CN111155997B - 一种基于点聚焦透镜天线的工业微波辅助破岩装置 - Google Patents
一种基于点聚焦透镜天线的工业微波辅助破岩装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111155997B CN111155997B CN202010035560.6A CN202010035560A CN111155997B CN 111155997 B CN111155997 B CN 111155997B CN 202010035560 A CN202010035560 A CN 202010035560A CN 111155997 B CN111155997 B CN 111155997B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- microwave
- point focusing
- lens antenna
- focusing lens
- power supply
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21C—MINING OR QUARRYING
- E21C37/00—Other methods or devices for dislodging with or without loading
- E21C37/18—Other methods or devices for dislodging with or without loading by electricity
-
- E—FIXED CONSTRUCTIONS
- E21—EARTH DRILLING; MINING
- E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
- E21B7/00—Special methods or apparatus for drilling
Abstract
本发明涉及一种岩石破碎技术，属于利用点聚焦透镜天线聚焦大功率工业微波进行岩石辅助破碎的技术领域。本发明的装置包括高压电源、微波发生器、环形器、自动或手动阻抗调谐器、矩圆转换波导（TE10模‑TE11模）、点聚焦介质透镜天线、透镜支架，可移动升降平台及水负载等。微波电源与微波发生器、环形器、调谐器、矩圆波导和点聚焦透镜天线依次通过电缆、矩形波导法兰和圆形波导法兰相连，除了微波电源，以上各装置皆至于可升降移动平台上。本发明的装置通过聚焦微波，能实现微波一定距离内的聚焦，提高微波功率密度，以提高微波辅助破岩的能量效率和时间效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石破碎技术,特别涉及一种基于点聚焦透镜天线的工业微波辅助破岩装置。
背景技术
在岩石开挖和隧道掘进等领域，完整性良好、强度极高、磨损性较大的岩石的破碎是亟待解决的技术难题。常规破岩机具，如全断面隧道掘进机（TBM）和悬壁掘进机（roadheader），在可挖性较低的岩石中施工时，经常会出现刀具磨损急剧增加、掘进速率严重下降、工程工期和成本大幅增加的情况。新型辅助或独立破岩方法的研发迫在眉睫。目前已经被探索的新型破岩方法包括但不限于高压水射流、激光、等离子束、高压/高频电流、微波等。这些方法普遍存在的问题是实验室技术上可行，但是现场工程应用中设备适应性差，且能源成本很高。
已有的研究表明，工业微波在特定的功率密度下可以有效的弱化和破碎常见极硬岩。其原理是微波快速且有选择性的加热造岩矿物，从而在矿物颗粒间产生使岩石破坏的温度应力。然而，在实际的工程应用中（如隧道掘进机），现有的工业微波系统无法实现微波能量在掌子面/工作面上的聚焦（即掌子面的微波功率密度较低），要使岩石产生预期的强度衰减（岩石中产生足够的裂纹），如不采用特殊的微波天线，通常需要较高的微波功率和/或较长的微波照射时间。提高微波功率会导致微波设备成本及能源成本大幅增加，而长时间微波照射是现场施工中所需要避免的。这是阻碍微波辅助/独立破碎极硬岩实现大规模工业应用的根本原因，因此需要研发微波微波聚焦装置，以提高功率密度实现高效破岩。
已公开的发明专利（专利号：US3443051A, US3601448A, US5635143A,US4571473A）提出了利用微波破碎混凝土、岩石、冻土及其他材料的设想。然而，这些设计中，微波波导/同轴线末端需要与被处理材料紧密接触或插入被处理材料，以最大程度的利用微波能量破碎材料。这种结构形式适用于二次破碎大体积岩块或静力拆除混凝土的情况。对于隧道开挖过程中，微波设备的矩形波导和圆波导直接与掌子面接触时，波导末端很难与掌子面有效贴合，微波功率在出口大量耗散，导致掌子面的微波功率密度的降低；而将波导或同轴线电缆插入岩石中在工程现场也有很大的难度。
已公开的美国发明专利（专利号：US5003144A）首次提出了在机械开挖硬岩之前，利用微波进行岩石预处理以弱化岩石的概念性构想。然而该专利没有细化微波系统的设计，也没有详细阐述微波聚焦装置的原理，因此该构想至今没有得到实验室验证及现场应用。
已公开的美国发明专利（专利号：US3430021A）提出用开槽的金属板封堵矩形波导端部使微波只能从开槽处向外辐射，从而提高功率密度。这种设计相对于完全开放的波导，在一定程度上可以提高功率密度。然而，强制改变波导截面的后果是微波功率在截面处的大量反射，最终导致能源效率的下降。
已公开的中国发明专利（专利号：CN102508242B）创造性的提出了利用弯月形透镜、偏焦聚焦透镜和调焦板组成的透镜组合来聚焦来自喇叭天线的微波。偏焦聚焦天线下端面该锯齿环和锯齿弧以减少透镜厚度，该设备能对电磁波进行偏焦、聚集及焦点移动。然而，该发明的主要问题在于，各透镜之间缺少阻抗匹配装置，可能存在较大的功率反射，且透镜数量相对较多，结构略显复杂。另外，该发明中所使用喇叭天线的功率较低，该设备在较大功率情况下的适用性有待进一步研究。
已公开的中国发明专利（专利号：CN107035316A）提出通过利用变截面的阻抗匹配段来连接标准矩形波导和压缩段波导，从而实现微波功率在压缩段波导出口处的聚焦。此发明的局限在于，此变截面波导很难实现波导的匹配，该变截面处将会产生很大的反射；同时，矩形波导出口附近很近的距离（约1cm）将产生很大的能量耗散，在波导无法与岩石面近距离接触时，难以实现在掌子面聚焦微波功率的目的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于点聚焦透镜天线的工业微波辅助破岩装，在相对较低的微波功率下提高功率密度，以提高微波破岩的能量效率和时间效率。
为达到上述目的，本发明采用的方法是：一种点聚焦微波辅助破岩装置，主要包括微波电源、微波发生器、环形器、微波阻抗调谐器、模态转换器、点聚焦介质透镜天线、可升降移动平台及水负载；所述的微波电源与微波发生器通过电缆和数据线相连，微波发生器、环形器与微波阻抗调谐器依次通过矩形波导法兰相连；所述环形器为三端口，一端口接微波发生器，一端口接微波调谐器，另一端口接水负载；所述的微波阻抗调谐器通过模态转换器与点聚焦透镜天线连接；点聚焦透镜天线置于透镜支架之上；透镜支架与微波隔离罩焊接；除了微波电源，以上各装置皆至于可升降移动平台上。
作为本发明的一种改进，所述微波发生器的频率为2.45GHz或915MHz，所接矩形波导为BJ22/26或BJ9标准矩形波导。
作为本发明的一种改进，所述的环形器内置微波功率计，可监测微波反射功率。
作为本发明的一种改进，所述调谐器有若干销钉，能手动或自动匹配微波源与负载端的电磁波阻抗。
作为本发明的一种改进，所述模态转换器一侧通过矩形波导法兰连接微波阻抗调谐器，另一侧通过圆形波导法兰与点聚焦透镜天线连接。
作为本发明的一种改进，所述的模态转换器模态转换为TE10-TE11。
作为本发明的一种改进，所述的点聚焦透镜天线的透镜由介电常数较低的材料，如聚四氟乙烯，氧化铝等加工而成；
作为本发明的一种改进，所述的点聚焦透镜天线的透镜材料的纯度在99.99%以上，且不含高损耗杂质。
作为本发明的一种改进，所述的水介质采用去离子水。
有益效果：
本发明的一种工业微波聚焦的设备，通过点聚焦介质透镜天线实现一定距离外的微波功率的高效点聚焦，将有效的提高微波功率密度，用于硬岩的辅助破碎。
附图说明
图1 点聚焦介质透镜岩石致裂样机示意图；
图2 点聚焦介质透镜示意图；
图3 点聚焦介质透镜聚焦效果示意图；
图中各部件为：1 微波电源、2 微波发生器、3 环形器、4 微波阻抗调谐器、5 微波模态转换器、6 点聚焦介质透镜天线、7 微波隔离罩、8 可升降移动平台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。
实施例1：
如图1所示，该装置主要包括微波电源1、微波发生器2、环形器3、微波阻抗调谐器4、模态转换器5、点聚焦介质透镜天线6、可升降移动平台8及水负载等。微波电源1与微波发生器2通过电缆和数据线相连，微波发生器2、环形器3与微波阻抗调谐器4依次通过标准矩形波导法兰相连。所述环形器3为三端口，一端口接微波发生器2，一端口接微波调谐器4，另一端口接水负载。
所述的微波阻抗调谐器4通过模态转换器5与点聚焦透镜天线6连接；点聚焦透镜天线6置于透镜支架之上；透镜支架与微波隔离罩7焊接；除了微波电源，以上各装置皆至于可升降移动平台8上。
该系统中各部件的构成及功能简介如下：
微波电源1和微波发生器2是产生微波和控制微波参数的装置。微波电源1的功能是将工作电压由民用普通三相交流电压提高到10kV左右的直流电压，从而驱动微波发生器产生特定频率的电磁波。当额定功率较低时（1.5kW以下），微波电源1和微波发生器2可以集成在一起。否则，需用电缆连接微波电源和微波发生器。本实施例中，选用高功率微波发生器，同时微波电源1应能控制输出微波功率和量测反射微波功率；微波的模态采用TE10模式；作产生的微波频率为2.45GHz和915MHz，微波电源1应能实现远程控制。
环形器3通过标准矩形波导法兰与微波发生器相连，主要作为隔离器使用，以保护微波发生器免受负载端反射回来的微波的影响；反射回来的微波功率由内置的微波功率计测量并被水负载吸收。
微波阻抗调谐器4通过标准矩形波导法兰与环形器相连，主要功能是实现微波源与岩石负载的阻抗匹配，从而达到最大的微波功率传输效率，可以选择自动、手动销钉式调谐器；作为优选方案，应选择自动阻抗调谐器。
微波模态转换器5主要实现矩形波导至圆波导主模之间的模态转换，应合理设计转换器的长度和截面，以实现阻抗的良好匹配，本实施例中矩圆过渡波导的模态转换应为TE10-TE11; TE11模态的作用是将微波能量集中在圆波导截面的中心位置，以实现之后的点聚焦。
点聚焦介质透镜天线6的功能是实现微波能量在一定距离的点聚焦，焦距和焦斑大小可以通过改变介质透镜的曲率来调整；本实施例中透镜材料应优先选择高纯低损耗材料，如聚四氟乙烯等。
可升降移动平台的作用是水平和竖直方向移动以上微波辅助破岩装置，以控制不同的微波照射位置；
水负载的作用为冷却微波电源和微波发生器，吸收未被岩石吸收的微波能量，以保护微波电源、微波发生器等；本实施例中，选择去离子水，以使微波电源和发生器免于锈蚀的影响。
图2显示了一个点聚焦介质透镜天线的示意图，图3为点聚焦介质透镜聚焦效果示意图，可以发现该介质透镜天线能够在一定距离有效聚焦微波功率。
Claims (1)
1.一种基于点聚焦透镜天线的工业微波辅助破岩装置，其特征在于：主要包括微波电源（1）、微波发生器（2）、环形器（3）、微波阻抗调谐器（4）、模态转换器（5）、点聚焦透镜天线（6）、可升降移动平台（8）及水负载；所述的微波电源（1）与微波发生器（2）通过电缆和数据线相连，微波发生器（2）、环形器（3）与微波阻抗调谐器（4）依次通过矩形波导法兰相连；所述环形器（3）为三端口，一端口接微波发生器（2），一端口接微波阻抗 调谐器（4），另一端口接水负载；所述的微波阻抗调谐器（4）通过模态转换器（5）与点聚焦透镜天线（6）连接；点聚焦透镜天线（6）置于透镜支架之上；透镜支架与微波隔离罩（7）焊接；除了微波电源，以上各装置皆至于可升降移动平台（8）上；所述模态转换器（5）一侧通过矩形波导法兰连接微波阻抗调谐器（4），另一侧通过圆形波导法兰与点聚焦透镜天线（6）连接；所述调谐器（4）有若干销钉，能手动或自动匹配微波源与负载端的电磁波阻抗；
所述微波发生器的频率为2.45GHz或915MHz，所接矩形波导为BJ22/26或BJ9标准矩形波导；所述的环形器（3）内置微波功率计，可监测微波反射功率；所述的模态转换器（5）模态转换为TE10-TE11；所述的点聚焦透镜天线（6）的透镜由介电常数较低的材料，包括聚四氟乙烯，氧化铝；所述的点聚焦透镜天线（6）的透镜材料的纯度在99.99%以上，且不含高损耗杂质；水介质采用去离子水。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010035560.6A CN111155997B (zh) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 一种基于点聚焦透镜天线的工业微波辅助破岩装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010035560.6A CN111155997B (zh) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 一种基于点聚焦透镜天线的工业微波辅助破岩装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111155997A CN111155997A (zh) | 2020-05-15 |
| CN111155997B true CN111155997B (zh) | 2022-01-21 |
Family
ID=70562838
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010035560.6A Active CN111155997B (zh) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 一种基于点聚焦透镜天线的工业微波辅助破岩装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111155997B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112081409A (zh) * | 2020-09-21 | 2020-12-15 | 东南大学 | 一种基于微波致裂混凝土技术的地下连续墙拆除设备和方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202876111U (zh) * | 2012-11-02 | 2013-04-17 | 徐州市诺万医疗设备有限公司 | 一种大口径系列自会聚组织透镜聚焦辐射器 |
| CN104563883A (zh) * | 2013-10-28 | 2015-04-29 | 中国石油化工集团公司 | 微波辅助破岩钻头、导电钻杆以及微波辅助破岩装置 |
| CN106979016A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-07-25 | 东北大学 | 一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘 |
| CN107035316A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-08-11 | 东北大学 | 一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器 |
| CN108678761A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-10-19 | 东北大学 | 一种基于真三轴加载的岩石微波致裂试验装置 |
| CN110430631A (zh) * | 2019-08-09 | 2019-11-08 | 昆山九华电子设备厂 | 一种用于微波加热的同轴cts天线 |
-
2020
- 2020-01-14 CN CN202010035560.6A patent/CN111155997B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202876111U (zh) * | 2012-11-02 | 2013-04-17 | 徐州市诺万医疗设备有限公司 | 一种大口径系列自会聚组织透镜聚焦辐射器 |
| CN104563883A (zh) * | 2013-10-28 | 2015-04-29 | 中国石油化工集团公司 | 微波辅助破岩钻头、导电钻杆以及微波辅助破岩装置 |
| CN106979016A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-07-25 | 东北大学 | 一种微波预裂式硬岩隧道掘进机刀盘 |
| CN107035316A (zh) * | 2017-05-26 | 2017-08-11 | 东北大学 | 一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器 |
| CN108678761A (zh) * | 2018-05-11 | 2018-10-19 | 东北大学 | 一种基于真三轴加载的岩石微波致裂试验装置 |
| CN110430631A (zh) * | 2019-08-09 | 2019-11-08 | 昆山九华电子设备厂 | 一种用于微波加热的同轴cts天线 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111155997A (zh) | 2020-05-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10428654B2 (en) | Cutter head for microwave presplitting type hard-rock tunnel boring machine | |
| CN108463020B (zh) | 一种工程岩体大功率微波孔内致裂装置 | |
| CN111970807A (zh) | 一种基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置 | |
| CN102208315B (zh) | 紧凑型低频段频率可调相对论返波振荡器 | |
| CN100574003C (zh) | 微波谐振腔体 | |
| CN111163545B (zh) | 一种用于硬岩隧道开挖的金属透镜天线微波辐射装置 | |
| CN105944810B (zh) | 一种915 MHz脉冲微波辐照辅助破磨铀矿石的装置及调控方法 | |
| CN111155997B (zh) | 一种基于点聚焦透镜天线的工业微波辅助破岩装置 | |
| CN106653525B (zh) | 基于高次模式工作机制的毫米波段渡越时间振荡器 | |
| CN209845424U (zh) | 一种大功率高效多用途微波等离子体炬 | |
| Benford et al. | Variations on the relativistic magnetron | |
| CN105846016A (zh) | 一种高功率微波te31-te11模式转换器 | |
| England | Electron cyclotron heating experiments in tokamaks and stellarators | |
| CN201114975Y (zh) | 用于电子回旋共振等离子体源的谐振腔体装置 | |
| JP5102874B2 (ja) | 電子ビームコレクタの掃引を制御する方法及び装置 | |
| Jory et al. | 200 kW pulsed and CW gyrotrons at 28 GHz | |
| CN111146546A (zh) | 一种用于致裂岩石的充填介质压缩截面矩形波导 | |
| CN212324445U (zh) | 一种基于滑动弧放电激发微波等离子体的装置 | |
| McWilliams et al. | Coupling to Fast Waves Near the Lower Hybrid Frequency | |
| CN212003169U (zh) | 一种带微波辅助破岩装置的液压破碎锤 | |
| CN114006141B (zh) | 一种长脉冲高功率毫米波三端口功率分配光栅 | |
| Baldi et al. | A 8 GHz, high power, microwave system for the heating of thermonuclear plasmas | |
| Samandi et al. | Plasma assisted microwave sintering and joining of ceramics | |
| Magne et al. | The 110 GHz EC waves experiment on Tore Supra | |
| JP2659962B2 (ja) | 高周波加熱装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |