CN104869679B - 一种实现变频微波加热的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种实现变频微波加热的装置和方法，利用行波管对微波信号发生器产生的微波放大，然后输入到微波加热装置的炉体内对物料进行加热，实现了输出的微波频率可调、功率可调；同时利用磁控管作辅助微波源，有利于在加热过程中快速达到所需的温度，且结构简单，成本低廉；将数个辅助微波源和数个变频微波源成圆周状均匀排列在微波加热装置炉体的外侧，加热炉内腔设有保温材料，微波源通过控制电路与PLC连接，该加热装置加热均匀，保温效果好，自动化程度高，工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种实现变频微波加热的装置和方法，特别是涉及一种具有选择性地改变微波输出频率和功率的微波加热装置和实现方法。
背景技术
微波热处理是利用微波将材料与微波场相互作用，微波被材料吸收并转化为热能，从材料内部对其整体进行加热的一种热处理方法。利用微波进行热处理，以其节能、加热快速无热滞、与物质相互作用等优点，因此微波在热处理领域得到了越来越广泛的应用。
微波加热效率与材料自身性质密切相关。例如，水易在频率为2.45GHz 和0.965GHz的微波作用下发生谐振，可被这两个频段的微波快速加热。因此，以加热水为媒介，实现食品及其各种物料干燥的微波加热设备的工作频率均被设置为2.45GHz 或0.965GHz，不能满足物理性能与水有一定差异或显著不同的其它物料的快速加热。在微波加热条件下，要想实现不同物料的快速加热，根据物料的自身物理属性改变输入微波频率，使物料在微波场下产生耦合谐振是实现微波快速加热的必要途径。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种能够克服在固定的工作频率上进行工作的微波加热装置的缺陷，并具有选择性地改变微波输出的频率和功率能力的微波加热装置和方法。
本发明的技术方案：
一种实现变频微波加热的装置，包括微波加热炉、微波源、控制电路，其中：
微波加热炉包括炉体、炉盖，两者之间设置密封机构和微波屏蔽机构；微波加热炉的内腔为圆柱型腔体，腔体与微波源热传递，腔体内设有热电偶，通过信号线与控制电路连接，内腔周围包裹保温材料；炉体底部设置有排水口并安装阀门，炉盖上设有排气管。
微波源包括变频微波源和辅助微波源，数个变频微波源成圆周状均匀分布在炉体的外侧，数个辅助微波源成圆周状均匀分布在炉体的外侧；变频微波源含有微波信号发生器和行波信号放大器：微波信号发生器用于产生一个具有所选波形、频率和幅度的信号；行波信号放大器用于放大所述信号发生器产生的所述的微波信号。
控制电路包括控制系统、PLC、触摸屏和热电偶；变频微波源微波信号发生器和行波信号放大器依次通过控制系统与PLC连接；辅助微波源通过控制系统与PLC连接。
所述密封装置采用橡胶密封圈制成；所述微波屏蔽装置采用铜网带微波屏蔽圈制成，并且密封装置位于微波屏蔽装置的内侧。
所述内腔的侧壁为氧化铝材质。
所述行波信号放大器为行波管放大器。
所述控制系统含有与输入端相连的一定数量的手动开关，以及与输入端连接有信号采集电路的开关信号电路。
触摸屏通过PLC的数据总线分别与变频微波源、辅助微波源、控制系统的控制电路连接。
利用上述装置实现变频微波加热的方法，包括以下步骤：
（1）将物料粉碎后加入微波加热炉装置炉体的内腔中，盖上炉盖，密封好；
（2）开启微波加热炉中磁控管辅助微波源（定频微波源），开始对物料进行加热；调节磁控管辅助微波源的输出功率，使物料以每分钟3-5℃的速率升温至设定温度。
（3）关闭微波加热炉中磁控管辅助微波源（定频微波源），开启变频微波源，调节输出频率2-8.0GHz，开始对物料进行加热；调节变频微波源的输出功率为，使物料以每分钟3-5℃的速率升温至设定温度，保温20-30分钟。
（4）关闭变频微波源，自然冷却到室温，打开微波加热装置炉体的上盖，取出产物。
本发明的有益效果：
（1）本发明的实现变频微波加热的装置中，将数个辅助定频（2.45GHz）微波源和数个变频微波源成圆周状均匀排列在微波加热装置炉体的外侧，炉体内腔设有保温材料，微波源通过控制电路与PLC连接，该加热装置加热均匀，保温效果好，自动化程度高，工艺简单。
（2）本发明利用行波管对微波信号发生器产生的微波放大，然后输入到微波加热装置的炉内对物料进行加热，实现了输出的微波频率可调、功率可调。
（3）本发明同时利用磁控管作辅助微波源，有利于在加热过程中快速达到所需的温度，且结构简单，成本低廉。
附图说明
图1为本发明的实现变频微波加热装置的结构示意图；
图2为本发明的变频微波加热装置中炉体的俯视图；
图3为本发明的行波管放大器的结构示意图。
图4、图5为本发明的实施例处理过的微晶玻璃SEM照片。
图中标号：1为炉体，2为炉盖，3为变频微波源，4为辅助微波源，5为控制系统，6 为PLC，7为触摸屏，8为热电偶，9为密封机构，10为微波屏蔽机构，101为保温材料，102为内腔，103为被加热材料，104为排水管，105为排气管；201为灯丝，202为阴极，203为控制极，204为阳极，205为输入端，206为螺线，207为输出端，208为收集极，301为微波信号发生器，302为行波管信号放大器。
具体实施方式
实施例1：一种实现变频微波加热的装置，参见图1和图2，在炉体1上部密封安装炉盖2，设置密封机构9和微波屏蔽机构10。炉体内的中部设置有内腔102，炉体外侧分别安装变频微波源3和辅助微波源4，以及控制系统5、PLC6和触摸屏7等。变频微波源3和辅助微波源4将热传递给内腔102中，在内腔周围设置有保温材料101。热电偶8从炉盖2顶部向下深入内腔102中，用于检测内腔102内部温度，并及时将温度信号反馈给控制系统。控制系统根据温度信息控制变频微波源3和辅助微波源4进行加热或暂停。在炉体底部连接有排水管104并安装阀门，在炉盖上侧设置有排气管105。
其中，变频微波源3含有微波信号发生器301，用于产生一个具有所选波形、频率和幅度的信号；信号放大器302，用于放大所述信号发生器301产生的微波信号。控制系统输出端与微波信号发生器301的输入端连接，微波信号发生器301的输出端与行波管信号放大器302的输入端连接，行波管信号放大器302的输出端与所述变频微波源3连接。
控制系统5含有与输入端相连的一定数量的手动开关，信号采集电路的开关信号电路。触摸屏7通过PLC6的数据总线分别与变频微波源3、辅助微波源4、控制系统5的控制电路连接。其中，行波管放大器302参见图3，行波放大器是一种通过在接近真空环境中运动的电子注与行波高频场持续相互作用实现能量转换的电子器件，属真空器件。包括以下组件：201-灯丝、202-阴极、203-控制极、204-阳极、205-输入端、206-螺线、207-输出端、208-收集极。这些部件全部装在接近真空的壳体内，各电极通过导线引出。
在输入端输入不同频率的微波信号，在输出端通过同轴电缆导出高频功率输入到微波加热装置的炉体内，用于对物料实现变频微波加热。其中：灯丝201、阴极202、控制极203和阳极204构成电子枪，用于产生电子流。电子流是能量的载体，它在运动的过程中与高频场持续相互作用进行能量交换。在输入端输入不同频率的微波信号，在输出端通过同轴电缆导出高频功率输入到微波加热装置的炉体内，用于对物料实现变频微波加热。
实施例2：利用实施例1的微波装置实现变频微波加热的方法，参见图1-图3，进行微晶玻璃的晶化热处理，包括以下步骤：
（1）将铸好的玻璃管材（200克），放入氧化铝坩埚内，然后在氧化铝坩埚中加入石墨，将玻璃管材埋起来；置于变频微波加热装置中，盖上炉盖，密封好；
（2）开启微波加热炉中磁控管辅助微波源（定频微波源），开始对物料进行加热；调节微波加热炉的输出功率为2KW，使物料以每分钟5℃的速率升温至600℃；
（3）关闭微波加热炉中磁控管辅助微波源（定频微波源），开启变频微波源，调节输出频率3.0GHz，开始对物料进行加热；调节变频微波源的输出功率为100W，使物料以每分钟5℃的速率升温至680℃，保温20分钟；
（4）然后以每分钟8℃的速率升温至780℃，保温20分钟；
（5）关闭变频微波源，自然冷却到室温，打开微波加热装置炉体的上盖，取出产品。得到的产品呈翠绿色，其SEM照片见图4、图5，全部为纳米晶粒；说明晶化的非常完全。
Claims (14)
1.一种实现变频微波加热的装置，包括微波加热炉、微波源、控制电路，其特征是：
微波加热炉包括炉体（1）、炉盖（2），两者之间设置密封机构（9）和微波屏蔽机构（10）；腔体（102）与微波源热传递，腔体（102）内设有热电偶（8），通过信号线与控制电路连接，内腔（102）周围包裹保温材料（101）；炉盖（2）上设有排气管（105）；
微波源包括变频微波源（3）和定频辅助微波源（4），数个变频微波源（3）成圆周状均匀分布在炉体（1）的外侧，数个定频辅助微波源（4）成圆周状均匀分布在炉体（1）的外侧；变频微波源（3）含有微波信号发生器（301）和行波信号放大器（302）：微波信号发生器（301）用于产生一个具有所选波形、频率和幅度的信号；行波信号放大器（302）用于放大所述信号发生器（301）产生的所述的微波信号；
所述行波放大器是一种通过在接近真空环境中运动的电子注与行波高频场持续相互作用实现能量转换的电子器件；包括以下组件：灯丝、阴极、控制极、阳极、输入端、螺线、输出端、收集极；这些部件全部装在接近真空的壳体内，各电极通过导线引出；在输入端输入不同频率的微波信号，在输出端通过同轴电缆导出高频功率输入到微波加热装置的炉体内，用于对物料实现变频微波加热；其中：灯丝、阴极、控制极 和阳极构成电子枪，用于产生电子流；电子流是能量的载体，它在运动的过程中与高频场持续相互作用进行能量交换；在输入端输入不同频率的微波信号，在输出端通过同轴电缆导出高频功率输入到微波加热装置的炉体内，用于对物料实现变频微波加热；
控制电路包括控制系统（5）、PLC（6）、触摸屏（7）和热电偶（8）；变频微波源（3）微波信号发生器（301）和行波信号放大器（302）依次通过控制系统（5）与PLC（6）连接；定频辅助微波源（4）通过控制系统（5）与PLC（6）连接。
2.如权利要求1所述的一种实现变频微波加热的装置，其特征是：所述密封装置（9）采用橡胶密封圈制成；所述微波屏蔽装置（10）采用铜网带微波屏蔽圈制成，并且密封装置（9）位于微波屏蔽装置（10）的内侧。
3.如权利要求1所述的一种实现变频微波加热的装置，其特征是：所述内腔（102）的侧壁为氧化铝材质。
4.如权利要求1所述的一种实现变频微波加热的装置，其特征是：所述行波信号放大器（302）为行波管放大器。
5.如权利要求1所述的一种实现变频微波加热的装置，其特征是：所述控制系统（5）含有与输入端相连的一定数量的手动开关，以及与输入端连接有信号采集电路的开关信号电路。
6.如权利要求1所述的一种实现变频微波加热的装置，其特征是：触摸屏（7）通过PLC（6）的数据总线分别与变频微波源（3）、定频辅助微波源（4）、控制系统（5）的控制电路连接。
7.如权利要求1所述的一种实现变频微波加热的装置，其特征是：炉体底部设置有排水口（104）并安装阀门。
8.一种实现变频微波加热的方法，其特征是：
该方法包括以下步骤：
（1）将物料粉碎后加入微波加热炉装置炉体的内腔中，盖上炉盖，密封好；所述微波加热装置包括微波加热炉、微波源、控制电路，微波加热炉包括炉体（1）、炉盖（2），两者之间设置密封机构（9）和微波屏蔽机构（10）；腔体（102）与微波源热传递，腔体（102）内设有热电偶（8），通过信号线与控制电路连接，内腔（102）周围包裹保温材料（101）；炉盖（2）上设有排气管（105）；
微波源包括变频微波源（3）和定频辅助微波源（4），数个变频微波源（3）成圆周状均匀分布在炉体（1）的外侧，数个定频辅助微波源（4）成圆周状均匀分布在炉体（1）的外侧；变频微波源（3）含有微波信号发生器（301）和行波信号放大器（302）：微波信号发生器（301）用于产生一个具有所选波形、频率和幅度的信号；行波信号放大器（302）用于放大所述信号发生器（301）产生的所述的微波信号；
所述行波放大器是一种通过在接近真空环境中运动的电子注与行波高频场持续相互作用实现能量转换的电子器件；包括以下组件：灯丝、阴极、控制极、阳极、输入端、螺线、输出端、收集极；这些部件全部装在接近真空的壳体内，各电极通过导线引出；在输入端输入不同频率的微波信号，在输出端通过同轴电缆导出高频功率输入到微波加热装置的炉体内，用于对物料实现变频微波加热；其中：灯丝、阴极、控制极 和阳极构成电子枪，用于产生电子流；电子流是能量的载体，它在运动的过程中与高频场持续相互作用进行能量交换；在输入端输入不同频率的微波信号，在输出端通过同轴电缆导出高频功率输入到微波加热装置的炉体内，用于对物料实现变频微波加热；
控制电路包括控制系统（5）、PLC（6）、触摸屏（7）和热电偶（8）；变频微波源（3）微波信号发生器（301）和行波信号放大器（302）依次通过控制系统（5）与PLC（6）连接；定频辅助微波源（4）通过控制系统（5）与PLC（6）连接；
（2）开启微波加热炉中定频辅助微波源，开始对物料进行加热；调节定频辅助微波源的输出功率1-2KW，使物料以每分钟3-5℃的速率升温至设定温度600-800℃；
（3）关闭微波加热炉中定频辅助微波源，开启变频微波源，调节输出频率2-8.0GHz，开始对物料进行加热；调节变频微波源的输出功率为100-200W，使物料以每分钟3-5℃的速率升温至设定温度680℃，保温20-30分钟；
（4）关闭变频微波源，自然冷却到室温，打开微波加热装置炉体的上盖，取出产物。
9.如权利要求8所述的一种实现变频微波加热的方法，其特征是：所述密封装置（9）采用橡胶密封圈制成；所述微波屏蔽装置（10）采用铜网带微波屏蔽圈制成，并且密封装置（9）位于微波屏蔽装置（10）的内侧。
10.如权利要求8所述的一种实现变频微波加热的方法，其特征是：所述内腔（102）的侧壁为氧化铝材质。
11.如权利要求8所述的一种实现变频微波加热的方法，其特征是：所述行波信号放大器（302）为行波管放大器。
12.如权利要求8所述的一种实现变频微波加热的方法，其特征是：所述控制系统（5）含有与输入端相连的一定数量的手动开关，以及与输入端连接有信号采集电路的开关信号电路。
13.如权利要求8所述的一种实现变频微波加热的方法，其特征是：触摸屏（7）通过PLC（6）的数据总线分别与变频微波源（3）、定频辅助微波源（4）、控制系统（5）的控制电路连接。
14.如权利要求8所述的一种实现变频微波加热的方法，其特征是：炉体底部设置有排水口（104）并安装阀门。
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