СВЧ-ПЕЧЬ Российский патент 1997 года по МПК H05B6/64 F24C7/02 F26B3/32 

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть применено для нагрева диэлектрических объектов, в частности пищевых продуктов.

Известна конструкция СВЧ-печи с антенной камерой, антенной и прорезями для излучения СВЧ-энергии, содержащая рабочую камеру, по крайней мере одна из стенок которой имеет множество отверстий для излучения через них СВЧ-энергии (патент США N 3851133).

Однако конструкция СВЧ-печи сложна, так как имеет множество разнотипных конструктивных элементов, служащих для распределения СВЧ-энергии в антенной камере, а также движущиеся элементы в антенной камере. Кроме того, в данной конструкции имеется ограничение на высоту рабочей камеры.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является СВЧ-печь, имеющая для равномерного распределения СВЧ-энергии в рабочей камере верхнюю стенку со множеством отверстий, к которой примыкает излучающая камера, в которую энергия от СВЧ-источника подается по волноводу через отверстие в стенке, параллельной стенке с отверстиями (заявка Японии N 51-14737, "Токке Кохо").

Недостатком такой печи является недостаточная равномерность распределения СВЧ-энергии по объему в излучающей камере, а следовательно, и в объеме рабочей камеры, которая обусловлена явлением дифракции падающей волны на отверстиях в параллельных пластинах (Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М. Радио и связь, 1988, с. 385, рис. 124, формулы 95.13; Марков Г.Т. Петров Б. М. Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. М. Сов. радио, 1979, с. 260 273). Другим недостатком известной печи является технологическая сложность, обусловленная необходимостью монтирования металлической пластины внутри нагревательной камеры и применением дополнительной технологической операции изготовления и монтирования на камере волноводного тракта.

Задача создания предлагаемого технического решения получение заданного распределения СВЧ-энергии по объему рабочей камеры, в частности равномерного распределения, и упрощение изготовления устройства.

В СВЧ-печь, содержащую рабочую камеру в форме параллелепипеда, снабженную дверцей, источник СВЧ-энергии, систему управления, введена антенная решетка последовательного питания, выполненная в виде многомодового волновода прямоугольного сечения, часть нижней стенки которого, образующая верхнюю стенку рабочей камеры, снабжена равномерно распределенными щелевыми отверстиями, а один из концов многомодового волновода непосредственно сопряжен с источником СВЧ-энергии.

Сопряженный с источником СВЧ-энергии конец многомодового волновода выполнен в виде фокусирующей системы, в фокусе которой установлен излучающий элемент источника СВЧ-энергии.

Многомодовый волновод совмещает в себе функции тракта передачи энергии от СВЧ-источника в камеру и системы распределения энергии по объему камеры - антенной решетки последовательного питания, причем последнее обеспечивает возможность достаточно надежно и просто управлять распределением СВЧ-энергии по объему камеры путем изменения шага щелей и их длины, что влияет как на амплитуду и фазу возбуждаемых колебаний, так и на их тип, дополнительно увеличивая равномерность распределения СВЧ-энергии по объему камеры. При этом такая система возбуждения рабочей камеры позволяет получать заданное распределение СВЧ-энергии в камере с произвольными размерами. Согласование многомодового волновода антенны с СВЧ-источником осуществляется посредством установки излучающего элемента СВЧ-источника в фокусе фокусирующей системы, в виде которой выполнен один из концов многомодового волновода при неизменной высоте волновода верхняя и нижняя его стенки в месте установки источника СВЧ имеют форму гиперболы или близкую к ней, а также настройкой длины ближайших к СВЧ-источнику щелей и направлением оставшейся после прохода волновода СВЧ-энергии в камеру через открытый конец волновода, выполненный для этого с поворотом.

На фиг.1 представлена СВЧ-печь, разрез; на фиг.2 вариант выполнения фокусирующей системы: а) с образующей в виде гладкой гиперболической кривой; б) с образующей в виде ломаной кривой, аппроксимирующей гиперболу.

Печь содержит СВЧ-источник 1 с излучающим элементом 2, многомодовый волновод 3, в нижней стенке которого выполнен ряд отверстий 4 и 5, рабочую камеру 6, фокусирующую систему 7 (отверстие под излучатель СВЧ-источника, выполненное в фокусе фокусирующей системы).

Фокусирующая система выполнена в конце многомодового волновода и состоит из верхней и нижней взаимно параллельных стенок, имеющих форму согласно фиг. 2, и соединяющей их по контуру боковой стенки. С помощью фокусирующей системы формируется фронт падающей волны.

Отверстия 4 и 5 в совокупности образуют антенную решетку. При этом размерами щелей можно регулировать степень согласования волновода с СВЧ-источником. Отверстие 5 предназначено для отвода в камеру оставшейся после прохода по волноводу энергии.

Работает предлагаемая СВЧ-печь следующим образом.

Излучающий элемент 2 СВЧ-источника 1 и фокусирующая система формируют фронт падающей волны в многомодовом волноводе, который при прохождении участка волновода с щелями возбуждает их с амплитудами, соответствующими заданному размерами щелей закону распределения коэффициентов связи отдельных щелей с камерой. Неизлученная через эти щели энергия проходит через открытый в камеру конец волновода. Возбужденные щели антенной решетки переизлучают в рабочую камеру 6 с амплитудами и фазами, обусловленными их размерами и взаимным расположением, также формируя при этом фронт падающей волны в камере. Кроме такого фронта падающей волны в камере возникает система стоячих волн разного типа, уровня амплитуд, типы которых определяются размерами рабочей камеры, а также размерами и положением щелей антенной решетки на верхней стенке камеры.

Таким образом, задавая размеры и положение щелей антенной решетки, можно реализовать заданное распределение (в том числе и равномерное) СВЧ-энергии в объеме камеры. При этом предлагаемая СВЧ-печь, обеспечивая адекватность распределения СВЧ-энергии в камере требуемому закону распределения за счет режима бегущих волн (Марков Г.Т. Сазонов Д.М. Антенны. М. Энергия, 1975, с. 301, рис. 8-5) в нерезонансной волноводно-щелевой решетке последовательного питания, имеет значительно более простую конструкцию, а значит более надежную.

Проведены испытания макетов двух рабочих камер с габаритами:
длина 482 мм, высота 208 мм, глубина 356 мм, рассчитанной на одновременное приготовление двух блюд;
длина 350 мм, высота 258 мм, глубина 322 мм, рассчитанной на приготовление одного блюда.

В качестве СВЧ-источника использован магнетрон М-105-1 с рабочей частотой, равной 2450±50 МГц, что соответствует длине волны λ_в ≈ 122 мм.. В обоих макетах щелевые отверстия связи в части нижней стенки волновода расположены равномерно, разбиты на три группы, внутри которых все щели взаимно параллельны. Длина щелей составляет λ_в, ширина всех щелей равна 0,1λ_в. Центральная группа щелей расположена на продольной оси симметрии камеры и щели перпендикулярны ей. Щели из боковых групп выполнены с наклоном 60^o к продольной оси симметрии камеры. Шаг щелей во всех группах составляет 80 мм, что соответствует наклону фронта падающей волны к поверхности антенной решетки 30^o. Для печи, рассчитанной на одновременное приготовление двух блюд, число щелей 5 в группе, для печи, рассчитанной на приготовление одного блюда, число щелей 3 в группе. В обеих камерах симметрично относительно продольной оси камеры на расстоянии 80 мм от первой от магнетрона щели центральной группы прорезаны щели длиной 50 мм. Их длина была подобрана для согласования тракта с магнетроном.

Измерения коэффициента равномерности K температурного поля в камере проводились согласно ОТУ ОСТ 11.0367-86 "Печи СВЧ бытовые". При этом коэффициент равномерности K для камеры, рассчитанной на одновременное приготовление двух блюд, составляет 92% для камеры, рассчитанной на приготовление одного блюда, равен 94% что значительно превышает требование ОТУ к уровню данного параметра (K≥70%).

Согласование излучателя магнетрона с трактом и камерой контролировалось панорамным измерителем КСВ_нP2-78.

При этом: КСВf₀±25 МГц ≅ 1,5 f₀±50 МГц ≅ 1,90; КСВf₀±25 МГц ≅ 1,45 f₀±50 МГц ≅ 2,0.

Причем дополнительной настройки щелей для дальнейшего выравнивания уровня температурного поля в рабочей камере не проводилось, так как достигнут высокий уровень равномерности и при сохранении размеров щелей, равными друг другу.

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть применено для нагрева диэлектрических объектов, в частности пищевых продуктов. СВЧ-печь содержит рабочую камеру в форме параллелепипеда, снабженную дверцей, источник СВЧ-энергии, систему управления. В СВЧ-печь введена антенная решетка последовательного питания, выполненная в виде многомодового волновода прямоугольного сечения, часть нижней стенки которого, образующая верхнюю стенку рабочей камеры, снабжена равномерно распределенными щелевыми отверстиями. Один из концов многомодового волновода непосредственно сопряжен с источником СВЧ-энергии и может быть выполнен в виде фокусирующей системы, в фокусе которой установлен излучающий элемент источника СВЧ-энергии. СВЧ-печь обеспечивает получение заданного распределения СВЧ-энергии по объему рабочей камеры, в частности равномерного распределения, и упрощение изготовления устройства. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СВЧ-печь, содержащая рабочую камеру в форме параллелепипеда, снабженную дверцей, источник СВЧ-энергии, систему управления, отличающаяся тем, что в нее введена антенная решетка последовательного питания, выполненная в виде многомодового волновода прямоугольного сечения, часть нижней стенки которого, образующая верхнюю стенку рабочей камеры, снабжена равномерно распределенными щелевыми отверстиями, а один из концов многомодового волновода непосредственно сопряжен с источником СВЧ-энергии. 2. СВЧ-печь по п. 1, отличающаяся тем, что сопряженный с источником СВЧ-энергии конец многомодового волновода выполнен в виде фокусирующей системы, в фокусе которой установлен излучающий элемент источника СВЧ-энергии.