具有在線實時顯示微波洩漏的微波協助化學反應諧振腔的製作方法
2023-04-23 07:44:26
專利名稱：具有在線實時顯示微波洩漏的微波協助化學反應諧振腔的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種加熱設備，特別是利用微波諧振腔進行加熱的諧振腔的結構，主要應用於化學反應，屬於微波化學技術領域。
背景技術：
傳統的加熱方法，即要有一個高溫熱源，如火焰、熱風、電熱等，採用的是表面加熱源，先使物體的表面加熱，然後再由傳導和對流將熱量從被加熱物外部傳入內部，逐步使物體中心溫度升高，要使中心部位達到所需的溫度，需要一定的時間，這樣加熱速度很慢；若是熱傳導率較差的物體所需的時間就更長。這是個相對慢而長的過程，效率低、操作時間長，並且加熱過程中無選擇性，而利用微波協助工藝加熱採用的是體加熱源，伴隨電磁波向介質內部的穿透，有一個電磁能自動向介質區域傳遞的過程，介質吸收微波能是內部與表面同時進行的，因此這種加熱方式與傳統的加熱方式有著本質的區別。另外採用常規的加熱方法雖然可以得到人們所需要的新物質，但是在許多情況下卻既未有效地利用資源、過量消耗能量，又產生大量排放物造成嚴重的環境汙染。
微波加熱是一種不同於常規方法的加熱，它是通過微波與分子的相互作用而誘導分子極化和偶極旋轉，造成分子之間迅速運動。這種方法與傳統的加熱方式有著本質的區別，微波照射不僅可以改變化學反應的速度，甚至可以改變化學反應的途徑。當微波在傳輸過程中遇到不同介質時，由於這些介質的介電常數、介質損耗係數、比熱、形狀和含水量等主要性質的不同，就會產生反射、吸收或穿透作用，因此吸收的電場能量不一樣，微波電子學方法正是利用這一特點，進行選擇性加熱。微波能以及所產生的熱能促進了化學過程，可實現液相提取和氣相提取，例如對於新鮮的植物樣品，植物中的水被選擇性加熱，導致微觀結構(如細胞、腺體等)膨脹和破裂，使物質從微觀結構中釋放出來並溶解於溶劑中。
微波技術與傳統加熱方法相比具有獨特的效應和優點，可大大降低反應時間，省溶劑(可較常規方法少50％～90％)、節約能源、減少廢物的產生，同時提高了收率和提取物的純度，最大程度降低了後處理的複雜性，使化學反應環境更面向清潔和綠色，無汙染，屬於綠色工程，有利於環境保護，它是一種具有廣闊發展前途的新技術。
微波洩漏是衡量系統安全一個非常重要的指標，由於電磁輻射無色、無味，看不見、摸不著，人們無法通過感覺器官覺察這種隱形汙染，電磁輻射正逐漸成為水汙染、大氣汙染、噪聲汙染之後的第四大汙染，直接影響著人們的身體健康，研究已經證實，超過一定程度和一定時間的電磁輻射會對人們產生不同程度的影響。一方面是熱效應作用的結果，將引起組織器官的生理影響、抑制和傷害作用，因為組成人體細胞和體液的分子大都是極性分子，外加微波場可使這些極性分子因趨向作用而產生頻率為2.45*109Hz的振蕩運動，消耗能量而發熱，導致體內溫度升高，當微波功率密度較高時，人體產生熱量過多，超過了自身調節能力，人體的溫度平衡功能失調，體溫上升，於是身體發生生理功能紊亂並發生病理變化。另一方面是微波的非熱效應的影響，前蘇聯和東歐的學者認為，中樞神經系統對微波能量的吸收非常敏感，當微波功率密度低於10mW/cm2作用於人體時，在體溫沒有任何增加的情況下，就可使中樞神經系統的功能紊亂，非熱效應並不意味著絕對沒有熱產生，只是產生的熱量不足以引起生物體的感覺反應或者測不出體溫升高而已，隨著國際上微波生物學與衛生學研究的深入，西方一些學者在微波對聽覺、微波對血腦屏障和動物行為的影響等方面也進行了實驗研究，他們也證實了低強度微波輻射非熱效應的存在。
傳統的微波加熱諧振腔系統中沒有安裝微波洩漏檢測儀，有時要求化學實驗人員隨時觀察諧振腔內部的情況，即離微波加熱系統很近，這是很危險的。系統中安裝微波洩漏檢測傳感器，可以實現微波洩漏的在線實時顯示，當微波洩漏超過國家標準時，立刻切斷電源。保證系統安全、可靠。
發明內容
本發明提供了一種新的微波加熱設備，即微波協助化學反應諧振腔的新設計。這種協助化學反應諧振腔，包括諧振腔、截止波導、耦合波導、波導、磁控管、匹配螺釘；諧振腔是一個立式空心圓柱體，上面是諧振腔上法蘭、上波導蓋、兩者之間用螺釘固定；上波導蓋上開3個口攪拌截止波導口、溫度截止波導口、物料截止波導口；諧振腔下面是空心倒圓錐臺形的耦合波導，用諧振腔下法蘭，耦合波導上法蘭將它連接固定在諧振腔下面；耦合波導下面連接波導，波導兩端分別有匹配螺釘；在波導上設置磁控管；在諧振腔外側安裝實時檢測微波洩漏傳感器，連接信號引出線。
微波協助化學反應諧振腔的工作過程是，磁控管產生微波，通過波導進入諧振腔，在諧振腔中加熱物料，使化學反應在諧振腔中進行。
微波系統主要有磁控管、波導傳輸、諧振腔等構成。我們希望微波功率應儘可能多地被加熱溶劑所吸收，要使壁耗、反射降至最小。其中諧振腔也是微波作用腔是由金屬製成，主要起到反射微波，均勻電磁場的作用，它的形狀直接影響著反應分子所處的電磁場場強的分布。根據我們的應用目的，是為化學反應提供一個合適的物理環境，通常被加熱的介質置於一固定容器，放置在諧振腔物料盤中心上，根據化學反應的要求設計成圓柱體形狀，另外圓柱形諧振腔比矩形諧振腔容易加工，並且品質因數也比較高，因此我把諧振腔設計成圓柱體。
設計過程中要特別注意匹配，將微波功率源提供的微波功率以最低損耗和最小反射傳輸給終端化學反應系統，即以最佳的匹配耦合到該系統，一是源的匹配，要解決的問題是如何從微波源獲取最大功率，通過調節匹配螺釘來實現；二是負載的匹配，要解決的問題是如何消除負載的反射，通過調節調整螺釘7來實現，並確保化學反應系統負載在我們設計的允許範圍內變化時，均能良好傳輸，不影響微波源的穩定工作。
為使化學反應能在諧振腔中順利進行，上波導蓋上設有3個口溫度截止波導口，設有溫度傳感器，具有溫度在線實時檢測和顯示；物料截止波導口，保證化學反應進行過程中可隨時加入物料；攪拌截止波導口，以保證化學反應進行過程中可隨時攪拌諧振腔中的物料。為防止微波洩漏，精心設計了這些開孔。微波洩漏嚴格控制在國家允許的範圍內。為防止微波洩漏，根據微波理論，上波導蓋上設有的3個截止波導的長度是截止波導口開孔直徑的2、3或4倍。
諧振腔選用優質不鏽鋼材料加工而成，具有良好的防腐性能。
諧振腔側面安裝燈光，安裝角度好，且前面帶有視窗，操作者方便、清楚、及時觀察反應過程。
傳輸波與諧振腔之間通過倒圓臺連接，這樣加熱效率高。
本發明的有益效果是與現有技術的對比，系統中安裝微波洩漏檢測傳感器，實現微波洩漏的在線實時顯示，當微波洩漏超過國家標準時，立刻切斷電源。保證系統安全、可靠。現有系統沒有安裝。
圖1為微波化學反應腔的正視2為微波化學反應腔的左視3為微波化學反應腔的俯視4為微波化學反應腔的A-A截面的剖面5為微波化學反應腔的B-B截面的剖面圖其中1、攪拌截止波導口 2、溫度截止波導口 3、物料截止波導口 4、上波導蓋5、諧振腔上法蘭 6、諧振腔 7、調整螺釘 8、觀察窗 9、玻璃 10、金屬網 11、截止波導 12、物料盤 13、諧振腔下法蘭 14、耦合波導上法蘭 15、耦合波導 16、波導 17、匹配螺釘 18、匹配螺釘 19、磁控管 20、微波洩漏傳感器 21、信號線具體實施方式
下面結合附圖對本實用新型作進一步具體說明這種微波協助化學反應諧振腔，它包括諧振腔、波導、截止波導、耦合波導、磁控管、匹配螺釘；諧振腔6是一個立式空心圓柱體，上面是諧振腔上法蘭5、波導波導蓋4、兩者之間用螺釘固定；上波導蓋上開3個口攪拌截止波導口1、溫度截止波導口2、物料截止波導口3；諧振腔下面是空心倒圓錐臺形的耦合波導15，用諧振腔下法蘭13和耦合波導上法蘭14將它連接固定在諧振腔下面；耦合波導下面連接波導16，波導兩端分別有匹配螺釘17、18；在波導上設置磁控管19；諧振腔外側安裝實時檢測微波洩漏傳感器20，連接信號引出線21。
諧振腔體前面有一個觀察窗8，其前面是玻璃9、後面是金屬網10。
諧振腔體後面有一個截止波導11，是空心圓柱形的，與諧振腔體連接。
諧振腔體左側有3個調整螺釘7。
磁控管19產生微波，通過形狀為空心長方體的波導16、空心倒圓錐臺形的耦合波導15進入諧振腔6，微波在諧振腔中加熱物料，物料置於諧振腔中的物料盤12上，使化學反應在微波諧振中進行。
圖中，攪拌截止波導口1，用於反應物的攪拌，溫度截止波導口2，用於反應物的溫度測量，物料截止波導口3，用於添加物料；1、2、3三個截止波導均為空心圓柱體，都安裝在上波導蓋4上，波導蓋上開截止波導外徑大小的孔，截止波導1、2、3按孔的位置安裝，與上波導蓋4之間焊接為一體。上波導蓋4為圓形，諧振腔6主體形狀為空心圓柱，其上下帶有法蘭5、13，上波導蓋4與諧振腔上法蘭5的外徑相同，上波導蓋4與諧振腔6之間的連接是通過8個螺栓將上波導蓋4連接在諧振腔的上法蘭5上。諧振腔下部為耦合波導15，耦合波導15起到將波導16傳導過來的微波耦合進諧振腔的功能，耦合波導15上部是一個空心的倒圓錐臺體，下部是一個空心圓柱體，耦合波導15壁厚均勻且與諧振腔壁厚相同，諧振腔6與耦合波導15之間的連接，是通過諧振腔的下法蘭13與耦合波導的上法蘭14用8個螺栓連接的。耦合波導15下部為波導16，波導形狀為空心長方體，在與耦合波導15連接部位開耦合波導15內徑大小的孔，波導與耦合波導之間通過焊接連接為一體。在諧振腔6的正面開有矩形觀察窗8，觀察窗有玻璃9與金屬網10，玻璃在外側，金屬網在內側，玻璃起到透光便於觀察的作用，金屬網則用於防止微波洩露，玻璃和金屬網放置在與觀察窗貼合的諧振腔壁的凹槽內。調整螺釘7位於諧振腔的左側壁上，諧振腔的左側壁上開有3個孔，用於調節匹配。在諧振腔的後壁上安裝有截止波導11，截止波導形狀為空心圓柱，截止波導與諧振腔之間用對微波場透明的膠密合。在諧振腔的下法蘭13與耦合波導上法蘭14之間，安裝有用聚四氟乙烯材料做的物料盤12，它起到隔離諧振腔與耦合波導的作用，而微波又可以透過聚四氟乙烯由耦合波導15進入諧振腔，聚四氟乙烯12為一圓形膜片，固定在諧振腔下法蘭13與耦合波導上法蘭14之間的凹槽內。
權利要求
1.一種具有在線實時顯示微波洩漏的微波協助化學反應諧振腔，其特徵在於它包括諧振腔、截止波導、耦合波導、波導、磁控管、匹配螺釘；諧振腔(6)是一個立式空心圓柱體，上面是諧振腔上法蘭(5)、上波導蓋(4)、兩者之間用螺釘固定；上波導蓋上開3個口攪拌截止波導口(1)、溫度截止波導口(2)、物料截止波導口(3)；諧振腔下面是空心倒圓錐臺形的耦合波導(15)，用諧振腔下法蘭(13)和耦合波導上法蘭(14)將它連接固定在諧振腔下面；耦合波導下面連接波導(16)，波導兩端分別有匹配螺釘(17、18)；在波導上安裝磁控管(19)；在諧振腔外側安裝實時檢測微波洩漏傳感器(20)，連接信號引出線(21)。
2.根據權利要求1所述的具有在線實時顯示微波洩漏的微波協助化學反應諧振腔，其特徵在於諧振腔選用優質不鏽鋼材料加工而成，具有良好的防腐性能，諧振腔體前面有一個觀察窗(8)，其前面是玻璃(9)、後面是金屬網(10)。
3.根據權利要求1所述的具有在線實時顯示微波洩漏的微波協助化學反應諧振腔，其特徵在於諧振腔體後面有一個截止波導(11)，是空心圓柱形的，與諧振腔體連接。
4.根據權利要求1所述的具有在線實時顯示微波洩漏的微波協助化學反應諧振腔，其特徵在於諧振腔體左側有3個調整螺釘(7)。
5.根據權利要求1所述的具有在線實時顯示微波洩漏的微波協助化學反應諧振腔，其特徵在於諧振腔體中諧振腔下法蘭和耦合波導上法蘭之間的凹槽內設置一物料盤(12)。
6.根據權利要求1所述的具有在線實時顯示微波洩漏的微波協助化學反應諧振腔，其特徵在於為防止微波洩漏，根據微波理論，上波導蓋上設有的3個截止波導的長度是截止波導口開孔直徑的2、3或4倍。
全文摘要
本發明涉及一種加熱設備，特別是利用微波諧振腔進行加熱的諧振腔的結構，主要應用於化學反應，屬於微波化學技術領域。傳統的加熱方法，要有一個高溫熱源，採用的是表面加熱源，效率低、操作時間長，加熱過程中無選擇性。本發明提供了一種內部與表面同時進行加熱的微波諧振腔的新設計。它包括諧振腔、截止波導、耦合波導等；諧振腔是一個立式空心圓柱體，磁控管產生微波，通過波導進入諧振腔，在諧振腔中加熱物料，使化學反應在諧振腔中進行。本發明的有益效果是與現有技術的對比，系統中安裝微波洩漏檢測傳感器，實現微波洩漏的在線實時檢測，配上顯示儀器，即可實現微波洩漏的在線實時顯示。帶有視窗，便於及時觀察。
文檔編號B01J19/12GK1633216SQ200410072698
公開日2005年6月29日 申請日期2004年11月11日 優先權日2004年11月11日
發明者孫桂玲, 李維祥, 金鎮 , 楊文霞, 王文博 申請人:南開大學