Недостатками существующих ВЧ устройств являются низкий коэффициент использования высокочастотной энергии, используемой на нагрев (далее КПД), который не превышает 10% от подводимой к генератору от промышленной сети и ограничение ширины клеевых швов.
В процессе использования ВЧ установок с момента их создания в 50–х. годах прошлого века сложилось мнение, что низкий КПД – неизбежное свойство таких устройств, связанное с принципом их работы. Существующие представления сводятся к тому, что нагрев происходит за счет диэлектрических потерь в материале. Устройства для ВЧ нагрева диэлектриков строятся по одной принципиальной схеме – автогенератор, в анодном контуре которого электроды являются частью резонансной системы. Такая схема не может обеспечить полное согласование источника колебаний с нагрузкой. Это является основным условием получения высокого КПД любого высокочастотного устройства. Из-за волновых процессов в радиочастотных устройствах энергия, не поглощаемая нагрузкой, отражается от нее и образует обратную волну. Складываясь, они образуют стоячую волну. В результате на отдельных участках схемы возникают пучности тока и напряжения, в которых происходит рассеивание не поглощенной нагрузкой энергии. Основным активным элементом схемы является генераторная лампа, в которой поглощается большая часть энергии, отраженная от нагрузки. Электрические характеристики клеев не нормируются. До сих пор отсутствует методика измерения электрических свойств клеевых соединений, что затрудняет проектирование ВЧ устройств. Параметры установок, такие как частота, емкость электродов в силу принципов работы схемы автогенератора зависят от их площади, расстояния между ними, диэлектрической проницаемостью склеиваемого материала и являются случайной величиной.
Ограничение расстояния между электродами (ширины клеевого шва) связано с тем, что для интенсивного нагрева в существующих устройствах требуется напряженность поля не менее 0,5-0,8 киловольта/сантиметр. В автогенераторных схемах высокочастотное напряжение на электродах не может быть больше 70% напряжения питания анода генераторной лампы. Мощные генераторные лампы имеют напряжение анода не более 10-12 киловольт. Поэтому ширина шва (расстояние между электродами) не превышает 100 мм.
Существующие представления о нагреве клеевых соединений очень упрощены. Нельзя однозначно утверждать, что нагрев происходит за счет диэлектрических потерь. Это справедливо лишь для «чистых» образцов древесины влажностью не более 12%. Клеевой шов представляет достаточно сложную структуру и поглощение энергии ВЧ поля в нем зависит от множества факторов. Как показали исследования, в различных диапазонах частот свойства клеевого соединения значительно изменяются (явление дисперсии). Установлено, что коэффициент поглощения ВЧ энергии в клеевом соединении при определенных условиях может быть более 70%, что в несколько раз выше, чем у существующих установок.
Разработанные устройства существенно отличаются от известных схем. Они строятся по модульному принципу. Модуль состоит из генератора небольшой мощности со стандартным выходным сопротивлением, коаксиального фидера произвольной длины и согласующего устройства с электродами. Размеры электродов определяются условиями согласования, а не размерами нагреваемых изделий. Для нагрева изделий, размеры которого превышают размеры электродов, используется несколько идентичных модулей. Согласующее устройство и конструкция электродов, а также выбор оптимальных параметров устройства, такие как частота, емкость электродов, позволяют для каждого конкретного устройства получить КПД, близкий к теоретически возможному. Для нагрева изделий разного сечения используются одинаковые модули. Устройства отличаются лишь конструкцией электродов и настройкой согласующего устройства. Конструкция генератора не имеет принципиального значения.
На основе исследований и новых технических решений разработана экспериментальная установка с генератором на лампе ГУ-43Б (подводимая мощность 2,5 кВт, выходная- 1,6 кВт, напряжение на аноде лампы 3 кВ). Она позволяет нагревать клеевые швы шириной более 300 мм при равномерном нагреве по всей поверхности. Максимальная ширина (расстояние между электродами), при которой наблюдается достаточный для отверждения клея нагрев, составляет 500 мм. Таким образом, ширина клеевого шва в 6 раз больше, чем у аналога, при мощности генератора меньшей в 25 раз.
При увеличении мощности генератора и соответствующей конструкции электродов возможен нагрев клеевых соединений еще большей ширины. Теоретически ширина клеевого шва может быть более 1000 мм, так как не ограничена анодным напряжением, как у аналога, а определяется мощностью генератора, сопротивлением потерь и необходимой для нагрева удельной мощностью.
Коэффициент стоячей волны на выходе генератора не превышает 1,5 в течение всего цикла нагрева. Расчетный КПД установки превышает 60%. За счет этого в несколько раз снижена необходимая мощность по сравнению с существующими устройствами. При склеивании древесины влажностью до 12% мощность определяется площадью клеевых соединений, а не объемом изделия, так как происходит избирательный нагрев клеевого шва.
В результате испытаний установлено, что для нагрева клеевых соединений достаточно удельной мощности 0,8-1 Вт на 1 кв.см. склеиваемой поверхности с использованием ПВА дисперсии и 1-1,5 Вт/кв. см. при использовании формальдегидных смол, в зависимости от марки клея. Время схватывания клея на основе ПВА при склеивании гладких, ненапряженных поверхностей составляет 15 – 60 секунд. Формальдегидные смолы полностью отверждаются за время от 10 секунд (карбамидные смолы КФ-ПС-2 и М-70) до 2 минут (фенол- формальдегидная смола СФЖ-3013). Распространенная карбамидно-формальдегидная смола КФЖ имеет время полного отверждения порядка 30 секунд. По сравнению с аналогом удельная мощность снижена в 5-6 раз.
Разработанные устройства могут эффективно использоваться для любых видов склейки – торцовой (сращивание по длине), по кромке (щиты), по плоскости (многослойный брус), при производстве гнутоклееных изделий и в других технологических операциях в деревообработке. Расчеты показывают, что оптимальная мощность модуля для этих устройств составляет 3-6 кВт. Подобные технические результаты получены впервые.
Предлагаемая технология склейки без преувеличения может изменить ситуацию на рынке деревообрабатывающего оборудования для производства современных конструкционных материалов из древесины.
