МНОГОЦЕЛЕВАЯ КАМЕРА СВЧ-НАГРЕВА Российский патент 1997 года по МПК H05B6/64 F24C7/02 F26B3/32 

Изобретение относится к СВЧ-технике электрической термообработки различных диэлектрических материалов и может применяться в различных отраслях промышленности и в сельскохозяйственном производстве.

Известно модульное СВЧ-устройство для термообработки гранулированных, дробленых и жидких материалов, выполненное в виде набора цилиндрических СВЧ-резонаторов со сквозными отверстиями в центре, соединенных между собой при помощи цилиндрических втулок и образующих сквозной канал, в котором размещен продуктопровод. На периферийных стенках цилиндрических резонаторов содержится по одному окну связи, к каждому из которых присоединяется волновод с генератором. Сверху с продуктопроводом соединено загрузочное устройство, а внизу устройство выгрузки.

К недостаткам этого устройства следует отнести сосредоточенность СВЧ-полей с высокой напряженностью на коротких участках резонаторов; импульсный характер воздействия на материал при его движении в продуктопроводе, что неприемлемо для многих материалов; неравномерный нагрев по глубине канала продуктопровода (по радиусу); невозможность термообработки более крупных материалов или продуктов.

Промышленные предприятия, кооперативы и фермерские хозяйства нуждаются в СВЧ-печах сравнительно большой мощности, повышенной равномерности нагрева, но сравнительно небольших габаритов, например размеров бытовых холодильников, позволяющих осуществлять СВЧ-термобработку различных технических материалов, пищевых продуктов, сельскохозяйственных и дикорастущих плодов и трав. Ближнее зарубежье и ряд восточных стран нуждаются в таких печах для термообработки коконов тутового шелкопряда как в периодическом, так и в непрерывном процессе и в сравнительно небольших количествах, какими обладают (выращивают) отдельные фермерские хозяйства. В высочайшем качестве СВЧ-термообработки фермеры уже не сомневаются.

Таким образом, цель данного изобретения создание многоцелевой СВЧ-печи, работоспособной в любых климатических условиях, обладающей высокой надежностью и высоким качеством термообработки самых различных материалов и продуктов.

Цель достигается тем, что многоцелевая камера СВЧ-нагрева состоит из двух многомодовых резонаторных секций, разделенных общей стенкой с отверстием посредине размером от 2λ_o до 3λ_o для продуктопровода. К каждому резонатору присоединены 3 или 4 возбудителя, выполненные в виде волновых полуколец. Каждое полукольцо содержит на середине широкой стенки отверстие для ввода выводов СВЧ-энергии магнетрона, укрепленного непосредственно на волновом полукольце.

Возбудители (волноводные полукольца) присоединены к такому же количеству пар прямоугольных окон связи (три или четыре), выполненных на одной или двух стенках секций (резонаторов) так, чтобы обеспечивалась возможность бесступенчатого соединения одной или двух внутренних поверхностей возбудителей со стенками резонатора, примыкающими к стенкам с окнами связи. Части стенок резонаторов, расположенные напротив окон связи, выполнены по радиусу R, равному высоте окон h.

На верхней стенке камеры нагрева установлено загрузочное устройство, а на нижней устройство выгрузки, выполненные в виде набора отрезков цилиндров разных диаметров. При этом меньшие диаметры равны d₁ ≅ λ_o, а большие равны , поскольку отрезки цилиндров больших размеров заполнены прозрачным для СВЧ материалом кольцеобразной формы с внутренним диаметром d₁ ≅ λ_o для обеспечения возможности подачи через них обрабатывающего материала, а высота отрезков равна где λ_o длина волны в свободном пространстве, ε′ диэлектрическая проницаемость материала. Высота наборов отрезков цилиндров равна нечетному числу четвертей длины волны.

Перфорированный продуктопровод размещен между устройствами загрузки и выгрузки, проходит через отверстие разделительной стенки секций и жестко соединен с устройством выгрузки, установленным с возможностью вращения от электропривода.

На стенках каждого резонатора выполнены отверстия для ввода подогретого воздуха от вентиляторов охлаждения магнетронов, который затем насыщенный парами от обрабатываемых продуктов (материалов) выводится через решетчатые окна в окружающее пространство.

На фиг.1 изображен общий вид многоцелевой камеры СВЧ-нагрева с вырезами, показывающими размещение элементов и устройств; на фиг.2 показано расположение перфорированного продуктопровода с укрепленными на нем чашеобразными элементами поддержки (столами) термообрабатываемых продуктов; на фиг.3 схематично показано приводное устройство выгрузки; на фиг.4 вид задней стенки с двумя возбудителями (волноводными полукольцами), магнетронами, укрепленными на них, и направлениями воздушных потоков.

Многоцелевая камера СВЧ-нагрева 1 выполнена из двух многомодовых резонаторных секций 2 и 3, разделенных общей металлической сеткой 4, имеющей в средней части отверстие 5 для продуктопровода размером от 2λ_o до 3λ_o На передней стенке выполнены два круглых окна (по одному на каждую секцию) 6 и 7 для доступа к внутренним объемам секций, закрываемых дверцами (не показаны). Окна могут иметь и другие формы, но круглые проще в изготовлении. На одной или двух стенках секций 2 и 3 выполнены три или четыре пары прямоугольных окон связи 8, 9, 10 и т.д. к которым присоединяется такое же количество возбудителей 11, 12 и т.д. выполненных в виде волноводных полуколец и имеющих в средней части широких стенок отверстие для установки (ввода) в них выводов СВЧ-энергии магнетронов 13, 14, 15 и т.д. Магнетроны укреплены непосредственно на возбудителях.

Окна связи 8, 9, 10 и т.д. выполнены в виде пар прямоугольных отверстий и размещены с возможностью бесступенчатого соединения одной или двух внутренних поверхностей волноводных полуколец (возбудителей) со стенками резонаторов, например, 16 и 17, примыкающими к окнам связи. Части стенок резонаторов, расположенных напротив окон связи 18, 19, 20, выполнены изогнутыми по радиусу R, равному или несколько большему высоты окон связи h.

На верхней стенке камеры нагрева установлено устройство загрузки 21, а на нижней стенке устройство выгрузки 22, выполненные в виде чередующихся последовательно соединенных отрезков цилиндров 22 и 23 с разными внутренними диаметрами d₁ и d₂. Отрезки цилиндров большего диаметра содержат диэлектрическое заполнение кольцеобразной формы с внутренним диаметром равным d₁, как у отрезка цилиндра 22 меньшего диаметра. Диэлектрик прозрачен для СВЧ. При этом длина волны в свободном пространстве, ε′ диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего большой цилиндр.

Высота отрезков цилиндров большого диаметра составляет Общая высота устройств загрузки и выгрузки равна нечетному числу четвертей длин волн, например 5 λ_o/4 или 7 λ_o/4. Устройство выгрузки 22 установлено с возможностью вращения, например, при помощи шестеренчатой пары 25 от электродвигателя 27.

Перфорированный диэлектрический продуктопровод 28 установлен между устройствами загрузки 21 и выгрузки 22, проходит через отверстие 5 в общей стенке резонаторов и жестко соединен с устройством выгрузки, что обеспечивает возможность осевого вращения. Выход обработанного продукта (материала) регулируется заслонкой 30 (фиг.3) либо установкой шнекового механизма.

Для термообработки несыпучих мягких и нежных продуктов на продуктопроводе 28 укрепляются несколько (2^oC4) чашеобразных элементов поддержки (столиков) 31 (фиг.2). В этом случае продуктопровод выполняет роль монтажного основания.

Магнетроны 14,15 и т.д. охлаждаются при помощи вентиляторов 32 (фиг.4), а нагретый воздух частично или полностью (в зависимости от содержания влаги в обрабатываемом продукте) вводится в резонаторы через отверстия 33.

Многоцелевая камера СВЧ-нагрева работает следующим образом. Для термообработки сыпучих продуктов и материалов, например коконов тутового (дубового) шелкопряда, ценного зерна, семян или гранул, надо через загрузочное устройство 21 загрузить продуктопровод 28 при закрытой заслонке 30, включить все магнетроны 13, 14, 15 и т.д. и все вентиляторы 32. Затем включить электродвигатель 27 электропривода устройства выгрузки и приоткрыть заслонку 30 настолько, чтобы получить необходимую производительность, зависящую от содержания влаги. При этом в каждой секции 2 и 3 камеры нагрева 1 сформируется свое поле, напряженность которого зависит от добротности резонатора, которая в свою очередь зависит от свойств обрабатываемого продукта, от содержания в нем влаги, а, следовательно, от его поглощающей способности. Для многих продуктов и материалов характерно уменьшение поглощающей способности по мере уменьшения влагосодержания. В этом случае проявляются естественные свойства многомодовых резонаторов, каковыми являются нагревательные секции, увеличение добротности и, следовательно, напряженности E-поля, за счет чего происходит поддержание нужной температуры или даже ее нарастание в продукте.

Поскольку каждая секция имеет изогнутые участки стенок 18, 19 и 20, расположенные напротив окон связи 8, 9, 10 и т.д. то исключается прямое отражение СВЧ-энергии обратно к генераторам и обеспечивается согласование. Таким образом, существенно повышается надежность камеры нагрева в целом при сравнительно небольшом скруглении краев стенок. Известно, что многомодовые резонаторные камеры нагрева (в данном случае секции 2 и 3) обладают достаточно высокой равномерностью E-поля. Эта равномерность становится особенно высокой в случае применения нескольких источников СВЧ-энергии и нескольких вводов ее. В данном изобретении применены несколько генераторов в каждой секции, и каждый из них благодаря применению волноводных полуколец-возбудителей имеет два окна связи, в результате получается большое количество вводов, обеспечивающее почти абсолютную равномерность E-поля и очень высокое качество термообработки продукта.

Вращение продуктопровода позволяет исключить влияние прямого облучения продукта, а главное обеспечивает равномерность продувки его теплым воздухом, поступающим через перфорированные участки стенок 33 камеры нагрева от радиаторов магнетронов 13, 14, 15 и т.д. при помощи вентиляторов 32 и т.д. Отработанный влажный воздух выбрасывается наружу или в вентиляционный канал под собственным давлением нагнетания или при помощи вспомогательных вытяжных вентиляторов (на чертеже не показаны).

Вводимая СВЧ-мощность регулируется отключением части генераторов или включением дополнительных.

При термообработке несыпучих продуктов или таких продуктов, которые могут повреждаться при движении по продуктопроводу, применяются чашеобразные элементы поддержки (столики) обрабатываемого продукта, укрепленные на перфорированном продуктопроводе. При необходимости может быть загружен одновременно и продуктопровод. Столики загружаются через окна 6 и 7.

В случае термообработки небольшого количества продукта может быть задействована лишь одна секция со своими генераторными блоками. При незначительной загрузке одной из секций вторая выполняет роль нагрузки за счет ответвления некоторой части (обычно небольшой) СВЧ-энергии через отверстие 5 в перегородке. При работе окна 6 и 7 закрываются люками (дверцами) с полуволновыми ловушками (на чертеже не показаны).

Устройства загрузки 21 и выгрузки 22 имеют цилиндрические каналы диаметром, примерно равным λ_o (длина волны в свободном пространстве). Чтобы исключить утечку СВЧ-энергии через эти каналы, применены кольцевые четвертьволновые отражатели, заполненные прозрачным для СВЧ диэлектриком. Общая высота чередующихся цилиндрических отрезков равна нечетному числу четвертей длины волны λ_o. Дальнейшее увеличение высоты цилиндрической части не влияет на свойства защиты.

Экспериментальные исследования многоцелевой камеры СВЧ-нагрева и практика работы многомодовых резонаторных камер позволили получить высокие показатели по всем важнейшим параметрам.

Изобретение относится к области СВЧ-техники и предназначено для электрической термообработки различных диэлектрических материалов. Многоцелевая камера СВЧ-нагрева состоит из двух многомодовых резонаторов 2,3, разделенных общей стенкой 4 с отверстием 5 для продуктопровода 28 диаметром от 2 λ_o до 3 λ_o ( λ_o - длина волны в свободном пространстве), размещенного в середине резонаторов, к каждому резонатору присоединены на одной или двух стенках 3 или 4 возбудители 11, 12, выполненные в виде волноводных полуколец с отверстиями на широких стенках для ввода выводов СВЧ-энергии магнетронов 13, 14, 15, окна связи 8, 9, 10 в виде пар отверстий прямоугольной формы в количестве, равном количеству возбудителей, размещены с возможностью бесступенчатого соединения одной или двух поверхностей волноводных полуколец со стенками резонаторов, примыкающими к стенкам с окнами связи, части стенок, расположенных напротив окон связи, выполнены изогнутыми по радиусу R, равному высоте h окон связи, на верхней и нижней стенках камеры установлены соответственно устройства загрузки 21 и устройство выгрузки 22, выполненные в виде чередующихся, последовательно соединенных, отрезков цилиндров 21 и 22 разных диаметров d₁ и d₂, отрезки больших диаметров 23 заполнены кольцеобразно прозрачным для СВЧ материалом, причем , где ε - диэлектрическая проницаемость материала, высота цилиндров соответственно равна . Общая высота устройств загрузки и выгрузки равна нечетному числу четвертей длины волны, перфорированный диэлектрический продуктопровод 28 жестко соединен с устройством выгрузки 22, установленным с возможностью осевого вращения от электропривода, и может использоваться в качестве опоры для крепления чашеобразных элементов поддержки (столиков) 31 для несыпучих и нежных продуктов, магнетроны снабжены вентиляторами охлаждения 32, в стенках резонаторов выполнены отверстия для подачи в них нагретого радиаторами магнетронов воздуха. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многоцелевая камера СВЧ-нагрева, содержащая два резонатора, выполненных многомодовыми, каждый из которых соединен с соответствующим устройством ввода СВЧ-энергии, состоящим из возбудителя, соединенного с магнетроном, продуктопровод, выполненный из диэлектрика и соединенный с устройством загрузки и устройством выгрузки, в одной из стенок каждого резонатора выполнено окно связи, к которому присоединен возбудитель, в середине другой стенки резонатора выполнено отверстие для продуктопровода, установленного в середине резонаторов с возможностью последовательной подачи обрабатываемого материала из одного резонатора в другой, отличающаяся тем, что резонаторы имеют общую стенку с отверстием для продуктопровода, введены дополнительно два или три устройства ввода СВЧ-энергии, каждый резонатор содержит дверцу, возбудитель выполнен в виде волноводного полукольца, в середину широкой стенки которого введен вывод энергии магнетрона, магнетроны укреплены на возбудителях, продуктопровод выполнен перфорированным и жестко соединен с устройством выгрузки, установленным с возможностью вращения от электропривода, устройство загрузки и устройство выгрузки расположены соответственно на верхней и нижней стенках камеры нагрева и выполнены в виде чередующихся последовательно соединенных отрезков цилиндров, магнетроны снабжены вентиляторами охлаждения, в стенках каждого резонатора выполнены отверстия для подачи воздуха от вентиляторов охлаждения, а также дополнительные окна связи по количеству введенных устройств ввода СВЧ-энергии, окна связи выполнены в виде пар отверстий прямоугольной формы и размещены с возможностью бесступенчатого соединения одной или двух внутренних поверхностей волноводного полукольца со стенками резонатора, примыкающими к стенке с окнами связи, части стенок резонаторов, расположенных напротив окон связи, выполнены изогнутыми с радиусом изгиба R ≈ h, где h высота окна связи, диаметр отверстия для продуктопровода не менее 2λ_o и не более 3λ_o, где λ_o - длина волны в свободном пространстве. 2. Камера СВЧ-нагрева по п. 1, отличающаяся тем, что чередующиеся отрезки цилиндров выполнены с разными диаметрами d₁ и d₂, при этом отрезки, имеющие большие диаметры, заполнены прозрачным для СВЧ материалом в виде колец с возможностью обеспечения подачи через них обрабатываемого материала, где

а высота отрезков составляет соответственно

где λ_o - длина волны в свободном пространстве,
ε - диэлектрическая проницаемость,
высота наборов чередующихся отрезков цилиндров устройств загрузки и выгрузки равна нечетному числу четвертей длины волны. 3. Камера СВЧ-нагрева по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что концы ступенчатых цилиндров введены сверху и снизу в камеру СВЧ-нагрева на величину λ_o/4 для крепления вращающегося перфорированного диэлектрического продуктопровода. 4. Камера СВЧ-нагрева по п. 1, отличающаяся тем, что перфорированный диэлектрический продуктопровод выполняет роль опоры для крепления двух-четырех чашеобразных перфорированных диэлектрических элементов поддержки термообрабатываемых продуктов или материалов.