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展望新世纪微波功率应用发展前景[1]
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展望新世纪微波功率应用发展前景[1]
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发表于: 2007-01-01 19:28:04
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0 引言
Ggh.dZI4
微波技术是在第二次世界大战期间为了研制雷达而成熟起来的。当大战将结束时,
TF2>4 p
美国调整雷达的工程师发现自己口袋里的巧克力经常熔
Hk>79};
化了!立刻明白,这是电磁波对物质的作用所引起的,是和大功率电缆中绝缘介质损耗
o7B[R) 4
发热是一回事。好奇心驱使他们用微波装置作爆米花取
n~g)I&
得成功。这就是微波功率应用设备的雏形。早在三十年代在调试大功率无线电发射机时
k OvDl!^
,常常发现苍蝇或昆虫干瘪的死在空心螺线管中,这些
>0{S
偶然发现,明白的向人们启示了微波和无线电波均可造成加热、干燥现象。其实,微波
.nYUL>
和无线电波均是电磁波,只是微波的频率在300兆赫以
T!wo2EzE
上,而无线电波的频率在300兆赫以下。
'(f/~"9B
当然,发展无线电技术早期的工作技术重点,是采用各种频率的电磁波运载信息或
pLMRwgzr
获取信息,以构造现代绚丽多彩的生活。初创阶段不可
h25G/`
能把昂贵的无线电和雷达设备用于加热干燥。
>7!6nF3x,
采用无线电波加热作为工业应用,早于微波加热,称为射频加热。随着微波技术的
HTe<x
发展,所产生的微波功率不断提高,成本降低,就有可
^xf<nNF:p
能将微波电磁场的能量转变为物质分子的能量,作为科研、生产和医疗的手段。这 ..
t}v2$<!I
\%sVHt`c
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发表于: 2007-01-01 19:29:04
展望新世纪微波功率应用发展前景[2]
1 微波加热原理和微波功率应用设备
8A{_GH{:
微波电磁波具有两种传送状态。第一种,是由天线定向向空间传播,和光线一样,
cI]WrI2CQa
是直线传播。第二种,是由人为设置的导行传输状态,
(Qgde6
也就是制约电磁波在空心管道中传送,这种空心管道称为波导管,一般是矩形或圆形,
s:00yQ
由铜或铝等良导体制成。波导管采用的截面尺寸和所用
>;z<j$;F<
微波的频率有关。
d--y
在空心波导管中传播的微波电磁波,是将能量封闭起来传送。可以远距离传送,能
Og;-B0,A
量损失极小。若在波导管中充以非金属物质,造成传输
VL' fP2
功率的损耗,传送的距离就有限。是由于产生了电磁场和物质的相互作用,已将电磁波
r%DFve:%
的部份能量转变为物质分子的能量,其转换比例是和电
'03->7V
磁波的频率与该物质的损耗因子有关。从原理上说,可以把引入波导管中封闭传送的电
T]Nu)
磁波能量全部转变为物质分子的能量。温度的升高是物
(;VVCAoy
质分子增加能量的主要标志。
]nhr+;of/-
电磁波是以光的速度传播的,电磁波透入物质的速度也是和光的速度传播速度相接
K^r)CCO
近的;而将电磁波的能量转变为物质分子的能量的时间
>:=|L%]s;\
近似是即时的,在微波频段转换时间快于千万分之一秒。这就是微波可构成内外同时快
VL[)[~^
速加热的原理。
K/ &?VIi`z
传统加热固体物料,必须处在一个加热的环境中,然后由表及里,逐渐传导入固体
KRJLxNr
的内部,获得热平衡的条件,这就需要较长的时间。加
bVmAtm[
热环境,一般不可能很严格的绝热封闭,在很长的加热时间,就可能对环境散发了很多
,3I^?5
的热量。而微波功率是全部牌封闭状态,以光速渗入物
g+-;J+X8
体内部,即时转变为热量,就节省了长时间加热过程中的热散失,这就是微波加热的节
Ifk#/d
能原理。
W4;m H}#0
微波加热和射频加热相比的特点:
/v095H@
a. 场能转变为热能的比例高;
t6c<kIQ:-O
b. 容易将电磁波屏蔽起来,不逸散
+h2eqNr
实际的微波功率设备,一般由(1)微波功率源(2)应用器(3)波导元件和应用器
vd`}/~o
馈能结构(4)传感和控制四个部份组成。
H' T
产生微波功率的微波功率源,一般采用磁控管作振,在该管中,热阴极发射电子,在
nN$Y(2ZN
强恒磁场作用下,电子作圆周运动;磁控管内部的谐
B12$I:x`
振腔使电子减速,这样就使电子的动能,转变为电磁波的能量,在谐振腔中积累,送入
y}C`&nW[=
波导管中,再送入应用器供使用。磁控管需要直流高压
J/7R\;q`~o
供电,灯丝加热供电及恒磁场线圈供电并需要相应的保护和控制电路,组成微波功率源
#S%Q*k<hw
的整机。直流高压或恒磁场的励磁电流,均可控制微波
8+mH:O
功率的输出量。
S'dV>m`
微波应用器是扩大了的波导管,采用它作为电磁波和物质相互作用的场所。设计考虑
6.t',LTB
是适应加工物料的形态和处理要求,可分为行波型和
QZ `tNq :/
谐振型。
3Rm#-T s
波导元件是微波功率源和应用器之间的连结部件,是为了解决既让磁控管获得最佳的
_WX#a|4h{
负载工作条件,而又使应用器能获得有效的馈入效果,从微波技术的角度来考虑,是通
1>Q{Gs^
过多种波导元件和馈能结构来完成的,同时波导元件提供了入射功率量和溢出反射功率
7^}Ll@
量的数据。传感器的配置,是为了觉察场和物质作用的程度,是否符合加工需要,如温
nS()u}c;r
度传感和湿度传感等。设备可根据实时的传感数据和微波功率源实时工作状态,对功率
D71;&G]0
源的输出及传送速度等实施有效的控制。
)m3q2W
将微波功率应用设备分为四部份,是非常必要的。一般而言,应用设备均是单件生产
Qr#1 u
或小批量的生产,是必须按照特定的使用要求进行设
q.Nweu!jQ
计的,是一种类似“量体裁衣”的过程。将微波功率应用设备分为四部份,其中微波功率
Z -%(~
源和波导元件是微波工程设计、传感和控制工程设计。
T^Ab!O
这三部份具有较强的通用性,并不受应用对象不同而变更。多年来,我们强化了这三部
2!N8rHRt
份的标准化和系列化工作,提高了这些部件的可靠性和
.I3?7
稳定性,为整机的可靠性提供了有力的基础,并缩短了研制整机的周期。
R~bC,`Bh
微波应用器设计具有较强的针对性,因不同的应用对象的处理要求、不同的状态、形
E^w:KC2@
状、大小而异,是多学科会合的工程设计,近年来,
BF{w)=@/'
我们采用微波应用器系列设计的方法,不同的系采用特定的通用部件组装,将新设计的
4E44Hzs
部件降到极少,这样,进一步缩短了设备的研制周期,
y {q*s8NY
并保证了设备的可靠质量。
p8wyEHB
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发表于: 2007-01-01 19:29:59
展望新世纪微波功率应用发展前景[3]
2 我国微波功率应用的现状
'NZGQebK
我国在七十年代的初期,就关注着国外微波功率应用技术的发展。早在1972年底电
31Cq22"
子工业部在南京772厂(即三乐电气总公司)召开的
m9M FwfZ
一次微波电子管技术研讨会上,着重讨论了微波电子管在新领域中的应用可能发展,新
Fb2%!0i
领域即是微波加热干燥的工业应用、微波治疗、微波
3E} An%
诊断及微波等离子体等领域。而开展新领域的研究工作的先导,必须研制大功率连续波
8:ggECD
磁控管。当年772厂即着手研制915MHz和2450MHz的连
j-]&'-h}#
续波磁控管,并在研制成功两个频段连续波磁控管的基础上,又研制了我国首台2450MH
mN0=i(H<
z微波理疗仪,及915MHz微波加热设备。1974年春首台
_i}wK?n
微波加热设备在北京展出,展示的微波快速加热现象,吸引了工业界人士的普遍关注。
E_$z`or
1974年11月电子工业部在南京772厂召开了微波能应用
:ZdUx
技术座谈会,会议介绍了国外微波功率在工业生产、农业生产和医疗事业中的应用,讨
~Pk0u{,4XQ
论了在我国发展的前景。
b syq*
经过二十多年的努力,我国已经将微波功率应用这个研究领域初步建立了基础,77
8OWmzY_=
2厂研制的微波功率设备已在食品、木材和竹制品加工、
>=ot8%.!,B
制药、纸品、酿酒、橡胶、化工等工业生产中站稳了脚根,改善了生产条件,提高了产
NTs;FX~g[
品的质量,所研制的多种微波等离子设备、微波高温设
^ L:cjY/
备和微波真空干燥设备已成为多种学科的重要科研手段。
_BnTv$.P
就全国的情况来说,我国微波功率应用技术的推广,二十多年来是一段十分艰辛的
"cho }X
路程,目前取得了初步成绩,奠定了继续发展的基础,
? y},,
这个基础的主要标志是:
B%<e FFV\
(1)微波加热干燥、微波食品加工和微波杀菌、杀虫已在多种工业中广泛应用
jm>3bd
(2)家用微波炉已形成规模生产的能力;
Z+s%;f;
(3)微波医疗仪的临床应用已取得了普遍的成功;
cu#e38M&eE
(4)目前多个领域前沿课题,采用微波功率这个有力工具,已取得了许多可喜进展,拓
=4C}{IL
展新领域研究阵地,已跟上了世界的步伐
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发表于: 2007-01-01 19:31:04
展望新世纪微波功率应用发展前景[4]
从世界各国研究动向来看,微波功率应用正处在向新领域发展的时期,即研究的重
P@ypk^v
点已从传统的加热干燥、食品加工转向多个高新技术领
2/Nq'
域,作为研究工作的一种崭新工具。主要的领域有:微波催化化学反应、新材料微波加
y,C!9l
工处理、微波气体放电的多种应用的研究等。
5rN_jC*U
微波化学的实验研究,几乎遍及化学、化工所有领域,大量的文选报告显示了微波
P[gO85
电磁场可以加速化学反应,可将反应时间缩短到原需时
ySX/=T:<;
间的十分之一到千分之一,给化学工业引入了诱人的前景。
to3?$-L
微波高温技术可以烧结精细陶瓷,可焊接陶瓷,并可加工和处理材料,如高分子材
Y^lQX~I2{
料的热定型,非金属材料热处理,微波方法优于常规方
nsJ:Osq|
法。
wz#[:2
微波气体放电,即以微波电磁场形成低温等离子体,是微波功率应用研究的一个主
f'/ KMe%<
要方面。微波等离子体化学气相沉积制膜(MPCVD)和
[STje8+V
等离子体刻蚀,是微电子加工的主要工艺手段,金刚石薄膜的制备和光纤的制备也采用
H:}}t]E
MPCVD方法,超细粉末的制取,微波等离子体方法,具
=t+ ('
有多种优点。微波等离子体中,多种粒子的活性强于射频等离子体,用于化学反应及材
tW6#e(^l6
料处理具有更有利的条件。此外,由微波无电极放电构
,7/ _T\d<
成强照明光源(如硫灯),微波臭气发生器等,有可能逐步走向产业化。
\XH@b6{
据初步的文选调研,我国正在进行的微波功率新领域研究工作的热点,可以列举如下
*re 44
:
r%MyR8'k]
(1)微波选矿(微波辅助热解)的研究,有色金属的硫化物转化为氧化物,镍的碳酸盐
T&}Ye\%
转化为氧化镍,金矿砂的脱硫和放射性同位素的硝酸
-ut=8(6&
盐转化为氧化物等已取得了实验室成果。
;<6"JP>0
(2)微波辅助有机和无机化学反应,提高化学反应速率做了大量的实验室工作。
[!+D<Y
(3)微波辅助萃取技术的研究。微波电场能加快溶解速率,改善溶解度,已在多种实验
ZxSsR{
室取得了显著成效。用微波辅助萃取方法,科学规范
}""p)Y&
生产,将是必然趋势。
qe?Ggz3p.
(4)以天然气代石油制取乙烯等化工原料,采用微波辅助催化化学反应和微波等离子体
jn=ug42d
技术,在实验室中已取得了较好的收率。
|$w*RI0C
(5)活性碳和柴油过滤器的微波再生方法,已得到了良好的实验效果。
X\A]"su
(6)我国早在八十年代初期就开始研制多种微波等离子设备,如MPCVD设备,等离子刻
EZAm)5:]A
蚀设备,激光的微波泵源的研制工作。近年来又开始
S=9E@(]
研制微波无线电极放电硫灯强光源,微波气体放电构成臭氧发生器(在臭氧的环境下,
WM< \e
延长粮食的保质期,是一种有效方法)。
'C]jwxy
(7)微波高温技术,用于烧结陶瓷和焊接陶瓷,我国已经取得了许多实验成果。国外的
qzdaN5
趋势是常规加温技术并结合微波高温方法,以改进陶
"\T"VS^pd
瓷工业的生产,已有小规模的生产设备。我国也具有这方面的基础和经验,应早日启动
Cg6;I.K
该项工作。
zeOb Aw1O
(8)从八十年代初就已经立项从事煤和石油的微波脱硫的研究工作,目的希望早日形成
v5Y@O|i#
燃烧过程中清洁排放。对固、液、气三态的废物处理,
# cWHDRLX
也结合微波方法,进行了初步的实验研究。
N du7nKG
从这些课题的内容可以看到,对新领域的研究工作,我国和国外的差距并不太大。
I)[B9rbe
目前应切实解决许多实际难题,以加强向产业化转化的
!LSs9_w
力度,才能对我国的经济建设和生态环境的改善见实效。
Y^eX@dEFR
4 加强微波应用基础研究是进一步发展的基本条件
0/A-#'>
如上所述,我国对微波功率应用对新领域开拓性的实验研究工作涉及的面很广,积
Q]i[.ME
累了很多经验,取得了许多开创性的研究成果,这是
S:97B\u`
令人鼓舞的。但是,把这些实验室的结果转变为生产力,使产业化的进程赶上世界前进
BR3mAF
的步伐,还不容乐观。从微波工程的角度来看,我国用
[b`$\o'-
于新领域实验研究的设备,尚属较原始的状态,而且处理量一般较小,扩大到产业化的
rgR?wXW]jE
规模,还有许多具体难点需要解决,走向产业化还有
Q;gQfr"c7
一段艰苦奋斗的路程。
@ R'E?|
从国外新领域的实验研究表明:需要对微波功率应用设备有更高的要求。停留在原
i7v/A&Rc
有水平的设备,难于适应新领域研究的需要。首先,对
D0M!"c>\
微波功率源就有较高的要求,要求工作高可靠,输出的微波功率具有高稳定度和重调精
F ?mA1T>x
确度,低波纹因素,并具有调制功能,以适应改变条件
wiV&xl
,取得较佳的实验效果,并具有可靠的重复性。第二,设备远实时传感,监示和高速是
/#\?1)jCK
需要的。传感设置,是目前国产设备的薄弱环节,需要
=YoTyq\
完善这些功能。为了确保监示的精确性,及调整的可靠性,需要着手改进目前大功率波
c,BAa*]K
导元件的性能,及研制应用器的多种适应性强的馈入结
XARSGAuw
构。
HD|sr{Z%
由此可见,为适应新领域应用研究的需要,微波功率源、波导元件及传感和控制这
HWbBChDF
三部份通用性强的基础部件,还有大量的改进工作要做
M7p8^NL
,使这些基础部件的技术指标,达到国外先进的水平。
|0w~P s
,使这些基础部件的技术指标,达到国外先进的水平。
]L]T>~X`
目前已成功运用的微波功率生产设备,还需要改进和提高。这些通用基础部件质量
@^HwrwRA
的提高,将为改进目前的应用设备,提供扎实的基础。
!u0U5>ccw
就可能使目前的微波功率应用设备更规范化,使工作更稳定可靠,加热更均匀,并配以
9S"N4c>
可靠的传感功能,可使设备的工作状态得到实时监示,
3;D?|E]1
使电磁场和物质相互作用的状态具有可觉察性,具有配置闭环自控的基本条件,设备日
_W+Q3Jx-(
趋完善,这样就可缩小和国外先进同类产品的差距,使
jEE_D +K
目前国内以进口设备为主的橡胶微波硫化设备和印刷干燥设备,全部采用国产设备。一
7K !GK
旦我们的应用设备的质量跃上一个台阶,就有可能将微
E3tj/4:L
波功率应用于加热的领域不断拓宽。如化工材料、玻纤的干燥、陶瓷坯体的干燥和定型
f(.6|mPp
、纺织、印染、印刷工业的应用,大型冷冻肉食品解冻
o[{&!t
的应用,完全可以采用微波功率设备,改善生产条件并缩短生产时间。现有微波功率应
A:xb!= 2
用设备的改进和提高,并可靠的运用,无疑将为新领域
;y>'yq}
应用设备提供了有益的经验和基础部件。
TAAR'Jz S
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展望新世纪微波功率应用发展前景[5]
5 多学科会合攻关使研究工作早日转向产业化
d^_itC;-,
微波功率应用是多学科交叉的课题,就新领域的研究而言,多学科的充分渗透犹为
y8}"DfU.
重要。二十多年的经验表明,应用学科的许多研究工作
w[M5M2CF
若不清楚微波原理的基本框架、主要原则和现状,所立的研究课题往往会多次反复,长
(OQi%/Oy
期在实验室中徘徊,研究工作进展的速度不快,而不清
FqL`Kt
楚应用学科具体课题的基本要求,处理的主要环节,所作的微波应用器的工程设计,将
(T4k~T`3
会造成使用不当,造成大量浪费。这些虽然都是过去的
%!D_q~"H
历史,但是这些应该吸取的经验,必须给予高度的重视,对于开拓新的应用领域,更具
AV9:O{
重要意义。
a\Tr!Be,
微波应用的研究课题,必然存在着多学科能够从充分对话、渗透,然后找到多学科
=^ gvZ|]
规律的会合点的过程。不能忽视多学科从理论角度深入
@!,D%]8"
对话的必要性,因为多学科的理论规律,可以预示许多方向性的原则,就可以较可靠的
@eA %(C
给出应用器设计的具体要求,及实验的实际运作程序,
@b8X%0B7
避免多走弯路,节省时间。
*SXSF95
多学科的会合既应包括研究工作策略、方案和设计,又应包括失败和成功的经验的
?<g|.HY/
讨论和总结,才能涵盖研究工作的完整规律,而找到前
vr<)Ay
进的方向。
O} (E(v
预计将科研成果转化为生产力,更要注意从多学科会合来考虑,一个科研项目的成
0.3^
果应还要充分重视类似产业或现有同类规模生产产业的
3l.Nz@a*
成功经验,作出向产业化转化的方案。微波技术并不能替代原有生产流程的一切规律,
?F!W#
微波技术可以找到原有生产流程的薄弱环节,在这个环
y K=S!7p\
节上补充、加强或代替,而使原有的流程得到一个很大跨度的改进。
|\rSa^:5
如微波橡胶硫化设备的研制就是一个明显的例子。硫化温度和硫化时间对一定的产
<&*#famX
品均有一个确定的最佳区间,常规方法是升温时间和硫
EOofa6f&l
化时间的矛盾,对大体积的产品而言,由表及里的常规加热,欲使内部达到预定的硫化
4h(jw
温度,需要很长的时间,表层橡胶已超过了硫化时间,
-.^= Z!=M
达到了过硫化状态,而内部尚处于硫化处理不足。传统方法对整个产品难于达到均匀一
=nw,*q +
致的硫化处理。微波橡胶硫化设备的设计、微波加热仅
yr (g~MQ
用于迅速升温到预定的硫化温度一段区间,而已到达硫化温度后,立即由传统的加热方
?@yank|
法作保温处理,如此安排,微波橡胶硫化设备,既加快
$;Q=iv3
了生产时间、节约了能源,又得到均匀硫化处理的效果,改善了产品质量。
;cnnqT6
再如微波高温烧结陶瓷的研究工作表明,微波高温方法升温快,可缩短生产时间,
`s#sE.=o
改善陶瓷产品的质量。但是实验研究烧结过程烧成率低
`f2W;@V0
,难于掌握迅速升温的各个环节。冷静的思考,改进陶瓷烧结的工艺,还应该是常规加
_Eszr(zJ
热和微波加热相结合的方法,初始升温不必采用微波方
'[ @F%
法,待到达500°C以上,(陶瓷坯体吸收微波能量的系数受温度升高而提高),此时,
(xjqB{U
用微波方法即可将坯体内外一致达到烧结温度,而保温
eR(\s_`
、降温仍然采用常规方法。这个想法和看到的报导不谋而合,国外已在这个思路的前提
,,zd.9n
下,研制小型微波烧结和传统烧结相结合的传送式窑炉
KC#kss
,得到了很好的烧结效果。
ZKZl>dDuh
利用微波功率所进行的多项科学研究,实际上是在寻求相关多学科规律会合点上下
`\nON
功夫。微波功率工程方面的技术工作,正在积累经验,
i=x.tsJ:hB
逐渐探索和相关应用学科相配合,在不同领域共同找到攻克研究工作难点的方法,使各
q.U*X5
项高科技研究早日向产业化转化。
xNocGtS
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发表于: 2007-01-01 19:32:41
展望新世纪微波功率应用发展前景[6]
6 微波与传统加热干燥技术相结合
xl1L4R)6D
目前,大型微波功率应用设备主要在加热干燥和食品加工的生产中运用。但从目前
Wq=ZU\Y
需求的情况来看,微波功率应用设备尚未能满足多个领
)x_W&