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微波与发热子混合加热式加热腔及其制备方法

发表时间:2021-04-25 16:41

一种微波与发热子混合加热式加热腔及其制备方法,属于微波加热技术领域。所述的微波与发热子混合加热式加热腔由吸波发热子、发热子载板和透波好的隔热保温层组成,其制作方法是将相同形状和尺寸的吸波发热子镶嵌固定在发热子载板上,并在背向发热子载板的另一面包覆隔热保温层。本发明很巧妙的实现了微波加热与发热子加热两种方式的混合加热,并且两种方式的加热功率可进行自动调节和人工调节,因此本发明克服了纯微波加热和纯传统发热元件加热的不足,不仅具有发热面积大,热效率高(物料内外同时加热),加热均匀,制造成本低,寿命长,容易更换,便于维护和维修的优点,而且可实现超快速和超高温加热,节能效果极为突出,经济效益显著。


背景技术

目前,微波能作为一种新型的热源形式,已经越来越多的应用于加热领域,例如:食品、造纸、木材、烧结等等。实际加热应用的微波通常是频率为915MHz和2450MHz的电磁波。微波加热的简单原理是其交变电磁场的极化作用使材料内部的自由电荷重新排布及偶极子的反复调旋,从而产生强大的振动和摩擦,在这一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能,导致介质温度升高,因此微波加热是介质材料自身损耗电磁场能量而自身发热,它不需要由表及里的热传导,因此微波加热是内加热。

然而,物质吸收微波能的本领与该物质的复介电常数有关,即损耗因子越大,吸收微波的能力越强,因此微波加热具有强烈的选择性,即:微波适合于加热微波吸收材料,如:SiC、碳、铁氧体、水、AlN、部分半导体陶瓷和金属陶瓷、金属微粉,等等,而微波则不能直接加热块状的金属材料,因为金属反射微波;微波也难于加热很多绝缘体材料,例如:玻璃、塑料(如:聚乙烯、聚苯乙烯等)、石英及部分陶瓷材料,因为这些材料对微波是“透明的”,它们不吸收或者较少的吸收微波能量;微波更难于加热大部分的气体和液体,因为它们对微波的“透明度”更高,因此对于这些材料微波的加热效率会很低。

传统的加热方式一般是通过发热元件电阻丝、或硅碳棒、或硅钼棒发热,然后再通过热传递来间接加热物料,故属于外加热,这种加热方式对待加热的物料一般没有选择性,但是存在如下不足:(1)发热元件的发热面积小、热效率低、加热速度慢、加热均匀性差;(2)电阻丝、硅碳棒和硅钼棒等容易发生折断,故使用寿命比较低;(3)加热腔为固定形式,难于更换,因此当加热小尺寸物料时会遇到加热腔尺寸太大的问题,即:大马拉小车,从而造成能源浪费。


发明内容

本发明的目的是克服上述微波加热方式和传统发热元件加热的技术不足,提供一种微波与发热子混合加热式加热腔及其制备方法。本发明成功的克服了纯微波加热和纯传统发热元件加热的不足,综合了二者的优点,不仅具有发热面积大,热效率高,加热均匀,结构简单,制造成本低,寿命长,容易更换,便于维护和维修的优点,而且属非接触性加热安全性好,可以加热包括金属材料在内的任何材料,可实现超快速(升温速度可达1000℃/分以上)和超高温(1600℃以上)加热,而且可根据待加热物料的尺寸来选择更换使用不同尺寸的加热腔,因此节能效果极为突出,经济效益显著,既适合于实验室加热使用,又适合用于工业生产中的大规模加热。

本发明是通过如下技术方案来实现上述目的的:本发明所述的微波与发热子混合加热式加热腔由吸波发热子、发热子载板和透波好的隔热保温层组成,其中发热子载板表面分布着大量盲孔或通孔,孔与吸波发热子的形状和尺寸相同。本发明所述微波与发热子混合加热式加热腔的加热原理是:将本发明加热腔置于微波场内,从微波发生器发出的微波穿过透波性好的隔热保温层,随后部分微波直接被吸波发热子所吸收而导致其迅速发热升温,而其余微波则将主要以吸波发热子之间的空间为通道,较为顺利的穿过发热子载板而被加热腔内的待加热物料所吸收,并导致物料实现自身发热,与此同时,发热子载板上的吸波发热子发出的热量也会通过热传递来加热物料,同时加热腔内部的温度也将迅速升高,并最终实现加热目的。其能量转换、传递与物料加热过程是:“电能®微波能®热能®热传递®物料加热”和/或“电能®微波能®物料加热”。本发明很巧妙的实现了微波加热与发热子(即:发热元件)加热两种方式的混合加热,并且微波加热和发热子加热在总加热功率中所占比例的调节既可以进行智能型自动调节,又可以方便的进行人工调节。

所述的智能型自动调节是指:(1)对于同一个加热腔,当待加热的物料吸波性能较差时,第一次透过发热子载板进入加热腔的微波不能被物料充分吸收,而是在加热腔内经过多次反射或透射,并被吸波发热子所吸收,这种情况下吸波发热子作为主要热源,它发出的热量通过热传递导致加热腔和物料迅速升温,所以此时微波直接加热物料的作用较小。但是随着物料温度的升高,一般而言物料的吸波性能也将提高,所以随着物料温度的升高,物料可以更多的吸收微波而自身发热,所以微波直接加热物料的作用随之逐渐增强,而吸波发热子通过热传递加热物料的作用则相对逐渐减小。(2)对于同一个加热腔,当待加热的物料吸波性能较好时,第一次透过发热子载板进入加热腔的微波将在很大程度上被物料直接吸收而自身发热,这种情况下微波直接加热物料和吸波发热子通过热传递加热物料将共同起作用,两者的功率比重将取决于加热子载板上加热子的高度(即:厚度)、密度和间距。同样,随着吸波发热子和物料温度的升高,二者的吸波性能也将发生相对变化,所以随着温度的升高,微波直接加热物料的作用和吸波发热子通过热传递加热物料的作用也会发生相应的变化和调节。

所述的人工调节是指:对于同一种物料,微波直接加热物料和吸波发热子通过热传递加热物料二者在总加热功率(专指物料吸收的有效总功率)中所占的比例均可在0~100%的范围内变化,但是二者功率之和为100%,其比例的调控可通过改变发热子高度(即:厚度)和它在载板上所占面积的比例来实现,即:发热子高度和它在载板上所占面积越大,微波直接加热的功率比重越小,而发热子通过热传递加热的功率比重则越大。发热子在其载板上所占面积比例的调节主要是通过改变载板上发热子的间距、数量、形状和尺寸。在发热子形状、尺寸和载板上孔间距固定的情况下,发热子在其载板上所占面积比例的调节可以通过改变载板上发热子的数量来实现。当整个加热腔完全被加热子载板所包围,同时载板上的加热子间距相对于微波波长而言足够小而且加热子高度相对于微波的穿透能力而言足够大时,物料将吸收不到微波,其加热将完全依赖于吸波发热子发热和热传递,此时吸波发热子对物料加热的功率贡献占物料吸收的有效总功率的100%,其能量转换、传递与物料加热过程是:“电能®微波能®热能®热传递®物料加热”。当载板上吸波加热子很少甚至没有时,物料的加热将主要通过直接吸收微波而自身发热。

所述的吸波发热子是能够高效吸收微波而发热的SiC粉、C粉、CuO粉、Fe3O4粉和AlN粉中的一种或一种以上的混合物。

所述的发热子载板是陶瓷纤维板或陶瓷板,优选微波透过性好的陶瓷纤维板或陶瓷板,例如:硅酸铝纤维板、石英纤维板、高铝硅酸纤维板、含铬(Cr2O3)硅酸铝纤维板、含锆(ZrO2)硅酸铝纤维板、多晶莫来石纤维板、多晶氧化铝纤维板等。

所述的隔热保温层是微波透过性好的陶瓷纤维棉、板或陶瓷板,例如:硅酸铝纤维棉和/或板、石英纤维棉和/或板、高铝硅酸纤维棉和/或板、含铬(Cr2O3)硅酸铝纤维棉和/或板、含锆(ZrO2)硅酸铝纤维棉和/或板、多晶莫来石纤维棉和/或板、多晶氧化铝纤维棉和/或板等。

所述的吸波发热子的形状是任意的,可以是小圆柱体、半圆柱体、长方体、立方体、三棱柱、多棱柱、或其它形状的柱体,图1是本发明所述的吸波发热子形状的示意图。所述吸波发热子的高度是1mm~3cm。所述吸波发热子的横截面积和发热子间距在实际允许的合理范围内是任意的。

所述的微波与发热子混合加热式加热腔,其制作方法共有2个方案:

第一个方案是:

(1)   吸波发热子的制作:向专业化厂家定做所需形状和尺寸的吸波发热子,例如:SiC、石墨或其它吸波材料的小圆柱体或棱柱体,也可以直接购买商品化的产品。

(2)   发热子载板的制作:在商品化的陶瓷纤维板或陶瓷板上借助机械加工出所需形状和尺寸的孔,然后将其作为发热子载板或作为与隔热保温层一体化的发热子载板;也可以向专业化厂家定做所需要的发热子载板,还可以定做与隔热保温层一体化的发热子载板,还可以直接购买商品化的带孔陶瓷纤维板或陶瓷板作为发热子载板,但是必须确保发热子载板上的孔形状和尺寸与发热子的形状和尺寸要相互匹配。图2是本发明所述带有盲孔的发热子载板的结构示意图,图4是本发明所述带有通孔的发热子载板的结构示意图,图6是本发明所述一体化的盲孔发热子载板和隔热保温层的结构示意图。

(3)   镶嵌填充吸波发热子:将步骤(1)中的吸波发热子镶嵌填充到步骤(2)中的发热子载板内。镶嵌填充前,可以在吸波发热子表面涂上很少量的水玻璃或高温胶(泥),然后再镶嵌填充,这样可以增加发热子在其载板上的牢固性,但是不利于后续的发热子更换和数量调节。高温胶(泥)为商品化的高温抗氧化型产品,例如:河北省廊坊华昌高温胶厂生产的GF-2型高温胶或苏州伊尔赛高温无机耐材有限公司生产的高温胶泥。图3是本发明所述填充吸波发热子后的盲孔发热子载板的结构示意图,图5是本发明所述填充吸波发热子后的通孔发热子载板的结构示意图,图7是本发明所述填充吸波发热子后一体化的盲孔发热子载板与隔热保温层的结构示意图。

(4)   组装加热腔:利用步骤(3)中镶嵌有吸波发热子的载板组装不同形状和尺寸的腔体,并在其外围包覆透波性好的隔热保温层,即可获得本发明所述的微波与发热子混合加热式加热腔。如果在步骤(2)中已经制作了与隔热保温层一体化的发热子载板,那么只需将其组装成不同形状和尺寸的腔体,即可获得本发明所述的微波与发热子混合加热式加热腔。在步骤(2)中也可以向专业化厂家直接定做由发热子载板组成的不同形状和尺寸的腔体,还可直接定做与隔热保温层一体化的腔体,这样只需按照步骤(3)所述的方法镶嵌填充吸波发热子即可获得本发明所述的微波与发热子混合加热式加热腔。

第二个方案是:

(1)   发热子载板的制作:制作方法与权利要求3所述“发热子载板的制作”相同。

(2)   发热子浆料制备:将微波吸收组分、水玻璃和/或商品化的高温胶(泥)相互混合制成具有触变性的浆料(可以添加适量水)。浆料中微波吸收组分的含量可控制在60~99wt.%,水玻璃和/或商品化的高温胶(泥)的含量可控制在1~40wt.%,其中微波吸收组分是能够高效吸收微波而发热的SiC粉、C粉、CuO粉、Fe3O4粉、AlN粉和金属微粉中的一种或一种以上的混合物;商品化的高温胶(泥)是高温抗氧化型产品,例如:河北省廊坊华昌高温胶厂生产的GF-2型高温胶或苏州伊尔赛高温无机耐材有限公司生产的高温胶泥。

(3)   吸波发热子的制作与填充方法共有2个。
第一个方法是:将步骤(2)中所制备的发热子浆料人工或利用机械注入到步骤(1)中所制作的发热子载板上的孔内,然后在150℃加热烘干确保所填充的发热子浆料固化并充分脱水,最后将填充并脱水后的发热子载板加热至800℃以上并保温2小时以上以确保吸波发热子完全固化,从而最终获得本发明所述的携带吸波发热子的载板。上述烘干和加热过程优先选择微波加热。
第二个方法是:将步骤(2)中所述微波吸收组分的粉体直接填充到发热子载板上的孔内(要求是盲孔),随后在孔的上表面涂覆上一薄层水玻璃和/或商品化的高温胶(泥),其目的是固定孔内的微波吸收组分粉体。图8是填充微波吸收组分粉体后一体化的盲孔发热子载板与隔热保温层的结构示意图。

(4)   组装加热腔:利用步骤(3)中镶嵌有吸波发热子的载板组装不同形状和尺寸的腔体,并在其外围包覆透波性好的隔热保温层,即可获得本发明所述的微波与发热子混合加热式加热腔。如果在步骤(1)中已经制作了与隔热保温层一体化的发热子载板,那么只需将其组装成不同形状和尺寸的腔体,即可获得本发明所述的微波与发热子混合加热式加热腔。在步骤(1)中也可以向专业化厂家直接定做由发热子载板组成的不同形状和尺寸的腔体,还可直接定做与隔热保温层一体化的腔体,这样只需按照步骤(3)所述的方法制作和填充吸波发热子即可获得本发明所述的微波与发热子混合加热式加热腔。


本发明的优点和积极效果:

本发明所述的一种微波与发热子混合加热式加热腔及其制备方法,克服了纯微波加热和纯传统发热元件加热的不足,具有如下优点和积极效果:

(1)      本发明很巧妙的实现了微波加热与发热子(即:发热元件)加热两种方式的混合加热,并且微波加热和发热子加热在总加热功率中所占比例的调节既可以进行智能型自动调节,又可以方便的进行人工调节。

(2)       使用本发明所述的加热腔加热物料,可实现物料的内外同时加热,因此加热均匀,热效率高。

(3)      本发明所述的加热腔可以加热包括金属材料在内的任何材料(不考虑易燃易爆和有毒材料等)。

(4)       本发明所述的加热腔,只需放置于微波场环境内即可实现加热,无需固定,容易更换。可根据待加热物料的尺寸来选择更换使用相应尺寸的加热腔,即:大尺寸物料选择大尺寸加热腔,小尺寸物料选择小尺寸加热腔,不会遇到“大马拉小车”的问题,因此节能效果极为突出,经济效益显著。

(5)      本发明所述的加热腔,其吸波发热子寿命长(不存在传统发热元件容易发生的折断失效问题),便于更换和维护,而且制造成本低,既适合于实验室加热使用,又适合用于工业生产中的大规模加热。

(6)      本发明所述的加热腔,结构简单,容易制作,可以根据实际应用对加热腔的形状、尺寸和组合进行设计和控制,并方便的制作成不同形状和不同尺寸的加热腔。

(7)       本发明所述的加热腔,既可以单个独立使用,也可以将多个腔体相互连通组成一个复杂的多腔体系统再使用。

(8)       本发明所述的加热腔,属非接触性加热安全性好,而且可以将其整个内表面作为热源,一起发热,因此发热面积大,加热均匀,热效率高。

(9)      本发明所述的加热腔,既可实现超快速升温(升温速度可达1000℃/分以上),又可实现超高温(1600℃以上)加热。


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