CN102200387A - 微波搅拌装置及具有该装置的微波冻干设备 - Google Patents

Abstract

微波搅拌装置及具有该装置的微波冻干设备，该微波冻干设备包括微波功率源、微波谐振腔和微波搅拌装置，该微波搅拌装置包括驱动部件、波导部件、连接部件及反射部件，该反射部件为金属材料，该波导部件分别与该微波谐振腔和该连接部件连接，该波导部件用于将微波导入该微波谐振腔内，该驱动部件通过连接部件与该反射部件连接以驱动该反射部件旋转，该反射部件与该微波谐振腔的内壁之间形成有波导入口，该波导入口随该反射部件的旋转而转动，以将该波导部件导入的微波无规则地反射馈入该微波谐振腔内。本发明通过增加微波的振荡模式，利用不同的微波振荡模式互相叠加来提高微波场的均匀度，保证了微波谐振腔内微波场能量的均匀分布。

Description

微波搅拌装置及具有该装置的微波冻干设备

技术领域

本发明涉及一种微波设备，特别是一种微波搅拌装置及具有该装置的微波冻干设备。

背景技术

真空冷冻干燥技术起源于1890年，当时Altmann用于生物标本的制作。在二战期间由于医药领域的大量应用，使冻干技术得到迅速发展。上世纪50年代到70年代期间，国外对冻干技术特别是冻干技术在食品领域的研究非常活跃。冻干食品一问世就体现出其独特的特性和功用。由于质量好、复水快、营养风味、色泽外形各指标俱佳，因此在国外的一些特殊行业如航空、登山、探险、野战等领域有其独特的地位。在国内进入80年代以后，冻干技术在食品业的应用有较大的发展，出现了几家冻干食品企业，生产出了冻干葱、冻干姜片等冻干产品。但由于冻干工艺的特殊性，加工时间长，能量消耗大，生产成本高，一直得不到大范围的普及推广，这也是制约冻干技术发展的瓶颈。为了提高冻干效率，降低冻干能耗，国外在冻干技术开发的早期就有人进行研究微波冻干技术，早在1957年Jackson和1958年Copson等通过研究发现利用微波加热提供升华热可以大大缩短冷冻干燥的时间。后来在60年代到70年代也有人从不同的角度进行了微波冻干的相关研究，但由于技术条件所限，进展比较缓慢。也有资料断言，微波低压放电问题无法解决，微波冻干不可能实现，随后国外有关微波冻干的研究报道大大减少。近年来，国内又掀起了微波冻干的研究热潮，但多数学者是侧重于理论研究和数学模型的模拟推导，没有发现微波冻干的应用性研究的文献报道。

微波冻干技术是为了克服常规冻干技术周期长、能耗大的缺点，而提出的一项真空冷冻干燥新技术，是将微波加热应用于冻干技术，改变升华潜热的提供方式，从而提高干燥速率，缩短干燥时间，降低干燥成本。目前的常规冻干技术都是采用表面加热，包括接触传导型加热和辐射加热，由于冻干过程中物料干层导热系数很小，比冻结层约小一个数量级，供热阻力大，因此随着冻干过程的进行，表面干层形成以后，干燥速率显著下降，使整个过程持续时间很长。

微波冻干技术是将微波技术与真空冷冻干燥技术合二为一的一种新技术，由于两个领域相互独立，所以该项技术较为复杂，目前正处于探讨如何实现二者的结合阶段。根据文献资料报道，现在大多数学者的研究集中在微波冻干机理和节能方面。对微波冻干设备方面的探讨研究尚少，少量文献报道了微波冻干试验台的搭建设计研究，但其结构表现出不同的问题，主要有以下三方面：第一、微波谐振腔和真空仓布局不合理，使微波馈入面的微波穿透特性和真空密封特性互相冲突，特别是微波的连续长时间工作会导致微波馈入面变形而影响密封；第二、微波场能量分布不匀，导致受热不均，干燥程度严重不平衡，直接影响到冻干质量和冻干成本；第三、微波功率不可以连续调节，满功率馈入既浪费能量，又会导致多余微波能产生，融化冰晶，导致冻干失败。

申请号为“200610010411.4”，名称为“可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设备”的中国发明专利申请，公开了一种可用于食品药品生产的微波真空冷冻干燥设备，替换了传统冷冻仓的金属内核，打通了真空冷冻干燥中热能的微波辐射通路，可在低压或超低压下，由微波辐射向物料直接提供能量，使物料内外部冰晶中的水分子同时迅速升华，该设备既具有微波对物料内外同时加热的优点，又保留了原有真空冷冻干燥设备预冻时能够迅速降温、解吸后期能够保持温度恒定，但该发明专利申请存在如下问题：

1、没有完全解决微波屏蔽和真空密封的问题；

2、导热塑料可能因为微波长时间作用引起变形或融化；

3、导热玻璃、导热陶瓷等的采用，导致热能损耗过大，与应用微波冻干节约能源的目的相矛盾；

4、没有涉及微波场能量分布不匀，导致受热不均，干燥程度严重不平衡的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可使微波场能量均匀分布的微波搅拌装置及具有该装置的微波冻干设备。

为了实现上述目的，本发明提供了一种微波搅拌装置，设置于微波冻干设备，以使所述微波冻干设备的微波谐振腔内的微波场分布均匀，其中，所述微波搅拌装置包括驱动部件、波导部件及反射部件，所述反射部件为金属材料，所述波导部件分别与所述微波谐振腔和所述连接部件连接，所述波导部件用于将微波导入所述微波谐振腔内，所述驱动部件通过连接部件与所述反射部件连接以驱动所述反射部件旋转，所述反射部件与所述微波谐振腔的内壁之间形成有波导入口，所述波导入口随所述反射部件的旋转而转动，以将所述波导部件导入的所述微波无规则地反射馈入所述微波谐振腔内。

上述的微波搅拌装置，其中，所述的反射部件为搅拌槽，所述搅拌槽包括底板和连接在所述底板外缘上的折边，所述底板上设置有用于与所述连接部件连接的连接孔，所述折边上设置有用于馈入所述微波的多个开口。

上述的微波搅拌装置，其中，所述底板为多边形结构，所述多个开口分别设置在所述多边形结构的相邻各边的邻接处。

上述的微波搅拌装置，其中，所述连接孔偏离所述底板中心位置。

上述的微波搅拌装置，其中，至少两个所述开口的尺寸和/或形状为不相同。

上述的微波搅拌装置，其中，所述折边为Z型结构。

上述的微波搅拌装置，其中，所述连接部件包括联轴器、连接器及推力轴承，所述联轴器用于连接所述驱动部件与所述连接器一端，所述连接器另一端与所述反射部件连接，所述推力轴承连接在所述连接器上。

上述的微波搅拌装置，其中，还包括用于保护该微波搅拌装置的保护罩，所述保护罩连接在所述连接部件上。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种微波冻干设备，包括微波功率源、微波谐振腔和与所述微波谐振腔连接的微波搅拌装置，所述微波功率源与所述微波谐振腔连接，其中，所述微波搅拌装置为上述的微波搅拌装置。

上述的微波冻干设备，其中，所述微波谐振腔由非金属板分隔为各自独立的上腔室和下腔室，所述微波搅拌装置与所述上腔室连接，所述下腔室中设置真空仓。

本发明的技术效果在于：本发明是在微波谐振腔内，通过增加微波的振荡模式，利用不同微波振荡模式的互相叠加来提高微波场的均匀度，该微波搅拌装置及具有该装置的微波冻干设备保证了谐振腔内微波场能量的均匀分布。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1本发明的微波搅拌装置的结构框图；

图2本发明一实施例的微波冻干设备及其微波搅拌装置结构示意图；

图3本发明的一实施例的搅拌槽结构示意图；

图4图3的左视图；

图5图3的俯视图。

其中，附图标记

100微波搅拌装置                4波导部件

1驱动部件                      41波导壁

11电机                         42转动波导入口

2连接部件                      43波导口

21联轴器                       5保护罩

22连接器                       200微波冻干设备

23推力轴承                     210微波谐振腔

24螺母                         220微波功率源

3反射部件                      201非金属板

31搅拌槽                       202上腔室

311连接孔                      2021内壁

312底板                        203下腔室

313折边

314开口

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1及图2，图1为本发明的微波搅拌装置的结构框图，图2为本发明一实施例的微波冻干设备及其微波搅拌装置结构示意图。本发明的微波冻干设备200，包括微波功率源220、微波谐振腔210和与所述微波谐振腔210连接的微波搅拌装置100，该微波功率源220与微波谐振腔210连接，用于提供该微波谐振腔210工作时作用于物料的微波。该微波功率源220可为任何一现有技术中的微波源，只要其输出功率满足该微波冻干设备200的需要即可，对此没有特殊要求，本实施例优选为磁控管。为了既保证微波能作用于冻干的物料，也保证上层的微波导入部件不会进入水蒸汽、灰尘等杂质污染和腐蚀，保证设备部件的性能和使用寿命，提高微波能的转换效率，还可以将所述微波谐振腔210用非金属板201分隔为各自独立的上腔室202和下腔室203，所述微波搅拌装置100与所述上腔室202连接，所述下腔室203中设置真空仓。

本实施例中，微波谐振腔210优选由4mm厚的非金属板将其分为体积比为1∶6的相互独立的上腔室202和下腔室203两部分，当然也可以根据使用需要确定其他厚度的非金属板201和其他的分割比例，对此没有特别限制，其中，微波搅拌装置100与该上腔室202连接，即上腔室202为搅拌槽31的转动和微波的馈入空间，下腔室203设置了真空仓(图未示)，所述非金属板201可为聚四氟乙烯板、陶瓷板或玻璃板，只要是微波透明的材料即不吸收微波、对微波具有穿透性的材料均可，但不能为易燃、易变形材质。本实施例中优选陶瓷板，该陶瓷板对微波能的吸收可以忽略，这样既保证了微波能作用于冻干的物料，也保证上层的微波导入部件不会进入水蒸汽、灰尘等杂质污染和腐蚀，保证设备部件的性能和使用寿命，提高微波能的转换效率。

参见图2，该微波搅拌装置100设置于微波冻干设备200，可使所述微波冻干设备200的微波谐振腔210内的微波场分布均匀，微波谐振腔中微波场的分布很复杂，家用微波炉，由于磁控管固定于炉体右侧，微波能从右侧馈入腔内，微波场的分布很不均匀，为了使物料受热相对均匀，家用微波炉在设计时采用物料盘旋转的方式。而微波冻干设备200由于要安放温度传感器等部件，所以不能用物料盘旋转的结构。另一方面即使采用物料盘旋转结构，料盘中心的物料也是基本不动，达不到均匀受热的目的。所以本发明采用安装微波搅拌装置100的方法来使微波谐振腔内的能量分布相对均匀。所述微波搅拌装置100包括驱动部件1、波导部件4及反射部件3，所述反射部件3为金属材料，所述波导部件4分别与所述微波谐振腔210和所述连接部件2连接，所述波导部件4用于将微波导入所述微波谐振腔210内，所述波导部件4由固定波导和转动波导两部分组成，固定波导由波导壁41和微波谐振腔外壁构成，将微波功率源220发出的微波导入搅拌槽31，转动波导由搅拌槽31和微波谐振腔内壁构成，将微波功率源220导入的微波馈入微波谐振腔210内。所以搅拌槽31既属于波导部件，又属于反射部件。所述驱动部件1通过连接部件2与所述反射部件3连接以驱动所述反射部件3旋转，所述反射部件3与所述微波谐振腔210的内壁2021之间形成有波导入口42，所述波导入口42随所述反射部件的旋转而转动，以将所述波导部件3通过波导口43导入的所述微波无规则地反射馈入所述微波谐振腔210内。

参见图3～图5，图3为本发明的一实施例的搅拌槽结构示意图，图4为图3的左视图，图5为图3的俯视图。本实施例中，所述的反射部件3优选为搅拌槽31，所述搅拌槽31包括底板312和连接在所述底板312外缘上的折边313，所述底板312上设置有用于与连接部件2连接的连接孔311，所述折边313上设置有用于馈入所述微波的多个开口314。所述底板312优选为多边形结构，所述多个开口314设置在所述多边形结构的相邻各边的邻接处。所述连接孔311偏离所述底板312的中心位置。至少两个所述开口314的尺寸和/或形状为不相同，即所述各个开口314的尺寸大小不同，形状不同，也可以各个开口314的尺寸和形状均不相同。从而使得微波谐振腔210内的振荡模式增多，加之波的反射，模式之间相互重叠，从而达到相对均匀分布的效果。

本实施例中的所述底板312为梯形结构，在梯形的四个边上分别设置有折边313，所述折边313最佳为Z字型，该Z字型结构折边的上沿部分与所述上腔室202的内壁2021平行，该梯形结构的底板312的四边邻接处的折边313为非闭合结构，即该四个折边313分别在邻接处设置有开口314，四个开口314的尺寸和形状各不相同，也可取形状相同而尺寸不同以使得该开口314具有不同的截面积。从而使得微波谐振腔210内的振荡模式增多，加之波的反射，模式之间相互重叠，从而达到相对均匀分布的效果。

所述反射部件3还可为搅拌叶轮。所述搅拌叶轮的轮片可设置为具有不同的半径，或所述轮片之间的间隙不等，以使各轮片的转动半径不等和/或间隙间形成的波导入口尺寸不同，从而使得上腔室202内的振荡模式增多，加之波的反射，模式之间相互重叠，从而达到相对均匀分布的效果。

所述连接部件2可选用现有技术中的多种连接部件，只要能连接驱动部件1和反射部件3，实现反射部件3在驱动部件1的驱动下旋转运动即可。本实施例中驱动部件1为电机11，当然也可为现有技术中其他常用驱动装置，所述连接部件2包括联轴器21、连接器22及推力轴承23，所述联轴器21用于连接所述驱动部件1与所述连接器22一端，所述连接器22另一端通过螺母24与所述反射部件3连接，所述推力轴承23连接在所述连接器22上。本实施例还可包括用于保护该微波搅拌装置100的保护罩5，所述保护罩5与所述连接部件2连接，扣合在所述波导壁41上。波导壁41与上腔室202的外壁组合形成波导，搅拌槽31与上腔室202的内壁2021组合而成波导，在电机11的带动下形成转动的波导入口42。推力轴承23承载微波搅拌装置100的转动功能，降低阻力，减小摩擦。保护罩5对整个微波搅拌装置100具有保护功能。

微波搅拌装置100的工作原理是：为了提高微波谐振腔210内微波场分布的均匀性，采用转动的微波搅拌装置100来增加微波谐振腔210内的微波模式，较多模式的微波场叠加使得整个微波谐振腔210内的微波场分布比较均匀。具体而言：

1.受电机11的带动，搅拌槽31在匀速转动，搅拌槽31和上腔室202的内壁形成旋转的波导入口42；

2.搅拌槽31不对称的设计形成转动半径不同的波导入口42；

3.搅拌槽31的折边313的开口314大小及形状不同使导入微波模式不同。

这些结构的设计，使得微波谐振腔210内的振荡模式增多，加之波的反射，模式之间相互重叠，从而达到相对均匀分布的效果。整个微波搅拌装置100的功能就是增加了微波谐振腔210内的振荡模式，提高微波谐振腔210内微波能分布的均匀度。

工作时，微波搅拌装置100通过联轴器21将电机11的主动轴和连接器22联结，将搅拌槽31固定在连接器22上，这样电机11的转动就带动了搅拌槽31的转动，转动的搅拌槽31与上腔室202的内壁2021构成转动的微波馈入口42。搅拌槽31的不对称性使转动轴的左右两边大小不等，使其形成转动半径不等的两个转动的微波馈入口42。搅拌槽31的四个角的开口314的形状和大小不同使馈入的微波模式不同，不同模式的微波经过反射后互相叠加，增加了微波谐振腔210内微波的振荡模式，提高了微波场的均匀度(参见图2及图3)。

微波谐振腔210内微波场的分布复杂，难以精确计算。为了对微波谐振腔210内微波场的均匀程度有个定性的了解，可选用二氯化钴(CoCl₂)水溶液浸泡过的滤纸对其进行均匀度测定。

测定原理：二氯化钴的无水物为蓝色六方晶体，结晶水合物中由于结晶水数不同而呈不同颜色。它们的相互转变温度及特征颜色如下：

二氯化钴在常温状态下，呈粉红色粉末(结晶体)。但随着温度升高，二氯化钴结晶体中水分子相继失去，便出现粉红、紫红、蓝紫和蓝色4种颜色的明显变化。而且只有在达到120℃高温时，二氯化钴才会变为蓝色。由粉红色变成淡蓝色，温度越高，蓝色越深，根据颜色的变化，可以判断温度的升降。通过温度场的均匀度分布可进一步推断微波场的均匀程度。

将滤纸浸渍在4％的CoCl₂水溶液中，浸渍时间为10min，试纸呈现均匀的粉红色，将试纸置于冻干仓203的顶部，在额定微波功率的作用下，经过3min的加热处理，试纸的温度逐渐升高，改变了二氯化钴中水分的含量，导致试纸颜色产生变化。试纸颜色将由粉红色变为淡蓝色，温度越高，其颜色越深。通过对比观测加装该微波搅拌装置100前后两种情况下，试纸颜色的均匀程度，发现加装该微波搅拌装置100后经二氯化钴浸渍后的试纸颜色均匀度明显好于加装该微波搅拌装置100前的试验效果，表明该微波搅拌装置100显著改变了微波谐振腔210内温度场的均匀度，也说明显著提高了微波谐振腔210内微波场的均匀度。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种微波搅拌装置，设置于微波冻干设备，以使所述微波冻干设备的微波谐振腔内的微波场分布均匀，其特征在于，所述微波搅拌装置包括驱动部件、连接部件、波导部件及反射部件，所述反射部件为金属材料，所述波导部件分别与所述微波谐振腔和所述连接部件连接，所述波导部件用于将微波导入所述微波谐振腔内，所述驱动部件通过所述连接部件与所述反射部件连接以驱动所述反射部件旋转，所述反射部件与所述微波谐振腔的内壁之间形成有波导入口，所述波导入口随所述反射部件的旋转而转动，以将所述波导部件导入的所述微波无规则地反射馈入所述微波谐振腔内。

2.如权利要求1所述的微波搅拌装置，其特征在于，所述的反射部件为搅拌槽，所述搅拌槽包括底板和连接在所述底板外缘上的折边，所述底板上设置有用于与所述连接部件连接的连接孔，所述折边上设置有用于馈入所述微波的多个开口。

3.如权利要求2所述的微波搅拌装置，其特征在于，所述底板为多边形结构，所述多个开口分别设置在所述多边形结构的相邻各边的邻接处。

4.如权利要求2或3所述的微波搅拌装置，其特征在于，所述连接孔偏离所述底板中心位置。

5.如权利要求2或3所述的微波搅拌装置，其特征在于，至少两个所述开口的尺寸和/或形状为不相同。

6.如权利要求2或3所述的微波搅拌装置，其特征在于，所述折边为Z型结构。

7.如权利要求1、2或3所述的微波搅拌装置，其特征在于，所述连接部件包括联轴器、连接器及推力轴承，所述联轴器用于连接所述驱动部件与所述连接器一端，所述连接器另一端与所述反射部件连接，所述推力轴承连接在所述连接器上。

8.如权利要求1、2或3所述的微波搅拌装置，其特征在于，还包括用于保护该微波搅拌装置的保护罩，所述保护罩连接在所述连接部件上。

9.一种微波冻干设备，包括微波功率源、微波谐振腔和与所述微波谐振腔连接的微波搅拌装置，所述微波功率源与所述微波谐振腔连接，其特征在于，所述微波搅拌装置为权利要求1～8中任意一项所述的微波搅拌装置。

10.如权利要求9所述的微波冻干设备，其特征在于，所述微波谐振腔由非金属板分隔为各自独立的上腔室和下腔室，所述微波搅拌装置与所述上腔室连接，所述下腔室中设置真空仓。

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