工业微波设备设计中的几个问题

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ຫໍສະໝຸດ Baidu1、具有足够高的微波功率密度;
2、具有足够多的模式数,以保证炉内微波场 强分布的均匀性;
3、与微波源具有良好的耦合方式,保证足够 高的耦合效率;
4、避免炉内尤其是耦合口附近产生因高水汽 产生的高频击穿;
5、具有良好的防泄漏装置,保证操作位上的
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(2)、耦合装置应能最大限度地激励起众多电 磁振荡模式,以保证腔内场分布的均匀性。
这种耦合装置一般可分为直接耦合和间接耦
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合两种类型:
1、直接耦合型
在直接耦合方式中又可分为单管及多管直接 耦合方式。由于连续波磁控管目前多为轴向同轴天 线输出结构,因此直接耦合方式就是将磁控管的同
第四个因素是根据微波源的馈能口的数目多 少,是单馈口还是多馈口,是单微波源还是多个微 波源(特别是互相独立的多个微波源)。
第五个因素是腔内功率密度的大小,过高的微 波功率密度将导致以下两个效果。
(1)、炉内空气或气-汽混合物的介质击穿; (2)、过大的内应力造成被加热物料的损坏。
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够,炉腔内的场分布均匀性是比较理想的。这种炉 腔的空载品质因数非常之高,但一旦加入待加热的 物料(特别是高含水量的物料)后,炉腔的有载品 质因素急剧下降,这种下降程度可达 3~5 个数量 级之谱,有时甚至无法谐振了,一个典型的高 Q 谐 振系统变成了一个低 Q 的微波辐照系统。
模及 TMmnp 模),是由耦合口多少及位置和边界条 件共同决定的;同样的边界条件可以激励起多少模 式就由耦合装置来确定了,因此可以通过电场仿真 或凭经验来确定耦合口的多少,特别是具体的分布 方式及相互位置,但有一个共同的前提,那就是应 最大限度地激励起尽可能多的模式,以保证炉腔内
的场分布的均匀性。原则上,多模腔中的模式数目 与耦合口数量没有直接的关系,但在当前实际情况 下,由于家用微波炉用磁控管的低廉,在工业微波 炉中已大量采用几只、数十只甚至上百只炉用磁控 管同时馈能以产生大功率的装置,这种情况下,多 管直接耦合就是一种必然的耦合方式。因此耦合口
三、高功率密度时炉腔内的高频击穿或放电
在实际运行中,我们经常发现在加热过程中会 产生高频击穿现象。这种击穿有几种可能的原因, 一是炉腔内有些结构上存在的缺陷,如金属毛刺, 搭接隙缝等导致微波放电产生火花;另一种常见情
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况是炉内的空气或水汽混合物的气体击穿;第三种 是一些具有高介电常数的颗粒形材料由于颗粒间 接触点上的场强集中导致介质击穿,从而引起局部 过热,最后导致过热空气的高频击穿。不管是什么 原因导致的击穿和放电,尤其是发生在波导耦合口 附近的放电又会诱发波导馈线中的雪崩击穿,这时
及防止隙缝反射造成的相互叠加,因此此距离应等 于 3/4λg , 而 不 是 同 相 天 线 中 的 1/2λg,而各隙缝离波导中心线的距离应考 虑各隙缝的等功率辐射。波导终端应具有可调节的 活塞以保证良好的匹配,设计良好时驻波比可在 1.1~1.4 之间,耦合效率可高达 95%以上。
匀性的影响。
每一振荡器都会受到由于匹配不理想而产生 的反射以及其它振荡器的部分能量的影响。这些能 量的总和必须不超过按振荡器技术规范所能接受 的允许的反射能量,计算由功率密度和品质因素所
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确定的炉内壁电流的大小,并与仅由振荡器单独输 出功率时在其馈口处的壁电流相比较可以估计交* 耦合的影响,由此可以得出该振荡源看到的有效的 反射系数值。20 多年前,英国在 896/915MHz 上使 用了 36 个 1.5kW 的磁控管,建立起近 54kW 的功率, 其耦合效率几近 100%,而目前我国也已有数目达
人员的安全性。 一下重点讨论 2、3、4 几个问题 一、多模腔的设计 通常由于微波波长与物体几何尺寸的共度性,
因此在 S 波段的微波单模腔的几何尺寸很小,容积 也不大,这种小容积的炉腔不仅在工业加热上没有 使用价值,即使在家用微波炉中也无使用价值。这 就决定了无论是家用微波炉还是工业微波炉都不 得不采用过模的多模电磁谐振腔,从物理学和电磁 学的理论知道,任何一个谐振腔内,在过模状态下,
就会造成微波源和环形器的损坏或伤害,这一点是 至关重要的,因为目前大功率微波源和环形器的是 可观的,无论是管子还是环形器的损坏都将造成停 产待修,增加生产成本,影响产量和效益。
为此,我们在设计和加工过程中应力求炉腔内
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表面平整光滑,特别是焊缝或接缝处应没有明显的 间隙,保证接触良好,为了防止在水汽排出过程中 由于功率密度过高引起的气体击穿,可将带在馈口 的波导或多隙缝天线从顶部移至底部,馈口向上, 从而避免水汽进入波导口引发波导内灯火,保护了 环形器和磁控管的安全运行。
目前国内许多厂商把多隙缝波导天线辐射器 引入工业微波炉中,有两点应引起注意和重视。第
一,炉内负载较轻(即 QL 较高情况下)时,这种 多隙缝天线辐射系统实际上是一种炉腔内的激励 装置,不能认为这是一种微波辐照系统,设计不好, 将产生较大反射,耦合效率不高,第二,当负载较 重且离天线离物料较近时,这才是一个比较理想的 微波辐照系统,周围金属墙壁只起到一个防电磁辐
80 甚至 100 个以上的多管输出结构,但具体耦合 效率不详。
2、间接耦合型
这种耦合方式是指微波磁控管先去激励一根 波导管,再将该波导与炉腔以单孔或多孔相耦合以
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激励腔内产生多模的电磁场。这种耦合方式适用于 单管大功率磁控管情况。因为这时不存在多管相互 交*耦合问题,因而相对来说比较简单。
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其中可能存在的谐振模式数目是与该腔体的体积 成正比的,换句话说,体积越大,其中可能存在的 模式数目就越多,而腔内的微波电场的分布均匀性 又与模式数目成比例,这就是为什么人们总是希望 去设计一个腔体体积较大的炉腔去改善炉腔内电 场的均匀性。但片面追求增大体积却会使微波功率
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射的屏蔽系统,而已不再是一个多模腔了,这时的 容积和几何尺寸不是临界的,设计的出发点应该是 多隙缝天线的辐射效率。遗憾的是很多设计者直接 采用多隙缝微波同相天线的设计和计算方法作为 理论根据,我们认为,工业微波炉的多隙缝微波辐 照系统与雷达中的同相天线要求是不同的,前者要
轴天线直接插入炉腔中某一合适位置以产生面极 化,或在天线端加接一螺旋天线以产生圆极化的电 磁波。对单模腔来说,耦合口位置及耦合方式决定 了该模式能否被激励起来,但激励后的谐振频率则 完全由腔体的边界所确定。而多模腔的情况要复杂 得多,因为多模腔中被激励的众多模式(包括 TEmnp
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第二个因素则是被加热物料的形状和体积大 小,炉腔尺寸特别是横截面尺寸的选择主要是考虑 物料的体积大小及形状要求,长度方向的选择则应 考虑到微波功率及加工的产量要求。
第三个因素是应根据被加热物料含水量的高
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低去选择炉腔的容积,特别是长度方向上的尺寸, 含水量低的长度可短些,否则应长些。
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功率牵引现象。这两个因素使得工业微波炉中使用 的磁控管性能较为稳定。
二、微波源与炉腔的耦合
微波源与炉腔的耦合是工业微波炉设计中的 另一个重要问题。通常对这种耦合的基本要求是;
(1)、炉腔与微波源具有良好的(荷载情况下 的)匹配,使微波源的功率无反射地馈入腔内:
求在近区中功率均匀辐照至物料上,同时微波源应 与天线良好匹配,而同相天线则要求在远区产生一 定方向图的波束,因此在这些隙缝在轴向的相对距 离上要求是不同的,对同相天线来说,相隔距离应 为半波长,以保证相互辐射的同相要求,而微波加 热中的隙缝相隔距离是使隙缝间的交*耦合最小以
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众所周知,工业微波设备加热用的微波炉(行 波加热器除外)与家用微波炉最大区别在于两者的 微波功率和炉腔体积相差很大。通常家用微波炉的 容积一般在 15~30 立升之间,欧美地区一般在 25~40 立升之间,而工业微波炉的容积则在 500 立升以上,有时甚至可达数万立升。因此在设计这
类大容积的工业微波炉时就有许多不同的考虑原 则,但主要还可归纳为以下几个因素:
备多模腔
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综上所述,我们在设计一个多模腔时应根据诸 多相互制约因素的限制,从理论上特别是实验上选 择合理的尺寸,以期达到具有良好均匀分布,高效 率的安全运行的高产量的工业微波炉。
最后应当指出,在工业微波炉中由于功率较
大,因此通常采用三相全波整流非滤波的供电系 统,这一直流电源使得磁控管的电流脉动大大降 低,因此不会出现象家用微波炉中因采用半波倍压 直流电源导致的微波源的多频输出现象,另一方 面,工业微波炉中通常在微波源输出与炉腔之间接 有环流器,这样负载变化不会对微波源产生频率和
四、其它类型工业微波炉
除了上述多模腔结构的工业微波炉外,目前尚 存在许多行波型工业微波炉,如曲折波导,V 形波 导,脊形波导,表面波波导,螺旋波导,圆或椭圆 波导,同轴波导,盘荷波导……等,
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在这些加热器中,微波以行波(快波或慢波形式) 形式沿波导传播、利用波导中的具有一定极化方向 的电场与物料的相互作用达到加热的目的,这些行 波加热器特别适用于丝或杆状、带状、片状等物料 的加热,例如各种塑料或尼龙丝、橡皮条、纸片、 纸张或纸板,布匹、胶片、木板、地毯等。微波设
损耗是铝的 25 倍,是铜的 41 倍,是银的 44 倍, 因此如采用不锈钢作为炉腔的材料,在增大体积的 同时却大大增加了整个腔壁的面积和损耗,这种情 况下采用增大体积的办法只有在同时增大微波输 入功率的条件下才是正确的。这就是目前市场上一 部分出口的大容积家用微波炉中采用 1kW~1.6kW
磁控管的理由,在工业微波炉中,由于被加热物料 体积因素的考虑,炉腔容积通常在 500~20000 立 升之间,有时甚至更大。在这样大的腔体内如采用 915MHz 或 2450MHz 波段的微波磁控管作为微波源, 这显然是在大大的过模状态,因此在其中可能存在 的模式数非常之多。这种情况下,只要功率密度足
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的分布,相对位置及极化方式都将影响到多管耦合 时的耦合效率;这时要考虑的问题已不再单纯的模 式数目的多少,同时还要考虑多管的相互耦合即耦 合效率问题,设计不好,多模腔将低效率地,甚至 无法运行还会毁坏管子。这种情况下,需要考虑各 振荡源之间的交*耦合及其对振荡器寿命及加热均
一定情况下的功率密度下降,当然从能量守恒定律 出发,只要在增大体积的同时,腔体四周的金属边 界不增加损耗(如采用理想的或接近理想的金属材 料制造),那么即使功率密度的下降也不会对加热 效果产生显著的影响,然而在实际情况下,任何金 属材料的导电率都是有限的,尤其是不锈钢,它的
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