Сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов

 

Союз Советскик

Соцмалистнчески в

Республнк

Q n N C A H N E о i75076О

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к акт. свил-ву (22) Заявлено 23.03.77 (21) 2465830/24-09

3 (51)М. Кл.

Н 05- В 9/06 с присоединением заявки,%

Государственный комитет (28) П риоритет ао делам изобретений н открытий

Опубликовано 23.07.80. Бюллетень ¹ 27 (53) УДК

621 365.55 (088.3) Дата опубликования описания 25.07.80 (72) Авторы изабретения

Ю. Е. Звонарев, Г. В. Лысов и С. А. Суворов (71) Заявитель (54) СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО НАГРЕВА

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для нагрева диэлектрических материалов в поле сверхвысокой частоты (СВЧ) .

Известно сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов, содержащее генератор и камеру нагрева с периодической замедляющей структурой, состоящей иэ штырей, связок и пластин, над которой расположен нагреваемый материал (1).

Однако в известном устройстве ограниченные размеры пространства взаимодействия не позволяют увеличить производительность установки, а трудность изменения амплиту-ды высокочастотного поля вдоль направления движения продукта ограничивают возможности оптимизации процесса нагрева.

Цель изобретения — повышение качества нагреваемого материала и увеличение производительности.

Для этого в сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов, содержащее генератор и камеру нагрева с периодической замедляющей структурой, состоя2 шей из штырей, связок и пластин, над которой расположен нагреваемый материал, введена вторая периодическая замедляющая структура, расположенная над нагреваемым материалом, причем замедляющие структуры отстоят одна от другой на расстоянии не кратном Л/2 (где з — длина волны в свободном пространстве) и смещены относительно друг друга вдоль оси на 1/4 продольного периода, причем штьтри замедляющих структур имеют переменное сечение, а связки сдвинуты относительно центра периода на расстоянии 0 < 5> < 0,05 А °

На фиг. 1 приведена конструкция предложенного устройства; на фиг. 2 — его структурная схема.

Сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов содержит камеру нагрева 1, генератор 2, две периодические замедляющие структуры 3, состоящие из штырей 4, связок 5 и пластин 6. Период периодической замедляющей структуры вдоль оси X обозначен W, а вдоль оси Z — Н.

Сверхвысокочастотное устройство для нагрева работает следующим образом.

750760 4

55.

Между системами движется лента конвейера 7, выполнел1ая из радиопрозрачного материала, на которой располагается обрабатываемый продукт 8. Он может представлять собой

4 блоки замороженных продуктов, изделия химической, текстильной и тд. промышленности, кюветы с продуктами, подвергаемыми кулинарной обработке, и т.п. Контроль за процессом обработки может осуществляться инфракрасными пирометрами или другими средствами, а также визуально через смотровые окна 9. Лампы 10 предназначены для освещения пространства взаимодействия. В качестве их могут быль использованы обычные лампы дневного света (например ЛБ — 80), возбуждаемые краевым высокочастотным полем замедляющих систем. При этом дополнительных источников питания к ним не требуется.

Характеристику дисперсии периодической замедляющей структуры 3 можно представить в виде поверхности дисперсии. В зависимости от граничных условий в ней могут возбуждаться значительное количество видов колебаний, отличающихся поперечным (р и продольным ч фазовыми сдвигами между периодической замедляющей структуры 3, каждый иэ которых может быть использован в качестве рабочего вида колебаний.

При этом фазовые сдвиги могут изменяться в пределах 0 6 фа к, 0 g Я . B зависимости от выбранного вида колебаний направление. распространения энергии в периодической замедляющей структуре 3 может составлять ио отношению к штырям 4 произвольный угол, изменяющийся от нуля до — . В частности, на видах с фазовыми сдви11

2 гами Ср = Я > 0 4 + и Я направление распространения энергии коллинеарно штырям

4, а на видах 11= и,О Ч1с ортогонально им, В предложенном устройстве в качестве рабочего вида колебаний периодической замедll ляющей структуры 3 выбран вид cqc — q Qi.

Энергия на этом виде распространяется по связкам 5 ортогонально штырям 4. Распределение поля вдоль связок 5 (в случае отсутствия обрабатываемого диэлектрика) имеет характер бегущей волны, а вдоль штырей 4— стоячей волны с периодом равным H/2. С помощью коаксиальных переходов 11 энергия передается в соседние продольные ячейки, каскадное соединение которых и образует секцию, возбуждаемую генератором 2 СВЧ энергии.

Обе периодические замедляющие структуры 3, находящиеся на верхней и нижней широких стенках волновода, разделены вдоль оси на такие секции, причем каждая из них посредством коаксиально волноводных переходов 12 соединена с отдельным генератором 2

СВЧ энергии и нагрузкой 13 для поглощения

40 неиспользованной энергии. Количество продольных ячеек в секции определяется КПД использования СВЧ энергии, а количество секций в камере нагрева 1 — условиями технологического процесса.

Пластины 6 имеют электрический контакт с каждым штырем 4, а места контакта связок

5 со штырями 4 сдвинуты относительно друг друга на расстояние W/2. Количество связок 5 на продольном периоде, а также конфигурация штырей 4 может быть произвольной (пластины, трубки и т.д.). Рассматриваемая периодическая замедляющая структура 3 относится к классу штыревых двухступенчатых систем, не содержащих скользящей плоскости симметрии, Связано это с использованием штырей 4 с изменяющимся на продольном периоде сечением и смещением мест электрического контакта связок 5 со штырями 4 относительно плоскости, проходящей через середину каждого продольного периода. Особенностью таких замедляющих структур является наличие в распределении поля симметричной и несимметричной составляющих поля, каждой из которых соответствует своя характеристика дисперсии. Отсутствие скользящей плоскости симметрии приводит к разрыву дисперсионных характеристик для этих составляющих и появлению полосы непропускания системы на виде с cp=lc/2 . Эксперименты показывают, что при д1/b.< 1.6 и 6> = 0,05,Л полоса непропускания замедляющих структур составляет величину порядка 60 Мгц. При этом виду с ц =Я/2 соответствует две частоты.

Дисперсионные же характеристики для симметричной и несимметричной составляющих на виде с (р =Я/2 смыкаются так, что образуется новая граница полосы пропускания замедляющей структуры, где замедление групповои скорости, а следовательно и импеданс связи стремится к бесконечности.

Использование для целей диэлектрического нагрева вида cy =ii и = —" является предпочтительным. Связано это с большей величиной импеданса связи, чем, в частности на виде с у Я, g = ц, возможностью увеличения поперечных размеров продольной ячейки (H(23) и меньшей скоростью уменьшения высокочастотного поля от поверхности периодической замедляющей структуры. На виде <у= 1,, скорость уменьшения поля пропорциональна, а для (р -" pi -g " ", Использование 2 укаэанной выше несимметрии в построении продольных ячеек позволяет поперечные ячейки системы выполнить идентичными, что существенно облегчает вопросы согласования замедляющей структуры 3 с внешними линиями передачи.

750760

Расположенные друг под другом и возбужденные в режиме бегущей волны на виде

C g = Й/2 у =Я периодические замедляющие структуры создают в пространстве взаимодействия (вдоль оси ц ) высокочастотное по- 5 ле, распределенное по закону, близкому к .функции гиперболического косинуса. При этом, чем больше расстояние между замедляющими структурами 3 (но не кратное 3 /2), тем больше эона с равномерным распределением поля. Для выравнивания амплитуды поля вдоль камеры нагрева 1 (вдоль оси 2) замедляющие структуры 3 на верхней и ниж- . ней стенках необходимо сдвинуть относительно друг друга на расстояние, равное Н/4. 1S

Расположенные на верхней и нижней широких стенках периодические замедляющие системы 3 позволяют существенно увеличить поверхность взаимодействия СВЧ поля с обрабатываемым диэлектрическом и тем самым 20 повысить производительность процесса диэлектрического нагрева. Действительно, оценивая производительность как

rn ps 5 A

25

Сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов, содержащее генератор и камеру нагрева с периодической замедляющей структурой, состоящей из штырей, связок и пластин, над которой расположен нагреваемый материал, о т л и ч а ю ш е ес я тем, что, с -целью повышения качества нагреваемого материала и увеличения производительности, в него введена вторая периодическая структура, расположенная над нагреваемым материалом, причем замедляющие структуры отстоят друг от друга на расстоянии не кратном jt /2 (где и — длина волны в свободном пространстве) и смещены относительно друг друга вдоль оси на 1/4 продольного пеполучаем, что при заданных скорости нагрева А, диапазоне температур ЛТ, плотности материалами ограниченной скин-слоем толШине

30 материала 8 единственным путем увеличения производительности является увеличение поверхности взаимодействия S камеры нагрева 1.

Експерименты показывают, что при использовании периодических замедляющих структур

3 на частоте 2 450Мгц; легко может быть реализована камера нагрева 1 с шириной в

1 м. При этом на высоте пространства взаимодействия длина ее не зависит от электродинами. ческих параметров замедляющей структуры, а определяется свойствами диэлектрика и особенностями технологического процесса.

Наличие зоны с равномерным распределением поля и поверхностных волн, распространяющихся-по верхней и нижней стенкам . камеры нагрева 1, позволяет существенно уве- 45 личить толщину обрабатываемого материала.

Если принять за допустимую для обработки

СВЧ энергией толщину материала, равную величине скин-слоя, то использование предлагаемой конструкции позволяет практически вдвое увеличить толщину обрабатываемого диэлектрика. Использование для обработки диэлектрика. режима бегущей поверхностной волны позволяет избавиться от влияния изменения электрофизических параметров диэлектрика на электродинамические характери:стики структуры. Это дает воэможность обрабатывать в предлагаемом устройстве значитель6 ный ассортимент диэлектрических материалов, отличающихся как по электрофиэическим параметрам, так и геометрическим размерам.

В камере нагрева 1 энергия распространяется ортогонапъно направлению движения конвейера 7. При этом в зависимости or типа продукта и технологического режима обработки направление распространения энергии в секциях, расположенных на нижней и верхней стенках, может быть согласным или встречным.

Возможным в предлагаемом устройстве является последовательное соединение по высокочастотному сигналу секций, расположенных на верхней и нижней стенках волновода, а также.. произвольное по отношению к направлению распространения энергии. направление движе- . ния обрабатываемого продукта. Это способствует равномерному как по ширине, так и по длине камеры 1 нагреву материала, что безусловно способствует улучшению качества и сокрашению цикла обработки в СВЧ поле.

Разделение периодических замедляющих структур 3 на секции и возбуждение каждой из них отдельным генератором 2 СВЧ энергии придает устройству качества универсальности. Они проявляются в возможности обеспечения гибкости в изменении режимов обработки, в возможности его оптимизации и автоматизации. Предлагаемое устройство нагрева позволяет легко осуществлять программированное .изменение амплитуды высокочастотного поля в пространстве взаимодействия, регулировку скорости нагрева на его различных участках, сочетание нагрева в СВЧ поле и выдержки, а также осуществление комбинированных (с использованием пара, горячей воды, инфракрасной энергии и т.д.) способов нагрева.

Формула изобретения

750760 риода, причем штыри замедляюших структур имеют переменное сечение, а связки сдвинуты относительно центра периода на расстояние

О(Ь, «(0,053.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Патент CfiiA N 3814983, кл. 315 — 39, 1974 (прототип) .

750760 иг.

Составитель А. Меньшикова

Техред Н.Ковалева Корректор М. Лемчик

Редактор E. Гончар

Закаэ 7674(47

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Тираж 885 Лодлисное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !

13035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5