СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ЛИСТОВЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к СВЧ-устройствам для тепловой обработки различных листовых диэлектрических материалов и может быть использовано в электронной, деревообрабатывающей, текстильной и других различных отраслях промышленности.
Известны различные устройства волноводного типа для СВЧ-обработки диэлектрических материалов.
В частности, известно устройство для тепловой обработки листовых материалов, содержащее соединенные с магнетронами прямоугольные волноводы, собранные в единый сплошной блок и расположенные вдоль обрабатываемого материала с его охватом, при этом щель для прохождения обрабатываемого материала размещена внутри блока прямоугольных волноводов посередине широкой стенки волноводов и вдоль узких стенок прямоугольного волновода (Европейский патент №0071123, МКИ 3 F26B 3/347, опубл. 09.02.1983 г.).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является установка для тепловой обработки, например, текстильных материалов, содержащая соединенные с магнетронами прямоугольные волноводы, собранные в единый сплошной блок и расположенные вдоль обрабатываемого материала с его охватом, а щель для прохождения обрабатываемого материала размещена внутри блока прямоугольных волноводов посередине их широких стенок и вдоль узкой стороны прямоугольного волновода, торцы прямоугольных волноводов снабжены волноводными изгибами, причем волноводные изгибы, размещенные на выходе, соединены с защитными устройствами для поглощения избыточной энергии, а волноводные изгибы, выполненные на
входе, через коаксиально-волноводные переходы соединены с магнетронами. Каждый прямоугольный волновод запитан от индивидуального магнетрона. Размер длины прямоугольного волновода составляет не менее трех длин волн рабочей частоты магнетрона (Патент РФ №2159992; МПК 7 Н05В 6/64, F26B 23/08, D06C 7/00; опубл. 27.11.2000.)
Недостатком известных конструкций является так называемый «полосатый эффект». Он состоит в том, что в местах соприкосновения общих стенок волноводов в едином блоке имеются мертвые зоны, определяемые толщиной стенок волновода, поэтому при движении обрабатываемого диэлектрического материала по направлению распространения энергии электромагнитного поля энергия по площади материала распределяется неравномерно, в связи с этим происходит неравномерный нагрев обрабатываемого материала, что приводит к браку.
Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является обеспечение равномерного нагрева обрабатываемого диэлектрического материала за счет устранения так называемого «полосатого эффекта».
Поставленная техническая задача решается тем, что в сверхвысокочастотном устройстве для термообработки листовых диэлектрических материалов, содержащем, по меньшей мере, два волновода с выполненной щелью для прохождения обрабатываемого листового диэлектрического материала, каждый из которых соединен с индивидуальным источником СВЧ-энергии и защитным устройством для поглощения избыточной энергии, согласно предложенному изобретению, каждый волновод выполнен с широкими сторонами, сужающимися в направлении распространения СВЧ энергии, при этом волноводы размещены перпендикулярно направлению движения обрабатываемого диэлектрического материала и расположены параллельно друг другу таким образом, что СВЧ энергии в них распространяется во взаимно противоположных направлениях. Причем волноводы выполнены
идентичными, а каждый волновод выполнен с сужающимися широкими сторонами, ширина которых изменяется в направлении распространения СВЧ энергии по линейному закону.
Выполнение каждого волновода с широкими сужающимися сторонами, ширина которых изменяется в направлении распространения СВЧ энергии по линейному закону, обеспечивает распространение мощности удельных потерь в материале в направлении распространения СВЧ энергии, описываемое линейной функцией. При расположении волноводов во взаимно-противоположном направлении друг относительно друга, сложение двух линейных функций от двух волноводов СВЧ устройства обеспечит постоянное распределение температурного поля в материале.
Размещение волноводов перпендикулярно направлению движения обрабатываемого листового диэлектрического материала позволяет исключить мертвые зоны в обработке.
Техническим результатом, достижение которого обеспечивается всей заявленной совокупностью существенных признаков, является равномерный нагрев обрабатываемого диэлектрического материала и устранение так называемого «полосатого эффекта».
Изобретение поясняется рисунками, где
на фиг.1 изображен общий внешний вид устройства
на фиг.2 представлены рассчитанные и измеренные характеристики температурного поля диэлектрического материала при прохождении материалом первого волновода, второго волновода, и суммарное распределение соответственно при изменении размера широкой стенки каждого волновода по линейному закону от 72 мм до 67 мм.
На фиг.3 представлен разброс температурного поля листового диэлектрического материала после прохождения им двух волноводов при изменении размера широкой стенки каждого волновода по линейному закону от 72 до 67 мм.
Сверхвысокочастотное устройство для термообработки листовых диэлектрических материалов содержит источники СВЧ-энергии 1, защитные устройства 2 для поглощения избыточной нагрузки, по меньшей мере, два волновода 3, каждый из которых соединен с индивидуальным источником СВЧ-энергии 1 и защитным устройством 2 для поглощения избыточной энергии через коаксиально-волноводные переходы. Каждый волновод 3 выполнен с широкими сторонами 5, сужающимися в направлении распространения СВЧ энергии, ширина которых изменяется в направлении распространения СВЧ энергии по линейному закону. Выполнение волновода со сужающимися широкими сторонами, ширина которых изменяется в направлении распространения СВЧ энергии по линейному закону (приведен ниже), обеспечивает распределение мощности удельных потерь в материале в направлении распространения СВЧ энергии, которое может быть описано линейной функцией. В каждом волноводе 3 выполнена щель 4 для прохождения обрабатываемого листового диэлектрического материала. Волноводы 5 размещены перпендикулярно направлению движения обрабатываемого листового диэлектрического материала 6, что позволяет исключить мертвые зоны в обработке. Энергия электромагнитного поля при этом распространяется перпендикулярно движению листового материала, в отличие от прототипа, в котором энергия электромагнитного поля распространяется сонаправленно движению материала. Волноводы 3 выполнены идентичными по конструкции и по параметрам, включая уровень входящей СВЧ мощности источника, и расположены в устройстве параллельно друг другу таким образом, что энергия электромагнитного поля в них распространяется во взаимно-противоположных направлениях. Это позволило использовать принцип суперпозиции для суммирования температурного поля в материале от каждого волновода в отдельности и добиться более равномерного распределения температурного поля, так как уровень входящей в каждый волновод СВЧ энергии одинаков в отличие от прототипа.
Линейный закон, по которому изменяется размер широких стенок 5 волноводов 3, был получен аналитическим путем.
Закон изменения широкой стенки волновода можно записать в виде:
a(z) - ширина широкой стенки волновода;
d - толщина материала;
λ - длина волны источника СВЧ энергии;
l - ширина обрабатываемого материала;
ε" - комплексная часть относительной диэлектрической проницаемости материала или фактор потерь;
z - направление распространения энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот, изменяется от 0 до l
ln - натуральный логарифм
На фиг.2 представлены рассчитанные и измеренные характеристики температурного поля диэлектрического материала при прохождении первого волновода (прямая 1 графика), второго волновода (прямая 2 графика), и суммарное распределение (прямая 3 графика) соответственно при изменении размера (а) широкой стенки каждого волновода по линейному закону от 72 мм (данная ширина является стандартной для известных волноводов) до 67 мм на длине l=50 см (соответствует ширине обрабатываемого листового диэлектрического материала) при частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц. Расхождение рассчитанных и измеренных характеристик
распределения температурного поля диэлектрического материала не превышает 5%. Из графиков видно, что при осуществлении предложенной конструкции устройства достигается практически равномерное распределение температурного поля по ширине обрабатываемого листового диэлектрического материала в отличие от распределения температурного поля в материале при постоянном поперечном сечении волновода, как в прототипе.
На фиг 3. представлен разброс температурного поля листового диэлектрического материала после прохождения им двух волноводов при изменении размера широкой стенки каждого волновода по линейному закону от 72 до 67 мм, область 4 графика - область разброса распределения температурного поля после прохождения листовым диэлектрическим материалом двух волноводов СВЧ устройства.
Например, при нагреве диэлектрического материала, в частности, стеклопластика (стеклянные нити ≈80% + эпоксидная смола ≈20%) до температуры 180°С разброс температурного поля в материале составил не более 7°С, а расхождение между рассчитанными и измеренными характеристиками распределения температурного поля в материале не превышает 4°С.
Расчет проведен для следующих параметров диэлектрического материала (стеклопластика) для стеклопластиковой арматуры:
вх
и параметров СВЧ установки: (P=600 Вт; f=2450 МГц), где
вх
Р - входная мощность источника СВЧ энергии;
f - частота источника СВЧ энергии;
∂
ρ - удельная плотность обрабатываемого материала;
∂
с - удельная теплоемкость обрабатываемого материала;
∂
а - теплопроводность материала;
ε" - комплексная часть относительной диэлектрической проницаемости материала (фактор потерь);
l - ширина материала;
d - толщина материала.
При этом теплопроводность материала достаточно мала и лежит в пределах
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
10
Влажный листовой диэлектрический материал 6 проходит через поперечную щель 4 в волноводах 3, которые образуют секции. При этом источники СВЧ-энергии 1 в волноводах 3 создают электромагнитное СВЧ-поле, под воздействием которого обрабатываемый листовой диэлектрический материал 6 нагревается до рабочих температур. Прохождение материала 6 осуществляется через волноводы 2 в поперечном направлении относительно волноводов 3 перпендикулярно распространению энергии электромагнитного поля сверхвысоких частот. В волноводах 3 возникает волна Н, обеспечивающая нагрев материала в зонах высокой напряженности поля, при этом происходит пересечение материалом всех зон нагрева, что позволяет осуществить равномерность нагрева материала 6 по объему и по площади.
Предложенное конструктивное выполнение обеспечивает равномерный нагрев обрабатываемого диэлектрического материала и устранение так называемого «полосатого эффекта».