устройство для диэлектрического нагрева длинномерного материала

Формула изобретения

1. Устройство для диэлектрического нагрева длинномерного материала, содержащее два идентичных длинномерных плоских электрода, между которыми находится нагреваемый материал, два выходных зажима высокочастотного генератора, расположенные напротив середины длины электродов симметрично относительно них и две идентичные группы проводников, связывающих выходные зажимы генератора, один из которых соединен с общей шиной, с соответствующими длинномерными электродами, к которым они подключены идентичным образом симметрично относительно концов электродов и на равных расстояниях по длине электродов, при этом расстояние от концов электродов до ближайших из концов проводников составляет половину расстояния между соседними концами проводников, отличающееся тем, что проводники выполнены в виде симметричной относительно общей шины n-ступенчатой, m-канальной разветвляющей системы с идентичными параметрами проводников в каждой ступени, два проводника первой ступени разветвления расположены симметрично относительно экранирующего их от общей шины дополнительного проводника, оба конца которого и середина одного проводника первой ступени разветвления соединены с общей шиной, а между серединой другого проводника первой ступени, подключенной к несоединенному с общей шиной выходному зажиму генератора и серединой упомянутого дополнительного проводника включен индуктивный элемент.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что проводники системы разветвления в h ступенях, кроме первой, где 1 < k < n 1, образуют двоичную систему (m 2).

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что однополярные проводники его системы разветвления, имеющие общие точки ветвления в любой ступени разветвления, кроме первой, объединены в общие проводники.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике высокочастотного нагрева диэлектрических материалов в частности к устройствам, обеспечивающим равномерный диэлектрический нагрев большого объема пиломатериалов и сушку этих пиломатериалов за короткое время.

В устройствах, предназначенных для диэлектрического нагрева различных материалов, мощность от высокочастотного генератора, передается, например, посредством пластин, между которыми в электрическом поле располагается нагреваемый диэлектрический материал [1] За счет диэлектрических потерь в нем происходит, в частности, выделение влаги из материала, располагаемого между плоскими электродами, и его сушка. Одним из электродов может быть шина.

Характерной стороной этого процесса нагрева является то, что стандартные длинномерные пиломатериалы имеют длину примерно 6,5 м и параллельные друг другу электроды с расположенными между ними пиломатериалами образуют линию передачи электромагнитной энергии. Ее электрическая длина при стандартной частоте высокочастотного питания, равной f 13,56 МГц, близка к длине волны. В процессе сушки электрическая длина линии, как и ее волновое сопротивление а также добротность линии существенно изменяются, так как испаряется влага и, следовательно, уменьшаются диэлектрическая проницаемость материала и тангенс угла потерь в нем (tg).

При подаче высокочастотных колебаний от генератора на вход этой линии, образованной электродами с диэлектриком, вдоль ее длины устанавливается стоячая волна напряжения и тока. Появляется большая неравномерность распределения напряжения вдоль линии, а это означает, что сушка диэлектрика происходит неравномерно по длине, что влечет к некачественному (непригодному) результату сушки.

Кроме того, в процессе нагрева и испарения большого процентного содержания влаги ввиду значительного изменения диэлектрической проницаемости материала существенно изменяется входное сопротивление линии. Поэтому требуется в больших пределах производить перестройку генератора. Этих пределов, как правило, не хватает, и требуется значительное усложнение конструкции генератора высокочастотных колебаний.

Если подключить генератор к середине линии, образованной электродами с диэлектриком [1, 2] то неравномерность остается недопустимо большой, так как электрическая длина каждой половины линии превышает 90^o. Изменение сопротивления нагрузки генератора не снижается до допустимых пределов и в этом случае. Аналогичный неудовлетворительный результат будет, если высокочастотное напряжение от генератора развести поровну на противоположные концы линии [3, 4]

Для обеспечения равномерной сушки материалов по длине линии к ней часто подключаются регулируемые в процессе сушки индуктивности [1, рис. 3.5] Следствием этого является усреднение во времени распределения напряжения вдоль линии. Подключение таких регулируемых индуктивных элементов существенно усложняет аппаратуру и ее эксплуатацию, в частности настройку, снижает надежность.

Можно рассчитать и подключить в определенных местах линии нагрузки нерегулируемые шунтирующие индуктивности, обеспечивающие достаточную равномерность распределения напряжения вдоль линии [2, 3] Однако ввиду значительного изменения диэлектрической проницаемости материала по мере удаления из него влаги возрастает перепад напряжений вдоль и становится большим интервал изменений сопротивлений нагрузки генератора, что осложняет его работу.

Решением рассматриваемой задачи явилось бы подключение генератора к электродам (к линии нагрузки) в нескольких точках [1, рис. 3.4]

Другим существенным недостатком известных решений является наличие значительной неравномерности нагрева (сушки) материала по толщине его набора. Обусловлено это тем, что толщина набора пиломатериала часто достаточно большая, до 1 м, и существенно влияют емкости на корпус сушильной камеры, куда отводится часть емкостного тока.

В результате этого оказывается, что нагрев материала уменьшается по толщине по мере "приближения" к общей шине, то есть к земле (плоскости нулевого потенциала). Естественным решением, приводящим к существенному снижению неравномерности по толщине, является использование симметричного питания электродов. В этом случае плоскость нулевого потенциала проходит через "середину" набора и поэтому влияние емкостей на общую шину существенно снижается. Однако известная практическая реализация симметричного питания [5, рис. 6, 18б] сложная, энергоемкая и трудно регулируемая. Происходит это потому, что осуществляется резонансное симметрирование, обусловленное введением последовательно LC-контура.

Помимо трудностей с симметрированием усложняется схема генератора и необходимо следить, чтобы близко от рабочей частоты не было другой резонансной частоты. Поэтому практически остается использовать на стандартном несимметричном относительно общей шины выходе генератора какое-либо из известных симметрирующих устройств, не требующих подстройки.

Решенной изобретательской задачей является создание устройства для диэлектрического нагрева длинномерных пиломатериалов от генератора с несимметричным относительно общей шины выходом на симметричные относительно общей шины длинномерные электроды, обеспечивающего допустимо малую неравномерность распределения напряжения по длине электродов и равномерность нагрева материала по его толщине.

При этом расстояние от несимметричного относительно общей шины выхода генератора до симметрично питаемых электродов допускается существенно меньшим длины электродов.

На фиг. 1 представлен общий вид устройства-прототипа. на фиг. 2 вариант устройства по изобретению; на фиг. 3 распределение амплитуд высокочастотного напряжения вдоль длины электродов для устройства по изобретению; на фиг. 4 - другой вариант устройства по изобретению, являющийся модификацией варианта фиг. 2; на фиг. 5 вариант устройства по изобретению, отличающийся от вариантов фиг. 2 и 4 выполнением симметрирующего устройства; на фиг. 6 - вариант устройства по изобретению, отличающийся выполнением симметрирующего устройства.

Устройство-прототип (фиг. 1) характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

1. Устройство включает генератор высокочастотных колебаний 1, имеющий выход 2, несимметричный относительно общей шины 3.

2. К выходу 2 подключено симметрирующее устройство 4.

3. К выходным плечам 5 и 6 симметричного выхода устройства 4 подключены две идентичные группы проводников 7, соответственно соединенных с длинномерными электродами 8 и 9 симметрично относительно их концов и на равных расстояниях по длине электродов 8 и 9, между которыми находится нагреваемый диэлектрический материал 10.

4. Расстояние между выходными плечами 5 и 6 симметрирующего устройства 4 и серединами электродов 8 и 9 существенно меньше длины электродов.

5. Расстояние от концов электродов 8 и 9 до ближайших из концов соответствующих им проводников 7 составляет половину расстояния между соседними концами соответствующих проводников 7.

Выбранный прототип (фиг. 1) имеет следующие недостатки.

1. На практике ввиду большой длины электродов 8 и 9 прямое присоединение генератора 1 к ним неосуществимо и длины проводников в двух их группах 7 оказываются большими. При больших длинах этих проводников, если даже и удастся подобрать их так, чтобы получить допустимую неравномерность распределения напряжения вдоль электродов 8 и 9 при определенных параметрах нагреваемого материала 10, то эффективность процесса сушки нарушается. Происходит это потому, что параметры диэлектрического материала 10 изменяются в больших пределах, что влечет изменения нагрузки генератора.

2. При больших длинах проводников 7 недопустимо возрастают размеры вакуумной камеры или потребуется много вакуумных вводов в нее; то и другое практически непригодно.

3. Усложнение выходной системы генератора с самовозбуждением за счет введения симметрирующего устройства 4 усложняет обеспечение самовозбуждения на строго определенной частоте, например 13,56 МГц, ввиду "удлиненного" общего пути передачи от выхода генератора 1 до электродов 8 и 9.

Устройство по изобретению (вариант фиг. 2) выполнено следующим образом.

1. На устройство поступают колебания от генератора высокочастотных колебаний 11 с потенциальным выходным зажимом 12 и вторым зажимом, соединенным с общей шиной 13.

2. Выходные зажимы генератора 11 расположены напротив середины длины электродов 14 и 15 с нагреваемым материалом 16 между ними и симметрично, относительно электродов 14 и 15 в плоскостях, параллельных поверхностям этих электродов.

3. Выходные зажимы генератора 11 расположены напротив середины длины электродов 14 и 15, симметрично относительно них и соединены с электродами 14 и 15 трехступенчатой двоичной системой разветвления 17, содержащей идентичные пары проводников в каждой ступени: 18 и 19, 20 и 21 в первой, 22 и 23, 24 и 25, 26 и 27, 28 и 29 во второй, 30 и 31, 32 и 33, 36 и 37, 38 и 39, 40 и 41, 42 и 43, 44 и 45 в третьей ступени.

4. Точки разветвления находятся в плоскостях, параллельных поверхностям электродов 14 и 15 и симметрично относительно них при первом и последующих ветвлениях на расстоянии друг от друга равных, в частности, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 и т.д. длин электродов 14 и 15.

5. Симметрично относительно проводников 18 и 19, 20 и 21 первой ступени разветвления расположен дополнительный проводник 46, концы которого подключены к общей шине 13.

6. Между серединой дополнительного проводника 46 и выходным зажимом 12 включен дополнительный индуктивный элемент 47.

Отличительными признаками заявленного устройства являются 3-й, 4-й, 5-й и 6-й существенные признаки. При этом последние три признака характеризуют два идентичных симметрирующих устройства, являющихся одновременно первой ступенью системы разветвления 17.

На фиг. 4 изображен вариант выполнения устройства по изобретению. В нем генератор 48 показан с выходом 49, несимметричным относительно общей шины 50 и расположенным напротив середины длины электродов 51 и 52 с нагреваемым материалом 53. Симметрирующее устройство из проводников 54 58 остается без изменения, а в разветвляющей системе из проводников 59 86 смежные проводники в парах 59, 61 и 62, 64, 65, 67 и 68, 70 объединены общими плоскими проводниками 60, 66 и 63, 69 соответственно. Этот вариант может практически быть предпочтительным, обеспечивая меньшую неравномерность напряжения вдоль электродов и внося в общую схему меньшую реактивность.

На фиг. 5 приведен вариант выполнения устройства по изобретению, аналогичный, в который экранирующий проводник 95 выполнен охватывающим соответственно проводники 91, 92, 93 и 94.

На фиг. 6 приведен вариант устройства по изобретению, отличающийся от фиг. 5 тем, что экранирующий проводник 127 выполнен в виде спаренных наружных проводников двух коаксиальных линий.

Помимо двоичной системы по типу фиг. 2, 4, 5, 6 в каждой ступени разветвления деление может происходить не на два, а в общем случае на m > 2 направлений, однако такое решение практически менее предпочтительно.

Анализ известного уровня науки и техники показал отсутствие информации об устройстве для диэлектрического нагрева длинномерного материала, характеризуемым совокупностью перечисленных выше шести существенных признаков.

Нет информации, раскрывающей отдельные существенные признаки заявленного устройства. Проведенный анализ показал, что заявленное решение удовлетворяет требованиям "новизна" и "изобретательский уровень", поскольку достигнутый результат удовлетворяет давно существующую потребность, разрешить которую до сих пор не удавалось.

Заявленное устройство (фиг. 2) работает следующим образом.

Колебания от высокочастотного генератора 11 с его выходных зажимов 12 и общей шины 13 поступают на соединенные между собой начала проводников 18 и 20, 19 и 21 первой ступени разветвления. Здесь мощность генератора 11 делится поровну между двумя идентичными трехпроводными линиями. Одна такая линия содержит проводники 18 и 19 и половину длины проводника 46. Другая линия содержит проводники 20 и 21, а также вторую половину проводника 46. В каждой из этих линий мощность также делится пополам.

Одна четверть мощности поступает в двухпроводную линию, образованную проводниками 18 и 46, а другая в линию, образованную проводниками 19 и 46. Аналогично этому во второй трехпроводной линии также происходит деление поступающей в нее половины мощности генератора 11 пополам между двухпроводными линиями, образованными проводниками 20 и 46, 21 и 46.

Чтобы в каждой их идентичных трехпроводных линий мощность делилась поровну между двумя двухпроводными линиями, необходимо и достаточно выполнить следующие два условия.

1. Проводник 46 должен экранировать от общей шины 13, соответственно проводники 18 и 19 в одной трехпроводной линии и проводники 20 и 21 в другой трехпроводной линии; проводники этих пар 18 и 19, 20 и 21 должны располагаться симметрично относительно проводника 46.

2. Между соединенными началами проводников 18 и 20 и серединой проводника 46 должен быть включен балансирующий индуктивный элемент 47. Этот элемент компенсирует шунтирующее действие обеих половин проводника 46, которое имеет место между серединой проводника 46 и общей шиной 13.

В результате компенсирующего действия индуктивного элемента 47 деление мощности в каждой из двух трехпроводных линий происходит поровну и на концах проводников 18 и 19, а также на концах проводников 20 и 21 оказываются равные по амплитуде и противоположные по фазе напряжения относительно общей шины 13. Иными словами, на выходах двух трехпроводных линий, действующих одновременно как первая ступень деления мощности и как симметрирующие устройства, образуются симметричные напряжения относительно общей шины 13.

Далее после первой ступени происходит разветвление только симметричных относительно общей шины напряжений. Во второй также двоичной ступени деления участвуют на одной стороне линии из пар проводников 22 и 23, 24 и 25, а на другой стороне этой ступени деления линии из проводников 26 и 27, 28 и 29. С выходов этих линий напряжения поступают на третью двоичную ступень деления. В ней имеется восемь идентичных симметричных двухпроводниковых линий из пар проводников 30 и 31, 32 и 33, 34 и 35, 36 и 37, 38 и 39, 40 и 41, 42 и 43, 44 и 45. Выходы этих линий подключены на равных расстояниях между собой к плоским электродам 14 и 15.

В силу симметрии системы деления и идентичности всех ее путей от выхода генератора 11 до мест подключений к электродам 14 и 15 напряжения на них будут симметричными относительно плоскости нулевого потенциала, проходящей посередине между электродами 14 и 15, и при этом равнопульсирующими по длине линии, образованной электродами 14 и 15 (фиг. 3). Равные значения U_max достигаются на краях электродов и посередине между местами подключения к ним; в местах подключения к электродам будут U_min.

Устройство фиг. 4 работает точно также, как и устройство фиг. 2. Дополнительные проводники 60, 63 и 66, 69 несколько снижают неравномерность напряжений вдоль электродов, обеспечивая практически меньшую асимметрию.

Аналогичным образом работают и устройства по фиг. 5 и 6, которые отличаются только конструктивной реализацией экранирующего проводника 46 на фиг. 2. На практике наиболее предпочтительным оказывается вариант согласно фиг. 6.

Пример. Для подтверждения эффективности предложенного решения было изготовлено устройство по изобретению с трехступенчатой двоичной системой разветвления мощности (фиг. 6) применительно к симметричным электродам длиной 2,2 м и шириной 35 см при частоте генератора f 40 МГц. В качестве ступеней разветвления использовались стандартные спаренные 50-Омные кабели. При этом расстояния между выходами генератора и электродами составляло 45 см и, переходя к стандартной частоте 13,56 МГц, получим длину электродов 6,5 м, а расстояние от их середины до выхода генератора 130 см, что соответствует реальной синтезации в промышленности.

Получение симметричного питания электродов от генератора с несимметричным выходом без увеличения длины пути передачи мощности за счет симметрирования способствует устойчивой работе высокочастотного генератора с самовозбуждением.