[发明专利]单模块微波加热设备

说明书

本发明让加热模块中的微波馈入波导中都只传播基模TE10模式，电场方向只有X轴分量而且沿X方向不变，加热模块的工作微波馈入波导与进料口和出料口之间的隔离度很高的。通过控制微波加热设备的空腔中的微波模式来改进微波加热设备在三维空间中的加热的均匀性，同时减小通过进料口和出料口的微波泄漏。本发明可以用于对各种材料的加热，或者用于加快化学反应的速度。

技术领域

本发明涉及微波加热设备。具体地，涉及一种单模高效率均匀加热材料的紧凑型微波加热设备。

背景技术

微波能可以用于代替各种传统加热方式。微波加热设备利用微波能加热各种材料，包括但不限于木材、粮食、调料、乳制品。在微波化学领域，微波能量被用于加快各种化学反应。微波能还被用于纳米材料、人造金刚石等各种材料的生产。

在传统加热过程中，热量通过被加热物外部向其内部传导，属于表面加热，导致被加热物内外温度不均匀。微波能加热中，微波通过电场作用被加热材料，导致其中极性分子的阻尼振动产生热量， 属于体加热。 因此在被加热物内外同时加热。

但是，传统微波加热设备存在三个主要问题。

第一，加热的整体均匀性问题。

在加热腔之类的任何有限空间内， 电磁波将因为共振现象以该空腔的各种固有谐振模式的形式存在。在其中任意一个谐振模式中，电磁波都以驻波形式存在，导致空间某些固定位置处的电场的幅值为最大，另外某些固定位置处的幅值为零。在2450MHz的典型微波能应用频率，这些电场集中处之间的距离为所用工作微波的波长的一半或稍大， 大致在61~100毫米之间，导致被加热材料在对应尺度上的不均匀。

普通的家用微波炉的尺寸比上述尺度大5~10倍。工业微波加热设备中的大型加热炉的尺寸比上述尺度大30~300倍。在这些空腔中的工作频率附近可以激励起来的谐振模式数为几个到几百个。人们普遍相信，采用高度过模的加热腔有利于微波加热的均匀性。但是，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集中，导致微波加热的极度不均匀。

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。 人们试图通过增加工作微波的馈口数目，改变馈口形状，改变工作微波的馈口在加热腔外表面的位置，或者改变工作微波的馈口的极化方向，或者同时随机改变上述几个变量，通过计算或实测找到改善加热均匀性的方法。 但是到目前为止，微波炉，特别是大型微波加热设备中加热的均匀性问题没有得到很好地解决。

让我们来理解一下大型微波加热设备中我们面临的加热均匀性技术难题。在工作微波的频率，对于某一微波馈口，选定其位置、形状、极化方向后，加热腔中上百模式分别被激励的强度的确定在计算上都是非常困难的，在实际测量中也是极其复杂的。而大型微波加热设备中需要采用上百个磁控管作为微波源，因此对应的微波馈口的数目可以多达上百个！上述问题的复杂程度超出人们的想象。

第二，加热效率问题。

由于固态放大器的整体效率，特别是其昂贵的造价，微波加热设备普遍采用磁控管提供微波能量。就目前的技术发展状况，磁控管的电源的效率为90%左右， 磁控管本身从高压电源到微波的转换效率为70%左右。所以，磁控管从220V的交流电到微波的转换效率为63%左右。微波加热设备的实际效率则要低得多。家用微波炉等采用小型加热腔和单只磁控管。由于被加热材料的体积、形状和密度等的变化导致微波馈口处的输入阻抗变化很大，导致磁控管经常处于阻抗失配状态， 从磁控管输入到加热腔中的微波很大部分被反射回来。这些反射回来的能量会直接影响磁控管的工作。为了保护磁控管，有时在磁控管和加热腔之间安装了波导环形器。这时，反射回来的微波通过波导环形器被引导到匹配负载并被吸收。因此，微波馈口的失配都会造成微波加热设备的总体加热效率的进一步降低。