КАМЕРА СВЧ-НАГРЕВА ПРОТЯЖЕННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1996 года по МПК H05B6/64 H01P5/18 F26B3/34 

Изобретение относится к СВЧ технике и может быть использовано для микроволновой обработки диэлектриков в микробиологической, пищевой, химической промышленности.

Известна камера СВЧ нагрева [1] выполненная из двух параллельно расположенных отрезков волновода, соединенных по широкой стенке радиопрозрачной перегородкой, например пленкой фторопласта. Высота узкой стенки входного (верхнего) волновода изменяется по линейному закону. В нижний волновод помещается лоток с диэлектриком. Диэлектрик должен полностью заполнять лоток так, чтобы его поверхность являлась как бы продолжением общей широкой стенки волноводов.

Волновод, частично заполненный диэлектриком с большими потерями, способен поддерживать распространение слабозатухающей волноводной волны. Эффект имеет место в том случае, когда велики по сравнению с длиной волны размеры воздушного промежутка между оболочкой волновода и поверхностью диэлектрика. В этом случае волноводная волна распространяется, в основном, в воздушном промежутке, диэлектрик не проникает и имеет малые потери, а величина ее характеристического сопротивления близка к соответствующей величине сплошного волновода той же формы и поперечного сечения, что и воздушный промежуток. Последнее обстоятельство позволяет частично заполненный поглощающим диэлектриком волновод согласовать с генератором посредством сплошного волновода указанного поперечного сечения, что и реализовано в камере СВЧ нагрева [1] на начальном участке волноводов.

Однако эта камера не позволяет производить обработку диэлектриков произвольной формы и консистенции.

Известна камера СВЧ нагрева протяженных диэлектрических объектов [2] содержащая первый волновод, предназначенный для ввода СВЧ энергии, второй волновод, предназначенный для размещения нагреваемого диэлектрического объекта, причем оболочки волноводов частично совпадают, отверстия для электромагнитной связи волноводов, выполненные в совпадающей части оболочек волноводов. Поперечные размеры второго волновода выбраны таким образом, что когда он содержит объект, его постоянная распространения равна постоянной распространения первого волновода. Генератор, подключаемый к первому волноводу, возбуждает в нем волноводную волну, которая посредством отверстий связи возбуждает волноводную волну и во втором волноводе. Часть энергии генератора, которая не перекачивается во второй волновод, выводится из первого волновода и поглощается в нагрузке, подключаемой к первому волноводу. Наличие у второго волновода открытых концов позволяет нагревать в данной камере объекты с большим поперечным сечением. Форма поперечного сечения может быть любой, в частности не требуется полного заполнения второго волновода, существенно лишь то обстоятельство, что второй волновод с помещенным в него диэлектрическим объектом должен поддерживать распространение волноводной волны.

В данной камере СВЧ нагрева равенство постоянных распространения двух волноводов возможно только для диэлектрических объектов, имеющих определенную форму, размеры и величину диэлектрической проницаемости ввиду существенного влияния этих параметров на постоянную распространения второго волновода. Использование диэлектрических объектов с иными (не оптимальными) значениями указанных параметров, равно как и их изменение в процессе нагрева, приводит к нарушению равенства постоянных распространения и падению КПД.

На фиг. 1 (а-b) и 2 представлены варианты конструктивного выполнения камеры СВЧ нагрева протяженных диэлектрических объектов; на фиг. 3 и 4 варианты устройств СВЧ нагрева, включающих камеры СВЧ нагрева протяженных диэлектрических объектов.

На фиг. 1-4 показаны первый 1 и второй 2 волноводы, элемент связи, выполненный в виде сетки из металлических проводников 3, первая 4 и вторая 5 камеры СВЧ нагрева, отрезки волноводов 6-9, 11 и диэлектрический объект 10.

Камера СВЧ нагрева протяженных диэлектрических объектов содержит (фиг. 1 и 2) первый волновод 1, предназначенный для ввода СВЧ энергии, второй волновод 2, предназначенный для размещения протяженного диэлектрического объекта. В общей стенке волноводов 1 и 2 выполнены элементы связи в виде сетки 3 металлических проводников, при этом характеризующий прозрачность сетки для электромагнитного поля параметр выбирается из соотношения
κ ln где b шаг сетки;
r_эфф эффективный радиус проводников (для сеток, выполненных из круглых проводников r_эфф совпадает с фактическим радиусом проводников; для сеток, выполняемых из металлических полос, r_эфф равен половине ширины полосы);
λ- длина волны, и изменяется от величины не более 0,1 в месте ввода СВЧ энергии до величины не менее 0,2 на другом конце камеры.

Вариант конструктивного выполнения камеры СВЧ нагрева протяженных диэлектрических объектов (фиг. 2) выполнен в отличие от камеры, изображенной на фиг. 1, из прямоугольных волноводов.

Для проверки некритичности предлагаемой камеры к параметрам диэлектрического объекта использовался вариант камеры, представленный на фиг. 2 со следующими параметрами: сечение волноводов 1 и 2 23х10 мм, шаг сетки b в месте ввода СВЧ энергии 3 мм; на противоположном конце камеры 7 мм; частота 10 Гц. Параметр κ, характеризующий прозрачность сетки, изменялся за счет увеличения шага сетки от 0,08 до 0,3, при этом протяженность участка сетки со значением κ> 0,2 составляла 100 мм. Полная длина камеры составляла 200 мм.

Как известно, металлические трубы, оболочка (часть оболочки) которых выполнена в виде сетки металлических проводников, обладают волноведущими свойствами, т. е. поддерживают распространение электромагнитной волны волноводного типа. При этом свойства этой волны существенным образом зависят от степени прозрачности сетки для электромагнитного поля, определяемой расстоянием между проводниками сетки и радиусом проводников. Для характеристики прозрачности используется параметр κ, выбираемый из вышеуказанного соотношения.

Расчет показывает, что в зависимости от величины κ проявляется один из двух различных эффектов.

1. κ= 0 0,1 (малопрозрачная сетка). В этом случае характеристическое сопротивление и распределение поля волновода, оболочка (часть оболочки) которого выполнена в виде сетки, и сплошного волновода того же поперечного сечения оказываются близкими. В предельном случае очень малопрозрачной сетки характеристические сопротивления совпадают. Это обстоятельство позволяет осуществить неотражающий переход со сплошного волновода на волновод, содержащий малопрозрачную сетку.

2. κ> 0,4 (сетка высокой прозрачности). В этом случае сетка представляет собой слабое возмущение того электромагнитного поля, в которое оно помещено. Так, в системе двух волноводов с общей частью оболочек, выполненной в виде прозрачной сетки, распределение поля близко к распределению в волноводе со сплошной оболочкой, контур поверхности которой повторяет контур поверхности двух исходных волноводов. Иными словами, распределение поля близко к распределению в волноводе, поперечное сечение которого равно объединению поперечных сечений двух исходных волноводов. Так, например, в системе двух прямоугольных волноводов ширины а, общая узкая стенка которых выполнена в виде сетки высокой прозрачности, распределение поля близко к распределению в прямоугольном волноводе ширины 2а.

Данный эффект сильнее всего проявляется при величине κ> 0,4. Однако он имеет место уже при κ> 0,2. Следует заметить, что он проявляется также и в том случае, когда в область второго волновода помещен протяженный диэлектрический объект, причем его наличие или отсутствие во втором волноводе не сказывается на просачивании поля через сетку.

Проведенное рассмотрение показывает, что максимальное количество энергии генератора поступает в диэлектрический объект в том случае, когда камера подключена к генератору концом с минимальной прозрачностью κ= 0-0,1, причем в продольном направлении прозрачность сетки увеличивается до значений κ, не меньших 0,2.

Использование первого эффекта (n.1) позволяет осуществить неотражающий переход между присоединенным к генератору сплошным волноводом и указанной системой двух волноводов (камерой нагрева). Отражение в генератор не имеет места при любом диэлектрическом объекте ввиду того, что через малопрозрачную сетку электромагнитное поле не просачивается и "не чувствует" диэлектрический объект во втором волноводе.

Плавное увеличение параметра κ (производимое, например, путем увеличения шага сетки или уменьшения радиуса проводников) ведет к проявлению второго эффекта (n. 2): значительное поле появляется в области второго волновода, в результате чего оно проникает в диэлектрик и нагревает его. Причем нагрев имеет место при любых параметрах диэлектрического объекта, что делает камеру нагрева некритичной к его параметрам.

Значительный разброс размеров и электрофизических свойств подвергаемых микроволновой обработке реальных диэлектрических объектов, открывает для камеры СВЧ нагрева, ввиду ее некритичности к указанному разбросу, широкие возможности промышленного использования.

Камера СВЧ нагрева позволяет производить нагрев диэлектрических объектов как с малыми, так и с большими потерями. Для решения первой задачи используется устройство, представленное на фиг. 3.

Характеризующий прозрачность сетки параметр κ изменяется от величины не менее 0,1 на одном конце камеры до величины не менее 0,2 на другом конце. Камеры 4 и 5 СВЧ нагрева обращены друг к другу концами с максимальной прозрачностью сеток 3 и соединены либо непосредственно, либо (для простоты конструкции) через отрезок волновода 6, контур, поверхности которого повторяет контур поверхности соединяемых камер.

СВЧ энергия подводится к устройству нагрева посредством отрезка волновода 7, присоединенного к первому волноводу 1 первой камеры 4 СВЧ нагрева, а выводится посредством отрезка волновода 8, один конец которого присоединен к первому волноводу 1 второй камеры 5, а другой к нагрузке 9. Диэлектрический объект 10 вводится в устройство нагрева и выводится из него через открытые концы волноводных отрезков 11, подсоединенных к вторым волноводам 2 камеры 4 и 5 СВЧ нагрева.

Возбужденная генератором (не показан) электромагнитная волна по волноводу 7 поступает в волновод 1 первой камеры 4 СВЧ нагрева. В процессе дальнейшего распространения по волноводу 1 электромагнитная волна, вследствие постепенно увеличивающейся прозрачности сетки 3, проникает в волновод 2 первой камеры 4 СВЧ нагрева и в диэлектрический объект 10, что сопровождается его нагревом. Далее электромагнитная волна поступает в волновод 8, где имеет место дальнейший нагрев. Остаток мощности поступает в волноводы 1 и 2 второй камеры 5 СВЧ нагрева и далее через отрезок волновода 8 в нагрузку 9. Малая прозрачность сетки в месте стыка отрезка волновода 7 и волновода 1 первой камеры 4 СВЧ нагрева, а также отрезка волновода 8 и первого волновода 1 и второй камеры 5 СВЧ нагрева, обуславливает (вследствие равенства характеристических сопротивления отрезка волновода 7 и первого волновода 1 первой камеры 4 СВЧ нагрева 4, а также отрезка волновода 8 и первого волновода 1 второй камеры 5 СВЧ нагрева) отсутствие отражения в местах стыков. Вместе с тем, высокая прозрачность сетки 3 обуславливает отсутствие отражения от стыков первой 4 и второй 5 камер СВЧ нагрева с отрезком волновода 6.

Для решения второй задачи нагрева диэлектриков с большими потерями предназначено устройство нагрева, представленное на фиг. 4, содержащее одну камеру СВЧ нагрева (по фиг. 1, 2). Характеризующий прозрачность сетки параметр κ изменяется от 0,08 на одном конце камеры до величины не менее 0,2 на другом конце. СВЧ энергия подводится к устройству нагрева также, как и в рассмотренном выше устройстве, посредством отрезка волновода 7, присоединенного к первому волноводу 1 камеры СВЧ нагрева. Диэлектрический объект 10 вводится в устройство нагрева через открытый конец присоединенного к второму волноводу 2 камеры СВЧ нагрева волновода 11, а выводится через отверстия в короткозамкнутом торце отрезка волновода 6, также присоединенного к камере СВЧ нагрева.

Возбужденная генератором (не показан) электромагнитная волна по отрезку волновода 7 поступает в первый волновод 1 камеры СВЧ нагрева (фиг. 4). В процессе дальнейшего распространения по первому волноводу 1 электромагнитная волна вследствие постепенно увеличивающейся прозрачности сетки 3 проникает во второй волновод 2 и диэлектрический объект 10, что сопровождается его нагревом. Остаток мощности поступает в отрезок волновода 6, где имеет место дальнейший нагрев и затухание электромагнитной волны. Малая прозрачность сетки в месте стыка отрезка волновода 7 и первого волновода 1 обуславливает равенство характеристических сопротивлений указанных двух волноводов и отсутствие отражения от стыка. Вместе с тем, высокая прозрачность сетки в месте стыка камеры нагрева с отрезком волновода 5 обусловливает равенство характеристических сопротивлений указанных двух систем и отсутствие отражения от стыка. В содержащих диэлектрический объект с большими потерями отрезках волноводов 6 и 11 поглощается остаток СВЧ мощности, вследствие чего вблизи открытого конца отрезка волновода 11 и отверстия вывода диэлектрического объекта 10 амплитуда электромагнитного поля незначительна, что обусловливает незначительное излучение в окружающее пространство. Таким образом, в отличие от прототипа, где проникновение поля во второй волновод имеет место благодаря эффекту пространственных биений, в камере СВЧ нагрева, входящей в устройство нагрева (фиг. 4, 5), указанное проникновение происходит вследствие высокой прозрачности сетки 3.

Использование: в технике СВЧ для нагрева диэлектриков. Сущность изобретения: камера СВЧ нагрева протяженных диэлектрических объектов содержит первый волновод для ввода СВЧ энергии и второй волновод, предназначенный для размещения нагреваемого диэлекрического объекта, имеющие общую стенку, в которой выполнены элементы связи в виде сетки из металлических проводников, причем прозрачность сетки для электромагнитного поля вдоль распространения СВЧ энергии увеличивается от величины не более 0,1 в месте ввода СВЧ энергии до величины не менее 0,2 в месте вывода СВЧ энергии и выбирается из приведенного в формуле соотношения. 4 ил.

КАМЕРА СВЧ-НАГРЕВА ПРОТЯЖЕННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ, содержащая первый волновод для ввода СВЧ-энергии и второй волновод, предназначенный для размещения нагреваемого диэлектрического объекта, имеющие общую стенку, в которой выполнены элементы связи, отличающаяся тем, что элементы связи представляют собой сетку из металлических проводников, прозрачность сетки для электромагнитного поля вдоль распространения СВЧ-энергии увеличивается от величины не более 0,1 в месте ввода СВЧ-энергии до величины не менее 0,2 в месте вывода СВЧ-энергии и выбирается из соотношения

где b - шаг сетки;
r_э ф - эффективный радиус проводников (для сеток, выполняемых из крупных проводников, r_э ф совпадает с фактическим радиусом проводников, для сеток, выполняемых из металлических полос, r_э ф равен половине ширины полосы);
λ - длина волны.