ホーンアンテナによるアスファルト混合物のマイクロ波加熱の熱解析

序章

マイクロ波および RF 加熱は、乾燥、硬化、加硫などの産業処理で広く利用されています。RF 加熱の最も有用なアプリケーションの 1 つは、特にアスファルト混合舗装の道路構造の熱維持であり、発生した損傷を処理します。

アスファルト混合物は、舗装道路、駐車場、空港で一般的に使用される複合材料です。長期間使用すると損傷する可能性があり、道路災害やその他の健康上の問題を避けるために、すぐに修理する必要があります。マイクロ波加熱は、その迅速さと均一な加熱モードにより、迅速な定期的な熱メンテナンスに最適な解法の 1 つです。

マイクロ波放射加熱中、アスファルト材料の電磁場の電力損失が発生します。マイクロ波エネルギーの吸収が発生すると、この電力の熱エネルギーへの変換は、加熱されたアスファルト混合物の誘電損失特性に依存します。

提案された RF 加熱設計は、[700 MHz ～ 1300 MHz] の周波数範囲で動作する同軸フィード ピラミッド型ホーン アンテナ [1] にさらされた長方形のアスファルト サンプルに基づいています。 Ref [2] から抽出された実験用プロトタイプの写真を次の図に示します。

問題の説明

HFWorks のアンテナ研究は、提案された MW 加熱モデルを分析するために使用されます。
-最初の分析は、前述の周波数範囲で単純なエアボックスが照射されたときのホーンアンテナの電磁性能の調査に専念します。
- 2 番目の調査では、同じ周波数帯域に熱結合解析を追加する際に、アスファルト混合物サンプルを考慮します。

検討したモデルの CAD 設計を次の図に示します。

電磁境界条件

スタディ1：エアボックスの使用

最初のアンテナ検討は、ホーン アンテナが空中放射している場合に検討されます。シミュレーションは、励起電力を 1Watt に設定した場合の次の結果を明らかにしました。850MHz での電界分布は、次のアニメーション プロットによって示されます。

リターン ロスの 2D プロットの結果は、HFWorks と動作周波数帯域の測定値がよく一致していることを示しています。測定された帯域幅 56%です。

動作周波数 850MHz で得られる最大ゲインは約 10.48 dB であり、参考文献 [2] で言及されている実験結果とよく一致しています。次の 2D および 3D プロットは、極ゲイン パターンの結果を示しています。

スタディ2: アスファルト混合物サンプルの使用

2 番目の解析では、同じ周波数範囲で 800 ワットに設定された励起電力に対して、アスファルト混合物の MW 加熱プロセスを採用します。電磁気方程式と熱伝達方程式が結合され、次の結果が得られます。

最初の図は、動作周波数 850MHz でのホーン アンテナからアスファルト サンプルへの電界分布を示しています。

(a)

(ロ)

次の図は、アスファルトが照射されたときのゲイン パターンの図を示しています。利得低下に伴うバック領域では、望ましくないバックローブが発生する。

熱境界条件

定常状態の熱分析は、加熱されたサンプル内の温度プロファイルを推定するために電磁スタディと連成されています。対流境界条件は、22°C の周囲温度でアスファルト混合物の外側の面に適用され、熱伝達係数は 800Wtt の励起電力で 10 W/m²K に設定されました。得られた温度分布の結果は、次のフリンジ プロットによって示されます。

結論

ホーン アンテナを使用した MW 熱プロセスは、この解析で正常に検討されました。現在の検討では、FEM ベースの HFWorks ツールを使用して、ホーン アンテナの電磁界と、加熱されたアスファルト サンプル全体の熱分布を解析および計算する方法が示されました。

マイクロ波エネルギーを熱発生に使用して複数の熱処理を行うという概念は、アスファルトの急速加熱に効果的で安全であることが証明されています。

参考文献