专利名称：具有在线实时显示微波泄漏的微波协助化学反应谐振腔的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种加热设备，特别是利用微波谐振腔进行加热的谐振腔的结构，主要应用于化学反应，属于微波化学技术领域。
背景技术：
传统的加热方法，即要有一个高温热源，如火焰、热风、电热等，采用的是表面加热源，先使物体的表面加热，然后再由传导和对流将热量从被加热物外部传入内部，逐步使物体中心温度升高，要使中心部位达到所需的温度，需要一定的时间，这样加热速度很慢；若是热传导率较差的物体所需的时间就更长。这是个相对慢而长的过程，效率低、操作时间长，并且加热过程中无选择性，而利用微波协助工艺加热采用的是体加热源，伴随电磁波向介质内部的穿透，有一个电磁能自动向介质区域传递的过程，介质吸收微波能是内部与表面同时进行的，因此这种加热方式与传统的加热方式有着本质的区别。另外采用常规的加热方法虽然可以得到人们所需要的新物质，但是在许多情况下却既未有效地利用资源、过量消耗能量，又产生大量排放物造成严重的环境污染。
微波加热是一种不同于常规方法的加热，它是通过微波与分子的相互作用而诱导分子极化和偶极旋转，造成分子之间迅速运动。这种方法与传统的加热方式有着本质的区别，微波照射不仅可以改变化学反应的速度，甚至可以改变化学反应的途径。当微波在传输过程中遇到不同介质时，由于这些介质的介电常数、介质损耗系数、比热、形状和含水量等主要性质的不同，就会产生反射、吸收或穿透作用，因此吸收的电场能量不一样，微波电子学方法正是利用这一特点，进行选择性加热。微波能以及所产生的热能促进了化学过程，可实现液相提取和气相提取，例如对于新鲜的植物样品，植物中的水被选择性加热，导致微观结构(如细胞、腺体等)膨胀和破裂，使物质从微观结构中释放出来并溶解于溶剂中。
微波技术与传统加热方法相比具有独特的效应和优点，可大大降低反应时间，省溶剂(可较常规方法少50％～90％)、节约能源、减少废物的产生，同时提高了收率和提取物的纯度，最大程度降低了后处理的复杂性，使化学反应环境更面向清洁和绿色，无污染，属于绿色工程，有利于环境保护，它是一种具有广阔发展前途的新技术。
微波泄漏是衡量系统安全一个非常重要的指标，由于电磁辐射无色、无味，看不见、摸不着，人们无法通过感觉器官觉察这种隐形污染，电磁辐射正逐渐成为水污染、大气污染、噪声污染之后的第四大污染，直接影响着人们的身体健康，研究已经证实，超过一定程度和一定时间的电磁辐射会对人们产生不同程度的影响。一方面是热效应作用的结果，将引起组织器官的生理影响、抑制和伤害作用，因为组成人体细胞和体液的分子大都是极性分子，外加微波场可使这些极性分子因趋向作用而产生频率为2.45*109Hz的振荡运动，消耗能量而发热，导致体内温度升高，当微波功率密度较高时，人体产生热量过多，超过了自身调节能力，人体的温度平衡功能失调，体温上升，于是身体发生生理功能紊乱并发生病理变化。另一方面是微波的非热效应的影响，前苏联和东欧的学者认为，中枢神经系统对微波能量的吸收非常敏感，当微波功率密度低于10mW/cm2作用于人体时，在体温没有任何增加的情况下，就可使中枢神经系统的功能紊乱，非热效应并不意味着绝对没有热产生，只是产生的热量不足以引起生物体的感觉反应或者测不出体温升高而已，随着国际上微波生物学与卫生学研究的深入，西方一些学者在微波对听觉、微波对血脑屏障和动物行为的影响等方面也进行了实验研究，他们也证实了低强度微波辐射非热效应的存在。
传统的微波加热谐振腔系统中没有安装微波泄漏检测仪，有时要求化学实验人员随时观察谐振腔内部的情况，即离微波加热系统很近，这是很危险的。系统中安装微波泄漏检测传感器，可以实现微波泄漏的在线实时显示，当微波泄漏超过国家标准时，立刻切断电源。保证系统安全、可靠。
发明内容
本发明提供了一种新的微波加热设备，即微波协助化学反应谐振腔的新设计。这种协助化学反应谐振腔，包括谐振腔、截止波导、耦合波导、波导、磁控管、匹配螺钉；谐振腔是一个立式空心圆柱体，上面是谐振腔上法兰、上波导盖、两者之间用螺钉固定；上波导盖上开3个口搅拌截止波导口、温度截止波导口、物料截止波导口；谐振腔下面是空心倒圆锥台形的耦合波导，用谐振腔下法兰，耦合波导上法兰将它连接固定在谐振腔下面；耦合波导下面连接波导，波导两端分别有匹配螺钉；在波导上设置磁控管；在谐振腔外侧安装实时检测微波泄漏传感器，连接信号引出线。
微波协助化学反应谐振腔的工作过程是，磁控管产生微波，通过波导进入谐振腔，在谐振腔中加热物料，使化学反应在谐振腔中进行。
微波系统主要有磁控管、波导传输、谐振腔等构成。我们希望微波功率应尽可能多地被加热溶剂所吸收，要使壁耗、反射降至最小。其中谐振腔也是微波作用腔是由金属制成，主要起到反射微波，均匀电磁场的作用，它的形状直接影响着反应分子所处的电磁场场强的分布。根据我们的应用目的，是为化学反应提供一个合适的物理环境，通常被加热的介质置于一固定容器，放置在谐振腔物料盘中心上，根据化学反应的要求设计成圆柱体形状，另外圆柱形谐振腔比矩形谐振腔容易加工，并且品质因数也比较高，因此我把谐振腔设计成圆柱体。
设计过程中要特别注意匹配，将微波功率源提供的微波功率以最低损耗和最小反射传输给终端化学反应系统，即以最佳的匹配耦合到该系统，一是源的匹配，要解决的问题是如何从微波源获取最大功率，通过调节匹配螺钉来实现；二是负载的匹配，要解决的问题是如何消除负载的反射，通过调节调整螺钉7来实现，并确保化学反应系统负载在我们设计的允许范围内变化时，均能良好传输，不影响微波源的稳定工作。
为使化学反应能在谐振腔中顺利进行，上波导盖上设有3个口温度截止波导口，设有温度传感器，具有温度在线实时检测和显示；物料截止波导口，保证化学反应进行过程中可随时加入物料；搅拌截止波导口，以保证化学反应进行过程中可随时搅拌谐振腔中的物料。为防止微波泄漏，精心设计了这些开孔。微波泄漏严格控制在国家允许的范围内。为防止微波泄漏，根据微波理论，上波导盖上设有的3个截止波导的长度是截止波导口开孔直径的2、3或4倍。
谐振腔选用优质不锈钢材料加工而成，具有良好的防腐性能。
谐振腔侧面安装灯光，安装角度好，且前面带有视窗，操作者方便、清楚、及时观察反应过程。
传输波与谐振腔之间通过倒圆台连接，这样加热效率高。
本发明的有益效果是与现有技术的对比，系统中安装微波泄漏检测传感器，实现微波泄漏的在线实时显示，当微波泄漏超过国家标准时，立刻切断电源。保证系统安全、可靠。现有系统没有安装。
图1为微波化学反应腔的正视2为微波化学反应腔的左视3为微波化学反应腔的俯视4为微波化学反应腔的A-A截面的剖面5为微波化学反应腔的B-B截面的剖面图其中1、搅拌截止波导口 2、温度截止波导口 3、物料截止波导口 4、上波导盖5、谐振腔上法兰 6、谐振腔 7、调整螺钉 8、观察窗 9、玻璃 10、金属网 11、截止波导 12、物料盘 13、谐振腔下法兰 14、耦合波导上法兰 15、耦合波导 16、波导 17、匹配螺钉 18、匹配螺钉 19、磁控管 20、微波泄漏传感器 21、信号线具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步具体说明这种微波协助化学反应谐振腔，它包括谐振腔、波导、截止波导、耦合波导、磁控管、匹配螺钉；谐振腔6是一个立式空心圆柱体，上面是谐振腔上法兰5、波导波导盖4、两者之间用螺钉固定；上波导盖上开3个口搅拌截止波导口1、温度截止波导口2、物料截止波导口3；谐振腔下面是空心倒圆锥台形的耦合波导15，用谐振腔下法兰13和耦合波导上法兰14将它连接固定在谐振腔下面；耦合波导下面连接波导16，波导两端分别有匹配螺钉17、18；在波导上设置磁控管19；谐振腔外侧安装实时检测微波泄漏传感器20，连接信号引出线21。
谐振腔体前面有一个观察窗8，其前面是玻璃9、后面是金属网10。
谐振腔体后面有一个截止波导11，是空心圆柱形的，与谐振腔体连接。
谐振腔体左侧有3个调整螺钉7。
磁控管19产生微波，通过形状为空心长方体的波导16、空心倒圆锥台形的耦合波导15进入谐振腔6，微波在谐振腔中加热物料，物料置于谐振腔中的物料盘12上，使化学反应在微波谐振中进行。
图中，搅拌截止波导口1，用于反应物的搅拌，温度截止波导口2，用于反应物的温度测量，物料截止波导口3，用于添加物料；1、2、3三个截止波导均为空心圆柱体，都安装在上波导盖4上，波导盖上开截止波导外径大小的孔，截止波导1、2、3按孔的位置安装，与上波导盖4之间焊接为一体。上波导盖4为圆形，谐振腔6主体形状为空心圆柱，其上下带有法兰5、13，上波导盖4与谐振腔上法兰5的外径相同，上波导盖4与谐振腔6之间的连接是通过8个螺栓将上波导盖4连接在谐振腔的上法兰5上。谐振腔下部为耦合波导15，耦合波导15起到将波导16传导过来的微波耦合进谐振腔的功能，耦合波导15上部是一个空心的倒圆锥台体，下部是一个空心圆柱体，耦合波导15壁厚均匀且与谐振腔壁厚相同，谐振腔6与耦合波导15之间的连接，是通过谐振腔的下法兰13与耦合波导的上法兰14用8个螺栓连接的。耦合波导15下部为波导16，波导形状为空心长方体，在与耦合波导15连接部位开耦合波导15内径大小的孔，波导与耦合波导之间通过焊接连接为一体。在谐振腔6的正面开有矩形观察窗8，观察窗有玻璃9与金属网10，玻璃在外侧，金属网在内侧，玻璃起到透光便于观察的作用，金属网则用于防止微波泄露，玻璃和金属网放置在与观察窗贴合的谐振腔壁的凹槽内。调整螺钉7位于谐振腔的左侧壁上，谐振腔的左侧壁上开有3个孔，用于调节匹配。在谐振腔的后壁上安装有截止波导11，截止波导形状为空心圆柱，截止波导与谐振腔之间用对微波场透明的胶密合。在谐振腔的下法兰13与耦合波导上法兰14之间，安装有用聚四氟乙烯材料做的物料盘12，它起到隔离谐振腔与耦合波导的作用，而微波又可以透过聚四氟乙烯由耦合波导15进入谐振腔，聚四氟乙烯12为一圆形膜片，固定在谐振腔下法兰13与耦合波导上法兰14之间的凹槽内。
权利要求
1.一种具有在线实时显示微波泄漏的微波协助化学反应谐振腔，其特征在于它包括谐振腔、截止波导、耦合波导、波导、磁控管、匹配螺钉；谐振腔(6)是一个立式空心圆柱体，上面是谐振腔上法兰(5)、上波导盖(4)、两者之间用螺钉固定；上波导盖上开3个口搅拌截止波导口(1)、温度截止波导口(2)、物料截止波导口(3)；谐振腔下面是空心倒圆锥台形的耦合波导(15)，用谐振腔下法兰(13)和耦合波导上法兰(14)将它连接固定在谐振腔下面；耦合波导下面连接波导(16)，波导两端分别有匹配螺钉(17、18)；在波导上安装磁控管(19)；在谐振腔外侧安装实时检测微波泄漏传感器(20)，连接信号引出线(21)。
2.根据权利要求1所述的具有在线实时显示微波泄漏的微波协助化学反应谐振腔，其特征在于谐振腔选用优质不锈钢材料加工而成，具有良好的防腐性能，谐振腔体前面有一个观察窗(8)，其前面是玻璃(9)、后面是金属网(10)。
3.根据权利要求1所述的具有在线实时显示微波泄漏的微波协助化学反应谐振腔，其特征在于谐振腔体后面有一个截止波导(11)，是空心圆柱形的，与谐振腔体连接。
4.根据权利要求1所述的具有在线实时显示微波泄漏的微波协助化学反应谐振腔，其特征在于谐振腔体左侧有3个调整螺钉(7)。
5.根据权利要求1所述的具有在线实时显示微波泄漏的微波协助化学反应谐振腔，其特征在于谐振腔体中谐振腔下法兰和耦合波导上法兰之间的凹槽内设置一物料盘(12)。
6.根据权利要求1所述的具有在线实时显示微波泄漏的微波协助化学反应谐振腔，其特征在于为防止微波泄漏，根据微波理论，上波导盖上设有的3个截止波导的长度是截止波导口开孔直径的2、3或4倍。
全文摘要
本发明涉及一种加热设备，特别是利用微波谐振腔进行加热的谐振腔的结构，主要应用于化学反应，属于微波化学技术领域。传统的加热方法，要有一个高温热源，采用的是表面加热源，效率低、操作时间长，加热过程中无选择性。本发明提供了一种内部与表面同时进行加热的微波谐振腔的新设计。它包括谐振腔、截止波导、耦合波导等；谐振腔是一个立式空心圆柱体，磁控管产生微波，通过波导进入谐振腔，在谐振腔中加热物料，使化学反应在谐振腔中进行。本发明的有益效果是与现有技术的对比，系统中安装微波泄漏检测传感器，实现微波泄漏的在线实时检测，配上显示仪器，即可实现微波泄漏的在线实时显示。带有视窗，便于及时观察。
文档编号B01J19/12GK1633216SQ200410072698
公开日2005年6月29日 申请日期2004年11月11日 优先权日2004年11月11日
发明者孙桂玲, 李维祥, 金镇 , 杨文霞, 王文博 申请人:南开大学