设计大容积的工业微波炉要考虑不同的原则

众所周知，工业微波加热用的微波炉（行波加热器除外）与家用微波炉最大区别在于两者的微波功率和炉腔体积相差很大。通常家用微波炉的容积一般在15～30立升之间，欧美地区一般在25～40立升之间，而工业微波炉的容积则在500立升以上，有时甚至可达数万立升。因此在设计这类大容积的工业微波炉时就有许多不同的考虑原则，但主要还可归纳为以下几个因素：

1、    具有足够高的微波功率密度；

2、    具有足够多的模式数，以保证炉内微波场强分布的均匀性；

3、    与微波源具有良好的耦合方式，保证足够高的耦合效率；

4、    避免炉内尤其是耦合口附近产生因高水汽产生的高频击穿；

5、    具有良好的防泄漏装置，保证操作位上的人员的安全性。

本文重点讨论2、3、4几个问题

一、  多模腔的设计

    通常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，换句话说，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，这就是为什么人们总是希望去设计一个腔体体积较大的炉腔去改善炉腔内电场的均匀性。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，当然从能量守恒定律出发，只要在增大体积的同时，腔体四周的金属边界不增加损耗（如采用理想的或接近理想的金属材料制造），那么即使功率密度的下降也不会对加热效果产生显著的影响，然而在实际情况下，任何金属材料的导电率都是有限的，尤其是不锈钢，它的损耗是铝的25倍，是铜的41倍，是银的44倍，因此如采用不锈钢作为炉腔的材料，在增大体积的同时却大大增加了整个腔壁的面积和损耗，这种情况下采用增大体积的办法只有在同时增大微波输入功率的条件下才是正确的。这就是目前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，在工业微波炉中，由于被加热物料体积因素的考虑，炉腔容积通常在500～20000立升之间，有时甚至更大。在这样大的腔体内如采用915MHz或2450MHz波段的微波磁控管作为微波源，这显然是工作在大大的"过模"状态，因此在其中可能存在的模式数非常之多。这种情况下，只要功率密度足够，炉腔内的场分布均匀性是比较理想的。这种炉腔的空载品质因数非常之高，但一旦加入待加热的物料（特别是高含水量的物料）后，炉腔的有载品质因素急剧下降，这种下降程度可达3～5个数量级之谱，有时甚至无法谐振了，一个典型的高Q谐振系统变成了一个低Q的微波辐照系统。

    第二个因素则是被加热物料的形状和体积大小，炉腔尺寸特别是横截面尺寸的选择主要是考虑物料的体积大小及形状要求，长度方向的选择则应考虑到微波功率及加工的产量要求。

    第三个因素是应根据被加热物料含水量的高低去选择炉腔的容积，特别是长度方向上的尺寸，含水量低的长度可短些，否则应长些。

    第四个因素则是根据微波源的馈能口的数目多少，是单馈口还是多馈口，是单微波源还是多个微波源（特别是互相独立的多个微波源）。

    第五个因素则是腔内功率密度的大小，过高的微波功率密度将导致以下两个效果。

（1）、炉内空气或气－汽混合物的介质击穿；

（2）、过大的内应力造成被加热物料的损坏。

    综上所述，我们在设计一个多模腔时应根据诸多相互制约因素的限制，从理论上特别是实验上选择合理的尺寸，以期达到具有良好均匀分布，高效率的安全运行的高产量的工业微波炉。

    最后应当指出，在工业微波炉中由于功率较大，因此通常采用三相全波整流非滤波的供电系统，这一直流电源使得磁控管的电流脉动大大降低，因此不会出现象家用微波炉中因采用半波倍压直流电源导致的微波源的多频输出现象，另一方面，工业微波炉中通常在微波源输出与炉腔之间接有环流器，这样负载变化不会对微波源产生频率和功率牵引现象。这两个因素使得工业微波炉中使用的磁控管性能较为稳定。

二、  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。由于连续波磁控管目前多为轴向同轴天线输出结构，因此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。对单模腔来说，耦合口位置及耦合方式决定了该模式能否被激励起来，但激励后的谐振频率则完全由腔体的边界所确定。而多模腔的情况要复杂得多，因为多模腔中被激励的众多模式（包括TEmnp模及TMmnp模），是由耦合口多少及位置和边界条件共同决定的；同样的边界条件可以激励起多少模式就由耦合装置来确定了，因此可以通过电场仿真或凭经验来确定耦合口的多少，特别是具体的分布方式及相互位置，但有一个共同的前提，那就是应最大限度地激励起尽可能多的模式，以保证炉腔内的场分布的均匀性。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价格低廉，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，多模腔将低效率地工作，甚至无法运行还会毁坏管子。

    这种情况下，需要考虑各振荡源之间的交*耦合及其对振荡器寿命及加热均匀性的影响。

    每一振荡器都会受到由于匹配不理想而产生的反射以及其它振荡器的部分能量的影响。这些能量的总和必须不超过按振荡器技术规范所能接受的允许的反射能量，计算由功率密度和品质因素所确定的炉内壁电流的大小，并与仅由振荡器单独输出功率时在其馈口处的壁电流相比较可以估计交*耦合的影响，由此可以得出该振荡源看到的有效的反射系数值。20多年前，英国在896/915MHz上使用了36个1.5kW的磁控管，建立起近54kW的功率，其耦合效率几近100％，而目前我国也已有数目达80甚至100个以上的多管输出结构，但具体耦合效率不详。

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*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（即QL较高情况下）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。遗憾的是很多设计者直接采用多隙缝微波同相天线的设计和计算方法作为理论根据，我们认为，工业微波炉的多隙缝微波辐照系统与雷达中的同相天线要求是不同的，前者要求在近区中功率均匀辐照至物料上，同时微波源应与天线良好匹配，而同相天线则要求在远区产生一定方向图的波束，因此在这些隙缝在轴向的相对距离上要求是不同的，对同相天线来说，相隔距离应为半波长，以保证相互辐射的同相要求，而微波加热中的隙缝相隔距离是使隙缝间的交*耦合最小以及防止隙缝反射造成的相互叠加，因此此距离应等于3/4λg，而不是同相天线中的1/2λg，而各隙缝离波导中心线的距离应考虑各隙缝的等功率辐射。波导终端应具有可调节的活塞以保证良好的匹配，设计良好时驻波比可在1.1~1.4之间，耦合效率可高达95％以上。

三、  高功率密度时炉腔内的高频击穿或放电

    在实际运行中，我们经常发现在加热过程中会产生高频击穿现象。这种击穿有几种可能的原因，一是炉腔内有些结构上存在的缺陷，如金属毛刺，搭接隙缝等导致微波放电产生火花；另一种常见情况是炉内的空气或水汽混合物的气体击穿；第三种是一些具有高介电常数的颗粒形材料由于颗粒间接触点上的场强集中导致介质击穿，从而引起局部过热，最后导致过热空气的高频击穿。不管是什么原因导致的击穿和放电，尤其是发生在波导耦合口附近的放电又会诱发波导馈线中的雪崩击穿，这时就会造成微波源和环形器的损坏或伤害，这一点是至关重要的，因为目前大功率微波源和环形器的价格是可观的，无论是管子还是环形器的损坏都将造成停产待修，增加生产成本，影响产量和效益。

    为此，我们在设计和加工过程中应力求炉腔内表面平整光滑，特别是焊缝或接缝处应没有明显的间隙，保证接触良好，为了防止在水汽排出过程中由于功率密度过高引起的气体击穿，可将带在馈口的波导或多隙缝天线从顶部移至底部，馈口向上，从而避免水汽进入波导口引发波导内灯火，保护了环形器和磁控管的安全运行。

四、  其它类型工业微波炉

    除了上述多模腔结构的工业微波炉外，目前尚存在许多行波型工业微波炉，如曲折波导，V形波导，脊形波导，表面波波导，螺旋波导，圆或椭圆波导，同轴波导，盘荷波导……等，在这些加热器中，微波以行波（快波或慢波形式）形式沿波导传播、利用波导中的具有一定极化方向的电场与物料的相互作用达到加热的目的，这些行波加热器特别适用于丝或杆状、带状、片状等物料的加热，例如各种塑料或尼龙丝、橡皮条、纸片、纸张或纸板，布匹、胶片、木板、地毯等。