УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ЛИСТОВЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Полезная модель относится к СВЧ устройствам для тепловой обработки листовых диэлектрических материалов и может быть использована в электронной, текстильной и других отраслях промышленности.
Использование электромагнитного поля сверхвысоких частот для целей термообработки диэлектрических материалов позволяет осуществить интенсивные, безотходные, энергосберегающие и экологически чистые технологии.
Известно СВЧ устройство нагрева диэлектрических материалов, содержащее источник СВЧ энергии и камеру нагрева с периодической замедляющей системой, состоящей из штырей, связок, короткозамкнутых пластин. (Патент США №3814983, МКИ G21К 5/10, Н01J 37/32, опубл. 04.061974 г.)
Наиболее близким является СВЧ устройство нагрева диэлектрических материалов, содержащее источник СВЧ энергии и камеру нагрева с периодической замедляющей системой, состоящей из штырей, связок и пластин, расположенной под нагреваемым материалом и периодической замедляющей системой, расположенной над нагреваемым материалом, причем замедляющие системы отстоят друг от друга на расстояние, не кратное половине длины волны в свободном пространстве, и смещены относительно друг друга вдоль оси на четверть продольного периода. (А.С. СССР №750760, МКИ 3 Н05В 9/06, опубл. 23.07.1980 г.)
Недостатком известных конструкций является неравномерный нагрев обрабатываемого материала.
В известных устройствах периодические замедляющие системы размещены вдоль направления движения обрабатываемого диэлектрического материала и имеют постоянный период замедляющей системы. При постоянном периоде замедляющей системы, распределение температурного поля в материале подчиняется экспоненциальному закону. В связи с этим энергия распределяется неравномерно и происходит неравномерный нагрев обрабатываемого материала, что приводит к браку.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение равномерного нагрева листовых диэлектрических материалах.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для термообработки листовых диэлектрических материалов, содержащее соединенную с источником СВЧ энергии и защитным устройством для поглощения избыточной энергии периодическую замедляющую систему, состоящую из штырей, связок и пластин, согласно предложенной полезной модели, штыри размещены в направлении распространения энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот неравномерно, при этом расстояние между штырями изменяется экспоненциально и определяется из соотношения
Причем периодическая замедляющая система размещена перпендикулярно направлению движения обрабатываемого диэлектрического материала.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является формирование равномерного распределения температурного поля в нагреваемых листовых диэлектрических материалах, за счет чего обеспечивается равномерный нагрев обрабатываемого материала.
Сущность заявляемого технического решения поясняется рисунками, где
на фиг.1 представлен общий внешний вид устройства
на фиг.2 представлена конструкция устройства, где а) вид спереди, б) сбоку;
на фиг.3 представлена зависимость изменения расстояния между штырями (периода замедляющей системы L=f(z)) в направлении распространения энергии электромагнитного поля для удовлетворения условию постоянной температуры в обрабатываемом диэлектрическом материале;
на фиг.4. представлены теоретические и экспериментальные характеристики распределения температурного поля в листовом материале, при изменении периода замедляющей системы с L(0)=7,5 мм до L(l)=18 мм на длине l=500 мм.
Устройство для термообработки листовых диэлектрических материалов (фиг.1) включает источник 1 СВЧ энергии, периодическую замедляющую систему 2, защитное устройство 3 для поглощения избыточной энергии, например водяная нагрузка. Периодическая замедляющая система 3 соединена с источником 1 СВЧ энергии и защитным устройством 3 для поглощения избыточной энергии через коаксиальные переходы 4 и 5 соответственно, образуя секцию.
В устройстве периодическая замедляющая система 2 размещена поперек (перпендикулярно) направления движения диэлектрического материала 6. За счет этого энергия электромагнитного поля в устройстве распространяется перпендикулярно направлению движения диэлектрического материала.
Периодическая замедляющая система 2 (фиг.2) состоит из штырей 7, элементов типа «связка» 8 и пластин 9. Пластины 9 имеют электрический контакт с каждым штырем 7. Штыри 7 размещены в направлении
распространения энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот неравномерно. Расстояние между штырями (L) (период замедляющей системы) изменяется экспоненциально и определяется из соотношения , которое необходимо и достаточно для обеспечения условия постоянства температуры в обрабатываемом материале. Таким образом, период замедляющей системы (L) изменяется вдоль оси "z" - в направлении распространения энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот по экспоненциальному закону.
Условие постоянства температуры в материале в направлении распространения энергии электромагнитного поля можно записать в виде:
В этом уравнении:
l - ширина обрабатываемого материала, соответствующая длине замедляющей системы в направлении оси "z";
ε" - комплексная часть относительной диэлектрической проницаемости обрабатываемого материала;
k - волновое число свободного пространства:
λ - длина волны источника СВЧ энергии;
T(z) - распределение температурного поля в материале после прохождения им секции СВЧ нагрева;
нач
Т (z) - начальное распределение температурного поля в материале (до поступления в СВЧ устройство);
вх
P - величина входной мощности источника СВЧ энергии;
а - ширина замедляющей системы;
d - толщина обрабатываемого материала;
∂
с - теплоемкость материала;
∂
ρ - плотность материала;
τ - время нахождения материала в поле СВЧ.
Устройство работает следующим образом.
Влажный листовой диэлектрический материал 6 проходит в устройстве в направлении, перпендикулярном направлению распространения энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот.
В качестве примера обрабатываемого диэлектрического материала выбран стеклопластик (стеклянные нити ≈ 80% + эпоксидная смола ≈ 20%), используемый для стеклопластиковой арматуры, толщиной d равной 1 мм и шириной l равной 500 мм со следующими параметрами:
где
∂
ρ - удельная плотность обрабатываемого материала;
∂
с - удельная теплоемкость обрабатываемого материала;
ε" - комплексная часть относительной диэлектрической проницаемости материала (фактор потерь);
l - ширина материала;
d - толщина материала.
Диэлектрический материал толщиной d и шириной l (фиг 2) является однородным и обладает малой величиной теплопроводности, которой в расчетах можно пренебречь .
Расстояние между штырями 7 выбирается с учетом экспоненциального закона. На фиг.3 показана зависимость изменения расстояния между штырями (периода замедляющей системы L=f(z)) с L(0)=7,5 мм до
L(l)=18 мм в направлении распространения энергии электромагнитного поля для удовлетворения условию обеспечения постоянной температуры в обрабатываемом диэлектрическом материале при длине периодической замедляющей системы l=500 мм.
Источник 1 СВЧ-энергии создает электромагнитное СВЧ поле, под воздействием которого обрабатываемый листовой диэлектрический материал 6 нагревается до рабочих температур.
На фиг.4 представлены теоретические и экспериментальные характеристики распределения температурного поля в обрабатываемом листовом диэлектрическом материале (в частности, стеклопластике), при изменении расстояния между штырями 7 (периода замедляющей системы) с L(0)=7,5 мм до L(l)=18 мм на длине l=500 мм.
На графике фоном  обозначена область экспериментальных значений.
Как видно из приведенного на фиг.4 графика, после прохождения СВЧ устройства заявляемой конструкции, диэлектрический материал приобретает постоянное распределение температурного поля.
Применение предложенного устройства позволяет добиться высокой степени равномерности нагрева по объему и по площади при проведении процессов термообработки листовых диэлектрических материалов с различными электрофизическими параметрами, от которой в значительной мере зависят эксплуатационные характеристики получаемых изделий.