CN110215946A - 一种用于微波加热的新型金属试管装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于试管装置技术领域，公开了一种用于微波加热的新型金属试管装置，设置有试管本体；试管本体外侧包裹有金属套筒，金属套筒为圆筒形，顶端和底端开口，金属套筒为金属箔或薄金属板。本发明结构简单、价格便宜，仅由常规试管以及薄层金属构成，常规试管可由市场方便购得，价格仅为几元人民币，金属薄层可从市场上购买的金属铝箔或锡箔制作，因此，本发明的成本低廉；而且加热效果好，相比于常规试管中的加热，通过在常规试管的外壁包裹金属薄层的方式，可以改变电磁波的传播方向，可以在加热效率相当的情况下，有效避免“聚焦效应”，从而显著提高微波加热均匀性。

Description

一种用于微波加热的新型金属试管装置

技术领域

本发明属于试管装置技术领域，尤其涉及一种用于微波加热的新型金属试管装置。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：

微波加热因加热速度快、效率高以及无污染等优点已经广泛应用于食品、材料、化工以及医药等领域。在微波化学、微波萃取、微波合成等领域，微波一般需对液体进行加热。现有的技术一般是将液体盛入玻璃或聚四氟乙烯等常规试管，然后将该试管放置于微波反应器中，再开启微波电源，对其进行加热。然而，使用常规的试管时，加热过程中被加热液体会出现显著的“聚焦效应”，即导致试管的中心温度远高于其他部位的温度。这将造成在试管中心处溶液温度过高，在其他部位却达不到相应的处理效果。一般而言，为提高微波加热均匀性，常采用如下三种方法。方法一：在微波反应器内放置转盘，将试管等被加热物体放置于转盘内，然后使得被加热物体在微波反应器内进行移动。该方法虽然可以在一定程度内提高加热均匀性，但效果不理想，并且需要增加额外的转盘、电机等装置，增加了成本。方法二：在微波反应器内放置模式搅拌器。这种方法是目前应用最广泛的方法，但是改善效果依然不够理想，表现在:加热低耗液体时加热效率较低，加热高耗液体时加热均匀性较差，并且使用需要增加额外的搅拌扇叶、电机等装置，增加了成本。方法三：使用多馈源馈电。馈源的增加导致使用复杂，并且极大的增加了成本。

综上所述，现有技术存在的问题是：

常规试管微波加热过程中会出现显著的聚焦效应，导致试管的中心温度远高于试管其他部位的温度，影响试管加热的均匀性，从而影响加热效果。现有的方法存在着加热效果不理想、操作复杂、成本较高等问题。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于微波加热的新型金属试管装置。

本发明是这样实现的，一种用于微波加热的新型金属试管装置设置有：

试管本体；

试管本体外侧包裹有金属套筒。

本发明结构简单、价格便宜，仅由常规试管以及薄层金属构成，常规试管可由市场方便购得，价格仅为几元人民币，金属薄层可从市场上购买的金属铝箔或锡箔制作，因此，本发明的成本不到10元人民币；而且加热效果好，相比于常规试管中的加热，通过在常规试管的外壁包裹金属薄层的方式，可以改变电磁波的传播方向，可以在加热效率相当的情况下，有效避免“聚焦效应”，从而显著提高微波加热均匀性。

进一步，金属套筒为圆筒形，顶端和底端开口。

本发明的金属套筒不包裹常规试管的顶部和底部，以使得微波从试管的顶部和底部进入试管的内部。

进一步，金属套筒为金属箔或薄金属板。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

1.加热均匀性好。相比于普通试管，本发明可有效避免加热过程中的“聚焦效应”，从而可将加热均匀性提高20％左右。

2.制作成本低。相比于普通试管，本发明只增加了金属薄层结构。该金属薄层结构的造价非常便宜，极易从市场获得。因此，本发明的制作成本与普通试管相当。与其他方法相比，成本很低且操作简单。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于微波加热的新型金属试管装置结构示意图；

图中：1、试管本体；2、金属套筒。

图2是本发明实施例提供的实施例一水加热100秒后温升分布图。

图3是本发明实施例提供的实施例二水加热100秒后温升分布图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

如图1所示，本发明实施例提供的用于微波加热的新型金属试管装置包括：试管本体1、金属套筒2。

试管本体1外侧包裹有金属套筒2，金属套筒2为圆筒形，顶端和底端开口，金属套筒2为金属箔或薄金属板。

本发明的工作原理是：

①在微波加热过程中，常规试管存在着中的“聚焦效应”，加热均匀性较差。在在大多数的微波加热应用中，由于常规试管的试管壁厚度较薄，且其相对介电常数要远小于析稀酸、稀碱等极性较强的溶液，因此可忽略常规试管对微波反应器中电磁波传播的影响。在微波加热的过程中，电场为电磁波从常规试管外壁附近的空气照射到溶液的表面，一部分电磁波反射回空气中，另一部分电磁波进入到溶液内部传播。由于溶液的相对介电常数远大于空气的相对介电常数，根据菲涅尔折射定律，电磁波在溶液中的折射角将远小于入射角，其传播方向将偏向试管的中轴线方向，从而形成“聚焦效应”。这将使得中心附近的温度上升过快，产生较大的温度梯度，其加热均匀性较差。

②为克服以上问题，本发明采用将金属薄层包裹在常规试管的外壁包裹，构成了一个金属圆柱波导。此时，电磁波只能从试管的底部或顶部进入溶液内部，阻止电磁波从试管壁进入溶液形成“聚焦效应”，提高了加热均匀性。

③本发明使用的金属需具有良好的导电特性，其电导率一般应满足σ≥10⁴Ω/m，其材质可为铝、铜、铁以及各类合金等。

④该金属试管的内径半径r应根据微波的工作频率以及溶液的相对介电常数决定，应保证能够至少传输一个TE模或TM模，其具体关系如下：

其中f为微波的频率，ε_r为溶液的相对介电常数的实部。

⑤本发明使用的金属薄层的厚度应大于微波在所使用金属中的趋肤深度。

实施例一：

将铝箔包裹在内径为4.0cm，高为5.0cm,壁厚为0.2cm的平底玻璃试管的外壁，构成金属试管装置，并在该装置中盛放20ml水。将该试管装置以及其盛放的水，置于微波反应器的玻璃托盘的中心位置，进行加热。在使用微波加热功率100W，工作频率为2450MHz，加热时间为100秒。该金属试管装置中水的温升分布如图2(a)所示。图2(b)为去掉铝箔时，平底玻璃试管中的水溶液的温升分布。从图2中可以看出，在微波加热时，常规的试管中心会出现“聚焦效应”，使用本发明可以较好避免该问题。为进一步评估本发明的加热效率和加热均匀性，表1显示了本发明和常规试管的平均温升和COV值。其中，COV值的计算公式如下：

其中为平均温升，N为水温的采样点个数，T_i为第i个采样点的温升。其中，COV值越小，代表加热均匀性越好；反之，亦然。

表1.新型金属试管装置一与常规玻璃试管的微波加热情况比较

从表1中比较可知，虽然使用本发明的金属试管装置的水的平均温升(即加热效率)，要略低于使用常规试管的情况。但是，其加热均匀性(COV＝0.568)要远远好于使用常规试管的情况(COV＝0.818)。

实施例二：

将铝箔包裹在内径为3.0cm，高为10.0cm,壁厚为0.2cm的平底玻璃试管的外壁。铝箔包裹的试管壁的范围为试管底部到高为0.015cm的部分。将该试管装置以及其盛放的10mL水，置于微波反应器的玻璃托盘的中心位置，进行加热。在使用微波加热功率150W，工作频率为2450MHz，加热时间为100秒。该金属试管装置中水的温升分布如图3(a)所示。图3(b)为去掉铝箔时，平底玻璃试管中的水溶液的温升分布。从图3中可以看出，在微波加热时，常规的试管中心会出现“聚焦效应”，使用本发明可以较好避免该问题。表2中列出了本发明和常规试管的平均温升和COV值，分别用于表征加热效率以及加热均匀性，如案例一所述。

表2.新型金属试管装置二与常规玻璃试管的微波加热情况比较

从表2中比较可知，使用本发明的金属试管装置的水的平均温升大致与使用常规试管的情况相当。但是，其加热均匀性(COV＝0.547)要远远好于使用常规试管的情况(COV＝0.655)。

以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种用于微波加热的新型金属试管装置，其特征在于，所述用于微波加热的新型金属试管装置设置有：

试管本体；

试管本体外侧包裹有金属套筒。

2.如权利要求1所述的用于微波加热的新型金属试管装置，其特征在于，金属套筒为圆筒形，顶端和底端开口。

3.如权利要求1所述的用于微波加热的新型金属试管装置，其特征在于，金属套筒为金属箔或薄金属板。

4.如权利要求1所述的用于微波加热的新型金属试管装置，其特征在于，所述用于微波加热的新型金属试管装置采用将金属薄层包裹在常规试管的外壁包裹，构成了一个金属圆柱波导。

5.如权利要求1所述的用于微波加热的新型金属试管装置，其特征在于，所述用于微波加热的新型金属试管装置的金属试管的内径半径r应根据微波的工作频率以及溶液的相对介电常数决定，至少传输一个TE模或TM模，其具体关系如下：

其中f为微波的频率，ε_r为溶液的相对介电常数的实部。

6.如权利要求1所述的用于微波加热的新型金属试管装置，其特征在于，所述用于微波加热的新型金属试管装置使用的金属薄层的厚度应大于微波在所使用金属中的趋肤深度。