CN105580104A - 带有能量回收的照射微波加热器 - Google Patents

带有能量回收的照射微波加热器 Download PDF

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Abstract

照明微波加热器,包括至少一个磁控管(1)，其在不可穿透且反射和屏蔽微波的第一腔室(3,5)内发射微波；所述第一腔室(3,5)充满离子化气体并且在内部包括至少一个第二腔室(4)，微波可穿透过的，设置为包含液体以输送到辐射器(6,7)和吸热管件(6B,7B)；所述液体在被所述微波辐射时由摩擦而被加热；所述照射微波加热器包括管线(6,7)，其通过用来防止微波从所述第一腔室逸出的装置(9,10)连接到所述至少一个第二腔室(4)；被微波激发时处于等离子态的所述离子化气体被用来产生光，其照射至少所述第一腔室(3,5)内部。

Description

带有能量回收的照射微波加热器
技术领域
本发明涉及热量生成系统领域，尤其是带有能量回收的照射微波加热器。
背景技术
关于采用微波方式进行加热，以下专利文献是已知的：US4178494*10Nov197711Dec1979Bottalico,FrankPmicro-waveairheater；US4236056*29Jan197925Nov1980Allen,DonaldDMicrowaveHeater；US4284869*6Mar198018Aug1981Pinkstaff；,LeoW.Microwavewaterheater；US4288674*21Apr19808Sep1981Councell,GrahamD.Microwaveactuatedsteamgenerator；US4310738*8Feb198012Jan1982Mccann,DennisMicrowavefluidheatingsystem；US4388511*20May198114June1983JungGmbhMicrowaveheatingapparatusforcirculablemedia；US4417116*2Sep198122Nov1983Black,JerimiahB.Microwavewaterheatingmethodandapparatus；US4559429*29Nov198417Dec1985TheUnitedStatesofAmericaasrepresentedbytheUnitedStatesDepartmentofEnergyMicrowaveCouplerandMethod；US4956534*29Apr198811Sep1990Martin,WilliamA.Invertedfrustumshapedmicrowaveheatexchangerandapplicationsthereof；US4967052*21May99030Oct1990Krapf,EdwardJ.Microwaveheatpipeheatingsystem；US5064494*10Jun198812Nov1991TerosonGMBHProcessfortheatleastpartialcuringofsealantsandadhesivesusingpulsedmicrowaveenergy；US5314664*1Apr199224May1994BodenseewerkPerkin-ElmerGmbhSamplesupplysystemhavingintegratedmicrowavedisintegration；US5357088*4May199218Oct1994KonicaCorporationMethodformeltingaphotographiccompositiongeltoasolusingmicrowaveenergy；US5512734*20Sep199430Apr1996MicroondeResearchCorp.Apparatusandmethodforheatingusingmicrowaveenergy；US5919218*30Jan19956Jul1999MicrowaveMedicalSystemsCartridgeforin-linemicrowavewarmingapparatus；US6064047*16Dec199616May2000Izzo,DanielR.Microwavehotwaterboilerheatingsystem；US6121594*6Nov199719Sep2000IndustrialMicrowaveSystems,Inc.Methodandapparatusforrapidheatingoffluids；US62715093Apr9987Aug2001DaltonRobertC.Artificialdielectricdeviceforheatinggaseswithelectromagneticenergy；US6380525*2Jul200130Apr2002DaltonRobertC.Artificialdielectricsusceptor；US6858824*29Dec200322Feb2005AlfredMonteleoneMicrowaveheatingsystemtoprovideradiationheatanddomestichotwater；US688816*27Jan20033May2005RobertC.DaltonFieldconcentratorsforartificialdielectricsystemsanddevices；US7022953*30Jun20044Apr2006FyneIndustries,LLCElectromagneticflowingfluidheater；US71094531Feb200519Sep2006KeithA.NadolskiMicrowavehotwatersystem；US746590713Aug200716Dec2008RaymondMartinoMicrowaveboilerandhotwaterheater；DE4015639A1*15May199016May1991SamsungElectronicsCo.,Ltd.,Suwon,KrMitelektromagnetischenWellenarbeitendeheizvorrichtung；EP1746864A118Aug200424Jan2007DeRuiter,RemcoSystemwithhighenergyefficiencyforindirectlyheatingatargetmediumusingelectromagneticradiation；EP2239995A1*7Apr200913Oct2010ChristianZignaniDeviceforheatingafluidforhouseholdorindustrialuseorforheatingpremises,usingmicrowavesasitsenergysource；WO1998046046A1*15Oct1998,3Apr1998RobertC.DaltonArtificialdielectricdeviceforheatinggaseswithelectromagneticenergy；WO2005067351A1*27Dec200421Jul2005H2OhInc.Microwaveheatingsystemforradiationheatandhotwater；WO2006131755A1*9Jun200614Dec2006WilliamDewhurstHeatingapparatusandmethod。
目前对房间或类似空间的加热是利用由管道输送或从容器中提供的加压气体，以及由该气体维持的火焰，用以在热交换器中对其中循环的空气进行加热；另外，一种已知的水加热系统是采用电阻锅炉，通过管道与安放在一间或多间房子不同位置的散热器相连，利用热水以辐射的方式对周围环境进行加热。
上述两种系统也都可用来对流动水进行加热。
另一种系统是使用红外灯照射和加热被红外光照到的表面。
这些现有加热系统的一些缺点包括建造成本较高，能源消耗较大，效率较低以及由于使用加压气体和气体火焰所带来的风险，更不必说污染物质的排放。
然而，最大的缺点是进行加热所需要的时间长度。
与上述有关加热的情形相似，类似的技术还被用来产生照明：最古老的系统是火焰，接着是用灯丝的白炽光，霓虹灯(由电流产生离子化气体)，以及新一代的LED，也是利用直流提供能量。
发明目的及概要
本发明的目的之一是提供一种低成本、高效率的具有加热和照明功能的简单并且紧凑和可靠的装置，其使用微波能量来产生热量、由光照亮环境和/或由光产生电流，加热环境以及前述的空间，并且能够适合于以及能够结合使用建筑等结构中现有的热力分配系统和诸如光学纤维、聚光灯泡和惰性气体灯具的光分配系统。
本发明的另一目的是提供一种加热装置，相对于目前使用的不同类型的加热设备，具有改进的加热性能、没有污染、具有闭合电路、没有爆炸性用剂、没有明火并且具有节能优势。
本发明的另一目的是提供一种新的微波加热装置，其用途广泛、能够相当灵活地满足环境和建筑等结构中的各种加热和照明需求。
本发明的另一目的是提供一种新的微波加热装置，其能够以互补的方式用于其他的加热系统，包括太阳能加热系统。
本发明的另一目的是微波能量转换为光照能量，通过向惰性气体施加能量微波使其转化为等离子体而产生照明。
本发明的再一目的是利用相关设备内置的等离子体，通过被照射的光伏电池部分地回收所耗用的能量。
这些以及其他的目的，从下文内容更能显现，能够通过照射微波加热器来实现，所述加热器包括一个或多个微波发射磁控管，具有的频率优选地高于1300MHz，更优选地等于2450MHz，处于非穿透的反射和屏蔽微波的金属腔室内；所述腔室包括充满的离子化气体(例如氩气)并且包括内部的至少一个或多个微波可穿透的腔室，其充满液态物质(例如水)用以输送进辐射器和吸热管件；所述水在受到所述微波辐射时会由摩擦而被加热；所述照射微波加热器特征性地包括通过用来防止微波从所述腔室逸出的装置，例如网格过滤器，连接到所述加热器的管线，所述加热器通过在被所述微波激发处于等离子态的离子化气体产生荧光。
优选地，所述照射微波加热器包括发光点(或更简单地称作荧光“灯”)，其是由来自微波的高等离子气体照射；这些发光点利用网格过滤器以防止有害的微波从所述腔室逸出。
根据一些优选的实施方式，所述加热器包括太阳能板适于接收等离子状态的离子化气体产生的光，将其转化为电流，当需要时通过积存器或换流器的方式获取。
所述加热器提供三种能量转换现象的组合：微波与流体和等离子体同时相互作用，发射热和光分别由吸热器和光伏电池回收，后者被浸没于发光的等离子体中，尽量减少所述加热器内部的能量分散。
优选地，如上所述，在所述加热器中高等离子气体以微波的方式转换为发光的能量来源，所述能量可通过光伏板或板组件部分地回收。
加热器被用作产生液体加热的装置，所述液体会被输送到与外部环境进行热交换的元件，同时也被用作由所述装置形成的组件，其由用来产生液体加热的装置和用来进行相应热交换的元件构成。
本发明还涉及一种同时进行加热和照射的方法，包括：
-产生等离子体的步骤，其在优选为金属的腔室内，从气体开始，通过微波激发的方式进行，所述微波的类型优选具有的频率等于2450MHz；
-加热液体的步骤，其在所述腔室内，通过所述等离子体和所述微波进行；
-向使用者输送所述加热液体用以加热；
-通过所述等离子体产生光；
-使用在发光点的所述光，直接向所述腔室外部环境和/或在光伏板上，用以在所述腔室内产生电能。
操作的物理基础
关于流体：流经能够吸收和容纳来自微波的能量的腔室的流体被磁控管加热，微波发生器被调到频率为2450MHz；当微波炉被启动时，其腔体内被微波充满。选择这种特定的频率是为了将磁控管所产生的辐射能量最大限度地传送给所述流体，避免不必要的浪费。如果需要，也可选择其他的频率。在受到激发的加热环路中最具代表性的物质无疑是水。事实上，是水影响了磁控管操作频率的选择。水分子由对电子有不同亲和性(电负性)的原子(氢和氧)组成；氧原子强烈的吸引电子，捕获部分的负电荷；两个氢原子，比氧原子电负性低，保持部分的正电荷。由于这样的部分电荷及其几何构形，水分子是一种极化分子。当浸没在电场中，极化分子发生取向让其负端朝向“正”极，而正端朝向“负”极。如果电场反复地倒转，所述水分子就会随着电场每次倒转而重新取向。当频率为2450MHz时，水分子的取向反转2450百万次每秒，没有一刻停歇；在更高的频率，在完成180°旋转之前分子的旋转会被打断；在更低的频率，水分子能够在旋转之间停歇。因此，在2450MHz的频率，电磁管所有的辐射能量被转移到水分子，并且由于这个原因这种频率被称为共振频率。在自然界，还存在其他的极化分子被微波调动(并因此而被加热)，然而，具有与水不同的共振频率，其加热所获得的效率低于100％。
关于气体：在实验室，气体的加热和离子化主要通过三种方法：使电流穿过所述气体，例如在两个电极之间施加电压(直流放电)；发射适当频率的无线电波(射频放电)；如前一点，但使用微波(微波放电)。一般来说，从微观角度考虑，这些形成放电(或等离子体)的方法都是等同的：能源被供应到束缚于原子核的电子，其在一定时候会摆脱原子核。自由电子与其他中性原子碰撞，释放更多的电子，并且该过程串级进行直至平衡，这仅取决于气体的压力以及所施加的电场。
附图简要说明
本发明的特征和优点，通过对优选但非限制性的具体实施方式的描述，将会显得更为清晰，所述实施方式以附图所述的非限制性实施例的方式进行描述，其中：
图1为根据本发明的加热器的局部轴测示意图，所述加热器用来对将要输送到与环境进行热交换的元件的液体进行加热，如图1D和1E所示；
图1B与图1A的图示相同，通过虚线突出描述一些内部特征；
图1C为沿着图1B中的IC线所示截面的平面示意图；
图1D为根据本发明加热器的轴测示意图，比较用来对输送到与环境进行热交换的元件的液体进行加热的部分以及用来与环境进行热交换的元件；
图1E为图1A所示加热器的部分以及用来与环境进行热交换的并连接上述部分的管线的轴测示意图
发明实施方式的详述
参照上述附图，根据本发明的加热器包括第一部分，其用来对将要输送到与环境进行热交换的所述管线或元件的液体进行加热、并且用来产生光照，以及第二部分，其包括与环境进行热交换的管线或元件。
所述第一部分包括第一腔室5，优选为金属的，其中气体(优选为惰性的，在本实施例中为氩，不过其他的气体例如氦、氖之类或它们的混合物也可被使用)通过微波的方式被转化为发光的等离子体。标号1所示为电磁波发生器，比如磁控管，用来根据现有技术产生微波，例如具有等于2450MHz的频率。所述磁控管1，通过天线2，辐射前腔室3(其形成第一腔室的部分和波导)，用于微波的共振，所述微波激发所述气体，使其转化为，如前所述，发光的等离子体。所述等离子体分布在所述第一腔室5。
在所述第一腔室5内有第二腔室4，采用微波可穿透的材料例如玻璃制成，容纳液体(优选为水)，其会被加热并输送给使用者，即管线(或辐射元件、散热器或其他的集中系统；因此，所述加热器可以装有合适的封闭的液压回路并且可置于任何环境中)6和7用来
以与环境进行热交换，连接于所述第二腔室4。具体的，用于连接所述管线或散热器6和7的管件6B和7B从所述第二腔室导出。
所述管线6和7或者6B和7B连接到所述第二腔室，经由装置9和10，例如已知类型的网格过滤器，以防止微波从所述第一腔室5中逸出。
优选地，诸如泵的循环方式，图中未示出，是与管线6和7或者6B和7B相关联的。
当然，所述加热器可以配置有适当的闭合液压回路，在其中要被加热的水(或其他液体)进行循环，穿过所述第二腔室(优选地配有所述液压回路的输送进口和排放出口)，并且因此能够被放置于任何环境中，或者，可以配置有液压回路，在其中要被加热的水(或其他液体)进行循环，连接到其他的系统，例如，一个或多个其他加热器的系统，用以形成加热器串联或并联的系统。所述照射加热器的液压回路也可连接到房屋单元或组合结构的中央加热系统。
此外，根据本发明也有可能是将用于加热和用于照明(即第一腔室、第二腔室和磁控管)的部分置于第一环境，以及将用于辐射加热元件置于第二环境，通过长的管线6和7连接到所述第二腔室。还有，在其他的实施方案中，发光点也可被设置为与所述第一腔室有一定的距离，例如位于第三环境，通过光导管或光纤等能够将光从所述第一腔室传送到位于第三环境的发光点。
所述第一腔室5操作地连接到，即流体连通于，所述发光点，诸如由透明或几乎透明的材料制成的灯泡11、12和13。灯泡11、12和13与腔室5之间的连接区域被诸如已知类型的网格过滤器的另外装置20所屏蔽，用以阻挡微波。
在该具体实施方式中，多个光伏板14…80也可被置于所述腔室5之中，此处非常示意性表示的光伏板数目、形状和位置可根据需要而变化。
由所述发光等离子体和所述微波所产生的光线照射到充满水的第二腔室，并且与所述第一腔室5屏蔽以保护使用者。所述加热器(在组件中标示为8，所述组件包括用于生成热水的第一部分和用于与环境进行热交换的第二部分)的管线6和7从所述第一腔室4引出并且所述辐射器元件(或集中系统)的连接是通过管件6B和7B得以出现。
所述微波是利用套筒9和10并以已知类型的网格过滤器(或金属屏网)的方式进行屏蔽，以保护系统的其余部分。
从所述第一腔室5，所述发光等离子体被分布于照射灯泡11、12和13。在所述灯泡和所述第一腔室之间的连接处，微波或其他有害辐射被屏蔽，例如，采用诸如网格过滤器或特殊的屏网20。
所述光伏板14…80被等离子体所产生的光进行激发，并且能够产生电能，根据需要通过积存器81、换流器等装置获取。
在实践中，发光的等离子体照射到所述腔室5内部。所述加热器因此是内部“照射”。所述腔室内部的光可以与所述腔室5内部的光伏板结合使用，或者可以例如通过发光点传递到外部，所述发光点为例如灯泡或类似物，比如光导管、光纤等，或者，所述光还可与光伏板(内部照射)以及与光发光点(外部照射)结合使用。
根据本发明，在一些具体实施方式中，朝外部环境发射的光也可被包括于不可见的频段，例如红外或紫外光(它可以同时具有可见和不可见的或者仅仅具有可见或不可见的波长)。
穿过所述第二腔室4的所述液体介质被用来将(在腔室4内)产生的热量传送到所述加热器的外部。所述液体介质被引导，从而直接接收能量并且加热或越过由分子摩擦被加热的吸收性材料。
本文所述的方法和设备能够用来显著地节约能源，不需要通风设备，不采用爆炸性物品，也不需要燃烧，并且也不产生毒副作用。所述装置可与太阳能系统整合使用，意味着，其也可连接到热量储存太阳能吸收器从而甚至在太阳能的最低时段也能够对热积存器提供热的空气或水。也可以通过可再生能源(风力、光伏的等等)获得的电流来提供。
应当理解，上文的描述内容仅仅代表对本发明进行实施的可能而非限制性的模式或方法，其可以在形式和安排上加以变化而不超出本发明所包含概念的范围。所附权利要求书中包含的标号仅仅是用来便于对以上描述以及附图内容进行阅读，并不以任何方式对本申请要求保护的范围进行限制。

Claims (19)

1.一种照射微波加热器，包括至少一个微波发生器(1)，其在不可穿透且反射和屏蔽微波的第一腔室(3,5)内部；所述第一腔室(3,5)充满离子化气体并且在内部包括至少一个第二腔室(4)，微波可穿透过的，设置为包含液体以输送到辐射器(6,7)和吸热管件(6B,7B)；所述液体在被所述微波辐射时由摩擦而被加热；所述照射微波加热器包括管线(6,7)，其通过用来防止微波从所述第一腔室逸出的装置(9,10)连接到所述至少一个第二腔室(4)；被微波激发时处于等离子态的所述离子化气体被用来产生光，其照射至少所述第一腔室(3,5)内部。
2.根据权利要求1所述的照射微波加热器，包括至少一块太阳能板(14)，设置在所述第一腔室(3,5)之内，用来接收由所述离子化气体在等离子状态产生的光并将其转化为电流，并且在需要时通过积存器(81)或换流器等的方式获取。
3.根据权利要求1或2所述的照射微波加热器，包括至少一个发光点(11,12,13)，优选为荧光，由微波激发时等离子状态下的离子化气体照射，置于所述第一腔室之外，以照射外部环境。
4.根据权利要求1或2所述的照射微波加热器，包括至少一个发光点(11,12,13),优选为荧光，由微波激发时等离子状态下的离子化气体照射，置于所述第一腔室之外，利用波长在可见、不可见或两者范围的光以照射外部环境
5.根据权利要求3或4所述的照射微波加热器，包括多个所述发光点(11,12,13)。
6.根据权利要求3、4或5所述的照射微波加热器，其中所述至少一个发光点是由透光材料制成的灯泡。
7.根据权利要求3、4、5或6所述的照射微波加热器，包括另外装置(20)用于防止所述微波从所述第一腔室(3,5)向所述发光点(11,12,13)逸出。
8.根据前述权利要求的一项或多项所述的照射微波加热器，其中所述至少一个微波发生器(1)是用来发出频率高于1300MHz、优选频率等于2450MHz的微波。
9.根据权利要求8所述的照射微波加热器，包括所述至少一个微波发生器(1)用来发出频率等于2450MHz的倍数的微波。
10.根据前述权利要求的一项或多项所述的照射微波加热器，其中所述至少一个微波发生器(1)是磁控管。
11.根据前述权利要求的一项或多项所述的照射微波加热器，其中所述第一腔室是金属的。
12.根据前述权利要求的一项或多项所述的照射微波加热器，其中所述气体是惰性气体。
13.根据前述权利要求的一项或多项所述的照射微波加热器，其中所述气体为，例如,氩、氖或氦。
14.根据前述权利要求的一项或多项所述的照射微波加热器，其中所述气体是由混合气体形成。
15.根据前述权利要求的一项或多项所述的照射微波加热器，其中所述液体为水。
16.根据前述权利要求的一项或多项所述的照射微波加热器，其中所述装置(9,10)和/或另外装置(20)为网格过滤器。
17.根据前述权利要求的一项或多项所述的照射微波加热器，其中三种能量转换现象是组合的：微波与流体和等离子体同时相互作用，发射热和光分别由吸热器和光伏电池回收，后者被浸没于发光的等离子体中，尽量减少所述加热器内部能量的分散。
18.根据权利要求2的所述的照射微波加热器，其中通过微波的方式转化为等离子体的气体被转换为发光的能量的来源，所述能量由光伏板或板组件部分地回收。
19.一种同时加热和照射的过程，包括：
-产生等离子体的步骤，其在优选为金属的腔室内，从气体开始，通过微波激发的方式进行，所述微波的类型优选具有的频率等于2450MHz；
-加热液体的步骤，其在所述腔室内，通过所述等离子体和所述微波进行；
-向使用者输送所述加热液体用以加热；
-通过所述等离子体产生光；
-使用在发光点的所述光，直接向所述腔室外部的环境和/或在光伏板上，用以在所述腔室内产生电能。
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