Микроволновая печь - RU2145155C1
Код документа: RU2145155C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к технической физике, в частности технике СВЧ нагрева, может быть использовано в устройствах для нагрева диэлектриков с помощью высокочастотного электромагнитного поля, например, в бытовых микроволновых печах для обеспечения равномерного пространственного распределения СВЧ энергии в области расположения нагреваемого продукта.
Широко известно, что микроволновая печь включает источник СВЧ энергии, СВЧ камеру, фидер, соединяющий источник СВЧ энергии с СВЧ камерой, один или несколько излучателей, размещенных в одной или нескольких стенках СВЧ камеры для возбуждения в ней СВЧ энергии, а также плату для размещения нагреваемого продукта, расположенную в СВЧ камере (см., например, пат. США N N 4458186, 1984 г., 4463239, 1984 г., 4580023, 1985 г, пат.США N 4318069, 1982 г., пат. ЕПВ N 0201947, 1990 г. и др.). Известно также, что без принятия специальных мер СВЧ энергия имеет неравномерное пространственное распределение в области размещения нагреваемого продукта. В результате этого в нагреваемом продукте возникают так называемые "горячие" и "холодные" точки, что приводит к неудовлетворительным результатам тепловой обработки многих типов продуктов, поскольку в таких условиях часть продукта может быть чрезмерно нагретой, в то время как другая часть окажется едва нагретой. Общепринято объяснять это обстоятельство установлением в СВЧ камере стоячих волн, возникающих в результате интерференции различных потоков СВЧ мощности, как первичных, от излучателей, так и переотраженных от стенок СВЧ камеры и от нагреваемого продукта. Нежелательное перераспределение СВЧ энергии происходит между узлами и пучностями возникающей интерференционной картины.
Проблеме обеспечения равномерного нагрева продукта, находящегося в СВЧ камере традиционно уделялось большое внимание. Известно решение указанной проблемы путем реализации периодического изменения пространственного распределения СВЧ энергии в СВЧ камере, препятствующего возникновению в ней установившихся стоячих волн, или периодическим изменением положения нагреваемого продукта, что препятствует возникновению установившихся узлов и пучностей мощности на поверхности продукта. Эти изменения могут осуществляться как механическим, так и электронным путем.
Изменение пространственного распределения СВЧ энергии путем механического его перемешивания реализуется с помощью специального перемешивающего устройства, установленного в СВЧ камере (например, пат. США N N 4458186, 1984 г., 4463239, 1984 г., 4580023, 1985 г.) или в фидере (например, пат.США N 4318069, 1982 г., пат.ЕПВ N0201947, 1990 г.). Периодическое изменение положения нагреваемого продукта реализуется путем перемещения или вращения платы, на которой размещен нагреваемый продукт (например, пат.США N 5317086, 1994 г., пат.ЕПВ N 0084272, 1987 г.).
Примером изменения пространственного распределения СВЧ энергии в СВЧ камере электронным путем могут служить технические решения по пат. США N 4301347, 1981 г. пат.США N 4324968, 1982 г., пат. США N 4336434, 1982 г.
Так в микроволновой печи по пат. США N 4301347, 1981 г. равномерность нагрева помещенного в СВЧ камеру продукта улучшена благодаря использованию вращающихся эллиптически-поляризованных электромагнитных волн. Формирование этих волн обеспечивается с помощью крестообразного излучателя (либо с помощью двух одиночных, взаимно ортогональных, ориентированных под углом 45o к оси фидера щелевых излучателей) совместно с перестраиваемым фазовращателем. Крестообразный излучатель излучает электромагнитные волны левой и правой круговой поляризации, а перестраиваемый фазовращатель изменяет фазу одной из поляризаций. В результате интерференции волн двух поляризаций в СВЧ камере формируются электромагнитные волны эллиптической поляризации, ось которой поворачивается в соответствии с законом изменения фазы одной из круговых поляризаций.
А по пат. США N 4324968 предлагается осуществлять излучение электромагнитных волн с круговой поляризацией в СВЧ камеру посредством крестообразного щелевого излучателя, электрическое местоположение которого относительно оси фидера изменяется по заданному закону. В результате форма распределения СВЧ энергии в плоскости платы для расположения продукта изменяется от круговой к эллиптической в соответствии с перемещением электрического положения излучателя.
Другой путь решения указанной проблемы реализован в техническом решении по пат. США N 4336434, где электромагнитные волны круговой поляризации излучают в СВЧ камеру через элементы связи, сфазированные определенным образом для формирования концентрированного луча. Фазовые соотношения между элементами связи изменяют во времени по заданному закону, в результате чего сформированный луч сканирует внутри полости СВЧ камеры.
Микроволновая печь по пат. США N 4464554, 1984 г. содержит волновод, размещенный вдоль одной из стенок СВЧ камеры, в котором размещена решетка излучателей для возбуждения электромагнитной энергии в СВЧ камере. Конфигурация решетки излучателей такова, что в зависимости от заданных фазовых соотношений обеспечивается установление первого или второго стационарного пространственного распределения СВЧ энергии в СВЧ камере. Каждое из распределений включает области с высокой плотностью СВЧ энергии, которые перемежаются с областями с низкой плотностью СВЧ энергии, при этом области с высокой плотностью СВЧ энергии первого пространственного распределения электромагнитной энергии соответствуют областям с низкой плотностью СВЧ энергии второго пространственного распределения СВЧ энергии. Поэтому периодическое переключение фазы пространственного распределения обеспечивает равномерность усредненного во времени пространственного распределения плотности энергии в области размещения продукта.
Предпринимаемые в известных технических решениях меры, действительно, обеспечивают приемлемую равномерность распределения СВЧ энергии в области расположения нагреваемого продукта. Однако общим недостатком этих технических решений, как тех, в которых выравнивание распределения СВЧ энергии осуществляется механическим путем, так и тех, в которых оно осуществляется электронным путем, является недостаточная технологичность конструкции. Это обусловлено необходимостью использования движущихся элементов и исполнительных механизмов, что в СВЧ конструкциях нежелательно, поскольку сопряжено либо с дополнительными потерями СВЧ энергии, либо с возникновением нежелательных искрений и плазмообразований, т.е. с потерей электропрочности.
По патенту России N 2000677, 1992 г. предлагается выполнить внутренние поверхности боковых стенок в виде периодической гребневой структуры, направление гребней которой параллельно плоскостям торцевых стенок. При этом излучатели выполнены с возможностью возбуждения в СВЧ камере электромагнитного поля, имеющего только продольную по отношению к гребням составляющую напряженности электрического поля. Однако гребневая структура обеспечивает равномерное распределение СВЧ энергии лишь в отсутствии продукта в СВЧ камере. Поскольку нагреваемый продукт в общем случае не обладает необходимой симметрией, то помещение его в СВЧ камеру приводит к возникновению электромагнитных волн с другой поляризацией, что нарушает равномерность распределения СВЧ энергии, следствием чего является неравномерный нагрев продукта.
Ближайшим аналогом настоящего изобретения по совокупности сходных существенных признаков является микроволновая печь, известная по пат. США N 3218518, 1963 г. Эта микроволновая печь содержит источник СВЧ энергии, СВЧ камеру, а также первый и второй излучатели, выполненные с возможностью излучения в СВЧ камеру энергии, поляризованной в двух взаимно ортогональных направлениях. СВЧ камера включает дно, стенки, образующие совместно с дном замкнутую полость, и две диэлектрические платы, ограничивающие область размещения нагреваемого продукта. Одна плата расположена выше горизонтальной плоскости симметрии СВЧ камеры, а другая - ниже нее. Нагреваемый продукт размещают приблизительно в горизонтальной плоскости симметрии СВЧ камеры. Источник СВЧ энергии соединен с СВЧ камерой с помощью двух одномодовых фидеров, выполненных в виде волноводов, при этом как верхняя, так и нижняя части СВЧ камеры, включают область, смежную с соответствующим волноводом. Излучатели размещены по разные стороны горизонтальной плоскости симметрии, один - в стенке, ограничивающей указанную область нижней части СВЧ камеры, а другой в стенке, ограничивающей указанную область верхней ее части. Конструкция этой микроволновой печи достаточно технологична, поскольку не содержит движущихся элементов.
Недостатком этой конструкции является сравнительно небольшая область равномерного нагрева. Это обусловлено тем, что в вертикальной плоскости область равномерного нагрева сосредоточена в окрестности горизонтальной плоскости симметрии СВЧ камеры, поскольку нагрев продукта осуществляется с помощью излучателей, размещенных симметрично по разные стороны этой плоскости. При этом линейные размеры области равномерного нагрева в горизонтальной плоскости определяются линейными размерами сечения потока мощности от одного излучателя в горизонтальной плоскости симметрии СВЧ камеры и ограничены приемлемыми размерами СВЧ камеры. Это ограничивает класс продуктов, для которых можно реализовать равномерный нагрев.
Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка микроволновой печи с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно микроволновой печи, характеризующейся расширенной областью равномерного нагрева, а также технологичностью конструкции.
Сущность разработанной микроволновой печи заключается в том, что она так же, как и микроволновая печь, которая является ближайшим аналогом, содержит источник СВЧ энергии, СВЧ камеру, первый одномодовый фидер, соединяющий источник СВЧ энергии с СВЧ камерой, а также пространственно разнесенные первый и второй излучатели. Первый и второй излучатели выполнены с возможностью излучения в СВЧ камеру СВЧ энергии, поляризованной взаимно ортогонально. СВЧ камера включает дно, стенки, образующие совместно с дном замкнутую полость, и плату с размещенным на ней продуктом, расположенную в нижней части СВЧ камеры. Верхняя часть СВЧ камеры включает первую область, смежную с первым одномодовым фидером, а первый излучатель размещен в части стенки СВЧ камеры, ограничивающей указанную первую область.
Новым в разработанной микроволновой печи является то, что второй излучатель размещен в верхней части СВЧ камеры, а плата с размещенным на ней нагреваемым продуктом расположена в области соприкосновения либо в непосредственной близости границ сечений первичных парциальных потоков мощности по уровню 3 дБ от первого и второго излучателей.
В частном случае второй излучатель размещен в стенке СВЧ камеры, ограничивающей указанную первую область, между источником СВЧ энергии и первым излучателем, при этом первый излучатель выполнен практически полностью согласованным с первым одномодовым фидером, а второй излучатель выполнен с возможностью излучения приблизительно половины СВЧ энергии в СВЧ камеру и передачи оставшейся части к первому излучателю.
В другом частном случае микроволновая печь содержит второй одномодовый фидер, соединяющий источник СВЧ энергии с СВЧ камерой, при этом первый и второй одномодовые фидеры соединены с источником СВЧ энергии через волноводный 3 дБ разветвитель, верхняя часть СВЧ камеры включает вторую область, смежную со вторым одномодовым фидером, а второй излучатель размещен в части стенки СВЧ камеры, ограничивающей указанную вторую область.
В другом частном случае первый и второй излучатели выполнены с возможностью излучения линейно-поляризованных волн.
В конкретной реализации этого частного случая каждый из излучателей выполнен в виде одиночного щелевого излучателя, при этом первый и второй излучатели имеют взаимно ортогональную ориентацию.
В другой конкретной реализации этого частного случая каждый из излучателей выполнен в виде петлевого излучателя, при этом плоскости петли первого и второго излучателей имеют взаимно ортогональную ориентацию.
В другой конкретной реализации этого частного случая один из излучателей выполнен в виде петлевого излучателя, а другой излучатель выполнен в виде одиночного щелевого излучателя, при этом плоскость петли петлевого излучателя и одиночный щелевой излучатель ориентированы параллельно друг другу.
В другом частном случае первый и второй излучатели выполнены с возможностью излучения волн круговой поляризации. В конкретной реализации этого частного случая одномодовый фидер выполнен в виде полого волновода, а каждый из излучателей выполнен в виде крестообразной щели.
В другом частном случае СВЧ камера выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда.
В конкретной реализации этого частного случая первый и второй излучатели размещены в противоположных боковых стенках СВЧ камеры.
В другой конкретной реализации этого частного случая первый и второй излучатели размещены в верхней стенке СВЧ камеры.
В другой конкретной реализации этого частного случая один из излучателей размещен в верхней стенке СВЧ камеры вблизи одной из боковых стенок, а другой излучатель размещен в противоположной боковой стенке СВЧ камеры.
Сущность настоящего изобретения можно пояснить следующим образом. Большая часть тел, нагреваемых в микроволновой печи, является слабо отражающими, поэтому резонансные свойства СВЧ камеры с размещенным в ней продуктом проявляются достаточно слабо. В еще большей степени это имеет место при размещении в СВЧ камере продуктов, линейные размеры которых сравнимы с линейными размерами полости СВЧ камеры, т.е. именно тех продуктов, в отношении которых проблемы неравномерного нагрева особенно остры. Высокий коэффициент заполнения СВЧ камеры продуктами такого типа ослабляет в еще большей степени и без того слабые резонансные свойства СВЧ камеры. Это позволяет пренебречь влиянием переотраженных от поверхности нагреваемого продукта потоков мощности, и в качестве конструктивного критерия равномерного нагрева использовать степень равномерности пространственного распределения плотности первичных потоков мощности в нижней части СВЧ камеры, т.е. в области расположения продукта. Излучение в СВЧ камеру электромагнитной энергии двух взаимно ортогональных поляризаций, которые не могут интерферировать между собой, при размещении излучателей пространственно разнесенными в верхней части СВЧ камеры препятствует возникновению установившихся стоячих волн в СВЧ камере и обеспечивает соприкосновение либо непосредственную близость границ сечений первичных парциальных потоков мощности по уровню 3 дБ в нижней части СВЧ камеры. Размещение платы с нагреваемым продуктом в нижней части камеры в области соприкосновения либо в непосредственной близости границ сечений первичных парциальных потоков мощности обеспечивает необходимый технический результат - расширенную область равномерного распределения СВЧ энергии, а следовательно, расширенную область равномерного нагрева. Это достигается тем, что при указанном размещении платы с нагреваемым продуктом линейные размеры области равномерного распределения СВЧ энергии в горизонтальной плоскости, а следовательно, равномерного нагрева продукта определяются в одном направлении - диаметром сечения первичного парциального потока СВЧ мощности в плоскости платы для нагрева продукта, а в другом - суммой диаметров сечений первичных парциальных потоков СВЧ мощности в этой плоскости. Нетрудно видеть, что площадь области равномерного распределения потоков СВЧ мощности на поверхности платы для нагрева продукта в предложенном техническом решении превышает площадь аналогичной области в микроволновой печи, которая является ближайшим аналогом, по 3 дБ уровню мощности не менее, чем в 2 раза, а по уровню мощности 0,9 - более, чем в 4 раза. Кроме того, очевидно, что расположение в разработанной микроволновой печи излучателей по одну сторону от нагреваемого продукта увеличивает в несколько раз область равномерного нагрева в вертикальной плоскости, по сравнению с микроволновой печью, которая является ближайшим аналогом. Все это дает возможность реализовать равномерный нагрев продуктов, имеющих большие линейные размеры, как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной плоскости. Изобретение не требует для своей реализации сложных, громоздких конструктивных решений. Это позволяет решить задачу, на решение которой направлено настоящее изобретение, - разработать микроволновую печь с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно микроволновую печь, которая характеризуется расширенной областью равномерного нагрева, а также технологичностью конструкции. Конкретные виды и формы выполнения излучателей, а также конкретная конфигурация СВЧ камеры характеризуют изобретение в частных конкретных случаях его выполнения.
На фиг. 1 показан общий вид одного из вариантов разработанной микроволновой печи. На фиг. 2 изображен вид сверху микроволновой печи, изображенной на фиг. 1. На фиг. 3 изображен вид сверху другого варианта разработанной микроволновой печи. Фиг. 4 иллюстрирует первичные парциальные потоки мощности в СВЧ камере, микроволновой печи, выполненной по фиг. 3. На фиг. 5 показано распределение плотности потоков мощности в диаметральной плоскости СВЧ камеры. На фиг. 6 приведены линии 3 дБ уровня плотности потоков мощности в СВЧ камере разработанной микроволновой печи. На фиг. 7а,б показаны общий вид и вид сверху петлевых излучателей, размещенных в одномодовом волноводе. На фиг. 8а,б показаны общий вид и вид сверху излучателей, выполненных в виде крестообразной щели и размещенных в одномодовом волноводе.
Микроволновая печь по фиг. 1, 2 содержит источник 1 СВЧ энергии, СВЧ камеру 2 и первый одномодовый фидер 3, соединяющий источник 1 с СВЧ камерой 2. Микроволновая печь включает также пространственно разнесенные первый и второй излучатели 4,5 соответственно, выполненные с возможностью излучения в СВЧ камеру СВЧ энергии, поляризованной взаимно ортогонально. СВЧ камера 2 включает дно 6, стенки 7, образующие совместно с дном 6 замкнутую полость 8, и плату 9 с размещенным на ней нагреваемым продуктом 10, расположенную в нижней части 11 СВЧ камеры 2. Верхняя часть 12 СВЧ камеры 2 включает первую область 13, смежную с первым одномодовым фидером 3. Первый и второй излучатели 4,5 размещены в части 14 стенки 7, ограничивающей первую область 13. Второй излучатель 5 размещен между источником 1 и первым излучателем 4, при этом первый излучатель 4 выполнен практически полностью согласованным с первым одномодовым фидером 3, а второй излучатель 5 выполнен с возможностью излучения приблизительно половины СВЧ энергии в СВЧ камеру 2 и передачи оставшейся части к первому излучателю 4. Для реализации этой функции излучатель 5 может быть снабжен согласующим элементом 15.
Микроволновая печь по фиг. 3, 4 дополнительно содержит второй одномодовый фидер 16, соединяющий источник 1 с СВЧ камерой 2. Верхняя часть 12 СВЧ камеры 2 (см. фиг. 4) включает вторую область 17, смежную со вторым одномодовым фидером 16. В микроволновой печи по фиг. 3, 4 первый излучатель 4 размещен в части 14 стенки 7, ограничивающей первую область 13, как и в микроволновой печи по фиг. 1,2, а второй излучатель 5 размещен в части 18 стенки 7, ограничивающей вторую область 17. При выполнении микроволновой печи по фиг. 3, 4 первый и второй излучатели 4, 5 соответственно выполнены полностью согласованными с соответствующим первым и вторым одномодовым фидером 3, 16 соответственно. Первый и второй одномодовые фидеры 3, 16 соответственно соединены с источником 1 через волноводный 3 дБ разветвитель 19.
На фиг. 1, 2, 3, 4 СВЧ камера 2 выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, а излучатели 4, 5 выполнены с возможностью излучения линейно-поляризованного излучения в виде одиночных щелевых излучателей, которые имеют взаимно ортогональную ориентацию.
При выполнении СВЧ камеры 2 по фиг. 1, 2 для излучения в СВЧ камеру 2 волн круговой поляризации первый одномодовый фидер 3 выполнен в виде полого волновода, а каждый из излучателей 4,5 может быть выполнен в виде крестообразной щели (фиг. 8 а,б), при этом линия, соединяющая электрические центры излучателей, образует отличный от нуля угол α с направляющей полого волновода.
Фиг. 4 иллюстрирует первичные парциальные потоки мощности в СВЧ камере 2 микроволновой печи, содержащей два одномодовых фидера. Однако эта иллюстрация справедлива также и для микроволновой печи, выполненной по фиг. 1,2. На фиг. 4 P1, P2 - линии 3 дБ уровня первичных парциальных потоков мощности от излучателей 4, 5, соответственно.
На фиг. 5 показано распределение плотности парциальных потоков мощности в диаметральной плоскости СВЧ камеры 2 на различных расстояниях от излучателей 4, 5 в сечениях I, II, III. Линии 20, 21 характеризуют распределение плотности парциальных потоков мощности отдельно включенных излучателей 4, 5. Линия 22 характеризует распределение плотности потока мощности при совместном включении излучателей 4,5.
На фиг. 6 приведены линии 3 дБ уровня плотности потоков мощности в СВЧ камере 2 разработанной микроволновой печи на различных расстояниях от излучателей 4,5 в сечениях I, II, III. Линии 23,24 характеризуют отдельное включение излучателей 4, 5, линия 25 характеризует совместное включение излучателей 4,5.
Взаимное расположение платы 9 с размещенным на нем продуктом 10 и излучателей 4,5 определяется условием соприкосновения либо непосредственной близости границ сечений первичных потоков мощности от излучателей 4,5 по уровню 3 дБ в нижней части СВЧ камеры 2. Оно может быть найдено, например, по книге Л.И.Вайнштейн. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1989 г., гл. 18,17.
Микроволновая печь по фиг. 1,2 работает следующим образом.
Первый одномодовый фидер 3 передает СВЧ энергию от источника 1 на излучатели 4,5. Ближайший к источнику 1 второй излучатель 5 обеспечивает излучение в СВЧ камеру 2 приблизительно половины СВЧ энергии, поступающей от источника 1, и передачу по первому фидеру 3 оставшейся части СВЧ энергии к первому излучателю 4. Первый излучатель 4 обеспечивает излучение в СВЧ камеру 2 всей поступающей на него СВЧ энергии. В результате в СВЧ камере 2 формируются два потока мощности. Поскольку поляризации этих потоков взаимно ортогональны, то интерференционных эффектов не возникает и результирующий поток является суммой парциальных потоков Р1, Р2 мощностей от излучателей 4,5 (фиг. 4). Область, в которой находится нагреваемый продукт 10, характеризуется достаточно равномерным нагревом, поскольку плата 9 с нагреваемым продуктом 10 размещена в области соприкосновения либо в непосредственной близости границ сечений по уровню 3 дБ в нижней части СВЧ камеры первичных парциальных потоков мощности от излучателей 4, 5, где, как видно из фиг. 4, 5, 6, формируется равномерное пространственное распределение плотности первичных парциальных потоков мощности.
При выполнении микроволновой печи по фиг. 3,4 СВЧ энергия от источника 1 поступает в волноводный 3 дБ разветвитель 19, который осуществляет распределение СВЧ энергии от источника 1 на две равные части. Одна часть поступает в первый одномодовый фидер 3, который передает СВЧ энергию на излучатель 4, а вторая часть поступает во второй одномодовый фидер 16, который передает СВЧ энергию на излучатель 5. В остальном работа микроволновой печи по фиг. 3, 4 аналогична работе микроволновой печи по фиг. 1,2.
Реферат
Микроволновая печь содержит источник СВЧ энергии, СВЧ камеру, включающую дно, стенки, образующие совместно с дном замкнутую полость, и плату с нагреваемым продуктом, расположенную в нижней части СВЧ камеры, первый одномодовый фидер, пространственно разнесенные первый и второй излучатели, выполненные с возможностью излучения в СВЧ камеру СВЧ энергии, поляризованной взаимно ортогонально, верхняя часть СВЧ камеры включает первую область, смежную с первым одномодовым фидером, первый излучатель размещен в части стенки камеры, ограничивающей указанную первую область, второй излучатель размещен в верхней части СВЧ камеры, а плата с размещенным на ней нагреваемым продуктом расположена в области соприкосновения, либо в непосредственной близости границ сечений первичных парциальных потоков мощности по уровню 3 дБ от первого и второго излучателей. Печь содержит второй одномодовый фидер, соединяющий источник СВЧ энергии с СВЧ камерой, при этом первый и второй одномодовые фидеры соединены с источником СВЧ энергии через волноводный 3 дБ разветвитель, верхняя часть СВЧ камеры включает вторую область, смежную со вторым одномодовым фидером, а второй излучатель размещен в части стенки СВЧ камеры, ограничивающей указанную вторую область. Излучатели могут быть выполнены с возможностью излучения линейно-поляризованных волн, волн круговой поляризации. Каждый из излучателей может быть выполнен в виде одиночного щелевого излучателя, петлевого излучателя. Технический результат заключается в расширении области равномерного нагрева, улучшении технологичности конструкции и эксплуатационных характеристик. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
