CN105415715A - 一种微波自动加热装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波自动加热装置，包括微波发生器、微波腔、控制系统、微波功率控制模块和微波局部屏蔽件，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件由屏蔽微波区和透过微波区组成，所述透过微波区包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收；设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。本发明结合计算机自动控制技术，使用本发明提供的微波自动加热装置可以对吸波材料进行自动控制的定点和/或定向加热。

Description

一种微波自动加热装置及方法

技术领域

本发明涉及微波领域，具体涉及一种微波自动加热装置及方法。

背景技术

微波具有对某些材料进行选择性加热、加热速度快、加热均匀、穿透性强、热惯性小等优点，将微波技术应用于复合材料固化领域，能显著减少固化时间，降低生产成本，获得优异的制品性能，具有巨大的发展潜力。

国内外已在复合材料固化领域展开了大量研究，并取得了丰硕的成果。但这些研究存在一个共同的特征，复合材料均是直接暴露于微波场中完成固化。如中国专利申请CN201410295387提供一种微波-压力固化复合材料的温度均匀分布方法及成套固化装置，所述方法是在压力容器罐体中采用多边形腔体使得微波在腔体中发生多次反射，提高微波入射到复合材料的均匀性。同时在腔体的前后设置波导窗，气体介质可流动到腔体中，与复合材料发生对流换热，进一步提高材料的温度均匀性，并可实现压力容器内的气体在复合材料加热固化时施加压力。所述的装置主要包括多边形腔体和电磁屏蔽窗。本发明可提高复合材料构件的温度均匀性，降低微波固化复合材料构件的翘曲变形。

在对复合材料制件进行加热时，因其本身属于热的不良导体，因而若采用传统加热方式则制件的中心加热慢而周边加热快，而若采用传统的微波方式进行均匀加热则极有可能导致制件中心散热慢而过热，而即使同时使用微波方式和传统方式对复合材料进行加热，也都会使得加热固化情况不能良好的受控。因此，本领域需要针对这种情况而开发一种特别的微波自动加热装置及微波加热方法。

发明内容

因此，本发明提供一种微波自动加热装置，包括微波发生器、微波腔、微波局部屏蔽件、控制系统、微波功率控制模块和测温装置，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件由屏蔽微波区和透过微波区组成，所述透过微波区包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收；所述测温装置包含测温头、数据采集仪和测温传输线，所述测温头设置在微波局部屏蔽件内侧的吸波材料中，所述测温传输线一端与测温头连接，另一端引出至所述微波腔外侧与数据采集仪连接，数据采集仪将采集的数据传输至控制系统，设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。

本发明方案中，在对吸波材料的加热性能以及本发明所述微波自动加热装置(微波局部屏蔽件)的性能熟悉之前，均需要使用测温装置4来研究和探求一个合适的吸波材料的加热或固化方法。而在研发人员对上述性能均掌握清楚后，则无需再在吸波材料中设置测温头，此时通过及时调节微波功率即可实现对吸波材料的可控的定点加热和固化。本发明中，在所述吸波材料(如碳纤维与树脂的复合材料)加热固化后，因测温头无法再取出而会在产品中形成一个小的瑕疵点。因而在实验室探究出各测温点与本发明中微波自动加热装置的对应关系后形成经验参数；工业生产过程中，均通过所述经验参数调控微波频率即可，而不再需要在所述复合材料中设置测温头，从而避免在产品中形成小的瑕疵点。

本发明还提供一种微波自动加热装置，包括微波发生器、微波腔、控制系统、微波功率控制模块和微波局部屏蔽件，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件由屏蔽微波区和透过微波区组成，所述透过微波区包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收；所述透过微波区的面积占整个微波局部屏蔽件面积的30％或以下；设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。

本发明还提供一种微波自动加热装置，包括微波发生器、微波腔、控制系统、微波功率控制模块和微波局部屏蔽件，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件由屏蔽微波区和透过微波区组成，所述透过微波区包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收；所述微波腔上含有一个或多个由金属蜂窝板构成的通风窗或通风墙，用于在屏蔽微波的同时可使得微波腔内外侧气流畅通；设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。所述通风窗是指微波腔的侧壁、底板和顶板上面积的一部分由金属蜂窝板构成。而所述通风墙是指微波腔的侧壁、底板和顶板中至少有一面全部由金属蜂窝板构成，例如微波腔的侧壁、底板和顶板整体全部由金属蜂窝板构成。

当微波腔内的吸波材料不仅需要定点或定向加热固化，还需要同时进行热压整体同步加热固化时，使用该装置可以实现微波定点加热与热压罐整体加热同时进行的加热或固化效果。

因此，本发明提供一种新的微波自动加热装置及微波加热固化方法，使得微波可以针对复合材料制件的局部进行优先加热和固化，使得加热固化过程整体均匀可控，从而得到高性能的制件产品。

本领域技术人员知晓地，微波通常呈现穿透、反射和吸收三个基本特性。对于玻璃、部分塑料和陶瓷，微波几乎是穿越而不被吸收；对于水和食物等吸波材料就会吸收微波而使其自身发热；而对金属类物质，则会反射微波。自然界中到处都有微波，但存在于自然界的微波，因为分散不集中，故不能用于加热物品。微波炉是利用其内部的磁控管，将电能转变成微波，例如以2450MHZ的振荡频率穿透食物，当微波被吸波材料吸收时，吸波材料内的极性分子(如水、脂肪、蛋白质、糖等)即被吸引以每秒24亿5千万次的速度快速振荡，这种震荡的宏观表现就是吸波材料被加热了；这就是微波加热的大致原理。

本发明中，所述吸波材料是指该材料中至少有一种组分能吸收一定频率的微波。本领域技术人员能理解的，本发明中，微波能从缝隙处进入吸波材料中而被吸波材料定点吸收，所述定点吸收的概念是宏观的定点概念，也就是使用本发明中提供的装置对吸波材料加热时，并不会只对某个点进行加热，而是对某个指定的区域进行加热。

本领域技术人员知晓地，所述微波功率控制模块可以整合在控制系统中，也可以独立于控制系统之外。

在一种具体的实施方式中，所述微波发生器的功率可调节，优选其功率线性可调，例如在100～600w间均线性可调。所述微波发生器的功率例如可以在1500w以内均可调节，在一种具体的实施方式中，所述微波发生器的功率在100～600w间为更常用的功率。

在一种具体的实施方式中，微波腔内还设置有悬空固定在微波腔的侧壁、底板或顶板上且用于放置吸波材料的透波板，所述缝隙开在所述微波局部屏蔽件的底部，且微波发生器位于微波腔内的顶部。如此设置方式使得来自于微波发生器1中的微波并不直接从缝隙处进入吸波材料中，而是经过在微波腔内的均匀分散后再从缝隙进入吸波材料中；使得本发明提供的微波定点加热方法更为稳定可控；且微波发生器置于微波腔顶部还便于操作。

在一种具体的实施方式中，微波频率为国内用于工业加热的常用频率2450±50兆赫或915±25兆赫，且所述缝隙的长宽比为≥2：1，优选≥5：1，更优选≥10：1。当然，所述微波频率还可以是433兆赫或5800兆赫等用于工业加热的常用频率。优选地，所述缝隙的长度为≥20mm，优选≥40mm，更优选≥80mm，且缝隙的宽度为1～30mm。本发明中，微波频率为2450兆赫或915兆赫时，二者的波长分别为12.245cm和32.8cm。本发明中，微波能穿过比微波波长更短的所述缝隙，但微波不能透过直径小至一定程度的孔，例如孔直径在微波波长的1/4以下时，微波难以透过，或者微波透过该孔后的能量大幅衰减。本发明中，使用长宽比比值较高的缝隙透过微波时，对吸波材料的定点加热效果越好。

本发明中，所述缝隙为矩形、菱形、梯形、弧线形或异形，这在本发明中不受限制，优选所述缝隙为瘦长矩形、菱形或梯形。本发明中，所述缝隙的长宽比是指其长度与缝隙最窄处的比值。本发明中，所述缝隙可以单独存在，每条缝隙均被屏蔽微波区31隔开，也可以是所述缝隙以孔或缺口等其它形式连接在一起，这在本发明中均不受限制。本发明中，微波局部屏蔽件中的屏蔽微波区31可以为金属板、金属箔、金属蜂窝孔板等形式或其组合，例如为铝板、铝箔或蜂窝铝板。但优选本发明中形成屏蔽微波区的材质中包含铝箔、铜箔或锡箔，且其厚度为0.01mm以上。

本发明中，所述测温装置包括热电偶、热敏电阻、红外传感器、光纤荧光传感器和光纤光栅传感器中的一种或多种。若测温装置中包括金属电线，则需要对该金属电线进行微波屏蔽处理。而若采用光纤测温，则无需对测温装置进行微波屏蔽。

本发明中，所述微波腔接受来自微波发生器中的微波且在工作过程中将微波能全部屏蔽在微波腔中。所述微波腔包括炉门，所述炉门设置在微波腔的侧壁、底板或顶板上，这在本发明中均不受限制。

在一种具体的实施方式中，有测温头设置在吸波材料中的定点吸波处，且所述测温头与微波局部屏蔽件上缝隙间的距离为≥2mm。

在一种具体的实施方式中，所述吸波材料为包括碳纤维与树脂的复合材料，且在所述微波局部屏蔽件的外侧还设置有用于将微波加热所述吸波材料过程中产生的气体及时抽出的真空袋，优选在所述真空袋的内侧以及微波局部屏蔽件的外侧还设置有透气毡用于抽真空时气体的导流。

在一种具体的实施方式中，所述透过微波区32的面积占整个微波局部屏蔽件面积的15％以下，更优选在5％以下。

在一种具体的实施方式中，所述微波局部屏蔽件中至少部分屏蔽微波区的结构粘贴覆盖在所述吸波材料的外表面上。

本发明还提供一种微波加热方法，包括使用上述微波自动加热装置对吸波材料进行定点和/或定向加热。

本发明能带来如下有益效果：本发明利用微波具有材料选择性加热、能快速均匀地加热吸波材料、并且热惯性小、易于控制的特点，通过采用对吸波材料的部分表面进行微波屏蔽处理，从而使微波只能对材料上需要加热的区域按照材料所需要的升温/固化曲线进行定向加热和固化，本发明为需要对吸波材料制件进行局部升温或者局部固化的要求提供了一种解决办法和思路。本发明缩短了复合材料类吸波材料的加热时间，并降低了能耗。本发明结合计算机自动控制技术，使用本发明提供的微波自动加热装置可以对吸波材料进行自动控制的定点和/或定向加热。

附图说明

图1为本发明提供的一种微波自动加热装置示意图，

图2为本发明提供的另一种微波自动加热装置示意图，

图3为本发明提供的另一种微波自动加热装置示意图，

图4为本发明提供的又一种微波自动加热装置示意图，

图5为向微波自动加热装置的控制系统中输入的定点加热温度变化曲线示意图；

其中，1、微波发生器，2、微波腔，3、微波局部屏蔽件，31、屏蔽微波区，32、透过微波区，4、测温装置，41、测温头，42、数据采集仪，43、测温传输线，5、真空袋，6、透气毡，7、透波板，8、真空管，9、快接接头，10、密封胶带，11、控制系统，12、微波功率控制模块，01、吸波材料。

具体实施方式

图1提供了一种微波自动加热装置，包括微波发生器1、微波腔2、微波局部屏蔽件3、控制系统11、微波功率控制模块12和测温装置4，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料01，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件由屏蔽微波区和透过微波区组成，所述透过微波区包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收；所述测温装置包含测温头41、数据采集仪42和测温传输线43，所述测温头设置在微波局部屏蔽件内侧的吸波材料中，所述测温传输线一端与测温头连接，另一端引出至所述微波腔外侧与数据采集仪连接，数据采集仪将采集的数据传输至控制系统，设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。本例中，所述微波腔为未设通风窗的封闭式微波腔。

图1和2中的所述吸波材料为碳纤维与树脂组成的复合材料制件，所述复合材料制件的制备方式例如为：先将碳纤维织成织物，再将吸波的材料树脂浸润到碳纤维织物中，形成未固化的复合材料制件，该未固化的复合材料制件可以使用透波材料(如玻璃)制成的模具盛装。所述制件包括在下的底座和在上的两个L型件，在两个L型件的底部相接处产生近似三角形的狭缝，因而使用一种预料搓成条(填充物)后填进该狭缝以最终填满该区域，使得终产品没有裂纹。这个狭缝区域无论采用传统加热方式还是使用普通的微波加热均会存在问题，传统加热方式使制件中心处的升温速度比外面部分的升温速度慢，而传统的微波方式中心散热困难，且二者都难以实现对加热进行定点控制。采用本发明提供的装置和方法对该处进行定点加热，例如微波局部屏蔽件上的缝隙长度和宽度分别为70mm和2mm，吸波材料制件的总高度为40cm，底板的厚度为5mm，测温头设置在底板上，微波局部屏蔽件上的缝隙设置在该狭缝的正下方，因而测温头与微波局部屏蔽件上的缝隙间的最小距离为5mm。当打开本发明所述微波自动加热装置后，来自于微波发生器1中的微波输入微波腔2，且微波能均匀分布在微波腔2中。所述吸波材料的大部分外表面均被微波局部屏蔽件3屏蔽反射，因而微波能只能从所述狭缝处进入微波局部屏蔽件内侧的吸波材料中，因为微波能量有限，因而被某处的吸波材料将微波能几乎吸收殆尽，所述定点吸波处例如为图1和2中所示的圆形区域。微波加热具有热惯性小的特点，因而对吸波材料定点或定向加热的可控性极高。本发明中，因为微波发生器产生的微波功率不高，例如控制功率在600w以下，因而并不会出现金属屏蔽件反射微波而打火的情况。常用的情况下，所述微波的功率在600w以内连续可调，例如在600w以内可调，更多的情况下，所述微波的功率为150～600w。

图2提供了一种更为具体的微波自动加热装置，装置中还包括透波板7，透波板设置在微波腔2内，具体是悬空固定在微波腔的侧壁上，用于放置吸波材料；所述缝隙开在所述微波局部屏蔽件的底部，且微波发生器位于微波腔内的顶壁上；装置中还包括用于将微波加热所述吸波材料过程中产生的气体及时抽出的真空袋5，以及在所述真空袋的内侧以及微波局部屏蔽件的外侧还设置有透气毡6用于抽真空时气体的导流；所述测温装置还包括数据采集仪42，其设置在微波腔外侧用于及时采集所述测温头测得的温度。与真空袋5配合的部件还包括用于抽真空的真空管8和快接接头9，以及用于将真空袋粘贴在所述透波板7上的密封胶带10。

图3中还提供了另一种微波自动加热装置，装置中的透过微波区32包括三条缝隙，这三条缝隙分布在吸波材料的上侧和下侧，三条缝隙间以屏蔽微波区31隔开或三条缝隙相连皆可。实现发现，这种方案与图1中所示的一条缝隙的方案一样，均能对吸波材料起到定点或定向加热效果。此外，图3中的微波腔的四周侧壁上均开有通风窗，蜂窝孔金属板通风窗在确保将微波屏蔽在微波腔内的同时使得微波腔内可以与外部进行良好通风。

图4中提供了又一种微波自动加热装置，该装置中不涉及测温装置，因而适合用于在工艺参数研究清楚后对吸波材料进行工业化大规模的加工(包括加热和固化)。

图5为向微波自动加热装置的控制系统中输入的定点加热温度变化曲线示意图，本领域技术人员可知，该温度变化曲线由研发人员任意设定即可。

在有测温装置的方案中，将该温度曲线编程输入控制系统中，控制装置根据测温装置中实时测得的温度而调控微波频率，在测温头、测温传输线、数据采集仪、控制系统、微波功率控制模块、微波发生器、吸波材料和测温头间形成循环自动测校，完成对定点加热或固化的自动控制。而在没有测温装置的方案中，则先根据升温曲线的要求和经验公式对微波发生器的通断和频率调整进行编程并输入控制系统中，控制系统对微波功率控制模块和微波发生器进行自动控制，所述微波功率控制模块可以是渐变调节或档位调节。

在图1～4的方案中，圆形虚线区域为微波定向加热固化区域，而除圆形虚线区域以外的吸波材料上的其它区域均为该步骤中不需要加热或固化的区域，在对定点加热区域进行加热时，其它区域的温度无明显上升或者其温度升高缓慢。

本发明中，所述微波局部屏蔽件的屏蔽微波区是指其至少可以反射一些频率的微波，所述吸波材料是指其至少可以吸收一些频率的微波，而所述透波板是指其至少可以透过一些频率的微波。

如图1～4所示，本发明提供一种利用微波加热吸波材料，使吸波材料制件局部温度升高或者固化的装置和方法。该方法为将吸波材料制件中不需要加热或者固化的区域先用微波屏蔽材料进行覆盖，对吸波材料制件需要加热或者固化的区域则不覆盖微波屏蔽材料(留一条或多条缝隙)，使得所述微波局部屏蔽件3由屏蔽微波区31和透过微波区32组成。然后，把粘贴好微波屏蔽材料的吸波材料制件置于微波腔中。微波发生器产生微波进入并均匀分散在微波腔中，对吸波材料制件没有贴微波屏蔽材料的区域(透过微波区32)内部进行加热或者固化。吸波材料制件上贴了微波屏蔽材料的区域(屏蔽微波区31)由于微波不能进入其中，所以这些区域吸收不到微波能量，其可以基本保持原来的温度基本不变。因此，使用本发明提供的装置和方法可以对吸波材料制件上需要加热的某些特定区域进行有针对性的加热和固化。

本发明通过对吸波材料制件的外面覆盖微波屏蔽材料，然后留下需要加热或固化的区域不覆盖微波屏蔽材料。当微波源开启后，微波腔中充满微波能场，微波从图1～3中的微波定点照射区域进入吸波材料制件中，对吸波材料制件需要加热的区域进行升温或者固化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种微波自动加热装置，包括微波发生器(1)、微波腔(2)、微波局部屏蔽件(3)、控制系统(11)、微波功率控制模块(12)和测温装置(4)，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料(01)，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件(3)由屏蔽微波区(31)和透过微波区(32)组成，所述透过微波区(32)包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收；所述测温装置包含测温头(41)、数据采集仪(42)和测温传输线(43)，所述测温头设置在微波局部屏蔽件内侧的吸波材料中，所述测温传输线一端与测温头连接，另一端引出至所述微波腔外侧与数据采集仪连接，数据采集仪将采集的数据传输至控制系统，设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。

2.一种微波自动加热装置，包括微波发生器(1)、微波腔(2)、控制系统(11)、微波功率控制模块(12)和微波局部屏蔽件(3)，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料(01)，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件(3)由屏蔽微波区(31)和透过微波区(32)组成，所述透过微波区(32)包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收；所述透过微波区(32)的面积占整个微波局部屏蔽件面积的30％或以下；设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。

3.一种微波自动加热装置，包括微波发生器(1)、微波腔(2)、控制系统(11)、微波功率控制模块(12)和微波局部屏蔽件(3)，所述微波发生器向微波腔内发送微波，微波腔内用于放置吸波材料(01)，所述微波局部屏蔽件位于微波腔内且用于覆盖在吸波材料的外表面，所述微波局部屏蔽件(3)由屏蔽微波区(31)和透过微波区(32)组成，所述透过微波区(32)包含一条或多条缝隙使得微波腔内的微波能从缝隙处进入吸波材料中而被其吸收；所述微波腔上含有一个或多个由金属蜂窝板构成的通风窗或通风墙，用于在屏蔽微波的同时可使得微波腔内外侧气流畅通；设置在微波腔外的控制系统通过自动控制微波功率控制模块而自动调节微波发生器的启闭和/或功率大小。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的微波自动加热装置，其特征在于，所述微波发生器的功率可调节，优选其功率线性可调。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的微波自动加热装置，其特征在于，微波腔内还设置有悬空固定在微波腔的侧壁、底板或顶板上且用于放置吸波材料的透波板(7)，所述缝隙开在所述微波局部屏蔽件的底部，且微波发生器位于微波腔顶部。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述的微波自动加热装置，其特征在于，微波频率为2450±50兆赫或915±25兆赫，且所述缝隙的长宽比为≥2：1，优选≥5：1，更优选≥10：1。

7.根据权利要求6所述的微波自动加热装置，其特征在于，所述缝隙的长度为≥20mm，优选≥40mm，更优选≥80mm，且缝隙的宽度为1～30mm。

8.根据权利要求1～3中任意一项所述的微波自动加热装置，其特征在于，所述吸波材料为包括碳纤维与树脂的复合材料，且在所述微波局部屏蔽件的外侧还设置有用于将微波加热所述吸波材料过程中产生的气体及时抽出的真空袋(5)，优选在所述真空袋的内侧以及微波局部屏蔽件的外侧还设置有透气毡(6)用于抽真空时气体的导流；优选所述微波局部屏蔽件中至少部分屏蔽微波区的结构粘贴覆盖在所述吸波材料的外表面上。

9.根据权利要求1～3中任意一项所述的微波自动加热装置，其特征在于，所述透过微波区(32)的面积占整个微波局部屏蔽件面积的15％以下，更优选在5％以下。

10.一种微波加热方法，包括使用如权利要求1～9中任意一项所述微波自动加热装置对吸波材料进行定点和/或定向加热。