книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

градусов в секунду даже для таких полимеров, как поли­ эфиры, обладающие сравнительно небольшими потерями.

Для нашего рассмотрения важно установить общие закономерности и не обязательно иметь точные решения. Совершенно естественно, что во всех случаях кратковре­ менного нагрева распределение температуры будет очень близким по форме к кривой подводимого тепла. После длительного нагрева градиент температуры в любой точке листа будет пропорционален определенному интегралу кривой подводимого тепла на отрезке между этой точкой и границей раздела. Математически эта задача решается при помощи преобразования Лапласа, но для наших це­ лей такое решение не требуется. Мы можем сформули­ ровать простой вывод: чем «острее» кривая подводимого тепла, тем «острее» равновесное температурное распреде­ ление; однако изменение остроты равновесного распреде­ ления много меньше, чем изменение остроты в кривой под­ водимого тепла. Даже если на кривую подводимого тепла не накладывается каких-либо ограничений, равновесное температурное распределение с удалением от границы раз­ дела обязательно будет иметь постоянную или монотон­ но возрастающую первую производную. При любой ко­

равновесной температурной кривой должна быть равна нулю. В случае VII бесконечная производная первой кри­

вой в точке раздела приводит к конечной, не равной нулю производной равновесной кривой. Следовательно, для первых трех случаев чем продолжительнее нагрев, тем более резко спадает равновесная кривая с удалением от границы раздела. Напротив, в случаях V— VII более

крутой спад имеют температурные кривые, полученные после кратковременного нагрева.

Рассмотрим теперь роль тангенса диэлектрических •потерь. Если с повышением температуры тангенс потерь уменьшается или остается" постоянным, то наблюдаются кривые типов I —III. Это означает, что чем дольше будет

производиться^нагрев до достижения температуры сварки на границе раздела,гтем меньше возрастает температура остальной части пластика. Если^же тангенс потерь увели­ чивается с температурой,рто наблюдаются кривые типов V

и"V/, и чем дольше ведется нагрев до температуры свар­ ки, тем выше поднимается температура в остальной части пластика.

Теперь познакомимся еще сродним свойством, которое приведет нас к\конечной цели~этого анализа. Независи­ мо от того как тангенс потерь меняется с температурой, если нагрев производится настолько быстро, что за время достижения температуры сварки на границе тепловым потоком можно пренебречь, то получаются кривые типа III. Это^означает, что для предпочтительных случаев V и VI существует оптимальное время нагрева, при котором

будут получаться наилучшие швы. За это время тепловой поток оказывается значительным, но до равновесного со­ стояния еще далеко. Другими словами, можно сказать, что время нагрева должно быть очень близким к тепловой постоянной времени листового материала или пленки. Тепловую постоянную времени определяют на начальном участке кривой падения температуры от точки равновес­ ной температуры на границе (случай III) сразу после

внезапного выключения до нуля подводимого тепла. Ана­ литически эта постоянная определяется как/>2/2а, где!> — толщина каждого листа пластика, а а — коэффициент теплопроводности. Этот коэффициент равен /С/рСр, где К — удельная теплопроводность, р — плотность и Ср —

удельная теплоемкость. Для большинства полимеров ве­ личина а составляет (5 -ь- 25)-10"4 см2/сек. Следовательно, для пленки толщиной 0,1 мм тепловая постоянная вре­ мени будет лежать в пределах от 20 до 100 мсек. Таким

образом, предпочтительное время нагрева для сварки таких пленок должно было бы составлять, скажем, от 15 до 150 сек. Эти значения существенно меньше, чем ис­

пользуемые в практике индукционного ВЧ-нагрева, где время нагрева обычно лежит в пределах от 1 до 10 сек.

Но кроме очевидной необходимости использовать СВЧ-энергию для того, чтобы можно было проводить на­ грев достаточно быстро, т. е. за оптимальное время, су­ щественное значение имеет также частотная зависимость тангенса угла потерь при различных температурах. Кри­ вая тангенса угла потерь имеет максимум на частоте релаксации, которая экспоненциально увеличивается с температурой. При популярном описании СВЧ-нагрева

вопросы, связанные с процессами релаксации, обычно не. рассматривают.

У большинства полимеров с приближением к темпера­ турам, при которых производится сварка, частота релак­ сации перемещается из диапазона радиочастот в диапа­ зон СВЧ. Следовательно, на радиочастотах будут наблю­ даться кривые типа / и / / , а на СВЧ — кривые /У —VI.

На фиг. 2 приведены температурные зависимости танген-

Ф и г. 2. Диэлектрические потерн в полиэтилептерефталате (по данным Лаборатории исследования изоляции Массачусетского технологического института).

са угла потерь полиэтилентерефталата, который является типичным полиэфиром и размягчается приблизительно при 260 °С. Отметим, что на частотах 3000 и 10 000 Мгц

ход кривой нарастания тангенса угла потерь высоких температур полностью удовлетворяет требованиям, тогда как на частоте 1000 Мгц тангенс угла потерь в этой об­

ласти температур не возрастает из-за релаксации на этой частоте. На более низких частотах может наблюдаться нежелательное уменьшение тангенса угла потерь с по­ вышением температуры.

В качестве конкретного примера, иллюстрирующего СВЧ-сварку пластиков, опишем работу, которая прово­ дилась с пленкой «тедлар» фирмы «Дюпон». Эта пленка

представляет собой поливинилфтористое соединение, ко­ торое прозрачно для всех составляющих солнечного света и вместе с тем не ухудшает своих свойств под его воздей­ ствием. Молекулы в этой пленке частично ориентированы, благодаря чему обеспечивается достаточная прочность для использования ее в теплицах и других установках с применением солнечной энергии, например в установках для перегонки.

Применение СВЧ-энергии для склеивания больших полотен пленки, разматываемой со многих рулонов, поз­ волило сохранить полезные качества пленки. Из этих полотен затем изготавливали структуры с поддувом, в которых использовалась солнечная энергия. В цеховых условиях делали непрерывные швы длиной до 24 м\ в по­

левых условиях,- когда одну из структур случайно разре­ зали острым металлическим инструментом, были сделаны непрерывные швы длиной 12 м. В обоих случаях приве­

денные цифры не связаны с какими-либо ограничениями максимально допустимой длины шва, а определялись конкретной производственной задачей.

На фиг. 3, 4 и 5 показаны различные моменты сборки структуры из пленки «тедлар». Швы идут слева направо на расстоянии приблизительно 1 м один от другого. Тот

факт, что они не заметны, свидетельствует об их гладкости и высоком качестве. На фиг. 6 и 7 показаны ремонтные работы, выполняемые в полевых условиях на другой струк­ туре. Заплату, накладываемую рабочими (фиг. 6), можно обнаружить в левом верхнем углу фиг. 7

Описанные здесь швы выполнялись внахлест и имели большую прочность. Прочность этих швов на растяжение превышала собственный предел упругости исходной плен­ ки. Скорость выполнения швов составляла 0,3—1,0 м/мин.

Источником СВЧ-энергии служил магнетрон типа 7090 фирмы «Амперекс», который отдавал мощность 200 вт на частоте 2450 Мгц.

Швы получались в результате воздействия электри­ ческого поля, создававшегося между небольшим вращаю­ щимся металлическим колесиком и листом металла. Ко­ лесико было смонтировано на конце центрального провод­ ника коаксиальной линии и благодаря наличию специаль­ ной пружины обеспечивало необходимое сжатие пленки

согласования импедансов использовалась пара подвиж­ ных^четвертьволновых диэлектрических вставок в коак­ сиальной линии сзади колесика. Мощность к данной сва­ рочной головке поступала по гибкому коаксиальному кабелю КСМ65/П, который аналогичен кабелю КО-8/11, но имеет фторопластовый диэлектрик и покрытые серебром проводники.

Сварочная головка монтировалась на тележке, которая приводилась в движение электродвигателем как в цехо­ вых, так и в полевых условиях. При пуске и останове не возникало никаких трудностей даже в тех случаях, когда производилось наложение шва па шов в целях обеспече­ ния сплошности. В соответствии с принципами работы передающих линий напряжение на колесике автоматиче­ ски повышалось^при увеличении толщины пленки (в слож­ ных структурах), благодаря этому изменять скорость те­ лежки не требовалось.

В- отличие от рабочих напряжений, характерных для индукционного ВЧ-нагрева, напряжение на колесике было настолько низким, что не наблюдалось склонности к искрениям ни при случайном попадании воды из воз­ душного шланга, ни из-за наличия воды на самой пленке. Искрений не наблюдалось также и в тех случаях, когда колесикожкатилось по листу металла без пленки, въезжа­ ло на пленку и производило сварку, а затем снова съезжа­ ло на металлический лист.

На фиг. 8 приведена фотография типичного шва, сде­ ланная через несколько лет после его выполнения. Хо­ рошо видна ровность шва.

Теперь мы перечислим несколько практических при­ меров, которые иллюстрируют возможности применения СВЧ для сварки различных видов пластмасс, и используе­ мое для этой операции СВЧ-оборудование.

Производилась приварка крышек к банкам с сыром диа­ метром 10—15 см. Крышки и банки были сделаны из

ацетатбутиратцеллюлозы. Функции электрода выполнял кольцевой резонатор глубиной около 2 см, работавший на частоте 250 Мгц.

Энергией частоты 500 Мгц выполнялись прямые свар­ ные швы 6 мм X 10 см на материале из полимеров, ис­

пользуемом для пошива одежды.

111. Заключение

Из описания основополагающих принципов и приве­ денных в этом разделе примеров легко сделать вывод, что СВЧ-сварка пластмасс является областью больших возможностей для изготовителей массовых товаров, изго­ товителей СВЧ-оборудования, изобретателей и рациона­ лизаторов и даже для химиков-аналитиков.

5,1.16. СУШИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

СБЕГУЩЕЙ ВОЛНОЙ

Хи н эн 1)

I. Введение

Возобновление интереса к практическим применениям СВЧ для промышленного нагрева и сушки обусловлено успехами, достигнутыми недавно в области мощных гене­ раторов СВЧ. Создание амплитрона [1], способного от­ давать в нагрузку мощность 400 кет в непрерывном ре­

жиме при высоких к. п. д., показало, что промышлен­ ность имеет возможность выпускать высоконадежные СВЧ-приборы с меньшей мощностью (50—100 кет). Такие

приборы рассчитаны на непосредственное подсоединение к волноводам и другим СВЧ-компонентам. Использова­ ние этих приборов для СВЧ-нагрева и сушки позволит на порядок увеличить мощность установок.

II. Типы сушильных установок

Все сушилки можно делить на два класса: сушилки пе­ риодического и сушилки непрерывного действия. В нашу задачу не входит рассмотрение преимуществ и недостат­ ков сушилок обоих классов.'. В данном разделе описыва­ ются сушильные СВЧ-установки (и печи) непрерывного действия. Тем не менее заслуживает внимание тот факт, что за последние годы разработано и пущено в эксплуа­ тацию несколько многокиловаттных сушильных устано-

г) Описанная здесь работа была начата автором в фирме «Рей­ теон».