УСТАНОВКА ДЛЯ СВЧ-ОБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1999 года по МПК H05B6/64 F24C7/02 F26B3/32 

Изобретение относится к области электроники, в частности к СВЧ-устройствам для тепловой обработки различных сыпучих, формованных материалов, продуктов на потоке или в статическом режиме.

Известны различные устройства волноводного и резонаторного типа для СВЧ-обработки диэлектрических материалов.

Устройство /Г. С. Княжевская и др., с. 51 - 52, Л., "Машиностроение", 1969/ для СВЧ-нагрева на основе закрытой колебательной системы - прямоугольного объемного резонатора - имеет резонансную камеру нагрева, являющуюся оконечной нагрузкой СВЧ-генератора, который подключен к камере через волновод связи. Согласование по частоте настройки этой нагрузки с СВЧ-генератором здесь обеспечивается выбором трех размеров резонаторной камеры, когда она представляет собой параллелепипед, близкий к кубу, что обеспечивает необходимую устойчивость на оси частот спектра собственных частот резонаторной камеры при конкретной заданной ее загрузке.

Недостатком устройства является его низкий КПД при загрузке, отличающейся от номинальной, т.к. при этом смещение резонансных частот камеры может быть настолько значительно, что полностью нарушается ее частотное согласование с СВЧ-генератором, это значительно снижает энергию, передаваемую от генератора в камеру, а колебания, отраженные от ввода в камеру, вызывают самоперегрев СВЧ-генератора. Кроме того, такое устройство не обеспечивает равномерного прогрева материала из-за многочисленных стоячих волн в объеме камеры, что вызывает локальные перегревы и недогревы в объеме обрабатываемого материала.

Известна установка для сушки материалов /авт.свид. N 1522006, МПК4 26 B 3/347, 10.03.87 г/, содержащая сушильную камеру в виде рабочего волновода, снабженную загрузочным и разгрузочным блоками, подключенными к камере СВЧ-генератора с волноводом связи, вентилятор и приемник-утилизатор СВЧ-энергии. Разгрузочный блок выполнен в виде тройника с перекидным клапаном.

Недостатком установки является неудовлетворительная равномерность нагрева обрабатываемых материалов в волноводной камере, а также высокий уровень ее паразитного излучения в окружающее пространством через загрузочный и разгрузочный блоки при малой разгрузке камеры и при отсутствии ее загрузки.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для СВЧ-обработки сыпучих материалов /авт. свид. N 1378089, МПК4 H 05 B 6/64, 24.04.86 г/, содержащее СВЧ-генератор, устройство связи, камеру с размещенными в ней блоками загрузки, блоками выгрузки, вентилятором, балластным поглотителем, расположенным под днищем лотка для обрабатываемого материала, при этом камера и устройство связи выполнены в виде волноводов, связанных между собой по широкой стенке, а балластный поглотитель расположен напротив выхода устройства связи, введенного в камеру, вход которого соединен с выходом СВЧ-генератора.

Недостатком устройства является неравномерный нагрев обрабатываемых диэлектрических материалов, особенно имеющих низкую теплопроводность, в случае, когда они обрабатываются в толстом слое, из-за одностороннего направления облучения, а также перегрев обрабатываемых диэлектрических материалов в пучностях стоячих волн, возникающих за счет колебаний, отраженных от стенок камеры.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является такое изменение состава и конструкции устройства, при котором за счет введения в установку излучателей, дополнительных СВЧ-генераторов, балластных поглотителей и волноводов и целесообразного взаиморасположения всех элементов конструкции: а/ обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемого материала, особенно в толстых его слоях; б/ исключаются локальные перегревы и недогревы обрабатываемой продукции, тем самым не только достигается, например, требуемая биологическая стойкость продукции без традиционного ухудшения ее химического состава, но и реализуется точно дозированное избирательное воздействие на микроорганизмы и продукцию, а конечный эффект, например пастеризация, достигается при температуре, более низкой, чем обычно.

Для решения этой задачи в известную установку для СВЧ-обработки диэлектрических материалов, содержащую СВЧ-генератор, камеру с размещенными в ней блоком загрузки, блоком выгрузки, вентилятором и балластным поглотителем, волновод, выход которого введен в камеру, а вход соединен с выходом СВЧ-генератора, согласно изобретению введены излучатели, дополнительные СВЧ-генераторы, балластные поглотители и волноводы, выходы которых введены в камеру, а входы соединены с выходами дополнительных СВЧ-генераторов, выходы всех волноводов соединены со входами соответствующих излучателей, которые расположены в плоскости, перпендикулярной оси камеры, осесимметрично (со встречно направленными выходными раскрывами), а балластные поглотители - на внутренней поверхности (боковых, верхней и нижней) стенок камеры.

Размеры выходных раскрывов излучателей выполнены обратно пропорциональными соответствующим размерам противоположных им стенок камеры.

Широкие стенки противолежащих волноводов со входами излучателей взаимно перпендикулярны.

Выходные раскрывы излучателей заглушены радиопрозрачными вкладышами.

Установка может быть оснащена (радиопрозрачным) вибрационно-лотковым или ленточным транспортером, который расположен вдоль продольной оси камеры.

Совокупность указанных признаков обеспечивает увеличение интегральной и локальной равномерности обработки, что подтверждается приведенным ниже аналитическим обоснованием.

В качестве показателя интегральной равномерности прогрева определим отношение удельной плотности мощности СВЧ-колебаний в наименее прогреваемом слое обрабатываемого материала к ее плотности в наиболее прогреваемом слое. Рассмотрим например, когда поток обрабатываемой продукции также, как и камера, имеет прямоугольное сечение и поперечные размеры h и g, которые примерно в три раза меньше соответствующих размеров корпуса камеры H и G /это упростит расчеты/, установка оснащена 4 СВЧ-генераторами, 4 волноводами, 4 излучателями, которые расположены по одному на каждой из сторон камеры в одной плоскости, перпендикулярной оси камеры, симметрично относительно этой оси (и имеют встречно направленные раскрывы). Поток обрабатываемой продукции равноудален от противоположных сторон корпуса камеры. Пусть мощность каждого генератора предлагаемой камеры в 4 раза меньше мощности СВЧ-генератора по прототипу. Для прототипа с подобными габаритными размерами наименее прогреваемый слой - нижний, удаленный от выхода волновода на расстояние l^п=h+h=2h, для предлагаемой установки - это внутренний, средний слой, на расстоянии от выходного раскрыва верхнего и нижнего излучателей, равном lui

= h+h/2=1,5h; i= 1,2 и на расстоянии от выходного раскрыва боковых излучателей, равном lui= g+g/2= 1,5g; i= 3, 4. Наиболее прогреваемый слой у прототипа - верхний /на удалении h от выходного раскрыва излучателя/, у предлагаемой установки - верхний и нижний, боковой левый и боковой правый /на расстоянии соответственно h и g/.

Для вычисления плотности потока мощности у поверхности обрабатываемого материала уточним значения ширины диаграммы направленности в плоскостях электрической и магнитной напряженностей.

Для прототипа они, как известно, определяются размерами раскрыва волновода, например


В предлагаемой установке с продольным размером L /L-длина камеры/ ширина луча согласована с шириной потока согласованных материалов. Поэтому для изобретения необходимо записать:
для верхнего, например, рупорного излучателя, с размерами выходного раскрыва

2θu1

= 2 arctg L/2H ; 2ϕu1= 2 arctg G/2H ; (2)
для нижнего излучателя с размерами выходного раскрыва

2θu2= 2 arctg G/2H ; 2ϕu2= 2 arctg L/2H ;
для левого бокового излучателя с размерами раскрыва

получается
2θu3= 2 arctg L/2G ; 2ϕu3= 2 arctg H/2G ;
для правого излучателя с размерами раскрыва

ширина луча во взаимоперпендикулярных плоскостях равняется
2θu4= 2 arctg H/2G ; 2ϕu4= 2 arctg L/2G .
Площадь горизонтального сечения луча в камере прототипа у верхнего слоя потока материалов, т.е. на удалении h от выходного раскрыва волновода согласно /1/ равняется
S^П= 2h·tgθ^П·2h·tgϕ^П≃ 3,3h².
Следовательно, при мощности СВЧ-генератора прототипа, равной P, плотность потока мощности в этом сечении равна

Для предлагаемой установки с размерами G=3g; H=3h; L и мощностью каждого из СВЧ-генераторов, равной P/4, плотности потока мощности при поперечных размерах потока g и h согласно /2 - 5/ равны:
у верхнего и нижнего слоев

у бокового левого и бокового правого слоев

Определим значение электрической напряженности поля в верхнем слое /на поверхности/ материала, считая, что локальное электромагнитное поле можно рассматривать как плоскую волну, а волновое сопротивление среды равно W=120 Ом. При этом для устройств по прототипу и изобретению получим

Электрическая напряженность поля в наименее прогреваемом слое может быть определена с учетом коэффициента Г'' затухания волны в материале с учетом пути, пройденного волной в обрабатываемом материале,

где f - частота колебаний СВЧ-генератора;
ε₀(μ₀) - электрическая /магнитная/ постоянная;
ε′- относительная диэлектрическая проницаемость материала;
tgδ - тангенс угла потерь в материале.

При этом электрические напряженности поля при g ≅ h, учитывая, что наименее прогреваемый слой у предлагаемой установки находится на оси потока материалов, вычислим в виде

Следовательно, искомые удельные плотности мощности /т. е. плотности мощности, диссипируемые в единице объема материала) согласно /9/ и /11/ для прототипа равняются
PПmax

= ε′tgδ·(EПmax)²; PПmin= ε′tgδ·(EПmin)²; (12)
для предлагаемой камеры

В предлагаемой установке минимальные удельные плотности мощности складываются в виде

Таким образом, искомые показатели равномерности прогрева материалов согласно /10 - 14/ при g ≃ h равняются:
для прототипа
γ_П= PПmin/PПmax= exp[-2Г″h];
для предлагаемой установки

Пример. g = h = 0,3 м; ε′= 77; tgδ = 0,015.
Найти: γ_П, γ_u
Решение. Г'' = 3,3;
γ_П= exp(-2•3,3•0,3) ≃ 0,14.

Вывод. Предлагаемая установка в типовых условиях функционирования имеет показатели интегральной равномерности обработки продукции, в семь раз более высокий, чем у прототипа.

В качестве показателя локальной равномерности обработки выберем отношение удельной плотности мощности, диссипируемой в обрабатываемом материале в узлах стоячей волны в рабочем объеме камеры, к удельной плотности мощности в пучностях этой волны.

Не применяя громоздких расчетов, без больших погрешностей можно утверждать, что в устройстве по прототипу этот показатель заметно меньше единицы /у установок на практике не превышает 0,3; при принятии специальных мер, например при применении диссекторов, достижимо 0,8/ из-за неизбежных отражений СВЧ-колебаний от стенок корпуса камеры, складывающихся в фазе или в противофазе с падающей волной. В предлагаемой же установке отражения от стенок отсутствуют и в материале диссипирует лишь энергия падающей волны. Следовательно, искомый показатель локальной равномерности обработки примерно равен единице, то есть выше, чем в устройстве по прототипу, даже при применении специальных мер.

Выполнение выходных раскрывов излучателей с размерами, обратно пропорциональными соответствующим размерам противолежащих им стенок камеры, позволяет сконцентрировать падающее излучение каждого из СВЧ-генератора на обрабатываемом материале и максимально использовать мощность каждого СВЧ-генератора.

Выполнение широких стенок противоположных волноводов в местах их соединения с излучателями взаимно перпендикулярными приводит к ортогональной поляризации электромагнитных волн, падающих на обрабатываемый материал с противоположной стороны. Поэтому даже в критическом режиме, когда отсутствует обрабатываемый материал, исключается "затекание" падающей с противоположной стороны электромагнитной волны через излучатель и волновод в СВЧ-генератор, что исключает взаимный перегрев СВЧ-генераторов.

Закрытие выходных раскрывов и излучателей (радиопрозрачными) вкладыши исключают попадание в волноводы и СВЧ-генераторы влаги, пыли и частиц обрабатываемого материала, что приводит к увеличению стабильности и надежности работы СВЧ-генераторов.

Расположение балластных поглотителей по внутренней поверхности (боковых, верхней и нижней) стенок камеры приводит к исключению отражений от стенок камеры, к исключению образования стоячих волн, а, значит, исключает локальные перегревы обрабатываемого материала, уменьшает вероятность паразитного излучения через блоки загрузки и выгрузки, нейтрализует зависимость частоты настройки рабочей камеры от степени ее загрузки и, следовательно, во-первых, увеличивают долю полезно используемой энергии СВЧ-генератора, во-вторых, исключает появление стоячих волн в волноводах, что значительно уменьшает опасность самоперегрева СВЧ-генератора, т.е. увеличивает эксплуатационную надежность установки.

Оснащение установки (радиопрозрачным) вибрационно-лотковым или ленточным транспортером, который расположен внутри камеры вдоль ее продольной оси, позволяет проводить непрерывную подачу обрабатываемого материала в рабочую зону камеры и выгрузку обрабатываемого материала, что приводит к значительному росту производительности установки.

На фиг. 1, 2 представлен общий вид предлагаемой установки для СВЧ-обработки диэлектрических материалов с разными видами транспортеров, на фиг. 3 - сечение в плоскости A на фиг. 2.

Установка /фиг. 1, 3/ содержит камеру 1, с размещенными в ней блоками загрузки 2, блоком выгрузки 3, вентилятором 4; СВЧ-генераторами 5, 6, 7, 8 /Г5, Г6, Г7, Г8/, волноводы 9, 10, 11, 12 с соответствующими излучателями 13, 14, 15, 16, балластные поглотители 17, 18, 19, 20. Установка оснащена вибрационно-лотковым /фиг. 1/ или ленточным /фиг. 2/ транспортером 21 /показан пунктиром/, расположенный внутри камеры вдоль ее продольной оси. Излучатели 13, 14, 15, 16 заглушены радиопрозрачными вкладышами /на чертеже условно не показаны/.

Выходы СВЧ-генераторов 5, 6, 7, 8 подключены ко входам волноводов 9, 10, 11, 12. Своими выходами волноводы подключены к соответствующим излучателям 13, 14, 15, 16.

Излучатели 13, 14, 15, 16 расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси камеры 1, симметрично относительно этой оси, с возможностью обеспечения одновременного всестороннего равномерного нагрева обрабатываемых материалов. Балластные поглотители 17, 18, 19, 20 расположены на внутренней поверхности стенок камеры 1 напротив выходных раскрывов соответствующих излучателей 13, 14, 15, 16.

Широкие стенки противолежащих волноводов 9 и 11, 10 и 12 в местах их соединения с излучателями 13, 14, 15, 16 взаимно перпендикулярны.

Размеры выходных раскрывов излучателей 13, 14, 15, 16 обратно пропорциональны соответствующим размерам противолежащих им стенок камеры 1.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

СВЧ-генераторы 5, 6, 7 и 8 вырабатывают электромагнитные колебания определенной частоты и мощности /например, их частота 2450 МГц, а мощность 1,5 кВт/. Эти электромагнитные колебания через волноводы 9, 10, 11, 12 и соответствующие излучатели 13, 14, 15, 16 поступают в камеру 1. Размещение излучателей 13, 14, 15, 16 в камере 1 и выбор их размеров согласно изобретению позволяет сконцентрировать энергию СВЧ-генераторов в рабочей зоне камеры 1, куда и поступает с помощью транспортера 21 обрабатываемый материал, загружаемый в камеру 1 через блок загрузки 2 и выгружаемый из камеры 1 через блок выгрузки 3. Балластные поглотители 17, 18, 19, 20 исключают отражение СВЧ-волн каждого из СВЧ-генераторов и образование стоячих волн в камере 1. Вентилятор 4 служит для вытяжки паров из камеры 1.

В волноводах 9, 10, 11, 12 используется волна H₀₁, вектор электрической напряженности которой, как известно, перпендикулярен широкой стороне волновода. Поэтому взаимная перпендикулярность широких стенок противолежащих волноводов 9 и 11, 10 и 12 исключает "затекание" падающей с противоположной стороны камеры 1 электромагнитной волны в СВЧ-генераторы 6, 7, 8, 5.

Конструкция блока загрузки 2 и блока выгрузки 3 предотвращает паразитное излучение СВЧ-колебаний через окно загрузки /выгрузки/ в камере 1 как при полной ее загрузке, так и в режиме отсутствия обрабатываемого материала. Окно загрузки /выгрузки/ - это, например, запредельный волновод /фиг. 1/ или шлюз с трехлопастным ротором /фиг. 2/.

СВЧ-нагрев обрабатываемого материала в рассматриваемом примере осуществляется одновременно с четырех сторон потоком энергии, продольные и поперечные размеры которого совпадают с соответствующими размерами потока обрабатываемого материала. Перемещение потока материала к блоку выгрузки 3 /фиг. 1/ осуществляется с помощью /радиопрозрачного/ вибрационно-лоткового транспортера 21 за счет инерционных сил в процессе вибрации лотка, шарнирно подвешанного на качалках к стенкам камеры 1, либо с помощью ленты ленточного /радиопрозрачного/ транспортера 21 /фиг. 2/.

Предлагаемая установка обеспечивает всесторонний равномерный прогрев обрабатываемых материалов, при этом исключаются и локальные перегревы во всем объеме обрабатываемого материала и недогрев материала на дне лотка /ленты транспортера/.

Кроме того, предлагаемая установка обеспечивает:
возможность обработки материалов на потоке при безопасном уровне плотности потока мощности через блоки загрузки 2 и выгрузки 3 на холостом ходу, так и в рабочем режиме за счет балластных поглотителей 17, 18, 19, 20, расположенных на внутренней, боковых, верхней и нижней стенках камеры 1 и исключающих отражения от ее стенок; попарное взаимно перпендикулярное расположение волноводов 9, 10, 11, 12 предотвращает взаимный перегрев СВЧ-генераторов 6, 7, 8, 5; радиопрозрачные вкладыши исключают попадание в них влаги и пыли при обработке потока материалов;
независимость доли полезно использованной энергии СВЧ-генераторов 6, 7, 8, 5 от степени загрузки камеры, т.к. балластные поглотители 17, 18, 19, 20 нейтрализуют резонансные свойства камеры 1;
высокую эксплуатационную надежность СВЧ-генераторов 6, 7, 8, 5, т.к. в волноводах 9, 10, 11, 12 стоячие волны отсутствуют, самоперегрев и вывод из строя СВЧ-генераторов 6, 7, 8, 5 по этой причине исключаются.

Изобретение относится к области обработки различных материалов с помощью СВЧ-колебаний, обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемого диэлектрического материала, что достигается введением в установку, содержащую СВЧ-генератор, камеру с размещенными в ней блоком загрузки, блоком выгрузки, вентилятором и балластным поглотителем, волновод, выход которого введен в камеру, а вход соединен с выходом СВЧ-генератора, согласно изобретению, излучателей, дополнительных СВЧ-генераторов, балластных поглотителей и волноводов, выходы которых введены в камеру, а входы соединены с выходами дополнительных СВЧ-генераторов, выходы всех волноводов соединены со входами соответствующих излучателей, которые расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси камеры, симметрично относительно этой оси, с возможностью обеспечения одновременного всестороннего равномерного нагрева обрабатываемых материалов, а балластные поглотители расположены на внутренней поверхности стенок камеры, напротив выходных раскрывов излучателей. Кроме того, размеры выходных раскрывов излучателей обратно пропорциональны соответствующим размерам противолежащих им стенок камеры, широкие стенки противолежащих волноводов в местах их соединения с соответствующими излучателями взаимно перпендикулярны, выходные раскрывы излучателей заглушены радиопрозрачными вкладышами, установка оснащена транспортером, который расположен внутри камеры, вдоль ее продольной оси. Технический результат заключается в обеспечении всестороннего равномерного нагрева и исключении локальных перегревов. 4 з.п. ф-лы. 3 ил. у

1. Установка для СВЧ-обработки диэлектрических материалов, содержащая СВЧ-генератор, камеру с размещенными в ней блоком загрузки, блоком выгрузки, вентилятором и балластным поглотителем, волновод, выход которого введен в камеру, а вход соединен с выходом СВЧ-генератора, отличающаяся тем, что в нее введены излучатели, дополнительные СВЧ-генераторы, балластные поглотители и волноводы, выходы которых введены в камеру, а входы соединены с выходами дополнительных СВЧ-генераторов, выходы всех волноводов соединены со входами соответствующих излучателей, которые расположены в плоскости, перпендикулярной продольной оси камеры, симметрично относительно этой оси с возможностью обеспечения одновременного, всестороннего, равномерного нагрева обрабатываемых материалов, а балластные поглотители расположены на внутренней поверхности стенок камеры, напротив выходных раскрывов излучателей. 2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что размеры выходных раскрывов излучателей обратно пропорциональны соответствующим размерам противолежащих им стенок камеры. 3. Установка по п.1, отличающаяся тем, что широкие стенки противолежащих волноводов в местах их соединения с соответствующими излучателями взаимно перпендикулярны. 4. Установка по п.1, отличающаяся тем, что выходные раскрывы излучателей заглушены радиопрозрачными вкладышами. 5. Установка по п.1, отличающаяся тем, что она оснащена транспортером, который расположен внутри камеры, вдоль ее продольной оси.