一种均匀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，具体涉及一种均匀微波加热设备。

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，微波加热可以实现更快更均匀的加热。

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，严重影响加热的均匀性。

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，或者改变微波馈口处的电场的极化方向，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地解决。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种均匀微波加热设备。这里，我们采用矩形波导作为馈入传输线。这种波导的工作模式是te10模式，其中的电场在x方向上是均匀的。我们让微波源之间相互隔离，每只微波源可以通过调配器进行匹配调节，从而在每个馈入传输线的馈口附近对被加热物进行均匀高效地加热。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种均匀微波加热设备，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7列，至少7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。

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。

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。

所述加载体为轴线平行y方向的柱状体。其横截面为圆形、矩形或正方形。

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。

为了实现微波加热，该加热设备还包括位于所述通道中的被加热物。

本发明提供了一种均匀微波加热设备。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，在加载体上还可以设置加载头，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。由于我们采用矩形波导作为馈入传输线，其中的工作模式te10模式的电场在x方向是均匀分布的，有利于实现均匀加热。

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是实施例4的四个侧面的能量泄漏系数(db)。

图9为实施例5和实施例6的俯视示意图。

图10为图9的aa方向剖视图。

图11是实施例5的四个侧面的能量泄漏系数(db)。

图12是图9的aa方向剖视图。

图13是实施例6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-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3所示。

一种均匀微波加热设备，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3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。所述加载头4a都为圆管状，其内直径与所述加载体4的外直径相同。

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。所述凹槽为圆环状，其内直径与所述加载体4的外直径相同。

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。

在通道5中设置有被加热物6。

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，没有设置任何凹槽4b。

实施例4

如图6-图8所示。

实施例4与实施例1的区别仅在于，没有设置任何加载头4a。没有设置任何被加热物6。

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4b在径向的宽度为4.51毫米，其深度为12.94毫米。

图8是三维模拟计算得到的实施例4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8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。