一种紧凑型微波隧道炉的制作方法

1.本发明涉及均匀高效微波加热或者干燥领域，具体涉及一种紧凑型微波隧道炉。


背景技术：

2.微波加热可以代替各种传统加热方式。微波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。
3.隧道炉是一种可以连续对材料进行加热或者干燥的加热设备，在工业上已经具有广泛应用。微波隧道炉采用体加热方式，代替传统的电加热或燃气等传导加热方式，可以将加热速度提高数倍到数十倍，具有远大应用前景。微波隧道炉一般包括依次连通的、微波抑制器、微波腔、另一个微波抑制器、输出口，多只微波源，至少一根传送带和位于所述传送带上面并随所述传送带运动的被加热物。每只微波源通过一个微波馈口向所述微波腔输入微波能量。所述传送带与所述微波腔的内底面接触。其中微波抑制器用于防止微波腔中的微波通过隧道炉的或输出口向外泄露。被加热物位于传送带上并随传送带运动从微波输入，在微波腔中与微波相互作用被加热，然后从输出口输出。微波腔通常也称为加热腔，为被加热物和微波提供相互作用的空间。
4.但是，微波隧道炉在国际上的应用与其原理上的优势相比，还处在起步阶段。严重限制微波能应用的两个关键技术问题：加热的不均匀性问题和加热的低效率问题。
5.传统的微波隧道炉中，微波腔多为矩形腔，其三维尺寸都远大于微波源产生的微波的工作波长。微波腔的长度和宽度很大，是提高生产能力所需要的。微波腔的高度很大，原因之一是为了便于清理微波腔。在微波腔之类的任何空腔内，电磁波将以该空腔的各种固有模式的形式共振存在。在一定工作频率，多个模式共同被激励，空间某些位置处的电场的幅值为最大，另一些位置处的幅值又很小。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微波的工作波长的一半，在62毫米左右，导致被加热物在对应尺度上的不均匀。
6.为了解决微波加热的均匀性问题，国际国内同行进行了不懈的努力。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，全世界的同行都在一条“不确定性”的道路上寻求问题的答案。为此，人们增加微波源的数目到几十个到几百个，采用不同形状的微波馈口，将微波源布置在微波腔的内顶面、内底面，甚至内左面和内右面，改变矩形波导微波馈口处电场的极化方向，同时采用不同频率的微波源，采用频谱尽量宽的微波源
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，人们试图通过增加方案的复杂性来改善加热的均匀性。这种方法严重地依赖实践经验，遇到了大型微波腔中的电磁场精确测量的技术难题。因此微波微波炉，特别是大型微波隧道炉中加热的均匀性问题一直没有得到很好的解决。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于，提供一种创新性方案，解决传统微波隧道炉中存在的加热不均匀性问题和加热效率太低的问题。
8.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种紧凑型微波隧道炉，包括依次连通的微波抑制器a、微波腔、微波抑制器b，至少一根用于承载被加热物并带动被加热物随其自身运动而运动的传送带，传送带依次穿过微波抑制器a、微波腔、微波抑制器b，至少一段所述微波腔的内表面包括内顶面、内底面、内侧面a和内侧面b；所述内顶面和所述内底面相对设置，所述内侧面a和内侧面b相对设置；还包括至少一只微波源，任意一只所述微波源通过对应的一个微波馈口向所述微波腔输入微波能量，所述微波馈口设置在内底面，且微波馈口的上端口与内底面齐平设置，所述内顶面为没有布置任何微波馈口的平面的一部分；所述内底面上的任意一点距离所述微波腔的内顶面上的任意一点的距离h的最小值小于或等于所有微波源的工作波长λ的最小值；所述传送带包括承载被加热物的承载段，承载段与所述微波腔的内底面接触。
9.优选的，所述内底面上的任意一点距离所述微波腔的内顶面上的任意一点的距离h的最小值小于或等于所有微波源的工作波长λ的最小值的一半。
10.优选的，所述内底面上的任意一点距离所述微波腔的内顶面上的任意一点的距离h的最小值小于所有微波源的工作波长λ的最小值的四分之一。
11.优选的，在所述内底面上布置有至少两个微波馈口；在所述内顶面上没有布置任何微波馈口。
12.优选的，所有微波馈口都布置在所述内底面上。
13.优选的，所述内底面是水平平面的一部分或所述内底面上的任意一点的法线方向与重力方向相反，或者二者之间的夹角大于90度，小于180度。
14.优选的，至少两个所述微波馈口为矩形波导，其中的工作模式为te
10
模式。
15.优选的，所有所述微波馈口均为矩形波导，其中的工作模式为te
10
模式。
16.优选的，所述微波馈口中电场的方向与所述传送带的运动方向一致。
17.优选的，所述微波馈口中电场的方向与所述传送带的运动方向垂直。
18.可以具体的：
19.所述内底面可以是所述微波腔的整个底面，也可以是所述微波腔的整个底面的一部分。
20.这里的微波腔一般为轴线从所述微波抑制器a到所述微波抑制器b管状空间。这里所述的一段微波腔指从所述管状空间中截取一部分单连通的连续空间。
21.当某部分被加热物随所述传送带在所述微波腔中运动到达某微波馈口附近时，为了让该部分被加热物感受到的微波场尽量确定，而且尽量少地受到微波腔的结构和来自其它馈口的微波的影响，我们让被加热物尽量贴近该微波馈口，从而大大改善微波加热加热的均匀性。为此，我们让被加热物位于所述传送带上并让所述传送带与所述微波腔的内底面接触。
22.一般情况下，所述内底面位于水平向上的平面内，即内底面为水平平面的一部分。但是，我们不排除为了某种目的，将所述内底面倾斜：所述内底面上的任意一点的法线方向与重力方向相反，或者二者之间的夹角大于90度，小于180度。
23.为了尽量减小微波腔的体积，减少体积可以达到减少一定频率范围的微波源可以同时激励的微波腔中的模式的数目，以达到“确定性”设计的目的，同时为了便于提高不同微波馈口之间的隔离度，以便采用调配器改善任意微波馈口和与之相连的微波源之间的匹配程度和匹配带宽，我们对微波腔的高度进行限制：所述内底面上的任意一点距离所述微波腔的内顶面上的任意一点的距离h(高度)的最小值小于所有微波源的工作波长λ的最小值。注意，这里我们可以有多个微波源，每个微波源的工作波长可能有差别。因此，本发明是利用减少高度达到减少微波腔的体积，从而达到“确定性”设计的目的。
24.减小微波腔的高度可以改进设备的性能：所述内底面上的任意一点距离所述微波腔的内顶面上的任意一点的距离h的最小值小于所有微波源的工作波长λ的最小值的一半。
25.进一步减小微波腔的高度可以进一步改进设备的性能：所述内底面上的任意一点距离所述微波腔的内顶面上的任意一点的距离h的最小值小于所有微波源的工作波长λ的最小值的四分之一。
26.较佳的设计，所述内底面上的任意一点距离所述微波腔的内顶面上的任意一点的距离h的最小值等于所有微波源的工作波长λ的最小值的四分之一。如果微波腔的高度更小，虽然某被加热物经历的某微波馈口处的电磁场的幅度可以很好地得到确定，但是被加热物可能会与所述微波腔的内顶部接触，不利于被加热物的传送。而且，由于微波馈口发射的微波是横波，电场与传播方向垂直，微波到达微波腔的内顶部后几乎被全反射。如果微波腔的高度太小，我们在微波腔中不容易建立起较强的电磁场。微波电磁场主要将位于微波馈口外的传输线中。这种情况不利于微波源与微波腔的宽带匹配。对于频谱较宽的磁控管来讲，将难以将微波能送入微波腔，微波加热的效率会很低。第三，这时在微波腔中的电磁场沿微波馈口的法线方向变化较大，导致被加热物在其厚度方向加热的不均匀。由于传送带和被加热物有一定厚度，它们的相对介电常数都大于1，综合考虑，微波腔的高度略小于微波源工作波长1/4。
27.微波隧道炉的内表面工作一段时间以后需要进行清理，否则烧焦的部分被加热物会影响被加热物的品质。传统的微波隧道炉的微波腔的高度一般选择远远大于微波源的工作波长，原因之一是为了方便清理。
28.为了有效地实现微波对被加热物的加热或干燥，我们将使尽量多的微波源布置在微波腔的内底面上：在所述内底面上布置有至少两个微波馈口。在所述内顶面上没有布置任何微波馈口。较佳的设计,所有微波馈口都布置在所述内底面上。
29.传统的微波隧道炉一般在微波腔的内顶面布置微波馈口，原因之一是为了方便传送带的布置。但这种设计具有以下问题：1)采用任何形状的微波馈口，包括同轴线、圆波导和矩形波导，从确定性的角度来讲，微波馈口附近的微波场的分布是最确定的。在微波腔，特别是超大过模腔中，由于被加热物和传送带都布置在微波腔的内底面上，离开该馈口有较大距离，被加热物感受到的微波场的分布变得不确定，将随微波腔的形状和来自多个微波源的微波的影响。2)由于微波馈口设置在微波腔的内顶面，被加热物难以到达各微波馈口附近。因为这需要被加热物的高度与所述微波腔的高度相近，这时被加热物可能接触到微波腔的内顶部，被加热物的输运遇到阻力。3)传送带直接贴近微波腔的内底面，将导致微波与被加热物之间的难以相互作用。由于微波馈口设置在微波腔的内顶面上，微波的横波特性，在微波腔的金属内底面附近难以建立较强的电磁场。4)传送带直接贴近微波腔的内
底面，位于传送带上的被加热物在高度上的受热将很不均匀。这是向下传播的横向微波在微波腔内底面的全反射造成的微波纯驻波的电场的分布所决定的。
30.为了清理的方便和为了有效的加热，传统的微波隧道炉有时将传送带悬置在微波腔中，这时微波腔的高度远大于工作波长，使得微波腔在三维方向都远大于工作波长，加剧了问题的不确定性和复杂性，使得均匀高效微波隧道炉的设计难以取得成功。
31.一般情况下，我们采用高功率的微波源，特别是磁控管。考虑到功率容量的和低插损的要求，微波馈口设计成矩形波导：至少两个所述微波馈口为矩形波导。较佳的设计，所有所述微波馈口均为矩形波导。为了降低成本，微波馈口一般选取包括微波源工作频率的标准波导。例如，采用2450mhz的普通磁控管作为微波源时，我们选择bj26或者bj22标准矩形波导作为微波馈口的尺寸。这是因为，无论所述微波腔的结构和尺寸如何，由于微波馈口为矩形波导，其中的工作模式为其基模te
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模式，其中的场分布是确定的，并不随微波腔而变化。这样的设计，使得微波腔的大小和形状对某一微波馈口附近的电磁场的影响很小。当某部分被加热物随所述传送带在所述微波腔中运动到达某微波馈口附近时，由于被加热物贴近该微波馈口，从而大大改善这里微波电磁场分布的确定性和加热的均匀性。
32.如果采用矩形波导作为微波馈口，根据微波馈口处的电场分布特点，我们有两种方式来设置微波馈口宽边的朝向：微波馈口的宽边与传送带的运动方向垂直，所述微波馈口中电场的方向与所述传送带的运动方向一致，或者微波馈口的宽边与传送带的运动方向平行，所述微波馈口中电场的方向与所述传送带的运动方向垂直。第一种方式方便我们采用金属丝传送带，用于高温加热或者烧结。第二种方式我们常常采用微波吸收弱的材料，比如聚四氟乙烯制作传送带。这时，我们更容易实现均匀微波加热。
33.需要指出的是，本发明将所有的微波馈口设置在微波腔的内底面上，相当于在微波腔中设置了若干边界明确的热源。由于微波源之间的安装在空间上的要求和彼此相互隔离的需要，这些热源在与传送带运动方向垂直的横向必须具有一定距离，排成一排。但是，由于微波馈口之间有间隙，通过这一排微波源所在的微波馈口的被加热物在横向的加热并不均匀。为了解决这个问题，我们可以沿传送带运动方向一定间距地另外合理地设置若干排类似的微波源，每排微波源之间沿横向等间距地错开适当距离，让这些微波源构成阵列微波源。当被加热物在传送带上被输运时，该阵列微波源提供的热源，先后分别加热横向部分被加热物，达到均匀加热的目的。
34.本发明提供了一种紧凑型微波隧道炉。本发明的创新点在于：1)压缩微波腔的高度到小于微波源的工作波长或者更小。2)将所有的微波源都布置在微波腔的底面上。3)将传送带贴近微波腔的底面设置。4)让被加热物尽量贴近微波馈口。本发明带来的益处包括：1)微波馈口附近的微波场主要受微波源和微波馈口的影响，受微波腔的形状和大小的影响小，其确定性更好。2)由于被加热物的损耗，不同微波馈口之间的互耦被大大降低，让我们可以采用调配器大大改善每一只微波源与微波腔之间的匹配，从而大大改善设备的加热效率。3)微波腔的高度被设置得尽量小，与每一只微波源有效作用的谐振腔的有效体积最小，而且被加热物以尽量高的比例填充在谐振腔中，让每一只微波源可以通过调配器实现在最宽的频带内与微波腔匹配，有利于采用磁控管等频率漂移较大、频谱较宽的微波源。此举可以进一步改善设备的加热效率。4)本发明所有的馈源都设置在微波腔的底面上，而微波腔的顶面上没有设置任何微波源，该微波腔的顶面容易被翻开或揭开。这时，微波腔的顶面与
底面之间可以不用或者少用螺钉固定连接，而是采用合页或者铰链或者搭扣连接。与传统的微波隧道炉中微波腔的顶面与底面一般采用螺钉或焊接固定连接相比，本设备的清理变得非常容易。
35.为了进一步增加不同馈口之间的隔离，还可以在微波腔中加载各种结构，比如周期性地加载各种金属柱。合理设计该金属柱高度和相邻金属柱的间距，可以让不同馈口之间的隔离得到明显提高。
附图说明
36.图1为本发明、实施例1和实施例2的侧面示意图。
37.图2为图1的aa方向示意图。
38.图3为图1的bb方向示意图。
39.图4为实施例2中图1的bb方向示意图。
40.图5为实施实例3的侧面示意图。
41.图6为现有技术。
42.图7为本发明的结构示意图。
43.附图中标号对应名称：1-微波抑制器a，2-微波腔，3-微波抑制器b，4-微波源，5-传送带，6-被加热物，7-微波馈口,21-内顶面，22-内底面。
44.本说明书中部分名词规定如下：
45.工作波长，该微波隧道炉的某一微波源的工作频率对应的空气中的波长。
46.微波馈口：该微波隧道炉的某一微波源向所述微波腔馈入微波能的传输线与所述微波腔的内表面的交界面。
具体实施方式
47.实施例1
48.如图1至图3所示。
49.一种紧凑型微波隧道炉，包括依次连通的微波抑制器a1、微波腔2、微波抑制器b3，一根用于承载被加热物并带动被加热物6随其自身运动而运动的传送带5，传送带5依次穿过微波抑制器a、微波腔、微波抑制器b，所述微波腔2的内表面包括内顶面21、内底面22、内侧面a和内侧面b；所述内顶面和所述内底面相对设置，所述内侧面a和内侧面b相对设置；还包括3只微波源(磁控管)，任意一只所述微波源通过对应的一个微波馈口向所述微波腔输入微波能量，所述微波馈口设置在内底面，且微波馈口的上端口与内底面齐平设置，所述内顶面为没有布置任何微波馈口的平面的一部分；所述内底面上的任意一点距离所述微波腔的内顶面上的任意一点的距离h的最小值小于或等于所有微波源的工作波长λ的最小值；所述传送带包括承载被加热物的承载段，承载段与所述微波腔的内底面接触。
50.所述内底面上的任意一点距离所述微波腔2的内顶面上的任意一点的距离的最小值小于所有微波源4的工作波长的最小值的二分之一。
51.所有微波馈口7都布置在所述内底面上。
52.所有所述微波馈口7均为矩形波导，其中的工作模式为te
10
模式。
53.所有所述微波馈口7的宽边与传送带5的运动方向垂直，所述微波馈口7中电场的
方向与所述传送带5的运动方向一致。
54.本发明所要解决的技术问题是：隧道式微波加热装置的均匀性和高效性。如图6所示，现有的微波加热装置一般在顶部设置微波馈口7，传输带需要承载被加热物穿过微波腔2。为了保障被加热物和传输带能顺利穿过微波腔2，一般将微波腔2的高度设置较大，大于微波微波源的工作波长λ。由于微波腔2的长度和宽度一般也远大于微波源的工作波长λ，所以微波腔2为高度过模的谐振腔。一个微波源向这种高度过模的谐振腔馈入微波能，可以同时被激励的微波模式很多，各种模式之间的相位和幅度难以用理论、数值模拟和实验方法确定。因此，现有技术中微波腔2中的工作模式难以确定，其中的场分布是不确定的，最终导致被加热物被加热不均匀。为了解决该问题，常规做法是在微波馈口7处设置延长段，将微波馈口7延伸到微波腔2内部，比如：cn101282600a，该专利记载，在微波馈口7增设延长段(平口号角单元)，并且这些微波馈口7的微波源相同，因此，平口号角单元输出的微波互相耦合，微波被集中在平口号角单元的正下方。该方案由于被加热物的不均匀，实际上是难以实现均匀加热的。
55.如图7所示，本发明的技术方案是建立在缩小微波腔高度的基础上实现的。经研究发现，将微波腔的高度缩小到小于工作波长λ时，尤其缩小到小于工作波长λ/4时(以2450mhz为例，其波长为122mm，对应的高度设置到λ/4＝30.5mm)，其模式可以较好地被确定。此时，在微波馈口7的附近(微波腔内)会出现一个均匀性好的电磁场。因此为了使得被加热物尽可能被均匀加热，鉴于传输带存在自然重力导致的向下弯曲，若将微波馈口7设置在上方，则容易在传输带中部区域的被加热物远离微波馈口7。因此，本发明将微波馈口7设置在下方，利用底板(内底面)托举传输带，可以使得整个传输带保持较高的水平度。被加热物可以尽可能地接近微波馈口7的端面，即被加热物尽可能地穿越均匀区域。由此，本发明将缩小厚度的技术要素和下方布局微波馈口7的技术要素、传输带贴底运行的技术要素组合，共同实现被加热物被均匀加热的目标。
56.本发明的技术方案是建立在缩小微波腔高度的基础上实现的，经研究发现，将微波腔的高度缩小到小于工作波长λ时，尤其缩小到小于工作波长λ/4时，其模式可以较好的被确定，此时，由于被加热物的体积没有变化，微波腔(谐振腔)的体积变小，使得被加热物在微波腔中的占比得到提高。即被加热物以尽量高的比例填充在谐振腔中。同时，由于被加热物的损耗，不同微波馈口之间的互耦被大大降低。被加热物在微波腔中的占比得到提高和不同微波馈口之间的互耦被降低，使本发明可以采用调配器大大改善每一只微波源与微波腔之间的匹配，从而大大改善设备的加热效率，即让每一只微波源可以通过调配器实现在最宽的频带内与微波腔匹配，有利于采用磁控管等频率漂移较大、频谱较宽的微波源，采用磁控管，其微波腔可以实现频谱较宽的微波输入，此举可以改善设备的加热效率。
57.现有技术与本发明相比而言，现有技术是在一个电磁场不确定性的高度过模的微波腔内让微波加热被加热物，其加热的均匀性差。同时，现有技术中不同微波源之间的互耦很强，不能采用调配器实现每一只微波源与微波腔之间的匹配，很大部分微波能被反射回微波源，导致能量浪费并损坏微波源，加热的能量效率很低，设备的运行费用因为微波源的替换而居高不下。本发明是创造一个确定性的、均匀性的电磁场，而且不同的微波源之间有良好的隔离，可以实现改善微波源的匹配，可以实现均匀高效的微波加热干燥。
58.实施例2
59.如图1、2和4所示。
60.实施例2与实施例1的区别仅在于，所有所述微波馈口7的宽边与传送带5的运动方向平行，所述微波馈口7中电场的方向与所述传送带5的运动方向垂直。
61.实施例3
62.如图5所示。
63.实施例3与实施例1的区别仅在于，所述内底面上的任意一点的法线方向与重力方向二者之间的夹角大于90度，小于180度。
64.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。本发明的主要创新点在于：压缩微波腔的高度到小于微波源的工作波长，将所有的微波源都布置在微波腔的底面上，将传送带5贴近微波腔的底面设置，让被加热物尽量贴近微波馈口，改善加热电磁场的确定性，可以采用调配器调配个微波源与谐振腔从而提高设备的加热效率，同时让设备的顶盖可以容易翻开，内部的清理变得非常容易。依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍在本发明技术方案的保护范围之内。