微波炉原理

微波炉原理 微波炉工作原理及应用 微 波 炉 顾 名 思 义 是 用 微 波 来 加 热 ， 用 的 频 率 是 24. 5亿 赫 左 右 的 超 短 波 ， 它 由 磁 控 管 产 生 ， 经 微 波 炉 金 属 器 壁 反 射 再 反 射 后 ， 被 炉 中 的 食 物 吸 收 。 　　 食 物 能 吸 收 微 波 是 因 为 食 物 中 含 有 水 分 。 水 分 子 为 极 性 分 子 ， 一 端 为 正 极 ， 一 端 为 负 极 ， 而 微 波 是 电 磁 波 ， 有 正 半 周 与 负 半 周 。 24. 5亿 赫 即 表 示 该 微 波 在 一 秒 钟 内 变 换 正 负 极 达 24. 5亿 次 ， 每 换 一 次 ， 水 分 子 即 跟 随 反 转 一 次 ； 由 于 水 分 子 一 直 振 动 反 射 ， 也 就 摩 擦 生 热 ， 热 被 食 物 分 子 吸 收 ， 食 物 就 会 变 热 、 变 熟 。 　 并 不 是 任 何 容 器 都 适 合 装 食 物 放 进 微 波 炉 内 加 热 的 ， 譬 如 金 属 容 器 就 不 能 。 这 是 因 为 金 属 会 反 射 微 波 ， 使 食 物 中 的 水 分 子 无 法 吸 收 ， 且 会 发 出 刺 耳 的 声 音 。 微 波 容 器 必 须 能 让 微 波 穿 透 ， 进 入 食 物 ， 又 能 耐 高 温 ， 不 致 燃 烧 或 分 泌 出 毒 素 ， 所 以 纸 木 餐 具 、 漆 器 、 某 些 塑 胶 等 都 不 适 合 ， 瓷 器 、 陶 器 、 耐 热 玻 璃 、 聚 丙 烯 、 聚 乙 烯 以 及 微 波 炉 适 用 的 保 鲜 纸 都 可 以 使 用 。 微波炉的基本结构    　　微波炉的基本外形和构造  　　①门安全联锁开关——确保炉门打开，微波炉不能工作，炉门关上，微波炉才能工作；  　　②视屏窗——有金属屏蔽层，可透过网孔观察食物的烹饪情况；  　　③通风口——确保烹饪时通风良好；  　　④转盘支承——带动玻璃转盘转动；  　　⑤玻璃转盘——装好食物的容器放在转盘上，加热时转盘转动，使食物烹饪均匀；  　　⑥控制板——控制各档烹饪；  　　⑦炉门开关——按此开关，炉门打开。  　　详细工作原理  　　(1)炉腔。炉腔是一个微波谐振腔，是把微波能变为热能对食品进行加热的空间。为了使炉腔内的食物均匀加热，微波炉炉腔内设有专门的装置。最初生产的微波炉是在炉腔顶部装有金属扇页，即微波搅拌器，以干扰微波在炉腔中的传播，从而使食物加热更加均匀。目前，则是在微波炉的炉腔底部装一只由微型电机带动的玻璃转盘，把被加热食品放在转盘上与转盘一起绕电机轴旋转，使其与炉内的高频电磁场作相对运动，来达到炉内食品均匀加热的目的。国内独创的自动升降型转盘，使得加热更均匀，烹饪效果更理想。  　　(2)炉门。炉门是食品的进出口，也是微波炉炉腔的重要组成部分。对它要求很高，即要求从门外可以观察到炉腔内食品加热的情况，又不能让微波泄漏出来。炉门由金属框架和玻璃观察窗组成。观察窗的玻璃夹层中有一层金属微孔网，既可透过它看到食品，又可防止微波泄漏。由于玻璃夹层中的金属网的网孔大小是经过精密计算的，所以完全可以阻挡微波的穿透。  　　为了防止微波的泄漏，微波炉的开关系统由多重安全联锁微动开关装置组成。炉门没有关好，就不能使微波炉工作，微波炉不工作，也就谈不上有微波泄漏的问题了。  　　为了防止在微波炉炉门关上后微波从炉门与腔体之间的缝隙中泄漏出来，在微波炉的炉门四周安有抗流槽结构，或装有能吸收微波的材料，如由硅橡胶做的门封条，能将可能泄漏的少量微波吸收掉。抗流槽是在门内设置的一条异型槽结构，它具有引导微波反转相位的作用。在抗流槽入口处，微波会被它逆向的反射波抵销，这样微波就不会泄漏了。  　　由于门封条容易破损或老化而造成防泄作用降低，因此现在大多数微波炉均采用抗流槽结构来防止微波泄漏，很少采用硅橡胶门封条。抗流槽结构是从微波辐射的原理上得到的防止微波泄漏的稳定可靠的。广东格兰仕企业（集团）公司生产的格兰仕微波炉所采用的就是国际上最先进的抗流槽结构和生产工艺，加上其开发研制的多重防微波泄漏技术，使微波泄漏控制技术达到国际先进水平。  　　(3)电气电路。电气电路分低压电路、控制电路和高压电路三部分。  　　高压变压器次级绕组之后的电路为高压电路，主要包括磁控管、高压电容器、高压变压器、高压二极管。  　　(4)磁控管。磁控管是微波炉的心脏，微波能就是由它产生并发射出来的。磁控管工作时需要很高的脉动直流阳极电压和约3～4V的阴极电压。由高压变压器及高压电容器、高压二极管构成的倍压整流电路为磁控管提供了满足上述要求的工作电压。  　　高压变压器初级绕组之前至微波炉电源入口之间的电路为低压电路（也包括了控制电路），主要包括保险管、热断路器保护开关、联锁微动开关、照明灯、定时器及功率分配器开关、转盘电机、风扇电机等。  　　(5)定时器。微波炉一般有两种定时方式，即机械式定时和电脑定时。基本功能是选择设定工作时间，设定时间过后，定时器自动切断微波炉主电路。  　　(6)功率分配器。功率分配器用来调节磁控管的平均工作时间（即磁控管断续工作时，“工作”、“停止”时间的比例），从而达到调节微波炉平均输出功率的目的。机械控制式一般有3～6个刻度档位，而电脑控制式微波炉可有10个调整档位。  　　(7)联锁微动开关。联锁微动开关是微波炉的一组重要安全装置。它有多重联锁作用，均通过炉门的开门按键或炉门把手上的开门按键加以控制。当炉门未关闭好或炉门打开时，断开电路，使微波炉停止工作。  　　(8)热断路器。热断路器是用来监控磁控管或炉腔工作温度的元件。当工作温度超过某一限值时，热断路器会立即切断电源，使微波炉停止工作. 如上面所介绍，磁控管是微波炉的心脏，我在这里介绍一下磁控管。磁控管种类很多，我主要介绍多腔连续波磁控管。磁控管由管芯和磁钢（或电磁铁）组成。管芯的结构包括阳极、阴极、能量输出器和磁路系统等四部分。管子内部保持高真空状态。下面分别介绍各部分的结构及其作用。 1 阳极 阳极是磁控管的主要组成之一，它与阴极一起构成电子与高频电磁场相互作用的空间。在恒定磁场和恒定电场的作用下，电子在此空间内完成能量转换的任务。磁控管的阳极除与普通的二极管的阳极一样收集电子外，还对高频电磁场的振荡频率起着决定性的作用。 阳极由导电良好的金属材料（如无氧铜）制成，并设有多个谐振腔，谐振腔的数目必须是偶数，管子的工作频率越高腔数越多。阳极谐振腔的型式常为孔槽形、扇形和槽扇型，阳极上的每一个小谐振腔相当于一个并联的2C振荡回路。以槽扇型腔为例，可以认为腔的槽部分主要构成振荡回路的电容，而其扇形部分主要构成振荡回路的电感。由微波技术理论可知，谐振腔的谐振频率与腔体的几何尺寸成反比。腔体越大其工作频率越低。于是，我们可以根据腔体的尺寸来估计它的工作频段。磁控管的阳极由许多谐振腔耦合在一起，形成一个复杂的谐振系统。这个系统的谐振腔频率主要决定于每个小谐振腔的谐振频率，我们也可以根据小谐振腔的大小来估计磁控管的工作频段。 磁控管的阳极谐振系统除能产生所需要的电磁振荡外，还能产生不同特性的多种电磁振荡。为使磁控管稳定的工作在所需的模式上,常用"隔型带"来隔离干扰模式.隔型带把阳极翼片一个间隔一个地连接起来,以增加工作模式与相邻干扰模式之间的频率间隔。 另外,由于经能量交换后的电子还具有一定的能量,这些电子打上阳极使阳极温度升高,阳极收集的电子越多(即电流越大),或电子的能量越大(能量转换率越低),阳极温度越高,因此,阳极需有良好的散热能力.一般情况下功率管采用强迫风冷,阳极带有散热片.大功率管则多用水冷,阳极上有冷却水套。 2 阴极及其引线 磁控管的阴极即电子的发射体,又是相互作用空间的一个组成部分。阴极的性能对管子的工作特性和寿命影响极大，被视为整个管子的心脏。 阴极的种类很多，性能各异。连续波磁控管中常用直热式阴极，它由钨丝或纯钨丝绕成螺旋形状，通电流加热到规定温度后就具有发射电子的能力。这种阴极具有加热时间短和抗电子轰击能力强等优点，在连续波磁控管中得到广泛的应用。 此种阴极加热电流大，要求阴极引线要短而粗，连接部分要接触良好。大功率管的阴极引线工作时温度很高，常用强迫风冷散热。磁控管工作时阴极接负高压，因此引线部分应有良好的绝缘性能并能满足真空密封的要求。为防止因电子回轰而使阳极过热，磁控管工作稳定后应按规定降低阴极电流以延长使用寿命。 3 能量输出器 能量输出器是把相互作用空间中所产生的微波能输送到负载去的装置。能量输出装置的作用是无损耗，无击穿地通过微波，保证管子的真空密封，同时还要做到便于与外部系统相连接。小功率连续波磁控管大多采用同轴输出在阳极谐振腔高频磁场最强的地方。放置一个耦合环，当穿过环面的磁通量变化时，将在环上产生高频感应电流，从而将高频功率引到环外。耦合环面积越大耦合越强。 大功率连续波磁控管常用轴向能量输出器，输出天线通过极靴孔洞连接到阳极翼片上。天线一般做成条状或圆棒也可为锥体。整个天线被输出窗密封。 输出窗常用低损耗特性的玻璃或陶瓷制成。它不须保证微波能量无损耗的通过和具有良好的真空气密性。大功率管的输出窗常用强迫风冷来降低由于介质损耗所产生的热量。 4 磁路系统 磁控管正常工作时要求有很强的恒定磁场，其磁场感应强度一般为数千高斯。工作频率越高，所加磁场越强。磁控管的磁路系统就是产生恒定磁场的装置。磁路系统分永磁和电磁两大类。永磁系统一般用于小功率管，磁钢与管芯牢固合为一体构成所谓包装式。大功率管多用电磁铁产生磁场，管芯和电磁铁配合使用，管芯内有上、下极靴，以固定磁隙的距离。磁控管工作时，可以很方便的靠改变磁场强度的大小，来调整输出功率和工作频率。另外，还可以将阳极电流馈入电磁线包以提高管子工作的稳定性。 5 磁控管的正确使用 磁控管是微波应用设备的心脏，因此，磁控管的正确使用是维护微波设备正常工作的必要条件。磁控管在使用时应注意以下几个问题： 一、负载要匹配。 无论什么设备都要求磁控管的输出负载尽可能做到匹配，也就是它的电压驻波比应尽可能的小。驻波大不仅反射功率大，使被处理物料实际得到的功率减少，而且会引起磁控管跳模和阴极过热，严重时会损坏管子。跳模时，阳极电流忽然出现跌落。引起跳模的原因除管子本身模式分隔度小外，主要有以下几个方面： （1) 电源内阻太大，空载高而激起非π模式。 （2）负载严重失配，不利相位的反射减弱了高频场与电子流的相互作用，而不能维持正常的π模振荡。 （3）灯丝加热不足，引起发射不足，或因管内放气使阴极中毒引起发射不足，不能提供π模振荡所需的管子电流。 为避免跳模的发生，要求电源内阻不能过大，负载应匹配，灯丝加热电流应符合要求 二、冷却。 冷却是保证磁控管正常管工作的条件之一，大功率磁控管的阳极常用水冷，其阴极灯丝引出部分及输出陶瓷窗同时进行强迫风冷，有些电磁铁也用风冷或水冷。冷却不良将使管子过热而不能正常工作，严重时将烧坏管子。应严禁在冷却不足的条件下工作。 三、合理调整阴极加热功率。 磁控管起振后，由于不利电子回轰阴极使阴极温度升高而处于过热状态，阴极过热将使材料蒸发加剧，寿命缩短，严重时将烧坏阴极。防止阴极过热的办法是按规定调整降低阴极加热功率。 微波炉的工作原理      据说，1946年美国斯潘瑟一个偶然的机会，发现微波溶化了糖果。事实证明，微波辐射能引起食物内部的分子振动，从而产生热量。1947年，第一台微波炉问世。但大家用微波来煮饭烧菜还是最近几年的事。微波是一种电磁波。这种电磁波的能量不仅比通常的无线电波大得多，而且还很有"个性"：微波一碰到金属就发生反射，金属根本没有办法吸收或传导它；微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透过，其能量反而会被吸收。微波炉正是利用微波的这些特性制作的。微波炉的外壳用不锈钢等金属材料制成，可以阻挡微波从炉内逃出，以免影响人们的身体健康。装食物的容器则用绝缘材料制成。微波炉的心脏是磁控管。这个叫磁控管的电子管是个微波发生器，它能产生每秒钟振动频率为24.5亿次的微波。这种肉眼看不见的微波，能穿透食物达5cm深，并使食物中的水分子也随之运动，剧烈的运动产生了大量的热能，于是食物"煮"熟了。这就是微波炉加热的原理。用普通炉灶煮食物时，热量总是从食物外部逐渐进入食物内部的。而用微波炉烹饪，热量则是直接深入食物内部，所以烹饪速度比其它炉灶快4至10倍，热效率高达80%以上。目前，其他各种炉灶的热效率无法与它相比。而微波炉由于烹饪的时间很短，能很好地保持食物中的维生素和天然风味。比如，用微波炉煮青豌豆，几乎可以使维生素C一点都不损失。另外，微波还可以消毒杀菌，解冻，干燥……。 （一）微波炉的种类和性能       微波炉按控制方式的不同，可分为：机电控制型 和 电脑控制型。机电控制型，微波通过定时器和功率调节器等机械装置来控制微波加热的时间。电控制型，按设定的程序完成各种操作。微波炉按功能分，可分为：单一微波加热型 和 多功能组合型。单一微波加热型，又分：转盘式 和 搅拌式两种。多功能组合型，在单一微波加热的基楚上，增加烘烤装置。按微波的容量还可划分为17升，18升，20升，23升，24升，26升 28升等微波炉。微波炉的微波输出功率一般在600w——900w范围内。转换效率一般按30%——60%计算，微波炉的实际消耗功率约为1100w——1400w。 (二 )微波炉的工作原理      1.微波的特性      微波是一种频率为300MHZ~300GHZ的电磁波，它的波长很短，具有可见光的性质，沿直线传播。微波在遇到金属材料时能反射，遇到玻璃、塑料、陶瓷等绝缘材料可以穿透，在遇到含有水分的蛋白质、脂肪等介质可被吸收，并将微波的电磁能量变为热能。由于微波的频率较高，它的传输需要用高导电率的波导管来传输。 　　微波的频段虽然很宽，但是真正用于微波加热的频段却很窄，主要原因是避免所以使用较多的频率，防止对微波通讯造成干扰。国际上，家用微波炉有９１５MHz和２４５０MHz两个频率，２４５０MHz用于家庭烹调炊具，９１５MHz用于干燥、消毒。      ２.微波加热原理 　　被加热的介质一般可分为无极性分子电介质和有极性分子电介质。有极性分子在没有外加电场时不显示极性。如果将这种介质放在外加电场中，每个极性分子会沿着电场力的方向形成有序排列，并在电介质表面会感应出相反的电荷，这一过程称为极化。外加电场越强，极化作用也越强。当外加电场改变方向时，极性分子也随之以相反的方向形成有序排列。 　　若外加的是交变电场和磁场，极性分子将被反复交变磁化，交变电场的频率越高，极性分子反复转向的极化也就越快。此时，分子热运动的动能增大，也就是热量增加，食物的温度也随之升高，便完成了电磁能向热能的转换。 　　家用微波炉的频率是２４５０MHz，电场方向每秒钟变化２４．５亿次，其生成的热量之大是可想而知的． 　　微波炉是用微波来烹调食物的，由磁控管产生２４５０MHz的超短电磁波，通过微小元件发射到炉内各处，经发射、传导、被食物吸收，引起食物内的极性分子（如水、脂肪、蛋白质、糖等）以每秒２４．５亿次的极高速振动．由于振动所引起的摩擦使食物内部产生高热，将食物烹熟． 　　３.微波炉的工作过程 　　电控系统将２２０Ｖ交流电压通过高压变压器和高压整流器，转换成４０００Ｖ左右的直流电压，送到微波发生器产生微波，微波能通过波导管传入炉热腔里．由于炉热腔是金属制成的，微波不能穿过．只能在炉腔里反射，并反复穿透食物，加热食物．从而完成加热过程。1946年，斯潘瑟还是美国雷声公司的研究员。一个偶然的机会，他发现微波溶化了糖果。事实证明，微波辐射能引起食物内部的分子振动，从而产生热量。1947年，第一台微波炉问世。顾名思义，微波炉就是用微波来煮饭烧菜的。微波是一种电磁波。这种电磁波的能量不仅比通常的无线电波大得多，而且还很有"个性" ：微波一碰到金属就发生反射，金属根本没有办法吸收或传导它；微波可以穿过玻璃、陶瓷、塑料等绝缘材料，但不会消耗能量；而含有水分的食物，微波不但不能透过，其能量反而会被吸收。  　　微波炉正是利用微波的这些特性制作的。微波炉的外壳用不锈钢等金属材料制成，可以阻挡微波从炉内逃出，以免影响人们的身体健康。装食物的容器则用绝缘材料制成。微波炉的心脏是磁控管。这个叫磁控管的电子管是个微波发生器，它能产生每秒钟振动频率为24.5亿次的微波。这种肉眼看不见的微波，能穿透食物达5cm深，并使食物中的水分子也随之运动，剧烈的运动产生了大量的热能，于是食物"煮"熟了。这就是微波炉加热的原理。用普通炉灶煮食物时，热量总是从食物外部逐渐进入食物内部的。而用微波炉烹饪，热量则是直接深入食物内部，所以烹饪速度比其它炉灶快4至10倍，热效率高达80%以上。目前，其他各种炉灶的热效率无法与它相比。 而微波炉由于烹饪的时间很短，能很好地保持食物中的维生素和天然风味。比如，用微波炉煮青豌豆，几乎可以使维生素C一点都不损失。另外，微波还可以消毒杀菌。  　　使用微波炉时，应注意不要空"烧"，因为空"烧"时，微波的能量无法被吸收，这样很容易损坏磁控管。另外，人体组织是含有大量水分的，一定要在磁控管停止工作后，再打开炉门，提取食物。  微波炉的发展史    我国微波炉发展的第一阶段是80年代以前的探索阶段；第二阶段是80年代，处于起步时期，主要是因为港资企业蚬华介入，其主要产品是出口，对国内市场促进不大；第三阶段是1990-1995年，全行业处于上升阶段，这一阶段以格兰仕的迅速崛起为标志，国内市场容量从50万台/年扩大到200万台/年；第四阶段是1996-1997年，行业处于成长期，生产厂家达到50多家，根据国家统计局信息中心统计，1997年榜上有名的达52家；第五阶段是1997年以后，市场预测容量400万台，但市场生产能力增至1200万台。   微波泄漏量:按IEC规定,离微波炉5cm处,测得微波的辐射强度小于5mw/cm2。  微波炉的技术参数 ：额定电压：220V 额定频率：50Hz 微波炉工作频率：2450Hz 炉门防泄漏装置：炉门周围有1/4λ的短路装置. 开门机构有两道联锁保险装置,炉门开启自动切断电源炉门开启次数:大于10万次 微波泄漏量:按IEC标准规定,离微波炉5cm处,测得微波的辐射强度小于5mw/cm2。