КАМЕРА ДЛЯ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИКОВ

Полезная модель относится к технике сверхвысокочастотного нагрева, основанного на использовании полых резонаторов и волноводов в качестве базовых элементов рабочих камер для конвейерной термообработки диэлектрических материалов.
Известно устройство коаксиальная камера для термообработки диэлектриков (А.С. №432805, СССР опубл 1974 - №22), содержащее круглый волновод, вдоль оси которого располагается диэлектрическая труба с обрабатываемым материалом. Рабочей волной является основная волна H11. В данном устройстве равномерность поля несколько выше, следовательно, и ограничения, накладываемые на объемные характеристики диэлектрика, не столь жесткие, как в камере на прямоугольном волноводе.
С1
С2
Однако низкое значение коэффициента широкополосности  где λ, λ- критические длины волн основного и первого высшего типов, является здесь существенным недостатком - в круглом волноводе, как известно, ξ=1,4. Поэтому данная камера характеризуется весьма ограниченным диапазоном допустимого изменения диэлектрической проницаемости ε материала в процессе термообработки. Подобное изменение влияет на перемещение полосы одномодового режима относительно рабочей частоты и может привести либо к отсечке (процесс термообработки в этом случае прекращается), либо к многомодовому режиму (при этом существенно нарушается равномерность нагрева). Для этой камеры также характерно значительное уменьшение тепловыделения по длине обрабатываемого материала за счет затухания высокочастотных колебаний при взаимодействии электромагнитной волны и диэлектрика, хорошо поглощающего СВЧ-мощность.
Известно также устройство СВЧ-печь для нагрева стержневого элемента (Патент ФРГ №2345706, м.кл. Н05В 9/06, опублик. 1977), расположенного коаксиально в микроволновом цилиндрическом резонаторе, который возбуждается модами колебаний типа ТМ02, а именно, в зависимости от длины резонатора ТМ020, ТМ021 или ТМ022, в форме стоячей волны. Данная камера характеризуется тем, что радиус поперечного сечения нагреваемого элемента выбирается равным осевому расстоянию первого минимума распределения плотности энергии, которое устанавливается в резонаторе на основе его радиуса поперечного сечения и диэлектрических постоянных нагреваемого элемента. Данная камера характеризуется хорошими электродинамическими характеристиками, высокой концентрацией и равномерностью электромагнитного поля в нагреваемом образце, улучшенными теплофизическими параметрами и значительной равномерностью теплового поля при высоких температурах в обрабатываемом диэлектрике.
Основным недостатком рассмотренной конструкции является ограничение, накладываемое на допустимые размеры и характеристики нагреваемого диэлектрика от геометрии камеры. Ввиду чего ухудшается универсальность СВЧ-печи.
Также известна СВЧ-печь (А.С. №1292209 СССР СВЧ-печь / Макаров В.Н. и д.р. опубл в БИ. - 1987), в которой СВЧ - энергия, поступающая от источника мощности, направляется через возбуждающую антенну в камеру нагрева, образованную полусферическим колпаком и основанием круглой формы с двумя рядами дугообразных щелей, прорезанных на разных расстояниях от центра окружности. Нагрев объекта, размещенного на диэлектрическом поддоне, осуществляется суммарным полем, образованным полем основного вида колебаний резонатора и дополнительными полями, создаваемыми пассивными излучателями Неиспользованная часть энергии поглощается балластной нагрузкой через круговую щель связи.
Рассмотренная конструкция обладает хорошими электродинамическими и тепловыми характеристиками. Недостатком данной СВЧ-печи является невозможность конвейерной термообработки стержневых диэлектриков, что не позволяет использовать ее в ряде технологических процессов.
Прототипом предполагаемого устройства является устройство для СВЧ-нагрева стержневых и трубчатых материалов (А.С. №807995 СССР от 20.10.1975, «Устройство для СВЧ-нагрева материалов» / Коломейцев В.А., Букин Л.Г., Герасимов А.В., Горюнов Е.Ф.). Система содержит аксиально-симметричные объемные резонаторы П-образного сечения, расположенные соосно один под другим с общим осевым отверстием, соединенные между собой отрезками запредельных цилиндрических волноводов, покрытые поглощающим СВЧ мощность материалом и через которые нагреваемый стержневой материал под действием силы тяжести поступает в область конденсаторного зазора первого резонатора. Электромагнитное поле возбуждается посредством подстроечных штырей и петлей возбуждения. В данном резонаторе устанавливается основной вид колебания, электрическое поле которого локализуется в конденсаторном зазоре резонатора и обеспечивает однородную удельную плотность тепловых источников в объеме обрабатываемого материала. Тепловой экран, выполненный в виде двух концентрически расположенных трубок из кварцевого стекла, спаянных у торцов и образующих вакуумную полость, позволяет резко уменьшить теплопередачу от обрабатываемого материала к металлическому корпусу СВЧ-устройства и предотвращает его нагрев выше предельно допустимого значения.
Недостатком этой конструкции СВЧ-устройства является то, что возбуждение рабочей камеры (РК) осуществляется с помощью петли, расположенной в области сосредоточения магнитного поля (область резонатора вне емкостного зазора), которая обладает низкой пробивной мощностью, что не позволяет передать от генератора в РК СВЧ мощность более 200 Вт, тогда как для высокотемпературной термообработки и спекания брикетированных порошкообразных материалов требуется мощность порядка 2.5 кВт в непрерывном режиме. Данное обстоятельство приводит к усложнению конструкции устройства за счет увеличения числа резонаторов обеспечивающих данный технологический процесс. Кроме того, система возбуждения электромагнитного поля и пространство взаимодействия взаимосвязаны, поскольку являются составными частями резонаторной камеры. Это приводит к тому, что при высокотемпературной обработки материала, когда электрофизические параметры ε' и tgδ зависят от температуры нагрева, необходимо с помощью индуктивных штырей проводить настройку каждого резонатора на резонансную частоту с учетом величины изменения ε' и tgδ в диапазоне температур нагрева образца в данном резонаторе. То есть данное СВЧ-устройство не является универсальным, а узконаправленным, предназначенным для высокотемпературного нагрева конкретного материала.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности высокотемпературного СВЧ-нагрева диэлектрических объектов, уменьшение габаритов рабочей камеры, обеспечение возможности конвейерной термообработки не только твердых, но также сыпучих и жидких диэлектрических материалов при сохранении высокой интенсивности процесса.
Указанная задача достигается тем, что камера для сверхвысокочастотного нагрева диэлектриков, включающая в свой состав полый резонатор, ограниченный проводящими торцевыми стенками, коаксиальный излучатель СВЧ-энергии, транспортировочный канал, согласно предполагаемому решению выполнена в виде отрезка эллиптического волновода, в первом фокусе которого находится коаксиальный излучатель СВЧ-энергии, а во втором - радиопрозрачная трубка для транспортировки обрабатываемого материала, которая крепится к торцевым стенкам камеры двумя запредельными металлическими трубками.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами: на Фиг.1 - устройство для термообработки диэлектриков (в разрезе), на Фиг.2 - устройство для термообработки диэлектриков в разрезе по плоскости АА Фиг.1, где
1 - полый эллиптический резонатор,
2 - проводящие торцевый стенки,
3 - коаксиальный излучатель СВЧ-энергии,
4 - коаксиальная линия передачи СВЧ-энергии,
5 - волноводно-коаксиальный переход,
6 - радиопрозрачная трубка,
7 - диэлектрический материал,
8 - запредельные металлические трубки.
Камера для сверхвысокочастотного нагрева диэлектриков состоит из полого эллиптического резонатора 1, ограниченного сверху и снизу проводящими торцевыми стенками 2, в первом фокусе которого находится коаксиальный излучатель СВЧ-энергии 3, (излучатель представляет собой оконечный элемент коаксиальной линии передачи СВЧ-энергии 4 от внешнего генератора), отрезка коаксиальной линии передачи СВЧ-энергии 4, волноводно-коаксиального перехода 5 с фланцем для присоединения к источнику СВЧ-энергии, радиопрозрачной трубки 6 для транспортировки и установки диэлектрического материала 7, помещенной во второй фокус эллипса, закрепленной к торцевым стенкам камеры двумя запредельными металлическими трубками 8 для подачи и извлечения диэлектрического материала 7, крепления радиопрозрачной трубки 6 и предотвращения выхода СВЧ-мощности за пределы камеры.
Камера для сверхвысокочастотного нагрева диэлектриков работает следующим образом. В первом фокусе полого эллиптического резонатора 1 находится коаксиальный излучатель СВЧ-энергии 3, который создает в камере СВЧ-поле, во втором фокусе располагается диэлектрический материал 7, который помещается и извлекается из камеры через запредельные металлические трубки 8 на проводящей торцевой стенке 2. Электромагнитные волны, распространяясь от коаксиального излучателя СВЧ-энергии 3 равномерно в радиальном направлении, после отражения от боковых стенок полого эллиптического резонатора 1 концентрируются у второго фокуса камеры и поглощаются диэлектрическим материалом 7. Отраженные от диэлектрического материала 7 электромагнитные волны, распространяясь в радиальном направлении, после отражения от боковых, проводящих торцевых стенок 2 полого эллиптического резонатора 1 концентрируются в области первого фокуса камеры и через согласованный коаксиальный излучатель СВЧ-энергии 3 поступают в коаксиальную линию передачи СВЧ-энергии 4, что устраняет возможность возникновения резонансных явлений в объеме полого эллиптического резонатора 1. При этом электрическое поле локализуется преимущественно во втором фокусе, обеспечивая здесь его повышенную напряженность. Электрическая составляющая поля электромагнитной волны направлена по касательной к поверхности нагреваемого диэлектрического материала 7, поэтому при температурных изменениях диэлектрических характеристик обрабатываемого материала, структура поля и, следовательно, равномерность нагрева по длине образца сохраняются. При помещении в фокус камеры, диэлектрический материал 7, подлежащий термообработке, в процессе перемещения вдоль камеры испытывает интенсивный равномерный нагрев. По достижение заданной конечной температуры термообработки диэлектрический материал 7 выходит за пределы устройства. В случае жидкого или сыпучего материала, в фокус эллиптической камеры необходимо устанавливать радиопрозрачную трубку 6 с низким коэффициентом теплопроводности, по которой будет транспортироваться нагреваемое вещество. Применение указанной трубки также целесообразно при нагревании твердого образца, так как это снижает тепловые потери, а, следовательно, улучшает равномерность теплового поля и коэффициент полезного действия установки в целом.