СВЧ-НАГРЕВАТЕЛЬ ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК H05B6/64 F24C7/02 F26B3/32 

Изобретение относится к технике СВЧ, может быть использован для нагрева жидкости с темпом нагрева до 350 град/с или как поглощающая нагрузка или постоянный аттенюатор для генераторов с непрерывной мощностью до 75 кВт.

Известна нагрузка, поглощающая СВЧ-колебания большой мощности[1] Данная нагрузка состоит из отрезка волновода прямого или уголкового, в котором находится поглощающий слой и поглощающая жидкость. К недостаткам этого типа нагрузок можно отнести изменение значения КСВН от температуры нагреваемой жидкости, значительные габариты и невозможность получить большого темпа нагрева жидкости.

Известны короткие водяные нагрузки для волноводов[2]
Нагрузка представляет собой короткозамкнутый отрезок волновода, в котором перпендикулярно широким стенкам волновода установлены 17 фторопластовых трубок. Вода, поступающая на вход первой трубки проходит поочередно через все трубки. Для обеспечения равномерного поглощения СВЧ-мощности трубки расположены относительно продольной оси волновода в соответствии с законом распределения (1 - cosθ)² расстояние между соседними трубками равно λ/4 Внутри каждой трубки помещен стандартный мощный резистор концентрической формы с сопротивлением 400-500 Ом для компенсации низкого тангенса угла потерь воды и увеличения мощности рассеивания.

К недостаткам данных нагрузок можно отнести значительные габариты (длина до 1,8 м), применение дополнительных резисторов, невозможность получения больших темпов нагрева жидкости и изменение согласования нагрузки с генератором СВЧ в зависимости от температуры жидкости.

Известна нагрузка с водяным охлаждением [3]
В нагрузке поглощающая секция выполнена на короткозамкнутом отрезке металлического цилиндра, диаметр которого равен наружному диаметру нижнего проводника, подводящей коаксиальной линии. В короткозамкнутый торец вставлены два штуцера для ввода и вывода охлаждающей воды. Внутри цилиндра коаксиально с ним расположен полый диэлектрический стержень, по оси которого смонтирован спиральный проводник, при чем диаметр спирали плавно увеличивается от входа поглощающей секции к выходу. В станках стержня ближе к входному концу нагрузки сделаны отверстия для прохода воды внутрь цилиндра. На входе нагрузки размещена шайба крепления внутреннего проводника, осуществляющая трансформацию сопротивления, подводящей линии к сопротивлению нагрузки.

К недостаткам данной нагрузки можно отнести невозможность получения большого темпа нагрева жидкости и конструктивная сложность. Наиболее близким к предлагаемому изобретению является волновод, предназначенный для поглощения СВЧ-энергии.[4]
Волновод, предназначенный для поглощения СВЧ-энергии, представляет собой отрезок прямоугольного волновода, внутри которого расположена наклонно к его продольной оси и к его широким стенкам трубка, выполненная из диэлектрика с низкими потерями и предназначенная для циркуляции жидкости, эффективно поглощающей СВЧ-энергию. Трубка входит в прямоугольный волновод и выходит из него через отверстия в узких стенках волновода, причем входное и выходное отверстия благодаря наклону трубки относительно продольной оси волновода оказываются смещенными одно относительно другого вдоль волновода на λ/4 Для увеличения эффективности поглощения СВЧ-энергии трубке придается синусоидальная форма, так что внутри волновода располагается несколько параллельных отрезков трубки, смещенных одна относительно другой вдоль оси волновода на λ/4
Недостатком данной конструкции нагрузки является невозможность получения больших темпов нагрева жидкости и значительные размеры.

Целью настоящего изобретения является увеличение темпа нагрева жидкости до 350 град./с и уменьшение размеров.

Указанная цель достигается тем, что в СВЧ-нагревателе жидкости, содержащим отрезок прямоугольного волновода сечением AxB, где A широкая и B узкая стенки волновода, внутри которого расположены трубки, выполненные из диэлектрика с низкими потерями и предназначенные для циркуляции жидкости, в волноводе перпендикулярно узким стенкам установлены пятнадцать диэлектрических трубок диаметром D=(0,14±0,03)A, первая диэлектрическая трубка установлена на одинаковом расстоянии от широких стенок волновода, а четырнадцать диэлектрических трубок установлены в волноводе попарно, так что их оси расположены симметрично относительно оси отрезка прямоугольного волновода и на расстоянии от оси отрезка прямоугольного волновода, равном 0,26B, расстояние от осей второй и третьей трубок по оси волновода до оси первой трубки равно 0,23 λ_в где λ_в длина волны в волноводе: расстояние от четвертой и пятой трубок по оси волновода до второй и третьей трубок равно 0,23 λ_в расстояние от шестой и седьмой трубок по оси волновода до четвертой и пятой трубок равно 0,1 λ_в расстояние от восьмой и девятой трубок по оси волновода до шестой и седьмой трубок равно 0,13 λ_в расстояние от десятой и одиннадцатой трубок по оси волновода до восьмой и девятой трубок равно 0,1 λ_в расстояние от двенадцатой и тринадцатой трубок по оси волновода до десятой и одиннадцатой трубок равно 0,13 λ_в расстояние от четырнадцатой и пятнадцатой трубок по оси волновода до двенадцатой и тринадцатой трубок равно 0,1 λ_в в отрезке волновода A = 0,67λ и B = 0,317λ где l длина волны в свободном пространстве.

Существенные признаки, отличающие заявляемый СВЧ-нагреватель от прототипа не поддаются самостоятельной квалификации, так как не отделены от целого объекта. Взаимное положение и размеры всех элементов, входящих в СВЧ-нагреватель, окончательно определены экспериментально и позволяют построить СВЧ-нагреватель небольших размеров (длина 1,8 l ) с темпом нагрева до 350 град/с, затуханием не менее 30 дБ при нагреве воды и не менее 40 дБ при нагреве молока и воздействием на обрабатываемую жидкость высоким уровнем плотности потока мощности СВЧ до 1000 Вт/см.

На чертеже приведен эскиз предлагаемого СВЧ-нагревателя. Указанные на сертеже размеры и их взаимное расположение окончательно определены на макете предложенного СВЧ-нагревателя.

СВЧ-нагреватель состоит из отрезка прямоугольного волновода 1, сечением AxB (A=0,671 l B=0,317 l ) и пятнадцати диэлектрических трубок 2-16 с малыми диэлектрическими потерями, предназначенными для циркуляции жидкости, внутренний диаметр трубок D=0,14A, трубки 2-16 входят в волновод 1 перпендикулярно узким и параллельно широким стенкам, первая диэлектрическая трубка 2 установлена на одинаковом расстоянии от широких стенок волновода 1, а остальные четырнадцать диэлектрических трубок 3-16 установлены попарно так, что их оси расположены симметрично относительно оси отрезка прямоугольного волновода и на расстоянии от оси отрезка волновода равном 0,26B, расстояние по оси волновода 1 от оси первой трубки 2 до осей второй и третьей трубок 3, 4 равно 0,23 l_в; расстояние по оси волновода 1 от осей второй и третьей трубок 3, 4 до осей четвертой и пятой трубок 5, 6 равно 0,23 λ_в; расстояние по оси волновода от осей четвертой и пятой трубок 5, 6 до осей шестой и седьмой трубок 7, 8 равно 0,1 λ_в; до осей восьмой и девятой трубок 9, 10 равно 0,13 λ_в; расстояние по оси волновода от осей восьмой и девятой трубок 9, 10 по оси волновода до осей десятой и одиннадцатой трубок 11, 12 равно 0,1 λ_в; расстояние по оси волновода от осей десятой и одиннадцатой трубок 11, 12 до осей двенадцатой и тринадцатой трубок 13, 14 равно 0,13 λ_в; расстояние по оси волновода от осей двенадцатой и тринадцатой трубок 13, 14 до осей четырнадцатой и пятнадцатой трубок 15, 16 равно 0,1 λ_в; на внешней стороне волновода диэлектрические трубки соединены металлическими перемычками, так что нагреваемая жидкость подается во вторую трубку 3 (вход нагревателя), из второй трубки 3 нагреваемая жидкость проходит в первую трубку 2, из первой трубки 2 жидкость поступает в третью трубку 4, из третьей трубки 4 нагреваемая жидкость поступает в четвертую, пятую, шестую и седьмую трубки 5, 6, 7, 8, из которых она поступает в восьмую, девятую, десятую и одиннадцатую трубки 9, 10, 11, 12, из которых нагреваемая жидкость поступает в двенадцатую, тринадцатую, четырнадцатую и пятнадцатую трубки 13, 14, 15, 16 (выход нагревателя). СВЧ-нагреватель работает следующим образом. На вход нагревателя подаются колебания СВЧ-мощьностью до 75 кВт, а через систему 15 диэлектрических трубок пропускается нагреваемая жидкость. В волноводе жидкость в диэлектрических трубках поглощает СВЧ-энергию и нагревается до заданной температуры. Температура нагрева жидкости определяется скоростью ее прохождения по диэлектрическим трубкам и мощностью СВЧ-генератора.

Макеты предлагаемого устройства экспериментально исследованы с генератором СВЧ- ощностью 50 кВт и частотой 915 МГц. Макеты заявляемого нагревателя имеют значения КСВН не более 1,25, темп нагрева 350 град/с и затухания при нагреве в качестве жидкости молока не менее 40 дБ.

По сравнению с прототипом предлагаемый СВЧ-нагреватель обладает улучшенными техническими и экономическими показателями:
а) значительно большим темпом нагрева жидкости, который определяет новый уровень технологической обработки жидких материалов;
б) меньшими массо-габаритными характеристиками;
в) более простой технологией изготовления.

Источники информации
1. В.П. Шестопалов, А.А.Кириленко, Л.А.Рудь. Резонансное рассеяние волн. Волноводные неоднородности. Том второй, стр 157-160. Изд Наукова Думка, Киев, 1996 г.

2. Короткие водяные нагрузки волноводов. Gerlask Risnaro 2. Short Waterloads for large Wavegnides, Misrowale 1. 1975, 18. N 23, 45-46, 57 (англ.).

3. Нагрузка с водяным охлаждением. Nelson Rishard B. Water load. [Varian Associaties] / Пат. США кл. 333/22F (H 01 P 1/26), H 03 H 7/38), N 3633131. Заявл. 24.01.70. Опубл. 4.01.72.

4. Волновод. Sute Rairh Hashley, Stedens Dunean Hjrper. A. Wadeguile [Rotak Ltd] Англ. пат. кл. H1W (H 01 P 1/26) N 1372697, заявл. 21.11.70, опубл. 8.11.71.

Изобретение относится к технике СВЧ и предназначено для нагрева (пастеризации, стерилизации) жидкостей (воды, молока, соков, пива, вина, паст и т.д.), а так же может быть использовано как оконечная нагрузка в системах с генератором СВЧ непрерывной мощностью до 75 кВт. СВЧ-нагреватель жидкости содержит отрезок прямоугольного волновода сечением AxB, где A - широкая и B - узкая стенки волновода, внутри которого установлено пятнадцать трубок из диэлектрика с низкими потерями перпендикулярно узким стенкам, диаметр трубок составляет (0,14±0,03)A, первая диэлектрическая трубка установлена на одинаковом расстоянии от широких стенок волновода, а четырнадцать трубок установлены попарно, так что их оси расположены симметрично относительно оси отрезка прямоугольного волновода и на расстоянии от оси волновода равном 0,26B, расстояние от оси первой трубки по оси волновода до осей второй и третьей трубок равно 0,23 λ_в , где λ_в - длина волны в волноводе, расстояние от четвертой и пятой трубок по оси волновода до второй и третьей трубок равно 0,23 λ_в , расстояние от шестой и седьмой трубок по оси волновода до четвертой и пятой трубок равно 0,1 λ_в , расстояние от восьмой и девятой трубок по оси волновода до шестой и седьмой трубок равно 0,13 λ_в , расстояние от десятой и одиннадцатой трубок по оси волновода до восьмой и девятой трубок равно 0,1 λ_в , расстояние от двенадцатой и тринадцатой трубок по оси волновода до десятой и одиннадцатой трубок равно 0,13 λ_в , расстояние от четырнадцатой и пятнадцатой трубок по оси волновода до двенадцатой и тринадцатой трубок равно 0,1 λ_в . 1 ил.

СВЧ-нагреватель жидкости, содержащий отрезок прямоугольного волновода сечением А х В, где А ширина и В узкая стенки волновода, внутри которого расположены трубки, выполненные из диэлектрика с низкими потерями и предназначенные для циркуляции жидкости, отличающийся тем, что в волноводе перпендикулярно узким стенкам установлено пятнадцать диэлектрических трубок диаметром D (0,14 ± 0,03) А, первая диэлектрическая трубка установлена на одинаковом расстоянии от широких стенок волновода, а четырнадцать диэлектрических трубок установлены попарно, так что их оси расположены симметрично относительно оси отрезка прямоугольного волновода и на расстоянии от оси отрезка прямоугольного волновода равном 0,26В, расстояние от осей второй и третьей трубок по оси волновода до оси первой трубки равно 0,23λ_в, где λ_в длина волны в волноводе, расстояние от четвертой и пятой трубок по оси волновода до второй и третьей трубок равно 0,23λ_в, расстояние от шестой и седьмой трубок по оси волновода до четвертой и пятой трубок равно 0,1λ_в, расстояние от восьмой и девятой трубок по оси волновода до шестой и седьмой трубок равно 0,13λ_в, расстояние от десятой и одиннадцатой трубок по оси волновода до восьмой и девятой трубок равно 0,1λ_в, расстояние от двенадцатой и тринадцатой трубок по оси волновода до десятой и одиннадцатой трубок равно 0,13λ_в, расстояние от четырнадцатой и пятнадцатой трубок по оси волновода до двенадцатой и тринадцатой трубок 0,1λ_вн