专利名称：介电加热装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电介质加热装置。更具体的说，涉及一种使用微波加热的介电加热装置，它适用于食物的加热和烹调，并且适用于，但不限于，作为家用或公用的微波炉的加热装置。
按照本发明，提供了一种电介质加热装置，它包括若干导电的侧壁，这些侧壁顺序地布置，并且在电气上互相连接，围成一个加热空腔，至少一对相邻的侧壁在一个角上互相倾斜，所成的夹角是从由锐角和钝角所组成的一组角度中选出来的；以及至少一个能够发射适用于介电加热的电磁辐射线，并且能够将这种辐射线以某一种频率输入上述空腔内的电磁能源，上述频率是随着时间而变化的，并且使得上述加热空腔起一个多模共振加热腔的作用。
上述选出的角度不是一个直角，该夹角小于180°，但不等于90°，它或者是一个锐角，或者是一个钝角。
通常，各相邻的一对侧壁的相邻的两条边缘在实质上靠在一起，使这一对侧壁在电气上互相连接。或者，各相邻的一对侧壁沿着相邻的边缘在电气上连接在一起。当然，考虑到由能源所发射的辐射线的波长，上述空腔的尺寸应该足够的大，以保证该空腔内的多波形的共振过程。
上述装置可以做成一个围成上述加热空腔的炉子，上述空腔呈管子的形状，而上述侧壁则从空腔的一端延伸到空腔的另一端，该空腔的断面的外形为多边形，有许多沿着周边连续延伸的侧壁，每一对相邻侧壁形成上述空腔的一个角。
上述空腔的断面外形的边可以是单数的，例如是一个正多边形，这种多边形所有的边长度相等，边的数量可以是3、5、7、9或11，通常是5或7条边，最好是5条边。这种多边形可以是正五边形，有五条长度相等的边，每一对相邻的边所成的角为108°，每一道侧壁都是一块平坦的平板，外形为矩形。不过，也可以至少有两条边具有不同的长度。因此，该空腔的横断面的外形的边基本上是直的，每一块侧壁板基本上是平坦的，形状呈矩形，并且外形的每一条边都相等，所有的夹角都等于180°。
上述空腔的端部可以是敞开的，两个敞开的端部分别形成一个进口和一个出口，以便连续地加热沿纵向通过该炉子的一根条料。在这种情况下，在空腔的每一端上设置了一块闸板，闸板上有一个孔，用以容纳一个沿着纵向通过该空腔的条料，在孔与条料之间有工作空隙，这种空隙选择为能在使用时阻止电磁辐射线从空腔通过上述闸板上的孔和断面的四周发射出去。
当管状空腔的两个端部敞开时，便形成了一个进口和一个与进口隔开距离的出口，使得该炉子适用于让一种固体，例如一种要加热的物体或物质，连续地从进口通向出口。这种炉子将适用于，例如，加热连续挤压出来的条料之类的东西。在每一个端部的闸板的形状都设计成能阻止或减少从空腔内通过该端部发射出去的电磁辐射线。
因此，空腔可以是长形的，而且，当把它竖立起来让一根挤出物向下通过该空腔时，在垂直方向是长形的。在该空腔中可以设置许多微波源，至少其中有一些的微波输出是可调的，并且这些微波源在垂直方向和圆周方向都围绕着空腔中的一个中心区域互相隔开距离，以便容纳移动的挤出物，当空腔呈竖直方向时，上述挤出物将向下通过该空腔。
上述微波源可以以上述沿圆周和/或纵向都隔开距离的方式，围绕着空腔中的一条向下通过中心通道的条料布置在上述空腔内，这些微波源设置成将微波辐射线射向上述通道内的条料。这样，在上述微波空腔内就有了一个垂直的微波炉，该微波炉在其下端有一个出口，和一个用于挤出条料的挤出器，而在其上端有一个进口。
或者，该炉子可以有一对端壁，这对端壁封闭了该空腔的相对两端，该炉子的至少一道壁上形成了进入该空腔的门的至少一部分，以便在加热炉子中的至少一件物体时，进行分批操作。此时，其中一块端壁成为空腔的底板，另一块端壁隔开距离，在底板的上方，成为该空腔的顶板，该炉子具有至少五块都是平板的侧壁，每一块侧壁的形状都是平坦的，外形为矩形。上述门上开了一个能关闭的通向空腔的门孔，该门孔的面积大于各侧壁平板的面积。上述门至少形成该炉子的一块侧壁平板，但少于炉子的两块侧壁平板。一方面，门可以选择为铰接在门孔一侧的单独一块门板，另一方面，也可以是分别铰接在门孔相对两侧的一对相邻的平板，上述门至少有一个铰链，并且各铰链都安装在从炉子的一块端壁延伸到另一块端壁的方向上。
当空腔的两端封闭时，该空腔的长度可能缩短，其两端之间的长度小于其横断面的宽度，当然，长度也可以大于宽度。
通常，如上所述，底板、顶板和侧壁板一般都是导电的，并且在电气上互相连接。该炉子可以有一块或多块把门孔封闭住的门板，而且这些门板同样也是导电的，也与上述底板、顶板、和侧壁板在电气上连接。上述底板是一块平坦的板，在这块板的上表面安装了一个转台，用于使炉子内的物品在用微波加热时使它转动。上述顶板同样也是一块平板，上面有设置了格栅的通风口。这块顶板可以与底板平行，而侧壁板则与底板和顶板正交。
在一种具体的结构中，当炉子的横断面是正多边形时，它具有单独一个微波能源，例如磁控管、调制管等等。该炉子有一根波导管，用于将微波辐射线从上述微波能源引导到侧壁板上的微波输送孔去，将微波辐射线从波导管输入空腔的内部。波导管的形状是空心的局部的带或套圈，水平地与壁板的外表面隔开距离，围绕着炉子的一部分，例如在中央，在底板和顶板的中间。最好，侧壁板中的至少一部分由门板组成，但是，一般在门板上是没有穿过它的微波输送孔的，并且上述波导管只在不是由门板组成的那些侧壁板或其一部分的上方围绕着炉子，所以，在门板的外表面或表面上没有波导管穿过。
如果空腔的横断面是正五边形，一般都希望用门板来形成空腔的多于一块但少于两块的侧壁板。当用两块门板封闭门孔时，他们的位置是互相并排的，在向上延伸的边缘上互相紧靠，通常在靠近门孔的两相对的侧边上用铰链铰接在向上延伸的边缘上。当只有一块门板时，则在靠近门孔的一侧用铰链铰接在向上延伸的边缘上。
当用于家庭时，一般都希望上述空腔位于大致呈矩形的壳体内，在该壳体上设有普通的控制器，例如，设置在控制板上，用于控制向该空腔输入的微波能量，并且，具有当门打开时自动切断微波源的电源的断路器。最好如上所述，各微波源能够发射相当宽的频带的微波辐射线，例如至少1MHz宽，最好是1.5MHz宽。这样宽的频带的微波源可能不容易获得，但，在这种微波源最后开始大量生产之前，可以有目的地专门制造公用的(饭馆、医院、饭店等等)微波炉。
上述装置可以是一台微波炉，各电磁能源都是能发射频率为0.3×109-1×1010Hz，例如1-10GHz的微波辐射线的微波源。更具体的说，各微波源可以是能够在频带宽度至少为1MHz，频率在2.4-2.5GHz范围内发射微波辐射线的微波源。通常，上述频率是2.45GHz的工业频率，2.45GHz在微波源公称频率的中央。这种微波源是磁控管、调制器等等，其结构或多或少是常用的，根据需要，可以是家用型或者是工业型。
上述微波源所发射的微波辐射线的频率/波长是可以调整的，同样，其所产生的微波辐射线的强度/振幅或功率，以及微波辐射线的传播方向和/或将其集中或压缩成或多或少的离散射线束等等，都是可以调整的。因此，上述微波空腔可以是动态调谐的定波型的，或者是多波形的，能产生各种重叠的定型波，或者是已往的那种适当的混合型。
这样，上述微波源可以与至少一个动态调谐定型波发生器，多波形发生器，或者任何其他适当类型的微波发生器连接。在一个用于干燥和/或烧结大直径陶瓷挤压成形的优选实施例中，使用了一种多模空腔来产生重叠的定型波。这种微波热源可以设置在位于一挤出器下方的微波空腔内，这样，该空腔便能接受一条挤出来的条料。通常，空腔的尺寸和形状设计成能紧密地包围着该条料，以便条料能塞满该空腔的端部，减少使用时发射不必要的微波。如上所述，该空腔可设置闸门。
为加热挤出的大断面条料，使用多模微波空腔是合适的。如上所述，可以有许多微波辐射线源，而且其中的至少有些微波辐射线源是可以调整的，例如，可调整其输出功率(振幅/强度)和/或波长/频率。
如上所述，上述微波源的中央或公称频率大约是2.45GHz，其频带宽度至少能产生两种不同的电磁强度，而且，对于所选定的断面的几何形状，最好尽可能的多。例如，对于夹角为108°，四周连续的边长为290mm，208mm，260mm，206mm和208mm的多角形的断面(或等长的各边长度在200-300mm范围内的正五边形)，上述空腔从一端到另一端的长度对于每一个微波源一般需要700-800mm，例如730mm，在公称频率为2.45GHz时，频带宽度至少为1MHz。为了在以上和类似的尺寸和公称频率下有效地进行工作，频带的宽度最好为至少4MHz。
上述微波能源的结构可以设计成频率以所需要的方式随着时间自动变化的。例如，频率可以以某一速率在上述频带上变化，其变化速率根据供给电磁能源的电源频率而定，例如，以50Hz的速率变化。
上述微波能源可以设计成使它的频率自动地以上述速率在整个频带上变化。或者，该装置具有与微波能源连接，受其控制的控制装置，该控制装置能以上述速率在整个频带范围内改变微波能源的频率。
本发明的介电加热装置可以具有为微波能源所发射的电磁辐射线导向的导向装置，该导向装置具有为接受从电磁能源来的电磁辐射线用的进口，和为将电磁辐射线送入上述加热空腔内的出口；上述装置还可以具有使该出空相对于上述加热空腔移位的移位装置。或者，该装置还具有一设置在该出口上的旋转天线。当上述能源是微波源时，各导向装置基本上是常用的那种微波波导管。
上述移位装置可以用来改变上述出口的方位，以改变从出口发射出去，并送入空腔中的电磁辐射线的方向。最好，使出口绕着一根沿空腔的长度方向延伸的轴线，以至少每秒一转的速率作圆周运动，其速率可根据所加热的物质的特性和位置来确定；并且，当出口的方位改变时，其位置却固定不动。
或者，上述移位装置也可以设计成使送入空腔的电磁辐射线的位置发生变化。因此，该移位装置有一根轨道，例如一根循环的轨道，上述导向装置沿着这根轨道运动，从而改变电磁辐射线的送进位置，通常，沿轨道的运动速率为每秒一圈。或者，上述加热装置有一根与导向装置的出口协同工作的天线，这根天线设计成能绕着沿空腔的长度方向的轴线旋转，并且所发射的微波的方向与该旋转轴线倾斜一个角度。
上述加热装置至少还具有另外一个固定的导向装置，该固定的导向装置有一个出口，该出口相对于炉子的侧壁是固定的，所以，在加热过程中，由它所发射的电磁辐射线的位置和送进方向都是固定不变的。
在一个特定的实施例中，上述导向装置是这样布置的，它的出口是横着进入空腔内的。或者，除此之外导向装置设计成沿纵向将微波送入空腔内，上述空腔的纵向是从空腔的一端到另一端的方向。
在具有至少另一个固定的导向装置的实施例中，一个产生微波的微波发生器与各导向装置连接。或者，一个单独的微波发生器的输出输入各导向装置内。
通常，上述能源是这样设计的，它将微波辐射线以一种促使该空腔起多模调谐腔作用的方式送入该空腔内。
上述炉子可以有一个附加励磁装置，用于连续地改变在该空腔内分布的调谐场，例如，一根在使用时将微波射入空腔内的移动天线。
本发明利用上述介电加热装置提供了一种介电加热方法，这种方法包括借助于上述各动力源产生电磁辐射线，并将辐射线送入上述加热空腔内。该方法还包括从各能源发射频率改变的辐射线。
上述方法还包括改变辐射线送入空腔内的方向。上述方法包括改变出口的方位，以改变上述电磁辐射线相对于空腔的送入倾斜方向。或者，该方法还包括使出口移位，从而改变电磁辐射线送入空腔的位置。
现在，用一个特定的非限制性的例子来说明本发明。
例子一种按照本发明的特定的微波空腔，当处于垂直状态时，其水平的横断面为正五边形，有五块垂直延伸的壁板，每一块壁板上有垂直方向隔开距离的孔，每一个孔都用于容纳微波源，即磁控管-波导管-风扇总成。上述空腔有二十个这样的总成，都设置在上述空腔壁板上选定的孔内。上述孔多于二十个，所以，选择适当的孔来容纳这些总成，这些总成就能以所希望的在垂直方向和/或周边方向隔开距离的方阵安装在上述这些壁板上。上述方阵又选择成能让这些总成能加热从上向下通过该空腔的挤出来的条料，使条料以所要求的速度沿其长度加热到所希望的温度。
上述空腔在垂直方向呈长形，装在一个与它相配的五边形壳体内，沿径向与壳体隔开距离。壳体由一个上面带有门的框架组成，门可以打开，以便能容易地通向空腔的壁板。这些门都是接地的，并且设有一高效的法拉第隔离网。空腔的顶部和底部是敞开的。
使用时，一根条料在空腔内部向下挤出，在被挤出的条料与该空腔壁板的内表面之间有绝热层。设置了一个经过冷却的空气源，还有一台风扇，用于强制地把冷却的空气向上吹到空腔与壳体之间的间隙中去，形成强制通风系统。并且，上述磁控管总成中的风扇有一个与该强制通风系统相通的进口。空腔侧壁的最下面的部分用一个水套或盘旋水管进行水冷。上述空腔的高度大约是5m，顶部设有烟雾抽气风扇，以便从该强制通风系统中抽出空气。设置了用于控制挤出物和空腔的壁板之间的空间内的具有受控的温度和湿度的气流的装置。
在空腔内设置了两个光传感器，用于测量在空腔中挤出来的条料的温度；还在一块或多块空腔的侧壁的绝热层中设置了三个隔开距离的热电偶，用于监视在空腔中挤出来的条料的温度。每一个磁控管总成都有一个过热切断开关，在上述强制通风系统和/或空腔的壁板上也设置了同样的开关。在强制通风系统中设置了放大二极管组件，以便不断地监视微波辐射线。在装置内部的一些选定的点上也设置了同样的二极管组件，以监视微波辐射线。
下面，参照附图详细说明本发明的实施例。附图中
图1-4表示根据本发明的各种家用烹调微波炉的立体图；图5-6表示图1-4中的微波炉的门的结构的示意平面图；图7-8表示图1-6中的炉子的门的结构的变型的示意平面图；图9-10表示图1-6中的炉子的门的结构的进一步的变型的示意平面图；图11表示实施本发明的另一种微波加热装置的立体图；图12表示图11中的装置的剖视图，其侧门处于打开状态；图13表示图11中的装置的五边形空腔的剖视图，它有一个通风进口；图14表示图11中的装置的电路示意图；图15表示用于图1-10中的炉子和图11-14中的装置磁控管的时间平均频谱的频率范围的曲线图；图16-20表示在一个具有三角形的空腔内的由计算机所产生的微波电气模式的示意图象；图21-25表示具有现有技术中的方形的空腔内所产生的微波电气模式的示意图象；
图26-40表示在图1-14的炉子的空腔内所期望产生的微波电气模式的示意图象；图41-45表示在具有正六角形的空腔内所期望产生的微波电气模式的示意图象；图46-50表示在具有正七角形的空腔内所期望产生的微波电气模式的示意图象；图51-55表示在具有正八角形的空腔内所期望产生的微波电气模式的示意图象；图56-60表示在具有正九角形的空腔内所期望产生的微波电气模式的示意图象；图61-65表示在具有正十角形的空腔内所期望产生的微波电气模式的示意图象；图66-70表示在具有正十一角形的空腔内所期望产生的微波电气模式的示意图象；图71-75表示在具有正十二角形的空腔内所期望产生的微波电气模式的示意图象；图76表示按照本发明的介电加热装置的示意剖视图；图77表示图76中的介电加热装置沿LXXVII方向看的上部的示意剖视图。
在图1-4中，一台按照本发明的微波炉整体用标号10来表示。在图1中，炉子10是关闭的，而在图2和3中是开着的。在图4中，炉子不但是打开的，而且为了便于说明，卸掉了外壳。该炉子10包括一个壳体12，该壳体除了炉子的门板之外(下面还要描述)，在平面图上是矩形的。在壳体内部有一个加热空腔14(详细的请见图4)。该炉子有一扇门板16。
空腔14的水平断面是正五边形，其平面上的外形也是正五边形。空腔14有一块平坦的五角形顶板18，顶板上设有带格栅20的通风口。一块平坦的五边形底板22与顶板18隔开距离，设置在顶板下方，并与其对准。该空腔有五块平坦的矩形壁板，分别以标号24、26、28、30和32表示(亦见图5-6，在这两个图中，除了另有说明之外，同样的标号用于表示与图1-4中相同的零件)。
炉子10设有一动力源，该动力源包括一个单独供电的磁控管34，和一个用于将微波辐射线从磁控管34引导到四个微波输送孔38(在图2和4中只能看到一个孔)去的波导管36，各微波输送孔的位置分别在壁板24-30的中央，其形状为垂直延伸的窄槽，这些孔使得微波能从波导管36的内部通入空腔的内部。波导管36的形状为局部的空心的带子或套圈，围成了在空腔14四周的一部分上延伸的通道，关于它，下面还要说明。窄槽38和波导管36的位置在底板22和顶板18的中间。磁控管的位置靠近并伸入波导管36邻近壁板30的端部，波导管36的另一端靠近壁板28。
炉子10具有平常的控制板40，上面设有控制开关42，用于控制输入空腔14的微波能。此外，该炉子还有普通的断电开关44，该开关形成了门板16在靠近控制板40处的挂钩的一部分。上述控制板40与门板16并排，而门板16铰接在离开切断开关44和控制板40较远的垂直延伸的边缘的铰链上(见图5和6)。
炉子10有一个转台48，它安装在底板22的上表面上，并由一台在底板22下面的电机(图中未示出)以常用的速度驱动。此外，上述顶板18、底板22和侧壁板24-32都是金属构件，并且在电气上以普通的方式互相连接。形成门板16的一部分的板32上有很多小的通孔，以便借助于空腔14内部的灯光(图中未示出)来观察空腔14中的内容物。上述通孔选择很小的尺寸，以防止磁控管34所发射的微波穿过这些孔。磁控管34的公称输出频率为2.45GHz，频带宽度为4-6.5MHz。侧壁板30上有通风格栅50。
本发明的一个特点是上述壁板24和26，以及壁板28和30的主要部分上，和底板22与顶板18的主要部分一样，是空腔14的固定部分。壁板28和30以及顶板18上的剩余的小部分，以及整块壁板32则形成门板16。门板16封闭了一个门孔52，门孔的高度等于底板22与顶板18之间的空档，其宽度用图5和6中的标号W表示。特别应该指出，门孔的宽度W要比壁板24-32的宽度P大得多。这样，半径为R的圆形的碗、盘子或碟子(图中未示出)才能不必倾斜就通过门孔52放入空腔14内，或者取出来。上述半径R等于W/2，大于P/2。P/2是不必倾斜就能放入宽度为P的门孔内的碗、盘子和碟子的半径，它等于侧壁板24-32的宽度。
在图7和图8中，除了另有说明之外，同样的标号用于表示与图5-6中同样的零件。图1-6中的炉子10的构造与图7和8中的炉子的主要区别在于门板16。图1-6中的门板是铰接在46处的单独一块整体的门板，而图7和8中的门板是分成两部分的，各以标号16表示之，并且分别用相应的铰链铰接在46处，即铰接在门孔52相对的两侧(图7和8中的门孔52除了关闭该门孔的门板16之外，与图2-4中的门孔的尺寸相同)。很容易理解，图6和8中的门板16是关闭的。图6和8中，壁板28、30的一小部分分别形成门板16的一部分，并且每一部分门板16占据壁板32的一半，当关闭时，两块门板16在相邻的边缘54上互相靠紧。
图9和10中的门板16也和图5和6中的门板一样，是单块的整体门板16。但是，空腔14的固定部分是整块的壁板24、26和28，以及壁板30的一半(而不是整块的壁板24和26，以及壁板28和30的大部分)。而在这种结构中，门板16又形成了壁板32和壁板30的另一半。
从图5-10看得最清楚，在所有的情况下，底板22和转台48都从门孔52凸出来(见图2-4)，凸出在壳体12的外面。底板22和转台48的凸出部分被门板或门板的两部分所包围，而且很容易理解，空腔的固定部分包括底板22的全部，但只包括顶板18的主要部分，顶板18剩下的一小部分包括在门板16中(图5-6和9-10)，或者包括在门板的两部分16中(图7-8)。此外，还应该理解，图7-8的门板部分16具有与图2-4中的标号44所示的开关同样作用的切断开关(图中未示出)，而图9-10中的门板16所具有的开关44则基本上与图1-4中的相同。
请参阅图11-13，标号100整体地表示一个实施本发明的介电加热装置的微波加热装置。装置100包括一个炉子102，该炉子有一个加热空腔104(见图12和13)，和四个作为电磁能源的磁控管106，该磁控管能够发射适合于介电加热的电磁辐射线。
上述空腔的形状呈管状，炉子102有五块侧壁108(见图12)，这五块侧壁在实体上和电气上顺序地在空腔104的角部110处互相连接，并且从空腔104的一端延伸到另一端。或者，相邻的两块侧壁互相隔开间隙，这间隙是波长的一小部分，以防止电磁辐射线从该空腔中漏出去。两块相邻的侧壁在电气上连接，例如，用导电的带子，借助于普通的安装板，等等。
从图12中看得很清楚，空腔104的横断面的外形是多边形，具体的说是五边形，它有五条直的边112，顺序地布置在周围。每一对相邻的侧边112都在角部110处相交，一般，侧边的长度大约为0.260m。在图11-13所示的装置中，每一对相邻的侧边之间的夹角，当空腔104为五边形时，是108°。
上述炉子102有四条支承它的支腿114，炉子在平面图上呈方形，在正视图、后视图和侧视图上呈矩形。炉子102有四扇侧门116，这四扇侧门用铰链120铰接在一个框架118上。侧门116能让东西放入炉子102的内部。空腔的一扇顶门122(见图11)用铰链机构(图中未示出)铰接在框架118上，这个铰链机构使门122转动到超过中心的状态，支承在框架上。底座124安装在框架118的底部，而四个支腿114则固定在该底座上。
空腔104的所有侧壁108基本上都是平直的，都用一块矩形的金属薄板，通常是铝薄板制成。虽然上面说的空腔104的形状是五边形的，而且它的边长都相等，但，在该炉子的变型中，至少有两条边112在原则上可以有不同的边长。
在图11-13所示的装置中，管状空腔104的相对的两端有一对将端部封闭的端壁，所以这种炉子102适合于成批地操作，例如用于干燥和/或烧结陶瓷的过滤薄膜的支承等等。这一对端壁由管状空腔104下端的底板126，和上端的空腔门122所形成。在本发明的其他实施例中，上述空腔104的相对两端是敞开的，形成一个进口和一个与进口隔开距离的出口。这种炉子102适合于加热连续从进口到出口通过的物体或物质。因此，这种炉子可以用来加热连续挤出的条料等。
上述底板126(见图13)通常是一块借助于一块不锈钢编织物(图中未示出)连接在侧壁108上的铝板。在底板126上设有小孔状的冷风进口128。冷风的温度大约是20-22℃，流量最大大约是10m3/min，在使用时通过进口128送入空腔104内，以冷却磁控管106。一台抽气风扇170(示意地示于图14中)与空腔104的上部区域相通，用于从其中抽吸空气。上述抽气风扇170通常用来抽吸空腔中的水蒸汽和燃烧后的气体。上述冷空气是从一台普通的空调装置168(见图14)通过一根软管输送过来的。
为了减少空腔104的有效容积，可以设置一块五边形的底部插板(图中未示出)。这块插板具有合适的尺寸，所以能够紧配在空腔104内。在侧壁108上设置了十个安装结构107。这些安装结构107设置成同心的两圈，每一圈五个安装结构107。因此，在每一块侧壁108上设置了两个在垂直方向对准但隔开距离的安装结构107。
上述装置102有四个安装在上述安装结构107上的磁控管106。应该理解，电磁能源是可以用调制管或其他器件来代替的。通常，上述磁控管是能在市面上买到的那种，其所产生的公称频率大约是2.45GHz，其频带宽度大约是2-15MHz。每一个磁控管在频率为2.45GHz时的公称功率为1400W。下面，说明这种磁控管的频谱。
磁控管106借助于普通的波导管(图中未示出)安装在安装结构107上。每一个磁控管106与一个磁控管控制器156连接，而该控制器又与一台个人计算机(PC)130连接(见图14)。为了增强微波在空腔104内的分散，在空腔108的侧壁108上用螺钉安装了固定可调的偏转器132(在图13中只表示了一个)。
请看图14，图中的标号150整体地表示上述介电加热装置100的布线设计。该装置100包括上述PC130，一般是一台IBM的兼容PC，分别带有射频(RF)插件和温度插件152、154。该装置100还有磁控管控制器156，该控制器通过一条复合控制线158与PC130连接，并控制这台PC。
上述RF插件152与若干设置在炉子102内的RF传感器或探头连接，以检测空腔104的RF泄漏。在图示的实施例中，在门122的下面有四个传感器，在由四扇侧门116围成的腔室内还有三个传感器。通过电线160与RF插件152连接的PC130带有监视由上述各RF传感器所检测到的RF泄漏的适当的软件。当传感器监测到RF泄漏超过预定的限量时，或者RF传感器失效时，该PC130中的软件便自动停止加热装置100的工作。
上述温度插件154与一温度传感器(图中未示出)连接，该温度传感器设置在炉子102的冷空气流道内，用以监测空气的温度是否超过预定的最高温度。在四个磁控管106和空腔104的所有侧壁108上也都设有温度传感器(图中未示出)。当有RF插件152时，上述PC130通过电线160与温度插件154连接，并且该PC130有适当的软件来监视由各温度传感器所检测到的温度。因此，如果温度超过预定的最高温度，上述PC130便能自动地停止该加热装置的运行，并产生一警告信号，把目前的状态通知操作者。上述RF插件和温度插件152和154一般都通过线路RS232或RS422与PC连接。
上述装置100还可以有开关式的检测装置214、216(见图14)，用于检测门122是否处于打开状态。上述开关214、216与PC130连接，而PC130又设计好程序，能根据开关214、216发来的信号停止各磁控管106的工作。
上述炉子102既可以完全在PC130的控制下工作，也可以由操作者通过PC130进行人工控制。上述PC130设计成将所有操作命令都保存起来。因此，由温度传感器监测到的温度，和由RF检测器检测到的RF辐射线都储存在PC130内，便于将来备查。
上述PC130有适当的软件，通过各磁控管控制器156来控制各磁控管106的工作。磁控管控制器156的控制是由复合控制线158来实现的，这种控制线通常是一种RS232线路。PC130用于控制从各磁控管106所发射的辐射功率的增量在1％的范围内，并使送入磁控管的电源的波形为正弦曲线。
加热装置100中的各种电气组件都通过一个连接器164与三相电源连接。从电源来的中线166分别与PC130，RF插件152和温度插件154，以及空调装置168和抽气风扇170连接。中线166还通过电线174与指示灯172连接，并分别通过电线178、182和186与电磁致动器176、180和184连接。
三相电源的一根第一正极供电线与磁控管控制器156、PC130、RF插件152和温度插件154连接，并且通过一根第一正极供电线188与开关190的端子连接。上述第一正极供电线还分别通过电线192与起动和停止按钮194和196连接。起动按钮194通过电线198与电磁致动器176和指示灯172连接，当按下起动按钮194时，便向电磁致动器176供电，该致动器便接通开关190，于是便向空调装置168和抽吸风扇170供电。一根从三相电源来的第二正极供电线通过电线200与开关202连接。这个开关202通过电线206与各磁控管106的电热丝供电端子连接。
一根第三正极供电线通过电线206与开关208连接。开关208则通过电线210与各磁控管106的高压电源端子连接。上述电磁致动器184可以有选择地使开关202和208处于其断开或接通状态。电磁致动器184的电力是通过两个串联开关214、216输入的，这两个串联开关设计成能中断输入致动器184的电力，从而断开开关208，切断向磁控管106的供电。在电路的各个点上设置了适当的熔断器212。
使用时，接通一个外部的隔断开关218，于是电力便通过电线188、200和206输入各电气组件中。然后，按下起动按钮194，于是电力便通过电线198输入电磁致动器184，使该致动器通电，从而接通开关220。当开关214、216接通时，电力便输入各磁控管106。
当上述电磁致动器176致动时，开关190的触点闭合，于是空调装置168和抽吸风扇170开动。与此同时，上述PC130的硬盘驱动装置起动，产生一个程序选择菜单，用于选择炉子102的操作过程。
为了把要加热的物体或物质放入空腔104内，要把门122打开(此时开关214、216断开，切断各磁控管106与三相电源的连接)，再使门122倾斜到超过中心的状态，并在装载的过程中使其保持在该位置。PC130还设计成能监视门122的状态，并且设有当门打开时防止炉子102开动的程序。如有必要，例如，当要达到烧结温度时，要加热的物体或物质可以放在空腔104内的一个绝缘容器中(图中未示出)，例如可以用耐火纤维之类的外套，或灯泡状的氧化铝罩子。当将上述加热的物体或物质放入空腔104之后，便把门122关上。当门122处于关闭状态时，开关214、216便接通，从而使得电力能够输入各磁控管106中。
装入PC130中的控制程序是用菜单启动的，需要通过键盘将某种信息输入PC130中。例如，可以选择一种现有的加热说明文件，其中包含了预先选定的，特别适合于要加热的物体或物质的加热参数。或者，也可以向PC130输入一种新的加热说明，并且可以选择自动或手动控制磁控管106的功率。一当上述控制程序获得了需要的工作数据，加热过程便开始。在加热过程中，上述温度传感器和RF传感器便收集由PC130所记录下来的数据，以便提供加热过程的完整的记录。此外，也记录由磁控管106所提供的电磁功率的数据。这样的设计能够分析由PC130所显示出来的图象，从而检查加热过程。另外，也可以用PC130来选择预先选定的加热曲线，在加热另一批物体或物质时，重复同样的加热曲线。还可以将PC130与一台打印机连接，以便把在加热过程中记录下来的数据打印出来。
在有些情况下，上述加热装置100还设置了一个不间断的电源(UPS)，以便在突然断电时向该加热装置供电。一般，在这种加热装置100中有一台60A，380V的UPS。
请参阅图15，图中的标号250整体地表示在图11-13的装置100中使用四个磁控管106时，所测得的它们在空腔104内所产生的时间平均频谱。如箭头252所指，在该测量装置上设定的中间频率为2.45MHz，而沿着X坐标轴的每一格所代表的频率跨度是10MHz。磁控管106所产生的微波的频率以大约50Hz的速率在该频带宽度上变化。各磁控管106的频带宽度足以在空腔104的内部激励出间歇产生的足够数量的微波电气模式。在已经制成的这种装置的样机中发现，一根在普通微波炉中使用的普通的磁控管106具有足以在五边形空腔104内激励出所需数量的微波电气模式的频带宽度。
请参阅图16-20，图中显示了在外形为三角形的空腔中微波电场的各种分布方式。在本发明的该实施例中，在空腔的三块侧壁的每一块侧壁上都安装了一根磁控管。使用时，三根磁控管都通电。各磁控管的输出频率在全部时间内都不同，从而在三角形空腔内连续地激励出各种容许的微波电模式。
再请参阅图16-20，图中显示了在等边三角形断面的空腔内各种理论上容许的微波电场的分布。激励出这些模式中的那一种要随各磁控管即时的输出频率而定。如图16-20所示，随着各磁控管的输出频率随时间而发生的变化，局部最大值的数量和位置也在变化。因此，在三角形空腔内的每一点上，微波场的强度，也就是介电加热的能力是随着各磁控管的输出频率的变化而变化的。借助于连续激励出如图16-20所示的各种不同的模式，就能够在该空腔内，在几秒钟的时间间隔内产生整体上均匀的微波场强度，因而也就是整体上均匀的介电加热能力，从而减小了在该时间间隔内表现出来的局部的最大和最小场强。如果在同一个位置上重复产生比其他位置多的最大值，那么，这些最大值就在这个加热时期内都加在这一位置上的这部分材料上，其结果是在这个位置上产生不希望产生的热点。因此，在空腔内最大值和最小值所在的位置不断的变化，能避免形成这种热点。
从图26-70可见，可以使用各种形状的空腔以增加在各中空腔内部所激励出来的电磁模式的数量，这与在图21-25的现有技术中使用的方断面的空腔中只激励出比较少的上述模式，形成了鲜明的对比。
具体的说，在图26-40中表示了在空腔14、104中的各种理论上容许的微波电场分布图。激励出那一种模式是随磁控管34、106即时的输出频率而定的。图26中所示的模式在五边形空腔14、104的中心具有局部最大值。如图27-40所示，局部最大值的数量和位置随着各磁控管34、106的输出频率随时间的变化而不同。因此，在五边形空腔内的每一点上的微波场强，因而也就是介电加热能力是随着磁控管34、106的输出频率的变化而改变的。借助于连续激励出如图26-40所示的各种不同的模式，就能够在空腔14、104内，在几秒钟的时间内产生整体上均匀的场强，因而也就是整体上均匀的微波加热能力，从而就减少了在这一个时间间隔内明显的局部最大和最小场强的平均数量。如果在同一个位置上重复产生比其他位置多的最大值，那么，这些最大值就在这个加热时期内都加在这一位置上的这部分材料上，其结果是在这个位置上产生不希望产生的热点，而在这些热点之间则产生不希望的冷点。因此，在炉子10、100中，局部最大值和最小值是连续地变化的，从而避免了这种热点和冷点的形成。
为了进一步加强磁场分布的均匀性，可以用磁控管控制器156(图11-14)和PC130来控制各磁控管106的输出频率，使得某一种微波电模式的激励大大超过其他的电磁模式。
在一定的时间间隔内，上述炉子10、100在空腔14、104内产生了一个整体上均匀的场强。该场强的最大值和最小值，在该空腔14、104中，无论是在高度方向还是在断面方向上，与现有的矩形空腔相比，其分布都要均匀得多，因而就能减小在加热期间在空腔内形成热点的可能性。因此，使用时，要加热的物体或物质能够整体上均匀地加热，而使用转台(图1-10)则进一步促进了加热的均匀性。
请参阅图76和77，一个按照本发明的介电加热装置在整体上用标号310来表示。该装置是一台五边形断面的微波炉，带有底板(图中未示出)和五块侧板，分别用标号314、316、318、320和324表示。各相邻侧板314-324之间的夹角A都是108°。侧板314-324在图76中周边方向的长度分别为290mm，208mm，260mm，260mm和208mm；而该炉子从其底板到顶板312的深度为730mm。
上述炉子310具有诸如磁控管之类的微波能源(图中也未示出)，该能源所产生的微波辐射线的公称频率为2.45GHz，其频带宽度为30MHz。上述微波源的频率以50Hz的速率在该频带宽度内变化。
上述顶板312有或多或少处在中央的孔325，一个转台326就安装在此孔内。转台旋转时带着一根天线328。该炉子有诸如波导管330之类的导向装置，用以接受从能源发来的微波辐射线，和把这种辐射线从能源传递到在炉子310内部形成的加热腔中去，上述波导管330在该加热腔内有一个出口，以便这些辐射线进入进口332后再进入天线328。
上述波导管330的出口是用来将进口332处的微波辐射线输送到转台326上，而上述天线328则用来将这些辐射线从出口334输入该炉子310的空腔内。转台326以每秒1转的速度绕轴线338沿着箭头336的方向转动，并将沿着径向从天线中出来的辐射线以与轴线338成角度F的方向输入炉子内。这样，输入炉子310内的辐射线的方向，在使用时总是以一秒钟为周期在变化。
图76和77中的炉子310的特点是炉子的不规则的五边形的外形(图76)，以及天线328的转动。这两者一起促进了激励出各种不同的微波电场分布，并且激励出在该炉子310的空腔内容许的各种不同的微波电模式。在空腔内的微波强度的局部最大值和最小值的位置是在不断地变化的，其速率足以避免在该空腔内加热的任何物体中产生局部的热点。
为了进一步增强磁场分布的均匀性，各磁控管的输出频率可以用磁控管控制器和PC来控制，以使所激励的某一种微波电模式大大超过其他的电磁模式。
上述加热装置在一定的时间内促进了空腔中场强的整体均匀性。在空腔内的场强的最大值的分布，与现有的矩形空腔相比，无论在横断面方向还是垂直方向，都分布得相当均匀，而这就能在加热期间起减少形成热点的可能性的作用。因此，在使用时，要加热的物体或物质就能够均匀地加热。
权利要求
1.一种介电加热装置，它包括若干导电的侧壁，这些侧壁顺序地布置，并且在电气上互相连接，围成一个加热空腔，至少一对相邻的侧壁在一个角上互相倾斜，所成的夹角是从由锐角和钝角所组成的一组角度中选出来的；以及至少一个能够发射适用于介电加热的电磁辐射线，并且能够将这种辐射线以某一种频率输入上述空腔内的电磁能源，上述频率是随着时间而变化的，并且使得上述加热空腔起一个多模共振加热腔的作用。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述装置做成一个围成上述加热空腔的炉子，上述空腔呈管子的形状，而上述侧壁则从空腔的一端延伸到空腔的另一端，该空腔的断面的外形为多边形，有许多沿着周边连续延伸的侧壁，每一对相邻侧壁形成上述空腔的一个角。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，上述空腔的断面外形是一个正多边形，这种多边形所有的边的长度相等，边的数量是从3、5、7、9或11这些数目中选出来的。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，上述多边形是正五边形，有五条长度相等的边，每一对相邻的边所夹的角为108。，每一块侧壁都是一块平坦的平板，外形为矩形。
5.如权利要求2-4中任何一项所述的装置，其特征在于，上述空腔的端部是敞开的，上述两个敞开的端部分别形成空腔的一个进口和一个出口，以便连续地加热沿纵向移动通过该炉子的一根条料。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，在上述空腔的每一端上设置了一块闸板，闸板上有一个孔，用以容纳沿着纵向通过该空腔的条料，在上述孔与条料之间有工作空隙，这种空隙选择为能在使用时阻止电磁辐射线从空腔通过上述闸板上的孔从条料的四周围发射出去。
7.如权利要求书2-4中任何一项所述的装置，其特征在于，上述炉子有一对封闭上述空腔的两端的端壁，在上述炉子的至少一块端壁上形成了进入该空腔的门的至少一部分，以便在加热炉子中的至少一件物体时，进行分批操作。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，上述一块端壁成为空腔的底板，另一块端壁隔开距离，在底板的上方，成为该空腔的顶板，上述炉子具有至少五块都是平板的侧壁，每一块侧壁的形状都是平坦的，外形为矩形，上述门上开了一个能关闭的通向上述空腔的门孔，该门孔的面积大于各侧壁平板的面积。
9.如权利要求8所示的装置，其特征在于，上述门至少形成该炉子的一块侧壁平板，但少于炉子的两块侧壁平板。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，一方面，上述门可以选择为铰接在门孔一侧的单独一块门板，另一方面，也可以是一对分别铰接在门孔相对的两侧的并排的门板，上述门至少有一个铰链，并且各铰链都安装在从炉子的一块端壁延伸到另一块端壁的方向上。
11.如上述权利要求中任何一项权利要求所述的装置，其特征在于，上述装置是一台微波炉，各电磁能源都是能发射频率为0.3×109-1×1010Hz的微波辐射线的微波源。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，上述各微波源是能够发射频带宽度至少为1MHz，频率在2.4-2.5GHz范围内的微波辐射线的微波源。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，它基本上如附图和说明书所描述。
全文摘要
本发明提供了一种形式为微波炉的介电加热装置,它有许多在电气上连接的侧壁,这些侧壁围成一个加热空腔。上述侧壁布置成相邻的一对侧壁互相倾斜,成180°角。该装置有许多形式为磁控管的,向空腔内发射电磁辐射线的电磁能源,以便用介电的微波加热空腔内的物体,微波的频率随着时间而变化,使得该空腔起多波形共振加热腔的作用。
文档编号H05B6/64GK1194769SQ97190556
公开日1998年9月30日 申请日期1997年5月20日 优先权日1996年5月17日
发明者保罗·弗里茨·福尔斯, 安德列·基思·朱伯特, 约翰·丹尼尔·勒鲁, 马泰斯·约翰尼斯·罗索 申请人:伊波利克有限公司, Csir公司