Сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов Советский патент 1980 года по МПК H05B6/64 

Между системами движется лента конвейера 7, выполне -ная из радиопрозрачного мате риала, на которой располагается обрабатываемый продукт 8. Он может представлять собой блоки замороженных продуктов, изделия химической, текстильной и т д. промышленности кюветы с продуктами, подвергаемыми кулинарной обработке, и т.п. Контроль за процессом обработки может осуществляться инфракрасными пирометрами или другими средствами, а также визуально через .смотровые окна 9. Лампы 10 предназначены для освещения пространства взаимодействия. В качестве их могут быть использованы обычные лампы дневного света (например ЛБ-80), возбуждаемые краевым высокочастотным полем замед ляющих систем. При э,том дополнительных источников питания к ним не требуется. Характеристику дисперсии периодической замедляющей структуры 3 можно представить в виде поверхности дисперсии. В зависимости от граничных условий в ней могут возбуждаться значительное количество видов колебаний, отличающихся поперечным Ср и продольным Ц фазовыми сдвигами между периодической замедляющей структуры 3, каждый из которых может быть испо зован в качестве рабочего вида колебаний. При этом фазовые сдвиги могут изменяться в пределах O ifiit , 06 .В зависимости от выбранного вида колебаний направление распространения энергии в перио дической замедляющей структуре 3 может составлять по отношению к щтырям 4 произвольный угол, изменяющийся от нуля до -- . В частности, на видах с фазовыми сдв . .Хf / ... f гами V- направление распространения энергии коллинеарно штырям 4, а на ввдах (4 u,0i4iit ортогонально им. В предложенном устройстве в качестве ра бочего вида колебаний периодической замедляющей структуры 3 выбран вид сц))г:Г1 Энергия на этом виде распространяется по связкам 5 ортогонально штырям 4. Распределение поля вдоль связок 5 (в случае отсу ствия обрабатываемого диэлектрика) имеет характер бегущей волны, а вдоль штырей 4 стоячей волны с периодом равным Н/2. С помощью коаксиальных переходов 11 энергия передается в соседние продольные ячейки, ка кадное соединение которых и образует секци возбуждаемую генератором 2 СВЧ энергии. Обе периодические замедляющие структуры 3 находящиеся на верхней и нижней широких стенках волновода, разделены вдоль оси Z на такие секции, причем каукцга из них посредством коаксиально вогаюводных переходов 12 соединена с отдельным генератором 2 СВЧ энергии и нагрузкой 13 для поглощения 0Л неиспользованной энергии. Количество продольных ячеек в секции определяется КПД использования СВЧ энергии, а количество секций в камере нагрева 1 - условиями технологического процесса. Пластины 6 имеют электрический контакт с каждым штырем 4, а места контакта связок 5 со штырями 4 сдвинуты относительно друг друга на расстояние W/2. Количество связок 5 на продольном периоде, а также конфигурация штырей 4 может быть произвольной (пласгинь, трубки и т.д.). Рассматриваемая периодическая замедляющая структура 3 относится к классу штыревых двухступенчатых систем, не содержащих скользящей плоскости симметрии, Связано это с использованием щтырей 4 с изменяющимся на продольном периоде сечением и смещением мест электрического контакта связок 5 со штырями 4 относительно плоскости, проходящей через середину каждого продольного периода. Особенностью таких замедляющих структур является наличие в распределении поля симметричной и несимметричной составляющих поля, каждой из которых соответствует своя характеристика дисперсии. Отсутствие ско.га зящей плоскости симметрии приводит к разрыву дисперсионных характеристик для этих составляющих и появлению полосы непропускания системы иа виде с (11/2 Эксперименты показывают, что 1.6 и Дз 0,05,Л поло-, са непропускания замедляющих структур составляет величину порядка 60 Мгц. При этом виду с tf И/З соответствует две частоты. Дисперсионные же характеристики для симметричной и несимметричной составляющих на виде с ф li /2 смыкаются так, что образуется новая граница полосы пропускания замедляющей структуры, где замедление групповой скорости, а следовательно и импеданс связи стремится к бесконечности. Использование для целей диэлектрического нагрева вида c(ii ифя- является предпочтительным. Связано это с большей величиНОИ импеданса связи, чем, в частости на виде , , возможностью увеличения поперечных размеров продольной ячейки () и меньшей скоростью уменьщения высокочастотного поля от поверхности периодической замедляющей структуры. На виде q)Ill, ц; it скорость уменьшения поля пропорциональна g-2ft/n а дляф«r ц),Использование указанной выше несимметрйи в построении продольных ячеек позволяет поперечные ячейки системы выполнить идентичными, что существенно облегчает вопросы согласования замедляющей структуры 3 с внешними линиями передачи. Расположенные друг под щэугом и возбужденные в режиме бегущей на виде Ciparlt/a Ц) ги периодические замедляющие структуры создают в пространстве взаимодействия (вдоль оси у ) высокочастотное поле, распределенное по закону, близкому к функции гиперболического косинуса. При этом, чем больше расстояние между замедляющими структурами 3 (но не кратное Л / тем больще зона с равномерным распределением поля. Для выравнивания амплитуды поля вдоль камеры нагрева 1 (вдоль оси Z) замедляющие структуры 3 на верхней и нюк ней стенках необходимо сдвинуть относительн друг друга на расстояние, равное Н/4. Расположеннь1е на верхней и нижней щиро ких стенках периодические замедляющие сист мы 3 позволяют существенно увеличить поверхность взаимодействия СВЧ поля с обрабатываемым диэлектрическом и тем самым повысить производительность процесса диэлектрического нагрева. Действительно, оценивая производительность как m psSA Г ДТ получаем, что при заданных скорости нагрева А, диапазоне температур ДТ, плотности материалаРи ограниченной скин-слоем толщине материала 8 единственным путем увеличения производительности является увеличение повер ности взаимодействия S камеры нагрева 1. Експерименты показывают, что при использовании периодических замедляющих структур 3 на частоте 2 450 Мгц; легко может быть реализована камера нагрева 1 с шириной в 1 м. При этом на высоте пространства взаимо действия длина ее не зависит от электродинам ческих параметров замедляющей структуры, а определяется свойствами диэлектрика и особенностями технологического процесса. Наличие зоны с равномерным распределением поля и поверхностных волн, распространяющихся по верхней и нижней стенкам . камеры нагрева 1, позволяет существенно уве личить толщину обрабатываемого материала. Если принять за допустимую для обработки СВЧ энергией толщину материала, равную величине скин-слоя, то использование предлагаемой конструкции позволяет практически вдвое увеличить толщину обрабатываемого диэлектрика. Использование для обработки диэлектрика режима бегущей поверхностной волны позволяет избавиться от влияния изменения электрофизических параметров диэлектрика на электродинамические характери;Стики структуры. Это дает возможность обраб тывать в предлагаемом устройстве значительный ассортимент диэлектрических материалов, отличающихся как по электрофизическим параметрам, так и геометрическим размерам. В камере нагрева 1 энергия распространяется ортогонально направлению движения конвейера 7. При этом в зависимости от типа продукта и технологического режима обработки направление распространения энергии в секциях, расположенных на нижней и верхней стенках, может быть согласным илн встречным. Возможным в предлагаемом устройстве является последовательное соединение по высоко-, частотному сигналу секций, расположенных на верхней и нижней стенках волновода, а также.произвольное по отношению к направлению распространения энергии-направление движения обрабатьш емого продукта. Это способствует равномерному как по щирине, так н по длине камеры 1 нагреву материала, что безусловно способствует улучщению качества и сокращению цикла обработки в СВЧ поле. Разделение периодических замедляющих структур 3 на секции и возбуждение каждой из них отдельным генератором 2 СВЧ энергии придает устройству качества универсальности. Они проявляются в возможности обеспечения гибкости в изменении режимов обработки, в возможности его оптимизации и автоматизации. Предлагаемое устройство нагрева позволяет легко осуществлять программированное изменение амплитуды высокочастотного поля в пространстве взаимодействия, регулировку скорости нагрева на его различных участках, сочетание нагрева в СВЧ поле и выдержки, а также осуществление комбинированных (с использованием пара, горячей воды, инфракрасной энергии и т.д.) способов нагрева. Формула изобретения Сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов, содержащее генератор и камеру нагрева с периодической замедляющей структурой , состоящей из щтырей, связок и пластин, над которой расположен нагреваемый материал, отличаюшеес я тем, что, с целью повышения качества нагреваемого материала и увеличения производительности, в него введена вторая периодическая структура, расположенная над нагреваемым материалом, причем замедляющие структуры отстоят друг от друга на расстоянии не кратном Л /2 (где я - длина волны в свободном пространстве) и смещены относительно друг друга вдоль оси на 1/4 продольного периода, причем штыри замедляющих структур имеют переменное .сечение, а связки сдвинуты относительно центра периода на расстояние О АЗ 0,05 Л .

Источники информации принятые во внимание при экспертизе 1. Патент США № 3814983, кл. 315-39, 1974 (прототип).

У

г

Z