现物料在特定位置的快速均匀加热。

Claims (8)

1.具有超颖结构材料的微波加热装置，包括微波产生装置和微波输出装置；还包括超颖结构材料(3)，通过支架(4)放置在微波加热装置的微波输出窗口前；所述超颖结构材料由金属图形层(7)和介质层(8)复合而成；所述金属图形层(7)为单层或多层结构、并位于介质层(8)表面或嵌入到介质层中，且由均匀分布的金属图形单元构成；每个金属图形单元由一个或多个形状和大小相同的金属片构成旋转对称结构。

2.根据权利要求1所述的具有超颖结构材料的微波加热装置，其特征在于，所述微波产生装置为磁控管(1)。

3.根据权利要求1所述的具有超颖结构材料的微波加热装置，其特征在于，所述微波输出装置为波导或喇叭天线(2)。

4.根据权利要求1所述的具有超颖结构材料的微波加热装置，其特征在于，超颖结构材料(3)中，所述金属片的形状是矩形、圆形、方环、圆环、“十”字形、“卐”字形，或裂开的矩形、圆形、方环或圆环。

5.根据权利要求1所述的具有超颖结构材料的微波加热装置，其特征在于，超颖结构材料(3)中，金属片的厚度h大于金属片所用金属材料的微波趋肤深度。

6.根据权利要求1所述的具有超颖结构材料的微波加热装置，其特征在于，超颖结构材料(3)中，所述介质层(8)材料的复介电常数的实部小于10，虚部小于0.5。

7.根据权利要求6所述的具有超颖结构材料的微波加热装置，其特征在于，所述介质层(8)材料是满足复介电常数要求的微晶玻璃、印制电路基板或陶瓷。

8.根据权利要求1所述的具有超颖结构材料的微波加热装置，其特征在于，所述超颖结构材料(3)的厚度不超过工作微波的二分之一波长。

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