CN205279735U - 一种小型宽频微波高温加热装置 - Google Patents

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    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/72—Radiators or antennas

Abstract

一种小型宽频微波高温加热装置，包括加热炉、微波源及微波传输装置，加热炉包括炉体及设在炉体上端的炉盖，炉体内设有内腔，内腔内设有热电偶，内腔的周围设有螺旋天线，螺旋天线的中心线与热电偶的轴线平行，螺旋天线穿出炉体并与微波传输装置连接，微波传输装置与微波源连接；炉盖上设有进气管和排气管；内腔与炉体之间设有保温层；炉体与炉盖之间设有密封装置和微波屏蔽装置，密封装置位于微波屏蔽装置的内侧，密封装置采用橡胶密封圈制成，微波屏蔽装置采用铜网带微波屏蔽圈制成。本实用新型采用新颖的同轴式微波传输方式，利用螺旋天线在圆柱型微波谐振腔内进行辐射，其工作频带宽，在小尺寸的情况下依然可以有效地保证微波的功率。

Description

一种小型宽频微波高温加热装置
技术领域
本实用新型涉及微波加热装置技术领域，特别涉及一种小型宽频微波高温加热装置。
背景技术
微波作为一种高效的加热方法早已为人们所熟知，并得到了广泛的应用。目前，微波化学已经成为研究微波场中物质特性及其相互作用的一门新兴前沿交叉学科。微波能够加快化学反应速度，提高化学反应的产出率。
微波热处理是利用微波将材料与微波场相互作用，微波被材料吸收并转化为热能，从材料内部对其整体进行加热的一种热处理方法。利用微波进行热处理，具有节能、加热快速无热滞、与物质相互作用等优点，因此微波在热处理、合成等领域得到了越来越广泛的应用。
然而不同的介质在不同的温度下对电磁波的吸收程度不同，这是由于不同介质的介电常数以及损耗角都是随不同工作频率和温度的变化而不同。所以需要设计工作频带宽的微波反应装置，来研究被加热物在不同工作频率、不同温度下对微波的吸收能力。
目前利用波导结构来传输微波的微波加热炉的频带有限，且体积过大。利用同轴电缆来传输微波的微波加热炉，由于阻抗匹配不易和传输功率过小而无法实现高温加热。
实用新型内容
本实用新型针对现有技术中微波传输损耗大、频带窄、体积大、功率小的缺点，提出了一种工作频带宽、体积小、功率大的小型宽频微波高温加热装置。
本实用新型的技术方案：
一种小型宽频微波高温加热装置，包括加热炉、微波源及微波传输装置，所述的加热炉包括炉体（1）及设在炉体（1）上端的炉盖（2），炉体（1）内设有内腔（1-2），内腔（1-2）内设有热电偶（3），内腔（1-2）的周围设有螺旋天线（1-3），螺旋天线（1-3）的中心线与热电偶（3）的轴线平行或垂直，螺旋天线（1-3）穿出炉体（1）并与微波传输装置连接，微波传输装置与微波源（4）连接；炉盖（2）上设有进气管（2-1）和排气管（2-2）；内腔（1-2）与炉体（1）之间设有保温层（1-1）；所述炉体（1）与炉盖（2）之间设有密封装置（12）和微波屏蔽装置（13），密封装置（12）位于微波屏蔽装置（13）的内侧，密封装置（12）采用橡胶密封圈制成，微波屏蔽装置（13）采用铜网带微波屏蔽圈制成。
优选的，所述的螺旋天线（1-3）的中心线与热电偶（3）的轴线重合或垂直。
优选的，所述的内腔（1-2）为圆柱型腔体，内腔（1-2）为氧化铝材质、石英玻璃材质或莫来石材质。
优选的，所述微波源（4）包括控制电路（4-1）及与控制电路（4-1）连接的发射端（4-2）；所述微波传输装置包括发射端谐振腔（5）及微波传输管（6），发射端谐振腔（5）的一端与发射端（4-2）连接，发射端谐振腔（5）的另一端与微波传输管（6）连接，发射端谐振腔（5）内设有与发射端（4-2）连接的发射端发射天线（8），发射端发射天线（8）的另一端连接设在微波传输管（6）内的微波传输中心线（7），微波传输中心线（7）的另一端与螺旋天线（1-3）连接。微波传输管（6）的横截面为圆形，其内径d2为Φ1.0cm≤d2≤Φ2.0cm，微波传输中心线（7）的横截面为圆形，其外径d1为Φ0.1cm≤d1≤Φ0.56cm。
优选的，所述的发射端谐振腔（5）、微波传输管（6）及微波传输中心线（7）均为金属材质；微波传输中心线（7）置于微波传输管（6）的中心位置，微波传输中心线（7）的周围填充有耐高温绝缘层（9）。优选的，所述炉体（1）为圆柱型，且为金属材质，其直径d为Φ9.34≤d≤Φ39.38cm，高度大于或等于其直径；所述螺旋天线（1-3）为金属材质，其螺旋直径D为Φ1.98cm≤D≤Φ8.2cm；微波源（4）的微波工作频率f为915MHZ≤f≤9132MHZ。
优选的，所述炉体（1）为不锈钢材质，其直径d为Φ11.00cm；螺旋天线（1-3）的螺旋直径D为Φ1.98cm、螺旋天线（1-3）的圈数为8圈，微波源（4）的微波工作频率f为6000MHZ。微波传输管（6）内径d2为Φ1.0cm，微波传输中心线（7）外径d1为Φ0.183cm。耐高温绝缘层（9）为聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene）层。
优选的，所述炉体（1）为无氧铜材质，其直径d为Φ13.00cm；螺旋天线（1-3）的螺旋直径为Φ4.20cm、螺旋天线（1-3）的圈数为10圈，微波源（4）的微波工作频率f为2450MHZ。微波传输管（6）内径d2为Φ1.5cm，微波传输中心线（7）外径d1为Φ0.274cm，耐高温绝缘层（9）为氧化铝陶瓷（Aluminaceramics）层。
优选的，所述炉体（1）为金属铝材质，其直径d为Φ35.00cm；螺旋天线（1-3）的螺旋直径为Φ8.2cm、螺旋天线（1-3）的圈数15圈，微波源（4）的微波工作频率f为915MHZ。微波传输管（6）内径d2为Φ2.0cm，微波传输中心线（7）外径d1为Φ0.424cm，耐高温绝缘层（9）为石英玻璃层。
优选的，还包括PLC（10）及触摸屏（11），所述热电偶（3）、微波源（4）均通过控制电路（4-1）与PLC（10）连接，PLC通过数据总线与触摸屏（11）连接；所述控制电路（4-1）含有与输入端相连的手动开关、信号采集电路及开关信号电路。
本实用新型的有益效果：
本实用新型的小型宽频微波高温加热装置采用新颖的同轴式微波传输方式，利用螺旋天线在圆柱型微波谐振腔内进行辐射。该装置与传统的微波加热炉最大的不同在于其工作频带宽，在小尺寸的情况下该装置依然可以有效地保证微波的功率，对加热物实现高温加热。
（1）本实用新型的微波传输装置通过发射端谐振腔、微波传输管、微波传输中心线将由发射端产生的微波传输到螺旋天线；然后辐射到加热炉内腔中，微波传输的效率高、损耗小。
（2）本实用新型采用轴向模螺旋天线，天线的最大辐射方向在轴线方向。在此模式下，螺旋金属线上电流分布接近于行波。使得处在螺旋天线轴线方向的物料受到的微波辐射强度最大，并且均匀，提高了加热效率。
（3）本实用新型的加热装置通过配置不同直径的螺旋天线和微波传输装置，可以覆盖从915-9132MHZ整个频带，具有非常宽的微波工作频率。
（4）本实用新型采用触摸屏与PLC通过人机界面实现各种加热功能，自动化程度高，操作简单。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图一；
图2为本实用新型中发射端与微波传输装置的结构示意图；
图3为图2的A向视图；
图4为本实用新型中螺旋天线的结构示意图；
图5为本实用新型中轴向模螺旋天线的示意图；
图6为本实用新型的结构示意图二。
图中：1-炉体、2-炉盖、3-热电偶、4-微波源、5-发射端谐振腔、6-微波传输管、7-微波传输中心线、8-发射端发射天线、9-耐高温绝缘层、10-PLC、11-触摸屏、12-密封装置、13-微波屏蔽装置、14-被加热物料、1-1-保温层、1-2-内腔、1-3-螺旋天线、2-1-进气管、2-2-排气管、4-1-控制电路、4-2-发射端。
具体实施方式
实施例一：参见图1-3，一种小型宽频微波高温加热装置，包括加热炉、微波源及微波传输装置，加热炉包括炉体1及设在炉体1上端的炉盖2，炉盖2上设有进气管2-1和排气管2-2。炉体1为圆柱型，无氧铜材质制作，其直径d为Φ13.00cm，炉体1高度尺寸与炉体1的直径尺寸相同。炉体1与炉盖2之间设有密封装置12和微波屏蔽装置13，密封装置12位于微波屏蔽装置13的内侧，密封装置12采用橡胶密封圈制成，微波屏蔽装置13采用铜网带微波屏蔽圈制成。
炉体1内设有内腔1-2，内腔1-2为圆柱型腔体且为氧化铝材质，内腔1-2内设有热电偶3，内腔1-2的周围设有螺旋天线1-3。螺旋天线1-3为金属材质，其螺旋直径D为Φ4.20cm、圈数为10圈。螺旋天线1-3的中心线与热电偶3的轴线重合（参见图1-1），螺旋天线1-3穿出炉体1并与微波传输装置连接，微波传输装置与微波源3连接，内腔（1-2）与炉体（1）之间设有保温层（1-1）。
微波源4包括控制电路4-1及与控制电路4-1连接的发射端4-2；微波传输装置包括发射端谐振腔5及微波传输管6，发射端谐振腔5的一端与发射端4-2连接，发射端谐振腔5的另一端与微波传输管6连接，发射端谐振腔5内设有与发射端4-2连接的发射端发射天线8，发射端发射天线8的另一端连接设在微波传输管6内的微波传输中心线7，微波传输中心线7的另一端与螺旋天线1-3连接。微波源4的微波工作频率f为2450MHZ。
发射端谐振腔5、微波传输管6及微波传输中心线7均为金属材质；微波传输中心线7置于微波传输管6的中心位置，微波传输中心线7的周围填充有耐高温绝缘层9。
热电偶3、微波源3均通过控制电路4-1与PLC10连接，PLC通过数据总线与触摸屏11连接。控制电路4-1含有与输入端相连的一定数量的手动开关，信号采集电路和开关信号电路。微波源3通过PLC10进行控制，使得该装置保温效果好、加热更加均匀。采用触摸屏11与PLC10通过人机界面实现各种加热功能，操作简单，自动化程度高。
参见图4-5，根据电磁波理论，螺旋天线的性能是由其形状，几何特性决定的，而几何特性又是由其结构参数决定。图4中：L为螺旋天线的长度，D为螺旋直径，s为螺旋的圈间距。
螺旋天线的直径D与微波工作波长λ的比值D/λ决定了它的辐射特性。当0.25≤D/λ≤0.46时，天线的最大辐射方向沿轴线方向，称为轴向模螺旋天线（参见图5）。
选用的螺旋天线的直径D为Φ8.20cm时，则微波源3的工作频率f为915-1782MHZ的频率范围内，天线的最大辐射方向在轴线方向。选用的螺旋天线的直径D为Φ4.20cm时，则微波源3的工作频率f为1782-3285MHZ的频率范围内，天线的最大辐射方向在轴线方向。选用螺旋天线的直径D为1.98cm时，则微波源3的工作频率f为3285-9132MHZ的频率范围内，天线的最大辐射方向在轴线方向。
微波传输管6、微波传输中心线7及耐高温绝缘层9组成了微波传输系统；为同轴传输，参见图3。
根据传输线理论，对于微波信号（工作频率f0远大于200MHZ），此时特性阻抗Z0可简化为：
Z0=138/εr 1/2lg(d2/d1)
其中：εr为耐高温绝缘层9的介电常数。
而螺旋天线的阻抗由下式决定：
ZL=140D/λ，
为了匹配：Z0=ZL，即：
ZL=138/εr 1/2lg(d2/d1)，
耐高温绝缘层9为氧化铝陶瓷（Aluminaceramics)，εr为4.5，则：
d2/d1=5.47，
微波传输管6的内径d2为Φ1.5cm，微波传输中心线7的外径d1为Φ0.274cm。
如将20克Fe2O3粉末放入本小型微波高温加热装置，微波输出功率300W，从室温逐渐升温至800℃，用时8分钟；然后自800℃逐渐降温至500℃，用时15分钟；再从500℃逐渐升温至1000℃，用时5分钟；然后自1000℃逐渐降温至700℃，用时15分钟；再从700℃逐渐升温至1000℃，用时3分钟；最后在1000℃保温30分钟。
由上述数据可知，本实施例的装置具有体积小、加热效率高、操作简单的优点。
实施例二：高温加热装置与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处是：
1）炉体1为不锈钢材质，其直径d为Φ11.00cm。
2）螺旋天线1-3的螺旋直径D为Φ1.98cm，圈数为8圈。
3）微波工作频率f为6000MHZ。
4）耐高温绝缘层9为聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene），εr为4.5，d2/d1为5.47；微波传输管6的内径d2为Φ1.0cm，微波传输中心线7的外径d1为Φ0.183cm。
5）螺旋天线1-3的中心线与热电偶3的轴线垂直（参见图6）。
本实施例的装置采用螺旋天线1-3的中心线与热电偶3的轴线垂直布置，可以最大限度的避免热电偶对微波辐射方向的干扰。结合小尺寸的炉体和小直径的螺旋天线。非常适合在高频微波辐射条件下对物料的各种变化进行原位测试。
实施例三：高温加热装置与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处是：
1）炉体1为金属材质，其直径d为23.00cm。
2）螺旋天线1-3的螺旋直径D为Φ4.20cm，圈数为12圈。
3）微波工作频率f为2450MHZ。
实施例四：高温加热装置与实施例一基本相同，相同之处不再赘述，不同之处是：
1）炉体1为金属铝材质，其直径d为Φ35.00cm。
2）螺旋天线1-3的螺旋直径D为Φ8.2cm，圈数为15圈。
3）微波工作频率f为915MHZ。
4）耐高温绝缘层9为石英玻璃，εr为3.75，d2/d1为4.72；微波传输管6的内径d2为Φ2.0cm，微波传输中心线7的外径d1为Φ0.424cm。
本实施例的装置采用大尺寸的炉体和大直径的螺旋天线。大直径的微波传输管可以传输比较大的微波功率，非常适合在频率比较低的微波辐射条件下对物料进行高温加热、合成。

Claims (10)

1.一种小型宽频微波高温加热装置，包括加热炉、微波源及微波传输装置，其特征在于，所述的加热炉包括炉体（1）及设在炉体（1）上端的炉盖（2），炉体（1）内设有内腔（1-2），内腔（1-2）内设有热电偶（3），内腔（1-2）的周围设有螺旋天线（1-3），螺旋天线（1-3）的中心线与热电偶（3）的轴线平行或垂直，螺旋天线（1-3）穿出炉体（1）并与微波传输装置连接，微波传输装置与微波源（4）连接；内腔（1-2）与炉体（1）之间设有保温层（1-1）；所述炉盖（2）上设有进气管（2-1）和排气管（2-2）；所述炉体（1）与炉盖（2）之间设有密封装置（12）和微波屏蔽装置（13），密封装置（12）位于微波屏蔽装置（13）的内侧，密封装置（12）采用橡胶密封圈制成，微波屏蔽装置（13）采用铜网带微波屏蔽圈制成。
2.根据权利要求1所述的小型宽频微波高温加热装置，其特征在于，所述的螺旋天线（1-3）的中心线与热电偶（3）的轴线重合或垂直。
3.根据权利要求1所述的小型宽频微波高温加热装置，其特征在于，所述的内腔（1-2）为圆柱型腔体，内腔（1-2）为氧化铝材质、石英玻璃材质或莫来石材质。
4.根据权利要求1-3任一项所述的小型宽频微波高温加热装置，其特征在于，所述微波源（4）包括控制电路（4-1）及与控制电路（4-1）连接的发射端（4-2）；所述微波传输装置包括发射端谐振腔（5）及微波传输管（6），发射端谐振腔（5）的一端与发射端（4-2）连接，发射端谐振腔（5）的另一端与微波传输管（6）连接，发射端谐振腔（5）内设有与发射端（4-2）连接的发射端发射天线（8），发射端发射天线（8）的另一端连接设在微波传输管（6）内的微波传输中心线（7），微波传输中心线（7）的另一端与螺旋天线（1-3）连接。
5.根据权利要求4所述的小型宽频微波高温加热装置，其特征在于，所述的发射端谐振腔（5）、微波传输管（6）及微波传输中心线（7）均为金属材质；微波传输中心线（7）置于微波传输管（6）的中心位置，微波传输中心线（7）的周围填充有耐高温绝缘层（9）。
6.根据权利要求5所述的小型宽频微波高温加热装置，其特征在于，所述炉体（1）为圆柱型，且为金属材质，其直径d为Φ9.34cm≤d≤Φ39.38cm，高度大于或等于其直径；所述螺旋天线（1-3）为金属材质，其螺旋直径D为Φ1.98cm≤D≤Φ8.2cm；所述微波传输管（6）的横截面为圆形，其内径d2为Φ1.0cm≤d2≤Φ2.0cm，微波传输中心线（7）的横截面为圆形，其外径d1为Φ0.1cm≤d1≤Φ0.56cm；微波源（4）的微波工作频率f为915MHZ≤f≤9132MHZ。
7.根据权利要求6所述的小型宽频微波高温加热装置，其特征在于，所述炉体（1）为不锈钢材质，其直径d为Φ11.00cm；螺旋天线（1-3）的螺旋直径D为Φ1.98cm、螺旋天线（1-3）的圈数为8圈，微波源（4）的微波工作频率f为6000MHZ；微波传输管（6）内径d2为Φ1.0cm，微波传输中心线（7）外径d1为Φ0.183cm；耐高温绝缘层（9）为聚四氟乙烯层。
8.根据权利要求6所述的小型宽频微波高温加热装置，其特征在于，所述炉体（1）为无氧铜材质，其直径d为Φ13.00cm；螺旋天线（1-3）的螺旋直径为Φ4.20cm、螺旋天线（1-3）的圈数为10圈，微波源（4）的微波工作频率f为2450MHZ；微波传输管（6）内径d2为Φ1.5cm，微波传输中心线（7）外径d1为Φ0.274cm；耐高温绝缘层（9）为氧化铝陶瓷层。
9.根据权利要求6所述的小型宽频微波高温加热装置，其特征在于，所述炉体（1）为金属铝材质，其直径d为Φ35.00cm；螺旋天线（1-3）的螺旋直径为Φ8.2cm、螺旋天线（1-3）的圈数15圈，微波源（4）的微波工作频率f为915MHZ；微波传输管（6）内径d2为Φ2.0cm，微波传输中心线（7）外径d1为Φ0.424cm；耐高温绝缘层（9）为石英玻璃层。
10.根据权利要求7-9任一项所述的小型宽频微波高温加热装置，其特征在于，还包括PLC（10）及触摸屏（11），所述热电偶（3）、微波源（4）均通过控制电路（4-1）与PLC（10）连接，PLC通过数据总线与触摸屏（11）连接；所述控制电路（4-1）含有与输入端相连的手动开关、信号采集电路及开关信号电路。
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