RU2329618C1 - Лабораторная камера микроволнового нагрева - Google Patents
Лабораторная камера микроволнового нагрева Download PDFInfo
- Publication number
- RU2329618C1 RU2329618C1 RU2007100648/09A RU2007100648A RU2329618C1 RU 2329618 C1 RU2329618 C1 RU 2329618C1 RU 2007100648/09 A RU2007100648/09 A RU 2007100648/09A RU 2007100648 A RU2007100648 A RU 2007100648A RU 2329618 C1 RU2329618 C1 RU 2329618C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microwave
- resonator
- chamber
- radius
- coaxial line
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области микроволновой техники и может быть использовано для нагрева образцов жидких диэлектрических сред энергией электромагнитного поля, например в СВЧ-химии, СВЧ-биологии, СВЧ-реологии и т.д. Техническим результатом является упрощение, повышение коэффициента заполнения и снижение КВС. Резонаторная камера прямоугольной формы высотой Н содержит металлическое прямоугольное ребро, соединенное с помощью индуктивного штыря с 50-омной коаксиальной линией. Радиус (r1) внутреннего проводника коаксиальной линии в два раза больше радиуса (r2) индуктивного штыря, расположенного под углом 90° в центре широкой стенки резонатора на расстоянии q=0.3042H от нижней металлической стенки резонатора. Облучаемый СВЧ-энергией образец прямоугольной формы (стеклянная кювета с жидким диэлектриком) размещается с помощью фторопластовых держателей между металлическим ребром резонатора и его боковой стенкой. Математическое моделирование S-параметров данного СВЧ-узла позволило установить, что при относительных размерах камеры: b/a=0.4863; t/a=0.1639; d/b=0.5; R/r1=2.3; r2/r1=0.5; q/H=0.3042, u/a=0.1366, где а - размер широкой стенки резонатора вдоль оси X); b - размер узкой стенки резонатора вдоль оси Y; t - ширина металлического ребра; d - расстояние между металлическим ребром и стенкой резонатора (емкостной зазор); R - радиус внешнего проводника коаксиальной линии; u - размер стеклянной кюветы в плоскости XY - в системе обеспечивается КСВ≤3 при вариациях диэлектрических свойств образца: 40≤ε'≤81; 1.2≤ε''≤20.4, где ε' - диэлектрическая проницаемость; ε'' - коэффициент потерь на частоте 2.45 ГГц. 3 ил.
Description
Изобретение относится к сверхвысокочастотным (СВЧ) устройствам для проведения научных исследований процессов взаимодействия электромагнитных (ЭМ) волн с поглощающими средами, например химическими или биологическими растворами.
Разработка специализированного оборудования, выпускаемого отечественными (ГНПП «Торий») и зарубежными (СЕМ, MileStone, Prolabo) производителями лабораторных СВЧ-систем для научных исследований, ведется по двум основным направлениям: многомодовые СВЧ-печи и одномодовые волноводно-резонаторные камеры прямоугольной или цилиндрической конфигурации. Многомодовые системы позволяют исследовать сразу несколько образцов, но для выравнивания ЭМ-полей и компенсации отраженной мощности в них используются дополнительные конструктивные элементы (роторные, ферритовые и др.), что оказывает влияние на их массогабаритные показатели. Одномодовые устройства предназначены для нагрева, как правило, одного образца, но и здесь возникают проблемы низкой энергетической эффективности системы и неравномерности тепловыделения в области взаимодействия.
Известны конструкции одномодовых резонаторов, используемых для облучения СВЧ-энергией образцов твердых и жидких диэлектрических материалов. Например, для катализа реакций жидких химических растворов в патенте [1] предложен прямоугольный резонатор, соединенный посредством стандартного волновода с магнетронным генератором, а для компенсации отраженной от нагрузки мощности предусмотрен вращающийся дефлектор в виде овальной металлической рамки, размещенный на стыке волновода и резонатора. Другая конструкция представляет собой цилиндрический резонатор, в котором с помощью коаксиального штыря возбуждается тип колебаний E012, а образец помещается вдоль центральной оси резонатора в максимум электрического поля [2]. Еще одна конструкция одномодового цилиндрического резонатора с керамической втулкой и двумя коаксиальными источниками описана в [3].
Недостатком указанных конструкций является невозможность обеспечить высокую интенсивность ЭМ-поля в области взаимодействия, а также значительный уровень отраженной от нагрузки мощности, что требует привлечения обязательного элемента подстройки, компенсирующего отраженную волну.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения была выбрана лабораторная камера, выполненная на цилиндрическом резонаторе с боковыми металлическими вставками, предназначенными для выравнивания и одновременной интенсификации электрического поля в области взаимодействия [4]. Возбуждение данного резонатора осуществляется посредством петлевого элемента, являющегося продолжением коаксиальной линии. Для подстройки резонансной частоты при вариациях комплексной диэлектрической проницаемости нагреваемого образца в рабочем интервале температур в конструкции [4] предусмотрены коаксиальные шлейфы.
Недостатком прототипа является его низкая энергетическая эффективность, составляющая примерно 25÷35% [4], что соответствует значению КСВ≈5÷7, а также низкая величина коэффициента заполнения (η), определяемая как отношение объема образца (Vs) к объему камеры (Vc): η=Vs/Vc≈0.06 [4]. Кроме того, еще одним недостатком прототипа является сложность его конструкции: резонаторная камера снабжена механизмом перемещения боковых стенок.
Задачей изобретения является создание лабораторной СВЧ-камеры более простой конструкции с коэффициентом заполнения, в два раза превышающим η прототипа и обеспечивающем КСВ≤3 на частоте 2.45 ГГц в диапазоне вариаций: 40≤ε'≤81; 1.2≤ε''≤20.4, где ε' - диэлектрическая проницаемость; ε'' - коэффициент потерь образца.
Поставленная задача достигается применением резонаторной камеры, состоящей из отрезка прямоугольного волновода с металлическим ребром, соединенным с помощью элемента возбуждения с 50-омной коаксиальной линией. В качестве элемента возбуждения применен индуктивный штырь. Металлическое ребро прямоугольной формы состыковано с коаксиальной линией под прямым углом на расстоянии от короткозамкнутой нижней стенки резонатора, равном q=0.3042Н, где Н - высота камеры, причем радиус индуктивного штыря в два раза меньше радиуса внутреннего проводника коаксиальной линии. Образец нагреваемого материала прямоугольной конфигурации размещается с помощью фторопластовых держателей вертикально между металлическим ребром и одной из стенок камеры перпендикулярно оси индуктивного штыря.
Отличительные признаки являются существенными, так как позволяют достичь поставленной задачи и получить технический эффект. Конструкция заявляемой камеры более простая, чем у прототипа, так как резонатор на прямоугольном волноводе с металлическим ребром (ПВ) имеет фиксированные размеры и у него отсутствует механизм перемещения боковых стенок, а кроме того, вместо петли в качестве элемента возбуждения применяется индуктивный штырь. Размещение этого штыря на расстоянии q=0.3042H от нижней металлической стенки камеры, а также поперечные размеры камеры позволяют обеспечить КСВ≤3 в диапазоне вариаций комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) облучаемого материала: 40≤ε'≤81; 1.2≤ε''≤20.4, что соответствует повышению энергетической эффективности СВЧ-системы примерно до 70%. Наконец, коэффициент заполнения заявляемой камеры в два раза превышает аналогичный параметр прототипа.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена трехмерная конфигурация заявляемой лабораторной СВЧ-камеры. На фиг.2 показано сечение камеры в плоскости XY в том месте, где размещается образец, а на фиг.3 дано сечение камеры в плоскости XY в месте стыка внутреннего проводника коаксиальной линии, индуктивного штыря и металлического ребра.
Заявляемая СВЧ-камера состоит из отрезка ПВ 1 с короткозамкнутой металлической стенкой 2 и коаксиально-волноводного перехода 3. Нагреваемый образец 4 размещается внутри камеры между фторопластовыми держателями 5, как показано на фиг.1. Коаксиальная линия с внешним проводником 6 и внутренним проводником 7 стыкуется с металлическим ребром камеры с помощью индуктивного штыря 8, радиус которого в два раза меньше радиуса внутреннего проводника 7 коаксиальной линии. Индуктивный штырь размещается на расстоянии q=0.3042H от нижней металлической стенки камеры.
Оптимизация численной модели данной лабораторной СВЧ-камеры, проведенная с помощью метода конечных разностей во временной области и метода сопряженных градиентов показала, что при относительных размерах камеры: b/a=0.4863; t/a=0.1639; d/b=0.5; u/a=0.1366; R/r1=2.3; r2/r1=0.5; q/H=0.3042, где Н - высота камеры; q - расстояние от нижней стенки камеры до оси штыря (Фиг.1); a - размер широкой стенки резонатора (вдоль оси X); b - размер узкой стенки резонатора (вдоль оси Y); t - ширина металлического ребра; d - расстояние между металлическим ребром и стенкой резонатора (емкостной зазор); u - размер стеклянной кюветы в плоскости XY (Фиг.2); R - радиус внешнего проводника коаксиальной линии; r1 - радиус внутреннего проводника коаксиальной линии; r2 - радиус индуктивного штыря (Фиг.3) и размерах образца: X×Y×Z=10×10×75 мм, на частоте 2.45 ГГц в системе обеспечивается КСВ≤3 при вариациях КДП образца: 40≤ε'≤81; 1.2≤ε''≤20.4, а также достигается напряженность электрического поля в образце воды , что примерно в 2.5 раза выше чем у прототипа. При этом за счет увеличения резонансной частоты удается снизить габаритные размеры камеры и увеличить коэффициент заполнения до η=0.13.
Данная микроволновая система может быть использована для проведения научных исследований процессов взаимодействия ЭМ-волн с диссипативными жидкими диэлектриками, например в области СВЧ-химии, СВЧ-биологии, СВЧ-реологии.
Литература
1. US Patent №6614010 B2. Microwave heating apparatus / M.Fagrell, O.G.Risman. Published 2.09.2003.
2. Microwave processing and diagnostics of chemically reacting materials in a single-mode cavity applicator / Jow J., Hawley M.C., Finzel M. et al // IEEE Trans. 1987. Vol. MTT-35. N12. P.1435-1443.
3. US Patent №6933482 B2. Microwave heating apparatus / M.Fagrell, O.G.Risman. Published 23.08.2005.
4. A re-entrant cavity for microwave enhanced chemistry / S.Kalhori, N.Elander, J.Svennebrink, S.Stone-Elander // International Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 2003. Vol.38. N2. P.125-135.
Claims (1)
- Резонаторная камера, состоящая из отрезка прямоугольного волновода с металлическим ребром, соединенным с помощью элемента возбуждения с 50-омной коаксиальной линией, отличающаяся тем, что в качестве элемента возбуждения используется индуктивный штырь, а металлическое ребро прямоугольной формы состыковано с коаксиальной линией под прямым углом на расстоянии от короткозамкнутой нижней стенки резонатора, равном q=0,3042H, где Н - высота камеры, причем радиус индуктивного штыря в два раза меньше радиуса внутреннего проводника коаксиальной линии, кроме того, введены фторопластовые держатели, которые установлены в камере для размещения образца нагреваемого материала прямоугольной конфигурации между металлическим ребром и одной из стенок камеры перпендикулярно оси индуктивного штыря.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007100648/09A RU2329618C1 (ru) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Лабораторная камера микроволнового нагрева |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2007100648/09A RU2329618C1 (ru) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Лабораторная камера микроволнового нагрева |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2329618C1 true RU2329618C1 (ru) | 2008-07-20 |
Family
ID=39809311
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2007100648/09A RU2329618C1 (ru) | 2007-01-09 | 2007-01-09 | Лабораторная камера микроволнового нагрева |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2329618C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116193659A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-05-30 | 河北科技大学 | 微波条件加热效果评价方法 |
-
2007
- 2007-01-09 RU RU2007100648/09A patent/RU2329618C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN116193659A (zh) * | 2023-04-24 | 2023-05-30 | 河北科技大学 | 微波条件加热效果评价方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2244529B1 (en) | Device for Heating a Sample by Microwave Radiation | |
JP4719870B2 (ja) | 3つのデカップルされた発振器を含むマイクロ波又は無線波装置 | |
Barroso et al. | Gyrotron coaxial cylindrical resonators with corrugated inner conductor: Theory and experiment | |
US7528353B2 (en) | Microwave heating device | |
Rajpurohit et al. | Design optimization of two input multimode applicator for efficient microwave heating | |
RU2329618C1 (ru) | Лабораторная камера микроволнового нагрева | |
Singh et al. | Multimode behavior of a 42GHz, 200kW gyrotron | |
Hu et al. | Effective optimization of temperature uniformity and power efficiency in two-ports microwave ovens | |
Taeb et al. | A low cost and sensitive sensor based on the Whispering Gallery Mode at D-band | |
Luo | Analyses of multimode forming process in a microwave-heating cavity | |
Xu et al. | Electromagnetic Black Hole for Efficiency Microwave Heating Based on Gradient-Index Metamaterials in Multimode Cavities | |
Glyavin et al. | The design of the 394.6 Ghz continuously tunable coaxial gyrotron for DNP spectroscopy | |
Reszke | Split energy delivery to material heating at RF and microwave frequencies | |
Sklavounos et al. | Permittivity measurements of liquids at millimeter-wave frequencies using an overmoded cavity resonator | |
Galaydych et al. | Mathematical model of an excitation by electron beam of “whispering gallery” modes in cylindrical dielectric resonator | |
Jain | Design and analysis of metallic photonic band gap cavity for a gyrotron | |
Shimozuma et al. | A 120 GHz high-power whispering-gallery mode gyrotron | |
Vezinet et al. | Plane wave in vitro exposure of biological samples, geometries considerations | |
RU130178U1 (ru) | Камера для сверхвысокочастотного нагрева диэлектриков | |
JP2005509249A (ja) | マイクロ波アプリケータシステム | |
Bondarenko et al. | Microwave irregular resonant structures | |
Vorobyov et al. | Particularities of transformation of surface electromagnetic waves into spatial radiation waves upon periodic metal dielectric structures | |
EP1521501A1 (en) | Microwave heating device | |
Chang et al. | A new applicator for efficient uniform heating using a circular cylindrical geometry | |
Neshat et al. | Mode-selective dielectric resonator coupled to dielectric image waveguide for sensing applications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100110 |