RU2090985C1

RU2090985C1 - Multipurpose microwave heating chamber

Info

Publication number: RU2090985C1
Application number: RU93007138A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Тюрин
Original assignee: Николай Александрович Тюрин
Priority date: 1993-02-04
Filing date: 1993-02-04
Publication date: 1997-09-20

Abstract

FIELD: microwave engineering; electric heat treatment of miscellaneous insulating materials. SUBSTANCE: microwave chamber has multimode resonators 2, 3 separated by common wall 4 with hole 5 for product conductor 28, 2λ_o to 3λ_o in diameter, where λ_o is wavelength in free space, placed in center of resonators; exciters 11, 12 made in the form of waveguide semi-rings with holes on wide walls to bring in microwave leads of magnetrons 13, 14, 15 are connected to one or two walls 3 or 4; coupling ports 3, 9, 10 in the form of pairs of rectangular holes whose quantity equals that of exciters are arranged for stepless connection of one or two surfaces of waveguide semi-rings to resonator walls abutting against walls having coupling ports; parts of walls provided with opposite coupling ports are bent through radius R equal to height h of coupling walls; top and bottom walls of chamber mount, respectively, loading devices 21 and discharging device 22 made in the form of alternating series-connected cylinder sections 21 and 22 having different diameters d₁ and d₂; sections 23 of larger diameters are filled in annular manner with microwave-transparent material; here,

, where ε is dielectric constant of material; cylinder height is, respectively, l_o/4 and

Description

Изобретение относится к СВЧ-технике электрической термообработки различных диэлектрических материалов и может применяться в различных отраслях промышленности и в сельскохозяйственном производстве. The invention relates to microwave technology for electric heat treatment of various dielectric materials and can be used in various industries and in agricultural production.

Известно модульное СВЧ-устройство для термообработки гранулированных, дробленых и жидких материалов, выполненное в виде набора цилиндрических СВЧ-резонаторов со сквозными отверстиями в центре, соединенных между собой при помощи цилиндрических втулок и образующих сквозной канал, в котором размещен продуктопровод. На периферийных стенках цилиндрических резонаторов содержится по одному окну связи, к каждому из которых присоединяется волновод с генератором. Сверху с продуктопроводом соединено загрузочное устройство, а внизу устройство выгрузки. Known modular microwave device for heat treatment of granular, crushed and liquid materials, made in the form of a set of cylindrical microwave resonators with through holes in the center, interconnected by cylindrical bushings and forming a through channel in which the product pipe is placed. On the peripheral walls of the cylindrical resonators, there is one communication window, each of which is connected to a waveguide with a generator. A loading device is connected to the top of the product pipeline, and an unloading device to the bottom.

К недостаткам этого устройства следует отнести сосредоточенность СВЧ-полей с высокой напряженностью на коротких участках резонаторов; импульсный характер воздействия на материал при его движении в продуктопроводе, что неприемлемо для многих материалов; неравномерный нагрев по глубине канала продуктопровода (по радиусу); невозможность термообработки более крупных материалов или продуктов. The disadvantages of this device include the concentration of microwave fields with high intensity in short sections of the resonators; the pulsed nature of the effect on the material during its movement in the product pipeline, which is unacceptable for many materials; uneven heating along the depth of the channel of the product pipeline (along the radius); the inability to heat treat larger materials or products.

Промышленные предприятия, кооперативы и фермерские хозяйства нуждаются в СВЧ-печах сравнительно большой мощности, повышенной равномерности нагрева, но сравнительно небольших габаритов, например размеров бытовых холодильников, позволяющих осуществлять СВЧ-термобработку различных технических материалов, пищевых продуктов, сельскохозяйственных и дикорастущих плодов и трав. Ближнее зарубежье и ряд восточных стран нуждаются в таких печах для термообработки коконов тутового шелкопряда как в периодическом, так и в непрерывном процессе и в сравнительно небольших количествах, какими обладают (выращивают) отдельные фермерские хозяйства. В высочайшем качестве СВЧ-термообработки фермеры уже не сомневаются. Industrial enterprises, cooperatives and farms need microwave ovens of relatively high power, increased uniformity of heating, but relatively small dimensions, for example, the sizes of household refrigerators that allow microwave heat treatment of various technical materials, food products, agricultural and wild fruits and herbs. The neighboring countries and a number of eastern countries need such furnaces for the heat treatment of silkworm cocoons both in a batch process and in a continuous process and in the relatively small quantities that some farms possess (grow). Farmers no longer doubt the highest quality of microwave heat treatment.

Таким образом, цель данного изобретения создание многоцелевой СВЧ-печи, работоспособной в любых климатических условиях, обладающей высокой надежностью и высоким качеством термообработки самых различных материалов и продуктов. Thus, the purpose of this invention is the creation of a multipurpose microwave oven, operable in any climatic conditions, with high reliability and high quality heat treatment of a wide variety of materials and products.

Цель достигается тем, что многоцелевая камера СВЧ-нагрева состоит из двух многомодовых резонаторных секций, разделенных общей стенкой с отверстием посредине размером от 2λ_o до 3λ_o для продуктопровода. К каждому резонатору присоединены 3 или 4 возбудителя, выполненные в виде волновых полуколец. Каждое полукольцо содержит на середине широкой стенки отверстие для ввода выводов СВЧ-энергии магнетрона, укрепленного непосредственно на волновом полукольце.The goal is achieved in that the multipurpose microwave heating chamber consists of two multimode resonator sections separated by a common wall with an opening in the middle from 2λ _o to 3λ _o in size for the product pipeline. Each resonator is connected to 3 or 4 pathogens, made in the form of wave half rings. Each half-ring contains an opening in the middle of the wide wall for inputting the conclusions of the microwave energy of the magnetron mounted directly on the wave half-ring.

Возбудители (волноводные полукольца) присоединены к такому же количеству пар прямоугольных окон связи (три или четыре), выполненных на одной или двух стенках секций (резонаторов) так, чтобы обеспечивалась возможность бесступенчатого соединения одной или двух внутренних поверхностей возбудителей со стенками резонатора, примыкающими к стенкам с окнами связи. Части стенок резонаторов, расположенные напротив окон связи, выполнены по радиусу R, равному высоте окон h. Pathogens (waveguide half rings) are attached to the same number of pairs of rectangular communication windows (three or four) made on one or two walls of sections (resonators) so that the possibility of stepless connection of one or two internal surfaces of pathogens with resonator walls adjacent to the walls with communication windows. Parts of the walls of the resonators located opposite the communication windows are made along a radius R equal to the height of the windows h.

На верхней стенке камеры нагрева установлено загрузочное устройство, а на нижней устройство выгрузки, выполненные в виде набора отрезков цилиндров разных диаметров. При этом меньшие диаметры равны d₁ ≅ λ_o, а большие равны

, поскольку отрезки цилиндров больших размеров заполнены прозрачным для СВЧ материалом кольцеобразной формы с внутренним диаметром d₁ ≅ λ_o для обеспечения возможности подачи через них обрабатывающего материала, а высота отрезков равна

где λ_o длина волны в свободном пространстве, ε′ диэлектрическая проницаемость материала. Высота наборов отрезков цилиндров равна нечетному числу четвертей длины волны.A loading device is installed on the upper wall of the heating chamber, and an unloading device, made in the form of a set of segments of cylinders of different diameters, is installed on the lower wall. Moreover, smaller diameters are equal to d ₁ ≅ λ _o , and large are equal

since the segments of large cylinders are filled with a ring-shaped material transparent to microwave, with an inner diameter of d ₁ ≅ λ _o to allow the supply of processing material through them, and the height of the segments is

where λ _o is the wavelength in free space, ε ′ is the dielectric constant of the material. The height of the sets of cylinder segments is an odd number of quarters of the wavelength.

Перфорированный продуктопровод размещен между устройствами загрузки и выгрузки, проходит через отверстие разделительной стенки секций и жестко соединен с устройством выгрузки, установленным с возможностью вращения от электропривода. A perforated product pipeline is placed between the loading and unloading devices, passes through the opening of the separation wall of the sections and is rigidly connected to the unloading device, mounted for rotation from an electric drive.

На стенках каждого резонатора выполнены отверстия для ввода подогретого воздуха от вентиляторов охлаждения магнетронов, который затем насыщенный парами от обрабатываемых продуктов (материалов) выводится через решетчатые окна в окружающее пространство. On the walls of each resonator holes are made for introducing heated air from magnetron cooling fans, which is then saturated with vapors from the processed products (materials) is discharged through the lattice windows into the surrounding space.

На фиг.1 изображен общий вид многоцелевой камеры СВЧ-нагрева с вырезами, показывающими размещение элементов и устройств; на фиг.2 показано расположение перфорированного продуктопровода с укрепленными на нем чашеобразными элементами поддержки (столами) термообрабатываемых продуктов; на фиг.3 схематично показано приводное устройство выгрузки; на фиг.4 вид задней стенки с двумя возбудителями (волноводными полукольцами), магнетронами, укрепленными на них, и направлениями воздушных потоков. Figure 1 shows a General view of a multipurpose microwave heating chamber with cutouts showing the placement of elements and devices; figure 2 shows the location of the perforated product pipeline with cup-shaped support elements (tables) of heat-treated products fixed thereon; figure 3 schematically shows a drive device for unloading; figure 4 is a view of the back wall with two pathogens (waveguide half rings), magnetrons mounted on them, and the directions of air flow.

Многоцелевая камера СВЧ-нагрева 1 выполнена из двух многомодовых резонаторных секций 2 и 3, разделенных общей металлической сеткой 4, имеющей в средней части отверстие 5 для продуктопровода размером от 2λ_o до 3λ_o На передней стенке выполнены два круглых окна (по одному на каждую секцию) 6 и 7 для доступа к внутренним объемам секций, закрываемых дверцами (не показаны). Окна могут иметь и другие формы, но круглые проще в изготовлении. На одной или двух стенках секций 2 и 3 выполнены три или четыре пары прямоугольных окон связи 8, 9, 10 и т.д. к которым присоединяется такое же количество возбудителей 11, 12 и т.д. выполненных в виде волноводных полуколец и имеющих в средней части широких стенок отверстие для установки (ввода) в них выводов СВЧ-энергии магнетронов 13, 14, 15 и т.д. Магнетроны укреплены непосредственно на возбудителях.The multipurpose microwave heating chamber 1 is made of two multimode resonator sections 2 and 3, separated by a common metal mesh 4, having in the middle part an opening 5 for a product pipeline from 2λ _o to 3λ _{o in} size _. Two round windows are made on the front wall (one for each section ) 6 and 7 for access to the internal volumes of the sections closed by doors (not shown). Windows may have other shapes, but round ones are easier to manufacture. Three or four pairs of rectangular communication windows 8, 9, 10, etc. are made on one or two walls of sections 2 and 3. to which the same number of pathogens 11, 12, etc. are attached made in the form of waveguide semirings and having a hole in the middle part of the wide walls for installing (input) in them the conclusions of the microwave energy of the magnetrons 13, 14, 15, etc. Magnetrons are mounted directly on pathogens.

Окна связи 8, 9, 10 и т.д. выполнены в виде пар прямоугольных отверстий и размещены с возможностью бесступенчатого соединения одной или двух внутренних поверхностей волноводных полуколец (возбудителей) со стенками резонаторов, например, 16 и 17, примыкающими к окнам связи. Части стенок резонаторов, расположенных напротив окон связи 18, 19, 20, выполнены изогнутыми по радиусу R, равному или несколько большему высоты окон связи h. Communication windows 8, 9, 10, etc. made in the form of pairs of rectangular holes and placed with the possibility of stepless connection of one or two internal surfaces of the waveguide half rings (pathogens) with the walls of the resonators, for example, 16 and 17, adjacent to the communication windows. Parts of the walls of the resonators located opposite the communication windows 18, 19, 20 are made curved along a radius R equal to or slightly greater than the height of the communication windows h.

На верхней стенке камеры нагрева установлено устройство загрузки 21, а на нижней стенке устройство выгрузки 22, выполненные в виде чередующихся последовательно соединенных отрезков цилиндров 22 и 23 с разными внутренними диаметрами d₁ и d₂. Отрезки цилиндров большего диаметра содержат диэлектрическое заполнение кольцеобразной формы с внутренним диаметром равным d₁, как у отрезка цилиндра 22 меньшего диаметра. Диэлектрик прозрачен для СВЧ. При этом

длина волны в свободном пространстве, ε′ диэлектрическая проницаемость материала, заполняющего большой цилиндр.A loading device 21 is installed on the upper wall of the heating chamber, and an unloading device 22 is made on the lower wall, made in the form of alternating series-connected segments of

cylinders

22 and 23 with different internal diameters d ₁ and d ₂ . Segments of cylinders of larger diameter contain dielectric filling of an annular shape with an inner diameter equal to d ₁ , as in a segment of cylinder 22 of smaller diameter. The dielectric is transparent to microwave. Wherein

the wavelength in free space, ε ′ is the dielectric constant of the material filling the large cylinder.

Высота отрезков цилиндров большого диаметра составляет

Общая высота устройств загрузки и выгрузки равна нечетному числу четвертей длин волн, например 5 λ_o/4 или 7 λ_o/4. Устройство выгрузки 22 установлено с возможностью вращения, например, при помощи шестеренчатой пары 25 от электродвигателя 27.The height of the sections of large diameter cylinders is

The total height of the loading and unloading devices is an odd number of quarters of wavelengths, for example 5 λ _o / 4 or 7 λ _o / 4. The discharge device 22 is mounted rotatably, for example, by means of a gear pair 25 from an electric motor 27.

Перфорированный диэлектрический продуктопровод 28 установлен между устройствами загрузки 21 и выгрузки 22, проходит через отверстие 5 в общей стенке резонаторов и жестко соединен с устройством выгрузки, что обеспечивает возможность осевого вращения. Выход обработанного продукта (материала) регулируется заслонкой 30 (фиг.3) либо установкой шнекового механизма. A perforated dielectric product duct 28 is installed between the loading devices 21 and the discharge 22, passes through the hole 5 in the common wall of the resonators and is rigidly connected to the discharge device, which allows axial rotation. The output of the processed product (material) is controlled by a shutter 30 (Fig. 3) or by installing a screw mechanism.

Для термообработки несыпучих мягких и нежных продуктов на продуктопроводе 28 укрепляются несколько (2^oC4) чашеобразных элементов поддержки (столиков) 31 (фиг.2). В этом случае продуктопровод выполняет роль монтажного основания.For heat treatment of non-flowing soft and delicate products on the product pipe 28, several (2 ^° C4) cup-shaped support elements (tables) 31 are strengthened (Fig. 2). In this case, the product pipeline acts as a mounting base.

Магнетроны 14,15 и т.д. охлаждаются при помощи вентиляторов 32 (фиг.4), а нагретый воздух частично или полностью (в зависимости от содержания влаги в обрабатываемом продукте) вводится в резонаторы через отверстия 33. Magnetrons 14.15, etc. cooled by fans 32 (figure 4), and the heated air partially or completely (depending on the moisture content in the processed product) is introduced into the resonators through the holes 33.

Многоцелевая камера СВЧ-нагрева работает следующим образом. Для термообработки сыпучих продуктов и материалов, например коконов тутового (дубового) шелкопряда, ценного зерна, семян или гранул, надо через загрузочное устройство 21 загрузить продуктопровод 28 при закрытой заслонке 30, включить все магнетроны 13, 14, 15 и т.д. и все вентиляторы 32. Затем включить электродвигатель 27 электропривода устройства выгрузки и приоткрыть заслонку 30 настолько, чтобы получить необходимую производительность, зависящую от содержания влаги. При этом в каждой секции 2 и 3 камеры нагрева 1 сформируется свое поле, напряженность которого зависит от добротности резонатора, которая в свою очередь зависит от свойств обрабатываемого продукта, от содержания в нем влаги, а, следовательно, от его поглощающей способности. Для многих продуктов и материалов характерно уменьшение поглощающей способности по мере уменьшения влагосодержания. В этом случае проявляются естественные свойства многомодовых резонаторов, каковыми являются нагревательные секции, увеличение добротности и, следовательно, напряженности E-поля, за счет чего происходит поддержание нужной температуры или даже ее нарастание в продукте. Multipurpose microwave heating chamber operates as follows. For heat treatment of bulk products and materials, for example cocoons of mulberry (oak) silkworm, valuable grain, seeds or granules, it is necessary to load product duct 28 through loading device 21 with closed shutter 30, turn on all magnetrons 13, 14, 15, etc. and all the fans 32. Then, turn on the electric motor 27 of the discharge device and open the shutter 30 so as to obtain the required performance, depending on the moisture content. Moreover, in each section 2 and 3 of the heating chamber 1, its own field is formed, the intensity of which depends on the quality factor of the resonator, which in turn depends on the properties of the processed product, on the moisture content in it, and, therefore, on its absorption capacity. Many products and materials are characterized by a decrease in absorption capacity with decreasing moisture content. In this case, the natural properties of multimode resonators are manifested, such as heating sections, an increase in the quality factor and, consequently, in the E-field strength, due to which the desired temperature is maintained or even increases in the product.

Поскольку каждая секция имеет изогнутые участки стенок 18, 19 и 20, расположенные напротив окон связи 8, 9, 10 и т.д. то исключается прямое отражение СВЧ-энергии обратно к генераторам и обеспечивается согласование. Таким образом, существенно повышается надежность камеры нагрева в целом при сравнительно небольшом скруглении краев стенок. Известно, что многомодовые резонаторные камеры нагрева (в данном случае секции 2 и 3) обладают достаточно высокой равномерностью E-поля. Эта равномерность становится особенно высокой в случае применения нескольких источников СВЧ-энергии и нескольких вводов ее. В данном изобретении применены несколько генераторов в каждой секции, и каждый из них благодаря применению волноводных полуколец-возбудителей имеет два окна связи, в результате получается большое количество вводов, обеспечивающее почти абсолютную равномерность E-поля и очень высокое качество термообработки продукта. Since each section has curved sections of the walls 18, 19 and 20, located opposite the communication windows 8, 9, 10, etc. This eliminates the direct reflection of microwave energy back to the generators and ensures coordination. Thus, the reliability of the heating chamber as a whole is significantly increased with a relatively small rounding of the edges of the walls. It is known that multimode resonator heating chambers (in this case, sections 2 and 3) have a fairly high uniformity of the E-field. This uniformity becomes especially high in the case of using several sources of microwave energy and several inputs of it. In this invention, several generators are used in each section, and each of them, thanks to the use of waveguide half-rings exciters, has two communication windows, resulting in a large number of inputs, providing almost absolute uniformity of the E-field and a very high quality of heat treatment of the product.

Вращение продуктопровода позволяет исключить влияние прямого облучения продукта, а главное обеспечивает равномерность продувки его теплым воздухом, поступающим через перфорированные участки стенок 33 камеры нагрева от радиаторов магнетронов 13, 14, 15 и т.д. при помощи вентиляторов 32 и т.д. Отработанный влажный воздух выбрасывается наружу или в вентиляционный канал под собственным давлением нагнетания или при помощи вспомогательных вытяжных вентиляторов (на чертеже не показаны). The rotation of the product pipeline eliminates the effect of direct irradiation of the product, and most importantly ensures uniform purging of it with warm air entering through the perforated sections of the walls 33 of the heating chamber from the magnetron radiators 13, 14, 15, etc. using fans 32, etc. Exhaust moist air is discharged outside or into the ventilation duct under its own discharge pressure or with the help of auxiliary exhaust fans (not shown in the drawing).

Вводимая СВЧ-мощность регулируется отключением части генераторов или включением дополнительных. The input microwave power is controlled by turning off part of the generators or by turning on additional ones.

При термообработке несыпучих продуктов или таких продуктов, которые могут повреждаться при движении по продуктопроводу, применяются чашеобразные элементы поддержки (столики) обрабатываемого продукта, укрепленные на перфорированном продуктопроводе. При необходимости может быть загружен одновременно и продуктопровод. Столики загружаются через окна 6 и 7. When heat-treating non-bulk products or such products that may be damaged when moving along the product pipeline, cup-shaped support elements (tables) of the processed product are used, mounted on a perforated product pipeline. If necessary, the product pipeline can be loaded at the same time. Tables are loaded through windows 6 and 7.

В случае термообработки небольшого количества продукта может быть задействована лишь одна секция со своими генераторными блоками. При незначительной загрузке одной из секций вторая выполняет роль нагрузки за счет ответвления некоторой части (обычно небольшой) СВЧ-энергии через отверстие 5 в перегородке. При работе окна 6 и 7 закрываются люками (дверцами) с полуволновыми ловушками (на чертеже не показаны). In the case of heat treatment of a small amount of product, only one section can be involved with its generating units. With a slight loading of one of the sections, the second acts as a load due to the branching off of some (usually small) microwave energy through hole 5 in the partition. During operation, windows 6 and 7 are closed by hatches (doors) with half-wave traps (not shown in the drawing).

Устройства загрузки 21 и выгрузки 22 имеют цилиндрические каналы диаметром, примерно равным λ_o (длина волны в свободном пространстве). Чтобы исключить утечку СВЧ-энергии через эти каналы, применены кольцевые четвертьволновые отражатели, заполненные прозрачным для СВЧ диэлектриком. Общая высота чередующихся цилиндрических отрезков равна нечетному числу четвертей длины волны λ_o. Дальнейшее увеличение высоты цилиндрической части не влияет на свойства защиты.The loading device 21 and unloading 22 have cylindrical channels with a diameter of approximately equal to λ _o (wavelength in free space). In order to prevent leakage of microwave energy through these channels, ring quarter-wave reflectors filled with a dielectric transparent to microwave are used. The total height of the alternating cylindrical segments is an odd number of quarters of the wavelength λ _o . A further increase in the height of the cylindrical part does not affect the protection properties.

Экспериментальные исследования многоцелевой камеры СВЧ-нагрева и практика работы многомодовых резонаторных камер позволили получить высокие показатели по всем важнейшим параметрам. Experimental studies of the multipurpose microwave heating chamber and the practice of multimode resonator chambers made it possible to obtain high performance in all the most important parameters.

Claims

1. A multipurpose microwave heating chamber, comprising two multimode resonators, each of which is connected to a corresponding microwave energy input device, consisting of a pathogen connected to a magnetron, a product pipeline made of a dielectric and connected to a loading device and an unloading device, one of the walls of each resonator has a communication window to which the pathogen is connected; in the middle of the other wall of the resonator there is a hole for the product duct installed in the middle of the resonators with the possibility of sequential supply of the processed material from one resonator to another, characterized in that the resonators have a common wall with an opening for the product pipeline, two or three additional microwave energy input devices are introduced, each resonator contains a door, the exciter is made in the form of a waveguide half ring, in the middle of a wide the walls of which the magnetron energy output is introduced, the magnetrons are mounted on pathogens, the product pipeline is perforated and rigidly connected to the discharge device installed with rotation speed from the electric drive, the loading device and the unloading device are located respectively on the upper and lower walls of the heating chamber and are made in the form of alternating series-connected segments of cylinders, magnetrons are equipped with cooling fans, holes for air supply from the cooling fans are made in the walls of each resonator, as well as additional communication windows by the number of input devices for inputting microwave energy, communication windows are made in the form of pairs of rectangular holes and placed with the possibility of stepless connection of one or two internal surfaces of the waveguide half-ring with the cavity walls adjacent to the wall with communication windows, parts of the resonator walls located opposite the communication windows are made curved with a bending radius R ≈ h, where h is the height of the communication window, the diameter of the hole for the product pipeline is not less than 2λ _o and not more than 3λ _o , where λ _o is the wavelength in free space.

2. The microwave heating chamber according to claim 1, characterized in that the alternating segments of the cylinders are made with different diameters d ₁ and d ₂ , while the segments having large diameters are filled with rings transparent to the microwave material in the form of rings with the possibility of supply through them processed material where

and the height of the segments is respectively

where λ _o is the wavelength in free space,
ε is the dielectric constant
the height of the sets of alternating segments of the cylinders of the loading and unloading devices is equal to an odd number of quarters of the wavelength.

3. Microwave heating chamber according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the ends of the stepped cylinders are introduced from above and below into the microwave heating chamber by a value of λ _o / 4 for fastening a rotating perforated dielectric product pipeline.

4. The microwave heating chamber according to claim 1, characterized in that the perforated dielectric product pipeline serves as a support for fastening two to four cup-shaped perforated dielectric support elements for heat-treated products or materials.