CN1109576A

CN1109576A - 多源定向耦合微波加热器

Info

Publication number: CN1109576A
Application number: CN94103130A
Authority: CN
Inventors: 刘功弼
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-03-31
Filing date: 1994-03-31
Publication date: 1995-10-04

Abstract

一体化的隧道腔体(3)和波导管(2)上面安装有多个各自带有波导管(2)的微波源(1)，定向耦合波导管(2)的馈能裂缝(9)呈喇叭形排列；进料口(4)连接箱(6)和出料口(5)连接箱(7)上下有突起的矩形空腔 (8)；微波源(1)与隧道腔体(3)之间设有微波余热利用装置(10)；出料口(5)一侧设有抽湿风机(11)和出风管道(12)；进料口(4)和出料口(5)外部设有微带天线(13)和微波泄漏告警装置(14)构成一种多源定向耦合微滤加热器，具有耦合效率高、节能、一机多用、生产安全、适应性广的优点。

Description

本发明涉及电学中通过电磁场进行杀菌、干燥的辐射加热装置。近年来微波加热器广泛运用于工业、农业、食品、医药等各个领域。家用微波炉已进入千家万户，随着科技的发展和需要，微波加热器已逐步由密闭的炉门式转向行波隧道式;由谐振腔式转向非谐振腔式，通过不断改进而逐渐步入工业化生产领域并取得了很大进展。

综观微波加热器的研究与应用情况，尽管微波加热具有高效、节能等独特优点，但无可否认目前由于工艺条件的限制，微波源由电能转化成微波能的转化率仍然是不高的，一般转化率只有45-55%，尚有一半左右的电能以热能的形式而损失掉。其次不适当的匹配条件也使耦合效率不高，能量过于集中往往影响到加热的均匀性，加上传输中的损耗，微波能未全部被物料吸收，不但损耗能量，同时还导致泄漏难于控制;另外由于微波加热受多方面复杂因子的影响，使加热具有较大的专一性，一种方式的微波加热器往往只能适合一种方式的加工，适应范围较窄，当前大部分微波加热器容量较小，不能连续性生产，难于适应工业化生产的要求。

中国专利CN86103424A公开的一种利用裂缝天线馈能的微波加热器，通过U型波导管馈能，从而获得较均匀的能量。但是只能装接一个微波源，能量集中，泄漏难于控制。中国专利CN8710188A公开的一种隧道式微波能加热装置，有两个以上的微波发生器，通过馈给波导供波，每波导裂缝数少于3，最佳工作状态是在加压的水中进行，在某种程度上加宽了工作面，加大了生产量，但使用范围较窄狭;中国专利CN105100A公开了一种微波商品养护机，其馈能方式是通过波导直接馈能的谐振腔式，提供一种大尺寸工作件的加工方式等，均作了一些改进，但不同程度的仍存在以上的分析若干弊病。

本发明的目的，是采用了多个各自带有波导管的微波源组合对进出口箱带吸收装置的隧道腔体中物料进行辐射处理而制造一种耦合效率高、加热均匀、节能、一机多用的多源定向耦合微波加热器

本发明的总体结构如图1所示，其中：

（1）代表微波源;

（2）代表馈能波导管;

（3）代表总体隧道腔体;

（4）代表进料口;

（5）代表出料口;

（6）代表进料口连接箱;

（7）代表出料口连接箱;

（8）代表吸收剩余微波的矩形空腔;

（9）代表波导管耦合面上的馈能裂缝（图四J）;

（10）代表微波源余热的利用装置;

（11）代表微波隧道出料口连接箱上面装置的抽湿风机;

（12）代表抽湿风管道;

（13）代表微带天线;

（14）代表波导管末端的吸收负载;

（15）代表波导管的耦合面;

（16）代表隧道腔体的耦合面;

（17）代表微波源余热利用装置的罩盒;

（18）代表微波源余热利用装置的抽风管道;

（19）代表微波余热利用装置的抽风出口;

（20）代表微波余热抽风管道的抽风机;

（21）代表吸收多余微波的矩形空腔内直角三角体状的石墨复合体吸收负载;

（22）代表进出口腔上下的石墨复合体吸收负载;

（23）代表微波通过定向耦合波导的馈能隧道腔;

（24）代表连结微带天线与功率计的导线;

（25）代表微波功率计;

（26）代表通过单片计算机连接自动安全报警装置;

（27）代表输送物料进行微波加工的传送带;

本发明的波导管（2）与隧道（3）耦合位置如图2所示，其中：

A.波导管与隧道的耦合位置及波导管与隧道腔宽与高的关系;

B.波导管在隧道腔体上的顺向耦合;

C.波导管在隧道腔体上的反向耦合;

D.波导管在隧道腔体上的一反一顺或一顺一反耦合;

E.波导管在隧道腔体上相对两个面上耦合;

本发明的波导管（2）与隧道（3）的耦合及隧道耦合面（16）的形状如图3所示，其中：

F.波导管在隧道腔体上相对两个面中，一个面耦合一段，在对面再耦合一段;

G.波导管在隧道腔体单列和多列的耦合状况;

H.隧道耦合面是直角转弯;

I.隧道耦合面呈180度转弯;

本发明的波导管耦合面（15）上馈能裂缝（9）状况及出料口连接箱（7）上抽风装置位置如图4所示，其中：

J.波导耦合面开设馈能裂缝的状况;

K.出料口连接箱上抽湿风管道安装位置情况;

本发明的叙述中，λg代表波导波长，m代表裂缝的个数，n代表隧道耦合面增加的倍数，r代表馈能裂缝加长的一个常数，

X代表馈能裂缝与波导耦合面，

L代表馈能裂缝长度。

在一体化的隧道腔体（3）和波导管（2）上面安装有多个各自带有波导管（2）的微波源（1），定向耦合波导管（2）的馈能裂缝（9）呈喇叭型排列;进料口（4）连接箱（6）和出料口（5）的连接箱（7）上下有突起的矩形空腔（8），微波源（1）与隧道腔体（3）之间设有微波余热利用装置（10），出料口（5）一侧设有抽湿风机（11）和出风管道（12），进料口（4）和出料口（5）外部设有微带天线（13）和微波泄漏检测告警装置（14）。物料从进口（4）通过传送带（28）经过进料口连接箱（6）进入微波馈能隧道腔（24）接受微波加热，再经过出料口连接箱（7）从出料口（5）出来完成微波加热的工作。波导管（2）为-L形结构，一端接微波源（1），另一端设有石墨复合体吸收负载的吸收腔（14），中段为馈能腔。

微波加热器专一性很强，往往适用面很窄，本发明采取多源定向耦合方式，来进行调整，其特点是：加宽波导管（2）耦合面（15）的中心线，P′与隧道腔体（3）耦合面（16）的中心线P相重合，隧道腔体耦合面（16）宽度大于波导管耦合面（15）的两倍而小于波导耦合面（15）宽度的三倍，波导管（2）群在耦合面（15）上排列是顺向，也可以是反向，或是一顺一反及一反一顺，波导管耦合面（15）可以耦合在隧道腔体（3）的任一个面上，也可以分别耦合在相对的两个面上（图2），波导管（2）群是单列或多列的错开耦合;也可以在一个面上连续耦合一段，然后对面再耦合一段，隧道腔体耦合面（16）呈直线，也可以直角转弯或回转180度（图3），隧道耦合面（16）的宽度按2λg整倍数增大或缩小;每个宽度2λg上耦合一个与之相匹配的波导管（2），隧道腔体（3）和波导管（2）的宽均为高的两倍。（图2）A这样加热器通过耦合能量的互补，不论工作面加宽或缩小都能得到均匀性的加热，从而加工适应能力得到改进。

本发明在波导管耦合面（15）上的中线两侧双向排列馈能裂缝（9），馈能裂缝（9）的宽度远小于波导管（2）的宽度，每相邻馈能裂缝中心距离为0.75λg-1.0514λg，缝高等于波导耦合面（15）的厚度，馈能裂缝（9）的长度是以λg/2为基数，从第一缝往后，随着开缝数的增加，按顺序增加缝长r，使缝长顺序构成公差为r的等差数列：

0.02%λg/2≤r≤0.08%λg/2

整个波导管开缝数为5-20条，两列馈能裂缝（9）随数目的增加而逐渐远离中线的距离，从而形成一个喇叭状的排列型，最后一缝距离波导耦合面中线的距离小于或等于波导耦合面的45%。当开缝数小于5条时，出入裂缝的功率差大，会造成严重的加热不均匀现象，而多于20条时，虽对加热的均匀性有利，但结构太复杂反而不利于总体效率。开设5-20条可以使馈能裂缝馈能基本相等。

微波加热器目前普遍存在着能量转化效率不高弊病，本发明在进料口连接箱（6）的上方，装有带进风口（17）的微波源罩盒（18），微波源罩盒（18）的上部通风管道（19）的出口（20）延伸管装有一个抽风机（21）。微波源产生的余热在抽风机（21）的抽动下，由进风口（17）进来的冷空气经微波源散发大量的热量而变成热空气，热空气经过上部的通风管道（19）的出口（20），经过延伸管道而进入隧道进口连接箱（6），以预热待处理的物料，从而提高微波加热效率。

大开口隧道式微波加热器存在的难题是泄漏难于控制，本发明除了采用多源定向耦合提高耦合效率，减少驻波比，使绝大部分馈入工作隧道的能量被物料吸收外，在进料口连接箱（6）和出料口连接箱（7），有上下对应开口并突出的矩形空腔（8），矩形空腔（8）各自靠进出料口端侧面上部与开口底边中线成的直角三角体是斜面带波浪形的石墨复合体吸收负载（22）;进出料口端侧上下也有一对与矩形空腔（8）吸收负载斜面方向相同的吸收负载（23）。矩形空腔开设的数目可根据微波泄漏的情况而定，一般在进料口连结箱（6）段和出料口连结箱段分别开设1-3对，可以完全控制微波加工中的泄漏。

为了安全起见，本发明在进料口（4）和出料口（5）上方，与隧道腔体（3）表面平行位置处各装有一个方形三层叠合的薄片微带天线（13），其中层为聚四氟乙烯模板结构，上下两层为紫铜薄层模板结构，通过导线（25）与功率计（26）相连再通过单片计算机（27）连接自动安全报警装置。当泄漏微波的能量超过规定指标时，由微带天线接受到的能量传导给功率计上，功率计通过单片计算机会自动断电并同时报警。以保证在长期运转中操作人员的绝对安全。微带天线可接在需要检测的任何部位。

在进行微波干燥加工时，为提高干燥的效率在出料口连接箱（7）的出口位置上方，通过内壁装有微波吸收材料的抽风管道（12）连接强力抽风机（11），出料口连接箱（7）横截面与抽风管道横截面所形成的夹角小于90度，以保证抽出在隧道腔中进行干燥加工时物料蒸发的水蒸气而又不会把隧道口以外的空气抽进来。通过以上结构形成一体的多源定向耦合微波加热器，不但可以进行干燥、杀菌的工作，还可以进行冻藏物料的迅速解冻，膨化食品的制作及物料的养护等多种用途，同时还可以根据不同加工要求及生产量大小的要求进行加工，因此适应性广，并确保生产的安全性。

实施例一

微波源：输出功率800W×4＝3.2KW

频率：2450±50MHZ

波导管：采用BJ-26标准波导管

行波隧道：宽×高×长＝24.76cm×12.38cm×800cm

抽风：抽湿风温度≤60℃，进风湿度≤45%（相对湿度）

耦合缝：波导管顺向沿隧道方向等距离相列，每波导管开设耦合缝12条，相邻两缝中心距为92.85cm，缝宽＝缝高＝波导壁厚＝0.3cm。

波导耦合缝距耦合面中线距离X（mm）缝长L（mm）

X₁＝30.24 L₁＝61.78

X₂＝30.63 L₂＝61.79

X₃＝31.02 L₃＝61.80

X₄＝31.41 L₄＝61.81

X₅＝31.80 L₅＝61.82

X₆＝32.19 L₆＝61.83

X₇＝32.58 L₇＝61.84

X₈＝32.97 L₈＝61.85

试材：鲜鱼（含水量为86%）

加工方式及条件：干燥、保持干燥温度60℃，干燥到含水量30%

结果：平均需时间60分钟

以烤箱作对照，以70℃温度下达到同样干燥程度（含水30%）需8小时。

当要干燥到含水分为17%时，控制干燥温60℃，达规定干燥程度共需90分钟。

以烤箱作对照在70℃温度下干燥需20小时，并且烤后表层发黄，鱼皮结成硬壳，香味损失很多，味淡，部分油脂外溢;而微波干燥的产品，皮色不变，肉质疏松，芳香。显然微波干燥不但速度快，而且产品质量好得多，是常规干燥不可比拟的。对该装置泄漏实测泄漏值＜36μw/cm²符合国家安全标准。

实施例二

微波源：输出功率800w×2＝1.6kw

频率：2450±50MHZ

波导管：采用BJ-26标准波导管

行波隧道：采用180度回转U形结构，隧道宽×高×长＝24.76×12.38×250-350（cm），两个波导管顺U形隧道的两侧对称排列，馈能裂缝高＝宽＝波导管壁厚＝0.3cm，两裂缝中心距130.16mm。

（1）测试不同开缝数与耦合率、驻波比的关系

A.开设4条耦合缝

波导耦合缝距耦合面中线距离X（mm）缝长L（mm）

X₁＝25.92 L₁＝61.78

X₂＝30.24 L₂＝61.8

X₃＝34.56 L₃＝61.82

X₄＝38.88 L₄＝61.83

以瓶装鲜奶作为吸收负载，实测耦合效率70%，驻波比大，不理想。

B.将波导管适当延长，开缝数由4个增加6个，通过实测耦合效率达到97%，驻波比减少到1.12%，耦合效率比较理想。

C.将波导管再延长开缝数增加至8个，

波导耦合缝的X值与L值分别为：

波导耦合缝距耦合面中线距离X（mm）缝长L（mm）

X₁＝25.92 L₁＝61.78

X₂＝27.77 L₂＝61.80

X₃＝29.62 L₃＝61.82

X₄＝31.47 L₄＝61.84

X₅＝33.32 L₅＝61.86

X₆＝35.17 L₆＝61.88

X₇＝37.02 L₇＝61.90

X₈＝38.87 L₈＝61.92

结果：耦合效率增加到98.6%，驻波比减少到1.02%。

（2）以C开缝数为8的波导组合进行灭菌试验：

试材：以奶牛场新出之未杀菌的生牛奶（150ml/瓶），进行微波杀菌试验。

A.在隧道中经微波处理1分钟，物料温升至50℃，杀灭细菌90%，大肠杆菌≥30个/ml，不理想。

B.调节传送带速度，处理2分钟，物料升温至55-58℃，细菌杀灭98%，大肠杆菌菌落≥30个/ml，仍不够理想。

C.调节传送带速度处理3分钟，物料升温至65℃-68℃，细菌杀灭99.999%，大肠杆菌菌落＜30个/ml，达到国家卫生标准。处理后自然存放2个月不败坏，而采用巴氏杀菌的牛奶，即使在冷藏情况下顶多只能保存7天。

实施例三

微波源：输出功率800×8＝6.4kw

频率：2450±50MHZ

波导管：BJ-26标准波导管

行波隧道：宽×高×长＝49.52×12.38×800（cm）

抽风温度≤60℃，风湿度≤45%（相对湿度），风速8米/秒，12个波导管两列相间排列，每波导开缝6条，缝间距为130.16mm。

耦合裂缝距波导耦合中线距离X（mm）缝长L（mm）

X₁＝27.65 L₁＝61.78

X₂＝29.38 L₂＝61.83

X₃＝31.11 L₃＝61.88

X₄＝32.84 L₄＝61.93

X₅＝34.57 L₅＝61.98

X₆＝36.30 L₆＝62.03

干燥材料采用含水量为86%的鲜鱼，干燥至含水量30%，干燥温度60℃，平均需55分钟，干燥至含水17%时，控制温度60℃，需84分钟。

干品品质优良，色泽不变黄，芳香，质地松脆，实测微波泄漏＜36μw/cm符合国家安全标准。

Claims

1、一种多源定向耦合微波加热器，由微波源(1)、馈能波导管(2)、隧道腔体(3)、进料口(4)、出料口(5)组成，其特征在于：一体化的隧道腔体(3)和波导管(2)上面安装有多个各自带有波导管(2)的微波源(1)，定向耦合波导管(2)的馈能裂缝(9)呈喇叭型排列；进料口(4)连接箱(6)和出料口(5)的连接箱(7)上下有突起的矩形空腔(8)；微波源(1)与隧道腔体(3)之间设有微波余热利用装置(10)；出料口(5)一侧设有抽湿风机(11)和出风管道(12)；进料口(4)和出料口(5)外部设有微带天线(13)和微波泄漏检测告警装置(14)。

2、根据权利要求1所述的多源定向耦合微波加热器，其特征在于：波导管（2）耦合面（15）的中心线P′与隧道腔体（3）耦合面（16）的中心线P相重合，隧道腔体耦合面（16）宽度大于波导管耦合面（15）的两倍而小于波导耦合面（15）宽度的三倍，波导管（2）群在耦合面（15）上的排列是顺向，也可以是反向，或是一顺一反及一反一顺，波导管耦合面（15）可以耦合在隧道腔体（3）的任一个面上，也可以分别耦合在相对的两个面上，波导管（2）群是单列或多列的错开耦合;也可以在一个面上连续耦合一段，然后对面再耦合一段。隧道腔体耦合面（16）呈直线，也可以直角转弯或回转180度，隧道耦合面（16）的宽度按2λg整倍数增大或缩小;每个宽度2λg上耦合一个与之相匹配的波导管（2），隧道腔体（3）和波导管（2）的宽均为高的两倍。

3、根据权利要求1所述的多源定向耦合微波加热器，其特征在于：波导管耦合面（15）上的中线两侧双向排列馈能裂缝（9），馈能裂缝（9）的宽度远小波导管（2）的宽度，每相邻馈能裂缝中心距离为0.75λg-1.0514λg，缝高等于波导耦合面（15）的厚度，馈能裂缝（9）的长度是以λg/2为基数，从第一缝往后，随着开缝数的增加，按顺序增加缝长r，使缝长顺序构成公差为r的等差数列：

0.02%λg/2≤r≤0.08%λg/2

整个波导管开缝数为5-20条，两列馈能裂缝（9）随数目的增加而逐渐远离中线的距离从而形成一个喇叭状的排列型，最后一缝距离波导耦合面中线的距离小于或等于波导耦合面的45%，馈能波导管（2）的末端有一个带微波吸收材料的吸收腔（14）。

4、根据权利要求1所述的多源定向耦合微波加热器，其特征在于：在进料口连接箱（6）的上方，装有带进风口（17）的微波源罩盒（18），微波源罩盒（18）的上部通风管道（19）的出口（20）延伸管装有一个抽风机（21）。

5、根据权利要求1所述的多源定向耦合微波加热器，其特征在于：进料口连接箱（6）和出料口连接箱（7）有上下对应开口并突出的矩形空腔（8），矩形空腔（8）各自靠进出口端侧面上部与开口底边中线形成的直角三角体是斜面带波浪形的石墨复合体吸收负载（22），进出料口端侧上下也有一对与矩形空腔（8）吸收负载斜面方向相同的吸收负载（23）。

6、根据权利要求1所述的多源定向耦合微波加热器其特征在于：进料口（4）和出料口（5）上方与隧道腔体（3）表面平行位置处各装有一个方形三层叠合的薄片微带天线（13），其中层为聚四氟乙烯模板结构，上下两层为紫铜薄层模板结构，通过导线（25）与功率计（26）相连并通过单片计算机（27）连接自动安全报警装置。

7、根据权利要求1所述的多源定向耦合微波加热器，其特征在于：出料口连接箱（7）的出口位置上方通过内壁装有微波吸收材料的抽风管道（12）连接强力抽风机（11），出料口连接箱（7）横截面与抽风管道横截面所形成的夹角小于90度。