一种微波辐射加热装置的制作方法

本发明涉及微波能应用器件技术领域。更具体地，涉及一种微波辐射加热装置。

背景技术：

在现有技术中，用于微波能应用领域的微波馈入方式多为一个或多个波导口10辐射。如将食物20或材料等固体物质置于谐振腔或波导内部，利用微波的加热效应对物体进行处理，具体结构如图1所示。在腔体内部由于微波场分布不均匀会导致介质加热不均匀。

通常情况下，为了克服微波场分布不均匀的问题，可以在微波腔体内部采取增加模式搅拌器、旋转介质等方式使介质相对于微波电磁场进行运动。微波在有耗介质中传输时，和以因子e^-αz衰减，介质的损耗越大，微波穿透距离越小。为了克服微波穿透有限距离的局限性，改善加热的均匀性，一般采取减小微波作用对象的体积的方式。

为了适应微波能工程化应用需求，目前使用的915mhz或2450mhz频率的微波不能穿透1m³或更大体积的介质，因此传统的波导口馈入方式已不能够满足要求。然而增加电动搅拌装置会显著地降低设备的可靠性和使用寿命，提高设备的运行成本。

为了改善微波加热的均匀性，提高微波设备的可靠性，降低微波设备的使用成本，就需要在原有的结构基础上进行创新性的改变。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可均匀加热介质的微波辐射加热装置。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种微波辐射加热装置，包括：具有加热腔的金属箱体，位于加热腔内且均匀、平行设置的若干螺旋形微波辐射天线组件；

所述天线组件包括有用于防止被加热介质进入天线组件内部的介质外筒，在工作时所述天线组件通过介质外筒置于被加热介质内并沿天线组件的径向方向向被加热介质均匀地辐射电磁波。

此外，优选的方案是，所述加热装置包括位于加热腔内的五个螺旋形微波辐射天线组件；

其中一个天线组件放置于加热腔的腔体中心位置，其它四个天线组件以中心位置的天线组件为中心，围成一个正方形。

此外，优选的方案是，中心位置的天线组件与周围四个天线组件之间的距离为50-100mm。

此外，优选的方案是，所述天线组件包括：一端开口的筒状外导体，以及位于外导体内的通过支撑子与所述外导体支撑固定的内导体；所述介质外筒套设在所述外导体的外表面；

沿所述外导体的轴向方向上，所述外导体包括有贯穿其侧壁内外侧表面的螺槽，所述螺槽包括至少一个螺距渐变段，所述天线组件可通过螺槽的螺距渐变段均匀向外辐射电磁波。

此外，优选的方案是，所述介质外筒的材料为聚四氟乙烯或聚醚醚酮；所述介质外筒的厚度为2-6mm。

此外，优选的方案是，由靠近所述外导体开口的一端向远离所述外导体开口的一端，所述螺槽的螺距渐变段的螺距逐渐增大。

此外，优选的方案是，所述螺槽的螺距渐变段的螺距渐变方式为线性渐变。

此外，优选的方案是，所述外导体侧壁上的螺槽采用绕制或金属切割的方式加工成型。

此外，优选的方案是，所述内导体与所述外导体为同轴设置。

此外，优选的方案是，所述支撑子的材料为聚四氟乙烯或聚醚醚酮。

本发明的有益效果如下：

本发明提供的微波辐射加热装置，可以将天线组件直接插入被加热介质的内部，增加天线与介质的作用面积，在工程用微波加热大体积介质方面，有效地改善了被加热介质沿天线组件的轴向方向(图中z向)和径向方向(图中r向)的温度均匀性，同时该结构装配简单、操作方便、可控性强、可靠性高。相对于传统的微波加热装置，在工程用微波加热大体积介质方面，本发明的加热装置可以大幅度提高设备的可靠性，提高设备的使用寿命，减少设备的使用能耗，降低设备的运行成本。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出现有技术中常见的微波加热物体的结构示意图。

图2示出本发明加热装置中螺旋形微波辐射天线组件的结构示意图。

图3示出本发明微波辐射加热装置的局部结构示意图。

图4示出利用cst2010软件仿真得到的本发明天线组件中电场在天线组件轴向方向的分布图。

附图标记说明：10、波导口；20、食物；1、天线组件；11、外导体；111、螺槽；12、内导体；13、支撑子；14、介质外筒；2、金属箱体；3、微波馈入口。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

现有技术中，用于微波能应用领域的微波馈入方式多为一个或多个波导口10辐射，如将食物20或材料等固体物质置于谐振腔或波导内部，利用微波的加热效应对物体进行处理，具体结构如图1所示，腔体内部由于微波场分布不均匀会导致介质加热不均匀。针对已有技术的传统微波加热结构中，微波无法深入穿透至介质内部，导致介质内部与表面的温度显著不均匀，传统微波加热装置不能适应对整个介质的温度均匀性要求较高(温差不能超过±5°)的问题，本发明提供一种微波辐射加热装置。具体地，下面结合附图进行详细说明。

图1示出现有技术中常见的微波加热物体的结构示意图。图2示出本发明加热装置中螺旋形微波辐射天线组件的结构示意图。图3示出本发明微波辐射加热装置的局部结构示意图。图4示出利用cst2010软件仿真得到的本发明加热装置中电场在天线组件轴向方向的分布图。

所述微波辐射加热装置包括：具有加热腔的金属箱体2，位于加热腔内且均匀、平行设置的若干螺旋形微波辐射天线组件1；所述天线组件1包括有用于防止被加热介质进入天线组件1内部的介质外筒14，在工作时所述天线组件1通过介质外筒14置于被加热介质内并沿天线组件1的径向方向向被加热介质均匀地辐射电磁波。

本发明的加热装置中，将传统的一个或多个波导口微波馈入方式，更改为多个直接作用于被加热介质内部的天线辐射型加热方式，微波场由天线组件1辐射至加热腔体的内部，由被加热介质吸收，可以使得加热更均匀；介质外筒14的主要作用是防止被加热介质进入天线组件1的内部，同时可以承担一定的压力和温度，耐酸耐碱。微波辐射加热装置采用这种结构，有效地改善了被加热介质沿天线组件1的轴向方向(图中z向)和径向方向(图中r向)的温度均匀性，同时该结构装配简单、操作方便、可控性强、可靠性高。

为了进一步改善r向微波加热的均匀性，所述加热装置包括位于加热腔内的五个螺旋形微波辐射天线组件1；其中一个天线组件1放置于加热腔的腔体中心位置，其它四个天线组件1以中心位置的天线组件1为中心，围成一个正方形，如附图3所示。

在本发明的实施例中优选地，中心位置的天线组件1与周围四个天线组件1之间的距离为50-100mm。这是由于微波深入介质深度有限，微波场强与距离成反比，如果辐射天线之间的距离d太大，辐射天线之间的场强过小，会导致介质加热的不均匀；同时如果辐射天线之间的距离太小，会导致辐射的电磁波之间相互串扰，降低加热效率，严重时甚至会影响微波馈入源的使用寿命。通过计算机仿真优化，设计的该装置的中心辐射天线与周围天线的距离d(50-100mm)，可以改善r方向微波加热的不均匀性，同时天线之间影响降至最低。

如图2所示，优选地，本发明中所述天线组件1包括：一端开口的筒状外导体11，以及位于外导体11内的通过支撑子13与所述外导体11支撑固定的内导体12；所述介质外筒14套设在所述外导体11的外表面；沿所述外导体11的轴向方向上，所述外导体11包括有贯穿其侧壁内外侧表面的螺槽111，所述螺槽111包括至少一个螺距渐变段，所述天线组件1可通过螺槽111的螺距渐变段均匀向外辐射电磁波。本领域技术人员可以理解的是，所述螺槽111可以整体设置为螺距渐变段，也可以是部分设置为螺距渐变段。当螺槽111的一部分设置为螺距渐变段时，螺槽111的其它地方则为螺距均一段。以上这几种情况中，天线组件1均可以通过螺槽111的螺距渐变段向外均匀地辐射电磁波。为了使天线组件1可通过螺槽111均匀向外辐射电磁波，本领域技术人员可以理解的是，由靠近所述外导体11开口的一端向远离所述外导体11开口的一端，所述螺槽111的螺距渐变段的螺距逐渐增大，通过螺距的渐变使得外导体11的远离所述外导体11开口的一端辐射电磁波的效率，高于外导体11的靠近所述外导体11开口的一端辐射电磁波的效率，以此抵消电磁波在内导体12内传播时的损耗，进而保证天线组件1在其轴向方向上向外辐射电磁波的均匀性，如此便可显著地改善微波加热介质沿天线组件1轴向方向的温度不均匀性。

进一步优选地，所述螺槽111的螺距渐变段的螺距渐变方式为线性渐变，该渐变方式是通过多次实验验证得到的最优的方式。在实际设计过程中，靠近所述外导体11开口的一端的螺槽111的螺距，采用线性渐变的方式逐渐过渡至远离所述外导体11开口的一端的螺槽111的螺距。

本发明中，所述介质外筒14不仅可以被电磁波穿透，且可用于防止被加热介质进入天线组件1内部，同时介质外筒14必须有一定的厚度，优选地，所述介质外筒14的厚度为2-6mm；且介质外筒14需要长时间承受压力(10个大气压以内)、温度(200℃)、耐强酸、耐强碱，其材料优选为聚四氟乙烯或聚醚醚酮。

在本发明的优选实施方式中，所述外导体11侧壁上的螺槽111采用绕制或金属切割的方式加工成型，本领域技术人员也可以根据实际需要选择其它合适的成型方式，本发明对此不做进一步的限制。

优选地，所述内导体12与所述外导体11为同轴设置，该同轴设置通过支撑子13进行支撑维护，保证天线组件1的电磁波传输功能。进一步地，所述支撑子13的材料为聚四氟乙烯或聚醚醚酮。

利用cst2010软件仿真本发明天线组件1结构中电场在微波传输方向z向的分布图，得到如附图4的关系曲线。从图中可以看出在整个微波传输方向上电场强度最大值之间仅仅相差20％。

按照本发明提供的微波辐射加热装置的结构，将装配好的5个辐射天线组件1按照附图3的方式插入10l的微波谐振腔体内，在微波馈入口3处连接5个2450mhz输出功率800w的磁控管，加热对象为去离子水，自动控制加热时间30分钟使水温从常温22℃加热至170℃，保温24h。加热腔体内部不同部位放置几个温度传感器，监测加热及保温过程中水温的变化，测试结果表明在径向最大温度差为10℃，在轴向最大温差为5℃。测试的温度均匀性明显优于传统微波加热方式。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。