Электродинамические и тепловые свойства СВЧ-установок резонаторного типа с многощелевым возбуждением

УДК 621.372

В.А. Коломейцев, В.С. Ремнёв, А.Э. Семёнов

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА СВЧ-УСТАНОВОК РЕЗОНАТОРНОГО ТИПА С МНОГОЩЕЛЕВЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

Проведено исследование конструкции СВЧ-установки резонаторного типа с щелевой системой возбуждения, направленное на достижение требуемого уровня равномерности нагрева в рабочей камере чисто электродинамическим путем, без применения механического перемещения обрабатываемого материала, позволяющей достичь требуемого

распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, а также обеспечить заданный электротехнологический процесс термообработки.

V.A. Kolomeytsev, V.C. Remnev, A.E. Semenov ELECTRODYNAMIC AND THERMAL PROPERTIES OF MICROWAVE RESONATOR WITH MULTISLOT SYSTEM EXCITATION

The research of the design of microwave resonator with multislot system of exdtation is done here. It is directed to achieve the necessary level of the equability heating in the work cell without using mechanically shift processing material allowing to attain demanding assignment of the specific density warm sources in volume of the processing material and also to secure given electro technological process of the heat processing.

В современных микроволновых нагревательных установках возбуждение осуществляется однощелевым способом с применением вращения поддона с обрабатываемым материалом. Однако данный подход не позволяет обеспечить требуемую равномерность нагрева, поскольку вращательная обработка диэлектрического материала при данном способе возбуждения электромагнитного поля не позволяет обеспечить радиальную однородность теплового поля в объеме обрабатываемого материала. При этом радиальная составляющая неоднородности теплового поля не устраняется чисто механическим путем. В данном случае указанная задача может быть решена принципиально другим способом, а именно модернизацией и совершенствованием системы возбуждения резонаторных структур, то есть созданием распределенных систем возбуждения (многощелевое возбуждение) с электронным управлением подачи СВЧ-мощности в рабочую камеру. Данное положение принципиально важно для СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа, поскольку позволяет создать новый перспективный класс микроволновых нагревательных установок, обеспечивающих заданный электротехнологический процесс термообработки различных диэлектрических материалов [1, 2].

В данной работе проводится исследование собственных электродинамических параметров и структуры электромагнитного, а также теплового полей в рабочих камерах СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа при различной конфигурации распределенных источников электромагнитного поля. Учитывая произвольность

габаритов и электрофизических свойств обрабатываемого материала, исследование электродинамических свойств резонаторных структур, распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала и соответственно теплового поля целесообразно проводить на основе численных методов: метода конечных элементов с применением принципа Галеркина и взвешенных невязок (программы «Meloss» и «WGTA») и метода конечных разностей с использованием быстрого преобразования Фурье [2, 3, 4, 5]. Однако данный подход не исключает аналитического решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для стандартных ситуаций (прямоугольный образец в прямоугольном резонаторе; цилиндрический образец в цилиндрическом резонаторе), что позволяет протестировать эффективность предложенной системы возбуждения резонаторной камеры с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, заполнением.

Необходимо отметить, что применение численных методов решения внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности (ВКЗЭиТ) позволяет определить геометрию рабочей камеры в области расположения обрабатываемого материала, обеспечивающую требуемое распределение удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, а, следовательно, заданный электротехнологический процесс термообработки. Изменение геометрии рабочей камеры в области расположения обрабатываемого материала - весьма эффективный способ обеспечения требуемого технологического процесса термообработки произвольных диэлектрических материалов в электромагнитном поле СВЧ. Заметим, что наибольший эффект при этом достигается, если образец находится в ближней зоне возбуждения (прямое возбуждение резонаторных структур камер со стороны нижней стенки, на которой располагается обрабатываемый материал), когда изменение свойств возбуждающей электромагнитное поле системы наиболее влияет на распределение удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Автоматическое управление системой возбуждения резонаторной камеры также весьма эффективно и позволяет повысить уровень равномерности нагрева произвольных диэлектрических материалов.

Заметим, что исследование процесса термообработки различных диэлектрических материалов в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа и эффективности распределенных систем возбуждения целесообразно проводить как на основе решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности, так и чисто экспериментально, что представляет наибольший интерес. Это связано с тем, что исследование электродинамических и тепловых свойств рабочих камер резонаторного типа - в аналитическом плане чрезвычайно трудоемкая задача, поскольку конструкция СВЧ-нагревательных установок резонаторного типа представляет собой взаимосвязанную электродинамическую систему (волновод - резонатор), в которую включен генератор СВЧ-мощности с его резонансными свойствами (генератор магнетронного типа). Учитывая взаимосвязь данных структур через многощелевую решетку возбуждения, данная ВКЗЭиТ становится чрезвычайно сложной, даже при численном её решении с помощью программ «Meloss» и «WGTA». Экспериментальный метод в данном случае удобен тем, что определяет интегральный эффект процесса нагрева обрабатываемого материала в СВЧ-нагревательных установках резонаторного типа. При этом необходимо заметить, что численное моделирование данных нагревательных структур позволяет оценить эффективность систем возбуждения в достижении требуемого режима электротехнологии термообработки различных диэлектрических, поглощающих СВЧ мощность, материалов.

На рис. 1 приведены результаты численного решения внутренней краевой задачи электродинамики для резонаторных структур прямоугольной формы с частичным диэлектрическим заполнением. При возбуждении рабочей камеры, посредством прямоугольных щелей, расположенных на широкой стенке волновода перпендикулярно узкой стенке волновода, расстояние между щелями составляет половину длины

доминантной волны прямоугольного волновода. Результаты анализа приведены для различного размещения щелей по ширине резонаторной камеры. При этом расчет проводится при неизменности положения магнетронного возбуждения рабочей камеры, а также при постоянстве продольной системы возбуждения. Такое положение позволяет определить влияние перемещения возбуждающих щелей в направлении распространения доминантной волны прямоугольного волновода на структуру электрического поля и соответственно на распределение удельной объемной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Однако данные результаты численного расчета демонстрируют возможности решения внутренней краевой задачи электродинамики при сторонних источниках электромагнитного поля, но не позволяют оптимизировать систему возбуждения, обеспечивающую заданный электротехнологический процесс.

а б в

Рис. 1. Результаты численного решения внутренней краевой задачи: а - щель, расположенная справа, находится на расстоянии Хв_рез/2 от правой стенки волноведущей системы, 1-й тип колебаний при к2 = 389,815; б - щель, расположенная справа, находится на расстоянии X от правой стенки волноведущей системы, 1-й тип колебаний при к2= 389.762; в - щель, расположенная справа, находится на расстоянии 1,5Х от правой стенки волноведущей системы, 1-й тип колебаний при к2= 389.763

Также структура электрического поля в резонаторной рабочей камере существенно зависит от положения торцевых поверхностей (поршней) [4] волновода (система возбуждения) относительно положения системы возбуждения.

На рис. 2 приведены результаты анализа для фиксированного положения щелей по ширине резонаторной камеры. При этом расчет проводится при изменении положения торцевых поверхностей волновода. Такое положение позволяет определить влияние перемещения короткозамыкающих поршней на распространение доминантной волны прямоугольного волновода, на структуру электрического поля и соответственно на распределение объемной удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала.

На рис. 3 и в таблице приведены экспериментальные данные исследования теплового поля рабочей камеры микроволновой установки ЬО-192 при различных распределенных системах возбуждения электромагнитного поля (многощелевое возбуждение), без вращения обрабатываемого материала. В качестве поглощающего материала используется вода, разлитая в определенной пропорции в 16 стаканах на нижней стенке резонатора. В ходе эксперимента определяются - коэффициент неравномерности нагрева п, коэффициент стоячей волны рабочей камеры с частичным диэлектрическим заполнением, поглощающим СВЧ-мощность и резонансные свойства камеры.

а б в

Рис. 2. Результаты анализа для фиксированного положения щелей: а - поршень слева находится на расстоянии 0,5Х от центра ближайшей щели. Амплитуда продольной компоненты по оси х = 0,23771* (* - шкала на рисунке); б - поршень слева находится на расстоянии 1,5Х от центра ближайшей щели. Амплитуда продольной компоненты по оси х = 0,28957*; в - поршень справа находится на расстоянии 0,5Х. Амплитуда продольной компоненты по оси х = 0,69554*

Рис. 3. Многощелевая система возбуждения. ПП = 2,2 см, ПЛ = 0 см Распределение температур по 16 зонам

ат 13 14 10 5 Тср 36,9

2 32 31 32 30 125 Т0 22

11 42 41 41 31 155 АТ 14,9

10 40 45 41 35 161 п 1,0

14 45 41 31 33 150 Ттах 45,0

159 158 145 129 Ті Ттіп 30,0

Исследуются различные режимы термообработки как по подводимой мощности, времени термообработки, а также при вариации объема и места положения обрабатываемого материала. Данный подход позволяет более полно оценить эффективность распределенных систем возбуждения резонаторных рабочих камер СВЧ-нагревательных установок [2, 3]. Таким образом, в ходе экспериментальных исследований определяются: распределение температурного поля в обрабатываемом материале, уровень поглощаемой образцом СВЧ-мощности, КСВ рабочей камеры и коэффициент равномерности нагрева. При этом коэффициент п определяется по температуре нагрева образца (вода), расположенного в 16 диэлектрических стаканах. Необходимо отметить, что на рис. 3 приведена конструкция распределенной, многощелевой системы

возбуждения, которая подлежит рассмотрению в данном эксперименте. В правой колонке

таблицы приведены значения средней температуры нагрева материала, начальная температура нагрева материала, приращение температуры нагрева образца At=t-tCP, коэффициент неравномерности нагрева, максимальная температура нагрева обрабатываемого материала tmax, а также минимальная температура нагрева tmin и Р -поглощаемая образцом СВЧ-мощность. Исследования проводились при различных положениях поршня, фиксирующих расстояние до вывода электромагнитной мощности (магнетрона) - ПП, а также до первой щели возбуждения - ПЛЛ.

В данной работе проводится численное исследование собственных электродинамических параметров и собственных электродинамических функций совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для произвольных диэлектрических материалов, поглощающих СВЧ-мощность, в рабочих камерах резонаторного типа. Данный подход весьма эффективен при распределенных системах возбуждения простейшей формы (прямоугольного сечения) в прямоугольных резонаторах, то есть когда конструкция рабочей камеры и габариты обрабатываемого материала представляют собой образцы сходной простой конфигурации. Численное решение внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для произвольных диэлектрических материалов с учетом характера изменения электрофизических и тепловых свойств обрабатываемого материала, а также геометрии рабочей камеры в области расположения образца при распределенных системах возбуждения требует достаточно высоких вычислительных затрат и времени счета.

Наибольший эффект дает экспериментальное исследование электродинамических и тепловых свойств резонаторных рабочих камер с частичным диэлектрическим, поглощающим СВЧ-мощность, заполнением для произвольных систем возбуждения электромагнитного поля и систем управления направленной передачей СВЧ-мощности в обрабатываемом материале. В данной работе приведено комплексное исследование различных систем возбуждения, позволяющих достичь требуемого распределения удельной плотности тепловых источников в объеме обрабатываемого материала, а также обеспечить заданный электротехнологический процесс термообработки. Данные исследования направлены на достижение требуемого уровня равномерности нагрева в резонаторных структурах чисто электродинамическим путем без применения механического перемещения обрабатываемого материала и использования диссекторов, влияющих на электромагнитное поле в зоне возбуждения (ближняя зона возбуждения) [ 1, 2].

ЛИТЕРАТУРА

1. Салимов И.И. Плавные нелинейные согласующие переходы между стандартными волноводами и волноводами сложных поперечных сечений / И.И. Салимов, А.Э. Семенов, И.И. Новрузов // Электроника и вакуумная техника. Приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007. С. 181-187.

2. Салимов И. И. Плавные линейные согласующие переходы между стандартными волноводами и волноводными структурами сложного поперечного сечения / И. И. Салимов,

А.Э. Семенов, А.М. Сухов // Электроника и вакуумная техника: Приборы и устройства. Технология. Материалы: материалы науч.-техн. конф. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2007.

С. 176-180.

3. Железняк А.Р. Распределение тепловых источников в термопараметрических, поглощающих СВЧ-мощность, материалах в пространстве взаимодействия микроволновых систем равномерного нагрева конвейерного типа / А. Р. Железняк,

А.С. Козлов // Электротехнология на рубеже веков: материалы науч.-техн. конф. Саратов: СГТУ, 2001. С. 14-16.

4. Коломейцев В.А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ-системы равномерного нагрева: дис. ... доктора техн. наук /

В.А. Коломейцев. Саратов, 1999. 439 с.

5. Коломейцев В. А. Микроволновые системы с равномерным объемным нагревом /

В.А. Коломейцев, В.В. Комаров. Саратов: СГТУ, 1997. 160 с.

Коломейцев Вячеслав Александрович -

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Радиотехника»

Саратовского государственного технического университета

Ремнёв Вадим Сергеевич -

аспирант кафедры «Радиотехника»

Саратовского государственного технического университета

Семёнов Александр Эдгарович -

зам. генерального директора ЗАО НПЦ «АЛМАЗ-ФАЗОТРОН»

Статья поступила в редакцию 12.09.07, принята к опубликованию 15.01.08