[发明专利]模块化微波加热设备

说明书

本发明将微波加热设备的主要部分分为若干加热模块沿Z轴串接。每个模块中的不同微波馈入波导中都只传播基模TE10模式，电场方向只有X轴分量。每个加热模块中的不同微波馈入波导中的工作微波是相干同相位，不同加热模块的微波馈入波导之间的隔离度很高。我们可以在不同加热模块中采用非相干的微波源。也可以在沿Z轴排列的不同加热模块中采用相干的微波源，让沿Z轴对齐并沿Z轴相邻的属于不同加热模块中的微波馈入波导中的工作微波等幅反相，从而在由属于不同加热模块的空腔构成的加热腔中激励起从上到下沿‑Y方向传播和从下到上沿Y轴传播的TEn0波，n为整数，大于等于2。本发明用于对各种材料的加热，或者用于加快化学反应速度。

技术领域

本发明涉及模块化微波加热设备。具体地，涉及一种利用高次模高效率均匀加热材料的紧凑型模块化微波加热设备。

背景技术

微波能可以用于代替各种传统加热方式。微波加热设备利用微波能加热各种材料，包括但不限于木材、粮食、调料、乳制品。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，传统微波加热设备存在三个主要问题。

第一，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。工业微波加热设备中的大型加热炉的尺寸比上述尺度大30~300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百个。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，特别是大型微波加热设备中加热的均匀性问题没有得到很好地解决。

让我们来理解一下大型微波加热设备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，加热腔中上百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。而大型微波加热设备中需要采用上百个磁控管作为微波源，因此对应的微波馈口的数目可以多达上百个！上述问题的复杂程度超出人们的想象。

第二，加热效率问题。