CN211190241U - 一种用于微波加热的新型介质填充金属试管装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于微波加热器具技术领域，公开了一种用于微波加热的新型介质填充金属试管装置；设置有填充介质；填充介质作为基底，托住常规试管的底部；金属外套部分包裹或全部包裹在常规试管和填充介质的外壁。本实用新型通过在金属试管的顶部或底部填充介质，改善匹配特性，可以在获得较好加热均匀性的同时具有良好的加热效率。本实用新型结构简单、成本低；由常规试管、金属外套以及填充的介质构成；这些材料均可在市场上方便购买，成本低廉。同时本实用新型加热效果好；相比于普通金属试管的加热，本实用新型可以在加热均匀性相当的情况下，显著提高加热效率。
Description
技术领域
本实用新型属于微波加热器具技术领域，尤其涉及一种用于微波加热的新型介质填充金属试管装置。
背景技术
目前，微波加热因加热速度快、效率高以及无污染等优点已经广泛应用于食品、材料、化工以及医药等领域。将溶液盛入玻璃或聚四氟乙烯等试管，然后放置于微波反应器中加热是微波加热溶液的常用做法。然而，使用常规的试管时，微波加热过程中出现显著的“聚焦效应”，导致试管的中心温度远高于其他部位的温度。因此，针对以上问题，首先提出了一种新型的微波加热金属试管装置，以避免微波加热液体过程中的“聚焦效应”，提高其加热均匀性，但存在加热效率偏低的问题。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)使用常规的试管时，微波加热过程中出现显著的“聚焦效应”，导致试管的中心温度远高于其他部位的温度。
(2)新型的微波加热金属试管装置，存在加热效率偏低的问题。
解决上述技术问题的难度：
金属试管壁会阻挡电磁波的传播，因此提高微波对具有金属壁的试管中加热液体的加热效率，需要应用复杂的电磁理论。
解决上述技术问题的意义：
若上述问题得到解决，将有利于推广微波加热液体媒质的应用，有利于微波能的进一步应用，有利于节能减排。
实用新型内容
针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种用于微波加热的新型介质填充金属试管装置。
本实用新型是这样实现的，一种用于微波加热的新型介质填充金属试管装置设置有：
填充介质；
填充介质作为基底，托住常规试管的底部；
金属外套部分包裹或全部包裹在常规试管和填充介质的外壁。
通过添加填充相对介电常数较大填充介质，改善了金属试管的微波匹配特性，使得更多的微波进入了试管的内部，进而提高微波加热的效率。
进一步，所述金属外套不得包裹常规试管的顶部和填充介质的底部；能使得微波从试管的顶部和填充介质的底部进入试管的内部。
进一步，所述常规试管的形状为圆柱形或椭圆柱形，常规试管的底部形状为平底、椭球底形状。
通过选择底部为平底和椭圆形状，能保证用于微波加热的新型介质填充金属试管装置在加热的微波反应器中位置保持不动。
本实用新型的另一目的在于提供一种为用于微波加热的新型介质填充金属试管装置加热的微波反应器。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：
本实用新型提供的用于微波加热的新型介质填充金属试管装置结构简单、成本低。由常规试管、金属外套以及填充的介质构成。这些材料均可在市场上方便购买，成本不到10元人民币。
同时本实用新型提供的用于微波加热的新型介质填充金属试管装置加热效果好。相比于普通金属试管的加热，本实用新型可以在加热均匀性相当的情况下，显著的提高加热效率。本实用新型通过添加填充相对介电常数较大的介质，改善金属试管的微波匹配特性，使更多的微波进入试管的内部，进而提高微波加热的效率。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的用于微波加热的新型介质填充金属试管装置结构示意图；
图中：1、金属外套；2、常规试管；3、填充介质。
图2是本实用新型实施例提供的用于微波加热的新型介质填充金属试管装置在微波反应器中加热结构示意图。
图3是本实用新型实施例提供的实验一中新型介质填充金属试管装置结构示意图。
图4是本实用新型实施例提供的实验一中新型介质填充金属试管装置在微波反应器中加热结构示意图。
图5是本实用新型实施例提供的实验二中新型介质填充金属试管装置结构示意图。
图6是本实用新型实施例提供的实验二中新型介质填充金属试管装置在微波反应器中加热结构示意图。
具体实施方式
为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种用于微波加热的新型介质填充金属试管装置。通过在金属试管的底部填充介质，改善匹配特性，可以在获得较好加热均匀性的同时具有良好的加热效率。该实用新型具有结构简单、价格便宜、加热均匀性好、加热效率高等优点。
下面结合附图对本实用新型的应用原理作详细描述。
如图1-图2所示，该用于微波加热的新型介质填充金属试管装置设置有填充介质3；
填充介质3作为基底，托住常规试管2的底部。
金属外套1部分包裹或全部包裹在常规试管2和填充介质3的外壁。
作为优选，常规试管的形状为圆柱形或椭圆柱形，常规试管的底部形状可以为平底、椭球底等形状，试管的材质可以为玻璃、聚四氟乙烯等材料。
作为优选，填充介质可为氧化铝、氧化锆等具有较大相对介电常数的介质。
作为优选，金属外套部分包裹或全部包裹在常规试管和填充介质的外壁，其材质可以为金属箔或薄的金属板；金属外套不得包裹常规试管的顶部和填充介质的底部，以使得微波从试管的顶部和填充介质的底部进入试管的内部。
本实用新型在微波加热过程中，通过添加填充相对介电常数较大的介质，改善了金属试管的微波匹配特性，使得更多的微波进入了试管的内部，进而提高微波加热的效率，其原理如下：
1)在微波加热过程中，虽然金属试管具有较好的加热均匀性，但是其加热效率低于常规的金属试管，其原因在于金属外壁阻挡了部分电磁波从试管侧壁进入试管的内部。
2)为克服以上问题，本实用新型采用将金属试管的底部填充具有较大相对介电常数的介质，使得更多的电磁波可通过试管的底部进入试管内部，从而提高加热效率。
3)填充的介质的相对介电常数越大，由金属试管中可传输的电磁波模式数量越多，电磁波进入金属试管的能力越强。具体过程如下：
a、计算各模式的截止频率fc，其公式为：
其中c为真空中的光速，εr为填充介质的相对介电常数，r为金属试管的内径，pm.n为m阶第一类贝塞尔函数的第n个零点，p′m.n为m阶第一类贝塞尔函数的导数的第n个零点。特别说明的是，当εr＝1时，表示金属试管填充物为空气。
得到可传播的电磁波模式数。根据上述的公式计算出的截止频率小于微波的工作频率f数量，得到电磁波能够在该金属试管传播的模式数量。
从以上可知，当金属试管的内径保持不变时，截止频率fc与填充介质的相对介电常数εr成反比。即，εr越大，fc越低，满足fc＜f的电磁波模式数量越多，进入金属试管能力越强。
下面结合对比实验对本实用新型的结构及其工作原理作进一步的描述。
实验1
在该实验中，新型介质填充试管的结构如图3所示：将直径为4.0cm高度为1.0cm的氧化铝陶瓷(相对介电常数为9.0)作为基底，托住内径为4.0cm，高为4.0cm，壁厚为0.2cm的平底玻璃试管的底部，然后将铝箔包围住该陶瓷和平底试管的外壁。将该新型介质填充试管中盛放10ml的水，置于如图4所示的微波反应器的玻璃托盘的中心位置进行加热。使用的微波功率为100W，工作频率为2450MHz，加热时间为100秒。为使用将铝箔包裹在内径为4.0cm，高为 5.0cm,壁厚为0.2cm的平底玻璃试管的外壁，构成金属试管装置，并在该装置中盛放10ml水进行微波加热的结果。在微波加热时，本实用新型的水溶液中温度要明显高于金属试管装置。为进一步评估本发明的加热效率和加热均匀性，表1显示了本发明和常规试管的平均温升
和COV值。其中，COV值的计算公式如下：
其中
为平均温升，N为水温的采样点个数，Ti为第i个采样点的温升。其中， COV值越小，代表加热均匀性越好；反之，亦然。
表1.新型金属试管装置一与常规玻璃试管的微波加热情况比较
从表1中比较可知，使用本实用新型的金属试管装置不仅加热效率是使用金属试管的1.9倍，二期其加热均匀性(COV＝0.484)也好于使用常规试管的情况(COV＝0.569)。表明采用本实用新型不但可有效提高加热效率，而且可提高加热均匀性。
实验2
在该实验中，新型介质填充试管的结构如图5所示：将直径为3.0cm高度为2.0cm的氧化铝陶瓷(相对介电常数为9.0)作为基底，托住内径为4.0cm，高为8.0cm,壁厚为0.2cm的平底玻璃试管的底部，然后将铝箔包围住该陶瓷和平底试管的外壁，如图5所示。将该新型介质填充试管中盛放10ml的水，置于如图6所示的微波反应器的玻璃托盘的中心位置进行加热。使用的微波功率为 100W，工作频率为2450MHz，加热时间为100秒。为使用将铝箔包裹在内径为 3.0cm，高为10.0cm,壁厚为0.2cm的平底玻璃试管的外壁，构成金属试管装置，并在该装置中盛放10ml水进行微波加热的结果。在微波加热时，本实用新型的水溶液中温度要明显高于金属试管装置。
表2.新型金属试管装置一与常规玻璃试管的微波加热情况比较
从表2中比较可知，使用本实用新型的金属试管装置不仅加热效率远是使用金属试管的2.7倍，二期其加热均匀性(COV＝0.611)也要好于使用常规试管的情况(COV＝0.690)。表明采用本实用新型不但可有效提高加热效率，而且可提高加热均匀性。
以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。
Claims (3)
1.一种用于微波加热的新型介质填充金属试管装置，其特征在于，所述的用于微波加热的新型介质填充金属试管装置设置有：
填充介质；
填充介质作为基底，托住常规试管的底部；
金属外套部分包裹或全部包裹在常规试管和填充介质的外壁。
2.如权利要求1所述的用于微波加热的新型介质填充金属试管装置，其特征在于，所述金属外套不得包裹常规试管的顶部和填充介质的底部。
3.如权利要求1所述的用于微波加热的新型介质填充金属试管装置，其特征在于，所述常规试管的形状为圆柱形或椭圆柱形，常规试管的底部形状为平底、椭球底形状。
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