Устройство для термообработки плоских диэлектрических материалов

 

Использование: ВЧ- и СВЧ-техника, в частности устройства микроволнового нагрева, термообработка пищевых продуктов, в частности изделий из теста. Сущность изобретения: между электродами в виде плоской замедляющей системы и обрабатываемым диэлектрическим материалом располагают диэлектрическую прокладку, относительная диэлектрическая проницаемость которой определяется параметрами нагреваемого объекта. Устройство обеспечивает равномерность нагрева объекта по его поперечному сечению и согласование устройства с нагрузкой и генератором. 3 ил.

Изобретение относится к области ВЧ- и СВЧ-техники, в частности к устройствам микроволнового нагрева, и может быть использовано для термообработки пищевых продуктов, например изделий из теста.

Известна СВЧ-камера для термообработки диэлектрических материалов, содержащая два электрода в виде меандр-линий, сдвинутых друг относительно друга в продольном направлении на полпериода [1] Недостатком известного устройства является необходимость размещения обрабатываемого объекта между меандр-линиями, что затрудняет ее использование в целом ряде случаев, например, при выпечке изделий из теста.

Наиболее близкой к предлагаемой является СВЧ-печь "Электроника-500", содержащая электрод в виде радиальной гребенки и металлическую крышку (экран), между которыми размещается нагреваемый объект [2] Недостатком СВЧ-печи является неравномерность нагрева объекта по поперечному сечению из-за экспоненциального спада электрического поля в направлении от поверхности радиальной гребенки.

Цель изобретения создание устройства для термообработки плоских диэлектрических материалов, обеспечивающего равномерный по поперечному сечению нагрев объекта и позволяющего благодаря своей конструкции добиться необходимого согласования устройства с нагрузкой и генератором.

Устройство для термообработки плоских диэлектрических материалов состоит из электрода в виде плоской замедляющей системы и металлического экрана, соединенных с выходом ВЧ- или СВЧ-генератора. Между замедляющей системой и диэлектрическим материалом, подлежащим обработке, расположена диэлектрическая прокладка с относительной диэлектрической проницаемостью, равной (0,2-0,6) относительной диэлектрической проницае- мости обрабатываемого материала, толщина которого не должна превышать 0,05nλ, где n коэффициент замедления замедляющей системы; λ длина волны термообработки.

На фиг.1 показана схема обобщенной модели плоской замедляющей системы в виде бесконечно тонкой импедансной поверхности единичной ширины с расположенным под ней на расстоянии d идеально-проводящим экраном. Сверху от замедляющей системы на расстоянии b установлена диэлектрическая пластина толщиной Р. Располагают начало координат Х, Y, Z на нижней границе пластины, направив ось Z в направлении распространения волны, а ось Х вверх перпендикулярно граничным поверхностям. Нумеруют все области рассматриваемой системы, начиная от области между импедансной поверхностью и экраном, используя в дальнейшем номера областей в качестве индексов при соответствующих величинах. Магнитные проницаемости сред во всех областях полагают равными магнитной проницаемости вакуума μ_o. Диэлектрические проницаемости сред в первой и четвертой областях также полагают равными диэлектрической проницаемости вакуума ε_o. Относительные значения диэлектрических проницаемостей сред во второй и третьей областях обозначают соответственно ε₂ и ε₃. Все составляющие электромагнитного поля распространяющейся в замедляющей системе волны зависят от времени t и продольной координаты Z как ехр(j ω t j β Z), где ω угловая частота, β- фазовая постоянная.

Полагая зависимость составляющих поля от поперечной координаты Y незначительной, рассматривают волну в виде суммы волн электрического типа с составляющими Е_z, E_x, H_y и магнитного типа с составляющими H_z, H_x, E_y. Так как в представляющих практический интерес случаях достаточно большого замедления поперечная составляющая электрического поля Е_унезначительна, то взаимодействием волны магнитного типа с диэлектрической пластиной будут пренебрегать.

Решая волновые уравнения относительно продольных составляющих электрического поля во всех четырех областях, пользуясь уравнениями Максвелла и применяя граничные условия на поверхностях, разделяющих области, находят: E_z1=E₁[ch(x+b) τ+ cthd τ˙ sh(x+b) τ] (1) E= Esh(x+b)τ+cthdτ·ch(χ+b) E= Echχτ₂- Dsh (2) E= Eshχτ₂- Dch E_z3=E₂[chχτ₃-Dshχτ₃] (3) E= E₂[shχτ₃-Dchχτ₃]
E_z4=E₂[chpτ₃-Dshpτ₃]e^-(x-p)τ;
(4)
E= E₂[chpτ₃-Dchpτ₃]e^-(x-p)τ где τ, τ₂ и τ₃ поперечные постоянные соответственно в первой, четвертой, второй и третьей областях, связанные с фазовой постоянной β и волновым числом вакуума К соотношениями:
β²= τ²+K²= τ₂²+K²ε₂= τ₃²+K²ε₃;K²=ω²ε_oμ_o, (5) Е₁ и Е₂ значения продольных составляющих электрического поля соответственно на поверхности импедансного проводника замедляющей системы и на нижней поверхности пластины, связанные друг с другом соотношением
E₁=Echbτ₂+ Dshb;
(6) где D постоянная интегрирования, определяемая выражением
D
(7)
На фиг. 2 пунктирными линиями показаны зависимости постоянной интегрирования D от нормированной толщины пластины р τ₃ при соотношениях ε₂τ₃/ε₃τ₂, равных 0,01, 0,1 и 0,2 (соответственно кривые 1, 2, 3). Здесь же сплошными кривыми показаны зависимости отношений квадратов модулей продольных составляющих электрического поля на верхней и нижней границах пластины от величины р τ₃ при разных указанных ранее значениях ε₂τ₃/ε₃τ₂ (соответственно кривые 1', 2', 3'). Кривая 4 показывает это отношение при экспоненциальном распределении поля по толщине пластины.

В рассматриваемом диапазоне значений ε₂τ₃/ε₃τ₂ отношениеE_х3|²/|E_z3|² не превышает 0,04 и определяемую составляющей Е_x3 энергию можно не учитывать.

Из фиг. 2 следует, что при относительно небольших толщинах пластины, когда р τ₃≅ 0,3, уменьшение плотности энергии электрического поля внутри пластины не превышает 10-20% что вполне допустимо при практической реализации технологических процессов термообработки. При длине излучателя l, равной половине длины замедленной волны, толщина пластины Р не должна превышать 0,1l.

Обеспечив достаточно равномерное распределение энергии электрического поля волны по поперечному сечению диэлектрической пластины, находят условия, при которых доля этой энергии по сравнению со всей запасенной волной энергией максимальна. Вводят с этой целью коэффициент взаимодействия [3,4] определяемый следующим выражением:
K_b3=
(8)
Здесь W_1,2,3,4^e энергия электрического поля волны электрического типа, запасенная на отрезке замедляющей системы единичной длины в соответствующей области. При наличии наряду с волной электрического типа волны магнитного типа в знаменателе выражения (8) должно стоять суммарное значение запасенной энергии, в результате чего величина коэффициента взаимодействия уменьшится приблизительно вдвое.

В представляющих практический интерес случаях замедление волны достаточно велико и поперечные постоянные во всех областях равны друг другу и фазовой постоянной β, т.е.

τ₂ ≃ τ₃ ≃ τ ≃ β
(9)
Одним из очевидных условий увеличения К_b3 является уменьшение расстояния b между излучателем и пластиной. Поэтому b τ₂< < 1 и, следовательно, выражения (2) с учетом условия (9) можно упростить
E E1 D
(10)
E -jE₂ D1
Возводя в квадрат модули правых частей выражений (10) и складывая их, получают с точностью до членов первого порядка малости относительно χτ следующее выражение для энергии электрического поля, запасенной на единичной длине в области между излучателем и пластиной:
W^e₂ ≃ E1 + D- 2 b
(11)
Аналогичным образом с помощью (3) определяют энергию, запасенную в третьей области
W^e₃ ≃ (1+D²)sh2pτ-2D(ch2pτ-1)
(12)
Энергию электрического поля в четвертой области находят с помощью выражений (4)
W^e₄ ≃ (chpτ-Dshpτ)²
(13)
Интегрируя от χ d + b до χ b сумму квадратов напряженностей электрического поля, определяемых выражениями (1), получают с учетом соотношения (6) и малости b τ
W^e₁ ≃ 1 + Dbcthdτ
(14)
Выбирая электрическую толщину обрабатываемой пластины рτ и диэлектрическую проницаемость среды, заполняющей вторую область, можно с помощью формулы (8) рассчитать коэффициент взаимодействия, характеризующий эффективность излучателя.

На фиг. 3 приведены зависимости К_b3 от отношения ε₂/ε₃ при р τ= 0,3 и трех значений b τ рассчитанные при ε₂ 20 и dτ0,2. Кривые проходят через максимум при ε₂/ε₃, близком к 0,4. Это позволяет с помощью (11) найти следующее близкое к максимальному выражение для К_b3 в рассматриваемом случае:
K
(15)
Таким образом, по сравнению с прототипом, предлагаемое устройство для термообработки плоских диэлектрических материалов позволяет осуществлять более равномерный по поперечному сечению нагрев диэлектриков определенной толщины благодаря отличию относительных диэлектрических проницаемостей обрабатываемого материала и прилегающей к нему среды.

Формула изобретения

Устройство для термообработки плоских диэлектрических материалов, содержащее электрод в виде плоской замедляющей системы и металлический экран, соединенные с выходом ВЧ или СВЧ генератора, отличающееся тем, что между замедляющей системой и обрабатываемым диэлектрическим материалом располагают диэлектрическую прокладку, относительную диэлектрическую проницаемость которой выбирают равной 0,2 0,6 относительной диэлектрической проницаемости обрабатываемого материала, при этом толщина обрабатываемого материала не должна превышать 0,05nλ, где n коэффициент замедления замедляющей системы, λ длина волны термообработки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3