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大容积工业微波炉的设计原则(一)
浏览次数:次   发布时间:2014-12-11 10:22:05

随着微波技术的应用与发展,微波设备的使用范围从军事信息传递延伸到家庭微波炉的使用,然后又拓展到工业生产使用。工业微波炉与家庭的小型微波炉相比,最主观的对比是容积的不同,工业微波炉的容积可达小型微波炉的数倍,甚至数百倍。因此,工业微波炉的设计就有许多不同的考虑原则,但主要可以归纳为以下几类:

一、具有足够高的微波功率密度。

微波功率密度影响微波加热的效率以及加热的均匀性。如果微波功率密度不足,物料中的极性分子可供吸收的微波不足,物料外部的极性分子将大部分的微波吸收,而内部的吸收不足,最终导致加热不均匀;同时,微波功率密度不足会导致物料升高相同的温度所需的时间也会延长,降低工作效率。因而,具有足够高的微波功率密度是保证设备工作效率与生产质量的前提。

二、具有足够多的模式数,以保证炉内微波场强分布的均匀性;

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  • 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,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,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。因此,腔体的体积影响着腔内电场的均匀性,体积越大,腔内电场的均匀性越好。但片面追求增大体积却会使微波功率一定情况下的功率密度下降,同时腔体四周的金属边界的增大会增加损耗,这就意味着设备设备腔体越大,微波输入功率也就越大,这也就是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。

三、与微波源具有良好的耦合方式保证足够高的耦合效率

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;
  • (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。直接耦合方式就是将磁控管的同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。
      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、无法运行甚至还会毁坏管子。这种情况下,需要考虑各振荡源之间的交流耦合及其对振荡器寿命及加热均匀性的影响。
    • 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流耦合问题,因而相对来说比较简单。

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。

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