Сверхвысокочастотное устройство для термообработки объемных диэлектрических материалов

Авторы патента:

Полезная модель относится к СВЧ устройствам лучевого типа для тепловой обработки объемных диэлектрических материалов, в частности блоков из бетона, пенобетонов, штабелей древесины и т.п., и может быть использована в электронной, текстильной, строительной, мебельной и других отраслях промышленности. Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение равномерного СВЧ нагрева объемного диэлектрического материала. Поставленная техническая задача решается тем, что в сверхвысокочастотном устройстве для термообработки объемных диэлектрических материалов, содержащем источник СВЧ-энергии, камеру, на, по крайней мере, двух противоположных боковых стенках которой выполнены, по меньшей мере, по одному прямоугольному окну, по меньшей мере, два прямоугольных волновода, входы которых соединены с источником СВЧ-энергии, а выходы соединены с прямоугольными окнами противоположных боковых стенок камеры, согласно предложенной полезной модели, на, по крайне мере, двух противоположных боковых стенках которой выполнены, по меньшей мере, по одному окну каплеобразной формы, устройство дополнительно снабжено, по меньшей мере, двумя прямоугольными волноводами, на широкой стенке каждого из которых выполнена щель каплеобразной формы, геометрические размеры которого соответствуют геометрическим размерам окна каплеобразной формы стенки камеры, входы дополнительных волноводов соединены с источником СВЧ-энергии, а щелевые выходы каплеобразной формы с соответствующими окнами на противоположных стенках камеры, при этом дополнительные волноводы размещены относительно противоположных стенок камеры таким образом, что энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот распространяется в направлении, параллельном обрабатываемой поверхности объемного диэлектрического материала. Кроме того, предпочтительно, чтобы в сверхвысокочастотном устройстве для термообработки объемных диэлектрических материалов каждый волновод был снабжен индивидуальным источником СВЧ-энергии. Технический результат, достижение которого обеспечивается всей заявляемой совокупностью существенных признаков полезной модели, состоит в равномерном распределении температуры в нагреваемом с использованием СВЧ энергии объемном диэлектрическом материале Предложенная полезная модель может быть использована для сушки пиломатериалов в штабеле, ускоренного твердения бетонов и пенобетонов в формах из радиопрозрачного материала и термообработки других диэлектрических объемных материалов.

Известна конструкция СВЧ устройства для нагрева поверхности асфальтобетонного покрытия. Излучающая антенна выполнена в виде щели каплеобразной формы, прорезанной в середине широкой стенки волновода прямоугольного сечения, работающего на основном типе колебаний H₁₀. (Ю.В.Карпенко, В.Н.Нефедов. Машины для СВЧ - разогрева асфальтобетонных покрытий. Автомобильные дороги. Выпуск 1, 1997., стр.16.)

В известном устройстве вектор напряженности электрического поля перпендикулярен поверхности асфальтобетонного покрытия и зависимость распределения температуры в материале имеет вид параболы, то есть максимальное значение температура нагрева достигает на поверхности материала (асфальтобетонного покрытия) и спадает вглубь материала. Таким образом, известное устройство не может обеспечить равномерного распределения температуры по объему материала.

Известно устройство СВЧ нагрева прямоугольная камера, размеры которой составляют несколько длин волн источника СВЧ энергии ().

На стенках прямоугольной камеры расположены в определенном порядке излучатели СВЧ энергии, которые должны обеспечивать заданное распределение температуры в обрабатываемом диэлектрическом материале. Излучатели СВЧ энергии представляют собой раскрывы волноводов прямоугольного сечения, работающих на основном типе волны H₁₀. (Ю.Н.Пчельников, В.Т.Свиридов. Электроника сверхвысоких частот, Москва, "Радио и связь", 1981, стр.50.)

В известном устройстве вектор напряженности электрического поля параллелен поверхности обрабатываемого материала, и максимальное значение температуры нагрева достигается в глубине материала, а на поверхности значение температуры понижается. Таким образом, известное устройство не может обеспечить равномерного распределения температуры по объему материала.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели по технической сущности и достигаемому техническому результату является установка для сушки диэлектрических материалов СВЧ-энергией, содержащая сушильную камеру с дверью, СВЧ-генератор с Т-образным разветвлением волноводного выхода, противоположные концы которого через изгибы соединены с входами вертикальных прямоугольных волноводов, щелевые выходы которых соединены с входами горизонтальных прямоугольных волноводов, в широких стенках горизонтальных волноводов выполнены щели, выходы которых через стандартные прямоугольные волноводы соединены с входами рупорных антенн, раскрывы которых через окна, выполненные на боковых панелях камеры, обращены внутрь последней с образованием решетчатой антенны на каждой названной панели, щели горизонтальных волноводов продольно ориентированы. (Патент РФ 2199064, МПК Н05В 6/64, опубл. 20.02.2003 г.)

Недостаток известного устройства состоит в том, что оно не может обеспечить равномерного нагрева объемных диэлектрических материалов.

Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение равномерного СВЧ нагрева объемного диэлектрического материала.

Поставленная техническая задача решается тем, что в сверхвысокочастотном устройстве для термообработки объемных диэлектрических материалов, содержащем источник СВЧ-энергии, камеру, на, по крайней мере, двух противоположных боковых стенках которой выполнены, по меньшей мере, по одному прямоугольному окну, по меньшей мере, два прямоугольных волновода, входы которых соединены с источником СВЧ-энергии, а выходы соединены с прямоугольными окнами противоположных боковых стенок камеры, согласно предложенной полезной модели, на, по крайне мере, двух противоположных боковых стенках которой выполнены, по меньшей мере, по одному окну каплеобразной формы, устройство дополнительно снабжено, по меньшей мере, двумя прямоугольными волноводами, на широкой стенке каждого из которых выполнена щель каплеобразной формы, геометрические размеры которого соответствуют геометрическим размерам окна каплеобразной формы стенки камеры, входы дополнительных волноводов соединены с источником СВЧ-энергии, а щелевые выходы каплеобразной формы с соответствующими окнами на противоположных стенках камеры, при этом дополнительные волноводы размещены относительно противоположных стенок камеры таким образом, что энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот распространяется в направлении, параллельном обрабатываемой поверхности объемного диэлектрического материала. Кроме того, предпочтительно, чтобы в сверхвысокочастотном устройстве для термообработки объемных диэлектрических материалов каждый волновод был снабжен индивидуальным источником СВЧ-энергии.

Технический результат, достижение которого обеспечивается всей заявляемой совокупностью существенных признаков полезной модели, состоит в равномерном распределении температуры в нагреваемом с использованием СВЧ энергии объемном диэлектрическом материале.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется рисунками, где

на фиг.1 представлен общий вид СВЧ устройства лучевого типа;

на фиг.2 представлен вид стенки рабочей камеры;

на фиг.3 приведена экспериментальная зависимость распределения температуры по толщине объемного диэлектрического материала при СВЧ нагреве от прямоугольного волновода с раскрывом в виде щели прямоугольной формы (прямоугольная излучающая антенна).

на фиг.4 приведена экспериментальная зависимость распределения температуры по толщине объемного диэлектрического материала при СВЧ нагреве от прямоугольного волновода, на широкой стенке которого выполнена щель каплевидной формы (антенна в виде щели каплевидной формы);

на фиг.5 приведена зависимость распределения температуры по толщине диэлектрического материала, суммарная при СВЧ нагреве от волноводов с двумя типами излучающих антенн, прямоугольной и каплевидной, - кривая 3, зависимость распределения температуры по толщине материала для вектора напряженности электрического поля, параллельного поверхности материала, - кривая 1 и для вектора напряженности электрического поля, перпендикулярного поверхности материала - кривая 2.

На фиг.1 представлены следующие позиции:

1 - источник СВЧ-энергии;

2 - камера;

3 - волновод с выходами (раскрывами) прямоугольного формы;

4 - волновод, на широкой стенке каждого из которых выполнена щель каплеобразной формы;

5 - объемный диэлектрический материал;

6 - стенка камеры;

7 - прямоугольное окно стенки камеры;

8 - окно камеры, каплеобразной формы.

Формирование равномерного распределения температуры в нагреваемом объемном материале является одной из самых актуальных задач при создании технологического процесса термообработки материалов с использованием СВЧ энергии. Для нагрева объемных диэлектрических материалов используют СВЧ устройства лучевого типа.

Предложенное сверхвысокочастотное устройство для термообработки объемных диэлектрических материалов содержит, по меньшей мере, один источник 1 СВЧ-энергии, камеру 2, по меньшей мере, два прямоугольных волновода 3 с выходами (раскрывами) прямоугольного формы, по меньшей мере, два прямоугольных волновода 4, на широкой стенке каждого из которых выполнена щель каплеобразной формы.

На, по крайней мере, двух боковых противоположных стенках 6 камеры выполнены, по меньшей мере, по одному прямоугольному окну 7 и, по меньшей мере, по одному окну 8 каплеобразной формы (фиг.2).

Геометрические размеры и форма каплеобразной щели на широкой стенке волновода соответствуют геометрическим размерам и форме каплеобразного окна стенки камеры.

Входы волноводов соединены с источником СВЧ энергии, а выходы с соответствующими окнами противоположных боковых стенок камеры.

Предпочтительно, чтобы в СВЧ устройстве для термообработки объемных диэлектрических материалов каждый волновод был снабжен индивидуальным источником СВЧ-энергии.

Прямоугольные волноводы с раскрывами прямоугольной формы расположены относительно противоположных боковых стенок камеры таким образом, что энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот распространяется в направлении, перпендикулярном обрабатываемой поверхности объемного диэлектрического материала, обеспечивая максимальное значение температуры нагрева в глубине объемного диэлектрического материала.

На фиг.3 приведена экспериментальная зависимость распределения температуры по толщине объемного диэлектрического материала при СВЧ нагреве от прямоугольного волновода с раскрывом в виде щели прямоугольной формы

Прямоугольные волноводы с щелями каплеобразной формы на широкой стенке волновода расположены относительно противоположных боковых стенок камеры таким образом, энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот распространяется в направлении, параллельном обрабатываемой поверхности объемного диэлектрического материала, обеспечивая максимальное значение температуры нагрева поверхности объемного диэлектрического материала.

На фиг.4 приведена экспериментальная зависимость распределения температуры по толщине объемного диэлектрического материала при СВЧ нагреве от прямоугольного волновода, на широкой стенке которого выполнена щель каплевидной формы (антенна в виде щели каплевидной формы);

Равномерный нагрев объемного диэлектрического материала, обеспечиваемый заявляемым устройством, основан на принципе суперпозиции взаимодополняющих распределений температуры в объемном диэлектрическом материале при одновременном облучении его с использованием обоих типов антенн, а именно:

- вектор напряженности электрического поля направлен параллельно поверхности материала и при этом создается максимум температуры в центре объема диэлектрического материала;

- вектор напряженности электрического поля направлен перпендикулярно поверхности обрабатываемого материала и при этом создается максимум температуры на поверхности материала.

Экспериментальные исследования показали высокую равномерность распределения температурного поля по объему диэлектрического материала, неравномерность температуры по объему составила не более 5°С.

На фиг.5 приведена зависимость (кривая 3) распределения температуры по толщине диэлектрического материала, суммарная при СВЧ нагреве от волноводов с двумя типами излучающих антенн, прямоугольной и каплевидной.

Из приведенной на фиг.5 зависимости (кривая 3) следует, что обеспечивается равномерный нагрев обрабатываемого объемного диэлектрического материала как на поверхности, так и в объеме материала.

Приведенные на фиг.3-5 экспериментальные кривые распределения температуры по толщине материала были получены в результате экспериментальных исследований нагрева объемного однородного диэлектрического материала, в качестве которого была использована древесина 10% влажности.

Поперечные размеры СВЧ камеры составили 600 мм×600 мм, были использованы источники СВЧ энергии с выходной мощностью 600 Вт и частота колебаний электромагнитного поля 2450 МГц, волноводы прямоугольного поперечного сечения 72 мм×34 мм. Ширина обрабатываемого материала составила 300 мм, а расстояние от раскрыва волноводов источников СВЧ энергии до поверхности нагреваемого материала 150 мм.

Распределение температуры в материале измерялось по линии, проходящей через оси волноводов с погрешностью ±1°С.

Варьируя время работы источников СВЧ энергии с разными поляризациями вектора напряженности электрического поля по отношению к поверхности обрабатываемого материала, можно получить заданное распределение температуры в материалах с различными диэлектрическими потерями.

Предложенная полезная модель может быть использована для сушки пиломатериалов в штабеле, ускоренного твердения бетонов и пенобетонов в формах из радиопрозрачного материала и термообработки других диэлектрических объемных материалов.

1. Сверхвысокочастотное устройство для термообработки объемных диэлектрических материалов, содержащее источник СВЧ-энергии, камеру, на, по крайней мере, двух противоположных боковых стенках которой выполнены, по меньшей мере, по одному прямоугольному окну, по меньшей мере, два прямоугольных волновода, входы которых соединены с источником СВЧ-энергии, а выходы соединены с прямоугольными окнами противоположных боковых стенок камеры, отличающееся тем, что оно снабжено, по меньшей мере, двумя дополнительными прямоугольными волоноводами, на широкой стенке каждого из которых выполнена щель каплеобразной формы, на, по крайней мере, двух противоположных боковых стенках камеры выполнены, по меньшей мере, по одному окну каплеобразной формы, а геометрические размеры щели каплеобразной формы соответствуют геометрическим размерам окна каплеобразной формы стенки камеры, причем входы дополнительных волноводов соединены с источником СВЧ-энергии, а щелевые выходы каплеобразной формы - с соответствующими окнами на противоположных стенках камеры, при этом дополнительные волноводы размещены относительно противоположных стенок камеры таким образом, что энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот распространяется в направлении, параллельном обрабатываемой поверхности объемного диэлектрического материала.

2. Сверхвысокочастотное устройство для термообработки объемных диэлектрических материалов по п.1, отличающееся тем, что каждый волновод снабжен индивидуальным источником СВЧ-энергии.