工業(yè)微波設(shè)備設(shè)計中的幾個問題

工業(yè)微波設(shè)備設(shè)計中的幾個問題

眾所周知，工業(yè)微波設(shè)備加熱用的微波爐（行波加熱器除外）與家用微波爐最大區(qū)別在于兩者的微波功率和爐腔體積相差很大。通常家用微波爐的容積一般在15～30立升之間，歐美地區(qū)一般在25～40立升之間，而工業(yè)微波爐的容積則在500立升以上，有時甚至可達(dá)數(shù)萬立升。因此在設(shè)計這類大容積的工業(yè)微波爐時就有許多不同的考慮原則，但主要還可歸納為以下幾個因素：

1、具有足夠高的微波功率密度；

2、具有足夠多的模式數(shù)，以保證爐內(nèi)微波場強分布的均勻性；

3、與微波源具有良好的耦合方式，保證足夠高的耦合效率；

4、避免爐內(nèi)尤其是耦合口附近產(chǎn)生因高水汽產(chǎn)生的高頻擊穿；

5、具有良好的防泄漏裝置，保證操作位上的人員的安全性。

一、多模腔的設(shè)計

通常由于微波波長與物體幾何尺寸的共度性，因此在S波段的微波單模腔的幾何尺寸很小，容積也不大，這種小容積的爐腔不僅在工業(yè)微波加熱上沒有使用價值，即使在家用微波爐中也無使用價值。這就決定了無論是家用微波爐還是工業(yè)微波爐都不得不采用過模的多模電磁諧振腔，從物理學(xué)和電磁學(xué)的理論知道，任何一個諧振腔內(nèi)，在過模狀態(tài)下，其中可能存在的諧振模式數(shù)目是與該腔體的體積成正比的，換句話說，體積越大，其中可能存在的模式數(shù)目就越多，而腔內(nèi)的微波電場的分布均勻性又與模式數(shù)目成比例，這就是為什么人們總是希望去設(shè)計一個腔體體積較大的爐腔去改善爐腔內(nèi)電場的均勻性。

但片面追求增大體積卻會使微波功率一定情況下的功率密度下降，當(dāng)然從能量守恒定律出發(fā)，只要在增大體積的同時，腔體四周的金屬邊界不增加損耗（如采用理想的或接近理想的金屬材料制造），那么即使功率密度的下降也不會對加熱效果產(chǎn)生顯著的影響，然而在實際情況下，任何金屬材料的導(dǎo)電率都是有限的，尤其是不銹鋼，它的損耗是鋁的25倍，是銅的41倍，是銀的44倍，因此如采用不銹鋼作為爐腔的材料，在增大體積的同時卻大大增加了整個腔壁的面積和損耗，這種情況下采用增大體積的辦法只有在同時增大微波輸入功率的條件下才是正確的。

這就是目前市場上一部分出口的大容積家用微波爐中采用1kW~1.6kW磁控管的理由，在工業(yè)微波爐中，由于被加熱物料體積因素的考慮，爐腔容積通常在500～20000立升之間，有時甚至更大。在這樣大的腔體內(nèi)如采用915MHz或2450MHz波段的微波磁控管作為微波源，這顯然是工作在大大的“過模”狀態(tài)，因此在其中可能存在的模式數(shù)非常之多。這種情況下，只要功率密度足夠，爐腔內(nèi)的場分布均勻性是比較理想的。這種爐腔的空載品質(zhì)因數(shù)非常之高，但一旦加入待加熱的物料（特別是高含水量的物料）后，爐腔的有載品質(zhì)因素急劇下降，這種下降程度可達(dá)3～5個數(shù)量級之譜，有時甚至無法諧振了，一個典型的高Q諧振系統(tǒng)變成了一個低Q的微波輻照系統(tǒng)。

第二個因素則是被加熱物料的形狀和體積大小，爐腔尺寸特別是橫截面尺寸的選擇主要是考慮物料的體積大小及形狀要求，長度方向的選擇則應(yīng)考慮到微波功率及加工的產(chǎn)量要求。

第三個因素是應(yīng)根據(jù)被加熱物料含水量的高低去選擇爐腔的容積，特別是長度方向上的尺寸，含水量低的長度可短些，否則應(yīng)長些。

第四個因素是根據(jù)微波源的饋能口的數(shù)目多少，是單饋口還是多饋口，是單微波源還是多個微波源（特別是互相獨立的多個微波源）。

第五個因素是腔內(nèi)功率密度的大小，過高的微波功率密度將導(dǎo)致以下兩個效果。

（1）、爐內(nèi)空氣或氣－汽混合物的介質(zhì)擊穿；

（2）、過大的內(nèi)應(yīng)力造成被加熱物料的損壞。

綜上所述，我們在設(shè)計一個多模腔時應(yīng)根據(jù)諸多相互制約因素的限制，從理論上特別是實驗上選擇合理的尺寸，以期達(dá)到具有良好均勻分布，高效率的安全運行的高產(chǎn)量的工業(yè)微波爐。

最后應(yīng)當(dāng)指出，在工業(yè)微波爐中由于功率較大，因此通常采用三相全波整流非濾波的供電系統(tǒng)，這一直流電源使得磁控管的電流脈動大大降低，因此不會出現(xiàn)象家用微波爐中因采用半波倍壓直流電源導(dǎo)致的微波源的多頻輸出現(xiàn)象，另一方面，工業(yè)微波爐中通常在微波源輸出與爐腔之間接有環(huán)流器，這樣負(fù)載變化不會對微波源產(chǎn)生頻率和功率牽引現(xiàn)象。這兩個因素使得工業(yè)微波爐中使用的磁控管性能較為穩(wěn)定。

二、微波源與爐腔的耦合

微波源與爐腔的耦合是工業(yè)微波爐設(shè)計中的另一個重要問題。通常對這種耦合的基本要求是；

（1）、爐腔與微波源具有良好的（荷載情況下的）匹配，使微波源的功率無反射地饋入腔內(nèi)：

（2）、耦合裝置應(yīng)能最大限度地激勵起眾多電磁振蕩模式，以保證腔內(nèi)場分布的均勻性。

這種耦合裝置一般可分為直接耦合和間接耦合兩種類型：

1、直接耦合型

在直接耦合方式中又可分為單管及多管直接耦合方式。由于連續(xù)波磁控管目前多為軸向同軸天線輸出結(jié)構(gòu)，因此直接耦合方式就是將磁控管的同軸天線直接插入爐腔中某一合適位置以產(chǎn)生面極化，或在天線端加接一螺旋天線以產(chǎn)生圓極化的電磁波。對單模腔來說，耦合口位置及耦合方式?jīng)Q定了該模式能否被激勵起來，但激勵后的諧振頻率則完全由腔體的邊界所確定。而多模腔的情況要復(fù)雜得多，因為多模腔中被激勵的眾多模式（包括TEmnp模及TMmnp模），是由耦合口多少及位置和邊界條件共同決定的；同樣的邊界條件可以激勵起多少模式就由耦合裝置來確定了，因此可以通過電場仿真或憑經(jīng)驗來確定耦合口的多少，特別是具體的分布方式及相互位置，但有一個共同的前提，那就是應(yīng)最大限度地激勵起盡可能多的模式，以保證爐腔內(nèi)的場分布的均勻性。

原則上，多模腔中的模式數(shù)目與耦合口數(shù)量沒有直接的關(guān)系，但在當(dāng)前實際情況下，由于家用微波爐用磁控管的價格低廉，在工業(yè)微波爐中已大量采用幾只、數(shù)十只甚至上百只爐用磁控管同時饋能以產(chǎn)生大功率的裝置，這種情況下，多管直接耦合就是一種必然的耦合方式。因此耦合口的分布，相對位置及極化方式都將影響到多管耦合時的耦合效率；這時要考慮的問題已不再單純的模式數(shù)目的多少，同時還要考慮多管的相互耦合即耦合效率問題，設(shè)計不好，多模腔將低效率地工作，甚至無法運行還會毀壞管子。這種情況下，需要考慮各振蕩源之間的交耦合及其對振蕩器壽命及加熱均勻性的影響。

每一振蕩器都會受到由于匹配不理想而產(chǎn)生的反射以及其它振蕩器的部分能量的影響。這些能量的總和必須不超過按振蕩器技術(shù)規(guī)范所能接受的允許的反射能量，計算由功率密度和品質(zhì)因素所確定的爐內(nèi)壁電流的大小，并與僅由振蕩器單獨輸出功率時在其饋口處的壁電流相比較可以估計交*耦合的影響，由此可以得出該振蕩源看到的有效的反射系數(shù)值。

20多年前，英國在896/915MHz上使用了36個1.5kW的磁控管，建立起近54kW的功率，其耦合效率幾近100％，而目前我國也已有數(shù)目達(dá)80甚至100個以上的多管輸出結(jié)構(gòu)，但具體耦合效率不詳。

2、間接耦合型

這種耦合方式是指微波磁控管先去激勵一根波導(dǎo)管，再將該波導(dǎo)與爐腔以單孔或多孔相耦合以激勵腔內(nèi)產(chǎn)生多模的電磁場。這種耦合方式適用于單管大功率磁控管情況。因為這時不存在多管相互交*耦合問題，因而相對來說比較簡單。

目前國內(nèi)許多廠商把多隙縫波導(dǎo)天線輻射器引入工業(yè)微波爐中，有兩點應(yīng)引起注意和重視。第一，爐內(nèi)負(fù)載較輕（即QL較高情況下）時，這種多隙縫天線輻射系統(tǒng)實際上是一種爐腔內(nèi)的激勵裝置，不能認(rèn)為這是一種微波輻照系統(tǒng)，設(shè)計不好，將產(chǎn)生較大反射，耦合效率不高，第二，當(dāng)負(fù)載較重且離天線離物料較近時，這才是一個比較理想的微波輻照系統(tǒng)，周圍金屬墻壁只起到一個防電磁輻射的屏蔽系統(tǒng)，而已不再是一個多模腔了，這時的容積和幾何尺寸不是臨界的，設(shè)計的出發(fā)點應(yīng)該是多隙縫天線的輻射效率。

遺憾的是很多設(shè)計者直接采用多隙縫微波同相天線的設(shè)計和計算方法作為理論根據(jù)，我們認(rèn)為，工業(yè)微波爐的多隙縫微波輻照系統(tǒng)與雷達(dá)中的同相天線要求是不同的，前者要求在近區(qū)中功率均勻輻照至物料上，同時微波源應(yīng)與天線良好匹配，而同相天線則要求在遠(yuǎn)區(qū)產(chǎn)生一定方向圖的波束，因此在這些隙縫在軸向的相對距離上要求是不同的，對同相天線來說，相隔距離應(yīng)為半波長，以保證相互輻射的同相要求，而微波加熱中的隙縫相隔距離是使隙縫間的交*耦合最小以及防止隙縫反射造成的相互疊加，因此此距離應(yīng)等于3/4λg，而不是同相天線中的1/2λg，而各隙縫離波導(dǎo)中心線的距離應(yīng)考慮各隙縫的等功率輻射。波導(dǎo)終端應(yīng)具有可調(diào)節(jié)的活塞以保證良好的匹配，設(shè)計良好時駐波比可在1.1~1.4之間，耦合效率可高達(dá)95％以上。

三、高功率密度時爐腔內(nèi)的高頻擊穿或放電

在實際運行中，我們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)在加熱過程中會產(chǎn)生高頻擊穿現(xiàn)象。這種擊穿有幾種可能的原因，一是爐腔內(nèi)有些結(jié)構(gòu)上存在的缺陷，如金屬毛刺，搭接隙縫等導(dǎo)致微波放電產(chǎn)生火花；另一種常見情況是爐內(nèi)的空氣或水汽混合物的氣體擊穿；第三種是一些具有高介電常數(shù)的顆粒形材料由于顆粒間接觸點上的場強集中導(dǎo)致介質(zhì)擊穿，從而引起局部過熱，最后導(dǎo)致過熱空氣的高頻擊穿。

不管是什么原因?qū)е碌膿舸┖头烹?，尤其是發(fā)生在波導(dǎo)耦合口附近的放電又會誘發(fā)波導(dǎo)饋線中的雪崩擊穿，這時就會造成微波源和環(huán)形器的損壞或傷害，這一點是至關(guān)重要的，因為目前大功率微波源和環(huán)形器的價格是可觀的，無論是管子還是環(huán)形器的損壞都將造成停產(chǎn)待修，增加生產(chǎn)成本，影響產(chǎn)量和效益。

為此，我們在設(shè)計和加工過程中應(yīng)力求爐腔內(nèi)表面平整光滑，特別是焊縫或接縫處應(yīng)沒有明顯的間隙，保證接觸良好，為了防止在水汽排出過程中由于功率密度過高引起的氣體擊穿，可將帶在饋口的波導(dǎo)或多隙縫天線從頂部移至底部，饋口向上，從而避免水汽進(jìn)入波導(dǎo)口引發(fā)波導(dǎo)內(nèi)燈火，保護(hù)了環(huán)形器和磁控管的安全運行。

四、其它類型工業(yè)微波爐

除了上述多模腔結(jié)構(gòu)的工業(yè)微波爐外，目前尚存在許多行波型工業(yè)微波爐，如曲折波導(dǎo)，V形波導(dǎo)，脊形波導(dǎo)，表面波波導(dǎo)，螺旋波導(dǎo)，圓或橢圓波導(dǎo)，同軸波導(dǎo)，盤荷波導(dǎo)……等，在這些加熱器中，微波以行波（快波或慢波形式）形式沿波導(dǎo)傳播、利用波導(dǎo)中的具有一定極化方向的電場與物料的相互作用達(dá)到加熱的目的，這些行波加熱器特別適用于絲或桿狀、帶狀、片狀等物料的加熱，例如各種塑料或尼龍絲、橡皮條、紙片、紙張或紙板，布匹、膠片、木板、地毯等。