CN111405700A - 一种宽带带阻式微波加热设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种宽带带阻式微波加热设备，包括两个金属平板和至少一根馈入传输线。通过在金属平板上设置二维周期加载体，环绕所述加载体在金属平板中设置凹槽，实现馈入传输线与其它部分或其它馈入传输线之间良好的隔离，而且可以通过调节调配器实现馈入传输线的良好匹配。我们在横向周期性、等间距地布置一排馈入传输线，在Z方向相邻地布置另一排或多排类似馈入传输线，让相邻排类似的馈入传输线在X方向整体错开一定距离，实现X方向位置不同的被加热物分别被不同排的馈入传输线馈入的微波均匀地加热。这种宽带带阻式微波加热设备具有结构简单、加热均匀和加热效率高的优点，可以大规模地用于各种材料的加热和干燥。

Description

一种宽带带阻式微波加热设备

技术领域

本发明涉及高效均匀微波加热领域，具体涉及一种宽带带阻式微波加热设备。

背景技术

传统加热，由于热量通过被加热物外部向其内部传导，属于表面加热，其中的被加热物内外温度不均匀。微波能加热，由于微波与被加热物之间的相互作用导致被加热物中极性分子的阻尼振动产生热量，属于体加热，其中的被加热物内外同时加热。因此，微波能加热可以实现更均匀的加热。

出于成本上的考虑，价格昂贵的大功率固态源仅在某些高附加值的微波加热设备中得到小批量、尝试性的应用，微波能应用中的主要微波源仍然是磁控管。在2450MHz频率，单管功率在1kW左右的磁控管及其电源的市场价格在一千元左右，而单管功率为10kW的同频段磁控管的市场价格在5万元左右。在915MHz，单管磁控管的典型输出功率为75kW，整套能源系统的市场价格在100万元左右。从单位功率成本方面来看，小型磁控管占有明显优势。

大型微波加热设备需要几十到几百个1kW功率的磁控管。由于各磁控管之间的微波是独立不相干的，在某一磁控管向加热设备的馈入传输线处，其它所有的磁控管产生的能量都可能通过加热设备的加热腔和该馈入传输线向该磁控管“反灌”。这些能量不仅没有被充分利用，而且可能严重影响该磁控管的工作状态，甚至烧毁该磁控管。微波加热的低能量效率和磁控管的损坏是目前普通大型微波加热设备中一个突出问题。在低损耗、低湿度材料的加热方面，这个问题更加突出。

普通微波炉的加热腔的尺寸是工作波长的3～5倍。工业微波加热设备中的大型加热腔的尺寸是工作波长的20～1000倍。在这些加热腔中在一定工作频率可以激励起来的谐振模式数为几个到几百个。为数众多的谐振模式的任意叠加可能在加热腔的某些位置产生远大于其它位置的电场强度，严重影响加热的均匀性。

为了解决微波能加热的均匀性问题，国际国内的技术人员进行了不懈的努力。人们试图通过增加微波馈口数目，改变馈口形状，改变微波馈口在加热腔外表面上的位置，或者改变微波馈口处电场的极化方向，或者同时随机改变上述四个变量，改善加热的均匀性。但是，到目前为止，由于问题的高度复杂性，微波界对这一问题尚缺乏清晰的理论指导，三维电磁仿真模拟也因为计算量巨大而难以完成。因此微波炉，特别是大型微波加热设备中加热的均匀性问题一直没有得到很好的解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽带带阻式微波加热设备。这里，微波源之间是相互隔离的，我们可以通过调配每个微波源而提高设备的整体加热效率。通过采用多根矩形波导作为馈入传输线，通过沿Z方向安排多排馈入传输线，并且让沿Z方向依次相邻的多排馈入传输线在X方向依次错开相同距离，我们可以实现横向均匀的微波加热。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种宽带带阻式微波加热设备，包括位于Y方向的盖板、位于-Y方向的底板，沿X方向和沿Z方向的至少7列，至少7排加载体；所述加载体只在Y方向与盖板接触或在-Y方向与底板接触；在所述盖板和底板之间设置有通道；X、Y和Z方向构成直角坐标系。

加载体的数目也可以有多达数十列、数十排到数千排，决定于该加热设备的大小。

一般情况下，为了向该加热设备的通道中馈入微波能量，我们需要多根馈入传输线。这些馈入传输线可以布置在盖板上，也可以布置在底板上，或者同时布置在盖板和底板上。由于阵列分布的加载体的带阻效应，从一根馈入传输线馈入的微波主要存在于该馈入传输线的馈口附近。为了在通道中的一个水平面上获得比较均匀的微波场分布，布置有馈入传输线的盖板或底板上最好不布置任何加载体。因为在一个布置有加载体的金属板上布置馈入传输线，馈入通道中的微波会受到加载体的干扰而影响其分布的均匀性。

一般情况下，所述盖板、底板和加载体的材料均为金属，比如合金铝、不锈钢等。

为了在所述加热设备的通道中实现尽量宽的带阻，在所述加载体的底端附近在盖板或底板内设置有凹槽。所述凹槽环绕所述加载体。

较佳的设计，所述馈入传输线为矩形波导。其中的工作模式为TE10模式而且所述矩形波导中的微波的电场方向与X方向平行。这样设计，在该馈入传输线的馈口附近，微波场在通道中在X方向的分布比较均匀。

为了实现微波加热，该加热设备还包括位于所述通道中的传送带和被加热物；所述传送带带动所述被加热物在所述通道中在水平面上运动。

当我们采用多根馈入传输线向该加热设备馈入微波能量时，任意两根在X方向或在Z方向相邻的所述馈入传输线在某一水平面上的中心点之间的间距大于工作波长的0.25倍。这种安排使得相邻馈入传输线之间的互耦由于二维加载体的带阻效应而明显降低。较低的互耦使得各馈入传输线可以独立地通过调配器得到调配，大大提高各微波源的加热效率。

在本发明中，沿X方向布置的属于同一排的多根馈入传输线之间存在一定间距将导致集中于各馈口附近的微波场在X方向的不均匀。为了改进被加热物在X方向加热的均匀性，我们沿Z方向布置相似的多排传输线，而且让沿着Z方向依次相邻的多排馈入传输线之间在X方向依次整体错开一定相同的距离。当所述传送带带动被加热物沿Z方向运动时，被加热物的位于横向不同位置的部分可以分别被沿Z方向安排的不同排的馈入传输线馈入的微波均匀加热。

为了保证通道中在每根馈入传输线附近的微波场被限制在该馈口附近而且在XZ平面内尽量均匀，所述通道在Y方向上的高度小于工作波长的0.5倍。在更高的通道中会激励起高次模并破坏微波场在通道中的均匀性。

为了保证属于同一排的所有馈入传输线中的微波全部被馈入到该加热设备并被加热物吸收，在其中的每根馈入传输线上都设置有一只相同结构的调配器。同时，在其中的某馈入传输线上,设置一只定向耦合器。在该馈入传输线上调动调配器，通过该定向耦合器可以得到该馈入传输线匹配时调配器上的各调谐结构的位置。根据这些调谐结构的位置，我们可以调节位于同一排的其它所有馈入传输线上的调配器，使该排的所有馈入传输线都完成匹配调节。

为了防止被加热物掉入加载体之间的缝隙中，或者掉入馈入传输线中，我们在所述通道的上表面，或下表面，或同时在所述通道的上表面和下表面设置有隔膜；所述隔膜的材料为损耗角正切低于0.1的介质。

本发明提供了一种宽带带阻式微波加热设备。该加热设备包括两个金属平板。在一个或两个金属平板上设置有二维周期加载体。同时，环绕加载体在金属板上还设置环状凹槽。这样的两个金属板可以在该加热设备的工作频率附近较宽的带宽内实现微波阻带。当我们通过馈入传输线向两个平板之间的通道中馈入微波能量时，该微波将到达通道但不随所述通道在水平面内传播，而是被局限在该馈入传输线的馈口附近。这样，我们可以实现各馈入传输线之间良好的隔离。同时，我们在横向(X方向)周期性、等间距地布置一排馈入传输线，在Z方向相邻地布置另一排或多排类似馈入传输线，让相邻排类似的馈入传输线在X方向整体错开一定距离。这样，在传送带带动被加热物沿Z方向运动时，X方向位置不同的被加热物将分别被不同排的馈入传输线馈入的微波均匀地加热。被加热物在Z方向的均匀性由于传送带带动被加热物沿Z方向运动而得到较好的保证。

附图说明

图1为本发明和实施例1的俯视示意图。

图2为图1的AA方向剖视图。

图3为实施例2的俯视示意图。

图4为图3的AA方向剖视图。

图5是实施例2的四个侧面的能量泄漏系数(dB)。

附图中标号对应名称：1-盖板，2-底板，3-馈入传输线，4-加载体，4B-凹槽，5-通道，6-侧板，7-传送带，8-定向耦合器，9-调配器，10隔膜，11-被加热物。

本说明书中部分名词(参见图1～2)规定如下：

水平面，即任意与XZ平面平行的平面。

上方，即Y方向，也就是与水平面垂直向上的方向。

下方，即-Y方向，也就是与水平面垂直向下的方向。

左方，指X方向。

右方，指-X方向。

加载体的底端，也就是该加载体的与盖板或底板连接的一端。

加载体的顶端，也就是该加载体的远离其顶端的一端。

工作波长，该加热设备的微波源的工作频率对应的空气中的波长。

排：沿X方向排列的具有相同Z方向位置的多个目标构成一排。

列：沿Z方向排列的具有相同X方向位置的多个目标构成一列。

馈口：任意馈入传输线与任意金属平板的交界面。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示。

一种宽带带阻式微波加热设备，包括位于Y方向的盖板1、位于-Y方向的底板2，沿X方向和沿Z方向的10列，18排加载体4；所述加载体4只在-Y方向与底板2接触；在所述盖板1和底板2之间设置有通道5。

所述通道5的形状为矩形体，其三条边分别平行于X方向、Y方向和Z方向。

为了向该加热设备的通道5中馈入微波能量，我们设置了3根馈入传输线3。这些馈入传输线3都布置在盖板1上。由于阵列分布的加载体4的带阻效应，从一根馈入传输线3馈入到通道5中的微波只局限于该馈入传输线3的馈口附近。

在所述盖板1和底板2之间在X方向和-X方向分别设置有侧板6。

所述盖板1、底板2和加载体4的材料均为金属。

所述加载体4为轴线平行Y方向的柱状体。

在X方向和在Z方向相邻的所述加载体4的轴线之间的间距为工作波长的0.15～0.35倍。

所述加载体4在Y方向的高度为工作波长的0.15～0.35倍。

所述加载体4的横截面形状为圆形。

在所有所述加载体4的底端附近在底板2内设置有凹槽4B。所述凹槽4B环绕所述加载体4。

所述馈入传输线3都为矩形波导。其中的工作模式为TE10模式。这样设计，在该馈入传输线3的馈口附近，微波场在通道5中在水平面内的X方向的分布比较均匀。这时，所述矩形波导中的微波的电场方向与X方向平行。

该加热设备还包括位于所述通道5中的传送带7和被加热物11；所述传送带7带动所述被加热物11在所述通道5中在水平面上沿Z方向运动。

任意两根在X方向或在Z方向相邻的所述馈入传输线3在某一水平面上的中心点之间的间距大于工作波长的0.25倍。

在本发明中，沿X方向布置的属于同一排的两根馈入传输线3之间存在间距将导致集中于各馈口附近的微波场在X方向的不均匀。为了改进X方向加热的均匀性，我们沿Z方向布置了另一排一根传输线3。沿着Z方向相邻的两排馈入传输线3的位置在X方向错开并等间距分布。当所述传送带7带动被加热物11沿Z方向运动时，被加热物11的横向不同部分将分别被沿Z方向安排的两排馈入传输线3馈入的微波能均匀加热。

所述通道5在Y方向上的高度小于工作波长的0.5倍。

在其中的每根馈入传输线3上都设置有一只相同结构的调配器9。同时，在属于同一排的一根馈入传输线3上,设置一只定向耦合器8。调动调配器9，通过该定向耦合器8可以得到该馈入传输线3匹配时调配器9上的各调谐结构的位置。根据这些调谐结构的位置，我们可以调节位于同一排的另外馈入传输线3上的调配器9，使该排的所有馈入传输线3都完成匹配调节。

在所述通道5的下表面设置有隔膜10；所述隔膜10的材料为损耗角正切低于0.1的介质。

实施例2

如图3～图5所示。

一种宽带带阻式微波加热设备，包括位于Y方向的盖板1、位于-Y方向的底板2，沿X方向和沿Z方向的7列，7排加载体4；所述加载体4只在-Y方向与底板2接触；在所述盖板1和底板2之间设置有通道5。

所述通道5的形状为矩形体，其三条边分别平行于X方向、Y方向和Z方向。

为了向该加热设备馈入微波能量，我们设置了1根馈入传输线3。该传输线布置在盖板1上。由于阵列分布的加载体4的带阻效应，从该馈入传输线3馈入通道5中的微波只局限于该馈入传输线3的馈口附近。

所述盖板1、底板2和加载体4的材料均为金属。

所述加载体4为轴线平行Y方向的柱状体。

在X方向和在Z方向相邻的所述加载体4的轴线之间的间距为工作波长的0.15～0.35倍。

所述加载体4在Y方向的高度为工作波长的0.15～0.35倍。

所述加载体4的横截面形状为圆形。

在所有所述加载体4的底端附近在底板2内设置有凹槽4B。所述凹槽4B环绕所述加载体4。

所述馈入传输线3为矩形波导。其中的工作模式为TE10模式。这样设计，在该馈入传输线3的馈口附近，微波场在通道5中在水平面内的X方向的分布比较均匀。这时，所述矩形波导中的微波的电场方向与X方向平行。

所述通道5在Y方向上的高度小于工作波长的0.5倍。

具体结构尺寸为：加载体4为直径15.39毫米，长度为21.82毫米的金属圆柱。相邻金属柱的轴线在X方向和在Z方向的距离为37.5毫米，通道5的高度为20毫米。凹槽4B的内直径与加载体4的直径一致，环状凹槽在径向的宽度为4.51毫米，其深度为12.94毫米。

图5是三维模拟计算得到的实施例2的四个侧面的能量泄漏系数(dB)随频率的变化曲线。在模拟计算中，微波能量自矩形波导馈入传输线3从盖板1馈入通道5中。通道5的四个侧面都设置成匹配边界条件。任何从馈入传输线3通过通道5到达任意一个侧面的微波将被完全吸收。从能量泄漏系数曲线可以看出在一定频率范围内，有多少从馈入传输线3进入通道5的微波功率可以传播到侧面并被吸收。

从图5可以看出，在2.1GHz～3.1GHz带宽外的许多频率点，大部分能量将可以通过通道5到达其侧面。但是在2.1GHz～3.1GHz频带内，进入通道5的微波只有约1％的能量才能沿通道5传播到其侧面。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。本发明的主要创新点在于：通过二维周期性的设置加载体在两个平板之间实现包含工作频率的带阻，利用在平板中围绕加载体设置凹槽展宽阻带的带宽，从而将馈入的微波限制在所述馈入传输线的馈口附近，同时实现多根馈入传输线之间有效的隔离。相互隔离的馈入传输线可以独立地调配从而大大提高加热的效率。进一步地，通过沿Z方向设置横向依次错开的多排横向等间隔布置的矩形波导馈入传输线实现横向均匀加热。依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种宽带带阻式微波加热设备，其特征在于，包括位于Y方向的盖板(1)、位于-Y方向的底板(2)，沿X方向和沿Z方向设置的至少7列，至少7排加载体(4)；所述加载体(4)只在Y方向与盖板(1)接触或在-Y方向与底板(2)接触；所述盖板(1)、底板(2)和加载体(4)的材料都为金属；在所述加载体(4)的底端附近在盖板(1)或底板(2)内设置有凹槽(4B)；所述凹槽(4B)环绕所述加载体(4)；在所述盖板(1)和底板(2)之间设置有通道(5)；X、Y和Z方向构成直角坐标系。

2.根据权利要求1所述的一种宽带带阻式微波加热设备，其特征在于，在所述盖板(1)上或者在所述底板(2)上设置有至少一根馈入传输线(3)；所述馈入传输线(3)向所述盖板(1)和底板(2)之间的通道(5)输送微波能量。

3.根据权利要求1所述的一种宽带带阻式微波加热设备，其特征在于，在所述盖板(1)和底板(2)之间在X方向和-X方向分别设置有侧板(6)。

4.根据权利要求2所述的一种宽带带阻式微波加热设备，其特征在于，所述馈入传输线(3)为矩形波导；所述矩形波导中的工作模式为TE10模式，所述矩形波导中的微波的电场方向与X方向平行。

5.根据权利要求1所述的一种宽带带阻式微波加热设备，其特征在于，还包括位于所述通道(5)中的传送带(7)和被加热物(11)；所述传送带(7)带动所述被加热物(11)在所述通道(5)中在一个XZ平面上运动。

6.根据权利要求2所述的一种宽带带阻式微波加热设备，其特征在于，任意两根在X方向或在Z方向相邻的所述馈入传输线(3)在某一水平面上的中心点之间的间距大于工作波长的0.25倍。

7.根据权利要求1所述的一种宽带带阻式微波加热设备，其特征在于，所述通道(5)在Y方向上的高度小于工作波长的0.5倍。

8.根据权利要求1所述的一种宽带带阻式微波加热设备，其特征在于，在至少一根馈入传输线(3)上设置有一只定向耦合器(8)。

9.根据权利要求1所述的一种宽带带阻式微波加热设备，其特征在于，在至少一排沿X方向排列的所有馈入传输线(3)上设置有结构相同的调配器(9)。

10.根据权利要求1所述的一种宽带带阻式微波加热设备，其特征在于，在所述通道(5)的上表面，或下表面，或同时在所述通道(5)的上表面和下表面设置有隔膜(10)；所述隔膜(10)的材料为损耗角正切低于0.1的介质。

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