СВЧ-УСТАНОВКА ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2025 года по МПК E01C23/14 H05B6/64 

Область техники, к которой относится изобретение

Установка относится к области обработки поверхностей диэлектрических объектов СВЧ электромагнитным полем и может найти применение для нагрева и размораживания грунта, восстановления асфальто-битумного покрытия дорожного полотна и мягких кровель на битумной основе, обеззараживания почвы.

Уровень техники

Известно самоходное устройство для обработки швов жестких аэродромных и дорожных покрытий СВЧ-излучением (см. патент RU 208062, МПК E01C23/06, опубл. 01.12.2021 г.), содержащее металлическую раму сварной конструкции с колесами, закрепленными на осях, передние из которых являются ведущими, задние ведомыми; рабочее место оператора с сиденьем, рулем и панелью управления, рамный тентовый навес, сигнальное устройство, силовой блок, включающий электромотор, аккумуляторные батареи, электрогенератор, топливный бак, расположенный на раме сзади рабочего места оператора; СВЧ-излучатель, включающий магнетрон, соединенный через волновод с пирамидальным рупорным облучателем, модулем направления СВЧ-поля; воздушный компрессор; дозатор праймера, включающий емкость с разливочной направленной трубкой и регулируемой задвижкой; фонари заднего освещения, передние фары.

Недостатком данного устройства является использование СВЧ-излучателя рупорного типа с неравномерным распределением напряженности поля и, как следствие, неравномерным нагревом обрабатываемой поверхности диэлектрика.

Известно устройство для нагрева дорожного покрытия (см. патент RU 2093635, МПК E01C23/06, опубл. 20.10.1997 г.), содержащее последовательно соединенные СВЧ-генератор, линию передачи и излучатель. Устройство имеет приемную антенну, детектор и индикатор, соединенные последовательно. Причем электрические оси излучателя и приемной антенны лежат в одной плоскости и по разные стороны перпендикуляра к поверхности, в основании которого они пересекаются, и находятся под острыми углами к поверхности дорожного покрытия.

Недостатком устройства является применение излучателей в виде открытого конца волновода, электрического рупора или электрического диполя, которые не позволяют получить равномерное поле температуры в нагреваемом объекте вследствие неравномерного распределения напряженности электрического поля вблизи этих излучателей. Кроме того, недостатком данного устройства является отсутствие управления СВЧ-мощностью у СВЧ-генератора, что не дает возможности осуществлять регулирования температурой нагреваемого покрытия.

Известно устройство для нагрева дорожного полотна (см. патент RU 143087, МПК E01C23/14, опубл. 10.07.2014 г.), содержащее тележку, нагревательное устройство с СВЧ-металлическим экраном, установленным на тележке и с введенным в жесткий экран системы четвертьволновых шлейфов по всему периметру жесткого экрана для образования волноводного тройника в пространстве между жестким экраном и покрытием, жесткий экран и система четвертьволновых шлейфов по всему периметру выполнены из материала с проводящим слоем. Дополнительно в нижней части жесткого экрана рупорной антенны с четвертьволновым шлейфом с образованным волноводным тройником установлен подвижный жесткий экран с двумя четвертьволновыми шлейфами по всему периметру экрана и защитой по краям жесткого экрана рупорной антенны из материала с малыми диэлектрическими потерями с возможностью перемещения подвижного жесткого экрана с внутренним четвертьволновым шлейфом в четвертьволновом шлейфе жесткого экрана волноводного тройника, причем в рабочем положении подвижный жесткий экран находится на поверхности покрытия и снижает выход СВЧ-излучения между ним и покрытием за счет двух четвертьволновых шлейфов, а жесткий экран рупорной антенны с четвертьволновым шлейфом с образованным волноводным тройником располагается на расстоянии 1/4 длины волны от покрытия таким образом, что между внутренним четвертьволновым шлейфом подвижного жесткого экрана и 1/4 шлейфом жесткого экрана волноводного тройника образует четвертьволновой шлейф, который исключает выход излучений между ними.

Недостатком устройства является сложность исполнения конструкции. Кроме того, использование рупорной антенны не позволяет достичь равномерности распределения плотности СВЧ-мощности на поверхности объекта, в связи с чем возникают локальные перегревы и участки с недостаточным нагревом поверхности.

Известно устройство для разогрева оснований и покрытий (см. патент RU 2098574, МПК E04D 15/06, опубл. 10.12.1997 г.), содержащее самоходную тележку с платформой с закрепленной на ней нагревательной системы. Нагревательная система состоит из СВЧ-генераторов, излучателей, выполненных в виде открытых концов волноводов или электромагнитных рупоров, линий передач, выходы которых соединены с выходами СВЧ-генераторов, а сами выходы со входами излучателей, которые размещены в окне платформы в ряд параллельно обрабатываемому покрытию и перпендикулярно направлению перемещения тележки, жесткий или гибкий экран, укрепленные по периметру платформы. Представленное исполнение устройства обеспечивает его малый вес и возможность доставки на крышу, с целью разогрева кровли для ее ремонта.

Недостатком устройства является использование излучателей, выполненных в виде открытых концов волноводов или электромагнитных рупоров, которые создают неравномерное распределение напряженности электрического поля вблизи излучателей, что приводит к неравномерности температуры в нагреваемом объекте. Кроме того, в данном устройстве отсутствует управление СВЧ-мощностью СВЧ-генератора, что не позволяет регулировать температуру нагреваемого объекта.

Известен агрегат для обработки поверхностей электромагнитным СВЧ-полем (см. патент RU 152448, МПК E01C 23/14, опубл. 27.05.2015 г.), включающий в себя транспортное средство с пультом управления в кабине, дизель-генератор, установленный в кузове, и навесное СВЧ-устройство, состоящее из системы подвески и регулировки высоты двухуровневой платформы. На верхнем уровне платформы расположены блоки питания, а на нижнем - блок волноводных резонаторов с установленными на них магнетронами и согласующим элементом. По периметру согласующего элемента размещены пирамидки СВЧ-защиты.

Недостатком данного устройства является отсутствие управления СВЧ-мощностью и средств контроля температуры поверхности нагреваемого объекта, что не позволяет получить равномерное распределение температурного поля на обрабатываемой поверхности.

Раскрытие сущности изобретения

Техническая проблема заключается в разработке установки для обработки поверхностей диэлектрических объектов СВЧ электромагнитным полем, обеспечивающей на поверхности объекта равномерное распределение плотности СВЧ-энергии.

Технический результат заключается в равномерной обработке поверхности диэлектрического объекта СВЧ электромагнитным полем и в обеспечении равномерного нагрева поверхности объекта.

Технический результат достигается тем, что СВЧ-установка для обработки поверхностей диэлектрических объектов, согласно решению, содержит рабочую камеру с, по меньшей мере, тремя окнами для присоединения, по меньшей мере, трех волноводно-щелевых излучателей, установленную на раму, винтовой электропривод со штоком привода, соединенный с рабочей камерой, в верхней части рабочей камеры установлены волноводные трубки для удаления паров влаги из рабочей камеры и для подключения бесконтактных пирометров, к нижней части рабочей камеры прикреплен гибкий металлический экран, к боковым сторонам рабочей камеры прикреплены кронштейны с блоками вращающихся шаровых опор, выполненные с возможностью перемещения по направляющим конструкциям, расположенные на раме, каждый из волноводно-щелевых излучателей подключен к двум СВЧ-генераторам, при этом СВЧ-генераторы и винтовой электропривод электрически связаны с блоком управления.

Волноводно-щелевые излучатели размещают симметрично центра рабочей камеры на одинаковом расстоянии друг от друга, равном удвоенной ширине волновода 2a, центр среднего волноводно-щелевого излучателя располагают в центре рабочей камеры.

Волноводно-щелевые излучатели изготовлены из волноводной трубы, одна из широких стенок которого выполнена в виде щелевой структуры.

Направляющие конструкции имеют синусоидальную форму.

Шток привода выполнен с шарнирным креплением.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 - изображена структурная схема заявляемой установки; на фиг. 2 - показан общий вид установки (без СВЧ-генераторов); на фиг. 3 - показан вид сверху на рабочую камеру с волноводно-щелевыми излучателями; на фиг. 4 - показан вид сбоку установки (без СВЧ-генераторов); на фиг. 5 - показаны расчетные изотермы на наружной поверхности обрабатываемого объекта в момент времени 610 с; на фиг. 6 - показано расчетное распределение температуры в направлении оси x на поверхности объекта при y = 0,15 м на в момент времени 610 с.

Позициями на чертежах обозначено:

1 - рабочая камера;

2 - волноводно-щелевые излучатели;

3 - запредельная волноводная трубка для удаления паров влаги;

4 - бесконтактный пирометр;

5 - гибкий металлический экран;

6 - кронштейн с блоком вращающихся шаровых опор;

7 - направляющие конструкции;

8 - рама;

9 - винтовой электропривод;

10 - шток привода;

11 - СВЧ-генератор;

12 - блок управления;

13 - поверхность обрабатываемого объекта.

Осуществление изобретения

Заявляемая установка содержит рабочую камеру 1, в верхней части которой выполнены прямоугольные окна в количестве n, для присоединения n волноводно-щелевых излучателей (где n, по меньшей мере, равно трем) 2 (фиг. 1).

В верхней части рабочей камеры выполнены, не менее двух запредельных волноводных трубок для удаления паров влаги 3 и не менее двух запредельных волноводных трубок для подключения бесконтактных пирометров 4, для контроля температуры обрабатываемого объекта. К нижнему фланцу рабочей камеры 1 прикреплен гибкий металлический экран 5 для защиты от СВЧ электромагнитного излучения. С двух сторон рабочая камера снабжена кронштейнами с блоками вращающихся шаровых опор 6, которые выполнены с возможностью перемещения по направляющим конструкциям 7, расположенным на раме 8 (фиг. 2 и 4). На раме 8 закреплен винтовой электропривод 9 с частотным регулятором со штоком привода 10 с шарнирным креплением, соединенный с рабочей камерой 1. Каждый из волноводно-щелевых излучателей 2 подключен к двум СВЧ-генераторам 11. Управление СВЧ-генераторами 11 и винтовым электроприводом с частотным регулятором 9 осуществляют с помощью блока управления 12. Волноводно-щелевые излучатели изготовлены из волноводной трубы, одна из широких стенок которого выполнена в виде щелевой структуры, обеспечивающей на поверхности обрабатываемого объекта 13 равномерное распределение плотности СВЧ-энергии. Конструкция волновода со щелевой структурой описана, например, в патенте РФ №2454786.

Для максимальной концентрации плотности СВЧ-мощности и получения равномерного температурного поля на поверхности обрабатываемого объекта 13 при движении рабочей камеры 1 волноводно-щелевые излучатели 2 располагают в верхней части рабочей камеры в соответствии с фиг. 3. При этом центр среднего волноводно-щелевого излучателя 2 располагают в центре рабочей камеры 2, остальные волноводно-щелевые излучатели размещают симметрично центра рабочей камеры на одинаковом расстоянии друг от друга, равном удвоенной ширине волновода 2a (фиг. 3).

Кроме того, для уменьшения влияния максимумов и минимумов напряженности электрического поля под волноводно-щелевыми излучателями и между ними соответственно, с целью повышения равномерности температуры на поверхности обрабатываемого объекта 13 с помощью винтового электропривода с частотным регулятором 9 со штоком привода 10 с шарнирным креплением осуществляют движение рабочей камеры 1 c волноводно-щелевыми излучателями 2 по осям координат x и y по отношению к поверхности обрабатываемого объекта 13. При этом по оси x осуществляют возвратно-поступательное движение, а по оси y выполняют периодическое разнонаправленное перемещение от центра установки на величину ширины волновода ± a за счет применения кронштейнов с блоками вращающихся шаровых опор 6, движущихся по направляющим конструкциям 7, имеющим синусоидальную форму.

Для автоматического регулирования температуры нагрева объекта используют микропроцессорный блок управления 12, с помощью которого осуществляют управление мощностью СВЧ-генераторов 11 по сигналам от бесконтактного пирометра 4, измеряющего температуру поверхности обрабатываемого объекта 13. Кроме того, с помощью микропроцессорного блока управления 12 регулируют скорость движения рабочей камеры за счет винтового электропривода с частотным регулятором 11.

Установка работает следующим образом.

Раму со всеми элементами конструкции устанавливают на поверхность обрабатываемого объекта. С помощью блока управления, винтового электропривода с частотным регулятором и штока привода с шарнирным креплением рабочую камеру перемещают в исходное положение для начала работы. С помощью блока управления задают требуемую температуру нагрева поверхности обрабатываемого объекта, начальное значение мощности СВЧ-генераторов и скорость движения рабочей камеры, после чего осуществляют пуск установки. В рабочую камеру через волноводно-щелевые излучатели, подключенные к СВЧ-генераторам, подается СВЧ-энергия. СВЧ-электромагнитное излучение, попадая на поверхность обрабатываемого объекта, нагревает объект за счет диэлектрических потерь. Расположение волноводно-щелевых излучателей на рабочей камере обеспечивает максимальную концентрацию плотности СВЧ-мощности и получения равномерного температурного поля на поверхности обрабатываемого объекта. После пуска установки рабочая камера с волноводно-щелевыми излучателями перемещается по направляющим конструкциям, имеющим синусоидальную форму, что позволяет получить равномерное распределение температуры поверхности обрабатываемого объекта за счет возвратно-поступательного движения по оси x и периодического разнонаправленного смещения на величину ширины волновода ± a.

При отклонении температуры поверхности обрабатываемого объекта от заданной величины осуществляют процесс регулирования мощности СВЧ-генераторов с помощью блока управления по сигналам от бесконтактного пирометра, измеряющего температуру поверхности обрабатываемого объекта.

При смещении рабочей камеры в крайнее положение по оси x с помощью винтового электропривода с частотным регулятором осуществляют изменение направления движения рабочей камеры в противоположном направлении.

Для обеспечения необходимого температурного режима обработки поверхностей СВЧ электромагнитным полем необходимо на основе проведения расчетного моделирования выбрать количество волноводно-щелевых излучателей, мощность СВЧ-генераторов, скорость движения рабочей камеры в зависимости от физических свойств обрабатываемого материала и технологических требований к режимам СВЧ-нагрева.

Заявителем было проведено расчетное моделирование на примере СВЧ-установки для нагрева почвы с целью ее обеззараживания при температурах на наружной поверхности (75 ± 5) ^°С. Рассмотрен вариант с использованием пяти волноводно-щелевых излучателей. Частота СВЧ-генераторов составляла 2,45 ГГц. При моделировании использовались следующие физические свойства грунта: действительная часть относительной диэлектрической проницаемости ε' = 2,6, мнимая часть относительной диэлектрической проницаемости ε'' = 0,377, коэффициент теплопроводности λ = 1,49 Вт/(м⋅К), удельная теплоемкость с = 1150 Дж/(кг⋅К), плотность ρ = 1750 кг/м³.

В результате моделирования установлено, что для поддержания требуемой температуры на поверхности обрабатываемого объекта СВЧ-мощность каждого из десяти СВЧ-генераторов должна составлять 1,1 кВт, а суммарная СВЧ-мощность 11 кВт при скорости движения рабочей камеры с излучателями в направлении в СВЧ-камере V_x = 1,5 мм/с. Для указанных значений СВЧ-мощности и скорости на фиг. 5 показаны расчетные изотермы на наружной поверхности обрабатываемого объекта в момент времени 610 с, а на фиг. 6 - распределение температуры в направлении оси x на поверхности объекта при y = 0,15 м в момент времени 610 с. Из представленных результатов видно, что на поверхности объекта в полосе шириной 0,7 м под волноводно-щелевыми излучателями рабочей камеры температура достигает требуемого значения 75°С с установленной точностью ±5°С.

Таким образом, заявляемая установка позволяет достичь заданной равномерности нагрева поверхности обрабатываемого объекта.

Установка относится к области обработки поверхностей диэлектрических объектов СВЧ электромагнитным полем и может найти применение для нагрева и размораживания грунта, восстановления асфальто-битумного покрытия дорожного полотна и мягких кровель на битумной основе, обеззараживания почвы. Технический результат - равномерная обработка поверхности диэлектрического объекта СВЧ электромагнитным полем и обеспечение равномерного нагрева поверхности объекта. СВЧ-установка для обработки поверхностей диэлектрических объектов содержит рабочую камеру с, по меньшей мере, тремя окнами для присоединения, по меньшей мере, трех волноводно-щелевых излучателей, установленную на раму, винтовой электропривод со штоком привода, соединенный с рабочей камерой. В верхней части рабочей камеры установлены волноводные трубки для удаления паров влаги из рабочей камеры и для подключения бесконтактных пирометров. К нижней части рабочей камеры прикреплен гибкий металлический экран. К боковым сторонам рабочей камеры прикреплены кронштейны с блоками вращающихся шаровых опор, выполненные с возможностью перемещения по направляющим конструкциям, расположенным на раме. Каждый из волноводно-щелевых излучателей подключен к двум СВЧ-генераторам. СВЧ-генераторы и винтовой электропривод электрически связаны с блоком управления. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. СВЧ-установка для обработки поверхностей диэлектрических объектов, характеризующаяся тем, что содержит рабочую камеру с, по меньшей мере, тремя окнами для присоединения, по меньшей мере, трех волноводно-щелевых излучателей, установленную на раму, винтовой электропривод со штоком привода, соединенный с рабочей камерой, в верхней части рабочей камеры установлены волноводные трубки для удаления паров влаги из рабочей камеры и для подключения бесконтактных пирометров, к нижней части рабочей камеры прикреплен гибкий металлический экран, к боковым сторонам рабочей камеры прикреплены кронштейны с блоками вращающихся шаровых опор, выполненные с возможностью перемещения по направляющим конструкциям, расположенным на раме, каждый из волноводно-щелевых излучателей подключен к двум СВЧ-генераторам, при этом СВЧ-генераторы и винтовой электропривод электрически связаны с блоком управления.

2. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что волноводно-щелевые излучатели размещают симметрично центра рабочей камеры на одинаковом расстоянии друг от друга, равном удвоенной ширине волновода 2a, центр среднего волноводно-щелевого излучателя располагают в центре рабочей камеры.

3. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что волноводно-щелевые излучатели изготовлены из волноводной трубы, одна из широких стенок которого выполнена в виде щелевой структуры.

4. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что направляющие конструкции имеют синусоидальную форму.

5. Установка по п.1, характеризующаяся тем, что шток привода выполнен с шарнирным креплением.