带移动转盘的微波加热炉的制作方法

本发明涉及微波炉。具体地，涉及一种利用高次模高效率均匀加热材料的微波炉。

背景技术：

微波能可以用于代替各种传统加热方式。微波炉利用微波能加热各种食物和材料，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、人造金刚石等各种材料的生产。

在传统加热过程中，热量通过被加热物外部向其内部传导，属于表面加热，导致被加热物内外温度不均匀。微波能加热中，微波通过电场作用被加热材料，导致其中极性分子的阻尼振动产生热量，属于体加热。因此在被加热物内外同时加热。

但是，传统微波炉存在加热的整体均匀性问题。

在加热腔之类的任何有限空间内，电磁波将因为共振现象以该空腔的各种固有谐振模式的形式存在。在其中任意一个谐振模式中，电磁波都以驻波形式存在，导致空间某些固定位置处的电场的幅值为最大，另外某些固定位置处的幅值为零。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工作微波的波长的一半或稍大，大致在61~100毫米之间，导致被加热材料在对应尺度上的不均匀。

普通的家用微波炉的尺寸比上述尺度大5~10倍。在这些空腔中的工作频率附近可以激励起来的谐振模式数为几个到几十个。人们普遍相信，采用高度过模的加热腔有利于微波加热的均匀性。但是，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集中，导致微波加热的极度不均匀。

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。人们试图通过增加工作微波的馈口数目，改变馈口形状，改变工作微波的馈口在加热腔外表面的位置，或者改变工作微波的馈口的极化方向，或者同时随机改变上述几个变量，通过计算或实测找到改善加热均匀性的方法。但是到目前为止，微波炉，特别是大型微波炉中加热的均匀性问题没有得到很好地解决。

让我们来理解一下微波炉中我们面临的加热均匀性技术难题。在工作微波的频率，对于某一微波馈口，选定其位置、形状、极化方向后，加热腔中几个到几十个模式分别被激励的强度的确定在计算上都是非常困难的，在实际测量中也是极其复杂的。而大型微波炉中需要采用多个磁控管作为微波源，因此对应的微波馈口的数目也为多个，微波炉加热问题的复杂程度超出人们的想象。

技术实现要素：

本发明通过控制过模加热腔中的工作模式，提供一种加热均匀的微波炉。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种带移动转盘的微波加热炉，包括加热腔和至少一个辐射阵列。所述至少一个辐射阵列包括沿z轴的至少两行辐射器。所述辐射阵列通过地板向所述加热腔辐射微波能量。在普通微波炉中，磁控管通过波导和一个耦合孔对加热腔辐射能量。本发明通过采用沿z轴方向的多行辐射器，对加热腔中的微波分布进行更有效的控制，改善加热的均匀性。

还可以包括沿x方向的多列辐射器：所述至少一个辐射阵列包括沿x轴的至少两列辐射器1。所述辐射阵列通过地板向所述加热腔辐射微波能量。

为了让微波场的分布在加热腔中的传播过程中尽量保持不变，所述任意辐射阵列上的辐射器沿x方向和沿z方向都均匀分布。同时，位于同一辐射阵列上的所有辐射器中辐射的微波为相干波。位于同一辐射阵列上沿x轴排列属于同一行的所有辐射器辐射的微波的幅度相同而且相位相同。位于同一辐射阵列上沿z轴排列的属于同一列的任意相邻的两个辐射器辐射的微波的幅度相同，相位相反。上述安排，目的是在加热腔中激励起向加热腔内某方向传播的由该加热腔的与该方向垂直的横截面定义的波导的某一个高次模，而其它模式尽量不被激励。

为了简化结构，我们也可以设定位于同一辐射阵列上沿z轴相邻的两个属于同一列的辐射器辐射的微波的幅度相同，相位相同。

进一步地，我们通过控制各辐射器中微波的模式和场分布，让各辐射器位于同一辐射阵列上沿x轴排列属于同一行的辐射器辐射的微波在各辐射器的沿z轴一边的中心线上的电场的z方向分量为零。

一种较佳的方案，所述任意辐射器为矩形波导或矩形波导喇叭。所述矩形波导或矩形波导喇叭中微波的模式为基模te10模式。当然，所述矩形波导或矩形波导喇叭中微波的模式也可以为高次模ten0模式，其中n为整数，大于等于2。矩形波导或矩形喇叭中的单一的高次模比单一的基模的激励复杂多了。

为了便于单一基模激励和传输，所述矩形波导或矩形波导喇叭辐射口沿z轴的长度lz为工作微波自由空间的波长的3/5~9/10。所述矩形波导或矩形波导喇叭辐射口沿x轴的长度lx小于工作微波自由空间的波长。较佳的设计，所述矩形波导或矩形波导喇叭辐射口沿x轴的长度lx小于工作微波自由空间的波长的一半。

辐射器的另一种选择是贴片天线。该天线主要包括由介质材料板支撑的位于该介质材料板表面的金属片辐射器和位于该介质材料板上的与该金属片辐射器相对另一面上的微波激励结构。这时，所述沿z轴相邻的贴片天线中心之间的间距为工作微波自由空间的波长的3/5~9/10。所述沿x轴相邻的贴片天线中心之间的间距小于工作微波自由空间的波长。较佳的设计，所述沿x轴相邻的贴片天线中心之间的间距小于工作微波自由空间的波长的一半。较佳的设计，这里的贴片天线为矩形。

另一种设计，所述任意辐射器为同轴天线。这里的所述同轴天线采用同轴线馈入微波能量。所述同轴线的外导体和外导体与内导体之间的介质被切断，但其内导体伸出到自由空间中。为了改善辐射效果，降低辐射器的高度，我们在内导体的顶端连接了一个金属圆盘或正方形导体薄片。这种同轴天线的特点是在其同轴线的某两个垂直的方向，电磁场都是镜像对称的。所述沿x轴相邻和沿z轴相邻的同轴天线中心之间的间距为工作微波自由空间的波长的3/5~9/10。位于同一辐射阵列上沿z轴排列属于同一列的辐射器辐射的微波在各辐射器的沿x轴的中心线上的电场在x轴方向上的分量为零。位于同一辐射阵列上沿x轴排列属于同一行的辐射器辐射的微波在各辐射器的沿z轴的中心线上的电场的z方向分量为零。

这里我们只给出了三种设计方案，矩形波导或矩形喇叭辐射器、贴片天线和同轴天线。其它还有许多结构的天线，可以满足本发明专利的在所述加热腔中有效地激励起单模高次模的要求，都在本发明专利的保护范围之内。

一种设计方案，所述辐射阵列的数目为1。所述一个辐射阵列位于所述带移动转盘的微波加热炉的加热腔上方，从上向下向所述加热腔辐射微波能量。所述加热腔的形状为矩形体。所述z轴方向与所述加热腔的从后向前的一条边平行。

另一种设计方案，所述辐射阵列的数目为1。所述辐射阵列位于所述带移动转盘的微波加热炉的所述加热腔的后面，从后向前向加热腔辐射微波能量，或者所述辐射阵列位于所述带移动转盘的微波加热炉的所述加热腔的前面，从前向后向加热腔辐射微波能量。所述加热腔的形状为矩形体。所述z轴方向与所述加热腔的从前向后的一条边平行。

第三种设计方案，所述辐射阵列的数目为2。其中一个辐射阵列位于所述带移动转盘的微波加热炉的所述加热腔的后面，从后向前向加热腔辐射微波能量，另一个辐射阵列位于所述带移动转盘的微波加热炉的所述加热腔的前面，从前向后向加热腔辐射微波能量。所述加热腔的形状为矩形体。所述z轴方向与所述加热腔的从前向后的一条边平行。与上述两种设计方案相比，该设计方案稍复杂。但是，我们可以让两个辐射阵列在所述加热腔中形成的驻波形式的微波的电场极大点在所述加热腔互相错开，从而进一步改善所述加热腔中微波场的均匀性。这里的两个辐射阵列的微波源可以是彼此相干的，也可以来源于两个互相独立的微波源。

上述各方案激励起的驻波形式的电磁场的电场极大点在在所述加热腔中是周期性点阵分布的。为了进一步改善加热的均匀性，还包括位于加热腔底部的转盘。所述带移动转盘的微波加热炉工作时，所述转盘绕所述转盘的沿垂直方向的中心轴旋转。

一般现有方案中，所述转盘的轴线在所述加热器中的位置是固定的。位于该轴线上的被加热材料无法通过所述转盘的绕所述转盘沿垂直方向的中心轴旋转而达到均匀加热。

为此，本发明让所述转盘的沿垂直方向的中心轴同时在所述加热腔（3)中前后摆动。所述转盘的沿垂直方向的中心轴在所述加热腔中前后摆动的摆幅等于工作微波沿前后方向某相邻的电场极大值点之间的距离的整数倍。

为了实现所述转盘的沿垂直方向的中心轴在所述加热腔中前后摆动的功能，本发明中设计了三个方案：

第一个方案，在所述转盘的垂直方向的轴线上设置有圆柱体，在所述加热腔底部设置有固定在所述加热腔底部的矩形块。所述圆柱体外边沿与所述矩形块的一边接触。所述圆柱体外边沿沿所述矩形块的一边滚动，从而带动所述转盘绕自身轴线旋转的同时沿所述矩形块的一边平移。这里的所述圆柱体可以直接与电机的转轴连接。所述电机随所述圆柱体移动并且其转动方向周期性地反向。也可以将电机固定在所述带移动转盘的微波加热炉上，通过软棍或软棒将扭矩传送给所述圆柱体。

另一种方案，在所述加热腔底部设置有圆柱体a和矩形块a。所述矩形块a的一个侧面与所述圆柱体a的侧面接触并与所述圆柱体的侧面接触。当所述圆柱体a绕所述圆柱体a的轴线转动时，通过带动所述矩形块a沿所述矩形块a的侧边平移并带动所述转盘转动并平移。这里的所述圆柱体a可以直接与电机的转轴连接。

第三种方案，在所述加热腔底部设置有圆柱体a和矩形块a、矩形块b和固定轴。所述圆柱体a绕所述圆柱体a的轴线转动，通过所述固定轴和矩形块b带动所述矩形块a平移，从而带动所述转盘旋转并平移。这里的所述圆柱体a可以直接与电机的转轴连接。

我们也可以让所述转盘的沿垂直方向的中心轴旋转的同时绕所述加热腔的垂直方向的中心线进动。所述转盘的沿垂直方向的中心轴绕所述加热腔的垂直方向的中心线进动的直径等于工作微波沿前后方向某相邻的电场极大值点之间的距离的1.414倍的整数倍。

在上述让所述转盘的轴线移动或进动的各方案中，相互接触的圆柱的边沿和矩形块的一侧一般用齿状结构实现相互咬合并传递扭矩。一般情况下，本发明中的所有转盘，圆柱体，圆柱体a、b，矩形块，矩形块a、b，固定轴，固定板都为低损耗的非金属材料。

本发明的带移动转盘的微波加热炉也可以在其加热腔的前面和后面分别增加进料口和出料口和贯穿进料口、加热腔和出料口的传送带。被加热材料通过进料口被传送带送入到加热腔中加热后从出料口取出。为了防止被加热材料侵染所述带移动转盘的微波加热炉的其它零件或部件，在所述加热腔中可以采用各种低微波损耗的隔板进行分区。

在本发明中，我们采用一个到两个辐射阵列在带移动转盘的微波加热炉的加热腔中尽量多地激励起某一波导的高次模，并在在所述加热腔中形成驻波。与传统的微波炉中微波源通过波导和耦合孔在加热腔中同时激励各自能量难以控制的多个谐振模式相比，本发明的工作模式的场分布是确定的并且是可以被控制的。为了进一步改善加热的均匀性，我们使用了可以前后平移的或者可以绕加热腔的垂直轴线进动的旋转圆盘。

本发明的辐射阵列的馈电网络可以借鉴普通的天线阵列的馈电网络，采用波导、微带或带线功分器实现功率的分配和对每个辐射器的馈电。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。

图1为实施实例1的辐射阵列的示意图。

图2为图1的aa方向示意图。

图3为实施实例2的辐射阵列的示意图。

图4为图3的aa方向示意图。

图5为实施实例3的辐射阵列的示意图。

图6为图5的aa方向示意图。

图7为实施实例4的辐射阵列的示意图。

图8为图7的aa方向示意图。

图9为实施实例5的辐射阵列的示意图。

图10为图9的aa方向示意图。

图11为实施实例6的辐射阵列的示意图。

图12为图11的aa方向示意图。

图13为实施实例7的辐射阵列的示意图。

图14为图13的aa方向示意图。

图15为实施实例8的辐射阵列的示意图。

图16为图15的aa方向示意图。

图17为实施实例9的aa方向示意图。

图18为实施实例10的示意图。

图19为图18的aa方向示意图。

图20为实施实例11的示意图。

图21为图20的aa方向示意图。

图22为实施实例12的示意图。

图23为图22的aa方向示意图。

图24为实施实例13的示意图。

图25为图24的aa方向示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：1-辐射器，2-地板，3-加热腔，4-转盘，5-圆柱体，5a-圆柱体a，5b-圆柱体b，6-矩形块，6a-矩形块a，6b-矩形块b，6c-固定轴，7-固定板。

各辐射器辐射口中或辐射口附近的箭头均表示微波的电力线方向。加热腔的前方指加热腔的从纸面指向读者的方向。加热腔的后方指加热腔的从读者指向纸面的方向。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施实例1

如图1和2。

一个辐射阵列，包括沿z轴的4行、沿x轴的8列辐射器1。该辐射阵列通过地板2向所述加热腔辐射微波能量。

所述辐射阵列上的辐射器1沿x方向和沿z方向都均匀分布。同时，位于该辐射阵列上的所有辐射器1中辐射的微波为相干波。位于该辐射阵列上沿x轴排列属于同一行的所有辐射器1辐射的微波的幅度相同而且相位相同。位于同一辐射阵列上沿z轴相邻的任意两个属于同一列的辐射器1辐射的微波的幅度相同，相位相反。

该辐射阵列上的所有辐射器1辐射的微波在各辐射器1的沿z轴一边的中心线上的电场方向指向x方向。

所述任意辐射器1为矩形波导。所述矩形波导中微波的工作模式为基模te10模式。

所述矩形波导口沿z轴的长度lz为工作微波自由空间的波长的3/5~9/10。所述矩形波导口沿x轴的长度lx小于工作微波自由空间的波长的一半。

实施实例2

如图3和4所示。

与实施实例1相比，不同之处仅在于：辐射器1是贴片天线。该天线主要包括由介质材料板支撑的位于该介质材料板表面的金属片辐射器和位于该介质材料板上的与该金属片辐射器相对的另一面上的微波激励结构。所述沿z轴相邻的贴片天线中心之间的间距为工作微波自由空间的波长的3/5~9/10。所述沿x轴相邻的贴片天线中心之间的间距小于工作微波自由空间的波长的一半。所述贴片天线为矩形。

与实施实例1中传播te10模的矩形波导不同，这里的贴片天线通过其两个与x轴垂直的长边辐射微波能量。

实施实例3

如图5和6所示。

与实施实例1相比，不同之处仅在于：辐射器1为同轴天线。这里的所述同轴天线采用同轴线馈入微波能量。所述同轴线的外导体和外导体与内导体之间的介质被切断，但其内导体伸出到自由空间中。在内导体的顶端连接了一个金属圆盘。

所述沿x轴相邻和沿z轴相邻的同轴天线中心之间的间距均为工作微波自由空间的波长的3/5~9/10。位于同一辐射阵列上沿z轴排列属于同一列的辐射器1辐射的微波在各辐射器1的沿x轴的中心线上的电场在x轴方向上的分量为零。位于同一辐射阵列上沿x轴排列属于同一行的辐射器1辐射的微波在各辐射器1的沿z轴的中心线上的电场的z方向分量为零。

与实施实例1中传播te10模的矩形波导不同，这里的同轴天线通过其金属圆片的圆周均匀辐射同相位微波能量。位于该辐射阵列上沿x轴排列属于同一行的任意相邻的两个同轴天线辐射的微波的幅度相同而且相位相反。位于同一辐射阵列上沿z轴排列的属于同一列的任意相邻的两个相邻同轴天线辐射的微波的幅度相同，相位相反。

实施实例4

如图7和8所示。

与实施实例3相比，不同之处仅在于：位于该辐射阵列上沿x轴排列属于同一行的任意相邻的两个同轴天线辐射的微波的幅度相同而且相位相同。位于同一辐射阵列上沿z轴排列的属于同一列的任意相邻的两个相邻同轴天线辐射的微波的幅度相同，相位也相同。所述沿x轴相邻和沿z轴相邻的同轴天线中心之间的间距均为工作微波自由空间的波长的6/10~19/10。

实施实例5

如图9和10所示。

一种带移动转盘的微波加热炉，包括加热腔3和一个辐射阵列。所述辐射阵列为沿z轴的4行，沿x轴的8列辐射器1。所述辐射阵列被置于所述加热腔3的上方，通过地板2从上向下向所述加热腔3辐射微波能量。加热腔3为矩形体。z轴与所述矩形体加热腔3的从后向前的一条边平行。

所述任意辐射阵列上的辐射器1沿x方向和沿z方向都均匀分布。同时，位于同一辐射阵列上的所有辐射器1中辐射的微波为相干波。位于同一辐射阵列上沿x轴排列属于同一行的所有辐射器1辐射的微波的幅度相同而且相位相同。位于同一辐射阵列上沿z轴排列的属于同一列的任意相邻的两个辐射器1辐射的微波的幅度相同，相位相反。

各辐射器1辐射的微波在各辐射器1的沿z轴一边的中心线上的电场的z方向分量为零。

所述任意辐射器1均为矩形波导。所述矩形波导辐射器中微波的模式为基模te10模式。

所述矩形波导辐射器沿z轴的长度lz为工作微波自由空间的波长的3/5~9/10。所述矩形波导辐射器沿x轴的长度lx小于工作微波自由空间的波长的一半。

还包括位于加热腔3底部的转盘4。所述带移动转盘的微波加热炉工作时，所述转盘4绕所述转盘4的沿垂直方向的中心轴旋转。

所述转盘4的沿垂直方向的中心轴在所述加热腔3中前后摆动。该摆动的摆幅等于工作微波沿前后方向某相邻的电场极大值点之间的距离的整数倍。

为此，在所述转盘4的垂直方向的轴线上设置有圆柱体5，在所述加热腔3底部设置有固定在所述加热腔3底部的矩形块6。所述圆柱体5外边沿与所述矩形块6的一边接触。所述圆柱体5外边沿沿所述矩形块6的一边滚动，从而带动所述转盘4绕自身轴线旋转的同时沿所述矩形块6的一边平移。这里的所述圆柱体5可以直接与电机的转轴连接。所述电机随所述圆柱体5移动并且其转动方向周期性地反向。也可以将电机固定在所述带移动转盘的微波加热炉上，通过软棍或软棒将扭矩传送给所述圆柱体5。

实施实例6

如图11和12所示。

与实施实例5相比，不同之处仅在于，这里的辐射器均为贴片天线。该天线主要包括由介质材料板支撑的位于该介质材料板表面的金属片辐射器和位于该介质材料板上的与该金属片辐射器相对另一面上的微波激励结构。所述沿z轴相邻的贴片天线中心之间的间距为工作微波自由空间的波长的3/5~9/10。所述沿x轴相邻的贴片天线中心之间的间距小于工作微波自由空间的波长的一半。所述贴片天线为矩形。

与实施实例5中传播te10模的矩形波导不同，这里的任意贴片天线通过其两个与x轴垂直的长边辐射微波能量。

实施实例7

如图13和14所示。

与实施实例5相比，不同之处仅在于，这里的辐射器均为同轴天线。所述沿x轴相邻和沿z轴相邻的同轴天线中心之间的间距为工作微波自由空间的波长的3/5~9/10。位于同一辐射阵列上沿z轴排列属于同一列的辐射器1辐射的微波在各辐射器1的沿x轴的中心线上的电场在x轴方向上的分量为零。位于同一辐射阵列上沿x轴排列属于同一行的辐射器1辐射的微波在各辐射器1的沿z轴的中心线上的电场的z方向分量为零。位于该辐射阵列上沿x轴排列属于同一行的任意相邻的两个同轴天线辐射的微波的幅度相同而且相位相反。位于同一辐射阵列上沿z轴排列的属于同一列的任意相邻的两个相邻同轴天线辐射的微波的幅度相同而且相位相反。

实施实例8

如图15和16所示。

与实施实例7相比，不同之处仅在于，在所述加热腔3底部设置有圆柱体a5a和矩形块a6a。所述矩形块a6a的一个侧面与所述圆柱体a5a的侧面接触并与所述圆柱体5的侧面接触。当所述圆柱体a5a绕所述圆柱体a5a的轴线转动时，通过带动所述矩形块a6a沿所述矩形块a6a的侧边平移并带动所述转盘4转动并平移。这里的所述圆柱体a5a可以直接与电机的转轴连接。

实施实例9

如图17所示。

与实施实例8相比，不同之处仅在于，在所述加热腔3底部设置有圆柱体a5a和矩形块a6a、矩形块b6b和固定轴6c。所述圆柱体a5a绕所述圆柱体a5a的轴线转动，通过所述固定轴6c和矩形块b6b带动所述矩形块a6a平移，从而带动所述转盘4旋转并平移。这里的所述圆柱体a5a可以直接与电机的转轴连接。

实施实例10

如图18和19所示。

与实施实例5相比，不同之处仅在于，一个所述辐射阵列被置于所述加热腔3的后方，从后向前向加热腔3辐射微波能量。z轴与加热腔的垂直方向平行。这种安排，在加热腔中，从后向前的入射波和从后向前的反射波的主要工作模式te40模式的微波场不随高度变化，电场只有垂直方向分量，保证了加热在垂直方向的均匀性。所述转盘4绕所述转盘4的轴线的转动同时所述转盘4的轴线沿y轴平移，保证了加热在水平面内的均匀性。

实施实例11

如图20和21所示。

与实施实例10相比，不同之处仅在于，在所述加热腔3底部设置有圆柱体a5a和矩形块a6a。所述矩形块a6a的一个侧面与所述圆柱体a5a的侧面接触并与所述圆柱体5的侧面接触。当所述圆柱体a5a绕所述圆柱体a5a的轴线转动时，通过带动所述矩形块a6a沿所述矩形块a6a的侧边平移并带动所述转盘4转动并平移。这里的所述圆柱体a5a可以直接与电机的转轴连接。

实施实例12

如图22和23所示。

与实施实例10相比，不同之处仅在于，这里的辐射器均为贴片天线。该天线主要包括由介质材料板支撑的位于该介质材料板表面的金属片辐射器和位于该介质材料板上的与该金属片辐射器相对另一面上的微波激励结构。所述沿z轴相邻的贴片天线中心之间的间距为工作微波自由空间的波长的3/5~9/10。所述沿x轴相邻的贴片天线中心之间的间距小于工作微波自由空间的波长的一半。所述贴片天线为矩形。

实施实例13

如图24和25所示。

与实施实例12相比，不同之处仅在于，在所述加热腔3底部设置有圆柱体a5a和矩形块a6a。所述矩形块a6a的一个侧面与所述圆柱体a5a的侧面接触并与所述圆柱体5的侧面接触。当所述圆柱体a5a绕所述圆柱体a5a的轴线转动时，通过带动所述矩形块a6a沿所述矩形块a6a的侧边平移并带动所述转盘4转动并平移。这里的所述圆柱体a5a可以直接与电机的转轴连接。