Микроволновый резонатор для термообработки материалов, установка для термообработки материалов, способ работы микроволнового резонатора и термообрабатываемое изделие

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот. Многоугольный резонатор с четным числом углов, в котором образуется высшая мода микроволны и таким образом создается большое пространство в полости резонатора характеризуется однородным распределением поля для равномерной термообработки заготовок. Вдоль, по меньшей мере, одной стыковой кромки сегмента боковой поверхности установлена снаружи вводная структурная пара, состоящая, по меньшей мере, из одного расположенного слева и справа от нее прямоугольного полого волновода для подвода микроволны основной моды. Общая часть стенки прямоугольного полого волновода и резонатора содержит расположенную вдоль нее вводную структуру, состоящую из последовательно расположенных проемов в стенке резонатора. Из таких микроволновых резонаторов в виде модулей может собираться технологическая линия, на которой могут проводиться разнообразные термические процессы, такие как нагрев, выдержка при определенной температуре и контролируемое охлаждение. Для точной регулировки равномерности поля вводные структурные пары используются при сохранении заданной мощности излучения в резонатор и встречных отклонениях по излучению отдельной мощности. Техническим результатом является термическая обработка заготовок в течение короткого времени при низком расходе энергии, что более экономично, чем при использовании традиционных автоклавов. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 11 ил.

 

Изобретение относится к микроволновому резонатору, созданной на его основе модульной установке/технологической линии, способу и изделиям/заготовкам, термически обрабатываемым микроволной в соответствии с этим способом.

Известна и широко распространена практика разогревания пищи с помощью микроволны. Введенное в полость резонатора электромагнитное поле немедленно претерпевает в нем стационарное распределение, которое определяется частотой микроволны, эквивалентной длине волны, и геометрией этой полости. Используемая для бытовых целей микроволна имеет частоту 2,45 ГГц и, следовательно, длину λ около 12 см в воздушном пространстве или вакууме. Поэтому геометрическая форма бытовых микроволновых приборов представляет собой простую кубическую форму с указанными размерами.

Согласно опыту разогревание пищи в полости резонатора происходит неравномерно. Это зависит от неодинакового влагосодержания в отдельных частях пищевого продукта и, следовательно, от наличия разной локальной дипольной плотности, но совершенно существенно - от распределения электромагнитного поля в резонаторе и, следовательно, от возбуждения диполей возбуждающим электромагнитным полем. При нагревании однородных веществ/материалов существенное значение для равномерного нагрева по всей толще вещества/материала имеет распределение поля. Грубым, в то же время эффективным вспомогательным средством для предупреждения от крупных до более крупных пространственных изменений поля является наличие подвижной поверхности в полости резонатора, от которой отражается подающее на нее микроволновое излучение соответствующих диапазонов, в результате чего колебания напряженности поля не локализуются и тем самым исключаются. В этом случае обрабатываемый продукт находится внутри резонатора в состоянии покоя. Другая или дополнительная мера заключается в приведении в движение обрабатываемого продукта, например, размещением его на вращающейся тарелке или совершающем возвратно-поступательные движения столе.

В промышленной практике обработки материалов при нагреве обрабатываемого материала микроволной принципиальное значение имеет тот факт, чтобы электромагнитное поле по возможности незначительно изменялось во всем пространстве резонатора или в его по возможности большой центральной части, т.е. чтобы оно приближалось к идеальному пространственному равномерному распределению для предупреждения локальных перегревов, образования горячих пятен (hotspots).

В DE 19633245 описан резонатор многоугольной формы, в который излучение вводится с торцевой стороны эксцентрично по наклонной оси. В частности, при шестиугольном сечении резонатора поле распределяется таким образом, что, по меньшей мере, в центре резонатора создается часть пространства, в котором однородность поля пригодна для применения. Хотя во всем внутреннем пространстве резонатора при введении микроволны и присутствует электромагнитное поле, однако центральное рабочее пространство с однородным полем или, по меньшей мере, с его допустимым изменением является относительно малым. Такой резонатор с присущим ему типом ввода может использоваться только отдельно и не пригоден в качестве модуля для установки.

В основу изобретения положена задача создания резонатора для вводимой в него микроволны, в котором смесь многочисленных мод образуется таким образом, что в полости резонатора может создаваться по возможности большое рабочее пространство вокруг продольной оси резонатора для термической обработки при условии, что средняя напряженность поля смеси мод наступает после его идеального равномерного распределения в этой полости. Такой резонатор должен обладать способностью применения в качестве модуля, т.е. путем рядного расположения таких резонаторов должна создаваться технологическая линия для термической обработки заготовок.

Кроме того, резонаторы должны обладать такой способностью работы в микроволновом диапазоне, чтобы при задаваемой частоте образуемые моды при вводе микроволны в резонатор локально колебались или пространственно вращались и мигрировали.

В промышленном масштабе с помощью такого резонатора должна обеспечиваться термическая обработка пригодных для этого материалов/изделий посредством микроволнового воздействия, вызывающего объемный нагрев при большой экономии времени и энергии, в частности равномерное отверждение пропитанных смолой композиционных материалов, угольного пластика и/или стеклопластика для придания высокой устойчивости формы и механической предельно допускаемой нагрузки, а также клееных изделий и структур с покрытием из эпоксидной смолы.

Указанная задача решается с помощью микроволнового резонатора, признаки которого приведены в п.1 формулы изобретения.

Микроволновый резонатор для термообработки материалов имеет в принципе известную из DE 19633245 форму с выпуклым многоугольным сечением. Это сечение является правильным. Однако в результате умозаключений и построенных на них расчетов было установлено, что многоугольная форма с четным числом углов и, по меньшей мере, шестиугольная форма сечения являются оптимальными для образования по возможности однородного поля при вводе микроволны в большой центральной области полости резонатора. Полость резонатора является простой и не круглой. Наряду с двумя торцевыми стенками он содержит ровные одинаковые сегменты боковой поверхности и, следовательно, обладает правильным сечением. В зависимости от длины λ вводимой в резонатор микроволны последний обладает такими размерами, что может образовываться электромагнитное поле с высшими модами.

Режим высших мод имеется в виду в том случае, когда диаметр D резонатора существенно превышает длину волны λ, приблизительно, по меньшей мере, в пять раз, предпочтительно в 10 раз или более, при условии, что это возможно конструктивно, в результате чего согласно условию

между числами мод l, m и n, длиной волны λ и диаметром D резонатора существует значительное множество мод (l, m, n), которые являются возбудимыми, накладываются и таким образом приводят к образованию режима высших мод.

Однородность или, по меньшей мере, незначительное пространственное колебание напряженности электромагнитного поля в большой центральной области полости резонатора достигается в значительной степени с помощью, по меньшей мере, одной структурной пары для ввода микроволны. Вводные структуры выполнены одинаковыми.

В очень крупных аппликаторах такая вводная структурная пара может также состоять из нескольких рядов волноводов, заведенных параллельно по оси. Продольная кромка боковой поверхности постоянно проходит между такой вводной структурной парой, расположенной большей частью по длине резонатора или по продольной кромке боковой поверхности. Таким способом несколько вводных структурных пар расположено по периферии резонатора. В боковой поверхности резонатора может быть размещено не более чем N вводных структурных пар, причем N означает натуральное число и указывает на многоугольную форму.

Каждая вводная структура состоит из продольно расположенных проемов в боковой стенке резонатора, над которой заканчивается проложенный от микроволнового источника прямоугольный полый волновод. Такая вводная структура в сегменте боковой поверхности состоит из серии не накладывающихся, равноотстоящих вводных контуров/отверстий, расположенных попеременно слева и справа от прямой, направляющей прямой, проходящей параллельно соответствующей продольной кромке боковой поверхности. Вводные контуры/отверстия располагаются друг за другом с определенным интервалом, которым обеспечивается постоянный по фазе ввод в резонатор находящейся в прямоугольном полом волноводе микроволны с базовой модой TE₀₁, при этом ширина/размер щелей определяется из условия угла дифракции θ при заданной длине микроволны:

Это приближение действительно для углов θ<5°, для углов <2° достаточен уже первый член разложения в ряд тангенса, а именно:

В зависимости от дальности первого отражения L1 выводимой из вводной структуры микроволны вводные контуры имеют ширину d в соответствии с приведенным выше условием угла дифракции для того, чтобы расширение возникающего фронта волны имело вид достаточно широкого веера и чтобы отражение происходило лишь от двух смежных, противолежащих сегментов боковой поверхности в виде двух пучков разной направленности. В противном случае угол дифракции становится настолько малым, что вводимый в резонатор первичный пучок для предупреждения отражения своей плоскостью излучения не попадет на вероятно противолежащую вводную структуру. Образующиеся после первичного отражения разделенные пучки лучей характеризуются направлением вращения в сторону от образующего их волновода/вводной структуры для дополнительного отражения и разделения и, следовательно, связанного с ними шумовым и эластичным рассеиванием без потерь.

При использовании симметричных вводных структурных пар достигается равномерное амплитудное распределение непосредственно в ближнем поле Френеля при вводе через проемы в резонатор. При этом сохраняется дополнительное свободное распространение волн с сопровождающим его дифракционным расширением. Расширяющийся от вводной структуры фронт волны упруго и многократно отражается плоскими металлическими сегментами внутренней боковой поверхности при сохранении своих свойств и таким образом образующиеся пучки лучей постоянно расширяются. Проемы вводной структуры (структур) расположены в конце волновода на стенке резонатора и выходят при обеспечении постоянства фазы в резонатор. Благодаря этим мерам образуется интервал также между линией, по которой располагаются выводные щели, и продольной осью боковой поверхности. Такой конструктивный интервал, варьируемый в определенных пределах, задается с учетом приведенных выше требований к микроволновой технике.

В зависимых пунктах 2-4 формулы изобретения описаны особые положения и геометрические формы проемов.

Если согласно п.2 формулы изобретения вводные контуры располагаются своей продольной осью параллельно направляющей прямой, то в этом случае благодаря соответствующему вводному контуру достигается максимальный ввод микроволны в резонатор. Если же они расположены перпендикулярно указанной прямой, тогда ввод микроволны является минимальным. Промежуточное положение означает промежуточный, соответственно интенсивный ввод микроволны.

Наряду с геометрическим положением проемов вводных структур вводной структурной пары по отношению друг к другу также важна их геометрическая форма для качества создаваемого в резонаторе электромагнитного поля.

В отношении технологичности наиболее простой формой вводного контура является прямоугольник с шириной d и длиной L=λ/2 основной волны Н₁₀ в прямоугольном полом волноводе (пункт 3 формулы изобретения). При такой геометрии отмечаются обусловленные физикой микроволн потери при излучении наружу/внутрь резонатора, проявляющиеся в форме более интенсивного нагрева, Джоулевого тепла Ri², вызванного токами в поверхностном слое, в частности в угловых зонах вводного контура.

Оптимальный и простой вводный контур описан в п.4 формулы изобретения. Он имеет длину L=λ/2 от длины основной волны и расположен в соответствии с прохождением двух зеркальных между собой линий электрического поля основной моды ТЕ₁₀ в стенке прямоугольного полого волновода, по меньшей мере, приближенно от узла к узлу. В выпучине эти обе линии электрического поля удалены друг от друга на указанную выше ширину d, необходимую для дифракции.

С теоретической точки зрения любой точечный источник излучения состоит из разложения в ряд многополюсных излучателей последовательно возрастающего порядка, в наиболее простом случае - из дипольного излучателя. Отсюда можно вывести сложную форму вводного контура, реально приближенную в дальнем поле такого источника излучения к идеальной форме заданной многополюсной характеристики.

Расположение проемов вводной структуры вводных структурных пар также важно для конфигурации введенного в резонатор поля. В п.5 формулы изобретения раскрыто взаимное расположение. Расположение проемов между собой является равноотстоящим для достижения постоянства отводимых фаз, при этом расстояние между проемами и направляющей прямой выбирается таким, чтобы в отраженном дальнем поле излучение было изотропным.

В зависимом пункте 6 формулы изобретения раскрыто устройство для решения двух задач: во-первых, для улучшения равномерности поля при его не идеальной однородности в рабочем пространстве резонатора вдоль прямой пересечения обеих излучающих плоскостей вводной пары встроен вращающийся смеситель мод, который выступает над кромкой боковой поверхности, по крайней мере, по ее длине и который, во-вторых, смещает за пределы вводной структурной пары центр обоих введенных лепестков излучения, в результате чего ни одна из обеих излучающих плоскостей не приходится на противолежащую вводную структуру. Смеситель мод должен не допускать или почти не допускать обратного отражения, непосредственно поступающего из волновода первичного пучка обратно в этот волновод. Во всяком случае, такое обратное отражение должно быть минимальным. Поэтому он имеет эллиптическое или круглое сечение с последовательным вогнуто-выпуклым контуром, причем в выпуклой части искривление выполнено так, чтобы фокус не приходится на вводную структуру. В результате этого линейная доля падающего микроволнового луча была бы отражена в любом случае и только точечно, если при этом смеситель мод дополнительно имеет продольное кручение.

Другим решением задачи является создание технологической линии согласно признакам п.7 формулы изобретения. По меньшей мере, два микроволновых резонатора по п.5 или 6 формулы изобретения расположены на торцевой стороне друг возле друга в виде модулей таким образом, что через проход между двумя противолежащими торцевыми стенками обрабатываемые изделия могут перемещаться от одного резонатора к другому. Смежное расположение может быть выполнено прямолинейным или угловым или даже в виде меандра, вследствие чего при необходимости во внимание могут быть приняты конструктивные условия/ограничения. С помощью такой технологической линии может непрерывно проводиться термообработка крупной серии заготовок, например нагревание, выдержка при определенной температуре и охлаждение в соответствии с заданным временем или с заданной кривой времени. При непрерывном прохождении заготовок в первом резонаторе технологической линии могло бы проводиться нагревание, во втором - поддержание постоянной температуры в течение заданного интервала времени и в третьем - охлаждение, контролируемое во времени.

При наличии уже одной вводной структурной пары в резонаторе обеспечивается большое центральное рабочее пространство, в котором, по меньшей мере, условия электромагнитного поля распределены практически равномерно, т.е. имеет место равномерное распределение поля. Помещенная в такое рабочее пространство заготовка предварительно подвержена в любой точке воздействию однородных условий поля и в результате этого везде происходит равномерный нагрев. С помощью дополнительных вводных структурных пар резонатора условия поля дополнительно гомогенизируются при вводе микроволны в резонатор, причем в результате этого появляются технические возможности использовать не постоянные во времени факторы воздействия на распределение поля.

Еще одним решением задачи является режим работы или способ применения по п.8 формулы изобретения. Ввод микроволны через вводные структурные пары резонатора выполняется при временном отклонении на текущую или постоянную среднюю величину со встречным смещением. Вследствие этого образующиеся моды локально изменяются в резонаторе или мигрируют между двумя областями от одной к другой, наподобие блуждающей волны, или даже совершают круговое движение в полости резонатора. Таким образом в обрабатываемой заготовке могут происходить точные тепловые выравнивания, т.е. с помощью такого способа действительно достигается равномерный нагрев помещенной в рабочее пространство заготовки или ее выдержка в горячем состоянии. Благодаря этим мерам стали возможными также экстремально высокие скорости нагрева при максимальной температурной равномерности, так как фазные колебания поля характеризуются экстремально малым изменением температуры и тем самым предупреждается образование горячих пятен или даже возможный неконтролируемый тепловой процесс (Thermal runway).

Характер движения мод может задаваться через количество вводных структурных пар резонатора, так как на боковой поверхности резонатора присутствует, по меньшей мере, одна такая пара или пар, не превышающих количество продольных кромок боковой поверхности. Ввод всей электромагнитной мощности в резонатор через имеющиеся N' вводные структурные пары определяется из

N'≤N,

где N - многоугольная форма сечения резонатора и p_i(t) - ввод мощности через вводную структурную пару i. N' и N означают натуральные числа, p(t) - заданная величина, она может быть во времени постоянной или переменной, т.е. возрастать или уменьшаться, p(t) - сумма нескольких слагаемых.

Отсюда следует, что составляющие p_i(t) встроенных и используемых вводных структурных пар могут изменяться только встречно для соблюдения заданной величины. Применительно к использованию резонатора такой вид ввода в резонатор при соблюдении заданной величины общей мощности p(t) называется разверткой моды (Mode-Sweeping).

В п.9 формулы изобретения полностью описано, как задается ввод мощности p_i(t) через вводную структурную пару i и как поэтому в незначительной степени колеблется ввод мощности p_справа(t) и р_слева(t) через обе вводные структуры при встречных отклонениях. Следовательно, имеется дополнительный вид небольшой развертки моды:

P_i(t)=p_справа(t)+p_слева(t)

В результате достигается дополнительная точная настройка для обеспечения равномерной термообработки. HEPHAISTOS обеспечивает полностью комплексную регулировку/управление.

Ввод мощности может осуществляться с регулировкой по ширине импульса или непрерывно путем управления интенсивностью электронного излучения в соответствующем микроволновом источнике, обеспечивающем питание посредством серии прямоугольных полых волноводов на конце полого волновода через соответствующую вводную структуру.

В п.10 формулы изобретения приведены все термообрабатываемые изделия/заготовки и пр., которые получают или форму которых стабилизируют в микроволновом процессоре по п.5 или 6 или на технологической линии по п.7 способом по п.8 и при необходимости дополнительно по п.9. Ими могут быть пропитанные смолой угольные композиционные материалы, пропитанные смолой стекловолокнистые композиционные материалы, термически отверждаемые смолы, а также термообрабатываемые полимеры и керамические материалы.

В отношении обрабатываемых в резонаторе изделий, в частности для равномерного нагрева по всей толще заготовки, важно, чтобы они находились в гомогенной области поля или в области поля с минимальным локальным отклонением. Поэтому в резонаторе предусмотрено наличие стеллажа, установленного неподвижно или с возможностью извлечения для загрузки и последующей установки на место для проведения обработки. Он выполнен из не возмущающего электромагнитное поле термостойкого материала и может даже состоять из металла для применения в рабочем пространстве, т.е. в зоне высокой однородности поля. Объяснением этого является то, что на поверхности находящейся в рабочей пространстве заготовки линии присутствующего в нем электрического поля направлены вертикально или почти вертикально так, что по этой поверхности не протекают или протекают лишь ничтожно малые токи, не оказывающие вредного влияния на процесс.

С помощью устроенного таким образом микроволнового резонатора достигается осесимметричная однородность поля высокого качества за счет наложения многочисленных пучков лучей, распространяющихся наподобие шума в результате многократного отражения. Вследствие этого в полости резонатора образуется центральное, большое полезное рабочее пространство.

Ниже микроволновый резонатор подробнее поясняется чертежами, на которых показано:

фиг.1 - сечение резонатора с вводной структурной парой;

фиг.2 - сечение резонатора с двумя вводными структурными парами;

фиг.3 - сечения смесителя мод в качестве примера;

фиг.4 - вводная структура;

фиг.5 - вводный контур, приведенный в соответствие с основной модой;

фиг.6а - резонатор в автоклаве, поперечное сечение;

фиг.6b - резонатор в автоклаве, продольное сечение;

фиг.7 - развертка моды;

фиг.8 - заданное временное значение протекания процесса;

фиг.9 - металлическое тело с покрытием из отверждаемой смолы.

Для применения микроволновой техники с приемлемыми техническими затратами пригодным является диапазон 10 МГц - 30 ГГц, предпочтительно 900 МГц - 25 ГГц, при этом последний эквивалентен длине волны в воздушной среде/вакууме от около 33 см до 1,2 см. В этой полосе используется много диапазонов частот для самых разнообразных видов связи, вследствие чего могут применяться только международные стандартные средние частоты (ISM) 915 МГц, 2,45 ГГц (микроволны для применения в бытовых целях), 5,85 ГГц и 24,15 ГГц. Поэтому геометрия резонаторов ориентирована на соответствующие длины волн 32,8 см, 12,2 см, 5,1 см и 1,2 см.

Ниже в качестве примера рассматривается призматический резонатор с правильным шестиугольным сечением и основанная на нем технологическая линия. В резонаторе применяется частота 2,45 ГГц. Его размеры выбраны такими, чтобы в полости резонатора возникали рассмотренные выше, необходимые высшие моды при введении микроволн с частотой 2,45 ГГц. Резонатор выполнен из листовой качественной стали. В примере осуществления, вследствие постоянно наблюдаемого/контролируемого нагрева обрабатываемых в данный момент, пропитанных смолой композиционных материалов, доступ в резонатор обеспечивается с обеих торцевых сторон, выполненных в виде запираемых дверей. Нагревание постоянно контролируется на разных участках с помощью тепловых датчиков, не взаимодействующих с электромагнитным переменным полем. Дополнительно с помощью термокамеры проводится при необходимости постоянное слежение за нагревом обрабатываемого изделия. Процесс нагрева: нагрев до заданной температуры и выдержка при постоянной температуре, управляется через электронное устройство нагрева, регулировки и управления, относящееся к системе с внутриведомственным названием HEPHAISTOS (High Electromagnetic Power Heating Autoclave InSet Oven System).

На фиг.2 показано поперечное сечение резонатора с вводной структурной парой, расположенной параллельно левой продольной кромке боковой поверхности. Обе вводные структуры вводной структурной пары состоят из прямоугольного полого волновода, подведенного снаружи к резонатору и закрепленного на его стенке, он располагается почти по всей длине резонатора (см. фиг.4b). На общем участке стены прямоугольного полого волновода и резонатора расположена по средней линии этого участка собственно вводная структура (см. фиг.4а и 4b).

Осевая плоскость излучения каждой вводной структуры располагается здесь перпендикулярно смежному сегменту боковой поверхности. В соответствии с вводной структурой основной лепесток излучения имеет в своем излучении угол раскрытия, такой, при котором первичное отражение попадает на два непосредственно примыкающих друг к другу сегмента боковой поверхности. На фиг.1 это в направлении от сегмента поверхности крышки, противолежащий параллельный сегмент поверхности днища и его примыкающий слева, косо расположенный под углом 60° смежный сегмент боковой поверхности. Микроволновый луч, вводимый в резонатор через расположенную вверху сбоку с наклоном под углом 60° вводную структуру, имеет соответственно одинаковый ход. В любом случае плоскими сегментами боковой поверхности соответствующий расходящийся микроволновый луч расширяется во время отражений, при этом не образуется фокусных участков вдоль резонатора, как это имеет место в резонаторе с круглой стенкой.

Усеченными стрелками на крае луча и на соответствующей первой отражающей поверхности показано первое отражение, изогнутой стрелкой - соответственно отклонение краев первоначально отраженного луча.

Смеситель мод находится на участке пересечения обеих еще не отраженных лепестков основного излучения, он располагается почти по всей свободной внутренней длине резонатора, закреплен, например, на обеих торцевых стенках резонатора и приводится в действие снаружи через ввод на одной из торцевых стенок. При соответствующем электромагнитном экранировании электропривод может располагаться и внутри резонатора. Сечение смесителя мод имеет в данном случае закругленную звездчатую форму, т.е. четыре выпуклых и вогнутых участка контура чередуются между собой. Смеситель мод имеет простую не крученую форму и тем самым удовлетворяет условию, согласно которому в случае необходимости в направлении от продольной линии к нему в течение короткого времени - в зависимости от скорости вращения смесителя мод - плоскость излучения обратно отражается в вводную структуру. В любом случае центральная область обеих лепестков излучения, падающего на смеситель мод, сильно расширяется при отражении от соответствующего участка боковой поверхности.

На фиг.2 изображен резонатор с двумя установленными на его наружной стенке вводными структурными парами. Вторая вводная структурная пара примыкает к свободной продольной кромке общего сегмента боковой поверхности. Ввиду того, что все вводные структурные пары выполнены одинаковыми, то соответствующими являются и ходы лучей. Поскольку все лепестки микроволнового излучения расширяются сами по себе и при дальнейшем ходе лучей отражаются от плоскостей, то происходит немедленное выравнивание электромагнитного поля внутри резонатора. С помощью применяемых теперь обоих смесителей мод относительно высокая плотность непосредственно введенной в резонатор части микроволнового луча, которая приходится на смеситель мод, резко снижается после отражения от него и вследствие особой симметрии шестиугольника происходит упругое отражение, что также способствует равномерной плотности поля. Смеситель мод располагается на прямой пересечения двух плоскостей излучения вводной пары и таким образом дополнительно исключает положение, при котором обе плоскости излучения приходятся на противолежащую вводную структуру.

Таким образом, смеситель мод выполняет свое предназначение, заключающееся в создании однородного поля. На фиг.3 в качестве примера изображены два сечения смесителя мод: одно закругленное в виде звезды и второе в виде замочной скважины. В любом случае вогнутые участки контура при своем расположении не должны иметь такой радиус искривления, чтобы фокальная линия этой части - прямая в вытянутом состоянии, винтовая линия вокруг оси смесителя мод в витом состоянии - не приходилась на вводную структуру, а располагалась дальше за ней. Если смеситель мод имеет только одно выпуклое сечение, например в виде линзы или эллипса, то это требование не действительно.

Предпосылкой для обеспечения пригодных для применения условий электромагнитного поля является, наряду с геометрией резонатора, структура устройства для ввода микроволны. Расчеты показали, а эксперименты подтвердили, что с помощью изображенной на фиг.4 структуры можно обеспечить однородное поле или поле, по меньшей мере, с незначительным допустимым пространственным отклонением. Общая часть стенки установленного на наружной стенке прямоугольного полого волновода и резонатора имеет расположенные по продольной оси, по обе ее стороны, проемы в форме прямоугольных щелей, расположенные в виде правильной последовательности по длине резонатора. Начиная с частоты микроволны, в данном случае с частоты микроволны для бытовых целей v=2,45 ГГц, прямоугольные щели имеют длину L=62,8 мм и ширину d, определяемую условием дифракции

или

Эта размерность вводного контура служит примером и не является обязательной. Щели располагаются последовательно с некоторым интервалом, в результате чего обеспечивается постоянный по фазе ввод в полость резонатора.

На фиг.5 показан простой вводный контур, в котором учтено физическое состояние микроволны. В стенке резонатора, в области, над которой заканчивается прямоугольный полый волновод, выполнены вводные контуры вводной структуры таким образом, что в качестве соответствующего вводного контура применяется основная мода ТЕ₁₀. Контур проходит по двум линиям электрического поля основной моды в стенке прямоугольного полого волновода, которые по отношению к продольной оси вводного контура зеркально расположены друг к другу. Оба узла линий электрического поля располагаются по этой продольной оси, они отстоят друг от друга на расстоянии λ/2 длины основной волны и завершают вводящий контур. Пучность вводного контура имеет ширину d, в которой учтен угол дифракции ввода в резонатор. Именно вдоль этого контура ситуация составляет E_⊥=0. Этот контур имеет простую геометрическую форму и может быть легко вырезан из стенки резонатора с помощью современных металлообрабатывающих станков. В принципе возможны вводящие контуры более сложной формы, основанные на использовании многозвенного, разложенного в ряд источника излучения, однако при использовании в технических целях следует проверять их экономичность.

Случаи применения/встраивания показаны на фигурах 6а и 6b. Изображенная здесь печь круглого сечения представляет собой, например, автоклав, известный из практики обычной термообработки. При соответствующей конструкции в нем можно проводить обработку в условиях пониженного или повышенного давления. Поскольку такой автоклав имеет герметичное запирание и, кроме того, выполнен непроницаемым для электромагнитного поля, то при его применении полностью исключаются радиопомехи. Микроволновый резонатор в комплекте заталкивается в данном случае на полозьях внутрь автоклава. Внутри он закрепляется разъемно или неразъемно в зависимости от процесса в целом. Снабжение энергией и подвод измерительных и регулировочных линий для управления и контроля происходят через технически пригодный для ведения процесса ввод, выполненный в автоклаве, а также при необходимости и в резонаторе. На обеих фигурах: 6а - поперечное сечение, 6b - продольное сечение по оси, изображено очень простое техническое решение, касающееся перемещения на полозьях или по рельсам. При значительном весе резонатора последний оснащен на своей наружной стенке проушинами и/или крюками, с помощью которых он может перемещаться подъемным краном.

На фиг.7 показана развертка моды для наиболее простого случая, когда применяются две вводных структурных пары. Ввод производится через обе пары, в результате чего образуется центральное рабочее пространство, показанное в данном случае в виде сечения. При встречно меняющемся вводе через обе вводные структурные пары, например, выпучина совершает, как это показано обеими, отходящими от вводной структурной пары контурами, возвратно-поступательное или круговое движение. В этом случае вводится заданная мощность

p(t)=p₁(t)+p₂(t).

Дополнительно на фиг.8 приводится в качестве примера заданное время нагрева одной заготовки в резонаторе или многих заготовок в технологической линии. Сначала нагрев ведут по восходящей линии и для этого вводят максимальную микроволновую мощность. Затем в течение заданного временного интервала поддерживают постоянную температуру, т.е. должны быть компенсированы только потери, вызванные излучением заготовки, путем ввода микроволны. Для этого требуется меньше электромагнитной мощности, чем при нагреве. В заключение проводится заданный линейный процесс охлаждения. Потери на излучение полностью более не компенсируются. При этом требуется еще меньше мощности, чем при поддержании постоянной температуры. Характеристика температуры и мощности показана на фиг.8 в виде примера и для демонстрации качества. С помощью известного в технике управления и регулировки технического устройства такие процессы проводятся при компьютерной поддержке (ведомственное название "HEPHAISTOS"). Данные о фактическом состоянии заготовки или заготовок учитываются установленными на заготовке тепловыми датчиками или юстируемой тепловой камерой и обрабатываются на вычислительной машине для регулировки и управления процессом.

Значение равномерного распределения поля в центральном рабочем пространстве резонатора поясняется с помощью фиг.9. Обработка металлических предметов в бытовом микроволновом резонаторе сопряжено с трудностями, поэтому в соответствующих инструкциях по эксплуатации указывается на недопущение их использования в резонаторе. Распределение поля (определяется ?) размерами резонатора при диапазоне длин волн λ≈12 см, при котором бытовой микроволновый прибор не обеспечивает равномерного распределения. Косвенными указаниями на это служат применение вращающихся тарелок в более совершенных приборах и неравномерный нагрев в более простых.

Нанесение покрытий на изделия, например, с целью их защиты от воздействия окружающей среды является часто практикуемой мерой по улучшению свойств. С точки зрения затрат трудность заключается при этом, например, в нанесении на металлический корпус полного или сплошного покрытия из эпоксидной смолы. Эта трудность обусловлена необходимостью отверждения покрытия из смолы. В этом случае и проявляется значение равномерного или практически равномерного распределения поля в центральном рабочем пространстве резонатора. Металлический корпус может быть размещен в нем без риска, так как благодаря такому равномерному распределению поля не образуется формирующая ток компонента в параллельном/касательном к металлической поверхности направлении, нанесенный на металлическую поверхность слой полностью находится в среде этого поля и поэтому в любой точке происходит равномерный нагрев по толще покрытия, а именно объемный нагрев, проистекающий изнутри, а не через поверхность покрытия, как это имеет место при обычном нагреве посредством теплового воздействия в автоклаве или при инфракрасном облучении.

Крупные металлические корпуса, такие, как, например, корпус корабля, могут покрываться отверждаемым слоем эпоксидной смолы, например, в призматическом резонаторе с шестиугольным сечением. Размеры резонатора, в частности его диаметр и длина, лежат в многометровом диапазоне. Резонатор представляет собой корпус из листового металла, в котором вдоль, по меньшей мере, одной из продольных кромок сегмента его наружной поверхности установлена вводная структурная пара. Вводная структурная пара располагается симметрично продольной кромке боковой поверхности и для ввода достаточной микроволновой мощности в резонатор содержит параллельные вводные структуры, в данном случае, например, две. При многометровой размерности с помощью микроволны с частотой 915 МГц, эквивалентной длине волны 31 см, может быть обеспечена в рабочем пространстве достаточная равномерность поля. Стилизованный корпус судна, см. его вид спереди на фиг.9, полностью находится в рабочем пространстве. Отверждение всего равномерно нанесенного на корпус судна слоя смолы протекает без локальных перегревов (hotspots - тепловых пятен), качественно и по времени приблизительно так, как показано на фиг.8.

Доступ в резонатор зависит от проводимого процесса или от расположения резонатора в технологической линии. Поэтому доступ в него возможен, по меньшей мере, со стороны торцевой стенки или, по меньшей мере, сегмента боковой поверхности через дверь или шлюз или посредством демонтажа.

Обработка определенных заготовок с помощью микроволны должна проводиться в условиях более или менее пониженного или повышенного давления. Для того чтобы структура электромагнитного поля в полости резонатора сохранялась заданной, стенка резонатора снаружи усиливается или укрепляется распорками из соответствующего жесткого профильного материала.

Монтаж резонатора также зависит от проводимого процесса, поэтому он может устанавливаться с возможностью разъемного крепления со стороны боковой поверхности и/или торцевой стенки. Для перемещения он устанавливается на салазки или тележку и поэтому на своей наружной стенке содержит крюки или проушины для манипулирования.

1. Микроволновый резонатор для термообработки материалов микроволной, состоящий из резонатора с высшими модами, имеющего выпуклое, многоугольное, по меньшей мере, шестиугольное сечение с четным числом углов, сегменты боковой поверхности и обе торцевые стороны которого выполнены ровными/плоскими, а стыковая продольная кромка двух непосредственно примыкающих друг к другу сегментов боковой поверхности, продольная кромка боковой поверхности расположена параллельно продольной оси резонатора, симметрично расположенной вдоль, по меньшей мере, одной продольной кромки боковой поверхности структурной пары для ввода микроволны, состоящей, по меньшей мере, из двух вводных структур вытянутой формы, причем каждая вводная структура располагается по направляющей прямой параллельно продольной кромке боковой поверхности в стенке резонатора, а направляющая прямая удалена от соответствующей продольной кромки боковой поверхности настолько, что вводимый по ней в резонатор микроволновый луч отражается при первом отражении от двух смежных между собой сегментов боковой поверхности и разлагается на две части, причем над каждой вводной структурой расположен конец проложенного от микроволнового источника прямоугольного полого волновода, подводящего микроволну моды ТЕ₀₁,

вводная структура в сегменте боковой поверхности состоит из серии не накладывающихся, равноотстоящих проемов в стенке резонатора, проемов вводных структур, расположенных попеременно слева и справа от соответствующей направляющей прямой параллельно продольной кромке боковой поверхности,

проемы вводных структур расположены последовательно с интервалом, обеспечивающим постоянный по фазе ввод в резонатор микроволны из прямоугольного полого волновода с базовой модой ТЕ₀₁, и

ширина d проемов определяется приближенно из условия, действительного:

для малых углов дифракции θ при заданной длине микроволны λ tanθ=λ/d и для очень малых углов дифракции θ θ=λ/d.

2. Микроволновый резонатор по п.1, характеризующийся тем, что вводные структуры расположены своей продольной осью параллельно направляющей прямой - при максимальном вводе микроволны или перпендикулярно к ней - при минимальном вводе микроволны или они занимают промежуточное положение.

3. Микроволновый резонатор по п.1, характеризующийся тем, что проемы вводных структур представляют собой прямоугольники с шириной d и максимальной длиной L=λ/2 основной волны Н₁₀ в прямоугольном полом волноводе.

4. Микроволновый резонатор по п.2, характеризующийся тем, что проемы вводных структур располагаются при длине L=λ/2 от длины основной волны, по меньшей мере, приближенно в соответствии с прохождением двух зеркальных между собой линий электрического поля и основной моды TE₀₁ в стенке прямоугольного полого волновода, которые в пучности удалены друг от друга на ширину d.

5. Микроволновый резонатор по одному из пп.2-4, отличающийся тем, что проемы вводных контуров расположены равноотстоящими для обеспечения постоянства отводимых фаз, и расстояние между проемами и направляющей прямой выбрано таким, чтобы в отраженном дальнем поле отражение было изотропным.

6. Микроволновый резонатор по п.5, характеризующийся тем, что вдоль прямой пересечения обеих плоскостей излучения вводной структурной пары встроен смеситель мод, выступающий над кромкой боковой поверхности по ее длине.

7. Установка для термообработки материалов с помощью микроволны, характеризующаяся тем, что, по меньшей мере, два микроволновых резонатора по п.5 или 6 расположены друг за другом на торцевой стороне и многоугольные торцевые стороны микроволнового резонатора снабжены проходом для перемещения обрабатываемых изделий.

8. Способ работы микроволнового резонатора по п.5 или 6 или микроволновых резонаторов установки по п.7, включающий в себя следующие стадии:

ввод мощности p(t) микроволны через вводную структурную пару в резонатор в соответствии с заданной величиной, которая во времени возрастает, сохраняется постоянной или снижается,

причем при необходимости может дополнительно вводиться мощность через вводные структурные пары N′ - при отклонениях

вокруг заданного значения p(t) и при поддержании его постоянным в итоге, со смещением между собой, в результате чего образующиеся стационарные моды локально колеблются в резонаторе синхронно с колебанием в зависимости от количества N′ установленных на боковой поверхности резонатора вводных структурных пар, совершают возвратно-поступательные движения между двумя участками или вращаются в полости резонатора вокруг его продольной оси.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что вводимая мощность через обе вводные структуры вводной структурной пары является равномерной или вводимая мощность через вводную структурную пару колеблется от средней величины мощности, или вводимая мощность через вводную структурную пару при отклонении от средней величины мощности в обеих вводных структурах вводной структурной пары является встречно расстроенной.

10. Термообрабатываемое изделие, конечная форма которому придается в микроволновом резонаторе по п.5 или 6 или на установке по п.7 способом по п.8 или 9.