способ свч-обработки диэлектрических материалов

Формула изобретения

Способ СВЧ-обработки диэлектрических материалов, при котором материал помещают в металлическую камеру, облучают СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно поверхности материала, добиваются минимального или нулевого значения интенсивности отраженного излучения, отличающийся тем, что перед облучением материала в камере параллельно слою материала размещают отражатель электромагнитных волн, размеры которого не менее размеров большего сечения обрабатываемого материала, СВЧ-излучатель размещают со стороны обрабатываемого материала, а получения минимального или нулевого значения интенсивности отраженного от материала излучения добиваются подбором толщины слоя материала и регулированием расстояния между отражателем и обрабатываемым материалом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области СВЧ-энергетики и может быть использовано при СВЧ-сушке и СВЧ-обработке сыпучих строительных материалов.

В СВЧ-энергетике обработка вещества производится с помощью мощного потока СВЧ-электромагнитных волн. Между излучателем электромагнитных волн и обрабатываемым материалом имеется область свободного пространства, волновое сопротивление которого обычно отличается от сопротивления обрабатываемого материала. На границе раздела неизбежно возникают отражения, которые приводят в дальнейшем к нарушению режима работы генератора СВЧ и линии передачи. Кроме того, значительная амплитуда отраженной от вещества волны означает, что она поглощается не в обрабатываемом материале, а направляется опять в излучатель. Последнее, кроме нарушения режима линии работы генератора вызывает так же резкое уменьшение КПД всей установки [Черняев Л.К. Согласование в высокочастотных трактах. - М.: Сов. Радио, 1967, с.67]. Для уменьшения коэффициента отражения может быть использован «просветляющий» слой диэлектрика с электрическими характеристиками, являющимися средним геометрическим из характеристик свободного пространства и диэлектрика, при этом толщина «просветляющего» слоя должна быть равной четверти длины волны в нем. Эта идея широко распространена в оптике [Л.Д.Гольдштейн, Н.В.Зернов. Электрические поля и волны. - М.: Сов. радио, 1971, с.240]. Подобный подход является малопродуктивным, так как требует для каждого из обрабатываемых материалов «своего» диэлектрика достаточно большой толщины с минимальными потерями в нем.

Наиболее близким к предложенному способу техническим решением является способ СВЧ-сушки древесины, заключающийся в увеличении скорости сушки за счет того, что добиваются нулевого значения интенсивности отраженного излучения [RU патент 2114361, Кл. F26B 3/347, 1998 (прототип)]. В основу прототипа положен принцип согласования пространства с веществом путем подбора угла падения волны. Способ СВЧ-сушки древесины состоит в том, что пиломатериал одного сорта укладывают горизонтально рядами с зазором между досками, сложенный штабель облучают СВЧ-излучением с одной или двух его поверхностей. Облучают поверхность штабеля СВЧ-излучением с поляризацией, параллельной плоскости падения, под углом Брюстера, который поддерживают постоянным в процессе сушки, путем изменения направления облучения.

Недостатком данного способа является то, что идеальное согласование пространства, заключенного в металлической камере, с веществом достигается только в диэлектрике без потерь. Реальные же диэлектрики, обрабатываемые в СВЧ-установках, всегда имеют большие потери. Кроме того, в случае нечетко выраженной границы раздела сред (сыпучие материалы) угол падения электромагнитной волны для разных участков будет различный, что не дает возможности в полной мере реализовать этот способ. Процесс сушки занимает длительное время, а нагрев материала должен осуществляться медленно, следовательно, является энергоемким.

Задачей изобретения является расширение арсенала средств для СВЧ-обработки диэлектрических материалов с получением минимального или нулевого значения интенсивности отраженного СВЧ-излучения, снижение энергоемкости.

Указанная задача достигается тем, что материал помещают в металлическую камеру, облучают СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно поверхности материала, добиваются минимального или нулевого значения интенсивности отраженного излучения. При этом согласно предложенному решению перед облучением материала в камере параллельно слою материала размещают отражатель электромагнитных волн, размеры которого не менее размеров большего сечения обрабатываемого материала, СВЧ-излучатель размещают со стороны обрабатываемого материала, а получения минимального или нулевого значения интенсивности отраженного от материала излучения добиваются подбором толщины слоя материала и регулированием расстояния между отражателем и обрабатываемым материалом.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что отражатель электромагнитных волн размещают параллельно обрабатываемому материалу, а получения минимального или нулевого значения интенсивности отраженного от материала излучения добиваются путем подбора амплитуды и фазы электромагнитной волны, прошедшей слой обрабатываемого диэлектрического вещества и возвращенной в него отражателем электромагнитных волн, за счет подбора толщины обрабатываемого слоя и расстояния между этим слоем и отражателем, таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения «новизна».

Известны технические решения, в которых использование отражателя СВЧ-энергии, например, RU, патент 2251060, кл. F26B 3/347, 2005 «Шахтная зерновая сушилка», в котором для отражения СВЧ-волн используется плоский отражатель, который образует внутреннюю поверхность зоны обработки материала, однако при указанной конструкции невозможно добиться минимальной или нулевой интенсивности отраженного электромагнитного излучения за счет подбора толщины обрабатываемого слоя материала и подбора расстояния между отражателем и слоем материала. Полученный результат неочевиден для специалиста. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию «изобретательский уровень».

Экспериментальная проверка заявляемого способа осуществлена на установке, схема которой представлена на чертеже, где представлены обозначения: 1 - СВЧ-генератор, 2 - волновод, 3 - металлическая камера, 4 - слой обрабатываемого диэлектрического материала, 5 - отражатель электромагнитных волн, например, в виде металлической пластины.

Согласно изобретению способ СВЧ-обработки диэлектрических материалов состоит в том, что перед облучением материала в камере параллельно слою материала размещают отражатель электромагнитных волн, размеры которого не менее размеров большего сечения обрабатываемого материала. Это необходимо для того, чтобы отразить волны, прошедшие через весь слой обрабатываемого материала. Благодаря использованию отражателя становится возможным выполнить более равномерное распределение температуры как по толщине, так и по длине обрабатываемого материала, что обеспечивает возможность поглощения электромагнитной энергии СВЧ-генератора всем слоем материала, тем самым исключая необходимость использования дополнительных устройств поглощения «избыточной» энергии, и за счет этого не только снизить энергоемкость, но и упростить конструкцию. СВЧ-излучатель размещают со стороны диэлектрического материала. Материал помещают в металлическую камеру, например, насыпая на радиопрозрачную ленту песок. Облучают СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно поверхности материала. Подбирают толщину обрабатываемого слоя вещества h, для данного диэлектрического материала - песка она равна 0,29 м, и расстояние от нижней границы этого слоя материала до отражающего экрана, в данном случае оно равно нулю, такие, чтобы обеспечить максимальное поглощение электромагнитных волн в обрабатываемом слое диэлектрического материала, следовательно, снижается энергоемкость использования СВЧ-энергии. Для данного диэлектрического материала поглощается 95% мощности падающей волны.

Для каждого из обрабатываемых в СВЧ-установках диэлектрических материалов существует оптимальная, с точки зрения максимума поглощения электромагнитных волн, толщина обрабатываемого слоя и расстояние от него до отражателя.