СВЧ установка для обработки диэлектрических материалов

Полезная модель относится к области техники сверхвысоких частот (СВЧ), а именно к СВЧ обработке диэлектрических материалов.
Известно устройство, содержащее камеру бегущей волны на прямоугольном волноводе для сушки объемных диэлектриков, описанное в [Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия / Архангельский Ю.С. - Саратов: СГТУ, 1998 г. - с. 408; с. 281-282]. Указанная камера содержит два параллельно расположенных отрезка волноводов, соединенных по широкой стенке и помещенных в кожух, лоток для обрабатываемого диэлектрика, поглотитель, радиопрозрачный диэлектрик, заполняющий верхний отрезок волновода, штуцер, через который подается воздух, продувающий камеру, и кожух.
Однако недостатком данного устройства является низкая эффективность использования СВЧ энергии по причине неполного ее поглощения в обрабатываемом материале и рассеянии в поглотителе, а также невозможность получения высоких уровней напряженности электрического поля в камере, необходимых, в том числе для нетеплового воздействия на обрабатываемый материал [см. Авторское свидетельство СССР №448337. Устройство для сушки диэлектрических лент, например, кинопленки. / Ю.С. Архангельский и др. / Опубликовано БИ №40, 1974 г.].
Известна камера с бегущей волной для термообработки тонких материалов [Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия / Архангельский Ю.С. - Саратов: СГТУ, 1998 г. - с. 408; с. 284], содержащая прямоугольный волновод, состоящий из последовательно соединенных отдельных волноводных узлов, в широких стенках которых прорезаны щели для ввода тонкого материала, ролики кинематического тракта, служащие для транспортировки тонкого материала.
Недостатком данного устройства является низкая эффективность использования СВЧ энергии по причине неполного ее поглощения в обрабатываемом материале и рассеянии в поглотителе, а также невозможность получения высоких уровней напряженности электрического поля в камере, необходимых в том числе для нетеплового воздействия на обрабатываемый материал [Калганова С.Г. Создание научных основ модифицирующего нетеплового СВЧ воздействия на полимерные материалы / С.Г. Калганова // Вестник СГТУ / СГТУ. - Саратов, 2006 г. - Вып. 4, №19 - с. 98-102].
Известно устройство для сушки диэлектрического материала с камерой со стоячей волной на короткозамкнутой линии [Архангельский Ю.С. СВЧ электротермия / Архангельский Ю.С. - Саратов: СГТУ, 1998 г. - с. 408; с. 295]. Она содержит линию передачи прямоугольного или круглого сечения, короткозамкнутую на концах, электромеханический привод для транспорта обрабатываемого объекта, два генератора СВЧ энергии, соединенных с рабочей камерой отрезками волноводов.
Недостатками данного устройства являются малая длина камеры и, следовательно, ограниченная длительность обработки, пространственная неравномерность термообработки обрабатываемого материала за счет использования режима стоячей волны, наличие электромагнитной связи между генераторами при малых потерях в обрабатываемом материале, нарушающей стабильную работу генераторов. Указанные недостатки приводят к снижению эффективности установки в целом.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для сушки диэлектрического материала с камерой со стоячей волной на короткозамкнутой линии, в которой камера со стоячей волной выполнена из волновода, свернутого в кольцо, или из линейных отрезков волновода, соединенных между собой с образованием замкнутого многогранника, длина которого равна целому числу длин волн в камере, что позволяет получить высокие уровни напряженности электрического поля в камере за счет резонансного режима работы, а также увеличить длительность обработки диэлектрического материала до двух и более циклов без выемки обрабатываемого материала и др. [Патент РФ №2416891. СВЧ установка для обработки диэлектрических материалов. Авторы: Сивяков Б.К., Слаповская Ю.П. / 2012 г. Опубликовано БИ №11, 2012 г.].
Недостатком данного устройства являются то, что конструктивно оно обладает возможностью излучения части СВЧ энергии в окружающее пространство, что заведомо снижает эффективность и коэффициент полезного действия устройства, приводит к перерасходу электрической энергии, а также может оказывать из-за этого негативное влияние на здоровье обслуживающего персонала, предполагает дополнительную защиту и экранировку от СВЧ излучения при его функционировании.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение эффективности СВЧ установки для обработки диэлектрических материалов, заключающееся в предотвращении существенного излучения СВЧ энергии в свободное пространство и облегчении подачи материала в рабочую зону камеры для обработки.
Поставленная задача достигается тем, что в СВЧ установке для обработки диэлектрических материалов, содержащей камеру со стоячей волной, систему загрузки-выгрузки обрабатываемого материала и транспортер для перемещения его внутри камеры, два генератора СВЧ энергии (магнетроны, клистроды, твердотельные генераторы СВЧ энергии), через вводы энергии соединенные с камерой, камера выполнена из волновода, свернутого в кольцо из линейных отрезков волновода, соединенных между собой с образованием замкнутого многогранника, длина которого равна целому числу длин волн в камере, а вводы энергии расположены друг от друга на расстоянии, величина которого равна нечетному числу четвертей длины волны, в качестве рабочей зоны камеры со стоячей волной использован отрезок желобкового волновода (ЖВ) с трансформаторами типов волн с обоих его концов, а транспортер, перемещающий материал, проходит в неизлучающую щель между двумя желобками (ЖВ), транспортер может быть выполнен из диэлектрического материала с малыми потерями в виде ленты конвейера.
Отметим, что рабочая зона камеры на желобковом волноводе обладает следующими физическими особенностями, характерными для данной квазиоптической волноводной системы: уникальной рабочей полосой ЖВ до 7 октав, что позволяет на часто используемой разрешенной частоте f=2,45 ГГц работать с ЖВ, имеющими размеры поперечного сечения в несколько десятков сантиметров; одномодовостью, при которой практически вся энергия бегущей по ЖВ электромагнитной волны распространяется на основном типе волн H11, жестко связанным с желобом и не излучающимся в пространство при открытых боковых стенках ЖВ [Сивяков Д.Б. СВЧ камера для обработки материалов с рабочей зоной на желобковом волноводе со встречными бегущими волнами. / Д.Б. Сивяков, С.В Григорьян, Б.К. Сивяков // АПЭП - 2018: материалы Межд. науч.- техн. конф. Саратов: СГТУ, 2018 г.; т. 1; с. 338-342].
Техническим результатом заявляемого технического решения является использование в установке в качестве рабочей зоны - отрезка желобкового волновода, который предотвращает возможность излучения части СВЧ энергии в окружающее пространство за счет возможности ввода и перемещения материала в рабочей зоне через щель между желобками без вмешательства в конструкцию ЖВ, повышая тем самым эффективность, коэффициент полезного действия устройства и безопасность при эксплуатации для обслуживающего персонала, что решает поставленную задачу.
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 - схематическое изображение кольцевой СВЧ установки с рабочей камерой на желобковом волноводе; где: 1 - прямоугольный волновод; 2 - СВЧ генераторы; 3 - выводы энергии; 4 - трансформаторы типов волн; 5 - желобковый волновод; на фиг. 2 показано изображение в изометрической проекции (а) и поперечное сечение (б) ЖВ; на фиг. 3 приведена картина стоячих волн в ЖВ и действующего значения напряжения при малых потерях в обрабатываемом материале; где: 6 - картина стоячей волны от первого генератора, 7 - картина стоячей волны от второго генератора, 8 - действующее значение напряжения в резонаторе.
СВЧ установка содержит камеру со стоячей волной, выполненную из ЖВ 5, трансформаторов типов волн 4 и волновода 1, образующих замкнутый многогранник, как показано на фиг. 1, два генератора СВЧ энергии 2, через вводы энергии 3, соединенные с камерой. Камера выполнена из волновода, состоящего из линейных отрезков волноводов, соединенных между собой с образованием замкнутого многогранника, длина которого равна целому числу длин волн в камере, а вводы энергии 3 расположены друг от друга на расстоянии, величина которого равна нечетному числу четвертей длины волны. Рабочая зона камеры выполнена из желобкового волновода с трансформаторами типов волн с обоих его концов, а транспортер, перемещающий обрабатываемый материал внутри рабочей зоны камеры, выполнен из диэлектрического материала в виде ленточного конвейера и проходит внутрь желобкового волновода через щель между желобками.
Конвейер с обрабатываемым материалом или непосредственно сам материал поступает в ЖВ через неизлучающие щели (фиг. 2 а и б).
В устройстве СВЧ обработки диэлектрических материалов камера стоячей волны содержит, например, камера выполнена из волновода, свернутого в кольцо из линейных отрезков прямоугольного волновода размером 90×45 мм 1 и отрезка ЖВ 5, соединенных между собой с образованием замкнутого многогранника. СВЧ энергию частотой f=2,45 ГГц подают от генераторов СВЧ энергии, в качестве которых могут быть использованы магнетроны, клистроды или твердотельные генераторы СВЧ энергии.
Установка СВЧ обработки диэлектрических материалов работает следующим образом.
При работе установки в кольцевую СВЧ систему от каждого из двух несинхронизированных генераторов с технически одинаковыми частотами поступают две встречные бегущие волны. Средняя длина кольца L должна составлять целое число длин волн λ для обеспечения резонанса. При этом благодаря этому будет наблюдаться резкое увеличение напряженности электромагнитного поля. В результате сложения двух встречных волн в кольцевой системе образуется стоячая волна.
В каждой точке пространства кольца и рабочей зоне на ЖВ энергетический эффект от суммарного действия СВЧ полей, создаваемых каждым из отдельных генераторов, будет характеризоваться действующим значением суммы напряжений волн от каждого из генераторов:
Особенностью предлагаемой кольцевой системы с ЖВ является то, что расстояние между выводами энергии выбирается кратным нечетному числу четвертей длины волны в прямоугольном волноводе при этом стоячие волны от каждого из генераторов оказываются сдвинутыми друг относительно друга на четверть длины волны. В результате при одинаковых амплитудах волн (отсутствие или малые потери) суммарное действующее напряжение, определяющее их воздействие на обрабатываемый материал будет постоянным и не зависящим от расстояния вдоль камеры.
В тоже время укажем, что реально при значительных потерях в материале в камере существует режим смешанных волн: стоячих и бегущих. Равномерная обработка материала обеспечивается в продольном направлении как стоячими, так бегущими волнами. Также дополнительным достоинством предлагаемого устройства является подача СВЧ энергии к материалу с обеих сторон, что обеспечивает его более равномерную обработку.
На фиг. 3 представлена рассчитанная картина стоячих волн в ЖВ и действующего значения напряжения при малых потерях в обрабатываемом материале. Откуда следует, что действующее значение двух стоячих волн действительно постоянная величина, соответственно, постоянно и их воздействие на обрабатываемый материал.
При подаче СВЧ энергии от генераторов 2 (фиг. 1) в камере ЖВ 5 происходит процесс резонансного накопления энергии, результатом которого является установление двух стоячих волн максимальной амплитуды 1 и 2 (фиг. 3) от каждого из генераторов. С помощью транспортера в рабочую зону камеры помещается обрабатываемый материал, который перемещается в рабочей зоне камеры на ЖВ 5. СВЧ обработка осуществляется в поле двух стоячих электромагнитных волн в резонансном режиме при совпадении пространственного максимума (пучности) одной волны с минимумом (узлом) другой (сдвиг на четверть длины волны).
В результате обеспечивается равномерность обработки материала в камере. Изменение длительности процесса обработки возможно с помощью изменения скорости перемещения транспортера или в результате прохождения двух и более циклов обработки.
.http://www.fips.ru/Archive/PAT/2011FULL/2011.04.20/DOC/RUNWC1/000/000/002/416/891/00000002.tif