РЕЗОНАНСНАЯ КАМЕРА НАГРЕВА ДЛЯ УСТРОЙСТВ С ИСТОЧНИКОМ ИЗЛУЧЕНИЯ СВЧ ДИАПАЗОНА Российский патент 2016 года по МПК H05B6/64 

Изобретение относится к СВЧ технике и предназначено для повышения однородности СВЧ поля при нагреве, сушке и других применениях теплового воздействия электромагнитного излучения СВЧ диапазона.

При использовании электромагнитного поля для нагрева предметов, содержащихся в некоторой полости, предполагается, что эта полость является замкнутым резонатором для источника электромагнитного излучения. Как правило, форма полости выбирается близкой к прямоугольному параллелепипеду. Это существенно упрощает теоретический анализ ее резонансных свойств. Однако при такой форме полости, а следовательно, и очень простой структуре собственных мод резонатора (стоячих волн) интенсивности поля в разных точках полости сильно различаются. Это приводит к неоднородности нагрева предметов, помещенных в полость.

Для устранения этого недостатка, а именно для повышения однородности электромагнитного поля в полости, используется перемешиватель (stirrer) стоячих волн. Он представляет собой металлическую вращающуюся пластину, размещенную в месте ввода электромагнитной энергии в полость. В пластине имеется несколько отверстий, через которые электромагнитное поле проходит в полость. Вращение пластины приводит к периодическому перемещению источника СВЧ поля в полости-резонаторе, приводя к изменению структуры электромагнитного поля, а в итоге - к повышению его однородности. Различные варианты конструкции перемешивателя, а также способов и схем его питания описаны, например, в патентах US 4144437, 5877479, 7030347.

Несмотря на довольно широкое практическое применение перемешивателей, получаемое с их помощью поле не является вполне однородным.

Другим известным приемом, направленным на равномерность распределения электромагнитного поля внутри камеры нагрева, является придание внутренней поверхности стенок камеры особой формы.

Известна камера нагрева сверхвысокочастотной печи, в которой внутренняя поверхность двух стенок, одна из которых прилегает к стенке камеры с отверстием для ввода СВЧ энергии, а другая расположена напротив этого отверстия, выполнена ребристой (патент РФ 2085057, H05B 6/64, 1997). Ребра в поперечном сечении имеют форму треугольника высотой λ/8, расстояние между гребнями ребер, образованными вершинами треугольников, составляет λ/4, а гребни ребер параллельны плоскости стенки камеры нагрева, в которой выполнено отверстие.

В другом варианте предлагается боковую поверхность резонансной камеры нагрева выполнить ребристой с расстоянием между соседними вершинами ребер, расположенных параллельно основанию, равным λ/2, и глубиной λ/8 (заявка РФ 96103495, H05B 6/64, 1998).

Известна камера нагрева в виде СВЧ резонатора в форме прямоугольного параллелепипеда (патент РФ 2000677, H05B 6/64, 1993), боковые стенки которого выполнены в виде гребневой структуры, направление гребней параллельно плоскостям торцевых стенок, при этом параметры периодической гребневой структуры выбраны из определенного соотношения. Промежутки между гребнями заполнены диэлектриком, например фторопластом.

Недостатком таких конструкций камеры нагрева является наличие резких выступающих углов в периодической гребневой структуре стенок камеры, у которых напряженность электромагнитного поля резко возрастает, что приводит к возможности возникновения электрического пробоя воздуха (искра).

Задачей изобретения является формирование профиля стенок камеры, повышающего однородность поля в ее объеме.

Технический результат заключается в снижении неоднородности электрического поля в объеме камеры.

Технический результат достигается тем, что в резонансной камере нагрева для устройств с источником излучения СВЧ диапазона, выполненной в форме прямоугольного параллелепипеда, согласно изобретению профиль хотя бы одной из стенок камеры нагрева содержит одну или несколько выпуклостей, у которых радиусы кривизны и высоты не менее λ/10, где λ - длина волны СВЧ излучения.

Если профиль камеры содержит одну выпуклость, то она занимает всю поверхность любой стенки или любую ее часть. Если выпуклостей несколько, то они имеют радиусы кривизны и высоты как одинаковой, так и различной величины и располагаются на поверхности любой из стенок как хаотично, так и регулярно.

Геометрия этих выпуклостей различна, но для каждой из них должны выполняться два условия: R>λ/10, h>λ/10, где R - радиус кривизны и h - высота выпуклости.

На фиг 1 представлены примеры бильярдов Синая: а) простейший бильярд, б), бильярд типа «звезда», в), бильярд типа «гусеница»; на фиг. 2 представлена конструкция одной из стенок камеры: а) стенка камеры с несколькими выпуклостями, регулярно расположенными на ее поверхности; б) стенка камеры с одной выпуклостью, занимающей всю поверхность стенки; в) стенка камеры с одной выпуклостью, занимающей часть поверхности стенки; г) стенка камеры с несколькими выпуклостями, произвольно расположенными на ее поверхности.

Предлагаемое устройство основано на представлении об СВЧ бильярде (microwave billiard). СВЧ бильярд является волновым аналогом механического бильярда Я.Г. Синая, примеры которого приведены на фиг. 1: а) простейший бильярд, б) бильярд типа «звезда», в) бильярд типа «гусеница» (Г.М. Заславский, Р.З. Сагдеев. Введение в нелинейную физику: от маятника до турбулентности и хаоса. М., Наука, 1988.). При этом симметрия или периодичность повторения отдельных фрагментов, которые наблюдаются в этих фигурах, необязательны. Математически строго доказано, что траектория шарика, движущегося в таком бильярде по инерции, без трения о стол и без потери энергии при упругом отражении от стенок, заполнит равномерно всю площадь биллиардного стола, то есть вероятность обнаружить его в произвольной точке на столе не будет зависеть от координат этой точки.

Перенос этих представлений на движение волн в ограниченном объеме 3-мерного пространства, продемонстрировал, что структура поля в этом случае также приобретает хаотический характер. В частности, распределение собственных частот стоячих волн в бильярде, изображенном на фиг. 1а, является распределением Вигнера-Дайсона (S. Sridhar, W.T. Lu. Sinai billiard, Ruelle zeta-functions and Ruelle resonances: microwave experiments. J. Stat. Phys. 108, 755 (2002). При этом необходимо, чтобы для фотонов можно было использовать корпускулярное представление, в смысле квантово-механического дуализма волна-частица. При этом требуется выполнение условия: размеры полости-резонатора должны быть много больше длины волны СВЧ излучения λ.

В предлагаемом устройстве для повышения однородности поля хотя бы одна из стенок нагревательной камеры может иметь в разрезе вид фиг. 2а, являясь, тем самым, 3-мерным аналогом бильярда Синая типа «гусеница». Возможны и другие варианты выполнения стенок камеры. Хотя бы одна из них должна иметь одну (фиг. 2б, в), две, три (фиг. 2г) или более выпуклостей, произвольно расположенных на ее поверхности. Геометрия этих выпуклостей может быть различной, но для каждой из них должны выполняться два условия: R>λ/10, h>λ/10, где R - радиус кривизны и h - высота выпуклости.

Изобретение относится к СВЧ технике и предназначено для повышения однородности СВЧ поля при нагреве, сушке и других применениях теплового воздействия электромагнитного излучения СВЧ диапазона. Резонансная камера нагрева для устройств с источником излучения СВЧ диапазона, выполненная в форме прямоугольного параллелепипеда, у которой профиль хотя бы одной из стенок содержит одну или несколько выпуклостей, причем радиусы кривизны и высота их не менее λ/10, где λ - длина волны СВЧ излучения. Технический результат заключается в снижении неоднородности электрического поля в объеме камеры. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Резонансная камера нагрева для устройств с источником излучения СВЧ диапазона в форме прямоугольного параллелепипеда, отличающаяся тем, что профиль хотя бы одной из стенок камеры нагрева содержит одну или несколько выпуклостей, у которых радиусы кривизны и высота не менее λ/10, где λ - длина волны СВЧ излучения.

2. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что если профиль камеры содержит одну выпуклость, то она занимает всю поверхность любой стенки или любую ее часть.

3. Камера по п. 1, отличающаяся тем, что если профиль камеры выпуклостей содержит несколько выпуклостей, то они имеют радиусы кривизны и высоту как одинаковой, так и различной величины и располагаются на поверхности любой из стенок как хаотично, так и регулярно.