CN106584623B - 一种耐高功率的电场模式搅拌装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种微波辐照处理子系统，具体涉及一种耐高功率的电场模式搅拌装置：金属扇叶(1)由电机(4)驱动，电机(4)通过非金属传动杆(2)与金属扇叶(1)连接，过壁圆波导(3)通过法兰结构与屏蔽舱相连接。利用金属风扇的周期性运转，使得内部电磁场模式受扰动得到周期性改变，实现波峰波谷的交替达到辐射的均匀性。

Description

一种耐高功率的电场模式搅拌装置

技术领域

本发明属于一种微波辐照处理子系统，特别涉及一种耐高功率的电场模式搅拌装置。

背景技术

原木是我国最主要的进口大宗商品之一，大量的原木进口隐藏着随原木进口带来的外来有害生物的传播与控制问题，即检疫处理问题。以往世界通行的检疫处理方法主要是采用化学药剂溴甲烷进行熏蒸处理。国内目前针对进口集装箱原木也是采取化学溴甲烷熏蒸技术进行原木病虫害处理，其处理方法主要存在三点弊端，一是溴甲烷为有毒气体，会带来严重的大气污染尤其对臭氧层的破坏；二是残留的溴甲烷对人员的健康会造成伤害，不符合职业健康要求；三是溴甲烷熏蒸处理一部集装箱原木需要24小时，生产效率很低。

根据1997年《蒙特利尔议定书哥本哈根修正案》，由于溴甲烷对大气臭氧层的影响，发达国家已达成在2005年完全停止使用溴甲烷的协议，发展中国家也应在2015年前完全停止溴甲烷作为熏蒸处理剂使用。

从保护环境的角度出发，检疫除害处理手段必将朝着以物理处理为主流的方向发展，国际植物保护组织鼓励缔约方在木材检疫处理中开展用微波介电加热方式替代溴甲烷熏蒸方式。微波辐射处理技术因其快速、高效和经济的优点，处于快速杀灭木材害虫检疫研究前沿。开发和研究微波检疫处理技术，不仅具有较好的经济价值，对提高口岸验放速度、增进“大通关”效能，对保护环境等，均具有十分重要的意义，社会效益十分巨大。

微波是波长在1mm～1m之间，频率在300MHz～300GHz具有穿透性的电磁波，微波技术主要应用于雷达、导航、通讯等领域。

微波辐射加热技术被开发应用仅仅60余年，上世纪50年代利用微波加热食品在美国取得了第一个专利。到60年代，微波加热技术已开始应用于干燥领域，但受当时技术条件限制，微波加热与传统手段相比所用设备复杂，投资大，效率低，微波应用在工业加热领域很少。随着技术发展，电子技术飞速发展，微波发生器的功率不断增大，微波加热技术已经日趋成熟，同时微波设备所用电子器件价格下跌，使得微波加热技术作为一种环境友好的作业方式，有了迅速的发展，民用应用最广泛的是家用微波炉；工业上在木材微波干燥有了很大的突破。到目前为止，微波辐射技术推广到冰冻食品解冻、面粉食品干燥、橡胶硬化处理、焦煤处理、化工产品的催化加热、中草药的萃取、微波医疗、陶瓷烧结等等。

微波加热技术获得广泛应用的原因在于其对物体内部高效的穿透性的生热功能。微波辐射生热的机理：微波在传输过程中，产生交变的电磁场，当电介质处在交变的电磁场中，带有不对称电荷的分子受到交变电磁场的激励，产生转动，由于物资内部原有的分子无规律热运动和相邻分子之间作用，分子的转动受到干扰和限制，产生“摩擦效应”，结果一部分能量转化为分子热运动功能，即以热的形式表现出来，从而木材、煤炭等“电介质”被加热。

微波介电加热检疫处理技术主要是通过微波能量在穿透原木过程中加速水分子振荡将微波能转化为热能，利用热能杀灭害虫。

集装箱原木微波介电加热检疫处理系统作为一套完整成套设备应该包括从原木出箱、原木转运、微波处理、原木装箱的等几大环节，形成一个全自动化的高效处理整体，其核心是微波介电原木加热检疫处理部分。其中微波辐照处理子系统包括微波屏蔽舱、微波发生器、天馈子系统和模式搅拌器等设备；单纯通过微波发生器产生的微波信号在屏蔽舱内微波信号经四壁的反射叠加会形成一定固有的模式，形成电场波峰波谷的分布。该模式导致屏蔽舱内能量分布不均匀。为提高微波辐射的均匀性，在转运系统往复运动的基础上，进一步通过屏蔽箱内的模式搅拌器风扇改变内部场的固有模式，利用金属风扇的周期性运转，使得内部电磁场模式受扰动得到周期性改变，实现波峰波谷的交替达到辐射均匀性的目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高功率的电场模式搅拌装置，利用金属扇叶的周期性运转，使得内部电磁场模式受扰动得到周期性改变，实现波峰波谷的交替达到辐射的均匀性。

本发明的技术方案是：

耐高功率的电场模式搅拌装置，金属扇叶1由电机4驱动，电机4通过非金属传动杆2与金属扇叶1连接，非金属传动杆2穿过过壁圆波导3，过壁圆波导3通过法兰结构与屏蔽舱7相连接。

进一步地，金属扇叶1为立体结构，扇叶叶片8与水平方向夹角为45度，扇叶叶片8长度为两扇叶间夹角为90度，λ₀为空气波长。

进一步地，非金属传动杆2与电机4使用固定销6固定连接，非金属传动杆(2)与金属扇叶1使用固定销5固定连接。

进一步地，金属扇叶1为注塑件，采用塑料外层镀膜的结构形式，通过模具注塑形成塑料叶片外形，塑料叶片外层镀大于20μm厚度的导体膜。

进一步地，塑料叶片外层电镀铜和/或铬。

进一步地，非金属传动杆2的材料为工程塑料，不进行任何电镀处理，非金属传动杆2与金属扇叶1之间的固定销5的材料为工程塑料，非金属传动杆2与电机4之间的固定销6的材料为铝棒。

进一步地，金属扇叶1长度为230mm，厚度大于等于4mm，非金属传动杆2直径为Φ20mm，长度为660mm，过壁圆波导3采用铝棒机加而成，内孔直径为Φ30mm，外径为Φ38mm，法兰盘直径为Φ90mm，厚度为4mm，法兰盘上均匀分布8个Φ4.5mm的通孔。

进一步地，电场模式搅拌器在屏蔽舱7内均匀布置，在屏蔽舱7内，搅拌器组成2×13的矩形阵列，矩形阵列每行中搅拌器之间间距为1m；每列中搅拌器之间的间距为1.2m，矩形阵列中所有搅拌器扇叶保持在一个平面内，扇叶距屏蔽舱顶部间距为780mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过将金属扇叶应用到微波辐照系统中，改变了屏蔽舱内微波能量按照波峰波谷分布的固有模式，达到了能量均匀分布的目的。

2、本发明通过合理优化过壁波导结构，实现了大于等于100dB的能量屏蔽，较好的保护了电机的正常运转。

附图说明

图1为模式搅拌装置结构图。

图2为模式搅拌装置在屏蔽仓内的分布图。

图3-1，3-2分别为金属扇叶结构图、安装位置结构图。

图4-1为非金属传动杆结构图；

图4-2-1、图4-2-2为非金属传动杆安装位置结构图。

图5为过壁圆波导结构图。

图6分别为电机模型。

图7-1，图7-2分别为模式搅拌装置转动到0°、90°时的电场分布图。

图8为模式搅拌装置转动到0°和90°时的电场幅度差分布图；

图9屏蔽舱结构示意图；

图10屏蔽舱墙面龙骨布局示意图；

图11屏蔽舱顶面结构示意图；

图12地面结构示意图；

图13龙骨层搭设效果图；

图14-1关闭状态下屏蔽门示意图；

图14-2开启状态下屏蔽门示意图；

图15皮带安装示意图；

图16-1截止波导内能量场分布示意图；

图16-2衰减量与波导宽度的关系示意图；

图17灯具安装屏蔽箱示意图；

图18监控安装屏蔽箱示意图；

图19-1、图19-2铝塑板装修效果图。

图中各件号表示为：1-金属扇叶，2-非金属传动杆，3-过壁波导，4-电机，5-扇叶与非金属传动杆之间固定销(以下简称销1)，6-非金属传动杆与电机之间固定销(以下简称销2)，7-屏蔽舱，8-扇叶叶片，9-金属扇叶安装结构，10-金属扇叶与非金属传动杆安装孔，11-侧面预留销1安装孔，12-非金属传动杆与金属扇叶的安装台，13-非金属传动杆与电机安装孔，14-非金属传动杆上销1孔，15-非金属传动杆上销2孔，17-法兰盘，18-法兰固定孔，19-电机与非金属传动杆安装台，20-电机销2孔。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

如图1所示，模式搅拌装置共由4部分组成，分别是金属扇叶1、非金属传动杆2、过壁圆波导3和电机4。非金属传动杆2穿过过壁圆波导3，过壁圆波导3通过法兰盘固定在屏蔽仓7的上壁。模式搅拌装置整体结构如图1所示，在屏蔽舱内的安装分布如图2所示。以一个具体实施例来说明其结构和组装关系：

金属扇叶1为模具注塑成型，采用ABS塑料，外层电镀铜和铬，镀铜厚度大于30μm，以保证扇叶具有良好的导电特性。为达到最佳搅拌效果，叶片长度应为0.5×λ₀(λ₀为空气波长)，实际应用中，为在水平和竖直两个方向均达到最好的搅拌效果，将扇叶进行倾斜，扇叶与水平方向夹角为45度，叶片长度为叶片8之间夹角为90°，叶片厚度大于等于4mm，以保证其具有较高的结构强度。金属扇叶安装结构9主体具有方形通孔，尺寸为12mm×12mm，预留正公差，四周进行减重处理，侧面预留销1安装孔11，直径为Φ6.4mm，如图3-1，3-2所示。

非金属传动杆2采用工程塑料机加而成，不进行任何电镀处理，为纯介质杆。传动杆直径为Φ20mm，长度为660mm。介质杆底端预留与扇叶1装配的安装台12，安装台同样为方形，尺寸为12mm×12mm，预留负公差，方便与传动杆2的装配。安装台侧面预留销1安装孔14，直径为Φ6.4mm，质杆顶端加工与电机4装配的安装孔13，安装孔为圆孔，尺寸为Φ7.4mm，孔深为20mm，侧面预留销2安装孔15，直径为Φ3.5mm。如图4-1，4-2-1、4-2-2所示。

过壁圆波导3采用的铝棒机加而成，内孔直径为Φ30mm，圆波导外径为Φ38mm，法兰盘17直径为Φ90mm，厚度为4mm。法兰盘上均匀分布8个Φ4.5mm的通孔18。如图5所示。

电机4如图6所示，电机与传动杆安装台19直径为Φ7mm，侧面预留销2孔20直径为Φ3.5mm。

销1直径为Φ6mm，长度为50mm，其材质为工程塑料。销2直径为Φ3mm，长度为22mm，其材质为铝棒。

采用如上所述的模式搅拌装置，可以起到使屏蔽舱内电场均匀分布的效果，具体仿真结果如图7所示。其中，图7-1为模式搅拌装置转动到0°时的电场分布图，图7-2为模式搅拌装置转动到90°时的电场分布图，图8为模式搅拌器在0°和90°的电场幅值的差值，从图8可以明显看出，模式搅拌装置在转动过程中，0°时电场的波谷在转到90°时变成了波峰，所以，模式搅拌装置在周期性转动时可以使屏蔽舱内的电场形成波峰波谷交替变化的形式，起到了良好的搅拌效果。

屏蔽舱的结构及连接关系为：

屏蔽舱的壳体净尺寸为15m×4m×3m(L×W×H)。采用六面镀锌钢板焊接而成，形成电磁屏蔽结构，钢板依附在钢龙骨结构上。屏蔽舱结构如图9所示。

为减小屏蔽舱结构自身对微波能量的损耗，屏蔽钢壳体内侧需作良好的表面处理，提高导电性能和表面光洁度，舱内腔钢结构表面镀锌厚度：≥50μm；另外屏蔽钢壳体外侧作保温防护，避免热量的流失，提高能量使用效率。屏蔽舱的地面施工顺序应为舱内传送带支撑梁地桩首先完成施工，屏蔽舱在此基础上进行屏蔽钢板的拼装和焊接，确保整体的屏蔽性能。

为保证焊接质量，地面采用3mm镀锌钢板，墙面和顶面采用2mm镀锌钢板，满足屏蔽舱在不同频段范围的屏效要求。其中，主立柱截面为80×60×4(mm³)，柱距2m均布；横龙骨截面为60×40×3(mm³)，间距1m布置；竖龙骨截面为50×30×3(mm³)，焊于竖龙骨之间，间距1m。墙面龙骨布局示意如图10所示

顶面：考虑顶部设备(风扇及波导)重量略大，顶面设置6道顶主梁：截面为120×60×4(mm³)，跨度为3.6m，沿屏蔽舱宽度方向架设。顶圈梁：截面为120×60×4(mm³)，沿屏蔽舱顶部周圈设置；顶次梁：截面为60×40×3(mm³)，跨度为2m，间距1m；顶龙骨：截面为50×30×3(mm³)，跨度为1m，形成1m×1m网格。顶面结构示意图如11图所示。

地面满铺40×2(mm²)屏蔽钢板，间距500mm均布，地圈梁规格为150×100×4(mm³)。为了减少焊接变形，地面采用3mm厚屏蔽钢板。地面结构示意图如图12所示。

考虑屏蔽舱内的排水，屏蔽舱地面钢板焊接时沿屏蔽舱长度方向考虑0.3％的坡度，并在最低处预留水波导将水做过壁处理后排出屏蔽舱外，土建预留相应管道汇入地下排水管网。

屏蔽舱屏蔽壳体采用成熟的二氧化碳保护焊接工艺，气候环境适应能力较强，不会因潮湿、电化学腐蚀、受力变形等影响屏蔽效能。龙骨搭设示意如图13所示。

屏蔽门

屏蔽舱两端面各设置一樘垂直升降屏蔽门，规格为3.6m×1m。通过电动铰链拉动开启和闭合。屏蔽门主要用作屏蔽舱工作时原木进出屏蔽舱的通道，大门主体采用H型钢构支撑，门扇主体在钢构内的导轨上运行。完全自动化的推拉门是通过气动阀门和电器元件的组合控制的，所有的控制是通过安装在主控制面板上逻辑控制器来实现的，可通过电脑远程控制。屏蔽门关闭/开启状态如图14-1、14-2所示。

屏蔽门的锁紧为双点斜楔锁紧结构。采用单刀插入式电磁密封技术，以铁为基体的镀铜复合刀口，可拆卸式铍青铜双排簧片，能有效地形成电磁密封腔，电磁密封可靠。簧片维修更换方便。内外门板为双层绝缘结构，具有较高的屏蔽效能。屏蔽门采用喷漆工艺，整体美观，外形漂亮，运行平稳，安全可靠。

屏蔽门采用电动平移(X、Y方向)的传动方式，锁紧采用气动锁紧，升降台采用液压油缸驱动模式。

开门动作：通过电脑操作界面给出开门信号，锁紧装置逐渐松开，启动电机，门就会沿开始X方向移动(垂直屏蔽板体方向)，齿轮和机架安装在门前。当门达到固定限位后,向上的提拉电机动作，门扇作Y方向运动，Y方向上运动达到另一个限位位置，门立即停止运动。开门动作完成后给出提示信号。

关门动作：通过电脑操作界面给出关门信号，门扇由高位向下缓慢运动(Y方向)至固定位置，再由此位置向侧推进(X方向)，直至门扇与门框接触，启动簧片锁进系统完成大门关门动作。关门动作完成后给出提示信号。

大门的运行控制配有急停系统确保运行安全，备有断电应急保护装置，能使大门在断电的情况下完成一次安全操作。

大门的锁紧系统为气动锁紧，气缸系统配有储气设备，可使大门的气泵故障时运用储存的气使门扇与门框松开。

两侧屏蔽舱屏蔽门关闭到位、开门到位闭锁双路输出信号(短路接通为到位，断路为未到位)，屏蔽门关闭到位时给出机械安全限位。

由于传送带电机在舱外，传送带运动过程中必然要穿过屏蔽舱，带来屏蔽性能的减低。采用截止波导的过壁方式增强屏蔽性能。传送带截止波导波导管截面为100mm×50mm，深度为500mm。考虑皮带更换及维修，矩形波导部分为可拆卸形式，通过螺栓与其他固定部分连接。将皮带嵌入矩形波导内，将此部分用螺栓与固定部分连接，具体做法如图15所示。截止波导的模型如图16-1、16-2所示，中间为非金属传送带穿过波导。

舱内照明系统

照明设计按照《民用建筑照明设计标准》及《工业企业照明设计标准》执行。屏蔽舱顶部设置LED灯。满足屏蔽舱内平均照度大于100lux的要求。为防护高强度微波辐射，LED灯安装在屏蔽箱内，通过屏蔽玻璃将光线射入屏蔽舱。屏蔽箱示意如图17所示。

舱内视频监控

屏蔽舱内设置高清固定摄像头，分别安装于屏蔽舱顶面角部，保证整个屏蔽舱范围无死角。该监控系统采用数字信号，具有较高的抗电磁干扰特性，将摄像头安装于屏蔽箱内，通过屏蔽玻璃采集屏蔽舱内视野，满足较高功率电磁环境下的使用要求。采用此种方案，屏蔽玻璃对显示画面清晰度有一定的影响。摄像头屏蔽箱示意如图18所示。舱内视频监控受整个控制监控子系统远程控制。

防腐处理

由于屏蔽舱内的高温环境，选用耐高温专用的防腐涂料，该种材料采用互传网络结构无机聚合物，所有填料均由耐热、不燃的无机物组成。基料中含有大量-OH活性基团，它与填料中的活性组分及钢铁活性表面快速反应，生成三维结构的无机聚合物，将涂层与钢铁基体连成一体，形成具有电化学保护和物理屏蔽作用的耐热防腐涂层，特别适用于工作在高温，腐蚀环境下的钢铁结构的长效防护。

该种材料可实现常温下自固化，防腐性能好，使用寿命长，涂层硬度高，抗擦伤，抗冲击，耐老化等优点。

装饰装修

屏蔽舱龙骨焊接完成后在，在外侧安装玻镁板玻作为铝塑板的粘贴面，镁板具有耐高温、阻燃、吸声防震、防水防潮、防虫蛀、轻质防腐、无毒无味无污染等特性，在玻镁板安装完成后，在玻镁板上粘贴白色铝塑板作为装饰面。铝塑板具有艳丽多彩的装饰性、耐蚀、防火、防潮、隔音、隔热、质轻等特点，被广泛应用于各种建筑装饰上。铝塑板装修效果如图19-1、19-2所示。

由于屏蔽舱内的高温环境，选用耐高温专用的NB(JYX-2)室内薄型钢结构防火防腐涂料，涂料由高分子乳液、成碳剂、膨胀催化剂、防火剂、颜料经搅拌、磨细产物，采用互传网络结构无机聚合物，涂料中的基料内含有大量-OH活性基团，它与填料中的活性组分及钢铁活性表面快速反应，生成三维结构的无机聚合物，将涂层与钢铁基体连成一体，形成具有电化学保护和物理屏蔽作用的耐热防腐涂层，特别适用于工作在高温，腐蚀环境下的钢铁结构的长效防护；该材料施工采用喷涂、刷涂方法，使用时应充分搅拌均匀，涂料稍稠时，可用适量自来水进行稀释，以方便喷涂为宜，施工前，应将电缆表面的浮沉、油污、杂物等清洗、打磨干净，待表面干燥时方可进行防火材料的喷涂，施工过程中，涂层未干时，应防水、防暴晒、防污染、防移动、防弯曲，如有损坏应及时修补；该涂料常温喷涂在钢结构表面，常温自干，与表面附着力非常好，坚硬耐磨耐划伤，不开裂，性能优良。

矩形波导过壁处理

为实现电磁波的舱内照射，屏蔽舱顶面和地面均有矩形波导贯穿，过壁处理可以采用以下方式：

为增强屏蔽性能，采用环装法兰盘过壁处理，将法兰盘按照指定位置与屏蔽壳体焊接，屏蔽体内外波导对应螺丝孔位旋紧。波导法兰与连接法兰之间加装丝网导电衬。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种耐高功率的电场模式搅拌装置，其特征在于：主要结构为，金属扇叶(1)由电机(4)驱动，所述电机(4)通过非金属传动杆(2)与所述金属扇叶(1)连接，非金属传动杆(2)穿过过壁圆波导(3)，过壁圆波导(3)通过法兰结构与屏蔽舱(7)相连接；所述非金属传动杆(2)与所述金属扇叶(1)使用固定销(5)通过金属扇叶安装结构(9)固定连接，所述金属扇叶安装结构(9)主体具有方形通孔；所述金属扇叶(1)为立体结构，扇叶叶片(8)与水平方向夹角为45度，所述扇叶叶片(8)长度为两扇叶间夹角为90度，λ₀为空气波长。

2.如权利要求1所述的耐高功率的电场模式搅拌装置，其特征在于：所述非金属传动杆(2)与所述电机(4)使用固定销(6)固定连接，所述非金属传动杆(2)与所述金属扇叶(1)使用固定销(5)固定连接。

3.如权利要求2所述的耐高功率的电场模式搅拌装置，其特征在于：所述金属扇叶(1)为注塑件，采用塑料外层镀膜的结构形式，通过模具注塑形成塑料叶片外形，塑料叶片外层镀大于20μm厚度的导体膜。

4.如权利要求3所述的耐高功率的电场模式搅拌装置，其特征在于：所述塑料叶片外层电镀铜和/或铬。

5.如权利要求4所述的耐高功率的电场模式搅拌装置，其特征在于：所述非金属传动杆(2)的材料为工程塑料，不进行任何电镀处理，所述非金属传动杆(2)与所述金属扇叶(1)之间的固定销(5)的材料为工程塑料，所述非金属传动杆(2)与所述电机(4)之间的固定销(6)的材料为铝棒。

6.如权利要求5所述的耐高功率的电场模式搅拌装置，其特征在于：所述金属扇叶(1)长度为230mm，厚度大于等于4mm，所述非金属传动杆(2)直径为Φ20mm，长度为660mm，所述过壁圆波导(3)采用铝棒机加而成，内孔直径为Φ30mm，外径为Φ38mm，法兰盘直径为Φ90mm，厚度为4mm，所述法兰盘上均匀分布8个Φ4.5mm的通孔。

7.如权利要求6所述的耐高功率的电场模式搅拌装置在屏蔽舱中的布置方法，其特征在于：所述电场模式搅拌器在所述屏蔽舱(7)内均匀布置，在所述屏蔽舱(7)内，所述搅拌器组成2×13的矩形阵列，所述矩形阵列每行中搅拌器之间间距为1m；每列中搅拌器之间的间距为1.2m，所述矩形阵列中所有搅拌器扇叶保持在一个平面内，所述扇叶距屏蔽舱顶部间距为780mm。