基本信息
- 项目名称：
- 开口型多模式电磁加热器
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 为了能实现装备表面涂层修复区原位的快速固化，提高装备的维修保障效率，保障打赢未来信息化局部战争的能力，研制设计了本开口型多模式电磁加热器。该设备采用微波谐振腔理论设计，可以直接对物体表面进行原位加热，避免了将装备构件拆卸后进行烘干固化的繁杂过程，同时，由于微波加热过程是对涂层进行整体加热，所以效率更高，加热速度更快，再加上设备的操作简单，便于携带，可以大大增强我军装备的维修保障能力。
- 详细介绍：
- 本发明所要解决的技术问题是，研制一种能对军事装备的修复涂层原位地实现快速固化，且固化后的涂层质量可靠，切实可行，适用面广，携带方便，操作简便而安全的涂层固化设备。为解决这一问题，研制设计了本开口型多模式电磁加热器，它主要由加热腔、电器电路、微波加热器件、红外电热器件、控制面板等几部分组成，其主要包括微波和红外两大加热系统。其中微波加热系统由磁控管、波导、波形搅拌器、加热器和金属背底共同构成的微波谐振腔及开口处的扼流槽组成；红外加热系统的核心部件是一个红外电热器件，其供电电路与微波器件共用一个电源。 在微波加热模式下，磁控管电源把交流电转化为直流电为磁控管供电，磁控管是产生微波的核心部件，它将直流电能转化为微波辐射能。磁控管产生微波后，通过波导将微波能量输出到加热器和金属背底共同构成的微波谐振腔空间。同时，在炉腔顶部设置微波搅拌器来干扰微波在炉腔内的传播，使涂层加热均匀，从而在实现涂层快速固化的同时保证固化质量。这主要基于两条机理：其一是，涂层材料中的极性分子在微波电磁场的作用下，从原来的无规则热运动状态转为跟随微波电磁场的交变而排列取向（如，本设备磁控管产生的微波频率为2450兆赫，极性分子就会产生24.5亿次交变），分子间会因激烈摩擦为升温，微波能量迅速转变为涂层的热能；其二是，金属材料对微波具有强反射性，对于金属材料微波不能透入内部而是被反射回来，这样涂层的金属基底就会与设备的不锈钢内壁，形成微波谐振腔。这些机理保证了微波致热具有热惯性小，穿透力好，加热均匀，能量利用率高等优点，可使涂层介质瞬间升温，实现装备后修复涂层的快速固化。 在红外加热模式下，红外电热器件通电后发射出高能流密度的近红外辐射，同时，由于近红外光的波长短，具有很强的渗透性，直入涂层，使涂层温度迅速升高产生自发热效应，涂层中的水分由内向外挥发，还能提高涂层内分子的交联聚合几率，实现涂层的快速固化。由于涂层物理性质的不同，两种加热方法的加热效率及过程温度变化也有所差异，设备可以根据被加热涂层的物理性质选择最佳的加热模式。 另外，为能对某些对温度要求苛刻的表面涂层，设计了加热器自带的表面温度传感器。该温度传感器置于被加热涂层表面，监测涂层的表面温度，防止因温度过高损害表面涂层。同时，基于温度传感器的包括温度信息的采集、传输、接收、反馈控制和报警等多个子系统，也嵌入到设备的加热控制系统中，保证涂层固化的高质量。 基于上述机理和措施，本发明能够对装备表面的修复涂层进行快速、可靠、优质、高效的加热固化，原位、方便地对装备表面涂层进行快速修复，实现了对武器装备表面涂层的外场“快速抢修”的目的。因此，必将进一步提高我军在未来战争中装备的快速维修保障能力。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：为了能实现装备表面涂层修复区原位的快速固化，提高装备的维修保障效率，保障打赢未来信息化局部战争的能力。 基本思路：加热器与被加热涂层的金属背底共同构成了一个微波谐振腔，分别调整加热器工作在微波和红外两个频段，以适应不同场合的需要。用表面温度传感器放置在被加热涂层表面，监测涂层的表面温度。 创新点： 1、多种工作模式 2、加热过程可控 3、扼流槽设计 技术关键： 1、根据涂层的不同损耗机理，对微波谐振腔的震荡模式进行调节，使烘干过程处在最合理的状态上； 2、使用微波加热和红外加热两种可选频段； 3、使用表面温度传感器，监测涂层的表面温度 主要技术指标： 1、体积：467mm（宽）×277mm（高）×382mm（深） 2、炉胆尺寸：298mm（宽）×219mm（高）×325mm（深） 3、炉胆容积：20L 4、重量：约13.6 kg； 5、电压：220V～50Hz 6、输入功率：400W 7、输出功率：200W 8、微波频率：2450MHz 9、微波泄漏：≤1mW/c㎡ 10、加热均匀性：≥70%
科学性、先进性
- 科学先进性： 开口型多模式电磁加热器，采用成熟先进的软、硬件技术，符合国内外该领域的主流思想，在一定的时间内不落后；同时符合我军有关技术体制和规范要求，在涂层加热质量和安全上有保障。 按照开口型多模式电磁加热器主要功能，其中的微波和红外的加热发生装置是设备的核心，它的设计和制作既要满足在各自的加热模式下的有效工作，又要保障在两种模式下切换时稳定可靠,并严格按照军工产品的要求进行样机研制和测试。 对不同涂层物理性质的不同，我们设计了两套方案，即使用微波加热和红外加热系统。为了避免表面涂层因温度过高而损害，我们设计了加热器自带的表面温度传感器，以适时检测涂层表面温度。包括温度信息的采集、传输、接收、反馈控制和报警等多个子系统，该温度检测与反馈系统可以十分方便地嵌入到设备的加热控制系统中。 为方便使用者携带该电磁加热设备，我们设计制作了专用设备箱，设备所有的附件均可装入设备箱中，设备箱还起到保护设备的作用。我们选用了密度较低的材料，使整体重量大大降低，减轻了使用时的重量。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 生产阶段
技术转让方式
- 签订转让协议
作品可展示的形式
- 实物、产品和现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 使用环境：不要放在高温或潮湿的位置，不要暴晒或淋雨，注意使用环境的通风； 使用前检查：使用前检查设备有无破损，被加热表面是否平整，扼流槽有无明显变形，以防微波泄漏； 接地要求：选择合适的三脚插座，保证底线可以接地，并使用时可以顺利拔出，以防止意外发生时能够及时断开电源； 技术特点和优势： 1、原位加热性能力强 2、加热效果好 3、安全性好 4、实用性强 适用范围及推广前景： 开口型多模式电磁加热器主要应用于对金属结构表面涂层进行原位加热，也可推广用于对非金属基材表涂层的加热固化。 市场分析及经济效益预测： 不仅可在装备领域提高我军的装备维修及再制造水平，还可应用于军事工程的建设和战时抢修抢建，由于目前同类设备还很少，市场前景广阔。
同类课题研究水平概述
- 利用微波和红外加热实现涂层的快速固化，国内在这方面的研究已比较多，应用也比较成熟但主要是运用于工件在生产过程中的涂层涂覆，因此这些电磁固化设备往往体形庞大，操作过程复杂。在军事装备维修领域，国内已出现的实现装备快速修复的便携式设备是南京航空航天大学研制的飞行器结构损伤复合材料快速修复技术与设备。 该设备由可控自藕变压器、整流电路、控制电路和磁控管所组成的微波功率源与由转接器、同轴馈线、辐射天线所组成的微波施加器所构成，能在数十秒或数分钟内对飞机结构或其他飞行器结构损伤部进行局部快速加温，对损害部位周围结构不产生任何影响，从而达到快速、高效、优质、可靠地修复损伤部位的目的，实现对飞机结构或其他飞行器结构损伤部位的外场快速修复的目的。 南京航空航天大学研制的飞行器结构损伤复合材料快速修复技术与设备，主要用在装备结构损伤的复合材料修复，特别是装备的在线和场外修复，实现了修复的外场化和设备的便携化。但对于装备的表面涂层的修复，还没有一种快速完成原位修复的便携设备，往往需要将相应构件拆卸后，送到有专门的快速固化设备出才能实现修复涂层的快速固化，过程复杂，很难满足对装备修复速度日益提高的要求。同时微波与红外加热这两种能有效加快固化速度的新技术，也没能实现在一台便携设备上的结合。 从以上概述中我们不难看出，本项目无论从设计思路、技术路线还是需求背景上，在国内同类领域内都有其独到的理论见解和技术创新。该项目的成功研制开发和广泛应用必将使我军装备维修能力迈上一个新的台阶，为保障打赢未来信息化战争奠定坚实基础。
