工業微波設備設計中的幾個問題

工業微波設備設計中的幾個問題

眾所周知，工業微波設備加熱用的微波爐（行波加熱器除外）與家用微波爐最大區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，歐美地區一般在25～40立升之間，而工業微波爐的容積則在500立升以上，有時甚至可達數萬立升。因此在設計這類大容積的工業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，以保證爐內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、避免爐內尤其是耦合口附近產生因高水汽產生的高頻擊穿；

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微波爐都不得不采用過模的多模電磁諧振腔，從物理學和電磁學的理論知道，任何一個諧振腔內，在過模狀態下，其中可能存在的諧振模式數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目就越多，而腔內的微波電場的分布均勻性又與模式數目成比例，這就是為什么人們總是希望去設計一個腔體體積較大的爐腔去改善爐腔內電場的均勻性。

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，當然從能量守恒定律出發，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生顯著的影響，然而在實際情況下，任何金屬材料的導電率都是有限的，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，因此在其中可能存在的模式數非常之多。這種情況下，只要功率密度足夠，爐腔內的場分布均勻性是比較理想的。這種爐腔的空載品質因數非常之高，但一旦加入待加熱的物料（特別是高含水量的物料）后，爐腔的有載品質因素急劇下降，這種下降程度可達3～5個數量級之譜，有時甚至無法諧振了，一個典型的高Q諧振系統變成了一個低Q的微波輻照系統。

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考慮到微波功率及加工的產量要求。

第三個因素是應根據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，否則應長些。

第四個因素是根據微波源的饋能口的數目多少，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）。

第五個因素是腔內功率密度的大小，過高的微波功率密度將導致以下兩個效果。

（1）、爐內空氣或氣－汽混合物的介質擊穿；

（2）、過大的內應力造成被加熱物料的損壞。

綜上所述，我們在設計一個多模腔時應根據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，以期達到具有良好均勻分布，高效率的安全運行的高產量的工業微波爐。

最后應當指出，在工業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，這一直流電源使得磁控管的電流脈動大大降低，因此不會出現象家用微波爐中因采用半波倍壓直流電源導致的微波源的多頻輸出現象，另一方面，工業微波爐中通常在微波源輸出與爐腔之間接有環流器，這樣負載變化不會對微波源產生頻率和功率牽引現象。這兩個因素使得工業微波爐中使用的磁控管性能較為穩定。

二、微波源與爐腔的耦合

微波源與爐腔的耦合是工業微波爐設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：

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

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。由于連續波磁控管目前多為軸向同軸天線輸出結構，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生面極化，或在天線端加接一螺旋天線以產生圓極化的電磁波。對單模腔來說，耦合口位置及耦合方式決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，那就是應最大限度地激勵起盡可能多的模式，以保證爐腔內的場分布的均勻性。

原則上，多模腔中的模式數目與耦合口數量沒有直接的關系，但在當前實際情況下，由于家用微波爐用磁控管的價格低廉，在工業微波爐中已大量采用幾只、數十只甚至上百只爐用磁控管同時饋能以產生大功率的裝置，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規范所能接受的允許的反射能量，計算由功率密度和品質因素所確定的爐內壁電流的大小，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目達80甚至100個以上的多管輸出結構，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管，再將該波導與爐腔以單孔或多孔相耦合以激勵腔內產生多模的電磁場。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。

目前國內許多廠商把多隙縫波導天線輻射器引入工業微波爐中，有兩點應引起注意和重視。第一，爐內負載較輕（即QL較高情況下）時，這種多隙縫天線輻射系統實際上是一種爐腔內的激勵裝置，不能認為這是一種微波輻照系統，設計不好，將產生較大反射，耦合效率不高，第二，當負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，周圍金屬墻壁只起到一個防電磁輻射的屏蔽系統，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，設計的出發點應該是多隙縫天線的輻射效率。

遺憾的是很多設計者直接采用多隙縫微波同相天線的設計和計算方法作為理論根據，我們認為，工業微波爐的多隙縫微波輻照系統與雷達中的同相天線要求是不同的，前者要求在近區中功率均勻輻照至物料上，同時微波源應與天線良好匹配，而同相天線則要求在遠區產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，因此此距離應等于3/4λg，而不是同相天線中的1/2λg，而各隙縫離波導中心線的距離應考慮各隙縫的等功率輻射。波導終端應具有可調節的活塞以保證良好的匹配，設計良好時駐波比可在1.1~1.4之間，耦合效率可高達95％以上。

三、高功率密度時爐腔內的高頻擊穿或放電

在實際運行中，我們經常發現在加熱過程中會產生高頻擊穿現象。這種擊穿有幾種可能的原因，一是爐腔內有些結構上存在的缺陷，如金屬毛刺，搭接隙縫等導致微波放電產生火花；另一種常見情況是爐內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的顆粒形材料由于顆粒間接觸點上的場強集中導致介質擊穿，從而引起局部過熱，最后導致過熱空氣的高頻擊穿。

不管是什么原因導致的擊穿和放電，尤其是發生在波導耦合口附近的放電又會誘發波導饋線中的雪崩擊穿，這時就會造成微波源和環形器的損壞或傷害，這一點是至關重要的，因為目前大功率微波源和環形器的價格是可觀的，無論是管子還是環形器的損壞都將造成停產待修，增加生產成本，影響產量和效益。

為此，我們在設計和加工過程中應力求爐腔內表面平整光滑，特別是焊縫或接縫處應沒有明顯的間隙，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或多隙縫天線從頂部移至底部，饋口向上，從而避免水汽進入波導口引發波導內燈火，保護了環形器和磁控管的安全運行。

四、其它類型工業微波爐

除了上述多模腔結構的工業微波爐外，目前尚存在許多行波型工業微波爐，如曲折波導，V形波導，脊形波導，表面波波導，螺旋波導，圓或橢圓波導，同軸波導，盤荷波導……等，在這些加熱器中，微波以行波（快波或慢波形式）形式沿波導傳播、利用波導中的具有一定極化方向的電場與物料的相互作用達到加熱的目的，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。