Устройство для нагрева дорожного полотна

Устройство для нагрева дорожного полотна обеспечивает максимальное использование СВЧ-энергии на нагрев дорожного полотна, энергоэффективно и безопасно для окружающей среды и человека. Изобретение относится к технологии дорожно-строительных работ, в частности к устройствам для нагрева асфальтобетонных покрытий Устройство для нагрева дорожного полотна, содержащее тележку, нагревательное устройство с СВЧ металлическим экраном, установленным на тележке и с введенным в жесткий экран системы четвертьволновых шлейфов по всему периметру жесткого экрана для образования волноводного тройника в пространстве между жестким экраном и покрытием, жесткий экран и система четвертьволновых шлейфов по всему периметру выполнены из материала с проводящим слоем; дополнительно в нижней части жесткого экрана рупорной антенны с четвертьволновым шлейфом с образованным волноводным тройником установлен подвижный жесткий экран с двумя четвертьволновыми шлейфами по всему периметру экрана и защитой по краям жесткого экрана рупорной антенны из материала с малыми диэлектрическими потерями с возможностью перемещения подвижного жесткого экрана с внутренним четвертьволновым шлейфом в четвертьволновом шлейфе жесткого экрана волноводного тройника, причем в рабочем положении подвижный жесткий экран находится на поверхности покрытия и снижает выход СВЧ излучения между ним и покрытием за счет двух четвертьволновых шлейфов, а жесткий экран рупорной антенны с четвертьволновым шлейфом с образованным волноводным тройником располагается на расстоянии 1/4 длины волны от покрытия таким образом, что между внутренним четвертьволновым шлейфом подвижного жесткого экрана и 1/4 шлейфом жесткого экрана волноводного тройника образует четвертьволновой шлейф, который исключает выход излучений между ними.

Изобретение (полезная модель) относится к области строительства и ремонта автомобильных дорог.

Основное назначение устройства:

- нагрев ранее уложенного асфальтобетонного покрытия и нанесения нового ремонтного слоя при ямочном ремонте дорожного полотна для увеличения адгезии между сопрягаемыми асфальтобетонными массивами;

- прогрев трещин дорожного покрытия и нанесенной на них мелкозернистой смеси перед дальнейшим укатыванием дорожным катком с целью устранения трещин и неровностей дорожного полотна.

Нагрев осуществляется с помощью электромагнитных волн СВЧ диапазона 2,45 Ггц. Одной из основных задач при работе с СВЧ установками состоит в создании эффективных экранов, чтобы уровень паразитного излучения, которому может подвергнуться обслуживающий персонал, соответствовал санитарным нормам. Решение этой задачи является целью данного изобретения.

Известно устройство для нагрева дорожного полотна /1/ с использованием СВЧ энергии. Для уменьшения уровня паразитного излучения, где помимо СВЧ генераторов, линий передачи и излучателей СВЧ энергии, расположенных на подвижной тележке, введен дополнительно СВЧ металлический экран в виде жестких бортов платформы, высота которых меньше высоты платформы, и закрепленных на нижней поверхности платформы между колес тележки.

В дополнительном пункте формулы изобретения в устройство введен гибкий экран, выполненный в виде металлических цепей или усов, одними концами прикрепленных к кромке бортов жесткого экрана, другие концы касаются нагреваемой поверхности, причем расстояние между цепями и усами много меньше длины волны СВЧ генераторов.

Предлагаемая конструкция экрана призвана создать замкнутое с точки зрения распространения СВЧ волн пространство, за пределы которого не излучалась бы СВЧ мощность. Однако щели между цепями и усами, хотя и расстояние между которыми много меньше длины волны СВЧ колебаний, являются источниками возбуждения паразитных волн в случае, если вектор электрического поля падающей на гибкий экран СВЧ волны не будет совпадать с направлением цепей или усов. Для надежного экранирования гибкий экран должен иметь сеточную структуру, которая обеспечивает протекание экранирующих токов во всех направлениях, подобно тому, как это сделано в окнах СВЧ (микроволновых) печей. Кроме того, паразитные потоки СВЧ мощности будут проходить через асфальтобетонное покрытие в точках соприкосновения цепей и усов с этим покрытием за счет дифракции СВЧ волн на их концах. Таким образом, недостатком данного устройства является то, что гибкий экран, создаваемый цепями и усами, не обеспечивает необходимого ослабления паразитного СВЧ излучения из зоны нагрева асфальтобетонного покрытия.

Наиболее близкой к предложенной по технологической сущности и достигаемому результату является устройство для разогрева оснований и покрытий [2]. Устройство для нагрева дорожного полотна содержит тележку, нагревательное, устройство с СВЧ металлическим экраном, установленным на тележке, в который дополнительно в жесткий экран введена система четвертьволновых шлейфов по всему периметру жесткого экрана для образования волноводного тройника в пространстве между жестким экраном и покрытием, причем жесткий экран и система четвертьволновых шлейфов по всему периметру выполнены из материала с проводящим слоем.

Авторы созданного устройства решили задачу по снижению к минимальному уровню СВЧ излучения для безопасности окружающей среды и человека, но в то же время устройство имеет ряд серьезных недостатков.

Испытания СВЧ устройства для нагрева дорожного полотна при различных мощностях СВЧ излучения показали, что устройство эффективно работает при условии, когда жесткий экран с четвертьволновым шлейфом, который закреплен на рупорной антенне непосредственно располагается на асфальтобетонном покрытии, в тоже время при повышенных мощностях СВЧ излучение от 2 кВт до 5 кВт одного четвертьволнового шлейфа недостаточно для ослабления паразитного СВЧ излучения из зоны нагрева асфальтобетонного покрытия. Это связано с тем, что часть СВЧ излучения не поглощенная верхним и нижнем слоями отражается от нижнего слоя асфальтобетонного пакета под определенным углом связанного со свойствами асфальтобетонного материала и выходит за периметр четвертьволнового шлейфа. При этом жесткий экран и рупорная антенна посредством волноводной линии жестко связана с магнетронами и с другими вспомогательными элементами СВЧ устройства. Поэтому для перемещения устройства из рабочего положения в транспортное состояние, которое располагается на подвижной платформе необходимо полностью данное устройство перемещать в вертикальное положение с определенным зазором между асфальтобетонным покрытием и жестким экраном, что создает большие технические трудности особенно это связано с блоком питания, в котором находится высоковольтный трансформатор. Другим недостатком является необеспеченность защиты нижней части рупорной антенны от воздействия влаги и пара при нагреве влажного асфальтобетонного покрытия в систему волноводной линии и магнетрона.

Основная задача полезной модели заключается в создании устройства, позволяющего увеличить энергоэффективность разогрева дорожного полотна и свести к минимуму уровень СВЧ излучения, сделав его безопасным для окружающей среды и человека.

Устройство для нагрева дорожного полотна, содержащее тележку, нагревательное устройство с СВЧ металлическим экраном, установленным на тележке и с введенным в жесткий экран системы четвертьволновых шлейфов по всему периметру жесткого экрана для образования волноводного тройника в пространстве между жестким экраном и покрытием, жесткий экран и система четвертьволновых шлейфов по всему периметру выполнены из материала с проводящим слоем, отличающееся тем, что дополнительно в нижней части жесткого экрана рупорной антенны с четвертьволновым шлейфом с образованным волноводным парником установлен подвижный жесткий экран с двумя четвертьволновыми шлейфами по всему периметру экрана и защитой по краям жесткого экрана из материала с малыми диэлектрическими потерями с возможностью перемещения подвижного жесткого экрана с внутренним четвертьволновым шлейфом в четвертьволновом шлейфе жесткого экрана волноводного тройника, причем в рабочем положении подвижный жесткий экран находится на поверхности покрытия и снижает выход СВЧ излучения между ним и покрытием за счет двух четвертьволновых шлейфов, а жесткий экран с четвертьволновым шлейфом с образованным волноводным тройником располагается на расстоянии ? длины волны от покрытия таким образом, что между внутренним четвертьволновым шлейфом подвижного жесткого экрана и ? шлейфом жесткого экрана волноводного тройника образует четвертьволновой шлейф, который исключает выход излучений между ними.

Для надежного запирания СВЧ мощности и перевода из рабочего положения в транспортное положение СВЧ устройства нами предлагается подвижной жесткий экран с двумя четвертьволновыми шлейфовыми системами, который может перемещаться из транспортного состояния в рабочее и обратно в системе четвертьволнового шлейфа жесткого экрана рупорной антенны.

На фигуре 1 схематично представлено сечение края жесткого экрана с четвертьволновым шлейфом по всему периметру экрана рупорной антенны и подвижного жесткого экрана с двумя четвертьволновыми шлейфами по всему периметру.

На фигуре 2 показана функциональная схема предлагаемого устройства для нагрева дорожного полотна, а на фигуре 3 - общий вид сверху на жесткий экран с четвертьволновыми шлейфами по его периметру рупорной антенны с расположенными над ним СВЧ генераторами, линиями передачи и излучателями СВЧ мощности и подвижного жесткого экрана с двумя четвертьволновыми шлейфами по всему периметру.

На фигурах 2 и 3 введены обозначения:

1 - блок питания СВЧ генераторов;

2 - блок управления мощности и защиты;

3 - СВЧ генераторы;

4 - линии передачи СВЧ мощности;

5 - излучатели СВЧ энергии;

6 - рупорная антенна;

7 - жесткий экран рупорной антенны с четвертьволновым шлейфом;

8 - подвижной жесткий экран с двумя четвертьволновыми шлейфами;

9 - асфальтобетонное покрытие.

10 - защитный материал с малыми диэлектрическими потерями.

11 - сервоприводы подвижного жесткого экрана

Блок питания 1 обеспечивает питание накала магнетрона и высоковольтное напряжение питания анода магнетрона. Блок управления мощности и защиты 2 - автоматическую регулировку уровня выходной мощности СВЧ генераторов за счет петли обратной связи с блоком питания и аварийное выключение генерации СВЧ мощности при превышении уровня паразитного излучения выше значения, допустимого санитарными нормами РФ.

СВЧ генераторы 3 могут быть выполнены на основе любого типа приборов, преобразующих постоянный ток в СВЧ колебания.

Линии передачи СВЧ мощности 4 могут быть выполнены волноводными и обеспечивать полную изоляцию передаваемой СВЧ мощности.

Излучатели СВЧ энергии 5 могут быть выполнены в виде рупорных антенн.

Жесткий экран рупорной антенны с четвертьволновым шлейфом 7 выполнен из материала с проводящим слоем, включает выходные окна излучателей и соединен с рупорной антенной 6 электрически плотно, что полностью исключает излучение СВЧ волн наружу в пространство.

Подвижной жесткий экран с двумя четвертьволновыми шлейфами 8 выполнен также из материала с проводящим слоем и соединен с жестким экраном с четвертьволновым шлейфом рупорной антенны посредством входящих в друг друга двух четвертьволновых шлейфов, что исключает излучение СВЧ волн наружу между подвижным жестким экраном и жестким экраном рупорной антенны, а также из пространства нагрева дорожного полотна в месте их соединения и через материал четвертьволновых шлейфов подвижного жесткого экрана. 9 - асфальтобетонное покрытие. 10 - защитный материал с малыми диэлектрическими потерями, установленный в конце рупорной антенны для защиты волноводных линий и магнетронов. 11 - сервоприводы для поднятия подвижного жесткого экрана с двумя четвертьволновыми шлейфами вверх в жесткий экран рупорной антенны.

Устройство разогрева дорожного полотна работает следующим образом. Устройство доставляют на место ремонта дорожного полотна и устанавливают над ремонтируемым участком с предварительно насыпанным слоем асфальтобитумной смеси. С помощью блока управления 2 подвижной жесткий экран с двумя четвертьволновыми шлейфами 8 посредством сервоприводов 11 опускается на асфальтобетонное покрытие 9. С помощью пульта управления включают блок питания 1, который подает питание на СВЧ генераторы 3. Генерируемая ими СВЧ мощность по линиям передачи 4 поступает в излучатели 5 рупорной антенны 6 и направляется на ремонтируемое дорожное покрытие 9 с имеющимся на нем свежей асфальтобитумной смесью. Частично отраженная от покрытия СВЧ мощность направляется жестким экраном с четвертьволновым шлейфом 7 вновь на дорожное покрытие 9. Расположенная по периметру подвижного жесткого экрана система двух четвертьволновых шлейфов 8 за счет интерференции волн эффективно запирает СВЧ мощность в пространстве нагрева дорожного полотна и не позволяет СВЧ волнам распространяться в окружающее пространство. При этом внутренний четвертьволновый шлейф подвижного экрана 8 входит в четвертьволновый шлейф жесткого экрана рупорной антенны 7 и запирает выход СВЧ волн наружу в местах их соединения. При достижении дорожным покрытием температуры, предписанной регламентом ремонта дорожного покрытия, СВЧ генераторы 3 выключаются, подвижный жесткий экран 8 с двумя четвертьволновыми шлейфами, например, с помощью сервоприводов подымается вверх в жесткий экран рупорной антенны 7 с четвертьволновым шлейфом и устройство перемещается к следующему участку ремонтируемого дорожного покрытия.

Используемые источники

1. Патент 2098574 (Россия), МПК E04D 15/06, E01C 23/14 Устройство для разогрева оснований и покрытий / Валеев Г.Г., Карпенко Ю.В., Нефедов В.Н. Опубликовано 10.12.1997. Заявка на изобретение 96103187/03, заявлено 16.02.1996.

2. Патент 114963 (Россия), МПК E01C 23/14 Устройство для нагрева дорожного полотна / Зеленцов В.И., Веник В.Н., Базуев В.П., Базилевич А.Л., Копаница Н.О. Опубликовано 20.04.2012.3аявка на изобретение 2011145644/03, заявлено 09.11.2011

3. Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М., «Высшая школа», 1970

Устройство для нагрева дорожного полотна, содержащее тележку, нагревательное устройство с СВЧ металлическим экраном, установленным на тележке и с введенным в жесткий экран системы четвертьволновых шлейфов по всему периметру жесткого экрана для образования волноводного тройника в пространстве между жестким экраном и покрытием; жесткий экран и система четвертьволновых шлейфов по всему периметру выполнены из материала с проводящим слоем, отличающееся тем, что дополнительно в нижней части жесткого экрана рупорной антенны с четвертьволновым шлейфом с образованным волноводным тройником установлен подвижный жесткий экран с двумя четвертьволновыми шлейфами по всему периметру экрана и защитой по краям жесткого экрана рупорной антенны из материала с малыми диэлектрическими потерями с возможностью перемещения подвижного жесткого экрана с внутренним четвертьволновым шлейфом в четвертьволновом шлейфе жесткого экрана волноводного тройника, причем в рабочем положении подвижный жесткий экран находится на поверхности покрытия и снижает выход СВЧ излучения между ним и покрытием за счет двух четвертьволновых шлейфов, а жесткий экран рупорной антенны с четвертьволновым шлейфом с образованным волноводным тройником располагается на расстоянии 1/4 длины волны от покрытия таким образом, что между внутренним четвертьволновым шлейфом подвижного жесткого экрана и 1/4 шлейфом жесткого экрана волноводного тройника образует четвертьволновой шлейф, который исключает выход излучений между ними.

РИСУНКИ