一种隔馈式微波加热设备的制作方法

本发明涉及均匀高效微波加热领域，具体涉及一种隔馈式微波加热设备。

背景技术：

微波加热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、药材、调料、乳制品等。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、人造金刚石等各种新材料的生产。

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快更均匀地加热。

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，严重破坏加热的均匀性。

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。

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。多个磁控管应用到大型微波加热设备除了前述的均匀性差的问题之外，还存在加热效率低的问题。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的馈口处，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口向该磁控管“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能应用设备中除加热均匀性差之外的另一个突出问题。在低损耗、低湿度材料的加热方面，这个问题更加突出。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种隔馈式微波加热设备。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。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种隔馈式微波加热设备，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3列，至少3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。

较好的设计，所述加载体为至少7列，至少7排。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。

为了防止微波通过所述通道从其位于x方向和-x方向的侧面向外泄漏，在所述盖板和底板之间在x方向和-x方向分别设置有一个侧板。每个侧板都同时与所述盖板和底板接触。

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。

所述加载体也可以为低损耗微波介质材料，其损耗角正切低于0.1。在一定成本范围内，材料的损耗角正切参数越低越好。

一般情况下，所述加载体为轴线平行y方向的柱状体。

为了在该加热设备的工作频率附近较宽的频率范围内阻碍微波在通道中在水平面上传播，在x方向和在z方向相邻的所述加载体的轴线之间的间距为工作波长的0.15～0.35倍。同时，所述加载体在y方向的高度为工作波长的0.15～0.35倍。

所述加载体的横截面形状为圆形、矩形或正方形。其中以圆形和正方形为最佳。

为了在该加热设备的工作频率附近较宽的频率范围内阻碍微波在通道中在水平面上传播，在至少一个所述加载体的顶端设置有一个加载头；所述加载头的沿y方向的投影包含与之连接的所述加载体的沿y方向的投影。

进一步地，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。

所述馈入传输线也可以为同轴线，其内导体伸入所述盖板和底板之间的空间，但不应该伸入到所述通道中，以免妨碍所述通道中的传送带和被加热物的运动。该馈入传输线应该布置在盖板和底板中设置有加载体的一方。因为在一个没有布置有加载体的金属板上布置同轴馈入传输线，如果其内导体不伸入到通道中，该馈入传输线将难于向该加热设备的通道中馈入微波能量。这时，比较好的选择，在所述馈入传输线附近的所述加载体、加载头和凹槽都被去除。

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，被加热物的横向不同部分可以分别被沿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。

一般微波加热设备，特别是工业用大型微波加热设备的体积都比较大，需要采用大型加工设备加工，其加工成本很高。为了降低加工难度，降低加工成本，本发明的加热设备可以拆开成许多模块分别加工后组装。这些模块主要包括：盖板模块、底板模块、侧板模块和馈入模块。其中盖板模块可以是一张金属平板，还可以是安装有加载体的金属平板，或者是同时安装有加载体和加载头的金属板，一般置于上方位置；底板模块可以为一张金属平板，还可以是安装有加载体的金属平板，或者是同时安装有加载体和加载头的金属板，一般置于下方位置；侧板模块为金属板，一般置于左边和右边；馈入模块包含一张安装有馈入传输线的金属板，或者是同时安装有加载体和馈入传输线的金属板，或者是同时安装有加载体、加载头和馈入传输线的金属板。所有模块之间可以利用定位销钉定位拼接，再利用若干连接螺杆拉紧完成组装。

本发明提供了一种隔馈式微波加热设备。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，在加载体上可以设置加载头，环绕加载体在金属板上还可以设置环状凹槽。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方向依次整体错开一定距离。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地保证。

附图说明

图1为本发明和实施例1的俯视示意图。

图2为实施例2的俯视示意图。

图3为图1和图2的aa方向剖视图。

图4为实施例3的俯视示意图。

图5为图4的aa方向剖视图。

图6为实施例4的俯视示意图。

图7为图6的aa方向剖视图。

图8为实施例5和实施例6的俯视示意图。

图9为图8的aa方向剖视图。

图10为图8的aa方向剖视图。

图11为实施例7的俯视示意图。

图12为实施例8的俯视示意图。

图13为图11和图12的aa方向剖视图。

图14为实施例9的俯视示意图。

图15为图14的aa方向剖视图。

图16为实施例10的俯视示意图。

图17为图16的aa方向剖视图。

图18是实施例10的四个侧面的能量泄漏系数(db)。

图19为实施例11和实施例12的俯视示意图。

图20为图19的aa方向剖视图。

图21是实施例11的四个侧面的能量泄漏系数(db)。

图22是图19的aa方向剖视图。

图23是实施例12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，4a-加载头，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3所示。

一种隔馈式微波加热设备，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的顶端设置有一个加载头4a；所述加载头4a的沿y方向的投影包含与之连接的所述加载体4的沿y方向的投影。

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2和图3所示。

实施例2与实施例1的区别仅在于，所述加载体4、加载头4a和凹槽4b的横截面都为正方形。

实施例3

如图4和图5所示。

实施例3与实施例1的区别仅在于，没有设置任何加载头4a。

实施例4

如图6和图7所示。

实施例4与实施例1的区别仅在于，没有设置任何凹槽4b。

实施例5

如图8和图9所示。

实施例2与实施例1的区别仅在于，没有设置任何加载头4a，也没有设置任何凹槽4b。

实施例6

如图8和图10所示。

实施例2与实施例1的区别仅在于，在盖板1上也对应设置了加载体4阵列。这时，为了便于向通道5中馈入微波能量，在所述馈入传输线3附近的所述加载体4、加载头4a和凹槽4b都被去除，而且该波导馈入传输线3伸入盖板1以下并与通道5的上表面齐平。

实施例7

如图11和13所示。

一种隔馈式微波加热设备，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的顶端设置有一个加载头4a；所述加载头4a的沿y方向的投影包含与之连接的所述加载体4的沿y方向的投影。

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。

实施例8

如图12和图13所示。

实施例8与实施例7的区别仅在于，所述加载体4、加载头4a和凹槽4b的横截面都为正方形。

实施例9

如图14和图15所示。

实施例9与实施例7的区别仅在于，没有设置任何凹槽4b。

实施例10

如图16-图18所示。

实施例10与实施例7的区别仅在于，没有设置任何加载头4a。

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18是三维模拟计算得到的实施例10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18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。

实施例11

如图19～图21所示。

实施例11与实施例7的区别仅在于，没有设置任何加载头4a，也没有设置任何凹槽4b。在通道5中设置了被加热物11。

在这里，加载体4为直径10.04毫米，长度为19.25毫米的金属柱，相邻金属柱的轴线在x方向和在z方向的距离为24.51毫米，通道5的高度为20毫米。被加热物11的介电常数为9，厚度为5毫米，其上表面距离通道5的上表面的间距为5毫米。

图21是三维模拟计算得到的实施例11的四个侧面的能量泄漏系数(db)随频率的变化曲线。从图21可以看出，在2.3ghz～2.65ghz带宽外的许多频率点，大部分能量将可以通过多通道5到达侧面。但是在2.3ghz～2.65ghz频带内，进入通道5的微波只有约4％的能量才能沿通道5传播。大部分微波能量将集中在馈口附近并加热被加热物11，或沿馈入传输线3反射。在馈入传输线3中设置调配器9，可以让微波能量几乎全部被用于加热被加热物11。在计算中没有考虑被加热物11的吸收效应。但是考虑了该吸收效应后，四个侧面的能量泄漏系数将由于微波能被吸收而进一步降低。

实施例12

如图19、图22和图23所示。

实施例12与实施例11相似，其主要区别在于，在盖板1上与在底板2上对应地设置了加载体4，通道5的高度增加了一倍。这时，为了便于向通道5中馈入微波能量，在所述馈入传输线3附近的所述加载体4都被去除，而且该波导馈入传输线3伸入盖板1以下并与通道5的上表面齐平。

在这里，加载体4为直径14.3毫米，长度为28.21毫米的金属柱，相邻金属柱的轴线在x方向和在z方向的距离为29.98毫米，通道5的高度为40毫米。被加热物11的介电常数为9，厚度为10毫米，其上表面距离通道5的上表面的间距为5毫米。

图23是三维模拟计算得到的实施例12的四个侧面的能量泄漏系数(db)随频率的变化曲线。从图23可以看出，在2.2ghz～2.8ghz带宽外的许多频率点，大部分能量将可以通多通道5到达侧面。但是在2.2ghz～2.8ghz频带内，进入通道5的微波只有约4％的能量才能沿通道5传播。大部分微波能量将集中在馈口附近并加热被加热物11，或沿馈入传输线3反射。在馈入传输线3中设置调配器，可以让微波能量几乎全部被用于加热被加热物11。

与实施例11相比，分别在盖板1和底座2上同时设置加载体4，给设备的结构更复杂些。但是，通道5的高度增加了一倍，可以用于加热比较厚的被加热物11。

以上给出了一种本发明的一些实施例。实际的实现方式远比这里列举的更丰富。该微波加热设备一般采用数控铣床加工完成。为了便于实现该微波加热设备，其某些部分的内部棱角需要倒角处理。这种倒角必须纳入建模计算中。每一种实现方式的具体设计都需要根据微波传输线理论、模式匹配理论等具体计算。也可以利用通用的三维商用软件建模计算。

本发明提供了一种隔馈式微波加热设备。这种隔馈式微波加热设备具有结构简单、加热均匀的优点。通过某一馈入传输线馈口附近的被加热物的电介质参数(主要取决于材料的类型、湿度和温度)也是确定的。在这种隔馈式微波加热设备中，由于不同馈入传输线之间有良好的隔离，我们可以调节调配器使各微波源输出的微波被全部吸收。因此，我们可以实现每个微波源的能量全部被用于加热被加热物，显著提高加热设备的能量效率。该隔馈式微波加热设备可以大规模地用于各种材料的加热、干燥，特别是低湿度低吸收材料的低成本、高温和高效率加热中。