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展望新世纪微波功率应用发展前景 ,,

时间:2008-08-06 03:23:46  浏览:        

 引言

微波加热原理和微波功率应用设备

我国微波功率应用的现状

微波功率应用正在走向高科技领域

加强微波应用基础研究是进一步发展的基本条件

多学科会合攻关使研究工作早日转向产业化

微波与传统加热干燥技术相结合

 

0  引言

    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,美国调整雷达的工程师发现自己口袋里的巧克力经常熔化了!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发热是一回事。好奇心驱使他们用微波装置作爆米花取得成功。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,常常发现苍蝇或昆虫干瘪的死在空心螺线管中,这些偶然发现,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,微波和无线电波均是电磁波,只是微波的频率在300兆赫以上,而无线电波的频率在300兆赫以下。 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获取信息,以构造现代绚丽多彩的生活。初创阶段不可能把昂贵的无线电和雷达设备用于加热干燥。

  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。随着微波技术的发展,所产生的微波功率不断提高,成本降低,就有可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。这种透入物质内部,即时转化为分子热能的方法,改变了传统加热由表及里的概念,创造了快速升温的新技术。

1  微波加热原理和微波功率应用设备

    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,是直线传播。第二种,是由人为设置的导行传输状态,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,由铜或铝等良导体制成。波导管采用的截面尺寸和所用微波的频率有关。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,能量损失极小。若在波导管中充以非金属物质,造成传输功率的损耗,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,已将电磁波的部份能量转变为物质分子的能量,其转换比例是和电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磁波能量全部转变为物质分子的能量。温度的升高是物质分子增加能量的主要标志。 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近的;而将电磁波的能量转变为物质分子的能量的时间近似是即时的,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速加热的原理。

    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,逐渐传导入固体的内部,获得热平衡的条件,这就需要较长的时间。加热环境,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的热量。而微波功率是全部牌封闭状态,以光速渗入物体内部,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能原理。

微波加热和射频加热相比的特点:

a. 场能转变为热能的比例高;

b. 容易将电磁波屏蔽起来,不逸散

   实际的微波功率设备,一般由(1)微波功率源(2)应用器(3)波导元件和应用器馈能结构(4)传感和控制四个部份组成。

   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,在强恒磁场作用下,电子作圆周运动;磁控管内部的谐振腔使电子减速,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,送入波导管中,再送入应用器供使用。磁控管需要直流高压供电,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,组成微波功率源的整机。直流高压或恒磁场的励磁电流,均可控制微波功率的输出量。

  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。设备是适应加工物料的形态和处理要求,可分为行波型和谐振型。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,对功率源的输出及传送速度等实施有效的控制。 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或小批量的生产,是必须按照特定的使用要求进行设计的,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,其中微波功率源和波导元件是微波工程设计、传感和控制工程设计。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,我们强化了这三部份的标准化和系列化工作,提高了这些部件的可靠性和稳定性,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。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、形状、大小而异,是多学科会合的工程设计,近年来,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,将新设计的部件降到极少,这样,进一步缩短了设备的研制周期,并保证了设备的可靠质量。

2  我国微波功率应用的现状

     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年底电子工业部在南京772厂(即三乐电气总公司)召开的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,新领域即是微波加热干燥的工业应用、微波治疗、微波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磁控管。当年772厂即着手研制915MHz和2450MHz的连续波磁控管,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微波理疗仪,及915MHz微波加热设备。1974年春首台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。1974年11月电子工业部在南京772厂召开了微波能应用技术座谈会,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,讨论了在我国发展的前景。 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,772厂研制的微波功率设备已在食品、木材和竹制品加工、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,提高了产品的质量,所研制的多种微波等离子设备、微波高温设备和微波真空干燥设备已成为多种学科的重要科研手段。

    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路程,目前取得了初步成绩,奠定了继续发展的基础,这个基础的主要标志是:

(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

(2)家用微波炉已形成规模生产的能力;

(3)微波医疗仪的临床应用已取得了普遍的成功;

(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,拓展新领域研究阵地,已跟上了世界的步伐

微波功率应用正在走向高科技领域

    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,即研究的重点已从传统的加热干燥、食品加工转向多个高新技术领域,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、新材料微波加工处理、微波气体放电的多种应用的研究等。 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电磁场可以加速化学反应,可将反应时间缩短到原需时间的十分之一到千分之一,给化学工业引入了诱人的前景。

    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,如高分子材料的热定型,非金属材料热处理,微波方法优于常规方法。

    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要方面。微波等离子体化学气相沉积制膜(MPCVD)和等离子体刻蚀,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MPCVD方法,超细粉末的制取,微波等离子体方法,具有多种优点。微波等离子体中,多种粒子的活性强于射频等离子体,用于化学反应及材料处理具有更有利的条件。此外,由微波无电极放电构成强照明光源(如硫灯),微波臭气发生器等,有可能逐步走向产业化。 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

(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,镍的碳酸盐转化为氧化镍,金矿砂的脱硫和放射性同位素的硝酸盐转化为氧化物等已取得了实验室成果。

(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。

(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,已在多种实验室取得了显著成效。用微波辅助萃取方法,科学规范生产,将是必然趋势。

(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技术,在实验室中已取得了较好的收率。

(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。

(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,等离子刻蚀设备,激光的微波泵源的研制工作。近年来又开始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,延长粮食的保质期,是一种有效方法)。

(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。国外的趋势是常规加温技术并结合微波高温方法,以改进陶瓷工业的生产,已有小规模的生产设备。我国也具有这方面的基础和经验,应早日启动该项工作。

(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,目的希望早日形成燃烧过程中清洁排放。对固、液、气三态的废物处理,也结合微波方法,进行了初步的实验研究。

    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。目前应切实解决许多实际难题,以加强向产业化转化的力度,才能对我国的经济建设和生态环境的改善见实效。

加强微波应用基础研究是进一步发展的基本条件

     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,积累了很多经验,取得了许多开创性的研究成果,这是令人鼓舞的。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的步伐,还不容乐观。从微波工程的角度来看,我国用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,扩大到产业化的规模,还有许多具体难点需要解决,走向产业化还有一段艰苦奋斗的路程。

    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。停留在原有水平的设备,难于适应新领域研究的需要。首先,对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确度,低波纹因素,并具有调制功能,以适应改变条件,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,监示和高速是需要的。传感设置,是目前国产设备的薄弱环节,需要完善这些功能。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导元件的性能,及研制应用器的多种适应性强的馈入结构。

    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三部份通用性强的基础部件,还有大量的改进工作要做,使这些基础部件的技术指标,达到国外先进的水平。 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的提高,将为改进目前的应用设备,提供扎实的基础。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,并配以可靠的传感功能,可使设备的工作状态得到实时监示,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,设备日趋完善,这样就可缩小和国外先进同类产品的差距,使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。一旦我们的应用设备的质量跃上一个台阶,就有可能将微

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、纺织、印染、印刷工业的应用,大型冷冻肉食品解冻的应用,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。现有微波功率应用设备的改进和提高,并可靠的运用,无疑将为新领域应用设备提供了有益的经验和基础部件。

多学科会合攻关使研究工作早日转向产业化

     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重要。二十多年的经验表明,应用学科的许多研究工作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,长期在实验室中徘徊,研究工作进展的速度不快,而不清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,将会造成使用不当,造成大量浪费。这些虽然都是过去的历史,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,更具重要意义。

    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,然后找到多学科规律的会合点的过程。不能忽视多学科从理论角度深入对话的必要性,因为多学科的理论规律,可以预示许多方向性的原则,就可以较可靠的给出应用器设计的具体要求,及实验的实际运作程序,避免多走弯路,节省时间。 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讨论和总结,才能涵盖研究工作的完整规律,而找到前进的方向。

    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,一个科研项目的成果应还要充分重视类似产业或现有同类规模生产产业的成功经验,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,微波技术可以找到原有生产流程的薄弱环节,在这个环节上补充、加强或代替,而使原有的流程得到一个很大跨度的改进。 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品均有一个确定的最佳区间,常规方法是升温时间和硫化时间的矛盾,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温度,需要很长的时间,表层橡胶已超过了硫化时间,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致的硫化处理。微波橡胶硫化设备的设计、微波加热仅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法作保温处理,如此安排,微波橡胶硫化设备,既加快了生产时间、节约了能源,又得到均匀硫化处理的效果,改善了产品质量。

    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,改善陶瓷产品的质量。但是实验研究烧结过程烧成率低,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,还应该是常规加热和微波加热相结合的方法,初始升温不必采用微波方法,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,用微波方法即可将坯体内外一致达到烧结温度,而保温、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下,研制小型微波烧结和传统烧结相结合的传送式窑炉,得到了很好的烧结效果。

    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功夫。微波功率工程方面的技术工作,正在积累经验,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,使各项高科技研究早日向产业化转化。微波与传统加热干燥技术相结合

    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。但从目前需求的情况来看,微波功率应用设备尚未能满足多个领域需求。由于家用微波炉的普及,许多企业改进生产的意图已在家用微波炉中做成了可行性试验,或者已经看到了改进的预兆,需要进一步促成,但是目前已有的微波功率设备又不可能完全适应这些要求,也就是说,就微波加热干燥而言,微波功率工程仍然还有大量的开拓性工作可做。这些领域大致是非金属材料的高温处理、高分子热定型、化工材料的绝度干燥、脱结晶水、玻璃纤维的干燥、各种生物化学材料、食品的低温干燥、真空脱水干燥等。有些领域的加热和干燥,传统方法已进行大量的研究工作。例如干燥方法,着眼于在不同状态最有效地将水分疏导排出、喷雾干燥、硫化床干燥、振动硫化床干燥、沸腾干燥、真空干燥都是应物料的不同状态和热风刻分相接触而排出水分。如果适当的引入微波能量,完全可能将干燥过程加快,并改善干燥质量。这些领域微波方法宜与传统方法相结合,补充向物料提供热量不足的弱点,可采用微波加热。疏导排出水分的方法,还应采用传统方法的优点,这就需要对原有设备进行改革,以兼容馈入微波功率及防止微波泄漏的措施  许多材料的绝干处理,及非金属材料的热处理方面的应用,目前大型微波功率设备密度还不够高,设计高场强密度的设备,有望而却步微波功率设备可以改善对非金属材料的热处理方法,从理论上估计,对化工材料的绝干处理会取得良好的效果。统一电磁场功率工程方法,为改善生产条件,为前沿研究工作的进展作出努力从许多报导文献来看,国外射频加热设备其设计方法拟逐步和微波功率相接近,即发展所谓50Ω射频工业加热技术,标准射频设备应由如下四部份组成:

(1)具有50Ω输出阻抗的射频振荡器;

(2)连结射频振荡器和匹配盒的50Ω同轴线;

(3)具有控制和鉴别器discrimmatic的匹配盒;

(4)应用器。

    也就是说,射频功率设备发展方向不再是统一体的设备,也可以用通用件组装设备,而且将振荡源和应用器可以按需要拉开距离(目前的f工业设备根本无法达到这种要求)。这样的工作方法,实际是和微波功率设备的研制的方法是一致的;即按标准件组装设备的方法 同时射频功率输出拟改用晶振馈入放大器,以便于稳定频率与控制功率;此种方案和进一步改进微波功率源;应用正交场放大器,由有源微波网络组成振荡电路称为稳频管(Stabililotron)思路是一致的。稳频管的输出功率在2450MHz是10—50KW和10—100KW。

    典型的Rf使用频率是13.56MHz、27.12MHz、40.68MHz目前有提高使用频率的趋势,所试制的Klystron采用267MHz作为高功率工业应用,而微波功率应用的频率目前是2450MHz,915MHz,目前在发展434MHz的趋势 如上从设备设计方法来看,射频设备和微波设备正在逐步接近,而微波使用频率在向下扩展,射频使用频率在向上升展。即二者上下延展,进一步连结成统一的电磁场功率设备,实际上微波功率设备和射频功率设备是电磁场功率设备的二叶,应该用电磁场功率应用统一的角度来处理方案,射频和微波各有特长,各有短处,应该用其所长,避其所短,使人国的电磁场功率设备做得更合理,更贴近实用。微波与射频电磁场功率工程工作领域主要是加热干燥、材料处理和气体放电,应用面非常广,非常贴近生产实际,既是对传统的加热干燥方法的改进,又是当前许多重要研究方法的重要工具。当前应该是在调查研究的基础上作一些总体规划。哪些行业加热干燥存在着薄弱环节,电磁场功率设备应以何种频段采用哪些技术手段处理,这些环节较为合理。当前采用射频和微波方法的前沿研究工作,设备基础的薄弱环节存在什么问题,应该逐步加强基础建设,以有力地促进前沿的研究工作。

  
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