Установка для свч-обработки диэлектрических материалов

 

Использование: в СВЧ технике, в частности в области технологических применений СВЧ излучения для термообработки диэлектрических материалов. Сущность изобретения: для увеличения габаритных размеров обрабатываемых образцов при обеспечении допустимого уровня излучаемой за пределы установки СВЧ мощности и повышения производительности за счет реализации конвейерной обработки используются волноводы желобкового типа в качестве камеры СВЧ нагрева, содержащей электродинамический фильтр паразитного излучения и концентраторы для увеличения напряженности электрического поля. С целью повышения однородности нагрева образцов предлагается использовать два импульсных источника СВЧ мощности, работающих в противофазе для обеспечения режима бегущей волны. Приводятся соотношения геометрических размеров камеры СВЧ нагрева, при которых достигается положительный эффект. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к СВЧ технике, в частности касается технологических применений СВЧ излучения, и может быть использовано для создания высоко- производительных промышленных установок для СВЧ сушки, нагрева и стерилизации.

Известны установки для СВЧ обработки различных продуктов и изделий из диэлектрических материалов, содержащие рабочую камеру для СВЧ нагрева с входными и выходными окнами для подачи обрабатываемого материала, соединенную с источником СВЧ энергии. Рабочие камеры могут быть выполнены на основе отрезков различных типов линий передачи.

В конструкции СВЧ нагревательного устройства возможно, например, использование меандровых волноводных линий, в которых выполнены сквозные отверстия для транспортировки диэлектрического материала.

Основной проблемой осуществления СВЧ обработки различных продуктов и изделий из диэлектрических материалов в данных конструкциях является снижение уровня излучаемой за пределы установки СВЧ мощности через входные и выходные окна для конвейера, выполненные в стенках рабочей камеры. В известных конструкциях используют очень узкие щели в стенках рабочей камеры, что ограничивает габаритные размеры обрабатываемых образцов материалов.

Известно, что высокой локализацией СВЧ энергии в центре системы и экспоненциальным спадом поля от центральной области к краям обладают желобковые волноводы (ЖВ).

Известна конструкция СВЧ устройства для термообработки протяженных диэлектрических изделий, в котором рабочая камера выполнена в виде отрезка ЖВ.

В этой конструкции одна торцовая стенка выполнена из металла, а в другой торцовой стенке имеется элемент связи для соединения источника СВЧ энергии с волноводным входом. Таким образом, рабочая камера представляет собой резонатор с существенно неравномерным распределением по его длине плотности СВЧ энергии. Поэтому в такой конструкции возможна обработка только узких образцов или жидких диэлектриков в трубе малого диаметра, движущихся перпендикулярно оси системы.

Задача изобретения решение задачи увеличения габаритных размеров обрабатываемых образцов при обеспечении допустимого уровня излучаемой за пределы установки СВЧ мощности и реализации возможности конвейерной СВЧ обработки крупноразмерных диэлектрических образцов и изделий.

Для этого в установку для СВЧ обработки диэлектрических материалов, содержащую камеру нагрева в виде отрезка желобкового волновода, в боковых стенках которого выполнены окна для подачи обрабатываемого материала, источник СВЧ мощности, подключенный через первый элемент связи к камере нагрева, введен второй источник СВЧ мощности, источники выполнены импульсными, на противоположной стороне камеры нагрева расположен второй элемент связи с вторым источником для подачи импульсов СВЧ мощности в противофазе, параллельно желобкам в верхней и нижней стенках камеры нагрева выполнены пазы, расположенные от краев желобка на расстоянии, превышающем длину волны, между пазами и боковыми стенками камеры нагрева расположены вставки из СВЧ поглотителя, при этом соотношения размеров выбраны из условий: l λ/4;b≅λ/10; 0,1c ≅A≅ 0,5c; 0,25c ≅B≅ 1,25с, где l глубина пазов; b ширина пазов; с расстояние между верхней и нижней стенками ЖВ, задаваемое размерами образцов из обрабатываемых материалов; A глубина желобка; B полуширина желобка.

Кроме того, на прямоугольные кромки желобков могут быть установлены клиновидные ребра, наклоненные к плоскости симметрии ЖВ, перпендикулярной боковым стенкам рабочей камеры, содержащим окна, под углом, выбранным из соотношения: 10^о ≅α≅ 50^о.

На чертеже представлена предлагаемая установка. На нем показана камера 1 нагрева отрезок ЖВ; источники 2 СВЧ мощности; конвейер 3; обрабатываемый диэлектрический материал 4; элементы 5 связи; клиновидные ребра 6; электродинамический фильтр 7; поглотитель 8 и окна 9 для подачи диэлектрического материала.

Согласованные с рабочей камерой источники СВЧ мощности в промежутки времени между генерацией выполняют роль согласованной нагрузки и обеспечивают в рабочей камере режим бегущей волны, при котором плотность СВЧ энергии равномерна по длине рабочей камеры, что позволяет использовать широкую транспортерную ленту для подачи широких образцов обрабатываемых материалов.

Указанный способ подачи СВЧ мощности обеспечивает более равномерный, чем при использовании одного СВЧ-источника, нагрев образцов по их ширине, а также из-за применения двух менее мощных импульсных источников СВЧ мощности вместо одного уменьшаются габариты и себестоимость всей установки, повышается ее надежность из-за упрощения источников питания и систем охлаждения.

Наличие пазов и вставок из поглотителя, описанных выше, снижает уровень излучаемой за пределы камеры нагрева СВЧ мощности. Основной тип волны ЖВ, который переносит подавляющую часть мощности, распространяется вдоль желобка и практически не обнаруживается за его пределами на расстоянии больше λ/3, но при наличии в рабочей камере обрабатываемых образцов за счет энергии основного типа возбуждаются высшие типы, некоторые из которых могут переносить энергию в стороны от оси ЖВ. Для подавления этой части энергии служит электродинамический фильтр, выполненный в виде продольного паза, представляющего собой короткозамкнутый четвертьволновый отрезок, расположенный за пределами области распространения основного типа, а также поглощающие вставки, подавляющие просочившуюся через электродинамический фильтр СВЧ мощность. Для того, чтобы обеспечить нужный размер кона для транспортерной ленты с образцами заданной толщины (2 с) и одновременно минимальный уровень излучаемых высших типов волн, основные размеры должны удовлетворять следующим соотношениям: 0,1c ≅A≅ 0,5c и 0,25c ≅B≅ 1,25с.

Эти соотношения следуют из двух физических условий: требований минимальных высокочастотных потерь в стенках рабочей камеры и необходимости обеспечения одномодового режима желобкового волновода за счет самофильтрации высших типов волн и эффективного подавления электродинамическим фильтром их излучения.

На основе экспериментальных исследований распространения основного и высших типов колебаний в желобковом волноводе с диэлектрическим заполнением получены условия вытекания наиболее близкого к основному типу волны Н₁₂, а также требование обязательного вытекания волны Н₃₂, приводящее к следующим ограничениям на размеры ЖВ: 1,5 ≅ c/A < 2 и B/A ≅ 0,625.

При этих размерах возникает только низший из нефильтрующихся типов Н₇₁.

Физическая интерпретация полученных соотношений следующая для подавления волны Н₅₁ необходимо условие
1,5 ≅ с/A ≅ 4, а для Н₇₁
0,75 ≅ c/A ≅ 1,33.

Эти неравенства для Н₅₁ и Н₇₁ не пересекаются, откуда следует, что подавить тип колебаний Н₇₁ одновременно с типом Н₅₁ не представляется возможным. Следует отметить, что теоретически возможно распространение волны с продольной компонентой электрического поля Е₁₁, но в проведенных экспериментах она не возникала.

Зависимость ВЧ потерь в стенках желобкового волновода от соотношений геометрических размеров имеет характерный экстремум-максимум ВЧ потерь при
0,5 ≅ A/c ≅ 1 и 0,5 ≅ B/A ≅ 2,5.

Обобщая вышеприведенные неравенства, получаем ограничения на геометрические размеры ЖВ.

Для некоторых применений, например для стерилизации продуктов питания, требуется обеспечить большие амплитуды напряженности электрического поля в обрабатываемых образцах. С этой целью на прямоугольные кромки ЖВ устанавливаются заостренные клиновидные ребра, вблизи остриев которых достигаются величины напряженности электрического поля до 10 кВ/см. Угол наклона этих ребер к плоскости транспортерной ленты выбирается из удобства обработки данного вида продуктов, но при углах менее 10^о электрическое поле слабо проникает в обрабатываемый материал, а при более 50^о нарушается структура поля основного типа волны и увеличивается излучение СВЧ мощности за пределы установки.

Формула изобретения

1. УСТАНОВКА ДЛЯ СВЧ-ОБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, содержащая камеру нагрева, выполненную в виде отрезка желобкового волновода, в боковых стенках которого выполнены окна для подачи обрабатываемого материала, первый источник СВЧ-мощности, подключенный через первый элемент связи к камере нагрева, отличающаяся тем, что в нее введен второй источник СВЧ-мощности, который подключен к камере нагрева посредством второго элемента связи, расположенного напротив первого, при этом первый и второй источники СВЧ-мощности выполнены импульсными источниками противофазных сигналов, на стенках которых выполнены желобки, параллельно им и на расстоянии, превышающем длину волны, выполнены пазы, размеры которых выбираются из соотношений
l=λ/4,
b≅ λ/10;
0,1c≅A≅0,5c;
0,25c≅B≅1,25c,
где l - глубина пазов;
b -ширина пазов;
c - расстояние между стенками желобкового волновода, в которых выполнены желобки;
A - глубина желобка;
2B- ширина желобка;
λ - длина волны,
а между боковыми стенками камеры нагрева и пазами расположены вставки из СВЧ-поглотителя.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что место соединения желобков со стенкой выполнено в виде клина, наклоненного к плоскости симметрии желобкового волновода, перпендикулярной боковым стенкам камеры нагрева, под углом, выбранным из соотношения 10°≅ α≅ 50°.

РИСУНКИ

Рисунок 1