CN114245505B - 微波薄膜加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微波薄膜加热装置，属于微波应用技术领域，包括两个矩形波导和加热腔；两个矩形波导的出口端通过加热腔连通；所述矩形波导内设有沿着窄面侧内壁设置的超界面；所述超界面从矩形波导进口端延伸至出口端，且超界面从进口端至出口端材料的相对介电常数渐变递增，使微波在矩形波导内单向传播至加热腔。本发明的微波薄膜加热装置，对薄膜类产品加热效率高，加热更均匀。

Description

微波薄膜加热装置

技术领域

本发明属于微波应用技术领域，具体地说涉及微波薄膜加热装置。

背景技术

微波能作为一种高效的绿色能源，颇受各行各业的青睐。与传统的热源相比，微波加热具有效率高、功率大、操控性好、选择性加热等特点。在物料干燥工艺中，传统的干燥方法采用接触式传导干燥和对流加热干燥等方式，即从外部把热能缓慢地传到物料内部，但由外向内的传热方式所形成的温度梯度易造成物料内外加热不均匀，同时热量散失较大。而通过微波加热干燥，物料在微波条件下内外同时受热，提高干燥效率和物料内外干燥的均匀性，利用微波加热可以较好地克服这些缺点。

但是现有的微波加热装置多使用433MHz/915MHz/2450MHz的微波频率，微波的波长较长，因此在对纸张干燥的过程中很容易出现干燥不均匀的问题，且由于纸张的厚度远小于微波的波长，因此微波能量无法高效率的作用在纸张上面。所以，微波在薄膜结构的物料加热应用中，微波加热仍会因为加热不均匀容易出现热失控等问题，无法发挥其真正的作用。

现有技术中常用的微波薄膜干燥方法为压缩脊波导结构，通过波导中的脊将电场进行压缩，从而实现微波对薄膜的加热，但这种加热方法效率很难大于70％，且结构复杂，设备成本较高。

发明内容

本发明的目的是针对上述不足之处提供微波薄膜加热装置，拟解决微波对薄膜类产品加热效率低，加热不均匀，设备复杂，成本高等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

微波薄膜加热装置，包括两个矩形波导1和加热腔2；两个矩形波导1的出口端3通过加热腔2连通；所述矩形波导1内设有沿着窄面侧内壁设置的超界面4；所述超界面4从矩形波导1进口端5延伸至出口端3，且超界面4从进口端5至出口端3材料的相对介电常数渐变递增，使微波在矩形波导1内单向传播至加热腔2。

进一步的，所述超界面4在长度方向远离加热腔2的起始点坐标为x₀，靠近加热腔2的终点坐标为x_L；所述超界面4在长度方向的各位置点的相对介电常数构成阶梯函数，位置点的坐标为x，其中x_L＞x＞x₀；阶梯函数的每个阶梯和另构建的理论函数

相交；在方程中：ε′(x)表示相对介电常数随位置变化的理论函数，n(x)表示折射率随位置变化的理论函数，K为常数，K值决定了折射率的变化率和介电常数的变化率，K通过电磁仿真优化得到，k₀为电磁波的波束，d为超界面4的厚度。进一步的，所述超界面4包括若干个从矩形波导1进口端5向出口端3依次排列的介质面板6；靠进口端5的介质面板6的相对介电常数小于靠出口端3的介质面板6的相对介电常数；每个介质面板6的各位置点的相对介电常数构成的函数段对应阶梯函数的一个阶梯。

进一步的，所述介质面板6上设有贯穿介质面板6两端的凹槽7。

进一步的，靠进口端5的介质面板6的凹槽7截面大于靠出口端3的介质面板6的凹槽7截面。

进一步的，所述矩形波导1的出口端3设有短路面8；所述短路面8使矩形波导1的出口端3上设有的微波出口9变小；所述加热腔2顶部内侧设有微波上维持面10，底部内侧设有微波下维持面11；一个矩形波导1的超界面4位于该矩形波导1的底部，且和下维持面衔接；另一个矩形波导1的超界面4位于该矩形波导1的顶部，且和上维持面衔接。

进一步的，所述微波上维持面10和微波下维持面11材料的相对介电常数不变，且等于或大于超界面4位于出口端3处的材料的相对介电常数。

进一步的，所述加热腔2上设有薄膜进口12和薄膜出口13；所述薄膜进口12和薄膜出口13均位于微波上维持面10和微波下维持面11之间。

进一步的，还包括微波控制电源和两个微波发生器；所述微波控制电源用于控制两个微波发生器发出相位可调的微波；两个微波发生器分别用于向两个矩形波导1的进口端5输入微波。

本发明的有益效果是：

本发明公开了微波薄膜加热装置，属于微波应用技术领域，包括两个矩形波导和加热腔；两个矩形波导的出口端通过加热腔连通；所述矩形波导内设有沿着窄面侧内壁设置的超界面；所述超界面从矩形波导进口端延伸至出口端，且超界面从进口端至出口端材料的相对介电常数渐变递增，使微波在矩形波导内单向传播至加热腔。本发明的微波薄膜加热装置，对薄膜类产品加热效率高，加热更均匀。

附图说明

图1是本发明微波薄膜加热装置正视剖开结构示意图；

图2是本发明微波薄膜加热装置俯视结构示意图；

图3是本发明窄面侧内壁设置一个超界面的矩形波导从进口端输入微波的电场仿真示意图，可以看出微波从进口端到出口端传输，且微波逐渐变为表面波，即强电场聚集在超界面表面，该传输方向定义为正向传播方向，其中S11为-19.62；

图4是本发明窄面侧内壁设置一个超界面的矩形波导从出口端输入微波的电场仿真示意图，可以看出微波无法很好的从出口端向进口端传输，该传输方向定义为反向传播方向，其中S11为-2.89，说明单边超界面具有非互易传播特性，即可以实现微波从进口端到出口端单向传输；

图5是微波薄膜加热装置的两个矩形波导从进口端输入微波的电场仿真示意图，可以看出微波从进口端到出口端传输，且微波逐渐变为表面波，然后在加热腔中，表面波延续到微波上维持面和微波下维持面，微波上维持面和微波下维持面的表面聚集均匀的强电场。

图6是本发明窄面侧内壁设置一个超界面的矩形波导从进口端输入微波的电场仿真示意图，可以看出微波从进口端到出口端传输，且微波逐渐变为表面波，即强电场聚集在超界面表面，该传输方向定义为正向传播方向，其中S11为-21.342，超界面采用梯形坡面；

图7是本发明窄面侧内壁设置一个超界面的矩形波导从出口端输入微波的电场仿真示意图，可以看出微波无法很好的从出口端向进口端传输，该传输方向定义为反向传播方向，其中S11为-0.616，说明单边超界面具有非互易传播特性，即可以实现微波从进口端到出口端单向传输，超界面采用梯形坡面；

图8是本发明加热薄膜时的温度分布图，采用100瓦功率加热60秒。

附图中：1-矩形波导、2-加热腔、3-出口端、4-超界面、5-进口端、6-介质面板、7-凹槽、8-短路面、9-微波出口、10-微波上维持面、11-微波下维持面、12-薄膜进口、13-薄膜出口、14-薄膜。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。

实施例一：

见附图1～5。微波薄膜加热装置，包括两个矩形波导1和加热腔2；两个矩形波导1的出口端3通过加热腔2连通；所述矩形波导1内设有沿着窄面侧内壁设置的超界面4；所述超界面4从矩形波导1进口端5延伸至出口端3，且超界面4从进口端5至出口端3材料的相对介电常数渐变递增，使微波在矩形波导1内单向传播至加热腔2。由上述结构可知，见图1和图2，所述矩形波导1内设有沿着窄面侧内壁设置的超界面4，可以理解矩形波导1有四个侧面，其中两个侧面要比另两个侧面要宽，两个宽的侧面称为宽面侧，两个窄的侧面称为窄面侧，超界面4从矩形波导1进口端5延伸至出口端3，且超界面4从进口端5至出口端3材料的相对介电常数渐变递增，超界面4的作用是使微波从矩形波导1进口端5输入，然后在矩形波导1内单向传播，再从出口端3输出至加热腔2内，对加热腔2内的薄膜物料进行加热干燥。超界面4属于现有技术，具有沿着长度方向材料的相对介电常数渐变的特性，能够实现微波单向传播。图3,4,5可以看出，窄面侧内壁设置一个超界面的矩形波导，从进口端输入微波，微波逐渐变为表面波，单向传输至加热腔中，对薄膜进行加热干燥。由于微波单向传播，所以微波能量能够被加热腔内的薄膜高效吸收，而很少会从矩形波导1进口端逃逸，提高微波能的利用率。两个矩形波导1位于加热腔2两侧，可以对加热腔2内的薄膜物料从两个方向单向输入微波进行加热，加热效率更高，也比单个方向输入微波加热更均匀，也避免端口之间的能量耦合，可以脱离环形器和水负载等微波保护器件，设备简单，成本低。

实施例二：

见附图1～5。在实施例一的基础上，所述超界面4在长度方向远离加热腔2的起始点坐标为x₀，靠近加热腔2的终点坐标为x_L；所述超界面4在长度方向的各位置点的相对介电常数构成阶梯函数，位置点的坐标为x，其中x_L＞x＞x₀；阶梯函数的每个阶梯和另构建的理论函数

相交；在方程中：ε′(x)表示相对介电常数随位置变化的理论函数，n(x)表示折射率随位置变化的理论函数，K为常数，K值决定了折射率的变化率和介电常数的变化率，K通过电磁仿真优化得到，k₀为电磁波的波束，d为超界面4的厚度。由上述结构可知，现有理论中电磁波遇到超界面4会产生额外的相位突变，并且这个突变相位在界面方向是连续变化的，电磁波多次经过超界面4逐渐变化成表面波，从而实现了电磁波的单透传播，电磁波在超界面4上满足如下分布：对于TE波满足：

在方程中：

为电场强度，ε0为真空介电常数，μ0为真空中的磁导率，ω为电磁波的角频率，x为超界面4的相对起始位置的坐标，即波导中某一点的位置，超界面4的起始位置x为0，单位为m，ε(x)表示在超界面4在x位置的介电常数，μ(x)表示渐变折射率微波参数变化在x位置的磁导率。微波参数变化板3通过一定形式的弱化和牺牲超界面4的部分功能的方法来保证超界面4的电容量张量和磁导率张量相同，弱化和牺牲超界面4的部分功能是指牺牲了磁导率随位置的变化，并且将介电常数随位置的连续变化弱化为介电常数随位置离散变化，弱化后超界面4材料的介电系数函数为：

即超界面4长度方向的各位置点的相对介电常数都不一样。然而实际上这样的介电常数连续变化很难实现，本发明采用超界面4在长度方向的各位置点的相对介电常数呈阶梯变化而非连续变化，该阶梯变化的阶梯函数趋近函数

既能够组成由进口端5至出口端3材料的相对介电常数渐变递增的超界面4。例如在坐标为x1～x2段的超界面4部分，采用同样的相对介电常数[ε′(x1)+ε′(x2)]/2，呈现在坐标系上是横坐标在x1～x2，纵坐标均为[ε′(x1)+ε′(x2)]/2的水平线段，这个线段和函数

相交，这个线段即阶梯函数的一个阶梯。相对介电常数是通过控制占空比实现的。

所述超界面4包括若干个从矩形波导1进口端5向出口端3依次排列的介质面板6；靠进口端5的介质面板6的相对介电常数小于靠出口端3的介质面板6的相对介电常数；每个介质面板6的各位置点的相对介电常数构成的函数段对应阶梯函数的一个阶梯。由上述结构可知，每个位置的介质面板的相对介电常数对应阶梯函数的一个阶梯。靠进口端5的介质面板的相对介电常数小于靠出口端3的介质面板的相对介电常数，由进口端5到出口端3材料的相对介电常数渐变递增的超界面4采用若干个从进口端5向出口端3依次排列的介质面板，便于超界面4的加工和通过现有理论进行计算和试验验证。

所述介质面板6上设有贯穿介质面板6两端的凹槽7。由上述结构可知，通过介质面板上设有贯穿介质面板两端的凹槽8，可以改变介质面板的相对介电常数。

靠进口端5的介质面板6的凹槽7截面大于靠出口端3的介质面板6的凹槽7截面。由上述结构可知，介质面板的凹槽8截面越大，则介质面板的相对介电常数越小，介质面板的凹槽8截面越小，则介质面板的相对介电常数越大，由进口端5到出口端3介质面板的凹槽8截面越来越小，由进口端5到出口端3材料的相对介电常数渐变递增。

超界面4也可以采用梯形坡面，在长度方向远离加热腔2的起始点坐标为x0，靠近加热腔2的终点坐标为xL，从x0～xL对应的超界面4的厚度越来越厚，使超界面4表面呈斜面，超界面4在长度方向的各位置点的相对介电常数连续变化，满足ε(x)＝kx+b，位置点的坐标为x，其中xL＞x＞x0；通过首尾位置点的相对介电常数可以推算出k和b。从图6、7可以看出超界面4采用梯形坡面，微波从进口端到出口端传输，且微波逐渐变为表面波，即强电场聚集在超界面表面，能够实现微波单向传播，而且超界面4采用梯形坡面无需打孔既能够实现相对介电常数连续变化。

实施例三：

见附图1～5。在实施例一的基础上，所述矩形波导1的出口端3设有短路面8；所述短路面8使矩形波导1的出口端3上设有的微波出口9变小；所述加热腔2顶部内侧设有微波上维持面10，底部内侧设有微波下维持面11；一个矩形波导1的超界面4位于该矩形波导1的底部，且和下维持面衔接；另一个矩形波导1的超界面4位于该矩形波导1的顶部，且和上维持面衔接。由上述结构可知，由于要加热的薄膜物料较薄，对应的加热腔2也是扁平结构，所以需要将微波出口9缩小。短路面8使矩形波导1的出口端3上设有的微波出口9变小，配合扁平的加热腔2；薄膜、微波上维持面10、微波下维持面11三者平行，且薄膜位于微波上维持面10、微波下维持面11之间。加热腔2左侧的矩形波导1的超界面4位于该矩形波导1的顶部，其微波出口9也位于出口端3上侧，超界面4和微波上维持面10衔接；加热腔2右侧的矩形波导1的超界面4位于该矩形波导1的底部，其微波出口9也位于出口端3下侧，超界面4和微波下维持面11衔接；一股微波从左侧的矩形波导1的进口端5输入，然后从出口端3上的微波出口9输出表面波，表面波沿着微波上维持面10，在微波上维持面10的表面形成均匀强电场；另一股微波从右侧的矩形波导1的进口端5输入，然后从出口端3上的微波出口9输出表面波，表面波沿着微波下维持面11，在微波下维持面11的表面形成均匀强电场；所以薄膜物料的上下表面均分布着均匀的强电场，可以对薄膜进行均匀高效加热。微波上维持面10由于是从左往右传输微波，所以微波从左往右能量递减，因为微波能被薄膜吸收了，越往后传输能量越小，而微波下维持面11由于是从右往左传输微波，所以微波从左往后能量递增。微波下维持面11和微波上维持面10上的微波能量进行强弱互补，使薄膜在左右不同位置微波能量大致相等，进一步起到均匀加热干燥的作用。薄膜上下两面均分布有强电场，加热效率更高。

所述微波上维持面10和微波下维持面11材料的相对介电常数不变，且等于或大于超界面4位于出口端3处的材料的相对介电常数。由上述结构可知，微波上维持面10和微波下维持面11材料的相对介电常数不变，可以维持超界面4的表面波。

所述加热腔2上设有薄膜进口12和薄膜出口13；所述薄膜进口12和薄膜出口13均位于微波上维持面10和微波下维持面11之间。由上述结构可知，薄膜从薄膜进口12连续不断进入加热腔2内，然后不断从薄膜出口13出来，由于薄膜进口12和薄膜出口13均位于微波上维持面10和微波下维持面11之间，所以薄膜在加热腔2内可以限定在微波上维持面10和微波下维持面11之间，薄膜上下两面均分布有强电场，加热效率更高。

还包括微波控制电源和两个微波发生器；所述微波控制电源用于控制两个微波发生器发出相位可调的微波；两个微波发生器分别用于向两个矩形波导1的进口端5输入微波。由上述结构可知，微波控制电源不断调整两个微波发生器发出的微波相位，从而使薄膜上下两侧的表面波的电场更加均匀，从而对薄膜进一步均匀加热干燥。

图8是本发明加热薄膜时的温度分布图，可以看出薄膜被均匀加热。

实验数据：

采用不同介电常数的薄膜进行分析，薄膜的损耗角正切值为0.2不变，其相对介电常数实部从20变化为80，仿真结果如下表所示。仿真结果可以看出，相对介电常数实部在40-80范围内，其微波的能量吸收率约为90％。因此该系统对薄层可以实现高效率高均匀性的加热。

C1	电磁功率损耗密度(W/m)
		40.000	192.11
50.000	189.86
		60.000	170.23
70.000	175.73
		80.000	184.51

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.微波薄膜加热装置，其特征在于：包括两个矩形波导(1)和加热腔(2)；两个矩形波导(1)的出口端(3)通过加热腔(2)连通；所述矩形波导(1)内设有沿着窄面侧内壁设置的超界面(4)；所述超界面(4)从矩形波导(1)进口端(5)延伸至出口端(3)，且超界面(4)从进口端(5)至出口端(3)材料的相对介电常数渐变递增，使微波在矩形波导(1)内单向传播至加热腔(2)；所述矩形波导(1)的出口端(3)设有短路面(8)；所述短路面(8)使矩形波导(1)的出口端(3)上设有的微波出口(9)变小；所述加热腔(2)顶部内侧设有微波上维持面(10)，底部内侧设有微波下维持面(11)；一个矩形波导(1)的超界面(4)位于该矩形波导(1)的底部，且和下维持面衔接；另一个矩形波导(1)的超界面(4)位于该矩形波导(1)的顶部，且和上维持面衔接；薄膜(14)、微波上维持面(10)、微波下维持面(11)三者平行，且薄膜(14)位于微波上维持面(10)、微波下维持面(11)之间；所述微波上维持面(10)和微波下维持面(11)材料的相对介电常数不变，且等于或大于超界面(4)位于出口端(3)处的材料的相对介电常数。

2.根据权利要求1所述的微波薄膜加热装置，其特征在于：所述超界面(4)在长度方向远离加热腔(2)的起始点坐标为x₀，靠近加热腔(2)的终点坐标为x_L；所述超界面(4)在长度方向的各位置点的相对介电常数构成阶梯函数，位置点的坐标为x，其中x_L＞x＞x₀；阶梯函数的每个阶梯和另构建的理论函数

相交；在方程中：ε′(x)表示相对介电常数随位置变化的理论函数，n(x)表示折射率随位置变化的理论函数，K为常数，K值决定了折射率的变化率和介电常数的变化率，K通过电磁仿真优化得到，k₀为电磁波的波束，d为超界面(4)的厚度。

3.根据权利要求2所述的微波薄膜加热装置，其特征在于：所述超界面(4)包括若干个从矩形波导(1)进口端(5)向出口端(3)依次排列的介质面板(6)；靠进口端(5)的介质面板(6)的相对介电常数小于靠出口端(3)的介质面板(6)的相对介电常数；每个介质面板(6)的各位置点的相对介电常数构成的函数段对应阶梯函数的一个阶梯。

4.根据权利要求3所述的微波薄膜加热装置，其特征在于：所述介质面板(6)上设有贯穿介质面板(6)两端的凹槽(7)。

5.根据权利要求4所述的微波薄膜加热装置，其特征在于：靠进口端(5)的介质面板(6)的凹槽(7)截面大于靠出口端(3)的介质面板(6)的凹槽(7)截面。

6.根据权利要求1所述的微波薄膜加热装置，其特征在于：所述加热腔(2)上设有薄膜进口(12)和薄膜出口(13)；所述薄膜进口(12)和薄膜出口(13)均位于微波上维持面(10)和微波下维持面(11)之间。

7.根据权利要求6所述的微波薄膜加热装置，其特征在于：还包括微波控制电源和两个微波发生器；所述微波控制电源用于控制两个微波发生器发出相位可调的微波；两个微波发生器分别用于向两个矩形波导(1)的进口端(5)输入微波。

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