徐恩光， 熊令明， 林蘭英， 傅 峰

(中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院木材工業(yè)研究所，北京 100091)

在處理木材過程中，微波只按照電磁波規(guī)律進(jìn)行傳輸，因此木材工業(yè)中的微波干燥、微波預(yù)處理、微波彎曲、微波膨化等，都需要借助專用的微波處理設(shè)備來保證木材和微波的耦合作用，獲得理想的處理效果[1]。本文綜述了木材用微波處理設(shè)備發(fā)展和主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為木材用微波設(shè)備研發(fā)提供參考。

1 木材工業(yè)用微波處理設(shè)備發(fā)展

微波能在木材工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究始于1974年[2]，在幾十年的發(fā)展歷程中研發(fā)了多臺(tái)套木材用微波處理設(shè)備，見表1。根據(jù)設(shè)備用途和行業(yè)發(fā)展，木材工業(yè)領(lǐng)域的微波技術(shù)應(yīng)用可為兩個(gè)階段，第一階段是1974—1990年，主要用于木材干燥。1977年，中國(guó)第一臺(tái)915 MHz、20 kW的木材微波干燥機(jī)由國(guó)營(yíng)七七二廠微波所開發(fā)，用于無錫家具二廠[3]。同年，上海長(zhǎng)征木材制品廠與東北林學(xué)院合作，研制了915 MHz、30 kW隧道式木材微波處理設(shè)備[4]。1978年，寧波市工藝美術(shù)公司研制了915 MHz、80 kW隧道式木材干燥機(jī)，經(jīng)試用，工作穩(wěn)定，生產(chǎn)正常[5]。1981年長(zhǎng)航金陵船廠研發(fā)了915 MHz、40 kW隧道式微波干燥機(jī)，干燥效率大于0.6 kg/kW·h，年處理量約1 000 m3[6]。1982年，黑龍江木材工業(yè)研究所采用915 MHz、30 kW的CK-608型連續(xù)波磁控管，制備了MXSG-1/915-30型隧道式木材微波干燥機(jī)，同年7月通過了技術(shù)鑒定[7]。1986年，東北林業(yè)大學(xué)使用相同型號(hào)的磁控管作為微波源，制備了實(shí)驗(yàn)用木材微波干燥機(jī)。同期蘇聯(lián)也開始進(jìn)行微波技術(shù)應(yīng)用在木材工業(yè)上的研究。木材微波干燥設(shè)備因微波加熱均勻、干燥速度快、干燥應(yīng)力低、干燥質(zhì)量好，先后在北京、天津、上海、南京、鎮(zhèn)江、青島、哈爾濱等地推廣應(yīng)用，后因投資高、耗電大、干燥成本高等原因，到20世紀(jì)80年代中期，各廠的微波干燥先后停產(chǎn)[8]。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微波裝備穩(wěn)定性增加，干燥工藝完善，木材微波處理技術(shù)又被重新恢復(fù)應(yīng)用[8]，進(jìn)入第二發(fā)展階段，并拓展出以改善滲透性為目標(biāo)的木材微波預(yù)處理設(shè)備和木材微波膨化設(shè)備。1993年，華東師范大學(xué)電子系開發(fā)出915 MHz、40 kW連續(xù)木材微波干燥設(shè)備，可以干燥5 cm厚的木材[9]。1994年，福州大學(xué)研制了竹材微波干燥線，由3臺(tái)2 450 MHz、5 kW的微波源供能，實(shí)行流水作業(yè)，每小時(shí)能將115 kg、含水率為20%的竹筷干燥至含水率10%[10]。1996年，南京國(guó)營(yíng)七七二廠微波能推廣應(yīng)用研究所研制了915 MHz、40 kW的WX40L型木材微波干燥設(shè)備，生產(chǎn)能力3～4 m3/班[11]。1998年，澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)和墨爾本大學(xué)合作研發(fā)了2 450 MHz、5 kW木材微波處理設(shè)備[12]。2004年，東北林業(yè)大學(xué)使用915 MHz、10 kW的CK-608型磁控管制備了以改善木材滲透性為目標(biāo)的微波預(yù)處理設(shè)備[13]。同年，澳大利亞的G.Torgovnikov教授制造了微波功率為60 kW的木材處理設(shè)備，根據(jù)不同的樹種和處理要求，木材的微波處理成本為20～80澳元/m3[14]。2006年，在第十一屆國(guó)際微波和高頻加熱會(huì)議上，G.Torgovnikov教授介紹了915 MHz、300 kW木材微波處理設(shè)備，如圖1所示[15-16]，該設(shè)備是當(dāng)時(shí)微波功率最大的木材用微波處理設(shè)備，現(xiàn)已停止使用。

圖1 300 kW木材微波處理設(shè)備

2010年中國(guó)林科院木材所研發(fā)了2 450 MHz、5 kW木材干燥設(shè)備[17]。2013年，中南林業(yè)科技大學(xué)設(shè)計(jì)制造了功率為40 kW的木材微波處理設(shè)備[18]。2014年，中國(guó)林科院木材所聯(lián)合南京三樂微波技術(shù)發(fā)展有限公司研發(fā)了915 MHz、20 kW的WX20L連續(xù)型隧道式木材微波處理設(shè)備，如圖2所示。在此基礎(chǔ)上，為彌補(bǔ)現(xiàn)有設(shè)備處理木材尺寸小、均勻性差的缺點(diǎn)，中國(guó)林科院木材所于2017年升級(jí)研發(fā)了WX200L型木材用微波處理設(shè)備[19]，并在相關(guān)企業(yè)應(yīng)用，如圖3所示。該設(shè)備設(shè)計(jì)微波功率200 kW，使用4個(gè)915 MHz的微波源供能，諧振腔段采用四饋口結(jié)構(gòu)，并配備熱風(fēng)系統(tǒng)[20]，處理材設(shè)計(jì)尺寸為12 cm×22 cm×200 cm，處理速度為0.6～6 m/min，是當(dāng)前微波功率最大的木材用微波處理設(shè)備，可用于木竹材干燥和微波膨化木制備。

圖2 WX20L型連續(xù)式木材微波處理設(shè)備

圖3 200 kW連續(xù)式木材微波處理設(shè)備

除以上隧道式微波處理設(shè)備，也有學(xué)者試制了小型箱體式實(shí)驗(yàn)用木材微波處理設(shè)備[21]、木材微波彎曲設(shè)備[22]和木材微波脫脂設(shè)備[23]。還有以提高木材滲透性為目標(biāo)，用于木材染色的WLD24S-01型微波設(shè)備，該設(shè)備主體由箱體和均勻分布在處理箱壁上的50個(gè)微波發(fā)生器及控制裝置組成，微波頻率為2 450 MHz，功率為6.28 kW、10.2 kW、23.8 kW三檔[24]。

表1 木材用微波設(shè)備發(fā)展歷程

時(shí)間研發(fā)單位設(shè)備用途處理材尺寸/mm微波頻率/MHz微波功率/kW諧振腔尺寸/mm抑制段形式排濕系統(tǒng)傳輸速度/m·min-11977國(guó)營(yíng)七七二廠微波所隧道式木材干燥50×200×1 2009155 kW×4800×1 000×1 160空抑制段加梳尺形抑制器頂部單口引風(fēng)0.5～71978寧波市工藝美術(shù)公司隧道式木材干燥———91520 kW×4———空抑制段頂部單口引風(fēng)———1981長(zhǎng)航金陵船廠隧道式木材干燥60×1 000×長(zhǎng)度不限91520 kW×2800×1 000×1 160空抑制段加梳尺形抑制器頂部單口引風(fēng)———1982黑龍江木材所隧道式木材干燥40×50×長(zhǎng)度不限91530 kW×1860×1 300×1 000空抑制段加硅堆保護(hù)頂部單口引風(fēng)0.1～0.851986東北林業(yè)大學(xué)隧道式木材干燥50×100×1 80091530 kW×1780×1 000×1 300群島濾波器,外覆石墨板0.92m/s單口引風(fēng)0～2.71994福州大學(xué)隧道式竹材干燥直徑45,長(zhǎng)度2502 4505 kW×3———空抑制段——————1996國(guó)營(yíng)七七二廠微波所木材干燥130×900×長(zhǎng)度不限91520 kW×2———空抑制段頂部排濕0.2～1.51998昆士蘭科技大學(xué)/墨爾本大學(xué)木材微波處理83×83×9002 4505 kW ×1124×248×1 200空抑制段加水套循環(huán)式熱風(fēng)———1998南京林業(yè)大學(xué)木材微波彎曲15×40×2102 4501———空抑制段——————2000南京林業(yè)大學(xué)木材彎曲5×20×3002 4500.9———空抑制段——————

續(xù)表1

注：表中“——”代表文獻(xiàn)中未提及相關(guān)內(nèi)容。

2 木材用微波處理設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)比不同制造時(shí)間、不同用途的木材用微波處理設(shè)備，設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)分為箱體式和隧道式兩類。箱體式設(shè)備需要關(guān)停微波后再進(jìn)行上下料，為間歇式處理，設(shè)備密閉性較高，在微波功率調(diào)控的基礎(chǔ)上，可以實(shí)現(xiàn)輻射環(huán)境的溫濕度調(diào)節(jié)和真空度調(diào)節(jié)。隧道式微波設(shè)備可以連續(xù)進(jìn)出料，具有較高的生產(chǎn)效率，得到了廣泛使用。微波設(shè)備的主要構(gòu)件包括微波發(fā)生系統(tǒng)、微波傳輸和抑制系統(tǒng)、微波處理腔、物料輸送系統(tǒng)及排濕系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)。

2.1 微波發(fā)生系統(tǒng)

微波發(fā)生系統(tǒng)由電源、微波發(fā)生器、波導(dǎo)等元器件組成，微波發(fā)生器有電真空器件和半導(dǎo)體器件兩大類，是整套設(shè)備的核心，決定了微波設(shè)備的輸出功率和頻率?；陔姶蓬l譜資源的分配，木材工業(yè)用微波頻帶集中在915 MHz和2 450 MHz頻段，考慮微波穿透深度，多使用915 MHz頻段。

木材工業(yè)中多使用磁控管來產(chǎn)生微波，單個(gè)磁控管的功率為5～100 kW不等，磁控管為損耗品，使用壽命約2 000 h，輸出功率隨時(shí)間衰減。在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，如果單個(gè)微波源功率不能滿足需求，可以通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)疊加多個(gè)微波源共同工作。也可使用固態(tài)微波源制造微波加熱設(shè)備[25]，和磁控管相比固態(tài)微波源采用了半導(dǎo)體技術(shù)，輸出頻率多樣，輸出功率穩(wěn)定，容易控制，供電電壓低，使用壽命超過20年，且無功率衰減，但目前單個(gè)微波源功率過低，無法滿足大功率產(chǎn)業(yè)化需求。

2.2 微波傳輸和抑制系統(tǒng)

微波傳輸系統(tǒng)位于微波發(fā)生器和諧振腔之間，引導(dǎo)微波進(jìn)入諧振腔，由波導(dǎo)、環(huán)形器、水負(fù)載、三螺釘、雙定向耦合器等器件組成。木材微波處理設(shè)備上多使用矩形金屬波導(dǎo)，材質(zhì)為鋁或不銹鋼。

進(jìn)入諧振腔內(nèi)的微波，部分經(jīng)物料和諧振腔壁反射后重新進(jìn)入波導(dǎo)，反向傳播，如不加阻擋，反射過大時(shí)會(huì)損傷磁控管，因此在波導(dǎo)系統(tǒng)中需要加設(shè)環(huán)形器與水負(fù)載，位置在靠近微波發(fā)生器一側(cè)，根據(jù)反射微波功率的大小進(jìn)行匹配。環(huán)形器可以使產(chǎn)生的微波和反射回來的微波混合后再次進(jìn)入諧振腔，水負(fù)載用于在反射過大時(shí)吸收過量的微波能。

在波導(dǎo)上加設(shè)雙定向耦合器可以實(shí)現(xiàn)入射和反射微波能的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，整個(gè)處理過程中木材的反射功率不斷變化，為了降低反射，可在波導(dǎo)系統(tǒng)中加設(shè)三螺釘調(diào)節(jié)器。三螺釘調(diào)節(jié)器有手動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)調(diào)節(jié)兩種，手動(dòng)調(diào)節(jié)只能根據(jù)被處理木材的特征，利用網(wǎng)格分析儀將反射調(diào)整到靜止時(shí)的最低狀態(tài)，盡量降低實(shí)際使用過程中的微波能反射。自動(dòng)調(diào)節(jié)可利用專用軟件和雙定向耦合器配合工作，反應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，實(shí)時(shí)在線調(diào)節(jié)三螺釘?shù)纳斐隽浚ＷC微波反射功率最小。

對(duì)于隧道式微波處理設(shè)備，反射的微波除了沿著波導(dǎo)進(jìn)入微波源外，也會(huì)沿著諧振腔的進(jìn)出料通道向外泄露，需要進(jìn)行抑制。由于微波在空間上迅速衰減，因此可以使用空腔直接作為抑制段使用，為了縮短抑制段長(zhǎng)度，可以在一定長(zhǎng)度的空腔抑制段后配合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來反射或吸收泄露的微波能，木材用微波設(shè)備上常見的有梳齒型抑制段、群島型抑制段和水套抑制段。

2.3 微波處理腔

微波經(jīng)波導(dǎo)進(jìn)入諧振腔，被填充在諧振腔內(nèi)的木材消耗，實(shí)現(xiàn)木材的微波輻射處理，諧振腔的形狀和尺寸決定了可處理木材的大小，常見的諧振腔有矩形和圓形兩種，可用于鋸材和原木處理。諧振腔設(shè)計(jì)是否合理直接影響木材的微波處理效果，設(shè)計(jì)過程中需要考慮腔體尺寸、饋口位置與大小、加熱均勻性、排濕孔設(shè)置等，保證微波利用率高、場(chǎng)強(qiáng)分布均勻、微波匹配性好、微波泄漏少。

最初木材微波處理設(shè)備多采用單側(cè)饋入的微波結(jié)構(gòu)，木材處理效果不均勻，沿著微波饋入方向逐漸衰減，為獲得均勻的木材處理效果，可采用多側(cè)微波饋入形式。圖4是不同饋入形式下木材內(nèi)部的溫度分布情況模擬，從圖中可以看出，四口饋入可以獲得較均勻的溫度分布[26]。

對(duì)于箱體式微波設(shè)備，可通過旋轉(zhuǎn)木材、在箱內(nèi)加設(shè)風(fēng)扇狀金屬攪拌物、使用旋轉(zhuǎn)波導(dǎo)等方式，使微波在腔體內(nèi)部充分反射，形成駐波場(chǎng)，以提高處理效果的均勻性。一般諧振腔體積越大、諧振模式越多，能量分布越均勻，木材處理的均勻性也越好，但諧振腔體積擴(kuò)大，微波能量密度降低，木材的微波處理效果降低。

圖4 不同饋入形式下木材內(nèi)部溫度分布

2.4 排濕系統(tǒng)

在微波作用下，木材內(nèi)部的水分升溫、汽化，夾雜著各種內(nèi)含物一起逸出，逸出后又在諧振腔內(nèi)壁上冷凝，和木材表面的木屑一起組成了諧振腔的內(nèi)部微環(huán)境。隨著處理量的增加，諧振腔內(nèi)氣態(tài)組分濃度越來越大，成分也更加復(fù)雜，冷凝水含量增加，在污染設(shè)備的同時(shí)吸收微波能，影響處理效果。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)還會(huì)在諧振腔內(nèi)形成等離子打火，危及設(shè)備安全，因此在處理過程中需要將腔體內(nèi)部的水汽及時(shí)排出，保證諧振腔內(nèi)部環(huán)境的干燥與清潔。

木材微波處理設(shè)備排濕系統(tǒng)主要有單引風(fēng)排濕系統(tǒng)和鼓風(fēng)引風(fēng)排濕系統(tǒng)兩類。單引風(fēng)排濕系統(tǒng)是在諧振腔的上方或側(cè)方開設(shè)一個(gè)或多個(gè)引風(fēng)口，通過管道與風(fēng)機(jī)相連，將諧振腔內(nèi)部的水蒸氣排出，風(fēng)向與木材運(yùn)動(dòng)方向垂直，風(fēng)速約為1 m/s。

鼓風(fēng)引風(fēng)排濕系統(tǒng)是在諧振腔的進(jìn)出料位置加設(shè)鼓風(fēng)和引風(fēng)接口，風(fēng)向與木材運(yùn)動(dòng)方向平行，風(fēng)速高達(dá)24 m/s，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證木材四周風(fēng)速一致，如圖5所示，較大的風(fēng)速可以將處理過程中釋放的水汽和木材表面木屑等雜質(zhì)帶出諧振腔。由于具有鼓風(fēng)裝置，因此可以將進(jìn)風(fēng)加熱至80～120 ℃后鼓入[27]，保證諧振腔內(nèi)環(huán)境溫度始終高于水的沸點(diǎn)，避免冷凝水的產(chǎn)生。

2.5 物料傳輸系統(tǒng)

物料傳輸系統(tǒng)的主要作用是將木材運(yùn)經(jīng)諧振腔，實(shí)現(xiàn)木材的微波處理。箱體式設(shè)備通過人工上下料，不需要專門的傳輸系統(tǒng)，隧道式微波處理設(shè)備多使用傳送帶進(jìn)行傳輸。為了避免木材運(yùn)輸過程中的打滑和跑偏問題，可在傳送帶上安裝限位導(dǎo)軌、配備重錘、對(duì)輥筒進(jìn)行包膠等。為了進(jìn)一步提高傳輸能力，還可以在傳送帶下增設(shè)支持輥筒或使用鏈板等形式進(jìn)行傳輸。在處理過程中腔體內(nèi)溫度較高，傳送帶需要選擇能夠耐高溫的材料，如聚四氟乙烯或凱夫拉等。傳送速度可根據(jù)木材尺寸、微波功率、處理要求等進(jìn)行調(diào)節(jié)。在微波處理過程中，如果出現(xiàn)斷料，反射功率會(huì)顯著增加損壞微波設(shè)備，因此在傳輸系統(tǒng)上還需要配備光電檢測(cè)器等斷料檢測(cè)裝置。

圖5 鼓風(fēng)引風(fēng)排濕系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.6 冷卻和控制系統(tǒng)

微波設(shè)備的冷卻系統(tǒng)主要有風(fēng)冷和水冷兩部分，風(fēng)冷是安裝在微波源機(jī)箱內(nèi)，通過風(fēng)機(jī)對(duì)磁控管進(jìn)行冷卻。水冷系統(tǒng)主要有兩個(gè)作用，一是流經(jīng)環(huán)形器和抑制段水套，對(duì)反射和泄露的微波能進(jìn)行吸收；二是對(duì)微波發(fā)生裝置進(jìn)行冷卻，包括磁控管和電磁鐵，例如30 kW的磁控管陽極用水流量為8 L/min，水壓1 kg/cm2，以保證陶瓷表面溫度低于150 ℃，陽極冷卻水出口溫度低于50 ℃。當(dāng)連續(xù)工作或環(huán)境溫度過高時(shí)也需要對(duì)電磁鐵進(jìn)行冷卻，冷卻水流量為2 L/min，實(shí)際可根據(jù)水溫情況調(diào)節(jié)冷卻水流速大小。微波設(shè)備的水循環(huán)冷卻系統(tǒng)由水箱、水泵和冷卻塔組成，水箱內(nèi)安裝有測(cè)溫探頭，可以進(jìn)行超溫報(bào)警(50 ℃)。

整套設(shè)備的上下料、微波開啟、熱風(fēng)排濕系統(tǒng)等都通過中央控制臺(tái)進(jìn)行控制操作，并且對(duì)微波入射、反射功率、測(cè)溫點(diǎn)溫度、進(jìn)料速度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，實(shí)現(xiàn)處理工藝與效果的對(duì)應(yīng)分析。

2.7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在木材用微波處理設(shè)備設(shè)計(jì)制造過程中，考慮成本因素建議選用磁控管作為微波源，微波頻率根據(jù)處理材尺寸進(jìn)行選取，可采用多個(gè)微波源疊加的方式滿足微波能要求，在諧振腔位置采用多口饋入方式來獲得均勻的處理效果。由于木材為非均質(zhì)材料，在微波處理時(shí)為了防止反射過大，需要在波導(dǎo)段加設(shè)環(huán)行器進(jìn)行保護(hù)，并利用自動(dòng)三螺釘來降低反射。鼓風(fēng)引風(fēng)排濕系統(tǒng)能夠更好地保證木材的微波處理效果和設(shè)備安全，建議使用24 m/s、80～120 ℃的熱風(fēng)進(jìn)行循環(huán)。冷卻系統(tǒng)的水流量不可小于2 L/min，并在水箱內(nèi)安裝溫度探頭，當(dāng)溫度高于50 ℃時(shí)報(bào)警。物料傳輸系統(tǒng)應(yīng)配備斷料檢測(cè)裝置以保證設(shè)備安全。

3 展望

結(jié)合我國(guó)木材用微波設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀，木材用微波處理設(shè)備的研發(fā)是木材微波處理技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，在后續(xù)木材用微波處理技術(shù)的推廣過程中，應(yīng)加強(qiáng)微波處理設(shè)備的專業(yè)性和針對(duì)性，根據(jù)用途選擇適宜的微波設(shè)備結(jié)構(gòu)。

在木材干燥和木材檢疫等領(lǐng)域，可使用箱體式設(shè)備結(jié)構(gòu)，利用單極子天線、多點(diǎn)布局天線等形式，提高微波場(chǎng)的均勻性，改善處理效果，提高處理效率。如果使用隧道式微波干燥設(shè)備，可以在傳送帶上加設(shè)壓緊或固定裝置，限制木材變形，保證干燥質(zhì)量。

木材微波預(yù)處理、微波膨化木制備多使用隧道式處理設(shè)備，其結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，后續(xù)研發(fā)可通過設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高木材傳輸能力，設(shè)置快速拆卸裝置，實(shí)現(xiàn)微波設(shè)備的快速檢修與清理，開發(fā)具有溫濕度和真空度調(diào)節(jié)功能的隧道式微波處理設(shè)備，提高木材微波處理的效率與質(zhì)量。