Сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов

Союз СоветскикСоцмалистнчески вРеспублнк О П И С А Н И Е 1175076 ОИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(28) П риоритет до делам изобретений и открытий(53) УДК 621365.55 (088,3) Дата опубликования описания 25,07.80(54) СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЕ УСТРОЙСТВО НАГРЕВА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВИзобретение относится к радиотехнике иможет быть использовано для нагрева диэлектрических материалов в поле сверхвысокой частоты (СВЧ).Известно сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов, содержа.шее генератор и камеру нагрева с периодической замедляющей структурой, состоящейиэ штырей, связок и пластин, над которой расположен нагреваемый материал 1,Однако в известном устройстве ограничен.ные размеры пространства взаимодействия не позволяют увеличить производительность установки, а трудность изменения амплиту-.ды высокочастотного поля вдоль направления движения продукта ограничивают возможности оптимизации процесса нагрева.Цель изобретения - повышение качества на. греваемого материала и увеличение произво.дительности.10Для этого в сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов, содержащее генератор и камеру нагрева с пери.одической замедляющей структурой, состоя. 2шей из штырей, связок и пластин, над которой расположен нагреваемый материал, вве.дена вторая периодическая замедляющая структура, расположенная над нагреваемым материа лом, причем замедляющие структуры отстоят одна от другой на расстоянии не кратном Л/2 (где з - длина волны в свободном пространстве) и смещены относительно друг друга вдоль оси на 1/4 продольного периода, причем шты. ри замедляющих структур имеют переменное сечение, а связки сдвинуты относительно цент ра периода на расстоянии 0 ( Ь ( 0,05 АНа фиг. 1 приведена конструкция предложен. ного устройства; на фиг. 2 - его структурная схема.Сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов содержит камеру нагрева 1, генератор 2, две периодические за. медляюшие структуры 3, состоящие из штырей 4, связок 5 и пластин 6. Период периоди. ческой замедляющей структуры вдоль оси Х обозначен В, а вдоль оси Е - Н.Сверхвысокочастотное устройство для на.грева работает следующим образом,45 50 55. Между системами движется лента конве.йера 7, выполнел 1 ая из радиопрозрачного материала, на которой располагается обрабатывае.мый продукт 8. Он может представлять собой4блоки замороженных продуктов, изделия химической, текстильной и тд. промышленности,кюветы с продуктами, подвергаемыми кулинарной обработке, и т.п. Контроль за. процессом обработки может осуществляться инфра.красными пирометрами или другими средствами, а также визуально через смотровыеокна 9. Лампы 10 предназначены для освеще.ния пространства взаимодействия. В качествеих могут быль использованы обычные лампыдневного света (например ЛБ - 80), возбуждаемые краевым высокочастотным полем замед.ляющих систем, При этом дополнительныхисточников питания к ним не требуется.Характеристику дисперсии периодическойзамедляющей структуры 3 можно представить в виде поверхности дисперсии. В зависимости от граничных условий в ней мо.гут возбуждаться значительное количествовидов колебаний, отличающихся поперечнымо и продольным 4 фазовыми сдвигамимежду периодической замедляющей структуры 3, каждый иэ которых может быть исполь.зован в качестве рабочего вида колебаний.При этом фазовые сдвиги могут изменять.ся в пределах 0 ( 1 э ( к , 01Я , Взависимости от выбранного вида колебанийнаправление. распространения энергии в периодической замедляющей структуре 3 можетсоставлять ио отношению к штырям 4 произвольный угол, изменяющийся от нуля до- . В частности, на видах с фазовыми сдви 1(,2Гамк р:Я, 04 11 йЯ НалраВЛЕНИЕ раСпространения энергии коллинеарно штырям4, а на видах 11 и,ОЬЧ 1 сортогонально им,В предложенном устройстве в качестве ра.бочего вида колебаний периодической замедляюшей структуры 3 выбран вид сус - р Я,2Энергия на этом виде распространяется посвязкам 5 ортогонально штырям 4. Распределение поля вдоль связок 5 (в случае отсутствия обрабатываемого диэлектрика) имеетхарактер бегущей волны, а вдоль штырей 4 -стоячей волны с периодом равным Н/2. Спомощью коаксиальных переходов 11 энергияпередается в соседние продольные ячейки, каскадное соединение которых и образует секцию,возбуждаемую генератором 2 СВЧ энергии.Обе периодические замедляющие структуры 3,находящиеся на верхней и нижней широкихстенках волновода, разделены вдоль осина такие секции, причем каждая из них по.средством коаксиально волноводных перехо.цов 12 соединена с отдельным генератором 2СВЧ энергии и нагрузкой 13 для поглощения 5 10 15 20 25 30 35 40 неиспользованной энергии. Количество продоль. ных ячеек в секции определяется КПД использования СВЧ энергии, а количество секций в камере нагрева 1 - условиями технологического процесса.Пластины 6 имеют электрический контакт с каждым штырем 4, а места контакта связок 5 со штырями 4 сдвинуты относительно друг друга на расстояние В/2. Количество связок 5 на продольном периоде, а также конфигура. ция штырей 4 может быть произвольной (пластины, трубки и т.д.). Рассматриваемая периодическая замедляющая структура 3 относится к классу штыревых двухступенчатых систем, не содержащих скользящей плоскости симметрии, Связано это с использованием штырей 4 с изменяющимся на продольном периоде сечением и смешением мест электрического контакта связок 5 со штырями 4 относительно плоскости, проходящей через середину каждого продольного периода. Особенностью таких замедляющих структур является наличие в распределении поля симметричной и несимметричной составляющих поля, каждой из которых соответствует своя характеристика дисперсии. Отсутствие скользящей плоскости симметрии приводит к разрыву дисперсионных характеристик для этих составляющих и появлению полосы непропускания системы на виде с (р:/2 . Эксперименты показывают, что прид 1/д= 1.6 и Ь, = 0,05,Л полоса непропускания замедляющих структур составляет величину порядка 60 Мгц. При этом виду с ц =Я/2 соответствует две частоты.Дисперсионные же характеристики для симметричной и несимметричной составляющих на виде с (р:Я/2 смыкаются так, что образу. ется новая граница полосы пропускания замедляющей структуры, где замедление групповои скорости, а следовательно и импеданс связи стремится к бесконечности. Использование для целей диэлектрического нагрева вида су =иц= - " является пред. почтительным, Связано это с большей величиной импеданса связи, чем, в частности на виде сеЯ,4 = ц, возможностью увеличения поперечных размеров продольной ячейки (Н(2 Ъ) и меньшей скоростью уменьшения высокочастотного поля от поверхности периодической замедляющей структуры. На виде(11:,(1: скорость уменьшения поля пропорциональна -/и, а для(р -" к"/",Использование2указанной выше несимметрии в построении продольных ячеек позволяет поперечные ячейки системы выполнить идентичными, что существенно облегчает вопросы согласования замедляющей структуры 3 с внешними линиями передачи,750760 Расположенные друг под другом и возбужденные в режиме бегущей волны на виде с 1 р Й/2 у:Я периодические замедляющие структуры создают в пространстве взаимо. действия (вдоль оси Ц ) высокочастотное по ле, распределенное по закону, близкому к .функции гиперболического косинуса. При этом, чем больше расстояние между замедляющими структурами 3 (но не кратное Я/2), тем больше эона с равномерным распреде лением поля, Для выравнивания амплитуды поля вдоль камеры нагрева 1 (вдоль оси Е) замедляющие структуры 3 на верхней и ниж-. ней стенках необходимо сдвинуть относительно друг друга на расстояние, равное Н/4. 15Расположенные на верхней и нижней широ. ких стенках периодические замедляющие системы 3 позволяют существенно увеличить поверхность взаимодействия СВЧ поля с обрабатываемым диэлектрическом и тем самым 20 повысить производительность процесса диэлектрического нагрева. Действительно, оценивая производительность как Разделение периодических замедляющих структур 3 на секции и возбуждение каждой из них отдельным генератором 2 СВЧ энергии придает устройству качества универсаль. ности. Они проявляются в возможности обеспечения гибкости в изменении режимов об. работки, в возможности его оптимизации и автоматизации. Предлагаемое устройство нагрева позволяет легко осуществлять программи. рованное изменение амплитуды высокочастотного поля в пространстве взаимодействия, регулировку скорости нагрева на его различных участках, сочетание нагрева в СВЧ поле и вы. держки, а также осуществление комбинированных (с использованием пара, горячей воды, инфракрасной энергии и т.д.) способов нагрева. гп РэбДФ, ЬТ 25 Сверхвысокочастотное устройство нагрева диэлектрических материалов, содержащее генератор и камеру нагрева с периодической замедляющей структурой, состоящей иэ штырей, связок и пластин, над которой расположен нагреваемый материал, о т л и ч а ю ш е ес я тем, что, с целью повышения качества нагреваемого материала и увеличения производительности, в него введена вторая периоди. ческая структура, расположенная над нагревае.мым материалом, причем замедляющие структуры отстоят друг от друга на расстоянии не кратном я /2 (где й - длина волны в свободном пространстве) и смещены относительно друг друга вдоль оси на 1/4 продольного пе. получаем, что при заданных скорости нагрева А, диапазоне температур ЬТ, плотностиматериала Ри ограниченной скин-слоем толщине30 материала б единственным путем увеличения производительности является увеличение поверхности взаимодействия 8 камеры нагрева 1.Експерименты показывают, что при использовании периодических замедляющих структур 3 на частоте 2 450 Мгц; легко может быть реализована камера нагрева 1 с шириной в 1 м, При этом на высоте пространства взаимо. действия длина ее не зависит от электродинами ческих параметров замедляющей структуры, а определяется свойствами диэлектрика и осо- ф 0 бенностями технологического процесса.Наличие зоны с равномерным распределе. нием поля и поверхностных волн, распространяющихся.по верхней и нижней стенкам . камеры нагрева 1, позволяет существенно уве личить толщину обрабатываемого материала, Если принять за допустимую для обработки СВЧ энергией толщину материала, равную величине скин-слоя, то использование предлагаемой конструкции позволяет практически вдвое увеличить толщину обрабатываемого диэлектрика. Использование для обработки диэлектрика. режима бегущей поверхностной волны позволяет избавиться от влияния изменения электрофизических параметров диэлектрика на электродинамические характеристики структуры. Это дает воэможность обрабатывать в предлагаемом устройстве значитель 6ный ассортимент диэлектрических материалов, отличаю 1 цихся как по электрофиэическим па. раметрам, так и геометрическим размерам,В камере нагрева 1 энергия распространяется ортогонапъно направлению движения конвейера 7. При этом в зависимости от типа продукта и технологического режима обработки направление распространения энергии в секциях, расположенных на нижней и верхней стенках, может быть согласным или встречным,Возможным в предлагаемом устройстве является последовательное соединение по высокочастотному сигналу секций, расположенных на верхней и нижней стенках волновода, а также. произвольное по отношению к направлению распространения энергии направление движе-. ния обрабатываемого продукта. Это способствует равномерному как по ширине, так и по длине камеры 1 нагреву материала, что безусловно способствует улучшению качества и сокращению цикла обработки в СВЧ поле. Формула изобретения750760 риода, причем штыри замедлявших структуримеют переменное сечение, а связки сдвинутыотносительно центра периода на расстояниеО(Ь0,053,8Источники информациипринятые во внимание при экспертизе1. Патент СЫА У 3814983, кл. 315 - 39,1974 (прототип)750760 Фиг,8 Составитель А. Меньшиковадактор Е. Гончар Техред Н,Ковалева Корректор М. Лемчик аказ 7674(47 ираж 885дарственного комнтбретеннй и открытиЖ, Раушская на ППП "Патент", г. У род, ул. Проектная ЦНИИПИ Госу по делам изо13035, Москва,та ССС йб., д. 4/