專利名稱：具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于微波加熱技術(shù)領(lǐng)域，涉及超穎材料學(xué)，特別涉及微波加熱裝置。
背景技術(shù)：
微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，即波長在1米(不含1米)到1毫米 之間的電磁波。被加熱物料中的水分子是極性分子，在快速變化的高頻電磁磁場作用下，其 極性取向?qū)㈦S著外電場的變化而變化。分子的運動產(chǎn)生相互摩擦效應(yīng)，此時微波場能量轉(zhuǎn) 化為介質(zhì)內(nèi)的熱能。微波使物料溫度升高，產(chǎn)生熱化和膨化等一系列物化過程從而達到微 波加熱的目的。根據(jù)這一原理制造的裝置就是微波加熱裝置。微波作為一種先進能源，在家庭，工農(nóng)業(yè)，食品，橡膠，木材，醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛 的應(yīng)用。我國的微波能應(yīng)用技術(shù)起步與上世紀70年代初，主要應(yīng)用領(lǐng)域有食品，煙葉，農(nóng)副 產(chǎn)品，輕紡，木材的一般干燥和加工，以及醫(yī)療行業(yè)。到了 90年代中后期，我國家用微波爐 產(chǎn)業(yè)迅速崛起，而工業(yè)微波能應(yīng)用產(chǎn)業(yè)也迅速擴大。微波加熱裝置已應(yīng)用于煙草工業(yè)，橡膠 硫化，微波燒結(jié)和冶煉，微波治污，微波浙青路面養(yǎng)護，微波化學(xué)萃取、合成和消解技術(shù)等領(lǐng) 域。微波能及微波等離子體在新材料和微電子技術(shù)為表征的高新科技領(lǐng)域具有更大的發(fā)展 前途。而微波硫燈、微波干衣機、微波熱水器、微波洗碗機等微波應(yīng)用產(chǎn)品，雖然目前尚未完 全成功，但可望在未來不久某些項目形成大的產(chǎn)業(yè)。使用微波加熱裝置加熱物料具有如下的幾個主要特點一、穿透性。微波比其它用于輻射加熱的電磁波，如紅外線、遠紅外線等波長更長， 因此具有更好的穿透性。微波透入介質(zhì)時，由于介質(zhì)損耗引起的介質(zhì)溫度的升高，使介質(zhì)材 料內(nèi)部、外部幾乎同時加熱升溫，形成體熱源狀態(tài)，大大縮短了常規(guī)加熱中的熱傳導(dǎo)時間， 且在條件為介質(zhì)損耗因數(shù)與介質(zhì)溫度呈負相關(guān)關(guān)系時，物料內(nèi)外加熱均勻一致。二、選擇性加熱。物質(zhì)吸收微波的能力，主要由其介質(zhì)損耗因數(shù)來決定。介質(zhì)損耗 因數(shù)大的物質(zhì)對微波的吸收能力就強，相反，介質(zhì)損耗因數(shù)小的物質(zhì)吸收微波的能力也弱。 由于各物質(zhì)的損耗因數(shù)存在差異，微波加熱就表現(xiàn)出選擇性加熱的特點。如水分子屬極性 分子，介電常數(shù)較大，其介質(zhì)損耗因數(shù)也很大，對微波具有強吸收能力。而蛋白質(zhì)、碳水化合 物等的介電常數(shù)相對較小，其對微波的吸收能力比水小得多。三、熱慣性小。微波對介質(zhì)材料是瞬時加熱升溫，能耗也很低。另一方面，微波的 輸出功率隨時可調(diào)，介質(zhì)溫升隨之改變，不存在“余熱”現(xiàn)象，極有利于自動控制和連續(xù)化生
產(chǎn)的需要。正是由于微波加熱具有上述的穿透性強，以及選擇性加熱的特點，一旦遇到要求 加熱位置接近微波源，或者是介質(zhì)損耗因數(shù)低的物料，大量微波能量會低損耗的通過待加 熱的物料，而不是被物料吸收轉(zhuǎn)化為熱量加熱物料。這種情況會造成微波加熱效率低，以及 微波能量的大量浪費。超穎材料，是指自然界不存在，而是通過人工方法做出的具有特殊性質(zhì)的結(jié)構(gòu)。超 穎材料是一種新穎的材料設(shè)計思想，這一思想的基礎(chǔ)是通過在多種物理結(jié)構(gòu)上的設(shè)計來突 破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超常的材料功能。迄今發(fā)展出的超穎材料包括“左手
3材料”、光子晶體、“超磁性材料”等。用金屬和介質(zhì)制成的超穎材料可以獲得與常規(guī)介質(zhì)材 料不同的性質(zhì)。在電磁波入射等效均勻的情況下，根據(jù)等效介質(zhì)理論，λ =C/Y，λ'= λ/η = c/ηγ，其中《 = ‘。對于等效介電常數(shù)實部大于1的介質(zhì)，其附近的微波波長小于 在真空中的傳播波長。采用超穎材料的設(shè)計思想，可以得到不同于一般介質(zhì)的微波傳輸特 性，從而改變超穎材料附近的微波波長，起到壓縮微波場，集中微波能量的作用。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型基于超穎材料的設(shè)計思想和等效介質(zhì)理論，提供一種具有超穎結(jié)構(gòu)材 料的微波加熱裝置。本實用新型提供的微波加熱裝置能將微波能量集中到特定位置，提高 物料的微波加熱效率，還能夠有效提高微波能量分布的均勻性，達到快速均勻加熱物料的 目的。本實用新型技術(shù)方案如下具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，如圖1至圖3所示，包括微波產(chǎn)生裝置(即磁 控管1)和微波輸出裝置(即波導(dǎo)或喇叭天線2)；還包括超穎結(jié)構(gòu)材料3，通過支架4放置 在微波加熱裝置的微波輸出窗口前。所述超穎結(jié)構(gòu)材料由金屬圖形層7和介質(zhì)層8復(fù)合而 成；所述金屬圖形層7為單層或多層結(jié)構(gòu)、并位于介質(zhì)層8表面或嵌入到介質(zhì)層中，且由均 勻分布的金屬圖形單元構(gòu)成；每個金屬圖形單元由一個或多個形狀和大小相同的金屬片構(gòu) 成旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。超穎結(jié)構(gòu)材料3中，所述金屬片的形狀可以是矩形、圓形、方環(huán)、圓環(huán)、“十”字形、“ S”字形，或裂開的矩形、圓形、方環(huán)或圓環(huán)；金屬片的厚度h大于金屬片所用金屬材料的微 波趨肽深度；所述介質(zhì)層板材料的復(fù)介電常數(shù)的實部小于10，虛部小于0. 5，具體材料可以 是滿足復(fù)介電常數(shù)要求的微晶玻璃、印制電路基板或陶瓷等。整個超穎結(jié)構(gòu)材料3的厚度 以不超過工作微波的二分之一波長為宜。磁控管發(fā)出的微波能量通過波導(dǎo)或喇叭天線等微波輸出窗口，微波能量會先經(jīng)過 超穎結(jié)構(gòu)材料，再輻射到待加熱物料表面。由于超穎結(jié)構(gòu)材料具有對稱或旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的 單層或多層金屬圖形單元，其等效復(fù)介電常數(shù)的實部高于真空中復(fù)介電常數(shù)的實部，可以 縮短金屬超穎材料附近的微波波長，起到壓縮微波場，集中微波能量的作用，從而達到用微 波快速加熱指定位置的效果。同時，超穎結(jié)構(gòu)材料上的超穎金屬圖形單元等價于在微波加 熱裝置中引入了發(fā)射微波的子波源，微波先經(jīng)過超穎金屬圖形單元再輻射到加熱物料上， 加熱物料表面的微波能量分布就變得更均勻。所以，在微波加熱裝置中增加超穎結(jié)構(gòu)材料， 能起到將微波能量聚集到指定位置，有效提高微波加熱物料的效率，還能夠有效提高物料 表面微波能量分布的均勻性。通過調(diào)整超穎結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以改變微波能量聚集 的位置，調(diào)整微波的穿透深度，也為微波加熱裝置的設(shè)計提供了一種簡便有效的新途徑。采 用不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的超穎結(jié)構(gòu)材料，可以在無須改變磁控管輸出微波的頻率、以及微波加熱 裝置主要部件的基礎(chǔ)上，滿足對不同位置物料進行微波快速加熱的需求。在開放式的微波 加熱系統(tǒng)中，采用具有超穎結(jié)構(gòu)的微波快速加熱裝置，也可以減少微波泄漏，減少微波防護 的壓力。需要說明的是1.金屬片的厚度h大于金屬片所用金屬材料的微波趨膚深度。為了節(jié)約成本，希望單元金屬片的厚度h越小越好，但至少應(yīng)該大于或最好不小于單元金屬片所用金屬材料 的微波趨膚深度的十倍。2.超穎結(jié)構(gòu)材料可以通過粘貼、絲網(wǎng)印刷、蒸發(fā)鍍膜或濺射鍍膜等方法將超穎金 屬圖形制作于介質(zhì)材料表面或嵌入介質(zhì)材料中來實現(xiàn)。3.超穎結(jié)構(gòu)材料中的介質(zhì)層材料的復(fù)介電常數(shù)的實部小于10，虛部小于0.5，這 樣微波可以低損耗的透過超穎結(jié)構(gòu)材料，基本不影響負載的微波使用和吸收。4.從磁控管產(chǎn)生的微波能量，透過波導(dǎo)或喇叭天線等微波輸出窗口，微波能量先 經(jīng)過超穎結(jié)構(gòu)材料，再向待加熱物料輻射。5.超穎結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括金屬片的大小和形狀，周期排列、旋轉(zhuǎn)對稱排 列，單層、雙層或多層，以及金屬片厚度等，在一定范圍內(nèi)均可調(diào)。對于同頻率的微波源，改 變參數(shù)可以得到不同的等效介電常數(shù)，從而改變微波的穿透深度，實現(xiàn)微波能量在不同位 置聚集和對物料的快速微波加熱。6.由于超穎結(jié)構(gòu)材料具有壓縮其附近微波波長的作用，本實用新型尤其適用于加 熱位置離微波輸出窗口距離很近，小于一個或幾個微波源波長的物料。7.由于超穎結(jié)構(gòu)材料等效于弓I入了若干個微波發(fā)射子波源，可以有效提高微波加 熱的均勻性。相對于龐大的微波加熱裝置的主要部件，超穎結(jié)構(gòu)材料重量較輕，可以使其 緩慢轉(zhuǎn)動以攪動微波場，從而實現(xiàn)更佳的微波加熱均勻性。8.在開放式的微波加熱系統(tǒng)中，采用超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，還可以有效 減少微波泄漏，減少微波防護的壓力。綜上所述，本實用新型提供的微波加熱裝置能將微波能量集中到特定位置，提高 物料的微波加熱效率，還能夠有效提高微波能量分布的均勻性，達到快速均勻加熱物料的 目的。

圖1是本實用新型提供的具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。其 中，1是磁控管，2是波導(dǎo)或喇叭天線，3是超穎結(jié)構(gòu)材料，4是固定超穎結(jié)構(gòu)材料的支架，5是 待加熱物料。圖2是超穎結(jié)構(gòu)材料的截面結(jié)構(gòu)示意圖。其中，7是金屬圖形層，8是介質(zhì)層。圖3是一種雙層的具有90°旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的超穎結(jié)構(gòu)材料的平面結(jié)構(gòu)示意圖。其 中(a)為一層金屬圖形層結(jié)構(gòu)；(b)為另一層金屬圖形層結(jié)構(gòu)；上下兩層的一對金屬片，其 夾角為40°。圖4是圖3所示超穎結(jié)構(gòu)材料的微波透過率的電磁仿真測試曲線。圖5是圖3所示超穎結(jié)構(gòu)材料的等效復(fù)介電常數(shù)實部的電磁仿真測試曲線。圖6具有三組磁控管和喇叭天線的微波加熱裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7采用一組磁控管和喇叭天線，用IkW微波對1500ml水加熱300s，直接加熱和 放置在超穎結(jié)構(gòu)材料下加熱，水溫上升時間At的對比曲線。
具體實施方式
具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，設(shè)計和制作時采用下面的步驟[0034]步驟1 電磁仿真，確定超穎結(jié)構(gòu)材料中金屬圖形層的金屬單元的結(jié)構(gòu)尺寸、周期尺寸、對 稱或旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。電磁仿真時需要考慮金屬材料以及介質(zhì)材料對微波的損耗等材料特 性。根據(jù)待加熱位置計算需要的等效介電常數(shù)，選擇和待加熱位置匹配的超穎結(jié)構(gòu)材料參 數(shù)。調(diào)整參數(shù)，使微波能低損耗的透過超穎結(jié)構(gòu)材料，在待加熱物料表面得到比較均勻的微 波能量分布。步驟2 根據(jù)步驟1的電磁仿真結(jié)果，采用優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作超穎結(jié)構(gòu)材料。可采用粘 合、絲網(wǎng)印刷、蒸發(fā)鍍膜或濺射鍍膜等方法制作。步驟3 將制好的超穎結(jié)構(gòu)材料放置在微波能量輸出窗口(波導(dǎo)或喇叭天線)前，位于微 波輸出窗口和待加熱物料之間；要求從磁控管發(fā)出的微波能量，傳播到微波輸出窗口，先經(jīng) 過超穎結(jié)構(gòu)材料，再輻射到待用微波加熱的物料位置。步驟4 進行微波加熱實驗。研究具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置加熱不同位置物料的 效率。用紅外熱像儀得到微波加熱時物料表面的溫度分布，從而得到微波能量在物料表面 的分布情況。根據(jù)微波加熱實驗的結(jié)果分析出微波的穿透深度、微波加熱效率和微波能量 的分布情況，證明這種具有超穎結(jié)構(gòu)的微波快速加熱裝置，確實具有使微波能量集中在特 定位置，提高物料的微波加熱效率，以及改善微波加熱均勻性的作用。反復(fù)重復(fù)步驟1、2、3和4，優(yōu)化超穎結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，使微波的穿透深度、微波加 熱的效率、以及微波加熱均勻性得到較好的統(tǒng)一。應(yīng)用舉例設(shè)計制作了一種具有超穎結(jié)構(gòu)材料的2. 45GHz微波加熱裝置。1.電磁仿真確定結(jié)構(gòu)參數(shù)根據(jù)電磁仿真結(jié)果確定結(jié)構(gòu)參數(shù)。圖3顯示了一種雙層的、具有旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的 金屬超穎結(jié)構(gòu)。在圖4中電磁仿真的透過率曲線中，對于2. 45GHz微波，微波的穿透率約 為-1. 2dB。微波能量經(jīng)過超穎結(jié)構(gòu)材料后，大部分微波能量向待加熱物料輻射，而不是反射 回去。2.計算等效介電常數(shù)計算超穎結(jié)構(gòu)材料的介質(zhì)板的等效介電常數(shù)。圖5的等效介電常數(shù)實部的曲線 中，對于2. 45GHz微波，該超穎結(jié)構(gòu)材料的等效介電常數(shù)約5. 7，遠大于空氣中的等效介電 常數(shù)1。電磁仿真得到的2. 45GHz微波場分布和微波能量分布，顯示出2. 45GHz微波經(jīng)過超 穎結(jié)構(gòu)材料后，介質(zhì)板附近的微波波長小于空氣中微波的傳播波長，且微波能量聚集在超 穎結(jié)構(gòu)材料附近。3.制作具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置根據(jù)圖3的結(jié)構(gòu)，用粘合的方法，在微晶玻璃板上制備了具有4次旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)的 雙層鋁片陣列。將該超穎結(jié)構(gòu)材料用支架固定在圖6的喇叭天線口和待加熱物料之間。磁 控管發(fā)出的2. 45GHz微波能量經(jīng)由喇叭天線，先經(jīng)過該超穎結(jié)構(gòu)材料，再輻射到待加熱的 物料上。[0051]4.微波加熱實驗采用圖6所示微波加熱裝置中的一組磁控管和喇叭天線，室溫12. 0°C，濕度48%， 采用微波功率IkWJi 1500ml水加熱300s。圖7顯示了水溫上升和超穎結(jié)構(gòu)材料到水面的 距離的關(guān)系。圖7中，隨著超穎結(jié)構(gòu)材料距水面距離H的減小，水溫的上升At呈現(xiàn)出指數(shù) 下降。將超穎結(jié)構(gòu)材料去除，得到了相應(yīng)的直接加熱1500ml水后得到的水溫上升與加熱距 離變化的關(guān)系，水溫的上升At呈現(xiàn)線性變化。圖7中，H > 25mm時，直接加熱水的效率高 于加入超穎結(jié)構(gòu)材料加熱的效率，當H < 25mm時，加入超穎結(jié)構(gòu)材料加熱水的效率高于直 接加熱的效率。該結(jié)果表明，在微波加熱裝置中加入超穎結(jié)構(gòu)材料后，微波能量主要集中在 距離超穎結(jié)構(gòu)材料25mm以內(nèi)的區(qū)域，可以實現(xiàn)對于特定距離(< 25mm)處物料的微波快速 加熱；且對于類似的開放式的微波加熱系統(tǒng)，距離介質(zhì)板25mm以外的區(qū)域，微波能泄漏也 遠遠小于直接加熱的情況。該結(jié)果與圖6中電磁仿真的微波場分布的結(jié)論一致。采用圖6中的三組磁控管和喇叭天線，總微波功率達到3kW，對一塊木板加熱60s。 采用紅外熱成像儀得到的木板表面的溫度分布。紅外熱像儀成像結(jié)果顯示直接加熱，溫度 分布不均勻；而在微波加熱裝置中加入了超穎結(jié)構(gòu)材料加熱的結(jié)果，大部分區(qū)域的溫度分 布比較均勻。若緩慢轉(zhuǎn)動或移動超穎結(jié)構(gòu)材料，改變微波集中加熱的位置，可以進一步提高 微波加熱的均勻性。采用這種方法，可以免除移動沉重的磁控管和天線陣列以獲得微波的 均勻加熱，更加實際可行且效果顯著。上述的電磁仿真和實驗結(jié)果證明，這種具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，可以 實現(xiàn)物料在特定位置的快速均勻加熱。
權(quán)利要求具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，包括微波產(chǎn)生裝置和微波輸出裝置；還包括超穎結(jié)構(gòu)材料(3)，通過支架(4)放置在微波加熱裝置的微波輸出窗口前；所述超穎結(jié)構(gòu)材料由金屬圖形層(7)和介質(zhì)層(8)復(fù)合而成；所述金屬圖形層(7)為單層或多層結(jié)構(gòu)、并位于介質(zhì)層(8)表面或嵌入到介質(zhì)層中，且由均勻分布的金屬圖形單元構(gòu)成；每個金屬圖形單元由一個或多個形狀和大小相同的金屬片構(gòu)成旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，其特征在于，所述微波 產(chǎn)生裝置為磁控管(1)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，其特征在于，所述微波 輸出裝置為波導(dǎo)或喇叭天線(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，其特征在于，超穎結(jié)構(gòu) 材料(3)中，所述金屬片的形狀是矩形、圓形、方環(huán)、圓環(huán)、“十”字形、“田”字形，或裂開的矩 形、圓形、方環(huán)或圓環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，其特征在于，超穎結(jié)構(gòu) 材料(3)中，金屬片的厚度h大于金屬片所用金屬材料的微波趨膚深度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，其特征在于，超穎結(jié)構(gòu) 材料(3)中，所述介質(zhì)層(8)材料的復(fù)介電常數(shù)的實部小于10，虛部小于0.5。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，其特征在于，所述介質(zhì) 層(8)材料是滿足復(fù)介電常數(shù)要求的微晶玻璃、印制電路基板或陶瓷。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，其特征在于，所述超穎 結(jié)構(gòu)材料(3)的厚度不超過工作微波的二分之一波長。
專利摘要具有超穎結(jié)構(gòu)材料的微波加熱裝置，屬于微波加熱技術(shù)領(lǐng)域。該微波加熱裝置包括微波產(chǎn)生裝置和微波輸出裝置；還包括超穎結(jié)構(gòu)材料(3)，通過支架(4)放置在微波加熱裝置的微波輸出窗口前；所述超穎結(jié)構(gòu)材料由金屬圖形層(7)和介質(zhì)層(8)復(fù)合而成；所述金屬圖形層(7)為單層或多層結(jié)構(gòu)、并位于介質(zhì)層(8)表面或嵌入到介質(zhì)層中，且由均勻分布的金屬圖形單元構(gòu)成；每個金屬圖形單元由一個或多個形狀和大小相同的金屬片構(gòu)成旋轉(zhuǎn)對稱結(jié)構(gòu)。本實用新型不僅可以有效提高特定位置物料的微波加熱效率，還能夠有效提高微波加熱的均勻性，也可以減少微波泄漏，減少微波防護的壓力。
文檔編號H05B6/74GK201742593SQ20102010912
公開日2011年2月9日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月3日
發(fā)明者吳喆, 戴耀澤, 曾葆青, 汪仁波, 黎曉云 申請人:電子科技大學(xué)