CN108834247A - 一种工程岩体微波致裂用大功率微波发生器 - Google Patents

Abstract

一种工程岩体微波致裂用大功率微波发生器，包括连续波磁控管、永磁体、波导激励腔、同轴环形器、同轴匹配负载、同轴耦合转换器、波导同轴转换器及输出波导；永磁体固装在连续波磁控管外部用于提供磁场；波导激励腔通过同轴耦合转换器与同轴环形器第一端口相连，连续波磁控管通电后产生微波能依次通过波导激励腔及同轴耦合转换器进入同轴环形器内；输出波导通过波导同轴转换器与同轴环形器第二端口相连，同轴环形器内的微波能量通过波导同轴转换器进入输出波导内，输出波导是微波发生器的微波输出口；同轴匹配负载连接在同轴环形器第三端口，用于吸收同轴环形器隔离的微波反射功率。本发明结构紧凑且体积大幅度缩小，首次满足了实际工程应用。

Description

一种工程岩体微波致裂用大功率微波发生器

技术领域

本发明属于岩土工程及采矿工程技术领域，特别是涉及一种工程岩体微波致裂用大功率微波发生器。

背景技术

微波辅助破岩技术是一种极具潜力的新兴破岩技术，在机械刀具切削岩石前，通过微波预先辐射致裂岩石，降低岩石的单轴压缩、抗拉和点荷载强度等力学特性，解决机械法破碎硬岩时刀具易磨损的问题，即可提高破岩效率，还可降低破岩成本。采用微波辅助致裂技术可对深部岩体进行有效的应力释放，在应力释放孔的基础上增加岩体预裂，这样在围岩内部造成一个破裂带，降低内部岩体应力和能量集中水平，从而有效降低极强岩爆的风险。

目前，传统的微波发生器多为采用单模或多模谐振腔的箱体式结构，微波通过在密闭的腔体内反射，从而使腔体内的岩石完成对微波的吸收，微波的频率为915MHz或2450MHz，微波输出的最高功率约为30kW，该类微波发生器仅适用于室内试验，可以用来研究微波辐射对岩石热物理特性及力学特性的影响，但却无法满足实际工程应用。

虽然30kW的微波功率能够满足小尺寸岩块的致裂需要，但对于实际工程中的工程岩体来说，该微波功率还是过小，当该功率下的微波辐射到工程岩体后，工程岩体的升温速率较低，这将导致工程岩体发生局部熔化，而无法产生所需的致裂效果。

那么能否采用多组小功率叠加方式呢，答案也是否定的，因为多个微波加热器进行叠加加热时，各个微波加热器所辐射出的微波能量还没有被工程岩体吸收时，就会相互耦合或抵消了，最终还是无法实现岩石致裂。

另外，尽管还有一些能够满足大功率输出的微波发生器，但此类微波发生器均属于工业级，微波发生器体积庞大，且均通过电磁铁提供磁场，并采用Y结环形器进行反射功率的隔离，此类微波发生器无法移动到工程现场进行应用，也不具备与破岩机械进行结合的条件。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种工程岩体微波致裂用大功率微波发生器，有效满足了实际工程应用，并且首次在大功率微波发生器中应用了永磁体来提供磁场，同时首次在大功率微波发生器中应用同轴环形器进行反射功率的隔离，使大功率微波发生器的结构更加紧凑，体积大幅度缩小，也进一步具备了与破岩机械进行结合的条件。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种工程岩体微波致裂用大功率微波发生器，包括连续波磁控管、永磁体、波导激励腔、同轴环形器、同轴匹配负载、同轴耦合转换器、波导同轴转换器及输出波导；所述永磁体采用圆环形结构，永磁体固定套装在连续波磁控管外部，用于为连续波磁控管提供磁场；所述连续波磁控管通过导线与电源相连，连续波磁控管的微波发射头位于波导激励腔内，通过连续波磁控管将直流电能转换为微波能，连续波磁控管产生的微波能通过微波发射头进入波导激励腔内，并在波导激励腔内形成导行模；所述同轴环形器上设置有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述波导激励腔通过同轴耦合转换器与同轴环形器的第一端口相连接，所述连续波磁控管产生的微波能依次通过波导激励腔及同轴耦合转换器进入同轴环形器内；所述输出波导通过波导同轴转换器与同轴环形器的第二端口相连接，同轴环形器内的微波能量通过波导同轴转换器进入输出波导内，微波能量由同轴输出模式转换成波导模式；所述输出波导是微波发生器的微波输出口；所述同轴匹配负载连接在同轴环形器的第三端口，同轴匹配负载用于吸收同轴环形器隔离的微波反射功率，用于保护同轴环形器和连续波磁控管。

本发明的有益效果：

本发明的工程岩体微波致裂用大功率微波发生器，有效满足了实际工程应用，并且首次在大功率微波发生器中应用了永磁体来提供磁场，同时首次在大功率微波发生器中应用同轴环形器进行反射功率的隔离，使大功率微波发生器的结构更加紧凑，体积大幅度缩小，也进一步具备了与破岩机械进行结合的条件。

附图说明

图1为本发明的一种工程岩体微波致裂用大功率微波发生器的结构示意图；

图2为本发明的一种工程岩体微波致裂用大功率微波发生器的工作流程图；

图中，1—连续波磁控管，2—永磁体，3—波导激励腔，4—同轴环形器，5—同轴匹配负载，6—同轴耦合转换器，7—波导同轴转换器，8—输出波导。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种工程岩体微波致裂用大功率微波发生器，包括连续波磁控管1、永磁体2、波导激励腔3、同轴环形器4、同轴匹配负载5、同轴耦合转换器6、波导同轴转换器7及输出波导8；所述永磁体2采用圆环形结构，永磁体2固定套装在连续波磁控管1外部，用于为连续波磁控管1提供磁场；所述连续波磁控管1通过导线与电源相连，连续波磁控管1的微波发射头位于波导激励腔3内，通过连续波磁控管1将直流电能转换为微波能，连续波磁控管1产生的微波能通过微波发射头进入波导激励腔3内，并在波导激励腔3内形成导行模；所述同轴环形器4上设置有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述波导激励腔3通过同轴耦合转换器6与同轴环形器4的第一端口相连接，所述连续波磁控管1产生的微波能依次通过波导激励腔3及同轴耦合转换器6进入同轴环形器4内；所述输出波导8通过波导同轴转换器7与同轴环形器4的第二端口相连接，同轴环形器4内的微波能量通过波导同轴转换器7进入输出波导8内，微波能量由同轴输出模式转换成波导模式；所述输出波导8是微波发生器的微波输出口；所述同轴匹配负载5连接在同轴环形器4的第三端口，同轴匹配负载5用于吸收同轴环形器4隔离的微波反射功率，用于保护同轴环形器4和连续波磁控管1。

本发明首次在大功率微波发生器中应用永磁体2来提供磁场，由于永磁体2不需要外围电路就可以直接给连续波磁控管1提供所需要的磁场，保证连续波磁控管1的工作磁场条件，永磁体2还具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁和体积小的特点。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

接通连续波磁控管1的电源，在永磁体2提供的磁场作用下，连续波磁控管1将直流电能转换为微波能，该微波能首先进入波导激励腔3内，并在波导激励腔3内形成导行模，进而通过同轴耦合转换器6进入同轴环形器4内，而进入同轴环形器4内的微波能会通过波导同轴转换器7进入输出波导8内，此过程中微波能量将由同轴输出模式转换成波导模式，最后波导模式下的微波能量直接由输出波导8进行输出，直至传递给终端的微波加热器。

当微波加热器的产生微波反射功率后，该微波反射功率将依次通过输出波导8、波导同轴转换器7及同轴环形器4进入同轴匹配负载5，通过同轴匹配负载5吸收同轴环形器4隔离的微波反射功率，用于保护同轴环形器4和连续波磁控管1。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (1)

1.一种工程岩体微波致裂用大功率微波发生器，其特征在于：包括连续波磁控管、永磁体、波导激励腔、同轴环形器、同轴匹配负载、同轴耦合转换器、波导同轴转换器及输出波导；所述永磁体采用圆环形结构，永磁体固定套装在连续波磁控管外部，用于为连续波磁控管提供磁场；所述连续波磁控管通过导线与电源相连，连续波磁控管的微波发射头位于波导激励腔内，通过连续波磁控管将直流电能转换为微波能，连续波磁控管产生的微波能通过微波发射头进入波导激励腔内，并在波导激励腔内形成导行模；所述同轴环形器上设置有三个端口，分别为第一端口、第二端口和第三端口；所述波导激励腔通过同轴耦合转换器与同轴环形器的第一端口相连接，所述连续波磁控管产生的微波能依次通过波导激励腔及同轴耦合转换器进入同轴环形器内；所述输出波导通过波导同轴转换器与同轴环形器的第二端口相连接，同轴环形器的微波能量通过波导同轴转换器进入输出波导内，微波能量由同轴输出模式转换成波导模式；所述输出波导是微波发生器的微波输出口；所述同轴匹配负载连接在同轴环形器的第三端口，同轴匹配负载用于吸收同轴环形器隔离的微波反射功率，用于保护同轴环形器和连续波磁控管。