КАМЕРА ПОГЛОЩЕНИЯ СВЧ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 1999 года по МПК H05B6/64 H01P1/26 

Предлагаемая камера поглощения СВЧ-колебаний испарителя жидкости относится к области техники СВЧ и может использована для нагрева и испарения жидкости из водосодержащих материалов с ε > 20 и tgδ > 0,01 или как поглощающая нагрузка для генераторов с непрерывной мощностью до 75 кВт.

Известны оконечные поглощающие нагрузки (1). Данные нагрузки состоят из отрезка прямого или уголкового волновода, в котором находятся согласующий слой и поглощающая жидкость. Согласование нагрузки с СВЧ-генератором осуществляется путем плавного среза (профиля) поглощающего материала, чаще двухстороннего, для уменьшения отражения и разряжения модового состава СВЧ-поля. Согласования нагрузки также можно добиться путем подсоединения входного волновода под некоторым углом к нагрузке. Такие нагрузки можно использовать в маломощных испарителях жидкости. К недостаткам таких нагрузок можно отнести нагрев согласующего слоя, т.к. максимумы поля расположены или на самой границе раздела поглощающая жидкость - согласующий слой или перед границей в согласующем слое; значительные изменения согласования нагрузки с генератором СВЧ даже при незначительных изменениях параметров жидкости ε и tgδ и неравномерный нагрев жидкости.

Известен тепловой котел и устройство для непрерывного нагрева жидкости под давлением с помощью микроволн (2). Устройство позволяет подогревать жидкие или полужидкие вещества. Устройство содержит микроволновый генератор, соединенный волноводами с волноводами, содержащими излучающие пазы, которые подсоединены непосредственно к резервуару под давлением, нагревающему жидкость, циркулирующую по змеевеку, или к резервуару, в котором не создано давление, непосредственно нагревающему жидкость в змеевике. В данном устройстве при изменении параметров нагреваемой жидкости ε и tgδ происходит его рассогласование с генератором СВЧ. К недостаткам данного устройства следует отнести то, что его нельзя использовать в испарителе водосодержащих жидкостей под пониженным давлением в зоне испарения. Устройство также не обеспечивает без циркуляции равномерный нагрев жидкости.

Целью настоящего изобретения является построение устройства для СВЧ-испарителя водосодержащей жидкости при низком давлении, обеспечивающего равномерный нагрев жидкости в плоскости поглощения СВЧ-энергии и согласование с СВЧ-генератором при изменении параметров поглощающей жидкости ε и tgδ.

Указанная цель достигается тем, что в камере поглощения СВЧ-колебаний, содержащей бак с поглощающей жидкостью и отрезок прямоугольного волновода, в одной из стенок которого, в месте установки бака с поглощающей жидкостью, выполнены отверстия связи, отрезок волновода состоит из: перехода с прямоугольного волновода сечением AxB на прямоугольный волновод сечением A x 0,57 В, длиной 0,8λ_в, отрезка прямоугольного волновода, содержащего первый участок сечением A x 0,57 В, длиной 2,36λ_в, где λ_в - длина волны в отрезке прямоугольного волновода, и второй участок длиной 0,53λ_в, в котором широкая стенка равна A, в размер узкой стенки линейно уменьшается от 0,57 B до 0,01 B, вместе установки бака с поглощающей жидкостью выполнено девять отверстий связи, отверстия связи выполнены прямоугольными и расположены на широкой стенки первого и второго участков отрезка прямоугольного волновода, параллельно его оси, причем отверстия связи герметизированы диэлектрическим материалом с низкими потерями, длина каждого отверстия связи равна 0,23λ_в, расстояние между кромками соседних отверстий связи вдоль оси волновода равно 0,06λ_в, восемь отверстий связи расположены попарно на расстоянии 0,045 A от узких стенок отрезка прямоугольного волновода, ширина первого и второго отверстия связи равна 0,086 A, ширина третьего и четвертого отверстий связи - 0,123 A, ширина пятого и шестого отверстий связи - 0,182 A, ширина седьмого и восьмого отверстий связи - 0,273 А, ширина девятого отверстия связи - 0,91 A.

Существенные признаки, отличающие заявляемое устройство от прототипа, не поддаются самостоятельной квалификации, т.к. не отделимы от целого объекта. Взаимное положение, размеры и состав элементов, входящих в заявленное устройство, окончательно определены экспериментально и позволяют построить камеру поглощения СВЧ-колебаний для испарителя жидких водосодержащих материалов, обеспечивающую равномерный нагрев жидкости и согласование с СВЧ-генератором при изменении параметров поглощающей жидкости ε и tgδ.
На фиг. 1 и 2 приведен эскиз предлагаемой камеры поглощения СВЧ-колебаний. Указанные на фиг. 1 и 2 размеры и взаимное положение элементов определены окончательно экспериментально на макетах заявляемого устройства.

Камера поглощения СВЧ-колебаний состоит из отрезков волновода 1, перехода 2 и бака 3 для поглощающей жидкости. Волновод имеет первый участок длиной 2,36λ_в с сечением волновода A х 0,57 B и второй участок длиной 0,53λ_в, в котором высота узкой стенки линейно изменяется от 0,57 B до 0,01 B. Переход 2 имеет длину 0,8λ_в на входе перехода, сечение волновода A х B и на выходе перехода сечение волновода A х 0,57 B. В широкой стенке волновода 1, на которой установлен бак 3, имеется девять прямоугольных щелей, каждая длиной 0,53λ_в, расстояние между кромками соседних щелей 0,06λ_в, восемь щелей расположены попарно на расстоянии 0,045 A от узких стенок волновода, ширина первой и второй щелей равна 0,086 A; ширина третьей и четвертой щелей равна 0,123 A; ширина пятой и шестой щели равна 0,182 A; ширина седьмой и восьмой щелей равна 0,273 A; девятая щель расположена симметрично на широкой стенке волновода и ее ширина равна 0,91 A.

Щели герметизированы диэлектрическим материалом с низкими потерями - кварцевым стеклом. В волноводе A = 0,671λ и B = 0,317λ, где λ - длина волны в свободном пространстве.

Камера поглощения СВЧ-колебаний работает следующим образом. На вход камеры от СВЧ-генератора поступают колебания заданной частоты и мощности, в узле поглощения через отверстия связи мощность СВЧ-генератора поступает в бак с поглощающей жидкостью и поглощается; отверстия связи в зоне поглощения создают такое распределение поля СВЧ, что жидкость во всей плоскости дна греется равномерно, что дает возможность не перемешивать ее при выпаривании. Скорость выпаривания жидкости или другого водосодержащего материала определяется мощностью СВЧ-генератора и уровнем вакуума в баке.

Макеты заявляемого устройства экспериментально исследованы с генератором СВЧ мощностью 50 кВт и частотой 915 МГц. Макеты заявляемого устройства имеют значение КСВН не более 1,3 при значительных изменениях параметров выпариваемого материала ε и tgδ.
По сравнению с прототипом предлагаемая камера поглощения СВЧ-колебаний обладает улучшенными техническими и экономическими показателями:
1) обеспечивает равномерный нагрев материала;
2) обеспечивает согласование с генератором СВЧ при значительных изменениях параметров нагреваемых материалов ε и tgδ.
Источники информации
1. В. П.Шестопалов, А.А.Кириленко, Л.А.Рудь Резонансное рассеяние волн. Волноводные неоднородности, т. 2. Киев, Думка, 1986, с. 157-160.

2. Тепловой котел и устройство для непрерывного нагрева жидкости под давлением с помощью микроволн (FR, патент 2638592, H 05 B 6/80, F 24 H 1/52, 1990).

Камера поглощения СВЧ-колебаний предназначена для нагрева, в т.ч. испарения, сушки, пастеризации, стерилизации водосодержащих материалов, а также может быть использована как оконечная нагрузка генераторов СВЧ с непрерывной мощностью до 75 кВт. Технический результат заключается в создании устройства, позволяющего согласовать камеру поглощения с генератором СВЧ при значительных изменениях параметров поглощающего материала ε и tgδ, и получении равномерного нагрева поглощающего материала. Камера поглощения СВЧ-колебаний содержит бак с поглощающей жидкостью и отрезок прямоугольного волновода, в одной из стенок которого в месте установки бака с поглощающей жидкостью выполнены отверстия связи, отрезок волновода состоит из перехода с прямоугольного волновода сечением А х В на прямоугольный водовод сечением А х 0,57 В, длиной 0,8λ_в, отрезка прямоугольного волновода, содержащего первый участок сечением А х 0,57 В, длиной 2,36 λ_в, где λ_в - длина волны в отрезке прямоугольного волновода, и второй участок длиной 0,53λ_в, в котором широкая стенка равна А, а размер узкой стенки линейно уменьшается от 0,57 В до 0,01 В, в месте установки бака с поглощающей жидкостью выполнено девять отверстий связи, отверстия связи выполнены прямоугольными и расположены на широкой стенке первого и второго участков отрезка прямоугольного волновода параллельно его оси, причем отверстия связи герметизированы диэлектрическим материалом с низкими потерями, при этом размеры и взаимное расположение отверстий связи в волноводе обеспечивают равномерный нагрев обрабатываемого материала и согласование с генератором СВЧ, значение КСВН камеры поглощения не более 1,3 при значительных изменениях ε и tgδ обрабатываемого материала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Камера поглощения СВЧ колебаний, содержащая бак с поглощающей жидкостью и отрезок прямоугольного волновода, в одной из стенок которого в месте установки бака с поглощающей жидкостью выполнены отверстия связи, отличающаяся тем, что содержит переход длиной 0,8λ_в с отрезка прямоугольного волновода сечением АхВ на отрезок прямоугольного волновода сечением Ах 0,57 В, отрезок прямоугольного волновода состоит из первого участка сечением Ах0,57В, длиной 2,36λ_в, где λ_в - длина волны в отрезке прямоугольного волновода, и второго участка длиной 0,53λ_в, в котором широкая стенка равна А, а размер узкой стенки линейно уменьшается от 0,57В до 0,01 В, в месте установки бака с поглощающей жидкостью выполнено девять отверстий связи, отверстия связи выполнены прямоугольными и расположены на широкой стенке первого и второго участков отрезка прямоугольного волновода параллельно его оси, причем отверстия связи герметизированы диэлектрическим материалом с низкими потерями, длина каждого отверстия связи равна 0,23λ_в, расстояние между кромками соседних отверстий связи вдоль оси волновода равно 0,06λ_в, ширина первого и второго отверстий связи равна 0,086 А, ширина третьего и четвертого отверстий связи 0,123А, ширина пятого и шестого отверстий связи 0,182 А, ширина седьмого и восьмого отверстий связи 0,273А, ширина девятого отверстия связи 0,91 А. 2. Камера по п.1, отличающаяся тем, что восемь отверстий связи расположены попарно на расстоянии 0,045 А от узких стенок отрезка прямоугольного волновода.