CN1394458A - 用于均匀散布微波的装置和使用该装置的加热*** - Google Patents
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Abstract
一种用于散布微波的装置，它设有一个包括多个反射部分的主体，反射部分由能反射微波的材料制成并具有水平顶面和垂直侧面。多个反射部分的宽度被设定为微波波长λg的1/n倍。在基准面由与反射部分的宽度乘以(质数－1)所得到的值相对应的距离底面的高度限定的条件下，每个反射部分的深度可被设定为，用质数的最小本原根的自然数次方除以该质数所得的余数乘以该反射部分的宽度所得的值。
Description
技术领域
本发明涉及用于均匀散布微波的装置和使用该装置的加热***。更具体地，本发明涉及用于均匀散布微波的装置和使用该装置的加热***，其中，该装置能将从微波产生装置输出的具有预定频率的微波均匀地散布，该加热***中的加热室由该装置限定，均匀的电场通过在加热室中均匀散布微波而形成，以便均匀地加热和干燥存放在加热室中要被加热的物体。
背景技术
通常，在诸如使用具有预定频率微波的用于加热食品的加热***中或在用于干燥木材、泥浆、废物、谷物和橡胶等的微波干燥装置中，2.45GHz或915MHz的微波由使用诸如磁控管这样的振荡器的微波产生装置所产生，并且产生的微波被导向加热室内部对放置在加热室内的被加热物体进行加热和干燥。
该微波具有预定的波长。例如，假定微波的频率是2.45GHz，则微波的波长由下面的等式(1)给出：λg＝c/f＝(3×108m/sec)/(2.45×109Hz)12cm (1)
其中，λg是微波波长，c是3×108m/sec的光速，f是微波频率。
在使用微波对被加热物体进行加热和干燥的加热***中，加热室的所有内壁表面和顶部及底部表面通常都是平的。
因此，当从微波产生装置输出的微波被导入加热室时，微波入射到诸如加热室的内壁表面和顶部及底部表面的平面10上，而后如图1所示地被平面10反射，于是，微波不能均匀地散布，而是偏转反射。
当微波被偏转反射时，微波不能均匀地分布在加热室中。这样，位于加热室内的被加热物体不能被整体地均匀加热，因此，在被加热物体中会产生最大限度和最小限度的加热点。即，由于在微波波长的间隔内物体被以最大限度和最小限度加热点交替出现的方式进行加热，所以，物体在最大限度加热点被过度加热，而在最小限度加热点则不能被充分加热。于是，产生了对物体的不均匀加热。
为了解决上述问题，常规加热***具有一个辐射波搅动器，诸如安装在加热室顶部的分散风扇，使辐射波搅动器转动以使微波均匀地散布，和/或使物体转动，从而均匀加热该物体。
但是，辐射波搅拌器的转动或被加热物体的转动都需要用于产生转动力的附加驱动电机，和用于传送驱动电机转动力的动力传动机构。这将导致结构复杂、生产成本增加以及较高的电能消耗等问题。
发明公开
本发明的一个目的是提供一个用于均匀散布(散射)微波的装置，该装置能够均匀地散布具有预定频率的微波。
本发明的另一个目的是提供一个利用能均匀散布微波的装置的加热***，其中，该装置限定加热室并均匀地散布微波，以便均匀加热位于加热室内的被加热物体。
为了实现上述目的，根据本发明的用于均匀散布微波的装置具有一个主体，该主体包括多个由能够反射微波的材料制成的反射部分，并且该反射部分具有水平顶面和垂直侧面。多个反射部分的宽度可设定为微波波长λg的1/n(n＝1，2，3，…)倍。更优选地，该宽度被设定为微波波长λg的1/4n(例如，λg/4，λg/8，λg/12，…)倍。
另外，多个反射部分的每一个的深度可被设定为如下获得的一个值：即在基准面由与反射部分宽度乘以(质数-1)所得到的值相对应的距离底面的高度限定的条件下，通过用质数的最小本原根的自然数次方除以该质数所得的余数乘以反射部分的宽度所得的值。另外，每个反射部分的深度可被设定为如下获得的一个值：即在基准面由底面限定的条件下，用一个自然数的平方除以一个质数所得的余数乘以反射部分的宽度W所得的值。
另外，在本发明的加热***中，加热室的顶、底和内壁表面通过连续和反复连接前述主体而形成。该主体还可另外设置在加热***的门的内表面上。从微波产生装置所产生并被导入加热室的微波被该主体均匀地散布在加热室中，以形成均匀的微波电场，进而均匀地加热和干燥被加热的物体。
附图简述
图1是表示微波入射到平面上时的反射特性的说明性视图。
图2是表示本发明的用于均匀散布微波装置的透视图。
图3是表示本发明的用于均匀散布微波装置结构的侧视图。
图4是在微波入射到本发明的用于均匀散布微波装置上时表示反射特性的说明性视图。
图5A和5B是表示具有由本发明的用于均匀散布微波装置的主体形成的加热室的加热***实例的视图，其中，图5A为门被打开的加热***的透视图，图5B是加热***的剖视图。
图6A和6B是表示本发明加热***中该装置主体布置的实例视图。
图7A和7B是表示具有设置在由本发明装置主体形成的加热室中的物体存放室的加热***的另一个实例的视图，其中，图7A是门被打开的加热***的透视图，图7B是该加热***的剖视图。
图8是表示用2kW的微波对放置在本发明加热***中的若干块乳酪加热1分钟后温度测量结果的等温线图。
实施本发明的最佳方式
下面，将结合附图2-8具体地说明本发明均匀散布微波的装置和应用该装置的加热***。
图2是表示本发明用于均匀散布微波装置的结构的透视图。其中，标号20表示根据本发明的用于均匀散布微波装置的主体(基体)。主体20用能反射微波的材料制作。例如，主体20可用铝板制作。另外，主体20可由耐热合成树脂制作，而后用诸如能反射微波的铝的反射材料进行涂覆。
主体20以德国的Manfred R.Schroeder和AT&T Bell实验室的Murray Hill研究和公开的分散单元的形式构成。即，主体20包括多个反射部分22。
每个反射部分22具有水平顶面221和垂直侧面223。
另外，反射部分22的所有顶面221具有相同的宽度W。例如，反射部分22的顶面221的宽度W可被设定为微波波长λg的1/n(n＝1，2，3，…)倍。更优选地，宽度W被设定为微波波长λg的1/4n(例如，λg/4，λg/8，λg/12，…)倍。
此外，所形成的反射部分22的顶面221具有不同的深度Dk，该深度是在一个基准面由与反射部分宽度乘以(质数-1)所得到的值相对应的距离底面的高度限定的条件下所得到的。
例如，反射部分22的顶面221的深度Dk设定成这样的值，该值是根据下列等式(2-1)和(2-2)得到的，即用一个质数p的最小本原根g的自然数n次方除以该质数p所得的余数乘以反射部分的宽度W：
D＝gn模p (2-1)
Dk＝D·W (2-2)
其中，p是质数(素数)，g是质数p的最小本原根(the leastprimitive root)，n是诸如1、2、3、…的自然数，gn模p表示用gn除以p得到的余数。
假定质数p是7，质数p的最小本原根g是3，则多个反射部分22的顶面221(221a-221f)相对基准面的深度Dk(D1-D6)被设定如下：
31＝3； 3/7＝商：0， 余数：3
32＝9； 9/7＝商：1， 余数：2
33＝27； 27/7＝商：3， 余数：6
34＝81； 81/7＝商：11， 余数：4
35＝243； 243/7＝商：34， 余数：5
36＝729； 729/7＝商：104， 余数：1
即，如图3所示，所构成的反射部分22的顶面221a-221f具有距基准面为3W、2W、6W、4W、5W和1W的相应深度Dk(D1-D6)，该基准面是由反射部分的宽度W乘以与质数p的7减去1相等的6所得的6W高度限定的。
下面的表1示出了这一计算结果。
表1
| n | 距基准面的深度 | |||||
| p＝5，g＝2 | p＝7，g＝3 | p＝11，g＝2 | p＝13，g＝2 | p＝17，g＝3 | p＝19，g＝2 | |
| 1 | 2W | 3W | 2W | 2W | 3W | 2W |
| 2 | 4W | 2W | 4W | 4W | 9W | 4W |
| 3 | 3W | 6W | 8W | 8W | 10W | 8W |
| 4 | 1W | 4W | 5W | 3W | 13W | 16W |
| 5 | 5W | 10W | 6W | 5W | 13W | |
| 6 | 1W | 9W | 12W | 15W | 7W | |
| 7 | 7W | 10W | 11W | 14W | ||
| 8 | 3W | 9W | 16W | 9W | ||
| 9 | 6W | 5W | 14W | 18W | ||
| 10 | 1W | 10W | 8W | 17W | ||
| 11 | 7W | 7W | 15W | |||
| 12 | 1W | 4W | 11W | |||
| 13 | 12W | 3W | ||||
| 14 | 2W | 6W | ||||
| 15 | 6W | 12W | ||||
| 16 | 1W | 5W | ||||
| 17 | 10W | |||||
| 18 | 1W |
反射部分22的顶面221(221a-221f)的深度Dk(D1-D6)可转换成如下所示的距离作为基准面的底面的高度Hk(H1-H6)：
31＝3； 3/7＝商：0， 余数：3→6-3＝3
32＝9； 9/7＝商：1， 余数：2→6-2＝4
33＝27 ； 27/7＝商：3， 余数：6→6-6＝0
34＝81； 81/7＝商：11， 余数：4→6-4＝2
35＝243； 243/7＝商：34， 余数：5→6-5＝1
36＝729； 729/7＝商：104， 余数：1→6-1＝5
即，顶面221(221a-221f)距离作为基准面的底面的高度Hk(H1-H6)被确定为3W、4W、0、2W、1W和5W。
另外，可用除上述方法外的其它方法设定反射部分22的顶面221的高度Hk。例如，反射部分22的每个顶面221距离作为基准面的底面的高度Hk可根据下列等式(3-1)和(3-2)被设定为如下值，即用0和自然数的平方除以质数p得到的余数乘以反射部分的宽度W：
H＝N2模p (3-1)
Hk＝H·W (3-2)
其中，N是0、1、2、…，p是质数，N2模p表示N2除以p所得到的余数。
例如，在质数是5的情况下，反射部分22顶面221a-221f的高度Hk被设定如下：
02＝0； 0/5＝商：0， 余数：0
12＝1； 1/5＝商：0， 余数：1
22＝4； 4/5＝商：0， 余数：4
32＝9； 9/5＝商：1， 余数：4
42＝16； 16/5＝商：3， 余数：1
52＝25； 25/5＝商：5， 余数：0
反射部分22的顶面221a-221f距离底面的高度H1-H6变为0、1W、4W、4W、1W和0，它们是用反射部分的宽度W乘以相应余数得出的。
表2示出了这一计算结果。
表2
| N | P | ||||||
| 5 | 7 | 11 | 13 | 17 | 19 | 23 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1W | 1W | 1W | 1W | 1W | 1W | 1W |
| 2 | 4W | 4W | 4W | 4W | 4W | 4W | 4W |
| 3 | 4W | 2W | 9W | 9W | 9W | 9W | 9W |
| 4 | 1W | 2W | 5W | 3W | 16W | 16W | 16W |
| 5 | 0 | 4W | 3W | 12W | 8W | 6W | 2W |
| 6 | 1W | 3W | 10W | 2W | 17W | 13W | |
| 7 | 0 | 5W | 10W | 15W | 11W | 3W | |
| 8 | 9W | 12W | 13W | 7W | 18W | ||
| 9 | 4W | 3W | 13W | 5W | 12W | ||
| 10 | 1W | 9W | 15W | 5W | 8W | ||
| 11 | 0 | 4W | 2W | 7W | 6W | ||
| 12 | 1W | 8W | 11W | 6W | |||
| 13 | 0 | 16W | 17W | 8W | |||
| 14 | 9W | 6W | 12W | ||||
| 15 | 4W | 16W | 18W | ||||
| 16 | 1W | 9W | 3W | ||||
| 17 | 0 | 4W | 13W | ||||
| 18 | 1W | 2W | |||||
| 19 | 0 | 16W | |||||
| 20 | 9W | ||||||
| 21 | 4W | ||||||
| 22 | 1W | ||||||
| 23 | 0 |
在这些方式中，本发明用于均匀散布微波的装置的主体20构造成包括多个反射部分22，该反射部分具有与微波波长成比例的宽度W和根据等式(2-1)、(2-2)；或(3-1)、(3-2)得出的不同的深度Dk或高度Hk。
本发明用于均匀散布微波的装置的主体20以图2所示的多个能相互连续连接的主体20的方式被制作和使用。当微波入射到图4所示的主体20上时，主体20反射要被均匀分散的微波，进而形成均匀的电场。
因此，既使当物体处于不转动的静止状态时，物体也能被均匀散布的微波均匀地加热和干燥。
另一方面，当主体20设置在加热***等的壁表面上时，如果主体20的长度使得主体的左、右端不能与顶面和底面紧密接触而在主体20两端与顶面和底面之间产生开口，那么就存在微波通过这些开口产生泄漏的危险。所以，在这种情况下，优选的是用与主体20相同的材料制成的隔板24密封主体20的两端、以防止微波泄漏。
上述实施例是结合具有6个反射部分22的主体20来描述的。反射部分22的数量不限定于特定的数量。根据将内设主体20的加热***的加热室的尺寸等适当选择质数，并根据所选择的质数设置多个反射部分22。
既使在这种情况下，构成主体20的反射部分22的宽度W能以与前述实施例相同的方式被设定为微波波长λg的1/n(n＝1，2，3，…)倍。更优选地，宽度W被设定为微波波长λg的1/4n(例如，λg/4，λg/8，λg/12，…。)倍。
当加热***的加热室由本发明的用于均匀散布微波的装置的主体20形成时，微波被均匀地分散而在加热室内形成均匀的电场。
图5A和5B是表示具有由本发明用于均匀地散布微波装置的主体构成的加热室的加热***的例子。图5A是门被打开的加热***的透视图，图5B是加热***的剖视图。
标号50是加热***的主体。利用诸如磁控管的振荡器产生微波的微波产生装置51设置在主体50内部的一侧。利用从微波产生装置51产生的微波加热和干燥需要被加热的物体52的加热室53设置在主体50的另一侧。
诸如波导的微波引导装置54位于微波产生装置51与加热室53之间，用于将微波产生装置51产生的微波导入加热室53。
加热室53的顶、底和内周围表面通过连续和重复地设置用于均匀散布微波的装置的主体20而构成。门55设置在加热室53的正面，以便操作者能打开和关闭加热室53。主体20也连续和重复地设置在门55的内表面，而只保留一个不覆盖的观察窗56。同时，主体20的反射部分22的顶面221设置成指向加热室53的内部。
在构成加热室53的顶、底和内周围表面的主体20上以预定间隔设置多个排气孔58，以便在门55被关闭且加热室53被气密地密封的情况下用微波对物体52进行加热和干燥时所产生的水蒸气能被吸入排气孔58并经排气口57排出。
这时，因为微波不能通过排气孔58泄漏，所以排气孔58的半径尺寸优选为其足以防止微波通过排气孔58泄漏的半径尺寸，例如，在0.6-0.8mm范围内。
在物体52需要用本发明的加热***进行加热和干燥时，先将门55打开，并将物体52放入加热室53。之后，关闭门55并使加热***工作。
而后，微波产生装置51启动以产生微波，且所产生的微波经微波引导装置54被引入加热室53。
引入加热室53的微波被设置在加热室53顶、底和内周围表面上的以及设置在门55的内表面上的主体20的反射部分22反射并均匀地分散。加热室53中的微波形成均匀的电场，以使物体被均匀地加热和干燥。
这时，在加热和干燥物体52时所产生的水蒸气和气味通过形成在主体20中的排气孔58被抽吸，而后经排气口57排出到外部。
图6A和6B是表示本发明加热***中该装置主体布置的实例视图。如图所示，基本为正方形的基本体60由连续地形成具有预定长度的多个主体20而构成。如图6A所示，多个基本体60能以锯齿形(Z字形)布置，以便反射部分22被垂直和水平地设置。如此构成的基本体60可安装在加热室53的顶、底和内周围表面上以及门55的内表面上。
另外，多个基本体60能以锯齿形布置，以便反射部分以预定角度定位。
图7A和7B是表示其中设有本发明的均匀散布微波的装置的加热***的另一个例子的视图，其中，图7A是门被打开的加热***的透视图，图7B是该加热***的剖视图。
如图所示，这个加热***的例子包括由诸如能穿过微波的特氟隆(Teflon)材料制成的物体存放室70，位于构成加热室53的主体20的内侧。物体存放室70的每一侧的尺寸可被设定成使它能紧靠在主体20反射部分22的最高顶面上。
此外，安装到门55的内表面的主体20还设有由诸如能穿过微波的特氟隆(Teflon)材料制成的打开和关闭板72，以便当门55被关闭时，物体存放室70的正面可被打开和关闭板72关闭。
在加热室53中设置附加的物体存放室70，可使得在加热和干燥物体52之后便于清洁加热室。
此时，物体存放室70还优选设置多个排气孔74，以使加热和干燥物体52时所产生的水蒸气和气味能经排气口57排出。
在本发明的这种加热***中，具有0.7cm厚度的特氟隆板被安装在距离加热室53内表面3cm高的位置。若干块乳酪一个叠一个地放置在加热室53底部的特氟隆板上。微波产生装置51所产生的具有2kW功率的微波经微波引导装置54进入加热室53，以加热乳酪块。将乳酪块加热1分钟，而后在乳酪块的不同点进行温度测量。最终的温度测量等温线图示于图8中。
如图8所示，在本发明加热***内的乳酪块的不同点测量的温度范围从26.1℃到29.9℃。可见，最大与最小被加热点的温度差是3.8℃，它意味着乳酪块整体上被均匀加热。
同时，虽然已经结合操作者他/她自己将物体52放置在加热***的加热室53或物体存放室57中以对物体进行加热和干燥的实施例进行了说明，但本发明并不限于此，本发明还可用于各种微波加热***
例如，本发明的主体20可安装在一个加热***中，该加热***中的相对的端部被打开，要被加热的预定物体由图中未示出的输送装置自动输送，并防止微波通过打开的相对端部而泄漏，从而均匀地散布微波并均匀地加热和干燥该物体。
工业实用性
如上所述，本发明具有能将微波在所有反射角度均匀传播的散布特性。因此，根据本发明，被加热物体能够被均匀地加热和干燥。
Claims (14)
1. 一种用于均匀散布微波的装置，它包括：
一个具有多个反射部分的主体，该反射部分由能反射所述微波的材料制成，并具有与所述微波的波长成比例的相同的宽度和在基准面由与所述反射部分的所述宽度乘以(质数-1)所得到的数值相对应的距离其底面的高度限定的条件下得到的不同的深度；
所述反射部分的所述宽度W被设定为所述微波的所述波长λg的1/n(n＝1，2，3，…)倍；和
所述反射部分的所述深度Dk相对所述基准面根据下述等式(1)而设定：
D＝gn模p，Dk＝D·W (1)
其中，p是质数，g是质数p的最小本原根，n是诸如1、2、3、…的自然数，gn模p表示用gn除以p得到的余数。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述反射部分的顶面是水平的，而所述反射部分的侧面是垂直的。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述反射部分的所述宽度W被设定为所述微波的所述波长λg的1/4n倍。
4.一种用于均匀散布微波的装置，它包括：
一个具有多个反射部分的主体，该反射部分由能反射所述微波的材料制成，并具有与所述微波的波长成比例的相同的宽度和在基准面由其底面所限定的条件下所得到的不同的高度；
所述反射部分的所述宽度W被设定为所述微波的所述波长λg的1/n(n＝1，2，3，…)倍；和
所述反射部分的所述高度Hk相对所述底面根据下述等式(2)而设定：
H＝N2模p， Hk＝H·W (2)
其中，N是0、1、2、…，p是质数，N2模p表示N2除以p所得到的余数。
5.如权利要求4所述的装置，其中，所述反射部分的顶面是水平的，而所述反射部分的侧面是垂直的。
6.如权利要求4所述的装置，其中，所述反射部分的所述宽度W被设定为所述微波的所述波长λg的1/4n倍。
7.一种使用能均匀散布微波的装置的加热***，它包括：
一个用于产生所述微波的微波产生装置；
一个用于引导所述微波产生装置产生的所述微波的微波引导装置；
一个加热室，用于散布由所述微波引导装置所引导的微波，以便加热和干燥要被加热的物体；
一个可打开地安装在所述加热室正面的门；和
所述加热室的顶、底和内壁表面由连续重复形成主体而构成，每个主体包括多个反射部分，所述反射部分由能够反射所述微波的材料构成，并具有与所述微波波长成比例的相同的宽度和相对基准面(或其底面)所得到的不同的深度(或高度)。
8.如权利要求7所述的加热***，其中，所述主体的所述反射部分的所述宽度W被设定为所述微波的所述波长λg的1/n倍；和
在基准面由与所述反射部分的所述宽度乘以(质数-1)所得到的数值相对应的距离其底面的高度限定的条件下，所述主体的所述反射部分的所述深度Dk根据下述等式(3)来设定：
D＝gn模p，Dk＝D·W (3)
其中，p是质数，g是质数p的最小本原根，n是诸如1、2、3、…的自然数，gn模p表示用gn除以p得到的余数。
9.如权利要求7所述的加热***，其中，所述主体的所述反射部分的所述宽度W被设定为所述微波的所述波长λg的1/n倍；和
所述主体的所述反射部分的所述高度Hk相对所述底面根据下述等式(4)而设定：
H＝N2模p，Hk＝H·W (4)
其中，N是0、1、2、3、…，p是质数，N2模p表示N2除以p所得到的余数。
10.如权利要求7所述的加热***，其中，所述主体被设置成锯齿形。
11.如权利要求7所述的加热***，其中，所述主体被设置成锯齿形，其中的所述反射部分以预定角度定位。
12.如权利要求7-11中任一项所述的加热***，其中，所述主体上以预定间隔设有排气孔，所述排气孔的尺寸设定成能使物体被加热和干燥时所产生的水蒸气和气味经所述排气孔排出而同时防止所述微波由此泄漏。
13.如权利要求7-11中任一项所述的加热***，其中，一个由能允许所述微波穿过的材料制作的物体存放室被设置在由所述主体形成的所述加热室内。
14.如权利要求7所述的加热***，其中，所述门的内表面上设有所述主体，每个所述主体具有所述多个反射部分，所述反射部分由能够反射所述微波的材料构成，并具有与所述微波的所述波长成比例的所述相同宽度和相对所述基准面所得到的所述不同的深度。
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